DE3732813C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur digitalen Steuerung eines Stellmotors durch Pulsdauermodulation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-Z: Regelungstechnische Praxis, 1978, Heft 12, S. 355-359 bekannt.

Ein konventionelles Stellmotor-Steuerverfahren ist in einem Artikel "Design and Anlysis of Pulsewidth-Modulated Amplifiers for DC Servo Systems" von Jacobtal, IEEE Transactions on Electronics and Control Instrumentation, Bd. IECI-23, Nr. 1, Feb. 1976, beschrieben. Im allgemeinen weist ein Gleichstromstellmotor eine den Motor mit Pulsdauermodulation ansteuernde H-Brückenschaltung aus Leistungsschaltelementen auf. Diese Schaltelemente sind typischerweise Bipolartransistoren oder FET's. Die vier Leistungsschaltelemente in der H-Brückenschaltung erhalten an ihrer Basis pulsdauermodulierte Eingangsimpulse von einem Pulsdauermodulationssignalgenerator.

Die US-PS'en 43 88 570 und 45 23 134 beschreiben solche H- Brückenschaltungen als Gleichstrommotortreiberschaltung.

Wenn eine hochgenaue Lageregelung unter Anwendung eines Gleichstromstellmotors durchzuführen ist, muß das Pulsdauermodulationssignal eine hohe Auflösung haben. Das heißt, das Pulsdauermodulationssignal muß eine sehr kurze kleinste aktive Zeitdauer t_p haben. In deren Erzeugung weisen konventionelle Stellmotorsteuervorrichtungen für die hochgenaue Lageregelung einen hochintegrierten Schaltkreis für die Pulsdauermodulationssignalerzeugung auf, um diese hohe Auflösung zu erreichen. Zusätzlich sind auch Schaltkreise zur Verhinderung eines fehlerhaften Betriebs und von Schwingungen vorgesehen, so daß die Herstellungskosten hoch sind. Trotzdem wird in manchen Fällen die erforderliche Auflösung des Pulsdauermodulationssignals wegen der begrenzten Ansprechgeschwindigkeit der Leistungsschaltelemente und der Gesamtschaltung nicht erreicht.

Die zum Oberbegriff des Anspruchs 1 genannte DE-Z: "Regelungstechnik", offenbart ein Verfahren zur Umsetzung eines Steuersignals α in einem durch einen Mikrocomputer implementierten Pulsdauermodulator in ein Pulsdauermodulationssignal zur Ansteuerung einer Brückenschaltung aus Leistungsschaltelementen. Das Steuersignal α wird in dem Mikrocomputer zur Ansteuerung einer im Programmspeicher vorgesehenen Tabelle benutzt, die für jeden Wert von α einen dem gewünschten Tastverhältnis entsprechenden Programmzählerstand angibt, der den zeitlichen Verlauf des Pulsdauermodulationssignals bestimmt.

Zur Erhöhung der zeitlichen Auflösung wird vorgeschlagen, die Zeitbestimmung mittels einer Folge von sehr kurzen Ein-Wort-Befehlen auszuführen. Die Zeitdauer des Ein- Wort-Befehls stellt die unterste Auflösungsgrenze des bekannten Pulsdauermodulator dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zur digitalen Steuerung eines Stellmotors durch Pulsdauermodulation zu ermöglichen, die eine Verbesserung der Lage- und Geschwindigkeitsregelung ohne Erhöhung der Auflösung des Pulsdauermodulations-Signals ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Die Unteransprüche 2 bis 7 kennzeichnen jeweils vorteilhafte Ausbildungen davon.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur digitalen Stellmotorsteuerung ist keine hohe Präzision für das Pulsdauermodulations-Signal nötig, und gleichzeitig kann eine hochpräzise Lage- und Drehzahlregelung durchgeführt werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der vorgeschlagenen Stellmotorsteuervorrichtung;

Fig. 2 das Blockschaltbild der in der Vorrichtung vorgesehenen Steuerbefehlsgebereinrichtung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Kennwerte der vorgeschlagenen Stellmotorsteuervorrichtung im Vergleich mit einer bekannten Vorrichtung zeigt;

Fig. 4, 5, 6 und 7 Signalverläufe, die Beispiele für die mit der Erfindung erhaltene Motorstromregelung zeigen;

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild der bekannten Brückenschaltung;

Fig. 9 das Blockschaltbild eines in der Einrichtung von Fig. 1 verwendeten Betriebssignalgebers; und

Fig. 10 ein Zeitdiagramm, das die Funktion des Betriebssignalgebers zeigt.

In Fig. 1, die schematisch die vorgeschlagene Vorrichtung zur digitalen Steuerung eines mit Gleichstrom betriebenen Stellmotors 14 durch Pulsmodulation, im weiteren kurz als PDM bezeichnet, zeigt, gibt eine Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 verschiedene Befehle an einen Betriebssignalgeber 11 nach Maßgabe von Führungsbefehlen aus, die von einer übergeordneten, z. B. manuellen Führungseinheit (nicht gezeigt) zur Steuerung der Funktion eines Gleichstromstellmotors 14 eingespeist werden. Die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 wird normalerweise durch eine Logikoperationseinheit, z. B. einen Mikrorechner, realisiert; alternativ kann sie in Form eines nach Bedarf ausgelegten hochintegrierten Schaltkreises oder eines integrierten Analog- Digital-Hybridschaltkreises realisiert werden.

