CN105159229A - 降低机械前端点的挠曲的伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低机械前端点的挠曲的伺服控制装置，具备位置控制部和速度控制部，控制电动机的位置和速度，进行机床的机械前端点的控制，该伺服控制装置具备：位置检测部，其检测电动机的位置；第一位置偏差计算部，其根据对电动机的位置指令和来自位置检测部的位置反馈，求出第一位置偏差；扭曲推定部，其求出机械前端点的扭曲量；第二位置偏差计算部，其将第一位置偏差和所推定的扭曲量相加来求出第二位置偏差；系数适应部，其决定前馈控制的系数，使得第二位置偏差为最小；高阶前馈控制部，其使用所决定的系数和位置指令，进行前馈控制。

Description

降低机械前端点的挠曲的伺服控制装置

技术领域

本发明涉及一种对使用了电动机的机床等的机械进行控制的控制装置，特别涉及一种控制装置，其降低通过工具加工工件时的加工点即位于电动机所驱动的被驱动体上的工具前端部分(机械前端点)的“挠曲”。

背景技术

在一般的机床中，作为通过电动机进行驱动的轴的控制系统，有通过电动机所具备的检测器进行控制的半封闭系统、在工具前端部分(以下称为“机械前端点”)附近有另外的检测器的全封闭系统。

根据一般的成本要求，作为前者的半封闭系统被广泛使用。在该系统中在电动机和机械前端点之间的刚性低的情况下，会有以下问题，即通过机械的弹性形变而产生“挠曲”或“扭曲”，机械前端点的运动相对于指令具有偏差。

另一方面，在需要更高精度的控制的机床中，使用全封闭系统。通过在机械前端点的附近配置检测器，能够减小指令与机械前端点的运动之间的偏差。但是，一般很难在工具前端部等更接近机械前端点的位置配置检测器，即使是全封闭系统，也会有机械前端点的运动相对于指令具有偏差的情况。

如上所述，机械的刚性低，不仅是半封闭系统，即使是全封闭系统也会有由于机械的弹性形变造成的“挠曲”或“扭曲”而使机械前端点的运动相对于指令具有偏差的情况。如果产生这样的偏差，则加工精度恶化，因此寻求偏差为最小的控制。

目前，对于由于这样的弹性形变造成的机械前端点的“挠曲”或“扭曲”，大致提出2个方法。一个是使用了反馈的控制方法，即使用电动机所具有的检测器的反馈、能够在离机械前端点更近的位置进行配置的加速度传感器的反馈，推定机械前端点的运动，使用该推定结果来控制电动机的方法。另一个是使用了前馈的控制方法，即根据机械刚性预测“挠曲”或“扭曲”而修正指令的方法、限制指令的加速度而使得机械前端点不会挠曲地修正指令的方法。

例如，已知一种方法，即在机械前端点的附近配置加速度传感器，根据其反馈来推定机械前端点的“挠曲”或“扭曲”，使用学习控制，进行使指令和机械前端点的运动之间的偏差成为最小的控制(例如，参照日本特开2006-172149号公报)。进而还公开一种方法，即不使用加速度传感器而根据电动机所具有的检测器的反馈来推定机械前端点的“挠曲”或“扭曲”，使用学习控制，进行使指令和机械前端点的运动之间的偏差成为最小的控制。在该现有技术中，作为减小偏差的方法而使用学习控制，因此上述任意的方法都需要指令的重复性，因此存在无法在通常的指令中使用的问题。

发明内容

在一个侧面中，本发明的目的为提供一种伺服控制装置，其将使用了反馈的控制方法和使用了前馈的控制方法进行组合，由此即使是在通常的指令中也能够降低机械前端点的“挠曲”或“扭曲”，缩小指令和机械前端点的运动之间的偏差。

本发明实施例中的伺服控制装置具备位置控制部和速度控制部，控制电动机的位置、速度，进行机床的机械前端点的控制，该控制装置具有：位置检测部，其检测由电动机驱动的被驱动体或电动机的位置；第一位置偏差计算部，其根据对电动机的位置指令和来自位置检测部的位置反馈，求出第一位置偏差；扭曲推定部，其求出机械前端点的扭曲量；第二位置偏差计算部，其将第一位置偏差和所推定的扭曲量相加来求出第二位置偏差；系数适应部，其决定前馈控制的系数，使得第二位置偏差为最小；高阶前馈控制部，其使用所决定的系数和对电动机的位置指令，进行前馈控制。

根据本发明实施例的伺服控制装置，在机械前端点的附近配置加速度传感器，根据其反馈来推定机械前端点的“挠曲”或“扭曲”，使用该推定结果和赋予电动机的指令，使用最小二乘法或最速下降法等方法适应地决定高阶的前馈控制的系数，使得“挠曲”或“扭曲”为最小。该高阶的前馈控制以限制指令的加速度的方式进行工作，结果能够降低“挠曲”或“扭曲”。

