DE102005005248B4

DE102005005248B4 - Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel

Info

Publication number: DE102005005248B4
Application number: DE102005005248.7A
Authority: DE
Inventors: Souchi Toyama; Yaichi Okubo; Hiromu Hirai; Makoto Iwasaki; Motohiro Kawafuku; Noriaki Hirose
Original assignee: Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2025-02-05
Also published as: US7768225B2; JP4567989B2; JP2005221845A; US20050187650A1; DE102005005248A1

Abstract

Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel, aufweisend:eine Rückkopplungsschleife mit einem verstärkten gesteuerten System (S), wobei das verstärkte gesteuerte System (S) ein drehbares Stellglied (1), einen Proportionalkompensator (3), eine Geschwindigkeitserfassungseinrichtung (4), einen Kompensator (5) zur Stabilisierung von Torsionsvibrationen, einen D/A-Konverter (6) und eine Stromsteuerschaltung (7) aufweist, und wobei die Rückkopplungsschleife einen integralen Kompensator (2) aufweist;wobei die Geschwindigkeitserfassungseinrichtung (4) mit einem Ausgangssignal von dem Kompensator (5) und mit erfassten Winkeldaten (9) versorgt wird, und ein Abschätzsignal einer Winkelgeschwindigkeit des Spiegels ausgibt, wobei das Abschätzsignal nach dem integralen Kompensator (2) von dem von diesem kommenden Signal subtrahiert wird;undeinen Digitalfilter (10),wobei das Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel konfiguriert ist, einen Winkel eines steuerbaren Spiegels zu positionieren, der auf einer Antriebswelle des drehbaren Stellgliedes (1) festgelegt ist,wobei der integrale Kompensator (2) konfiguriert ist, ein Nachführfehlersignal auszugeben, das durch Subtraktion der durch einen Rotationskodierer des Stellglieds (1) erfassten Winkeldaten von durch eine Steuervorrichtung einer hohen Stufe erhaltenen Befehlswinkeldaten (8) erhalten wird,wobei das verstärkte gesteuerte System (S) konfiguriert ist, einen Antriebsstrom zu steuern, um dem drehbaren Stellglied (1) zugeführt zu werden, basierend auf einem Additionswert des Nachführfehlersignalausgangs von dem integralen Kompensator (2) und dem Ausgang von dem Digitalfilter (10), undwobei der digitale Filter (10) konfiguriert ist,um Nullen zu einer Übertragungsfunktion für einen q-ten Anfangszustandswert Xp0qzu addieren, um so Pole der Übertragungsfunktion auszulöschen, wobei die Pole in der Rückkopplungsschleife inhärent sind, und zwar in der Übertragungsfunktion für den Anfangszustandswert Xpoqder Rückkopplungsschleife zu einer Zeit zu welcher Positionierungsbefehlsdaten empfangen worden sind,wobei die Nullen Wurzeln der Gleichung Npq(z)dq(z)+Nu(z)nq(z)=0 sind, wobei Npq(z) das q-te Elemente einer 1xm Polynominal-Matrix hoher Ordnung (1≤q≤m) der Übertragungsfunktion der Rückkopplungsschleife ist, dq(z) der Nenner der Übertragungsfunktion eines Digitalfilters für den q-ten Anfangszustandswert Xp0qvon einem ersten Modus von Torsionsvibrationen ist, wobei Nu(z) der Zähler der Übertragungsfunktion ist, welche als zusätzlicher Eingang von der Ausgabe des Digitalfilters (10) auf die Rückkopplungsschleife wirkt, nq(z) der Zähler der Übertragungsfunktion des Digitalfilters für den q-ten Anfangszustandswert Xp0qist, undwobei die Pole Wurzeln der Gleichung D(z)=0 sind, wobei D(z) der Nenner der Übertragungsfunktion der Rückkopplungsschleife ist.

