CN101025615A - 伺服电动机控制器 - Google Patents

Abstract

一种伺服电动机的控制器，能够通过切换位置指令等的校正模式而改进定位精度和加工表面的质量，并减小切换时的冲击。校正量生成部根据诸如机器温度的校正因子的值获得校正量。当外部信号为ON状态时，根据校正量生成部生成并通过开关发送的校正量校正位置指令等。校正量保持部保持校正量生成部获得的校正量。当外部信号变为OFF状态时，改变开关的连接使得根据校正量保持部保持的校正量进行校正。当改变开关的连接时，校正量不会快速改变，从而机床不会受到冲击。在定位中，外部信号变为ON状态，从而通过以校正量生成部发送的校正量进行校正来精确定位。当需要高质量加工表面时，外部信号变为OFF状态使得校正量不会改变以获得加工表面质量的改进。

Description

伺服电动机控制器

技术领域

本发明涉及一种用于伺服电动机的控制器，所述伺服电动机用于作为诸如机床的机器的可移动部件的驱动源，以便控制机器的可移动部件的位置和/或速度。

背景技术

在机床中，伺服电动机用作移动诸如工具或安装有工件的工作台的可移动部件的馈送轴的驱动源，从而通过控制伺服电动机的位置和速度来驱动馈送轴，将工件加工成加工程序等指定的形状。

对于这种伺服电动机的控制，已知一种方法，其中校正位置指令或者速度指令从而可以以高精度将工件加工成指定形状。当持续使用机床时，机床由电动机等生成的热量所加热并受到热变形。伺服电动机通过诸如滚珠螺杆/螺母机构的馈送机构等驱动可移动部件。因此，如果馈送机构受到热位移，那么由于该热位移，即使根据加工程序正确地驱动伺服电动机，也不能获得想要的形状，或者，换而言之，加工精度降低了。已知一种用于防止该问题的方法，其中通过温度传感器等检测机床温度等的，并基于检测的温度来校正位置指令、位置偏差、速度指令之类，从而以高精度进行加工。

在同步控制方法中，通过两个同步的伺服电动机驱动一个目标，由于机器的热膨胀之类而在每个电动机中都产生应力。已知一种想要减小这种应力的发明，其中根据输出到每个伺服电动机的电流指令(转矩指令)或者施加到每个伺服电动机的实际电流获得位置-偏差校正量，从而校正位置偏差，即指令指定的位置和位置反馈量之间的差异(参见JP2004-288164A)。

本申请的一些发明人开发了一种意图抑制驱动目标的振荡的控制器，其中通过设置检测驱动目标的加速度的加速度传感器并且根据加速度传感器检测的加速度校正位置指令、位置偏差、速度指令等，抑制了驱动目标的振荡，并且提交了日本专利申请No.2004-341770，公开为JP2006-158026A。

在机床中，当用于校正位置指令、位置偏差或速度指令的校正量在加工中变化时，这种变化引起伺服电动机位置的波动并导致加工工件表面质量的下降。此外，如果不进行位置指令、位置偏差或速度指令的校正，目标的位置将由于上述的热位移等变得与指令所指定的位置不同，这将导致更大的定位误差。

此外，当如上述通过多于一个伺服电动机驱动一个目标时，如果不进行位置指令、位置偏差或速度指令的校正，在每个伺服电动机中将产生应力，或者换而言之，施加到每个伺服电动机上的力增加了。

发明内容

本发明提供一种控制器，能够根据条件和场合选择性地切换执行/不执行位置指令、位置偏差或速度指令的校正。本发明还提供了一种控制器，能够减小取决于校正开始或结束时校正量是否为零的位置指令或速度指令的变化所引起的冲击(shock)。

本发明的控制器控制使用位置指令、位置偏差和速度指令驱动控制目标的伺服电动机。根据本发明的一方面，控制器包括：检测装置，用于检测控制目标的波动因子的幅度；校正装置，用于在伺服电动机的控制中基于所述检测装置检测到的波动因子的幅度确定用于校正位置指令、位置偏差和速度指令中的一个的校正量，并根据校正量进行校正；切换装置，用于根据外部信号选择性地切换执行/不执行所述校正装置的校正。通过此配置，可以在以下两者之间进行切换：考虑到精确和快速定位时进行位置指令、位置偏差和速度指令中的一个的校正，和考虑到加工表面质量时不进行校正，从而不改变位置指令、位置偏差或速度指令。

