DE19809739A1 - Verfahren zur Kompensation von systematischen Lagefehlern bei digitalen Antriebssystemen mit inkrementellen Gebersystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von sy­ stematischen Lagefehlern bei digitalen Antriebssystemen mit inkrementellen Gebersystemen bei flach angezogenem Drehzahl­ regler sowie bei stark angezogenem Drehzahlregler.

Ein wesentlicher Bestandteil eines Lageregelkreises bei­ spielsweise von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, Ro­ botern oder dergleichen, sind Meßeinrichtungen, mit denen die Istpositionen bzw. lagebewegte Maschinenteile erfaßt werden. Zur Erfassung der Lage wird dabei in der Regel auf rotatori­ sche oder lineare Gebersysteme zurückgegriffen. Diese arbei­ ten entweder inkrementell oder absolut.

Inkrementelle Gebersysteme besitzen zusätzlich zu den Inkre­ mentalsignalen eine oder mehrere Referenzmarken, wobei die Absolutposition eines Maschinenteils dann durch sogenanntes Referenzpunktfahren ermittelt wird, indem das Maschinenteil in eine bestimmte Richtung verfahren wird und ein Inkremen­ talzähler mit einem definierten Wert beim Auftreten einer Re­ ferenzmarke an einem definierten Ort gesetzt wird.

Bei inkrementellen Gebersystemen zur Antriebsregelung bzw. Steuerung unterscheidet man insbesondere solche auf optischer Basis, z. B. realisiert durch eine Glasscheibe mit Gittertei­ lung einer Lichtquelle und einer Fotodiode, oder auf magneti­ scher Basis, z. B. realisiert durch Hallelemente, Feldplatten oder magnetoressistive Elemente, welche ein Zahnrad oder ein aufmagnetisiertes Rad abtasten.

Am Beispiel eines Resolvers, eines elektromagnetischen indi­ rekten Meßaufnehmers bzw. indirekten Winkelmeßaufnehmers auf magnetischer Basis, soll im folgenden kurz die Funktionsweise eines inkrementellen Gebersystemes dargestellt werden. Ein Resolver ähnelt in seinem Aufbau einem Elektromotor mit Prä­ zisionswicklungen, wobei der Stator zwei Wicklungsgruppen trägt, deren Wicklungsebenen senkrecht aufeinander stehen, also um 90° räumlich gegeneinander versetzt sind, während sich auf dem Rotor lediglich eine Wicklung befindet, welche mit einer hochfrequenten Erregerspannung gespeist wird. Das dabei entstehende magnetische Wechselfeld im Luftspalt zwi­ schen Stator und Rotor induziert in den Rotorwicklungen Wech­ selspannungen, die abhängig vom Drehwinkel des Resolvers, Wechselspannung induzieren, welche dem Verlauf eines Sinus und Cosinus des entsprechenden Drehwinkels proportional sind. Inkrementelle Gebersysteme auf optischer Basis liefern in der Regel ebenfalls Ausgangssignale, welche dem Verlauf eines Si­ nus und Cosinus des entsprechenden Drehwinkels proportional sind.

Die Signale von inkrementellen Gebersystemen, magnetisch wie optisch, folgen dabei nicht immer einem idealen sinusförmigen Verlauf. Es können systematische Fehler sowohl im Gebersystem selbst, wie auch in der nachfolgenden elektronischen Auswer­ tung, insbesondere einer Interpolationsauswertung, erzeugt werden.

Solche Fehler entstehen im Gebersystem beispielsweise aus folgenden Gründen:

• - Durch schlechte Montage der Abtastelemente, wodurch Phasen­ fehler, Amplitudenfehler sowie Offsetfehler auftreten.
• - Durch schlecht abgeglichene Abtastelemente, woraus Amplitu­ denfehler sowie Offsetfehler resultieren können.
• - Bedingt durch das jeweilige Abtastverfahren, z. B. Beugungen höherer Ordnung, wodurch der Klirrfaktor verschlechtert wird.
• - Bedingt durch Fertigungstoleranzen des Signalträgers wie beispielsweise der Glasscheibe bei optischen, dem Zahnrad oder Polrad bei magnetischen Systemen.

