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Verfahren zur Steuerung eines Servomotors - Dokument DE69822750T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69822750T2 23.09.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000909015
Titel Verfahren zur Steuerung eines Servomotors
Anmelder Tamagawa Seiki K.K., Iida, Nagano, JP
Erfinder Takaji, Yasui, Iida-shi, Nagano-ken, JP
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69822750
Vertragsstaaten BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.09.1998
EP-Aktenzeichen 983077645
EP-Offenlegungsdatum 14.04.1999
EP date of grant 31.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.09.2004
IPC-Hauptklasse H02P 5/00
IPC-Nebenklasse H02P 7/62   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Treiben eines Servomotors, und insbesondere eine neue Verbesserung zum Detektieren der Energiequellenspannung ohne Verwendung einer Stromgegenkopplungsschleife, enthaltend einen Stromsensor und einen A/D-Umsetzer, der üblicherweise zum Detektieren eines Motorstroms verwendet wird, sowie zum Steuern eines Stroms unter Verwendung dieses detektierten Werts, wobei Steuer- bzw. Regeleigenschaften dann verbessert sind, wenn die Motortemperatur erhöht ist, und Kosten abgesenkt werden.

Die 1 zeigt ein übliches Verfahren dieses Typs, das allgemein als ein Verfahren zum Treiben eines Servomotors eingesetzt wurde.

D. h., es wird ein Strombefehl Icmd bei einem Rechner 1 eingegeben. Die Ausgabe 1a des Rechners 1 wird über einen proportionalen und/oder Integrier-Controller 2 gesendet und als Spannungsbefehl 2a auf einem Energiewandler 3 eingegeben, enthaltend eine bekannte Energieelement-Konfiguration. Der Energiewandler 3 bewirkt das Zuführen eines Drei-Phasen-Treiberstroms Iu, Iv, IW zu einem Servomotor 4. Stromsensoren 5 detektieren zwei Teile des Drei-Phasen-Treiberstromd Iu, Iv, Iw, und der detektierte Stromwert Ivcc wird bei dem Rechner 1 über einen A/D-Umsetzer 7 eingegeben, wodurch eine Stromgegenkopplungssteuerung bzw. -regelung gebildet wird.

Da das übliche Servomotor-Treiberverfahren die oben beschriebenen Konfiguration aufweist, hat es Probleme dahingehend, wie sie nachfolgend ausgeführt sind.

D. h., es sind zwei Stromsensoren und ein teurer A/D-Umsetzer erforderlich, um das Stromgegenkopplungssystem zu bilden, was ein beträchtliches Hindernis bei der Absenkung der Kosten des Regelsystems darstellt.

Das US-Patent 4,764,711 beschreibt eine Motorregeltechnik, die Variationen eines Motorwiderstandswerts aufgrund von Temperaturschwankungen korrigiert. Eine adaptive Motorwiderstandsschaltung bildet eine Eingabe bei einem Rückwärts-EMV-Sensor, der das Motorwiderstandswertsignal und das Motorinduktivitätssignal von der anliegenden Motorspannung zum Berechnen der Gegen-EMV-Spannung subtrahiert.

Die Veröffentlichung "Stromsensorfreie feldorientierte Steuerung eines synchronen Reluktanzmotors", durch Matsuo et al., aus dem Konferenzband der Industrieanwendungskonferenz IAS, jährliches Treffen, Toronto, Oktover 3–6, 1993, Band Teil 1, Meeting Nr. 28, Seiten 672–678, beschreibt eine Regelstrategie für einen synchronen Reluktanzmotor, das die Anforderung für einen Stromsensor eliminiert. Das Regelschema enthält einen Spannungsreferenzrechner, der die erforderlichen Spannungsreferenzen anhand des Drehmomentbefehlt und der Motorgeschwindigkeit berechnet.

Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen der obigen Probleme realisiert, und sie zielt insbesondere auf die Bereitstellung eines Verfahrens zum Treiben eines Servomotors, wobei durch Detektieren der Energiequellenspannung ohne Verwendung einer üblichen Stromgegenkopplungsschleife für die Motorstromdetektion und durch Steuern des Stroms unter Verwendung dieses detektierten Werts Regeleigenschaften verbessert und Kosten abgesenkt werden können, und zusätzlich lässt sich der Steuer- bzw. Regelleistungsumfang dann verbessern, wenn die Motortemperatur erhöht ist.

