JPH05500448A - インクリメント式測定装置の場合の速度を擬似的に形成する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 インクリメント式測定装置の場合の速 度を擬似的に形成する方法および装置 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念ないし請求項５の上位概念に示されている、 インクリメント形測定装置を基礎として速度の、例えば回転体の駆動装置の回転 数を擬似的に形成（および調整）する方法および装置に関する。

直流電気モータの回転数調整の目的で次の構成が既に公知である（論文、Ｇ、　 Ｗｅｉｈｒｉｃｈ、定期刊行物ＲＥＧＥＬＵＮＧＳＴＥＣＨＮＩＫ、１１巻、１ ９７８．３４９−３８０頁）、即ち調整のダイナミックス特性を改善できるよう にする目的で、組み合わされた状態−および障害量観察器により擬似的形成によ り得られた、障害量印加の゛負荷トルク用のデータをないし振動減衰用の差数値 を用いる構成が公知である。

直流モータのこの種の状態調整の基本構成は、所定の状態量を、例えば速度（運 動エネルギー）および加速度（力）のような所定の状態量を、モデルによる支援 のもとに算出することにもとづ（。これらの状態量は実際の調整区間からは導出 できないがまたは導出が著しく困難である。しかし迅速かつ正確な回転数調整が 期待される時は、前記の状態量は、調整回路の、調整の精度の、調整の速度の改 善のため、並びに一層良好な障害量の考慮等のために必要とされる。

状態−および障害量観察器は電子的なモデルであり、さらに通常はソフトウェア で、適切なマイクロプロセッサ装置または計算装置の支援の下に、実現される。

前記の観察器は調整回路の改善の目的で用いられる、何故ならば観察器は、通常 のようにして得られる調整用実際値のほかに、さらに駆動装置の別の値およびデ ータを、例えば速度−および加速度データ、障害力作用、調整区間のダイヤミッ ク特性を供給できるからである。実際には、電子的モデル−以下では簡単に観察 器と称する−により供給されるデータとは、速度の、加速度の、および調整区間 へ作用する障害力の推定値のことである。この推定値は次に相応の準備処理にお いて、所属の状態調整器へ導びかれ、この調整器が実際の調整区間を制御する。

通常は観察器へは入力量として、状態調整器の出力側から、または本来の調整区 間の出力操作部材の出力側からも供給された信号が導ひかれ、ならびにさらに駆 動装置へは調整器から供給された信号が導ひかれる。この場合、次に出力偏差に より、観察器の電子的モデルは、例えば特別な観察調整器サーム（ｔｈｅｒｍｅ ）の相応の重み付けにより、差値が最小となるように、追従制御される。

そのため観察器は、調整の内部値（状態値）のほかに調整区間の外部値（障害値 ）も擬似的に形成することができる。次にこれらが実際の状態調整器へ帰還され て、所望の精確な調整を可能とする。

そのため完全に順調に前もって制御されかつ全部そのメモリ素子に追従制御され るこの種の観察器は、通常時には電子的な区間モデルである。この区間モデルは 通常はその全部の部分において計算器において検出されて記憶できる。この場合 この計算器の前置制御は測定可能な調整区間入力側から行なわれ、さらにこの場 合、追従制御（の信号）量は次のようなエラーから比例的な重み付けにより導出 される。即ちこのエラーは、測定可能な調整区間出力（調整路）と、観察器の相 応の出力信号との比較により生ずるものである。

速度調整が特に回転速度調整が対象とされる場合、回転数が通常のようにインク リメント式測定装置を用いてめられる時は、重大な問題が生ずる。この測定装置 の場合、具体的な実施例をあげるとすれば、例えば回転駆動されるディスクは周 縁にわたり規則的に配分されたスリットまたは突起を有しており、これらは、光 学的発信器により発生されたビーム−これは光感エレメント上へ入射する−によ り周期的に断続される。そのため時間経過と共に単調に増加する階段状曲線信号 が生ずる。しかしこの信号は、回転数が十分に高い時だけしか、回転数測定のた めにおよびこれら得られる回転数調整のために滴定できる値を使用できない。回 転数が十分に高くない時は、改善されたアナログ測定法が用いられる。しかしこ の測定法は高い分解能を以て信号供給はするが、測定範囲が制限されており、か つオフセットないしドリフトにより品質の低下された測定データを発生してしま う。

