CN102467131A

CN102467131A - 伺服控制器

Info

Publication number: CN102467131A
Application number: CN2011100680571A
Authority: CN
Inventors: 竹居宽人
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-05-23
Also published as: JP2012104047A

Abstract

本发明得到一种伺服控制器，其对于双自由度控制结构的伺服控制器，即使使用的位置检测器的分辨率低，也能可靠地减少从前馈控制器向反馈控制器赋予的操作量中产生的波动，可以以高追随性进行高精度控制。指令生成器将所输入的位置指令从控制器的分辨率变换为与位置检测器的分辨率相比分辨率更高的内部位置指令。前馈控制器基于内部位置指令，利用微分器(110)、滤波器(111)生成速度前馈成分(152)，基于该成分，利用微分器(112)、滤波器(113)生成扭矩前馈成分(154)。由于内部位置指令的分辨率高于位置检测器的分辨率，所以在前馈成分(152、154)中产生的波动，比利用具有位置检测器分辨率的内部位置指令时少。

Description

伺服控制器

技术领域

本发明涉及一种驱动电动机的伺服控制器。

背景技术

作为本发明对象的伺服控制器具有：指令生成器，其将从上位控制器输入的位置指令变换为内部位置指令；以及反馈控制器和前馈控制器，在它们中并行输入指令生成器生成的内部位置指令。前馈控制器利用内部位置指令进行追随性控制，其中，该追随性控制用于使得对于所输入的位置指令的响应延迟减少。反馈控制器通过进行控制，使得该内部位置指令和安装在电动机上的位置检测器所检测出的电动机位置信息之间的差值减少，从而抑制干扰。如上所述，伺服控制器通常构成为，以双自由度控制来实现针对指令的追随和抑制干扰。

此外，作为伺服控制器的结构，有时也例如专利文献1所示仅由反馈控制器构成。在仅由反馈控制器构成的伺服控制器中，反馈控制器是以实现针对指令的追随以及抑制干扰的方式构成的。

在这里，在作为本发明对象的伺服控制器中，前馈控制器对内部位置指令进行微分而生成速度前馈成分，对其进行微分而生成扭矩前馈成分，并分别作为操作量赋予反馈控制器。并且，反馈控制器进行控制，以使得向所输入的位置指令示出的目标位置进行驱动的电动机追随速度以及扭矩的各前馈成分。

但是，在现有的伺服控制器中，内部位置指令由以下方法生成。即，通过基于从上位控制器输入的检测器分辨率的指令或者其他分辨率的指令，将从上位控制器输入的位置指令从上位控制器的分辨率变换为位置检测器的分辨率下的位置指令，并将其按照每一个控制周期进行分割，从而生成内部位置指令。该内部位置指令具有以下特性，即，以与位置检测器的分辨率对应的分辨率为单位而阶梯状变化，从而成为从上位控制器输入的位置指令所示出的目标位置。将该阶梯状变化的内部位置指令向反馈控制器以及前馈控制器输入，进行上述控制动作。

即，对于在现有的伺服控制器中生成的内部位置指令，如果位置检测器为高分辨率，则形成表现出较小阶梯落差以及较小阶梯宽度的精细阶梯状变化的特性，但如果位置检测器为低分辨率，则形成表现出较大阶梯落差以及较大阶梯宽度的粗糙阶梯状变化的特性。

由此，对于在前馈控制器中利用内部位置指令的微分值而生成的操作量(速度以及扭矩的各前馈成分)，在利用高分辨率的位置检测器的情况下，变化较少且平滑，但在利用低分辨率的位置检测器的情况下，有时变化较大而产生波动(ripple)。

专利文献1：日本特开平4-24808号公报

发明内容

在这里，在进行双自由度控制的现有伺服控制器中，在如上所述使用低分辨率的位置检测器的情况下，从前馈控制器向反馈控制器赋予的操作量(速度以及扭矩的各前馈成分)的变化较大而产生波动，这一情况对于实现针对位置指令的追随性的提高成为瓶颈。

