DE102010036500A1

DE102010036500A1 - Steuervorrichtung für einen Elektromotor mit einer Funktion zum zeitgleichen Bestimmen von Trägheit und Reibung

Info

Publication number: DE102010036500A1
Application number: DE102010036500A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Okita; Yukio Toyozawa; Naoto Sonoda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: US8232758B2; JP2011072178A; US20110050146A1; CN102006011A; DE102010036500B4; CN102006011B; JP4813618B2

Abstract

Eine Steuervorrichtung schätzt die Coulomb-Reibung selbst zusammen mit der Trägheit und der viskosen Reibung und reduziert den Einfluss der Coulomb-Reibung auf die Genauigkeit der geschätzten Trägheit. Zudem schätzt die Steuervorrichtung die Trägheit, die viskose Reibung und die Coulomb-Reibung gleichzeitig mit der folgenden Anpassung, bei der kein Fouriertransformator, sondern ein Modell der inversen Transferfunktion verwendet wird, um den geschätzten Fehler zu minimieren. Die für einen festgelegten Zeitraum erfassten Daten brauchen nicht kumuliert zu werden, so dass demzufolge ein großer Datenspeicher entfällt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor, der eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine antreibt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor mit der Funktion zum zeitgleichen Bestimmen von Trägheit und Reibung.
2. Beschreibung des dazugehörigen Fachgebietes
Die Identifizierung der Größen Trägheit, viskose Reibung und Coulomb-Reibung eines angetriebenen Körpers einer von einem Elektromotor angetriebenen Werkzeugmaschine ist wichtig, damit die Verarbeitungsbedingungen der Werkzeugmaschine bestimmt werden und die von dem Elektromotor angetriebenen Antriebswelle genau gesteuert wird.
Bei der Bestimmung der Zeitkonstante eines Beschleunigungs- und Abbremsbefehls als Verarbeitungsbedingungen muss man beispielsweise die Trägheit und die Reibung genau identifizieren, so dass eine stabile Steuerung ermöglicht wird und sich Beschleunigung und Abbremsung des Elektromotors hinreichend ausnutzen lassen. Zudem muss man bei der Steuerung die Trägheit und Reibung genau identifizieren, mit denen man die Verstärkung, die die Reaktion der Geschwindigkeitssteuerung bestimmt, berechnet. Zudem wird ein Störmelder mittels Trägheit und Reibung derart konfiguriert, dass die Robustheit eines Servos verbessert werden kann.
Als Technik zum Abschätzen der Trägheit offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung ( JP-A) Nr. 8-140386 eine Technik zur Bestimmung der Trägheit durch die Gleichung J = I·Kt/a, wobei der Stromstärke-Feedback eines Elektromotors bei Betrieb gleich I ist, die aus dem Geschwindigkeits-Feedback bestimmte Beschleunigung gleich a ist und die Drehmomentkonstante des Elektromotors gleich Kt ist.
Als Technik zur Abschätzung der Reibung offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung ( JP-A) Nr. 8-15058 eine Technik zur Bestimmung der viskosen Reibung und der Coulomb-Reibung aus dem Drehmoment eines Elektromotors, der bei zwei verschiedenen Geschwindigkeiten angetrieben wird, so dass er im stationären Zustand ist.
Wie vorstehend beschrieben berechnet die Technik zur Bestimmung von Trägheit und Reibung gewöhnlich die Trägheit und Reibung aus dem Stromstärke-Feedback I des Elektromotors bei Betrieb und der aus dem Geschwindigkeitsfeedback bestimmten Beschleunigung. Abgesehen davon gibt es eine Technik zur Definition eines internen Modells eines Steuerziels zur Abschätzung der Konstanten des Modells, d. h. Trägheit und Reibung, so dass ein Fehler zwischen einem Geschwindigkeitsausgang aus dem Modell, der mit dem Drehmomentbefehl versorgt wird, und einer tatsächlichen Geschwindigkeit vermindert wird.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung ( JP-A) Nr. 8-249031 offenbart eine Technik zur Berechnung von Trägheit und Reibung mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate aus einem Verhältnisausdruck, der eine Geschwindigkeit bei Vorliegen eines Beschleunigungsbefehls mit einer Modellgeschwindigkeit vergleicht. Diese Technik erfasst einen elektrischen Strom und eine Geschwindigkeit bei Beschleunigung für eine festgelegte Zeit und berechnet aus den kumulierten Daten Trägheit und Reibung durch das Verfahren der kleinsten Quadrate.
Kommt es zu einer Drehmoment-Abweichung, wie bei einer Schwerkraftachse, auf die eine feste Kraft oder eine große Coulomb-Reibung ausgeübt wird, verschlechtert sich die Schätzgenauigkeit der Trägheit. Als Lösung offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung ( JP-A) Nr. 2006-074896 eine Technik zur Abschätzung der Trägheit und der viskosen Reibung, bei der ein Verhältnis-Ausdruck mit dem Differential des Geschwindigkeits-Feedbacks zur Integration multipliziert wird, oder ein differenzierter Verhältnisausdruck mit dem Differential des Geschwindigkeits-Feedbacks zur Integration multipliziert wird.
Als Technik zur Abschätzung von Trägheit und Reibung durch eine Maschine, deren Arbeitsbereich eingeschränkt ist, offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung ( JP-A) Nr. 2007-295678 eine Technik zur Abschätzung von Systemkonstanten (Trägheit und Reibung) aus dem Fourier-Koeffizienten eines Drehmomentbefehls und dem Fourier-Koeffizienten einer Motorposition.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung ( JP-A) Nr. 2000-172341 offenbart eine Technik zur Durchführung der Trägheitsabschätzung mit einer M-Sequenz.
Ist die Konfiguration des angetriebenen Körpers kompliziert, lassen sich Trägheit und Reibung des angetriebenen Körpers nicht leicht genau identifizieren. Jedes Mal, wenn sich Trägheit und Reibung des angetriebenen Körpers beim Befestigen und Demontieren des Werkstücks ändern, muss man die Trägheit und Reibung zusätzlich erfassen. Dies lässt sich in kurzer Zeit nicht leicht genau durchführen.
Bei der in JP-A Nr. 8-140386 offenbarten Technik müssen die Beschleunigungs- und Abbremsmomente stabil sein. Man muss den Elektromotor in einem relativ breiten Antriebsbereich betreiben. Dadurch verlängert sich die Abschätzzeit.