根据本发明的另一方面，控制器包括：检测装置，用于检测控制目标的波动因子的幅度；校正装置，用于根据校正量校正位置指令、位置偏差和速度指令中的一个；确定装置，用于在伺服电动机的控制中基于所述检测装置检测到的波动因子的幅度确定和更新校正量；切换装置，用于根据外部信号选择性地中止/恢复所述确定装置对校正量的更新。通过此配置，可以在以下两者之间进行切换：考虑到精确和快速定位时通过根据波动因子更新的校正量对位置指令、位置偏差和速度指令中的一个进行校正，和考虑到加工表面质量而中止校正量的更新而以固定的校正量进行校正，从而在切换中避免校正量的急剧变化以不对机床产生冲击。

确定装置可以包括校正量保持部，用于保持正好在校正量的更新被中止之前的校正量的值，并且校正装置可以在校正量的更新中止时使用校正量保持部所保持的校正量的值进行校正。

当校正量的更新恢复时，确定装置可以确定使用校正量保持部保持的校正量的值继续改变校正量。

确定装置可以包括具有滤波器的校正量生成部，并且当校正量的更新恢复时，可以使用校正量保持部保持的校正量的值作为滤波器的初始输出值，从而校正量继续改变。

控制器可以用于同步控制多个伺服电动机。在此情况中，检测装置可以包括用于监测伺服电动机的转矩的监测装置，并且所述确定装置可以基于所监测的转矩之间的差异确定校正量。

控制器可以用于同步控制两个伺服电动机。在此情况中，所述监测装置可以监测两个伺服电动机的电流指令，并且所述确定装置可以基于所监测的电流指令之间的差异确定校正量。

由于根据外部信号进行根据基于控制目标的波动因子确定的校正量的、位置指令、位置偏差或速度指令的校正的执行和不执行之间的切换，或者进行以更新的校正量执行校正和以固定的校正量执行校正之间的切换，可以根据条件和场合选择进行精确和快速定位的控制和防止校正量的变化可能引起的加工表面的质量下降的控制。

附图说明

图1为示出本发明第一实施例的示意框图；

图2为示出在执行和不执行校正之间进行切换时校正量如何变化的图示；

图3为示出本发明第一实施例中进行校正模式之间的切换时校正量如何变化的图示；

图4a和4b示出了本发明的实施例中的校正量生成部的细节以及如何进行校正量之间的切换；

图5为示出本发明的实施例中输出校正量的算法的流程图；

图6为示出本发明第二实施例的示意框图；

图7为示出第二实施例中如何根据电流指令的差异获得校正量的示意框图。

具体实施方式

图1为示出本发明第一实施例的示意框图。

如同现有的伺服电动机控制器，伺服电动机控制器1具有位置控制部10，速度控制部11和电流控制部12，并且作为与本发明相关的部件，还具有校正量生成部15，校正量保持部16，以关联的方式工作的选择器开关17a、17b，和系数部18。

在位置控制部10中，如下获得速度指令：通过对来自诸如设置在伺服电动机M上的脉冲编码器的速度检测器的速度反馈进行积分的积分装置13获得位置反馈；然后，通过从诸如数值控制器的主机控制器输出的位置指令中减去位置反馈的减法器20获得位置偏差；然后，通过将位置偏差乘以引用编号14代表的位置增益Kp，得到速度指令。在速度控制部11中，通过从得到的速度指令中减去速度反馈的减法器21得到速度偏差，通过根据获得的速度偏差执行速度控制程序而得到电流指令(转矩指令)。在电流控制部中，通过根据获得的电流指令(转矩指令)进行电流反馈控制来驱动伺服电动机M，与现有技术方式相同。

