DE10127931A1

DE10127931A1 - Einzelzyklus-Positioniersystem unter Verwendung eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE10127931A1
Application number: DE10127931A
Authority: DE
Inventors: Gary Lee Deck; Douglas Sebastian Pfautz; Michael David Strong
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2001-12-13
Also published as: US6310452B1

Abstract

Ein Einzelzyklus-Positioniersystem unter Verwendung eines Gleichstrommotors, bei dem ein breiter Bereich einer Eingangs-Netz-Wechselspannung gleichgerichtet und eine Pulsbreitenmodulation mit fester Frequenz und variablem Tastverhältnis bereitgestellt wird, um an den Motor für einen Einzelzyklusbetrieb eine vorbestimmte effektive Gleichspannung anzulegen.

Description

Die Erfindung betrifft Positioniersysteme, insbesondere ein verbessertes Einzelzy klus-Positioniersystem, welches von einem Gleichstrommotor Gebrauch macht, um ein zyklisch bewegtes Element exakt an einer vorbestimmten Stelle innerhalb von dessen Bewegungszyklus zu positionieren.

Es gibt zahlreiche Maschinen, bei denen ein Element zyklisch angetrieben wird, und von denen gefordert wird, das Element an einer exakten Stelle innerhalb sei nes Positionierzyklus anzuhalten. Ein Typ einer solchen Maschine ist eine Crimppresse, die wiederholt dazu verwendet wird, elektrische Anschlüsse an Drahtenden anzubringen. Das US-Patent 3 343 398 offenbart eine derartige Ma schine, in der ein Stößel mit einer Welle gekoppelt ist, um während jeder einzelnen Wellenumdrehung den Stößel nach unten zu bewegen und ihn anschließend zu rück in seine Ausgangsstellung zu bringen, um dadurch ein an dem Ende des Stö ßels befindliches Crimpgesenk in Eingriff mit einem Anschluß zu treiben. Die Welle ist über eine Einzelumdrehungskupplung mit einem Schwungrad gekoppelt, wel ches von einem kontinuierlich laufenden Motor kontinuierlich angetrieben wird. Soll ein Anschluß an einen Draht gecrimpt werden, so wird die Einzelumdrehungs kupplung eingekuppelt, um die Welle eine einzelne Umdrehung ausführen zu las sen, so daß der Stößel über seinen Bewegungszyklus bewegt wird.

Während die oben beschriebene Anordnung für den vorgesehenen Zweck wirk sam ist, so leidet sie doch unter einer Reihe von Unzulänglichkeiten. So beispiels weise stellt der Dauerbetrieb des Motors eine Verschwendung elektrischer Energie dar und führt zur Wärmebildung. Außerdem bewirkt die Verwendung einer Einzel umdrehungskupplung Geräusche und Schwingungen. Außerdem muß die Kupp lung ordnungsgemäß gewartet werden, Verschleißteile müssen ausgetauscht wer den.

