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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Regeln eines Servomotors, insbesondere auf ein
Antriebsregelverfahren für einen Servomotor, bei dem eine hohe
Ausgangsleistung aus dem Servomotor mittels einer Motorstrom-Regeleinheit
eines einfachen Aufbaus erreicht werden kann.
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Die bisher verfolgte Hauptrichtung bei der
Servomotorantriebsregelung ist die PWM-Regelung, die Halbleiter-Schaltelemente,
wie Leistungstransistoren, Thyristoren usw. benutzt. Außerdem
besteht ein Wunsch dahingehend, daß eine hohe Ausgangsleistung
aus einem Servomotor erhalten werden sollte. Um eine hohe
Ausgangsleistung aus einein Servomotor zu erhalten, muß den
Halbleiterelementen ein großer Strom zugeführt werden. Es ist
indessen schwierig, Halbleiterelemente zu erhalten, die einen
ihnen zugeführten großen Strom gestatten. Selbst wenn es zulässig
ist, einen großen Strom durch ein Halbleiterelement fließen zu
lassen, hat das Halbleiterelement die Eigenschaft, Hitze in
seinem aktiven Bereich zu erzeugen, und weniger in seinem
Ausschaltbereich und seinem gesättigten Bereich. Daher steigt der
kalorische Wert des Halbleiterelements proportional zu der
Zerhackungsfreguenz an, so daß die Zerhackungsfrequenz
herabgesetzt werden muß. Wenn indessen die Zerhackungsfrequenz
herabgesetzt wird, wird die Motorregelung unvermeidbar schwierig.
Daraufhin wird eine versuchsweise Anordnung vorgesehen, und
zwar derart, daß jedes der Schaltelemente eines PWM-Abschnitts
aus einer Vielzahl von Halbleiterelementen zusammengesetzt
wird, und es wird der Treibstrom des Servomotors durch
Herabsetzen der Ströme erhöht, die durch die einzelnen
Halbleiterelemente fließen. In einem solchen Fall wird indessen eine
Stromkonzentration in den Halbleiterelementen (oder ein großer
Stromfluß nur in einigen der Halbleiterelemente) verursacht, so
daß der Treibstrom nicht proportional der Anzahl von
parallelgeschalteten Halbleiterelementen erhöht werden kann.
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Herkömmlicherweise wird daher eine hohe Ausgangsleistung durch
Betreiben einer großen Anzahl von Motoren in paralleler
Anordnung erreicht. In diesem Fall ist es indessen notwendig, die
einzelnen Motoren mechanisch miteinander und mit einer
Ausgangswelle zu verbinden. Dies führt zu einer Erhöhung der
Kosten.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Antriebsregelverfahren für einen Servomotor zu schaffen, bei dem
eine hohe Ausgangsleistung von dem Servomotor erhalten werden
kann, während verhindert wird, daß Schaltelemente einer
Motorstrom-Regeleinheit durch einen übermäßigen Strom beschädigt
werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Antriebsregelverfahren für einen Servomotor zu schaffen,
das durch Benutzen einer Motorstrom-Regeleinheit mit einfachem
Aufbau bewirkt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein 1. Verfahren zum
Regeln des Phasenstroms ineinem Servomotor,
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der eine Vielzahl von Wicklungsteilen? in jeder Ankerphase
umfaßt, mit Schritten zum:
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a) Erzeugen eines Befehlsstroms (Ir), der allen der
Vielzahl von Wicklungsteilen gemeinsam ist,
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b) Berechnen und Integrieren unter Benutzen eines Inte
grationselements (9) die individuelle Abweichung zwischen
dem Befehlsstrom (Ir) und dem individuellen Strom (Ia, Ib),
der durch jeden der Vielzahl von Wicklungsteilen fließt, für
jeden der Vielzahl von Wicklungsteilen, Berechnen der
individuellen Abweichung zwischen der Ausgangsleistung des
Integrationselements und der Ausgangsleistung eines
Proportionalelements (10), das den individuellen Strom (Ia, Ib)
verstärkt,
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c) Gewinnen eines Regelsignals, das der Vielzahl von
Wicklungsteilen gemeinsam ist, durch Addieren aller
individuellen Abweichungen, die in Schritt b) berechnet sind,
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d) Verstärken des Regelsignals durch Benutzen eines
gemeinsamen Fehlerverstärkermittels (2),
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e) Regeln des individuellen Stroms, der der Vielzahl von
Wicklungteilen zugeführt wird, mttels eines gemeinsamen PWM-
Regelmittels (3) und eines individuellen
Spannungsverstärkermittels (4),
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wobei die Konstante (Kp) des individuellen
Proportionalelements (10) und die Konstante (Kv) der
Totalübertragungsfunktion? des Fehlerverstärkungsmittels (2),des
PWM-Regelmittels (3) und des Spannungsverstärkermittels(4) so
eingestellt sind, daß sie größer als die anderen Parameter der
Transferfunktionen der individuellen Wicklungsteile sind?.
