CN105703691A - 具有滤波器自动调整功能的伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有滤波器自动调整功能的伺服控制装置。本发明的伺服控制装置具备：包含速度指令生成部、转矩指令生成部以及速度检测部的速度控制回路、正弦波干扰输入部、用于推定速度控制回路输入输出信号的增益和相位的频率响应计算部、共振频率检测部、根据共振频率及其附近频率的频率响应推定共振特性的共振模式特性推定部、根据低频带的频率响应推定刚体特性的刚体模式特性推定部、使转矩指令所包含的特定的频带分量衰减的滤波器、向滤波器赋予指定的滤波器的特性的滤波器调整部，其中，滤波器调整部还具备：滤波器调整单元，其对应于共振模式特性推定部所推定的共振模式的频带分量衰减。

Description

具有滤波器自动调整功能的伺服控制装置

技术领域

本发明涉及一种驱动伺服电动机的伺服控制装置，尤其涉及一种具有使用实验模式分析的滤波器自动调整功能的伺服控制装置。

背景技术

在伺服控制装置中，为了机床的伺服控制系统的稳定化而广泛使用对转矩指令值应用带阻滤波器的技术。滤波器调整一般针对由转矩指令生成部和速度检测部构成的速度控制回路，进行正弦波扫频或矩形波扫频，由此测量控制回路的频率响应并检测出共振频率。

滤波器的计算处理负荷非常大，因此为了实时地进行周期计算，可以增加几个滤波器的个数。由于在伺服控制中所使用的硬件性能的制约，对滤波器的个数有限制。因此，使用有限个数的滤波器，调整成高效、稳定化是重要的。要求一种通过评价共振频率的共振风险来选择性地应用稳定化效果高的滤波器的方法。

只要能够进行共振检测，则在原理上就能够进行滤波器自动调整，因此以往提出了很多滤波器的自动调整方法(例如，日本专利公开公报，日本特开平6-78575号。以下称为“专利文献1”)。在专利文献1中，公开了根据测定数据求出振幅比和频率，并进行甚至包含离散化计算的参数调整的陷波滤波器的自动调整，但无法进行滤波器的幅度和深度的调整。

滤波器的自动调整具有能够得到偏差少的调整结果的优点，但为此必须制定用于自动调整的严格的规则。提出了与传递函数的推定一起统一地调整还包含控制增益、前馈的伺服控制参数的方法(例如，日本专利公开公报，日本特开2008-259271号。以下称为“专利文献2”)。该现有技术优点在于，还能够考虑到控制系统的稳定性来进行整体调整。在专利文献2中，公开了控制增益、陷波滤波器、前馈的自动调整。确定机械系统的惯性力矩，制作机械的传递函数，针对它求出逆传递函数(机械的传递函数的倒数)，由此决定前馈系数。根据振动频率和控制增益来决定滤波器调整自身。但是，在专利文献2中，没有公开明确地规定滤波器的幅度、深度的方法。

还报告了将实验模式分析应用于伺服调整的例子(例如，日本专利公开公报，日本特开2006-227793号公报。以下称为“专利文献3”)。专利文献3提出决定传递函数的常数群的方法，并示出使用该方法能够调整伺服控制的增益、低通、陷波滤波器。但是，并没有公开应该如何选择共振频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伺服控制装置，其能够分别进行以下动作：根据所测定的频率响应推定传递函数，进行被限制的有限个数的滤波器的调整(权利要求1)；通过判别哪个共振模式的震荡风险高，而优先发现稳定化效果高的滤波器频率(权利要求2)；不实际应用滤波器，而通过使用了公式的计算来预测/显示滤波器效果(权利要求3)。