Der Betriebssignalgeber 11 ist ein Produkt bekannter Schaltungstechnologie und erzeugt das PDM-Signal mit einer bestimmten Periodenzeitdauer T_p nach Maßgabe eines in einer bestimmten Rahmenzeitdauer T_S von der Steuerbefehlseinheit 10 ausgegebenen Befehls und liefert das PDM-Signal an eine Brückenschaltung 13, in H-Form.

Die Brückenschaltung 13, die entsprechend Fig. 8 aufgebaut ist, weist einen Anschluß an eine Stromversorgung 12 auf und bewirkt die Stromzuführung zum Stellmotor 14 nach Maßgabe des PDM-Signals. Wenn das PDM-Signal eine aktive Impulsdauer t_p und eine Periodenzeitdauer T_p hat, ergibt sich die mittlere Spannung V_M, die dem Stellmotor 14 anliegt, durch folgende, aus der Gleichstromtheorie bekannte Beziehung

V_M=V · t_p/T_p (1)

Die Welle des Stellmotors 14 ist mit einer Last 15 gekoppelt.

Ein Rückführsignalgeber 16 erfaßt die Winkellage des Stellmotors und besteht normalerweise aus einem codierten Drehgeber, der direkt mit der Abtriebswelle des Stellmotors 14 gekoppelt ist, einer Motordrehrichtungs-Diskriminatorschaltung, die auf das Ausgangssignal des Drehgebers anspricht, und einem Impulszähler, der das Ausgangssignal des Drehgebers zählt. Der Winkellagefühler kann einen bekannten Drehmelder bzw. ein Potentiometer aufweisen, und in diesem Fall ist in dem Rückführsignalgeber 16 ein Istlage-Umformungskreis vorgesehen. Der Rückführsignalgeber 16 kann ferner einen Tachogenerator, der direkt mit dem Stellmotor gekoppelt ist, und einen Signalverarbeitungskreis enthalten, so daß zusätzlich ein Motordrehzahlsignal mit den Rückführsignalen übertragen wird.

Es wird nunmehr die Betriebsweise dieser Anordnung erläutert. Die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 empfängt die die Betriebszustände des Stellmotors 14 bezeichnenden Signale vom Rückführsignalgeber 16, vergleicht die Signale mit entsprechenden die Soll-Betriebszustände bezeichnenden Bezugssignalen und erzeugt PDM- und Drehrichtungs-Befehlssignale, so daß der Stellmotor 14 in der gewünschten Weise arbeitet. Der Betriebssignalgeber 11 erzeugt aufgrund der Befehle von der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 PDM-Impulssignale für die Leistungsschaltelemente A, A′, B, B′. Während der aktiven Impulsdauer t_p des PDM-Signals aktiviert der Betriebssignalgeber 11 die Leistungsschaltelemente A und A′ oder B und B′ von Fig. 8 in Abhängigkeit vom Drehrichtungsbefehl. Während der inaktiven Impulsdauer des PDM- Signals sind die Leistungsschaltelemente A und B abgeschaltet und die Elemente A′ und B′ aktiviert.

Die Leistungsschaltelemente A, A′, B, B′ in der Brückenschaltung 13 schalten aufgrund der vom Betriebssignalgeber 11 erzeugten PDM-Signale, wie vorstehend beschrieben, und liefern Strom von der Stromversorgung 12 an den Stellmotor 14 entgegengesetzt zu der vom Stellmotor 14 erzeugten Gegen-EMK: Der mit der Last 15 gekoppelte Stellmotor 14 arbeitet unter Verbrauch der zugeführten Leistung im dynamischen oder statischen Betrieb. Die Betriebszustände des Stellmotors 14 werden von dem Rückführsignalgeber 16 erfaßt, und die Signale werden zu der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 rückgeführt. Auf diese Weise bewirkt die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10, daß die Last über den Stellmotor 14 in gewünschter Weise angetrieben wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden die Anordnung und Funktionsweise der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 im einzelnen erläutert. Dabei ist die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 eine Logikoperationseinheit, insbesondere ein Mikrorechner, dessen Steuerlogik durch ein gespeichertes Programm (Software) implementiert ist. Die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 besteht aus einem Hauptsteuerteil 100 und einem Unterbrechungssteuerteil 101 (Fig. 2). Der Unterbrechungssteuerteil 101 umfaßt einen Steuerfunktionsteil 1011, einen PDM-Befehlsgeberteil 1012, einen PDM-Befehlsausgabeteil 1013, eine PDM-Befehlssatztabelle 1014 und einen PDM-Befehlssatzspeicher 1015. Der Hauptsteuerteil 100 wird von der übergeordneten Führungseinheit eines übergeordneten Reglers (nicht gezeigt) veranlaßt, die Operationsbefehle und -daten, z. B. die Ziel-Lage und -Drehzahl für den Betrieb des Stellmotors 14, an den Unterbrechungssteuerteil 101 auszugeben. Der Unterbrechungssteuerteil 101 ist in der Praxis ein Unterbrechungsprogramm, das beim Auftreten des Bezugstaktsignals von dem internen Taktgeber des Mikrorechners oder von außerhalb in einer bestimmten Rahmenzeitdauer T_S ausgelöst wird, und soll die vom Hauptsteuerteil 100 vorgegebene Operation ausführen.

