DD140391B1

DD140391B1 - Verfahren zur geregelten einstellung physikalischer groessen

Info

Publication number: DD140391B1
Application number: DD20941978A
Authority: DD
Inventors: Rolf Rueger; Hans-Georg Schmidt; Wolfgang Seide
Original assignee: Rolf Rueger; Schmidt Hans Georg; Wolfgang Seide
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1978-11-30
Publication date: 1983-07-27
Also published as: JPS5576403A; DD140391A1; GB2038507B; DE2945074A1; GB2038507A

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft einen Positionsregler zur schnellen, hochgenauen, geregelten Einstellung physikalischer Größen, insbesondere bei sich ständig wiederholenden Ein— Stellvorgängen, im weiteren Positionierung genannt. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar bei Positioniervorgängen mechanischer Objekte bzgl. Weg oder Winkel in der Präzisionsgerätetechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Es ist eine Vielzahl gesteuerter Positioniersysteme bekannt, bei denen durch den Einsatz inkrementeller Positionssteller (Schrittmotoren) oder anderer motorischer Antriebe mit definierten Steuerfunktionen eine vorgegebene Position angefahren wird. Ferner gibt es die verschiedensten geregelten Positionierungen, bei denen der Meßwert der Position auf das Stellglied über einen Regler zurückgekoppelt wird.

Weiterhin sind Lösungen für Hochgenauigkeitspositionierungen bekannt, bei denen in der Nähe des zu erreichenden Positionswertes eine Umschaltung von Grob- auf Feintrieb (Umschaltgetriebe, spezielle Stellgliedansteuerung, 2 Stellglieder o.a.) erfolgt. Diese Umschaltung dient dazu, den Aussteuerbereich des Stellsystems zu erweitern, eine größere Auflösung zu erzielen und ein möglichst überschwingfreies Einstellen der Position zu ermöglichen· Eine gesteuerte Positionierung ist für höchste Genauigkeit sanf orderungen ungeeignet, weil

— extreme Anforderungen an die Fertigungstoleranzen der Bestandteile bestehen würden;

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- die Genauigkeit der Umschaltung sich auf die Genauigkeit der Positionierung auswirkt;

- Störgrößen mit statistischen Eigenschaften auftreten, (Temperaturänderungen, Schwankungen der Reibkräfte, mechanische Erschütterungen wie Stöße, Gebäudeschwingungen, ungleichmäßig laufende Getriebe u.a.), die nicht mehr determiniert erfaßbar sind und deshalb bei einer. Steuerung nicht berücksichtigt werden können·

Die Analyse von geregelten Positionierungen zeigt, daß die Anwendung von Umschaltanordnungen unzweckmäßig ist,weil

- in unmittelbarer Nähe der Position die Verstärkung durch die Umschaltung auf Feintrieb herabgesetzt wird, das verschlechtert die stabilisierende Wirkung des Eeglers und vergrößert die Störgrößenabhäng¹} e;keit des Systems;

- die Positionierzeit des Systems vergrößert wird, obwohl natürlich die Verringerung der Verstärkung zu einer Verkleinerung der Überschwingneigung des Systems führt·

Ziel der Erfindung:

Ziel der Erfindung ist, bei nahezu überschwingfreiem Einstellen der Position eine wesentliche Verkürzung der Positionierzweit bei höchster Genauigkeit der Positionierung und damit eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität zu ermöglichen·

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Positionsregler zu entwickeln, bei dem die Regelgenauigkeit des Systems ausreichend groß ist, damit die Störgrößenabhängigkeit gesenkt wird und trotzdem die Überschwingneigung gering ist· Die Aufgabe wird durch einen Positionsregler zur schnellen, hochgenauen, geregelten Positionierung gelöst, bei dem über ein Stellsystem mit großem Aussteuerbereich die einzustellende physikalische Größe verändert wird und über ein Meßsystem die zur Positionierung erforderlichen Signale gewonnen werden.

Gemäß der Erfindung wird die Regelabweichung in demPositionsregler in Abhängigkeit von ihrer Amplitude nicht-

linear verstärkt und gleichzeitig im Positionsregler die Phasenlage der Regelabweichung nichtlinear korrigiert. Weiterhin werden bei kleinen Regelabweichungen dem Positionsregler zusätzlich RUckkopplungssignale zugeführt, die direkt aus dem Objekt oder aus dem Meßsystem gewonnen werden. Bei kleinen Regelabweichungen soll eine größere Verstärkung als bei großen Ablagen erfolgen und eine frequenzabhängige Phasenvoreilung von 90 ° und. mehr unter Beibehaltung der Amplitude erzeugt werden.

