DE10296460T5

DE10296460T5 - Motoraktuator mit Momentregelung

Info

Publication number: DE10296460T5
Application number: DE10296460T
Authority: DE
Inventors: Jens Jensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2004-04-22
Also published as: WO2002078146A1; US20040130281A1; US7005818B2

Abstract

Motoraktuator, zum Beispiel ein Ventilaktuator, mit einem umsteuerbaren elektrischen Motor (1) und einer Antriebsschaltung (2), die eine Stoppfunktion bewirkt, wenn das Moment des Motors ein im Voraus festgelegtes Maximalmoment übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (2) als Zweiklemmenschaltung ausgebildet ist, die in Reihe mit dem umsteuerbaren elektrischen Motor (1) geschaltet ist, wobei der Reihenschaltung die elektrische Energie mit einer hauptsächlich festen Spannung V_CC und einer Polarität zugeführt wird, die die gewünschte Drehrichtung des Motors (1) bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motoraktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Motoraktuatoren dieser Art ist es bekannt, eine Momentregelung durch Ermittlung des Stroms zum Motor und Abschaltung der Versorgung des Motors vorzusehen, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Ein Motoraktuator dieser Art ist z.B. aus US 4 455 012 bekannt, in dem weiter beschrieben wird, daß ein Zeitgeberkreislauf die Möglichkeit bietet, höhere Startströme zu erlauben als die vorbestimmten maximalen Stromwerte. Die beschriebene Konstruktion des Regelsystems ist zur Montage fern vom geregelten Motoraktuator vorgesehen, der mit Hilfe von zwei Leitungen mit dem Regler verbunden ist. Wenn eine Rückmeldung über die absolute Position des Ventils erforderlich ist, wird ein Potentiometer oder ein Digitalisierer vorgeschlagen, wofür weitere zwei Leitungen zur Verbindung mit dem Regler erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motoraktuator der eingangs genannten Art vorzusehen, mit dem es möglich ist, die Regelung des Motoraktuators nahe beim Motor oder sogar integriert in den Motor anzubringen, unter Beibehaltung einer Momentregelung und einer Stoppfunktion, wobei die Verbindung zu einem zentralen Regelungssystem durch zwei Leitungen erfolgt, und diese Aufgabe wird mit einem Motoraktuator der beschriebenen Art erreicht, der nach der Erfindung auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 besitzt.
Mit dieser Ausführung kann der Motoraktuator in einfacher Weise in bezug auf die Drehrichtung voll ferngeregelt werden, indem einfach eine im wesentlichen gleiche Spannung mit passender Polarität an die beiden Verbindungsleitungen angelegt wird und indem der Antriebskreislauf das Moment und die Stoppfunktion des Motoraktuators vollständig regelt. Bevorzugte Ausführungen des Motoraktuators, deren Vorteile für den Spezialisten einleuchtend sind, werden im folgenden Teil der Erfindungsbeschreibung detailliert beschrieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführung des Motoraktuators,
2 die Strombegrenzungsfunktion im Motoraktuator nach 1.
3 und 4 wie der Motoraktuator nach 1 mit einem zentralen Regler in einer einfachen Ein-/Aus-Konfiguration (3) und einer gehobeneren Mikroprozessor-Regelung mit Positionsregelung (4) verbunden ist.
Der Motoraktuator in 1 weist einen umsteuerbaren elektrischen Motor 1 und eine Antriebsschaltung 2 auf. Der Motor 1 erhält seinen Strom aus einem Versorgungs-VCC und ist in Reihe mit der Antriebsschaltung 2 verbunden, die den Motor wie im folgenden beschrieben steuert. Die Antriebsschaltung 2 umfaßt einen Gleichrichter 3, der sicherstellt, daß der Strom I in der Antriebsschaltung immer in die gleiche Richtung läuft, unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung VCC. Der Strom I wird von einer Ausgangsschaltung 13 geregelt. Die Antriebsschaltung 2 regelt den Strom I aufgrund von Messungen der geregelten Spannung VCC_reg und des gemessenen Stroms I, angegeben als I'_mot. Ein maximaler Strom I_limit wird in einem Strombegrenzer 4 eingestellt und mit dem gemessenen Strom I'_mot verglichen. Die Ausgangsschaltung 13 führt einen Strom I dem Motor 1 zu, der von diesem maximalen Strom I_limit begrenzt wird. Wie in 2 gezeigt, hängt der Stromverbrauch des Motors 1 von der Belastung des Motors oder in anderen Worten von dem vom Motor gelieferten Moment ab, und bis zum Erreichen des maximalen Stroms ist der Strom, wie gezeigt, proportional zur Belastung. Nach Erreichen des maximalen Stroms I_limit regelt die An triebsregelung 12 die Ausgangsschaltung 13, und zwar so, daß nur dieser maximale Strom dem Motor 1 zugeführt wird.
