CN105932930B - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施例所涉及的电动机控制装置控制对机械进行驱动的伺服电动机，该电动机控制装置的特征在于，具有：位置指示部，其指示机械的位置；位置检测器，其检测机械的位置；位置控制器，其根据位置指示部所指示的位置指令和位置检测器所检测出的机械位置来生成电动机速度指令；以及速度控制器，其根据电动机速度指令来对电动机的速度进行控制，其中，位置控制器包括滤波F(s)，该滤波F(s)对从电动机速度指令到机械的速度的传递特性的逆特性进行近似。

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，特别涉及一种在全闭环控制中提供考虑了低频共振的位置控制器且具备抑制振动的功能的电动机控制装置。
背景技术
以往，对于作为电动机定位装置的机械共振的、超过伺服控制系统的控制频带那样的高频共振，用以下方法进行了应对：在伺服控制环内部具备陷波滤波器或低通滤波器，以使伺服控制系统不对机械共振做出反应。
另一方面，对于使伺服控制系统做出反应的伺服控制频带下的低频共振，研究了对指令进行校正的方法(第一方法)、在伺服控制环内部具备陷波滤波器的方法(第二方法)等。
已知以下电动机控制装置：对于电动机定位装置假设半闭环控制系统，使用第一方法、即对指令进行校正的方法来进行振动抑制。
在机床的电动机的控制装置中，一般进行不拘于移动路径的PTP(Point toPoint：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。关于上述的电动机控制装置，在对电动机的位置进行反馈控制的半闭环控制系统中提供进行轨迹控制的电动机控制装置。具体来说，在半闭环控制系统中，具备变换对于电动机的位置指令和对于机械的位置指令的位置指令校正滤波器。
作为低频共振的其它对策，已知第二方法、即在伺服控制环内部具备陷波滤波器的方法(例如日本专利第4174543号公报)。在针对低频共振使用陷波滤波器的情况下，会发生超调而使加工形状精度恶化。在上述以往技术中，为了减小形状精度的恶化，将陷波滤波器的应用率设为可调整的。
不期望在对机械的位置进行反馈控制的全闭环控制系统中使用第一方法、即对指令进行校正的方法。在全闭环控制系统中，位置指示部所输出的位置指令是对于机械的位置指令，对该位置指令进行校正会直接对工件的加工形状进行校正。校正的结果是，工件的形状会偏离通过程序被赋予的形状，从而成为不期望的形状。
第二方法、即在伺服控制环内部具备陷波滤波器的方法存在以下问题：陷波滤波器使伺服控制特性发生改变，机械的实际的轨迹发生超调。在使用陷波滤波器的情况下，存在无法兼顾轨迹精度和振动抑制而需要进行折衷地考虑两者的滤波器调整之类的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现兼顾以往在全闭环控制中无法兼顾的振动抑制效果和形状精度的电动机控制装置。
本发明的一个实施例所涉及的电动机控制装置控制对机械进行驱动的伺服电动机，该电动机控制装置的特征在于，具有：位置指示部，其指示机械的位置；位置检测器，其检测机械的位置；位置控制器，其根据位置指示部所指示的位置指令和位置检测器所检测出的机械位置来生成电动机速度指令；以及速度控制器，其根据电动机速度指令来对电动机的速度进行控制，其中，位置控制器包括滤波F(s)，该滤波F(s)对从电动机速度指令到机械的速度的传递特性的逆特性进行近似。
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加明确。在该附图中，
图1是二惯性系统的模型的概要图，
图2是二惯性系统的框图，
图3是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中的全闭环控制的控制概要图，
图4是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中的将滤波设置在位置前馈控制器内的情况下的全闭环控制的控制框图，
图5是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中的设计为对前馈和反馈这双方施加滤波的情况下的全闭环控制的控制框图，
图6是本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中的在位置前馈控制器和位置反馈控制器中设置有能够独立地进行调整的滤波F(s)的情况下的控制框图。
