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Dokumentenidentifikation DE112005001789T5 12.07.2007
Titel Servosteuervorrichtung
Anmelder Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Erfinder Ohta, Seitaro, Kitakyushu, Fukuoka, JP;
Nakamura, Hiroshi, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 112005001789
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 27.07.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2005/013747
WO-Veröffentlichungsnummer 2006011519
WO-Veröffentlichungsdatum 02.02.2006
Date of publication of WO application in German translation 12.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse G05B 11/32(2006.01)A, F, I, 20050727, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G05B 11/36(2006.01)A, L, I, 20050727, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servosteuervorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine, einer Halbleiterherstellungseinrichtung oder einer Montagevorrichtung, welche eine hohe Befehlsverfolgungsgenauigkeit benötigen.

Technischer Hintergrund

Verschiedene Anordnungen werden als eine Servosteuervorrichtung vorgeschlagen, die eine Motorausgangsgröße zur Verfügung stellt, die an einen Sollbefehl angepasst ist.

3 ist ein Blockschaltbild, das die Ausbildung einer Servosteuervorrichtung zeigt, die im Patentdokument 1 beschrieben wird. In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Motor, 2 eine Geschwindigkeitssteuerung, 5' ein Regelsystem mit Prädiktion, 6 einen Differenzierer, und 50 ein Befehlsfilter zur Erzeugung eines Vorwärtskopplungssignals (FF-Signals).

Wenn ein zukünftiger Sollbefehl dem FF-Signalerzeugungsbefehlsfilter 50 zugeführt wird, erzeugt das Signalerzeugungsbefehlsfilter 50 ein Vorwärtskopplungssignal VFF, ein Drehmoment-Vorwärtskopplungssignal-Signal TFF, einen Positionsbefehlsinkrementierungswert &Dgr;r, gibt das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF aus, das Drehmomentvorwärtskopplungssignal TFF, den Positionsbefehlsinkrementierungswert &Dgr;r, zum Regelsystem 5' mit Prädiktion, und gibt das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF und das Drehmomentvorwärtskopplungssignal TFF an die Geschwindigkeitssteuerung 2 aus. Das Regelsystem mit Prädiktion 2 gibt einen Positionsbefehlsinkrementierungswert &Dgr;r ein, ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF, ein Drehmomentvorwärtskopplungssignal TFF, und einen inkrementierten Wert der Motorposition, und erzeugt einen Geschwindigkeitsbefehl für die Geschwindigkeitssteuerung 2, und gibt diesen aus. Die Geschwindigkeitssteuerung 2 gibt den Geschwindigkeitsbefehl ein, das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF, und das Drehmomentvorwärtskopplungssignal TFF, und liefert Energie an einen Motor. Der Motor 1 empfängt Energie von der Geschwindigkeitssteuerung und erzeugt ein Drehmoment, und erzeugt eine Beschleunigung in Abhängigkeit von der Trägheit oder einer Belastung.

4 ist ein Blockdiagramm eines Vorwärtskopplungs-Signalerzeugungsbefehlsfilters 50. In 4 bezeichnet ein Bezugszeichen 21 ein Filter, 22 eine Vorwärtskopplungs-Signalarithmetikeinheit, und 23 einen Speicher.

Das Filter 21 ist ein Filter, das dazu eingesetzt werden kann, einen zukünftigen Zielbefehl zu filtern, und gibt einen gefilterten, zukünftigen Zielbefehl aus. In den Speicher 23 wird das Ausgangssignal des Filters 21 eingegeben, und in ihm werden Sollbefehlsinkrementierungswerte &Dgr;r(i), ..., &Dgr;r(i + M) von dem momentanen Zeitpunkt i bis zum Abtastzeitpunkt M in der Zukunft (M ist eine natürliche Zahl) gespeichert, und gibt die Sollbefehlsinkrementierungswerte an eine FF-Signalarithemtikeinheit 22 und an ein Regelsystem 5' mit Prädiktion aus. Die FF-Signalarithmetikeinheit 22 gibt den Ausgangswert des Speichers 23 ein, erzeugt ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF, und ein Drehmomentvorwärtskopplungssignal TFF, und gibt die Signale an das Regelsystem 5' mit Prädiktion und an die Geschwindigkeitsteuerung 2 aus.

2 ist ein Blockdiagramm einer abgeänderten Version der Ausbildung der Servosteuervorrichtung, die im Patentdokument 1 beschrieben wird, und welche eine zweite Vorwärtskopplungssteuerung 40 aufweist, ein Regelsystem 5 mit Prädiktion, eine Geschwindigkeitssteuerung 2, einen Motor 1, und einen Differenzierer 6, damit der Ausgangswert des Motors 1 an einen Sollbefehl angepasst wird. 3 unterscheidet sich von 2 in der Hinsicht, dass ein Sollbefehlinkrementierungswert &Dgr;r, der in einem Speicher 23 gespeichert werden soll, direkt in die zweite Vorwärtskopplungssteuerung 40 eingegeben werden soll, und in das Regelsystem 5 mit Prädiktion, unabhängig davon, ob ein Filter in dem Vorwärtskopplungs-Signalerzeugungsbefehlsfilter 50 vorgesehen ist, wobei die FF-Signalarithemtikeinheit 22 nur das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF berechnet und ausgibt, und sowohl die zweite Vorwärtskopplungssteuerung 40 als auch das Regelsystem 5 mit Prädiktion die FF-Signalarithmetikeinheit 22 als auch den Speicher 23 enthält. Daher wird das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF(i), das von der zweiten Vorwärtskopplungssteuerung 40 ausgegeben wird, allein von der Geschwindigkeitssteuerung 2 ausgegeben.

6 ist ein Blockdiagramm, das die Ausbildung einer zweiten Vorwärtskopplungssteuerung 40 zeigt. In 6 weist die Vorwärtskopplungssteuerung 40 einen Speicher 23 und eine FF-Signalarithmetikeinheit 22 auf. Der Speicher 23 speichert aufeinander folgend Sollbefehlsinkrementierungswerte zum Speichern von Befehlsinkrementierungswerten &Dgr;r(i), &Dgr;r(i + 1), ..., &Dgr;r(i + M) vom momentanen Zeitpunkt i zum Zukunftswert M des Abtastwertes (M ist eine natürliche Zahl), und gibt die Befehlsinkrementierungswerte an die FF-Signalarithmetikeinheit 22 aus. Die FF-Signalarithmetikeinheit 22 erhält ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF(i) von den Befehlsinkrementierungswerten &Dgr;r(i), &Dgr;r(i + 1), ..., &Dgr;r(i + M), die von dem Speicher 23 ausgegeben werden. Die Arithmetikgleichung zum Erhalten eines Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals ist nicht eingeschränkt. So kann beispielsweise, wenn die auf den Motor 1 einwirkende Störung bekannt ist, die Störung durch einen Arithmetikvorgang ausgeglichen werden, oder angenommen werden VFF(i) = ffv/Ts·&Dgr;r(i + m1) wobei ffv eine Vorwärtskopplungsverstärkung ist, Ts ein Abtastzeitraum, &Dgr;r(i + m1) ein Befehlsinkrementierungswert der m1-Abtastzukunft ist, und m1 eine ganze Zahl im Bereich von 0 ≤ m1 ist.

