DE2126908A1

DE2126908A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Be stimmen des von einem Motor abgegebenen Drehmomentes oder Kraft

Info

Publication number: DE2126908A1
Application number: DE19712126908
Authority: DE
Inventors: Richard Edward Cincinnati Ohio Hohn (V St A ) M
Original assignee: Milacron Inc
Current assignee: Milacron Inc
Priority date: 1970-08-06
Filing date: 1971-05-29
Publication date: 1972-02-10
Also published as: FR2104028A5; NL7109583A; CA932803A; SE375638B; DE2126908B2; GB1297765A; DE2126908C3; CH525482A; JPS5534370B1; US3667290A

Description

Pofentanwalf Ä. I £ ζ) ί? U Q

Karl A. Brose

Dip I -Ing

D-8023 Mönchen - Pullach
Wienersir. 2, T. Mcirn. 7 9305 70,7 9317 »2

vln/Fo München-Pullach, 26. Mai 1971

1053 F

CIiTGINlTATI MiLACRON INC., 4701 Marburg Avenue, Cincinnati, Ohio 4-5 209, USA

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des von einem Motor abgegebenen Drehmomentes oder Kraft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der von einem Motor abgegebenen Kraft mit Hilfe einer äußeren Last. Es gibt eine Reihe von Anwendungsfällen, bei denen eine derartige Messung erforderlich wird. Bei bestimmten Werkzeugmaschinen kann es z.B. erforderlich werden, den axialen Vorschub, der auf eine Gleitbacke oder Support einer derartigen Maschine ausgeübt wird, mit Hilfe der Spankräfte oder Schneidkräfte zu bestimmen. TJm insbesondere bei einer Bohrmaschine den Bohrvorgang voll zu steuern, kann es erforderlich werden, den axialen Vorschub, der über die Vorschubachse auf den Bohrer ausgeübt wird, zu überwachen und zu steuern. Es sei hervorgehoben, daß dieser axiale Vorschub durch eine lineare oder drehbare Betätigungseinrichtung wie z.B. einem Hydraulikkolben und Zylinder oder mit Hilfe eines drehenden Elektromotors oder Hydraulikmobors gesteuert werden kann. Beide Motortypen erzeugen eine Kraft; die drehenden Motoren erzeugen eine Kraft in Abhängigkeit von einem bestimmten Radius, so daß sie ein Drehmoment abgeben» Die in der vorliegenden Beschreibung verwendete Bezeichnung "Krafb" soll sowohl linear erzeugte Kräfte als auch Drehmomente umfassen.

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Bei anderen Werkzeugmaschinen wird es zur angemessenen Überwachung des Schneidprozesses und zur Überwachung des Vorschubes und der Geschwindigkeitsänderungen erforderlich, die Schneidkräfte, die auf eine Spindel übertragen werden, zu überwachen« Bei diesem Anwendungsfall und auch bei anderen ähnlichen Anwendungsfällen muß eine solche Messung annehmbar genau sein, und muß sich auch über einen relativ großen Wertebereich erstrecken. Bei Fräsmaschinen kann sich die Größe der Schneide zwischen einem Durchmesser von 6 inch bis herab zu einem halben inch oder weniger erstrecken. Man hat bereits in zweierlei Hinsicht versucht, eine Messung der Last oder der Schneidkraft, die auf die Spindel ausgeübt wird, vorzusehen. Bei einem derartigen Versuch hat man einen Drehmomentenwandler möglichst nahe am Schneidelement an der Spindel in Lage gebracht. Hierbei stellten sich jedoch eine Reihe von Nachteilen ein. Zunächst ist ein derartiger Drehmomentenwandler mit ausreichender Genauigkeit und ausreichend großem Betriebsbereich eine äußerst kostspielige Einrichtung. Weiter muß ein derartiger Wandler in der Welle der Spindel montiert werden, so daß dadurch ein schwacher Punkt in der Konstruktion entsteht; darüberhinaus stellt die Spindel einen sich drehenden Körper dar und es wird schwierig, hierbei ein ^usgangssignal aus dem Wandler abzugreifen.

Eine weitere Möglichkeit die Kraft eines Motors zu messen, erstreckte sich auf das äußere System. Mit anderen Worten muß man dabei die äußeren Parameter des Motors wie beispielsweise die Eingangs- und Ausgangsgrößen und Eigenschaften messen und man muß anschließend die gesamte Kraft, die dabei erzeugt wird, errechnen. Auch hier treten verschiedene inhärente Probleme auf. Ein bedeutendes Problem besteht darin, daß bei dieser Art der Messung die inhärenten dynamischen und Reibungskräfte innerhalb des Motors und der Leistungsübertragungseinrichtung zur Last hin vernachläßigt werden. Bei

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einem hydraulischen Motor fallen diese Verluste stark ins Gewicht. Man benötigt bereits eine wesentliche Eingangsgrösse für den hydraulischen Motor, um diesen in Drehung zu versetzen und ebenso um die Leistungsübertragungseinrichtung ohne eine äußere Last in Betrieb zu setzen. Diese Kräfte können sogar gleich oder selbst die tatsächlich auftretenden Schneidkräfte überschreiten, wenn ein Schneidelement mit kleinem Durchmesser verwendet wird. Bei einem 'Elektromotor sind die Verluste im Motor selbst geringer; die durch die Leistungsübertragungseinrichtung hervorgerufenen Verluste bleiben jedoch weiter bestehen. Daher eignen sich die zuvor beschriebenen Systeme nicht für eine sehr genaue Anzeige der Motorkraft in Abhängigkeit von einer Last dieses Motors. .

