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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Motorsteuervorrichtung,
die zum Steuern eines Motors verwendet wird, der in Industriemaschinen, wie
beispielsweise Maschinenwerkzeugen oder Robotern, verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Technik zum
Verbessern der Steuerungsfähigkeit
einer Geschwindigkeits-Steuerschleife,
die in der Motorsteuervorrichtung enthalten ist.
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STAND DER TECHNIK
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7 ist
ein Blockdiagramm eines Geschwindigkeitssteuersystems bei einer
herkömmlichen
Motorsteuervorrichtung 200. Die Motorsteuervorrichtung 200 steuert
einen Motor 1. Eine Last 2 ist mit einer Antriebswelle 3 des
Motors 1 verbunden. Ein Codierer 4, der eine Position
des Motors 1 erfasst und der die erfasste Motorposition
ausgibt, ist am Motor 1 angebracht.
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Die
Motorsteuervorrichtung 200 enthält eine Geschwindigkeitserfassungseinheit 5,
einen Komparator 6, eine Geschwindigkeitssteuereinheit 7 und eine
Stromsteuereinheit 8. Die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 berechnet
eine Ableitung der vom Codierer 4 ausgegebenen Motorposition,
um dadurch eine Geschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl)
des Motors 1 zu berechnen. Der Komparator 6 berechnet
eine Differenz zwischen einem Geschwindigkeitsbefehlssignal, das
von einer Steuerung höherer
Ebene oder einer Positionssteuerung (nicht gezeigt) empfangen wird,
und der Motorgeschwindigkeit, die von der Geschwindigkeitserfassungseinheit 4 empfangen
wird, und gibt einen Geschwindigkeitsfehler aus, der die Differenz
anzeigt. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 7 empfängt den Geschwindigkeitsfehler,
berechnet einen Strombefehl, der ein Befehl zum Antreiben des Motors 1 ("Motorantriebsbefehl") ist, und gibt den
Strombefehl zur Stromsteuereinheit 8 aus. Die Stromsteuereinheit 8 steuert
den zum Motor 1 zuzuführenden
Strom basierend auf dem von der Geschwindigkeitssteuereinheit 7 empfangenen
Strombefehl. Aufgrund der Stromzufuhr zum Motor 1 wird
ein vorbestimmtes Drehmoment im Motor 1 erzeugt und wird
der Motor 1 angetrieben.
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Die
Geschwindigkeitssteuereinheit 7 enthält eine Vergleichssteuerung 9,
eine Integrationssteuerung 10 und einen Addierer 11.
Die Vergleichssteuerung 9 multipliziert den eingegebenen
Geschwindigkeitsfehler mit einer Vergleichsverstärkung KP und gibt das Ergebnis
der Multiplikation aus. Die Integrationssteuerung 10 multipliziert
einen integrierten Wert des Geschwindigkeitsfehlers mit einer Integrationsverstärkung KI
und gibt das Ergebnis der Multiplikation aus. Der Addierer 11 addiert
die von der Vergleichssteuerung 9 und der Integrationssteuerung 10 empfangenen
Ergebnisse und gibt das Ergebnis der Addition als den Strombefehl
aus.
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Die
herkömmliche
Motorsteuervorrichtung 200 stellt eine Steuerung zum derartigen
Erzeugen eines Drehmoments im Motor 1 zur Verfügung, dass der
Geschwindigkeitsfehler, der die Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal
und der Motorgeschwindigkeit ist, geringer ist. Als Ergebnis drehen sich
der Motor 1 und die Last 2, um dem Geschwindigkeitsbefehlssignal
zu folgen, das von der Steuerung höherer Ebene oder der Positionssteuerung
gesendet wird. Die Motorgeschwindigkeit ändert sich dann, wenn ein Störmoment
auf die Last 2 wirkt. Jedoch wird diese Geschwindigkeitsänderung
durch den Codierer 4 und die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 erfasst,
wird die erfasste Geschwindigkeitsänderung zu der Geschwindigkeitssteuereinheit 7 zurückgeführt bzw.
rückgekoppelt
und erzeugt die Geschwindigkeitssteuereinheit 7 den Strombefehl
zum Korrigieren der Änderung
bezüglich
der Motorgeschwindigkeit aufgrund des Störmoments. Auf diese Weise kann
selbst dann, wenn ein Störmoment
auf die Last 2 wirkt, weil eine Änderung bezüglich der Motorgeschwindigkeit
durch eine Geschwindigkeitssteuerschleife bzw. -regelschleife unterdrückt wird, der
Motor 1 gesteuert werden, um immer dem Geschwindigkeitsbefehlssignal
zu folgen.
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Eine
Geschwindigkeitsbefehlssignal-Folgegeschwindigkeit, eine Geschwindigkeitsbefehlssignal-Folgegenauigkeit
und eine Leistungsfähigkeit zum
Unterdrücken
eines Einflusses des Störmoments
werden verbessert, wenn die Vergleichsverstärkung KP und die Integrationsverstärkung KI
höher sind.
Deshalb sind diese Verstärkungen
normalerweise auf so hoch wie möglich
eingestellt. Wenn jedoch diese Verstärkungen auf zu hoch eingestellt werden,
dann kann das Steuersystem instabil werden und können Schwingungen und Oszillationen auftreten.
Daher gibt es einen Trend zum Einstellen dieser Verstärkungen
auf so hoch wie möglich
und innerhalb eines Bereichs, in welchem Stabilitätsspannen
sichergestellt werden können.
