-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren des Stellungsfehlers eines einen Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb aufweisenden Aktuators, und betrifft außerdem eine Aktuatorantrieb-Steuervorrichtung, die von dem Verfahren beim Positionieren des Aktuators Gebrauch macht.
-
Beschreibung des Stands der Technik
-
Es gibt Aktuatoren, die derart konfiguriert sind, dass sie ein Objekt zu einer Zielstellung bewegen, wobei die Geschwindigkeit der Ausgangsdrehung eines Motors mit Hilfe eines Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs reduziert wird. Der Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb enthält ein starres, kreisförmiges Keilnutenrad mit Innenverzahnung, ein flexibles, kreisförmiges und mit einer Außenverzahnung versehenes Keilnutenrad (Flex-Keilnutenrad), und einen Wellengenerator. Bei einer typischen Konfiguration biegt der Wellengenerator das Flex-Keilnutenrad zu einer elliptischen Form, wodurch die verzahnten Bereiche des Flex-Keilnutenrads an jedem Ende der Ellipsen-Hauptachse mit der entsprechenden Innenverzahnung des starren kreisförmigen Keilnutenrads kämmen. Wenn der Wellengenerator von einem Motor gedreht wird, bewegen sich die Stellen, an denen die beiden Verzahnungen miteinander kämmen, wodurch eine Relativ-Drehung entsteht, welche der Differenz der Zähnezahl des kreisförmigen Keilnutenrads und des Flex-Keilnutenrads entspricht (2n Zähne, mit n = 1, 2, 3...). Normalerweise beträgt die Differenz der Zähnezahl zwischen Keilnutenrad und Flex-Keilnutenrad zwei. Wenn das starre kreisförmige Keilnutenrad fixiert ist, fungiert das Flex-Keilnutenrad als Drehzahl-Untersetzungsausgangselement, wodurch auf der Lastseite, mit der das Flex-Keilnutenrad gekoppelt ist, die in der Drehzahl verringerte Drehung zum Antrieb eines Objekt eingesetzt wird. Das Drehzahl-Untersetzungsverhältnis i ergibt sich zu i = 1/R = (Zc – Zf)/Zf, wobei R das Drehzahlverhältnis, Zf die Zähnezahl des Flex-Keilnutenrads und Zc die Zähnezahl des starren kreisförmigen Keilnutenrads ist. Wenn beispielsweise Zf = 100 und Zc = 102, beträgt das Drehzahl-Untersetzungsverhältnis i dann 1/50, wobei die Ausgangsdrehung gegenüber der Motor-Drehrichtung umgekehrt ist.
-
Antriebssteuersysteme für derart ausgebildete Aktuatoren wenden normalerweise eine Regelung zum Regeln der Aktuatorpositionierung an. Allerdings leiden Wellengetriebe-Untersetzungsantriebe an einem Winkelübertragungsfehler, was zu einem Fehler zwischen dem Ist-Punkt, bei dem die Aktuator-Ausgangswelle (die Ausgangswelle des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs) positioniert ist, und der Soll-Stellung führt. Wenn dieser Fehler kompensiert werden kann, würde dies die Positioniergenauigkeit von mit Wellengetriebe- und Übersetzungsantrieben ausgerüsteten Aktuatoren verbessern.
-
Im Fall einer zwei Zähne betragenden Differenz zwischen den beiden Keilnutenrädern lässt sich, wenn R das Drehzahlverhältnis des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs ist, die Positionierfehlerkomponente pro Umdrehung der Ausgangswelle unterteilen in
- (1) Fehlerkomponente der Periode R
- (2) Fehlerkomponente der Periode (R + 1)
- (3) andere Fehlerkomponenten
-
Fehlerkomponenten der Periode R sind zurückzuführen auf das starre kreisförmige Keilnutenrad, und (R + 1)-Fehlerkomponenten sind auf das Flex-Keilnutenrad zurückzuführen.
