DD261725A3

DD261725A3 - Verfahren und anordnung zur messsignalauswertung in phasengeregelten antrieben

Info

Publication number: DD261725A3
Application number: DD85276229A
Authority: DD
Inventors: Bernhard Loewe
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1985-05-13
Filing date: 1985-05-13
Publication date: 1988-11-09
Also published as: DE3614151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messsignalauswertung in inkremental geregelten Antrieben. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches es erlaubt, innerhalb einer Grundsignalperiode beliebig viele Rotor- bzw. Laeuferpositionen ohne einen Quantisierungsfehler einzustellen sowie eine Bewegung mit geringer konstanter Geschwindigkeit und sehr gutem Gleichlauf ermoeglicht. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass mindestens eine Zwischenkurve beliebiger Phasenlage durch die Summierung von amplitudenbewerteten Grundsignalen erzeugt wird, die als Regelabweichung zur Feinpositionierung benutzt wird. Mit elektronisch einstellbaren Teilerkoeffizienten der zu summierenden Grundsignale kann damit in einem als Phasenregelkreis wirkenden geregelten Antrieb auch innerhalb einer Grundsignalperiode jede beliebige Position ohne einen Quantisierungsfehler eingestellt werden. Ist die Steuerfrequenz fuer die elektronischen Multiplizierer bzw. Potentiometer, welche zur Einstellung der Teilerkoeffizienten benutzt werden, konstant, entsteht, auch bei kleinen Geschwindigkeiten, eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit und gutem Gleichlauf.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung der Regelabweichung in phasengeregelten Antrieben. Sie kann in geregelten Antrieben zur Positionierung mit großer Auflösung und Genauigkeit sowie zur Erzeugung von Bewegungsvorgängen mit konstanter Geschwindigkeit und gutem Gleichlauf, insbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten, Anwendung finden. Die Anwendung ist in allen geregelten Antrieben möglich, deren Meßsystem mindestens zwei phasenverschobene periodische Grundsignale liefert, die den Bewegungsverlauf beschreiben. Derartige Meßsystemsignale können mit induktiven, magnetischen, kapazitiven oder interferentiellen Gebern erzeugt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur hochgenauen Positionierung werden geregelte Antriebe eingesetzt. Zur Positionserfassung ist bei diesen Antrieben ein Meßsystem erforderlich, welches die erreichbare Auflösung und Genauigkeit des Antriebs wesentlich mitbestimmt. Außerdem ist eine Einrichtung notwendig, mit der aus den Meßsignalen und der Führungsgröße die Regelabweichung gewonnen wird. Die Arbeitsweise dieser Einrichtung bestimmt ebenfalls die erreichbare Auflösung und Genauigkeit des Antriebes mit. Bekannte geregelte Antriebe arbeiten mit inkrementalen Meßsystemen, die eine der Positionsänderung proportionale Anzahl von Impulsen abgeben. Der zurückgelegte Weg oder Winkel wird in äquidistante Abschnitte geteilt.

Die Rasterperiode fotoelektrischer Meßsysteme kann aufgrund von physikalischen Gegebenheiten nicht wesentlich kleiner als 10 μηι gewählt werden. Damit ist die Auflösung und Genauigkeit des Antriebsauf 10 μίτι begrenzt.

Um dennoch eine größere Auflösung zu erreichen, werden Interpolatoren zur Unterteilung der Rasterperiode eingesetzt.

Bekannt ist der Netzwerkinterpolator (Reparaturanleitung für IAL1, Firmenanschrift VEB KCZ Jena), bei dem eine digitale Meßwertdarstellung erfolgt. Mit einem Interpolationsfaktor von beispielsweise 100 kann allein aufgrund des Quantisierungsfehlers infolge der digitalen Darstellung des Meßsignals die Positioniergenauigkeit 0,1 pm nicht übersteigen. Das ist, bezogen auf einen 10-pm-Schritt ein Fehler von 10%. Da schon ein Interpolationsfaktor von 100 einen hohen Aufwand für den Netzwerkinterpolator erfordert, ist eine wesentliche Vergrößerung des Interpolationsfaktors zur Genaüigkeitssteigerung nicht sinnvoll. Auch mit interferentiellen Meßsystemen, die eine Grundsignalperiode von beispielsweise 0,6 μιη besitzen, kann dieser Mangel grundsätzlich nicht beseitigt werden.

