CN101256403A - 伺服电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能更加准确地推定弹性变形误差从而实现定位精度进一步提高的控制装置。该控制装置包括：用于检测伺服电动机(6)的旋转方向的旋转方向检测部(34)；用于运算伺服电动机(6)的旋转角度的反转距离运算部(31)；用于运算伺服电动机(6)侧的旋转阻力的旋转阻力运算部(35)；和用于运算滚珠丝杠(3)的变形误差量的弹性变形误差量运算部(21)，在旋转方向检测部(34)中检测到伺服电动机(6)的反转时，利用旋转阻力运算部(35)根据反转以后的伺服电动机(6)的旋转角度(δθ)运算旋转阻力，根据算出的旋转阻力在弹性变形误差量运算部(21)中计算弹性变形误差量(δ)，从而修正向位置控制部(14)输入的位置指令值。

Description

伺服电动机控制装置

技术领域

本发明涉及用于对机床等具备的伺服电动机的动作进行控制的伺服电动机控制装置(以下简称为控制装置)。

背景技术

在对伺服电动机进行旋转驱动并可滑动地具有与滚珠丝杠等进给轴连接的工作台等的普通机床中，一边使伺服电动机进行正转/反转一边进行定位，因此在进给轴等弹性变形部上会产生称作松动的弹性变形误差。所以，在控制装置中具有用于修正该误差的修正部。此处，根据图6和图7对现有的控制装置(例如，专利文献1)进行说明。图6是示出机床的说明图，图7是现有的控制装置61的结构框图。

机床在床身71上固定一对托架72、72，并在托架72、72之间架设滚珠丝杠73。并且，在与滚珠丝杠73旋合的螺母74上安装有工作台75，通过伺服电动机76使滚珠丝杠73旋转，从而使工作台75向左右方向滑动。另外，滚珠丝杠73经由未图示的轴承被枢轴支撑在托架72上。

另一方面，控制装置61用于对伺服电动机76的旋转驱动进行控制，并由以下部分组装而成：使所输入的NC位置指令与来自设在伺服电动机76上的位置检测器62的位置反馈信号之间的偏差成为零的位置环；和使用对位置反馈信号进行微分而得到的速度反馈信号的速度环，基于这两个环来控制伺服电动机76的扭矩指令值。另外，在控制装置61中具有用于检测伺服电动机76的旋转方向的正反的正反检测部63，并且具有扭矩修正部64，该扭矩修正部64用于在该正反检测部63中检测到伺服电动机76反转的情况下修正扭矩指令值。

在上述这种控制装置61中预先进行试运转，将反转时的扭矩指令值的最大值(图8(a)中的TjA)与最小值(图8(a)中的TjB)之差(ΔT)除以2的值作为修正基准扭矩，并与进给速度等对应地存储在工作台中，在实际加工时，在通过正反检测部63检测到伺服电动机76的反转时，进行这样的控制：根据此时的进给速度等读出相对应的修正基准扭矩来修正扭矩指令值。另外，图8(a)是表示在试运转时扭矩指令信号的变化的图。

专利文献1：日本特开平10-63325号公报

在上述这种控制装置中，如图8(a)所示，根据反转后最终收敛的扭矩指令值进行修正，如图8(b)所示，采取伴随反转使转矩呈阶梯形地变化来推定弹性变形误差并实施修正。但是，实际上，在反转以后扭矩并不呈阶梯形地反转，而是逐渐增加反转方向的扭矩，从而收敛成为最终的扭矩值。因此，在现有的控制装置中，在从伺服电动机反转之后到扭矩值收敛为预定的值这期间产生推定误差，进而导致定位精度降低。

另外，在使伺服电动机反转的情况下，由于还存在不作用在滚珠丝杠等弹性变形部上的扭矩(例如滚珠丝杠的轴承部中的旋转阻力等)，所以优选将这种不作用在弹性变形部上的扭矩等也考虑进来对弹性变形误差进行推定。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够更加准确地推定弹性变形误差来实现定位精度进一步提高的控制装置。