本发明的一实施例的伺服控制装置的特征在于，具备：速度指令生成部，其生成伺服电动机的速度指令值；转矩指令生成部，其根据速度指令值，生成伺服电动机的转矩指令值；速度检测部，其检测根据转矩指令值驱动的伺服电动机的速度；速度控制回路，其包含速度指令生成部、转矩指令生成部以及速度检测部；正弦波干扰输入部，其向速度控制回路输入正弦波干扰；频率响应计算部，其用于根据向速度控制回路输入了正弦波干扰时的来自速度控制回路的输出，推定包含速度控制回路输入输出信号的增益和相位的频率响应；共振频率检测部，其检测频率响应的增益极大的频率即共振频率；共振模式特性推定部，其根据共振频率及其附近频率的频率响应推定共振特性；刚体模式特性推定部，其根据低频带的频率响应推定刚体特性；滤波器，其使转矩指令所包含的特定的频带分量衰减；以及滤波器调整部，其向上述滤波器给予所指定的滤波器的特性，其中，滤波器调整部还具备：滤波器调整单元，其使对应于共振模式特性推定部所推定的共振模式的频带分量衰减。

附图说明

通过与附图相关的以下的实施方式的说明，使本发明的目的、特征以及优点变得更加明确。

图1是本发明的实施例1的伺服控制装置的结构图。

图2是用二次系统的和表现机械传递机构的传递函数的框图。

图3A是用连续系统表示电动机驱动系统中的速度控制回路的构成要素的控制框图。

图3B是用连续系统表示电动机驱动系统中的速度控制回路的构成要素的控制框图。

图4A是表示增益的频率特性的一例的图。

图4B是表示振幅的频率特性的一例的图。

图4C是表示功率谱密度的频率特性的一例的图。

图5A是用于说明根据功率谱密度的频率特性计算刚体模式和共振模式的能量的方法的图。

图5B是用于说明根据功率谱密度的频率特性计算刚体模式和共振模式的能量的方法的图。

图6是用于说明本发明的实施例2的伺服控制装置的动作步骤的流程图。

图7是表示峰值功率比的模式依存性的图表。

图8是表示拟合后和平滑化后的增益的频率特性的图表。

图9是表示拟合后和平滑化后的相位的频率特性的图表。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的伺服控制装置。其中，应该注意本发明的技术范围并不限于这些实施方式，而涉及要求权利保护的发明和其等价物。

[实施例1]

(基于模式分析的滤波器调整)

首先，说明本发明的实施例1的伺服控制装置。图1是本发明的实施例1的伺服控制装置的结构图。本发明的实施例1的伺服控制装置101的特征在于，具备：速度指令生成部1，其生成伺服电动机的速度指令值；转矩指令生成部2，其根据速度指令值，生成伺服电动机的转矩指令值；速度检测部3，其检测根据上述转矩指令值所驱动的伺服电动机的速度；速度控制回路4，其包含速度指令生成部1、转矩指令生成部2以及速度检测部3；正弦波干扰输入部5，其向速度控制回路4输入正弦波干扰；频率响应计算部6，其用于根据向速度控制回路输入正弦波干扰时的来自速度控制回路4的输出，推定包含速度控制回路输入输出信号的增益和相位的频率响应；共振频率检测部(未图示)，其检测频率响应的增益极大的频率即共振频率；共振模式特性推定部8，其根据共振频率和其附近频率的频率响应推定共振特性；刚体模式特性推定部9，其根据低频带的频率响应推定刚体特性；滤波器10，其使包含在转矩指令中的特定的频带分量衰减；以及滤波器调整部11，其向滤波器10给予所指定的滤波器的特性，其中，滤波器调整部11还具备：滤波器调整单元，其使对应于共振模式特性推定部8所推定出的共振模式的频带分量衰减。

本发明的实施例1的伺服控制装置提供一种能够进行如下的滤波器的自动调整的伺服控制装置：不是根据重复的序列，而是根据开环特性掌握传递机构的特性，并基于物理的考察进行自动调整。在本发明的实施例1的伺服控制装置中，根据共振频率和其附近频率的频率响应确定共振模式的特性值，根据作为表示传递机构的特性的物理量而获取的模式分析的滤波器调整，一边进行定量地评价，一边进行对转矩指令的滤波器设定。