Die vorliegende Erfindung schafft nun ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der aufgrund einer äußeren Last von einem Motor erzeugten Kräfte, nicht eingeschlossen dynamische- und Reibungskräfte im Motor und der Leistungsübertragungseinrichtung. Das vorgeschlagene System erfasst nicht die tatsächlich auftretenden Eingangsparameter für·den Motor. Bei einem Elektromotor besteht der Eingangsparameter beispielsweise aus der zugeführten Spannung. Bei einem hydraulischen Motor besteht der Eingangsparameter aus. der einem Servoventil zugeführten Spannung, welches die Strömungsgeschwindigkeit oder Bedingung eines hydraulischen Mediums zum Motor hin steuert. Das vorgeschlagene System erfasst einen Parameter, der sehr viel direkter eine Änderung in der vom Motor erzeugten gesamten Kraft wiedergibt. Bei einem Elektromotor besteht der zu erfassende Parameter im Ankerstrom und bei einem hydraulischen Motor besteht der zu erfassende Parameter im Druckgefälle durch den Motor. Der erfasste Parameter ist proportional zur gesamten Motorkraft und stellt

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eine erste Eingangsgröße für eine Übertragungs- oder Überführungsfunktionsschaltung, die die durch Reibungsverluste im Motor und in der Leistungsübertragungseinrichtung bedingten Kräfte von der gesamten Motorkraft abzieht. Eine Abschätzung oder Bewertung der Motorgeschwindigkeit wird mit Hilfe der zuvor genannten Differenz mit Hilfe der Trägheit des Motors undder Leistungsübertragungseinrichtung und durch Integrieren des erhaltenen Ergebnisses abgeleitet. Das Ergebnis der Integration wird mit einer zweiten Eingangsgröße zur Übertragungsfunktionsschaltung verglichen, was dann zu einer Messung der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit bzw. Drehzahl führt. Das Ergebnis des Vergleichs stellt dann die Eingangsgröße für eine Rückkopplungsschleife dar, d.h. es wird ein Rückkopplungssignal geschaffen, welches algebraisch mit der ersten Eingangsgröße summiert wird, aber auch von der Übertragungsfunktionsschaltung als die von dem Motor erzeugte Kraft kennzeichnende Größe erzeugt _f was sich aufgrund einer äußeren am Motor hängenden Last ergibt.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der von einem Motor erzeugten Kraft als Funktion einer am Motor angeschlossenen äußeren Last, unter Ausschluß der dynamischen und Reibungskräfte, die in diesem Motor auftreten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem ersten Gerät zum Ableiten eines ersten Eingangssignals, welches proportional zur.gesamten in dem Motor erzeugten Kraft ist. Als nächstes erzeugt eine Übertragerfunktionsschaltung Korrektursignale, die die Werte der dynamischen und Reibungskräfte in dem Motor darstellen. Es wird dann ein geschätztes Geschwindigkeitssignal in der Übertragerfunktionsschaltung durch Bilden der algebraischen Summe zwischen dem ersten Eingangssignal und den KorrekturSignalen erzeugt und diese Summe wird schließlich integriert. Das Ergebnis dieser

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Integration wird in einem Netzwerk mit einer zweiten Eingangsgröße auf einem Geschwindigkeitswandler, der an dem Motor angeschlossen ist, summiert. Die Ausgangsgröße aus dem Netzwerk wird einer Rückkopplungsschleife zugeführt, so daß man ein Rückkopplungssignal erhält. Das Rückkopplungssignal wird algebraisch mit der ersten Eingangsgrösse summiert; das Rückkopplungssignal stellt die Ausgangsgrösse aus der Übertragerfunktionsschaltung dar, so daß dadurch die äußere am Motor hängende Last wieder-gegeben wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein schematisches und mathematisches Blockdiagramm eines hydraulischen Motors;

Fig. 2 ein schematisches und mathematisches Blockdiagramm eines Gleichstromelektromotors ;

Fig. 3 ein allgemeines Blockschaltbild, welches die Beziehung des Erfindungsgegenstandes mit irgendeiner Motorausführungsform veranschaulicht;

Fig, 4- ein allgemeines Steuersystemdiagramm entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung}

Fig. 5 sin allgemeines Steuersystemdiagramm

gemäß einer abgewandelten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;

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Fig. 6 ein detailliertes Steuersystemdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 7 ein detailliertes schematisehes Diagramm einer Ausführungsform nach der Erfindung mit einem Gerät, welches bei. Verwendung einer Leistungsübertragungseinrichtung erforderlich wird und welches in mechanischer Einsicht Vorteile bietet.

Figur 1 veranschaulicht ein schematisches und mathematisches Blockdiagramm eines hydraulischen Motors. Ein Spannungssignal wird dem Eingang eines Servoventils und einer Ventiltreibereinrichtung 10 zugeführt. Die Ventiltreibereinrichtung 10 besteht lediglich aus einem Verstärker, der auf das Eingangsspannungssignal anspricht und daraufhin einen Strom am Ausgang zum Treiben des Servoventiles erzeugt. Dieses Servoventil kann typisch aus einer elektromagnetischen Vorrichtung Jk bestehen, die auf den Ausgang der Treibereinrichtung anspricht, und eine VentilSteuerfunktion vorsieht, so daß eine Strömungsgeschwindigkeit oder Durchsatzmenge eines Mediums proportional zur Ausgangsgröße der Treibereinrichtung vorgesehen wird. Die Ausgangsgröße aus dem Ventil wird durch einen Summierfunktionsgeber 12 geleitet und gelangt dann zu einer Übertragungsfunktionsschaltung 14-, die durch K_Qa + K-^ definiert ist. Der Koeffizient der Laplace'sehen Operation stellt den Eompressibilitätskoeffizienten der in der Mobor-Venti!kombination enthaltenen Flüssigkeit dar, und die andere Konstante in der Funktion 14· stellt den Streuverlustfaktor dar, der durch die Motor-Ventilkombination erzeugt wird. Nach einer Integration und Abwandlung durch die übertragungsfunktion gemäß Schaltung 14 erhält man eine Ausgangs-

