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Dokumentenidentifikation DE69606103T2 25.05.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0751613
Titel Verfahren zur Steuerung des Stroms eines Servomotors
Anmelder Fanuc Ltd., Oshino, Yamanashi, JP
Erfinder Kawamura, Hiroyuki, Minamitsuru-gun, Yamanashi, 401-03, JP;
Iwashita, Yasusuke, Minamitsuru-gun, Yamanashi, 401-05, JP
Vertreter Benedum Haseltine Lake Partners, 81669 München
DE-Aktenzeichen 69606103
Vertragsstaaten DE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.07.1996
EP-Aktenzeichen 963048574
EP-Offenlegungsdatum 02.01.1997
EP date of grant 12.01.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.05.2000
IPC-Hauptklasse H02P 5/00
IPC-Nebenklasse H02P 21/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stromregelungs-Verfahren für einen Servomotor, insbesondere auf ein Verfahren zum Regeln eines elektrischen Stroms, der unter Benutzung einer DQ-Wandlung einem Servomotor zuzuführen ist.

Fig. 15 zeigt ein herkömmliches Regelsystem für einen Wechselstrom-Servomotor. Gemäß Fig. 15 wird durch Subtrahieren eines Positions-Rückkopplungswerts, der durch einen Kodierer erfasst ist, von einem Positionsbefehl, der von einer nichtgezeigten numerischen Steuereinheit ausgegeben ist, eine Positionsabweichung gewonnen. Ein Geschwindigkeitsbefehl wird durch einen Positionsregelkreis gewonnen, in dem die Positionsabweichung mit einem Positionsübertragungsfaktor multipliziert wird, und eine Geschwindigkeitsabweichung wird durch Subtrahieren eines Geschwindigkeitsrückkopplungswert von dem Geschwindigkeitsbefehl gewonnen. Auf der Grundlage der Geschwindigkeitsabweichung wird ein Geschwindigkeitsregelkreisprozess durchgeführt, der eine Proportionalregelung und eine Integralregelung enthält, um einen Drehmomentbefehl (Strombefehl) zu gewinnen. Ferner wird eine Stromabweichung jeder Phase durch Subtrahieren eines Stromrückkopplungswerts von dem Drehmomentbefehl gewonnen, und auf der Grundlage der Stromabweichung wird ein Stromregelkreisprozess durchgeführt, um einen Spannungsbefehl für jede Phase zu gewinnen. Auf der Grundlage des Spannungsbefehls wird eine Impulsbreitenmodulations-Steuerung durchgeführt, um einen Servomotor M zu steuern.

Für das zuvor beschriebene Regelsystem ist es im Falle der Benutzung eines 3-Phasen-Wechselstrom-Servomotors bekannt, die 3-Phasen-Ströme individuell in einem Stromregelkreis zu regeln. In diesem Stromregelverfahren wird der Drehmomentbefehl (Strombefehl), der durch die Geschwindigkeitsrege lung gewonnen ist, mit Sinuswellen für die jeweiligen Phasen U, V u. W multipliziert, wovon jede um einen elektrischen Winkel von 2π/3 in bezug auf die Rotorposition θ des Servomotors abweicht, die durch einen Kodierer erfasst ist, um für jede Phase einen Strombefehl zu gewinnen. Dann wird durch Subtrahieren eines Ist-Stroms Iu, Iv, Iw jeder Phase, der durch einen jeweiligen Stromdetektor erfasst ist, von dem jeweiligen Strombefehl eine Stromabweichung gewonnen. Für jede Phase wird eine Proportional- u. Integral- (PI-)Regelung durchgeführt, um eine Befehlsspannung Eu, Ev, Ew für die jeweilige Phase an einen Leistungsverstärker auszugeben. Durch einen Wechselrichter des Leistungsverstärkers wird eine Impulsbreitenmodulations-Steuerung durchgeführt, um den Strom Iu, Iv, Iw für die jeweilige Phase des Servomotors M fließen zu lassen. Auf diese Weise wird ein Stromregelkreis als ein innerster kleiner Regelkreis der Positions- u. Geschwindigkeitsregelkreise zum Regeln eines Stroms, der jeder Phase des Wechselstrom- Servomotors M zugeführt wird, gebildet.

