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WO1991005298A1 - Verfahren und vorrichtung zur nachbildung der geschwindigkeit bei inkrementalen messsystemen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur nachbildung der geschwindigkeit bei inkrementalen messsystemen Download PDF

Info

Publication number
WO1991005298A1
WO1991005298A1 PCT/DE1990/000680 DE9000680W WO9105298A1 WO 1991005298 A1 WO1991005298 A1 WO 1991005298A1 DE 9000680 W DE9000680 W DE 9000680W WO 9105298 A1 WO9105298 A1 WO 9105298A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
speed
observer
signal
incremental
position signal
Prior art date
Application number
PCT/DE1990/000680
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Martin Heinkel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to KR1019920700684A priority Critical patent/KR920704207A/ko
Publication of WO1991005298A1 publication Critical patent/WO1991005298A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/16—Controlling the angular speed of one shaft
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D13/00—Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover
    • G05D13/62—Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover characterised by the use of electric means, e.g. use of a tachometric dynamo, use of a transducer converting an electric value into a displacement

Definitions

  • the invention is based on a method for emulating (and regulating) the speed, in particular the speed in incremental measuring systems according to the preamble of claim 1 and the preamble of claim 5.
  • the condition and disturbance variable observer is an electronic model and is usually implemented in software using a suitable microprocessor or computer system. It serves: to improve a control circuit, since in addition to the control actual value obtained in the usual way, it can also supply further quantities and details of a drive system, u. a. for example speed and acceleration data, interference effects, dynamics of the route. In fact it is the case before.
  • the electronic model which will be called the observer for short in the following, provides data about estimated values of the speed, the acceleration and the disturbing forces acting on the line, which are then supplied in a corresponding preparation to an assigned state controller which controls the actual line of the train.
  • the observer is usually given the input variable the signal supplied by the output of the state controller or also by the output of a power actuator is supplied to the actual route, and also the signal supplied to the drive system by the controller,
  • the electronic deviation of the observer can then be readjusted with the output deviation, for example by appropriate weighting of special observer thermostats, so that the difference value becomes a minimum.
  • the observer is therefore able to reproduce not only the internal variables (state variables) of the control but also the external variables (disturbance variables) of the controlled system, which then enable the desired precise control when fed back to the actual state controller.
  • such an observer which is fully controlled and tracked in all of its memory elements, is normally an electronic route model, which can usually be verified and recorded in all its parts in a computer, the pre-control of which is carried out from the measurable route input and where tracking is based on a proportional weighting the error derived from the comparison of the measurable system output (control path) with the corresponding output signal of the observer.
  • the incremental measurement methods on which this is based are less suitable for high-speed speed and position control in rotary drive systems at low speed setpoints, since with the current measurement method, the speed is recorded by incremental counting in the time interval, the number of pulses to be counted per unit of time is insufficient.
  • the invention is therefore based on the object of providing high-resolution and low-delay speed and position information for highly dynamic and accurate speed and position control, and without measurement time with the aid of an observer, so that drive systems with high dynamics are stably controlled even with a small number of increments can.
  • the invention solves this problem with the characterizing features of the main claim and has the advantage that even using a position sensor with a small number of increments low speeds can be detected reliably and with a high resolution by specifying an internally high resolution of the observer, which is based on the fact that the digital output signal of the incremental encoder is multiplied by a predeterminable number and only then fed to the observer, so that it is implemented as a computer Observers not only always experience a change in the least significant bit, but also a correspondingly larger internal numerical range of processing is opened up by adding a correspondingly higher number, for example a thousand times higher.
  • the invention does not require any additional hardware in the case of an existing incremental position measuring system and can be easily integrated into existing control algorithms in terms of software, and it is also possible to steadily compensate for external disturbances due to a special structure in the observer (bypass I element). in principle it is therefore true that the observed speed is identical to the current speed.
  • Fig. 1 shows a simplified model of an incremental
  • FIG. 3 shows schematically a block diagram
  • Control section drive system
  • controller disturbance variable observer
  • Fig. 4 indicates the block diagram of Fig. 3 in more detail.
  • the basic idea of the present invention is to simulate the speed of an object, for example the speed in rotary drive systems on the basis of an incremental one.