-
WO 00/68748 offenbart einen nicht-linearen Steueralgorithmus zur Kompensation kinematischer Fehler in Wellengetrieben, der kinematische Fehler sowohl in Einstellpunkt- als auch in Trajektorienverfolgungsanwendungen unabhängig von ihrer Form in einem geschlossenen Regelkreis kompensiert.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Korrigieren des Positionierfehlers bei einer Antriebsteuervorrichtung eines mit einem Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb ausgerüsteten Aktuators, in dem deren Stellungs-Regelschleife eine Stellungskorrekturfunktion zum Korrigieren des oben erwähnten Positionierfehlers der Periode (R + 1) zugefügt wird, welcher in dem Winkelübertragungsfehler des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs auftritt, um auf diese Weise die Genauigkeit der Antriebsteuervorrichtung zu steigern.
-
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht durch ein Verfahren zur Stellungsfehlerkorrektur in einem Aktuator, der einen Motor und einen Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb aufweist, der ein Ausgangsdrehmoment des Motors mit reduzierter Drehzahl auf eine Last gibt, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält:
Messen eines Stellungsfehlers bezüglich einer Absolutstellung einer Aktuator-Ausgangswelle, um Fehlerkorrekturdaten bezüglich einer Drehstellung der Motorwelle zu erzeugen;
Ermitteln einer Drehstellung der Motorwelle;
Erzeugen von Drehstellungs-Korrekturinformation, indem auf die ermittelte Drehstellungsinformation in den Fehlerkorrekturdaten Fehlerkorrekturwerte addiert werden, die sich auf die Drehstellungsinformation beziehen; und
Verwenden der erzeugten Drehstellungs-Fehlerinformation als Stellungs-Rückführinformation zum Steuern der Stellung der Ausgangswelle.
-
Die Fehlerkorrekturdaten können dadurch gebildet werden, dass man den Stellungsfehler für mindestens 1/(R + 1) des Drehhubs der Ausgangswelle misst. Normalerweise lässt sich der Stellungsfehler für mindestens eine Drehung der Ausgangswelle messen, und die gemessenen Fehlerdaten werden gemittelt, um Fehlerkorrekturdaten zusammenzustellen, die Fehlerkorrekturwerte für jede Drehstellung der Motor-Ausgangswelle darstellen.
-
Das obige Ziel wird außerdem erreicht durch eine Aktuator-Antriebsteuervorrichtung, bei der das obige Verfahren dazu dient, einen Stellungsfehler zu korrigieren, wozu die Vorrichtung aufweist:
einen Fehlerkorrekturdaten-Speicherteil, in welchem Fehlerkorrekturdaten gespeichert sind;
eine Ausgangswellen-Startpunktsensor zum Erfassen einer Absolutstellung einer Ausgangswelle;
einen Stellungsdetektor zum Erfassen einer Drehstellung einer Motorwelle;
einen Drehstellungs-Korrekturinformationserzeuger zum Erzeugen von Drehstellungs-Korrekturinformation basierend auf der von dem Ausgangswellen-Startpunktsensor und dem Stellungsdetektor gelieferten Drehstellungsinformation, und basierend auf den Fehlerkorrekturdaten; und
einen Regelungsteil, der eine Regelung durch Verwendung der Drehstellungs-Korrekturinformation als Stellungs-Rückführinformation ausführt, um den Aktuator auf einer Zielstellung zu positionieren, die durch Stellungs-Befehlsinformation angegeben wird.
-
Die Fehlerkorrekturdaten können in einem Speicher innerhalb des Stellungsdetektors gehalten werden, in welchem Fall die Daten von dem Stellungsdetektor in den Fehlerkorrekturdaten-Speicherteil herunter geladen werden, nachdem die System-Versorgungsenergie eingeschaltet wurde. Die Fehlerkorrekturdaten können in der Form einer Korrektur-Impulsdatenfolge oder einer Approximations-Koeffzientenfolge gehalten werden, welche die Fehlerkorrekturinformation repräsentieren.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
Die obigen sowie weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung, in welcher
-
1 ein schematisches Diagramm eines Beispiels für eine Aktuatorantriebs-Steuervorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung anwendet.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine Ausführungsform einer Aktuatorantriebs-Steuervorrichtung beschrieben, bei der die vorliegende Erfindung angewendet wird.
