DE102014003631B4

DE102014003631B4 - Motorsteuervorrichtung, die eine Spannungssättigung erkennt

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Publication number: DE102014003631B4
Application number: DE102014003631.6A
Authority: DE
Inventors: Kazuomi Maeda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2034-03-15
Also published as: CN104065312B; JP2014183653A; JP5620535B2; DE102014003631A1; US20140285129A1; CN104065312A; US9116527B2

Abstract

Motorsteuervorrichtung (100) mit einer Vielzahl von Steuervorrichtungen (10) zur Steuerung eines Motors und mit einer übergeordneten Steuervorrichtung (1), die einen Befehl an die Steuervorrichtungen abgibt, bei der jede Steuervorrichtung (10) enthält:eine Positionssteuereinheit (2) die eine Position auf der Basis eines Positionsbefehls und einer Sollspannung steuert, die von der übergeordneten Steuervorrichtung (1) abgegeben werden,eine Geschwindigkeitssteuereinheit (3), die eine Geschwindigkeit auf der Basis eines Geschwindigkeitsbefehls steuert, der von der Positionssteuereinheit (2) abgegeben wird,eine Stromsteuereinheit (4), die den Strom auf der Basis eines Strombefehls steuert, der von der Geschwindigkeitssteuereinheit (3) abgegeben wird, undeinen Stromverstärker (5), der den Strom zum Antrieb des Motors auf der Basis eines Spannungsbefehls steuert, der von der Stromsteuereinheit (4) abgegeben wird, und bei derdie Stromsteuereinheit (4) aufweist:eine Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung (41), die bestimmt, ob der Spannungsbefehl die abgegebene Speisespannung des Stromverstärkers (5) überschritten hat, und die ein Ergebnis der Bestimmung ausgibt, undeine Benachrichtigungseinheit für eine Spannungssättigung (42), die der übergeordneten Steuervorrichtung (1) das Ergebnis der Bestimmung übermittelt, die von der Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung (41) durchgeführt wurde.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuervorrichtung und insbesondere auf eine Motorsteuervorrichtung, die eine in einem Stromverstärker, der zum Antrieb eines Motors eingesetzt wird, auftretende Spannungsättigung erkennt und eine übergeordnete Steuervorrichtung daraufhin hiervon benachrichtigt.
Hintergrund der Erfindung
In einer Vorrichtung wie zum Beispiel einer Werkzeugmaschine, die unter Verwendung eines Synchronmotors betrieben wird, kann das maximale Drehmoment des Synchronmotors überschritten werden und kann es damit unmöglich werden, ihn entsprechend den gegebenen Steuerbefehlen zu betreiben, wenn die gewünschte bzw. Soll-Beschleunigung hoch ist. Abhängig von der Induktivität des Synchronmotors kann auf gleiche Weise, wenn der gewünschte Ruck oder schnelle Wechsel (jerk) groß ist, die gewünschte bzw. Soll-Spannung des Synchronmotors die maximale Spannung eines Stromverstärkers übersteigen und kann es daher unmöglich werden, ihn in Übereinstimmung mit der Steuerung zu betreiben. Der Zustand, in dem die Sollspannung des Synchronmotors die maximale Spannung des Stromverstärkers übersteigt, wird (hier) als„ Spannungssättigung“ bezeichnet.
Aufgrund des oben gesagten wird eine Steuervorrichtung vorgeschlagen, die erkennt, ob oder ob nicht die gewünschte Spannung oder Sollspannung eine Spannungsättigung erzeugt. Technologischen Hintergrund bilden die japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen JP 2000 - 341 991 A und JP 2003 - 209 996 A . 1 zeigt den Aufbau einer Motorsteuervorrichtung der Anmelderin bekanntem betrieblichem Stand der Technik. Diese Steuervorrichtung umfasst einen Sättigungsdetektor 1009, der erkennt, ob die Größe des an einen Stromkonverter 101 abgegebenen Spannungsbefehls die maximale Spannung, die der Stromkonverter 101 an einen Permanentmagnetmotor (PM-Motor) abgeben kann, übersteigt und ein Spannungssättigungssignal, das auf den Wert „-1“ voreingestellt ist, ausgibt, wenn die maximale Spannung überschritten wird und eine Spannungsättigung aufgetreten ist, und das ansonsten auf den Wert „1“ eingestellt ist, und eine Stromeinstelleinrichtung für einen bestimmten Magnetfluss 1010, die, wenn das Spannungssättigungssignal, das von dem Sättigungsdetektor 1009 ausgegeben wird, den Wert „1“ annimmt, bewirkt, dass der Strom der d-Achse idc in positiver Richtung bis ein vorgegebener oberer Grenzwert erreicht ist langsam anwächst, und, wenn das Sättigungssignal den Wert „ -1“ annimmt, bewirkt, dass der Strom der d-Achse idc in negativer Richtung bis ein vorgegebener unterer Grenzwert erreicht ist langsam zunimmt. Mit dem zuvor angegebenen Aufbau ist es möglich, automatisch die Größe des Stroms der d-Achse idc einzustellen und auf diese Weise zu verhindern, dass der Spannungsbefehl Vc die maximale Spannung Vm, die der Stromkonverter 101 ausgeben kann, übersteigt. Ferner können der Strom der q-Achse und der Strom der d-Achse veranlasst werden, ihren jeweiligen Strombefehlen zu folgen. Folglich gilt, dass selbst wenn die Spannung gesättigt ist, der Betrieb fortgesetzt werden kann und dass, wenn die Spannung nicht den Sättigungszustand aufweist, der Betriebszustand mit dem größten Wirkungsgrad erzielt werden kann.
Die japanische Patentanmeldung JP-A-2000-341991 , die nachfolgend hier als„ Patentdokument 1“ bezeichnet wird, offenbart das Erkennen und Ausgeben eines Signals über die Spannungssättigung und das Vermindern des Werts eine Strombefehlswerts. Während jedoch das Patentdokument 1 beschreibt, dass der Wert des Strombefehls im Falle einer Spannungssättigung vermindert wird, bewirkt das Vermindern des Werts des Strombefehls das Unvermögen das Drehmoment zu erzeugen, das durch einen Drehmomentbefehl angefordert wird. Als Folge hiervon kann das Werkzeug nicht in die gewünschte Position mit der gewünschten Geschwindigkeit bewegt werden, um eine gewünschte Form bzw. Gestalt des Werkstücks zu erzeugen. Insbesondere beim Herstellen der Form der Kontur eines Werkstückes durch Steuerung einer Vielzahl von Achsen entsteht das Problem, dass die Genauigkeit der Form bzw. Gestalt abnimmt.
