DE3732813A1

DE3732813A1 - Stellmotor-steuereinrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE3732813A1
Application number: DE19873732813
Authority: DE
Inventors: Minoru Kano; Kenzo Takeichi; Minoru Makita; Ryoichi Hisatomi; Akinobu Takemoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1987-09-29
Publication date: 1988-04-14
Also published as: DE3732813C2; US4794312A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Stellmotor-Antriebssteuerung für die hochpräzise Positionierung eines Servosystems, z. B. eines Industrieroboters.

Eine konventionelle Stellmotor-Steuereinrichtung ist in einem Artikel "Design and Analysis of Pulsewidth-Modulated Amplifiers for DC Servo Systems" von Jacobtal, IEEE Transactions on Electronics and Control Instrumentation, Bd. IECI-23, Nr. 1, Feb. 1976, beschrieben. Im allgemeinen weist ein Gleichstrom-Stellmotorsystem eine Motortreiberstufe entsprechend Fig. 8 auf.

Die Treiberstufe umfaßt zwei Leistungssteuerelemente A und A′ und ein weiteres Paar Leistungssteuerelemente B und B′, wobei diese Elemente typischerweise Bipolartransistoren oder FET's sind. Die Kollektoren der Elemente A und B sind mit der positiven Klemme einer Stellmotor-Stromversorgung 12 verbunden, und ihre Emitter sind mit den Kollektoren der Elemente B′ bzw. A′ verbunden, wobei deren Emitter wiederum an die negative Klemme der Stromversorgung 12 über einen Stromfühlerwiderstand R _I angeschlossen sind. Die beiden Elemente A und B sind durch Rücklaufdioden A _D bzw. B _D zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen parallelgeschaltet, wobei diese Rücklaufdioden in bezug auf die Emitter-Kollektor-Strecke entgegengesetzte Polarität haben. In ähnlicher Weise sind die Kollektoren der Elemente B′ und A′ über Rücklaufdioden B _D′ und A _D′ entgegengesetzter Polarität an die negative Klemme der Stromversorgung 12 gelegt. Ein Gleichstrom- Stellmotor 14, dessen Wicklungsinduktanz und Widerstand mit L _M bzw. R _M bezeichnet sind, ist zwischen die Emitter der Leistungssteuerelemente A und B geschaltet. Diese Treiberstufenkonstruktion, bei der zwei Paare von reihengeschalteten Leistungssteuerelementen A-A′ und B-B′ mit einer Stromversorgung parallelgeschaltet sind und zwischen den Verknüpfungspunkt von A und B′ und den Verknüpfungspunkt von B und A′ ein Gleichstrom-Stellmotor 14 geschaltet ist, wird als "H-Brückenschaltung" bezeichnet. Die vier Leistungssteuerelemente A, B, A′ und B′ in der H-Brückenschaltung erhalten an ihrer Basis pulsdauermodulierte Eingangsimpulse bzw. PDM-Eingangsimpulse von einer Servosteuerstufe, und die Stromleitung zum Gleichstrom-Stellmotor 14 ist geregelt.

Bei der konventionellen Gleichstrom-Stellmotor-Antriebssteuereinrichtung werden die Eingangssignale zu den Leistungssteuerelementen so umgeschaltet, daß während der aktiven Periode des PDM-Signals die Elemente A und A′ oder B und B′ aktiviert sind und während der inaktiven Periode des PDM-Signals die Elemente A und B stromlos und die Elemente A′ und B′ aktiviert sind. Wenn das PDM-Signal eine aktive Periodenlänge t _p und eine PDM-Dauer T _p hat, ergibt sich die mittlere Anlegespannung V _M zum Stellmotor 14 durch die folgende gewöhnliche Gleichstromtheorie:

Beispiele für diese Art einer Gleichstrommotortreiberschaltung sind in den US-PS 43 88 570 und 45 23 134 angegeben.

Wenn eine hochgenaue Lageregelung unter Anwendung eines Gleichstrom-Stellmotors durchzuführen ist, muß das PDM- Signal eine hohe Auflösung haben, wie die vorstehende Gleichung (1) erweist. D. h., das PDM-Signal muß eine sehr geringe kleinste aktive Zeitlängeneinheit t _p haben. Daher muß die konventionelle Stellmotor-Antriebssteuereinrichtung für die hochgenaue Lageregelung einen Großschaltkreis für die PDM-Signalerzeugung haben, um eine hohe Auflösung der aktiven Zeitlänge t _p zu erzielen, wobei dann auch Schaltkreise zur Verhinderung eines fehlerhaften Betriebs und von Schwingungen vorgesehen sein müssen, so daß die Herstellungskosten hoch sind. Ferner wird in manchen Fällen die erforderliche PDM-Signalauflösung wegen der begrenzten Ansprechgeschwindigkeit des Leistungssteuerelements und der Gesamtschaltung nicht erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung und eines Verfahrens zur Steuerung eines Stellmotors, wobei eine hochgenaue Lage- und Geschwindigkeitsregelung möglich sind, ohne daß eine hohe Auflösung für das PDM- Signal verlangt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Stellmotor-Steuereinrichtung, mit einer Treiberstufe, die Leistungssteuerelemente zum Antrieb eines Stellmotors enthält, mit einem Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber, der ein PDM-Signal zur Steuerung der Leistungssteuerelemente im PDM-Modus erzeugt, und mit einer Steuerbefehlseinheit, die einen PDM- Befehlswert zur Erzeugung des PDM-Signals an den Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber liefert, gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehlseinheit einen Abschnitt zur Umsetzung eines in jedem Steueroperationszyklus gegebenen gewünschten PDM-Befehlswerts in einen PDM-Befehlssatz aus einer Mehrzahl von PDM-Befehlswerten sowie einen Abschnitt zur sequentiellen Ausgabe von Befehlswerten des umgesetzten PDM-Befehlssatzes an den Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber aufweist.

