DE102010036500B4 - Steuervorrichtung für einen Elektromotor mit einer Funktion zum zeitgleichen Bestimmen von Trägheit und Reibung - Google Patents
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Abstract
Steuervorrichtung (10) zum Steuern eines Elektromotors (2), der eine Antriebswelle (4) einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine antreibt, umfassend:
eine Sinuswellenbefehlseinrichtung (40), die einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl oder einem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert;
eine Einrichtung zum Gewinnen eines Stromstärke-Feedbackwerts (31), die ein Stromstärke-Feedbacksignal eines in dem Elektromotor (2) fließenden elektrischen Stroms als Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält;
eine Einrichtung zum Gewinnen eines Geschwindigkeits-Feedbackwerts (32), die ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal der Geschwindigkeit des Elektromotors (2) als Geschwindigkeits-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält;
eine Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts, die einen Stromstärkeschätzwert aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und der geschätzten Trägheit und geschätzten Reibungskraft der Antriebswelle (4) berechnet;
eine Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers, die den geschätzten Fehler aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet; und ...
eine Sinuswellenbefehlseinrichtung (40), die einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl oder einem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert;
eine Einrichtung zum Gewinnen eines Stromstärke-Feedbackwerts (31), die ein Stromstärke-Feedbacksignal eines in dem Elektromotor (2) fließenden elektrischen Stroms als Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält;
eine Einrichtung zum Gewinnen eines Geschwindigkeits-Feedbackwerts (32), die ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal der Geschwindigkeit des Elektromotors (2) als Geschwindigkeits-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält;
eine Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts, die einen Stromstärkeschätzwert aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und der geschätzten Trägheit und geschätzten Reibungskraft der Antriebswelle (4) berechnet;
eine Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers, die den geschätzten Fehler aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet; und ...
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 1. Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor, der eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine antreibt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor mit der Funktion zum zeitgleichen Bestimmen von Trägheit und Reibung.
- 2. Beschreibung des dazugehörigen Fachgebietes
- Die Identifizierung der Größen Trägheit, viskose Reibung und Coulomb-Reibung eines angetriebenen Körpers einer von einem Elektromotor angetriebenen Werkzeugmaschine ist wichtig, damit die Verarbeitungsbedingungen der Werkzeugmaschine bestimmt werden und die von dem Elektromotor angetriebenen Antriebswellegenau gesteuert wird.
- Bei der Bestimmung der Zeitkonstante eines Beschleunigungs- und Abbremsbefehls als Verarbeitungsbedingungen muss man beispielsweise die Trägheit und die Reibung genau identifizieren, so dass eine stabile Steuerung ermöglicht wird und sich Beschleunigung und Abbremsung des Elektromotors hinreichend ausnutzen lassen. Zudem muss man bei der Steuerung die Trägheit und Reibung genau identifizieren, mit denen man die Verstärkung, die die Reaktion der Geschwindigkeitssteuerung bestimmt, berechnet. Zudem wird ein Störmelder mittels Trägheit und Reibung derart konfiguriert, dass die Robustheit eines Servos verbessert werden kann.
- Als Technik zum Abschätzen der Trägheit offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP H08-140 386 A - Als Technik zur Abschätzung der Reibung offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP H08-15 058 A - Wie vorstehend beschrieben berechnet die Technik zur Bestimmung von Trägheit und Reibung gewöhnlich die Trägheit und Reibung aus dem Stromstärke-Feedback I des Elektromotors bei Betrieb und der aus dem Geschwindigkeitsfeedback bestimmten Beschleunigung. Abgesehen davon gibt es eine Technik zur Definition eines internen Modells eines Steuerziels zur Abschätzung der Konstanten des Modells, d. h. Trägheit und Reibung, so dass ein Fehler zwischen einem Geschwindigkeitsausgang aus dem Modell, der mit dem Drehmomentbefehl versorgt wird, und einer tatsächlichen Geschwindigkeit vermindert wird
- Die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP H08-249 031 A - Kommt es zu einer Drehmoment-Abweichung, wie bei einer Schwerkraftachse, auf die eine feste Kraft oder eine große Coulomb-Reibung ausgeübt wird, verschlechtert sich die Schätzgenauigkeit der Trägheit. Als Lösung offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP 2006-074 896 A - Als Technik zur Abschätzung von Trägheit und Reibung durch eine Maschine, deren Arbeitsbereich eingeschränkt ist, offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP 2007-295 678 A - Die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP 2000-172 341 A - Ist die Konfiguration des angetriebenen Körpers kompliziert, lassen sich Trägheit und Reibung des angetriebenen Körpers nicht leicht genau identifizieren. Jedes Mal, wenn sich Trägheit und Reibung des angetriebenen Körpers beim Befestigen und Demontieren des Werkstücks ändern, muss man die Trägheit und Reibung zusätzlich erfassen. Dies lässt sich in kurzer Zeit nicht leicht genau durchführen.
- Bei der in
JP H08-140 386 A - In der in
JP H08-15 058 A - In der in
JP H08-249 031 A - In der in
JP-A Nr. 2006-074896 JP-A Nr. 8-249031 - In der in
JP 2007-295 678 A - Die Patentanmeldung der japanischen Patentanmeldung
JP 2010-148 178 A - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Angesichts der Probleme des dazugehörigen Fachgebiets ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Steuervorrichtung eines Elektromotors, deren Funktion die zeitgleiche Bestimmung von Trägheit und Reibung ist und die die Schätzgenauigkeit der Trägheit verbessert.
- Zur Erzielung der vorstehenden Aufgabe umfasst eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Elektromotors, der eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung antreibt: eine Sinuswellenbefehlseinrichtung, die einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl oder einem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Stromstärke-Feedbackwerts, die ein Stromstärke-Feedbacksignal eines in dem Elektromotor fließenden elektrischen Stroms als Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Geschwindigkeits-Feedbackwerts, die ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal der Geschwindigkeit des Elektromotors als Geschwindigkeits-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts, die einen Stromstärkeschätzwert aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und der geschätzten Trägheit und geschätzten Reibungskraft der Antriebswelle berechnet; eine Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers, die den geschätzten Fehler aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet; und eine Aktualisierungseinrichtung, die die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung der Antriebswelle mit dem in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem geschätzten Fehler aktualisiert.
