DE112014001613B4

DE112014001613B4 - Positionierungssteuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112014001613B4
Application number: DE112014001613.6T
Authority: DE
Inventors: Koichiro Ueda; Yoshihiro Marushita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: KR101611148B1; TW201614949A; JP5805353B1; DE112014001613T5; US9535426B2; US20160306369A1; KR20160016762A; CN105393450A; WO2015198455A1; JPWO2015198455A1; TWI559670B; CN105393450B

Abstract

Positionierungssteuerungsvorrichtung, die aufweist:
einen Verstärker (7), der aufweist:
einen Stromrichter (22) zum Gleichrichten und Ausgeben einer Wechselstromstromversorgung an Sammelschienen,
einen Glättungskondensator (23) zum Glätten einer Ausgabe des Stromrichters (22) und zum Erzeugen einer Sammelschienenspannung,
einen Rückspeisewiderstand (24) und einen Rückspeisetransistor (25), die zwischen die Sammelschienen geschaltet sind, und
einen Inverter (26) zum Bereitstellen eines Ansteuerungsstroms zum
Antreiben eines Motors, und
eine Vorgabenerzeugungseinheit (10) zum Erzeugen einer Positionsvorgabe für eine Positionierungssteuerung einer mit dem Motor verbundenen mechanischen Last, wobei die Positionsvorgabe auf Basis eines Vorgabenmusters erzeugt wird, bei dem es sich um eine Musterinformation aus Geschwindigkeitsvorgabe und Beschleunigungsvorgabe handelt, wobei der Inverter (26) zwischen die Sammelschienen geschaltet ist und den Ansteuerungsstrom auf Basis der Positionsvorgabe zuführt, und
die Vorgabenerzeugungseinheit (10)
einen Schätzwert der zurückgespeisten Energie akquiriert, der vor Beginn eines Positioniervorgangs aus dem Vorgabenmuster abgeschätzt wird, und
einen in dem Glättungskondensator (23) speicherbaren Energiewert akquiriert,
wenn der Schätzwert der zurückgespeisten Energie größer als der Energiewert ist, die Positionsvorgabe verwendet, bei der unter der Bedingung, dass für einen Absolutwert der Beschleunigung ein oberer Grenzwert festgelegt ist, eine Spitzengeschwindigkeit des Motors minimiert wird, und
wenn der Schätzwert der zurückgespeisten Energie kleiner oder gleich dem Energiewert ist, die auf dem Vorgabenmuster basierende Positionsvorgabe bei dem Positioniervorgang verwendet.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Positionierungssteuerungsvorrichtung.
Hintergrund
Zur Positionierungssteuerung diverser industrieller Maschinen wie einer Fördermaschine, einer Halbleiterfertigungsvorrichtung, einer Bestückungsvorrichtung und einem Roboter wurden als Antriebsquelle ein Servomotor und andere Motoren verwendet. Um die laufenden Kosten einer industriellen Maschine zu verringern, muss der Energieverbrauch bei der Durchführung eines Positioniervorgangs durch den Motor verringert werden, d.h. dessen gesamte Leistungsaufnahme.
Ein mögliches Verfahren zur Verringerung der Leistungsaufnahme besteht in der Verwendung von Vorrichtungen, wie beispielsweise einem hocheffizienten Motor und einem rückspeisefähigen Stromrichter. Das Problem bei diesen Geräten ist jedoch, dass sie teuer sind. Wenn eine Reduzierung der Leistungsaufnahme durch Einstellen einer Positionierungssteuerungsvorgabe möglich ist, dann kann eine Verringerung der Leistungsaufnahme ohne Einsatz zusätzlicher Geräte kostengünstig erreicht werden.
Bei einem offenbarten Verfahren werden eine Positionierungssteuerungsvorgabe mit einer kürzeren Positionierzeit und einer größeren Leistungsaufnahme und eine Positionierungssteuerungsvorgabe mit einer längeren Positionierzeit und einer geringeren Leistungsaufnahme gespeichert, wobei ein Anwender eine von beiden auswählen kann (siehe z.B. Patentdokument 1).
Liste der Zitate
Patentdokumente
Patentdokument 1: Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. JP H05- 325 446 A .
In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 011 234 A1 wird eine Motorsteuerung offenbart, bei der als Energiespeicher ein Gleichstromzwischenkreis mit einem Kondensator verwendet wird. Um ein Überladen des Gleichstromzwischenkreiskondensators bei Motorbremsvorgängen zu verhindern, kann der Gleichstromzwischenkreis von einer Eingangsstromversorgung lediglich bis zu einer Spannung aufgeladen werden, bei der der Kondensator noch die aus einer Motorbremsung stammende Rückführungsenergie aufnehmen kann.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 020 184 A1 wird ein Verfahren zum Steuern von mehr als einem Stellmotor offenbart. Das Verfahren bestimmt zunächst das Verfahrprofil des zeitkritischsten Stellmotors und bestimmt dann die Verfahrprofile der übrigen Stellmotoren so, dass der Gesamtenergieverbrauch minimiert wird, und steuert die Stellmotoren anschließend den bestimmten Verfahrprofilen entsprechend in Bewegung. Bei einer Ausführungsform wird einer der übrigen Stellmotoren nur dann beschleunigt, wenn ein anderer Stellmotor gebremst wird.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Technische Problemstellung
Ein Positioniervorgang zum Verschieben einer mechanischen Last von einer Position zu einer anderen Position umfasst einen Beschleunigungsvorgang und einen Verzögerungsvorgang. Bei der Durchführung eines Beschleunigungsvorgangs nimmt ein Motor Leistung auf. Bei der Durchführung eines Verzögerungsvorgangs geht ein Motor jedoch in einen Stromerzeugungszustand über, wobei im Allgemeinen ein Rückspeisestrom erzeugt wird. Beispielsweise weist eine Motoransteuerungsvorrichtung, wie z. B. ein Servoverstärker, zum Ansteuern eines Motors häufig einen Rückspeisewiderstand und einen Rückspeisetransistor auf. Bei einem wie oben beschriebenen Aufbau wird bei einer Erzeugung eines Rückspeisestroms ein Teil der zurückgespeisten Energie in dem Rückspeisewiderstand verbraucht. In dem Rückspeisewiderstand wird jedoch nicht die gesamte erzeugte zurückgespeiste Energie verbraucht. Ein Teil der zurückgespeisten Energie verbleibt in der Motoransteuerungsvorrichtung und wird für den nächsten Positioniervorgang verwendet. Diese zurückgespeiste Energie bildet bezüglich der Leistungsaufnahme eines sich im Betrieb befindenden Motors einen wichtigen Faktor. Die herkömmliche Technik bezieht diese zurückgespeiste Energie jedoch nicht mit ein und führt daher zu einem Problem einer ungenügenden Verringerung der Leistungsaufnahme.
Die vorliegende Erfindung dient der Lösung der oben angegebenen Problemstellungen, wobei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Angabe einer Positionierungssteuerungsvorrichtung besteht, bei der die Leistungsaufnahme bei Positioniervorgängen geringer ist.
Lösung der Problemstellung
Zur Lösung der oben angegebenen Problemstellung und Aufgabe bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Positionierungssteuerungsvorrichtung, die einen Verstärker, der einen Stromrichter zum Gleichrichten und Ausgeben eines Versorgungswechselstroms an Sammelschienen, einen Glättungskondensator zum Glätten einer Ausspeisung des Stromrichters und zum Erzeugen einer Sammelschienenspannung, einen Rückspeisewiderstand und einen Rückspeisetransistor, die zwischen die Sammelschienen geschaltet sind, und einen Inverter zum Zuführen eines Antriebstroms zum Antreiben eines Motors umfasst, und eine Vorgabenerzeugungseinheit aufweist, um eine Positionsvorgabe zur Steuerung der Positionierung einer mit dem Motor verbundenen mechanischen Last zu erzeugen, wobei die Positionsvorgabe auf Basis eines Vorgabenmusters erzeugt wird, bei dem es sich um eine Musterinformation von Geschwindigkeitsvorgabe und Beschleunigungsvorgabe handelt. Der Inverter ist zwischen die Stromsammelschienen geschaltet und stellt den Ansteuerungsstrom auf Basis der Positionsvorgabe zur Verfügung, wobei die Vorgabenerzeugungseinheit einen Schätzwert der zurückgespeisten Energie akquiriert, der aus dem Vorgabenmuster vor Beginn eines Positioniervorgangs geschätzt wird, und einen Wert der Energie akquiriert, die in dem Glättungskondensator gespeichert werden kann, und auf Basis eines Ergebnisses des Vergleichs dieser Werte entscheidet, ob bei dem Positioniervorgang die auf dem Vorgabenmuster basierende Positionsvorgabe verwendet werden soll.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die erfindungsgemäße Positionierungssteuerungsvorrichtung kann die Leistungsaufnahme bei einer Steuerung der Positionierung einer mechanischen Last unter Verwendung eines Motors verringern.
Figurenliste

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Gesamtaufbaus einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufs einer Vorgabenerzeugungseinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Geschwindigkeitsvorgabe und eine Beschleunigungsvorgabe, die durch ein Vorgabenreferenzmuster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert sind.
4 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels einer Geschwindigkeitsvorgabe und einer Beschleunigungsvorgabe die durch ein anderes Vorgabenreferenzmuster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert sind.
5 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels einer Geschwindigkeitsvorgabe und einer Beschleunigungsvorgabe, die durch ein anderes Vorgabenreferenzmuster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert sind.
6 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Kurvenform einer Geschwindigkeitsvorgabe sowie einer Beschleunigungsvorgabe für eine minimale Spitzengeschwindigkeit eines Motors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines typischen Beispiels für die Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und der Sammelschienenspannung eines Verstärkers während eines Positioniervorgangs gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufs einer Vorgabenerzeugungseinheit gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Sammelschienenspannung, wenn bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Positioniervorgang durchgeführt wird, bei dem kein Zeitraum mit einer konstanten Geschwindigkeit vorliegt.
11 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Sammelschienenspannung, wenn bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Positioniervorgang in einem Fall mit einer relativ hohen Reibung der mechanischen Last durchgeführt wird.
12 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufs einer Vorgabenerzeugungseinheit gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und der Sammelschienenspannung während eines Positioniervorgangs gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in Abständen mehrere Male vorgenommen wird.
15 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufs einer Vorgabenerzeugungseinheit gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels eines Vorgabenmusters gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Beschleunigung nach Beginn der Beschleunigung stetig verringert und die Verzögerung nach Beginn der Verzögerung stetig erhöht wird.
18 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels eines Vorgabenmusters gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin die Beschleunigung nach Beginn der Beschleunigung für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Beschleunigung gehalten wird, woraufhin die Beschleunigung stetig abnimmt bis sie in eine Verzögerung übergeht, woraufhin die Verzögerung stetig zunimmt und anschließend für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Verzögerung gehalten wird.
19 ist eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Vorgabenmusters gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Beschleunigung nach Beginn der Beschleunigung stetig abnimmt und die Verzögerung bei Beginn der Verzögerung stetig zunimmt.
20 ist eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Vorgabenmusters gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Beschleunigung nach Beginn der Beschleunigung stetig zunimmt und die Verzögerung nach Beginn der Verzögerung stetig abnimmt.
21 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Vorgabenmusters gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Beschleunigung während des Beschleunigungsvorgangs konstant gehalten wird und die Verzögerung während des Verzögerungsvorgangs entsprechend konstant gehalten wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
1 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 veranschaulicht einen Motor 1, einen Drehgeber 2, eine Kugelgewindespindel 3, einen Positionierkopf 4, eine Kupplung 5, einen Verstärker 7, eine Vorgabenerzeugungseinheit 10 und eine Wechselstromversorgung 21. Als mechanische Lasten sind beispielsweise die Kugelgewindespindel 3, der Positionierkopf 4 und die Kupplung 5 mit dem Motor 1 verbunden.
Der Verstärker 7 erhält von der Vorgabenerzeugungseinheit 10 eine Positionsvorgabe 11 bei der es sich um ein zur Positionierung verwendbares Vorgabenmuster der Vorgabenerzeugungseinheit 10 handelt, und speist in den Motor 1 einen Strom 14, sodass dieser der Vorgabe Folge leistet. Der Verstärker 7 weist eine Servosteuerungseinheit 12, eine Stromrichtereinheit 22, einen Glättungskondensator 23, einen Rückspeisewiderstand 24, einen Rückspeisetransistor 25 und eine Invertereinheit 26 auf. Der Rückspeisewiderstand 24 und der Rückspeisetransistor 25 sind parallel zum Glättungskondensator 23 zwischen die Sammelschienen geschaltet. Der Rückspeisetransistor 25 ist zur Versorgung des Rückspeisewiderstands 24 mit Strom vorgesehen.
