DE69700229T2 - Positionierungssystem mit Geschwindigkeitsregelung und Positionsregelung unter Verwendung des Geschwindigkeitsprofiles - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen den Gebrauch von elektrischen Maschinen in Anordnungen zur Positionierung von Lasten, und insbesondere ein Positionssteuersystem, das zwei Betriebsmodi aufweist, die einen Geschwindigkeitsprofilmodus und einen Schrittmodus zur schnellen und genauen Bewegung einer Last an ihre Zielposition umfaßt, ohne über diese hinauszulaufen oder vorher stehenzubleiben.
• Es ist bekannt, daß eine elektrische Maschine in einer großen Anzahl von Anordnungen zum Positionieren von Lasten verwendet werden kann, bei denen die Maschine verwendet wird, um die Position der Last zu steuern. Beispiele von solchen Positionierungsanordnungen umfassen Bremsbetätigungssysteme, automatische Türöffner, Roboteranlagen und ähnliches. In einigen Anwendungen ist die Antwortgeschwindigkeit des Systems sehr wichtig.
• Es ist häufig eine Anforderung an Positionierungsanordnungen, daß die Maschine präzise und schnell an die vorbestimmte Position gefahren wird, die einer Zielposition der Last entspricht (z. B. eine Betätigungseinrichtung zum Steuern eines Flugzeugquerruders oder einer Bremsposition in einem Bremssystem). In vielen solcher Systeme gibt es ernste nachteilige Folgen des Anhaltens vor der Zielposition oder des Darüberhinauslaufens. Z. B. kann das Anhalten vor der Zielposition in einem Bremssystem die Bremsen ineffektiv machen, wohingegen das Hinauslaufen über das Ziel in einem solchen System es verursachen kann, daß die Bremsen sich feststellen oder Schaden an den Bremsklötzen oder der Oberfläche, die gebremst wird, verursachen. Gemäß dem Stand der Technik haben solche Systeme geringe Geschwindigkeiten der Betätigungseinrichtung verwendet, um eine genaue Positionierung sicherzustellen. Während ein Betrieb mit langsamen Geschwindigkeiten die genaue Positionierung ermöglicht, indem die Zeit, die für die inkrementellen Anpassungen an die Position basierend auf Rückantwortdaten verfügbar ist, erhöht wird, kann der sich daraus ergebende Anstieg in der Zeit, die zum Positionieren der Last gebraucht wird, in der Anwendung nicht akzeptabel sein. Beispielsweise müssen Bremssysteme für Autos sehr schnelle Antwortzeiten aufweisen, um effektiv zu sein. Das ist insbesondere für Antiblockierbremsen der Fall, die eine wiederholende Betätigung mit einer Rate in der Größenordnung von 5 Zyklen pro Sekunde erfordern.
• Einige Systeme nach dem Stand der Technik haben versucht, hohe Genauigkeit der Positionierung und eine schnelle Antwortzeit durch die Verwendung von vielfachen Motoren-Modi bereitzustellen. Solche Systeme haben beispielsweise einen Motor mit einer konstanten hohen Geschwindigkeit angetrieben, bis der Motor in einer ersten Position ist, haben dann auf einen Bremsmodus für die Verlangsamung umgeschaltet und haben schließlich auf einen Schrittmodus umgeschaltet, um den Motor in inkrementellen Schritten in seine endgültigen Zielpositionen zu bewegen. US 4,591,777 ist ein Beispiel eines solchen Systems. Nachteile, die mit den Systemen nach dem Stand der Technik verbunden sind, sind, daß die vorberechneten Positionen fehlerhaft sein können, was zu einer Positionierung an dem falschen Ziel führt, und daß die Genauigkeit der Position oft durch das Getriebe, das zwischen dem Motor und der Last eingesetzt ist, verschlechtert wird.
• Andere bekannte Arten von Steuerungen zum Positionieren von elektrischen Maschinen verwendeten eine Geschlossene-Schleifen-Steuerung, um zu versuchen, die Maschine an die Zielposition zu bringen. Diese Systeme führen normalerweise zu einem gewissen Grad des Darüberhinauslaufens durch die Maschine, wobei das System dann um die Zielposition oszilliert, bis es stehenbleibt. Die Zeit zum Stehenbleiben kann soviel wie 20-30% der Gesamtpositionierungszeit sein. Versuche, das Darüberhinauslaufen in solchen Geschlossene-Schleifen-Systemen zu beseitigen, involvieren weitere Dämpfungen der Antwort, was in einem ungewollten Anstieg der Positionszeit resultiert.
• US 4,398,138 offenbar ein Spindel-Orientierungssteuersystem, das eine Geschwindigkeitssteuerschaltung und eine Positionssteuerschaltung aufweist, um die Spindel eines Maschinengerätes mit einer besonderen Geschwindigkeit zu drehen und die Spindel an einer gewählten Position anzuhalten.
• Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen definiert. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positionssteuersystem für eine Reluktanz- Maschine, die in einer Anordnung zum Positionieren von Lasten verwendet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Maschine und ihre Last schnell und exakt durch die Verwendung von dualen Steuermodi positioniert werden. Wenn der "Positionsfehler" oder der Abstand von der gewünschten Position groß ist, wird ein Geschwindigkeitssteuermodus verwendet, wenn die Maschine in der Nähe der gewünschten Position ist, wird ein Schrittmodus verwendet.
