CN109286352B - 伺服电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抑制由于作用于被驱动体的驱动轴上的负荷的变动引起的响应性的下降的伺服电动机控制装置。伺服电动机控制装置具备：伺服电动机；被驱动体，其由伺服电动机进行驱动，作用于驱动轴的负荷根据被驱动体的位置而发生变动；位置检测部，其检测被驱动体的位置(FB)；速度检测部，其检测被驱动体的速度(FB)；以及电动机控制部，其控制伺服电动，电动机控制部具有：位置控制部，其根据被驱动体的位置指令与位置(FB)之间的位置偏差来生成速度指令；速度控制部，其将速度增益乘以速度指令与速度(FB)之间的速度偏差，和/或加上转矩补偿并生成转矩指令；以及变更部，其根据被驱动体的位置来变更速度增益与转矩补偿中的至少一个。

Description

伺服电动机控制装置
技术领域
本发明涉及一种控制用于驱动被驱动体的伺服电动机的伺服电动机控制装置。
背景技术
例如在机床中，会使用进给机构使包括用于驱动工具的主轴用电动机的主轴单元进行移动。已知一种伺服电动机控制装置(例如参照专利文献1～3)，控制用于驱动这种进给机构(被驱动体)的伺服电动机。
专利文献1：日本特开2002-178237号公报
专利文献2：日本特开平06-155217号公报
专利文献3：国际公开第2016/135958号
发明内容
在上述机床中，通过重力、旋转而作用于进给机构的驱动轴上的负荷(负载)会根据进给机构(被驱动体)的位置(即主轴单元的位置)而发生变化。例如，如果作用于驱动轴的负荷增加，则进给机构到达目标位置的时间变迟。即，伺服电动机控制装置的响应性下降。
本发明的目的为提供一种抑制由于作用于被驱动体的驱动轴上的负荷的变动引起的响应性的下降的伺服电动机控制装置。
(1)本发明的伺服电动机控制装置(例如后述的伺服电动机控制装置1)具备：伺服电动机(例如后述的伺服电动机400)；被驱动体(例如后述的倾斜机构500)，其由上述伺服电动机进行驱动，作用于驱动轴(例如后述的倾斜轴X)的负荷根据上述被驱动体的位置而发生变动；位置检测部(例如后述的编码器300)，其检测上述被驱动体的位置；速度检测部(例如后述的编码器300)，其检测上述被驱动体的速度；以及电动机控制部(例如后述的电动机控制部100)，其控制上述伺服电动机，上述电动机控制部具有：位置控制部(例如后述的位置控制部20)，其根据上述被驱动体的位置指令与通过上述位置检测部检测出的位置反馈之间的位置偏差来生成速度指令；速度控制部(例如后述的速度控制部30)，其将速度增益乘以通过上述位置控制部生成的速度指令与通过上述速度检测部检测出的速度反馈之间的速度偏差，和/或加上转矩补偿来生成转矩指令；以及变更部(例如后述的变更部60)，其根据上述被驱动体的位置来变更上述速度增益与上述转矩补偿中的至少一个。
(2)在(1)记载的伺服电动机控制装置中，上述变更部可以使用通过上述位置检测部检测出的位置反馈作为上述被驱动体的位置。
(3)在(1)记载的伺服电动机控制装置中，上述变更部可以使用上述被驱动体的位置指令作为上述被驱动体的位置。
(4)在(1)～(3)中任意一项记载的伺服电动机控制装置中，上述被驱动体由上述伺服电动机进行旋转驱动，上述变更部可以使用上述被驱动体的旋转角度作为上述被驱动体的位置。
(5)在(1)～(4)中任意一项记载的伺服电动机控制装置中，上述被驱动体可以包括主轴单元(例如后述的主轴单元510)，该主轴单元包括用于驱动机床的工具的主轴用电动机。
根据本发明，能够提供一种抑制由于作用于被驱动体的驱动轴上的负荷的变动引起的响应性的下降的伺服电动机控制装置。
附图说明
图1表示本实施方式的伺服电动机控制装置的结构。
图2表示图1所示的电动机控制部的结构。
