PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE602005001651T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001591857
Titel Gerät zur Dämpfung von Vibrationen
Anmelder Fanuc Ltd., Yamanashi, JP
Erfinder Nihei, Ryo, Fujiyoshida-shi, Yamanashi 403-0005, JP;
Kato, Tetsuaki, Hadano-shi, Kanagawa 259-1326, JP;
Arita, Soichi, Minamitsuru-gun, Yamanashi 401-0511, JP
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 602005001651
Vertragsstaaten DE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.04.2005
EP-Aktenzeichen 050075399
EP-Offenlegungsdatum 02.11.2005
EP date of grant 18.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse G05D 19/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G05D 19/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F16F 7/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B23Q 11/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F16F 15/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung zur Regelung der Bewegung eines beweglichen Teils einer Maschine und insbesondere auf eine Regelvorrichtung, die in der Lage ist, im beweglichen Teil erzeugte Schwingungen zu unterdrücken.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein bewegliches Teil in einer Maschine, wie einer gewerblichen Maschine, einer Werkzeugmaschine, einem Roboter oder dergleichen, wird im allgemeinen durch eine Antriebsquelle über verschiedene Transmissionsglieder angetrieben und Stellung/Lage und Geschwindigkeit des beweglichen Teils wird wie in einem geregelten System geregelt. Hierbei haben die mechanischen Komponenten wie z.B. die Transmissionsglieder, die zwischen der Antriebsquelle und dem beweglichen Teil vorgesehen sind, eine vergleichsweise geringe Steifigkeit. In einem Fall, bei dem das bewegliche Teil mit hoher Geschwindigkeit bewegt und an einer Zielposition angehalten wird, neigt das bewegliche Teil leicht zur Vibration.

Als ein Beispiel wird der Stellantrieb eines Roboterarms näher untersucht. 21 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Stellantriebs für einen Roboterarm. Gemäß 21 wird der Roboterarm 1 durch einen elektrischen Motor 3 (nachfolgend als ein Motor bezeichnet) über ein Untersetzungsgetriebe 2, das ein Zahnrad oder dergleichen aufweist, angetrieben. Eine nicht dargestellte Regelvorrichtung zur Regelung der Bewegung des Roboterarms führt eine Regelung dessen Stellung und Geschwindigkeit aufgrund der Stellung und Geschwindigkeit des Roboterarms 1 durch, die mit Hilfe eines Stellungs- und Geschwindigkeitsmesswertaufnehmers 4 im Motor 3 ermittelt werden, um so die Stellung und Geschwindigkeit des Roboterarms 1 zu regeln.

Das Untersetzungsgetriebe 2 hat meistens eine geringe Steifigkeit. Daher kann das Antriebssystem für den Roboterarm nach 21 durch ein Modell mit zwei trägen Massen ersatzweise beschrieben werden, wie dies in 22 als ein Blockdiagramm (Ersatzschaltbild) für einen elektrischen Strom (oder ein Zufuhr) in den Motor für die Stellung und Geschwindigkeit (oder Ausgang) des Roboterarms 1 dargestellt ist. Zur Vereinfachung der Untersuchung werden der Einfluss der Reibung und der Viskosität nicht berücksichtigt. In 22 bedeuten "i" einen Motorstrom, "Tq" ein Drehmoment des Motors, "&ohgr;M" die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors, "&thgr;M" eine Motorstellung, "&ohgr;L' eine Geschwindigkeit des Arms, "&thgr;L" eine Armstellung, "JM" eine Motorträgheit, "JL" eine Armträgheit, "Kt" eine Konstante des Motordrehmoments, "K" eine Federkonstante eines Teils niedriger Steifigkeit und "s" einen Laplace-Operator.

Bei diesem Antriebssystem für einen Roboterarm wird generell ein halbgeschlossener Regelkreis, wie er in 23 dargestellt ist, zur Regelung der Stellung/Lage und der Geschwindigkeit des Roboterarms 1 eingesetzt. Mit anderen Worten, die Motorgeschwindigkeit &ohgr;M und die Motorstellung &thgr;M, die von dem Stellungs- und Geschwindigkeitsdetektor 4 ermittelt wurden, werden zurückgeführt bzw. rückgekoppelt, um so eine Regelung für die Stellung und Geschwindigkeit auszuführen. Wie in 23 im Einzelnen dargestellt, gewinnt man eine Stellungsabweichung durch Subtraktion der zurückgeführten Motorstellung &thgr;M aus dem Steuerbefehl &thgr;R für die Stellung und ein Geschwindigkeitsbefehl wird durch Ausführung einer Stellungsregelung unter Verwendung einer Stellungsregelungsverstärkung Kp (Funktion) erhalten. Ferner wird eine Geschwindigkeitsabweichung durch Subtraktion der zurückgeführten Motorstellung &thgr;M aus dem gewonnenen Geschwindigkeitsbefehl und ein Regelsignal für den elektrischen Strom "i" wird durch Ausführung einer Geschwindigkeitsregelung unter Verwendung einer Geschwindigkeitsregelverstärkung Kv (Funktion) erhalten. Der Motor 3 wird durch den Strombefehl bzw. das Stromregelsignal "i" betrieben.

Da der zuvor beschriebene halbgeschlossene Regelkreis die Regelung für die Stellung und die Geschwindigkeit des Motors 3 darstellt, können die Stellung und die Geschwindigkeit des Motors 3 gut geregelt werden. Es besteht jedoch, wie zuvor erläutert, das Problem, dass der Roboterarm 1 dazu neigt, aufgrund der Zwischenschaltung eines Transmissionsglieds wie einem Untersetzungsgetriebe 2 mit geringer Steifigkeit in Schwingungen zu geraten.

Um dieses Problem zu behandeln, wurde auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen und dergleichen allgemein ein geschlossener Regelkreis, wie er in 24 beispielhaft dargestellt ist, eingesetzt. Bei diesem System ist das bewegliche Teil der Maschine, wie z.B. ein Roboterarm, mit einem Detektor zur Bestimmung dessen Stellung/Lage und/oder Geschwindigkeit und der Stellung/Lage und/oder der Geschwindigkeit des beweglichen Teils zur Rückkopplung in die Regelung ausgestattet. Das Blockdiagramm der 24 unterscheidet sich von dem Blockdiagramm der 23 in dem Punkt, dass anstelle der Motorstellung &thgr;M und der Motorgeschwindigkeit (Drehzahl) &ohgr;M die Position des Arms &thgr;L und die Geschwindigkeit des Arms &ohgr;L in die Regelung zurückgeführt bzw. rückgekoppelt werden. Wenn dieser völlig geschlossene Regelkreis eingesetzt wird, ist es erforderlich, dass das bewegliche Teil der Maschine, wie z. B. ein Roboterarm, mit einem Detektor bzw. Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Stellung/Lage und der Geschwindigkeit des beweglichen Teils ausgestattet wird.

Auf der anderen Seite offenbart die japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 6-178570 (JP A 06-178570) z.B. eine Regelvorrichtung, die auf einem halbgeschlossenen Regelkreis beruht und eine Funktion zur Unterdrückung der Vibration des Antriebssystems der Maschine hat. Bei dieser Regelvorrichtung sind zur Unterdrückung der Vibration der Maschine ein Geschwindigkeitsdetektor und ein Beschleunigungsdetektor für die Maschine für die Rückkopplung der festgestellten Werte für die Geschwindigkeit und die Beschleunigung (d.h. der Zustandsvariablen) der Maschine zusätzlich zu dem halbgeschlossenen Regelkreis vorgesehen, um damit das Regelsignal für das Drehmoment des Motors zu korrigieren.