Der Motor 1 wird mit dem vom Verstärker 7 zugeführten Strom 14 betrieben und dient als Antriebsquelle einer Positionierungssteuerung. Der mit dem Motor 1 verbundene Drehgeber 2 erfasst Stellung und Geschwindigkeit (Drehzahl) des Motors 1 und gibt die erfasste Information 13, d. h. Information über Stellung und Geschwindigkeit des Motors, aus. Die Kugelgewindespindel 3 ist über die Kupplung 5 mit dem Motor 1 verbunden. Die Kugelgewindespindel 3 übersetzt eine Drehbewegung des Motors 1 in eine Translationsbewegung, sodass die Verschiebung des an der Kugelgewindespindel 3 befestigten Positionierkopfes 4 gesteuert wird.
Bei dem in 1 veranschaulichten Beispiel bilden die Kugelgewindespindel 3, der Positionierkopf 4 und die Kupplung 5 eine mechanische Last. 1 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem die Positionierung der mechanischen Last unter Verwendung der Kugelgewindespindel 3 gesteuert wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, vielmehr können bei dieser andere Mechanismen wie beispielsweise ein Antriebsriemen oder ein Zahnstangentrieb verwendet werden. Zur Ausführung einer Positionierungssteuerung der mechanischen Last können mehrere solcher Mechanismen kombiniert werden.
Die Wechselstromversorgung 21 versorgt den Verstärker 7 mit Wechselstrom. Der Verstärker 7 verwendet den zugeführten Wechselstrom zur Versorgung des Motors 1 mit Strom 14 in der nachfolgend beschriebenen Weise. Die Stromrichtereinheit 22, mit der die Wechselstromversorgung 21 verbunden ist, führt eine Gleichrichtung an dem von der Wechselstromversorgung 21 zugeführten Wechselstrom durch und gibt den gleichgerichteten Wechselstrom an die Sammelschienen aus. Die Stromrichtereinheit 22 ist beispielsweise aus einem Diodenstapel aufgebaut. Der gleichgerichtete Wechselstrom wird durch Glätten mittels des Glättungskondensators 23 in eine Gleichspannungsversorgung überführt. Diese Gleichspannungsversorgung erzeugt eine zwischen den Sammelschienen anliegende Sammelschienenspannung.
Der Rückspeisetransistor 25 wird angeschaltet, wenn die Sammelschienenspannung während eines Betriebs des Motors 1 übermäßig zunimmt und bewirkt, dass der Rückspeisewiderstand 24 zum Erniedrigen der Sammelschienenspannung Rückspeisestrom verbraucht. Die Invertereinheit 26 führt eine Impulsbreitenmodulation (PWM, von englisch: Pulse Width Modulation) aus. Die Invertereinheit 26 speist in den Motor 1 einen einer nachfolgend beschriebenen Spannungsvorgabe 15 entsprechenden Strom 14 ein, damit der Motor 1 einer Vorgabe entsprechend angetrieben wird.
Die Servosteuerungseinheit 12 berechnet die Spannungsvorgabe 15 so, dass die Stellung des Motors 1 der Positionsvorgabe 11 folgt, bei dem es sich um eine Positionsvorgabe für eine Positionierungssteuerung handelt. Die Stellung des Motors 1 wird in die Servosteuerungseinheit 12 in Form einer von dem Drehgeber 2 ausgegebenen erfassten Motorinformation 13 eingegeben. Eine auf Basis der Positionsvorgabe 11 und der Motorstellung 13 ausgebildete Rückkopplungsregelung stellt ein konkretes Beispiel zum Berechnen der Spannungsvorgabe 15 dar. Die Berechnung der Spannungsvorgabe 15 ist jedoch nicht hierauf beschränkt, vielmehr kann auch eine mit der Rückkupplungssteuerung kombinierte Vorsteuerung verwendet werden. Ein Servoverstärker und ein Allzweckinverter stellen konkrete Beispiele für einen Verstärker 7 dar.
Die Vorgabenerzeugungseinheit 10 erzeugt die Positionsvorgabe 11 zur Positionierungssteuerung und gibt diesen an den Verstärker 7 aus. Diese Vorgabenerzeugungseinheit 10 stellt ein konstituierendes Element mit einer primären Funktion für die vorliegende Ausführungsform dar. Die Vorgabenerzeugungseinheit 10 erzeugt eine Positionsvorgabe auf Basis von positioniervorgangsspezifischer Information, wie beispielsweise eines Betrags D der Bewegung während einer Positionierungssteuerung, einer Bewegungszeit T, bei der es sich um eine Zeit vom Beginn bis zum Ende einer Positionierung handelt, einer maximalen Beschleunigung Amax, bei der sich um eine maximal zulässige Beschleunigung während einer Positionierungssteuerung handelt, einer Masse J der bewegten Teile und einer Kapazität C des Glättungskondensators 23, eine nachfolgend beschriebene Vorgabenreferenzmusterinformation und ein Vorgabenstartsignal, das festlegt, zu welcher Zeit die Positionierung beginnt.
Die Masse J der beweglichen Teile stellt die gesamte Masse der durch Drehung des Motors 1 bewegbaren Teile dar. In 1 stellt die Masse J der bewegbaren Teile die Gesamtmasse eines Rotorteils des Motors 1 und der Masse des Positionierkopfs 4, der Kugelgewindespindel 3 und der Kupplung 5 dar. Bei einem konkreten Beispiel eines Vorgabenstartsignals setzt sich das Vorgabenstartsignal aus AN und AUS zusammen, wobei eine Erzeugung einer Positionsvorgabe im Augenblick eines Umschaltens des Vorgabenstartsignals von AUS zu AN beginnt. Eine speicherprogrammierbare Steuerung, die die Ablaufvorgänge einer Maschine steuert, oder eine andere Steuerung erzeugt ein Vorgabenstartsignal und gibt dieses Vorgabenstartsignal an die Vorgabenerzeugungseinheit 10 aus.
Eine den Betrag D der Bewegung, die Bewegungszeit T und die maximale Beschleunigung Amax betreffende Information kann so abgespeichert werden, dass diese im Voraus als Punktetabelle in einer Vorgabenerzeugungseinheit 10 registriert werden. Diese Teilinformationen können in einer solchen Weise an die Vorgabenerzeugungseinheit 10 übergeben werden, dass die Vorgabenerzeugungseinheit 10 diese von der speicherprogrammierbaren Steuerung gleichzeitig mit dem Positionierungsstartsignal erhält. Informationen betreffend der Masse J der beweglichen Teile und der Kapazität C des Glättungskondensators 23 wird im Voraus in der Vorgabenerzeugungseinheit 10 abgespeichert.
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufs der Vorgabenerzeugungseinheit 10, die bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine primäre Funktionalität besitzt. Nachfolgend wird der Verfahrensablauf von 2 beschrieben.
In Schritt S101 überwacht die Vorgabenerzeugungseinheit 10, ob ein Zeitpunkt zum Starten einer Positionierungssteuerung vorliegt. Konkret überwacht die Vorgabenerzeugungseinheit 10 den Zeitpunkt, zu dem ein Positionierungsstartsignal von AUS auf AN umgeschaltet wird. Stellt die Vorgabenerzeugungseinheit 10 fest, dass der Zeitpunkt zum Starten einer Positionierungssteuerung nicht vorliegt (NEIN in Schritt S101), dann fährt die Vorgabenerzeugungseinheit 10 mit der Überwachung fort. Stellt die Vorgabenerzeugungseinheit 10 fest, dass der Zeitpunkt zum Beginn einer Positionierungssteuerung vorliegt (JA in Schritt S101), dann wird der Verfahrensablauf mit Schritt S102 fortgeführt.
In Schritt S102 erhält die Vorgabenerzeugungseinheit 10 eine positioniervorgangsspezifische Information und eine Vorgabenreferenzmusterinformation. Bei der positioniervorgangsspezifischen Information handelt es sich um Information die zur Ausbildung einer Positionierungsvorgabe erforderlich ist. Der Betrag D der Bewegung, die Bewegungszeit T und die maximale Beschleunigung Amax stellen konkrete Beispiele einer positionierungsvorgangsspezifischen Information dar. Die Bewegungszeit gibt eine Zeit an, die erforderlich ist, damit die mechanische Last von einem angehaltenen Zustand beginnend bewegt, die Bewegung dann beendet und in einen angehaltenen Zustand überführt werden kann. Die maximale Beschleunigung gibt einen oberen Grenzwert eines Absolutwerts der durch die mechanische Last und den Motor 1 erhaltenen Beschleunigung an.
Bei der Vorgabenreferenzmusterinformation handelt es sich um eine Information, die erforderlich ist, um einen Positioniervorgang durchzuführen und die den Verlauf einer Positionsvorgabe festlegt. Die Vorgabenreferenzmusterinformation umfasst ein Vorgabenmuster, bei dem es sich um eine Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorgabemusterinformation handelt. 3 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Geschwindigkeitsvorgabe und eine Beschleunigungsvorgabe, die durch ein Vorgabenreferenzmuster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert sind. Ein konkretes Beispiel für die Vorgabenreferenzmusterinformation stellt eine Information dar, die angibt, dass es sich bei dem Vorgabemuster um ein symmetrisches Dreiecksmuster handelt, wenn das zur Positionierungssteuerung verwendete Vorgabenmuster eine Vorgabe aufweist, bei der die Geschwindigkeitsvorgabe ein, wie in 3 veranschaulichtes, symmetrisches Dreieck ausbildet. Aus der Information, die angibt, dass die Geschwindigkeit ein symmetrisches Dreieck ausbildet und aus dem Betrag D der Bewegung und der Bewegungszeit T können die Positionierungssteuerungsvorgaben eindeutig definiert werden, beispielsweise die Beschleunigungszeit und die Verzögerungszeit T₁ = T/2, eine Spitzengeschwindigkeit vp = 2-D/T und eine Beschleunigung a = 4·D/T².
In 3 ist der Kurvenverlauf der Geschwindigkeitsvorgabe und der Beschleunigungsvorgabe dargestellt. Die Geschwindigkeitsvorgabe stellt das Differential einer Positionsvorgabe dar. Bei der Beschleunigungsvorgabe, handelt es sich um ein Beschleunigungsmuster, dass ein Signal angibt, das durch Differenzieren der Geschwindigkeitsvorgabe erhalten wird. Eine Positionierungssteuerungsvorgabe wird durch einmaliges Integrieren der Geschwindigkeitsvorgabe erhalten.
4 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels einer Geschwindigkeitsvorgabe und einer Beschleunigungsvorgabe, die durch ein anderes Vorgabenreferenzmuster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert sind. Andere Beispiele für Vorgabenreferenzmusterinformationen sind eine Beschleunigung „a“ während eines Beschleunigungsvorgangs und Information, die angibt, dass das Vorgabemuster ein asymmetrisches Dreiecksmuster ist, wenn es sich bei der für eine Positionierungssteuerung verwendete Vorgabe um eine Vorgabe handelt, bei der die Geschwindigkeitsvorgabe eine wie in 4 gezeigte asymmetrische Dreiecksform bildet. Aus diesen Teilinformationen können Vorgaben eindeutig definiert werden, beispielsweise die Spitzengeschwindigkeit vp = 2 - D / T, die Beschleunigungszeit T₁ = vp / a = 2 · D / (a·T), die Verzögerungszeit T₂ = T - T₁ = T - 2 · D / (a · T) und die Verzögerung während der Verzögerung ad = vp / T. Die Verzögerung stellt einen Absolutwert der Beschleunigung während eines Verzögerungsvorgangs dar.
5 zeigt eine grafische Darstellung zum Veranschaulichen eines Beispiels einer Geschwindigkeitsvorgabe und einer Beschleunigungsvorgabe, die durch ein anderes Vorgabenreferenzmuster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert sind. Ein anderes Beispiel der Vorgabenreferenzmusterinformation kann eine Vorgabenmusterinformation mit einer wie in 5 veranschaulichten S-förmigen Beschleunigung/Verzögerung umfassen. Die Vorgabenreferenzmusterinformation ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt. Solange die Information einer Vorgabe zum Ausführen einer Positionierungssteuerung bei der ein Motor aus einem angehaltenen Zustand heraus einen Beschleunigungsvorgang durchführt, einen Verzögerungsvorgang durchführt und anschließend in einen angehaltenen Zustand zurückkehrt, kann irgendeine Vorgabenmusterinformation verwendet werden.
