CN1273875C

CN1273875C - 伺服控制装置

Info

Publication number: CN1273875C
Application number: CNB031378994A
Authority: CN
Inventors: 青野龙二; 小林直美; 饭田刚士; 伊东隆充
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: GB2391076B; DE10324036A1; GB0312084D0; CN1462914A; US20060061318A1; US7541763B2; KR100548875B1; US7002315B2; GB2391076A; US20030222615A1; KR20030091822A

Abstract

目的旨在提供可以同时实现提高控制性能和降低成本的伺服控制装置。本发明是与伺服电机21连接而控制该伺服电机21的伺服控制装置10。伺服控制装置10包括具有指定数的位宽的数字逻辑电路11。数字逻辑电路11具有至少一对并列运算电路11a、11b。

Description

伺服控制装置

技术领域

本发明涉及伺服控制装置。

背景技术

作为伺服电机的控制方法的具体例，熟知的有①位置控制、②速度控制、③电流控制。

所谓位置控制，就是指根据位置指令与位置反馈的差分发生速度指令而可以将控制对象物控制在目的位置的控制。

所谓速度控制，就是指根据速度指令与速度反馈的差分发生电流(转矩)指令而可以将控制对象物控制在目的速度的控制。

所谓电流控制，就是指根据电流指令与电流反馈的差分控制电流驱动器而可以将控制对象物控制为目的电流值的控制。在伺服电机中，电流驱动器通常是通过PWM(脉冲幅度调制)进行控制的逆变装置。在同步电机中，为了进行上述电流控制，需要将电机的磁极位置用于运算的电角。

在现有技术中，以上的3个控制形式利用在CPU上执行的软件(算法语言)而实现。

图4是用于说明进行同步电机的电流控制的现有技术的概略框图。如图4所示，从外部向CPU51传输电流指令(U相电流指令和W相电流指令)时，CPU51按照预先由软件实现的算法语言，计算用以使上述电流指令与从电流检测器62a、62b检测的电机61的电流值的差分成为零的对PWM逆变器52的指令值。PWM逆变器52根据从CPU51传送来的指令值将用于使电机61转动的电力供给电机61。

对于速度控制和位置控制，也可以和图4所示的电流控制大致相同地进行实施。实施速度控制时，就是实施电流控制和速度控制两方面的控制，实施位置控制是，就是实施电流控制、速度控制和位置控制的全部控制。

图7是模式地表示现有的伺服控制装置100和伺服电机200的框图。通常，控制多个伺服电机的伺服控制装置，是按各时钟周期控制伺服电机的各轴。伺服控制装置具有用于驱动伺服电机的电流驱动器和用于控制电流驱动器的控制运算部。伺服控制装置为了控制伺服电机的各轴，这些电流驱动器和控制运算部与伺服电机的各轴对应地设置。

图7所示的伺服控制装置100具有位置控制部110、速度控制部120、控制运算部130、电流驱动器150、电流检测器170、电流反馈电路190、位置检测器210和位置反馈电路220。控制运算部130、电流驱动器150、电流检测器170和电流反馈电路190与伺服电机200的各轴对应地设置。位置检测器210设置在各伺服电机200上。

位置控制部110根据位置指令发生速度指令。速度控制部120根据位置控制部110的速度指令发生电流指令。

各个控制运算部130根据速度控制部120的电流指令控制电流驱动器150，各个电流驱动器150向对应的伺服电机200供给电流。伺服电机200接收该电流而被驱动。

位置检测器210检测伺服电机200的位置，位置反馈电路220将检测的伺服电机200的位置向位置控制部110反馈。

供给伺服电机200的电流由电流检测器170进行检测。电流检测器170检测的电流值由电流反馈电路190向控制运算部130反馈。

控制运算部130将从电流检测器170反馈的电流值与由电流指令指定的电流值进行比较，并进行用于修正向伺服电机200供给的电流的运算。

在伺服电机的控制中，对于①位置控制、②速度控制和③电流控制的各控制周期(时间)，必须是①＞②＞③的关系。这是因为，为了控制速度，必须以更快的响应时间控制转矩(电流)，同样，为了控制位置，百以更快的响应时间控制速度。

①的控制周期涉及位置的精度，控制周期越短，越可以实现高的性能。现在，一般的伺服控制装置的位置的控制周期，主要是数百μsec～数msec。

另一方面，担任使用图4说明的电流控制的CPU51逐次处理用于进行控制的运算，所以，为了执行控制，必须进行数百～数千步骤的处理。因此，从输入指令值到进行输出的时间(周转时间)通常需要数十μsec以上。

众所周知，如果周转时间快，就回减少控制理论上的所谓的无用时间，在控制环中可以设定更高的增益，从而可以提高控制性。即，可以说，周转时间越快，控制性能就越高。

周转时间取决于CPU的处理速度。但是，处理速度快的CPU价格昂贵，因此，③的控制周期，从现在通常所能得到的CPU的性能考虑，根据①＞②＞③的关系，已是接近性能的极限的周期。

