CH690699A5 - Verfahren zur Steuerung eines Servoantriebs. - Google Patents

Description

  
 


 Stand der Technik 
 



  Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Verfahren dieser Art werden typischerweise in Werkzeugmaschinen eingesetzt, insbesondere in solchen, die für hohe Genauigkeit ausgelegt sind. Für diese wird regelmässig gefordert, dass eine auf einem Werkstück tatsächlich erzeugte Kontur mit einer vorgegebenen Sollkontur präzise übereinstimmt. Besonders schwierig ist die Einhaltung einer geforderten Genauigkeit, wenn eine Bearbeitung die Umkehr der Bewegungsrichtung eines Antriebs fordert. Ein solcher Fall liegt beispielsweise vor, wenn ein entlang zweier Achsen, denen jeweils ein Antrieb zugeordnet ist, bewegliches Werkzeug eine Kreisbahn ausführen soll. Nach jeweils 90 DEG  muss einer der Antriebe seine Drehrichtung ändern.

   Infolge der bei mechanischen Systemen stets vorhandenen Anfahrreibungskraft, welche der Bewegung entgegenwirkt, verharrt eine Achse bei jedem Richtungswechsel kurzfristig in einer Haftphase. Sie reisst sich erst los, wenn das auf die Achse wirkende Moment  gr²sser ist als das reibungsbedingte Losbrechmoment. Durch dieses Verhalten kommt es bei solchen Richtungswechselpunkten zu unerwünschten dynamischen Bahnabweichungen. Zur !berwindung dieses Problems ist es aus der EP 460 224 bekannt, in den Antriebsregelkreis ein Korrektursignal aufzuschalten, welches die Anfahrreibung kompensiert. Zugrunde gelegt wurde dabei ein zur Steuerung eines Servoantriebs häufig verwendeter Kaskadenregelkreis, wobei einer Lageregelung eine Geschwindigkeits- beziehungsweise Drehzahlregelung, dieser wiederum eine Strom- beziehungsweise Momentenregelung unterlagert ist.

   Das Anfahrreibungskompensationssignal wird auf das Eingangssignal des Geschwindigkeitsregelkreises aufgeschaltet. Auf dem Ausgangssignal des Geschwindigkeitsregelkreises wiederum basiert die Erzeugung des Anfahrreibungskompensationssignals. Nachteilig an dieser L²sung ist, dass die Anfahrreibungskompensation nicht von dem Geschwindigkeitsregler entkoppelt ist. Die Wirkung der Anfahrreibungskompensation, bei der es sich um einen nichtlinearen Eingriff in den Regelkreis handelt, hängt dadurch von der Einstellung des Geschwindigkeitsreglers sowie des Regelkreises insgesamt ab. Ein weiterer unerwünschter Effekt ergibt sich durch die Abhängigkeit der Kompensationswirkung von dem Regeldifferenzsignal aus Sollwert und Istwert am Eingang des Geschwindigkeitsreglers.

   Da die Regeldifferenz, bedingt unter anderem durch den Schleppfehler, den exakten Wert Null im Allgemeinen nicht erreicht, kann es in Fällen, wo sich der Geschwindigkeitssollwert nicht mehr ändert, zu einem Rattern um die Sollage kommen, das heisst der Regelkreis schaltet um die Sollage hin und her, ohne sie exakt zu erreichen. Weitere M²glichkeiten zur Kompensation von Reibungswirkungen in Lageregelkreisen finden sich in der Schrift VDI Fortschrittsberichte Nr. 246, Reihe 8. Allen in dieser Schrift  diskutierten Vorschlägen liegt jedoch bezüglich der Reibungskompensation die Struktur eines Regelkreises zugrunde, wobei das Kompensationssignal vom Istwert einer erfassten Ausgangsgr²sse abhängt.

   Sie weisen deshalb ebenfalls den Nachteil einer von der Einstellung des linearen Reglers abhängigen Kompensationswirkung sowie des Auftretens von Schalteffekten bei unveränderlicher Führungsgr²sse auf. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren für Servoantriebe anzugeben, das einfach zu realisieren ist und eine wirkungsvolle Kompensation der Anfahrreibung gestattet. 



  Die Aufgabe wird gel²st durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hängt die Gestalt des zur Kompensation der Anfahrreibung aufgeschalteten Korrektursignals nicht mehr von irgendwelchen inneren Zuständen der Antriebsregelung, wie zum Beispiel dem Stromistwert oder dem Lageistwert ab. Zudem wird das Korrektursignal direkt auf den Stromregelkreis aufgeschaltet. Die Anfahrreibungskompensation ist dadurch in vorteilhafter Weise v²llig entkoppelt von der Einstellung des Regelkreises. Sie beeinflusst das Stabilitätsverhalten der Antriebsregelung damit nahezu nicht mehr. Das vorgeschlagene Verfahren ist leicht realisierbar und kann auch auf bestehende Anlagen nachgerüstet werden.

