CN101893869A - 控制周期性往复动作的伺服电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种伺服电动机控制装置，其能够对周期性地进行往复动作的被驱动体进行角度同步方式的学习控制。学习控制器按预定的采样周期获得被驱动体的第一位置偏差，第一位置偏差在第一转换部中被转换成进行周期性的往复动作的被驱动体的一个周期的每个基准位置的第二位置偏差。第二位置偏差在与存储在存储器中的被驱动体的往复动作的一周期前的第一修正量相加后，作为新的第一修正量存储在存储器中。第一修正量在第二转换部中被转换成每个采样周期的第二修正量。

Description

控制周期性往复动作的伺服电动机控制装置

技术领域

本发明涉及对进行周期性往复动作的被驱动体的动作进行控制的伺服电动机控制装置，特别涉及适于应用到角度同步方式的学习控制的伺服电动机控制装置。

背景技术

学习控制是利用动作的重复性使控制偏差最小的控制方法。学习控制有时间同步方式和角度同步方式，时间同步方式是规定重复动作的时间周期，按每个学习控制器的时间采样周期来运算修正量的方式，角度同步方式是规定重复动作的一个周期的移动量，运算将所规定的一个周期的移动量分成了多个的基准位置处的修正量。作为能够应用角度同步方式的学习控制的具体的应用，可以列举齿轮加工机的修整加工、磨床的往复(oscillation)动作以及的伺服压力机(servo press)的反转控制等。

在例如特开2004-280772号公报中，公开了这样的伺服电动机驱动控制装置：与被重复指示的模式(pattern)中的形状位置对应地存储修正数据，通过与位置对应地修正位置偏差，即使速度有变动，也能够有效地应用学习控制。

时间同步方式需要规定严格的时间周期，因此，在应用时需要特殊的程序方法。例如，有这样的方法等：在进行重复动作的情况下，将按时间分配的指令预先作为数据存储一个周期的量。在这样的程序方法中，基于一般的ISO码(G码)的程序所具有的很多功能、例如极坐标变换等无法使用。在前面所述的应用中，执行基于一般的ISO码的程序，因此，无法保证严格的时间周期的重复性，无法应用时间学习方式。

另一方面，角度同步方式如果能够提供基准位置，则无需规定严格的时间周期，从一点来说容易应用。但是仅限于所提供的基准位置向一个方向变化的情况，在进行往复动作这样的基准位置的运动中，无法应用角度同步方式。例如，在以进行往复动作的被驱动体的位置为基准位置的情况下，被驱动体在去程和回程中通过相同的位置，但是根据动作的方向，所产生的伺服偏差的极性不同。因此，在回程中无法使用在去程中生成的修正量，因而在回程中需要重新生成修正量。

作为其对策，在特开2004-280772号公报中，提出了这样的技术：使用根据速度的方向而不同的存储器组(memory set)，通过切换该存储器组，来将角度同步方式的学习控制应用于进行重复往复动作的被驱动体。一般来说，学习控制器的修正计算部进行存储器的先读出以补偿控制系统的延迟，但是在特开2004-280772号公报所记载的发明中，由于根据速度来切换存储器组，因此，去程和回程的存储器组不是连续地相连，有时在切换存储器时产生很大的偏差。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种伺服电动机控制装置，其通过对基准位置的生成进行改进，能够实现周期性地进行往复动作的被动体的角度同步方式的学习控制。

为了达成上述目的，本发明为一种伺服电动机控制装置，其通过伺服电动机来对周期性地进行往复动作的被驱动体进行驱动控制，其中，该伺服电动机控制装置包括：检测所述被驱动体的位置的位置检测器；位置偏差取得部，其按每个预定的采样周期取得针对从上位控制装置提供的位置指令的、通过所述位置检测器检测到的所述被驱动体的位置的偏差，来作为第一位置偏差；基准位置生成部，其对于周期性地进行往复动作的被驱动体的一个周期，与所述位置指令或者所述被驱动体的位置对应地生成向一个方向增加的多个基准位置；第一转换部，其将通过所述位置偏差取得部取得的所述第一位置偏差转换成通过所述基准位置生成部生成的每个所述基准位置的第二位置偏差；存储部，其对所述被驱动体的往复动作的一个周期存储每个所述基准位置的第一修正量；加法部，其将所述第二位置偏差与存储在存储部中的第一修正量相加，来作为用于所述被被驱动体的往复动作的下一周期的、新的第一修正量；第二转换部，其将存储在所述存储部中的所述新的第一修正量转换成每个所述采样周期的第二修正量；以及控制部，其根据所述第一位置偏差和所述第二修正量来控制所述伺服电动机。

