CN103262404B - 基于负载重量的伺服电机实时控制器 - Google Patents

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    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage

Abstract

本发明涉及根据负载重量的实时伺服电机控制器，其在负载惯性根据负载(原材料)的重量发生变化的情况下，也能适应性地控制伺服电机，并且实时反映在负载的移送中发生的各种机械性变量而与负载重量无关而将伺服电机控制为最佳状态。为此，本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的特征在于，包括：对利用在分别移送测试用负载的同时测定的控制参数分别进行存储，并提供与实时推断的负载惯性相对应的控制参数的控制参数提供部；实时推断在负载的移送中发生的干扰的干扰观测器；计算移送中的负载的惯性并输出给控制参数提供部的负载惯性计算器；从控制参数提供部输入控制参数并控制伺服电机的伺服控制器；以及执行控制算法的上位控制器。

Description

基于负载重量的伺服电机实时控制器
技术领域
本发明涉及基于负载重量的伺服电机实时控制器，更详细而言，涉及即使在负载惯性基于负载（原材料）的重量发生变化的情况下也能相应地控制伺服电机，并且实时反映在负载的移送中发生的各种机械性变量，从而与负载重量无关地能够将伺服电机控制为最佳状态的基于负载重量的伺服电机实时控制器。
背景技术
一般而言，包括各种机床的设备（plant）利用伺服电机来对装载在上述设备上的原材料（负载）进行移送，此时伺服电机及与该伺服电机连接的移送轴根据由负载的重量引起的负载惯性，控制系统的性能受到很大影响。
尤其，在为了减少循环时间并提高移送速度而增大移送轴滚珠丝杠的螺距的情况下，由滚珠丝杠引起的减速比效果降低，因此随着负载重量的变化，负载惯性的变化变得更大，由此控制系统的性能发生很大变化。
即，根据伺服电机的惯性和从相应的伺服电机侧观察的负载惯性之间的相对的比率，不仅控制系统的带宽受到影响，而且稳定性也受到影响，一般而言伺服电机与负载的惯性之比越小，控制系统的带宽越大且稳定性也越高，相反，伺服电机与负载的惯性之比越大，控制系统的带宽越小且稳定性也越低。
而且，控制系统的带宽越小，相对于指令的反应性降低而移送指令与跟踪之间延迟增大，发生稳定性越低跟踪过冲（overshoot）增大的问题，因此要通过适当的控制参数的调整来避免预料要发生的问题，从而需要实时推断由负载重量引起的负载惯性。
为此，在由日本发那科提出专利申请的“用于惯性推断的控制装置及控制系统（日本公开专利第2010-148178号）”中提出了如下方式，即，若根据惯性推断开始信号向移送轴伺服电机发送正弦转矩指令(sine torque command)，则利用该转矩指令，在伺服电机振动时检测伺服电机的电流及加速度数据，从而计算负载惯性。
但是，如上所述的方式需要在每次负载发生变化时产生惯性推断开始信号而使移送轴伺服电机，而且由于使用预先测定移送轴的摩擦而设定参数的方式，因此无法实时应对根据负载重量及时间经过的移送轴摩擦特性的变化，在由于机械性背隙（backlash）而伺服电机与移送轴的连接刚性（stiffness）降低的情况下，存在难以进行惯性推断或推断误差变大的问题。
另外，在由德国海德汉提出专利申请的“Method for Determining the Mass Moment of Inertia of an Electric Motor Drive System（美国注册专利US6,998,812）”中，提出了使原材料移送轴均向正方向和反方向移送而推断负载惯性的方式。
但是，如上所述的方式在方向转换时由于因移送轴柔性（compliance）而有可能发生的伺服电机转矩及加速度数据的波动（ripple），负载惯性推断性能降低，而且尽管等速区间的移送系统摩擦力和加速区间的摩擦力彼此不同，无法实时反映这种摩擦力（即，干扰）的变化，存在计算负载惯性的准确性降低的问题。
发明内容
技术课题
