DE4408105C2

DE4408105C2 - Positionsregler und zugehöriges Verfahren zur Positionsregelung

Info

Publication number: DE4408105C2
Application number: DE4408105A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Kazama; Mitsuyasu Kachi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2014-03-11
Also published as: JPH06259137A; GB9404743D0; HK1006600A1; CN1111367A; JP2833730B2; GB2276019B; GB2276019A; CN1070621C; US5589748A; DE4408105A1; HK1003128A1; SG79890A1; KR0137340B1; KR940022220A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Positionsregler nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9 sowie auf ein Verfahren zur Positionsregelung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 5, 8, 14 und 17. Ganz allgemein sind derartige Positionsregler und derartige Regelverfahren für die Regelung verschiedener Motorantriebssysteme wie Servo steuerungen und -regler, Spindelregler und Positionsregler bei numerisch gesteuerten Maschinen bekannt.

Der Weg eines Regelsignals in einer Servosteuerung bei einer herkömmlichen Positionsregelung unter Heranziehung von Übertragungsfunktionen ist in einem Blockdiagramm in Fig. 13 dargestellt. In dieser Figur ist mit 1 eine Verstärkungseinheit für einen Positionsregelkreis mit einem Verstärkungsfak tor kp angegeben, während das Bezugszeichen 2 einen Propor tional-Integral-Kompensator für den Geschwindigkeitsregel kreis bezeichnet; 3 entspricht einem Trägheitselement und mit 4 ist ein Integrierer angegeben. Gemäß Fig. 13 wird von einem Positionierbefehl am Punkt A ein Positionsrückkopplungssignal subtrahiert, und die Differenz wird dann in der Verstärkungs einheit 1 für den Positionsregelkreis verstärkt, deren Ver stärkungsfaktor kp beträgt und die einen Geschwindigkeitsbe fehl abgibt. Von dem Geschwindigkeitsbefehl wird am Punkt B ein Geschwindigkeitsrückkopplungssignal subtrahiert, und die se Differenz wird in dem Proportional-Integral-Kompensator 2 für den Geschwindigkeitsregelkreis verstärkt, der eine Über tragungsfunktion Kv + Ki/S aufweist und einen Drehmomentbe fehl ausgibt.

Der Drehmomentbefehl stellt die Motordrehzahl entsprechend einer Trägheitskomponente dar, abzüglich eines Verminderungs betrags, der einem Belastungsdrehmoment entspricht, wie am Punkt C zu erkennen ist. Die Geschwindigkeit wird vom Punkt D aus negativ als Geschwindigkeitsrückkopplungssignal in vor stehend ausgeführter Weise rückgekoppelt. Der Positionswert, der das Zeitintegral der Geschwindigkeit darstellt, wird am Punkt E vom Integrierer 4 übernommen, der eine Übertragungs funktion 1/S hat und das Positionsrückkopplungssignal er zeugt.

Wird eine Maschine tatsächlich mit dem vorstehend erläuterte System betrieben, so wird ihre Betriebsweise durch die Reak tion auf die Positionsrückmeldung gemäß Fig. 14A, 14B äquiva lent approximiert, da die Reaktion auf die Positionsrückmel dung im Vergleich zur Reaktion auf die Geschwindigkeitsrück meldung ausreichend stark ist. Die Charakteristik des in Fig. 14A dargestellten Positionsregelkreises wird als Übertra gungsfunktion G(S) wiedergegeben:

Im Anschluß hieran wird nun Fig. 14B beschrieben. Erfolgt ein Positionierbefehl zur Bewegung an eine genau bezeichnete Position zu einem Zeitpunkt to (Bewegungsweg s), so folgt die tatsächliche Bewegung einer maschine/Motor) mit einer Folge verzögerung des Positionsregelkreises (um die Zeitkonstante des Positionsregelkreises). Gemäß der Darstellung in dieser Figur wird zu diesem Zeitpunkt ein Geschwindigkeitsbefehl eingegeben, und diese Fläche ergibt dann die vorgegebene Position (Zeit × Geschwindigkeit). Bei Eingabe in der vorste henden Weise wird die Umdrehung des Motors mit einer Verzöge rung erster Ordnung ausgeführt, wie die Figur zeigt. Außerdem ergzeugt der Motor ein steiles Drehmoment bei Einsetzen der Beschleunigung und bei Einsetzen der Geschwindigkeitsminde rung.

