DE3935712A1 - Motorantriebseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorantriebseinrichtung, insbesondere eine Servoantriebseinrichtung zur Winkelsteuerung mit einer Konstruktion, wobei mechanisches Spiel oder Totgang durch die Verwendung von zwei Motoren beseitigt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Technik, bei der eine Integrationsschaltung innerhalb einer Geschwindigkeitsregelschleife verwendet wird, um die statische Positionsgenauigkeit zu steigern.

Fig. 4 zeigt eine herkömmliche Ausführungsform eines Positionierungs-Servosystems mit einem Aufbau, bei dem, unter Verwendung von zwei Motoren, mechanisches Spiel im Übertragungsmechanismus zwischen den Motoren und einer Spindel bzw. einer Drehscheibe beseitigt wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist das Servosystem folgende Baugruppen auf: einen Fehlerzähler 1, der die Differenz zwischen Steuerimpulsen und Positions-Rückkopplungsimpulsen zählt; Geschwindigkeitsverstärker 2 bzw. AMP 1 sowie 3 bzw. AMP 2; Servomotoren 4 bzw. M 1 sowie 5 bzw. M 2; Geschwindigkeitsdetektoren oder Tachometergeneratoren 6 bzw. TG 1 sowie 7 bzw. TG 2; und einen Positionsdetektor oder Codierer 8 bzw. EN.

Die Positions-Rückkopplungsimpulse, die vom Positionsdetektor EN bzw. 8 geliefert werden, werden auf den negativen Eingang des Fehlerzählers 1 zurückgeführt. Die Geschwindigkeits-Rückkopplungssignale, die von den Geschwindigkeitsdetektoren TG 1 bzw. 6 und TG 2 bzw. 7 geliefert werden, werden auf die negativen Eingänge der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 und AMP 2 bzw. 3 zurückgeführt.

Fig. 5 zeigt den mechanischen Teil des Servosystems gemäß Fig. 4. In den Fig. 5 folgenden bezeichnen die gleichen Symbole wie in Fig. 4 auch gleiche Baugruppen bzw. Komponenten. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Spindel bzw. eine Drehscheibe, die mit dem Positionsdetektor EN bzw. 8 koaxial gekoppelt ist. Der Servomotor M 1 bzw. 4 und der Geschwindigkeitsdetektor TG 1 bzw. 6 sind koaxial gekoppelt und mit der Spindel 9 über ein Untersetzungszahnrad oder Untersetzungsgetriebe 10 bzw. G 1 verbunden. In gleicher Weise sind der Servomotor M 2 bzw. 5 und der Geschwindigkeitsdetektor TG 2 bzw. 7 koaxial miteinander gekoppelt, und sie sind mit der Spindel 9 über ein Untersetzungszahnrad oder Untersetzungsgetriebe 11 bzw. G 2 verbunden.

Fig. 6 zeigt die Eingangs/Ausgangs-Charakteristiken der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 sowie AMP 2 bzw. 3. Wie in Fig. 6 dargestellt, erzeugt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 eine proportionale negative Spannung -V 1 in Abhängigkeit von einem positiven Geschwindigkeitseingangssignal v 1 und erzeugt eine Spannung von Null in Abhängigkeit von einem negativen Eingangssignal, ausgenommen in der Nähe des Geschwindigkeitseingangssignals mit dem Wert Null.

Andererseits erzeugt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 2 bzw. 3 eine proportionale positive Spannung V 2 in Abhängigkeit von einem negativen Geschwindigkeitseingangssignal +v 2 und erzeugt eine Spannung von Null in Abhängigkeit von einem positiven Eingangssignal, ausgenommen in der Nähe des Geschwindigkeitseingangssignals mit dem Wert Null.