  • Measuring system therefore decisive in the resolution even for low speeds without changing the measuring method to improve that the digital 0/1 output signals of the incremental sensor are fed to the disturbance observer / computer multiplied by a predeterminable number, so that the observation computer can work with a significantly higher number yield per current output signal change of the incremental encoder than if only ever the least significant bit being affected.
  • the observation computer to produce the estimated value for speed or rotational speed, which is generated in a graduated manner, and to supply it to a state controller to which it is assigned, so that even at high
  • a rotary drive system is designated 10; a speed ⁇ is output, which is determined by means of an incremental measuring system 11.
  • the incremental measuring system comprises a speed sensor 12, which can be based on any basic principles of the incremental position measurement, for example inductive, magnetic, but also optically as in the exemplary embodiment shown, a light source 12a emitting a light beam which is emitted by
  • the drive system 10 in connection with the incremental measuring system 11 with sensor 12 is part of a control process, the drive system representing the controlled system, with an upstream controller 13 and an associated disturbance variable monitor 14. It is the disturbance variable observer 14 that is responsible for the control system provides a replica or an estimate of the speed, especially used in rotary control systems, the speed ⁇ B , and one
  • Controller 13 feeds upstream summation point P1, to which the command variable in the form of the set speed ⁇ setpoint is also supplied.
  • the controller 13 which is of any design, generates a current signal I at its output, which is fed to the drive system 10, which in the simplest case can represent an electric motor.
  • the position signal ⁇ then results at the output of the electric motor or drive system 10.
  • Timing with the respective elocks with regard to their mode of action and the interaction specify certain partial functions, which, however, are not to be understood as restrictive, but rather only the better.
  • the structural diagram of the drive system 10 shown in FIG. 1 represents the controlled system, which in this case obeys a second-order differential basic equation, and integrating elements, time constant elements are provided in the disturbance variable observer 14, that is to say the observation computer, in a comparable manner, each relating to the function blocks Distinguish in the drive system by an additional index "B", which indicates the observer status.
  • the reg ler 13 In the area of the controlled system, the reg ler 13 first a coefficient element 14, which is followed by a further summation point P2, at which, particularly with reference to the electric motor as a rotary drive, disturbing torques m disturbance are supplied.
  • a coefficient element 14 which is followed by a further summation point P2 at which, particularly with reference to the electric motor as a rotary drive, disturbing torques m disturbance are supplied.
  • Such a representation according to the differential equation block principle is known in control systems with observation computers;
  • integrating elements 10a, 10b are provided in series, the position signal ⁇ to be measured incrementally at the output of the integrating element 10b, which is generated by the incremental measuring system 11 'in the signal sequence
  • Measuring system 11 ' is followed by a conversion block 15 which, by multiplying or converting the 0/1 output signal of the incremental measuring system by a predeterminable number, decisively enlarges the internal numerical processing range of the observation computer, since now not only the least significant bit of the observation computer in each case with one increment step of the position signal being affected.
  • the observer can be a computer that has a word length of 16 bits, this multiplication or conversion then leads to the fact that, for example, the higher number supplied in each increment step
  • Observer position signal ⁇ meesB is supplied, namely together with an observer's own position signal ⁇ B , which is generated by the observer himself from the supplied signals.
  • the observer also includes two integration elements 14a, 14b and two time constant elements g1 and g2, which serve to set the observer time constant that is greater than the time constant of the controlled system (drive system 10).
  • a bypass integration element 14c is also provided in the structure of the observer, assigned parallel to the time constant element g1, as a result of which external disturbances are compensated for in a stationary manner.
  • the time constant or coefficient element g1 works together with the bypass 1 element 14c on a further summatic point P4 in the input of the second integrative element 14b of the disturbance variable observer 14, at the output of which the speed estimate value ⁇ B simulated by the disturbance variable observer 14 results, which results in the Insurance P1 in Input of the controller 13 is supplied.
  • a further essential measure results from an additional connecting line 16 from the output of the incremental measuring system 11 ', which can also be designed without problems so that it completes a complete circle in the speed detection, i.e. the jump in the position signal from 2 ⁇ back to 0 to the integrator 14a in the observer 14.
