CN111198536A - 伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

将扰动抑制系统并入伺服控制装置中。在该扰动抑制系统中，因扰动估计误差而被引入到目标设备的输出中的分量e，在具有与设备误差(该设备误差为目标设备和设备模型之间的传递特征的差异)的大小相对应的频率特征的扰动抑制控制器中被放大，并且放大的分量e被反馈回控制输入。

Description

伺服控制装置

优先权信息

本申请要求申请号为2014-179299，申请日为2014年9月3日的日本专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及伺服控制装置，并且，尤其涉及用于控制数控机器中的轴的速度控制装置和位置控制装置。

背景技术

通常，用于控制数控机器中的轴的伺服控制装置(如速度控制装置及位置控制装置)要求具有良好的系统稳定性(包括振动抑制能力)，以及高水平的命令遵循性能和扰动抑制性能。图6展示了在一个这样的伺服控制装置中的伺服系统的一般配置。在图6中，伺服控制装置组成反馈系统，其中使用控制器C，并且对目标设备55的输入u，施加扰动d，从而引起目标设备55的输出y遵循命令值Y。在该伺服系统中，命令遵循性能随着代表Y→y传输特征的补偿灵敏度函数T＝C～P/(1+C～P)的带宽(范围为|T|≈1)的变宽而提高，而抑制扰动d的扰动抑制性能随着代表d→u传输特征的灵敏度函数S＝1/(1+C～P)的中低频范围的|S|值的变小而提高。

在此，可以通过形成前馈系统(未示出)来提高命令遵循性能。同时，当中低频范围的灵敏度函数S最小化，以提高扰动抑制性能时，补偿灵敏度函数T的带宽不可避免地扩大至高范围。这经常导致这样的问题：比如，在高频带发生振动和系统稳定性降低。为了规避这些问题，传统上提出了仅在小的环路中抑制扰动的控制方法。作为传统的扰动抑制控制方法，已知这样的控制方法(以下称为扰动观察器方法)使目标设备接近低阶模型，估计输入目标设备的扰动d，并且提供到控制输入的反馈数据，以抵消扰动d，从而抑制扰动。

图7展示了使用扰动观察器方法的传统位置控制装置的例子的方块图。该目标设备55由驱动电机(未示出)驱动，并且目标设备55的控制输入u接收通过在加法器54中将扰动d加入由电机产生的驱动力u_c获得的信号。来自目标设备55的输出v代表由检测器(未示出)或类似物检测到的电机速度，并且来自目标设备55的另一输出x由以类似该检测器使用的方式检测到的驱动器位置和电机位置组成。速度控制单元100为用于根据速度命令值V_c准确地控制电机速度v的速度控制装置，并且被配置成在速度偏差放大器Gv中放大通过从速度命令值V_c中减去电机速度V_c获得的速度偏差信号。

扰动观察器53在内部储存目标设备55的低阶模型，并且输出由电机生成驱动力u_c和电机速度v计算出的扰动估计值^d。驱动命令值u₀，即来自速度偏差放大器Gv的输出，作为在减法器52中从驱动力命令值u₀减去扰动估计值^d获得的电机生成驱动力u_c而通过。为了根据位置命令值X_c准确地控制驱动器位置x(或直接指示驱动器位置的电机位置)，位置控制装置101在减法器50中从位置命令值X_c减去驱动器位置x，以查找位置偏差并在位置偏差放大器Gp中放大位置偏差。来自位置控制装置101的放大输出作为速度命令值V_c通过速度控制单元100。

在使用上述扰动观察器方法的常规位置控制装置中，只要目标设备的传递特征～P匹配储存在扰动观察器中低阶模型的传递特征～P，则获得该扰动估计值^d作为扰动d的精确估计值，并且扰动d可以通过反馈精确的扰动估计值^d抵消。以这种方式，可以提高扰动抑制性能而不对命令遵循性能施加任何影响。但是，因为目标设备的传递特征～P通常不匹配低阶模型的传递特征P，特别是在高频带中，待反馈的扰动估计值^d可以包括一种意外状态的反馈数据。这通常对命令遵循性能施加不利的影响，并导致振动的发生。

