CN107769627B - 电动机控制装置、电动机控制方法及计算机可读记录介质 - Google Patents

电动机控制装置、电动机控制方法及计算机可读记录介质 Download PDF

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Abstract

一种电动机控制装置、电动机控制方法及计算机可读记录介质，配合变更了速度控制环的增益的情况来求出适当的修正转矩。该电动机控制装置具备：速度指令部，其生成速度指令；第一速度检测器，其检测电动机的电动机速度；第二速度检测器，其检测被驱动部的速度；速度控制器，其根据速度指令和电动机速度计算转矩指令；修正转矩计算部，其将修正增益和修正滤波乘以电动机速度与被驱动部的速度之差来计算修正转矩指令；转矩控制部，其根据将转矩指令和修正转矩指令相加而得的值来控制电动机的转矩；以及设定变更部，其根据电动机控制装置的动作状况来变更速度控制器的增益，配合速度控制器增益的变更，变更修正增益和修正滤波函数中的至少一方。

Description

电动机控制装置、电动机控制方法及计算机可读记录介质
技术领域
本发明涉及电动机控制装置、电动机控制方法及计算机可读记录介质，特别涉及控制经由弹性变形部件与被驱动部结合的电动机的电动机控制装置、电动机控制方法及计算机可读记录介质。
背景技术
在机床以及工业机械等中，当电动机与机械是采用由滚珠丝杠等进给轴结合的结构时，进给轴的刚性弱，因此成为弹簧结合的状态。由于该弹簧结合，会有机械的可动部的速度与电动机的速度不一致，产生伺服控制频带下的低频共振的情况。为了抑制该低频共振，专利文献1记载以下方法，即求出机械的可动部的速度，通过与该速度和来自检测电动机转速的速度检测器的实际速度之间的差成比例的值来修正转矩指令值。
在基于机床的自动运转的加工动作中，进行切削、进给速度比切削更快的快速进给(定位)，但是在切削和快速进给中对电动机控制装置要求的控制性大大不同。与快速进给相比，影响加工质量的切削要求干扰抑制性能，有时进行速度控制器的高增益化。
专利文献1：日本特开平3-110607号公报
发明内容
本发明的目的在于提供电动机控制装置、电动机控制方法以及计算机可读取的记录介质，配合如切削和快速进给那样，电动机控制装置的动作状况发生变化，速度控制器的增益随之而变更的情况来求出适当的修正转矩。
(1)本发明的电动机控制装置为经由弹性变形部件与机械的被驱动部结合的电动机的电动机控制装置，具备：
速度指令部，其生成速度指令；
第一速度检测器，其检测上述电动机的电动机速度；
第二速度检测器，其检测上述被驱动部的速度；
速度控制器，其根据上述速度指令和上述电动机速度来计算转矩指令；
修正转矩计算部，其将修正增益和修正滤波函数乘以上述电动机速度和上述被驱动部的速度之间的偏差来计算修正转矩指令；
转矩控制部，其根据将上述转矩指令和上述修正转矩指令相加后得到的值来控制上述电动机的转矩；以及
设定变更部，其根据上述电动机控制装置的动作状况来变更上述速度控制器的增益，配合上述速度控制器的增益的变更，变更上述修正增益和上述修正滤波函数中的至少一方。
(2)在上述(1)的电动机控制装置中，上述设定变更部通过根据上述电动机控制装置的动作状况而进行的上述速度控制器的增益的变更，将上述速度控制器的传递特性设为F(s)倍，将上述修正转矩计算部的上述修正滤波函数设为F(s)倍。
(3)在上述(1)的电动机控制装置中，上述速度控制器通过根据上述电动机控制装置的动作状况而进行的增益的变更，将传递特性设为F(s)倍，
上述修正转矩计算部通过预先指定的角频率ω将修正增益设为│F(jω)│倍。
(4)在上述(3)的电动机控制装置中，上述速度控制器的传递特性的变化F(s)可以是常数A。
(5)在上述(1)的电动机控制装置中，在根据上述电动机控制装置的动作状况使上述速度控制器的增益变小时，上述修正转矩计算部可以降低上述修正增益。
(6)在上述(1)～(5)中的任意一个电动机控制装置中，上述电动机控制装置的动作状况可以是上述被驱动部的切削和快速进给中的某一个。
(7)本发明的电动机控制方法为经由弹性变形部件与机械的被驱动部结合的电动机的电动机控制装置的电动机控制方法，其中，
生成速度指令，
根据上述速度指令和上述被驱动部的速度之间的差，通过速度控制器来计算转矩指令，
将修正增益和修正滤波函数乘以上述电动机速度和上述被驱动部的速度之间的偏差来计算修正转矩指令，
根据将上述转矩指令和上述修正转矩指令相加后得到的值来控制上述电动机的转矩，
