DE102014003168B4

DE102014003168B4 - Steuereinrichtung für einen Servomotor

Info

Publication number: DE102014003168B4
Application number: DE102014003168.3A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ikai
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: CN104035378B; JP2014171360A; DE102014003168A1; US20140253010A1; JP5689491B2; US9257932B2; CN104035378A

Abstract

Steuereinrichtung (1) eines Servomotors (2) zum Antrieb einer Werkzeugmaschine, folgendes aufweisend:eine Stromregelkreis-Auswahleinheit (11) zum Auswählen eines ersten Stromregelkreises (21) oder eines zweiten Stromregelkreises (22) mit einer Ansprechgeschwindigkeit, die kleiner ist als die des ersten Regelkreises (21), als beim Steuern eines durch den Servomotor (2) fließenden Stromes zu verwendender Stromregelkreis auf Basis eines eingegebenen Strombefehlswertes:ein Filter (12), das ein Eingangssignal oder ein Ausgangssignal des mittels der Regelkreisauswahleinheit (11) ausgewählten ersten Stromregelkreises (21) oder des zweiten Stromregelkreises (22) entsprechend einem in einem vorgegebenen Frequenzbereich gesetzten Abschwächungsverhältnis abschwächt; undeine Filterabschwächungsverhältniseinstelleinheit (13), die als Abschwächungsverhältnis für das Filter 12 ein erstes Abschwächungsverhältnis einstellt wenn der erste Stromregelkreis (21) durch die Stromregelkreisauswahleinheit (11) ausgewählt ist, und ein zweites Abschwächungsverhältnis, das kleiner ist als das erste Abschwächungsverhältnis, wenn der zweite Stromregelkreis (22) ausgewählt ist, wobeiein in dem ersten Stromregelkreis (21) vorgesehener Kompensator ein PI-Kompensator (21C) ist, und ein in dem zweiten Stromregelkreis (22) vorgesehener Kompensator ein I-P-Kompensator (22C) ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen Servomotor, der als Antrieb für eine Werkzeugmaschine eingesetzt werden kann.
Zum Stand der Technik
Eine Steuereinrichtung zum Steuern und Antreiben eines Servomotors als Antriebsquelle für eine Werkzeugmaschine hat in der Regel drei Regelkreise, nämlich einen Stellungsregelkreis, einen Geschwindigkeitsregelkreis und einen Stromregelkreis.
7 ist ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus einer Steuereinrichtung für einen Servomotor. Im Folgenden werden in der Beschreibung und den Figuren funktionsgleiche oder funktionsähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In einem Stellungsregelkreis erzeugt eine Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit 131 einen Geschwindigkeitsbefehlswert auf Basis von Stellungsinformationen bezüglich eines Servomotors 2, welche durch eine Stellungsdetektoreinheit 142 detektiert werden, die auf dem Servomotor 2 montiert ist, und zwar aufgrund eines Positionsbefehls, der durch eine Positionsbefehlserzeugungseinheit (nicht gezeigt) erzeugt wird. In einem Geschwindigkeitsregelkreis erzeugt eine Strombefehlserzeugungseinheit 121 einen Strombefehlswert auf Basis von Geschwindigkeitsinformationen bezüglich des Servomotors 2, die durch eine Geschwindigkeitsdetektoreinheit 141 detektiert sind, welche auf dem Servomotor 2 montiert ist, und zwar auf Basis eines Geschwindigkeitsbefehlswertes, der durch die Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit 131 erzeugt wird. In einem Stromregelkreis wird ein Antriebsbefehl zum Antreiben eines Leistungswandlers 3 unter Verwendung eines Kompensators 111 erzeugt, und zwar auf Basis eines detektierten Wertes des Antriebsstromes des Servomotors 2 und auf Basis des Strombefehlswertes, der durch die Strombefehlserzeugungseinheit 121 erzeugt wird. Der Leistungswandler 3 ist ein Inverter, der eingerichtet ist, eine Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung zu wandeln mit Hilfe einer Schaltoperation eines Schaltelementes, beispielsweise im Leistungswandler 3. Der Leistungswandler 3 steuert die Umwandlung von Gleichstromleistung in Wechselstromleistung zum Antrieb des Servomotors 2 durch Steuerung eines Schaltvorganges eines Schaltelementes im Leistungswandler 3 entsprechend dem Empfang von Antriebsbefehlen. Der Servomotor 2 wird durch Wechselstromleistung betrieben, die vom Leistungswandler 3 bereitgestellt wird. Dementsprechend ermöglicht eine Steuerung der vom Leistungswandler 3 abgegebenen Wechselstromleistung die Steuerung der Geschwindigkeit des Servomotors 2, des Drehmoments des Servomotors 2, oder der Position des Rotors. Eine bewegliche Einheit der Werkzeugmaschine wird durch Antrieb des Servomotors 2 angetrieben.
Als Kompensatoren zur Verwendung in Stromregelkreisen sind PI-Kompensatoren und I-P-Kompensatoren bekannt.
Ein PI-Kompensator hat den Vorteil kürzerer Anstiegszeiten im Vergleich zu einem I-P-Kompensator. Im Allgemeinen ermöglicht eine verkürzte Anstiegszeit in einem Stromregelkreis die Einstellung einer höheren Verstärkung in dem Geschwindigkeitsregelkreis ausgangsseitig des Stromregelkreises. Das Setzen einer höheren Verstärkung im Geschwindigkeitsregelkreis ermöglicht es, einen möglichen Fehler (Stellungsfehler) in Bezug auf den Positionsbefehlswert in der Werkzeugmaschine zu reduzieren. Die PI-Steuerung und die I-P-Steuerung haben die gleichen Oszillationsbegrenzungen. Werden deshalb bei einem PI-Kompensator und einem I-P-Kompensator die Verstärkungen im Stromregelkreis als im Wesentlichen gleich hinsichtlich ihrer Begrenzung angesetzt, dann kann eine PI-Steuerung mit größerer Geschwindigkeit durchgeführt werden und ein Positionsfehler bei der PI-Steuerung kann im Vergleich zur I-P-Steuerung reduziert werden. Dementsprechend fördert der Einsatz eines PI-Kompensators in einem Stromregelkreis die Schneidgenauigkeit bei einer Werkzeugmaschine.