图3表示存储在存储部中的函数(数据表)的一例。
附图标记的说明
1：伺服电动机控制装置、10：位置指令部、20：位置控制部、21：减法器、22：位置控制部、30：速度控制部、31：减法器、32：速度控制器、33：加法器、40：电流控制部、41：减法器、42：电流控制器、50：存储部、60：变更部、100：电动机控制部、200：电流检测器(电流检测部)、300：编码器(位置检测部、速度检测部)、400：伺服电动机、500：倾斜机构(被驱动体)、510：主轴单元、501：基材、502：臂。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式的一例。另外，在各个附图中对相同或相当的部分标注相同的符号。
(第一实施方式)
图1表示本实施方式的伺服电动机控制装置的结构。图1所示的伺服电动机控制装置1具备电动机控制部100、电流检测器200、编码器(位置检测部、速度检测部)300、伺服电动机400以及倾斜机构500。
电动机控制部100控制用于驱动倾斜机构(被驱动体)500的伺服电动机400，该倾斜机构500包括机床的主轴单元510。后面详细描述电动机控制部100。
电流检测器200例如是电流互感器。电流检测器200检测伺服电动机400的驱动电流。检测出的电流用作电流反馈(电流FB)。
编码器300设置在伺服电动机400上，检测伺服电动机400的旋转位置。伺服电动机400的旋转位置与倾斜机构500的位置对应，所以编码器300检测倾斜机构500的位置(机器坐标，换言之是倾斜角度(旋转角度))。检测出的位置用作位置反馈(位置FB)。
另外，编码器300检测伺服电动机400的转速。伺服电动机400的转速与倾斜结构500的速度对应，所以编码器300检测倾斜机构500的速度。检测出的速度用作速度反馈(速度FB)。
倾斜结构500由伺服电动机400进行旋转驱动，使包括用于驱动机床的工具的主轴用电动机的主轴单元510倾斜。倾斜结构500例如由安装了机床的主轴单元510的基材501、在一端侧支撑基材501且在另一端侧具有倾斜轴(旋转轴)X的臂502构成。这样，倾斜结构500具有相对于倾斜轴X非对称的结构。
接着，参照图2说明电动机控制部100。图2表示图1所示的电动机控制部100的结构。电动机控制部100具备位置指令部10、位置控制部20、速度控制部30、电流控制部40、存储部50以及变更部60。
位置指令部10根据从未图示的上位控制装置、外部输入装置等输入的程序、命令来生成伺服电动机400的位置指令，即倾斜机构500的位置指令。
位置控制部20根据通过位置指令部10生成的位置指令和通过编码器300检测出的位置FB来生成速度指令。位置控制部20具备减法器21和位置控制器22。
减法器21求出通过位置指令部10生成的位置指令和通过编码器300检测出的位置FB之间的位置偏差。位置控制器22将位置增益与通过减法器21求出的位置偏差相乘来生成速度指令。
速度控制部30根据通过位置控制部20生成的速度指令、通过编码器300检测出的速度FB、来自变更部60的速度增益以及转矩补偿来生成转矩指令。速度控制部30具备减法器31、速度控制器32、加法器33。
减法器31求出通过位置控制部20生成的速度指令与通过编码器300检测出的速度FB之间的速度偏差。速度控制器32将变更部60的速度增益与通过减法器31求出的速度偏差相乘。加法器33将来自变更部60的转矩补偿与通过速度控制器32进行乘法运算而得的值相加，生成转矩指令。
另外，速度控制部30可以不具备加法器33，而根据速度指令、速度FB以及速度增益来生成转矩指令。
电流控制部40根据通过速度控制部30生成的转矩指令和通过电流检测器200检测出的电流FB来生成伺服电动机400的驱动电流。电流控制部40具备减法器41和电流控制器42。
