DE2900019A1 - Verfahren und vorrichtung zur kompensation der restabweichung von stellgliedern - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation der Restab-
• weichung von Stellgliedern Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation der Restabweichung von Stellgliedern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation der beider Einstellung eines durch ein Steuersignal gesteuerten Stellgliedes auf eine vorgegebene Position auftretenden Restabweichung sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Bei der Einstellung von Stellgliedern auf eine vorgegebene Position tritt im allgemeinen eine Restabweichung der erreichten Position von der vorgegebenen Position auf. Diese Abweichung kann beispielsweise durch Spiel an den Zahnflanken von Zahnradgetrieben, durch Spiel in den Gelenken der von dem Stellglied angetriebenen Teile, durch die Elastizität und durch Spiel in der Halterung eines von dem Stellglied angetriebenen Teils und dergleichen auftreten. Weiterhin kann diese Abweichung durch einen RestSstwinkelund die Hysterese bei einem Schrittmotor oder durch die endliche Verstärkung in einem dem Stellglied zugeordneten Regelkreis hervorgerufen werden. Diese Restabweichung ist im allgemeinen klein, sie stellt jedoch in vielen Fällen die Ursache für die begrenzte Ansprechempfindlichkeit des Systems dar. Diese begrenzte Ansprechempfindlichkeit sowie die Restabweichung sind insbesondere bei Schreibern unerwünscht, die zur Darstellung und zum Zeichnen von Kurvenzügen sowie von alphanumerischen Zeichen und Symbolen verwendet werden. Hierbei kommt es weniger auf die absolute Genauigkeit als auf die relative Darstellung der Werte und auf die Form der Kurve an. Da das Vorzeichen der Restabweichung bei derartigen Schreiben von der Richtung abhängig ist, in welcher das durch das Stellglied betätigte Schreibelement auf die vorgegebene Position bewegt wird, wurde zur Beseitigung der sich aus der Restabweichung ergebenden Nachteile ein Verfahren verwendet, bei dem eine vorgegebene Position immer von dem gleichen Ausgangspunkt aus angefahren wurde. Hierbei ist jedoch beim Schreiben vorgegebener Kurvenzüge oder Symbole eine größere Anzahl von Bewegungsvorgängen erforderlich, da das Schreibelement nach dem Schreiben eines Symbols immer auf den gleichen Ausgangspunkt zurückbewegt wird. Weiterhin eignet sich dieses Verfahren nicht zum kontinuierlichen Schreiben von Symbolen, bei deren Schreiben eine Bewegungsumkehr des Schreibelementes erforderlich ist.
• Eine weitere bekannte Maßnahme, -derartige Restabweichungen durch Federvorspannung des Schreibelementes oder des Stellgliedes zu beseitigen, führt allenfalls zur Beseitigung der Restabweichung in einer Richtung, wobei jedoch die Restabweichung in der entgegengesetzten Richtung vergrößert und die Ansprechempfindlichkeit weiter verkleinert wird Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei detn bzw. bei der weine weitgehende, wenn nicht vollständige Kompensation der Restabweichung bei einfachem Aufwand ermöglicht wird, wobei gleichzeitig die Ansprechempfindlichkeit verbessert wird.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein der Restabweichung entsprechendes Korrektursteuersignal in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung, mit der sich das Stellglied der vorgegebenen Position nähert, zu aem Steuersignal hinzuaddiert oder von diesem subtrahiert wird.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das das Stellglied steuernde Steuersignal, z.B. der Sollwert bei einem Servosystem, das gleichzeitig die vorgegebene Position darstellt, in Abhängigkeit von der Richtung, aus welcher das Stellglied den Wert anfährt, um einen der Restabweichung entsprechenden Betrag vergrößert bzw. verkleinert. Auf diese Weise ergibt sich eine weitgehende Verringerung, wenn nicht Beseitigung der Restabweichung, wodurch gleichzeitig die Ansprechempfindlichkeit erhöht wird.
• Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß das Steuersignal dem Stellglied über ein Summierglied zugeführt wird, daß ein Detektor zur Feststellung der Anderungsrichtung des Steuersignals vorgesehen ist, daß das Ausgangssignal des.Detektors das Summierglied steuert und daß das Summiergliedaußer dem Steuersignal das Korrektursteuersignal empfängt.
• Bei einem Schrittmotorsystem wird hierbei der Schrittmotor vor Einleitung der Bewegung des Schrittmotors um eine entsprechende Anzahl von Schritten in die entsprechende Richtung fortgeschaltet, während bei einem Servosystem z.B. zu dem den Sollwert darstellenden Strom ein Stromwert hinzugefügt oder abgezogen wird.
• Bei ein Stellglied verwendenden Fositioniersystemen, bei -welchen die genannte Restabweichung durch Bauteiltoleranzen verursacht ist, kann der Maximalwert der Restabweichung durch einen festen Wert der Kompensation auf die Hälfte reduziert werden, während er bei einem individuellen Abgleich, bezogen auf die Toleranzen um ein Mehrfaches reduziert werden kann. Bei Systemen, bei denen die Restabweichung durch Konstruktions- oder bauteilebedingte Gegebenheiten verursacht list, z.B. durch ein erforderliches Mindestlagerspiel oder Hysterese des Positionsgebers oder durch Reibung in Verbindung mit der endlichen Verstärv kung im Regelkreis eines Servosystems läßt sich die Abweichung bereits durch einen festen Wert der Kompensation um ein Mehrfaches-reduzieren. Weiterhin ist es möglich, eine weitere Verringerung der Restabweichung durch Einführung einer bewegungsgeschwindigkeitsabhängigen Änderung des Korrektursteuersignals weiter zu verbessern.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für ein Stellglied, bei dem eine Restabweichung auftritt; Fig. 2 eine Ausführungsform eines Servosystems zür Ansteuerung eines Stellgliedes; Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Servosystems zur Ansteuerung eines Stellgliedes; Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Servosystems zur Ansteuerung eines Stellgliedes; Fig. 5 eine letzte Ausführungsform eines Servosystems zur Ansteuerung eines Stellgliedes.
• In Fig. 1 ist ein Beispiel für ein Stellglied gezeigt, bei dessen Einstellung eine Restabweichung auftritt. Das Stellglied dient z.B. zur Einstellung eines an einem Schreiberarm 3 befestigten Schreibelementes 9 auf eine vorgegebene Position, wobei nach der Einstellung dieses Schreibelementes 9 eine Restabweichung 1 verbleibt. Diese Restabweichung wird beispielsweise durch ein'Spiel an den Zahnflanken eines Zahnradgetriebes 2, durch die Elastizität des Schreiberarms 3, durch Spiel in der Halterung des Schreibelementes 9 oder durch Stellungsfehler eines Motors 4 hervorgerufen. Dieser Motor kann beispielsweise einen Restlastwinkel 5 oder eine Hysterese (bei einem Schrittmotor) aufweisen. Weiterhin kann diese Restabweichung durch die endliche Verstärkung in einem das Stellglied steuernden Regelkreis oder durch die Hysterese des Positionsgebers in einem Servosystem hervorgerufen werden. Diese Restabweichung ist mit relativ guter Genauigkeit bekannt, ihre Richtung hängt jedoch von der Bewegungsrichtung des Stellgliedes vor dem Erreichen der gewünschten Position ab.
• In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines Servosystems mit Einrichtungen zur Kompensation dieser Restabweichung gezeigt.
• Dieses Servosystem dient zur Einstellung eines beweglichen Teils 8, der z.B. ein Schreibelement 9 trägt, auf eine vorgegebene Position. Als Antriebsglied dient hier ein Linearmotor 7, dessen Position mit Hilfe eines Positionsgebers 10 gemessen wird. Ein Regler 11 steuert den Linearmotor 7 entsprechend dem Rückführungssignal des Positionsgebers 10 und einem seinem Eingang lla zugeführten Steuersignal an.Dieses Steuersignal wird von einem über einen Widerstand 29 gegengekoppelten Operationsverstärker 12 erzeugt, der als Summierverstärker geschaltet ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zur Summe der Ströme durch die an seinem Eingang 12a angeschalteten Widerstände 14 und 15 ist. Der andereEingang 12b ist mit Erde verbunden.
