Verfahren und Vorrichtung

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung.

Elektrische Antriebe umfassen einen von einem Umrichter versorgten Elektromotor, der direkt oder über ein Getriebe eine Last antreibt.

Aus der WO 2005/117248 A1 ist ein Regallagersystem bekannt, bei dem einige einzelne vordefinierte Bewegungsprofile mit zugehörigen Stromverbrauchswerten beziehungsweise Stromabgabewerten vorgesehen sind. Dabei wird die in den Energieversorgungskreis rückgespeiste Energie bestimmt (Anspruch 15 der WO 2005/117248 A1).

Aus der DE 33 09 370 A1 ist ein Verfahren zur Einflussnahme auf das Hochfahren und Auslaufen zweier Asyhchronmotoren bekannt.

Der Erfindung liegt dgher die Aufgabe zugrunde, Anlagen möglichst kompakt und kostengünstig herstellbar zu machen und dabei Energieeinsparungen zu bewirken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 6 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zur Bewegungssteuerung von Achsen, deren Antriebe zum Energieaustausch verbunden sind, insbesondere durch Verbindung von Zwischenkreisen der von den Antrieben jeweils umfassten Umrichter, sind, dass

vor Beginn der Bewegung eine prädiktive Bestimmung des Bewegungsablaufes statt findet, wobei - zuerst die zeitkritische Achse bestimmt wird, dann das Verfahrprofil der zeitkritischen Achse festgelegt wird, dann den möglichen Verfahrprofilen weiterer Achsen ein jeweiliger Gesamtenergieverbrauch zugeordnet wird,

davon dasjenige Profil ausgewählt wird, zu welchem der kleinste Gesamtenergiebedarf gehört, - dann die Bewegung ausgeführt wird.

Dabei wird als Gesamtenergie diejenige Energie betrachtet, welche zum Ausführen der Bewegung über die elektrischen Versorgungsleitungen der die Antriebe umfassenden

Vorrichtung zuzuführen ist.

Beim Stand der Technik nach Anspruch 15 der WO 2005/117248 A1 wird zwar die in den Energieversorgungskreis rückgespeiste Energie bestimmt; nicht jedoch wird die über die Versorgungsleitungen des Regallagersystems zugeführte Energie oder Leistung bestimmt. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen wird die zuzuführende Gesamtenergie bestimmt und dann das Minimum bestimmt.

Von Vorteil ist bei der vorliegenden Erfindung, dass durch Bestimmen der zeitkritischen Achse die Bewegung schnell ausführbar ist und durch die abhängigen Verfahrensabläufe der weiteren Achsen ein Einsparen von Energie ermöglicht ist. Trotzdem ist die Bewegung nicht verlangsamt sondern schnellstmöglich ausgeführt, wobei die Bewegung hier nicht nur eine sondern mehrere Achsen in gegenseitiger Abhängigkeit betrifft.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das zur Bewegung zugehörige Zeitintervall für die jeweiligen weiteren Achsen und deren Verfahrprofil, insbesondere mit dazu gehörigem Beschleunigungswerten und Bremsbeschleunigungswerten, derart bestimmt wird, dass die von den zum Energieaustausch verbundenen Antrieben über die Energieversorgungsleitungen zugelieferte benötigte Spitzenleistung für die Bewegung möglichst klein, insbesondere minimal, ist. Vorteiligerweise ist also eine nur geringe Leistung zuzuführen. Insbesondere ist die größte zuzuführende Leistung während des Ausführens der Bewegung, also die Spitzenleistung, möglichst klein. Dies ermöglicht dünne Adern und somit kostengünstige Kabel als elektrische Versorgungsleitungen für die erfindungsmäßig betriebene Vorrichtung. Somit wird nicht nur der Gesamtenergieverbrauch minimal gehalten, sondern auch die von außen an die Vorrichtung insgesamt zuzuführende Spitzenleistung klein gehalten. Dies bringt dann die baulichen Vorteile, wie entsprechend dünne Leiterquerschnitte, und entsprechend klein dimensionierbare elektrische oder elektronische Bauteile. Dies betrifft beispielsweise auch Gleichrichterdioden zum Herstellen der unipolaren Zwischenkreisspannung oder Netzdrosseln zum Bedampfen von Oberschwingungen.

Bei der Erfindung werden auch die Reibungsverluste berücksichtigt, die auch von der Geschwindigkeit der jeweiligen Achse abhängen. Insbesondere sind die Reibungsverluste reduziert, wenn die Geschwindigkeit reduziert ist. Somit ist es vorteilhaft, die nicht zeitkritischen weiteren Achsen in ihrer Geschwindigkeit zu reduzieren. Dabei wird jedoch vorrangig der motorische Betrieb der weiteren Achsen so ausgeführt, dass möglichst viel Energie aus dem generatorischen Betrieb der zeitkritischen Achse verbraucht werden kann von den weiteren Achsen.