In dem Fall, in dem ein Detektor auf dem beweglichen Teil der Maschine befestigt ist, ist es erforderlich, eine Anzahl von zusätzlichen Teilen, wie z.B. ein Kabel oder eine Empfangsschaltung für das Signal vorzusehen, um die Rückkopplungssignale der Detektoren zu gewinnen und dies kann zu einer Erhöhung der Gesamtkosten des Systems führen. Außerdem ist zu befürchten, dass sich die Unterhaltskosten für jedes einzelne Teil erhöhen könnten. Schließlich kann die Zuverlässigkeit des Regelsystems aufgrund der erhöhten Anzahl von Teilen abnehmen.

Einen anderer Ansatz verfolgt ein bekanntes Regelverfahren, bei dem anstelle des Vorsehens von Detektoren zur unmittelbaren Bestimmung der Stellung und der Geschwindigkeit des beweglichen Teils der Maschine, wie dies zuvor beschrieben worden ist, in der Regelvorrichtung ein Aufnehmer (oder ein Abschätzteil für eine Zustandsvariable) zum Abschätzen der Zustandsvariablen des beweglichen Teils vorgesehen ist und die Stellungs- und Geschwindigkeitssignale, die von der durch den Aufnehmer abgeschätzten Zustandsvariablen angegeben werden, werden zur Regelung des beweglichen Teils rückgekoppelt. Für ein solches Regelverfahren mit Statusrückkopplung wurden viele Vorschläge mit Bezug auf die abzuschätzende Zustandsvariable und zur Rückkopplungstechnik gemacht.

So offenbart beispielsweise die japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 7-20940 (JP A 07-020940) eine Regelvorrichtung, die eine Regelung mit einem halbgeschlossenen Regelkreis vornimmt, die mit einem Aufnehmer zum Abschätzen des Drehwinkels und der Drehwinkelgeschwindigkeit zwischen einem Motor und einer mechanischen Last ausgestattet ist. Diese Regelvorrichtung korrigiert ein Steuersignal für das Drehmoment des Motors unter Verwendung des von dem Aufnehmer abgeschätzten Drehwinkels und der Drehwinkelgeschwindigkeit, um so die Vibration der Maschine zu unterdrücken.

Das in der japanischen Patentanmeldung JP A 07-020940 offenbarte Regelverfahren mit Zustandsrückkopplung soll hauptsächlich ein geregeltes System stabilisieren und veranlasst nicht aktiv die Zustandsvariable einem Steuerbefehl oder einem Soll-Wert zu folgen. Dies wird unter Bezugnahme auf 25 erläutert. 25 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein System zur Regelung der Stellung und der Geschwindigkeit des beweglichen Teils einer Maschine, wie z.B. eines Roboterarms, als Beispiel einer bekannten Regelvorrichtung, die ein Regelverfahren mit Zustandsrückkopplung einsetzt. In dem erläuterten Beispiel ist ein geregeltes System eine Vorbedingung für den Motor zum Antrieb des beweglichen Teils.

Bei dem dargestellten Regelsystem wird ein Geschwindigkeitsregelbefehl durch Verwendung einer Stellungs- bzw. Lageregelung ermittelt, die eine Positionsregelzunahme Kp, basierend auf einer Abweichung zwischen einem Lagebefehl &thgr;R und einem Rückkopplungssignal der Motorstellung &thgr;M, und einem Drehmomentbefehl (oder einem Befehl für den elektrischen Strom), der unter Verwendung einer Geschwindigkeitsregelzunahme KV, basierend auf der Abweichung zwischen dem Geschwindigkeitsregelbefehl und einem Rückkopplungssignal der Motorgeschwindigkeit &ohgr;M, gewonnen wurde, verwendet. Dann wird ein von dem Aufnehmer rückgekoppelter Korrekturwert für eine abgeschätzte Zustandsvariable von dem Drehmomentregelbefehl abgezogen als ein Regelsignal für das geregelte System (oder den Motor) für die Ermittlung eines korrigierten Drehmomentregelbefehls und dieser korrigierte Drehmomentregelbefehl wird in das geregelte System eingespeist.

Bei diesem Aufbau gibt der Aufnehmer Zustandsvariable x1 und x2 aus, die aus dem korrigierten Drehmomentregelbefehl an das geregelte System und der Geschwindigkeit &ohgr;M des Motors als dem geregelten System abgeschätzt wurden. In diesem Falle ist z. B. die geschätzte Zustandsvariable x1 der geschätzte Wert der Stellung/Lage &thgr;L des beweglichen Teils (wie beispielsweise einem Roboterarm) und die geschätzte Zustandsvariable x2 ist der Schätzwert der Geschwindigkeit &ohgr;L des beweglichen Teils. Diese Zustandsvariablen x1 und x2 werden multipliziert mit Statusrückkopplungsanstiegen K1 und K2 und die Ergebnisse hiervon werden zur Korrektor des Regelsignals rückgekoppelt. Man erkennt also, dass das erläuterte Regelverfahren die Zustandsvariablen (Ist-Werte) des geregelten Systems, die vom Aufnehmer geschätzt wurden, nicht aktiv dahingehend beeinflusst, dass sie den gewünschten Werten folgen.

Auf der anderen Seite offenbart die japanische nicht geprüfte Patentpublikation (Kokai) Nr. 2001-136767 (JP A 2001-136767) eine Regelvorrichtung für einen Linearmotor, bei der die Stellung bzw. Lage und die Geschwindigkeit im Schwerkraftzentrum des beweglichen Teils des Linearmotors durch einen Aufnehmer abgeschätzt wird und die geschätzte Stellung und die Geschwindigkeit an einen Stellungsregler und einen Geschwindigkeitsregler rückgekoppelt werden, um so das bewegliche Teil zu regeln.

Ferner offenbart die japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2002-287804 (JP A 2002-287804) ein Regelverfahren, bei dem eine Zustandsvariable eines geregelten Systems mit Hilfe eines Aufnehmers abgeschätzt wird, eine Referenz-Zustandsvariable vom Regelsignal oder dem gewünschten Wert (Soll-Wert) unter Verwendung eines Referenzmodells ermittelt wird und eine Differenz zwischen der geschätzten Zustandsvariablen und der Referenz-Zustandsvariablen an den Regler zurückgeführt wird, um auf diese Weise das geregelte System zu regeln.

Die in diesen Patentdokumenten offenbarten Regelverfahren sind so ausgestaltet, dass sie die vom Aufnehmer geschätzten Zustandsvariablen aktiv auf die gewünschten Werte regeln. Je nach Ausgestaltung der Maschine, auf die das Verfahren angewendet wird, kann jedoch ein Fall eintreten, bei dem das geregelte System instabil ist und ein ausreichender Stellwert bzw. ein geeigneter Rückkopplungszuwachs nicht erreicht werden kann. Ferner ist es erforderlich, dass der Stellwert entsprechend der Eigenschaften der Maschine bestimmt wird. Ganz allgemein ist es schwer, einen optimalen Wert für den Rückkopplungszuwachs bzw. den Stellwert zu gewinnen.