Demnach betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Treiben eines Servomotors auf der Grundlage eines Strombefehls, wie es im Anspruch 1 herausgestellt ist. Bevorzugte Merkmale dieses Aspekts der Erfindung sind in dem Anspruch 2 herausgestellt.

Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zum Treiben eines Servomotors, wie es im Anspruch 3 herausgestellt ist.

Bevorzugte Merkmale dieses Aspekts sind im Anspruch 4 herausgestellt.

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es zeigen:

1 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines üblichen Regelverfahrens;

2 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines Servomotor-Treiberverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;

3 ein Steuerblockschaltbild zum Darstellen der Recheneinhalte des Stromcontrollers nach 2;

4 ein Steuerblockschaltbild zum Darstellen des normalen Steuerzustands nach 3; und

5 ein Blockschaltbild zum Berechnen eines Spannungsbefehls des Stromcontrollers nach 2.

Nachfolgend wird detailliert die bevorzugte Ausführungsform des Servomotor-Treiberverfahrens der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Gleiche und ähnliche Elemente wie bei dem üblichen Beispiel sind unter Verwendung gleicher Bezugszeichen erläutert.

Wie in 2 gezeigt, wird ein Strombefehl Icmd, der einen Strombefehlswert enthält, bei einem Stromcontroller 2A eingegeben, und ein Spannungsbefehl Vcmd von dem Stromcontroller 2A liegt bei einem bekannten Energiewandler 3 an. Es ist eine Treiberenergiequelle 6 zum Treiben der Energieelemente, in dem Diagramm nicht gezeigt, mit dem Energiewandler 3 verbunden. Der Energiewandler 3 bewirkt das Zuführen eines Drei-Phasen-Treiberstroms Iu, Iv, Iw zu dem Servomotor 4. Ferner werden ein detektierter Wert Vcc einer Energiequellenspannung V der Treiberenergiequelle 6 und ein detektierter Wert Ivcc eines Energiequellenstroms I der Treiberenergiequelle 6 durch den Stromcontroller 2A erfasst.

Das in 2 gezeigte Steuersystem unterscheidet sich von dem üblichen Regelsystem nach 1 im Hinblick auf die Tatsache, dass der Stromcontroller 2A einen Spannungsbefehl Vcmd anlegt, der unter Verwendung des detektierten Werts Vcc der Energiequellenspannung V und des detektierten Werts Ivcc des Energiequellenstroms I der Antriebsquelle 6 gesteuert ist, zu dem Energiewandler 3. Dann wird der Servomotor 4 treibergesteuert, durch den Drei-Phasen-Antriebsstrom Iu, Iv, Iw, erhalten von dem Energiewandler 3.

Als nächstes wird die Rechensteuerung des Stromcontrollers 2A spezifisch erläutert. Die 3 zeigt die Recheninhalte des Servomotors 4 und des Stromcontrollers 2A als Blöcke. Der Strombefehl Icmd wird bei dem ersten Rechner 10A über das Umkehrrechensystem (Ra) eingegeben, das umgekehrt ist im Hinblick auf das Rechensystem (1/Ra + Las) des Servomotors 4, ferner eine Stromantwortschleife 30 und eine elektrische Zeitkosntante &tgr;es. Die Ausgabe 10Aa von dem ersten Rechner 10A wird beim zweiten Rechner 10 eingegeben. Die Ausgabe Vcmd von dem zweiten Rechner 10 passiert einen dritten Rechner 11 über das Rechensystem (1/Ra + Las), eine Drehmomentkonstante kt und ein Trägheitsmoment 1/Js, wodurch eine Motorgeschwindigkeit &ohgr; erhalten wird. Hier repräsentiert Ra einen Motorwiderstandswert, La repräsentiert eine Motorinduktivität und s repräsentierten einen Laplace-Operator. Jede Konstante einer induzierten Spannung KE, erhalten anhand der Motorgeschwindigkeit &ohgr;, wird bei den Rechnern 10 und 11 eingegeben.

Ferner wird der Strombefehl Icmd bei einem Subtrahierer 41 eingegeben, der eine Befehlsenergie Wcmd, enthaltend die Drehmomentkonstante kt, einen Multiplikator 40 und eine Konstante k, von einer Energie Wout subtrahiert, die durch die Treiberenergiequelle 6 zugeführt wird, die das Produkt der Energiequellenspannung V und des Energiequellemstroms I ist. Der Motorwiderstandswert Ra wird korrigiert, indem hierbei der geschätzte Wert Ra1 der Zunahme der Motorwiderstandswerts eingegeben wird, erhalten von dem Subtrahierer 41. D. h., diese Korrektur verbessert das Steuerleistungsvermögen bei erhöhter Temperatur durch Abstimmen von Änderungen des Widerstandswerts dann, wenn die Temperatur des Servomotors 4 erhöht ist.

