ES2299645T3 - Metodo para el accionamiento de un freno de parada. - Google Patents

Abstract

Un método para accionar un freno de parada (B) de un accionamiento eléctrico, que comprende un motor (M) y un circuito de regulación (R) con parámetros de regulación (KP, KI), donde al menos uno de los parámetros de regulación (KP, KI) se modifica, caracterizado por una primera etapa de acuerdo con la cual el al menos un parámetro de regulación, (KP, KI) se modifica incluso antes de encajar el freno de parada (B) de tal forma que al encajar el freno de parada (B) con un circuito de regulación (R) activo al mismo tiempo, en la segunda etapa se evitan o disminuyen en gran medida oscilaciones.

Description

Método para el accionamiento de un freno de parada.

La invención se refiere a un método para el accionamiento de un freno de parada. Tales frenos de parada se utilizan en accionamientos con motores eléctricos para detener, a modo de ejemplo, el eje accionado por el motor cuando el motor eléctrico no tiene corriente y, por lo tanto, no puede garantizar por sí mismo una parada segura del eje.

Un ejemplo de un ámbito de aplicación de frenos de parada lo representan máquinas-herramienta controladas numéricamente. Para cada uno de los ejes de tal máquina-herramienta se proporciona un accionamiento cuyo motor se controla por una estructura de regulador, por ejemplo, de regulador de posición, regulador del número de revoluciones y regulador de corriente. En este ejemplo, un Control Numérico predetermina valores de posición que se transforman después por la estructura de regulador en señales de control para la parte de potencia de motor. El ajuste de los parámetros de regulación decide sobre con qué exactitud el accionamiento, que se comprende motor, parte de potencia y estructura de regulador, transforma los valores predeterminados del Control Numérico. Por tanto, en un regulador PI, son importantes sobre todo los factores de ganancia en la parte proporcional e integral del regulador. Determinan con qué fuerza se reacciona a una desviación del correspondiente valor teórico.

El accionamiento de una máquina-herramienta es capaz de parar un eje en una posición predeterminada. Sin embargo, al desconectar el accionamiento, incluso por un corte de corriente, el mismo queda sin efecto. Por tanto, en máquinas-herramienta también se proporcionan habitualmente frenos de parada mecánicos que engranan en el estado sin corriente. Para soltar estos frenos de parada tiene que fluir una corriente, a modo de ejemplo, por un electroimán. Sobre todo los ejes suspendidos se tienen que parar mediante tales frenos de parada, ya que en este caso, sin regulación del accionamiento se puede provocar un movimiento del eje por la gravedad de la carga suspendida.

Si se tiene que detener un eje de una máquina-herramienta, se tiene que tener en cuenta, como se describe en el documento US 5144213, que el tiempo de la regulación del accionamiento del eje se solapa con el tiempo en el que el freno de parada ya ha engranado. De lo contrario existe el riesgo de un intervalo temporal corto, en el que el eje no está sujeto ni por el accionamiento ni por un freno de parada.

Los parámetros de regulación de un accionamiento evidentemente están optimizados para un funcionamiento sin el freno de parada encajado. Particularmente en una máquina-herramienta los parámetros se ajustan a menudo de tal forma que las desviaciones de la trayectoria de una herramienta se pueden corregir de forma muy agresiva para mantener lo más pequeños posibles los errores de persecución. Por la aplicación del freno de parada, sin embargo, las condiciones se modifican completamente, ya que el motor del accionamiento ahora experimenta bruscamente una carga considerablemente mayor. Esto conduce a que durante el accionamiento se produzcan oscilaciones indeseadas, lo que se puede percibir, por ejemplo, por un silbido del motor. Estas oscilaciones no solamente son molestas para el operario, también conducen a un mayor desgaste del freno de parada. De hecho, incluso puede suceder que se suelte el freno de parada, ya que el rozamiento con deslizamiento de un freno de parada es claramente menor que el rozamiento en reposo.

El documento WO 99/05578 A1 describe una estructura de regulación PID adaptativa que comprende factores de ganancia variables dependientes de carga.

El documento US 6317637 B1 describe un método con el que se puede mantener constante la salida de una estructura de regulación PID con modificaciones de parámetros de regulador.