In Schritt S103 berechnet die Vorgabenerzeugungseinheit 10 einen geschätzten Wert E1 der zurückgespeisten Energie, von dem angenommen wird, dass er erzeugt wird, wenn ein Positioniervorgang, dessen vorgegebener Betrag der Bewegung über eine vorgegebene Bewegungszeit durch die positioniervorgangsspezifische Information angegeben sind, nach einem Muster mit einer Positioniervorgabe vorgenommen wird, die einer Vorgabenreferenzmusterinformation folgt. Das ist eine der speziellen Berechnungsverfahren, wobei die Vorgabenerzeugungseinheit 10 E1 auf Basis der Spitzengeschwindigkeit vp einer Geschwindigkeitsvorgabe, die aus der positionierungsspezifischen Information und der Vorgabenreferenzmusterinformation, die in Schritt S102 erhalten werden, berechnet wird und auf Basis der Masse J der beweglichen Teile von mechanischer Last und Motor 1 wie folgt berechnet.
[Ausdruck 1] $E 1 = 1 / 2 \cdot J \cdot v p^{2}$
in Schritt S104 berechnet die Vorgabenerzeugungseinheit 10 eine Energie E2, die in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann. Dies ist eines der besonderen Berechnungsverfahren, wobei die Vorgabenerzeugungseinheit 10 unter Verwendung der Kapazität C des Glättungskondensators 23, einer Referenzsammelschienenspannung V0 und einer Sammelschienenspannung Von, bei der der Rückspeisetransistor 25 AN ist, E2 wie folgt berechnet.
[Ausdruck 2] $E 2 = 1 / 2 \cdot C \cdot V o n^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot V 0^{2}$
Der Referenzsammelschienenspannungswert V0 gibt einen von einem Stromrichter ausgegebenen stationären Spannungswert an, d.h. einen Sammelschienenspannungswert, bei dem eine Wechselstromversorgung mit dem Verstärker 7 verbunden ist, an dem Inverter keine Spannungsvorgabe anliegt und kein Motor sich in Betrieb befindet. Falls die Gleichrichtereinheit von einem Diodenstapel gebildet wird, entspricht der Spitzenwert der Versorgungswechselspannung, die √2-mal so hoch ist wie eine effektive Spannung der Wechselstromversorgung, dem Sammelschienenreferenzspannungswert.
Beispielsweise entspricht der Spitzenwert der Wechselstromversorgung bei einer Wechselstromversorgungsspannung von 200V 200 × √2 = 283 Volt, in etwa der Sammelschienenreferenzspannung V0. Diese Sammelschienenreferenzspannung V0, die Kapazität C des Glättungskondensators 23 und der Wert der Sammelschienenspannung Von, bei der der Rückspeisetransistor 25 AN ist, werden ebenfalls im Voraus in der Vorgabenerzeugungseinheit 10 abgespeichert. Dadurch kann die Vorgabenerzeugungseinheit 10 die Berechnung in Schritt S104 durchführen.
In Schritt S105 vergleicht die Vorgabenerzeugungseinheit 10 den in Schritt S103 berechneten Schätzwert E1 für die zurückgespeiste Energie mit der Energie E2, die in Schritt S104 berechnet wurde und im Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann. Ist der Schätzwert E1 für die zurückgespeiste Energie kleiner oder gleich als die Energie E2, die in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann (JA in Schritt S105), dann wird das Verfahren mit Schritt S106 fortgeführt. Ist der Schätzwert E1 für die zurück gespeiste Energie nicht gleich oder kleiner als die Energie E2 (NEIN in Schritt S105), dann wird das Verfahren mit Schritt S107 fortgeführt.
In Schritt S106 wird ein Vorgabenreferenzmuster als Positionierungssteuerungsvorgabenmuster ausgewählt, das als Positionierungssteuerungsvorgabe zu verwenden ist.
In Schritt S107 wählt die Vorgabenerzeugungseinheit 10 auf Basis einer gegebenen positionierungsvorgangsspezifischen Information ein Vorgabenmuster mit einer minimalen Spitzengeschwindigkeit des Motors 1 aus. 6 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Kurvenverlaufs einer Geschwindigkeitsvorgabe und einer Beschleunigungsvorgabe mit einer minimalen Spitzengeschwindigkeit des Motors 1 entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn der Betrag D der Bewegung und die Bewegungszeit T die Positionierungsvorgangsspezifikationen bilden und die maximale Beschleunigung Amax ferner einen oberen Grenzwert für einen Absolutwert der Beschleunigung bildet, dann werden ein Geschwindigkeitsmuster und ein Beschleunigungsmuster gewählt, bei denen ein Beschleunigungsvorgang und ein Verzögerungsvorgang stets mit einer Beschleunigung durchgeführt werden, deren Absolutwert wie in 6 veranschaulicht der maximalen Beschleunigung Amax entspricht. Ein Geschwindigkeitsmuster V(t) von 6 kann wie folgt ausgedrückt werden, wobei die Positionierung zur Zeit t = 0 beginnt.
[Ausdruck 3] $V (t) = {\begin{array}{l} \frac{v p}{T_{1}} t & (0 ≦ t ≦ T_{1}) \\ v p & (T_{1} ≦ t ≦ T_{1} + T_{2}) \\ v p - \frac{v p}{T_{1}} (t - T_{1} - T_{2}) & (T_{1} + T_{2} ≦ t ≦ T) \end{array}$
T₁ gibt die Beschleunigungszeit und die Verzögerungszeit, T₂ eine Zeit mit konstanter Geschwindigkeit und vp eine konstante Geschwindigkeit wieder. T₁ , T₂ und vp werden unter Verwendung des Betrags der Bewegung D, der Bewegungszeit T und der maximalen Beschleunigung Amax wie folgt ausgedrückt.
[Ausdruck 4] $\begin{array}{l} T_{1} = \frac{1}{2} (T - \sqrt{T^{2} - 4 \frac{D}{A_{max}}}) \\ T_{2} = \sqrt{T^{2} - 4 \frac{D}{A_{max}}} \\ v p = A_{max} \cdot T_{1} \end{array}$
Nach Abschluss des Vorgangs in Schritt S106 oder Schritt S107 wird das Verfahren mit Schritt S108 fortgeführt. In Schritt S108 erzeugt die Vorgabenerzeugungseinheit 10 in einem Zeitintervall eine in Schritt S106 oder Schritt S107 ausgewählte Positionierungssteuerungsvorgabe und steuert den Motor 1 so, dass er einen tatsächlichen Positioniervorgang beginnt. Vor einem Übergang zu Schritt S108 wird der Motor 1 nicht angesteuert. Praktisch wird in Schritt S108 eine Positionierungssteuerung durch Auswählen einer Positionierungssteuerungsvorgabe in Schritt S106 oder Schritt S107 gestartet.
Auf diese Weise führt die Positionierungssteuerungsvorrichtung eine Positionierungssteuerung gemäß den in dem Flussdiagramm von 2 veranschaulichten Vorgängen aus und kann dadurch eine Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs verringern. In dem Flussdiagramm von 2 sind die auf einen einzelnen Positioniervorgang bezogenen Vorgänge beschrieben. Falls ein Positioniervorgang mehrfach in Abständen durchgeführt wird, wird das Verfahren nach Abschluss des aktuellen Positioniervorgangs mit Schritt S101 fortgeführt und die gleichen Vorgänge werden beim nächsten Positioniervorgang wiederholt.
Als nächstes werden die Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 7 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines typischen Beispiels für die Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und der Sammelschienenspannung eines Verstärkers, wenn ein Positioniervorgang gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Die nachfolgenden Ausführungen erfolgen unter Verwendung eines Beispielsfalls, bei dem wie in 7 veranschaulicht die Geschwindigkeit während eines Beschleunigungsvorgangs linear zunimmt und während eines Verzögerungsvorgangs linear abnimmt. Die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch auch, wenn bei dem Beschleunigungsvorgang/Verzögerungsvorgang ein anderes Muster verwendet wird als das lineare Beschleunigung-/Verzögerungsmuster, beispielsweise eine S-förmige Vorgabe. Ferner wird die Motorgeschwindigkeit durch den Verstärker 7 so gesteuert, dass sie einer Geschwindigkeitsvorgabe, d.h. einem Geschwindigkeitsmuster, folgt. Daher entspricht die Motorgeschwindigkeit im Wesentlichen der Geschwindigkeitsvorgabe, d.h. dem Geschwindigkeitsmuster.
Wenn noch kein anfänglicher Positioniervorgang durchgeführt wurde, bzw. wenn seit dem letzten Positioniervorgang ausreichend Zeit verstrichen ist, entspricht die Sammelschienenspannung unmittelbar vor der Durchführung eines Positioniervorgangs, aufgrund der Versorgung des Verstärkers 7 mit einer Wechselspannung aus der Wechselstromquelle 21, einer Sammelschienenreferenzspannung. Bei Ausführung eines Positioniervorgangs zeigt der Motor 1 das nachfolgende Verhalten. Ausgehend von einem angehaltenen Zustand, d.h. einem Zustand mit der Geschwindigkeit 0, führt der Motor 1 einen Beschleunigungsvorgang aus und verbleibt anschließend auf einer konstanten Drehzahl. Nähert sich die Stellung des Motors 1 einer Zielposition, dann führt der Motor 1 einen Verzögerungsvorgang aus und wird schließlich angehalten.
Hierbei ändert sich die Sammelschienenspannung abhängig davon, ob sich der Motor 1 in einem Beschleunigungszustand befindet, bei dem der Motor 1 Arbeit verrichtet, oder in einem Rückspeisezustand befindet, bei dem an dem Motor 1 Arbeit verrichtet wird. Führt der Motor 1 einen Beschleunigungsvorgang aus, dann verbraucht der Motor 1 Energie, um den Motor 1 und die mechanische Last mit kinetischer Energie zu versorgen. Da der Verstärker 7 zum Versorgen des Motors 1 mit Strom Energie verbraucht, verhält sich die Sammelschienenspannung so, dass sie kleiner als die Sammelschienenreferenzspannung wird. Wird Sammelschienenspannung kleiner oder gleich als die Sammelschienenreferenzspannung, dann liefert die Stromrichtereinheit 22 Energie so, dass die Sammelschienenspannung den Wert der Sammelschienenreferenzspannung annimmt. Falls die Reibung der mechanischen Last gering ist, muss der Motor 1 während der Motor 1 mit konstanter Geschwindigkeit läuft, kein größeres Drehmoment erzeugen. Daher wird die von den Motor 1 geleistete Arbeit als nahezu 0 angenommen. Entsprechend verbraucht der Motor 1 kaum Energie. Infolgedessen wird während des Zeitraums, in dem der Motor 1 sich auf einer konstanten Geschwindigkeit befindet, von der Stromrichtereinheit 22 Energie zugeführt, sodass die Sammelschienenspannung auf einen Wert zurückkehrt, der in etwa der Sammelschienenreferenzspannung entspricht. Führt der Motor 1 einen Verzögerungsvorgang aus, dann verringert sich die kinetische Energie von Motor und mechanischer Last, sodass ein Rückspeisestrom erzeugt wird. Die Abnahme der kinetischen Energie wird in einen Rückspeisestrom umgewandelt und hierdurch erhöht sich die Sammelschienenspannung über den Sammelschienenspannungsreferenzwert.
Wie zuvor beschrieben ist der Rückspeisetransistor 25 AN, wenn sich die Sammelschienenspannung erhöht und eine Einschaltspannung des Rückspeisetransistors erreicht, bei der es sich um einen vorgegebenen Spannungswert handelt, woraufhin der Rückspeisewiderstand 24 den Rückspeisestrom verbraucht. Dadurch nimmt die Sammelschienenspannung auf einen Wert unterhalb der Einschaltspannung des Rückspeisetransistors ab. Dennoch kann, wie in 7 veranschaulicht ist, die Sammelschienenspannung die Einschaltspannung des Rückspeisetransistors selbst dann nicht erreichen, wenn der Motor 1 einen Verzögerungsvorgang durchführt und in einen Rückspeisezustand eintritt. In diesem Fall verbraucht der Rückspeisewiderstand 24 keinen Rückspeisestrom. Selbst wenn der Motor 1 einen Verzögerungsvorgang durchführt, kann es sein, dass die Sammelschienenspannung die Einschaltspannung des Rückspeisetransistors nicht erreicht. In diesem Fall wird in dem sich zwischen den Sammelschienen befindenden Glättungskondensator 23 eine Rückspeiseenergie gespeichert. Nimmt die in dem Glättungskondensator 23 gespeicherte zurückgespeiste Energie zu, dann nimmt die Sammelschienenspannung zu. Es wird angenommen dass die während eines Positioniervorgangs zu erzeugende zurückgespeiste Energie der kinetischen Energie der mechanischen Last entspricht. Da der Motor 1 bei einem Verzögerungsvorgang von der Spitzengeschwindigkeit ausgehend angehalten wird, d.h. in den Zustand mit der Geschwindigkeit 0 überführt wird, wird der Schätzwert E1 der während eines Positioniervorgangs zu erzeugenden zurückgespeisten Energie aus dem Ausdruck (1) abgeleitet, der die aus der Spitzengeschwindigkeit berechnete kinetische Energie wiedergibt.
