CN107589664B - 伺服控制装置以及伺服控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种伺服控制装置以及伺服控制方法，在控制系统中存在延迟时间时提高响应性，其具备：速度指令生成部，其生成用于驱动伺服电动机的速度指令值；速度检测部，其检测伺服电动机的速度；以及扭矩指令生成部，其使用速度指令值与速度检测值之间的差值来生成向伺服电动机的扭矩指令值，扭矩指令生成部具有分别输入差值的积分增益部和比例增益部，积分增益和比例增益是针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以机械的负载惯量相对于伺服电动机的转子惯量的比而得到的值分别进一步乘以积分增益倍率和比例增益倍率而得到的增益，根据速度控制环的延迟时间使积分增益倍率为小于比例增益倍率的平方的值。

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。
背景技术
伺服电动机用于驱动进给轴的用途等。控制伺服电动机的速度的速度控制环一般采用PID控制，包含比例增益和积分增益，根据情况还包含微分增益。
速度控制环增益的最佳值不仅取决于单个电动机，还取决于与伺服电动机相连接的机械的特性(负载惯量比和共振频率等)。
伺服电动机作为各种机械的驱动轴等来使用，因此无法预先决定最佳值。因此，决定速度控制环增益的初始值，使得成为单个电动机的响应性，并且对速度控制环增益进行调整，通过对其初始值乘以常数来获得与机械相符合的响应性。针对每个电动机决定速度控制环增益的初始值，使得速度控制环成为作为单个电动机的响应性。
例如，专利文献1公开了在控制系统中不存在延迟时间时，为了一边将衰减特性保持为恒定一边增大响应性，将积分增益以比例增益倍率的平方的方式来增大。
但是，在速度控制环中，存在位于速度控制环内侧的电流控制环的响应性导致的延迟、速度检测器的通信延迟、速度控制环的计算周期导致的延迟等延迟。因此，在将积分增益以比例增益倍率的平方的方式来增大时，速度增益被仅基于积分增益的界限而限制，无法充分提高比例增益。
专利文献1：日本特开平6-319284号公报(段落0109-0117等)
发明内容
本发明的目的在于提供一种伺服控制装置以及伺服控制方法，在控制系统中存在延迟时间时，能够根据延迟时间对积分增益乘以适当的倍率来提高响应性。
(1)本发明的伺服电动机控制装置具备：
速度指令生成部，其生成用于驱动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；以及
扭矩指令生成部，其使用所述速度指令生成部生成的速度指令值与所述速度检测部检测出的速度检测值之间的差值来生成向所述伺服电动机的扭矩指令值，
速度控制环具有所述速度检测部和所述扭矩指令生成部，
所述扭矩指令生成部具有分别输入所述差值的积分增益部和比例增益部，
所述积分增益部的积分增益和所述比例增益部的比例增益是针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以系数而得到的值分别进一步乘以积分增益倍率和比例增益倍率而得到的增益，所述系数是使用了机械的负载惯量相对于所述伺服电动机的转子惯量的比的系数，根据所述速度控制环的延迟时间使所述积分增益倍率为小于所述比例增益倍率的平方的值。
(2)在上述(1)的伺服电动机控制装置中，所述积分增益倍率可以是所述比例增益倍率的β次方，该β可以是根据所述速度控制环的延迟时间取大于等于1小于2的值的常数。
(3)在上述(2)的伺服电动机控制装置中，可以使用所述速度控制环的延迟时间τ和常数α来使所述常数β为β＝2－ατ。
(4)在上述(1)至(3)中的任意一项的伺服电动机控制装置中，可以具备：
位置指令生成部，其生成所述伺服电动机的位置指令值；以及
位置检测部，其检测所述伺服电动机的位置，
所述速度指令生成部使用所述位置指令生成部生成的位置指令值与所述位置检测部检测出的位置检测值之间的差值来生成速度指令值。