En el documento JP 2000047732 AA se propone conmutar durante la liberación de un freno de parada entre diferentes factores de ganancia en el circuito de regulación de un servoaccionamiento. Por la aplicación de un gran factor de ganancia directamente después de soltar el freno de parada y la conmutación a un factor de ganancia menor cierto tiempo después, por un lado se debe evitar que caiga un eje y, por otro lado, se deben evitar oscilaciones durante el funcionamiento normal. Para evitar oscilaciones con el freno engranado al mismo tiempo y regulación activa durante la aplicación del freno, sin embargo, este método no es eficaz, ya que en este caso precisamente conducen grandes factores de ganancia a oscilaciones.

Si se seleccionan los parámetros de regulación básicamente de tal forma que incluso al encajar el freno de parada no se presentan oscilaciones, esto se manifestará de forma negativa sobre la calidad del circuito de regulación. Lo mismo es válido para la utilización de filtros en el circuito de regulación, que evitan tales oscilaciones, a pesar de que no son eficaces con el freno de parada no activado.

Es objetivo de la invención indicar un método simple para el accionamiento de un freno de parada con el que se puedan evitar o disminuir en gran medida oscilaciones con, al mismo tiempo, el freno de parada engranado y la regulación activa.

Este objetivo se resuelve mediante un método de acuerdo con la reivindicación 1. Se deducen detalles ventajosos del método a partir de las reivindicaciones dependientes de la reivindicación 1.

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A continuación se propone, para el accionamiento de un freno de parada de un accionamiento eléctrico con motor y circuito de regulación, adaptar al menos uno de los parámetros de regulación del circuito de regulación en una primera etapa de tal forma que con el freno de parada encajado se eviten o disminuyan en gran medida oscilaciones y, en una segunda etapa, accionar el freno de parada.

Esta propuesta se basa en el conocimiento de que por un lado, con el freno de parada activado, no se requiere una gran exactitud de posición y por otro lado es posible una sujeción segura del eje accionado incluso con parámetros de regulación claramente modificados en comparación con el funcionamiento normal.

Se ha demostrado en ensayos que la disminución de los factores de ganancia en la parte proporcional e integral de un regulador PI, particularmente en un regulador del número de revoluciones o de velocidad, en un factor entre dos y diez aproximadamente 100 ms antes de encajar el freno de parada, conduce a resultados muy buenos. De este modo se pueden evitar casi completamente las oscilaciones en el momento de la aplicación del freno.

Durante la conmutación a nuevos parámetros de regulación no se debe producir una modificación en la salida del correspondiente circuito de regulación. Esto conduciría a movimientos no deseados y posiblemente peligrosos del accionamiento. Por tanto, al circuito de regulación se tiene que suministrar un valor de corrección que evite esa modificación en su salida. Esto se puede resolver en un regulador con parte integral de forma particularmente ventajosa añadiendo al integrador un valor de corrección. Este valor de corrección se calcula, a modo de ejemplo, de tal forma que la suma de, en primer lugar, la desviación del valor teórico multiplicada por el factor de ganancia proporcional original y, en segundo lugar, la desviación integrada del valor teórico multiplicada por el factor de ganancia integral, se corresponde exactamente a la suma de, en primer lugar, la desviación del valor teórico multiplicado por el factor de ganancia proporcional disminuido y, en segundo lugar, el contenido corregido del integrador multiplicado por el factor de ganancia integral. Ya que con una disminución de los factores de ganancia se tiene que aumentar para esto el contenido del integrador, a continuación se hablará de una carga del integrador.

La invención se puede realizar de forma particularmente sencilla con reguladores digitales, ya que en este documento, la carga del integrador se puede conseguir mediante una adición sencilla en el registro de la memoria correspondiente del integrador. El cálculo del valor de corrección se puede producir, por ejemplo, en el software del Control Numérico.

Además de los factores de ganancia de los reguladores en el circuito de regulación, evidentemente también se pueden adaptar otros parámetros de regulación en el circuito de regulación. Como se ha mencionado anteriormente, también se pueden proporcionar filtros, cuyos parámetros de filtro como frecuencia, amortiguación o constante temporal se pueden adaptar de forma adecuada para evitar oscilaciones. También en este caso se tiene que tener en cuenta que en la salida del circuito de regulación no se produzca ninguna modificación que actúe como magnitud perturbadora brusca sobre el motor y se tenga que regular de nuevo por el regulador.