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Eine
Phasenspanne und eine Verstärkungsspanne
sind bekannte Indizes für
die Stabilitätsspanne.
Es ist eine Technik zum Einstellen von Steuerparametern, wie beispielsweise
der Vergleichsverstärkung
KP und der Integrationsverstärkung
KI, auf derartige Weise, dass die Phasenspanne und die Verstärkungsspanne
in ihre jeweiligen Bereiche fallen, bekannt (siehe beispielsweise
das Patentdokument 1).
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Jedoch
werden bei der herkömmlichen
Technik, wenn die Stabilitätsspannen,
wie beispielsweise die Phasenspanne und die Verstärkungsspanne,
unzureichend sind, die Vergleichsverstärkung KP und die Integrationsverstärkung KI
einfach auf niedriger eingestellt. Daher können die Vergleichsverstärkung KP
und die Integrationsverstärkung
KI oft nicht auf eine ausreichende Höhe eingestellt sein. Als Ergebnis
kann die erforderliche Steuerleistung nicht erhalten werden.
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Weiterhin
schlägt
das Patentdokument 2 eine Verbesserung bezüglich einer Steuerungsfähigkeit
der Motorsteuervorrichtung durch Vorsehen eines Sperrfilters in
der Motorsteuervorrichtung vor. Bei dieser Technik ist eine Frequenz
nahe einer Oszillationsfrequenz des Steuersystems oder eine Frequenz,
bei welcher eine Phasenverzögerung
zu erscheinen beginnt, als eine Mittenfrequenz eingestellt. Zusätzlich ist
ein Sperrfilter, das eine geringe Dämpfung bei der Mittenfrequenz
hat, in das Steuersystem eingefügt,
um dadurch eine Phasenkennlinie des Steuersystems zu verbessern.
Wenn die Phasenkennlinie verbessert wird, kann die Steuerverstärkung erhöht werden,
während
Oszillationen verhindert werden. Die Steuerleistung kann daher verbessert
werden.
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Jedoch
hängt bei
dieser Technik ein Ausmaß einer
Verbesserung der Phasenkennlinie des Steuersystems stark von Kennlinien
des Sperrfilters ab. Zum Verbessern der Phasenkennlinie ist es nötig, die Mittenfrequenz
des Sperrfilters und die Dämpfung bei
der Mittenfrequenz des Sperrfilters geeignet einzustellen. Jedoch
lehrt kein Dokument, einschließlich des
Patentdokuments 2, wie die Mittenfrequenz und die Dämpfung bei
der Mittenfrequenz des Sperrfilters einzustellen sind.
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Daher
ist es schwierig, die Kennlinien des Sperrfilters für unterschiedliche
Steuerziele einzustellen. Als Ergebnis kann ein Kennlinienverbesserungseffekt
durch Vorsehen des Sperrfilters nicht ausreichend erhalten werden.
- Patentdokument 1: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr.
2002-116803
- Patentdokument 2: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr.
H5-76192
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
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Gemäß der herkömmlichen
Technik zum derartigen Einstellen der Steuerparameter, dass die Phasenspanne
und die Verstärkungsspanne
in ihre jeweiligen vorbestimmten Bereiche fallen, wie es im Patentdokument
1 offenbart ist, können
die Vergleichsverstärkung
KP und die Integrationsverstärkung
KI oft nicht ausreichend hoch eingestellt werden. Es ist daher oft
unmöglich,
der erforderlichen Steuerleistung zu genügen.
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Gemäß der im
Patentdokument 2 vorgeschlagenen Technik ist es oft unmöglich, die
Kennlinien des Steuersystems ausreichend zu verbessern, da das Verfahren
zum geeigneten Einstellen der Kennlinien des Sperrfilters unbekannt
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist erreicht worden, um diese Probleme zu
lösen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motorsteuervorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die eine Leistungsfähigkeit
eines Steuersystems effektiv verbessern kann, während eine vorbestimmte Phasenspanne und
eine vorbestimmte Verstärkungsspanne
sichergestellt werden.
