DE4408105A1

DE4408105A1 - Positionsregler und zugehöriges Verfahren zur Positionsregelung

Info

Publication number: DE4408105A1
Application number: DE4408105A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Kazama; Mitsuyasu Kachi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2014-03-11
Also published as: DE4408105C2; GB2276019B; GB2276019A; KR940022220A; SG79890A1; HK1006600A1; HK1003128A1; CN1111367A; CN1070621C; JP2833730B2; KR0137340B1; US5589748A; GB9404743D0; JPH06259137A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Positionsregler zur Rückkopplung von Positionsinformationen, die von einer Posi tionserfassungseinrichtung zum Erfassen der Position eines beweglichen Teils erfaßt werden, sowie auf ein Verfahren zur Positionsregelung zum Regeln eines beweglichen Objekts im An sprechen auf einen eingehenden Positionierbefehl. Ganz allge mein bezieht sie sich auf die Regelung verschiedener Motoran triebssysteme wie Servosteuerungen und -regler, Spindelregler und Positionsregler bei numerisch gesteuerten Maschinen.

Der Weg eines Regelsignals in einer Servosteuerung bei einer herkömmlichen Positionsregelung unter Heranziehung von Über tragungsfunktionen ist in einem Blockdiagramm in Fig. 13 dargestellt. In dieser Figur ist mit 1 eine Verstärkungsein heit für einen Positionsregelkreis mit einem Verstärkungsfak tor Kp angegeben, während das Bezugszeichen 2 einen Propor tional-Integral-Kompensierer für den Geschwindigkeitsregel kreis bezeichnet; 3 entspricht einem Trägheitselement und mit 4 ist ein Integrierer angegeben. Gemäß Fig. 13 wird von einem Positionierbefehl am Punkt A ein Positionsrückkopplungssignal subtrahiert, und die Differenz wird dann in der Verstärkungs einheit 1 für den Positionsregelkreis verstärkt, deren Ver stärkungsfaktor kp beträgt und die einen Geschwindigkeitsbe fehl abgibt. Von dem Geschwindigkeitsbefehl wird am Punkt 3 ein Geschwindigkeitsrückkopplungssignal subtrahiert, und die se Differenz wird in dem Proportional-Integral-Kompensierer 2 für den Geschwindigkeitsregelkreis verstärkt, der eine Über tragungsfunktion Kv + Ki/S aufweist und einen Drehmomentbe fehl ausgibt.

Der Drehmomentbefehl stellt die Motordrehzahl entsprechend einer Trägheitskomponente dar, abzüglich eines Verminderungs betrags, der einem Belastungsdrehmoment entspricht, wie am Punkt C zu erkennen ist. Die Geschwindigkeit wird vom Punkt D aus negativ als Geschwindigkeitsrückkopplungssignal in vor stehend ausgeführter Weise rückgekoppelt. Der Positionswert, der das Zeitintegral der Geschwindigkeit darstellt, wird am Punkt E vom Integrierer 4 übernommen, der eine Übertragungs funktion 1/S hat und das Positionsrückkopplungssignal er zeugt.

Wird eine Maschine tatsächlich mit dem vorstehend erläuterten System betrieben, so wird ihre Betriebsweise durch die Reak tion auf die Positionsrückmeldung gemäß Fig. 14A, 143 äquiva lent approximiert, da die Reaktion auf die Positionsrückmel dung im Vergleich zur Reaktion auf die Geschwindigkeitsrück meldung ausreichend stark ist. Die Charakteristik des in Fig. 14A dargestellten Positionsregelkreises wird als Übertra gungsfunktion G(S) wiedergegeben:

Im Anschluß hieran wird nun Fig. 14B beschrieben. Erfolgt ein Positionierbefehl zur Bewegung an eine genau bezeichnete Po sition zu einem Zeitpunkt to (Bewegungsweg S), so folgt die tatsächliche Bewegung einer Maschine (Motor) mit einer Folge verzögerung des Positionsregelkreises (um die Zeitkonstante des Positionsregelkreises). Gemäß der Darstellung in dieser Figur wird zu diesem Zeitpunkt ein Geschwindigkeitsbefehl eingegeben, und diese Fläche ergibt dann die vorgegebene Po sition (Zeit × Geschwindigkeit). Bei Eingabe in der vorste henden Weise wird die Umdrehung des Motors mit einer Verzöge rung erster Ordnung ausgeführt, wie die Figur zeigt. Außerdem erzeugt der Motor ein steiles Drehmoment bei Einsetzen der Beschleunigung und bei Einsetzen der Geschwindigkeitsminde rung.