• Durch die Kombination dieser zwei Modi auf eine bestimmte Art und Weise kann die Last präzise an der geforderten Zielposition so schnell wie möglich mit dem gegebenen System positioniert werden, aber ohne daß die Last über das Ziel hinausläuft oder davor stehenbleibt. Die Zeit, die erforderlich ist, um die Zielposition zu erreichen, wird somit minimiert. Dieses Verfahren kombiniert die Vorteile der zwei Modi auf eine solche Art und Weise, daß die Nachteile, die gewöhnlich mit diesen verbunden sind, vermieden werden.
• In dem Geschwindigkeitssteuermodus wird der Motor gemäß vorbestimmten Profilen der maximalen Beschleunigungs- und Bremsfähigkeiten betrieben. Eine Tabelle ist bereitgestellt, um das Geschwindigkeits-Anforderungsprofil zu speichern, das die Maschinenbetriebsgeschwindigkeit als eine Funktion des Abstandes, der zu der gewünschten Position verbleibt, kennzeichnet. Die Tabelle ist vorzugsweise groß genug, um mehr als ein Geschwindigkeitsprofil zu speichern, so daß die Maschine auf vielfältige Art und Weise gemäß einer Vielzahl von Ein gabeparametern betrieben werden kann. Die Geschwindigkeits-Anforderungszahlen, die in der Tabelle gespeichert sind, werden an eine Steuerschaltung für die Verwendung zum Synchronisieren der Phasenauslösungen zugeführt, so daß die Maschine mit der gewünschten Geschwindigkeit läuft. In einem bevorzugten Betriebsmodus wird der Geschwindigkeitssteuermodus für den Betrieb bei hoher Geschwindigkeit der Maschine verwendet, wenn der Abstand von dem Ziel groß ist. Wenn der Abstand von dem Ziel abnimmt, kann die geforderte Geschwindigkeit progressiv auf eine gesteuerte Art und Weise vermindert werden, um das Darüberhinauslaufen und andere Probleme zu verhindern.
• Sobald die Maschinengeschwindigkeit unter eine bestimmte Schwelle vermindert worden ist, wird der Schrittmodus für die endgültige Positionierung ausgewählt. Ein künstlicher Auslösesignal-Generator kann verwendet werden, um Auslösesignale von dem Positionssteuersystem zu dem Leistungswandlersystem der Maschine zu führen, wobei es ermöglicht wird, daß die Maschine schnell und präzise an ihre Zielposition gebracht wird.
• Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
• Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Anordnung zum Positionieren von Lasten gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 2 ein funktionelles Blockdiagramm ist, das ein Motorsteuersystem der vorliegenden Erfindung detaillierter zeigt;
• Fig. 3 ein Graph der Motorgeschwindigkeit als eine Funktion der Position ist, die die dualen Motorsteuermodi gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 4 ein funktionelles Blockdiagramm eines Positionssteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Momentan-Positionsdetektors für die Verwendung in dem Positionssteuersystem ist;
• Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Positionsfehlerdetektors für die Verwendung in dem Positionssteuersystem der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 7 ein Blockdiagramm eines Geschwindigkeitsprofil-Generators für die Verwendung in dem Positionssteuersystem der vorliegenden Erfindung ist; und
• Fig. 8 ein Blockdiagramm einer Detektionsschaltung für überhöhte Geschwindigkeit für die Verwendung in dem Positionssteuersystem der vorliegenden Erfindung ist.
• Die Merkmale der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung vollkommen verstanden werden.
• Während die Erfindung mit Bezug auf einen rotierenden elektrischen Motor beschrieben wird, ist es dem Fachmann bewußt, daß sie genauso für Linearmotoren anwendbar ist. In einem Linearmotor wird das sich bewegende Element oft als ein Rotor bezeichnet. Der Ausdruck "Rotor" ist dafür gedacht, solche sich bewegenden Elemente eines Linearmotors zu umfassen.
• Fig. 1 zeigt eine Übersicht der Anordnung 100 für die Positionierung von Lasten, welche die Merkmale der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Antrieb 600 ist als ein einfacher 3-Phasen geschalteter Reluktanzmotor dargestellt, der einen Rotor 610 und einen Stator 620 aufweist. Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auf andere Arten von Reluktanzmaschinen angewendet werden kann, die Maschinen mit mehr oder weniger Phasen umfassen. Der Antrieb 600 ist betriebsfähig mit der Last 800 verbunden. Die Last 800 kann jede Vorrichtung sein, die an einem bestimmten Zielort zu bewegen ist. Zum Beispiel kann die Last 800 eine Bremsanordnung sein, die in Kontakt mit einer Oberfläche, die gebremst werden soll, bewegt wird. Die Schnittstelle 700 ist ein System, um die Winkelposition des Motors 600 in Bezug zu setzen mit der Position der Last 800. Die Schnittstelle 700 kann eine mechanische Schnittstelle sein. Sie kann eine Anordnung zur Umwandlung von der Winkelbewegung des Motors 600 in eine lineare Bewegung der Last 800 sein. Beispielsweise kann die Schnittstelle 700 eine Lagerwelle für eine Bremsanordnung sein. Die Schnittstelle 700 kann eine Getriebeanordnung umfassen. Die Schnittstelle 700 kann einfach eine nicht umwandelnde mechanische Schnittstelle (z. B. eine Achse) sein. Alternativ kann die Schnittstelle ein nicht mechanisches System sein, das die Last 800 durch elektrische oder andere Einrichtungen gemäß der Winkelposition des Antriebs 600 antreibt. Das Motorsteuersystem 400 steuert den Antrieb 600 durch die Drehung des Rotors 610 zu einer gewünschten Winkelposition, die der Zielposition der Last 800 entspricht. Das bringt es mit sich, daß Motorsteuersignale 450, die z. B. Leistung für die Wicklungen für jede Phase beinhalten, für den Antrieb 600 bereitgestellt werden, so daß ein Drehmoment auf dem Rotor 610 erzeugt wird. Das Motorsteuersystem 400 ist gezeigt, wie es Rotorpositionssignale 630 erhält, die Rückantwortsignale sind, die verwendet werden, um die Winkelposition und die Geschwindigkeit des Antriebs 600 zu verfolgen, wie unten beschrieben wird. Das Motorsteuersystem 400 erhält auch Steuereingangssignale 300, die Eingangssignale sind, die durch den Bediener/die Steuereinrichtung 200 bereitgestellt werden, um den Betrieb der Anordnung 100 zur Positionierung von Lasten zu lenken. Der Bediener/die Steuereinrichtung 200 können ein Computer oder ein Mensch sein, oder sie können insgesamt weggelassen werden, wenn kein Bedarf für dynamische Motorsteuerung vorhanden ist.
• Fig. 2 zeigt das Motorsteuersystem 400 detaillierter. Die Steuereingaben 300 sind so gezeigt, daß sie eine Rücksetz-Eingabe, eine Geschwindigkeitsbegrenzungs- Eingabe und eine Positionsanforderungs-Eingabe umfassen. Die Rücksetz-Eingabe kann verwendet werden, um die verschiedenen Zähler und Signalspeicher in dem System zu einem gewünschten Zeitpunkt zu initialisieren. Die Geschwindigkeitsbegrenzungs-Eingabe ist bevorzugt ein 4-Bit-Digitalsignal, das eine Maximalgeschwindigkeit spezifiziert, mit der der Antrieb 600 während einer bestimmten Positionierungsoperation betrieben werden sollte. Das Positionsanforderungs-Signal ist vorzugsweise ein 8-Bit-Digitalsignal, das eine bestimmte Winkelposition des Rotors 610 relativ zu dem Stator 620 spezifiziert, die der Zielposition der Last 800 entspricht. Diese Steuereingaben 300 können durch einen Bediener/eine Steuereinrichtung 200 dynamisch verwendet werden, um den Betrieb des Antriebs 600 zu programmieren und zu steuern. Andere Steuereingaben können verwendet werden, um verschiedene andere Parameter des Betriebes zu steuern. Alternativ könnten die Steuereingaben 300 nur eine einzelne Setz- /Rücksetz-Eingabe umfassen, wo beispielsweise die geforderte Position und die Maximalgeschwindigkeit immer die gleichen sind. Fachleute werden erkennen, daß, falls die Ausgestaltung der Schnittstelle 700 ausreichend klar definiert ist, es möglich sein würde, die Positionsrückantwort von der Last 800 zu verwenden, um entweder die Positionsrückantwort von dem Antrieb 600 zu ergänzen oder zu ersetzen.
• Das Leistungswandlersystem 410 ist eine herkömmliche Konstruktion. Die Funktion dieser Einheit ist es, Steuersignale in elektrische Ausgaben zu wandeln. In dieser Hinsicht führt das Leistungswandlersystem 410 Motorsteuersignale 450, die die Leistung für die Wicklungen für jede Phase beinhalten, an den Motor 600, um seinen Betrieb anzuregen. Das Leistungswandlersystem 410 ist gezeigt, wie es Antriebssignale 411 erhält, die Ausgangssignale von den Drehmoment-/Geschwindigkeitssteuersystem 420 sind. Antriebssignale 411 koordinieren das Auslösen der verschiedenen Phasen des Motors 600. Das Leistungswandlersystem 410 erhält auch den Zerhacker-Pegel 412, einen Parameter, der verwendet wird, um den Strompegel in den Wicklungen des Motors 600 zu steuern.
• Das Drehmoment-/Geschwindigkeitssteuersystem 420 synchronisiert das Auslösen der Motorphasen, um die geeignete Drehung des Motors 600 zu erhalten. In dieser Hinsicht erzeugt das Drehmoment-/Geschwindigkeitssteuersystem 420 Antriebssignale 411 und Zerhacker-Pegel 412. Das Antriebs- /Geschwindigkeitssteuersystem 420 arbeitet aufgrund einer Vielzahl von Steuerregelungen, die die Motorleistung an einigen oder allen Betriebspunkten verbessern. Diese Steuerparameter sind in einem Steuerregelungsspeicher 430 gespeichert, der gekoppelt an den Drehmoment-/Geschwindigkeitssteuersystem 420 gezeigt ist.