Der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 legt die Spannung +V 1 an den Servomotor M 1 bzw. 4 in Abhängigkeit von einem positiven Geschwindigkeitseingangssignal v 1, woraufhin gemäß Fig. 5 der Servomotor M 1 bzw. 4 ein Drehmoment erzeugt, das mit einem ausgezogenen Pfeil angedeutet ist, und dreht die Spindel 9 in Richtung des entsprechenden Pfeiles, also im Uhrzeigersinn. Bei dieser Gelegenheit legt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 2 bzw. 3 eine Spannung von Null an den Servomotor M 2 bzw. 5 an, die kein Drehmoment zum Drehen der Spindel 9 erzeugt.

In gleicher Weise legt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 2 bzw. 3 die Spannung V 2 an den Servomotor M 2 bzw. 5 in Abhängigkeit von dem negativen Geschwindigkeitseingangssignal +v 2 an, woraufhin gemäß Fig. 5 der Servomotor M 2 bzw. 5 ein Drehmoment erzeugt, das mit einem gestrichelt gezeichneten Pfeil angedeutet ist, und dreht die Spindel in der Richtung des gestrichelten Pfeiles, also im Gegenuhrzeigersinn. Bei dieser Gelegenheit legt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 eine Spannung von Null an den Servomotor M 1 bzw. 4 an, die kein Drehmoment zum Drehen der Spindel 9 erzeugt.

In einem Falle, wo das Geschwindigkeitseingangssignal v Null ist, legt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 eine negative Spannung +v 3 an den Servomotor M 1 bzw. 4 an, die ein Drehmoment in der Richtung des ausgezogenen gezeichneten Pfeiles in Fig. 5 erzeugt, während der Geschwindigkeitsverstärker AMP 2 bzw. 3 eine positive Spannung V 3 an den Servomotor M 2 bzw. 5 anlegt, der ein Drehmoment in Richtung des gestrichelten Pfeiles in Fig. 5 erzeugt.

Somit werden die Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5 insofern stationär, als sie einander ziehen. Das bedeutet, das mechanische Spiel zwischen dem Untersetzungsgetriebe G 1 bzw. 10 und der Spindel 9 sowie das mechanische Spiel zwischen dem Untersetzunggetriebe G 2 bzw. 11 und der Spindel 9 werden beseitigt.

In diesem Zusammenhang ist es übliche Praxis, die zu dem Servomotoren M 1 bzw. 4 und M 2 bzw. 5 fließenden Ströme so vorzugeben, daß sie etwa 1/10 der Nennstärke der Servomotoren ausmachen, und die Schaltungskonstanten der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 und AMP 2 bzw. 3 werden auf Werte gesetzt oder eingestellt, um den vorgegebenen Stromstärkenwert zu erreichen.

Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 und AMP 2 bzw. 3. Da beide Geschwindigkeitsverstärker den gleichen Schaltungsaufbau haben, soll zunächst der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 im einzelnen erläutert werden. Nachdem das Abtastsignal, also das Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal vom Geschwindigkeitsdetektor TG 1 bzw. 6 von einem Operationsverstärker 21 verstärkt worden ist, wird dieses verstärkte Ausgangssignal an einen Operationsverstärker 22 angelegt, und zwar zusammen mit einem Geschwindigkeits-Eingangssignal X 1; die Abweichung des verstärkten Ausgangssignals vom Geschwindigkeits-Eingangssignal X 1 wird als Ausgangssignal X 2 abgegeben.

Dieses Abweichungs-Ausgangssignal X 2 dient als Geschwindigkeits-Eingangssignal v, wie im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert, und wird an einen Operationsverstärker 23 angelegt. Wenn das Geschwindigkeits-Eingangssignal v einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird das Ausgangssignal V des Operationsverstärkers 23 proportional zur Zunahme des Geschwindigkeits-Eingangssignals v an einen Operationsverstärker 24 der nächsten Stufe angelegt und von diesem verstärkt. Die verstärkte Spannung wird dann an den Servomotor M 1 bzw. 4 angelegt. Im Geschwindigkeitsverstärker AMP 2 bzw. 3 ist die Eingangs/Ausgangs-Charakteristik eines Operationsverstärkers 33 mit entgegengesetzter Polarität zu der des Operationsverstärkers 23 ausgebildet, und das Ausgangssignal mit der entgegengesetzten Polarität wird über einen Operationsverstärker 34 an den Servomotor M 2 bzw. 5 angelegt. Im übrigen ist der Aufbau dieses Geschwindigkeitsverstärkers AMP 2 bzw. 3 in ähnlicher Weise aufgebaut wie der oben beschriebene Geschwindigkeitsverstärker.