5 ist ein Blockdiagramm, das die Ausbildung eines Regelsystems 5 mit Prädiktion zeigt. Das Regelsystem 5 mit Prädiktion gibt einen Befehlsinkrementierungswert &Dgr;r(i) und einen Positionsausgangsinkrementierungswert &Dgr;y(i – k) als Inkrementierungswert des Abtastzeitraums der Positionsausgabe von K (K ist eine ganze Zahl ≥ 0) nach dem Abtasten eines Motors 1 ein, erhält einen zukünftigen Abweichungsvorhersagewert unter Verwendung eines Übertragungsfunktionsmodells von einem Geschwindigkeitsbefehl, um diesen auszugeben, und bestimmt einen Geschwindigkeitsbefehl u(i) so und gibt diesen aus, so dass die Bewertungsfunktion, welche den zukünftigen Abweichungsvorhersagewert und den Geschwindigkeitsbefehl u(i) betrifft, minimal wird.

Wie aus 5 hervorgeht, weist das Regelsystem 5 mit Prädiktion eine FF-Signalarithmetikeinheit 22 auf, Speicher 23, 101, 102, 103, 104, 105, eine Arithmetikeinheit 106, einen Subtrahierer 108, und einen Integrierer 109. Der Speicher 23 und die FF-Signalarithmetikeinheit 22 sind ebenso wie der Speicher 23 und die FF-Signalarithmetikeinheit 22 ausgebildet, die in 6 gezeigt sind, und VFF(i) wird von der FF-Signalarithmetikeinheit 22 ausgegeben. Der Speicher 103 gibt zukünftige Befehlsinkrementierungswerte &Dgr;r(i + 1), &Dgr;r(i + 2), ..., &Dgr;r(i + M) als Ausgangswerte des Speichers 23 ein, und speichert vergangene Befehlsinkrementierungswerte &Dgr;r(i – 1), &Dgr;r(i – 2), ..., &Dgr;r(i – K). Der Speicher 102 speichert Konstanten für das Regelsystem mit Prädiktion vm(m = –K + 1, –K + 2, ...M), pn(n = 0, 1, ..., Na), E, gn(n = 1, ...Nb + K – 1), xn(n = 0, 1, ... Nd + K – 1), wobei Na, Nb und Nd natürliche Zahlen sind. Der Speicher 104 weist einen Positionsausgabeinkrementierungswert &Dgr;y(i – K) als Eingangsgröße auf, und speichert vergangene Rusgangsinkrementierungswerte &Dgr;y(i – K), &Dgr;y(i – K – 1), ..., &Dgr;y(i – K – Na + 1). Der Speicher 105 weist den Geschwindigkeitsbefehl u(i) als Eingangsgröße auf, und speichert die vergangenen Geschwindigkeitsbefehle u(i – 1), u(i – 2), ..., u(i – K – Nb + 1). Der Speicher 101 weist als Eingangsgröße die Ausgangsgröße der FF-Signalarithmetikeinheit 22 auf, und speichert VFF(i), VFF(i – 1), ..., (i – K – Nd + 1). Der Subtrahierer 108 erhält einen Abweichungsinkrementierungswert zwischen dem Befehlsinkrementierungswert &Dgr;r(i – K), der im Speicher 103 gespeichert ist, und dem Positionsausgabeinkrementierungswert &Dgr;y(i – K). Der Integrierer 109 integriert einen Abweichungsinkrementierungswert als eine Ausgangsgröße des Subtrahierers 108, um eine Abweichung e(i – K) zu erhalten. Die Arithmetikeinheit 106 berechnet den Geschwindigkeitsbefehl u(i) zur momentanen Zeit, und gibt den Geschwindigkeitsbefehl u(i) an die Geschwindigkeitssteuerung 2 aus.

[Formel 1]

Als nächstes wird nachstehend der Ausdruck (1) beschrieben.

Es wird angenommen, dass das Übertragungsfunktionsmodell mit diskreter Zeit von dem Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF(i) und dem Geschwindigkeitsbefehl u(i), welche der Geschwindigkeitssteuerung 2 eingegeben werden, zum Positionsausgangswert y(i) des Motors 1 folgendermaßen erhalten wird.

[Formel 2]
wobei y(z), u(z) und VFF(z) jeweils z-Umwandlungen von y(1), u(i) und VFF(i) sind.

Der Ausdruck (1) wird erhalten, wenn der Geschwindigkeitsbefehl u(i) so bestimmt wird, dass die folgende Bewertungsfunktion ein Minimum wird.

[Formel 3]
wobei e*(i + m) ein Abweichungsvorhersagewert zu einer zukünftigen Abtastzeit m ist, wm, &agr; Koeffizienten zum Multiplizieren einer Abweichung by sind, und c und cd Koeffizienten zum Multiplizieren eines Geschwindigkeitsbefehls u(i) und dessen Inkrementierungswert &Dgr;u(i) sind. Die Konstanten vm, E, pn, gn, xn im Ausdruck (1) sind folgendermaßen vorgegeben
[Formel 4]
wobei Amn, Bmn, Dmn, Koeffizienten sind, die aus den Koeffizienten für das Übertragungsfunktionsmodell a1 – aNa, b1 – bNb, d1 – dNd mit diskreter Zeit berechnet werden.

Auf diese Weise steuert die Servosteuervorrichtung nach dem Stand der Technik einen Motor unter Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls u(i), der von dem Regelsystem 5 mit Prädiktion ausgegeben wird, und des Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals VFF(i), das von der zweiten Vorwärtskopplungssteuerung 40 ausgegeben wird.

Als eine Servosteuervorrichtung, die einen Sollbefehl mit dem Motorausgangswert in Übereinstimmung bringt, kann eine Positionsproportionalsteuerung anstatt des Regelsystems 5 mit Prädiktion in 1 eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Abweichung zwischen dem Sollbefehl und dem Positionsausgabewert des Motors proportional multipliziert, um einen Geschwindigkeitsbefehl zu erhalten.

