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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr.: 2008-207980 , eingereicht
am 12. August 2008, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme
eingeschlossen wird.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuereinheit,
und insbesondere auf eine Motorsteuereinheit mit einer Funktion
zur Verhinderung des Absinkens einer Achse, wenn eine Spannungsversorgung
zum Motor eingeschaltet wird.
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Die
Z-Achse eines vertikalen Bearbeitungszentrums oder eine Y-Achse
eines horizontalen Bearbeitungszentrums werden gemeinhin als ”Gravitationsachsen” bezeichnet.
Eine Gravitationsachse ist eine Achse, die absinkt, wenn die Spannung
abgeschaltet wird, die einem Motor zum Antreiben dieser Gravitationsachse
zugeführt wird. Um dies zu berücksichtigen, wird
beispielsweise eine mechanische Bremse vorgesehen, um das Absinken
der Gravitationsachse zu verhindern. Um das Absinken der Gravitationsachse
zu verhindern, ist es allerdings notwendig, nicht nur beispielsweise
die mechanische Bremse vorzusehen, sondern auch den Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkt
eines Motorspannungszuführsignals und den Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkt eines
Bremssignals zu steuern.
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4 zeigt
den Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkt des Bremssignals und den Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkt
des Motorspannungszuführsignals zu Beginn und bei Abschaltung
der Spannungszufuhr zum Motor, der die Gravitationsachse antreibt.
In 4 bezeichnet T41 den Zeitpunkt fürs Einschalten des
Spannungszuführsignals und T42 den Zeitpunkt fürs
Abschalten des Bremssignals, wenn der Motor in einem eingespannten
Zustand ist, die Spannung das erste Mal zugeführt wird.
Darüber hinaus bezeichnet T43 den Zeitpunkt für
das Einschalten des Bremssignals und T44 bezeichnet den Zeitpunkt
für das Abschalten des Spannungszuführsignals,
wenn die Spannungszufuhr zum Motor abgeschaltet wird. Wie aus diesem
Graph hervorgeht, wird zuerst ein Signal zum Einschalten einer Bremse
der Gravitationsachse ausgegeben (T43), bevor die Spannungszufuhr
zum Motor abgeschaltet wird, und die Spannungszufuhr zum Motor wird
abgeschaltet (T44), nachdem die Bremse eine Motorklemme oder ähnliches
angesteuert hat, wodurch das Absinken der Gravitationsachse verhindert
wird.
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Andererseits
wird beim Starten des Motors zuerst die Spannungszufuhr zum Motor
eingeschaltet (T41) und dann wird ein Signal für das Abschalten der
Bremse der Gravitationsachse ausgegeben (T42), wodurch das Absinken
der Gravitationsachse verhindert wird. Da zum Ansteuern der Bremse,
um die Gravitationsachse in einen festgeklemmten Zustand zu bringen,
eine gewisse Zeitspanne nötig ist, muss normalerweise der
Zeitpunkt zum Abschalten des Spannungszuführsignals um
eine Zeitdauer entsprechend T44–T43 verzögert
werden.
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Darüber
hinaus benötigt der Motor für das Antreiben der
Gravitationsachse anders als ein Motor zum Antreiben einer horizontalen
Achse ein Drehmoment zum Halten eines Gravitationsteils. Deshalb wird
die Gravitationsachse absinken, wenn dem Motor zuerst eine Spannung
zugeführt wird, bis das ausgegebene Drehmoment des Motors
gleich oder größer ist als das minimale Drehmoment,
das den Gravitationsteil halten kann (hiernach als Haltedrehmoment
bezeichnet). Dementsprechend gibt es ein Verfahren zur Kompensation
durch Hinzufügen einer Haltedrehmomentkomponente zu einem
Drehmoment-Befehlswert. Hierzu zeigt 5 ein Blockdiagramm
mit einem Beispiel einer Motorsteuereinheit, auf die ein solches
Verfahren zur Kompensierung für die Haltedrehmomentkomponente
angewendet wird. Ein Motor 54 wird gemäß einem
Geschwindigkeitsbefehl V* angetrieben und gesteuert, der durch eine höhere
Steuereinheit berechnet wird (z. B. Positionssteuerung), die im
Diagramm nicht gezeigt ist. Der Steuerungsablauf wird unten beschrieben.
