CN104865889B - 具有计算控制环路的频率特性的功能的数值控制装置 - Google Patents

具有计算控制环路的频率特性的功能的数值控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有计算控制环路的频率特性的功能的数值控制装置。在控制环路励振部(12)向控制对象(3)的控制环路(2)输入由正弦波生成部(11)生成的正弦波信号，使用数据取得部(13)以一定周期采样向控制环路(2)输入的输入信号和控制对象(3)输出的输出信号而得的采样数据，频率特性计算部(14)计算控制环路(2)的频率特性来控制控制对象(3)的数值控制装置中，频率特性计算部(14)使用向控制环路(2)多次输入的、通过设置在正弦波生成部(11)中的移相部(10)将正弦波信号的初始相位移动了一定量的正弦波信号的数据，来计算控制环路(2)的频率特性，由此与采样频率无关地提高测定精度。

Description

具有计算控制环路的频率特性的功能的数值控制装置
技术领域
本发明涉及一种数值控制装置，其具有如下功能，即通过向对控制对象进行控制的数值控制装置的控制环路输入正弦波信号，来计算数值控制装置的控制环路的频率特性。
背景技术
当前，已知通过数值控制用于加工被加工物的机床的数值控制装置。机床例如对被加工物进行车削、刨削、钻孔、铣削、磨削等，并大多内置有电动机。因此，通过数值对机床的电动机进行控制的电动机控制装置是以电动机为控制对象的数值控制装置。
在使用了电动机的机床中，以解析成为改善特性的阻碍原因的机械共振、解析控制的响应性、稳定性为目的，进行与负载连接的电动机的频率特性(频率响应)的测定。当测定电动机的频率特性时，从伺服分析器向与负载连接的电动机的数值控制装置，一边使频率逐步上升一边输入正弦波的速度指令。然后，将从电动机的速度检测器得到的电动机速度与速度指令进行比较后，由伺服分析器解析振幅比和相位差。一般将通过该伺服分析器的解析而得到的测定结果显示为伯德图。
但是，在向数值控制装置的速度环路输入正弦波信号，根据输入与输出的关系来计算速度环路的频率特性的方法中，需要在测定频带中一边使频率逐步上升一边进行测定，因此存在测定时间较长的问题。因此，在日本特开2000-278990号公报中公开了如下的装置，即通过包含全部频率的白噪声对速度环路进行励振，由此节省变更频率的时间，从而能够在短时间内测定频率特性的电动机的控制装置。
然而，在专利文献1中公开的电动机的控制装置的课题在于，使用白噪声作为向速度环路输入的信号，白噪声的波形根据产生模式而变化，因此很难提高高频区域中的测定精度。
发明内容
一方面，本发明的目的是提供一种数值控制装置，其具有能够提高高频区域中的测定精度的计算控制环路的频率特性的功能。
根据本发明的一个方式，提供一种控制至少一个控制对象的数值控制装置，具备：正弦波生成部，其生成正弦波信号；控制环路励振部(12，其将从正弦波生成部输出的正弦波信号输入控制对象的控制环路；数据取得部，其以一定的周期对输入控制环路的输入信号和控制对象输出的输出信号进行采样；频率特性计算部，其使用输入信号以及输出信号的采样数据来计算控制环路的频率特性；以及移相部，其移动正弦波信号的相位，频率特性计算部使用向控制环路多次输入将预定相位设成初始相位的正弦波信号和将初始相位仅移动了一定量的正弦波信号的数据，计算控制环路的频率特性。
根据本发明的一个方式的数值控制装置，通过以相同频率输出多次将初始相位移动后的信号，并使用这些采样数据，能够在一个周期中确保两个点以上的采样数据，在高频区域中能够改善测定精度。
附图说明
通过参照以下的附图，更明确地理解本发明。
图1A是对控制对象进行控制的比较技术的数值控制装置的框图。
图1B是由图1A所示的数值控制装置的正弦波生成部产生的正弦波信号的波形图。
图2A是表示图1A所示的数值控制装置计算控制环路的频率响应的顺序的说明图。