-
1 zeigt den allgemeinen Aufbau der Aktuatorantriebs-Steuervorrichtung. Der von der Antriebssteuervorrichtung 1 betriebene Aktuator 2 enthält einen Motor 3, einen Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb (HD) 5, der mit der Motorwelle 4 gekoppelt ist, einen Stellungsdetektor 6, der in der Lage ist, die Absolut-Drehstellung der Motorwelle 4 zu ermitteln, und einen Startpunktsensor 8 zum Feststellen der Absolutstellung der Aktuator-Ausgangswelle 7 (der Ausgangswelle des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs 5). Der Stellungsdetektor 6 ist so beschaffen, dass er die Absolutstellung eines Drehcodierers oder eines Potenziometers oder dergleichen ermitteln kann.
-
Der Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb 5 besitzt ein starres Keilnutenrad mit einer Innenverzahnung, ein flexibles, mit einer Außenverzahnung versehenes Keilnutenrad (Flex-Keilnutenrad) und einen Wellenerzeuger. Der Wellenerzeuger dient als Motordrehungs-Eingangselement, das mit einer Innenverzahnung versehene Keilnutenrad steht fest, und das mit der Außenverzahnung versehene Flex-Keilnutenrad bildet ein Ausgangselement für verringerte Drehzahl (Ausgangswelle 7). Der Wellengenerator hat elliptische Form, wobei die Differenz zwischen den Zähnezahlen der beiden Keilnutenräder zwei beträgt. Das Keilnutenrad wird in eine elliptische Form durchgebogen, wodurch die Verzahnungen des Flex-Keilnutenrads an jedem Ende der Ellipsen-Hauptachse mit den zugehörigen Innenzähnen des starren Keilnutenrads kämmen, während sich die Stellen, an denen die Keilnutenräder miteinander in Eingriff stehen, sich durch die Drehung des Wellengenerators über den Umfang hinweg bewegen.
-
Das Drehzahluntersetzungsverhältnis i des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs 5 beträgt i = 1/R = (Zc – Zf)/Zf, so dass, wenn die Anzahl der Zähne des Flex-Keilnutenrads 100 beträgt und die Anzahl des starren Keilnutenrads Zc den Wert 102 hat, das Untersetzungsverhältnis i den Wert 1/50 hat, wobei die Ausgangsdrehung bezüglich der Drehrichtung des Motors umgekehrt ist.
-
Die Antriebssteuervorrichtung 1, die den Aktuator 2 steuert, enthält einen Fehlerkorrekturdaten-Speicherteil 11, in welchem Fehlerkorrekturdaten 10 zum Kompensieren des Stellungsfehlers gespeichert sind, welcher sich aus dem Winkelübertragungsfehler des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs 5 ergibt, einen Drehstellungs-Korrekturinformationserzeuger 14, der Drehstellungs-Korrekturinformation 13 basierend auf von dem Stellungsdetektor 6 ermpfangene Drehstellungsinformation 12 und Fehlerkorrekturdaten 10 erzeugt, und einen Regelteil 16, der die so erzeugte Drehstellungs-Korrekturinformation 13 als Stellungs-Rückführinformation verwendet, um den Aktuator 2 an derjenigen Zielstellung zu positionieren, die durch eine Stellungs-Befehls- oder Führungsinformation 15 angegeben wird. Der Drehstellungs-Korrekturinformationserzeuger 14 kann ein Addierer oder ein Subtrahierer sein.