Patentdokument: JP-A-2002-62906

Beschreibung der Erfindung Durch die Erfindung zu lösende Probleme

Die Servosteuervorrichtung nach dem Stand der Technik kann einen Geschwindigkeitsbefehl u(i) einsetzen, der von dem Regelsystem 5 mit Prädiktion erzeugt wird, und ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF(i), das von der zweiten Vorwärtskopplungssteuerung 40 erzeugt wird, damit die Positionsabweichung bei einer konstanten Geschwindigkeit zu Null gemacht wird. Dies bringt das Problem mit sich, dass es unmöglich ist, die Positionsabweichung bei einer konstanten Beschleunigung oder einer konstanten Beschleunigung und einer ruckartigen Bewegung (zeitliche Ableitung der Beschleunigung) zu Null zu machen. Während eine Servosteuervorrichtung, der ein Signal eingegeben wird, das durch Differenzieren eines Sollbefehls als Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF(i) zur Positionsproportionalsteuerung erhalten wird, zur Geschwindigkeits-PI-Steuerung oder zur Geschwindigkeits-IP-Steuerung, die Abweichung bei einer konstanten Geschwindigkeit oder einer konstanten Beschleunigung gleich Null ausbilden kann, kann eine derartige Servosteuervorrichtung die Abweichung nicht gleich Null bei einer konstanten Geschwindigkeit oder einer konstanten Beschleunigung und einer ruckartigen Bewegung mit einem Steuerziel ausbilden, bei welchem eine viskose Reibung in dem Motor vorhanden ist.

Die Erfindung wird angesichts dieser Probleme entwickelt. Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Servosteuervorrichtung, welche die Positionsabweichung bei konstanter Geschwindigkeit und ebenso die Positionsabweichung bei einer konstanten Beschleunigung oder einer konstanten Beschleunigung und einer ruckartigen Bewegung zu Null ausbilden kann, wodurch eine Nachlaufreaktion mit hoher Genauigkeit zur Verfügung gestellt werden kann.

Maßnahmen zur Lösung der Probleme

Gemäß Patentanspruch 1 der Erfindung wird eine Servosteuervorrichtung zur Verfügung gestellt, bei welcher vorgesehen sind:

eine Geschwindigkeitssteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung eines Motors;

eine Positionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als Inkrement des Abtastzeitraums eines Sollbefehls und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitsteuerung; und

eine erste Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes und zur Ausgabe eines ersten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung; wobei

die erste Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal addiert, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF, als ein erstes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 das sich ergebende Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt, und die Steuerverstärkung so einstellt, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null bei einer konstanten Beschleunigung wird.

Gemäß Patentanspruch 2 der Erfindung wird eine Servosteuervorrichtung zur Verfügung gestellt, bei welcher vorgesehen sind:

eine Geschwindigkeitssteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung eines Motors; eine Positionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums eines Sollbefehls, und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitssteuerung; und

eine erste Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes, und zur Ausgabe eines ersten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung; wobei

die erste Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF addiert, als ein erstes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2, das sich ergebende Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt, und die Steuerverstärkung so einstellt, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null bei einer konstanten Beschleunigung wird, und dann, wenn der Sollbefehlinkrementierungswert &Dgr;r kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei der Verzögerung ist, den Ausgangswert des dritten Vorwärtskopplungssignals zu Null macht, oder mit einer momentanen Verstärkung multipliziert, und das sich ergebende Signal ausgibt.

Gemäß Patentanspruch 3 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 1 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die erste Vorwärtskopplungssteuerung ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt

[Formel 5]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum ist, K2 eine Steuerverstärkung ist, die so eingestellt ist, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null ist, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum ist, und

das Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt.

Gemäß Patentanspruch 4 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 2 zur Verfügung gestellt, wobei

die erste Vorwärtskopplungssteuerung ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt

[Formel 6]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum ist, K2 eine Steuerverstärkung ist, die so eingestellt ist, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null wird, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum ist, und

nur dann, wenn der Sollbefehlinkrementierungswert &Dgr;r kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei der Verzögerung ist, ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt
[Formel 7]
wobei K3 eine Verstärkung ist, und

das Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt.

Gemäß Patentanspruch 5 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2 zur Verfügung gestellt, wobei

die Positionssteuerung ein Regelsystem mit Prädiktion zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes &Dgr;r(i + M) bei einer Abtastung M in der Zukunft und des Positionsausgabeinkrementierungswertes &Dgr;r(i – K) vor K (K ≥ 0) bei Abtastung zur momentanen Zeit I ist, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls u(i), welcher die Bewertungsfunktion (3) minimiert.

Gemäß Patentanspruch 6 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Positionssteuerung die Charakteristik der Übertragungsfunktion aufweist

[Formel 8]
wobei u der Geschwindigkeitsbefehl ist, &Dgr;y der Positionsausgabeinkrementierungswert, E ein Steuerparameter, ffv eine Vorwärtskopplungsverstärkung, und Vsum, G(z), X(z), P0 folgendermaßen definiert sind Vsum = Vsum/{Kgv(1 + CD)} G(z) = (g1* – CD)z–1/(1 + CD) X(z) = (1 + g1*·z–1/(1 + CD) P0 = (–1 – g1* + Ts Vsum)/{Kqv Ts(1 + CD)} und

g1*, Vsum, CD Steuerparameter sind, und Kgv eine konstante Verstärkung von einem Geschwindigkeitsbefehl zu einer Geschwindigkeitsrückkopplung ist.

Gemäß Patentanspruch 7 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 6 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine IP-Steuerung ist,

das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal in der Vorwärtskopplungssteuerung sich aus einer Vorwärtskopplungsverstärkung ffv folgendermaßen ergibt VFF = ffv/Ts·&Dgr;r, und

K2 als Steuerverstärkung gegeben ist durch K2 = T1·(1 – ffv) + Ts{CD(1 – ffv) – g1*}/(1 + g1*) + D·Ti/(J·Kv) wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitsteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung.

Gemäß Patentanspruch 8 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 6 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine PI-Steuerung ist,

das zweite Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF in der ersten Vorwärtskopplungssteuerung sich folgendermaßen aus der Vorwärtskopplungsverstärkung ffv ergibt VFF = ffv/Ts·&Dgr;r, und

K2 als Steuerverstärkung folgendermaßen gegeben ist K2 = Ts{CD(1 – ffv) – g1*}/(1 + g1*) + D·Ti(J·Kv) wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung.