- Die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts kann umfassen: eine Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz, die die Differenz zwischen einem aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert und einem zuvor erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert des in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbacks berechnet; eine erste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten Trägheit berechnet; eine zweite Recheneinrichtung, die das Produkt des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten viskosen Reibung berechnet; und eine dritte Recheneinrichtung, die das Produkt der Polarität des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbacks und der geschätzten Coulomb-Reibung berechnet, wobei die von der ersten, zweiten und dritten Recheneinrichtung bestimmten Werte zum Berechnen der Stromstärkeschätzwerts verwendet werden.
- Die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts kann den Stromstärkeschätzwert mit der folgenden Gleichung berechnen:
x(n) = Jm / Kt·T·(ω(n) – ω(n – 1)) + C1 / Kt·ω(n) + C3 / Kt·sign(ω(n))
Jm die geschätzte Trägheit, Kt die Drehmomentkonstante des Motors, T der Erfassungszeitraum, C1 die geschätzte viskose Reibung, C3 die geschätzte Coulomb-Reibung, sign ein Signum, ω(n) der im aktuellen Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, ω(n – 1) der im vorhergehenden Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, x(n) der Stromstärkeschätzwert und n = 1, 2, 3.... - Die Aktualisierungseinrichtung kann umfassen: eine Differenzberechnungseinrichtung, die die Differenz zwischen dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem im vorhergehenden Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert der in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerte berechnet; eine vierte Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Differenzberechnungseinrichtung berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ1 berechnet, die eine Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine fünfte Recheneinrichtung, die das Produkt aus dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ2 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine sechste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der Polarität des im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ3 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Trägheit, die das von der vierten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Trägheit addiert, so dass eine neue geschätzte Trägheit berechnet wird; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten viskosen Reibung, die das von der fünften Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten viskosen Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte viskose Reibung berechnet wird; und eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Coulomb-Reibung, die das von der sechsten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Coulomb-Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte Coulomb-Reibung berechnet wird.
- Wird die Gleichung, mit der die geschätzte Stromstärke berechnet wird, in die folgende Form umgeschrieben:
x(n) = h0·ν0(n) + h1·ν1(n) + h2·ν2(n)
h0 = Jm/(Kt·T), h1 = C1/Kt, h2 = C3/Kt, ν0(n) = (ω(n) – ω(n – 1)), ν1(n) = ω(n) und ν2(n) = sign(ω(n))
kann die Aktualisierungseinrichtung die Koeffizienten h0, h1 und h2 in jedem Erfassungszeitraum durch die folgenden beiden Gleichungen aktualisieren:hm(n) = hm(n – 1) + μm(n)·e(n)·νm(n) - Die Einrichtung zum Gewinnen des Stromstärke-Feedbackwerts kann den Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum über eine Verzögerungseinrichtung erhalten, die das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert.
- Die Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers kann den geschätzten Fehler berechnen, indem sie den Stromstärke-Feedbackwert durch einen Hochpassfilter leitet.
- Die Steuervorrichtung kann zudem anstelle der Sinuswellenbefehlseinrichtung eine M-Sequenzbefehlseinrichtung zum Erzeugen eines M-Sequenzbefehls und einen Tiefpassfilter umfassen, der den M-Sequenzbefehl von der M-Sequenzbefehlseinrichtung leitet, wobei der durch den Tiefpassfilter tretende M-Sequenzbefehl zu dem Drehmomentbefehl oder dem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert werden kann.
- Die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung können zum Konfigurieren eines Störmelders verwendet werden, der das geschätzte Störmoment aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet, wobei die Steuervorrichtung zudem umfasst: eine Einrichtung zum Multiplizieren mit der Korrekturverstärkung Kd, die das Ausmaß der Korrektur des geschätzten Störmoments einstellt; und eine Einrichtung zum Addieren des Ergebnisses zu dem Drehmomentbefehl.
- Erfindungsgemäß lässt sich eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor mit der Funktion zum zeitgleichen Abschätzen von Trägheit und Reibung und Verbessern der Schätzgenauigkeit der Trägheit bereitstellen.
- Erfindungsgemäß wird der Sinuswelleneingang oder der M-Sequenzeingang verwendet, so dass der Betriebsbereich verkleinert werden kann, und es wird das Verfahren zur folgenden Aktualisierung der Trägheit und der geschätzten Reibung in jeder Erfassung, aber nicht das Verfahren der kleinsten Quadrate verwendet. Daten, die für einen festgelegten Zeitraum erfasst werden, müssen nicht kumuliert werden. Man benötigt keinen großen Datenspeicher. Die Coulomb-Reibung und die viskose Reibung können zudem gleichzeitig bestimmt werden.
- Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Abschätzung der Coulomb-Reibung selbst zusammen mit Trägheit und viskoser Reibung verwendet. Der Einfluss der Coulomb-Reibung auf die Genauigkeit der geschätzten Trägheit kann reduziert werden.