图2B是用于说明图1A所示的数值控制装置的课题的波形图。
图3是本发明的数值控制装置的一个实施例的框图。
图4A是表示本发明的数值控制装置计算控制环路的频率响应的顺序的说明图。
图4B是表示用于表达图4A所示的输入信号的等式的图。
图4C是表示用于表达图4A所示的输出信号的等式的图。
图5A是表示将从图3所示的正弦波生成部输出的预定相位设成初始相位的正弦波信号和采样点的波形图。
图5B是表示从由图3所示的正弦波生成部输出的初始相位移动了2/3π时的正弦波信号和采样点的波形图。
图5C是表示从由图3所示的正弦波生成部输出的初始相位移动了-2/3π时的正弦波信号和采样点的波形图。
图5D是表示通过图3所示的数据取得部取得的同一频率的正弦波中的采样点的波形图。
图6是表示图3所示的数值控制装置的动作的流程图。
图7A是表示在图3所示的数值控制装置中，不对将预定相位设成初始相位的正弦波信号进行移动，而仅向控制环路输入一次时的频率特性的波形图。
图7B是表示在图3所示的数值控制装置中，将预定相位设成初始相位的正弦波信号和将初始相位移动了两次且每次移动2/3π的正弦波信号分别输入控制环路时的频率特性的波形图。
具体实施方式
以下，参照附图对具有计算控制环路的频率特性的功能的数值控制装置进行说明。然而，应当理解本发明并不局限于附图或以下说明的实施方式。在附图中，对相同结构要素赋予相同符号。
在此，在说明本发明的实施方式前，使用图1A至图2B对以往的数值控制装置中的频率特性的计算方法进行说明。
图1A是表示对控制对象3进行控制的比较技术的数值控制装置1的一例的框图。该例子的数值控制装置1对一个控制对象3进行控制，但也可以有多个控制对象3。在数值控制装置1中设有控制环路2，控制环路2从输出信号线20输出信号来对控制对象3进行控制，控制对象3的输出信号作为反馈信号通过反馈信号线21返回控制环路2。
此外，在数值控制装置1中，为了计算数值控制装置1的频率特性，设有正弦波生成部11、控制环路励振部12、数据取得部13以及频率特性计算部14。正弦波生成部11可以生成不同频率的正弦波。将控制环路励振部12设置在反馈信号线21的途中，将从正弦波生成部11通过回路22发送的正弦波信号输入反馈信号线21从而使控制环路2励振。在数据取得部13中，通过回路22的分支回路23输入来自正弦波生成部11的正弦波信号，并且通过反馈信号线21的分支信号线24输入控制对象3的输出信号。数据取得部13通过输出回路25与频率特性计算部14连接。
在此，使用图2A来说明计算图1A所示的数值控制装置1中的控制环路2的频率响应(频率特性)并表现为伯德图的顺序。计算控制环路2的频率特性后表现为伯德图的顺序具备如下的(1)至(5)的阶段。
(1)首先，将在正弦波生成部中生成的频率f(ω＝2πf)的输入信号U(t)输入控制环路2。
(2)接着，数据取得部在每个采样周期Δt取得输入信号U(t)和输出信号Y(t)并输入到频率特性计算部14，所述输出信号Y(t)是向控制环路2输入了该输入信号U(t)时从控制对象3输出的信号。
(3)在频率特性计算部14中，对输入的输入信号U(kΔt)和输出信号Y(kΔt)进行傅里叶变换，变换为频域ω的函数U(ω)和Y(ω)。
(4)之后，频率特性计算部14根据输入信号U(ω)和输出信号Y(ω)计算振幅比|Y(ω)/U(ω)|和相位差ψ。
(5)在数值控制装置1中，对从正弦波生成部向控制环路2输入的输入信号U(t)的频率f(ω＝2πf)进行变更的同时重复(1)～(4)的处理，根据每个频率的振幅比|Y(ω)/U(ω)|和相位差ψ，频率特性计算部14生成伯德图。
如上所述，如果向控制环路2输入正弦波信号，一边使输入信号的频率从测定频带的最小频率至最大频率为止逐渐变化一边励振控制环路2，则可以根据控制环路2的输入信号U(t)与控制对象3的输出信号Y(t)的关系生成伯德图。然后，可以以伯德图为基础分析控制环路2的频率响应，根据分析结果调整控制环路2的各参数(积分增益、比例增益等)，以便成为所希望的频率响应。