• Der von dem Schreibelement 9 abzubildende Meßwert wird in digitaler Form über eine Eingangsleitung 32 zugeführt. AuSeinanderfolgende Werte eines Kurvenzuges werden getaktet von einem Zwischespeicheroder.Schieberegister 17 übernommen und werden gleichzeitig einem Digital-Analogwandler 16 zugeführt, dessen Ausgang über den Widerstand 14 mit dem Eingang 12a des Operationsverstärkers 12 verbunden ist. Der Digital-Analog-Wand 1er setzt den Digitalwert in ein analoges Spannungssignal um, das über den Widerstand 14 a-ls Stromsignal dem Operationsverstärker 12 zugeführt wird.
• Weiterhin ist ein Vergleicher 18 vorgesehen, der den jeweils am Eingang 17a des Zwischenspeichers oder Schieberegisters 17 anliegenden Meßwert mit einem jeweils vorangegangenenNießwert am Ausgang 17b dieses Schieberegisters vergleicht und ein entsprechendes S t nal über die Anderungsrichtung des Steuersignals und damit die Bewegungsrichtung des Schreibelementes 9 liefert. Dieses Ausgangssignal des Vergleichers 18 steuert einen Schalter 15, der ein die Restabweichung des Schreibelementes 9 kompensierendes Korrektursignal über den Widerstand 15 dem Eingang 12a des Operationsverstärkers 12 zuführt. In Abhängigkeit von d em Ausgangssignal de-s Vergleichers 18 wird dieses Korrektursignal mit positivem Kontakt 50 oder negativem Kontakt. 51 dem über den Widerstand 14 zugeführten Steuersignal hinzuaddiert. Bei aufeinanderfolgenden gleichen Meßwerten führt das Schreibelement keine Bewegung aus und entsprechend liefert auch der Vergleicher 18 kein Ausgangssignal, so daß der Schalter 13, der lediglich aus Vereinfachungsgründen als mechanischer Schalterpargestellt ist, eine Mittelstellung einnimmt und kein Korrektursignal an den Operationsverstärker 12 liefert. Der Schalter 15 kann in allgemein üblicher Weise selbstverständlich als elektronischer Schalter ausgebildet sein.
• In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Servosystems zur Ansteuerung eines Linearmotors 7 gezeigt, der ebenfalls die Bewegung clnes Schreibelemcntes 9 steuert, dcsscn Position mit Hilfe eines Positionsgebers 10 gemessen und einem Eingang 11b eines Reglers 11 zugeführt wird. Der andere Eingang lla des Reglers 11 ist wiederum-mit dem Ausgang eines über einen Widerstand 29 gegengekoppelten Operationsverstärkers 12 verbunden, der als Summierverstärker geschaltet ist. Diese in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform des Servosystems dient z.B.
• zum Schreiben von alphanumerischen Zeichen oder Symbolen und die vom Schreibelement 9 zu schreibenden Werte sind in einem Zeichenspeicher 19 gespeichert. In diesem Fall wird ein Teil 20 des Zeichenspeichers 19 dazu. verwendet, Informationen über die Änderungsrichtung des von dem Digital-Analogwandler 16 abgegebenen Analogsignale und damit Informationen über die Bewegungsrichtung des Schreibelementes 9 zu speichern, wobei diese Informationen in einer der Fig. 2 entsprechenden Weise zur Steuerung des Schalters 15 verwendet werden. Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform könnten die einzelnen Dititalwerte in dem Zeichenspeicher selbst um den Betrag der Restabweichung vergrößert bzw. verkleinert sein.