对伺服电动机M的控制，包括上述的位置、速度和电流反馈控制，与现有伺服电动机控制器中的相同。而且，控制程序由处理器执行，在此方面，本发明实施例与现有伺服电动机控制器没有不同。

本实施例具有校正量生成部15，用于生成校正位置指令、位置偏差或速度指令的校正量；校正量保持部16，用于保持生成的校正量；以关联的方式工作的选择器开关17a、17b，用于在校正量生成部15发送的校正量和校正量保持部16发送的校正量之间选择；以及系数部18，用于将选择器开关17a选择的校正量乘以系数k，从而获得进行校正的目标适用的校正量。

系数部根据是否由将校正量增加到位置指令的加法器19，或者由将校正量增加到位置偏差的加法器21，或者由将校正量增加到速度指令的加法器22执行校正，将选择器开关17a选择的来自校正量生成部1 5的校正量或者来自校正量保持部16的校正量乘以不同的系数k。尽管图1中设置了加法器19、21和22，也可以只设置其中一个加法器来校正位置指令、位置偏差或速度指令。

校正量生成部15检测诸如机器的要控制的目标的波动因子的值，并根据检测的波动因子的值获得校正位置指令、位置偏差和速度指令中任何一个的校正量。例如，为了防止由于诸如滚珠螺杆/螺母机构的传动机构的热膨胀引起的伺服电动机驱动的可移动部件的位置误差的增加，校正量生成部根据来自诸如检测机器温度的温度传感器的传感器的信号获得校正量。当选择器开关17a位于选择校正量生成部15的输出的位置时，校正量保持部16通过存储校正量生成部15生成并随后通过选择器开关17b发送的校正量来更新存储的校正量。当选择器开关17a选择校正量保持部16时，打开选择器开关17b，从而校正量保持部16停止校正量的更新并保持选择器开关17a、17b的连接改变时的校正量。

在车床中，应当注重的项目根据操作状态而改变，从而应当注重定位伺服电动机驱动的目标(诸如工件或工具)的精确度的提高，或者应当注重加工表面质量的改进。例如，当意图通过考虑机床组件(例如滚珠螺杆/螺母机构的馈送轴)的热膨胀而以高精度定位目标时，通过检测机器温度、根据检测的温度获得位置指令或位置偏差的校正量并对位置指令或位置偏差进行校正而获得考虑了机器的热膨胀的高度精确定位。

同时，在工件的加工中，校正量随着检测的温度的波动而改变，使得使用变化的校正量校正的位置指令或位置偏差也改变，这导致加工表面的精度的降低。在此情况下，如果不进行校正，位置指令或位置偏差不会因校正而变化，从而可以保持加工表面的质量。

进而，在检测目标的加速度来根据检测的加速度校正位置指令、位置偏差或速度指令的情况下，如果定位时，根据检测的加速度进行校正，可以抑制振动的产生并快速实现定位。同时，在加工中，如果使用根据检测的加速度获得校正量进行校正，则加工表面的质量下降。在此情况中，较佳的是根据机床的操作状态在进行和不进行校正之间切换。

因此，本实施例设置为根据外部信号2，取决于机器的操作状态，在使用由校正量生成部15获得的变化的校正量进行校正和使用存储在校正量保持部16中的固定的校正量进行校正之间切换。可以设置为，根据机器的操作状态，即根据是否应注重定位之类或者加工表面的质量，而简单的在进行和不进行校正之间切换。但是，本实施例还希望减小切换时校正量的变化，以防止在进行和不进行校正之间切换时机器受到冲击。

在进行和不进行校正之间切换时，当开始或停止校正时位置指令或位置偏差可能改变非常大，这可能导致伺服电动机M的快速移动并对机器造成冲击。因此，在本实施例中，取决于于机器的操作状态，根据外部信号2，改变选择器开关17a和17b的连接以选择校正量生成部15的输出或者校正量保持部16的输出，作为校正量。在少量情况中，当设置为简单的在进行校正和不进行校正之间切换时，不需要设置图1中的校正量保持部16。

