CN107231116A - 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的特征在于，具有：位置指令部，其用于指示被驱动部的位置；校正滤波器部，其用于对位置指令进行校正；以及伺服控制部，其基于校正后位置指令来对伺服电动机的移动进行控制，校正滤波器部包括：逆特性滤波器，其用于对从电动机位置至机械位置的传递特性的逆特性进行近似；以及高频截止滤波器，其用于使位置指令的高频成分降低，其中，逆特性滤波器是使机械谐振频率ω0的增益降低的滤波器，高频截止滤波器针对逆特性滤波器中已设定的机械谐振频率ω0使用1以上的常数a而具有常数a倍的高频截止频率aω0。

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，特别是涉及一种具有抑制振动的功能的电动机控制装置。
背景技术
以往，在通过电动机驱动机械的电动机控制装置中，伺服控制系统通过具有低通滤波器或陷波滤波器来应对高频谐振。这些滤波器是在伺服的控制循环内存在的滤波器，其目的不是对位置指令进行校正，而是提高伺服的响应性和稳定性。
另一方面，以往，针对低频谐振采用如下的方法：使用平滑的指令(例如，日本特开2009-237916号公报)、对指令实施陷波滤波、对指令使用输入成形(例如，“PreshapingCommand Inputs to Reduce System Vibration”，MASSACHUSETTS INSTITUTE OFTECHNOLOGY ARTIFICIAL INTELLIGENCE LABORATORY，A.I.Memo No.1027(AIM-1027)，1988-01-01)等。这些方法与应对高频谐振的方法不同，是设计位置指令以根据对伺服控制系统赋予的位置指令来使机械系统进行谐振的频率的能量足够小的方法。
在机床中的电动机的控制装置中，一般来说，进行不依赖于移动路径的PTP(Pointto Point：点对点)控制和按照移动路径控制机械的位置的轨迹控制这两者。本发明是与后者即轨迹控制关联的发明。不希望的是，在电动机的控制装置进行轨迹控制的情况下，伺服控制系统与用户所计划的指令大幅度地脱离。
现在，考虑对某个伺服控制轴赋予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，存在由于机械的谐振的影响而使机械不按照位置指令运动的情况。机械谐振在轴停止时产生残留振动，如果是在机床加工期间，会产生在加工工件上留下条痕等问题。
在使用作为现有技术的陷波滤波器、输入成形等技术的情况下，通过陷波滤波器或输入成形而与谐振频率对应的能量成分被截止，从而残留振动减少。然而，这些滤波器虽然使残留振动减少，但是会变更指令轨迹。因此，产生机械不按照被赋予的指令轨迹运动这样的现象。例如，在对指令实施陷波滤波的情况下，一般来说，产生过冲。其原因在于陷波滤波器的阶段式响应产生过冲，这是能够容易理解的。如果由于使用陷波滤波器而指令轨迹发生过冲，则在加工工件上留下与过冲相应的痕迹，会发生加工质量没有达到理想这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够在半闭环控制中假定两个惯性系统的模型并使两个惯性系统的负荷侧没有轨迹误差地运动的电动机控制装置。
本发明的一个实施例所涉及的电动机控制装置的特征在于，在对伺服电动机与通过伺服电动机驱动的被驱动部之间的弹性变形进行校正的电动机控制装置中，具有：位置指令部，其用于指示被驱动部的位置；校正滤波器部，其用于对由位置指令部输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部输出的校正后位置指令来对伺服电动机的移动进行控制，校正滤波器部包括：逆特性滤波器，其对从电动机位置至机械位置的传递特性的逆特性进行近似；以及高频截止滤波器，其使位置指令的高频成分降低，其中，逆特性滤波器是使机械谐振频率ω0的增益降低的滤波器，高频截止滤波器针对逆特性滤波器中已设定的机械谐振频率ω0使用1以上的常数a而具有常数a倍的高频截止频率aω0。
附图说明
本发明的目的、特征以及优点通过对与附图关联起来的以下的实施方式的说明会更加明显。在该附图中，
图1是与本发明关联的发明所涉及的电动机控制装置的框图，
图2是示出将机械的谐振频率ω0设为截止频率的二阶低通滤波器的特性的曲线图，