优选的是，所述基准位置生成部将积分得到的结果分割成多个来生成基准位置，该积分是针对周期性地进行往复动作的被驱动体的一个周期，对根据所述采样周期和每个所述采样周期的所述位置指令或者所述被驱动体的位置计算出的速度的绝对值进行积分。

所述伺服电动机控制装置还具有极性反转部，所述极性反转部对应于根据所述采样周期和每个所述采样周期的所述位置指令或者所述被驱动体的位置计算出的速度的极性来使所述第一位置偏差和所述第二修正量的极性反转。

所述基准位置生成部或者极性反转部使用与周期性地进行往复动作的所述被驱动体同步动作的其他驱动体的位置来代替所述位置指令或者所述驱动体的位置。

所述伺服电动机控制装置还具有第一滤波器和第二滤波器，所述第一滤波器用于对新的第一修正量的频带进行限制，所述新的第一修正量是将通过所述第一转换部转换得到的所述第二位置偏差与存储在所述存储部中的所述第一修正量相加而得到的，所述第二滤波器用于在存储于所述存储部中的所述第一修正量被发送到所述第二转换部之前，进行该第一修正量的相位补偿和增益补偿，所述第二转换部用于转换成每个所述采样周期的第二修正量。

附图说明

本发明的上述或者其他目的、特征以及优点通过参照附图说明下述的优选实施方式会更加清楚。

图1是表示本发明的伺服电动机控制装置的一个构成例的图；

图2是表示本发明的第一应用例的图；

图3是表示图2的示例中的基准位置的生成步骤的曲线图；

图4是表示本发明的第二应用例的图；

图5是表示图4的示例中的基准位置的生成步骤的曲线图；

图6是表示本发明的伺服电动机控制装置中的处理流程的流程图。

具体实施方式

图1是表示本发明的伺服电动机控制装置的一个构成例的图。伺服电动机控制装置10具有角度同步方式的学习控制器12，该伺服电动机控制装置10对经滚珠丝杠15等使后述的被驱动体14周期性地进行往复动作的伺服电动机16进行控制。学习控制器12根据从上位控制装置18发送的位置指令Pc和来自检测被驱动体14的位置的位置检测器20的位置反馈Pf，来生成用于被驱动体14的位置控制的修正量δ2(后述的第二修正量)，第二修正量δ2经位置增益(position gain)22传送到速度控制部24，接下来，速度控制部24根据第二修正量和来自检测伺服电动机16的速度的速度检测器26的速度反馈Pf来生成速度指令Vc。电流控制部28根据速度指令Vc生成电流指令Ic，根据电流指令Ic来控制伺服电动机16。

学习控制器12接收从上位控制装置18发送的位置指令Pc和来自位置检测器20的位置反馈Pf，按预定的采样周期(例如1ms)取得被驱动体14的位置偏差来作为第一位置偏差ε1。第一位置偏差ε1被发送到第一转换部30，第一转换部30将第一位置偏差ε1转换成被驱动体14的一个周期部分的每个基准位置(后述)的第二位置偏差ε2。即，与采样周期对应的第一位置偏差被转换成与基准位置对应的第二位置偏差。该转换方法本身是公知的，因此省略说明。第二位置偏差ε2在与存储在存储部或存储器32中的被驱动体14的往复动作的一周期前的第一修正量相加后，作为新的第一修正量δ1存储在存储器32中。第一修正量δ1被发送到第二转换部34，第二转换部34将每个基准位置的第一修正量δ1变换成每个上述采样周期的第二修正量δ2。即，与基准位置对应的第一修正量被转换成与采样周期对应的第二修正量。另外，在图1中，白圆表示加法器，黑圆表示分支点。其他图中也是一样的。

学习控制器12可以具有限制第一修正量δ1的频带的第一滤波器36、和在第一修正量被发送到第二转换部34之前进行该第一修正量的相位补偿和增益补偿的第二滤波器38，但是这些滤波器并非是必要的构成要件。另外，所谓“限制频带的滤波器”具体来说是用于将某频率区域中的高频区域的信号截止的低通滤波器，具有使控制系统的稳定性提高的效果。另外，所谓“进行相位补偿和增益补偿的滤波器”具体来说是使某频率区域中的高频区域的信号的相位超前、并提高增益的滤波器，具有对位置控制、速度控制以及电流控制等控制系统的延迟和增益降低进行补偿的效果。