この場合に基礎とされるインクリメント式測定法は回転子駆動装置における回転 数目標値が小さい場合は、高いダイナミック回転数調整用におよび位置調整用い てインクリメント計数により回転数を検出する現行の測定法の場合、単位時間当 りに計数されるべきパルスが少なすぎるからである。

他方、工作機械およびロボットにおいては、高いダイナミック特性を有する駆動 装置が、同時に高い走行安定性ないし位置安定性の下に、ますます多（必要とさ れてきている。この場合この装置において装置に内在する障害（静止まさつおよ び滑りまさつ）に起因して、小さい回転数目標値はほとんど満足されないか、ま たは相応の多額の費用による著しく大きい装置構成をもってしか、与えられ得な い。

そのため特にソレノイドにより切り換えられる弁の操作の目的で時間測定により 所望の高い分解能を次のようにして得る構成が、即ち逆数値形成により、それぞ れ２つの最後に相続くインクリメントパルスの間に経過する時間を測定すること により得る構成が公知である（米国特許第４６４２７７３号）。この構成の前提 は、次のインクリメントパルスに達する迄に回転数経過が一定であるかまたは既 知であり、次にこの場合、計算過程を用いて実際の位置がめられることである。

この種の測定法は回転数が小さい場合は測定時間が大きすぎて、さらに実際の回 転数からの偏差が大きすぎてしまう。そのため小さい目標値の場合の回転数調整 の場合は、不安定な特性（リミットサイクル）が生じ、位置調整の場合は位置不 安定が生ずる。

そのため本発明の課題は、高いダイナミック特性によるかつ正確な回転数調整の ために、高分解能のかつ遅延の少ない回転数情報および位置情報を、観察器を用 いてわずかな測定時間で供給することである。その目的は、小さいインクリメン ト数の場合も高いダイナミック特性の駆動装置を安定に調整可能にすることであ る。

発明の利点 本発明はこの課題を請求項１．５の特徴部分に示された構成により解決し、さら に次の利点を有する。即ち小さいインクリメント数を有する位置発信器を用いて も、低い回転数を、観察器の内部に高い分解能を設けたことにより、確実に検出 して高く分解できる。この高い分解能は次の構成にもとづく、即ちインクリメン ト発信器のディジタル出力信号に所定数が乗算されてからはじめて観察器へ導び かれ、その結果、計算器として実現された観察器において常に最下位ビットのみ が変化されるだけでなく、相応に一層高い例えば１０００倍高い数により、相応 に一層大きい内部の、処理の数値範囲が開発されたのである。そのため、微細に 段階付けられた、回転角度のための推定値が出力側に供給され、これが小さいイ ンクリメント数を有するコスト的に有利な位置安定性を有する装置を使用可能に する。他方これにより、小さい回転数の場合も安定な特性が得られ、さらに位置 調整の場合に大きい位置安定性が得られる。

さらに有利であるのは、観察器中のディジタル積分器の、位置信号の跳躍的変化 と共働する同期リセットにより、２πから０への回転数調整の場合に装置特性に おいて跳躍的変化が全く生じなくなることである。

最後に有利であるのは、本発明は既存のインクリメント位置測定装置の場合に付 加的なハードウェアを必要とせず、さらにソフトウェア的に問題な（既存の調整 アルゴリズムの中へ一体化が可能となる。この場合、観察器中の特別な構成体（ バイパスＩ素子）にもとづいて外部障害が定常的に補償可能となる。そのため基 本的に、観察された回転数が実際の回転数と一致する。

