DE3935712A1 - Motorantriebseinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Motorantriebseinrichtung,
insbesondere eine Servoantriebseinrichtung zur Winkelsteuerung
mit einer Konstruktion, wobei mechanisches
Spiel oder Totgang durch die Verwendung von zwei Motoren
beseitigt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf eine Technik, bei der eine Integrationsschaltung
innerhalb einer Geschwindigkeitsregelschleife verwendet
wird, um die statische Positionsgenauigkeit zu steigern.
Fig. 4 zeigt eine herkömmliche Ausführungsform eines
Positionierungs-Servosystems mit einem Aufbau, bei dem,
unter Verwendung von zwei Motoren, mechanisches Spiel
im Übertragungsmechanismus zwischen den Motoren und
einer Spindel bzw. einer Drehscheibe beseitigt wird.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist das Servosystem folgende
Baugruppen auf: einen Fehlerzähler 1, der die Differenz
zwischen Steuerimpulsen und Positions-Rückkopplungsimpulsen
zählt; Geschwindigkeitsverstärker 2 bzw. AMP 1 sowie 3 bzw.
AMP 2; Servomotoren 4 bzw. M 1 sowie 5 bzw. M 2; Geschwindigkeitsdetektoren
oder Tachometergeneratoren 6 bzw. TG 1 sowie 7
bzw. TG 2; und einen Positionsdetektor oder Codierer 8 bzw. EN.
Die Positions-Rückkopplungsimpulse, die vom Positionsdetektor
EN bzw. 8 geliefert werden, werden auf den negativen Eingang
des Fehlerzählers 1 zurückgeführt. Die Geschwindigkeits-Rückkopplungssignale,
die von den Geschwindigkeitsdetektoren
TG 1 bzw. 6 und TG 2 bzw. 7 geliefert werden, werden auf die
negativen Eingänge der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2
und AMP 2 bzw. 3 zurückgeführt.
Fig. 5 zeigt den mechanischen Teil des Servosystems gemäß
Fig. 4. In den Fig. 5 folgenden bezeichnen die gleichen
Symbole wie in Fig. 4 auch gleiche Baugruppen bzw. Komponenten.
Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Spindel bzw. eine Drehscheibe,
die mit dem Positionsdetektor EN bzw. 8 koaxial
gekoppelt ist. Der Servomotor M 1 bzw. 4 und der Geschwindigkeitsdetektor
TG 1 bzw. 6 sind koaxial gekoppelt und mit der Spindel
9 über ein Untersetzungszahnrad oder Untersetzungsgetriebe 10
bzw. G 1 verbunden. In gleicher Weise sind der Servomotor M 2
bzw. 5 und der Geschwindigkeitsdetektor TG 2 bzw. 7 koaxial
miteinander gekoppelt, und sie sind mit der Spindel 9 über
ein Untersetzungszahnrad oder Untersetzungsgetriebe 11 bzw.
G 2 verbunden.
Fig. 6 zeigt die Eingangs/Ausgangs-Charakteristiken der
Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 sowie AMP 2 bzw. 3.
Wie in Fig. 6 dargestellt, erzeugt der Geschwindigkeitsverstärker
AMP 1 bzw. 2 eine proportionale negative Spannung
-V 1 in Abhängigkeit von einem positiven Geschwindigkeitseingangssignal
v 1 und erzeugt eine Spannung von Null in
Abhängigkeit von einem negativen Eingangssignal, ausgenommen
in der Nähe des Geschwindigkeitseingangssignals mit dem Wert
Null.
Andererseits erzeugt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 2 bzw.
3 eine proportionale positive Spannung V 2 in Abhängigkeit
von einem negativen Geschwindigkeitseingangssignal +v 2 und
erzeugt eine Spannung von Null in Abhängigkeit von einem
positiven Eingangssignal, ausgenommen in der Nähe des
Geschwindigkeitseingangssignals mit dem Wert Null.
Der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 legt die Spannung
+V 1 an den Servomotor M 1 bzw. 4 in Abhängigkeit von einem
positiven Geschwindigkeitseingangssignal v 1, woraufhin gemäß
Fig. 5 der Servomotor M 1 bzw. 4 ein Drehmoment erzeugt, das
mit einem ausgezogenen Pfeil angedeutet ist, und dreht die
Spindel 9 in Richtung des entsprechenden Pfeiles, also
im Uhrzeigersinn. Bei dieser Gelegenheit legt der Geschwindigkeitsverstärker
AMP 2 bzw. 3 eine Spannung von Null an den
Servomotor M 2 bzw. 5 an, die kein Drehmoment zum Drehen der
Spindel 9 erzeugt.
