CN105811817B - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的电动机控制装置对伺服电动机与被伺服电动机驱动的被驱动部之间的弹性变形进行校正，该电动机控制装置的特征在于，具备：位置指令制作部，其指示电动机的位置；校正滤波器，其对由位置指令制作部制作出的位置指令进行校正；以及伺服控制部，其基于由校正滤波器进行校正后的位置指令、即校正后位置指令来对电动机的移动进行控制，校正滤波器包括以被驱动部的惯量JL、弹性变形部的刚性系数K、弹性变形部的阻尼系数C作为滤波系数的要素的滤波F(s)。

Description

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及一种电动机控制装置，特别涉及一种对指令加速度乘以根据机械系统的常数决定的增益来校正指令位置、由此抑制振动的电动机控制装置。
背景技术
以往，在通过电动机来对机械进行驱动的电动机控制装置中，通过伺服控制系统具有低通滤波器或陷波滤波器来应对高频机械共振。这些滤波器是存在于伺服控制系统的控制环内的滤波器，其目的不是校正位置指令，而是提高伺服控制系统的响应性、稳定性。
另一方面，以往，针对低频共振，则采用使用平滑的指令的方法、对指令实施陷波滤波的方法、对指令使用输入整形(input shaping)的方法等。与高频共振对策不同，这些方法设计为从向伺服控制系统提供的位置指令中去除会使机械系统发生共振的频率的能量、或者使该能量足够小。
另外，报告有以下方法：作为减振控制操作量，对加速度指令信息乘以规定的增益来设定减振控制操作量，对位置指令加上减振控制操作量来对惯性系统进行控制(例如，日本特开2010-88290号公报)。
在机床中的电动机的控制装置中，一般进行以下两种控制：不拘于移动路径的PTP(Point to Point：点对点)控制和按照移动路径对机械的位置进行控制的轨迹控制。在电动机的控制装置进行轨迹控制的情况下，不希望伺服控制系统大幅脱离由用户设计的指令轨迹。
当前，考虑对某个伺服控制轴提供时间序列的位置指令。伺服控制系统的目的在于使机械按照时间序列的位置指令运动。然而，存在以下情况：即使伺服控制系统想要根据被提供的位置指令生成转矩来使机械运动，也会由于机械的共振(振动)而无法使机械按照位置指令运动。振动在轴停止时变为残留振动，如果机床正在进行加工，则会产生在被加工工件上留下痕纹等问题。
在使用作为以往技术的陷波滤波、输入整形等技法的情况下，通过陷波滤波或输入整形来去除与共振频率对应的能量成分，从而残留振动减少。然而，这些滤波器虽然使残留振动减少，但是会改变指令轨迹，因此产生机械不按照由用户设计的指令轨迹运动这样的现象。例如，在对指令实施了陷波滤波的情况下，一般会产生超调(overshoot)。能够容易地理解，这是由于陷波滤波器的阶跃响应致使产生超调。如果由于使用陷波滤波器而指令轨迹超调，则在加工工件上会留下与超调相应的痕迹，加工品质无法满足期望。
发明内容
以往的对指令实施的陷波滤波或输入整形在抑制残留振动这方面优良，但是存在如下问题：在与由用户设计的指令轨迹不同的轨迹上运动。
本发明的一个实施例所涉及的电动机控制装置对伺服电动机进行控制，该电动机控制装置的特征在于，具备：位置指令制作部，其指示电动机的位置；校正滤波器，其对由位置指令制作部制作出的位置指令进行校正；以及伺服控制部，其基于由校正滤波器进行校正后的位置指令、即校正后位置指令来对电动机的移动进行控制，其中，校正滤波器包括以被驱动部的惯量JL、弹性变形部的刚性系数K、弹性变形部的阻尼系数C为滤波系数的要素的滤波F(s)。
附图说明
通过与附图相关联的下面的实施方式的说明，本发明的目的、特征以及优点会变得更明确。在该附图中，
图1是表示在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中处理的二惯性系统的模型，
图2是表示在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中处理的二惯性系统的框图，
图3是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的概要性的结构图，
图4是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的框图，
