DE10324036A1

DE10324036A1 - Servoregelungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10324036A1
Application number: DE10324036A
Authority: DE
Inventors: Ryuji Aono; Naomi Kobayashi; Takeshi Iida; Takamichi Ito
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2003-12-18
Also published as: CN1462914A; GB0312084D0; GB2391076B; US7002315B2; KR100548875B1; US20030222615A1; CN1273875C; GB2391076A; US7541763B2; US20060061318A1; KR20030091822A

Abstract

Eine Servoregelungsvorrichtung (10), die mit den Servomotoren (21) verbunden ist, um diese zu regeln, weist eine digitale Logikschaltung (11) auf, die eine vorherbestimmte Bit-Weite hat. Die digitale Logikschaltung (11) weist zumindest zwei parallele Rechenschaltungen (11a, 11b) auf.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Servoregelungsvorrichtung.
Als Beispiele für Servomotorregelungsverfahren sind (1) die Positionsregelung, (2) die Geschwindigkeitsregelung und (3) die Stromregelung bekannt.
Die Positionsregelung ist ein Verfahren, für welches ein Geschwindigkeitsbefehl, der auf einer Differenz zwischen einem Positionierungsbefehl und einer Positionsrückkopplung beruht, erzeugt wird, so daß ein Zielobjekt, das geregelt werden soll, bewegt werden kann oder bei einer beabsichtigten Position beibehalten werden kann.
Die Geschwindigkeitsregelung ist ein Verfahren, für welches ein Strombefehl (Drehmomentbefehl), der auf einer Differenz zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl und einer Geschwindigkeitsrückkopplung beruht, erzeugt wird, so daß die Geschwindigkeit eines Zielobjekts, die geregelt werden soll, auf einen beabsichtigten Wert geregelt werden kann.
Die Stromregelung dient der Regelung eines Stromtreibers gemäß einer Differenz zwischen einem Strombefehl und einer Stromrückkopplung, so daß der Stromwert eines Zielobjekts, das geregelt werden soll, auf einen beabsichtigten Wert geregelt werden kann. In einem Servomotor entspricht der Stromtreiber einer Umkehrvorrichtung, die typischerweise durch PWM (Pulsdauermodulation) geregelt wird. In einem synchronen Motor ist ein elektrischer Winkel, der für die Rechenoperation der Position der Magnetpole des Motors verwendet wird, für die Stromregelung notwendig.
Bisher wurden die bereits erwähnten drei Arten der Regelung durch Software (Algorithmus) verwirklicht, welche von einer CPU ausgeführt wurde.
Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das gezeigt ist, um eine existierende Technik der Stromregelung für einen synchronen Motor zu erläutern. Wenn Strombefehle (der U-Phasen-Strombefehl und der W-Phasen-Strombefehl) wie in Fig. 4 gezeigt an eine CPU von außen gegeben werden, berechnet die CPU 51 einen Befehlswert, der an eine PWM- Umkehrschaltung 52 gemäß einem Algorithmus gegeben werden soll, der zuvor als Software ausgeführt wurde, so daß die Differenz zwischen dem Strombefehl und dem Stromwert eines Motors 61, der durch die Stromdetektoren 61a, 62b erfaßt wird, null wird. Gemäß dem Befehlswert, welcher von der CPU 51 zugeschickt wurde, versorgt die PWM-Umkehrschaltung 52 den Motor 61 mit elektrischem Strom, um ihn zu drehen.
Die Geschwindigkeitsregelung und Positionsregelung können im wesentlichen auf die gleiche Art ausgeführt werden wie die Stromregelung, die in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn die Geschwindigkeitsregelung verwirklicht wird, sind sowohl die Stromregelung als auch die Geschwindigkeitsregelung einbezogen.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine existierende Kombination einer Servoregelungsvorrichtung 100 und eines Servomotors 200 zeigt. Im allgemeinen regelt eine Servoregelungseinrichtung zum Regeln von mehreren Servomotoren einzelne Achsen der Servomotoren während einer jeden Taktperiode. Die Servoregelungsvorrichtung schließt Stromtreiber zum Antreiben der Servomotoren und Regelungsrecheneinheiten zum Regeln der Stromtreiber ein. Um die Servoregelungsvorrichtung zu befähigen, einzelne Achsen des Servomotors zu regeln, gehören die Stromtreiber und die Regelungsrecheneinheiten jeweils zu einzelnen Achsen der Servomotoren.
Die Servoregelungsvorrichtung 100, die in Fig. 7 gezeigt ist, weist einen Positionsregler 110, einen Geschwindigkeitsregler 120, Regelungsrecheneinheiten 130, Stromtreiber 150, Stromdetektoren 170, Stromrückkopplungsschaltungen 190, Positionsdetektoren 210 und Positionsrückkopplungsschaltungen 220 auf. Die Regelungsrecheneinheiten 130, die Stromtreiber 150, Stromdetektoren 170 und Stromrückkopplungsschaltungen 190 gehören jeweils zu den einzelnen Achsen der Servomotoren 200. Jeder Servomotor 200 hat seinen eigenen Positionsdetektor 210.
Der Positionsregler 110 erzeugt einen Geschwindigkeitsbefehl auf Grundlage eines Positionsbefehls. Der Geschwindigkeitsregler 120 erzeugt einen Strombefehl auf Grundlage eines Geschwindigkeitsbefehls von dem Positionsregler 110.
Jede Regelungsrecheneinheit 130 regelt den zugehörigen Stromtreiber 150 gemäß dem Strombefehl von dem Positionsregler 110, und jeder Stromtreiber 150 versorgt den zugehörigen Servomotor 200 mit einem Strom. Der Servomotor 200 wird von diesem Strom angetrieben.
Jeder Positionsdetektor 210 erfaßt die Position des zugehörigen Servomotors 200 und die Positionsrückkopplungsschaltung 220 sendet die erfaßte Position des Servomotors 200 zurück zu dem Positionsregler 110 als Rückkopplungsinformation.
Der Strom, mit dem jeder Servomotor 200 versorgt wird, wird von dem zugehörigen Stromdetektor 170 erfaßt. Der Stromwert, welcher von dem Stromdetektor 170 erfaßt wird, wird an die Regelungsrecheneinheit 130 durch die Stromrückkopplungsschaltung 190 zurückgegeben.
Die Regelungsrecheneinheit 130 vergleicht den Stromwert, welcher von dem Stromdetektor 170 zurückgegeben wird, mit dem Stromwert, der von dem Strombefehl angegeben wird, und berechnet einen berichtigten Strom, mit dem der Servomotor 200 versorgt wird.
Für die Regelung eines jeden Servomotors müssen die Regelperioden (Regelzeiten) für (1) die Positionsregelung, (2) Geschwindigkeitsregelung und (3) Stromregelung die Beziehung (1) > (2) > (3) erfüllen, da das Drehmoment (der Strom) innerhalb einer Ansprechzeit geregelt werden muß, die schneller als die für die Geschwindigkeit ist, um die Geschwindigkeit zu regeln, und die Position muß mit einer Ansprechzeit geregelt werden, die schneller als die für die Geschwindigkeit ist, um die Position zu regeln.
Die Regelperiode von (1) betrifft die Positionsgenauigkeit, und je kürzer die Regelperiode ist, desto höher ist die verwirklichte Leistung. Der Hauptstrom der Positionsregelperiode für typische Servoregelungsvorrichtungen reicht von mehreren hundert µsec bis mehreren msec.
Andererseits muß die CPU 51, die für die Stromregelung zuständig ist, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde, Verfahren mit mehren hundert bis mehreren tausend Schritten zur Ausführung der Regelung ausführen, um sequentiell mit ihren Rechenoperationen für die Regelung fertig zu werden. Deshalb kann die Umlaufzeit von der Eingabe des Befehlswerts bis zur Ausgabe eines Ergebniswerts 10 µsec oder länger dauern.
Es ist bekannt, daß die Verringerung der Umlaufzeit zu einer Verringerung der sogenannten nutzlosen Zeit in der Regeltheorie beiträgt und ermöglicht, eine höhere Verstärkung in der Regelschleife zu veranlassen und dadurch die Regelbarkeit zu verbessern. Das heißt, je kürzer die Umlaufzeit eines Reglers ist, desto höher kann seine Regelfähigkeit sein.
Die Umlaufzeit hängt von der Verarbeitungsgeschwindigkeit der CPU ab. Jedoch sind CPUs, die eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit haben, teuer. Deshalb ist die Regelperiode von (3) bereits nahe der Grenze der Leistung von typischen CPUs, die gegenwärtig erhältlich sind, wenn die Beziehung (1) > (2) > (3) in Betracht gezogen wird.
Deshalb war es schwierig, sowohl eine Verbesserung der Regelleistung als auch eine Verringerung der Kosten für gewöhnliche Servoregelungsvorrichtungen zu erreichen.
In der Servoregelungsvorrichtung 100, die in Fig. 7 gezeigt ist, beruhte die Stromregelung auf einer Rechenverarbeitungen eines Programms, der Software, durch jede Regelungsrecheneinheit 130, der Hardware. Das heißt, für die herkömmliche Technik war die Regelungsrecheneinheit 130 ein Typ einer programmgeregelten Vorrichtung. Deshalb bezog die Servoregelungsvorrichtung 100 das gleiche Problem ein.
Da die Servoregelungsvorrichtung 100, die in Fig. 7 gezeigt ist, außerdem mehrere Regelrecheneinheiten 130 verwendet, die einzeln zu den entsprechenden Servomotoren 100 gehören, benötigt sie die gleiche Anzahl von CPUs und bezog deshalb das zusätzliche Problem ein, daß ihre Kosten und Größe stark ansteigen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Servoregelungsvorrichtung zu schaffen, die geringere Herstellungskosten erfordert, kompakt ist, und eine kürzere Regelperiode des Zielobjekts der Regelung als eine gewöhnliche hat und dabei fähig ist sowohl eine Verbesserung der Regelfähigkeit als auch Verringerung der Kosten zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird einerseits eine Servoregelungsvorrichtung geschaffen, die mit Servomotoren verbunden ist, um die Servomotoren zu regeln, und aufweist: eine digitale Logikschaltung mit einer vorherbestimmten Bit-Weite und zumindest zwei parallele Rechenschaltungen umfaßt.