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MITTEL ZUM LÖSEN DES
PROBLEMS
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Motorsteuervorrichtung
eine Geschwindigkeitssteuerschleife. Die Geschwindigkeitssteuerschleife
enthält
eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Motorgeschwindigkeit
erfasst; eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit
erfasste Motorgeschwindigkeit und ein Geschwindigkeitsbefehlssignal
eingibt und die einen Motorantriebsbefehl ausgibt, um zu veranlassen,
dass die Motorgeschwindigkeit dem Geschwindigkeitsbefehlssignal
folgt; und ein Sperrfilter, das in Reihe zu der Geschwindigkeitssteuereinheit
geschaltet ist, das eine Signalkomponente bei einer vorbestimmten
Mittenfrequenz von einem Eingangssignal dämpft und das das gedämpfte Eingangssignal
ausgibt. Die Mittenfrequenz des Sperrfilters ist gleich einer Frequenz
eingestellt, bei welcher eine Phase von Frequenzkennlinien einer
offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife, die das Sperrfilter
nicht enthält,
ein Wert ist, der durch Subtrahieren von 180 Grad von einer voreingestellten
Phasenspanne erhalten wird, und ein Dämpfungsfaktor des Sperrfilters,
mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz gedämpft wird, so
eingestellt ist, dass ein Gradient eines Phasendiagramms der Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife mit dem Sperrfilter
bei der Mittenfrequenz im Wesentlichen Null ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Motorsteuervorrichtung
eine Geschwindigkeitssteuerschleife. Die Geschwindigkeitssteuerschleife
enthält
eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Motorgeschwindigkeit
erfasst; eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit erfasste
Motorgeschwindigkeit und ein Geschwindigkeitsbefehlssignal eingibt
und die einen Motorantriebsbefehl ausgibt, um zu veranlassen, dass
die Motorgeschwindigkeit dem Geschwindigkeitsbefehlssignal folgt;
und ein Sperrfilter, das in Reihe zu der Geschwindigkeitssteuereinheit
geschaltet ist, das eine Signalkomponente bei einer vorbestimmten
Mittenfrequenz von einem Eingangssignal dämpft und das das gedämpfte Eingangssignal
ausgibt. Die Mittenfrequenz des Sperrfilters ist gleich einer Frequenz eingestellt,
bei welcher eine Phase von Frequenzkennlinien einer offenen Schleife
der Geschwindigkeitssteuerschleife, die das Sperrfilter nicht enthält, ein
Wert ist, der durch Subtrahieren von 180 Grad von einer voreingestellten
Phasenspanne erhalten wird, und ein Dämpfungsfaktor des Sperrfilters,
mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz gedämpft wird, –3 Dezibel
bis –6
Dezibel ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Motorsteuervorrichtung
eine Geschwindigkeitssteuerschleife. Die Geschwindigkeitssteuerschleife
enthält
eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Motorgeschwindigkeit
erfasst; eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit erfasste
Motorgeschwindigkeit und ein Geschwindigkeitsbefehlssignal eingibt
und die einen Motorantriebsbefehl ausgibt, um zu veranlassen, dass
die Motorgeschwindigkeit dem Geschwindigkeitsbefehlssignal folgt;
und ein Sperrfilter, das in Reihe zu der Geschwindigkeitssteuereinheit
geschaltet ist, das eine Signalkomponente bei einer vorbestimmten
Mittenfrequenz von einem Eingangssignal dämpft und das das gedämpfte Eingangssignal
ausgibt. Die Mittenfrequenz des Sperrfilters ist 0,3 – 0,7 mal
so hoch wie eine Frequenz, bei welcher eine Phase von Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife, die das
Sperrfilter nicht enthält, –180 Grad
ist, und ein Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters, mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz
gedämpft
wird, –3
Dezibel bis –6 Dezibel
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Motorsteuervorrichtung
eine Geschwindigkeitssteuerschleife. Die Geschwindigkeitssteuerschleife
enthält
eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Motorgeschwindigkeit
erfasst; eine Geschwindigkeitssteuereinheit, die die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit erfasste
Motorgeschwindigkeit und ein Geschwindigkeitsbefehlssignal ausgibt
und die einen Motorantriebsbefehl ausgibt, um zu veranlassen, dass
die Motorgeschwindigkeit dem Geschwindigkeitsbefehlssignal folgt;
und ein Sperrfilter, das in Reihe zu der Geschwindigkeitssteuereinheit
geschaltet ist, das eine Signalkomponente bei einer vorbestimmten
Mittenfrequenz von einem Eingangssignal dämpft und das das gedämpfte Eingangssignal
ausgibt. Die Motorsteuervorrichtung enthält weiterhin eine Phasenspannen-Einstelleinheit,
die eine erwünschte
Phasenspanne einstellt; eine Verstärkungsspannen-Einstelleinheit,
die eine erwünschte
Verstärkungsspanne
einstellt; eine Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit, die Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife erfasst
bzw. erlangt, die das Sperrfilter nicht enthält; und eine Parameter-Einstelleinheit,
die die Mittenfrequenz des Sperrfilters und einen Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters, mit welchem eine Signalkomponente bei der Mittenfrequenz
gedämpft
wird, einstellt. Die Parameter-Einstelleinheit stellt die Mittenfrequenz
des Sperrfilters und den Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters, mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz
gedämpft
wird, basierend auf den durch die Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit
erhaltenen Frequenzkennlinien einer offenen Schleife für eine Geschwindigkeit
ein, um die durch die Phasenspannen-Einstelleinheit eingestellte Phasenspanne
und die durch die Verstärkungsspannen-Einstelleinheit eingestellte
Verstärkungsspanne
zu erfüllen,
und so, dass eine Steuerverstärkung
der Geschwindigkeitssteuereinheit innerhalb eines Bereichs am höchsten ist,
in welchem der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters, mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz
gedämpft
wird, gleich oder höher
als –6
Dezibel ist.
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EFFEKT DER ERFINDUNG
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Bei
der Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Mittenfrequenz des Sperrfilters gleich der Frequenz
eingestellt, bei welcher die Phase von Frequenzkennlinien einer
offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife, die das Sperrfilter
nicht enthält,
ein Wert ist, der durch Subtrahieren von 180 Grad von der voreingestellten
Phasenspanne erhalten wird, und wird der Dämpfungsfaktor des Sperrfilters,
mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz gedämpft wird,
so eingestellt, dass der Gradient des Phasendiagramms der Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife mit dem
Sperrfilter bei der Mittenfrequenz im Wesentlichen Null ist. Daher
ist es möglich,
die Verstärkungsspanne
zu erhöhen,
während
die erwünschte
Phasenspanne sichergestellt wird. Dies kann dadurch die Steuerverstärkung erhöhen und
die Steuerleistung verbessern, während
die erwünschte
Phasenspanne und die erwünschte
Verstärkungsspanne
sichergestellt werden.