参见图8，其更具体地描述了与由此配置的常规位置控制装置相关的控制特征。图8为更详细地展示速度控制单元100的典型配置的方块图。下文不重复描述结合图7解释的部件。在此，目标设备的传递特征～P被假定为从控制输入u至电机速度v的传递特征，并定义为双惯性系统，具有传递杆ω_p和传递区ω_z，其由等式(1)表示如下。

～P＝(s²+ω_z ²)/{I₁s(s²+2ζω_p·s+ω_p ²)} (1)

其中I₁表示驱动侧惯性矩，I₂表示负载侧惯性矩，并且ζ表示衰减因子。接着，储存在扰动观察器中的低阶模型定义为一个惯性系统，并且该模型的传递特征P由如下等式(2)限定，以在低频范围匹配目标设备的传递特征～P：

P＝1/(Is)＝1/{(I₁+I₂)s} (2)

其中等效的惯性矩等于(I₁+I₂)。

由扰动观察器53执行输出扰动估计值^d的操作可以等效表达为：在减法器56中从电机速度v乘以低阶模型的传递特征的倒数P^-1减去电机生成驱动力u_c，并在传递函数块57中用减去后的结果乘以传递特征K₀。该传递函数块57中，使用观察器增益ω₀将该传递特征K₀表达为K₀＝I·ω₀，该传递特征K₀用作下述等式(3)的主要的低通滤波特征。

PK₀/(1+PK₀)＝(ω₀/s)/{1+(ω₀/s)}＝ω₀/(s+ω₀) (3)

在此与传递特征～P相关的参数设定为I₁＝0.2[kgm²]，I₂＝0.4[kgm²]，ζ＝0.005，ω_p＝628[rad/s]，并且ω_z＝364[rad/s]，且在不使用扰动观察器方法的条件(ω₀＝0)下适当地确定速度偏差放大器Gv。图9展示了速度控制单元100使用上述参数和速度偏差放大器Gv获得的频率特征(V_c,d→v,v₂)。应该注意，v₂代表用双惯性系统表示的目标设备55的负载侧速度，并且速度偏差放大器Gv配置有常用的比例积分补偿器。相比之下，图10展示了当采用扰动观察器方法并且选择ω₀＝300[rad/s]作为观察器增益ω₀时，获得的频率特征(Vc,d→v,v₂)。

通过使用扰动观察器方法在中低范围提高频率特征(d→v,v₂)代表的扰动抑制性能。但是，从图10中明显看出，在靠近目标设备的传递特征～P和低阶模型的传递特征P之差最大化的传递区域ω_z的频带中，扰动观察器方法的使用影响由频率特征(Vc→v₂)代表的命令遵循性能，相对于频率特征(Vc→v₂)来说，增益提高了，导致振动的发生。

从下面的描述可以理解命令遵循性能如何受扰动观察器方法的影响。因为图8的传递函数块57中的传递特征K₀的下降特征最大值仅为-20dB/dec，如等式(3)所示，在设备误差(传递特征～P和P之差)增加的频率范围中，该传递函数块57无法切断增大的分量，而非包含在传递函数块57的输入中的扰动。

为了把握图8的扰动抑制系统的运行，假设u₀＝0，扰动抑制部分被等效转换。图11展示了该等效转换的结果。当利用传递特征p和设备误差的表面特征表达目标设备的传递特征～P时，降低关于设备误差的等式(3)的大小的问题可以被鲁棒稳定性问题代替。这用于以H_∞控制设计对传递特征K₀进行设计的JP H11-24708 A(其中K₀为H无穷大控制器)中。

但是，在JP H11-24708 A中，速度控制单元如图12所示的那样进行构建，这导致对驱动命令值u₀的响应与在扰动抑制系统中对扰动d的响应等效。因此，当引入该扰动抑制系统时，命令遵循特征在中低范围经历变化。为了防止该变化，命令遵循性能不应该独立于扰动抑制性能而设计，这不可避免地涉及速度偏差放大器Gv的重新设计。

