CN104035378A - 伺服电动机的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的伺服电动机(2)的控制装置(1)具备:电流控制环选择单元(11),其选择第一电流控制环(21)和响应速度比上述第一电流控制环(21)慢的第二电流控制环(22)中的任意一个,作为用于根据电流指令值控制流过伺服电动机(2)的电流的电流控制环;滤波器(12),其依照所设定的衰减率,使通过电流控制环选择单元(11)选择出的第一电流控制环(21)或第二电流控制环(22)的输入或输出在特定的频带中衰减;滤波器衰减率设定单元(13),其在通过电流控制环选择单元(11)选择了第一电流控制环(21)时将滤波器(12)的衰减率设定为第一衰减率,在选择了第二电流控制环(22)时,将滤波器的衰减率设定为比第一衰减率小的第二衰减率。
Description
技术领域
本发明涉及一种被用作机床的驱动源的伺服电动机的控制装置。
背景技术
用于对被用作机床的驱动源的伺服电动机进行驱动控制的控制装置一般大多由位置控制环、速度控制环以及电流控制环的3重控制环构成。
图7是概要地表示一般的伺服电动机的控制装置的结构的框图。以后,在不同的附图中,附加了相同的参照符号的要素表示具有相同功能的结构要素。
在位置控制环中,根据由被安装在伺服电动机2中的位置检测单元142检测出的伺服电动机2的位置信息和由位置指令生成单元(未图示)生成的位置指令值,由速度指令生成单元131生成速度指令值。在速度控制环中,根据由安装在伺服电动机2中的速度检测单元141检测出的伺服电动机2的速度信息和由速度指令生成单元131生成的速度指令值,由电流指令生成单元121生成电流指令值。在电流控制环中,根据伺服电动机2的驱动电流的检测值和由电流指令生成单元121生成的电流指令值,使用补偿器111生成用于驱动电力变换器3的驱动指令。电力变换器3例如是通过设置在内部的开关元件的开关动作而将直流电力变换为交流电力的逆变器,通过根据接收到的驱动指令,控制电力变换器3的开关元件的开关动作,而控制将直流电力变换为伺服电动机2的驱动用的交流电力的变换动作。伺服电动机2将从电力变换器3输出的交流电力作为驱动动力而动作,因此如果控制从电力变换器3输出的交流电力,则能够对伺服电动机2的速度、转矩或转子的位置进行驱动控制。通过驱动伺服电动机2,来驱动机床的可动部。
作为在电流控制环中使用的补偿器,有PI补偿器和比例提前型PI补偿器(以下称为“I-P补偿器”)。
PI补偿器具有能够使启动时间比I-P补偿器短的优点。一般,电流控制环的启动时间越短,则能够将在电流控制环的外侧构成的速度控制环的增益设定得越高,另外,如果能够将速度控制环的增益设定得高,则能够减小相对于机床的位置指令值的误差(位置误差)。PI控制和I-P控制的振荡极限相同,因此在从振荡极限具有相同程度的余量地决定电流控制环增益的情况下,PI控制能够使其高速动作,能够减小位置偏差。因此,如果在电流控制环中使用PI补偿器,则能够谋求提高机床的切削加工的精度。
另一方面,I-P补偿器相对于PI补偿器具有能够减小机床的超程量(过冲量)的优点。因此,如果在电流控制环中使用I-P补偿器,则能够在机床中进行超程量少的稳定的定位。
例如,如日本专利第3628199号公报所记载的那样,具有以下的技术,即考虑到上述的PI补偿器和I-P补偿器的特性,作为电流控制环中的补偿器,适当地分开使用PI补偿器和I-P补偿器,由此同时实现伺服电动机控制中的响应性的提高和稳定性的提高。根据日本专利第3628199号公报所记载的发明,作为电流控制环中的补偿器,在快进动作等定位模式(非轨迹模式)下使用I-P补偿器,在切削进给动作模式等轨迹控制模式下使用PI补偿器,由此适当调整电流控制环和速度控制环的增益值。即,在轨迹模式中,使用PI补偿器而设为高增益,由此提高电流控制环的响应性,还提高速度控制和位置控制的响应性,在提高控制性能的同时谋求提高机床的切削加工精度,在非轨迹模式中,使用I-P补偿器而设为低增益,由此能够谋求控制的稳定性。
