CN105388914A - 位置控制设备 - Google Patents

Abstract

将串联控制方法用于位置控制设备中。该串联控制方法通过单独地驱动第一驱动轴和第二驱动轴来控制一个待控对象。第一驱动轴和待控对象之间的速度差被放大，并加到第一驱动轴的力矩命令值中。第二驱动轴和待控对象之间的速度差被放大，并加入到第二驱动轴的力矩命令值中。

Description

位置控制设备

优先权信息

本发明要求了2014年8月20日提交的日本专利申请2014-167255作为优先权，该申请在此全体参考性引入。

技术领域

本发明涉及一种伺服控制设备，该伺服控制设备控制例如机械工具或机器人臂的轴。本发明尤其涉及通过两个马达来控制待控对象的串联控制。

背景技术

在机械工具或机械人臂的驱动机构中，当例如用作可移动部分的待控对象的尺寸较大，且一个马达的力矩（线性移动马达中的推力）不足以驱动该可移动部分的轴时，可使用串联控制。在串联控制中，将命令给予两个马达，使得该两个马达驱动待控对象。在这种情况下，所述两个马达（旋转马达或线性马达）中的每一个通过齿轮和连接元件以旋转方向或直线移动方向来驱动待控对象。

图8为使用串联控制的目标设备的简要图，该串联控制转化成旋转马达轴。符号I₁和I₂分别代表驱动轴1以及另一个驱动轴2的转动惯量。每个驱动轴包括一个马达。符号I_L代表了待控对象的转动惯量。在待控对象和驱动轴1之间的第一力矩传输系统用第一弹簧系统表示，该第一弹簧系统包括刚度K₁和粘滞阻力D₁。在待控对象和驱动轴2之间的第二力矩传输系统以第二弹簧系统来表示，该第二弹簧系统包括刚度K₂以及粘滞阻力D₂。注意，x₁,x₂,以及x_L分别代表了驱动轴1、驱动轴2以及待控对象的位置。

图9为相关领域中的示例位置控制设备300的方块图。根据来自主机装置（未示出）的每个恒定循环中的函数生成而产生的位置命令值X，该位置控制设备300对施加了串联驱动的待控对象的位置x_L进行控制。第一轴位置控制单元100a和第二轴位置控制单元100b分别控制驱动轴1和驱动轴2。注意，在以下的描述中，具有共同轴的元件以加到附图标记的后缀a（第一轴）或b（第二轴）来表示。图9中相关领域的位置控制设备300的操作在以下详细讨论。

首先将讨论第一轴位置控制单元100a。在当前的传统示例中，该第一轴位置控制单元100a包括前馈配置，以加速命令响应。更特别地，加速和减速处理单元50a将具有合适的加速和冲击的加速和减速处理应用于位置控制值X中，以便输出应用了加速和减速处理的位置命令Xc。微分器54a对位置指Xc令值进行时间微分，以便输出速度前馈量V_F。此外，微分器55a将时间微分应用到速度前馈量V_F中，以便输出加速命令值A_F。放大器A_TF的放大系数A_TF是常数，用于为如图8中所示的目标设备200获取对应于产生加速A_F的马达力矩的加速和减速力矩前馈量τ_F。

第一轴位置控制单元100a的反馈配置如以下所示。首先，减法器51a将从位置命令值Xc中减去作为位置反馈的、由位置检测器（未图示）所检测的驱动轴1的位置x₁。位置误差放大器Kp放大作为减法器51a的输出的位置误差。加法器52a将位置误差放大器Kp的输出加入到速度前馈量V_F中，以便输出速度命令值V₁。减法器53a从速度命令值V₁中减去速度v₁，其中在该速度v₁中，位置x₁由微分器56a来进行微分。速度误差放大器Gv一般将比例积分放大应用于由减法器53a输出的速度误差中。

加法器57a将速度误差放大器Gv的输出与加速和减速力矩前馈量τ_F相加，以便输出力矩命令值τ₁，其为第一轴位置控制单元100a的输出。力矩控制（未图示）应用于力矩命令值τ₁，使得力矩命令值τ₁大致等于马达生成的力矩。该马达生成的力矩为输入力矩，其被加到如图8所示的目标设备200的驱动轴1的侧部。

