DE3233874C2

DE3233874C2 -

Info

Publication number: DE3233874C2
Application number: DE3233874A
Authority: DE
Inventors: Yo Tokio/Tokyo Jp Ikebe; Hiromu Yatabemachi Ibaraki Jp Hirai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1982-09-13
Publication date: 1988-05-05
Also published as: US4587469A; DE3233874A1; JPS5846413A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Regelanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Eine solche Anordnung ist aus der DE-OS 28 02 224 bekannt.

Die bekannte Regelanordnung ist in der Form einer Drehzahlregelung mit überlagerter Stromregelung aufgebaut. Neben einer direkten Strom-Istwertrückkopplung wird zur Kompensation der Last aus den Drehzahl- und Strom-Istwerten rechnerisch noch ein Lastmoment abgeleitet, das ebenfalls rückgekoppelt wird. Die Regelung besteht damit insgesamt aus einem Drehzahlregler mit Proportionalverhalten und einem Stromregler mit einem angeschlossenen "Beobachter".

Damit kann zwar eine Drehzahlregelung mit einem guten dynamischen Verhalten, insbesondere einem geringen Überschwingen bei sprunghaften Drehzahl-Sollwertänderungen erhalten werden. Bei der bekannten Anordnung wird mit anderen Worten ein gutes Folgeverhalten bei Änderungen der Sollwertvorgabe erreicht.

Änderungen an der Last selbst können hingegen mit dieser Anordnung nicht gut ausgeregelt werden, wodurch die Regelung nicht für Fälle geeignet ist, bei denen sich Reibungs- und sonstige äußere Kräfte an der Last laufend erheblich ändern, wie zum Beispiel bei Drehzahl- oder Lageregelungen an Magnetbandgeräten für die Computerperipherie, optischen Lesegeräten, Druckern und dergleichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Regelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß sie weder durch Veränderungen der Last noch durch äußere Störungen an der Last beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Regelanordnung hat den Vorteil, gleichermaßen zur Regelung der Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit, der Lage oder ähnlicher Größen geeignet zu sein. Das Lastkompensationselement am Eingang des Motor-Ansteuerkreises ermöglicht dabei eine optimale Kompensation des Motorverhaltens auf der Basis von Laständerungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Regelanordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Die Anordnung nach Anspruch 2 ermöglicht es dabei, zusätzlich eine nichtlineare Kennlinie des elektrischen Antriebs zu linearisieren.

Die Regelanordnung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Servoanordnung,

Fig. 2 im Diagramm die Drehmoment/Drehzahlkennlinie eines erfindungsgemäß angewandten Motors,

Fig. 3 im Diagramm die Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit vom Ankerstrom im Leerlauf des Motors,

Fig. 4 im Diagramm die Eingangs/Ausgangskennlinie eines Lastkennlinienkompensators zur Kompensation der Ausgangsdrehzahl eines regelbaren Gegenstandes oder des Motors zum Antrieb des Gegenstandes in der erfindungsgemäßen elektrischen Servoanordnung, wobei die Ausgangsdrehzahl keine sichtbare Abhängigkeit vom Lastmoment hat,

Fig. 5 im Diagramm die Eingangs/Ausgangskennlinie eines Kompensators für die Leerlaufkennlinie zur Linearisierung der Leerlaufkennlinie des Motors in der erfindungsgemäßen elektrischen Servoanordnung,

Fig. 6 im Diagramm typische Kennlinien für das Verhältnis zwischen dem Lastmoment und der Winkelgeschwindigkeit, die man bei Anwendung des Lastkennlinienkompensators, den die vorliegende Erfindung beinhaltet, erhält,

Fig. 7 im Diagramm eine typische Kennlinie für das Verhältnis zwischen der Fehlerspannung und der Winkelgeschwindigkeit, wie man sie bei Anwendung des Leerlaufkennlinienkompensators, den die vorliegende Erfindung einschließt, erhält,

Fig. 8 im Blockschaltbild eine bekannte lineare elektrische Servoanordnung,

Fig. 9 im Blockschaltbild eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die Erfindung angewandt ist auf die bekannte elektrische Servoanordnung nach Fig. 8,

Fig. 10 im Blockschaltbild ein Beispiel für eine erfindungsgemäße elektrische Servoanordnung, die einen stabilisierenden Kompensator beinhaltet,