  • the digital integrator 14a is reset synchronously together with the jump in the position signal from 2 ⁇ to 0, so that there can be no jump in the system behavior. In detail, this is done in such a way that a jump in the sensor signal from 2 ⁇ to 0 or vice versa (depending on the direction of rotation) is detected by the incremental measuring system 11 'and a corresponding value is subtracted or added to the integrator in the observer. As a result, the jump in the sensor signal has no influence on the observed speed signal.

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Abstract

Bei einem System zur Nachbildung (und Regelung) der Geschwindigkeit, insbesondere der Drehzahl bei rotatorischen Antriebssystemen, unter Zugrundelegung eines inkrementalen Meßsystems, wobei einem Zustands- und Störgrössenbeobachter das inkrementale Positionsausgangssignal des Meßsystems zugeführt wird und dieser ein Geschwindigkeits- oder Drehzahlsignal für die Regelung nachbildet, wird vorgeschlagen, eine zeitlich und wertemässige hohe Auflösung des gemessenen Lagesignales dadurch zu erzielen, dass das 0/1-Lagesignal des inkrementalen Meßsystems intern mit einer vorgegebenen Zahl multipliziert und anschliessend zum Beobachtungsrechner geführt wird, wobei ferner bei der Drehzahlregelung synchron zum Sprung des Lagesignals (von 2π auf 0 bzw. umgekehrt) ein digitaler Integrierer im Beobachtungsrechner zurückgesetzt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Nachbildung der Geschwindigkeit bei inkrementalen Meßsystemen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Nachbildung (und Regelung) der Geschwindigkeit, insbesondere der Drehzahl bei inkrementalen Meßsystemen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Anspruchs 5 .
Zur Drehzahlregelung eines Gleichstrom-Elektromotors ist es schon bekannt (Aufsatz von G. Weihrich, Zeitschrift REGELUNGSTECHNIK, Heft 11, 1978, Seiten 349- 380), die von einem kombinierten Zustands- und Störgrößenbeobachter durch Nachbildung erzeugten Angaben für Lastmoment zur Störgrößenbeaufschlagung bzw. der Differenzzahl für die Schwingungsdämpfung zu verwenden, so daß die Regeldynamik verbessert werden kann.
Das Grundprinzip einer solchen Zustandsregelung eines Gleichstrommotors beruht auf der modellgestützten
Ermittlung bestimmter Zustandsgrößen wie der Geschwindigkeit (kinetische Energie) und Beschleunigung (Kraft), die sich aus der tatsächlichen Strecke nicht oder nur schwer ableiten lassen, die aber zur Verbesserung des Regelkreises, der Genauigkeit: der Regelung, der Schnelligkeit der Regelung, der Berücksichtigung von Störgrößen u. dgl. erforderlich sind, wenn eine schnelle und genaue Drehzahlregelung angestrebt wird.
Der Zustands- und Störgrößenbeobachter ist ein elektronisches Modell und wird üblicherweise softwaremäßig realisiert unter Zugrundelegung eines geeigneren Mikroprozessor- oder Rechnersystems. Er dient: zur Verbesserung eines Regelkreises, da er neben dem in üblicher Weise gewonnenen Regelistwert weitere Größen und Angaben eines Antriebssystems liefern kann, u. a. beispielsweise Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten, Störkrafteinwirkungen, Dynamik der Strecke. Tatsächlich handelt es sich bei den vor. dem elektronischen Modell, weiches im folgenden kurz Beobachter genannt wird, gelieferten Daten um Schätzwerte der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der auf die Strecke einwirkenden Störkräfte, die dann in entsprechender Aufbereitung einem zugeordneten Zustandsregler zugeführt werden, der die tatsächliche Regeistrecke steuert.
Üblicherweise werden dem Beobachter als Eingangsgrö ßen das vom Ausgang des Zustandsreglers oder auch vom Ausgang eines Leistungsstellgliedes der eigentlichen Strecke gelieferte Signal zugeführt sowie ferner das dem Antriebssystem vom Regler zugeführte Signal,
wobei sich dann mit der Ausgangsabweichung das elektronische Modell des Beobachters so nachregeln läßt, etwa durch eine entsprechende Gewichtung spezieller Beobachterreglertherme, daß der Differenzwert ein Minimum wird.