另外，向控制环路2输入正弦波信号来进行励振时，如图1B所示，使输入信号的频率f(ω＝2πf)逐渐增加来进行测定。作为正弦波的输入信号的频率如图1B中阶梯状实线所示，在正弦波的每预定周期每次增大预定频率。在图1B所示的例子中，使频率在每三个周期中每次增加5Hz，针对每个频率取得了三个周期量的数据。对所取得的三个周期量的数据(输入信号和输出信号)如上所述地进行傅里叶变换，计算预定频率f(ω＝2πf)的振幅比的绝对值和相位滞后。
图2B表示将频率f＝2000Hz的正弦波的输入信号以采样频率fs＝4000Hz(Δt＝250μs)进行采样时的采样点。在图1A所示的数值控制装置1中，当计算控制环路2的频率特性时，向控制环路2的输入频率f与奈奎斯特频率(Nyquist frequency)(fs/2)一致，当输入信号的初始相位为0deg时，被采样的数据始终为0，因此无法评价2000Hz的频率特性。
此外，在输入信号中包括奈奎斯特频率(fs/2)以上的频率成分时，每一个周期无法采样两个点以上，因此无法从数字信号再现模拟信号。因此，在比较技术的数值控制装置中的控制环路2的频率特性的计算方法中，无法高精度地评价奈奎斯特频率(fs/2)以上的高频区域的频率特性。
本发明的目的是解决比较技术的数值控制装置中的控制环路的频率特性的计算方法的课题，在图3中通过框图表示本发明的数值控制装置1A的一个实施例。在本实施例的数值控制装置1A中，为了计算控制环路2的频率特性，设有正弦波生成部11、控制环路励振部12、数据取得部13以及频率特性计算部14。这些结构以及连接除了正弦波生成部11的结构外，与图1A说明的比较技术的数值控制装置1相同，因此对相同构成部件赋予相同符号，并省略其说明。在该实施例中，数值控制装置1A也对一个控制对象3进行控制，但也可以有多个控制对象3。
图3所示的本发明的数值控制装置1A与图1A所示的比较技术的数值控制装置1的不同点在于，在正弦波生成部11中设有移相部10。移相部10可以使相同频率的正弦波信号的相位相对于初始相位仅移动一定量。例如，可以使正弦波信号相对于初始相位每次移动2π/n(n为整数)。例如可以将n的值设成3。另外，在本实施例中，将移相部10内置在正弦波生成部11中，但也可以将移相部10设置在正弦波生成部11的外部。
并且，将初始相位移动了一定量(例如，每次2π/n)的正弦波信号向控制环路2输出k次，由此能够在每一个周期至少采样k点，因此在高频或短时间的测定中也能够高精度地计算频率特性。在此，使用图4A说明根据振幅A、频率f(ω＝2πf)、且将初始相位每次移动了2π/3的正弦波信号向控制环路2输入三次时的输入信号和从控制对象3输出的输出信号计算振幅比|Y(jω)/U(jω)|和相位差ψ为止的一连串的流程。并且，通过式1和式2表示实轴成分Rω和虚轴成分Iω的计算式。
图4A是表示本发明的数值控制装置1A计算控制环路2的频率响应的顺序的图。在数值控制装置1A中，首先，向控制环路2输入由正弦波生成部生成的将频率f(ω＝2πf)的预定相位设成初始相位的输入信号U(t)。然后，向频率特性计算部14输入输入信号U(t)和向控制环路2输入了输入信号U(t)时从控制对象输出的输出信号Y(t)的采样后的输入信号U(kΔt)和输出信号Y(kΔt)。
接着，向控制环路2输入频率f相同，且将相位从初始相位移动了2/3π的输入信号U(t-2/3×π/ω)。然后，向频率特性计算部14输入输入信号U(t-2/3×π/ω)和向控制环路2输入了输入信号U(t-2/3×π/ω)时从控制对象输出的输出信号Y(t-2/3×π/ω)的采样后的输入信号U(kΔt-2/3×π/ω)和输出信号Y(kΔt-2/3×π/ω)。