Das US-Patent 5 449 990 offenbart ein Einzelzyklus-Positioniersystem, welches eine elektronische Steuerung eines Asynchronmotors an die Stelle einer Einzel umdrehungskupplung setzt. Wenngleich effektiv und in der Industrie gut aufge nommen, so ist doch das elektronische Steuersystem zum Betreiben des Asyn chronmotors relativ teuer. Deshalb wäre es wünschenswert, ein billigeres Ein zelzyklus-Positioniersystem des beschriebenen Typs bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird ein Einzelzyklus-Positioniersystem unter Verwendung ei nes Gleichstrommotors mit einer Wicklung mit zwei Enden geschaffen. Das Sy stem enthält eine Gleichstromquelle, ein mit dem Motor für eine gesteuerte zykli sche Bewegung gekoppeltes bewegliches Element, eine Einrichtung zum Bereit stellen eines Startsignals zum Einleiten der Bewegung des Elements, und eine zu dem Element gehörige Einrichtung zum Erzeugen eines Haltesignals, wenn das Element sich an einer vorbestimmten Stelle innerhalb seines Bewegungszyklus befindet. Eine Motorsteuerung in dem System enthält einen ersten zwischen die Gleichstromquelle und ein erstes Ende der Motorwicklung gekoppelten Schalter, einen zweiten, zwischen das zweite Ende der Motorwicklung und einen Refe renzpegel gelegten Schalter, und einen dritten Schalter, der zwischen einem er sten Ende der Motorwicklung und dem Referenzpegel liegt. Das System enthält weiterhin eine Steuereinrichtung, die so verschaltet ist, daß sie das Startsignal und das Haltesignal empfängt, um die Motorsteuerschalter zu steuern. Die Steuerein richtung arbeitet ansprechend auf das Startsignal, um das Schließen des ersten und des zweiten Schalters zu steuern und dadurch Gleichleistung an die Motor wicklung zu geben. Die Steuereinrichtung arbeitet ansprechend auf das Haltesi gnal, indem sie den ersten Schalter öffnet und den zweiten und den dritten Schal ter schließt, um ein dynamisches Abbremsen des Motors zu veranlassen, demzu folge das bewegliche Element an der gewünschten Stelle innerhalb eines definier ten Bereichs bezüglich der vorbestimmten Stelle anhält.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält die Gleichstromquelle ein Paar An schlüsse, die an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind, und eine Gleich richteinrichtung, die an das Paar Anschlüsse gekoppelt ist und die an die An schlüsse gelangende Wechselleistung in Gleichleistung umsetzt. Die Steuerein richtung arbeitet so, daß sie die Wechselspannung an dem Paar von Anschlüssen ermittelt und das Schließen des zweiten Schalters mit einer Rate einer Pulsbrei tenmodulation unterzieht, welche in umgekehrter Beziehung zu der ermittelten Wechselspannung steht, um eine effektive Gleichspannung an der Motorwicklung nach Erhalt des Startsignals und vor Empfang des Haltesignals bereitzustellen. Das oben gesagte wird deutlicher bei der Lektüre der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen ähnliche Elemente in verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen tragen, wobei

Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Crimppresse (ohne Applikator) ist, bei der die vorliegende Erfindung einsetzbar ist;

Fig. 2 ein Gesamt-Blockdiagramm einer anschaulichen Ausführungsform eines Einzelzyklus-Positioniersystems ist, das nach den Prinzipien der vorlie genden Erfindung aufgebaut ist; und

Fig. 3 eine schematische Schaltungsskizze einer anschaulichen Ausführungs form einer Motorsteuerschaltung ist, welche nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Fig. 1 zeigt eine Crimppresse, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen, in der ein erfindungsgemäß ausgestaltetes System eingebaut werden kann. Zum Zweck der Darstellung ist die Crimppresse 10 ohne einen Applikator dargestellt, wobei sich versteht, daß man an der Presse verschiedene Applikatoren installieren und mit der Ausgangswelle 12 koppeln kann. Die Ausgangswelle 12 ihrerseits ist mit dem Gleichstrommotor 14 über einen Getriebekasten 16 gekoppelt, der bei spielsweise eine 10 : 1-Untersetzung gegenüber der (nicht gezeigten) Welle des Motors 10 auf die Welle 12 bewirkt.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist die einzelne Wicklung des Gleichstrommotors 14 mit der Motorsteuerschaltung 18 verbunden (zur Vereinfachung ist der Getriebekasten 16 in Fig. 2 nicht dargestellt). Die Motorsteuerschaltung 18 empfängt Leistung von der Spannungsversorgung 20, die ein Paar Anschlüsse 22 und 24 besitzt, die an eine Gleichspannungsquelle 26 angeschlossen sind. Wie weiter unten noch erläu tert wird, kann das in Fig. 2 gezeigte System in einem großen Bereich der Ein gangs-Netzwechselspannung arbeiten. Die Motorsteuerschaltung 18 wird mit Steuersignalen aus der Steuerlogikschaltung 28 versorgt, wobei es sich bei Letz terer um einen programmierten Mikroprozessor handeln kann. Die Steuerlogik schaltung 28 empfängt Leistung von der Spannungsversorgung 20 und empfängt außerdem von dem Schalter 30 ein Startsignal, wobei der Schalter ein Fußschalter sein kann, den eine Bedienungsperson betätigt, um einen einzelnen Crimpzyklus einzuleiten. Ein Stellungsfühler 32, der ein Hall-Bauelement enthalten kann, ist mit der Welle 12 gekoppelt, um über die Leitung 33 ein Haltesignal an die Steuerlogik schaltung 28 zu liefern, wenn die Welle 12 sich in einer vorbestimmten Winkelori entierung befindet. Wie noch beschrieben werden wird, spricht die Steuerlogik schaltung 28 auf das Schließen des Startschalters 30 an, um ein Signal MOTOR EIN über die Leitung 34 an die Motorsteuerschaltung 18 zu geben, außerdem über die Leitung 26 ein eine feste Frequenz und ein variables Tastverhältnis aufweisen des Pulsbreitenmodulations-(PWM-)Signal zu geben, abhängig von dem Wert der Wechselspannung an den Anschlüssen 22, 24. Ansprechend auf ein Signal von dem Stellungsfühler 32 wird das über die Leitung 34 geschickte Signal MOTOR EIN beseitigt, und über die Leitung 38 wird ein Signal BREMSEN geliefert.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, erfolgt die Steuerung des Motors 14 über drei Halbleiter schalter 40, 42 und 44, von denen jeder beispielhaft ein Bipolartransistor mit iso liertem Gate (IGBT) ist. Die Schalter 40 und 42 sind als halbe "H-Brücke" ge schaltet, um den Lauf des Motors 14 zu steuern, und der Schalter 44 ist so ver schaltet, daß er eine Einrichtung zum dynamischen Bremsen des Motors 14 bildet.

