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Die Erfindung betrifft ein System zum Regeln der Geschwindigkeit eines Servomotors,
wie er beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, in einer Werkzeugmaschine, einem
Industrieroboter oder ähnlichem eingesetzt wird.
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Wenn die Geschwindigkeit eines Servomotors einer Rückkoppelungs-Regelung
unterzogen wird, ist es notwendig, die Ist-Geschwindigkeit des Motors zu messen. Ein
Beispiel einer herkömmlichen Einrichtung zur Messung der Ist-Geschwindigkeit ist ein
Drehcodierer zum Feststellen der Position. Der Drehcodierer ist so ausgeführt, daß er
einige tausend bis zwanzigtausend Impulse pro Umdrehung des Motors generiert, wobei
die Frequenz dieser Ausgangsimpulse proportional zur Drehzahl des Motors ist.
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Der Abstand zwischen benachbarten Impulsen wird jedoch mit einem Drehcodierer sehr
groß und die Impulse werden von ihrer Natur diskret, insbesondere wenn der Motor mit
einer niederen Geschwindigkeit dreht. Falls diese Impulse als Motordrehinformation
benutzt werden, ist eine unregelmäßige Drehung die Folge.
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Deshalb ist die Geschwindigkeitsauflösung im Vergleich mit einem analog arbeitenden
Sensor schlecht, wenn versucht wird, einen zur Positionsbestimmung eingesetzten
Drehcodierer als Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeit zu verwenden. Aus
diesem Grund kann keine hochpräzise weiche Geschwindigkeitssteuerung durchgeführt
werden.
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Zusätzlich zu den bekannten Servomotor-Geschwindigkeitsregelsystemen, die einen
Drehcodierer zum Messen der Momentangeschwindigkeit verwenden, sind auch
Servomotor-Geschwindigkeitsregelsysteme bekannt, die eine Schätzeinheit in Form
eines Beobachters einsetzen. Solche Systeme sind beispielsweise in der Zeitschrift
"Regelungstechnik", Band 26, Nr. 11, November 1978, Seite 350, Figur 2, und auch in
der DE- A - 2802224 offenbart.
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Ein Dokument, das die Benutzung von sowohl einem Drehcodierer als auch einem
Beobachter angibt, ist "Denki Gakkai Kenkyukai Shiryo" IP-82-36, Seiten 21-28,
veröffentlicht am 8. Oktober 1982, in dem ein Servomotor-Geschwindigkeitsregelsystem
offenbart ist, das einen Beobachter aufweist, der die Geschwindigkeit basierend auf der
Spannung des Motors und der Positionsinformation eines Drehcodierers abschätzt.
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Erfindungsgemäß wird ein Servomotor-Geschwindigkeitsregelsystem für einen eine
mechanische Last antreibenden Servomotor, angegeben, umfassend:
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Arithmetikeinrichtungen zum Berechnen eines Drehmomentbefehlssignals für die
Zufuhr zum Servomotor in Abhängigkeit von einemGeschwindigkeitsbefehlssignal und
einem rückgekoppelten Geschwindigkeitswert , wobei das Drehmomentbefehlssignal
von dem Ausgangssignal einer mit dem Servomotor gekoppelten Schätzeinheit
beeinflußt wird, wobei ein Drehcodierer an dem Servomotor zum Liefern von
Positionsinformationen angebracht ist und die Schätzeinheit den Geschwindigkeitswert
als ihr Ausgangssignal abschätzt, basierend auf Positionsinformationen des
Drehcodierers, einem Motorstrom des Servomotors und einem ein Lastmoment
anzeigenden Strom, wobei dieser Strom von der Schätzeinheit berechnet wird.
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Um eine weiche, hochgenaue Geschwindigkeitsregelung zu ermöglichen, falls die
Geschwindigkeit durch eine Schätzeinheit basierend auf Positionsinformationen von
einem am Servomotor angebrachten Drehcodierer abgeschätzt wird, gibt die
vorliegende Erfindung ein Servomotor-Geschwindigkeitsregelsystem an, worin das
Lastmoment, das eine Ursache des ständigen Abschätzfehlers ist, gleichzeitig
abgeschätzt wird.