Die US-Patentschrift 4 943 759 offenbart eine Regelvorrichtung für einen in viele Richtungen beweglichen Roboter mit einer arithmetischen Rechenschaltung, die die gegenseitige Beeinflussung der Drehmomentwerte berechnet, einer den Zustand überwachenden Schaltung zur Wiedergabe einer Zustandsvariablen, einer Umwandlungsschaltung zur Konvertierung eines Ausgangssignals der Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes und mit einer Korrekturschaltung. Die Vorrichtung gemäß dieser Druckschrift ist dazu ausgelegt, geschätzte Störmomente zu korrigieren und Störungen aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung jedes Armes des Roboters mit Bezug auf das Antriebsdrehmoment zu eliminieren.

Die europäische Offenlegungsschrift 0 483 367 A1 offenbart ein Aufnehmerregelsystem zum Überwachen eines Maschinensystems, zum Abschätzen von Zustandsvariablen und der Regelung des Maschinensystems, einen Aufnehmer zum Abschätzen von Störgrößen und einen Addierer, der nicht-lineare Elemente aus dem Eingangssignal des Hauptaufnehmers entfernt. Das offenbarte Aufnehmerregelsystem dieses Dokuments umfasst einen Hauptaufnehmer. Auf diese Weise werden geschätzte Zustandsvariable, die frei vom Einfluss nicht-linearer Anteile sind, erhalten und das System wird durch diese geschätzten Zustandsvariablen geregelt.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Regelvorrichtung zur Regelung der Bewegung eines beweglichen Teils einer Maschine zu schaffen, mit der es wirksam möglich ist, die Vibration des beweglichen Teils durch Ausführung einer Regelung mit rückgeführter Zustandsvariablen zu unterdrücken, die keinen auf dem beweglichen Teil vorgesehenen Vibrationsaufnehmer erfordert und mit der es möglich ist, durch aktive Einwirkung auf die Zustandsvariable des geregelten Systems einem Steuerbefehl oder Soll-Wert zu folgen, eine stabile Regelung sicherzustellen.

Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Regelvorrichtung zur Verfügung, die umfasst: einen Zustandsvariablen-Abschätzteil zum Abschätzen einer Zustandsvariablen eines geregelten Systems in einer Maschine und zum Ausgeben einer geschätzten Zustandsvariablen; ein Referenzmodell zum Ausgeben einer ideal geregelten Variablen für das geregelte System; einen Kompensator zum Berechnen eines Kompensationswerts für das Korrigieren eines Regelsignals für das geregelte System auf der Grundlage einer Differenz zwischen der geschätzten Zustandsvariablen und der ideal geregelten Variablen, und einen Regelabschnitt zur Ermittlung des Regelsignals auf der Grundlage einer Abweichung zwischen einem Soll-Regelwert und entweder einer geschätzten Zustandsvariablen oder der ideal geregelten Variablen, in der ein korrigiertes Regelsignal, das durch Korrigieren des durch den Regelabschnitt ermittelten Regelsignals unter Verwendung des durch den Kompensator errechneten Kompensationswerts erhalten wurde, in das geregelte System ebenso wie in den Abschätzabschnitt für die Zustandsvariable und das Referenzmodell eingegeben wird.

Bei der zuvor angegebenen Regelvorrichtung kann die Zustandsvariable die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder die Stellung bzw. Lage umfassen und der Kompensationswert einen Kompensationsstrom oder ein Kompensationsdrehmoment einschließen.

Wenn bei dieser Anordnung das geregelte System ein System mit zwei Trägheiten (trägen Massen) umfasst, kann die Zustandsvariable die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder die Stellung eines Lastteils in dem kontrollierten System einschließen.

Eine Übertragungsfunktion des Kompensators kann eine inverse Charakteristik haben, die entgegengesetzt zu der Charakteristik einer Übertragungsfunktion des Referenzmodells verläuft.

Bei dieser Ausführungsform kann die Übertragungsfunktion des Kompensators ein Filter umfassen, das in die inverse Charakteristik eingefügt ist.

Die zuvor angegebne Regelvorrichtung ist insbesondere in einem Fall nützlich, in dem die Maschine einen Roboter umfasst.

4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:

1 ein Blockschaltbild darstellt, das den Aufbau einer Regelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ein Blockschaltbild darstellt, das die Ausgestaltung einer Regelvorrichtung für einen Arm eines Roboters zeigt, die eine Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;

3 ein Blockschaltbild darstellt, das ein Beispiel für ein Referenzmodell für die Regelung zeigt;

4 ein Blockschaltbild darstellt, das ein anderes Beispiel eines Referenzmodells für die Regelung zeigt;

5 ein Bode Diagramm einer Übertragungsfunktion von einem Stromsignal an die Beschleunigung eines Armendes in einem Modell mit zwei Trägheiten zeigt;

6 ein Blockschaltbild ist, das den Aufbau eines ersten Beispiels der Regelungzeigt, das von der Regelvorrichtung der 2 ausgeführt wird, in die ein Aufnehmer in das Referenzmodell der Regelung der 3 aufgenommen ist;

7 ein Bode Diagramm einer Übertragungsfunktion des Strombefehls an die Beschleunigung eines Armendes in dem Blockdiagramm der 6 zeigt;

8 ein Blockschaltbild ist, das mit Hilfe eines Modells vom Typ 1 eines Servokreises von einem Beschleunigungsbefehl an die Beschleunigung eines Armendes im ersten Beispiel der Regelung darstellt;

9 ein Blockschaltbild ist, das einen Aufbau darstellt, in dem ein Beschleunigungsregelkreis dem Blockschaltbild nach 6 hinzugefügt ist;

10 ein Bode Diagramm einer Übertragungsfunktion für einen Beschleunigungsbefehl zur Beschleunigung eines Armendes in dem Blockschaltbild nach 9 darstellt;

11 ein Blockschaltbild ist, das die gesamte Ausbildung des ersten Regelbeispiels darstellt, in dem Regelkreise für die Stellung/Lage und für die Geschwindigkeit dem Blockschaltbild nach 9 hinzugefügt worden sind;

12 ein Bode Diagramm einer Übertragungsfunktion für einen Stellungsbefehl bzw. ein Regelsignal für die Stellung/Lage eines Armendes in dem Blockschaltbild nach 11 darstellt;

13 ein Bode Diagramm einer Übertragungsfunktion eines Stellungsregelsignals für die Stellung eines Armendes in einem bekannten halbgeschlossenen Regelkreis darstellt;

14A ein Diagramm ist, das die Reaktion der Stellung/Lage des Armendes auf einen Eingangssignalschritt eines Stellungsregelsignals in der in 11 gezeigten Regelvorrichtung darstellt;

14B ein Diagramm ist, das die Reaktion der Stellung/Lage des Armendes auf einen Eingangssignalschritt eines Stellungsregelsignals in einem bekannten halbgeschlossenen Regelkreis darstellt;

15 ist ein Blockschaltbild, das ein vereinfachtes Modell eines Servokreises eines Geschwindigkeitsregelsignals für die Geschwindigkeit eines Armendes in einem zweiten Regelungsbeispiel zeigt, das von der Regelvorrichtung nach 2 ausgeführt wird;

16 ein Blockschaltbild ist, das die Konfiguration von einem Geschwindigkeitssteuerbefehl an die Geschwindigkeit eines Armendes in dem zweiten Beispiel der Regelung zeigt;

17 ein Blockschaltbild ist, das die gesamte Konfiguration des zweiten Beispiels der Regelung zeigt, bei dem ein Regelkreis für die Stellung bzw. Lage dem Blockschaltbild der 16 hinzugefügt ist;