Die Steuersignale auf den Leitungen 34, 36 und 38 von der Steuerlogikschaltung 28 sind von den Treibern 46 und 48 der Schalter 40 und 42 durch Optokoppler 50 und 52 optisch getrennt. Der Schalter 44 wird direkt von dem Optokoppler 54 ab hängig von einem Signal auf der Leitung 38 gespeist. Demgemäß besitzt gemäß Darstellung die Wicklung des Motors 14 ein erstes Ende, welches über den Schal ter 40 an die Gleichspannungsquelle anschließbar ist, und ein zweites Ende, wel ches über den Schalter 42 auf Masse gelegt werden kann. Der Bremsschalter 44 bildet für das erste Ende der Wicklung des Motors 14 einen Pfad gegen Masse. (Man erkennt, daß ein anderer Referenzpegel anstelle von Masse gewählt werden kann.).

Die Spannungsversorgung 20 (Fig. 2) erzeugt einen Gleichspannungspegel pro portional zu der Eingangs-Netzwechselspannung aus der Quelle 26. Für eine Netz-Wechselspannung von 90 Veff, beträgt die entsprechende verfügbare Gleichspannung für den Motor 14 etwa 130 V₌. Für eine Netz-Wechselspannung von 360 Veff beträgt die Gleichspannung etwa 375 V₌. Durch abwechselndes Schliessen und Öffnen des Schalters 42 lassen sich Gleichspannungen, die höher als die Nenn-Motorspannung sind, mit einem effektiven Pegel von 130 V₌ anlegen. Dabei fühlt die Steuerlogikschaltung 28 die von der Wechselspannungsquelle 26 kommende Spannung und führt den Schaltvorgang des Schalters 42 bei einer fe sten Frequenz von etwa 20 KHz und mit einem Tastverhältnis durch, welches di rekt umgekehrt proportional ist zu der Beziehung zwischen der Eingangs-Netz- Wechselspannung und der 130 V₌ betragenden Motor-Nennspannung. Die Netz- Wechselspannung wird von der Steuerlogikschaltung 28 gemessen. Bei einer Netz-Wechselspannung von 90 V_~ beträgt das Tastverhältnis der Schaltfrequenz etwa 100%, was bedeutet, daß der Schalter 42 dauernd geschlossen ist. Bei einer Netz-Wechselspannung von 260 V_~ (375 V₌) beträgt das Tastverhältnis 35%. Da mit dient das durch Pulsweitenmodulation gesteuerte Schließen des Schalters 42 zur Schaffung eines effektiven 130-Volt-Pegels an der Wicklung des Motors 14.

