CN106292550A - 具有在线优化控制增益的功能的伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有在线优化控制增益的功能的伺服控制装置。本发明的伺服控制装置具备速度指令生成部、扭矩指令生成部、速度检测部、速度控制环路、速度控制环路增益设定部、对速度控制环路进行正弦波扫描的正弦波干扰输入部、根据对速度控制环路输入了正弦波时的速度控制环路的输出来推定速度控制环路输入输出信号的增益和相位的频率特性计算部、生成进给轴的规范的频率特性的规范特性生成部以及调整速度控制环路增益的增益调整部，增益调整部使用规范频率特性和实际测量的频率特性来计算每个频率扫描的评价函数值，并在线执行对实现希望的评价函数值的速度控制环路增益的调整。

Description

具有在线优化控制增益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，特别涉及一种具有通过评价函数在线优化控制增益的功能的伺服控制装置。

背景技术

提出很多与伺服控制装置的控制系统的频率特性的测量相关的装置和方法，在机床的进给轴的传输特性的测量中也被广泛灵活使用。一般测量通过励振装置强制使分析对象振动时(频率扫描)的应答振动，在将该时间系列数据记录到大容量存储器中后，通过各种信号处理技术来求出频率传输函数。在进行简单的测量时，将传动器自身作为励振源时的应答振动进行测量/记录并进行信号处理。在电路和光学系统的情况下使用励振电路。

提出以下方法，作为将控制增益最优化的系统，拟合时间系列信号并定义规范模型的基本形函数，将该函数中包括调整参数的选为规范模型(例如，日本特开2015-076024号公报)。在该现有技术中，将作为时间系列数据而取得并可定量化的多个指标(过调(overshoot)和上升时间)的加权和作为评价函数来进行PID参数的调整。虽然不管评价函数的意义但能够将设备控制的补偿器最优化。

另外，也提出一种使用实际测量的时间系列数据和规范应答的时间系列数据之间的误差来计算控制特性的评价值的方法(例如，日本特开平9-131087号公报)。在该现有技术中，在调整装置内具有近似模型，在进行对于该近似模型的调整后对时间的控制对象适用调整结果。

但是，这些现有技术中以符合对时间区域的应答的曲线为目标的规范模型拟合为基础。在这之前没有提出过使用能够在线取得的频率特性，在频域直接定量评价和规范传输函数之间的差异的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伺服控制装置，将控制特性处理为数学方式定义的最优化问题，由此能够原则地确立稳定性和高速应答性的并存。

本发明一个实施例的伺服控制装置，在具有通过伺服电动机驱动的进给轴的机床的控制装置中，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；速度控制环路，其包括速度指令生成部、扭矩指令生成部以及速度检测部；速度控制环路增益设定部，其设定速度控制环路的控制增益；正弦波干扰输入部，其对速度控制环路进行正弦波扫描；频率特性计算部，其根据对速度控制环路输入了正弦波时的速度控制环路的输出来推定速度控制环路输入输出信号的增益和相位；规范特性生成部，其生成进给轴的规范的频率特性；以及增益调整部，其调整速度控制环路增益，增益调整部使用规范特性生成部所生成的规范频率特性和频率特性计算部计算出的实际测量的频率特性，来计算针对实际测量的频率特性的每个频率扫描的评价函数值，并在线执行对实现希望的评价函数值的速度控制环路增益的调整。

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是本发明实施例的伺服控制装置的结构图。

图2A是表示本发明实施例的伺服控制装置中的正弦波频率的时间变化的图。

图2B是表示本发明实施例的伺服控制装置中的输入信号的时间变化的图。

图2C是表示本发明实施例的伺服控制装置中的输出信号的时间变化的图。

图2D是表示本发明实施例的伺服控制装置中的增益以及相位的频率特性各自的时间变化的图。

图3A是表示本发明实施例的伺服控制装置中的正弦波频率的时间变化的图。

图3B是表示本发明实施例的伺服控制装置中的频率特性的实际测量值以及成为规范的频率特性的时间变化的图。

图3C是表示本发明实施例的伺服控制装置中的评价函数值的时间变化的图。

图4A是表示本发明实施例的伺服控制装置中使用了大型机用的规范特性以及小型机用的规范特性时的增益的频率特性的图。

图4B是表示本发明实施例的伺服控制装置中使用了大型机用的规范特性以及小型机用的规范特性时的相位的频率特性的图。

图5是用于说明本发明的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实施例的伺服控制装置。

图1是表示本发明实施例的伺服控制装置的结构的框图。本发明实施例的伺服控制装置100，在具有通过伺服电动机20驱动的进给轴的机床的控制装置中具备：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，其检测伺服电动机的速度；速度控制环路4，其包括速度指令生成部1、扭矩指令生成部2以及速度检测部3；速度控制环路增益设定部5，其设定速度控制环路4的控制增益；正弦波干扰输入部6，其对速度控制环路4进行正弦波扫描；频率特性计算部7，其根据对速度控制环路4输入了正弦波时的速度控制环路4的输出来推定速度控制环路输入输出信号的增益和相位；规范特性生成部8，其生成进给轴的规范的频率特性；以及增益调整部9，其调整速度控制环路增益，增益调整部9使用规范特性生成部8所生成的规范频率特性和频率特性计算部7计算出的实际测量的频率特性，来计算针对实际测量的频率特性的每个频率扫描的评价函数值，并在线执行对实现希望的评价函数值的速度控制环路增益的调整。