In gleicher Weise legt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 2
bzw. 3 die Spannung V 2 an den Servomotor M 2 bzw. 5 in Abhängigkeit
von dem negativen Geschwindigkeitseingangssignal +v 2
an, woraufhin gemäß Fig. 5 der Servomotor M 2 bzw. 5 ein
Drehmoment erzeugt, das mit einem gestrichelt gezeichneten
Pfeil angedeutet ist, und dreht die Spindel in der Richtung
des gestrichelten Pfeiles, also im Gegenuhrzeigersinn.
Bei dieser Gelegenheit legt der Geschwindigkeitsverstärker
AMP 1 bzw. 2 eine Spannung von Null an den Servomotor M 1 bzw.
4 an, die kein Drehmoment zum Drehen der Spindel 9 erzeugt.
In einem Falle, wo das Geschwindigkeitseingangssignal v Null
ist, legt der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 eine
negative Spannung +v 3 an den Servomotor M 1 bzw. 4 an, die
ein Drehmoment in der Richtung des ausgezogenen gezeichneten
Pfeiles in Fig. 5 erzeugt, während der Geschwindigkeitsverstärker
AMP 2 bzw. 3 eine positive Spannung V 3 an den Servomotor
M 2 bzw. 5 anlegt, der ein Drehmoment in Richtung des
gestrichelten Pfeiles in Fig. 5 erzeugt.
Somit werden die Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5
insofern stationär, als sie einander ziehen. Das bedeutet,
das mechanische Spiel zwischen dem Untersetzungsgetriebe G 1
bzw. 10 und der Spindel 9 sowie das mechanische Spiel zwischen
dem Untersetzunggetriebe G 2 bzw. 11 und der Spindel 9 werden
beseitigt.
In diesem Zusammenhang ist es übliche Praxis, die zu dem
Servomotoren M 1 bzw. 4 und M 2 bzw. 5 fließenden Ströme so
vorzugeben, daß sie etwa 1/10 der Nennstärke der Servomotoren
ausmachen, und die Schaltungskonstanten der Geschwindigkeitsverstärker
AMP 1 bzw. 2 und AMP 2 bzw. 3 werden auf Werte
gesetzt oder eingestellt, um den vorgegebenen Stromstärkenwert
zu erreichen.
Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Geschwindigkeitsverstärker
AMP 1 bzw. 2 und AMP 2 bzw. 3. Da beide Geschwindigkeitsverstärker
den gleichen Schaltungsaufbau haben, soll
zunächst der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 im
einzelnen erläutert werden. Nachdem das Abtastsignal, also
das Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal vom Geschwindigkeitsdetektor
TG 1 bzw. 6 von einem Operationsverstärker 21 verstärkt
worden ist, wird dieses verstärkte Ausgangssignal
an einen Operationsverstärker 22 angelegt, und zwar zusammen
mit einem Geschwindigkeits-Eingangssignal X 1; die Abweichung
des verstärkten Ausgangssignals vom Geschwindigkeits-Eingangssignal
X 1 wird als Ausgangssignal X 2 abgegeben.
Dieses Abweichungs-Ausgangssignal X 2 dient als Geschwindigkeits-Eingangssignal
v, wie im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert,
und wird an einen Operationsverstärker 23 angelegt. Wenn das
Geschwindigkeits-Eingangssignal v einen vorgegebenen Wert
überschreitet, wird das Ausgangssignal V des Operationsverstärkers
23 proportional zur Zunahme des Geschwindigkeits-Eingangssignals
v an einen Operationsverstärker 24 der nächsten
Stufe angelegt und von diesem verstärkt. Die verstärkte
Spannung wird dann an den Servomotor M 1 bzw. 4 angelegt.
Im Geschwindigkeitsverstärker AMP 2 bzw. 3 ist die Eingangs/Ausgangs-Charakteristik eines Operationsverstärkers 33 mit
entgegengesetzter Polarität zu der des Operationsverstärkers
23 ausgebildet, und das Ausgangssignal mit der entgegengesetzten
Polarität wird über einen Operationsverstärker 34
an den Servomotor M 2 bzw. 5 angelegt. Im übrigen ist der
Aufbau dieses Geschwindigkeitsverstärkers AMP 2 bzw. 3 in
ähnlicher Weise aufgebaut wie der oben beschriebene Geschwindigkeitsverstärker.