(5)本发明的伺服电动机控制方法具备如下步骤：速度指令值生成步骤，其生成用于驱动伺服电动机的速度指令值；速度检测步骤，其检测所述伺服电动机速度；以及扭矩指令值生成步骤，其使用生成的速度指令值与检测出的速度检测值之间的差值来生成向所述伺服电动机的扭矩指令值，在根据该扭矩指令值控制所述伺服电动机的伺服电动机控制装置的伺服电动机控制方法中，在速度控制环中至少执行所述速度检测步骤和所述扭矩指令生成步骤，所述扭矩指令生成步骤包含对所述差值分别乘以积分增益和比例增益的步骤，所述积分增益和所述比例增益是针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以系数而得到的值分别进一步乘以积分增益倍率和比例增益倍率而得到的，所述系数是使用了机械的负载惯量相对于所述伺服电动机的转子惯量的比的系数，根据所述速度控制环的延迟时间使所述积分增益倍率为小于所述比例增益倍率的平方的值。
(6)在上述(5)的伺服电动机控制方法中，所述积分增益倍率可以是所述比例增益倍率的β次方，该β可以是根据所述速度控制环的延迟时间取大于等于1小于2的值的常数。
(7)在上述(6)的伺服电动机控制方法中，可以使用所述速度控制环的延迟时间τ和常数α来使所述常数β为β＝2－ατ。
(8)在上述(5)至(7)中的任意一项的伺服电动机控制方法中，也可以具备如下步骤：
位置指令生成步骤，其生成所述伺服电动机的位置指令值；以及
位置检测步骤，其检测所述伺服电动机位置，
所述速度指令生成步骤使用所述位置指令生成部生成的位置指令值与所述位置检测部检测出的位置检测值之间的差值来生成速度指令值。
通过本发明，在控制系统中延迟时间存在时，能够根据延迟时间对积分增益乘以适当的倍率来提高响应性。
(9)本发明的伺服电动机控制用程序使作为用于控制伺服电动机的伺服电动机控制装置的计算机执行以下处理：
速度指令值生成处理，生成用于驱动伺服电动机的速度指令值；
速度检测处理，检测所述伺服电动机的速度；以及
扭矩指令值生成处理，使用生成的所述速度指令值与检测出的速度检测值之间的差值来生成向所述伺服电动机的扭矩指令值，
速度控制环至少具有所述速度检测处理和所述扭矩指令生成处理，
所述扭矩指令值生成处理对于所述差值分别乘以积分增益和比例增益，
所述积分增益和所述比例增益是针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以系数而得到的值分别进一步乘以积分增益倍率和比例增益倍率而得到的，所述系数是使用了机械的负载惯量相对于所述伺服电动机的转子惯量的比的系数，根据所述速度控制环的延迟时间使所述积分增益倍率为小于所述比例增益倍率的平方的值。
通过本发明，当在速度控制环中存在延迟时间时，能够通过根据延迟时间对积分增益乘以适当的倍率来提高响应性。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的伺服电动机控制装置以及伺服电动机的框图。
图2是表示图1所示的伺服电动机控制装置的动作的流程图。
图3是表示求出速度增益的方法的流程图。
图4是表示速度指令生成部、位置检测部、位置指令生成部以及伺服电动机的框图。
图5是在控制系统中延迟时间完全不存在时的控制系统的框图，其中，Kt为扭矩常数，J＝Jm+JL为总惯量，Jm为转子惯量，JL为机械的负载惯量。
图6是表示值β与延迟时间τ之间关系的特性图。
符号的说明
10：伺服电动机
20：速度检测部
30：速度指令生成部
40：扭矩指令生成部
50：减法运算器
60：位置检测部
70：位置指令生成部
80：减法运算器
401：比例增益部
402：积分增益部
403：积分器
404：延迟检测部
405：增益控制部
406：减法运算器
具体实施方式
以下，使用附图来详细说明本发明的一实施方式。
对于在速度控制环中不存在延迟时间时的成为本发明实施方式的前提的技术进行说明。
以往因为机械的刚性不高这一点以及用于避免高频的机械共振的滤波技术不足这一点，所以与速度控制环增益的初始值相乘的倍率没有设定得那么高。
但是，由于机械的刚性增高，且用于避免机械共振的滤波技术的提升，与速度控制环增益的初始值相乘的倍率增高。
当在控制系统中完全不存在延迟时间时，控制系统的框图是图5所示的框图。
从干扰d到输出y的传递函数为算式1(如算式1所示)。
[算式1]
Figure BDA0001340157270000051
当积分增益ki和比例增益kp通过截止频率ωn和衰减系数ξ来表示时，成为算式2(如算式2所示)。
[算式2]
Figure BDA0001340157270000052