在日本专利第3628199号公报所记载的发明中,根据伺服电动机是轨迹控制模式还是非轨迹控制模式,只切换补偿器。例如,如果伺服电动机的驱动模式从非轨迹模式切换为轨迹模式,则在电流控制环中使用的补偿器从I-P补偿器切换到PI补偿器。在该情况下,电流控制环的响应性提高,在高频带中机械共振点的增益增大。即,在电流控制环中使用PI补偿器的情况下,与使用I-P补偿器的情况相比,高频带的增益增大,因此在使用I-P补偿器的情况下不产生的振动会在PI补偿器中产生。
日本专利第3628199号公报所记载的发明通过在轨迹控制模式中使用PI补偿器,来提高控制性能,提高机床的加工精度,但没有考虑到该情况下的高频带的响应特性,对于避免在轨迹模式下在电流控制环中使用PI补偿器的情况下的共振没有采取任何对应策略。换言之,日本专利第3628199号公报所记载的发明虽然也考虑到设想了不具有机械共振点的机械的情况,但实际上具有质量的物体必定存在固有振荡频率,因此不存在没有机械共振点的机械。
这样,根据日本专利第3628199号公报所记载的发明,通过在电流控制环中使用补偿器,响应性显著提高,机床的加工精度提高,但存在机床的控制性能的稳定性恶化的问题。
发明内容
本发明的目的在于:鉴于上述问题,提供一种伺服电动机的控制装置,其能够谋求提高控制的响应性,并且谋求控制的稳定化。
为了实现上述目的,驱动机床的伺服电动机的控制装置具备:电流控制环选择单元,其选择第一电流控制环和响应速度比该第一电流控制环慢的第二电流控制环中的任意一个,来作为用于根据输入的电流指令值控制流过伺服电动机的电流的电流控制环;滤波器,其依照所设定的衰减率,使通过电流控制环选择单元选择出的第一电流控制环或第二电流控制环的输入或输出在特定的频带中衰减;滤波器衰减率设定单元,其在通过电流控制环选择单元选择了第一电流控制环时将滤波器的衰减率设定为第一衰减率,在选择了第二电流控制环时,将滤波器的衰减率设定为比第一衰减率小的第二衰减率。
在此,设置在第一电流控制环中的补偿器也可以是PI补偿器,设置在第二电流控制环中的补偿器也可以是比例提前型PI补偿器。
另外,也可以将第一电流控制环中的电流控制环增益设定为比第二电流控制环中的电流控制环增益大的值。
另外,对第一衰减率和第二衰减率进行设定,使得根据由第一电流控制环和具有与之对应的第一衰减率的滤波器构成的电路的输入和输出得到的增益、根据由第二电流控制环和具有与之对应的第二衰减率的滤波器构成的电路的输入和输出得到的增益在某特定的频带中大致相同。
另外,伺服电动机的控制装置也可以具备:速度指令生成单元,其生成伺服电动机的速度指令值;速度检测单元,其检测伺服电动机的速度信息;电流指令生成单元,其根据通过速度指令生成单元生成的速度指令值和通过速度检测单元检测出的速度信息,生成电流指令值。
另外,伺服电动机的控制装置也可以具备:位置指令生成单元,其生成伺服电动机的位置指令值;位置检测单元,其检测伺服电动机的位置信息,其中,在该情况下,速度指令生成单元根据通过位置指令生成单元生成的位置指令值和通过位置检测单元检测出的位置信息,生成速度指令值。
附图说明
通过参照以下的附图,能够更明确地理解本发明。
图1是表示伺服电动机的控制装置的电流控制单元的原理框图。
图2是概要地表示伺服电动机的控制装置的结构的框图。