   Da die Häufigkeit des Eingriffs der Anfahrreibungskompensation alleine durch das Lageführungssignal bestimmt wird, sind Schalteffekte durch Pendelungen etwa der Regeldifferenz aus den Geschwindigkeitswerten um einen unveränderlichen Sollwert herum ausgeschlossen. 



  Vorteilhaft wird das erfindungsgemässe Verfahren mit einem Verfahren zur Nachlaufkompensation verbunden, um einen Schleppfehler zu vermeiden. Aufgrund der dann vorliegenden !bereinstimmung von Lagesoll- und Lageistwert kann die zeitliche Steuerung der Aufschaltung eines Anfahrreibungskompensationssignals direkt auf Grund des Lageführungssignales erfolgen. 



  Zweckmässig ist das Verfahren zur Nachlaufkompensation in Form einer Vorsteuerung des Lageführungssignals realisiert. 



  Eine andere vorteilhafte M²glichkeit, um sicherzustellen, dass die Aufschaltung eines Anfahrreibungskompensationssignales zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, besteht darin, den Aufschaltzeitpunkt durch den hierzu erfassten Lageistwert zu triggern. 



  Die Ermittlung des Korrektursignals erfolgt in vorteilhafter Weise mit Hilfe einer Kennlinie. In einer besonders einfachen Ausführungsform hat diese Kennlinie die Gestalt eines Zweipunktsignals. 



  Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eignet sich eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bzw. 9. 



  Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens anhand der Zeichnung näher erläutert. 


 Zeichnung 
 



  Die Figur zeigt ein Strukturschaubild einer zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeigneten Vorrichtung. 


 Beschreibung 
 



  Die Figur zeigt als Beispiel für eine Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens einen Antrieb 20, der über eine Schnittstelle 25, 15 mit einer numerischen Steuerung 10 verbunden ist. Bestandteile der numerischen Steuerung 10 sind eine Einheit 11 zur Erzeugung eines Lageführungssignales xsoll, eine Einrichtung 12 zur Ausgabe von Reibungsparametern R für die Bestimmung eines Korrektursignals zur Kompensation der Anfahrreibung, sowie eine Einheit 13 zur Erzeugung der Parameter Pvor für ein Signal zur Vorsteuerung des Lageführungssignales xsoll. Beiden Einheiten 12, 13 ist eingangsseitig das in der Einheit 11 erzeugte Lageführungssignal xsoll zugeführt, der Einheit 12 ist ferner ein ebenfalls in der Einheit 11 erzeugtes Drehzahl/Geschwindigkeitsführungssignal vsoll zugeführt.

   Alle Ausgangssignale R, xsoll, Pvor, vsoll der Einheiten 11, 12, 13 werden über die Schnittstelle 15, 25 dem Antrieb 20 übergeben. 



  Die Schnittstelle 15, 25 ist zweckmässig als digitale Schnittstelle ausgeführt, zum Beispiel als SERCOS-Schnittstelle. Sie erlaubt in gleicher Weise die !bermittlung der für die Steuerung des Antriebs 20 zyklisch ben²tigten Daten, dies sind vor allem das Lageführungssignal xsoll und die  Vorsteuerparameter Pvor, wie von nur unregelmässig ben²tigten Bedarfsparamtern, hierunter fallen insbesondere die Reibungskorrekturparameter R. 



  Auf der Antriebsseite ist das Lageführungssignal xsoll zunächst einer Lageregelung 21 zugeführt. Deren Ausgangssignal ist Eingangssignal für eine Summationsstelle 26, wo ihm ein in einer Vorsteuerungseinrichtung 27 gebildetes Vorsteuersignal aufgeschaltet wird. Der Vorsteuerungseinrichtung 27 sind dazu das Lageführungssignal xsoll, und die in der Einrichtung 13 erzeugten Vorsteuerparameter Pvor zugeführt. Das am Ausgang der Summationsstelle 26 anliegende, vorgesteuerte Lageführungssignal Xvor bildet das Eingangssignal für eine untergelagerte Drehzahlregelung 22, oder äquivalent hierzu, für eine Geschwindigkeitsregelung 22. Am Ausgang der Drehzahlregelung 22 liegt ein dem Antriebsmoment entsprechendes Stromsignal IM an. Es ist über eine Summationsstelle 29 einem unterlagerten Stromregelkreis 23 zugeführt.

