CN109088570B - 电动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机的控制装置，其能够判定加减速时间常数是否处于适当的范围，并能够兼顾提高加工效率和确保控制稳定性。驱动工件的电动机的控制装置具备：加减速时间常数存储部，其存储对电动机的加减速进行指定的加减速时间常数；位置指令生成部，其根据加减速时间常数来生成位置指令值；位置检测部，其检测电动机的旋转位置；速度指令生成部，其根据位置指令值以及检测出的位置检测值来生成电动机的速度指令；理想响应计算部，其根据位置指令值经过低通滤波器来计算理想响应；以及响应比较部，其将理想响应与位置检测部检测出的实际响应进行比较。响应比较部在判定为理想响应与实际响应不相符的情况下对加减速时间常数进行变更。

Description

电动机的控制装置
技术领域
本发明涉及驱动被驱动体的电动机的控制装置。
背景技术
以往，在专利文献1～4中公开了与控制电动机来使被驱动体进行动作的控制装置有关的技术。
在专利文献1中记载了以下技术：在随着老化伺服参数最佳值发生了变化时，逐渐改变参数直到指令与反馈之间的差小于允许值为止。在专利文献1中进行以下处理：在实际响应中产生振动的情况或者控制的跟踪性能低的情况下使加速度阶段性地降低，直到位置偏差成为允许范围为止使时间常数变长。
在专利文献2中记载了以下方法：由加速度检测单元检测加速度，在该加速度超过某个阈值时修正增益。在专利文献2中，是电动机与负载结构之间的加速度差的瞬时值、平均值、平方平均值大于既定值还是小于既定值的想法，进行使用电动机的角度检测值以及负载结构的加速度检测值来求出加速度差的处理。
在专利文献3中记载了以下技术：在电动机控制装置的控制参数设定装置和设定方法中，存储增益表，根据机械刚性来读出最佳的增益。专利文献3涉及改变伺服系统的PI控制器的增益值的技术，公开了一种增益调度方法，即在负载惯量大的情况下使增益增大，在负载惯量小的情况下使增益减小。
在专利文献4中记载了以下技术：作为推定惯量的方法，根据在采样数据存储部中存储的跨越正弦波状指令的多个周期的电流值和加速度值而得到的电流代表值和加速度代表值以及电动机的转矩常数来计算惯量。
另外，根据基于机床的最大装载负荷进行调整后的加减速时间常数来决定通过电动机进行动作的被驱动体(工件)的动作。虽然输出转矩根据机床中的使工件进行移动的机构、作为加工对象的工件的载荷等的不同而不同，但是从效率的观点出发，优选在输出转矩的允许范围内加速时间尽可能短。另一方面，在以过短的加速时间(加减速时间常数)进行动作的情况下，有可能导致通过电动机进行的位置控制不稳定(产生振动)。
在以往的技术中也记载了用于调整加减速的方法。例如在专利文献1中，在跟踪性能低的情况下使加速度阶段性地降低，直到位置偏差成为允许范围为止延长时间常数，但是跟踪性始终是控制性能的问题，并不希望如此变更用于决定动作形状的指令轨迹。变更时间常数是变更指令形状，并不是想要找到真正可靠的物理动作。另外，在专利文献2中需要在负载结构中另行设置加速度传感器那样的检测单元。在专利文献3和专利文献4中也未进行所要求的加速度是否适当的判断。
专利文献1：日本特开2011-134169号公报
专利文献2：日本特开2007-141189号公报
专利文献3：日本特开2005-006418号公报
专利文献4：日本特开2010-148178号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动机的控制装置，其判定加减速时间常数是否处于适当的范围，能够兼顾提高加工效率和确保控制稳定性。
(1)本发明是一种驱动被驱动体(例如后述的工件W)的电动机(例如后述的电动机10)的控制装置(例如后述的控制装置2)，其具备：加减速时间常数存储部(例如后述的加减速时间常数存储部41)，其存储对电动机的加减速进行指定的加减速时间常数；位置指令生成部(例如后述的位置指令生成部42)，其根据上述加减速时间常数生成位置指令值；位置检测部(例如后述的位置检测部12)，其检测上述电动机的旋转位置；速度指令生成部(例如后述的速度指令生成部43)，其根据上述位置指令值以及由上述位置检测部检测的位置检测值来生成上述电动机的速度指令；理想响应计算部(例如后述的理想响应计算部44)，其根据上述位置指令值，经过低通滤波器(例如后述的低通滤波器17)来计算理想响应；以及响应比较部(例如后述的响应比较部45)，其将上述理想响应与位置检测部检测出的实际响应进行比较，上述响应比较部在判断为上述理想响应与上述实际响应不相符的情况下变更在上述加减速时间常数存储部中存储的加减速时间常数。