如上所述，通过包括扰动抑制系统的常规伺服控制器(在小环路中形成并且旨在提高扰动抑制性能)，可以在中低范围提高扰动抑制性能，同时该扰动抑制系统影响命令遵循系统，且因此引起振动或其它不利影响。由于这些影响，不可能独立地设计命令遵循性能和扰动抑制性能。需要这样一种伺服控制装置：其包括扰动抑制系统，该扰动抑制系统能够仅仅增强中低范围的扰动抑制性能，而不对命令遵循系统产生影响。

发明内容

本发明通过将扰动抑制系统结合至伺服控制装置中满足该需求，其中，包含于目标设备的输出中的、因扰动估计误差而产生的分量，在扰动抑制控制器中被放大并反馈至控制输入，该扰动抑制控制器具有对应于设备误差(目标设备和设备模型之间的传递特征的差异)的大小的频率特征。

在根据本发明的伺服控制装置中，目标设备模型用于计算扰动估计误差信号。扰动抑制系统被配置成在其中设备误差足够小、以便高的精度检测扰动估计误差信号的中低频率范围内较大程度地对扰动估计误差信号进行放大，而在其中设备误差足够大、以便降低对扰动估计误差信号的检测精度的高频范围内较小程度地对扰动估计误差信号进行放大，并将以任一种方式放大的扰动估计误差信号馈送回控制输入。通过由此配置的扰动抑制系统，可以单独实现在中低范围提高扰动抑制性能，而不影响整个频率范围的命令遵循性能。这具有这样的有利效果：不引入由小环路中形成的扰动抑制系统造成的振动，从而使扰动抑制性能可以独立于命令遵循性能而设计。此外，因为防止了所有特征在高范围内经历任何变化，所以可以确保速度控制系统的稳定性和位置控制系统的稳定性不会受损。

附图说明

结合附图进一步描述本发明，其中，在若干视图中，相同的附图标记表示相同的部件，并且，其中：

图1为展示根据本发明的实施例的位置控制装饰的配置的方块图；

图2为解释设计根据本发明的扰动抑制控制器的方法的方块图；

图3为展示图2中的每个块的频率特征的例子的图；

图4为展示根据本发明的扰动抑制控制器的频率特征的例子的图；

图5为展示在图1的位置控制装置中的速度控制单元的频率特征的例子的图；

图6为展示典型的伺服控制装置的示意配置的图；

图7为展示使用扰动观察器方法的常规位置控制装置的例子的方块图。

图8为详细展示图7中的速度控制单元的典型配置的方块图；

图9为展示不使用扰动观察器方法的常规速度控制单元的频率特征的例子的图；

图10为展示使用扰动观察器方法的常规速度控制单元的频率特征的例子的图；

图11为展示通过等效转换图8中的扰动抑制单元获得的设置的方块图；以及

图12为展示常规速度控制装置的配置的方块图。

具体实施方式

在下面的描述中，结合附图，根据典型的实施例描述本发明。在本发明中，扰动抑制系统也在小环路中形成，数据经由该小环路反馈回控制输入，如常规实现的一样。首先，如上文所述，形成不引起振动的扰动抑制系统的请求被找出传递特征K₀的问题代替，在由传递特征～P和P之差代表的设备误差变得更大的频率范围中，该传递特征K₀使向控制输入提供的反馈量下降。解决该问题可以防止由于扰动抑制系统的形成造成的在高频率范围中命令遵循性能的变化。其次，如上文所述，图11所示的等效块用于考虑扰动抑制性能。图11中，在设备误差小的中低频率范围中，增加扰动抑制性能的请求被找出使中低频率范围的d→u的传递特征最小化的传递特征K₀的问题替代。

图2为通过将阐述为鲁棒控制问题的两个问题结合到广义设备G中获得的方块图。在图2中，附图标记P代表通过模拟目标设备产生的设备模型的传递特征，并且附图标记K代表鲁棒控制器，其具有与上述传递特征K₀对应的传递特征。鲁棒控制器K为本发明的扰动抑制控制器。下文将描述解决该鲁棒控制问题以由此获得具有满足上述请求的传递特征的扰动抑制控制器K的方法。应该注意，M代表[w₁,w₂]^T→[z₁,z₂]^T传递矩阵，并且M_ij代表i行和j列的元素的传递函数。

当以乘积变量代表设备误差时，图2的加权传递函数W_m为稳定的最小相位系统(包括以频率特征上的乘积变量代表的设备误差的大小)并被确定，从而满足如下由等式(4)表达的关系：

|W_m|>|1-～P/P| (4)