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Das erfindungsgemäße Servomotor-Geschwindigkeitsregelsystem erhält den
abgeschätzten Wert der Geschwindigkeit unter Berücksichtigung des Lastmoments, das
eine Ursache des ständigen Abschätzfehlers ist. Dies beseitigt oder reduziert die Mängel
des Standes der Technik, in dem nur ein Drehcodierer alleine zur
Geschwindigkeitsmessung verwendet wird, wobei die Impulse des Drehcodierers diskret
werden, wenn der Servomotor mit einer niederen Geschwindigkeit dreht. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht es, einen brauchbar interpolierten Wert der
abgeschätzten Geschwindigkeit zu erhalten und die Geschwindigkeit auf sehr genaue Art
und Weise zu regeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsregelsystems,
Fig. 2(a) ist eine Ansicht zum Beschreiben der Verarbeitungsebene der
Motorstromschleife, Fig. 2(b) ist eine Ansicht zum Beschreiben einer
Geschwindigkeitsverarbeitungsebene, Fig.3 ist ein Ablaufdiagramm, das die
Beobachterverarbeitung einer Motorstromschleifenebene darstellt, und Fig.4 ist ein
Ablaufdiagramm, das die Geschwindigkeitsschleifenverarbeitung darstellt.
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Die vorliegende Erfindung wird nun an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsregelsystems.
Bezugszeichen 1-3 bezeichnen Arithmetikeinheiten, 4 eine Schätzeinheit, nämlich einen
Beobachter und 5 einen Servomotor. VC stellt einen Geschwindigkeitsbefehl, U einen
Drehmomentbefehl, I einen Motorstrom und IL einen ein Lastmoment angebenden
Strom dar. V beschreibt die Geschwindigkeit des Servomotors, Θ die Position, k&sub1; die
Integrationsverstärkung, k&sub2; die Rückkoppelungsverstärkung, Km eine Motorkonstante
und Tm ein Verhältnis zwischen La und Ra, nämlich den Wert von La/Ra,worin Ra den
Motorwicklungswiderstand und La die Induktivität angibt. Desweiteren ist Kt eine
Drehmomentkonstante, steht J für die gesamte Trägheit des Motors und der Last und ist
Kp ein vom Drehcodierer bestimmter Umwandlungskoeffizient. S ist d/dt.
Darüberhinaus ist die Schätzeinheit an sich allgemein in Benutzung. Eine Anordnung,
in der ein Geschwindigkeitssensor mit einer Schätzeinheit kombiniert wird, wurde in
der japanischen Patentanmeldung Nr. 59-55114 vorgeschlagen.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsregelsystems wird nun
beschrieben.
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Zuerst generiert die Arithmetikeinheit 1 ein Ausgangssignal, das die Differenz zwischen
dem Geschwindigkeitsbefehl Vc und dem abgeschätzten Wert der Geschwindigkeit,
wie unten beschrieben, angibt. Das Ausgangssignal wird integriert und dann der
Arithmetikeinheit 2 zugeführt. Das Ergebnis einer Multiplikation des abgeschätzten
Werts der Geschwindigkeit, wie unten beschrieben, mit der
Rückkoppelungsverstärkung k&sub2; wird der Arithmetikeinheit 2 zugeführt, die die
Differenz zwischen ihren beiden Eingangssignalen als den Drehmomentbefehl U,durch
den der Motor 5 geregelt wird, ausgibt. Die Geschwindigkeit des Motors 5 wird als V
ausgegeben, und die Position Θ wird durch den Drehcodierer gemessen. Die die
Position Θ bezeichnende Information enthält das Ergebnis der Addition des Stroms IL,
der das Lastmoment (Coulomb Reibung) angibt, in der Arithmetikeinheit 3.
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In der vorliegenden Erfindung wird der abgeschätzte Wert der Geschwindigkeit durch
Benutzung der Schätzeinheit, nämlich dem Beobachter 4, erhalten. Gleichzeitig wird
das von einem ständigen Abschätzfehler verursachte Lastmoment abgeschätzt.
Insbesondere wird die Positionsangabe Θ, die den Motorstrom I und den das
Lastmoment angebenden Strom IL berücksichtigt, der Schätzeinheit 4 zugeführt, die
den abgeschätzten Wert der Geschwindigkeit ausgibt.
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Dieser Punkt soll im Detail beschrieben werden. Falls ein Identitätsbeobachter für den
Motorstrom I, die Motorgeschwindigkeit V, die Position Θ und den dem Drehmoment
zuzuschreibenden Strom IL aufgebaut wird, erhält man
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Was momentan gemessen und der Schätzeinheit, nämlich dem Beobachter 4, zugeführt
wird, ist der Motorstrom I und die Position Θ. Ein Identitätsbeobachter für digitale
Verarbeitung verhält sich wie folgt:
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worin T eine Abtastzeit und λ&sub1;,λ&sub2;,λ&sub3; Beobachterpole sind, die durch die
Anzahl der notwendigen Konvergenzschritte festgelegt werden.