Die US 2008/0247735 A1 betrifft eine adaptive und rekonfigurierbare Gleichstrommotorensteuerung. Insbesondere ist hier ein integrierter Regel-Schaltkreis zum Messen und Steuern der Geschwindigkeit, der Stellung und des Drehmoments eines Gleichstrommotors offenbart. Der Regel-Schaltkreis hat eine Steuer-/Mess-Schaltung, einen Überwachungs-Mikroprozessor, der über eine Peripherie-Interface-Schaltung mit der Steuer-/Mess-Schaltung verbunden ist mit und einem externen Verstärker, dessen invertierender Eingang durch eine analoge Spannung gesteuert ist, die durch die Steuer-/Mess-Schaltung bereitgestellt wird. Genauer gesagt hat die Steuer-/Mess-Schaltung einen ersten Wandler und einen zweiten Wandler, die durch den Überwachungs-Mikroprozessor gesteuert sind. Die Peripherie-Interface-Schaltung ist dazu eingerichtet, die Gleichstrom-Motorspannung auf der Grundlage eines Geschwindigkeitsbefehls (SpeedCMD) von dem Überwachungs-Mikroprozessor einzustellen. Der zweite Wandler ist dazu eingerichtet, eine Obergrenze für den Ausgangsstrom des Verstärkers auf der Grundlage eines Strombegrenzungsbefehls von dem Überwachungs-Mikroprozessor einzustellen. Auf diese Weise durch Einstellen einer Obergrenze des dem Motor zugeführten Stroms wird ein Schutz des Gleichstrommotors bewirkt. Der Steuerung wird ein den Motorstrom wiedergebendes Signal rückgekoppelt.
Die US 2002/0171387 A1 betrifft eine Steuerung für permanentmagneterregte elektrische Maschinen. Diese Steuerung verwendet eine Kombination aus einer ungeregelten Magnetisierungsstrom-Referenzberechnung und einem stabilisierenden Rückkopplungsanteil. Die ungeregelte Magnetisierungsstrom-Referenzberechnung berücksichtigt Sättigungseffekte, die bei Drehmomentspitzen auftreten und kompensiert diese. Die ungeregelte Magnetisierungsstrom-Referenzberechnung basiert auf Induktionssättigungskurven, die die bei Drehmomentspitzen der permanentmagneterregten elektrischen Maschine auftreten.
Die US 2010/0253274 A1 betrifft eine Leistungssteuerung für elektrische Systeme. Insbesondere ist hier eine Anordnung gezeigt, bei der vorbereitete Leistungstabellen verwendet werden, die abhängig von der gemessenen Leistung des elektrischen Systems in eine Steuerung des elektrischen Systems geladen werden.
EP 2 366 603 A1 betrifft einen Elektromotor-Controller für eine elektrische Servolenkvorrichtung, mit einer Lenkeingabeerfassungseinheit zum Erfassen einer Größe der Lenkeingabe, einer Drehmomentstrom-Einstelleinheit zum Einstellen einer Drehmomentstrom des Elektromotors auf Grundlage eines Signals von der Lenkeingabeerfassungseinheit, einer Feldschwächungsstromsetzeinheit zum Setzen eines Feldschwächungsstroms, um ein Feld des Elektromotors zu schwächen, einem Elektromotor-Antriebsregler zur Steuerung des Antriebs des Elektromotors auf der Grundlage des Drehmomentstroms eingestellt durch die Drehmomentstrom-Einstelleinheit und des Feldschwächungsstroms eingestellt durch die Feldschwächungsstrom-Einstelleinheit, und einer Spannungssättigungsberechnungseinheit zum Berechnen einer Spannungssättigung der durch ein Verhältnis einer Antriebsspannung des Elektromotors zu einer Stromversorgungsspannung des Elektromotor-Controllers, wobei der Feldschwächungsstrom-Einstelleinheit den Feldschwächungsstrom in Abhängigkeit von der Spannungssättigung der Spannungssättigungsberechnungseinheit berechnet.
Aus dem Lehrbuch Weck, M.; Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme 4, 5. Aufl. 2001, (S. 387 - 393) sind allgemeine Hinweise zu Regelkreisen bekannt. Aus dem Lehrbuch Weck, M.; Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme 3, 5. Aufl. 2001, (S. 387 - 393) sind allgemeine Hinweise zu elektrischen Antrieben bekannt.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, in einer Motorsteuervorrichtung die Funktion des Ruck-Unterdrückens zu erreichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Motorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von Steuervorrichtungen zur Steuerung eines Motors und eine übergeordnete Steuervorrichtung, die einen Befehl an die Steuervorrichtungen abgibt, bei der jede Steuervorrichtung enthält:

eine Positionssteuereinheit die eine Position auf der Basis eines Positionsbefehls und einer Sollspannung steuert, die von der übergeordneten Steuervorrichtung abgegeben werden,
eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die eine Geschwindigkeit auf der Basis eines Geschwindigkeitsbefehls steuert, der von der Positionssteuereinheit abgegeben wird,
eine Stromsteuereinheit, die den Strom auf der Basis eines Strombefehls steuert, der von der Geschwindigkeitssteuereinheit abgegeben wird, und
einen Stromverstärker, der den Strom zum Antrieb des Motors auf der Basis eines Spannungsbefehls steuert, der von der Stromsteuereinheit abgegeben wird, und bei der die Stromsteuereinheit aufweist:
- eine Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung, die bestimmt, ob der Spannungsbefehl die abgegebene Speisespannung des Stromverstärkers überschritten hat, und die ein Ergebnis der Bestimmung ausgibt, und
- eine Benachrichtigungseinheit für eine Spannungssättigung, die der übergeordneten Steuervorrichtung das Ergebnis der Bestimmung übermittelt, die von der Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung durchgeführt wurde.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die übergeordnete Steuervorrichtung vom Auftreten einer Spannungssättigung benachrichtigt, worauf die Zustell-bzw. Bewegungsgeschwindigkeit vermindert werden kann, um eine Spannungssättigung zu verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, die Genauigkeit der Bearbeitung aufrechtzuerhalten.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden.

1 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer Motorsteuervorrichtung gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer Motorsteuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer Stromsteuereinheit und eines Stromverstärkers in der Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Fließschaltbild, das den Arbeitsablauf einer Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung in der Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist ein Fließschaltbild, das ein Verfahren zum Ändern der Zustellgeschwindigkeit in der Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist ein Fließschaltbild, das ein Verfahren zum Ändern der maximalen Beschleunigung in der Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist ein Fließschaltbild, das eine Prozedur zur Interpolationsberechnung in der Motorsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8A ist eine Darstellung, die den Ort eines Bearbeitungspunktes unter Verwendung eines Polarkoordinatensystems darstellt;
8B ist eine Darstellung, die den Ort eines Bearbeitungspunktes unter Verwendung eines zweidimensionalen Koordinatensystems zeigt;
9A ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der C-Achse bei einer auf 120 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
9B ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der C-Achse bei einer auf 100 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
10A ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der X-Achse bei einer auf 120 mm/s eingestellter Arbeitsgeschwindigkeit zeigt;
10B ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der X-Achse bei einer auf 100 mm/s eingestellter Behandlungsgeschwindigkeit zeigt;
11A ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Beschleunigung der X-Achse bei einer auf 120 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
11B ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Beschleunigung der X-Achse bei einer auf 100 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
12A ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit eines Rucks in der Beschleunigung der X-Achse bei einer auf 120 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
12B ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit eines Rucks der X-Achse bei einer auf 100 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
13A ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Spannung der X-Achse bei einer auf 120 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
13B ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Spannung der X-Achse bei einer auf 100 mm/s eingestellter Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt;
14 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer Motorsteuervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
15A ist ein Diagramm, dass die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der C-Achse bei einer auf 120 mm/s eingestellte Bearbeitungsgeschwindigkeit in einer Motorsteuervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
15B ist ein Diagramm, das die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der C-Achse bei einer auf 100 mm/s eingestellten Bearbeitungsgeschwindigkeit in der Motorsteuervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
16 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer Motorsteuervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine Motorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Man beachte jedoch, dass der technische Bereich der vorliegenden Erfindung nicht auf eine spezielle hier beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und sich auf die in den beigefügten Patentansprüchen angegebenen Erfindungen und deren Äquivalente erstreckt.
