DE2940894A1 - Positionskontroll-einrichtung - Google Patents
Positionskontroll-einrichtungInfo
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Description
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BERLIN MÜNCHEN
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5.Oktober 1979
Kollmorgen Technologies Corp.
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Dallas, Texas 75201, V.St.A.
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POSITIONSKONTROLL-EINRICHTUNG
030016/0884
— tr —
POSITIO NS KONTROLL EINRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionskontroll-Einrichtung
und insbesondere eine Einrichtung zur Winkelpositionskontrolle der Achse eines Motors.
Es ist allgemein üblich dass die Positionskontrolldaten
eines Regelbauteils in digitaler Form hergestellt werden. Die Digital. Daten Regelung hat den Vorteil grösster Genauigkeit und Stabilität,
im Vergleich zu analogen Rontrollsignalen.
Aus diesem Grund ist es wünschenswert Kontrolleinrichtungen,
die direkt Daten gesteuert sind zu entwickeln. Ganz allgemein ist es
vorteilhaft den grössten Teil der Signale nach digitalen Verfahren herzustellen.
Dieses Ziel wird beispielsweise in der US Patent Anmeldung Nr. 3,227,863 bei der Schaffung einer Kontrolleinrichtung verfolgt.
Diese dort vorgeschlagene Kontrolleinrichtung besteht aus folgenden Bestandteilen:
- Ein erster Generator liefert zwei identische Signale, die um 90 Phasenverschoben sind.
- Ein Winkelpositionsresolver , der einen Rotor aufweist, welcher mit dem Bauteil verbunden wird dessen Winkelposition gesteuert werden
soll, zwei Eingänge sind mit dem ersten und zweiten Signal des ersten Generators verbunden und das Ausgangssignal dieses Bauteils gibt seine
tatsächliche Winkelposition an.
- Ein zweiter Generator erhält eine Digital-Information in der
Form eines binär Wortes., und liefert ein Informationssignal der gleichen Frequenz wie das erste und zweite Signal und eine Phase welche der
erwünschten Winkelposition des Bauteiles entspricht.
- und einen Generator zur Erzeugung eines Abweichungssignals der mit dem Ausgang des Winkelpositionsresolvers und einem zweiten
Generator verbunden ist um eine Positions-Abweichungssignal zu liefern, das dem Phasenunterschied zwischen Mess-Signal und Instruktions-Signal
entspricht, und
- einer Kontrollvorrichtung zum Steuern der Winkelposition von jenem Bauteil als Funktion jenes Abweichungssignals.
In dieser bekannten Kontrolleinrichtung werden rechtwinklige Signale, die von einem Taktgeber durch Frequenzteilung erhalten werden
direkt auf den Resolver gegeben.
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Dabei entstehen eine grosse Zahl von Harmonischen im Messsignal, die sich
so stark auswirken können, dass ein Filterglied erforderlich wird.
Es ist bekannt dass es keine perfekten Tiefpassfilter gibt, die ein völliges scharfes abschneiden bewirken, die nicht gleichzeitig
phasenverschiebend wirken.Dadurch wird notwendigerweise das Mess-Signal
beeinflusst, darüber hinaus ist die Phasenverschiebung nicht gleichmassig
und insbesondere stark temperaturabhängig. Der Gewinn an Genauigkeit durch die Einschlatung eines solchen Filtergliedes wird somit weitgehend
zu Nichte gemacht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb eine Kontrolleinrichtung
zu schaffen, bei der die Herstellung des Signals weitgehend durch die Daten Methode bewirkt wird, ohne die Notwendigkeit der Einschlatung
eines Filtergliedes zur Erzielung eines brauchbaren Mess-Signals.
Dieses Ziel wird durch die beanspruchte Köntroll-Einrichtung
wie sie hier beschrieben werden wird, erzielt.
- Jedes der vom ersten Generator gelieferten ersten und zweiten Signale ist eine digitale Annäherung eines sinusförmigen Signals bestejend
aus Kalbperioden, wobei jede Halbwelle aus mehreren Stufen besteht, um so ein Signal aufzubauen , das einen geringen Gehalt an harmonischen
Schwingungen aufweist und
- dass der Abweichungs-Signal Generator direkt die Phase des ungefilterten Ausgangssignals des Resolvers mit der Phase des Instruktions-Signals
vergleicht.