在此，对于w₂→z₂，传递特征M₂₂可以用等式(5)表达如下：

M₂₂＝-W_m·PK/(1+PK) (5)

因为W_m在高范围内增大了，因此，设计使等式(5)最小化的传递特征K的任务与上述防止命令遵循性能在高范围变化的问题对应。

接下来，可以用等式(6)表示w₁→z₁的传递函数M₁₁如下：

M₁₁＝W_d·1/(1+PK) (6)

当选择加权传递函数W_d作为在中低范围中呈现增大的稳定最小相位系统时，设计使等式(6)最小化的传递特征K的任务与提高在中低范围的扰动抑制性能的问题对应。

因为，如上文所述，阐述上述两个请求的问题结合到传递矩阵M中，通过解决鲁棒控制问题获得扰动抑制控制器K(常用解决方案)。下述等式(7)代表包括非对角元素的传递矩阵M的结构。

[表达式1]

在解决鲁棒控制问题的过程中，因在请求的阐述中不涉及等式(7)中的非对角元素，因此不期望该非对角元素对扰动抑制控制器K的设计产生限制。因此，在本发明中，该鲁棒控制问题用μ设计解决，使得非对角元素乘以缩放因子以使设计上的限制最小化。

下述等式(8)展示了用于该实施例且被确定为涵盖在频率特征上的|1-～P/P|的加权传递函数W_m的结构：

[表达式2]

其中，W^m是高通型的，并且选择+80dB/sec作为过渡特征。

类似地，下述等式(9)展示了确定以在中低范围增加的加权传递函数W_d的结构。

[表达式3]

其中W^d是低通型的，并且选择-40dB/dec作为过渡特征。

图3展示了上述传递特征～P和P，|1-～P/P|和传递函数W_m和W_d的频率增益特征，该传递函数W_m和W_d利用参数(k,ζ_a,ζ_b,ζ_e,ζ_f,ω_a,ω_b,ω_e,ω_f)通过试验和目标设备55的误差过程获得，该目标设备55的传递特征为～P由解释背景技术所用的等式(1)表示(其中I₁＝0.2[kgm²],I₂＝0.4[kgm²],ζ＝0.005,ω_p＝628[rad/s],并且ω_z＝364[rad/s])。应该注意，该设备模型的传递特征P也通过设定低阶模型而确定，该低阶模型具有解释背景技术所用的等式(2)的传递特征。

图4展示了在上述情况下设计的扰动抑制控制器K的频率特征。因为，在由等式(6)限定的传递特征M₁₁中，选择-40dB/dec作为加权传递函数W_d在中低范围的过渡特征，当扰动抑制控制器K在中低范围的过渡特征为-20dB/dec时，传递特征M₁₁的范数H_∞降低。另一方面，在由等式(5)限定的传递特征M₂₂中，选择+80dB/dec作为与靠近目标设备的传递区ω_z的区域相关的加权传递函数W_m的过渡特征，当扰动抑制控制器K在该区域具有陡降特征时，传递特征M₂₂的范数H_∞降低。

图1为展示作为根据本发明的伺服控制装置的位置控制装置的例子的方块图。下文解释与上述常规位置控制装置的部件不同的部件。该位置控制装置11在内部配备速度控制单元10，该速度控制单元组成该扰动抑制系统，其中在小环路中包括本发明的扰动抑制控制器K(由附图标记1表示)。设备模型2具有根据目标设备模拟的传递函数P，接收作为驱动力命令值u₀的输入，并输出模型速度v_m。减法器3从电机速度v减去模型速度v_m，并且输出减去后的结果(其为上述扰动估计误差信号e)。因此，减法器3起到用于计算扰动估计误差信号的扰动估计误差计算器的作用。扰动估计误差信号e为扰动抑制控制器K的输入，根据本发明，从该扰动控制器K输出扰动估计值^d。在减法器4中输出的扰动估计值^d从驱动力命令值u₀中减去，并作为电电机生成驱动力u_c通过。

在此，用等式(10)表示扰动估计误差信号e如下。

[表达式4]

