DE4441620A1 - Verfahren zur Steuerung eines Servoantriebs - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Verfahren dieser Art werden typischerweise in Werkzeugmaschinen eingesetzt, insbesondere in solchen, die für hohe Genauigkeit ausgelegt sind. Für diese wird regelmäßig gefordert, daß eine auf einem Werkstück tatsächlich erzeugte Kontur mit einer vorgegebenen Sollkontur präzise übereinstimmt. Besonders schwierig ist die Einhaltung einer geforderten Genauigkeit, wenn eine Bearbeitung die Umkehr der Bewegungsrichtung eines Antriebs fordert. Ein solcher Fall liegt beispielsweise vor, wenn ein entlang zweier Achsen, denen jeweils ein Antrieb zugeordnet ist, bewegliches Werkzeug eine Kreisbahn ausführen soll. Nach jeweils 90° muß einer der Antriebe seine Drehrichtung ändern. Infolge der bei mechanischen Systemen stets vorhandenen Anfahrreibungskraft, welche der Bewegung entgegenwirkt, verharrt eine Achse bei jedem Richtungswechsel kurzfristig in einer Haftphase. Sie reißt sich erst los, wenn das auf die Achse wirkende Moment größer ist als das reibungsbedingte Losbrechmoment. Durch dieses Verhalten kommt es bei solchen Richtungswechselpunkten zu unerwünschten dynamischen Bahnabweichungen.

Zur Überwindung dieses Problems ist es aus der EP 460 224 bekannt, in den Antriebsregelkreis ein Korrektursignal aufzuschalten, welches die Anfahrreibung kompensiert. Zugrundegelegt wurde dabei ein zur Steuerung eines Servoantriebs häufig verwendeter Kaskadenregelkreis, wobei einer Lageregelung eine Geschwindigkeits- beziehungsweise Drehzahlregelung, dieser wiederum eine Strom- beziehungsweise Momentenregelung unterlagert ist. Das Anfahrreibungskompensationssignal wird auf das Eingangssignal des Geschwindigkeitsregelkreises aufgeschaltet. Auf dem Ausgangssignal des Geschwindigkeitsregelkreises wiederum basiert die Erzeugung des Anfahrreibungskompensationssignals. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß die Anfahrreibungskompensation nicht von dem Geschwindigkeitsregler entkoppelt ist. Die Wirkung der Anfahrreibungskompensation, bei der es sich um einen nichtlinearen Eingriff in den Regelkreis handelt, hängt dadurch von der Einstellung des Geschwindigkeitsreglers sowie des Regelkreises insgesamt ab. Ein weiterer unerwünschter Effekt ergibt sich durch die Abhängigkeit der Kompensationswirkung von dem Regeldifferenzsignal aus Sollwert und Istwert am Eingang des Geschwindigkeitsreglers. Da die Regeldifferenz, bedingt unter anderem durch den Schleppfehler, den exakten Wert Null im allgemeinen nicht erreicht, kann es in Fällen, wo sich der Geschwindigkeitssollwert nicht mehr ändert, zu einem Rattern um die Sollage kommen, das heißt der Regelkreis schaltet um die Sollage hin und her, ohne sie exakt zu erreichen. Weitere Möglichkeiten zur Kompensation von Reibungswirkungen in Lageregelkreisen finden sich in der Schrift VDI Fortschrittsberichte Nr. 246, Reihe 8. Allen in dieser Schrift diskutierten Vorschlägen liegt jedoch bezüglich der Reibungskompensation die Struktur eines Regelkreises zugrunde, wobei das Kompensationssignal vom Istwert einer erfaßten Ausgangsgröße abhängt. Sie weisen deshalb ebenfalls den Nachteil einer von der Einstellung des linearen Reglers abhängigen Kompensationswirkung sowie des Auftretens von Schalteffekten bei unveränderlicher Führungsgröße auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren für Servoantriebe anzugeben, das einfach zu realisieren ist und eine wirkungsvolle Kompensation der Anfahrreibung gestattet.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hängt die Gestalt des zur Kompensation der Anfahrreibung aufgeschalteten Korrektursignals nicht mehr von irgendwelchen inneren Zuständen der Antriebsregelung, wie zum Beispiel dem Stromistwert oder dem Lageistwert ab. Zudem wird das Korrektursignal direkt auf den Stromregelkreis aufgeschaltet. Die Anfahrreibungskompensation ist dadurch in vorteilhafter Weise völlig entkoppelt von der Einstellung des Regelkreises. Sie beeinflußt das Stabilitätsverhalten der Antriebsregelung damit nahezu nicht mehr. Das vorgeschlagene Verfahren ist leicht realisierbar und kann auch auf bestehende Anlagen nachgerüstet werden. Da die Häufigkeit des Eingriffs der Anfahrreibungskompensation alleine durch das Lageführungssignal bestimmt wird, sind Schalteffekte durch Pendelungen etwa der Regeldifferenz aus den Geschwindigkeitswerten um einen unveränderlichen Sollwert herum ausgeschlossen.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Verfahren zur Nachlaufkompensation verbunden, um einen Schleppfehler zu vermeiden. Aufgrund der dann vorliegenden Übereinstimmung von Lagesoll- und Lageistwert kann die zeitliche Steuerung der Aufschaltung eines Anfahrreibungskompensationssignals direkt aufgrund des Lageführungssignales erfolgen.