Fig. 11 im Blockschaltbild ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße elektrische Servoanordnung.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der elektrischen Regelanordnung enthält eine Last 1, die als zu regelndes Objekt dient, einen elektrischen Antrieb bzw. Motor 2, der die Last 1 antreibt, einen Signalgenerator 3, der für die Last 1 einen Stellungssollwert v erzeugt, und einen Istwert-Detektor als Stellungsrückkoppelkreis 4, bestehend aus einem Stellungsdetektor 4 a zur Erfassung der Position der Last 1 und einem Stellungsdetektorkreis 4 b. Ferner ist ein Drehmomentrückkoppelkreis 5, bestehend aus einem Drehmomentdetektor 5 a zur Bestimmung des auf die Last 1 ausgeübten Drehmoments und einem Drehmomentsdetektorkreis 5 b vorgesehen. Ein Addierer 6 berechnet den Fehler e zwischen dem Sollwert v des Signalgenerators 3 und dem Stellungssignal vom Stellungsrückkoppelkreis 4. Ein Aussteuerkreis in der Form einer Motorspeisung 7 verstärkt die Leistung des Eingangsignals für den Motor 2. Ein Leerlaufkennlinienkompensator 8 und ein Lastkennlinienkompensator 9 sind nacheinander der Motorspeisung 7 vorgeschaltet. Das Ausgangssignal des Drehmomentrückkoppelkreises 5 ist auf den Lastkennlinienkompensator 9 rückgekoppelt.

Zunächst seien einige charakteristische Eigenschaften des Motors 2, der einen Bestandteil der elektrischen Servoanordnung darstellt, an einem Beispiel erläutert. Es soll sich bei dem Motor 2 um einen ankergesteuerten Gleichstrommotor handeln. Die Regelanordnung ist jedoch in gleicher Weise auf einen beliebigen Motor wie z. B. einen Wechselstrommotor oder einen Linearmotor anwendbar.

In Fig. 2 sind die Drehmoment-/Winkelgeschwindigkeit-Kennlinien des Gleichstrommotors gezeigt. Auf der Abszisse ist das Lastmoment τ, das an der Last 1 angreift, und auf der Ordinate die Winkelgeschwindigkeit ω der Last 1 bzw. die des Motors 2 aufgetragen. Die Parameter i stellen Ankerströme dar. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ändert sich die Winkelgeschwindigkeit ω mit der Änderung des Lastmoments τ infolge eines Austausches der Last 1 oder von Veränderungen in der Last 1, äußerer Störungen und als Folge von Reibung an gleitenden Teilen bei konstantem Ankerstrom i. Wie ersichtlich, haben der Austausch oder Änderungen in der Last 1, äußere Störungen und die Reibung an gleitenden Teilen einen Einfluß auf die Steuerkennlinie der Regelanordnung.

Fig. 3 zeigt eine für ein nichtlineares Verhältnis zwischen dem Ankerstrom i und der Winkelgeschwindigkeit ω typische Leerlaufkennlinie, für den Fall, daß das Lastmoment τ gleich Null ist.

Der Leerlaufkennlinienkompensator 8 und der Lastkennlinienkompensator 9 beeinflussen den Motor 1, der die obengenannten Kennlinien hat, in einer im folgenden beschriebenen Weise. Im einzelnen hat der Leerlaufkennlinienkompensator 8 eine Eingangs/Ausgangskennlinie, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Dort sind auf der Abszisse die Eingangsspannung für den Leerlaufkennlinienkompensator 8, die dem Fehler e entspricht, und auf der Ordinate die Ausgangsspannung g des Leerlaufkennlinienkompensators 8 aufgetragen. Die Eingangs/Ausgangskennlinie des Leerlauflinienkompensators 8 hat die Aufgabe, die Nichtlinearität der Leerlaufkennlinie, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, zu eliminieren. Andererseits hat der Lastkennlinienkompensator 9 die in Fig. 4 gezeigten Eingangs/Ausgangskennlinien. Dort ist auf der Abszisse das Lastmoment τ und auf der Ordinate die Ausgangsspannung u des Lastkennlinienkompensators 9 aufgetragen. Demzufolge erzeugt der Lastkennlinienkompensator 9 eine Ausgangsspannung u, die bestimmt ist durch die in Fig. 5 gezeigte Ausgangsspannung des Leerlaufkennlinienkompensators 8 und das Lastmoment τ. Die Eingangs/Ausgangskennlinien des Lastkennlinienkompensators 9 beeinflussen das Verhältnis zwischen dem Lastmoment τ und der Winkelgeschwindigkeit ω so, daß die Winkelgeschwindigkeit ω keine erkennbare Abhängigkeit von dem Lastmoment zeigt (siehe Fig. 2). Wenn also der Leerlaufkennlinienkompensator 8 und der Lastkennlinienkompensator 9 der Motorspeisung 7 vorgeschaltet sind, erhält man die in Fig. 6 gezeigte Beziehung zwischen dem Lastmoment τ und der Winkelgeschwindigkeit ω und damit eine Leerlaufkennlinie wie in Fig. 7 gezeigt. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, hängt die Winkelgeschwindigkeit allein von dem auftretenden Fehler e und ist unabhängig von dem Lastdrehmoment τ, woraus sich die Möglichkeit ergibt, den Einfluß des Austausches oder von Veränderungen in der Last 1, äußerer Störungen und der Reibung an gleitenden Teilen zu eliminieren. Ferner wird das auftretende Verhältnis zwischen dem Fehler e und der Winkelgeschwindigkeit ω linear.