Das Stellmotor-Steuerverfahren nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: Berechnen eines PDM- Befehlswerts zum Antreiben eines Stellmotors in jedem Steuerfunktionszyklus, Aufteilen des PDM-Befehlswerts in eine Mehrzahl PDM-Befehlswerte und Ausgeben der PDM-Befehlswerte an einen Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber, der ein PDM-Signal zur Steuerung von Leistungssteuerelementen in einem PDM-Modus mit konstantem Intervall zum Antrieb des Stellmotors erzeugt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild der Stellmotor-Steuereinrichtung, bei der das Verfahren nach der Erfindung angewandt wird;

Fig. 2 das Blockschaltbild der in der Einrichtung vorgesehenen Steuerbefehlseinheit;

Fig. 3 eine Grafik, die die Kennlinien der Steuereinrichtung nach der Erfindung gegenüber der bekannten Einrichtung zeigt;

Fig. 4, 5, 6 und 7 Signalverläufe, die Beispiele für die mit der Erfindung erhaltene Stromregelung zeigen;

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild der konventionellen H-Brücken-Treiberstufe für einen Stellmotor;

Fig. 9 das Blockschaltbild eines in der Einrichtung von Fig. 1 verwendeten Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber; und

Fig. 10 ein Taktdiagramm, das die Funktion des Leistungssteuerelement- Betriebssignalgebers zeigt.

In Fig. 1, die die Anordnung der Gleichstrom-Stellmotorsteuereinrichtung zeigt, bei der das Verfahren angewandt wird, gibt eine Steuerbefehlseinheit 10 verschiedene Befehle an einen Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber 11 nach Maßgabe der Betriebsanweisungen aus, die von einem hochrangigen Regler, z. B. einer manuellen Führungseinheit (nicht gezeigt), zur Steuerung der Funktion eines Stellmotors 14 ausgegeben werden. Die Steuerbefehlseinheit 10 wird normalerweise durch Verwendung einer Verknüpfungseinheit, z. B. eines Mikrorechners, realisiert; alternativ kann sie in einem nach Bedarf ausgelegten Großschaltkreis oder einer integrierten Analog-Digital-Hybridschaltung angeordnet sein.

Der Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber 11 ist ein Produkt bekannter Schaltungstechnologie und erzeugt das PDM-Signal mit einer bestimmten Periode T _p nach Maßgabe des in einem bestimmten Intervall T _S von der Steuerbefehlseinheit 10 ausgegebenen Befehls und liefert das Signal an eine H-Brückenschaltung 13.

Die H-Brückenschaltung 13, die entsprechend Fig. 8 aufgebaut ist, weist einen Anschluß an eine Stromversorgung 12 auf und regelt die Stromleitung zum Gleichstrom-Stellmotor 14 nach Maßgabe des PDM-Signals. Die Abtriebswelle des Stellmotors 14 ist mit einer Last 15 gekoppelt.

Ein Rückführsignalgeber 16 erfaßt die Winkellage des Stellmotors und besteht normalerweise aus einem Drehgeber, der direkt mit der Abtriebswelle des Stellmotors 14 gekoppelt ist, einem Motordrehrichtungsunterscheider, der auf das Ausgangssignal des Drehgebers anspricht, und einem Impulszähler, der das Ausgangssignal des Drehgebers zählt. Der Lagefühler kann einen bekannten Drehmelder bzw. ein Potentiometer aufweisen, und in diesem Fall ist in dem Rückführsignalgeber 16 ein Istlage-Umformungskreis vorgesehen. Der Rückführsignalgeber 16 kann ferner einen Tachogenerator, der direkt mit dem Stellmotor gekoppelt ist, und einen Signalverarbeitungskreis enthalten, so daß das Motordrehzahlsignal den Rückführsignalen hinzuaddiert wird.

Es wird nunmehr die Betriebsweise dieser Anordnung erläutert. Die Steuerbefehlseinheit 10 empfängt die die Betriebszustände des Motors bezeichnenden Signale vom Rückführsignalgeber 16, vergleicht die Signale mit den die Ziel-Betriebszustände bezeichnenden Bezugssignalen und erzeugt PDM- und Drehrichtungs-Befehlssignale, so daß der Stellmotor 14 in der gewünschten Weise arbeitet. Der Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber 11 erzeugt aufgrund der Befehle von der Steuerbefehlseinheit 10 Betriebssignale für die Leistungssteuerelemente. Insbesondere werden nach Maßgabe des PDM-Befehls PDM-Impulssignale erzeugt, und während der aktiven Periode des PDM-Impulssignals erzeugt der Betriebssignalgeber 11 Signale zur Aktivierung der Leistungssteuerelemente A und A′ oder B und B′ von Fig. 8 in Abhängigkeit vom Drehrichtungsbefehl. Während der inaktiven Periode des PDM-Impulssignals sind die Leistungssteuerelemente A undd B abgeschaltet und die Elemente A′ und B′ aktiviert.

