DE2900019C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Stellgliedes auf eine Soll-Position gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 3.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-AS 22 64 323) wird zum genauen und schnellen Erreichen einer Soll-Posi­ tion diese Soll-Position zunächst mit einer hohen Geschwin­ digkeit und in einem gewissen Abstand von der Soll-Position mit einer verringerten Geschwindigkeit angefahren, um einen Stillstand exakt bei der Soll-Position zu erreichen. Auf diese Weise wird ein Überschwingen des Stellgliedes über eine Soll-Position hinaus vermieden. Dieses Verfahren ist solange befriedigend, wie keine Restabweichung bei der Ein­ stellung des Stellgliedes auftritt. Eine derartige Rest­ abweichung kann beispielsweise durch Spiel an den Zahnflan­ ken von Zahnradgetrieben, durch Spiel in den Gelenken der von dem Stellglied angetriebenen Teile, durch die Elasti­ zität und durch Spiel in der Halterung eines von dem Stell­ glied angetriebenen Teils und dergleichen auftreten. Hier­ bei kann ein Teil des Stellgliedes ggf. die Sollposition erreichen, ohne daß das von diesem Stellglied eingestellte Bauteil exakt die Soll-Position erreicht, und zwar aufgrund des vorstehend genannten Spiels oder der Elastizität. Wei­ terhin kann diese Restabweichung durch einen Restlastwin­ kel und die Hysterese bei einem Schrittmotor oder durch die endliche Verstärkung in einem dem Sollglied zugeordne­ ten Regelkreis hervorgerufen werden. Diese Restabweichung ist im allgemeinen klein, sie stellt jedoch in vielen Fäl­ len die Ursache für die begrenzte Ansprechempfindlichkeit eines Regelsystems dar. Diese begrenzte Ansprechempfindlich­ keit sowie die Restabweichung sind insbesondere bei Schrei­ bern unerwünscht, die zur Darstellung und zum Zeichnen von Kurvenzügen sowie von alphanumerischen Zeichen und Symbolen verwendet werden. Hierbei kommt es weniger auf die absolute Genauigkeit als auf die relative Darstellung der Werte und auf die Form der Kurve an. Da das Vorzeichen der Restab­ weichung bei derartigen Schreibern von der Richtung abhän­ gig ist, in welcher das durch das Stellglied betätigte Schreibelement auf die Soll-Position bewegt wird, wurde zur Beseitigung der sich aus der Restabweichung ergebenden Nachteile ein Verfahren verwendet, bei dem eine vorgegebe­ ne Position immer von dem gleichen Ausgangspunkt aus ange­ fahren wurde. Hierbei ist jedoch beim Schreiben vorgegebe­ ner Kurvenzüge oder Symbole eine größere Anzahl von Bewe­ gungsvorgängen erforderlich, da das Schreibelement nach dem Schreiben eines Symbols immer auf den gleichen Ausgangs­ punkt zurückbewegt wird. Weiterhin eignet sich dieses Ver­ fahren nicht zum kontinuierlichen Schreiben von Symbolen, bei deren Schreiben eine Bewegungsumkehr des Schreibele­ mentes erforderlich ist.

Eine weitere bekannte Maßnahme, derartige Restabweichungen durch Federvorspannung des Schreibelementes oder des Stell­ gliedes zu beseitigen, führt allenfalls zur Beseitigung der Restabweichung in einer Richtung, wobei jedoch die Rest­ abweichung in der entgegengesetzten Richtung vergrößert und die Ansprechempfindlichkeit weiter verkleinert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, bei dem bzw. bei der eine weitgehende, wenn nicht voll­ ständige Kompensation dieser Restabweichung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung wird ein dem Wert der Restabweichung entsprechendes Korrek­ tursignal dem Soll-Positionssignal hinzuaddiert oder von diesem subtrahiert, und zwar in Abhängigkeit von der Bewe­ gungsrichtung des Stellgliedes. Das für eine vorgegebene Restabweichung erforderliche Korrektursignal ändert zwar in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung sein Vorzeichen, der Absolutwert dieses Korrektursignals ist jedoch konstant und wird aufgrund des beispielsweise empirisch ermittelten Wertes der Restabweichung festgelegt.