Der Beobachter ist daher in der Lage , neben den inneren Größen (Zustandsgrößen) der Regelung auch äußere Großen (Störgrößen) der Regelstrecke nachzubilden, die dann in Rückführung auf den tatsächlichen Zustandsregler die gewünschte präzise Regelung ermöglichen.
Daher ist ein solcher in voller Ordnung vorgesteuerter und in sämtlichen seinen Speichergliedern nachgeführter Beobachter im Normalfall ein elektronisches Strekkenmodell, welches üblicherweise in allen seinen Teilen in einem Rechner verifiziert und niedergelegt sein kann, dessen Vorsteuerung vom meßbaren Streckeneingang erfolgt und wobei Nachführungen durch eine proportionale Gewichtung aus dem Fehler abgeleitet werden, der durch Vergleich des meßbaren Streckenausgangs (Regelweg) mit dem entsprechenden Ausgangssignal des Beobachters entsteht.
Geht es allerdings um Geschwindigkeits-, speziell um Drehgeschwindigkeitsregelungen, dann können sich erhebliche Probleme ergeben, wenn die Drehzahl, wie
an sich üblich, mittels eines inkrementalen Meßsystems ermittelt wird, bei dem etwa eine drehangetriebe Scheibe, um hier ein konkretes Ausführungsbeispiel zu nennen, regelmäßig über den Umfang verteilt Schlitze oder Vorsprünge aufweist, die einen von einem optischen Geber erzeugten Strahl, der auf ein fotoempfindliches Element fällt, periodisch unterbrechen. Es ergibt sich dann ein über der Zeit monoton ansteigendes Treppenkurvensignal, das aber nur dann im zufriedenstellenden Maße für eine Drehzahlmessung und daraus resultierend eine Drehzahlregelung eingesetzt werden kann, wenn die Drehzahl hinreichend hoch ist. Sonst werden besser analoge Meßverfahren verwendet, die zwar eine hohe Auflösung liefern können, allerdings bei begrenztem Meßumfang und durch Offset beziehungsweise Drift verfälschte Meßdaten erzeugen.
Die hier zugrundeliegenden inkrementalen Meßverfahren sind bei kleinen Drehzahlsollwerten für die hochdynamische Drehzahl- und Lageregelung bei rotatorischen Antriebssystemen weniger geeignet, da bei dem gängigen Meßverfahren, per Inkrementzählung im Zeitintervall die Drehzahl zu erfassen, zu wenig zu zählende Impulse pro Zeiteinheit eingehen.
Andererseits werden bei Werkzeugmaschinen und Robotern in immer stärkerem Maße Antriebssysteme mit hoher Dynamik bei gleichzeitig hoher Lauf- beziehungsweise Lageruhe benötigt, wobei kleine Drehzahlsollwerte bei diesen Systemen infolge von systemimmanenten Störungen (Haft- und Gleitreibung, Meßzeiten und dergleichen) nur unbefriedigt oder mit sehr großem Systemaufwand vorgegeben werden können, bei entsprechend hohen Kosten.