Dies bedeutet, daß die Spannung VCC_reg ansteigt, und wenn diese Spannung eine Stoppreferenzspannung V_{stop_ref} erreicht, wie angegeben in der Stoppspannungsreferenz 14, wird der Stoppkreislauf 5 aktiviert und deaktiviert die Antriebsregelung 12, wobei die Ausgangsschaltung 13 deaktiviert und die Stromversorgung zum Motor unterbrochen wird. Das Erreichen der Stoppspannung entspricht dem Umstand, daß die Belastung auf ein gewisses Niveau ansteigt, was normalerweise entsprechen würde, daß der Motoraktuator einen mechanischen Stopp an einem Ende seiner Bewegung erreicht hat. Damit wird der Motor gestoppt, wenn ein solches Ende der Bewegung erreicht wird. Um den Motor 1 starten zu können, ist ein Zeitgeber 7 vorhanden, der nach Anlegen der Spannung VCC die Funktion des Stoppkreislaufs 5 und der Strombegrenzungsfunktion 4 während einer Startperiode verhindert, die der kurzen Stoßspannung, die der Motor 1 bei einem solchen Start abnimmt, entspricht.
Der Motor 1 kann durch ein passendes Getriebe mit zum Beispiel einem Ventilschaft verbunden werden, um das Hochgeschwindigkeits-Niedrigmoment des Motors in ein passendes Niedriggeschwindigkeits-Hochmoment umzuwandeln, das für eine solche Ventilregelung erforderlich ist.
Aus dem obigen ersieht man, daß die Ausgangsschaltung 13 imstande ist, den Strom I anzupassen, der ungefähr proportional zum Moment des Motors ist, wobei diese Re gelung durch ein Regelsignal der Antriebsregelung 12 erfolgt. Die Antriebsregelung 12 stützt diese Regelung auf die Eingaben des Strombegrenzers 4 und der Stoppfunktion 5 derart, daß der Motoraktuator auf einem Maximum betrieben wird, jedoch begrenzt durch die Stromgrenze I_limit, wie gezeigt in 2. Wenn die Belastung des Motors ansteigt, wird der Strom entsprechend ansteigen, wird aber von dem maximalen Strom Ilimit begrenzt, wobei das maximale Moment begrenzt wird, was zu einem geregelten Erreichen einer möglichen Endposition der Bewegung führt. Die Stoppfunktion 5 reagiert auf die Spannung VCC_reg, die von der Spannung über dem Motor 1 abhängt, und verwendet eine Stoppspannungsreferenz 14, um einen Stopp des Motoraktuators zu bewirken, wenn die Motorspannung niedrig genug ist, was einem Stopp des Motors und einem entsprechend hohen Strom im Motor, begrenzt vom Strombegrenzer 4, entspricht. Während des Starts wird der Motor einen Strom abnehmen, der höher ist als I_limit. Um den Motor starten zu können, werden die Stoppfunktionen und der Strombegrenzer 4 vom Zeitgeber 7 während eines solchen Startintervalls deaktiviert. Der Zeitgeber 7 wird aktiviert, wenn die Spannung VCC angelegt wird, um den Motoraktuator zu aktivieren.
Wenn an den Motoraktuator eine Spannung VCC angelegt wird, wird die volle Spannung vom Start an die Antriebsschaltung 2 angelegt, wobei der Motor beim Stopp Idealerweise als Kurzschluß dient, und eine Gegen-EMK wird nicht erzeugt. Nach einer kurzen Zeit wird die Antriebsschaltung 2 aktiviert und der Zeitgeber 7 startet und setzt und die Stoppfunktion 5 und den Strombegrenzer 4 außer Betrieb. Dadurch liefert die Ausgangs- schaltung 13 den für den Start des Motors erforderlichen Strom. Sobald der Motor anläuft, erzeugt er eine Gegen-EMK, wobei die angelegte Spannung VCC zwischen dem Motor 1 und der Antriebsschaltung 2 geteilt wird.
Nach einer gewissen Zeit, die im Zeitgeber eingestellt ist, dürfen der Strombegrenzer 4 und die Stoppfunktion 5 wieder arbeiten, und so lange alles normal verläuft, wird der Strom im Motor nun unter I_limit eingestellt im Strombegrenzer 4, sein. Wenn dem Motoraktuator ein gewisser Widerstand begegnet, wird der Strom erhöht, und dies wird fortsetzen, bis der Maximalstrom I_limit erreicht ist, wonach ein konstanter Strom gleich I_limit dem Motor 1 zugeführt wird. Da der Motor nicht den für die Belastung erforderlichen Strom empfängt, wird der Motor seine Umdrehungen reduzieren und die Spannung über dem Motor wird abfallen, wobei die Spannung VCC_reg ansteigen wird. Wenn diese Spannung die in der Stoppspannungsreferenz 14, V_{stop_re} _f eingestellte Grenze erreicht, wird die Stoppfunktion 5 aktiviert und schaltet den Strom zum Motor über die Antriebsregelung 12 und die Ausgangsschaltung 13 ab. Dadurch hat die Antriebsschaltung eine Begrenzung des Moments und einen weichen Stopp am Ende der Bewegung sichergestellt. Nach dem Stopp wird selbstverständlich ein unbedeutender Strom in der Reihenschaltung des Motors 1 und der Antriebsschaltung 2 vorhanden sein, um die Antriebsschaltung 2 mit Energie zu versorgen.