图2和3中的每个示出了根据外部信号2进行连接模式之间的切换时校正量如何改变的例子。具体的，图2示出了在使用由校正量生成部15生成的校正量进行校正和不进行校正之间进行切换的例子。图3示出了如图1所示在校正量生成部15发送的校正量和校正量保持部16发送的校正量之间进行切换的例子。

如图2所示，在进行和不进行校正之间切换时，如果就在切换到不进行校正之前校正量很大，位置指令之类改变很大。进而，如果在切换到进行校正以恢复使用校正量生成部15生成的校正量进行校正时，校正量生成部15生成的校正量很大，那么校正量由“0”变为这个很大的值，从而位置指令之类改变很大，这可能对机器造成冲击。同时，如果在进行和不进行校正之间切换时校正量生成部15生成的校正量很小，则对机器的冲击很小。因此，在校正量不取很大值(图2中，切换时校正量的改变较小)的机器中，可以通过不设置校正量保持部16而在进行和不进行校正之间切换来进行控制。

同时，如图1所示，当在使用来自校正量生成部15的校正量进行校正和使用来自校正量保持部16的校正量进行校正之间切换时，如图3所示，切换时校正量不会改变很大，从而机床不会受到冲击。当外部信号2变为OFF状态从而切换到使用来自校正量保持部16的校正量进行校正时，校正量保持部16保持正好在外部信号变为OFF状态之前的校正量。因此，校正量在切换时不改变，而使用校正量保持部16保持的固定的校正量进行校正。当外部信号2变为ON状态从而切换到使用校正量生成部15生成的校正量进行校正时，由于校正量生成部15使用如下所述的滤波器生成校正量，因此校正量不会快速改变。

图4a和4b示出了校正量生成部15以及根据外部信号2在校正量之间切换的细节。校正量生成部15包括数字滤波器15a和延迟元件15b。如图4a所示，当外部信号2处于OFF状态时，选择器开关17a选择校正量保持部16存储的校正量，而选择器开关17b阻止校正量进入校正量保持部16。

同时，如图4b所示，当外部信号2变为ON状态时，改变选择器开关17a的连接来选择校正量生成部15的输出，改变选择器开关17b的连接来允许校正量生成部15生成的校正量进入校正量保持部16。

在校正量生成部15中，当外部信号2变为ON状态时，通过处理来自传感器的信号的滤波器15a，使用存储在延迟元件15b中的最后一个周期的校正量作为初始值而获得校正量。由此，可以将切换时校正量的改变保持为很小。如图4b所示，滤波器的输出通过选择器开关17a发送到系数部，在系数部中将它乘以根据进行校正的目标设定的系数k，以生成并输出最终校正量。校正量生成部15的输出(滤波器15a的输出)也通过选择器开关17b发送到校正量保持部16。

每次输入新的校正量时，校正量保持部16通过存储新的校正量代替之前的校正量而更新所存储的校正量。如图4a所示，当外部信号2变为OFF状态时，设置为以关联方式工作的选择器开关17a、17b的连接改变，使得存储在校正量保持部16中的校正量输出。

外部信号2可以是根据加工程序等由诸如数字控制器的主机控制器输出的信号、手动输入的信号、或者从程序装置等输出的信号。

图5示出了输出校正量的程序，该程序由伺服电动机1的处理器与位置和速度反馈程序并行的执行。

首先，确定外部信号是否为1(ON)(步骤S1)。如果外部信号不是ON，将寄存器A中存储的校正量乘以系数k并作为用于进行校正的目标的校正量输出(步骤S4)，由此校正量输出程序结束。根据这样输出的校正量，如上所述地校正位置指令、位置偏差或者速度指令，执行位置和速度输出程序。

如果外部信号为1(ON)，则通过基于来自传感器的信号执行校正量计算程序，使用存储在寄存器A中的校正量作为初始值计算校正量(步骤S2)。所获得的校正量存储在寄存器A中(步骤S3)，然后在步骤S4，将存储在寄存器A中的校正量乘以系数k并作为最终的校正量输出，由此校正量输出程序的当前周期结束。

