Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer mittels eines Schrittmotors angetriebenen Changiereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Changiereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung ist aus der EP 0 453 622 bekannt. Hierbei wird ein Changierfadenführer einer Changiereinrichtung zum Verlegen eines Fadens durch einen Schrittmotor angetrieben. Um den Fadenführer innerhalb eines Changierhubes hin und her zu führen, wird direkt die Bewegung des Rotors des Schrittmotors an den Fadenführer übertragen. Die Übertragung erfolgt hierbei über einen Riementrieb.

Bei der Changierung eines Fadens kommt es sehr darauf an, daß die Umkehrpunkte des Changierfadenführers an den Enden des Changierhubes immer an gleicher Stelle liegen. Desweiteren ist erforderlich, daß der Changierfadenführer an den Enden des Changierhubes in sehr kurzer Zeit aus einer Führungsgeschwindigkeit verzögert und wieder auf eine Führungsgeschwindigkeit beschleunigt wird .

Um diesen Anforderungen zu genügen, wird der Schrittmotor in den Hubumkehrbereichen mit einem höheren Nenn-Strom betrieben. Dadurch ist der Schrittmotor in der Lage, ein höheres Drehmoment zu erzeugen. Eine derartige Stromerhöhung führt in Verbindung mit einer zur Erzeugung der hohen Beschleunigung und Verzögerung erforderlichen Schrittfrequenz zu einem Überschwingen des Rotors im Schrittmotor, was sich direkt auf die Changierfadenführer überträgt. Hierdurch gerät zudem der Rotor aus seiner Schrittfolge. Eine Stromerhöhung erfordert einen entsprechend leistungsstarken Schrittmotor. Die Drehmomenterhöhung bei einem größeren Motor hat in der Regel jeoch ein höheres Trägheitsmoment zur Folge, was zur Erreichung der hohen Beschleunigungs- und Bremszeiten nachteilig ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer mittels eines Schrittmotors angetriebenen Changiereinrichtung sowie eine Vorrichtung zu schaffen, bei der der Changierfadenführer im Umkehrbereich bei optimaler Auslastung des Schrittmotors geführt wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Changierfadenführer im Hubumkehrbereich möglichst schwingungsfrei anzutreiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Changiereinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß direkt die im Schrittmotor erzeugten Feldgrößen zur Steuerung der Changiereinrichtung verwendet werden. Da das Verfahren an dem Ständerfluß des Schrittmotors orientiert ist, wird eine hochdynamische Regelung des Antriebes erreicht.

Das Prinzip des Schrittmotors basiert darauf, daß ein als Permanentmagnet ausgeführter Rotor sich innerhalb eines Ständers mit mehreren Wicklungen dreht. Um den Rotor zu bewegen, werden die versetzt zueinander angeordneten Wicklungen nach einer Zeitfolge mit Strom beaufschlagt. Dabei werden magnetische Felder erzeugt, die in Verbindung mit dem magnetischen Feld des Rotors die Bewegung des Rotors ermöglichen. Der Ständer wird aus einer Vielzahl von Wicklungen gebildet, die als Polpaare die Schrittweite des Schrittmotors bestimmen. Das Drehmoment des Schrittmotors wird dabei durch den magnetischen Fluß im Ständer (Ständerfluß) und dem magnetischen Fluß im Rotor (Rotorfluß) bestimmt. Da der Rotor als Permanentmagnet ausgeführt ist, wird sich der Rotorfluß nicht verändern, so daß das Drehmoment des Schrittmotors im wesentlichen durch die Ständerflußamplitude und den Winkel zum Rotorfluß beeinflußt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt nun diese Abhängigkeit, um die Bewegung des Rotors und damit des Changierfadenführers zu steuern. Zur Steuerung des Ständerflusses wird eine durch eine Flußsteuereinrichtung erzeugte Ständerspannung vorgegeben. Somit wird die Bewegung des Rotors durch wechselnde magnetische Erregungen mit jeweils vorgegebenem magnetischen Ständerfluß in den Wicklungen des Ständers gesteuert.

