DE3884745T2

DE3884745T2 - Vorrichtung zur steuerung der geschwindigkeit eines servomotors.

Info

Publication number: DE3884745T2
Application number: DE88903399T
Authority: DE
Inventors: Hironobu Kuwano; Keiji Sakamoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1987-04-30
Filing date: 1988-04-25
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2008-04-26
Also published as: JPS63274385A; EP0314800A1; US5006770A; EP0314800A4; WO1988008640A1; EP0314800B1; DE3884745D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung, die ein digitales Servosystem bildet, dessen Übertragungsfaktor veränderbar ist.
In einem gewöhnlichen digitalen Servosystem wird der Drehmomentbefehl für einen Servomotor auf der Grundlage eines Fehlersignals für eine Abweichung zwischen einer befohlenen Geschwindigkeit und einer Ist-Geschwindigkeit eingestellt, und es wird im allgemeinen ein Impulscodierer als ein Geschwindigkeitserfassungsmittel zum Erfassen der Ist-Geschwindigkeit benutzt.
Um die Geschwindigkeit und die Position des Servomotors auf der Grundlage des Fehlersignals genau zu regeln, ist gewöhnlich eine PI-Kompensationsschaltung zum Durchführen einer Proportionaloperation und einer Integrationsoperation erforderlich. Um den Einfluß eines Reibungswiderstands in dem Servosystem zu minimieren, das eine derartige Kompensationsschaltung enthält, sind Betrachtungen dahingehend angestellt worden, den Proportional-Übertragungsfaktor und den Integrations-Übertragungsfaktor der Kompensationsschaltung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Servomotors zu ändern.
Bei diesem herkömmlichen Servosystem ist es erforderlich, den Integrations-Übertragungsfaktor in geeigneter Weise zu ändern, wenn versucht wird, die positionsmäßige Genauigkeit durch Beseitigen des Einflusses von äußeren Störungen aufrechtzuerhalten. Indessen geht, wenn der Motor bei einer niedrigen Geschwindigkeit betrieben wird, der stabile Betrieb des Rückkopplungssystem verloren. Der Grund dafür besteht darin, daß das Ist-Geschwindigkeitssignal aus dem Geschwindigkeitserfassungsmittel, wie einem Impulscodierer, in diskreter Art und Weise rückgekoppelt wird. Demzufolge sinkt die Geschwindigkeitserfassungsauflösung bei niedrigen Drehzahlen. Insbesondere ergibt sich, wenn die Auflösung der erfaßten Geschwindigkeit abnimmt, aufgrund eines Reibungswiderstands in dem Servomotor ein Versatz, wenn er bei einer sehr niedrigen Geschwindigkeit betrieben wird. Folglich kann, wenn versucht wird, die Positionierungsgenauigkeit durch Andern des Integrations-Übertragungsfaktors auf der Grundlage des Ist-Geschwindigkeitssignals, das von dem Impulscodierer rückgekoppelt wird, anzuheben, der Übertragungsfaktor nicht durch Anstellen einer genauen Abschätzung des Betrags eines Versatzes geändert werden. Als Ergebnis ergibt sich eine Unregelmäßigkeit in der Drehgeschwindigkeit des Servomotors.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf das zuvor erläuterte Problem entstanden, und ihre Aufgabe besteht darin, eine Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung zu schaffen, bei der eine Hochgeschwindigkeits-Positionieruflg auf der Grundlage eines Ist-Geschwindigkeitssignals, das in diskreter Art und Weise rückgekoppelt wird, mittels einer Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife zu ermöglichen, die mit einer PI-Kompensationsschaltung versehen ist, in welcher der Integrations-Übertragungsfaktor eines digitalen Servosystems variiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung macht sich eine Beobachtungseinrichtung zum Berechnen einer geschätzten Servomotor-Geschwindigkeit zunutze. Die Europäische Patentanmeldung EP-A-208788 offenbart die Benutzung einer derartigen Beobachtungseinrichtung und einer Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung zum Regeln der Geschwindigkeit eines Servomotors durch ein Geschwindigkeits-Befehlssignal vorgesehen, welche Einrichtung umfaßt: ein Geschwindigkeits-Erfassungsmittel, das betreibbar ist, um ein gepulstes Ist-Geschwindigkeits-Signal aus zugeben, dessen Frequenz proportional zu der erfaßten Ist-Servomotor-Geschwindigkeit ist, ein arithmetisches Mittel zum Berechnen der Abweichung zwischen der Ist-Servomotor-Geschwindigkeit und dem Geschwindigkeits-Befehlssignal (das ein diskretes Geschwindigkeits-Befehlssignal