In dem Fall, in dem die Ströme dreier Phasen individuell gesteuert werden, bestehen selbst unter einer normalen Bedingung während eines Drehens mit konstanter Geschwindigkeit bei einer konstanten Last eine Abweichung, wie eine Phasenverzögerung, in bezug auf den Befehl und eine Amplitudenabschwächung aufgrund der Frequenzcharakteristik des Stromregelkreises, so dass es schwierig ist, die gleiche Drehmomentregelung wie diejenige eines Gleichstrommotors zu verwirklichen. Als eine Lösung dieses Problems ist ein DQ- Regelverfahren bekannt, in dem der 3-Phasen-Strom durch eine DQ-Wandlung in ein Gleichstrom-Koordinatensystem zweier Phasen d und q umgewandelt wird und dann jede Phase als eine Gleichstromkomponente gesteuert wird.

Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelsystems, in dem ein Wechselstrom-Servomotor durch die DQ-Wandlung geregelt wird. Ein Strombefehl der Phase d wird zu "0" ge macht, und ein Strombefehl der Phase q wird auf einen Drehmomentbefehl eingestellt, der von dem Geschwindigkeitsregelkreis ausgegeben wird. Ein Wandler 9 zum Umwandeln eines 3-Phasen-Stroms in einen 2-Phasen-Strom gewinnt einen Strom Id für die Phase d und einen Strom Iq für die Phase q unter Benutzung eines Ist-Stroms jeder Phase u, v u. w des Motors und der Rotorphase θ, die durch einen Rotorpositionsdetektor erfasst ist. Die gewonnenen Ströme werden von Befehlswerten für die jeweiligen Phasen subtrahiert, um Stromabweichungen der Phasen d u. q zu gewinnen. In Stromreglern 5d u. 5q werden durch die Proportional- u. Integral-Regelung auf der Grundlage der Stromabweichungen eine Befehlsspannung Vd der Phase d und eine Befehlsspannung Vq der Phase q gewonnen. Ein Wandler 8 zum Umwandeln einer 2-Phasen-Spannung in eine 3-Phasen-Spannung gewinnt Befehlsspannungen Vu, Vv u. Vw von Phasen U, V u. W aus den Befehlsspannungen Vd u. Vq der zwei Phasen und gibt diese Befehlsspannungen an einen Leistungsverstärker 6 aus, in dem ein Wechselrichter den jeweiligen Phasen des Servomotors Ströme Iu, Iv u. Iw zuführt, um den Servomotor zu regeln.

Bei der herkömmlichen DQ-Wandlung werden die Umwandlungen eines 3-Phasen-Systems in ein 2-Phasen-System und des 2- Phasen-Systems in das 3-Phasen-System in der selben Phase durchgeführt, und der Strom wird unter der Bedingung geregelt, dass der Leistungsfaktor stets gleich 1 ist. Bei diesem Stromregelungsverfahren besteht ein Problem dahingehend, dass die Regelung des Servomotors aufgrund der Verzögerung des Stromregelkreises instabil ist. Wenn die Stromregelung auf der Grundlage einer Abtastung in dem Stromregelkreis, welche die DQ-Wandlung enthält, durchgeführt wird, tritt eine Zeitverzögerung auf um (i) die Periode von dem Zeitpunkt, zu dem der Spannungsbefehl (Impulsbreitenmodulations-Befehl) ausgegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung effektiv an der Wicklung des Motors liegt, und (ii) die Periode von dem Zeitpunkt, zu dem der Strom tatsächlich fließt, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Ist-Strom über einen Analog/Digital-Wandler durch eine Servo-Software gelesen wird. Diese Zeitverzögerung ist in dem Regelsystem als eine Verzögerung des Stromregelkreises enthalten. Wenn die Verzögerung des Erfassungssystems in dem Stromregelkreis in dem Regelsystem auftritt, wird der Stromregelkreis instabil gemacht, um ein unerwünschtes Phänomen, wie eine Schwingung, zu verursachen.