Dem Schrittmotor werden somit keine Ströme vorgegeben. Der Laststrom wird sich in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Schrittmotors selbsttätig einstellen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das vom Schrittmotor erzeugte Drehmoment geregelt wird. Ein Drehmomentenregler führt hierzu einen Ist-Soll-Vergleich zwischen einem Ist-Drehmoment und einem vorgegebenen Soll-Drehmoment durch. Bei Abweichung wird ein entsprechender Drehmomentkorrekturwert erzeugt, der zur Steuerung des Schrittmotors in die Ständerspannung umgewandelt wird. Damit läßt sich in der Changiereinrichtung jeweils ein zur Führung des Changierfadenführers in jeder Stellung des Changierfadenführers ausreichendes Drehmoment sowie Beschleunigung erzeugen. Durch die aus der Drehmomentregelung erzeugten Ständerspannung läßt sich die Phasenlage, d.h. die Winkelgeschwindigkeit, des Rotors regeln.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Drehmomentenregelung liegt darin, daß in jeder Stellung des Rotors ein bestimmtes Drehmoment zugeordnet werden kann. Somit wird eine optimale Auslastung des Schrittmotors erreicht.

Das auf den Rotor wirkende Drehmoment ist im wesentlichen abhängig von der Lage des Rotors, dem Rotorfluß und dem Ständerfluß. Da der Rotor einen konstanten Rotorfluß aufweist, läßt sich gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Ist-Drehmoment allein aus den elektrischen Parametern Ständerstrom und Ständerfluß berechnen. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten, den momentanen Ist-Ständerfluß des Schrittmotors zu ermitteln.

Die erste Möglichkeit besteht darin, daß die Rotorposition geberlos ermittelt wird. Hierbei werden die Ständerspannung und der Ständerstrom laufend gemessen und in einer Rechenschaltung derart verknüpft, daß sich ein von der Rotorlage abhängiger Ständerfluß ergibt. Mit dem Ständerfluß und dem Ständerstrom kann nun das Ist-Drehmoment bestimmt werden, so daß das ermittelte Ist-Drehmoment mit einem Solldrehmoment verglichen werden kann. Das Solldrehmoment ergibt sich aus dem Bewegungsgesetz des Changierfadenführers und ist in Abhängigkeit von den jeweiligen Wickelgesetzen bekannt. Hierbei läßt sich das Drehmoment aus der Lage und der Geschwindigkeit des Changierfadenführers für jede Stellung des Rotors vorher bestimmen und wird dem Drehmomentregler vorgegeben.

Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens wird die Winkellage des Rotors mittels eines Sensors erfaßt und in die Regelung des Schrittmotors mit einbezogen. Bringt man diese Lagesignale in Phasengleichgewicht mit dem Rotor, so verfügt man über ein normiertes Rotorflußsignal. Diese normierten Rotorflußsignale lassen sich vorteilhaft in entsprechende Ständerflußsignale überführen. Damit ist der Ständerfluß bekannt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird laufend der Ist-Ständerfluß ermittelt und einem Flußregler zum Ist-Soll-Vergleich aufgegeben. Durch eine derartige Regelung lassen sich vorteilhaft Störeinflüsse unmittelbar ausregeln. Dem Schrittmotor kann ein Sollständerfluß-Profil vorgegeben werden, das exakt die Bewegung des Changierfadenführers wiedergibt.

Da die Phasenlage des Ständerflusses im wesentlichen den Anstieg des Drehmomentes beeinflußt, jedoch die Amplitude des Ständerflusses den Absolutwert des Drehmomentes bestimmt, wird eine optimale Auslastung des Schrittmotors erreicht, wenn neben der Drehmomentregelung auch eine Flußregelung erfolgt.

Die von den Reglern erzeugten Ständerspannungen lassen sich dabei direkt vorteilhaft auf einen Pulsweitenmodulator zur Ansteuerung eines Umrichters aufgeben. Damit können alle üblichen Wicklungsarten wie wilde Wicklung, Präzisionswicklung usw. sowie Changierhubveränderungen mit der Changiereinrichtung durchgeführt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Es stellen dar:

Fig. 1

schematisch eine erfindungsgemäße Changiereinrichtung;

Fig. 2

schematisch einen Schrittmotor mit zwei Ständerwicklungen;

Fig. 3

den schematischen Aufbau einer Flußsteuereinrichtung;

Fig. 4

ein Ersatzschaltbild eines Schrittmotors;

Fig. 5

den Ständerfluß und Rotorfluß im ständerfesten Koordinatensystem;

