DE2830487A1

DE2830487A1 - Servosystem zur steuerung einer maschinenbewegung

Info

Publication number: DE2830487A1
Application number: DE19782830487
Authority: DE
Inventors: Enn Vali
Original assignee: Westinghouse Canada Inc
Current assignee: Westinghouse Canada Inc
Priority date: 1977-07-11
Filing date: 1978-07-11
Publication date: 1979-01-25
Also published as: GB1578514A; JPS6121008B2; JPS5419633A; US4195265A; CA1101101A

Description

PATENTANWALT München, den 11. Juli 1978

DR. RICHARD KNElSSL c 570

Widenmayerstr. 46 3

D-8000 MÜNCHEN 22
Tel. 089/295125

WESTINGHOUSE CANADA LIMITED in Hamilton, Ontario/Kanada

Servosystem zur Steuerung einer Maschinenbewegung

Die Erfindung betrifft ein Servosystem zur Steuerung einer Maschinenbeweaung mittels Steuersignalen, worin dem Steuereingang der Maschine ein Doppel-T-Filter vorgeschaltet ist, um alle mit der Eigenfrequenz der Maschine übereinstimmenden Komponenten der Steuersignale zu unterdrücken.

Wenn eine Maschine einen Stoß erleidet, z. B. durch rasches Umkehren der Bewegungsrichtung, können mechanische Schwingungen auftreten, die das ganze zur Steuerung dienende Servosystem zu instabilen Schwingungen veranlassen. Die Schwingungen erfolgen im wesentlichen mit der Eigenfrequenz des betreffenden Maschinenteils. Diese Eigenfrequenz kann in der Elektronik des Servosystems induziert werden und erzeugt dadurch ein Steuersignal mit einer Prequenz-

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komponente, die der Eigenfrequenz entspricht. Die Einführung der Eigenfrequenz in das Steuersignal kann als positive Rückkopplung angesehen werden, die zu unkontrollierbaren Schwingungen und Erschütterungen des Maschinenteils führen kann.

Ein Weg zur Ausschaltung der schädlichen Einflüsse der Resonanzfrequenz besteht in der Einbeziehung eines Doppel-T-Filters in den Regelkreis. Ein derartiges Filter hat einen Sperrbereich, der auf die Resonanzfrequenz des betreffenden Maschinenteils abgestimmt werden kann (kanadische Patentschrift 822 306). Das in der erwähnten Patentschrift beschriebene Filter besteht aus zwei T-Gliedern. Der Mittelschenkel des ersten T-Gliedes besteht aus einem Widerstand, der einerseits mit einem Erdanschluß und andererseits mit einer Verbindung zwischen zwei Kondensatoren verbunden ist; die Kondensatoren bilden die horizontalen Schenkel des T. Der Mittelschenkel des zweiten T besteht aus eine» Kondensator, der einerseits an Erde und andererseits an die Verbindungsstellezweier Widerstände angeschlossen ist; die beiden Widerstände bilden die horizontalen Schenkel des zweiten T. Die äußeren Klemmen der beiden Widerstände sind ferner parallel zu den äußeren Klemmen der beiden Kondensatoren geschaltet. Diese Siebschaltung garantiert einen stabilen Betrieb des Servosystems, hat aber den Nachteil, daß nach einmaliger Festlegung der Kondensatoren und Widerstände die Mittelfrequenz, die Bandbreite und der Dämpfungsfaktor des Sperrbandfilters nicht mehr derart verändert werden können, daß die Phasenverzögerung des Systems möglichst klein gemacht wird. Die Ansprechverzögerung des Systems kann zu starken überschwingungen in der Bewegung des Maschinenteils infolge einer Änderung des Steuersignals führen.

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Die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung ermöglicht es, die Breite des Sperrbereichs ohne nachteiligen Einfluß auf die Phasenverzögerung in der Umgebung und weit unterhalb der gesperrten Eigenfrequenz des Maschinenteils einzustellen.

