DE10135220B4 - Drive system and method for determining the bandwidth of such a drive system - Google Patents
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Abstract
Antriebssystem mit mindestens einem Motor und angekoppelter schwingungsfähiger Mechanik, mit einem Geschwindigkeitsregelkreis (18), in dem der Motor liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsfähige Mechanik (10 bis 13) mit mindestens einem Beschleunigungsaufnehmer (B) versehen ist, der in einem weiteren Geschwindigkeitsregelkreis (16) liegt, der dem Geschwindigkeitsregelkreis (18) des Motors kaskadenförmig überlagert ist und ein Netzwerk (17) enthält, das die Beschleunigung (ẍM) der Mechanik zur Geschwindigkeit (ẋM) integriert und oberhalb der Resonanzfrequenz (ωM) der Mechanik deren Phasenrückdrehung erzeugt.Drive system with at least one motor and coupled oscillating mechanism, with a speed control loop (18) in which the engine is located, characterized in that the oscillatory mechanism (10 to 13) is provided with at least one accelerometer (B), which in another speed control loop (16), which is superimposed cascade-wise on the velocity control loop (18) of the motor and contains a network (17) which integrates the acceleration (ẍ M ) of the mechanism of the velocity (ẋ M ) and above the resonance frequency (ω M ) of the mechanism whose phase rotation is generated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Bandbreite eines solchen Antriebssystems nach dem Oberbegriff des Anspruches 6.The The invention relates to a drive system according to the preamble of the claim 1 and a method for determining the bandwidth of such Drive system according to the preamble of claim 6.
Solche Antriebssysteme mit Motor und schwingungsfähiger Mechanik sind typischer Weise im Werkzeugmaschinenbau oder in der Robotertechnik in Form von Kugelrollspindelantrieben, Zahnstangen/Ritzelantrieben oder rotatorischen Antrieben mit Getriebeuntersetzungen anzutreffen. Solche Antriebssysteme besitzen aufgrund ihrer angekoppelten mechanischen Massen m über eine nachgiebige Feder c in Form von Getrieben oder Kupplungseinheiten mindestens eine Resonanzfrequenz (Eigenfrequenz) ωM, die sich nach der bekannten Gleichungerrechnet.Such drive systems with motor and oscillating mechanism are typically found in machine tool or robot technology in the form of ball screw drives, racks / pinion drives or rotary drives with gear ratios. Due to their coupled mechanical masses m, such drive systems have at least one resonance frequency (eigenfrequency) ω M via a yielding spring c in the form of transmissions or clutch units, which results according to the known equation calculated.
Aus
der Literatur (siehe Boelke, K., Analyse und Beurteilung von Lagesteuerungen
für numerisch gesteuerte
Werkzeugmaschinen, Dr.-Ing. Diss. ISW, Univ. Stuttgart 1977, ISBN
3-540-08217-4, Springer-Verlag,
Berlin, New York; Swoboda, W., Digitale Lageregelung für Maschinen
mit schwach gedämpften
schwingungsfähigen
Bewegungsachsen, Dr.-Ing. Diss. ISW, Univ. Stuttgart 1987, ISBN
3-540-18101-6, Springer-Verlag, Berlin, New York) sind Lösungen bekannt,
solche Systeme als lage- oder geschwindigkeitsgeregelte Systeme
auszulegen.
Der KV-Faktor sollte möglichst groß sein, da er bei vorgegebener Sollgeschwindigkeit ẋs über die Gleichung Δx·KV = ẋs die Regelabweichung der Lage Δx bestimmt und zudem quadratisch die Steifigkeit einer Achse beeinflusst.The K V factor should be as large as it with a specified nominal velocity s X via the equation Ax · K V = ẋ s determines the control deviation of the position .DELTA.x and also square affects the rigidity of an axle.
Wie
aus dem Bodediagramm für
ein solches System nach
Eine neue Möglichkeit zur Erzielung höherer KV-Werte bieten die sogenannten „Direktan triebe", bei denen die „Feder c" des tief abgestimmten, mechanischen Schwingers in Form einer Kugelrollspindel oder eines Getriebes ersatzlos ersetzt werden kann durch das direkte Wirkprinzip ohne Übersetzung.A new way to achieve higher K V values offer the so-called "direct drive", in which the "spring c" of the low-tuned mechanical oscillator in the form of a ball screw or a gearbox can be replaced without replacement by the direct action principle without translation.