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，并输出给加法器10。加法器10将从正弦波干扰输入部6输入的正弦波干扰加到速度指令值上，并且减去速度检测部3检测出的伺服电动机20的速度检测值，将计算结果输出给速度控制环路增益设定部5。

速度控制环路增益设定部5设定通过增益调整部9调整后的速度控制环路4的控制增益。

扭矩指令生成部2取得将速度控制环路增益乘以加法器10的计算结果后得到的值，输出扭矩指令，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。

速度控制环路4包括速度指令生成部1、扭矩指令生成部2以及速度检测部3。

正弦波干扰输入部6对速度控制环路4进行正弦波扫描。即，正弦波干扰输入部6对速度控制环路4输入正弦波干扰。

频率特性计算部7根据将正弦波干扰输入给伺服控制装置100的速度控制环路4时的速度控制环路4的输出，来推定速度控制环路输入输出信号的增益和相位。进一步，频率特性计算部7通过将来自正弦波干扰输入部6的干扰输入频率作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环路4的输出。频率特性计算部7通过计算该傅立叶级数的基本波成分的振幅和相位，在线计算出频率特性。

规范特性生成部8生成进给轴的规范频率特性。

增益调整部9调整速度控制环路增益。优选增益调整部9根据作为目标的希望的评价函数值和对实际扫描的评价函数值之间的差来决定速度控制环路增益的调整量。

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环路结构。速度控制环路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，该速度控制环路的结构自身并不重要。如果将图1所示的虚线部捕捉为一个具有输入输出关系的系统就足够了。因此只要考虑速度控制环路4的输入信号和输出信号之间的对应关系即可。在进行频率扫描时，通过调查阶段性地增加输入信号的正弦波频率时输出信号的稳定应答而得到频率特性。

接着，说明本发明实施例的伺服控制装置的动作。图2A表示从正弦波干扰输入部6向速度控制环路4施加的干扰输入即正弦波频率的时间变化。图2A中，从时刻t₀到t₁使正弦波频率增加，在时刻t₂返回初始值。以下同样地使正弦波频率发生变化。这里，将时刻t₀到t₁的期间设为第一期间，将时刻t₁到t₂的期间设为第二期间，将时刻t₂到t₃的期间设为第三期间。

图2B表示速度控制环路4的输入信号的时间变化。图2C表示速度控制环路4的输出信号的时间变化。频率特性计算部7根据将正弦波输入给速度控制环路4时的速度控制环路的输出，来推定速度控制环路输入输出信号的增益和相位。图2D表示频率特性计算部7推定出的增益(实线)和相位(虚线)的时间变化。在本实施例中，增益调整部9进行了速度控制环路增益的高增益化调整，因此在每次追逐第一期间、第二期间、第三期间和时间时增益增大。

接着，说明以下方法，即根据本发明逐次测量控制系统的频率特性，通过由规范特性和实际测量特性构成的评价函数，在线将控制参数最优化。图3A表示从正弦波干扰输入部6施加到速度控制环路4的干扰输入即正弦波的频率的时间变化。

频率特性计算部7根据将正弦波输入到速度控制环路4时的速度控制环路4的输出来推定在该频率的频率特性、即速度控制环路输入输出信号的增益和相位。然后，规范特性生成部8计算进给轴的规范频率特性。图3B表示频率特性的实际测量值(实线)以及成为规范的频率特性(虚线)的时间变化。如果输入信号的正弦波频率达到最大值，则增益调整部9计算针对扫描的评价函数值。

接着，增益调整部9使用规范特性生成部8所生成的规范频率特性和频率特性计算部7计算出的实际测量的频率特性，来计算对于实际测量的频率特性的每个频率扫描的评价函数值。以下的公式(1)表示评价函数S_j。

$S_j={\∫}_{{\mathrm{\ω}}_{\min }}^{{\mathrm{\ω}}_{\max }}W\left(\mathrm{\ω}\right){\[\left|G_{\mathrm{mod}el}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|-\left|G_{\exp erimental}(\mathrm{\ω};kv)\right|\]}^{2}d\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

其中，

ω：频率

kv：速度控制环路增益

W(ω)：针对频率特性的加权

G_model(ω)：规范特性

G_experimental(ω)：实际测量特性

公式(1)是加权最小平方法的计算式。通过逐次扫描计算S_j成为最小的速度控制环路增益kv。这样，能够求出最合适的速度控制环路增益kv。

上述的公式(1)是评价函数值的计算式的一例，也能够使用其它的评价函数。例如也可以使用如下述公式(2)那样表示的评价函数。

$S_j=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_{\min }}^{{\mathrm{\ω}}_{\max }}{\[\left|G_{\mathrm{mod}el}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|-\left|G_{\exp erimental}(\mathrm{\ω};kv)\right|\]}^{2}d\mathrm{\ω}}{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_{\min }}^{{\mathrm{\ω}}_{\max }}\left|G_{\mathrm{mod}el}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|d\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

