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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Gegenkopplungsregelsystem, insbesondere betrifft sie ein Gegenkopplungsregelsystem
mit Verwendung digitaler Signale.
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Der Stand der Technik umfaßt digitale Rückkopplungssysteme
mit einer Detektoreinrichtung, die nach Maßgabe eines
vorbestimmten Betrags einer Zunahme oder einer Abnahme einer
Regelgröße ein Zunahmesignal bzw. ein Abnahmesignal ausgibt,
und mit zwei Arten von Rückkopplungsschleifen, in deren einer
jedes Zunahmesignal als +1 gezählt und jedes Abnahmesignal
als -1 gezählt wird, wobei ein Gesamtzählwert mit einem
Zielwert einer Regelgröße verglichen wird, eine Abweichung von
dem Zielwert in einer Verstärkungseinrichtung geringer
Ansprechgeschwindigkeit verstärkt wird, in welcher ein
Verstärkungsvorgang bei geringer Ansprechgeschwindigkeit mit einer
Integration durchgeführt wird, und in deren anderer
Rückkopplungsschleife der Zählwert direkt in einer
Verstärkungseinrichtung hoher Ansprechgeschwindigkeit verstärkt wird, in
welcher ein Verstärkungsvorgang bei hoher
Ansprechgeschwindigkeit ohne Integration erfolgt durchgeführt wird.
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Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau des oben erläuterten
herkömmlichen Systems (siehe JP-A-57-198O4).
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In Fig. 1 erfaßt eine Regelgrößendetektoreinrichtung 4 einen
vorbestimmten Betrag einer Zunahme oder Abnahme einer
Regelgröße und gibt nach Maßgabe des vorbestimmten Betrages der
Zunahme oder Abnahme einer Regelgröße ein Zunahmesignal oder
ein Abnahmesignal aus. Eine einfache Zähleinrichtung 5 zählt
jedes Zunahmesignal als +1-Einheit und zählt jedes
Abnahmesignal als -1-Einheit. Eine
Regelgrößenzielwertvorgabeeinrichtung 9 gibt den Zielwert der Regelgröße vor; eine erste
Anweichungsdetektoreinrichtung 6 stellt die Abweichung des
Ausgangssignals der einfachen Zähleinrichtung 5 von dem Zielwert
fest; eine Rückkopplungsverstärkereinrichtung 2 hoher
Geschwindigkeit verstärkt das Ausgangssignal der einfachen
Zähleinrichtung 5 durch einen Verstärkungsvorgang bei hoher
Ansprechgeschwindigkeit ohne Integration; eine
Verstärkungseinrichtung 7 geringer Geschwindigkeit verstärkt das
Ausgangssignal der ersten Abweichungsdetektoreinrichtung 6 durch
einen Verstärkungsvorgang bei niedriger
Ansprechgeschwindigkeit einschließlich einer Integration; eine zweite
Abweichungsdetektoreinrichtung 8 erfaßt die Abweichung des
Ausgangssignals der Rückkopplungsverstärkereinrichtung 2 hoher
Geschwindigkeit von dem Ausgangssignal der
Verstärkereinrichtung 7 niedriger Geschwindigkeit; und eine
Regelgrößenstelleinrichtung 3 erhöht oder verringert die Regelgröße nach
Maßgabe des Ausgangssignals der zweiten
Abweichungsdetektoreinrichtung 8.