Gemäß Patentanspruch 9 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4 zur Verfügung gestellt, bei welcher die Positionssteuerung eine Proportionalsteuerung ist, die Geschwindigkeitssteuerung eine PI-Steuerung oder eine IP-Steuerung ist, und

das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF in der Vorwärtskopplungssteuerung sich ergibt aus der Vorwärtskopplungsverstärkung ffv durch VFF = ffv/Ts·&Dgr;r und

K2 und ffv als Parameter gegeben sind durch K2 = D·Ti/(J·Kv) ffv = 1 wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung.

Gemäß Patentanspruch 10 der Erfindung wird eine Servosteuervorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine solche Steuerung durchführt, dass die Ausgangsgröße eines Motors, der viskose Reibung aufweist, mit einem Sollbefehl zur Übereinstimmung gebracht wird, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Geschwindigkeitsteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung des Motors;

eine Positionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Sollbefehls, und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitssteuerung; und

eine Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung, wobei

die Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls durch eine Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF addiert, und als ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 das sich ergebende Signal ausgibt, und

die Verstärkung ffv und die Verstärkung K2 so eingestellt werden, dass die Abweichung zwischen dem Sollbefehl und dem Positionsausgabewert des Motors bei einer konstanten Beschleunigung und einer konstanten, ruckartigen Bewegung gleich Null wird.

Gemäß Patentanspruch 11 der Erfindung wird eine Servosteuervorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine solche Steuerung durchführt, dass der Ausgangswert eines Motors, der viskose Reibung aufweist, zur Übereinstimmung mit einem Sollbefehl gebracht wird, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Geschwindigkeitssteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung des Motors;

eine Positionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Sollbefehls, und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitssteuerung; und

eine Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung; wobei

die Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF addiert, und als ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 das sich ergebende Signal ausgibt,

die Verstärkung VFF und die Verstärkung K2 so eingestellt werden, dass die Abweichung zwischen dem Sollbefehl und dem Positionsausgabewert gleich Null bei einer konstanten Beschleunigung und einer konstanten, ruckartigen Bewegung wird, und

dann, wenn der Sollbefehlinkrementierungswert &Dgr;r kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei einer Verzögerung ist, die Vorwärtskopplungssteuerung die Verstärkung K2 zu Null macht, oder eine Verstärkung einstellt, die durch Multiplizieren der Verstärkung K2 mit einer vorbestimmten Verstärkung K3 erhalten wird.

Gemäß Patentanspruch 12 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 10 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Vorwärtskopplungssteuerung eine Vorwärtskopplungssteuerung ist, welche das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgender Formel erzeugt

[Formel 9]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum.

Gemäß Patentanspruch 13 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 11 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Vorwärtskopplungssteuerung eine Vorwärtskopplungssteuerung ist, welche das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgender Formel erzeugt

[Formel 10]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum, und

wenn der Sollbefehlinkrementierungswert kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei Verzögerung ist, ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt
[Formel 11]
wobei K3 eine Verstärkung ist.

Gemäß Patentanspruch 14 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung gemäß Patentanspruch 10 oder 11 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Positionssteuervorrichtung ein Regelsystem mit Prädiktion zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes &Dgr;r(i + M) zu einem Abtastzeitpunkt in der Zukunft und des Positionsausgabeinkrementierungswertes &Dgr;r(i – K) vor K(K ≥ 0) der Abtastung zur momentanen Zeit I ist, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls u(i), welcher folgende Bewertungsfunktion minimiert

[Formel 12]
wobei e*(i + m) ein Abweichungsvorhersagewert zu einem Abtastzeitpunkt m in der Zukunft ist, wm, &agr; Koeffizienten zum Multiplizieren einer Abweichung by sind, und c und cd Koeffizienten zum Multiplizieren eines Geschwindigkeitsbefehls u(i) und seines Inkrementierungswertes &Dgr;u(i) sind.

Gemäß Patentanspruch 15 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 10 oder 11 zur Verfügung gestellt, bei welcher die Positionssteuerung eine Übertragungsfunktionscharakteristik hat, so dass gilt

[Formel 13]
wobei u der Geschwindigkeitsbefehl ist, &Dgr;y der Positionsausgabeinkrementierungswert, E ein Steuerparameter, ffv eine Vorwärtskopplungsverstärkung, und Vsum, G(z), X(z), und P0 folgendermaßen gegeben sind
[Formel 14]
wobei g1*, vsum, CD Steuerparameter sind, Kqv eine konstante Verstärkung von einem Geschwindigkeitsbefehl zu einer Geschwindigkeitsrückkopplung ist.

Gemäß Patentanspruch 16 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung gemäß Patentanspruch 15 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine IP-Steuerung ist, und

das Vorwärtskopplungssignal VFF in der Vorwärtskopplungssteuerung sich aus einer Vorwärtskopplungsverstärkung ffv ergibt durch VFF = ffv/Ts·&Dgr;r, die Vorwärtskopplungsverstärkung ffv gegeben ist durch

[Formel 15]
wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J die Motorträgheit, T1 eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung ist, und

K2 als eine Steuerverstärkung gegeben ist durch
[Formel 16]

Gemäß Patentanspruch 17 der Erfindung wird die Servosteuervorrichtung nach Patentanspruch 15 zur Verfügung gestellt, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine PI-Steuerung ist,

das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF in der Vorwärtskopplungssteuerung sich aus einer Vorwärtskopplungsverstärkung ffv ergibt durch VFF = ffv/Ts·&Dgr;r,

die Vorwärtskopplungsverstärkung ffv gegeben ist durch

[Formel 17]
wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J die Motorträgheit, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung, und

K2 als eine Steuerverstärkung gegeben ist durch
[Formel 18]

Auswirkung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ermöglicht, die Positionsabweichung bei einer konstanten Geschwindigkeit zu Null zu machen, sowie die Positionsabweichung bei einer konstanten Beschleunigung oder einer konstanten Beschleunigung und einer ruckartigen Bewegung, wodurch eine hoch exakte Nachlaufreaktion zur Verfügung gestellt wird. Gemäß dem zweiten und elften Aspekt der Erfindung wird ermöglicht, die Positionsabweichung nach Liefern des Befehls weiter zu verringern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[1] 1 ist ein Blockschaltbild einer Servosteuervorrichtung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung.

[2] 2 ist ein Blockdiagramm einer Servosteuervorrichtung nach dem Stand der Technik.

