CN107272576B - 进给轴控制装置中的频率特性测定方法 - Google Patents

Abstract

提供进给轴控制装置中的频率特性测定方法，不产生微振磨损且不受作用于驱动系统的摩擦或空程的影响，而正确地测定频率特性。执行如下的步骤：移动步骤(步骤1A)，以进给轴的移动速度固定的速度参照值Vref作为指令而使进给轴沿一个方向移动；施振步骤(步骤2A～步骤4)，将振幅小于速度参照值Vref的大小的正弦波赋予给扫描信号Vadd来进行施振；测定步骤(从步骤5至全部频率测定完成)，测定包括电机的进给轴驱动系统的频率特性。

Description

进给轴控制装置中的频率特性测定方法

技术领域

本发明涉及一种在用于机床等的进给轴控制装置中测定包含有电机的进给轴驱动系统的频率特性的方法。

背景技术

在控制机床等的进给轴的位置控制装置或速度控制装置中，通常，测定包含有电机的进给轴驱动系统的频率特性，在评价了机械共振特性、响应特性、稳定性之后进行控制器的设计、优化。

作为这样的测定方法，例如专利文献1公开了赋予白噪声作为位置指令或速度指令来测定开环特性的方法。

此外，专利文献2公开了如下的方法：使速度反馈从速度控制系统的反馈环分离，赋予白噪声作为速度指令，由此测定速度开环特性，变更速度环增益。

另外，专利文献3公开了如下的方法：使正弦波信号、M系列信号与操作量重叠，测定开环频率特性、闭环频率特性。

另一方面，公知在进给轴驱动系统中，存在弹性变形等引起的空程(lostmotion)，专利文献4中公开了如下的方法：着眼于该空程特性具有摩擦力小时刚性低、摩擦力大时刚性高的“非线性弹簧特性”，并补偿这一点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-278990号公报

专利文献2：日本特开2001-175303号公报

专利文献3：日本特开2006-221404号公报

专利文献4：日本特开2002-258922号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，在专利文献1～3的发明中，存在着如下课题：由于扫描位移小的白噪声、M系列信号来测定频率特性，因此在作用于驱动系统的摩擦或空程的影响下，得不到充分的输出作为控制量，频率特性的增益特性比真值小，结果不能进行正确的测定。

尤其是，在如专利文献3的发明那样扫描正弦波信号的情况下，存在着如下课题：由于必须在进行测定的整个频率范围内进行正弦波施振，因此测定需要时间，而且由于以微小振幅的正弦波继续施振，在轴承、引导部分上油脂、润滑油用完，发生微振磨损。

另一方面，在专利文献4的发明中，存在着如下课题：由于未在频率区域内分别评价在空程的位移范围内可见的低刚性弹簧特性、以及在空程的位移范围外可见的高刚性弹簧特性，因此不能考虑共振特性或稳定性，不能优化反馈控制器。

因此，本发明是鉴于上述课题而完成的，目的在于提供一种进给轴控制装置中的频率特性测定方法，能够不产生微振磨损且不受作用于驱动系统的摩擦或空程的影响地正确地测定频率特性。

用于解决课题的手段

为了达到上述目的，技术方案1的发明是在进给轴控制装置中测定频率特性的方法，该进给轴控制装置根据由来自上位装置或速度指令运算器的速度参照值和为了测定频率特性而扫描的扫描信号形成的速度指令值来驱动电机，控制被驱动体的可动部的速度或位置，

所述方法的特征在于，执行如下步骤：

移动步骤，以所述进给轴的移动速度固定的所述速度参照值作为指令而使所述进给轴沿一个方向移动；

施振步骤，将振幅小于所述速度参照值的大小的正弦波赋予给所述扫描信号来进行施振；以及

测定步骤，测定包括所述电机的进给轴驱动系统的频率特性。

技术方案2的发明的特征在于，在技术方案1的结构中，所述测定步骤包括：

频谱计算步骤，计算待测定的传递特性的输入输出信号的频谱；以及

频率测定步骤，在规定的频率范围内计算相应频率下的传递特性，

在所述频谱计算步骤中，按照扫描频率的整数倍的采样频率对所述输入输出信号进行重采样，切取所述输入输出信号的至少一个周期的稳态响应数据，计算与切取出的所述稳态响应数据所包括的扫描频率对应的频谱，校正重采样引起的频率特性的振幅衰减。