Nach einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Abweichungs-Signal Generator mit einem Synchron-Demodulator versehen,
der mit einem Kontrollsignal beaufschlagt ist und das in Phase mit letzterem
s ' und -das hergestellt ist aus Itechteckimpulsen deren Dauer die Hälfte
eines Zyklus entspricht , so dass während aufeinanderfolgender Halb-zyklen
das Ausganssignal des Demodulators als Funktion des demselben zugeführten Mess-Signals verbunden mit dem Ausgands-Signal des Abweichungs-Signal-Generators
von einem positiven Wert zu einem entgegengesetzten , negativen Wert geht.
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-A -
Λ-
Das Abweichungssignal wird in der Form geleifert , dass es >
dem Mittelwert des Ausgangssignals des Demodulators entspricht. j
i Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Einrichtung werden durch
die Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen verständlich werden.
Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltungsform
der erfindungsgemässen Kontrolleinrichtung.
Abbildung 2 zeigt eine Schaltskizze des in Figur 1 verwendeten j Generators. '
Die Abbildungen 3A-3G zeigen die Schwingungsdiagraitine der Signale \
die durch die Vorrichtung , wie sie in Figur 1 gezeigt ist geliefert j
werden. <
Die Figuren 4 und 5 stellen Längs- und Querschnitt durch die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung.
Figur 6 zeigt die Variationen der Verbindung mit dem Steuermotor entsprechend der Anordnung nach Abbildung 5 als Funktion der Winkelposition
des Rotors dieses Motors. j
Die Einrichtung nach der diagramatischen Abbildung nach Fig.1 ■
enthält einen Taktgeber 10 einen Frequenzteiler 11 der die Impulse vom
Taktgeber 10 empfängt, einen Gennerator 12 der mit dem Ausgangssignal
des Frequenzteilers 11 beaufschlagt wird und zwei Schaltkreise 12a und
12b enthält, welche einen mit SIM (Sinus) und einen mit COS (Cosinus) bezeichnetes Signal liefert , wobei diese Signale gegeneinander \xn 90
Phasenverschoben sind. Die mit SIN und COS bezeichneten Signale werden den Statorwindungen 14 und 15 des Resolver 13 zugeführt. Der Rotor des
Resolvers 13 ist festverbunden mit dem Bauelement dessen Winkelposition gesteuert und bestürmt wird im vorliegenden Fall mit der Achse 21.
Ein Mess-Signal SM dessen Phase für die Winkelposition der Achse 21 representativ ist ergibt sich am Ausgang der Ausgangswindung des Resolvers
und wird dem Eingang 18a des Abweichungs-Signal generators18 für das
Abweichungssignal SG zugeführt. Der andere Eingang 18b des Generators 18 wird mit einem Befehlssignal SC dessen Phase representativ für die gewünschte Winkelposition ist beaufschlagt,; dieses Signal wird vom Generator
17 geliefert, der seinerseits von Taktgeber 10 iirpulsgesteuert ist.
-S-
Der Generator 17 erhält die Instruktion für die gewünschte Winkelposition in digitaler Form ( binär Wort C) . Das Abweichsignal
am Ausgang des Generators 18 wird im Verstärker 19 verstärkt um so dann
den Motor 20 zu steuern , der seinerseits die Winkelveränderung dergestalt bewirkt bis die tatsächliche Winkelposition mit der eingegebenen gewünschten
Winkelposition übereinstimmt .
Die Steuereinrichtungen und ihr funktionieren wird nachfolgend im Detail beschrieben, wobei Bezug genomnen wird auf die Abbildungen 1,2
und 3a-g.
Taktgeber 10 ist ein Quarz-stabilisierter Hochfrequenz-generator
dessen Ausgangssignal SO dem Frequenzteiler 11 zugeführt ist. Letzterer
liefert ein Signal S1 einer Frequenz F. ( Abb. 3a). Schaltkreis 12a
des Generators 12 enthält in ansich bekannter Weise ein Widerstandsnetzwerk ^1 -Rg das am Ausgang von 12a das SIN Signal liefert. Die anderen
Qtianschlüsse der Widerstände R1 -Rg werden mit den Signalen V1-V5 (Fig.2)
die aus dem Signal S1 abgeleitet sind beaufschlagt. Die Signale S1 und
V1-V sind zueinander um den Betrag ρ verschoben .
