CN108233777A - 电动机的控制装置、缝纫机及电子部件安装装置 - Google Patents

电动机的控制装置、缝纫机及电子部件安装装置 Download PDF

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Abstract

本发明抑制振动而进行电动机的同步控制。在针对同步地驱动的两个电动机(105、109)进行基于2阶哈达玛矩阵而分解为和动模式和差动模式的虚拟模式控制的电动机控制装置(10)中，其特征在于，具有第一干扰观测器(11)和第二干扰观测器(12)，该第一干扰观测器(11)针对向两个电动机(105、109)内的一个电动机(105)的输入，输出用于抑制干扰的补偿值，该第二干扰观测器(12)针对该差动模式的指令值，输出用于抑制干扰的补偿值。

Description

电动机的控制装置、缝纫机及电子部件安装装置
技术领域
本发明涉及双轴电动机的同步控制装置、缝纫机及电子部件安装装置。
背景技术
将双轴电动机的驱动同步地进行，使相关的两个机构的动作同步地执行这样的要求当前在机械控制的领域中大量存在。
例如，在电子部件搭载装置中使用的现有的龙门架型XY定位装置采用下述结构，即，对于头部的向Y轴方向的移动而具有左右1对平行地配置的Y轴驱动部，通过在其上设置的X轴驱动部而进行头部的向X轴方向的移动。
而且，X轴驱动部和两个Y轴驱动部分别由旋转型电动机+同步带(链)或滚珠丝杠等构成，各轴驱动部的电动机基于由指令发生部产生而由各电动机控制部接收到的指令，进行电动机控制而进行定位。
在上述这样的龙门架型XY型定位装置中，对左右1对Y轴驱动部的电动机而言，需要两轴同步地移动。
但是，两个Y轴驱动部经由X轴驱动部而对头部进行输送，因此由于头部的X轴方向的移动而使重心移动，两个Y轴驱动部的电动机受到的负载的平衡变化，由于该原因而导致在左右的Y轴驱动部产生偏差，产生下述问题，即，对定位精度、定位时间造成不良影响。
为了应对如上所述的在两个电动机中分别产生的负载的变动，设置有干扰观测器，该干扰观测器构成具有虚拟模式和实体模式的控制系统，在各电动机的实体模式中分别对干扰转矩进行推定，该虚拟模式将两个电动机分解为和动轴和差动轴而虚拟地作为一个电动机进行控制，该实体模式对各电动机分别进行控制(例如，参照专利文献1的图20)。
由此，实现了对在两个电动机中分别产生的干扰的影响进行抑制，并减小两个电动机的偏差。
专利文献1：日本专利5084232号公报
在上述现有的电动机控制装置中，为了提高针对干扰的响应性，需要提高干扰观测器的增益。
另一方面，如果提高干扰观测器的增益，则在共振频率低的驱动系统中，存在容易产生振动的缺点。
而且，在对两个电动机进行控制的上述现有的电动机控制装置中，如果两个电动机各自的干扰观测器的增益的差变大，则在产生干扰时偏差变大，因此无法仅减小单个电动机的干扰观测器的增益，必须减小两者的增益，因此存在无法充分地抑制针对干扰的影响这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够对两个电动机进行控制，抑制振动的发生，并减小干扰的影响的电动机控制装置、缝纫机及电子部件安装装置。
技术方案1记载的发明是电动机控制装置，
其针对同步地驱动的两个电动机，进行基于2阶哈达玛矩阵而分解为和动模式和差动模式的虚拟模式控制，
该电动机控制装置的特征在于，具有：
第一干扰观测器，其针对向所述两个电动机内的一个电动机的输入，输出用于抑制干扰的补偿值；以及
第二干扰观测器，其针对所述差动模式的指令值，输出用于抑制干扰的补偿值。
技术方案2记载的发明是缝纫机，其特征在于，
具有：
技术方案1记载的电动机控制装置；以及
两个电动机，它们同步地驱动，
所述电动机控制装置针对所述两个电动机，进行基于2阶哈达玛矩阵而分解为和动模式和差动模式的所述虚拟模式控制。
技术方案3记载的发明是电子部件安装装置，其特征在于，
具有：
技术方案1记载的电动机控制装置；以及
两个电动机，它们同步地驱动，
所述电动机控制装置针对所述两个电动机，进行基于2阶哈达玛矩阵而分解为和动模式和差动模式的所述虚拟模式控制。
发明的效果
本发明具有：第一干扰观测器，其针对向两个电动机内的一个电动机的输入，输出用于抑制干扰的补偿值；以及第二干扰观测器，其针对差动模式的指令值，输出用于抑制干扰的补偿值。
