CN107231115A - 伺服控制装置以及伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供伺服控制装置以及伺服控制方法。该伺服控制装置在控制增益不仅对共振峰值振幅而且对共振频率也造成影响时，能够进行将该频率变动量也考虑在内的滤波器调整。伺服控制装置具备：伺服电动机的速度指令制作部、速度检测部、速度控制增益、扭矩指令制作部、使扭矩指令值中的特定频带成分衰减的滤波器、在预定的频率范围进行正弦波扫描的正弦波扫描输入部、计算扫描正弦波频率特性的频率特性计算部、使扭矩指令值中的特定频带成分衰减的滤波器调整部，对速度控制增益输入在速度指令值与检测速度的差中加入了正弦波而得的信号，滤波器调整部变更速度控制增益的值的同时测定速度控制增益对共振频率和共振峰值振幅造成的影响来调整滤波器。

Description

伺服控制装置以及伺服控制方法

技术领域

本发明涉及一种伺服控制装置以及伺服控制方法，特别是涉及一种伺服电动机的伺服控制装置以及伺服控制方法。

背景技术

例如在专利文献1中记载了伺服电动机的伺服控制装置。在专利文献1中记载了伺服控制装置将扭矩指令或电流指令的采样值变换为频率下的伺服电动机的扭矩强度，将伺服电动机的扭矩强度为峰值的频带判断为振荡频带，并在调整速度控制增益时设定带阻滤波器以使振荡频带中的伺服电动机的扭矩强度衰减。

然而，在专利文献1中，当控制增益不仅针对共振峰值振幅而且针对共振频率造成影响时，无法进行将其频率变动量也考虑在内的滤波器调整。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-126266号公报(摘要、段落0008、图2等)

发明内容

本发明的目的在于提供一种在控制增益不仅针对共振峰值振幅而且针对共振频率也造成影响时，能够进行将其频率变动量也考虑在内的滤波器调整的伺服控制装置以及伺服控制方法。

(1)本发明的伺服控制装置(例如，后述的伺服控制装置10)具备：速度指令制作部(例如，后述的速度指令制作部100)，其制作伺服电动机(例如，后述的伺服电动机20)的速度指令值；速度检测部(例如，后述的速度检测部107)，其检测所述伺服电动机的速度；速度控制增益(例如，后述的速度控制增益101)，其作为速度控制环的控制增益；扭矩指令制作部(例如，后述的扭矩指令制作部102)，其制作针对所述伺服电动机的扭矩指令值；至少一个滤波器(例如，后述的滤波器103)，其使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减；正弦波扫描输入部(例如，后述的正弦波扫描输入部104)，其在预定的频率范围内进行正弦波扫描；频率特性计算部(例如，后述的频率特性计算部105)，其计算所扫描的正弦波的频率特性；滤波器调整部(例如，后述的滤波器调整部106)，其调整所述滤波器以使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减，所述速度控制增益、所述扭矩指令制作部、所述滤波器以及所述速度检测部构成所述速度控制环，对所述速度控制增益输入在所述速度指令值与检测到的所述速度的差中加入了从所述正弦波扫描输入部输出的正弦波而得的信号，所述滤波器调整部变更所述速度控制增益的值的同时检测所述频率特性计算部计算的频率特性中包含的共振频率，并测定所述速度控制增益对共振频率以及共振峰值振幅造成的影响，由此来调整所述滤波器。

(2)在(1)所记载的伺服控制装置中，所述滤波器调整部也可以根据所述速度控制增益的值与从所述频率特性计算部获得的频率特性的共振峰值振幅之间的定量关系来决定共振特性的评价以及所述滤波器的可用性。

(3)在(1)或(2)所记载的伺服控制装置中，所述滤波器调整部也可以根据所述速度控制增益的值与从所述频率特性计算部获得的频率特性的共振频率之间的定量关系来决定共振特性的评价以及所述滤波器的可用性。

(4)本发明的伺服控制装置的伺服控制方法制作伺服电动机的速度指令值，检测所述伺服电动机的速度，对速度控制增益输入在所述速度指令值与检测到的所述速度的差中加入了在预定的频率范围内扫描的正弦波而得的信号，基于来自所述速度控制增益的输出来制作针对所述伺服电动机的扭矩指令值，通过至少一个滤波器使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减，根据所述特定的频带成分已衰减的所述扭矩指令值来驱动所述伺服电动机，该方法计算在所述预定的频率范围内扫描的所述正弦波的频率特性，变更所述速度控制增益的值的同时检测计算出的频率特性中包含的共振频率，测定所述速度控制增益的值对共振频率以及共振峰值振幅造成的影响，由此调整所述滤波器以使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减。