Im Normalbetrieb überwacht die Steuerlogikschaltung 28 den Zustand des Schal ters 30. Wird der Schalter 30 geschlossen, so wird ein Zyklus eingeleitet. Der Schalter 44 ist am Anfang für eine bestimmte Zeitspanne geschlossen. Bei ge schlossenem Schalter 44 lädt sich der Kondensator 54 auf etwa +12 V₌ auf. An schließend wird der Schalter 44 geöffnet. Dann wird ein Signal über die Leitung 34 zum Schließen des Schalters 40 geliefert. Die in dem Kondensator 54 gespeicher te Ladung stellt die zum Schließen des Schalters 40 benötigte Ladung dar. Dann wird der Schalter 42 mit einer fixen Rate und mit einem vom Wert der Netz- Wechselspannung abhängigen Tastverhältnis pulsweise geschlossen. Wenn die beiden Schalter 40 und 42 leiten, liegt die Wicklung des Motors 14 an der Motor- Spannungsversorgung und beginnt, sich zu drehen. Dieser Zustand hält so lange an, bis der Stellungsfühler 32 anzeigt, daß die Welle 12 sich in der vorbestimmten Winkelstellung befindet. Die Steuerlogikschaltung 28 hält dann das pulsweise An steuern des Schalters 42 an und öffnet den Schalter 40. Dann wird der Motor dy namisch in einen Haltezustand abgebremst, indem die Wicklungsleiter kurzge schlossen werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die beiden Schalter 42 und 44 geschlossen werden. Wenn beide Schalter 42 und 44 leiten, gibt es im Zusam menwirken mit den zugehörigen Freilaufdioden 43 und 45 eine Wegstrecke für den resultierenden Bremsstrom, über die dieser durch die Schalter 42, 44 und die zu gehörigen Dioden 43, 45 und zurück in die Wicklung des Motors fließen kann. Die Schalter 42 und 44 bleiben für eine vorbestimmte Zeitspanne geschlossen und werden dann geöffnet. Während dieser vorbestimmten Zeitspanne kommt der Mo tor 14 zum vollständigen Anhalten. In der Wicklung des Motors 14 gespeicherte Energie wird über den Motorwicklungswiderstand abgeleitet und tritt als Wärme entwicklung in der Motorwicklung in Erscheinung. Dann wartet das System darauf, daß die Bedienungsperson über den Schalter 30 einen weiteren Zyklus einleitet. Während der obige Ablauf zum dynamischen Abbremsen des Motors 14 wirksam ist, so wurde doch herausgestellt, daß bei Anwendung bei einer Crimppresse (Fig. 1) die durch das dynamische Bremsen entstehende Wärme die Wiederholrate des Crimpvorgangs beschränkt. Es ist bekannt, daß das Crimpen in einer festen Zeit nach Erhalt des Startsignals von dem Schalter 30 stattfindet, und daß der Crimp stössel sich anschließend in seine obere Mittel-Totstellung nach oben bewegt, was dann geschieht, wenn der Stellungsfühler 32 sein Signal über die Leitung 33 liefert. Folglich wurde es als vorteilhaft gefunden, das Tastverhältnis für das Schließen des Schalters 42 durch Pulsbreitenmodulation zu reduzieren, nachdem der Crimpvorgang stattgefunden hat und bevor das Signal von dem Stellungsfühler 32 empfangen wird, zu welchem Zeitpunkt der vorerwähnte dynamische Brems vorgang ausgeführt wird. Insbesondere wurde herausgefunden, daß eine Verrin gerung des Pulsbreitenmodulations-Tastverhältnisses auf sechzig Prozent (60%) des Anfangswerts (was im Endeffekt etwa einen effektiven Gleichspannungspegel von 78 V₌ an der Wicklung des Motors 14 bewirkt) in einer dreißig Prozent (30%) oder mehr betragenden Steigerung der Crimpwiederholrate resultiert.

Es wurde also ein verbessertes Einzelzyklus-Positioniersystem unter Verwendung eines Gleichstrommotors offenbart. Während ein anschauliches Ausführungsbei spiel der Erfindung offenbart wurde, versteht sich, daß verschiedene Anpassungen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsform möglich sind, und daß die vorliegende Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprü che beschränkt sein soll.