In dieser Regelvorrichtung übt die digitale Logikschaltung als eine zweckgebundene Hardwareschaltung die Regelung anstelle einer CPU aus, die Software verwendet, um die Regelung auszuführen. Obwohl die digitale Logikschaltung den Nachteil hat, daß sie nicht anpassungsfähig ist und ihre Merkmale schwer zu ändern sind, kann ihre Datenverarbeitungsfähigkeit mehrere Dutzend Male die Fähigkeit der CPU für eine gleiche Taktfrequenz sein. Deshalb kann die Vorrichtung Hochgeschwindigkeits-Stromberechnungen durchführen und kann in der Regelfähigkeit deutlich verbessert sein.

Zusätzlich kann die digitale Logikschaltung zu geringeren Kosten hergestellt werden als die Kosten bei der Verwendung einer Hochgeschwindigkeits-CPU.

Während die Bit-Weite eines einzigen Ereignisses der Berechnung durch die CPU durch die Länge des Registers bestimmt wird, welches in der CPU enthalten ist, kann die Bit-Weite der digitalen Logikschaltung außerdem frei bestimmt werden. Deshalb kann jede optimale Bit-Weite für die Inhalte einer bestimmten Regelung ausgewählt werden, wodurch die Redundanz im Entwurf vermieden wird und die Regeleffizienz verbessert wird.

Da die digitale Logikschaltung zumindest zwei parallele Rechenschaltungen umfaßt, kann die Zeit zur Berechnung außerdem verkürzt werden.

Vorzugsweise kann die Servoregelungsvorrichtung eine PWM- Umkehrschaltung enthalten und die digitale Logikschaltung kann die PWM für die Regelung des PWM-Wandlers erzeugen.