1. Ausführungsform
2 zeigt den Aufbau einer Motorsteuervorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 3 zeigt im Einzelnen den Aufbau einer Stromsteuereinheit 4 und eines Stromverstärkers 5 in einer Steuervorrichtung 10, die die Motorsteuervorrichtung 100 bilden. Die Motorsteuervorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuervorrichtung 10, die einen Motor steuert, und eine übergeordnete Steuervorrichtung 1, die einen Befehl an die Steuervorrichtung 10 abgibt. Die Steuervorrichtung 10 umfasst eine Positionssteuereinheit 2, die eine Position auf der Grundlage eines Positionsbefehls und einer angeforderten Geschwindigkeit, die von der übergeordneten Steuervorrichtung 1 abgegeben wird, steuert, eine Geschwindigkeitssteuereinheit 3, die eine Geschwindigkeit auf der Grundlage eines von der Positionssteuereinheit 2 abgegebenen Geschwindigkeitssteuerbefehls steuert, eine Stromsteuereinheit 4, die den Strom auf der Basis eines von der Geschwindigkeitssteuereinheit 3 abgegebenen Stromsteuerbefehls steuert, und einen Stromverstärker 5, der den Strom für den Antrieb eines angetriebenen Bauteils 8 oder des Motors auf der Grundlage eines von der Stromsteuereinheit 4 abgegebenen Spannungsbefehls verstärkt, wobei die Stromsteuereinheit 4 eine Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung 41 umfasst, welche bestimmt, ob der Spannungsbefehl die Abgabespannung des Stromverstärkers 5 übersteigt, und welche das Ergebnis der Bestimmung ausgibt, und eine Benachrichtigungseinheit für eine Spannungssättigung 42, die die übergeordnete Steuervorrichtung 1 von dem Ergebnis der von der Verarbeitungseinheit einer Spannungssättigung 41 durchgeführten Bestimmung benachrichtigt.
Wie es in 2 dargestellt ist, wird der Positionsbefehl, der von der übergeordneten Steuervorrichtung 1 ausgegeben wird, als ein Eingangssignal an eine erste Addiervorrichtung 101 abgegeben, in der rückgekoppelte Positionsdaten (Rückkopplung der Position), die von einem Positionssensor 9 abgegeben werden, der zur Erkennung der Position des angetriebenen Bauteils 8 vorgesehen ist, von dem Positionsbefehl subtrahiert werden, und der resultierende Positionsfehler an die Positionssteuereinheit 2 abgegeben wird.
Auf der Basis des so abgegebenen Positionsfehlers erzeugt die Positionssteuereinheit 2 den Geschwindigkeitsbefehl für die Ausgabe. Der von der Positionssteuereinheit 2 ausgegebene Geschwindigkeitsbefehl wird als ein Eingabesignal an eine zweite Addiervorrichtung 102 aufgegeben, in der zurückgeführte bzw. rückgekoppelte Geschwindigkeitsdaten (Rückkopplung der Geschwindigkeit), die von einem Geschwindigkeitssensor 7 ausgegeben werden, der zur Bestimmung der Geschwindigkeit des angetriebenen Bauteils 8 vorgesehen ist, von dem Geschwindigkeitsbefehl subtrahiert werden und von der der sich ergebende Geschwindigkeitsbefehl an die Geschwindigkeitssteuereinheit 3 abgegeben wird.
Auf der Grundlage des so aufgegebenen Geschwindigkeitsbefehls erzeugt die Geschwindigkeitssteuereinheit 3 den Strombefehl für die Ausgabe. Der Strombefehl, der von der Geschwindigkeitssteuereinheit 3 ausgegeben wird, wird als ein Eingabesignal an eine dritte Addiervorrichtung 103 abgegeben, in der rückgekoppelte Stromdaten (Rückkopplung des Stroms), die von dem Stromverstärker 5 abgegeben werden, von dem Strombefehl subtrahiert werden, und von der der sich ergebende Strombefehl an die Stromsteuereinheit 4 abgegeben wird.
Auf der Basis des so aufgegebenen Strombefehls erzeugt die Strombefehlseinheit 4 den Spannungsbefehl für die Abgabe an den Stromverstärker 5. Der Stromverstärker 5 leitet das Ergebnis der Strombestimmung an die Stromsteuereinheit 4 zurück, die das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein einer Spannungssättigung erkennt, was an späterer Stelle im Einzelnen beschrieben wird.
Der Stromverstärker 5 gibt den Strom für den Antrieb des Servomotors 6 ab, der das angetriebene Bauteil 8 über einen Transmissionsmechanismus 61 antreibt.
Als nächstes werden der Aufbau der Stromsteuereinheit 4 und des Stromverstärkers 5 mit Bezugnahme auf 3 beschrieben. Wie es in 3 dargestellt ist, umfasst die Stromsteuereinheit 4 zusätzlich zu der Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung 41 und der Benachrichtigungseinheit 41 für eine Spannungssättigung 42 eine dq/Dreiphasen-Konvertierungseinheit 43, eine Spannungsberechnungseinheit 44 und eine Dreiphasen/dq Konvertierungseinheit 45.
Auf der anderen Seite umfasst der Stromverstärker 5 einen dreiphasigen PWM Modulator 51 (Pulsweitenmodulator), eine Motorantriebsschaltung 52 und einen Stromsensor 53. Der dreiphasige PWM Modulator 51 erzeugt ein Pulsweitenmodulationssignal mit einem Arbeitszyklus, der dem Wert des Spannungsbefehls entspricht. Die Motorantriebsschaltung 52 ist ein Pulsweitenmodulations-Spannungsinverter, der aus Schaltbauteilen wie zum Beispiel MOS Leistungstransistoren aufgebaut ist. Durch Steuerung des Ein- und Ausschaltens jedes Schaltbauteils in Übereinstimmung mit dem Pulsweitensignal erzeugt die Motorantriebsschaltung 52 die dreiphasige Speisespannung, die dem Servomotor 6 zuzuführen ist. Der Stromsensor 53 erkennt den in der Motorantriebsschaltung 52 fließenden Strom und gibt das Ergebnis an die Stromsteuereinheit 4 zurück.
Der von dem Stromsensor 53 des Stromverstärkers 5 zurückgeleitete Stromwert wird an die Dreiphasen/dq Konvertierungseinheit 45 in der Stromsteuereinheit 4 zusammen mit dem von dem Geschwindigkeitssensor 7 ausgegebenen Stromwert des Servomotors 6 ausgegeben und die Dreiphasen/dq Konvertierungseinheit 45 gibt die zurückgeführten Ströme idf und iqf ab. Auf der Grundlage der Werte der Strombefehle idc und iqc und der zurückgeführten Ströme idf und iqf berechnet die Spannungsberechnungseinheit 44 die Spannung der d-Phase Vb und die Spannung der q-Phase Vq mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungen: $\begin{array}{l} Vd = k 1 Σ (idc - idf) + k 2 (pi * idq - idf) \\ Vq = k 1 Σ (iqc - iqf) + k 2 (pi * iqq - iqf) \end{array}$
mit k1 der Gesamtverstärkung und k2 der proportionalen Verstärkung. Ferner bedeuten pi das Stromverhältnis PI, das 0 im Falle einer I-P Steuerung und 1 im Falle einer PI Steuerung ist.