In der in JP-A Nr. 8-15058 offenbarten Technik muss man das Drehmoment in einer stationären Phase bei einer ersten Geschwindigkeit, das Beschleunigungsmoment zum Zeitpunkt der Beschleunigung und das Drehmomentes in einer stationären Phase bei einer zweiten Geschwindigkeit bestimmen. Es ist ein breiter Arbeitsbereich notwendig. Diese Technik lässt sich nicht leicht bei einer Werkzeugmaschine anwenden, deren Arbeitsbereich eingeschränkt ist.
In der in JP-A Nr. 8-249031 offenbarten Technik ist ein breiter Arbeitsbereich und ein großer Datenspeicher zur Datenstapelung erforderlich. Die viskose Reibung lässt sich zwar abschätzen, jedoch kann die Coulomb-Reibung nicht abgeschätzt werden.
In der in JP-A Nr. 2006-074896 offenbarten Technik, sowie in der in JP-A Nr. 8-249031 offenbarten Technik ist ein großer Speicher zum Kumulieren von Daten erforderlich.
In der in JP-A Nr. 2007-295678 offenbarten Technik muss zur Bestimmung des Fourier-Koeffizienten eine Fourier-Transformation durchgeführt werden. Positions- und Drehmomentdaten müssen in gewissem Maße kumuliert werden. Man benötigt einen großen Datenspeicher.
Die Patentanmeldung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-320088 , die die Anmelder dieser Anmeldung am 16. Dezember 2008 in Japan anmeldeten, beschreibt eine Erfindung, die die Trägheit abschätzt, indem ein Sinuswellenbefehl mit einer geeigneten Frequenz zu einem Drehmomentbefehl einer Steuervorrichtung addiert wird. In dieser Erfindung ist die Bewegung des Elektromotors in einem sehr schmalen Bereich und wird durch den Antriebsbereich nicht eingeschränkt. Zudem kann die Abschätzzeit durch Steigern der Frequenz verkürzt werden. Mit steigender Reibung sinkt jedoch die Schätzgenauigkeit der Trägheit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der Probleme des dazugehörigen Fachgebiets ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Steuervorrichtung eines Elektromotors, deren Funktion die zeitgleiche Bestimmung von Trägheit und Reibung ist und die die Schätzgenauigkeit der Trägheit verbessert.
Zur Erzielung der vorstehenden Aufgabe umfasst eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Elektromotors, der eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung antreibt: eine Sinuswellenbefehlseinrichtung, die einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl oder einem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Stromstärke-Feedbackwerts, die ein Stromstärke-Feedbacksignal eines in dem Elektromotor fließenden elektrischen Stroms als Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Geschwindigkeits-Feedbackwerts, die ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal der Geschwindigkeit des Elektromotors als Geschwindigkeits-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts, die einen Stromstärkeschätzwert aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und der geschätzten Trägheit und geschätzten Reibungskraft der Antriebswelle berechnet; eine Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers, die den geschätzten Fehler aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet; und eine Aktualisierungseinrichtung, die die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung der Antriebswelle mit dem in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem geschätzten Fehler aktualisiert.
Die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts kann umfassen: eine Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz, die die Differenz zwischen einem aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert und einem zuvor erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert des in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbacks berechnet; eine erste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten Trägheit berechnet; eine zweite Recheneinrichtung, die das Produkt des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten viskosen Reibung berechnet; und eine dritte Recheneinrichtung, die das Produkt der Polarität des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbacks und der geschätzten Coulomb-Reibung berechnet, wobei die von der ersten, zweiten und dritten Recheneinrichtung bestimmten Werte zum Berechnen der Stromstärkeschätzwerts verwendet werden.
Die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts kann den Stromstärkeschätzwert mit der folgenden Gleichung berechnen: x(n) = Jm / Kt·T·(ω(n) – ω(n – 1)) + C1 / Kt·ω(n) + C3 / Kt·sign(ω(n)) wobei ist:
Jm die geschätzte Trägheit, Kt die Drehmomentkonstante des Motors, T der Erfassungszeitraum, C1 die geschätzte viskose Reibung, C3 die geschätzte Coulomb-Reibung, sign ein Signum, ω(n) der im aktuellen Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, ω(n – 1) der im vorhergehenden Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, x(n) der Stromstärkeschätzwert und n = 1, 2, 3 ...
Die Aktualisierungseinrichtung kann umfassen: eine Differenzberechnungseinrichtung, die die Differenz zwischen dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem im vorhergehenden Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert der in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerte berechnet; eine vierte Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Differenzberechnungseinrichtung berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ1 berechnet, die eine Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine fünfte Recheneinrichtung, die das Produkt aus dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ2 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine sechste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der Polarität des im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ3 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Trägheit, die das von der vierten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Trägheit addiert, so dass eine neue geschätzte Trägheit berechnet wird; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten viskosen Reibung, die das von der fünften Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten viskosen Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte viskose Reibung berechnet wird; und eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Coulomb-Reibung, die das von der sechsten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Coulomb-Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte Coulomb-Reibung berechnet wird.
Wird die Gleichung, mit der die geschätzte Stromstärke berechnet wird, in die folgende Form umgeschrieben: x(n) = h₀·ν₀(n) + h₁·ν₁(n) + h₂·ν₂(n) wobei ist:
h0 = Jm/(Kt·T), h1 = C1/Kt, h2 = C3/Kt, ν0(n) = (ω(n) – ω(n – 1)), ν1(n) = ω(n) und ν2(n) = sign(ω(n))
kann die Aktualisierungseinrichtung die Koeffizienten h0, h1 und h2 in jedem Erfassungszeitraum durch die folgenden beiden Gleichungen aktualisieren: h_m(n) = h_m(n – 1) + μ_m(n)·e(n)·ν_m(n)
wobei e(n) der geschätzte Fehler ist, ηm die Konstante ist, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt, m = 0, 1, 2, und n = 1, 2, 3 ...
Die Einrichtung zum Gewinnen des Stromstärke-Feedbackwerts kann den Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum über eine Verzögerungseinrichtung erhalten, die das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert.
Die Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers kann den geschätzten Fehler berechnen, indem sie den Stromstärke-Feedbackwert durch einen Hochpassfilter leitet.
Die Steuervorrichtung kann zudem anstelle der Sinuswellenbefehlseinrichtung eine M-Sequenzbefehlseinrichtung zum Erzeugen eines M-Sequenzbefehls und einen Tiefpassfilter umfassen, der den M-Sequenzbefehl von der M-Sequenzbefehlseinrichtung leitet, wobei der durch den Tiefpassfilter tretende M-Sequenzbefehl zu dem Drehmomentbefehl oder dem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert werden kann.
