CN108398920A - 伺服控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种伺服控制装置，控制增益被适当自动调整成即使产生装载物的变更或机械结构的变更，控制特性仍得以维持。伺服控制装置具有：速度指令制作部、转矩指令制作部、速度检测部、速度控制环、速度控制增益、正弦波干扰输入部、实际频率特性计算部、参考特性变更部、参考频率特性计算部、以及控制增益调整部。正弦波干扰输入部逐次变更频率，参考频率特性计算部按每一个频率来逐次计算针对由参考特性变更部指定的特征的参考频率特性，实际频率特性计算部按每一个频率来逐次计算控制系统的实际频率特性，参考频率特性计算部存储参考频率特性与实际频率特性最一致时的参考特性变更部的特性公式。

Description

伺服控制装置
技术领域
本发明涉及机床所使用的伺服控制装置，该机床具有由伺服电动机驱动的进给轴。
背景技术
以往，已知有在伺服控制装置中，使将机械特性模型化的手续自动化这样的技术。作为公开这种技术的文件例如存在专利文献1。在专利文献1中记载了如下模型决定方法：在提供使机构特性与N阶惯性系相适合的结构的技术中，预先赋予所谓的实验模式解析的传递函数，自动决定一个刚体模式和多个谐振模式。与这样的传递函数推定方法相关联的技术的示例很多见。
现有专利文献
专利文献1：日本特开2003-79174号公报
即使是根据反映了机床的机械特性的参考模型而进行了调整的伺服控制装置，有时在机床的装载物变更前后控制特性也会发生变化。这方面，专利文献1所记载的技术中，针对开环特性执行频率特性的曲线拟合，但是难以通过控制环内的逐次计算来取得开环特性。开环的模型化手续在自初始状态调整避免谐振用的滤波器和控制增益的全部的情况下是有效的。但是，对于预先实施了伺服调整的进给轴，将所有谐振和反谐振特性模型化反而毫无意义。因为，由于DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR)计算能力的限制，因此，控制装置最多只具有有限个数的避免谐振滤波器，因此，针对谐振模式分布无数这样的机械特性，无法通过滤波器来解决所有谐振模式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伺服控制装置，其控制增益被适当自动调整成即使产生装载物的变更或机械结构的变更，控制特性也得以维持。
(1)、本发明提供一种机床(例如，后述的机床1)中的伺服控制装置(例如，后述的伺服控制装置10)，该机床具有由伺服电动机(例如，后述的伺服电动机3)驱动的进给轴(例如，后述的传递机构2)，其特征在于，该伺服控制装置具有：速度指令制作部(例如，后述的速度指令制作部11)，其制作所述伺服电动机的速度指令值；转矩指令制作部(例如，后述的转矩指令制作部12)，其制作所述伺服电动机的转矩指令值；速度检测部(例如，后述的速度检测部13)，其检测所述伺服电动机的速度；速度控制环(例如，后述的速度控制环30)，其由所述速度指令制作部、所述转矩指令制作部、所述速度检测部构成；速度控制增益(例如，后述的速度控制增益14)，其是所述速度控制环的控制增益；正弦波干扰输入部(例如，后述的正弦波干扰输入部15)，其进行对所述速度控制环的正弦波扫描；实际频率特性计算部(例如，后述的实际频率特性计算部16)，其根据将正弦波输入到所述速度控制环时的所述速度控制环的输出，推定速度控制环输入输出信号的增益和相位；参考特性变更部(例如，后述的参考特性变更部17)，其变更用于将所述速度控制环的参考频率特性特征化的特性公式；参考频率特性计算部(例如，后述的参考频率特性计算部18)，其计算针对由所述参考特性变更部指定的特征的参考频率特性；以及控制增益调整部(例如，后述的控制增益调整部19)，其根据所述实际频率特性计算部计算的实际频率应答和所述参考频率特性计算部计算的参考频率特性来调整速度控制增益，所述正弦波干扰输入部逐次变更频率，所述参考频率特性计算部按每一个频率来逐次计算针对由所述参考特性变更部指定的特征的参考频率特性，所述实际频率特性计算部按每一个频率来逐次计算控制系统的实际频率特性，所述参考频率特性计算部存储参考频率特性与实际频率特性最一致时的参考特性变更部的特性公式。