• Rotorpositionssignale 630 werden zu dem Positionssteuersystem 500 und Drehmoment-/Geschwindigkeitssteuersystem 420 zur Verarbeitung geleitet, um eine Winkelposition des Rotors 610 in dem Motor 600 zu bestimmen. Wie bekannt ist, umfassen die Rotorpositionssignale 630 Signale von einer Vielzahl von Sensorköpfen, die sich im Motor 600 befinden. Rotorpositionssignale 630 zeigen die Position des Rotors 610 relativ zu jedem Sensorkopf an. Wenn sich der Rotor 610 im Motor 600 dreht, erzeugt jeder Sensor eine Pulsfolge, die die periodische Annäherung des Rotors 610 zu dem Sensorkopf anzeigt. Diese Signale können kombiniert werden, um die Winkelposition des Rotors 610 über die Zeit zu verfolgen. Rotorpositionssignale 630 umfassen vorzugsweise Signale von genug Sensorköpfen, um eine 60-Pulse-pro-Umdrehung (PPR)-Pulsfolge zu erzeugen, der verwendet werden kann, um die Position des Rotors 610 mit einem großen Grad an Genauigkeit zu überwachen. Es wäre möglich, andere bekannte Verfahren zum Bereitstellen von Motorpositionsinformationen zu verwenden. Zum Beispiel könnte eine unterschiedliche Anzahl von Sensorköpfen könnte verwendet werden, oder ein sog. "sensorloses" Verfahren könnte verwendet werden, um die Positionssignale ohne das Vorhandensein von einem physikalischen Positionsdetektor künstlich zu erzeugen. Es sollte betont werden, daß die Blöcke 410, 420 und 430 gemäß bekannten Prinzipien konstruiert sein können, die einem Durchschnittsfachmann im Bereich der Motorsteuerung vertraut sind.
• Das Positionssteuersystem 500 stellt die Schnittstelle zwischen Bediener/Steuereinrichtung 200 und dem Motorsteuersystem bereit. Das Positionssteuersystem 500 erzeugt ein Geschwindigkeitsanforderungssignal 441, ein Zerhacker-Pegelsignal 442, ein Vorwärts-Signal 443, Rückwärts-Signal 444, Sperrsignal 445 und Modus-Auswahlsignal 446. Das Geschwindigkeits-Anforderungssignal 441 ist vorzugsweise ein analoges Signal, das die gewünschte Motorgeschwindigkeit für den laufenden Motor 600 in dem Geschwindigkeitssteuermodus anzeigt. Das Zerhacker-Pegelsignal 442 ist ein analoges Signal, das durch das Positionssteuersystem 500 erzeugt wird und durch das Drehmoment- /Geschwindigkeitssteuersystem 420 als Zerhacker-Pegel 412 für die Verwendung durch ein Leistungswandlersystem 410 in dem Schrittmodusbetrieb läuft. Das Vorwärts-Signal 443 und das Rückwärts-Signal 444 zeigen eine gewünschte Richtung der Drehung des Motors 600 an. Das Sperrsignal 445 zeigt an, daß die Rotation des Motors 600 gesperrt werden soll, da beispielsweise der Motor 600 schon in seiner gewünschten Winkelposition ist. Das Modus-Auswahlsignal 446 zeigt an, ob der Motor 600 in dem Geschwindigkeitssteuermodus oder dem Schrittmodus betrieben werden soll. Ebenso werden Nahziel-Steuersignale 447 für die Steuerung der Motorphasenauslösung bereitgestellt, wenn der Motor 600 in dem Schrittmodus betrieben wird, wie unten beschrieben wird. Fachleute werden erkennen, daß es vielfältige andere Möglichkeiten gibt, ein Motorsteuersystem zu konstruieren, das konsistent mit den Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung ist.
• Fig. 3 ist ein Geschwindigkeitsprofil, das den bevorzugten Betriebsmodus des Motorsteuersystems 400 anzeigt sowie die relativen Positionen einer Zielposition für das System, eine Nahzielposition, eine gewählten Maximalgeschwindigkeitslinie, und zwei beispielhafte Startpositionen für das System, A und B. Wie dargestellt ist, kann der Motor 600 in einem von zwei Modi betrieben werden: (i) ein Geschwindigkeitssteuermodus und (ii) ein Schrittmodus. Wenn der Betrieb im Geschwindigkeitssteuermodus erfolgt, wird das System die maximale Bremsfähigkeit aufweisen. Diese Fähigkeit ist abhängig von der Geschwindigkeit des Systems, dem verfügbaren Bremsmoment, der Trägheit des Rotors 610 und den Eigenschaften der Schnittstelle 700 und der Last 800. Wenn die Bremsfähigkeit als eine Funktion von dem Abstand aufgetragen ist, verursacht sie den Charakteristiktyp, der in Fig. 3 gezeigt ist. Diese Charakteristik wurde in Fig. 3 gezeichnet, um den Abstand von der Nahzielposition zu zeigen, der erforderlich ist, um das System aus jeder Geschwindigkeit zu bremsen. Wenn der Betrieb im Geschwindigkeitssteuermodus erfolgt, wird das System auch die maximale Beschleunigungsfähigkeit aufweisen. Diese Fähigkeit ist abhängig von der Geschwindigkeit des Systems, des verfügbaren Motordrehmoments, der Trägheit des Rotors 610 und den Charakteristika der Schnittstelle 700 und der Last 800. Wenn die Beschleunigungsfähigkeit als eine Funktion des Abstandes aufgetragen ist, verursacht sie den Charakteristiktyp, der in Fig. 3 gezeigt ist.
• Bei Betrieb kann es notwendig sein, die Geschwindigkeit des Motors auf einen bestimmten Wert (z. B. aus Sicherheitsgründen oder anderen Ursachen) zu begrenzen. Ein solcher maximaler Geschwindigkeitswert ist in Fig. 3 gezeigt. Es ist erkennbar, daß das System mit einer Beschleunigungs- und/oder einer Bremsrate betrieben werden könnte, die unterhalb des maximal möglichen Werts liegt. Dies würde einem Betrieb unterhalb der in Fig. 3 gezeigten Kurve entsprechen. In diesem Fall würde das System seine Positionierungsaufgabe in der kürzest möglichen Zeit durchführen. Die "Maximalbeschleunigungsprofil"-Kurven, die in Fig. 3 gezeigt sind, würden normalerweise die Trajektorien sein, die durch den Motor beschrieben werden, wenn ihm ermöglicht wird, so schnell zu beschleunigen wie er kann. Fachleute erkennen, daß es ein übliches Vorgehen ist, die Beschleunigung der Maschine auf eine vorbestimmte Art und Weise zu begrenzen, z. B. dadurch, daß ein gefordertes Profil gespeichert wird und die Maschine gezwungen wird, diesem zu folgen.