Zweckmäßig ist das Verfahren zur Nachlaufkompensation in Form einer Vorsteuerung des Lageführungssignals realisiert.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit, um sicherzustellen, daß die Aufschaltung eines Anfahrreibungskompensationssignales zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, besteht darin, den Aufschaltzeitpunkt durch den hierzu erfaßten Lageistwert zu triggern.

Die Ermittlung des Korrektursignals erfolgt in vorteilhafter Weise mit Hilfe einer Kennlinie. In einer besonders einfachen Ausführungsform hat diese Kennlinie die Gestalt eines Zweipunktsignals.

Eine zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung sieht vor, als Schnittstelle zwischen einer übergeordneten Steuerung und dem Servoantrieb eine digitale Schnittstelle einzusetzen, über welche einerseits zyklische Daten für die Antriebsregelung und andererseits Bedarfsdaten übertragbar sind.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens anhand der Zeichnung näher erläutert.

Zeichnung

Die Figur zeigt ein Strukturschaubild einer zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeigneten Vorrichtung.

Beschreibung

Die Figur zeigt als Beispiel für eine Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens einen Antrieb 20, der über eine Schnittstelle 25, 15 mit einer numerischen Steuerung 10 verbunden ist. Bestandteile der numerischen Steuerung 10 sind eine Einheit 11 zur Erzeugung eines Lageführungssignales x_soll, eine Einrichtung 12 zur Ausgabe von Reibungsparametern R für die Bestimmung eines Korrektursignals zur Kompensation der Anfahrreibung, sowie eine Einheit 13 zur Erzeugung der Parameter P_vor für ein Signal zur Vorsteuerung des Lageführungssignales x_soll. Bei den Einheiten 12, 13 ist eingangsseitig das in der Einheit 11 erzeugte Lageführungssignal x_soll zugeführt, der Einheit 12 ist ferner ein ebenfalls in der Einheit 11 erzeugtes Drehzahl/Geschwindigkeitsführungssignal v_soll zugeführt. Alle Ausgangssignale R, x_soll, p_vor, v_soll der Einheiten 11, 12, 13 werden über die Schnittstelle 15, 25 dem Antrieb 20 übergeben.

Die Schnittstelle 15, 25 ist zweckmäßig als digitale Schnittstelle ausgeführt, zum Beispiel als SERCOS- Schnittstelle. Sie erlaubt in gleicher Weise die Übermittlung der für die Steuerung des Antriebs 20 zyklisch benötigten Daten, dies sind vor allem das Lageführungssignal x_soll und die Vorsteuerparameter p_vor, wie von nur unregelmäßig benötigten Bedarfsparametern, hierunter fallen insbesondere die Reibungskorrekturparameter R.

Auf der Antriebsseite ist das Lageführungssignal x_soll zunächst einer Lageregelung 21 zugeführt. Deren Ausgangssignal ist Eingangssignal für eine Summationsstelle 26, wo ihm ein in einer Vorsteuerungseinrichtung 27 gebildetes Vorsteuersignal aufgeschaltet wird. Der Vorsteuerungseinrichtung 27 sind dazu das Lageführungssignal x_soll, und die in der Einrichtung 13 erzeugten Vorsteuerparameter p_vor zugeführt. Das am Ausgang der Summationsstelle 26 anliegende, vorgesteuerte Lageführungssignal X_vor bildet das Eingangssignal für eine untergelagerte Drehzahlregelung 22, oder äquivalent hierzu, für eine Geschwindigkeitsregelung 22. Am Ausgang der Drehzahlregelung 22 liegt ein dem Antriebsmoment entsprechendes Stromsignal I_M an. Es ist über eine Summationsstelle 29 einem unterlagerten Stromregelkreis 23 zugeführt. Dessen Ausgangssignal q bewirkt, zum Beispiel über einen PWM- Umrichter, die Bewegung der Antriebsmechanik 28. Die aus der Bewegung resultierenden Größen Istlage x_ist, Istdrehzahl v_ist sowie Iststrom I_ist werden in üblicher Weise erfaßt und der Lageregelung 21, der Drehzahlregelung 22 beziehungsweise der Stromregelung 23 zurückgeführt.