Die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung können zum Konfigurieren eines Störmelders verwendet werden, der das geschätzte Störmoment aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet, wobei die Steuervorrichtung zudem umfasst: eine Einrichtung zum Multiplizieren mit der Korrekturverstärkung Kd, die das Ausmaß der Korrektur des geschätzten Störmoments einstellt; und eine Einrichtung zum Addieren des Ergebnisses zu dem Drehmomentbefehl.
Erfindungsgemäß lässt sich eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor mit der Funktion zum zeitgleichen Abschätzen von Trägheit und Reibung und Verbessern der Schätzgenauigkeit der Trägheit bereitstellen.
Erfindungsgemäß wird der Sinuswelleneingang oder der M-Sequenzeingang verwendet, so dass der Betriebsbereich verkleinert werden kann, und es wird das Verfahren zur folgenden Aktualisierung der Trägheit und der geschätzten Reibung in jeder Erfassung, aber nicht das Verfahren der kleinsten Quadrate verwendet. Daten, die für einen festgelegten Zeitraum erfasst werden, müssen nicht kumuliert werden. Man benötigt keinen großen Datenspeicher. Die Coulomb-Reibung und die viskose Reibung können zudem gleichzeitig bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Abschätzung der Coulomb-Reibung selbst zusammen mit Trägheit und viskoser Reibung verwendet. Der Einfluss der Coulomb-Reibung auf die Genauigkeit der geschätzten Trägheit kann reduziert werden.
Erfindungsgemäß wird zudem das Verfahren zum zeitgleichen Abschätzen von Trägheit, viskoser Reibung, und Coulomb-Reibung mit der folgenden Anpassung angewendet, bei der kein Fourier-Transformator, jedoch ein Modell der inversen Transferfunktion verwendet wird, um den geschätzten Fehler zu minimieren. Die für einen festgelegten Zeitraum festgelegten Daten müssen nicht kumuliert werden. Man benötigt keinen großen Datenspeicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und anderen Aufgaben und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung der folgenden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In diesen Zeichnungen zeigt:
1, ein Blockschema, die schematische Konfiguration eines Steuersystems, einschließlich einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
2 ein Blockschema zur genaueren Erläuterung der Konfiguration einer Servosteuervorrichtung des in 1 gezeigten Steuersystems;
3 ein Blockschema zur Erläuterung der Konfiguration des in 2 gezeigten Abschnitts zum Abschätzen von Trägheit und Reibung;
4 ein Schaubild zur Erläuterung der Abschätzung der inversen Transferfunktion, die von der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ausgeführt wird;
5 ein Schaubild zur Erläuterung des in 4 gezeigten Abschnitts zum Abschätzen der inversen Transferfunktion, die einen Koeffizient hm von Gleichung (2) bestimmt, so dass ein geschätzter Fehler e(n) reduziert werden kann;
6, ein Schaubild, die Beziehung zwischen der Reibungseigenschaft der viskosen Reibung und der Coulomb-Reibung und der Geschwindigkeit;
7 ein Fließschema des Verfahrens zur Abschätzung von Trägheit und Reibung eines Servosteuerabschnitts, einschließlich des Abschnitts zur Abschätzung von Trägheit und Reibung;
8 ein Schaubild zum Erläutern der Verzögerung durch Differenzberechnung, wenn ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal erfasst wird;
9 ein Schaubild zur Erläuterung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit einer Einrichtung zum Verzögern eines Stromstärke-Feedbacksignals auf die Hälfte eines Erfassungszeitraums, so dass man das Stromstärke-Feedbacksignal in jedem Erfassungszeitraum erfasst;
10 ein Schaubild zur Erläuterung der Verbesserung der Schätzgenauigkeit, indem der Stromstärke-Feedbackwert durch einen Hochpassfilter geleitet wird, so dass der Einfluss der Drehmomentabweichung entfernt wird;
11 ein Schaubild zur Erläuterung einer Ausführungsform mit einem M-Sequenzbefehl anstelle eines Sinuswellenbefehls;
12A bis 12D Schaubilder zur Unterstützung der Erläuterung der Verbesserung der Schätzgenauigkeit und Abschätzung der Geschwindigkeit mittels M-Sequenzbefehl als Geschwindigkeitseingang zur Abschätzung; und
13 ein Schaubild zur Erläuterung der Reduktion des Einflusses der Verarbeitungsstörung zur Gewährleistung einer Hochpräzisionsverarbeitung durch Anhalten des Abschnitts zur Abschätzung der inversen Transferfunktion und des Sinuswelleneingangs, Eingeben des Störmoments zum Zeitpunkt der Verarbeitung als geschätzter Fehler und Verwenden des geschätzten Fehlers (= geschätztes Störmoment), so dass ein Drehmomentbefehl korrigiert wird.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 ist ein Blockschema, das die schematische Konfiguration eines Steuersystems, einschließlich einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, zeigt.
Wie in 1 gezeigt, ist in einer Ausführungsform (eine Servosteuervorrichtung 10) der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, ein Elektromotor 2, der einen angetriebenen Körper 4 antreibt, ein Steuerziel. Der Elektromotor 2 ist eine Antriebsquelle, die die Position und die Lage eines Tischs ändert, der ein Werkstück in einer Werkzeugmaschine hält; oder die als Antriebsquelle zum Drehen eines Roboterarms verwendet wird. Der angetriebene Körper 4 umfasst den Tisch und den Roboterarm, der ein Werkstück in einer Werkzeugmaschine hält, wobei das Werkstück an dem Tisch oder dem Arm befestigt ist oder von ihnen abgenommen wird, und den Betriebsabschnitt des Elektromotors 2 selbst. Der angetriebene Körper 4 hat eine Reibungseigenschaft, einschließlich der viskosen Reibung und der Coulomb-Reibung.
Die Position, Geschwindigkeit und das Drehmoment des Elektromotors 2 werden durch die Servosteuervorrichtung 10 gesteuert. Die Servosteuervorrichtung 10 ist an eine obere Steuervorrichtung 20, wie eine CNC (numerische Steuervorrichtung) angeschlossen, die die Positions-, Geschwindigkeits-, und Drehmomentbefehle des Elektromotors 2 an den Arbeitsprozess ausgibt. Es kann eine Anzahl von Servosteuervorrichtungen 10 an die obere Steuervorrichtung 20 angeschlossen sein.
Wie später anhand von 2 beschrieben, überträgt die obere Steuervorrichtung 20 ein Startsignal an einen Abschnitt 40 zur Erzeugung eines Sinuswellenbefehls und einen Abschnitt 30 zur Abschätzung von Trägheit und Reibung der Servosteuervorrichtung 10. Der Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung überträgt bei Beendigung der Berechnung der Schätzwerte von Trägheit und Reibung ein Berechnungsbeendigungssignal und die durch die Abschätzung erhaltenen Trägheitsdaten an die obere Steuervorrichtung 20. Die obere Steuervorrichtung 20 empfängt das vom Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung übertragene Beendigungssignal und die durch Abschätzen erhaltene Trägheit Jm.