- Erfindungsgemäß wird zudem das Verfahren zum zeitgleichen Abschätzen von Trägheit, viskoser Reibung, und Coulomb-Reibung mit der folgenden Anpassung angewendet, bei der kein Forurier-Transformator, jedoch ein Modell der inversen Transferfunktion verwendet wird, um den geschätzten Fehler zu minimieren. Die für einen festgelegten Zeitraum festgelegten Daten müssen nicht kumuliert werden. Man benötigt keinen großen Datenspeicher.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorstehenden und anderen Aufgaben und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung der folgenden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In diesen Zeichnungen zeigt:
-
1 , ein Blockschema, die schematische Konfiguration eines Steuersystems, einschließlich einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung; -
2 ein Blockschema zur genaueren Erläuterung der Konfiguration einer Servosteuervorrichtung des in1 gezeigten Steuersystems; -
3 ein Blockschema zur Erläuterung der Konfiguration des in2 gezeigten Abschnitts zum Abschätzen von Trägheit und Reibung; -
4 ein Schaubild zur Erläuterung der Abschätzung der inversen Transferfunktion, die von der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ausgeführt wird; -
5 ein Schaubild zur Erläuterung des in4 gezeigten Abschnitts zum Abschätzen der inversen Transferfunktion, die einen Koeffizient hm von Gleichung (2) bestimmt, so dass ein geschätzter Fehler e(n) reduziert werden kann; -
6 , ein Schaubild, die Beziehung zwischen der Reibungseigenschaft der viskosen Reibung und der Coulomb-Reibung und der Geschwindigkeit; -
7 ein Fließschema des Verfahrens zur Abschätzung von Trägheit und Reibung eines Servosteuerabschnitts, einschließlich des Abschnitts zur Abschätzung von Trägheit und Reibung; -
8 ein Schaubild zum Erläutern der Verzögerung durch Differenzberechnung, wenn ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal erfasst wird; -
9 ein Schaubild zur Erläuterung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit einer Einrichtung zum Verzögern eines Stromstärke-Feedbacksignals auf die Hälfte eines Erfassungszeitraums, so dass man das Stromstärke-Feedbacksignal in jedem Erfassungszeitraum erfasst; -
10 ein Schaubild zur Erläuterung der Verbesserung der Schätzgenauigkeit, indem der Stromstärke-Feedbackwert durch einen Hochpassfilter geleitet wird, so dass der Einfluss der Drehmomentabweichung entfernt wird; -
11 ein Schaubild zur Erläuterung einer Ausführungsform mit einem M-Sequenzbefehl anstelle eines Sinuswellenbefehls; -
12A bis12D Schaubilder zur Unterstützung der Erläuterung der Verbesserung der Schätzgenauigkeit und Abschätzung der Geschwindigkeit mittels M-Sequenzbefehl als Geschwindigkeitseingang zur Abschätzung; und -
13 ein Schaubild zur Erläuterung der Reduktion des Einflusses der Verarbeitungsstörung zur Gewährleistung einer Hochpräzisionsverarbeitung durch Anhalten des Abschnitts zur Abschätzung der inversen Transferfunktion und des Sinuswelleneingangs, Eingeben des Störmoments zum Zeitpunkt der Verarbeitung als geschätzter Fehler und Verwenden des geschätzten Fehlers (= geschätztes Störmoment), so dass ein Drehmomentbefehl korrigiert wird. - EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die
1 ist ein Blockschema, das die schematische Konfiguration eines Steuersystems, einschließlich einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, zeigt. - Wie in
1 gezeigt, ist in einer Ausführungsform (eine Servosteuervorrichtung10 ) der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, ein Elektromotor2 , der einen angetriebenen Körper4 antreibt, ein Steuerziel. Der Elektromotor2 ist eine Antriebsquelle, die die Position und die Lage eines Tischs ändert, der ein Werkstück in einer Werkzeugmaschine hält; oder die als Antriebsquelle zum Drehen eines Roboterarms verwendet wird. Der angetriebene Körper4 umfasst den Tisch und den Roboterarm, der ein Werkstück in einer Werkzeugmaschine hält, wobei das Werkstück an dem Tisch oder dem Arm befestigt ist oder von ihnen abgenommen wird, und den Betriebsabschnitt des Elektromotors2 selbst. Der angetriebene Körper4 hat eine Reibungseigenschaft, einschließlich der viskosen Reibung und der Coulomb-Reibung. - Die Position, Geschwindigkeit und das Drehmoment des Elektromotors
2 werden durch die Servosteuervorrichtung10 gesteuert. Die Servosteuervorrichtung10 ist an eine obere Steuervorrichtung20 , wie eine CNC (numerische Steuervorrichtung) angeschlossen, die die Positions-, Geschwindigkeits-, und Drehmomentbefehle des Elektromotors2 an den Arbeitsprozess ausgibt. Es kann eine Anzahl von Servosteuervorrichtungen10 an die obere Steuervorrichtung20 angeschlossen sein. - Wie später anhand von
2 beschrieben, überträgt die obere Steuervorrichtung20 ein Startsignal an einen Abschnitt40 zur Erzeugung eines Sinuswellenbefehls und einen Abschnitt30 zur Abschätzung von Trägheit und Reibung der Servosteuervorrichtung10 . Der Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung überträgt bei Beendigung der Berechnung der Schätzwerte von Trägheit und Reibung ein Berechnungsbeendigungssignal und die durch die Abschätzung erhaltenen Trägheitsdaten an die obere Steuervorrichtung20 . Die obere Steuervorrichtung20 empfängt das vom Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung übertragene Beendigungssignal und die durch Abschätzen erhaltene Trägheit Jm. - Die
2 ist ein Blockschema zur Erläuterung der Konfiguration der Servosteuervorrichtung10 , die in1 genauer gezeigt ist. - Wie in
2 gezeigt, hat die Servosteuervorrichtung10 einen Positionssteuerabschnitt11 , einen Geschwindigkeitssteuerabschnitt12 , einen Stromstärkesteueraschnitt13 und einen Verstärker14 . Der Positionssteuerabschnitt11 und der Geschwindigkeitssteuerabschnitt12 werden gemäß einem Befehlssignal von der oberen Steuervorrichtung20 und den Positions- und Geschwindigkeits-Feedbacksignalen von einem am Elektromotor2 befestigten Detektor3 auf der Basis der eingestellten Positionsverstärkung Kp bzw. Geschwindigkeitsverstärkung betrieben. Der Ausgang (Spannungsbefehl) des Stromstärkesteuerabschnitts13 wird in den Verstärker14 eingegeben. Der Verstärker14 steuert den elektrischen Strom, mit dem der Elektromotor2 gemäß dem Eingangssignal versorgt wird. - Die Servosteuervorrichtung
10 hat zudem einen Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung. Das Geschwindigkeits-Feedbacksignal vom Detektor3 , der am Elektromotor2 angebracht ist, und ein Stromstärke-Feedbacksignal vom Verstärker14 werden in den Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung eingegeben. Der Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung berechnet die Trägheit (Trägheitsmoment) und die Reibung des angetriebenen Körpers4 gleichzeitig mit dem Geschwindigkeits-Feedbacksignal und dem Stromstärke-Feedbacksignal. Die berechneten Trägheitsdaten werden in die obere Steuervorrichtung20 zusammen mit dem Beendigungssignal ausgegeben. Die Reibung lässt sich berechnen, wobei zwischen viskoser Reibung und Coulomb-Reibung unterschieden wird. - Die