本发明的伺服控制程序使作为伺服电动机的伺服控制装置的计算机执行如下处理：制作伺服电动机的速度指令值的处理，检测所述伺服电动机的速度的处理，对速度控制增益输入在所述速度指令值与检测到的所述速度的差中加入了在预定的频率范围内扫描的正弦波而得的信号的处理，基于来自所述速度控制增益的输出来制作针对所述伺服电动机的扭矩指令值的处理，通过至少一个滤波器使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减的处理，根据所述特定的频带成分已衰减的所述扭矩指令值来驱动所述伺服电动机的处理，计算在所述预定的频率范围内扫描的所述正弦波的频率特性，变更所述速度控制增益的值的同时检测计算出的频率特性中包含的共振频率，测定所述速度控制增益的值对共振频率以及共振峰值振幅造成的影响，以衰减所述扭矩指令值所包含的特定的频带成分的方式调整所述滤波器。

根据本发明，在控制增益不仅针对共振峰值振幅而且针对共振频率也造成的影响时，能够进行将其频率变动量也考虑在内的滤波器调整。

附图说明

图1是表示包含本发明的一个实施方式的伺服控制装置、伺服电动机、以及传动机构的系统的框图。

图2是本发明的一个实施方式的伺服控制装置中的，表示速度控制增益变动时的频率与共振峰值增益(共振峰值振幅)之间的关系的特性图。

图3是本发明的一个实施方式的伺服控制装置中的，在横轴(x轴)上用分贝表示速度控制增益，在纵轴(y轴)上用分贝表示共振峰值增益(共振峰值振幅)的特性图。

图4是表示本发明的一个实施方式的伺服控制装置的动作的流程图。

附图标记说明

10：伺服控制装置；

20：伺服电动机；

30：传动机构；

100：速度指令制作部；

101：速度控制增益；

102：扭矩指令制作部；

103：滤波器；

104：正弦波扫描输入部；

105：频率特性计算部；

106：滤波器调整部；

107：速度检测部。

具体实施方式

以下，使用附图来说明本发明的实施方式。

图1是表示包含本发明的一个实施方式的伺服控制装置、伺服电动机、以及传动机构的系统的框图。

如图1所示，伺服控制装置10具备：制作伺服电动机20的速度指令值的速度指令制作部100、作为速度控制环的控制增益的速度控制增益101、制作伺服电动机20的扭矩指令值的扭矩指令制作部102、使扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减的滤波器103。

另外，伺服控制装置10具备：检测伺服电动机20的速度的速度检测部107、在预定的频率范围内对速度控制环进行正弦波扫描的正弦波扫描输入部(也称为正弦波干扰输入部)104、计算由正弦波扫描输入部104扫描的正弦波频率特性的频率特性计算部105、调整滤波器103以使扭矩指令值所包含的特定的频带成分衰减的的滤波器调整部106。

速度控制增益101、扭矩指令制作部102、滤波器103以及速度检测部107构成用于控制伺服电动机20的转速的速度控制环。在图1中表示了一个滤波器103，但是也可以设置多个。

传动机构30是机床的进给轴、使伺服电动机20的角速度进行减速的减速机、将伺服电动机20的旋转运动变换为直线运动的变换结构等。

滤波器调整部106变更速度控制增益101的值，同时参照速度控制增益101的输出值，检测频率特性计算部105计算的频率特性所包含的共振频率。然后，滤波器调整部106通过测定速度控制增益101对该共振频率以及共振峰值振幅造成的影响来调整滤波器103要衰减的频带。例如，如图2所示，滤波器调整部106将速度控制增益101的速度控制增益的值ω变更为200、400、800、1600(％)，同时参照速度控制增益101的输出值，检测频率特性计算部105计算的频率特性所包含的共振频率。然后，滤波器调整部106通过测定速度控制增益101对该共振频率以及共振峰值振幅造成的影响，调整滤波器103以使扭矩指令所包含的特定的频带成分衰减。

如上所述，图2是表示在速度控制增益发生变动时的，频率与共振峰值增益(共振峰值振幅)之间的关系的特性图。如图2所示，可知在滤波器调整部106将速度控制增益的值ω变更为200、400、800、1600(％)时，对应于速度控制增益的上升，共振峰值增大。另外，可知在滤波器调整部106将速度控制增益的值ω变更为200、400、800、1600(％)时，对应于速度控制增益的上升，在860Hz附近的频率区域，两个共振峰值增益的值的大小关系改变(即，获得最大共振峰值增益的共振频率向高频侧移动)，在1150Hz附近、1310Hz附近的频率区域获得共振峰值增益时的共振频率向低频侧移动。