本发明是为解决如上所述的问题而作出的，其目的在于提供基于负载重量的伺服电机实时控制器，其在负载惯性基于负载(原材料)的重量发生变化的情况下也能适应性地控制伺服电机，并且实时反映了在负载的移送中发生的各种机械性变量，从而与负载重量无关地能够将伺服电机控制为最佳状态。
解决技术课题的方法
为此，本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的特征在于，包括：控制参数提供部，其对利用在分别移送具有彼此不同的重量的测试用负载（原材料）的同时测定的各种数据进行了最佳化的伺服电机控制用控制参数分别进行存储，并且在设备实际运转时提供与实时推断的负载惯性相对应的控制参数；干扰观测器，其实时推断推断以摩擦转矩（torque）为首的上述负载的移送中发生的干扰负载；负载惯性计算器，其被输入施加在上述伺服电机的电流的测定值、上述伺服电机的旋转角速度测定值、及由上述干扰观测器推断的推断干扰值，计算由上述伺服电机移送中的负载的惯性，将上述计算出的负载惯性值输出给控制参数提供部；伺服控制器，其从上述控制参数提供部输入与上述负载惯性计算器输出的负载惯性相对应的控制参数，利用上述 输入的控制参数控制上述伺服电机；以及上位控制器，其执行上述负载惯性的计算和通过上述控制参数的上述伺服控制器的控制算法。
此时，优选的是，上述控制参数提供部将上述测试的控制参数按照根据各负载的重量的负载惯性存储在查询表（look-up table）中，并对存储在上述查询表中的控制参数值之中彼此邻接的位置的两个控制参数值进行线性差值而提供控制参数。
另外，优选的是，上述负载惯性计算器利用以下数学式1实时计算负载惯性，并且将上述计算的负载惯性输出给上述控制参数提供部。
数学式1
∫Kt*(Iq+DTRQ)dt=(Jm+JL)*Vm
其中，上述Kt为伺服电机转矩常数，上述Iq为施加在伺服电机的q相电流，上述DTQR为干扰，上述Vm为上述伺服电机旋转角速度，上述Jm为伺服电机惯性，上述JL为从电机侧观察的负载惯性。
而且，优选的是，根据通过上述伺服电机以等加速移送上述负载的过程中测定的值，推断上述控制参数、上述干扰及上述负载惯性。
发明效果
根据如上所述的本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器，在负载惯性根据负载（原材料）的重量发生变化的情况下，也能适应性地控制伺服电机。
而且，基于负载重量的伺服电机实时控制器能够实时反映在负载的移送中发生的机械性背隙及摩擦转矩之类的各种机械性变量，从而与负载重量无关地能够将伺服电机控制为最佳状态。
附图说明
图1是表示本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的结构图。
图2a是表示本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的查询表的图。
图2b是表示本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的线性差值方法的图。
图3是表示本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的扰动观测器的方框图。
图4是表示本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的负载惯性推断区间 的图。
图5是本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的动作的顺序图。
标号说明
110：上位控制器  111：应用程序存储器
120：伺服控制器  130：伺服放大器
140：控制参数提供部  141：查询表
150：干扰观测器  160：负载惯性计算器
10：设备  11：伺服电机
12：工作台  L：负载（原材料）
具体实施方式
以下，参照附图详细说明根据本发明的优选实施例的基于负载重量的伺服电机实时控制器。