In einem Positions- oder Winkelsteuerungs-Servosystem herkömmlicher Bauart gemäß den oben beschriebenen Beispielen ist es eine wesentliche und grundlegende Eigenschaft, eine Servosteifigkeit im Bereich niedriger Geschwindigkeiten zu Null zu machen, insbesondere den Wert des Fehlers einer Stoppstellung bezüglich eines Steuerbefehls oder Steuerwertes im stationären Zustand, nämlich den Positionsfehler für einen stabilen oder stationären Zustand. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen daher folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• - Die Vorwärtsverstärkungen der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 sowie AMP 2 bzw. 3 werden erhöht.
• - Die Verstärkungen im Bereich niedriger Geschwindigkeiten werden unter Verwendung von nicht-linearen Schaltungselementen erhöht.
• - Innerhalb der Geschwindigkeitsregelschleifen werden Integrationselemente hinzugefügt.

Die ersten beiden Maßnahmen machen jedoch das Servosystem instabil, und es ist schwierig, eine stabile Positionssteuerung und Regelung durchzuführen. Insbesondere durch die zweite Maßnahme gelingt es nicht, Positionsschleifenverstärkungen gegenüber der Geschwindigkeit konstant zu machen. Die dritte Maßnahme wird inzwischen üblicherweise praktiziert.

Wenn jedoch die Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 und AMP 2 bzw. 3 jeweils mit den Integrationselementen versehen werden, wie im Falle der herkömmlichen Konstruktion, werden die Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5 insofern stationär, als sie einander in den Zustand ziehen, in welchem Ankerströme fließen, die die Nennstromstärke der Motoren überschreiten, und zwar aus einem nachstehend näher beschriebenen Grunde. Da derartige Überströme kontinuierlich durch die Motoren fließen, können bei den Motoren Beschädigungen auftreten.

Der Grund für dieses Verhalten wird nachstehend näher erläutert. In dem Falle, wo die Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 sowie AMP 2 bzw. 3 jeweils mit Integrationselementen 14 bzw. 15 gemäß Fig. 8 versehen sind, haben beide Ausgangssignale der Geschwindigkeitsdetektoren TG 1 bzw. 6 sowie TG 2 bzw. 7 einen Wert von null Volt in den stationären Zuständen der Motoren. Eine positive oder negative kleine Spannung wird als Spannung X 1 des Geschwindigkeits-Eingangsteiles angelegt, und zwar in Abhängigkeit vom Wert des Positionsfehlers im stabilen Zustand.

Durch die kleine Spannung werden Ladungen in den Kondensatoren der Integrationselemente 14 und 15 gespeichert, so daß ausreichend hohe Spannungen, die bezogen auf die Zeit, integriert werden, als Ausgangsspannungen X 2 und X 3 der jeweiligen Integrationselemente 14 und 15 geliefert werden. Dabei ist jedoch unbestimmt, ob die Spannungen X 2 und X 3 die gleiche Polarität erhalten, und zwar wegen der Eigenschaften der Operationsverstärker 22 a und 32 a, insbesondere der Eingangs-Offsetspannungen in den Operationsverstärkern usw.

In einem Falle, wo die Spannung X 2 negativ ist und die Spannung X 3 positiv ist, gehen die Ausgangsdrehmomente der Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5 in die Richtungen, die mit den ausgezogenen bzw. gestrichelten Pfeilen in Fig. 5 angedeutet sind, und die Servomotoren M 1 bzw. 4 und M 2 bzw. 5 werden in der Form stationär, daß sie einander in dem Zustand ziehen, in welchem Ankerströme fließen, die über die Nennstromstärke der Motoren hinausgehen.