为了达到上述目的，技术方案3的发明是在进给轴控制装置中测定频率特性的方法，该进给轴控制装置根据由来自上位装置或速度指令运算器的速度参照值和为了测定频率特性而扫描的扫描信号形成的速度指令值来驱动电机，控制被驱动体的可动部的速度或位置，

所述方法的特征在于，执行如下步骤：

移动步骤，以所述进给轴的移动速度固定的所述速度参照值作为指令而使所述进给轴沿一个方向移动；

施振步骤，将具有规定的振幅的正弦波赋予给所述扫描信号来进行施振；以及

测定步骤，测定包括所述电机的进给轴驱动系统的频率特性，

并且，把所述正弦波的振幅确定为以比圆周率、扫描的所述正弦波的频率、所述进给轴驱动系统的空程量之积小的值，把所述速度参照值的大小确定为小于所述正弦波的振幅，

所述测定步骤包括：

频谱计算步骤，计算测定的传递特性的输入输出信号的频谱；以及

频率测定步骤，在规定的频率范围内计算相应频率下的传递特性，

在所述频谱计算步骤中，按照扫描频率的整数倍的采样频率对所述输入输出信号进行重采样，切取所述输入输出信号的至少一个周期的稳态响应数据，计算与切取出的所述稳态响应数据所包括的扫描频率对应的频谱，校正重采样引起的频率特性的振幅衰减。

发明效果

根据本发明，执行如下步骤：移动步骤，以进给轴的移动速度固定的速度参照值作为指令而使进给轴沿一个方向移动；施振步骤，将具有规定的振幅的正弦波赋予扫描信号来进行施振；以及测定步骤，测定包括电机的进给轴驱动系统的频率特性，由此能够一边用扫描信号对进给轴驱动系统进行正弦波施振，一边使进给轴始终持续沿一个方向移动。因而，不用担心轴承或引导部分上油脂、润滑油用完而发生微振磨损，而且能够排除移动方向反转等中使控制量下降的摩擦或空程的影响，能正确地测定频率特性。

尤其是，根据技术方案2的发明，在上述效果的基础上，使得测定步骤包括频谱计算步骤和频率测定步骤，在频谱计算步骤中，以扫描频率的整数倍的采样频率对输入输出信号进行重采样，切取输入输出信号的至少一个周期的稳态响应数据，计算与切取出的稳态响应数据包括的扫描频率所对应的频谱，校正重采样引起的频率特性的振幅衰减，由此能够将各频率分量的正弦波施振所需要的时间限定为稳定状态的正弦波一个周期量和达到稳定状态为止的过渡状态的极短时间。因而，能够使测定频率特性所需要的时间最短，能够抑制在轴承或引导部分上油脂、润滑油用完而导致微振磨损的风险。

尤其是，根据技术方案3的发明，在上述效果的基础上，把正弦波的振幅确定为比圆周率、扫描的正弦波的频率、进给轴驱动系统的空程量之积小的值，把速度参照值的大小确定为小于正弦波的振幅，因此能够测定以空程表示的非线性弹簧特性中的低刚性弹簧特性为重点的频率特性。

附图说明

图1是进行速度控制的进给轴控制装置的结构图。

图2是进行位置控制的进给轴控制装置的结构图。

图3是示出实施方式1的频率特性测定方法的流程图。

图4是示出实施方式2的频率特性测定方法的流程图。

图5是示出实施方式3的频率特性测定方法的流程图。

标号说明

1、5：减法器；2：扭矩指令运算器；3：对象系统；4、8：加法器、6：速度指令运算器；7：微分器

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

图1是示出进行速度控制的进给轴控制装置的一例的结构图。在图1中，减法器1根据速度指令值Vc与速度检测值Vd之差，计算速度偏差Vdif，速度检测值Vd是对安装在对象系统(机床等)3内的电机(机床上的伺服电机)或被驱动体(机床上的加工台等)上的位置检测器的位置检测值Pd进行微分而得的速度检测值Vd，或者是从安装在对象系统3内的电机或被驱动体上的速度检测器直接得到的速度检测值Vd。