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Bei dem Aufbau nach Fig. 1 wird das Ausgangssignal der
einfachen Zähleinrichtung 5 in der
Rückkopplungsverstärkereinrichtung 2 hoher Geschwindigkeit mit hoher Geschwindigkeit
verstärkt und wird als Rückkopplungssignal zu der zweiten
Abweichungsdetektoreinrichtung 8 geführt. Wenn die in der zweiten
Abweichungsdetektoreinrichtung 8 festgestellte Abweichung
positiv ist, arbeitet die Regelgrößenstelleinrichtung so, daß
sie die Regelgröße verringert, und dadurch wird die
Regelgröße verkleinert. Wenn die Abnahme der Regelgröße n
Einheiten beträgt, erfaßt die Regelgrößendetektoreinrichtung 4 die
Änderung von -n Einheiten der Regelgröße und gibt n
Abnahmesignale aus. Die einfache Zähleinrichtung 5 zählt die n
Abnahmesignale, und das Ausgangssignal der einfachen
Zähleinrichtung 5 wird in der Rückkopplungsverstärkereinrichtung 2
hoher Geschwindigkeit verstärkt und an die zweite
Abweichungsdetektoreinrichtung 8 gelegt. Wenn die in der zweiten
Abweichungsdetektoreinrichtung 8 festgestellte Abweichung als
Ergebnis der Änderung von &submin;n Einheiten der Regelgröße
ebenfalls negativ ist, arbeitet die
Regelgrößendetektoreinrichtung 4 so, daß sie die Regelgröße erhöht. Folglich wird die
Regelgröße erneut erhöht, und das System stellt die Zunahme
fest und versucht zweimal, die Regelgröße erneut zu
verringern.
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Wenn sich die Regelgröße mit geringer Trägheit ändert, wird
gemäß obiger Erläuterung auch dann, wenn das System versucht,
die Regelgröße auf einem konstanten Wert zu halten, die
Regelgröße wiederholt mit der Eigenfrequenz in unbegrenzter
Weise erhöht und verringert (ins Schwingen gebracht).
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In diesem Fall hat lediglich diejenige Schleife, welche die
Rückkopplungsverstärkereinrichtung 2 hoher Geschwindigkeit
enthält, einen Einfluß auf das oben erläuterte Schwingen,
während die Signale von der Schleife, die die
Verstärkereinrichtung 7 niedriger Geschwindigkeit enthält, deren Betrieb
eine Integration umfaßt und deren Ansprechverhalten niedrig
ist, keinen Einfluß auf das oben erwähnte Schwingen haben.
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Das oben erläuterte Phänomen tritt beispielsweise im
digitalen Servosystem eines Motors auf, und es treten kleine
Schwingungen bei einer Frequenz von einigen 10 bis 100 und
einige 10 Hz um den Zielwert herum auf, auf den sich die
Regelgröße einstellen soll.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Gegenkopplungsregelsystem zu schaffen, welches das Auftreten von Schwingungen
in einer digitale Signale verwendenden Hochgeschwindigkeits-
Gegenkopplungsregelung unterdrückt.
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Ein Gegenkopplungsregelsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt: Eine Regelgrößendetektoreinrichtung, die einen
vorbestimmten Betrag der Zunahme und Abnahme einer Regelgröße
erfaßt und nach Maßgabe des vorbestimmten Betrags der Zunahme
bzw. der Abnahme der Regelgröße ein Zunahmesignal oder ein
Abnahmesignal ausgibt; eine einfache Zähleinrichtung, die
jedes Zunahmesignal als eine +1-Einheit zählt und jedes
Abnahmesignal als eine -1-Einheit zählt; eine
Schwingungsunterdrückungszähleinrichtung, die die Zunahmesignale und die
Abnahmesignale von der Regelgrößendetektoreinrichtung empfängt
und die ersten aufeinanderfolgenden n Zunahmesignale
unmittelbar nach einem beliebigen Abnahmesignal ignoriert, und
dann beginnt, jedes Zunahmesignal als eine +1-Einheit
ausgehend von dem (n+1)-ten Zunahmesignal nach dem beliebigen
Abnahmesignal zu zählen, und die die ersten
aufeinanderfolgenden n Abnahmesignale unmittelbar nach einem beliebigen
Zunahmesignal ignoriert, dann jedes Abnahmesignal als eine
-1-Einheit ausgehend von dem (n+1)-ten Abnahmesignal nach dem
beliebigen Zunahmesignal zu zählen beginnt; eine
Regelgrößenzielwert-Vorgabeeinrichtung, die den Zielwert der Regelgröße