Figure BDA0001340157270000053
算式2能够变形为算式3(如算式3所示)。
[算式3]
Figure BDA0001340157270000061
Figure BDA0001340157270000062
针对每个电动机模型，通过某个基准的响应性来预先决定积分增益的初始值和比例增益的初始值。积分增益的初始值如以下的算式4(如算式4所示)那样来决定，比例增益的初始值如数据5(如算式5所示)那样来决定。
[算式4]
Figure BDA0001340157270000063
[算式5]
Figure BDA0001340157270000064
以前通过将比例增益和积分增益以相同倍率提高来进行速度控制环的调整。如果因为考虑负载惯量比这样是可以的，但是在通过这还调整响应性时，会有衰减特性因增益倍率而改变的课题。另外，因为速度增益的界限只被比例增益限制，因此无法提高积分增益。
当在速度控制环中不存在延长时间时，如已说明的那样，在专利文献1中为了一边将衰减特性保持为恒定一边增大响应性，将积分增益以比例增益倍率的平方的方式进行增大。
但是，因为存在位于速度控制环内侧的电流控制环的响应性导致的延迟、速度检测器的通信延迟、速度控制环的计算周期导致的延迟等的延迟，所以在将积分增益以比例增益倍率的平方的方式进行增大时，速度增益被仅基于积分增益的界限而限制，无法充分提高比例增益。
以下，使用附图来详细说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的一个实施方式的伺服电动机控制装置以及伺服电动机的框图。图1所示的伺服电动机控制装置具备检测伺服电动机10的转速并输出速度值的速度检测部20、生成并输出针对伺服电动机10的速度指令的速度指令生成部30、扭矩指令生成部40、以及求出速度指令值与速度值之间的差值的减法运算器50。扭矩指令生成部40具备与减法运算器50连接的比例增益部401以及积分增益部402、与积分增益部402连接的积分器403、使用速度指令和检测出的速度来检测由于速度控制环产生的延迟时间的延迟检测部404、调整比例增益部401和积分增益部402的增益的增益控制部405、以及将比例增益部401的输出与积分器403的输出相加，并将相加值作为扭矩指令输出到伺服电动机10的加法运算器406。积分增益部402对输入乘以系数，积分器403对积分增益部402的输出进行积分。比例增益部401对输入乘以系数。增益控制部405根据检测出的延迟时间来控制积分增益部402，以使积分增益倍率为小于比例增益倍率的平方的值。伺服电动机10驱动机床、工业机械的轴。
在速度控制环中存在延迟时间时，可知如果将积分增益倍率增以比例增益倍率的平方的方式增大，则随着增大倍率积分增益变得过剩。在积分增益变得过剩时，超调量变大，并变得振荡。本发明的发明人发现通过根据延迟时间对积分增益乘以比比例增益倍率的平方小的值，能够不怎么改变衰减特性地提高响应性。
为了使积分增益倍率为比比例增益倍率的平方小的值，在本实施方式中，通过(积分增益倍率)＝(比例增益倍率)β(1≤β＜2)的算式来求出积分增益倍率。但是，本实施方式所示的这些方法是一个例子，也可以通过其他方法使积分增益倍率成为小于比例增益倍率的平方的值。值β能够使用在速度控制环产生的延迟时间来决定。如以上说明的那样，在速度控制环产生的延迟时间是由于电流控制环的响应性导致的延迟、速度检测器的通信延迟、速度控制环的计算周期导致的延迟等而产生的，但是该延迟由电动机特性和构成速度控制环的电路的特性来决定，能够预先决定。因此，还能够预先决定值β。
在本实施方式中考虑在速度控制环产生的延迟时间的变动，使用速度指令和检测出的速度，由延迟检测部404检测在速度控制环产生的延迟时间。可通过测定反馈的速度相对于速度指令的延迟时间来检测在速度控制环产生的延迟时间。在预先决定值β的情况下，不需要图1的延迟检测部404。
在将积分增益倍率以比例增益倍率的β次方的方式增大时，能够通过算式6(如算式6所示)来表示积分增益ki以及比例增益kp。
[算式6]
Figure BDA0001340157270000081
Figure BDA0001340157270000082