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel, das die Position des steuerbaren Spiegels erfasst und den steuerbaren Spiegel so steuert, dass der steuerbare Spiegel benannten Zielwerten folgt.
Beschreibung des technischen Hintergrundes
Für eine Laser-Bohrmaschine, die z.B. Bohren in einem Herstellungsverfahren für eine gedruckte Schaltungsplatine bzw. Leiterplatine durchführt, ist ein Positionierungs-Steuersystem erforderlich, um sequentiell oder aufeinander folgend einen Laserstrahl auf mehrere Positionen eines Werkstückes zu richten bzw. abzustrahlen, bei dem ein Bohrvorgang durchgeführt wird. Ein steuerbares Spiegelsteuersystem wird häufig verwendet, um einen hohen Bohrdurchsatz und eine hohe Genauigkeit beim Bohren zu erzielen.
Im allgemeinen ist eine Laser-Bohrmaschine eine numerische Steuerungsmaschine (NC-Maschine), die eine hierarchische Steuerstruktur hat, und ein steuerbares Spiegelsteuersystem ist in seiner untersten Hierarchiestufe enthalten. In einem Steuersystem mit einer hohen Hierarchiestufe (nachfolgend genannt: „Steuereinrichtung einer hohen Stufe“) ist der Auftrag zum Bohren auf der Grundlage von CAM-Daten (CAM: Computer Added Manufacturing) für eine gedruckte Leiterplatine optimiert, so dass ein hoher Bohrdurchsatz verwirklicht werden kann und Betriebspositionskoordinaten werden in ein NC-Programm in einem Auftrag zum Bohren geschrieben.
Ein solches NC-Programm ist zuvor vorbereitet worden, und wenn das Bohren beginnt, wird die Steuereinrichtung einer hohen Stufe Perforationspositionskoordinaten in dem Programm aufeinander folgend einer Koordinatentransformation aussetzen und überträgt zeitlich aufeinander folgende Winkelbefehlsdaten zu dem steuerbaren Spiegelsteuersystem. Für das Bohren von jeder Bohrung bzw. Perforation in der Form eines wirklichen Kreises ist es notwendig, einen Laserstrahl auszustrahlen, nach dem ein steuerbarer Spiegel in eine Haltestellung bei einem Winkel gebracht worden ist, der durch Winkelbefehlsdaten bestimmt ist. Die Übertragung der Winkelbefehlsdaten und die Steuerung der Ausstrahlung des Laserstrahls werden deshalb in Übereinstimmung bzw. gemeinsam innerhalb der Steuereinrichtung einer hohen Stufe durchgeführt.
Prinzipielle Bestandteile des steuerbaren Spiegelsteuersystems enthalten einen steuerbaren Spiegel als einen beweglichen Körper ein drehbares Stellglied bzw. Aktor, um die Stellung oder den Winkel des steuerbaren Spiegels über einen Bereich von näherungsweise +/- 15 ° maximal zu ändern, und eine Steuerschaltung, um den Winkel des steuerbaren Spiegels durch eine Rückkopplung zu steuern.
Als drehbarer Aktor bzw. Stellglied wird im allgemeinen ein elektromagnetischer Aktor verwendet. Dieser elektromagnetische Aktor erzeugt ein Antriebsdrehmoment gemäß einem elektromagnetischen Grundprinzip. Der steuerbare Spiegel ist auf oder an einer Antriebswelle bzw. -achse des drehbaren Stellgliedes oder Aktors festgelegt, so dass die Antriebsachse als eine Abstütz- bzw. Trageinrichtung für den steuerbaren Spiegel dient. Auf dieser Antriebsachse sind auch ein Sensor und eine bewegliche Spule bzw. Induktionsspule bzw. beweglicher Magnet zusätzlich zu dem steuerbaren Spiegel angeordnet.
Der Winkel einer Rotation bzw. Drehung des steuerbaren Spiegels wird durch den Sensor erfasst und die erfassten Winkeldaten werden zu einer Rückkopplungssteuerschaltung übertragen. Die Rückkopplungssteuerschaltung ist durch eine analoge Steuereinrichtung verwirklicht, die aus einem Operationsverstärker oder einer digitalen Steuer-Firmware aufgebaut ist, die in Verbindung mit einem Mikroprozessor und einem Programm konstruiert ist. Ein einzelner Positionierungsbetrieb des steuerbaren Spiegels kann in der Größenordnung von 0,1 ° bis näherungsweise 30°, ausgedrückt in Winkelstrichen, variieren, und die Zeit zur Positionierung kann von weniger als einer Millisekunde bis mehreren Millisekunden (ms) betragen.
Das steuerbare Spiegelsteuersystem empfängt einzelne Winkelsteuerdaten bzw. ein einzelnes Winkelsteuerdatum als ein Schritteingabesignal, um einen einzelnen Positionierungsbetrieb durchzuführen. Das steuerbare Spiegelsteuersystem steuert nämlich den Spiegel auf der Grundlage der so empfangenen einzelnen Winkelbefehlsdaten bzw. des einzelnen Winkelbefehlsdatums. Sobald der steuerbare Spiegel eine Drehbewegung beginnt, arbeitet eine integrale Kompensation, um den sich ergebenden Spiegelwinkel in Übereinstimmung mit den Winkelbefehlsdaten bzw. dem Winkelbefehlsdatum ohne Fehler zu bringen. Bei dieser Kompensation wird ein Wert, der durch Subtraktion jedes erfassten Winkeldatums von dem Winkelbefehlsdatum erhalten wird, d.h., ein Nachführ- bzw. Führungsfehlersignal, integriert. Für die Absicherung eines stabilen Betriebs der Rückkopplungsschleife in dem steuerbaren Spiegelsteuersystem besteht auch eine Notwendigkeit, eine Phasengrenzen bzw. - spielraum und einen Verstärkungsgrenzwert bzw. -spielraum einer Schleifenübertragungsfunktion bei ausreichend großen Werten einzustellen. Die Differenzierung von erfassten Winkeldaten oder die Verwendung eines sog. Zustandsüberwachers macht es möglich, eine stabile Kompensation und eine Phasenführungskompensation einzusetzen, wobei beide auf Winkelgeschwindigkeitssignalen basieren. Diese Steuerverfahren sind als grundsätzliche Rückkopplungssteuertheorien bekannt [siehe KATAYAMA, Toru, „Fundamentals of Feedback Control“ (in japanisch), Chapter 6 to Chapter 7, Asakura-shoten, Ltd., Tokio (20. May 1987)].
Im Hinblick auf die Verkürzung der Zeit, die zur Positionierung eines steuerbaren Spiegels erforderlich ist, ist auch eine Technologie eingesetzt worden, um eine Rückkopplungsschleife bei einem breiten Band von Frequenzen betreibbar zu machen. Im Einzelnen beschrieben, können in dem Fall des oben beschriebenen elektromagnetischen Aktors bzw. Stellgliedes, des steuerbaren Spiegels, des Sensors und dgl., die auf der Antriebsachse angeordnet sind, als Trägheitslasten wirken, und deshalb Achsentorsionsvibrationen bei einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftreten. Weil mehrere Torsionsvibrationsmoden im allgemeinen in einem Bereich von mehreren kHz oder mehr vorkommen, ist die Rückkopplungsschleife über einen breiten Frequenzbereich durch einen Vibrationsmodenstabilisationskompensator anwendbar gemacht worden. Dieser Stabilisationskompensator dient, um die Zustandswerte der Torsionsvibrationsmoden abzuschätzen und um die abgeschätzten Wert zurückzukoppeln (siehe JP 2002 - 40 357 A und JP 2002 - 40 357 A ).
Auch eine andere Technologie ist bekannt (siehe JP 2003 - 57 570 A ). Gemäß dieser Technologie wird ein Belastungssensor angeordnet, um Torsionsvibrationen von einer Antriebsachse zu erfassen, und Signale von dem Belastungssensor werden verwendet, um die Torsionsvibrationen zu verringern.
Eine Rückkopplungsschleife ist durch Kombination dieser Verfahren mit der oben aufgezeigten integralen Kompensation und der Fasenführungskompensation aufgebaut worden. Charakteristiken der Rückkopplungsschleife werden so eingestellt, dass die für jeden einzelnen Positionierungsbetrieb erforderliche Zeit (Positionierungszeit) ein bestimmtes Ziel erreicht und ein Überschießen und verbleibende Torsionsvibrationen, die beide in einem Einschwingverhalten (einstellenden Verhalten) in der Nachbarschaft eines Zielwinkels enthalten sind, in ihre zulässigen Bereiche fallen.
Eine Fourieranalyse einer Serie oder Reihe von Winkelbefehlsdaten, die in einer zeitlichen Abfolge von der Steuereinrichtung einer hohen Stufe übertragen werden (im Folgenden genannt: „Winkelbefehlsmuster“) macht es möglich, zu verstehen, dass jedes Winkelbefehlsmuster sein eigenes unterschiedliches Frequenzspektrum hat. Falls irgendeine bestimmte Spektralkomponente mit einer Resonanzfrequenz der oben aufgezeigten Torsionsvibrationen in diesem Fall zusammenfällt, wird sein Vibrationsmodus so betrachtet, dass eine Erzeugung von Restvibrationen auftritt, so dass die Positionierungsgenauigkeit des Bohrens verschlechtert werden würde.
Im Hinblick auf die Überwindung des oben aufgezeigten Problems ist eine weitere Technologie vorgeschlagen worden (siehe JP 2000 - 28 955 A ). Im Hinblick auf drei aufeinander folgende Winkelbefehlsdaten wird eine Betriebsfrequenz für einen steuerbaren Spiegel auf der Grundlage von deren Positionierungszeiten berechnet. Falls diese Betriebsfrequenz als eine solche bestimmt wird, die eine Bedingung hat, die dazu neigt, Restvibrationen zu induzieren, wird eine dritte Positionierungszeit verlängert, um den steuerbaren Spiegel so zu betreiben, dass ein Resonanzfrequenzbereich gemieden werden kann, wodurch eine Durchführung aufeinander folgender Positionierungsoperationen bei höherer Geschwindigkeit und höherer Genauigkeit durchgeführt werden kann.
