CN106066636B - 具有在线取得机械的频率特性的功能的伺服控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有在线取得机械的频率特性的功能的伺服控制装置，其具备：速度指令生成部；扭矩指令生成部；速度检测部，其检测伺服电动机的速度；速度控制回路，其由速度指令生成部、扭矩指令生成部以及速度检测部构成；正弦波扫描输入部，其对速度控制回路进行正弦波扫描；以及频率特性计算部，其用于根据将正弦波干扰输入到速度控制回路时的输出来推定速度控制回路输入输出信号的增益和相位，频率特性计算部通过将干扰输入频率设为基本频率的由任意项数组成的傅立叶级数来表现速度控制回路的输出，并计算该傅立叶级数的基本波成分的振幅和相位由此在线计算频率特性。

Description

具有在线取得机械的频率特性的功能的伺服控制装置
技术领域
本发明涉及一种伺服控制装置，特别涉及一种具有使用傅立叶级数在线取得控制系统的频率响应的功能的伺服控制装置。
背景技术
提出了很多与伺服控制装置的控制系统的频率特性测量有关的装置和方法，即使在机床的进给轴的传输特性测量中也被广泛利用。一般在对通过励振装置强制地使分析对象振动的情况下(频率扫描)的响应振动进行测量，并将其时间系列数据登录到大容量存储器中后，通过各种信号处理技术求出频率传输函数。在进行简单的测量时，测量/登录将传动器自身设为励振源的情况下的响应振动，进行信号处理。在电路和光学系统的情况下使用励振电路。
盛行以下技术的开发，即登录时间系列数据后进行分析来把握对象的共振特性(例如，足立修一，用于基于MATLAB的控制的系统同定(MATLABによる制御のためのシステム同定)，1996，东京电机大学出版社，pp.69-88。以下称为“非专利文献1”)。如非专利文献1所记载的那样，上述的频率响应的计算方法是“非参数的同定”，前提为时间系列数据的傅立叶变换。作为被称为在线推定(逐次推定)的“参数同定”的方法有标准化梯度法，容易通过DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)来实现(例如，足立修一，用于MATLAB的控制的系统识别，1996，东京电机大学出版社，pp.99-114以及pp.115-151)。这些基本上作为以对线形回归模型的装配为目标的过程和结果而得到频率特性。
已知针对一般闭环控制的非参数的频率特性的测量方法和不需要频谱分析仪的简易测量方法(例如，日本特开昭59-226907号公报。以下称为“专利文献1”)。如专利文献1记载的那样，使用频谱分析仪进行的傅立叶变换的方法是传统的频率特性测量法。
也知道一种机床中使用了利用傅立叶变换的频率特性测量的应用例(例如专利第5302639号公报。以下称为“专利文献2”)。专利文献2中记载一种机床的控制装置，其根据基于正弦波扫描法的频率特性的计算来调整补偿电路。在通过机械实施实际的作业之前进行频率特性的计算(参照段落[0031])。
还提案一种不使用傅立叶变换的方法(例如，日本特开2004-20522号公报以及日本特开平11-326411号公报。以下分别称为“专利文献3”和“专利文献4”)。这是通过直接测量输入输出信号的时间差来求出相位延迟的方法。专利文献3中公开以下两种方法，即在分析传输路径的针对正弦波输入的输出信号时，进行输出的直流量以及零交检测，由此计算频率特性的测量方法，还有使用时间测量模块(TMS)求出相位的方法。在专利文献4中公开通过时序控制来逐步地计算频率特性的频率特性测量装置。在进行频率切换时，使用称为群延迟时间和富余时间的测量参数来赋予用于数据采样的等待时间。
提出一种通过将复数傅立叶系数设为向量而求出频率传输函数的方法(例如，专利第3626858号公报。以下称为“专利文献5”)。该方法在针对包括了谐波的振动也能够分析的点有很深的意义。专利文献5中公开了针对包括了多轴振动台的励振轴中的谐波的观测振动来计算复数傅立叶系数，并通过傅立叶系数的向量推定振动台的传输函数的点、以及在振动台上安装了加速度计的系统中受到了来自传动器的励振的情况下的振动分析方法。专利文献5中记载的发明是与本来搭载了样本的振动台系统相关的发明。该振动台用于调查样本的强度，波形失真控制装置是振动的再现装置。不是使用了电动机的定位用途的控制系统。
