DE4316292A1 - Elektrischer Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Stell­ antrieb mit kollektorlosem Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In verfahrenstechnischen Anlagen werden Stellglieder, wie Ventile, Klappen, Schieber, zum Beeinflussen von leitungs­ gebundenen Massen- und Energieströmen eingesetzt, die von elektrischen Stellantrieben betätigt werden. Diese sind in der Lage, auf Stellbefehle ein Stellglied selbständig zu verfahren und bei Erreichen der Vorgabe des Stell­ befehls den Antriebsmotor abzuschalten. Solche Vorgaben können Positionen sein, im einfachsten Falle die beiden Positionen "Auf" und "Zu". Eine weitere Vorgabe kann die Stellgeschwindigkeit sein. Während Regelantriebe Bestand­ teil eines geschlossenen Regelkreises sind und zur konti­ nuierlichen Veränderung einer Regelgröße dienen, sind Steuerantriebe Übertragungsglieder in einem offenen Kreis.

Derartige Stellantriebe sind aus der AUMA-Produkt- Beschreibung DO 23.01.001D/1.92 "Elektrische Schwenk­ antriebe AS 3-AS 50, ASR 3-ASR 50" bekannt. Als Motor wird bei diesen Stellantrieben ein kollektorloser Gleich­ strommotor verwendet, dessen Rotor aus dauermagnetischem Material und dessen Stator aus Weicheisen besteht. Zur Erkennung der Rotorlage werden drei eingebaute Hall- Sensoren verwendet, deren Ausgangssignale auf 3-Phasen- Halbleiterbrücken zur Erzeugung eines Drehfeldes in der Statorwicklung geführt sind. Der Motor kann sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom betrieben werden. Durch eine geeignete konstruktive Auslegung wird erreicht, daß Permanentmagnet-Rotor und Weicheisen-Stator im stromlosen Ruhezustand ein Haltemoment erzeugen. Vorteilhaft macht dieses Haltemoment die Verwendung eines selbsthemmenden Getriebes oder einer mechanischen Feststellbremse über­ flüssig. Andererseits ist dieses magnetische Halte- oder auch Rastmoment der Grund dafür, daß der kollektorlose Gleichstrommotor lediglich eine Drehzahlregelung im Bereich 1 : 22 ermöglicht und die Drehzahl im Gleich­ strombetrieb nicht beliebig klein gemacht werden kann. Die Stellzeit für eine Schwenkbewegung von 90° ist bei diesen Stellantrieben daher von 4 Sekunden stufenlos bis 90 Sekunden einstellbar. Längere Stellzeiten sind nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektri­ schen Stellantrieb zu schaffen, dessen Stellzeit beliebig veränderbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue elektrische Stellantrieb der eingangs genannten Art die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale auf. In den Unteransprüchen 2 bis 8 sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stellantriebs angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der elektrische Stell­ antrieb problemlos ab niedrigsten Drehzahlen arbeitet. Dabei wird der Vorteil eines guten elektrischen Wirkungs­ grades beibehalten, da aufgrund des hohen Rastmomentes im stromlosen Zustand zwischen der Ausführung der Schritte keine elektrische Energie verbraucht werden muß. Insbeson­ dere wenn der schrittweise Betrieb mit dem Normalbetrieb des kollektorlosen Gleichstrommotors kombiniert wird, ist der erfindungsgemäße elektrische Antrieb universell und wirtschaftlich einsetzbar. Die Betriebsart als Gleich­ strommotor ergibt den besten Wirkungsgrad und die besten Regeleigenschaften bis zu einer minimalen Drehzahl, der schrittweise Betrieb erlaubt einen sicheren Betrieb mit Einzelschritten im unteren Drehzahlbereich mit eindeutigem Verhalten des Motors auch bei Laständerungen. Auch nied­ rigste Drehzahlen werden durch die Drehzahlvorgabe mit einem Taktgeber bzw. Mikroprozessor exakt eingehalten. Durch eine geeignete Form des Statorstroms, z. B. in Form einer Rampe, wird ein weicher Einzelschrittbetrieb er­ reicht. Gleichzeitig paßt sich der Motorstrom bei Rampen­ form den Lastverhältnissen automatisch an. Nach Erreichen des vorgegebenen Soll-Schrittes kann der Motorstrom ab­ geschaltet werden, so daß der Motor ohne externe Energie­ zufuhr abgebremst wird. Auf diese Weise kann auch beim Schubbetrieb eine stabile Drehzahl bewirkt werden. Das Umschalten von schrittweisem Betrieb auf Normalbetrieb des kollektorlosen Gleichstrommotors kann in Abhängigkeit der Drehzahlvorgabe automatisch erfolgen.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines elektrischen Stell­ antriebs,