Bei dem vorstehend dargestellten Positionsregelsystem weist der Positionsregelkreis eine konstante Zeitverzögerung erster Ordnung auf und folgt dem Befehl. Damit beschreibt die Umlauf bahn des konkret betrachteten Motors einen Kreis auf der Innen seite eines reales Kreises entsprechend der Verzögerungskon stante erster Ordnung, wenn der reale Kreis um den Ursprung eines rechtwinkeligen Koordinatensystems mit einer X- und einer Y-Achse herum, wie Fig. 15 zeigt. Die Verminderung ΔR des Kreisradius kann in diesem Fall folgendermaßen dargestellt werden:

Hierbei entspricht R dem Radius des Kreises, während F die Geschwindigkeit in tangentialer Richtung angibt. Herkömmli cherweise wird eine Vorschubregelung gemäß Fig. 16 eingesetzt, um den Radiusfehler ΔR auszugleichen, der infolge der Verzögerung entsteht. Bei Einsatz dieser Vorschubregelung wird die Radiusverminderung ΔR auf folgenden Wert kompen siert:

Durch Aufhebung der Verzögerung ersten Grades mit dem Diffe rential ersten Grades bei der Vorschubsteuerung 7, und bei auf 1 gesetztem Vorschubkoeffizienten α, läßt sich eine Um laufbahn des Motors erreichen, die bezüglich des Befehls frei von einer Verzögerung ist.

Hierbei gibt kp den Verstärkungsfaktor des Positionsregel kreises an, während 1/kp eine Zeitkonstante des Positionsre gelkreises und S ein Laplace-Operator ist.

Unter den einschlägigen Fachveröffentlichungen, die einen Be zug zur Erfindung haben, wird hier ein "Acceleration and De celeration Control System" [Beschleunigungs- und Verlangsa mungs-Regelsystem] genannt, wie es in der offengelegten, japa nischen Patentschrift Nr. 209812/85 beschrieben ist.

Bei der vorgenannten Vorschubregelung wird jedoch der Befehl vor der Addition differenziert. Deshalb wird der Fehler bei der Befehlsausführung ebenfalls differenziert, was zu einer Wellenform mit vielen schwankenden Komponenten führt. Infol gedessen werden leicht Maschinenschwingungen hervorgerufen, wenn α = 1 gesetzt wird. Deshalb läßt sich ein völliger Aus gleich für ΔR unter vorgenannter Verwendung von α nur mit Schwierigkeiten erreichen. Infolgedessen läßt sich eine ge glättete Wellenform für die Reaktion nicht herbeiführen, was zu Schwingungen der Maschine führt.

Auch wenn die Vorschubregelung insofern wirksam ist, als sie die Eigenschaften der nachfolgenden Befehle betrifft, hat sie keine Unterdrückungswirkung auf externe Störungen, die von außen auf das Positionsrückkopplungssystem einwirken. Um den Effekt der Unterdrückung von Störungen, die von außen auf das Positionsrückkopplungssystem einwirken, zu verbessern, muß ein hoher Verstärkungsfaktor kp für den Positionsregelkreis vorgesehen sein. Dies führt jedoch zu verstärkten Veränderun gen in der Motordrehzahl, was sich beispielsweise an der in Fig. 14B dargestellten Wellenform für das Drehmoment zeigt. Infolgedessen wirken auf die Maschine verstärkte Stöße ein, und außerdem besteht eine erhöhte Neigung zur Übernahme hoch frequenter Anteile (z. B. der Resonanz der Maschinenanlage und Rauschanteile). Aus den vorgenannten Gründen läßt sich eine stabile Erhöhung des Verstärkungsfaktors nicht erreichen.

Die Diagramme in Fig. 17A und 17B zeigen einen Vergleich zwischen der Erhöhung des Verstärkungsfaktors durch ein Sy stem erster Ordnung und der Erhöhung durch das erfindungsge mäße System höherer Ordnung. Bei einer Erhöhung des Verstär kungsfaktors mit einem System erster Ordnung herkömmlicher Art gestaltet sich dann, wenn ein für die Regelung erforder liches Band erhöht wird, das System in der Weise, wie sie ge strichelt in Fig. 17A eingezeichnet ist. Außerdem wird eine Störkomponente an die Erhöhung des Verstärkungsfaktors ange paßt, und damit treten Schwingungen noch leichter auf, da nämlich bei einem herkömmlichen System mit Verzögerung erster Ordnung ein Band um -20 dB gedämpft wird. Aus diesem Grund ist bei Erhöhung des Verstärkungsfaktors eine größere Band breite erforderlich. Der Faktor, mit dem die Hochfrequenzkom ponente verstärkt wird, erhöht sich jedoch ebenfalls, und da mit wirkt sich ein hochfrequentes Rauschen noch leichter un günstig auf das System aus.

Die GB 1 587 288 beschreibt ein Servosystem, bei dem der Lese- oder Schreibkopf eines Plattenlaufwerkes dadurch stabil in der Mitte jeder Datenspur gehalten wird, daß die Geschwin digkeit der Kopfbewegung mittels eines Tachometers aufgenom men und die Geschwindigkeitsanzeige als eine dämpfende Ge schwindigkeitsrückkopplung verwendet wird. Dieses System stellt ein gedämpftes elektromechanisches Servosystem zweiter Ordnung dar. Das System spricht auf Positions-, Geschwindig keits- und Beschleunigungs-Rückkopplungssignale an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positions regler sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, der bzw. das einen stabilen Regelkreis mit hohem Ansprechvermögen und einer gedämpften Wellenform ermöglicht und darüber hinaus un erwünschte Schwingungen der Maschine verhindert.