Der in 3 gezeigte zentrale Regler 8 umfaßt mehrere Ausgänge Out 1-n zur Regelung von mehreren Motoraktuatoren. Mit dem integrierten Motor 1 und der Antriebsschaltung 2 kann der zentrale Regler 8 eine ein fache Relaisregelung sein, die an die einzelnen Motoraktuatoren die erforderliche Spannung VCC anlegt, und zwar mit der Polarität, die erforderlich ist, um die gewünschten Umdrehungen des Motors 1 sicherzustellen.
4 zeigt einen gehobeneren zentralen Regler 8 mit einem Stromsensor 9, der den Strom zu dem momentan mit einer Spannung VCC versorgten Motoraktuator mißt. Der Stromsensor 9 mißt diesen Strom und liefert ein Signal an eine Filterschaltung 10, die die Welligkeit des Stroms mißt und diese Welligkeit filtert, um eine Sequenz von Impulsen zu erreichen, deren Frequenz proportional zu der Motorgeschwindigkeit ist, wobei die Anzahl von Impulsen eine Angabe der relativen Position des Motoraktuators ist. Es ist besonders vorteilhaft einen Motor 1 mit einer ungeraden Anzahl von Polen zu wählen, wobei die Welligkeit ausgeprägter wird und sich einfacher vom Filter 10 messen läßt. Das Filter 10 ist mit einem Mikroprozessor 11 verbunden, der die vom Filter empfangenen Signale verwendet, um die relative Position jedes einzelnen Motoraktuators unter Rücksichtnahme dessen Parameter, wie z.B. das Übersetzungsverhältnis einer möglichen Getriebemechanismus am Motor, die Anzahl von Polen des Motors usw. zu berechnen. Um eine sichere Regelung der Position des einzelnen Motoraktuators zu haben, ist eine Nullpositionsangabe notwendig, z.B. durch die Regelung des Motoraktuators zu einer wohldefinierten Position des Bewegungsendes. Nach einer solchen Nullpositionseinstellung kann die absolute Position des Motoraktuators vom Mikroprozessor 11 aufgrund einer Zählung der Impulse mit angelegten positiven bzw. negativen Spannungen berechnet werden.
Das oben in Verbindung mit 4 beschriebene System wird somit imstande sein, eine zentrale Registrierung und Regelung der relativen Position von mehreren unabhängigen Motoraktuatoren vorzusehen, ohne zusätzliche Eingänge/Ausgänge für die Positionierungssignale von den einzelnen Motoraktuatoren.
Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, sind die Motoraktuatoren und ihre Verbindungen zu dem zentralen Regler 8 die gleichen in beiden Situationen, wobei für die Verbindung nur zwei Leitungen verwendet werden. Außerdem werden die Angabe oder Messung des Wellikeitsstroms 9 und der Filterung 10, die für die Positionsregelung der Motoraktuatoren erforderlich sind, im zentralen Regler 8 zentral positioniert, und dabei werden die Herstellungskosten für ein solches System verhältnismäßig niedrig.
Auch wenn die Erfindung im obigen in Verbindung mit bevorzugten Ausführungen beschrieben worden ist, wird es für einen Experten einleuchtend sein, daß mehrere Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der folgenden Ansprüche abzuweichen.
Zusammenfassung
In einem Motoraktuator, zum Beispiel einem Ventilaktuator, der einen umsteuerbaren elektrischen Motor (1) umfaßt, bewirkt eine Antriebsschaltung (2) eine Stoppfunktion, wenn das Moment des Motors ein im Voraus festgelegtes Maximalmoment übersteigt. Die Antriebsschaltung (2) ist in der Form einer Zweiklemmenschaltung, die in Reihe mit dem umsteuerbaren Motor (1) geschaltet ist, und die elektrische Energie wird der Reihenschaltung mit einer hauptsächlich festen Spannung (VCC) und einer Polarität geliefert, die die gewünschte Drehrichtung des Motors (1) bewirkt. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Antriebsschaltung (2) in der Nähe des Motors (1) anzubringen unter Beibehaltung voller Momentregelung und Stoppregelung mit zwei Leitungsverbindungen.
1

