CN101620421A - 伺服电动机的驱动控制装置以及驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

提供一种伺服电动机的驱动控制装置，其即使用存储器少的CPU也能进行学习控制，而且能够缩短学习时间。驱动控制装置(10)具有在位置环路控制系统上追加的学习控制部(24)，学习控制部(24)构成为只在翻转动作前后的预定时间进行学习控制。解析通过学习控制而得的速度指令所求得的速度修正数据，被用于为减小翻转动作时产生的位置偏差而进行的速度指令的修正。

Description

伺服电动机的驱动控制装置以及驱动控制方法

技术领域

本发明涉及利用学习控制来控制对机床的进给轴等进行驱动的伺服电动机的驱动控制装置以及驱动控制方法。

背景技术

学习控制是在重复执行相同动作的场合对于提高动作精度来说非常有效的控制方式，在学习控制收敛时能够得到非常高的动作精度。因此，通过观测在应用学习控制时的速度指令或者转矩指令，能够推定用于得到高动作精度的速度指令或者转矩指令。

在机床等的移动轴翻转动作时，因为与移动轴关联的相对移动物品间的摩擦方向翻转，所以发生移动轴的动作瞬间延迟的现象。例如，在用两个轴进行圆弧动作的情况下，由于这种延迟的现象，产生一般称为象限突起的不理想的位置偏差。为减小该位置偏差，在移动方向翻转时在短期间内在速度指令或者转矩指令上加上修正量，来加速移动轴的翻转动作。关于该修正量的最佳值，现有的一般方法是一边观测移动轴的位置，一边通过尝试来进行调整，但是已开发了通过应用学习控制来实现高动作精度、通过解析此时的速度指令计算最佳修正量的技术。

例如在日本国专利第3805309号公报中公开了一种伺服电动机的驱动控制装置，其在加工在工作台上安装的被加工物时，减少在进给轴的移动方向翻转时在加工面上产生的突起。在该驱动控制装置的一个实施方式中，把通过学习控制而得到的速度指令作为修正数据，从位置指令翻转时起持续预定时间，通过修正数据修正速度指令。另外，在JP特开平4-100116号公报中公开了一种学习控制器，其把检测到的电动机的位置和目标位置指令的差作为速度指令来输入，根据该输入信号预测未来的速度指令，以使其值达到最小的方式输出针对当前的速度指令的修正速度指令。

在现有方式中，因为需要在调整中使学习控制有效，所以与学习的程序的时间对应地需要较多的学习用存储器。因此，需要使用具有大容量的内部RAM的CPU，或者另外准备高速的RAM，尤其难以在低价格区间的控制装置中应用这种方式。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种伺服电动机的驱动控制装置以及驱动控制方法，其即使使用存储器少的CPU也能进行学习控制，而且可以实现学习控制时间的缩短。

为实现上述目的，本发明的一个形态提供一种驱动控制装置，其根据从上位控制装置以预定采样周期发送的位置指令与位置反馈的位置偏差，在每一预定周期输出速度指令来驱动控制伺服电动机，其特征在于，具有学习控制部和速度指令修正部，前者一边重复执行对用所述伺服电动机驱动的控制对象进行驱动的驱动程序，一边进行学习控制以便减小所述位置偏差，后者使用解析速度指令所求得的速度修正数据，为减小在使所述控制对象的移动方向翻转时产生的位置偏差而进行速度指令的修正，所述速度指令通过在所述学习控制部的输出和所述位置偏差的和上乘以增益而得到，所述学习控制部构成为，只在所述驱动程序中的位置指令的符号翻转前后的预定时间进行学习处理。

理想的情况是，所述学习控制部，在所述驱动程序的第一次执行时不进行学习控制而监视所述位置指令，把在所述第一次执行时位置指令的符号翻转的时刻作为基准来决定进行学习控制的预定时间范围。