Daneben können systematische Fehler, wie bereits erwähnt, auch in der nachfolgenden elektronischen Auswertung erfolgen. Dies kann insbesondere geschehen durch:

• - Amplitudenfehler im Matching zwischen Sinus- und Cosinus­ spur.
• - Offseteinflüsse in der Signalauswertung.

Die aufgeführten Fehlerarten haben in der Regel Lagefehler zufolge, welche sich hauptsächlich in der Grundwelle sowie der ersten und der zweiten Oberwelle des Gebersignales be­ merkbar machen.

Herkömmlicherweise wird versucht, solche systematische Fehler durch Amplituden- und Offsetregelung zu erfassen und zu kor­ rigieren. Dabei können jedoch nur ein Teil der Fehler erfaßt werden. Ein bleibender Lagefehler ist auch hierbei aufgrund der beschränkten Genauigkeit der Auswerteelektronik zu erwar­ ten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfah­ ren zu schaffen, durch das solche systematischen Lagefehler inkrementeller Gebersysteme erkannt und kompensiert werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Kompensation von systematischen Lagefehlern bei digitalen Antriebssystemen mit inkrementellen Gebersystemen für den Fall eines schwach angezogenem Drehzahlreglers mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

• 1.1 Einprägen einer konstanten Solldrehzahl über den Dreh­ zahlregler,
• 1.2 Ermittlung von drehzahlbezogenen Drehzahlwelligkeits­ werten in Abhängigkeit der Lage für mindestens 80% der Lagewerte innerhalb einer Sinusperiode des Gebersystems,
• 1.3 Ermittlung von zugehörigen Lagefehlerwerten durch Inte­ gration der Drehzahlwelligkeitswerte in Abhängigkeit der Lage,
• 1.4 Bildung von Lagefehlerkorrekturwerten durch Inversion der ermittelten Lagefehlerwerte,
• 1.5 Addition des zugehörigen Lagefehlerkorrekturwertes zum aktuellen Lagewert in der zyklischen Drehzahlregelschlei­ fe während des Betriebs des Gebersystems.

Alternativ wird die Aufgabe für den Fall eines stark angezo­ genem Drehzahlreglers durch folgende Verfahrensschritte ge­ löst:

• 2.1 Einprägen einer konstanten Solldrehzahl über den Dreh­ zahlregler,
• 2.2 Ermittlung von drehzahlbezogenen Drehzahlwelligkeits­ werten in Abhängigkeit der Lage anhand der Ausgangswerte des Drehzahlreglers unter Berücksichtigung des Drehzahl­ reglerfrequenzgangs für mindestens 80% der Lagewerte in­ nerhalb einer Sinusperiode des Gebersystems,
• 2.3 Ermittlung von zugehörigen Lagefehlerwerten durch Inte­ gration der Drehzahlwelligkeitswerte in Abhängigkeit der Lage,
• 2.4 Bildung von Lagefehlerkorrekturwerten durch Inversion der ermittelten Lagefehlerwerte,
• 2.5 Addition des zugehörigen Lagefehlerkorrekturwertes zum aktuellen Lagewert in der zyklischen Drehzahlregelschlei­ fe während des Betriebs des Gebersystems.

Beide Verfahren beruhen auf der Erkenntnis, daß bei digitalen Antriebssystemen der Regelungsprozessor bei der Inbetriebnah­ me eines Antriebs eine "Lernfahrt" ausführen kann, bei der all diese eingangs genannten systematischen Fehler aufge­ zeichnet werden und zu einer Korrekturkurve verrechnet wer­ den. Fehler, welche in Abhängigkeit der gerade ausgewerteten Sinusperiode auftreten können, können nicht erfaßt werden, jedoch können alle Fehler korrigiert werden, die einen syste­ matischen Ursprung haben (z. B. Justage, Abgleich, Anbau, kon­ stanter Offset oder verstärkungsbedingte Amplitudenabweichun­ gen).