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größe, die das Druckgefälle durch den Motor darstellt. Dieses Signal wird als Eingangsgröße einer Übertragungsfunktionsschaltung 16 zugeführt und diese Schaltung wandelt die Eingangsgröße als eine Funktion der Verschiebung oder Verstellung des Motors ab, um ein Signal zu erzeugen, welches die gesamte entwickelte Motorkraft wiedergibt. Die entwickelte Kraft wird in einer Zusammenführung 18 summiert, wo eine äußere Lst 19 am Motor angehängt ist. Die resultierende Kraft wird in einer Verbindungsanordnung 20 mit einem Signal summiert, welches durch die Ubertragungsfunktionsschaltung 22 erzeugt wurde und eine Kraft darstellt, die durch die Coulombreibung des Motors erzeugt wurde« Diese dabei erhaltene Summe wird als Eingangsgröße einer Übertragungsfunktionsschaltung 24 zugeführt, die durch den Ausdruck gekennzeichnet ist und eine weitere Integration ^{e e} durchführt und ein Signal erzeugt, welches die Geschwindigkeit des Motors bzw. Drehzahl desselben am Ausgang des Motors darstellt. Der Koeffizient des Laplaceschen Operators stellt die effektive Trägheit des Motors dar; die andere Konstante stellt die effektive Viskositätsreibung des Motors dar. Das Geschwindigkeitssignal des Motors wird in ein Durchsatzmengensignal in der Übertragungsfunktionsschaltung 26 mit Hilfe einer Proportionalitätskonstanten abgewandelt, die gleich der Verschiebung oder Verdrehung des Motors ist. Das Durchsatzmengensignal wird zurück zur Summierschaltung 12 geleitet. Figur 1 veranschaulicht nur allgemein die Übertragungsfunktionen eines Hydraulikmotors. Einem Hydraulikfachmann sind diese Übertragungsfunktionen verständlich, die Erfindung ist jedoch auf dieses Ausführungsbeispiel nicht beschränkt. .

Figur 2 zeigt ein mathematisches Blockdiagramm mit einem Gleichstrommotor. Ein Spannungseingangssignal, wird der Übertragungsfunktionsschaltung 30 zugeführt, welche durch den

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Ausdruck gekennzeichnet ist und dieses Signal wird

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in der Summierschaltung 28 erzeugt. Die Übertragungsfunktionsschaltung 30 führt eine Integration durch. Der Koeffizient des Laplace·sehen Operators stellt die Ankeriiiduktivität des Motors dar; die andere Konstante stellt den Widerstand des Ankers des Motors dar. Die Ausgangsgröße aus der Übertragungsfunktionsschaltung 30 ist ein Signal, welches den Ankerstrom wiedergibt. Dieses Signal wird durch eine Übertragungsfunktionsschaltung 32 abgewandelt, der-en Funktion die Drehmomentenkonstante des Motors wiedergibt. Die Ausgangsgröße stellt demnach das vom Motor erzeugte Drehmoment dar und sie wird mit einer äußeren angehängten Last 33 in der Summier schaltung 34 summiert. Diese Summe stellt die Eingangsgröße zu einer Summierschaltung 36 dar, der auch noch eine weitere Eingangsgrosse von der Sückkopplungs-Übertragungsfunktionsschaltung 38 zugeführt wird, die die Coulomb'sehen Reibungsverluste wiedergibt. Die Ausgangsgröße aus der Schaltung 36 stellt die Eingangsgröße für eine Übertragungsfunktionsschaltung4O dar, die durch den Ausdruck gekennzeichnet ist und ein Ausgangssignäl erzeugt, welches die Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl des Motors darstellt. Dieses Signal wird über die Übertragungsfunktionsschaltung 42 rückgekoppelt, wobei diese Schaltung eine Proportionalitätskonstante enthält, die gleich der Geschwindigkeitskonstanten des Motors ist; es wird somit ein ATisgangsspannungssignal erzeugt, welches dann an der Verbindungsstelle bzw. Verknüpfungsschaltung 28 mit der Eingangsgröße summiert wird.

Es sei hervorgehoben, daß bei einem Vergleich der Figuren 1 und 2 funktionsmäßig die. durch die gestrichelten Linien definierten Blocks 44 und 46 bzw. die darin enthaltenen Elemente identisch sind. Die Beziehung zwischen den dynamischen- und Reibungskräften im Motor zur äußeren Last ist in beiden Fällen identische wenn es gewünscht wird, die aufgrund einer äusseren

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Last vom Motor erzeugte Kraft zu messen, so ist es äußerst wünschenswert, einen Drehmomentenwandler zu verwenden, der so dicht als möglich an der Stelle, an welcher die Last hängt, angeordnet wird. Die Nachteile dieses Verfahrens wurden bereits erwähnt. Ein anderes Verfahren, welches den Vorschlag nach der vorliegenden Erfindung wiedergibt, besteht darin, indirekt die äußere Kraft am Motor zu schätzen. Dies wird durch Messen von Parametern innerhalb des Motors bewerkstelligt, die dann die gesamte erzeugte Kraft und tatsächlich auftretende Geschwindigkeit oder Umdrehungsgeschwindigkeit darstellen. Diese Parameter werden als Eingangsgröße einer Übertragungsfunktionsschaltung zugeführt, die die dynamischen und Reibungseigenschaften des Motors definiert. Diese Übertragungsfunktionsschaltung erzeugt ein Ausgangssignal, welches die geschätzte äußere Kraft am Motor kennzeichnet. Es ist unvorteilhaft, die Eingangsgrößen zu den Blocks 44 und 46 direkt zu

. messen, die die gesamte erzeugte Kraft wiedergeben. Es sind jedoch die Eingangsgrößen für die Überbragungsfunktionsschaltungen 16 und 32 unmittelbar zugänglich und können gemessen werden. Daher stellen die Blocks 16 und 44 der Figur 1 und die Blocks 32 und 46 der Figur 2 praktische Punkte oder Stellen dar, an denen die Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen überwacht werden können. In Figur 1 stellt die Eingangsgröße zum Block 16 das Druckgefälle durch den Motor dar; in Figur 2 stellt die Eingangsgröße zum Block 32 den Ankerstrom dar. Die Ausgangsgrößen aus dem Block 44 und 46 kennzeichnen die Motorgeschwindigkeit bzw. dessen Umdrehungszahl.