Die Leistungssteuerelemente in der H-Brückenschaltung 13 arbeiten aufgrund der vom Betriebssignalgeber 11 erzeugten Betriebssignale, wie vorstehend beschrieben, und liefern Strom von der Stromversorgung 12 an den Gleichstrom-Stellmotor 14 entgegengesetzt zu der vom Motor 14 erzeugten Gegen-EMK. Der mit der Last 15 gekoppelte Stellmotor 14 arbeitet unter Verbrauch der zugeführten Leistung im dynamischen oder statischen Betrieb. Die Betriebszustände des Stellmotors 14 werden von dem Rückführsignalgeber 16 erfaßt, und die Signale werden zu der Steuerbefehlseinheit 10 rückgeführt. Auf diese Weise bewirkt die Steuerbefehlseinheit 10, daß die Last über den Gleichstrom-Stellmotor 14 in gewünschter Weise arbeitet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden die Anordnung und Funktionsweise der Befehlssteuereinheit 10 im einzelnen erläutert. Dabei ist die Befehlssteuereinheit 10 eine Verknüpfungseinheit, insbesondere ein Mikrorechner, dessen Steuerlogik durch ein gespeichertes Programm (Software) implementiert ist. Die Befehlssteuereinheit 10 besteht aus einem Hauptsteuerteil 100 und einem Unterbrechungssteuerteil 101 (Fig. 2). Der Unterbrechungssteuerteil 101 umfaßt einen Steuerfunktionsabschnitt 1011, einem PDM-Befehlsgeberabschnitt 1012, einen PDM-Befehlsausgabeabschnitt 1013, eine PDM-Befehlssatztabelle 1014 und einen PDM-Befehlssatzspeicher 1015. Der Hauptsteuerteil 100 wird von der manuellen Befehlseinheit bzw. einem hochrangigen Regler (nicht gezeigt) veranlaßt, die Funktionsbefehle und -daten, z. B. die Ziel-Lage und -Drehzahl für den Betrieb des Stellmotors, an den Unterbrechungssteuerteil 101 auszugeben. Der Unterbrechungssteuerteil 101 ist tatsächlich ein Unterbrechungsprogramm, das beim Auftreten des Bezugstaktsignals von dem internen Taktgeber des Mikrorechners oder von außerhalb in einem bestimmten Intervall T _S ausgelöst wird, und soll die vom Hauptsteuerteil 100 vorgegebene Operation ausführen.

Insbesondere bestimmt der Steuerfunktionsabschnitt 1011 die Ziel-Betriebswerte zum momentanen Zeitpunkt aufgrund des Betriebsbefehls vom Hauptsteuerteil 100, vergleicht die von dem Rückführsignalgeber 16 gelieferten Rückführsignale mit den gewünschten Werten und errechnet den PDM-Wert zum Betrieb des Stellmotors 14 nach Maßgabe des vorbestimmten Steueralgorithmus. Der PDM-Befehlsgeberabschnitt 1012 empfängt den PDM-Wert und greift auf die PDM-Befehlssatztabelle 1014 zurück zum Erhalt eines entsprechenden PDM-Befehlssatzes, und nach Hinzuaddieren des Drehrichtungsbefehls zu diesem PDM-Befehlssatz wird das Ergebnis in dem PDM-Befehlssatzspeicher 1015 gespeichert. Die Tabelle I zeigt ein Beispiel für die gewünschten PDM-Werte und entsprechenden PDM-Befehlssätze.

Tabelle I

gewünschter PDM-WertPDM-Befehlssatz

0,00 0 0 0 0,11 0 0 0 0,21 1 0 0 0,31 1 1 0 1,01 1 1 1 1,12 1 1 1 1,22 2 1 1 1,32 2 2 1 2,02 2 2 2 2,13 2 2 2 2,23 3 2 2 2,33 3 3 2 3,03 3 3 3

In Tabelle I hat ein vorbestimmter PDM-Wert einen ganzzahligen Teil, der ein PDM-Signal ist, das der Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, d. h. den von t _p in Gleichung (1) abgeleiteten normierten Wert, und einen Bruchteil für die Verstärkung der PDM-Auflösung. Die PDM-Befehlssatztabelle dient der Einfachheit halber der vierfachen Verstärkung der Auflösung, und jeder Wert in der Tabelle bezeichnet ein PDM-Signal, das von dem Betriebssignalgeber 11 erzeugt werden würde, d. h. dessen normierter Wert für t _p in Gleichung (1) erzeugt werden würde. Der Wert "0" in der Tabelle ist der PDM-Befehl, mit dem das PDM-Signal inaktiv gemacht wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält die Tabelle zwar keine Information für die Motordrehrichtung, aber eine die Richtungsinformation enthaltende Tabelle kann ohne weiteres erstellt werden. Diese Tabellenanordnung ermöglicht es, daß ein gewünschter PDM-Wert ein Feld eines abzusuchenden PDM-Befehlssatzes adressiert, so daß der PDM-Befehlsgeberabschnitt 1012 ohne weiteres den Tabellen-Suchvorgang durchführen kann.

Der PDM-Befehlsausgabeabschnitt 1013 zählt die Anzahl Anstöße des Unterbrechungssteuerteils 101, z. B. zählt er im Fall von 4-Spalten-PDM-Befehlssätzen in der Tabelle I die Anzahl mit einem Modulo 4 und liest einen der PDM-Befehlssätze in Abhängigkeit vom Zählerstand aus dem PDM-Befehlssatzspeicher 1015 für den Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber 11 aus. Auf diese Weise wird ein PDM-Signal erzeugt, das eine höhere Auflösung hat als ein PDM-Signal, das direkt von dem Betriebssignalgeber 11 erzeugt werden würde, und infolgedessen wird der Stellmotor präziser geregelt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 werden die Motorstromregelvorgänge erläutert, die mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und mit der bekannten Einrichtung implementiert werden. In der Grafik von Fig. 3 ist der gemittelte Motorstrom auf der Ordinate über dem auf der Abszisse aufgetragenen Tastverhältnis (%) des PDM-Signals, d. h. t _p/T _p von Gleichung (1), aufgetragen. Die Grafik zeigt, daß der gemittelte Motorstrom proportional zum PDM-Tastverhältnis regelbar ist. Wie die Grafik zeigt, ermöglicht die konventionelle Treiberstufen-Steuereinrichtung nur Stromwerte, die mit "o" bezeichnet sind, so daß in dem in der Endphase der Lageregelung verwendeten kleinen Stromabschnitt keine Auflösung vorhanden ist. Dagegen sind mit "Δ" Stromwerte bezeichnet, die durch die verknüpfte Ausgabe des PDM-Befehls nach der Erfindung möglich sind, und diese Einrichtung kann erforderlichenfalls den Motor feinregeln.

