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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Servosteuervorrichtung zum Antrieb eines Servomotors und insbesondere betrifft sie eine Servosteuervorrichtung mit einer automatischen Filtereinstellung auf Basis einer experimentellen Modalanalyse.
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2. Zum Stand der Technik
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Viele Servosteuervorrichtungen setzen ein Bandsperrfilter für einen Drehmomentbefehlswert ein, um das Servosteuersystem einer Werkzeugmaschine zu stabilisieren. Bei der Filtereinstellung ist es üblich, einen Sinuswellendurchlauf in einer Geschwindigkeitssteuerschleife (Regelkreis) mit einer Drehmomentbefehl-Erzeugungseinheit und einer Geschwindigkeitsdetektionseinheit durchzuführen, um so einen Frequenzgang (Frequenzantwort) der Steuerschleife zu messen und eine Resonanzfrequenz der Steuerschleife (Regelkreis) zu erhalten.
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Wegen der beträchtlichen Rechenlast bezüglich jedes Filters ist es schwierig, die Anzahl der Filter mit periodischer Rechnung in Echtzeit zu vergrößern. Deshalb ist die Anzahl der Filter begrenzt aufgrund der Leistungsbeschränkung der für die Servosteuerung verwendeten Hardware. Und somit bei Einsatz einer endlichen Anzahl von Filtern eine effiziente Anpassung der Filter zur Stabilisierung des Steuersystems von großer Bedeutung. Hierzu braucht es eine Technik, welche eine selektive Anwendung eines Filters ermöglicht, mit dem ein hoher Stabilisierungseffekt erwartet werden kann, und zwar durch Analyse des Oszillationsrisikos bei jeder Resonanzfrequenz.
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Aufgrund des Umstandes, dass eine automatische Filtereinstellung grundsätzlich möglich ist wenn Resonanz detektiert wird, wurden mehrere Techniken für eine automatische Filteranpassung vorgeschlagen (z. B.
japanische veröffentlichte Patentanmeldung H06-78575 , (nachfolgend als „Patentdokument 1” bezeichnet). Patentdokument 1 beschreibt eine automatische Anpassung eines Kerbfilters (Sperrfilter) durch Gewinnung von Amplitudenverhältnissen und Frequenzen aus Messdaten, um eine Parameteranpassung einschließlich einer Diskretisierungsrechnung durchzuführen. Es ist aber schwierig, die Breite und Tiefe des Filters mit dieser Technik einzustellen.
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Zwar hat die automatische Filtereinstellung den Vorteil, dass die Ergebnisse nur geringen Schwankungen unterliegen, jedoch müssen genaue Vorgaben für die automatische Einstellung definiert werden. Es wurden Techniken zum Einstellen eines ganzen Satzes von Servosteuerparametern einschließlich der Steuerverstärkung und der Vorsteuerung mit Abschätzung einer Übertragungsfunktion vorgeschlagen (z. B. offengelegte
japanische Patentanmeldung 2008-259271 ; nachfolgend als „Patentdokument 2” bezeichnet). Diese bekannte Technik ist insofern vorteilhaft als die gesamte Einstellung unter Berücksichtigung eine stabilen Betriebs des Steuersystems erfolgen kann. Patentdokument 2 beschreibt eine automatische Einstellung der Steuerverstärkung des Sperrfilters und der Vorsteuerung. Bei dieser Technik wird das Trägheitsmoment des mechanischen Systems ermittelt, die Übertragungsfunktion des mechanischen Systems erzeugt und die inverse Übertragungsfunktion der erzeugten Übertragungsfunktion wird gewonnen (die Reziproke der Übertragungsfunktion des mechanischen Systems wird gewonnen und damit wird ein Feedforward-Koeffizient bestimmt, (Feedforward: Vorsteuerung). Die Filtereinstellung selbst erfolgt auf Basis einer Oszillationsfrequenz und einer Steuerverstärkung. Allerdings beschreibt das Patentdokument 2 kein Verfahren zur eindeutigen Definition der Breite und Tiefe eines Filters.