Der Leerlaufkennlinienkompensator 8 und der Lastkennlinienkompensator 9 mit den in Fig. 4 und 5 gezeigten Kennlinien können anhand eines Funktionengenerators oder eines Digitalrechners realisiert werden.

Der Leerlaufkennlinienkompensator 8 ist nicht immer erforderlich, um die beabsichtigte Eliminierung des Einflusses des Austausches der Last 1 oder von Veränderungen in der Last 1, äußeren Störungen und von Reibung an den gleitenden Teilen zu erzielen. Der Leerlaufkennlinienkompensator 8 dient vielmehr der Linearisierung der Übergangskennlinie der Regelanordnung und zur Verbesserung des Kompensationseffektes des Lastkennlinienkompensators 9.

Zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform der Regelanordnung wird zuerst erläutert, wie die Übergangskennlinie linearisiert wird, wie es im Blockschaltbild der Fig. 8 gezeigt ist, worin bedeuten:

K - Spannungsverstärkung der Motorspeisung; L - Ankerinduktivität (H); R - Ankerwiderstand (Ω); K _T - Drehmomentkonstante (Nm/A); K _B - Konstante für die induzierte Spannung (Vs/rad); J - kombiniertes Trägheitsmoment des Motors und der Last (Nms²/rad); B - Viskositätswiderstandsdrehmomentskonstante (Nms/rad); t _n - äußere Störung (Nm); R - zu regelnde Winkelverschiebung (rad); und ω - Winkelgeschwindigkeit (rad/s).

Im Blockschaltbild der Fig. 8 ist das Verhältnis zwischen dem Lastmoment und der Winkelgeschwindigkeit ω ausgedrückt als

wobei Ω(s), E(s) und T(s) die Laplace-Transformierten der Winkelgeschwindigkeit ω bzw. des Fehlers e bzw. des Lastmoments τ darstellen. s stellt den Laplace-Operator dar. Wenn die Regelung auf die in Fig. 8 gezeigte bekannte Anordnung mit nichtlinearer Kennlinie angewandt wird, so erhält man eine Regelanordnung, wie sie im Blockschaltbild der Fig. 9 dargestellt ist. Falls die Übergangskennlinie der Anordnung gemäß Fig. 8 linear ist, ist der Leerlaufkennlinienkompensator 8 unnötig und es sollte nur der Lastkennlinienkompensator 9 zusätzlich vorgesehen sein. In Fig. 9 ist der Lastkennlinienkompensator 9 durch strichpunktierte Linien eingerahmt. Demzufolge werden der Fehler e und ein Signal, welches von dem Lastmoment τ herrührt und einen Reihenkompensator 9 a durchlaufen hat und von diesem registriert wurde, in dem Lastkennlinienkompensator 9 addiert, um das Signal u zu erzeugen, das seinerseits an der Motorspeisung 7 anliegt. Der Reihenkompensator 9 a hat eine ausgewählte Übertragungskennlinie Gs(s), dargestellt durch

Eine Laplace-Transformierte U(s) der Ausgangsspannung u des Lastkennlinienkompensators 9 ist dann gegeben durch

Unter diesen Voraussetzungen läßt sich Gleichung (1), die das Verhältnis zwischen dem Lastmoment τ und der Winkelgeschwindigkeit ω angibt, ausdrücken als

Gleichung (4) zeigt, daß die auftretende Winkelgeschwindigkeit ω keine Abhängigkeit von dem Lastmoment τ aufweist. Somit kann der Einfluß des Austausches der Last 1 oder Veränderungen im Trägheitsmoment J, welches mit der Last 1 verbunden ist, die äußere Störung τ _n und der Einfluß von Reibung an den gleitenden Teilen eliminiert werden. Wenn das Lastmoment τ proportional zum Strom i ist, dann gilt gemäß Fig. 9

