WO2006125240A1 - Verfahren zur positions-und/oder geschwindigkeitsregelung eines linearen antriebes - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for position and / or
  • Speed control of a linear drive in particular a servo drive for a linear robot, wherein an electric machine is fed via a converter with a control unit and the motor position, in particular sensorless or via a position sensor, is determined.
  • the invention also relates to a circuit arrangement for carrying out the method.
  • a known servo drive consists of an electric motor, which is mechanically coupled to a position measuring system.
  • the servo inverter with its output stage supplies the motor with energy via a cable.
  • the information of the position sensor is fed back to the servo amplifier with a cable.
  • This measure is called position feedback.
  • the measured position is differentiated to the speed.
  • the speed controller is dependent on a high quality of the position signal, since a measurement or quantization noise in the position signal amplified by the differentiation acts.
  • the position controller directly processes the position signal and the position specification.
  • a highly dynamic control of a servo drive thus requires a position detection with high resolution, which precludes an economic solution because it is expensive.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method of the type mentioned, on the one hand avoids the above disadvantages and with the other hand, the quality of the scheme is qualitatively increased.
  • the method according to the invention is characterized in that this engine position signal and an acceleration signal generated via an accelerometer provided in the control unit and arranged on the moving part of the linear drive are mathematically calculated to a speed signal and that this speed signal is used to control the drive.
  • this engine position signal and an acceleration signal generated via an accelerometer provided in the control unit and arranged on the moving part of the linear drive are mathematically calculated to a speed signal and that this speed signal is used to control the drive.
  • the quality or quality of the control that eliminates the differentiation of the motor position signal by the observer. Namely it is by the accelerometer, the lower-resolution position measuring relative Inaccurate position measurement signal upgraded to a good usable speed signal.
  • the sensorless determination of the motor position via the control signals of a reluctance motor, in particular stepping motor is carried out.
  • This reluctance motor is provided as a drive for the carriage.
  • the motor position can be determined via the control signals of the reluctance motor.
  • the sensorless determination of the motor position from the available in the control unit, measured variables current and voltage and the motor position signal and the acceleration signal are charged in an observer and used to control the drive. It is advantageous that, regardless of the manner of detecting the motor position, the acceleration signal can be used for position and / or speed control.
  • the motor position is measured by a position sensor and this motor position signal is offset with the acceleration signal in an observer and the
  • the object of the invention is also to provide a circuit arrangement for carrying out the above-indicated method.
  • Accelerometer on the moving part of the linear drive, in particular on the carriage is provided that the motor position detection sensorless on the available quantities in the control unit current and voltage or over a Position sensor takes place and that on the one hand, the engine position detection and on the other hand, the accelerometer with an observer and the output of the observer are connected to the input of the speed controller.
  • cost-effective components such as the accelerometer
  • the drive electronics are moved along the moving part of the drive and the acceleration sensor, the accelerometer, is integrated directly in the drive controller as a MEMS component.
  • an extremely cost-effective design is given because the cost of the currently very complex detection of the rotor position can be significantly reduced with a high-resolution position measuring system, without having to sacrifice the optimum drive dynamics.
  • the accelerometer is designed as a micro electro-mechanical system (MEMS) and integrated in the mitbewegten control unit.
  • MEMS micro electro-mechanical system
  • the accelerometer is designed as a multi-axis Micro Electro-Mechanical System (MEMS).
  • MEMS Micro Electro-Mechanical System
  • the use of multi-axis accelerometers can also be particularly advantageous, especially if the control unit is responsible for the control of several axes.
  • the inverter and the control unit are formed with the accelerometer as a unit and are provided on the moving part of the linear drive, in particular on the carriage. This achieves an extremely compact solution.
  • the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments, which are illustrated in the drawings. Show it:
  • Fig. 1 shows schematically a linear drive
  • Fig. 2 shows schematically the linear drive with arranged on the moving part
  • Fig. 3 is a circuit diagram of a control with a position sensor
  • Fig. 4 is a circuit diagram of a control with sensorless motor position detection.
  • a motor 1 drives a carriage 2 of a linear robot.
  • An inverter 3, preferably a servo inverter, is mounted in the vicinity of the motor 1 and is moved with the carriage 2.
  • the motor 2 drives, for example via a toothed belt 14, the carriage 2.
  • the inverter 3 is mounted together with the motor 1 on the carriage 2.