并且，向控制环路2输入频率f相同，且将相位从初始相位移动了-2/3π的输入信号U(t+2/3×π/ω)。然后，向频率特性计算部14输入输入信号U(t+2/3×π/ω)和向控制环路2输入了输入信号U(t+2/3×π/ω)时从控制对象输出的输出信号Y(t+2/3×π/ω)的采样后的输入信号U(kΔt+2/3×π/ω)和输出信号Y(kΔt+2/3×π/ω)。
图4B和图4C表示向频率特性计算部14输入的输入信号U(kΔt)、U(kΔt-2/3×π/ω)以及U(kΔt+2/3×π/ω)和输出信号Y(kΔt)、Y(kΔt-2/3×π/ω)以及Y(kΔt+2/3×π/ω)的详细的计算式。
在频率特性计算部14中，对采样后的输入信号U(kΔt)、U(kΔt-2/3×π/ω)以及U(kΔt+2/3×π/ω)和输出信号Y(kΔt)、Y(kΔt-2/3×π/ω)以及Y(kΔt+2/3×π/ω)进行傅里叶变换。
在此，将输入信号设成U(s)，将输出信号设成Y(s)时，通过式1表示传递函数G(s)。
G(s)＝Y(s)/U(s)＝L[Y(t)]/L[U(t)]……(1)
然后，将s＝jω代入式1时，如式2所示，通过复数表示分母和分子。
G(s)＝Y(jω)/U(jω)＝(x2+j·y2)/(x1+j·y1)……(2)
分子、分母是以f＝ω/2π对输入信号U(t)和输出信号Y(t)进行了傅里叶变换时的值，因此可以知道下述的式3、式4、式5以及式6与x1、y1、x2、y2对应。
因此，实轴成分Rω和虚轴成分Iω可以通过向对式2的分母进行了有理化时的实部和虚部即式8、式9代入式3、式4、式5以及式6来求出。
G ( s ) = Y ( jω ) U ( jω ) = x 2 + j · y 2 x 1 + j · y 1 = x 1 · x 2 + y 1 · y 2 x 1 2 + y 1 2 + j · x 1 · y 2 + x 2 · y 1 x 1 2 + y 1 2 - - - ( 7 )
R ω = x 1 · x 2 + y 1 · y 2 x 1 2 + y 1 2 - - - ( 8 )
I ω = x 1 · x 2 + x 2 · y 1 x 1 2 + y 1 2 - - - ( 9 )
(向x1、y1、x2、y2分别代入式3、式4、式5以及式6)
其中，将T设成测定时间，将Δt设成采样时间，N＝T/Δt。
然后，通过将实轴成分Rω和虚轴成分Iω代入下式10和式11，能够计算振幅比的绝对值和相位滞后。
| Y ( ω ) U ( ω ) | = R ω 2 + I ω 2 . . . ( 10 )
图5A表示向控制环路输入频率f＝2000Hz的正弦波信号作为输入信号U(kΔt)，将来自控制对象的输出信号Y(kΔt)以fs＝4000Hz(Δt＝250μs)进行了采样时的采样点。此外，图5B表示向控制环路输入频率f＝2000Hz相同，且从初始相位移动了2/3π的正弦波信号作为输入信号U(kΔt-2/3×π/ω)，将来自控制对象的输出信号Y(kΔt-2/3×π/ω)以fs＝4000Hz(Δt＝250μs)进行了采样时的采样点。并且，图5C表示向控制环路输入频率f＝2000Hz相同，且从初始相位移动了-2/3π的正弦波信号作为输入信号U(kΔt+2/3×π/ω)，将来自控制对象的输出信号Y(kΔt+2/3×π/ω)以fs＝4000Hz(Δt＝250μs)进行了采样时的采样点。
向控制环路输入将预定相位设成初始相位的正弦波的输入信号和使初始相位移动后的多个正弦波的输入信号时，来自控制对象的正弦波状的输出信号的采样点发生偏离。因此，如图5D所示，可以采样相同频率f＝2000Hz的正弦波上的不同的相位数据。通过这样考虑移动后的采样点，与采样了相同频率的正弦波信号的多个相位的数据的情况相同。其结果，如图5A所示，即使输入信号的频率f与奈奎斯特频率(fs/2)一致或是奈奎斯特频率(fs/2)以上的输入信号，也能够高精度地测定频率特性。