此外，由于其他原因产生共振频率的偏移，例如，在非专利文献1(H.-C.Mo··hring(2)et al.CIRP Annals-Manufacturing Technology 64(2015)725-748)中对机械结构的共振进行了报告，记载了与扭转振动相比弯曲振动的共振频率的偏移相对较大，在作为弯曲起因的共振模式中共振频率容易变化。在本实施方式中，关注于这样的特性，并在速度控制增益101造成的影响对于共振频率显著时，滤波器调整部106将其频率变动量也考虑在内，调整滤波器103以使扭矩指令所包含的特定的频带成分衰减。

滤波器调整部106能够在算式中记述速度控制增益101的值与从频率特性计算部105获得的频率特性的共振峰值振幅之间的定量关系来决定共振特性的评价以及滤波器的可用性。图3是在横轴(x轴)上用分贝表示速度控制增益，在纵轴(y轴)上用分贝表示共振峰值增益(共振峰值振幅)的特性图。在图3中，表示了在860Hz附近的频率范围的共振峰值增益、在1150Hz附近的频率范围的共振峰值增益、在1310Hz附近的频率范围的共振峰值增益。在图2中分别以虚线表示这些频率范围。

速度控制增益与共振峰值增益之间的定量关系在速度控制增益的值ω为200、400、800、1600时，分别如图3所示，能够用以下的三个算式(算式1～算式3)所表示的直线来表示。y表示共振峰值增益、x表示速度控制增益。在图3中，R²是决定系数，表示由算式1～算式3示出的直线适合到哪种程度。

[算式1]

y＝1.2633x－36.367(860Hz附近的频率范围)。

[算式2]

y＝1.3368x－30.048(1150Hz附近的频率范围)。

[算式3]

y＝1.1812x－39.204(1310Hz附近的频率范围)。

在这里，速度控制增益与共振峰值增益之间的定量关系如果是线性系统(弹簧质量阻尼系统)，则直线倾斜应该为1。但是，如算式1～算式3所示的那样，直线的斜率大于1。大于1的斜率增大表示非线性的共振成长的“速度”增大。滤波器调整部106如果按照该“速度”的顺序决定滤波器适用的优先度，则非线性的共振成长越快越能够优先地调整滤波器。如从算式1～算式3所明确的那样，因为斜率为1.3368＞1.2633＞1.1812，所以优先顺序为，从优先顺序高的开始，为1150Hz附近的频率范围、860Hz附近的频率范围、1310Hz附近的频率范围。因此，滤波器调整部106能够针对速度控制增益调查各增益峰值(共振模式)的成长方法，通过将其定量化后的参数值来明确地决定优先度。其结果是，能够实现通过在不同的控制增益下的多次频率响应测量进行的共振模式的定量评价、基于该定量评价的滤波器强度调整以及优先度的决定。

另外，滤波器调整部106能够根据速度控制增益101的值与从频率特性计算部105获得的频率特性的共振频率之间的定量关系来决定共振特性的评价以及滤波器的可用性。如上所述，从图2可知，在将速度控制增益的值ω变更为200、400、800、1600(％)时，共振峰值振幅时的共振频率向高频侧或低频侧移动。因此，滤波器调整部106能够根据速度控制增益的值，评价共振峰值在哪个频率下产生，并能够判断应在哪个频带适用滤波器。

接下来，使用图4的流程图来说明伺服控制装置的动作。

首先，速度指令制作部100输出速度指令值(速度的目标值)，正弦波扫描输入部104在预定的频率范围输出正弦波(正弦波干扰)(步骤S201)。例如，正弦波扫描输入部104例如在500Hz到2000Hz的频率范围进行正弦波扫描。速度检测部107检测伺服电动机20的实际速度值(步骤S202)，并输出速度检测值。

其次，对速度指令值与实际的速度检测值之间的速度误差(Vsub)加入正弦波(α)作为加算值，并将该加算值输入到速度控制增益101。滤波器调整部106设定速度控制增益101的速度控制增益的值ω。扭矩指令制作部102基于速度控制增益101的输出值(ω×(Vsub+α))来生成扭矩指令值(步骤S203)，并输出到滤波器103。频率特性计算部105计算由正弦波扫描输入部104扫描的正弦波的频率特性(步骤S204)。

滤波器调整部106基于速度控制增益101的输出值(ω×(Vsub+α))和通过频率特性计算部105计算出的频率特性，检测频率特性计算部105计算的频率特性所包含的共振频率和共振峰值振幅(步骤S205)。

接着，滤波器调整部106变更速度控制增益，并再次判断是否计算频率特性(步骤S206)。在变更速度控制增益，并再次计算频率特性时(S206，是)，滤波器调整部106调整速度控制增益(步骤S207)，并返回到步骤S201。