图3是表示使用设置有PI补偿器的第一电流控制环对伺服电动机进行驱动控制的情况的框图。
图4是表示使用设置有I-P补偿器的第二电流控制环对伺服电动机进行驱动控制的情况的框图。
图5是说明PI补偿器和I-P补偿器的频率特性的差异的增益线图。
图6是表示伺服电动机的控制装置的动作的流程图。
图7是概要地表示一般的伺服电动机的控制装置的结构的框图。
具体实施方式
以下,参照附图说明伺服电动机的控制装置。但是,应该理解本发明并不限于附图或以下说明的实施方式。
图1是表示伺服电动机的控制装置的电流控制单元的原理框图,图2是概要地表示伺服电动机的控制装置的结构的框图。
如图2所示,驱动机床的伺服电动机2的控制装置1具备电流控制单元10、电流指令生成单元121、速度指令生成单元131,生成用于对电力变换器3进行驱动控制的驱动指令,使得输出作为伺服电动机2的驱动电力的交流电力。电力变换器3例如是通过设置在内部的开关元件的开关动作而将直流电力变换为交流电力的逆变器,通过根据接收到的驱动指令,控制电力变换器3内的开关元件的开关动作,来控制将直流电力变换为伺服电动机2的驱动用的交流电力的变换动作。伺服电动机2将从电力变换器3输出的交流电力作为驱动动力而动作,因此只要控制从电力变换器3输出的交流电力,就能够对伺服电动机2的速度、转矩、或转子的位置进行驱动控制。通过驱动伺服电动机2,来驱动机床的可动部。
伺服电动机2的控制装置1具备:位置指令生成单元(未图示),其生成对伺服电动机2的转子的位置指令值;位置检测单元142,其检测伺服电动机2的位置信息;速度指令生成单元131,其根据通过位置指令生成单元生成的位置指令值和通过位置检测单元142检测出的位置信息,生成速度指令值;速度检测单元141,其检测伺服电动机2的速度信息;电流指令生成单元121,其根据通过速度指令生成单元131生成的速度指令值和通过速度检测单元141检测出的速度信息,生成电流指令值。作为通过速度检测单元141检测的速度信息,例如有伺服电动机2的转子的转速、角速度等。另外,作为通过位置检测单元142检测的位置信息,例如有伺服电动机2的转子的旋转角度、旋转位置等。
如图1所示,电流控制单元10具备电流控制环选择单元11、滤波器12、滤波器衰减率设定单元13。
电流控制环选择单元11选择第一电流控制环21和响应速度比第一电流控制环21慢的第二电流控制环22中的任意一个,来作为用于根据输入的电流指令值控制流过伺服电动机2的电流的电流控制环。在此,电流控制环选择单元11预先规定其选择动作,使得作为电流控制环的补偿器,例如在切削进给动作模式等轨迹控制模式下选择设置有PI补偿器21C的第一电流控制环21,在快进动作等定位模式(非轨迹模式)下选择设置有I-P补偿器22C的第二电流控制环22。PI补偿器21C具有控制的响应性比I-P补偿器22C高而能够谋求提高机床的切削加工的精度的优点,另外,I-P补偿器22C具有相对于PI补偿器21C能够减小机床的超程量(过冲量)的优点,因此为了同时发挥这些PI补偿器21C和I-P补偿器22C各自的优点,而选择电流控制环。即,在快进等非轨迹控制模式时,以设定得低的积分增益、比例增益进行速度环的比例、积分动作,在轨迹控制模式动作时,以高的积分增益、比例增益进行速度环控制。各增益的值例如预先存储在RAM中,在电流控制单元10中,根据模式从RAM读取对应的增益值来设定。