Diese Aufgabe wird vorrichtungstechnisch durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 und verfahrenstechnisch durch die Merkmale der Patentansprüche 5, 8, 14 und 17 gelöst, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Dadurch, daß in dem Positionsregelkreis ein zweiter Regelkreis bzw. ein zweiter und ein dritter Regelkreis ausgebildet sind, erhöht sich die Ordnung des Positionsregelkreises, während die Verstärkungsfaktoren im zweiten und dritten Regelkreis auf Mindestwerte gesetzt sind, die bezüglich des Verstärkungs faktors für den Positionsregelskreis überregelungsfrei sind.

Wie vorstehend bereits ausgeführt, ist es mit dem erfindungs gemäßen Positionsregelsystem möglich, ein hohes Ansprechver mögen und eine stabile Charakteristik der Positionsregelung zu erzielen, die von hochfrequenten Komponenten unbeeinflußt ist. Damit ist es möglich, geglättete Wellenformen bei Beschleuni gung und Verlangsamung als Wellenform für das Ansprechen des Motors zu erzielen, und somit läßt sich eine stabile und erschütterungsfreie Maschinenregelung realisieren. Bezüglich des herkömmlichen Verstärkungsfaktors Kp des Positionsregel kreises ist es somit möglich, einen höheren Verstärkungswert zu erzielen und in der Servoregelung höhere Verstärkungs faktoren zu realisieren.

Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die bei gefügte Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm mit der Darstellung des Aufbaus ei nes erfindungsgemäßen Positionsregelsystems;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Funkti onsablaufs in dem Positionsregelsystem nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines anderen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Positionsregelsy stems;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Funkti onsablaufs in dem Positionsregelsystem nach Fig. 3;

Fig. 5 ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines weiteren Aufbaus eines erfindungsgemäßen Positionsregelsy stems;

Fig. 6 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 7 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 8 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 9A und 9B jeweils ein Blockdiagramm, das einen noch wei teren Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsy stems zeigt;

Fig. 10 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 11 eine Graphik zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Wellenform für die Geschwindigkeit und die Schrittschaltung bei Positionsregelsystemen er ster bis dritter Ordnung;

Fig. 12A und 12B jeweils eine Graphik zur Veranschaulichung einer Wellenform für die Motordrehzahl, wenn die Glättungseingabe auf eine Zeit konstante gleich Null gesetzt ist;

Fig. 13 ein Blockdiagramm mit der Darstellung des Aufbaus eines herkömmlichen Positionsregelsystems;

Fig. 14A und 14B jeweils eine Darstellung zur Erläuterung ei ner Positionsregelcharakteristik des herkömmlichen Positionsregelsystems;

Fig. 15 eine Ansicht zur Erläuterung der Umlaufbahn des Mo tors bei einem herkömmlichen Positionsregelsystem;

Fig. 16 ein Blockdiagramm mit der Darstellung einer herkömm lichen Vorschubregelung;

Fig. 17A eine Graphik zum Vergleich der Erhöhung des Verstär kungsfaktors bei einem herkömmlichen System erster Ordnung mit der Erhöhung des Faktors bei einem Sy stem mit hohen Harmonischen; und

Fig. 17B eine Graphik zum Vergleich der Erhöhung des Verstär kungsfaktors bei einem System erster Ordnung mit der Erhöhung des Faktors bei einem erfindungsgemäßen Sy stem mit hohen Harmonischen.

Nachfolgend wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Positionsregelsystem mit einem internen zweiten Regelkreis. Aus der Figur ist ersichtlich, daß das Bezugszeichen 1 eine Verstärkereinheit für den Positionsregelkreis bezeichnet (Verstärkungsfaktor kp) und 1a eine zweite Verstärkereinheit für den Posi tionsregelkreis (Verstärkungsfaktor kp1) angibt. Bei 10' ist eine Positionsrückkopplungsschleife ausgebildet, der eine Positionsinformation D von dem Regelungsobjekt zu einem Summierknoten übermittelt. Bei 11' ist ein Geschwin digkeitsregelkreis ausgebildet, der einem Summierknoten Geschwindigkeitsinformationen C übermittelt. Die Inte grierer 4 werden so angesteuert, daß sie Rückkopplungs werte für Geschwindigkeit und Position erzeugen. Bei Ausbildung des internen zweiten Regelkreises in der Einheit 1a läßt sich die Übertragungsfunktion G(S) folgendermaßen wiedergeben:

Diese besitzt eine Charakteristik eines Positionsregel kreises zweiter Ordnung.

Darüber hinaus wird der Regelkreis durch einen Koeffizien ten ξ und eine Geschwindigkeit ωn charakterisiert, wobei

Zur Erzielung einer überregelungsfreien Charakteristik muß ξ ≧ 1 sein. Um einen überregelungsfreien Schwellwert ξ = 1 zu erreichen, können wir folgende Beziehung aufstellen:

kp1 = 4kp (5)

Setzt man Beziehung 5 in Gleichung 4 ein, so erhalten wir eine Charakteristik für einen Positionsregelkreis zweiter Ordnung wie folgt:

In diesem Fall läßt sich die Verringerung des Radius ΔR fol gendermaßen darstellen:

Damit kann die Radiusverkleinerung für den Regelkreis erster Ordnung die Hälfte des Wertes nach dem Stand der Technik be tragen. Bezüglich der Vorschubwirkung ist es außerdem mög lich, eine 70%ige Vorschubwirkung (α = 0,7) zu erzielen.

