DE10217020A1

DE10217020A1 - Verfahren zum Bestimmen und Kompensieren von periodisch auftretenden Störmomenten in einem einem Antriebsmotor nachgeordneten Harmonic-Drive-Getriebe

Info

Publication number: DE10217020A1
Application number: DE2002117020
Authority: DE
Inventors: Alin Albu-Schaeffer; Norbert Sporer; Matthias Haehnle; Markus Hauschild
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2022-04-13
Also published as: DE10217020B4

Abstract

Zum Bestimmen und Kompensieren von periodisch auftretenden Störmomenten in einem einem Antriebsmotor nachgeordneten Harmonic-Drive-Getriebe werden entlang einer relevanten Trajektorie mittels eines abtriebsseitigen Drehmomentsensors abtriebsseitig periodisch auftretende Drehmomentfehler t¶a¶ gemessen und als von der Funktion der jeweiligen aktuellen Motorposition q¶m¶ abhängige Drehmomentfehler-Signale t¶a¶(q¶m¶) aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Fehlersignale t¶a0¶(q¶m¶) werden einer Fourier-Analyse unterzogen. Aus diesen Fehlersignalen t¶a0¶(q¶m¶) wird die antriebsseitige Störung t¶m0¶(q¶m¶) berechnet. Die berechnete Kompensation t¶ms0¶ = -t¶m0¶ wird zu einem geforderten Motormoment t¶m¶ addiert. DOLLAR A Auf der gleichen Trajektorie wird ein verbleibender Restfehler t¶ai¶(q¶m¶) mit i = 1, 2, ... beim i-ten Durchgang mittels des abtriebsseitigen Drehmomentsensors gemessen und daraus werden dessen Fourier-Koeffizienten bestimmt. Das neu berechnete Motor-Kompensations-Drehmoment t¶msi¶(q¶m¶) wird zum vorherigen Kompensations-Drehmoment DOLLAR I1 addiert, wodurch sich DOLLAR I2 ergibt. Die Iteration wird abgebrochen, sobald der Drehmomentfehler t¶ai¶ einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und Kompensieren von periodisch auftretenden Störmomenten in einem einem Antriebsmotor nachgeordneten Harmonic-Drive-Getriebe unter Verwendung eines abtriebsseitig angeordneten Drehmomentsensors. Ferner betrifft die Erfindung hierfür geeignete Drehmomentsensoren.
In der elektrischen Antriebstechnik werden in zunehmendem Maß leistungsfähige, kompakte Motor-Getriebe-Einheiten benötigt, die nicht nur rein positions- oder geschwindigkeitsgeregelt sind, sondern auch als präzise Drehmomentquelle dienen können. Solche Antriebe werden beispielsweise in der Robotik, im Simulatorbereich oder in zahlreichen sogenannten "by-wire"-Systemen für Flugzeuge und Automobile benötigt. Die bei einer kompakten Bauweise sich ergebenden hohen Getriebeübersetzungen führen aber zu erheblichen Reibungseffekten. Auf der Abtriebsseite, d. h. nach dem Getriebe untergebrachte Drehmomentsensoren können zum genauen Messen eines abgegebenen Drehmoments herangezogen werden.
Als Getriebe werden bevorzugt Harmonic-Drive-Getriebe eingesetzt, die sich durch ein sehr gutes Verhältnis zwischen Eigengewicht und Last sowie eine spielfreie Kraftübertragung auszeichnen. Die Getriebe haben jedoch eine relativ hohe Elastizität sowie bei konstantem Eingangsdrehmoment eine periodische Störwelligkeit des Drehmoments. Es ist bekannt, dass diese Störungen Frequenzen mit einem Vielfachen der Motorumdrehungen aufweisen. Diese Drehmomentschwankung kann sich bei feinfühligen, kraftgeregelten Aufgaben als ein erheblicher Störfaktor erweisen.
Diese Störungen können jedoch auch mit Hilfe eines abtriebsseitig vorgesehenen Drehmomentsensors in einer geschlossenen Regelschleife nicht vollständig beseitigt werden, da die Reglerstruktur durch Messung und Rückführung des Sensorwertes eine gewisse Zeitverzögerung beinhaltet und somit auf die teilweise hochfrequenten Störungen nicht reagieren kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, solche periodischen Störmomente, die von einem einem Antrieb nachgeordneten Harmonic-Drive-Getriebe erzeugt werden, unter Zuhilfenahme eines abtriebsseitigen Drehmoments genau zu bestimmen und zu kompensieren.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in vorteilhafter Weise einsetzbare Drehmomentsensoren sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.