为了分析机械振动而使用被称为实验模式分析的方法(与此相对，理论模式分析是指所谓的有限要素法)。实验模式分析是实际测定频率响应，并根据其结果推定特性值的分析方法。如果考虑有多个独立的弹簧/质量/阻尼系统，则根据它们得到独立的运动方程式的群。应用该模式分析的思考方式，能够用图2那样的二次系统的和表现机械传递机构的传递函数。将每个二次系统(202-1、202-2、……、202-N)称为“共振模式”，将只有积分器的项201称为“刚体模式”。在图2中，K₀、K₁、……、K_N表示增益，ζ₁、ζ₂、……、ζ_N表示衰减比，ω₁、ω₂、……、ω_N表示共振频率。实验模式分析根据实测值决定这样表现的传递函数的参数。根据该表述，能够通过半幅值法对每个模式决定参数。

图3A和图3B所示的控制框图分别用连续系统表示输入ω*而输出ω的电动机驱动系统中的速度控制回路4和4’的构成要素。用加法器12、速度控制器(转矩指令生成部)2、陷波滤波器10、共振模式13以及微分器14表示图3A所示的速度控制回路4的框图。在图3B所示的速度控制回路4的框图中，通过速度控制器2’的积分器，因此可以看作取消了微分器。这不是基于测定而是基于控制构造。在速度控制器2和2’中，k_vp表示速度比例增益，k_vi表示速度积分增益。

在如以上那样得到共振模式特性后，滤波器调整部11的滤波器调整单元(未图示)使与共振模式特性推定部8推定出的共振模式对应的频带分量衰减。

根据实施例1的伺服控制装置，根据共振频率和其附近频率的频率响应确定共振模式的特性值，并作为表示传递机构的特性的物理量而获取，由此能够一边进行定量地评价，一边进行对转矩指令的滤波器设定。

[实施例2]

(滤波器调整的优先级)

接着，说明本发明的实施例2的伺服控制装置。本发明的实施例2的伺服控制装置的特征点在于：滤波器调整单元用共振模式特性推定部8推定的至少一个共振模式特性和刚体模式特性推定部9推定的一个刚体模式特性表现速度控制回路4的频率响应，在特定的频率范围内对共振模式所具有的能量和与之对应的刚体模式所具有的能量进行比较来选择速度控制回路中的振动可能性高的模式，进行滤波器的设定。实施例2的伺服控制装置的其他结构与实施例1的伺服控制装置的结构相同，因此省略详细说明。

在本发明的实施例2的伺服控制装置中，在应用有限的个数的滤波器时，判断应该优先将滤波器应用于哪个共振频率。通过刚体模式能量与共振模式能量的比，根据物理的根据来评价振动风险。

对于频率响应，一般频率范围宽，因此用对数比例尺(schale)来显示是方便的。因此，图4A所示的波特图容易直观地掌握特性，被广泛使用。

可以将图4A所示的频率响应重新改写成线性轴，如图4B所示那样用振幅值表示增益(分贝)。在显示宽范围的情况下，对数轴是方便的，但如果等间隔地表示特定的范围，则还是线性轴好。对频率-振幅的图表的纵轴数据(振幅)进行平方得到图4C所示的功率谱密度。

任意的周期性的时间数据通过傅立叶变换，能够得到图5A所示的功率谱密度。在该情况下，相当于处理对与正弦波输入对应的响应波形进行傅立叶变换而得的结果。在频率轴上对功率谱密度进行积分而得到该信号的能量。通过使用积分运算，如图5B所示能够估计特定频带的信号能量。

刚体模式在低频急剧衰减，因此在共振模式变得显著的频带中，小得几乎可以无视。

传递机构的特性本来应该是这样的刚体特性(理想特性)，但在实际的传递机构中存在许多共振要素(弹簧/质量/阻尼要素)。因此，通过在共振模式和刚体模式下计算各自的能量，取得其比，来估计“相对于理想特性的偏离程度”。

例如，在图5A和图5B的例子中，如以下这样记载机械特性。

$M\left(s\right)=\frac{K_0}{s^2}+\frac{{\mathrm{\ω}}_1^2/K_1}{s^2+2{\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}+\frac{{\mathrm{\ω}}_2^2/K_2}{s^2+2{\mathrm{\ζ}}_2{\mathrm{\ω}}_{2}s+{\mathrm{\ω}}_2^2}=M_0\left(s\right)+M_1\left(s\right)+M_2\left(s\right)$