Insbesondere bestimmt der Steuerfunktionsteil 1011 die Soll- Betriebswerte zum momentanen Zeitpunkt aufgrund des Operationsbefehls vom Hauptsteuerteil 100, vergleicht die von dem Rückführsignalgeber 16 gelieferten Rückführsignale mit den gewünschten Werten und errechnet den PDM-Wert zum Betrieb des Stellmotors 14 nach Maßgabe des vorbestimmten Steueralgorithmus. Der PDM-Befehlsgeberteil 1012 empfängt den PDM- Wert und greift auf die PDM-Befehlssatztabelle 1014 zurück zum Erhalt eines entsprechenden PDM-Befehlssatzes. Nachdem der Drehrichtungsbefehl zu diesem PDM-Befehlssatz addiert ist, wird das Ergebnis in dem PDM-Befehlssatzspeicher 1015 gespeichert. Die Tabelle I zeigt ein Beispiel für PDM- Sollwerte und entsprechende PDM-Befehlssätze.

Tabelle I

In Tabelle I hat ein vorbestimmter PDM-Sollwert einen ganzzahligen vor dem Komma stehenden Teil, der ein PDM- Signal ist, das der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, d. h. den von t_p in Gleichung (1) abgeleiteten normierten Wert, und einen nach dem Komma stehenden Teil für die Verfeinerung der PDM-Auflösung. Diese beispielshafte PDM- Befehlssatztabelle dient der vierfachen Erhöhung der Auflösung, was der Einfachheit halber genommen ist. Jeder Wert in der Tabelle bezeichnet ein PDM-Signal, das von dem Betriebssignalgeber 11 erzeugt werden würde, d. h. gibt dessen normierten Wert für t_p in Gleichung (1) an. Der Wert "0" in der Tabelle ist der PDM-Befehl, mit dem das PDM-Signal inaktiv gemacht wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält die Tabelle zwar keine Information für die Motordrehrichtung, aber eine die Richtungsinformation enthaltende Tabelle kann ohne weiteres erstellt werden. Diese Tabellenanordnung ermöglicht es, daß ein PDM-Sollwert direkt ein Feld eines zu suchenden PDM-Befehlssatzes adressiert, so daß der PDM-Befehlsgeberteil 1012 ohne weiteres den Tabellen- Suchvorgang durchführen kann.

Der PDM-Befehlsausgabeteil 1013 zählt die Anzahl der Anstöße des Unterbrechungssteuerteils 101, z. B. zählt er in Modulo 4 bei 4spaltigen PDM-Befehlssätzen, wie in der Tabelle I, und liest einen der PDM-Befehlssätze in Abhängigkeit vom Zählerstand aus dem PDM-Befehlssatzspeicher 1015 für den Betriebssignalgeber 11 aus. Auf diese Weise wird ein PDM-Signal erzeugt, das eine höhere Auflösung hat als ein PDM-Signal, das direkt von dem Betriebssignalgeber 11 erzeugt werden würde. Infolgedessen wird der Stellmotor 14 präziser geregelt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 werden die Motorstromregelkennwerte erläutert, die mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und mit einer bekannten Vorrichtung erzielt werden. In Fig. 3 ist der gemittelte Motorstrom auf der Ordinate abhängig von dem auf der Abszisse aufgetragenen Tastverhältnis (%) des PDM-Signals, d. h. t_p/T_P von Gleichung (1), aufgetragen. Die Darstellung zeigt, daß der gemittelte Motorstrom proportional zum Tastverhältnis regelbar ist. aus der Darstellung geht hervor, daß die konventionelle Steuervorrichtung nur Stromstärken, die mit "○" bezeichnet sind, ermöglicht, so daß in dem in der Endphase der Lageregelung wichtigen Abschnitt, in dem nur keine Ströme fließen, die Auflösung ungenügend ist. Dagegen sind mit "∆" Stromwerte bezeichnet, die durch die vorgeschlagene Steuervorrichtung möglich sind, daß diese vorgeschlagene Vorrichtung erforderlichenfalls eine sehr feine Regelung des Stellmotors 14 erzielt.

Der Grund für die durch die vorgeschlagene Steuervorrichtung erzielten günstigen Regelkennwerte gemäß Fig. 3 wird anhand des unter der Annahme Periodenzeitdauer T_P=Rahmenzeitdauer T_S fließenden Motorstroms in den Fig. 4 bis 7 erläutert. Fig. 4 zeigt den Fall, daß der kleinste PDM-Befehlswert kontinuierlich ausgegeben wird, wodurch ein relativ großer pulsierender Strom kontinuierlich fließt. Dieser Fall entspricht der konventionellen Steuermethode. Fig. 5 zeigt den Fall, daß jeder vierte PDM-Befehlswert ausfällt, und die Stromstärke sinkt gegenüber Fig. 4. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Fälle, in denen zwei PDM-Impulse bzw. drei PDM-Befehlswert während vier Periodenzeitdauern T_p ausfallen. Die Stromstärke wird in der Folge dieser Figuren immer niedriger. Der tatsächliche Stromverlauf unterscheidet sich zwar etwas von den Verläufen nach den Fig. 4 bis 7, da in der Praxis T_S viel größer als T_p ist, aber die Eigenschaften der vorliegend angegebenen Vorrichtung sind ersichtlich.

Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform braucht der PDM-Befehlsausgabeteil 1013 nicht an einer Stelle entsprechend der vorstehend erläuterten Operationsfolge vorgesehen zu sein, sondern er kann auch z. B. an der Stelle vorgesehen sein, die unmittelbar nach dem Anstoßen des Unterbrechungssteuerteils folgt.

Eine Alternative ist wie folgt: Der Unterbrechungssteuerteil 101 hat einen manuell betätigten Operationssignaleingabeteil und einen Anzeigeoperationsteil; diese sind in der Fig. 2 nicht dargestellt. Entsprechend der erläuterten Operationsfolge befindet sich ein erster PDM-Befehlsausgabeteil am Kopf des Unterbrechungssteuerteils 101, und angesichts der von dem gesamten Unterbrechungssteuerteil 101 aufgewendeten Operationszeit ist ein zweiter PDM-Befehlsausgabeteil an einer Stelle entsprechend etwa des halben Rahmenzeitdauer T_S nach der Operation des ersten PDM-Befehlsausgabeteils vorgesehen.

Schließlich wird noch ein weiteres Beispiel zur Bildung einer Befehlssatztabelle beschrieben. Obwohl die Tabelle I vollständig ist, kann auch eine Befehlssatztabelle erstellt werden, in der alle gespeicherten PDM-Sollwerte den vor dem Komma stehenden ganzzahligen Teil "0" haben, und die einzelnen PDM-Befehle eines Satzes entsprechend dem gewünschten ganzzahligen Teil des zugehörigen PDM-Sollwertes vor der Ausgabe erzeugt werden. Dies verringert die Speicherkapazität zur Speicherung der Tabelle erheblich.

Eine weitere Variante sieht wie folgt aus: Wenn PDM-Signale mit hoher Auflösung nur für eine Lageregelung des Stellmotors benötigt werden, genügt für diesen Zweck die vorgenannte Tabelle, in der der gespeicherte PDM-Sollwert den ganzzahligen Teil "0" aufweist. Für einen PDM-Sollwert, dessen vor dem Komma stehender ganzzahliger Teil ungleich Null ist, kann ein PDM-Befehlssatz direkt aus dem ganzzahligen Teil erzeugt werden (jeder Wert dieses PDM-Befehlssatzes ist gleich dem Wert des ganzzahligen Teils). Da die PDM-Signale für vorbestimmte PDM-Sollwerte mit von Null verschiedenen ganzzahligem Teil keine hohe Auflösung haben müssen, ist es unnötig, getrennt jeweils einen PDM-Befehlssatz für den ganzzahligen Teil zu erzeugen und gespeicherte PDM-Befehlssätze mit feiner Auflösung auszugeben. In einem solchen Fall genügt es ohne weiteres, den Algorithmus des PDM-Befehlsausgabeteils 1013 geringfügig zu erweitern.

Wenn zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer Stellmotoren 14, z. B. für einen Industrieroboter mit mehreren Gelenken, ein einziger Mikrorechner verwendet wird, ist der Unterbrechungssteuerteil 101, der sonst die Steuerfunktion für nur einen Stellmotor 14 bei einem Unterbrechungsanstoß ausführen würde, so ausgelegt, daß er sämtliche Stellmotoren 14 nacheinander und zyklisch unter mehrfacher Anwendung der Unterbrechungsfunktion steuert. Die Anwendung der hier angegebenen Einrichtung mit der genannten zyklischen Unterbrechungsfunktion bietet weitere Vorteile.

Wenn gemäß dem vorstehend beschreibenen Ausführungsbeispiel die PDM-Signale eine hohe Auflösung haben müssen, werden die die kürzesten PDM-Signale, die der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, ergebenden PDM-Befehlssätze, die die Leistungsschaltelemente A und B sperrende PDM- Signale erzeugen, zu mehreren Sätzen kombiniert, so daß die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 eine mittlere vorbestimmte Auflösung liefert. Jeder PDM-Befehl wird dem Betriebssignalgeber 11 sequentiell mit einer bestimmten Rahmenzeitdauer T_S über mehrere Perioden zugeführt, wodurch sich die folgenden Vorteile einstellen.

Eine erhöhte Auflösung des PDM-Befehls wird durch eine Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 erreicht, die eine Rahmenzeitdauer T_S in der Größenordnung von mehreren hundert µs bis ms hat. Im Vergleich dazu arbeitet der Betriebssignalgeber 11 mit hoher Geschwindigkeit in der Größenordnung von µs oder schneller, so daß Schwierigkeiten hinsichtlich der Schaltungstechnologie der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 vermieden sind.

Nachstehend werden die Anordnung und Funktionsweise des Betriebssignalgebers 11 unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 im einzelnen erläutert.