Unter der Annahme, dass in dem Glättungskondensator 23 die gesamte geschätzte zurückgespeiste Energie E1 gespeichert wird, wird keine zurückgespeiste Energie in dem Rückspeisewiderstand 24 verbraucht. Wieviel Energie in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann, kann über den Ausdruck (2) abgeschätzt werden. Dies entspricht der Differenz zwischen der Energie (= 1 / 2 · C · Von²), die in dem Glättungskondensator 23 gespeichert ist, wenn der Sammelschienenspannungswert der Einschaltspannung des Rückspeisetransistors entspricht, und der Energie (= 1 / 2 · C · V0²), die in dem Glättungskondensator 23 gespeichert ist, wenn der Wert der Sammelschienenspannung dem Sammelschienenspannungsreferenzwert entspricht. Das bedeutet, dass der Ausdruck (2) die Energiemenge angibt, die gespeichert werden kann, wenn sich die Sammelschienenspannung von der Sammelschienenreferenzspannung auf die Einschaltspannung des Rückspeisetransistors erhöht.
Der Schätzwert E1 der während des aktuellen Positioniervorgangs zu erzeugenden zurückzuspeisenden Energie, der mithilfe des Ausdrucks (1) berechnet wird, wird mit dem Energiewert E2 verglichen, der in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann und der mithilfe des Ausdrucks (2) berechnet wird. Ist E1 kleiner als E2, dann wird die während eines Positioniervorgangs zu erzeugende Rückspeiseenergie während des aktuellen Positioniervorgangs nicht in dem Rückspeisewiderstand 24 verbraucht, sondern vollständig im Glättungskondensator 23 gespeichert. Die in dem Glättungskondensator 23 gespeicherte zurückgespeiste Energie kann während des nächsten Positioniervorgangs wieder verwendet werden. Die für einen Positioniervorgang erforderliche Energie setzt sich aus einer Energie für eine Motorausgangsleistung und eine Energie für Energieverluste zusammen. Wenn ein hoch effizienter Motor 1, wie beispielsweise ein Servomotor, verwendet wird, überwiegt die Energie für die Motorausgangsleistung die Energieverluste. Energie für eine Motorausgangsleistung wird hauptsächlich während eines Beschleunigungsvorgangs in kinetische Energie des Motors 1 und der mechanischen Last umgewandelt.
Wenn in Schritt S105 von 2 bestimmt wird, dass das Verfahren in Schritt S106 fortgeführt wird (JA in Schritt S105), ist, selbst wenn ein Positioniervorgang unter Verwendung eines Vorgabenreferenzmusters durchgeführt wird der Energieverbrauch während des Positioniervorgangs immer noch klein, da die von dem Motor 1 während eines Beschleunigungsvorgangs an die mechanische Last übertragene kinetische Energie effizient genutzt wird. In dem als Vorgabenreferenzmuster eine S-förmige Vorgabe oder andere Vorgaben verwendet werden, die zur Verringerung von Erschütterungen und Vibrationen effektiv sind, kann die Positionierungssteuerungsvorrichtung eine Positionierungssteuerung durchführen, und gleichzeitig eine Verringerung des Energieverbrauchs und in einem gewissen Umfang eine Verringerung von Vibrationserschütterungen erreichen.
Wenn in Schritt S105 von 2 festgestellt wird, dass der Schätzwert E1 der während des aktuellen Positioniervorgangs zu erzeugenden zurückgespeisten Energie größer als der in dem Speicherkondensator 23 speicherbare Energiewert E2 ist (NEIN in Schritt S105), dann ist die zurückgespeiste Energie zu groß, um bei der Durchführung des Positioniervorgangs in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden zu können, und wird daher teilweise in dem Rückspeisewiderstand 24 verbraucht. Die in dem Rückspeisewiderstand 24 verbrauchte zurückgespeiste Energie wird in Wärme umgewandelt und kann daher beim nächsten Positioniervorgang nicht mehr wieder verwendet werden. Der Energiebetrag, der von dem Rückspeisewiderstand 24 verbraucht und daher nicht wieder verwendet werden kann wird minimiert. Dies führt zu einer Verringerung des Energieverbrauchs während eines Positioniervorgangs. Der Betrag der zurückgespeisten Energie kennzeichnet die kinetische Energie von Motor 1 und mechanischer Last. Daher wird bei einem Vorgabenmuster die kinetische Energie minimiert, d.h., wenn die durch die maximale Beschleunigung Amax, bei der es sich um einen oberen Beschleunigungsgrenzwert handelt, bedingte Spitzengeschwindigkeit so klein wie möglich wird. Ein solches Vorgabenmuster ist durch den Ausdruck (3) dargestellt, bei dem die von dem Rückspeisewiderstand 24 verbrauchte zurückgespeiste Energiemenge minimiert werden kann und daher der Energieverbrauch während eines Positioniervorgangs verringert wird.
Bei dem durch Ausdruck (3) veranschaulichten Vorgabenmuster führt der Motor 1 einen Beschleunigungsvorgang stets mit der maximalen Beschleunigung Amax durch, um die mechanische Last während der vorgegebenen Bewegungszeit T um den vorgegebenen Betrag D der Bewegung zu verschieben, hält dann den Beschleunigungsvorgang für den vorgegebenen Zeitraum mit konstanter Geschwindigkeit aufrecht und führt anschließend stets einen Verzögerungsvorgang mit einer maximalen Beschleunigung -A_max durch. Unter der Annahme, dass für die Beschleunigung kein oberer Grenzwert festgelegt ist, handelt es sich bei einem Vorgabemuster, das von den Vorgabemustern, bei denen die mechanische Last während der Bewegungszeit T um den Betrag D der Bewegung bewegt wird, die geringste Geschwindigkeit aufweist, um ein Vorgabemuster, bei dem die mechanische Last ab dem Zeitpunkt 0, das bedeutet ab dem Start, bis zum Zeitpunkt T mit einer Geschwindigkeit D / T bewegt wird. Bei diesem Vorgabenmuster sind sowohl die Beschleunigungszeit als auch die Verzögerungszeit 0. Bei dem oben beschriebenen Vorgabenmuster ist die Beschleunigung jedoch unendlich. Daher kann dieses Vorgabenmuster, wenn ein oberer Beschleunigungsgrenzwert gesetzt ist, nicht umgesetzt werden.
Um eine Positionierung mit dem vorgegebenen Betrag D der Bewegung und der vorgegebenen Bewegungszeit T mit minimierter Spitzengeschwindigkeit durchzuführen, während der absolute Betrag der Beschleunigung kleiner oder gleich als Amax gehalten wird, müssen daher ein Beschleunigungsvorgang und ein Verzögerungsvorgang jeweils in einer kürzest möglichen Zeit durchgeführt werden. Das bedeutet, dass bei dem Vorgang ein Beschleunigungsvorgang und ein Verzögerungsvorgang mit der maximalen Beschleunigung Amax durchgeführt werden müssen. Dieses Vorgabenmuster wird durch den Ausdruck (3) wiedergegeben. Bei diesem Vorgabenmuster wird durch das Setzen eines oberen Beschleunigungsgrenzwerts die Spitzengeschwindigkeit minimiert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem, wenn der Energiebetrag E2, der in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden, berechnet wird, der Berechnungsausdruck (2) verwendet wird, um den Energiebetrag E2 auf Basis von Informationen über die Kapazität C des Glättungskondensators 23, den Wert der Sammelschienenspannung Von, bei der der Rückspeisetransistor 25 AN ist, und der Sammelschienenreferenzspannung V0 zu berechnen. Unter der Annahme, dass sich am Verstärker 7 nichts ändert, ändert sich daher ein aus dem Ausdruck (2) abgeleiteter Berechnungswert nicht. Daher wird der in dem Glättungskondensator 23 speicherbare Energiebetrag, der mit dem Verstärker 7 verknüpft ist, unter Verwendung des Ausdrucks (2) im Voraus berechnet. Dieser berechnete Wert kann in der Vorgabeerzeugungseinheit 10 gespeichert werden, damit die Vorgabenerzeugungseinheit 10 diesen Wert verarbeiten kann.
Zweite Ausführungsform
Bei der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Ausdruck (2) zur Berechnung der zurückgespeisten Energiemenge verwendet wird, die in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann. Das Berechnungsverfahren ist hierauf nicht beschränkt. Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel zum Berechnen des zurückgespeisten Energiebetrags unter Verwendung eines vom Ausdruck (2) verschiedenen Ausdrucks beschrieben.
8 zeigt ein Blockschaltbild, das einen Gesamtaufbau einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Blockschaltbild von 8 ähnelt dem Blockschaltbild von 1. Die Bestandteile, die mit denselben Bezugszeichen wie jene in 1 bezeichnet sind, weisen im Grundsatz dieselbe Funktionalität aus, sodass deren Erläuterung unterlassen wird. Die Vorgabenerzeugungseinheit 10 von 8 ist anders als die von 1. Bei der Vorgabenerzeugungseinheit 10 von 1 werden Informationen über die Masse J der beweglichen Teile und die Kapazität C des Glättungskondensators 23 in diese im Voraus eingegeben oder darin gespeichert. Dagegen wird bei der Vorgabenerzeugungseinheit 10 von 8 zusätzlich zur Masse J der beweglichen Teile und zur Kapazität C des Glättungskondensators 23 eine Information bezüglich eines Korrekturkoeffizienten G, der größer als 1 ist, im Voraus darin eingegeben oder abgespeichert. Dieser Korrekturkoeffizient G wird später ausführlich erläutert.
9 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Verfahrensablauf der Vorgabenerzeugungseinheit 10 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Flussdiagramm von 9 ähnelt dem Flussdiagramm von 2. Die Schritte von 9, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in 2, führen grundsätzlich dieselben Vorgänge aus als die von 2, sodass deren weitere Beschreibung unterlassen wird.
Das Flussdiagramm von 9 unterscheidet sich von dem Flussdiagramm von 2 darin, dass der Schritt S104 von 2 in 9 durch den Schritt S104b ersetzt wurde. In Schritt S104b berechnet die Vorgabenerzeugungseinheit 10 den in dem Glättungskondensator 23 zu speichernden Energiebetrag E2 unter Verwendung der Kapazität C des Glättungskondensators 23, die Einschaltspannung Von des Rückspeisetransistors, die Sammelschienenreferenzspannung V0 und den Korrekturkoeffizienten G (> 1). Diese Teilinformationen werden zum Berechnen des in dem Glättungskondensator 23 zu speichernden Energiebetrags E2 gemäß dem folgenden Ausdruck (5) verwendet.
[Ausdruck 5] $E 2 = (1 / 2 \cdot C \cdot V o n^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot V 0^{2}) \cdot G$
Nach Abschluss des Verfahrensschritts S104b wird das Verfahren mit Schritt S105 und den darauf folgenden Schritten fortgeführt. Die Vorgänge von Schritt S105 und den nachfolgenden Schritten sind in 9 die gleichen wie jene in 2 der ersten Ausführungsform, sodass deren Erläuterung unterlassen wird. Die Positionierungssteuerungsvorrichtung führt eine Positionierungssteuerung gemäß dem Verfahren von 9 aus und kann daher die Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs verringern.
Auch bei der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Vorgabenerzeugungseinheit 10 vor einer praktischen Durchführung eines Positioniervorgangs, den Schätzwert E1 der bei Betreiben des Motors 1 in einem Vorgabenreferenzmuster zurückgespeisten Energie und wählt eine Positionierungssteuerungsvorgabe gemäß einem Ergebnis des Vergleichs zwischen diesem Schätzwert E1 der zurückgespeisten Energie und dem in dem Glättungskondensator 23 zu speichernden Energiewert E2 aus. Dieser Vorgang ist zu dem der ersten Ausführungsform identisch und daher kann die Wirkung einer verringerten Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs erreicht werden.