算出的速度偏差Vdif通过扭矩指令运算器2被放大，成为扭矩指令值Tc。对象系统3使得在对象系统3内的电机中产生相当于扭矩指令值Tc的扭矩，例如经由滚珠丝杠，驱动配置在对象系统3内的被驱动体。

速度指令值Vc是加法器4对从未图示的上位装置(机床上的NC装置等)指示的速度参照值Vref和为了测定频率特性而扫描的扫描信号Vadd进行相加而算出的。

另一方面，用于实施本发明的控制结构可以是图2所示的进行位置控制的进给轴控制装置。

图2所示的减法器5计算从未图示的上位装置指示的位置指令值Pc与位置检测值Pd之差，位置检测值Pd是从安装在对象系统3内的电机或被驱动体上的位置检测器直接得到的位置检测值Pd，或者是对安装在对象系统3内的电机或被驱动体上的速度检测器的速度检测值Vd进行积分而得的位置检测值Pd。

从减法器5输出的值通过速度指令运算器6被放大，通过加法器8与速度前馈相加，从而得到速度参照值Vref，速度前馈是微分器7对位置指令值Pc进行微分而得的。关于其他的结构，与图1相同。

此处，考虑到从速度偏差Vdif及速度指令值Vc至速度检测值Vd的传递特性，能分别通过一下(1)式、(2)式表达。

Vd/Vdif＝Cv·P··(1)

Vd/Vc＝Cv·P/(1+Cv·P)··(2)

上述(1)式意味着能够根据速度偏差Vdif的频谱和速度检测值Vd的频谱，计算速度控制系的开环传递特性：Cv·P。

同样，上述(2)式意味着能够根据速度指令值Vc的频谱和速度检测值Vd的频谱，计算速度控制系的闭环传递特性：Cv·P/(1+Cv·P)。为了得到这些传递特性，赋予正弦波信号作为扫描信号Vadd即可。

以下对在上述进给轴控制装置中不产生微振磨损且不受作用于驱动系统的摩擦或空程的影响而正确地测定频率特性的方法进行说明。

[实施方式1]

图3是示出本发明的频率特性测定方法的第1实施方式的流程图。

首先，在步骤1A中，赋予速度参照值Vref，使得进给轴的移动速度固定。速度参照值Vref在图1的结构的情况下是从上位装置直接得到的，在图2的结构的情况下相当于从上位装置指示的位置指令值Pc的微分值，因此步骤1A相当于例如在机床的进给轴上通过NC程序等给予F指令。该步骤1A为移动步骤。

接着，对于赋予扫描信号Vadd的正弦波，在步骤2A中，以振幅小于速度参照值Vref的大小的方式确定振幅之后，在步骤3中，与测定的频率特性的频率范围相应地确定扫描的正弦波的频率。并且，在步骤4中，将由确定的振幅及频率形成的正弦波赋予扫描信号Vadd。即，一边使进给轴以固定的速度移动，一边用具有小于速度参照值Vref的振幅的正弦波进行施振。该步骤2A～步骤4为施振步骤。

接着，在步骤5中，计算测定的传递特性的输入输出信号的频谱。例如意味着在测定速度控制系统的闭环传递特性的情况下，分别计算作为输入信号的速度指令值Vc的频谱和作为输出信号的速度检测值Vd的频谱。该步骤5为测定步骤中的频谱计算步骤。

另外，作为频谱的计算方法，公知FFT(高速傅立叶变换)，但不限定于此。例如，已知用扫描信号Vadd进行施振的频率，因此可以是通过DFT(离散傅立叶变换)那样的方法仅提取单一频率的光谱的方法。并且，考虑实时进行运算，也能使用SDFT(滑动离散傅立叶变换)。

并且，在步骤6中，基于例如(1)式、(2)式，计算扫描的正弦波的频率的传递特性。在测定的传递特性的频率范围内，一边改变施振的正弦波的频率，一边重复执行该步骤3至步骤6的操作，直至完成测定的频率范围内的全部频率的测定，由此能够测定传递特性。从该步骤6至全部频率测定完成的步骤为测定步骤中的频率测定步骤。