vorgibt; eine erste Abweichungsdetektoreinrichtung, die die
Abweichung des Ausgangssignals der einfachen Zähleinrichtung
von dem Zielwert erfaßt; eine
Rückopplungsverstärkereinrichtung hoher Geschwindigkeit, die das Ausgangssignal der
Schwingungsunterdrückungszähleinrichtung durch einen
Verstärkungsvorgang bei hoher Ansprechgeschwindigkeit verstärkt und
keine Integration beinhaltet; eine Verstärkereinrichtung
niedriger Geschwindigkeit, die das Ausgangssignal der ersten
Abweichungsdetektoreinrichtung durch einen
Verstärkungsvorgang bei niedriger Ansprechgeschwindigkeit verstärkt und eine
Integration beinhaltet; eine zweite
Abweichungsdetektoreinrichtung, die die Abweichung des Ausgangssignals der
Rückopplungsverstärkereinrichtung hoher Geschwindigkeit von dem
Ausgangssignal der Verstärkereinrichtung geringer
Geschwindigkeit erfaßt; und eine Regelgrößenstelleinrichtung, welche
die Regelgröße nach Maßgabe des Ausgangssignals der zweiten
Abweichungsdetektoreinrichtung vergrößert oder verkleinert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt einen allgemeinen Aufbau des herkömmlichen
Gegenkopplungsregelsystems;
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Fig. 2 zeigt einen grundlegenden Aufbau des
Gegenkopplungsregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 zeigt den Aufbau der Hardware des Servosystems eines
Motors;
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Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Servosystems
eines Motors;
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Fig. 5 zeigt einen Aufbau des Gegenkopplungsregelsystems in
dem Servosystem des Motors als eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 zeigt einen grundlegenden Aufbau der vorliegenden
Erfindung und entspricht dem allgemeinen Aufbau des
herkömmlichen Gegenkopplungsregelsystems nach Fig. 1. Bei dem
Gegenkopplungsregelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung nach
Fig. 2 wird nicht das Ausgangssignal der einfachen
Zähleinrichtung 5, sondern das Ausgangssignal der
Schwingungsunterdrückungszähleinrichtung 1 an die
Rückkopplungsverstärkereinrichtung 2 hoher Geschwindigkeit angelegt, in welcher ein
Verstärkungsvorgang bei hoher Ansprechgeschwindigkeit
erfolgt, der keine Integration beinhaltet. Die
Schwingungsunterdrückungszähleinrichtung 1 empfängt die Zunahmesignale und
die Abnahmesignale von der Regelgrößendetektoreinrichtung 4
und ignoriert die ersten aufeinanderfolgenden n
Zunahmesignale unmittelbar im Anschluß an ein beliebiges
Abnahmesignal, beginnt dann mit dem Zählen jedes Zunahmesignals als
eine +1-Einheit ausgehend von dem (n+1)-ten Zunahmesignal
nach dem beliebigen Abnahmesignal und ignoriert die ersten
aufeinanderfolgenden n Abnahmesignale unmittelbar im Anschluß
an ein beliebiges Zunahmesignal, um dann mit dem Zählen jedes
Abnahmesignals als einer -1-Einheit ausgehend von dem (n+1)-
ten Abnahmesignal nach dem beliebigen Zunahmesignal zu
beginnen.
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Selbst wenn n oder weniger aufeinanderfolgende Zunahmesignale
und n oder weniger aufeinanderfolgende Abnahmesignale
abwechselnd ausgegeben werden, zählt folglich die
Schwingungsunterdrückungszähleinrichtung 1 diese abwechselnd
aufeinanderfolgenden
Signale nicht, und es wird kein Ausgangssignal in
Abhängigkeit dieser abwechselnden aufeinanderfolgenden Signale
zu der nächsten Stufe übertragen, und deshalb arbeitet die
Regelgrößenstelleinrichtung 3 nicht in Abhängigkeit dieser
abwechselnden aufeinanderfolgenden Signale, so daß als
Ergebnis das Auftreten von Schwingungen unterdrückt wird.
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Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Fig. 3 zeigt eine Übersicht eines Aufbaus der Hardware des
Servosystems des Motors. Das System nach Fig. 3 umfaßt einen
Mikrocomputer 100, einen Schaltverstärker 31', einen Motor 30
und einen Impulskodierer 4'.