Der Grund für die günstige Regelkennlinie der hier angegebenen Einrichtung gemäß Fig. 3 wird durch den Motorstrom unter der Annahme T _p = T _S in den Fig. 4-7 erläutert. Fig. 4 zeigt den Fall der kontinuierlichen Zuführung des kleinsten PDM-Befehls, und ein relativ großer Strom, der zwar ein pulsierender Strom ist, fließt kontinuierlich. Dieser Fall entspricht der konventionellen Treibersteuerung. Fig. 5 zeigt den Fall, in dem jeder vierte PDM-Impuls ausfällt, und der Strompegel sinkt gegenüber Fig. 4. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Fälle, in denen zwei PDM-Impulse bzw. drei PDM- Impulse während vier PDM-Perioden ausfallen. Der Strompegel wird in absteigender Folge dieser Figuren niedriger. Der tatsächliche Stromverlauf unterscheidet sich zwar etwas von den Verläufen nach den Fig. 4-7, da in der Praxis T _S unvergleichbar größer als T _p ist, aber die Eigenschaften der vorliegend angegebenen Einrichtung sind ersichtlich.

Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform braucht der PDM-Befehlsausgabeabschnitt nicht in einer Position entsprechend der vorstehend erläuterten Operationsfolge vorgesehen zu sein, sondern er kann an einer beliebigen Stelle vorgesehen sein, z. B. der Position, die unmittelbar nach dem Anstoßen des Unterbrechungssteuerteils ausgeführt wird.

Eine Alternative ist wie folgt: Der Unterbrechungssteuerteil 101 hat einen manuellen Funktionssignaleingabeteil und einen Anzeigefunktionsteil; diese sind in der Figur nicht dargestellt. Ein erster PDM-Befehlsausgabeabschnitt befindet sich am Oberende des Unterbrechunngssteuerteils 101, und angesichts der von dem gesamten Unterbrechungssteuerteil 101 aufgewendeten Operationszeit ist ein zweiter PDM-Befehlsausgabeabschnitt an der Stelle vorgesehen, die etwa bei der halten Unterbrechungssteuerungs-Aktivierungsperiode T _S nach der Operation des ersten PDM-Befehlsausgabeabschnitts ausgeführt wird.

Schließlich wird noch ein weiteres Beispiel zur Bildung einer Tabelle beschrieben. Die Tabelle I ist zwar eine vollständige Tabelle; es kann aber auch eine Tabelle erstellt werden, in der der gewünschte PDM-Wert einen ganzzahligen Teil "0" hat, so daß der Wert des Bruchteils unter Anwendung des ganzzahligen Teils des gewünschten PDM-Werts modifiziert wird. Dieses Schema verringert die Kapazität der Tabelle erheblich und führt zur Einsparung von sehr viel Speicherplatz.

Ein weiteres Beispiel sieht wie folgt aus: Wenn die PDM mit hoher Auflösung nur bei der Lagerregelung des Stellmotors benötigt wird, genügt für diesen Zweck die vorgenannte Tabelle mit dem einen ganzzahligen Teil "0" aufweisenden gewünschten PDM-Wert, und für einen gewünschten PDM-Wert mit einem ganzzahligen Teil von "Nicht-Null" kann ein PDM- Befehlssatz direkt aus dem ganzzahligen Teil erzeugt werden (jeder Wert des Befehlssatzes ist gleich dem Wert des ganzzahligen Teils). Da die PDM für vorbestimmte PDM-Werte mit einem ganzzahligen Nicht-Null keine hohe Auflösung zu haben braucht, ist es unnötig, getrennt voneinander einen PDM-Befehlssatz zu erzeugen und PDM-Befehle auszugeben. In einem solchen Fall genügt es ohne weiteres, den Algorithmus des PDM-Befehlsausgabeabschnitts geringfügig zu erweitern.

Wenn zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer Stellmotoren, z. B. für einen Industrieroboter mit mehreren Gelenken, ein einziger Mikrorechner verwendet wird, ist der Unterbrechungssteuerteil 101, der die Steuerfunktion für nur einen Stellmotor bei einem Unterbrechungsanstoß ausführen kann, so ausgelegt, daß er sämtliche Stellmotoren nacheinander und zyklisch unter mehrfacher Anwendung der Unterbrechungsfunktion steuert. Die Anwendung der hier angegebenen Einrichtung mit der genannten zyklischen Fähigkeit bietet ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis.

Wenn gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die PDM hohe Auflösung aufweisen muß, werden Minimum-PDM- Befehle, die der Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber erzeugen kann, und die die Leistungssteuerelemente A und B sperrenden PDM-Befehle zu einer Mehrzahl Sätzen kombiniert, so daß die Steuerbefehlseinheit einen Mittelwert der vorbestimmten Auflösung liefert, und jeder PDM-Befehl wird dem Betriebssignalgeber sequentiell mit einem bestimmten Intervall über mehrere Perioden zugeführt, wodurch sich die folgenden Vorteile einstellen.

Eine erhöhte Auflösung des PDM-Befehls wird unter Anwendung einer Steuerbefehlseinheit erreicht, die eine Operationszeit in der Größenordnung von mehreren hundert µs bis ms im Gegensatz zu dem Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber hat, der mit Hochgeschwindigkeitsbetrieb in der Größenordnung von µs oder schneller arbeiten muß, so daß Schwierigkeiten hinsichtlich der Schaltungstechnologie vermieden werden können.

Wenn die Steuerbefehlseinheit durch einen Mikrorechner implementiert ist, wird die vorliegende Erfindung gegenüber der konventionellen Einrichtung auf Software-Basis ohne Steigerung der Herstellungskosten praktiziert.