这样，根据上述实施方式1的频率特性测定方法，执行如下的步骤：移动步骤(步骤1A)，以进给轴的移动速度固定的方式指示速度参照值Vref而使进给轴沿一个方向移动；施振步骤(步骤2A～步骤4)将具有小于速度参照值Vref的大小的振幅的正弦波赋予扫描信号Vadd来进行施振；测定步骤(从步骤5至全部频率测定完成)，测定包括电机的进给轴驱动系统的频率特性。由此，能够一边用扫描信号Vadd对进给轴驱动系统进行正弦波施振，一边使其始终持续沿一个方向移动。因而，不用担心在轴承或引导部分上油脂、润滑油用完而发生微振磨损，而且能够排除移动方向反转等中使控制量下降的摩擦或空程的影响，能正确地测定频率特性。

[实施方式2]

图4是示出本发明的频率特性测定方法的第2实施方式的流程图，是对第1实施方式(图3)的步骤5(频谱计算步骤)改良而得的。除此以外的步骤与实施方式1相同，因此仅说明不同的步骤。

在步骤4中，将正弦波赋予扫描信号Vadd后，在接下来的步骤5-1中，开始测定所测定的传递特性的输入输出信号，在步骤5-2中，以扫描频率的整数倍的采样频率进行重采样。但是，如果预先开始以扫描频率的整数倍的采样频率测定输入输出信号，则不需要该步骤5-2。

接着，在步骤5-3中，在分别通过输入输出信号观测重复性的时候，判断为从过渡状态转移到了稳定状态，切取输入输出信号的稳态响应数据的一个周期的量。此处，处理的输入输出信号的数据是以扫描频率的整数倍的采样频率所采样的数据，因此通过重复切取出的一个周期的数据，能够得到连续的时序数据。另外，此处切取的数据不限于一个周期的量，即使切取多个周期的量，也能够进行传递特性的运算。但是，由于仅数据量和计算量增加，几乎无助于运算精度，因此切取的数据优选一个周期的量。

接下来，在步骤5-4中，计算与输入输出信号的扫描频率对应的频谱。另外，频谱的计算方法与第1实施方式的步骤5同样地，能利用FFT(高速傅立叶变換)、DFT(离散傅立叶变换)、SDFT(滑动离散傅立叶变换)等中的任意一个，但FFT要求切取的一个周期的数据为二次幂，因此DFT或SDFT能够通用。此外，如果希望节约运算需要的时间，优选SDFT。

并且，在步骤5-5中，校正重采样导致的振幅衰减。通常，在进行了重采样的情况下，存在于原来的信号的波形的顶点的数据因重采样而缺失，波形的振幅略微减小。在步骤5-5中，例如在重采样的前后，比较与一个周期的数据对应的离散值，根据其变化量进行振幅频谱的校正。

由此，根据上述实施方式2的频率特性测定方法，在频谱计算步骤中，以扫描频率的整数倍的采样频率对输入输出信号进行重采样，切取输入输出信号的至少一个周期的稳态响应数据，计算与切取出的稳态响应数据所包括的扫描频率对应的频谱，校正重采样引起的频率特性的振幅衰减，因此能够将各频率分量的正弦波施振所需要的时间限定为稳定状态的正弦波一个周期量和达到稳定状态为止的过渡状态的极短时间。因而，能够使测定频率特性所需要的时间最短，能够抑制在轴承或引导部分上油脂、润滑油用完而导致微振磨损的风险。

[实施方式3]

图5是示出本发明的频率特性测定方法的第3实施方式的流程图，是将第1实施方式(图3)的步骤1A、步骤2A改为步骤1B、步骤2B并且将步骤5作为第2实施方式(图4)的步骤5-1～步骤5-5而得的。

首先，在步骤1B中，确定赋予扫描信号Vadd的正弦波的振幅。此处，正弦波的振幅设定为比圆周率π、正弦波的频率f、测定的进给轴驱动系统的空程量LM之积小的值。这意味着将(正弦波的振幅)/2πf设为小于LM/2，(正弦波的振幅)/2πf相当于向速度信号赋予正弦波时对其进行积分而得的位移量的振幅。另一方面，能够空程量LM看作例如从正向对该进给轴进行了定位时与从负向进行了定位时的定位误差。即，在步骤1B中，规定正弦波的振幅，使得用正弦波施振时的位移收敛在空程的范围内。

