CN109690441A

CN109690441A - 同步控制系统及控制装置

Info

Publication number: CN109690441A
Application number: CN201780052441.8A
Authority: CN
Inventors: 小坂亘; 锻治万平
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2019-04-26
Also published as: WO2018189832A1; JP6407477B1; US20190238071A1; US10476409B2; JPWO2018189832A1

Abstract

本发明涉及的同步控制系统具备：第一从站；第二从站；以及主站，其发送使电动机及第一机械装置动作的第一指令数据，向第二从站发送使电动机及第二机械装置动作的第二指令数据，主站具备：第一指令数据生成部，其生成第一指令数据；反馈数据滤波器(22)，其从反馈数据提取第一频域的频率成分而输出；指令数据滤波器(21)，其从第一指令数据提取比第一频域高的第二频域的频率成分而输出；加法运算部(23)，其将从反馈数据滤波器(22)输出的数据和从指令数据滤波器(21)输出的数据相加，对相加的结果即加法运算数据进行输出；以及第二指令数据生成部，其基于加法运算数据，生成第二指令数据。

Description

同步控制系统及控制装置

技术领域

本发明涉及对多个机械装置的驱动进行控制的同步控制系统及控制装置。

背景技术

当前，在包装机、旋转切割装置等工业机械中，进行如下同步控制，即，使切割装置的动作追随于传送带装置的动作，该传送带装置由伺服电动机的驱动进行控制，该切割装置由其它伺服电动机的驱动进行控制。作为用于实现同步控制的控制系统，存在由通过能够进行数据的收发的网络连接的主站、2个从站、以及传感器构成的同步控制系统。

在上述同步控制系统中，主站是具有生成指令数据而向第一从站发送的功能即功能A的控制装置。第一从站具有基于从主站接收到的指令数据，对以伺服电动机为代表的驱动设备进行控制的功能即功能a1。传感器具有向主站发送反馈数据的功能即功能b。反馈数据是例如，表示由驱动设备驱动的传送带装置的状态的数据。主站还具有基于从传感器接收到的反馈数据生成指令数据而向第二从站发送的功能即功能B。第二从站具有基于从主站接收到的指令数据，对驱动设备进行控制的功能即功能a2。

在上述同步控制系统中，在传感器通过功能b向主站发送的反馈数据中有可能产生由电气或机械原因造成的波动。在反馈数据中产生的波动对主站的功能B造成不良影响。即，通过功能B发送的指令数据的精度劣化。

在使用了伺服电动机的控制系统中，作为对检测出的机械端位置处的波动的影响进行抑制的技术，例如，在专利文献1中公开了将电动机端位置的高频成分和机械端位置的低频成分合成后的数据用作反馈数据的技术。

专利文献1：国际公开第2014/141515号

发明内容

在将上述专利文献1所公开的技术向同步控制系统进行了应用的情况下，通过从机械端位置利用低通滤波器将高频成分去除，从而将波动去除。但是，在专利文献1所记载的技术中，需要使用电动机端位置的高频成分，电动机端位置的检测是必不可少的。即，在专利文献1所记载的技术中，需要在2处设置传感器。但是，还存在没有在2处设置传感器的同步控制系统。并且，即使想要向没有在2处设置传感器的同步控制系统追加传感器，有时也会由于某些限制而不能够追加传感器。

另外，在没有在2处设置传感器，仅通过低通滤波器对反馈数据进行了滤波的情况下，在滤波后的反馈数据中产生延迟时间。因此，存在如下问题，即，如果使用滤波后的反馈数据，则同步控制的响应性降低。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于得到即使对反馈数据进行检测的传感器为1个，也能够对响应性的降低进行抑制并且对反馈数据的波动的影响进行抑制的同步控制系统及控制装置。

为了解决上述课题，达成目的，本发明涉及的同步控制系统具备：第一从站，其对第一装置进行控制；第二从站，其对第二装置进行控制；以及主站，其向第一从站发送使第一装置动作的第一指令数据，向第二从站发送使第二装置动作的第二指令数据。主站还具备：第一指令数据生成部，其生成第一指令数据；第一滤波器，其从第一装置的动作状态的检测结果即反馈数据提取第一频域的频率成分而输出；以及第二滤波器，其从第一指令数据提取频率比第一频域高的区域即第二频域的频率成分而输出。主站还具备：加法运算部，其将从第一滤波器输出的数据和从第二滤波器输出的数据相加，输出相加的结果即加法运算数据；以及第二指令数据生成部，其基于加法运算数据，生成第二指令数据。