• Man kann erkennen, daß, weil die Maximalbremsiähigkeit von verschiedenen, oben beschriebenen Faktoren abhängig ist, es angemessen ist, mehrere verschiedene Profile zu speichern, so daß beispielsweise die Abnutzung in dem System kompensiert werden kann. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird hier nur ein einzelnes Profil betrachtet.
• Falls es beispielsweise gewünscht ist, sich von Punkt A zu der Zielposition zu bewegen, dann ist das Betriebsverfahren gemäß der Erfindung die Eingabe des Geschwindigkeitssteuermodus, die Beschleunigung auf die Maximalbeschleunigung zu der im Punkt P gezeigten Trajektorie, das Laufen mit der maximalen Geschwindigkeit zum Punkt Q, das Herunterbremsen entlang der Maximalbremstrajektorie zu einer vorbestimmten geringen Geschwindigkeit am Punkt R, das Schalten von dem Geschwindigkeitssteuermodus auf den Schrittmodus auf eine geregelte Art und Weise, und das schrittweise Vorangehen zu der Zielposition für den Rest des Abstandes. Auf diese Weise wird ein Positionierungsvorgang in der minimal möglichen Zeit durchgeführt, ohne daß man über das Ziel hinausläuft oder vor diesem stehenbleibt.
• Falls es beispielsweise erforderlich ist, sich vom Punkt B zu der Zielposition zu bewegen, dann sieht man in Fig. 3, daß die dargestellte maximale Geschwindigkeitsbegrenzung nicht erreicht wird, bevor das System gezwungen wird, mit dem Bremsen (am Punkt X) zu beginnen, um die vorbestimmte Geschwindigkeit in der Nahzielposition zu erreichen.
• Der an der Nahzielposition geforderte Geschwindigkeitswert hängt von einer Anzahl von Faktoren ab. Um die gesamte Positionierungszeit zu minimieren, sollte diese Geschwindigkeit so groß wie möglich sein. Jedoch gibt es typischerweise eine Maximalgeschwindigkeit, mit der der Motor verläßlich im Schrittmodus laufen kann, und diese darf nicht überschritten werden, falls der Übergang von dem Geschwindigkeitssteuermodus zu dem Schrittmodus befriedigend erreicht werden soll.
• Auf ähnliche Weise wird der Abstand, der zwischen dem Ziel und der Nahzielposition gewählt ist, von dem Konstrukteur gesteuert. Für die minimale Positionierungszeit wird dieser Abstand ein im Schrittmodus zurückgelegter Schritt sein. Das ist jedoch in der Praxis unrealistisch klein, da die Bremsleistung leicht variieren kann, wobei eine gewisse kleine Ungenauigkeit in dem exakten Punkt vorliegt, in dem der Geschwindigkeitssteuermodus verlassen wird. Um dieses Problem zu beseitigen, kann der Abstand zwischen dem Nahziel und der Zielposition beispielsweise auf 10 Schritte gesetzt werden. Das erleichtert das genaue schrittweise Vorangehen zu der Zielposition, ohne daß über diese hinausgelaufen wird und mit nur einem sehr geringen Nachteil in zusätzlicher Zeit. Falls eine kleine Menge, über die hinausgelaufen wird, in einer besonderen Anwendung toleriert werden kann, kann der Abstand zu der Nahzielposition auf einige Schritte reduziert werden. Jedes Hinauslaufen würde dann korrigiert werden, indem das System auf die wahre Zielposition zurückschreitet, nachdem das Hinauslaufen durch den Positionsdetektor ermittelt worden ist.
• Es ist erkennbar, daß die Wechselbeziehung der in Fig. 3 gezeigten Charakteristika ein optimales Geschwindigkeitsprofil für jede mögliche Kombination von Startposition des Antriebs und Zielposition der Last für die angegebenen Beispiele definiert. Die Verwendung von diesem optimalen Profil ermöglicht die präzise Positionierung der Last in der kürzest möglichen Zeit.
• Gemäß der Erfindung wird von dieser Tatsache Gebrauch gemacht, um ein Geschwindigkeitsprofil in Echtzeit zu erzeugen, wenn die Maschine läuft. Falls die Startposition ein Punkt A in Fig. 3 ist, wird durch die Verwendung eines Geschwindigkeitsanforderungswertes, der genauso groß oder größer als die maximale Geschwindigkeitsbegrenzung ist, die Maschine bis zur Linie AP und entlang PQ betrieben. Falls die Geschwindigkeitsanforderung dann auf den minimalen Schwellenwert gesetzt wird, wird die Maschine der Linie QR folgen. An diesem Punkt wird es das Wechseln zu dem Schrittmodus und das Synchronisieren der Auslösesignale in dem Schrittmodus mit denjenigen, die in dem Geschwindigkeitssteuermodus verwendet worden sind, ermöglichen, daß die Maschine schnell schrittweise an ihre endgültige Position bewegt wird. Das schrittweise Vorangehen in einer offenen Schleife ist auf dem Fachgebiet weithin bekannt und wird nicht weiter beschrieben.