根据本发明的发明人的见解，如上述算式6那样，能够通过积分增益倍率＝比例增益倍率的β次方(1≤β＜2)的算式来求出积分增益倍率。另外，根据本发明的发明人的见解，能够使用延迟时间τ和常数α，通过成为β＝2－ατ的一次函数来表示值β。能够使用该关系，根据延迟时间τ求出值β。常数α为固定值，能够取α＝0.25附近的值。值β与延迟时间τ之间的关系的一个例子如图6的特性图所示。
如算式3、算式6所示，比ωn/ωn0为速度增益倍率VG。比例增益倍率为速度增益倍率VG(VG＝ωn/ωn0)，积分增益倍率为速度增益倍率VG的β次方(VGβ＝(ωn/ωn0)β)。积分增益倍率的减法运算量和值β能够在出货时预先决定。速度增益倍率VG由于受到机械特性的影响，因此无法在出货时预先决定，所以根据与伺服电动机相连接的机床等的特性来适当设定。
图2是表示图1所示的伺服电动机控制装置的动作的流程图。
首先，在步骤S101中，速度指令生成部30生成速度指令，并在步骤S102中速度检测部20检测速度。接着，在步骤S103中，针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以使用了机械的负载惯量相对于转子惯量的比的系数(1+JL/Jm)(在图2的步骤S103中，表示为负载惯量比)，然后分别乘以调整后的积分增益倍率和比例增益倍率来求出积分增益和比例增益。接着，在步骤S104中，减法运算器50求出速度指令值与速度值的差值，使用该差值，通过加法运算器406将针对积分增益部402的输出值进行了积分的积分器403的输出值与比例增益部401的输出值进行相加来生成并输出扭矩指令。
图3是表示求出速度增益的方法的流程图。根据电动机特性和构成速度控制环的电路的特性求出值β(步骤S201)。接着，判断是否具有增益的稳定裕度(步骤S202)。在具有稳定裕度时增大速度增益倍率(步骤S203)，并返回到步骤S202。在没有稳定裕度时维持最初设定的速度增益倍率。
图4是表示速度指令生成部、位置检测部、位置指令生成部以及伺服电动机的框图。
位置指令生成部70生成位置指令，位置检测部60检测伺服电动机10的旋转的位置。减法运算器80求出位置指令值与位置的差值，将该差值输入到位置控制增益部301和微分部302。加法运算器304把对于微分部302的输出乘以系数的系数部303的输出与位置控制增益部301的输出的相加值作为速度指令进行输出。
以上，对于本发明的实施方式进行了说明，伺服电动机控制装置的功能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取并执行程序来实现。当由硬件构成时，例如，如图1以及图4所示，伺服控制装置的速度指令生成部30以及扭矩指令生成部40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。
在通过软件来实现时，伺服电动机控制装置的一部分或全部由包含CPU、存储了程序的硬盘、ROM等存储部的计算机构成。然后，根据按照图1的框图以及图2、图3的流程图的程序，能够将CPU运算所需要的信息存储到RAM等第二存储部，通过执行处理来由程序执行伺服电动机控制装置的一部分或全部的动作。程序能够从记录了程序的计算机可读取的记录介质读入到硬盘等存储部。
程序能够使用各种类型的计算机可读取的记录介质(Computer ReadableMedium，计算机可读介质)来存储，并供给到计算机。另外，计算机可读取的记录介质包含各种类型的具有实体的记录介质(Tangible Storage Medium，有形存储介质)。作为计算机可读取的记录介质的例子，包含磁记录介质(例如，软磁盘、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，掩模ROM、PROM(Programmable ROM，可编程ROM)、EPROM(Erasable PROM，可擦写PROM)、闪存ROM、RAM(Random Access Memory，随机存储存储器))。
以上，说明了本发明的各实施方式以及各实施例，但是本发明并不限于上述的各实施方式以及各实施例，本领域技术人员能够基于权利要求范围的记载内容，在不脱离本发明宗旨的范围内以各种方式进行变形、变更，这些变形例或变更例也属于本发明的权利要求范围。

Claims (5)

1.一种伺服电动机控制装置，其特征在于，具备：