   Dessen Ausgangssignal q bewirkt, zum Beispiel über einen PWM-Umrichter, die Bewegung der Antriebsmechanik 28. Die aus der Bewegung resultierenden Gr²ssen Istlage xist, Istdrehzahl vist sowie Iststrom Iist werden in üblicher Weise erfasst und der Lageregelung 21, der Drehzahlregelung 22 beziehungsweise der Stromregelung 23 zurückgeführt. 



  An der zwischen Drehzahlregelung 22 und Stromregelung 23 angeordneten Summationsstelle 29 wird dem Stromregelungs-Eingangssignal IM ein in einer Kompensationseinrichtung 24 erzeugtes Anfahrreibungskompensationssignal Ik aufgeschaltet. Der Kompensationseinrichtung 24 sind hierzu die von der Steuerung 10 ausgegebenen Reibungsparameter R zugeführt. Sie beschreiben die die Haftphase bestimmenden Einflussgr²ssen. Solche  Gr²ssen sind beispielsweise die Bewegungsrichtung des Antriebs, das Gewicht eines bewegten Werkstücks oder die Oberflächenbeschaffenheit einer Bewegungsunterlage. Weiterhin sind der Kompensationseinrichtung 24 als Eingangssignale zur Ermittlung des Anfahrreibungskompensationssignal Ik das Geschwindigkeitsführungssignal VSoll sowie das Lageführungssignal xsoll zugeführt.

   Als weiteres Eingangssignal kann ferner das am Ausgang der Mechanik 28 erfasste Lageistwertsignal xist vorgesehen sein. Alternativ zu xist kann auch, dies ist nicht dargestellt, das Istdrehzahlsignal vist oder eines der Regeldifferenzsignale Xsoll - Xist bzw. Vsoll - Vist verwendet werden. 



  Die in der Figur dargestellte Anordnung wird wie folgt betrieben. Das in der Einheit 11 ermittelte Lageführungssignal xsoll dient in üblicher Weise als Lagesollwert für die in Kaskadenstruktur mit einander unterlagerten Regelkreisen für Lage, Drehzahl und Strom angelegte Antriebsregelung. Jeweils bei Einsetzen einer Bewegung der Antriebsmechanik 28 aus einer Ruhelage heraus ermittelt die Kompensationseinrichtung 24 zu jedem Lagesollwert xsoll ein Kompensationssignal Ik. Es entspricht einem Kompensationsmoment, das erforderlich ist, um ein Haften beim Einsetzen der Bewegung zu vermeiden. Ermittelt wird das Kompensationssignal IK ausgehend von dem zu einem Lagesollwert Xsoll geh²renden Drehzahlsollwert Vsoll, zu dem ein Korrekturwert k bestimmt wird. Der Drehzahlsollwert Vsoll liegt in der Regel von der Steuerung 10 vor.

   Ist seine !bermittlung über die Schnittstelle 15, 25 bei einer Anwendung nicht vorgesehen, wird der dem Lagesollwert xsoll entsprechende Drehzahlsollwert vsoll zunächst bestimmt. Die Verknüpfung zwischen Drehzahlsollwert vsoll und Korrekturwert k kann in einfacher Weise mittels einer Kennlinie erfolgen, welche jedem  Drehzahlsollwert vsoll einen Korrekturwert k zuordnet. Die Kennlinie kann off-line vorgegeben sein oder on-line ermittelt werden, zum Beispiel vor erster Inbetriebnahme des Antriebs. Sie wird besonders einfach, wenn angenommen werden kann, dass das Losbrechmoment, welches erforderlich ist, um den Antrieb aus einer Ruhelage in Bewegung zu setzen, dem Coulomb'schen Haftreibungsanteil entspricht: Sie ist dann, wie in der Figur angedeutet, eine Zweipunktkennlinie, welche allen Drehzahlwerten Vsoll > 0 für k den Wert A zuordnet, den übrigen den Wert -A.

   Aus dem Korrekturwert k bildet die Kompensationseinrichtung 24 ein Kompensationssignal Ik. Dieses schaltet sie zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Antriebsmechanik 28 physikalisch aus einer Ruhelage in Bewegung setzen soll, über die Summationsstelle 29 in den Stromregelkreis 23 auf. 



  Eine Schwierigkeit besteht hierbei darin, dass zwischen der von der Antriebsmechanik 28 erzeugten Istlage xist und dem Lageführungssignal xsoll in der Regel ein Schleppfehler besteht. 