Gemäß der Erfindung ist andererseits eine Servoregelungsvorrichtung vorgesehen, die aufweist: eine Stromversorgungseinheit zur Versorgung einer Antriebseinheit mit einem Antriebsstrom zum Antreiben eines Zielobjektes, das geregelt werden soll; zumindest einem ersten Detektor zum Erfassen des Antriebsstromwerts; und einem Logikrechenabschnitt, der einen Strombefehl erzeugt, der den Antriebsstrom zur Regelung der Antriebsgeschwindigkeit der Antriebseinheit bestimmt, um das Zielobjekt, das geregelt werden soll, zu einer vorherbestimmten Position zu bewegen, der den Antriebsstromwert, der von dem ersten Detektor rückgekoppelt wird, erzeugt, und den Strombefehl an die Stromversorgungseinheit ausgibt, nachdem der Strombefehl durch eine digitale Logikverarbeitung auf Grundlage des Antriebsstromwerts berichtigt wurde.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Servoregelungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm zur Erklärung einer Stromschleifenregelung, die als eine digitale Logikschaltung, welche in Fig. 1 gezeigt ist, ausgeführt ist;
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für die Verringerung der Regelzeit durch parallele Rechenschaltungen zeigt;
Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches eine gewöhnliche Servoregelungsvorrichtung zeigt;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Servoregelungsvorrichtung und Servomotoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist eine Zeitgraphik, welche das Verhalten eines Logikrechenabschnitts 51 zeigt; und
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine gewöhnliche Servoregelungsvorrichtung und Servomotoren zeigt.
Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Servoregelungsvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Servoregelungsvorrichtung 10 mit einem synchronen Motor 21 verbunden, um dessen Strom zu regeln. In Verbindung mit dem synchronen Motor 21 sind die Stromdetektoren 22a, 22b verbunden, um den Strom des Motors 21 zu erfassen.
Die Servoregelungsvorrichtung 10 weist eine digitale Logikschaltung 11, die mit externen Strombefehlen (U-Phasen- Strombefehl und W-Phasen-Strombefehl) versorgt wird, und eine PWM-Umkehrschaltung 12 auf, welche den synchronen Motor 21 mit einem Strom versorgt, um ihn auf Grundlage des Befehlsausgangswerts von der digitalen Logikschaltung 11 zu drehen.
Die digitale Logikschaltung 11 ist aufgebaut, um an der PWM-Umkehrschaltung 12 einen Befehlswert auszugeben, der die Differenz zwischen dem Strombefehl (Befehlswert) und einem Stromwert (Rückkopplungswert) des synchronen Motors 21, welcher von den Stromdetektoren 22a, 22b gemäß einem Algorithmus, der zuvor als der Aufbau der Logikschaltung (Anordnung der Logikrecheneinheit) ausgeführt wurde, auf null verringert.
Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm, um eine Stromschleifenregelung zu erklären, die als eine digitale Logikschaltung 11 gemäß der unmittelbaren Ausführungsform ausgeführt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt weist die digitale Logikschaltung 11 gemäß dieser Ausführungsform zwei Stromregler 11a, 11b auf, die parallele Rechenschaltungen sind.
In dieser Ausführungsform wird das Stromrückkopplungssignal in einer digitalen Form, welche durch einen A/D-Wandler (nicht gezeigt) mit einer Auflösung von 12 Bit umgewandelt wurde, verwendet. Dementsprechend ist die digitale Logikschaltung 11 entworfen und hergestellt, eine Bit-Weite von 12 Bits zu haben.
Die digitale Logikschaltung 11 kann typischerweise in Form einer LSI (hochintegrierten Schaltung) ausgeführt sein. Die digitale Logikschaltung 11 kann wirtschaftlicher hergestellt werden, als es ist, eine Hochleistungs-CPU zu verwenden.
Als nächstes ist die Funktionsweise der Servoregelungsvorrichtung 10 gemäß der unmittelbaren Erfindung erklärt.
Äußere Strombefehle (U-Phasen-Strombefehl und W-Phasenstrombefehl) werden zuerst an die digitale Logikschaltung angelegt. Andererseits wird der Stromwert (Stromrückkopplungswert) des synchronen Motors 21 an die digitale Logikschaltung 11 von den Stromdetektoren 22a, 22b über den A/D- Wandler (nicht gezeigt) angelegt.
Dann gibt die digitale Logikschaltung 11 an die PWM- Umkehrschaltung 12 einen Befehlswert aus. Dieser Befehlswert verringert die Differenz zwischen dem Strombefehl und dem Stromwert des synchronen Motors 21, der von den Stromdetektoren 22a, 22b gemäß dem Algorithmus, der vorher als die Anordnung der Logikschaltung (Anordnung der Logikrecheneinheit) ausgeführt wurde, auf null.
Die PWM-Umkehrschaltung 12 versorgt den synchronen Motor 21 mit einem Strom, um ihn auf Grundlage des Befehlsausgangswerts von der digitalen Logikschaltung 11 zu drehen.
Da die digitale Logikschaltung 11 die parallelen Rechenschaltungen aufweist, kann die Regelzeit im Vergleich zu den sequentiellen Rechenoperationen durch die CPU verringert werden. Ein Beispiel für die Verringerung der Regelzeit durch die parallelen Rechenschaltungen wird mit Bezugnahme auf Fig. 3 erklärt.