Zum Bestimmen und Kompensieren von durch ein Harmonic- Drive-Getriebe hervorgerufenen Übertragungsschwankungen werden gemäß der Erfindung folgende Schritte durchgeführt:
Der Antrieb, bestehend aus einem Antriebsmotor mit nachgeordnetem Harmonic-Drive-Getriebe, wird entlang einer relevanten Trajektorie (mit der nominellen Last) bewegt. Dabei wird ein abtriebsseitiger Drehmomentfehler t_a mit Hilfe eines abtriebsseitig vorgesehenen Drehmomentsensors gemessen und es werden als Funktion der aktuellen Motorposition q_m aufgezeichnete Drehmoment-Fehler t_a(q_m) aufgezeichnet.

Die aufgezeichneten Fehlersignale t_ao(q_m) werden mittels Fourier-Analyse in ihre Frequenzanteile zerlegt. Es ist somit erkennbar, aus welchen Einzelfrequenzen mit einer jeweils bestimmten Amplituden a_n, b_n sich die Störung zusammensetzt.

Als Alternative zu der Fourier-Analyse können auch andere Methoden zur Funktionen-Approximation eingesetzt werden, wie beispielsweise Splines oder neuronale Netze.

Aus der abtriebsseitigen Störung t_a0(q_m) wird eine motorseitige Störung t_m0(q_m) berechnet. Dazu muss zumindest die Getriebeübersetzung sowie gegebenenfalls eine vorhandene Dynamik zwischen Motor- und Abtriebsmoment berücksichtigt werden.

Die berechnete Kompensation t_ms0 = -t_m0 wird zu einem geforderten Motordrehmoment t_m hinzu addiert. Da die Getriebeübersetzung auch durch die durch das Harmonic-Drive- Getriebe hervorgerufenen Schwankungen des Drehmoments beeinflusst wird und da die restlichen Parameter der Dynamik nicht genau bekannt sind, verbleibt nach der Durchführung der Kompensation ein Restfehler.

Aufgrund dieser Tatsache läuft das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr iterativ ab. Auf der gleichen Trajektorie wird der verbliebene Restfehler t_ai(q_m) beim i-ten Durchgang mittels des abtriebsseitigen Drehmomentsensors gemessen und daraus die Fourier-Koeffizienten a_n, b_n des Restfehlers bestimmt:

Das neu errechnete Kompensationsdrehmoment t_msi _ges (q_m) wird mit einer Konstante k gewichtet und zum vorherigen Kompensations-Drehmoment t_ms(i-1) _ges addiert. Hierdurch ergibt sich dann:

wobei t_msi _ges das gesamte Kompensationsmoment nach der Iteration i ist.

Die Iteration wird abgebrochen, sobald der abtriebsseitige Drehmomentfehler t_ai einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.

Die gemäß der Erfindung vorgenommene iterative Vorgehensweise hat folgende Vorteile:
Es erfolgt eine effiziente Reduzierung der Schwankungen des abtriebsseitigen Drehmomentes durch dessen direkte Messung mittels eines Drehmomentsensors. Hierbei wird keine genaue Kenntnis des physikalischen Modells des Antriebes oder der Störung vorausgesetzt. Vielmehr reicht eine experimentell ermittelte Übertragungsfunktion zum Rückrechnen des Motormoments aus.

Durch die iterative Vorgehensweise werden Fehler beim Rückrechnen mittels eines Modells kompensiert, so dass auch zusätzliche nicht berücksichtigte Effekte reduziert werden können. Durch die iterative Berechnung der Korrektur nach Durchfahren der gesamten Bahn wird der Fehler entlang der vollständigen Trajektorie und nicht nur lokal minimiert.

Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren vor allem im industriellen Bereich eingesetzt werden, indem die Antriebs-Getriebeeinheit in Form eines Motors mit nachgeordnetem Harmonic-Drive-Getriebe eine vorher bestimmte Trajektorie unter konstanten Bedingungen wiederholt abfährt.