(2)、在(1)所记载的伺服控制装置中，所述参考频率特性计算部可以通过逐次计算来决定参考频率特性相对于控制增益调整前的实际频率特性频率特性的特性公式，该特性公式被表现为一个刚体模式和至少一个二阶惯性模式。
发明效果
根据本发明可以实现如下结构：控制增益被适当自动调整成即使产生装载物的变更或机械结构的变更，控制特性也得以维持。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式涉及的伺服控制装置的结构的框图。
图2是表示本实施方式的伺服控制装置涉及的自我生成参考模型的处理的前半程的流程图。
图3是表示本实施方式的伺服控制装置涉及的自我生成参考模型的处理的后半程的流程图。
图4是表示应用本实施方式的伺服控制装置的机床的装载物变更前(控制增益变更前)的频率特性的说明图(伯德图(Bode diagram))。
图5是表示从应用本实施方式的伺服控制装置的机床的装载物变更前的状态决定参考模型特性的状况的说明图(伯德图)。
图6是表示应用本实施方式的伺服控制装置的机床的开始了控制增益的再调整的状态下的频率特性的说明图(伯德图)。
图7是表示应用本实施方式的伺服控制装置的机床的装载物变更后(控制增益变更后)的频率特性的说明图(伯德图)。
图8是表示使用一次特性公式的1阶惯性系模型的说明图。
图9是表示使用二次特性公式的2阶惯性系模型的说明图。
图10是表示使用三次特性公式的3阶惯性系模型的说明图。
图11是表示使用四次特性公式的4阶惯性系模型的说明图。
符号说明
1 机床
2 传递机构(进给轴)
3 伺服电动机
10 伺服控制装置
11 速度指令制作部
12 转矩指令制作部
13 速度检测部
14 速度控制增益
15 正弦波干扰输入部
16 实际频率特性计算部
17 参考特性变更部
18 参考频率特性计算部
19 控制增益调整部
30 速度控制环
具体实施方式
以下，作为本发明优选的实施方式，一边参照附图一边说明伺服控制装置，该伺服控制装置控制具有进给轴的机床的伺服电动机。
图1是表示本发明的一实施方式涉及的伺服控制装置10的结构的框图。本实施方式的伺服控制装置10进行经由传递机构(进给轴)2使机床1的驱动体(省略图示)可动的伺服电动机3的控制。例如，传递机构2是滚珠丝杠，驱动体是通过滚珠丝杠可动的工作台。
接下来，对伺服控制装置10的结构进行说明。如图1所示，伺服控制装置10具有：速度指令制作部11、转矩指令制作部12、速度检测部13、速度控制环30、加法器20、速度控制增益14、正弦波干扰输入部15、实际频率特性计算部16、参考特性变更部17、参考频率特性计算部18、以及控制增益调整部19。
速度指令制作部11制作用于驱动伺服电动机3的速度指令值。由速度指令制作部11制作出的速度指令值被输出给加法器20。
转矩指令制作部12制作伺服电动机3的转矩指令值。伺服电动机3根据由转矩指令制作部12制作出的转矩指令值进行驱动。
速度检测部13检测伺服电动机3的速度作为速度检测值。例如，根据由设置于伺服电动机3的编码器测定出的测定值来计算速度检测值。
速度控制环30构成为包含速度指令制作部11、转矩指令制作部12、速度检测部13。
在加法器20中，从由速度指令制作部11制作出的速度指令值中减去由速度检测部13检测出的速度检测值，并且向速度控制环30加上由进行正弦波扫描的正弦波干扰输入部15制作出的正弦波干扰。该正弦波干扰输入部15的频率被逐次变更。
速度控制增益14设定与加法器20的计算结果相乘的控制增益。在本实施方式中，根据由速度控制增益14设定的控制增益和加法器20的计算结果，通过转矩指令制作部12来制作转矩指令值。
