DE112020001420T5 - Servo-gleichstromversorgungssystem und motorregelvorrichtung - Google Patents

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Takeshi Kiribuchi
Toshiyuki Zaitsu
Takeshi Ashida
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Abstract

Ein Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem kann eine oszillierende Spannung über einem Stromeinspeisungspfad reduzieren. Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem umfasst eine Gleichstromversorgung, eine Vielzahl von Motorreglern, die jeweils einen Servomotor regeln, und einen Stromeinspeisungspfad, der Strom von der Gleichstromversorgung an die Vielzahl von Motorreglern verteilt. Jeder der Vielzahl von Motorreglern umfasst eine Stromregelkreiseinheit, die einen durch den Servomotor fließenden Strom regelt. Die Stromkreiseinheit umfasst einen Stromregelkreis mit einem Kerbfilter mit einer Mittenfrequenz, die einer Frequenz entspricht, die von einer oszillierenden Spannung über dem Stromeinspeisungspfad auftritt.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem und einen Motorregler.
  • HINTERGRUND
  • Fabriken und andere Einrichtungen verwenden Systeme, die mit Pulsweitenmodulation (PWM) betrieben werden können, die mehrere Motoren mit mehreren entfernt angeordneten Servotreibern antreiben (z.B. ein System mit Robotern und deren Steuerungen). Um Rauschen zu reduzieren, das von langen Kabeln zwischen den Motoren und den Servotreibern abgestrahlt wird, kann ein solches System keine schnelleren Schaltgeschwindigkeiten verwenden. Das System kann auch viele Kabel umfassen, die die Motoren und die Servotreiber verbinden.
  • Dieses Problem kann durch Servotreiber ohne Wandler (im Folgenden Motorregler) gelöst werden, die in der Nähe jedes Motors angeordnet sind, um zu ermöglichen, dass den mehreren Motorreglern Strom von einer einzigen Gleichstrom-(DC) Stromversorgung mit einem DC-Bus zugeführt wird. In einem System mit dieser Anordnung können sich jedoch eine Induktor-Kondensator-(LC) Schaltung an dem DC-Bus und eine Wechselrichterschaltung in dem Motorregler gegenseitig stören, wodurch eine oszillierende Spannung über dem DC-Bus verursacht wird (siehe beispielsweise Nicht-Patentliteratur 1).
  • ZITATLISTE
  • NICHT-PATENT-LITERATUR
  • Nicht-Patentliteratur 1: Masashi Yokoo und Keiichiro Kondo, „A Method to Design a Damping Control System for a Field Oriented Controlled Induction Motor Traction System for DC Electric Railway Vehicles", IEEJ Transactions D, Vol. 135, No. 6, pp. 622-631, 2015
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • Als Reaktion auf das obige Problem sind ein oder mehrere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auf eine Technik zum Verringern einer oszillierenden Spannung über einem Stromeinspeisungspfad in einem Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem mit einer Gleichstromversorgung, mehreren Motorreglern zum Regeln von Servomotoren und einem Stromeinspeisungspfad zum Verteilen von Strom von der Gleichstromversorgung an die mehreren Motorregler gerichtet.
  • LÖSUNG DES PROBLEMS
  • Ein Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Gleichstromversorgung, eine Vielzahl von Motorreglern, die jeweils einen Servomotor regeln, und einen Stromeinspeisungspfad, der Strom von der Gleichstromversorgung an die Vielzahl von Motorregler verteilt. Jeder der Vielzahl von Motorreglern, der in dem Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem umfasst sind, umfasst eine Stromregelkreiseinheit, die einen durch den Servomotor fließenden Strom regelt. Die Stromregelkreiseinheit umfasst einen Stromregelkreis mit einem Kerbfilter (Notch-Filter) mit einer Mittenfrequenz, die einer Frequenz entspricht, die von einer oszillierenden Spannung über dem Stromeinspeisungspfad auftritt.
  • Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem mit der obigen Anordnung kann eine Übertragungsfunktion bei einem Betrieb stabilisieren, bei dem Schwingungen in einem bekannten System aufgrund einer instabilen Übertragungsfunktion über das gesamte System auftreten können. Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem kann somit eine oszillierende Spannung über dem Stromeinspeisungspfad verringern.
  • Die Stromregelkreiseinheit, die in jedem der Vielzahl von Motorreglern umfasst ist, kann einen durch den Servomotor fließenden Strom regeln, und die Stromregelkreiseinheit kann einen Stromregelkreis umfassen, der eine Vielzahl von Kerbfiltern mit Mittenfrequenzen umfasst, die einer Vielzahl von Frequenzen entsprechen, die von einer oszillierenden Spannung über dem Stromeinspeisungspfad auftreten.
  • Ein Motorregler zum Regeln eines Servomotors gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Stromregelkreiseinheit mit einem Stromregelkreis, der ein oder mehrere Kerbfilter mit variablen Mittenfrequenzen umfasst, um einen durch den Servomotor fließenden Strom zu regeln. Ein Servo-DC-Einspeisesystem mit diesem Motorregler kann eine Spannung aufweisen, bei der es weniger wahrscheinlich ist, dass sie über einem Stromeinspeisungspfad schwingt.
  • VORTEILHAFTE WIRKUNGEN
  • Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß den obigen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, das eine Gleichstromversorgung, mehrere Motorregler zum Regeln von Servomotoren und einen Stromeinspeisungspfad zum Verteilen von Strom von der Gleichstromversorgung zu den mehreren Motorreglern umfasst, kann die oszillierende Spannung über dem Stromeinspeisungspfad verringern.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Servo-DC-Einspeisesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Motorreglers in dem Servo-DC-Einspeisesystem.
    • 3 zeigt ein Funktionsblockdiagramm des Motorreglers.
    • 4A zeigt ein Bode-Diagramm für eine Stromversorgung und einen Motor, die in einem Vergleichssystem umfasst sind.
    • 4B zeigt ein Bode-Diagramm für eine Stromversorgung und einen Motor, die in dem Servo-DC-Einspeisesystem umfasst sind.
    • 5 zeigt ein Diagramm, das einen Unterschied in einem Spannungsänderungsmuster eines Stromeinspeisungspfads zwischen dem Servo-Gleichstromspeisesystem und dem Vergleichssystem beschreibt.
    • 6A zeigt ein Diagramm, das eine Stromregelkreiseinheit gemäß einer Modifikation beschreibt.
    • 6B zeigt ein Diagramm, das eine Stromregelkreiseinheit gemäß einer Modifikation beschreibt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Eine Übersicht über ein Servo-Gleichstrom-(DC) Einspeisesystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. 1 zeigt ein schematisches Diagramm des Servo-DC-Einspeisesystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines in dem Servo-DC-Einspeisesystem umfassten Motorreglers 10.
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst das Servo-DC-Einspeisesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Gleichstromversorgung 30 und mehrere Motorregler 10, die mit einem Stromeinspeisungspfad 35 verbunden sind.
  • Die Gleichstromversorgung 30 gibt eine vorgegebene Gleichstromspannung aus. Obwohl 1 eine Vorrichtung zum Umwandeln eines von einer dreiphasigen Wechselstromversorgung 50 ausgegebenen dreiphasigen Wechselstroms (Alternating Current - AC) in eine Gleichspannung wie die Gleichstromversorgung 30 zeigt, kann eine Vorrichtung zum Umwandeln eines einphasigen Wechselstroms in eine Gleichspannung als Gleichstromversorgung 30 verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Gleichstromversorgung 30 eine Gleichrichterschaltung mit Dioden (z.B. eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung) oder ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit Schaltelementen (z.B. ein Leistungsrückgewinnungswandler) sein.