Fig. 6

ein Blockschaltbild der Flußsteuereinrichtung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Changiereinrichtung gezeigt. Hierbei wird der Changierfadenführer 8 mittels eines Schrittmotors 4 innerhalb eines Changierhubes hin- und herbewegt. Die Übertragung der Bewegung vom Schrittmotor 4 zum Fadenführer 8 erfolgt über einen Riemen 7. Der Riemen 7 umschlingt die Riemenscheiben 6, 9 und 11. Der Changierfadenführer 8 ist fest mit dem endlosen Riemen 7 verbunden und wird an dem Riemen 7 zwischen den Riemenscheiben 11 und 9 hin- und hergeführt. Die Riemenscheibe 11 ist drehbar an einer Achse 12 gelagert, die Riemenscheibe 9 ist drehbar an der Achse 10 gelagert. Die Riemenscheibe 6 ist an einer Rotorwelle 5 befestigt, die mittels eines Rotors des Schrittmotors 4 mit wechselndem Drehsinn angetrieben wird. Der Schrittmotor 4 wird über eine Steuereinheit 22 angesteuert. Hierzu weist die Steuereinheit 22 einen Umrichter 2 und eine Flußsteuereinrichtung 1 auf. Die Flußsteuereinrichtung 1 ist mit einer Steuerleitung 23 und einer Signalleitung 24 mit dem Umrichter 2 verbunden. Die Flußsteuereinrichtung 1 ist mit einem Sensor 3 verbunden, der die Lage des Rotors bzw. der Rotorwelle 5 sensiert. Die Flußsteuereinrichtung besitzt zudem einen Eingang zur Übertragung von Sollvorgaben für die Changierung.

Parallel zu dem zwischen der Riemenscheibe 9 und 11 gespannten Riemen 7 ist eine Spulspindel 15 unterhalb des Riementriebs angeordnet, auf der eine Hülse 14 befestigt ist. Auf der Hülse 14 wird eine Spule 13 gewickelt. Hierzu wird ein Faden vom Changierfadenführer 8 entlang der Spulenoberfläche hin- und herverlegt. Hierbei ist jede Stellung des Changierfadenführers 8 einer bestimmten Winkellage des Rotors im Schrittmotor zugeordnet. Somit können über die Flußsteuereinrichtung 1 dem Schrittmotor 4 zu jeder Changierfadenführerposition die erforderlichen Feldgrößen zur Beeinflussung des Rotors vorgegeben werden.

Die Funktionsweise des Schrittmotors läßt sich anhand der in Fig. 2 gezeigten schematischen Abbildung wie folgt beschreiben. Der Schrittmotor 4 besitzt zumindest zwei um 90° versetzt zueinander angeordnete Wicklungen 16 und 17. Die Wicklungen 16 und 17 werden über einen Umrichter 2 nach einer vorgegebenen Zeitfolge wechselweise angesteuert. Dabei baut sich jeweils in den Wicklungen ein magnetisches Feld mit einem magnetischen Fluß Ψ_S auf. In Wicklungen fließt ein Laststrom (Ständerstrom) i_S. Nun wird sich ein in der Mitte der Wicklungen gelagerter Rotor (hier nicht gezeigt) mit seinem Permanentmagnetfeld bewegen.
Zur Lageerfassung des Rotors ist ein Sensor 3 an dem Schrittmotor angebracht. Der Sensor 3 ist so ausgelegt, daß die Schrittzahl des Sensors durch die Polpaarzahl des Schrittmotors ganzzahlig teilbar ist. Damit kann sein Signal sowohl für eine Lageregelung des Rotors als auch für die Ständerflußbestimmung benutzt werden. Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich dann, wenn ein Zahnrad verwendet wird, dessen Zähnezahl identisch mit der Polpaarzahl des Motors ist. Mittels zweier Feldplatten, die diesbezüglich der Zahnteilung einen Versatz von 90° aufweisen, erhält man ein Sinussignal und ein Cosinussignal. Bringt man diese Signale in Phasengleichgewicht mit dem Rotor, so erhält mein normiertes Rotorflußsignal.

Der momentane Ständerstrom i_S und das Sensorsignal ϕ werden dann - wie in Fig. 3 gezeigt - einem Wandler 18 der Flußsteuerung aufgegeben. Die Flußsteuereinrichtung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Hierbei sind Vektorgrößen durch einen Pfeil gekennzeichnet.