按照公式(2)使用评价函数S_j时，S_j越接近0，速度控制环路增益kv越接近目标值。另外，当S_j为负时表示增益过剩。

图3C表示评价函数值的时间变化。在时刻t₁计算第一期间(时刻：t₀～t₁)的评价函数值。在时刻t₁，与一期间前的评价函数值比较，将差分反映到增益调整量中。即使在第二期间、第三期间也同样地计算评价函数值，重复计算直到评价函数值达到目标值为止。这样，增益调整部9在线执行对用于实现希望的评价函数值的速度控制环路增益的调整。另外，优选增益调整部9根据作为目标的希望的评价函数值和针对实际扫描的评价函数值之间的差来决定速度控制环路增益的调整量。在图3C中，在时刻t₃表示评价函数值达到目标值的例子。

另外，优选规范特性生成部8根据进给轴的结构而生成可变更的规范特性。例如能够根据成为控制对象的机械是大型机还是小型机来改变规范特性。图4A表示基于大型机用的规范特性的增益的频率特性、基于小型机用的规范特性的增益的频率特性。为了正确地估计评价函数的值，需要意识到共振频率的高低并设想规范特性(理想的特性)。这里，作为理想的特性，定义为大型机用的特性的控制频带狭小，小型机用的特性的控制频带宽。在小型机中作为标称的特性，共振频率有变高的倾向，因此能够比较容易地扩大频带(也可以提高增益)。另一方面，大型机中共振频率有变低的倾向，所以难以扩大频带(增益不能够太高)。这样，根据控制对象的机械是大型机还是小型机来改变规范特性，从而将上述的共振特性的差异作为背景，能够包括高增益化的准则而更正确地计算评价函数值。

如以上说明的那样，在本发明实施例的伺服控制装置中，作为自身能够励振输入的定序器而动作并在线测量频率特性。每次重复进行测量时执行评价函数计算，并以接近规范特性的方式逐次执行控制器的参数调整。这样，能够取得控制装置自身在线实现最佳的控制特性的参数。

接着使用图5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，正弦波干扰输入部6(参照图1)将输入频率初始化。接着，在步骤S102中，正弦波干扰输入部6将正弦波干扰输入给速度控制环路4。接着，在步骤S103中，速度检测部3检测伺服电动机20的速度。

接着，在步骤S104中，扭矩指令生成部2根据速度指令值、速度检测值以及速度控制环路增益来生成扭矩指令值。接着，在步骤S105中，频率特性计算部7计算在该频率的频率特性。接着，在步骤S106中，规范特性生成部8按照每个频率计算成为规范的频率特性。接着，在步骤S107中，正弦波干扰输入部更新输入频率。

接着，在步骤S108中，判断输入信号的正弦波频率是否达到最大值。当输入信号的正弦波频率没有达到最大值时，重复步骤S101到步骤S108的各个步骤。当输入信号的正弦波频率达到最大值时，在步骤S109中，增益调整部9计算针对扫描的评价函数值。评价函数值的计算方法如上所述，

接着，在步骤S110中，判断评价函数值是否达到目标值。当评价函数值没有达到目标值时，在步骤S111中，增益调整部9变更速度控制环路增益使得评价函数值接近目标值，重复步骤S101到步骤S110的各个步骤。

当评价函数值达到目标值时，在步骤S112中，增益调整部9确定最终的速度控制环路增益。如上所述，能够使用能够在线取得的频率特性，在频域直接定量评价与规范传输函数之间的差异。

如以上所说明的那样，根据本发明实施例的伺服控制装置，能够逐次测量控制系统的频率特性，通过由规范特性和实际测量特性构成的评价函数在线将控制参数最优化。

根据本发明实施例的伺服控制装置，能够提供一种能够原则地确立稳定性和高速应答性并存的伺服控制装置。

Claims (3)

1.一种伺服控制装置，其特征在于，

在具有通过伺服电动机驱动的进给轴的机床的控制装置中，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；

速度控制环路，其包括上述速度指令生成部、上述扭矩指令生成部以及上述速度检测部；

速度控制环路增益设定部，其设定上述速度控制环路的控制增益；

正弦波干扰输入部，其对上述速度控制环路进行正弦波扫描；

频率特性计算部，其根据对上述速度控制环路输入了正弦波时的速度控制环路的输出，来推定速度控制环路输入输出信号的增益和相位；

规范特性生成部，其生成进给轴的规范频率特性；以及

增益调整部，其调整上述速度控制环路增益，

上述增益调整部使用上述规范特性生成部所生成的规范频率特性和上述频率特性计算部计算出的实际测量的频率特性，来计算针对实际测量的频率特性的每个频率扫描的评价函数值，并在线执行对用于实现希望的评价函数值的上述速度控制环路增益的调整。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述规范特性生成部根据进给轴的结构生成可变更的规范特性。

3.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述增益调整部根据作为目标的希望的评价函数值和针对实际扫描的评价函数值之间的差来决定上述速度控制环路增益的调整量。