DE2940894B2

DE2940894B2 - Positionskontroll-Einrichtung

Info

Publication number: DE2940894B2
Application number: DE2940894A
Authority: DE
Inventors: Yves Avrille Mulet-Marquis
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1978-10-05
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1981-07-16
Also published as: FR2440574B1; DE2940894C3; FR2440574A1; GB2040467B; CH635948A5; DE2940894A1; US4310790A; GB2040467A; JPS5833565B2; JPS5569813A; CA1154521A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionskontroll-Einrichtung der im Gattungsteil des Anspruchs 1 genannten Art.

65 Es ist allgemein üblich, Positionskontrolldaten für die Lageregelung, wie etwa die Winkelstellung einer Achse oder dergleichen Bauteil, in digitaler Form vorzugeben. Die digitale Regelung hat gegenüber der analogen den Vorteil größter Genauigkeit und Störunanfälligkeit.

Eine Einrichtung der hier interessierenden Art für die Lageregelung ist beispielsweise aus der US-PS 32 27 863 bekannt Diese Kontrolleinrichtung besteht aus folgenden Bestandteilen: Einem ersten Generator, der zwei identische Impulsfolgen, die um 90° phasenverschoben sind, liefert, einem Winkelpositionsresolver, der einen Rotor aufweist, welcher mit dem Bauteil verbunden wird, dessen Winkelposition gesteuert werden soll, wobei zwei Eingänge an die ersten und zweiten Impulsfolgen des ersten Generators angeschlossen sind, und ein Ausgangssignal die tatsächliche Winkelposition des in seiner Winkellage zu regelnden Bauteiles angibt Weiter aus einem zweiten Generator, der eine Digital-Information in Form eines Binärwortes als Ist-Information enthält, und ein Informationssignal der gleichen Frequenz wie die erste und zweite Impulsfolge mit einer Phase, welche der erwünschten Winkelposition des Bauteiles entspricht, abgibt Weiter enthält die bekannte Einrichtung einen Generator zur Erzeugung eines Abweichungssignals, der mit dem Ausgang des Winkelpositionsresolvers und einem zweiten Generator verbunden ist, um ein Positions-Abweichungssignal zu liefern, das dem Phasenunterschied zwischen Meßsignal und Sollwertsignal entspricht, und eine Kontrollvorrichtung zur Regelung der Winkelposition jenes Bauteils als Funktion des Abweichungssignals. Bei der bekannten Kontrolleinrichtung werden Rechtecksignale, die von einem Taktgeber durch Frequenzteilung erhalten werden, direkt auf den Resolver gegeben. Dabei entstehen eine große Zahl von harmonischen im Meßsignal, die sich so stark auswirken können, daß ein Filterglied erforderlich wird.

Es ist bekannt, daß es keine perfekten Tiefpaßfilter gibt, die ein völliges Unterdrücken dieser Störerscheinung bewirken, wenn sie nicht gleichzeitig phasenverschiebend wirken. Dadurch wird notwendigerweise das Meßsignal nachteilig beeinflußt. Des weiteren ist beim Stand der Technik die Phasenverschiebung nicht gleichmäßig und insbesondere stark temperaturabhängig·

Ein Gewinn an größerer Genauigkeit durch die Einschaltung eines Filtergliedes geht somit weitgehend wieder verloren.

Ähnlich liegen die Verhältnisse hei einer weiteren bekannten Lageregeleinrichtung mit einem Stellmotor, der von einem Phasendiskriminator gesteuert wird und die Lage eines Maschinenelements und zugleich die Einstellung eines Resolvers verstellt (DE-AS 12 49 977).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Kontrolleinrichtung zu schaffen, bei der die Herstellung des Abweichungssignals zwischen Soll- und Istwert auf der Grundlage digitaler Meßtechnik ohne die Notwendigkeit der Einschaltung eines Filtergliedes möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

jedes der vom ersten Generator gelieferten ersten und zweiten Signale ist eine digitale Annäherung eines sinusförmigen Signals bestehend aus Halbperioden, wobei es besonders vorteilhaft ist, daß jede Halbwelle aus mehreren Stufen besteht, wodurch ein Signal

aufzubauen ist, das einen geringen Gehalt an harmonischen Schwingungen aufweist und wobei das Abweichungssignal beziehungsweise der dieses vorgebende Generator direkt die Phase des ungefilterten Ausgangssignals des Resolvers mit der Phase des Soll- oder Befehlssignals vergleicht.