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Bei
der Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Mittenfrequenz des Sperrfilters gleich der Frequenz
eingestellt, bei welcher die Phase von Frequenzkennlinien einer
offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife, die das Sperrfilter
nicht enthält,
der Wert ist, der durch Subtrahieren von 180 Grad von der voreingestellten
Phasenspanne erhalten wird, und wird der Dämpfungsfaktor des Sperrfilters,
mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz gedämpft wird, –3 Dezibel
bis –6
Dezibel. Daher ist es möglich,
die Verstärkungsspanne
zu erhöhen,
während
die erwünschte Phasenspanne
sichergestellt wird. Dies kann dadurch die Steuerverstärkung erhöhen und
die Steuerleistung verbessern, während
die erwünschte
Phasenspanne und die erwünschte
Verstärkungsspanne sichergestellt
werden.
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Bei
der Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Mittenfrequenz des Sperrfilters 0,3 bis 0,7- mal
so hoch wie eine Frequenz, bei welcher die Phase von Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife, die das
Sperrfilter nicht enthält, –180 Grad ist,
und ist der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters, mit welchem die Signalkomponente bei der Mittenfrequenz
gedämpft
wird, –3
Dezibel bis –6
Dezibel. Daher ist es möglich,
die Verstärkungsspanne
zu erhöhen,
während
die erwünschte
Phasenspanne sichergestellt wird. Dies kann dadurch die Steuerverstärkung erhöhen und
die Steuerleistung verbessern, während
die erwünschte
Phasenspanne und die erwünschte
Verstärkungsspanne
sichergestellt werden.
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Bei
der Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt die Parameter-Einstelleinheit die Mittenfrequenz
des Sperrfilters und die Verstärkung
bei der Mittenfrequenz basierend auf den Frequenzkennlinien für eine offene
Schleife für eine
Geschwindigkeit so ein, dass die Steuerverstärkung innerhalb eines Bereichs
am höchsten
ist, in welchem die eingestellte Phasenspanne und die eingestellte
Verstärkungsspanne
erfüllt
sind. Daher ist es möglich,
die Steuerverstärkung
zu erhöhen
und die Steuerleistung zu verbessern, während die erwünschte Phasenspanne
und die erwünschte
Verstärkungsspanne
sichergestellt werden. Zusätzlich kann
deshalb, weil die Verstärkung
bei der Mittenfrequenz des Sperrfilters gleich oder höher als –6 Dezibel
eingestellt wird, eine stabile Steuerung ohne große Phasenverzögerung bei
niedrigeren Frequenzen als der Mittenfrequenz realisiert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Motorsteuervorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
Frequenzkennlinien eines Sperrfilters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 zeigt
Frequenzkennlinien einer offenen Schleife einer Geschwindigkeitssteuerschleife, die
kein Sperrfilter enthält;
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4 zeigt
Frequenzkennlinien einer offenen Schleife einer Geschwindigkeitssteuerschleife, die
ein Sperrfilter enthält;
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5 ist
ein Blockdiagramm einer Motorsteuervorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 zeigt
Frequenzkennlinien einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife, wenn
ein Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters auf äußerst niedrig
eingestellt ist; und
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7 ist
ein Blockdiagramm eines Geschwindigkeitssteuersystems einer herkömmlichen Motorsteuervorrichtung.
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ERKLÄRUNGEN VON SCHRIFTZEICHEN ODER ZAHLENZEICHEN
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- 1
- Motor
- 2
- Last
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Codierer
- 5
- Geschwindigkeitserfassungseinheit
- 6
- Komparator
- 7
- Geschwindigkeitssteuereinheit
- 8
- Stromsteuereinheit
- 9
- Vergleichssteuerung
- 10
- Integrationssteuerung
- 11
- Addierer
- 12
- Sperrfilter
- 13
- Phasenspannen-Einstelleinheit
- 14
- Verstärkungsspannen-Einstelleinheit
- 15
- Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit
- 16
- Parameter-Einstelleinheit
- 100
-
- 110
- Motorsteuervorrichtung
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BESTE ART(EN) ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Nachfolgend
werden beispielhafte Ausführungsbeispiele
einer Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert
erklärt
werden.
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ERSTES AUSFÜHRUNGBEISPIEL
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Motorsteuervorrichtung 100 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Motorsteuervorrichtung 100 steuert
den Motor 1. Die Last 2 ist mit der Antriebswelle 3 des
Motors 1 verbunden. Der Codierer 4, der eine Position
des Motors 1 erfasst und der die erfasste Motorposition
ausgibt, ist am Motor 1 angebracht.
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Die
Motorsteuervorrichtung 100 enthält eine Geschwindigkeitserfassungseinheit 5,
einen Komparator 6, eine Geschwindigkeitssteuereinheit 7,
ein Sperrfilter 12 und eine Stromsteuereinheit 8.
Die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 berechnet eine Ableitung
der vom Codierer 4 ausgegebenen Motorposition, um dadurch
eine Geschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) des Motors 1 zu
berechnen. Der Komparator 6 berechnet eine Differenz zwischen
einem Geschwindigkeitsbefehlssignal, das von der Steuerung höherer Ebene
oder der Positionssteuerung (nicht gezeigt) empfangen wird, und
der Motorgeschwindigkeit, die von der Geschwindigkeitserfassungseinheit 4 empfangen
wird, und gibt einen Geschwindigkeitsfehler aus, der die Differenz
anzeigt. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 7 empfängt den Geschwindigkeitsfehler
und berechnet einen Strombefehl, der ein Befehl zum Antreiben des
Motors 1 ist. Das Sperrfilter 12 empfängt den
Motorantriebsbefehl von der Geschwindigkeitssteuereinheit 7,
dämpft eine
Signalkomponente bei einer vorbestimmten Mittenfrequenz von diesem
Motorantriebsbefehl und gibt das Ergebnis der Dämpfung aus. Die Stromsteuereinheit 8 steuert
den zum Motor 1 zuzuführenden Strom
basierend auf dem vom Sperrfilter 12 empfangenen Strombefehl.