发明的效果

本发明涉及的控制装置取得如下效果，即，即使对反馈数据进行检测的传感器为1个，也能够对响应性的降低进行抑制并且对反馈数据的波动的影响进行抑制。

附图说明

图1是表示实施方式涉及的同步控制系统的结构例的图。

图2是表示机械系统的一个例子的图，在该机械系统中应用实施方式的同步控制系统。

图3是表示实施方式的主站的结构例的图。

图4是表示实施方式的反馈数据校正部的内部结构例的图。

图5是表示控制电路的结构例的图。

图6是表示同步控制系统和同步控制系统的控制对象的信号传送的情况的框图。

图7是表示第一机械装置的速度响应Y(s)的一个例子的图。

图8是表示通过传感器检测出的第一机械装置的速度响应的模拟结果的一个例子的图。

图9是表示从反馈数据滤波器输出的反馈数据R₁(s)的一个例子的图。

图10是表示从指令数据滤波器输出的第一指令数据的一个例子的图。

图11是表示校正后反馈数据的一个例子的图。

图12是表示第二指令数据生成部所使用的凸轮形状的一个例子的图。

图13是表示在实施方式中由第二指令数据生成部生成的第二指令数据即位置指令数据的一个例子的图。

图14是表示在对比例中由第二指令数据生成部生成的第二指令数据即位置指令数据的一个例子的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式涉及的同步控制系统及控制装置进行详细说明。此外，本发明并不限定于该实施方式。

实施方式.

图1是表示本发明的实施方式涉及的同步控制系统的结构例的图。如图1所示，本发明的实施方式涉及的同步控制系统100具备主站1、第一从站2、第二从站3及传感器8。主站1通过网络与第一从站2、第二从站3及传感器8连接。

同步控制系统100的控制对象为电动机4、5、第一机械装置6及第二机械装置7，同步控制系统100对电动机4、5进行控制以使得第一机械装置6及第二机械装置7进行所期望的动作。

第一从站2基于从主站1发送的指令数据生成针对电动机4的转矩指令，将转矩指令向电动机4输出。电动机4由转矩指令驱动。第一机械装置6由电动机4的转矩驱动。换言之，第一从站2对第一装置进行控制，该第一装置由电动机4和通过电动机4驱动的第一机械装置6构成。在第一机械装置6中安装有对第一机械装置6的动作进行检测的传感器8。传感器8对第一机械装置6的动作状态进行检测，将检测结果作为反馈数据而向主站1发送。

第二从站3基于从主站1发送的指令数据生成针对电动机5的转矩指令，将转矩指令向电动机5输出。电动机5由转矩指令驱动。第二机械装置7由电动机5的转矩驱动。换言之，第二从站3对第二装置进行控制，该第二装置由电动机5和通过电动机5驱动的第二机械装置7构成。

本发明涉及的控制装置的一个例子即主站1生成用于通过对电动机4进行驱动而使第一控制对象即第一机械装置6动作的数据即第一指令数据，将第一指令数据发送至第一从站2。主站1使用从传感器8接收到的反馈数据，生成用于通过对电动机5进行驱动而使第二控制对象即第二机械装置7动作的第二指令数据，将第二指令数据发送至第二从站3。即，主站1向第一从站2发送使第一装置动作的第一指令数据，向第二从站3发送使第二装置动作的第二指令数据。

图2是表示机械系统的一个例子的图，在该机械系统中应用本实施方式的同步控制系统。图2所示的机械系统是例如包装机或旋转切割装置。在图2所示的例子中，第一机械装置6为传送带装置，第二机械装置7为切割装置，传感器8为转速表。作为电动机4、电动机5的例子举出旋转型伺服电动机。电动机4、电动机5并不限于该例子，只要是能够分别对第一机械装置6、第二机械装置7进行驱动的设备即可。