Die von der Spannungsberechnungseinheit 44 berechneten Spannungen Vt und Vq werden der Verarbeitungseinheit für die Spannungssättigung 41 aufgegeben, die das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Spannungssättigung erkennt. Bezugnehmend auf das Fließschaltbild der 4 wird eine Beschreibung davon gegeben, wie die Verarbeitungseinheit für die Spannungssättigung 41 das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Spannungssättigung erkennt. Zunächst wird im Schritt S101 ein Spannungseffektivwert (RMS-Wert (root mean square) V = √(Vd²+Vq²) aus den Spannungen Vd und Vq berechnet und wird bestimmt, ob oder ob nicht der Spannungseffektivwert V kleiner oder gleich dem Maximalwert Vmax der Abgabespannung des Stromverstärkers 5 ist. Wenn der Spannungseffektivwert V größer als Vmax ist, wird dann im Schritt S102 der Sättigungsflag auf den Wert 1 gesetzt und die Zählvariable cnt auf den Wert N gesetzt. Ferner werden Vd und V auf ungesättigte Werte mithilfe der nachfolgenden Gleichungen gewandelt. $\begin{array}{l} Vd = Vd \times Vmax / \sqrt ({Vd}^{2} + {Vq}^{2}) \\ Vq = Vq \times Vmax / \sqrt ({Vd}^{2} + {Vq}^{2}) \end{array}$
Auf der anderen Seite wird dann, wenn im Schritt S101 bestimmt worden ist, dass der Effektivwert der Spannung kleiner oder gleich Vmax ist, im Schritt S103 bestimmt, ob oder ob nicht der Zählwert cnt kleiner als 0 ist oder gleich 0 ist. Wenn der Zählwert cnt kleiner oder gleich 0 ist, wird der Sättigungsflag im Schritt S 104 auf den Wert 0 gesetzt. Auf der anderen Seite wird, wenn im Schritt S103 bestimmt worden ist, dass der Zählwert cnt größer als 0 ist, der Zählwert cnt im Schritt S105 um 1 herabgesetzt. Bei dem oben beschriebenen Arbeitsablauf wird der Sättigungsflag auf den Wert 1 über eine vorgegebene Zeitperiode, nachdem der Sättigungsflag auf 1 gesetzt worden ist, gehalten. Nimmt man zum Beispiel an, dass der Arbeitsablauf in jeder Millisekunde einmal ausgeführt wird, kann durch Einstellen des Werts auf N = 1000 der Zustand des Flags über 1 Sekunde nach Eintreten der Sättigung beibehalten werden.
Der Wert des Sättigungsflag, der von der Verarbeitungseinheit für die Spannungssättigung 41 berechnet wird, wird an die Benachrichtigungseinheit für eine Spannungssättigung 42 abgegeben, die die übergeordnete Steuervorrichtung 1 vom Wert des Sättigungsflag benachrichtigt.
Die Verarbeitungseinheit für die Spannungssättigung 41 gibt die Spannung Vd der nicht gesättigten d-Phase und der Spannung Vq der q-Phase als Eingabesignale an die dq/Dreiphasen Konvertierungseinheit 43 ab. Wenn keine Spannungssättigung aufgetreten ist, werden die mit Hilfe der Gleichungen (1) errechneten Spannungen Vd und Vq unmittelbar ausgegeben, aber wenn eine Spannungssättigung aufgetreten ist, werden die Spannungen Vd und Vq, die mit Hilfe der Gleichungen (1) errechnet worden, nach deren Umwandlung mit Hilfe der Gleichungen (2) abgegeben.
Als nächstes wird eine Beschreibung davon gegeben, wie die Zustell-bzw. Zuführgeschwindigkeit und die maximale Beschleunigung in der übergeordneten Steuervorrichtung 1 auf den von der Berichtigungseinheit für eine Spannungssättigung 42 empfangenen Sättigungsflag verändert wird. 5 ist ein Fließschaltbild, das die Prozedur zur Änderung der Zustellgeschwindigkeit wiedergibt. Wie es in 5 gezeigt ist, wird in einem ersten Schritt S201 die Zustellgeschwindigkeit F auf einen Anfangswert F0 eingestellt wird. Als nächstes wird im Schritt S202 ein Bearbeitungsprogramm mit der Zustellgeschwindigkeit F ausgeführt und wird von der Motorsteuervorrichtung 10 ein Sättigungsflag empfangen.
Dann wird im Schritt S203 bestimmt, ob der Sättigungsflag jemals auf den Wert 1, selbst einmal während der Ausführung des Bearbeitungsprogramms, gesetzt worden ist. Wenn der Sättigungsflag auf den Wert 1, selbst einmal während der Ausführung des Verarbeitungsprogramm gesetzt worden ist, wird dann im Schritt S204 die Zustellgeschwindigkeit 11 mit einem Koeffizienten k multipliziert und wird darauf hin der errechnete Wert als eine neue Zustellgeschwindigkeit F eingestellt. Da der Koeffizient k ein positiver Wert kleiner als 1 ist, nimmt die Zustellgeschwindigkeit ab. Der Koeffizient k wird als ein Parameter oder als ein durch ein Programm festgehaltener Wert in der übergeordneten Steuervorrichtung 1 gespeichert. Ist auf der anderen Seite der Sättigungsflag nicht auf den Wert 1 wenigstens einmal während der Ausführung des Bearbeitungsprogramms gesetzt worden, wird die Zustellgeschwindigkeit 11 auf ihrem Anfangswert F0 belassen. Der obige Betriebsablauf wird ausgeführt nach dem Ende der Bearbeitung und wenn eine Sättigung selbst einmal während der Bearbeitung aufgetreten ist, wird die Verarbeitungsgeschwindigkeit für den nächsten Bearbeitungszyklus vermindert.
Im Folgenden wird eine Beschreibung davon gegeben, wie die maximale Beschleunigung verändert wird. 6 zeigt ein Fließschaltbild, dass die Prozedur zum Ändern der maximalen Beschleunigung wiedergibt. Wie in 6 dargestellt, wird zunächst im Schritt S301 die maximale Beschleunigung A auf ihren Anfangswert A0 eingestellt. Als nächstes wird im Schritt S302 das Bearbeitungsprogramm bei der maximalen Beschleunigung A eingeschaltet und wird ein Sättigungsflag von der Motorsteuervorrichtung 10 empfangen.
Anschließend wird im Schritt S303 bestimmt, ob der Sättigungsflag jemals auf den Wert 1, selbst einmal während der Ausführung des Bearbeitungsprogramms, gesetzt worden ist. Wenn der Sättigungsflag jemals auf den Wert 1, selbst einmal während der Ausführung des Bearbeitungsprogramms, gesetzt worden ist, wird dann im Schritt S304 die maximale Beschleunigung A mit einem Koeffizienten k multipliziert und wird der sich ergebende Wert als die neue maximale Beschleunigung A eingestellt. Da der Koeffizient k einen positiven Wert kleiner als 1 hat, nimmt die maximale Beschleunigung ab. Auf der anderen Seite, wenn das Sättigungsflag nicht auf den Wert 1, wenigstens einmal während der Ausführung des Bearbeitungsprogramms, gesetzt worden ist, wird die maximale Beschleunigung A auf ihrem ursprünglichen Anfangswert A0 belassen.