Die digitale Logikschaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist aufgebaut, um die Berechnung von (A + B) + (C + D) durchzuführen. Sie fährt mit der Berechnung von (A + B) und der Berechnung (C + D) parallel fort, um die gesamte Berechnung in zwei Schritten zu beenden. Im Gegensatz erfordern die sequentiellen, arithmetischen Operationen durch die CPU drei Schritte (1) A + B → X, (2) C + D → Y und (3) X + Y → Ergebnis. Das heißt, daß die Anzahl der Schritte von Regelrechenoperationen durch die digitale Logikschaltung 11, die die parallelen Rechenschaltungen hat, im Vergleich zu der Anzahl der Schritte der sequentiellen Regelrechenoperationen durch die CPU beträchtlich verringert werden kann.
Die tatsächliche Verarbeitungsregelzeit der digitalen Logikschaltung 11 wird um mehrere µsec von derjenigen der CPU verringert, die mindestens mehrere µsec war. Das heißt, daß die Umlaufzeit verringert wird, und daß die Regelfähigkeit vergrößert wird.
Die digitale Logikschaltung 11 gemäß der unmittelbaren Ausführungsform, die ursprünglich mit der 12-Bit-Weite gemäß dem A/D-Wandler mit einer 12-Bit-Auflösung hergestellt wurde, hat keine Redundanz in den Rechenschaltungen. Da die Registerlänge einer CPU gewöhnlich ein Vielfaches von 8 Bit ist, muß sie mit den Daten nach Umwandlung in 16 Bit fertig werden, um mit dem A/D-Wandler mit einer Auflösung von 12 Bit übereinzustimmen. Zusätzlich kann die digitale Logikschaltung 11 gemäß der Ausführungsform das Problem des sogenannten Überflusses auch zuverlässiger verhindern.
Die vorausgehende Erklärung wurde über die Stromschleifenregelung gemacht. Jedoch ist diese Ausführungsform auch für die Geschwindigkeitsschleifenregelung, Positionsschleifenregelung usw. anwendbar.
Wie oben beschrieben können gemäß dieser Ausführungsform Hochgeschwindigkeits-Regelrechenoperation, insbesondere Stromrechenoperationen, billig ausgeführt werden, indem die digitale Logikschaltung als relativ billige, zweckgebundene Hardwareschaltung verwendet wird, um die Regelung anstelle der CPU zur Ausführung der Regelung durch die Verwendung von Software auszuführen.
Da die digitale Taktschaltung für die Bestimmung irgendeiner erwünschten Bit-Weite verfügbar ist, kann außerdem gemäß der Ausführungsform irgendeine optimale Bit-Weite für die erwünschte Regelung ausgewählt werden, um Redundanz beim Entwurf zu eliminieren und die Regeleffizienz zu erhöhen.
Für den Fall, daß die digitale Logikschaltung zumindest zwei parallele Rechenschaltungen hat, kann die Zeit für die Rechenoperation außerdem weiter verringert werden.
Als nächstes wird eine Servoregelungsvorrichtung mit mehreren Achsen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erklärt.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Servoregelungsvorrichtung 500 und Servomotoren 200a, 200b, 200c, 200d (im folgenden der Einfachheit halber auch Servomotoren 200 genannt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Jeder Servomotor 200 wirkt als ein Treiber zum Antreiben eines Zielobjekts, das geregelt werden soll (nicht gezeigt). Das Zielobjekt, das geregelt werden soll, kann ein Vorschubantriebsmechanismus wie ein Linearmotor, eine Zahnstange, eine Statikdruck-Schneckenstange oder eine Statikdruck-Schraube sein. Für den Fall, daß ein Linearmotor als Vorschubantriebsmechanismus verwendet wird, wirkt der Linearmotor auch als Treiber, und der Linearmotor kann anstelle des Servomotors 200 verwendet werden. Als eine Ausführungsform des Zielobjekts, welches geregelt werden soll, kann ein Drehantriebsmechanismus wie ein Riemenantriebsmechanismus verwendet werden.
Die Servoregelungsvorrichtung 500 sorgt für einen Antriebsstrom zum Antreiben und Regeln eines Servomotors 200. Die Servoantriebsvorrichtung 500 umfaßt die PWM-Umkehrschaltungen (Pulsweitenmodulator-Umkehrschaltungen) 150a, 150b, 150c und 150d (die im folgenden der Einfachheit halber auch PWM-Umkehrschaltung(en) 150 genannt werden), von denen jede einen zugehörigen Servoantriebsmotor 200 mit einem Antriebsstrom versorgt, und die Stromdetektoren 170a, 170b, 170c und 170d (die im folgenden der Einfachheit halber auch Stromdetektor(en) 170 genannt werden), von denen jeder den Treiberstromwert erfaßt.
Die Servoregelungsvorrichtung 500 weist außerdem einen Logikrechenabschnitt 510 auf, der einen Strombefehl empfängt, welcher einen Antriebsstrom zur Regelung der Antriebsgeschwindigkeit von jedem Servomotor 200 bestimmt, um ein Zielobjekt zu bewegen, das auf eine vorherbestimmte Position geregelt werden soll, einen Antriebsstromwert erzeugt, der über irgendeine der Rückkopplungsschaltungen 190a, 190b, 190c und 190d (im folgenden der Einfachheit halber auch Rückkopplungsschaltung(en) 190 genannt) von den zugehörigen Stromdetektoren 170 rückgekoppelt wird, dann den Strombefehl gemäß dem Antriebsstromwert durch einen digitalen Logikprozeß korrigiert und den Strombefehl nach der Berichtigung bei der zugehörigen PWM-Umkehrschaltung 150 ausgibt.