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Demzufolge wird gemäß der vorliegenden Erfindung das
Regelsignal unter Benutzen des Integrationselements und des
Proportionalelements entsprechend jedem der Vielzahl von Wicklungsteilen
gewonnen, die die Ankerwicklung jeer Phase des Servomotors
bilden?. Daher kann der Strom, der durch die individuellen
Wicklungsteile fließt, unabhängig auf gleiche Werte durch Benutzen
eines PWM-Regelmittels geregelt werden. Demzufolge kann eine
hohe Ausgangsleistung aus dem Servomotor gewonnen werden, und
daneben kann ein Motorstrom-Regelabschnitt in seinem Aufbau
vereinfacht und in dessen Kosten gesenkt werden.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Motorstrom-Regeleinheit,
auf die das Verfahren zum Regeln eines Servomotors gemäß
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
angewendet wird.
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das ein typisches Beispiel
eines Geschwindigkeitsregelabschnitts eines
Gleichstrommotors darstellt.
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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbld, das ein Beispiel der Anordnung
enes Stromregelabschnitts darstellt, der für die
Regelung eines Servomotors benutzt wird, welcher eine
Ankerwicklung hat, die aus einer Vielzahl von Wicklungsteilen
zusammengesetzt ist.
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Fig. 4 zeigt ein Blockchaltbild, das eine Modifikation der An
ordnung gemäß Fig. 3 darstellt, in welcher ein
PWM-Regelabschnitt und dgl. gemeinsam benutzt werden.
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Vor der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird ein
typisches Beispiel der Geschwindigkeitsregelung eines
Gleichstrommotors anhand von Fig. 2 erläutert. Fig. 2 zeigt nur solche
Elemente, die in Beziehung zu einer Phase des Motors stehen. In
Fig. 2 wird die Differenz zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl
r, der von einem Fehlerregister oder dgl. geliefert wird, und
einer Istgeschwindigkeit V des Servomotors, die durch einen
Geschwindigkeitsdetektor erfaßt ist, durch einen Fehlerverstärker
1 verstärkt und als ein Strombefehl Ir an einen
Fehlerverstärker 2 geliefert. Die Differenz zwischen demstrombefehl Ir und
einem augenblicklichen Treibstrom Ia, der durch einen
Stromdetektor erfaßt ist, wird verstärkt. Dann wird eine Ankerwicklung
des Servomotors mit einem Treibstrom aus einem
Spannungsverstärker 4 versorgt, der durch einen PWM-Regelabschnitt 3
geregelt wird, welcher in Reaktion auf ein Ausgangssignal von dem
Fehlerverstärker 2 betrieben wird. Die Bezugszeichen 5, 6 u. 7
bezeichnen Transferfunktionen auf der Grundlage einer
Induktanz La der Ankerwicklung, einen Widerstand Ra der Wicklung bzw.
eine elektromotorische Rückspannungskonstante? Ka des
Servomotors. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Transferfunktion zur
umsetzung von einem Ausgangsdrehmoment des Servomotors auf eine
Geschwindigkeit . Die Symbole Kt u. Jm bezeichnen eine
Drehmomentkonstante bzw. eine sich ergebende innere? Wirkung? des
Servomotors und der Last .
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Um die Servomotor-Ausgangsleistung ohne Zuführen eines
übermäßigen Stroms zu Halbleiterelementen des PWM-Regelabschnitts 3
zu erhöhen, weisen die Wechelrichter desselben zunächst? eine
Anordnung auf, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, in welcher die
Ankerwicklung jeder Phase des Motors aus zwei unabhängigen
Wicklungsteilen zusammengesetzt ist, und in welcher ein PWM-ge
regelter Treibstrom jedem der Wicklungsteile zugeführt wird.