Das SIN Signal derart geliefert ( Abb. 2 und 3B) ist ein sinoidales
Signal der Frequenz F1 , das aus mehreren Stufen aufgebaut ist. Bn aufgeführten
Beispiel wird ein e Doppelschwingung aus zwölf verschiedenen Schritten aufgebaut da ein Netzwerk von 6 Widerständen benutzt wurde.
Die Dauer ist damit gleich einem zwölftel der Periode des S1 Signals.
Da das Signal S1 als Phasenreferenz benutzt wird, ist das Signal V1 um
19/2 t in Bezug auf das Signal S1 verzögert, so dass das Signal S1UHd das
Signal SIN in Phase sind.
Die Werte der Widerstände sind so bestimmt , dass die damit sich ergebenden verschiedenen Stufen ein Signal aufbaue n,dass die beste Annäherung
zu einem Sinusförmigen-Signal darstellt. Dergestalt kann der Gehalt an harmonischen Schwingungen im SIN Signal sehr niedrig gehalten werden.
Im allgemeinen gilt , wenn 2p die Zahl der^uT^ine Doppelschwingung
ist nur die harmonischen Schwingungen der Ordnung k( 2- ) +1 vorhanden sind , wobei k eine ganze Zahle ist.
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Schaltkreis 12 b erzeugt das COS Signal ( Abb.3c) in zum Schaltkreis
12a analoger Weisewobei die beiden Signale um 90° Phasenverschoben sind.
Das Signal SM (Abb.3d) am Ausgang des Resolvers 13 ist Phasenverschoben
in Bezug SIN Signal um eine Grosse von an dessen Wert representativ
für die mechanische Winkel position des Resolverrotors ist.
Generator 17 enthält einen aufwärts/abwärts Zähler17a dessen Kapazität
so bestimmt ist, dass die Impulse von Taktgeber H bewirken , dass mehrere
Perioden des aufwärts oder abwärts zählen mit der Frequenz F1 ausgeführt
werden. Der Aufwärts/Abwärts Zähler 17a formt den Frequenzteiler und liefert
das Signal SC mit der Frequen S1(Abb. 3e) . Der Phasenunterschied 6c"
zwischen dem Signal SC und dem Signal S1 wird bestiitmt durch die Eingabe
in den Aufwärts/Abwärts Zähler, die dem binär Wort C entspricht.Letzteres
ist beispielsweise im mit 17a -verbundenen Register 17b gespeichert.
Generator 18 enthält einen Demodulator 18c dessen Verstärkung zwischen seinem das Signal SM empfangenden Eingang 18a und seinem das
Signal SD liefernden Ausgangs 18 (3f) abwechselnd von positiven zu ent-
gegengesetzt negativen Werten, beispielsweise von +1 nach -1 Im Verlauf
von aufeinanderfolgenden Halbperioden des Signal SC wechselt. Wobei letzteres das vom Demodulator gelieferten Steuersignal darstellt.
Ein Schaltkreis 18d erhält das Signal SD , ermittelt daraus den Mittelwert und gibt das Abweichungssignal SE in Form eines fortlaufenden
Signals ab , dessen Amplitude gleich oder proportional dem Mittelwert ist. (Fig. 3G). Es ist offensichtlich, dass die Phasenverschiebung zwischen
€hi und 6c proportional dem Mittelwert des Signals SD ist.
Der geringe Anteil an harmonischen Schwingungen in den Signalen SIN und COS und demgemäss auch in SM macht die Zwischenschaltung eines
Filtergliedes und damit die Gefahr schädlicher Phasenverschiebungen überflüssig.
Ein weiterer Vorteil besteht darin dass die Verwendung eines Resolvers mit Drehtransformator als Positionsfühler und die Verwendung
eine elektrischen Schleif- oder Drehkontaktes unnötig ist , die die Zuverlässigkeit des Systems herabsetzen würden.
Die Zuverlässigkeit der Einrichtung wird weiterhin gesteigert, bei
Anwendung auf einen Gleichstrommotor , der ohne Bürsten arbeitet und einen begrenzten Winkelausschlag hat (beispielsweise um 60° zu beiden
Seiten der Centralstellung).
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Der Itotoj- des Mc-tois besceht aus eiiim Permanentmagneten 21
(Abb. 4 und 5) und der Stator 22 besteht aus einem ferranagnetischen
Kern auf den die Stromleiter 23, 24 gewickelt sind in denen die Stramrichtung
entgegengesetzt ist.