Bei dem vorstehend dargestellten Positionsregelsystem weist der Positionsregelkreis eine konstante Zeitverzögerung erster Ordnung auf und folgt dem Befehl. Damit beschreibt die Um laufbahn des tatsächlichen Motors einen Kreis auf der Innen seite des realen Kreises entsprechend der Verzögerungskon stante erster Ordnung, wenn ein realer Kreis mit zwei Achsen gezogen wird (X- und Y-Achse), wie Fig. 15 dies zeigt. Die Verminderung ΔR des Kreisradius kann in diesem Fall folgen dermaßen dargestellt werden:

Hierbei entspricht R dem Radius des Kreises, während F die Geschwindigkeit in tangentialer Richtung angibt. Herkömmli cherweise wird eine Vorschubregelung gemäß Fig. 16 einge setzt, um den Radiusfehler ΔR auszugleichen, der infolge der Verzögerung entsteht. Bei Einsatz dieser Vorschubregelung wird die Radiusverminderung ΔR auf folgenden Wert kompen siert:

Durch Aufhebung der Verzögerung ersten Grades mit dem Diffe rential ersten Grades bei der Vorschubsteuerung 7, und bei auf 1 gesetztem Vorschubkoeffizienten α, läßt sich eine Um laufbahn des Motors erreichen, die bezüglich des Befehls frei von einer Verzögerung ist.

Hierbei gibt kp den Verstärkungsfaktor des Positionsregel kreises an, während 1/kp eine Zeitkonstante des Positionsre gelkreises und S ein Laplace-Operator ist.

Unter den einschlägigen Fachveröffentlichungen, die einen Be zug zur Erfindung haben, wird hier ein "Acceleration and De celeration Control System" [Beschleunigungs- und Verlangsa mungs-Regelsystem] genannt, wie es in der offengelegten japa nischen Patentschrift Nr. 209812/85 beschrieben ist.

Bei der vorgenannten Vorschubregelung wird jedoch der Befehl vor Addition differenziert. Deshalb wird auch der Fehler bei der Befehlsausführung ebenfalls differenziert, was zu einer Wellenform mit vielen schwankenden Komponenten führt. Infol gedessen werden leicht Maschinenschwingungen hervorgerufen, wenn α = 1 gesetzt wird. Deshalb lädt sich ein völliger Aus gleich für ΔR unter vorgenannter Verwendung von α nur mit Schwierigkeiten erreichen. Infolgedessen lädt sich eine ste tige Wellenform für die Reaktion nicht herbeiführen, was zu Schwingungen der Maschine führt.

Auch wenn die Vorschubregelung insofern wirksam ist, als sie die Eigenschaften der nachfolgenden Befehle betrifft, hat sie keine Unterdrückungswirkung auf externe Störungen, die von außen auf das Positionsrückkopplungssystem einwirken. Um den Effekt der Unterdrückung von Störungen, die von außen auf das Positionsrückkopplungssystem einwirken, zu verbessern, muß ein hoher Verstärkungsfaktor kp für den Positionsregelkreis vorgesehen sein. Dies führt jedoch zu verstärkten Veränderun gen in der Motordrehzahl, was sich beispielsweise an der in Fig. 14B dargestellten Wellenform für das Drehmoment zeigt. Infolgedessen wirken auf die Maschine verstärkte Stöße ein, und außerdem besteht eine erhöhte Neigung zur Übernahme hoch frequenter Anteile (z. B. der Resonanz der Maschinenanlage und Rauschanteile). Aus den vorgenannten Gründen läßt sich eine stabile Erhöhung des Verstärkungsfaktors nicht erreichen.

Die Schaubilder in Fig. 17A und 17B zeigen einen Vergleich zwischen der Erhöhung des Verstärkungsfaktors durch ein Sy stem erster Ordnung und der Erhöhung durch das erfindungsge mäße System höherer Ordnung. Bei einer Erhöhung des Verstär kungsfaktors mit einem System erster Ordnung herkömmlicher Art, gestaltet sich dann, wenn ein für die Regelung erforder liches Band erhöht wird, das System in der Weise, wie sie ge strichelt in Fig. 17A eingezeichnet ist. Außerdem wird eine Störkomponente an die Erhöhung des Verstärkungsfaktors ange paßt, und damit treten Schwingungen noch leichter auf, da nämlich bei einem herkömmlichen System mit Verzögerung erster Ordnung ein Band um -20 dB gedämpft wird. Aus diesem Grund ist bei Erhöhung des Verstärkungsfaktors eine größere Band breite erforderlich. Der Faktor, mit dem die Hochfrequenzkom ponente verstärkt wird, erhöht sich jedoch ebenfalls, und da mit wirkt sich ein hochfrequentes Rauschen noch leichter un günstig auf das System aus.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Positi onsregler mit zugehörigem Verfahren zur Positionsregelung zu schaffen, bei welchen der Verstärkungsfaktor des internen Re gelkreises auf einen entsprechenden Wert gesetzt wird, um ei ne starke Reaktion, einen stabilen Regelkreis und eine steti ge Wellenform in der Reaktion zu erreichen, und dabei auch Schwingungen der Maschine zu verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Positionsregler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß er einen er sten und einen zweiten Regelkreis zur Bildung eines Positi onsregelkreises bei einem System zweiter Ordnung unter Bil dung eines internen zweiten Regelkreises aufweist.

Weiterhin wird diese Aufgabe auch mit einem Positionsregler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß dieser einen dritten Regelkreis aufweist, der durch Ausbildung eines in ternen zweiten und eines internen dritten Regelkreises gebil det ist.

Erfindungsgemäß sind in dem Positionsregelkreis ein zweiter Regelkreis bzw. ein zweiter und ein dritter Regelkreis ausge bildet. Damit erhöht sich die Ordnung des Positionsregelkrei ses, während die Verstärkungsfaktoren im zweiten und dritten Regelkreis auf Mindestwerte gesetzt sind, die bezüglich des Verstärkungsfaktors für den Positionsregelkreis überrege lungsfrei sind.