由于第二轴位置控制单元100b具有与第一轴位置控制单元100a的大致相同的内部结构，以及构造元件，在此省略说明。从第二轴位置控制单元100b输出的力矩命令值τ₂为要加到如图8所示的目标设备200的驱动轴2的侧部的输入力矩。尤其地，当驱动轴1和驱动轴2之间的力矩传输系统、以及驱动轴和待控对象之间的力矩传输系统包括相同规格的部件时，该驱动轴1和驱动轴2的驱动系统为平衡的。因此，第一轴位置控制单元100a和第二轴位置控制单元100b可具有大致相同的配置，包括位置误差放大器Kp，速度误差放大器Gv以及放大器A_TF的设置值。

在此讨论如图9所示的相关领域的位置控制设备300的串联控制操作。注意，目标设备条件包括选择的I₁=I₂=0.1[kg·m²],I_L=0.3[kg·m²],K₁=K₂=50·10³[Nm/rad],D₁=D₂=0[Nm/(rad/s)]，且设定了对于该目标设备的优选控制条件(Kp,Gv,A_TF)，以使得两个驱动系统为平衡的。

图10和11为由负载扰动τ_dis逐步加入图8中待控对象I_L中模拟的扰动响应的结果，以便评估扰动抑制性能。符号v₁,v₂,以及v_L分别代表了驱动轴1，驱动轴2以及待控对象的速度，符号a₁,a₂,以及a_L分别代表了驱动轴1，驱动轴2以及待控对象的加速。符号Diff₁(=Xc-x₁),Diff₂(=Xc-x₂),Diff_L(=Xc-x_L)分别代表了驱动轴1，驱动轴2以及待控对象的位置偏离。在这种情况下，如图11所示，由于弹簧系统的较大振动现象可见于收敛过程的加速(a₁,a₂,a_L)中。

接下来，图12展示了通过模拟对二次函数类型加速命令值的响应而获得的结果，以便评估命令追踪性能。因为在扰动响应中，在加速过程的加速(a1,a2,a_L)中可见振动的发生。将驱动轴1的位置x₁以及驱动轴2的位置x₂用作图9中相关领域的位置控制设备300的位置反馈。因此，在加速过程中，在驱动轴的侧部，位置命令值可获得追踪。然而，在待控对象的侧部，追踪延迟较大，且发生较大的位置偏离Diff_L。

图13为串联驱动中使用的相关领域的位置控制设备的另一个示例配置。在图9中增加了一种配置，该配置检测驱动轴1和驱动轴2之间的速度差，并补偿力矩命令值，以便减少发生在驱动轴1和驱动轴2之间的偏离。以下展示了与图9所示不同的部件。

减法器58从驱动轴1的速度v₁中减去驱动轴2的速度v₂，以便输出速度差。该速度差通过放大器Gd来放大，并随后通过减法器59从力矩命令值中减去，该力矩命令值从第一轴位置控制单元100a处输出，以便成为位置控制设备301的驱动轴1的力矩命令值τ₁。同时，将放大器Gd的输出通过加法器60加到从第二轴位置控制单元100b输出的力矩命令值中，以便成为位置控制设备301的驱动轴2的力矩命令值τ₂。利用这种配置，可补偿力矩命令值，以便减少偏离的发生。

图14展示了通过将负载扰动τ_dis逐步加入到图8的待控对象I_L而刺激的扰动响应的结果，如图11所示。当将图14的结果与图11的结果进行对比时，可以看出在振动特性中并没有差异，且没有阻尼效应的发生。人们认为，图13中的相关领域的位置控制设备301的配置在用于抑制由于驱动轴1和驱动轴2之间的力矩干涉而引起的振动方面是有效地。然而，如当前的目标设备，当力矩通过弹簧系统在驱动轴和待控对象之间传输时，尽管补偿值由驱动轴之间的速度差构成，也不能通过减少目标设备的偏离来抑制振动。

背景技术的文献

专利文献

专利文献1：JP3492583B：

在使用串联控制的目标设备的配置中，其通过各自的弹簧系统（力矩传输系统），由两个驱动轴的每一个来驱动待控对象，当对待控对象施加负载扰动时，可轻易第发生振动。对于这一类的待控对象，尽管利用两个驱动轴来将串联驱动用于待控对象的两端，待控对象和每个驱动轴之间的偏离仍可在加速和减速操作中发生。因此，待控对象不可根据位置命令值来进行追踪。

