DE3851198T2 - Servosteuerschaltung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servosteuerschaltung, die mit der ein digitales Servosystem unter Verwendung eines Mikrocomputers bereitgestellt werden kann.
• Bei einem üblichen digitalen Servosystem steigt das Ausgangssignal einer proportionalen Integrierschaltung in Art einer linearen Funktion an, wenn ein Impuls als Posizionsbefehl eingegeben wird, und das mechanische System beginnt sich zu bewegen, wenn das Drehmoment die statische Reibungskraft des mechanischen Systems übersteigt. Wenn der Integrationsverstärkungsfaktor der proportionalen Integrationssohaltung niedrig ist, tritt beim Positionieren des mechanischen Systems ein Überschwingen auf, und als Folge davon nimmt die Positionsgenauigkeit ab. Wenn umgekehrt der Integrationsverstärkungsfaktor hoch ist, tritt kein Überschwingen auf, die Steigerungsrate beim Drehmoment nimmt jedoch die Form einer quadratischen Funktion an, und für das mechanische System wird eine gewisse Zeit benötigt, um sofort mit der Bewegung zu beginnen, wenn der Positionsbefehl ausgegeben wurde, oder es ist möglich, daß ein Impuls nicht ausreichend ist, um eine Bewegung zu erzeugen.
• Somit ist es erforderlich, auszuwählen, wie der Integrationsverstärkungsfaktor im digitalen Servosystem abhängig vom mechanischen System des zu steuernden Objekts eingestellt werden sollte. Es ist jedoch nicht leicht, einen optimalen Wert durch variables Einstellen eines Koeffizienten beispielsweise bei einem analogen Servosystem in einer geeigneten Weise zu finden.
• Wenn man folglich versucht, einen optimalen Wert für das mechanische System bei jeder Situation einzustellen, um den wechselnden entgegengesetzten Befehlen hinsichtlich der Positionsgenauigkeit und der Servoabhängigkeit in einem Software-Servossystem zu begegnen, um das konventionelle digitale Servosystem zu steuern, tritt eine Schwierigkeit auf, daß die Kosten des Systemaufbaus steigen.
• Die vorliegende Erfindung ist dazu vorgesehen, das obige Problem zu lösen und ihre Aufgabe besteht darin, eine Servosteuerschaltung bereitzustellen, beim Steuern der Position eines mechanischen Systems die Genauigkeit wie bei einer Zufuhr eines einzigen Impulses beizubehalten, ohne die Reaktion zu beeinträchtigen.
• Die JP-A 60-5306 offenbart eine Servosteuereinrichtung, wo Verstärker-Verstärkungsfaktoren umgeschaltet werden, wenn der Positionsfehler größer als ein vorgegebener Wert ist. Eine solche Servosteuereinrichtung steht im Einklang mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Die EP-A 0 207 166 zeigt die konventionelle Struktur eines proportionalen Integrators, aber sie offenbart nicht, daß ein unvollständiger Integrationsausdruck nach dem beiliegenden Patentanspruch 1 unterdrückt wird, wenn der Positionsfehler einen eingestellten Referenzwert übersteigt.
• Erfindungsgemäß ist eine Servosteuerschaltung zum Antrieb eines mechanischen Systems, die sowohl eine Positions- und Geschwindigkeitsrückführschleife hat, wobei die Schaltung eine Recheneinrichtung zur Berechnung eines Fehlers zwischen einem Positionsrückführsignal vom mechanischen System und einem Bewegungsbefehl aufweist, als auch einen Geschwindigkeitssteuerblock, der einen Verstärkungsfaktor hat, der so festgesetzt ist, daß er in Abhängigkeit vom Fehler änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor durch den Ausdruck (k&sub1;/(S + k&sub3;))+ k&sub2; ausgedrückt wird, wobei k&sub1; den Integrationsverstärkungsfaktor der Geschwindigkeitsrückführschleife darstellt, k&sub2; den proportionalen Verstärkungsfaktor des Geschwindigkeitssteuerblocks darstellt, und k&sub3; ein unvollständiger Integrationsbegriffist, der unterdrückt wird, wenn der Fehler einen eingestellten Referenzwert übersteigt, so daß dadurch eine Änderung des Verstärkungsfaktors des Geschwindigkeitssteuerblocks erzielbar ist.
