-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Motorregelungsvorrichtung mit
einer Regelungskomponente zum Bereitstellen eines Regelungssignals. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Regelungsverfahren.
-
Vielfach
wird die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlregelung und auch die Lageregelung
von Antrieben durch Rauschen und andere Störgrößen nachteilig beeinflusst.
Dieses Problem wird anhand des in 1 dargestellten
Geschwindigkeitsregelkreises für
Linearantriebe näher
erläutert.
Für den Regelkreis
wird eine Sollgeschwindigkeit vref vorgegeben. Von dieser Sollgeschwindigkeit
vref wird in einem Addierer Sum1 eine Istgeschwindigkeit vist abgezogen,
so dass man ein Abweichungs- bzw. Differenzsignal ev erhält. Das
Differenzsignal ev wird in einem Verstärker G1 mit dem Verstärkungsfaktor
Kp proportional verstärkt.
In dem nachgeschalteten Verstärker
G2, Integrierer I1 und Addierer Sum2 wird ein I-Anteil mit Nachstellzeit
Tn berücksichtigt.
Ein aus dem Addierer Sum2 resultierender Strom i wird durch einen
Motor M, der die Regelstrecke darstellt, in eine Linearposition
x umgesetzt. Dabei wird der Motor M durch einen Verstärker G3
und zwei nachgeschaltete Integrierer a2v und v2x modelliert. Der
Verstärker
G3 setzt entsprechend einer Kraftkonstante KF den Strom i in eine
Beschleunigung a um. Diese wird in dem ersten Integrierer a2v in
eine Geschwindigkeit v und anschließend in dem zweiten Integrierer
v2x in eine Position x gewandelt.
-
Ein
Geber G greift die Position x ab, wobei ungewollt ein Störsignal
rx zum Lagesignal x addiert wird, was durch den Addierer Sum3 angedeutet
ist. Das Störsignal
rx entsteht beispielsweise durch Quantisierungsrauschen oder sonstiges
Rau schen und andere Störgrößen. Der
Geber G liefert somit ein Istlagesignal xist.
-
Die
Geberauswertung A im Rückkopplungszweig
dient dazu, das Istlagesignal xist in das Istgeschwindigkeitssignal
vist umzusetzen. Hierzu wird mit dem Verzögerungselement D1, dem Addierer Sum4
und dem Verstärker
G4 eine zeitdiskrete Differenziation durchgeführt. Üblicherweise arbeiten dabei
die Blöcke
D1, Sum4, G4, vref, Sum1, G1, G2, I1, Sum2 zeitdiskret, wobei die
Taktrate mit der Verzögerungszeit
T des Verzögerungselements
D1 übereinstimmt.
Entsprechend wird auch das Istlagesignal xist nicht kontinuierlich,
sondern zeitdiskret mit dieser Taktrate erfasst. Insofern bildet
die Geberauswertung A die mit einem Faktor (hier 1/T) gewichtete
Differenz aus aktueller und vorangegangener Istlage.
-
Üblicherweise
ist man bestrebt eine möglichst
hohe Dynamik zu erzielen, d. h. 1) die Geschwindigkeit v soll eventuellen Änderungen
der Sollgeschwindigkeit vref möglichst
schnell folgen und 2) sollen sich eventuelle plötzliche Störkräfte, die in 1 einem
dort nicht eingezeichneten zusätzlichen additiven
Anteil in der Beschleunigung a entsprächen, möglichst nur kurzzeitig auf
die Geschwindigkeit v auswirken. Um eine möglichst hohe Dynamik zu erzielen,
ist man bestrebt, möglichst
hohe Werte für
Kp im Verstärker
G1 und 1/Tn im Verstärker
G2 des Reglers R zu realisieren. In der Praxis sind dem aber Grenzen
gesetzt, u. a. deswegen, weil die Störgröße rx den Drehzahlistwert vist
verfälscht.