Das Steuersignal ist gewöhnlich ein Gleichspannungssignal, manchmal wird auch ein Wechselspannungssignal verwendet. In beiden Fällen kann das Signal in der Amplitude variieren, um Steuerbefehle auszudrücken. Die Bewegung des Maschinenteils kann direkt oder indirekt proportional zur Amplitude des Steuersignals sein. Abrupte Amplitudenänderungen des Steuersignals können demgemäß abrupte Bewegungsänderungen herbeiführen. Die abrupte Bewegungsänderung oder die Vibration des Maschinenteils im Normalbetrieb kann eine Frequenzkomponente induzieren, die der Eigenfrequenz des Maschinenteils im Steuersignal entspricht und bei Anlegung an den Maschinenteil eine unkontrollierbare Schwingung desselben hervorrufen. Wenn dagegen ein Sperrfilter zwischen die Steuervorrichtung und den Maschinenteil eingefügt ist, wird ein Frequenzband aus dem Steuersignal ausgeblendet, das der Eigenfrequenz des Maschinenteils entspricht, während die Gleich- oder Wechselspannungskomponente des Steuersignals nach wie vor das Filter durchlaufen und die Steuerfunktion ausüben kann.

Im allgemeinen hat die Maschine nicht nur eine Eigenfrequenz. Die Anordnung hat eine Anzahl Frequenzen, die meistens nahe beieinander liegen und häufig ein Eigenfrequenzband für die Maschine oder den Maschinenteil bilden. Dieses Frequenzband ähnelt einem FrequenzSpektrum mit einer bestimmten Mittelfrequenz. Ferner kann dieses Frequenzband nahe an der

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Gleichspannungskomponente des Steuersignals sein, so daß das Sperrfilter steil genug sein muß, um das Eigenfrequenzband auszusieben, andere, nahe daran liegende Frequenzen einschließlich der Gleichspannungskomponente der Maschine jedoch unbehelligt zu lassen.

Um das Eigenfrequenzband der Maschine wirksam auszusieben, wird erfindungsgemäß der phasengleiche Anteil am Ausgang des Filters auf dessen Eingang rückgekoppelt .Durch die Stärke der Rückkopplung wird die Bandbreite des Filters bestimmt. Die Steuerung der Bandbreite des Filters hat den Vorteil, daß nach einmaliger Festlegung der Mittelfrequenz des Filters auf die Resonanzfrequenz der Maschine die Bandbreite des Filters so weit verengt werden kann, daß sie mit der Bandbreite der Eigenfrequenzen übereinstimmt. Durch diese Verringerung der Bandbreite des Filters auf diejenige der Eigenfrequenzen werden die Resonanzfrequenzen wirksam vermindert, während gleichzeitig die Einflüsse der Phasenverzögerung auf Frequenzen unterhalb der Mittenfrequenz des Sperrfilters stark vermindert werden. Die Verminderung der Phasenverzögerung bei Frequenzen unterhalb der Mittenfrequenz und nahe der Gleichspannungskomponente des Steuersignals ergibt ein minimales tJberschwingen im Verhalten des Maschinenteils bei Änderungen im Betrag des Steuersignals.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung lassen sich auch die Mittenfrequenz des Filters und sein Dämpfungsfaktor einstellen.

Das hier verwendete Filter ist ein verbessertes Doppel-T-Filter. Es ist flexibler als das bekannte Doppel-T-Filter,

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weil die Bandbreite verändert werden kann, indem geregelte Anteile des gleichphasigen Ausgangssignals zur Basis des Mittelschenkels der beiden T-Glieder ausgekuppelt werden.

Die grundlegende Doppel-T-Schaltung kann abgeändert werden, um die Dämpfung bei der Mittenfrequenz des Filters, sowie bei den Frequenzen beiderseits des Sperrbandes einzustellen. Die Möglichkeit, die Sperrdämpfung zu verringern, vermindert die Phasenverzögerung bei Frequenzen unterhalb der Sperrfrequenz noch weiter. Die Einfügung eines veränderlichen Widerstandes in Serie mit dem normalerweise in einem der Mittelschenkel des Doppel-T-FiIters vorgesehenen Kondensator führt zu einer leichten Einstellung des Dämpfungsfaktors nach Bedarf.

Ferner läßt sich die Mittenfrequenz des Sperrbandes in einfacher Weise durch gemeinsame Veränderung der Widerstände in dem Doppel-T-Glied einstellen.