另一方面，在没有变更速度控制增益时(S206，否)，滤波器调整部106分别匹配速度控制增益与每个共振峰值振幅、共振频率之间的定量关系(步骤S208)，决定应适用滤波器的共振(步骤S209)，针对滤波器103指定用于滤波对象的共振的滤波器特性(步骤S210)。

以上说明的实施方式的伺服控制装置的全部或一部分能够通过硬件、软件或它们的组合来实现。在这里，通过软件来实现意味着通过计算机读入程序进行执行来实现。在由硬件构成时，如图1所示，伺服控制装置的一部分或全部例如能够由LSI(Large ScaleIntegrated circuit：大规模集成电路)、ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、门阵列、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等集成电路(IC)构成。

在通过软件构成伺服控制装置的全部或一部分时，在存储了已记述图4的流程图所示的伺服控制装置的动作的全部或一部分的程序的硬件、ROM等存储部、存储运算所需要的数据的DRAM、CPU、以及连接各部件的总线构成的计算机中，能够将运算所需要的信息存储到DRAM，并通过由CPU运行该程序来实现。

能够使用各种类型的计算机可读取的介质(computer readable medium)来存储程序，并供给到计算机。计算机可读取介质包括各种类型的实体记录介质(tangiblestorage medium：有形存储介质)。作为计算机可读取介质的例子，包括磁记录介质(例如，软盘、磁带、硬盘驱动器)、光磁记录介质(例如，光磁盘)、CD－ROM(Read Only Memory：只读存储器)、CD－R、CD－R/W、半导体存储器(例如，掩膜ROM、PROM(Programmable ROM：可编程只读存储器)、EPROM(Erasable PROM：可擦可编程只读存储器)、闪存ROM、RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器))。

根据以上说明的本实施方式的伺服控制装置以及伺服控制方法，通过将增益和滤波器一体化而掌握了行为的基础上分析共振特性，能够不依赖感觉自动地调整，并能够最大限度的灵活运用有限个数的滤波器。

另外，根据本实施方式的伺服控制装置以及伺服控制方法，通过包含共振模式的非线性行为来进行定量化，能够提高调整的准确性，并且能够容易地实现更健全的控制系统。

Claims (4)

1.一种伺服控制装置，其特征在于，

具备：

速度指令制作部，其制作伺服电动机的速度指令值；

速度检测部，其检测所述伺服电动机的速度；

速度控制增益，其作为速度控制环的控制增益；

扭矩指令制作部，其制作针对所述伺服电动机的扭矩指令值；

至少一个滤波器，其使所述扭矩指令值所包含的特定的频带成分衰减；

正弦波扫描输入部，其在预定的频率范围内进行正弦波扫描；

频率特性计算部，其计算所扫描的正弦波的频率特性；

滤波器调整部，其调整所述滤波器，以使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减，

所述速度控制增益、所述扭矩指令制作部、所述滤波器以及所述速度检测部构成所述速度控制环，

对所述速度控制增益输入在所述速度指令值与检测到的所述速度的差中加入了从所述正弦波扫描输入部输出的正弦波而得的信号，

所述滤波器调整部变更所述速度控制增益的值的同时检测所述频率特性计算部计算的频率特性中包含的共振频率，并测定所述速度控制增益对共振频率以及共振峰值振幅造成的影响，由此来调整所述滤波器。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述滤波器调整部根据所述速度控制增益的值与从所述频率特性计算部获得的频率特性的共振峰值振幅之间的定量关系来决定共振特性的评价以及所述滤波器的可用性。

3.根据权利要求1或2所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述滤波器调整部根据所述速度控制增益的值与从所述频率特性计算部获得的频率特性的共振频率之间的定量关系来决定共振特性的评价以及所述滤波器的可用性。

4.一种伺服控制装置的伺服控制方法，

制作伺服电动机的速度指令值，

检测所述伺服电动机的速度，

对速度控制增益输入在所述速度指令值与检测到的所述速度的差中加入了在预定的频率范围内扫描的正弦波而得的信号，

基于来自所述速度控制增益的输出来制作针对所述伺服电动机的扭矩指令值，

通过至少一个滤波器使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减，

根据所述特定的频带成分已衰减的所述扭矩指令值来驱动所述伺服电动机，

该伺服控制方法的特征在于，

计算在所述预定的频率范围内扫描的所述正弦波的频率特性，变更所述速度控制增益的值，同时检测计算出的频率特性中包含的共振频率，测定所述速度控制增益的值对共振频率以及共振峰值振幅造成的影响，由此调整所述滤波器以使所述扭矩指令值中包含的特定的频带成分衰减。