Gemäß der Erfindung werden somit die mittels des abtriebsseitigen Drehmomentsensors gemessenen Signale zur Kompensation der abtriebsseitigen Drehmomentschwankungen in einem Harmonic-Drive-Getriebe ausgenutzt. Die gemessenen Störungen werden vorzugsweise mit Hilfe einer Fourier-Analyse in ein antriebsseitiges Kompensations-Drehmoment umgerechnet.

Durch die iterative Vorgehensweise wird der Restfehler entlang der gleichen Trajektorie bestimmt und es wird eine schrittweise Korrektur der Koeffizienten des Störmodells durchgeführt. Die Iteration wird dann abgebrochen, wenn der Restfehler einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht bzw. unterschreitet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein ungeregeltes und ungefiltertes Drehmomentsignal, das mittels eines abtriebsseitig vorgesehenen Drehmomentsensors über zwei Motorumdrehungen aufgenommen ist;

Fig. 2 als gepunktete Linie ein geregeltes Drehmoment und als ausgezogene Linie ein geregeltes und kompensiertes Drehmoment;

Fig. 3 das Leistungsspektrum der Signale von Fig. 2;

Fig. 4 über verschiedene Iterationsschritte aufgetragene Fehler;

Fig. 5a und 5b in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines Drehmomentsensors, und zwar in Fig. 5a dessen Vorderseite und in Fig. 5b dessen Rückseite, und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Drehmomentsensors.

In Fig. 1 ist ein typischer Verlauf einer Störung im ungeregelten, unkompensierten Zustand wiedergegeben, wie sie mittels eines Drehmomentsensors gemessen wird. In Fig. 1 ist auf der Ordinate das Drehmoment in Nm und auf der Abszisse ist die Motorposition in Grad aufgetragen.

Ein Kompensationssignal nach der ersten Iteration, bzw. nach Abschluss der Optimierung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei auch in Fig. 2 auf der Ordinate das Drehmoment in Nm und auf der Abszisse die Motorposition in Grad aufgetragen sind. Hierbei sind in Fig. 2 ein geregeltes Drehmoment durch eine gepunktete Linie und ein geregeltes und kompensiertes Drehmoment durch eine ausgezogene Linie wiedergegeben. Hierbei werden bei der Kompensation die ersten sechs Fourier-Komponenten berücksichtigt. Wie ein Vergleich der Graphen in Fig. 1 und Fig. 2 zeigt, nimmt die Amplitude der Störung auf dem Momentensignal ständig ab.

Fig. 3 zeigt durch einen gepunktet wiedergegebenen Graphen das Spektrum der Störung vor der Kompensation und durch einen ausgezogen wiedergegebenen Graphen das Spektrum nach einer abgeschlossenen Optimierung. In Fig. 3 sind auf der Ordinate die Signalleistung in Nm² und auf der Abszisse die Frequenz aufgetragen. Hierbei sind die ersten sechs Komponenten im Spektrum kompensiert und es ist ein deutlicher Rückgang der Störung zu beobachten.

Schließlich sind in Fig. 4 die Fehler über die einzelnen Iterationsschritte für die zweite spektrale Komponente aufgetragen, wobei auf der Abszisse wiederum die Signalleistung in Nm² und auf der Ordinate die Anzahl der Optimierungsschritte aufgetragen ist.

In Fig. 5a und 5b sind jeweils in perspektivischer Darstellung Vorderseite bzw. Rückseite einer ersten Ausführungsform eines Drehmomentsensors 5 dargestellt, welcher als ein monolithisches, scheibenförmiges Aufnahmeteil ausgebildet ist, dessen Oberseite eine in zusammenhängende Abschnitte unterteilte plane Fläche ist.