  • Der Motorregler 10 regelt einen Servomotor 40 (im Folgenden auch einfach als Motor 40 bezeichnet) als Reaktion auf einen Befehl (z.B. einen Positionsbefehl oder einen Geschwindigkeitsbefehl) von einer Hostvorrichtung, wie etwa einer programmierbaren Logiksteuerung (Programmable Logic Controller - PLC), wie später im Detail beschrieben wird. Der Stromeinspeisungspfad 35 umfasst mehrere Stromkabel und verteilt Leistung (Strom) von der Gleichstromversorgung 30 an jeden Motorregler in dem Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem mit den Stromkabeln. Der Stromeinspeisungspfad 35 umfasst typischerweise Glättungskondensatoren 15, die an seinen Verbindungen mit den jeweiligen Motorreglern 10 (zwischen den Stromanschlüssen jedes Motorreglers 10) angeordnet sind.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst der Motorregler 10 eine Wechselrichterschaltung 11 und eine Steuereinheit 12. Die Wechselrichterschaltung 11 wandelt eine von dem Stromeinspeisungspfad 35 in den Motorregler 10 eingegebene Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom um. Die Wechselrichterschaltung 11 weist einen U-Phasen-Zweig, einen V-Phasen-Zweig und einen W-Phasen-Zweig auf, die zwischen positiven und negativen Bussen parallel geschaltet sind, und der Motorregler 10 umfasst Stromsensoren 28, die von den jeweiligen Zweigen in der Wechselrichterschaltung 11 ausgegebene Ströme messen.
  • Die Steuereinheit 12 führt eine Pulsbreitenmodulations-(PWM) Regelung über die Wechselrichterschaltung 11 als Reaktion auf einen Befehl von einer Host-Vorrichtung, wie beispielsweise einer PCL, durch. Die Steuereinheit 12 umfasst einen Prozessor (z.B. einen Mikrocontroller oder eine Zentraleinheit oder CPU) und seine Peripherieschaltungen und empfängt beispielsweise Signale von jedem Stromsensor 28 und Signale von einem Encoder 41 (ein Absolut-Encoder oder ein Inkremental-Encoder), der an dem Motor 40 angebracht ist.
  • Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nun im Detail beschrieben.
  • Um eine oszillierende Spannung über dem Stromeinspeisungspfad 35 in dem Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu reduzieren, regelt jeder Motorregler 10 einen durch den Motor 40 fließenden Strom unter Verwendung eines Stromregelkreises mit einem Kerbfilter.
  • Der Aufbau und der Betrieb des Motorreglers 10, die als Reaktion auf einen von der Hostvorrichtung eingegebenen Positionsbefehl betreibbar ist, werden nun beschrieben.
  • Wenn der Motor 40 als Reaktion auf einen Positionsbefehl geregelt wird, arbeitet der Motorregler 10 mit dem in 3 gezeigten Aufbau, oder insbesondere mit Subtrahierern 21 und 23, einem Positionsregler 22, einem Geschwindigkeitsregler 24, einer Stromregelkreiseinheit 20 mit einem Kerbfilter (Notch Filter - NF) 26 und einem Geschwindigkeitsdetektor 29.
  • Der Subtrahierer 21 in diesem Motorregler 10 berechnet eine Positionsabweichung durch Subtrahieren einer durch den Encoder 41 erfassten Position (im Folgenden eine erfasste Position) von dem Positionsbefehl. Der Positionsregler 22 berechnet einen Geschwindigkeitsbefehl durch Multiplizieren der Positionsabweichung mit einer vorgegebenen Positionsproportionalverstärkung. Der Geschwindigkeitsdetektor 29 berechnet eine Geschwindigkeit (im Folgenden eine erfasste Geschwindigkeit) durch Differenzieren der erfassten Position. Der Subtrahierer 23 berechnet eine Geschwindigkeitsabweichung durch Subtrahieren der erfassten Geschwindigkeit von dem Geschwindigkeitsbefehl. Der Geschwindigkeitsregler 24 berechnet einen Strombefehl unter Verwendung einer Proportionalintegral-(PI) Berechnung auf der Grundlage der Geschwindigkeitsabweichung.