  • the engine 1 which is designed in particular as a permanent-magnet synchronous machine, fed via the inverter 3 with a control unit 4 and determines the motor position, in particular sensorless or via a position sensor.
  • the decentralized structure with a moving drive electronics makes it possible to supplement the control unit 4 of the servo amplifier with an integrated accelerometer 5, which is for example designed as a micro electro-mechanical system (MEMS) and equipped as a component on the circuit board of the control unit.
  • the converter 3, optionally a power stage 6, and the control unit 4 with the accelerometer 5 are formed as a unit and provided on the moving part of the linear drive, in particular on the carriage 2.
  • MEMS micro electro-mechanical system
  • the control unit 4 with the accelerometer 5 are formed as a unit and provided on the moving part of the linear drive, in particular on the carriage 2.
  • a position sensor 7 is provided on the motor 1.
  • the engine 1 is fed via the power level 6.
  • The, arranged on the moving part of the drive, drive electronics consists of a position controller 8, a downstream speed controller 9 and a current regulator 10.
  • the current regulator 10 is connected to the power stage 6.
  • the motor position signal generated by the position sensor 7 and an acceleration signal generated via the accelerometer 5 provided in the control unit 4 and arranged on the moving part of the linear drive are mathematically offset against a speed signal in an observer 11. This speed signal is then used in sequence to control the drive.
  • a sensorless determination of the motor position takes place.
  • the motor position is determined from the, available from the control unit 4, measured quantities current and voltage in a gate, the motor position detection 12, via an algorithm.
  • This engine position signal and the acceleration signal of the accelerometer 5 are calculated in the observer 11 and used to control the drive.
  • the sensorless determination of the motor position via the control signals of a reluctance motor, in particular a stepping motor.
  • This reluctance motor is provided as a drive for the carriage.
  • the motor position can be determined via the control signals of the reluctance motor.
  • a mathematical, model-based method is used which generates the speed signal from the signal of the accelerometer 5 and the calculated motor position.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsregelung eines linearen Antriebes, insbesondere eines Servoantriebes für einen Linearroboter. Eine elektrische Maschine wird über einen Umrichter (3) mit einer Steuereinheit (4) angespeist und die Motorposition, insbesondere sensorlos oder über einen Lagesensor (7), bestimmt. Dieses Motorpositionssignal und ein, über ein in der Steuereinheit (4) vorgesehenes, am bewegten Teil des Linearantriebes angeordnetes, Accelerometer (5) erzeugtes, Beschleunigungssignal werden mathematisch zu einem Geschwindigkeitssignal verrechnet. Dieses Geschwindigkeitssignal wird zur Regelung des Antriebes herangezogen. Das Accelerometer (5) ist als ein Micro Electro-Mechanical System (MEMS) ausgeführt und in der mitbewegten Steuereinheit (4) integriert.

Description

Verfahren zur Positions- und/oder Geschwindiqkeitsregetung eines linearen
Antriebes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positions- und/oder
Geschwindigkeitsregelung eines linearen Antriebes, insbesondere eines Servoantriebes für einen Linearroboter, wobei eine elektrische Maschine über einen Umrichter mit einer Steuereinheit angespeist wird und die Motorposition, insbesondere sensorlos oder über einen Lagesensor, bestimmt wird. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein bekannter Servoantrieb besteht aus einem elektrischen Motor, welcher mechanisch mit einem Positionsmeßsystem gekoppelt ist. Der Servoumrichter mit seiner Endstufe versorgt über ein Kabel den Motor mit Energie. Die Information des Positionssensors wird mit einem Kabel an den Servoverstärker zurückgeführt. Diese Maßnahme wird Positionsfeedback genannt. Die gemessene Position wird zur Geschwindigkeit differenziert. Der Drehzahlregler ist an eine hohe Güte des Positionssignals angewiesen, da ein Mess- bzw. Quantisierungsrauschen im Positionssignal durch die Differentiation verstärkt wirkt. Der Lageregler verarbeitet direkt das Positionssignal und die Positionsvorgabe. Eine hochdynamische Regelung eines Servoantriebs erfordert also eine Positionserfassung mit hoher Auflösung, die einer wirtschaftlichen Lösung entgegensteht, weil sie teuer ist.