下面，以生成被驱动体的基准位置的基准位置生成部的作用为中心对本发明的两个实施例进行说明。

图2表示将本发明应用于齿轮磨床的第一实施例，其说明以下情况：作为被驱动体的磨具42与作为工件的齿轮40的摆动旋转同步地进行往复动作，对齿轮40按每一个齿进行加工。根据来自上位控制装置(在图2中省略图示)的位置指令Pc，控制齿轮40的旋转轴44以及磨具42的往复轴46。齿轮40的旋转轴44使齿轮40在预定的角度范围(例如30～40度)内并且以恒定周期摆动，另一方面，磨具42的往复轴46使磨具42以该恒定周期往复动作。

图3是说明齿轮40的摆动动作的一个周期中的基于旋转轴的角度位置的基准位置生成的曲线图。首先，考虑齿轮40进行曲线图3a那样的摆动动作的情况。从曲线图3a可知，齿轮40以预定周期进行箭头48所示的摆动范围内的摆动动作。学习控制器12利用微分器50(参照图1、图2)对曲线图3a所示的旋转轴位置进行微分。于是获得曲线图3b那样的旋转轴速度。由于齿轮40进行摆动动作，因此，旋转轴速度包含正速度和负速度。接着，在积分器52中，如曲线图3c所示，计算旋转轴速度的绝对值，并对其进行积分从而获得如曲线图3所示的基准位置。即，曲线图3d中的示例的基准位置在箭头53所示的范围内单调增加。这样，基准位置在一个周期中向一个方向变化(在该示例中单调增加)，因此，能够应用每个周期的角度同步方式的学习控制。即，在第一实施例中，将齿轮的摆动动作的一个往复(磨具的往复动作的一个往复)作为学习周期，来对使磨具进行往复动作的伺服电动机的延迟以及周期性的加工干扰进行修正。另外，在第一实施例以及后述的第二实施例中，微分器50和积分器52协同动作构成了基准位置生成部。另外，实际使用的基准位置的数据可以将曲线图3d的横轴(时间)分割(优选是等份分割)成多个来获得。

另外，在图3中，使用不是被驱动体的齿轮40的位置来生成基准位置，但是也可以使用被驱动体即磨具42的位置来生成基准位置。在第一实施例中，由于齿轮的摆动动作和磨具的往复动作同步，因此，在使用了磨具的位置时，也能够获得与图3大致相同的形态的基准位置。

所生成的基准位置Pr，如图1或者图2所示，被发送到第一转换部30和第二转换部34。如上所述，第一转换部30将每个采样周期的第一位置偏差ε1转换成每个基准位置的第二位置偏差ε2，第二位置偏差ε2在与存储与存储部或者存储器32中的磨具42的往复动作的一周期前的第一修正量相加后，作为新的第一修正量δ1存储在存储器32中，另一方面，第二转换部34将每个基准位置的第一修正量δ1转换成每个采样周期的第二修正量δ2。根据第一位置偏差ε1和第二修正量δ2，来进行驱动被驱动体即磨具42(往复轴46)的伺服电动机的控制。

图4表示将本发明应用于齿轮加工机的修整控制的第二实施例，其说明以下情况：作为被驱动体的刀具56与作为工件的旋转磨具54的旋转同步地进行往复动作，对旋转磨具54进行加工。根据来自上位控制装置(在图4中省略图示)的位置指令Pc，来控制旋转磨具54的旋转轴58和刀具56的进给轴60。这里，在旋转磨具54旋转20转的期间，刀具56往复一次，刀具56在一个旋转磨具的加工中往复10次。另外，在刀具56的去程(例如在图4中从左到右)和回程(例如在图4中从右到左)中，旋转磨具54的旋转方向是相反的。

图5是说明旋转磨具54的旋转20转(刀具56往复一次)中的基于旋转磨具54的旋转轴58的角度位置的基准位置生成的曲线图。如上所述，在旋转磨具向正方向旋转10转(相当于刀具56的去程)，并接着向反方向旋转10转(相当于刀具56的回程)的情况下，旋转轴58的角度位置每转一转就复原(360°→0°)，因此成为如曲线图5所示那样。但是，实际上旋转磨具54在去程和回程中分别向一个方向旋转，因此，如曲线图5b所示，也可以用累计值来表现旋转轴的角度位置(例如第二转为360°→720°)。然后，与上述第一实施例一样，学习控制器12通过微分器50对用累计值表现的旋转轴位置进行微分。于是获得曲线图5c那样的旋转轴速度。接着，在积分器52中，计算旋转轴速度的绝对值，对该绝对值进行积分获得曲线图5d所示的基准位置。从曲线图5d可知，所获得的基准位置向一个方向变化(在该示例中为广义上的单调增加)，因此，在本实施例中，也能够进行角度同步方式的学习控制。