Die Zustellgeschwindigkeit und die maximale Beschleunigung werden von der übergeordneten Steuervorrichtung 1 auf die oben beschriebene Weise bestimmt. Als nächstes wird eine Prozedur zur Berechnung des Positionsbefehls für jede Achse auf der Grundlage der auf die angegebene Weise bestimmten Zustellgeschwindigkeit und maximalen Beschleunigung unter Bezugnahme auf das Fließschaltbild der 7 beschrieben. Als erstes wird im Schritt S401 das Bearbeitungsprogramm ausgeführt. Als nächstes werden im Schritt S402 Parameter wie zum Beispiel die Grenzen der Beschleunigung und Bedingungen für die Verzögerung eingestellt. Im Schritt S403 wird eine Vorinterpolation der Steuerung für die Beschleunigung und Verzögerung ausgeführt, um den Geschwindigkeits- bzw. Zustellbefehl für die Steuerung von Beschleunigung bzw. Verzögerung für jede Achse auf der Grundlage einer durch eine NC-Steuerung (numerical control) gesteuerten Zustellgeschwindigkeit vor Einleiten der Interpolation zu berechnen. Zu diesem Zeitpunkt werden die Zustellgeschwindigkeit und die maximale Beschleunigung in Abhängigkeit vom Wert des Sättigungsflag eingestellt.
Im Schritt S404 werden Parameter wie die Zeitkonstante der Beschleunigung und der Verzögerung und die Bearbeitungsgeschwindigkeit eingestellt. Als nächstes wird im Schritt S405 eine Interpolationsberechnung ausgeführt. Die Interpolationsberechnung wird durch lineares Interpolieren oder durch eine Kreisinterpolation zwischen 2 Punkten, die durch Positionsbefehle festgelegt sind, ausgeführt.
Im Folgenden wird im Schritt S406 der Positionsbefehl für jede Achse berechnet. Am Schluss wird im Schritt S407 der auf diese Weise errechnete Positionsbefehl an jede Servoachse zum Antrieb der Servoachse geleitet.
Die Zustellgeschwindigkeit und die maximale Beschleunigung werden auf der Basis des Werts des Sättigungsflag auf die oben beschriebene Weise bestimmt. Als nächstes wird eine Beschreibung eines Beispiels gegeben, auf welche Weise die Spannungssättigung durch Einstellen der Werte für die Zustellgeschwindigkeit und die maximale Beschleunigung unterdrückt werden kann. Die 8A und 8B sind Diagramme, die die Beziehung zwischen der Position r und dem Winkel Θ gegenüber dem Mittelpunkt eines Kreises, der durch einen auf einer Kreisbahn bewegten Bearbeitungspunkt gebildet ist: 8A gibt die Bewegungsbahnen in einem Polarkoordinatensystem wieder und 8B zeigt die Bewegungsbahn unter Verwendung eines zweidimensionalen Koordinatensystems. Wie es in den 8A und 8B dargestellt ist, ist r im Wesentlichen konstant (r = r₀) längs des ganzen Umfangs außer in dem Bereich in der Nähe von 180°, aber r > r₀ in der Nähe des Winkels 0 = 180°.
Es wird angenommen, dass sich der Bearbeitungspunkt mit einer konstanten Geschwindigkeit im Gegenuhrzeigersinn bewegt. Da die Geschwindigkeit der C-Achse, die die Umfangsgeschwindigkeit wiedergibt, konstant ist, ist die Geschwindigkeit der C-Achse unabhängig vom Winkel Θ konstant, wie er dies in 9A und 9B dargestellt ist. Die Figuren in 9 A angegebene Geschwindigkeit „120 mm/s“ ist die Geschwindigkeit, die ohne Berücksichtigung des Werts des Sättigungsflag eingestellt ist, und die Geschwindigkeit „100 mm/s“, die in 9B wiedergegeben ist, gilt für den Fall, dass die Zustellgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des Werts des Sättigungsflag vermindert ist.
Die 10A und 10B zeigen die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der X-Achse, wenn die von dem Mittelpunkt des durch den Bearbeitungspunkt gezogenen Kreises weg gerichtete Richtung als positiv genommen wird. 10A gibt den Fall wieder, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse bzw. die C-Achsengeschwindigkeit auf den Wert 120 mm/s eingestellt worden ist, wie in 9A, und 10B zeigt den Fall, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse auf den Wert 100 mm/s eingestellt ist, wie in 9B. Die Geschwindigkeit der X-Achse wird im Wesentlichen bei 0 über den gesamten Bereich außer dem Bereich in der Nähe von 180° gehalten, da sich der Bearbeitungspunkt in einem festen Abstand r₀ vom Mittelpunkt befindet. Im Bereich von Θ > 180° wird der Bearbeitungspunkt zurück auf den Mittelpunkt hin bewegt, so dass die Geschwindigkeit der X-Achse einen negativen Wert annimmt. Den 10A und 10B lässt sich entnehmen, dass sich die Geschwindigkeit der X-Achse mit abnehmender Zustellgeschwindigkeit verringert.
Die 11A und 11B zeigen die Winkelabhängigkeit der Beschleunigung der X-Achse, die durch Differenzieren der Geschwindigkeit der X-Achse der 10A und 10B nach der Zeit berechnet wurde. 11A gibt den Fall wieder, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse auf den Wert 120 mm/s eingestellt ist, wie in 9A, und in 11B ist der Fall dargestellt, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse auf den Wert 100 mm/s, wie in 9B, eingestellt ist. Man kann erkennen, dass die Größe der Beschleunigung der X-Achse sich ebenfalls mit abnehmender Zustellgeschwindigkeit vermindert.
Die 12A und 12B zeigen die Winkelabhängigkeit des Rucks auf der X-Achse, der durch Differenzieren der Beschleunigung der X-Achse der 11A und 11B nach der Zeit errechnet wird. 12A zeigt den Fall, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse auf den Wert 120 mm/s eingestellt ist, wie in 9A, und 12B zeigt den Fall, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse auf den Wert 100 mm/s eingestellt ist, wie in 9B.
Die 13A und 13B gebe die Winkelabhängigkeit der Spannung der X-Achse. 13 A für den Fall wieder, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse auf den Wert 120 mm/s, wie in 9A, eingestellt ist, und 13B zeigt den Fall, in dem die Geschwindigkeit der C Achse auf den Wert 100 mm/s, wie in 9B eingestellt ist. Die Spannung der X-Achse wird auf der Basis der Zustellgeschwindigkeit, der Beschleunigung und des Rucks berechnet, wie dies an späterer Stelle beschrieben wird. Die Figuren zeigen ebenfalls den Pegel der Spannungssättigung. Wie es in 13A dargestellt ist, beträgt der maximale Effektivwert der Spannung auf der X-Achse etwa 270 V (Vrms) (V root mean square), wenn die Geschwindigkeit der C Achse auf den Wert 120 mm/s eingestellt ist. Da dieser Maximalwert den Pegel der Spannungssättigung von 180 V (Vrms) übersteigt, lässt sich erkennen, dass hier eine Spannungssättigung auftritt. Auf der anderen Seite beträgt, wie dies in 13B dargestellt ist, der Maximalwert der Spannung der X-Achse etwa 170 V (Vrms), wenn die Geschwindigkeit der C Achse auf den Wert 100 mm/s eingestellt ist. Da dieser Maximalwert kleiner als der Pegel der Spannungssättigung von 180 V (Vrsm), erkennt man, dass die Spannungssättigung unterdrückt wurde. Der oben gegebenen Erläuterung lässt sich entnehmen, dass die Spannungssättigung durch die übergeordnete Steuervorrichtung durch Verstellen der Zustellgeschwindigkeit auf die Benachrichtigung von einem Sättigungsflag hin unterdrückt werden kann.