本发明的目的在于，提供一种适用于串联控制的位置控制设备。对于具有两个驱动轴中的每一个驱动轴均通过弹簧系统来驱动对象的这一配置的目标设备而言，所述位置控制设备在加速和减速操作后减少了振动的发生，以便允许待控对象根据位置命令值来追踪。

发明内容

在包括内部弹簧系统的目标设备中，加入粘滞阻力系统将增加阻尼特性，以减少振动特性。根据本发明的一个实施例，在待控对象中放置了位置检测器或速度检测器。因此，位置检测器或速度检测器可检测每个驱动轴与待控对象之间的速度差（此后称为偏转速度）。随后，该速度差经过放大以便计算力矩补偿值。之后，将该力矩补偿值加入每个驱动轴的力矩命令值中，以便减少振动的发生。

同时，在加速和减速操作上，进行估计计算以获得位置差（在此称为偏离量），偏转速度以及在每个驱动轴和待控对象之间所产生的粘滞摩擦力矩。随后，将该计算结果加入位置命令值，速度命令值和每个驱动轴的力矩命令值中，使得待控对象根据位置命令值进行跟踪。

根据本发明实施例的位置控制设备可抑制由负载扰动产生的振动被加入到待控对象中的发生率。同时，在加速和减速操作后，位置命令值和待控对象位置之间的偏离量可通过振动抑制来减少。结果，可获得在串联控制中的高精确度的位置控制。

附图说明

本发明的优选实施例通过以下的附图来进行详细说明。

图1为根据本发明实施例的位置控制设备的示例配置的方块图；

图2为根据本发明实施例的位置控制设备中部分扰动响应模拟波形的图形；

图3为根据本发明实施例中位置控制设备中的其它部分的扰动响应模拟波形的图形；

图4展示了根据本发明实施例的位置控制设备中的二次函数类型加速命令值的响应模拟波形；

图5为根据本发明实施例的位置控制设备的另一个示例配置的方块图；

图6为根据本发明实施例的位置控制设备的另一个示例配置的部分扰动响应模拟波形图；

图7为根据本发明实施例的位置控制设备的另一个示例配置的二次函数类加速命令值的响应模拟波形图；

图8为使用串联控制的目标设备的简要图；

图9为相关领域中位置控制设备的示例配置的方块图；

图10展示了相关领域中位置控制设备的部分的扰动响应模拟波形图；

图11为相关领域中位置控制设备的部分的扰动响应模拟波形图；

图12为相关领域中位置控制设备的二次函数类加速命令值的响应模拟波形图；

图13为相关领域中位置控制设备的另一个示例配置的方块图；

图14展示了相关领域中位置控制设备的另一个示例配置的部分扰动响应模拟波形图。

具体实施方式

实施本发明的优选实施例将在以下结合示例（在此称为实施例）来说明。图1为根据本发明实施例的示例位置控制设备的方块图。与传统实施例不同的部件在以下讨论。在本实施例中，在目标设备200的待控对象中放置了速度检测器（未图示）。

在此讨论第一轴位置控制单元3a的配置和操作。因为第二轴位置控制单元3b具有类似于第一轴位置控制单元3a的内部配置和构成元件，可省略这些说明。减法器13a从驱动轴1的速度v₁中减去由速度检测器检测的待控对象的速度v_L，以在驱动轴1的侧部输出偏转速度。放大器Dp将比例积分放大应用于驱动轴1的侧部的偏转速度处，以产生输出。

放大器的输出Dp为力矩补偿值。减法器14a从加法器57a的输出中减去放大器Dp的输出，以便输出第一轴位置控制单元3a的力矩命令值τ₁。因此，待控对象和驱动轴1之间的力矩传输系统的特点可通过力矩补偿值来描述，该力矩补偿值由驱动轴1的侧部上的偏转速度计算而得到。

在此讨论根据本发明实施例的位置控制设备1中的扰动响应。在此，放大器Dp的放大系数设置为100（常数）。图2和3分别地对应于相关领域中位置控制设备300的扰动响应模拟结果的图10和11。图2和3为当阶梯形负载扰动τ_dis加入到待控对象处时的响应模拟的图形。如图3所示，即使当位置偏离(Diff1,Diff2,DiffL)由阶梯形负载扰动所引起时，振动的发生也在加速(a₁,a₂,a_L)中得到抑制。