Der Betriebssignalgeber 11 nach Fig. 9 umfaßt einen Befehlszwischenspeicher 1101, der die von der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 mit konstanter Rahmenzeitdauer T_S ausgegebenen Richtungs- und PDM-Befehle speichert, einen PDM- Befehlszwischenspeicher 1103, der z. B. ein Zähler ist und den PDM-Befehl vom Befehlszwischenspeicher 1101 aufgrund des von einem PDM-Signalgeber 1104 mit konstanter Periodenzeitdauer T_p gelieferten Signals empfängt, einen Richtungszwischenspeicher 1102 aus einem ähnlichen Datenhalteglied, den PDM-
Signalgeber 1104, der nach Maßgabe der Information im PDM- Speicher 1103 ein PDM-Signal S1 (Fig. 10) mit L-Pegel im aktiven Zustand mit einem nach unten konvexen Signalverlauf erzeugt, einen Univibrator 1105, der aufgrund der Abfallflanke des PDM-Signals S1 ein Impulssignal S3 mit aktivem L- Pegel erzeugt, dessen Dauer geringfügig geringer als die Periodenzeitdauer T_P ist, einen Univibrator 1106, der aufgrund der Anstiegsflanke des PDM-Signals ein Impulssignal S4 mit aktivem H-Pegel von kurzer Dauer und mit nach unten konvexem Verlauf erzeugt, NOR-Glieder 1107, ODER-Glieder 1108, ein UND-Glied 1109, ein Nichtglied 1110 sowie Vorverstärker 1111, die ihre Eingangssignale in Leistungsschaltelement- Ansteuersignale verstärken.

Die Funktionsweise des Betriebssignalgebers 11 ist wie folgt. Der Richtungszwischenspeicher 1102 hält den Richtungsbefehl, der im Befehlszwischenspeicher 1101 in der Periodenzeitdauer T_P zwischengespeichert war, und gibt das Signal als Signal S2 (Fig. 10) aus. Der PDM-Signalgeber 1104 erzeugt das PDM-Signal S1 mit aktivem L-Pegel gegenüber dem Signal S2 geringfügig verzögert, aufgrund der Information, die im PDM-Befehlszwischenspeicher 1103 in der Periodenzeitdauer T_P gespeichert ist. Die gestrichelten Abschnitt treten beim Signal S1 auf, wenn das PDM-Signal innerhalb der Periodenzeitdauer T_P immer inaktiv bleibt, und dem Stellmotor 14 dann überhaupt kein Strom bzw. keine Spannung zuzuführen ist.

Der Univibrator 1105 spricht auf die Abfallflanke des PDM- Signals S1 an und erzeugt das Signal S3 (Fig. 10). Der Univibrator 1106 spricht auf die Anstiegsflanke des PDM- Signals S1 an und erzeugt das Signal S4 (Fig. 10). Die Signale S3 und S4 werden im NOR-Glied 1107 verknüpft unter Bildung eines Signals S5, das wiederum im UND-Glied 1109 mit dem PDM-Signal S1 verknüpft wird unter Bildung eines Signals S6. Das Signal S1 ist ein Ansteuersignal für die Leistungsschaltelemente A und B von Fig. 8, und das Signal S6 ist ein Ansteuersignal für die Leistungsschaltelemente A′ und B′ von Fig. 8. Diese Signale S1 und S6 werden in den ODER-Gliedern 1108 und NOR-Gliedern 1107 mit dem Richtungssignal S2 verknüpft und von den Vorverstärkern 1111 verstärkt unter Bildung von Signalen SB, SB′, SA und SA′ zur Ansteuerung der Leistungsschaltelemente B, B′ bzw. A, A′ von Fig. 8. Infolgedessen wird eines der Signale zur Ansteuerung der Schaltelemente A′ und B′ in Abhängigkeit von dem Richtungssignal S2 aktiv, und zwar unabhängig vom Zustand des PDM-Signals S1, und aktiviert das entsprechende Leistungsschaltelement. Wenn sich der Zustand des PDM-Signals ändert, wird das Schaltelement A′ unbedingt von einem aktiven Richtungssignal S2 aktiviert, und die Schaltelemente A und B′ werden angesteuert, so daß aufgrund überlappender aktiver Perioden kein Kurzschluß auftritt. Umgekehrt wird das Schaltelement B′ von einem inaktiven Richtungssignal S2 unbedingt aktiviert, und die Schaltelemente B und A′ werden angesteuert.

Wenn das PDM-Signal den durch die Strichlinie dargestellten Zustand hat, wird nur das Schaltelement A′ von einem aktiven Richtungssignal S2 unbedingt aktiviert, und die übrigen Schaltelemente A, B und B′ bleiben nichtaktiviert, während ein inaktives Richtungssignal das Schaltelement B′ unbedingt aktiviert, wobei die übrigen Schaltelemente A, B und A′ nicht aktiviert bleiben.