Figur 3 veranschaulicht allgemein die erfindungsgemäße Einrichtung. Der durch die gestrichelten Linien definierte Block 48 entspricht,den Blocks 44 und 46 Jeweils der Figuren 1 und 2. Ein Wandler 52 ist am Eingang zum Block 50 angeordnet, wo-

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bei dieser eine Proportionalitätskonstante darstellt, die entweder eine Verschiebung des Motors oder eine Drehmomentenkonstante wiedergibt. Der Wandler 52 besteht aus zwei Elementen, und zwar aus einem Eingangswandler 51 und einem Potentiometer 53· Der Eingangswandler 5^ kann eine Differential-Druckvorrichtung sein, die auf das Druckgefälle durch den Motor oder über dem Motor ansprechen kann; ebenso kann der Eingangswandler ein Reihenankerwiderstand sein, der eine Messung des Ankerstro-

W mes liefert. Wie bereits an früherer Stelle erwähnt wurde, so stellt die Eingangsgröße zum Block 50 ein Signal dar, welches proportional zur gesamten Kraft, die vom Motor erzeugt wurde, ist. Der Block. 50 stellt eine Proportionalitätskonstante dar, ", und dieser Block verarbeitet die Eingangsgröße größenmäßig, so daß eine Ausgangsgröße erzeugt wird, die tatsächlich die gesamte vom Motor erzeugte Kraft darstellt. Diese Proportionalitätskonstante wird durch das Potentiometer 55 in dem Wandler 52 dargestellt bzw. vorgesehen. Daher erscheint am Ausgang 66 ein Signal, welches die gesamte vom Motor erzeugte Kraft kennzeichnet; diese am Ausgang 66 erscheinende Ausgangsgröße wird als Eingangsgröße einer Übertragungsfunktionsschaltung

j| 5^ zugeführt. Die Übertragungsfunktionsschaltung 5^ enthält elektrische Netzwerke, die analog zu den im Block 48 enthaltenen Elementen sind. Die Eingangsgröße auf der Leitung 66, die vom Wandler 52 stammt, wird in einem Netzwerk verarbeitet und zwar analog zu den dynamischen- und Reibungskräften, wie dies durch die Elemente 56, 58 und öO bestimmt ist. Als Ergebnis erhält man eine Abschätzung der Motorgesehwindigkeit, deren Wert mit einer zweiten Eingangsgröße auf der Leitung in der Übertragungsfunktionsschaltung 5^ summiert wird. Die Eingangsgröße auf der Leitung 64 wird von einem Geschwindigkeitswandler 62 vorgesehen, der an den Ausgang des Motors angeschlossen ist und ein Signal erzeugt, welches proportional zur vorhandenen Motorgesehwindigkeit ist. Die sich aufgrund

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der Addition ergebende Ausgangsgröße wird vervielfacht und rückgekoppelt und wird dann algebraisch zur Eingangsgrösse auf der Leitung 66 addiert und gelangt schließlich von der Übertragungsfunktion schal tunglals ein zur Größe der am Motor hängenden äußeren Last proportionales Signal zum Ausgang. " .

Betrachtet man nun wieder die Figuren 1 und 2, so geht hervor, daß wenn man die vorhandenen Eingangsgrößen oder zugeführten Spannungen der Motoren zum Überwachen der von den Motoren abgegebenen Kraft entsprechend der Last verwendet, die Zusammensetzung der analogen Übergangs- oder Übertragungsfunktionen sich noch mehr komplizieren würde und von Motortyp zu Motortyp sich ändern würde.

Es ist demnach von Bedeutung, daß mit Hilfe der vorliegenden Erfindung nicht die Motoreingangsgrößenüberwacht werden, sondern ein interner Parameter überwacht wird, der sehr viel direkter die gesamte Kraft, die vom Motor erzeugt wird, wiedergibt.

Figur 4- zeigt ein Steuersystemdiagramm, die allgemein die Zusammensetzung der Übertragungsfunktionsschaltung 54 veranschaulicht. Der Wandlerausgang 66 ist als Eingang zu einer Summierschaltung 70 geführt, deren Ausgang zu einem Eingang einer Übertragungsfunktionsschaltung 72 geführt ist. Die Übertragungsfunktionsschaltung 72 wandelt die ihr zugeführte Eingangsgröße entsprechend bestimmter Werte der dynamischen- und Reibungskräfte ab und. integriert das abgewandelte Signal, so daß eine Ausgangsgröße erzeugt wird, die eine geschätzte Motorgeschwindigkeit bzw* Umdrehungszahl kennzeichnet. Die geschätzte Geschwindigkeit wird in einer, Summierschaltung 74" mit der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit bzw. Drehzahl,

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die auf der Eingangsleitung 64 erscheint, verglichen, wobei diese Eingangsgröße auf der Leitung 64 vom Wandler 62 er-