τ = K _T · i (5)

Gleichung (3), die das Verhältnis zwischen der Eingangs/Ausgangsspannung des Lastlinienkompensators 9 ausdrückt, ergibt sich zu

wobei I(s) die Laplace-Transformierte des Stroms i darstellt. Wenn ein Fehler e _m zwischen der Ausgangsspannung e _a der Motorspeisung und einer vom Motor induzierten Spannung auftritt, kann ferner folgende Beziehung zwischen der Fehlerspannung e _m und dem Strom i erhalten werden

E _m (s) = (Ls + R) I(s) (7)

Somit erhält man aus den Gleichungen (6) und (7) das Eingangs/Ausgangsspannungsverhältnis des Lastkennlinienkompensators 9 als

Dies stellt einen einfach zu realisierenden Schaltkreis dar, wobei E _m (s) für die Laplace-Transformierte der Fehlerspannung e _m steht. Für den Fall, daß das Fehlerspannungssignal e _m nicht direkt erhalten werden kann, wird die Beziehung

E _m (s) = E _a (s) - K _BΩ(s) (9)

verwendet, wobei E _a (s) die Laplace-Transformierte der Ausgangsspannung e _a der Motorspeisung darstellt. Dann ist das Eingangs/Ausgangsverhältnis des Lastkennlinienkompensators 9 gegeben durch

Wenn, wie oben beschrieben, zusätzlich ein Lastkennlinienkompensator 9 vorgesehen ist, der eine der Gleichungen (3), (6), (8) oder (10) erfüllt, dann ist die Übergangskennlinie der elektrischen Servoanordnung gegeben durch

wobei R (s), V(s) und T _n (s) die Laplace-Transformierten der zu steuernden Winkelverschiebung, des Sollwertes v bzw. der äußeren Störung τ _n darstellen. Aus Gleichung (11) wird klar, daß die zusätzliche Bereitstellung des Lastkennlinienkompensators 9 die Übergangskennlinie der elektrischen Servoanordnung unabhängig von dem auftretenden Trägheitsmoment J macht und den Einfluß der äußeren Störung τ _n aufhebt.

Die Übergangskennlinie zwischen dem Sollwert v und der regelbaren Größe R in Fig. 9 zeigt die Kennlinie eines Verzögerungselementes dritter Ordnung. Es ergibt sich aber eine lineare Verzögerungskennlinie nach Gleichung (11), wenn der Lastkennlinienkompensator 9, der die Gleichung (3), (6), (8) bzw. (10) erfüllt, zusätzlich vorgesehen wird. Demzufolge tritt in Verbindung mit der begleitenden quadratischen Modenkennlinie ein Problem auf, wenn die Kennlinie des Lastkennlinienkompensators 9 leicht von dem idealen Zustand, wie durch die Gleichungen (3), (6), (8) oder (10) dargestellt, abweicht. Mit anderen Worten: bestimmte Eigenschaften des zu regelnden Objektes destabilisieren die begleitende quadratische Mode. Solch ein Problem kann dadurch gelöst werden, daß ein stabilisierender Kompensator 10 mit einer Übergangsfunktion G _f (s) wie in Fig. 10 vorgesehen wird.

Wenn die Übergangsfunktion G _f (s) so gewählt ist, daß beispielsweise gilt

G _f (s) = K _α s² + K _l S (12)

und ein Kompensator G _s (s) so eingesetzt ist, daß er Gleichung (1) erfüllt, dann wird die regelbare Größe R ausgedrückt durch

wobei

Folglich zeigt die Übergangsfunktion zwischen dem Sollwert v und der regelbaren Größe R eine quadratische Verzögerungskennlinie, die durch K _α und K _ω bestimmt ist, diese kann als stabilie Mode gesetzt werden. In diesem Fall wird diese Mode durch eine lineare Mode begleitet, die normalerweise stabil ist. In dieser Weise kann die Übergangskennlinie zwischen dem Sollwert v und der regelbaren Größe R als Ganzes stabilisiert werden. Es ist von großer Bedeutung, daß die Werte K _α* und K _ω* unabhängig von dem Trägheitsmoment J sind. Der Fehler e in Fig. 10 kann, ohne von dem stabilisierenden Kompensator 10 Gebrach zu machen, über den Reihenkompensator geleitet und dann an die Motorspeisung angelegt werden, um damit den gleichen Effekt zu erreichen wie mit der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform. Eine Übergangsfunktion G _e (s) des Reihenkompensators kann zu diesem Zweck so gewählt werden, daß z. B. gilt