Von Vorteil ist dabei, dass die von einer Achse in generatorischer Betriebsart erzeugte Energie anderen Achsen zur Verfügung stellbar ist. Somit ist der Gesamtenergieverbrauch bei der Bewegung reduziert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bewegung von einem Anfangszustand, insbesondere Anfangέposition, zu einem Endzustand, insbesondere Endposition, vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass Positionierbewegungen energiesparend in kürzester Zeit ausführbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das zur Bewegung zugehörige Zeitintervall für die jeweiligen weiteren Achsen derart vorgesehen, dass zumindest ein Zeitbereich umfasst ist, in welchem die zeitkritische Achse gebremst wird, insbesondere also eine Bremsbeschleunigungi der zeitkritischen Achse vorgesehen ist. Vorteilig ist dabei, dass die weiteren Achsen möglichst die von der zeitkritischen Achse rückgespeiste Energie verbrauchen. Somit wird nur geringe Spitzenleistung benötigt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verfahrprofil für die zeitkritische Achse mit der maximalen Beschleunigung und Bremsbeschleunigung bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass mit der zeitkritischen Achse die schnellstmögliche Bewegung ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die weiteren Achsen zumindest dann betrieben, wenn die zeitkritische Achse generatorisch betrieben wird. Von Vorteil ist dabei, dass die generatorisch erzeugte Energie der zeitkritischen Achse von den weiteren Achsen verbraucht werden kann.

Außerdem kann auch ibeim generatorischen Betrieb der weiteren Achse Energie an die in diesem Zeitraum motorisch betriebene zeitkritische Achse geliefert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die weiteren Achsen derart mit gegenüber der maximal zulässigen Geschwindigkeit reduzierter Geschwindigkeit betrieben, dass sie zumindest während der gesamten Zeitspanne betrieben werden, während der die zeitkritische Achse generatorisch betrieben wird. Von Vorteil ist dabei, dass bei reduzierter Geschwindigkeit die Reibungsverluste reduziert sind und somit Energie einsparbar ist.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung sind, dass die Vorrichtung Achsen antreibende Antriebe, welche jeweils zumindest einen Zwischenkreis umfassende Umrichter umfassen, umfasst, wobei

die Zwischen kreise deir Umrichter zum Austausch von Energie miteinander verbunden sind,

wobei zumindest ein Rechner vorgesehen ist, der Mittel zur prädiktiven Bestimmung der Achsbewegung umfasst, insbesondere wobei der Rechner auch Mittel zur Bestimmung eines gesamtenergieoptimierten Bewegung der Achsen umfasst.

Von Vorteil ist dabei, däss durch die Prädiktion und Berücksichtigung des ermöglichten Energieaustausches die Bewegung energiesparend ausführbar ist ohne Vergrößerung des Zeitbedarfs.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Rechner, insbesondere Steuerung für Vorausb'erechnung von Bahnkurven, insbesondere zur Vorausberechnung und Steuerung der Antriebe in gegenseitiger Abhängigkeit bei der Bewegung. Eine Rückführung über die Achsbewegung bei entsprechender Ausgestaltung der Vorrichtung entbehrlich. Von Vorteil ist dabei, dass keine zentrale SPS sondern eine dezentrale Anordnung der Rechenkapazität ermöglicht ist, weil nur die Bahn in gegenseitiger Abhängigkeit gesteuert werden muss. Selbstverständlich ist ein allgemeiner Befehl von einer übergeordneten Steuerung und/oder SPS zusätzlich berücksichtigbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Rechner und die Antriebe zum Ausführen einer Master-Slave-Regeluπg vorsehbar, wobei als Master die zeitkritische Achse als Slave weitere

Achsen vorgesehen sind. Von Vorteil ist dabei, dass keine Zeitverluste entstehen, weil der Slave als Funktion des Master-Antriebs steuerbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Rechner in einem der Umrichter integriert vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass kein separater Rechner notwendig ist und somit Gehäuse einsparbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung ein Regalbediengerät, insbesondere mit zumindest einem Antrieb für ein Hubwerk und einem weiteren Antrieb für Bewegung des das Hubwerk umfassenden Hauptfahrzeuges. Von Vorteil ist dabei, dass der

Energieverbrauch des Gerätes verringert ist und somit die Energieversorgungsleitungen des Gerätes für entsprechend kleinere Leistungen auslegbar sind. Beispielsweise ist es auf diese Weise ermöglicht, eine Schleifleitung besser auszunutzen oder sogar ein System zur berührungslosen Energieversorgung des Hauptfahrzeuges einzusetzen, wobei die Energieversorgung über eine induktive Kopplung erfolgt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste

zeitkritische Achse x weitere Achse z

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

Die Erfindung ist bei einer Maschine oder Anlage, die zumindest zwei Antriebe aufweist, welche insbesondere in gegenseitiger Abhängigkeit verfahrbar sind, vorteilhaft anwendbar.