Andererseits hat ein I-P-Kompensator, im Vergleich zu einem PI-Kompensator, den Vorteil eines reduzierten „Überschießens“ (Überschwingens) der Werkzeugmaschine. Deshalb ermöglicht der Einsatz eines I-P-Kompensators in dem Stromregelkreis eine stabilere Positionierung mit einem reduzierten Überschießen bei einer Werkzeugmaschine.
Beispielsweise wird in der JP 3 628 199 B2 eine Technik beschrieben, die sowohl das Ansprechverhalten als auch die Stabilität bei einer Servomotorsteuerung verbessert, und zwar durch passenden Einsatz eines PI-Kompensators und eines I-P-Kompensators als Kompensator in einem Stromregelkreis unter Berücksichtigung der oben erwähnten Charakteristika eines PI-Kompensators und eines I-P-Kompensators. Gemäß der Beschreibung der JP 3 628 199 B2 werden Verstärkungswerte in einer Stromregelschleife und einer Geschwindigkeitsregelschleife wie erforderlich eingestellt unter Verwendung jeweils eines I-P-Kompensators bei Bewegung (nicht-stationärem Betrieb), wie Schnelllaufbetrieb, und eines PI-Kompensators bei Arbeitsbetrieb, wie Schneiden oder Vorschubbetrieb, jeweils als Kompensator in einer Stromregelschleife. Im Einzelnen: die Sicherung einer hohen Verstärkung durch Einsatz eines PI-Kompensators bei Ortsbetrieb ermöglicht eine Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Stromregelkreises und auch eine Verbesserung des Ansprechverhaltens bei der Geschwindigkeitssteuerung und der Stellungssteuerung um so auch die Schneidpräzision der Werkzeugmaschine zu verbessern, nämlich insgesamt durch Verbesserung der Steuerung. Andererseits ermöglicht der Einsatz einer geringen Verstärkung bei Verwendung eines I-P-Kompensators in der nicht ortsgebundenen (non-locus) Steuerung eines Stabilisierung der Steuerung.
Gemäß der JP 3 628 199 B2 werden nur die Kompensatoren geschaltet in Abhängigkeit davon, ob der Servomotor im ortsgebundenen (in locus) Steuerungszustand oder im nicht ortsgebundenem (non-locus) Steuerungszustand ist. Wenn dort beispielsweise der Antriebszustand des Servomotors von dem nicht ortsgebundenen (non-locus) Steuerzustand umgeschaltet wird in den ortsgebundenen (locus) Steuerzustand, wird der im Stromregelkreis verwendete Kompensator von einem I-P-Kompensator in einen PI-Kompensator umgeschaltet. Obwohl dann die Empfindlichkeit des Stromregelkreises ansteigt, steigt in einem Hochfrequenzbereich die Verstärkung an einen mechanischen Resonanzpunkt. Insbesondere gilt, dass dann, wenn ein PI-Kompensator in einem Stromregelkreis eingesetzt wird, die Verstärkung im hochfrequenten Bereich ansteigt im Vergleich zu einer Anordnung mit einem I-P-Kompensator. Deshalb können Vibrationen, die bei Verwendung eines I-P-Kompensators erzeugt werden, nicht erzeugt werden, wenn ein PI-Kompensator verwendet wird.
Bei der JP 3 628 199 B2 geht es darum, die Steuerungsgenauigkeit durch Verwendung eines PI-Kompensators bei ortsgebundenem Steuerzustand zu erhöhen und so die Verarbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine zu verbessern, wobei jedoch die Reaktionscharakteristiken in hohen Frequenzbereichen unberücksichtigt bleiben und keine Maßnahmen ergriffen werden zur Vermeidung von Resonanzen bei Verwendung eines PI-Kompensators in dem Stromregelkreis im ortsgebundenen Steuerzustand. Mit anderen Worten: Beim Gegenstand der JP 3 628 199 B2 wurde anscheinend vorausgesetzt, dass eine Maschine keinen mechanischen Resonanzpunkt hat. Tatsächlich aber hat ein elastischer Körper mit Masse eine natürliche Frequenz. Es gibt deshalb keine Maschine ohne einen mechanischen Resonanzpunkt.
Die obige Analyse, insbesondere der JP 3 628 199 B2 , lässt sich dahingehend kurz fassen, dass zwar der Einsatz eines PI-Kompensators in einem Stromregelkreis das Reaktionsvermögen und damit die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine deutlich verbessert, jedoch die Stabilität der Steuerung der Werkzeugmaschine gestört sein kann.
Die DE 10 2004 050 903 A1 setzt sich zum Ziel, die Dämpfung von Eigenfrequenzen bei Antriebsregelungen zu verbessern oder das dynamische Verhalten durch Polvorgabe gezielt zu beeinflussen. Dies wird erreicht durch ein Verfahren zum Inbetriebnehmen eines geregelten Antriebs durch Erstellen eines Streckenmodells, das das Frequenzverhalten einer Strecke wiedergibt, in die der Antrieb integriert ist, und Implementieren eines Regelalgorithmus auf der Basis des Streckenmodells, wobei das Streckenmodell parametrisch ist und mindestens einer der Parameter des Streckenmodells verändert wird. Dabei werden die Pole des geregelten Systems kontinuierlich in einen Bereich höherer Dämpfung verschoben.