D. h. selbst dann, wenn die wahre Geschwindigkeit v mit dem Sollwert
vref übereinstimmt,
weicht der ermittelte Istwert vist i. a. von vref ab, was bei zu
hohem Kp zu überhöhten Motorströmen i und
in Folge einerseits zu zusätzlicher
Erwärmung
und Geräuschbildung und
andererseits zu überhöhten Beschleunigungen
a und damit auch zu Abweichungen von v vom Sollwert vref führt. Auf
diese Weise entsteht auch bei konstantem vref sowohl im Strom i
als auch in der Geschwindigkeit v ein unerwünschter zusätzlicher rauschartiger Wechselanteil.
Beim Strom i wird dieser Wechselanteil Stromripple, bei der Geschwindigkeit
v Geschwindigkeitswelligkeit genannt.
-
Ziel
ist es nun, eine Modifikation dahingehend vorzunehmen, dass man
Stromripple und Geschwindigkeitswelligkeit bei gegebener Dynamik
reduzieren kann bzw. umgekehrt die Regelung (durch Erhöhung von
Kp und ggf. von 1/Tn) dynamischer machen kann, ohne gleichzeitig
den Stromripple und die Geschwindigkeitswelligkeit zu erhöhen.
-
Eine
bekannte Modifikation des in 1 dargestellten
Regelkreises besteht in der Geschwindigkeitsistwertfilterung gemäß 2.
Dabei wird der Geschwindigkeitsistwert vist vor dem Einspeisen in den
Addierer Sum1 durch einen Tiefpass TP geglättet. Nachteil dieser Lösung ist
jedoch, dass der Tiefpass TP die erzielbare Dynamik begrenzt.
-
Eine
weitere Möglichkeit,
um den Stromripple und die Geschwindigkeitswelligkeit zu minimieren besteht
darin, das Störsignal
rx zu verringern. Hierzu eignet sich beispielsweise ein höher auflösender Geber
für die
Lageposition x. Durch den höher
auflösenden
Geber lässt
sich das Quantisierungsrauschen reduzieren. Der Nachteil eines höher auflösenden Gebers
besteht jedoch in den höheren
Kosten.
-
Des
Weiteren lässt
sich das Störsignal
rx beispielsweise durch Oversampling reduzieren, wie dies in dem
Vortrag von Roland Kirchberger „Verbesserte Erfassung von
Lage und Geschwindigkeit an Hochgeschwindigkeitsspindeln", Lageregelseminar
2001, 26. und 27.10.2001, Stuttgart beschrieben wurde. Nachteilig
dabei ist jedoch der höhere
Hardware-Aufwand und die Verzögerung
des Geschwindigkeitsistwerts vist gegenüber dem wahren Wert v.
-
Durch
die Verwendung eines zusätzlichen Beschleunigungssensors,
wie dies in der Druckschrift
DE 100 24 394 A1 vorgesehen ist, können die negativen
Auswirkungen der Störgröße rx auf
die Istgeschwindigkeit vist und damit auch auf den Stromripple und
die Geschwindigkeitswelligkeit ebenfalls reduziert werden. Nachteilig
dabei ist jedoch der zusätzliche
Aufwand für
den Beschleunigungssensor und dessen Auswertung.
-
Aus
der Patentschrift
DD
259 288 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung
von Gleichstromkommutatormotoren bekannt, wobei ein Widerstand mit
dem Gleichstromkommutatormotor in Reihe geschaltet ist und eine
Verstärkungsregelung dem
Widerstand zugeordnet ist. Der Verstärkungsregelung sind dabei mindestens
zwei parallel angeordnete Bandpassfilter mit unterschiedlicher Mittelfrequenz
nachgeschaltet, wobei jeder Bandpassfilter über jeweils einen Widerstand
mit einem Summierer mit Gleichrichterschaltung in Verbindung steht
und dieser über
ein Siebglied mit dem Motorregler verknüpft ist. Es erfolgt eine spektrale
Analyse des Frequenzspektrums und eine frequenzabhängige Signalverarbeitung
eines dem Kollektorstrom proportionalen Istwertsignals zur Erzeugung
einer Rückkoppelspannung.
Eine Aufteilung des Signals in ein höherwertiges Signal und ein
niederwertiges Signal wird nicht durchgeführt.