首先，如图1所示，本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器100包括：控制参数提供部140，其对利用了分别移送测试用负载（原材料）的同时测定的各种数据而进行最佳化的控制参数预先分别进行存储，并提供与实时推断的负载惯性相对应的控制参数；实时推断在负载L（以下省略附图标记）的移送中发生的干扰（disturbance）的干扰观测器150；计算移送中的负载的惯性并向控制参数提供部140输出的负载惯性计算器160；从控制参数提供部140被输入控制参数而控制伺服电机11的伺服控制器120；以及调整控制算法的上位控制器110。
此外，如众所周知，在上述伺服控制器120与设备10之间具备由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等构成的伺服放大器130（还称为“伺服驱动器”），其能够将PWM信号转换成励磁电流并提供给伺服电机11。
根据这种结构，由干扰观测器150实时推断在利用伺服电机11移送负载过程中发生的干扰，由内设于伺服电机的传感器（未图示）测定施加在伺服电机11的电流值和伺服电机11的旋转角速度，由负载惯性计算器160利用上述干扰、电流值及旋转角速度来计算由移送中的负载产生的负载惯性。
而且，控制参数提供部140将已经存储的控制参数中的与上述计算出的负载惯性相对应的控制参数提供给伺服控制器120，使得伺服控制器120能够利用所提供的控 制参数控制伺服电机11，此时如上所述的控制系统在上位控制器110的控制下执行。
从而，本发明通过检测加减速时间常数(time constant)大而容易收集数据并能确保充分的时间的快速移送中干扰、电流及加速度数据而计算负载惯性，根据所计算出的负载惯性适应性地调整伺服电机移送轴控制系统的控制参数，从而能够与负载重量无关而进行最佳的移送轴控制。
此时，快速移送意味着由负载重量引起的负载惯性为影响整个控制系统的预定速度以上，这可以根据负载的重量而不同，因此可以根据负载重量可变地设定快速移送基准值。
另外，根据本发明，由于利用在负载的移送中实时检测出的伺服数据，因此不仅能够解除在负载移送轴反转时发生的机械性背隙(backlash)所引起的影响，而且通过考虑干扰数据而还能够应对移送中发生的摩擦特性的变化。
另外，根据本发明，由于预先存储与具有彼此不同的重量的测试负载有关的控制参数并提供，不需要在每次负载变更时由设备操作者明示产生负载惯性推断开始信号的步骤，实时反映施加在伺服电机11的移送轴上的干扰并计算负载惯性，选择性地提供与此对应的进行了最佳化的控制参数，因此能够减少设备操作者的负担。
更具体而言，控制参数提供部140分别存储伺服电机11控制用控制参数，该伺服电机11控制用控制参数是利用了在分别移送具有彼此不同的重量的测试用负载的同时测定的各种数据而进行了最佳化的参数，之后在设备10实际运转时计算并提供与实时推断的负载惯性相对应的控制参数。
测试用负载作为一例是具有无负载(即，0吨)、2.5吨、5吨、7.5吨及10吨等的代表重量的负载，根据需要可以使用更多数量的测试用负载，将测试用负载装载在设备10的工作台12之后，预先取得能够以最佳状态与负载惯性相对应的控制参数值并进行存储。
如图2a所示，关于各测试用负载的控制参数存储在查询表(look-up table)141中，设置于非活性存储器中的查询表141包括表索引、负载惯性及控制参数等，按照具有彼此不同的重量的测试负载分别存储最佳的控制参数。
如众所周知，控制参数有速度环控制增益、加减速时间常数、除振过滤器（resonance elimination filter）的衰减频率、加速度反馈增益及加速度前馈（feed forward）等。
此时，速度环控制增益其值越大，控制刚性（stiffness）及反映性越好，但另一方面，在过大的情况下控制环变得不稳定。
而且，加减速时间常数其值越大，由负载惯性引起的冲击变小，但加工时间增加。
另外，共振解除（除振）过滤器的中心频率根据伺服电机11与负载之间的惯性比及移送系统刚性而共振频率发生变化，因此为了适应性地对其进行应对而需要进行调整。
而且，加速度反馈增益是以电子的方式调整伺服电机11的惯性的参数，其值越大，能够改善在负载惯性大于伺服电机惯性时产生的问题，但另一方面，加工时间增加，在过大的情况下控制系统变得不稳定。
另外，加速度前馈是用于补偿由负载惯性产生的延迟的参数，其值越大，加减速加快，但过大的情况下，有可能发生由负载惯性引起的冲击。
因此，按照各测试负载测试如上所述的各种控制参数，预先测定最佳的控制参数并进行存储。