Nunmehr wird die Einspeisung eines Bremsstroms für den Stellmotor 14 im Fall eines aktiven Richtungssignals S2 unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 10 erläutert. Wenn das PDM-Signal S1 aktiv ist, fließt ein Strom in dem das Schaltelement A und den Stellmotor 14 enthaltenden Kreis und zurück zum Schaltelement A. Wenn ein Bremsstrom fließt, wird er durch diesen Schaltungskreis stark vermindert. In dem Augenblick, in dem das PDM-Signal S1 inaktiv geworden ist, ist das Schaltelement B′ noch immer stromlos, und ein etwa vorhandener Motoransteuerstrom nimmt in dem Stromkreis, der durch die Diode BD, den Stellmotor 14 und zum Schaltelement A′ führt, ab. Wenn ein Bremsstrom fließt, wird ein Stromkreis aus Diode AD, Stellmotor 14 und zurück zur Diode AD gebildet, so daß der Bremsstrom stark abnimmt. Wenn somit das Schaltelement B verzögert aktiviert wird unter Bildung eines Stromkreises aus Diode AD, Stellmotor 14 und Schaltelement B′, so ist der Bremsstrom bereits zu klein, um ein wirksames Bremsdrehmoment zu liefern. In diesem Fall wird durch Umkehren des Richtungssignals und Umschalten des PDM- Signals derart, daß es einen Abschaltbefehl übermittelt, ein Kreis von der Diode AD über den Stellmotor 14 und zum Schaltelement B gebildet, so daß ein Bremsstrom ausreichender Stärke erzeugt werden kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und die Tabellen II und III wird nachstehend die Funktionsweise der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 erläutert. Diese ist vorzugsweise ein Mikrorechner. Die Steuerlogik ist auf Softwarebasis implementiert.

Der Haupsteuerteil 100 gibt Lage- und Geschwindigkeitsinformation sowie Betriebsbefehle für den Stellmotor 14 an den Unterbrechungssteuerteil 101 nach Maßgabe des Befehls von einer manuellen Befehlseinheit oder einem übergeordneten Regler (nicht gezeigt) aus.

Insbesondere setzt der Steuerfunktionsteil 1011 Sollwerte der Operation zum momentanen Zeitpunkt in Übereinstimmung mit dem vom Hauptsteuerteil 100 ausgegebenen Operationsbefehl, vergleicht den aufgestellten Wert mit dem vom Rückführsignalgeber 16 gelieferten Rückführsignal und errechnet den gewünschten PDM-Sollwert zum Betreiben des Stellmotors 14 nach Maßgabe des vorbestimmten Steueralgorithmus.

Der PDM-Befehlsgeberteil 1012 empfängt den PDM-Sollwert, liest aus der PDM-Befehlssatztabelle 1014 einen PDM- Befehlssatz einschließlich der Richtungsinformation aus, wie die Tabellen II und III zeigen, und zwar in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Stellmotors 14, und speichert diesen im PDM-Befehlssatzspeicher 1015. Beispiele für PDM-Sollwerte und entsprechende PDM-Befehlssätze sind in den folgenden Tabellen II und III angegeben.

Tabelle II

Bei positiver Motordrehrichtung

Tabelle III

Bei negativer Motordrehrichtung

In den Tabellen II und III hat der PSDM-Sollwert einen ganzzahligen Teil, der ein PDM-Signal bezeichnet, das der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, d. h. einen der aktiven Impulsdauer t_p des PDM-Signals in Gleichung (1) entsprechenden normierten Wert, ein die Richtung bezeichnendes Vorzeichen und einen Bruchteil, der den erweiterten Teil der PDM- Auflösung bezeichnet. Die PDM-Befehlssätze in den Tabellen II und III erzielen eine vierfache Erweiterung der Auflösung. Ein Befehlssatz besteht aus vier Teilbefehlen. Jeder Teilbefehl hat zwei durch ein Komma getrennte Teile, wobei der erstere ein Richtungsbefehl und der letztere ein PDM- Befehl ist, den der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, d. h. ein der Impulsdauer t_p in Gleichung (1) entsprechender normierter Wert. PDM-Befehlswerte Null bedeuten Inaktivierungs-Befehle während der gesamten Periodenzeitdauer T_p, d. h. Befehle zum Abschalten der Stromversorgung zum Stellmotor 14.

Um nur einen Bremsstrom des Stellmotors 14 fließen zu lassen, indem dieser Zustand mit dem Richtungsbefehl kombiniert wird, sind zwei PDM-Befehlssatztabellen (Tabelle II und Tabelle III) vorgesehen, die je nach der Polarität der momentanen Motordrehrichtung gewählt werden. Mit dieser Anordnung von Tabellen bezeichnet der PDM-Sollwert direkt die Tabellenadresse eines zu suchenden PDM-Befehlssatzes, der an die momentane Motordrehrichtung angepaßt ist, so daß der PDM-Befehlsgeberteil 1012 einen Tabellensuchvorgang leicht durchführen kann.

Der PDM-Befehlsausgabeteil 1013 zählt, wie oft der Unterbrechungssteuerteil angestoßen wird, und zwar Modulo 4 bei dem Beispiel von Fig. 8, um abhängig vom Zählerstand einen der PDM-Befehlswerte vom PDM-Befehlssatzspeicher 1015 zu extrahieren, und führt ihn dem Betriebssignalgeber 11 zu. Auf diese Weise wird ein PDM-Signal höherer Auflösung als ein PDM-Signal, das der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, gebildet, was in einer Feinregelung sowohl für den Vortriebs- als auch den Bremsstrom resultiert, so daß der Stellmotor 14 präzise geregelt wird.

Die Vorteile der vorstehenden Ausführungsform sind wie folgt.

Bei einem inaktiven PDM-Befehl während der gesamten Periodenzeitdauer T_p, d. h. dem Befehl zum vollständigen Abschalten der Stromversorgung zum Stellmotor 14, ist der Betriebssignalgeber 11 so ausgelegt, daß er ein Treibersignal erzeugt, das nur eines der Schaltelemente A, A′, B, B′ auf der Masseseite der Brückenschaltung 13 gemäß Fig. 8 je nach dem Richtungsbefehl aktiviert, so daß ein erforderlicher Bremsstrom ungeachtet des Schaltungszustands mittels eines geeigneten Befehls für den Betriebssignalgeber 11 erzeugt werden kann.