如图5的流程图所示，当外部信号为“1”时，更新存储在寄存器A中的校正量，当外部信号不为“1”时，不更新存储在寄存器A中的校正量而保持其值。

对于图2所示外部信号为OFF而不执行校正的情况，图5的程序只需要在以下方面改变：当外部信号不是“1”时，将“0”放入到寄存器A中，而其他保持不变；进而，当外部信号不是“1”时，校正量输出程序结束而不输出校正量。当外部信号是“1”时，在步骤S2通过根据来自传感器的信号执行校正量计算程序得到校正量，而不使用存储在寄存器A中的校正量作为初始值。所获得的校正量存储在寄存器A中，将存储在寄存器A中的校正量乘以系数k并作为最终的校正量输出。

图6为示出了本发明第二实施例的示意框图。

第二实施例是设计为进行串联式(tandem)控制的控制器的实施例，其中由同步控制下的两个伺服电动机Ma，Mb驱动一个目标3。

此处设置为两个伺服电动机Ma，Mb驱动一个目标3。作为分别驱动控制伺服电动机Ma，Mb的装置，设置了位置控制部10a、10b，速度控制部11a、11b和电流控制部12a、12b。根据诸如数值控制器的主机控制器所输出的移动指令和来自每个伺服电动机Ma，Mb上的位置检测器或者来自检测目标3位置的位置检测器的位置反馈，每个位置控制部10a、10b都通过图1所示的位置反馈控制发送出速度指令。应当指出，从主机控制器输出了相同的位置指令到控制部10a和10b。

根据每个的速度指令和来自设置在每个伺服电动机Ma，Mb上的速度检测器的速度反馈，每个速度控制部11a、11b通过速度反馈控制获得电流指令(转矩命令)。根据每个的电流指令(转矩命令)和来自检测每个伺服电动机Ma，Mb的驱动电流的电流检测器的电流反馈，电流控制部12a、12b通过电流反馈控制分别驱动伺服电动机Ma，Mb移动目标3。

与第一实施例相同，本实施例还具有校正量生成部15，校正量保持部16，选择器开关17a、17b，和系数部18。对每个伺服电动机Ma，Mb，都设置转矩监测装置。通过转矩监测装置所监测的伺服电动机的输出转矩之间的差异获得校正量，并且如同第一实施例那样，校正控制伺服电动机Ma，Mb的控制部的位置指令、位置偏差或速度指令。在此方面，本实施例类似于第一实施例。具体的，当外部信号2为ON(“1”)从而选择器开关17a连接到校正量生成部15时，校正量生成部15根据转矩监测装置所监测的伺服电动机Ma，Mb的输出转矩之间的差异获得校正量。系数部18将该校正量乘以设定的系数k，并使用得到的值校正位置指令、位置偏差或速度指令。校正量生成部15生成的校正量存储在校正量保持部16中。

当外部信号2为OFF(“0”)时，选择器开关17a连接到校正量保持部16，从而系数部18将存储在校正量保持部16中的校正量乘以系数k，并使用得到的值校正位置指令、位置偏差或速度指令。选择器开关17b打开以使存储在校正量保持部16中的校正量不被更新。

校正控制与第一实施例的相同，本实施例的校正量输出程序与图5所示第一实施例的相同。

控制伺服电动机Ma，Mb的控制部根据这样校正的位置指令、位置偏差或速度指令进行位置反馈控制和速度反馈控制。

转矩监测装置所监测的伺服电动机Ma，Mb的输出转矩可以通过向每个伺服电动机Ma，Mb设置转矩检测装置来检测。或者，可以以电流控制部12a，12b在电流反馈控制中使用的实际电流值(电流检测器检测的实际驱动电流)的形式获得输出转矩，或者以作为速度控制部11a、11b的输出的电流指令(转矩指令)的形式获得输出转矩。根据检测的转矩(实际检测的转矩，驱动电流，电流命令)之间的差异，校正量生成部15生成校正量。