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是本发明实施例1的伺服控制装置的结构图。

图2是表示本发明实施例1的伺服控制装置所具备的高阶前馈控制器的结构的图。

图3是用于说明本发明实施例1的伺服控制装置的动作步骤的流程图。

图4是本发明实施例2的伺服控制装置的结构图。

图5是表示本发明实施例2的伺服控制装置所具备的扭曲推定部的结构的图。

图6是对向本发明实施例2的伺服控制装置输入了正弦波状的指令时的指令和机械前端点的运动之间的偏差进行了数值仿真的结果。

图7是用于说明本发明实施例2的伺服控制装置的动作步骤的流程图。

图8是本发明实施例3的伺服控制装置的结构图。

图9是用于说明本发明实施例3的伺服控制装置的动作步骤的流程图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的伺服控制装置。但是，需要注意本发明的技术范围不限定于这些实施方式，还涉及专利请求范围所记载的发明及其等同物。

[实施例1]

首先，使用附图说明本发明的实施例1的伺服控制装置。图1是本发明实施例1的伺服控制装置的结构图。本发明实施例1中的伺服控制装置101具备位置控制部1和速度控制部2，控制电动机20的位置、速度并进行机床的机械前端点30的控制，该控制装置还具备位置检测部3、第一位置偏差计算部4、扭曲推定部5、第二位置偏差计算部6、系数适应部7以及高阶前馈控制部8。

作为控制对象的机械前端点30由电动机20进行控制，需要考虑扭曲21和摩擦22。位置检测部3设置在电动机20的附近，检测通过电动机20进行驱动的被驱动体或电动机20的位置，并作为位置反馈输出到第一位置偏差计算部4。

第一位置偏差计算部4根据对电动机20的位置指令和来自位置检测部3的位置反馈，求出第一位置偏差。

扭曲推定部5求出机械前端点30的扭曲量。后面描述扭曲量的计算方法。

第二位置偏差计算部6将第一位置偏差和所推定的扭曲量相加，求出第二位置偏差。

系数适应部7取得第二位置偏差，使用所取得的第二位置偏差和位置指令，使用最小二乘法或最速下降法等方法决定高阶的前馈控制的系数，使得第二位置偏差为最小。

高阶前馈控制部8使用由系数适应部7决定的系数和对电动机2的位置指令，进行前馈控制。通过高阶前馈控制8计算出的修正值通过加法器10与在位置控制部1相乘了位置增益的位置偏差相加，减去使用来自位置检测部3的位置反馈在速度计算部9计算出的速度反馈，计算速度指令。

速度控制部2取得计算出的速度指令，对放大器11输出转矩指令。放大器11根据转矩指令驱动电动机20。

作为扭曲量的推定方法考虑各种方法。在实施例1的伺服控制装置中，具备检测机械前端点30的加速度的加速度检测部12，扭曲推定部5根据从加速度检测部12反馈来的加速度来推定机械前端点30的扭曲量。

扭曲推定部5将从加速度检测部12取得的加速度反馈进行二重积分，进行去除了低频成分的高通过滤器处理，由此推定机械前端点30的扭曲量。

接着，说明系数适应部7的系数计算方法。高阶的前馈控制部为图2所示的具有多个系数f₀、f₁、……、f_N的FIR(FiniteImpulseResponse：有限脉冲响应)型的滤波器结构，通过以下公式表示。

F(z)＝f₀+f₁*z^-1+f₂*z^-2+……+f_N*z^-N

系数适应部例如在使用了最速下降法的情况下，通过以下的算法进行计算。

f_m(n)＝f_m(n-1)+μ(n)·e(n)·ω(n-m)

其中，f表示滤波器系数，e表示偏差，ω表示指令，m表示0～N的前馈控制的次数。

另外，μ(n)是适应系数，例如通过以下那样的计算式来计算。

$\mathrm{\μ}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\η}}{1+\mathrm{\ω}{\left(n\right)}^2+\mathrm{\ω}{(n-1)}^2}$

其中，η是常数。

另外，本计算按照每个采样周期来进行，上式表示第n次的计算。

高阶前馈控制部8使用以上那样通过系数适应部7决定的系数和对电动机的位置指令，进行前馈控制。

接着，使用图3所示的流程图说明本发明实施例1的伺服控制装置的动作步骤。首先，在步骤S101中，位置检测部3取得位置反馈。检测出的位置反馈被输出到第一位置偏差计算部4。