Wenn der Vortriebs- und der Bremsstrom genau geregelt werden müssen, wenn also die PDM hohe Auflösung haben muß, ist die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 so ausgelegt, daß sie den kleinsten PDM-Befehl, den der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, und den PDM-Befehl zum Abschalten der Elemente A und B verknüpft und nur das Fließen eines Bremsstroms zuläßt, und zwar in einer Mehrzahl von Befehlssätzen, so daß der gemittelte Wert die gewünschte Auflösung hat. Ferner führt die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 jeden PDM-Befehl in einem gleichbleibenden Zeitabstand über eine Mehrzahl Perioden sequentiell dem Betriebssignalgeber 11 für die Leistungsschaltelemente A, A′, B, B′ so zu, daß eine erweiterte Auflösung der durch die Funktion der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 erzielt wird, die eine Rahmenzeitdauer T_S in der Größenordnung von mehreren 100 µs bis ms hat, in Vergleich mit dem Betriebssignalgeber 11, der Operationen sehr schnell in µs-Dauer oder schneller durchführen muß, wodurch Schwierigkeiten hinsichtlich der Schaltungsauslegung vermieden werden können.

Wenn die Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 durch einen Mikrorechner realisiert ist, wird die Erfindung auf Softwarebasis praktiziert, und die Herstellungskosten erhöhen sich nicht gegenüber einer konventionellen Einrichtung.

Da der von der Steuerbefehlsgebereinrichtung 10 ausgegebene Operationsbefehl keine hohe Auflösung zu haben braucht, sind aufwendige Schaltungstechniken und Steuerverfahren nicht notwendig. Gleichzeitig ist eine hochgenaue Lage- und Drehzahlregelung durch die vom Betriebssignalgeber 11 bewirkte PDM- Steuerung erreicht.

Nachstehend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert.

Der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene PDM-Befehlsausgabeteil 1013 muß nicht immer in der auf der vorgenannten Operationsfolge basierenden Position angeordnet sein, sondern er kann willkürlich in einer Position angeordnet sein, die unmittelbar nach dem Start des Unterbrechungssteuerteils 101 ausgeführt wird.

Eine weitere Verschiebemöglichkeit für den PDM-Befehlsausgabeteil 1013 ist folgende: Normalerweise enthält der Unterbrechungssteuerteil 101 einen Eingabeteil für die manuellen Betriebseingangssignale und einen Anzeigeoperations-Verarbeitungsteil, obwohl diese nicht dargestellt sind. Demzufolge wird ein erster PDM-Befehlsausgabeteil am Oberende des Unterbrechungssteuerteils 101 angeordnet, und unter Berücksichtigung der vom gesamten Unterbrechungssteuerteil 101 benötigten Operationszeit wird ein zweiter PDM-Befehlsausgabeteil in einer solchen Position angeordnet, daß etwa die halbe Rahmenzeitdauer T_S des Unterbrechungssteuerteils 101 nach Operation des ersten PDM-Befehlsabschnitts abgelaufen ist.

Nachstehend wird ein weiteres Beispiel für die Tabellenauslegung beschrieben. Im Gegensatz zu den Tabellen II und III, die vollständige Tabellen sind, besteht eine weitere Tabellenauslegung darin, daß nur PDM-Sollwerte mit ganzzahligen Teilen von ±0 (vgl. die Stellen 0,3 bis -0,3 in den Tabellen II und III) aufgeführt werden, während ihre nach dem Komma stehenden Bruchteile durch Ergänzung auf der Grundlage des ganzzahligen Teils des PDM-Sollbefehlswerts erzeugt werden. Durch diese Auslegung wird die Tabellenkapazität erheblich verringert, und Speicherplatz kann eingespart werden.

Wenn ferner die PDM mit hoher Auflösung nur für die Lageregelung des Gleichstrom-Stellmotors 14 notwendig ist, genügt eine Tabelle, die die vorgenannten PDM-Sollwerte mit ganzzahligen Teilen "0" aufweist, für die Regelung, und für PDM-Sollwerte mit ganzzahligen Teilen, die von Null verschieden sind, wird direkt aus dem ganzzahligen Teil ein PDM-Befehlssatz erzeugt (jeder Befehlswert ist gleich dem Wert des ganzzahligen Teils). Da in diesem Fall die PDM für die gewünschten PDM-Werte mit von Null verschiedenen ganzzahligen Teilen keine hohe Auflösung zu haben braucht, ist es nicht erforderlich, getrennt voneinander einen PDM- Befehlssatz zu erzeugen und den PDM-Befehl auszugeben. Ein solcher Fall ist ohne weiteres durch eine gewisse Erweiterung des Algorithmus des PDM-Befehlsausgabeteils 1013 zu lösen.