Als Stellsystera mit großem Aussteuerbereich werden Stellglieder mit interner Ruckkopplung verwendet, so daß eine Grob-Feinumschaltung nicht erforderlich ist. Weiterhin wird verausgesetzt, daß die dynamischen Eigenschaften des zu verstellenden Objektes bekannt bzw. meßbar und zeitlich in bestimmten Grenzen invariant sind, und daß ein Meßsystem mit der erforderlichen Auflösung und Genauigkeit (in Abhängigkeit der konkreten Aufgabenstellung auch Relativgenauigkeit) sowie der notwendigen Langzeitkonstanz vorhanden ist, mit dem dynamisch gemessen werden kann.

Ausführungsbeiapiel:

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 den Grundaufbau eines Hochgenauigkeitspositioniersystems

Fig. 2a u. 2b den Frequenzgang des zu regelnden Objektes Fig. 3 den Aufbau des Positionsreglers Fig. 4a u. 4b den Frequenzgang des offenen Regelkreises mit nichtlinearem Positionsregler.

fh Figur 1 ist in еіпр^ Blockschalfbild die Struktur eines schnellen Hochgenauigkeitspositioniersystems dargestellt, das sich auf ein Beispiel der hochgenauen geregelten Positionierung mechanischer Objekte besieht. Über ein Antriebssystem, das айв einem Verstärker 1 und einem Antriebsmotor 2 sowie aus einem im Riickkopplungszweig befindlichen Tacho 3 mit nachgeschaltetem Antriebsregler 4 besteht, wird ein mechanisches Objekt 5 bewegt. Die Position, in der sich das Objekt 5 jeweils befindet, wird mittels eines Meßsystems 6 Ermittelt und. aus dem Positionsistwert x(t) und dem Positionssollwert χ die Regelabweichung £ gebildet.

In einem Beschleunigungsmeßsystem 7 werden zeitliche Ableitungen der Bewegungsgröße des mechanischen Objektes 5 ermittelt, die für die Optimierung der Regelung erforderlich sind.

Die zeitliche Ableitung der Bewegungsgrb'ße wird neben der Regelabweichung € einem Positionsregler 8 zugeführt.

Zur Bewegung des Objektes 5 ist ein kugelgelagerter Meßschlitten vorgesehen, der auf einem schwingungsisolierten Grundbett abrollt. Der Bewegungsbereich beträgt 250 mm, die geforderte Positioniergenauigkeit + 0,1 /um und die erforderliche Positionierzeit für den Übergang von einer beliebigen Position zu einer im Abstand von 10 mm befindlichen neuen Position 1 s.

Der Meßschlitten wird durch eine Kugelablaufspindel, deren Mutter über eine kardanin^he Ankopplung mit dem Meßschlitten verbunden ist, angetrieben. Über ein einstufiges, losefreies Getriebe ist der Antrieb (Motor-Tachogruppe) an die Spindel angesetzt. Der unter Beachtung der dynamischen Forderungen realisierte mechanische Aufbau zeigt eine ausgeprägte Resonanzstelle bei 30 Hz mit sehr geringer Dämpfung, die sich au3 der Schlittenmasse in Kombination mit den Federeigenschaften der Kardanlager ergibt. Weitere Resonanzstellen liegen oberhalb 100 Hz.

Der Motorkreia mit Tachorlickkopplung ist so ausgelegt, für Eingangsspannungen am Verstärker von 1,5 mV...7,5 V die Drehzahl linear von der Eingangsspannung abhängt. Maximaldrehzahl ca. 5000 U/min, Minimaldrehzahl ca. 1 U/min. Bei einer Getriebeuntersetzung von 1 : 25 und einer Spindelsteigerung von 5 mm/U lassen sich damit Schlittengeschwindigkeiten von 3»3/ura/s...17 mm/s linear ansteuern und Wege von weniger als 50 nm auflösen. Die Grenzfrequenz des Antriebes liegt oberhalb 80 Hz. Das mechanische Objekt 5 mit Antrieb kann unter Vernachlässigung nichtlinearer, durch Reibung und Restlose hervorgerufener Effekte durch folgende Übertragungsfunktion beschrieben werden:

W (p) = ^χ(^ρ) ^Χί Wegänderung in mm ° U(p) U: Eingangsapannung in V

W₀Cp) = - — . W_oR(p)(Gl:1)

pT(1+pT_A)(i+2D_oT_op + Tjp^)

T Integrationszeitkonstante 270 тэ Тд Zeitkonstante Antrieb mit Last 4»6 ms T Zeitkonstante des Resonanzgliedes 5,3 ms D Dämpfung des Resonanzgliedes 0,1 K Dimensionsfaktor 1 mm/V