滤波器12依照所设定的衰减率,使通过电流控制环选择单元11选择出的第一电流控制环21或第二电流控制环22的输入或输出在特定的频带中衰减。在滤波器12被设置在第一电流控制环21和第二电流控制环22的前级的情况下,使通过电流控制环选择单元11选择出的第一电流控制环21或第二电流控制环22的输入依照所设定的衰减率在特定的频带中衰减。或者,在被设置在第一电流控制环21和第二电流控制环22的后级的情况下,使通过电流控制环选择单元11选择出的第一电流控制环21或第二电流控制环22的输出依照所设定的衰减率,在特定的频带中衰减。在图示的例子中,作为一个例子,表示设置在第一电流控制环21和第二电流控制环22的后级的情况。滤波器12例如是带阻滤波器(陷波滤波器)、低通滤波器。
作为滤波器12的衰减率,滤波器衰减率设定单元13在通过电流控制环选择单元11选择了第一电流控制环21时设定为第一衰减率,在选择了第二电流控制环22时设定为比第一衰减率小的第二衰减率。
接着,以伺服电动机2是同步电动机的情况为例子,说明滤波器衰减率设定单元13对滤波器12的衰减率的设定。
设置在第一电流控制环21中的补偿器是PI补偿器21C,设置在第二电流控制环22中的补偿器是I-P补偿器(比例提前型PI补偿器)22C。图3是表示使用设置有PI补偿器的第一电流控制环对伺服电动机进行驱动控制的情况的框图,图4是表示使用设置有I-P补偿器的第二电流控制环对伺服电动机进行驱动控制的情况的框图。
如上述那样,PI补偿器21C相对于I-P补偿器22C,能够缩短启动时间而高速地动作。PI补偿器21C与I-P补偿器22C相比高频带的增益大,因此将设置有PI补偿器21C的第一电流控制环21的电流控制环增益设定为比设置有I-P补偿器22C的第二电流控制环22的电流控制环增益大的值。
作为同步机的伺服电动机2的特性由作为电气常数的绕组电阻R和电感L决定。在表示使用设置有PI补偿器21C的第一电流控制环21对伺服电动机2进行驱动控制的情况的图3中,用公式1表示从输入r到输出y的传递函数GPI(s)。在此,将比例增益设为kp,将积分增益设为ki。
其中,
在公式1中,如果s=jω则得到公式2。
如果用标准化角频率η表示公式2,则得到公式3。
其中,标准化角频率
通过计算公式3的绝对值,如公式4那样得到PI控制的增益的频率特性。从公式4可知,PI控制的特性只由常数ζ、ωn和ω0决定。
如果将公式4变换为分贝表示,则得到公式5。
另一方面,在表示使用设置有I-P补偿器22C的第二电流控制环22对伺服电动机2进行驱动控制的情况的图4中,用公式6表示从输入r到输出y的传递函数GI-P(s)。在此,将比例增益设为kp,将积分增益设为ki。
在公式6中,如果设为s=jω则得到公式7。
如果用标准化角频率η表示公式7,则得到公式8。
通过计算公式8的绝对值,如公式9那样得到I-P控制的增益的频率特性。从公式9可知,I-P控制的特性只由常数ζ决定。
如果将公式9变换为分贝表示,则得到公式10。
通过计算公式5和公式10之间的差,得到作为用于根据输入的电流指令值而控制流过伺服电动机2的电流的电流控制环从设置有I-P补偿器22C的第二电流控制环22切换到设置有PI补偿器21C的第一电流控制环21的情况下的增益变化,如公式11那样表示。
图5是说明PI补偿器和I-P补偿器的频率特性的差异的增益线图。如果在图5的增益线图中表示公式11,则相对于PI补偿器的斜率是-20dB/十进位,在I-P补偿器中,斜率是-40dB/十进位。如图5所示,PI补偿器和I-P补偿器之间的增益的差在高频中变得显著。这意味着如果从设置有PI补偿器21C的第一电流控制环21切换到设置有I-P补偿器22C的第二电流控制环22,则控制系统的增益急剧变化。因此,如下这样与补偿器的切换一致地变更滤波器12的衰减率,谋求控制系统的稳定化。