即，为了提高针对位置指令的追随性，需要提升前馈增益。但是，在利用低分辨率的位置检测器的情况下，如果提升前馈增益，则向反馈控制器赋予的操作量更大地进行变化，产生波动变大的现象，因此，前馈增益无法高增益化。由此，在利用低分辨率的位置检测器的情况下，难以实现针对位置指令的追随性的提高。

上述问题即使在仅具有反馈控制器的伺服控制器中也同样产生。在仅具有反馈控制器的伺服控制器中，反馈控制器进行针对位置指令的追随和抑制干扰，为了提高针对位置指令的追随性，需要提高反馈增益。但是，由于位置的变化量为速度，速度的变化量为扭矩，所以在利用低分辨率的位置检测器的情况下，如果提升反馈增益，则产生向电动机赋予的操作量的波动变大的现象，因此，反馈增益无法高增益化。

作为解决该问题的一个方法，在专利文献1中提出以下技术，即，使得内部位置指令的分辨率与检测器分辨率相比较高，另外，基于位置检测器的检测信息进行位置的推定处理，基于与实际的检测器分辨率相比分辨率更高的推定位置信息，进行反馈控制。

但是，在专利文献1提出的技术中，为了得到与位置检测器分辨率相比分辨率更高的位置信息而进行各种推定，但也仅是推定，因此，由于条件等不同而导致精度产生变动。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种伺服控制器，其针对双自由度控制结构的伺服控制器，即使使用的位置检测器的分辨率较低，也可以可靠地减少从前馈控制器向反馈控制器赋予的操作量中产生的波动，可以以高追随性进行高精度控制。

为了解决上述课题，实现目的，本发明提供一种伺服控制器，其具有：前馈控制器，其基于根据所输入的位置指令生成的内部位置指令，生成速度以及扭矩的各前馈成分；以及反馈控制器，其将位置检测器检测出的电动机位置信息作为反馈信号，并进行控制以使得向所述输入的位置指令示出的目标位置进行驱动的电动机追随所述速度以及扭矩的各前馈成分，该伺服控制器的特征在于，所述内部位置指令是以具有与所述位置检测器的分辨率相比更高的分辨率的方式生成的。

发明的效果

根据本发明，由于使用将输入伺服控制器的位置指令变换为与位置检测器的分辨率相比更高的分辨率而获得的内部位置指令，进行前馈补偿，所以与使用具有位置检测器分辨率的内部位置指令进行前馈补偿的情况相比，可以减少从前馈控制器向反馈控制器赋予的操作量即速度以及扭矩的各前馈成分中产生的波动。由此，可以实现下述效果，即，即使所使用的位置检测器为低分辨率，也可以使速度以及扭矩的各前馈成分高增益化，能够对电动机进行高精度控制。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的伺服控制器的结构的框图。

图2是表示图1所示的指令生成器的构成例的框图。

图3是将图1所示的指令生成器以及前馈控制器的动作与现有结构进行比较而示出的波形图。

图4是将实施方式产生的效果与现有结构进行比较而示出的波形图。

图5是表示本发明的实施方式2所涉及的伺服控制器的结构的框图。

具体实施方式

下面，基于附图，详细说明本发明所涉及的伺服控制器的实施方式。此外，本发明并不由本实施方式所限定。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的伺服控制器的结构的框图。图2是表示图1所示的指令生成器的构成例的框图。

在图1中，伺服控制器1a按照从控制器2输入的位置指令A，对组装在负载装置3上的电动机4进行驱动。低分辨率的位置检测器(ENC)5直接安装在电动机4上或安装在电动机4附近。伺服控制器1a在驱动电动机4时，将位置检测器5检测出的电动机位置信息251作为反馈信号使用。