• Es gibt mehrere Vorteile dieses Verfahrens. Als erstes wird die Position in minimaler Zeit erreicht. Zweitens wird das System nicht durch Störungen in mechanischen Parametern verstellt, z. B. der Reibung der Last oder einem Wechsel in der Trägheit der Last. Drittens kann das System mit einem Wechsel in der Zielposition umgehen, selbst nachdem der Positionierungsvorgang begonnen hat.
• Fig. 4 ist ein funktionelles Blockdiagramm des Positionssteuersystems 500. Die dualen Steuermodi werden beide im Positionssteuersystem 500 bewirkt. Das Positionssteuersystem 500 ist vorzugsweise eine digitale Schaltung, die in einem Mikroprozessor (z. B. einen 64 HC 11 von Motorola Inc.) beinhaltet ist oder in einer für die Anwendung spezifischen integrierten Schaltung (ASIC). Das Positionssteuersystem 500 ist so gezeigt, daß es einen Momentan-Positions-Detektor 510 umfaßt, der die Rotorpositionssignale 630 erhält. Der Momentan-Positions- Detektor 510 umfaßt eine Schaltung, um das Momentan-Positions-Signal 511 zu erzeugen, das vorzugsweise aus 8-Bits besteht. Auf diese Art und Weise wird die momentane Winkelposition des Rotors 610 als eine von 256 diskreten Positionen spezifiziert. Das Momentan-Positions-Signal 511 wird bereitgestellt, um den Fehlerdetektor 520 zum Vergleich mit einem vorbestimmten 8-Bit-Positions-Anforderungssignal 300, das von dem Bediener/der Steuereinrichtung 200 eingegeben wird, zu positionieren. In Antwort auf diesen Vergleich erzeugt der Positionsfehlerdetektor 520 ein Vorwärts-Signal 443, Rückwärts-Signal 444, Sperrsignal 445 und aktiviert das geeignete in Abhängigkeit davon, ob der Motor 600 unterhalb, oberhalb bzw. an der geforderten Position ist. Zusätzliche Schaltungen können bereitgestellt sein, um das Sperrsignal 445 zu überwachen und eine Änderung in dem Status dieses Signals zu detektieren, um anzuzeigen, daß der Motor 600 an seiner geforderten Position ist. An diesem Punkt kann die Phasenauslösung entweder ausgeschaltet werden oder eine Phase auf "AN" gehalten werden, um die Maschine in der Zielposition zu sichern. Zusätzlich erzeugt der Positionsfehlerdetektor 520 ein Positionsfehlersignal 521, das vorzugsweise aus 8-Bits besteht, das den Winkelabstand des Motors 600 von seiner gewünschten Position anz eigt.
• Das Positionsfehlersignal 521 wird dem Nahzieldetektor 530 zum Vergleich mit einem Minimalschwellenabstand bereitgestellt. Falls der Positionsfehler kleiner als die Minimalschwelle ist, erzeugt der Nahzieldetektor 530 einen bestimmten Pegel auf der Modus-Auswahl-Leitung 446, der anzeigt, daß der Motor 600 in dem Schrittmodus betrieben werden soll. Unter diesen Umständen stellt der Generator für das künstliche Auslösesignal 540 die Nahziel-Steuersignale 447 im Drehmoment-/Geschwindigkeitssteuersystem 420 für die Verwendung beim Betrieb des Motors 600 in einem Schrittmodus bereit. Zusätzlich erzeugt der Geschwindigkeitsprofilgenerator 550 ein Zerhacker-Pegelsignal 442 von Zerhacker- Pegel-Informationen, die darin gespeichert sind.
• Falls der Positionsfehler andererseits größer ist als der Minimalschwellenabstand, wird dann ein unterschiedlicher Pegel auf der Modus-Auswahlleitung 446 erzeugt, der anzeigt, daß der Motor 600 in einem Geschwindigkeitssteuermodus betrieben werden soll. Unter diesen Umständen erzeugt der Geschwindigkeitsprofilgenerator 550 dynamisch ein digitales Geschwindigkeitsanforderungssignal 551, das dem Positionsfehler oder der Distanz, die zu der Zielposition verbleibt, entspricht. Der Geschwindigkeitsprofilgenerator 550 speichert Parameter, die verwendet werden können, um das geeignete Geschwindigkeitsanforderungsprofil für jeden möglichen Positionsfehler zu erzeugen, wie schon im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurde. Ein Geschwindigkeitsbegrenzungssignal 300 wird im Geschwindigkeitsprofilgenerator 550 bereitgestellt, um die Geschwindigkeitsanforderung 551 auf ein gewähltes Maximum zu begrenzen, wie oben beschrieben wurde.
• Die digitale Geschwindigkeitsanforderung 551 und der digitale Zerhacker-Pegel 552 werden den entsprechenden Digital-Analog-Konvertern 553a und 553b zum Wandeln in analoge Signale bereitgestellt, die dem Drehmoment- /Geschwindigkeitssteuersystem 420 zugeführt werden sollen. Das Drehmoment- /Geschwindigkeitssteuersystem 420 beinhaltet eine Schaltung zum Synchronisieren der Auslösungen des Motors 600, so daß die Winkelgeschwindigkeit des Motor 600 der geforderten Geschwindigkeit folgt.