• Die Servosteuerschaltung nach der Erfindung ist dazu geeignet, einen unvollständigen Integrationsausdruck, der im Integrationsverstärkungsfaktor der Geschwindigkeitsrückführschleife enthalten ist, in dem Moment zu unterdrücken, wenn der Fehler einen vorgegebenen Referenzwert übersteigt. Daher kann ein Überschwingen im mechanischen System aufgrund eines übergroßen Drehmomentbefehls durch Einstellen des unvollständigen Integrationsausdrucks verhindert werden, der im Integrationsverstärkungsfaktor bei einem optimalen Wert entsprechend dem mechanischen System enthalten ist.
• Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, Fig. 2(a) zeigt eine Ansicht, die die gleiche Ausführungsform in Form einer Schaltungsanordnung bei einem analogen Servosystem zeigt, und Fig. 2(b) zeigt eine Ansicht, um den Zustand eines optimalen Drehmomentbefehls bei der gleichen Ausführungsform zu zeigen und zu erklären.
• Es wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt ein Systemblockdiagramm zur Realisierung einer Steuerung mit einem digitalen Servosystem. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein mechanisches System, der Gegenstand der Steuerung sein soll. Hier wird eine Eingabe- /Ausgabebeziehung durch eine Übertragungsfunktion festgesetzt, die einen Koeffizienten enthält, der typisch für die Motorträgheitskraft Jm ist. Ein Bewegungsbefehl, der in dieses Servosystem eingegeben wird, wird an eine Addierschaltung 2 zusammen mit einem Toleranz-Korrektursignal oder einem Zeichenabstand-Fehlerkorrektursignal angelegt. Die Addierschaltung berechnet einen Fehler Ep zwischen dem Befehl und einem Positionsrückführsignal aus einer linearen Funktion, einem Kennfeld oder einem Impulscodierer. Ein Rechenblock 3 mit einem Positionsverstärkungsfaktor Kp berechnet einen Geschwindigkeitsbefehl aus dem Fehler Ep und liefert den Geschwindigkeitsbefehl zu einer Addierschaltung 4, die einen Fehler Ev zwischen dem Befehl und einem Geschwindigkeitsrückführsignal von einem Impulscodierer berechnet.
• Das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Geschwindigkeitssteuerblock, der eine Übertragungsfunktion beinhaltet, bei der der unvollständige Integrationsausdruck k&sub3; abhängig davon variiert wird, ob der Fehler Ep Null ist oder-nicht. Das Ausgangssignal dieses Geschwindigkeitssteuerblocks 5 bestimmt über einen Stromsteuerblock 6 einen Strombefehl, der an einen Servomotor angelegt wird, der das mechanische System 1 antreibt. Ein charakteristischer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der unvollständige Integrationsausdruck k&sub3;, der im Integrationsverstärkungsfaktor der Geschwindigkeitsrückführschleife enthalten ist, im Geschwindigkeitssteuerblock 5 gesteuert wird, so daß es verhindert wird, daß das mechanische System aufgrund eines Stick-slip- Effekts oder dgl. überschwingt.
• Es wird nun das Steuern des unvollständigen Integrationsausdrucks k&sub3; durch den Geschwindigkeitssteuerblock 5 unter Bezugnahme auf das analoge Servosystem und die in Fig. 2(b) gezeigten Schwingungsformen beschrieben.
• In Fig. 2(a) ist ein Geschwindigkeitsfehlersignal, das an einem Nachverstärker 12 von einem Vorverstärker 11 her angelegt ist, an den ein Geschwindigkeitsbefehl eingegeben ist, über einen Widerstand Rx proprtional zum Integrationsverstärkungsfaktor eines in Fig. 2(b) gezeigten Drehmomentbefehls geliefert. Eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen R&sub1;, R&sub2; ist parallel zu dem Verstärker 12 geschaltet. Der Widerstand R&sub1; entspricht dem proportionalen Verstärkungsfaktor k&sub2; des Geschwindigkeitssteuerblocks 5 von Fig. 1, und der Widerstand R&sub2; entspricht dem unvollständigen Integrationsverstärkungsfaktor k&sub3;. Ein Kondensator C&sub1;, der parallel zum Widerstand R&sub2; geschaltet ist, entspricht dem Integrationsverstärkungsfaktor k&sub1; des Geschwindigkeitssteuerblocks 5.