或者，所述学习控制部，也可以把所述上位控制装置预先解析预定区间的驱动程序的结果作为基准，决定进行学习控制的预定时间范围。

理想的情况是，所述学习控制部构成为，在执行学习控制的范围内，在使学习控制有效后的第一时间范围内，在作为针对学习控制的输入的位置偏差上乘以从零以上且小于1的值到1单调增加的第一系数，在直到使学习控制无效为止的第二时间范围内，在所述位置偏差上乘以从1到零以上且小于1的值单调减小的第二系数。

或者，所述驱动控制装置也可以进一步具有在重复运行所述驱动程序时进行前馈控制的前馈控制部。

本发明的另一个形态提供驱动控制方法，其根据从上位控制装置以预定采样周期发送的位置指令与位置反馈的位置偏差，在每一预定周期输出速度指令来驱动控制伺服电动机，其特征在于，具有以下步骤：一边重复执行对用所述伺服电动机驱动的控制对象进行驱动的程序，一边进行学习控制以便减小所述位置偏差的步骤；以及使用解析速度指令所求得的速度修正数据，为减小在使所述控制对象的移动方向翻转时产生的位置偏差而进行速度指令的修正的步骤，所述速度指令通过在所述学习控制的输出和所述位置偏差的和上乘以增益而得到，所述进行学习控制的步骤包含，只在所述驱动程序中的位置指令的符号翻转前后的预定时间进行学习处理。

附图说明

本发明的上述或者其他的目的、特征以及优点，通过参照附图对以下合适的实施方式进行说明会更加明了。

图1是本发明的驱动控制装置的重要部分的框图。

图2是通过学习控制生成速度修正数据时的重要部分的框图。

图3是表示学习控制的处理的流程图。

图4是表示图3的代替例的流程图。

图5是表示求取应该在作为针对学习控制的输入的位置偏差上相乘的系数的处理的流程图。

图6是说明相当于在作为针对学习控制的输入的位置偏差上乘以系数的时间范围的、第一时间范围(Cfin)以及第二时间范围(Cfout)的图。

具体实施方式

图1是本发明的伺服电动机的驱动控制装置10的重要部分的框图。驱动控制装置10具有：减法器16，其用于从数值控制装置等上位控制装置12以预定采样周期发送的位置指令中减去伺服电动机或者用伺服电动机驱动的可动部等控制对象14的实际位置的反馈，来求取位置偏差；和在该位置偏差上乘以位置增益Kp来求取速度指令的增益部18。另外，驱动控制装置10具有：检测位置指令的符号翻转的翻转检测部20；在接收到从翻转检测部20输出的修正开始指令时，在上述速度指令上加上基于后述的速度修正数据的修正量，来进行修正的速度指令修正部22。

图2是在驱动控制装置10中包含的、通过学习控制求取在上述的速度指令修正部22中使用的速度修正数据的结构的重要部分的框图。在该结构中，构成为：在位置环路控制系统中追加了学习控制部24，学习控制部24如后所述仅在翻转动作前后的预定时间内进行学习控制。解析通过在学习控制部24的输出与位置偏差的和上乘以增益18而得到的速度指令，从而得到在上述速度指令修正部22中设定的速度修正数据。即，用减法器16从由上位控制装置12所指示的位置指令中减去用伺服电动机驱动的被驱动部等的位置反馈，求得位置偏差。学习控制部24，一边重复执行对由伺服电动机驱动的被驱动部进行驱动的程序，一边存储上述位置偏差，同时根据重复使用的周期的1周期前的位置偏差求得修正量，用加法器26在位置偏差上加上(修正)该修正量。在修正后的位置偏差上乘以位置增益Kp，以预定时间间隔对得到的速度指令进行采样，通过进行函数近似等解析得到速度修正数据。以上的结构和在上述的专利第3805309号公报中记载的结构相同。

这里，通常的做法是，学习控制，在最初执行成为对象的程序时设为有效(ON)、在该程序结束时设为无效(OFF)。这是因为在学习控制的原理上，在把学习控制从ON切换到OFF或者相反地进行切换时输出的修正量不连续，结果，速度指令也不连续，从而影响动作精度。

