CN112054737A - 抑制振动的电动机控制装置和产业机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抑制振动的电动机控制装置和产业机械，该电动机控制装置具备：加速度检测部，其检测控制对象的加速度；以及加速度控制部，其基于所检测出的加速度，来控制对控制对象进行驱动的电动机的加速度，其中，加速度控制部具备振动成分提取滤波器，该振动成分提取滤波器提取在电动机与控制对象之间产生的振动成分，振动成分提取滤波器根据控制对象的位置和质量中的至少一方来变更滤波器特性频率。

Description

抑制振动的电动机控制装置和产业机械
技术领域
本发明涉及一种电动机控制装置和产业机械，尤其是涉及一种抑制振动的电动机控制装置和产业机械。
背景技术
一直以来，当使用产生低频振动、例如以100Hz以下的频带产生振动的机床来对工件进行加工时在工件上产生与振动相应的条纹的问题受到关注。作为抑制所述振动的技术，众所周知下面的文献。
在日本特开2017-138821号公报中，公开了一种振动抑制装置，具备：转矩指令输出部，其向电动机输出基于移动指令的转矩指令；转矩指令生成单元，其生成补偿转矩指令，该补偿转矩指令与相位同由电动机驱动的机械装置所产生的振动的相位相反的振动对应；以及加法单元，其将所输出的转矩指令与所生成的补偿转矩指令相加。
在国际公开第2015/136696号中，公开了一种机床的进给轴的控制方法，基于安装于机械结构物和轴进给机构中的至少一方的状态传感器的输出信号来获取加速度，从自速度控制部输出的转矩指令中减去加速度反馈信号，该加速度反馈信号是将所获取到的加速度乘以预先决定的第一增益而得到的。
在国际公开第2011/039929号中，公开了一种定位控制装置，基于动作条件和残余振动的信息，来在执行定位前预测机械的残余振动的振幅值，基于预测结果，来在第一伺服控制部与第二伺服控制部之间自动选择，该第一伺服控制部进行不考虑机械的残余振动的抑制的定位控制，该第二伺服控制部考虑机械的残余振动的抑制。
在日本特开2006-158026号公报中，公开了一种控制装置，是对伺服电动机的驱动进行控制的控制装置，该控制装置具备对被驱动体的加速度进行检测的加速度检测单元，通过使用加速度检测单元检测的加速度检测值来校正速度指令，由此以比电流控制处理周期长的速度控制处理周期执行校正处理，减少校正所需要的处理时间。
发明内容
在以往的振动抑制方法中，与振动特性的变化对应的振动抑制功能的变更容易延迟，另外，设为目标的振动成分以外的成分也容易被抑制，因此有时电动机控制变得不稳定。
因此，寻求一种使振动抑制功能更快更准确地与振动特性的变化相适应的技术。
本公开的一个方式提供一种电动机控制装置，具备：加速度检测部，其检测控制对象的加速度；以及加速度控制部，其基于所检测出的加速度，来控制对控制对象进行驱动的电动机的加速度，其中，加速度控制部具备振动成分提取滤波器，该振动成分提取滤波器提取在电动机与控制对象之间产生的振动成分，振动成分提取滤波器根据控制对象的位置和质量中的至少一方来变更滤波器特性频率。
本公开的其它方式提供一种产业机械，具备：电动机；自身轴，其由电动机进行驱动；控制对象，其能够通过自身轴而进行移动；以及上述的电动机控制装置。
本公开的其它方式提供一种产业机械，具备：电动机；自身轴，其由电动机进行驱动；其它轴，其由与电动机不同的电动机进行驱动；控制对象，其能够通过自身轴和其它轴中的至少一方而进行移动；以及上述的电动机控制装置。
附图说明
图1是一个实施方式中的电动机控制装置的结构图。
图2是其它实施方式中的电动机控制装置的结构图。
图3A是示出滚珠丝杠的扭转振动特性的说明图。
图3B是示出滚珠丝杠的扭转振动特性的说明图。
图4是示出滚珠丝杠的板簧振动特性的说明图。
图5是具备由电动机驱动的自身轴的产业机械的结构图。
图6是还具备由与电动机不同的电动机驱动的其它轴的产业机械的结构图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细地说明本公开的实施方式。在各附图中，对同一或类似的构成要素标注了同一或类似的标记。另外，下面记载的实施方式并非用于限定权利要求书中记载的发明的技术范围和术语的意义。