18 ein Diagramm ist, das die Veränderung der Geschwindigkeit des Armendes auf ein Eingangssteuersignal eines Stellungsregelsignals der in 17 dargestellten Regelvorrichtung zeigt;

19 ein Blockschaltbild wiedergibt, das ein vereinfachtes Modell eines Servokreises von einem Stellungssteuerbefehl für die Stellung eines Armendes bei einem dritten Beispiel der Regelung zeigt, das von der Regelvorrichtung der 2 ausgeführt wird;

20 ein Blockschaltbild darstellt, das eine Konfiguration von einem Stellungsregelsignal an eine Stellung des Armendes in dem dritten Regelungsbeispiel zeigt;

21 eine schematische Darstellung ist, die den Aufbau eines Antriebsteils eines Roboterarms zeigt;

22 ein Blockschaltbild ist, das die Konfiguration eines Motorstroms (oder einem Eingangssignal) für die Stellung und die Geschwindigkeit (oder eines Ausgangssignals) in einem Antriebssystem für einen Roboterarm darstellt;

23 ein Blockschaltbild ist, das eine Regelung für die Stellung/Lage und für die Geschwindigkeit eines Roboterarms gemäß einem bekannten halbgeschlossenen Regelkreis zeigt;

24 ein Blockschaltbild ist, das eine Regelung für die Stellung/Lage und für die Geschwindigkeit eines Roboterarms gemäß einer bekannten Regelung mit vollständig geschlossenem Regelkreis zeigt, und

25 ein Blockschaltbild wiedergibt, das eine bekannte Regelvorrichtung zeigt, die ein Regelverfahren mit Rückkopplung der Zustandsvariablen (Regelgröße) verwendet.

5. Ausführliche Beschreibung

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Bei allen Zeichnungen sind die gleichen oder ähnlichen Komponenten mit allgemeinen Bezugszeichen versehen.

Es wird nun auf 1 Bezug genommen, die ein Blockschaltbild wiedergibt, das den Aufbau der Regelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Regelvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Aufnehmer (d.h. ein Zustandsvariablen- Abschätzteil) zum Abschätzen einer Zustandsvariablen &agr; (die nicht tatsächlich gemessen werden kann), die den internen Zustand eines geregelten Objekts oder Systems 10 als eines besonderen Teils in einer momentan geregelten Maschine wiedergibt, um so die geschätzte Zustandsvariable &agr;~ auszugeben, ein Referenzmodel 14 zur Ausgabe einer ideal geregelten Variablen &agr;*, die einen idealen Ausgangs-bzw-Soll-Regelwert für das geregelte System 10 definiert, einen Kompensator 16 zur Berechnung eines Kompensationswerts für das Korrigieren eines Regelsignals "u" für das geregelte System 10, auf der Basis der Differenz zwischen der geschätzten Zustandsvariablen &agr;~ und der ideal geregelten Variablen &agr;*, und einen Regler (d.h. einen Regelabschnitt) 18 zur Bestimmung des Regelsignals "u" auf der Basis einer Abweichung zwischen einer gewünschten Regelgröße &agr;R und entweder der geschätzten Zustandsvariablen &agr;~ oder der ideal geregelten Variablen &agr;*.

In einer Ausführungsform ist die Abweichung zwischen der Soll-Regelgröße &agr;R zum Regeln des geregelten Systems 10 und der geschätzten Zustandsvariablen &agr;~ durch den Aufnehmer 12 abgeschätzt und wird in den Regler 18 eingespeist, was durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Dann wird ein korrigiertes Regelsignal "v", das durch Subtraktion des Kompensationswerts als ein Ausgangssignal des Kompensators 16 von dem Regelsignal "u" als einem Ausgangssignal des Reglers 18 gewonnen wurde, als eine operatiive Eingangsgröße in das geregelte System 10 eingespeist. Das korrigierte Steuersignal "v" und die geregelte Variable "y" (das Ausgangssignal bzw. der Regelwert) des geregelten Systems 10 werden in den Aufnehmer 12 eingegeben, der seinerseits die geschätzte Zustandsvariable &agr;~ des geregelten Systems 10 auf der Basis des korrigierten Regelsignals "v" der geregelten Variablen "y" bestimmt. Das korrigierte Regelsignal "v" wird ebenfalls in das Referenzmodell 14 eingespeist, das seinerseits die ideal geregelte Variable &agr;* des geregelten Systems 10 bestimmt. Der Kompensator berechnet den Korrekturwert für das Regelsignal "u" auf der Basis der Differenz, die durch Subtraktion der ideal geregelten Variablen &agr;* als Ausgangssignal des Referenzmodells 14 von der geschätzten Zustandsvariablen &agr;~ als einem Ausgangssignal des Aufnehmers 12. Der Korrekturwert wird zum Korrigieren des Regelsignals "u" verwendet, um so das korrigierte Regelsignal "v" zu erhalten.

Mit der Regelvorrichtung der vorliegenden Erfindung mit der zuvor beschriebenen Ausgestaltung wird die Regelung so durchgeführt, dass die ideal geregelte Variable &agr;* als der Ausgangswert des geregelten Systems 10 mit der geschätzten Zustandsvariablen &agr;~ des geregelten Systems 10, abgeschätzt durch den Aufnehmer 12, übereinstimmt. Ferner wird die Regelung in einer Weise durchgeführt, dass die geschätzte Zustandsvariable &agr;~, die vom Aufnehmer 12 ausgegeben wird, rückgekoppelt bzw. zurückgeführt wird und die Abweichung zwischen dem gewünschten Soll-Regelwert und der geschätzten Zustandsvariablen &agr;~ des geregelten Systems 10 in den Regler 18 eingegeben wird, um so zu bewirken, dass das geregelte System 10 dem gewünschten Soll-Regelwert &agr;R folgt. Als Ergebnis hiervon gleicht sich die geschätzte Zustandsvariable &agr;~ des geregelten Systems 10, die von dem Aufnehmer 12abgeschätzt wurde, der momentanen Zustandsvariablen &agr; des geregelten Systems 10 an, so dass es möglich wird, dass die Zustandsvariable &agr; des geregelten Systems 10 dem gewünschten Soll-Regelwert &agr;R mit guter Genauigkeit folgt.

Bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung ist es, wenn die Beschleunigung als die Zustandsvariable &agr; gewählt ist, möglich, dass die Beschleunigung des geregelten Systems 10 dem gewünschten Soll-Regelwert &agr;R mit guter Genauigkeit folgt. Ebenso wenn die Geschwindigkeit oder eine Stellung bzw. Lage als die Zustandsvariable &agr; gewählt wird, ist es möglich, dass die Geschwindigkeit oder die Stellung/Lage des geregelten Systems 10 dem gewünschten Soll-Regelwert &agr;R mit guter Genauigkeit folgt. In jedem Fall wird der Kompensationswert als Ausgangssignal des Kompensators 16 als ein Kompensationsdrehmoment bestimmt. Ferner erfordert die Erfindung nicht, für die Zwecke der Regelung einen Detektor auf einem beweglichen Teil der Maschine, (z.B. auf dem Endabschnitt des Roboterarms) zur Bestimmung der Stellung/Lage, der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung des beweglichen Teils der Maschine vorzusehen, so dass die Probleme der Kostenerhöhung und Verminderung der Zuverlässigkeit gelöst sind. Außerdem stellt die Erfindung sicher, dass die Zustandsvariable &agr; des geregelten Systems dazu gedrängt wird, dem gewünschten Regelwert &agr;R zu folgen und dadurch eine stabile Reaktion auf die Vorgabe durch den Stellungs-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsbefehl zu gewinnen, während die Erzeugung von Vibrationen in dem beweglichen Teil der Maschine unterdrückt wird.