3 ist ein Blockschema zum Erläutern der Konfiguration des in2 gezeigten Abschnitts30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung. - In
3 erfasst ein Abschnitt31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks das Stromstärke-Feedbacksignal, das den Stromstärkewert anzeigt, der in einem festgelegten Erfassungszeitraum T zum Elektromotor2 fließt und ruft diesen als Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB in den Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab. Entsprechend erfasst ein Abschnitt32 zum Erfassen eines Geschwindigkeits-Feedbacks das Geschwindigkeits-Feedbacksignal, das von dem Detektor3 ausgegeben wird, der die Geschwindigkeit von Elektromotor2 im festgelegten Erfassungszeitraum T ermittelt und ruft diese als Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB in den Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab. - Ein inverses Transferfunktionsmodell
33 umfasst eine Funktionsgleichung, die die geschätzte Trägheit Jm, die der tatsächlichen Trägheit Jms eines Steuerziels1 entspricht, und die geschätzte Reibung Cf, die der tatsächlichen Reibung Cfs des Steuerziels1 entspricht, einsetzt. Entsprechend dem inversen Transferfunktionsmodell33 wird die geschätzte Reibung Cf berechnet, wobei die geschätzte viskose Reibung C1 und die geschätzte Coulomb-Reibung C3 unterschieden werden. - Ein Abschnitt
34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion beinhaltet einen Rechenausdruck, der die tatsächliche Trägheit Jms und die tatsächliche Reibung Cfs des Steuerziels1 abschätzt. Der Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion schätzt den Koeffizient des inversen Transferfunktionsmodells33 durch Berechnen, so dass ein geschätzter Fehler e(n) reduziert werden kann. Der Koeffizient des Rechenausdrucks des inversen Transferfunktionsmodells33 wird durch den Koeffizient aktualisiert, der vom Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion geschätzt wird, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Hier umfasst der Koeffizient die geschätzte Trägheit Jm, die geschätzte viskose Reibung C1, und die geschätzte Coulomb-Reibung C3. - Die Funktion der Übertragung und des Empfangs der Signale zu bzw. von der oberen Steuervorrichtung
20 des in3 gezeigten Abschnitts30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung wird nicht beschrieben. -
4 ist ein Schaubild, das die von der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ausgeführte Abschätzung der inversen Transferfunktion erläutert. - In
4 hat der Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung wie anhand von3 beschrieben den Abschnitt31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks, den Abschnitt32 zum Erfassen des Geschwindigkeits-Feedbacks, das inverse Transferfunktionsmodell33 , und den Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion. Der Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung beginnt mit dem Abschätzvorgang von Trägheit und Reibung bei Erhalt des Startsignalausgangs von der oberen Steuervorrichtung20 (siehe2 ). - Der Abschnitt
31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks erfasst ein Stromstärke-Feedbacksignal i(t), das den Stromstärkewert anzeigt, der im festgelegten Erfassungszeitraum T im Elektromotor2 fließt und ruft diesen als Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB in den Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab. Entsprechend erfasst der Abschnitt32 zum Erfassen des Geschwindigkeitsfeedbacks das Geschwindigkeits-Feedbacksignal ω(t), das vom Detektor3 ausgegeben wird, der die Geschwindigkeit von Elektromotor2 in dem festgelegten Erfassungszeitraum T ermittelt und ruft diesen als Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB in den Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ab. - Der von dem Abschnitt
32 zum Erfassen des Geschwindigkeits-Feedbacks erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB wird in das inverse Transferfunktionsmodell33 und in den Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion eingegeben. Das inverse Transferfunktionsmodell33 umfasst eine Funktionsgleichung, in die die geschätzte Trägheit Jm und die geschätzte Reibung Cf, die gleichzeitig vom Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion abgeschätzt werden, eingehen. Gemäß dem inversen Transferfunktionsmodell33 wird Cf berechnet, wobei die geschätzte viskose Reibung C1 und die geschätzte Coulomb-Reibung unterschieden werden. Ein Stromstärkeschätzwert x(n), der den Stromstärkewert abschätzt, wird von dem inversen Transferfunktionsmodell33 ausgegeben. Der geschätzte Fehler e(n), der die Differenz zwischen dem Stromstärkeschätzwert x(n) und dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB ist, wird bestimmt. - Der Abschnitt
34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion umfasst einen Rechenausdruck, der die tatsächliche Trägheit Jms und die tatsächliche Reibung Cfs des Steuerziels1 abschätzt. Der Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion schätzt den Koeffizient des inversen Transferfunktionsmodells33 durch Berechnen in jedem Erfassungszeitraum, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Der Koeffizient des Rechenausdrucks des inversen Transferfunktionsmodells33 wird durch den Koeffizient aktualisiert, der von dem Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion geschätzt wird, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Der Koeffizient des inversen Transferfunktionsmodells33 umfasst die geschätzte Trägheit Jm und die geschätzte Reibung Cf. Die geschätzte Reibung Cf besteht aus der geschätzten viskosen Reibung C1 und der geschätzten Coulomb-Reibung C3. -
5 ist ein Schaubild, das den in4 gezeigten Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion erläutert, der einen Koeffizient hm der später beschriebenen Gleichung (2) abschätzt, so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. - Das inverse Transferfunktionsmodell
33 berechnet den Stromstärkeschätzwert x(n) durch die folgende Gleichung:x(n) = Jm / Kt·T·(ω(n) – ω(n – 1)) + C1 / Kt·ω(n) + C3 / Kt·sign(ω(n)) (1)
Jm die geschätzte Trägheit, Kt die Drehmomentkonstante des Motors, T der Erfassungszeitraum, C1 die geschätzte viskose Reibung C3 die geschätzte Coulomb-Reibung, sign ein Signum, ω(n) der aktuell erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, ω(n – 1) der zuvor erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, x(n) der Stromstärkeschätzwert, und n = 1, 2, 3.... - Das Signum ist einer der Werte von +1, 0 und –1.