Wie vorstehend bereits ausgeführt, ist es mit dem erfindungs gemäßen Positionsregelsystem möglich, eine starke Reaktion und eine stabile Charakteristik der Positionsregelung zu er zielen, die von hochfrequenten Komponenten unbeeinflußt ist. Damit ist es möglich, stetige Wellenformen bei Beschleunigung und Verlangsamung als Reaktionswellenform des Motors zu er zielen, und somit läßt sich eine stabile und erschütterungs freie Maschinenregelung realisieren. Bezüglich des herkömmli chen Verstärkungsfaktors Kp des Positionsregelkreises ist es somit möglich, einen höheren Verstärkungswert zu erzielen und in der Servoregelung höhere Verstärkungsfaktoren zu realisie ren.

Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die bei gefügte Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm mit der Darstellung des Aufbaus ei nes erfindungsgemäßen Positionsregelsystems;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Funkti onsablaufs in dem Positionsregelsystem nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines anderen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Positionsregelsy stems;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Funkti onsablaufs in dem Positionsregelsystem nach Fig. 3;

Fig. 5 ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines weiteren Aufbaus eines erfindungsgemäßen Positionsregelsy stems;

Fig. 6 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 7 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 8 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 9A und 9B jeweils ein Blockdiagramm, das einen noch wei teren Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsy stems zeigt;

Fig. 10 ein Blockdiagramm, das einen noch anderen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsregelsystems zeigt;

Fig. 11 eine Graphik zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Wellenform für die Geschwindigkeit und die Schrittschaltung bei Positionsregelsystemen er ster bis dritter Ordnung;

Fig. 12A und 12B jeweils eine Graphik zur Veranschaulichung einer Wellenform für die Motordrehzahl, wenn die Glättungseingabe auf den "0"-Zustand für die Zeit konstante gesetzt ist;

Fig. 13 ein Blockdiagramm mit der Darstellung des Aufbaus eines herkömmlichen Positionsregelsystems;

Fig. 14A und 14B jeweils eine Darstellung zur Erläuterung ei ner Positionsregelcharakteristik des herkömmlichen Positionsregelsystems;

Fig. 15 eine Ansicht zur Erläuterung der Umlaufbahn des Mo tors bei einem herkömmlichen Positionsregelsystem;

Fig. 16 ein Blockdiagramm mit der Darstellung einer herkömm lichen Vorschubregelung;

Fig. 17A eine Graphik zum Vergleich der Erhöhung des Verstär kungsfaktors bei einem herkömmlichen System erster Ordnung mit der Erhöhung des Faktors bei einem Sy stem mit hohen Harmonischen; und

Fig. 17B eine Graphik zum Vergleich der Erhöhung des Verstär kungsfaktors bei einem System erster Ordnung mit der Erhöhung des Faktors bei einem erfindungsgemäßen Sy stem mit hohen Harmonischen.

Nachfolgend wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Positionsregelsystem mit einem internen zweiten Regelkreis. Aus der Figur ist er sichtlich, daß das Bezugszeichen 1 eine Verstärkereinheit für den Positionsregelkreis bezeichnet (kp) und 1a eine zweite Verstärkereinheit für den Positionsregelkreis (kp1) angibt. Bei 10 ist eine Positionsrückkopplungsschleife ausgebildet, der eine Positionsinformation von dem Regelungsobjekt zu ei nem Summierknoten A übermittelt. Bei 11 ist ein Geschwindig keitsregelkreis ausgebildet, der einem Summierknoten B Ge schwindigkeitsinformationen übermittelt. Die Integrierer 4 werden so angesteuert, daß sie Rückkopplungswerte für Ge schwindigkeit und Position erzeugen. Bei Ausbildung des in ternen zweiten Regelkreises in der Einheit 1a läßt sich die Übertragungsfunktion G(S) folgendermaßen wiedergeben:

Diese besitzt eine Charakteristik eines Positionsregelkreises zweiter Ordnung.

Darüber hinaus wird der Regelkreis durch einen Koeffizienten ζ und eine Geschwindigkeit ωn charakterisiert, wobei

Zur Erzielung einer überregelungsfreien Charakteristik muß ζ 1 sein. Um einen überregelungsfreien Schwellwert ζ = 1 zu erreichen, können wir folgende Beziehung aufstellen:

kp1 = 4kp . . . (5)

Setzt man Beziehung 5 in Gleichung 4 ein, so erhalten wir ei ne Charakteristik für einen Positionsregelkreis zweiter Ord nung wie folgt

In diesem Fall läßt sich die Verringerung des Radius ΔR fol gendermaßen darstellen:

Damit kann die Radiusverkleinerung für den Regelkreis erster Ordnung die Hälfte des Wertes nach dem Stand der Technik be tragen. Bezüglich der Vorschubwirkung ist es außerdem mög lich, eine 70%ige Vorschubwirkung (α = 0,7) zu erzielen.