Es sind Anordnungen bekannt, welche das Auftreten eines Quantisierungsfehlers vermeiden. Nach den Patentschriften DD-PS 212341 und DE-OS 2543668 ist zur hochgenauen Positionierung eine Feinregelung vorgesehen. Der Quantisierungsfehler wird ausgeschlossen, indem nach erfolgter Grobpositionierung auf die Sollperiode des inkrementalen Meßsystems ein stetiges Istwertsignal mit Lichtschranken, die Bestandteil des inkrementalen Meßsystems sein können, gewonnen und aufgeschaltet wird (Analogwertaufschaltung). So ist zwar eine große Positioniergenauigkeit, aber nur eine relativ geringe Auflösung des Antriebs möglich, weil je Grundperiode nur ein stetiges Signal zur Verfügung steht. In der DD-PS 212341 wird zur Erzeugung zusätzlicher Signale die Anwendung von mehreren Lichtschranken vorgeschlagen, welche mehrere phasenverschobene Grundsignale liefern. Diesem Verfahren zur Auflöstmgssteigerung sind jedoch, besonders vom mechanischen Aufwand im

Meßaufnehmer her, enge Grenzen gesetzt. *

Die Möglichkeit, vier Positionen in einer Grundsignalperiode zu«rreichen, geht nach Sax, H.: Positionierungssystem kommt mit drei Chipsaus; Elektronik 1980, Heft 18 von zwei um 90° phasenverschobenen Grundsignalen eines fotoelektrischen Meßaufnehmers aus. Eine Steigerung der Auflösung auf acht Positionen je Grundsignalperiode wird erreicht, indem aus den beiden um 90° phasenverschobenen Grundsignalen mittels deren Summation vier zusätzliche phasenverschobene Zwischensignale erzeugt werden (DE-PS 2647956). Die Auflösung bleibt damit auf acht Positionen je Grundsignalperiode beschränkt. Gegenüber den nur digital arbeitenden Verfahren ist die wesentlich größere Positioniergenauigkeit von Vorteil.

Ein weiteres Problem besteht bei Antrieben in der Erzeugung sehr langsamer Bewegungen (z.B. 0,05mm · s~¹) mit konstanter Geschwindigkeit und gutem Gleichlauf. In geregelten Antrieben ist die Bereitstellung eines der Geschwindigkeit proportionalen Istwertsignals geringer Welligkeit von großer Bedeutung. Bekannte Anordnungen, wie z.B. Tachogeneratoren, liefern bei kleinen Geschwindigkeiten ein zu geringes Ausgangssignal. Um eine ausreichend kleine Welligkeit zu erreichen, ist ein hoher Aufwand notwendig. In den DE-PS 3147145 und DE-OS 2 513638 werden Verfahren zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Spannung aus den Grundsignalen eines fotoelektrischen Meßsystems beschrieben.

Von Vorteil ist, daß ein Tachogenerator nicht notwendig wird. Das durch Differentiation der sinusförmigen Grundsignale gewonnene geschwindigkeitsproportionale Signal hat jedoch eine Welligkeit von 30%. Außerdem beeinflussen Amplitudenschwankungen der Grundsignale die drehzahlproportionale Spannung in starkem Maße. Ein Verfahren zur dynamischen Messung von Bewegungsgrößen nach der DD-PS 141866 liefert ein drehzahlproportionales Signal ohne Welligkeit. Voraussetzung sind jedoch streng sinusförmige Grundsignale mit einer extrem konstanten Amplitude, weil die Amplitude der Grundsignale quadratisch, die Grundsignalfrequenz und damit die Geschwindigkeit nur mit erster Potenz in das Meßergebnis eingehen. Weil diese Voraussetzungen in den meisten Meßsystemen nicht gegeben sind, treten große Meßfehler und damit große Gleichlaufschwankungen auf. Abhilfe wäre bei diesem Verfahren nur durch hochpräzise Geber und eine aufwendige Amplitudenstabilisierung möglich.