- Wie durch Gleichung (1) gezeigt wird das erfindungsgemäße inverse Transferfunktionsmodell
33 durch einen Trägheitsterm, einen Term der viskosen Reibung, und einen Coulomb-Reibungsterm geformt. Die Beziehung zwischen der Reibungseigenschaft der viskosen Reibung, der Coulomb-Reibung und der Geschwindigkeit ist wie in der6 gezeigt. - Hier wird die Gleichung (1) zur Vereinfachung der Schreibweise in die folgende Gleichung umgeschrieben:
x(n) = h0·ν0(n) + h1·ν1(n) + h2·ν2(n) (2)
h0 = Jm/Kt/T), h1 = C1/Kt, h2 = C3/Kt, ν0(n) = (ω(n) – ω(n – 1)), ν1(n) = ω(n) und 2(n) = sign(ω(n)), und n = 1, 2, 3.... - Bei der vorliegenden Erfindung können die geschätzte Trägheit Jm und die geschätzte Reibung Cf zur tatsächlichen Trägheit Jms und zur tatsächlichen Reibung Cfs konvergieren, selbst wenn Anfangswerte (h0, h1 h2) der geschätzten Trägheit Jm und der geschätzten Reibung Cf (C1, C3) von Null oder einem geeigneten Wert geschätzt werden. Die zuvor geschätzten und bestimmten Daten sollten üblicherweise gespeichert und als Anfangswert eingestellt werden.
- Die Gleichung, die die Koeffizienten h0(n), h1(n) und h2(n) der Gleichung (2) aktualisiert, wird durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) ausgedrückt. Die Koeffizienten h0(n), h1(n), und h2(n) werden in jedem Erfassungszeitraum aktualisiert. Der Abschnitt
34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion schätzt den Koeffizienten hm(n) von Gleichung (2) des inversen Transferfunktionsmodells33 , so dass der geschätzte Fehler e(n) reduziert werden kann. Man beachte, dass m = 0, 1, 2. m = 0 ist die Trägheit, m = 1 ist die viskose Reibung, und m = 2 ist die Coulomb-Reibung.hm(n) = hm(n – 1) + μm(n)·e(n)·νm(n) (3) -
7 ist ein Fließschema des Verfahrens zum Abschätzen von Trägheit und Reibung des Servosteuerabschnitts10 , einschließlich des Abschnitts30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung. Dies wird nachstehend anhand der einzelnen Schritte beschrieben. - [Schritt S1] Der Betrieb der Startbefehlsbereitschaft des Schätzverfahrens des Abschnitts
30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung wird ausgeführt. Das Start-Timing des Verfahrens von Abschnitt30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung kann zuvor vom Operator an der oberen Steuervorrichtung20 gemäß der Verarbeitungsschritte als einer der Vorgänge der entsprechenden Abschnitte eingestellt werden. Alternativ kann die obere Steuervorrichtung20 das Timing automatisch beurteilen, bei dem die tatsächliche Trägheit Jms des angetriebenen Körpers4 durch das Anbringen und das Demontieren des Werkstücks geändert wird, so dass der Startbefehl des Verarbeitungsabschnitts30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung ausgegeben wird. - [Schritt S2] Wird das Startsignal eingegeben, gibt der Abschnitt
40 zur Erzeugung eines Sinuswellenbefehls einen Sinuswellenbefehl mit einer vorbestimmten Frequenz (beispielsweise 10 Hz) aus. Der ausgegebene Sinuswellenbefehl wird zum Drehmomentbefehl addiert, der von dem Geschwindigkeitssteuerabschnitt12 ausgegeben wird. Der Geschwindigkeitssteuerabschnitt12 wird vorzugsweise so gesteuert, dass der feste Drehmomentbefehl ausgegeben wird, der die Abweichung der Schätzgenauigkeit reduzieren kann, wobei das Verfahren zum Abschätzen von Trägheit und Reibung immer gleich bleibt. - [Schritt S3] Der Anfangswert des Koeffizienten des inversen Transferfunktionsmodells
33 wird gelesen. - [Schritt S4] Der Feedback (FB) des Geschwindigkeits-Feedbackwertes ω(0) wird abgerufen.
- [Schritt S5] Der Index n wird auf 1 gestellt.
- [Schritt S6] Das Stromstärke-Feedbacksignal und das Geschwindigkeits-Feedbacksignal werden als Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB und Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB von dem Abschnitt
31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks bzw. Abschnitt32 zum Erfassen des Geschwindigkeits-Feedbacks in dem festgelegten Erfassungszeitraum T abgerufen. - [Schritt S7] Der Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB wird zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts x(n) auf der Basis des inversen Transferfunktionsmodells
33 verwendet. - [Schritt S8] Der geschätzte Fehler e(n) wird aus dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB und dem Stromstärkeschätzwert x(n) berechnet.
- [Schritt S9] Es wird beurteilt, ob der in Schritt S8 geschätzte Fehler e(n) innerhalb eines festgelegten Bereichs ist. Ist der geschätzte Fehler e(n) innerhalb des festgelegten Bereichs, läuft die Verarbeitung weiter bei Schritt S12. Ist der geschätzte Fehler e(n) nicht innerhalb des festgelegten Bereichs, läuft die Verarbeitung weiter bei Schritt S10. Die Tatsache, dass der geschätzte Fehler e(n) innerhalb des festgelegten Bereichs ist, bedeutet, dass die geschätzte Trägheit Jm, die geschätzte viskose Reibung C1 und die geschätzte Coulomb-Reibung C3 zu den wahren Werte konvergieren.
- [Schritt S10] Der Wert von Index n wird um 1 erhöht.
- [Schritt S11] Der geschätzte Fehler e(n) und der Geschwindigkeits-Feedbackwert ω(n)FB werden zum Schätzen von Trägheit und Reibung durch die Berechnung der inversen Transferfunktions-Abschätzung des Abschnitts
34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion verwendet. Die Verarbeitung läuft zur Weiterführung des Verfahrens weiter bei Schritt S6. - [Schritt S12] Die geschätzte Trägheit Jm wird an die obere Steuervorrichtung
20 ausgegeben, so dass das Verfahren beendet wird. - Beim Empfangen der geschätzten Trägheit Jm vom Abschnitt
30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung kann die obere Steuervorrichtung20 die Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitkonstante und die optimale Geschwindigkeitsverstärkung berechnen. Die berechnete Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitkonstante wird als Zeit der Befehlsberechnung der oberen Steuervorrichtung20 verwendet. Die Daten der optimalen Geschwindigkeitsverstärkung werden an die Servosteuervorrichtung10 übermittelt. - In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung wird der Sinuswellenbefehlsausgang vom Abschnitt
40 zum Erzeugen eines Sinuswellenbefehls so verwendet, dass der Arbeitsbereich verkleinert werden kann, und bei jeder Erfassung wird das Verfahren zum nachfolgenden Aktualisieren der geschätzten Trägheit Jm und der geschätzten Reibung Cf(C1, C3), aber nicht das Verfahren der kleinsten Quadrate verwendet. Die Daten, die für eine festgelegte Zeit erfasst wurden, brauchen nicht kumuliert zu werden. Es werden nur die Daten des Koeffizienten von mindestens dem inversen Transferfunktionsmodell33 , die in dem vorhergehenden Erfassungszeitraum berechnet wurden, gespeichert, so dass demnach kein großer Datenspeicher nötig ist. Zudem können die geschätzte Coulomb-Reibung C3, sowie die geschätzte viskose Reibung C1 gleichzeitig abgeschätzt werden. - Wie oben beschrieben wird das Verfahren zum Abschätzen der Coulomb-Reibung selbst zusammen mit Trägheit und viskoser Reibung verwendet. Der Einfluss der Coulomb-Reibung auf die Genauigkeit der geschätzten Trägheit Jm kann reduziert werden.