伺服控制器1a具有：指令生成器10；前馈控制器11a；以及反馈控制器12。

指令生成器10在后面详细记述，其通过例如图2所示的结构，将从控制器2输入的位置指令A，变换为与低分辨率的位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的内部位置指令150，将该变换后的内部位置指令150并行地向前馈控制器11a以及反馈控制器12输出。

前馈控制器11a具有：输入内部位置指令150的微分器110及滤波器111的串联电路；以及将该串联电路的输出作为输入的微分器112及滤波器113的串联电路。该结构为现有的通常结构。

在前馈控制器11a中，微分器110以及滤波器111的串联电路根据与低分辨率的位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的内部位置指令150而生成速度前馈成分152。并且，微分器112以及滤波器113的串联电路根据速度前馈成分152生成扭矩前馈成分154。将它们分别作为操作量向反馈控制器12输出。

反馈控制器12具有：乘法器201、202、203；位置控制器204；速度控制器205；扭矩控制器206；微分器207；以及加法器208、209、210。反馈控制器12在现有的通常结构中追加了乘法器201。

乘法器201对变换为与位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的内部位置指令150乘以单位换算增益，变换成分辨率与位置检测器5的分辨率相同的内部位置指令250。乘法器202对速度前馈成分152乘以单位换算·补偿增益，输出速度前馈指令252。乘法器203对扭矩前馈成分154乘以单位换算·补偿增益，输出扭矩前馈指令254。微分器207根据电动机位置信息251求出电动机速度253。

加法器208求出内部位置指令250和电动机位置信息251之间的差值(位置偏差)290。位置控制器204求出使位置偏差290变小的操作量(速度指令)291。加法器209将速度指令291与速度前馈指令252进行加法运算，求出该加法运算值(速度指令)和电动机速度253之间的差值(速度偏差)292。速度控制器205求出使速度偏差292变小的操作量(扭矩指令)293。加法器210将扭矩指令293与扭矩前馈指令254进行加法运算，输出扭矩指令294。扭矩控制器206根据加法器210输出的扭矩指令294，求出驱动电动机4的操作量295。

另外，指令生成器10例如图2所示，具有：输入段的检测器单位变换器101；中间段的高分辨率单位变换器102；以及输出段的控制周期分割器103。即，指令生成器10构成为，在现有通常使用的指令生成器中追加了高分辨率单位变换器102。

检测器单位变换器101基于从控制器2输入的检测器分辨率的指令或者其它分辨率的指令，将从控制器2输入的位置指令A，从控制器2的分辨率变换为具有低分辨率位置检测器5的分辨率的位置指令。

高分辨率单位变换器102将由检测器单位变换器101变换后的具有低分辨率位置检测器5的分辨率的位置指令，变换为与低分辨率位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的位置指令。

控制周期分割103将由高分辨率单位变换器102变换后的与低分辨率位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的位置指令，按照伺服控制器1a的每一个控制周期进行分割，并将其作为内部位置指令150输出。

图3是将图1所示的指令生成器以及前馈控制器的动作与现有结构进行比较而示出的波形图。图3(1)是说明本实施方式所涉及的指令生成器以及前馈控制器的动作的波形图。图3(2)是说明当前通常使用的指令生成器以及前馈控制器的动作的波形图。

如图3(2)所示，当前通常使用的指令生成器将下述指令作为内部位置指令，即，将检测器单位变换器输出的、具有低分辨率位置检测器的分辨率的低分辨率位置指令(ハ)，由控制周期分割器按照伺服控制器的每一个控制周期进行分割而得到的指令，因此，该内部位置指令成为下述特性，即，表现出阶梯落差与低分辨率位置指令的低分辨率(二)相应地变大，并且具有跨越多个控制周期的较大阶梯宽度的粗糙阶梯状变化。

其结果，在输入该示出粗糙阶梯状变化特性的内部位置指令的现有伺服控制器中，在前馈控制器中，利用内部位置指令的微分值生成的速度以及扭矩的各前馈成分，成为具有波动的变动波形。