Fig. 2 einen Stellantrieb mit Betriebsartenumschaltung,

Fig. 3 den Verlauf des Rastmomentes und der Sensor­ signale,

Fig. 4 den Verlauf des Taktsignals, des Statorstroms und des Signals zur Kurzschlußsteuerung und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung.

Ein elektrischer Stellantrieb besteht nach Fig. 1 aus einer Steuerelektronik 1, einer Treiber-/Endstufe 2 und einem Motor 3. Die Position des Rotors wird im Motor 3 mit einer Einrichtung zur Lageerkennung 4 erfaßt. Diese gibt ein mit drei Bit codiertes Lagesignal 5 an die Steuerelektronik 1 ab. Der Motor 3 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor mit magnetischer Rast, die durch ent­ sprechende Konstruktion seines Permanentmagnet-Rotors mit sechs Polpaaren und seines Weicheisen-Stators erzeugt wird. Als Einrichtung zur Lageerkennung 4 werden drei Hall-Sensoren verwendet, deren Signale beim Gleichstrom­ betrieb zur Kommutierung und Drehzahlerfassung dienen. Sie liefern einen 3-Bit-Code, der die aktuelle Position des Rotors mit der Auflösung einer Raststelle wiedergibt. Wei­ tere Eingangssignale der Steuerelektronik 1 sind ein Ein­ schaltsignal 6, ein Signal zur Kennzeichnung der Lauf­ richtung 7, ein Signal 8 zur Vorgabe des maximalen Wick­ lungsstroms und ein Signal 9 zur Vorgabe der Motordreh­ zahl. Die Steuerelektronik 1 erzeugt sechs Steuersignale 10 für die Treiber-/Endstufe 2, durch welche die Motor­ drehzahl, die Begrenzung des Motorstromes, die Motor­ drehrichtung und ein Bremssignal bestimmt werden. In der Treiber-/Endstufe 2 werden daraus drei Motorsignale 11 für eine 3-Phasen-Wicklung im Stator des Motors 3 gebildet. Netzteile zur Erzeugung der Betriebsspannungen für die Steuerelektronik 1 und die Treiber-/Endstufe 2 sind in Fig. 1 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Die Steuerelektronik 1 kann durch einen Aufbau mit diskreten Bauelementen, vorteilhaft aber auch mit einem Mikroprozes­ sor, realisiert werden, der mit einem geeigneten Steuer­ programm programmiert ist.

In dem Blockschaltbild nach Fig. 2 ist insbesondere die Umschaltung der Betriebsart von normalem auf schrittweisen Betrieb sichtbar. Teile, die schon in Fig. 1 dargestellt wurden, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Drehzahlregelung erfolgt im Normalbetrieb mit einem Pl- Regler 12, dem das Signal 9 zur Vorgabe der Soll-Drehzahl und ein mit einem Tacho-Tiefpaß 13 erzeugtes, der Ist- Drehzahl entsprechendes Signal 14 zugeführt werden. Das Signal 14 wird mit dem Tacho-Tiefpaß 13 aus dem Lage­ signal 5 gewonnen. Aus dem Lagesignal 5 wird bei jeder Änderung des 3-Bit-Codes der Hall-Sensoren ein Impuls konstanter Breite und Höhe erzeugt. Die Frequenz dieser Impulse ist drehzahlproportional. Durch Mittelwertbildung mit Hilfe eines Tiefpasses wird eine analoge Tacho-Span­ nung erzeugt, die der Drehzahl entspricht. Ein Ausgangs­ signal 16 des Pl-Reglers 12 ist auf eine Einrichtung 17 zur Umsetzung der Regelabweichung in ein pulsweiten­ moduliertes Signal 10 geführt, das die Dauer der Wick­ lungsbestromung des Motors 3 bestimmt, ein Ausgangssignal 15 dient zum Bremsen durch Kurzschließen der Statorwick­ lungen. Gleichzeitig wird der Wicklungsstrom mit einer Strombegrenzungsschaltung 18 überwacht. Auf die Einrich­ tung 17 zur Pulsweitenmodulation ist ebenfalls das Lage­ signal 5 geführt, damit die 3-Phasen-Brücke zur Motor­ ansteuerung phasenrichtig betrieben wird.