Das Aufnahmeteil besteht aus einem Innenflansch 50 mit einer Anzahl Krafteinleitungsstellen 52, einem Außenflansch 51 mit Krafteinleitungsstellen 53 und aus vier zwischen den beiden Flanschen 50 und 51 ausgebildeten radial verlaufenden Verbindungsstegen 54 mit jeweils einem mechanisch geschwächten Abschnitt. Bei der ersten Ausführungsform sind die mechanisch geschwächten Abschnitte als unterseitige Ausnehmungen 55 ausgebildet, die jeweils, wie der perspektivischen Darstellung der Rückseite in Fig. 5b zu entnehmen ist, dahingehend optimiert sind, dass sie nierenformähnlich ausgebildet sind und als Abschluss einen dünnen membranartigen Boden haben. Die Oberseite der Ausnehmung 55 ist zum Aufbringen von Dehnungsmessstreifen 8, als eine plane Fläche ausgebildet.

Wie in Fig. 5a dargestellt, sind Dehnungsmessstreifen 8 spiegelbildlich auf jeweils zwei diagonal einander gegenüberliegenden Verbindungsstegen 54 unter 45° zu einer fiktiven, radial verlaufenden Mittenlinie des jeweiligen Verbindungsstegs 54 aufgebracht. Die Dehnungsmessstreifen 8 sind nach dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke jeweils zu Viertel-, Halb- oder Voll-Brücken in der Weise geschaltet sind, dass aus den Messwerten ein Abtriebsmoment ermittelbar ist.

In der in Fig. 5a und 5b dargestellten Ausführungsform sind an zwischen benachbarten Verbindungsstegen 54 vorgesehenen Ausschnitten 56 Ansätze 57 ausgebildet, welche etwa in der Mitte des jeweiligen Ausschnitts 56 von der Innenseite des Außenflansches 51 in radialer Richtung vorstehen. Auf derartigen Ansätzen 57 kann elektronische Hardware, beispielsweise in Form eines Analogverstärkers zum Verstärken der ermittelten Messwerte und ein dem Verstärker nachgeordneter Analog-, Digital-Wandler sowie die eigentliche Auswerteelektronik unmittelbar auf dem monolithischen Aufnahmeteil des Drehmomentsensors 5 angebracht werden.

Bei dieser Ausbildung eines Drehmomentsensors wird für die Hardware zur Aufbereitung und Auswertung der gemessenen Werte kein zusätzlicher Bauraum benötigt.

Auch bei der zweiten in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist der Drehmomentsensor 6 wieder als ein monolithisches scheibenförmiges Aufnahmeteil mit planer Oberseite ausgebildet. Auch dieses Aufnahmeteil besteht aus einem kreisringförmigen Innenflansch 60 mit Krafteinleitungsstellen 62, aus einem kreisringförmigen Außenflansch 61 mit Krafteinleitungsstellen 63 und aus vier zwischen den beiden Flanschen ausgebildeten, radialverlaufenden Verbindungsstegen 64.

Bei der zweiten Ausführungsform sind jedoch im Unterschied zu der ersten Ausführungsform in den vier Verbindungsstegen 64 die mechanisch geschwächten Abschnitte als Ausschnitte 66 ausgebildet, die in der Weise optimiert sind, dass sie in Fig. 6 die Form einer Ellipse oder, was im einzelnen nicht dargestellt ist, die Form einer Raute oder eines Ovals haben können.

Bei der zweiten Ausführungsform in Fig. 6 sind Dehnungsmessstreifen 81 auf radial und senkrecht zur Oberfläche ausgerichteten planen Außenflächenbereichen der Verbindungsstege 64, wiederum unter 45° zu einer gedachten Mittellinie der Außenflächenbereiche ausgerichtet, aufgebracht. Auch diese Dehnungsmessstreifen 81 sind nach dem Prinzip einer Wheatstone- Brücke jeweils zu Viertel-, Halb- oder Voll-Brücken in der Weise geschaltet, dass aus den Messwerten ein Abtriebsmoment ermittelbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann überall dort angewendet werden, wo leichte, drehmomentgeregelte Antriebe vorgesehen sind. In praktisch all diesen Fällen sind Antriebe mit nachgeordnetem Harmonic-Drive-Getriebe vorteilhaft. Da wie vorstehend dargelegt, durch die Harmonic-Drive-Getriebe abtriebsseitig Störungen erzeugt werden, können diese mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit dem Einsatz einer vorstehend beschriebenen Drehmomentsensoren weitestgehend beseitigt bzw. so weit minimiert werden, dass der verbleibende, reduzierte Restfehler im allgemeinen vernachlässigbar klein ist.