对切割装置即第二机械装置7进行驱动的电动机5追随第一机械装置6的动作而进行动作，由此通过传送带装置即第一机械装置6输送的片材被切割装置即第二机械装置7以所期望的片材长度切断。如上所述，第二机械装置7的动作以追随第一机械装置6的动作的方式受到同步控制。此外，图2所示的结构为一个例子，同步控制系统的应用对象只要是以使得第一机械装置6的动作追随第二机械装置7的动作的方式控制的机械系统即可，并不限于图2所示的例子。

图3是表示本实施方式的主站1的结构例的图。如图3所示，主站1具备第一指令数据生成部11、反馈数据校正部12、第二指令数据生成部13和通信部14。

第一指令数据生成部11生成发送至第一从站2的第一指令数据，将第一指令数据向反馈数据校正部12及通信部14输出。第一指令数据是以使得第一机械装置6以所期望的动作模式进行动作的方式生成的。在第一机械装置6为图2所示的传送带装置的情况下，例如，以使得第一机械装置6以恒定速度输送片材的方式生成第一指令数据。作为第一指令数据的例子举出用于对电动机4的转速进行控制的转速指令数据即速度指令数据。反馈数据校正部12基于由第一指令数据生成部11生成的第一指令数据和经由通信部14从传感器8接收到的反馈数据，生成校正后反馈数据，将校正后反馈数据向第二指令数据生成部13输出。

第二指令数据生成部13基于校正后反馈数据，生成用于使第二机械装置7动作的第二指令数据，将第二指令数据向通信部14输出。作为第二指令数据的例子举出用于对电动机5的旋转位置进行控制的位置指令数据等。作为第二指令数据生成部13的例子举出获取信号即输入值，基于预先设定的凸轮形状和输入值生成新的信号即输出值而输出的电子凸轮装置。电子凸轮装置为具有电子凸轮功能的装置，电子凸轮功能是指替代使用围绕主轴旋转的机械凸轮，使从轴电动机与主轴位置同步地对从轴电动机进行控制的功能。在该例子中，在本实施方式中，电动机4是与主轴对应的电动机，电动机5是与从轴对应的电动机。凸轮形状是与主轴位置对应地确定了诸如从轴位置、速度这样的值的形状。例如，第二指令数据生成部13对输入至第二指令数据生成部13的校正后反馈数据进行积分而求出位置数据即主轴位置，基于主轴位置和凸轮形状生成表示从轴的电动机5的位置的位置指令数据。

通信部14从传感器8对传感器8的检测结果即反馈数据进行接收，将反馈数据向反馈数据校正部12输出。通信部14将从第一指令数据生成部11接收到的第一指令数据向第一从站2发送，将从第二指令数据生成部13接收到的第二指令数据向第二从站3发送。

图4是表示本实施方式的反馈数据校正部12的内部结构例的图。如图4所示，反馈数据校正部12具备指令数据滤波器21、反馈数据滤波器22及加法运算部23。反馈数据滤波器22是从反馈数据提取第一频域的频率成分而输出的第一滤波器。指令数据滤波器21是从第一指令数据提取比第一频域频率高的区域即第二频域的频率成分而输出的第二滤波器。

向指令数据滤波器21输入从第一指令数据生成部11输出的第一指令数据，向反馈数据滤波器22输入从通信部14输出的反馈数据。

反馈数据滤波器22是使反馈数据中的预先确定的第一频域的频率成分通过而输出的滤波器。第一频域的频率成分的一个例子是小于或等于预先确定的频率的频率成分即低频成分。具体而言，反馈数据滤波器22是例如一阶滞后低通滤波器。在反馈数据滤波器22为一阶滞后低通滤波器的情况下，如果将反馈数据滤波器22的时间常数设为Tfb，则反馈数据滤波器22的传递函数Gfb(s)由下式(1)来表示。此外，s表示复数。

Gfb(s)＝1/(1+Tfb*s)…(1)

另外，指令数据滤波器21是提取第一指令数据中的比第一频域频率高的区域即第二频域的频率成分而输出的滤波器。第二频域的频率成分的一个例子是大于或等于预先确定的频率的频率成分即高频成分。具体而言，指令数据滤波器21是例如一阶高通滤波器。在指令数据滤波器21为一阶高通滤波器的情况下，如果将指令数据滤波器21的时间常数设为Tcmd，则指令数据滤波器21的传递函数Gcmd(s)由下式(2)来表示。