Das Lagesignal 5, das von drei Hall-Sensoren erzeugt wird, besteht aus den drei in Fig. 3 über einem Winkelbereich von 30° aufgetragenen Einzelsignalen S1, S2 und S3. Der Motor 3 ist wegen seiner konstruktiven Auslegung mit einem Rastmoment behaftet, dessen Verlauf ebenfalls in dem Diagramm in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser ist etwa sinusförmig mit einem maximalen Rastmoment M von 300 mNm und einer Periode von 10° (bezogen auf eine Rotor­ umdrehung), die der Schrittweite x der Rastschritte ent­ spricht. Bei den Nulldurchgängen der Kurve wechseln sich Orte mit stabiler Ruhelage S und Orte mit labiler Ruhe­ lage L im unbelasteten Zustand des Motors ab. Dieses Rastmoment bewirkt beim Normalbetrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors zwei störende Effekte: Zum einen ist der mittleren Winkelgeschwindigkeit eine näherungsweise sinus­ förmige Schwankung der Momentangeschwindigkeit überlagert und zum anderen bleibt der Motor beim Erniedrigen der Drehzahl bei dem vorgegebenen Lastträgheitsmoment bei einer Grenzdrehzahl von etwa 80 UPM (Umdrehungen pro Minute) stehen und läuft erst wieder bei einer Anlauf­ drehzahl von etwa 300 UPM an. Die Amplitude der Drehzahl­ schwankungen aufgrund des Rastmoments verringert sich bei höheren Drehzahlen und ist umgekehrt proportional der mittleren Drehzahl sowie dem Trägheitsmoment, bezogen auf die Rotorachse. Eine Möglichkeit zur Absenkung der Grenz­ drehzahl wäre daher eine Erhöhung des Rotorträgheits­ momentes; nachteilig wäre dabei aber die große Zeit­ konstante der Regelstrecke durch das Rotorträgheitsmoment. Die Grenzdrehzahl ist beim Verringern der Drehzahl genau dann erreicht, wenn die Momentangeschwindigkeit gerade Null wird, d. h., wenn die Amplitude der sinusförmigen Schwankung gerade die Höhe der mittleren Winkelgeschwin­ digkeit erreicht. Da die Grenzdrehzahl des Normalbetriebs lastabhängig ist, wird die Drehzahl der Umschaltung auf schrittweisen Betrieb in ausreichendem Abstand zur unteren Grenzdrehzahl auf 250 UPM festgesetzt.

Zur Umschaltung der Betriebsarten sind in Fig. 2 dar­ gestellte Schalter 19, 20 und 21 vorgesehen, die im Normalbetrieb auf der Stellung E liegen und im schritt­ weisen Betrieb die Stellung F einnehmen. Die Steuerung der Schalter 19, 20 und 21 erfolgt durch eine in Fig. 2 nicht gezeigte Drehzahlüberwachungseinrichtung. Der Statorstrom des Motors 3 wird in der Stellung F durch eine Einrichtung 22 derart gesteuert, daß der Stator schrittweise von einer Raststelle zur nächsten bewegt wird. Die zeitliche Schrittfolge wird durch einen Taktgeber 23 bestimmt. Der Motorstrom paßt sich durch die Rampenform den Lastverhält­ nissen automatisch an, so daß ein problemloses Anlauf­ verhalten im Drehzahlbereich von 0 bis ca. 800 UPM er­ reicht wird. Die Rampenform wird von der Einrichtung 22 auf einem Signal 24 ausgegeben. Nach Erreichen eines vor­ gegebenen Soll-Schrittes wird der Motorstrom abgeschaltet und mit einem Signal 25 auf Bremsen ohne externe Energie­ zufuhr umgeschaltet. Damit wird auch eine stabile Drehzahl bei Schubbetrieb erreicht. Das Umschalten von Schritt­ auf Normalbetrieb bei Überschreiten einer Drehzahl von 250 UPM erfolgt durch Betätigen der Schalter 19, 20 und 21 automatisch. Im Unterschied zum Normalbetrieb wird im schrittweisen Betrieb das Lagesignal 5 nicht unmittelbar auf die Einrichtung 17 geführt, sondern zunächst auf die Einrichtung 22.