Als nächstes werden nun die Funktionsabläufe des Regelkreises erläutert. Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschauli chung der Funktionsabläufe in dem Positionsregelsystem gemäß Fig. 1. Zunächst wird eine Differenz zwischen einer Positi onsrückmeldung (D) und einem Positionierbefehl berechnet (S201), dann wird ein Verstärkungsfaktor kp für den Positi onsregelkreis mit der Differenz multipliziert, woraufhin ein bestimmter Geschwindigkeitsbefehl (B) ausgegeben wird (S202). Danach wird eine Differenz zwischen dem bestimmten Geschwin digkeitsbefehl (B) und einer bestimmten Geschwindigkeitsrück meldung (C) berechnet (S203) und mit dieser Differenz ein Verstärkungsfaktor kp1 multipliziert, so daß als Befehl eine Beschleunigungskomponente ausgegeben wird (S204). Außerdem wird die bestimmte Geschwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) durch Integration der bestimmten Beschleunigungskomponen te (1/S) (S205) ausgegeben, während auch die bestimmte Ge schwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) integriert (1/S) und danach als bestimmte Positions-Rückkopplungskomponente ausgegeben wird (S206).

Nachstehend wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung beschrieben. Fig. 3 zeigt hierzu ein Positionsregel- System mit einem zweiten und dritten internen Regelkreis. Da bei ist mit 1 eine Verstärkungseinheit für den Positionsre gelkreis (kp) angegeben, und mit 1a eine zweite Verstärkungs einheit (kp1) für den zweiten Regelkreis, und 1b bezeichnet eine dritte Verstärkungseinheit (kp2) für den dritten Regel kreis, während die Bezugszeichen 10′ einen ersten Regelkreis, 11′ einen zweiten Regelkreis und 12 einen dritten Regelkreis angeben.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Positionsregelsystem mit dem zweiten und dritten internen Positionsregelkreis 11′, 12 be sitzt die Übertragungsfunktion G(S) eine Charakteristik der Positionsregelung dritter Ordnung, die wie folgt ausgedrückt wird:

Das System dritter Ordnung wird im allgemeinen als

ausgedrückt, wobei Pr die Wurzel ersten Grades ist.

Damit dieses System dritter Ordnung überregelungsfrei ist, muß Pr bezüglich des reellen Zahlenanteils der konjugierten komplexen Wurzel aus S² + 2ζωn S + ωn² klein sein. Damit muß eine Beziehung

Pr ζωn . . . (10)

erfüllt sein.

Der Schwellwert der Überregelungsfreiheit beträgt

Pr = ζωn . . . (11)

Wird Beziehung 11 in Gleichung 9 eingesetzt, so erhält man

Aus den Gleichungen 9 und 12 erhalten wir:

kp · kp1 · kp2 = ζωn³
kp1 · kp2 = (2ζ² + 1) ωn²
kp2 = 3ζωn (13)

Durch Eliminieren von ζ und ωn in Gleichung 13 ergibt sich:

2kp2² - 9kp1kp2 + 27kp · kp1 = 0 . . . (14)

Werden für kp1 und kp2 Werte eingesetzt, die die Gleichung 14 erfüllen, läßt sich ein überregelungsfreies System dritter Ordnung erhalten.

Die Bedingungen für eine reelle Wurzel aus kp² lauten:

D = 81kp1² - 216kpkp1 0 8kp1, kp < 0) . . . (15)

sowie

und bei der kleinsten reellen Wurzel aus kp2

In diesem Fall ist kp2 eine mehrfache Wurzel und infolgedes sen kp2 = 6kp. Werden kp1 (7/3 kp) und kp2 vorgegeben, so re duziert sich die vorstehende Gleichung 8 auf folgendes:

In diesem Fall lädt sich die Radiusverminderung ΔR folgen dermaßen darstellen:

wobei α und β Wurzeln zweiten Grades sind.

Aus der Gleichung 18 ergibt sich, daß die Radiusverminderung bis zu ¼ der herkömmlichen Radiusverringerung ersten Grades betragen kann. Dies bedeutet, daß es möglich ist, mit dem Doppelten des Verstärkungsfaktors kp des Positionsregelkrei ses eine Wirkung herbeizuführen und außerdem eine Vorschub wirkung von 87% (α = 0,87) zu erzielen.

Als nächstes wird nun die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Positionsreglers beschrieben. Das Ablaufdiagramm in Fig. 4 zeigt die einzelnen Schritte in dem in Fig. 3 dargestellten Positionsregelsystem. Als erstes wird eine Differenz zwischen der Positionsrückmeldung (F) und dem Positionierbefehl (A) berechnet (S401), woraufhin diese Differenz mit dem Verstär kungsfaktor kp für den Positionsregelkreis multipliziert und ein Befehl für den zweiten Regelkreis (gegebene Geschwindig keitsbefehlskomponente: B) ausgegeben wird (S402). Danach wird eine Differenz zwischen der gegebenen Geschwindigkeits befehlskomponente (B) und der differenzierten Komponente (ei ner gegebenen Geschwindigkeits-Rückkopplungskomponente: E) mit dem Verstärkungsfaktor kp1 für den zweiten Regelkreis multipliziert, so daß ein Befehl (C) für den dritten Regel kreis ausgegeben wird (S403), und anschließend wird eine Dif ferenz zwischen dem Befehl für den dritten Regelkreis (C) und einer zweimal differenzierten Komponente der Positionsrück meldung (einer gegebenen Beschleunigungs-Rückkopplungskompo nente: D) mit dem Verstärkungsfaktor kp2 für den dritten Re gelkreis multipliziert; danach wird das Produkt integriert, woraufhin eine gegebene Beschleunigungs-Rückkopplungskompo nente (D) ausgegeben wird (S404).