Zusätzlich kann ein Festplattenlautwerk als eine Vorrichtung aufgezeigt werden, die Gebrauch von einer Positionierungssteuertechnologie macht, die eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Genauigkeit bereitstellt. Um digitale Informationen auf der Oberfläche einer magnetischen Scheibe aufzuzeichnen und zu lesen, ist das Festplattenlaufwerk mit einer Rückkopplungssteuereinrichtung ausgestattet, um den Magnetkopf bei hoher Geschwindigkeit anzutreiben und ihn mit hoher Genauigkeit zu positionieren. Die Steuereinrichtung hat eine Steuerung, die auf einen Hochgeschwindigkeitsantrieb spezialisiert ist, und eine andere Steuerung, die für eine hochgenaue Positionierung spezialisiert ist, und macht Gebrauch von einer Modus-Schaltsteuerung, die alternativ oder abwechselnd einen Hochgeschwindigkeitsantriebsmodus und einen Hochgenauigkeitspositionierungsmodus einschaltet.
Das Schalten der Steuermodi wird während des Antriebs des Magnetkopfes durchgeführt, so dass in der Steuerung für den Modus, auf welchen der Steuermodus geschaltet worden ist, ein Zustand, der in dem Moment des Schaltens variabel ist, und in anderen Worten eine Reaktion, die von dem anfänglichen Zustandswert erhalten worden ist, merklich ein Einschwingverhalten des Positionierungsbetriebs beeinträchtigt. Ein Kompensationssignal, das dem anfänglichen Zustandswert entspricht, wird deshalb zu oder nach der Zeit des Umschaltens zwischen den Moden eingegeben, um den Einschwingvorgang zu verbessern [siehe JP H08 - 137 551 A und YAMAGUCHI, Takashi und HIRAI, Hiromu, „Design of Initial Value Compensation with Additional Input for Mode Switching Control System and Its Application to Magnetic Disk Drives“ (in japanisch) SICE Transactions, 32(8), 1219-1225 (1996)].
Um eine Verbesserung des Durchsatzes einer Laser-Bohrmaschine zur Verfügung zu stellen, gibt es Bestrebungen, das Zeitintervall von Schrittsignalen in einem Winkelbefehlsmuster zu verkürzen (nachfolgend genannt: „Befehlsintervall“). Ein kürzeres Befehlsintervall führt jedoch zu der Einbeziehung von mehr oder hochfrequenten Komponenten in das Frequenzspektrum eines Winkelbefehlsmusters, so dass aufgrund der Vibrationsmodi hoher Ordnung eine Antriebswelle bzw. Antriebsachse Restvibrationen dazu neigen, aufzutreten, was zu einer Besorgnis über eine potentielle Verschlechterung der Positionierungsgenauigkeit führt. Nichtsdestotrotz zeigen die oben beschriebenen Technologien keine Mittel auf, um eine Hochgeschwindigkeits- und Hochgenauigkeitspositionierung ohne die Verlängerung der Positionierungszeit für verschiedene Winkelbefehlsmuster zu verwirklichen.
Um das Befehlsintervall extrem kurz zu gestalten ist es nötig, die Abstrahlung eines Laserstrahles durchzuführen und den nächsten Positionierungsbetrieb zu beginnen, bevor der steuerbare Spiegel zu einem vollständigen Stillstand nachfolgend zu einem Eingang in einen zulässigen Bereich einer Einstellreaktionsamplitude gelangt. Falls irgendeine Einstell bzw. Ausregelreaktion oder -response der vorangehenden Positionierung immer noch in diesem Zustand vorhanden ist, sind die Zustandswerte in den dynamischen Charakteristiken von Modi, die in der Rückkopplungsschleife enthalten sind, nachfolgend genannt: „anfänglicher Zustandswert“ nicht 0 (Null) an dem Zeitpunkt des Beginns des nächsten Betriebes.
Ein Winkelbefehlsmuster ist im allgemeinen irregulär und kann deshalb irgendeinen von verschiedenen anfänglichen Zustandswerten einnehmen. Insbesondere bei einer Positionierungsoperation über einen kleinen Winkelausschlag ist die Positionierungszeit kurz, so dass der steuerbare Spiegel dicht zu einem Zielwert gebracht wird, bevor der Einfluss der anfänglichen Zustandswerte hinreichend gedämpft wird. Infolgedessen haben die nachfolgenden Ausregelreaktionen jeweils verschiedene Wellenformen. Wenn ein Bedarf nach einem Bohren bei einer noch höheren Genauigkeit in der Zukunft auftritt und der zulässige Bereich der Ausregelreaktions- oder -responsamplitude dementsprechend niedriger wird, wird eine Technologie erforderlich werden, um die Ausregelresponsamplite für ein beliebiges Winkelbefehlsmuster klein auszusteuern.
Die herkömmlichen Theorien zeigen jedoch keine Möglichkeit, um die Ausregel- oder Einstellreaktionen oder - responses für das Positionieren klein und stabil auszusteuern, welche bei anfänglichen Zustandswerten beginnen, die sehr breit variieren können.
Bei der Rückkopplungssteuerung eines Festplattenlaufwerks ist ein Positionierungsfehler des Magnetkopfes zu dem Zentrum einer Zieldatenspur eine gesteuerte Variable, so dass nachfolgend zu dem Schalten des Steuermodus in einem Modus einer hochgenauen Positionierung des Zielwert immer Null (0) ist, d.h., ein konstanter Wert. Ein steuerbares Spiegelsteuersystem ist andererseits verschieden in einem Winkelbefehlsmuster als einem Zielwert aufeinander wie Schrittsignale variiert. Sie sind auch von jedem anderen verschieden, in dem der Vorherige das Schalten des Steuermodus enthält. Die oben beschriebene herkömmliche Technologie, die auf Festplattenlaufwerke gerichtet ist, enthält kein Mittel, um Einstellreaktionen bzw. -responsesstabil klein in einer solchen Steuerung auszusteuern, wie dem Nachführen eines Zielwertes, der aufeinander folgend variiert, wie Schrittsignale, durch einen einzelnen Steuermodus.
Die Druckschrift von YAMAGUCHI, Takashi, et al. Improvement of Settling Response of Disk Drive Head Positioning Servo using Mode Switching Control with Initial Value Compensation in IEEE Transactions on Magnetics, 1996, 32. Jg., Nr.3, S. 1767-1772 betrifft Folgendes: Es wird ein Modusumschaltsteuerungs (MSC)-Entwurfsverfahren für Plattenlaufwerkkopf-Positionierungsservo vorgeschlagen. Die MSC enthält mehrere Steuereinrichtungen und schaltet von der einen zu der anderen, um sowohl genaues Positionieren als auch kurze Zugriffszeitvoraussetzungen zu erreichen. Die Ausgabe ist die „Abwicklung“ oder „Beilegung“ des Übergangszustandes nach dem Schalten. Diese Druckschrift schlägt das Anfangswertkompensations (IVC)-Verfahren vor, um die Übergangseigenschaften nach dem Schalten zu verbessern. Unter dem IVC-Verfahren werden bestimmte Werte in den Zustandsgrößen der Steuereinrichtung platziert oder eine zusätzliche Eingabe wird beim Schalten hinzugefügt. Von experimentellen Daten wurde nachgewiesen, dass IVC Überschreitung und langsames Einschwingverhalten nach dem Schalten verringert. Auch beeinträchtigt dieses IVC-Verfahren nicht Eigenschaften des geschlossenen Kreislaufs, derart wie Stabilität.
Die Druckschrift von KAWABE, T.; TAGAMI, T.; KATAYAMA, Tohru. A Genetic Algorithm based Minimax Optimal Design of Robust I-PD Controller von 1996 betrifft Folgendes: Es wird ein neues robustes Minimax-Design-Verfahren der I-PD steuerungsverbesserten PID-Steuerungseinrichtung präsentiert (die proportionale, integrale und derivative Aktionen hat), und zwar basierend auf dem verallgemeinerten ISE (Integral des quadratischen Fehlers)-Kriterium mit einer Sanktion oder Nachteil an der Ableitung der manipulierten Variablen. Es wird gezeigt, dass die verallgemeinerte ISE eine gewichtete Summe der zwei ISE's für die I-PD und PID-Steuereinrichtungen ist. Ein GA (genetischer Algorithmus)-basierendes Verfahren wird zum Lösen des Minimax-Problems entwickelt. Für das erste und zweite Order-System mit einer Zeitverzögerung wird gezeigt, dass die Robustheit der Reaktionen des geschlossenen Kreislaufs auf Parametervariationen gegenüber den früheren Designs basierend auf dem ISE-Kriterium bedeutend verbessert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben aufgezeigten Nachteile der herkömmlichen Technologien wenigstens teilweise zu beseitigen und ein Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel zur Verfügung zu stellen, das Merkmale mit einer kurzen Positionierungszeit und einer herausragenden Positionierungsgenauigkeit hat.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile beruhen wenigstens teilweise darauf, dass gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ein Servo-Steuersystem für einen beweglichen oder bewegbaren Körper zur Verfügung gestellt wird. Ein Servo-Steuersystem wird mit einer Rückkopplungsschleife versehen, so dass der bewegbare Körper auf der Grundlage von Positionsbefehlsdaten positioniert wird. Das Servo-Steuersystem weist eine zusätzliche Eingabeeinrichtung zum Eingeben von zumindest einem zusätzlichen Eingangssignal auf, das ein anderes als die Positionsbefehlsdaten ist, in die Rückkopplungsschleife. Bevorzugt kann die zusätzliche Eingabeeinrichtung zwei zusätzliche Eingabesignale eingeben.
Die vorliegende Erfindung stellt auch gemäß einem zweiten Gesichtpunkt eine Laser-Bohrmaschine zur Verfügung, die das oben beschriebene Servo-Steuersystem und eine Steuereinrichtung umfasst, um einen Winkel eines steuerbaren Spiegels als dem beweglichen Körper zu steuern, so dass ein Winkel eines Laserstrahles, der durch den steuerbaren Spiegel reflektiert wird, durch die Steuereinrichtung gesteuert wird, um einen Bohrvorgang an einer bestimmten Stelle eines Werkstückes durchzuführen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das bewegbare Teil bei einer hohen Geschwindigkeit mit einer hohen Genauigkeit in Stellung gebracht werden. Deshalb kann die vorliegende Erfindung z.B. den Durchsatz und die Genauigkeit der Bearbeitung von Werkstücken verbessern.
Figurenliste