减法器41生成通过速度控制部30生成的转矩指令和通过电流检测器200检测出的电流FB之间的转矩偏差。电流控制器42将转矩增益与通过减法器41求出的转矩偏差相乘，生成驱动电流。所生成的驱动电流被提供给伺服电动机400。
存储部50存储预定的速度增益(固定值)以及预定的转矩补偿(固定值)。另外，存储部50存储用于变更预定的速度增益的倍率(Override)。
具体地说，如图3所示，存储部50存储将位置FB(倾斜机构500的位置)作为输入，并将与输入的位置FB对应的速度增益的倍率作为输出的函数。具体地说，存储部50将位置FB与速度增益的倍率进行关联后的数据表作为函数进行存储。图3中，位置FB所表示的倾斜机构500的位置离垂直方向的位置(0)越远，速度增益的倍率被大致正比地设定得越大。
存储部50例如是EEPROM等能够改写的存储器。
变更部60根据通过编码器300检测出的位置FB(倾斜机构500的位置)变更速度增益，并将变更后的速度增益和预定的转矩补偿提供给速度控制部30。
具体地说，变更部60根据存储在存储部50中的函数来导出与位置FB对应的速度增益的倍率。具体地说，变更部60参照数据表并根据位置FB来决定速度增益的倍率。然后，变更部60将导出的倍率与存储在存储部50中的预定速度增益(固定值)相乘，从而变更速度增益。
另外，变更部60将存储在存储部50中的预定转矩补偿(固定值)设定为转矩补偿。
电动机控制部100例如由DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable Gate Array现场可编程门阵列)等运算处理器构成。电动机控制部100的各种功能(位置指令部10、位置控制部20、速度控制部30、电力路控制部40以及变更部60)例如通过执行存储在存储部50中的预定软件(程序)来实现。电动机控制部100的各种功能可以通过硬件与软件之间的协作来实现，也可以只通过硬件(电子电路)来实现。
这里，通过主轴电源510的重力、旋转而作用于倾斜机构500的倾斜轴X上的负荷(负载(力矩))会根据倾斜机构500的位置(即主轴单元的位置)而发生变化。例如，如果作用于倾斜轴X的负荷增加，则驱动力不足，倾斜机构500到达目标位置的时间变迟。即，伺服电动机控制装置1的响应性下降。
关于这点，考虑将速度增益设定为大的值，提高响应性。但是，如果速度增益始终很大，则在负荷轻时会产生振荡(振动)。即，伺服电动机控制装置1的稳定性下降。
因此，在本实施方式的伺服电动机控制装置1中，变更部60根据倾斜机构(被驱动体)500的位置来变更增益。这样，当作用于倾斜轴X的负荷增加时，能够使速度增益增加，使驱动电流增加并使驱动力增加。因此能够抑制倾斜机构500到达目标位置的时间延迟。即，能够抑制由于作用于倾斜机构500的倾斜轴X的负荷变动引起的响应性的下降。
进一步，在作用于倾斜轴X的负荷减少时，能够使速度增益减少，抑制振荡(振动)。这样，能够同时实现抑制由于作用于倾斜机构500的倾斜轴X的负荷变动引起的响应性的下降和抑制稳定性的下降。
(第一实施方式的第一变形例)
在第一实施方式中，变更部60根据通过编码器300检测出的位置FB(倾斜机构500的位置)来变更速度增益，但是也可以代替位置FB而根据通过位置指令部10生成的位置指令(倾斜机构500的位置)来变更速度增益。
此时，如图3所示，存储部50存储将位置指令(倾斜机构500的位置)作为输入，并将与输入的位置指令对应的速度增益的倍率作为输出的函数。具体地说，存储部50将位置指令与速度增益的倍率进行关联后的数据表作为函数进行存储。图3中，位置指令所表示的倾斜机构500的位置离垂直方向的位置(0)越远，速度增益的倍率被大致正比地设定得越大。