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Ein
Kodierer 55 erfasst die Position eines Rotors des Motors 54.
Eine Umwandlungseinheit 56 berechnet eine Geschwindigkeitsrückkopplung
V aus dem Wert der vom Kodierer 55 ermittelten Position. Dabei
führt eine Geschwindigkeitssteuereinheit 51 arithmetische
Operationen, bspw. für eine PI-Regelung, aus der Geschwindigkeitsrückkopplung
V und dem Geschwindigkeitsbefehl V* durch, der von der höheren
Steuereinheit eingegeben wird, und berechnet einen Drehmomentbefehl.
Eine Recheneinheit fügt dem Drehmomentbefehl die von einer
Haltedrehmoment-Kompensierungseinheit 57 eingegebene Haltedrehmomentkomponente
hinzu, um einen Drehmomentbefehlswert T* zu berechnen. Dann berechnet
eine Stromsteuereinheit 52 einen Inverteransteuerbefehl
aus dem Drehmomentbefehlswert T* und einer Stromrückkopplung
I von einem dem Motor 54 zugeführten Strom. Der
Strom wird in einem Inverterschaltkreis 53 basierend auf
dem Inverteransteuerbefehl aus einem Gleichstrom in einen Wechselstrom
umgewandelt, wobei dieser Strom dem Motor 54 zum Antreiben
und Steuern des Motors 54 zugeführt wird.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.2007-282435 (Patentschrift
1) beschreibt eine Steuerung zum Steuern eines Motors durch einen Drehmomentbefehlswert,
zu dem ein vorgegebener Drehmoment-Kompensierungswert hinzugefügt
wird, wenn eine Bremse zum mechanischen Halten einer Motorachse
die Motorachse entriegelt hat. Mit dieser Steuerung kann der Drehmoment-Kompensierungswert
zum Drehmomentbefehlswert hinzugefügt werden, wenn die
Bremse die Motorachse freigibt, um ein Ausmaß an Hervorstehen
zu unterdrücken, bei dem ein Werkstück weiter
als nötig absinkt und von einer vorgegebenen Position hervorsteht.
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Im
oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren zum Steuern
des Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkts des Bremssignals und des Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkts
des Motorspannungszuführsignals ist das ausgegebene Motordrehmoment
kleiner als das Haltedrehmoment, wenn zuerst Spannung zugeführt
wird, wobei die Gravitationsachse daher beginnt abzusinken. Wenn
die Gravitationsachse absinkt, ändert sich das ausgegebene
Motordrehmoment. Der Änderungsbetrag ist durch einen Integralteil
in der Rechenoperation für die PI-Regelung bestimmt, die in
einer Geschwindigkeitssteuerung verwendet wird, wie durch die Geschwindigkeitssteuerung 51 in 5 angedeutet.
Daher ändert sich das ausgegebene Motordrehmoment nicht
plötzlich, sondern ändert sich immer mit einer
gegebenen Zeitkonstante. Wenn das ausgegebene Motordrehmoment gleich dem
Haltedrehmoment wird, ist die Gravitationsachse demzufolge schon
um einen beträchtlichen Betrag abgesunken. Dann wird plötzlich
ein Drehmoment erzeugt, um den Betrag dieses Absinkens auszugleichen,
was in nachteilhafter Weise zu einem oszillierenden Drehmoment,
wie in 6 gezeigt, führt.