Die Servoregelungsvorrichtung 500 weist des weiteren einen Positionsregler 110 zur Ausgabe eines Geschwindigkeitsbefehls, der auf einer Positionsdifferenz des Zielobjekts beruht, das geregelt werden soll, und einen Geschwindigkeitsregler 120 auf, um den Geschwindigkeitsbefehl, der von dem Positionsregler 110 erzeugt wurde, zu eine Strombefehl umzuwandeln, und gibt den Strombefehl an den Logikrechenabschnitt 510 aus.
Die Servoregelungsvorrichtung 500 weist außerdem die Positionsdetektoren 210a, 210b, 210c und 210d (die im folgenden der Einfachheit halber auch Positionsdetektor(en) 210 genannt werden) auf, von denen jeder die Position des zugehörigen Servomotors 200 erfaßt, und die Positionsrückkopplungsschaltungen 220a, 220b, 220c und 220d (die im folgenden der Einfachheit halber auch Positionsrückkopplungsschaltung(en) 220 genannt werden) auf, von denen jede die Position des zugehörigen Servomotors 200, die von dem Positionsdetektor 210 erfaßt wurde, zu dem Positionsregler 110 zurückgibt.
Der Logikrechenabschnitt 510 umfaßt die Eingaberegister 520a, 520b, 520c und 520d (die im folgenden der Einfachheit halber auch Eingaberegister 520 genannt werden), von denen jedes einen Strombefehl erzeugt und bei dem zugehörigen Servomotor 200 beibehält; die Stromrückkopplungsregister 580a, 580b, 580c, 580d, (die im folgenden der Einfachheit halber auch Stromrückkopplungsregister 580 genannt werden), von denen jedes einen Antriebsstromwert, der von dem Stromdetektor 170 rückgekoppelt wird, erzeugt und bei dem zugehörigen Servomotor 200 beibehält; und eine Stromregelrecheneinheit 550 zum Berichtigen des Strombefehls von irgendeinem der Eingaberegister 520, um ihn an den Antriebsstromwert von den zugehörigen Stromrückkopplungsregister 580 anzugleichen.
Die Stromregelrecheneinheit 550 ist zur Übermittlung mit den Eingaberegistern 520 und den Stromrückkoppplungsregistern 580 über einen Selektor 520 verbunden. Die Stromregelrecheneinheit 550 ist auch zur Übermittlung mit den PWM- Generatoren 560a, 560b, 560c und 560d (im folgenden der Einfachheit halber auch PWM-Generator(en) 560 genannt) über den Selektor 530 verbunden. Jeder PWM-Generator 560 ist konfiguriert, um ein Signal von der Stromregelrecheneinheit 550 zu einem pulsweiten-modulierten Signal durch einen Pulsdauermodulationsprozeß zu modulieren und das veränderte Signal bei der zugehörigen PWM-Umkehrschaltung 150 auszugeben.
Die PWM-Umkehrschaltungen 150, Eingaberegister 520, Stromrückkopplungsregister 580 und PWM-Generatoren 560 gehören zu dem entsprechenden Servomotor 200 und sie haben die gleiche Anzahl wie die Servomotoren 200. Andererseits gibt es für die gewöhnliche Verwendung nur eine Stromregelrecheneinheit 550 für mehrere Servomotoren 200. In dieser Ausführungsform wird eine Stromregelrecheneinheit 550 für vier Servomotoren 200 verwendet.
Die Stromregelrecheneinheit 550 ist zur Übermittlung auch mit einem internen Datenregister 590 verbunden. Die Stromregelrecheneinheit 550 benötigt manchmal ein internes Speicherelement wie einen Integrator, und das interne Datenregister 590 ist zu diesem Zweck vorgesehen.
Gemäß der unmittelbaren Ausführungsform ist der Logikabschnitt 510 als eine digitale Logikschaltung in Form von LSI (Großintegration) ausgeführt, die gemacht wurde, indem die Elemente des Logikrechenabschnitts 510 in einem einzigen Chip integriert wurden.
Als nächstes werden die Verhalten der Servoregelungsvorrichtung 500 und der Servomotoren 200 gemäß der unmittelbaren Ausführungsform der Erfindung erklärt.
Beim Empfang der Position eines Zielobjekts, das geregelt werden soll, von einem Positionsdetektor 210 gibt der Positionsregler 110 einen Geschwindigkeitsbefehl aus, der durch die Differenz zwischen der Positionsrückkopplung und dem Positionsbefehl bestimmt ist, um das Zielobjekt der Regelung zu einer beabsichtigten Position zu regeln. Zusätzlich berechnet der Positionsregler 110 den elektrischen Winkel des Servomotors 200 anhand der Positionsrückkopplung, die von dem Positionsdetektor 210 gesandt wird, und gibt ihn aus.
Der Geschwindigkeitsregler berechnet eine Geschwindigkeitsrückkopplung des Zielobjekts der Regelung durch Zeitdifferentiation des Positionsrückkopplungswerts, der durch den Positionsregler 110 erzeugt wurde, und gibt einen Strombefehl aus, der durch die Differenz zwischen der Geschwindigkeitsrückkopplung und dem Geschwindigkeitsbefehl von dem Positionsregler 110 bestimmt ist, um die Geschwindigkeit des Zielobjekts der Regelung auf einen beabsichtigten Wert zu regeln. Der Strombefehl besteht aus Daten über den Antriebsstrom, mit dem einer der Servomotoren 200a bis 200d versorgt wird. Der Geschwindigkeitsregler 120 gibt deshalb zusätzlich Adreßdaten aus, die anzeigen, zu welchem der Servomotoren 200a bis 200d der Strombefehl gerichtet ist. Außerdem gibt der Geschwindigkeitsregler 120 Informationen über den elektrischen Winkel des Servomotors 200 zusätzlich zu dem Strombefehl aus.