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fasst und geliefert wird. Das Ausgangssignal auf der Summierschaltung 74 gelangt durch eine Multiplizierschaltung 76; sie wird dann zur Verbindung 70 in Form der Ausgangsgröße auf der Übertragungsfunktionsschaltung 54 rückgekoppelt. Da das Signal auf der Eingangsleitung 66 zur Übertragungsfunktionsschaltung 54 die^gesamte vom Motor erzeugte Kraft darstellt und da das Ausgangssignal auf der Übertragungsfunktionsschaltung 72 die _ geschätzte Motorgeschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl wiedergibt und zwar unter Einkalkulierung der dynamischen- und Reibungskräfte . muß die Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl und der tatsächlichen Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl von der Summierschaltung 74 durch das Anhängen einer äußeren Motorlast bewirkt werden. Daher stellt die Ausgangsgröße auf der Summierschaltung 74 ein Signal dar," welches zu der vom Motor erzeugten Kraft, die aus der äußeren Last des Motors resultiert, proportional ist. Dieses Signal wird in der Multiplizierschaltung 76 verstärkt, um eine Ausgangsgröße auf der Leitung 78 vorzusehen, welche die geschätzte Kraft am Ausgang des Motors entsprechend der daranhängenden Last wiedergibt.

Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, daß das Ausgangssignal aus der Übertragungsfunktionsschaltung 72 ein Schätzwert der Motorgeschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl ist. Ein Grund hierfür besteht darin, daß die bestimmten Werte der dynamischen- und Reibungskräfte nicht die absoluten Größen dieser Parameter des Motors sind. Obwohl diese Werte sehr genaue Schätzwerte sind, so stellen sie dennoch Annäherungswerte dar; auch ist die erwähnte Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl des Motors

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nur ein Schätzwert. Demnach stellt die Ausgangsgröße auf der Leitung 78 der Vervielfacherschaltung 76 nicht ein absolutes Maß der Kraft entsprechend der am Motor hängenden Last dar, sondern muß als Schätzwert der der Last entsprechenden Kraft betrachtet werden. Der Vorgang, die Werte der dynamischen- und Reibungskräfte zu bestimmen, soll an späterer Stelle im einzelnen beschrieben werden.

Figur 5 veranschaulicht ein Steuersystemdiagramm der Ausführungsform gemäß Figur 4, jedoch mit weiteren Einzelheiten und in einer etwas unterschiedlichen Anordnung. Die Übertragungsfunktionsschaltung 72 der Figur 4 ist durch die Übertragungsfunktionsschaltungen 80 und 82 ersetzt. Die Übertragungsfunktionsschaltung 82 enthält elektrische Netzwerke analog zu den Reibungsverlusten und sieht eine Eingangsgröße für die Summierschaltung 84 vor, um die gesamte Motorkraft um einen Betrag abzuwandeln, der proportional zu den Verlusten ist. Die Übertragungsfunktionsschaltung 80 enthält elektrische Netzwerke analog zur Systemträgheit oder zu den dynamischen Kräften, um die Eingangsgröße umgekehrt proportional zu dem bestimmten Wert der Trägheit abzuwandeln. Es ist weiter eine Schaltungsanordnung zum Integrieren des abgewandelten Signals vorgesehen, um ein Schätzwert-Geschwindigkeitssignal am Ausgang der Übertragungsfunktionsschaltung 80 vorzusehen. In Figur 5 sind die Summierschaltung 74 und die Vervielfacherschaltung 76 in Form einer Rückkopplungsschleife von der Übertragungsfunktionsschaltung 80 verbunden. Hierdurch wird veranschaulicht, daß das System durch eine Vielzahl von äquivalenten Anordnungen von Elementen in Steuersystemschaltungen verwirklicht werden kann.

Figur 6 zeigt ein detailliertes Steuerdiagramm der Übertragungsfunktionsschaltung 54· Ein Fachmann erkennt, daß das

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System aus invertierenden Einrichtungen besteht; es lassen sich jedoch auch nicht invertierende Vorrichtungen dabei einsetzen. Bei dem gezeigten System mit invertierenden Verstärkern weisen die Ausgangsgrößen jedes Verstärkers eine zur Eingangsgröße entgegengesetzte Polarität auf. Die die gesamte Motorkraft wiedergebende Eingangsgröße auf der Leitung 66 wird der Integrierschaltung 86 zugeführt. Diese Integrierschaitung erhält eine weitere Eingangsgröße von der Rückkopplungsschleife, die einen Schalter 90 beinhaltet. Dieser Schalter 90 erzeugt eine Ausgangsgröße, die kennzeichnend für einen bestimmten Wert der Coulomb'sehen Reibung ist. Wenn die dem Schalter 90 zugeführte Eingangsgröße Null ist, was eine geschätzte Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl von Null kennzeichnet, dann ist auch die Ausgangsgröße aus dem Schalter Null. Wenn die Eingangsgröße zum Schalter positiv gerichtet ist, was eine Drehung in der einen Richtung kennzeichnet, dann nimmt die Ausgangsgröße des Schalters einen Wert an, der eine bestimmte Größe der Coulomb'sehen Reibung in dieser Richtung wiedergibt. Wenn die Eingangsgröße zum Schalter negativ gerichtet ist, was eine Drehung in entgegengesetzter Richtung , kennzeichnet, dann nimmt die Ausgangsgröße des Schalters ei-™ nen Wert an, der eine bestimmte Größe der Coulomb'sehen Reibung in dieser entgegengesetzten Richtung wiedergibt. Die Integrierschaltung 86 erhält auch eine weitere Eingangsgröße von einer zweiten Rückkopplungsschleife, die ein Potentiometer 92 und einen Verstärker 9^ beinhaltet. Das Potentiometer 92 ist auf einen Wert einstellbar, der eine bestimmte Größe der Viskositätsreibung darstellt. Dieses Signal gelangt durch den Verstärker 94 zur Integrierschaltung 86. Schließlich wird der .Integrierschaltung 86 auch noch eine Eingangsgröße zugeführt, die von einer dritten Rückkopplungsschleife stammt, wobei diese Rückkopplungsschleife einen Verstärker 96 und ein Potentiometer 100 enthält. Der Verstärker 96 summiert und verstärkt die geschätzte Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl und die