变更部60根据存储在存储部50中的函数来导出与位置指令对应的速度增益的倍率。具体地说，变更部60参照数据表并根据位置指令来决定速度增益的倍率。然后，变更部60将导出的倍率与存储在存储部50中的预定速度增益(固定值)相乘，从而变更速度增益。
(第一实施方式的第二变形例)
在第一实施方式中，存储部50存储了预定的速度增益(固定值)、用于变更预定的速度增益的倍率，但是也可以存储多个速度增益(变动值)。
具体地说，如图3所示，存储部50存储将位置FB或位置指令作为输入，并将与输入的位置FB或位置指令对应的速度增益作为输出的函数。具体地说，存储部50将位置FB或位置指令与速度增益进行关联后的数据表作为函数进行存储。图3中，位置FB或位置指令所表示的倾斜机构500的位置离垂直方向的位置(0)越远，速度增益被大致正比地设定得越大。
变更部60根据存储在存储部50中的函数来导出与位置FB或位置指令对应的速度增益。具体地说，变更部60参照数据表并根据速度FB或位置指令来决定速度增益。
(第二实施方式)
在第一实施方式中，变更了速度增益。在第二实施方式中，代替速度增益而变更转矩补偿。
第二实施方式的伺服电动机控制装置1的结构与图1以及图2所示的第一实施方式的伺服电动机控制装置1的结构相同。另外，在第二实施方式的伺服电动机控制装置1中，变更部60的功能以及存储在存储部50中的函数(表)与第一实施方式的伺服电动机控制装置1不同。
存储部50存储用于变更预定的转矩补偿的倍率来代替用于变更预定的速度增益的倍率。
具体地说，如图3所示，存储部50存储将位置FB(倾斜机构500的位置)作为输入，并将与输入的位置FB对应的转矩补偿的倍率作为输出的函数。具体地说，存储部50将位置FB与转矩补偿的倍率进行关联后的数据表作为函数进行存储。图3中，位置FB所表示的倾斜机构500的位置离垂直方向的位置(0)越远，转矩补偿的倍率被大致正比地设定得越大。
变更部60根据通过编码器300检测出的位置FB(倾斜机构500的位置)变更转矩补偿，并将变更后的转矩补偿和预定的速度增益提供给速度控制部30。
具体地说，变更部60根据存储在存储部50中的函数来导出与位置FB对应的转矩补偿的倍率。具体地说，变更部60参照数据表并根据位置FB来决定转矩补偿的倍率。然后，变更部60将导出的倍率与存储在存储部50中的预定转矩补偿(固定值)相乘，从而变更转矩补偿。
另外，变更部60将存储在存储部50中的预定的速度增益(固定值)设定为速度增益。
这里，例如当作用于倾斜轴X的负荷增加时，若增加输出转矩，则使速度控制部30的积分器增加到输出转矩的增加部分为止的时间变长。即伺服电动机控制装置1的响应性下降。
因此，在本实施方式的伺服电动机控制装置1中，变更部60根据倾斜机构(被驱动体)500的位置来变更转矩补偿。这样，当作用于倾斜轴X的负荷增加时，能够使转矩补偿增加，能够抑制速度控制部30的积分器为了输出转矩补偿部分的转矩而增加到需要的量为止的情况。即，能够抑制由于作用于倾斜机构500的倾斜轴X的负荷变动引起的响应性的下降。
(第二实施方式的第一变形例)
在第二实施方式中，变更部60根据通过编码器300检测出的位置FB(倾斜机构500的位置)来变更转矩补偿，但是也可以代替位置FB而根据通过位置指令部10生成的位置指令(倾斜机构500的位置)来变更速度增益。
此时，如图3所示，存储部50存储将位置指令(倾斜机构500的位置)作为输入，并将与输入的位置指令对应的转矩补偿的倍率作为输出的函数。具体地说，存储部50将位置指令与转矩补偿的倍率进行关联后的数据表作为函数进行存储。图3中，位置指令所表示的倾斜机构500的位置离垂直方向的位置(0)越远，转矩补偿的倍率被大致正比地设定得越大。
变更部60根据存储在存储部50中的函数来导出与位置指令对应的转矩补偿的倍率。具体地说，变更部60参照数据表并根据位置指令来决定转矩补偿的倍率。然后，变更部60将导出的倍率与存储在存储部50中的预定转矩补偿(固定值)相乘，从而变更转矩补偿。