为了达到上述目的，本发明中第一方面所述的发明是一种伺服电动机控制装置，其根据伺服电动机的扭矩指令值对经由弹性体与上述伺服电动机连接的移动体的位置进行修正，其特征在于，该伺服电动机控制装置包括：用于检测上述伺服电动机的旋转方向的旋转方向检测部；用于运算上述伺服电动机的旋转角度的旋转角度运算部；用于运算上述伺服电动机侧的旋转阻力的旋转阻力运算部；以及用于运算弹性体的变形误差量的弹性变形误差量运算部，在上述旋转方向检测部中检测到上述伺服电动机的反转时，利用上述旋转阻力运算部，根据反转以后的上述伺服电动机的旋转角度来运算旋转阻力，并根据算出的旋转阻力和伺服电动机的扭矩指令值在上述弹性变形误差量运算部中计算弹性变形误差量，并对上述移动体的位置进行修正。

第二方面的发明的特征在于，在第一方面的发明的基础上，旋转阻力运算部根据下面的公式运算旋转阻力。

另外，式中的T_Amp是最终收敛成的旋转阻力(常数)，δθ₀表示进行旋转阻力成为零的反转以后的旋转角度(常数)。另外，δθ是在旋转角度运算部中算出的旋转角度。

$T_{\mathrm{Brg}}=2\·T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{\mathrm{\δ\θ}}{\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0}-T_{\mathrm{Amp}}$ 或 $T_{\mathrm{Brg}}=T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{(\mathrm{\δ\θ}-{\mathrm{\δ\θ}}_0)}{(\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0)}$

第三方面的发明的特征在于，在第一方面的发明的基础上，该伺服电动机控制装置包括：用符号表示伺服电动机旋转方向的旋转方向运算部；以及用于存储在反转时的旋转阻力的反转时旋转阻力存储部，在旋转方向检测部中检测到上述伺服电动机的反转时，暂时将此时的旋转阻力存储于上述反转时旋转阻力存储部中，并通过旋转阻力运算部基于反转以后的上述伺服电动机的旋转角度、上述伺服电动机的旋转方向以及存储在上述反转时旋转阻力存储部中的旋转阻力来运算旋转阻力。

第四方面的发明的特征在于，在第三方面的发明的基础上，旋转阻力运算部根据下面的公式运算旋转阻力。另外，式中的是在旋转方向运算部中算出的函数值，T_reverse是存储在反转时旋转阻力存储部中的旋转阻力。

$T_{\mathrm{Brg}}=\mathrm{sign}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\·2\·T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{\mathrm{\δ\θ}}{\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0}+T_{\mathrm{reverse}}$

其中，当|T_Brg|＞|T_Amp|时， $T_{\mathrm{Brg}}=\mathrm{sign}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\·T_{\mathrm{Amp}}$

根据本发明，由于将不作用在滚珠丝杠等弹性变形部上的扭矩(滚珠丝杠侧的旋转阻力)也考虑进来对弹性变形误差量进行计算，所以能够比以往更加准确地推定弹性变形误差量，从而能够提高移动体的定位精度。

另外，在伺服电动机反转时，由于根据反转以后的伺服电动机的旋转角度来运算旋转阻力，因此与通过采取在伺服电动机反转时旋转阻力呈阶梯形地进行反转来进行扭矩修正的现有控制装置进行比较，能够更加准确地计算弹性变形误差量δ，从而能够实现定位精度的进一步提高。

另外，根据第三和第四方面的发明，由于在伺服电动机反转时基于反转以后的伺服电动机的旋转角度、伺服电动机的旋转方向以及存储在反转时旋转阻力存储部中的旋转阻力来运算旋转阻力，因此在伺服电动机一旦反转就立刻再次反转等情况下，能够更加准确地推定弹性变形误差量δ，从而能够实现定位精度的进一步提高。

附图说明

图1是表示具备本发明的控制装置的机床的说明图。

图2是表示对机床中的伺服电动机6的旋转驱动进行控制的控制装置的结构框图。

图3是将图1所示的机床模型化的说明图。

图4是表示旋转阻力的变化的曲线图。

图5是表示旋转阻力的变化的曲线图。

图6是表示现有的机床的说明图。

图7是表示现有的控制装置的结构框图。

图8是表示现有的旋转阻力的变化的曲线图。

标号说明

3：滚珠丝杠；6：伺服电动机；12：位置检测器；13：微分器；14：位置控制部；15：速度控制部；16：扭矩/电流变换部；21：弹性变形误差量运算部；31：反转距离运算部；32：旋转方向运算部；33：反转时旋转阻力存储部；34：旋转方向检测部；35：旋转阻力运算部；36：旋转体加减速扭矩运算部。