sein kann), ein Kompensationsmittel, das einen Regel-Übertragungsfaktor hat, der einen Integrations-Übertragungsfaktor enthält, zum Bilden eines Drehmomentbefehls für den Servomotor auf der Grundlage der Abweichung, die durch das arithmetische Mittel berechnet ist, und ein Beobachtungsmittel zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit auf der Grundlage des gepulsten Ist-Geschwindigkeits-Signals und des Drehmomentbefehls, gekennzeichnet durch ein Regelmittel zum Einstellen und Regeln des Integrations-Übertragungsfaktors des Kompensationsmittels, damit dieses umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit ist, die durch das Beobachtungsmittel berechnet ist, wenn die geschätzte Geschwindigkeit unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt.
In Übereinstimmung mir der Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die geschätzte Geschwindigkeit des Servomotors aus einem Geschwindigkeitssignal, das in diskreter Art und Weise rückgekoppelt ist, berechnet, und es wird ein Integrations-Übertragungsfaktor gewonnen, der umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit ist. Als Ergebnis wird die Auflösung des Geschwindigkeitssignals bei einer niedrigen Geschwindigkeit wirksam verbessert, um es zu ermöglichen, den Integrations-Übertragungsfaktor des digitalen Servosystems zu variieren und eine Hochgeschwindigkeits-Positionierung aus dem Ist-Geschwindigkeitssignal zu erreichen, das auf diskrete Art und Weise durch die Geschwindigkeitssignal-Rückkopplungsschleife, die mit der PI- Kompensations-schaltung versehen ist, rückgekoppelt ist.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 zeigt ein Impuls/Zeit-Diagramm zum Beschreiben der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im einzelnen anhand der Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das eine Geschwindigkeits-Regel-Einrichtung als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Geschwindigkeits-Regeleinrichtung enthält eine Kompensationsschaltung 2, die einen vorbestimmten Regel- Übertragungsfaktor hat und mit einem Geschwindigkeitsbefehl Vcmd über eine Addierschaltung 1 versorgt wird. Die Kompensationsschaltung 2 setzt den Geschwindigkeitsbefehl Vcmd in einen Drehmomentbefehl T für einen Servomotor 3 um. Letzterer wird durch den Drehmomentbefehl T in Übereinstimmung iait der befohlenen Geschwindigkeit Vcmd getrieben und geregelt.
Eine geschätzte Geschwindigkeit , die durch Abschätzen der Ist-Geschwindigkeit des Servomotors 3 gewonnen ist, wird zu der Addierschaltung 1 rückgekoppelt, welche eine Abweichung zwischen diesem rückgekoppelten Signal und dem Geschwindigkeitsbefehl Vcmd berechnet. Die Abweichung wird an die Kompensationsschaltung 2 als eine Geschwindigkeitsabweichung ausgegeben.
Die Kompensationsschaltung 2 ist zum Einstellen der Leistung des Servomotors 3, wie einem vorbestimmten Treiberstrom, auf der Grundlage der Geschwindigkeitsabweichung vorgesehen. Der Regel-Übertragungsfaktor G der Kompensationsschaltung wird wie folgt eingestellt:
G = Np + Ki/s,
wobei Kp und Ki den Proportional-Übertragungsfaktor bzw. den Integrations-Übertragungsfaktor repräsentieren. Das kennzeichnende Merkmal der Geschwindigkeitsregel-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Tatsache, daß der Integrations-Übertragungsfaktor Ki in Abhängigkeit von der geschätzten Geschwindigkeit variabel ist, wie im folgenden ausgeführt ist.
Insbesondere ist die Geschwindigkeitsregel-Einrichtung derart beschaffen, daß ein Ist-Geschwindigkeitssignal W von dem Servomotor 3 als ein Impulssignal eingegeben wird, dessen Frequenz proportional zu der Geschwindigkeit ist, wobei das entsprechende Signal diskret durch ein Geschwindigkeitserfassungsmittel, wie einen Impulscodierer, gebildet wird. Da der Servomotor 3 gewöhnlich bei einer hohen Geschwindigkeit dreht, ist der Geschwindigkeitserfassungsbereich des Geschwindigkeitserfassungsmittels groß eingestellt. Als Folge davon nimmt die Geschwindigkeitsauflösung relativ bei niedriger Geschwindigkeit ab. Dementsprechend ist in einem Fall, in dem das Ist-Geschwindigkeitssignal W von dem Servomotor 3 aus einem Impulscodierer oder dgl. gewonnen wird, eine Beobachtungseinrichtung 4 zum Berechnen der geschätzten Geschwindigkeit aus der Ist-Geschwindigkeit W und dem Drebmomentbefehl T vorgesehen, und der Integrations-Übertragungsfaktor Ki der Kompensationsschaltung 2 wird so eingestellt, daß er umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit ist. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Übertragungsfaktor-Einstelleinheit, die dazu bestimmt ist, den Integrations-Übertragungsfaktor Ki auf Null zu stellen, wenn die geschätzte Geschwindigkeit oberhalb eines bestimmten Werts liegt, und den Integrations-Übertragungsfaktor Ki zu erhöhen, so daß er umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit ist, wenn die Geschwindikeit des Servomotors 3 absinkt, um einen bestimmten Betrag des Abfalls in der Geschwindigkeitsauflösung des Impulscodierers zu bewirken.
Bei der zuvor beschriebenen Anordnung ist das Geschwindigkeitssignal, das zu der Addierschaltung 1 rückgekoppelt ist, auch die geschätzte Geschwindigkeit aus der Beobachtungseinrichtung 4. Indessen muß die geschätzte Geschwindigkeit nicht notwendigerweise bei der Abweichungsberechnung benutzt werden. Der Grund dafür ist, daß es ausreicht, eine Anordnung anzunehmen, in welcher das Ist-Geschwindigkeitssignal W von dem Servomotor 3 auf die Addierschaltung 1 rückgekoppelt wird.
Wenn die Positionierung bei einer niedrigen Geschwindigkeit durch Ausführen der PI-Regelung in Übereinstimmung mit dem Geschwindigkeitsbefehl Vcmd in der Servomotor-Geschwindigkeits- Regeleinrichtung, welche auf die beschriebene Art und Weise aufgebaut ist, durchgeführt wird, wird die geschätzte Geschwindigkeit des Servomotors 3 aus dem diskret rückgekoppelten Ist-Geschwindigkeitssignal W berechnet, und der Integrations- Übertragungsfaktor der Kompensationsschaltung 2 kann so geändert werden, daß er umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit ist.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit [(a) in Fig. 2] und dem variablen Integrations-Übertragungsfaktor Ki. Fig. 2(b) zeigt die Art und Weise, in welcher die Geschwindigkeitsauflösung abnimmt, wenn das Ist-Geschwindigkeitssignal W aus dem Geschwindigkeitserfassungsmittel, wie eineia Impulscodierer, bezeichnend für eine niedrige Geschwindigkeit ist.
Fig. 2(c) zeigt die Geschwindigkeit des Servomotors 3, die durch die Beobachtungseinrichtung 4 abgeschätzt ist. Durch komtinuierliches Abschätzen der Geschwindigkeit kann der Integrations-Übertragungsfaktor Ki der Kompensationsschaltung 2 umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit über die Übertragungsfaktoreinsteileinheit 5 varriert werden, wenn sich die Geschwindigkeitsauflösung des Impulscodierers bis zu einem gewissen Grad [(d) in Fig. 2] verschlechtert.
In [(d) von Fig. 2] geben die unterbrochenen Linien die Schwingung von Ki an, die verursacht wird, wenn der Integrations- Übertragungsfaktor Ki bei der PI-Regelung in Übereinstimmung mit dem Ist-Geschwindigkeitssignal W varriert wird, wenn letzteres bezeichnend für eine niedrige Geschwindigkeit ist. Im Gegensatz dazu verbessert bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Integrations-Übertragungsfaktor Ki, welcher in Übereinstimmung mit der geschätzten Geschwindigkeit aus der Beobachtungseinrichtung 4 geändert wird, wie dies durch die ausgezogene Linie angegebeben ist, im Effekt die Auflösung des Geschwindigkeitssignals, das bei niedriger Geschwindigkeit rückgekoppelt wird.
Im Hinblick auf die variable Einstellung des Integrations-Übertragungsfaktors Ki durch die Übertragungsfaktoreinstelleinheit 5 ist bevorzugt, daß der Übertragungsfaktor kontinuierlich unter Berücksichtigung der geschätzten Geschwindigkeit gändert wird. Indessen kann dies innerhalb praktischer Grenzen in diskreter Weise durchgeführt werden.
Die Servomotor-Geschwindigkeitsregel-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet die geschätzte Geschwindigkeit eines Servomotors aus einem Geschwindigkeitssignal, das in diskreter Weise rückgekoppelt ist, und ändert den Integrations- Übertragungsfaktor so, daß er umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit ist, um dadurch ein Anheben der Auflösung des Geschwindigkeitssignals während einer Zeit niedriger Geschwindigkeit zu bewirken.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das arithmetische Mittel 1, das Kompensationsmittel 2 und das Regelmittel 5 als ein Rechnersystem vorgesehen, das digitale Signale verarbeitet.