Als nächstes wird eine Beschreibung darüber gegeben, wie die gewünschte bzw. Sollspannung auf der Basis der Zustellgeschwindigkeit, der Beschleunigung und des Rucks (jerk) berechnet wird. Da die maximale Zustellgeschwindigkeit usw., die keine Sättigungsspannung verursacht, durch Vergleich des Ergebnisses der Berechnung der gewünschten bzw. Sollspannung mit der maximalen Spannung des Stromverstärkers berechnet werden kann, lässt sich der Motor mit einer optimalen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl betreiben, während gleichzeitig die Spannungssättigung unterdrückt ist.
Die Anschlussspannung V [Vrms] des Synchronmotors kann wie nachfolgend gezeigt wird unter Verwendung der Zustellgeschwindigkeit, der Beschleunigung und des Rucks berechnet werden. $\begin{array}{l} V = \sqrt{{(R \cdot K c u r \cdot \dot{x} + L q K c u r \cdot \ddot{x} + K \cdot x)}^{2} + {(x \cdot L q \cdot K c u r \cdot \dot{x})}^{2}} \\ + K s u b \cdot (R e i b u n g + S c h n e i d r e a k t i o n) \end{array}$
mit:

x = ω (Winkelgeschwindigkeit [rad/s]: Rotationsmotor)
v (Geschwindigkeit [m/s]: Linearmotor)
Lq = Induktivität je Lage [H]
R = Widerstand je Phase [Ω]
Jm = Trägheit des Motors [kgm²]
Jl = Trägheit der Last [kgm²]
Mm = Gewicht der Magnete [kg]
MI = Gewicht der Last [kg]
K = Kt (Drehmomentkonstante [Nm/Ap]: Rotationsmotor]
Kf (Antriebskonstante [N/Ap]: Linearmotor)

\begin{array}{r} K c u r = \sqrt{\frac{3}{2}} \cdot \frac{(J m + J l)}{K t} & Rotationsmotor \\ = \sqrt{\frac{3}{2}} \cdot \frac{(M m + M l)}{K ƒ} & Linearmotor \end{array}

K s u b = \sqrt{\frac{3}{2}} \cdot \frac{(R e i b u n g + S c h n e i d r e a k t i o n)}{K} \cdot R

Mit Hilfe der Gleichung (3) wird die Soll-Spannung V aus der Soll-Geschwindigkeit, der Soll-Beschleunigung und dem gewünschten Ruck bestimmt. Folglich kann, wenn die Spannungssättigung die eingespeiste Spannung überschritten hat, die übergeordnete Steuervorrichtung auf der Basis des Ergebnisses der Bestimmung, die das Auftreten einer Spannungssättigung erkennt, die Steuerung durch Vermindern wenigstens entweder der Soll-Geschwindigkeit und oder der Soll-Beschleunigung und oder des gewünschten Rucks so vornehmen, dass der Spannungsbefehl die eingespeiste Spannung nicht überschreitet.
Die Gleichung (3) kann wie nachfolgend gezeigt gelöst werden. Zunächst werden Vd und Vq durch die folgende Gleichung unter Verwendung von id und iq ausgedrückt. $[\begin{matrix} V_{d} \\ V_{q} \end{matrix}] = R [\begin{matrix} i_{d} \\ i_{q} \end{matrix}] + [\begin{matrix} L_{d} \frac{d}{d t} & - ω \cdot L_{q} \\ ω \cdot L_{d} & L_{q} \frac{d}{d t} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{d} \\ i_{q} \end{matrix}] + ω \cdot ϕ [\begin{matrix} 0 \\ 1 \end{matrix}]$
worin Lg und Lq die Induktivitäten der d-Achse und der q-Achse und Θ der Magnetfluss bedeuten.
Mit id = 0 und der Einstellung $\frac{d}{d t} i_{q} = {\dot{i}}_{q}, \frac{d}{d t} i_{d} = {\dot{i}}_{d},$
ergibt sich $V_{d} = - ω \cdot L_{q} \cdot i_{q}$
$V_{q} = R \cdot i_{q} + L_{q} \frac{d i_{q}}{d t} + ω \cdot ϕ = R \cdot i_{q} + L \cdot {\dot{i}}_{q} + ω \cdot ϕ$
Aus der Bewegungsgleichung erhält man $J = \frac{d ω}{d t} = K \cdot i_{q}$
Setzt man hier $J = \frac{d ω}{d t} = \dot{ω}$
erhält man $i_{q} = \frac{1}{K} (J \dot{ω})$
$i = \frac{d}{d t} i_{q} = \frac{J}{K} \ddot{ω}$
Setzt man id und iq in die obigen Gleichungen ein, erhält man $V_{d} = - ω \cdot L_{q} \cdot i_{q}$
$V_{q} = R \cdot i_{q} + L_{q} \frac{d i_{q}}{d t} + ω \cdot ϕ = R \cdot i_{q} + L \cdot {\dot{i}}_{q} + ω \cdot ϕ$
Setzt man diese in V = √(V_d ² + V_q ²) ein, und verwendet man den Koeffizienten Ksub zum Umwandeln des Ausdrucks (Reibung und Schneidreaktion) in den Spannungsbereich erhält man $\begin{array}{l} V = \\ \sqrt{{(R \cdot K c u r \cdot \dot{x} + L q K c u r \cdot \ddot{x} + K \cdot x)}^{2} + {(x \cdot L q \cdot K c u r \cdot \dot{x})}^{2}} \\ + K s u b \cdot (R e i b u n g + S c h n e i d r e a k t i o n) \end{array}$
Auf der anderen Seite wird die maximale Ausgangsspannung Vmax [Vrms], die der Verstärker erzeugen kann, unter Berücksichtigung der toten Zone berechnet zu $V m a x = (S p e i s e s p a n n u n g) \cdot \sqrt{2} \cdot \frac{3}{π} (\frac{2 T - Δ}{2 T}) / \sqrt{2}$
worin Vmax [Vrms] die eingespeiste Spannung (Speisespannung), T die Geschwindigkeitsunterbrechungsperiode [125 µs] und Δ die Breite der toten Zone [8 µs] ist.
In einer Vorrichtung wie zum Beispiel einer Werkzeugmaschine, die durch einen Synchronmotor angetrieben wird, kann der erste Term der obigen Gleichung (3) aus den Befehlen berechnet werden. Vom Standpunkt der Bearbeitungszeit ist es jedoch schwer, ihn in Echtzeit durch Steuerungssoftware zu berechnen. Es ist ferner schwierig, die Reibung und die Schneidreaktion genau abzuschätzen. Die Folge hiervon ist, dass es nicht leicht ist, wenn sich die Bearbeitungsgenauigkeit aufgrund des Auftretens einer Spannungssättigung verschlechtert, die Ursache zu identifizieren. Aufgrund dieses Umstandes wird, da der Spannungsbefehl für die d-Phase und die q-Phase in der Steuerung für den Strom berechnet wird, bestimmt, ob der Spannungsbefehl die Höhe der Speisespannung überschritten hat und wird das Ergebnis dieser Bestimmung an die übergeordnete Steuervorrichtung gesendet.