Es ist auch vorteilhaft, den Generator für das Abweichungssignal mit einem Synchrondemodulator zu versehen, der mit einem Kontrollsignal beaufschlagt ist, das sich in Phase mit letzterem befindet, und das aus :o Rechteckimpulsen aufgebaut ist deren Dauer der Hälfte einer Periode entspricht, so daß während aufeinanderfolgender Halbperioden das Ausgangssignal des Demodulators als Funktion des diesem zugeführten Meßsignals verbunden mit dem Ausgangssignal des Genera- !■> tors für das Abweichungssignal von einem positiven Wert zu einem entgegengesetzten negativen Wert geht

Das Abweichungssignal wird so vorgegeben, daß es dem Mittelwert des Ausgangssignals des Demodulators entspricht

Die erfindungsgemäße Einrichtung soll mit der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die beispielsweise Ausführungsmöglichkeiten zeigen, näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Blockdarstellung einer Ausgestaltungsform der Einrichtung;

F i g. 2 ein Zeitschaltdiagraimm des in F i g. 1 verwendeten Generators;

F i g. 3A bis 3G Schwingungsdiagramme der vorgebbaren Signale des Motors der Einrichtung von Fig. 1; jo F i g. 4 einen Längsschnitt durch den Motor;

Fig.5 einen Querschnitt durch den Motor der in F i g. 1 gezeigten Einrichtung; und

F i g. 6 eine Variante der Verbindung für den Motor entsprechend der Anordnung nach F i g. 5 als Funktion der Winkelposition des Rotors.

Die Einrichtung besteht nach F i g. 1 aus einem Taktgeber 10, einem Frequenzteiler 11, der die Impulse vom Taktgeber 10 empfängt, einem Generator 12, der mit dem Ausgangssignal des Frequenzteilers 11 beaufschlagt wird und zwei Schaltkreise 12a und \2b enthält, welche ein Sinussignal SlN und ein Cosinussignal COSliefem, wobei diese Signale gegeneinander um 90° phasenverschoben sind. Die Signale SlN und COS werden den Wicklungen 14 und 15 des Stators eines Resolvers 13 zugeführt. Der Rotor des Resolvers 13 ist fest mit einem Bauelement verbunden, dessen Winkelposition gesteuert und bestimmt wird; im vorliegenden Fall mit der Achse 21 eines Motors 20. Ein Meßsignal SM, dessen Phase für die Winkelposition der Achse 21 repräsentativ ist, wird am Ausgang der Ausgangswicklung 16 des Resolvers 13 abgenommen und dem Eingang 18a eines Generators 18 für die Erzeugung eines Abweichungssignals SE zugeführt. Der andere Eingang 186 des Generators 18 wird mit einem Befehlssignal SC dessen Phase repräsentativ für die gewünschte Winkelposition ist, beaufschlagt; dieses Signal wird vom Generator 17 geliefert, der seinerseits vom Taktgeber 10 gesteuert ist.

Der Generator 17 erhält die Information für die gewünschte Winkelposition in digitaler Form, hier als Binärwort C. Das Abweichungssignal am Ausgang des Generators 18 wird im Verstärker 19 verstärkt, um den Motor 20 entsprechend steuern zu können, der seinerseits die Winkelveränderung vornimmt, bis die tatsächliche, also die Ist-Winkelpositiori mit der eingegebenen Soll-Winkelposition übereinstimmt.

Die Funktionsweise der Steuereinrichtungen wird nachfolgend naher beschrieben.

Der Taktgeber 10 ist im Ausführungsbeispiel ein quarzstabilisierter Hochfrequenzgenerator, dessen Ausgangssignale 5b dem Frequenzteiler 11 zugeführt werden. Letzterer liefert ein Signal S\ mit einer Frequenz Fi (s. Fig.3A). Der Schaltkreis 12a des Generators 12 besteht aus einem Widerstandsnetzwerk Ri — Rb (s-F i g. 2), das am Ausgang das SlN Signal mit der Frequenz Fi liefert Die anderen Eridanschlüsse der Widerstände Ri-Re werden mit den Signalen Vi — V₆ (Fig.2), die aus dem Signal Si abgeleitet sind, beaufschlagt Die Signale Si und die Signale V\ — V_b sind zueinander um den Betrag f verschoben.