Die 2 ist ein Blockschema zur Erläuterung der Konfiguration der Servosteuervorrichtung 10, die in 1 genauer gezeigt ist.
Wie in 2 gezeigt, hat die Servosteuervorrichtung 10 einen Positionssteuerabschnitt 11, einen Geschwindigkeitssteuerabschnitt 12, einen Stromstärkesteuerabschnitt 13 und einen Verstärker 14. Der Positionssteuerabschnitt 11 und der Geschwindigkeitssteuerabschnitt 12 werden gemäß einem Befehlssignal von der oberen Steuervorrichtung 20 und den Positions- und Geschwindigkeits-Feedbacksignalen von einem am Elektromotor 2 befestigten Detektor 3 auf der Basis der eingestellten Positionsverstärkung Kp bzw. Geschwindigkeitsverstärkung betrieben. Der Ausgang (Spannungsbefehl) des Stromstärkesteuerabschnitts 13 wird in den Verstärker 14 eingegeben. Der Verstärker 14 steuert den elektrischen Strom, mit dem der Elektromotor 2 gemäß dem Eingangssignal versorgt wird.
Die Servosteuervorrichtung 10 hat zudem einen Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung. Das Geschwindigkeits-Feedbacksignal vom Detektor 3, der am Elektromotor 2 angebracht ist, und ein Stromstärke-Feedbacksignal vom Verstärker 14 werden in den Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung eingegeben. Der Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung berechnet die Trägheit (Trägheitsmoment) und die Reibung des angetriebenen Körpers 4 gleichzeitig mit dem Geschwindigkeits-Feedbacksignal und dem Stromstärke-Feedbacksignal. Die berechneten Trägheitsdaten werden in die obere Steuervorrichtung 20 zusammen mit dem Beendigungssignal ausgegeben. Die Reibung lässt sich berechnen, wobei zwischen viskoser Reibung und Coulomb-Reibung unterschieden wird.
Die 3 ist ein Blockschema zum Erläutern der Konfiguration des in 2 gezeigten Abschnitts 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung.
In 3 erfasst ein Abschnitt 31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks das Stromstärke-Feedbacksignal, das den Stromstärkewert anzeigt, der in einem festgelegten Erfassungszeitraum T zum Elektromotor 2 fließt und ruft diesen als Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB in den Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab. Entsprechend erfasst ein Abschnitt 32 zum Erfassen eines Geschwindigkeits-Feedbacks das Geschwindigkeits-Feedbacksignal, das von dem Detektor 3 ausgegeben wird, der die Geschwindigkeit von Elektromotor 2 im festgelegten Erfassungszeitraum T ermittelt und ruft diese als Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB in den Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab.
Ein inverses Transferfunktionsmodell 33 umfasst eine Funktionsgleichung, die die geschätzte Trägheit Jm, die der tatsächlichen Trägheit Jms eines Steuerziels 1 entspricht, und die geschätzte Reibung Cf, die der tatsächlichen Reibung Cfs des Steuerziels 1 entspricht, einsetzt. Entsprechend dem inversen Transferfunktionsmodell 33 wird die geschätzte Reibung Cf berechnet, wobei die geschätzte viskose Reibung C1 und die geschätzte Coulomb-Reibung C3 unterschieden werden.
Ein Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion beinhaltet einen Rechenausdruck, der die tatsächliche Trägheit Jms und die tatsächliche Reibung Cfs des Steuerziels 1 abschätzt. Der Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion schätzt den Koeffizient des inversen Transferfunktionsmodells 33 durch Berechnen, so dass ein geschätzter Fehler e(n) reduziert werden kann. Der Koeffizient des Rechenausdrucks des inversen Transferfunktionsmodells 33 wird durch den Koeffizient aktualisiert, der vom Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion geschätzt wird, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Hier umfasst der Koeffizient die geschätzte Trägheit Jm, die geschätzte viskose Reibung C1, und die geschätzte Coulomb-Reibung C3.
Die Funktion der Übertragung und des Empfangs der Signale zu bzw. von der oberen Steuervorrichtung 20 des in 3 gezeigten Abschnitts 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung wird nicht beschrieben.
4 ist ein Schaubild, das die von der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ausgeführte Abschätzung der inversen Transferfunktion erläutert.
In 4 hat der Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung wie anhand von 3 beschrieben den Abschnitt 31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks, den Abschnitt 32 zum Erfassen des Geschwindigkeits-Feedbacks, das inverse Transferfunktionsmodell 33, und den Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion. Der Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung beginnt mit dem Abschätzvorgang von Trägheit und Reibung bei Erhalt des Startsignalausgangs von der oberen Steuervorrichtung 20 (siehe 2).
Der Abschnitt 31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks erfasst ein Stromstärke-Feedbacksignal i(t), das den Stromstärkewert anzeigt, der im festgelegten Erfassungszeitraum T im Elektromotor 2 fließt und ruft diesen als Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB in den Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab. Entsprechend erfasst der Abschnitt 32 zum Erfassen des Geschwindigkeitsfeedbacks das Geschwindigkeits-Feedbacksignal ω(t), das vom Detektor 3 ausgegeben wird, der die Geschwindigkeit von Elektromotor 2 in dem festgelegten Erfassungszeitraum T ermittelt und ruft diesen als Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB in den Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab.
Der von dem Abschnitt 32 zum Erfassen des Geschwindigkeits-Feedbacks erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB wird in das inverse Transferfunktionsmodell 33 und in den Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion eingegeben. Das inverse Transferfunktionsmodell 33 umfasst eine Funktionsgleichung, in die die geschätzte Trägheit Jm und die geschätzte Reibung Cf, die gleichzeitig vom Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion abgeschätzt werden, eingehen. Gemäß dem inversen Transferfunktionsmodell 33 wird Cf berechnet, wobei die geschätzte viskose Reibung C1 und die geschätzte Coulomb-Reibung unterschieden werden. Ein Stromstärkeschätzwert x(n), der den Stromstärkewert abschätzt, wird von dem inversen Transferfunktionsmodell 33 ausgegeben. Der geschätzte Fehler e(n), der die Differenz zwischen dem Stromstärkeschätzwert x(n) und dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB ist, wird bestimmt.