-
Aus
der Patentschrift
US 3,535,496 ist
ein Verfahren zur adaptiven Steuerung der Verstärkung eines Regelsystems bekannt.
Bei dem Verfahren wird ein Fehlersignal mittels Bandpassfilter in
mehrere Signalanteile aufgeteilt, die anschließend wieder addiert werden.
Eine Aufteilung in einen höherwertigen
Signalanteil und einen niederwertigen Signalanteil wird nicht durchgeführt.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Stromripple
und die Geschwindigkeitswelligkeit bei gleichbleibender Dynamik
der Regelung zu reduzieren und gleichzeitig den Hardware-Aufwand
möglichst
gering zu halten.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Motorregelungsvorrichtung mit Regelungskomponente zum Bereitstellen
eines Regelungssignals, einer Signalteilungseinrichtung zum Aufteilen
des Regelungssignals in mindestens zwei Signalanteile, einer Signalverarbeitungseinrichtung, mit
der jeder der mindestens zwei Signalteile auf untereinander verschiedene
Weise verarbeitbar ist, wobei einer der Signalanteile ein bezogen
auf die Signalamplitude höherwertiger
Signalanteil und ein anderer ein niederwertiger Signalanteil ist
und einer Addiereinrichtung zum Addieren der verschieden verarbeiteten
Signalanteile für
eine weitere Verarbeitung.
-
Darüber hinaus
ist erfindungsgemäß vorgesehen
ein Verfahren zum Regeln eines Motors durch Bereitstellen eines
Regelungssignals, Aufteilen des Regelungssignals in mindestens zwei
Signalanteile, Verarbeiten jedes der mindestens zwei Signalanteile auf
untereinander verschiedene Weise, wobei das Regelungssignal in einen
bezogen auf die Signalamplitude höherwertigen Signalanteil und
einen niederwertigen Signalanteil aufgeteilt wird und Addieren der
verschieden verarbeiteten Signalanteile für eine weitere Verarbeitung.
-
Durch
das Aufspalten eines Regelungssignals, insbesondere der Geschwindigkeitsabweichung
in mindestens zwei Anteile können
diese unterschiedlichen Reglern zugeführt werden. Gegenüber dem
Stand der Technik mit der Geschwindigkeitsistwertfilterung entsprechend 2 besteht
der Vorteil somit darin, dass entsprechend der vorliegenden Erfindung
die Filterung nicht auf die gesamte Regelabweichung angewendet wird,
sondern nur auf den Teil, für
den die Filterung aufgrund der Störgröße benötigt wird.
-
Vorzugsweise
ist einer der abgespaltenen Signalanteile ein bezogen auf die Signalamplitude höherwertiger
Signalanteil und ein anderer ein niederwertiger Signalanteil. Dies
hat den Vorteil, dass speziell die niederwertigen Signalanteile,
die in erster Linie durch Rauschen und Störgrößen verändert sind, speziell behandelt
werden können.
So ist es günstig,
wenn die Signalverarbeitungseinrichtung in dem Signalpfad für den niederwertigen
Signalanteil einen Tiefpass aufweist. Dadurch lassen sich hochfrequente
Störanteile
aus dem Gesamtsignal entfernen.
-
Darüber hinaus
kann die Signalverarbeitungseinrichtung in dem Signalpfad für den niederwertigen
Signalanteil einen oder mehrere Bandsperren aufweisen. Dadurch können gezielt
Frequenzanteile, die durch Störungen
hervorgerufen werden, aus dem Signal ausgefiltert werden.
-
Bei
einer weiterentwickelten Motorregelungsvorrichtung kann neben einem
Lagesensor auch ein Beschleunigungssensor zur Erfassung der Bewegung
eines Verstellelements vorgesehen sein, so dass eine entsprechende
Istgröße gewonnen
werden kann. Durch diese parallele Istwerterfassung können die
Störanteile
in der Istgeschwindigkeit vist minimiert werden, indem diese Istgeschwindigkeit vist
nicht wie in
1, sondern beispielsweise so
wie in
DE 100 24 394
A1 beschrieben, ermittelt wird.