Solche „Direktantriebe" sind jedoch erheblich teurer als getriebebehaftete Antriebslösungen und besitzen zudem nur begrenzte Kräfte oder Momente.However, such "direct drives" are considerably more expensive as geared drive solutions and also have only limited powers or moments.
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Antriebssystem
und das gattungsgemäße Verfahren
so auszubilden, dass die Bandbreite ωe des
Antriebssystems über
die mechanische Eigenfrequenz ωM hinaus erweitert wird. Diese Aufgabe wird
beim gattungsgemäßen Antriebssystem
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Beim erfindungsgemäßen Antriebssystem und
Verfahren wird die Istgröße der Geschwindigkeit mit
Hilfe eines an der schwingungsfähigen
Mechanik angekoppelten Beschleunigungsaufnehmers B erfasst, der über ein
nachgeschaltetes Netzwerk (
Die
Erfindung wird anhand der
Die
kaskadenförmig
aufgebauten Geschwindigkeitsregelkreise gemäß
Aus
Um die schaltungstechnische Anordnung auch wirkungsvoll realisieren zu können, bedarf es eines rauschfreien Signals für die Geschwindigkeit, da das Signal für die Phasenrückdrehung (1 + TD·s) differenziert werden muß. Die nach dem Stand der Technik übliche Geschwindig keitsberechnung durch Differentiation aus dem Lagesignal ist wegen des Quantisierungsrauschens für diese Aufgabe unbrauchbar.In order to be able to realize the circuit arrangement also effectively, a noise-free signal for the speed is required, since the signal for the phase reversal (1 + T D · s) must be differentiated. The usual in the prior art speed calculation by differentiation from the position signal is useless because of the quantization noise for this task.
Erfindungsgemäß wird das Geschwindigkeitssignal ẋM durch Integration aus einer Beschleunigungsmessung ẍM gewonnen, wobei die Differentiation der Geschwindigkeit bereits durch das Beschleunigungssignal selbst repräsentiert wird. Die Signalbildung erfolgt somit auf beste Weise rauschfrei.According to the invention, the velocity signal is obtained by integration of a × M × M acceleration measurement, wherein the differentiation of the speed is already represented by the acceleration signal itself. Signaling is thus noise-free in the best possible way.
Die
Schaltung zur Geschwindigkeitsbildung und Phasenrückdrehung
ist entsprechend
Als Beschleunigungssensor B eignet sich für Antriebssysteme insbesondere ein System, das die Relativbeschleunigung zwischen festen und bewegten Teilen der schwingungsfähigen Mechanik erfasst. Zur Messung der Relativbeschleunigung kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor nach dem Ferrarisprinzip eingesetzt werden (siehe Pritschow, G., Hiller, B., Hohe Regelgüte durch verbesserte Messsystemauswertung und Beschleunigungssensoren. wt Werkstattstechnik (1998), Heft 10, S. 473...478).When Acceleration sensor B is particularly suitable for drive systems a system that measures the relative acceleration between fixed and moving Sharing the vibratory Mechanics captured. For example, to measure the relative acceleration an acceleration sensor according to the Ferraris principle are used (see Pritschow, G., Hiller, B., High control quality through improved measurement system evaluation and acceleration sensors. wt Workshop Technology (1998), Issue 10, P. 473 ... 478).
Ein
Ausführungsbeispiel
des Antriebssystems ist in
Der Differenzwert zwischen Ist- und Sollwert der Lage xs – xi wird multipliziert mit einem Geschwindigkeitsregelungsverstärkungsfaktor KV zum Geschwindigkeitssollwert ẋMS der Mechanik.The difference value between the actual and setpoint position x s - x i is multiplied by a speed control gain K V to the speed setpoint ẋ MS of the mechanics.
Der
Schlitten
Die
Differenz der Geschwindigkeiten ẋMS und ẋM werden mit dem Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor
KPM verstärkt. Der verstärkte Wert ẋS ergibt den Geschwindigkeitssollwert für den Geschwindigkeitsdrehzahlregler
des Motors
Anstelle des Kugelrollspindelantriebs können auch Zahnstangen/Ritzelantriebe oder andere an einen Motor angekoppelte schwingungsfähige Mechaniken vorgesehen sein.Instead of of the ball screw drive can also racks / pinion drives or other coupled to a motor vibratory mechanics be provided.
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