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Die zwei unabhängigen Wicklungsteile, die jede Phase bilden,
sind relativ zu den Nuten (nicht gezeigt) eines Ankers
angeordnet, um so gleichförmig auf einen Rotor in ihrer phasenmäßigen
Beziehung zu wirken. Die Wicklung jeder Phase eines
herkömmlichen Servomotors ist nämlich unterteilt, so daß jede Phase zwei
unabhängige Wicklungsteile enthält. Die einfachste Weise,
dieses zu erreichen, besteht darin, zwei unabhängige Wicklungteile
ein und derselben Phase in derselben Nute des Ankers
vorzusehen. Auch wenn man zwei Wicklungsteile derselben Phase in
unterschiedlichen Nuten anordnet, ist es nur notwendig, daß diese
zwei Wicklungsteile relativ so angeordnet sind, daß sie
gleichartig auf den Rotor wirken.
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In Fig. 3 sind Elemente 2 bis 7, die identisch mit den
Elementen sind, die in Fig 2 gezeigt sind, entsprechend einem ersten
Wicklungsteil angeordnet, während ähnliche Elemente 2' bis 7'
entsprechend einem zweiten Wicklungsteil angeordnet sind. Die
Symbole La, Ra u. Ka bezeichnen eine Induktivität, einen
Widerstand bzw. eine Gegenelektromotorische-Kraftkonstante bei dem
ersten Wicklungsteil, und das Symbol Ia bezeichnet einen Strom,
der durch den ersten Wicklungsteil fließt. Die Symbole Lb, Rb
und Kb bezeichnen eine Induktivität, einen Widerstand und eine
Gegenelektromotorische-Kraftkonstante bei dem zweiten
Wicklungsteil, und das Symbol Ib bezeichnet einen Strom, der durch
den zweiten Wicklungsteil fließt.
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Wenn die Fehlerverstärker 2 u. 2', die PWM-Regelabschnitte 3 u.
3', die Spannungsverstärker 4 u. 4' usw. in deren
entsprechenden Wicklungsteilen angeordnet sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt
ist, werden die individuellen Wicklungsteile unabhängig
geregelt. Dementsprechend besteht keine gegenseitige Beeinflussung
zwischen Strömen, die durch die Wicklungsteile fließen, und
diese Anordnung ist äquivalent derjenigen, die zwei Motoren
regelt. Diese Anordnung ist indessen unwirtschaftlich, da sie die
Fehlerverstärker, die PWM-Regelabschnitte und die
Spannungsverstärker
paarweise erfordert.
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Daraufhin ist eine Anordnung gemäß Fig. 4 erdacht worden, bei
der der Stromregelabschnitt, der in Fig. 3 gezeigt ist,
modifiziert ist, so daß der Fehlerverstärker und der PWM-
Regelabschnitt 3 gemeinsam für die ersten und zweiten
Wicklungsteile benutzt werden.
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Durch Analysieren des Blockschaltbildes gemäß Fig. 4 werden die
folgenden Gleichungen (1) bis (3) gewonnen:
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{(2Ir-Ia-Ib) G(S) Kv-Ia La S-V Ka} (1/Ra) = Ib ... (1)
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{(2Ir-Ia-Ib) G(S) Kv-Ib Lb S-V Kb} (1/Rb) = Ib ... (2)
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(Ia+Ib) (Kt/Jm S) = V ... (3),
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wobei G(S) die Übertragungsfunktion des Fehlerverstärkers 2 und
des PWM-Regelaschnitts ist und Kv die Übertragungsfunktion der
Spannungsverstärker 4 u. 4' ist.
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Durch Umordnen von Gl. (1) wird erhalten:
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(2Ir-Ib) G(S) Kv-Ka-Ka V = {Ra+La S+G(S) Kv}Ia ... (4)
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Durch Umordnen von Gl. (2) wird erhalten:
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(2Ir-Ia) G(S) Kv-Kb V = {Rb+Lb S+G(S) Kv}Ib ... (5)
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Durch Substitution für die Gleichungen (4) u. (5) aus Gl. (3)
und durch Umordnen der sich ergebenden Gleichungen werden die
folgenden Gleichungen (6) u. (7) erhalten:
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Aus der Lösung der Gl. (6) u. (7) ergibt sich
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Wie aus Gl. (8) ersichtlich, sind die Ströme Ia u. Ib, die
durch die zwei Wicklungsteile fließen, nicht unabhängig
voneinander und sind voneinander unterschiedlich, wobei sich deren
Verhältnisse zu dem Geschwindigkeitsbefehl Ir entsprechend den
Änderungen von Parametern ändern.