• In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Servosystems gezeigt, die sich von den Ausführungsformen nach d-en Figuren 2 und 3 durch eine andere Ausgestaltung der Ansteuerung-des Operationsverstärkers 12 unterscheidet, wobei die jeweiligen mit den Bezugsziffern 8 bis 12 und 14, 15 und 29 bezeichneten Teile den Teilen der Ausführungsbeispiele nach den Figuren 2 und 3 entsprechen. Das Servosystem nach Fig. 1 wird durch ein in Analogformat vorliegendes Steuersignal an einer Eingangsleitung 52 gesteuert, das über den Widerstand 14 dem einen ESngang des Operationsverstärkers 12 zugeführt wird. Dieses Steuersignal an der Eingangsleitung 32 wird weiterhin einem ersten Differenz-Eingang 20a eines zweiten Operationsverstärkers 20 direkt und dem zweiten Differenz-Eingang 20b über einen Widerstand 21 zugeführt, wobei dieser zweite Eingang 20b über einen Kondensator 22 mit Erde verbunden ist. Bei einer Änderung des Meßwertes an der Eingangsleitung 52 fließt über den Widerstand 21 ein Ausgleichsstrom in den eine Art von Zwischenspeicher bildenden Kondensator 22, der am Widerstand 21 einen Spannungsabfall hervorruft, dessen Vorzeichen die Bewegungsrichtung des Schreibers bzw. die Änderungsrichtung des Steuersignals am Eingang 52 angibt. Dieses Signal wird dem Operationsverstärker 20 in ein Korrektursteuersignal umgewandelt und über den Widerstand 15 zum Strom des Meßwertes im Widerstand 14 hinzuaddiert.
• In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Servosystems gezeigt, das zur Ansteuerung eines Stellgliedes dient, das durch einenSchrittmotor 4 gebildet wird, der z.B. das Zahnradgetriebe 2 nach Fig. 1 antreibt. Bei dieser Ausführungsform werden an der Eingangsleitung 32 anliegende digitale Meßwerte jeweils in ein einstufiges Sollwertregister 24 übernommen und erscheinen an dessen Ausgang. Zur Kompensation wird in einem Rechenwerk 25 der an einer Leitung )3 in Digitalformat zugeführte Wert des Korrektursteuersignals in Abhängigkelt von einem Schaltsignal am Eingang 55a,das die Anderungsrichtung des Steuersignals bzw. der Bewegungsrichtung des Stellgliedes 2 bis 4 darstellt, hinzuaddiert oder subtrahiert. Die Anderungsrichtung wird in einem Vergleicher 26 festgestellt, der den um den Korrekturwert vergrößerten oder verkleinerten Meßwert mit dem Istwert der Position des Schreibers, der in einem Vorwärts-/Rückwärtszähler 25 gespeichert ist, vergleicht.
• Der Vergleicher 26 gibt, wenn der Istwert von dem Sollwert abweicht, einen Taktgenerator 27 frei, der den Takt für den Schrittmotor 4 erzeugt. Die Schrittimpulse werden vom Vorwärts-RUckwärts-Zähler 25 gezählt und weiterhin einem Umsetzer und-Verstärker 28 zugeführt, der die Mehrphasensignale für den Betrieb des Schrittmotors 4 erzeugt. Die Bewegungsrichtung des Schrittmotors und die Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers werden durch ein Ausgangssignal am Ausgang 26b des Vergleichers 26 festgelegt, das gleichzeitig zur Steuerung des Rechenwerks 25 dient.

Claims (1)

1. PatentansprUche: 1.) Verfahren zur. Kompensation der beider Einstellung eines durch ein Steuersignal gesteuerten Stellgliedes auf eine vorgegebene Position auf tretenden RestabweXchung, dadurch g e k e n n z e 1 c h n e t , daß ein der Restabwerchung entsprechendes Korrektursteuersignal in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung, mit der sich das Stellglied der vorgegebenen Position nähert, zu dem Steuersignal hinzuaddiert oder von diesem subtrahiert wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e 1 c h -n e t , daß bei bis zum Erreichen der vorgegebenen Position ansteigendem Steuersignal das Korrektursteuersignal zu diesem hinzuaddiert wird, während bei bis zum Erreichen der vorgegebenen Position absinkendem Steuersignal das Korrektursteuersignal von diesem subtrahiert wird.