Der Vorteil dieses Filters bei Verwendung in einem Servosystem liegt darin, daß die Mittenfrequenz des Filters leicht an die jeweiligen Eigenfrequenzen angepaßt werden kann, überdies können Bandbreite und Sperrdampfung derart eingestellt werden, daß das Eigenfrequenzband des betreffenden Maschinenteils in dem Steuersignal ausgeblendet und die Phasenverzögerung verringert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

Fig. 1 das Schaltbild des neuen Filters,

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Fig. 2 eine Anzahl von Kurven der Drehzahl in Abhängigkeit von der Zeit für den Maschinenteil,

Fig.3A drei Kurven des Gewinns in Abhängigkeit von der Frequenz für das Filter nach Fig. 1 mit verschiedenen Rückkopplungsgraden
und

Fig.3B ein Diagramm von drei Kurven des Phasenverhaltens in Abhängigkeit von der Frequenz, wobei die Änderungen des Phasenverhaltens den Änderungen der Bandbreite bei den Kurven in Fig. 3A entsprechen.

Bei dem Filter nach Fig. 1 kommt das Steuersignal von der Servoeinrichtung an der Eingangsklemme 2 an und verläßt das Filter an der Ausgangsklemme 4, die mit dem Steuereingang des Antriebsmotors der Maschine oder des Maschinenteils verbunden ist. Beim Durchgang durch das Filter werden alle Frequenzkomponenten des Steuersignals, die in der Nähe der Eigenfrequenz der Maschine liegen, entfernt.

Das Filter enthält drei veränderliche Widerstände 10, 12 und 14. Eine gebrochene Linie 16 deutet einen einzigen Einstellknopf an, der zur Verstellung der drei Widerstände 10, 12 und 14 gemeinsam dient. Die Kondensatoren 18, 20 und 22 zusammen mit den veränderlichen Widerständen 10, 12 und 14 ergeben das grundlegende Doppel-T-Filter, abgesehen von der Veränderlichkeit der erwähnten Widerstände.

Die Mittenfrequenz f des Doppel-T-Filters ergibt sich aus der Formel

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hierbei ist R der Widerstandswert des veränderlichen Widerstands 12 und C entspricht dem Kapazitätswert des Kondensators 20, wobei folgende Bedingungen einzuhalten sind:

1) Die Widerstände der veränderlichen Widerstände 10 und 12 sind gleich und ihrerseits doppelt so groß wie der Wert des veränderlichen Widerstandes 14;

2) die Kapazität des Kondensators 20 ist gleich derjenigen des Kondensators 22 und ihrerseits halb so groß wie die Kapazität des Kondensators 18.

Mittels der veränderlichen Widerstände 24 und 26 lassen sich Dämpfung und Breite des Sperrbandes einstellen. Verstärker 28 und 30 mit dem Verstärkungsgrad 1 wirken als Puffer und ergeben eine phasengleiche Rückkopplung vom Punkt 32 über den Verstärker 28, den Rückkopplungswiderstand 34 und den Verstärker 30 zum Punkt 36. Für diese beiden Widerstände 24 und 26 können unabhängige Einstellmöglichkeiten geschaffen werden. Der rückgekoppelte Anteil des Ausgangssignals ergibt sich aus der Formel

hierbei sind R der Wert des Widerstandes 26 und R_ der ν ü

Widerstandswert des Rückkopplungswiderstandes 34.

Eine Rückkopplung vom Wert 1 macht theoretisch die Bandbreite des Filters unendlich eng. Deshalb ist der Widerstand 34 vorgesehen, um zu gewährleisten, daß der Rückkopplungswert unter 1 bleibt, so daß die Bandbreite nicht enger eingestellt werden kann, als es dem Band der natür-

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lichen Resonanzfrequenzen entspricht. Wenn die Bandbreite des Filters geringer als diejenige der Eigenfrequenzen wird, wird das Filter zu empfindlich und das Servosystem kann leicht in instabile Schwingungen geraten.