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tatsächlich vorhandene Geschwindigkeit entsprechend der Eingangsgröße auf der Leitung 66. Die dabei erhaltene Differenz wird als Eingangsgröße dem. Potentiometer 100 zugeführt, welches für eine angemessene Schleifenverstärkung sorgt. Die Ausgangsgröße aus dem Potentiometer 100 gelangt als Eingangsgröße zur Integrierschaltung 86 und wird von der Übertragungsfunktionsschaltung 5^ als Ausgangsgröße auf der' Leitung 78 erzeugt und stellt die geschätzte Kraft entsprechend der Last dar. Die Integrierschaltung 86 addiert algebraisch alle Eingangsgrössen und integriert die resultierende Summe. Das dabei erhaltene Ergebnis der Integration gelangt als Eingang zum Potentiometer 88, welches auf einen Wert eingestellt ist, der eine bestimmte Größe der inversen Motorträgheit wiedergibt. Die Ausgangsgröße des Potentiometers gelangt als Eingangsgröße zum Verstärker 98, welche an früherer Stelle erwähnt wurde und als Inverter arbeitet.

Bisher lag der Beschreibung die Annahme zugrunde, daß die äußere Last direkt am Motor angeschlossen ist. In vielen Anwendungsfäl r wird jedoch die Last über eine Leistungsübertragungseinrichtung an den Motor angeschlossen, wie beispielsweise über einen Getriebekasten, Kugelschraube usw. Figur 7 veranschaulicht im einzelnen ein schematisches Diagramm der ÜbertragungsfunktionsSchaltung 5^- in Verbindung mit dem zuvor erwähnten Fall. Es sei hervorgehoben, daß der einzige Unterschied von der früheren Übertragungsfunktionsschaltung darin besteht, daß ein Potentiometer 95 hinzu kommt, welches die mechanische Eigenschaft der Leistungsübertragungseinrichtung darstellt. In Figur 7 sind die Potentiometer 88, 92 und 100 mehr im einzelnen gezeigt; die Potentiometer 88 und 92 müssen jedoch so eingestellt werden, daß sie bestimmte Größen der Trägheit und der Viskositätsreibung darstellen und zwar sowohl vom Motor als auch der Leistungsübertragungseinrichtung.

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Der Schalter 90 von Figur 6 wird durch einen Verstärker 104 in Figur 7 ersetzt und dieser Verstärker erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Polarität der Polarität des Eingangssignals zum Verstärker entspricht. Das Ausgangssignal wird vorgespannt, um ein richtiges positives oder negatives Signal vorzusehen, welches die Werte der Coulomb'sehen Reibung für beide Drehrichtungen des Motors und der Leistungsübertragungseinrichtung kennzeichnet. Weiter sind die Verstärker 98 und94 der Figur 6 durch Betriebsverstärker 106 und 108 in Figur 8 in Figur 7 ersetzt; diese Verstärker weisen eine Ohm'sche Rückkopplung auf, um den Verstärkungsbereich der Verstärker festzulegen. Der Verstärker 96 der Figur 6 ist in Figur 7 durch den Verstärker 110 ersetzt. Die Integrierschaltung 86 der Figur'6 besteht in Figur 7 aus dem Verstärker 102, der ein kapazitives Element in einer Rückkopplungsschleife aufweist.

Die Ausführungsform gemäß Figur 7 ist verwendbar in Verbindung mit dem Geschwindigkeitswandler, der an den Ausgang des Motors angeschlossen ist, wie dies bei allen früheren Ausführungsformen der Fall war, und das einzige neue Element besteht in dem Potentiometer 951 welches die mechanische Eigenschaft " der Leistungsübertragungseinrichtung wiedergibt. Damit ist die Ausgangsgröße auf der Leitung 78 eine getreue Schätzung einer angehängten äußeren Last. Es sind auch andere Ausführungsformen dieser Anordnung möglich. Es kann z.B. der Geschwindigkeitswandler am Ausgang der Leistungsübertragungseinrichtung angeordnet werden. In diesem Fall würde das Potentiometer 95 an einer anderen Stelle in der Schaltung gelegen sein. Ein Fachmann erkennt hierbei die Vielfalt der Möglichkeiten bzw. Variationsmöglichkeiten, die sich mit der Ubertragungsfunktionsschaltung 54 vornehmen lassen. Die Funktionsweise und der Betrieb der Übertragungsfunktionsschaltung wurde eingehend an früherer Stelle erläutert; es ist somit

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eine weitere Erläuterung der Betriebsweise dieser Schaltung in Verbindung mit Figur 7 überflüssig.