An der zwischen Drehzahlregelung 22 und Stromregelung 23 angeordneten Summationsstelle 29 wird dem Stromregelungs- Eingangssignal I_M ein in einer Kompensationseinrichtung 24 erzeugtes Anfahrreibungskompensationssignal I_k aufgeschaltet. Der Kompensationseinrichtung 24 sind hierzu die von der Steuerung 10 ausgegebenen Reibungsparameter R zugeführt. Sie beschreiben die die Haftphase bestimmenden Einflußgrößen. Solche Größen sind beispielsweise die Bewegungsrichtung des Antriebs, das Gewicht eines bewegten Werkstücks oder die Oberflächenbeschaffenheit einer Bewegungsunterlage. Weiterhin sind der Kompensationseinrichtung 24 als Eingangssignale zur Ermittlung des Anfahrreibungskompensationssignal I_k das Geschwindigkeitsführungssignal V_soll, sowie das Lageführungssignal x_soll zugeführt. Als weiteres Eingangssignal kann ferner das am Ausgang der Mechanik 28 erfaßte Lageistwertsignal x_ist vorgesehen sein. Alternativ zu x_ist kann auch, dies ist nicht dargestellt, das Istdrehzahlsignal v_ist oder eines der Regeldifferenzsignale X_soll- X_ist bzw. V_soll- V_ist verwendet werden.

Die in der Figur dargestellte Anordnung wird wie folgt betrieben. Das in der Einheit 11 ermittelte Lageführungssignal x_soll dient in üblicher Weise als Lagesollwert für die in Kaskadenstruktur mit einander unterlagerten Regelkreisen für Lage, Drehzahl und Strom angelegte Antriebsregelung. Jeweils bei Einsetzen einer Bewegung der Antriebsmechanik 28 aus einer Ruhelage heraus ermittelt die Kompensationseinrichtung 24 zu jedem Lagesollwert x_soll ein Kompensationssignal I_k. Es entspricht einem Kompensationsmoment, das erforderlich ist, um ein Haften beim Einsetzen der Bewegung zu vermeiden. Ermittelt wird das Kompensationssignal I_K ausgehend von dem zu einem Lagesollwert X_soll gehörenden Drehzahlsollwert V_soll, zu dem ein Korrekturwert k bestimmt wird. Der Drehzahlsollwert V_soll liegt in der Regel von der Steuerung 10 vor. Ist seine Übermittlung über die Schnittstelle 15, 25 bei einer Anwendung nicht vorgesehen, wird der dem Lagesollwert x_soll entsprechende Drehzahlsollwert v_soll zunächst bestimmt. Die Verknüpfung zwischen Drehzahlsollwert v_soll und Korrekturwert k kann in einfacher Weise mittels einer Kennlinie erfolgen, welche jedem Drehzahlsollwert v_soll einen Korrekturwert k zuordnet. Die Kennlinie kann off-line vorgegeben sein oder on-line ermittelt werden, zum Beispiel vor erster Inbetriebnahme des Antriebs. Sie wird besonders einfach, wenn angenommen werden kann, daß das Losbrechmoment, welches erforderlich ist, um den Antrieb aus einer Ruhelage in Bewegung zu setzen, dem Coulomb′schen Haftreibungsanteil entspricht: Sie ist dann, wie in der Figur angedeutet, eine Zweipunktkennlinie, welche allen Drehzahlwerten V_soll < 0 für k den Wert A zuordnet, den übrigen den Wert -A. Aus dem Korrekturwert k bildet die Kompensationseinrichtung 24 ein Kompensationssignal I_k. Dieses schaltet sie zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Antriebsmechanik 28 physikalisch aus einer Ruhelage in Bewegung setzen soll, über die Summationsstelle 29 in den Stromregelkreis 23 auf.

Eine Schwierigkeit besteht hierbei darin, daß zwischen der von der Antriebsmechanik 28 erzeugten Istlage x_ist und dem Lageführungssignal x_soll in der Regel ein Schleppfehler besteht.