Zur Erläuterung der Flexibilität in der Anwendung dieser neuen Filteranordnung wird nachstehend eine Einstellmöglichkeit des Filters beschrieben. Hierzu wird das Frequenzverhalten einer Maschine entsprechend Fia. 2 herangezogen. Fig. 2 zeigt die Maschinengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit in den vier Kurven 90 bis 96. Die Geschwindigkeit kann einer Winkelgeschwindigkeit oder einer Lineargeschwindigkeit entsprechen.

Der erste Schritt besteht darin, den Widerstand 26 im Uhrzeigersinne auf seinen größten Wert einzustellen, so daß das Filter die geringste Bandbreite hat. Dann wird der Widerstand 24 in den Mittenbereich gestellt. Schließlich werden die Widerstände 10, 12 und 14 mittels des Drehknopfes 16 auf die gewünschte Mittenfrequenz eingestellt.

Wenn die Maschinengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit auf einem Bildschirm dargestellt wird, sieht man beim Anlassen der Maschine bis zu einem Endwert 100 zunächst die Kurve 90 in Fig. 2. Die Geschwindigkeit steigt mit einer Steilheit 102 an und geht infolge der Eigenresonanz mit Überschwingungen 104 in den Endwert über. Die Frequenz der Überschwingungen entspricht der Eigenfrequenz der Maschine. Nun wird der Drehknopf 16 in Fig. 1 so lange verstellt, bis die Kurve an der Stelle 106 ausgeglichen ist. Wenn die Maschine abgestellt und erneut bis zur Geschwindigkeit 1Oo hochgefahren wird, ergibt sich eine Kurve entsprechend der Kurve 92, wobei der Anstieg 108 der gleiche wie der Anstieg 102 der Kurve 90 ist. Die Welligkeit 110

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ist nun erheblich geringer als die Welligkeit 104, wobei die Geschwindigkeit früher den Endwert auf Linie 112 annimmt. Durch Kachstellen des Reglers 116 derart, daß die Welligkeit 104 in Kurve 90 möglichst gering wird, läßt
sich die Mittelfrequenz des Filters auf diejenige der Eigenfrequenz der Maschine einstellen. Die in 92 noch erkennbare Welligkeit 110 kommt mehr davon her, daß die Bandbreite noch zu gering ist und Empfindlichkeitsprobleme heraufbeschwört .

Der nächste Schritt besteht in der Einstellung der Bandbreite. Dies kann durch Hochfahren der Maschine bis zur
Maximalgeschwindigkeit 114 in Fig. 2 bewerkstelligt werden. Wenn die Geschwindigkeit mit der Steilheit 116 ansteigt, ergibt sich ein stärkeres überschwingen 118 in der Kurve 94 als in Kurve 92 wegen der rascheren Geschwindigkeitsänderung. Die Bandbreite des Filters wird mittels
des Widerstandes 26 in Fig. 1 eingestellt. Die Einstellung wird fortgesetzt, bis nach einiger Zeit die Kurve 94 zur Linie 12O abflacht. Dann wird die Maschine angehalten und wieder auf die Maximalgeschwindigkeit 114 hochgefahren.
Dies ergibt eine ähnliche Anstiegskurve 122 und führt zu der Kurve 96, wo die Überschwingung 124 nur noch sehr gering ist, die Linie 126 sich rasch abflacht und der Anstieg dem Anstieg 116 gleichkommt.

Es dürfte klar sein, daß zur Gewinnung der Kurven 92 und 96 aus den Kurven 90 bzw. 94 die Maschine im allgemeinen mehrmals angelassen und auf die gewünschte Geschwindigkeit hochgefahren werden muß.

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Der nächste Schritt wird darin bestehen, den Widerstand 24 so einzustellen, daß der Dämpfungsfaktor die Restwelligkeit 124 der Kurve 96 noch weitgehend beseitigt. Hierbei ist zu bemerken, daß eine Veränderung des Widerstandes 24 die Verschiebung der Mittenfrequenz des Filters bewirkt, daß aber die FrequenzverSchiebung im allgemeinen so gering ist, daß sie keine größere Bedeutung hat.

in Fig. 3A und 3B sind die Wirkungen der Veränderung der Bandbreite auf das Phäsenverhalten für das Filter der Fig. dargestellt. Die Linien 5OA und 5OB entsprechen der Mittenfrequenzeinstellung des Filters, wobei Frequenz SOA gleich Frequenz 5OB ist.