Fig. 17 zeigt einen Zustand, in dem der erfasste Ist-Strom aufgrund des instabilen Regelsystems schwingt. Das Schwingungsphänomen tritt von der Umgebung einer Position A an auf. Diese Verzögerung des Stromregelkreises wird größer, wenn die Drehgeschwindigkeit des Servomotors höher wird, um die elektrische Winkelgeschwindigkeit ansteigen zu lassen. Als Ergebnis wird die maximale Drehgeschwindigkeit des Wechselstrom-Servomotors wegen der Instabilität der Regelung eingeschränkt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Stromregelungsverfahren für einen Servomotor zu schaffen, das in der Lage ist, eine Verzögerung in einem Stromregelkreis zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Stromregelungsverfahren für einen Servomotor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst Schritte zum

Gewinnen eines Phasenwinkels des Rotors,

Gewinnen eines Korrektur-Phasenwinkels, der einer Phasenverzögerung entspricht, die in dem Stromregelkreis aufgetreten ist,

Korrigieren des Phasenwinkels auf der Grundlage des Korrektur-Phasenwinkels,

Gewinnen einer Befehlsspannung mittels Durchführung einer DQ-Wandlung unter Benutzung des korrigierten Phasenwinkels und

Regeln des Stroms, der dem Servomotor zuzuführen ist, auf der Grundlage der Befehlsspannung.

Für das Stromregelungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird das DQ-Regelverfahren übernommen, bei dem ein 3-Phasen-Strom in Komponenten eines 2-Phasen-Strom-Koordinatensystems der Phasen d und q umgewandelt wird, und die jeweiligen Phasen werden als Gleichstromkomponenten geregelt. Die Verzögerung des Stromregelkreises, die aufgrund des Abtastvorgangs auftritt, wird durch Korrigieren eines Phasenwinkels kompensiert, der bei der DQ-Wandlung zum Umwandeln des DQ-Koordinatensystems in das 3-Phasen-Koordinatensystem zu benutzen ist. Ein korrigierender elektrischer Winkel zum Korrigieren des Phasenwinkels kann durch das Produkt einer Verzögerungszeit δes Stromregelkreises und einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit gewonnen werden.

Bei der Koordinatenumwandlung von dem DQ-Koordinatensystem in das 3-Phasen-Koordinatensystem zum Gewinnen einer 3-Phasen-Spannung aus einer 2-Phasen-Spannung wird der Phasenwinkel durch Addieren eines Korrekturwinkels zu dem Phasenwinkel korrigiert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromregelkreises zur Regelung eines Wechselstrom-Servomotors unter Benutzung einer DQ-Wandlung.

Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm, das den Zustand von Phasen des Wechselstrom-Servomotors darstellt.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Verzögerung des Stromregelkreises und der polaren Position eines Regelsystems darstellt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromregelkreises gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das nicht mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt, jedoch der Vollständigkeit halber gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm der Stromregelung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromregelkreises gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt.

Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm der Stromregelung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Servomotor-Regelsystem zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

Fig. 9 zeigt ein Diagramm, das eine Reaktion der Phase q darstellt, die sich ergibt, wenn der Servomotor gestoppt wird.

Fig. 10 zeigt ein Diagramm, das eine Reaktion der Phase q darstellt, die sich ergibt, wenn keine Kompensation der Verzögerung des Stromregelkreises bei der Drehzahl 4000 U/min durchgeführt wird.

Fig. 11 zeigt ein Diagramm, das eine Reaktion der Phase q darstellt, die sich ergibt, wenn keine Kompensation der Verzögerung des Stromregelkreises bei der Drehzahl 6000 U/min durchgeführt wird.

Fig. 12 zeigt ein Diagramm, das eine Reaktion der Phase q darstellt, die sich ergibt, wenn eine Kompensation der Verzögerung des Stromregelkreises bei der Drehzahl 6000 U/min durchgeführt wird.

Fig. 13a u. Fig. 13b zeigen Diagramme, die jeweils eine Drehmomentkurve darstellen, die sich ergibt, wenn keine Phasenkompensation durchgeführt wird.

Fig. 14 zeigt ein Diagramm, das eine Drehmomentkurve darstellt, die sich ergibt, wenn das Regelverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird.

Fig. 15 zeigt ein Blockschaltbild, das ein herkömmliches Regelsystem für einen Wechselstrom-Servomotor darstellt.

Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Stromregelkreises zum Regeln eines Wechselstrom- Servomotors unter Benutzung der DQ-Wandlung.

Fig. 17 zeigt ein Diagramm, das eine Schwingung eines Ist- Stroms beim Stand der Technik darstellt.