但是，即使在将学习控制ON/OFF时产生少许误差，如果在位置指令翻转的前后学习控制收敛，则因为在生成象限突起修正量方面得到成为参考的速度指令，所以也不成为很大的问题。本发明利用这一事实，能够在中途将学习控制ON/OFF。下面具体说明在什么样的时刻进行学习控制的ON/OFF。

图3是表示学习控制中的处理的流程的流程图。首先在步骤S1中，检查重复动作是否已开始。如果未开始，则因为不需要进行学习处理，所以把计数值C复位为零(步骤S2)。

在开始了重复动作的情况下，检查该动作是否是初次(步骤S3)。在图3的例子中，在初次的情况下不进行学习处理、设定在第二次以后进行学习处理的计数值范围(预定时间范围)。详细说，在步骤S4中检查位置指令是否已翻转(位置指令的符号是否已变化)，如果未翻转则将计数值C增加1(步骤S5)。另一方面，如果已翻转，则在步骤S6中检查符号是从负变为正还是反过来变化，如果是前者则前进到步骤S7，如果是后者则前进到步骤S8。在前进到步骤S7的情况下，把当前的计数值C作为正计数值Cp，进而把从正计数值Cp中减去第一偏移值a1后的值作为正开始计数值Cps，把在正计数值Cp上加上第二偏移值a2后的值作为正结束计数值Cpe，存储在适当的存储器中。另一方面，在前进到步骤S8的情况下，把当前的计数值C作为负计数值Cn，进而把从负计数值Cn中减去第一偏移值b1后的值作为负开始计数值Cns，把在负计数值Cn上加上第二偏移值b2后的值作为负结束计数值Cne，存储在适当的存储器中。

在步骤S3中判定为重复动作是第二次以后的情况下，前进到步骤S9进行学习范围的检查。具体说，如果当前的计数值在步骤S7或者步骤S8中求得的范围内(Cps≤C≤Cpe或者Cns≤C≤Cne)，则前进到步骤S10进行学习处理。在范围外时不进行学习处理，前进到步骤S5，将计数值C增加1。

上述的偏移值，用计数值规定在翻转动作前后进行学习处理的时间。例如在1计数值相当于1ms(毫秒)，偏移值a1以及a2分别是50以及200的情况下，从执行翻转动作的时刻的50ms前起250ms的期间，成为进行学习处理的时间。此外，如此例那样，理想的是与翻转前相比，使翻转后的学习控制有效时间较长。其理由是，本申请中发明的主要目的在于改善与翻转时摩擦方向逆转相伴随的移动轴的动作延迟所引起的影响，所以在摩擦方向尚未逆转的翻转前进行学习控制的必要性比翻转后低。学习控制变得有效的理想的时间范围，也取决于伺服电动机或者被驱动部的结构等，例如从翻转动作前100～30ms起、到翻转动作后100～300ms。

另外，因为偏移值a1以及a2的合计的上限依赖于存储器的容量，所以偏移值通常根据使用的控制装置的技术条件来设定上限，而且可以根据经验，在生成象限突起修正量方面不成为问题的范围内设定。此外，关于偏移值b1以及b2也可以基于同样的思路来设定，因此在多数情况下，a1和b1互相相等，a2和b2互相相等。但是，当然可以根据作为控制对象的伺服电动机或者由伺服电动机驱动的可动部的结构等取互相不同的值。

图3表示的方法，作为应用学习控制的范围的决定方法，通过在程序动作的最初的第一次不进行学习处理而可靠地掌握位置指令的翻转的时刻，来决定第二次以后的学习处理的范围。下面使用图4说明的方法，是在生成位置指令的上位控制装置解析程序的基础上决定翻转的时刻、并通知给伺服电动机的驱动控制装置的方法。