Es ist daher auch bekannt (US-PS 4 642 773), speziell zur Betätigung eines solenoidgeschalteten Ventils eine gewünschte hohe Auflösung durch Zeitmessung dadurch zu erreichen, daß durch Kehrwertbildung die zwischen jeweils zwei letzten aufeinanderfolgenden Inkrementpulsen verstrichene Zeit bestimmt wird. Diese Möglichkeit beruht auf der Annahme, daß bis zum Erreichen des nächsten Inkrementpulses der Drehzahlverlauf konstant beziehungsweise bekannt ist, wobei dann mittels eines Rechenvorgangs die aktuelle Position ermittelt wird. Ein solches Meßverfahren führt bei kleinen Drehzahlen zu großer Meßtotzeit und Abweichungen von der tatsächlichen Drehzahl. Daher ergibt sich bei einer Drehzahlregelung bei kleinen Sollwerten ein instabiles Verhalten (Grenzzyklus) und bei einer Lageregelung eine große Lageunruhe.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine hochdynamische und genaue Drehzahl- und Positionsregelung eine hochauflösende und verzögerungsarme Drehzahl- und Positionsinformation zur Verfügung zu stellen, und zwar meßzeitfrei mit Hilfe eines Beobachters, so daß auch bei kleiner Inkrementzahl Antriebssysteme hoher Dynamik stabil geregelt werden können.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß auch unter Zugrundelegung eines Positionsgebers mit kleiner Inkrementzahl niedrige Drehzahlen dadurch sicher erfaßt und hoch aufgelöst werden können, indem eine intern hohe Auflösung des Beobachters vorgegeben wird, die darauf beruht, daß das digitale Ausgangs- signal des Inkrementgebers mit einer vorgebbaren Zahl multipliziert und dann erst dem Beobachter zugeführt wird, so daß bei dem als Rechner realisierten Beobachter nicht nur immer lediglich das niederwertigste bit eine Änderung erfährt, sondern durch die Zuführung einer entsprechend höheren, beispielsweise tausend mal höheren Zahl auch ein entsprechend größerer interner Zahlenbereich der Verarbeitung erschlossen wird. Es gelingt daher, einen fein abgestuften Schätzwert für den Drehwinkel am Ausgang zur Verfügung zu stellen, der die Verwendung preisgünstiger Lagesysteme mit kleiner Inkrementzahl ermöglicht. Andererseits lassen sich hierdurch auch bei kleinen Drehzahlen ein stabiles Verhalten und bei einer Lageregelung eine große Lageruhe erreichen.
Vorteilhaft ist ferner, daß sich durch synchrones
Rücksetzen des digitalen Integrierers im Beobachter zusammen mit dem Sprung des Lagesignais bei der Drehzahlregelung von 2 π auf 0 im Systemverhalten kein Sprung ergibt.
Schließlich ist vorteilhaft, daß die Erfindung bei einem vorhandenen inkrementalen Lagemeßsystem keine zusätzliche Hardware erfordert und softwaremäßig problemlos in vorhandene Regelalgorithmen integriert werden kann, wobei es auch gelingt, aufgrund einer speziellen Struktur im Beobachter (Bypass-I-Glied) externe Störungen stationär zu kompensieren. Grundsätzlich gilt daher, daß die beobachtete Drehzahl identisch mit der aktuellen Drehzahl ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Modell eines inkrementalen
Lagemeßsystems (Drehzahlgeber), wobei
Fig. 2 das treppenförmig über der Zeit ansteigende
Ausgangssignal des Drehzahlsensors darstellt; Fig. 3 zeigt schematisiert ein Blockschaltbild mit
Regeistrecke (Antriebssystem), Regler- und Störgrößen-Beobachter, während
Fig. 4 das Blockschaltbild der Fig. 3 in detaillierterer Darstellung angibt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, die Nachbildung der Geschwindigkeit eines Objekts, beispielsweise die Drehzahl bei rotatorischen Antriebssystemen unter Zugrundelegung eines inkrementaler.
Meßsystems dadurch entscheidend in der Auflösung auch für niedrige Drehzahlen ohne Änderung der Meßmethode zu verbessern, daß die digitalen 0/1-Ausgangssignale des Inkrementalsensors dem Störgrößenbeobachter/Rechner mit einer vorgebbaren Zahl multipliziert zugeführt werden, so daß der Beobachtungsrechner pro aktueller Ausgangssignaländerung des Inkrementalgebers mit einer wesentlich höheren Zahlenausbeute arbeiten kann, als wenn lediglich immer nur das niederwertigste bit beeinflußt wird.
Dementsprechend ist es dann für den Beobachtungsrechner auch möglich, den von ihm erzeugten Schätzwert für Geschwindigkeit oder Drehzahl fein abgestuft geglisdert zu erzeugen und einem Zustandsregler, dem er zugeordnet ist, zuzuführen, so daß auch bei hoher
Dynamik des Systems und kieinen Drehzahlen keine Instabilitäten auftreten.