-
Die Fehlerkorrekturdaten 10 werden folgendermaßen erzeugt: Erstens wird der Stellungsfehler der Motorwelle 4 auf einen Bruchteil des Untersetzungsverhältnisses komprimiert, welches durch den Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb 5 bewirkt wird, mit dem die Motorwelle 4 gekoppelt ist. Bei diesem Beispiel besitzt der Wellengetriebeuntersetzungsantrieb 5 ein Untersetzungsverhältnis von 50, demzufolge der Positionierfehler des Motors auf 1/50 komprimiert wird. Da nun der Stellungsfehler des Aktuators 2 hauptsächlich zurückzuführen ist auf den Winkelübertragungsfehler des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs 50, bestimmt sich die unidirektionale Stellungsgenauigkeit des Aktuators 2 durch den Winkelübertragungsfehler des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs 5.
-
Wenn die Drehung in eine Richtung erfolgt, wird an jedem Punkt einer vollen Umdrehung die Differenz gebildet zwischen dem Ist-Drehwinkel gegenüber einem Referenzpunkt und dem Soll-Drehwinkel. Die unidirektionale Stellungsgenauigkeit ist der maximale Fehlerwert pro Umdrehung. Bei diesem Beispiel wird die unidirektionale Stellungsgenauigkeit des Aktuators 2 für eine volle Umdrehung der Aktuator-Ausgangswelle 7 gemessen, wozu die Absolutstellung der Ausgangswelle 7 als Referenzwert verwendet wird. Bei dem Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb 5 mit einem Untersetzungsverhältnis i von 1/50 vervollständigt die Aktuator-Ausgangswelle 7 eine Umdrehung bei jeweils 50 Umdrehungen der Motorwelle 4. Bezüglich dieser Messung wird das Ausgangssignal des Startpunktsensors 8 bei der Initialisierung der Ermittlung der Absolutstellung verwendet.
-
In der Praxis lässt sich die Winkelgenauigkeit des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs anstelle der unidirektionalen Stellungsgenauigkeit verwenden. Obschon lediglich die Notwendigkeit besteht, über 1/(R + 1) Drehung der Aktuator-Ausgangswelle 7 zu messen, so kann die Messung natürlich auch über eine oder mehrere Umdrehungen hinweg erfolgen.
-
Anschließend werden die Messdaten gemittelt, um Fehlerkorrekturdaten 10 zu erzeugen, die für die Drehstellungen der Motorwelle 4 gelten. Daten für bis zu einer Umdrehung der Motorwelle 4 reichen aus. Die Fehlerkorrekturdaten 10 können die Form von Korrekturimpulsen zum Korrigieren jeder Winkelstellung der Motorwelle 4 haben. Alternativ lassen sich Fehlerkorrekturdaten bezüglich jeder Winkelstellung der Motorwelle 4 als Fourier-Reihe entwickeln, um eine Approximationskurve zu erhalten, wobei die Koeffizienten der Fourier-Reihe in einem Speicher als Fehlerkorrekturdaten 10 abgespeichert werden. In diesem Fall können beim Initialisierungsvorgang im Anschluss an das Einschalten der Energie zum Betreiben der Antriebsteuervorrichtung 1 die Koeffizienten in dem Speicher auf eine Approximationsformel angewendet werden, um Korrekturdaten zum Erzeugen von Korrekturimpulsdaten zu berechnen.
-
Im vorliegenden Fall ist es lediglich notwendig, einen Umfang von Fehlerkorrekturdaten 10 zu erzeugen, die 1/(R + 1) Umdrehung der Ausgangswelle 7 entsprechen. Damit ist es wegen des vorliegenden Beispiels R = 50 für die Eingangswelle (Motorwelle) notwendig, Daten für eine Motorwellendrehung von 360° × 50/51 = 352,9° zu erzeugen. Die Fehlerkorrekturdaten 10 können z. B. für jeweils 3° der Motorwellendrehung eingestellt werden, oder jedes von 120 Segmenten, in die die 352,9° unterteilt sind. Da 352,9° einen nicht teilbaren Winkel bilden, kann die Aktuator-Ausgangswelle 7 mit einem Referenzpunkt versehen werden, der dazu dient, die Korrekturdaten zu erzeugen. Die Korrektur für eine Umdrehung der Aktuator-Ausgangswelle 7 wird bewirkt durch (R + 1)-maliges Korrigieren der 359,2° der Motorwelle.