Bei ein Stellglied verwendenden Positioniersystemen, bei welchen die Restabweichung durch Bauteiltoleranzen hervor­ gerufen wird, kann der Maximalwert der Restabweichung durch einen festen Wert der Kompensation auf die Hälfte reduziert werden, während bei einem individuellen Abgleich, bezogen auf die Toleranzen des Systems, die Restabweichung um ein Mehrfaches reduziert werden kann. Bei Systemen, bei denen die Restabweichung durch konstruktions- oder bauteilebeding­ te Gegebenheiten verursacht ist, z. B. durch ein erforder­ liches Mindestlagerspiel oder durch eine Hysterese des Po­ sitionsgebers oder durch Reibung in Verbindung mit der end­ lichen Verstärkung im Regelkreis eines Servosystems, läßt sich die Restabweichung bereits durch einen festen Wert der Kompensation um ein Mehrfaches reduzieren. Weiterhin ist es möglich, die Restabweichung durch Einführung einer be­ wegungsgeschwindigkeitsabhängigen Änderung des Korrektur­ steuersignals weiter zu verbessern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Beispiel für ein Stellglied, bei dem eine Restabweichung auftritt;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Servosystems zur Ansteuerung eines Stellgliedes;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Servo­ systems zur Ansteuerung eines Stellgliedes;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Servo­ systems zur Ansteuerung eines Stellgliedes;

Fig. 5 eine letzte Ausführungsform eines Servosystems zur Ansteuerung eines Stellgliedes.

In Fig. 1 ist ein Beispiel für ein Stellglied gezeigt, bei dessen Einstellung eine Restabweichung auftritt. Das Stell­ glied dient z. B. zur Einstellung eines an einem Schreiber­ arm 3 befestigten Schreibelementes 9 auf eine Soll- Position, wobei nach der Einstellung dieses Schreibelementes 9 eine Restabweichung 1 verbleibt. Diese Restabweichung wird beispielsweise durch ein Spiel an den Zahnflanken eines Zahn­ radgetriebes 2, durch die Elastizität des Schreiberarms 3, durch Spiel in der Halterung des Schreibelementes 9 oder durch Stellungsfehler eines Motors 4 hervorgerufen. Dieser Motor kann beispielsweise einen Restlastwinkel 5 oder eine Hysterese (bei einem Schrittmotor) aufweisen. Weiterhin kann diese Rest­ abweichung durch die endliche Verstärkung in einem das Stell­ glied steuernden Regelkreis oder durch die Hysterese des Po­ sitionsgebers in einem Servosystem hervorgerufen werden. Diese Restabweichung ist mit relativ guter Genauigkeit bekannt, ihre Richtung hängt jedoch von der Bewegungsrichtung des Stellglie­ des vor dem Erreichen der gewünschten Position ab.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines Servosystems mit Einrichtungen zur Kompensation dieser Restabweichung gezeigt. Dieses Servosystem dient zur Einstellung eines beweglichen Teils 8, der z. B. ein Schreibelement 9 trägt, auf eine Soll- Position. Als Antriebsglied dient hier ein Linearmo­ tor 7, dessen Position mit Hilfe eines Positionsgebers 10 gemessen wird. Ein Regler 11 steuert den Linearmotor 7 ent­ sprechend dem die Ist-Position darstellenden Rückführungssignal des Positionsgebers 10 und einem seinem Eingang 11 a zugeführten die Soll-Position darstellenden Steuersignal an. Dieses Steuersignal wird von einem über einen Widerstand 29 gegenge­ koppelten Operationsverstärker 12 erzeugt, der als Summier­ verstärker geschaltet ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zur Summe der Ströme durch die an seinem Eingang 12 a angeschalteten Widerstände 14 und 15 ist. Der andere Eingang 12 b ist mit Erde verbunden.