1 ist eine Blockdarstellung eines steuerbaren Spiegelsteuersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung, die Bohrpositionen auf einer gedruckten Leiterplatine darstellt.
3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Winkelbefehlsmusters für einen steuerbaren Spiegel zeigt.
4 ist eine Darstellung, die ein anders Beispiel des Winkelbefehlsmusters für den steuerbaren Spiegel zeigt.
5 zeigt darstellerisch Respons- oder Reaktionswellenformen eines Führungs- bzw. Nachführfehlersignals in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn das Befehlsintervall (τ) auf 4,6 eingestellt wurde.
5 zeigt darstellerisch Reaktions- bzw. Responswellenformen eines herkömmlichen Nachführfehlersignals, wenn das Befehlsintervall (τ) auf 4,6 eingestellt wurde.
6 zeigt bildlich Responswellenformen eines herkömmlichen Nachführfehlersignals, wenn das Befehlsintervall (τ) auf 4,6 eingestellt war.
7 stellt darstellerisch Reaktions- oder Responswellenformen eines Nachführfehlersignals in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wenn das Befehlsintervall (τ) auf 3,6 eingestellt wurde.
8 gibt darstellerisch Responswellenformen von einem herkömmlichen Nachführfehlersignal dar, wenn das Befehlsintervall (τ) auf 3,6 eingestellt war.
9 ist eine Darstellung, die die Anordnung von Polen und Nullpunkten in einer Übertragungsfunktion anzeigt, bevor zusätzliche Eingänge bzw. Eingangssignale hinzugefügt wurden.
10 ist eine Darstellung, die die Anordnung von Polen und Nullpunkten in der Übertragungsfunktion wiedergibt, nachdem zusätzliche Eingaben bzw. Eingangssignale gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wurden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ermittelt, dass eine Vibrationseinstellungsresponse, die bei herkömmlichen steuerbaren Spiegelsteuersystemen stattfindet, auf einen Einfluss eines anfänglichen Zustandswertes in dem Torsionsvibrationsmodus erster Ordnung zurückgeführt werden kann. Nachfolgend wird eine Beschreibung einer Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem Steuersystems eines steuerbaren Spiegels vorgenommen.
Ein Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt und ist durch eine digitale Steuer-Firmware verwirklicht, die von einem Mikroprozessor (nicht gezeigt) gebrauch macht und im Hinblick auf einen integrierten bzw. einen Integralkompensator 2, einen Proportionalkompensator 3, eine Geschwindigkeitsmesseinrichtung oder -beobachtungseinrichtung 4, einen stabilisierenden Kompensator 5 für Torsionsvibrationen, einen Digitalfilter 10a und einen Digitalfilter 10b, werden Verarbeitungsoperationen in Teile eines Programms geschrieben, welches der Mikroprozessor ausführt. Diese Verarbeitungsoperationen werden zu diskreten Zeiten einer vorbestimmten Sampling- bzw. Abtastungsperiode oder -dauer durchgeführt (nachfolgend genannt: „diskrete Zeiten“).
Ein Rotations- bzw. Drehstellglied 1 ist mit einem einzelnen (nicht gezeigten) steuerbaren Spiegel ausgestattet. Ein Winkel dieses steuerbaren Spiegels ist ein gesteuertes variables Signal 11 in dem Steuersystem. Ein Rotations- bzw. Drehcodierer, der in das Drehstellglied 1 eingebaut ist und in der Darstellung nicht gezeigt ist, überträgt ein erfasstes Winkeldatum bzw. erfasste Winkeldaten 9 zu jeder diskreten Zeit. In dem Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel wird ein Nachführfehlersignal, das durch Abziehen der erfassten Winkeldaten 9 von einem Befehlswinkeldatum 8, empfangen von einer Steuereinrichtung einer hohen Stufe erhalten, in den integralen Kompensator 2 eingegeben, und ein Zeitintegral des Nachführfehlers wird bei einem Betrieb bestimmt. Zu einem Ausgang von dem integralen Kompensator 2 werden Ausgänge von den Digitalfiltern 10a, 10b hinzuaddiert. Diese digitalen Filter 10a, 10b sind für die vorliegende Erfindung wichtige Bestandteile und werden im Einzelnen nachfolgend hierin beschrieben.
Der proportionale Kompensator 3 multipliziert die erfassten Winkeldaten 9 mit einer proportionalen Verstärkung.
Der Kompensator 5 zur Stabilisierung von Torsionsvibrationen stabilisiert die Rückkopplungsschleife in dem Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel gegenüber einem oder mehreren Torsionsvibrationsmodi, mit welchen die Antriebsachse bzw. Antriebswelle des Rotationsaktors bzw. des Drehstellgliedes 1 ausgestattet ist.
Die Geschwindigkeitsbeobachtungs- bzw. Erfassungseinrichtung 4 wird mit einem Ausgangssignal von dem Kompensator 5 zur Stabilisation von Torsionsvibrationen versorgt und auch mit den erfassten Winkeldaten 9, und gibt ein Abschätzungssignal einer Winkelgeschwindigkeit des Spiegels aus.
Ein D-/A-Konverter 6 wandelt ein Ausgangssignal von dem Kompensator 5 zur Stabilisation von Torsionsvibrationen in ein analoges Signal um. Das analoge Signal ist ein Strombefehlssignal und eine Stromsteuerschaltung 7 speist einen Antriebsstrom in das Drehstellglied 1 ein, nachdem der Antriebsstrom so gesteuert worden ist, dass er das Strombefehlssignal nachführt oder führt.
Eine Beschreibung von zusätzlichen Eingängen oder Eingangssignalen wird nachfolgend durchgeführt, um die Kompensation eines anfänglichen Wertes durchzuführen. Diese zusätzlichen Eingänge oder Eingangssignale sind Impulsreihensignale, welche die digitalen Filter 10a, 10b bei jeder diskreten Zeit erzeugen. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird eine Fläche bzw. ein Bereich S, der durch eine gestrichelte Linie in 1 umgeben ist, nachfolgend genannt: „ein verstärktes gesteuertes System“.
Das verstärkte gesteuerte System S ist ein einzelnes Eingabe-/ einzelnes Ausgabesystem. Eine Summe von einem Ausgang von dem Integralkompensator 2, ein Ausgang von dem Digitalfilter 10a und ein Ausgang von einem Digitalfilter 10b ist ein Eingangssignal für das verstärkte gesteuerte System S, und die erfassten Winkeldaten 9 sind ein Ausgangssignal von dem verstärkten gesteuerten System S.
Eine Zustandsgleichung einer diskreten Zeit des verstärkten gesteuerten Systems S kann durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) dargestellt werden: $x_{p} (i + 1) = A_{p} x_{p} (i) + B_{p} u' (i)$
$y (i) = C_{p} x_{p} (i)$
wobei