接着，在步骤S102中，第一位置偏差计算部4根据对电动机20的位置指令和来自位置检测部30的位置反馈，计算第一位置偏差。

接着，在步骤S103中，加速度检测部12检测用于向扭曲推定部5反馈的机械前端点30的加速度。检测出的加速度数据被输出到扭曲推定部5。

接着，在步骤S104中，扭曲推定部5根据从加速度检测部12反馈来的加速度，推定机械前端点30的扭曲量。

接着，在步骤S105中，第二位置偏差计算部6将所推定的扭曲量与第一位置偏差相加，计算第二位置偏差。

接着，在步骤S106中，系数适应部7取得第二位置偏差，使用第二位置偏差和位置指令，使用最小二乘法或最速下降法等方法适应地决定高阶的前馈控制的系数，使得第二位置偏差为最小。

接着，在步骤S107中，使用适应中的系数进行前馈控制。

如上所述根据实施例1的伺服控制装置101，推定机械前端点30的扭曲量，将该扭曲量与偏差相加，根据相加后的偏差和位置指令来适应地决定高阶的前馈控制的系数，使得偏差为最小。其结果为，通过适应适当的系数，能够通过前馈控制来修正速度指令，使得不会引起“挠曲”或“扭曲”。该方法具有以下效果，即不仅降低扭曲量，而且能够同时补偿控制的响应延迟，结果机械前端点的运动相对于位置指令不会有偏差。

[实施例2]

接着，使用附图说明本发明实施例2的伺服控制装置。图4是本发明实施例2的伺服控制装置的结构图。实施例2的伺服控制装置102与实施例1的伺服控制装置101的不同点为，代替加速度检测部102，还具备检测电动机20的速度的速度检测部13、检测电动机20的电流的电流检测部14，扭曲推定部5根据电动机20的速度以及电动机20的电流来推定机械前端点30的扭曲量。实施例2的伺服控制装置102的其他结构与实施例1的伺服控制装置101的结构相同，因此省略详细的说明。

在实施例2的伺服控制装置中，扭曲推定部5如图5所示那样，通过假设了控制对象是双惯性系的算法来推定扭曲量。2惯性机械模型的运动方程式(忽略摩擦)如以下那样。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Jm}\·{\mathrm{\ω}}_m\left(s\right)\·s=\mathrm{Tm}\left(s\right)-\mathrm{Kc}\·({\mathrm{\ω}}_m\left(s\right)-{\mathrm{\ω}}_L\left(s\right))/s\\ \mathrm{JL}\·{\mathrm{\ω}}_L\left(s\right)\·s=\mathrm{Kc}\·({\mathrm{\ω}}_m\left(s\right)-{\mathrm{\ω}}_L\left(s\right))/s+\mathrm{Td}\left(s\right)\end{array}\right.$

其中，

J：惯量

ω：速度

Kc：弹性常数

Tm：指令转矩

Td：干扰转矩＝0

关于图5以及以下公式中的下标字的m和L，m表示电动机侧，L表示机械前端点(负荷)侧。

因此，ω_m：电动机速度

ω_L：机械前端点(负荷)的速度

Jm：电动机惯量

JL：机械前端点(负荷)的惯量

θm：电动机位置

θL：机械前端点(负荷)的位置。

如以下那样推定扭曲量。

θm(s)-θL(s)＝(ω_m(s)-ω_L(s))/s＝(Tm(s)-Jm·ω_m(s)·s)/Kc

其中，θ表示位置。

这里，为了避开微分，导入时间常数τ的低通滤波器。

θm(s)-θL(s)＝(Tm(s)-Jm·ω_m(s)·s)/Kc/(τ·s+1)＝Tm(s)/Kc/(τ·s+1)-Jm·ω_m(s)/Kc/τ·(1-1/(τ·s+1))

离散化Δθ表示扭曲量，通过以下公式计算。

Δθ(z)＝(Tm(z)·F(z)-Jm·ω_m(z)/τ·(1-F(z)))/Kc

其中，F(z)是低通滤波器。

因为无法观测Tm，所以使用电流反馈(转矩指令)Iq。Kt是电动机的转矩常数。

Δθ(z)＝(Kt·Iq(z)·F(z)-Jm·ω_m(z)/τ·(1-F(z)))/Kc

实施例2中，与实施例1一样推定机械前端点30的扭曲量，将该扭曲量与偏差相加，根据相加后的偏差和位置指令来适应地决定高阶的前馈控制的系数，使得偏差为最小。其结果，通过适应适当的系数，以前馈控制来修正速度指令，从而不会引起“挠曲”或“扭曲”。该方法具有以下效果，即不仅降低扭曲量，同时也能够补偿控制响应的延迟，结果为机械前端点的运动相对于位置指令不具有偏差。

图6(a)、(b)分别是在进行了通常控制的情况和使用了实施例2的伺服控制装置102的情况下，通过数值仿真观测输入了5Hz的正弦波状的指令时的指令和机械前端点30的运动的偏差的图表。机械的固有振动频率为15Hz。在图6(a)、(b)中，横轴表示时间，纵轴表示偏差(＝指令-机械前端点的运动)的大小。如图6(a)所示，在通常控制方法的情况下，无法使偏差收敛。对此，图6(b)中的在使用了实施例2的电动机控制装置102的情况下，不使用加速度检测部12而使用了扭曲推定部的情况下，与时间一起优化前馈控制的系数，因此能够确认偏差逐渐收敛。