Aufgrund der Stromzufuhr zum Motor 1 wird ein vorbestimmtes
Drehmoment im Motor 1 erzeugt und wird der Motor 1 angetrieben.
-
Die
Geschwindigkeitssteuereinheit 7 enthält eine Vergleichssteuerung 9,
eine Integrationssteuerung 10 und einen Addierer 11.
Die Vergleichssteuerung 9 multipliziert den eingegebenen
Geschwindigkeitsfehler mit einer Vergleichsverstärkung KP und gibt das Ergebnis
der Multiplikation aus. Die Integrationssteuerung 10 multipliziert
einen integrierten Wert des Geschwindigkeitsfehlers mit einer Integrationsverstärkung KI
und gibt das Ergebnis der Multiplikation aus. Der Addierer 11 addiert
die von der Vergleichssteuerung 9 und der Integrationssteuerung 10 empfangenen
Ergebnisse und gibt das Ergebnis der Addition als den Strombefehl
aus.
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Das
Sperrfilter 12 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
hat Frequenzkennlinien, wie es in 2 gezeigt
ist. In 2 zeigt das obere Diagramm eine
Verstärkungskennlinie
und zeigt das untere Diagramm eine Phasenkennlinie. Die 2 zeigt
die Frequenzkennlinien, wenn eine Verstärkung (hierin nachfolgend ein "Dämpfungsfaktor") bei einer Mittenfrequenz –6 Dezibel
ist. Die Verstärkung
des Sperrfilters ist bei einer Mittenfrequenz am niedrigsten, und somit
dämpft
das Sperrfilter 12 eine Signalkomponente bei einem Eingangssignal
bei dieser Frequenz und gibt das gedämpfte Eingangssignal aus. Die Phasenkennlinien
sind so, dass eine Phase einer Komponente im Eingangssignal, die
eine niedrigere Frequenz als die Mittenfrequenz Fn hat, nacheilend ist,
und eine Phase einer Komponente, die eine höhere Frequenz als die Mittenfrequenz
Fn hat, voreilend ist.
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3 zeigt
Frequenzkennlinien einer offenen Schleife (Frequenzkennlinien einer
offenen Schleife für
eine Geschwindigkeit), wenn das Sperrfilter 12 nicht vorgesehen
ist, d.h. diejenigen einer Geschwindigkeitssteuerschleife der herkömmlichen Motorsteuervorrichtung,
wie sie in 7 gezeigt ist. Die Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife für eine
Geschwindigkeit sind Frequenzkennlinien bei einem Pfad von einem
Eingang der Geschwindigkeitssteuereinheit 7 bis zu einer
Ausgabe der Motorgeschwindigkeit von der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5.
In 3 ist die Integrationsverstärkung KI aufgrund ihres vernachlässigbaren Werts
nicht berücksichtigt
worden, d.h. es ist angenommen, dass KI 0 ist (KI = 0). Darüber hinaus
ist angenommen, dass eine Festigkeit der Antriebswelle 3,
die den Motor 1 mit der Last 2 verbindet, ausreichend
hoch ist. Mit diesen Annahmen kann eine Verstärkungskennlinie der offenen
Schleife für
eine Geschwindigkeit durch eine Linie mit einem Gradienten von –20 dB/dec
dargestellt werden. Darüber
hinaus ist eine Phasenkennlinie bei niedrigeren Frequenzen –90 Grad,
erhöht
sich eine Phasenverzögerung
bei höheren
Frequenzen aufgrund einer Betriebsverzögerung in der Geschwindigkeitssteuereinheit 7 und
einer Erfassungsverzögerung
in der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5.
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Es
ist nötig,
eine bestimmte Phasenspanne und eine bestimmte Verstärkungsspanne
sicherzustellen, um eine stabile Steuerung zu realisieren. Die Phasenspanne
ist ein Wert, der durch Addieren von 180 Grad zu einer Phase bei
einer Frequenz ("Fcg" in 3)
erhalten wird, bei welcher die Verstärkung 0 Dezibel ist. Andererseits
ist die Verstärkungsspanne ein
Wert, der durch Invertieren eines Vorzeichens der Verstärkung bei
einer Frequenz ("Fcp" in 3)
erhalten wird, bei welcher die Phase 180 Grad ist. Gemäß 3 ist
die Phasenspanne 60 Grad und ist die Verstärkungsspanne 10 Dezibel. Gemäß dem Patentdokument
1 sollten die Phasenspanne und die Verstärkungsspanne jeweils von 35
Grad bis 80 Grad und von 10 Dezibel bis 25 Dezibel sein. Das Patentdokument
1 lehrt, die Phasenspanne und die Verstärkungsspanne jeweils auf 35
Grad und 10 Dezibel einzustellen. Wenn den Lehren des Patentdokuments
1 gefolgt wird, kann deshalb, weil die Verstärkungsspanne in 3 nur
10 Dezibel beträgt,
die Verstärkung
nicht weiter erhöht
werden.