Als nächstes wird dann, wenn die Rechensteuerung mit der in 3 gezeigten Konfiguration normal funktioniert, der in 4 gezeigte Rechensteuerzustand erreicht, wo die Antwort von der Stromantwortschleife 30 des Servomotors 4 1 ist, und das Stromsteuersystem folgt akkurat dem Stromsollwert. Jedoch muss bei dem in 4 gezeigten Stromsteuersystem, damit direkte Schwankungen in der Energiequellenspannung V empfangen werden, ein detektierter Wert Vcc der Energiequellenspannung V detektiert werden, und der Spannungsbefehl Vcmd muss entsprechend korrigiert werden.

Zum Ausführen der obigen Korrektur wird eine Steuerung ausgeführt, mittels einer numerischen Berechnung unter Verwendung eines Rechensteuersystems, das die in 5 gezeigten Rechensteuerblöcke enthält. Zunächst wird der Strombefehl Icmd bei dem zweiten Rechner 10 von dem ersten Rechner 10A über eine erste Schleife 30 eingegeben, wobei die Antwort der Stromantwortschleife von dem Motorwiderstandswert R 1 ist, und über eine zweite Schleife 21 (&tgr;es, als einem Produkt der elektrischen Zeitkonstante &tgr;e und des Laplace-Operators s, wobei &tgr;e gleich La [Motorinduktivität]/Ra [Motorwiderstandswert] ist), in derselben Weise, wie bereits in 3 herausgestellt. Ein Spannungsrechner 21A steuert die Ausgabe 11a des zweiten Rechners 11 durch numerische Berechnung von Vcom/Vcc (wobei Vcom ein projizierter Wert der Energiespannung V ist, und Vcc der detektierte Wert der Energiespannung V ist). Dann wird der Spannungsbefehl Vcmd, der nun in Übereinstimmung mit den Schwankungen der Energiequellenspannung V korrigiert wurde, an dem Energiewandler 3 angelegt. Die Programmfolge zum Berechnen des Spannungsbefehls Vcmd in 5 wird anhand der Gleichung (1) in dem folgenden Ausdruck ausgedrückt:

[Beispiel 1]
  • Vcmd = {Ra(Ik – &tgr;e/T[Ik – Ik – 1]) + kE·&ohgr;k}Vcom/Vcc
  • Ik – Strombefehl bei Abtastung bei k
  • Ik – 1 – Strombefehl bei Abtastung (k – 1)
  • &ohgr;k – Motorgeschwindigkeit bei Abtastung bei k
  • T – Abtastzeit
  • Ra – Motorwiderstandswert
  • &tgr;e – Elektrische Zeitkonstante = La/Ra
  • La – Motorinduktivität
  • kE – Konstante der induzierten Spannung
  • Vcom – Projizierter Wert der Energiespannung
  • Vcc – Detektierter Wert der Energiespannung
  • Vcmd – Spannungsbefehl

Ferner wird während der normalen Rechensteuerung Gleichheit erhielt, wobei gilt K·Icmd × kt × &ohgr; = Ivcc (mit k als Proportionalitätskonstante, Icmd als Motorsteuerbefehl, kt als Drehmomentkonstante, &ohgr; als der Motorgeschwindigkeit, Vcc als dem detektierten Wert der Energiequellenspannung Ivcc als dem detektierten Wert des Energiequellenstroms). Demnach wird für einen Fall, wo die obige Gleichung nicht erzielt wird, von einem Zustand eines Motorüberstroms ausgegangen, insbesondere einer Steuerunregelmäßigkeit.

Das Servomotor-Treiberverfahren der vorliegenden Erfindung hat die oben beschriebene Konfiguration, und es erzielt demnach die folgenden vorteilhaften Wirkungen. Insbesondere gibt es aufgrund der Tatsache, dass sich das Gesamtsystem mit einer offenen numerischen Rechenschleife steuern lässt, keine Anforderung für das Stromgegenkopplungssystem unter Verwendung eines Stromsensors und eines A/D-Umsetzers, die üblicherweise eingesetzt wurden. Die konsequente Reduktion von Teilen ermöglicht die Reduktion von Kosten. Zusätzlich lässt sich die Verschlechterung der Steuergenauigkeit bedingt durch Stromsensorrauschen vermeiden. Ferner lassen sich aufgrund der Tatsache, dass Änderungen des Widerstandswerts aufgrund einer erhöhten Temperatur des Servomotors korrigiert werden, die Servomotor-Umdrehungseigenschaften, die nicht von der Temperatur abhängig sind, erhalten, wodurch das Steuerleistungsvermögen verbessert ist.