Als nächstes werden nun die Funktionsabläufe des Regelkreises 2. Ordnung erläutert. Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschauli chung der Funktionsabläufe in dem Positionsregelsystem gemäß Fig. 1. Zunächst wird eine Differenz zwischen einer Positi onsrückmeldung (D) und einem Positionierbefehl (A) berechnet (S201), dann wird ein Verstärkungsfaktor kp für den Positi onsregelkreis mit der Differenz multipliziert, woraufhin ein bestimmter Geschwindigkeitsbefehl (B) ausgegeben wird (S202). Danach wird eine Differenz zwischen dem bestimmten Geschwin digkeitsbefehl (B) und einer bestimmten Geschwindigkeitsrück meldung (C) berechnet (S203) und mit dieser Differenz ein Verstärkungsfaktor kp1 multipliziert, so daß als Befehl eine Beschleunigungskomponente ausgegeben wird (S204). Außerdem wird die bestimmte Geschwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) durch Integration (1/S) der bestimmten Beschleunigungskomponen te (S205) ausgegeben, während auch die bestimmte Ge schwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) integriert (1/S) und danach als bestimmte Positions-Rückkopplungskomponente ausgegeben wird (S206).

Nachstehend wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben. Fig. 3 zeigt hierzu ein Positionsregel system mit einem zweiten und dritten internen Regelkreis. Da bei ist mit 1 eine Verstärkungseinheit für den Positionsre gelkreis (Verstärkungsfaktor kp) angegeben, und mit 1a eine zweite Verstärkungseinheit (Verstärkungsfaktor kp1) für den zweiten Regelkreis, und 1b bezeichnet eine dritte Verstärkungseinheit (Verstärkungsfaktor kp2) für den dritten Regel kreis, während die Bezugszeichen 10' einen ersten Regelkreis, 11' einen zweiten Regelkreis und 12 einen dritten Regelkreis angeben.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Positionsregelsystem mit dem zweiten und dritten internen Positionsregelkreis 11', 12 be sitzt die Übertragungsfunktion G(S) eine Charakteristik der Positionsregelung dritter Ordnung, die wie folgt ausgedrückt wird:

Das System dritter Ordnung wird im allgemeinen als

ausgedrückt, wobei Pr eine Quadratwurzel ist.

Damit dieses System dritter Ordnung überregelungsfrei ist, muß Pr bezüglich des realen Zahlenanteils der konjugierten komplexen Wurzel aus S² + 2ζωnS + ωn² klein sein. Damit muß eine Beziehung

Pr ≦ ζωn (10)

erfüllt sein.

Der Schwellwert der Überregelungsfreiheit beträgt

Pr = ζωn (11)

Wird Beziehung 11 in Gleichung 9 eingesetzt, so erhält man

Aus den Gleichungen 8 und 12 erhalten wir:

kp.kp1.kp2 = ξω²n³
kp1.kp2 = (2ξ²ω + 1)ωn²
kp2 = 3ξωn (13)

Durch Eliminieren von ξ und ωn in Gleichung 13 ergibt sich:

2kp2² - 9kp1kp2 + 27kp.kp1 = 0 (14)

Werden für kp1 und kp2 Werte eingesetzt, die die Gleichung 14 erfüllen, läßt sich ein überregelungsfreies System dritter Ordnung erhalten.

Die Bedingungen für eine reelle Wurzel aus kp² lauten:

D = 81kp1² - 216kpkp1 ≧ 0 (kp1, kp < 0) (15)

sowie

und bei der kleinsten realen Wurzel aus kp2

In diesem Fall ist kp2 eine höhere Wurzel und infolgedessen kp2 = 6kp. Werden kp1 (8/3 kp) und kp2 vorgegeben, so reduziert sich die vorstehende Gleichung 8 auf folgendes:

In diesem Fall läßt sich die Radiusverminderung ΔR folgen dermaßen darstellen:

wobei α und β Wurzeln zweiten Grades sind.

Aus der Gleichung 18 ergibt sich, daß die Radiusvermin derung bis zu 1/4 der herkömmlichen Radiusverringerung ersten Grades betragen kann. Dies bedeutet, daß es möglich ist, mit dem Doppelten des Verstärkungsfaktors kp des Positionsregelkreises eine Wirkung herbeizuführen und außerdem eine Vorschubwirkung von 87% (a = 0,87) zu erzielen.