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。
[实施例1]
在图1中表示了二惯性系统的模型。电动机20和机械30是质点，惯量分别为Jm、JL。忽略摩擦。电动机20和机械30通过弹簧常数K的弹簧40和阻尼常数C的阻尼器50而连接。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。
用以下的式子来表示Vm、VL的运动方程式以及弹簧和阻尼器的合力T。
如果以框图来表示图1所示的二惯性系统的模型，则表示为如图2那样。如果将上述的运动方程式以及弹簧和阻尼器的合力的式子进行变形，则分别如下那样求出从转矩到电动机速度的传递函数以及从转矩到机械速度的传递函数。
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，当伺服控制系统指示电动机的速度时，电动机的实际的速度立刻被控制。换言之，从伺服控制系统计算出的电动机的速度指令到电动机的实际的速度的传递特性接近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全闭环控制的控制概要图。如图3所示，位置指示部1对位置控制器3输出位置指令。位置控制器3基于被输入的位置指令和来自设置于机械30的附近的位置检测器2的机械位置的数据来输出电动机速度指令。速度控制器4基于被输入的电动机速度指令和电动机20的电动机速度来输出用于对电动机进行驱动的转矩。
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控制框图。本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置101控制作为对机械30(参照图3)进行驱动的伺服电动机的电动机20，该电动机控制装置101的特征在于，具有：位置指示部1，其指示机械的位置；位置检测器2，其检测机械的位置；位置控制器3，其根据位置指示部1所指示的位置指令和位置检测器2所检测出的机械位置来生成电动机速度指令；以及速度控制器4，其根据电动机速度指令来对电动机的速度进行控制，其中，位置控制器3包括滤波F(s)，该滤波F(s)对从电动机速度指令到机械的速度的传递特性的逆特性进行近似。
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。将由位置指示部1生成的位置指令输入到位置控制器3。位置控制器3具备位置前馈控制器(位置FF控制器)31和位置反馈控制器(位置FB控制器)32。从位置指示部1输入的位置指令通过位置FF控制器31内的微分器s和滤波F(s)后在加法器34中进行加法运算。另外，在减法器33中对从位置指示部1输入的位置指令减去来自机械的位置检测器2的机械位置的数据，然后乘以位置FB控制器32内的位置FB增益后在加法器34中进行加法运算。将在加法器34中进行加法运算所得的信号作为电动机速度指令从位置控制器3输出。
将所输出的电动机速度指令输入到速度控制器4，从而输出转矩。转矩经由从转矩到电动机速度的传递特性5而在电动机中产生速度。另一方面，在本发明中，考虑从转矩到机械速度的传递特性6。转矩经由从转矩到机械速度的传递特性6而输出机械速度。机械速度被积分器7进行运动学上的积分而变为机械位置。
在本发明中，首先，考虑在图4中示出的全闭环控制中实施滤波，以使从位置指令(点A)到机械位置(点E)的传递特性接近1。
由于与指令追随性有关，因此在图4中考虑通过前馈控制的路径的传递特性。为了使从位置指令(点A)到机械位置(点E)的传递特性成为1，需要使从位置指令(点A)到电动机速度指令(点B)的前馈的路径具有从电动机速度指令(点B)到机械位置(点E)的传递特性的逆特性。
将作为从机械速度(点D)到机械位置(点E)的运动学积分器的逆特性的微分器s插入到一般的电动机控制装置的位置前馈(FF)控制器31。在本发明中，使作为其余的要素的、具有从电动机速度指令(点B)到机械速度(点D)的传递特性的逆特性的滤波F(s)内置于位置控制器3。
根据从电动机的速度指令(点B)到电动机的实际的速度(点C)的传递特性接近1可知，滤波F(s)能够根据从电动机速度(点C)到机械速度(点D)的传递特性的逆特性来进行近似。通过如下述的式3那样对式2除以式1来求出从电动机速度到机械速度的传递特性。
(式3)
在式3中同时示出了变换为二次的标准形式的形式。ω表示用二惯性系统模型来固定电动机时的振动频率，ζ表示其衰减率。