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Darüber
hinaus basiert das als eine herkömmliche Technik beschriebene
Verfahren zum Kompensieren für die Haltedrehmomentkomponente auf
der Annahme, dass die Haltedrehmomentkomponente konstant ist. Zuerst
wird die Anwendung dieses Verfahrens auf einen normale Gravitationsachse
betrachtet. Hierzu ist ein Beispiel für eine Anordnung der
Gravitationsachse in 7 gezeigt. Im Diagramm der 7 umfasst
die Gravitationsachse eine Kugelgewindespindel 73, die
in Richtung der Schwerkraft befestigt ist, einen Spin delkopf 74,
der entlang der Kugelgewindespindel 73 beweglich ist, einen
Motor 71 zum Antreiben und Steuern des Spindelkopfes 74 und
eine Bremse 72 zum Verhindern eines Absinkens des Spindelkopfs 74.
Wenn sich der Spindelkopf 74 vertikal bewegt, wird das
Haltedrehmoment durch seine Position nicht geändert. Deshalb
kann eine angemessene Kompensierung durch das Verfahren zur Kompensierung
der Haltedrehmomentkomponente (konstanter Wert) vorgenommen werden.
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Im
Fall einer sich drehenden Achse eines Drehtisches, der auf einer
Drehzapfeneinheit einer Fünf-Achsenbearbeitungsmaschine
einer Werkzeugmaschine angebracht ist, ändert sich jedoch
das Haltedrehmoment gemäß der Position der Drehachse. Im
herkömmlichen Verfahren zur Kompensierung der Haltedrehmomentkomponente
mit dem konstanten Wert beim Start der Spannungszufuhr zum Motor wird
daher das Kompensierungsdrehmoment oft über- oder unterkompensiert
abhängig von der Position der Drehachse. Die Änderung
des vom Motor ausgegebenen Drehmoments ist in 8 gezeigt, wenn
das Kompensationsdrehmoment unterkompensiert ist. Beispielsweise
ist ΔTo zur Zeit T81 eine unterkompensierte Drehmomentkomponente,
so dass die Achse absinkt. Andererseits ist, im Fall einer Überkompensation,
das vom Motor ausgegebene Drehmoment größer als
das Haltedrehmoment und die Achse hebt sich für einen Moment.
Folglich besteht das Problem darin, dass, wenn das Kompensationsdrehmoment
nicht richtig eingestellt wird, das Verhalten der Gravitationsachse
zu Beginn der Spannungszufuhr zum Motor instabil ist.
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Wenn
ein Werkstück auf dem Drehtisch eingespannt ist, ändert
sich das Haltedrehmoment darüber hinaus nicht nur in Abhängigkeit
von der Position des Werkstücks, sondern auch in Abhängigkeit vom
Gewicht, von der Form oder der Einspannungsposition des Werkstücks.
Daher besteht also in solchen Situationen ein Problem, das sich
die Gravitationsachse instabil verhält, wenn zuerst dem
Motor Spannung zugeführt wird.
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Aufgabe
ist es daher eine Motorsteuereinheit anzugeben, bei der die Gravitationsachsen
zu jedem Zeitpunkt stabil gehalten werden.
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Die
vorliegende Erfindung gibt eine Motorsteuereinheit an, die in der
Lage ist, das Verhalten einer Gravitationsachse zu stabilisieren
und das Absinken der Gravitationsachse zu verhindern, wenn einem
Motor Spannung zugeführt wird.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird eine Motorsteuereinheit angegegeben,
die einen Motor antreibt und steuert, um eine Achse anzutreiben,
die der Schwerkraft unterliegt, wobei die Motorsteuereinheit eine
PI-Regelung aufweist, die die Geschwindigkeit des Motors regelt;
eine Bremse, die das Absinken der Achse gemäß einem
Bremssignal verhindert; und eine Speichereinheit, die das zur Bremse
eingegebene Bremssignal erfasst und basierend auf dem Zustand des
erfassten Bremssignals einen durch die PI-Regelung berechneten Drehmomentbefehlswert
speichert, wobei die Speichereinheit den Drehmomentbefehlswert speichert,
wenn das Bremssignal von Aus zu Ein gewechselt hat, und wobei die
Speichereinheit den gespeicherten Drehmomentbefehlswert auf einen
Integralteil der PI-Regelung setzt, wenn das Bremssignal von Ein
zu Ausgewechselt hat.