- Es wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Abschätzen der Trägheit, viskoser Reibung und Coulomb-Reibung angewendet, mit der aufeinanderfolgenden Anwendung, bei der kein Fourier-Transformator, sondern ein inverses Transferfunktionsmodell zur Minimierung des geschätzten Fehlers verwendet wird. Die für eine festgelegte Zeit erfassten Daten brauchen nicht kumuliert zu werden. Demnach entfällt ein großer Datenspeicher.
- Das Problem, das bei der Differenzierung durch Differenzberechnung in einem diskreten System verursacht wird, wird beschrieben.
- Die
8 ist ein Schaubild zur Erläuterung der Verzögerung durch Differenzberechnung in einem Fall, bei dem das Geschwindigkeits-Feedbacksignal erfasst wird. Der Differentialwert am n-ten Erfassungspunkt auf einer Kurve100 , die das Geschwindigkeits-Feedbacksignal ω(t) anzeigt, hat die Steigung eines Liniensegments102 . Erfolgt jedoch die Differenzierung durch Differenzberechnung in dem diskreten System, ist der Differentialwert die Steigung eines Liniensegments104 durch Bestimmen der Steigung aus der Differenz zwischen den n – 1 und n-ten Probenpunkten. - Bei dem inversen Transferfunktionsmodell
33 umfasst der Trägheitsterm wie durch Gleichung (1) gezeigt die Differenzberechnung einer Geschwindigkeit ω(100). Da der Trägheitsterm von Gleichung (1) dominant ist, wird der als Differenz zwischen dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB und dem Stromstärkeschätzwert x(n) bestimmte geschätzte Fehler e(n) so korrigiert, dass sich die Differenz zwischen dem Berechnungsausgang des Trägheitsterms und dem Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB verringert. - Zur Korrektur der Differenz zwischen der Steigung des Liniensegmentes
102 und der Steigung des Liniensegmentes104 wird das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert. Ist beispielsweise der Erfassungszeitraum T 1 msec, ist die verzögerte Zeit 0,5 msec. Wie durch das Bezugszeichen106 angegeben, ist die Steigung der Geschwindigkeit ω(100) an Punkt108 , bei dem das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert wird, im Wesentlichen das Liniensegment104 . Mit anderen Worten sollte der Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB beim Berechnen des geschätzten Fehler e(n) von dem Stromstärke-Feedbacksignal erfasst werden, das auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert ist. - Die
9 ist ein Schaubild zum Erläutern einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit einer Einrichtung zum Verzögern des Stromstärke-Feedbacksignals i(t) auf die Hälfte des Erfassungszeitraums, so dass das Stromstärke-Feedbacksignal i(t) in jedem Erfassungszeitraum ermittelt wird. Das Stromstärke-Feedbacksignal i(t) gelangt durch die Verzögerungseinrichtung35 , wird auf die Hälfte des Erfassungszeitraum T verzögert und wird in den Abschnitt31 zum Erfassen des Stromstärke-Feedbacks eingegeben. - Wird eine feste Kraft auf den angetriebenen Körper
4 ausgeübt, muss eine Drehmomentabweichung, wie im Falle einer Gravitationsachse, beseitigt werden. Wie in10 gezeigt gelangt der Stromstärke-Feedbackwert i(n)FB durch einen Hochpassfilter36 , und dort wird der Einfluss der Drehmomentabweichung beseitigt und die Schätzgenauigkeit verbessert. Der Hochpassfilter36 muss eine so niedrige Frequenzbandbreite aufweisen, dass er die Frequenz des Sinuswellenbefehlseingangs zum Zeitpunkt der Abschätzung nicht beeinflusst. Durch Einsatz des Hochpassfilters36 lässt sich der Einfluss der Drehmomentabweichung durch einfache Berechnung beseitigen. - Da erfindungsgemäß die für einen festgelegten Zeitraum erfassten Daten nicht kumuliert werden müssen, bedarf es keines großen Datenspeichers. Wird wie später beschrieben ein M-Sequenzbefehl anstelle der Sinuswellenbefehlseingabe zur Abschätzzeit eingegeben, wird der Hochpassfilter
36 verwendet, so dass die Drehmomentabweichung keinen Einfluss mehr hat. - Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Sinuswellenbefehl verwendet. Bei der Sinuswelleneingabe mit einer einzelnen Frequenz muss die optimale Frequenz nicht ermittelt werden, da es eine optimale Frequenz für die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit der Schätzwerte von Trägheit und Reibung gibt. Da die Suche entfällt, wird der M-Sequenzbefehl verwendet.