[3] 3 ist ein Blockdiagramm einer Servosteuervorrichtung gemäß Patentdokument 1, die eine Regelsystemvorrichtung mit Prädiktion verwendet.

[4] 4 ist ein Blockdiagramm, das ein FF-Signalerzeugungsfilter zeigt, das eine Regelsystemvorrichtung mit Prädiktion nach dem Stand der Technik verwendet.

[5] 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Regelsystemvorrichtung mit Prädiktion zeigt, welche ein Regelsystem mit Prädiktion nach dem Stand der Technik einsetzt.

[6] 6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein FF-Signalerzeugungsfilter zeigt, das ein Regelsystem mit Prädiktion nach dem Stand der Technik einsetzt.

[7] ist ein Blockdiagramm, das eine Servosteuervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

[8] 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Servosteuervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

[9] 9 ist ein Blockdiagramm, das eine Servosteuervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

1
Motor
2
Geschwindigkeitssteuerung
3
Positionssteuerung
4
Erste Vorwärtskopplungssteuerung
5
Regelsystem mit Prädiktion
5'
Regelsystem mit Prädiktion
6
Differenzierer
7
Erste Vorwärtskopplungssteuerung
21
Filter
22
FF-Signalarithmetikeinheit
23
Speicher
40
Zweite Vorwärtskopplungssteuerung
41
Dritte Vorwärtskopplungssteuerung
42
Addierer
43
Vorrichtung zum Ändern der Vorwärtskopplung
50
FF-Signalerzeugungs-Befehlsfilter
60
Regelsystem mit Prädiktion
70
Zweite Vorwärtskopplungssteuerung
71
Dritte Vorwärtskopplungssteuerung
72
Addierer
73
Vorrichtung zur Änderung der Vorwärtskopplung
100
Speicher
101
Speicher
102
Speicher
103
Speicher
104
Speicher
105
Speicher
106
Arithmetikeinheit
108
Arithmetikeinheit
109
Arithmetikeinheit

Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung

Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben

Ausführungsform 1

1 ist ein Blockdiagramm einer Servosteuervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Motor, 2 eine Geschwindigkeitssteuerung, 3 eine Positionssteuerung, 4 eine erste Vorwärtskopplungssteuerung, 40 eine zweite Vorwärtskopplungssteuerung, 41 eine dritte Vorwärtskopplungssteuerung, und 42 einen Addierer.

Die erste Vorwärtskopplungssteuerung 4 umfasst die zweite Vorwärtskopplungssteuerung 40, die dritte Vorwärtskopplungssteuerung 41, und den Addierer 42. Auf Grundlage eines Sollbefehlinkrementierungswertes &Dgr;r als Inkrement des Abtastzeitraums eines Sollbefehls, der von einer Host-Steuerung (nicht gezeigt) ausgegeben wird, addiert die erste Vorwärtskopplungssteuerung 4 mit Hilfe des Addierers 42 ein zweites Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF als Ausgangsgröße der zweiten Vorwärtskopplungssteuerung 40 und ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal als die Ausgangsgröße der dritten Vorwärtskopplungssteuerung 41, welche folgende Übertragungsfunktionscharakteristik aufweist K2(1 – z–1)/Ts2 und gibt das Ergebnis als ein erstes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 an eine Geschwindigkeitssteuerung aus.

Daher ist das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 gegeben durch VF2 = [{K2(1 – z–1)&Dgr;r}/Ts2] + VFF(4) wobei &Dgr;r ein Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, und VFF ein zweites Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das sich aus der Vorwärtskopplungsverstärkung ffs folgendermaßen ergibt VFF(i) = ffv/Ts·&Dgr;r(5) Die Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich vom Patentdokument 1 in der Hinsicht, dass ein Signal, das durch Addieren eines Signals erhalten wird, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit dem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF erhalten wird, als das erste Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 definiert ist.

In diesem Fall wird angenommen, dass die Geschwindigkeitssteuerung 2 eine IP-Steuerung oder eine PI-Steuerung ist. Die Positionssteuerung 3 kann eine bekannte Steuerung sein, beispielsweise ein Regelsystem 5 mit Prädiktion, das im Patentdokument 1 beschrieben ist. Es wird angenommen, dass ein diskretes Zeitübertragungsfunktionsmodell von dem Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF(i) und dem Geschwindigkeitsbefehl u(i) zur Ausgangsgröße y(i) des Motors 1 folgendermaßen gegeben ist

[Formel 19]
wobei Kgv durch eine konstante Verstärkung von dem Geschwindigkeitsbefehl zur Geschwindigkeitsrückkopplung gegeben ist, und Na = 1, Nb = 2, Nd = 2, dn' = bn' (n = 1,2) ist, und K = 0 ist. Weiterhin ist der Geschwindigkeitsbefehl u(i), der von der Positionssteuerung 3 ausgegeben wird, gegeben durch
[Formel 20]
und sind die Konstanten vm, E, p0, g1, und xn (n = 1,2) gegeben durch
[Formel 21]
wobei Amn, Bmn' Koeffizienten sind, die aus den Koeffizienten amn, –amn, b'1 – b'Nb des diskreten Zeitübertragungsfunktionsmodells im Ausdruck (6) berechnet werden.

Aus den Ausdrücken (5), (7) und (8) ergibt sich die Übertragungsfunktion der Positionssteuerung 3 in 1 folgendermaßen [Formel 22]

wobei Vsum, G(z), X(z), P0 folgendermaßen vorgegeben sind, unter der Annahme von C = 0:

[Formel 23]

Die Positionssteuerung 3 in der Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nicht notwendigerweise ein Regelsystem mit Prädiktion, sondern kann eine frei wählbare Positionssteuerung sein, welche den Ausdrücken (9) und (10) genügt. Soweit die Geschwindigkeitssteuerung 2 eine I-P-Steuerung ist, kann die Steuerverstärkung K2 in der ersten Vorwärtskopplungssteuerung 4 gegeben sein durch

[Formel 24]
wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeitkonstante in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung, wodurch die Abweichung bei konstanter Beschleunigung gleich Null ausgebildet wird. Falls die Geschwindigkeitssteuerung 2 eine PI-Steuerung ist, kann die Steuerverstärkung K2 gegeben sein durch
[Formel 25]
um so die Abweichung bei einer konstanten Beschleunigung gleich Null auszubilden.