  • Die Stromregelkreiseinheit 20 verwendet eine Rückkopplungsregelung, um einen Stromfluss durch den Motor 40 als Reaktion auf den Strombefehl zu ermöglichen. Wie in der Figur gezeigt, umfasst die Stromregelkreiseinheit 20 einen Subtrahierer 25, das Kerbfilter 26, einen Stromregler 27 und den Stromsensor 28.
  • Der Subtrahierer 25 berechnet eine Stromabweichung durch Subtrahieren eines von dem Stromsensor 28 erfassten Stroms von dem Strombefehl. Der Stromregler 27 wird durch die Wechselrichterschaltung 11 und einen Teil der Steuereinheit 12 realisiert. Der Teil der Steuereinheit 12, der in dem Stromregler 27 umfasst ist, steuert die Wechselrichterschaltung 11, um als Reaktion auf den Strombefehl auf Grundlage der Stromabweichung nach dem Sperrfilter 26 zu ermöglichen, dass ein Strom durch den Motor 40 fließt.
  • Das Kerbfilter 26 in der Stromregelkreiseinheit 20 ist ein digitales Filter mit variablen Mittenfrequenzen (auch als Kerbfrequenzen bezeichnet). Bei dem Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist das Kerbfilter 26 in jedem Motorregler 10 eine Mittenfrequenz auf, die im Wesentlichen gleich einer Frequenz ist, bei der eine Spannung über dem Stromeinspeisungspfad 35 schwingen bzw. oszillieren kann.
  • Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die obige Anordnung auf. Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem kann somit eine oszillierende Spannung über dem Stromeinspeisungspfad 35 reduzieren.
  • Genauer gesagt umfasst ein Servo-DC-Einspeisesystem, wie jeder Motorregler 10, eine Vorrichtung zum Regeln eines durch den Motor 40 fließenden Stroms unter Verwendung eines Stromregelkreises ohne das Kerbfilter 26. Bei diesem Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem (im Folgenden ein Vergleichssystem) tritt eine oszillierende Spannung über dem Stromeinspeisungspfad 35 als Reaktion auf eine instabile Übertragungsfunktion auf, die sich aus der Synthese von Übertragungsfunktionen des Stromeinspeisungspfades 35 und des Motorreglers 10 ergibt, oder insbesondere als Reaktion darauf, dass die Verstärkung des Stromeinspeisungspfades 35 (Stromversorgung) die Verstärkung des Motorreglers 10 (Motor) in einem bestimmten Frequenzbereich überschreitet, wie schematisch in 4A gezeigt.
  • Im Gegensatz dazu umfasst das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Motorregler 10, der jeweils den Stromregelkreis verwendet, wobei das Kerbfilter 26 eine Mittenfrequenz aufweist, die einer Frequenz entspricht, bei der eine Spannung über dem Stromeinspeisungspfad 35 oszillieren kann, um den durch den Motor 40 fließenden Strom zu regeln, und kann somit die Verstärkung des Stromeinspeisungspfades 35 (Stromversorgung) bei beliebigen Frequenzen unter der Verstärkung des Motorreglers 10 (Motor) halten, wie schematisch in 4B gezeigt.
  • Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform verursacht keine oszillierende Spannung (mit NF) im Betrieb unter einer Bedingung, in der das Vergleichssystem eine oszillierende Spannung (ohne NF) verursacht, wie in 5 gezeigt.
  • Modifikationen
  • Das Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem gemäß der obigen Ausführungsform kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Zum Beispiel kann der Stromeinspeisungspfad 35, der Leistung (Strom) von der Gleichstromversorgung 30 zu allen Motorreglern in dem Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem speisen kann, einen Aufbau aufweisen, der sich von dem in 1 gezeigten Aufbau unterscheidet. Die Stromregelkreiseinheit 20 (3) in dem Motorregler 10 kann modifiziert werden, um beispielsweise das Kerbfilter 26 zu umfassen, das nachgelagert von dem Stromregler 27 angeordnet ist, wie in 6A gezeigt, oder das Kerbfilter 26, das auf dem Rückführweg des erfassten Stroms angeordnet ist.