In einem Positions- oder Winkelsteuerungs-Servosystem herkömmlicher
Bauart gemäß den oben beschriebenen Beispielen ist
es eine wesentliche und grundlegende Eigenschaft, eine
Servosteifigkeit im Bereich niedriger Geschwindigkeiten zu
Null zu machen, insbesondere den Wert des Fehlers einer
Stoppstellung bezüglich eines Steuerbefehls oder Steuerwertes
im stationären Zustand, nämlich den Positionsfehler für einen
stabilen oder stationären Zustand. Um dieses Ziel zu erreichen,
müssen daher folgende Aspekte berücksichtigt werden:
- - Die Vorwärtsverstärkungen der Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 sowie AMP 2 bzw. 3 werden erhöht.
- - Die Verstärkungen im Bereich niedriger Geschwindigkeiten werden unter Verwendung von nicht-linearen Schaltungselementen erhöht.
- - Innerhalb der Geschwindigkeitsregelschleifen werden Integrationselemente hinzugefügt.
Die ersten beiden Maßnahmen machen jedoch das Servosystem
instabil, und es ist schwierig, eine stabile Positionssteuerung
und Regelung durchzuführen. Insbesondere durch die zweite
Maßnahme gelingt es nicht, Positionsschleifenverstärkungen
gegenüber der Geschwindigkeit konstant zu machen. Die dritte
Maßnahme wird inzwischen üblicherweise praktiziert.
Wenn jedoch die Geschwindigkeitsverstärker AMP 1 bzw. 2 und
AMP 2 bzw. 3 jeweils mit den Integrationselementen versehen
werden, wie im Falle der herkömmlichen Konstruktion, werden
die Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5 insofern stationär,
als sie einander in den Zustand ziehen, in welchem Ankerströme
fließen, die die Nennstromstärke der Motoren überschreiten,
und zwar aus einem nachstehend näher beschriebenen Grunde.
Da derartige Überströme kontinuierlich durch die Motoren
fließen, können bei den Motoren Beschädigungen auftreten.
Der Grund für dieses Verhalten wird nachstehend näher erläutert.
In dem Falle, wo die Geschwindigkeitsverstärker
AMP 1 bzw. 2 sowie AMP 2 bzw. 3 jeweils mit Integrationselementen
14 bzw. 15 gemäß Fig. 8 versehen sind, haben beide
Ausgangssignale der Geschwindigkeitsdetektoren TG 1 bzw. 6
sowie TG 2 bzw. 7 einen Wert von null Volt in den stationären
Zuständen der Motoren. Eine positive oder negative kleine
Spannung wird als Spannung X 1 des Geschwindigkeits-Eingangsteiles
angelegt, und zwar in Abhängigkeit vom Wert des
Positionsfehlers im stabilen Zustand.
Durch die kleine Spannung werden Ladungen in den Kondensatoren
der Integrationselemente 14 und 15 gespeichert, so daß ausreichend
hohe Spannungen, die bezogen auf die Zeit, integriert
werden, als Ausgangsspannungen X 2 und X 3 der jeweiligen
Integrationselemente 14 und 15 geliefert werden. Dabei ist
jedoch unbestimmt, ob die Spannungen X 2 und X 3 die gleiche
Polarität erhalten, und zwar wegen der Eigenschaften der
Operationsverstärker 22 a und 32 a, insbesondere der Eingangs-Offsetspannungen
in den Operationsverstärkern usw.
In einem Falle, wo die Spannung X 2 negativ ist und die
Spannung X 3 positiv ist, gehen die Ausgangsdrehmomente
der Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5 in die Richtungen,
die mit den ausgezogenen bzw. gestrichelten Pfeilen in
Fig. 5 angedeutet sind, und die Servomotoren M 1 bzw. 4 und
M 2 bzw. 5 werden in der Form stationär, daß sie einander in
dem Zustand ziehen, in welchem Ankerströme fließen, die
über die Nennstromstärke der Motoren hinausgehen.