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Der Schaltverstärker 31' treibt den Motor 30. Die
Drehposition des Motors 30 wird von dem Impulskodierer 4' erfaßt.
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Das Ausgangssignal des Impulskodierers 4' besteht aus zwei
Signalen, deren Phasen, ein A-Phasen-Signal und ein B-Phasen-
Signal, sich um 90º voneinander unterscheiden. Der Zustand
jedes dieser zwei Signale ändert sich von einem Zustand zum
anderen zwischen "H"-Pegel und "L"-Pegel. Die Vorderflanken
und die Rückflanken entsprechen den Zunahmesignalen, wenn das
A-Phasen-Signal dem B-Phasen-Signal um 90º voreilt. Die
Vorderflanken und die Rückflanken entsprechen den
Abnahmesignalen, wenn das B-Phasen-Signal dem A-Phasen-Signal um 90º
voreilt.
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Der Mikrocomputer 100 empfängt einen Positionsbefehl für die
Drehposition des Motors 30 von dem Hostrechner, und der
Mikrocomputer 100 erkennt die Ist-Drehposition und die
Drehgeschwindigkeit des Motors 30, indem er die Zunahmesignale und
die Abnahmesignale von dem Impulskodierer 4' zählt, und
berechnet die Abweichung der Ist-Drehposition und der
Drehgeschwindigkeit des Motors 30 von dem von dem Hostrechner
kommenden Positionsbefehl. Weiterhin gibt der Mikrocomputer 100
entsprechend der berechneten Abweichung als Treiberbefehl an
den Schaltverstärker 31' ein PBM-Signal, so daß die
Ist-Drehposition des Motors 30 in die Lage des Positionsbefehls
gebracht wird.
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Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches den Fluß der
Steuersignale in einem herkömmlichen Servosystem des Motors unter
Verwendung von Transferfunktionen zeigt. Das System hat den
in Fig. 3 gezeigten Hardware-Aufbau.
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Zunächst wird die erste Abweichung als Differenz zwischen
einem Positions-Rückkopplungssignal und einem Positionsbefehl
erhalten, dann wird die erste Abweichung durch eine
Positionsverstärkung Kp verstärkt, und das verstärkte Signal wird
als Geschwindigkeitsbefehl ausgegeben. In der nächsten Stufe
wird die zweite Abweichung als Differenz zwischen einem
Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal und dem
Geschwindigkeitsbefehl ermittelt, dann wird die zweite Abweichung durch eine
Proportional-Integral-Operation verstärkt, die durch eine
Übertragungsfunktion K&sub1;/s dargestellt ist. Andererseits wird
ein Geschwindigkeitsrückkopplungssignal mit einer Verstärkung
K&sub2; verstärkt. Die dritte Abweichung wird ermittelt als
Differenz zwischen dem Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal
welches um K&sub2; verstärkt wurde, und der zweiten Abweichung, die
um K&sub1;/s verstärkt wurde, sie wird durch eine
Geschwindigkeitsschleifenverstärkung weiter verstärkt und dann als
Drehmomentbefehl ausgegeben. Der Wert des Drehmomentbefehls wird
reduziert durch auf das Motorsystem einwirkende Lasten und
durch Störungen, deshalb führt der verbleibende Teil des in
der oben beschriebenen Weise reduzierten Werts des
Drehmomentbefehls zu der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors. Die
Winkelgeschwindigkeit ω des Motors entspricht dem
Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal. Der Winkel Θ, der eine
zeitliche Integration der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors ist,
entspricht dem Positions-Rückkopplungssignal.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werde Teile des
Geschwindigkeits-Rückkopplungssignals in Fig. 4, die Schwingungen des
Motors verursachen, beseitigt (ignoriert), bevor eine lineare
Verstärkung mit einem Verstärkungsmaß K&sub2; erfolgt. Dieser
Vorgang wird ebenfalls von dem Mikrocomputer 100 durchgeführt.
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Fig. 5 zeigt einen Betrieb des Mikrocomputers 100, wenn die
vorliegende Erfindung bei dem Servosystem des Motors gemäß
Fig. 3 und 4 angewendet wird. Sämtliche Einrichtungen in Fig.