(2)在(1)记载的控制装置中，可以使上述响应比较部推定惯量，并根据其推定结果来变更加减速时间常数。
(3)在(1)或者(2)记载的控制装置中，可以使上述响应比较部计算对于响应的时间序列信号的误差、其绝对值或其平方值进行计算而得到的结果的积分值，通过根据该积分值或它们的组合而得到的评价值来进行响应比较。
(4)在(3)记载的控制装置中，可以设为在超过了对于上述评价值设定的阈值时，上述响应比较部判断为比较结果不一致。
根据本发明的电动机的控制装置，判定加减速时间常数是否处于适当的范围，能够兼顾提高加工效率和确保控制稳定性。
附图说明
图1示意性地表示使用本发明的一实施方式的控制装置的机床。
图2是表示与本实施方式的控制装置的伺服控制有关的结构的框图。
图3A是表示指令(带有时间常数)与理想响应之间的关系的说明图。
图3B是表示指令与实际响应之间的关系的说明图。
图4A是表示作为比较例的以往的积分处理的流程的示意图。
图4B是表示本实施方式的积分处理的流程的示意图。
图5是通过本实施方式的控制装置的响应比较来调整加减速时间常数的处理流程。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。
图1示意性地表示使用本发明的一实施方式的控制装置的机床1。首先，说明机床1的结构例。图1所示的机床1是进行用于将工件(被驱动体)W切削成预定形状的切削加工的加工装置。
本实施方式的机床1构成为包含：由数值控制装置20以及伺服控制装置30构成的控制装置2、由控制装置2控制的电动机10、通过电动机10的驱动力使工件W进行移动的进给轴(传递机构)11。
数值控制装置20为CNC(Computerized Numerical Control：计算机数字控制)，进行用于控制机床1的各种处理。伺服控制装置30根据来自数值控制装置20的指令进行电动机10的驱动控制。
电动机10是对进给轴11赋予驱动力的伺服电动机。通过对进给轴11进行驱动，作为被驱动体的工件W移动至预定位置。在电动机10安装有编码器等位置检测部12，将位置检测部12的检测信号用于反馈控制等各种处理。
图2是表示与本实施方式的控制装置2的伺服控制有关的结构的框图。图2所示的各部为通过数值控制装置20或者伺服控制装置30来实现的结构，但是并不特别限定配置场所。还能够构成为通过数值控制装置20、伺服控制装置30或者数值控制装置20以及伺服控制装置30以外的外部装置来发挥该功能。
如图2所示，控制装置2构成为包含：加减速时间常数存储部41、位置指令生成部42、速度指令生成部43、理想响应计算部44、响应比较部45以及位置检测部12。
加减速时间常数存储部41用于指定与电动机10的加减速相伴的加减速时间常数。在加减速时间常数存储部41中存储根据后述的推定惯量而确定的加减速时间常数，并在适当的定时进行更新。位置指令生成部42根据加减速时间常数生成位置指令值。速度指令生成部43根据由位置指令生成部42生成的位置指令值以及由位置检测部12检测出的位置检测值，生成电动机10的速度指令。
理想响应计算部44根据位置指令值经过低通滤波器17来计算理想响应(参照图4B)。接着，说明理想响应与实际响应的关系。图3A是表示指令(带有时间常数)与理想响应之间的关系的说明图。伺服控制的理想的响应为作为一次延迟的行为，能够用低通滤波器来记述。即，通过低通滤波器在位置指令中包含了控制系统的延迟的响应为理想响应。另一方面，上游的指令生成中的基于加减速时间常数的滤波器为移动平均滤波器，因此“理想响应的波形(低通滤波器的输出)”与“基于加减速的指令的波形(移动平均滤波器的输出)”即使在稳定状态下相同，在过渡状态下也不同。
图3B是表示指令与实际响应之间的关系的说明图。如图3B所示，当在实际响应中产生振动的情况或控制的跟踪性能低的情况下，在现有技术(例如专利文献1)中使加速度阶段性地降低，直到位置偏差成为允许范围为止延长时间常数。然而，跟踪性始终是控制性能的问题，变更加减速时间常数会变更指令形状，不期望这样变更用于决定动作形状的指令轨迹。