- Die
11 ist ein Schaubild zur Erläuterung einer Ausführungsform mit dem M-Sequenzbefehl anstelle des Sinuswellenbefehls. - Ein Abschnitt
41 zum Erzeugen eines M-Sequenzbefehls beginnt die Ausgabe des M-Sequenzbefehls durch den Befehl von der oberen Steuervorrichtung20 . Die M-Sequenzbefehlsausgabe vom Abschnitt41 zum Erzeugen des M-Sequenzbefehls wird über den Tiefpassfilter42 zum Drehmomentbefehl addiert. - Der M-Sequenzbefehl umfasst statistische Signale von 0 und 1. Zur Vermeidung einer abrupten Änderung des Befehls gelangt der M-Sequenzbefehl durch den Tiefpassfilter
42 , wo der Hochfrequenzbereich entfernt wird, so dass der Drehmomentbefehl nicht mehr eingeschränkt wird. - Der M-Sequenzbefehl wird vorteilhafterweise zum Zeitpunkt der Abschätzung verwendet, da die M-Sequenz ein Signal ist, das eine große Anzahl von Frequenzkomponenten enthält. Im Falle der Sinuswelleneingabe mit einer einzelnen Frequenz besteht eine optimale Frequenz für die Konvergierungsgeschwindigkeit und Genauigkeit der geschätzten Werte. Wird jedoch der M-Sequenzbefehl verwendet, können die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit der geschätzten Werte nahe dem Optimum erhalten werden, ohne dass man nach der optimalen Frequenz suchen muss.
- Es wird ein Überblick über die M-Sequenz beschrieben. Der Eingang zur Identifikation ist erforderlich, um viele Modi ihres Ziels anzuregen, so dass ein Eingangssignal viele Frequenzkomponenten aufweisen muss. Weißrauschen erfüllt zwar als vollständiges statistisches Signal diese Bedingung, kann dieses jedoch nicht realisieren. Stattdessen wird ein pseudostatistisches Signal, das auf der Basis einer bestimmten Regel erzeugt wird, verwendet. Eines dieser pseudostatistischen Signale, die am häufigsten verwendet werden, ist die M-Sequenz mit nur einem binären Wert.
- Das Schieberegister wird so getaktet, dass eine Anzahl von Phasen den M-Sequenzbefehl abruft, so dass das pseudostatistische Signal regelmäßig erzeugt wird. Seine Natur wurde eingehend untersucht und ist bekannt und ist innerhalb des vom Schieberegister bestimmten Zeitraums zufällig.
- Die in der oben genannten
JP 2000-172 341 A - Die
12A bis12D sind Schaubilder, die dabei helfen, die Verbesserung der Abschätzgenauigkeit und Abschätzgeschwindigkeit mittels M-Sequenzbefehl als Geschwindigkeitseingang zum Abschätzen in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zu erläutern. - Die
12D zeigt die Konvergierungszeit und die Genauigkeit des Abschätzkoeffizienten, wenn der Reibungskoeffizient mit dem Sinuswellensignal mit einer einzelnen Frequenz geschätzt wird. Mit dieser Abschätzung lässt sich herausfinden, dass die Konvergierungszeit im Frequenzbereich bei hoher Genauigkeit lang ist und die Genauigkeit im Frequenzbereich, bei dem die Konvergierungszeit kurz ist, gesenkt wird. - Die
12A bis12C sind Schaubilder, die die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt des Sinuswelleneingangs und die Konvergierungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt des M-Sequenzeingangs vergleichen, so dass man die Auswirkung des M-Sequenzeingangs beobachtet. Die Sinuswelle ist eine Eingabe, deren Amplitude 17 rad/s und deren Frequenz 5 Hz beträgt, wohingegen die M-Sequenz eine Eingabe mit der gleichen Amplitude wie die Sinuswelle, einem Takt von 100 msec und einem charakteristischen Polynom10 . Ordnung = x10 + x3 + 1 ist. Die12A zeigt den Fall des Sinuswellenbefehls, in dem die Coulomb-Reibung C3 allmählich zu dem theoretischen Wert der Coulomb-Reibung konvergiert. Wie in der12B gezeigt, konvergiert die Coulomb-Reibung bei dem M-Sequenzbefehl abrupt zum theoretischen Wert. Die12C zeigt die Reibungseigenschaft, die bei Eingabe der M-Sequenzbefehl erhalten wird. Wie in der12C gezeigt, stimmen die Reibungseigenschaft und die Abschätzungsreibungseigenschaft des Steuerziels im Wesentlichen überein. - Mit der geschätzten Trägheit Jm und der geschätzten Reibung Cf, die durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung bestimmt werden, kann ein Störmelder zum Bestimmen des Verarbeitungs-Störmoments zum Zeitpunkt der Verarbeitung konfiguriert werden. Dies wird anhand von der
13 beschrieben. Ein Selektorschalter37 ist an die Seite des Abschnitts34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion (Kontakt37a ) angeschlossen, so dass man Trägheit und Reibung genau dann abschätzt, wenn keine Störung vorliegt. - Wie in der
13 gezeigt, werden der Abschnitt34 zum Abschätzen der inversen Transferfunktion und der Abschnitt40 zum Erzeugen des Sinuswellendrehmomentbefehls oder der Abschnitt41 zum Erzeugen des M-Sequenzbefehls angehalten, der Selektorschalter37 wird auf die Seite von Korrekturverstärkung Kd (Kontakt37b ) umgeschaltet, und das Störmoment zum Zeitpunkt der Verarbeitung kann als geschätzter Fehler e(n) geschätzt werden. Der geschätzte Fehler e(n), der ein geschätztes Störmoment ist, wird zur Korrektur des Drehmomentbefehls vom Geschwindigkeitssteuerabschnitt12 verwendet, so dass der Einfluss der Verarbeitungsstörung reduziert werden kann und so eine äußerst genaue Verarbeitung ermöglicht wird. Das Ausmaß der Korrektur des Drehmomentbefehls vom Geschwindigkeitssteuerabschnitt12 wird durch die Korrekturverstärkung Kd justiert. - Beim direkten Antreiben des angetriebenen Körpers durch den Elektromotor hat die vorliegende Erfindung den Vorteil der Verbesserung der Verarbeitungsgenauigkeit und Optimierung der Beschleunigungs- bzw. Abbrems-Zeitkonstanten und Geschwindigkeitsverstärkung durch Abschätzen von Trägheit und Reibung des Steuerziels, das sich gemäß der Änderung der Art des befestigten und losgelösten Werkstück ändert, wobei das Abschätzergebnis zum Abschätzen der Verarbeitungsstörung verwendet wird, und diese Verarbeitungsstörung reduziert wird, so dass die Verarbeitungsgenauigkeit verbessert wird.