Da das PDM-Signal keine hohe Auflösung haben muß, sind aufwendige Schaltungstechnik und Steuerverfahren nicht erforderlich, und eine hochgenaue Lage- und Drehzahlregelung können durch PDM-Steuerung mit relativ niedriger Auflösung erreicht werden.

Nachstehend werden die Anordnung und Funktionsweise des Leistungssteuerelement-Betriebssignalgebers 11 unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 im einzelnen erläutert.

Der Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber 11 nach Fig. 9 umfaßt einen Befehlsspeicher 1101, der die von der Steuerbefehlseinheit 10 mit konstantem Intervall T _S ausgegebenen Richtungs- und PDM-Befehlssignale speichert, einen PDM-Befehlsspeicher 1103, der z. B. ein Zähler ist und den PDM-Befehl vom Befehlsspeicher 1101 aufgrund des von einem PDM-Signalgeber 1104 mit konstantem Intervall T _p gelieferten Signals empfängt, einen Richtungsspeicher 1102 aus einem ähnlichen Datenhalteglied, den PDM-Signalgeber 1104, der nach Maßgabe der Information im PDM-Speicher 1103 ein aktives PDM-Signal mit L-Pegel mit einem nach unten konvexen Signalverlauf erzeugt, einen Univibrator 1105, der aufgrund der Abfallflanke des PDM-Signals ein aktives Impulssignal mit L-Pegel erzeugt, dessen Breite geringfügig geringer als die PDM-Signalperiode T _p ist, einen Univibrator 1106, der aufgrund der Anstiegsflanke des PDM-Signals ein aktives Impulssignal mit H-Pegel von kurzer Dauer und mit nach unten konvexem Verlauf erzeugt, NOR-Glieder 1107, ODER-Glieder OR 1108, ein UND-Glied AND 1109, ein Nichtglied 1110 sowie Vortreiber 1111, die ihre Eingangssignale in Leistungssteuerelement-Treibersignale verstärken.

Die Funktionsweise des Leistungssteuerelement-Betriebssignalgebers 11 ist wie folgt. Der Richtungsspeicher 1102 hält den Richtungsbefehl, der im Befehlsspeicher 1101 im Intervall T _p gespeichert war, und gibt das Signal als Signal S 2 (Fig. 10) aus. Der PDM-Signalgeber 1104 erzeugt ein aktives PDM-Signal S 1 mit L-Pegel (Fig. 10), dessen Phase gegenüber dem Signal S 2 geringfügig verzögert ist, aufgrund der Information, die im PDM-Befehlsspeicher 1103 im Intervall T _p gespeichert ist. Im Fall des Signals S 1 treten die Strichlinienabschnitte auf, wenn das PDM-Signal innerhalb der Periode T _p vollständig inaktiv ist und dem Stellmotor überhaupt keinen Strom bzw. keine Spannung zuführt.

Der Univibrator 1105 spricht auf die Abfallflanke des PDM- Signals S 1 an und erzeugt ein Signal S 3 (Fig. 10). Der Univibrator 1106 spricht auf die Anstiegsflanke des PDM-Signals S 1 an und erzeugt ein Signal S 4 (Fig. 10). Die Signale S 3 und S 4 werden im NOR-Glied 1107 verknüpft unter Bildung eines Signals S 5, das wiederum im UND-Glied 1109 mit dem PDM-Signal S 1 verknüpft wird unter Bildung eines Signals S 6. Das Signal S 1 ist ein Originaltreibersignal für die Leistungssteuerelemente A und B von Fig. 8, und das Signal S 6 ist ein Originaltreibersignal für die Leistungssteuerelemente A′ und B′ von Fig. 8. Diese Signale S 1 und S 6 werden in den ODER-Gliedern 1108 und NOR-Gliedern 1107 mit dem Richtungssignal S 2 verknüpft und von den Vortreibern 1111 verstärkt unter Bildung von Signalen SB, SB′, SA und SA′ zur Ansteuerung der Leistungssteuerelemente B, B′ bzw. A, A′ von Fig. 8. Infolgedessen wird eines der Signale zur Ansteuerung der Elemente A′ und B′ in Abhängigkeit von dem Richtungssignal S 2 aktiv, und zwar unabhängig vom Zustand des PDM-Signals S 1, und aktiviert das entsprechende Leistungssteuerelement. Wenn sich der Zustand des PDM-Signals ändert, wird das Element A′ unbedingt von einem aktiven Richtungssignal S 2 aktiviert, und die Elemente A und B′ werden PDM-gesteuert, so daß aufgrund überlappender aktiver Perioden kein Kurzschluß auftritt. Umgekehrt wird das Element B′ von einem inaktiven Richtungssignal S 2 unbedingt aktiviert, und die Elemente B und A′ werden PDM-gesteuert.

Wenn das PDM-Signal den Zustand entsprechend der Strichlinie hat, wird nur das Element A′ von einem aktiven Richtungssignal S 2 unbedingt aktiviert, und die übrigen Elemente A, B und B′ bleiben nichtaktiviert, während ein inaktives Richtungssignal das Element B′ unbedingt aktiviert, wobei die übrigen Elemente A, B und A′ nichtaktiviert bleiben.