Der von dem Schreibelement 9 abzubildende Meßwert wird in digi­ taler Form über eine Eingangsleitung 32 zugeführt. Aufeinander­ folgende Werte eines Kurvenzuges werden getaktet von einem Zwischenspeicher oder Schieberegister 17 übernommen und werden gleichzeitig einem Digital-Analogwandler 16 zugeführt, dessen Ausgang über den Widerstand 14 mit dem Eingang 12 a des Opera­ tionsverstärkers 12 verbunden ist. Der Digital-Analog-Wandler setzt den Digitalwert in ein analoges Spannungssignal um, das über den Widerstand 14 als Stromsignal dem Operationsverstär­ ker 12 zugeführt wird.

Weiterhin ist ein Vergleicher 18 vorgesehen, der den jeweils am Eingang 17 a des Zwischenspeichers oder Schieberegisters 17 anliegenden Meßwert mit einem jeweils vorangegangenen Meß­ wert am Ausgang 17 b dieses Schieberegisters vergleicht und ein entsprechendes Signal über die Änderungsrichtung des Steuersignals und damit die Bewegungsrichtung des Schreibele­ mentes 9 liefert. Dieses Ausgangssignal des Vergleichers 18 steuert einen Schalter 13, der ein die Restabweichung des Schreibelementes 9 kompensierendes Korrektursignal über den Widerstand 15 dem Eingang 12 a des Operationsverstärkers 12 zuführt. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Vergleichers 18 wird dieses Korrektursignal mit positivem Kontakt 30 oder negativem Kontakt 31 dem über den Widerstand 14 zugeführten Steuersignal hinzuaddiert. Bei aufeinanderfolgenden gleichen Meßwerten führt das Schreibelement keine Bewegung aus und ent­ sprechend liefert auch der Vergleicher 18 kein Ausgangssignal, so daß der Schalter 13, der lediglich aus Vereinfachungsgrün­ den als mechanischer Schalter dargestellt ist, eine Mittelstellung einnimmt und kein Korrektursignal an den Operationsverstärker 12 liefert. Der Schalter 13 kann in allgemein üblicher Weise selbstverständlich als elektronischer Schalter ausgebildet sein.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Servosystems zur Ansteuerung eines Linearmotors 7 gezeigt, der ebenfalls die Bewegung eines Schreibelementes 9 steuert, dessen Posi­ tion mit Hilfe eines Positionsgebers 10 gemessen und einem Eingang 11 b eines Reglers 11 zugeführt wird. Der andere Ein­ gang 11 a des Reglers 11 ist wiederum mit dem Ausgang eines über einen Widerstand 29 gegengekoppelten Operationsverstärkers 12 verbunden, der als Summierverstärker geschaltet ist. Diese in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Servosystems dient z. B. zum Schreiben von alphanumerischen Zeichen oder Symbolen und die vom Schreibelement 9 zu schreibenden Werte sind in einem Zeichenspeicher 19 gespeichert. In diesem Fall wird ein Teil 20 des Zeichenspeichers 19 dazu verwendet, Informationen über die Änderungsrichtung des von dem Digital-Analogwandler 16 abgegebenen Analogsignale und damit Informationen über die Bewegungsrichtung des Schreibelementes 9 zu speichern, wobei diese Informationen in eine der Fig. 2 entsprechenden Weise zur Steuerung des Schalters 13 verwendet werden. Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform könnten die ein­ zelnen Digitalwerte in dem Zeichenspeicher selbst um den Be­ trag der Restabweichung vergrößert bzw. verkleinert sein.