Wenn beispielsweise der erste Antrieb eine erste Achse der Maschine antreibt und der zweite eine zweite Achse, besteht häufig die Aufgabe von einem Anfangszustand (x1 ,y1) in einen Endzustand (x2,y2) zu verfahren, wobei x1 die Anfangsposition der ersten Achse und x2 die Endposition der ersten Achse ist, sowie y1 die Anfangsposition der zweiten Achse und y2 die Endposition der zweiten Achse.

Die Achse ist von einem Elektromotor angetrieben, der von einem elektrischen Antrieb umfasst sein kann, und entweder als rotatorische oder lineare Achse ausgeführt ist.

Jedem Antrieb ist eine maximale Beschleunigung zugeordnet.

Einer der Antriebe ist je nach Zustandswerten der zeitkritische. Dies bedeutet, dass diejenige Zeitdauer, welche die zugehörige Achse benötigt, um von Anfangsposition zur Endposition zu gelangen, die Zeitdauer vom Anfangszustand zum Endzustand der Maschine bestimmt. Dabei ist die maximale Beschleunigung, Geschwindigkeit und Bremsbeschleunigung vorgesehen.

Dies ist in Figur 1 veranschaulicht, wo die Geschwindigkeit über der Zeit aufgetragen ist. Dabei ist die Achse x die zeitkritische Achse. Diese wird mit der maximal zulässigen Beschleunigung gestartet, bis die maximal zulässige Geschwindigkeit erreicht ist. Zum Bremsen wird die maximal zulässige Bremsbeschleunigung angewandt.

Die weitere Achse wird energieoptimiert verfahren. Dies bedeutet, dass der Beschleunigungswert und die Bremsbeschleunigung derart gewählt werden und zwar in einem derartigen Zeitihtervall, dass der gesamte Leistungsverbrauch möglichst klein ist. Auf diese Weise ist es ermöglicht generatorisch erzeugte Energie beim Abbremsen der x Achse für das Verfahren der z-Achse zu nutzen.

Vorteilhafterweise sind hierzu die Zwischenkreise der Antriebe zum Energieaustausch miteinander verbunden. Dabei weist jeder Umrichter des jeweiligen Antriebs einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Spannung aus der den Umrichter versorgenden Netzspannung auf, wobei die unipolare Spannung die Zwischenkreisspannung ist und an einem Kondensator anliegt. Aus dieser Zwischenkreisspannung wird dann die Endstufe versorgt, welche von einer Steuerungselektronik des Umrichters steuerbare elektronische Leistungsschalter umfasst.

Bei der Erfindung ist ajso der Zwischenkreis eines ersten Umrichters mit dem eines zweiten verbunden und es kann Energie ausgetauscht werden.

In Figur 1 ist ganz klar ersichtlich, dass die beim Abbremsen der x-Achse in den Zwischenkreis eingespeiste Energie genutzt wird zum Verfahren der z-Achse. Da der Verfahrweg der z-Achse weniger als halb so groß ist wie der Verfahrweg der x-Achse, wird die z-Achse erst nach dem überschreiten des halben Weges der x-Achse gestartet.

Wenn dabei der Verfahrweg der z-Achse viel kleiner wäre, wären verschieden lange Zeitintervalle für die z-Achse möglich und es würde derjenige gewählt, welcher den geringsten Leistungsverbrauch hätte, wobei die Reibung berücksichtigt wird. Dies führt dann zu einem möglichst langsamen Verfahren.

Wesentlich ist also, dass von allen energiegekoppelten Umrichters insgesamt verbrauchte Energie für den Verfahrvorgang zu minimieren.

Die Achsen x und z können auch die Fahrachse und Hubachse eines Regalbediengerätes sein, das einen Fahrantrieb für das gesamte Fahrzeug und einen Hubantrieb für einen Vertikalförderer umfasst.

Figur 2 zeigt den Fall, dass eine Hubachse - hier die z-Achse - abgesenkt wird, und die x- Achse als Fahrachse aufgebaut ist. Dabei wird mit der X-Achse das Fahrzeug verfahren, also anfänglich beschleunigt, und am Ende abgebremst. Zeitkritisch ist hierbei die X-Achse. Dabei ist dann ein energieoptimiertes Ergebnis erreicht, wenn die Z-Achse möglichst während der gesamten Verfahrzeit der X-Achse abgesenkt wird.