另一方面，使刀具56进行往复动作的进给轴60的位置偏差基本上是由于伺服电动机相对于旋转磨具54的旋转的延迟所造成的，因此，呈现曲线图5e所示的形态。这里，如图4所示，学习控制器12具有第一极性反转部62，第一极性反转部62使进给轴60的位置偏差ε1的极性即符号根据旋转轴58的极性而反转。在第二实施例中，如曲线图5c所示，旋转磨具的后10转的符号是负的，因此，进给轴偏差中的相当于旋转磨具的后10转的部分的符号反转。其结果为，获得曲线图5f所示的极性进行了反转的进给轴偏差(在图4中记为ε1′).

通过积分器52生成的基准位置Pr如图4所示被发送到第一转换部30和第二转换部34。第一转换部30将每个采样周期的第一位置偏差ε1′转换成每个基准位置的第二位置偏差ε2，第二位置偏差ε2在与存储在存储部或者存储器32中的刀具56的往复动作的一周期前的第一修正量相加后，作为新的第一修正量δ1存储在存储器32中。另一方面，第二转换部34将每个基准位置的第一修正量δ1转换成每个采样周期的第二修正量δ2。这里，如图4所示，学习控制器12具有第二极性反转部64，第二极性反转部64使进给轴60的第二修正量δ2的极性即符号根据旋转轴58的符号反转，计算出符号反转后的第二修正量(在图4中记为δ2′)。在第二实施例中，如曲线图5c所示，由于旋转磨具的后10转的符号为负，因此，第二修正量中的相当于旋转磨具后10转的部分的符号反转。根据第一位置偏差ε1和极性反转后的第二修正量δ2′，来进行驱动被驱动体即刀具56(进给轴60)的伺服电动机的控制。

在第二实施例中，为了抑制取决于加工时的旋转磨具的偏心等的旋转轴旋转1转中的干扰，以旋转轴旋转1转的量为学习周期。以往，在去程中生成的修正量由于极性与回程中相反，因此无法使用。为了解决这样的问题，通过如上所述生成与速度对应的符号反转以及对速度的绝对值进行积分而得到的基准位置，在去程和回程中能够使用相同的修正量，到学习时的偏差收敛为止，不需要必要的动作。

另外，在第二实施例中，根据旋转模具54的位置来生成基准位置，但是当然也可以根据被驱动体即刀具56的位置来生成基准位置。但是，在本实施例中，在学习控制中最应该重视的偏差由于旋转磨具的偏心和制造精度所引起，该情况下，在旋转磨具每转1转时重复同样的偏差。另外，刀具的进给量也是根据旋转磨具的转速来确定的，因此，在第二实施例中，可以说使用旋转模具54的位置生成基准位置比使用刀具56的位置更适用于学习控制。

如图1所示，控制装置10也可以具有对发送到微分器50的位置数据进行切换的切换器66。即，通过微分器50进行处理的位置数据可以是来自位置检测器20的检测位置，也可以是来自上位控制装置18的位置指令中所包含的指令位置。或者，也可以使用与被驱动体14的动作同步地动作的其他轴或者驱动体68的位置。上述齿轮40或旋转模具54相当于这里所说的其他轴或者驱动体68。切换器66可以对将它们中的哪一个用于微分器50中的处理进行切换。当然，也可以是不使用切换器等而限定成上述的检测位置、指令位置或者其他驱动体的位置中的某一项进行使用的形态。

图6是表示本发明的伺服电动机控制装置中的处理的流程的流程图。首先，在步骤S1中，取得来自上位控制装置的指令，接着在步骤S2中检测被驱动体的位置反馈。在接下来的步骤S3中，计算每个采样周期的位置偏差(第一位置偏差)，在接下来的步骤S4中根据位置指令或者位置反馈生成向一个方向变化的基准位置。另外，本申请中的所谓“向一个方向变化”除了上述实施例那样的单调增加和广义上的单调增加，还包括单调减少和广义上的单调减少。

在步骤S5中，将通过步骤S3求出的第一位置偏差转换成在步骤S4中求出的每个基准位置的偏差(第二位置偏差)。在步骤S6中，将在前一周期中求出的第一修正量与在本周期中求出的第二位置偏差相加，来作为新的第一修正量。在初次周期中，由于不存在前一周期的第一修正量，所以将第二位置偏差直接作为第一修正量。新的第一修正量保存在存储器中(步骤S7)，与在下一周期中求出的第二位置偏差相加。在接下来的步骤S8中，将保存在存储器中的一周期前的每个基准位置的修正量(第一修正量)转换成每个采样周期的修正量(第二修正量)。最后，在步骤S9中，将每个采样周期的第二修正量与第一位置偏差相加，进行伺服电动机的控制。