従属形式の請求項に示された構成により本発明の各種の構成が可能となる。

図面 本発明の実施例が図面に示されており、以下の記載に示されている。

第１図はインクリメント式位置定め装置（回転数発信器）の簡単化したモデルを 示す。

第２図は時間と共に上昇してゆく回転数センサの出力信号図である。

第３図は、調整区間（駆動装置）、調整器−および障害量観察器を有するブロッ ク図である。

第４図は第３図の詳細図である。

第１図に回転体の駆動装置が１０で示されている：回転数ωが送出され、これは インクリメント形測定装置１１を用いて測定される。このインクリメント測定装 置は回転数センサ１２を含む。センサには、インクリメント形位置測定の任意の 基本形式を、例えば誘導的、磁気的にまたはこの実施例の場合のように光学的に も、基礎づけることができる。この場合、光源１２ａが光ビームを送出する。光 ビームは、駆動装置１０により駆動される孔付ディスク１３におけるスリットま たは切欠により、断続される。光ビームは光感エレメントへ例えばフォトダイオ ード１２ｂへ達する。このエレメントは、後置接続されている増幅器１２ｃへ作 用する。その結果、出力側に計数パルスφ７０１．が生ずる。そのためセンサ１ ２の出力側に第２図に示されている様な、時間と共に歩進的に変化する位置信号 が生ずる。この場合、Δφはそれぞれ１つのインクリメントを示す。

第３図に示されている様に駆動装置１０は、センサ１２を有するインクリメント 測定装置１１と共に、調整方法の一部である。この場合この駆動装置は、前置接 続された調整器１３および所属の障害量観察器１４と共に調整区間を形成する。

障害量観察器１４は調整装置のために、速度のシミユレーション値をまたは推定 値を、回転体の調整区間において特に用いられる場合は回転数ω８のシミユレー ション値または推定値を供給し、さらに調整器１３に前置接続されている加算点 Ｐ１へ導びく。この加算点へはさらに目標速度ω、。

口の形式の操作量が導ひかれる。

それ自体は任意に構成される調整器１３はその出力側に電流信号■を発生する。

この電流信号は、最も簡単な場合は電気モータとすることのできる駆動装置１０ へ導びかれる。

そのためこの電気モータの即ち駆動装置１０の出力側に位置信号φが生ずる。

詳細な構成を次に第４図を用いて説明する。この場合、指摘すべきことは、ここ に示されている個々のブロックまたは表示は、回路機能も一般的な物理量ないし パラメータも示すこと、およびブロックの形式のそれぞれの個別の回路段または 作用段は補助手段として理解されるべきことである。これらは本発明を制限する ものでなく、所定の機能の基本動作を示し、さらに特別な機能シーケンスを、可 能な実現化形式で示す。

自明のように、個々の部品およびブロックはアナログ、デジタルまたはハイブリ ッド技術でも構成可能であり、あるいは全部または部分的にまとめて、相応の領 域を、プログラム制御されるディジタル装置すなわち計算器、マイクロプロセッ サディジタルのまたはアナログの論理回路等により占めることができる。本発明 は第３図および第４図のブロック図表示から、それらの機能の全体シーケンスと 時間シーケンスにおいて形成される。この場合、それぞれのブロックはそれらの 動作形式および共働作用に関して、所定の部分機能を示す。しかしこれらは限定 的に理解されるべきでなく、本発明を一層よ（理解するためにだけ用いられるべ きである。

第１図に示された駆動装置１０のブロック図は、調整区間を構成する。この調整 区間は所定の微分方程式に、この場合は２階の微分方程式に従かう。さらにこの 場合、障害量観察器１４の中に即ち同様の意味では観察計算器に積分素子、時定 数素子が設けられている。これらはそれぞれ駆動装置中の機能ブロックとは、観 察状態を示す付加的なインデックス“Ｂ”により区別される。