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Beispiele für die Anwendung einer experimentellen Modalanalyse für Servoeinstellungen wurden veröffentlicht (z. B. offengelegte
japanischen Patentanmeldung 2006-227793 ; nachfolgend als „Patentdokument 3” bezeichnet). Patentdokument 3 schlägt ein Verfahren zur Bestimmung einer Gruppe von Konstanten für die Transferfunktion (Übertragungsfunktion) vor und beschreibt, dass eine Verstärkung, ein Tiefpassfilter und ein Sperrfilter für eine Servosteuerung mit diesem Verfahren einstellbar sein sollen. Allerdings beschreibt Patentdokument 3 kein Verfahren zur Auswahl einer Resonanzfrequenz.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die Erfindung hat die Bereitstellung einer Servosteuervorrichtung zum Ziel, welche jeweils folgendes ermöglicht: Einstellen einer begrenzten Anzahl von Filtern durch Abschätzung einer Übertragungsfunktion aus einem gemessenen Frequenzgang (Anspruch 1); Auffinden – mit Vorrang – einer Filterfrequenz, mit welcher ein hoher Stabilisierungseffekt erreichbar ist durch Bestimmung einer Resonanzmode mit hohem Oszillationsrisiko (Anspruch 2); und Vorhersage sowie Anzeige des Filtereffektes durch Rechnung mit einem mathematischen Ausdruck ohne tatsächliche Filteranwendung (Anspruch 3).
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Die Servosteuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist folgendes auf: eine Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit, welche einen Geschwindigkeitsbefehlswert für einen Servomotor erzeugt; eine Drehmomentbefehlerzeugungseinheit, welche einen Drehmomentbefehlswert für den Servomotor auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes erzeugt; eine Geschwindigkeitsdetektionseinheit, welche die Geschwindigkeit des Servomotors detektiert, welcher auf Basis des Drehmomentbefehlswertes angetrieben wird; eine Geschwindigkeitssteuerschleife (Regelkreis), welche die Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit, die Drehmomentbefehlserzeugungseinheit und die Geschwindigkeitsdetektionseinheit enthält; eine Sinuswellen-Störungseingabeeinheit, welche eine Sinuswellen-Störung in den Geschwindigkeitsregelkreis eingibt; eine Frequenzgang-Berechnungseinheit, welche einen Frequenzgang abschätzt einschließlich einer Verstärkung und einer Phase von Geschwindigkeitsregelkreis-Eingabe/Ausgabesignalen auf Basis eines Ausgangssignals aus dem Geschwindigkeits-Regelkreis zum Zeitpunkt der Eingabe der sinuswellenförmigen Störung in den Geschwindigkeitsregelkreis; eine Resonanzfrequenz-Detektionseinheit, welche eine Resonanzfrequenz detektiert, bei der die Verstärkung des Frequenzganges ein lokales Maximum hat; eine Resonanzmoduskennlinienschätzeinheit, welche ein Resonanzkennlinie abschätzt auf Basis des Frequenzganges bei der Resonanzfrequenz sowie Frequenzen um die Resonanzfrequenz herum; eine Starrkörpermoduskennlinienschätzeinheit, welche eine Starrkörper-Kennlinie abschätzt auf Basis des Frequenzganges in einem Niederfrequenzband; einen Filter, welcher eine Komponente in einem bestimmten Frequenzband in einem Drehmomentbefehl abschwächt; und eine Filtereinstellungseinheit, welche den Filter so einstellt, dass er eine gewünschte Kennlinie hat. Die Filtereinstelleinheit kann weiterhin ein Filtereinstellelement aufweisen, welches eine Komponente in einem Frequenzband entsprechend einer Resonanzmode abschwächt, welche durch die Resonanzmodenkennlinienabschätzeinheit abgeschätzt ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Blick auf die Figuren:
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1 zeigt den Aufbau einer Servosteuervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 zeigt als Blockdiagramm eine Übertragungsfunktion eines mechanischen Übertragungsmechanismus als Summe von Sekundärsystemen;
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3A ist ein Steuerungsblockdiagramm zur Erläuterung der Komponenten eines Geschwindigkeitsregelkreises in einem Motorantriebssystem als kontinuierliches System;
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3B ist ein Steuerungsblockdiagramm zur Erläuterung der Komponenten eines Geschwindigkeitsregelkreises in einem Motorantrieb als kontinuierliches System;
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4A zeigt ein Beispiel für eine Verstärkungsfrequenzkennlinie;
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4B zeigt ein Beispiel für eine Amplitudenfrequenzkennlinie;
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4C zeigt ein Beispiel für eine Frequenzkennlinie der spektralen Leistungsdichte;
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5A erläutert ein Verfahren zum Berechnen von Energien in einem Starrkörpermodus und in einem Resonanzmodus auf Basis der Frequenz-Kennlinien der spektralen Leistungsdichte;
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5B erläutert ein Verfahren zur Berechnung von Energien im Starrkörpermodus und im Resonanzmodus aus den Frequenzkennlinien der spektralen Leistungsdichte;
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6 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebsablaufs bei einer Servosteuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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7 zeigt die Modus-Abhängigkeit des Spitzenleistungsverhältnisses;
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8 zeigt den Frequenzgang der Verstärkung nach Anpassung und Glättung; und
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9 zeigt den Frequenzgang der Phase nach Anpassung und Glättung.