图3是本发明的实施例所涉及的电动机控制装置的框图，
图4是示出移动平均滤波器的时间序列数据的特性的曲线图，以及
图5是示出移动平均滤波器的频率特性数据的特性的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明所涉及的电动机控制装置。
首先，对与本发明关联的发明且由申请人申请的关联申请(日本特愿2015-007219)所涉及的发明进行说明。在图1中，示出与本发明关联的发明所涉及的电动机控制装置的框图。该关联发明所涉及的电动机控制装置是使用从电动机位置至机械位置的逆特性滤波器F(s)来对位置指令进行校正的电动机控制装置。
图1所示的电动机控制装置1000具有位置指令部1001、校正滤波器部1002、伺服控制部1003、表示从转矩至机械位置的传递特性的要素1004以及表示从转矩至电动机位置的传递特性的要素1005。
在图1中，向校正滤波器部1002输入由位置指令部1001制作的位置指令。校正滤波器部1002输出进行了校正的位置指令、即校正后位置指令。伺服控制部1003基于校正后位置指令来输出转矩并对电动机(未图示)的移动进行控制。
图1所记载的关联发明所涉及的电动机控制装置的概要如下所述。
电动机控制装置1000是半闭环结构的电动机控制系统，因此由于利用前馈控制而响应快。即，想要使从图1中的校正后位置指令(B)至电动机位置(C)的传递特性大致为1。
关联发明的目的在于，改善从位置指令(A)至机械位置(D)的传递特性。即，想要使从位置指令(A)至机械位置(D)的传递特性接近1。
出于上述的目的，对位置指令(A)设置具有从电动机位置(C)至机械位置(D)的逆特性的滤波器。
通过上述的关联发明所涉及的电动机控制装置，在逆特性滤波器的导出中使用作为振动模型的两个惯性系统，因此能够实现残留振动少的位置控制。
关于关联申请中的逆特性滤波器的具体导出，导出的是在两个惯性系统中利用下述的式(1)表示从电动机位置(C)至机械位置(D)的传递特性的逆特性滤波器F(s)。
其中，ω0是机械谐振频率，ζ是阻尼系数。
在关联申请中省略导出，但是利用下述的式(2)表示从电动机位置(C)至机械位置(D)的传递特性G(s)。
图1所记载的从电动机位置(C)至机械位置(D)的传递特性通过将机械的谐振频率(以下也简称为“谐振频率”)ω0设为截止频率的二阶低通滤波器来表示。作为例子，在图2中示出ω0＝1[Hz]、ζ＝0.1的情况的特性。在图2中，横轴是频率[Hz]，纵轴是增益[dB]。
从该图可知，从电动机位置(C)至机械位置(D)的传递特性具有下述的两点的特性。
(i)在谐振频率ω0下具有0[dB]以上的增益。其要因在于机械系统以频率ω0摇动。
(ii)在比谐振频率ω0足够高的频率下，增益下降。因而，在具有低频谐振的系统中，在比谐振频率ω0足够高的频率下机械系统不响应。
在关联申请中，为了消除上述两点的特性，而使用针对图2所记载的特性的逆特性滤波器来进行校正。
由于上述的(ii)的特性，具有低频谐振的机械系统对于频率大幅度地超过谐振频率ω0不响应。针对这种机械，认为理想的是，根据位置指令的频率特性(原本机械系统不响应)，截止大幅度地超过ω0的频率，对平滑的位置指令实施位置控制。
因此，本发明所涉及的电动机控制装置101如图3所示的框图那样保证位置指令的平滑，因此其特征在于，在对位置指令设置的滤波器校正部2中不仅具有逆特性滤波器21，同时还具有高频截止滤波器22这点。本发明的实施例所涉及的电动机控制装置101在对伺服电动机(未图示。以下也简称为“电动机”)与通过伺服电动机驱动的被驱动部(未图示)之间的弹性变形进行校正的电动机控制装置中具有位置指令部1、校正滤波器部2以及伺服控制部3，校正滤波器部2包含逆特性滤波器21和高频截止滤波器22。电动机控制装置101还具有表示从转矩至机械位置的传递特性的要素4、以及表示从转矩至电动机位置的传递特性的要素5。
位置指令部1指示被驱动部的位置(机械位置(D))。向校正滤波器部2输入由位置指令部1制作出的位置指令。
校正滤波器部2对由位置指令部1输出的位置指令进行校正。校正滤波器部2输出进行了校正的位置指令、即校正后位置指令。在本发明所涉及的电动机控制装置中，为了对负荷位置进行高精度控制，根本在于从上级控制装置(未图示)所指示的位置起变更电动机的指令位置这点。因此，本发明所涉及的电动机控制装置对来自上级控制装置的位置指令进行校正。