在图4表示的流程图中，步骤S21以及S22可以和图3的步骤S1以及S2相同。在步骤S23中，检查是否已经取得进行学习处理的预定时间范围，如果未取得则前进到步骤S24，把根据上述偏移值求得的Cps以及Cpe、或者Cns以及Cne作为进行学习处理的范围来取得。此外，在图4的例子中，因为上位控制装置已经解析程序，而取得翻转的时刻，所以如果给出偏移值则能够得到使学习控制成为有效的预定的时间范围。

另一方面，如果在步骤S23中已经取得了预定的时间范围，则前进到步骤S25。因为步骤S25、S26以及S27可以分别与图3的步骤S9、S10以及S5同样，所以省略说明。

如上所述，根据本发明，只在翻转动作前后的预定时间范围(例如250ms)、即学习控制有效时间内进行学习处理，所以与以往相比能够大幅减少使用的存储器，即使用较低成本的控制装置也能够进行高精度的驱动控制。但是，当在翻转动作前后的某时刻简单地将学习控制ON/OFF时，随着学习的进行，有时在该时刻速度指令变得不连续，在包含控制对象的机械或者系统中发生大的冲击或者振动。因此，为了减少在将学习控制ON/OFF的时刻可能发生的冲击等，通过设定前馈来减小将学习控制ON/OFF时的位置偏差是有效的。具体来说，如图2所示，使用包含前馈系数28的前馈控制部，将与前馈控制的控制量相当的位置指令的微分值相加。此外，前馈控制也可以应用于图1的结构中。

或者，在将学习控制ON/OFF时的位置偏差上乘以零以上且小于1的系数来减小该位置偏差也是有效的。具体来说，如图5的流程图所示，首先在步骤S31中进行学习范围的检查，如果当前的计数值C在预定范围内(Cps≤C≤Cpe或者Cns≤C≤Cne)，则在下面的步骤S32中，检查C是否被包含在预定的第一时间范围、即渐入(fadein)计数值Cfin所规定的范围内。这里Cfin值如图6所示，从应该进行学习处理的范围的最初的计数值(Cps或者Cns)直到计数Cfin为止，不直接把作为针对学习控制的输入的位置偏差用于反馈，而作为在位置偏差上乘以小于1的系数k1的时间范围来使用。图6表示概略表示被驱动部的位置的曲线G1、以与曲线G1相同的时间轴表示遵照现有技术进行学习控制的ON/OFF(有效/无效)的例子的曲线G2、和以与曲线G1相同的时间轴表示遵照本发明进行学习控制的ON/OFF(有效/无效)的例子的曲线G3。例如把Cfin设定为10～20，在步骤S33中例如通过下式(1)计算k1。

k1＝(C-Cps)/Cfin或者k1＝(C-Cns)/Cfin  (1)

根据式(1)，例如在Cfin是10、学习控制从翻转时起50计数值前开始变为有效的情况下，从翻转时起50计数值前到40计数值前，在学习控制输入值上乘以k1。更详细说，k1在从翻转时起50计数值前是零，在40计数值前是1，而且从50计数值前到40计数值前单调增加。通过在步骤S33中进行这样的处理，防止在学习控制成为有效的时刻(在该例中是从翻转时起50计数值前)速度指令变得不连续而发生不合适的振动等。

同样，在步骤S34中，检查C是否被包含在预定的第二时间范围、即渐出(fadeout)计数值Cfout所规定的范围内。这里Cfout值，从应该进行学习处理的范围的最后的计数值(Cpe或者Cne)起计数Cfout前直到该最后的计数值为止，不直接把作为针对学习控制的输入的位置偏差用于反馈，而为了在位置偏差上乘以小于1的系数k2而使用。例如把Cfout设定为10～50，更理想是设定为10～30，在步骤S35中例如通过下式(2)计算k2。

k2＝(Cpe-C)/Cfout或者k2＝(Cne-C)/Cfout  (2)