   5. Vorriehtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Stellglied Uber ein elektrisches Steuersignal steuerbar ist, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Steuersignal dem Stellglied (7-11; 2, 3, 4, 27, 28, über ein Summierglied (12; 25) zugeführt wird, daß ein Detektor (17, 18; 20; 23,'26) zur Feststellung der Anderungsrichtung des Steuersignals vorgesehen fest, daß das Ausgangssignal des Detektors das Summierglied steuert und daß das Summierglied außer dem Steuersignal das Korrektursteuersignal empfängt.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Stellglied ein-«kontinuierlich einstellendes Stellglied (7, 8) ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Stellglied (7, 8) in einer Servoschleife angeordnet ist, die einen Positionsgeber (10) und einen Regler (11) einschließt, dessen Ausgangssignal das Stellglied (7, 8) steuert und der als Eingangssignal das Signal des Positionsgebers (10) und das Ausgangssignal des Summiergliedes (12) empfängt.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Stellglied ein Schrittmotor (4) ist.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Summierglied durch einen als Summierverstärker geschalteten gegengekoppelten Operationsverstärker (12) gebildet ist.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Summierglied durch ein Rechenwerk (25) gebildet ist.

   9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß der Detektor durch einen Operationsverstärker (20) gebildet ist, dessen einer Uifferenzeingang (20a) das ein Analogformat aufweisende Steuersignal empfängt, während der andere Differenzeingang (20b) dieses Steuersignal über einen Widerstand (21) empfängt und über einen Kondensator (22) mit Erde verbunden ist, so daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers (20) in Abhängigkeit von der Anderungsrichtung des Steuersignals einen positiven oder negativen Wert annimmt.

   10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der das Steuersignal Digitalformat aufweist, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Detektor durch ein Schieberegister (17) und einen digitalen Vergleicher (18) gebildet ist, dessen Eingänge mit dem Eingang (17à) bzw.

   dem Ausgang (17b) des Schieberegisters verbunden sind und daß der Eingang des Schieberegisters das Steuersignal empfängt, das außerdem über e einen Digital-/Analogwandler (16) dem einen Summiereingang des Summiergliedes (12) zugeführt wird.

   11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang des Detektors (17, 18; 20) einen vorzugsweise elektronischen Schalter (1)) steuert, der in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Detektors das Korrektursteuersignal mit positivem oder negativem Vorzeichen dem zweiten Summiereingang des Summiergliedes zuführt oder die Zuführung des Korrektursignals unterbricht.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Ausgangssignalndes Detektors (20) dem zweiten Summiereingang des Summiergliedes (12) zugeführt wird.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Steuersignal Digitalformat aufweist und das Mehrphasenfeld des Schrittmotors in einem durch einen Taktgenerator gesteuerten Generator mit einer von einem Befehlsslgnal bestimmten Richtung erzeugt wird und bei der die Ausgangssignale des Taktgenerators in e inem Vorwärts -Rückwärts-Zähler, dessen Zählrichtung durch das Befehlssignal bestimmt ist, gezählt werden und der die Ist-Stellung des Schrittmotors darstellende Zählwert-in einem Vergleicher mit dem Steuersignal verglichen wird, wobei der Vergleicher bei fehlender Übereinstimmung den Taktgenerator startet und ein entsprechendes Befehlssignal abgibt, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Vergleicher (26) gleichzeitig den Detektor bildet, daß das Steuersignal dem Vergleicher (26) über ein zwischen Addition und Subtraktion umschaltbares, das Summierglied bildendes Rechenwerk (25) zugeführt wird, dessen anderen Eingang ein das Korrektursteuersignal darstellendes Digitalsignal empfängt, und daß das Rechenwerk (25) durch das Befehlssignal zwischen Addition und Subtraktion umschaltbar ist.

   14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Steuersignal von einem Speicher (19) geliefert wird, der einen weiteren Speicherabschilitt (20) aufweist, in dem Werte für die Änderungsrichtung des Steuersignals zwischen zwei aufeinanderfolgend abzurufenden gespreicherten Werten des Steuersignals gespeichert sind.