  • Wie in 6B gezeigt, kann die Stromregelkreiseinheit 20 auch derart modifiziert werden, dass sie beispielsweise mehrere Kerbfilter 26 umfasst, die Mittenfrequenzen aufweisen, die mehreren Frequenzen entsprechen, bei denen eine Spannung über dem Stromeinspeisungspfad 35 schwingen kann (der NF26 mit der Mittenfrequenz ω1 und der NF26 mit der Mittenfrequenz w2 in 6B) .
  • Anlage 1
  • Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem, aufweisend:
    • eine Gleichstromversorgung (30);
    • eine Vielzahl von Motorreglern (10), die jeweils eingerichtet sind, um einen Servomotor (40) zu regeln; und
    • einen Stromeinspeisungspfad (35), der eingerichtet ist, um Strom von der Gleichstromstromversorgung (30) an die Vielzahl von Motorreglern (10) zu verteilen,
    • wobei jeder der Vielzahl von Motorreglern (10) eine Stromregelkreiseinheit (20) umfasst, die eingerichtet ist, um einen durch den Servomotor (40) fließenden Strom zu regeln, und die Stromkreiseinheit (20) einen Stromregelkreis mit einem Kerbfilter (26) mit einer Mittenfrequenz umfasst, die einer Frequenz entspricht, die von einer oszillierenden Spannung über dem Stromeinspeisungspfad (35) auftritt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Motorregler
    11
    Wechselrichterschaltung
    12
    Steuereinheit
    15
    Glättungskondensator
    20
    Stromregelkreiseinheit
    21, 23, 25
    Subtrahierer
    22
    Positionsregler
    24
    Geschwindigkeitsregler
    26
    Kerbfilter
    27
    Stromregler
    28
    Stromsensor
    29
    Geschwindigkeitsdetektor
    30
    DC-Stromversorgung
    35
    Stromeinspeisungspfad
    40
    Servomotor
    41
    Encoder
    50
    dreiphasige Wechselstromversorgung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Masashi Yokoo und Keiichiro Kondo, „A Method to Design a Damping Control System for a Field Oriented Controlled Induction Motor Traction System for DC Electric Railway Vehicles“, IEEJ Transactions D, Vol. 135, No. 6, pp. 622-631, 2015 [0004]

Claims (3)

  1. Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem, aufweisend: eine Gleichstromversorgung; eine Vielzahl von Motorreglern, die jeweils eingerichtet sind, um einen Servomotor zu regeln; und einen Stromeinspeisungspfad, der eingerichtet ist, um Strom von der Gleichstromstromversorgung an die Vielzahl von Motorreglern zu verteilen, wobei jeder der Vielzahl von Motorreglern eine Stromregelkreiseinheit umfasst, die eingerichtet ist, um einen durch den Servomotor fließenden Strom zu regeln, und die Stromkreiseinheit einen Stromregelkreis mit einem Kerbfilter mit einer Mittenfrequenz umfasst, die einer Frequenz entspricht, die von einer oszillierenden Spannung über dem Stromeinspeisungspfad auftritt.
  2. Servo-Gleichstrom-Einspeisesystem nach Anspruch 1, wobei die Stromregelkreiseinheit, die in jeder der Vielzahl von Motorreglern umfasst ist, einen durch den Servomotor fließenden Strom regelt, und die Stromregelkreiseinheit einen Stromregelkreis umfasst, der eine Vielzahl von Kerbfiltern mit Mittenfrequenzen umfasst, die einer Vielzahl von Frequenzen entsprechen, die von einer oszillierenden Spannung über dem Stromeinspeisungspfad auftreten.
  3. Motorregler zum Regeln eines Servomotors, wobei der Motorregler aufweist: eine Stromregelkreiseinheit mit einem Stromregelkreis mit einem oder mehreren Kerbfiltern mit variablen Mittenfrequenzen, um einen durch den Servomotor fließenden Strom zu regeln.
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