- Der Geschwindigkeits-Feedbackwert zum Geschwindigkeitssteuerabschnitt
12 und der Stromstärke-Feedbackwert zum Abschnitt13 zum Steuern des elektrischen Stroms können von den entsprechenden Erfassungseinrichtungen des Abschnitts30 zum Abschätzen von Trägheit und Reibung gemeinsam verwendet werden. Die Verzögerungseinrichtung35 und der Hochpassfilter36 können durch einen Digitalfilter konfiguriert werden.
Claims (9)
- Steuervorrichtung (
10 ) zum Steuern eines Elektromotors (2 ), der eine Antriebswelle (4 ) einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine antreibt, umfassend: eine Sinuswellenbefehlseinrichtung (40 ), die einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl oder einem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung addiert; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Stromstärke-Feedbackwerts (31 ), die ein Stromstärke-Feedbacksignal eines in dem Elektromotor (2 ) fließenden elektrischen Stroms als Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Gewinnen eines Geschwindigkeits-Feedbackwerts (32 ), die ein Geschwindigkeits-Feedbacksignal der Geschwindigkeit des Elektromotors (2 ) als Geschwindigkeits-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum erhält; eine Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts, die einen Stromstärkeschätzwert aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und der geschätzten Trägheit und geschätzten Reibungskraft der Antriebswelle (4 ) berechnet; eine Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers, die den geschätzten Fehler aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet; und eine Aktualisierungseinrichtung, die die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung der Antriebswelle (4 ) mit dem in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem geschätzten Fehler aktualisiert, wobei Trägheit und Reibung gleichzeitig abgeschätzt werden. - Steuervorrichtung (
10 ) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts umfasst: eine Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz, die die Differenz zwischen einem aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert und einem zuvor erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwert des in jedem Erfassungszeitraum ermittelten Geschwindigkeits-Feedbacks berechnet; eine erste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Einrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeitsdifferenz berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten Trägheit berechnet; eine zweite Recheneinrichtung, die das Produkt des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbackwerts und der geschätzten viskosen Reibung berechnet; und eine dritte Recheneinrichtung, die das Produkt der Polarität des aktuell erfassten Geschwindigkeits-Feedbacks und der geschätzten Coulomb-Reibung berechnet, wobei die von der ersten, zweiten und dritten Recheneinrichtung bestimmten Werte zum Berechnen der Stromstärkeschätzwerts verwendet werden. - Steuervorrichtung (
10 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung zum Berechnen des Stromstärkeschätzwerts den Stromstärkeschätzwert mit der folgenden Gleichung berechnet:x(n) = Jm / Kt·T·(ω(n) – ω(n – 1)) + C1 / Kt·ω(n) + C3 / Kt·sign(ω(n)) 2 ), T der Erfassungszeitraum, C1 die geschätzte viskose Reibung, C3 die geschätzte Coulomb-Reibung, sign ein Signum, ω(n) der im aktuellen Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, ω(n – 1) der im vorhergehenden Zeitraum erfasste Geschwindigkeits-Feedbackwert, x(n) der Stromstärkeschätzwert und n = 1, 2, 3.... - Steuervorrichtung (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aktualisierungseinrichtung umfasst: eine Differenzberechnungseinrichtung, die die Differenz zwischen dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert und dem im vorhergehenden Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert der in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerte berechnet; eine vierte Recheneinrichtung, die das Produkt aus der von der Differenzberechnungseinrichtung berechneten Differenz des Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ1 berechnet, die eine Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine fünfte Recheneinrichtung, die das Produkt aus dem im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwert, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ2 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine sechste Recheneinrichtung, die das Produkt aus der Polarität des im aktuellen Erfassungszeitraum erhaltenen Geschwindigkeits-Feedbackwerts, dem geschätzten Fehler und einer Konstante μ3 berechnet, die die Schätzgeschwindigkeit bestimmt; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Trägheit, die das von der vierten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Trägheit addiert, so dass eine neue geschätzte Trägheit berechnet wird; eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten viskosen Reibung, die das von der fünften Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten viskosen Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte viskose Reibung berechnet wird; und eine Einrichtung zum Berechnen der geschätzten Coulomb-Reibung, die das von der sechsten Recheneinrichtung erhaltene Ergebnis zu der aktuellen geschätzten Coulomb-Reibung addiert, so dass eine neue geschätzte Coulomb-Reibung berechnet wird. - Steuervorrichtung (
10 ) nach Anspruch 3, wobei, wenn die Gleichung, mit der die geschätzte Stromstärke berechnet wird, umgeschrieben wird in die folgende Form:x(n) = h0·ν0(n) + h1·ν1(n) + h2·ν2(n) hm(n) = hm(n – 1) + μm(n)·e(n)·νm(n) - Steuervorrichtung (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einrichtung zum Gewinnen des Stromstärke-Feedbackwerts (31 ) den Stromstärke-Feedbackwert in jedem Erfassungszeitraum über eine Verzögerungseinrichtung erhält, die das Stromstärke-Feedbacksignal auf die Hälfte des Erfassungszeitraums verzögert. - Steuervorrichtung (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Einrichtung zum Berechnen des geschätzten Fehlers den geschätzten Fehler berechnet, indem sie den Stromstärke-Feedbackwert durch einen Hochpassfilter leitet. - Steuervorrichtung (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zudem umfassend anstelle der Sinuswellenbefehlseinrichtung (40 ) eine M-Sequenzbefehlseinrichtung (41 ) zum Erzeugen eines M-Sequenzbefehls und einen Tiefpassfilter, der den M-Sequenzbefehl von der M-Sequenzbefehlseinrichtung (41 ) leitet, wobei der durch den Tiefpassfilter tretende M-Sequenzbefehl zu dem Drehmomentbefehl oder dem Geschwindigkeitsbefehl der Steuervorrichtung (10 ) addiert wird. - Steuervorrichtung (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die geschätzte Trägheit und die geschätzte Reibung zum Konfigurieren eines Störmelders verwendet werden, der das geschätzte Störmoment aus dem in jedem Erfassungszeitraum erhaltenen Stromstärke-Feedbackwert und dem Stromstärkeschätzwert berechnet, und wobei die Steuervorrichtung zudem umfasst: eine Einrichtung zum Multiplizieren mit der Korrekturverstärkung Kd, die das Ausmaß der Korrektur des geschätzten Störmoments einstellt; und eine Einrichtung zum Addieren des Ergebnisses zu dem Drehmomentbefehl.
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