-
In
der erfindungsgemäßen Motorregelungsvorrichtung
bzw. für
das entsprechende Verfahren kann darüber hinaus eine Abtasteinrichtung
zum mehrfachen Abtasten einer zu erfassenden Größe innerhalb eines Zeitschritts
unter Gewinnung mehrerer Abtastwerte und zum Liefern eines gemittelten
Abtastwerts in dem Zeitschritt als Istgröße vorgesehen sein. Auf diese
Weise kann ein Oversampling des abzutastenden Signals gewährleistet
und eine entsprechende Reduzierung des Störsignals rx erzielt werden.
-
Die
in der erfindungsgemäßen Motorregelungsvorrichtung
vorgesehene Regelungskomponente kann eine Subtraktionseinrichtung
zum Subtrahieren einer Istgröße von einer
Sollgröße unter
Bereitstellung eines Differenzsignals darstellen, wobei die Signalteilungseinrichtung
zur Aufteilung des Differenzsignals der Subtraktionseinrichtung
nachgeschaltet ist. Alternativ könnte
auch die Aufspaltung in dem Rückkopplungszweig
vor der Subtraktionseinrichtung erfolgen. Wenn ein Eingriff in den
Regler R gegenüber
einem Eingriff in die Geberauswertung A keinen Nachteil darstellt,
bietet diese Alternative keinen Vorteil gegenüber der ursprünglichen
Lösung. Andernfalls
ist diese Lösung
jedoch, insbesondere dann vorteilhaft, wenn vorzugsweise der Fall
vref = 0 interessiert oder das Störsignal rx im Wesentlichen durch
Quantisierungsrauschen verursacht wird und dafür gesorgt wird, dass vref immer
mögliche
Quantisierungsstufen von vist annimmt.
-
Die
vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
-
1 einen
Geschwindigkeitsregelkreis entsprechend dem Stand der Technik;
-
2 einen
Geschwindigkeitsregelkreis mit Geschwindigkeitsistwertfilterung
entsprechend dem Stand der Technik;
-
3 einen
Geschwindigkeitsregelkreis mit Signalaufteilung entsprechend der
vorliegenden Erfindung; und
-
4 ein
Blockschaltbild für
eine erfindungsgemäße Lageregelung.
-
Die
nachfolgend näher
erläuterten
Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
-
Die
in 3 wiedergegebene erfindungsgemäße Geschwindigkeitsregelung
besteht im Wesentlichen aus den Komponenten, die bereits im Zusammenhang
mit 1 vorgestellt wurden. Dem dort beschriebenen Regler
R ist jedoch hier ein nicht linearer Regler NR vorgeschaltet. In
ihm wird die Geschwindigkeitsabweichung ev in zwei Anteile aufgespaltet, wie
es in ähnlicher
Weise auch bei einer Binärzahl
mit der Aufspaltung in höherwertige
Bits und niederwertige Bits möglich
ist. Im vorliegenden Fall entsteht durch die Aufspaltung ein höherwertiger
Anteil evhi und ein niederwertiger Anteil evlo mit evhi + evlo =
ev.
-
Anschaulich
entspricht dabei der niederwertige Anteil evlo in etwa demjenigen
Signalpegel, der von der Störgröße rx verursacht
wird. Mit dem höherwertigen
Anteil wird nun so verfahren wie beim Stand der Technik nach 1,
während
der niederwertige Anteil z. B. a) vorher gefiltert oder b) nur dem
I-Glied zugeführt
wird. Dies ist möglich,
da die Störgröße rx mittelwertfrei
ist. Für
den Fall a) ist in 3 ein Blockschaltbild angegeben.
-
Der
Signalausgang des Addierers Sum1 wird in zwei Signalpfade aufgespaltet.