• Fig. 5 zeigt detaillierter die Implementation des Momentan-Positions-Detektors 510. Der Momentan-Positions-Detektor 510 umfaßt vorzugsweise einen 8-Bit- Aufwärts/Abwärts-Zähler 512, einen Richtungsdetektor 513, einen Kopfkombinierer 514, ansteigende und abfallende Flanken-Pulsgeneratoren 515a und 515b, und eine Flanken-Auswahleinrichtung 516. Der Richtungsdetektor 513 überwacht die Rotorpositionssignale 630, um die Richtung der Bewegung des Motors 600 zu bestimmen. Der Schaltkreis, der verwendet wird, um den Richtungsdetektor 513 zu implementieren, kann eine einfache kombinierte und sequentielle Logik zum Vergleich der Stromsignale mit vergangenen Signalen sein. Der Kopfkombinierer 514 kombiniert Rotorpositionssignale 630, die von der Vielzahl der Sensorköpfe, die sich im Motor 600 befinden, hergeleitet werden, in eine einzelne Pulsfolge, die die Rotation des Rotors 610 in dem Motor 600 darstellt. Diese Pulsfolge wird den Pulsgeneratoren 515a und 515b zugeführt, um zwei Sätze von Pulsen zu erzeugen, ein Satz für positiv verlaufende Rotorpositionssignalflanken und der andere Satz für negativ verlaufende Rotorpositionssignalflanken. Die Flankenauswahleinrichtung 516 wählt die geeignete Signalflanke aus, um den Zähler 512 gemäß der Richtung der Rotation des Motors 600 heraufzusetzen/herabzusetzen. Wenn der Motor 600 in eine Vorwärtsrichtung wandert, werden die negativ verlaufenden Flanken ausgewählt, um den Zähler 512 heraufzusetzen; während des Rückwärtsbetriebs des Motors 600 werden die positiv verlaufenden Flanken ausgewählt, um den Zähler 512 herabzusetzen. Der Aufwärts- /Abwärts-Zähler 512 empfängt die ausgewählten Flanken an seinem CLK-Ein gang und erhöht/erniedrigt das Momentan-Positions-Signal 511 gemäß dem Stromzustand des Aufwärts-/Abwärts-Signals. Der Momentan-Positions-Detektor 510 kann auch eine Schaltung zur Uberwachung der Richtigkeit des Momentan- Positions-Signals 511 durch Vergleich von diesem mit den Rotor-Position-Signalen 630 enthalten. Diese Schaltung (nicht gezeigt) kann eine üblicherweise in dem Fachgebiet für solche Operationen verwendete sein.
• Fig. 6 zeigt detaillierter den Positionsfehlerdetektor 520. Diese Schaltung vergleicht die 8-Bit-Positionsanforderung 300 mit den 8-Bit-Momentan-Positions- Signalen 511, um einen Positionsfehler 512 zusammen mit den geforderten Richtungssignalen (vorwärts/rückwärts) und ein Sperrsignal zu erzeugen, das anzeigt, daß sich der Motor 600 an seine geforderte Position bewegt hat. Der Positionsfehlerdetektor 520 umfaßt einen 8-Bit-Komparator 522 und eine Einheit für 8-Bit arithmetrische Logik, die als eine digitale Subtrahierschaltung 523 konfiguriert ist. Der Komparator 522 vergleicht die geforderten und momentanen Positionen und gibt drei Signale aus. Das Vorwärtssignal 443 wird hochgesetzt, wenn die geforderte Position größer ist als die momentane Position, was anzeigt, daß der Motor in eine Vorwärtsrichtung bewegt werden soll. Ebenso wird das Rückwärtsssignal 444 hochgesetzt, wenn die momentane Position die geforderte Position überschreitet. Wie erkannt wird, könnten diese Konventionen umgekehrt sein. Ebenso könnten die Vorwärts- und Rückwärtssignale 443 und 444 in einem einzigen Signal und seinem Komplement kombiniert werden, da die beiden Signale notwendigerweise entgegengesetzt sind. Wenn das Vorwärtssignal 443 hochgesetzt ist, zieht die digitale Subtrahiereinrichtung 523 die momentante Position von der geforderten Position ab. Das Umgekehrte tritt auf, wenn das Rückwärtssignal hochgesetzt ist. Der 8-Bit-Positionsfehler 521 ist deshalb der Modus des Momentan-Positions-Fehlers.
• Fig. 7 zeigt detaillierter den Geschwindigkeitsprofilgenerator 550. EPROM 554 ist vorzugsweise ein 64-K-EPROM. EPROM 554 speichert die Daten, die das in Fig. 3 dargestellte maximale Bremsprofil beschreiben, und ist über das Positions fehlersignal 521 indiziert. EPROM 554 speichert vorzugsweise bis zu 256 8-Bit- Digitalwerte. Zusätzlich kann ein 4-Bit Geschwindigkeitsbegrenzungssignal 300 durch den Bediener/die Steuereinrichtung 200 bereitgestellt sein, um die Geschwindigkeit des Motors 600 auf ein vorbestimmtes Maximum zu begrenzen. Diese Geschwindigkeitsanforderungsprofile sind vorzugsweise in einer Hälfte des EPROMs 554 gespeichert. Die anderen 32 k des EPROMs 554 können verwendet werden, um die vorbestimmten Zerhacker-Pegel für den Schrittmodus zu speichern. Signalspeicher 555a und 555b halten und wählen das geeignete Ausgangssignal aus, basierend auf dem Pegel des Modusauswahlsignals 446.
• Fig. 8 zeigt Details der Detektionsschaltung für überhöhte Geschwindigkeit 560, die in vorteilhafter Weise mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Schaltung für überhöhte Geschwindigkeit 560 ist eine einfache digitale monostabil-basierte Schaltung, die einen Komparator 561 und einen Signalspeicher 562 umfaßt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel zählt die Schaltung für überhöhte Geschwindigkeit 560 die Anzahl der Pulse von einem 60-Pulspro-Sekunde (ppr) Signal, hergeleitet von den Rotorpositionssignalen 620, während einer festen Zeitperiode und vergleicht diese Zahl mit der 4-Bit-Geschwindigkeitsbegrenzung. Falls die Zahl in einer festen Zeitperiode größer ist als die Geschwindigkeitsbegrenzung, geht ein Signal für überhöhte Geschwindigkeit nach oben, was einen Fehler anzeigt.