因此，在针对一个电动机和另一个电动机进行同步控制的情况下，向差动模式位置指令输入0，以使得双轴偏差成为0，因此输入至第二干扰观测器的值整体地变小。因此，即使将第二干扰观测器的观测器增益的值设定得比以往大，也能够对另一个电动机侧的振动的发生进行抑制。
因此，在将一个电动机设为共振频率比另一个电动机高的振动系统的情况下，无需将第一干扰观测器的观测器增益与第二干扰观测器的观测器增益相匹配地变小，能够将各个增益的值设定得更大。
由此，电动机控制装置能够针对一个电动机和另一个电动机各自的驱动系统抑制振动，收敛干扰的影响，实现鲁棒性的提高。
附图说明
图1是搭载有电动机控制装置的缝纫机的概略图。
图2是电动机控制装置的线框图。
图3是第二干扰观测器的线框图。
图4是第一干扰观测器的线框图。
图5是表示在通过本发明所涉及的电动机控制装置进行了同步控制的情况下的上轴和下轴之间产生的偏差的线图。
图6是表示在通过对比例的电动机控制装置进行了同步控制的情况下的上轴和下轴之间产生的偏差的线图。
图7是搭载有电动机控制装置的电子部件安装装置的概略图。
标号的说明
10 电动机控制装置
11 第一干扰观测器
12 第二干扰观测器
100 缝纫机
104 上轴
105 上电动机
107 下轴
109 下电动机
110、111 旋转编码器
200 电子部件安装装置
277 第一Y轴电动机
278 第二Y轴电动机
G1、G2 观测器增益
S 真实空间
V 虚拟空间
推定加速度补偿值
和动模式加速度参照值
差动模式加速度指令
差动模式加速度参照值
加速度参照值
加速度参照值
和动模式速度指令
差动模式速度指令
速度偏差
速度响应值
速度响应值
速度响应值
和动模式位置指令
差动模式位置指令
θm 位置响应值
推定值
推定值
τdis1 负载转矩
具体实施方式
[发明的实施方式的概略]
作为发明的实施方式而例示搭载有电动机控制装置10的缝纫机100。
该缝纫机100如图1所示，具有：针棒上下移动机构103，其由使在下端部对缝针101进行保持的针棒102进行上下移动的曲柄机构构成；上轴104，其对针棒上下移动机构103赋予动力；上电动机105，其进行上轴104的旋转驱动；釜106，其具有从下降的缝针101对上线进行捕捉的尖端；下轴107，其对釜106赋予旋转力；传递机构108，其设置在下轴107和釜106之间；以及下电动机109，其进行下轴107的旋转驱动，电动机控制装置10进行上电动机105及下电动机109的同步驱动控制。
设置在下轴107和釜106之间的传递机构108是通过齿轮实现的增速机构，将上轴104的二倍的旋转传递至釜106。
釜106如上所述，相对于针棒102的上下的往复动作而以二倍速度旋转，如果相对于下降的缝针101而没有在准确的定时使尖端在其横向经过，则无法对上线进行捕捉。
而且，上轴104和下轴107均水平且平行地配置，它们进行同步旋转。
由此，要求上电动机105和下电动机109同步地旋转，以偏差变得更小的方式进行旋转驱动。
但是，上电动机105在使缝针101进行穿透时产生转矩变动，并且根据被缝制物的厚度、硬度、材质等而变动的幅度不同，因此存在与下电动机109相比干扰的影响变大的倾向。
因此，电动机控制装置10需要抑制由干扰引起的转矩变动的影响，并以上电动机105和下电动机109的偏差变得更小的方式进行同步控制。
[电动机及旋转编码器]
缝纫机100具有用于对其整体结构进行控制的未图示的主控制装置，电动机控制装置10按照从主控制部输入的位置指令而对上电动机105和下电动机109同步地进行控制。
另外，在上电动机105和下电动机109中，分别在其输出轴装备有对轴角度进行检测的旋转编码器110、111，检测出的轴角度输入至电动机控制装置10。
图2是包含电动机控制装置10的缝纫机100的上电动机105和下电动机109的控制系统的线框图。
在图2中，标号105和109分别表示上电动机105和下电动机109中的信号的流动。
即，标号Kt表示各电动机105、109的转矩常数，Jm表示电动机惯量，Jl表示负载惯量(针棒上下移动机构103、传递机构108等)。
另外，τdism是干扰转矩，τreac是通过从上轴104或下轴107受到的扭转反作用力产生的转矩，τdis是成为它们的合计值的负载转矩。