如果使用专利文献1以及2那样需要登录时间系列数据的方法，则能够通过傅立叶变换正确地得到频率特性。通过蝶形运算的方法来实现高速傅立叶变换。以示波器为首的频谱分析仪搭载了充分的易失性存储区域和蝶形电路。因此，能够容易地得到实时的傅立叶变换。但是，数字伺服控制的控制周期强烈地依存于电动机的驱动器即伺服放大器的PWM控制周期。所以，受到搭载在放大器上的功率设备的动作速度的制约地决定伺服控制周期。由于功率设备的发热问题，伺服控制周期不能够太短。控制用DSP自身的发热也成为大的问题并且DSP的时钟数也不能够太高。因此，只是靠伺服控制用的组装软件难以实时地实现高速傅立叶变换。
如果是如专利文献3以及4那样没有使用傅立叶变换的方法，则能够从计算量和存储器消耗量的观点来在线计算频率特性。但是，在“直接地”调查这样的时间序列数据的零交和延迟时间的方法中不能够高精度地计算频率特性。机械进给轴中非线性振动(所谓的自激振荡振动等)变得显著的情况不少。在这样的系统中，整数倍谐波显著，由此得到与真正的共振响应不同的频率特性。
专利文献5提出一种方法，即针对包括了这样的谐波的非线性的系统实施高精度的频率特性计算。如果不是连续的频谱而是得到离散频谱的傅立叶级数，则在限定为任意的项数的基础上能够容易实现，因此可以说适合在线的频率特性计算。但是，专利文献5中记载的提案只是与用于调查作为对象的物体的强度的装置结构方法有关的提案，而不是进行机床的定位用途的结构和控制。并且不是计算频率特性的方法，只是提案用于再现时间系列信号的补偿要素，不是提案将本质的控制特性作为问题的测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伺服控制装置，其通过能够容易实施的进给轴附属的电动机进行的励振试验，能够高精度地进行实时取得进给轴的频率特性的在线测量。
本发明的一个实施例的伺服控制装置是具有通过伺服电动机驱动的进给轴的机床的控制装置，该控制装置具备：速度指令生成部，其生成伺服电动机的速度指令值；扭矩指令生成部，其生成伺服电动机的扭矩指令值；速度检测部，其检测伺服电动机的速度；速度控制回路，其由速度指令生成部、扭矩指令生成部以及速度检测部构成；正弦波扫描输入部，其对速度控制回路进行正弦波扫描；以及频率特性计算部，其根据将正弦波干扰输入到速度控制回路时的速度控制回路的输出来推定速度控制回路输入输出信号的增益和相位，其中，频率特性计算部通过将来自正弦波扫描输入部的干扰输入频率设为基本频率的由任意项数组成的傅立叶级数来表现速度控制回路的输出，并计算该傅立叶级数的基本波成分的振幅和相位，由此在线计算频率特性。
附图说明
通过说明与附图关联的以下的实施方式，能够更加明确本发明的目的、特征以及优点。在该附图中，
图1是表示本发明实施例的伺服控制装置的结构的框图。
图2是表示本发明实施例的伺服控制装置的速度控制回路的输入信号以及输出信号的波形的图。
图3是表示本发明实施例的伺服控制装置的频率更新前后的速度控制回路的输入信号以及输出信号的波形、周期的能量变化的图。
图4是用于说明本发明实施例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。图1是表示本发明实施例的伺服控制装置的结构的框图。本发明的实施例的伺服控制装置100是具有通过伺服电动机驱动的进给轴的机床的控制装置，具备：速度指令生成部1，其生成伺服电动机20的速度指令值；扭矩指令生成部2，其生成伺服电动机20的扭矩指令值；速度检测部3，其检测伺服电动机20的速度；速度控制回路4，其由速度指令生成部1、扭矩指令生成部2以及速度检测部3构成；正弦波扫描输入部5，其对速度控制回路4进行正弦波扫描；以及频率特性计算部6，其根据将正弦波干扰输入到电动机控制装置100的速度控制回路4时速度控制回路4的输出，推定速度控制回路输入输出信号的增益和相位，频率特性计算部6通过以来自正弦波扫描输入部5的干扰输入频率为基本频率的由任意项数组成的傅立叶级数来表现速度控制回路的输出，并计算该傅立叶级数的基本波成分的振幅和相位，由此在线计算频率特性。
接着，说明本发明实施例的伺服控制装置的动作。首先，速度指令生成部1生成用于驱动伺服电动机20的速度指令值，输出给加法器10。加法器10将从正弦波扫描输入部5输入的正弦波干扰与速度指令值相加，并且减去由速度检测部3检测出的伺服电动机20的速度检测值，将计算结果输出给扭矩指令生成部2。
扭矩指令生成部2从加法器10取得计算结果，输出扭矩指令并驱动伺服电动机20。伺服电动机20经由传输机构30使驱动体(未图示)动作。
速度控制回路4由速度指令生成部1、扭矩指令生成部2以及速度检测部3构成。
正弦波扫描输入部5对速度控制回路4进行正弦波扫描。