Die systematischen Lagefehler beziehen sich alle auf die Lage innerhalb einer Sinusperiode, da nur harmonisch der Grundwel­ le als Fehlersignal auftreten. Somit genügt es, den Fehler bezogen auf eine Sinusperiode zu ermitteln und einen Korrek­ turwert zu berechnen. Diese Aufgabe kann beispielsweise vom Regelungsprozessor in einer Lernfahrt durchgeführt werden.

Im Anwendungsfall eines schwach angezogenem Drehzahlreglers wird beispielsweise über den Regelungsprozessor eine konstan­ te Solldrehzahl eingeprägt und, bezogen auf eine Sinusperiode mittels einer Moduloberechnung, die drehzahlbezogene Dreh­ zahlwelligkeit in Abhängigkeit der Lage ermittelt. Da der Drehzahlregler schwach eingestellt ist, ist die Drehzahlwel­ ligkeit von diesem nicht ausregelbar und die Drehzahlwellig­ keit abhängig von der Position innerhalb der Sinusperiode so­ mit ein Abbild des Differentials des Lagefehlers. Aufgrund dieser Tatsache lassen sich die Lagefehler durch Integration der Drehzahlwelligkeitswerte ermitteln.

Im Anwendungsfall eines stark angezogenem Drehzahlreglers spiegelt der Ausgang des Drehzahlreglers das Abbild der Dreh­ zahlwelligkeit wieder. Bei Kenntnis des Drehzahlreglerfre­ quenzganges ist es damit noch genauer möglich, den Lagefehler über den Reglerausgang zu ermitteln und Kompensationswerte für den Lagefehler zu errechnen.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, sowohl bei schwach als auch bei stark angezogenem Drehzahlregler, weist die an sich kon­ stante Solldrehzahl leichte Schwankungen auf. Dadurch wird der Lernvorgang begünstigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine besonders effekti­ ve Durchführung desselben ermöglicht, wobei ein entsprechen­ der vorhandener Regelungsprozessor mit diesem zugeordneten Arbeits- und Programmspeicher besonders gut einbezogen werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß

• 4.1 die drehzahlbezogenen Drehzahlwelligkeitswerte in Abhän­ gigkeit der Lage in einer Tabelle abgelegt werden,
• 4.2 Lagefehlerwerte durch Integration der Tabellenwerte in Abhängigkeit der Lage ermittelt werden,
• 4.3 durch Inversion der Tabellenwerte eine Lagefehlerkorrek­ turtabelle gebildet wird, in der für eine Sinusperiode des Gebersystems Lagekorrekturwerte bereitstehen.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich anhand der folgenden Schilderung zweier vorteilhafter Ausfüh­ rungsmöglichkeiten.

Systematische Lagefehler, wie oben beschrieben, beziehen sich alle auf die Lage innerhalb einer Sinusperiode, da nur Harmonische der Grundwelle als Fehlersignal auftreten. Somit genügt es, den Fehler bezogen auf eine Sinusperiode zu ermit­ teln und einen Korrekturwert zu berechnen. Diese Aufgabe kann vom Regelungsprozessor, z. B. von einer numerischen Steuerung, in einer Lernfahrt ausgeführt werden.

Der Regelungsprozessor prägt bei schwach angezogenem Dreh­ zahlregler eine konstante Drehzahl ein und speichert in einer Tabelle die errechnete drehzahlbezogene Drehzahlwelligkeit in Abhängigkeit der Lage (bezogen auf eine Sinusperiode-Modulo­ berechnung) ab. Dies geschieht solange, bis zu jedem oder fast jedem Lagewert innerhalb einer Sinusperiode ein Wellig­ keitswert vorliegt. Eventuell muß die Solldrehzahl bei diesem Lernvorgang schwanken. Es genügt auch, wenn ca. 90% der Ta­ bellenwerte gefüllt sind (vorteilhafterweise sollen nicht we­ niger als 80% der Tabellenwerte vorliegen).