此外，尾标“1”表示是与上电动机105相关的参数，尾标“2”表示是与下电动机109相关的参数。关于下面进行说明的各种参数也是同样的。
在各电动机105、109的输出轴设置的旋转编码器110、111，对作为电动机的轴角度的位置响应值θm和作为角速度的速度响应值进行检测，输入至电动机控制装置10。
另外，各旋转编码器110、111的下游侧(图2中的右侧)表示电动机负载。即，标号Kf表示与上轴104或下轴107的轴扭转有关的弹簧常数。
另外，τdisl是干扰转矩，θl表示上轴104或下轴107的下游侧的端部的轴位置(轴角度)。
[电动机控制装置]
电动机控制装置10所涉及的控制系统如图2所示，是由真实空间S和虚拟空间V构成的，真实空间S对针对上电动机105和下电动机109的双轴的个别指令值进行处理，虚拟空间V通过成为针对上电动机105和下电动机109的双轴的总和的和动模式位置指令和成为双轴的差的差动模式位置指令，将双轴作为虚拟和动轴及虚拟差动轴进行处理。
电动机控制装置10在虚拟空间V中，将上电动机105和下电动机109的双轴分解为虚拟的和动轴和差动轴而构成控制系统。例如使用2阶哈达玛矩阵，按照下式(1)，将双轴模式变换为虚拟和动轴、虚拟差动轴。
【算式1】
上述α表示成对的任意的参数。
图2中的和动模式位置指令和差动模式位置指令从缝纫机100的主控制装置输入至电动机控制装置10。
此外，尾标“com”表示和动模式，尾标“dif”表示差动模式。关于下面进行说明的各种参数也是同样的。
在和动模式侧，通过下式(2)取得和动模式速度指令通过下式(3)取得和动模式加速度参照值
【算式2】
另外，在差动模式侧，通过下式(4)取得差动模式速度指令通过下式(5)取得差动模式加速度指令通过下式(6)取得差动模式加速度参照值
【算式3】
在该电动机控制装置10中，其特征在于，具有第一干扰观测器11和第二干扰观测器12，该第一干扰观测器11针对与真实空间S的上电动机105对应的输入电流Iref，加入用于抑制干扰的补偿值，该第二干扰观测器12在虚拟空间V的差动模式侧针对差动模式加速度指令加入用于抑制干扰的补偿值。
上式(6)中的是作为由上述第二干扰观测器12输出的补偿值的推定加速度补偿值。
此外，添标“＾”表示推定值。下面，关于其他参数也是同样的。
将第二干扰观测器12的线框图在图3示出。
向上述第二干扰观测器12输入差动模式加速度参照值上电动机105的速度响应值和下电动机109的速度响应值的速度偏差将推定加速度补偿值输出，与差动模式加速度指令相加。
上述第二干扰观测器12通过下式(7)而取得推定加速度补偿值此外，式(7)的标号G2是观测器增益。
由第二干扰观测器12求出的推定加速度补偿值与差动模式加速度指令相加。
【算式4】
此外，在2轴并列驱动中，为了进行双方的同步驱动，输入差动模式位置指令
而且，在虚拟轴(虚拟空间V)设计出的加速度参照值及使用2阶哈达玛矩阵的逆矩阵，由此如下式(8)所示，能够变换为向真实空间S中的上电动机105及下电动机109输入的加速度参照值及
【算式5】
上电动机105的加速度参照值与Jm1n/Kt1n相乘，并且与基于来自前述的第一干扰观测器11的输出的电流补偿值相加，作为输入电流而输入至上电动机105。
此外，Jm1n是上电动机105的惯量的标称值(Nominal value)，Kt1n是上电动机105的转矩常数。
此外，尾标的“n”表示标称值。下面，关于其他参数也是同样的。
将第一干扰观测器11的线框图在图4示出。
向上述第一干扰观测器11，将输入电流和通过旋转编码器110得到的上电动机105的速度响应值输入，将干扰转矩的推定值输出。
上电动机105在输入电流和负载转矩τdis1之间，下式(9)的关系成立，如果关于负载转矩τdis1而对其求解，则成为式(10)。
与此相对，第一干扰观测器11通过下式(11)而取得负载转矩的推定值此外，式(11)的标号G1是观测器增益。
【算式6】
由第一干扰观测器11求出的负载转矩的推定值除以上电动机105的转矩常数的标称值Kt1n而求出电流补偿值，与向上电动机105的输入电流相加。
另外，下电动机109的加速度参照值与Jm2n/Kt2n相乘，作为输入电流而输入至下电动机109。