-
Die Korrektur des Stellungsfehlers, die den Aktuatorantriebs-Steuervorgang der Antriebssteuervorrichtung 1 kennzeichnet, soll im Folgenden beschrieben werden. Basierend auf der Absolutstellung der Motorwelle 4, dargestellt durch Stellungsermittlungs-Rückführimpulse (12) von dem Stellungsdetektor 6, wird die Anzahl von Korrekturimpulsen ermittelt aus den Fehlerkorrekturdaten 10 und von dem Drehstellungs-Korrekturinformationserzeuger 14 auf die Rückführimpulse (12) addiert. Das Ergebnis wird auf den Rückführsteuerteil 16 in Form von Stellungsrückführimpulsen (13) zurückgegeben. Basierend auf den Stellungsrückführimpulsen (13) wendet der Rückführsteuerteil 16 eine Regelung an, um den Aktuator 2 auf diejenige Ziel- oder Sollstellung zu bewegen, die durch die eingegebene Stellungs-Führungsinformation 15 angegeben wird.
-
Bei diesem Beispiel werden die Fehlerkorrekturdaten 10 in einem Speicher innerhalb der Antriebsteuervorrichtung 1 gehalten. Allerdings lassen sich stattdessen die Fehlerkorrekturdaten 10 in einem Speicher innerhalb des Aktuator-Stellungsdetektors 6 speichern, in welchem Fall das System derart konfiguriert werden kann, dass die Daten 10 aus dem Stellungsdetektor 6 während der Einstell-Initialisierung in die Antriebssteuervorrichtung 1 herunter geladen werden.
-
Bei dem obigen Beispiel erfolgt die Steuerung so, dass der Fehler eliminiert wird, der in (R + 1) Aktuator-Perioden enthalten ist. Natürlich kann man auch eine extrem hohe Positioniergenauigkeit erhalten, indem man auch die Fehlerkomponente der Periode R eliminiert. Dies kann folgendermaßen geschehen: Als Erstes kann der Stellungsfehler der Ausgangswelle basierend auf Absolutstellungen bei einer Umdrehung der Motorwelle korrigiert werden. Insbesondere können Fehlerkorrekturdaten dadurch erzeugt werden, dass man den Stellungsfehler des Aktuators 2 relativ zu Absolutstellungen bei einer Umdrehung der Motorwelle 4 misst. Im Betrieb lässt sich die Drehstellung der Motorwelle 4 ermitteln und der der ermittelten Stellung zugeordnete Fehlerkorrekturwert auf die ermittelte Drehstellungsinformation addieren, um Drehstellungs-Korrekturinformation zu erzeugen, die als Stellungs-Rückführinformation zum Regeln der Stellung der Ausgangswelle verwendet werden kann.
-
Korrekturdaten lassen sich dadurch erzeugen, dass man den Stellungsfehler des Aktuators 2 für mindestens eine Umdrehung der Ausgangswelle misst, wobei man die Motorwelle 4 als Absolut-Stellungs-Referenz verwendet. Die gemessenen Korrekturdaten können gemittelt werden, um Fehlerkorrekturdaten zu erzeugen, die Fehlerkorrekturwerte repräsentieren bei jedem Drehpunkt einer Umdrehung der Motorwelle.