Da der Drehzahlregler, welcher schwach eingestellt ist, die Drehzahlwelligkeit nicht ausregeln kann, ist diese Drehzahl­ welligkeit abhängig von der Position innerhalb der Sinusperi­ ode ein Abbild des Differentials des Lagefehlers. Der Lage­ fehler kann dann durch Integration der Tabellenwerte in Ab­ hängigkeit der Lage berechnet werden und als Lagefehlerkor­ rekturtabelle invers abgelegt werden. In der zyklischen Dreh­ zahlregelschleife muß dann der Lagekorrekturwert zum aktuel­ len Lagewert addiert werden, um zu einem Lagewert zu gelan­ gen, welcher die systematischen Fehler kompensiert ausgibt.

Ein solches Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum "Lernen" des Lagefehlers kann auch bei stark angezogenem Drehzahlregler angewendet werden. In diesem Fall spiegelt der Ausgang des Drehzahlreglers (so wie bei einer digitalen Rege­ lungsimplementierung bekannt) das Abbild der Drehzahlwellig­ keit wieder. Bei Kenntnis des Drehzahlreglerfrequenzgangs ist es noch genauer möglich, den Lagefehler über den Regleraus­ gang zu ermitteln und eine Kompensationstabelle - wie im vor­ angehenden geschildert - für den Lagefehler zu errechnen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Kompensation von systematischen Lagefehlern bei digitalen Antriebssystemen mit inkrementellen Gebersyste­ men bei schwach angezogenem Drehzahlregler, gekenn­ zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• 1.1 Einprägen einer konstanten Solldrehzahl über den Dreh­ zahlregler,
• 1.2 Ermittlung von drehzahlbezogenen Drehzahlwelligkeitswer­ ten in Abhängigkeit der Lage für mindestens 80% der Lage­ werte innerhalb einer Sinusperiode des Gebersystems,
• 1.3 Ermittlung von zugehörigen Lagefehlerwerten durch Inte­ gration der Drehzahlwelligkeitswerte in Abhängigkeit der Lage,
• 1.4 Bildung von Lagefehlerkorrekturwerten durch Inversion der ermittelten Lagefehlerwerte,
• 1.5 Addition des zugehörigen Lagefehlerkorrekturwertes zum aktuellen Lagewert in der zyklischen Drehzahlregelschlei­ fe während des Betriebs des Gebersystems.

2. Verfahren zur Kompensation von systematischen Lagefehlern bei digitalen Antriebssystemen mit inkrementellen Gebersyste­ men bei stark angezogenem Drehzahlregler, gekenn­ zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• 2.1 Einprägen einer konstanten Solldrehzahl über den Dreh­ zahlregler,
• 2.2 Ermittlung von drehzahlbezogenen Drehzahlwelligkeitswer­ ten in Abhängigkeit der Lage anhand der Ausgangswerte des Drehzahlreglers unter Berücksichtigung des Drehzahlreg­ lerfrequenzgangs für mindestens 80% der Lagewerte inner­ halb einer Sinusperiode des Gebersystems,
• 2.3 Ermittlung von zugehörigen Lagefehlerwerten durch Inte­ gration der Drehzahlwelligkeitswerte in Abhängigkeit der Lage,
• 2.4 Bildung von Lagefehlerkorrekturwerten durch Inversion der ermittelten Lagefehlerwerte,
• 2.5 Addition des zugehörigen Lagefehlerkorrekturwertes zum aktuellen Lagewert in der zyklischen Drehzahlregelschlei­ fe während des Betriebs des Gebersystems.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• 3.1 die Solldrehzahl leichte Schwankungen aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• 4.1 die drehzahlbezogenen Drehzahlwelligkeitswerte in Abhän­ gigkeit der Lage in einer Tabelle abgelegt werden,
• 4.2 Lagefehlerwerte durch Integration der Tabellenwerte in Abhängigkeit der Lage ermittelt werden,
• 4.3 durch Inversion der Tabellenwerte eine Lagefehlerkorrek­ turtabelle gebildet wird, in der für eine Sinusperiode des Gebersystems Lagekorrekturwerte bereitstehen.