Es werden Auswirkungen beschrieben, die mit der vorliegenden Ausführungsform, jedoch nicht mit der ersten Ausführungsform, erhalten werden können. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass der in dem Glättungskondensator 23 speicherbare Energiebetrag unter Verwendung des Ausdrucks (5) anstatt des Ausdrucks (2) berechnet wird. Der Energiebetrag E2 des Ausdrucks (5) unterscheidet sich von dem des Ausdrucks (2) um den Faktor des Korrekturkoeffizienten G. Da der Korrekturkoeffizient G größer als 1 ist, ist der berechnete Energiebetrag, der in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden soll, bei der vorliegenden Ausführungsform größer als ein Wert, der mit dem Ausdruck (2) berechnet wird. Die physikalische Bedeutung dessen wird unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben.
10 zeigt eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Geschwindigkeit (Drehzahl) des Motors 1 und einer Sammelschienenspannung bei Ausführung eines Positioniervorgangs gemäß einem Vorgabenmuster, das keinen Zeitraum mit konstanter Geschwindigkeit aufweist. Das bedeutet, dass der Motor 1 unmittelbar nach Beendigung eines Beschleunigungsvorgangs einen Verzögerungsvorgang ausführt. Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, nimmt der Motor 1 während eines Beschleunigungsvorgangs Leistung auf, wodurch die Sammelschienenspannung abfällt. Während eines Verzögerungsvorgangs tritt der Motor dagegen in einen Rückspeisezustand ein, wodurch die Sammelschienenspannung zunimmt.
Wenn der Motor 1 mit dem Verzögerungsvorgang unmittelbar nach Beendigung eines Beschleunigungsvorgangs beginnt, ist der Wert der Sammelschienenspannung wie in 10 dargestellt bei Beginn des Verzögerungsvorgangs kleiner als die Sammelschienenreferenzspannung V0, da die Sammelschienenspannung während des Beschleunigungsvorgangs abgenommen hat. Ab dem Punkt, an dem der Motor 1 mit dem Verzögerungsvorgang beginnt, wird ein Rückspeisestrom erzeugt, sodass die Sammelschienenspannung anfängt, zuzunehmen. Der Energiebetrag, der in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann, ist eine Funktion der Differenz der Quadrate der Sammelschienenspannungen. Im Ausdruck (2) ist der Energiebetrag als Differenz zwischen dem Quadrat der Einschaltspannung Von des Rückspeisetransistors und dem Quadrat der Sammelschienenreferenzspannung V0 ausgedrückt. Wenn diese Differenz größer ist, kann mehr Energie gespeichert werden. Wenn diese Differenz dagegen kleiner ist, kann weniger Energie gespeichert werden. In dem in 10 dargestellten Fall ist der Wert der Sammelschienenspannung beim Starten des Verzögerungsvorgangs jedoch kleiner als die Sammelschienenreferenzspannung V0. Daher ist der Betrag der Energie, die in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann, größer als der durch den Ausdruck (2) angegebene.
11 zeigt eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen Motorgeschwindigkeit und Sammelschienenspannung, wenn ein Positioniervorgang mit einem Vorgabenmuster durchgeführt wird, das einen Zeitraum mit konstanter Geschwindigkeit aufweist, wie es in einem Fall mit relativ hoher Reibung der mechanischen Last auftritt. Die Sammelschienenspannung fällt ab, wenn der Motor einen Beschleunigungsvorgang ausführt und wenn der Motor einen Verzögerungsvorgang ausführt, nimmt die Sammelschienenspannung zu. Dieser Vorgang ist der gleiche wie der oben Beschriebene. Ein Teil der von dem Motor 1 aufgenommenen Leistung umfasst eine Leistung, die für eine Ausgangsleistung des Motors aufgenommen wird. Die Motorleistung wird als Produkt von Motordrehmoment und Motordrehzahl ausgedrückt. Bei geringer Reibung der mechanischen Last ist das Motordrehmoment bei konstanter Geschwindigkeit in etwa Null und entsprechend wird die Ausgangsleistung des Motors 1 in etwa Null. Dadurch nimmt der Motor 1 kaum Leistung auf. Wenn die Reibung der mechanischen Last jedoch vergleichsweise höher ist, nimmt das Motordrehmoment bei konstanter Geschwindigkeit aufgrund der Reibung der mechanischen Last zu und die Ausgangsleistung des Motors ist damit ungleich Null. Infolgedessen nimmt die Motoransteuerungsvorrichtung Leistung auf. Wenn der Motor 1 mit konstanter Drehzahl betrieben wird oder unmittelbar bevor der Motor 1 mit einem Verzögerungsvorgang beginnt, verhält sich die Sammelschienenspannung so, dass sie niedriger als die Sammelschienenreferenzspannung V0 wird.
Wie den 10 und 11 zu entnehmen kann während eines Verzögerungsvorgangs, wenn die Sammelschienenspannung unmittelbar vor Ausführung eines Verzögerungsvorgangs durch den Motor 1 niedriger ist als die Sammelschienenreferenzspannung V0, eine zurückgespeiste Energie gespeichert werden, deren Betrag größer ist als ein in dem Glättungskondensator 23 zu speichernder, mit dem Ausdruck (2) berechneter, Energiebetrag. Der mittels des Ausdrucks (2) berechnete Energiebetrag, der in dem Glättungskondensator 23 gespeichert werden kann, wird, wie im Ausdruck (5) gezeigt ist, mit dem Korrekturkoeffizienten G (> 1) multipliziert. Dadurch kann der Energiewert, der in dem Glättungskondensator 23 unter diesen Umständen gespeichert werden kann, genauer geschätzt werden.
Beispielsweise kann bereits im Voraus erwägt werden, bei Ausführung eines Positioniervorgangs einen Wert der Sammelschienenspannung unmittelbar vor Beginn eines Verzögerungsvorgangs zu messen und den Korrekturkoeffizienten G als Verhältnis zwischen einem in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energiebetrag, der aus dem gemessenen Wert der Sammelschienenspannung berechnet wird, und einem in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energiebetrag, der mit dem Ausdruck (2) berechnet wird, zu bestimmen. Der in dem Glättungskondensator 23 speicherbare Energiebetrag, der aus dem Wert der Sammelschienenspannung berechnet wird, stellt einen Betrag dar, der durch Substituieren der Sammelschienenreferenzspannung durch den Wert der Sammelschienenspannung unmittelbar vor Beginn eines Verzögerungsvorgangs berechnet wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden vor Beginn der Positionierung der während des aktuellen Positioniervorgangs zu erzeugende Betrag der zurückgespeisten Energie und der Betrag der in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energie berechnet. Entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs dieser Beträge werden Positionierungsvorgabemuster selektiv verwendet. Da dieser Vorgang derselbe ist wie bei der ersten Ausführungsform, weist die vorliegende Erfindung dieselben Wirkungen auf wie die erste Ausführungsform. Außerdem wird der in dem Glättungskondensator 23 zu speichernde Energiebetrag bei der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zur ersten Ausführungsform genauer geschätzt. Dadurch kann eine Vorgabe ausgewählt werden, die eine vorteilhaftere Verringerung der Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs ermöglicht.
Dritte Ausführungsform
Bei der ersten und zweiten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der in dem Glättungskondensator 23 speicherbare Betrag der zurückgespeisten Energie auf Basis der Sammelschienenreferenzspannung V0 berechnet wird. Die in dem Glättungskondensator 23 speicherbare Energie kann jedoch auch ohne die Sammelschienenreferenzspannung V0 berechnet werden. Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein solcher Fall beschrieben.
12 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Gesamtanordnung einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Blockschaltbild von 12 ähnelt dem Blockschaltbild von 1, das bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, und ähnelt auch dem Blockschaltbild von 8, das bei der zweiten Ausführungsform erläutert wurde. Die Teile, die mit denselben Bezugszeichen wie in 1 und 8 bezeichnet sind, weisen grundsätzlich dieselbe Funktionsweise auf, sodass deren Beschreibung übergangen wird. 12 unterscheidet sich von 1 und 8 durch einen in 12 vorhandenen Sammelschienenspannungserfassungsschaltkreis 27 und darin, dass ein erfasster Wert 28 (Vdc) der erfassten Sammelschienenspannung in eine Vorgabenerzeugungseinheit 10 eingegeben wird.
13 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Verfahrensablauf der Vorgabenerzeugungseinheit 10 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Flussdiagramm von 13 ähnelt dem Flussdiagramm von 2, das bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, und ähnelt auch dem Flussdiagramm von 9, das bei der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde. Die in 13 mit denselben Bezugszeichen wie in den 2 und 9 bezeichneten Schritte führen grundsätzlich dieselben Vorgänge aus wie jene der 2 und 9, sodass deren Beschreibungen übergangen wird.
Das Flussdiagramm von 13 unterscheidet sich von dem Flussdiagramm von 2 darin, dass nach Ausführung von Schritt S103 in Schritt S110 in dem Sammelschienenspannungserfassungsschaltkreis 27 ein Vorgang zum Erfassen des Werts Vdc der Sammelschienenspannung vorgenommen wird. Danach wird der Wert 28 (Vdc) der erfassten Sammelschienenspannung in Schritt S104c zur Berechnung des in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energiebetrags E2 verwendet. Der nachfolgende Ausdruck (6) drückt die Berechnung konkret aus.
[Ausdruck 6] $E 2 = 1 / 2 \cdot C \cdot {Von}^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot {Vdc}^{2}$
Der Ausdruck (6) unterscheidet sich von dem Ausdruck (2) darin, dass die Sammelschienenreferenzspannung V0 durch die Sammelschienenspannung (Vdc) ersetzt ist. Wie bei der zweiten Ausführungsform beschrieben, kann der Ausdruck (6) ferner mit dem Korrekturkoeffizienten G (> 1) zum Berechnen des in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energiebetrags E2 multipliziert werden. Das bedeutet, dass der Energiebetrag E2 durch den folgenden Ausdruck (7) berechnet werden kann.
[Ausdruck 7] $E 2 = (1 / 2 \cdot C \cdot {Von}^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot {Vdc}^{2}) \cdot G$
Nach Abschluss des Vorgangs von Schritt S104C werden Schritt S105 und die nachfolgenden Schritte durchgeführt. In Schritt S105 und den nachfolgenden Schritten werden Schritt S105 und die nachfolgenden Schritte, die bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, ausgeführt. Die Positionierungssteuerungsvorrichtung führt eine Positionierungssteuerung gemäß den Vorgängen von 13 aus und kann daher die Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs verringern.
Auch bei der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Vorgabenerzeugungseinheit 10 vor einer praktischen Ausführung eines Positioniervorgangs den Schätzwert E1, der bei einem Betrieb des Motors 1 nach einem Vorgabenreferenzmuster zurückgespeisten Energie, und wählt eine Positionierungssteuerungsvorgabe gemäß einem Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Schätzwert E1 der zurückgespeisten Energie und dem in dem Glättungskondensator 23 zu speichernden Energiewert E2 aus. Dieser Vorgang entspricht dem der ersten Ausführungsform, sodass der Effekt einer Abnahme der Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs erhalten werden kann.
Es werden Wirkungen beschrieben, die von der vorliegenden Ausführungsform, jedoch nicht von der ersten oder der zweiten Ausführungsform erhalten werden können. 14 zeigt eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen Motorgeschwindigkeit und Sammelschienenspannung während eines mehrmals in Abständen durchgeführten Positioniervorgangs gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 14 veranschaulicht als konkretes Beispiel die Beziehung zwischen Motorgeschwindigkeit und Sammelschienenspannung bei einem mit einem Abstand zweimal ausgeführten Positioniervorgang. Es werden Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 14 beschrieben.
Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben nimmt der Motor 1 bei Ausführung eines Positioniervorgangs während eines Beschleunigungsvorgangs und während eines Vorgangs mit konstanter Geschwindigkeit Leistung auf. Daher ist der Betrag der Sammelschienenspannung kleiner als die Sammelschienenreferenzspannung V0. Während dieses Zeitraums speist die Stromrichtereinheit 22 des Verstärkers 7 Leistung in die Invertereinheit 26. Während eines Verzögerungsvorgangs befindet sich der Motor 1 dagegen in einem Rückspeisezustand. Ab Beginn eines Verzögerungsvorgangs werden in dem Glättungskondensator 23 die kinetische Energie der mechanischen Last und des Motors 1 gespeichert. Infolgedessen nimmt die Sammelschienenspannung zu. Bei einer Positionierungssteuerung erreicht der Motor 1 aus dem angehaltenem Zustand heraus eine bestimmte Geschwindigkeit und kehrt danach in einen angehaltenen Zustand zurück. Daher ist die kinetische Energie Null, wenn die Positionierung beginnt, das bedeutet bei Beginn eines Beschleunigungsvorgangs, und wenn die Positionierung endet, d. h., wenn ein Verzögerungsvorgang abgeschlossen ist. In einem Zustand während eines Beschleunigungsvorgangs, bei dem die Sammelschienenspannung kleiner als die Sammelschienenreferenzspannung V0 ist, erhält die Invertereinheit 26 von der Stromrichtereinheit 22 einen Versorgungsstrom. Daher ist die Sammelschienenspannung nach Abschluss eines Positioniervorgangs im Allgemeinen größer als eine Sammelschienenspannung beim Start des Positioniervorgangs. Bei einem in Abständen durchgeführten Positioniervorgang wird ein bestimmter Positioniervorgang, das ist der Positioniervorgang X in 14, ausgeführt, dann wird der angehaltene Zustand zunächst beibehalten und danach wird ein anderer Positioniervorgang, das ist der Positioniervorgang Y von 14, gestartet. Im angehaltenen Zustand muss durch den Motor 1, um ihn in dem angehaltenen Zustand zu halten, dennoch ein geringer Strom fließen. Fließt Strom durch den Motor 1, dann tritt in den Wicklungswiderständen des Motors 1, in denen Energie verbraucht wird, ein Energieverlust auf. Entsprechend nimmt die Sammelschienenspannung allmählich ab. Bleibt der angehaltene Zustand für längere Zeit bestehen, nimmt die Sammelschienenspannung auf die Sammelschienenreferenzspannung V0 ab. Wird der angehaltene Zustand dagegen wie in 14 veranschaulicht nur für kurze Zeit aufrechterhalten, dann wird der nachfolgende Positioniervorgang begonnen, bevor die Sammelschienenspannung auf die Sammelschienenreferenzspannung V0 abgenommen hat. Daher ist die Sammelschienenspannung beim Beginn des Positioniervorgangs Y größer als die Sammelschienenreferenzspannung V0. Dadurch wird der Unterschied zwischen der Einschaltspannung V0 des Rückspeisetransistors und der Sammelschienenspannung bei Beginn des Positioniervorgangs Y kleiner. Dadurch wird bei Ausführung des Positioniervorgangs Y die in dem Glättungskondensator 23 zu speichernde Energiemenge im Vergleich zu einem Start des Positioniervorgangs mit der Sammelschienenreferenzspannung V0 verringert.
Bei dem Flussdiagramm von 13 erhält die Vorgabenerzeugungseinheit 10 in Schritt S110 die Sammelschienenspannung Vdc unmittelbar vor Beginn eines Positioniervorgangs oder bei Beginn eines Positioniervorgangs. In Schritt S104c berechnet die Vorgabenerzeugungseinheit 10 einen in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energiebetrag unter Verwendung des Ausdrucks (6) oder des Ausdrucks (7). Daher kann die Vorgabenerzeugungseinheit 10 in dem in 14 veranschaulichten Fall den in dem Glättungskondensator 23 zu speichernden Energiewert E2 genauer berechnen.
Wie in Ausdruck (7) ausgedrückt, wird der Energiewert E2 mit dem Korrekturkoeffizienten G multipliziert, wenn z. B. das Folgende berücksichtigt wird. Das bedeutet, dass vor Beginn eines Positioniervorgangs entschieden werden muss, ob ein Positioniervorgang mit einem Vorgabenreferenzmuster durchgeführt wird. Daher werden nur Daten einer aktuell gemessenen Sammelschienenspannung, der Sammelschienenspannung Vdc, beim Start eines Positioniervorgangs erhalten. Die in dem Glättungskondensator 23 zu speichernde Energiemenge hängt jedoch tatsächlich von der Sammelschienenspannung bei Beginn eines Verzögerungsvorgangs ab. Daher wird die in dem Glättungskondensator 23 zu speichernde Energie aufgrund eines Abfalls der Sammelschienenspannung erhöht, der durch einen Beschleunigungsvorgang ab dem Zeitpunkt des Beginns eines Positioniervorgangs bis zum Zeitpunkt des Beginns eines Verzögerungsvorgangs verursacht wird. Unter Berücksichtigung dieser Zunahme wird der Energiewert E2 daher mit dem Korrekturkoeffizienten G multipliziert.
Dadurch kann genauer bestimmt werden, ob der Rückspeisewiderstand 24 den während eines Positioniervorgangs zu erzeugenden Betrag zurückgespeister Energie verbraucht. Auf Basis der gegebenen Positioniervorgangsspezifikationen kann daher geeignet gewählt werden, ob ein Positioniervorgang mit einem Vorgabenreferenzmuster oder ob ein Positioniervorgang mit einem Vorgabenmuster mit minimaler Spitzengeschwindigkeit durchgeführt wird, sodass die Leistungsaufnahme vorteilhafter reduziert werden kann. Dadurch wird eine Wirkung erhalten, bei der eine Vorgabe ausgewählt werden kann, die vorteilhafter für eine Reduktion der Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs ist.
Vierte Ausführungsform
Bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform wird eine Vorgabenreferenzmusterinformation eingegeben, um einen Schätzwert E1 der zurückgespeisten Energie zu akquirieren, der geschätzt wird, wenn eine Vorgabe für den aktuellen Positioniervorgang gemäß dem Vorgabenreferenzmuster erzeugt wird. Die Positionierungssteuerungsvorrichtung führt eine Positionierungssteuerung durch Auswählen einer Vorgabe auf Basis eines Ergebnisses des Vergleichs zwischen den Schätzwert E1 der zurückgespeisten Energie und dem in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energiebetrag E2 aus. Bei der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Aufbau beschrieben, bei dem als Vorgabenreferenzmuster eine bestimmte Vorgabe verwendet werden kann, um die Leistungsaufnahme während einer Positionierungssteuerung weiter zu verringern.
15 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus einer Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Blockschaltbild von 15 stimmt teilweise mit dem Blockschaltbild von 1 überein. Eine Beschreibung der Teile, die mit denen von 1 identisch sind, wird unterlassen. Das Blockschaltbild von 15 unterscheidet sich von dem Blockschaltbild von 1 darin, dass die Vorgabenreferenzmusterinformation nicht von außen in die Vorgabenerzeugungseinheit 10 eingegeben wird, sondern in der Vorgabenerzeugungseinheit 10 ein nachfolgend beschriebenes Vorgabenreferenzmuster enthalten ist.
16 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufs der Vorgabenerzeugungseinheit 10 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Flussdiagramm von 16 stimmt teilweise mit dem Flussdiagramm von 2 überein. Eine Beschreibung der Vorgänge, die mit denen von 2 identisch sind, wird daher unterlassen. Das Flussdiagramm von 16 unterscheidet sich von dem Flussdiagramm von 2 darin, dass Schritt S102 von 2 durch den Schritt S102b und den Schritt S102c ersetzt wurde.
In Schritt S102b werden als positioniervorgangsspezifische Information der Betrag D der Bewegung, die Bewegungszeit T und die maximale Beschleunigung Amax eingegeben.
Danach wird das Vorgabenreferenzmuster in Schritt S102c als Vorgabenmuster definiert, bei dem die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung stetig verringert und die Verzögerung ab Beginn des Zeitpunkts des Einsatzes der Verzögerung stetig erhöht wird, oder als Vorgabenmuster, bei dem die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung während eines vorgegebenen Zeitraums auf einer konstanten Beschleunigung, bei der es sich um die maximale Beschleunigung handelt, gehalten wird und anschließend die Beschleunigung stetig verringert wird, wobei nach dem Übergang zur Verzögerung die Verzögerung stetig erhöht und anschließend für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Verzögerung, bei der es sich um die maximale Verzögerung handelt, gehalten wird. Die maximale Verzögerung ist eine negative maximale Beschleunigung.
17 veranschaulicht ein konkretes Beispiel eines Vorgabenmusters, bei dem die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung stetig abnimmt und die Verzögerung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Verzögerung stetig zunimmt. Ein Ausdruck für diese Beschleunigung ist durch den folgenden Ausdruck (8) wiedergegeben.
[Ausdruck 8] $\begin{matrix} A (t) = - \frac{2 A_{p}}{T} (t - \frac{T}{2}) & (0 \leq t \leq T) \end{matrix}$
Hierin bedeuten A_p die Beschleunigung bei Beginn eines Beschleunigungsvorgangs und die Verzögerung bei Abschluss eines Verzögerungsvorgangs, wobei A_p unter Verwendung des Betrags D der Bewegung und der Bewegungszeit T wie folgt ausgedrückt wird.
[Ausdruck 9] $A_{p} = \frac{6 D}{T^{2}}$
Der Wert der Spitzengeschwindigkeit vp bei einer Positionierung mit einem Vorgabenmuster, dessen Beschleunigung durch den Ausdruck (8) wiedergegeben werden kann, kann durch Integrieren des Ausdrucks (8) vom Zeitpunkt Null bis zum Zeitpunkt T/2 erhalten werden. Daher gilt der folgende Ausdruck.
[Ausdruck 10] $v p = A_{p} \cdot T / 4$
Das Vorgabenmuster, bei dem die Beschleunigung ab dem Start eines Beschleunigungsvorgangs allmählich abnimmt und die Verzögerung ab dem Start der Verzögerung zunimmt, ist nicht auf den Ausdruck (8) beschränkt. Ausdruck (8) zeigt eine stetige lineare Abnahme der Beschleunigung ab dem Start des Beschleunigungsvorgangs und eine lineare Zunahme der Verzögerung ab dem Zeitpunkt des Starts der Verzögerung. Das Vorgabenmuster muss jedoch nicht auf ein lineares Beschleunigungs-/Verzögerungsmuster beschränkt sein und kann ein Muster mit einer trigonometrischen Zeitfunktionskurve beispielsweise einer Kosinuskurve (cos) oder ein Muster mit einer sich auf die Zeit „t“ beziehenden Polynomkurve hoher Ordnung sein.
Das in 18 veranschaulichte Vorgabenmuster stellt ein konkretes Beispiel eines Vorgabenmusters dar, bei dem die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Beschleunigung, d. h. auf der Maximalbeschleunigung, gehalten wird und die Beschleunigung anschließend stetig verringert wird, wobei nach dem Übergang zur Verzögerung die Verzögerung stetig erhöht und anschließend für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Verzögerung, bei der es sich um die maximale Verzögerung handelt, gehalten wird. Die Beschleunigung wird durch den folgenden Ausdruck (11) wiedergegeben.
[Ausdruck 11] $A (t) = {\begin{array}{l} + A_{max} & (0 \leq t \leq T_{1}) \\ - \frac{2 A_{max}}{T - 2 T_{1}} (t - T_{1}) + A_{max} & (T_{1} \leq t \leq T - T_{1}) \\ - A_{max} & (T - T_{1} \leq t \leq T) \end{array}$
Wobei der folgende Ausdruck gilt.
[Ausdruck 12] $T_{1} = \frac{T}{2} - \frac{\sqrt{3 (T^{2} - 4 D / A_{max})}}{2}$
Der Wert der Spitzengeschwindigkeit vp bei einer Positionierung mit einem Vorgabenmuster, dessen Beschleunigung durch den Ausdruck (11) wiedergegeben ist, kann durch Integrieren des Ausdrucks (11) vom Zeitpunkt Null bis zum Zeitpunkt T/2 berechnet werden. Daher ist der folgende Ausdruck gültig.
[Ausdruck 13] $v p = \frac{1}{2} \cdot (\frac{T}{2} + T_{1}) \cdot A_{max}$
Das Vorgabenmuster, bei dem die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Beschleunigung gehalten wird, die der maximalen Beschleunigung entspricht, und danach die Beschleunigung stetig abnimmt und nach dem Übergang zur Verzögerung, die Verzögerung stetig zunimmt und anschließend für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Verzögerung gehalten wird, die der maximalen Verzögerung entspricht, ist nicht auf den Ausdruck (11) beschränkt. Ausdruck (11) weist eine stetige lineare Abnahme der Beschleunigung oder ein stetiges lineares Abnehmen der Beschleunigung ab Beginn eines Verzögerungsvorgangs auf, und weist eine lineare Zunahme der Verzögerung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Verzögerung auf. Das Vorgabenmuster muss jedoch nicht auf ein lineares Beschleunigung-/Verzögerungsmuster beschränkt sein und kann auch ein Muster mit einer auf die Zeit „t“ bezogenen trigonometrischen Funktionskurve, beispielsweise einer Kosinuskurve, oder ein Muster mit einer auf die Zeit „t“ bezogenen Polynomkurve hoher Ordnung sein.