Die EP 2 469 704 A2 und die EP 2 434 487 A1 beschreiben eine Motorantriebsschaltung mit einer Filterschaltung. Die Filterschaltung ist dazu konfiguriert, ein Frequenzband eines Soll-Stromsignals abzuschwächen, das eine Resonanzfrequenz eines Aktuators beinhaltet. Das Soll-Stromsignal entspricht einem digitalen Signal, das einen Sollwert eines Antriebsstroms angibt, der einem Schwingspulenmotor zum Antrieb des Aktuators zugeführt wird. Die Filterschaltung beinhaltet ein digitales Notch-Filter zum Abschwächen eines Frequenzbandes, das die Resonanzfrequenz enthält, und ein digitales Tiefpassfilter, um ein Frequenzband abzuschwächen, das größer oder gleich einer vorbestimmten Frequenz ist. In der EP 2 469 704 A2 ist die vorbestimmte Frequenz kleiner als die Resonanzfrequenz und das digitale Tiefpassfilter und das digitale Notch-Filter sind in Reihe geschaltet. In der EP 2 434 487 A1 ist der Eingang des digitalen Tiefpassfilters mit dem Ausgang des digitalen Notch-Filters gekoppelt und das digitale Tiefpassfilter weist eine höhere Abtastrate als das digitale Notch-Filter auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in Patentanspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In Betracht der obigen Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Steuereinrichtung für einen Servomotor bereitzustellen, die es möglich macht, die Reaktionsschnelligkeit der Steuerung zu verbessern und die Stabilität bei der Steuerung zu sichern.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Steuereinrichtung für den Servomotor zum Antreiben einer Werkzeugmaschine bereitgestellt mit einer Auswahleinheit für den Stromregelkreis, die eingerichtet ist, einen ersten Stromregelkreis oder einen zweiten Stromregelkreis mit einer geringen Ansprechgeschwindigkeit als die des ersten Stromregelkreises auszuwählen, wobei der ausgewählte Stromregelkreis dazu dient, den durch den Servomotor fließenden Strom in Abhängigkeit von einem eingegebenen Strombefehlswert zu steuern; mit weiterhin einem Filter, das eingerichtet ist, ein Eingangssignal oder ein Ausgangssignal des ersten oder des zweiten Stromregelkreises, der durch die Stromregelkreis-Auswahleinheit ausgewählt ist, entsprechend einem gesetzten Abschwächungsverhältnis in einem spezifizierten Frequenzbereich abzuschwächen; und mit einer Setz- oder Einstelleinheit bezüglich eines Filter-Abschwächungsverhältnisses, um als Abschwächungsverhältnis für das Filter ein erstes Abschwächungsverhältnis einzustellen wenn der erste Stromregelkreis durch die Stromregelkreis-Auswahleinheit ausgewählt ist, und ein zweites Abschwächungsverhältnis, das kleiner ist als das erste Abschwächungsverhältnis, wenn der zweite Stromregelkreis ausgewählt ist.
Bei einer solchen Anordnung ist der in dem ersten Stromregelkreis vorgesehene Kompensator ein PI-Kompensator und ein in dem zweiten Stromregelkreis vorgesehener Kompensator ist ein I-P-Kompensator.
Weiterhin kann der Verstärkungsfaktor beim ersten Stromregelkreis auf einen Wert eingestellt sein, der größer ist als der Verstärkungsfaktor beim zweiten Stromregelkreis.
Das erste Abschwächungsverhältnis und das zweite Abschwächungsverhältnis können so gesetzt werden, dass eine Verstärkung, die erhalten wird aus einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal eines Schaltkreises, der den ersten Stromregelkreis und das Filter mit dem ersten Abschwächungsverhältnis aufweist, und eine Verstärkung, die erhalten wird aus einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal eines Schaltkreises, der den zweiten Stromregelkreis und das Filter mit dem zweiten Abschwächungsverhältnis aufweist, in einem spezifizierten Frequenzbereich im Wesentlichen einander gleich sind.
Die Steuereinrichtung für den Servomotor kann weiterhin mit einer Einheit zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsbefehls ausgerüstet sein zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsbefehlswertes für den Servomotor, einer Geschwindigkeitsdetektoreinheit, die eine Geschwindigkeitsinformation bezüglich des Servomotors detektiert; und eine Strombefehlserzeugungseinheit, die den Strombefehlswert erzeugt auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes, der mittels der Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit erzeugt ist und auf Basis von Geschwindigkeitsinformationen, die mittels der Geschwindigkeitsdetektoreinheit detektiert sind.
Weiterhin kann die Steuereinheit für den Servomotor eine Positionsbefehlserzeugungseinheit aufweisen zum Erzeugen eines Positionsbefehlswertes des Servomotors; und eine Positionsdetektoreinheit zum Detektieren von Positionsinformationen bezüglich des Servomotors. Bei dieser Anordnung kann die Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit dem Geschwindigkeitsbefehlswert basierend auf dem Positionsbefehlswert, wie er durch die Positionsbefehlserzeugungseinheit erzeugt ist und basierend auf der Positionsinformation, die durch die Positionsdetektoreinheit detektiert wurde, erzeugen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert mit Blick auf die nachfolgenden Figuren:

1 ist ein Blockdiagramm zur grundsätzlichen Erläuterung einer Stromsteuereinheit in einer Steuereinheit für einen Servomotor;
2 ist ein Blockdiagramm, das schematisch einen Aufbau der Steuereinrichtung für einen Servomotor zeigt;
3 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles, bei dem der Servomotor unter Verwendung eines ersten Stromregelkreises mit einem PI-Kompensator gesteuert und angetrieben wird;
4 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles, bei dem der Servomotor unter Verwendung eine zweiten Stromregelkreises mit einem I-P-Kompensator gesteuert und angetrieben wird;
5 ist ein Verstärkungsdiagramm zur Darstellung eines Unterschiedes der Frequenz-Charakteristiken zwischen einem PI-Kompensator und einem I-P-Kompensator;
6 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Steuereinrichtung für den Servomotor; und
7 ist ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung eines Aufbaus einer allgemeinen Steuereinrichtung für einen Servomotor.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Einzelnen
Im Folgenden wird eine Steuereinrichtung für einen Servomotor mit Blick auf die Figuren beschrieben. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die Figuren und die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
1 ist ein Blockdiagramm eines Stromregelkreises in einer Steuereinrichtung für einen Servomotor. 2 ist ein ebenfalls schematisches Blockdiagramm des Aufbaus einer Steuereinrichtung für einen Servomotor.