制御区間の領域において調整器１３にまず係数素子１４が接続される。この係数 素子に第２の加算点Ｐ２が後置接続されている。このＰ２へ、回転体の駆動装置 としての電気モータへ特別に関連づけられて障害トルクＭＳｔＯｅｒが導びかれ る。微分歩方程式ブロックによるこの種の表示そのものは、観察計算器を有する 調整装置の場合は公知である：個々の”中間状態量”の発生の目的で、直列接続 された積分素子１０ａ、１０ｂが設けられている。この場合、積分素子１０ｂの 出力側に、歩道的に測定されるべき位置信号φが生ずる。

この位置信号はインクリメント測定装置１１′により信号列φＮ１６１１　（時 間と共に上昇する段階曲線）へ変換される。

位置信号φ１．１．を発生するインクリメント測定装置１１′に、変換ブロック １５が後置接続されている。

このブロックは、インクリメント測定装置のＯ／１出力信号を所定数で乗算また は変換することにより、観察計算器の内部計算処理領域を著しく拡大する。何故 ならば観察計算器の最下位ビットが、位置信号のそれぞれ１つのインクリメント ステップの場合に影響されるだけではないからである。例えば観察器として、１ ５ビツトのワード幅を有する計算器を用いることができる。この場合この乗算ま たは変換は次の事象へ導ひかれる。即ち各々のインクリメントステップの場合に 導びかれるより高い数により例えばΔφ＝１歩進＝１０００ビット内部、により 、観察される回転数信号の有効な著しく高い分解能が内部で実現可能となる。

そのため変換ブロック１５の出力側に、変換された観察型位置信号φ７゜１．Ｂ ′が生じ、この信号により障害量観察器１４が作動する。

この場合、障害量観察器の中で、続いてまず最初に加算領域Ｐ３が形成される。

この領域へ観察型位置信号φｍｍ＋＊　＠が、観測器固有の位置信号φ６′と共 に導びかれる。このφ８′は観察器そのものにより、導かれた信号から発生され る。

観察器は駆動装置１０のブロック図の列に相応する様に、同じく２つの積分素子 １４ａ、１４ｂならびに２つの時定数素子ｇｌ、ｇ２を含む。これらは、調整区 間（駆動装置１０）の時定数よりも大きい観察器時定数の設定調整の目的で用い られる。

さらに重要なことは、観察器の構成体の中にさらに、時定数素子ｇ１に並列に接 続されてバイパス積分素子１４ｃが設けられており、これにより外部の障害が定 常数に補償できることである。時定数−または係数素子ｇ１はバイパスＩＪ子１ ４ｃと共に、障害量観察器１４の第２の積分素子１４ｂの入力側における第２の 加算点Ｐ４へ作用する。１４ｂの出力側に、障害信号観察器１４により設定され てシミュレートされた回転数推定値ω８が生ずる。これは調整器１３の入力側に おける比較器Ｐ１へ導びかれる。

最後にもう一つの重要な構成が、インクリメント測定装置１１′の出力側から観 察器１４における積分素子１４ａへの付加的な接続線１６により、得られる。

この接続線は問題なく次のように設計することもできる、即ち回転数検出の場合 の完全な１循環の完了を、即ち位置信号において２πから０へ戻る跳躍的変化を 検出できるように、設計できる。この場合、ディジタル積分器１４ａは、位置信 号における２πから０への跳躍的変化に同期して、リセットされる。そのため装 置特性において跳躍的変化が生じ得ない。詳細にはこの目的のために次のように 構成される。即ちセンサ信号の２πからＯへのまたはその逆の跳躍的変化（回転 方向に応じて）がインクリメント測定装置１１′により検出され、さらに観察型 中の積分器において相応の値が減算またはさらに加算される。これによりセンサ 信号の跳躍的変化が、観察される回転数信号へ影響を与えなくなる。