从扰动估计误差(d-^d)的定义中，可以发现，在设备误差小的中低范围，扰动估计误差信号e包括具有高准确度的扰动估计误差，但在设备误差大的高范围，该扰动估计误差信号e包括并非以高准确度获得的扰动估计误差。因此，本发明的扰动抑制系统具有这样的控制结构，其中向控制输入提供的反馈量随扰动估计误差检测准确度变高而增加。

因此，在扰动抑制系统中u₀,d→u的传递特征由等式(11)表达如下：

[表达式5]

因为扰动抑制控制器K是这样的放大器：在设备误差较小的中低范围，该放大器使用较高放大率进行放大，并且在设备误差大的高范围，使用较低放大率进行放大，因此在中点范围获得优异的扰动抑制效果，从而由此减轻由扰动d施加在控制输入u上的影响。从等式(11)可以确定，由于在整个范围中，当d＝0时，以u≈u₀获得控制输入u，该命令遵循系统不受扰动抑制系统的影响。

图5展示了图1中所示的速度控制单元10的频率特征(Vc,d→v,v₂)。在此，速度偏差放大器Gv定义为具有与用于获得上述图9和10中所示的频率特征的那些相同的特征。指示图5的命令遵循性能的频率特征(Vc→v,v₂)类似于如图9所示在未使用扰动观察器方法的情况下常规获得的那些特征。即，不像图10所示和利用扰动观察器方法获得的常规特征，图5中的命令遵循性能不会引起由增加的增益导致的振动。同时，对指示扰动抑制性能的频率特征(d→v,v₂)的理解如下文所述。中低范围的频率特征(d→v)可以用等式(12)表示如下。

[表达式6]

因为扰动抑制控制器K在中低范围的过渡特征为-20dB/dec，在中低范围的频率特征(d→v,v₂)的过渡特征比在图10中利用扰动观察器方法获得的常规特征的过渡特征更陡。从等式(12)和更陡的过渡特征中可以证明，扰动抑制性能得以提高。此外，在v≈v₂的中低范围，频率特征(d→v₂)与频率特征(d→v)大致相同。

如上文所述，根据本发明的伺服控制装置具有包括扰动抑制系统的结构，该扰动抑制系统能单独地增强中低范围的扰动抑制性能，而不影响整个频率域的命令遵循性能。因为该结构可以防止由于包含扰动抑制系统造成的频率特征在高范围中发生任何变化，因而独立地设计命令遵循性能和扰动抑制性能而不损害速度控制系统和位置控制系统的稳定性是可能的。

Claims (1)

1.一种用于数控机器的伺服控制装置，其包括：

目标设备，其由伺服电机驱动；

速度检测器，其检测所述驱动电机的速度作为电机速度(v)；

位置检测器，其检测所述驱动电机或所述驱动器的位置作为驱动器位置(x)；以及

位置控制装置，其根据主机发出的位置命令值(Xc)控制所述目标设备的位置，其中，

所述位置控制装置配置为：

放大由所述位置命令值(Xc)减去由所述位置检测器检测的驱动位置(x)而获得的位置偏差信号，以计算速度命令值(Vc)；

放大由所述速度命令值(Vc)减去由所述速度检测器检测的电机速度(v)而获得的速度偏差信号，以计算电机生成驱动力(u₀)；

从所述电机生成驱动力(u₀)减去扰动估计值(^d)，以计算校正后的电机生成驱动力(u_c)；

将所述电机生成驱动力(u₀)输入设备模型以计算模型速度(vm)，所述设备模型具有传递函数，所述传递函数通过设定低阶模型而确定；

从所述电机速度(v)减去所述模型速度(vm)，以计算扰动估计误差信号(e)；

放大所述扰动估计误差信号(e)，以计算所述扰动估计值(^d)；以及

输出所述驱动电机的控制信号，以使得生成所述校正后的电机生成驱动力(u_c)；其中，

所述设备模型在中低范围频率区域内相对于所述目标设备的设备误差小于所述设备模型等式在高范围频率区域内相对于所述目标设备的设备误差，并且

所述扰动估计误差信号(e)在所述中低范围频率区域内的放大率大于所述扰动估计误差信号(e)在所述高范围频率区域内的放大率。

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