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Servosystems gezeigt, die sich von den Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 durch eine andere Ausgestaltung der Ansteuerung des Operationsverstärkers 12 unterscheidet, wobei die jeweiligen mit den Bezugsziffern 8 bis 12 und 14, 15 und 29 bezeichneten Teile den Teilen der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3 entsprechen. Das Servosystem nach Fig. 1 wird durch ein in Analogformat vorliegendes Steuersignal an einer Eingangs­ leitung 32 gesteuert, das über den Widerstand 14 dem einen Ein­ gang des Operationsverstärkers 12 zugeführt wird. Dieses Steuer­ signal an der Eingangsleitung 32 wird weiterhin einem ersten Differenz-Eingang 20 a eines zweiten Operationsverstärkers 20 direkt und dem zweiten Differenz-Eingang 12 b über einen Widerstand 21 zugeführt, wobei dieser zweite Eingang 20 b über einen Kondensator 22 mit Erde verbunden ist. Bei einer Änderung des Meßwertes an der Eingangsleitung 32 fließt über den Wider­ stand 21 ein Ausgleichsstrom in den eine Art von Zwischen­ speicher bildenden Kondensator 22, der am Widerstand 21 einen Spannungsabfall hervorruft, dessen Vorzeichen die Bewegungs­ richtung des Schreibers bzw. die Änderungsrichtung des Steuer­ signals an der Eingangsleitung 32 angibt. Dieses Signal wird dem Operations­ verstärker 20 in ein Korrektursteuersignal umgewandelt und über den Widerstand 15 zum Strom des Meßwertes im Widerstand 14 hinzuaddiert.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Servosystems gezeigt, das zur Ansteuerung eines Stellgliedes dient, das durch einen Schrittmotor 4 gebildet wird, der z. B. das Zahn­ radgetriebe 2 nach Fig. 1 antreibt. Bei dieser Ausführungs­ form werden an der Eingangsleitung 30 anliegende digitale Meßwerte jeweils in ein einstufiges Sollwertregister 24 über­ nommen und erscheinen an dessen Ausgang. Zur Kompensation wird in einem Rechenwerk 25 der an einer Leitung 33 in Digitalformat zugeführte Wert des Korrektursteuersignals in Abhängigkeit von einem Schaltsignal am Eingang 33 a, das die Änderungsrichtung des Steuersignals bzw. der Bewegungsrichtung des Stellglie­ des 2 bis 4 darstellt, hinzuaddiert oder subtrahiert. Die Änderungsrichtung wird in einem Vergleicher 26 festgestellt, der den um den Korrekturwert vergrößerten oder verkleinerten Meßwert mit dem Istwert der Position des Schreibers, der in einem Vorwärts-/Rückwärtszähler 23 gespeichert ist, vergleicht. Der Vergleicher 26 gibt, wenn der Istwert von dem Sollwert abweicht, einen Taktgenerator 27 frei, der den Takt für den Schrittmotor 4 erzeugt. Die Schrittimpulse werden vom Vor­ wärts-Rückwärts-Zähler 23 gezählt und weiterhin einem Umsetzer und Verstärker 28 zugeführt, der die Mehrphasensignale für den Betrieb des Schrittmotors 4 erzeugt. Die Bewegungsrich­ tung des Schrittmotors und die Zählrichtung des Vorwärts- Rückwärts-Zählers werden durch ein Ausgangssignal am Ausgang 26 b des Vergleichers 26 festgelegt, das gleichzeitig zur Steuerung des Rechenwerks 25 dient.