-
Es können zwei Korrekturtabellen in dem Stellungskorrekturdaten-Speicherteil vorbereitet werden, um sowohl (R + 1)- als auch R-Fehlerkomponenten zu korrigieren. Unter Verwendung der Stellung der Motorwelle 4 als Absolut-Referenzpunkt können Korrekturwerte aus den beiden Tabellen für gleichzeitige Korrektur benutzt werden. Die (R + 1)-Fehlerkorrekturdaten können erzeugt werden auf der Grundlage von Daten im Anschluss an die Beseitigung von R-Fehler-Korrekturkomponenten (Messdaten oder Daten auf Simulations-Basis). (R + 1)-Fehlerkomponenten können auch aus Messergebnissen errechnet werden, so dass die Fehlerkomponente der Aktuator-Ausgangswelle 7 gemessen und zum Erzeugen der (R + 1)-Fehlerkorrekturtabelle verwendet werden kann.
-
Das Verfahren zum Erzeugen von R-Fehlerkorrekturdaten und der Korrektur der R-Fehlerkomponenten unter Verwendung der Fehlerkorrekturdaten wird im Folgenden beschrieben.
-
Zunächst wird die unidirektionale Stellungsgenauigkeit des Aktuators 2 für eine volle Umdrehung der Aktuator-Ausgangswelle 7 gemessen, wobei die Absolutstellung der Motorwelle 4 als Referenz dient. Bei einem Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb 5 mit einem Drehzahlverhältnis von 1/50 vervollständigt die Aktuator-Ausgangswelle 7 eine Umdrehung bei jeweils 50 Umdrehungen der Motorwelle 4. Es wird der Stellungsfehler bei jeweils 3° der Motorwellenumdrehung gemessen, basierend auf dem Ausgangssignal des Stellungsdetektors 6. Die Anzahl von Messpunkten beträgt daher 120 (360 Grad dividiert durch 3 Grad), was wiederum bezüglich der Aktuator-Ausgangswelle 7 120 Punkte × (Drehzahlverhältnis) bedeutet. In der Praxis kann die Winkelgenauigkeit des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs an Stelle der unidirektionalen Stellungsgenauigkeit verwendet werden. Natürlich kann die Messung über mehr als eine Umdrehung erfolgen.
-
Die Fehlerdaten an den 120 Punkten werden gemittelt, um die Fehlerkorrekturdaten für eine Umdrehung der Motorwelle 4 zu bilden. Die so zusammengestellten Fehlerkorrekturdaten können in Form einer Anzahl von Korrekturimpulsen vorliegen, die zur Fehlerkorrektur an jedem Punkt der Drehung über eine Umdrehung der Motorwelle 4 verwendet werden. Die Korrekturimpulse können beispielsweise dazu dienen, eine Tabelle zu erstellen, entsprechend jeweils 3° Umdrehung der Motorwelle 4. Statt dessen können Fehlerkorrekturdaten für jede Winkelstellung der Motorwelle 4 als Fourier-Reihe entwickelt werden, um eine Approximationskurve zu bilden, wobei die Koeffizienten der Fourier-Reihe in einem Speicher als Fehlerkorrekturdaten 10 gespeichert werden. in diesem Fall können beim Initialisierungsvorgang im Anschluss an das Einschalten der Antriebsenergie für die Antriebsteuervorrichtung 1 die im Speicher gehaltenen Koeffizienten aus eine Approximationsformel angewendet werden, um Korrekturdaten zu berechnen und die Korrekturimpulsdaten zu erzeugen.
-
Wie oben beschrieben wurde, wird bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorstellungs-Fehlerkorrekturverfahren als Erstes ein Winkelübertragungsfehler des Wellengetriebe-Untersetzungsantriebs gemessen, um Fehlerkorrekturdaten zum Korrigieren des Stellungsfehlers an jedem Punkt der Drehung der Motorwelle zu erzeugen. Basierend auf der Absolutstellung der Motorwelle wird ein Fehlerkorrekturwert aus den Fehlerkorrekturdaten ermittelt und dazu verwendet, Stellung-Rückführinformation zu korrigieren. Als Ergebnis wird erfindungsgemäß die Stellungsgenauigkeit eines einen Wellengetriebe-Untersetzungsantrieb aufweisenden Aktuators verbessert.