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In 4 stellen
Kurven mit durchgezogener Linie Frequenzkennlinien einer offenen
Schleife für eine Geschwindigkeit
dar, wenn das Sperrfilter mit den in 2 gezeigten
Kennlinien in der Motorsteuervorrichtung vorgesehen ist. Die herkömmlichen Frequenzkennlinien,
die in 3 gezeigt sind, sind in 4 für einen
einfachen Vergleich durch gestrichelte Linien angezeigt. Die Mittenfrequenz
Fn des Sperrfilters ist auf eine Frequenz eingestellt, bei welcher eine
Phase (die durch die gestrichelte Linie angezeigt ist) der Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife für eine
Geschwindigkeit der Motorsteuervorrichtung, die das Sperrfilter
nicht enthält,
gleich einem Wert ist, der durch Subtrahieren von 180 Grad von der
Phasenspanne von 35 Grad erhalten wird, welcher oben eingestellt
ist, d.h. –145
Grad. Darüber
hinaus wird der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters so eingestellt, dass ein Gradient eines Phasendiagramms
(das durch die durchgezogene Linie angezeigt ist) der Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife für
eine Geschwindigkeit der Motorsteuervorrichtung, die das Sperrfilter
enthält,
bei der Mittenfrequenz Fn Null ist.
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Durch
Einfügen
des Sperrfilters in die Geschwindigkeitssteuerschleife wird der
Gradient der Phase bei der Frequenz, bei welcher die Phase –145 Grad
ist (das heißt
bei der Mittenfrequenz Fn) Null. Anders ausgedrückt werden die Phasen bei Frequenzen
um diese Frequenz im Wesentlichen konstant. Deshalb ändert sich
selbst dann, wenn die Verstärkung
auf höher
als die Frequenz (Fcg) eingestellt ist, bei welcher die Verstärkung Null
Dezibel ist, zu einer Seite einer höheren Frequenz bewegt wird,
dann die Phasenspanne in diesem Frequenzbereich kaum, während die
Phasenspanne, die auf 35 Grad eingestellt ist, sichergestellt wird.
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Weiterhin
bewegt sich durch Einfügen
des Sperrfilters in die Geschwindigkeitssteuerschleife die Frequenz
(Fcp), bei welcher die Phase –180
Grad ist, zu der Seite einer höheren
Frequenz, so dass die Verstärkung
bei der Frequenz Fcp niedriger wird. Daher wird die Verstärkungsspanne
verglichen mit der Motorsteuervorrichtung, die das Sperrfilter nicht
enthält,
erhöht.
In 4 ist die Verstärkungsspanne 14 Dezibel, wenn
das Sperrfilter eingefügt
ist, d.h. die Verstärkungsspanne
ist verglichen mit der Verstärkungsspanne
der Motorsteuervorrichtung, die das Sperrfilter nicht enthält, um 4
Dezibel erhöht.
Dies zeigt, dass die Geschwindigkeitsverstärkung um 4 Dezibel erhöht werden
kann.
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Durch
Einfügen
des Sperrfilters in die Geschwindigkeitssteuerschleife ist es möglich, die
Geschwindigkeitsverstärkung
zu erhöhen,
während
sichergestellt wird, dass die Phasenspanne auf 35 Grad eingestellt
ist, und die Steuerungscharakteristiken bzw. -kennlinien zu verbessern.
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Beim
ersten Ausführungsbeispiel
ist der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters so eingestellt, dass der Gradient der Phase bei
der Frequenz Null ist, bei welcher die Phase der Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife für
eine Geschwindigkeit der Wert ist, der durch Subtrahieren von 180
Grad von der voreingestellten Phasenspanne erhalten wird. Ein solcher Dämpfungsfaktor
kann basierend auf der eingestellten Phasenspanne und der Frequenzkennlinie
eines Steuerziels berechnet werden. Gemäß dem Patentdokument 1 sollte
die Phasenspanne von 35 Grad bis 80 Grad sein. Jedoch wird für eine Hilfs-
bzw. Servosteuerung, wie beispielsweise eine Motorsteuerung, die
Phasenspanne oft auf etwa 35 Grad bis 60 Grad eingestellt, um Verfolgungscharakteristiken
bzw. -kennlinien hoher Geschwindigkeit zu erhalten. Wenn das Steuerziel
eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit und Frequenzkennlinien,
wie sie in 3 gezeigt sind, hat, wird der
Dämpfungsfaktor –6 Dezibel,
wenn die Phasenspanne auf 35 Grad eingestellt ist, und wird –3 Dezibel,
wenn die Phasenspanne auf 60 Grad eingestellt ist. Somit kann dann,
wenn der Dämpfungsfaktor
zwischen –3
Dezibel und –6
Dezibel eingestellt ist, die vorliegende Erfindung bei verschiedenen
Situationen einer Motorsteuerung angewendet werden.