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Beschreibung von Einzelheiten
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Eine Servosteuervorrichtung gemäß der Erfindung wird nachfolgend mit Blick auf die Figuren näher beschrieben. Angemerkt sei aber, dass der technische Umfang der Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt ist und die im Umfang der Ansprüche beschriebene Erfindung beinhaltet sowie deren Äquivalente.
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[Erstes Ausführungsbeispiel]
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(Filtereinstellung auf Basis einer Modalanalyse)
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Zunächst soll eine Servosteuervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden. 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Aufbaus einer Servosteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Eine Servosteuervorrichtung 101 gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat folgendes: eine Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit 1, welche einen Geschwindigkeitsbefehlswert für einen Servomotor erzeugt; eine Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 2, welche einen Drehmomentbefehlswert für den Servomotor auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes erzeugt; eine Geschwindigkeitsdetektionseinheit 3, welche die Geschwindigkeit des gemäß dem Drehmomentbefehlswert angetriebenen Servomotors detektiert; einen Geschwindigkeitsregelkreis 4, welcher die Geschwindigkeitsbefehlserzeugungseinheit 1, die Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 2 und die Geschwindigkeitsdetektionseinheit 3 enthält; eine Sinuswellen-Störungseingabeeinheit 5, welche eine Sinuswellenstörung in den Geschwindigkeitsregelkreis 4 eingibt; eine Frequenzgang-Berechnungseinheit 6, welche auf Basis des Ausganges des Geschwindigkeitsregelkreises 4 bei Eingabe der Sinuswellenstörung einen Frequenzgang abschätzt einschließlich der Verstärkung und der Phase der Eingabe-/Ausgabesignale des Geschwindigkeitsregelkreises; eine Resonanzfrequenz-Detektionseinheit (nicht dargestellt), welche eine Resonanzfrequenz detektiert, d. h. die Frequenz, bei welcher die Verstärkung des Frequenzganges ein lokales Maximum hat; eine Resonanzmodenkennlinienabschätzeinheit 8, welche eine Resonanzkennlinie abschätzt auf Basis des Frequenzganges bei der Resonanzfrequenz und bei dazu benachbarten Frequenzen; eine Starrkörpermodus-Kennlinienabschätzeinheit 9, welche die Starrkörperkennlinie abschätzt auf Basis des Frequenzganges in einem Niederfrequenzband; ein Filter 10, welches Komponenten in einem bestimmten Frequenzband im Drehmomentbefehl abschwächt; und eine Filtereinstelleinheit 11, welche den Filter 10 so einstellt, dass er spezifizierte Filtereigenschaften hat. Die Filtereinstelleinheit 11 hat weiterhin ein Filtereinstellungselement, welches Komponenten in einem Frequenzband abschwächt entsprechend einem Resonanzmodus, welcher durch die Resonanzmoduskennlinienabschätzeinheit 8 abgeschätzt wurde.
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Die Servosteuervorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Lage, eine automatische Filteranpassung durchzuführen, bei der die Kennwerte eines Übertragungsmechanismus aus Regelkreiskennwerten gewonnen werden anstelle einer Schleifensequenz, wobei der Filter gemäß physikalischer Bedingungen automatisch eingestellt wird. Die Servosteuervorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung führt die Filtereinstellung im Drehmomentbefehl durch unter einer quantitativen Einschätzung durch Einstellen eines Filters auf Basis einer Modalanalyse, welche kennzeichnende Größen eines Resonanzmodus ermittelt auf Basis des Frequenzganges bei der Resonanzfrequenz und diese umgebender Frequenzen, um den Kennwert als eine physikalische Größe zu gewinnen, welche die Eigenschaften der Übertragung wiedergibt.