Fig. 5 bis 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfin dung. Der in Fig. 5 dargestellte Aufbau macht es möglich, daß man einen internen Verarbeitungskreis erhält, wenn ein System mit Harmonischer zweiten Grades dadurch gebildet wird, daß vor dem Geschwindigkeitsregelkreis ein zweiter Regelkreis aufgebaut wird. Der externe Regelkreis wird unter Verwendung von Daten aus dem externen Positionsmelder (Positionsrück kopplung vom maschinenseitigen Ende in den Regelkreisvorga ben) aufgebaut. Auf diese Weise reagiert der interne zweite Regelkreis 11′ im Vergleich zum ersten Regelkreis 10′ stark, während es dennoch möglich ist, einen stabilen Betrieb auf rechtzuerhalten. Hierbei ist unter 5 der Geschwindigkeitsre gelkreis angegeben.

Bei der Konstruktion gemäß Fig. 6 werden die Rückkopplungsda ten des internen zweiten Regelkreises unter Verwendung von Daten aus dem externen Positionsmelder gebildet. Auf diese Weise sind sowohl der erste (10′) als auch der zweite (11′) Regelkreis stabil. Arbeitet man mit einer Einzelimpuls-An sprechcharakteristik, so kann bei Eingabe eines Einzelimpuls- Befehls der Motor mit einem Befehl in der Form "Einzelimpuls × kp × kp1" als Geschwindigkeitsbefehl im nicht betriebsfähi gen Zustand der Maschine angetrieben werden.

Fig. 7 zeigt den Aufbau einer Ausführung dritter Ordnung der Konstruktion gemäß Fig. 5. Deren Merkmale sind hoher An sprechgrad und starke Dämpfung hoher Frequenzen. Bei dem Auf bau gemäß Fig. 8 handelt es sich um die Version dritter Ord nung des Aufbaus gemäß Fig. 6. Diese gestattet eine Verbesse rung durch höheren Verstärkungsfaktor (Einzelimpuls × kp × kp1 × kp2).

Der Aufbau gemäß Fig. 9A entspricht dem Aufbau des Systems erster Ordnung gemäß Fig. 9B. Aus diesem Grund kann der Re gelkreis nur eine Komponente als Geschwindigkeitsbefehl lie fern, die man durch Multiplikation der Differenz zwischen dem Positionsbefehl und der Positionsrückmeldung mit kp erhält. Der Aufbau eines Systems zweiter Ordnung kann jedoch nicht nur automatisch die Geschwindigkeitskomponente bezüglich des Befehls erzeugen, sondern auch eine Drehmomentkomponente. Bei einem Befehl der Drehmomentschleife, bei der die Reaktion be sonders wichtig ist, kann somit ein Drehmomentbefehl durch Vorauskorrektur erzeugt werden, und zwar nicht nur im Anspre chen auf einen Drehmomentbefehl, der durch proportionale in tegrale Beeinflussung der Geschwindigkeitsdifferenz, sondern auch entsprechend der Drehmomentinformationen erzeugt wird, die aus der Geschwindigkeitsrückmeldung hochgerechnet werden, d. h. indem die Abweichung zwischen Befehl und Drehmoment er mittelt wird. Damit ist es möglich, die Charakteristiken ei nes robusteren Geschwindigkeitsregelkreises zu erzielen. In Fig. 9A gibt das Bezugszeichen 6 ein Differenzierglied an.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 handelt es sich um eine Solldrehmomenteinrichtung mit korrigiertem Regelkreis, bei welcher das gleiche System dritter Ordnung wie im Fall von Fig. 9A zum Einsatz kommt.

Es hat sich bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei spielen gezeigt, daß sich stark ansprechende und stabile Re gelkreise dadurch erzielen lassen, daß der Grad des Positi onsregelkreises auf den zweiten, dritten usw. Grad erhöht wird und daß der Verstärkungsfaktor des internen Regelkreises auf einen entsprechenden Wert eingestellt wird. Damit kann durch Erhöhung des Grades des Positionsregelkreises bei der Reaktion in Positionierschritten die Reaktions-Wellenform stetiger gemacht werden, wie Fig. 11 zeigt, wodurch Schwin gungen der Maschine ausgeschlossen werden.

Fig. 12A und 12B zeigen Wellenformen für die Motordrehzahl, wobei beim Zustand der "0"-Zeitkonstante eine Glättung einge geben wird (zur Beschleunigung und Verlangsamung der Schal tung). Gemäß dieser Darstellung besitzen die Systeme ersten und dritten Grades unterschiedliche Ansprech-Charakteristi ken. Während sich die vorstehend dargestellten Ausführungs beispiele auf Systeme bis zur dritten Ordnung bezogen, ist es auch möglich, Systeme mit höherer als der dritten Ordnung aufzubauen.