W p(p) beinhaltet weitere Resonanzstellen und Zeitkonstanten im Bereich oberhalb 100 Hz, für prinzipielle Überlegungen

ist die Näherung ^w _oR(p) = 1 zulässig. Das schwingungsisolierte Grundbett zeigt bei O₁S Hz in x-Richtung Resonanzverhalten

Diese Resonanzstelle wird durch die Schlittenbewegung angeregt und bewirkt im ungeregelten Zustand Störamplituden von 20/um mit 0,5 Hz am Schlitten. Damit derartige Störamplituden ausgeregelt werden können, muß die Regelkreisverstärkung bei 0,5 Hz größer 200 sein. Als Meßsystem 6 wird ein Laserwegmeßaystem mit einer Auflösung von 40 nm eingesetzt. Die Zeitkonstanten des

Meßsystems б und seine Totzeit liegen weit außerhalb des interessierenden Frequenzbereiches.

In Figur 2a und 2b ist der Frequenzgang für das komplette, au regelnde Objekt 5 unter Berücksichtigung von Gleichung 1 gezeigt. Aua dem Amplitudengang in Fig. 2a und dem Phasengang in Fig. 2b ist ersichtlich, daß mit einem P-Regler und dynamischer Korrektur das System nicht die gewünschten Parameter erfüllt.

Figur 3 zeigt den Aufbau des Positionsreglers 8. Zusätzlich zum Wegsignal x(t) wird die Beschleunigung d x(t) am Meßschlitten direkt gemessen und parallel ver dt²

arbeitet. Der aktuelle Istwert der Position x(t), der als dynamischer Zählerstand, des Meßsystems 6 anliegt, wird, vom Sollwert x_Q subtrahiert, das in digitaler Form anliegende Fehlersignal f,. (t) wird getrennt nach Betrag

S und Vorzeichen verarbeitet. Über eine logische Ankopplung eines .OA-Wandlers 9 wird im Beispiel die Verstärkungaänderung derart realisiert, daß für geringe Soll-Istwertdiffersnzen

16HlS₀I «/as .5SZ, _d. _h. ₁₂₅

⁰ £

Der Umschaltpunkt S liegt bei ca. 10 /um.

Das Signal £ „„ wird über einen Analogverstärker 10 mit an ·

einstellbarer Verstärkung V_R1 Я» 2 (Amplitudenkanal) einem Umechalter 11 zugeführt, in dem ea daa Vorzeichen erhält, das in einem Nulldiskriminator 12 aus der im Übertragungsglied 13 gebildeten Summe des im Umschalter 14 gebildeten vorzeichenrichtigen Fehlersignals £_gn und. seiner,dure^Differenzieren erzeugten Ableitung

Ϊ" . 2£ ermittelt wird (Phasenkanal).

^Ж dt

Ein nactageschaltetes linearst Filter 15 mit Tiefpaßeigenschaften T_Ro = 190 ms, T_{R1 = 16 mg###50 ma (ein}.

stellbar) fuhrt zu einer zusätzlichen Absenkung des Amplitudenganges im Bereich von 0,8...10 Hz. Die Beschleunigungsrückführung über den Verstärker 16 wirkt als Dämpfung der Resonanzstelle.

Pig. 4a und 4b zeigen den Frequenzgang des offenen Regelkreises mit nichtlinearem Positionsregler, Kurven 1 bei kleinen Soll-Istwertdifferenzen, Kurven 2 bei größen Ablagen.

Durch Veränderung des Umschaltpunktes und der Verstärkung V_R1 läßt sich das Einschwingverhalten im Großen, durch verändern der Zeitkonstante Ty. das Einschwingverhalten unmittelbar um die Sollposition optimieren.

Claims

-δ-

Erfindungsanspruch

Positionsregler zur schnellen, hochgenauen Einstellung physikalischer Größen, insbesondere zur Positionierung mechanischer Objekte, bei dem Fehlersignale, die von einem Meßsystem über einen Sollwert-Istwert-Vergleich erzeugt werden, über eine Verstärkerstufe sowie parallel dazu über eine nichtlineare Phasenkorrekturstufe einer Umschaltstufe zur Erzeugung einer Stellgröße für ein Stellsystem mit großem Ansteuerbereich zugeführt werden, deren Betrag ausschließlich vom Verstärkungsgrad des Fehlersignals abhängt und deren Vorzeichen durch die Phasenkorrekturstufѳ bestimmt wird, gekennzeichnet durch ein Korrekturglied mit nichtlinearer Übertragungskennlinie in der Verstärkerstufe.

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