El método descrito en este documento para el accionamiento de un freno de parada, evidentemente, también se puede usar para soltar un freno de parada. Con el freno de parada encajado, para esto, se acciona el regulador del accionamiento en primer lugar con parámetros de regulación que evitan o disminuyen en gran medida las oscilaciones. Solamente después se suelta el freno de parada y poco tiempo después, en un caso dado, teniendo en cuenta un valor de corrección correspondiente, se conmuta hasta los parámetros de regulación necesarios para una gran calidad de regulación.

Además se señala que la invención es tan adecuada para accionamientos rotatorios como para accionamientos lineales.

Se obtienen ventajas y detalles adicionales de la presente invención a partir de la siguiente descripción de una realización preferida mediante las figuras. En ellas se muestra

En la Figura 1, un accionamiento controlado numéricamente con freno de parada,

En la Figura 2, un circuito de regulación con regulador del número de revoluciones y regulador de corriente.

En la Figura 1 se muestra un Control Numérico NC que controla un accionamiento que se compone de un regulador R, una parte de potencial L y un motor M. El Control Numérico NC suministra un valor teórico Nteórico para el número de revoluciones del motor M al regulador R. El regulador R pone a disposición valores teóricos de tensión Uteórica para la parte de potencial L, que controla el motor M, por ejemplo, por una modulación de amplitud de pulso. Un medidor del número de revoluciones comprueba el número de revoluciones del motor M y suministra un valor real Nreal del número de revoluciones de nuevo al regulador R. No se representan los sensores de corriente que suministran valores reales de corriente al regulador. Un freno de parada B sirve para fijar el eje y se puede accionar mediante el Control Numérico NC.

En el regulador R, que se representa más exactamente en la Figura 2, se encuentra un regulador PI para el número de revoluciones y un regulador de corriente SR. Este sistema podría servir, a modo de ejemplo, para el control de un huso de herramienta.

Si se quiere controlar un eje de posición, el regulador R se tendría que complementar con un regulador de posición preconectado que acepta un valor teórico de posición del Control Numérico NC y un valor real de posición de un codificador de posición y que emite un valor teórico del número de revoluciones Nteórico al regulador del número de revoluciones.

En la Figura 2 se puede observar cómo se genera, a partir de la diferencia \DeltaN entre el valor teórico del número de revoluciones Nteórico y el valor real del número de revoluciones Nreal, un valor teórico de corriente para el regulador de corriente SR. En la parte proporcional se multiplica la diferencia \DeltaN con un factor de ganancia proporcional KP, en la parte integral se integra en el tiempo la diferencia \DeltaN en el integrador I y la suma integral i se multiplica por un factor de ganancia integral KI. En la salida del regulador del número de revoluciones se almacena la suma de las dos multiplicaciones como valor teórico de corriente Iteórico. El regulador de corriente SR genera a partir de esto, como se ha mencionado, un valor teórico de tensión Uteórico que se transmite a la parte de potencial L.

Para encajar el freno de parada B, a continuación, en una primera etapa se adapta al menos un parámetro de regulación en el circuito de regulación, en ese documento por una clara disminución de los factores de ganancia KP y KI. En este momento ya no es importante un mantenimiento exacto del número de revoluciones predeterminado o una buena precisión de posición, por tanto, esta disminución no es perjudicial. Ya que por la disminución de los factores de ganancia KP y KI también se modificaría la salida del regulador del número de revoluciones Iteórico, sin embargo, al regulador del número de revoluciones se tiene que suministrar un valor de corrección Corr que evite esto.

Esto se consigue de la forma más sencilla cuando se carga de forma correspondiente el integrador I. El valor de corrección Corr se puede calcular como se ha descrito anteriormente a partir de la condición de que por la modificación de los factores de ganancia KP y KI no se produce ninguna modificación en la salida del regulador del número de revoluciones. Si se indican los factores de ganancia originales KP1 y KI1, los factores de ganancia reducidos KP2 y KI2, se aplica:

\DeltaN*KP1+i*KI1 = \DeltaN*KP2+(i+Corr)*KI2

En el Control Numérico NC, a partir de esta condición se puede calcular un valor de corrección Corr adecuado que, durante una modificación de los factores de ganancia KP y KI en el regulador del número de revoluciones mantiene constante el valor teórico de corriente Iteórico.