In einem der Signalpfade ist ein Begrenzer B angeordnet. Dieser
begrenzt die Signalamplitude entsprechend einer gewünschten
Sättigungsfunktion,
z. B.
mit einer positiven Konstanten
Q. Das resultierende Signal evlo umfasst nur die niederwertigen
Anteile des ursprünglichen
Signals ev. In einem Addierer Sum5 wird der Signalanteil evlo von
dem ursprünglichen
Signal ev abgezogen, woraus der höherwertige Signalanteil evhi
resultiert. Der höherwertige
Signalanteil, der beispielsweise aus einem Lastwechsel des Motors
herrührt
und damit einer tatsächlichen Änderung
der Geschwindigkeit v entspricht, wird unverarbeitet einem Addierer
Sum6 zugeführt.
Die niederwertigen Signalanteile evlo werden hingegen in einem Filter
F gefiltert, bevor sie dem Addierer Sum6 zugeführt werden. In dem Addierer
Sum6 werden die beiden Signalanteile wieder zu einem gemeinsamen Signal
addiert und dem Regler R bzw. dessen Verstärker G1 zugeführt.
-
Der
Begrenzer B sorgt dafür,
dass die Amplitude des niederwertigen Anteils evlo in etwa dem von dem
Störsignal
rx in dem Istgeschwindigkeitssignal vist verursachten Signalanteil
entspricht. Für
das Filter F lässt
sich beispielsweise der Tiefpass TP aus 2 einsetzen.
In diesem Fall ist die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlistwertglättung nur
für den
Signalanteil wirksam, für
den sie auch tatsächlich
benötigt
wird. Alternativ oder zusätzlich
lässt sich
im Filter F auch eine oder mehrere Bandsperren mit einstellbarer
Sperrfrequenz implementieren, deren Sperrfrequenz(en) beispielsweise
so nachgeführt
wird, dass sie einem ganzzahligen Vielfachen der Strichfrequenz
des Gebers, dessen Geberrad eine vorbestimmte Anzahl an abzutastenden
Strichen aufweist, entspricht. Oft hat nämlich der Geschwindigkeitsistwert
vist bei solchen Frequenzen erhebliche Störanteile.
-
Grundsätzlich besteht
auch die Möglichkeit, dass
das Signal der Geschwindigkeitsabweichung ev in mehr als zwei Anteile
aufgespaltet wird und die nicht lineare Regelung in diesen Anteilen
individuell durchgeführt
wird. Darüber
hinaus besteht auch die Möglichkeit,
wie dies oben bereits erwähnt
ist, parallel zu dem Lagesensor einen Beschleunigungssensor einzusetzen,
um Rauschen bzw. Störanteile
zu unterdrücken.
Ferner kann der Geber G auch ein Oversampling ermöglichen.
-
Der
nicht lineare Regelschritt kann anstelle vor der Regelung R auch
zwischen der Geberauswertung A und dem Addierer Sum1 für das Istgeschwindigkeitssignal
vist durchgeführt
werden. Diese Alternative ist zwar weniger vorteilhaft, sie bietet
sich aber bei bestehenden Regelkreisen an, bei denen beispielsweise
nur das Istgeschwindigkeitssignal vist zugänglich ist.
-
Der
erfindungsgemäße Regelmechanismus kann
auch für
eine Lageregelung verwendet werden. Diese kann in üblicher
Weise ohne Umwandlung in Geschwindigkeitssignale aufgebaut werden.
Alternativ kann sie aber auch unter Ausnutzung der Geschwindigkeitsregelung
von 3 realisiert werden. Ein entsprechendes Blockschaltbild
ist in 4 wiedergegeben, wobei der Geschwindigkeitsregelkreis von 3 durch
das gestrichelte Rechteck GR angedeutet ist. Das Istlagesignal wird
für die
Lageregelung einem Addierer Sum7 zugeführt, der dieses Signal von
einem Solllagewert xref subtrahiert. Der anschließende Verstärker G5
wandelt das Lagedifferenzsignal in den Geschwindigkeitssollwert
vref. Dabei kann alternativ zwischen den Ausgang des Addierers Sum7
und dem Eingang des Verstärkers
G5 ein nichtlinearer Regler von der Art des nichtlinearen Reglers
NR aus 3 geschaltet sein. Somit kann der Regelkreis von 3 sowohl
für die
Geschwindigkeitsregelung als auch für die Lageregelung verwendet
werden.