Die genauere Funktion der Einrichtung 22 wird an dem Blockschaltbild nach Fig. 5 näher erläutert. Wie im Normalbetrieb ergibt sich die Vorgabe des Lagesignals 5 für die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung 17 aus dem durch die Einrichtung zur Lageerkennung 4 ermittelten Zustand der drei Hall-Sensoren (Ist-Zustand) mit dem Unterschied, daß hier der Zeitpunkt der Übernahme des Istwerts als neuer Vorgabewert (aktueller Istwert wird zu neuem Soll­ wert) von der Drehzahlvorgabe durch den Taktgeber 23 bestimmt wird. Dazu werden der Istwert und der Stand eines mit dem Taktsignal 27 betriebenen Modulo-6-Zählers 40 auf eine Vergleichslogik 26 geführt. Deren Ausgangs­ signal 41 wird, von der Flanke eines Taktsignals 27 ge­ steuert, in ein Register 28 übernommen und ergibt so den neuen Sollwert 29. Dadurch wird erreicht, daß immer eine korrekte Motoransteuerung auch beim Einschalten, bei Last­ änderungen oder beim Anlauf erfolgt. Der Istwert ist der von den drei Hall-Sensoren der Einrichtung 4 abgegebene Code der Signale S1, S2 und S3 (siehe Fig. 3), welcher der momentanen Motorlage entspricht. Der Sollwert 29 ist der für den nächsten Motorschritt (Rastschritt) erforder­ liche Code. Dieser wird je nach Drehrichtung durch einen Inverter 30 invertiert oder unverändert ausgegeben. Im schrittweisen Betrieb läuft der Motor immer innerhalb des erlaubten Drehzahlbereiches (0 bis 250 UPM) ohne zu pendeln eindeutig und sofort an, die Drehzahl kann sogar bis ca. 800 UPM erhöht werden.

In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der Signale 24, 25 und 27 aus den Fig. 2 und 5 dargestellt. Der Motorstrom wird nach Auftreten einer Taktflanke 31 des Taktsignals 27 mit dem Signal 24 rampenförmig erhöht, bis Rast- und Last­ moment überwunden werden können und der neue Ist-Zustand durch die Drehbewegung des Rotors erreicht ist. Dieser Zeitpunkt wird durch eine positive Flanke 32 des Signals 25 markiert, welches durch einen in Fig. 5 gezeigten Komparator 33 erzeugt und auf einen Rampengenerator 34 geführt wird. Dann wird der Motor ohne externe Energie­ zufuhr durch Kurzschließen der Motorwicklung bis zur näch­ sten Sollwert-Vorgabe bei der negativen Flanke 35 des Signals 25 in Fig. 4 abgebremst. Dadurch wird die Ein­ haltung der vorgegebenen Drehzahl im Schubbetrieb erheb­ lich verbessert. Durch diese Motorstromregelung wird ein sanfter Schritt erreicht. Dies ist besonders bei Einzel­ schrittsteuerung von Vorteil. Es fließt nur so viel Motor­ strom, wie für die Drehbewegung unbedingt notwendig ist. Dies bewirkt eine Vergrößerung des Wirkungsgrades und dadurch eine Verringerung der Erwärmung des Motors.