Die Kurven 52A und 52B entsprechen einer Einstellung des Widerstandes 26 derart, daß der Punkt 38 mit dem Punkt (Erde) kurzgeschlossen ist, d. h. es ergibt sich keine Rückkopplung. Die Bandbreite der Kurve 52A ist größer als bei den anderen Kurven dieser Schar und die Phasenverschiebung der Kurve 52B ist größer als diejenige der anderen B-Kurven über alle Frequenzen außer der Mittenfrequenz. Diese vollständige Ausschaltung eines Rückkopplungssignals gibt offenbar die schlechteste Phasenkurve 52B, welche die stärksten Phasenverschiebungs- und überschwingungsprobleme der B-Kurven hervorruft.

Die Kurven 54A und 54B entsprechen einer mittleren Einstellung des Widerstandes 26 in Fig. 1. Wie man sieht, ist die Bandbreite bei Kurve 54A geringer als bei Kurve 52A und die Phasenverschiebung der Kurve 54B ist kleiner als diejenige der Kurve 52B, ausgenommen bei der Mittelfrequenz 50B.

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Die Kurven 56A und 56Bentsprechen einer Einstellung des Widerstandes 26 in Fig. 1 auf drei Viertel seines maximalen Widerstandswertes. Hier ist offenbar die Bandbreite der Kurve 56A geringer als bei allen anderen Kurven; demgemäß sind die Phasenverschiebungen der Kurve 52B ebenfalls geringer als bei allen anderen B-Kurven.

Allgemein gilt also, daß mit abnehmender Bandbreite die Verzögerungen im Phasenverhalten ebenfalls abnehmen, wodurch sich verringerte Einschwingvorgänge ergeben. Bemerkenswert ist auch, daß eine zu enge Einstellung des Sperrbereiches unter Umständen nicht alle Eigenfrequenzen der Maschine zum Verschwinden bringt.

In den meisten Fällen liegt die Eigenfrequenz einer Maschine oder eines Maschinenteils in der Größenordnung einiger weniger Hertz. Um eine so niedrige Frequenz zu blockieren, können die Kondensatoren 20 und 22 in der Größenordnung von einem halben Mikrofarad gewählt werden. Die veränderlichen Widerstände 24 und 26 können in der Größenordnung von 50 Kiloohm liegen, während der Widerstand 34 etwa 20 Kiloohm hat.

Statt eines einzigen Doppel-T-Filters können auch mehrere verwendet werden, um den Betrieb eines Servosystems mit mehreren Antrieben zu stabilisieren. Ein Beispiel für ein solches Servosystem ist das fotoelektrische Antriebssystem gemäß der kanadischen Patentschrift 917 773.

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Claims

PATENTANWALT München, den 11. Juli 1978

DR. RICHARD KNElSSL c 570

Wldenmayerstr. 46

D-8000 MÜNCHEN 22
Tel. 089/295125.

WESTINGHOUSE CANADA LIMITED in Hamilton, Ontario/Kanada

Patentansprüche

ί l.j Servosystem zur Steuerung einer Maschinenbewegung mit Hilfe von Steuersignalen, worin dem Steuereingang der Maschine ein Doppel-T-Filter vorgeschaltet ist, um die mit der Eigenfrequenz der Maschine übereinstimmenden Komponenten der Steuersignale zu unterdrücken, gekennzeichnet durch eine derart einstellbare phasenrichtige Rückkopplung (34, 30) vom Ausgang zur Basis des Doppel-T-Filters, daß die Bandbreite des Sperrbereichs verstellt werden kann, ohne einen phasenverzögernden Einfluß auf die Frequenzkomponenten des Steuersignals nahe und unterhalb der Eigenfrequenz auszuüben.
2. Servosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung aus einem einstellbaren Widerstand

(26) von der Rückkopplungsschleife zur Masse besteht.

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3. Servosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter eine Einstellvorrichtung (24) für die Dämpfung des Sperrbereichs aufweist.
4. Servosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter eine Einstellvorrichtung (16) aufweist, um die Mittenfrequenz des Filters mit der Eigenfrequenz der Maschine zur Deckung zu bringen.

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