Bei der in 1 dargestellten Ausbildung kann eine Übertragungsfunktion des Kompensators 16 eine inverse Charakteristik, die entgegengesetzt zu einer Charakteristik einer Übertragungsfunktion des Referenzmodells 14 verläuft, aufweisen. Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, das Reaktionsverhalten der Zustandsvariablen &agr; des geregelten Systems 10 bezüglich des korrigierten Regelsignals "v" gleich dem Reaktionsverhalten des Referenzmodells 14 zu machen. Üblicherweise wird jedoch eine geeignete Funktion als Referenzmodell 14 gewählt, so dass, wenn die Funktion eine inverse Charakteristik hat, die Ordnung des Zählers größer als die Ordnung des Nenners ist. Folglich ist es wünschenswert, wie an späterer Stelle noch erläutert wird, dass der Kompensator 16 zusätzlich zur inversen Charakteristik ein Filter hat, dessen Ordnung größer als die relative Ordnung der Funktion ist.

Nach 1 ist auch eine Ausgestaltung möglich, bei der die Abweichung zwischen dem gewünschten Regelwert &agr;R des geregelten Systems 10 und der ideal geregelten Variablen &agr;* als Ausgangsgröße des Referenzmodels 14 in den Regler 18 eingespeist wird, was mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist, anstelle der Ausgestaltung, bei der die Abweichung zwischen dem gewünschten Regelwert &agr;R des geregelten Systems und der geschätzten Zustandsvariablen &agr;~ als Ausgangssignal des Aufnehmers 12 auf den Regler 18 gegeben wird, was durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Dies deshalb, weil die Regelung derart ausgeführt wird, dass die vom Aufnehmer 12 abgeschätzte Zustandsvariable &agr;~ mit der ideal geregelten Variablen &agr;* des geregelten Systems 10, die das Referenzmodell 14 ausgibt, zusammenfällt.

Die Ausgestaltung der Regelvorrichtung gemäß einer Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung, die auf eine Regelung des Arms für einen Roboter angewendet wird, wird nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 20 beschrieben.

Wie in 2 dargestellt, besteht das geregelte System 10 des Roboters aus einer Vielzahl von Stellachsen, die der Roboter hat, und umfasst z.B. den Roboterarm 1, das Untersetzungsgetriebe 2, den Motor 3 und den Stellungs- und Geschwindigkeitsdetektor 4, der zuvor in Verbindung mit 21 beschrieben wurde. Ferner hat ein Regler 20 für einen Roboter, der die Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung hat, eine Ausgestaltung, in der eine Haupt-CPU 22 für die Regelung des ganzen Systems, ein ROM 24, ein RAM 26, eine Schnittstelle 28 und eine Eingabe/Ausgabeschaltung 30 und ein gemeinsamen Speicher 32, die durch einen Bus 34 miteinander verbunden sind. Eine Anzeige- und Bedienungseinheit 36 wie ein Lehrpendant mit einem Touch-Panel ist an die Schnittstelle 28 angeschlossen und externe Geräte 38 wie eine an dem Ende des Roboterarms 1 angebrachter Greifer ist an die Eingangs-/Ausgangschaltung 30 angeschlossen. Auf der anderen Seite ist eine Servo-CPU 40 für die Regelung der Stellung und der Geschwindigkeit des Motors 3, der den Roboterarm antreibt, mit einem gemeinsamen Speicher 32 verbunden. Ferner ist ein Servo-Verstärker 42 an die Servo-CPU 40 angeschlossen und ist der Motor 3 in dem geregelten System 10 mit dem Servo-Verstärker 42 verbunden.

Die Haupt-CPU 22 steuert das dargestellte Regelsystem für den Roboter auf der Basis eines in dem ROM 24 gespeicherten Systemprogramms vollständig und gibt einen Bewegungsregelbefehl für jede der Stellachsen des Roboters über den gemeinsamen Speicher 32 an die Servo-CPU 40 auf der Basis des in dem RAM 26 gespeicherten Lernprogramms ab. Auf der Grundlage des Bewegungsregelbefehls und auf von dem Stellungs- und Geschwindigkeitsdetektors 4, der auf dem Motor 3 vorgesehen ist, zurückgeführten Stellungs/Lage- und Geschwindigkeitssignale führt die Servo-CPU 40 eine Stellungs- und Geschwindigkeitsregelung durch und gibt einen Stromregelbefehl an den Servo-Verstärker 42 ab. Dann führt der Servo-Verstärker 42 eine Regelung auf der Grundlage des Zustandes entsprechend der vorliegenden Erfindung durch, um zu bewirken, dass der momentan in den Motor 3 fließende elektrische Strom dem Stromregelbefehl folgt.

Nachfolgend ist ein erstes Beispiel der Regelung, die vom Servo-Verstärker 42 ausgeführt wird, beschrieben, bei der die Zustandsvariable &agr; (1) des geregelten Systems 10 die Beschleunigung des Endabschnitts des Roboterarms 1 ist.

Ein Modell für das geregelte System 10, dass den Roboterarm 1 enthält. Ist das Modell mit zwei Trägheiten (trägen Massen), das zuvor in Verbindung mit 22 beschrieben wurde. Dieses geregelte System kann durch die nachfolgende Statusgleichung (1) wiedergegeben werden.

In der Statusgleichung (1) bezeichnen x1, x2, x3 die Zustandsvariablen und sind x1', x2', x3' die Ableitungen der entsprechenden Zustandsvariablen. Unter Bezugnahme auf 22 sind x1 = &ohgr;M (eine Motorgeschwindigkeit) (Drehzahl), x2 = &ohgr;L (eine Armgeschwindigkeit und x3 = aL (eine Beschleunigung des Arms). Ferner ist "y" die geregelte Variable des geregelten Systems 10 (1), y = x1 = &ohgr;M. Das korrigierte Regelsignal "v" in 1 ist der Motorstrom "i" (22) der Statusgleichung (1) (d.h. v = i).

Der Aufnehmer 12 kann durch die nachfolgende Statusgleichung (2) repräsentiert werden:

In der Statusgleichung (2) sind x1", x2", x3" die geschätzten Werte (d.h. die geschätzten Zustandsvariablen) der Zustandsvariablen x1, x2, x3. x1 ~, x2 ~, x3 ~ sind deren Ableitungen. Weiterhin ist JMn der Nominalwert des Motors, JLn der Nominalwert der Trägheit eines Arms, JL, Kn der Nominalwert einer Federkonstanten K des Teils mit geringer Steifigkeit, Ktn der Nominalwert einer Konstanten Kt des Motordrehmoments und K1, K2, K3 Aufnehmerparameter. In diesem Zusammenhang ist die Beobachtertheorie (observer theory) wohl bekannt und wird deshalb nicht im Einzelnen beschrieben. Auch wenn erwartet werden kann, dass die Abschätzgenauigkeit weiter verbessert werden kann, wenn eine externe Störgröße der Zustandsvariablen aufgeschaltet wird, wird hier ein Aufnehmer ohne äußere Störsignale zur Vereinfachung der Erläuterungen verwendet.