Das SIN Signal ist ein aus mehreren Stufen aufgebautes Signal der Frequenz Fi, wie F i g. 2 und 3B zeigen. Im Ausführungsbeispiel wird eine Doppelschwingung aus zwölf verschiedenen Iinpulsstufen aufgebaut wofür ein Netzwerk von sechs Widerständen benutzt wird. Die einzelne Impulsdauer ist damit gleich einem Zwölftel der Periode des Si Signals. Da das Signal Si als Phasenreferenzsignal benutzt wird, ist das Signal Vi um "/21 in bezug auf das Signal Si verzögert, so daß das Signal Si und das Signal SINm Phase sind.

Die Werte der Widerstände sind so bestimmt daß die damit sich ergebenden verschiedenen Stufen ein Signal aufbauen, das eine besonders gute Annäherung zu einem sinusförmigen Signal darstellt so daß der Anteil an harmo.iischen Schwingungen im SlN Signal sehr niedrig gehalten werden kann. Im allgemeinen gilt, daß dann, wenn 2p die Zahl der Stufen für eine Doppelschwingung ist, nur die harmonischen Schwingungen der Ordnung k (2p) ± 1 vorliegen, wobei k eine ganze Zahl ist

Der Schaltkreis 12fterzeugt das COS Signal (F i g. 3C) in einer zum Schaltkreis 12a analogen Weise, wobei die beiden Signale um 90° phasenverschoben sind.

Das Signal SM(Fig. 3D) am Ausgang des Resolvers 13 ist bezüglich des SWV Signals um einen Betrag phasenverschoben, dessen Wert B_m der Winkelposition des Rotors des Resolvers entspricht.

Zu dem Generator 17 gehört ein Auf- Abwärtszähler 17a, dessen Kapazität so bestimmt ist, daß die Impulse des Taktgebers 11 mehrere Perioden mit der Frequenz Fi auf- beziehungsweise abwärts gezählt werden. Der Zähler 17a liefert das Ausgangssignal SC mit der Frequenz F\ (Fig.3E). Der Phasenunterschied Qc zwischen dem Signal SC und dem Signal Si wird bestimmt durch die Eingabeinformation in den Auf-Abwärtszähler 17a, die dem Binärwort C entspricht. Letzteres ist beispielsweise in einem mit dem Zähler 17a verbundenen Register 17f> gespeichert

Der Generator 18 enthält einen Demodulator 18c, dessen Verstärkung zwischen seinem das Meßsignal SM empfangenden Eingang 18a und seinem das Ausgangssignal Sfliefernden Ausgang 18j(F i g. 3F) abwechselnd von positiven zu negativen Werten, beispielsweise von +1 nach — 1 im Verlauf von aufeinanderfolgenden Halbperioden des Befehlssignals SC wechselt, wobei letzteres das dem Demodulator zugeführte Steuersignal darstellt.

Ein Schaltkreis 18</ ermittelt aus dem demodulierten Signal den Mittelwert und gibt das Abweichungssignal SE in Form eines kontinuierlichen Signals ab, dessen Amplitude gleich oder proportional dem Mittelwert ist (F'g. 3G). Die Phasenverschiebung zwischen den Beträgen Bm und Bc ist proportional dem Mittelwert des Abweichungssignals SE

Der geringe Anteil an harmonischen Schwingungen

in den Signalen SIN und COS und demgemäß auch in dem Meßsignal SM macht die Zwischenschaltung eines Filtergliedes und damit die Gefahr störender Phasenverschiebungen überflüssig.

Ein weiterer Vorteil besteht bei der vorbeschriebenen Einrichtung darin, daß die Verwendung eines Resolvers mit Drehtransformator als Positionsfühler und die Verwendung eines elektrischen Schleif- oder Drehkontaktes unnötig ist, die die Zuverlässigkeit der Einrichtung herabsetzen wurden. Die Störungsanfälligkeit wird weiterhin gesteigert bei Anwendung der Einrichtung in Verbindung mit einem Gleichstrommotor, der ohne Bürsten arbeitet und einen begrenzten Winkelausschlag hat, beispielsweise um 60° zu beiden Seiten der Zentralstellung.