Der Wandler 18 ermittelt aus dem Ständerstrom und dem Sensorsignal ϕ einen Istwert des Ständerflusses Ψ_S. Der Istwert des Ständerflusses wird sodann einem Flußregler 20 und gleichzeitig einem Drehmomentenregler 19 zugeführt. In dem Flußregler 20 erfolgt direkt am Reglereingang ein Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert des Ständerflusses mit momentanen Istwert des Ständerflusses. Im Fall einer Abweichung, wird der Flußregler 20 ein Spannungssignal erzeugen, welches einem Pulsweitenmodulator 21 aufgegeben wird, der mit dem Umrichter 2 verbunden ist. Parallel zur Flußreglung erfolgt in dem Drehmomentenregler 19 ein Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert des Drehmomentes sowie dem Istwert des Drehmomentes des Schrittmotors. Das Ist-Drehmoment wird hierbei aus den aufgegebenen Größen des Ständertroms i_S und des Ständerflusses Ψ_S ermittelt. Der Drehmomentenregler 19 erzeugt bei Abweichung ebenfalls ein Spannungssignal, das dem Pulsweitenmodulator 21 zugeführt wird. Die Ständerspannung u_S setzt sich hierbei aus einer Drehmoment bildenden Komponente u_M und einer Fluß bildenden Komponente u_Ψ zusammen, auf dessen Zusammenhang später noch genauer eingegangen wird.

Zur Beschreibung des Schrittmotors wird weiterhin das in Fig. 4 gezeigte Ersatzschaltbild und das in Fig. 5 gezeigte Zeigerdiagramm verwendet. Die Maschinengrößen werden als Raumzeiger in einem ständerfesten Koordinatensystem verstanden, wobei die α-Achse des Koordinatensystems mit der Wicklungsachse der Maschine zusammenfällt und die β-Achse zur α-Achse orthogonal ist. Das Drehmoment eines zweiphasigen Schrittmotors läßt sich dann nach folgender Gleichung berechnen:$${\text{M = p*1/L*|Ψ}}_{\text{S}}{\text{|*|Ψ}}_{\text{R}}\text{|*sinδ.}$$ Hierbei ist p die Polpaarzahl des Schrittmotors und δ der Winkel zwischen dem Ständer- und Rotorflußraumzeiger. Der Ständerfluß Ψ_S kann direkt aus der Ständerspannung u_S aus folgender Gleichung ermittelt werden:$${\text{Ψ}}_{\text{S}}{\text{= ∫ (u}}_{\text{S}}{\text{-i}}_{\text{S}}\text{*R)*dt}$$

Demgegenüber kann der Rotorfluß wegen der Permanenterregung nicht in seiner Amplitude beeinflußt werden. Seine Lage ist nur von der Stellung des Rotors abhängig. Um die Maschine möglichst gut ausnutzen zu können, sollte die Spitze des Ständerflußraumzeigers auf einer Kreisbahn geführt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Spannungsraumzeiger uM auf die Wicklung geschaltet wird, dessen Richtung orthogonal zur Ständerflußrichtung liegt. Da der Ständerfluß Ψ_S im wesentlichen ein Integral der Ständerspannung ist, versetzt ein solcher Spannungsraumzeiger den Ständerflußraumzeiger Ψ_S in Rotation. Dieser Spannungsraumzeiger allein kann aber nur die Winkelgeschwindigkeit ω, nicht aber die Amplitude des Ständerflusses beeinflussen. Es wird deshalb ein weiterer Spannungsraumzeiger u_Ψ benötigt der in Richtung des Ständerflußraumzeigers Ψ_S zeigt. Die Ständerspannung u_S ergibt sich damit als Summe aus beiden Komponenten u_M und u_Ψ.