Gcmd(s)＝Tcmd*s/(1+Tcmd*s)…(2)

加法运算部23将从反馈数据滤波器22输出的数据即反馈数据和从指令数据滤波器21输出的数据即第一指令数据相加，将相加的结果即加法运算数据作为校正后反馈数据输出。

下面，对本实施方式的主站1的硬件结构进行说明。图3所示的通信部14为通信电路，是发送机及接收机。图3所示的第一指令数据生成部11、反馈数据校正部12及第二指令数据生成部13由处理电路实现。处理电路可以是作为专用的硬件安装的处理电路，也可以是具备处理器的控制电路。作为专用的硬件安装的处理电路也可以是ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等，或者是它们的组合。

在上述处理电路为控制电路的情况下，该控制电路是例如图5所示的控制电路200。图5是表示控制电路200的结构例的图。控制电路200具备CPU(Central ProcessingUnit)等即处理器201及存储器202。处理器201为CPU、微处理器等。存储器202是例如RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、闪存等非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘等。

在第一指令数据生成部11、反馈数据校正部12及第二指令数据生成部13由图5所示的控制电路200实现的情况下，第一指令数据生成部11、反馈数据校正部12及第二指令数据生成部13各自的功能是通过由处理器201执行在存储器202储存的用于实现第一指令数据生成部11、反馈数据校正部12及第二指令数据生成部13的功能的程序而实现的。存储器202也用作由处理器201执行程序时的存储区域。另外，也可以是第一指令数据生成部11、反馈数据校正部12及第二指令数据生成部13的一部分由专用的硬件即处理电路即处理电路实现，其余部分由上述控制电路200实现。

下面，说明本实施方式的效果，即通过本实施方式的主站1对反馈数据的波动的影响进行抑制并且能够进行响应性高的同步控制的理由。

图6是表示同步控制系统100和同步控制系统100的控制对象的信号传送的情况的框图。在图6中，将从第一指令数据生成部11输出的第一指令数据设为U(s)，将第一机械装置6的速度响应设为Y(s)，将从第一指令数据至第一机械装置6的速度响应Y(s)为止的传递函数记载为P(s)。另外，在图6中，将输入至反馈数据滤波器22的反馈数据设为R₀(s)，将从反馈数据滤波器22输出的反馈数据设为R₁(s)，将从指令数据滤波器21输出的第一指令数据记载为R₂(s)。另外，在图6中，将施加于传感器8的噪声设为N(s)，将指令数据滤波器21的传递函数设为Gcmd(s)，将反馈数据滤波器22的传递函数记载为Gfb(s)。此时，第一机械装置6的速度响应Y(s)由下式(3)来表示。

Y(s)＝U(s)P(s)…(3)

另外，输入至反馈数据滤波器22的反馈数据R₀(s)由下式(4)来表示。此外，传感器8对第一机械装置6的速度进行检测。

R₀(s)＝U(s)P(s)+N(s)…(4)

为了掌握本实施方式中的各信号的情况而进行了模拟。下面，示出模拟所得到的各信号的例子。首先，将第一指令数据U(s)设为单位阶梯函数，将P(s)＝1代入上述式(3)，通过模拟而求出第一机械装置6的速度响应Y(s)。图7是表示第一机械装置6的速度响应Y(s)的一个例子的图。

从传感器8发送至主站1而输入至反馈数据滤波器22的反馈数据R₀(s)是由传感器8检测出的第一机械装置6的速度响应。图8是表示通过传感器8检测出的第一机械装置6的速度响应的模拟结果的一个例子的图。在图8所示的例子中，使用均值为0、方差为0.1的高斯随机数生成器来生成噪声N(s)，与图7同样地，将第一指令数据U(s)设为单位阶梯函数，使P(s)＝1。

原本想要使用传感器8检测的速度响应的波形为图7所示的波形，相对于此，向主站1输入图8所示的波形即反馈数据R₀(s)的波形。如图8所示在该反馈数据R₀(s)中包含噪声。