Ausführungsform 2

Die Positionssteuerung 3 in der in 1 gezeigten Servosteuervorrichtung kann eine Positionssteuerung mit anderer Ausbildung anstelle eines Regelsystems mit Prädiktion sein. Falls die Positionssteuerung 3 eine Positionsproportionalsteuerung ist, und die Geschwindigkeitssteuerung 2 eine Geschwindigkeits-I-P-Steuerung oder eine Geschwindigkeits-PI-Steuerung ist, wird die Abweichung bei konstanter Beschleunigung dadurch zu Null gemacht, dass verwendet werden K2 = D T1/(J Kv) ffv = 1.

Ausführungsform 3

7 zeigt die erste Vorwärtskopplungssteuerung 4 in der in 1 gezeigten Servosteuervorrichtung, in welcher zusätzlich eine Vorrichtung 43 zur Änderung der Vorwärtskopplung vorgesehen ist. Die Vorrichtung 43 zur Änderung der Vorwärtskopplung macht den Ausgangswert der dritten Vorwärtskopplungssteuerung 41 zu Null, oder multipliziert den Ausgangswert der dritten Vorwärtskopplungssteuerung 41 mit einer voreingestellten Verstärkung, und gibt das Ergebnis aus, wodurch die Positionsabweichung nach Liefern des Befehls weiter verringert wird.

Ausführungsform 4

8 ist ein Blockdiagramm einer Servosteuervorrichtung zur Erläuterung von Ausführungsform 4 der Erfindung. In 8 weist die Servosteuervorrichtung eine erste Vorwärtskopplungssteuerung 7 auf, eine Positionssteuerung 3, und eine Geschwindigkeitssteuerung 2. Die Servosteuervorrichtung steuert den Motor 1.

Die erste Vorwärtskopplungssteuerung 7 weist eine zweite Vorwärtskopplungssteuerung 70 auf, eine dritte Vorwärtskopplungssteuerung 71, und einen Addierer 72. Auf Grundlage eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums eines Sollbefehls, der von einer Host-Steuerung (nicht gezeigt) vorgegeben wird, addiert die erste Vorwärtskopplungssteuerung 7 mit Hilfe des Addierers 72 ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF nach dem Stand der Technik als die Ausgangsgröße der zweiten Vorwärtskopplungssteuerung 70 und den Ausgangswert der dritten Vorwärtskopplungssteuerung 71, die folgende Übertragungsfunktionscharakteristik aufweist

[Formel 26]
und erzeugt das Ergebnis als ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2. Daher ist das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 gegeben durch
[Formel 27]
wobei &Dgr;r ein Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, und VFF ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das allgemein verwendet wird, und das sich aus der Vorwärtskopplungsverstärkung ffs folgendermaßen ergeben kann

[Formel 28]

Die Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich vom Patentdokument 1 in der Hinsicht, dass ein Signal, das durch Addieren eines Signals, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls erhalten wird, zum typischen Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF erhalten wird, als das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 definiert ist.

In diesem Fall wird angenommen, dass die Geschwindigkeitssteuerung 2 eine IP-Steuerung oder eine PI-Steuerung ist. Die Positionssteuerung 3 kann eine bekannte Steuerung sein, beispielsweise ein Regelsystem 5 mit Prädiktion, das im Patentdokument 1 beschrieben wird. Es wird angenommen, dass ein diskretes Zeitübertragungsfunktionsmodell von dem Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF(i) und dem Geschwindigkeitsbefehl u(i) zum Ausgangswert y(i) des Motors 1 folgendermaßen gegeben ist

[Formel 29]
wobei Kgv durch eine konstante Verstärkung von dem Geschwindigkeitsbefehl zur Geschwindigkeitsrückkopplung gegeben ist, und Na = 1, Nb = 2, Nd = 2, dn' = bn' (n = 1,2), und K gleich Null. Weiterhin ist der Geschwindigkeitsbefehl u(i), der von der Positionssteuerung 3 ausgegeben wird, gegeben durch
[Formel 30]
und die Konstanten vm, E, p0, g1, und xn(n = 1,2) sind gegeben durch
[Formel 31]
wobei Amn, Bmn' Koeffizienten sind, die aus den Koeffizienten amn, –amn, b'1 – b'Nb des diskreten Zeitübertragungsfunktionsmodells im Ausdruck (15) berechnet werden.

Aus den Ausdrücken (14), (16) und (17) ergibt sich die Übertragungsfunktion der Positionssteuerung 3 in 8 folgendermaßen

[Formel 32]
wobei Vsum, G(z), X(z), P0 folgendermaßen gegeben sind unter der Annahme von C = 0:
[Formel 33]

Die Positionssteuerung 3 in der Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nicht notwendigerweise ein Regelsystem mit Prädiktion, sondern kann eine frei wählbare Positionssteuerung sein, welche den Ausdrücken (18) und (19) genügt. Soweit die Geschwindigkeitssteuerung 2 eine I-P-Steuerung ist, kann die Geschwindigkeitsvorwärtskopplungsverstärkung ffv in der ersten Vorwärtskopplungssteuerung 7 folgendermaßen gegeben sein

[Formel 34]
wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeitkonstante in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung, und die Steuerverstärkung K2 gegeben ist durch
[Formel 35]
so dass dann, wenn ein Sollbefehl zur Bereitstellung einer konstanten Beschleunigung
[Formel 36]
(wobei A eine konstante Verstärkung der Beschleunigung ist) eingegeben wird,

[Formel 37]

  • der Wert des folgenden Ausdrucks
    gleich 0 aufgrund des Theorems eines Endwertes ist, so dass die Abweichung bei einer konstanten Beschleunigung gleich Null ist. Es wird darauf hingewiesen, dass e(z) eine kleine z-Umwandlung der Abweichung e zwischen dem Sollbefehl und der Ausgangsgröße des Motors 1 ist. Entsprechend wird, wenn ein Sollbefehl eingegeben wird, der für eine konstante, ruckartige Bewegung sorgt
    [Formel 38]
    (wobei Jr eine konstante Verstärkung einer ruckartigen Bewegung ist), der Wert des Ausdrucks (20) gleich 0, so dass die Abweichung bei einer konstanten, ruckartigen Bewegung gleich Null ist.

Falls die Geschwindigkeitssteuerung 2 eine PI-Steuerung ist, ergibt sich die Geschwindigkeitsvorwärtskopplungsverstärkung ffv folgendermaßen

[Formel 39]
und ergibt sich die Steuerverstärkung K2 folgendermaßen
[Formel 40]
so dass die Abweichung bei konstanter Beschleunigung und konstanter, ruckartiger Bewegung gleich Null ist, ebenso wie im Falle der I-P-Steuerung.