此外，Jm2n是下电动机109的惯量的标称值，Kt2n是下电动机109的转矩常数。
[发明的实施方式中的技术效果]
在上述电动机控制装置10中，设为下述结构，即，具有第一干扰观测器11和第二干扰观测器12，该第一干扰观测器11针对向上电动机105的输入，输出作为用于抑制干扰的补偿值的负载转矩的推定值该第二干扰观测器12针对差动模式的指令值即加速度参照值输出作为用于抑制干扰的补偿值的推定加速度补偿值针对向与上电动机105相比共振频率低的驱动系统即下电动机109的输入，没有设置干扰观测器。
在针对上电动机105和下电动机109进行同步控制的情况下，向差动模式位置指令输入0，以使得双轴偏差成为0，因此输入至第二干扰观测器12的值整体地变小。因此，即使将第二干扰观测器12的观测器增益G2的值设定得比以往大，也能够对下电动机109侧的振动的发生进行抑制。
因此，无需将第一干扰观测器11的观测器增益G1与第二干扰观测器12的观测器增益G2相匹配地变小，能够将各个增益的值设定得更大。
由此，电动机控制装置10关于上电动机105和下电动机109各自的驱动系统，能够对振动进行抑制，并收敛干扰的影响，实现鲁棒性的提高。
[电动机控制装置的比较试验]
在分别使用上述本发明所涉及的电动机控制装置10和作为对比例的电动机控制装置而进行了缝纫机100的上电动机105及下电动机109的同步控制的情况下，求出在上电动机105和下电动机109之间产生的偏差而进行了比较。
缝纫机100将各电动机的转速设为1000[rpm]，将缝制间距设为4[mm]，针对乙烯基皮革进行了缝制。
作为对比例的电动机控制装置具有：第一干扰观测器11，其针对向上电动机105的输入，输出用于抑制干扰的补偿值；以及针对下电动机109的输入，输出用于抑制干扰的补偿值，且是与第一干扰观测器11相同结构的干扰观测器，作为对比例的电动机控制装置不具有第二干扰观测器12，该第二干扰观测器12针对差动模式的指令值，输出用于抑制干扰的补偿值。
因此，在共振频率低的下电动机109的驱动系统中会产生振动，因此第二干扰观测器的观测器增益G2设定为0[rad/s]。
另外，第一干扰观测器11的观测器增益G1设定为100[rad/s]。
与此相对，在本发明所涉及的电动机控制装置10中，第一干扰观测器11的观测器增益G1设定为100[rad/s]，第二干扰观测器12的观测器增益G2设定为50[rad/s]。
图5是表示本发明所涉及的电动机控制装置10的线图，图6是表示在通过对比例进行了同步控制的情况下的上轴104和下轴107之间产生的偏差的线图。纵轴表示偏差，横轴表示时间。
另外，图5及图6中的着色部表示干扰变大的针刺区间。
由此，在本发明所涉及的电动机控制装置10中，即使在将第二干扰观测器12的观测器增益G2设定得比对比例高的情况下，也不会产生振动，另外，由此，能够将在动作整体中产生的偏差设为-3.42～+2.43°(偏差幅度5.85°)，将针刺时的偏差设为+0.95～+1.65°(偏差幅度0.70°)。
与此相对，在对比例中，将在动作整体中产生的偏差设为-3.25～+3.77°(偏差幅度7.02°)，将针刺时的偏差设为+0.94～+3.06°(偏差幅度2.12°)。
由此可知，本发明所涉及的电动机控制装置10能够遍及动作整体而减小偏差，特别地，在干扰的影响变大的情况能够更有效地减小偏差。
[向电子部件安装装置的应用]
图7是电子部件安装装置200的斜视图。在图7中，将在水平面中彼此正交的两个方向分别称为X轴方向和Y轴方向，将与它们正交的铅垂方向称为Z轴方向。
电子部件安装装置200如图所示，具有：基台220，在其上表面载置各结构部件；基板输送单元230，其将基板P沿X轴方向从先前工序向后续工序输送；电子部件供给装置210，其供给电子部件；收容部240，其具有多个电子部件供给装置210；搭载头部260，其将由电子部件供给装置210供给的电子部件向基板P搭载；头部移动单元270，其将搭载头部260在X、Y轴的各方向进行移动；以及未图示的主控制装置，其进行电子部件的安装动作的控制。
基板输送单元230具有未图示的输送带，通过该输送带将基板P沿X轴方向从先前工序侧向后续工序侧输送。
另外，基板输送单元230为了通过搭载头部260将电子部件向基板P安装，还进行下述动作，即，在规定的部件安装位置停止基板P的输送，对基板P进行支撑。