Wie 2 zeigt, ist eine Steuereinrichtung 1 für einen Servomotor 2 zum Antrieb einer Werkzeugmaschine mit Folgendem ausgestattet: Einer Stromsteuereinheit 10, einer Strombefehlserzeugungseinheit 121 und einer Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit 131. Die Steuereinrichtung 1 ist eingerichtet, einen Antriebsbefehls zum Steuern und Antreiben eines Leistungswandlers 3 zu erzeugen, sodass der Leistungswandler 3 einen Wechselstrom als Antriebsleistung für den Servomotor 2 abgibt. Der Leistungswandler 3 ist beispielsweise ein Inverter, der Gleichstrom in Wechselstrom wandelt durch Umschalten eines Schaltelementes im Leistungswandler 3. Der Leistungswandler 3 steuert die Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom zum Antreiben des Servomotors 2 durch Steuerung eines Schaltvorganges des Schaltelementes im Leistungswandler entsprechend dem Empfang eines Antriebsbefehls. Der Servomotor 2 wird betrieben durch den vom Leistungswandler 3 abgegebenen Wechselstrom. Somit ermöglicht eine Steuerung des vom Leistungswandler 3 abgegebenen Wechselstroms die Steuerung und den Antrieb der Geschwindigkeit des Servomotors 2, des Drehmomentes des Servomotors 2, oder der Position eines Rotors. Eine bewegliche Einheit der Werkzeugmaschine wird durch Antrieb des Servomotors betätigt.
Die Steuereinrichtung 1 des Servomotors 2 ist mit einer Positionsbefehlserzeugungseinheit (nicht gezeigt) versehen, die eingerichtet ist, einen Positionsbefehlswert in Bezug auf einen Rotor des Servomotors zu erzeugen; sowie mit einer Positionsdetektoreinheit 142, die Positionsinformationen bezüglich des Servomotors 2 detektiert; einer Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit 131, die einen Geschwindigkeitsbefehlswert auf Basis des erzeugten Positionsbefehlswertes und der detektierten Positionsinformation erzeugt; eine Geschwindigkeitsdetektoreinheit 141, zum Detektieren einer Geschwindigkeitsinformation bezüglich des Servomotors 2; eine Strombefehlserzeugungseinheit 121 zum Erzeugen eines Strombefehlswertes auf Basis des erzeugten Geschwindigkeitsbefehlswertes und der detektierten Geschwindigkeitsinformation. Beispiele für die mittels der Geschwindigkeitsdetektoreinheit detektierten Geschwindigkeitsinformation sind eine Rotationsgeschwindigkeit und eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Servomotors 2. Beispiele für durch die Positionsdetektoreinheit 142 detektierte Positionsinformation sind ein Drehwinkel und eine Rotationsverschiebung des Rotors des Servomotors 2.
Wie 1 zeigt, ist die Stromsteuereinheit 10 mit einer Stromregelkreis-Auswahleinheit 11,einem Filter 12 und einer Einstelleinheit 13 für das Abschwächungsverhältnis des Filters versehen.
Die Stromregelkreisauswahleinheit 11 wählt einen ersten Stromregelkreis 21 oder einen zweiten Stromregelkreis 22 mit einer Ansprechgeschwindigkeit, die langsamer ist als die des ersten Stromregelkreises 21, für die Steuerung des durch den Servomotor 2 fließenden Stromes auf Basis eines eingegebenen Strombefehlswertes als Stromregelkreis aus. Die Stromregelkreisauswahleinheit 11 ist im Voraus ausgelegt, den ersten Stromregelkreis 21 mit einem PI-Kompensator 21C im lokalen (in locus) Steuerzustand, wie zum Beispiel Schneid- und Vorschubbetriebszuständen, oder den zweiten Stromregelkreis 22 mit einem I-P-Kompensator 22C im Positionierungsbetrieb (non-locus Steuerungsbetrieb) wie einem schnellen Vorwärtsantrieb, als Kompensator in einem Stromregelkreis auszuwählen. Der PI-Kompensator 21C hat den Vorteil einer höheren Steuerungsempfindlichkeit im Vergleich zu dem I-P-Kompensator 22C, wodurch die Präzision der Werkzeugmaschine, insbesondere beim Schneidvorgang, verbessert werden kann. Der I-P-Kompensator 22C hat andererseits den Vorteil, dass ein Überschwingen der Werkzeugmaschine im Vergleich zum PI-Kompensator 21C verringert ist. Deshalb wird der Stromregelkreis so ausgewählt, dass die Vorteile sowohl des PI-Kompensators 12C als auch des I-P-Kompensators 22C ausgenutzt werden.
Insbesondere werden ein Proportionalverfahren und ein Integralverfahren bei einem Geschwindigkeitsregelkreis mit relativ geringer integraler und proportionaler Verstärkung im nicht ortsgebundenen Betrieb, wie dem schnellen Vorschub, durchgeführt, während im ortsgebundenen Betriebszustand eine Geschwindigkeitsregelung durchgeführt wird mit relativ hoher integraler und proportionaler Verstärkung. Die Werte der jeweiligen Verstärkungen werden im Voraus in zum Beispiel einem RAM abgelegt. Die Stromsteuereinheit 10 ist eingerichtet, einen entsprechenden Verstärkungswert aus dem RAM auszulesen und entsprechend dem Betriebszustand zu setzen.