Bei höchsten Anforderungen an die Regelungsgüte können die Nachteile der Differentiation eliminiert werden, indem zusätzlich ein Beschleunigungssensor eingesetzt wird. Die gemessene Position und die Beschleunigung werden in einem so genannten Beobachter zu einem Geschwindigkeitssignal mit einem wesentlich geringeren Rauschen verrechnet, wie beispielsweise in Hiller, B.; Lehner W-D.: Verbesserung der Regelgüte durch Ferraris-Sensoren. Antriebstechnik 40, 2001 , Nr. 4, aufgezeigt ist. Der Nachteil dieser Lösungen sind die hohen zusätzlichen Kosten für den Beschleunigungssensor und die Verkabelung. Eine weitere Einrichtung zur Gewinnung eines dynamisch hochwertigen, teilweise synthesierten Signals für die Beschleunigung des Läufers eines Antriebes ist aus der DE 198 51 003 A1 bekannt.
Wirtschaftlichere Lösungen lassen sich theoretisch erzielen, wenn ein kostengünstiger Sensor mit einer geringen Auflösung zum Einsatz kommt. Alternativ kann auf die Positionsmessung ganz verzichtet werden, wenn ein sensorloses Verfahren zu Positionsbestimmung zum Einsatz kommt, wie beispielsweise aus der EP 0 539 401 B bekannt ist. Der Nachteil beider Lösungen ist eine geringe Güte der Regelung, die in der Applikation als Linearroboter nicht akzeptabel ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das einerseits die obigen Nachteile vermeidet und mit dem anderseits die Güte der Regelung qualitativ erhöht wird.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses Motorpositionssignal und ein, über ein in der Steuereinheit vorgesehenes, am bewegten Teil des Linearantriebes angeordnetes, Accelerometer erzeugtes, Beschleunigungssignal mathematisch zu einem Geschwindigkeitssignal verrechnet werden und dass dieses Geschwindigkeitssignal zur Regelung des Antriebes herangezogen wird. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich zur Regelung eines Linearantriebes eine wirtschaftliche Erfassung der Rotorposition zu erreichen, die auch eine ausgezeichnete Antriebsdynamik aufweist. Durch das Beschleunigungssignal, erzeugt von einem am mitbewegten Teil angeordneten Accelerometer, werden die Nachteile einer nieder auflösenden Positionserfassung kompensiert.
Ferner ist es für die Güte bzw. Qualität der Regelung von Vorteil, dass durch den Beobachter die Differentiation des Motorpositionssignals entfällt. Es wird nämlich durch das Accelerometer das bei nieder auflösenden Lagemesssystemen relativ ungenaue Lagemesssignal zu einem gut brauchbaren Geschwindigkeitssignal aufgewertet.
Gemäß einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung erfolgt die sensorlose Bestimmung der Motorposition über die Ansteuersignale eines Reluktanzmotors, insbesondere Schrittmotors. Dieser Reluktanzmotor ist als Antrieb für den Schlitten vorgesehen. Über die Ansteuersignale des Reluktanzmotors ist die Motorposition bestimmbar.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung erfolgt die sensorlose Bestimmung der Motorposition aus den, in der Steuereinheit verfügbaren, Messgrößen Strom und Spannung und das Motorpositionssignal und das Beschleunigungssignal werden in einem Beobachter verrechnet und zur Regelung des Antriebes herangezogen. Vorteilhaft ist, dass, unabhängig von der Art und Weise der Erfassung der Motorposition, das Beschleunigungssignal zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsregelung herangezogen werden kann.
Gemäß einem alternativen, besonderen Merkmal der Erfindung wird die Motorposition über einen Lagesensor gemessen und dieses Motorpositionssignal wird mit dem Beschleunigungssignal in einem Beobachter verrechnet und zur
Regelung des Antriebes herangezogen. Wie bereits oben erwähnt, ist es möglich, auch bei dieser Art der Motorpositionserfassung das Beschleunigungssignal zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsregelung heranzuziehen.