图1示出本实施方式中的电动机控制装置1的结构。电动机控制装置1具备：位置指令部10，其生成控制对象3的位置指令；位置检测部13，其检测电动机2的位置；以及伺服控制部12，其基于所生成的位置指令和所检测出的电动机的位置，来控制电动机2。控制对象3例如包括机床、搬送机械这种产业机械的工作台、主轴头、输送机等。位置检测部13例如具备编码器(encoder)、解析器(resolver)、霍尔传感器(Hall sensor)等直接安装于电动机的旋转位移传感器。伺服控制部12对电动机2的位置、速度以及转矩中的至少一个进行反馈控制。
本例的电动机控制装置1还具备：加速度检测部14，其检测控制对象3的加速度；以及加速度控制部11，其基于所检测出的加速度，来控制电动机2的加速度。加速度检测部14例如具备压电型、压电电阻型、静电容量型的加速度传感器，被安装于产业机械。加速度控制部11具备微分器20、振动成分提取滤波器21a、减法器22、加速度控制器23以及加法器24。加速度控制部11也可以具备CPU(central processing unit：中央处理单元)、FPGA(field-prog rammable gate array：现场可编程门阵列)等处理器。
微分器20对位置指令部10所生成的位置指令进行二阶微分，从而生成加速度指令。但是，也可以为，微分器20对伺服控制部12所生成的速度指令进行一阶微分，从而生成加速度指令。振动成分提取滤波器21a为在加速度检测部14的后级设置的加速度反馈滤波器，从加速度检测部14所检测出的加速度中提取包含振动成分的加速度。减法器22将微分器20所生成的加速度指令与振动成分提取滤波器21a所提取出的包含振动成分的加速度相减，生成加速度偏差。加速度控制器23基于该加速度偏差，进行比例控制(P)、积分控制(I)以及微分控制(D)中的至少一个控制，生成校正转矩。但是，加速度控制器23也可以生成校正位置、校正速度等来代替校正转矩，并输出到伺服控制部12。加法器24将校正转矩与伺服控制部12所生成的转矩指令相加，并输出到电动机2。但是，加法器24也可以将校正位置与位置指令相加，或者还可以将校正速度与速度指令相加。由此，电动机控制装置1进行对控制对象3的振动进行了抑制的电动机控制。
图2示出其它实施方式中的电动机控制装置1的结构。本例的振动成分提取滤波器21b与上述的振动成分提取滤波器21a的不同点在于，该振动成分提取滤波器21b为在加速度控制器23的前级设置的加速度偏差滤波器，提取包含振动成分的加速度偏差。但是，振动成分提取滤波器21b也可以为在加速度控制器23的后级设置的校正转矩滤波器，在该情况下，提取包含振动成分的校正转矩。由此，电动机控制装置1进行对控制对象3的振动进行了抑制的电动机控制。
上述的振动成分提取滤波器21a、21b均优选具备使特定的频率成分通过的滤波器、例如低通滤波器、带通滤波器等中的至少一个。在振动成分提取滤波器21a、21b具备多个滤波器的情况下，这些滤波器可以为串联配置，也可以为并联配置。另外，振动成分提取滤波器21a、21b中的滤波器特性频率ω0如后述那样根据控制对象3的振动频率ω1、ω2而被变更。滤波器特性频率ω0例如是指低通滤波器中的截止频率、或者带通滤波器中的中心频率、或上截止频率及下截止频率等。带通滤波器也可以使用半值宽度来使特定的频带通过。
一般地，产业机械经由轴、齿轮、带、链条(chain)、凸轮、连杆(link)等动力传递要素来向控制对象3传递动力。因而，控制对象3的振动频率能够通过动力传递要素的扭转振动特性、板簧振动特性、它们的组合等来进行描述。
作为扭转振动特性的一例，参照图3A和图3B来说明滚珠丝杠31的扭转振动特性。在本例中，假定以下情况：工作台即控制对象3在滚珠丝杠31上移动，滚珠丝杠31通过支承要素32被以悬臂方式支承，滚珠丝杠31产生扭转振动V1。滚珠丝杠31具有长度L、直径d以及横向弹性系数G，在能够忽略其质量时，通过下式来描述滚珠丝杠31的弹簧常数k1。
Figure BDA0002525005760000051
由该式可知，弹簧常数k1根据与控制对象3的位置等效的滚珠丝杠的长度L而变化。如图3B所示，当控制对象3的位置L变化而弹簧常数k1变化时，控制对象3的角频率ω1(即，振动频率)如下式那样也发生变化。在下式中，JL为控制对象3的惯量。
Figure BDA0002525005760000052