Durch Einführung eines Systems höherer Ordnung in vorstehend dargestellter Weise wird ein Band (Ansprechempfindlichkeit), das zur Regelung erforderlich ist, in der in Fig. 17B darge stellten Weise angehoben, während eine Komponente einer hoch frequenten Welle, die zur Störkomponente werden soll, in starkem Maße gedämpft wird. Mit anderen Worten wird bei Sy stemen höherer Ordnung ein Band um 40 dB (System zweiter Ord nung) und um 60 dB (System dritter Ordnung) gedämpft, und ist ein Dämpfungsfaktor für einen Verstärkungsfaktor bei einer Komponente einer hochfrequenten Welle auch dann hoch, wenn der Verstärkungsfaktor angehoben ist. Aus diesem Grund ist es möglich, ein stabiles System zu realisieren, auf das sich hochfrequentes Rauschen kaum nachteilig auswirkt.

Auch wenn die Erfindung vorstehend anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels zur vollständigen klaren Darstellung be schrieben wurde, sind die beiliegenden Ansprüche nicht darauf beschränkt, sondern sie sind vielmehr dahingehend auszulegen, daß sie alle Modifizierungen und alternativen Konstruktionen mit umschließen, die sich unter Umständen dem Fachmann anbie ten und die in angemessener Weise in den Bereich der hier niedergelegten grundlegenden Lehre fallen.

Bezugszeichenliste

(Fig. 13-17 / Stand d. Technik)

1 Verstärk.einh. f. Positionsregelkreis / position loop gain op. unit
2 Prop. Integrator f. Geschwindigkeitsregelkreis / speed loop prop. integr.comp.u.
3 Trägheitselement / inertia unit
4 Integrierer / integrator

(Fig. 1 . . . 12)

1a 2. Verstärkungseinh. f. Regelkreis / 2. contr. loop gain op. unit
1b 3. Verstärkungseinh. f. Regelkreis / contr. loop gain op. unit
5 Geschwindigkeitsregelkr. / speed loop
6 Differenzierer / differentiator
10 Pos.rückkopplungsschleife / pos. feedb. loop
11 Geschw.regelkreis / speed loop
11′ 2. Regelkreis (int. Pos.) / 2. control loop (int. pos.)
12 3. Regelkreis (int. Pos.) / 3. control loop (int. pos.)

(Fig. 13-17)

A Pkt. / Subtrakt. - zu 1 / point / subtract. → 1
B Pkt. / Subtrakt. - zu 2 / point / subtract. → 2
C Pkt. / Vermind. Lastdrehmom. / point / load torque red.
D Pkt. / neg. Geschw.rückkopp. / point / neg. speed feedback
E Pkt. / pos. Wert (aus 4) / point / pos. value (from 4)
Kp Verstärk. Faktor (Übertragungsfunktion) / gain (transfer function) (1)
Kv+Ki/S Übertragungsfunktion / transfer funct. (2)
1/S Übertragungsfunktion / transfer function (4)
S Bewegungsweg / migration length

(Fig. 1-12)

A Summierknoten (Posit.bef.) / summing node (pos. command)
B Summierkn. (Geschw.bef.) / summing node (speed command)
C Geschw.rückkopplung / speed feedback
D Posit.rückkopplung / position feedback
E Geschw.rückkoppl.-Kompon. / speed feeback component
F Posit.rückkopplung / position feedback
S201 Ber. Posit.befehl / position command computation
S202 kp × Diff. (A-D9) / kp × diff. (A-D)
S203 Ber. C / kp1 × Diff. / compute C/kp1 × diff. (B-C)
S204 Bef. Beschl.-Ausgangskomponente / accel. output compon. command
S205 Integr. Beschl.-Ausgangskomponente / integrate accel. output component
S206 C integrieren / integrate C
S401 Ber. Posit.befehl A / position command A computation
S402 Diff. × kp /Bef. an 11′ / diff. × kp / comm. output to 11′
S403 Diff. × kp1 / Bef. an 12 / diff. × kp1 / comm. output to 12
S404 Diff. × kp2 / Ausgang Beschleunigungs-Rückkopplungskomponente / diff. × kp2 / acc. feedb. compon. output

Claims

1. Positionsregler zur Rückkopplung von Positionsinforma tionen, die von einer Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen der Position eines beweglichen Teils erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß er einen ersten (10) und einen zweiten (11) Re gelkreis zur Bildung eines Positionsregelkreises bei ei nem System zweiter Ordnung unter Bildung eines internen zweiten Regelkreises (11) aufweist.

2. Positionsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungsfunktion der Regelkreischarakteri stik des Positionsregelkreises zweiter Ordnung lautet: wobei S = ein Laplace-Operator
kp = Verstärkungsfaktor des Regelkreises erster Ordnung,
und daß der Verstärkungsfaktor (kp1) des Regelkreises zweiter Ordnung gleich 4kp gesetzt ist.

3. Positionsregler zur Rückkopplung von Positionsinforma tionen, die von einer Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen der Position eines beweglichen Teils erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß er einen ersten (10′), einen zweiten (11′) und einen dritten (12) Regelkreis zur Bildung eines Positi onsregelkreises eines Systems dritter Ordnung unter Bil dung eines internen zweiten Regelkreises (11′) und eines internen dritten Regelkreises (12) aufweist.

4. Positionsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungsfunktion der Regelkreischarakteri stik des Positionsregelkreises dritter Ordnung lautet: wobei S ein Operator für eine Laplace-Transformation ist, und daß der Wert von kp1 so gesetzt ist, daß er im wesentlichen gleich 8/3 kp ist, während der Wert von kp2 so eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich 6kp ist.

5. Positionsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis zweiter Ordnung mit Verstär kung einen Geschwindigkeits-Regelkreis (5) aufweist.

6. Verfahren zur Positionsregelung zum Regeln eines beweg lichen Objekts im Ansprechen auf einen eingehenden Posi tionierbefehl dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung über ein System mit Systemübertragungs funktion erfolgt, und daß die folgenden Schritte vorge sehen sind:
Berechnen einer Differenz zwischen einer Positionsrück meldung (D) und einem Positionierbefehl (A) (S201);
Erzeugen einer Geschwindigkeitskomponente durch Multi plizieren der Differenz mit einem Verstärkungsfaktor (kp) für einen Positionsregelkreis (S202);
Berechnen einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeits befehl (B) und einer Geschwindigkeitsrückmeldung (C) (S203);
Erzeugen einer Beschleunigungskomponente (1/S) durch Multiplizieren eines Verstärkungsfaktors (kp1) eines in ternen Regelkreises höherer Ordnung mit der Differenz (S204);
Erzeugen einer Geschwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) durch Integrieren der Beschleunigungskomponente (1/S) (S205), und
Erzeugen einer Positions-Rückkopplungskomponente durch Integrieren der Geschwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) (S206).

7. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion für ein System zweiter Ord nung vorgesehen ist, und daß der Verstärkungsfaktor des internen Regelkreises höherer Ordnung kp1 ist.

8. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert ist als: wobei S = ein Laplace-Operator
kp = Verstärkungsfaktor des Regelkreises erster Ordnung,
und daß der Verstärkungsfaktor (kp1) des Regelkreises zweiter Ordnung gleich 4kp gesetzt wird.

9. Verfahren zur Positionsregelung, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte aufweist:
einen ersten Schritt zur Berechnung einer Differenz zwi schen einer Positionsrückmeldung (F) und einem Positio nierbefehl (A) (S401);
einen zweiten Schritt zur Abgabe eines Befehls für einen zweiten Regelkreis (Geschwindigkeitsbefehlskomponente B) durch Multiplizieren der Differenz mit einem Verstär kungsfaktor (kp) für einen Positionsregelkreis (S402);
einen dritten Schritt zur Abgabe eines Befehls für einen dritten Regelkreis durch Multiplizieren der Differenz zwischen der Geschwindigkeitsbefehlskomponente (B) und einer Differenz zwischen der Geschwindigkeitsbefehlskom ponente (B) und einer differenzierten Komponente der Po sitionsrückmeldung (Geschwindigkeitsrückkopplungskompo nente E) mit einem Verstärkungsfaktor (kp1) für den zweiten Positionsregelkreis (S403); und
einen vierten Schritt zur Abgabe einer Beschleunigungs- Rückkopplungskomponente (D) durch Multiplizieren einer Differenz zwischen dem Befehl (C) für den dritten Regel kreis und einer zweimal differenzierten Komponente der Positionsrückmeldung (Beschleunigungs-Rückkopplungskom ponente D) mit einem Verstärkungsfaktor (kp2) für den dritten Positionsregelkreis (S403) und durch Integrieren des Produkts aus der Multiplikation.

10. Positionsregler zur Servoregelung eines beweglichen Ob jekts im Ansprechen auf eingehende Befehle,
dadurch gekennzeichnet, daß er folgendes aufweist:
eine Einrichtung zur Erfassung einer Position des beweg lichen Objekts und zum Erzeugen eines Positionssignals;
einen ersten Summierknoten (A) zur arithmetischen Verar beitung mindestens eines ersten Signals und eines zwei ten Signals, wobei das erste Signal die eingehenden Be fehle umfaßt und das zweite Signal das Positionssignal umfaßt, und zum Erzeugen eines ersten Differenzsignals;
eine Einrichtung zum Rückkoppeln des Positionssignals zum ersten Summierknoten (A) und zum Definieren eines ersten Regelkreises;
eine Einrichtung (2) zur Verstärkung für den Positions regelkreis zum Verarbeiten des Differenzsignals und zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsbefehlssignals, wobei die Einrichtung (2) zur Verstärkung für den Positionsregel kreis einen Verstärkungsfaktor (kp) aufweist;
einen zweiten Summierknoten (B) zur arithmetischen Ver arbeitung mindestens eines ersten Signals und eines zweiten Signals, wobei das erste Signal das Geschwindig keitsbefehlssignal umfaßt, und zum Abgeben eines zweiten Differenzsignals;
eine Einrichtung mit internem Regelkreis höherer Ord nung, die so verbunden ist, daß sie das zweite Diffe renzsignal übernimmt, und die eine Einrichtung zur Ver stärkung für den Regelkreis aufweist;
wobei die Systemübertragungsfunktion die Regelkreischa rakteristik eines Positionsregelkreises höherer Ordnung aufweist.

11. Positionsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übertragungsfunktion für ein System zweiter Ord nung vorgesehen ist, und daß die Einrichtung mit Ver stärkungsregelkreis einen Regelkreis höherer Ordnung mit einem Verstärkungsfaktor kp1 aufweist.

12. Positionsregler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert wird als: wobei S ein Laplace-Operator ist, und der Wert von kp so eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich 4kp ge setzt ist.

13. Positionsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion für ein System dritter Ord nung vorgesehen ist, und daß die Einrichtung mit Ver stärkungsregelkreis einen ersten Verstärkungsregelkreis höherer Ordnung mit einem Verstärkungsfaktor kp1 und ei nen zweiten Verstärkungsregelkreis höherer Ordnung mit einem Verstärkungsfaktor kp2 aufweist.

14. Positionsregler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert ist als: wobei S ein Operator für eine Laplace-Transformation ist, und wobei der Wert von kp1 so gesetzt ist, daß er im wesentlichen gleich 8/3 kp ist, während der Wert von kp2 so eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich 6kp ist.

15. Verfahren zur Positionsregelung zur Servoregelung eines beweglichen Objekts im Ansprechen auf eingehende Posi tionierbefehle, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung über ein Servosystem mit einer System übertragungsfunktion erfolgt, und daß die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Berechnen einer Differenz zwischen einer Positionsrück meldung (D) und einem Positionierbefehl (A) (S201);
Erzeugen einer Geschwindigkeitskomponente durch Multi plizieren der Differenz mit einem Verstärkungsfaktor (kp) für einen Positionsregelkreis (S202);
Berechnen einer Differenz zwischen dem Geschwindigkeits befehl (B) und einer Geschwindigkeitsrückmeldung (C) (S203);
Erzeugen einer Beschleunigungskomponente (1/S) durch Multiplizieren eines Verstärkungsfaktors (kp1) eines in ternen Regelkreises höherer Ordnung mit der Differenz (S204);
Erzeugen einer Geschwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) durch Integrieren der Beschleunigungskomponente (1/S) (S205), und
Erzeugen einer Positions-Rückkopplungskomponente durch Integrieren der Geschwindigkeits-Rückkopplungskomponente (C) (S206).

16. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion für ein System höherer Ord nung vorgesehen ist, und daß der Verstärkungsfaktor für den internen Regelkreis höherer Ordnung kp1 beträgt.

17. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert wird als: wobei S = ein Laplace-Operator
kp = Verstärkungsfaktor des Regelkreises erster Ordnung und, daß der Verstärkungsfaktor (kp1) des Regelkreises zweiter Ordnung gleich 4kp gesetzt wird.

18. Verfahren zur Positionsregelung, dadurch gekennzeichnet,
daß es folgende Schritte aufweist:
einen ersten Schritt zur Berechnung einer Differenz zwi schen einer Positionsrückmeldung (F) und einem Positio nierbefehl (A) (S401);
einen zweiten Schritt zur Abgabe eines Befehls für einen zweiten Regelkreis (Geschwindigkeitsbefehlskomponente B) durch Multiplizieren der Differenz mit einem Verstär kungsfaktor (kp) für einen Positionsregelkreis (S402);
einen dritten Schritt zur Abgabe eines Befehls für einen dritten Regelkreis durch Multiplizieren der Differenz zwischen der Geschwindigkeitsbefehlskomponente (B) und einer Differenz zwischen der Geschwindigkeitsbefehlskom ponente (B) und einer differenzierten Komponente der Po sitionsrückmeldung (Geschwindigkeitsrückkopplungskompo nente E) mit einem Verstärkungsfaktor (kp1) für den zweiten Positionsregelkreis (S403); und
einen vierten Schritt zur Abgabe einer Beschleunigungs- Rückkopplungskomponente (D) durch Multiplizieren einer Differenz zwischen dem Befehl (C) für den dritten Regel kreis und einer zweimal differenzierten Komponente der Positionsrückmeldung (Beschleunigungs-Rückkopplungskom ponente D) mit einem Verstärkungsfaktor (kp2) für den dritten Positionsregelkreis (S403) und durch Integrieren des Produkts aus der Multiplikation.

19. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion für ein System dritter Ord nung vorgesehen ist, und daß die Einrichtung für den Verstärkungsregelkreis einen ersten Verstärkungsregel kreis höherer Ordnung mit einem Verstärkungsfaktor kp1 und einen zweiten Verstärkungsregelkreis höherer Ordnung mit einem Verstärkungsfaktor kp2 aufweist.

20. Verfahren zur Positionsregelung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemübertragungsfunktion G(S) definiert wird als: wobei S ein Operator für eine Laplace-Transformation ist, und wobei der Wert von kp1 so gesetzt ist, daß er im wesentlichen gleich 8/3 kp ist, während der Wert von kp2 so eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich 6kp ist.

21. Positionsregelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verstärkungsregelkreis höherer Ordnung einen Geschwindigkeits-Regelkreis aufweist.

22. Positionsregelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionsregelsystem einen Geschwindigkeits-Re gelkreis aufweist, und daß der zweite Verstärkungsregel kreis höherer Ordnung vor dem Geschwindigkeits-Regel kreis ausgebildet ist.

23. Positionsregelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verstärkungsregelkreis höherer Ordnung auf die Positionserfassungseinrichtung anspricht.