接着，使用图7所示的流程图来说明本发明实施例2的伺服控制装置102的动作步骤。首先，在步骤S201中，位置检测部3取得位置反馈。检测出的位置反馈被输入到第一位置偏差计算部4中。

接着，在步骤S202中，第一位置偏差计算部4根据对电动机20的位置指令和来自位置检测部3的位置反馈来计算第一位置偏差。

接着，在步骤S203中，速度检测部13检测电动机20的速度，并且电流检测部14检测电动机20的电流。检测出的速度值和电流值作为速度反馈和电流反馈被输出到扭曲推定部5。

接着，在步骤S204中，扭曲推定部5根据速度反馈和电流反馈来推定机械前端点30的扭曲量。

接着，在步骤S205中，第二位置偏差计算部6将推定出的扭曲量和第一位置偏差相加，计算第二位置偏差。

接着，在步骤S206中，系数适应部7取得第二位置偏差，使用第二位置偏差和位置指令，使用最小二乘法、最速下降法等方法适应地决定高阶的前馈控制的系数，使得第二位置偏差为最小。

接着，在步骤S207中，使用适应中的系数进行前馈控制。

如上所述根据实施例2的伺服控制装置，不需要在机械前端点30设置加速度检测部12，所以能够以简单的结构来推定扭曲量。

[实施例3]

接着，使用附图来说明本发明的实施例3的伺服控制装置103。图8是本发明实施例3的伺服控制装置103的结构图。实施例3的伺服控制装置103与实施例1的伺服控制装置101的不同点为，代替加速度检测部12而具备检测电动机20的速度的速度检测部13’，扭曲推定部5根据电动机20的速度和对电动机20的转矩指令来推定机械前端点30的扭曲量。实施例3的伺服控制装置103的其他结构与实施例1的伺服控制装置101的结构相同，因此省略详细的说明。

接着，使用图9所示的流程图来说明本发明实施例3的伺服控制装置的动作步骤。首先，在步骤S301，位置检测部3取得位置反馈。检测出的位置反馈被输出到第一位置偏差计算部4。

接着，在步骤S302中，第一位置偏差计算部4根据对电动机20的位置指令和来自位置检测部3的位置反馈来计算第一位置偏差。

接着，在步骤S303中，速度检测部13检测用于反馈到扭曲推定部5的电动机20的速度，并且速度控制部2输出转矩指令。检测出的速度值和转矩指令被输出到扭曲推定部5。

接着，在步骤S304中，扭曲推定部5根据速度反馈和转矩指令来推定机械前端点30的扭曲量。

接着，在步骤S305中，第二位置偏差计算部6将推定出的扭曲量和第一位置偏差相加，计算第二位置偏差。

接着，在步骤S306中，系数适应部7取得第二位置偏差，使用第二位置偏差和位置指令，使用最小二乘法、最速下降法等方法适应地决定高阶的前馈控制的系数，使得第二位置偏差为最小。

接着，在步骤S307中，使用适应中的系数进行前馈控制。

如上所述根据实施例3的伺服控制装置103，不需要在机械前端点30设置加速度检测部12，也不需要设置电流检测部14，所以能够以简单的结构来推定扭曲量。

Claims (4)

1.一种伺服控制装置，具备位置控制部和速度控制部，控制电动机的位置和速度，进行机床的机械前端点的控制，该伺服控制装置的特征在于，具备：

位置检测部，其检测由电动机驱动的被驱动体或电动机的位置；

第一位置偏差计算部，其根据对电动机的位置指令和来自上述位置检测部的位置反馈，求出第一位置偏差；

扭曲推定部，其求出机械前端点的扭曲量；

第二位置偏差计算部，其将上述第一位置偏差和所推定的上述扭曲量相加，求出第二位置偏差；

系数适应部，其决定前馈控制的系数，使得上述第二位置偏差为最小；

高阶前馈控制部，其使用所决定的上述系数和对电动机的位置指令，进行前馈控制。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

还具有检测机械前端点的加速度的加速度检测部，

上述扭曲推定部根据从上述加速度检测部反馈来的加速度来推定机械前端点的扭曲量。

3.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

还具备：

速度检测部，其检测电动机的速度；和

电流检测部，其检测电动机的电流，

上述扭曲推定部根据上述电动机的速度和上述电动机的电流来推定机械前端点的扭曲量。

4.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

还具备检测电动机的速度的速度检测部，

上述扭曲推定部根据上述电动机的速度和对上述电动机的转矩指令来推定机械前端点的扭曲量。