In Fig. 1 ist ein rotatorisches Antriebssystem mit 10 bezeichnet ; es wird eine Drehzahl ω abgegeben , die mittels eines inkrementalen Meßsystems 11 bestimmt wird. Das inkrementale Meßsystem umfaßt einen Drehzahlsensor 12, dem beliebige Grundprinzipien der inkrementalen Lagemessung zugrundeliegen können, beispielsweise induktiv, magnetisch, aber auch optisch wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, wobei eine Lichtquelle 12a einen Lichtstrahl abgibt, der von
Schlitzungen oder Durchbrechungen in einer vom Antriebssystem 10 angetriebenen Lochscheibe 13 unterbrechen wird. Der Lichtstrahl gelangt auf ein lichtempfindliches Element, beispielsweise eine Fotodiode 12b, welches auf einen nachgeschalteten Verstärker 12c arbeitet, so daß sich am Ausgang Zählimpulse Φmess ergeben. Demnach ergibt sich am Ausgang des Sensors 12 ein sich entsprechend der Darstellung der Fig. 2 über der Zeit inkremental änderndes Lagesignal, wobei ΔΦ jeweils ein Inkrement darstellt.
Wie Fig. 3 zeigt, ist das Antriebssystem 10 in Verbindung mit dem inkrementalen Meßsystem 11 mit Sensor 12 Teil eines Regelverfahrens, wobei das Antriebssyetem die Regelstrecke darstellt, mit vorgeschaltetem Regier 13 und zugeordnetem Störgrößenbecbachter 14. Es ist der Störgrößenbeobachter 14, der für das Regeisyetem eine Nachbildung oder einen Schätzwert der Geschwindigkeit, speziell angewandt bei rotatorischen Regelstrecken, der Drehzahl ωB,liefert und einem dem
Regler 13 vorgeschalteten Summationepunkt P1 zuführt, dem ferner die Führungsgröße in Form der Sollgeschwindigkeit ωsoll zugeführt ist.
Der an sich beliebig ausgebildete Regler 13 erzeugt an seinem Ausgang ein Stromsignal I, weiches dem A n triebssystem 10, welches im einfachsten Fall einen Elektromotor darstellen kann, zugeführt wird.
Am Ausgang des Elektromotors bzw. Antriebssystems 10 ergibt sich dann das Lagesignal Φ.
Weitere Einzelheiten werden im folgenden anhand der Darstellung der Fig. 4 erläutert, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die dort dargestellten einzelnen Elöcke oder Angaben sowohl Schaltungsfunktionen als auch allgemein physikalische Größen bzw. Parameter angeben und die jeweiligen diskreten Schalt- oder Wirkungsstufen in Form von Blöcken als Hilfemittel zu verstehen sind, die die Erfindung nicht einschränken, sondern bestimmte funktionelle Grundwirkungen veranechaulichen und spezielle Funktionsabläufe in einer möglichen Realisierungsform angeben. Es versteht sich, daß die einzelnen Bausteine und Blöcke in analoger, digitaler oder auch hybrider Technik aufgebaut sein kennen oder auch, ganz oder teilweise zusammengefaßt, entsprechende Bereiche von programmgesteuerten digitalen Systemen, also Rechner, Mikroprozessoren, digitalen oder analogen Logikschaltungen u. dgl. belegen können. Die Erfindung ergibt sich aus den Blockbilddarstellungen der Figuren 3 und 4 in der Grundform ihres funktioneilen Gesamt- und
Zeitablaufs, wobei die jeweiligen Elöcke hinsichtlich dihrer Wirkungsweise und des Zusammenwirkens bestimmte Teilrunktionen angeben, die jedoch nicht einschränkend zu verstehen sind, sondern lediglich dem besserer.
Verständnis der Erfindung dienen sollen.
Das in Fig. 1 gezeigte Strukturbild des Antriebssystems 10 stellt die Regelstrecke dar, die einer vorgegebenen Differentialgrundgleichung in diesem Fall 2. Ordnung gehorcht und wobei im Störgrößenbeobachter 14, also dem Beobachtungsrechner in vergleichbarer Weise Integrierglieder, Zeitkonstantenglieder vorgesehen sind, die sich jeweils zu den Funktionsblöcken im Antriebssystem durch einen zusätzlichen, auf den Beobachterstatus hinweisenden Index "B" unterscheiden.