具体实施方式

下面，以附图为基础对本发明的一个实施方式的控制装置进行说明。

图1是表示具备本发明的控制装置的机床的说明图。

在机床的床身1上立设有一对托架2、2，在该托架2、2上经由未图示的轴承等枢轴支撑有作为弹性变形部的滚珠丝杠(弹性体)3。另外，经由与滚珠丝杠3旋合的螺母4安装有工作台(移动体)5，通过驱动伺服电动机6旋转能够使工作台5向图1中的左右方向滑动。

图2是表示对上述机床中的伺服电动机6的旋转驱动进行控制的控制装置的结构框图。

在控制装置中组装有使从未图示的NC装置中输入的NC位置指令与来自设在伺服电动机6上的位置检测器12的位置反馈信号之间的偏差成为零的位置环(1oop)。另外，在位置环的内侧组装有通过速度控制部15对利用微分器13使位置反馈信号进行微分而得到的速度反馈信号和来自位置控制部14的输出信号进行比较的速度环。另外，来自速度控制部15的输出在扭矩/电流变换部16中被变换成扭矩指令，并经由电流控制部17向伺服电动机6输出。

另一方面，在控制装置中组装有根据由扭矩/电流变换部16输出的扭矩指令的反馈信号以及来自位置检测器12的位置反馈信号来推定弹性变形误差量δ的扭矩环(torque loop)，从而通过弹性变形误差量运算部(以下称为运算部)21来计算滚珠丝杠3的弹性变形误差量δ。另外，标号31是根据来自位置检测器12的反馈信号对反转以后的旋转角度δθ进行运算的反转距离运算部(旋转角度运算部)，标号32是根据来自位置检测部12的反馈信号来运算旋转方向的旋转方向运算部，标号33是用于存储反转时的旋转阻力T_reverse的反转时旋转阻力存储部，标号34是用于检测伺服电动机6反转的旋转方向检测部。另外，标号35是用于运算轴承等的旋转阻力T_Brg(或者T_RR)的旋转阻力运算部，36是根据NC位置指令来运算用于使电动机或滚珠丝杠等工作台以外的物体加速所需的加减速扭矩T_ACC的旋转体加减速扭矩运算部。

并且，在上述这种控制装置中，在根据由各环反馈来的信号来修正扭矩指令而准确地推定出作用在弹性体上的力并修正向位置控制部14输入的位置指令值的同时，控制伺服电动机6的旋转驱动。

这里，接下来对计算弹性变形误差量δ的扭矩环进行详细说明。

首先，在计算(推定)弹性变形误差量δ时，利用图3所示的模型来考虑图1所示的机床。另外，在图3所示的模型中，伺服电动机6的位置、惯量、轴承的摩擦力等都用直线轴表示。

关于作用在弹性变形部(滚珠丝杠3)上的力F，通过将枢轴支撑滚珠丝杠3的TAC轴承和电动机轴承等的摩擦力F_Brg即未有助于弹性变形的旋转阻力考虑进来，能够得到下面所示的力的等式(1)。

$F=F_{\mathrm{disturb}}+M_{\mathrm{saddle}}\·{\stackrel{\·\·}{Z}}_{\mathrm{saddle}}=F_{\mathrm{motor}}-J_{\mathrm{motor}}\·{\stackrel{\·\·}{Z}}_{\mathrm{motor}}-F_{\mathrm{Brg}}---\left(1\right)$

另外，设弹性变形误差量为δ，由于F＝K_BS·δ(K_BS是滚珠丝杠3的弹性系数)，所以能够用下面的式(2)表示弹性变形误差量δ。

$\mathrm{\δ}=\frac{F}{K_{\mathrm{BS}}}=\frac{F_{\mathrm{motor}}-J_{\mathrm{motor}}\·{\stackrel{\·\·}{Z}}_{\mathrm{motor}}-F_{\mathrm{Brg}}}{K_{\mathrm{BS}}}---\left(2\right)$