另一方面，在所推断的负载惯性M比已经存储在查询表141中的最小的负载惯性m0小的情况下(M≤m0)，作为要提供的控制参数fM提供与已经存储在查询表141中的最小的负载惯性m0相对应的控制参数f0，相反，在所推断的负载惯性M比已经存储在查询表141中的最大的负载惯性mn大的情况下(M≥m0)，作为要提供的控制参数fM提供与已经存储在查询表141中的最大的负载惯性mn相对应的控制参数fn。
即，在超出查询表141的范围时，用查询表141的最小值f0或最大值fn代替而提供，从而即使在查询表141中没有代表值的情况下也能适当地进行应对。这是因为，即使将小于最小值f0或大于最大值fn等超出范围的值用最小值f0或最大值fn代替，实际上也不会对控制带来很大影响。
而且，在要提供关于不超出查询表141的范围但具有与代表重量不相应的重量的负载的控制参数的情况下，如图2b所示，利用线性差值法提供控制参数。
即，对存储在查询表141中的控制参数值之中彼此邻接的位置的两个控制参数值进行线性差值而提供控制参数，作为一例，在实际负载的负载惯性以m3与m4之间的值计算的情况下，提供利用F=(f4-f3/m4-m3)*(M-m3)+f3式计算的控制参数。
通过这种过程，本发明能够对于具有彼此不同的代表重量的测试负载，预先存储进行最佳化的控制参数，并对于各种负载提供适当的控制参数。
从而，如以下更详细说明，若由干扰观测器150实时推断干扰，则利用该干扰和各种伺服数据计算负载惯性，进而根据负载惯性使用已经存储在查询表141中的控制参数，因此不需要执行如以往那样在每次负载变更时由设备操作者使其产生负载惯性推断开始信号的明示的步骤。
干扰观测器150用于实时推断如移送轴摩擦转矩之类的在上述负载的移送中从外部受到的力即干扰，并提供给负载惯性计算器160，如图3所示，干扰观测器150包括电机部151、153、干扰加法器152、推断干扰加法器154、移送轴惯性模块155、速度传感器模块156、速度减法器157及补偿器158，由这些形成闭环反馈控制回路。
在图3中，电机部151、153的Kt是电机转矩常数，Jm是电机惯性，这些参数显示在由伺服电机11制造厂家提供的伺服电机11说明书（specification）中。S是拉普拉斯算子。
另外，干扰加法器152用于以图示的方式表示从外部施加的干扰对惯性模块153带来的影响。
而且，移送轴惯性模块155参照伺服电机模块将加上所推断的干扰的转矩指令转换为速度，补偿器158调整作为干扰观测器150的补偿参数的带宽（bandwidth），在要增加带宽的情况下，以所推断的干扰转矩与实际干扰转矩更快且更准确地接近的方式进行推断，从而能够进一步提高计算负载惯性的准确度。
另外，速度传感器模块156将由速度减法器157计算的实际速度v与推断速度的偏差转换为转矩并将此作为推断的干扰而提供。所推断的干扰是观测器150的输出并作为一例是移送轴的干扰转矩，如此推断的干扰用于在负载惯性计算器160中计算负载惯性。
另一方面，在上述说明的干扰观测器150其自身是公知的，可以使用如注册专利第10-712558号及注册专利第10-185720号等中提出的各种干扰观测器150。
但是，本发明与现有技术不同，由干扰观测器150进行的干扰推断在加减速时间常数大而容易进行数据收集并能确保充分的时间的快速移送中实现，从而在能够准确推断干扰这一点存在差异。这在后述的施加在伺服电机11的电流或伺服电机11的旋转角速度也是相同的。
而且，如图4所示，本发明在伺服电机11以等加速运转的时间t2～t3进行推断，并且利用在该时间t2～t3由干扰观测器推断的干扰转矩的平均值，在这一点上存在差 异。
这是因为，若在移送轴等加速时观测干扰，则不仅能够解除由机械性背隙引起的影响，而且，在线性加速区间t1～t2或线性减速区间t3～t4中有可能含有超出干扰观测器150的带宽的高频信号，从而干扰观测器150难以准确推断实际干扰转矩。
负载惯性计算器160被输入施加在伺服电机11的电流、伺服电机11的旋转角速度及推断干扰值，并计算利用伺服电机11移送中的负载的惯性，之后提供给控制参数提供部140。
从而，若从控制参数提供部140向伺服控制器120提供与负载惯性相当的控制参数，则伺服控制器120能够根据负载重量将伺服电机11控制成最佳状态。