Ziel der Erfindung

; Es ist das Ziel der Erfindung, ein einfaches Verfahren zu schaffen, welches es erlaubt, innerhalb einer Grundsignalperiode beliebig viele Rotor- bzw. Läuferpositionen ohne einen Quantisierungsfehler mit hoher Auflösung einzustellen, sowie eine Bewegung mit geringer konstanter Geschwindigkeit und gutem Gleichlauf ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung der Regelabweichung in phasengeregelten Antrieben zu schaffen, bei dem die^begrenzte Auflösung digital arbeitender Vergleicher vermieden und die Auflösung analog arbeitender Vergleicher erreicht wird. Der Positionssollwert des Regelkreises soll dabei als digitale Größe vorgegeben werden und der Istwert als analoge Größe in Form von mindestens zwei phasenverschobenen periodischen Meßsignalen bereitgestellt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Gewinnung der Regelabweichung in phasengeregelten Antrieben, bei dem mindestens zwei den Bewegungsablauf beschreibende, zueinander phasenverschobene periodische Grundsignale vorliegen, aus denen eine Zwischenkurve beliebiger Phasenlage durch die Summierung von amplitudenbewerteten Grundsignalen erzeugt wird, deren einzelne Punkte die Regelabweichung darstellen. Bei einer Feinregelung werden die Punkte einer phasenverschiebbaren Zwischenkurve als Regelabweichung in einem Phasenregelkreis verwendet, dessen beliebig einstellbare Sollphasenlage erfindungsgemäß durch elektronisch einstellbare Teilerkoeffizienten der zu summierenden Grundsignale vorgegeben werden kann. Die von den elektronischen Stellern bestimmte Sollphasenlage der Zwischenkurve legt die Position des Antriebes fest. Werden für die elektronischen Steller spannungsgesteüerte elektronische Potentiometer bzw. Multiplizierer auf der Basis von Differenzverstärkern zur Stromverteilungssteuerung eingesetzt, die als Schaltkreise einen Stellbereich von z.B. 10OdB zulassen, ist ein sehr hoher Interpolationsfaktor möglich. Zur Bereitstellung der Steuerspannungen für bestimmte Positionen des Antriebs ist ein Speicher für die Steuerspannungspaare notwendig, der beim Einsatz von Widerständen sehr aufwendig ist. Für diesen Zweck ist der Einsatz von mikroelektronischen Festwertspeichern (z.B. RAM, PROM, EPROM) günstig. Die Steuerspannungen werden dann mit D/A-Umsetzern aus den gespeicherten Digitalwerten gewonnen.

Eine Vereinfachung ergibt sich, wenn multiplizierende D/A-Umsetzer eingesetzt werden, welche die Funktion der D/AUmsetzung und des elektronischen Potentiometers in sich vereinigen.

Vorteilhafterweise wird zur Adreßsteuerung der Festwertspeicher ein Mikrorechner benutzt. Damit ergib%sich auch die Möglichkeit, statt der Tabelle für die Steuerspannungspaare, im Mikrorechner ein Programm vorzusehen, mit dem die aktuellen Steuerspannungswerte berechnet werden. Dies bedeutet besonders bei großen Interpolationsfaktoren eine Vereinfachung der Hardware.

Mit der Einstellung der Sollphasenlage einer Zwischenkurve durch spannungsgesteuerte elektronische Potentiometer bzw. Multiplizierer kann gleichzeitig das Problem einer Bewegung mit kleiner konstanter Geschwindigkeit und gutem Gleichlauf gelöst werden, indem die Steuerspannungen eine konstante Frequenz besitzen. Die Größe der Frequenz bestimmt die Geschwindigkeit der Bewegung. Da die Erzeugung von Steuerspannungen konstanter und geringer Frequenz mit elektronischen Mitteln relativ einfach möglich ist, eignet sich dieses Verfahren besonders für Bewegungen mit kleiner Fahrgeschwindigkeit. Gegenüber Verfahren, die mittels Differenzier- oder Integriergliedern aus Wegsignalen ein Geschwindigkeitssignal erzeugen, tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im interessierenden Frequenzbereich keine Beeinflussung des Regelkreises durch derartige Glieder auf, die aus der Geschwindigkeitssignalaufbereitung resultiert, d. h., der Regelkreis kann optimal auf den Bewegungsvorgang abgestimmt werden.

Entsteht im Antrieb durch innere oder äußere Einflüsse eine größere Phasenabweichung als 180° zwischen Ist- unt^: Sollwert, kann der Phasenregelkreis auf einen falschen Kurvenzug der Zwischenkurve einrasten, was zu nicht korrigierbaren Positionsfehlem führt. Zur Vermeidung dieser Fehler kann eine Überwachung bzw. eine Korrektur der Motorstellung auf die Sollperiode, den eindeutigen Teil der Zwischenkurve oder einen Teilabschnitt der Grundsignalperiode erfolgen. Dazu können auch weitere Zwischenkürven genutzt werden, die synchron zu der im Phasenregelkreis verwendeten verschoben werden. Die Zahl der Fehlerinkremente kann numerisch erfaßt werden. Mit einer Grobregelung kann jederzeit wieder auf das richtige Inkrement positioniert werden. Innerhalb dieses Sollinkrementes erfolgt wieder eine Feinregelung auf der aktuellen Zwischenkurve. Ein bleibender Positionsfehler kann jetzt nicht mehr entstehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand folgender in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Bg. 1: Eine das erfindungsgemäße Verfahren benutzende Anordnung zur Gewinnung einer Zwischenkurve mit beliebig

einstellbarer Phasenlage Fig,2: Eine schematische Darstellung eines mikrorechnergesteüerten Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Meßsignalauswertung, der als Phasenregelkreis arbeitet.