Der Logikrechenabschnitt 510 empfängt die Information über den Strombefehl und den elektrischen Winkel und speichert sie in einem Registerbereich, der für die Adreßdaten vorbestimmt ist. Es wird zum Beispiel davon ausgegangen, daß das Eingaberegister in den Logikrechenabschnitt 510 vier Bereiche aufweist, und diese Registerbereiche sind individuell den Achsen der Servomotoren 200 zugeordnet. In der unmittelbaren Ausführungsform befindet sich Information über den Strombefehl und den elektrischen Winkel des Servomotors 200a in dem Eingaberegister 520a der ersten Achse; Information über diejenigen des Servomotors 200b befindet sich in dem Eingaberegister 520b der zweiten Achse; Information über diejenigen des Servomotors 200c befindet sich in dem Eingaberegister 520c der dritten Achse; und Information über diejenigen des Servomotors 200d befindet sich in dem Eingaberegister 520d der vierten Achse.
Daten über Strombefehle und elektrische Winkel sind parallel Daten von demjenigen der ersten Achse bis zu demjenigen der vierten Achse bei den Eingaberegistern 520. Der Selektor 520 wandelt die parallelen Daten in serielle Daten um und überträgt sie zu der Stromregelrecheneinheit 550 in Zeitaufteilung.
Andererseits erfaßt jeder Stromdetektor 170 einen Antriebsstromwert, der von der PWM-Umkehrschaltung 150 dem Servomotor 200 zugeführt wird. Der Antriebsstromwert, der von dem Stromdetektor 170 erfaßt wird, wird zu der Logikrecheneinheit 510 durch die Rückkopplungsschaltung 190 rückgekoppelt. Gleichzeitig wird der Antriebsstromwert in dem entsprechenden Registerbereich beibehalten. Es wird zum Beispiel davon ausgegangen, daß das Stromrückkopplungsregister 580 s in der Logikrecheneinheit 510 vier Bereiche hat, und diese vier Registerbereiche gehören zu den Achsen der entsprechenden Servomotoren 200. In dieser Ausführungsform werden Daten über den Antriebsstromwert des Servomotors 200a in dem Stromrückkopplungsregister 580a der ersten Achse beibehalten; Daten über den Antriebsstromwert des Servomotors 200b in dem Stromrückkopplungsregister 580b der zweiten Achse; Daten über den Antriebsstromwert des Servomotors 200c in dem Stromrückkopplungsregister 580c der dritten Achse; und Daten über den Antriebsstromwert des Servomotors 200d in dem Stromrückkopplungsregister 580d der vierten Achse.
Daten über die Antriebsstromwerte sind parallele Daten von demjenigen der ersten Achse und demjenigen der vierten Achse bei den Stromrückkopplungsregistern 580. Der Selektor 530 wandelt die parallelen Daten in serielle Daten um und überträgt sie zu der Stromregelrecheneinheit 550 in Zeitaufteilung.
Die Stromregelrecheneinheit 550 vergleicht die Strombefehle von den Eingaberegistern 520 mit den Antriebsstromwerten von den Stromrückkopplungsregistern 580 und führt damit eine Rechenoperation aus. Da die Strombefehle bzw. die Antriebsstrombefehle zeitaufgeteilte, serielle Daten sind, führt die Stromregelrecheneinheit 550 in diesem Fall Rechenoperationen in Zeitaufteilung gemäß der entsprechenden, seriellen Daten der Strombefehle und der Antriebsstromwerte durch. Ähnlich kann die Stromregelrecheneinheit 550 Rechenoperationen mit Strombefehlen, die mit den elektrischen Winkeln von den Eingaberegistern 520 berichtigt sind, ausführen.
Fig. 6 ist eine Zeitablaufgraphik, welche die Verhalten des Logikoperationsabschnitts 510 zeigt. Hier sind Arbeitsabläufe der Servomotoren 200a bis 200d für die erste bis zur vierten Achse sequentiell auf einer Zeitbasis gezeigt.
Die Eingaberegister 520 empfangen zuerst Strombefehle und elektrische Winkel und halten diese bei. Dann empfangen die Rückkopplungsregister 580 Stromrückkopplungswerte und halten diese bei. Die Stromrückkopplungswerte sind Information, die Antriebsstromwerte beinhaltet, welche von den Stromdetektoren 170 erfaßt wurden.
Danach wandelt der Selektor 530 die Strombefehle, die elektrischen Winkel und die Stromrückkopplungswerte in serielle Daten um und überträgt sie zu der Stromregelrecheneinheit 550 in Zeitaufteilung. Da die Stromregelrecheneinheit 550 für die Rechenoperationen für vier Servomotoren 200 zuständig ist, führt sie die Rechenoperationen für individuelle Servomotoren 200 in Zeitaufteilung durch. In der unmittelbaren Ausführungsform beginnt die Stromregelrecheneinheit 550 die Stromregelrechenoperation mit derjenigen für den Servomotor 200a der ersten Achse und führt die Rechenoperationen sequentiell für den Servomotor 200b der zweiten Achse, den Servomotor 200c der dritten Achse und den Servomotor der vierten Achse aus.
Die Operationen der Stromregelrecheneinheit 550 berechnen Strombefehle, die auf Grundlage der elektrischen Winkel berichtigt sind, um die beabsichtigten Stromwerte den Servomotoren mit Bezug auf die Differenz zwischen den Antriebsstromwerten und den Strombefehlen zuzuführen.
Danach sendet die Stromregelrecheneinheit 550 die berichtigten Strombefehle an den Selektor 530, und der Selektor 530 wandelt die berichtigten Befehle in parallele Daten um und gibt sie bei den PWM-Generatoren 560 aus. Auf Grundlage der berichtigten Strombefehle geben die PWM-Generatoren 560 PWM-Signale an die PWM-Umkehrschaltungen 150 aus. Dies ist die Skizze der Funktionen des Logikrechenabschnitts 510.