与此相对，在本实施方式中，如图3(1)所示，指令生成器10将下述指令作为内部位置指令150，即，将检测器单位变换器101输出的、具有低分辨率位置检测器5的分辨率的低分辨率位置指令(イ)，由高分辨率单位变换器102变换为与低分辨率位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的高分辨率位置指令(ロ)，并将其由控制周期分割器103按照伺服控制器1a的每一个控制周期进行分割而得到的指令，因此，该内部位置指令150成为下述特性，即，表现出阶梯落差与高分辨率位置指令的高分辨率(ロ)相应地变小，并且具有一个控制周期程度的较小阶梯宽度的精细阶梯状变化。

其结果，在输入该示出精细阶梯状变化特性的内部位置指令150的前馈控制器11a中，对于利用内部位置指令150的微分值生成的速度前馈成分152以及扭矩前馈成分154的部分，其波动减少，成为平滑的波形。

下面，图4是将本实施方式产生的效果与现有结构进行比较而示出的波形图。在图4中，以实线示出的特性为本实施方式的特性，以虚线示出的特性为现有结构的特性。

在图4中，示出(1)位置指令、(2)速度指令、以及(3)扭矩指令的各波形例。(1)位置指令是向前馈控制器中输入的内部位置指令。(2)速度指令是在反馈控制器中，反映了速度前馈指令而向速度控制器中输入的速度指令。(3)扭矩指令是反映了扭矩前馈指令而向扭矩控制器中输入的扭矩指令。

如图4中虚线所示，在现有结构中，由于(1)位置指令以低分辨率检测器的分辨率为单位进行变化，所以在现有的反馈控制器中生成的(2)速度指令以及(3)扭矩指令的各前馈成分中，波动变多。由此，在现有的反馈控制器中，在使电动机以恒速运转的情况下的速度及扭矩产生变动。

与此相对，在本实施方式所涉及的结构中，如图4中实线所示，由于(1)位置指令以与低分辨率检测器5的分辨率的单位相比分辨率更高的单位进行变化，所以在反馈控制器12中生成的(2)速度指令以及(3)扭矩指令的各前馈成分中，产生的波动减少。由此，在反馈控制器12中，虽然所输入的内部位置指令250的精度仍然为低分辨率位置检测器5的分辨率，没有改变，但可以减少速度前馈成分152和扭矩前馈成分154的波动的影响，因此，可以减少在使电动机恒速运转的情况下的速度和扭矩中产生的变动。

如上所述，根据实施方式1，虽然使用的位置检测器为低分辨率，但由于使用将输入至伺服控制器的位置指令从控制器的分辨率变换为与低分辨率位置检测器的分辨率相比更高的分辨率而获得的位置指令，进行前馈补偿，所以可以减少在速度前馈成分以及扭矩前馈成分中产生的波动。由此，可以使速度前馈成分以及扭矩前馈成分高增益化，可以对电动机进行高精度控制。

实施方式2.

图5是表示本发明的实施方式2所涉及的伺服控制器的结构的框图。此外，在图5中，对于与图1(实施方式1)所示的构成要素相同或者等同的构成要素标注相同标号。在这里，以与本实施方式2相关的部位为中心进行说明。

如图5所示，本实施方式2所涉及的伺服控制器1b构成为，在图1(实施方式1)所示的伺服控制器1a中，替代前馈控制器11a而设置有前馈控制器11b。

前馈控制器11b被称为所谓模型追随型，其模拟电动机及包含电动机在内的机械的理想动作，以追随理想动作的方式进行控制，该前馈控制器11b具有加法器120、模型位置控制器121、加法器122、模型速度控制器123、电动机模型125、以及积分器128。