Ausführungsform 5

9 zeigt die erste Vorwärtskopplungssteuerung 7 in der in 8 gezeigten Servosteuervorrichtung, in welche eine Vorrichtung 73 zur Änderung der Vorwärtskopplung eingefügt ist. Die Vorrichtung 73 zur Änderung der Vorwärtskopplung macht den Ausgangswert der dritten Vorwärtskopplungssteuerung 71 zu Null, oder multipliziert den Ausgangswert der dritten Vorwärtskopplungssteuerung 71 mit einer vorhandenen Verstärkung, und gibt das Ergebnis aus, wodurch die Positionsabweichung nach Lieferung des Befehls weiter verringert wird.

Zwar wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben, jedoch werden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass hierbei verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von ihrem Wesen und Umfang abzuweichen.

Die vorliegende Anmeldung beruht auf den japanischen Patentanmeldungen mit den Nummern 2005-106437 und 2005-106438, eingereicht am 01. April 2005, und deren Gesamtinhalt wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Durch Verwendung, als ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, eines Signals, das erhalten wird durch Addieren eines Signals, das durch Multiplizieren der Ableitung eines Sollbefehls mit einer Vorwärtskopplungsverstärkung ffv erhalten wird, und eines Signals, das erhalten wird durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls durch eine Steuerverstärkung K2, wird ermöglicht, die Positionsabweichung bei einer konstanten Beschleunigung oder einer konstanten Beschleunigung und einer ruckartigen Bewegung zu Null zu machen, wodurch eine hochgenaue Nachlaufreaktion zur Verfügung gestellt wird. Daher wird ermöglicht, die Erfindung bei einer Maschine einzusetzen, die eine synchronisierte Steuerung durchführt.

ZUSAMMENFASSUNG

Ein Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Servosteuervorrichtung, welche die Positionsabweichung der Positionsabweichung bei einer konstanten Geschwindigkeit als auch die Positionsabweichung bei einer konstanten Beschleunigung oder bei einer konstanten Beschleunigung und einer ruckartigen Bewegung zu Null machen kann, um hierdurch eine hochgenaue Nachlaufreaktion zur Verfügung zu stellen.

Um dieses Problem zu lösen, weist die Servosteuervorrichtung gemäß der Erfindung eine Positionssteuerung (3) zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsbefehls auf, welcher den Motorausgangswert mit einer Sollposition zur Übereinstimmung bringt, eine Vorwärtskopplungssteuerung (4) zum Addieren eines Signals, das durch Multiplizieren der Ableitung eines Sollbefehls mit einer Verstärkung erhalten wird, und eines Signals, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Verstärkung erhalten wird, und zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals, sowie eine Geschwindigkeitssteuerung (2) zur Durchführung einer I-P- oder PI-Steuerung des Motors (1).


Anspruch[de]
Servosteuervorrichtung, bei welcher vorgesehen sind:

eine Geschwindigkeitssteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung eines Motors;

eine Positionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums eines Sollbefehls und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitssteuerung; und

eine erste Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes und zur Ausgabe eines ersten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung; wobei

die erste Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF addiert, als ein erstes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2, das sich ergebende Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt, und die Steuerverstärkung so einstellt, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors bei einer konstanten Beschleunigung gleich Null ist.
Servosteuervorrichtung, bei welcher vorgesehen sind:

eine Geschwindigkeitssteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung eines Motors;

eine Fositionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums eines Sollbefehls, und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitssteuerung; und

eine erste Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes und zur Ausgabe eines ersten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung; wobei

die Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF addiert, als ein erstes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2, das sich ergebende Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt, und die Steuerverstärkung so einstellt, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null bei einer konstanten Beschleunigung ist, und dann, wenn der Sollbefehlinkrementierungswert &Dgr;r kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei Verzögerung ist, den Ausgangswert des dritten Vorwärtskopplungssignals zu Null macht, oder diesen mit einer vorhanden Verstärkung multipliziert, und das sich ergebende Signal ausgibt.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher

die erste Vorwärtskopplungssteuerung ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt
[Formel 1]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, die so eingestellt ist, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null ist, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum ist, und

das Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher

die erste Vorwärtskopplungssteuerung ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt
[Formel 2]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, die so eingestellt ist, dass die Abweichung zwischen der Sollposition und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null ist, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum ist, und

nur dann, wenn der Sollbefehlinkrementierungswert &Dgr;r kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei Verzögerung ist, ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt
[Formel 3]
wobei K3 eine Verstärkung ist, und

das Signal an die Geschwindigkeitssteuerung ausgibt.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher

die Positionssteuerung ein Regelsystem mit Prädiktion zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes &Dgr;r(i + M) zu einem Abtastzeitpunkt M in der Zukunft und des Positionsausgabeinkrementierungswertes &Dgr;r(i – K) vor K (K ≥ 0) Abtastungen zur momentanen Zeit i ist, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls u(i), welcher folgende Bewertungsfunktion minimiert
[Formel 4]
wobei e*(i + m) ein Abweichungsvorhersagewert zu einer Abtastzeit m in der Zukunft ist, wm, &agr; Koeffizienten zum Multiplizieren einer Abweichung by sind, und c und cd Koeffizienten zum Multiplizieren eines Geschwindigkeitsbefehls u(i) und seines Inkrementierungswertes &Dgr;u(i) sind.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher

die Positionssteuerung die Charakteristik folgender Übertragungsfunktion aufweist
[Formel 5]
wobei u der Geschwindigkeitsbefehl ist, &Dgr;y der Positionsausgabeinkrementierungswert, E ein Steuerparameter, ffv eine Vorwärtskopplungsverstärkung, und Vsum, G(z), X(z), P0 gegeben sind durch Vsum = vsum/{Kgv(1 + Cp)} G(z) = (g1* – CD)z–1/(1 + CD) X(z) = (1 + g1*·z–1/(1 + CD) P0 = (–1 – g1* + Ts vsum)/{Kgv Ts(1 + CD)} und

g1*, vsum, CD Steuerparameter sind, und Kqv eine konstante Verstärkung von einem Geschwindigkeitsbefehl zu einer Geschwindigkeitsrückkopplung ist.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine I-P-Steuerung ist,

das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal in der Vorwärtskopplungssteuerung aus einer Vorwärtskopplungsverstärkung ffv gegeben ist durch VFF = ffv/Ts·&Dgr;r, und