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Ein Verfahren, welches als experimentelle Modalanalyse zu bezeichnen ist, wird eingesetzt zur Analyse einer mechanischen Oszillation (wohingegen eine theoretische Modalanalyse ein Verfahren der sogenannten finiten Elemente betrifft). Die experimentelle Modalanalyse ist eine Technik mit tatsächlicher Messung eines Frequenzganges und Berechnung eines Kennwertes aus den Messdaten. Angenommen sei eine Anzahl von unabhängigen Systemen aus Feder/Masse/Dämpfer. Dann ergibt sich ein Satz unabhängiger Bewegungsgleichungen für die Systeme. Auf dieser Basis kann bei der Modalanalyse die Übertragungsfunktion eines mechanischen Übertragungsmechanismus dargestellt werden durch die Summe von Sekundärsystemen gemäß 2. jedes der Sekundärsysteme (202-1, 202-2, ..., 202-N) wird als ”Resonanzmodus” bezeichnet und ein Term 201, welcher nur einen Integrator enthält, wird als ”Starrkörpermodus” bezeichnet. In 2 bedeuten K0, K1, ..., KN jeweils eine Verstärkung, ζ1, ζ2, ..., ζN bedeuten jeweils ein Dämpfungsverhältnis und ω1, ω2, ..., ωN bedeuten jeweils eine Resonanzfrequenz. Bei der experimentellen Modalanalyse werden Parameter der so dargestellten Übertragungsfunktion auf Basis tatsächlich gemessener Werte bestimmt. Mit einer solchen Darstellung können die Parameter für jeden Modus mit dem sogenannten Bandbreitenverfahren bei halber Leistung bestimmt werden.
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Die in den 3A und 3B dargestellten Steuer-Blockdiagramme illustrieren als kontinuierliches System die Komponenten entsprechender Geschwindigkeitsregelkreise 4 und 4' in einem Motorantriebssystem mit Eingang ω* und Ausgang ω. Das den Geschwindigkeitsregelkreis 4 in 3A darstellende Blockdiagramm hat einen Addierer 12, eine Geschwindigkeitssteuerung (Drehmomentbefehlerzeugungseinheit) 2, einen Sperrfilter (Kerbfilter) 10, einen Resonanzmodus 13 und einen Differenzierer 14. Im Blockdiagramm des Geschwindigkeitsregelkreises 4' nach 3B erscheint der Differenzierer nicht, weil ein Integrator der Geschwindigkeitssteuerung 2' vorgesehen ist. Ursache hierfür ist die Steuerstruktur und nicht die Messung selbst. Bei den Geschwindigkeitssteuerungen 2 und 2' bedeutet kvp eine Geschwindigkeitsproportionalverstärkung und kvi bedeutet eine Geschwindigkeitsintegralverstärkung.
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Wenn auf diese Weise die Kennwerte für den Resonanzzustand gewonnen werden, schwächt ein Filtereinstellungselement (nicht dargestellt) der Filtereinstelleinheit 11 Komponenten im Frequenzband entsprechend dem Resonanzmodus, wie durch die Resonanzmoduskennwertabschätzeinheit 8 abgeschätzt.
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Somit ist die Servosteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in der Lage, den Filter in dem Drehmomentbefehl einzustellen unter einer quantitativen Auswertung durch Identifizieren des Kennwertes eines Resonanzmodus auf Basis eines Frequenzganges bei der Resonanzfrequenz sowie bei die Resonanzfrequenz umgebenden Frequenzen, um den Kennwert als physikalische Größe zu gewinnen, welche die Eigenschaften des Übertragungsmechanismus repräsentiert.