5 mit Ausnahme des Motors 30, der
Positionsdetektoreinrichtung 4', die dem Impulskodierer 4' in Fig. 3 entspricht, und
der Drehmomentgeneratoreinrichtung 31, die dem
Schaltverstärker 31 in Fig. 3 entspricht, werden durch von dem
Mikrocomputer 100 ausgeführte Operationen realisiert.
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Die Positionsdetektoreinrichtung (der Impulskodierer) 4'
erfaßt einen vorbestimmten Winkel der Zunahme und der Abnahme
der Drehstellung des Motors und gibt entsprechend dem
vorbestimmten Winkel der Zunahme und Abnahme der Drehposition des
Motors ein Zunahmesignal oder ein Abnahmesignal aus. Die
Positionsdetektoreinrichtung (der Impulskodierer) 4' entspricht
der Regelgrößendetektoreinrichtung 4.
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Die Geschwindigkeitszähleinrichtung 51 empfängt die
Zunahmesignale und die Abnahmesignale, und sie zählt jedes
Zunahmesignal als +1, und sie zählt jedes Abnahmesignal als -1 bei
jeder vorbestimmten Zeitdauer.
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Die Positionszähleinrichtung 52 empfängt ebenfalls die
Zunahmesignale und die Abnahmesignale, und sie zählt jedes
Zunahmesignal als +1, und sie zählt jedes Abnahmesignal als -1 im
Gesamtwert.
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Die Geschwindigkeitszähleinrichtung 51 und die
Positionszähleinrichtung 52 entsprechen der einfachen Zähleinrichtung 5 in
Fig. 2.
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Die Positionsabweichungsdetektoreinrichtung 90 in Fig. 5
vergleicht das Ausgangssignal der Positionszähleinrichtung 52
mit einem Positionsbefehl von dem (nicht gezeigten)
Hostrechner, um die Abweichung des Ausgangssignals der
Positionszähleinrichtung 52 von dem Positionsbefehl zu erhalten. Die
Positionsabweichungsverstärkereinrichtung 91 verstärkt das
Ausgangssignal der Positionsabweichungsdetektoreinrichtung 90,
welches als Geschwindigkeitsbefehl auszugeben ist. Die
Geschwindigkeitsabweichungsdetektoreinrichtung 6' vergleicht
das Ausgangssignal der Geschwindigkeitszähleinrichtung 51 mit
dem Geschwindigkeitsbefehl, um die Abweichung des
Ausgangssignals der Geschwindigkeitszähleinrichung 51 von dem
Geschwindigkeitsbefehl zu ermitteln.
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Die Geschwindigkeitsabweichungsdetektoreinrichtung 6'
entspricht der ersten Abweichungsdetektoreinrichtung 6 in Fig.
2. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die
Gegenkopplungsregelung für zwei Regelgrößen, die Geschwindigkeit und die
Position, und deshalb entspricht die
Positionsabweichungsdetektoreinrichtung 90 in Fig. 5 ebenfalls der ersten
Abweichungsdetektoreinrichtung 6 in Fig. 2. Im Hinblick darauf, daß die
Positionsabweichungsdetektoreinrichtung 90 und die
Positionsabweichungsverstärkereinrichtung 91 in Fig. 5 den
Geschwindigkeitsbefehl ausgeben, entsprechen sie der
Regelgrößenzielwertvorgabeeinrichtung 9 in Fig. 2 hinsichtlich der
Geschwindigkeitsregelung.
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Die Geschwindigkeitsabweichungs-Integriereinrichtung 7
verstärkt das Ausgangssignal der
Geschwindigkeitsabweichungsdetektoreinrichtung 6' mit einer niedrigen
Ansprechgeschwindigkeit und beinhaltet eine Integration. Diese Verstärkung
entspricht der Operation K&sub1;/s in Fig. 4, und die zweite
Geschwindigkeitsabweichungs-Integriereinrichtung 7' entspricht
der Verstärkereinrichtung 7 niedriger Geschwindigkeit in Fig.
2.