速度控制增益14的控制增益通过控制增益调整部19的调整值而被调整。该控制增益调整部19根据实际频率特性计算部16的计算结果、和参考频率特性计算部18的计算结果，设定用于调整速度控制增益14的调整值。
正弦波干扰从正弦波干扰输入部15输入到实际频率特性计算部16和参考频率特性计算部18。实际频率特性计算部16根据向伺服控制装置10的速度控制环30输入了正弦波干扰时的速度控制环30的输出，推定速度控制环30的输入输出信号的增益和相位。并且，实际频率特性计算部16通过将来自正弦波干扰输入部15的干扰输入频率设为基本频率的、由任意项数构成的傅里叶级数来表现速度控制环30的输出，计算该傅里叶级数的基本波成分的振幅和相位，从而在线计算频率特性。由实际频率特性计算部16计算出的频率特性被输送给控制增益调整部19。
参考特性变更部17变更用于使速度控制环30的参考频率特性特征化的特性公式。特性公式是根据机床1的机械特性等设定的(参照后述的图8～图11)。
参考频率特性计算部18按每一个频率逐次计算针对由参考特性变更部17指定的特征的参考频率特性。在参考频率特性计算部18中，对从实际频率特性计算部16输入的实际频率特性与参考频率特性进行比较，存储参考频率特性与实际频率特性最一致时的参考特性变更部17的特性公式。
参考频率特性计算部18具有如下单元：通过逐次计算来决定参考频率特性相对于控制增益调整前的实际频率特性频率特性的特性公式，该特性公式被表现为仅一个刚体模式(rigid body mode)和至少一个二阶惯性模式(2-inertia mode)。
接下来，对本实施方式的伺服控制装置10涉及的参考特性的自我生成功能进行说明。参考特性的自我生成功能是通过在线的逐次计算而决定针对自动调整的参考模型的功能。通过该功能，在对已经实施了控制调整的机床1的传递机构(进给轴)2进行增益再调整的情况下，进行增益再调整前的特性被视为参考特性，从而在线自动执行增益再调整。例如在变更加工物或夹具(变更装载物)或变更机械结构等时机进行该增益再调整。
图2和图3是表示本实施方式的伺服控制装置10涉及的自我生成参考模型的处理的流程图。
如图2所示，在自动调整处理开始时，正弦波干扰输入部15更新正弦波的频率(步骤S101)，输入进行了更新的频率的正弦波干扰(步骤S102)。此外，速度检测部13检测速度检测值(步骤S103)，转矩指令制作部12进行根据速度指令值和速度检测值来制作转矩指令值(步骤S104)的处理。
实际频率特性计算部16计算该频率时的实际频率特性(步骤S105)，参考频率特性计算部18通过作为候补的参考模型特性公式，计算该频率时的参考频率特性(步骤S106)。
步骤S106的处理之后，伺服控制装置10判定是否达到了最大扫描频率(步骤S107)。当达到最大扫描频率时，转移向判定是否搜索了全部候补的参考模型特性公式的处理(步骤S108)。在步骤S107的处理中，当没有搜索全部候补的参考模型特性公式时，返回到步骤S101的处理，再次进行步骤S101以后的处理。
在步骤S108的处理中，在没有搜索全部候补的参考模型特性公式时，转移向由参考特性变更部变更参考模型的特性公式的处理(步骤S109)。在步骤S109的处理结束时返回到步骤S101的处理，再次进行步骤S101以后的处理。
在步骤S108的处理中，在搜索了全部候补的参考模型特性公式时，转移向由参考频率特性计算部18决定针对当前速度控制增益14的参考模型特性公式的处理(图3的步骤S110)。在步骤S110的处理中，次数越低的特性公式，优先顺位设定得越高。
图4是表示应用本实施方式的伺服控制装置10的机床1的装载物变更前(控制增益变更前)的频率特性的说明图。图5是表示从应用本实施方式的伺服控制装置10的机床1的装载物变更前的状态决定参考模型特性的状况的说明图。特性公式设定成与装载物变更前的机械特性，例如谐振的特征相符合。例如，根据候补的参考模型特性公式，决定与图4所示的装载物变更前的频率特性的谐振相一致的图5所示的参考模型。另外，在图5中通过虚线表示了控制增益变更前的频率特性。