Der Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion umfasst einen Rechenausdruck, der die tatsächliche Trägheit Jms und die tatsächliche Reibung Cfs des Steuerziels 1 abschätzt. Der Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion schätzt den Koeffizient des inversen Transferfunktionsmodells 33 durch Berechnen in jedem Erfassungszeitraum, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Der Koeffizient des Rechenausdrucks des inversen Transferfunktionsmodells 33 wird durch den Koeffizient aktualisiert, der von dem Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion geschätzt wird, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Der Koeffizient des inversen Transferfunktionsmodells 33 umfasst die geschätzte Trägheit Jm und die geschätzte Reibung Cf. Die geschätzte Reibung Cf besteht aus der geschätzten viskosen Reibung C1 und der geschätzten Coulomb-Reibung C3.
5 ist ein Schaubild, das den in 4 gezeigten Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion erläutert, der einen Koeffizient hm der später beschriebenen Gleichung (2) abschätzt, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann.
Das inverse Transferfunktionsmodell 33 berechnet den Stromstärkeschätzwert x(n) durch die folgende Gleichung: x(n) = Jm / Kt·T·(ω(n) – ω(n – 1)) + C1 / Kt·ω(n) + C3 / Kt·sign(ω(n)) (1) wobei ist:
Jm die geschätzte Trägheit, Kt die Drehmomentkonstante des Motors, T der Erfassungszeitraum, C1 die geschätzte viskose Reibung C3 die geschätzte Coulomb-Reibung, sign ein Signum, ω(n) der aktuell erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, ω(n – 1) der zuvor erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, x(n) der Stromstärkeschätzwert, und n = 1, 2, 3 ...
Das Signum ist einer der Werte von +1, 0 und –1.
Wie durch Gleichung (1) gezeigt wird das erfindungsgemäße inverse Transferfunktionsmodell 33 durch einen Trägheitsterm, einen Term der viskosen Reibung, und einen Coulomb-Reibungsterm geformt. Die Beziehung zwischen der Reibungseigenschaft der viskosen Reibung, der Coulomb-Reibung und der Geschwindigkeit ist wie in der 6 gezeigt.
Hier wird die Gleichung (1) zur Vereinfachung der Schreibweise in die folgende Gleichung umgeschrieben: x(n) = h₀·ν₀(n) + h₁·ν₁(n) + h₂·ν₂(n) (2) wobei ist:
h0 = Jm/Kt/T, h1 = C1/Kt, h2 = C3/Kt, ν0(n) = ω(n) – ω(n – 1), ν1(n) = ω(n), 2(n) = sign(ω(n)), und n = 1, 2, 3 ...
Bei der vorliegenden Erfindung können die geschätzte Trägheit Jm und die geschätzte Reibung Cf zur tatsächlichen Trägheit Jms und zur tatsächlichen Reibung Cfs konvergieren, selbst wenn Anfangswerte (h0, h1 h2) der geschätzten Trägheit Jm und der geschätzten Reibung Cf (C1, C3) von Null oder einem geeigneten Wert geschätzt werden. Die zuvor geschätzten und bestimmten Daten sollten üblicherweise gespeichert und als Anfangswert eingestellt werden. Die Gleichung, die die Koeffizienten h0(n), h1(n) und h2(n) der Gleichung (2) aktualisiert, wird durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) ausgedrückt. Die Koeffizienten h0(n), h1(n), und h2(n) werden in jedem Erfassungszeitraum aktualisiert. Der Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion schätzt den Koeffizienten hm(n) von Gleichung (2) des inversen Transferfunktionsmodells 33, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Man beachte, dass m = 0, 1, 2. m = 0 ist die Trägheit, m = 1 ist die viskose Reibung, und m = 2 ist die Coulomb-Reibung. h_m(n) = h_m(n – 1) + μ_m(n)·e(n)·ν_m(n) (3) wobei e(n) der geschätzte Fehler ist, und n = 1, 2, 3 ...
wobei ηm (m = 0, 1, 2) die Konstante ist, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt, und n = 1, 2, 3 ...
7 ist ein Fließschema des Verfahrens zum Abschätzen von Trägheit und Reibung des Servosteuerabschnitts 10, einschließlich des Abschnitts 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung. Dies wird nachstehend anhand der einzelnen Schritte beschrieben.
[Schritt S1] Der Betrieb der Startbefehlsbereitschaft des Schätzverfahrens des Abschnitts 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung wird ausgeführt. Das Start-Timing des Verfahrens von Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung kann zuvor vom Operator an der oberen Steuervorrichtung 20 gemäß der Verarbeitungsschritte als einer der Vorgänge der entsprechenden Abschnitte eingestellt werden. Alternativ kann die obere Steuervorrichtung 20 das Timing automatisch beurteilen, bei dem die tatsächliche Trägheit Jms des angetriebenen Körpers 4 durch das Anbringen und das Demontieren des Werkstücks geändert wird, so dass der Startbefehl des Verarbeitungsabschnitts 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ausgegeben wird.
[Schritt S2] Wird das Startsignal eingegeben, gibt der Abschnitt 40 zur Erzeugung eines Sinuswellenbefehls einen Sinuswellenbefehl mit einer vorbestimmten Frequenz (beispielsweise 10 Hz) aus. Der ausgegebene Sinuswellenbefehl wird zum Drehmomentbefehl addiert, der von dem Geschwindigkeitssteuerabschnitt 12 ausgegeben wird. Der Geschwindigkeitssteuerabschnitt 12 wird vorzugsweise so gesteuert, dass der feste Drehmomentbefehl ausgegeben wird, der die Abweichung der Schätzgenauigkeit reduzieren kann, wobei das Verfahren zum Abschätzen von Trägheit und Reibung immer gleich bleibt.
[Schritt S3] Der Anfangswert des Koeffizienten des inversen Transferfunktionsmodells 33 wird gelesen.
[Schritt S4] Der Feedback (FB) des Geschwindigkeits-Feedbackwertes ω(0) wird abgerufen.
[Schritt S5] Der Index n wird auf 1 gestellt.
[Schritt S6] Das Stromstärke-Feedbacksignal und das Geschwindigkeits-Feedbacksignal werden als Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB und Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB von dem Abschnitt 31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks bzw. Abschnitt 32 zum Erfassen des Geschwindigkeits-Feedbacks in dem festgelegten Erfassungszeitraum T abgerufen.
[Schritt S7] Der Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB wird zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts x(n) auf der Basis des inversen Transferfunktionsmodells 33 verwendet.
[Schritt S8] Der geschätzte Fehler e(n) wird aus dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB und dem Stromstärkeschätzwert x(n) berechnet.