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Durch
Einsatz einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung
lässt sich das Verhalten der Achse während der
Spannungszufuhr zum Motor stabilisieren, wobei ein Absacken oder
Absenken der Achse zum Zeitpunkt der Spannungszufuhr zum Motor verhindert
werden kann, auch wenn sich das Haltedrehmoment bspw. in Abhängigkeit
der Position der Achse verändert.
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1 zeigt
einen Steuerblock in einer Motorsteuereinheit, der eine Funktion
zum Verhindern des Absinkens einer Achse gemäß der
vorliegenden Erfindung aufweist;
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2 zeigt
einen Steuerblock um eine PI-Regelung herum in der in 1 gezeigten
Motorsteuereinheit;
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3 zeigt
einen Graph, der die Position einer Achse und das Verhalten eines
Drehmoments vor und nach Spannungszufuhr zu einem Motor zeigt, der
eine erfindungsgemäße Motorsteuereinheit verwendet;
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4 ist
ein Graph, der den Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkt eines Bremssignals
und den Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkt eines Spannungszuführsignals
zeigt, wenn die Spannungszufuhr zu einem Motor zum Antreiben der
Gravitationsachse eingeschaltet und dann abgeschaltet wird;
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5 ist
ein Blockdiagramm, das einen Steuerblock in einer Motorsteuereinheit
zeigt, die ein herkömmliches Verfahren zur Kompensierung.
für ein Haltedrehmoment anwendet;
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6 ist
ein Graph, der ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen
der Position der Gravitationsachse und dem Verhalten des Drehmoments
vor und nach einer Spannungszufuhr zum Motor zeigt;
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7 ist
eine Darstellung, die einen beispielhaften Aufbau einer Gravitationsachse
zeigt; und
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8 zeigt
ein beispielhaften Graph für das Verhalten des Drehmoments
in einer herkömmlichen Motorsteuereinheit, wenn die Haltedrehmomentkomponente
kompensiert wird.
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Eine
Ausführungsform für eine Motorsteuereinheit gemäß der
vorliegenden Erfindung wird im Anschluss hieran mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt einen Steuerblock in
einer Motorsteuereinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung, mit einer Funktion, die das Absinken einer Achse verhindert.
Im Beispiel zur Darstellung der vorliegenden Ausführungsform
ist eine Achse (nicht gezeigt) mechanisch mit einem Motor 4 verbunden.
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Ein
Kodierer 5 erfasst die Position eines Rotors des Motors 4.
Eine Umwandlungseinheit 6 berechnet eine Geschwindigkeitsrückkopplung
V aus dem Wert der vom Kodierer 5 erfassten Position. Eine
PI-Regel-Einheit 1 führt Rechenoperationen, beispielsweise
zur PI-Regelung, aus der Geschwindigkeitsrückkopplung V
und einem von einer höheren Steuereinheit (nicht gezeigt)
eingegebenen Geschwindigkeitsbefehl V* durch und berechnet einen Drehmomentbefehl
T*. Eine Stromsteuereinheit 2 berechnet einen Inverteransteuerbefehl
vom Drehmomentbefehlswert T* und einer Stromrückkopplung
I von einem zum Motor 4 zugeführten Strom. Der Strom
wird in einem Inverterschaltkreis 3 basierend auf dem Inverteransteuerbefehl
von einem Gleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt und dieser
Strom wird dem Motor 4 zugeführt, um den Motor 4 anzutreiben
und zu steuern.
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Eine
Bremse 8 verhindert das Absinken der Achse gemäß einem
Bremssignal. Insbesondere klemmt die Bremse 8 den Motor 4 fest,
wenn das Bremssignal von Aus zu Ein wechselt, um das Absinken der
Achse zu verhindern. Andererseits gibt die Bremse 8 den
Motor 4 frei, wenn das Bremssignal von Ein zu Aus wechselt.