Es ist bekannt, dass die geschätzte Zustandsvariable &agr;~ zur momentanen Zustandsvariablen x wird, wenn die Beobachterparameter K1, K2, K3 so gewählt sind, dass sie das Beobachtersystem stabilisieren. Da bei dem dargestellten Beispiel die Zustandsvariable des geregelten Systems 10 die Beschleunigung des Arms ist, wird ferner der geschätzte Wert x3 ~ der Zustandsvariablen x3, die die Armbeschleunigung aL, als Eingangssignal für den Aufnehmer 12 (1) verwendet.

In diesem Zusammenhang wird eine kurze Beschreibung der Referenzmodellregelung gegeben, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

In dem Blockdiagramm der Referenzmodellregelung, die in 3 dargestellt ist, ist die Übertragungsfunktion von einem Regelsignal "u" zu der geregelten Variablen "y" durch die folgende Gleichung (3) gegeben:

In 3 und der Gleichung (3) bedeuten "u" das Regelsignal, "y" die geregelte Variable, Gp(s) die Übertragungsfunktion des geregelten Systems 10, Gm(s) die Übertragungsfunktion des Referenzmodells 14, (1), und H(s) die Übertragungsfunktion des Kompensators 16 (1).

Wenn die Übertragungsfunktion H(s) des Kompensators 16 die inverse Funktion der Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14, d.h. H(s) = 1/Gm(s) ist, ist in Gleichung (3) die Übertragungsfunktion des Regelsignals "u" zu der geregelten Variablen "y" durch die folgende Gleichung (4) gegeben, die gleich der Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14 ist:

Ferner ist in dem Blockdiagramm der Referenzmodellregelung nach 4 eine Übertragungsfunktion von einem Steuersignal "u" zu einer geregelten Variablen "y" durch die folgende Gleichung (5) gegeben:

Wenn in diesem Zusammenhang eine ausreichend große Anstiegsfunktion als Übertragungsfunktion H(s) des Kompensators 16 angenommen wird, wird "y/u" etwa gleich der Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14, wie es sich aus Gleichung (6) ergibt:

Folglich kann das Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht werden, ganz gleich welches Regelungsreferenzmodell nach den 3 oder 4 eingesetzt wird. Das hier beschriebene Beispiel der Regelung geht von der Verwendung der Referenzmodellregelung nach 3 aus.

In dem Modell der zwei Trägheiten der in 22 dargestellten Regelung des Roboterarms wird die Übertragungsfunktion des Strombefehls "i", die durch das Regelsignal "u" (die dem Steuersignal "u" entspricht) zur Beschleunigung aL des Armendes durch die nachfolgende Gleichung (7) wiedergegeben:

Vorausgesetzt, dass die Konstante des Motordrehmoments Kt = 5 kgf cm/A, die Motordrehträgheit JM = 0,01 kfg·cm/s2, die Trägheit des Arms JL = 0.1 kgf·cm/s2 und die Federkonstante K = 200 kgf/rad ist, ergibt sich das in 5 dargestellte Bode Diagramm der Übertragungsfunktion, die durch die Gleichung (7) gegeben ist.

Wie in dem Bode Diagramm nach 5 dargestellt, ist die Reaktion der Übertragungsfunktion (7) nicht stabil. Daher wird ein Referenzmodell 14 mit einer Standardübertragungsfunktion zweiter Ordnung des Reaktionsverhaltens eingesetzt. Die Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14 wird durch die nachfolgende Gleichung (8) wiedergegeben:

In dieser Gleichung (8) bedeuten Jm die Trägheit eines Referenzmodells, Ktm ein Referenzmodell der Drehmomentkonstanten, &ohgr;n eine Resonanz der Drehfrequenz eines Modells und &zgr; eine Dämpfungskonstante.

Die Übertragungsfunktion des Kompensators 16 gibt die inverse Charakteristik, die entgegengesetzt zur Charakteristik des Referenzmodells 14 verläuft, wieder. Mit anderen Worten, die inverse Übertragungsfunktion Gm(S)–1 der Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14 wird durch die nachfolgende Gleichung (9) wiedergegeben:

Die inverse Übertragungsfunktion Gm(S)–1 nach der Gleichung (9) ist eine ungeeignete Funktion, deren Charakteristik signifikant zu einem Ableitungselement hin verschoben ist und ist daher schwer handzuhaben. Angesichts dieses Umstandes wird als Übertragungsfunktion H(s) des Kompensators 16 die durch die nachfolgende Gleichung (10) wiedergegebene verwendet:

In der Gleichung (10) bedeuten F(s) die Übertragungsfunktion eines Filters, die durch die nachfolgende Gleichung (11) wiedergegeben ist, in der &ohgr;f und &zgr;f die Filterparameter sind:

6 zeigt ein Blockschaltbild der Regelvorrichtung, die den Aufnehmer 12 einsetzt, der durch die bereits beschriebene Zustandsgleichung (2) wiedergegeben wird, vorausgesetzt, dass die Gleichung (8) als die Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14 verwendet wird und die Gleichung (10) als die Übertragungsfunktion Gm(S)–1 des Kompensators 16 zum Einsatz kommt.

Vorausgesetzt, dass die Aufnehmerparameter K1, K2, K3 so gewählt werden, dass die Poleanordnung des Aufnehmers zur Poleanordnung eines 120 Hz Butterworth-Musters unter Verwendung der nominalen Werte des geregelten Systems wird, dass, ebenso wie für das Referenzmodell 14, die Konstante des Referenzdrehmoments Ktm = 5 ist, die Trägheit des Referenzmodells Jm = 0,1, die Resonanz der Drehfrequenz &ohgr;n des Modells = 2·&pgr;·20 und die Dämpfungskonstante &zgr; = 0,7 und das für den Kompensator 16 der Filterparameter &ohgr;f = 2·&pgr;·100 Hz und der Filterparameter &zgr;f = 1 ist, erhält man das in 7 dargestellte Bode Diagramm, der Übertragungsfunktion vom Strombefehl "i'" als das Steuersignal "u" (i' = u) für die Beschleunigung "aL" des Arms als die geregelte Variable aus dem Blockschaltbild nach 6. Man beachte, wie dies in 6 dargestellt ist, dass der durch den Kompensator 16 festgestellte Kompensationswert ein Kompensationsstrom (oder ein Kompensationsdrehmoment) &tgr; ist, und ein revidierter Strombefehl "i" durch Subtraktion des Kompensationsstroms &tgr; des Strombefehls "i" als das korrigierte Steuersignal "v" (i = v) verwendet wird.

Wie sich klar aus 7 ergibt, ist das geregelte System deutlich stabilisiert.

Durch Verwendung der Übertragungsfunktion des Strombefehls i' (= u) zur Beschleunigung des Arms aL (die geregelte Variable) (Regelgröße) als neues geregeltes System 10 wird ein Servo-Kreis zur Sicherstellung der Reaktion der Beschleunigung des Armendes auf den Beschleunigungsbefehl gewonnen. Aus Gründen der Einfachheit der Erläuterung ist in 1 ein Servo-System vom Typ 1 dargestellt. Die Übertragungsfunktion dieses Servo-Systems ist durch die nachfolgende Gleichung (12) gegeben. In 8 und der Gleichung (12) ist aR ein Beschleunigungsbefehl und Ka ist der Anstieg des Beschleunigungskreises:

In der Gleichung 12 ist unter der Bedingung, dass Ka = Jm/(T·Ktm) ist, die Übertragungsfunktion durch die folgende Gleichung 13 gegeben:

Auf diese Weise ist die Übertragungsfunktion die Antwort (Reaktion) der ersten Ordnung auf eine Zeitkonstante T(s) und als Ergebnis hiervon kann ein Beschleunigungsregelkreis mit einem ausgezeichneten Reaktionsverhalten frei von bleibenden Regelabweichungen, was zu keinen Schwingungen führt, gewonnen werden.