步骤S110的处理之后，控制增益调整部19变更速度控制增益14(步骤S111)。通过步骤S111的处理在控制增益调整部19变更了速度控制增益14之后，正弦波干扰输入部15更新正弦波的频率(步骤S112)，输入该频率的正弦波干扰(步骤S113)。并且，速度检测部13检测速度检测值(步骤S114)，并且转矩指令制作部12进行根据速度指令值和速度检测值制作转矩指令值的处理(步骤S115)。
图6是表示应用本实施方式的伺服控制装置10的机床1的开始了控制增益的再调整的状态下的频率特性的说明图。步骤S115的处理之后，实际频率特性计算部16计算该频率时的实际频率特性(步骤S116)。例如，计算图6所示的实际频率特性。
参考频率特性计算部18通过已决定的参考模型特性公式来计算该频率时的参考频率特性(步骤S117)。步骤S117的处理之后，伺服控制装置10判定是否达到了最大扫描频率(步骤S118)。在步骤S118的判定处理中，当没有达到最大扫描频率时返回到步骤S112的处理，再次进行步骤S112以后的处理。
在步骤S118的判定处理中，当达到了最大扫描频率时，判定参考频率特性与实际频率特性的误差是否最小(S119)。在步骤S119的判定处理中，当参考频率特性与实际频率特性的误差不为最小时，返回到步骤S111的处理，再次进行步骤S111以后的处理。
图7是表示应用本实施方式的伺服控制装置10的机床1的装载物变更后(控制增益变更后)的频率特性的说明图。通过步骤S109的判定处理，当参考频率特性与实际频率特性的误差为最小时，控制增益调整部19确定速度控制增益14的调整值(步骤S120)，处理结束。如图7所示，控制增益的调整以与参考特性相符合的方式结束，结果，可以维持装载物变更前后的控制特性。
接下来，参照图8～图11对决定参考特性的特性公式的示例进行说明。另外，图8～图11中的记号如下。
s：拉普拉斯算子、a0：分子多项式的常数项、a1：分子多项式的1次的系数、a2：分子多项式的2次的系数、a3：分子多项式的3次的系数、a4：分子多项式的4次的系数、b0：分母多项式的常数项、b1：分母多项式的1次的系数、b2：分母多项式的2次的系数、b3：分母多项式的3次的系数。
图8是表示使用一次特性公式的1阶惯性系模型的说明图。在图8中，示出了旋转系统的刚体5。如图8中的数学式(1)所示，在将控制对象假设为刚体的所谓的刚体模型中特性公式为一次式。图9是表示使用二次特性公式的2阶惯性系模型的说明图。在图9中，在旋转系统的刚体5和平移系统的可动体6之间示出了负载120。如图9中的数学式(2)所示，在2阶惯性系模型中特性公式为二次式。
图10是表示使用三次特性公式的3阶惯性系模型的说明图。在图10中，示出了作为驱动源的伺服电动机3、被伺服电动机驱动的滚珠丝杠7、和与滚珠丝杠7连接的工作台8。此外，在伺服电动机3与滚珠丝杠7之间示出了作为负载的弹簧121，在滚珠丝杠7与工作台8之间示出了作为负载的弹簧122。如图10中的数学式(3)所示，在3阶惯性系模型中特性公式为三次式。图11是表示使用四次特性公式的4阶惯性系模型的说明图。在图11中，在图10的结构基础上，支架9与滚珠丝杠7相连接。在支架9与滚珠丝杠7之间示出了作为负载的弹簧123、124。如图11中的数学式(4)所示，在4阶惯性系模型中特性公式为四次式。
如图8～图11所示，参考模型的特性公式一般可以表现为线形N阶惯性模型。通过根据机械特性来设定基于物理模型的特性公式的次数，能够包含控制稳定性(谐振)在内来赋予参考特性。一般情况下，有这样的趋势：低次数特征公式适用于小型装置结构，而高次数特征公式适用于部件个数多的大装置结构。另外，图8～图11所示的特性公式是一例，对于五次式以上的高阶的惯性系模型来说也可以包含于候补之中。