Im folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel, das nicht die vorliegende Erfindung betrifft, unter Bezugnahme auf Fig. 4 u. Fig. 5 im Vergleich mit einem Beispiel gemäß Fig. 1 bis Fig. 3, in dem ein Phasenwinkel nicht korrigiert wird, beschrieben.

In dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine DQ-Koordinatenumwandlung zum Gewinnen eines 2-Phasen-Stroms aus einem 3- Phasen-Strom unter Benutzung eines Phasenwinkels durchgeführt, der durch Subtrahieren eines korrigierenden elektrischen Winkels von dem Phasenwinkel korrigiert wird, um auf diese Weise die Verzögerung eines Stromregelkreises zu kompensieren.

Zuallererst wird ein Stromregelkreis, wie er in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigt ist, in dem der Phasenwinkel nicht korrigiert wird, beschrieben. Eine linke Hälfte und eine rechte Hälfte von Fig. 1, die durch eine strichpunktierte Linie unterteilt ist, zeigen ein Regelsystem bzw. ein Motor/ Detektor-System. Das Regelsystem umfasst für jede der Phasen d u. q Integralglieder 11 u. 12, die einen Integralübertragungsfaktor K1 haben, und Proportionalglieder 13 u. 14, die einen Proportionalübertragungsfaktor K2 haben, während das Motor/Detektor-System eine Widerstandskomponente R und eine Induktivitätskomponente L des Motors umfasst. Jede Phase d u. q hat ein Interferenzglied 15 bzw. 16, die eine gegenseitige Interferenz repräsentieren, und ein Glied 17, das ein Verzögerung des Stromregelkreises repräsentiert. In Fig. 1 ist das Verzögerungs-Glied 17 in einem Block mit einem Verzögerungswinkel Δθ gezeigt, der durch das Produkt einer Zeitverzögerung 8 und einer elektrischen Winkelfrequenz ωe repräsentiert ist.

Das Verzögerungs-Glied 17 verzögert die Phase eines Stromwerts um den Verzögerungswinkel Δθ, und es werden Ausgangsströme id' u. iq' rückgekoppelt und von Befehlsströmen id* bzw. Iq* subtrahiert. Dadurch greift die Verzögerung des Erfassungssystems in dem Stromregelkreis auf das Regelsystem über, um die Stabilität des Stromregelkreises zu verschlechtern.

Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm, das einen Zustand von Phasen eines Wechselstrom-Servomotors in einem d-q-Koordinatensystem darstellt. In Fig. 2 ist eine Spannung v über einer Spule des Wechselstrom-Servomotors durch die Summe von Vektoren (R · i), (L + δ · R) · (di/dt), die mit gestrichelten Linien gezeigt sind, und Vektoren (ωe · Lxi), (δ · ωe · L) · (di/dt), die mit strichpunktierten Linien gezeigt sind, repräsentiert. Demzufolge wird die Spannung v durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:

v = (R · i) + (L + δ · R) · (di/dt) + (ωe · Lxi) + δ · ωe · Lx (di/dt) = {(L + δ · R) · (d/dt) + R} · i + ωe - L(δ · (d/dt) + l) · i ... (1)

Die Phasenverzögerung, welche durch exp(-j · δ · ωe) in dem Verzögerungs-Glied 17 repräsentiert ist, verursacht, dass sich der Vektor v in einer negativen Richtung (im Uhrzeigersinn) um Δθ = δ · ωe in Fig. 2 dreht. Demzufolge wird der sich ergebende Vektor v' durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:

v' = exp (-jδ · ωe) · [{(L + δ · R) · (d/dt) + R} · i + ωe · L (δ · (d/dt) + l) · i ... (2)

Die Beziehung zwischen der Verzögerung des Stromregelkreises und der polaren Position des Regelsystems ist in Fig. 3 gezeigt. Die Ortskurve in Fig. 3 repräsentiert eine Bewegung der polaren Position gemäß der Verzögerung des Stromregelkreises. In Fig. 3 ist die Seite links von einer strichpunktierten Linie ein Bereich, in dem das System stabil ist, und die Seite rechts von der strichpunktierten Linie ist ein Bereich, in dem das System instabil ist. Wenn die Verzögerung Δθ des Stromregelkreis ansteigt, bewegt sich die polare Position graduell aus dem stabilen Bereich in den instabilen Bereich, und wenn die Verzögerung Δθ des Stromregelkreis ungefähr 40º beträgt, erreicht die polare Position eine Grenze zwischen dem stabilen und dem instabilen Bereich.