Wie in Verbindung mit der herkömmlichen Technik beschrieben,
bewirkt die Bremse, dass der Motor 4 festgeklemmt wird,
wenn die Spannungszufuhr zum Motor 4 abgeschaltet wird, während
hingegen, wenn die Spannungszufuhr gestartet wird, die Bremse 8 bewirkt,
dass der Motor 4 freigegeben wird. Daher werden der Einschalt/Ausschalt-Zeitpunkt
des der Bremse 8 zugeführten Bremssignals und
der Einschau/Ausschalt-Zeitpunkt eines dem Motor 4 zugeführten
Spannungszuführsignals angemessen gesteuert.
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Die
erfindungsgemäße Motorsteuereinheit wird durch
eine Speichereinheit 7 gekennzeichnet. Die Speichereinheit 7 erfasst
das zur Bremse 8 eingegebene Bremssignal. Ferner gibt die
Speichereinheit 7 den Zustand des erfassten Bremssignals
zur PI-Regel-Einheit 1 aus. Die Speichereinheit 7 speichert
außerdem den von der PI-Regel-Einheit 1 berechneten
Drehmomentbefehlswert T* entsprechend dem Zustand des Bremssignals.
Insbesondere speichert die Speichereinheit 7 den von der
PI-Regel-Einheit 1 berechneten Drehmomentbefehlswert T*, wenn
das zur Bremse 8 eingegebene Bremssignal von Aus zu Ein
wechselt. Darüber hinaus gibt die Speichereinheit 7 den
gespeicherten Drehmomentbefehlswert T* zur PI-Regel-Einheit 1 aus,
wenn das zur Bremse 8 eingegebene Bremssignal von Ein zu Aus
wechselt.
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Aus 1 ist
ersichtlich, dass die Speichereinheit 7 die Verarbeitung
in der selben Steuereinheit durchführt, die die PI-Regel-Einheit 1 enthält.
Die Speichereinheit 7 kann jedoch die Verarbeitung in der oberen
oder höheren Steuereinheit durchführen. Normalerweise
gibt die höhere Steuereinheit Befehle aus, die einen Spannungszufuhrstartbefehl
enthalten. Daher kann die höhere Steuereinheit der Steuereinheit
mit der PI-Regel-Einheit 1, anordnen, den in der Speichereinheit 7 gespeicherten
Drehmomentbefehlswert T* zur PI-Regel-Einheit 1 auszugeben.
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Unten
wird eine Erklärung gegeben, um zu zeigen, dass der in
der Speichereinheit 7 gespeicherte Drehmomentbefehlswert
T* gleich einem Wert ist, der einer Haltedrehmomentkomponente der
Achse entspricht. In diesem Beispiel wird eine Gravitationsachse
in einem angetriebenen Zustand gestoppt und die Steuerung in diesem
Zustand wird beschrieben. Da die Gravitationsachse in einem angetriebenen Zustand
ist, lässt die Bremse 8 den Motor 4 in
einem ungeklemmten Zustand. Um die Bremse 8 aus diesem
Zustand heraus zu aktivieren, ist es notwendig, das Bremssignal
von Aus zu Ein zu ändern. Wenn dies geschehen ist, wird
der Zustand des Motors 4, bei dem eine Spannung anliegt,
für eine Weile fortgesetzt, um das Absinken der Gravitationsachse
zu verhindern. Das bedeutet, dass der spannungsbetriebene Zustand
des Motors 4 fortgeführt wird, wenn das Bremssignal
von Aus zu Ein gewechselt hat. Da die Speichereinheit 7 den
Drehmomentbefehlswert T* speichert, wenn das Bremssignal von Aus
zu Ein geändert wird, ist daher dieser Drehmomentbefehlswert T*
gleich zu einem Wert, der dem Haltedrehmomentteil der Achse entspricht.