Das Filter 12 schwächt in einem jeweiligen Frequenzbereich entsprechend einem gesetzten Abschwächungsverhältnis ein Eingangs- oder ein Ausgangssignal des ersten Stromregelkreises 21 oder des zweiten Stromregelkreises 22, wie von der Stromregelkreisauswahleinheit 11 ausgewählt, ab. Wenn das Filter 12 in einer vorausgehenden Stufe des ersten Stromsteuerkreises 21 und des zweiten Stromsteuerkreises 22 angeordnet ist, schwächt es das Eingangssignal des ersten Stromregelkreises 21 oder des zweiten Stromregelkreises 22, wie dieser durch die Stromregelkreisauswahleinheit 11 ausgewählt ist, entsprechend dem eingestellten Abschwächungsverhältnis im gegebenen Frequenzbereich ab. Ist andererseits das Filter 12 in einer nachfolgenden Stufe des ersten Stromregelkreises 21 und des zweiten Stromregelkreises 22 angeordnet, schwächt es das Ausgangssignal des ersten Stromregelkreises 21 oder des zweiten Stromregelkreises 22, wie dieser durch die Stromregelkreisauswahleinheit 11 ausgewählt ist, entsprechend dem eingestellten Abschwächungsverhältnis in dem geltenden Frequenzbereich ab. Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Filter 12 in einer nachfolgenden Stufe des ersten Stromregelkreises 21 und des zweiten Stromregelkreises 22 angeordnet. Beispiele für das Filter 12 sind ein Band-Eliminationsfilter (Sperrfilter) und ein Durchlassfilter für tiefe Frequenzen (Tiefpassfilter).
Eine Filterabschwächungsverhältniseinstelleinheit 13 setzt als Abschwächungsverhältnis für das Filter 12 ein erstes Abschwächungsverhältnis wenn durch die Stromregelkreisauswahleinheit 11 der erste Stromregelkreis 21 ausgewählt ist, und setzt ein zweites Abschwächungsverhältnis, das kleiner ist als das erste Abschwächungsverhältnis, wenn der zweite Stromregelkreis 22 ausgewählt ist.
Nun wird das Setzen (Einstellen) eines Abschwächungsverhältnisses für das Filter 12 mittels der Filterabschwächungsverhältniseinstelleinheit 13 mit Blick auf ein Beispiel beschrieben, bei dem der Servomotor ein Synchronmotor ist.
Der im ersten Stromregelkreis 21 vorgesehene Kompensator ist ein PI-Kompensator 21C und der im zweiten Stromregelkreis 22 vorgesehener Kompensator ist ein I-P-Kompensator 22C. 3 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung des Falls, in dem der Servomotor unter Verwendung eines ersten Stromregelkreises mit einem PI-Kompensator gesteuert und angetrieben wird. 4 ist ein Blockdiagramm für den Fall, dass der Servomotor unter Verwendung eines zweiten Stromregelkreises mit einem I-P-Kompensator gesteuert und angetrieben wird.
Wie oben beschrieben ist, bewirkt der PI-Kompensator 21C eine kürzere Anstiegszeit im Vergleich zu dem I-P-Kompensator 22C, sodass der Servomotor 2 mit hoher Geschwindigkeit betreibbar ist.
Der PI-Kompensator 21C hat eine größere Verstärkung in einem höheren Frequenzbereich im Vergleich zu dem IP-Kompensator 22C. Deshalb wird die Stromregelkreisverstärkung des ersten Stromregelkreises 21 mit dem PI-Kompensator 21C auf einen größeren Wert eingestellt als die Stromregelkreisverstärkung des zweiten Stromregelkreises 22 mit dem IP-Kompensator 22C.
Die charakteristischen Daten des Servomotors 2 als Synchronmotor sind bestimmt durch einen Windungswiderstand R und eine Induktivität L, jeweils elektrische Konstanten.
3 zeigt den Fall, bei dem der Servomotor unter Verwendung des ersten Stromregelkreises 21 mit dem P-I-Kompensator 21C gesteuert und angetrieben wird, wobei die Übertragungsfunktion G_PI(S) vom Eingangssignal r zum Ausgangssignal Y durch die Formel (1) gegeben ist. In Formel (1) ist kp eine Proportionalverstärkung und K_i ist eine Integralverstärkung. $G_{P I} (s) = \frac{k_{p} s + k_{i}}{L s^{2} + (R + k_{p}) s + k_{i}} = \frac{(1 + s / ω_{0}) ω_{n}^{2}}{s^{2} + 2 ζ ω_{n} s + ω_{n}^{2}}$
wobei $ω_{n} \equiv \sqrt{\frac{k_{i}}{L}} ζ = \frac{R + k_{p}}{2 L} \sqrt{\frac{k_{i}}{L}} ω_{0} \equiv \frac{k_{i}}{k_{p}}$
Wird in Formel (1) s=j_ω gesetzt, ergibt sich Formel (2). $G_{P I} (j ω) = \frac{(1 + j ω_{n} / ω_{n}) ω_{n}^{2}}{- ω^{2} + 2 j ζ ω_{n} ω + ω_{n}^{2}} = \frac{(1 + j ω / ϖ_{n}) ω_{n}^{2}}{(ω_{n}^{2} - ω^{2}) + j 2 ζ ω_{n} ω} = \frac{(1 + j ω / ω_{n})}{(1 - ω^{2} / ω_{n}^{2}) + j 2 ζ ω / ω_{n}}$
Schreibt man Formel (2) mit normalisierter Winkelfrequenz η, ergibt sich Formel (3) $G_{P I} (j η) = \frac{1 + j η (ω_{n} / ω_{0})}{(1 - η^{2}) + j 2 ζ η}$
wobei die normalisierte Winkelfrequenz $η \equiv \frac{ω}{ω_{n}}$
Die Frequenzcharacteristika der Verstärkung bei PI-Steuerung ergeben sich aus Formel (4) durch Berechnung des Absolutwertes der Formel (3). Aus Formel (4) ergibt sich, dass die Charakteristika der PI-Steuerung nur durch die Konstanten ζ, ω_n, und ω₀ bestimmt sind. $| G_{P I} (j ω) | = \sqrt{\frac{1 + η^{2} {(ω_{n} / ω_{0})}^{2}}{{(1 - η^{2})}^{2} + {(2 ζ η)}^{2}}}$