频率特性计算部6根据将正弦波干扰输入给伺服控制装置100的速度控制回路4时的速度控制回路4的输出来推定速度控制回路输入输出信号的增益和相位。进一步，频率特性计算部6通过以来自正弦波扫描输入部5的干扰输入频率为基本频率的由任意项数组成的傅立叶级数来表现速度控制回路4的输出，并计算该傅立叶级数的基本波成分的振幅和相位，由此在线计算频率特性。
本发明实施例的伺服控制装置100在伺服控制系统中具有速度控制用的回路结构。速度控制回路4直接反映与伺服电动机20连接的传输机构30的机械特性。
在将频率特性的计算方法作为问题的情况下，该速度控制回路的结构自身不重要，而是如果将图1所示的虚线部捕捉为具有一个输入输出关系的系统的就足够。因此只考虑图2那样的速度控制回路的输入信号和输出信号之间的对应关系即可。在进行频率扫描的情况下，通过调查在阶段性地增加输入信号的正弦波频率时的输出信号的稳定响应而得到频率特性。
在进行频率扫描时在频率的切换时刻，虽然很少但会产生过度响应。频率特性的原义是“经过了无限时间时的稳定响应的输入输出对应”，所以为了正确地计算频率特性而希望确立稳定响应状态。为了实现这一点，需要“继续输入相同频率的正弦波直到确立稳定响应为止”和“验证确立了稳定状态的情况”。
为了确认针对频率F[Hz]的正弦波确立了稳定响应的情况，通过该周期T＝1/F[s]中的振动能量收敛为一定值来进行判定是合理的。即，在将输出信号v(t)的第一个周期、第二个周期、……、第n个周期的能量分别设为E1、E2、……、En的情况下，如果是稳定的控制系统则下述公式必须成立。
其中，T是周期。
总之如果能够确定数列{En}的收敛则能够确认成为了稳定响应。如图3所示，计算出每个周期的能量，在与前一个周期的能量之间的比En/En+1为1的情况下视为稳定状态。这样，优选频率特性计算部6通过对正弦波一周期的能量进行每个周期监视来验证来自速度控制回路4的输出已收敛在稳定状态，正弦波扫描输入部5继续相同频率的正弦波输入直到来自速度控制回路4的输出达到频率特性计算部6所判定的稳定状态为止。实际上考虑测量点的波动并定义具有En/En+1＝1±0.05左右的范围的“稳定判定阈值”即可。
在确认了稳定响应已确立的情况下，只取出v(t)的1个周期，考虑无限地重复该1个周期并展开为傅立叶级数。通过以下公式赋予傅立叶级数。
其中，ω[rad/sec]表示信号的基本波的角频率，V0表示信号的直流成分，T表示基本波的周期，其他表示n次的谐波成分。另外，系数an、bn是作为提取了与傅立叶级数的基底信号cos(nωt)、sin(nωt)相同的谐波成分的结果而得到的，分别是对应的谐波成分的cos成分和sin成分的大小。
关于傅立叶系数an、bn，将分别对输出信号乘以余弦波、正弦波而得值在一整个周期进行积分即可。如果只是决定期间的积分，则与进行傅立叶变换的情况相比计算量相当少，因此能够非常容易地实现通过DSP的在线计算。
在每次频率切换时如果每次以任意的项数N来求出傅立叶级数，则写在下述的形式中，作为频率特性得到基本波的振幅c1(ω)和相位θ1(ω)。
这里，cn是n次谐波的振幅，θn是n次谐波的相位。
输出信号成为失真波而出现。如果考虑失真波与正弦波有多近的情况表示非线性，则能够每次对每个频率评价非线性。在比较基本波和谐波的意义上，物理地考虑，使用下面的失真率是合理的。
评价失真波的方法除了失真率以外，也可以使用波形系数和波峰因数。另外，频率特性计算部6通过包括了针对干扰输入频率的谐波成分的傅立叶级数来表现来自速度控制回路4的输出，并且如失真率那样，可以通过相对于基本波成分以多少的比例包括谐波成分的特性来评价控制系统的非线性。
接着，使用图4所示的流程图来说明本发明实施例的伺服控制装置的动作步骤。首先，在步骤S101中，正弦波扫描输入部5(参照图1)将正弦波干扰输入给速度控制回路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。
接着，在步骤S103中，扭矩指令生成部2根据速度指令值和速度检测值来生成扭矩指令值。接着，在步骤S104中，频率特性计算部6将通过速度检测部3检测出的速度检测值的平方值进行积分。
接着，在步骤S105中，判断积分期间是否达到了正弦波1个周期。在积分期间没有达到正弦波1个周期的情况下，返回步骤S104，并且频率特性计算部6继续积分速度检测值的平方值。