Demzufolge wird die Stabilität des Stromregelkreises durch die Verzögerung exp(- j · δ · ωe) des Stromregelkreises des Erfassungssystems, die auf das Regelsystem übergegriffen hat, verschlechtert. Diese Verzögerung des Stromregelkreises wird größer sein, wenn die Drehgeschwindigkeit des Servomotors hoch wird, um die elektrische Winkelgeschwindigkeit zu erhöhen.

In dem Blockschaltbild, das in Fig. 4 gezeigt ist, ist verglichen mit einem Blockschaltbild gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, ein Korrektur- Glied 18 mit dem Verzögerungs-Glied 17 des Stromregelkreises verbunden. Eine linke Hälfte und eine rechte Hälfte von Fig. 4, die durch eine strichpunktierte Linie unterteilt ist, zeigen ein Regelsystem bzw. ein Motor/Detektor-System.

Für jede der Phasen d u. q umfasst das Regelsystem Integralglieder 11 u. 12, die einen Integralübertragungsfaktor K1 haben, und Proportionalglieder 13 u. 14, die einen Proportionalübertragungsfaktor K2 haben, während das Motor/Detektor-System eine Widerstandskomponente R und eine Induktivitätskomponente L des Motors umfasst. Jede Phase d u. q hat ein Interferenzglied 15 bzw. 16, das eine gegenseitige Interferenz repräsentiert, und ein Glied 17, das eine Verzögerung des Stromregelkreises repräsentiert.

Ein Korrektur-Glied 18 lässt die Phase des Stroms um den gleichen Winkel Δθ wie den Verzögerungswinkel voreilen, und Ausgangsströme id' u. iq' desselben werden rückgekoppelt und von Befehlsströmen id* bzw. iq* subtrahiert. Als Ergebnis wird die Stromregelung auf der Grundlage des Phasenwinkels θe durchgeführt, der durch Korrigieren des Verzögerungswinkehs Δθ des Stromregelkreises gewonnen ist. Der Verzögerungswinkel Δθ des Stromregelkreises kann durch das Produkt der Zeitverzögerung θ und der elektrischen Winkelfrequenz ωe gewonnen werden.

Im folgenden wird der DQ-Wandlungsprozess in dem ersten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm gemäß Fig. 5 beschrieben.

Gemäß dem Flussdiagramm in Fig. 5 werden zuerst Ist-Ströme Iu u. Iv von Phasen u u. v des Servomotors durch Stromrückkopplung gewonnen (Schritt S1). Unter Benutzung der Beziehung Iu + Iv + Iw = 0 wird durch eine arithmetische Operation Iw = -(Iu + Iv) der Ist-Strom Iw der Phase w gewonnen (Schritt S2). Ferner wird der Phasenwinkel θe des Rotors aus einem Ausgangssignal eines Rotorpositionsdetektors gewonnen (Schritt S3).

Dann wird ein korrigierender elektrischer Winkel Δθ gewonnen, welcher der Verzögerung des Stromregelkreises des Servomotors entspricht. Dieser korrigierende elektrische Winkel Δθ kann durch das Produkt einer Verzögerungszeit δ des Stromregelkreises und einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωe des Rotors gewonnen werden. Die Verzögerungszeit δ des Stromregelkreises umfasst eine Periode von dem Zeitpunkt, zu dem ein Spannungsbefehl (Impulsbreitenmodulations-Befehl) ausgegeben wird, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die Spannung tatsächlich an die Wicklungen des Servomotors gelegt wird, und eine Periode zum Erfassen des Ist-Stroms von dem Zeitpunkt, zu dem der Strom tatsächlich in den Wicklungen fließt, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Strom über einen Analog/Digital-Wandler von einer Servo- Software gelesen wird. Da die Verzögerungszeit ein Wert ist, der dem Servomotor innewohnt, kann er vorab als ein charakteristischer Wert des Servomotors gewonnen werden.

Andererseits kann die elektrische Winkelgeschwindigkeit ωe des Rotors aus dem Ausgangssignal des Rotorpositionsdetektors gewonnen werden (Schritt S4).