  Um sicherzustellen, dass die Aufschaltung des Kompensationssignals Ik zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, ist zweckmässig, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, eine Vorsteuerungseinrichtung 13, 27 vorgesehen. Sie bewirkt, dass Istlage xist und Lageführungssignal xsoll zumindest in sehr guter Näherung übereinstimmen. Die Realisierung einer Vorsteuerung ist in der Fachwelt bekannt und nicht Gegenstand dieser Erfindung. Der Aufschaltzeitpunkt für das Kompensationssignal Ik wird in diesem Fall in einfacher Weise aus dem Lageführungssignal xsoll abgeleitet. Er entspricht dem Zeitpunkt, zu dem das Lageführungssignal xsoll von einer Ruhelage, für die gilt dxsoll/dt = 0, in eine Bewegung mit  dxsoll/dt / 0 übergeht. 



  Eine alternative M²glichkeit zur Festlegung eines richtigen Aufschaltzeitpunktes für das Kompensationssignal Ik besteht darin, das Aufschalten durch Auswertung des Lageistwertes xist zu triggern. Das Lageistwertsignal xist wird dabei durch Prüfung dxist / dt = 0 daraufhin geprüft, ob ein !bergang von einer Ruhelage in eine Bewegungslage vorliegt. Ist dies der Fall, wird ein Triggersignal erzeugt, welches bewirkt, dass die Kompensationseinrichtung 24 das Kompensationssignal Ik in den Stromregelkreis aufschaltet. Das Triggern kann in analoger Weise auch auf Grund des Drehzahlistwerts vist erfolgen, in dem der Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem die Drehzahl von dem Wert Null in einen von Null verschiedenen Wert übergeht.

   In analoger Weise kann das Triggern auch durch Auswertung einer der innerhalb des Regelkreises 21 auftretenden Regeldifferenzen für Lage, xsoll - xist, und Drehzahl, vsoll - vist erfolgen. 



  Obgleich beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 nur von einem Antrieb 20 ausgegangen wurde, kann das vorgeschlagene Verfahren selbstverständlich auch für eine Anordnung mit einer Vielzahl von Antrieben eingesetzt werden. Ferner kann auch die vorgeschlagene Verteilung von Funktionalitäten in beliebiger Weise geändert werden. Beispielsweise kann sich die Schnittstelle 15, 25 auch zwischen der im Ausführungsbeispiel zusammengefassten Lage- und Drehzahlregelung oder zwischen Drehzahl und Stromregelung befinden. Oder es k²nnen die Einrichtungen 12, 24 zur Reibungskompensation sowie zur Vorsteuerung vollständig im Antrieb 20 oder vollständig innerhalb der numerischen Steuerung 10 realisiert sein.

   Unter Beibehaltung des Grundgedankens, ein Korrektursignal Ik zur Kompensation der Anfahrreibung ohne Rückkopplung einer  Regelgr²sse zu erzeugen, und direkt an die Momentenschnittstelle in den Stromregelkreis aufzuschalten, ist eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen von Anordnungen zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens m²glich. 

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung eines Servoantriebs mittels einer Steuereinrichtung, die eine Regelanordnung zur Regelung von Lage und Drehzahl, sowie eine nachgeschaltete Regelanordnung zur Regelung des dem Antrieb zugeführten Stromes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stromregelkreis bei Einsetzen einer Bewegung des Antriebs (28) aus einer Stillstandslage ein Kompensationssignal (Ik) zur Kompensation der Anfahrreibung aufgeschaltet wird, dessen Gr²sse (A, -A) nur von den der Regelanordnung (21, 22, 23) zugeführten Sollwerten (xsoll, vsoll) abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationssignal (Ik) an der Schnittstelle zwischen einer Drehzahlregelung (22) und einer Stromregelung (23) aufgeschaltet wird.

3.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lageführungssignal (xsoll) einer Nachlaufkompensation unterzogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lageführungssignal (xsoll) vorgesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lageistsignal (xist), ein Istdrehzahlsignal (vist), ein Lage-Regeldifferenz (xsoll - xist) oder eine Drehzahlregeldifferenz (vsoll - vist) dazu verwendet wird, das Aufschalten des Kompensationssignals (IK) auf einem Stromregelkreis auszul²sen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationssignal (Ik) mit Hilfe einer Kennlinie gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie eine Zweipunktkennlinie ist.

8.

Steuereinrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Steuerung eines Servoantriebs mit einer Regelanordnung zur Regelung von Lage, Drehzahl und Strom, sowie einer Kompensationseinrichtung (24), welche zur Vermeidung einer Haftphase beim Einsetzen einer Bewegung des Antriebs aus der Stillstandslage ein Kompensationssignal (Ik) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Kompensationssignals (Ik) nur aufgrund eines einer Regelanordnung (21, 22, 23) zugeführten Sollwertes (xsoll, vsoll) erfolgt.

9. Steuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (15, 25) eine digitale Schnittstelle ist, über welche sowohl zyklische zur Steuerung des Antriebs ben²tigte als auch Bedarfsdaten übermittelbar sind.