在此，使用图6所示的流程图，对图3所示的数值控制装置1A的动作的一个实施例进行说明。在步骤601中，在正弦波生成部11中生成多个将初始相位仅移动了一定量的正弦波信号。该正弦波信号还包括将预定相位设成初始相位的正弦波信号。此外，如上所述，仅移动了一定量的正弦波信号，是将相位从初始相位移动了2/3π的正弦波信号或将相位从初始相位移动了-2/3π的正弦波信号。
在接着的步骤602中，在控制环路励振部12中进行向控制环路2多次输入正弦波信号的处理。多次输入，例如是当由正弦波生成部11生成的信号为将预定相位设成初始相位的正弦波信号、将相位从初始相位移动了2/3π和-2/3π的正弦波信号的这三种时，将这三种正弦波信号向控制环路2各输入一次的多次输入的处理。另外，三种类型的正弦波信号也可以进行分别输入两次以上的多次输入。
在接着的步骤603中，在数据取得部13中取得向控制环路2输入的正弦波信号(输入信号)和来自控制对象3的输出信号。数据取得部13取得向控制环路2输入的将预定相位设成初始相位的正弦波信号、将相位从初始相位移动了2/3π和-2/3π的正弦波信号这三种正弦波信号、以及从控制对象分别针对这三种正弦波信号的输入信号而输出的三种输出信号。
在最后的步骤604中，在频率特性计算部14中使用输入信号和输出信号来计算控制环路2的频率特性。频率特性计算部14使用向控制环路2输入的将预定相位设成初始相位的正弦波信号、将相位从初始相位移动了2/3π和-2/3π的正弦波信号这三种正弦波信号、以及从控制对象分别针对这三种正弦波信号的输入信号而输出的三种输出信号来计算控制环路2的频率特性。
如上所述，使用图7A、图7B说明使用将初始相位每次移动了2/3π的正弦波信号来计算控制环路的频率特性的情况与仅使用没有对初始相位进行移动的正弦波信号来计算控制环路的频率特性的情况的比较。
图7A是表示在图3所示的数值控制装置1A中，没有对将预定相位设成初始相位的正弦波信号进行移动，而仅向控制环路2输入一次时的频率特性的伯德图。将采样频率fs设成4000Hz，将奈奎斯特频率fb(＝fs/2)设成2000Hz，将输入的正弦波信号的频率f设成10～3000Hz。在没有对将预定相位设成初始相位的正弦波信号进行移动而向控制环路2仅输入一次时的频率特性中，可知在1000Hz以上的高频区域中检测精度不良。
图7B是表示在图3所示的数值控制装置1A中，向控制环路2输入了将预定相位设成初始相位的正弦波信号、将初始相位每次移动了2/3π的两个正弦波信号这三种正弦波信号时的频率特性的伯德图。此时，向控制环路2输入了三次正弦波信号。采样频率fs是4000Hz，奈奎斯特频率fb是2000Hz，输入的正弦波信号的频率f是10～3000Hz。将初始相位每次移动2/3π后输入三次正弦波信号时，可知在高频区域中检测精度提高。
另一方面，比较图7A和图7B所示的表示频率特性的伯德图可知，当输入信号的频率小于1000Hz时，向控制环路2输入了一次正弦波信号的情况与输入了三次正弦波信号的情况下，检测精度并无多大差距。即，在比预定频率低的频率区域中，即使不对初始相位的正弦波信号进行移动而向控制环路2仅输入一次来计算频率特性，或即使输入三次对相位进行了移动的正弦波信号来计算频率特性，也能得到同样的测定结果。
因此，当输入信号的频率低于预定频率(例如，奈奎斯特频率)时，不对初始相位的正弦波信号进行移动而向控制环路2仅输入一次来计算频率特性即可。并且，当输入信号的频率高于预定频率(例如，奈奎斯特频率)时，向控制环路输入k次从初始相位仅移动了一定量的正弦波信号来计算频率特性。根据该频率特性的计算方法，与向控制环路2输入多次与输入信号的频率无关地移相后的多种正弦波信号的情况相比，仅以数据点数所需要的频率进行多次输入，因此能够在短时间内进行频率特性的测定。