Im Bereich der Regelstrecke schließt sich an den Reg ler 13 zunächst ein Koeffizientenglied 14 an, dem ein weiterer Summationspunkt P2 folgt, an welchem, speziell auf den Elektromotor als rotatorischen Antrieb bezogen, Störmomente mstör zugeführt werden. An sich ist eine solche Darstellung nach dem Differentialgleichungs-Blockprinzip bei Regelsystemen mit Beobachtungsrechner bekannt; zur Erzeugung der einzelnen "Zwischenzustandsgrößen" sind hintereinandergeschaltete Integrationsglieder 10a, 10b vorgesehen, wobei am Ausgang des Integrationsglieds 10b das inkremental zu messende Lagesignal Φ entsteht, welches durch das inkrementaie Meßsystem 11' in die Signalabfolge
Φmess (über der Zeit ansteigende Treppenkurve) umgesetzt wird.
Dem das Lagesignal Φmess erzeugenden inkrementalen
Meßsystem 11' ist ein Umwandlungsblock 15 nachgeschaltet, der durch Multiplikation oder Umsetzung des 0/1-Ausgangssignals des inkrementalen Meßsystems mit einer vorgebbaren Zahl den internen Zahlenverarbeitungsbereich des Beobachtungsrechners entscheidend vergrößert, da nunmehr nicht nur das niederwertigste bit des Becbachtungsrechners bei jeweils einem Inkrementschritt des Lagesignals beeinflußt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Beobachter um einen Rechner handeln, der eine Wortbreite von 16 bit aufweist, wobei diese Multiplikation oder Umsetzung dann dazu führt, daß durch die bei jedem Inkrementschritt zugeführte höhere Zahl, beispielsweise
ΔΦ = 1 Ink = 1000 bit intern eine vorteilhafte sehr hohe Auflösung des beobachteten Drehzahlsignals intern realisierbar ist.
Es ergibt sich dann am Ausgang des Umwandiungsblocks
15 ein umgesetztes Beobachter-Lagesignal ΦmeseB, mit dem der Störgrößenbeobachter 14 arbeitet.
Dabei iet im Störgrößenbeobachter nachfolgend zunächst ein Summationebereich P3 gebildet, dem dae
Beobachteriagesignal ΦmeesB zugeführt ist, und zwar zusammen mit einem beobachtereigenen Lagesignal ΦB, welches vom Beobachter selbst aus den zugeführten Signalen erzeugt ist.
Der Beobachter umfaßt entsprechend der Blockbildabfolge des Antriebssystems 10 ebenfalle zwei Integrationeglieder 14a, 14b sowie zwei Zeitkonstantenglieder g1 und g2, die der Einstellung der Eeobachterzeitkonetante dienen, die größer als die Zeitkonstante der Regelstrecke (Antriebssystem 10) ist.
Wesentlich ist ferner, daß in der Struktur des Beobachters ferner ein Bypase-Integrationeglied 14c vorgesehen ist, zugeordnet parallel zum Zeitkonetantenglied g1, wodurch externe Störungen stationär kompensiert werden kennen. Das Zeitkonstanten- oder Koeffizientenglied g1 arbeitet zusammen mit dem Bypass-1- Glied 14c auf einen weiteren Summaticnepunkt P4 im Eingang des zweiten Integraticnegliedes 14b des Störgrößenbeobachtere 14, an dessen Ausgang sich der vom Störgrößenbeobachter 14 erstelite nachgebildete Drehzahl-Schätzwert ωB ergibt, der dem Vercieicher P1 im Eingang des Reglers 13 zugeführt wird.