Umwandlung der Formel (4) in Einheiten von Dezibel ergibt Formel (5). $20 log | G_{P I} (j η) | = 10 log [1 + η^{2} {(ω_{n} / ω_{0})}^{2}] - 10 log [{(1 - η^{2})}^{2} + {(2 ζ η)}^{2}] [d B]$
Andererseits illustriert 4 den Fall, in dem der Servomotor 2 unter Verwendung des zweiten Stromregelkreises 22 mit dem IP-Kompensator 22C gesteuert und angetrieben wird, wobei die Übertragungsfunktion G_I-P(S) vom Eingangssignal r zum Ausgangssignal Y sich aus Formel (6) ergibt. In Formel (6) ist K_p die Proportionalverstärkung und K_i ist die Integralverstärkung. $G_{I - P} (s) = \frac{k_{i}}{L s^{2} + (R + k_{p}) s + k_{i}} = \frac{ω_{n}^{2}}{s^{2} + ζ ω_{n} s + ω_{n}^{2}}$
Wird in Formel (6) S=jω gesetzt, ergibt sich Formel (7). $| G_{I - P} (j ω) | = \frac{ω_{n}}{- ω^{2} + 2 j ζ ω_{n} ω + ω_{n}^{2}} = \frac{ω_{n}}{(ω_{n}^{2} - ω^{2}) + j 2 ζ ω_{n} ω} = \frac{1}{(1 - ω^{2} / ω_{n}^{2}) + j 2 ζ ω / ω_{n}}$
Setzt man in Formel (7) die normalisierte Winkelfrequenz η, ergibt sich Formel (8). $G_{I - P} (j η) = \frac{1}{(1 - η^{2}) + j 2 ζ η}$
Die Frequenz-Charakteristika der Verstärkung in einer IP-Steuerung ergeben sich aus Formel (9) durch Berechnung des Absolutwertes der Formel (8). Aus Formel (9) ist deutlich, dass die Charakteristika der I-P-Steuerung nur durch die Konstante ζ bestimmt ist. $| G_{I - P} (j η) | = \frac{1}{\sqrt{{(1 - η^{2})}^{2} + {(2 ζ η)}^{2}}}$
Umwandlung der Formel (9) in Einheiten von Dezibel ergibt Formel (10). $20 log | G_{I - P} (j η) | = - 10 log ⌊ {(1 - η^{2})}^{2} + {(2 ζ η)}^{2} ⌋ [d B]$
Die Änderung in der Verstärkung beim Umschalten eines Stromregelkreises in der Steuerung des durch den Servomotor 2 fließenden Stromes entsprechend einem Eingangsstrombefehlswert, von dem zweiten Stromregelkreis 22 mit dem I-P-Kompensator 22C in den ersten Stromregelkreis 21 mit dem PI-Kompensator 21C ergibt sich durch Berechnung einer Differenz zwischen Formel (5) und Formel (10) und ist durch Formel (11) ausgedrückt. $20 log | G_{P I} (j ω) | - 20 log | G_{I - P} (j ω) | = 10 log ⌊ 1 + η^{2} {(ω_{n} / ω_{0})}^{2} ⌋ [d B]$
5 zeigt ein Verstärkungsdiagramm zur Veranschaulichung einer Differenz der Frequenzcharakteristika zwischen einem PI-Kompensator und einem I-P-Kompensator. Anwendung der Formel (11) im Verstärkungsdiagramm gemäß 5 ergibt einen Gradienten von -20 dB/Dekade beim PI-Kompensator und einen Gradienten von -40 dB/Dekade bei einem I-P-Kompensator. Wie 5 zeigt, ist die Verstärkungsdifferenz zwischen dem PI-Kompensator und dem I-P-Kompensator groß im Bereich hoher Frequenzen. Dies bedeutet, dass ein Umschalten vom ersten Regelkreis 21 mit dem PI-Kompensator 21C auf den zweiten Stromregelkreis 22 mit dem I-P-Kompensator 22C eine scharfe Änderung in der Verstärkung des Steuersystems bewirkt. Deshalb wird das Abschwächungsverhältnis des Filters 12 geändert wenn der Kompensator wie oben beschrieben umgeschaltet wird, um das Steuersystem zu stabilisieren.
Im Einzelnen setzt hier die Filterabschwächungsverhältniseinstelleinheit 13 ein erstes Abschwächungsverhältnis wenn durch die Stromregelkreisauswahleinheit 11 die erste Stromregelschleife 21 ausgewählt wird, während dann, wenn die zweite Stromregelschleife 22 ausgewählt ist, ein zweites Abschwächungsverhältnis eingestellt wird, das kleiner ist als das erste Abschwächungsverhältnis, um in einem höheren Frequenzbereich eine Einbuße im Ansprechverhalten des Systems zu vermeiden sowie Störungen in der Steuerung. Hierzu werden das erste Abschwächungsverhältnis und das zweite Abschwächungsverhältnis so eingestellt, dass eine Verstärkung, die sich ergibt aus einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal eines Schaltkreises, der aus dem ersten Stromregelkreis 21 und dem Filter mit dem zugeordneten ersten Abschwächungsverhältnis, und eine Verstärkung, die sich ergibt aus einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal eines Schaltkreises, der aus dem zweiten Stromregelkreis 22 und dem Filter 12 mit dem zweiten Abschwächungsverhältnis erhalten wird, einander im Wesentlichen gleich sind in dem gegebenen speziellen Frequenzbereich. Wenn der erste Stromregelkreis 21 mit dem PI-Kompensator 21C ausgewählt ist, wird das Abschwächungsverhältnis des Filters 12 so gesetzt, dass es um einen Betrag ansteigt entsprechend 10log{1+_η ²(ω_n/(ω₀)²}[dB] mit einer Frequenzkomponente entsprechend der Resonanz, im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der der zweite Stromregelkreis 22 mit dem I-P-Kompensator 22C ausgewählt ist.