Ein System, das den obigen Beschleunigungsregelkreis aufweist, der neben dem Regelkreis des Referenzmodells nach 6 vorgesehen ist, ist in 9 als Blockschaltbild dargestellt.

10 zeigt das Bode Diagramm der Übertragungsfunktion des Beschleunigungsbefehls aR zur Beschleunigung des Arms aL im Blockschaltbild nach 9, das darin den Beschleunigungsregelkreis verwirklicht. In diesem Fall ist der Anstieg Ka des Beschleunigungskreises so gewählt, dass er Ka = Jm/Ktm(1/2/&pgr;/10).

Wie in 10 dargestellt, ist ein extrem stabiles Regelverhalten erzielt. In diesem Zusammenhang gilt, dass, wenn nur der Aufnehmer 12 an die Charakteristiken des geregelten System 10 angepasst ist, es möglich ist, das Referenzmodell 14, den Kompensator 16 und den Beschleunigungskreisanstieg in vielseitiger Weise zu nutzen, unabhängig von den Charakteristiken des geregelten Systems 10.

11 zeigt ein Blockschaltbild des Gesamtaufbaus des ersten Beispiels der Regelung des Roboterarms, bei dem Stellung/Lage- und Geschwindigkeitsregelkreise zu dem Blockschaltbild nach 9 hinzugefügt worden sind. 12 zeigt das Bode Diagramm der Übertragungsfunktion des Lagebefehls &thgr;R zur Lage &thgr;L des Armendes, die durch zweifache Integration der Beschleunigung aL des Arms in dem Blockdiagramm von 11 gewonnen wurde. Zum Zwecke des Vergleichs zeigt 11 das Bode Diagramm der Übertragungsfunktion des Lagebefehls &thgr;R zur Lage &thgr;L des Armendes im halbgeschlossenen Regelkreis der 23. In den 12 und 13 beträgt die Bandbreite des Stellung/Lageregelkreises 2 Hz und die Bandbreite eines Geschwindigkeitsregelkreises beträgt 5 Hz (da die Resonanzfrequenz der Maschine 7 Hz beträgt).

Wie sich aufgrund eines Vergleichs zwischen den 12 und 13 erkennen lässt, kann eine stabile Regelung aufgrund der vorliegenden Erfindung erzielt werden.

In dieser Hinsicht ist einerseits das Ansprechen der Lage &thgr;L des Armendes in einem Fall, in dem eine schrittweise Eingabe durch den Lagebefehl &thgr;R erfolgt, in 14A dargestellt. Andererseits ist das Ansprechverhalten auf eine schrittweise Eingabe in dem halbgeschlossenen Regelkreis der 23 in 14B dargestellt. Es lässt sich aus dem Vergleich zwischen den 14A und 14B herleiten, dass Vibrationen in dem bekannten halbgeschlossenen Regelkreis auftreten, dass aber nach der vorliegenden Erfindung keine Vibrationen entstehen und eine stabile Regelung erzielt ist.

Nachfolgend wird ein zweites Beispiel der Regelung erläutert, die durch einen Servo-Verstärker 42 (2) ausgeführt wird, worin die Zustandsvariable &agr; (1) des geregelten Systems 10 die Geschwindigkeit des Endabschnittes des Roboterarms 1 ist (2). Für das geregelte System 10, das den Roboterarm 1 aufweist, ist eine Übertragungsfunktion vom Strombefehl "i" zur Geschwindigkeit &ohgr;L des Armendes durch die nachfolgende Gleichung (14) gegeben:

Folglich ist die Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14 durch die folgende Gleichung (15) gegeben:

Die relative Ordnung der Übertragungsfunktion Gm(s) des oben genannten Referenzmodells 14 beträgt drei, so dass die Übertragungsfunktion H(s) des Kompensators 16, die durch die folgende Gleichung (16) gegeben ist, angewendet wird:

Die Filterparameter "a1" bis "a3" in der Gleichung 16 sind so gewählt, dass sie das System stabilisieren. Der hier verwendete Aufnehmer 12 (1) ist der gleiche der in dem ersten Beispiel eingesetzt wird und die der geschätzten Armgeschwindigkeit &ohgr;L ~ entsprechende geschätzte Zustandsvariablen x2 ~ wird als Ausgangssignal des Aufnehmers verwendet, die mit dem Ausgangssignal des Referenzmodells 14 zu vergleichen ist.

In diesem Zusammenhang gilt, wenn die Eigenwinkelgeschwindigkeit &ohgr;n des Referenzmodells 14 ausreichend höher als die Ansprechgeschwindigkeit des Geschwindigkeitsregelkreises ist, eine Übertragungsfunktion, die durch die folgende Gleichung (17) gegeben ist, als das geregelte System 10 verwendet werden kann, wenn der Geschwindigkeitsregelkreis folgende Ausgestaltung hat:

Unter der Bedingung, dass das geregelte System die obige Übertragungsfunktion G(s) hat, wird der Geschwindigkeitsregelungszuwachs unter Verwendung eines vereinfachten Modells bestimmt, das durch das Blockschaltbild der 15 wiedergegeben ist. In diesem Zusammenhang ist &ohgr;R ein Geschwindigkeitsregelbefehl und Kv ein Geschwindigkeitsregelkreisanstieg.

Die Übertragungsfunktion des vereinfachten Modells der 15 ist durch die folgende Gleichung (18) gegeben:

Die Übertragungsfunktion der Gleichung (18) wird, wenn der Anstieg Kv = Jm/(Ktm·T) als folgende Gleichung (19) neu geschrieben ist, zu einem stabilen Verhalten ohne Schwingung in einer Zeitkonstanten T(s) führen:

16 zeigt ein Blockschaltbild des Geschwindigkeitsregelbefehls &ohgr;R zur Geschwindigkeit &ohgr;L des Armendes in dem Fall, dass die Zustandsvariable des geregelten Systems 10 die Geschwindigkeit des Armendes &ohgr;L ist. 17 zeigt einen Aufbau, in welchen ein Lageregelkreis in das Blockschaltbild von 16 aufgenommen ist.

18 zeigt das Verhalten der Geschwindigkeit des Armendes in dem Fall, in dem eine schrittweise Eingabe durch den Lageregelbefehl &thgr;R in dem Regelsystem der 17 vorgenommen wird, das darin den Lageregelkreis enthält. Man entnimmt der Figur, dass ein stabiles Regelsystem frei von Vibrationen erzielt werden kann.

In dem zuvor gegebenen zweiten Beispiel werden die gleichen Werte wie sie in dem ersten Beispiel verwendet worden sind, für das geregelte System 10, den Aufnehmer 12 und die Standardparameter Ktm und Jm der zweiten Ordnung in dem Referenzmodell 14 verwendet. Ferner werden die Filterparameter a1 bis a3 so gewählt, dass sie die sich aus der folgenden Gleichung (20) ergebende Bedingung erfüllen, in der &dgr; = 1/&ohgr;f und &ohgr;f = 2·&pgr;·100 [Hz] sind. Ferner beträgt der Geschwindigkeitsregelungszuwachs Kv = Jm/Ktm/(1/2/&pgr;/5 [Hz] ) und der Lageregelungszuwachs Kp = 2·&pgr;·[Hz). a3·s3 + a2·s2 + a1·s + 1 = 0.15&dgr;3·s3 + 0.5&dgr;2·s2 + &dgr;·s + 1(20)

Nachfolgend wird nun ein drittes Beispiel der Regelung beschrieben, das von dem Servo-Verstärker 42, siehe 2, ausgeführt wird, bei dem die Zustandsvariable &agr;, siehe 1, des geregelten Systems 10 die Stellung bzw. Lage des Endabschnitts des Roboterarms 1, siehe 2, ist.