Um sicherzustellen, daß die Aufschaltung des Kompensationssignals I_k zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, ist zweckmäßig, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, eine Vorsteuerungseinrichtung 13, 27 vorgesehen. Sie bewirkt, daß Istlage x_ist und Lageführungssignal x_soll zumindest in sehr guter Näherung übereinstimmen. Die Realisierung einer Vorsteuerung ist in der Fachwelt bekannt und nicht Gegenstand dieser Erfindung. Der Aufschaltzeitpunkt für das Kompensationssignal I_k wird in diesem Fall in einfacher Weise aus dem Lageführungssignal x_soll abgeleitet. Er entspricht dem Zeitpunkt, zu dem das Lageführungssignal x_soll von einer Ruhelage, für die gilt dx_soll/dt = 0, in eine Bewegung mit dx_soll/dt/0 übergeht.

Eine alternative Möglichkeit zur Festlegung eines richtigen Aufschaltzeitpunktes für das Kompensationssignal I_k besteht darin, das Aufschalten durch Auswertung des Lageistwertes x_ist zu triggern. Das Lageistwertsignal x_ist wird dabei durch Prüfung dx_ist/dt = 0 daraufhin geprüft, ob ein Übergang von einer Ruhelage in eine Bewegungslage vorliegt. Ist dies der Fall, wird ein Triggersignal erzeugt, welches bewirkt, daß die Kompensationseinrichtung 24 das Kompensationssignal I_k in den Stromregelkreis aufschaltet. Das Triggern kann in analoger Weise auch aufgrund des Drehzahlistwerts v_ist erfolgen, in dem der Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem die Drehzahl von dem Wert Null in einen von Null verschiedenen Wert übergeht. In analoger Weise kann das Triggern auch durch Auswertung einer der innerhalb des Regelkreises 21 auftretenden Regeldifferenzen für Lage, x_soll - x_ist, und Drehzahl, v_soll - v_ist erfolgen.

Obgleich beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 nur von einem Antrieb 20 ausgegangen wurde, kann das vorgeschlagene Verfahren selbstverständlich auch für eine Anordnung mit einer Vielzahl von Antrieben eingesetzt werden. Ferner kann auch die vorgeschlagene Verteilung von Funktionalitäten in beliebiger Weise geändert werden. Beispielsweise kann sich die Schnittstelle 15, 25 auch zwischen der im Ausführungsbeispiel zusammengefaßten Lage- und Drehzahlregelung oder zwischen Drehzahl und Stromregelung befinden. Oder es können die Einrichtungen 12, 24 zur Reibungskompensation sowie zur Vorsteuerung vollständig im Antrieb 20 oder vollständig innerhalb der numerischen Steuerung 10 realisiert sein. Unter Beibehaltung des Grundgedankens, ein Korrektursignal I_k zur Kompensation der Anfahrreibung ohne Rückkopplung einer Regelgröße zu erzeugen, und direkt an die Momentenschnittstelle in den Stromregelkreis aufzuschalten, ist eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen von Anordnungen zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens möglich.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung eines Servoantriebs mittels einer Steuereinrichtung, die eine Regelanordnung zur Regelung von Lage und Drehzahl, sowie eine nachgeschaltete Regelanordnung zur Regelung des dem Antrieb zugeführten Stromes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromregelkreis bei Einsetzen einer Bewegung des Antriebs (28) aus einer Stillstandslage ein Kompensationssignal (I_k) zur Kompensation der Anfahrreibung aufgeschaltet wird, dessen Größe (A, -A) nur von den der Regelanordnung (21, 22, 23) zugeführten Sollwerten (x_soll, v_soll) abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationssignal (I_k) an der Schnittstelle zwischen der Drehzahlregelung (22) und der Stromregelung (23) aufgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lageführungssignal (x_soll) einer Nachlaufkompensation unterzogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lageführungssignal (x_soll) vorgesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lageistsignal (x_ist), das Istdrehzahlsignal (v_ist), die Lage­ Regeldifferenz (x_soll - x_ist) oder die Drehzahlregeldifferenz (v_soll - v_ist) dazu verwendet wird, das Aufschalten des Kompensationssignals (I_K) auf dem Stromregelkreis auszulösen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationssignal (I_k) mit Hilfe einer Kennlinie gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie eine Zweipunktkennlinie ist.

8. Einrichtung zur Steuerung eines Servoantriebs mit einer Regelanordnung zur Regelung von Lage, Drehzahl und Strom, sowie einer Kompensationseinrichtung (24), welche zur Vermeidung einer Haftphase beim Einsetzen einer Bewegung des Antriebs aus der Ruhelage ein Kompensationssignal (I_k) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Kompensationssignals (I_k) nur aufgrund eines der Regelanordnung (21, 22, 23) zugeführten Sollwertes (x_soll, v_soll) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (15, 25) eine digitale Schnittstelle ist, über welche sowohl zyklische zur Steuerung des Antriebs benötigte als auch Bedarfsdaten übermittelbar sind.