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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Servoregeleinrichtung zum Regeln der Geschwindigkeit eines Servomotors.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine
Servoregeleinrichtung, die in der Lage ist, den Einfluß eines
Stördrehmoments zu beseitigen.
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Bei der Geschwindigkeitsregelung eines Wechselstrommotors,
z. B. eines Induktionsmotors oder eines Synchronmotors, wird
ein Strombefehl (Drehmomentbefehl) erzeugt, der mit der
Abweichung zwischen einer befohlenen Geschwindigkeit und einer
tatsächlichen Geschwindigkeit übereinstimmt,um die
tatsächliche Geschwindigkeit mit der befohlenen Geschwindigkeit
zusammenfallen zu lassen. Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild
einer herkömmlichen Geschwindigkeitsregelschleife, in der das
Bezugszeichen 1 eine Arithmetikeinheit zum Berechnen einer
Geschwindigkeitsabweichung bezeichnet, weiche die Differenz
zwischen einer befohlenen Geschwindigkeit VCMD und einer
tatsächlichen Geschwindigkeit VEB ist, das Bezugszeichen 2 einen
Integrator bezeichnet, der einen
Integrationsübertragungsfaktor k&sub1; zum Integrieren des Ausgangssignals der
Arithmetikeinheit 1 hat, das Bezugszeichen 3 eine
Proportionalitätseinheit bezeichnet, die auf einen proportionalen
Übertragungsfaktor k&sub2; zum Ausgeben eines Signals k&sub2; VKB eingestellt
ist, das Bezugszeichen 4 eine Arithmetikeinheit zum Berechnen
der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des Integrators
und der Proportionalitätseinheit bezeichnet, das
Bezugszeichen 5 eine Einstelleinheit zum Einstellen einer
Drehmomentkonstanten Kt bezeichnet, das Bezugszeichen 6 eine
Arithmetikeinheit zum Addieren eines Stördrehmoments und des
Ausgangssignals der Drehmomentkonstanten-Einstelleinheit
bezeichnet und das Bezugszeichen 7 einen Motor bezeichnet. Jm
repräsentiert die Motorträgheit.
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Bei der Geschwindigkeitsregelschleife gemäß Fig. 7 erscheint
das Stördrehmoment als eine Schwankung der
Motorgeschwindigkeit und wird durch den Integrator 2, dessen
Übertragungsfunktion k&sub1;/s ist, und die Proportionalitätseinheit 2, deren
Proportionalübertragungsfaktor k&sub2; ist, in den
Drehmomentbefehl eingebracht. Folglich wirkt die
Geschwindigkeitsregelschleife, selbst obwohl eine Schwankung der Geschwindigkeit
durch die Störung erzeugt wird, in einer Richtung, um die
Schwankung der Geschwindigkeit zu verringern. Je höher der
Übertragungsfaktor der Geschwindigkeitsregelschleife ist,
desto größer ist der Grad, zu dem die Störung unterdrückt
wird. Indessen besteht eine Grenze für den
Übertragungsfaktor, weil das gesamte System in einen schwingenden Zustand
gerät, wenn der
Geschwindigkeitsregelschleifen-Übertragungsfaktor zu hoch ausgelegt ist. In anderen Worten ausgedrückt
heißt dies, daß wenn das Stördrehmoment groß ist, die
Schwankung der Motorgeschwindigkeit nicht ausreichend unterdrückt
werden kann, weil der Grad der Unterdrückung nicht angehoben
werden kann. Beispielsweise treten, wenn ein Abschroten oder
dgl. durch eine Werkzeugmaschine durchgeführt wird, Probleme,
wie eine uneben abgeschrotete oder dgl. Oberfläche auf.
