DE2940894A1

DE2940894A1 - Positionskontroll-einrichtung

Info

Publication number: DE2940894A1
Application number: DE19792940894
Authority: DE
Inventors: Yves Mulet-Marquis
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1978-10-05
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1980-04-17
Also published as: GB2040467A; JPS5833565B2; CH635948A5; JPS5569813A; GB2040467B; DE2940894C3; DE2940894B2; CA1154521A; FR2440574A1; FR2440574B1; US4310790A

Description

PFENNING · MAAS · MEINIG · SPOTT

ΡΑΤΈΝΓΤΑΝΛΛ/ΑΙΧΕ BERLIN MÜNCHEN

nwM· KurrOrelenoeinm 170. D 1000 Berlin

Artus

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J. Henning. Dip! -mg Dr. I. Meat. DIpI -Chem. Manchen K H Meinig, Dip! -Phy» Berlin Dr G Spott. Dipl -Chem München

Zugeleseene Vertreter beirn EutDpüichen Petentemt

BÜRO BERLIN: I KurtOrstendamm 170

ID 1000 Bertin 15

Telefon:

030/8812008/8812009 Telegramme: Seilwehrpatent

Telex: 52 15880

Berlin DMe

5.Oktober 1979

Kollmorgen Technologies Corp.
Republic National Bank Building
Dallas, Texas 75201, V.St.A.

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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ORIGINAL INSPECTED

-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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QRIGfNAL INSPECTED

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

-λ - Patentansprüche

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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