i: ein Index ist, der den Ablauf der diskreten Zeit darstellt,
x_p: ein Zustandsvektor von einer m-ten Ordnung des verstärkten gesteuerten Systems ist,
u': ein Eingangssignal zu dem verstärkten gesteuerten System S ist,
y: ein Ausgangssignal von dem verstärkten gesteuerten System S ist,
A_p: eine mxm-Real-Matrix ist,
B_p: eine mx1-Real-Matrix ist, und
C_p: eine 1xm-Real-Matrix ist.

Eine Zustandsgleichung einer diskreten Zeit des integralen bzw. integrierenden Kompensators 2 kann durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) dargestellt werden: $x_{c} (i + 1) = A_{c} x_{c} (i) + B_{c} (r (i) - y (i))$
$u' (i) = C_{c} x_{c} (i) + D_{c} (r (i) - y (i))$
wobei

X_c: ein Zustandsvektor von einem integralen Kompensator der n-ten Ordnung ist,
r: ein Winkelbefehlsdatum ist bzw. Winkelbefehlsdaten sind,
A_c: eine nxn-Real-Matrix ist,
B_c: eine nx1 Real-Matrix ist,
C_c: eine 1xn Real-Matrix ist, und
D_c: eine 1x1 Real-Matrix ist.

Von den Gleichungen (1) bis (4) kann die Übertragungsfunktion von der Rückkopplungsschleife als durch die folgende Gleichung (5) dargestellt erhalten werden: $Y (z) = \frac{N_{r} (z)}{D (z)} R (z) + \frac{N_{p} (z)}{D (z)} x_{p 0} + \frac{N_{c} (z)}{D (z)} x_{c 0}$
wobei

z: komplexe Variable der z-Transformation,
R: Winkelbefehlsdatum bzw. -daten r der z-Transformation,
Y: Ausgangssignal y der z-Transformation in Bezug auf das verstärkte gesteuerte System S,
D(z): Polynom hoher Ordnung für z,
N_r(z): Polynom hoher Ordnung für z,
N_p(z): 1xm Polynom-Matrix hoher Ordnung für z,
N_c(z): 1xn Polynom-Matrix hoher Ordnung für z,
X_p0: Wert X_p(0) des anfänglichen Zustandes von dem Zustandsvektor X_p(i) in der Gleichung (1), und
X_c0: Wert X_c(0) des anfänglichen Zustands von dem Zustandsvektor X_c(i) in der Gleichung (3).

Ferner wird von der Anfangszeit i=0, die anfängliche Zustandswerte definiert, angenommen, eine Zeit zu sein, zu welcher eine einzelne Positionierungsoperation beginnt, und in anderen Worten, eine Zeit, zu welcher das Steuersystem für den steuerbaren Spiegel ein einzelnes Winkelbefehlsdatum bzw. einzelne Winkelbefehlsdaten empfangen hat.
Was mit der Gleichung (5) ausgesagt wird, ist, dass die Respons oder Antwort Y(z) der Rückkopplungsschleife durch die lineare Summe von Respons oder Antworten zu den Winkelbefehlsdaten bzw. Winkelbefehlsdatum R(z), eine Reaktion bzw. Respons auf den anfänglichen Zustandswert X_p0 und eine Respons bzw. Antwort auf den anfänglichen Zustandswert X_c0 bestimmt wird.
Da der zweite und der dritte Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (5) beide Respones bzw. Antworten zu den anfänglichen Zustandswerten sind, werden sie gemeinsam durch Yo(z) repräsentiert. Yo(z) kann dann entwickelt werden, wie durch die folgende Gleichung (6) gezeigt, $\begin{array}{l} Y_{0} (z) = \frac{N_{p} (z)}{D (z)} x_{p 0} + \frac{N_{c} (z)}{D (z)} x_{c 0} \\ = \frac{[N_{p l} (z) \dots N_{p q} (z) \dots N_{p m} (z)]}{D (z)} [\begin{matrix} x_{p 01} \\ ⋮ \\ x_{p 0 q} \\ ⋮ \\ x_{p 0 m} \end{matrix}] \\ + \frac{[N_{c 1} (z) \dots N_{c n} (z)]}{D (z)} [\begin{matrix} x_{x 01} \\ ⋮ \\ x_{c 0 n} \end{matrix}] \end{array}$
wobei

N₁(z) bis N_pm(z): Elemente der Polynom-Matrix N_p(z) höherer Ordnung in der Gleichung (5) jeweils sind; und Polynome höherer Ordnung für z,
N_c1(z) bis N_cn(z): Elemente der Polynom-Matrix Nc(z) höherer Ordnung in der Gleichung (5) jeweils sind; und Polynome höherer Ordnung für z,
X_po1 bis X_p0m: individuelle Elemente des anfänglichen Zustandsvektors X_p0 in der Gleichung (5) sind, und
X_c01 bis X_con: individuelle Elemente des anfänglichen Zustandsvektors x_c0 in der Gleichung (5) sind.