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Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, eine Servoregeleinrichtung zu schaffen, bei der
das System nicht schwingt und die in der Lage ist, eine
ausreichende Drehmomentkorrektur in bezug auf das
Stördrehmoment zu auszuüben, was es möglich macht, eine Schwankung der
Motorgeschwindigkeit aufgrund eines Stördrehmoments
ausreichend gut zu unterdrücken.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die vorstehend genannte
Aufgabe durch das Schaffen einer Servoregelschleife, die zum
Erzeugen eines Drehmomentbefehls in Übereinstimmung mit der
Differenz zwischen einer befohlenen Geschwindigkeit und einer
tatsächlichen Geschwindigkeit und zum Regeln der
Geschwindigkeit eines Servomotors auf der Grundlage des
Drehmomentbefehls vorgesehen ist, gelöst, mit einer
Beobachtungseinrichtung zum Abschätzen der tatsächlichen Geschwindigkeit und des
Stördrehmoments und zum asymptotischen Verringern der
Abweichung zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit und der
abgeschätzten Geschwindigkeit sowie der Abweichung zwischen dem
Stördrehmoment und dem abgeschätzten Wert des
Stördrehmoments, einem Hochpaßfilter zum Anwenden einer
Hochpaßfilterverarbeitung auf das Stördrehmoment, das durch die
Beobachtungseinrichtung abgeschätzt ist, und einer
Drehmomentbefehls-Korrektureinheit zum Korrigieren des Drehmomentbefehls,
welcher dem Servomotor zugeführt wird, auf der Grundlage des
Ergebnisses der Hochpaßfilterverarbeitung.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Servoregelsystems
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 u. Fig. 3 zeigen Darstellungen zum Beschreiben des
Prinzips einer Beobachtungseinrichtung.
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Fig. 4 zeigt eine Darstellung, welche die Zustände in einer
Geschwindigkeitsregelschleife von einem
Drehmomentbefehl bis zu einer tatsächlichen Geschwindigkeit eines
Motors angibt.
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Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer
Beobachtungseinrichtung zum Abschätzen einer Störung zum Ausführen der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 6 eine Darstellung zur Beschreibung der
Beobachtungseinrichtung und des Frequenzbandes eines
Hochpaßfilters zum Ausführen der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer herkömmlichen
Geschwindigkeitsregelschleife.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Beobachtungseinrichtung
zum Abschätzen der tatsächlichen Geschwindigkeit eines Motors
und eines Stördrehmoments und zum Verringern einer Abweichung
zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit des Motors und der
abgeschätzten Geschwindigkeit und einer Abweichung zwischen
dem Stördrehmoment und einem geschätzten Wert des
Stördrehmoments auf Null vor und korrigiert einen Drehmomentbefehl, der
einem Servomotor zugeführt wird, auf der Grundlage des
Stördrehmoments, welches durch die Zustands-Abschätzungseinheit
abgeschätzt ist. Zunächst wird das Prinzip der
Zustands-Abschätzungseinheit beschrieben.
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Um eine Regelung auf der Grundlage einer Zustandsrückkopplung
durchzuführen, ist es erforderlich, daß alle Zustandsgrößen
eines geregelten Systems zu jedem Zeitpunkt meßbar sind.
Indessen können in einem gewöhnlichen Mehr-Variablen-System
nicht alle Zustandsgrößen direkt gemessen werden, wenn die
Anzahl von Variablen zu groß ist. Daher müssen die
Zustandsvariablen, welche nicht gemessen werden können, aus
Ausgangssignalen, die direkt innerhalb des Regelsystems meßbar sind,
geschätzt werden. Ein Verfahren zum Abschätzen von
Zustandsgrößen besteht darin, ein Modell des Regelsystems zu
erstellen und die Zustandsgrößen durch Vergleichen des
Ausgangssignals des Regelsystems mit dem Ausgangssignal des
Systemmodells abzuschätzen. Ein derartiges Abschätzmittel wird als
"Beobachtungseinrichtung" bezeichnet. Es sei ein
n-dimensionales lineares System SYS (siehe Fig. 2) betrachtet, das
folgende Gleichungen erfüllt:
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x = Ax + Bu, x(t) = x&sub0; (1)
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y = Cx (1')
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In diesem System SYS repräsentiert u(t) ein
Regeleingangssignal (manipulierte Variable), x(t) repräsentiert den Zustand,
und y(t) repräsentiert ein Ausgangssignal.
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Wenn ein System, das identisch mit dem zuvor beschriebenen
System (Prozeß) SYS ist, als ein Modell MDL aufgebaut ist und
diesem dasselbe Eingangssignal zugeführt wird, ist das Modell
wie folgt auszudrücken:
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Ob x aus dem Zustand abgeschätzt werden kann, wird im
folgenden betrachtet. Wenn die Differenz zwischen dem Zustand
x(t) des Systems SYS und der Zustand (t) des Modells MDL zu
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angenommen wird, ergeben sich aus den Gl. (1) u. (2) die
folgende Gleichung:
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Wenn Gl. (4) asymptotisch stabil ist, nämlich wenn die realen
Teile des Eigenwerts von A alle negativ sind, dann wird
e(t) T 0 für t T Unendlich.