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Auf der Grundlage der zuvor angestellten Betrachtungen ist die
vorliegende Erfindung so beschaffen, daß die Ströme Ia u. Ib,
die durch zwei Wicklungsteile fließen, unabhängig voneinander
sind. Im einzelnen sind integrierende Elemente 9 u. 9', deren
Übertragungsfunktion Ki/S ist, individuell in den Stufen
angeordnet, die vor dem Fehlerverstärker 2 liegen, wodurch die
Abweichungen zwischen dem Befehlsstrom Ir für die ersten und
zweiten Wicklungsteile und die Ströme Ia u. Ib, die durch die
Wicklungsteile fließen, integriert werden. Außerdem werden die
Ströme Ia u. Ib, die durch die ersten und zweiten
Wicklungsteile fließen, jeweils durch die Proporitionalelemente 10 u. 10',
deren Übertragungsfunktion Kp ist, verstärkt. Ferner werden die
Abweichungen zwischen den Ausgangssignalen der integrierenden
Elemente 9 u. 9' und den Proportionalelementen 10 u. 10'
gewonnen, und die Gesamtsumme dieser Abweichungen wird dann dem PWM-
Regelabschnitt 3 über den Fehlerverstärker 2 zugeführt.
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In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 wird eine Analyse
durchgeführt.
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Zunächst werden, wenn die Summenübertragungsfunktion des
Fehlerverstärkers 2, des PWM-Regelabschnitts 3 und des
Spannungsverstärkers 4 sowie des Fehlerverstärkers 2, des
PWM-Regelabschnitts 3 und des Spannungsverstärkers 4' Kv(1) bzw. Kv(2)
sind, die folgenden Gleichungen (9) bis (11) für die Ströme Ia
u. Ib, die durch die ersten und zweiten Wicklungsteile fließen,
aufgestellt:
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Durch Substituieren für V aus Gl. (9) auf der linken Seite von
Gl. (11) und Umordnen der sich ergebenden Gleichung kann die
folgende Gleichung (12) gewonnen werden:
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Durch Substituieren für V aus Gl. (10) auf der linken Seite von
Gl. (11) und Umordnen der sich ergebenden Gleichung kann
darüber hinaus die folgende Gleichungen (13) gewonnen werden:
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Wenn hierbei Kv(1), Kv(2) »1 und Kv(2) »1 und Kv(1) = Kv(2)
angenommen wird, kann Gl. (12) durch die folgende Gleichung
(14) angenähert werden:
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In gleicher Weise kann Gl. (13) durch die folgende Gleichung
(15) angenähert werden:
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Da die betreffenden linken Seiten der Gl. (14) u. (15)
identisch sind, gilt die folgende Gleichung (16):
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Da Ki Kv/S gemeinsam für beide Seiten der Gl. (16) benutzt
wird, kann die folgende Gleichung durch Umordnen von Gl. (16)
gewonnen werden:
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Durch weiteres Umordnen von Gl. (17) ergibt sich:
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Hierbei ist Kp Kv » 1, und wenn weitere Paramater
vernachlässigbar sind, gilt:
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Ia = Ib ... (19)
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Wenn die Proportionalkonstante Kv der Übertragungsfunktion der
Elemente 2 bis 4 und 2' bis 4' und die Proportionalkonstante Kp
der Übertragungsfunktion der zwischengeschalteten
Proportionalelemente 10 u. 10', wie in Fig. 1 gezeigt, größer als die
anderen Parameter gemacht werden, kann zumindest der
PWM-Regelabschnitt 3 gemeinsam für die Wicklungsteile benutzt werden.
Außerdem haben die Ströme Ia u. Ib, die durch die individuellen
Wicklungsteile fließen, im wesentlichen unabhängige und gleiche
Werte. Dementsprechend wird der Rotor des Servomotors durch im
wesentlichen gleiche Drehkräfte gedreht, die den Strömen
zuzuschreiben sind, welche durch die zwei Wicklungsteile fließen.
Demzufolge kann der Servomotor ein großes Ausgangsdrehmoment
erzeugen.
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Obgleich der Gleichstrom-Servomotor im Zusammenhang mit dem
zuvor angegebenen Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann ein
Wechselstrom-Servomotor mit den gleichen Ergebnissen benutzt
werden.