图7示出了根据速度控制部11a、11b生成的电流指令(转矩指令)之间的差异获得校正量的例子。

在由同步控制下的多个伺服电动机驱动一个目标的串联式控制中(图6和7所示的第二实施例所涉及的)，由于机器等的热膨胀，伺服电动机的移动中的位置变得稍微不一致，使得电动互相拉动，从而每个电动机中都产生应力。通过监测两个伺服电动机Ma，Mb的转矩，并如同第二实施例中那样使用根据转矩之间的差异获得的校正量校正位置指令、位置偏差或速度指令，可以减小伺服电动机Ma，Mb中产生的应力，换句话说，可以减小施加在伺服电动机Ma，Mb上的负荷。

如果总是执行这样的位置校正之类的，位置指令之类将总是改变，从而移动路径改变，这导致加工工件表面质量的下降。因此，在第二实施例中，根据外部信号2，可以在使用由校正量生成部15生成的校正量进行校正(即使用变化的校正量进行校正)和使用校正量保持部16保持的固定的校正量进行校正之间切换。具体地，当为了高加工质量等需要移动路径的精确时，校正量保持恒定，当不特别需要为了高加工质量等的移动路径的精确时(例如，目标为了定位而移动)，使用校正量生成部15生成的变化的校正量进行校正以防止在伺服电动机Ma，Mb上施加的力增大。

当在根据外部信号在执行和不执行校正之间切换时对机床的冲击可忽略的小的情况下，也可以修改第二实施例，从而不设置校正量保持部16，并且当外部信号为OFF时，将校正量设为“0”而不进行校正。

Claims (9)

1.一种控制伺服电动机的控制器，所述伺服电动机使用位置指令、位置偏差和速度指令驱动控制目标，所述控制器包括：

检测装置，用于检测控制目标的波动因子的幅度；

校正装置，用于在伺服电动机的控制中基于所述检测装置检测到的波动因子的幅度确定用于校正位置指令、位置偏差和速度指令中的一个的校正量，并根据校正量进行校正；

切换装置，用于根据外部信号选择性地切换执行/不执行所述校正装置的校正。

2.根据权利要求1所述的控制伺服电动机的控制器，其中所述控制器用于同步控制多个伺服电动机，所述校正装置包括用于监测各个伺服电动机的转矩的监测装置，并且基于所监测的转矩之间的差异确定校正量。

3.根据权利要求2所述的控制伺服电动机的控制器，其中所述控制器用于同步控制两个伺服电动机，所述监测装置监测两个伺服电动机的电流指令，并且所述校正装置基于所监测的电流指令之间的差异确定校正量。

4.一种控制伺服电动机的控制器，所述伺服电动机使用位置指令、位置偏差和速度指令驱动控制目标，所述控制器包括：

检测装置，用于检测控制目标的波动因子的幅度；

校正装置，用于根据校正量校正位置指令、位置偏差和速度指令中的一个；

确定装置，用于在伺服电动机的控制中基于所述检测装置检测到的波动因子的幅度确定和更新校正量；

切换装置，用于根据外部信号选择性地中止/恢复所述确定装置对校正量的更新。

5.根据权利要求4所述的控制伺服电动机的控制器，其中所述确定装置包括校正量保持部，用于保持正好在校正量的更新被中止之前的校正量的值，并且所述校正装置在校正量的更新中止时使用校正量保持部所保持的校正量的值进行校正。

6.根据权利要求5所述的控制伺服电动机的控制器，其中当校正量的更新恢复时，所述确定装置确定使用由所述校正量保持部保持的校正量的值继续改变校正量。

7.根据权利要求6所述的控制伺服电动机的控制器，其中所述确定装置包括具有滤波器的校正量生成部，并且当校正量的更新恢复时，使用校正量保持部保持的校正量的值作为滤波器的初始输出值，从而校正量继续改变。

8.根据权利要求4所述的控制伺服电动机的控制器，其中所述控制器用于同步控制多个伺服电动机，所述检测装置包括用于监测伺服电动机的转矩的监测装置，并且所述确定装置基于所监测的转矩之间的差异确定校正量。

9.根据权利要求8所述的控制伺服电动机的控制器，其中所述控制器用于同步控制两个伺服电动机，所述监测装置监测两个伺服电动机的电流指令，并且所述确定装置基于所监测的电流指令之间的差异确定校正量。

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