另外，如下式(3)～(5)所示，通过使用滚珠丝杠3的间距P，能够将上面的式(1)中的各参数转换成旋转系。

$F_{\mathrm{motor}}=\frac{2\mathrm{\π}}{p}\·T_{\mathrm{motor}}---\left(3\right)$

$J_{\mathrm{motor}}\·{\stackrel{\·\·}{Z}}_{\mathrm{saddle}}=\frac{2\mathrm{\π}}{P}\·I_{\mathrm{motor}}\·{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{motor}}---\left(4\right)$

$F_{\mathrm{Brg}}=\frac{2\mathrm{\π}}{p}{T}_{\mathrm{Brg}}---\left(5\right)$

因此，将上面的式(3)～(5)代入式(2)中，从而最终能够用下面的式(6)表示弹性变形误差量δ。

$\mathrm{\δ}=C_{\mathrm{BS}}\·(T_{\mathrm{motor}}-I_{\mathrm{motor}}\·{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{motor}}-F_{\mathrm{Brg}})---\left(6\right)$

$\underset{\·}{\·\·}{C}_{\mathrm{BS}}=\frac{2\mathrm{\π}}{p}\·\frac{1}{K_{\mathrm{BS}}}$

由上面的式(6)可知，在推定弹性变形误差量δ时，需要求得伺服电动机6侧的旋转阻力T_Brg(F_Brg)。而且，特别是关于伺服电动机6反转时的T_Brg，发明者的实验结果是，旋转阻力的符号并不是与旋转的反转同时地发生反转，而是根据反转以后的旋转角度δθ，得到沿着图4所示的曲线向恒定的旋转阻力T_Amp收敛。该曲线能够用下面的式(7)或(8)来表达。因此，在旋转阻力运算部35中根据式(7)、(8)计算旋转阻力T_Brg。另外，式(7)、(8)中的δθ₀是旋转阻力成为零的反转以后的旋转角度。

$T_{\mathrm{Brg}}=2\·T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{\mathrm{\δ\θ}}{(\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0)}-T_{\mathrm{Amp}}---\left(7\right)$

$T_{\mathrm{Brg}}=T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{(\mathrm{\δ\θ}-{\mathrm{\δ\θ}}_0)}{(\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0)}---\left(8\right)$

然而，从旋转阻力收敛成大致一定值状态开始的反转能够通过上式(7)、(8)计算出来，但是在直到旋转阻力收敛成一定值为止这期间伺服电动机6再次反转的情况(即，一旦反转立刻再次进行反转的情况)下，旋转阻力T_Brg是沿着例如图5所示的曲线，因此，通过使用下面的式(9)进行运算能够更加准确地推定旋转阻力T_Brg。

$T_{\mathrm{Brg}}=\mathrm{sign}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\·T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{(\mathrm{\δ\θ}-{\mathrm{\δ\θ}}_0)}{\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0}+T_{\mathrm{reverse}}---\left(9\right)$

其中，|T_Brg|＞|T_Amp|时， $T_{\mathrm{Brg}}=\mathrm{sign}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\·T_{\mathrm{Amp}}---\left(10\right)$

上面的式(9)中的T_reverse是反转时的旋转阻力，当旋转方向检测部34检测到反转时，反转时的旋转阻力T_reverse被存储到反转时旋转阻力存储部33中，用于通过式(9)计算旋转阻力T_Brg。另外，

是仅用加减符号来表示旋转方向的函数，通过在旋转方向运算部32中运算得到。另外，在像接触密封等那样存在只与旋转方向有关(即，与旋转距离无关)的旋转阻力的情况下，预先将旋转阻力作为参数存储到旋转阻力运算部35中，并能够通过下面的式(11)运算旋转阻力T_RR。

$T_{\mathrm{RR}}=T_{\mathrm{Brg}}+\mathrm{sign}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\·T_{\mathrm{fric}}---\left(11\right)$

如上述那样，在旋转阻力运算部35中运算旋转阻力T_Brg或T_RR，并输入运算部21中。并且，根据NC位置指令通过旋转体加减速扭矩运算部36运算在使用上面的式(6)计算弹性变形误差δ时所需的

并输入到运算部21中。另外，设加减速扭矩 $T_{\mathrm{ACC}}=I_{\mathrm{motor}}\·{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{motor}}.$ 并且，在计算旋转阻力时，关于使用式(7)、(8)或者式(9)中的哪一个，可以在加工前根据加工方式预先进行设定，也可以在旋转角度δθ为预定值以下的情况下选择式(9)。