Dann wird der korrigierende elektrische Winkel Δθ, welcher in Schritt S4 gewonnen ist, von dem Phasenwinkel θe des Rotors subtrahiert, der in Schritt S3 gewonnen ist, und der subtrahierte Wert Δe' wird für den Phasenwinkel θe eingesetzt, um den Phasenwinkel zu erneuern (Schritt S5).

Dann werden unter Benutzung des korrigierten Phasenwinkels θe ein Strom Id für die Phase d und ein Strom Iq für die Phase q durch eine DQ-Wandlung zum Umwandeln eines 3-Phasen-Wechselstroms in einen 2-Phasen-Gleichstrom gewonnen, wie dies in der folgenden Gleichung (3) gezeigt ist:

Da die Größe θe, welche in der arithmetischen Operation gemäß Gl. (3) benutzt wird, der Phasenwinkel θe ist, welcher in Schritt S4 korrigiert wurde, wird die Verzögerungskomponente Δθ des Stromregelkreises kompensiert (Schritt S6). Die Druckschrift US-A-5057759 offenbart eine ähnliche Lösung.

Die korrigierten Ströme Id u. Tq für die Phasen d u. q werden von den jeweiligen Befehlswerten der Phasen d u. q subtrahiert, um Stromabweichungen der Phasen d u. q zu gewinnen. Auf der Grundlage dieser Stromabweichungen wird in dem Stromregler eine Proportional- u. Integral-Regelung durchgeführt, um eine Befehlsspannung Vd der Phase d und eine Befehlsspannung Vq der Phase q zu gewinnen (Schritt S7). Ferner werden in dem Wandler zum Umwandeln einer 2-Phasen- Spannung in eine 3-Phasen-Spannung durch eine DQ-Wandlung zum Umwandeln einer 2-Phasen-Gleichspannung in eine 3-Phasen-Wechselspannung Befehlsspannungen Vu, Vv u. Vw der Phasen U, V u. W gewonnen (Schritt S8), wie dies durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt ist. Diese Befehlsspannungen werden an einen Leistungsverstärker ausgegeben, in dem Wechselrichter Ströme Iu, Iv u. Iw erzeugen, die in die jeweiligen Phasen des Servomotors fließen, um dadurch den Servomotor zu regeln.

Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel, das anders als das erste Ausführungsbeispiel derart aufgebaut ist, dass es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung arbeitet, unter Bezugnahme auf Fig. 6 u. Fig. 7 beschrieben. In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird zum Gewinnen einer 3-Phasen-Spannung auf der Grundlage der 2-Phasen-Spannung unter Benutzung des Phasenwinkels, der durch Addieren des Korrekturwinkels gewonnen ist, eine Koordinatenumwandlung von dem DQ-Koordinatensystem in das 3-Phasen- Koordinatensystem durchgeführt, um die Verzögerung des Stromregelkreises zu kompensieren.

Gemäß dem Blockschaltbild, das in Fig. 6 gezeigt ist, ist verglichen mit dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild zwischen Integralglieder 11, 12 und der Motorseite ein Korrektur-Glied 19 geschaltet. Alle der Elemente sind mit Ausnahme des Korrektur-Glieds 19 mit denen in Fig. 1 und mit Ausnahme des Korrektur-Glieds 1 mit denen in Fig. 4 identisch, und daher ist an dieser Stelle eine wiederholende Beschreibung fortgelassen.

Das Korrektur-Glied 19 versorgt den Motor mit Spannungswerten Vd u. Vq, deren Phasen um den gleichen Winkel Δθ wie dem Verzögerungswinkel Δθ des Stromregelkreises voreilen, um dadurch den den Verzögerungswinkel Δθ des Stromregelkreises zu kompensieren. Der Verzögerungswinkel Δθ des Stromregelkreises kann wie in dem ersten Ausführungsbeispiel durch das Produkt der Zeitverzögerung δ und der elektrischen Winkelfrequenz ωe gewonnen werden.

Nach dem Flussdiagramm gemäß Fig. 7 werden Ist-Ströme Iu u. Iv der Phasen u u. v des Servomotors in gleicher Weise wie in den Schritten S1 bis S3 in dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Stromrückkopplung gewonnen (Schritt S11). Ein Ist-Strom Iw der Phase w wird durch die arithmetische Operation Iw = -(Iu + Iv) gewonnen (Schritt S12), und es wird der Phasenwinkel θe des Rotos gewonnen (Schritt S13).