Schließlich ergibt sich eine weitere wesentliche Maßnahme noch durch eine zusätzliche Verbindungsleitung 16 vom Ausgang des inkrementalen Meßsystems 11', weiches auch problemlos so ausgelegt werden kann, daß es die Vollendung eines vollständigen Kreises bei der Drehzahlerfassung, also den Sprung im Lagesignal von 2π zurück auf 0 erfaesen kann, zum Integraticnsglied 14a im Beobachter 14. Dabei wird der digitaie Integrierer 14a zusammen mit dem Sprung im Lagesignal von 2π auf 0 synchron zurückgesetzt, so daß sich im Systemverhalten kein Sprung ergeben kann. Im einzelnen wird hierzu so vorgegangen, daß ein Sprung des Sensorsignals von 2π auf 0 oder umgekehrt (je nach Drehrichtung) vom inkrementalen Meßsystem 11' erfaßt und beim Integrierer im Beobachter ein entsprechender Wert abgezogen oder hinzu addiert wird. Dadurch bleibt der Sprung des Sensorsignals ohne Einfluß auf das beobachtete Drehzahlsignal.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmaie kennen sowohl einzeln ale auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Nachbildung (und Regelung) der Geschwindigkeit, insbesondere der Drehzahl bei rotatoriechen Antriebssystemen,unter Zugrundelegung eines inkrementalen Meßeyetems, wobei einem Zustands- und Störgrößenbeobachter das inkrementale Positionsausgangssignal des Meßsystems zugeführt wird und dieser ein Geschwindigkeits- oder Drehzahlsignal für die Regelung nachbildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitlich und wertemäßige hohe Auflösung des gemessenen Lagesignals (Φmess) durch dessen interne Multiplikation mit einer vergegebenen Zahl (ΔΦ = 1 Ink = 1000 bit intern) und anschließender Zuführung zum Eeobachtungsrechner (14) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Drehzahlregelung und der entsprechenden Drehzahlnachbildung synchron zum Sprung des Lagesignals (von 2π auf 0 bzw. umgekehrt) ein digitaler Integrierer (14a) im Beobachtungsrechner (14) zurückgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur synchronen Zurücksetzung des Integrierers (14a) im Beobachtungsrechner (14) der Sprung im Sensorsignal erfaßt und im Integrierer (14a) ein entsprechender Wert hinzu addiert bzw. abgezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Vermeidung stationärer Abweichungen zur Ermöglichung der Nachbildung eines stetigen Geschwindigkeitssignals einem Beobachtungezeitkonetantenglied (g1) im Beobachtungsrechner (14) ein Bypass-Integrationsglied (14c) zugeordnet ist.
5. Vorrichtung zur Nachbildung (und Regelunc) der
Geschwindigkeit, insbesondere der Drehzahl bei inkrementalen Meßeyetemen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Aneprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umwandlungsblock (15) vorgesehen ist, der das Ausgangssignal des Lnkrementalen Meßsystems (11) mit einer vorgegebenen Zahl multipliziert zur Erzielung einer intern im Beobachter realisierten hohen Auflösung des Lagesignals.
6. Vorrichtung nach Anepruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Beobachtungsrechner (14) ein BypassIntegrationsglied (14c) parallel zu mindestens einem Beobachtungszeitkonetantenglied (g1, g2) vorgesehen ist zur Verhinderung von etationären Abweiccungen.
7. Vorrichtung nach Anepruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels Zeitkonstantenglieder
(g1, g2) einstellbare Beobachterzeitkonstante größer als die Zeitkonstante der Regelstrecke (Antriebssystem 10) ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsleitung (15) zwischen dem Auegang des einen Sprung im Lagesignal von 2π auf 0 bzw. umgekehrt festetellenden inkrementalen Meßsystems (11') und einem lntegrationsglied (14a) im Beobachtungsrechner (14) vorgesehen iet, derart, daß zur Vermeidung eines Sprunge im Syetemverhalten der Sprung im Seneoreignal erfaßt und im Integrationsglied (14b) je nach Drehrichtung ein entsprechender Wert abgezogen cder hinzu addiert wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Umwandlungsblock (15) im Beobachter (14) ein Summationspunkt (P3) mit dem beobachterseitig erstellten Lagesignal (ΦB) folgt und der sich ergebende Differenzwert parallel zwei Koeffizientengliedern (g1, g2) und dem Bypaß- Integraticnsglied (14c) zugeführt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des ersten Koeffizientengliedes (g1) und des Bypaß-Integrationegliedes (14c) mit dem Stromeignal (I) vom Ausgang des Reglere (13) zu einem weiteren Summationspunkt (P4) zugeführt sind, an welchen ein erstes Integrationsgliec (14b) des Beobachters (14) angeschlossen ist, dessen
Ausgang die nachgebildete Beobachter-Drehzahlangabe (ωB) erzeugt und mit dem Ausgang des
zweiten Koeffizientengliedes (g2) zusammengeführt ist zum Eingang des zweiten Integrationsgliedes (14a), an cessem Auegang das beobachtereigene Lagesignal (ΦB) enteteht.
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