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Weiterhin
ist beim ersten Ausführungsbeispiel
die Mittenfrequenz Fn des Sperrfilters auf die Frequenz eingestellt,
bei welcher die Phase der Frequenzkennlinien einer offenen Schleife
für eine
Geschwindigkeit der Motorsteuervorrichtung, die das Sperrfilter
nicht enthält,
gleich dem Wert ist, der durch Subtrahieren von 180 Grad von der
voreingestellten Phasenspanne erhalten wird; jedoch kann die Mittenfrequenz
aus der Frequenz (Fcp) berechnet werden, bei welcher die Phase –180 Grad
ist. Wenn die offene Schleife für
eine Geschwindigkeit die Kennlinien hat, wie sie in 3 gezeigt
sind, und die Phasenspanne auf 35 Grad eingestellt ist, ist die Frequenz,
bei welcher die Phase der Frequenzkennlinien einer offenen Schleife
für eine
Geschwindigkeit der Wert (–145
Grad) ist, der durch Subtrahieren von 180° von der voreingestellten Phasenspanne
(35 Grad) erhalten wird, 0,6-mal so hoch wie die Frequenz Fcp. Zusätzlich ist
die Mittenfrequenz das 0,33-fache der Frequenz Fcp, wenn die Phasenspanne
(60 Grad) eingestellt ist. Jedoch muss die Mittenfrequenz nicht
genau auf dem obigen Werten sein, d.h. es ist zulässig, die
Mittenfrequenz in einem Bereich einzustellen, der die obigen Werte
enthält,
und der Bereich verringert die Effekte der vorliegenden Erfindung
nicht. Daher kann, wenn die Mittenfrequenz Fn auf etwa das 0,3-
bis 0,7-fache der Frequenz Fcp eingestellt ist, die vorliegende
Erfindung in verschiedenen Situationen angewendet werden.
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Beim
ersten Ausführungsbeispiel
ist das Sperrfilter 12 zwischen der Geschwindigkeitssteuereinheit 7 und
der Stromsteuereinheit 8 angeordnet. Jedoch können gleiche
Effekte erzeugt werden, selbst wenn das Sperrfilter 12 zwischen
der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 und dem Komparator 6 angeordnet
ist.
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ZWEITES AUSFÜHRUNSBEISPIEL.
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5 ist
ein Blockdiagramm einer Motorsteuervorrichtung 110 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder entsprechende Bestandteilselemente
wie diejenigen der Motorsteuervorrichtung 100 gemäß dem in 1 gezeigten
ersten Ausführungsbeispiel
sind jeweils mit denselben Bezugsschriftzeichen oder -zahlenzeichen
bezeichnet und werden nachfolgend nicht erklärt werden. Die Motorsteuervorrichtung 110 enthält eine
Phasenspannen-Einstelleinheit 13,
eine Verstärkungsspannen-Einstelleinheit 14,
eine Parameter-Einstelleinheit 15 und eine Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit 16.
Die Phasenspannen-Einstelleinheit 13 stellt
eine erwünschte
Phasenspanne ein und die Verstärkungsspannen-Einstelleinheit 14 stellt
eine erwünschte
Verstärkungsspanne
ein. Die Parameter-Einstelleinheit 15 stellt
eine Mittenfrequenz und einen Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters ein und die Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit 16 erfasst
Frequenzkennlinien einer offenen Schleife einer Geschwindigkeitssteuerschleife,
die kein Sperrfilter enthält.
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Die
Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit 16 erfasst die Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife. Mehrere
Verfahren sind zum Erfassen der Frequenzkennlinien bekannt. Die
Frequenzkennlinien einer offenen Schleife können unter Verwendung eines
bestimmten Messinstruments gemessen werden oder durch Anwenden eines
Zufalls-Geschwindigkeitsbefehlssignals
zum Antreiben des Motors und durch Unterziehen einer Geschwindigkeitsantwort
zur Zeit eines Antreibens einer Frequenzanalyse erhalten werden.
Alternativ dazu können
dann, wenn eine Masse, ein Trägheitsmoment,
eine Festigkeit und ähnliches
von jeweils dem Motor 1 und der Last 2 bekannt
sind, die Frequenzkennlinien einer offenen Schleife durch Einsetzen
dieser Werte in ein mathematisches Modell berechnet werden.
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Die
Parameter-Einstelleinheit 15 stellt die Mittenfrequenz
und den Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters 12 basierend auf den Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife für
eine Geschwindigkeit, die durch die Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit 16 erfasst sind,
so ein, dass die Vergleichsverstärkung
KP der Geschwindigkeitssteuereinheit 7 innerhalb eines
Bereichs am höchsten
ist, in welchem die Phasenspanne, die durch die Phasenspannen-Einstelleinheit 13 eingestellt
ist, und die Verstärkungsspanne,
die durch die Verstärkungsspannen-Einstelleinheit 14 eingestellt
ist, erfüllt
sind. Jedoch wird in jedem Fall der Dämpfungsfaktor des Sperrfilters 12 derart
eingestellt, dass er gleich oder höher als –6 Dezibel ist. Die Mittenfrequenz
und der Dämpfungsfaktor,
die diese Bedingungen erfüllen,
können
durch Lösen
eines begrenzten nichtlinearen Optimierungsproblems berechnet werden.
Als Verfahren zum Lösen
des begrenzten nichtlinearen Optimierungsproblems sind viele Rechenalgorithmen
bekannt, wie beispielsweise ein sequentieller quadratischer Programmieralgorithmus
oder ein genetischer Algorithmus.
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Die
Parameter-Einstelleinheit 15 stellt den Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters 12 aus den folgenden Gründen derart
ein, dass er gleich oder höher
als –6
Dezibel ist. Wie es in 2 gezeigt ist, sind die Frequenzkennlinien
des Sperrfilters so, dass die Phase bei niedrigeren Frequenzen als
der Mittenfrequenz Fn verzögert
ist bzw. nacheilt. Diese Phasenverzögerung ist größer, wenn
der Dämpfungsfaktor niedriger
ist. Deshalb ist dann, wenn der Dämpfungsfaktor auf zu niedrig
eingestellt ist, die Phasenverzögerung
bei den niedrigeren Frequenzen größer, was Steuercharakteristiken
nachteilig beeinflusst. 6 zeigt Frequenzkennlinien einer
offenen Schleife für eine
Geschwindigkeit, wenn der Dämpfungsfaktor des
Sperrfilters 12 auf –10
Dezibel eingestellt ist, was niedriger als –6 Dezibel ist. Wie es aus 6 offensichtlich
ist, ist die Phase bei mehreren niedrigeren Frequenzen als der Mittenfrequenz
Fn des Sperrfilters stark verzögert.