In Fig. 1 ist eine Anordnung gezeigt, die es erlaubt, eine Zwischenkurve zu erzeugen, deren Phasenlage gegenüber den Grundsignalen beliebig verschoben werden kann. Dazu werden die um 180° zueinander phasenverschobenen Grundsignale U₁ und U₁ einem elektronischen Potentiometer 1, das einem Analogmultiplizierer entspricht, zugeführt. Die um 90° bzw. 270° gegenüber dem Grundsignal U₁ verschobenen Grundsignale U2 und Ü2 sind an ein zweites Potentiometer 2 angeschlossen. Die mit den Teilerfaktoren Ci und c₂ behafteten Ausgangssignale der elektronischen Potentiometer werden in einem Summierpunkt 5 überlagert. Dabei entsteht eine Zwischenkurve u_z, deren Phasenlage und Amplitude Uz mit den Teilerfaktoren Ci, C₂ und daher mit den Steuerspannungen u_ci, u_c2 der elektronischen Potentiometer eingestellt werden können. Wird diese Zwischenkurve als Regelspannung u_Fei_n bzw. als Regelabweichung für einen Feinregler benutzt, ist die Position des Läufers durch den Phasenwinkel φ festgelegt. .

Die Läuferpositiön kann also mit den Steuerspannungen u_Ci und u_C2 auch innerhalb einer Grundsignalperiode beliebig eingestellt werden, d.h., theoretisch ist eine unendliche Auflösung gegeben. Bei sinusförmigen Grundsignalen bleibt die Amplitude der Zwischenkurve für alle Phasenwinkel φ konstant, wenn für die Steuerspannungen u_c1 und u_c2ein Sinus-bzw. Kosinussignal verwendet wird. Ist die Frequenz dieser Signale konstant, entsteht eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit. Da sich auf elektronischem Wege Spannungen mit geringer Frequenz und hoher Frequenzkonstanz erzeugen lassen, sind auch Bewegungen mit sehr kleiner Geschwindigkeit und gutem Gleichlauf möglich.

Fig. 2 zeigt einen inkremental geregelten Antrieb, bei dem als spannungsgesteuerte Potentiometer die multiplizierenden D/AUmsetzer 6 und 7 vorgesehen sind. Das Teilerverhältnis der Potentiometer wird mit den Digitalworten D1 und D2 vom Mikrorechner 8 vorgegeben. Die mit den Teilerfaktoren behafteten Ausgangsspannungen im Summierpunkt 15 überlagert. Die so entstandene Feinregelspannung u_Fein wird dem Feinregler 16 als-Regelabweichung zugeführt. Der Feinregler 16 steuert über den Summierpunkt 10 und den Leistungsverstärker 11 den Motor 12 an.

Zur Istwerterfassung dient ein fotoelektrischer Aufnehmer 13, der die sinusförmigen um 90° phasenverschobenen, den Bewegungsverlauf charakterisierenden Grundsignale Ui,üi, U₂ und U₂ erzeugt. Diese Grundsignale werden den multiplizierenden D/A^Umsetzern 6 und 7 zugeführt, womit der Feinregelkreis geschlossen ist. Aus den Grundsignalen entstehen in den Komparatbren 14 vier gegeneinander um 45° phasenverschobene Rechtecksignalfolgen Z1, Z45°, Z2, Z135°, die vom Mikrorechner 8 ausgewertet werden.

Damit kann der Mikrorechner 8 mittels eines digitalen Regelalgorithmus als Grobregler arbeiten. Die Stellgröße wird vom Mikrorechner 8 über einen D/A-Umsetzer 9 und den Summierpunkt 10 an den Leistungsverstärker 11 ausgegeben. Während der Feinpositionierung oder der Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit unter Nutzung des Feinregelkreises kann der Mikrorechner 8 mit Hilfe der Komparatorsignale Z1, Z45°, Z2 und Z135° überwachen, ob durch Störgrößen der Eindeutigkeitsbereich des Feinreglers von maximal einer Grundsignalperiode verlassen wurde. Tritt dieser Fall ein, kann der Mikrorechner durch den Grobreglefkreis eine Korrektur bewirken oder eine Fehlermeldung ausgeben.

Claims

Verfahren zur Gewinnung der Regelabweichung in phasengeregelten Antrieben, bei dem mindestens zwei den Bewegungsverlauf beschreibende zueinander phasenverschobene Gründsignale ausgewertet werden, die vorzugsweise einem inkrementalen Meßsystem entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Halbleiterspeicher die der Sollage entsprechenden Teilerverhältnisse (C₁, C₂) für die von den Grundsignalen (u₁₍ U₂, U₁, U₂) gespeisten Spannungsteller (1, 2) vorgegeben werden und danach die durch die Teilerverhältnisse (C₁, C₂) aus den Grundsignalen (U₁, U₂, U₁, U₂) abgeleiteten Signale zu einem Signal in einem analogen Summationsglied (5) summiert werden, dessen Abweichung vom Nullpunkt gleich der Regelabweichung (u_z) ist.

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