Unter der Voraussetzung bzw. Annahme, dass die anfängliche Wertrespons bzw. -reaktion zu dem q-ten anfänglichen Zustandswert X_poq in dem ersten Ausdruck von der rechten Seite der Gleichung (6) einen entgegen gesetzten Effekt die Respons bzw. Antwort Y(z) von der Rückkopplungsschleife gibt, wird nun eine Erörterung im Hinblick auf die Unterdrückung des entgegengesetzten bzw. ungünstigen Effektes durch zusätzliche Eingänge bzw. Eingangssignale von den digitalen Filtern 10a, 10b in 1 vorgenommen.
Die Übertragungsfunktion bzw. die Transferfunktion von jedem digitalen Filter wird nachfolgend durch n_q(z)/d_q(z) dargestellt. q ist ein unterer Index und wird mit der gleichen Bedeutung wie der untere Index q in dem q-ten anfänglichen Zustandswert X_poq verwendet, welcher in dem ersten Ausdruck auf der rechten Seite in der Gleichung (6) erscheint. Demgemäß ist q = 1, 2, ..., m. n_q(z) und d_q(z) sind beide Polynome höherer Ordnung für z.
Ferner werden die Umwandlungen z von zusätzlichen Eingängen bzw. Eingangssignalen, die von jedem Digitalfilter ausgegeben werden, durch U_aq(z) wiedergegeben.
Es sei als nächstes angenommen, dass ein Impulssignal äquivalent zu dem anfänglichen Zustandswert X_poq in die Übertragungsfunktion n_q(z)/d_q(z) eingegeben wird und ihre Antwort bzw. Respons wird als ein zusätzlicher Eingang U_aq(z) verwendet, der durch die folgende Gleichung (7) dargestellt wird: $U_{a q} (z) = \frac{n_{q} (z)}{d_{q} (z)} x_{p 0 q}$
Da der zusätzliche Eingang U_aq(Z) zu dem Eingangssignal zu dem verstärkten gesteuerten System S, wie in 1 dargestellt, hinzugefügt wird, wird ein Ausdruck von einer Respons bzw. Antwort auf den zusätzlichen Eingang U_aq(Z) linear hinzugefügt zu der rechten Seite der Gleichung (6), so dass die Gleichung (6) entwickelt werden kann, wie es durch die folgende Gleichung (8) gezeigt wird: $\begin{array}{l} Y_{0} (z) = \frac{N_{p} (z)}{D (z)} x_{p 0} + \frac{N_{c} (z)}{D (z)} x_{c 0} + \frac{N_{u} (z)}{D (z)} U_{a q} (z) \\ = \frac{N_{p} (z)}{D (z)} x_{p 0} + \frac{N_{c} (z)}{D (z)} x_{c 0} + \frac{N_{u} (z) n_{q} (z)}{D (z) d_{q} (z)} x_{p 0 q} \\ = \frac{[N_{p 1} (z) \dots N_{p (q - 1)} (z) N_{p (q + 1)} (z) \dots N_{p m} (z)]}{D (z)} [\begin{matrix} x_{p 01} \\ ⋮ \\ x_{p 0 (q - 1)} \\ x_{p 0 (q + 1)} \\ ⋮ \\ x_{p 0 m} \end{matrix}] \\ + \frac{[N_{c 1} (z) \dots N_{c n} (z)]}{D (z)} [\begin{matrix} x_{c 01} \\ ⋮ \\ x_{c 0 n} \end{matrix}] \\ + \frac{N_{p q} (z) d_{q} (z) + N_{u} (z) n_{q} (z)}{D (z) d_{q} (z)} x_{p 0 q} \end{array}$
wobei N_u(z) ein Polynom höherer Ordnung für z ist, und die Übertragungs- bzw. Transferfunktion N_u(z)/D(z) zeigt an, dass der zusätzliche Eingang U_aq(z) auf die Rückkopplungsschleife in einer solchen Weise wirkt, als wäre sie zu dem Eingangssignal zu dem verstärkten gesteuerten System S hinzugefügt bzw. hinzuaddiert.
Im Hinblick auf den dritten Term oder Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (8) kann die folgende Möglichkeit aufgezeigt werden: In der Gleichung (6) ist die Übertragungs- bzw. Transferfunktion für den anfänglichen Zustandswert X_poqN_pq(z)/D(z). Die Verwendung des zusätzlichen Eingangs U_aq(z) wie in der Gleichung (7) macht es möglich, die Übertragungsfunktion des anfänglichen Zustandswertes X_p0q wie den dritten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (8) zu verändern.
Wenn die Übertragungs- bzw. Transferfunktion n_q(z)/d_q(z) für jeden digitalen Filter, wie durch die Gleichung (7) wiedergegeben, angemessen bestimmt ist, kann die Anfangswertreaktion oder -antwort, die inhärent einen entgegengesetzten Effekt auf die Reaktion oder Response Y(z) hat, in eine bevorzugte Response oder Reaktion, wie gewünscht, geändert werden, so dass die Response Y(z) verbessert werden kann.
Es wird als nächstes eine Beschreibung über ein bestimmtes Konstruktionsbeispiel der Transfer- bzw. Übertragungsfunktion n_q(z)/d_q(z) für jeden digitalen Filter, wie durch die Gleichung (7) dargestellt, vorgetragen.
Zunächst sei angenommen, dass die Ordnung m für das verstärkte gesteuerte System S, dargestellt durch die Gleichung (1) und (2), 12(m=12) beträgt und die Ordnung n für den integralen Kompensator 2, dargestellt durch die Gleichungen (3) und (4), 2 (n=2) beträgt.
Es ist zu bemerken, dass die Ordnung m des verstärkten gesteuerten Systems S durch die Torsionsvibrationsmodi, die inhärent in der Antriebswelle bzw. der Antriebsachse des Drehaktors bzw. des Drehstellgliedes 1, der Geschwindigkeitserfassung 4 und dem stabilisierenden Kompensator 5 für die Torsionsvibration sind, und die Größenordnungen von Phasenverzögerungen von der Rückkopplungsschleife bestimmt wird.
Es sei nun angenommen, dass man es wünscht, eine Anfangswertresponse bzw. -reaktion zu verbessern, die durch einen ersten Modus von Torsionsvibrationen verursacht wird. Da jeder Vibrationsmodus zwei Zustandswert hat, die aus einem Winkelversatz und einer Winkelgeschwindigkeit bestehen, sind die anfänglichen Zustandswerte des Winkelversatzes und der Winkelgeschwindigkeit in dem ersten Modus von Torsionsvibrationen formal auf 1 bzw. 2 (q= 1,2) in dem ersten Ausdruck bzw. Term der rechten Seite der Gleichung (6) eingestellt.
Es wird nachfolgend angenommen, dass der digitale Filter 10a in 1 ein Kompensator für den anfänglichen Zustandswert von dem Winkelversatz (q=1) und der digitale Filter 10b in 1 ein Kompensator für den anfänglichen Zustandswert von der Winkelgeschwindigkeit (q=2) ist.
Für q=1 wird die Übertragungs- bzw. Transferfunktion n₁(z)/d₁(z) für den digitalen Filter zuerst konstruiert sein, wie es als nächstes beschrieben wird.
Das grundlegende Anliegen betrifft die Anordnung von Polen und Nullen in der Übertragungs- oder Transferfunktion. Wenn die Pole und Nullen im allgemeinen beide komplexe Zahlen sind, werden sie durch zweidimensionale Koordinaten auf einer komplexen Ebene dargestellt.
9 zeigt eine Anordnung von Polen und Nullen für die Transferfunktion N_p1(z)/D(z), die auf den anfänglichen Zustandswert X_p01 von einem Winkelversatz in dem ersten Modus von Torsionsvibrationen in dem ersten Term oder Ausdruck der rechten Seite von der Gleichung (6) bezogen sind.
In der Darstellung ist die Abszisse eine reale Achse, entlang derer sich reale Zahlenteile von komplexen Zahlen befinden bzw. hingezeichnet sind, und die Ordinate ist eine imaginäre Achse, entlang derer imaginäre Zahlteile von den komplexen Zahlen hingezeichnet bzw. -gedruckt sind. In der Darstellung stellen die Zeichen x die Pole dar, während die Zeichen 0 die Nullen darstellen. Ein gestrichelter Kreis ist ein Einheitskreis mit dem Radius 1 mit dessen Mittelpunkt an dem Koordinatenursprung.
Die Pole, die inhärent in der Rückkopplungsschleife sind, existieren so häufig wie m+n=12+2=14. Indem die charakteristische Gleichung D(z)=0 durch numerische Berechnung gelöst wird, ist es verständlich, dass diese Pole an den Zeichen x in 9 angeordnet sind. Um die Rückkopplungsschleife stabil zu halten, kommen sämtliche der Pole innerhalb des Einheitskreises vor.
Andererseits sind die Nullen Wurzeln der Gleichung N_p1(z)=0. Durch Lösung dieser Gleichung durch numerische Berechnung ist es zu verstehen, dass diese Nullen an den Zeichen 0 in 9 angeordnet sind.
Als nächstes wird eine Erörterung über Pole und Nullen in der Übertragungs- bzw. Transferfunktion in Bezug auf den anfänglichen Zustandswert x_p01(X_po1) nach der Addition des zusätzlichen Eingangs U_aq(z) vorgenommen, d.h., der Transferfunktion des dritten Terms auf der rechten Seite der Gleichung (8).
Weil die Pole in dieser Transferfunktion Wurzeln von der Gleichung sind, wobei das Polynom im Nenner auf 0 gesetzt ist, koinzidieren diese Pole zu der Kombination der Wurzeln der oben aufgezeigten charakteristischen Gleichung D(z)=0 und jenen der Gleichung d₁(z)=0. Dieses Polynom d₁(z) ist das Nennerpolynom der Transfer- oder Übertragungsfunktion n₁(z)/d₁(z) für den digitalen Filter, der bei dieser Erörterung zu benennen oder bestimmen ist.
Andererseits sind die Nullen in der Transferfunktion, die durch den dritten Term auf der rechten Seite der Gleichung (8) dargestellt sind, Wurzeln der Gleichung, wobei das Zählerpolynom auf Null gesetzt ist, sind, und die Anordnung der Nullen kann, wie gewünscht, bestimmt werden, weil dieses Zählerpolynom Konstruktionsparameter enthält, d.h., das Nennerpolynom d₁(z) und das Zählerpolynom n₁(z) in der Übertragungs- bzw. Transferfunktion für den digitalen Filter.
Die Anordnung von Nullen wird deshalb in Konformität zu der Anordnung der 14 Pole, die in 9 gezeigt sind, gebracht.
Ferner werden zwei zusätzliche Pole so hinzuaddiert, dass die anfängliche Wertresponse bzw. -reaktion auf den anfänglichen Zustandswert X_p01 prompt geschwächt bzw. gedämpft wird. Im Einzelnen beschrieben, werden das Zählerpolynom n₁(z) und das Nennerpolynom d₁(z) in der Transferfunktion für den digitalen Filter so bestimmt, dass die Pole und Nullen bzw. Maxima und Minima, wie oben beschrieben, angeordnet sein werden.
Wie in 10 gezeigt, welche die Ergebnisse von der oben beschriebenen Verarbeitung darstellt, überlappen die neu angeordneten 14 Nullen mit den 14 Polen, die in 9 enthalten sind. Da die Pole und die Nullen miteinander herausgelöscht werden, ist es möglich, den Einfluss von diesen 14 Polen auf die anfängliche Wertresponse bzw. -reaktion zu unterdrücken.
Es ist festzuhalten, dass in 10 der Pol auf der realen Achse, wie durch a angezeigt, der Pol ist, der hinzugefügt worden ist, um die prompte Dämpfung bzw. Schwächung der anfänglichen Wertresponse bzw. -reaktion auf den anfänglichen Zustandswert X_p01 zu erzielen (man bemerke: die zwei Pole sind einer über dem anderen angeordnet), und die Nullen, angezeigt durch die Zeichen b bzw. c, sind Nullen, die notwendigerweise als ein Ergebnis von der Addition der zwei Pole hinzugefügt sind.
Die Übertragungs- bzw. Transferfunktion n₁(z)/d₁(z) des digitalen Filters 10a, welche den anfänglichen Zustandswert X_p01 von dem Winkelversatz in dem ersten Modus der Torsionsvibration kompensiert, ist wie oben beschrieben benannt bzw. bestimmt worden.
Auf genau die gleiche Weise wird auch die Transferfunktion n₂(z)/d₂(z) von dem digitalen Filter 10b für q=2 benannt oder bestimmt, d.h., für den anfänglichen Zustandswert X_p02 von der Winkelgeschwindigkeit in dem ersten Modus der Torsionsvibrationen.