Aufgabe der Erfindung ist es auch eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des oben aufgezeigten Verfahrens zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die aus mindestens einem Lageregler und einem nachgeschalteten Drehzahlregler bestehende Steuereinheit mit dem
Accelerometer am bewegten Teil des Linearantriebes, insbesondere am Schlitten, vorgesehen ist, dass die Motorpositions-Erfassung sensorlos über die in der Steuereinheit verfügbaren Messgrößen Strom und Spannung oder über einen Lagesensor erfolgt und dass einerseits die Motorpositions-Erfassung und anderseits das Accelerometer mit einem Beobachter und der Ausgang des Beobachters mit dem Eingang des Drehzahlreglers verbunden sind. Mit dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es erstmals möglich, mit kostengünstigen Bauteilen, wie das Accelerometer eines ist, eine optimale, wirtschaftliche Regelung für Antriebe, insbesondere Linearantriebe, durchzuführen. Mit der erfindungsgemäß aufgezeigten Schaltungsanordnung wird also erreicht, dass die Antriebselektronik am bewegten Teil des Antriebes mitbewegt wird und der Beschleunigungssensor, der Accelerometer, als ein MEMS-Bauteil direkt im Antriebsregler integriert ist. Dadurch ist eine außerordentlich kostengünstige Ausführung gegeben, da die Kosten der derzeit sehr aufwendigen Erfassung der Rotorposition mit einem hoch auflösenden Positionsmesssystem deutlich gesenkt werden können, ohne auf die optimale Antriebsdynamik verzichten zu müssen.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist das Accelerometer als ein Micro Electro-Mechanical System (MEMS) ausgeführt und in der mitbewegten Steuereinheit integriert. Derartige MEMS besitzen äußerlich die Gestalt kleiner elektronischer Bauteile und werden in riesigen Mengen produziert, wodurch ihre Anschaffungskosten sehr niedrig sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Accelerometer als ein mehrachsiges Micro Electro-Mechanical System (MEMS) ausgeführt. Besonders vorteilhaft kann auch der Einsatz von mehrachsigen Accelerometem sein, besonders wenn die Steuereinheit für die Steuerung von mehreren Achsen verantwortlich ist.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind der Umrichter und die Steuereinheit mit dem Accelerometer als Einheit ausgebildet und sind am bewegten Teil des Linearantriebes, insbesondere am Schlitten, vorgesehen. Dadurch wird eine äußerst kompakte Lösung erzielt. Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Linearantrieb
Fig. 2 schematisch den Linearantrieb mit am bewegten Teil angeordnetem
Accelerometer
Fig. 3 ein Schaltbild einer Regelung mit einem Positionssensor und
Fig. 4 ein Schaltbild einer Regelung mit sensorloser Motorpositionserfassung.
Einführend sei festgehalten, dass in der beschriebenen Ausführungsform gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können.
Gemäß der Fig. 1 treibt ein Motor 1 einen Schlitten 2 eines Linearroboters an. Ein Umrichter 3, vorzugsweise ein Servoumrichter, wird in der Nähe des Motors 1 montiert und wird mit dem Schlitten 2 mitbewegt. Der Motor 2 treibt beispielsweise über einen Zahnriemen 14 den Schlitten 2. Der Umrichter 3 ist zusammen mit dem Motor 1 am Schlitten 2 montiert.
Gemäß der Fig. 2 wird der Motor 1 , der insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist, über den Umrichter 3 mit einer Steuereinheit 4 angespeist und die Motorposition, insbesondere sensorlos oder über einen Lagesensor, bestimmt. Der dezentrale Aufbau mit einer mitbewegten Antriebselektronik erlaubt es, die Steuereinheit 4 des Servoverstärkers um einen integrierten Accelerometer 5 zu ergänzen, der beispielsweise als ein Micro Electro-Mechanical System (MEMS) ausgeprägt und als Komponente auf der Leiterplatte der Steuereinheit bestückt ist. Der Umrichter 3, gegebenenfalls eine Leistungsstufe 6, und die Steuereinheit 4 mit dem Accelerometer 5 sind als Einheit ausgebildet und am bewegten Teil des Linearantriebes, insbesondere am Schlitten 2, vorgesehen. Natürlich kann es vorteilhaft sein, einen mehrachsigen Accelerometer 5 einzusetzen, besonders wenn die Steuereinheit 4 für die Steuerung von mehreren Achsen verantwortlich ist.
Gemäß der Fig. 3 ist am Motor 1 ein Lagesensor 7 vorgesehen. Der Motor 1 wird über die Leistungsstufe 6 angespeist. Die, am bewegten Teil des Antriebes angeordnete, Antriebselektronik besteht aus einem Lageregler 8, einem nachgeschalteten Drehzahlregler 9 und einem Stromregler 10. Der Stromregler 10 ist mit der Leistungsstufe 6 verbunden.
Das vom Lagesensor 7 erzeugte Motorpositionssignal und ein, über das in der Steuereinheit 4 vorgesehenes, am bewegten Teil des Linearantriebes angeordnetes, Accelerometer 5 erzeugtes, Beschleunigungssignal werden mathematisch zu einem Geschwindigkeitssignal in einem Beobachter 11 verrechnet. Dieses Geschwindigkeitssignal wird dann in Folge zur Regelung des Antriebes herangezogen.