另外，在以上说明的实施例中，说明了通过向控制环路输入k次将初始相位移动了一定量(例如，每次2π/n)的正弦波信号，每个周期能够至少采样k点的情况。此时，“n”＝“k”，当将正弦波信号移动n次时，正好成为一个周期。然而，例如考虑输入两次仅移动了π/2的正弦波信号的情况下，也得到本发明的效果，此时“n”≠“k”，因此本发明还包括“n”≠“k”的情况。
以上，将本发明与其最佳的实施方式关联起来进行了说明，但本技术领域的技术人员应当理解在不脱离请求专利保护的范围的公开范围的情况下，可以进行各种修正以及变更。

Claims (6)

1.一种控制至少一个控制对象的数值控制装置，其特征在于，具备：
正弦波生成部，其生成正弦波信号；
控制环路励振部，其将从所述正弦波生成部输出的正弦波信号输入所述控制对象的控制环路；
数据取得部，其以一定的周期对输入所述控制环路的输入信号和所述控制对象输出的输出信号进行采样；
频率特性计算部，其使用输入信号以及输出信号的采样数据来计算所述控制环路的频率特性；以及
移相部，其移动所述正弦波信号的相位，
所述频率特性计算部，使用向所述控制环路多次输入将预定相位设成初始相位的正弦波信号和使所述控制对象输出的输出信号的采样点发生偏离地将初始相位移动了一定量的正弦波信号的数据，计算所述控制环路的频率特性，其中，所述预定相位设成初始相位的正弦波信号和使所述控制对象输出的输出信号的采样点发生偏离地将初始相位移动了一定量的正弦波信号具有相同的频率。
2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，
所述移相部产生将初始相位每次移动了2π/n的正弦波信号，
所述控制环路励振部向所述控制环路输入将初始相位每次移动了2π/n的正弦波信号，
所述频率特性计算部使用向所述控制环路输入了k次的数据，计算所述控制环路的频率特性，
其中，所述n表示在所述正弦波信号的一个周期内所述移相部移动所述正弦波信号的次数，而所述k表示在所述正弦波信号的一个周期内所述控制对象输出的输出信号的采样点的数目。
3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，
所述移相部产生将初始相位每次移动了2π/n的k种正弦波信号，
所述控制环路励振部向所述控制环路分别输入一次将初始相位每次移动了2π/n的所述k种正弦波信号，
所述频率特性计算部使用向所述控制环路输入了k次的数据来计算所述控制环路的频率特性，
其中，所述n表示在所述正弦波信号的一个周期内所述移相部移动所述正弦波信号的次数，而所述k表示在所述正弦波信号的一个周期内所述控制对象输出的输出信号的采样点的数目。
4.根据权利要求3所述的数值控制装置，其特征在于，
所述移相部产生将初始相位移动了2π/3的正弦波信号和移动了-2π/3的正弦波信号，
所述控制环路励振部向所述控制环路输入将预定相位设成初始相位的正弦波信号、将初始相位移动了2π/3的正弦波信号以及移动了－2π/3的正弦波信号这三种正弦波信号，
所述频率特性计算部使用向所述控制环路输入的所述三种正弦波信号来计算所述控制环路的频率特性。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的数值控制装置，其特征在于，
当输入信号的频率低于预定频率时，所述控制环路励振部向所述控制环路仅输入一次初始相位的正弦波信号，所述频率特性计算部使用输入信号以及输出信号的采样数据来计算所述控制环路的频率特性，
当输入信号的频率在所述预定频率以上时，所述控制环路励振部向控制环路输入多次将预定相位设成初始相位的正弦波信号和对初始相位进行了移动的正弦波信号，所述频率特性计算部使用多个输入信号以及与所述多个输入信号对应的多个输出信号的采样数据来计算所述控制环路的频率特性。
6.根据权利要求5所述的数值控制装置，其特征在于，
所述预定频率为奈奎斯特频率。
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