在本实施方式中，反馈数据R₀(s)被输入至具有由上述式(1)表示的传递函数Gfb(s)的反馈数据滤波器22而进行滤波。图9是表示从反馈数据滤波器22输出的反馈数据R₁(s)的一个例子的图。在图9所示的例子中示出，在将图8所示的反馈数据R₀(s)输入至反馈数据滤波器22的情况下从反馈数据滤波器22输出的反馈数据R₁(s)。另外，在图9中，作为反馈数据滤波器22示出使用了具有将Tfb＝0.1代入上述式(1)而得到的传递函数的低通滤波器的例子。根据图8及图9可知，得到通过使用反馈数据滤波器22去除了噪声的平滑的速度响应波形，另一方面，反馈数据R₁(s)成为一阶滞后系统的阶梯响应，产生相位延迟。

在本实施方式中，第一指令数据被输入至具有由上述式(2)表示的传递函数Gcmd(s)的指令数据滤波器21而进行滤波。图10是表示从指令数据滤波器21输出的第一指令数据的一个例子的图。在图10中，作为指令数据滤波器21示出使用了具有将Tcmd＝0.1[s]代入上述式(2)而得到的传递函数的高通滤波器的例子。此外，能够将反馈数据滤波器22的时间常数和指令数据滤波器21的时间常数设为相等值。通过使反馈数据滤波器22的时间常数和指令数据滤波器21的时间常数的时间常数一致，从而适度地对由低通滤波器即反馈数据滤波器22造成的延迟进行校正。在指令数据滤波器21的时间常数比反馈数据滤波器22的时间常数大的情况下，延迟残留下来，在指令数据滤波器21的时间常数比反馈数据滤波器22的时间常数小的情况下，过度地对延迟进行校正。通过进行使反馈数据滤波器22的时间常数和指令数据滤波器21的时间常数的时间常数一致的适度的校正，从而得到与理想的原本的速度响应Y(s)等同的响应性高的反馈数据作为校正后反馈数据。

在本实施方式中，加法运算部23对从指令数据滤波器21输出的第一指令数据R₂(s)和从反馈数据滤波器22输出的反馈数据R₁(s)相加，将相加的结果作为校正后反馈数据向第二指令数据生成部13输出。图11是表示校正后反馈数据的一个例子的图。在图11中示出将图9所示的反馈数据R₁(s)和图10所示的第一指令数据R₂(s)相加的结果。

如图8所示，由于在反馈数据R₀(s)中包含噪声，因此如果主站1仍使用反馈数据R₀(s)而进行控制，则有可能无法生成正确的第二指令数据。另一方面，如图9所示，就从反馈数据滤波器22输出的反馈数据R₁(s)而言，虽然抑制了噪声但产生了相位延迟。因此，如果主站1使用反馈数据R₁(s)而进行控制，则响应性降低。相对于此，在本实施方式中，主站1使用将第一指令数据R₂(s)和反馈数据R₁(s)相加的结果即校正后反馈数据而进行控制。校正后反馈数据如图11所示，与图9所示的反馈数据R₁(s)同样地噪声即波动得到抑制，并且对图9所示的反馈数据R₁(s)中的相位延迟进行了校正。因此，可知得到了与理想的原本的速度响应Y(s)等同的响应性高的反馈数据作为校正后反馈数据。

接着，举出例子说明通过使用上述校正后反馈数据生成第二指令数据，从而提高同步控制的响应性的理由。这里，将本实施方式的同步控制系统应用于图2所示的机械系统。另外，设为如下电子凸轮装置，即，第二指令数据生成部13对校正后反馈数据进行积分而计算出第一机械装置6的位置数据，基于位置数据和预先设定的凸轮形状，生成第二指令数据。另外，第二指令数据是电动机5的位置指令数据。

图12是表示第二指令数据生成部13所使用的凸轮形状的一个例子的图。在图12所示的例子中，凸轮形状是重复以下行为的形状，即，伴随着输入值的增加，输出值增加后减少。输入值是校正后反馈数据，输出值是第二指令数据即电动机5的位置指令数据。如图12所示，伴随着输入值的增加，电动机5的位置增加后减少，这意味着伴随着由第一机械装置6送出片材，图2所示的第二机械装置7的旋转位置重复在最大值和最小值之间往返。第二机械装置7即切割装置在第二指令数据为最大值的定时(timing)，进行切割动作。