因此，在本实施方式中，使用理想响应值与检测值的差，判断通过惯量基准求出的加速度(加减速时间常数)的恰当。由于加减速时间常数由惯量值来决定，因此原本应该为适当的值，此时不是移动平均滤波器，而是必须与作为低通滤波器17的理想响应严格地一致。在这种意义上，该“理想响应值与检测值之间的差”的平方和的时间积分应该为零，表示了与针对指定的指令形状真正可靠的物理动作一致。
接着，说明本实施方式的积分处理与现有的积分处理之间的不同。图4A是表示作为比较例的现有的积分处理流程的示意图。如图4A所示，在现有技术(例如专利文献2)中，具有“电动机与负载结构之间的加速度差”的瞬时值、平均值、平方平均值大于既定值还是小于既定值这样的想法。是使用电动机10的编码器(角度检测值)和负载结构15的加速度传感器16的检测值来求出加速度差的结构。在该结构中需要设置加速度传感器16。
图4B是表示本实施方式的积分处理流程的示意图。如图4B所示，在本实施方式中，通过低通滤波器17取得理想响应。通过求出“理想响应值与检测值的差”的平方和的时间积分，并根据以下观点来判断加速度的适当，该观点为对于一定的期间调查是否与针对指定的指令形状真正可靠的物理动作一致。因此，还能够允许与控制系统中的机械结构的模型化误差相伴的若干超调。是根据负载结构15的惯量推定值来求出视为一体结构时的极限加速度的方法，是在负载结构15中不需要加速度传感器16这一点也与现有技术不同的方式。
如上所述，本实施方式的理想响应计算部44经过低通滤波器17取得理想响应。响应比较部45将这样取得的理想响应与实际响应进行比较。此外，根据位置检测部12的位置检测值来取得实际响应。
本实施方式的响应比较部45根据评价值来判定理想响应与实际响应是否一致。计算对响应的时间序列信号的误差、其绝对值或其平方值进行计算而得到的结果的积分值，根据该积分值或它们的组合来得到评价值。对评价值设定预定的阈值，评价值是否偏离阈值成为判定基准。
另外，本实施方式的响应比较部45具有惯量推定部22，该惯量推定部22作为用于推定机床1的机构以及工件W的载荷或惯量(惯性转矩)的单元，根据由惯量推定部22推定出的惯量来调整加减速时间常数(参照图2)。
惯量推定部22根据在预定的动作中取得的电动机10的反馈信号(反馈信息)来推定在机床1中设置的工件W的惯量。电动机10的反馈信号与转矩、电流、速度等有关。例如根据来自电动机10的位置检测部12的速度的反馈信号或来自伺服控制装置30的放大器(省略图示)的电流的反馈信号来计算惯量。
惯量推定部22根据预先设定的推定式来计算惯量。惯量的推定式例如能够使用以下式(1)。惯量推定部22取得电流I、角加速度ω、干扰Tf等变量来作为反馈从而推定惯量。作为使用位置检测部12的相位信息计算出的有效电流，能够取得电流的反馈信号。能够通过角速度的微分等来求出角加速度ω。此外，惯量的推定方法并不限于该方式，能够适当地进行变更。
Jw＝(kt·I－Tf)/ω (1)
Jw：惯量
kt：转矩常数
I：电流
Tf：干扰(摩擦等)
ω：角加速度
根据推定出的惯量(以下，称为推定惯量)进行将加减速的时间常数调整为最佳的处理。电动机10应该产生的输出转矩根据机床1中的用于使工件W进行移动的机构、作为加工对象的工件W等的载荷的不同而不同，但是在输出转矩的允许范围内优选加速时间尽可能短。另一方面，在通过太短的加速时间(加减速时间常数)进行动作的情况下，有可能导致通过电动机进行的位置控制不稳定(产生振动)。例如在相对于电动机10的能力以及工件W的惯量，将加减速的时间常数设定为比适当的值短的情况下，由于电动机10的能力的限制，无法进行指令的加减速，有可能输出转矩相对于指令转矩饱和而无法进行正常的控制。相反地，在将加减速的时间常数设定为比适当的值长的情况下，不必要地缓缓地进行加减速，从而导致效率降低。因此，根据推定惯量来调整为最佳的加减速时间常数。
在加减速时间常数的最优化处理中，例如预先在理论上或者通过试验求出针对惯量的最佳时间常数，并根据推定出的惯量来设定最佳时间常数。既可以是从预定的值中选择最佳时间常数的方法，也可以是依次计算的方法，能够采用适当的方式。
图5是本实施方式的控制装置2通过响应比较来调整加减速时间常数的处理的流程。首先，由响应比较部45判定评价函数值是否超过了阈值(步骤S101)。当评价函数值在阈值内的情况下，转移到步骤S102的生成位置指令值的处理。
在步骤S102中，位置指令生成部42通过由加减速时间常数存储部41指定的加减速时间常数(时间常数)的移动平均滤波器来生成位置指令值(步骤S102)，并且位置检测部12检测电动机10的位置(步骤S103)。接着，速度指令生成部43根据位置指令值和位置检测值来生成速度指令(步骤S104)。