Die obigen Konfiguration ermöglicht es, eine stabile Steuerung vor und nach dem Schalten des Kompensators aufrecht zu erhalten. Wie das Diagramm gemäß 5 zeigt, sind der Gradient der Verstärkung in dem PI-Kompensator 21C und der Gradient der Verstärkung in dem I-P-Kompensator 22C unterschiedlich. Deshalb wird das Abschwächungsverhältnis des Filters umgeschaltet, um diese Gradientendifferenz zu kompensieren.
6 zeigt ein Flussdiagramm des Betriebs der Steuereinrichtung für den Servomotor.
In Schritt S101 erzeugt die Positionsbefehlserzeugungseinheit einen Positionsbefehlswert.
In Schritt 102 detektiert die Positionsdetektoreinheit 142 Positionsinformationen bezüglich des Rotors des Servomotors 2.
In Schritt 103 erzeugt die Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit 131 einen Geschwindigkeitsbefehlswert auf Basis des Positionsbefehlswertes, der durch die Positionsbefehlserzeugungseinheit erzeugt ist und auf Basis der Positionsinformation, die durch die Positionsdetektoreinheit 142 detektiert ist.
In Schritt 104 detektiert die Geschwindigkeitsdetektoreinheit 141 eine Geschwindigkeitsinformation bezüglich des Servomotors 2.
In Schritt S105 bestimmt die Stromsteuereinheit 10, ob der erste Stromregelkreis 21 oder der zweite Stromregelkreis 22 durch die Stromregelkreisauswahleinheit 11 ausgewählt ist als beim Steuern des durch den Servomotor 2 fließenden Stromes einzusetzender Stromregelkreis, wobei die Bestimmung auf dem eingegebenen Strombefehlswert basiert. Die Stromregelkreisauswahleinheit 11 ist im Voraus eingerichtet, eine Auswahl auszuführen zwischen dem ersten Stromregelkreis 21 mit dem PI-Kompensator 21C im ortsgebundenen (in locus) Steuerzustand, wie zum Beispiel Schneiden und Vorschieben, und dem zweiten Stromregelkreis 22 mit dem I-P-Kompensator 22C in dem Positionier-Betriebszustand (non-locus Steuerzustand), wie zum Beispiel dem schnellen Vorwärtsschub. Wenn in Schritt S105 bestimmt ist, dass der erste Stromregelkreis 21 ausgewählt ist, geht das Verfahren zu Schritt S106, und wenn ermittelt ist, dass der zweite Stromregelkreis 22 ausgewählt ist, geht das Verfahren zu Schritt S107.
In Schritt S106 setzt die Filterabschwächungsverhältniseinstelleinheit 13 das Abschwächungsverhältnis des Filters 12 auf das erste Abschwächungsverhältnis entsprechend dem ausgewählten ersten Stromregelkreis 21. Anschließend setzt in Schritt S107 die Filterabschwächungsverhältniseinstelleinheit 13 das Abschwächungsverhältnis des Filters auf das zweite Abschwächungsverhältnis entsprechend dem ausgewählten zweiten Stromregelkreis 22. Das zweite Abschwächungsverhältnis hat einen kleineren Wert als das erste Abschwächungsverhältnis. Wie oben beschrieben, werden das erste Abschwächungsverhältnis und das zweite Abschwächungsverhältnis jeweils so eingestellt, dass eine Verstärkung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal eines Schaltkreises, der aus dem ersten Stromregelkreis 21 und dem Filter 12 mit dem entsprechenden ersten Abschwächungsverhältnis, und eine Verstärkung, die zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal eines Stromkreises gewonnen wird, der den zweiten Stromregelkreis 22 und das Filter 12 mit dem zugehörigen zweiten Abschwächungsverhältnis aufweist, in einem bestimmten Frequenzbereich im Wesentlichen zueinander gleich sind.
In Schritt S108 erzeugt die Stromsteuereinheit 10 einen Antriebsbefehl zum Steuern und Antreiben des Leistungswandlers 3, um Wechselstrom als Antrieb für den Servomotor 2 abzugeben auf Basis des Ausgangssignals des ausgewählten Schaltkreises, wobei die Auswahl erfolgt aus einem Schaltkreis, der gebildet wird durch den ersten Stromregelkreis 21 und dem Filter 12 mit dem ersten Abschwächungsverhältnis, und einem Schaltkreis, der gebildet wird aus dem zweiten Stromregelkreis 22 und dem Filter 12, versehen mit dem entsprechenden zweiten Abschwächungsverhältnis. Der Leistungswandler 3 steuert eine Schaltoperation eines Schaltelementes im Leistungswandler 3 entsprechend dem Empfang eines Antriebsbefehls und er gibt Wechselstrom an den Servomotor 2, der erforderlich ist, um diesen mit der gewünschten Geschwindigkeit, dem gewünschten Drehmoment, oder mit einer gewünschten Position des Rotors zu betreiben.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar bei einer Steuereinrichtung für einen Servomotor als Antrieb einer Werkzeugmaschine.
Erfindungsgemäß wird das Abschwächungsverhältnis eines Filters zum Abschwächen eines Eingangssignals oder eines Ausgangssignals eines Stromregelkreises in einem bestimmten Frequenzbereich geändert in Abhängigkeit davon, ob der in dem Stromregelkreis vorgesehene Kompensator ein PI-Kompensator oder ein I-P-Kompensator ist. Deshalb ermöglicht die Erfindung eine Verbesserung des Ansprechverhaltens der Steuerung und eine Sicherung der Steuerungsstabilität.