Manchmal fließen diese zu großen Ströme andauernd durch die
Motoren, so daß diese beschädigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Motorantriebseinrichtung
anzugeben, bei der dann, wenn die beiden Motoren zum Stillstand
gebracht werden, die Motoren nicht dadurch stationär
werden, daß sie einander ziehen, während Ankerströme in den
Motoren fließen, welche die Nennstromstärke überschreiten,
so daß zuverlässig verhindert wird, daß übermäßig hohe
Ströme durch die Motoren fließen.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender
Weise erreicht. Bei der erfindungsgemäßen Motorantriebseinrichtung
ist vorgesehen, daß die beiden Motoren in Eingriff
mit derselben Spindel gehalten werden, und zwar über die
jeweiligen Drehmomentübertragungsmechanismen, und wobei jeder
der Motoren einen Antriebsverstärker hat, um ein Drehmoment
in einer Richtung zu erzeugen, die entgegengesetzt zum
Drehmoment des anderen Motors ist. Ferner ist gemäß der
Erfindung eine Integrationsschaltung vorgesehen, welche über
die Zeit ein Differenzsignal zwischen einem Winkelsteuerwert
der Spindel und seinem Drehwinkel-Rückkopplungswert integriert
und die ihr Integrations-Ausgangssignal gemeinsam an die
genannten Antriebsverstärker anlegt.
Gemäß der Erfindung werden beide Antriebsverstärker gemeinsam
mit dem einzigen Ausgangssignal der Integrationsschaltung
versorgt. Auch in einem Falle, wo Eingangssignale für den
stabilen oder stationären Zustand in Abhängigkeit vom Winkelsteuerwert
der Spindel - erzeugt von den Motoren bei der
Betriebsart ihres Anhaltens - an die Integrationsschaltung
angelegt und, bezogen auf die Zeit, zu einem Spannungsausgangssignal
an die jeweiligen Antriebsverstärker angelegt wird, erhalten
beide dieser Antriebsverstärker die Eingangssignale als
Offsetspannungen mit identischer Polarität und mit identischem
Wert. Dementsprechend werden die Motoren daran gehindert,
sich in entgegengesetzen Richtungen zu drehen und in der
Form stationär zu werden, daß sie einander ziehen.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 ein Schaltbild von Geschwindigkeitsverstärkern
in einer Motorantriebseinrichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 und 3 Schaltbilder zur Erläuterung einer Integrationsschaltung,
die bei den Geschwindigkeitsverstärkern
gemäß dieser Ausführungsform verwendet
werden;
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer
Servoantriebseinrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Teiles des Mechanismus des Servosystems
gemäß Fig. 4;
Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung von Eingangs/Ausgangs-Charakteristiken
bei Geschwindigkeitsverstärkern;
Fig. 7 ein Schaltbild zur Erläuterung von herkömmlichen
Geschwindigkeitsverstärkern; und in
Fig. 8 ein Schaltbild zur Erläuterung von herkömmlichen
Geschwindigkeitsverstärkern mit eingebauten
Integrationselementen.
Bei der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
wird auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt die
Schaltung der jeweiligen Integrationselemente 14 und 15,
die in Fig. 8 angedeutet sind. Die Eingangs/Ausgangs-Übertragungsfunktion
G 1 (s) eines solchen Integrationselementes
ist durch die Gleichung (1) gegeben:
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 2. Die Übertragungsfunktionen G 2 (s) und G 3 (s)
gemäß Fig. 3 lassen sich durch die nachstehenden Gleichungen
(2) und (3) wie folgt ausdrücken:
Dementsprechend wird eine kombinierte Übertragungsfunktion
G 4 (s) erhalten, indem man die Übertragungsfunktionen G 2 (s)
und G 3 (s) addiert, so daß man die nachstehende Beziehung
für G 4 (s) erhält:
was die gleiche Beziehung wie in Gleichung (1) ergibt.
Daraus ergibt sich, daß die Schaltung gemäß Fig. 3 mit
der Schaltung gemäß Fig. 2 äquivalent ist.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Servosystem
mit einem einzigen Integrationselement 1 a in Beziehung
zu zwei Motorsteuerungs-Geschwindigkeitsverstärker aufgebaut
ist, und zwar unter Verwendung des Umstandes, daß gemäß
Fig. 3 das Integrationselement gemäß Fig. 2 aufgeteilt
werden kann in einen proportionalen Term, gebildet von
den beiden Widerständen R 1 und R 2, und einem Integrationsterm,
gebildet von dem Widerstand R 1 und einem Kondensator C.