如已公知，施加在伺服电机11的电流（准确地说，q相电流：与电机转矩成比例的电流）和伺服电机11的旋转角速度使用由内设于伺服电机11的各种传感器（未图示）测定的值，推断干扰值使用由上述干扰观测器150推断的干扰转矩，使用负载惯性计算式的以下的数学式2。
数学式2
K t * ( I q + DTRQ ) = ( J m + J L ) * a m ⇔ ∫ K t * ( I q + DTRQ ) dt = ( J m + J L ) * V m
其中，Kt为伺服电机转矩常数，Iq为施加在伺服电机的q相电流，DTQR为干扰转矩，αm为伺服电机旋转角加速度，Vm为伺服电机旋转角速度，Jm为伺服电机惯性，JL为从电机侧观察的负载惯性。
在上述数学式2中，对左边全体进行积分则与右边相同，由此可知能够使用伺服电机旋转角加速度αm或伺服电机旋转角速度Vm中的任一个。即，若对加速度进行积分则得出速度，因此在使用加速度的情况下使用左边的公式，在使用速度的情况下使用右边的公式即可。
另一方面，数学式2中负载惯性JL是最终要计算的目标值，此外伺服电机转矩常数Kt和伺服电机惯性Jm是显示在由伺服电机11制造厂家提供的伺服电机说明书中的常数从而是已知的值，施加在伺服电机11的电流Iq和旋转角加速度αm或旋转角速度Vm是由内设于伺服电机的传感器测定之后通过伺服放大器130及伺服控制器120提供给负载惯性计算器160的测定值。
从而，若要通过上述的数学式2计算作为目标值的负载惯性JL，只要求出作为干扰转矩的DTQR值即可，这从上述干扰观测器150推断并提供，因此能够计算负载惯性，如此计算的负载惯性输出给控制参数提供部140。
伺服控制器120从控制参数提供部140输入与由负载惯性计算器160计算的负载惯性相对应的控制参数，根据上述输入的控制参数，通过伺服放大器130控制伺服电机11。
当然，还从内设于伺服电机11的传感器接收施加在伺服电机11的电流、伺服电机11的旋转速度等的各种伺服数据并传送给上位控制器110。
上位控制器110担任执行通过负载惯性的计算和控制参数计算的伺服控制器120的适应性调整等总体控制，此时如上所述的用于控制的控制算法存储在应用程序存储器111中。
伺服控制器120利用由上位控制器110适应性地调整的控制参数而生成转矩指令，以便能够与负载无关地进行最佳的控制，并将该指令发送给伺服放大器130，从而控制伺服电机11。
以下，参照附图说明由如上所述的结构构成的本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的动作顺序。
图5是本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器的动作顺序图。
只是，在图5中省略了按照与代表重量相应的测试负载测定最佳的控制参数并存储在控制参数提供部140的查询表141中的步骤，在上述内容中已经说明了预先进行这种步骤。
如图5所示，首先将原材料即、负载L装载在设备10的工作台12上，之后开始进行加工（S101）。
若开始加工，对干扰观测器150所具备的补偿器158的参数进行调整（S102）。补偿器158的参数调整是如上所述放大带宽。
若干扰观测器150的参数被调整，则监视伺服电机11的移送轴是否处于快速移送中（S103）。快速移送意味着由于负载惯性而受到影响的预定速度以上，这根据负载的重量而有可能不同。
此时，在不处于快速移送中的情况下，继续进行监视直至进入快速移送区间，若处于快速移送中，则监视是否为等加速度区间（S104）。
监视中，在处于快速移送中且在等加速度区间的情况下，收集负载惯性计算用数据（S105）。计算负载惯性所需的值包括移送轴电机电流、移送轴电机角加速度及干 扰转矩等，这些值被存储为对于等加速度区间全体的平均值。
另一方面，在不是等加速度区间的情况下，监视是否为等速区间（S106），此时若不是等速区间，则继续监视是否为等加速区间，若是等速区间，则计算在等加速度区间收集的计算负载惯性所需的干扰转矩及伺服数据的平均值（S107）。
在等速区间速度是恒定的，因此由负载引起的负载惯性不起作用，从而仅在加速区间收集计算负载所需的干扰转矩及伺服数据。