Ein PI-Kompensator hat den Vorteil eines verbesserten Ansprechverhaltens bei der Steuerung im Vergleich zu einem I-P-Kompensator, wodurch die Schneidgenauigkeit bei einer Werkzeugmaschine verbessert werden kann. Ein I-P-Kompensator hingegen hat den Vorteil der Reduzierung des sogenannten Überschießens bei einer Werkzeugmaschine, im Vergleich zu einem PI-Kompensator. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Abschwächungsverhältnis eines Filters geändert durch Schalten eines Kompensators, der in dem Stromregelkreis eingesetzt wird, um so die Vorteile sowohl des PI-Kompensators als auch des I-P-Kompensators zu nutzen. Bei Einsatz des PI-Kompensators kann eine Verstärkung in einem hohen Frequenzbereich vergrößert werden im Vergleich zu einem I-P-Kompensator. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Abschwächungsverhältnis des Filters wie erforderlich geändert, um so die Verstärkung eines Eingangssignals in ein Ausgangssignal eines Schaltkreises aus einem Stromregelkreis und einem Filter, einerseits, und der Verstärkung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal eines anderen Schaltkreises, der gebildet wird durch einen Stromregelkreis und einen Filter andererseits, in einem bestimmten Frequenzbereich einander im Wesentlichen gleich einzustellen, und zwar sowohl vor als auch nach dem Schalten zwischen dem PI-Kompensator und dem I-P-Kompensator. Dies macht es möglich, Resonanzen zu vermeiden und die Steuerstabilität zu sichern.
Das in der JP 3 628 199 B2 beschriebene System hat zum Ziel, das Ansprechverhalten bei der Stromsteuerung und auch das Ansprechverhalten bei der Geschwindigkeitssteuerung und der Positionssteuerung zu verbessern durch Wechsel des in einem Stromregelkreis im ortsgebundenen Steuerzustand zu verwendenden Kompensators von einem I-P-Kompensator zu einem PI-Kompensator. Dies Veröffentlichung berücksichtigt allerdings nicht die Vermeidung von Resonanzen, die entstehen können durch einen Wechsel in der Verstärkung vor und nach dem Umschalten von dem PI-Kompensator zu dem I-P-Kompensator. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen werden die Charakteristika des Filters automatisch gewechselt entsprechend dem Umschalten zwischen dem PI-Kompensator und dem I-P-Kompensator. Deshalb sind nicht nur das Ansprechverhalten (die Reaktion) bezüglich der Stromsteuerung, das Ansprechverhalten bezüglich der Geschwindigkeitssteuerung und der Positionssteuerung verbessert, sondern auch die Stabilität des Steuersystems insgesamt ist verbessert.

Claims

Steuereinrichtung (1) eines Servomotors (2) zum Antrieb einer Werkzeugmaschine, folgendes aufweisend: eine Stromregelkreis-Auswahleinheit (11) zum Auswählen eines ersten Stromregelkreises (21) oder eines zweiten Stromregelkreises (22) mit einer Ansprechgeschwindigkeit, die kleiner ist als die des ersten Regelkreises (21), als beim Steuern eines durch den Servomotor (2) fließenden Stromes zu verwendender Stromregelkreis auf Basis eines eingegebenen Strombefehlswertes: ein Filter (12), das ein Eingangssignal oder ein Ausgangssignal des mittels der Regelkreisauswahleinheit (11) ausgewählten ersten Stromregelkreises (21) oder des zweiten Stromregelkreises (22) entsprechend einem in einem vorgegebenen Frequenzbereich gesetzten Abschwächungsverhältnis abschwächt; und eine Filterabschwächungsverhältniseinstelleinheit (13), die als Abschwächungsverhältnis für das Filter 12 ein erstes Abschwächungsverhältnis einstellt wenn der erste Stromregelkreis (21) durch die Stromregelkreisauswahleinheit (11) ausgewählt ist, und ein zweites Abschwächungsverhältnis, das kleiner ist als das erste Abschwächungsverhältnis, wenn der zweite Stromregelkreis (22) ausgewählt ist, wobei ein in dem ersten Stromregelkreis (21) vorgesehener Kompensator ein PI-Kompensator (21C) ist, und ein in dem zweiten Stromregelkreis (22) vorgesehener Kompensator ein I-P-Kompensator (22C) ist.
Steuereinrichtung (1) eines Servomotors (2) gemäß Anspruch 1, wobei ein Verstärkungsfaktor des ersten Stromregelkreises (21) auf einen größeren Wert eingestellt wird als der Verstärkungsfaktor des zweiten Stromregelkreises (22).
Steuereinrichtung (1) eines Servomotors (2) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das erste Abschwächungsverhältnis und das zweite Abschwächungsverhältnis so eingestellt sind, dass in einem vorgegebenen Frequenzbereich das erste Abschwächungsverhältnis und das zweite Abschwächungsverhältnis so eingestellt sind, dass eine Verstärkung eines Eingangs- und Ausgangssignals eines Schaltkreises aus dem ersten Stromregelkreis (21) und dem Filter (12) mit einem ersten entsprechenden Abschwächungsverhältnis, und eine Verstärkung eines Eingangs- und Ausgangssignals eines Schaltkreises aus dem zweiten Stromregelkreis (22) und dem Filter (12) mit dem entsprechenden zweiten Abschwächungsverhältnis, einander im Wesentlichen gleich sind.
Steuereinrichtung (1) eines Servomotors (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin aufweisend: eine Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit (131), die einen Geschwindigkeitsbefehlswert bezüglich des Servomotors (2) erzeugt; eine Geschwindigkeitsdetektoreinheit (141), die eine Geschwindigkeitsinformation des Servomotors (2) detektiert; und eine Strombefehlserzeugungseinheit (121), die basierend auf dem durch die Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit (131) erzeugten Geschwindigkeitsbefehlswert und basierend auf der durch die Geschwindigkeitsdetektoreinheit (141) detektierten Geschwindigkeitsinformation den Strombefehlswert erzeugt.
Steuereinrichtung (1) eines Servomotors (2) gemäß Anspruch 4, weiterhin aufweisend: eine Positionsbefehlserzeugungseinheit, die einen Positionsbefehlswert des Servomotors (2) erzeugt; und eine Positionsdetektoreinheit (142), die Positionsinformation des Servomotors (2) detektiert, wobei die Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit (131) den Geschwindigkeitsbefehlswert auf Basis des Positionsbefehlswertes, der durch die Positionsbefehlserzeugungseinheit erzeugt ist, und auf Basis der Positionsinformation, die durch die Positionsdetektoreinheit (142) detektiert ist, erzeugt.