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Als
nächstes wird die PI-Regel-Einheit 1 mit Bezug
auf 2 beschrieben. 2 zeigt
einen Steuerblock um die PI-Regel-Einheit 1 in einer Motorsteuereinheit
gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Funktion,
die ein Absinken der Achse zu verhindert.
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Die
PI-Regel-Einheit 1 hat eine Proportionalteil-Recheneinheit 21 und
eine Integralteil-Recheneinheit 22. Die Proportionalteil-Recheneinheit 21 und
die Integralteil-Recheneinheit 22 führen Rechenoperationen
basierend auf einem eingegebenen Geschwindigkeitsfehler ΔV
durch und fügen von diesen Recheneinheiten 21 und 22 berechnete
Werte hinzu, um den Drehmomentbefehlswert T* zu berechnen. Eine
Speichereinheit 23 (die gleiche wie die Speichereinheit 7,
die in 1 gezeigt wird) speichert den Drehmomentbefehlswert
T*, wenn das Bremssignal von Aus zu Ein wechselt und die Speichereinheit 23 gibt
den gespeicherten Drehmomentbefehlswert T* zur Integralteil-Recheneinheit 22 aus, wenn
das Bremssignal von Ein zu Aus wechselt. Dann verwendet die Integralteil-Recheneinheit 22 den
von der Speichereinheit 23 ausgegebenen Wert als einen
Anfangswert eines Integralteils beim Start der Spannungzufuhr. Dabei
ist es auch möglich, dass eine PI-Regelung beispielsweise
zum Ausführen einer begrenzenden oder dämpfenden
Verarbeitung des Integralteils durchgeführt werden kann,
obwohl der hier kurz beschriebene Aufbau und der Inhalt der. Verarbeitung
mit der PI-Regel-Einheit 1 verbunden ist.
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Als
nächstes werden die Position der Achse und das Verhalten
des Drehmoments beim Start der Spannungszufuhr in der Motorsteuereinheit
gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 3 beschrieben.
Wie aus dem in
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3 gezeigten
Graphen offensichtlich ist, kann das Drehmoment, das dem Haltedrehmoment der
Achse entspricht, als Antwort auf den Zeitpunkt für das
Starten der Spannungszufuhr ausgegeben werden, sodass sich in der
Position der Achse keine Änderung ergibt. Das bedeutet,
dass das Absinken der Achse verhindert werden kann. Dieser Graph zeigt
eine besondere Position der Achse und den Drehmoment unmittelbar
vor und nach Start der Spannungszufuhr zum Motor 4. In
anderen Positionen ändert sich der der Haltedrehmomentkomponente
entsprechende Wert auch, aber er verhält sich gleichermaßen
ohne Positionsänderung.
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Als
nächstes werden Effekte auf die Motorsteuereinheit betrachtet,
wenn sich das Haltedrehmoment in Abhängigkeit der Position
der Achse stark ändert. In einem solchen Fall, wenn die
Achse bewegt und ihre Position geändert wird, nachdem Spannung
zugeführt wird, tritt eine Abweichung zwischen dem Haltedrehmoment
und dem gespeicherten Drehmomentbefehlswert auf. Diese Abweichung wird
durch das Ausgangssignal der PI-Regel-Einheit 1 kompensiert,
die ein Integralteil wird, wenn im Wesentlichen kein Geschwindigkeitsfehler ΔV
auftritt. Dieser Integralteil ist notwendig, um die Achse zu halten,
kann aber die Motorsteuerung beeinflussen. Das heißt, dass
dieser Integralteil für die Achsenposition nicht geeignet
ist. Wenn jedoch der gespeicherte Drehmomentbefehlswert auf den
Integralteil gesetzt wird, ändert sich auch der Integralteil,
wenn sich die Position der Achse ändert. In diesem Fall
hat der Integralteil einen Wert, der hinsichtlich der Steuerung geeignet
ist und liefert ein gutes Antwortverhalten und ermöglicht
eine stabile Motorsteuerung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2008-207980 [0001]
- - JP 2007-282435 [0008]