[Schritt S9] Es wird beurteilt, ob der in Schritt S8 geschätzte Fehler e(n) innerhalb eines festgelegten Bereichs ist. Ist der geschätzte Fehler e(n) innerhalb des festgelegten Bereichs, läuft die Verarbeitung weiter bei Schritt S12. Ist der geschätzte Fehler e(n) nicht innerhalb des festgelegten Bereichs, läuft die Verarbeitung weiter bei Schritt S10. Die Tatsache, dass der geschätzte Fehler e(n) innerhalb des festgelegten Bereichs ist, bedeutet, dass die geschätzte Trägheit Jm, die geschätzte viskose Reibung C1 und die geschätzte Coulomb-Reibung C3 zu den wahren Werte konvergieren.
[Schritt S10] Der Wert von Index n wird um 1 erhöht.
[Schritt S11] Der geschätzte Fehler e(n) und der Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB werden zum Schätzen von Trägheit und Reibung durch die Berechnung der inversen Transferfunktions-Abschätzung des Abschnitts 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion verwendet. Die Verarbeitung läuft zur Weiterführung des Verfahrens weiter bei Schritt S6.
[Schritt S12] Die geschätzte Trägheit Jm wird an die obere Steuervorrichtung 20 ausgegeben, so dass das Verfahren beendet wird.
Beim Empfangen der geschätzten Trägheit Jm vom Abschnitt 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung kann die obere Steuervorrichtung 20 die Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitkonstante und die optimale Geschwindigkeitsverstärkung berechnen. Die berechnete Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitkonstante wird als Zeit der Befehlsberechnung der oberen Steuervorrichtung 20 verwendet. Die Daten der optimalen Geschwindigkeitsverstärkung werden an die Servosteuervorrichtung 10 übermittelt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung wird der Sinuswellenbefehlsausgang vom Abschnitt 40 zum Erzeugen eines Sinuswellenbefehls so verwendet, dass der Arbeitsbereich verkleinert werden kann, und bei jeder Erfassung wird das Verfahren zum nachfolgenden Aktualisieren der geschätzten Trägheit Jm und der geschätzten Reibung Cf (C1, C3), aber nicht das Verfahren der kleinsten Quadrate verwendet. Die Daten, die für eine festgelegte Zeit erfasst wurden, brauchen nicht kumuliert zu werden. Es werden nur die Daten des Koeffizienten von mindestens dem inversen Transferfunktionsmodell 33, die in dem vorhergehenden Erfassungszeitraum berechnet wurden, gespeichert, so dass demnach kein großer Datenspeicher nötig ist. Zudem können die geschätzte Coulomb-Reibung C3, sowie die geschätzte viskose Reibung C1 gleichzeitig abgeschätzt werden.
Wie oben beschrieben wird das Verfahren zum Abschätzen der Coulomb-Reibung selbst zusammen mit Trägheit und viskoser Reibung verwendet. Der Einfluss der Coulomb-Reibung auf die Genauigkeit der geschätzten Trägheit Jm kann reduziert werden.
Es wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Abschätzen der Trägheit, viskoser Reibung und Coulomb-Reibung angewendet, mit der aufeinanderfolgenden Anwendung, bei der kein Fourier-Transformator, sondern ein inverses Transferfunktionsmodell zur Minimierung des geschätzten Fehlers verwendet wird. Die für eine festgelegte Zeit erfassten Daten brauchen nicht kumuliert zu werden. Demnach entfällt ein großer Datenspeicher.
Das Problem, das bei der Differenzierung durch Differenzberechnung in einem diskreten System verursacht wird, wird beschrieben.
Die 8 ist ein Schaubild zur Erläuterung der Verzögerung durch Differenzberechnung in einem Fall, bei dem das Geschwindigkeits-Feedbacksignal erfasst wird. Der Differentialwert am n-ten Erfassungspunkt auf einer Kurve 100, die das Geschwindigkeits-Feedbacksignal ω(t) anzeigt, hat die Steigung eines Liniensegments 102. Erfolgt jedoch die Differenzierung durch Differenzberechnung in dem diskreten System, ist der Differentialwert die Steigung eines Liniensegments 104 durch Bestimmen der Steigung aus der Differenz zwischen den n – 1 und n-ten Probenpunkten.
Bei dem inversen Transferfunktionsmodell 33 umfasst der Trägheitsterm wie durch Gleichung (1) gezeigt die Differenzberechnung einer Geschwindigkeit ω(100). Da der Trägheitsterm von Gleichung (1) dominant ist, wird der als Differenz zwischen dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB und dem Stromstärkeschätzwert x(n) bestimmte geschätzte Fehler e(n) so korrigiert, dass sich die Differenz zwischen dem Berechnungsausgang des Trägheitsterms und dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB verringert.
Zur Korrektur der Differenz zwischen der Steigung des Liniensegmentes 102 und der Steigung des Liniensegmentes 104 wird das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert. Ist beispielsweise der Erfassungszeitraum T 1 msec, ist die verzögerte Zeit 0,5 msec. Wie durch das Bezugszeichen 106 angegeben, ist die Steigung der Geschwindigkeit ω(100) an Punkt 108, bei dem das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert wird, im Wesentlichen das Liniensegment 104. Mit anderen Worten sollte der Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB beim Berechnen des geschätzten Fehler e(n) von dem Stromstärke-Feedbacksignal erfasst werden, das auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert ist.
Die 9 ist ein Schaubild zum Erläutern einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit einer Einrichtung zum Verzögern des Stromstärke-Feedbacksignals i(t) auf die Hälfte des Erfassungszeitraums, so dass das Stromstärke-Feedbacksignal i(t) in jedem Erfassungszeitraum ermittelt wird. Das Stromstärke-Feedbacksignal i(t) gelangt durch die Verzögerungseinrichtung 35, wird auf die Hälfte des Erfassungszeitraum T verzögert und wird in den Abschnitt 31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks eingegeben.
Wird eine feste Kraft auf den angetriebenen Körper 4 ausgeübt, muss eine Drehmomentabweichung, wie im Falle einer Gravitationsachse, beseitigt werden. Wie in 10 gezeigt gelangt der Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB durch einen Hochpassfilter 36, und dort wird der Einfluss der Drehmomentabweichung beseitigt und die Schätzgenauigkeit verbessert. Der Hochpassfilter 36 muss eine so niedrige Frequenzbandbreite aufweisen, dass er die Frequenz des Sinuswellenbefehlseingangs zum Zeitpunkt der Abschätzung nicht beeinflusst. Durch Einsatz des Hochpassfilters 36 lässt sich der Einfluss der Drehmomentabweichung durch einfache Berechnung beseitigen.