2. Ausführungsform
Als nächstes wird eine Motorsteuervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Motorsteuervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Steuervorrichtung 1 eine Ausgabeeinheit für einen Sättigungsflag 20 enthält, die, auf der Basis des Ergebnisses der Bestimmung, welche durch die Verarbeitungseinheit für die Spannungssättigung vorgenommen wird, einen Sättigungsflag setzt, wenn der Spannungsbefehl die Speisespannung überschritten hat. 14 ist eine Darstellung, die den Aufbau der Motorsteuervorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Die Bauteilelemente, die die gleichen wie bei der Motorsteuervorrichtung 100 der ersten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und die Einzelheiten solcher Bauteilelemente werden nicht noch einmal näher beschrieben. Wie in 14 dargestellt, ist die Motorsteuervorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Steuervorrichtung 1 eine Ausgabeeinheit für einen Sättigungsflag 20 enthält, die auf der Basis des Ergebnisses der durch die Verarbeitungseinheit für die Spannungssättigung 41 in der Stromsteuereinheit 4 (siehe 3) vorgenommenen Bestimmung einen Sättigungsflag setzt, wenn der Spannungsbefehl die Speisespannung überschritten hat.
Wenn die übergeordnete Steuervorrichtung 1 den Flag für die Spannungssättigung von der Benachrichtigungseinheit für eine Spannungssättigung 42 in der Stromsteuereinheit 4 erhalten hat (siehe 3), leitet die Ausgabeeinheit für den Sättigungsflag den empfangenen Sättigungsflag an eine speicherprogrammierbare Steuervorrichtung (PMC) 21 weiter. Die speicherprogrammierbare Steuervorrichtung ist eine Vorrichtung, die den Betrieb einer Maschine oder Anlage in Übereinstimmung mit einer programmierten Abfolge, Bedingungen usw. steuert. Da die Ausgabeeinheit für den Sättigungsflag 20 den Sättigungsflag zur Außenseite der übergeordneten Steuervorrichtung 1 hin abgibt, kann die Betriebsperson auf das Auftreten einer Spannungssättigung aufmerksam gemacht werden und kann somit wahrnehmen, dass die Spannungssättigung der Grund für eine Verschlechterung der Genauigkeit ist. Für die Bedienungsperson wird es ferner möglich, wenigstens entweder die Soll-Geschwindigkeit und oder die Soll-Beschleunigung und oder den gewünschten Ruck zurückzunehmen und auf diese Weise die Wirkungen der Spannungssättigung auszugleichen, um die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit wieder sicherzustellen. In dem gezeigten Beispiel wird der Flag der Spannungssättigung zwar an die externe Steuerung 21 über die übergeordnete Steuervorrichtung 1 ausgegeben, aber um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen kann der Flag für die Spannungssättigung auch von der Benachrichtigungseinheit für die Spannungssättigung 42 unmittelbar an das externe Gerät bzw. die Steuervorrichtung 21 abgegeben werden.
3. Ausführungsform
Die erste Ausführungsform hat gezeigt, dass die Spannungssättigung durch Vermindern der Geschwindigkeit der C-Achse vermieden werden kann, d.h., der Zustellgeschwindigkeit von 120 mm/s auf 100 mm/s, wie dies in den 9A und 9B bis 13A bis 13B dargestellt ist. Die verminderte Geschwindigkeit ist hier unabhängig vom Winkel Θ konstant.
Als Folge hiervon erhöht sich die gesamte Arbeitszeit, da die Zustellgeschwindigkeit gleichmäßig über den gesamten Winkelbereich einschließlich des Winkels um 180° herum vermindert ist, bei dem die die Geschwindigkeit der X-Achse, die Beschleunigung der X-Achse usw. zunimmt.
Im Gegensatz hierzu ist eine Motorsteuervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Spannungsbefehl die Speisespannung überschritten hat, die übergeordnete Steuervorrichtung 1 auf der Basis des Ergebnisses der Bestimmung, die von der Verarbeitungseinheit für die Spannungssättigung 41 vorgenommen wird, eine Steuerung so ausführt, dass der Spannungsbefehl die Speisespannung nicht übersteigt, indem wenigstens entweder die Soll-Geschwindigkeit und oder die Soll-Beschleunigung und bzw. oder der gewünschte Ruck nur für einen vorgegebenen Bereich vermindert wird, in dem der Spannungsbefehl die Speisespannung übersteigt. Beispiele graphischer Darstellungen, die die Winkelabhängigkeit der Geschwindigkeit der C-Achse in der Motorsteuervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform wiedergibt, sind in den 15A und 15B gegeben. 15A zeigt den Fall, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse unabhängig von dem Winkel Θ konstant gehalten wird, wie in 9A, d.h. der Bedingung, unter der die Spannungssättigung auftritt. Auf der anderen Seite zeigt 15B ein Beispiel, indem die Geschwindigkeit der C-Achse bis auf 90 mm/s nur in einem begrenzten Bereich um den Winkel Θ = 180° verringert ist aber konstant bei 120 mm/s in den anderen Bereichen gehalten ist. Im Einzelnen wird die Geschwindigkeit der C Achse konstant bei 120 mm/s über den Bereich von 0° ≤ Θ ≤ 130° und ferner über den Bereich von 230° ≤ 0 ≤ 360° gehalten wird während auf der anderen Seite die Geschwindigkeit der C-Achse stetig von 120 mm/s bis auf 90 mm/s proportional zu dem Winkel über den Bereich von 130° ≤ Θ ≤ 165° verringert wird. Nach Aufrechterhalten der Geschwindigkeit der C-Achse auf 90 mm/s über den Bereich von 165° ≤ Θ ≤ 195° Wird die Geschwindigkeit der C-Achse nach und nach von 90 mm/s bis auf 120 mm/s in Abhängigkeit von dem Winkel über den Winkelbereich von 195° ≤ Θ ≤ 230° erhöht. Dies ist nur ein Beispiel und das Verfahren zum Verringern und Erhöhen der Geschwindigkeit der C-Achse ist nicht auf dieses spezielle Beispiel beschränkt.
Mit der Motorsteuervorrichtung der dritten Ausführungsform kann der Motor mit hoher Geschwindigkeit bzw. Drehzahl in Bereichen angetrieben werden, in denen eine Spannungssättigung nicht auftritt, während andererseits in dem vorgegebenen Bereich, in dem eine Spannungssättigung auftreten kann, der Motor mit reduzierter Geschwindigkeit angetrieben wird und so das Auftreten einer Spannungssättigung verhindert. Auf diese Weise kann die gesamte Bearbeitungszeit vermindert werden. Die 15A und 15B haben das Beispiel gezeigt, in dem die Geschwindigkeit der C-Achse als die Zustellgeschwindigkeit nur in dem vorgegebenen Bereich verringert wurde. Alternativ können Beschleunigung und Ruck nur in dem vorgegebenen Bereich reduziert werden, in dem eine Spannungssättigung auftreten kann.
4. Ausführungsform
Als nächstes wird eine Motorsteuervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. 16 ist eine Darstellung, die den Aufbau der Motorsteuervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. Die Motorsteuervorrichtung 300 gemäß der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von der Motorsteuervorrichtung 100 der ersten Ausführungsform durch die Aufnahme einer selbstlernenden Steuereinheit 11 zum Antrieb nach Maßgabe des Positionsbefehls, der von der übergeordneten Steuervorrichtung 1 abgegeben wird. Die gleichen Bauteile und Elemente wie die in der Motorsteuervorrichtung 100 der ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und die Einzelheiten solcher Bauteile und Elemente werden nicht noch einmal näher beschrieben.