Claims

1. Einzelzyklus-Positioniersystem unter Verwendung eines Gleichstrommo tors (14) mit einer zwei Enden aufweisenden Wicklung, umfasend:
eine Gleichleistungsquelle (20);
ein mit dem Motor (14) gekoppeltes bewegliches Element (15), das von dem Motor eine gesteuerte zyklische Bewegung erhält;
eine Einrichtung (28, 30, 34, 40) zum Bereitstellen eine Startsignals zwecks Einleitung einer Bewegung des Elements (12);
eine dem Element (12) zugeordnete Einrichtung (28, 42) zum Bereitstellen ei nes Haltesignals, wenn das Element (12) sich in einer vorbestimmten Position innerhalb seines Bewegungszyklus befindet;
eine Motorsteuerung, welche beinhaltet:
einen zwischen die Gleichleistungsquelle (20) und ein erstes Ende der Motorwicklung gekoppelten ersten Schalter (40);
einen zwischen das zweite Ende der Motorwicklung und einen Refe renzpegel gekoppelten zweiten Schalter (42); und
einen zwischen das erste Ende der Motorwicklung und den Referenzpe gel gekoppelten dritten Schalter (40); und
eine Steuereinrichtung (28), die so verschaltet ist, daß sie das Startsignal und
das Haltesignal empfängt, um die Motor-Steuerschalter zu steuern, wobei die Steuereinrichtung ansprechend auf das Startsignal das Schließen des ersten und des zweiten Schalters steuert, damit Gleichleistung an die Wicklung des Motors gelegt wird, und die Steuerschaltung auf das Haltesignal anspricht, in dem sie den ersten Schalter öffnet und den zweiten und den dritten Schalter schließt, um den Motor dynamisch abzubremsen, demzufolge das bewegliche Element an einer gewünschten Position innerhalb eines definierten Bereichs bezüglich der vorbestimmten Position zum Stillstand kommt.

2. System nach Anspruch 1, bei dem jeder der Schalter einen zugehörigen Bi polartransistor mit isoliertem Gate aufweist.

3. System nach Anspruch 1, bei dem die Gleichleistungsquelle ein Paar An schlüsse aufweist, die an eine Wechselleistungsquelle anschließbar sind, weiterhin eine Gleichrichteinrichtung, die an das Paar Anschlüsse gekoppelt ist und bewirkt, daß die an die Anschlüsse angelegte Wechselleistung in eine Gleichleistung umgewandelt wird, wobei die Steuereinrichtung so arbeitet, daß sie die Wechselspannung an den Paar Anschlüssen ermittelt und mittels Pulsbreitenmodulation den zweiten Schalter mit einer Rate schließt, die in umgekehrter Beziehung zu der ermittelten Wechselspannung steht, um da durch eine vorbestimmte effektive Gleichspannung an der Motorwicklung nach Erhalt des Startsignals und vor Empfang des Haltesignals bereitzustellen.

4. System nach Anspruch 3, bei dem
die Steuereinrichtung auf den Empfang des Startsignals anspricht, um ein Schließen des ersten Schalters zu veranlassen und außerdem ein pulsieren des Schließen des zweiten Schalters mit einer fixen Rate und einem Tastver hältnis zu veranlassen, welches so ausgewählt ist, daß an der Motorwicklung eine vorbestimmte effektive Gleichspannung bereitgestellt wird; und
die Steuereinrichtung ansprechend auf den Empfang des Haltesignals das Öffnen des ersten Schalters und das dauernde Schließen des zweiten und des dritten Schalters über eine vorbestimmte Zeitdauer hinweg veranlaßt.

5. System nach Anspruch 3, bei dem:
die Steuereinrichtung auf den Empfang des Startsignals anspricht, um das Schließen es ersten Schalters und ein pulsierendes Schließen des zweiten Schalters mit einer fixen Rate und einem Tastverhältnis zu veranlassen, wel ches so ausgewählt ist, daß an der Motorwicklung für eine vorbestimmte Zeit eine vorbestimmte effektive Gleichspannung erscheint, und um anschließend die vorbestimmte Gleichspannung an der Motorwicklung zu verringern, bis das Haltesignal empfangen wird; und
die Steuereinrichtung auf den Empfang des Haltesignals anspricht, um das Öffnen des ersten Schalters und das kontinuierliche Schließen des zweiten und des dritten Schalters für eine vorbestimmte Zeitdauer zu veranlassen.

6. System nach Anspruch 5, bei dem die Steuereinrichtung in der vorbestimmten Zeit nach Empfang des Startsignals bewirkt, daß die effektive Gleichspannung an der Motorwicklung auf etwa sechzig Prozent (60%) der vorbestimmten ef fektiven Gleichspannung reduziert wird.

7. System nach Anspruch 1, bei dem der Referenzpegel Masse entspricht.