Dann werden durch die DQ-Wandlung zum Gewinnen des 2-Phasen-Gleichstroms aus dem 3-Phasen-Wechselstrom gemäß Gl. (3) ein Strom Id für die Phase d und ein Strom Iq für die Phase q aus den Ist-Strömen Iu, Iv u. Iw gewonnen (Schritt S14). Der elektrische Winkel θe, welcher in Schritt S3 gewonnen ist, wird in Gl. (3) für θe benutzt.

Die gewonnenen Ströme Id u. Iq der Phasen d u. q werden von den jeweiligen Befehlswerten der Phasen d u. q subtrahiert, um Stromabweichungen der Phasen d u. q zu gewinnen, und auf der Grundlage dieser Stromabweichungen wird in dem Stromregler die Proportional- u. Integral-Regelung durchgeführt, um Befehlsspannungen Vd u. Vq der Phasen d u. q zu gewinnen (Schritt S15).

Dann wird ein korrigierender elektrischer Winkel Δθ gewonnen, welcher der Verzögerung des Stromregelkreises des Servomotors entspricht. Der Korrekturwinkel kann wie in Schritt S4 durch das Produkt der Verzögerungszeit des Stromregelkreises und der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωe gewonnen werden. Die Verzögerungszeit δ und die elektrische Winkelgeschwindigkeit ωe können wie in Schritt S4 gewonnen werden (Schritt S16).

Dann wird der korrigierende elektrische Winkel Δθ, welcher in Schritt S16 gewonnen ist, zu dem Phasenwinkel θe des Rotors, der in Schritt S13 gewonnen ist, addiert, und der sich ergebende Wert θe' wird für den Phasenwinkel θe eingesetzt, um den Phasenwinkel zu erneuern (Schritt S17).

Ferner werden in dem Wandler zum Umwandeln einer 2-Phasen- Spannung in eine 3-Phasen-Spannung durch die DQ-Wandlung zum Umwandeln einer 2-Phasen-Gleichspannung in eine 3-Phasen-Wechselspannung Befehlsspannungen Vu, Vv u. Vw der Phasen U, V u. W gewonnen, wie dies durch Gl. (4) ausgedrückt ist (Schritt S18), und diese Befehlsspannungen werden an den Leistungsverstärker ausgegeben, in dem die Wechselrichter Ströme Iu, Iv u. Iw erzeugen, welche in die jeweiligen Phasen des Servomotors fließen, um dadurch den Servomotor zu regeln.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Servomotor-Regelsystem zum Ausführen der vorliegenden Erfindung darstellt. Da dieses Regelsystem im Aufbau identisch mit einer herkömmlichen Einrichtung für eine digitale Servoregelung ist, ist an dieser Stelle eine ins einzelne gehende Beschreibung des Systems fortgelassen. In Fig. 8 bezeichnet ein Bezugszeichen 20 eine rechnergestützte numerische Steuereinheit (CNC), das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen gemeinsamen RAM, das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine digitale Servoschaltung, die einen Prozessor (CPU), einen ROM, einen RAM usw. hat, das Bezugszeichen 23 bezeichnet einen Leistungsverstärker, wie einen Transistor-Wechselrichter, das Bezugszeichen M bezeichnet einen Wechselstrom-Servomotor, das Bezugszeichen 24 bezeichnet einen Kodierer zum Erzeugen von Impulsen in Reaktion auf die Drehung des Wechselstrom-Servomotors, und das Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Rotorpositionsdetektor zum Erfassen einer Phase des Rotors.

Im folgenden werden die Ergebnisse der Übernahme des Regelverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 9, Fig. 10 u. Fig. 11 zeigen Reaktionen der Phase q, wenn der Motor gestoppt wird, wobei die Verzögerung des Stromregelkreises bei der Drehzahl 4000 U/min bzw. der Drehzahl 6000 U/min nicht kompensiert ist. Fig. 12 zeigt eine Reaktion der Phase q, wenn die Verzögerung des Stromregelkreises bei der Drehzahl 6000 U/min kompensiert ist. Gemäß Fig. 12 ist die Kompensation der Verzögerung des Stromregelkreises durch Voreilenlassen der Phase durchgeführt.