Gemäß der Fig. 4 erfolgt eine sensorlose Bestimmung der Motorposition. Die Motorposition wird aus den, aus der Steuereinheit 4 verfügbaren, Messgrößen Strom und Spannung in einem Verknüpfungsglied, der Motorpositions-Erfassung 12, über einen Algorithmus bestimmt. Dieses Motorpositionssignal und das Beschleunigungssignal des Accelerometers 5 werden im Beobachter 11 verrechnet und zur Regelung des Antriebes herangezogen.
Bei einer besonders einfachen Ausführung erfolgt die sensorlose Bestimmung der Motorposition über die Ansteuersignale eines Reluktanzmotors, insbesondere eines Schrittmotors. Dieser Reluktanzmotor ist als Antrieb für den Schlitten vorgesehen. Über die Ansteuersignale des Reluktanzmotors ist die Motorposition bestimmbar. Wie ja an sich bekannt, wird in dem Beobachter 11 ein mathematisches, modellgestütztes Verfahren verwendet, welches aus dem Signal des Accelerometers 5 und der errechneten Motorposition das Geschwindigkeitssignal generiert.
Die oben erwähnten Vorteile werden mit dem Verfahren und der aufgezeigten Schaltungsanordnung also dadurch erreicht, dass die Antriebselektronik am bewegten Teil des Antriebes mitbewegt wird und der Beschleunigungssensor, der Accelerometer 5, als ein MEMS-Bauteil direkt im Antriebsregler integriert ist.
Abschließend sei der Ordnung halber darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung einzelne Bauteile und Baugruppen zum besseren Verständnis der Erfindung unpropotional und maßstäblich verzerrt dargestellt sind.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsregelung eines linearen Antriebes, insbesondere eines Servoantriebes für einen Linearroboter, wobei eine elektrische Maschine über einen Umrichter mit einer Steuereinheit angespeist wird und die Motorposition, insbesondere sensorlos oder über einen Lagesensor, bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Motorpositionssignal und ein, über ein in der Steuereinheit (4) vorgesehenes, am bewegten Teil des Linearantriebes angeordnetes, Accelerometer (5) erzeugtes, Beschleunigungssignal mathematisch zu einem Geschwindigkeitssignal verrechnet werden und dass dieses Geschwindigkeitssignal zur Regelung des Antriebes herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorlose Bestimmung der Motorposition über die Ansteuersignale eines Reluktanzmotors, insbesondere Schrittmotors, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die sensorlose
Bestimmung der Motorposition aus den, in der Steuereinheit (4) verfügbaren, Messgrößen Strom und Spannung erfolgt und das Motorpositionssignal und das Beschleunigungssignal in einem Beobachter (11) verrechnet und zur Regelung des Antriebes herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Motorposition über einen Lagesensor (7) gemessen wird und dieses Motorpositionssignal mit dem Beschleunigungssignal in einem Beobachter (11) verrechnet und zur Regelung des Antriebes herangezogen wird.
5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus mindestens einem Lageregler (8) und einem nachgeschalteten Drehzahlregler (9) bestehende Steuereinheit (4) mit dem Accelerometer (5) am bewegten Teil des Linearantriebes, insbesondere am Schlitten (2), vorgesehen ist, dass die Motorpositions-Erfassung sensorlos über die in der Steuereinheit (4) verfügbaren Messgrößen Strom und Spannung oder über einen Lagesensor (7) erfolgt und dass einerseits die Motorpositions-
Erfassung (12) und anderseits das Accelerometer (5) mit einem Beobachter (11) und der Ausgang des Beobachters (11) mit dem Eingang des Drehzahlreglers (9) verbunden sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Accelerometer (5) als ein Micro Electro-Mechanical System (MEMS) ausgeführt ist und in der mitbewegten Steuereinheit (4) integriert ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Accelerometer (5) als ein mehrachsiges Micro Electro-Mechanical
System (MEMS) ausgeführt ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (3) und die Steuereinheit (4) mit dem Accelerometer (5) als Einheit ausgebildet sind und am bewegten
Teil des Linearantriebes, insbesondere am Schlitten (2), vorgesehen sind.
PCT/AT2006/000214 2005-05-25 2006-05-24 Verfahren zur positions-und/oder geschwindigkeitsregelung eines linearen antriebes WO2006125240A1 (de)

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