图5A是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的框图，
图5B是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的框图，
图6A是本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的框图，
图6B是本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的框图，
图7是本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的详细的框图，以及
图8是本发明的实施例3所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的详细的框图。
具体实施方式
下面，参照附图来对本发明所涉及的电动机控制装置进行说明。其中，需要注意的是，本发明的保护范围并不限定于这些实施方式，而涵盖权利要求书所记载的发明及其等同物。
[实施例1]
首先，对本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置进行说明。在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中，对作为最简单的振动模型的二惯性系统进行以轨迹控制为前提的指令校正。在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中处理的二惯性系统的模型如图1所示。
在图1中，伺服电动机等电动机100和机械200是质点，惯量分别为Jm、JL。忽略摩擦。以弹簧常数(弹性变形部的刚性系数)K的弹簧30和阻尼常数C的阻尼器40来连接电动机100与机械200。另外，将转矩设为u、将电动机速度设为Vm、将机械速度设为VL、将弹簧和阻尼器的合力设为T。
分别用以下的式来表示电动机100和机械200的运动方程式Vm、VL以及弹簧30和阻尼器40的合力T。
如果以框图来表示上述的3个式则如图2所示。
如果将上面的运动方程式以及弹簧和阻尼器的合力的式进行变形，则分别如下面的(式1)和(式2)那样求出从转矩u到电动机速度Vm的传递函数以及从转矩u到机械速度VL的传递函数。
转矩→电动机速度……(式1)
转矩→机械速度……(式2)
另外，在近年来的电动机控制装置中，通过控制增益的高增益化和前馈控制的利用，当对电动机指示移动指令时，电动机的实际位置立刻被控制。换言之，从电动机的位置指令到电动机的实际位置的传递特性接近1。
在图3中表示本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的结构的概要，在图4中表示本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的框图。本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置101对伺服电动机进行控制，该电动机控制装置101的特征在于，具备：位置指令制作部20，其指示电动机的位置；校正滤波器1，其对由位置指令制作部制作出的位置指令进行校正；以及伺服控制部2，其基于由校正滤波器1进行校正后的位置指令、即校正后位置指令来对电动机的移动进行控制，其中，校正滤波器1包括以被驱动部的惯量JL、弹性变形部的刚性系数K、弹性变形部的阻尼系数C为滤波系数的要素的滤波F(s)。
对本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的动作进行说明。将由位置指令制作部20制作出的位置指令输入到校正滤波器1。校正滤波器1输出被校正后的位置指令、即校正后位置指令。伺服控制部2基于校正后位置指令来输出转矩以对电动机100的移动进行控制。通过电动机100的移动，借助于传递机构300而机械200移动。
在伺服控制部2中，将校正后位置指令输入到第一减法器3，从该校正后位置指令减去被反馈的电动机位置的检测值来输出位置偏差，将输出的位置偏差输入到位置控制器4。另外，在将校正后位置指令输入到前馈部5之后，用微分器6对该校正后位置指令进行微分来输出速度。将输出的速度与位置控制器4的输出一起输入到加法器7，从而输出速度指令。