根据式(2)，例如在Cfout是30、学习控制从翻转时起到200计数值前变得有效的情况下，从翻转时起170计数值后到200计数值后，在学习控制输入值上乘以k2。更详细说，k2在从翻转时起170计数值后是1，在200计数值后是0，而且从170计数值后到200计数值后单调减小。通过在步骤S35中进行这样的处理，防止在学习控制成为无效的时刻(在该例中，是从翻转时起200计数值后)速度指令变得不连续而发生不合适的振动等。接着在步骤S36中进行学习处理。

根据本发明，进行学习控制的时间范围被限定于位置指令的符号翻转的前后，所以能够节约学习控制所需要的存储器的大小，即使用低成本的控制装置，也能够应用使用了学习控制的象限突起调整，同时也能够缩短学习控制时间。

在程序的第一次执行时不进行学习控制而监视位置指令，由此能够准确地获知位置指令的翻转的时刻。

或者，通过由上位控制装置解析程序，也能够获知位置指令的时刻。

在使学习控制成为有效后的第一时间范围、以及直到使学习控制成为无效为止的第二时间范围内，通过分别在位置偏差上乘以从零以上且小于1的值到1单调增加的第一系数、以及从1到零以上且小于1的值单调减小的第二系数，防止在把学习控制从有效切换到无效或者反过来切换时速度指令变得不连续而发生机械振动等。

或者，通过进行前馈控制，也能够抑制上述振动等。

Claims (6)

1.一种驱动控制装置(10)，其根据从上位控制装置(12)以预定采样周期发送的位置指令与位置反馈的位置偏差，在每一预定周期输出速度指令来驱动控制伺服电动机，其特征在于，

具有：

学习控制部(24)，其一边重复执行对用所述伺服电动机驱动的控制对象进行驱动(14)的驱动程序，一边进行学习控制以便减小所述位置偏差；和

速度指令修正部(22)，其使用解析速度指令所求得的速度修正数据，为减小在使所述控制对象(14)的移动方向翻转时产生的位置偏差而进行速度指令的修正，所述速度指令通过在所述学习控制部(24)的输出和所述位置偏差的和上乘以增益而得到，

所述学习控制部(24)构成为，只在所述驱动程序中的位置指令的符号翻转前后的预定时间进行学习处理。

2.根据权利要求1所述的驱动控制装置，其特征在于，

所述学习控制部(24)，在所述驱动程序的第一次执行时不进行学习控制而监视所述位置指令，把在所述第一次执行时位置指令的符号翻转的时刻作为基准，决定进行学习控制的预定时间范围。

3.根据权利要求1所述的驱动控制装置，其特征在于，

所述学习控制部(24)，把所述上位控制装置(12)预先解析预定区间的驱动程序的结果作为基准，决定进行学习控制的预定时间范围。

4.根据权利要求1～3中任何一项所述的驱动控制装置，其特征在于，

所述学习控制部(24)构成为，在执行学习控制的范围内，在使学习控制有效后的第一时间范围内，在作为针对学习控制的输入的位置偏差上乘以从零以上且小于1的值到1单调增加的第一系数，在直到使学习控制无效为止的第二时间范围内，在所述位置偏差上乘以从1到零以上且小于1的值单调减小的第二系数。

5.根据权利要求1～3中任何一项所述的驱动控制装置，其特征在于，

还具有在重复运行所述驱动程序时进行前馈控制的前馈控制部(28)。

6.一种驱动控制方法，其根据从上位控制装置(12)以预定采样周期发送的位置指令与位置反馈的位置偏差，在每一预定周期输出速度指令来驱动控制伺服电动机，其特征在于，

具有以下步骤：

一边重复执行对用所述伺服电动机驱动的控制对象(14)进行驱动的程序，一边进行学习控制以便减小所述位置偏差的步骤；和

使用解析速度指令所求得的速度修正数据，为减小在使所述控制对象(14)的移动方向翻转时产生的位置偏差而进行速度指令的修正的步骤，所述速度指令通过在所述学习控制的输出和所述位置偏差的和上乘以增益而得到，

所述进行学习控制的步骤包含，只在所述程序中的位置指令的符号翻转前后的预定时间进行学习处理。

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