在此，如下面那样求出式3的极点和零点。
零点：
极点:
根据上述的零点和极点，如下述那样表示从复数原点到零点的距离和从复数原点到极点的距离。
从复数原点到零点的距离：
从复数原点到极点的距离：ω
若假定一般的振动系统中的ζ的值为0.1至0.2，则复数原点与零点之间的距离是从复数原点到极点的距离的2.5倍至5倍。因而，可知在本传递特性中分母多项式处于支配地位。
接着，考虑反馈控制环。对动作起支配性影响的分母多项式是二阶低通滤波的形式。因此，相位具有以频率ω延迟90deg的特性。通过该相位延迟特性(点B→点D大致以ω延迟90deg)和机械的运动学积分器的特性(点D→点E的基于积分器的90deg延迟特性)，来赋予决定反馈控制系统的稳定极限的相位-180deg。基于式3的分母多项式的相位延迟是提高反馈控制环的增益所不希望的。可以认为，所希望的是通过在反馈控制中也插入滤波F(s)来改善由于式3的传递特性而产生的相位延迟。在图5中示出了在位置控制器3′中对位置前馈控制器31′和位置反馈控制器32′这双方都施加滤波F(s)的电动机控制装置101′的控制框图的例子。
至此，如包括图4和图5来进行说明的那样，滤波F(s)是插入位置控制器的前馈控制、反馈控制或插入前馈控制、反馈控制这双方的有效果的滤波。本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的特征在于，位置控制器3包括滤波F(s)，该滤波F(s)对从电动机速度指令到机械速度的传递特性的逆特性进行近似。
滤波的形态是对从速度指令到机械速度的传递函数的逆特性进行近似的滤波。如果以表示从电动机速度(点C)到机械速度(点D)的传递特性的式3的逆特性来对从速度指令(点B)到机械速度(点D)的传递特性的逆特性进行近似，则用下述的式4来表示滤波F(s)。
(式4)
根据式4可知，滤波F(s)以被驱动部的惯量JL、弹性变形部的弹性系数K以及弹性变形部的阻尼系数C为要素。
并且，根据式4可知，滤波F(s)的分子多项式包含(JL/K)*s2+(C/K)*s+1。
式4的分子多项式的次数比分母多项式的次数大。因此，为了可实现，需要至少将分母多项式的次数加一。因此，考虑附加具有作为能够调整的参数的截止频率ωadj的一阶低通滤波。
因此，设想滤波F(s)为以包括具有时间常数(C/K)的低通滤波和具有能够调整的截止频率ωadj的低通滤波的方式具有可调整参数ωadj的、如下面那样的滤波，并规定其分母多项式。
(式5)
另外，与上述一样，在式3中，根据复数原点与极点及零点之间的距离的关系，分母多项式的影响与分子多项式相比而处于支配地位。因此，在作为式3的逆特性的式4中，与式3相反，分子多项式的影响处于支配地位。因此，即使在滤波F(s)中不使用式4的分母多项式，也能够实现具有同样效果的滤波。
因此，也可以不使用式4的分母多项式，而设想包括能够调整的参数ωc(ωadj)的二阶低通滤波并规定其分母多项式。
(式6)
如以上说明的那样，根据本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置，不对位置指令进行校正，位置控制器包括逆特性滤波，因此在使用于全闭环控制的情况下，能够按照指令来控制机械的位置。
[实施例2]
接着，使用图6来说明本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置。本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置与实施例1所涉及的电动机控制装置的不同之处在于，位置控制器3″包括：位置前馈控制器31″，其根据位置指令来运算第一电动机速度指令；位置反馈控制器32″，其根据位置指令与机械位置之差来运算第二电动机速度指令；以及加法器34，其将第一电动机速度指令与第二电动机速度指令相加来求出电动机速度指令，其中，位置前馈控制器31″和位置反馈控制器32″分别包括能够独立地进行设定的滤波F(s)(FFF(s)、FFB(s))。实施例2所涉及的电动机控制装置102的其它结构与实施例1所涉及的电动机控制装置101的结构相同，因此省略详细的说明。
如关于实施例1的说明中所示出的那样，既能够在前馈控制中使用滤波F(s)，也能够在反馈控制中使用滤波F(s)，但是各自的效果不同。
在将滤波F(s)(FFF(s))插入到位置前馈控制器31″中的情况下，具有使从位置指令(点A)到机械位置(点E)的传递特性接近1的效果。换言之，具有使机械位置无振动地追随指令轨迹的效果。即使将上述的滤波的分母多项式中的调整参数ωadj设定为高的频率，也不会影响系统的稳定性。