根据上述电动机控制装置的动作状况来变更上述速度控制器的增益，配合上述速度控制器的增益的变更，变更上述修正增益和上述修正滤波函数中的至少一方。
(8)在上述(7)的电动机控制方法中，可以通过根据上述电动机控制装置的动作状况而进行的上述速度控制器的增益的变更，将上述速度控制器的传递特性设为F(s)倍，将上述修正滤波函数设为F(s)倍。
(9)在上述(7)的电动机控制方法中，上述速度控制器通过根据上述电动机控制装置的动作状况而进行的增益的变更，将传递特性设为F(s)倍，
上述修正增益也可以通过预先指定的角频率ω被设为│F(jω)│倍。
(10)在上述(9)的电动机控制方法中，上述速度控制器的传递特性的变化F(s)可以是常数A。
(11)在上述(7)的电动机控制方法中，在根据上述电动机控制装置的动作状况使上述速度控制器的增益变小时，可以降低上述修正增益。
(12)在上述(7)～(11)中的任意一个电动机控制方法中，上述电动机控制装置的动作状况可以是上述被驱动部的切削和快速进给中的某一个。
(13)本发明的计算机可读取的记录介质，记录了电动机控制用程序，该电动机控制用程序使作为经由弹性变形部件与机械的被驱动部结合的电动机的电动机控制装置的计算机执行以下处理：
生成速度指令的处理；
根据上述速度指令与上述被驱动部的速度之间的差，通过速度控制器来计算转矩指令的处理；
将修正增益和修正滤波函数乘以上述电动机速度和上述被驱动部的速度之间的偏差来计算修正转矩指令的处理；
根据将上述转矩指令和上述修正转矩指令相加后得到的值来控制上述电动机的转矩的处理；
根据上述电动机控制装置的动作状况来变更上述速度控制器的增益，配合上述速度控制器的增益的变更，变更上述修正增益和上述修正滤波函数中的至少一方的处理。
根据本发明，电动机控制装置的动作状况发生变化，配合速度控制器的增益随着该变化而发生变更的情况能够求出适当的修正转矩。
附图说明
图1是用于说明成为前提技术的电动机控制装置的结构的框图。
图2是用于说明本发明的电动机控制装置的一个实施方式的结构的框图。
图3是表示PI控制器的一个结构例的框图。
图4是电动机的速度控制系统的框图。
图5是用于说明本发明的电动机控制方法的一个实施方式的流程图。
符号说明
10：速度指令部、20：速度控制部、30：转矩控制部、40：速度检测器、50：电动机、60：机械的被驱动部、70：速度检测器、80：修正转矩计算部、90：设定变更部、201：减法器、202：PI控制器、801：修正滤波器、802：修正增益部。
具体实施方式
以下，使用附图详细说明本发明的实施方式。
在说明本发明实施方式之前，说明成为前提的技术。
图1是用于说明成为前提技术的电动机控制装置的结构的框图。
如图1所示，从速度指令部10输出的速度指令被输入到速度控制器20，速度控制器20使用所输入的速度指令和所输入的电动机50的电动机速度(电动机的转速)来生成转矩指令，并将转矩指令输出给转矩控制部30。转矩控制部30根据转矩指令和来自修正转矩计算部80的修正转矩指令的相加值来控制电动机50的旋转。通过脉冲编码器等速度检测器40检测电动机50的转速并输出给速度控制器20。电动机50通过滚珠丝杠等进给轴与机械的被驱动部60结合，电动机50的旋转运动通过滚珠丝杠等进给轴被转换为被驱动部60的直线运动。通过速度检测器70检测出被驱动部60的速度(被驱动部速度)，被驱动部60的速度与通过速度检测器40检测出的速度之间的差，作为扭转速度被输入给修正转矩计算部80。修正转矩计算部80根据该差来计算修正转矩。
如已经说明的那样，在基于机床的自动运转的加工动作中，进行切削、进给速度比切削更快的快速进给(定位)，在切削和快速进给中对电动机控制装置要求的控制性大大不同。影响加工质量的切削与快速进给相比，要求干扰抑制性能，进行速度控制器的高增益化。
本发明的电动机控制装置以及电动机控制方法的实施方式，根据切削和快速进给那样的电动机控制装置的动作状况来变更速度控制器的增益和修正转矩计算部的设定。
以下，使用图2～图5说明本发明的实施方式。
图2是用于说明本发明的电动机控制装置的一个实施方式的结构的框图。对于和图1所示的电动机控制装置相同的结构部件标记相同符号并省略说明。适用本实施方式的电动机控制装置的机械是激光加工机、放电加工机、切削加工机等机床、机器人等工业机械等。