Gemäß Fig. 9 u. Fig. 10 gibt es keine Instabilität des Regelsystems aufgrund der Verzögerung des Stromregelkreises, wenn der Motor gestoppt wird und seine Drehung bei einer niedrigen Geschwindigkeit (4000 U/min) erfolgt. Gemäß Fig. 11 wird das Regelsystem jedoch aufgrund der Verzögerung des Stromregelkreises instabil, wenn der Motor bei einer hohen Geschwindigkeit (6000 U/min) dreht, was eine Schwingung der Ströme der Phasen d u. q verursacht.

Im Gegensatz zu dem Vorstehenden gibt es bei dem Regelverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung selbst dann, wenn der Motor bei der hohen Geschwindigkeit (6000 U/min) dreht, keine Instabilität des Regelsystems aufgrund der Verzögerung des Stromregelkreis, wie dies in Fig. 12. gezeigt ist.

Die Drehmomentkurven des Regelverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 13a, Fig. 13b u. Fig. 14 gezeigt. Fig. 14 zeigt Drehmomentwerte (kgcm) in bezug auf die Drehgeschwindigkeit (U/min), wenn die Kompensation der Phasenverzögerung nicht durchgeführt wird. Die Kennlinie zeigt in Fig. 14 um 4000 U/min herum ein Überschwingen.

Fig. 13a u. Fig. 13b zeigen Drehmomentwerte (kgcm) in bezug auf die Drehgeschwindigkeit (U/min), wenn die Kompensation der Phasenverzögerung durchgeführt wird. Die Horizontalachse in Fig. 13a ist in ihrem Bereich mit derjenigen in Fig. 14 identisch, während der Bereich der Horizontalachse in Fig. 13b modifiziert ist, um den Hochgeschwindigkeits-Drehbereich zu zeigen.

Ein Vergleich von Fig. 13a mit Fig. 14 zeigt, dass z. B. ein Drehmoment von 110 kgcm bei einer Drehzahl 3000 U/min abgegeben wird, wenn die Verzögerung nicht kompensiert wird, jedoch bei gleicher Drehgeschwindigkeit ein Drehmoment von 120 kgcm abgegeben wird, wenn die Verzögerung bei dem Regelverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kompensiert wird.

Ferner wird bei dem Regelungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Drehgeschwindigkeit, bei welcher ein Überschwingen auftritt von angenähert 4000 U/min bis zu 7000 U/min erhöht. Wie zuvor beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verzögerung in einem Stromregelkreis kompensiert werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Regeln eines Stroms, der einem Servomotor zuzuführen ist, welcher einen Rotor hat, mittels Durchführung einer DQ-Wandlung zum Wandeln eines 3-Phasen-Wechselstroms in einen 2-Phasen-Gleichstrom und eines 2-Phasen- Gleichspannungsbefehls in einen 3-Phasen-Wechselspannungsbefehl in einem Stromregelkreis, welches Verfahren Schritte umfasst zum

(a) Gewinnen eines Phasenwinkels des Rotors,

(b) Gewinnen eines Korrektur-Phasenwinkels, der einer Phasenverzögerung entspricht, die in dem Stromregelkreis aufgetreten ist,

(c) Korrigieren des Phasenwinkels, der in Schritt (a) gewonnen ist, auf der Grundlage des Korrektur-Phasenwinkels, der in Schritt (b) gewonnen ist,

(d) Gewinnen einer Befehlsspannung mittels Durchführung der DQ-Wandlung unter Benutzung des in Schritt (c) korrigierten Phasenwinkels und

(e) Regeln des Stroms, der dem Servomotor zuzuführen ist, auf der Grundlage der Befehlsspannung, die in Schritt (d) gewonnen ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

Schritt (c) einen Schritt zum Korrigieren des Phasenwinkels durch Addieren des Korrektur-Phasenwinkels zu dem Phasenwinkel enthält und Schritt (d) einen Schritt zum Wandeln einer 2-Phasen-Gleichspannung in eine 3-Phasen-Wechselspannung unter Benutzung des korrigierten Phasenwinkels enthält.

2. Stromregelungs-Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (b) einen Schritt zum Gewinnen des Korrektur-Phasenwinkels auf der Grundlage des Produkts einer Verzögerungszeit und einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit enthält.







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