Claims (12)

1. Positionierungseinrichtung (100), umfassend:

einen elektrischen Antrieb (600) zum Positionieren einer Last an einer Zielposition;

eine Steuereinrichtung (400), die betriebsmäßig mit dem Antrieb (600) verbunden ist,

Mittel (510) zum Herleiten eines die Lastposition kennzeichnenden Positionssignals, wobei die Mittel betriebsmäßig mit der Steuereinrichtung (400) verbunden sind, wobei die Steuereinrichtung (400) auf das Positionssignal anspricht, um den Antrieb (600) in einem Geschwindigkeitssteuermodus anzutreiben, wenn die Last relativ entfernt von der Zielposition ist und in einem Schrittsteuermodus anzutreiben, wenn die Last relativ nah zu der Zielposition ist, und

Mittel zum Herleiten eines die Geschwindigkeit des Antriebs kennzeichnenden Geschwindigkeitssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (400) mit einer vorbestimmten Positions- /Geschwindigkeits-Abnahmekurve programmiert ist, wobei die Kurve ein Bremsprofil des Antriebs unter der Steuerung der Steuereinrichtung (400) für eine gegebene Last defmiert, wobei die Steuereinrichtung betätigbar ist, um den Antrieb (600) in Übereinstimmung mit der vorbestimmten Positions-/Geschwindigkeits-Abnahmekurve zu verlangsamen, wenn das Positionssignal und das Geschwindigkeitssignal auf die vorbestimmten Kurve fallen.

2. Positionierungseinrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der die Mittel (510) zum Herleiten des Positionssignals ein Rotorpositionsdetektor sind.

3. Positionierungseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steuereinrichtung (400) Speichermittel (554) zum Speichern einer Vielzahl von Positions- und Geschwindigkeitskoordinaten in Übereinstimmung mit der Positions-/Geschwindigkeitskurve umfaßt.

4. Positionierungseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, bei der die Steuereinrichtung (400) dazu ausbildet ist, um den Antrieb (600) zu einer vorbestimmten Maximalgeschwindigkeit zu beschleunigen.

5. Positionierungseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Steuereinrichtung (400) Vergleichsmittel (522) zum Vergleichen des Positionssignals mit der Zielposition umfaßt, wobei die Steuereinrichtung (400) auf eine Ausgabe der Vergleichsmittel anspricht, das eine lokale Position kennzeichnet, die nahe an der Zielposition ist, um von dem Geschwindigkeitssteuermodus des Antriebs (600) zu dem Schrittsteuermodus zu wechseln.

6. Positionierungseinrichtung (100) nach Anspruch 5, bei der die Steuereinrichtung (400) auf die Ausgabe der Vergleichsmittel (522) anspricht, die die lokale Position kennzeichnet, die mit der Zielposition übereinstimmt, um den Antrieb anzuhalten.

7. Positionierungseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Antrieb (600) einen Reluktanzmotor umfaßt.

8. Verfahren zum Positionieren einer Last an einer Zielposition mittels eines elektrischen Antriebs, wobei der Antrieb durch eine Steuereinrichtung (400) gesteuert wird, welche mit einer vorbestimmten Positions- /Geschwindigkeits-Abnahmekurve programmiert ist, die ein Bremsprofil des Antriebs (600) für eine gegebene Last defmiert, wobei das Verfahren umfaßt:

Herleiten eines die Lastposition kennzeichnenden Positionssignals;

Steuern des Antriebs (600) in Antwort auf das Positionssignal in einem Geschwindigkeitssteuermodus, wenn die Last relativ entfernt von der Zielposition ist, und in einem Schrittsteuermodus, wenn die Last relative näher bei der Zielposition ist, und

Herleiten eines die Geschwindigkeit des Antriebs (600) kennzeichnenden Geschwindigkeitssignals, gekennzeichnet durch die Schritte:

Vergleichen der Geschwindigkeits- und Positionssignale mit der vorbestimmten Positions-/Geschwindigkeitskurve, und

Verlangsamen des Antriebs (600) in Übereinstimmung mit der Kurve, wenn das Positionssignal und das Geschwindigkeitssignal auf die Kurve fallen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, welches die Beschleunigung des Antriebs (600) zu einer maximalen Geschwindigkeit umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das umfaßt: Vergleichen des Positionssignals mit der Zielposition und Wechsel von dem Geschwindigkeitssteuermodus in den Schrittsteuermodus in einer lokalen Position nahe bei der Zielposition.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Antrieb (600) angehalten wird, wenn die Ausgabe der Vergleichsmittel (522) eine lokale Position kennzeichnet, die mit der Zielposition übereinstimmt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem der Antrieb (600) einen Reluktanzmotor umfaßt.