如图2所示，本实施方式的电动机控制装置作为图1所示的速度控制器20具备求出来自速度指令部10的速度指令与来自速度检测器40的电动机速度之间的差的减法器201、输入减法器20的速度偏差的比例增益Kp、积分增益Ki的比例/积分(PI)控制(Kp+Ki/s)的反馈控制器(以下称为PI控制器)202。另外，如图2所示，本实施方式的电动机控制装置作为图1所示的修正转矩计算部80具备修正滤波器801以及修正增益部802。修正滤波器801例如能够通过一阶低通滤波器构成。修正滤波器801能够将带通滤波器或高阶低通滤波器等追加到一阶低通滤波器中，或者能够使用带通滤波器或高阶低通滤波器来代替一阶低通滤波器。设置修正滤波器的目的在于提取用于抑制振动的频率的振动，并避免高频的共振成分造成的不稳定化。
图2所示的电动机控制装置还具备：设定变更部90，其变更PI控制器202的增益，并配合该变更来变更修正转矩计算部80的修正增益部802的增益、修正滤波器801中的至少一方。可以使用比例(P)控制器或比例/积分/微分(PID)控制器来代替PI控制器202。
图3是表示PI控制器的一个结构例的框图。如图3所示，PI控制器202具备比例增益部2001、积分增益部2002、积分器2003以及加法器2004。来自减法器201的速度偏差被分别输入到比例增益部2001、积分增益部2002。通过积分增益部2002放大速度偏差，通过积分器2003对被放大后的速度偏差进行积分。另外，通过比例增益部2001放大速度偏差。通过加法器2004将比例增益2001的输出与积分器2003的输出相加。积分增益2002和积分器2003的配置顺序可以相反。
PI控制器202的增益中，比例增益被设为Ap倍，积分增益被设为Ai倍。
通过以下的公式1(以下表示为数学式1)表示增益变更前的PI控制器202的增益C1(s)。
[数学式1]
C1(s)＝Kp+Ki/s
通过以下的公式2(以下表示为数学式2)表示增益变更后的PI控制器202的增益C2(s)。
[数学式2]
C2(s)＝ApKp+AiKi/s
PI控制器202的传递特性设为通过公式3(以下表示为数学式3)表示的F(s)倍。
[数学式3]
图1以及图2所示的修正转矩指令对电动机50的速度控制系统来说被视为转矩端干扰。图4是电动机50的速度控制系统的框图。
图4中，速度指令r与成为控制量(输出)的电动机速度y之间的差被输入给增益C的控制器中。在从控制器输出的与转矩指令对应的控制输入u中加入与修正转矩对应的干扰d，加入了干扰d的控制输入u被输入给成为控制对象P的电动机中。从控制对象P输出电动机速度y。
[数学式4]
通过数学式4表示与修正转矩对应的干扰d对电动机速度y的影响。
图4是一般化的控制框图，但是如果提及与图1～图3所记载的速度控制系统的关联的话，控制对象P表示包括电动机50、滚珠丝杠60以及被驱动部70的机械的从电动机转矩到电动机速度的传递特性。控制对象P的传递函数是拉普拉斯算子s的函数P(s)，但是省略记载自变量。
如以下那样推导数学式4。
图4的框图中，
[数学式5]
P(C(r-y)+d)＝y
成立。展开数学式，成为
[数学式6]
PCr-PCy+Pd＝y
移项后成为
[数学式7]
(1+PC)y＝PCr+Pd
进一步，用(1+PC)-1(不是0的公式)与数学式7相乘，成为
[数学式8]
y＝(PC/(1+PC))r+(P/(1+PC))d。
从指令r到输出y的传递特性与从干扰d到输出y的传送特性是线性，能够分别独立地讨论，所以在一般地讨论干扰特性时，可以在数学式8中设为r＝0，用数学式4的形式来讨论干扰d对输出y的影响。
如果与图2的电动机控制装置对应，则在配合速度控制器202的增益C1(s)来调整修正转矩计算部80的修正增益以及修正滤波时，速度控制器202的增益被变更为增益C2(s)，由此，y/d变更为
[数学式9]
因此，y/d变更为通过公式6(表示为数学式6)所示的倍率。
[数学式10]
原来，修正转矩用于抑制伺服控制频带下的振动，因此，1<<PC成立，所以上述公式6为1/F(S)。
因此，速度控制器的增益从C1(s)变更为C2(s)，由此，修正转矩成为1/F(s)倍。
由于该理由，会产生以下的问题：
(1)如果配合速度控制增益低的快速进给时来调整修正增益，则在速度控制增益高的切削时修正转矩不足，不能够发挥充分的振动抑制能力。
(2)如果配合速度控制增益高的切削时来调整修正增益，则在速度控制增益低的快速进给时修正转矩变得过大，控制系统不稳定化。
因此，本实施方式中如图2所示，设定变更部90根据表示切削和快速进给那样的电动机控制装置的动作状况的信号来变更PI控制器202的增益，并且设定变更部90配合该变更来变更修正转矩计算部80的修正增益部802的增益、修正滤波器801中的至少一方。设定变更部90也可以根据来自速度指令部10的速度指令来判断切削和快速进给那样的电动机控制装置的动作状况，并变更修正转矩计算部80的修正增益部802的增益、修正滤波器801中的至少一方。