Außerdem wandeln die PWM-Umkehrschaltungen 150 die PWM- Signale entsprechend dem Strom in Stromwerte um. Die Servomotoren 200 werden mit diesen Strömen betrieben und bewegen die Zielobjekte, die geregelt werden sollen, zu den erwünschten Positionen mit den erwünschten Geschwindigkeiten und Drehmomenten.
Gemäß der oben erklärten Ausführungsform ist die Stromregelrecheneinheit 550 von einem Typ mit digitaler Logik. Das heißt, die Stromregelrecheneinheit 550 ist durch Hardware digital in Logik ohne Verwendung eines Programms umgesetzt.
Da die Regelfunktionen des digitalen Logiksystem sich aus Logikschaltungen zusammensetzen, die in der Regelschaltung enthalten sind, ist es effizient, um vorherbestimmte, wiederholte Regeloperationen mit einer hohen Geschwindigkeit auszuführen, obwohl sie für hochgradige Funktionen und verschiedene Zwecke kaum erhältlich ist.
Andererseits können im Fall eines gewöhnlichen, programmbezogenen Regelsystems Funktionen einer Vorrichtung ausgedehnt werden, indem das Programm lediglich abgeändert wird, so daß es für verschiedenen Verwendungszwecke geeignet ist. Jedoch umfaßt ihre Regelfunktion das Lesen und Interpretieren von vielen Befehlen in dem Programm, und dies begünstigt den Nachteil, daß die Regelgeschwindigkeit verringert wird.
Viele Werkzeugmaschinenroboter, Spritzgußmaschinen, Funkenerosionsmaschinen, elektrisch betriebene Pressen und weitere, verschiedene Industriemaschinen verwenden Servomotoren und ihre Stromregelrecheneinheiten können gemäß einem einzigen Algorithmus entworfen werden. Selbst wenn die CPU 130 und die Stromregelrecheneinheit 550 mit der gleichen Taktfrequenz betrieben werden, kann die Servoregelungsvorrichtung durch das digitale Logiksystem die Regelperiode um mehrere zehn Mal schneller als die Regelperiode des programmbezogenen Regelsystems machen.
Da das digitale Logiksystem die Geschwindigkeit der Regelperiode durch das programmbezogene Regelsystem um mehrere zehn Mal schneller als die Regelperiode macht, können mehrere Servomotoren durch einen einzelnen LSI-Chip geregelt werden. In dieser Ausführungsform zum Beispiel regelt der Logikrechenabschnitt 510, der eine einzelne Stromregelrecheneinheit 550 hat, vier Servomotoren 200. Selbst wenn mehrere Achsen von einem einzelnen LSI-Chip, wie für die unmittelbare Ausführungsform, geregelt werden, ist die Regelperiode der Servoregelungsvorrichtung 500 dieser Ausführungsform um mehrere zehn bis vier Mal schneller als die Regelperiode einer gewöhnlichen Servoregelungsvorrichtung. Zusätzlich können die Stromregel-LSIs, welche die Servoregelungsvorrichtung 500 benötigt, dementsprechend verringert werden und die Kosten für die Servoregelungsvorrichtung 500 verringern sich beträchtlich.
Wenn eine noch schnellere Regelperiode der Servoregelungsvorrichtung 500 erwünscht ist, kann die Anzahl der Servomotoren 200, die durch eine einzelne Stromregelrecheneinheit 500 geregelt werden, verringert werden oder ein LSI-Chip mit einer höheren Verarbeitungsfähigkeit kann verwendet werden. Für den Fall, daß eine Stromregelrecheneinheit 550 für jeden Servomotor 200 (nicht gezeigt) vorgesehen ist, kann beispielsweise eine Regelperiode erreicht werden, die um mehrere zehn Mal schneller als die einer gewöhnlichen Servoregelungsvorrichtung 100 ist.
Wenn jedoch eine Stromregelrecheneinheit 550 zugehörig zu jedem Servomotor 200 vorgesehen ist oder eine Hochleistungsstrom-Regelrecheneinheit 550 verwendet wird, steigen die Kosten für die Servoregelungsvorrichtung an. Deshalb sind die Geschwindigkeit der Regelperiode und die Kosten für die Servoregelungsvorrichtung in eine Kompromißbeziehung, und die Regelvorrichtung kann so entworfen sein, daß irgendeinem dieser Faktoren abhängig von ihrem Verwendungszweck mehr Bedeutung beigemessen wird. Zum Beispiel ist es möglich, die Kosten für die Servoregelungsvorrichtung mehr als für eine gewöhnliche Servoregelungsvorrichtung zu verringern, während die Geschwindigkeit der Regelperiode aus dem gleichen Niveau beibehalten wird, indem die LSIs, die für die Servoregelungsvorrichtung verwendet werden, verringert werden oder indem die gleiche Anzahl von LSI-Chips verwendet wird, welche billiger sind und geringere Verarbeitungsfähigkeiten aufweisen als die, welche in den gewöhnlichen Vorrichtungen verwendet werden.
Obwohl die Erfindung mit Hilfe einiger Ausführungsformen erklärt wurde, ist die Erfindung nicht auf die Beschreibung dieser Ausführungsformen beschränkt und kann anderen, verschiedenen Veränderungen und Abänderungen unterliegen. Anhand der folgenden Aufzählung von Patentansprüchen wird erkannt werden, daß solche Veränderungen und Abänderungen innerhalb des technischen Rahmens der Erfindung wahrgenommen werden können.
Die Servoregelungsvorrichtung gemäß irgendeiner der Ausführungsformen der Erfindung verursacht geringe Fertigungskosten, ist kompakt und hat eine schnellere Regelperiode des Zielobjekt, welches geregelt werden soll, als existierende Vorrichtungen und kann daher sowohl zu einer Verbesserung der Regelfähigkeit als auch einer Verringerung der Kosten führen.