伺服控制部3基于由校正滤波器部2输出的校正后位置指令来对伺服电动机(电动机)的移动进行控制。通过电动机的移动，经由传递机构(未图示)而使机械移动。
逆特性滤波器21对从电动机位置(C)至机械位置(D)的传递特性的逆特性进行近似。逆特性滤波器21是使机械谐振频率ω0的增益降低的滤波器。此外，在本实施例中，使用简单的逆特性滤波器。由于使用简单的逆特性滤波器，因此能够得到程序安装方面的优点。
高频截止滤波器22使位置指令的高频成分降低。高频截止滤波器22针对逆特性滤波器21中已设定的机械谐振频率ω0使用1以上的常数a而具有常数a倍的高频截止频率aω0。a的值因机械刚性、模型化精度而不同，但是认为大概1～5左右是适当的值。高频截止滤波器22也可以是低通滤波器。
高频截止滤波器22也可以是移动平均滤波器。移动平均滤波器是与被称为输入成形的技术的最简单的构造相同的构造，具有梳形的频率特性。作为例子，图4中示出1秒的移动平均滤波器的时间序列数据。在图4中，横轴是时间[sec]，纵轴是振幅。另外，图5中示出移动平均滤波器的频率特性数据。在图5中，横轴是频率[Hz]，纵轴是增益[dB]。
在图3所示的本发明的实施例所涉及的电动机控制装置的框图中，基本上将机械谐振的增益降低的是逆特性滤波器21。然而，在由于模型化误差的问题等而通过逆特性滤波器21抑制振动不充分的情况下，使用具有梳型特性的移动平均滤波器来作为高频截止滤波器22是有效的。具体地说，通过使用设为a＝1的移动平均滤波器，能够在振动抑制中利用移动平均滤波器的梳形的增益降低效果。本发明是关于同时具有逆特性滤波器21和高频截止滤波器22的控制构造的发明，特别是通过设为a＝1能得到以下效果：用作高频截止滤波器22的移动平均滤波器具有输入成形效果。
使用机械谐振频率ω0和阻尼系数ζ，通过上述的式(1)表示逆特性滤波器21。在本发明中，在二维标准系统中将相当于阻尼常数的值、即ζ设为非零的值来处理。在实际的机械中，振动一定衰减，因此认为在具有与阻尼常数相当的调整参数的本发明所涉及的电动机控制装置中振动抑制的效果好。
通过本发明的实施例所涉及的电动机控制装置，能够得到一种如下的电动机控制装置：能够在半闭环控制中假定两个惯性系统的模型并使两个惯性系统的负荷侧没有轨迹误差地运动。

Claims (5)

1.一种电动机控制装置，用于对伺服电动机与通过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，具有：
位置指令部，其用于指示被驱动部的位置；
校正滤波器部，其用于对由所述位置指令部输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部输出的校正后位置指令来对伺服电动机的移动进行控制，
所述校正滤波器部包括：
逆特性滤波器，其用于对从电动机位置至机械位置的传递特性的逆特性进行近似；以及
高频截止滤波器，其用于使位置指令的高频成分降低，
其中，所述逆特性滤波器是使机械谐振频率ω0的增益降低的滤波器，
所述高频截止滤波器针对所述逆特性滤波器中已设定的机械谐振频率ω0使用1以上的常数a而具有常数a倍的高频截止频率aω0。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述高频截止滤波器是移动平均滤波器。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述高频截止滤波器是低通滤波器。
4.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述常数a是1。
5.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
使用机械谐振频率ω0和阻尼系数ζ来将所述逆特性滤波器表示为，
<mrow> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;zeta;&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;zeta;&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow> 1
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