指令生成器10输出的内部位置指令150向加法器120的加法运算输入端输入。加法器120的输出向模型位置控制器121输入，模型位置控制器121的输出向加法器122的加法运算输入端输入。加法器122的输出向模型速度控制器123输入，模型速度控制器123的输出向电动机模型125输入，电动机模型125的输出经由积分器128向加法器120的减法运算输入端输入，并作为位置前馈成分301向反馈控制器12的乘法器201输入。并且，模型速度控制器123的输出作为扭矩前馈成分303向反馈控制器12的乘法器203输入。另外，电动机模型125的输出向加法器122的减法运算输入端输入，并作为速度前馈成分302向反馈控制器12的乘法器202输入。

在前馈控制器11b中，在电动机模型125中，运算包括从赋予给电动机4的扭矩至速度的传递特性在内的模型，在模型位置控制器121以及模型速度控制部123中，构成包含控制参数在内的标准模型，由此计算出的模型位置即位置前馈成分301、模型速度即速度前馈成分302、模型扭矩即扭矩前馈成分303分别赋予反馈控制器12。由于使用与位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的内部位置指令150，所以与实施方式1相同地，速度前馈成分302以及扭矩前馈成分303以波动较少的状态向反馈控制器12输入。

在反馈控制器12中，与低分辨率位置检测器5的分辨率相比分辨率更高的位置前馈成分301由乘法器201变换为具有位置检测器5的分辨率的内部位置指令250，速度前馈成分302由乘法器202变换为速度前馈指令252，扭矩前馈成分303由乘法器203变换为扭矩前馈指令254。

由此，在反馈控制器12中，根据进行了前馈补偿的内部位置指令250、速度前馈指令252以及扭矩前馈指令254，进行使得向目标位置驱动的电动机4追随电动机的理想动作的控制。

根据本实施方式2，由于可以对位置、速度以及扭矩进行前馈补偿，所以在可以与实施方式1相同地进行电动机的高精度控制的基础上，即使针对来自控制器的急加速减速指令，也由于是以追随电动机的理想动作的方式进行控制的，所以可以稳定地进行控制。

工业实用性

如上所述，本发明所涉及的伺服控制器作为下述伺服控制器而有效，其对于双自由度控制结构的伺服控制器，即使所使用的位置检测器的分辨率较低，也可以可靠地减少从前馈控制器向反馈控制器赋予的操作量中产生的波动，可以以高追随性进行高精度控制。

Claims

1.一种伺服控制器，其具有：

前馈控制器，其基于根据所输入的位置指令生成的内部位置指令，生成速度以及扭矩的各前馈成分；以及

反馈控制器，其将位置检测器检测出的电动机位置信息作为反馈信号，并进行控制以使得向所述输入的位置指令示出的目标位置进行驱动的电动机追随所述速度以及扭矩的各前馈成分，

其特征在于，

所述内部位置指令是以具有与所述位置检测器的分辨率相比更高的分辨率的方式生成的。

2.根据权利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，

所述输入的位置指令为具有所述位置检测器的分辨率的指令，所述内部位置指令是以具有与位置检测器分辨率相比更高的分辨率的方式生成的。

3.根据权利要求1或2所述的伺服控制器，其特征在于，

所述反馈控制器将与所述位置检测器的分辨率相比分辨率更高的内部位置指令，变换为具有所述位置检测器的分辨率的低分辨率内部位置指令，按照该低分辨率内部位置指令进行所述控制动作。

4.一种伺服控制器，其具有：

前馈控制器，其具有标准模型控制部，该标准模型控制部基于根据所输入的位置指令生成的内部位置指令，运算对电动机以及包含电动机在内的机械的理想动作进行模拟的模型位置、模型速度、模型扭矩；以及

反馈控制器，其将位置检测器检测出的电动机位置信息作为反馈信号，并进行控制以使得向所述输入的位置指令示出的目标位置进行驱动的电动机追随所述模型位置、模型速度以及模型扭矩的各前馈成分，

其特征在于，

5.根据权利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，

所述反馈控制器将基于与所述位置检测器的分辨率相比分辨率更高的内部位置指令而生成的所述模型位置，变换为具有所述位置检测器的分辨率的低分辨率内部位置指令，按照该低分辨率内部位置指令进行所述控制动作。