Claims

1. Zum Bestimmen und Kompensieren von periodisch auftretenden Störmomenten in einem einem Antriebsmotor nachgeordneten Harmonic-Drive-Getriebe unter Verwendung eines abtriebsseitig angeordneten Drehmomentsensors, wobei
entlang einer relevanten Trajektorie mittels des abtriebsseitigen Drehmomentsensors durch periodisch auftretende Störmomente abtriebsseitig auftretende Drehmomentfehler t_a gemessen und als von der Funktion der jeweiligen aktuellen Motorposition q_m abhängige Drehmomentfehler-Signale t_a(q_m) aufgezeichnet werden;
die aufgezeichneten Fehlersignale t_a0(q_m)

einer Fourier-Analyse unterzogen werden, wobei die Fourier- Koeffizienten a_n0, b_n0 ermittelt werden;
unter Berücksichtigung zumindest der Getriebeübersetzung sowie einer gegebenenfalls vorhandenen Dynamik zwischen Motor- und Abtriebsmoment aus diesen Fehlersignalen t_a0(q_m) eine antriebsseitige Störung t_m0(q_m) berechnet wird;
die berechnete Kompensation t_ms0 = -t_m0 zu einem geforderten Motormoment t_m addiert wird;
auf der gleichen Trajektorie ein verbleibender Restfehler t_ai(q_m) mit i = 1, 2, . . . beim i-ten Durchgang mittels des abtriebsseitigen Drehmomentsensors gemessen und daraus dessen Fourier-Koeffizienten bestimmt werden

das neu berechnete Motor-Kompensatioins-Drehmoment t_msi(q_m) mit einer Konstanten k ≤ 1 gewichtet und zum vorherigen Kompensations-Drehmoment t_ms(i-1) _ges addiert wird, wodurch sich ergibt:

wobei t_msi _ges das gesamte Kompensationsmoment nach der Iteration i ist, und
die Iteration abgebrochen wird, sobald der Drehmomentfehler t_ai einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder unterscheitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Funktionsapproximation neuronale Netze oder Splines verwendbar sind.

3. Drehmomentsensor, der bei der Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (5, 6) als ein monolithisches scheibenförmiges Aufnahmeteil mit einer planen Oberseite ausgebildet ist, wobei das Aufnahmeteil aus einem kreisringförmigen Innenflansch (50; 60) mit Krafteinleitungsstellen (52; 62), aus einem kreisringförmigen Außenflansch (51; 61) mit Krafteinleitungsstellen (53, 63) und aus vier zwischen den beiden Flanschen (50, 51; 60, 61) ausgebildeten, radial verlaufenden Verbindungsstegen (54; 64) mit jeweils einem mechanisch geschwächten Abschnitt besteht, und dass auf festgelegten planen Bereichen der mechanisch geschwächten Abschnitte der Verbindungsstege (54; 64) Dehnungsmessstreifen (8; 81) aufgebracht sind, die nach dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke jeweils zu Viertel-, Halb- oder Voll-Brücken in der Weise geschaltet sind, dass aus den Messwerten ein Abtriebsmoment ermittelbar ist.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch geschwächte Abschnitt der Verbindungsstege (54) des Drehmomentsensors (5) als eine unterseitige nierenformähnliche Ausnehmung (55) mit einem Abschluss in Form eines dünnen membranartigen Bodens ausgebildet ist, wobei auf der planen Oberseite des Bodens Dehnungsmessstreifen (8) aufgebracht sind.

5. Drehmomentsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch geschwächte Abschnitt der Verbindungsstege (64) des Drehmomentsensors (6) als ein ellipsen-, rauten- oder ovalförmiger Ausschnitt (65) ausgebildet ist, wobei auf radial verlaufenden und senkrecht zur Oberseite der Verbindungsstege (64) ausgerichteten planen Außenflächenbereichen Dehnungsmessstreifen (81) aufgebracht sind.

6. Drehmomentsensor nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Ausschnitten (56) zwischen zwei oder vier Verbindungsstegen (54) vom Außenflansch (51) in radialer Richtung vorstehende Ansätze (57) zum Anbringen von Elektronik tragenden Teilen ausgebildet sind.