Eine Beschreibung wird als nächstes über ein Kompensationsverfahren für eine anfängliche Wertresponse bzw. -reaktion durch Verwendung des oben beschriebenen digitalen Filters vorgetragen.
Zu einer anfänglichen Zeit werden zunächst die anfänglichen Zustandswerte X_p01 und X_p02 von einem Winkelversatz und einer Winkelgeschwindigkeit in dem ersten Modus von Torsionsvibrationen erfasst. Im allgemeinen ist es schwierig, diese Zustandswert unmittelbar durch Sensoren oder dgl. zu erfassen. Anfängliche Zustandswert können über eine Berechnung abgeschätzt werden, vorausgesetzte, dass ein Zustandsgleichungsmodel eines gesteuerten Systems einschließlich mehrerer Torsionsvibrationsmodelle aufgebaut ist, wobei eine Zustandsüberwachung auf der Grundlage des Zustandsgleichungsmodels benannt bzw. bestimmt ist, und die Zustandsüberwachung ist auf einer digitalen Steuer-Firmware aufgebaut.
Diese anfänglichen Zustandswerte werden als Impulseingänge für die jeweiligen digitalen Filter 10a, 10b mit q=1, 2 angelegt, wie es in der Beschreibung der Gleichung (7) aufgezeigt ist.
Die zusätzlichen Eingänge, die die anfänglichen Wertresponses in dem ersten Modus von Torsionsvibrationen kompensieren, sind die jeweiligen Impulsresponses bzw. -reaktionen der digitalen Filter 10a, 10b wie sie, wie unten beschrieben, hinzuaddiert bzw. hinzugefügt sind. Die Summe wird zu dem Ausgang von dem Integralkompensator 2, wie in 1 dargestellt, hinzuaddiert.
Um aufeinanderfolgend und kontinuierlich Positionierungsapparationen in Reaktion auf Winkelbefehlsmuster durchführen zu können, werden die Zustandsvariablen innerhalb der jeweiligen Filter 10a, 10b zu jeder Anfangszeit zu Null gelöscht. Dies kann die jeweiligen Digitalfilter 10a, 10b dazu veranlassen, normale additive Eingänge zu erzeugen, selbst wenn die Intervalle von Befehlen sehr kurz sind, insbesondere selbst dann, wenn, bevor es den Impulsresponses bzw. -reaktionen der digitalen Filter 10a, 10b ermöglich ist, auf Null gedämpft bzw. geschwächt zu sein, sie nächste Winkelbefehlsdaten empfangen, um eine neue Anfangszeit zu erreichen.
Als nächstes wird eine Beschreibung eines Betriebs einer Laser-Bearbeitungs- bzw. Bohrmaschine insbesondere für eine gedruckte Leiterplatine vorgetragen, welche mit einem Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel ausgerüstet ist, welcher bzw. welches eine derartige Kompensation von anfänglichen Wertresponses bzw. -reaktionen, wie oben beschrieben, durchführt.
In 2 werden Bearbeitungs- bzw. Bohrpositionen auf einer gedruckten Leiterplatine durch Kreis O angezeigt. Die 3 und 4 stellen Winkelbefehlsmuster dar.
Auf der Laser-Bearbeitungs- bzw. Bohrmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung sind zwei steuerbare Spiegel aufgebaut, wobei einer ein steuerbarer Spiegel ist, der zugeordnet ist, um eine Steuerung in der Richtung der Ordinate durchzuführen, und der andere ein steuerbarer Spiegel ist, der zugeordnet ist, um eine Steuerung in Richtung der Abszisse durchzuführen. Für jeden der steuerbaren Spiegel wird das Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel verwendet, das in 1 gezeigt ist.
Für das steuerbare Spiegelsteuersystem für das Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel für die Abszisse werden jeweils unterschiedliche Winkelbefehlsmuster von einer Steuereinrichtung einer hohen Stufe bzw. eines hohen Niveaus übertragen. Insbesondere geht der Spiegel zur Durchführung der Steuerung in der Richtung der Ordinate über Winkelstriche bzw. Winkelgrade entsprechend zu den Perforationsintervallen L hin und her, so dass ein Winkelbefehlsmuster, wie in 3 dargestellt, vorgegeben ist. Da die Winkelstriche konstant sind, sind auch die Befehlsintervalle konstant und ihre Werte werden nachfolgend durch τ dargestellt.
Der Spiegel zum Durchführen der Steuerung in der Richtung der Abszisse bewegt sich andererseits unidirektional über Winkelstriche oder -einteilungen -entsprechend zu Perforationsintervallen L, so dass ein Winkelbefehlsmuster, wie in 4 dargestellt, vorgegeben ist. Die Befehlsintervalle sind durch τ angezeigt. Zum Zwecke der Abkürzung wird die Anzahl von Perforationen, die zu bohren sind acht (8), zum Zwecke dieser Beschreibung eingestellt. Die Winkelbefehlsmuster nach den 3 und 4 sind jeweils in der Form von schrittartigen Mustern, die aus acht Winkelbefehlsdaten ausgebildet sind. Jedoch ist die Anzahl von Perforationen, die durch eine tatsächliche Laserbohrmaschine zu bohren sind, enorm, und ferner sind die Winkelbefehlsmuster für die jeweiligen Achsen jeweils in der Form eines schrittartigen Musters, welches über eine noch längere Zeit kontinuierlich ist.
Die 5 bis 8 zeigen die Responsewellenformen von Führungs- bzw. Nachführfehlersignalen entsprechend zu dem Winkelbefehlsmuster, das in 3 gezeigt ist, d.h., die Zeitwellenformen von Signalen, die durch Subtraktion der erfassen Winkeldaten 9 von den Winkelbefehlsdaten in 1 erhalten worden sind.
Die 5 zeigt die Wellenform eines Nachführfehlersignals gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn das Befehlsintervall auf 4,6 (τ=4,6) eingestellt war, und stellt in einem vergrößerten Maßstab Einstellungsreaktionen bzw. Responses in der Nachbarschaft des Nachführfehlers Null (0) dar. Das obere Diagramm zeigt aufeinanderfolgend die Wellenformen von sämtlichen Einstellungs- bzw. Ausregelreaktionen bzw. -responses in acht Hin- und Herbewegungen, die durchgeführt werden, nachdem der Spiegel die erste Hin- und Herbewegung begann, bis die Zeit voranschreitet bis 75, während das untere Diagramm die Wellenformen von jeweiligen Einstellungs- bzw. Ausregelresponses bzw. -reaktionen in den Vorwärtsrotationen bzw. -drehungen und den Rückkehrrotationen bzw. -drehungen von acht Hin- und Herbewegungen darstellt, wie sie eine über die andere gezeichnet sind. Im Einzelnen beschrieben, zeigt das untere Diagramm Wellenformen, die durch ein Oszilloskop überzeichnet sind, wenn die diskontinuierlichen Anstiegsflanken von den Nachführfehlersignalen zu den Anfangszeiten von den jeweiligen Vorwärtsdrehungen bzw. - rotationen als Träger verwendet werden.
Die zwei gestrichelten Linien in jedem Diagramm zeigen einen Toleranzbereich für eine Ausregelung an (nachfolgend genannt: „Ausregelungstoleranz“).
Wie es den Diagrammen leicht zu entnehmen ist, war die vorliegende Erfindung dazu in der Lage, den steuerbaren Spiegel prompt innerhalb der Ausregelungstoleranz zu positionieren und gute Ausreglungsreaktionen bzw. -responses ohne wesentliche Variationen zu verwirklichen.
Die 6 stellt diagrammaratig die Wellenformen von Ausregelungsresponses bzw. - reaktionen dar, wenn, wie in dem Fall von 5 das Befehlsintervall bei 4,6 (τ=4,6) eingestellt wurde und ähnliche Hin- und Herbewegungen mit einem herkömmlichen Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel durchgeführt wurden. Die oberen und unteren Diagramme sollten in einer ähnlichen Weise wie jene in 5 interpretiert werden.
Wie es aus den Diagrammen ersichtlich ist, war der steuerbare Spiegel, der durch die herkömmliche Technologie gesteuert wurde, einmal in die Ausregelungstoleranz eingetreten, wobei aber die nachfolgenden Ausregelungsresponses bzw. -reaktionen vibrierend waren und aus der Ausregelungstoleranz fielen. Ferner variierten die Responses bzw. Reaktionen in der Nachbarschaft zu dem Nachführfehler Null (0) mit der Zeit.
7 stellt die Wellenform eines Nachführfehlersignals gemäß der vorliegenden Erfindung dar, wenn das Befehlsintervall auf 3,6 (τ=3,6) eingestellt war.
Wie es leicht aus der 7 entnehmbar ist, macht es die die Anwendung der vorliegenden Erfindung möglich, den steuerbaren Spiegel prompt innerhalb der Ausregelungstoleranz zu positionieren und gute Ausregelungsreaktionen bzw. -responses ohne irgendwelche wesentlichen Variationen zu verwirklichen.
Die 8 stellt diagrammartig die Wellenformen von Ausregelungsresponses bzw. - reaktionen dar, wenn ein Nachführfehlersignal gemäß der vorliegenden Erfindung wie in dem Fall von 7 verwendet wird, wobei das Befehlsintervall bei 3,6 (τ=3,6) eingestellt wurde und ähnliche Hin- und Herbewegungen mit dem herkömmlichen Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel durchgeführt wurden.
Wie es aus 8 deutlich wird, trat der steuerbare Spiegel, gesteuert durch die herkömmliche Theorie, einmal in die Ausregelungstoleranz ein, jedoch waren die nachfolgenden Ausregelungsresponses bzw. -reaktionen vibrationsbehaftet und fielen aus der Ausregelungstoleranz wie in dem Fall nach 6 heraus.
Wie es oben beschrieben worden ist, kann ein steuerbarer Spiegel an einer gewünschten Position bei hoher Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit positioniert werden, indem eine Kompensation in Bezug auf jede anfängliche Wertresponse bzw. -reaktion mit einem oder mehreren zusätzlichen Eingängen gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
Es ist auch zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei steuerbaren Spiegeln angewendet werden kann, jedoch auch bei einer Servo-Steuerung für einen Tisch bzw. ein Tablett oder dgl., welcher bzw. welches sich mit einem oder mehreren Werkstücken bewegt, die darauf ortsfest gehalten sind, in Bearbeitungsgeräten insbesondere für gedruckte Leiterplatinen bzw. Schaltungsplatinen.
Eine Differenz zwischen einem Positionsbefehlsdatum, das in einer Form eines Schrittsignales von einer Steuerung eines hohen Niveaus bzw. einer hohen Stufe ausgegeben wird, und ihrem entsprechenden erfassten Positionsdatum eines beweglichen Körpers ausgegeben wird, wird durch einen Integralkompensator 2 integriert, um den beweglichen Körper zu positionieren. Wird beispielsweise angenommen, dass der bewegliche Körper ein steuerbarer Spiegel ist, sind ein Digitalfilter 10a und ein Digitalfilter 10b angeordnet, um den Wert eines anfänglichen Zustandes eines Winkelversatzes und den Wert eines anfänglichen Zustandes einer Winkelgeschwindigkeit jeweils zu kompensieren und jeweilige Impulsresponses bzw. -antworten der digitalen Filter 10a, 10b werden als zusätzliche Eingangselemente zu einem Ausgangsanschluss des Integralkompensators 2 hinzugefügt. Für eine höhere Effektivität können interne Zustandsvariable der Digitalfilter 10a, 10b wünschenswerter Weise auf Null gelöscht werden, wann immer ein Winkelbefehlsdatum (Positionsbefehlsdatum) 8 empfangen wird.