Claims (13)

1. Verfahren zur Einstellung eines Stellgliedes auf eine Soll-Position, bei dem ein die Soll-Position darstellen­ des Soll-Positionssignal mit einem Ist-Positionssignal in einem Vergleicher verglichen und das Ausgangssignal des Vergleichers zur Ansteuerung des Stellgliedes verwen­ det wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Positionssignal vor der Zuführung an den Ver­ gleicher mit einem Korrektursignal verknüpft wird, das ei­ ner Restabweichung zwischen der Soll-Position und einer unter der Steuerung des Soll-Positionssignals erreichten Stellposition des Stellgliedes entspricht, und daß die Ver­ knüpfung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung, mit der sich das Stellglied auf die Soll-Position bewegt, eine Ad­ dition oder Subtraktion ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung bei ansteigendem Soll-Positionssignal eine Addition und bei absinkendem Soll-Positionssignal ei­ ne Subtraktion ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Vergleicher zum Vergleich eines Ist- Positionssignals von einem Positionsgeber mit einem Soll- Positionssignal, und mit einem von dem Ausgangssignal des Vergleichers angesteuerten Stellglied, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Soll-Positionssignal dem Stellglied (7-11; 2, 3, 4, 27, 28) über ein Summierglied (12; 25) zuge­ führt wird,
• - daß ein Detektor (17, 18; 20; 23, 26) zur Feststel­ lung der Änderungsrichtung des Soll-Positionssignals vorgesehen ist,
• - daß das Ausgangssignal des Detektors das Summierglied im Sinne einer Addition bzw. Subtraktion steuert, und
• - daß das Summierglied (12; 25) als weiteres Eingangs­ signal ein Korrektursignal empfängt, das der Restab­ weichung zwischen der Soll-Position und einer unter der Steuerung des Soll-Positionssignals erreichten Stellposition des Stellgliedes entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein kontinuierlich einstellendes Stell­ glied (7, 8) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Schrittmotor (4) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Summierglied durch einen als Summierverstärker ge­ schalteten gegengekoppelten Operationsverstärker (12) ge­ bildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Summierglied durch ein Rechenwerk (25) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor durch einen Operationsverstärker (20) ge­ bildet ist, dessen einer Differenzeingang (20 a) das ein Analogformat aufweisende Soll-Positionssignal empfängt, während der andere Differenzeingang (20 b) dieses Steuer­ signal über einen Widerstand (21) empfängt und über einen Kondensator (22) mit Erde verbunden ist, so daß das Aus­ gangssignal des Operationsverstärkers (20) in Abhängigkeit von der Änderungsrichtung des Soll-Positionssignals einen positiven oder negativen Wert annimmt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, bei der das Steuersignal Digitalformat aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor durch ein Schieberegister (17) und einen digitalen Vergleicher (18) gebildet ist, dessen Eingänge mit dem Eingang (17 a) bzw. dem Ausgang (17 b) des Schiebe­ registers (17) verbunden sind, und daß der Eingang des Schieberegisters (17) das Soll-Positionssignal empfängt, das außerdem über einen Digital-/Analogwandler (16) dem einen Summiereingang des Summiergliedes (12) zugeführt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Detektors (17, 18; 20) einen elektro­ nischen Schalter (13) steuert, der in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Detektors (17, 18; 20) das Korrek­ tursignal mit positiven oder negativen Vorzeichen dem zweiten Summiereingang des Summierglieds (12; 25) zu­ führt oder die Zuführung des Korrektursignals unterbricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Detektors (20) dem zweiten Summiereingang des Summiergliedes (12) zugeführt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Soll-Positionssignal Digitalformat aufweist und das Mehrphasenfeld des Schrittmotors in einem durch einen Taktgenerator gesteuerten Generator mit einer von einem Schaltsignal bestimmten Richtung erzeugt wird und bei der die Ausgangssignale des Taktgenerators in einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler, dessen Zählrichtung durch das Schaltsignal bestimmt ist, gezählt werden, wobei der die Ist-Position des Schrittmotors darstel­ lende Zählwert in einem Vergleicher mit dem Soll-Posi­ tionssignal verglichen wird, wobei der Vergleicher bei fehlender Übereinstimmung den Taktgenerator startet und ein entsprechendes Schaltsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (26) gleichzeitig den Detektor bil­ det, daß das Soll-Positionssignal dem Vergleicher (6) über ein zwischen Addition und Subtraktion umschaltbares, das Summierglied bildendes Rechenwerk (25) zugeführt wird, dessen anderer Eingang ein das Korrektursignal darstellendes Digitalsignal empfängt, und daß das Rechen­ werk (25) durch das Schaltsignal zwischen Addition und Subtraktion umschaltbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Positionssignal von einem Speicher (19) geliefert wird, der einen weiteren Speicherabschnitt (20) aufweist, in dem Werte für die Änderungsrichtung des Soll-Positionssignals zwischen zwei aufeinanderfol­ gend abzurufenden gespeicherten Werten des Soll-Posi­ tionssignals gespeichert sind.