即,在滤波器衰减率设定单元13中,在通过电流控制环选择单元11选择了第一电流控制环21时设定为第一衰减率,在选择了第二电流控制环22时,为了避免高频带中的响应性过于降低而控制性能恶化的可能性,设定为比第一衰减率小的第二衰减率。更具体地说,对第一衰减率和第二衰减率进行设定,使得根据由第一电流控制环21和具有与之对应的第一衰减率的滤波器12构成的电路的输入和输出得到的增益、根据由第二电流控制环22和具有与之对应的第二衰减率的滤波器12构成的电路的输入和输出得到的增益在某特定的频带中大致相同。即,与选择了设置有I-P补偿器22C的第二电流控制环22的情况相比,在选择了设置有PI补偿器21C的第一电流控制环21的情况下,在与共振对应的频率成分中,进行设定使得滤波器12的衰减率只增大与10log{1+η2(ωn/ω0)2}(dB)相当的量。由此,能够维持补偿器的切换前后的控制的稳定性。即,如图5所示,在PI补偿器21C和I-P补偿器22C中增益线图的斜率不同,因此切换滤波器的衰减率使得补偿该斜率的差分程度。
图6是表示伺服电动机的控制装置的动作的流程图。
在步骤S101中,位置指令生成单元生成位置指令值。
在步骤S102中,位置检测单元142检测伺服电动机2的转子的位置信息。
在步骤S103中,速度指令生成单元131根据通过位置指令生成单元生成的位置指令值和通过位置检测单元142检测出的位置信息,生成速度指令值。
在步骤S104中,速度检测单元141检测伺服电动机2的速度信息。
在步骤S105中,在电流控制单元10中,判断通过电流控制环选择单元11选择了第一电流控制环21和第二电流控制环22的哪个作为用于根据输入的电流指令值控制流过伺服电动机2的电流的电流控制环。电流控制环选择单元11预先规定其选择动作,使得作为电流控制环中的补偿器,例如在切削进给动作模式等轨迹控制模式下选择设置有PI补偿器21C的第一电流控制环21,在快进动作等定位模式(非轨迹模式)下选择设置有I-P补偿器22C的第二电流控制环22。在步骤S105中,在判断为选择了第一电流控制环21的情况下前进到步骤S106,在判断为选择了第二电流控制环22的情况下前进到步骤S107。
在步骤S106中,滤波器衰减率设定单元13将滤波器12的衰减率设定为与选择出的第一电流控制环21对应的第一衰减率。另外,在步骤S107中,滤波器衰减率设定单元13将滤波器12的衰减率设定为与选择出的第二电流控制环22对应的第二衰减率。在此,第二衰减率是比第一衰减率小的值。如上述那样分别对第一衰减率和第二衰减率进行设定,使得根据由第一电流控制环21和具有与之对应的第一衰减率的滤波器12构成的电路的输入和输出得到的增益、根据由第二电流控制环22和具有与之对应的第二衰减率的滤波器12构成的电路的输入和输出得到的增益在某特定的频带中大致相同。
在步骤S108中,电流控制单元10根据从由第一电流控制环21和具有与之对应的第一衰减率的滤波器12构成的电路、或由第二电流控制环22和具有与之对应的第二衰减率的滤波器12构成的电路中的选择出的电路的输出,生成用于对电力变换器3进行驱动控制使得输出作为伺服电动机2的驱动电力的交流电力的驱动指令。电力变换器3根据接收到的驱动指令,控制电力变换器3内的开关元件的开关动作,向伺服电动机2输出以希望的速度、转矩、或转子的位置控制伺服电动机2所需要的交流电力。
本发明能够应用于被用作机床的驱动源的伺服电动机的控制装置。
根据本发明,根据设置在伺服电动机的控制装置的电流控制环中的补偿器是PI补偿器还是I-P补偿器,变更使电流控制环的输入或输出在特定的频带中衰减的滤波器的衰减率,因此能够谋求提高控制的响应性,并且谋求控制的稳定化。