A partir de la anterior relación también se observa que en la práctica es adecuado esperar, antes de la disminución de los parámetros de regulación KP, KI, un estado regulado de forma que desaparece \DeltaN. La corrección necesaria disminuye en el caso descrito. En otras disposiciones de regulación entonces puede ser completamente innecesaria una corrección, por ejemplo, cuando en la parte integral de un regulador PI ya se multiplica \DeltaN por un factor de ganancia KI y solamente este producto se integra (es decir, en la Figura 2, el integrador I y la ganancia KI están intercambiados). De hecho, entonces no se produce ninguna modificación en la salida del regulador con \DeltaN = 0 por una modificación de los factores de ganancia KP, KI. Preferiblemente, los factores de ganancia KP, KI solamente se adaptan durante la parada del motor M.

Solamente en la primera etapa, en la práctica aproximadamente 50-200 ms después de la disminución de los factores de ganancia KP y KI, se encaja el freno de parada B. Ahora se evitan de forma fiable las oscilaciones del motor M debidas a parámetros de regulación mal adaptados gracias a los parámetros de regulación disminuidos.

La secuencia de las dos etapas no es muy importante en el método que se describe en este documento: también se puede concebir un desarrollo de acuerdo con el cual en primer lugar se encaja el freno de parada B y solamente después, en un caso dado, solamente cuando aparecen oscilaciones, se disminuyen los factores de ganancia KP, KI. Sin embargo, para la detección de las oscilaciones se necesita en un caso dado una complejidad adicional, y las oscilaciones ya no se pueden evitar completamente. Al soltar el freno de parada B, sin embargo, la inversión de la secuencia descrita es muy razonable, ya que el regulador R se acciona en este caso con factores de ganancia disminuidos KP, KI y solamente después de soltar el freno de parada B se aplican factores de ganancia mayores KP, KI. También en este caso se tiene que evitar, como se ha descrito, una modificación en la salida del regulador R.

Si el regulador R se realiza de forma digital se pueden realizar las adaptaciones necesarias de forma particularmente sencilla. El contenido del integrador I se puede leer de forma sencilla para un cálculo de acuerdo con la ecuación anterior y, por ejemplo, se puede usar en el Control Numérico NC para calcular el valor de corrección Corr. En el mismo ciclo de cálculo en el que se reducen los factores de ganancia KP y KI se puede cargar el factor de corrección Corr en el integrador I, de forma que no se produce ningún salto en la salida del regulador del número de revoluciones.

Claims (8)

1. Un método para accionar un freno de parada (B) de un accionamiento eléctrico, que comprende un motor (M) y un circuito de regulación (R) con parámetros de regulación (KP, KI), donde al menos uno de los parámetros de regulación (KP, KI) se modifica, caracterizado por una primera etapa de acuerdo con la cual el al menos un parámetro de regulación, (KP, KI) se modifica incluso antes de encajar el freno de parada (B) de tal forma que al encajar el freno de parada (B) con un circuito de regulación (R) activo al mismo tiempo, en la segunda etapa se evitan o disminuyen en gran medida oscilaciones.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por la modificación de los parámetros de regulación (KP, KI) no se produce ninguna modificación en una salida del circuito de regulación (R).

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque antes de la modificación de los parámetros de regulación (KP, KI) se espera en primer lugar un estado regulado.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 2 y 3, caracterizado porque al circuito de regulación (R) se suministra un valor de corrección (Corr) que evita una modificación en la salida del circuito de regulación (R) provocada por el cambio de los parámetros de regulación (KP, KI).

5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el contenido (i) de un integrador (I) del circuito de regulación (R) se modifica con el valor de corrección (Corr) de tal forma que la salida del regulador (R) no se modifica debido a los parámetros de regulación modificados (KP, KI).

6. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en la primera etapa se reducen un factor de ganancia proporcional (KP) y un factor de ganancia integral (KI) en el circuito de regulación (R) antes de la activación del freno de parada (B).

7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el factor de ganancia proporcional (KP) y el factor de ganancia integral (KI) se reducen en un regulador del número de revoluciones o de la velocidad.

8. Un Control Numérico para una máquina-herramienta con un accionamiento que se compone de un regulador (R) y un motor (M) con un freno de parada (B), equipado para la realización de un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-7.