Als Geschwindigkeits-Rückkopplungssignale wird das Summensignal
zwischen den beiden Signalen der Geschwindigkeitsdetektoren
TG 1 bzw. 6 und TG 2 bzw. 7 verwendet. Im Falle des
Beispiels gemäß Fig. 8 ist es unbestimmt, ob die Eingangsspannungen
für die Operationsverstärker 23 und 33, nämlich
die jeweiligen Ausgangsspannungen X 2 und X 3 der beiden
Integrationselemente 14 und 15 die gleiche Polarität bei der
Betriebsart erhalten, wo die Motoren zum Stillstand gebracht
werden.
Im Gegensatz dazu sind im Falle von Fig. 1 die Eingangsspannungen
für die Operationsverstärker 23 und 33 jeweils die Ausgangsspannung
des einzigen Integrationselementes 1 a und haben somit
dieselbe Polarität bei der Betriebsart, wo die Motoren zum
Stillstand gebracht werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 werden dementsprechend
die Servomotoren M 1 bzw. 4 sowie M 2 bzw. 5 nicht dadurch
stationär, daß sie einander in dem Zustand ziehen, in welchem
Ankerströme bei dieser Betriebsart fließen, welche die Nennstromstärke
der Motoren überschreiten; somit wird in zuverlässiger
Weise verhindert, daß übermäßig hohe Ströme ständig
durch die Motoren fließen.
In einem Falle, wo die Servoantriebs-Ausgangsstufe abgeschaltet
wird (Servo AUS), werden die Motoren von der Antriebseinrichtung
nicht angetrieben; somit wird das Integrationselement mit
einer Überschußspannung geladen. Bei dieser Gelegenheit werden
in dem Augenblick, wo die Servoantriebs-Ausgangsstufe anschließend
eingeschaltet wird (Servo EIN) die Wellen der
Motoren sich in nachteiliger Weise bewegen. Es ist somit
selbstverständlich, daß in der Betriebsart Servo AUS das
Integrationselement von einem Analogschalter oder dergleichen
vorher kurzgeschlossen wird, so daß zuverlässig verhindert
wird, daß es von der Überschußspannung geladen wird.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, können
auch für eine Positionsantriebseinrichtung mit einem Aufbau,
wo mechanisches Spiel unter Verwendung von zwei Motoren
beseitigt wird, Integrationselemente hinzugefügt werden, ohne
daß der Nachteil auftritt, daß übermäßig hohe Ströme
durch die Motoren fließen. Das bedeutet, daß eine Servosteifigkeit
in einem Bereich niedriger Geschwindigkeiten oder
Drehzahlen, insbesondere der Wert eines Positionsfehlers im
stabilen bzw. stationären -zustand unter einer stationären
Bedingung in einem Zustand zu Null gemacht werden kann, in
welchem die Stabilität des Servosystems gesichert ist, so daß
eine grundlegende Eigenschaft des Servosystems in hohem Maße
verbessert werden kann.
Claims (2)
1. Motorantriebseinrichtung, wobei zwei Motoren (4, 5)
über entsprechende Drehmomentübertragungsmechanismen
(10, 11) mit derselben Spindel (9) in Eingriff stehen
und wobei jeder der Motoren (4, 5) einen Antriebsverstärker
(2, 3) aufweist, um ein Drehmoment in einer Richtung zu
erzeugen, die dem Drehmoment des anderen Motors entgegengesetzt
ist,
gekennzeichnet durch
eine Integrationsschaltung (1 a), welche über die Zeit ein
Differenzsignal zwischen einem Winkelsteuerwert der Spindel
(9) und einem Drehwinkel-Rückkopplungswert von diesem
integriert und welche dieses Integrationsausgangssignal
gemeinsam an sämtliche Antriebsverstärker (2, 23, 24; 3,
33, 34) anlegt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehwinkel-Rückkopplungswert der Spindel (9) aus einem Summensignal zwischen den Geschwindigkeits-Rückkopplungssignalen der beiden Motoren (4, 5) besteht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehwinkel-Rückkopplungswert der Spindel (9) aus einem Summensignal zwischen den Geschwindigkeits-Rückkopplungssignalen der beiden Motoren (4, 5) besteht.
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