Da erfindungsgemäß die für einen festgelegten Zeitraum erfassten Daten nicht kumuliert werden müssen, bedarf es keines großen Datenspeichers. Wird wie später beschrieben ein M-Sequenzbefehl anstelle der Sinuswellenbefehlseingabe zur Abschätzzeit eingegeben, wird der Hochpassfilter 36 verwendet, so dass die Drehmomentabweichung keinen Einfluss mehr hat.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Sinuswellenbefehl verwendet. Bei der Sinuswelleneingabe mit einer einzelnen Frequenz muss die optimale Frequenz nicht ermittelt werden, da es eine optimale Frequenz für die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit der Schätzwerte von Trägheit und Reibung gibt. Da die Suche entfällt, wird der M-Sequenzbefehl verwendet.
Die 11 ist ein Schaubild zur Erläuterung einer Ausführungsform mit dem M-Sequenzbefehl anstelle des Sinuswellenbefehls.
Ein Abschnitt 41 zum Erzeugen eines M-Sequenzbefehls beginnt die Ausgabe des M-Sequenzbefehls durch den Befehl von der oberen Steuervorrichtung 20. Die M-Sequenzbefehlsausgabe vom Abschnitt 41 zum Erzeugen des M-Sequenzbefehls wird über den Tiefpassfilter 42 zum Drehmomentbefehl addiert.
Der M-Sequenzbefehl umfasst statistische Signale von 0 und 1. Zur Vermeidung einer abrupten Änderung des Befehls gelangt der M-Sequenzbefehl durch den Tiefpassfilter 42, wo der Hochfrequenzbereich entfernt wird, so dass der Drehmomentbefehl nicht mehr eingeschränkt wird.
Der M-Sequenzbefehl wird vorteilhafterweise zum Zeitpunkt der Abschätzung verwendet, da die M-Sequenz ein Signal ist, das eine große Anzahl von Frequenzkomponenten enthält. Im Falle der Sinuswelleneingabe mit einer einzelnen Frequenz besteht eine optimale Frequenz für die Konvergierungsgeschwindigkeit und Genauigkeit der geschätzten Werte. Wird jedoch der M-Sequenzbefehl verwendet, können die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit der geschätzten Werte nahe dem Optimum erhalten werden, ohne dass man nach der optimalen Frequenz suchen muss.
Es wird ein Überblick über die M-Sequenz beschrieben. Der Eingang zur Identifikation ist erforderlich, um viele Modi ihres Ziels anzuregen, so dass ein Eingangssignal viele Frequenzkomponenten aufweisen muss. Weißrauschen erfüllt zwar als vollständiges statistisches Signal diese Bedingung, kann dieses jedoch nicht realisieren. Stattdessen wird ein pseudostatistisches Signal, das auf der Basis einer bestimmten Regel erzeugt wird, verwendet. Eines dieser pseudostatistischen Signale, die am häufigsten verwendet werden, ist die M-Sequenz mit nur einem binären Wert.
Das Schieberegister wird so getaktet, dass eine Anzahl von Phasen den M-Sequenzbefehl abruft, so dass das pseudostatistische Signal regelmäßig erzeugt wird. Seine Natur wurde eingehend untersucht und ist bekannt und ist innerhalb des vom Schieberegister bestimmten Zeitraums zufällig.
Die in der oben genannten JP-A Nr. 2000-172341 offenbarte Technik offenbart die Abschätzung der Trägheit mittels M-Sequenz. Der Abschätzungsalgorithmus unterscheidet sich von einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung und führt keine Reibungsabschätzung durch.
Die 12A bis 12D sind Schaubilder, die dabei helfen, die Verbesserung der Abschätzgenauigkeit und Abschätzgeschwindigkeit mittels M-Sequenzbefehl als Geschwindigkeitseingang zum Abschätzen in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zu erläutern.
Die 12D zeigt die Konvergierungszeit und die Genauigkeit des Abschätzkoeffizienten, wenn der Reibungskoeffizient mit dem Sinuswellensignal mit einer einzelnen Frequenz geschätzt wird. Mit dieser Abschätzung lässt sich herausfinden, dass die Konvergierungszeit im Frequenzbereich bei hoher Genauigkeit lang ist und die Genauigkeit im Frequenzbereich, bei dem die Konvergierungszeit kurz ist, gesenkt wird.
Die 12A bis 12C sind Schaubilder, die die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt des Sinuswelleneingangs und die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt des M-Sequenzeingangs vergleichen, so dass man die Auswirkung des M-Sequenzeingangs beobachtet. Die Sinuswelle ist eine Eingabe, deren Amplitude 17 rad/s und deren Frequenz 5 Hz beträgt, wohingegen die M-Sequenz eine Eingabe mit der gleichen Amplitude wie die Sinuswelle, einem Takt von 100 msec und einem charakteristischen Polynom 10. Ordnung = x¹⁰ + x³ + 1 ist. Die 12A zeigt den Fall des Sinuswellenbefehls, in dem die Coulomb-Reibung C3 allmählich zu dem theoretischen Wert der Coulomb-Reibung konvergiert. Wie in der 12B gezeigt, konvergiert die Coulomb-Reibung bei dem M-Sequenzbefehl abrupt zum theoretischen Wert. Die 12C zeigt die Reibungseigenschaft, die bei Eingabe der M-Sequenzbefehl erhalten wird. Wie in der 12C gezeigt, stimmen die Reibungseigenschaft und die Abschätzungsreibungseigenschaft des Steuerziels im Wesentlichen überein.
Mit der geschätzten Trägheit Jm und der geschätzten Reibung Cf, die durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung bestimmt werden, kann ein Störmelder zum Bestimmen des Verarbeitungs-Störmoments zum Zeitpunkt der Verarbeitung konfiguriert werden. Dies wird anhand von der 13 beschrieben. Ein Selektorschalter 37 ist an die Seite des Abschnitts 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion (Kontakt 37a) angeschlossen, so dass man Trägheit und Reibung genau dann abschätzt, wenn keine Störung vorliegt.
Wie in der 13 gezeigt, werden der Abschnitt 34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion und der Abschnitt 40 zum Erzeugen des Sinuswellendrehmomentbefehls oder der Abschnitt 41 zum Erzeugen des M-Sequenzbefehls angehalten, der Selektorschalter 37 wird auf die Seite von Korrekturverstärkung Kd (Kontakt 37b) umgeschaltet, und das Störmoment zum Zeitpunkt der Verarbeitung kann als geschätzter Fehler e(n) geschätzt werden. Der geschätzte Fehler e(n), der ein geschätztes Störmoment ist, wird zur Korrektur des Drehmomentbefehls vom Geschwindigkeitssteuerabschnitt 12 verwendet, so dass der Einfluss der Verarbeitungsstörung reduziert werden kann und so eine äußerst genaue Verarbeitung ermöglicht wird. Das Ausmaß der Korrektur des Drehmomentbefehls vom Geschwindigkeitssteuerabschnitt 12 wird durch die Korrekturverstärkung Kd justiert.