Manchmal fließen diese zu großen Ströme andauernd durch die Motoren, so daß diese beschädigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Motorantriebseinrichtung anzugeben, bei der dann, wenn die beiden Motoren zum Stillstand gebracht werden, die Motoren nicht dadurch stationär werden, daß sie einander ziehen, während Ankerströme in den Motoren fließen, welche die Nennstromstärke überschreiten, so daß zuverlässig verhindert wird, daß übermäßig hohe Ströme durch die Motoren fließen.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise erreicht. Bei der erfindungsgemäßen Motorantriebseinrichtung ist vorgesehen, daß die beiden Motoren in Eingriff mit derselben Spindel gehalten werden, und zwar über die jeweiligen Drehmomentübertragungsmechanismen, und wobei jeder der Motoren einen Antriebsverstärker hat, um ein Drehmoment in einer Richtung zu erzeugen, die entgegengesetzt zum Drehmoment des anderen Motors ist. Ferner ist gemäß der Erfindung eine Integrationsschaltung vorgesehen, welche über die Zeit ein Differenzsignal zwischen einem Winkelsteuerwert der Spindel und seinem Drehwinkel-Rückkopplungswert integriert und die ihr Integrations-Ausgangssignal gemeinsam an die genannten Antriebsverstärker anlegt.

Gemäß der Erfindung werden beide Antriebsverstärker gemeinsam mit dem einzigen Ausgangssignal der Integrationsschaltung versorgt. Auch in einem Falle, wo Eingangssignale für den stabilen oder stationären Zustand in Abhängigkeit vom Winkelsteuerwert der Spindel - erzeugt von den Motoren bei der Betriebsart ihres Anhaltens - an die Integrationsschaltung angelegt und, bezogen auf die Zeit, zu einem Spannungsausgangssignal an die jeweiligen Antriebsverstärker angelegt wird, erhalten beide dieser Antriebsverstärker die Eingangssignale als Offsetspannungen mit identischer Polarität und mit identischem Wert. Dementsprechend werden die Motoren daran gehindert, sich in entgegengesetzen Richtungen zu drehen und in der Form stationär zu werden, daß sie einander ziehen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Schaltbild von Geschwindigkeitsverstärkern in einer Motorantriebseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Schaltbilder zur Erläuterung einer Integrationsschaltung, die bei den Geschwindigkeitsverstärkern gemäß dieser Ausführungsform verwendet werden;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Servoantriebseinrichtung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Teiles des Mechanismus des Servosystems gemäß Fig. 4;

Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung von Eingangs/Ausgangs-Charakteristiken bei Geschwindigkeitsverstärkern;

Fig. 7 ein Schaltbild zur Erläuterung von herkömmlichen Geschwindigkeitsverstärkern; und in

Fig. 8 ein Schaltbild zur Erläuterung von herkömmlichen Geschwindigkeitsverstärkern mit eingebauten Integrationselementen.

Bei der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels wird auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt die Schaltung der jeweiligen Integrationselemente 14 und 15, die in Fig. 8 angedeutet sind. Die Eingangs/Ausgangs-Übertragungsfunktion G 1 (s) eines solchen Integrationselementes ist durch die Gleichung (1) gegeben:

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2. Die Übertragungsfunktionen G 2 (s) und G 3 (s) gemäß Fig. 3 lassen sich durch die nachstehenden Gleichungen (2) und (3) wie folgt ausdrücken:

Dementsprechend wird eine kombinierte Übertragungsfunktion G 4 (s) erhalten, indem man die Übertragungsfunktionen G 2 (s) und G 3 (s) addiert, so daß man die nachstehende Beziehung für G 4 (s) erhält:

was die gleiche Beziehung wie in Gleichung (1) ergibt. Daraus ergibt sich, daß die Schaltung gemäß Fig. 3 mit der Schaltung gemäß Fig. 2 äquivalent ist.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Servosystem mit einem einzigen Integrationselement 1 a in Beziehung zu zwei Motorsteuerungs-Geschwindigkeitsverstärker aufgebaut ist, und zwar unter Verwendung des Umstandes, daß gemäß Fig. 3 das Integrationselement gemäß Fig. 2 aufgeteilt werden kann in einen proportionalen Term, gebildet von den beiden Widerständen R 1 und R 2, und einem Integrationsterm, gebildet von dem Widerstand R 1 und einem Kondensator C.