根据该式还可知，控制对象3的角频率ω1根据与控制对象3的质量M等效的惯量JL而变化。在控制对象3具有质量M并通过螺距p[m]的滚珠丝杠31进行驱动的情况下，控制对象3的惯量JL能够通过下式变换为控制对象3的质量M。
Figure BDA0002525005760000053
另外，作为板簧振动特性的一例，参照图4来说明滚珠丝杠31的板簧振动特性。在本例中，假定以下情况：控制对象3处于滚珠丝杠31的前端，滚珠丝杠31通过支承要素32被以悬臂方式支承，滚珠丝杠31产生板簧振动V2。滚珠丝杠31具有长度L、直径d以及杨氏模量E，在能够忽略其质量时，通过下式来描述滚珠丝杠31的弹簧常数k2。
Figure BDA0002525005760000061
由该式可知，弹簧常数k2根据与控制对象3的位置等效的滚珠丝杠31的长度L而变化。当控制对象3的位置L变化而弹簧常数k2变化时，控制对象3的角频率ω2(即，振动频率)如下式那样也发生变化。在下式中，M为控制对象3的质量。
Figure BDA0002525005760000062
根据该式还可知，控制对象3的角频率ω2根据控制对象3的质量M而变化。根据以上内容，优选的是，振动成分提取滤波器21a、21b中的滤波器特性频率ω0基于控制对象3的物理变化(即，控制对象3的位置L和质量M中的至少一方的变化)而进行变更。
再次参照图1和图2，关于控制对象3的位置L，可以如虚线箭头所示那样将由位置检测部13检测出的电动机2的位置输入到振动成分提取滤波器21a、21b，或者也可以将由位置指令部10生成的位置指令输入到振动成分提取滤波器21a、21b。另一方面，控制对象3的质量M可以是由操作员预先输入到电动机控制装置1，或者也可以是使电动机2微小地动作(例如振动)，根据控制对象3或电动机2的转矩与加速度的关系来进行估计。
图5示出具备由电动机2驱动的自身轴31的产业机械30。产业机械30具备：电动机2；自身轴31，其由电动机2进行驱动；控制对象3，其能够通过自身轴31而进行移动；以及电动机控制装置1，其对电动机2进行控制。电动机2例如为伺服电动机，自身轴31例如为规定X轴方向的X轴滚珠丝杠，控制对象3例如为工作台。自身轴31通过支承要素32被以悬臂方式支承，但是也可以被以双支撑(日语：両持ち)方式支承。
电动机控制装置1具备图1或图2所示的振动成分提取滤波器21a、21b。自身轴31产生扭转振动V1，扭转振动特性根据控制对象3在X轴方向上的位置Lx而变化。因而，振动成分提取滤波器21a、21b基于控制对象3在自身轴31上的位置Lx，来通过式2求出扭转振动V1的角频率ω1，基于所求出的角频率ω1，来变更滤波器特性频率ω0。而且，振动成分提取滤波器21a、21b基于变更后的滤波器特性频率ω0，来提取包含扭转振动成分的加速度F(a)。
图6示出还具备由与电动机2不同的电动机4进行驱动的其它轴33的产业机械30。产业机械30具备：电动机2；自身轴31；其它轴33；控制对象3，其能够通过自身轴31及其它轴33中的至少一方而进行移动；以及电动机控制装置1，其对电动机2和电动机4进行控制。自身轴31例如为规定Y轴方向的Y轴滚珠丝杠，其它轴33例如为规定Z轴方向的Z轴滚珠丝杠，控制对象3例如为主轴头。自身轴31通过支承要素32被以悬臂方式支承，但是也可以被以双支撑方式支承，其它轴33被以悬臂方式支承。
电动机控制装置1具备图1或图2所示的振动成分提取滤波器21a、21b。优选的是，本例的振动成分提取滤波器21a、21b具备：至少两个滤波器(下面称为“扭转振动特性滤波器”、“板簧振动特性滤波器”。)，所述至少两个滤波器是将低通滤波器、带通滤波器等进行并联配置得到的；以及加法器，其将通过两个滤波器提取出的包含振动成分的加速度相加。自身轴31产生扭转振动V1，扭转振动特性根据控制对象3在Y轴方向上的位置Ly而变化。其它轴33产生板簧振动V2，板簧振动特性根据控制对象3在Z轴方向上的位置Lz而变化。扭转振动特性滤波器根据控制对象3在自身轴31上的位置Ly，来通过式2求出扭转振动V1的角频率ω1，基于所求出的角频率ω1，来变更滤波器特性频率ω0。而且，扭转振动特性滤波器基于变更后的滤波器特性频率ω0，提取包含扭转振动成分的加速度F1(a)。