PI补偿器具有控制的响应性比I-P补偿器高而能够谋求提高机床的切削加工的精度的优点,另外,I-P补偿器相对于PI补偿器具有能够减小机床的超程量(过冲量)的优点。本发明在为了同时发挥这些PI补偿器和I-P补偿器各自的优点而切换在电流控制环中使用的补偿器时,与该切换对应地变更滤波器的衰减率。在PI补偿器的情况下高频的增益相比I-P补偿器增大,但在本发明中,在PI补偿器和I-P补偿器的切换的前后,适当地变更滤波器的衰减率使得由电流控制环和滤波器构成的电路的输入输出的增益在某特定的频带中大致相同,因此能够避免共振,谋求控制的稳定化。
此外,日本专利第3628199号公报所记载的发明在轨迹模式时在电流控制环中进行从I-P补偿器向PI补偿器的变更,由此提高电流控制的响应性,也提高速度控制和位置控制的响应性,但没有考虑到避免由于PI补偿器和I-P补偿器的切换前后的增益的变化而产生的共振。与此相对,根据本发明,与PI补偿器和I-P补偿器的切换对应地自动地变更滤波器特性,因此不只是提高速度控制的响应性并且还提高速度控制和位置控制的响应性,还能够提高控制系统的稳定性。
Claims (6)
1.一种伺服电动机(2)的控制装置(1),该伺服电动机(2)驱动机床,该伺服电动机(2)的控制装置(1)的特征在于,具备:
电流控制环选择单元(11),其选择第一电流控制环(21)和响应速度比上述第一电流控制环(21)慢的第二电流控制环(22)中的任意一个,来作为用于根据输入的电流指令值控制流过伺服电动机(2)的电流的电流控制环;
滤波器(12),其依照所设定的衰减率,使通过上述电流控制环选择单元(11)选择出的上述第一电流控制环(21)或上述第二电流控制环(22)的输入或输出在特定的频带中衰减;
滤波器衰减率设定单元(13),其在通过上述电流控制环选择单元(11)选择了上述第一电流控制环(21)时将上述滤波器(12)的衰减率设定为第一衰减率,在选择了上述第二电流控制环(22)时,将上述滤波器(12)的衰减率设定为比上述第一衰减率小的第二衰减率。
2.根据权利要求1所述的伺服电动机(2)的控制装置(1),其特征在于,
设置在上述第一电流控制环(21)中的补偿器是PI补偿器(21C),设置在上述第二电流控制环(22)中的补偿器是比例提前型PI补偿器(22C)。
3.根据权利要求1或2所述的伺服电动机(2)的控制装置(1),其特征在于,
将上述第一电流控制环(21)中的电流控制环增益设定为比上述第二电流控制环(22)中的电流控制环增益大的值。
4.根据权利要求1~3的任意一项所述的伺服电动机(2)的控制装置(1),其特征在于,
对上述第一衰减率和上述第二衰减率进行设定,使得根据由上述第一电流控制环(21)和具有与之对应的上述第一衰减率的滤波器(12)构成的电路的输入和输出得到的增益、根据由上述第二电流控制环(22)和具有与之对应的上述第二衰减率的滤波器(12)构成的电路的输入和输出得到的增益在某特定的频带中大致相同。
5.根据权利要求1~4的任意一项所述的伺服电动机(2)的控制装置(1),其特征在于,具备:
速度指令生成单元(131),其生成伺服电动机(2)的速度指令值;
速度检测单元(141),其检测伺服电动机(2)的速度信息;
电流指令生成单元(121),其根据通过上述速度指令生成单元(131)生成的速度指令值和通过上述速度检测单元(141)检测出的速度信息,生成上述电流指令值。
6.根据权利要求5所述的伺服电动机(2)的控制装置(1),其特征在于,具备:
位置指令生成单元,其生成伺服电动机(2)的位置指令值;
位置检测单元(142),其检测伺服电动机(2)的位置信息,其中,
上述速度指令生成单元(131)根据通过上述位置指令生成单元生成的位置指令值和通过上述位置检测单元(142)检测出的位置信息,生成上述速度指令值。
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