若计算出在等加速区间收集的值的平均值，则负载惯性计算器160将进行平均的干扰转矩、电流及旋转角加速度等代入上述数学式2中计算负载惯性（S108）之后，输出给控制参数提供部140。
于是，控制参数提供部140计算与所计算出的负载惯性相对应的控制参数。但是，在算出未存储在查询表141中的负载惯性值的情况下，使用线性差值法计算适当的控制参数。
接着，监视伺服电机11的移送轴是否停止（S110），在停止的情况下，用如上所述计算的控制参数修正伺服控制器120的控制参数（S111），恢复干扰观测器150的频带宽度（S112），从而结束控制过程。
从结束该过程开始，利用按照原材料重量适应性地调整的控制参数及伺服控制器120，实现对设备100的最佳的控制。
以上对本发明的特定实施例进行了说明。但是，本领域技术人员应该清楚，本发明的思想及范围并不限定于这种特定实施例，在不变更本发明的宗旨的范围内能够进行各种修改及变形。
从而，以上说明的实施例是为了向本领域技术人员完整地告知发明的范畴而提供的，因此应理解为在所有方面都是示例性的而不是限定性的，本发明仅由权利要求书定义。
工业上的可利用性
本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器能够用于与负载重量无关而能将伺服电机控制为最佳状态的伺服电机控制器。
本发明的基于负载重量的伺服电机实时控制器能够用于与负载重量无关而能将伺服电机控制为最佳状态的伺服电机控制器。

Claims (4)

1.一种基于负载重量的伺服电机实时控制器(100)，其特征在于包括：
控制参数提供部(140)，其对伺服电机(11)控制用控制参数分别进行存储，并在设备(10)实际运转时提供与实时推断的负载惯性相对应的控制参数，其中，伺服电机(11)控制用控制参数是利用在分别移送具有彼此不同的重量的测试用负载的同时测定的数据而进行优化而得的；
干扰观测器(150)，其实时推断以摩擦转矩(torque)为首的上述负载的移送中发生的干扰(disturbance)；
负载惯性计算器(160)，其被输入施加在上述伺服电机(11)的电流的测定值、上述伺服电机(11)的旋转角速度测定值及由上述干扰观测器(150)推断出的推断干扰值，计算由上述伺服电机(11)进行移送中的负载的惯性，将上述计算出的负载惯性值输出给控制参数提供部(140)；
伺服控制器(120)，其从上述控制参数提供部(140)输入控制参数，利用上述输入的控制参数对上述伺服电机(11)进行控制，其中，上述控制参数与从上述负载惯性计算器(160)输出的负载惯性相对应；以及
上位控制器(110)，其执行上述负载惯性的计算和基于上述控制参数的上述伺服控制器(120)的控制算法。
2.根据权利要求1所述的基于负载重量的伺服电机实时控制器(100)，其特征在于，
上述控制参数提供部(140)将上述测试的控制参数按照基于各负载的重量的负载惯性，存储在查询表(look-up table)(141)中，对存储在上述查询表(141)中的控制参数值之中彼此邻接的位置处的两个控制参数值进行线性插值而提供控制参数。
3.根据权利要求1所述的基于负载重量的伺服电机实时控制器(100)，其特征在于，
上述负载惯性计算器(160)利用以下数学式2实时计算负载惯性，并且将上述计算的负载惯性输出给上述控制参数提供部(140)，
数学式2
K t * ( I q + DTRQ ) = ( J m + J L ) * a m ⇔ ∫ K t * ( I q + DTRQ ) dt = ( J m + J L ) * V m
其中，上述Kt为伺服电机转矩常数，上述Iq为施加在伺服电机的q相电流，上述DTRQ为干扰，上述am为伺服电机旋转角加速度，上述Vm为上述伺服电机旋转角速度，上述Jm为伺服电机惯性，上述JL为从电机侧观察的负载惯性。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于负载重量的伺服电机实时控制器(100)，其特征在于，
上述控制参数、上述干扰及上述负载惯性根据在利用上述伺服电机(11)以等加速移送上述负载的过程中测定的值而推断。
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