Es ist zu erkennen, dass obgleich oben das, was momentan als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angesehen wird, beschrieben wurde, zahlreiche Modifikationen hierbei ausgeführt werden können, und es wird beabsichtigt, dass die angefügten Ansprüche sämtliche derartige Modifikationen umfassen, wie sie in den Schutzbereich der Erfindung fallen.


Anspruch[de]
  1. Ein Verfahren zum Treiben eines Servomotors (4) auf der Grundlage eines Strombefehls (Icmd), enthaltend die Schritte:

    Detektieren einer Energiequellenspannung (V) einer Treiberenergiequelle (6) zum Treiben des Servomotors (4);

    Stromsteuern eines Antriebsstroms (Iu, Iv, Iw) des Servomotors (4) unter Verwendung eines detektierten Werts (Vcc) der Energiequellenspannung (V) und eines Motorwiderstandswerts (Ra); und

    Korrigieren von Änderungen des Motorwiderstandswerts (Ra) bedingt durch eine Zunahme der Temperatur des Servomotors (4), wobei der Widerstandswert (Ra) in einer numerischen Berechnung der Stromsteuerung verwendet wird; dadurch gekennzeichnet, dass

    die Korrektur unter Verwendung eines Schätzwerts einer Zunahme des Motorwiderstandswerts (Ra) ausgeführt wird, erhalten unter Verwendung einer Befehlsenergie (Wcmd) und einer Energie (Wout), zugeführt durch die Antriebsenergiequelle (6), wobei die Befehlsenergie (Wcmd) auf dem Produkt des Strombefehles (Icmd) und einer Motorgeschwindigkeit (&ohgr;) basiert, und die durch die Antriebsenergiequelle (6) zugeführte Energie (Wout) das Produkt der Energiequellenspannung (V) und eines Energiequellenstroms (I) der Antriebsenergiequelle (6) ist.
  2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Korrektur von Änderungen des Motorwiderstandswerts ferner das Subtrahieren der Befehlsenergie (Wcmd), enthaltend die Drehmomentkonstante (kt) und die Motorgeschwindigkeit (&ohgr;), von der Energie (Wout), zugeführt durch die Antriebsenergiequelle (6), umfasst.
  3. Gerät zum Treiben eines Servomotors (4) in Ansprechen auf einen Strombefehl (Icmd), enthaltend:

    eine Vorrichtung zum Detektieren einer Energiequellenspannung (V) einer Antriebsenergiequelle (6) zum Treiben des Servomotors (4);

    eine Vorrichtung (2A) zum Stromsteuern eines Antriebsstroms (Iu, Iv, Iw) des Servomotors (4) unter Verwendung eines detektierten Werts (Vcc) der Energiequellenspannung (V) und eines Motorwiderstandswerts (Ra); und

    eine Vorrichtung zum Korrigieren von Änderungen des Motorwiderstandswerts (Ra) bedingt durch eine Zunahme der Temperatur des Servomotors; wobei der Widerstandswert (Ra) bei einer numerischen Berechnung durch die Stromsteuervorrichtung (2A) verwendet wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Korrigieren von Änderungen des Motorwiderstandswerts (Ra) die Korrektur ausführt unter Verwendung eines geschätzten Werts einer Zunahme eines Motorwiderstandswerts (Ra), erhalten unter Verwendung einer Befehlsenergie (Wcmd) und einer Energie zugeführt durch die Antriebsenergiequelle (6), wobei die Befehlsenergie (Wcmd) auf dem Produkt des Strombefehls (Imcd) und einer Motorgeschwindigkeit (&ohgr;) basiert, und die durch die Antriebsenergiequelle (6) zugeführte Energie das Produkt der Energiequellenspannung (V) und eines Energiequellenstroms von der Antriebsenergiequelle (6) ist.
  4. Gerät nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung zum Korrigieren von Änderungen in dem Motorwiderstandswert (Ra) ferner eine Vorrichtung zum Subtrahieren der Befehlsenergie (Wcmd), enthaltend die Drehmomentkonstante (kt) und die Motorgeschwindigkeit (&ohgr;), von der durch die Antriebsenergiequelle (6) zugeführten Energie enthält.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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