(第二实施方式的第二变形例)
在第二实施方式中，存储部50存储了预定的转矩补偿(固定值)、用于变更预定的转矩补偿的倍率，但是也可以存储多个转矩补偿(变动值)。
具体地说，如图3所示，存储部50存储将位置FB或位置指令作为输入，并将与输入的位置FB或位置指令对应的转矩补偿作为输出的函数。具体地说，存储部50将位置FB或位置指令与转矩补偿进行关联后的数据表作为函数进行存储。图3中，位置FB或位置指令所表示的倾斜机构500的位置离垂直方向的位置(0)越远，转矩补偿被大致正比地设定得越大。
变更部60根据存储在存储部50中的函数来导出与位置FB或位置指令对应的转矩补偿。具体地说，变更部60参照数据表并根据位置FB或位置指令来决定转矩补偿。
以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明不限于上述的实施方式。另外，本实施方式所记载的效果不过是列举了从本发明产生的最优的效果，本发明的效果不限于本实施方式所记载的效果。
例如，可以适当变更上述实施方式，也可以组合地实施。例如可以组合第一实施方式和第二实施方式，根据位置FB或位置指令来变更速度增益以及转矩补偿双方。
另外，在上述实施方式中，例示了对使机床的主轴单元倾斜(旋转)的倾斜机构(旋转机构)进行驱动控制的伺服电动机控制装置。但是，本发明的特征不限于此，而能够适用于将作用于驱动轴的负荷(负载(力矩))根据被驱动体的位置而发生变动的各种被驱动体进行驱动控制的伺服电动机控制装置。例如，本发明的特征能够适用于使机床的主轴单元滑动的滑动机构。另外，也能够适用于驱动控制工业机械等的被驱动体的伺服电动机控制装置。

Claims (5)

1.一种伺服电动机控制装置，其特征在于，
该伺服电动机控制装置具备：
伺服电动机；
被驱动体，其由上述伺服电动机进行驱动，作用于驱动轴的负荷根据上述被驱动体的位置而发生变动；
位置检测部，其检测上述被驱动体的位置；
速度检测部，其检测上述被驱动体的速度；以及
电动机控制部，其控制上述伺服电动机，
上述电动机控制部具有：
位置控制部，其根据上述被驱动体的位置指令与通过上述位置检测部检测出的位置反馈之间的位置偏差来生成速度指令；
速度控制部，其将速度增益乘以通过上述位置控制部生成的速度指令与通过上述速度检测部检测出的速度反馈之间的速度偏差，和加上转矩补偿来生成转矩指令；
存储部，其存储将位置与上述速度增益的倍率进行关联后的数据表以及将位置与上述转矩补偿的倍率进行关联后的数据表；以及
变更部，其参照存储在上述存储部中的上述数据表，根据上述被驱动体的位置来变更上述速度增益的倍率和上述转矩补偿的倍率。
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，
上述变更部使用通过上述位置检测部检测出的位置反馈作为上述被驱动体的位置。
3.根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，
上述变更部使用上述被驱动体的位置指令作为上述被驱动体的位置。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，
上述被驱动体由上述伺服电动机进行旋转驱动，
上述变更部使用上述被驱动体的旋转角度作为上述被驱动体的位置。
5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，
上述被驱动体包括主轴单元，该主轴单元包括驱动机床的工具的主轴用电动机。
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