接着，在步骤2B中，以速度参照值Vref的大小小于步骤1B中确定的正弦波的振幅的方式赋予速度参照值Vref。这与步骤1A同样，相当于例如在机床的进给轴上通过NC程序等给予F指令。该步骤2B为移动步骤。另外，由于之后的步骤与第1实施方式(图3)、第2实施方式(图4)相同，故省略说明。

这样，根据上述实施方式3的频率特性测定方法，以比圆周率π、扫描的正弦波的频率f、进给轴驱动系统的空程量LM之积小的值确定正弦波的振幅，以小于所确定的正弦波的振幅的方式确定速度参照值Vref的大小，因此能够测定以空程表示的非线性弹簧特性中、低刚性弹簧特性为重点的频率特性。

另外，上述各实施方式的方法不限于各自单独地执行的情况，也能并用实施方式1～3的方法来测定频率特性。若进行这样的组合，则也能测定以空程的位移范围外可见的高刚性弹簧特性为重点的频率特性，因此能够在频率区域内评价非线性弹簧特性的低刚性弹簧特性、高刚性弹簧特性这两者。因此，对于共振特性、稳定性，能够优化考虑到了空程的特性变化(稳健性)的反馈控制器。

Claims (3)

1.一种进给轴控制装置中的频率特性测定方法，在进给轴控制装置中测定频率特性，所述进给轴控制装置根据由来自上位装置或速度指令运算器的速度参照值和为了测定频率特性而被扫描的扫描信号形成的速度指令值来驱动电机，控制被驱动体的可动部的速度或位置，

所述频率特性测定方法的特征在于，执行如下步骤：

移动步骤，以所述进给轴的移动速度固定的所述速度参照值作为指令而使所述进给轴沿一个方向移动；

振幅确定步骤，将赋予给所述扫描信号的正弦波的振幅确定为小于所述速度参照值的大小；

施振步骤，将具有通过所述振幅确定步骤确定出的振幅的正弦波赋予给所述扫描信号来进行施振；以及

测定步骤，测定包括所述电机的进给轴驱动系统的频率特性。

2.根据权利要求1所述的进给轴控制装置中的频率特性测定方法，其特征在于，

所述测定步骤包括：

频谱计算步骤，计算待测定的传递特性的输入输出信号的频谱；以及

频率测定步骤，在规定的频率范围内计算相应频率下的传递特性，

在所述频谱计算步骤中，按照扫描频率的整数倍的采样频率对所述输入输出信号进行重采样，切取所述输入输出信号的至少一个周期的稳态响应数据，计算与切取出的所述稳态响应数据所包括的扫描频率对应的频谱，校正重采样引起的频率特性的振幅衰减。

3.一种进给轴控制装置中的频率特性测定方法，在进给轴控制装置中测定频率特性，所述进给轴控制装置根据由来自上位装置或速度指令运算器的速度参照值和为了测定频率特性而被扫描的扫描信号形成的速度指令值来驱动电机，控制被驱动体的可动部的速度或位置，

所述频率特性测定方法的特征在于，执行如下步骤：

移动步骤，以所述进给轴的移动速度固定的所述速度参照值作为指令而使所述进给轴沿一个方向移动；

施振步骤，将具有规定的振幅的正弦波赋予给所述扫描信号来进行施振；以及

测定步骤，测定包括所述电机的进给轴驱动系统的频率特性，

并且，把所述正弦波的振幅确定为比圆周率、扫描的所述正弦波的频率、所述进给轴驱动系统的空程量之积小的值，把所述速度参照值的大小确定为小于所述正弦波的振幅，

所述测定步骤包括：

频谱计算步骤，计算待测定的传递特性的输入输出信号的频谱；以及

频率测定步骤，在规定的频率范围内计算相应频率下的传递特性，

在所述频谱计算步骤中，按照扫描频率的整数倍的采样频率对所述输入输出信号进行重采样，切取所述输入输出信号的至少一个周期的稳态响应数据，计算与切取出的所述稳态响应数据所包括的扫描频率对应的频谱，校正重采样引起的频率特性的振幅衰减。

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