Ein derartiger Motor weist eine Drehmomenten Kennlinie auf , wie sie in Figur 6 gezeigt ist. Der Ausschlag um 60°reicht in den meisten Anwendungsgebieten
aus insbesondere beispielsweise zur Steuerung der Winkelstellung eines Nockens.
Der Resolver 13 ist befestigt auf dem Gehäuse 25 des Motors 20 die herausragende Antriebswelle des Besolvers wird soweit verlängert , dass
sie als Antriebswelle des Motors verwendet werden kann. Dadurch wird jeder Mangel an Präzision , wie er durch ein eventuelles Spiel einer Kupplung
verursacht werden könnte vermieden .
Ein den Stator 22 tragendes Gehäuse enthält die elektronischen Bestandteile derSteuervorrichtung.
Es ist selbstverständlich , dass zahlreiche abweichende Ausführungsfonnen
und Ergänzungen zu der hier nur beispielhaft beschriebenen Ausführungsform
der erfindungsgemässen Kontrolleinrichtung möglich sind, ohne dass von dem in den beiliegenden Ansprüchen beanspruchten Schutzumfang abgewichen
würde.
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Claims (6)
1.) Einrichtung für die Positionskontrolle beispielsweise der Achslage eines Motors o.dgl.mit Vorgabe zweier identischer
Signale, die gegeneinander um 90° Phasenverschoben sind;
einem Winkel-Positions-Resolver dessen Rotor mit dem Bauteil,
dessen Position zu kontrollieren ist, mechanisch verbunden ist und dessen zwei Eingänge mit dem ersten Generator
zum Empfang des von diesem gelieferten ersten und zweiten Signals verbunden sind, und dessen Ausgang ein
Mess-Signal liefert, dessen Phase für die tatsächliche
Winkelposition des Bauteiles representativ ist;
einem zweiten Generator zum Empfang einer digitalen Eingabeinformation
in Form eines Binär-Wortes und zur Lieferung eines Signals, dessen Frequenz gleich der der beiden
vom ersten Generator gelieferten Signale ist und dessen Phase representativ für die gewünschte Winkelposition ist;
einen Genrator zum Erzeugen eines Abweichungs-Signals, der
mit dem Ausgang des Winkel-Positions-Resolver und dem Ausgang des zweiten Generators verbunden ist, um ein Positions-Abweichungssignal
zu liefern, das dem Phaseunterschied· zwischen Mess-Siqnal und Informations-Signal entspricht;
und mit
einer Kontroll-Vorrichtung zum kontrollierten Verändern bzw. Einstellen der Winkel-Position jenes Bauteiles als
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Funktion jenes Abweichungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der vom ersten Generator gelieferten beiden
Signale eine digitale Annäherung eines sinusförmigen Signals bestehend aus Halbperioden ist, wobei jede Halbwelle
aus mehreren Stufen bestehend/ein Signal vorgibt, das
einen geringen Gehalt an harmonischen Schwingungen aufweist; und daß der Abweichungs-Signal-Generator direkt
die Phase des ungefilterten Ausgangssignals des Resolvers
mit der Phase des Instruktions-Signals vergleicht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abweichungs-Signal Generator einen Synchron-Demodul-.ator enthält, der mit einem Kontroll-Signal beaufschlagt
ist, dessen Frequenz gleich jener des Instruktions-Signals ist, und das sich in Phase mit letzterem befindet,
und das sich aus Rechteck-Impulsen, deren Dauer der HMIfte eines Zyklus entspricht, aufbaut, so daß während
aufeinanderfolgender Halbzyklen das Ausaangssignal des
Demodulators als Funktion des dem selben zugeführten Mess Signals, verbunden mit dem Ausgangssignal des Abweichungs
Signal-Generators von einem Positiven Wert zu einem entgegengesetzten, negativen Wert geht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
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Vorrichtungen, die das Abweichungssignal in der Form eines Signals liefern,vorgesehen sind das dem Mittelwert des
AusganCTssignals des Demodulators entspricht.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resolver und das in seiner Winkellage zu kontrollierende
Bauelement eine gemeinsame Achse aufweisen.
5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
dadurch gekennzeichnet, daß das in seiner Winkellage zu kontrollierende Bauelement ein Gleichstrom Motor ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom Motor ein bürstenloser Motor ist.
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