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Daher wird sich (t) asymptotisch x(t) nähern. Ansonsten wird
(t) keine Information angeben, die sich auf x(t) bezieht,
und der Zustand des Systems SYS, der durch Gl. (1) angegeben
ist, kann nicht aus Gl. (2) abgeschätzt werden. In Fig. 2
bezeichnen die Bezugszeichen SN1, SN2 Sensoren.
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Es sei der Fall betrachtet, in dem eine Rückkopplung benutzt
wird, um zu ermöglichen, daß (e) T 0 asymptotisch ohne
Mißlingen erreicht wird. Insbesondere wird, wie in Fig. 3
gezeigt, die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des
Originalsystems SYS und dem Ausgangssignal des Abschätzungssystems
MDL als Rückkopplungsgröße benutzt, und es wird eine
Anordnung angenommen, die weiter unten ausgeführt wird. In Fig. 3
repräsentiert ADD einen Addierer, und MUL repräsentiert einen
Multiplizierer.
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Das Subtrahieren der Gl. (5) von Gl. (1) ergibt
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(t) = Ae(t), e(0) = x&sub0; (6)
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Daher ist
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e(t) = {exp(A - LC)} e(0)
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Diese Größe e(t) ist gleich x(t) - (t). Dementsprechend wird
dann, wenn ein L existiert, das die Wurzel der
charakteristischen Gleichung negativ macht, e(t) T 0 ohne Fehler bei
t T Unendlich gelten, und die Beobachtunngsseinrichtung des
Systems gemäß Gl. (1) ist mit dem System gemäß Gl. (5)
realisierbar. In dem Vorstehenden sind A, B, C, L vorbestimmte
Matrizen.
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Ein Beispiel für eine derartige Beobachtungseinrichtung ist
in der Druckschrift JP-A-57 199 486 offenbart.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist eine Beobachtungseinrichtung zur
Ausführung der Erfindung für die
Geschwindigkeitsregelschleife zum Abschätzen eines Stördrehmoments vorgesehen. Fig. 4
stellt die Zustände bei der Geschwindigkeitsregelung eines
Servomotors von einem Drehmomentbefehl aus bis zu einer
tatsächlichen Geschwindigkeit eines Motors dar.
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In Fig. 4 repräsentiert u(t) den Drehmomentbefehl, x&sub2; (t)
repräsentiert das Stördrehmoment, und x&sub1; (t) repräsentiert die
tatsächliche Geschwindigkeit des Motors. Das Bezugszeichen 16
bezeichnet eine Drehmomentkonstanten-Einstelleinheit, das
Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Arithmetikeinheit, und das
Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Servomotor. Jm repräsentiert
die Trägheit des Motors.
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Im Hinblick auf die Zustandsvariablen x&sub1;, x&sub2; gilt
folgendes:
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Wenn das System als ein Diskretwertsystem behandelt wird und
die Abtastzeit als T angenommen ist, kann Gl. (7) als die
folgende Wiederholungs-Formel ausgedrückt werden:
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Gl. (8) wird wie folgt neu geschrieben:
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x(i+1)T = Adx(t)T + Bdu(i) (8'),
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und eine Beobachtungseinrichtung ist im Hinblick hierauf wie
durch die folgenden Gleichungen (9) u. (10) ausgedrückt
aufgebaut:
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z(i+1)T = Ad (i)T + Bdu(i) (9)
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(i)T = z(i)T + KT(y(i) . Cz(i)T) (10),
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ist und &sub1;, &sub2; abgeschätzte Werte von x&sub1;, x&sub2; sind. Ferner ist
z(i)T =
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und C, welches ein Ausgangsvektor ist, ist [1,0].
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Dementsprechend ergibt sich
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und Gl. (10) wird zu
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(i)T = z(i)T + KTC(x1(i) . z1(i)) (10'),
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wobei KT, welches ein Übertragungsfaktor-Vektor ist, wie
folgt ausgedrückt ist:
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Der Abweichungs-Vektor e(i)T = (i)T . x(i)T zu diesem
Zeitpunkt wird unter BEnutzung von G. (8'), (9) u. (10') zu
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e(i)T = (Ad - KTCAd)e(i-1)T (11).
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Daher gilt dann, wenn die Eigenwerte der Matrix (Ad - KTCAd)
in einem Einheitskreis liegen, e(i)T T 0, und der
geschätzte Wert (i)T wird zu dem tatsächlichen Wert x(i)T
konvergieren.