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[Zweites Ausführungsbeispiel]
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(Rangfolgen bei der Filtereinstellung)
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Nunmehr wird eine Servosteuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Diese hat die folgenden Merkmale: das Filtereinstellungselement führt die Einstellung des Filters entsprechend einem Frequenzgang des Geschwindigkeitsregelkreises 4 aus unter Verwendung zumindest einer der nachfolgenden Parameter: Kennwerte des Resonanzmodus, wie durch die Resonanzmoduskennwertabschätzeinheit 8 abgeschätzt, und des einzelnen Kennwerts im Starrkörpermodus, wie durch die Starrkörpermoduskennwertabschätzeinheit 9 abgeschätzt, und mit Vergleich der Energie im Resonanzmodus und der entsprechenden Energie im Starrkörpermodus in einem bestimmten Frequenzbereich, um so einen Modus mit einer höheren Oszillationswahrscheinlichkeit in dem Geschwindigkeitsregelkreis 4 auszuwählen. Ansonsten entspricht der Aufbau der Servosteuervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass eine wiederholte Beschreibung sich erübrigt.
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Zum Einsatz einer begrenzten Anzahl von Filtern bestimmt die Servosteuervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung Resonanzfrequenzen, bei welchen die Filter mit hohem Vorrang einzusetzen sind. Die Servosteuervorrichtung führt eine Oszillationsrisikoabschätzung aus auf Basis physikalischer Evidenz unter Verwendung des Verhältnisses von Starrkörpermodusenergie und Resonanzmodusenergie.
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Üblicherweise wird ein Frequenzgang mit einer logarithmischen Skala dargestellt, da sich der Frequenzgang üblicherweise über einen sehr weiten Bereich erstreckt. Deshalb wird zum erleichterten Verständnis der Kennlinie üblicherweise ein sogenanntes Bode-Diagramm entsprechend 4A verwendet.
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Es ist möglich, die Verstärkung (dB) mit Amplitudenwerten gemäß 4B darzustellen durch Umwandlung des Frequenzganges nach 4A in Form einer Linearachse. Zwar ist eine logarithmische Achse bei Darstellung eines weiten Bereiches hilfreich, jedoch ist eine Linearachse besser geeignet, bestimmte Bereiche in regelmäßigen Intervallen darzustellen. Die spektralen Leistungsdichten entsprechend 4C werden gewonnen durch Quadrieren der Daten der Vertikalachse (Amplituden) des Frequenz-Amplitude-Graphen.
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Jegliche Daten entsprechend periodischer Zeitfolgen können in spektrale Leistungsdichten entsprechend 5A mittels einer Fourier-Transformation umgewandelt werden. Dies entspricht der Verwendung von Ergebnissen, die gewonnen werden durch Ausführung einer Fourier-Transformation auf eine Antwort-Wellenform bei Eingabe einer Sinuswelle. Durch Integration der spektralen Leistungsdichte auf der Frequenzachse ergibt sich die Energie des entsprechenden Signals. Wie 5B zeigt, kann die Signalenergie in einem bestimmten Frequenzband durch Integration abgeschätzt werden.
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Die Verstärkung im Starrkörpermodus wird bei tiefen Frequenzen stark abgeschwächt und wird so klein, dass sie in einem Frequenzband vernachlässigbar ist, in dem die Verstärkung im Resonanzmodus überwiegt.
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Die Kennwerte des Übertragungsmechanismus sollten (theoretisch) grundsätzlich die Starrkörperkennwerte sein. Ein tatsächlicher Übertragungsmechanismus hingegen weist eine Anzahl von Resonanzfaktoren auf (Feder-Masse-Dämpfer-Faktoren). Deshalb werden die Energien im Resonanzmodus und im Starrkörpermodus berechnet und deren Verhältnis wird gewonnen, um auf diese Weise ”das Ausmaß der Differenz im Vergleich mit idealen Kennwerten” abzuschätzen.
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Beim in den 5A und 5B gezeigten Ausführungsbeispiel werden die mechanischen Kennwerte wie folgt beschrieben.
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Die halben Breiten bei halbem Maximum im Primärmodus (Resonanzmodus 1) und im Sekundärmodus (Resonanzmodus 2) werden mit W1 bzw. W2 bezeichnet. Dann ergeben sich die Integralbereiche aus nachfolgenden Gleichungen unter Verwendung einer passenden Konstanten n (> 1).