另外，板簧振动特性滤波器根据控制对象3在其它轴33上的位置Lz，来通过式5求出板簧振动V2的角频率ω2，基于所求出的角频率ω2，来变更滤波器特性频率ω0。而且，板簧振动特性滤波器基于变更后的滤波器特性频率ω0，提取包含板簧振动成分的加速度F2(a)。加法器将包含扭转振动成分的加速度F1(a)与包含板簧振动成分的加速度F2(a)相加。由此，振动成分提取滤波器21a、21b提取包含扭转振动成分和板簧振动成分的加速度F(a)。
根据上述的实施方式，与控制对象3的物理变化(即，控制对象的位置和质量的变化)相应地变更振动成分提取滤波器21a、21b，因此能够使振动抑制功能更快更准确地与振动特性的变化相适应。
另外，上述的由处理器执行的程序可以记录在计算机可读取的非暂态的记录介质、例如CD-ROM等中来提供。
在本说明书中，对各种实施方式进行了说明，但是希望认识到，本发明并不限定于上述的实施方式，能够在权利要求书所记载的范围内进行各种变更。

Claims (11)

1.一种电动机控制装置，具备：
加速度检测部，其检测控制对象的加速度；以及
加速度控制部，其基于所检测出的所述加速度，来控制对所述控制对象进行驱动的电动机的加速度，
其中，所述加速度控制部具备振动成分提取滤波器，所述振动成分提取滤波器提取在所述电动机与所述控制对象之间产生的振动成分，
所述振动成分提取滤波器根据所述控制对象的位置和质量中的至少一方来变更滤波器特性频率。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中，
所述控制对象的位置是所述控制对象在由所述电动机驱动的自身轴上的位置，或者是所述控制对象在由与所述电动机不同的电动机驱动的其它轴上的位置。
3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其中，
所述控制对象的重量是由操作员预先输入的，或者基于所述控制对象或所述电动机的转矩与加速度的关系来进行估计。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电动机控制装置，其中，
所述滤波器特性频率基于扭转振动特性和板簧振动特性中的至少一方而被变更。
5.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其中，
所述扭转振动特性通过基于根据所述控制对象的位置而变化的弹簧常数k1、所述控制对象的惯量JL以及所述控制对象的角频率ω1的下式来进行描述：
Figure FDA0002525005750000011
6.根据权利要求4或5所述的电动机控制装置，其中，
所述板簧振动特性通过基于根据所述控制对象的位置而变化的弹簧常数k2、所述控制对象的质量M以及所述控制对象的角频率ω2的下式来进行描述：
Figure FDA0002525005750000021
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的电动机控制装置，其中，
所述振动成分提取滤波器为低通滤波器和带通滤波器中的至少一方，所述滤波器特性频率为所述低通滤波器的截止频率，或者为所述带通滤波器的中心频率、或上截止频率及下截止频率。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的电动机控制装置，其中，
所述振动成分提取滤波器为在所述加速度检测部的后级设置的滤波器。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的电动机控制装置，其中，
所述加速度控制部还具备对所述电动机的加速度进行控制的加速度控制器，所述振动成分提取滤波器为在所述加速度控制器的前级或后级设置的滤波器。
10.一种产业机械，具备：
电动机；
自身轴，其由所述电动机进行驱动；
控制对象，其能够通过所述自身轴而进行移动；以及
根据权利要求1至9中的任一项所述的电动机控制装置。
11.一种产业机械，具备：
电动机；
自身轴，其由所述电动机进行驱动；
其它轴，其由与所述电动机不同的电动机进行驱动；
控制对象，其能够通过所述自身轴和所述其它轴中的至少一方而进行移动；以及
根据权利要求1至9中的任一项所述的电动机控制装置。
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