Figur 3 zeigt den Fall, dass die Z-Achse die zeitkritische Achse ist und die X-Achse mit reduzierter Geschwindigkeit verfahren wird, um die Reibungsverluste zu verringern und insbesondere beim Abbremsen der Z-Achse wenigstens einen Teil der generatorischen Energie der Z-Achse von der X-Achse verbrauchen zu lassen. Diese wird dabei nämlich mit einer kleineren Bremsbeschleunigung betrieben als die maximal zulässige.

Figur 4 zeigt den Fall, dass die X-Achse langsam abgebremst wird, also mit einem geringen Bremsmoment, und die Z-Achse als zeitkritische Achse mit maximal zulässigem Bremsmoment abgebremst wird. Dabei wird dann von der Z-Achse vor Einleiten ihres Bremsprozesses Energie von der X-Achse übernommen, da der Bremsvorgang der X-Achse früher einsetzt.

Insgesamt wird also bei der Erfindung zuerst die zeitkritische Achse bestimmt und dann die schnellstmögliche Verfahrweise für diese Achse festgelegt. Danach wird dann das Verfahrprofil, insbesondere Geschwindigkeitsprofil, für die weitere Achse bestimmt, wobei ein Minimum im dem jeweiligen Verfahrprofil zugeordneten Gesamtenergieverbrauch ausgesucht wird. Dabei werden auch Reibungsverlustleistungen berücksichtigt.

Die Vorgehensweise erfordert allerdings Prädiktion. Dies bedeutet, dass ein Rechner vor Ausführen der Bewegung die genannten Bestimmungen zunächst ausführt und erst dann die Bewegung gestartet werden kann.

Bei der Erfindung wird durch die Koppelung der Zwischenkreise ein Energieaustausch zwischen den Umrichtern der Antriebe ermöglicht. Somit ist von einem in generatorischer Betriebsart betriebenen Antrieb erzeugte Energie an einen motorisch arbeitenden Antrieb überführbar. Die ansonsten durch vom Zwischenkreis aus speisbaren Bremswiderstände vernichtete Energie wird verringert.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden nicht alle möglichen Verfahrprofile für die weiteren Achsen bestimmt und dann deren zugehörige Gesamtenergie sondern es werden die möglichen Verfahrprofile mit Parametern ausgestattet, deren Wertebereich festgelegt wird, also die Randbedingungen festgelegt werden. Als beispielhafte Randbedingungen sind zu nennen Zeitbereiche für das Verfahren der weiteren Achsen, maximale Beschleunigungen und dergleichen. Danach wird ein Optimierverfahren zur Bestimmung eines zumindest lokalen Optimums in diesem mehrdimensionalen

Parameterraum angewendet. Die Optimierung wird hauptsächlich bezüglich der Gesamtenergie ausgeführt. Wenn mehrere Lösungen auftreten können, wird die Optimierung auch bezüglich der möglichst kleinen zuzuführenden Spitzenleistung ausgeführt.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden zusätzliche Regeln für die weiteren Verfahrprofile eingegeben, die auf die jeweilige Vorrichtung ausgerichtet sind. Somit ist der Parameterraum weiter einschränkbar und die Optimierung einfacher und schneller ausführbar. Insbesondere ist nicht nur ein lokales sondern das absolute Optimum findbar.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen versorgt ein Versorgungsmodul alle Umrichter mit einer Zwischenkreisspannung, so dass die Umrichter keine jeweiligen Gleichrichter zum Gleichrichten der Netzspannung benötigen. Denn es genügt ein Gleichrichter im Versorgungsmodul zum Gleichrichten der Netzspannung. Außerdem ist in dem Versorgungsmodül ein Bremswiderstand vorsehbar und/oder eine Netz- Rückspeiseeinheit. Alternativ ist das Versorgungsmodul mit einem Matrixumrichter ausstattbar, so dass der Gleichrichter und die Rückspeisung hierdurch ersetzbar sind. Auf diese Weise werden weniger Leistungshalbleiterbauteile insgesamt benötigt.

Die Umrichter sind also im Wesentlichen als Wechselrichter ausgeführt und/oder betrieben, so dass sie in der Lage sind, aus der unipolaren Zwischenkreisspannung die Wechselspannung für die Versorgung der Elektromotoren der Antriebe bereit zu stellen.

Als Vorrichtung sind insbesondere mehrachsig betriebene Regalbediengeräte, Roboter, Handhabungssysteme! oder andere Maschinen und Anlagen mit mehreren in gegenseitiger Abhängigkeit betreibbaren Achsen verwendbar.