Claims

1. Servoregelungsvorrichtung, die mit Servomotoren verbunden ist, um die Servomotoren zu regeln, gekennzeichnet durch eine digitale Logikschaltung, die eine vorherbestimmte Bit-Weite hat und zumindest zwei parallele Rechenschaltungen aufweist.

2. Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch PWM-Umkehrschaltungen, wobei die digitale Logikschaltung die Pulsdauermodulation erzeugt, um die PWM- Umkehrschaltungen zu regeln.

3. Servoregelungsvorrichtung gekennzeichnet durch
eine Stromversorgungseinheit, um eine Antriebseinheit mit einem Antriebsstrom zu versorgen, um ein Zielobjekt, das geregelt werden soll, anzutreiben;
einem ersten Detektor, um zumindest den Antriebsstromwert zu erfassen; und
einem Logikrechenabschnitt, der einen Strombefehl erzeugt, welcher den Antriebsstrom bestimmt, um die Antriebsgeschwindigkeit der Antriebseinheit zu regeln, um das Zielobjekt, das geregelt werden soll, zu einer vorherbestimmten Position zu bewegen, und der den Antriebsstromwert erzeugt, der von dem ersten Detektor rückgekoppelt wird, wobei der Logikrechenabschnitt den Strombefehl an die Stromversorgungseinheit ausgibt, nachdem der Strombefehl durch ein digitales Logikverfahren auf Grundlage des Antriebsstromwerts berichtigt wurde.

4. Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Logikrecheneinheit aufweist:
ein Eingaberegister, das den Strombefehl erzeugt und beibehält; ein Rückkopplungsregister, das den Antriebsstrom, der von dem ersten Detektor rückgekoppelt wird, erzeugt und beibehält; und
eine Stromregelrecheneinheit, um den Strombefehl mit Bezug auf eine Differenz zwischen dem Strombefehl von dem Eingaberegister und dem Antriebsstromwert von dem Rückkopplungsregister zu berichtigen.

5. Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebseinheit aus mehreren Servomotoren besteht, wobei die Stromversorgungseinheiten und die ersten Detektoren in der Zahl gleich der Anzahl der Servomotoren sind, wobei der Logikrechenabschnitt aufweist:
Eingaberegister, die jeweils zu einem der Servomotoren gehören, um den Antriebsstromwert, der von dem ersten Detektor rückgekoppelt wird, zu erzeugen und beizubehalten;
Rückkopplungsregister, die jeweils zu einem der Servomotoren gehören, um den Antriebsstromwert, der von dem ersten Detektor rückgekoppelt wird, zu erzeugen und beizubehalten; und
eine Stromregelrecheneinheit, um die Strombefehle in Zeitaufteilung mit Bezug auf Differenzen zwischen den Strombefehlen von den Eingaberegistern und den Antriebsstromwerten von den Rückkopplungsregistern zu berichtigen.

6. Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadrch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinheit eine Umkehrschaltung ist, die durch ein Pulsdauermodulationssignal geregelt wird, wobei der Logikrechenabschnitt außerdem einen Pulswellengenerator aufweist, der zwischen der Umkehrschaltung und der Stromregelrecheneinheit verbunden ist, wobei der Pulswellengenerator ein Signal von der Stromregelrecheneinheit zu einem pulsdauer-modulierten Signal durch ein Pulsdauermodulationsverfahren moduliert und das modulierte Signal an die Umkehrschaltung ausgibt.

7. Servoregelungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Positionsregler, um einen Geschwindigkeitsbefehl und einen elektrischen Winkel auf Grundlage der Position der Antriebseinheit auszugeben, und einen zweiten Detektor zum Erfassen der Position der Antriebseinheit, wobei der Logikrechenabschnitt einen elektrischen Winkel, der von dem Positionsregler anhand der Position der Antriebseinheit berechnet ist, die von dem zweiten Detektor rückgekoppelt wird, und den Strombefehl erzeugt, und der den Antriebsstromwert, der von dem ersten Detektor rückgekoppelt wird, erzeugt, wobei der Logikrechenabschnitt den Strombefehl an die Stromversorgungseinheit ausgibt, nachdem der Strombefehl durch ein digitales Logikverfahren mit Bezug auf den Antriebsstromwert und den elektrischen Winkel berichtigt wurde.

8. Servoregelvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingaberegister, das Rückkopplungsregister und die Stromregelrecheneinheit in einem einzelnen Chip integriert sind.