Beim direkten Antreiben des angetriebenen Körpers durch den Elektromotor hat die vorliegende Erfindung den Vorteil der Verbesserung der Verarbeitungsgenauigkeit und Optimierung der Beschleunigungs- bzw. Abbrems-Zeitkonstanten und Geschwindigkeitsverstärkung durch Abschätzen von Trägheit und Reibung des Steuerziels, das sich gemäß der Änderung der Art des befestigten und losgelösten Werkstück ändert, wobei das Abschätzergebnis zum Abschätzen der Verarbeitungsstörung verwendet wird, und diese Verarbeitungsstörung reduziert wird, so dass die Verarbeitungsgenauigkeit verbessert wird.
Der Geschwindigkeits-Feedbackwert zum Geschwindigkeitssteuerabschnitt 12 und der Stromstärke-Feedbackwert zum Abschnitt 13 zum Steuern des elektrischen Stroms können von den entsprechenden Erfassungseinrichtungen des Abschnitts 30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung gemeinsam verwendet werden. Die Verzögerungseinrichtung 35 und der Hochpassfilter 36 können durch einen Digitalfilter konfiguriert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 8-140386 A [0004, 0012]
JP 8-15058 A [0005, 0013]
JP 8-249031 A [0007, 0014, 0015]
JP 2006-074896 A [0008, 0015]
JP 2007-295678 A [0009, 0016]
JP 2000-172341 A [0010, 0100]
JP 2008-320088 [0017]

Claims

Steuervorrichtung zum Steuern eines Elektromotors, der eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine antreibt, umfassend: eine Sinuswellenbefehlseinrichtung, die einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl oder einem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Stromstärke-Feedbackwerts, die ein Stromstärke-Feedbacksignal eines in dem Elektromotor fließenden elektrischen Stroms als Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Geschwindigkeits-Feedbackwerts, die ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal der Geschwindigkeit des Elektromotors als Geschwindigkeits-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts, die einen Stromstärkeschätzwert aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und der geschätzten Trägheit und geschätzten Reibungskraft der Antriebswelle berechnet; eine Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers, die den geschätzten Fehler aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet; und eine Aktualisierungseinrichtung, die die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung der Antriebswelle mit dem in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem geschätzten Fehler aktualisiert, wobei Trägheit und Reibung gleichzeitig abgeschätzt werden.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts umfasst: eine Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz, die die Differenz zwischen einem aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert und einem zuvor erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert des in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbacks berechnet; eine erste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten Trägheit berechnet; eine zweite Recheneinrichtung, die das Produkt des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten viskosen Reibung berechnet; und eine dritte Recheneinrichtung, die das Produkt der Polarität des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbacks und der geschätzten Coulomb-Reibung berechnet, wobei die von der ersten, zweiten und dritten Recheneinrichtung bestimmten Werte zum Berechnen der Stromstärkeschätzwerts verwendet werden.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts den Stromstärkeschätzwert mit der folgenden Gleichung berechnet: x(n) = Jm / Kt·T·(ω(n) – ω(n – 1)) + C1 / Kt·ω(n) + C3 / Kt·sign(ω(n)) wobei ist: Jm die geschätzte Trägheit, Kt die Drehmomentkonstante des Motors, T der Erfassungszeitraum, C1 die geschätzte viskose Reibung, C3 die geschätzte Coulomb-Reibung, sign ein Signum, ω(n) der im aktuellen Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, ω(n – 1) der im vorhergehenden Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, x(n) der Stromstärkeschätzwert und n = 1, 2, 3 ...
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aktualisierungseinrichtung umfasst: eine Differenzberechnungseinrichtung, die die Differenz zwischen dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem im vorhergehenden Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert der in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerte berechnet; eine vierte Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Differenzberechnungseinrichtung berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ1 berechnet, die eine Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine fünfte Recheneinrichtung, die das Produkt aus dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ2 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine sechste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der Polarität des im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ3 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Trägheit, die das von der vierten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Trägheit addiert, so dass eine neue geschätzte Trägheit berechnet wird; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten viskosen Reibung, die das von der fünften Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten viskosen Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte viskose Reibung berechnet wird; und eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Coulomb-Reibung, die das von der sechsten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Coulomb-Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte Coulomb-Reibung berechnet wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei, wenn die Gleichung, mit der die geschätzte Stromstärke berechnet wird, umgeschrieben wird in die folgende Form: x(n) = h₀·ν₀(n) + h₁·ν₁(n) + h₂·ν₂(n) wobei ist: h0 = Jm/(Kt·T), h1 = C1/Kt, h2 = C3/Kt, ν0(n) = (ω(n) – ω(n – 1)), ν1(n) = ω(n) und ν2(n) = sign(ω(n)) die Aktualisierungseinrichtung die Koeffizienten h0, h1 und h2 in jedem Erfassungszeitraum durch die folgenden beiden Gleichungen aktualisieren kann: h_m(n) = h_m(n – 1) + μ_m(n)·e(n)·ν_m(n)
wobei e(n) der geschätzte Fehler ist, ηm die Konstante ist, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt, m = 0, 1, 2, und n = 1, 2, 3 ...
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einrichtung zum Gewinnen des Stromstärke-Feedbackwerts den Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum über eine Verzögerungseinrichtung erhält, die das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers den geschätzten Fehler berechnet, indem sie den Stromstärke-Feedbackwert durch einen Hochpassfilter leitet.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zudem umfassend anstelle der Sinuswellenbefehlseinrichtung eine M-Sequenzbefehlseinrichtung zum Erzeugen eines M-Sequenzbefehls und einen Tiefpassfilter, der den M-Sequenzbefehl von der M-Sequenzbefehlseinrichtung leitet, wobei der durch den Tiefpassfilter tretende M-Sequenzbefehl zu dem Drehmomentbefehl oder dem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert wird.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung zum Konfigurieren eines Störmelders verwendet werden, der das geschätzte Störmoment aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet, und wobei die Steuervorrichtung zudem umfasst: eine Einrichtung zum Multiplizieren mit der Korrekturverstärkung Kd, die das Ausmaß der Korrektur des geschätzten Störmoments einstellt; und eine Einrichtung zum Addieren des Ergebnisses zu dem Drehmomentbefehl.