另一方面，在将滤波F(s)(FFB(s))插入到位置反馈控制器32″中的情况下，反馈控制环中的从电动机速度指令(点B)到机械速度(点D)的相位延迟特性得到改善。由于相位延迟特性得到改善，而反馈控制增益的上限变宽，能够期待干扰特性的提高。然而，若过大地设定上述的调整参数ωadj，则有可能使高频的反馈增益变大而使系统不稳定化。
因此可以说，期望的是能够将插入到前馈控制系统中的滤波F(s)的调整参数ωadj和插入到反馈控制系统的滤波F(s)中的调整参数ωadj作为相分别的参数来进行调整。
因此，如图6那样，实施例2所涉及的电动机控制装置的特征在于：
·位置控制器3″具有位置FF控制器31″、位置FB控制器32″以及将它们的输出(分别为第一电动机速度指令和第二电动机速度指令)相加的加法器34，
·位置FF控制器31″和位置FB控制器32″分别具有能够独立地进行调整的滤波F(s)(FFF(s)、FFB(s))。
另外，也可以取代根据被驱动部的惯量JL、弹性变形部的弹性系数K以及弹性变形部的阻尼系数C求出的滤波F(s)的分子多项式的二次系数JL/K和一次系数C/K，而通过输入振动频率ω和振动的衰减系数ζ来运算滤波F(s)的分子多项式。
如式5和式6的最右边所记载的那样，通过设为取代惯量JL、弹性系数K以及阻尼系数C而输入振动频率ω和衰减率ζ的形式，能够容易地进行设定。
如以上说明的那样，根据本发明所涉及的电动机控制装置，通过对从速度指令到机械速度的传递特性的逆特性进行近似的滤波，能够兼顾振动抑制和轨迹控制。
根据本发明的实施例所涉及的电动机控制装置，能够提供如下一种电动机控制装置，该电动机控制装置设想进行全闭环控制的二惯性系统，使用考虑了二惯性系统的特性的振动抑制滤波，从而能够兼顾实现振动抑制效果和形状精度。

Claims (4)

1.一种电动机控制装置，控制对机械进行驱动的伺服电动机，该电动机控制装置的特征在于，具有：
位置指示部，其指示机械的位置；
位置检测器，其检测机械的位置；
位置控制器，其根据所述位置指示部所指示的位置指令和所述位置检测器所检测出的机械位置来生成电动机速度指令；以及
速度控制器，其根据所述电动机速度指令来对电动机的速度进行控制，其中，所述位置控制器包括滤波F(s)，该滤波F(s)对从电动机速度指令到机械的速度的传递特性的逆特性进行近似，
所述滤波F(s)以被驱动部的惯量JL、弹性变形部的弹性系数K以及弹性变形部的阻尼系数C为要素，
所述滤波F(s)的分子多项式包含
(JL/K)*s2+(C/K)*s+1，
所述滤波F(s)包括具有时间常数(C/K)的低通滤波和具有能够调整的截止频率ωadj的低通滤波。
2.一种电动机控制装置，控制对机械进行驱动的伺服电动机，该电动机控制装置的特征在于，具有：
位置指示部，其指示机械的位置；
位置检测器，其检测机械的位置；
位置控制器，其根据所述位置指示部所指示的位置指令和所述位置检测器所检测出的机械位置来生成电动机速度指令；以及
速度控制器，其根据所述电动机速度指令来对电动机的速度进行控制，
其中，所述位置控制器包括滤波F(s)，该滤波F(s)对从电动机速度指令到机械的速度的传递特性的逆特性进行近似，
所述滤波F(s)以被驱动部的惯量JL、弹性变形部的弹性系数K以及弹性变形部的阻尼系数C为要素，
所述滤波F(s)的分子多项式包含
(JL/K)*s2+(C/K)*s+1，
所述滤波F(s)包括具有能够调整的截止频率ωadj的二阶低通滤波。
3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述位置控制器包括：
位置前馈控制器，其根据所述位置指令来运算第一电动机速度指令；
位置反馈控制器，其根据所述位置指令与所述机械位置之差来运算第二电动机速度指令；以及
加法器，其将所述第一电动机速度指令与所述第二电动机速度指令相加来求出所述电动机速度指令，
其中，所述位置前馈控制器和所述位置反馈控制器分别包括能够独立地进行设定的所述滤波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、弹性变形部的弹性系数K以及弹性变形部的阻尼系数C求出的所述滤波F(s)的分子多项式的二次系数JL/K和一次系数C/K，而通过输入振动频率ω和振动的衰减系数ζ，来运算所述滤波F(s)。
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