Der Rotor des Motors besteht bei dieser Anwendungsmöglichkeit der Einrichtung gemäß Fig.4 und 5 aus einem Permanentmagneten 21 und dem Stator 22 mit einem ferromagnetischen Kern, auf den Stromleiter 23,24 so gewickelt sind, daß in ihnen die Stromrichtung entgegengesetzt ist. Ein derartiger Motor weist eine

■-, Drehmomenten-Kennlinie auf, wie sie in F i g. 6 gezeigt ist. Der Ausschlag um 60° reicht in den meisten Anwendungsfällen aus, wie etwa zur Steuerung der Winkelstellung einer Nocke.

Der Resolver 13 ist auf dem Gehäuse 25 des Motors

κ, 20 befestigt. Die herausragende Antriebswelle des Resolvers wird so weit verlängert, daß sie als Antriebswelle des Motors verwendet werden kann. Dadurch wird jede Ungenauigkeit in der Präzision, wie sie durch ein eventuelles Spiel einer Kupplung

ι', verursacht werden könnte, vermieden. Ein den Stator 22 tragendes Gehäuse enthält die elektronischen Bestandteile der Steuervorrichtung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

j. Positionskontroll-Einrichtung fur die Lageregelung, etwa der Achslage eines Motors, bei der zwei identische Signale, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, vorgegeben werden, bestehend aus einem Resolver, dessen Rotor mit dem Bauelement verbunden ist, von welchem die Winkellage geregelt werden soll, und dessen zwei Eingänge mit einem ersten Generator zum Empfang ι ο des von diesem gelieferten ersten zweiten Signals verbunden sind, und dessen Ausgang ein Meßsignal liefert, dessen Phase für die tatsächliche Winkelposition des Bauelements repräsentativ ist, aus einem zweiten Generator, dem digitale Eingabeinformationen in Form eines Binärwortes zugeführt werden und der ein Signal, dessen Frequenz gleich der beiden vom ersten Generator abgegebener Inpulsfolgen ist, abgibt, dessen Phase repräsentativ für die gewünschte Winkelposition ist, sowie aus einem dritten Generator zum Erzeugen eines Abweichungssignals, der mit dem Ausgang des Resolvers und dem Ausgang des zweiten Generators verbunden ist, wobei das Positions-Abweichungssignal dem Phasenunterschied zwischen Istwert- bzw. Meßsignal und Sollwert- bzw. Befehlssignal entspricht, und bestehend aus einer Regelvorrichtung zum kontrollierten Regeln der Winkelposition des Bauelements als Funktion des Abweichungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden vom so ersten Generator (12) abgegebenen Signale (SlN und COS) einer digitalen Annäherung eines sinusförmigen Signals bestehend aus Halbperioden entspricht, wobei jede Halbwelle aus mehreren Stufen bestehend durch ein Widerstandsnetzwerk (R\ bis » Ri) vorgegeben ist, und daß der dem zweiten Generator (17), der ausgangsseitig das Sollwertbzw. Befehlssignal (SC) liefert, nachgeschaltete dritte Generator (18), direkt die Phase des ungefilterten Ausgangssignals des Resolvers (13) als Istwert- bzw. Meßsignal (SM) empfängt und mit der Phase des Sollwertsignals vergleichend das Abweichungssignal (SE) als Mittelwert eines Demodulators (ISc^vorgibt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 4^r> zeichnet, daß der dritte Generator (18) für das Abweichungssignal (SE) einen Synchrondemodulator (18c,) enthält, der mit einem Regelsignal beaufschlagt ist, dessen Frequenz gleich jener des Sollwertsignals (SC) ist, und das sich in Phase mit letzterem befindet, und das sich aus Rechteckimpulsen, deren Dauer der Hälfte einer Periode der Sinuswelle entspricht, aufbaut, wobei während aufeinanderfolgenden Halbperioden das Ausgangssignal des Demodulators (18c,) als Funktion des Meßsignals (SM) von einem positiven zu einem entgegengesetzten negativen Wert geht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resolver (13) und das in seiner Winkellage zu kontrollierende Bauelement (20) mit einer gemeinsamen Achse verbunden sind.