Als nächstes werden nun die Funktionsabläufe des Regel kreises dritter Ordnung beschrieben. Das Ablaufdiagramm in Fig. 4 zeigt die einzelnen Schritte in dem in Fig. 3 dargestellten Positionsregelsystem. Als erstes wird die Differenz zwischen der Positionsrückmeldung (F) und dem Positionierbefehl (A) berechnet (S401), woraufhin diese Differenz mit dem Verstärkungsfaktor kp für den Positions regelkreis multipliziert und ein Befehl für den zweiten Regelkreis (Geschwindigkeitsbefehlskomponente: (B)) ausge geben wird (S402). Danach wird die Differenz zwischen der Geschwindigkeitsbefehlskomponente (B) und der differen zierten Komponente der Positionsrückmeldung (F) (Geschwin digkeits-Rückkopplungskomponente: (E)) mit dem Verstär kungsfaktor kp1 für den zweiten Regelkreis multipliziert, so daß ein Befehl (C) für den dritten Regelkreis ausgegeben wird (S403), und anschließend wird die Differenz zwischen dem Befehl für den dritten Regelkreis (C) und einer zweimal differenzierten Komponente der Positionsrückmeldung (F) (Beschleunigungs-Rückkopplungskomponente: (D)) mit dem Verstärkungsfaktor kp2 für den dritten Regelkreis multi pliziert; danach wird das Produkt integriert, woraufhin eine Beschleunigungs-Rückkopplungskomponente (D) ausgegeben wird (S404).

Fig. 5 bis 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Der in Fig. 5 dargestellte Aufbau macht es möglich, daß man einen internen Verarbeitungskreis erhält, wenn ein System mit Harmonischen zweiten Grades dadurch gebildet wird, daß vor dem Geschwindigkeitsregelkreis ein zweiter Regelkreis aufgebaut wird. Der externe Regelkreis wird unter Verwendung von Daten aus dem externen Positionsmelder (Positionsrück kopplung vom maschinenseitigen Ende in den Regelkreisvorga ben) aufgebaut. Auf diese Weise reagiert der interne zweite Regelkreis 11' im Vergleich zum ersten Regelkreis 10' stärker, während es dennoch möglich ist, einen stabilen Betrieb auf rechtzuerhalten. Hierbei ist unter 5 der Geschwindigkeitsre gelkreis angegeben.

Bei der Konstruktion gemäß Fig. 6 werden die Rückkopplungsda ten des internen zweiten Regelkreises 11' unter Verwendung von Daten aus dem externen Positionsmelder gebildet. Auf diese Weise sind sowohl der erste (10') als auch der zweite (11') Regelkreis stabil. Arbeitet man mit einer Einzelimpuls-An sprechcharakteristik, so kann bei Eingabe eines Einzelimpuls- Befehls der Motor mit einem Befehl in der Form "Einzelimpuls × kp × kp1" als Geschwindigkeitsbefehl im betriebsfähi gen Zustand der Maschine angetrieben werden.

Fig. 7 zeigt den Aufbau einer Ausführung dritter Ordnung der Konstruktion gemäß Fig. 5. Deren Merkmale sind hoher An sprechgrad und starke Dämpfung hoher Frequenzen. Bei dem Auf bau gemäß Fig. 8 handelt es sich um die Version dritter Ord nung des Aufbaus gemäß Fig. 6. Diese gestattet eine Verbesse rung durch einen höheren Verstärkungsfaktor (Einzelimpuls × kp × kp1 × kp2).

Der Aufbau gemäß Fig. 9A entspricht dem Aufbau des Systems erster Ordnung gemäß Fig. 9B. Aus diesem Grund kann der Re gelkreis nur eine Komponente als Geschwindigkeitsbefehl lie fern, die man durch Multiplikation der Differenz zwischen dem Positionsbefehl und der Positionsrückmeldung mit kp erhält. Der Aufbau eines Systems zweiter Ordnung kann jedoch nicht nur automatisch die Geschwindigkeitskomponente bezüglich des Befehls erzeugen, sondern auch eine Drehmomentkomponente. Bei einem Befehl der Drehmomentschleife, bei der die Reaktion be sonders wichtig ist, kann somit ein Drehmomentbefehl durch Vorauskorrektur erzeugt werden, und zwar nicht nur im Anspre chen auf einen Drehmomentbefehl, der durch proportionale in tegrale Beeinflussung der Geschwindigkeitsdifferenz, sondern auch entsprechend der Drehmomentinformationen erzeugt wird, die aus der Geschwindigkeitsrückmeldung hochgerechnet werden, d. h. indem die Abweichung zwischen Befehl und Drehmoment er mittelt wird. Damit ist es möglich, die Charakteristiken ei nes robusteren Geschwindigkeitsregelkreises zu erzielen. In Fig. 9A gibt das Bezugszeichen 6 ein Differenzierglied an.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 handelt es sich um eine Solldrehmomenteinrichtung mit korrigiertem Regelkreis, bei welcher das gleiche System dritter Ordnung wie im Fall von Fig. 9A zum Einsatz kommt.

Es hat sich bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei spielen gezeigt, daß sich stark ansprechende und stabile Re gelkreise dadurch erzielen lassen, daß der Grad des Positi onsregelkreises auf den zweiten, dritten usw. Grad erhöht wird und daß der Verstärkungsfaktor des internen Regelkreises auf einen entsprechenden Wert eingestellt wird. Damit kann durch Erhöhung des Grades des Positionsregelkreises bei der Reaktion in Positionierschritten eine geglättete Wellenform erreicht werden, wie Fig. 11 zeigt, wodurch Schwin gungen der Maschine ausgeschlossen werden.