另一方面，在积分期间达到了正弦波1个周期的情况下，在步骤S106中，频率特性计算部6计算速度检测值的1个周期的振动能量En+1。接着，在步骤S107中，判断前一周期的振动能量En和本次周期的振动能量En+1在预定的阈值范围内是否一致。当前一周期的振动能量En和本次周期的振动能量En+1在阈值(“稳定判定阈值”)范围内不一致时，返回步骤S104，频率特性计算部6继续积分速度检测值的平方值。
另一方面，当前一周期的振动能量En和本次周期的振动能量En+1在预定的阈值范围内一致时，在步骤S108中，频率特性计算部6视为速度检测值在该频率的振动成为了稳定响应。接着，在步骤S109中，频率特性计算部6针对在速度检测值的该频率的振动1个周期分别计算傅立叶系数an、bn。
接着，在步骤S110中，频率特性计算部6计算在傅立叶级数的该频率的基本波的振幅c1以及相位θ1。接着，在步骤S111中，频率特性计算部6计算在该频率的频率特性。
接着，在步骤S112中，正弦波扫描输入部5更新输入频率。接着，在步骤S113中，判断输入信号的正弦波频率是否超过了最大值。当输入信号的正弦波频率超过了最大值时结束一系列的处理。另一方面，当输入信号的正弦波频率没有超过最大值时，返回步骤S101，重启一系列的处理。
如以上说明的那样，根据本发明实施例的伺服控制装置，能够提供一种伺服控制装置，其具有以下功能，即通过能够容易实施的进给轴附属的电动机进行的励振试验，高精度实时地在线取得进给轴的频率特性。
本发明相对于现有技术在以下三点具有较大的意义。
1、具有进给轴用途的控制回路结构，通过任意项数的傅立叶级数记述回路的输出。傅立叶变换虽然没有假设对象的周期性，但是傅立叶级数只能够针对周期信号使用。在进行频率扫描的情况下确定是周期信号，所以能够通过傅立叶级数的基本波成分来测量频率特性。
2、频率特性的原义是稳定振动的振幅和相位差，因此优选保证实现稳定状态的情况。按照每个周期求出振动的能量，由此验证向稳定状态的收敛。继续相同频率的励振直到收敛为稳定状态为止，由此提高测量精度。
3、关于非线性，即使对频率特性使用了傅立叶变换也不能够直接表现。但是，通过在各个频率中计算傅立叶级数并比较基本波成分振幅和谐波成分振幅，能够在各个频率中定量地评价非线性。
根据本发明实施例的伺服控制装置，通过能够容易实施的进给轴附属的电动机进行的励振试验，能够高精度实时地取得进给轴的频率特性。

Claims (2)

1.一种伺服控制装置，是具有通过伺服电动机驱动的进给轴的机床的控制装置，其特征在于，
该伺服控制装置具备：
速度指令生成部，其生成伺服电动机的速度指令值；
扭矩指令生成部，其生成伺服电动机的扭矩指令值；
速度检测部，其检测伺服电动机的速度；
速度控制回路，其由速度指令生成部、扭矩指令生成部以及速度检测部构成；
正弦波扫描输入部，其对速度控制回路进行正弦波扫描；以及
频率特性计算部，其用于根据将正弦波干扰输入到控制装置的速度控制回路时的速度控制回路的输出来推定速度控制回路输入输出信号的增益和相位，
上述频率特性计算部通过将来自上述正弦波扫描输入部的干扰输入频率设为基本频率的由任意项数组成的傅立叶级数来表现上述速度控制回路的输出，并计算该傅立叶级数的基本波成分的振幅和相位，由此在线计算频率特性，
上述频率特性计算部通过对正弦波一个周期的能量进行每周期监视来验证来自速度控制回路的输出已收敛为稳定状态，上述正弦波扫描输入部继续输入相同频率的正弦波直到来自速度控制回路的输出达到上述频率特性计算部所判定的稳定状态为止。
2.一种伺服控制装置，是具有通过伺服电动机驱动的进给轴的机床的控制装置，其特征在于，
该伺服控制装置具备：
速度指令生成部，其生成伺服电动机的速度指令值；
扭矩指令生成部，其生成伺服电动机的扭矩指令值；
速度检测部，其检测伺服电动机的速度；
速度控制回路，其由速度指令生成部、扭矩指令生成部以及速度检测部构成；
正弦波扫描输入部，其对速度控制回路进行正弦波扫描；以及
频率特性计算部，其用于根据将正弦波干扰输入到控制装置的速度控制回路时的速度控制回路的输出来推定速度控制回路输入输出信号的增益和相位，
上述频率特性计算部通过将来自上述正弦波扫描输入部的干扰输入频率设为基本频率的由任意项数组成的傅立叶级数来表现上述速度控制回路的输出，并计算该傅立叶级数的基本波成分的振幅和相位，由此在线计算频率特性，
上述频率特性计算部通过包括了针对干扰输入频率的谐波成分的傅立叶级数来表现来自上述速度控制回路的输出，并且根据相对于基本波成分以多少的比例包括谐波成分的特性来评价上述伺服控制装置的非线性。
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