K2 als eine Steuerverstärkung gegeben ist durch K2 = T1·(1 – ffv) + Ts{CD(1 – ffv) – g1*}/(1 + g1*) + D·Ti/(J·Kv) wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitsteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine PI-Steuerung ist,

das zweite Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF in der ersten Vorwärtskopplungssteuerung sich aus der Vorwärtskopplungsverstärkung ffv folgendermaßen ergibt VFF = ffv/Ts·&Dgr;r, und

K2 als eine Steuerverstärkung gegeben ist durch K2 = Ts{CD(1 – ffv) – g1*}/(1 + g1*) + D·Ti(J·Kv) wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher

die Positionssteuerung eine Proportionalsteuerung ist,

die Geschwindigkeitssteuerung eine PI-Steuerung oder eine I-P-Steuerung ist, und

das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF in der Vorwärtskopplungssteuerung sich aus der Vorwärtskopplungsverstärkung ffv folgendermaßen ergibt VFF = ffv/Ts·&Dgr;r und

K2 und ffv als Parameter gegeben sind durch K2 = D·Ti/(J·Kv) ffv = 1 wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung.
Servosteuervorrichtung, die eine derartige Steuerung durchführt, dass der Ausgangswert eines Motors, der viskose Reibung aufweist, an einen Sollbefehl angepasst wird, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Geschwindigkeitssteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung des Motors;

eine Positionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Sollbefehls, und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitssteuerung; und

eine Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung; wobei

die Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF addiert, und als ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 das sich ergebende Signal ausgibt, und

die Verstärkung ffv und die Verstärkung K2 so eingestellt sind, dass die Abweichung zwischen dem Sollbefehl und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null bei einer konstanten Beschleunigung und einer konstanten, ruckartigen Bewegung ist.
Servosteuervorrichtung, die eine derartige Steuerung durchführt, dass der Ausgangswert eines Motors, der viskose Reibung aufweist, an einen Sollbefehl angepasst wird, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Geschwindigkeitssteuerung zur Durchführung einer Geschwindigkeitssteuerung des Motors;

eine Positionssteuerung zur Eingabe eines Sollbefehlinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Sollbefehls, und eines Positionsausgabeinkrementierungswertes als ein Inkrement des Abtastzeitraums des Positionsausgabewertes des Motors, und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls an die Geschwindigkeitssteuerung; und

eine Vorwärtskopplungssteuerung zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes und zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignals an die Geschwindigkeitssteuerung; wobei

die Vorwärtskopplungssteuerung ein drittes Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal, das durch Multiplizieren der Ableitung zweiter Ordnung des Sollbefehls mit einer Steuerverstärkung erhalten wird, zu einem zweiten Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF addiert, und als ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 das sich ergebende Signal ausgibt,

die Verstärkung ffv und die Verstärkung K2 so eingestellt sind, dass die Abweichung zwischen dem Sollbefehl und dem Positionsausgabewert des Motors gleich Null bei einer konstanten Beschleunigung und bei einer konstanten, ruckartigen Bewegung ist, und

dann, wenn der Sollbefehlinkrementierungswert &Dgr;r kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei Verzögerung ist, die Vorwärtskopplungssteuerung die Verstärkung K2 zu Null macht, oder eine Verstärkung einstellt, die durch Multiplizieren der Verstärkung K2 mit einer voreingestellten Verstärkung K3 erhalten wird.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher

die Vorwärtskopplungssteuerung eine Vorwärtskopplungssteuerung ist, die das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgender Formel erzeugt
[Formel 6]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Vorwärtskopplungssteuerung eine Vorwärtskopplungssteuerung ist, die das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgender Formel erzeugt
[Formel 7]
wobei &Dgr;r der Sollbefehlinkrementierungswert ist, Ts ein Abtastzeitraum, K2 eine Steuerverstärkung, und z–1 eine Verzögerung entsprechend einem Abtastzeitraum, und

dann, wenn der Sollbefehlinkrementierungswert kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle bei Verzögerung ist, ein Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VF2 entsprechend folgendem Ausdruck erzeugt
[Formel 8]
wobei K3 eine Verstärkung ist.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher

die Positionssteuerung ein Regelsystem mit Prädiktion zur Eingabe des Sollbefehlinkrementierungswertes &Dgr;r(i + M) zu einem Abtastzeitpunkt M in der Zukunft und des Positionsausgabeinkrementierungswertes &Dgr;r(i – K) vor der Abtastung K (K ≥ 0) zur momentanen Zeit I ist, und ein Geschwindigkeitsbefehl u(i) ausgibt, der folgende Bewertungsfunktion minimiert
[Formel 9]
wobei e*(i – m) ein Abweichungsvorhersagewert zu einer Abtastzeit m in der Zukunft ist, wm, &agr; Koeffizienten zum Multiplizieren einer Abweichung by sind, c und cd Koeffizienten zum Multiplizieren eines Geschwindigkeitsbefehls u(i) und seines Inkrementierungswertes &Dgr;u(i) sind.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher

die Positionssteuerung eine folgende Übertragungsfunktionscharakteristik aufweist
[Formel 10]
wobei u der Geschwindigkeitsbefehl ist, &Dgr;y der Positionsausgabeinkrementierungswert, E ein Steuerparameter, ffv eine Vorwärtskopplungsverstärkung, und vsum, G(z), X(z), P0 gegeben sind durch
[Formel 11]
wobei g1*, Vsum, CD Steuerparameter sind, und Kgv eine konstante Verstärkung von einem Geschwindigkeitsbefehl zu einer Geschwindigkeitsrückkopplung ist.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine I-P-Steuerung ist, und

das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF in der Vorwärtskopplungssteuerung sich aus einer Vorwärtskopplungsverstärkung ffv ergibt durch VFF = ffv/Ts·f &Dgr;r, und die Vorwärtskopplungsverstärkung ffv gegeben ist durch
[Formel 12]
wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung, und

K2 als eine Steuerverstärkung gegeben ist durch
[Formel 13]
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher

die Geschwindigkeitssteuerung eine PI-Steuerung ist,

das Geschwindigkeitsvorwärtskopplungssignal VFF in der Vorwärtskopplungssteuerung sich aus einer Vorwärtskopplungsverstärkung ffv ergibt durch VFF = ffv/Ts·&Dgr;r,

die Vorwärtskopplungsverstärkung ffv gegeben ist durch
[Formel 14]
wobei D ein Koeffizient der viskosen Reibung ist, J das Motorträgheitsmoment, Ti eine Geschwindigkeitsschleifenintegrationszeit in der Geschwindigkeitssteuerung, und Kv eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Geschwindigkeitssteuerung, und

K2 als eine Steuerverstärkung gegeben ist durch
[Formel 15]






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