Die Phasenverzögerung
bei solchen niedrigen Frequenzen ist für die Steuersysteme nicht erwünscht.
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Das
bedeutet, dass dann, wenn der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters 12 auf niedriger als –6 Dezibel eingestellt ist,
die Phasenverzögerung
bei den niedrigeren Frequenzen größer ist. Um dies zu vermeiden,
wird der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters 12 derart eingestellt, dass er gleich
oder höher als –6 Dezibel
ist.
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Beim
zweiten Ausführungsbeispiel
stellt die Parameter-Einstelleinheit 15 die
Mittenfrequenz Fn und den Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters 12 durch Lösen des begrenzten nichtlinearen
Optimierungsproblems basierend auf den durch die Frequenzkennlinien-Erfassungseinheit 16 erfassten
Frequenzkennlinien für
eine offene Schleife für
eine Geschwindigkeit, der durch die Phasenspannen-Einstelleinheit 13 eingestellten
Phasenspanne und der durch die Verstärkungsspanne-Einstelleinheit 14 eingestellten Verstärkungsspanne
ein. Alternativ dazu kann die Parameter-Einstelleinheit 15 so konfiguriert
sein, dass das nichtlineare Optimierungsproblem im Voraus gelöst wird
und das Ergebnis in einer Tabelle oder ähnlichem gespeichert wird,
um dann verwendet zu werden, wenn die Mittenfrequenz Fn und der Dämpfungsfaktor
eingestellt werden.
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Bei
dieser Alternative kann die Parameter-Einstelleinheit 15 das
nichtlineare Optimierungsproblem für das Steuerziel mit den Kennlinien
lösen, wie
sie in 3 gezeigt sind, indem verschiedene Phasenspannen
und Verstärkungsspannen
verwendet werden, und kann die Ergebnisse in der Tabelle speichern.
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Wenn
die werte eingestellt werden, liest die Parameter-Einstelleinheit 15 eine
Mittenfrequenz und einen Dämpfungsfaktor
aus der Tabelle, die der voreingestellten Phasenspanne und der voreingestellten
Verstärkungsspanne
entsprechen.
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Alternativ
dazu kann die Parameter-Einstelleinheit 15 dann, wenn die
durch Lösen
des nichtlinearen Optimierungsproblems erhaltene Mittenfrequenz
in der Tabelle gespeichert wird, die Mittenfrequenz auf die Frequenz
Fcp normalisieren, bei welcher die Phase der Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife für
eine Geschwindigkeit –180
Grad ist und die normalisierte Mittenfrequenz in der Tabelle speichern.
Dadurch kann selbst dann eine geeignete Mittenfrequenz ausgewählt werden,
wenn Fcp gemäß dem Steuerziel
geändert
wird.
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Weiterhin
können
die Mittenfrequenz und der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters 12, die durch Lösen des begrenzten nichtlinearen
Optimierungsproblems erhalten sind, nicht in der Tabelle gespeichert werden,
sondern in der Form von Näherungsgleichungen.
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Auf
diese Weise stellt die Parameter-Einstelleinheit die Mittenfrequenz
und den Dämpfungsfaktor des
Sperrfilters so ein, dass die Steuerverstärkung in dem Bereich am höchsten ist,
der die voreingestellte Phasenspanne und die voreingestellte Verstärkungsspanne
erfüllt.
Es ist daher möglich,
die Steuerverstärkung
zu erhöhen,
während
die erwünschte
Phasenspanne und die erwünschte
Verstärkungsspanne sichergestellt
wird, und die Steuerleistung zu verbessern. Darüber hinaus ist es deshalb,
weil der Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters derart eingestellt wird, dass er gleich oder höher als –6 Dezibel
ist, möglich, eine
stabile Steuerung ohne eine große
Phasenverzögerung
bei niedrigeren Frequenzen zu realisieren.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Die
Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist als Motorsteuervorrichtung geeignet, die bei einer
Industriemaschine verwendet wird, wie beispielsweise einem Maschinenwerkzeug oder
einem Roboter.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Motorsteuervorrichtung 100 enthält eine Geschwindigkeitssteuerschleife
mit einem Sperrfilter, das einen Motorantriebsbefehl eingibt, das
eine Signalkomponente bei einer Mittenfrequenz von dem Motorantriebsbefehl
dämpft
und das den gedämpften
Motorantriebsbefehl ausgibt. Die Mittenfrequenz des Sperrfilters 12 ist
gleich einer Frequenz eingestellt, bei welcher eine Phase von Frequenzkennlinien
einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife, die das
Sperrfilter 12 nicht enthält, ein Wert ist, der durch
Subtrahieren von 180 Grad von einer voreingestellten Phasenspanne
erhalten wird. Ein Dämpfungsfaktor
des Sperrfilters 12, mit welchem die Signalkomponente bei
der Mittenfrequenz gedämpft
wird, ist so eingestellt, dass ein Gradient eines Phasendiagramms
der Frequenzkennlinien einer offenen Schleife der Geschwindigkeitssteuerschleife
mit dem Sperrfilter 12 im Wesentlichen Null ist.