如果将一次模式(共振模式1)、二次模式(共振模式2)的半值半幅度分别记载为W₁、W₂，使用适当的常数n(>1)记载积分范围，则可以如下这样记载。

一次模式的能量 $E_1={\∫}_{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{nW}}_1}^{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{nW}}_1}{\left|M_1\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^{2}d\mathrm{\ω}$

对应的刚体模式的能量

二次模式的能量 $E_2={\∫}_{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{nW}}_2}^{{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{nW}}_2}{\left|M_2\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^{2}d\mathrm{\ω}$

对应的刚体模式的能量 $E_{02}={\∫}_{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{nW}}_2}^{{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{nW}}_2}{\left|M_0\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^{2}d\mathrm{\ω}$

计算这些能量的比η。即，根据下述的公式求出η₁和η₂。

${\mathrm{\η}}_1=\frac{E_1}{E_{01}}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{nW}}_1}^{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{nW}}_1}{\left|M_1\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^{2}d\mathrm{\ω}}{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{nW}}_1}^{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{nW}}_1}{\left|M_0\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^{2}d\mathrm{\ω}}$

${\mathrm{\η}}_2=\frac{E_2}{E_{02}}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{nW}}_2}^{{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{nW}}_2}{\left|M_2\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^{2}d\mathrm{\ω}}{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{nW}}_2}^{{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{nW}}_2}{\left|M_0\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^{2}d\mathrm{\ω}}$

可以认为该η越大则从刚体模式的“偏离”越大，因此应该优先应用滤波器。

越高频刚体模式的功率谱密度越小，因此越高频η的评价值越大。在有很多相同程度的振幅比的共振的情况下，可以优先选择高频共振。但是，也有时低频侧的共振取入控制系统的特性，因此一般降低优先级。

接着，使用图6所示的流程图说明本发明的实施例2的伺服控制装置的动作步骤。首先，在步骤S101中，正弦波干扰输入部5(参照图1)将正弦波干扰输入到速度控制回路4。

接着，在步骤S102中，速度检测部3检测伺服电动机20的速度检测值。通过使用编码器等，能够检测伺服电动机20的速度。

接着，在步骤S103中，转矩指令生成部2根据速度指令值和速度检测值制作转矩指令值。

接着，在步骤S104中，频率响应计算部6根据正弦波干扰值和转矩指令值计算频率响应。

接着，在步骤S105中，刚体模式特性推定部9根据频率响应仅推定一个刚体模式的特性值。

接着，在步骤S106中，共振模式特性推定部8根据频率响应推定至少一个共振模式的特性值的组。

接着，在步骤S107中，滤波器调整部11计算每个共振模式的能量以及与之对应的刚体模式的能量，计算它们的比，决定应该应用滤波器10的共振模式的优先级。作为一例，在图7中表示多个模式下的峰值功率比。

接着，在步骤S108中，滤波器调整部11从优先级高的共振模式开始依次调整滤波器特性。

如以上那样，根据实施例2的伺服控制装置，在应用有限个数的滤波器时，判断应该优先将滤波器应用于哪个共振频率。由此，能够根据刚体模式能量和共振模式能量之间的比，进行基于物理性根据的振动风险评价。

[实施例3]

(滤波器效果的预测和显示)

接着，说明本发明的实施例3的伺服控制装置。本发明的实施例3的伺服控制装置的特征点在于：频率响应计算部6根据共振模式特性推定部8和刚体模式特性推定部9推定的模式特性推定传递机构30的传递函数，进行向通过实验测定而得的频率响应曲线的曲线拟合(fitting)，根据计算公式预测所应用的滤波器的效果，并将其结果显示为波特图。实施例3的伺服控制装置的其他结构与实施例1的伺服控制装置的结构相同，因此省略详细说明。

在本发明的实施例3的伺服控制装置中，得到表示频率响应的传递函数的公式，因此即使不用重复进行实测，也能够预测频率响应由于滤波器而怎样地变化。包含陷波滤波器的传递函数地描绘波特图，由此能够在调整结束前知道进行怎样的滤波器调整。作为一例，在图8中表示出用于表示平滑化后和拟合后的增益的频率特性的图表。在图9中表示出用于表示平滑化后和拟合后的相位的频率特性的图表。用以下的公式表示出用于表示陷波滤波器(IIR)的传递函数。