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Nach dem Umschreiben der zuvor erläuterten
Beobachtungseinrichtung ergeben sich
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Wenn dies unter Benutzung eines Blockschaltbildes ausgedrückt
wird, ergibt sich die Beobachtungseinrichtung wie in Eig. 5
gezeigt. In Fig. 5 sind Blöcke 51, 52, die durch Z&supmin;¹
bezeichnet sind, Verzögerungseinheiten für eine Verzögerung von
einer Abtastzeit, die Bezugszeichen 53 - 56 bezeichnen
Übertragungsfaktor-Einstelleinheiten zum Einstellen von
Übertragungsfaktoren K&sub1;, K², KtT/Jm bzw. T/Jm, und die Bezugszeichen
57 - 61 repräsentieren Arithmetikeinheiten. Ferner bezeichnet
x&sub1;(i)
die tatsächliche Geschwindigkeit des Motors, &sub2;(i))
bezeichnet das abgeschätzte Stördrehmoment, und u(i)
bezeichnet den Drehmomentbefehl.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines
Geschwindigkeitsregelsystems, welches diese Beobachtungseinrichtung enthält,
und die Figur stellt die Beobachtungseinrichtung in
vereinfachter Form dar.
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Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine
Geschwindigkeitsregelschleife, die mit Ausnahme eines analogen Abschnitt (eines
Verstärkers, eines Motors und einer Stromregelschleife), der
durch eine strichpunktierte Linie umschlossen ist, in seiner
Gesamtheit als eine digitale Verarbeitungseinheit, die
Software benutzt, ausgeführt ist. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet
eine Beoabachtungseinrichtung, die in ähnlicher Weise als
eine digitale Verarbeitungseinheit, die Software benutzt,
ausgeführt ist. Das Bezugszeichen 70 bezeichnet ein
Hochpaßfilter, dem ein Signal für ein Stördrehmoment &sub2;, das durch
die Beoabachtungseinrichtung 50 abgeschätzt ist, zum Erzeugen
eines korrigierenden Drehmomentbefehls t&sub2; eingegeben wird.
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In der Geschwindigkeitsregelschleife 10 bezeichnet das
Bezugszeichen 11 eine Arithmetikeinheit zum Berechnen der
Geschwindigkeitsabweichung, welche die Differenz zwischen einer
befohlenen Geschwindigkeit VCMD und der Motorgeschwindigkeit
x&sub1; ist, das Bezeugszeichen 12 bezeichnet einen Integrator
(K&sub1;/s), der einen Integrationsübertragungsfaktor K&sub1; zum
Integrieren des Ausgangssignals der Arithmetikeinheit 11 hat, das
Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Proportionaleinheit zum
Ausgeben von K&sub2; x&sub1;, das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine
Arithmetikeinheit zum Erzeugen eines Drehmomentbefehls (eines
Drehmomentbefehls, der durch die
Geschwindigkeitsregelschleife berechnet ist) t&sub1; durch Berechnen der Differenz zwischen
den Ausgangssignalen des Integrators und der
Proportionalitätseinheit, und das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine
Drehmomentbefehl-Korrektureinheit (Arithmetikeinheit) zum
Korrigienes
Drehmomentbefehls, der durch die Arithmetikeinheit 14
ausgegeben wird, durch den korrigierenden Drehmomentbefehl
t&sub2;, welcher durch das Hochpaßfilter 70 ausgegeben wird, um
dadurch einen wirklichen Drehmomentbefehl u zu erzeugen. Das
Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Einstelleinheit zum
Einstellen einer Drehmomentkonstanten Kt, das Bezugszeichen 17
bezeichnet eine Einheit zum Einführen des Stördrehmoments x&sub2;,
und das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Motor. Die
Motorträgheit beträgt Jm.
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Die Beobachtungseinrichtung 50 zum Abschätzen des
Stördrehmoments x&sub2; ist so beschaffen, daß sowohl die Abweichung
zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit x&sub1; des Motors und der
geschätzten Geschwindigkeit x&sub1; desselben als auch die
Abweichung zwischen dem Stördrehmoment x&sub2; und dem geschätzten Wert
x&sub2; des Stördrehmoments gegen Null konvergiert werden.
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Das Hochpaßfilter 70 hat eine Übertragungsfunktion Km s/(s+a)
und ist dazu bestimmt, die niederfrequenten Komponenten des
Stördrehmoments &sub2;, das durch die Beobachtungseinrichtung 50
abgeschätzt ist, zu dämpfen, lediglich die hochfrequenten
Komponenten mit Km zu multiplizieren und das Ergebnis der
Drehmomentbefehl-Korrektureinheit 15 der
Geschwindigkeitsregelschleife 10 als den korrigierenden Drehmomentbefehl t&sub2;
zuzuführen. Das Frequenzband des Hochpaßfilters 70 hängt von
der Konstanten a ab, und die Frequenzcharakteristik desselben
ist durch F1 (die gestrichelte Linie) in Fig. 6) angegeben.