Eine Verbesserung der Einrichtung 22 besteht darin, daß der aktuelle Istwert mit der Vorgabe des schrittweise erzeugten Sollwerts verglichen wird. Wenn der vorgegebene Schritt richtig ausgeführt worden ist, sind beide iden­ tisch. Je nach Drehzahl und Lastzustand können jedoch noch zwei andere unerwünschte Betriebsfälle auftreten, deren negative Auswirkungen durch die folgende Verbesserung vermieden werden. Werden nach Vorgabe eines Schrittes mehrere Schritte ausgeführt, so war die Rampenform zu steil und muß so weit abgesenkt werden, bis der Schritt richtig erfolgt. Wird dagegen kein Schritt ausgeführt, so war die Rampenform zu flach und der Motorstrom für die anstehende Last nicht ausreichend. Die Rampenform muß steiler eingestellt werden. Im Blockschaltbild nach Fig. 5 wird diese durch Vorgabe eines Offsets mit einem Signal 36 sowie der Steilheit mit einem Signal 37 fest­ gelegt. Die Vergleichslogik 26 erkennt diese unerwünschten Betriebszustände und gibt über ein Register 38 Signale 39 für den Betriebszustand aus, die einer nicht dargestellten Anzeige zugeführt sind.

Bei einer Realisierung mit einem Mikroprozessor kann der Betriebszustand zur automatischen Korrektur der Rampenform verwendet werden. Bei höheren Drehzahlen über etwa 100 UPM kann es vorkommen, daß der Motor bei plötzlichen Lastände­ rungen nicht der Schrittvorgabe folgen kann. Der Motor fällt dann außer Tritt. In diesem Fall muß die Rampenform ebenfalls entsprechend den Lastverhältnissen verändert werden. Gleichzeitig wird, gesteuert durch die Vergleichs­ logik, die Vorgabe neuer Schritte so lange angehalten, bis der Motor die verlorenen Schritte aufgeholt hat, damit er zur Soll-Drehzahl hochläuft und sich wieder mit der Soll- Vorgabe synchronisiert. Wenn der Motor außer Tritt gefal­ len ist, wird dies ebenfalls als Betriebszustand ange­ zeigt.

Claims (9)

1. Elektrischer Stellantrieb

• - mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor (3), der einen Stator und einen Permanentmagnet-Rotor aufweist, die derart magnetisch zusammenwirken, daß ein hohes Rast­ moment im Stillstand erzeugt wird, und der mit einer Einrichtung zur Lageerkennung (4) versehen ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Einrichtung (22) zur Steuerung des Stator­ stromes vorhanden ist, die mit der Einrichtung (4) zur Lagererkennung verbunden ist und den Statorstrom derart steuert, daß der Stator schrittweise bewegt wird, wobei die Schrittweite dem Abstand (x) zwischen zwei Raststellen entspricht, und
• - daß ein Taktgeber (23) vorhanden ist, welcher mit der Einrichtung (22) zur Steuerung des Statorstromes ver­ bunden ist und die Schrittfrequenz entsprechend einer vorgebbaren Drehzahl bestimmt.

2. Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (22) Mittel (34) aufweist, um den Statorstrom so lange zu erhöhen, bis die Ausführung eines Schrittes durch die Einrichtung (4) zur Lagererkennung gemeldet wird.

3. Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Statorstrom rampenförmig erhöht wird.

4. Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rampenform des Statorstroms bezüglich ihres Anfangswerts und ihrer Steilheit einstellbar ist.

5. Elektrischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um die Statorwicklung kurz­ zuschließen.

6. Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (22) nach dem Verlassen einer Raststelle bis zur Vorgabe des nächsten Schrittes ein Signal (25) zum Kurzschließen der Statorwicklung aktiviert.

7. Elektrischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (22) zwischen zwei Betriebsarten umschaltbar ist, so daß

• - in niederen Drehzahlen der kollektorlose Gleichstrom­ motor (3) schrittweise, durch den Taktgeber (23) ge­ steuert, und
• - in höheren Drehzahlen mit einem durch eine 3-Phasen- Brücke phasenrichtig erzeugten Drehfeld betrieben wird.

8. Elektrischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (22) einen Mikroprozessor ent­ hält.