设定变更部90作为变更修正增益部802的增益的情况的一例，设定变更部90在将PI控制器202的传递特性设为F(s)倍时，将修正转矩计算部80的修正滤波器801设为F(s)倍。这里，设定变更部90将修正滤波器设为F(s)倍，但是将修正转矩计算部80的整体传递特性设为F(s)倍即可，设定变更部90也可以将修正增益部802的增益设为F(s)倍。例如，在通过G(s)表现原来的修正滤波器的传递函数时，当修正滤波器被设为F(s)倍时，修正滤波器801的传递函数通过设定变更部90从G(s)变为G(s)*F(s)。
另外，根据原来用于抑制低频振动的扭转速度来计算修正转矩。因此，其波形是正弦波状，仅振动频率成分是重要的。因此，将PI控制器202的增益变更倍率F(s)中相当于振动角频率ω的值│F(jω)│乘以修正转矩计算部80的修正增益部802的增益，由此能够确保同等的振动抑制能力。此时，不需要在意修正滤波器801的追加造成的计算量的增加。
另外，切削和快速进给中的PI控制器202的修正增益部802的增益变更也可以是简单的。例如，当比例增益部2001的增益、积分增益部2002的增益双方为常数A倍时，修正转矩计算部80的修正增益部802的增益倍率也成为常数A倍，不需要计算修正滤波器801的倍率F(s)。
到此为止，说明了通过切削和快速进给双方将振动抑制能力设为最大的结构。但是，在对切削面没有影响的快速进给时，振动抑制能力不是很重要。因此考虑只有在速度增益低的快速进给时将修正转矩设为关(OFF)。将快速进给时的振动抑制设为关(OFF)，降低修正增益(最好将修正增益设为0)，由此能够实现伺服调整的简单化。
图5是用于说明本发明的电动机控制方法的一个实施方式的流程图。如图5所示，在步骤S101速度指令部10生成速度指令，在步骤S102根据电动机控制装置的动作状况，由设定变更部90来变更速度控制器20的增益的设定以及修正转矩计算部80的设定。例如，根据切削和快速进给那样的速度指令的速度的不同，设定变更部90变更速度控制器20的增益的设定以及修正转矩计算部80的修正增益和修正滤波中的至少一方的设定。接着，速度检测部40在步骤S103检测电动机的速度，并且速度控制器20在步骤S104根据速度指令和电动机速度来生成转矩指令。然后，转矩控制部30在步骤S105将转矩指令和修正转矩指令相加，并根据该相加值来控制电动机50。
以上，说明了本发明的实施方式，但是电动机控制装置能够通过硬件、软件或它们的组合来实现其功能的全部或一部分。这里，通过软件实现是指通过计算机读入程序并执行来实现的意思。通过硬件构成时，例如能够通过LSI(Large Scale Integrated Circuit大规模集成电路)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit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)来构成电动机控制装置的一部分或全部。
通过软件实现时，电动机控制装置的一部分或全部通过包括CPU、存储了程序的硬盘、ROM等存储部的计算机来构成，能够通过程序执行。具体地说，按照图2的框图以及沿着图5的流程图的程序，在RAM等第二存储部中存储计算所需要的信息并执行处理，由此通过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CD-ROM、DVD、闪存等外部存储介质读入到硬盘等存储部中。
可以使用各种类型的计算机可读取的记录介质(computer readable storagemedium)来存储程序，提供给计算机。计算机可读介质包括各种类型的有实体的记录介质(tangible storage medium有形存储介质)。计算机可读介质包括非暂时的计算机可读取的记录介质(non-transitory computer readable storage medium)。计算机可读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(例如掩模ROM、PROM(Programmable可编程ROM)、EPROM(Erasable可擦除PROM)、闪存ROM、RAM(random accessmemory随机存取存储器))。