Bei idealem Leerlauf der Maschine M=0 müssen Ψ_S und Ψ_R deckungsgleich umlaufen. Soll nun das Drehmoment schnell wachsen, so muß der Spannungsraumzeiger u_M stark vergrößert werden. Hierdurch vergrößert sich sofort die Winkelgeschwindigkeit ω_S des Ständerflußraumzeigers, während der Rotorflußraumzeiger aufgrund seiner festen Bindung an die Rotorlage zunächst noch mit seiner alten langsameren Winkelgeschwindigkeit umläuft. Mit der Differenzwinkelgeschwindigkeit vergrößert sich jetzt der Winkel δ zwischen Ständer-und Rotorflußraumzeiger und damit auch das Drehmoment. Ist der gewünschte Drehmoment-Sollwert erreicht, muß die Spannungsamplitude von u_M wieder auf einen niedrigeren Wert verringert werden. Gleichzeitig muß u_Ψ verstellt werden, da sich die Komponente des Spannungsabfalls (i_S*R) am Ständerwiderstand R entgegen der Richtung von Ψ_S aufgrund des Laststromsanstieges vergrößert hat. Damit kann der Ständerfluß im Schrittmotor in seiner Amplitude und in seiner Phasenlage durch die Ständerspannung u_S bestimmt bzw. gesteuert werden. Das Ausgangssignal der Ständerspannung kann nach entsprechender Normierung direkt als Eingangssignal eines Pulsbreitenmodulators genutzt werden. Dabei ist zu beachten, daß der Spannungsraumzeiger nur noch in den Zeitabschnitten beinflußt werden kann, in denen der Umrichter überhaupt noch taktet.

Ist die Ständerflußbestimmung mit einer Lageregelung gekoppelt, so läßt sich der Ständerfluß Ψ_S aus folgender Gleichung berechnen:$${\text{Ψ}}_{\text{S}}{\text{= Ψ}}_{\text{R}}{\text{+ i}}_{\text{S}}\text{*L}$$

Mit Hilfe der - wie in Fig. 2 gezeigt - ermittelten Sinus- und Cosinus-Rotorsignale und einem konstanten Rotorfluß-Nennwert ergeben sich bezogen auf das Ständerkoordinatensystem folgende Ständerflüsse:$${\text{Ψ}}_{\text{S,α}}{\text{= Ψ}}_{\text{0}}{\text{*cos ϕ+i}}_{\text{S,α}}\text{*L}$$$${\text{Ψ}}_{\text{S,β}}{\text{= Ψ}}_{\text{0}}{\text{*sin ϕ+i}}_{\text{S,β}}\text{*L}$$

Diese Istwerte des Ständerflusses können nun einem Flußregler oder einem Drehmomentregler aufgegeben werden.

In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer kombinierten Regelung eines Ständerflusses und des Drehmoments gezeigt. Hierbei wird zunächst aus den Ist-Ständerflüssen und den Ständerströmen ein Ist-Drehmoment wie folgt berechnet:$${\text{M = p(Ψ}}_{\text{S,α}}{\text{*i}}_{\text{S,β}}{\text{)-(Ψ}}_{\text{S,β}}{\text{*i}}_{\text{S,α}}\text{)}$$

Der bestimmte Istwert des Drehmomentes wird einem Drehmomentregler zugeführt, der einen Ist-Soll-Vergleich durchführt. Bei Feststellung einer Abweichung wird ein Drehmomenten-Korrekturwert k_M erzeugt. Aus der Beziehung u_M=jk_M*Ψ_S wird der Korrekturwert in eine Ständerspannung umgewandelt und einem Pulsweitenmodulator zur Ansteuerung des Umrichters aufgegeben. Parallel zur Drehmomentregelung wird gleichzeitig eine Flußregelung durchgeführt. Hierbei wird der Ständerfluß nach der Normierung mit einem Sollständerfluß-Reglereingang verglichen. Bei Abweichung wird der Flußregler einen Fluß-Korrekturwert k_Ψ erzeugen. Über die Beziehung u_Ψ = jk_Ψ*Ψ_S ergibt sich ein Spannungswert, der ebenfalls dem Pulsweitenmodulator aufgegeben wird.

Mittels dieser Regelung gelingt es, bei dem Schrittmotor häufig auftretende Schwingungen bei schnellen Reversiervorgängen durch die direkte Kontrolle des Motormoments zu beseitigen, so daß der Changierfadenführer in den Endbereichen des Changierhubes sicher und schwingungsfrei geführt wird. Hierdurch kann der Motor weit besser ausgenutzt werden als dies in dem meist nur gesteuerten Betrieb möglich ist.

1

Flußsteuerung

2

Umrichter

3

Sensor

4

Schrittmotor

5

Rotorwelle

6

Riemenscheibe

7

Riemen

8

Changierfadenführer

9

Riemenscheibe

10

Achse

11

Riemenscheibe

12

Achse

13

Spule

14

Hülse

15

Spulspindel

16

Wicklung

17

Wicklung

18

Wandler

19

Drehmomentregler

20

Flußregler

21

Pulsweitenmodulator

22

Steuereinheit

23

Steuerleitung

24

Signalleitung