Nunmehr wird die Zuführung eines Bremsstroms zum Gleichstrom- Stellmotor im Fall eines aktiven Richtungssignals S 2 unter Bezugsnahme auf die Fig. 8 und 10 erläutert. Wenn das PDM-Signal S 1 aktiv ist, fließt ein Strom in dem das Element A und den Stellmotor 14 enthaltenden Kreis und zurück zum Element A. Wenn ein Bremsstrom fließt, wird er durch diese Schaltungsausbildung stark vermindert. In dem Augenblick, in dem das PDM-Signal S 1 inaktiv geworden ist, ist das Element B′ noch immer stromlos, und ein etwa vorhandener Motoransteuerstrom nimmt in der Schaltungsausbildung, die durch die Diode BD, den Stellmotor 14 und zum Element A′ führt, ab. Wenn ein Bremsstrom fließt, wird ein Kreis aus Diode AD, Stellmotor 14 und zurück zur Diode AD gebildet, so daß der Bremsstrom stark abnimmt. Wenn somit das Element B verzögert aktiviert wird unter Bildung eines Kreises aus Diode AD, Stellmotor 14 und Element B′, so ist der Bremsstrom bereits zu klein, um ein wirksames Bremsdrehmoment zu liefern. In diesem Fall wird durch Umkehren des Richtungssignals und Umschalten des PDM-Signals derart, daß es einen Abschaltbefehl übermittelt, ein Kreis von der Diode AD über den Stellmotor 14 und zum Element B gebildet, so daß ein ausreichender Bremsstrom erzeugt werden kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 und die Tabellen II und III wird nachstehend die Funktionsweise der Steuerbefehlseinheit 10 erläutert. Dabei ist die Steuerbefehlseinheit 10 eine Verknüpfungseinheit, speziell ein Mikrorechner, und die Steuerlogik ist auf Softwarebasis implementiert.

Die Steuerbefehlseinheit 10 umfaßt einen Hauptsteuerteil 100 und einen Unterbrechungssteuerteil 101, der (Fig. 2) einen Steuerfunktionsabschnitt 1011, einen PDM-Befehlsgeberabschnitt 1012, einen PDM-Befehlsausgabeabschnitt 1013, eine PDM-Befehlssatztabelle 1014 und einen PDM-Befehlssatzspeicher 1015 enthält. Der Hauptsteuerteil 100 gibt Lage- und Geschwindigkeitsinformation sowie Betriebsbefehle für den Stellmotor 14 an den Unterbrechungssteuerteil 101 nach Maßgabe des Befehls von einer manuellen Befehlseinheit oder einem hochrangigen Regler (nicht gezeigt) aus.

Der Unterbrechungssteuerteil 101 ist ein Unterbrechungsprogramm, das mit gleichbleibendem Intervall T _S aufgrund des Bezugstaktsignals vom internen Taktgeber des Mikrorechners oder von außen angestoßen wird, und implementiert die Befehle vom Hauptsteuerteil 100. Insbesondere setzt der Steuerfunktionsabschnitt 1011 den Zielwert der Operation zum momentanen Zeitpunkt in Übereinstimmung mit dem vom Hauptsteuerteil 100 ausgegebenen Operationsbefehl, vergleicht den aufgestellten Wert mit dem vom Rückführsignalgeber 16 gelieferten Rückführsignal und errechnet den gewünschten PDM-Wert zum Betreiben des Stellmotors 14 nach Maßgabe des vorbestimmten Steueralgorithmus.

Der PDM-Befehlsgeberabschnitt 1012 empfängt den gewünschten PDM-Wert, liest aus der PDM-Befehlssatztabelle 1014 einen PDM-Befehlssatz einschließlich der Richtungsinformation aus, wie die Tabellen II und III zeigen, und zwar in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Motors, und speichert diesen im PDM-Befehlssatzspeicher 1015. Beispiele für den gewünschten PDM-Wert und den PDM-Befehlssatz sind in den folgenden Tabellen II und III angegeben.

Tabelle II

Bei positiven Motordrehzahlen

Tabelle III

Bei negativen Motordrehzahlen

In den Tabellen II und III hat der gewünschte PDM-Wert einen ganzzahligen Teil, der ein PDM-Signal bezeichnet, das der Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, d. h. einen der aktiven Periode t _p des PDM-Signals in Gleichung (1) entsprechenden normierten Wert, ein die Richtung bezeichnendes Vorzeichen und einen Bruchteil, der den erweiterten Teil der PDM-Auflösung bezeichnet. Die PDM-Befehlssätze in den Tabellen II und III sind Teil der Tabelle im Fall einer vierfachen Erweiterung der Auflösung, und ein Befehlssatz besteht aus vier Befehlen. Jeder Befehl hat zwei durch ein Komma getrennte Teile, wobei der erstere ein Richtungsbefehl und der letztere ein PDM-Befehl ist, den der Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, d. h. ein t _p in Gleichung (1) entsprechender normierter Wert. Das PDM-Signal mit dem Wert Null ist der inaktive Befehl während der gesamten Periode PDM-Signalperiode, d. h. der Befehl zum Abschalten der Stromversorgung zum Stellmotor 14.

Um nur einen Bremsstrom des Stellmotors 14 fließen zu lassen, indem dieser Zustand mit dem Richtungsbefehl kombiniert wird, sind zwei PDM-Befehlssatztabellen (Tabelle II und Tabelle III) vorgesehen, die je nach der Polarität der momentanen Motordrehzahl gewählt werden. Mit dieser Anordnung von Tabellen bezeichnet der gewünschte PDM-Wert direkt die Tabellenadresse eines zu suchenden PDM-Befehlssatzes, der an die momentane Motordrehrichtung angepaßt ist, so daß der PDM-Befehlsgeberabschnitt 1012 einen Tabellensuchvorgang leicht durchführen kann.

Der PDM-Befehlsausgabeabschnitt 1013 zählt, wie oft der Unterbrechungssteuerteil angestoßen wird, und zwar mit einem Modulo 4 bei dem Beispiel von Fig. 8, um einen der PDM-Befehlswerte in Abhängigkeit vom Zählerstand des PDM- Befehlssatzspeichers 1015 zu extrahieren, und führt ihn dem Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber 11 zu. Auf diese Weise wird ein PDM-Signal höherer Auflösung als ein PDM- Signal, das der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, gebildet, was in einer Feinregelung sowohl für den Antriebs- als auch den Bremsstrom resultiert, so daß der Stellmotor präzise geregelt wird.