接下来，再看图1，现讨论第一轴追踪补偿单元2a的操作。在加速和减速操作中，第一轴追踪补偿单元2a用作补偿值计算单元，其用于使得待控对象的位置x_L以高度的精确度来追踪施加了加速和减速过程的位置命令值Xc。在加速和减速操作后，放大器C_XF以加速命令值A_F执行了估计的计算，以获得驱动轴1的位置x₁和待控对象的位置x_L之间的偏离量（在此称为驱动轴1侧部的偏离量）。

通过等式（1）来限定放大系数C_XF。

C_XF=(I_L/K₁)·g_X(其中g_X:0.2to0.8)…(1)

加法器10a将放大器C_XF的输出X_CF加入应用了加速和减速过程的位置命令值Xc中，以便在位置控制上输出位置命令值(Xc+X_CF)。减法器51a从位置控制上的位置命令值中减去驱动轴1的位置x₁，以便输出位置误差。

微分器15a对加速命令值A_F进行微分，以便输出冲击命令值B_F。放大器利用冲击命令值B_F来执行估计的计算，以获得在加速和减速操作时驱动轴1的速度v₁和待控物体的速度v_L之间的偏离量（驱动轴1的侧部上的偏转速度）。放大系数C_VF通过等式（2）来限定：

C_VF=(I_L/K₁)·g_V(其中g_V:0.2to0.8)…(2)

加法器11a将放大器C_VF的输出V_CF加入到速度前馈量V_F中，随后加法器52a将加法器11a的输出加入到位置误差放大器Kp的输出中，以便计算速度命令值V₁。

放大器C_DP利用冲击命令值B_F执行估计计算，以在加速和减速操作上获得粘滞摩擦力矩。放大系数由等式（3）限定：

C_DP=(I_L/K₁)·Dp·g_D(其中g_D:0.2to0.8)…(3)

加法器12a将放大器C_DP的输出τ_CF加入到加速和减速力矩前馈量τ_F中。随后，加法器57a将加法器12a的输出加入速度误差加法器中Gv。

在此讨论根据本发明实施例的位置控制设备1的命令跟踪性能。在此，上述的在第一轴跟踪补偿单元2a内的放大器系数如下所示：(g_X,g_V,g_D)=(0.45,0.45,0.5)。图4为用于二次函数类型加速命令值的响应模拟结果图。该图4中的结果对应于图12中相关领域的位置控制设备300的响应模拟结果。

如图4所示，在加速过程中，通过加入上述追踪补偿值X_CF,V_CF,以及τ_CF，来抑制待控对象的加速振动a_L。此外，将位置控制上的位置命令值(Xc+X_CF)和驱动轴1的位置x₁之间的位置偏离Diff₁(=Xc+X_CF-x₁)，以及位置控制上的位置命令值(Xc+X_CF)和驱动轴2的位置x₂之间的位置偏离Diff₂(=Xc+X_CF-x₂)作为位置误差进行控制，显著地将待控对象的跟踪延迟提高到位置命令值。因此，在加速过程中的位置偏离Diff_L(=Xc-x_L)可显著地减少。

图5为根据本发明实施例的另一个示例位置控制设备的方块图。在之前没有描述的部件在以下进行描述。在优选的实施例中，在目标设备200的待控对象中放置位置检测器（未图示）。由于能检测到待控对象的位置x_L，因此第一轴位置控制单元4a和第二轴位置控制单元4b构成在待控对象的位置x_L处的位置反馈。

相应地，在位置控制的位置命令值包括位置命令值Xc，其应用了加速和减速处理。因此，不需要在第一轴追踪补偿单元2a的放大器C_XF的输出X_CF。另一方面，微分器20a将待控对象的位置x_L进行微分，以便计算出待控对象的速度v_L。如图1所示的本发明的实施例，待控对象的速度v_L用于计算驱动轴1的侧部的偏转速度。

图6为当阶梯形负载扰动τ_dis加入到根据本发明实施例的位置控制设备5中的待控对象时的响应模拟图。如图3所示的应用了位置控制设备1加速(a₁,a₂,a_L)中的振动的发生得到抑制。另一方面，在当前的实施例中，由于位置反馈包括待控对象的位置x_L，该待控对象的位置偏离Diff_L(=Xc-x_L)一般设置为零。