供给器收容部240设置于基台220上。在供给器收容部240中，电子部件供给装置210将其长度方向设为与基板P的输送方向正交，多个电子部件供给装置210以并列的方式可自由装卸地设置于供给器收容部240(在图7中仅图示一个电子部件供给装置210)。
搭载头部260设置于X轴引导部件273，具有通过真空空气对电子部件进行吸附的吸附吸嘴。该吸附吸嘴可装卸地设置，以使得能够根据所要吸附保持的电子部件的大小、形状而进行更换。
头部移动单元270由下述部件构成：X轴移动单元271，其将搭载头部260在X轴方向进行移动；以及Y轴移动单元274，其将搭载头部260在Y轴方向进行移动。
X轴移动单元271具有：梁状的X轴引导部件272，其在沿X轴方向的状态下支撑于Y轴移动单元274；以及X轴电动机273，其经由传送带机构而沿X轴引导部件273对搭载头部260进行输送。
Y轴移动单元274具有：梁状的第一及第二Y轴引导部件275、276，它们分别独立地对X轴引导部件272的一端部和另一端部进行支撑，且沿Y轴方向；第一Y轴电动机277，其经由传送带机构而沿第一Y轴引导部件275对X轴引导部件272进行输送；以及第二Y轴电动机278，其经由传送带机构而沿第二Y轴引导部件276对X轴引导部件272进行输送。
在上述结构的电子部件安装装置200中，在X轴电动机273和第一及第二Y轴电动机277、278各自的输出轴附设有旋转编码器，对各自的轴角度进行检测并进行控制，由此能够将搭载头部260沿X轴方向及Y轴方向任意地定位。
因此，主控制装置对X轴电动机273和第一及第二Y轴电动机277、278进行控制，在各电子部件供给装置210的电子部件拾取位置和基板P的安装目的位置将搭载头部260的吸附吸嘴自由地定位，向电子部件进行安装动作。
而且，第一Y轴电动机277和第二Y轴电动机278在X轴引导部件272的一端部和另一端部之间进行输送，如果它们间的偏差变大，则X轴引导部件272无法确保相对于X轴方向的平行度，电子部件的定位精度降低。
另一方面，由于通过搭载头部260的移动而引起的X轴引导部件272的重心位置的变动、干扰的影响，有时在第一Y轴电动机277和第二Y轴电动机278之间产生偏差。
因此，电子部件安装装置200的主控制装置具有与前述的缝纫机100的电动机控制装置10相同的电动机控制装置，构成为针对第一Y轴电动机277及第二Y轴电动机278，进行与针对前述的上电动机105及下电动机109的同步控制相同的同步控制。
由此，在针对第一Y轴电动机277及第二Y轴电动机278进行同步控制的情况下，进行控制以使得双轴偏差成为0，并且关于第一Y轴电动机277及第二Y轴电动机278各自的驱动系统而减少振动的发生，收敛干扰的影响，能够实现鲁棒性的提高。
因此，电子部件安装装置200能够进行高精度的电子部件的安装动作。
[其他]
此外，在上述电动机控制装置10中，作为速度控制而进行P控制，但也可以是进行PI控制、PD控制、PID控制的结构。
另外，在本实施方式中，例示出将电动机控制装置10应用于缝纫机100、电子部件安装装置200的情况，但也能够应用于具有使两个电动机进行同步控制的这一要求的所有机械、装置。
另外，并不限定于旋转型电动机，也能够应用于线性电动机的同步控制。

Claims (3)

1.一种电动机控制装置，其针对同步地驱动的两个电动机，进行基于2阶哈达玛矩阵而分解为和动模式和差动模式的虚拟模式控制，
该电动机控制装置的特征在于，具有：
第一干扰观测器，其针对向所述两个电动机内的一个电动机的输入，输出用于抑制干扰的补偿值；以及
第二干扰观测器，其针对所述差动模式的指令值，输出用于抑制干扰的补偿值。
2.一种缝纫机，其特征在于，具有：
权利要求1所述的电动机控制装置；以及
两个电动机，它们同步地驱动，
所述电动机控制装置针对所述两个电动机，进行基于2阶哈达玛矩阵而分解为和动模式和差动模式的所述虚拟模式控制。
3.一种电子部件安装装置，其特征在于，具有：
权利要求1所述的电动机控制装置；以及
两个电动机，它们同步地驱动，
所述电动机控制装置针对所述两个电动机，进行基于2阶哈达玛矩阵而分解为和动模式和差动模式的所述虚拟模式控制。
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