Die Vorteile der vorstehenden Ausführungsform sind wie folgt.

Bei einem inaktiven PDM-Befehl während der gesamten PDM- Periode, d. h. dem Befehl zum vollständigen Abschalten der Stromversorgung zum Stellmotor 14, ist der Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber11 so ausgelegt, daß er ein Treibersignal erzeugt, das nur eines der Elemente auf der Erdseite je nach dem Richtungsbefehl aktiviert, so daß ein erforderlicher Bremsstrom ungeachtet des Schaltungszustands mittels eines geeigneten Befehlsverfahrens für den Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber erzeugt werden kann.

Wenn der Treiberstrom und der Bremsstrom genau geregelt werden müssen, wenn also die PDM hohe Auflösung haben muß, ist die Befehlssteuereinheit 10 so ausgelegt, daß sie den kleinsten PDM-Befehl, den der Betriebssignalgeber 11 erzeugen kann, und den PDM-Befehl zum Abschalten der Elemente A und B verknüpft und nur das Fließen eines Bremsstroms zuläßt, und zwar in einer Mehrzahl von Sätzen, so daß der gemittelte Wert die gewünschte Auflösung hat, und jeden PDM-Befehl mit einem gleichbleibenden Intervall über eine Mehrzahl Perioden sequentiell dem Betriebssignalgeber 11 für die Leistungssteuerelemente zuführt, so daß eine erweiterte Auflösung der PDM-Steuerung durch die Funktion der Steuerbefehlseinheit 10 erzielt wird, die eine Operationszeit in der Größenordnung von mehreren 100 µs bis ms hat gegenüber dem Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber, der eine Hochgeschwindigkeitsoperation in der Größenordnung von µs oder schneller haben muß, wodurch Schwierigkeiten hinsichtlich der Schaltungsauslegung vermieden werden können.

Wenn die Steuerbefehlseinheit 10 in einem Mikrorechner realisiert ist, wird die Erfindung auf Softwarebasis praktiziert, und die Herstellungskosten erhöhen sich gegenüber der konventionellen Einrichtung überhaupt nicht.

Da das PDM-Signal keine hohe Auflösung zu haben braucht, sind aufwendige Schaltungstechniken und Steuerverfahren nicht notwendig, während gleichzeitig eine hochgenaue Lage- und Drehzahlregelung durch PDM-Steuerung mit relativ geringer Auflösung durchgeführt werden kann.

Nachstehend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert.

Der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene PDM-Befehlsausgabeabschnitt 1013 muß nicht immer in der auf der vorgenannten Operationsfolge basierenden Position angeordnet sein, sondern er kann willkürlich in einer Position angeordnet sein, die unmittelbar nach dem Start des Unterbrechungssteuerteils ausgeführt wird.

Eine weitere Verschiebemöglichkeit für den PDM-Befehlsausgabeabschnitt ist folgende: Normalerweise enthält der Unterbrechungssteuerteil 101 einen Eingabeabschnitt für die manuellen Betriebseingangssignale und einen Anzeigeoperations- Verarbeitungsabschnitt, obwohl diese nicht dargestellt sind. Demzufolge wird ein erster PDM-Befehlsausgabeabschnitt am Oberende des Unterbrechungssteuerteils 101 angeordnet, und unter Berücksichtigung der vom gesamten Unterbrechungssteuerteil 101 benötigten Operationszeit wird ein zweiter PDM-Befehlsausgabeabschnitt in einer solchen Position angeordnet, daß etwa das halbe Befehlsintervall T _S des Unterbrechungssteuerteils nach Operation des ersten PDM-Befehlsabschnitts abgelaufen ist.

Nachstehend wird ein weiteres Beispiel für die Tabellenauslegung beschrieben. Im Gegensatz zu den Tabellen II und III, die vollständige Tabellen sind, besteht eine weitere Tabellenauslegung darin, daß nur gewünschte PDM-Werte mit ganzzahligen Teilen von ±0 (die Stellen 0,3 bis -0,3 in den Tabellen II und III) aufgeführt werden, während ihre Bruchteile durch Modifikation auf der Grundlage des ganzzahligen Teils des gewünschten PDM-Werts erzeugt werden. Durch diese Auslegung wird die Tabellenkapazität erheblich verringert, und Speicherplatz kann eingespart werden.

Wenn ferner die PDM mit hoher Auflösung nur für die Lageregelung des Gleichstrom-Stellmotors 14 notwendig ist, genügt eine Tabelle, die die vorgenannten gewünschten PDM- Werte mit ganzzahligen Teilen "0" aufweist, für die Regelung, und für gewünschte PDM-Werte mit ganzzahligen Teilen, die von Null verschieden sind, wird direkt aus dem ganzzahligen Teil ein PDM-Befehlssatz erzeugt (jeder Befehlswert ist gleich dem Wert des ganzzahligen Teils). Da in diesem Fall die PDM für die gewünschten PDM-Werte mit von Null verschiedenen ganzzahligen Teilen keine hohe Auflösung zu haben braucht, ist es nicht erforderlich, getrennt voneinander einen PDM-Befehlssatz zu erzeugen und den PDM-Befehl auszugeben. Ein solcher Fall ist ohne weiteres durch eine gewisse Erweiterung des Algorithmus des PDM-Befehlsausgabeabschnitts zu lösen.