Es verbleibt jedoch noch eine unbeantwortete Frage, und zwar hinsichtlich der Bestimmung der bestimmten Werte der Trägheit,, Coulomb'sehen Reibung und Viskositätsreibung. Diese Werte können theoretisch bestimmt werden und den jeweiligen Potentiometern zugeführt werden. Diese Werte können jedoch auch unter Zuhilfenahme der Schaltung gemäß Figur 7 bestimmt werden, um sehr genau den Motor an die Leistungsübertragungseinrichtung anzupassen, bei welcher das erfindungsgemäße Steuersystem zur Anwendung gelangt. Dies kann durch. Aktivieren des Systems und des Anhängens einer Anzeigevorrichtung, wie z.B. eines Oszillographen, an der Ausgangsleitung 78 erreicht werden. Da die am Ausgang 78 erscheinende Größe die geschätzte Kraft entsprechend der anhängenden Last darstellt, soll die Ausgangsgröße auf der Leitung 78 Null sein, wenn das System ohne Last bzw. im Leerlauf läuft. Wenn dies nicht der Fall ist, dann sind die bestimmten Reibungswerte fehlerhaft. Um den Wert der Viskositätsreibung zu korrigieren, wird eine beliebige Motorumdrehungszahl gewählt; dann wird der Wert der geschätzten Kraft entsprechend der angehängten Last festgehalten. Die Motorumdrehungszahl wird dann auf einen anderen Wert verlegt. Wenn die geschätzte Kraft entsprechend der angehängten Last sich auf einen neuen Wert ändert, so wird das Potentiometer 92, welches für die Viskositätsreibung zuständig ist, so eingestellt, daß die neuerlich geschätzte Kraft entsprechend der angehängten Last dem zuvor festgehaltenen Wert entsprich.—t. Dabei kann man die Geschwindigkeit des Motors mehrere Male ändern, um die Einstellung zu verfeinern und um einen" genauen Wert der Viskosereibung zu erzielen.

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Als nächstes - abhängig von der Drehrichtung - wird der in geeigneter Weise veränderliche Widerstand 112 oder 114, der für die Coulomb'sehe Reibung zuständig ist, derart eingestellt, bis die Ausgangsgröße auf der Leitung 78 Null ist. Die Motordrehrichtung wird dann umgedreht; dann wird der andere der veränderlichen Widerstände 112 oder 114 so eingestellt, daß die Ausgangsgröße auf der Leitung 78 ebenfalls Null beträgt. Schließlich kann man auch einen genauen Wert der Trägheit bestimmen. Von allen Variablen läßt sich die Trägheit theoretisch am genauesten bestimmen; diese Einstellung läßt sich daher optimal vornehmen. Zur Einstellung wird die Motorgeschwindigkeit^-Steuereinrichtung durch eine Rechteckwellen-Eingangsgröße erregt, so daß eine Beschleunigung in das System eingeführt wird. Während der Geschwindigkeitsübergänge oder der Beschleunigungsperiode wird die Ausgangsgröße auf der Leitung 78 überwacht. Eine Spitze oder plötzliche Zunahme und Abnahme der geschätzten Kraft entsprechend der angehängten Last läßt sich dabei beobachten. Das Potentiometer 88, welches das inverse der Trägheit wiedergibt, wird so eingestellt, daß die Größe des spitzen Signales minimal gestaltet wird.TJm diese Einstellung zu verfeinern und um äußerst genaue Werte zu erzielen, sollte die zuvor geschilderte Reihenfolge der Einstellungen mehrere Male vorgenommen werden.

Die Einstellung des Potentiometers 100, welches die Verstärkung in der dritten Rückkopplungsschleife bestimmt, ist ein Bemessungsproblem hinsichtlich der Ansprechzeit und Genauigkeit der geschätzten Kraft,entsprechend der angehängten Last relativ zur tatsächlichen Kraft entsprechend der Last. In Figur 7 entspricht die Beziehung zwischen geschätzter Kraft und tatsächlicher Kraft der Beziehung eines typischen NuIl-Servosystems. Ein Fachmann erkennt, daß, je größer der Verstärkungswert hinsichtlich der Größe der Viskositätsreibung

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ist^ desto näher die Größe der geschätzten Krafi bzw. Signal an die tatsächliche Kraft herangelangt. Weiterhin} je größer der Verstärkungswert hinsichtlich der Größe der Trägheit ist, desto kürzer ist die Ansprechzeit der geschätzten Kraft "beim Schätzen der tatsächlichen Kraft.

Es'sei hervorgehoben, daß das Steuersystem der Übertragungsfunktionsschaltung 54· als Ein-Servosystemtyp ausgelegt werden kann, indem man am Verstärker 110 eine Rückkopplungskapazität vorsieht, so daß dieser zur Integrierstufe wird. Theoretisch erzielt man mit diesem System eine genauere Schätzung der Kraft entsprechend der angehängten Last unter stetig Zustandbedingungen, ein solches System weist jedoch eine größere Neigung zur Unstabilität und Schwingneigung auf.

Es sei weiter hervorgehoben, daß die Ausführungsbeispiele gemäß Figuren 1 und 2 nur zwei mögliche Drehbetätigungseinrichtungen wiedergeben* Die Erfindung ist ebenso auf andere Drehbetätigungsvorrichtungen, z.B. auf einen Wechselstrommotor, aber auch ei lineare Betätigungsvorrichtung, wie z.B. eine Kolben-Zylinderanordnung anwendbar. Beim letzteren Fall sind die einzigen Änderungen größenmäßiger oder dimensionsmäßiger Natur, dahingehend, daß geradlinige Kräfte anstelle von Drehkräften bzw. Drehmomenten erzeugt werden; auch spielen hierbei die Massen eine Rolle anstelle von Trägheiten im Motor und in der Leistungsübertragungseinrichtung.