并且，在运算部21中根据输入的旋转阻力T_Brg或T_RR、加减速扭矩T_ACC以及扭矩指令值T_motor来计算弹性变形误差量δ，并向位置控制部14进行反馈，从而将考虑了基于弹性变形的位置误差的扭矩指令输入到伺服电动机6中。

根据执行以上这种修正的控制装置，由于将不作用在滚珠丝杠3等弹性变形部上的扭矩(伺服电动机6侧的旋转阻力)也考虑进来对弹性变形误差量δ进行计算，因此能够比以往更加准确地推定弹性变形误差量δ，从而能够提高工作台5等的定位精度。

另外，利用基于图4所示的曲线的式(7)或式(8)来计算伺服电动机侧的旋转阻力T_Brg，因此与采取在伺服电动机6反转时旋转阻力呈阶梯形地进行反转来进行扭矩修正的现有控制装置进行比较，本发明能够更加准确地计算弹性变形误差量δ，从而能够实现定位精度的进一步提高。

另外，在伺服电动机6一旦反转就立刻再次反转的情况下，通过根据式(9)(或者式(11))计算旋转阻力T_Brg(或T_RR)，从而能够更加准确地推定弹性变形误差量δ，能够实现定位精度的进一步提高。

另外，本发明的控制装置的结构不只适用于上述实施方式记载的具有使用滚珠丝杠的进给轴的机床，也能够适用于具有将直接传动式旋转轴作为弹性变形部的机床等。

Claims (4)

1、一种伺服电动机控制装置，该伺服电动机控制装置根据伺服电动机的扭矩指令值对经由弹性体与上述伺服电动机连接的移动体的位置进行修正，其特征在于，

上述伺服电动机控制装置包括：用于检测上述伺服电动机的旋转方向的旋转方向检测部；用于运算上述伺服电动机的旋转角度的旋转角度运算部；用于运算上述伺服电动机侧的旋转阻力的旋转阻力运算部；以及用于运算弹性体的变形误差量的弹性变形误差量运算部，

在上述旋转方向检测部中检测到上述伺服电动机的反转时，利用上述旋转阻力运算部，根据反转以后的上述伺服电动机的旋转角度来运算旋转阻力，并根据算出的旋转阻力和伺服电动机的扭矩指令值在上述弹性变形误差量运算部中计算弹性变形误差量，并对上述移动体的位置进行修正。

2、根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

旋转阻力运算部根据下面的公式运算旋转阻力，

$T_{\mathrm{Brg}}=2\·T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{\mathrm{\δ\θ}}{\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0}-T_{\mathrm{Amp}}$ 或 $T_{\mathrm{Brg}}=T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{(\mathrm{\δ\θ}-{\mathrm{\δ\θ}}_0)}{(\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0)}$

式中的T_Brg是旋转阻力，T_Amp是最终收敛成的旋转阻力，δθ是反转以后的旋转角度，δθ₀是进行旋转阻力成为零的反转以后的旋转角度。

3、根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

上述伺服电动机控制装置包括：

用符号表示伺服电动机旋转方向的旋转方向运算部；以及用于存储在反转时的旋转阻力的反转时旋转阻力存储部，

在旋转方向检测部中检测到上述伺服电动机的反转时，暂时将此时的旋转阻力存储于上述反转时旋转阻力存储部中，并通过旋转阻力运算部基于反转以后的上述伺服电动机的旋转角度、上述伺服电动机的旋转方向以及存储在上述反转时旋转阻力存储部中的旋转阻力来运算旋转阻力。

4、根据权利要求3所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

旋转阻力运算部根据下面的公式运算旋转阻力，式中的

是仅用加减符号来表示旋转方向的函数，T_reverse是反转时的旋转阻力，

$T_{\mathrm{Brg}}=\mathrm{sign}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\·2\·T_{\mathrm{Amp}}\·\frac{\mathrm{\δ\θ}}{\mathrm{\δ\θ}+{\mathrm{\δ\θ}}_0}+T_{\mathrm{reverse}}$

其中，当|T_Brg|＞|T_Amp|时， $T_{\mathrm{Brg}}=\mathrm{sign}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\·T_{\mathrm{Amp}}.$

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