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Die lineare Geschwindigkeitszählungs-Verstärkereinrichtung 2
multipliziert eine konstante Zahl mit dem Ausgangssignal der
Vibrationsunterdrückungsgeschwindigkeitszähleinrichtung 1'
und entspricht der Rückkopplungsverstärkereinrichtung 2 hoher
Geschwindigkeit in Fig. 2. Diese Operation entspricht der
Operation K&sub2; in Fig. 4.
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Die Endstufen-Abweichungsdetektoreinrichtung 8 ermittelt die
Abweichung des Ausgangssignals der linearen
Geschwindigkeitszählungs-Verstärkereinrichtung 2' von dem Ausgangssignal der
Geschwindigkeitsabweichungs-Integriereinrichtung 7', und
entspricht der zweiten Abweichungsdetektoreinrichtung 8 in Fig.
2. Die Drehmomentgeneratoreinrichtung 31 liefert einen
Treiberstrom an den Motor, so daß das Drehmoment entsprechend dem
Ausgangssignal der Endstufen-Abweichungsdetektoreinrichtung
8' an dem Motor erzeugt wird. Die
Drehmomentgeneratoreinrichtung 31 entspricht der Regelgrößenstelleinrichtung 3 in Fig.
3.
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Obschon der Geschwindigkeitszähleinrichtung 51 ähnlich, zählt
die Vibrationsunterdrückungsgeschwindigkeitszähleinrichtung
1' die Zunahmesignale und die Abnahmesignale von der
Positionsdetektoreinrichtung 4' für jede vorbestimmte Zeitdauer
(z.B. für einen bestimmten Taktzyklus oder für eine bestimmte
Anzahl von Taktzyklen), die
Schwingungsunterdrückungsgeschwindigkeitszähleinrichtung 1' ignoriert die ersten
aufeinanderfolgenden n Zunahmesignal unmittelbar nach einem
beliebigen Abnahmesignal, beginnt dann mit dem Zählen jedes
Zunahmesignals als +1-Einheit ausgehend von dem (n+1)-ten
Zunahmesignal nach dem beliebigen Abnahmesignal, und ignoriert
die ersten aufeinanderfolgenden n Abnahmesignale unmittelbar
im Anschluß an ein beliebiges Zunahmesignal, um dann mit dem
Zählen jedes Zunahmesignals als -1-Einheit ausgehend von dem
(n+1)-ten Abnahmesignal nach dem willkürlichen Zunahmesignal
zu beginnen.
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Deshalb können bei dem Aufbau nach Fig. 5 Schwingungen mit
Amplituden gleich den Änderungen der Regelgröße entsprechend
n oder weniger der Ausgangssignale des Impulskodierers 4'
unterdrückt werden.
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Ein Gegenkopplungsregelsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist insbesondere brauchbar bei Servosystemen für
Motoren.
Bezugszeichenliste
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1 Schwingungsunterdrückungszähleinrichtung
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1' Schwingungsunterdrückunggeschwindigkeitszähleinrichtung
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2 Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungsverstärkereinrichtung
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2' lineare Geschwindigkeitszählungs-Verstärkungseinrichtung
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3 Regelgrößenstelleinrichtung
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30 Motor
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31 Drehmomenterzeugungseinrichtung
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31' Schaltverstärker
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4 Regelgrößendetektoreinrichtung
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4' Positionsdetektoreinrichtung (Impulskodierer)
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5 einfache Zähleinrichtung
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51 Geschwindigkeitszähleinrichtung
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52 Positionszähleinrichtung
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6 erste Abweichungsdetektoreinrichtung
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6' Geschwindigkeitsabweichungsdetektoreinrichtung
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7 Verstärkungseinrichtung niedriger Geschwindigkeit
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7' Geschwindigkeitsabweichungs-Integriereinrichtung
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8 zweite Abweichungsdetektoreinrichtung
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8' Endstufen-Abweichungsdetektoreinrichtung
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9 Regelgrößenzielwertvorgabeeinrichtung
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90 Positionsabweichungsdetektoreinrichtung
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91 Positionsabweichungsverstärkungseinrichtung
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100 Mikrocomputer