响应比较部45通过惯量推定部22取得惯量(步骤S105)。另外，理想响应计算部44通过由加减速时间常数存储部41指定的加减速时间常数的低通滤波器17来计算理想响应值(步骤S106)。
响应比较部45根据理想响应值和位置检测值来计算评价函数(步骤S107)，返回至步骤S101的响应比较判定。反复进行步骤S101～步骤S107的处理直到评价函数值偏离阈值为止。
在步骤S101的响应比较判定中，在评价函数值超过了阈值的情况下，转移到步骤S108的对加减速时间常数进行变更的处理。在步骤S108中，加减速时间常数存储部41根据由响应比较部45推定出的推定惯量来变更加减速时间常数。
根据上述实施方式，起到以下效果。
一种驱动工件W的电动机10的控制装置2，其具备：加减速时间常数存储部41，其存储对电动机10的加减速进行指定的加减速时间常数；位置指令生成部42，其根据加减速时间常数来生成位置指令值；位置检测部12，其检测电动机10的旋转位置；速度指令生成部43，其根据位置指令值以及由位置检测部12检测出的位置检测值来生成电动机10的速度指令；理想响应计算部44，其根据位置指令值经过低通滤波器17来计算理想响应；以及响应比较部45，其将理想响应与位置检测部检测出的实际响应进行比较，响应比较部45在判定为理想响应与实际响应不相符的情况下对在加减速时间常数存储部41中存储的加减速时间常数进行变更。
由此，判定根据装载负荷决定的加减速时间常数是否恰当，来进行该时间常数的校准，因此能够兼顾提高加工效率和确保控制稳定性。另外，通过设置用于测量惯量的机制，在控制系统中能够恰当地预测加速度，能够将与真正可靠的物理动作一致作为目标，从而能够高精度地验证加速度(加减速时间常数)。
另外，在本实施方式中，响应比较部45推定惯量，根据其推定结果来变更加减速时间常数。由此，能够将惯量反映在加减速时间常数中。
另外，在本实施方式中，响应比较部45计算对于响应的时间序列信号的误差、其绝对值或者其平方值进行计算而得到的结果的积分值，通过根据该积分值或它们的组合而得到的评价值来进行响应比较。由此，能够使用评价值高精度地进行响应比较的判定处理。
另外，在本实施方式中，在超过了针对评价值设定的阈值的情况下，响应比较部45判定为比较结果为不一致。由此，能够使判断基准具有预定的幅度，因此能够一边维持响应比较的判定精度一边防止无用地判定为不一致的情况的发生。
以上，说明了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，能够适当地进行变更。
附图标记说明
W：工件；2：控制装置；10：电动机；17：低通滤波器；22：惯量推定部；41：加减速时间常数存储部；42：位置指令生成部；43：速度指令生成部；44：理想响应计算部；45：响应比较部。

Claims (4)

1.一种电动机的控制装置，该电动机驱动被驱动体，其特征在于，
上述控制装置具备：
加减速时间常数存储部，其存储对电动机的加减速进行指定的加减速时间常数；
位置指令生成部，其根据上述加减速时间常数生成位置指令值；
位置检测部，其检测上述电动机的旋转位置；
速度指令生成部，其根据上述位置指令值以及由上述位置检测部检测的位置检测值来生成上述电动机的速度指令；
理想响应计算部，其根据上述位置指令值，经过低通滤波器来计算理想响应；以及
响应比较部，其将上述理想响应与位置检测部检测的实际响应进行比较，
上述响应比较部在判断为上述理想响应与上述实际响应不相符的情况下变更在上述加减速时间常数存储部中存储的加减速时间常数。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
上述响应比较部推定惯量，并根据其推定结果来变更加减速时间常数。
3.根据权利要求1或者2所述的控制装置，其特征在于，
上述响应比较部计算对于响应的时间序列信号的误差、该误差的绝对值或该误差的平方值分别进行计算而得到的结果的积分值，通过根据计算出的各积分值或它们的组合而得到的评价值来进行响应比较。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，
在超过了对上述评价值设定的阈值的情况下，上述响应比较部判定为比较结果不一致。
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