将速度指令输入到第二减法器8，从该速度指令减去被反馈的电动机速度的检测值来输出速度偏差。将输出的速度偏差输入到速度控制器9，从而输出转矩。转矩被输入到电动机。产生的电动机速度被第一积分器11进行运动学上的积分而变为电动机位置。另一方面，在本发明中，考虑从转矩到机械速度的传递特性12。转矩经由从转矩到机械速度的传递特性12输出机械速度。机械速度被第二积分器13进行运动学上的积分而变为机械位置。
从电动机的位置指令到电动机的实际位置的传递特性接近1，这等效于在图4中的标记中从点B到点C的传递函数接近1。
在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中，提供一种如前所述那样与陷波滤波、输入整形不同的、考虑了轨迹精度的振动抑制滤波器。具体来说，视作“向伺服控制系统提供的位置指令不是针对电动机的位置指令，而是针对机械的位置指令”。这是一种设为只要机械不摇动则即使电动机摇动也没关系的思考方法，与以往的陷波滤波、输入整形的“去掉与共振频率对应的能量成分”这种思考方法大为不同。
将向伺服控制系统提供的位置指令视作针对机械的位置指令。为此，需要以使从图4中的点A到点D的传递特性接近1的方式加以控制。在此，可知如果将从点B到点C的传递特性可视作1，则从点A到点B的传递特性需要具有从点C到点D的传递特性的逆特性。
从图4可以明确的是，从点C到点D的传递特性的逆特性、也就是说从点D到点C的传递特性与从点D′到点C′的传递特性等效。通过将前述的(式1)除以(式2)来如以下那样给出该传递特性。
本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置着眼于该滤波仅依赖于机械系统的常数(JL、C、K)，特征在于包括包含该3个常数的滤波。即，校正滤波器1的特征在于包括以被驱动部的惯量JL、弹性变形部的刚性系数K、弹性变形部的阻尼系数C为滤波系数的要素的滤波F(s)。在图5A和图5B中表示滤波F(s)的框图。图5B是以机械系统的常数(JL、C、K)来表示图5A的F(s)的图。
如以上那样，根据本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置，能够提供一种与陷波滤波、输入整形不同的、考虑了轨迹精度的振动抑制滤波器。
[实施例2]
接着，对本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置进行说明。当考虑到控制软件的安装的难易度时，有时与直接对位置指令实施滤波处理相比，计算与位置指令相加的校正量更容易。因此，将实施例1中求出的滤波特性变更为校正量的形式。
为了设为位置指令的校正量的形式，只要从滤波减去1即可。本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的框图如图5A和图5B所示。于是，本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的校正滤波器的框图能够表现为图6A和图6B那样。图6B是以机械系统的常数(JL、C、K)来表示图6A的F(s)-1的图。可知通过简单的计算如以下的式那样表示传递函数。
这样，也可以将通过对位置指令实施滤波F(s)-1来运算出的校正量差与位置指令相加，由此求出校正后位置指令。
如果对该式进行分解则表示为如以下那样。
因此，作为校正滤波器1所包括的滤波F(s)的其它的实现方法，能够考虑如下方法：
·对加速度指令(由于附有s2(拉普拉斯算子、即微分算子的平方)，因此是对位置指令进行二阶微分得到的值)
·乘以根据机械的惯量JL和弹性部的弹簧常数K来决定的增益JL/K、
·在此基础上实施根据阻尼常数C和弹簧常数K来决定的时间常数τ＝C/K的一阶低通滤波。
在图7中表示实施例2所涉及的电动机控制装置的滤波器的详细的框图。在此，将输出加速度指令的部分设为加速度指令运算部1a。将乘以根据被驱动部的惯量JL和弹性变形部的刚性系数K来求出的增益JL/K的部分设为第一校正量运算部1b。将对由第一校正量运算部1b输出的第一校正量实施根据弹性变形部的阻尼系数C和弹性变形部的刚性系数K来求出的时间常数C/K的一阶低通滤波的部分设为第二校正量运算部1c。于是，可知能够通过将由第二校正量运算部1c输出的第二校正量与位置指令相加来实现校正滤波器1所包括的滤波F(s)。