$\frac{s^2+2{\mathrm{\δ\τ\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_c^2}{s^2+2{\mathrm{\τ\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_c^2}$

其中，δ是决定振动分量的衰减量(陷波深度)的参数，τ是决定衰减频带的宽度(陷波宽度)的参数，ω_c是衰减频带的中心频率。

如果通过实施例2所示的方法决定应该应用滤波器的频率，则能够决定该陷波滤波器的特性。例如，用以下的公式表示共振模式之一。

$\frac{{\mathrm{\ω}}_1^2/K_1}{s^2+2{\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}$

这样，作为陷波滤波器，如果如以下这样进行设定，则能够确实地变得稳定。

ω_c＝ω_r

τ＝ζ_r

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2}{K_r}$

其中，K_r、ζ_r、ω_r分别是主共振模式的增益、衰减常数、固有角频率。

通过决定实验模式分析的结果和应该应用的滤波器的常数，能够计算滤波器后的频率响应并进行预测显示。为了进行伺服调整，一般实际操作控制装置来进行电动机驱动。但是，通过该方法能够掌握实际设备特性，因此只要完成一次模式分析，则不需要操作实际设备而能够进行滤波器调整。

如以上那样，根据本发明的实施例3的伺服控制装置，能够得到用于表示频率响应的传递函数的公式，因此即使不重复进行实测，也能够预测频率响应由于应用滤波器而怎样地变化。通过包含陷波滤波器的传递函数地描绘波特图，能够在调整结束前知道进行怎样的滤波器调整。

如以上说明的那样，根据本发明的一实施例的伺服控制装置，基于模式分析来分析控制系统的频率响应，计算共振模式的特性值来评价该模式的振动风险，并决定应该应用滤波器的频率的优先级。由此，根据各模式特性还能够得到滤波器的幅度和深度，由此能够准确地进行滤波器的自动调整。

Claims (3)

1.一种伺服控制装置，其特征在于，具备：

速度指令生成部，其生成伺服电动机的速度指令值；

转矩指令生成部，其根据上述速度指令值，生成伺服电动机的转矩指令值；

速度检测部，其检测根据上述转矩指令值驱动的伺服电动机的速度；

速度控制回路，其包含上述速度指令生成部、上述转矩指令生成部以及上述速度检测部；

正弦波干扰输入部，其向上述速度控制回路输入正弦波干扰；

频率响应计算部，其用于根据向上述速度控制回路输入了上述正弦波干扰时的来自上述速度控制回路的输出，推定包含速度控制回路输入输出信号的增益和相位的频率响应；

共振频率检测部，其检测上述频率响应的增益极大的频率即共振频率；

共振模式特性推定部，其根据上述共振频率及其附近频率的频率响应推定共振特性；

刚体模式特性推定部，其根据低频带的频率响应推定刚体特性；

滤波器，其使转矩指令所包含的特定的频带分量衰减；以及

滤波器调整部，其向上述滤波器给予所指定的滤波器的特性，

上述滤波器调整部还具备：滤波器调整单元，其使对应于上述共振模式特性推定部所推定的共振模式的频带分量衰减。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述滤波器调整单元通过由上述共振模式特性推定部推定的至少一个共振模式特性和由上述刚体模式特性推定部推定的一个刚体模式特性，表现上述速度控制回路的频率响应，在特定的频率范围内对共振模式所具有的能量和与之对应的刚体模式所具有的能量进行比较，由此选择上述速度控制回路中的振动可能性高的模式，并进行上述滤波器的设定。

3.根据权利要求1或2所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述频率响应计算部根据由上述共振模式特性推定部和上述刚体模式特性推定部推定的模式特性来推定传递机构的传递函数，进行向通过实验测定而得的频率响应曲线的曲线拟合，由此根据计算公式预测所应用的滤波器的效果，并将其结果显示为波特图。