在本实施方式中，从图8所示的刚体模式和二阶惯性模式中选择特性公式。另外，二阶惯性模式不仅是图9的模型所示的示例，即使在图10和图11所示的模型中也可以通过包含二阶惯性这样的意义表现为二阶惯性模式。
以上说明的本实施方式以如下方式构成。
本实施方式的伺服控制装置10具有：速度指令制作部11、转矩指令制作部12、速度检测部13、速度控制环30、速度控制增益14、正弦波干扰输入部15、实际频率特性计算部16、参考特性变更部17、参考频率特性计算部18、以及控制增益调整部19。
正弦波干扰输入部15逐次变更频率，参考频率特性计算部18按每一个频率来逐次计算针对由参考特性变更部17指定的特征的参考频率特性，实际频率特性计算部16按每一个频率来逐次计算控制系统的实际频率特性，参考频率特性计算部18存储参考频率特性与实际频率特性最一致时的参考特性变更部的特性公式。
由此，一边逐次地变更参考模型的参数组，一边与逐次地计算出的频率特性进行比较，由于存留有参考特性与实际特性的误差为最小时的参数的组，因此能够通过控制环内的逐次计算而直接获得闭环特性。即，通过特性公式将装载物变更前的特性表现为参考模型的作业被在线(实时)执行，明确地决定针对增益的自动调整的基准，进行逐次变更控制增益以使得实际应答特性与通过特性公式决定的参考特性相符合的调整。由此，于装载物的变更或机械结构无关，能够实现维持了控制特性的增益自动调整。
此外，在本实施方式中，参考频率特性计算部18通过逐次计算来决定参考频率特性相对于控制增益调整前的实际频率特性频率特性的特性公式，该特性公式被表现为一个刚体模式和至少一个二阶惯性模式。
由此，也可以将增益的自动调整限定于刚体模式和最主要的二阶惯性模式，可以以无视不重要的谐振的形态来高效地生成参考模型。
以上，对本发明优选的实施方式进行了说明，但是本发明并非局限于上述实施方式，能够进行适当变更。例如，速度控制环30作为一例而被示出，速度控制环30的结构本身不重要，可以将图1所示的虚线部视为具有一个输入输出关系的系统。

Claims (2)

1.一种机床中的伺服控制装置，该机床具有由伺服电动机驱动的进给轴，其特征在于，该伺服控制装置具有：
速度指令制作部，其制作所述伺服电动机的速度指令值；
转矩指令制作部，其制作所述伺服电动机的转矩指令值；
速度检测部，其检测所述伺服电动机的速度；
速度控制环，其由所述速度指令制作部、所述转矩指令制作部、所述速度检测部构成；
速度控制增益，其是所述速度控制环的控制增益；
正弦波干扰输入部，其进行对所述速度控制环的正弦波扫描；
实际频率特性计算部，其根据将正弦波输入到所述速度控制环时的所述速度控制环的输出，推定速度控制环输入输出信号的增益和相位；
参考特性变更部，其变更用于将所述速度控制环的参考频率特性特征化的特性公式；
参考频率特性计算部，其计算针对由所述参考特性变更部指定的特性的参考频率特性；以及
控制增益调整部，其根据由所述实际频率特性计算部计算的实际频率应答和由所述参考频率特性计算部计算的参考频率特性来调整速度控制增益，
所述正弦波干扰输入部逐次变更频率，所述参考频率特性计算部按每一个频率来逐次计算针对由所述参考特性变更部指定的特征的参考频率特性，所述实际频率特性计算部按每一个频率来逐次计算控制系统的实际频率特性，
所述参考频率特性计算部存储参考频率特性与实际频率特性最一致时的参考特性变更部的特性公式。
2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，
所述参考频率特性计算部通过逐次计算来决定参考频率特性相对于控制增益调整前的实际频率特性频率特性的特性公式，该特性公式被表现为一个刚体模式和至少一个二阶惯性模式。
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