Wenn die vorliegende Erfindung für die Steuerung einer Stellvorrichtung mit einer Mehrzahl Gelenke, z. B. eines Industrieroboters, oder für die gleichzeitige Regelung mehrerer Stellmotoren unter Anwendung eines einzigen Mikrorechners gedacht ist, kann der Unterbrechungssteuerteil 101 aufgrund seiner begrenzten Operationsfähigkeit nur die Steueroperation für einen Stellmotor bei jedem Anstoß durchführen und ist so ausgelegt, daß die Stellmotoren jeweils einzeln nacheinander und zyklisch unter Anwendung mehrerer Unterbrechungsoperationen angesteuert werden, so daß die Anwendung der Erfindung mit dieser zyklischen Eigenschaft zu befriedigenderen Ergebnissen führt.

Gemäß der vorstehend angegebenen Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung der Treiberstufe des Stellmotors angegeben, das keine hohe Präzision für das PDM-Signal benötigt und gleichzeitig eine hochpräzise Lage- und Drehzahlregelung durchführen kann.

Claims

1. Stellmotor-Steuereinrichtung, mit einer Treiberstufe (13), die Leistungssteuerelemente (A, A′, B, B′) zum Antrieb eines Stellmotors (14) enthält, mit einem Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber (11), der ein PDM-Signal zur Steuerung der Leistungssteuerelemente im PDM-Modus erzeugt, und mit einer Steuerbefehlseinheit (10), die einen PDM-Befehlswert zur Erzeugung des PDM-Signals an den Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehlseinheit (10) einen Abschnitt (1012) zur Umsetzung eines in jedem Steueroperationszyklus gegebenen gewünschten PDM-Befehlswerts in einen PDM-Befehlssatz aus einer Mehrzahl von PDM-Befehlswerten sowie einen Abschnitt (1013) zur sequentiellen Ausgabe von Befehlswerten des umgesetzten PDM-Befehlssatzes an den Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber (11) aufweist.

2. Stellmotor-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Befehlswerte des umgesetzten PDM-Befehlssatzes einen gemittelten Wert haben, der gleich einem in jedem Steueroperationszyklus gegebenen PDM-Befehlswert ist.

3. Stellmotor-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Befehlswerte des umgesetzten PDM-Befehlssatzes dem Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber (11) mit einem konstanten Intervall innerhalb des Steuerfunktionszyklus zuführbar sind.

4. Stellmotor-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehlseinheit (10) einen PDM-Befehlswert erzeugt durch Vergleich eines von einem dem Stellmotor (14) zugeordneten Rückführsignalgeber (16) erzeugten Rückführsignals mit einem Ziel-PDM-Befehlswert.

5. Stellmotor-Steuereinrichtung, mit einer Treiberstufe (13), die Leistungssteuerelemente (A, A′, B, B′) zum Antrieb eines Stellmotors (14) aufweist; mit einem Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber (11), der zur Steuerung der Leistungssteuerelemente im PDM-Modus ein PDM-Signal erzeugt; und mit einer Steuerbefehlseinheit (10), die einen PDM-Befehlswert zur Erzeugung des PDM-Signals an den Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber (11) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehlseinheit einen Abschnitt (1014) zur Speicherung einer Mehrzahl von PDM-Befehlswertsätzen, die PDM-Befehlswerten entsprechen, einen Abschnitt (1012) zum Auslesen aus dem Speicherabschnitt (1014) eines Satzes von PDM-Befehlswerten, die einem in jedem Steuerfunktionszyklus entsprechenden PDM-Befehlswert entsprechen, und einen Abschnitt (1015) zur Ausgabe der ausgelesenen PDM-Befehlswerte an den Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber (11) aufweist.

6. Stellmotor-Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgelesenen PDM-Befehlswerte dem Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber (11) mit einem konstanten Intervall zugeführt werden.

7. Stellmotor-Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehlseinheit (10) einen PDM-Befehlswert durch Vergleich eines von einem dem Stellmotor zugeordneten Rückführsignalgebers (16) erzeugten Rückführsignals mit einem Ziel-PDM-Befehlswert erzeugt.

8. Stellmotor-Steuereinrichtung, mit einer Treiberstufe (13), die paarweise angeordnete Leistungssteuerelemente (A, A′, B, B′) zum Antrieb eines Stellmotors (14) aufweist, mit einem Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber (11), der ein PDM-Signal zur Steuerung der Leistungssteuerelemente im PDM-Modus erzeugt, und mit einer Steuerbefehlseinheit (10), die einen PDM-Befehlswert zur Erzeugung des PDM-Signals an den Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber (11) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Befehlssteuereinheit einen Unterbrechungssteuerteil (101) aufweist, der in jedem Steuerfunktionszyklus einen Motorantriebs-Richtungsbefehl an den Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber liefert, wobei der Betriebssignalgeber (11) den Richtungsbefehl mit einem Intervall empfängt, das kürzer als eine von dem Unterbrechungssteuerteil vorgegebene konstante Periode ist, und ein Treibersignal erzeugt, das in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Übereinstimmungs- Algorithmus eines der Leistungssteuerelemente (A′, B′) auf der Erdseite der Treiberstufe aktiviert.

9. Stellmotor-Steuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungssteuerelement-Betriebssignalgeber (11) ein Treibersignal erzeugt, das nur ein Leistungssteuerelement aktiviert, das in Übereinstimmung mit dem Richtungssignal arbeitet, wenn der von der Steuerbefehlseinheit (10) ausgegebene PDM-Befehl während der Gesamtheit einer konstanten Periode inaktiv ist.

10. Stellmotor-Steuerverfahren, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Berechnen eines PDM-Befehlswerts zum Antreiben eines Stellmotors in jedem Steuerfunktionszyklus,
Aufteilen des PDM-Befehlswerts in eine Mehrzahl PDM-Befehlswerte und
Ausgeben der PDM-Befehlswerte an einen Leistungssteuerelement- Betriebssignalgeber, der ein PDM-Signal zur Steuerung von Leistungssteuerelementen in einem PDM-Modus mit konstantem Intervall zum Antrieb des Stellmotors erzeugt.