• Wenn ein Impuls eines Bewegungsbefehls zu einem Zeitpunkt t&sub1; eingegeben wird, wie in Fig. 2(b) gezeigt ist, steigt der Drehmomentbefehl Tcmd entlang einer Geraden proportional zur Zeit an, wenn der Wert des Widerstands R&sub2; unendlich ist. Wenn die aktuelle Bewegungsposition zu einem Zeitpunkt t&sub2; ermittelt wird, bei dem der Drehmomentbefehl einem vorbestimmten Wert in Abhängigkeit von der statischen Reibungskraftkennlinie des mechanischen Systems erreicht, wird der unvollständige Integrationsverstärkungsfaktor k&sub3;, der dem Widerstand R&sub2; entspricht, auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
• Wenn insbesondere der Widerstand R&sub2; vor dem Bewegungsbeginn des mechanischen Systems klein gemacht wird, verschlechtert sich die Positionsgenauigkeit. In diesem Fall steigt - in anderen Worten ausgedrückt - das Drehmoment entlang einer Kurve allmählich an, wie sie durch die gestrichelte Linie in Fig. , 2(b) angedeutet ist, so daß das statische Reibungsmoment nicht überwunden wird, sogar wenn ein Impuls des Bewegungsbefehls angelegt wird. Als Folge davon scheint es so, als ob eine Toleranz vorhanden ist, sogar wenn eine lineare Rückführfunktion vorhanden ist. Wenn dagegen der Widerstand R&sub2; unendlich groß gelassen wird, sogar wenn das mechanische System eine Bewegung (im Zeitpunkt t&sub2;) beginnt, entsteht ein übergroßes Überschwingen im mechanischen System nach dem Start der Bewegung.
• Wenn folglich in dem Augenblick, bei dem der Fehler zwischen dem Positionssignal vom mechanischen System und dem Bewegungsbefehl den voreingestellten Referenzwert übersteigt, er auf der Basis vom beispielsweise eines Wechsels im Fehler Ep erfaßt wird, der in den Rechenblock 3 eingegeben wird, der eine Positions-Kompensationsfunktion hat, und wenn der unvollständige Integrationsausdruck, der im Integrationsverstärkungsfaktor der Geschwindigkeitsrückführschleife enthalten ist, gesteuert wird, wird der Drehmomentbefehl so wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 2(b) gezeigt ist, und eine Überschwingung verursacht durch ein übergroßes Drehmoment tritt nicht auf.
• Wenn das mechanische System aus einem Antriebssystem besteht, das keine Schwerpunktachse aufweist, wird es notwendig, einen festen Fehlerwert für den Drehmomentbefehlswert in Betracht zu ziehen. Im wesentlichen wird es jedoch genügen, den unvollständigen Integrationsausdruck in Abhängigkeit vom Positionsfehler Ep zu steuern, so daß der Referenzwert des Positionsfehlers auf Null eingestellt wird.
• Die Servosteuerschaltung der vorliegenden Erfindung unterdrückt einen unvollständigen Integrationsausdruck, der im Integrationsverstärkungsfaktor einer Geschwindigkeitsrückführschleife enthalten ist, in dem Augenblick, wo ein Fehler zwischen einem Positionssignal von einem mechanischen System und einem Bewegungsbefehl einen eingestellten Referenzwert übersteigt. Daher kann ein Überschwingen im mechanischen System aufgrund eines übergroßen Drehmomentbefehls durch Einstellen des unvollständigen Integrationsausdrucks, der im Integrationsverstärkungsfaktor bei einem optimalen Wert in Übereinstimmung mit dem mechanischen System enthalten ist, verhindert werden.

Claims (2)

1. Servosteuerschaltung (2 bis 6) zum Antrieb eines mechanischen Systems (1), die sowohl eine Positions- und Gesohwindigkeitsrückführschleife hat, wobei die Schaltung (2 bis 6) eine Recheneinrichtung (2) zur Berechnung eines Fehlers (Ep) zwischen einem Positionsrückführsignal vom mechanischen System (1) und einem Bewegungsbefehl aufweist, als auch einen Geschwindigkeitssteuerblock (5), der einen Verstärkungsfaktor hat, der so festgesetzt ist, daß er in Abhängigkeit vom Fehler (Ep) änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor durch den Ausdruck(k&sub1;/(S + k&sub3;))+ k&sub2; ausgedrückt wird, wobei k&sub1; den Integrationsverstärkungsfaktor der Geschwindigkeitsrückführschleife darstellt, k&sub2; den proportionalen Verstärkungsfaktor des Geschwindigkeitssteuerblocks (5) darstellt, und k&sub3; ein unvollständiger Integrationsbegriff ist, der unterdrückt wird, wenn der Fehler (Ep) einen eingestellten Referenzwert übersteigt, so daß dadurch eine Änderung des Verstärkungsfaktors des Geschwindigkeitssteuerblocks erzielbar ist.

2. Servosteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert des Fehlers (Ep) auf Null in dem Fall eingestellt wird, wo das mechanische System aus einem Antriebssystem besteht, das keine Schwerkraftachse aufweist.