以上，说明了本发明的各个实施方式以及各个实施例，但是本发明不限定于上述的各个实施方式以及各个实施例，只要是本领域技术人员，就能够根据要求专利保护的范围的记载内容，在不脱离本发明的主旨的范围内变更、变形为各种方式，这些变形例或变更例也属于本发明的权利范围。

Claims (11)

1.一种电动机控制装置，是经由弹性变形部件与机械的被驱动部结合的电动机的电动机控制装置，其特征在于，
该电动机控制装置具备：
速度指令部，其生成速度指令；
第一速度检测器，其检测上述电动机的电动机速度；
第二速度检测器，其检测上述被驱动部的速度；
速度控制器，其根据上述速度指令和上述电动机速度来计算转矩指令；
修正转矩计算部，其将修正增益和修正滤波函数乘以上述电动机速度与上述被驱动部的速度之间的偏差来计算修正转矩指令；
转矩控制部，其根据将上述转矩指令和上述修正转矩指令相加后得到的值来控制上述电动机的转矩；以及
设定变更部，其根据上述电动机控制装置的动作状况来变更上述速度控制器的增益，配合上述速度控制器的增益的变更，变更上述修正增益和上述修正滤波函数中的至少一方，
上述动作状况是上述被驱动部的切削和快速进给中的某一个。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
上述设定变更部通过根据上述电动机控制装置的动作状况进行的上述速度控制器的增益的变更，将上述速度控制器的传递特性设为F(s)倍，将上述修正转矩计算部的上述修正滤波函数设为F(s)倍。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
上述速度控制器通过根据上述电动机控制装置的动作状况进行的增益的变更，将传递特性设为F(s)倍，
上述修正转矩计算部通过预先指定的角频率ω将修正增益设为│F(jω)│倍。
4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，
上述速度控制器的传递特性的变化F(s)是常数A。
5.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
在根据上述电动机控制装置的动作状况使上述速度控制器的增益变小时，上述修正转矩计算部降低上述修正增益。
6.一种电动机控制方法，是经由弹性变形部件与机械的被驱动部结合的电动机的电动机控制装置的电动机控制方法，其特征在于，
生成速度指令，
根据上述速度指令与上述被驱动部的速度之间的差，通过速度控制器来计算转矩指令，
将修正增益和修正滤波函数乘以上述电动机的电动机速度与上述被驱动部的速度之间的偏差来计算修正转矩指令，
根据将上述转矩指令和上述修正转矩指令相加后得到的值来控制上述电动机的转矩，
根据上述电动机控制装置的动作状况来变更上述速度控制器的增益，配合上述速度控制器的增益的变更，变更上述修正增益和上述修正滤波函数中的至少一方，
上述动作状况是上述被驱动部的切削和快速进给中的某一个。
7.根据权利要求6所述的电动机控制方法，其特征在于，
通过根据上述电动机控制装置的动作状况进行的上述速度控制器的增益的变更，将上述速度控制器的传递特性设为F(s)倍，将上述修正滤波函数设为F(s)倍。
8.根据权利要求6所述的电动机控制方法，其特征在于，
上述速度控制器通过根据上述电动机控制装置的动作状况进行的增益的变更，将传递特性设为F(s)倍，
上述修正增益通过预先指定的角频率ω被设为│F(jω)│倍。
9.根据权利要求8所述的电动机控制方法，其特征在于，
上述速度控制器的传递特性的变化F(s)是常数A。
10.根据权利要求6所述的电动机控制方法，其特征在于，
在根据上述电动机控制装置的动作状况使上述速度控制器的增益变小时，降低上述修正增益。
11.一种计算机可读取的存储介质，其记录了电动机控制用程序，其特征在于，
该电动机控制用程序使作为经由弹性变形部件与机械的被驱动部结合的电动机的电动机控制装置的计算机执行以下处理：
生成速度指令的处理；
根据上述速度指令与上述被驱动部的速度之间的差，通过速度控制器来计算转矩指令的处理；
将修正增益和修正滤波函数乘以上述电动机的电动机速度与上述被驱动部的速度之间的偏差来计算修正转矩指令的处理；
根据将上述转矩指令和上述修正转矩指令相加后得到的值来控制上述电动机的转矩的处理；以及
根据上述电动机控制装置的动作状况来变更上述速度控制器的增益，配合上述速度控制器的增益的变更，变更上述修正增益和上述修正滤波函数中的至少一方的处理，
上述动作状况是上述被驱动部的切削和快速进给中的某一个。
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