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Um das vorstehend ausgeführte mit einem Mikroprozessor zu verarbeiten, wird der
Beobachter durch den folgenden Algorithmus implementiert:
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Fig. 2 ist ein zur Beschreibung der Informationsverarbeitung zum Erhalt der
vorhergesagten Geschwindigkeit nützliches Bild. Fig. 2(a) dient zur Beschreibung der
Verarbeitungsebene (j) der Motorstromschleife und Fig. 2(b) zur Beschreibung einer
Geschwindigkeitsverarbeitungsebene.
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Der Beobachter 4 ist mit einem Hardwarezähler zum Integrieren einer Anzahl von
Impulsen O ausgerüstet, die vom Drehcodierer in einer Abtastzeitdauer T ankommen.
In diesem Fall wird angenommen, daß die Beobachterpole λ&sub1;,λ&sub2;,λ&sub3; , die einen
Abschätzfehler in 5 Schritten auf 0 bringen, berechnet und im voraus ausgegeben
werden.
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Fig. 3 stellt ein Ablaufdiagramm der Verarbeitung dar, die vom Beobachter in der
Motorstromschleifenverarbeitungsebene ausgeführt wird. Fig. 4 stellt ein
Ablaufdiagramm der Geschwindigkeitsschleifenverarbeitung dar.
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Unter Berücksichtigung der Motorstromschleife liest zuerst der Beobachter 4 die
Positionsinformation ΔΘj und den Motorstrom Im ein. Danach werden diese integriert.
Dann berechnet der Beobachter 4 basierend auf Gleichung (1) die
Positionsabschätzungsinformation ΔΘm+1, die Geschwindigkeitsabschätzungsinformation
m+1 und die Last anzeigende Stromabschätzungsinformation Lm+1. Sobald der
Beobachter 4 diese Bearbeitung fünf Mal ausgeführt hat, wird die
Geschwindigkeitsabschätzungsinformation m+1 an ein
Geschwindigkeitsverarbeitungsprogramm geliefert. Diese Beziehung wird aus den Fig.
2(a) und (b) deutlich.
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Dann liest der Beobachter 4 zuerst Geschwindigkeitsbefehle V5m ein und integriert
diese, wie dies im Diagramm der Fig. 4 der Geschwindigkeitsschleifenverarbeitung
dargestellt ist. Danach multipliziert der Beobachter 4 den integrierten Wert mit der
Integrationsverstärkung k&sub1; und substrahiert von diesem Produkt das Produkt aus
Geschwindigkeitsabschätzungsinformation 5m und Rückkoppelungsverstärkung k&sub2;,
um damit den Drehmomentbefehl U5m zu erhalten.
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Demnach erhält die Schätzeinheit 4 erfindungsgemäß den abgeschätzten Wert der
Geschwindigkeit basierend auf dem Positionssignal des Drehcodierers, wobei dieses
Signal den das Lastmoment angebenden Strom IL und den Motorstrom I des
Servomotors 5 beinhaltet. Dies beseitigt den Mangel des Standes der Technik, worin die
Impulse von ihrer Natur diskret werden, falls der Motor mit einer niederen
Geschwindigkeit dreht, und ermöglicht es, einen brauchbar interpolierten Wert der
abgeschätzten Geschwindigkeit zu erhalten. In anderen Worten kann die
Geschwindigkeitsregelung selbst bei der Verwendung eines digitalen Regelsystems
ausgeführt werden, das eine schlechtere Geschwindigkeitsauflösung als die eines
analogen Regelsystems aufweist, da das einen ständigen Abschätzfehler verursachende
Lastmoment gleichzeitig weich und hochpräzise abgeschätzt werden kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung basierend auf der dargestellten Ausführungsform
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt,
sondern kann in vielfältiger Weise entsprechend dem Umfang der Ansprüche
modifiziert werden.
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Wie zuvor ausgeführt ermöglicht die vorliegende Erfindung eine hochpräzise
Geschwindigkeitsregelung selbst bei niederer Geschwindigkeit des Servomotors. Die
Erfindung ist speziell für Geschwindigkeitsregelung von Servomotoren für
Werkzeugmaschinen und Industrieroboter, die hohe Anforderungen an eine präzise
Regelung stellen, geeignet.