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Verhältnisse η dieser Energien werden berechnet. Insbesondere werden Verhältnisse η1 und η2 gemäß den nachfolgenden Gleichungen gewonnen.
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Ein Verhältnis η mit größerem Wert zeigt an, dass der ”Unterschied” zum Starrkörpermodus größer ist. Dementsprechend ist bei einem solchen Modus ein Filter mit hohem Vorrang einzusetzen.
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Da die spektrale Leistungsdichte im Starrkörpermodus bei hohen Frequenzen kleiner ist, wird der Auswertungswert für η bei hohen Frequenzen größer. Liegen mehrere Resonanzen mit ähnlichen Amplitudenverhältnissen vor, kann die Hochfrequenzresonanz mit höherer Dringlichkeit ausgewählt werden. Da aber Resonanzen im niederfrequenten Bereich in einigen Fällen gemäß den Kennwerten des Steuersystems behandelt werden, wird solchen Resonanzen in der Regel ein geringerer Vorrang eingeräumt.
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Nunmehr wird ein Betriebsablauf in einer Servosteuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Blick auf das Flussdiagramm nach 6 näher beschrieben. Zunächst gibt in Schritt S101 die Sinuswellenstörungseingabeeinheit 5 (1) eine Sinuswellenstörung in den Geschwindigkeitsregelkreis 4 ein.
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Sodann detektiert in Schritt S102 die Geschwindigkeitsdetektionseinheit 3 einen Geschwindigkeitswert des Servomotors 20. Die Geschwindigkeit des Servomotors 20 kann detektiert werden durch z. B. einen Kodierer oder dergleichen.
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Sodann erzeugt in Schritt S103 die Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 2 einen Drehmomentbefehlswert auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes und des detektierten Geschwindigkeitswertes.
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Sodann berechnet in Schritt S104 die Frequenzgang-Berechnungseinheit 6 einen Frequenzgang auf Basis des Sinuswellenstörungswertes und des Drehmomentbefehlswertes.
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Sodann bestimmt in Schritt S105 die Starrkörpermodus-Kennwertbestimmungseinheit 9 einen einzigen Kennwert für den Starrkörpermodus auf Basis des Frequenzganges.
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Sodann bestimmt in Schritt S106 die Resonanzmodus-Kennwertbestimmungseinheit 8 einen Satz von Kennwerten bezüglich zumindest eines Resonanzmodus auf Basis des Frequenzganges.
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Sodann berechnet in Schritt S107 die Filtereinstelleinheit 11 die Energie in jedem Resonanzmodus und die entsprechende Energie im Starrkörpermodus, gewinnt ein Verhältnis zwischen den Energien und bestimmt Rangfolgen bei den Resonanzmoden, gemäß denen der Filter 10 eingesetzt wird. Die Spitzenleistungsverhältnisse mehrerer Moden werden beispielhaft in 7 gezeigt.
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Sodann stellt in Schritt S108 die Filtereinstelleinheit 11 die Filterkennwerte für die Resonanzmoden in einer Reihenfolge ein, ausgehend von den Resonanzmoden mit höherem Vorrang.
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Wie oben beschrieben, ermittelt die Servosteuervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zum Einsatz einer begrenzten Anzahl von Filtern Resonanzfrequenzen, bei denen Filter mit höherem Vorrang einzusetzen sind. Im Ergebnis kann die Servosteuervorrichtung eine Oszillationsrisikoabschätzung ausführen auf Basis physikalischer Gegebenheiten unter Verwendung des Verhältnisses zwischen der Starrkörpermodusenergie und jeder Resonanzmodusenergie.
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[Drittes Ausführungsbeispiel]
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(Vorhersage und Anzeige der Filterwirkung)
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Nunmehr wird eine Servosteuervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Diese Servosteuervorrichtung hat die nachfolgenden Merkmale. Die Frequenzgang-Berechnungseinheit 6 bestimmt eine Übertragungsfunktion eines Übertragungsmechanismus 30 auf Basis von Modenkennwerten, welche durch die Resonanzmoduskennwert-Bestimmungseinheit 8 und die Starrkörpermodus-Kennwertbestimmungseinheit 9 bestimmt werden, und es erfolgt eine Kurvenanpassung bezüglich einer Frequenzgangkurve, die durch experimentelle Messungen gewonnen wird. Damit wird die Wirkung eines einzusetzenden Filters entsprechend einem mathematischen Ausdruck vorhergesagt. Das gewonnene Ergebnis der Vorhersage wird mit einem Bode-Diagramm angezeigt. Ansonsten entspricht der Aufbau der Servosteuervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel und deshalb wird auf eine wiederholte Beschreibung insoweit verzichtet.