In Schritt S103 und den nachfolgenden Schritten werden Vorgänge ausgeführt, die mit denen von 1 identisch sind. Statt Schritt S104 können in derselben Weise wie bei der zweiten und dritten Ausführungsform die Verfahrensschritte S104b oder S104c ausgeführt werden.
Als Nächstes werden die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der, während des aktuellen Positioniervorgangs zu erzeugende, zurückgespeiste Energiebetrag identisch zur ersten, zweiten und dritten Ausführungsform vor Beginn der Positionierung geschätzt, und dieser Schätzwert E1 wird mit dem in dem Glättungskondensator 23 speicherbaren Energiewert E2 verglichen. Ist der Schätzwert E1 der zurückgespeisten Energie größer als der Energiewert E2, dann wird unter den gegebenen Positionierbedingungen ein Vorgabenmuster mit der minimalen Spitzengeschwindigkeit ausgewählt. Jedoch erhält man den Effekt, dass der Energiebetrag der zurückgespeisten Energie, der nicht wieder verwendet werden kann und von dem Rückspeisewiderstand 24 verbraucht wird, minimiert und die Leistungsaufnahme während eines Positioniervorgangs herabgesetzt werden kann.
Zur weiteren Verringerung der Leistungsaufnahme während einer Positionierungssteuerung kann als Vorgabenreferenzmuster ein typisches Vorgabenmuster verwendet werden, das durch den in 17 veranschaulichten Ausdruck (8) oder durch den in 18 veranschaulichten Ausdruck (11) wiedergegeben ist. Bei dem durch den in 17 veranschaulichten Ausdruck (8) gegebenen Vorgabenmuster nimmt die Beschleunigung ab Beginn des Zeitpunkts des Starts der Beschleunigung stetig ab und die Verzögerung nimmt ab dem Zeitpunkt des Beginns der Verzögerung allmählich zu. Bei dem durch den in 18 veranschaulichten Ausdruck (11) wiedergegebenen Vorgabenmuster wird die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Beschleunigung, bei der es sich um die Maximalbeschleunigung handelt, gehalten und anschließend nimmt die Beschleunigung stetig ab und ab dem Übergang zur Verzögerung nimmt die Verzögerung für einen vorgegebenen Zeitraum stetig zu und wird anschließend auf einer konstanten Verzögerung, bei der es sich um die maximale Verzögerung handelt, gehalten.
Das bedeutet, dass die Leistungsaufnahme während der Positionierungssteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu den bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform beschriebenen Fällen weiter verringert werden kann, wenn in Schritt S105 von 16 bestimmt wird, dass der Schätzbetrag E1, der während eines Positioniervorgangs zu erzeugenden zurückgespeisten Energie gleich oder weniger als der in dem Glättungskondensator 23 speicherbare Energiebetrag E2 ist. Die Gründe hierfür werden nachfolgend beschrieben.
Die für einen Positioniervorgang erforderliche Leistungsaufnahme setzt sich aus einem Leistungsbetrag für eine Ausgangsleistung des Motors 1 und einem Leistungsbetrag für Energieverluste zusammen. Während eines Beschleunigungsvorgangs wird die Ausgangsleistung des Motors 1 in kinetische Energie des Motors 1 und der mechanischen Last überführt. Während eines Verzögerungsvorgangs wird diese kinetische Energie ferner, wie bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform beschrieben, in die zurückgespeiste Energie umgewandelt. Wenn die gesamte, während eines Positionsvorgangs zu erzeugende, zurückgespeiste Energie in dem Glättungskondensator 23 gespeichert wird (JA in Schritt S105), geht das Verfahren von Schritt S105 zu Schritt S106 von 16 über. Wenn die gesamte, während eines Positioniervorgangs zu erzeugende, zurückgespeiste Energie in dem Glättungskondensator 23 gespeichert wird, kann die zurückgespeiste Energiemenge bei dem nächsten Positioniervorgang wieder verwendet werden. Beim Übergang zum Verfahrensschritt S106 kann die für eine Ausgangsleistung des Motors 1 während eines Positioniervorgangs daher insgesamt aufgewendete Leistungsaufnahme als Null angenommen werden.
Ein Durchführen eines Positioniervorgangs umfasst indes einen Beschleunigungsvorgang und einen Verzögerungsvorgang. Damit der Motor 1 einen Beschleunigungsvorgang und einen Verzögerungsvorgang ausführt, muss der Motor 1 ein Drehmoment erzeugen. Damit ein Drehmoment erzeugt wird, muss durch den Motor 1 ein Strom fließen. Wenn durch den Motor 1 ein Strom fließt, kommt es zu Energieverlusten. Beim Übergang des Verfahrens zum Schritt S106 ist das Vorgabenmuster daher so ausgebildet, dass der Energieverlust minimiert wird. Dadurch kann der Energieverbrauch während eines Positioniervorgangs weiter verringert werden.
Kupferverluste, die durch einen Stromfluss durch die Wicklungswiderstände des Motors verursacht werden, bilden einen Hauptfaktor des Energieverlustes. Unter Verwendung eines Stroms I(t), der während eines Positioniervorgangs durch den Motor 1 fließt, können die in den Wicklungswiderständen des Motors während eines Positioniervorgangs verursachten Kupferverluste wie folgt ausgedrückt werden.
[Ausdruck 14] $R \int_{0}^{T} I {(t)}^{2} d t$
Ferner gilt, wenn a(t) die Motorbeschleunigung darstellt, die folgende Bewegungsgleichung für den Motor 1 und die mechanische Last.
[Ausdruck 15] $J \cdot a (t) = K t \cdot I (t)$
(J: Masse der beweglichen Teile von Motor und mechanischer Last, a(t): Motorbeschleunigung, K_t : Motordrehmomentkonstante) Es besteht daher ein proportionaler Zusammenhang zwischen Strom und Beschleunigung. Ausdruck (8) gibt ein Vorgabenmuster wieder, bei dem die mechanische Last um einen vorgegebenen Betrag D der Bewegung über eine vorgegebene Bewegungszeit T bewegt wird, und der obige Ausdruck (14) minimiert wird. Dieses Vorgabenmuster weist eine Charakteristik darauf, bei der die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung stetig abnimmt und die Verzögerung, die eine negative Beschleunigung darstellt, ab dem Zeitpunkt des Beginns der Verzögerung stetig zunimmt. Durch dieses Verhalten kann eine Verringerung der Kupferverluste erreicht werden.
Dieser Effekt wird unter Verwendung von drei Vorgabenmustern, die in den 19, 20 und 21 dargestellt sind, beschrieben. 19 veranschaulicht ein Vorgabenmuster, bei dem die Beschleunigung in der Anfangsphase eines Beschleunigungsvorgangs (0 ≤ t ≤ T/4) den Wert α annimmt und dann in der Schlussphase des Beschleunigungsvorgang (T/4 < t ≤ T/2) auf den Wert α/2 verringert wird und die Verzögerung in der Anfangsphase eines Verzögerungsvorgangs (T/2 < t ≤ 3/4·T) α/2 beträgt und dann in der Abschlussphase des Verzögerungsvorgangs (3/4·T < t ≤ T) auf den Wert α erhöht wird. Der Parameter „t“ gibt die Zeit wieder. Der Betrag der Bewegung dieses Vorgabenmusters entspricht dem Betrag, der von dem Geschwindigkeitsmuster ab der Bewegungszeit Null bis zur Bewegungszeit T umfasst wird. Daher entspricht der Betrag der Bewegung bei Ausführung eines Positioniervorgangs mit diesem Vorgabenmuster 7/32·α·T². Die zum Verschieben der mechanischen Last um einen gewünschten Betrag D der Bewegung erforderliche Beschleunigung α ist α = 32/7·D·T². Hierbei wird der Mittelwert des Absolutwerts der Beschleunigung während der Positionierzeit T zu durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben.
[Ausdruck 16] $(α \cdot T / 4 + (α /2) \cdot T / 4 + (α /2) \cdot T / 4 + α \cdot T / 4) / T = 24 / 7 \cdot D {/T}^{2}$
Anders als das Vorgabenmuster von 19 veranschaulicht 20 ein Vorgabenmuster, bei dem die Beschleunigung in der Anfangsphase eines Beschleunigungsvorgangs (0 ≤ t ≤T/4) β/2 beträgt und dann in der Abschlussphase des Beschleunigungsvorgang (T/4 < t ≤ T/2) auf β erhöht wird, und die Verzögerung in der Anfangsphase eines Verzögerungsvorgangs (T/2< t ≤ 3/4·T) β beträgt und dann in der Abschlussphase des Verzögerungsvorgangs (3/4·T < t ≤ T) auf β/2 verringert wird. Damit die Verschiebung während eines Positioniervorgangs nach diesem Vorgabenmuster den gewünschten Betrag D der Bewegung erreicht, ist eine Beschleunigung β von β = 32/5·D/T² erforderlich. Hierbei beträgt der Durchschnitt des Absolutwerts der Beschleunigung während der Positionierzeit T 24/5·D/T².
21 veranschaulicht ein Vorgabenmuster, bei dem ein Positioniervorgang mit einer konstanten Beschleunigung γ bzw. einer konstanten Verzögerung γ während eines Beschleunigungsvorgangs bzw. Verzögerungsvorgangs vorgenommen wird. Damit eine Verschiebung bei einem Positioniervorgang nach diesem Vorgabenmuster den gewünschten Betrag D der Bewegung erreicht, ist eine Beschleunigung γ von γ = 4·D/T² erforderlich. Der durchschnittliche Absolutwert der Beschleunigung während der Positionierzeit T ist ebenfalls 4·D/T².
Die in den 19, 20 und 21 veranschaulichten Vorgabenmuster sind jeweils zur Durchführung eines Positioniervorgangs mit dem gewünschten Betrag D der Bewegung bei einer gewünschten Bewegungszeit T ausgelegt. Es werden die Kupferverluste verglichen, die bei einem nach jedem der Vorgabenmuster durchgeführten Positioniervorgang verursacht werden. Die Kupferverluste, die bei Ausführung eines Positioniervorgangs nach einem jeden der in den 19, 20 und 21 veranschaulichten Vorgabenmuster hervorgerufen werden, werden jeweils als L1, L2 und L3 dargestellt. Auf Basis des Bewegungsausdrucks kann der Strom I(t) bei Ausführung eines Positioniervorgangs als I(t) = J / K_fA(t) ausgedrückt werden, worin J die Masse der mechanischen Last und des Motors, K_t die Motordrehmomentkonstante, das heißt das Drehmoment, das bei einer durch den Motor fließenden Stromeinheit erzeugt wird, und A(t) die Beschleunigung eines Vorgabenmusters bedeuten.
L1, L2 und L3 werden wie folgt berechnet, wobei hierzu der Wicklungswiderstand R des Motors 1 verwendet wird.
[Ausdruck 17] $L 1 = \int_{0}^{T} R \cdot I {(t)}^{2} d t = \frac{128}{7} \cdot \frac{R \cdot J^{2} \cdot D^{2}}{K_{t}^{2} \cdot T^{3}} ≒ 13,06 \cdot \frac{R \cdot J^{2} \cdot D^{2}}{K_{t}^{2} \cdot T^{3}}$

[Ausdruck 18] $L 2 = \int_{0}^{T} R \cdot I {(t)}^{2} d t = \frac{128}{5} \cdot \frac{R \cdot J^{2} \cdot D^{2}}{K_{t}^{2} \cdot T^{3}} ≒ 25,6 \cdot \frac{R \cdot J^{2} \cdot D^{2}}{K_{t}^{2} \cdot T^{3}}$

[Ausdruck 19] $L 3 = \int_{0}^{T} R \cdot I {(t)}^{2} d t = 16 \cdot \frac{R \cdot J^{2} \cdot D^{2}}{K_{t}^{2} \cdot T^{3}}$
Das bedeutet, dass das bei einer Positionierung mit identischem Betrag D der Bewegung und identischer Bewegungszeit T zur Verringerung der Kupferverluste effektivste Vorgabenmuster das in 19 veranschaulichte Vorgabenmuster ist, bei dem die Beschleunigung während eines Beschleunigungsvorgangs nach Ablauf einer Zeit verringert und die Verzögerung während eines Verzögerungsvorgangs nach Ablauf einer Zeit erhöht wird. Diese Eigenschaften werden nicht nur bei dem Vorgabenmuster von 19 beobachtet, sondern bei allen Vorgabenmustern, bei denen die Beschleunigung während eines Beschleunigungsvorgangs stetig verringert und die Verzögerung während eines Verzögerungsvorgangs stetig erhöht wird. Bei einer Verschiebung einer mechanischen Last um einen identischen Betrag D der Bewegung während einer identischen Bewegungszeit T, wird in der Anfangsphase eines Beschleunigungsvorgangs eine größere Beschleunigung eingesetzt, sodass unmittelbar nach dem Start eines Positioniervorgangs eine höhere Geschwindigkeit erreicht werden kann. Ebenso wird in der Schlussphase eines Verzögerungsvorgangs eine größere Verzögerung angewandt, sodass unmittelbar vor einer Beendigung der Verzögerung, wenn die Geschwindigkeit zu Null wird, eine relativ höhere Geschwindigkeit erzielt wird. Aufgrund dieses Geschwindigkeitsmusters während des Zeitraums der Positionierung reicht bereits eine niedrige Geschwindigkeit aus, um eine Positionierung mit einem bestimmten Betrag der Bewegung und einer bestimmten Bewegungszeit auszuführen. Die Beschleunigung entspricht der Änderungsgeschwindigkeit der Geschwindigkeit, das heißt dem Differential der Geschwindigkeit. Daher kann die mechanische Last bei niedriger Geschwindigkeit während der vorgegebenen Bewegungszeit T um den vorgegebenen Betrag D der Bewegung verschoben werden, auch wenn der Mittelwert des Absolutwerts der Beschleunigung, die die Veränderungsgeschwindigkeit der Geschwindigkeit darstellt, während der Zeit der Bewegung kleiner gemacht wird. Praktisch weist von dem in den 19, 20 und 21 veranschaulichten Vorgabenmustern das in 19 veranschaulichte Vorgabenmuster die niedrigste durchschnittliche Beschleunigung auf. Zwischen Motorbeschleunigung und Motorstrom besteht eine proportionale Beziehung. Bei Verwendung eines wie oben beschriebenen Vorgabenmusters ist daher der durchschnittliche Strom während der Positionierzeit ebenfalls niedriger. Dies führt zu einer Verringerung der Kupferverluste während einer Positionierungssteuerung.