Als Geschwindigkeits-Rückkopplungssignale wird das Summensignal zwischen den beiden Signalen der Geschwindigkeitsdetektoren TG 1 bzw. 6 und TG 2 bzw. 7 verwendet. Im Falle des Beispiels gemäß Fig. 8 ist es unbestimmt, ob die Eingangsspannungen für die Operationsverstärker 23 und 33, nämlich die jeweiligen Ausgangsspannungen X 2 und X 3 der beiden Integrationselemente 14 und 15 die gleiche Polarität bei der Betriebsart erhalten, wo die Motoren zum Stillstand gebracht werden.

Im Gegensatz dazu sind im Falle von Fig. 1 die Eingangsspannungen für die Operationsverstärker 23 und 33 jeweils die Ausgangsspannung des einzigen Integrationselementes 1 a und haben somit dieselbe Polarität bei der Betriebsart, wo die Motoren zum Stillstand gebracht werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 werden dementsprechend die Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5 nicht dadurch stationär, daß sie einander in dem Zustand ziehen, in welchem Ankerströme bei dieser Betriebsart fließen, welche die Nennstromstärke der Motoren überschreiten; somit wird in zuverlässiger Weise verhindert, daß übermäßig hohe Ströme ständig durch die Motoren fließen.

In einem Falle, wo die Servoantriebs-Ausgangsstufe abgeschaltet wird (Servo AUS), werden die Motoren von der Antriebseinrichtung nicht angetrieben; somit wird das Integrationselement mit einer Überschußspannung geladen. Bei dieser Gelegenheit werden in dem Augenblick, wo die Servoantriebs-Ausgangsstufe anschließend eingeschaltet wird (Servo EIN) die Wellen der Motoren sich in nachteiliger Weise bewegen. Es ist somit selbstverständlich, daß in der Betriebsart Servo AUS das Integrationselement von einem Analogschalter oder dergleichen vorher kurzgeschlossen wird, so daß zuverlässig verhindert wird, daß es von der Überschußspannung geladen wird.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, können auch für eine Positionsantriebseinrichtung mit einem Aufbau, wo mechanisches Spiel unter Verwendung von zwei Motoren beseitigt wird, Integrationselemente hinzugefügt werden, ohne daß der Nachteil auftritt, daß übermäßig hohe Ströme durch die Motoren fließen. Das bedeutet, daß eine Servosteifigkeit in einem Bereich niedriger Geschwindigkeiten oder Drehzahlen, insbesondere der Wert eines Positionsfehlers im stabilen bzw. stationären -zustand unter einer stationären Bedingung in einem Zustand zu Null gemacht werden kann, in welchem die Stabilität des Servosystems gesichert ist, so daß eine grundlegende Eigenschaft des Servosystems in hohem Maße verbessert werden kann.

Claims (2)

1. Motorantriebseinrichtung, wobei zwei Motoren (4, 5) über entsprechende Drehmomentübertragungsmechanismen (10, 11) mit derselben Spindel (9) in Eingriff stehen und wobei jeder der Motoren (4, 5) einen Antriebsverstärker (2, 3) aufweist, um ein Drehmoment in einer Richtung zu erzeugen, die dem Drehmoment des anderen Motors entgegengesetzt ist, gekennzeichnet durch eine Integrationsschaltung (1 a), welche über die Zeit ein Differenzsignal zwischen einem Winkelsteuerwert der Spindel (9) und einem Drehwinkel-Rückkopplungswert von diesem integriert und welche dieses Integrationsausgangssignal gemeinsam an sämtliche Antriebsverstärker (2, 23, 24; 3, 33, 34) anlegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehwinkel-Rückkopplungswert der Spindel (9) aus einem Summensignal zwischen den Geschwindigkeits-Rückkopplungssignalen der beiden Motoren (4, 5) besteht.