根据本发明的伺服电动机控制装置，在周期性地进行往复动作的被驱动体中，能够进行以该被驱动体的一次往复为1个周期的角度同步方式的学习控制。

优选的基准位置的生成是通过对根据被驱动体的指令位置或者检测位置计算出的速度的绝对值进行积分而获得的。

伺服电动机控制装置在控制根据某对象物的旋转动作而进行往复动作的被驱动体的时候，通过具有使第一位置偏差和所述第二修正量的极性反转的极性反转部，能够在被驱动体的去程和回程中使用相同的修正量。

在基准位置的生成中，可以使用进行与被驱动体同步的动作的其他驱动体的指令位置或者检测位置来代替被驱动体。利用其他驱动体的指令位置或者检测位置特别适用于学习控制中应修正的偏差主要是由于该其他驱动体引起的情况。

通过设置限制第一修正量的频带的第一滤波器和在第一修正量发送到第二转换部之前进行相位补偿和增益补偿的第二滤波器，能够进行更加稳定的学习控制。

为了进行说明参照所选定的特定实施方式对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员来说，显然可以在不脱离本发明的基本概念和范围的情况下进行多种变更。

Claims (6)

1.一种伺服电动机控制装置(10)，其通过伺服电动机(16)来对周期性地进行往复动作的被驱动体(14)进行驱动控制，其特征在于，

该伺服电动机控制装置包括：

检测所述被驱动体(14)的位置的位置检测器(20)；

位置偏差取得部，其按每个预定的采样周期取得针对从上位控制装置(18)提供的位置指令的、通过所述位置检测器(20)检测到的所述被驱动体(14)的位置的偏差，来作为第一位置偏差；

基准位置生成部(50、52)，其对于周期性地进行往复动作的被驱动体的一个周期，与所述位置指令或者所述被驱动体(14)的位置对应地生成向一个方向增加的多个基准位置；

第一转换部(30)，其将通过所述位置偏差取得部取得的所述第一位置偏差转换成通过所述基准位置生成部(50、52)生成的每个所述基准位置的第二位置偏差；

存储部(32)，其对所述被驱动体的往复动作的一个周期存储每个所述基准位置的第一修正量；

加法部，其将所述第二位置偏差与存储在存储部(32)中的第一修正量相加，来作为用于所述被被驱动体(14)的往复动作的下一周期的、新的第一修正量；

第二转换部(34)，其将存储在所述存储部(32)中的所述新的第一修正量转换成每个所述采样周期的第二修正量；以及

控制部(24、28)，其根据所述第一位置偏差和所述第二修正量来控制所述伺服电动机。

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，

所述基准位置生成部(50、52)将积分得到的结果分割成多个来生成基准位置，该积分是针对周期性地进行往复动作的被驱动体(14)的一个周期，对根据所述采样周期和每个所述采样周期的所述位置指令或者所述被驱动体(14)的位置计算出的速度的绝对值进行积分。

3.根据权利要求2所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

所述伺服电动机控制装置还具有极性反转部(62、64)，所述极性反转部(62、64)对应于根据所述采样周期和每个所述采样周期的所述位置指令或者所述被驱动体(14)的位置计算出的速度的极性来使所述第一位置偏差和所述第二修正量的极性反转。

4.根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

所述基准位置生成部(50、52)使用与周期性地进行往复动作的所述被驱动体(14)同步动作的其他驱动体(68)的位置来代替所述位置指令或者所述驱动体的位置。

5.根据权利要求3所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

所述极性反转部(62、64)使用与周期性地进行往复动作的所述被驱动体(14)同步动作的其他驱动体(68)的位置来代替所述位置指令或者所述驱动体的位置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

所述伺服电动机控制装置(10)还具有第一滤波器(36)和第二滤波器(38)，所述第一滤波器(36)用于对新的第一修正量的频带进行限制，所述新的第一修正量是将通过所述第一转换部(30)转换得到的所述第二位置偏差与存储在所述存储部(32)中的所述第一修正量相加而得到的，所述第二滤波器(38)用于在存储于所述存储部(32)中的所述第一修正量被发送到所述第二转换部(34)之前，进行该第一修正量的相位补偿和增益补偿，所述第二转换部(34)用于转换成每个所述采样周期的第二修正量。

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