Wenn die vorliegende Erfindung für die Steuerung eines Stellmotors 14 für eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl Gelenke, z. B. eines Industrieroboters, oder für die gleichzeitige Regelung mehrerer Stellmotoren 14 unter Anwendung eines einzigen Mikrorechners gedacht ist, kann der Unterbrechungssteuerteil 101 aufgrund seiner begrenzten Operationsfähigkeit nur die Steueroperation für einen Stellmotor 14 bei jedem Anstoß durchführen und ist so ausgelegt, daß die Stellmotoren 14 jeweils einzeln nacheinander und zyklisch unter Anwendung mehrerer Unterbrechungsoperationen angesteuert werden, so daß die Anwendung der Erfindung mit dieser zyklischen Eigenschaft zu befriedigenderen Ergebnissen führt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur digitalen Steuerung eines Stellmotors (14) durch Pulsdauermodulation, die aufweist:

• - eine Brückenschaltung (13) aus Leistungsschaltelementen (A, A′, B, B′), die dem Stellmotor (14) Antriebssignale zuführt,
• - einen Betriebssignalgeber (11), der Pulsdauermodulations- Signale erzeugt, die eine stufenweise veränderliche Impulsdauer (t_p) innerhalb einer konstanten Periodenzeitdauer (T_p) haben und die als Steuersignale den Leistungsschaltelementen (A, A′, B, B′) der Brückenschaltung (13) zugeführt werden, und
• - eine Steuerbefehlsgebereinrichtung (10), die dem Betriebssignalgeber (11) Steuerbefehle zur Erzeugung der Pulsdauermodulations-Signale zuführt und aufweist:
  • - einen Steuerfunktionsteil (1011) zum Setzen eines Pulsdauermodulations-Sollwerts der Pulsdauermodulations- Signale,
  • - einen Pulsdauermodulations-Befehlsgeberteil (1012), der den Pulsdauermodulations-Sollwert der Pulsdauermodulations- Signale empfängt und dementsprechend Pulsdauermodulations-Befehle erzeugt,
  • - einen Pulsdauermodulations-Befehlsausgabeteil (1013), der die Pulsdauermodulations-Befehle dem Betriebssignalgeber (11) zuführt und
  • - einen Speicherbereich zum Speichern einer Pulsdauermodulations- Befehlssatztabelle (1014),

dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauermodulations-Befehlssatztabelle (1014) mehrere Sätze bestehend aus jeweils mehreren einzelnen Pulsdauermodulations- Befehlen aufweist, wobei

• - nach Maßgabe des Pulsdauermodulations-Sollwertes der Pulsdauermodulations-Signale einer der Sätze aufgerufen werden kann,
• - der aufgerufene Satz zur Ansteuerung des Stellmotors (14) innerhalb einer Rahmenzeitdauer (T_s) verwendet wird, wobei sich die Rahmenzeitdauer (T_s) aus den Periodenzeitdauern (T_p) der einzelnen Pulsdauermodulations- Befehle des Satzes zusammensetzt, und
• - alle Pulsdauermodulations-Befehle eines aufgerufenen Satzes sequentiell als Steuerbefehle ausgegeben werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Werte der Pulsdauermodulations-Befehle eines umgesetzten Satzes einen Mittelwert ergeben, der gleich dem Pulsdauermodulations-Sollwert für die Rahmenzeitdauer (T_s) des zugehörigen Satzes ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehlsgebereinrichtung (10) einen Pulsdauermodulations- Sollwert durch Vergleich eines von einem dem Stellmotor (14) zugeordneten Rückführsignalgeber (16) erzeugten Rückführsignals mit einem Führungswert ermittelt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehlsgebereinrichtung (10) innerhalb jeder Rahmenzeitdauer (T_s) einen Drehrichtungsbefehl an den Betriebssignalgeber (11) liefert, wobei letzterer den Drehrichtungsbefehl in einer Zeitdauer empfängt, die kürzer als die von der Steuerbefehlsgebereinrichtung (10) vorgegebene Rahmenzeitdauer (T_s) ist, und ein Ansteuersignal erzeugt, das eines der masseseitigen Leistungsschaltelemente (A′, B′) der Brückenschaltung (13) aktiviert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebssignalgeber (11) ein Ansteuersignal für die Brückenschaltung (13) erzeugt, das nur dasjenige Leistungsschaltelement (A, B) aktiviert, das in Übereinstimmung mit dem Drehrichtungsbefehl arbeitet.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur vierfachen Erhöhung der Auflösung die Sätze von Pulsdauermodulations-Befehlen in Zuordnung zu den Pulsddauermodulations- (PDM)-Sollwerten in der Pulsdauermodulations- Befehlssatztabelle (1014) in folgender Form gespeichert sind.

wobei der ganzzahlige vor dem Komma stehende Teil des PDM-Sollwertes entsprechend der minimalen Impulsdauer (t_p) der einzelnen Pulsdauermodulations-Befehle abgestuft ist und wobei der nach dem Komma stehende Teil entsprechend der gewünschten verfeinerten Auflösung abgestuft ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Pulsdauermodulations-Befehlssatztabelle (1014) gespeicherten Befehlssätze Pulsdauermodulations- Sollwerten entsprechen, bei denen der ganzzahlige vor dem Komma stehende Teil "0" ist, und die einzelnen Pulsdauermodulations-Befehle eines Satzes entsprechend dem gewünschten ganzzahligen Anteil des zugehörigen Pulsdauermodulations-Sollwertes vor der Ausgabe erzeugt werden.