Wird ein Vorgabenmuster verwendet, wie es typischerweise durch den Ausdruck (8) wiedergegeben, bei dem die Beschleunigung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung stetig verringert wird und die Verzögerung ab dem Zeitpunkt des Beginns der Verzögerung stetig erhöht wird, kann der Fall eintreten, dass die Beschleunigung während eines Positioniervorgangs die Maximalbeschleunigung Amax überschreitet. In diesem Fall wird ein Vorgabenmuster, wie es durch den Ausdruck (11) wiedergegeben ist, verwendet, bei dem die Beschleunigung bei Beginn der Beschleunigung für eine gewisse Zeit auf einer maximalen Beschleunigung gehalten wird und anschließend stetig abnimmt und ab dem Zeitpunkt des Beginns der Verzögerung die Verzögerung stetig zunimmt und anschließend für eine gewisse Zeit auf der maximalen Verzögerung gehalten wird. Bei dem oben dargestellten Vorgabenmuster wird, wenn die mechanische Last innerhalb derselben Bewegungszeit T verschoben wird, in der Anfangsphase eines Beschleunigungsvorgangs eine größere Beschleunigung eingesetzt, und daher kann unmittelbar nach dem Start der Positionierung eine höhere Geschwindigkeit erreicht werden. Ebenso wird in der Abschlussphase eines Verzögerungsvorgangs eine größere Verzögerung eingesetzt, sodass unmittelbar vor dem Ende der Verzögerung, wenn die Geschwindigkeit den Wert Null annimmt, eine relativ höhere Geschwindigkeit erreicht werden kann. Dies kann mit einem maximalen Wert der Beschleunigung erreicht werden, der kleiner oder gleich als die Maximalbeschleunigung Amax ist.
Bei der ersten bis vierten Ausführungsform, die oben erläutert wurden, wurde ein Beispielfall beschrieben, bei dem als Motor 1 ein rotierender Motor verwendet wird und die Kugelgewindespindel 3 eine Drehbewegung in eine Translationsbewegung zum Steuern der Positionierung der mechanischen Last wandelt. Die vorliegende Erfindung findet jedoch auch in Fällen Anwendung, bei denen ein Motor, wie beispielsweise ein Linearmotor, verwendet wird, der eine Leistung in linearer Richtung erzeugt und zur Positionierungssteuerung einer mechanischen Last verwendet wird.
Bei den 1, 8, 12 und 15 wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem die Positionierungssteuerungsvorrichtung nur einen einzelnen Glättungskondensator 23 aufweist. Es können jedoch auch mehrere Glättungskondensatoren parallel zueinander zwischen die Sammelschienen geschaltet werden. In diesem Falle wird die Kapazität des Glättungskondensators 23 aus der Verknüpfung der Kapazitäten der Glättungskondensatoren berechnet. Beispielsweise wird, wenn zwischen den Sammelschienen zwei Glättungskondensatoren, von denen einer die Kapazität C1 und der andere die Kapazität C2 aufweist, parallel zueinander geschaltet sind, die Kapazität des Glättungskondensators 23 zu C = C1 + C2 berechnet, wodurch diese auch bei der ersten bis vierten Ausführungsform eingesetzt werden kann.
Die Erfindung in der vorliegenden Anmeldung ist ferner nicht auf die oben angegebenen Ausführungsformen beschränkt und wenn die vorliegende Erfindung ausgeführt wird, kann die Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne deren Kern zu verlassen. Die oben angegebenen Ausführungsformen umfassen Erfindungen auf mehreren Ebenen, wobei durch geeignete Kombination von mehreren hierin offenbarten konstituierenden Elementen verschiedene Erfindungen entnommen werden können. Zum Beispiel kann, selbst wenn einige konstituierende Elemente von der Gesamtheit der bei den Ausführungsformen beschriebenen konstituierenden Elementen entfernt werden, die Konfiguration, bei der einige konstituierende Elemente entfernt wurden, als Erfindung entnommen werden, solange sie die in dem Abschnitt Lösung der Problemstellung angegebenen Probleme lösen kann und die in dem Abschnitt vorteilhafte Wirkungen der Erfindung angegebenen Wirkungen erhalten werden. Zudem können die bei unterschiedlichen Ausführungsformen angeführten konstituierenden Elemente geeignet kombiniert werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben ausgeführt eignet sich eine Positionierungssteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verringerung der Leistungsaufnahme beim Steuern der Position einer mechanischen Last unter Verwendung eines Motors und eignet sich insbesondere für eine Positionierungssteuerungsvorrichtung, die einen Verstärker umfasst, der mit einem Glättungskondensator ausgestattet ist.
Bezugszeichenliste
1 Motor, 2 Drehgeber, 3 Kugelgewindespindel, 4 Positionierkopf, 5 Kupplung, 7 Verstärker, 10 Vorgabenerzeugungseinheit, 13 erfasste Information, 14 Strom, 15 Spannungsvorgabe, 21 Wechselstromversorgung, 22 Stromrichtereinheit, 23 Glättungskondensator, 24 Rückspeisewiderstand, 25 Rückspeisetransistor, 26 Invertereinheit, 27 Sammelschienenspannungserfassungsschaltkreis, 28 erfasster Wert der Sammelschienenspannung (Vdc).

Claims

Positionierungssteuerungsvorrichtung, die aufweist: einen Verstärker (7), der aufweist: einen Stromrichter (22) zum Gleichrichten und Ausgeben einer Wechselstromstromversorgung an Sammelschienen, einen Glättungskondensator (23) zum Glätten einer Ausgabe des Stromrichters (22) und zum Erzeugen einer Sammelschienenspannung, einen Rückspeisewiderstand (24) und einen Rückspeisetransistor (25), die zwischen die Sammelschienen geschaltet sind, und einen Inverter (26) zum Bereitstellen eines Ansteuerungsstroms zum Antreiben eines Motors, und eine Vorgabenerzeugungseinheit (10) zum Erzeugen einer Positionsvorgabe für eine Positionierungssteuerung einer mit dem Motor verbundenen mechanischen Last, wobei die Positionsvorgabe auf Basis eines Vorgabenmusters erzeugt wird, bei dem es sich um eine Musterinformation aus Geschwindigkeitsvorgabe und Beschleunigungsvorgabe handelt, wobei der Inverter (26) zwischen die Sammelschienen geschaltet ist und den Ansteuerungsstrom auf Basis der Positionsvorgabe zuführt, und die Vorgabenerzeugungseinheit (10) einen Schätzwert der zurückgespeisten Energie akquiriert, der vor Beginn eines Positioniervorgangs aus dem Vorgabenmuster abgeschätzt wird, und einen in dem Glättungskondensator (23) speicherbaren Energiewert akquiriert, wenn der Schätzwert der zurückgespeisten Energie größer als der Energiewert ist, die Positionsvorgabe verwendet, bei der unter der Bedingung, dass für einen Absolutwert der Beschleunigung ein oberer Grenzwert festgelegt ist, eine Spitzengeschwindigkeit des Motors minimiert wird, und wenn der Schätzwert der zurückgespeisten Energie kleiner oder gleich dem Energiewert ist, die auf dem Vorgabenmuster basierende Positionsvorgabe bei dem Positioniervorgang verwendet.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Verstärker (7) eine Servosteuerungseinheit aufweist, die auf Basis der Positionsvorgabe und einer Stellung des Motors ein Steuersignal ausgibt, und der Inverter (26) den Ansteuerungsstrom auf Basis des Steuersignals zuführt.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Vorgabenerzeugungseinheit (10) die Masse J der beweglichen Teile von mechanischer Last und Motor sowie eine auf dem Vorgabenmuster basierende Spitzengeschwindigkeit vp zum Akquirieren des Schätzwerts der zurückgespeisten Energie aus dem [Ausdruck 1] $1 / 2 \cdot J \cdot {vp}^{2}$
verwendet.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Vorgabenerzeugungseinheit (10) eine Kapazität C des Glättungskondensators (23), einen Spannungswert Von, bei dem sich der Rückspeisetransistor (25) einschaltet, und eine Sammelschienenreferenzspannung V0, die einen stationären Wert der von dem Stromrichter (22) ausgegebenen Sammelschienenspannung angibt, verwendet, um den Energiewert aus dem [Ausdruck 2] $1 / 2 \cdot C \cdot {Von}^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot {V0}^{2}$
zu akquirieren.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Vorgabenerzeugungseinheit (10) eine Kapazität C des Glättungskondensators (23), einen Spannungswert Von, bei dem sich der Rückspeisetransistor (25) einschaltet, eine Sammelschienenreferenzspannung V0, die einen stationären Wert der von dem Stromrichter (22) ausgegebenen Sammelschienenspannung angibt, und eine Konstante G größer 1 verwendet, um den Energiewert aus dem [Ausdruck 3] $G \cdot (1/2 \cdot C \cdot {Von}^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot {V0}^{2})$
zu akquirieren.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Vorgabenerzeugungseinheit (10) eine Kapazität C des Glättungskondensators (23), einen Spannungswert Von, bei dem sich der Rückspeisetransistor (25) einschaltet, und eine Sammelschienenspannung Vdc zum Zeitpunkt des Beginns des Positioniervorgangs verwendet, um den Energiewert aus dem [Ausdruck 4] $1/2 \cdot C \cdot {Von}^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot {Vdc}^{2}$
zu akquirieren.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Vorgabenerzeugungseinheit (10) eine Kapazität C des Glättungskondensators (23), einen Spannungswert Von, bei dem sich der Rückspeisetransistor (25) einschaltet, eine Sammelschienenspannung Vdc zum Zeitpunkt des Beginns des Positioniervorgangs und eine Konstante G größer 1 verwendet, um den Energiewert aus dem [Ausdruck 5] $G \cdot (1/2 \cdot C \cdot {Von}^{2} - 1 / 2 \cdot C \cdot {Vdc}^{2})$
zu akquirieren.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin es sich bei einem Muster der Beschleunigungsvorgabe um ein Muster handelt, bei dem die Beschleunigung ab einem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung stetig verringert und die Verzögerung ab einem Zeitpunkt des Beginns der Verzögerung stetig erhöht wird.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin es sich bei einem Muster der Beschleunigungsvorgabe um ein Muster handelt, bei dem die Beschleunigung ab einem Zeitpunkt des Beginns der Beschleunigung für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Beschleunigung gehalten wird, danach stetig abnimmt, wobei nach dem Übergang zur Verzögerung die Verzögerung stetig zunimmt und anschließend für einen vorgegebenen Zeitraum auf einer konstanten Verzögerung gehalten wird.
Positionierungssteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der Glättungskondensator (23) aus mehreren Kondensatoren aufgebaut ist, wobei die Kondensatoren parallel zueinander zwischen die Sammelschienen geschaltet sind.