Die Frequenzcharakteristik der Beobachtungseinrichtung 50 ist
durch F2 (die strichpunktierte Linie) angegeben.
Dementsprechend ist die Charakteristik des Gesamtsystems durch F3 (die
durchgehende Linie) angegeben.
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Der Grund für diese Dämpfung oder dieses Beschneiden der
niederfrequenten Komponenten des geschätzten Stördrehmoments &sub2;
besteht darin, daß dasjenige, welches das Schwingungsphänomen
verursacht, wenn die Größe des Verhätnisses t&sub2;/t&sub1; des
Drehmomentbefehls t&sub1; zu dem korrigierenden Drehmomentbefehl t&sub2;
größer als 1 wird, die niederfrequente Komponente ist, welche
in dem Stördrehmoment x&sub2; enthalten ist. Es sei angemerkt, daß
keine Drehmomentkorrektur auf die niederfrequenten
Komponenten des Stördrehmoments wegen des Vorsehens des
Hochpaßfilters 70 ausgeübt werden kann. Indessen können in dem Fall, in
dem die Frequenzkomponenten, welche in den Stördrehmoment
enthalten sind, ausreichend niedrig im Vergleich mit der
Bandpaßfrequenz der Geschwindigkeitsregelschleife sind, die
Wirkungen der niederfrequenten Komponenten des
Stördrehmoments durch die Wirkung der Geschwindigkeitsregelschleife
selbst verringert werden. Demzufolge ergeben sich keine
Probleme.
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Die Betriebsweise der Einrichtung gemäß Fig. 1 insgesamt wird
im folgenden beschrieben.
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Die Beobachtungseinrichtung 50 schätzt das Stördrehmoment in
einer Weise ab, daß die Differenz zwischen der tatsächlichen
Geschwindigkeit des Motors und der geschätzten
Geschwindigkeit nach Null konvergieren wird, und liefert das geschätzte
Stördrehmoment &sub2;(t) an das Hochpaßfilter 70.
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Das Hochpaßfilter 70 dämpft die niederfrequenten Komponenten,
die in dem geschätzten Stördrehmoment &sub2;(t) enthalten sind,
multipliziert lediglich die Komponenten, die höher liegen als
eine vorbestimmte Frequenz, mit Km und gibt das Ergebnis als
den korrigierenden Drehmomentbefehl t&sub2; aus.
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Die Drehmomentkorrektureinheit 15 gibt als den wirklichen
Drehmomentbefehl u(t) einen Wert aus, der durch Subtrahieren
des korrigierenden Drehmomentbefehls t&sub2; von dem
Drehmomentbefehl t&sub1; gewonnen ist, welcher auf der Grundlage des
Geschwindigkeitsbefehls berechnet ist, um dadurch den Motor zu
treiben.
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Danach werden der letzte Drehmomentbefehl u und die
tatsächliche Geschwindigkeit x&sub1; der Beobachtungseinrichtung 50
eingegeben,
und die zuvor beschriebene Operation wird
wiederholt, um eine Schwankung der Geschwindigkeit zu unterdrücken.
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Auf diese Weise werden gemäß der vorliegenden Erfindung, wie
sie zuvor beschrieben ist, niederfrequente Komponenten aus
dem geschätzten Drehmoment entfernt, wodurch als Ergebnis
davon Schwingungen über das gesamte System hinweg verhindert
werden können. Des weiteren kann, selbst obwohl die
niederfrequenten Komponenten des Stördrehmoments durch das
Hochpaßfilter 70 beseitigt werden, eine Schwankung der
Geschwindigkeit aufgrund der niederfrequenten Komponenten durch die
Gebschwindigkeitsregelschleife selbst unterdrückt werden, und es
treten keine Probleme auf.
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Ferner ist es, da der Korrekturkoeffizient Km des
Stördrehmoments, welches durch die Beobachtungseinrichtung abgeschätzt
wird, vergrößert werden kann, möglich,
Geshwindigkeitsschwankungen, die hochfrequenten Komponenten zuzuschreiben sind,
welche in der Störung enthalten sind, die nicht durch die
Geschwindigkeitsregelschleife unterdrückt werden können,
hinreichend zu unterdrücken.