速度指令生成部，其生成用于驱动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；以及
扭矩指令生成部，其使用所述速度指令生成部生成的速度指令值与所述速度检测部检测出的速度检测值之间的差来生成向所述伺服电动机的扭矩指令值，
速度控制环具有所述速度检测部和所述扭矩指令生成部，
所述扭矩指令生成部具有分别输入所述差的积分增益和比例增益，
所述积分增益和所述比例增益是针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以系数而得到的值分别进一步乘以积分增益倍率和比例增益倍率而得到的增益，所述系数是使用了机械的负载惯量相对于所述伺服电动机的转子惯量的比的系数，
根据所述速度控制环的延迟时间使所述积分增益倍率为小于所述比例增益倍率的平方的值，
所述积分增益倍率是所述比例增益倍率的β次方，该β是根据所述速度控制环的延迟时间取大于等于1小于2的值的常数，
使用所述速度控制环的延迟时间τ和常数α来使所述常数β为β＝2－ατ。
2.根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，具备：
位置指令生成部，其生成所述伺服电动机的位置指令值；以及
位置检测部，其检测所述伺服电动机的位置，
所述速度指令生成部使用所述位置指令生成部生成的位置指令值与所述位置检测部检测出的位置检测值之间的差来生成速度指令值。
3.一种伺服电动机控制装置的伺服电动机控制方法，其具备如下步骤：
速度指令生成步骤，生成用于驱动伺服电动机的速度指令值；
速度检测步骤，检测所述伺服电动机的速度；以及
扭矩指令生成步骤，使用生成的所述速度指令值与检测出的速度检测值之间的差来生成向所述伺服电动机的扭矩指令值，
所述伺服电动机控制装置根据该扭矩指令值控制所述伺服电动机，
其特征在于，
在速度控制环中至少执行所述速度检测步骤和所述扭矩指令生成步骤，
所述扭矩指令生成步骤包含对所述差分别乘以积分增益和比例增益的步骤，
所述积分增益和所述比例增益是针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以系数而得到的值分别进一步乘以积分增益倍率和比例增益倍率而得到的增益，所述系数是使用了机械的负载惯量相对于所述伺服电动机的转子惯量的比的系数，
根据所述速度控制环的延迟时间使所述积分增益倍率为小于所述比例增益倍率的平方的值，
所述积分增益倍率是所述比例增益倍率的β次方，该β是根据所述速度控制环的延迟时间取大于等于1小于2的值的常数，
使用所述速度控制环的延迟时间τ和常数α来使所述常数β为β＝2－ατ。
4.根据权利要求3所述的伺服电动机控制方法，其特征在于，具备如下步骤：
位置指令生成步骤，生成所述伺服电动机的位置指令值；以及
位置检测步骤，检测所述伺服电动机的位置，
所述速度指令生成步骤使用在所述位置指令生成步骤生成的位置指令值与在所述位置检测步骤检测出的位置检测值之间的差来生成速度指令值。
5.一种存储有伺服电动机控制用程序的存储介质，其特征在于，所述伺服电动机控制用程序使作为用于控制伺服电动机的伺服电动机控制装置的计算机执行以下处理：
速度指令生成处理，生成用于驱动所述伺服电动机的速度指令值；
速度检测处理，其检测所述伺服电动机的速度；以及
扭矩指令生成处理，其使用生成的所述速度指令值与检测出的速度检测值之间的差来生成向所述伺服电动机的扭矩指令值，
在速度控制环中至少执行所述速度检测处理和所述扭矩指令生成处理，
所述扭矩指令生成处理对所述差分别乘以积分增益和比例增益，
所述积分增益和所述比例增益是针对为每个电动机模型预先决定的初始值乘以系数而得到的值分别进一步乘以积分增益倍率和比例增益倍率而得到的增益，所述系数是使用了机械的负载惯量相对于所述伺服电动机的转子惯量的比的系数，
根据所述速度控制环的延迟时间使所述积分增益倍率为小于所述比例增益倍率的平方的值，
所述积分增益倍率是所述比例增益倍率的β次方，该β是根据所述速度控制环的延迟时间取大于等于1小于2的值的常数，
使用所述速度控制环的延迟时间τ和常数α来使所述常数β为β＝2－ατ。
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