如以上那样，本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的特征在于，校正滤波器1具有：加速度指令运算部1a，其根据位置指令来运算加速度指令；第一校正量运算部1b，其对由加速度指令运算部1a输出的加速度指令乘以根据被驱动部的惯量JL和弹性变形部的刚性系数K来求出的增益JL/K；以及第二校正量运算部1c，其对由第一校正量运算部1b输出的第一校正量实施根据弹性变形部的阻尼系数C和弹性变形部的刚性系数K来求出的时间常数C/K的一阶低通滤波，其中，该校正滤波器1通过将由第二校正量运算部1c输出的第二校正量与位置指令相加来实现滤波F(s)。
根据本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置，能够进行考虑了阻尼系数的、更符合实际情况的振动抑制，能够期待比以往技术高的振动抑制效果。
[实施例3]
接着，对本发明的实施例3所涉及的电动机控制装置进行说明。
在F(s)-1的计算式中示出的常数JL、C、K全部都是构成从转矩到电动机速度的以下的传递函数的分子多项式的常数。
如在振动系统中常常使用的那样，将从转矩到电动机速度的传递函数的分子多项式设为如下的二次的标准形式。
于是，能够像以下那样求出增益和时间常数。
增益：
时间常数：
与输入机械的惯量JL、阻尼常数C、弹簧常数K这三个常数相比，输入以二次的标准形式表现的频率ω和阻尼因子ζ这两个常数更简单，因此实施例3所涉及的电动机控制装置的特征在于，根据频率ω和阻尼因子ζ来实现校正滤波器所包括的滤波F(s)。
在图8中表示实施例3所涉及的电动机控制装置的滤波器的详细的框图。在此，将输出加速度指令的部分设为加速度指令运算部1a′，将除以频率ω的平方的部分设为第一校正量运算部1b′，将对由第一校正量运算部输出的第一校正量实施根据振动的衰减系数ζ和频率ω来求出的时间常数2ζ/ω的一阶低通滤波的部分设为第二校正量运算部1c′。于是，可知能够通过将由第二校正量运算部1c′输出的第二校正量与位置指令相加来实现校正滤波器1所包括的滤波F(s)。
如以上那样，本发明的实施例3所涉及的电动机控制装置的特征在于，取代根据被驱动部的惯量JL和弹性变形部的刚性系数K来求出的增益JL/K以及根据弹性变形部的阻尼系数C和弹性变形部的刚性系数K来求出的时间常数C/K，而通过输入频率ω和振动的衰减系数ζ来实现校正滤波器所包括的滤波F(s)。
如以上说明的那样，根据本发明的实施例所涉及的电动机控制装置，能够对作为最简单的振动模型的二惯性系统进行以轨迹控制为前提的指令校正。

Claims (4)

1.一种电动机控制装置，对通过弹性变形部而与被驱动部连接的伺服电动机进行控制，该电动机控制装置的特征在于，具备：
位置指令制作部，其指示电动机的位置；
校正滤波器，其对由所述位置指令制作部制作出的位置指令进行校正；以及
伺服控制部，其基于由所述校正滤波器进行校正后的位置指令、即校正后位置指令来对电动机的移动进行控制，
其中，所述校正滤波器包括以所述被驱动部的惯量JL、所述弹性变形部的刚性系数K、所述弹性变形部的阻尼系数C作为滤波系数的要素的滤波F(s)，
所述校正滤波器所包括的滤波F(s)由
F(s)＝(JL×s2+C×s+K)/(C×s+K)
来表示。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
将通过对所述位置指令实施滤波
F(s)-1＝(JL×s2)/(C×s+K)
来运算出的校正量差与所述位置指令相加，由此求出所述校正后位置指令。
3.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述校正滤波器具有：
加速度指令运算部，其根据位置指令来运算加速度指令；
第一校正量运算部，其对由所述加速度指令运算部输出的加速度指令乘以根据被驱动部的惯量JL和弹性变形部的刚性系数K来求出的增益JL/K；以及
第二校正量运算部，其对由所述第一校正量运算部输出的第一校正量实施根据弹性变形部的阻尼系数C和弹性变形部的刚性系数K来求出的时间常数C/K的一阶低通滤波，
其中，所述校正滤波器通过将由所述第二校正量运算部输出的第二校正量与位置指令相加来实现所述滤波F(s)。
4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，
取代根据被驱动部的惯量JL和弹性变形部的刚性系数K来求出的增益JL/K以及根据弹性变形部的阻尼系数C和弹性变形部的刚性系数K来求出的时间常数C/K，而通过输入频率ω和振动的衰减系数ζ来实现所述滤波F(s)。
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