Obwohl die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele mit detaillierter Beschreibung der einzelnen Faktoren dargelegt wurde, so ist die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele und Details nicht beschränkt. Es sind daher eine Reihe von Abwandlungen und Änderungen möglich, ohne dabei den Rahmen der vor-

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liegenden Erfindung zu verlassen.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Schätzen der von einem Motor aufgrund einer an diesen angeschlossenen äußeren Last erzeugten Kraft, wobei diese abgeschätzte Kraft die im Motor hervorgerufenen dynamischen- und Reibungskräfte nicht umfasst, gekennzeichnet durch einen ersten an den Motor angeschlossenen Wandler (52), um ein erstes Eingangssignal mit einer Größe vorzusehen, die die gesamte vom Motor erzeugte Kraft darstellt; durch einen zweiten an den Motor angeschlossenen Wandler (64-) zum Erzeugen eines zweiten Eingangs signals, welches die Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl des Motors darstellt; und durch eine auf die EingangsSignaIe ansprechende Übertragungsfunktionsschaltung (54-) zum Erzeugen eines resultierenden Ausgangssignals, welches einen Schätzwert der vom Motor aufgrund der an diesen angeschlossenen äußeren Last erzeugten Kraft darstellt, wobei diese geschätzte Kraft die dynamischen- und Reibungskräfte nicht umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktionsschaltung (5²O eine erste Schaltung (70) enthält, die als erste Eingangsgröße das erste Eingangssignal und als zweite Eingangsgröße das zweite Eingangssignal empfängt und aus diesen ein Ausgangssignal erzeugt, welches die algebraische Summe des ersten und des zweiten Eingangssignals darstellt und proportional zu den dynamischen- und Reibungskräften abgewandelt ist; weiter eine zweite Schaltung (72) enthält, um das Ausgangssignal zum Erzeugen eines gere- gelten Ausgangssignals zu integrieren; und eine dritte Schaltung (74, 76) enthält, um das geregelte Aüsgangssignal mit dem zweiten Eingangssignal algebraisch zu addieren und um ein resultierendes Ausgangssignal zu erzeugen, welches als zweite

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Eingangsgröße der ersten Schaltung (70) zugeführt wird, und von der Übertragungsfunktionschaltung in der Weise erzeugt wird, daß es den Schätzwert der vom Motor aufgrund der an diesen angeschlossenenjäußeren Last erzeugten Kraft wiedergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fc die Übertragungsfunktionsschaltung (5^-) eine zweite Übertragungsfunktion schaltung (70, 72) enthält, welcher als eine Eingangsgröße das erste Eingangssignal und als zweite Eingangsgröße das zweite Eingangssignal zugeführt wird, wobei diese zweite Übertragungsfunktionsschaltung die algebraische Summe zwischen erstem Eingangssignal und zweitem Eingangssignal als Punktion der dynamischen- und Reibungskräfte im Motor abwandelt und ein geregeltes Ausgangssignal erzeugt; weiter ein auf das zweite Eingangssignal und das geregelte Ausgangssignal ansprechendes Addiernetzwerk (74-) enthält, um das zweite Eingangssignal zum geregelten Ausgangssignal algebraisch zu addieren und um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen; weiter eine Vervielfacherschaltung (76) enthält, die auf das erste Ausp gangssignal anspricht und deren Ausgangsgröße als zweiter Eingang zur zweiten Übertragungsfunktionsschaltung geführt ist, wobei die Vervielfacherschaltung ein Rückkopplungssignal erzeugt, welches einen Schätzwert der vom Motor als Funktion der an diesem, angeschlossenen äußeren La_;st erzeugten Kraft darstellt.

M-. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktionsschaltung (54·) ebenso eine Addierschaltung (84) mit einer Vielzahl von Verknüpfungseingangen . aufweist, die ein kombiniertes Ausgangssignal erzeugt, welches die algebraische Summe der Eingangsgrößen darstellt; ebenso eine dritte Übertragungsfunktionsschaltung (80) enthält, welcher als Eingangsgröße das kombinierte Ausgangssi-

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gnal zugeführt ist, um das Signal als inverse Funktion von der Trägheit des Motors abzuwandeln und dann das abgewandelte Signal zum Erzeugen eines geregelten Ausgangssignal zu integrieren; weiter eine erste Rückkopplungsschleife (82) enthält, die auf das geregelte Ausgangssignal anspricht und die zum zweiten Eingang der Summierschaltung zum Abwandeln des geregelten Ausgangssignals als Punktion der im Motor auftretenden Reibungsverluste angeschlossen ist; eine·zweite Rückkopplungsschleife mit einer weiteren Summierschaltung (74), die auf das geregelte Ausgangssignal und das zweite Eingangssignal zum Bilden einer algebraischen Summe zwischen geregeltenLAüsgangssignal und zweitem Eingangssignal ansprechen kann und ein Geschwindigkeitsausgangssignal erzeugt und die weiter einen Verstärker (76) enthält, welchem das Geschwindigkeitsausgangssignal zugeführt ist und dessen Ausgang als dritter Eingang der ersten Summierschaltung angeschlossen ist, wobei der Verstärker ein der Last entsprechendes und die Kraft des Motors wiedergebendes Schätzungssignal erzeugt, welches proportional zu demjenigen Teil der von dem Motor erzeugten Kraft i~t, welcher eine Funktion der äußeren am Motor hängenden Last xSv.

5. Verfahren zum Schätzen ,der von einem Motor als Funktion von einer äußeren an den Motor angeschlossenen Last entwickelten Kraft, unter Ausschluß der im Motor erzeugten, dynamischen- und Reibungskräfte, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Eingangssignal, welches proportional zur gesamten vom Motor entwickelten Kraft ist, erzeugt wird, dann die algebraische Summe zwischen diesem ersten Eingangssignal und einem zweiten Signal zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignal gebildet wird, das erste Ausgangssignal als Funktion der in dem Motor erzeugten dynamischen- und Reibungskräfte abgewandelt wird daraus ein bedampftes Ausgangssignal erzeugt wird, daß das be dämpfte Ausgangssignal dann integriert wird und daraus ein ge

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regeltes Ausgangssignal erzeugt wird und ein Geschwindigkeitssignal, welches die Ausgangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors wiedergibt, erzeugt wird,^v eine algebraische Summe zwischen dem geregelten Ausgangssignal und dem Geschwindigkeitssignal gebildet wird, um ein zweites Signal zu erzeugen, welches die von dem Motor als Funktion der an diesen angeschlossenen äußeren Last entwickelte Kraft wiedergibt.

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