Claims

Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel, aufweisend: eine Rückkopplungsschleife mit einem verstärkten gesteuerten System (S), wobei das verstärkte gesteuerte System (S) ein drehbares Stellglied (1), einen Proportionalkompensator (3), eine Geschwindigkeitserfassungseinrichtung (4), einen Kompensator (5) zur Stabilisierung von Torsionsvibrationen, einen D/A-Konverter (6) und eine Stromsteuerschaltung (7) aufweist, und wobei die Rückkopplungsschleife einen integralen Kompensator (2) aufweist; wobei die Geschwindigkeitserfassungseinrichtung (4) mit einem Ausgangssignal von dem Kompensator (5) und mit erfassten Winkeldaten (9) versorgt wird, und ein Abschätzsignal einer Winkelgeschwindigkeit des Spiegels ausgibt, wobei das Abschätzsignal nach dem integralen Kompensator (2) von dem von diesem kommenden Signal subtrahiert wird; und einen Digitalfilter (10), wobei das Steuersystem für einen steuerbaren Spiegel konfiguriert ist, einen Winkel eines steuerbaren Spiegels zu positionieren, der auf einer Antriebswelle des drehbaren Stellgliedes (1) festgelegt ist, wobei der integrale Kompensator (2) konfiguriert ist, ein Nachführfehlersignal auszugeben, das durch Subtraktion der durch einen Rotationskodierer des Stellglieds (1) erfassten Winkeldaten von durch eine Steuervorrichtung einer hohen Stufe erhaltenen Befehlswinkeldaten (8) erhalten wird, wobei das verstärkte gesteuerte System (S) konfiguriert ist, einen Antriebsstrom zu steuern, um dem drehbaren Stellglied (1) zugeführt zu werden, basierend auf einem Additionswert des Nachführfehlersignalausgangs von dem integralen Kompensator (2) und dem Ausgang von dem Digitalfilter (10), und wobei der digitale Filter (10) konfiguriert ist, um Nullen zu einer Übertragungsfunktion für einen q-ten Anfangszustandswert X_p0q zu addieren, um so Pole der Übertragungsfunktion auszulöschen, wobei die Pole in der Rückkopplungsschleife inhärent sind, und zwar in der Übertragungsfunktion für den Anfangszustandswert X_poq der Rückkopplungsschleife zu einer Zeit zu welcher Positionierungsbefehlsdaten empfangen worden sind, wobei die Nullen Wurzeln der Gleichung N_pq(z)d_q(z)+N_u(z)n_q(z)=0 sind, wobei N_pq(z) das q-te Elemente einer 1xm Polynominal-Matrix hoher Ordnung (1≤q≤m) der Übertragungsfunktion der Rückkopplungsschleife ist, d_q(z) der Nenner der Übertragungsfunktion eines Digitalfilters für den q-ten Anfangszustandswert X_p0q von einem ersten Modus von Torsionsvibrationen ist, wobei Nu(z) der Zähler der Übertragungsfunktion ist, welche als zusätzlicher Eingang von der Ausgabe des Digitalfilters (10) auf die Rückkopplungsschleife wirkt, n_q(z) der Zähler der Übertragungsfunktion des Digitalfilters für den q-ten Anfangszustandswert X_p0q ist, und wobei die Pole Wurzeln der Gleichung D(z)=0 sind, wobei D(z) der Nenner der Übertragungsfunktion der Rückkopplungsschleife ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der Digitalfilter (10) konfiguriert ist, um in diesen ein Impulssignal einzugeben, welches äquivalent zu dem Zustandswert zu der Zeit ist, zu welcher ein Positionsbefehlsdatum bzw. die Positionsbefehlsdaten als ein Eingangssignal empfangen worden ist bzw. sind; und zu der Zeit, zu welcher das Positionsbefehlsdatum empfangen worden ist, wird eine Zustandsvariable innerhalb des Digitalfilters auf Null gelöscht.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Positionsbefehlsdatum ein Datum in einer Form eines Schrittsignals ist.