图7展示了用于二次函数类加速命令值的响应模拟。如图7所示，加上追踪补偿值V_CF和τ_CF抑制了如图4中的应用了位置控制设备1的加速过程中待控对象的加速振动a_L。在当前的实施例中，位置反馈包括待控对象的位置x_L。因此，待控对象的位置偏离Diff_L(=Xc-x_L)可得到抑制。然而，驱动轴1的位置x₁以及驱动轴2的位置x₂不是直接应用位置控制的对象了。因此，在驱动轴1侧上的偏离量以及在驱动轴2侧上的偏离量分别作为位置偏离Diff₁(=Xc-x₁)以及位置偏离Diff₂(=Xc-x₂)而发生。

作为前提，具有所述的目标设备，该目标设备在驱动轴1和驱动轴2之间，以及驱动轴和待控对象之间具有力矩传输系统，其具规格相同的部件。该目标设备还包括平衡的两个驱动系统。然而，即使当驱动系统为非平衡时，也能根据在驱动轴1（或驱动轴2）以及待控对象之间的力矩传输系统，来为每个轴分别设置包括在第一（或第二）轴位置控制单元中的放大器（Dp,C_XF,C_VF,C_DP）。结果，可控制每个力矩传输系统的阻尼特性，以便达到大致一样。此外，可根据在加速和减速操作时发生在每个驱动轴的偏转来获得追踪补偿控制。

正如上述，根据本发明实施例的位置控制设备即使在两个驱动系统不平衡时也能抑制振动现象。此外，追踪性能可在加速和减速操作时得到改善，且可获得串联控制中的高精确度的位置控制。注意，当每个驱动轴与待控对象之间的速度差被放大并加入各驱动轴的力矩命令值中时，可省略第一追踪补偿单元2a和第二轴追踪补偿单元2b。

Claims (4)

1.位置控制设备，其应用了串联控制方法，该串联控制方法包括通过单独地驱动第一驱动轴和第二驱动轴来控制待控对象，

其中所述第一驱动轴与待控对象之间的速度差被放大并加入到该第一驱动轴的力矩命令值中，且

所述第二驱动轴与待控对象之间的速度差被放大并加入到该第二驱动轴的力矩命令值中。

2.根据权利要求1所述的位置控制设备，其特征在于，

所述位置控制设备通过半封闭位置控制来控制所述第一驱动轴和所述第二驱动轴的每个位置，该半封闭位置控制将每个驱动轴用作反馈值，

所述位置控制设备执行估计计算，以获得发生于所述第一驱动轴与待控对象之间的位置差、速度差以及粘滞摩擦，并将获得的位置差、获得的速度差以及获得的粘滞摩擦分别加入到第一驱动轴的位置命令值、第一驱动轴的速度命令值、以及第一驱动轴的力矩命令值中，且

所述位置控制设备执行估计计算，以获得所述第二驱动轴与待控对象之间的位置差、速度差、以及粘滞摩擦，并将获得的位置差、获得的速度差、以及获得的粘滞摩擦分别加入到第二驱动轴的位置命令值、第二驱动轴的速度命令值、以及第二驱动轴的力矩命令值中。

3.根据权利要求1所述的位置控制设备，其特征在于，

所述第一驱动轴和所述第二驱动轴的每个位置通过完全封闭位置控制来进行控制，该完全封闭位置控制将待控对象的位置用作反馈值，

执行估计计算，以获得发生在所述第一轴与待控对象之间的速度差以及粘滞摩擦，并将所获得的速度差和所获得的粘滞摩擦分别加入到所述第一驱动轴的速度命令值以及所述第一驱动轴的力矩命令值中，且

执行估计计算，以获得发生在所述第二轴与待控对象之间的速度差以及粘滞摩擦，并将所获得的速度差和所获得的粘滞摩擦分别加到所述第二驱动轴的速度命令值以及所述第二驱动轴的力矩命令值中。

4.位置控制方法，其应用了串联控制方法，该串联控制方法包括通过单独地驱动第一驱动轴和第二驱动轴来控制待控对象，所述位置控制方法包括：

对所述第一驱动轴与待控对象之间的速度差进行放大，并将该速度差加到所述第一驱动轴的力矩命令值中；且

对所述第二驱动轴与待控对象之间的速度差进行放大，并将该速度差加入到所述第二驱动轴的力矩命令值中。