Die selbstlernende Steuereinheit 11 nimmt Daten fehlerhafter Positionen (position error data) auf und berechnet den Betrag der selbstgelernten Korrektur und speichert ihn in einem Speicher für gelernte Werte 12 ab. Der Betrag der selbsterlernten Korrektur wird in einer vierten Addiervorrichtung 104 den Daten fehlerhafter Positionen hinzu addiert und die korrigierten Positionsdaten werden an die Positionssteuereinheit 2 abgegeben. Die selbstlernende Steuereinheit 11 berechnet einen neuen Betrag der erlernten Korrektur auf der Basis des Betrags der erlernten Korrektur, die in dem vorausgehenden Arbeitszyklus gespeichert wurde und wiederholt so das Selbsterlernen, um den Positionsfehler zu verringern.
Wenn der Positionsbefehl eine Ruckkomponente enthält, die eine Spannungssättigung verursacht, kann dann, wenn die selbstlernende Steuerung eingeschaltet ist, die Sollspannung die Speisespannung übersteigen, selbst in dem Fall, in dem die Sollspannung die Speisespannung bei der üblichen Regelung (feedback control) nicht übersteigt. Aus diesem Grund sind in der vorliegenden Ausführungsform Vorkehrungen getroffen, um eine Spannungssättigung durch Erkennen des Auftretens einer Spannungssättigung und daraufhin erfolgendes Verringern der Zustellgeschwindigkeit usw., selbst wenn die Lernsteuerung eingeschaltet ist, zu verhindern.
Während die Ausführungsformen der Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zuvor für den Fall beschrieben worden sind, in dem die Anlage nur eine Steuervorrichtung aufweist, muss die Anzahl der Steuervorrichtungen nicht auf eine einzige beschränkt sein, sondern es können vielmehr eine Vielzahl von Steuervorrichtungen vorgesehen werden.

Claims

Motorsteuervorrichtung (100) mit einer Vielzahl von Steuervorrichtungen (10) zur Steuerung eines Motors und mit einer übergeordneten Steuervorrichtung (1), die einen Befehl an die Steuervorrichtungen abgibt, bei der jede Steuervorrichtung (10) enthält: eine Positionssteuereinheit (2) die eine Position auf der Basis eines Positionsbefehls und einer Sollspannung steuert, die von der übergeordneten Steuervorrichtung (1) abgegeben werden, eine Geschwindigkeitssteuereinheit (3), die eine Geschwindigkeit auf der Basis eines Geschwindigkeitsbefehls steuert, der von der Positionssteuereinheit (2) abgegeben wird, eine Stromsteuereinheit (4), die den Strom auf der Basis eines Strombefehls steuert, der von der Geschwindigkeitssteuereinheit (3) abgegeben wird, und einen Stromverstärker (5), der den Strom zum Antrieb des Motors auf der Basis eines Spannungsbefehls steuert, der von der Stromsteuereinheit (4) abgegeben wird, und bei der die Stromsteuereinheit (4) aufweist: eine Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung (41), die bestimmt, ob der Spannungsbefehl die abgegebene Speisespannung des Stromverstärkers (5) überschritten hat, und die ein Ergebnis der Bestimmung ausgibt, und eine Benachrichtigungseinheit für eine Spannungssättigung (42), die der übergeordneten Steuervorrichtung (1) das Ergebnis der Bestimmung übermittelt, die von der Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung (41) durchgeführt wurde.
Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die übergeordnete Steuervorrichtung (1) eine Ausgabeeinheit für einen Sättigungsflag (20) aufweist, die auf der Basis des Ergebnisses der Bestimmung ein Sättigungsflag ausgibt, wenn der Spannungsbefehl die Speisespannung überschritten hat.
Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der, wenn der Spannungsbefehl die Speisespannung überschritten hat, die übergeordnete Steuervorrichtung (1) auf der Basis des Ergebnisses der Bestimmung eine Steuerung so ausführt, dass der Spannungsbefehl die Speisespannung nicht überschreitet durch Vermindern von entweder der Soll-Geschwindigkeit und oder der Soll-Beschleunigung und oder des gewünschten Rucks.
Motorsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der, wenn der Spannungsbefehl die Speisespannung überschritten hat, die übergeordnete Steuervorrichtung (1) auf der Basis des Ergebnisses der Bestimmung die Steuerung so ausführt, dass der Spannungsbefehl die Speisespannung nicht überschreitet durch Vermindern von entweder der Soll-Geschwindigkeit und oder der Soll-Beschleunigung und oder des gewünschten Rucks nur in einem vorgegebenen Bereich, in dem der Spannungsbefehl die Speisespannung überschreitet.
Motorsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner eine selbstlernende Steuereinheit (11) für den Antrieb in Übereinstimmung mit dem Positionsbefehl, der von der übergeordneten Steuervorrichtung (1) abgegeben wird, aufweist, wobei die selbstlernende Steuereinheit (11) Daten fehlerhafter Positionen aufnimmt und den Betrag einer selbstgelernten Korrektur berechnet und ihn ab speichert, den Betrag der selbsterlernten Korrektur zu den Daten fehlerhafter Positionen hinzu addiert und die korrigierten Positionsdaten an die Positionssteuereinheit (2) abgibt, und wobei die selbstlernende Steuereinheit (11) einen neuen Betrag der erlernten Korrektur auf der Basis des Betrags der erlernten Korrektur berechnet, die in einem vorausgehenden Arbeitszyklus gespeichert wurde.
Motorsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Verarbeitungseinheit für eine Spannungssättigung (41) das Ergebnis der Bestimmung über eine vorgegebene Zeitperiode hält.
Motorsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die übergeordnete Steuervorrichtung (1) einen Spannungsbefehl V aus dem Positionsbefehl in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Gleichung berechnet und, wenn der Spannungsbefehl V die vorgegebene maximale Spannung überschreitet, den Spannungsbefehl V durch Vermindern von entweder der Soll-Geschwindigkeit und oder der Soll-Beschleunigung und oder dem gewünschten Ruck verkleinert, können wobei die vorgegebene Gleichung die folgende ist: $\begin{array}{l} V = \sqrt{{(R \cdot K c u r \cdot \dot{x} + L q K c u r \cdot \ddot{x} + K \cdot x)}^{2} + {(x \cdot L q \cdot K c u r \cdot \dot{x})}^{2}} \\ + K s u b \cdot (R e i b u n g + S c h n e i d r e a k t i o n) \end{array}$
mit: x = ω (Winkelgeschwindigkeit [rad/s]: Rotationsmotor) v (Geschwindigkeit [m/s]: Linearmotor) Lq = Induktivität je Lage [H] R = Widerstand je Phase [Ω] Jm = Trägheit des Motors [kgm²] Jl = Trägheit der Last [kgm²] Mm = Gewicht der Magnete [kg] MI = Gewicht der Last [kg] K = Kt (Drehmomentkonstante [Nm/Ap]: Rotationsmotor] Kf (Antriebskonstante [N/Ap]: Linearmotor) $\begin{array}{r} K c u r = \sqrt{\frac{3}{2}} \cdot \frac{(J m + J l)}{K t} & Rotationsmotor \\ = \sqrt{\frac{3}{2}} \cdot \frac{(M m + M l)}{K ƒ} & Linearmotor \end{array}$
und $K s u b = \sqrt{\frac{3}{2}} \cdot \frac{(R e i b u n g + S c h n e i d r e a k t i o n)}{K} \cdot R$