Fig. 12A und 12B zeigen Wellenformen für die Motordrehzahl, wobei bei einer Zeitkonstante gleich Null eine Glättung einge geben wird (zur Beschleunigung und Verlangsamung der Schal tung). Gemäß dieser Darstellung besitzen die Systeme, ersten und dritten Grades unterschiedliche Ansprech-Charakteristi ken. Während sich die vorstehend dargestellten Ausführungs beispiele auf Systeme bis zur dritten Ordnung bezogen, ist es auch möglich, Systeme mit höherer als der dritten Ordnung aufzubauen.

Durch Einführung eines Systems höherer Ordnung in vorstehend dargestellter Weise wird ein Band (Ansprechempfindlichkeit), das zur Regelung erforderlich ist, in der in Fig. 17B darge stellten Weise angehoben, während eine Komponente einer hoch frequenten Welle, die zur Störkomponente werden soll, in starkem Maße gedämpft wird. Mit anderen Worten wird bei Sy stemen höherer Ordnung ein Band um 40 dB (System zweiter Ord nung) und um 60 dB (System dritter Ordnung) angehoben, dann ist ein Dämpfungsfaktor bei einer Komponente einer hochfrequenten Welle auch dann hoch, wenn der Verstärkungsfaktor angehoben ist. Aus diesem Grund ist es möglich, ein stabiles System zu realisieren, auf das sich hochfrequentes Rauschen kaum nachteilig auswirkt.

BEZUGSZEICHEN (Fig. 13-17/Stand d. Technik)

1

Verstärk.einh. f. Positi onsregelkreis

2

Prop.Integrator f. Ge schwindigkeitsregelkreis

3

Trägheitselement

4

Integrierer

(Fig. 1 . . 12)

1

a 2. Verstärkungseinh. f. Regelkreis

1

b 3. Verstärkungseinh. f. Regelkreis

5

Geschwindigkeitsregelkr.

6

Differenzierer

10

Pos.rückkopplungsschleife

11

Geschw.regelkreis

11

' 2. Regelkreis (int. Pos.)

12

3. Regelkreis (int. Pos.)

(Fig. 13-17)

A Pkt./Subtrakt. - zu

1

B Pkt./Subtrakt. - zu

2

C Pkt./Vermind. Lastdrehmom.
D Pkt./neg. Geschw.rückkopp.
E Pkt./pos. Wert (aus

4

)
Kp Verstärk.Faktor (Übertragungsfunktion)
Kv + Ki/S Übertragungsfunktion
1/S Übertragungsfunktion
S Bewegungsweg

(Fig. 1-12)

A Summierknoten (Posit.bef.)
B Summierkn. (Geschw.bef.)
C Geschw.rückkopplung
D Posit.rückkopplung
E Geschw.rückkoppl.-Kompon.
F Posit.rückkopplung
S201 Ber. Posit.befehl
S202 kp × Diff. (A-D9)
S203 Ber. C/kp1 × Diff.
S204 Bef. Beschl.-Ausgangs komponente
S205 Integr. Beschl.-Aus gangskomponente
S206 C integrieren
S401 Ber. Posit.befehl A
S402 Diff. × kp/Bef. an

11

'
S403 Diff. × kp1/Bef. an

12

S404 Diff. × kp2/Ausgang Be schleunigungs-Rück kopplungskomponente

Claims

1. Positionsregler zur Rückkopplung von Positionsinforma tionen, die von einer Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen der Position eines beweglichen Teils erfaßt werden, mit einem ersten (10') und einem zweiten (11') Regelkreis zur Bildung eines Positionsregel kreises bei einem System zweiter Ordnung unter Bildung eines internen zweiten Regelkreises (11'), dadurch gekennzeichnet,
daß die Übertragungsfunktion der Regelkreischarakte ristik des Positionsregelkreises zweiter Ordnung lautet:
wobei S = ein Laplace-Operator,
kp = Verstärkungsfaktor des Regelkreises erster Ordnung,
und daß der Verstärkungsfaktor (kp1) des internen zweiten Regelkreises gleich 4kp gesetzt ist.

2. Positionsregler zur Rückkopplung von Positionsinforma tionen, die von einer Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen der Position eines beweglichen Teils erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß er einen ersten (10'), einen zweiten (11') und einen dritten (12) Regelkreis zur Bildung eines Positionsregelkreises eines Systems dritter Ordnung unter Bildung eines internen zweiten Regelkreises (11') und eines internen dritten Regelkreises (12) aufweist.

3. Positionsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übertragungsfunktion der Regelkreischarakte ristik des Positionsregelkreises dritter Ordnung lautet:
wobei S = Operator für eine Laplace-Transforma tion,
kp = Verstärkungsfaktor des Regelkreises erster Ordnung,
und daß der Verstärkungsfaktor (kp1) des internen zweiten Regelkreises so gesetzt ist, daß er gleich 8/3 kp ist, während der Verstärkungsfaktor (kp2) des internen dritten Regelkreises so eingestellt ist, daß er gleich 6 kp ist.

4. Positionsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der interne zweite Regelkreis (11') einen Geschwin digkeits-Regelkreis aufweist.

5. Verfahren zur Positionsregelung zum Regeln eines beweglichen Objekts im Ansprechen auf einen eingehenden Positionierbefehl, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regelung über ein System mit einer Systemüber tragungsfunktion höherer Ordnung erfolgt, und daß die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Berechnen der Differenz zwischen einer Positions rückmeldung (D) und dem Positionierbefehl (A) (S201);
Erzeugen einer Geschwindigkeitskomponente durch Multiplizieren der Differenz mit dem Verstärkungsfaktor (kp) für den Positionsregelkreis (S202);
Berechnen der Differenz zwischen dem Geschwindig keitsbefehl (B) und einer Geschwindigkeitsrückmeldung (C) (S203);
Erzeugen einer Beschleunigungskomponente durch Multiplizieren des Verstärkungsfaktors (kp1) des inter nen Regelkreises mit der Differenz (S204);
Erzeugen einer Geschwindigkeits-Rückkopplungskompo nente (C) durch Integrieren (1/S) der Beschleunigungs komponente (S205), und
Erzeugen einer Positions-Rückkopplungskomponente (D) durch Integrieren (1/S) der Geschwindigkeits- Rückkopplungskomponente (C) (S206).

6. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion für ein System zweiter Ordnung vorgesehen ist, und daß der Verstärkungsfaktor des internen zweiten Regelkreises (kp1) ist.

7. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert ist als:
wobei S = ein Laplace-Operator,
kp = Verstärkungsfaktor des Regelkreises erster Ordnung,
und daß der Verstärkungsfaktor (kp1) des internen zweiten Regelkreises gleich 4 kp gesetzt wird.

8. Verfahren zur Positionsregelung zum Regeln eines beweg lichen Objekts im Ansprechen auf einen eingehenden Positionierungsbefehl, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte aufweist:
einen ersten Schritt zur Berechnung der Differenz zwischen einer Positionsrückmeldung (F) und dem Positionierbefehl (A) (S401);
einen zweiten Schritt zur Abgabe eines Befehls (Geschwindigkeitsbefehlskomponente (B)) für den zweiten Regelkreis durch Multiplizieren der Differenz mit dem Verstärkungsfaktor (kp) für den Positionsregelkreis (S402);
einen dritten Schritt zur Abgabe eines Befehls (Befehlskomponente (C)) für den dritten Regelkreis durch Multiplizieren der Differenz zwischen der Geschwindigkeitsbefehlskomponente (B) und der differen zierten Komponente der Positionsrückmeldung (F) (Geschwindigkeitsrückkopplungskomponente (E)) mit dem Verstärkungsfaktor (kp1) für den zweiten Positions regelkreis (S403); und
einen vierten Schritt zur Abgabe einer Beschleuni gungs-Rückkopplungskomponente (D) durch Multiplizieren der Differenz zwischen dem Befehl (C) für den dritten Regelkreis und der zweimal differenzierten Komponente der Positionsrückmeldung (F) (Beschleunigungs-Rückkopp lungskomponente (D)) mit dem Verstärkungsfaktor (kp2) für den dritten Positionsregelkreis (S403) und durch Integrieren des Produkts aus der Multiplikation.

9. Positionsregler zur Servoregelung eines beweglichen Ob jekts im Ansprechen auf eingehende Befehle, dadurch gekennzeichnet, daß er folgendes aufweist:
eine Einrichtung zur Erfassung der Position des be weglichen Objekts und zum Erzeugen eines Positionssignals;
einen ersten Summierknoten zur arithmetischen Verarbeitung der eingehenden Befehle (A) und des rückgekoppelten Positionssignals, und zum Erzeugen des ersten Differenzsignals;
einen ersten Regelkreis zum Rückkoppeln des Positi onssignals zum ersten Summierknoten;
eine Positionsregelkreis-Verstärkungseinrichtung (1) mit einem Verstärkungsfaktor (kp), um das Diffe renzsignal zu verarbeiten und das Geschwindigkeitsbe fehlssignal (B) zu erzeugen;
einen zweiten Summierknoten zur arithemtischen Verarbeitung des Geschwindigkeitsbefehlssignals (B) und des Geschwindigkeitsrückkopplungssignals (C) zum Erzeugen des zweiten Differenzsignals;
eine Einrichtung mit internem Regelkreis, die so verbunden ist, daß sie das zweite Differenzsignal übernimmt, und die eine Verstärkungseinrichtung für den internen Regelkreis aufweist;
wobei die Systemübertragungsfunktion die Regel kreischarakteristik eines Positionsregelkreises höherer Ordnung aufweist.

10. Positionsregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion für ein System zweiter Ordnung vorgesehen ist, und daß die Einrichtung mit Verstärkungsregelkreis einen zweiten internen Regelkreis mit einem Verstärkungsfaktor (kp1) aufweist.

11. Positionsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert ist als:
wobei S = Laplace-Operator ist,
und der Wert von kp1 des internen zweiten Regelkreises so eingestellt ist, daß er gleich 4 kp gesetzt ist.

12. Positionsregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion für ein System dritter Ordnung vorgesehen ist, und daß die Einrichtung mit Verstärkungsregelkreis einen internen zweiten Verstärkungsregelkreis mit einem Verstärkungsfaktor (kp1) und einen internen dritten Verstärkungsregelkreis mit einem Verstärkungsfaktor (kp2) aufweist.

13. Positionsregler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert ist als:
wobei S = Operator für eine Laplace-Transforma tion ist,
und der Wert von kp1 so gesetzt ist, daß er gleich 8/3 kp ist, während der Wert von kp2 so eingestellt ist, daß er gleich 6 kp ist.

14. Verfahren zur Servoregelung eines beweglichen Objekts im Ansprechen auf eingehende Positionierbefehle, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung über ein Servosystem mit einer System übertragungsfunktion höherer Ordnung erfolgt, und daß die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Berechnen der Differenz zwischen einer Positions rückmeldung (D) und dem Positionierbefehl (A) (S201);
Erzeugen einer Geschwindigkeitskomponente durch Multiplizieren der Differenz mit dem Verstärkungsfaktor (kp) für den Positionsregelkreis (S202);
Berechnen der Differenz zwischen dem Geschwindig keitsbefehl (B) und einer Geschwindigkeitsrückmeldung (C) (S203);
Erzeugen einer Beschleunigungskomponente durch Multiplizieren des Verstärkungsfaktors (kp1) des in ternen Regelkreises mit der Differenz (S204);
Erzeugen einer Geschwindigkeits-Rückkopplungskompo nente (C) durch Integrieren (1/S) der Beschleunigungs komponente (S205), und
Erzeugen einer Positions-Rückkopplungskomponente durch Integrieren (1/S) der Geschwindigkeits-Rückkopp lungskomponente (C) (S206).

15. Verfahren zur Servoregelung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion für ein System zweiter Ordnung vorgesehen ist und daß der Verstärkungsfaktor für den zweiten internen Regelkreis kp1 beträgt.

16. Verfahren zur Servoregelung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert wird als:
wobei S = ein Laplace-Operator,
kp = Verstärkungsfaktor des Regelkreises erster Ordnung,
und daß der Verstärkungsfaktor (kp1) des Regelkreises zweiter Ordnung gleich 4 kp gesetzt wird.

17. Verfahren zur Servoregelung eines beweglichen Objekts im Ansprechen auf eingehende Positionierbefehle, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung über ein Servosystem mit einer Systemübertragungsfunktion höherer Ordnung erfolgt und daß es folgende Schritte aufweist:
Berechnen der Differenz zwischen einer Positions rückmeldung (F) und dem Positionierbefehl (A) (S401);
Erzeugen eines Befehls (Geschwindigkeitsbefehls komponente (B)) für den zweiten Regelkreis durch Multiplizieren der Differenz mit dem Verstärkungsfaktor (kp) für den Positionsregelkreis (S402);
Erzeugen eines Befehls (Befehlskomponente (C)) für einen dritten Regelkreis durch Multiplizieren der Differenz zwischen der Geschwindigkeitsbefehlskom ponente (B) und der differenzierten Komponente der Positionsrückmeldung (F) (Geschwindigkeitsrückkopp lungskomponente (E)) mit dem Verstärkungsfaktor (kp1) für den zweiten Positionsregelkreis (S403); und
Erzeugen einer Beschleunigungs-Rückkopplungskompo nente (D) durch Multiplizieren der Differenz zwischen dem Befehl (C) für den dritten Regelkreis und der zwei mal differenzierten Komponente der Positionsrückmeldung (F) (Beschleunigungs-Rückkopplungskomponente (D)) mit dem Verstärkungsfaktor (kp2) für den dritten Positions regelkreis (S403) und durch Integrieren des Produkts aus der Multiplikation.

18. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Systemübertragungsfunktion für ein System dritter Ordnung berechnet wird, und daß die Einrichtung für den Verstärkungsregelkreis einen internen zweiten Verstärkungsregelkreis mit einem Verstärkungsfaktor kp1 und einen internen dritten Verstärkungsregelkreis mit einem Verstärkungsfaktor kp2 aufweist.

19. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert wird als:
wobei S = Operator für eine Laplace- Transformation,
und wobei der Wert von kp1 so gesetzt ist, daß er gleich 8/3 kp ist, während der Wert von kp2 so einge stellt ist, daß er gleich 6 kp ist.

20. Positionsregler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der interne zweite Verstärkungsregelkreis mit dem Verstärkungsfaktor kp1 einen Geschwindigkeits-Regel kreis aufweist.

21. Positionsregler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionsregelsystem einen Beschleunigungs- Regelkreis aufweist, und daß der interne zweite Verstärkungsregelkreis vor dem Beschleunigungs-Regel kreis ausgebildet ist.