G _e (s) = K _a s² + K _b s + 1 (15)

Auf diese Weise kann die Übergangsfunktion zwischen dem Sollwert v und der regelbaren Größe R stabilisiert werden. Von dem Lastkennlinienkompensator 9 und dem Leerlauflinienkompensator 8, die in der Ausführung von Fig. 1 für den Motor 2 vorgesehen sind, ist der letztere Kompensator so ausgelegt, das nichtlineare Verhältnis zwischen dem Strom und der Winkelgeschwindigkeit zu verbessern, wenn das Lastmoment des Motors 2 gleich Null ist, also es zu linearisieren. Deswegen besteht keine Notwendigkeit, den Leerlaufkennlinienkompensator 8 vorzusehen, wenn die Leerlaufkennlinie des Motors 2 bereits linear ist. Fig. 11 zeigt eine Regelanordnung, die unter Berücksichtigung dieser Überlegungen aufgebaut wurde. Es sei darauf hingewiesen, daß der stabilisierende Kompensator 10 entsprechend dem Grad der Stabilisierung der Anordnung in der in der Fig. 10 gezeigten Form weggelassen werden kann.

Claims

1. Elektrische Regelanordnung mit

- einem elektrischen Antrieb (2) mit einem Ansteuerkreis (7),
- einer vom Antrieb (2) angetriebenen Last (1),
- einem Istwert-Detektor (4) zur Erfassung eines Istwertes ( R ) und Erzeugung eines entsprechenden Istwert-Signales,
- einer Fehlerberechnungseinheit (6) zur Erzeugung eines Fehlersignales (e), das dem Fehler zwischen dem Istwert ( R ) und einem vorgegebenen Sollwert (v) entspricht, und mit
- einer Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9),

dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Drehmomentdetektor (5 a) zur Feststellung des auf die Last ausgeübten Lastmoments ( τ ) und ein Drehmomentdetektorkreis (5 b) zur Erzeugung eines entsprechendes Lastmomentsignals vorgesehen ist, und daß
- der Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) das Fehlersignal (e) und das Lastmomentsignal zur Berechnung eines Kompensationssignales zugeführt wird, das auf der Abweichung des Istwertes aufgrund des Lastmomentes basiert, wobei das Kompensationssignal aus der Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) dem Ansteuerkreis (7) zugeführt wird.

2. Elektrische Regelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Leerlaufkennlinien- Kompensationseinrichtung (8), die zwischen der Fehlerberechnungseinheit (6) und der Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) geschaltet ist und ein Ausgangssignal (g) derart erzeugt, daß die Leerlaufkennlinie des elektrischen Antriebs (2, 7) linearisiert ist.

3. Elektrische Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) ein elektrisches Signal, das das Lastmoment ( τ ) repräsentiert, über einen Reihenkompensator (9 a) positiv an den elektrischen Antrieb (2, 7) rückkoppelt.

4. Elektrische Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) einen Ausgangsstrom des elektrischen Antriebs (2, 7) über einen Reihenkompensator (9 a) positiv an den elektrischen Antrieb (2, 7) rückkoppelt.

5. Elektrische Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) ein Signal kompensiert, das den Fehler zwischen einer Ausgangsspannung des elektrischen Antriebs (2, 7) und einer induzierten Spannung des elektrischen Antriebs (2, 7) anzeigt und das kompensierte Signal positiv zu dem elektrischen Antrieb (2, 7) rückkoppelt, so daß eine Ausgangs-Drehzahl unabhängig von dem Lastmoment ( t ) ist.

6. Elektrische Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) eine Ausgangsspannung des elektrischen Antriebs (2, 7) und eine Ausgangs-Drehzahl kompensiert, so daß die Ausgangs-Drehzahl unabhängig vom Lastmoment ( τ ) ist, wobei die Lastkennlinien-Kompensationseinrichtung (9) ein die kompensierte Ausgangsspannung des elektrischen Antriebs (2, 7) anzeigendes elektrisches Signal positiv an den elektrischen Antrieb (2, 7) rückkoppelt und ein die kompensierte Ausgangs-Drehzahl anzeigendes elektrisches Signal negativ an den elektrischen Antrieb (2, 7) rückkoppelt.

7. Elektrische Regelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen stabilisierenden Kompensator (10), der zwischen die Fehlerberechnungseinheit (6) und den Steuerschaltkreis (7) geschaltet ist und zur Stabilisierung einer Übergangsfunktion zwischen dem Sollwert-Signal und dem Istwert-Signal das Istwert-Signal negativ an einen Eingang des Steuerschaltkreises (7) rückkoppelt.