明細書および以下の請求の範囲および図面に示されている構成は、個々にも互い に任意に組み合わせも発明性を有する。

０’） 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．インクリメント形測定装置を基礎として速度の、例えば回転体の駆動装置の 回転数を擬似的に形成（および調整）する方法であって、この場合、状態−およ び障害量観察器へ前記測定装置のインクリメント形式の位置出力信号が導びかれ るようにし、該観察器が調整用の速度−または回転数信号を擬似的に形成するよ うにした前記の方法において、測定された位置信号（φ■■■■）の時間と大き さ（値）に関する高い分解能を、該位置信号に所定の数（Δφ＝１、インクリメ ント＝１０００ビット内部）を、内部で乗算し続いて観察計算器（１４）へ導び くことにより、形成することを特徴とする速度の擬似的形成（および調整）法。 ２．回転数調整および相応の回転数擬似的形成の場合、位置信号の跳躍的変化（ ２πから０へまたはその逆）に同期して、観察計算器（１４）の中のデイジタル 積分器をリセットするようにした請求項１記載の方法。 ３．観察計算器（１４）の中の積分器（１４ａ）の同期リセットの目的で、セン サ信号中の跳躍的変化を検定し、さらに積分器（１４ａ）の中で相応の値を加算 または減算するようにした請求項２記載の方法４．連続的な速度信号の擬似的形 成を可能にするために定常的な偏差を回避する目的で、観察計算器（１４）の中 の観察時定数素子（ｇ１）へ、バイパス積分素子（１４ｃ）が配属されている請 求項１から４までのいずれか１項記載の方法。 ５．請求項１から４までのいずれか１項記載の、インクリメント形測定装置の場 合の、速度の、回転数の擬似的形成（および調整）の方法を実施するための装置 において、観察器の内部で実現される、位置信号の高い分解能を得る目的で、変 換ブロック（１５）が設けられており、該変換ブロックはインクリメント測定装 置（１１）の出力信号を所定の数と乗算するようにしたことを特徴とする装置。 ６．定常的な偏差を阻止する目的で、観察計算器（１４）の中にバイパス積分素 子（１４ｃ）が、少なくとも１つの観察時定数素子（ｇ１，ｇ２）に並列に設け られている請求項５記載の装置。 ７．時定数素子（ｇ１，ｇ２）を用いて設定調整される観察器時定数が、調整区 間（駆動装置１０）の時定数よりも大きくされている請求項５又は６記載の。 装置。 ８．接続線路（１６）が、位置信号における２πから０へのまたはその逆の跳躍 的変化を検出するインクリメント測定装置（１１′）の出力側と、観察計算器（ １４）の中の積分素子（１４ａ）との間に設けられており、この場合この測定装 置の特性における跳躍的変化を回避する目的でセンサ信号中の跳躍的変化が検出 され、さらに積分素子（１４ｂ）において回転方向に応じて相応の値が減算また は加算されるようにした請求項５から７までのいずれか１項記載の装置。 ９．変換ブロック（１５）に、観察器（１４）の中で観察器側で設定された位置 信号（φＢ）を有する加算点（Ｐ３）が後置接続されており、さらに得られた差 値が２つの係数素子（ｇ１，ｇ２）とバイパス素子（１４ｃ）へ並列に導びかれ る請求項５から８までのいずれか１項記載の装置。 １０．第１係数素子（ｇ１）のおよびバイパス積分素子（１４ｃ）の出力側が、 調整器（１３）の出力側からの電流信号と共に、第２の加算点（Ｐ４）へ導びか れるようにし、この第２の加算点へ、観察器（１４）の第１の積分素子（１４ｂ ）が接続されており、該第１積分素子の出力側が擬似点に形成される観察器回転 数データ（ωＢ）を発生し、さらに第２の係数素子（ｇ２）の出力側とまとめら れて、第２の積分素子（１４ａ）の入力側へ導びかれており、該第２積分素子の 出力側に観察器固有の位置信号（φＢ）が発生されるようにした請求項９記載の 装置。