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Die Servosteuervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann einen Ausdruck für die Übertragungsfunktion gewinnen, welcher einen Frequenzgang repräsentiert. Dementsprechend kann die Servosteuervorrichtung vorhersagen, wie sich der Frequenzgang im Ergebnis der Filteranwendung ändert, ohne dass eine tatsächliche Messung wiederholt werden müsste. Es ist möglich, die durchzuführende Filtereinstellung abzuschätzen bevor die Einstellung vollendet wird, und zwar durch Darstellung eines Bode-Diagramms mit der Übertragungsfunktion des Sperrfilters. Als Beispiel zeigt 8 Graphen, welche Frequenzkennlinien der Verstärkung nach Glättung und nach Anpassung zeigen. 9 zeigt den Graphen einer Frequenzkennlinie einer Phase nach Glättung und nach Anpassung. Die Übertragungsfunktion zur Kennzeichnung des Sperrfilters (IIR) kann durch den nachfolgenden Ausdruck angegeben werden.
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δ ist ein Parameter zur Bestimmung einer Dämpfung (Kerbtiefe/Kerbfilter) bezüglich einer Oszillationskomponente, τ ist ein Parameter zur Bestimmung der Breite eines Dämpfungsbandes (Kerbenbreite) und ωc ist die Mittenfrequenz des Dämpfungsbandes.
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Wird die Frequenz, bei der ein Filter einzusetzen ist, mit dem oben beschriebenen Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bestimmt, können die Kennwerte des Sperrfilters (Kerbfilters) bestimmt werden. Die Resonanzmoden seien durch den nachfolgenden Ausdruck dargestellt.
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Dann wird durch die nachfolgend beschriebene Einstellung des Sperrfilters (Kerbfilters) das System sicher stabilisiert.
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Darin bedeuten Kr, ζr und ωr die Verstärkung, die Dämpfungskonstante bzw. die natürliche Winkelfrequenz des Resonanz-Hauptmodus.
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Ist das Ergebnis der experimentellen Modalanalyse gewonnen und die Konstante für den einzusetzenden Filter bestimmt, kann durch Rechnung ein Frequenzgang nach dem Filtereinsatz vorausgesagt und angezeigt werden. Im Allgemeinen wird eine Steuereinrichtung betrieben, um den Motor mit einer Servoeinstellung anzutreiben. Da aber mit dem obigen Verfahren die Kennwerte der tatsächlichen Vorrichtung ermittelt werden können, ist eine Filteranpassung möglich ohne tatsächlichen Betrieb der realen Einrichtung, nachdem die Modalanalyse vervollständigt ist.
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Wie oben beschrieben, kann mit der Servosteuervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Ausdruck für die Übertragungsfunktion gewonnen werden, welcher einen Frequenzgang wiedergibt, wodurch es möglich ist, abzuschätzen, wie sich der Frequenzgang durch die Filteranwendung ändert, ohne dass die physikalische Messung wiederholt werden müsste. Durch Darstellung des Bode-Diagramms mit der Übertragungsfunktion des Sperrfilters (Kerbfilters) ist es möglich, die auszuführende Filteranpassung abzuschätzen, bevor die Einstellung abgeschlossen ist.
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Wie oben erläutert, analysiert die Servosteuervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung den Frequenzgang des Steuersystems über eine Modalanalyse, berechnet einen Kennwert für jeden Resonanzmodus, um das Oszillationsrisiko für den Modus zu ermitteln, und bestimmt Rangfolgen bezüglich der Frequenzen, auf welche der Filter anzuwenden ist. Da die Breite und Tiefe der Filter bestimmt werden auf Basis der Kennwerte jedes zugehörigen Modus, kann der Filter automatisch mit hoher Genauigkeit angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 06-78575 [0004]
- JP 2008-259271 [0005]
- JP 2006-227793 [0006]