Claims

1. Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung zum Regeln der Geschwindigkeit eines Servomotors durch ein Geschwindigkeits- Befehlssignal (Vcmd), welche Einrichtung umfaßt:

ein Geschwindigkeits-Erfassungsmittel, das betreibbar ist, um ein gepulstes Ist-Geschwindigkeits-Signal (W) aus zugeben, dessen Frequenz proportional zu der erfaßten Ist-Servomotor-Geschwindigkeit ist,

ein arithmetisches Mittel (1) zum Berechnen der Abweichung zwischen der Ist-Servomotor-Geschwindigkeit und dem Geschwindigkeits-Befehlssignal (Vcmd),

ein Kompensationsmittel (2), das einen Regel-Übertragungsfaktor hat, der einen Integrations-Übertragungsfaktor (Ki) enthält, zum Bilden eines Drehmomentbefehls (T) für den Servomotor (3) auf der Grundlage der Abweichung, die durch das arithmetische Mittel (1) berechnet ist, und

ein Beobachtungsmittel (4) zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit ( ) auf der Grundlage des gepulsten Ist-Geschwindigkeits-Signals (W) und des Drehmomentbefehls (T), gekennzeichnet durch

ein Regelmittel (5) zum Einstellen und Regeln des Integrations-Übertragungsfaktors (Ki) des Kompensationsmittels (2), damit dieses umgekehrt proportional zu der geschätzten Geschwindigkeit ( ) ist, die durch das Beobachtungsmittel (4) berechnet ist, wenn die geschätzte Geschwindigkeit ( ) unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt.

2. Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Kompensationsmittel (2) durch eine Proportional- Integrationsschaltung gebildet ist, in welcher der Integrations-Übertragungsfaktor (Ki) zu Null wird, wenn die geschätzte Geschwindigkeit ( ) größer als der vorbestimmte Wert ist.

3. Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Integrations-Übertragungsfaktor (Ki) des Kompensationsmittels (2) kontinuierlich durch das Regelmittel (5) eingestellt und geregelt wird.

4. Servomotor-Geschwindigkeits-Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das arithmetische Mittel (1), das Kompensationsmittel (2) und das Regelmittel (5) als ein Computer-System angeordnet sind, das digitale Signale verarbeitet.