Claims

Motoraktuator, zum Beispiel ein Ventilaktuator, mit einem umsteuerbaren elektrischen Motor (1) und einer Antriebsschaltung (2), die eine Stoppfunktion bewirkt, wenn das Moment des Motors ein im Voraus festgelegtes Maximalmoment übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (2) als Zweiklemmenschaltung ausgebildet ist, die in Reihe mit dem umsteuerbaren elektrischen Motor (1) geschaltet ist, wobei der Reihenschaltung die elektrische Energie mit einer hauptsächlich festen Spannung V_CC und einer Polarität zugeführt wird, die die gewünschte Drehrichtung des Motors (1) bewirkt.
Motoraktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (2) mit dem Motor (1) integriert ist.
Motoraktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (2) einen Gleichrichter (3) aufweist, der die gleiche Richtung des Stroms (I) in dessen Regelschaltung speist, unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung V_CC .
Motoraktuator nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (2) eine Momentregelung umfaßt, die als Strombegrenzer (4) ausgebildet ist, die den Strom im Motor (1) auf einen im voraus festgelegten Maximalstrom (I_limit) begrenzt .
Motoraktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoppfunktion (5) in der Form einer Spannungsangabe existiert, die die Spannung (VCC_reg) über der Antriebsschaltung (2) angibt und den Strom (I) zum Motor (1) abschaltet, wenn diese Spannung (VCC_reg) über ein im voraus festgelegtes Niveau hinaus ansteigt.
Motoraktuator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (2) außerdem eine Zeitgeberfunktion (7) aufweist zur Abschaltung des Momentregelungsstrombegrenzers (4) und/oder der Stoppfunktion (5) während dem Start des Motors.
Motoraktuator nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (2) eine Geschwindigkeitsregelungsschaltung umfaßt, die die Geschwindigkeit des Motors (1) durch die Regelung der Spannung (VCC_reg) über der Antriebsschaltung (2) regelt.
Motoraktuator nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (VCC), die der Reihenschaltung von Motor (1) und Antriebsschaltung (2) zugeführt wird, von einem zentralen Regler (8) zugeführt wird, der möglicherweise mehrere Aktuatoren regelt, wobei der zentrale Regler (8) einen Stromsensor (9) umfaßt, der den dem Aktuator (1, 2) zugeführten Strom mißt, und einen Filterkreislauf (10), der eine Verbindung zum Empfangen der Strommessung hat und ein Impulssignal ableitet, das von der Stromwelligkeit des Motors (1) bereitgestellt wird, wenn die Pole des Motors (1) gewechselt werden, wobei die Frequenz dieser Impulse proportional mit der Geschwindigkeit des Motors und die Anzahl der Impulse ein Maß für die Position des Aktuators ist und das Impulssignal für die Geschwindigkeitsund/oder Positionsregelung des Aktuators (1, 2) verwendet.
Zentraler Regler zur Anwendung in Übereinstimmung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (8) einen Mikroprozessor (11) umfaßt, der die Angabe und die Regelung des Aktuators/der Aktuatoren ausführt.
Motoraktuator nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) ein Gleichstrommotor mit einer ungeraden Anzahl von Polen ist.