In diesem Zusammenhang gilt, wenn die Beschleunigung des Armendes in die Zustandsvariable eingeht, das kontrollierte System 10 durch die folgende Statusgleichung (21) beschrieben ist, in der eine Zustandsvariable x1 eine Motorgeschwindigkeit (Drehzahl) &ohgr;M ist, und x2 eine Motorstellung &thgr;M, x3 eine Armgeschwindigkeit &ohgr;L und x4 eine Armstellung &thgr;L bedeuten. Um die Beobachtbarkeit zu erhöhen, ist die Motorstellung x2 (= &thgr;M) als die geregelte Variable "y" verwendet.

Der Aufnehmer 12, siehe 1, ist durch die folgende Gleichung (22) wiedergegeben:

In der Statusgleichung (22) sind x1", x2", x3", x4" die geschätzten Werte der Zustandsvariablen x1, x2, x3, x4 und sind x1 ~, x2 ~, x3 ~, x4 ~ deren Ableitungen. Ferner bedeuten JMn den Nominalwert der Trägheit JM des Motors, JLn der Nominalwert der Trägheit JL des Arms, Kn der Nominalwert einer Fehlerkonstanten K des Teils mit geringer Steifigkeit, Ktn der Nominalwert der Konstanten Kt des Motordrehmoments und K1, K2, K3, K4 Parameter des Aufnehmers.

Die Übertragungsfunktion des Stromsteuerbefehls "i" führt das geregelte System 10 zur Stellung &thgr;L des Armendes ist durch die folgende Gleichung (23) gegeben:

Folglich ist die Übertragungsfunktion Gm(s) des Referenzmodells 14 durch die folgende Gleichung (24) gegeben:

Die relative Ordnung der Übertragungsfunktion Gm(s) des obigen Referenzmodells 14 beträgt vier, so dass die durch die folgende Gleichung (25) angewendete Übertragungsfunktion H(s) des Kompensators 16 verwendet wird. Die Filterparameter des Kompensators 16 werden so gewählt, dass das System stabilisiert wird.

In diesem Zusammenhang gilt, wenn die Eigenwinkelfrequenz &ohgr;n des Referenzmodells 14 ausreichend höher als die Reaktionsfrequenz eines Lageregelkreises ist, eine Übertragungsfunktion, die durch die folgende Gleichung (26) gegeben ist, als das geregelte System 10 verwendet werden kann, wenn der Lageregelkreis entworfen wird.

Wenn das geregelte System 10 die oben genannte Übertragungsfunktion G(s) erfüllt, wird ein Lageregelungszuwachs unter Verwendung eines vereinfachten Modells bestimmt, das durch das Blockschaltbild der 19 wiedergegeben ist (ein P-D Regler wird zur Erleichterung der Stabilisation eine Übertragungsfunktion des Regelkreises verwendet). Hierbei ist &thgr;R der Lage-Regelbefehl Kp1 ein proportionaler Anstieg des Lageregelkreises und Kp2 ein Zuwachs der Ableitung des Lageregelkreises.

Die Übertragungsfunktion des vereinfachten Modells nach 19 wird durch die folgende Gleichung (27) gegeben:

Wenn der proportionale Zuwachs Kp1 des Lageregelkreises wie durch die Gleichung (28) und der Zuwachs Kp2 des Lagekreises wie durch die dargestellten Gleichung (29) wiedergegeben bestimmt wird, wird die Übertragungsfunktion in der Gleichung (27) umgeschrieben als folgende Gleichung (30), die zu einem gewissen stabilen Verhalten führt. In den Gleichungen (28 bis 30) ist &ohgr;c die Winkeleigenfrequenz des Verhaltens der Lageregelung und &zgr;c ist eine Dämpfungskonstante.

20 zeigt ein Blockschaltbild vom Lageregelbefehl &thgr;R der Stellung &thgr;L des Armendes für den Fall, dass die Zustandsvariable des geregelten Systems 10 die Stellung/Lage &thgr;L des Armendes ist.

Es ergibt sich aus der zuvor gegebenen Beschreibung deutlich, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, dass geregelte System so zu regeln wie angewiesen und ein stabiles Verhalten frei von jeglichen Vibrationen sicherzustellen. Es ist ebenfalls möglich, das Reaktionsverhalten des geregelten Systems dem des Reaktionsverhaltens des Referenzmodells anzugleichen und dadurch einen Regelkreis unter Berücksichtigung des Referenzmodells als des geregelten Systems zu entwerfen, der es möglich macht, den Zuwachs bzw. Anstieg leicht vorauszubestimmen und anzupassen. Ferner besteht keine Notwendigkeit, einen Vibrationsdetektor unmittelbar auf dem geregelten System anzubringen, so dass die vorliegende Erfindung besonders wirksam hinsichtlich der Regelung eines Roboterarms ist, indem der Endabschnitt des Roboterarms üblicherweise nicht mit einem Sensor versehen ist.


Anspruch[de]
Regelvorrichtung, die umfasst:

einen Zustandsvariabelen-Abschätrabschnitt (12) zum Abschätzen einer Zustandsvariablen (&agr;) eines geregelten Systems (10) in einer Maschine und zum Ausgeben einer geschätzten Zustandsvariablen (&agr;~);

ein Referenzmodell (14) zum Ausgeben einer ideal geregelten Variablen (&agr;*) für das geregelte System;

einen Kompensator (16) zum Berechnen eines Kompensationswerts für das Korrigieren eines Regelsignals (u) für das geregelte System auf der Grundlage einer Differenz zwischen der geschätzten Zustandsvariablen (&agr;~) und der ideal geregelten Variablen (&agr;*), und

einen Regelabschnitt (18) zum Ermitteln des Regelsignals (u) auf der Grundlage einer Abweichung zwischen einem Soll-Regelwert (&agr;R) und entweder der geschätzten Zustandsvariablen (&agr;~) oder der ideal geregelten Variablen (&agr;*),

in der ein korrigiertes Regelsignal (v), das durch Korrigieren des durch den Regelabschnitt ermittelten Regelsignals (u) unter Verwendung des durch den Kompensator errechneten Kompensationswerts erhalten wurde, in das geregelte System ebenso wie in den Abschätrabschnitt für die Zustandsvariable und das Referenzmodell eingegeben wird.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Zustandsvariable die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder die Stellung/Lage umfasst, und der Kompensationswert einen Kompensationsstrom oder ein Kompensationsdrehmoment einschließt. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das geregelte System ein System mit zwei Trägheiten umfasst und bei dem die Zustandsvariable die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder die Stellung eines Lastteils in dem geregelten System einschließt. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Übertragungsfunktion des Kompensators eine inverse Charakteristik hat, die entgegengesetzt zu einer Charakteristik einer Übertragungsfunktion des Referenzmodells verläuft. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Übertragungsfunktion des Kompensators ein Filter umfasst, das in die inverse Charakteristik eingefügt ist. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Maschine einen Roboter umfasst.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com