图13是表示在本实施方式中由第二指令数据生成部13生成的第二指令数据即位置指令数据的一个例子的图。图14是表示在对比例中由第二指令数据生成部生成的第二指令数据即位置指令数据的一个例子的图。图14所示的对比例是替代校正后反馈数据而将反馈数据R₁(s)输入至第二指令数据生成部13的例子。图13及图14都是以图12所示的凸轮形状为前提通过模拟求出由第二指令数据生成部13生成的第二指令数据。另外，关于第一指令数据，设为模拟中的各参数的值与图7至图12所示的模拟相同。

在图13所示的例子中，由于将校正后反馈数据向第二指令数据生成部13输入，因此在图13所示的例子中，与作为对比例的图14所示的例子相比从模拟开始至第二指令数据达到最大值为止的时间短。即，与作为对比例的图14所示的例子相比第二指令数据的上升快，能够提高同步控制的响应性即相对于第二机械装置7的动作的响应性。

如上所述，根据本实施方式，将由指令数据滤波器21从第一指令数据提取出的高频成分和由反馈数据滤波器22从反馈数据提取出的低频成分相加，将相加的结果作为校正后反馈数据用于控制即第二指令数据的生成。因此，改善了波动对来自传感器8的反馈数据的影响、响应性，得到与理想的速度响应Y(s)等同的数据。

此外，在以上说明的例子中，设为第一指令数据为单位阶梯函数而进行了说明，但第一指令数据的波形并不限于此，例如即使是以斜坡函数为代表的其它波形也会得到与上述例子同样的效果。另外，在以上说明过的例子中，对第一机械装置6的传递函数P(s)以P(s)＝1的模型示出的例子进行了说明，但并不限于此，第一机械装置6以其它模型示出也会得到同样的效果。

以上的实施方式所示的结构表示的是本发明的内容的一个例子，还可以与其它的公知技术组合，在不脱离本发明的主旨的范围，也可以省略、变更结构的一部分。

标号的说明

1主站，2第一从站，3第二从站，4、5电动机，6第一机械装置，7第二机械装置，8传感器，11第一指令数据生成部，12反馈数据校正部，13第二指令数据生成部，14通信部，21指令数据滤波器，22反馈数据滤波器，23加法运算部，100同步控制系统。

Claims

1.一种同步控制系统，其特征在于，具备：

第一从站，其对第一装置进行控制；

第二从站，其对第二装置进行控制；以及

主站，其向所述第一从站发送使所述第一装置动作的第一指令数据，向所述第二从站发送使所述第二装置动作的第二指令数据，所述主站具备：

第一指令数据生成部，其生成所述第一指令数据；

第一滤波器，其从所述第一装置的动作状态的检测结果即反馈数据提取第一频域的频率成分而输出；

第二滤波器，其从所述第一指令数据提取频率比所述第一频域高的区域即第二频域的频率成分而输出；

加法运算部，其将从所述第一滤波器输出的数据和从所述第二滤波器输出的数据相加，输出相加的结果即加法运算数据；以及

第二指令数据生成部，其基于所述加法运算数据，生成所述第二指令数据。

2.根据权利要求1所述的同步控制系统，其特征在于，

所述第一滤波器为低通滤波器，

所述第二滤波器为高通滤波器，

所述第一滤波器的时间常数和所述第二滤波器的时间常数相等。

3.根据权利要求1或2所述的同步控制系统，其特征在于，

所述第一装置通过第一电动机和由所述第一电动机驱动的第一机械装置构成，

所述第二装置通过第二电动机和由所述第二电动机驱动的第二机械装置构成，

所述反馈数据是所述第一机械装置的动作状态的检测结果。

4.一种控制装置，其特征在于，具备：

第一指令数据生成部，其生成第一指令数据，该第一指令数据为使第一装置动作的指令数据，被向对所述第一装置进行控制的第一从站发送，

第二指令数据生成部，其基于所述加法运算数据，生成第二指令数据，该第二指令数据为使由第二从站控制的第二装置动作的指令数据，被向所述第二从站发送。