因此，现有的伺服控制装置难于同时实现提高控制性能和降低成本这两方面的要求。

在图7所示的伺服控制装置100中，作为硬件的控制运算部130是通过将作为软件的程序进行运算处理而进行电流控制的。即，在现有例中，控制运算部130采用了程序控制方式。因此，伺服控制装置100也存在上述问题。

此外，图7所示的控制运算部130是按各伺服电机200而设置的。因此，需要与伺服电机200相同数量的CPU。这样，伺服控制装置100的成本将提高，并且，伺服控制装置100的大小也将大型化。

发明内容

因此，本发明的目的旨在提供制造成本低、小型化、并且控制对象的控制周期比现有例短、可以同时实现提高控制性能和降低成本的伺服控制装置。

本发明是与伺服电机连接而控制该伺服电机的伺服控制装置，其特征在于：具备具有指定数的位宽的数字逻辑电路，上述数字逻辑电路至少具有一对并列运算电路。

按照本发明，作为专用硬件电路的数字逻辑电路进行控制，取代使用软件进行控制的CPU。数字逻辑电路虽然有缺乏通用性、规格变更困难的不利的一面，但是，只要时钟频率相同，就可以具有CPU的数十倍的数据处理能力。因此，可以进行高速的电流运算，从而可以显著地提高控制性能。

另外，数字逻辑电路的制造，与比利用高性能的CPU廉价。

此外，CPU进行1次运算的位宽取决于该CPU内藏的寄存器长度，与此相反，数字逻辑电路的位宽可以任意决定。因此，可以对各控制内容选择最佳的位宽，从而可以避免设计上的浪费，提高控制效率。

并且，由于数字逻辑电路至少具有一对并列运算电路，所以，可以缩短运算时间。

进而，最好伺服控制装置具有PWM逆变器，而上述数字逻辑电路发生用于控制上述PWM逆变器的PWM。

本发明的其他实施例的伺服控制装置的特征在于：具有为了驱动控制对象而向驱动部供给驱动电流的电流供给部、至少检测上述驱动电流值的第1检测部、和为了使上述控制对象移动到所希望的位置而输入决定控制上述驱动部的驱动速度的上述驱动电流的电流指令以及输入从上述第1检测部反馈的上述驱动电流值、并使用专用的LSI、根据上述驱动电流值、利用数字逻辑方式变换上述电流指令，从而将变换后的该电流指令向上述电流供给部输出的逻辑运算部。

附图的简单说明

图1是表示本发明的1个实施例的伺服控制装置的概略框图。

图2是用于说明图1的数字逻辑电路实现的电流环控制的概略框图。

图3是表示并列运算电路的控制时间缩短的具体例的图。

图4是表示现有的伺服控制装置的概略框图。

图5是模式地表示本发明实施例的伺服控制装置和伺服电机的框图。

图6是表示逻辑运算部510的动作的时间图。

图7是模式地表示现有的伺服控制装置和伺服电机的框图。

发明的具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施例。

图1是表示本发明的1个实施例的伺服控制装置10的概略框图。如图1所示，伺服控制装置10与同步电机21连接，用于进行同步电机21的电流控制。在同步电机21上，设置了检测该电机21的电流的电流检测器22a、22b。

伺服控制装置10具有供给外部的电流指令(U相电流指令和W相电流指令)的数字逻辑电路11和根据数字逻辑电路11输出的指令值将用于使同步电机21转动的电力供给同步电机21的PWM逆变器12。

数字逻辑电路11按照预先作为逻辑电路的结构(逻辑运算器的排列)而实现的算法语言，向PWM逆变器12输出用以使上述电流指令(指令值)与从电流检测器22a、22b检测的同步电机21的电流值(反馈值)的差分成为零的指令值。

图2是用于说明利用本实施例的数字逻辑电路11实现的电流环控制的概略框图。如图2所示，本实施例的数字逻辑电路11具有作为并列运算电路的一对电流控制器11a和11b。

另外，在本实施例中，，由12位分辨率的A/D变换器(图中未示出)将电流反馈信号实现数字化后进行利用。与此对应地，数字逻辑电路11按12位的位宽进行设计、制造。

数字逻辑电路11，通常可以用专用的LSI(大规模集成电路)实现。数字逻辑电路11可以比利用高性能的CPU廉价地制造。

下面，说明本实施例的伺服控制装置10的作用。

首先，将外部的电流指令(U相电流指令和W相电流指令)供给数字逻辑电路11。另一方面，同步电机21的电流值(电流反馈)通过A/D变换器(图中未示出)从电流检测器22a、22b供给数字逻辑电路11。

并且，数字逻辑电路11按照预先作为逻辑电路的结构(逻辑运算器的排列)而实现的算法语言，向PWM逆变器12输出用以使上述电流指令与从电流检测器22a、22b检测的同步电机21的电流值的差分成为零的指令值。

PWM逆变器12根据数字逻辑电路11输出的指令值将用于使同步电机21转动的电力供给同步电机21。

这里，由于数字逻辑电路11具有并列运算电路，所以，与使用CPU的逐次运算比较，可以缩短控制时间。下面，使用图3说明利用并列运算电路实现控制时间缩短的具体例子。

图3所示的数字逻辑电路是进行(A+B)+(C+D)的运算的电路，并列地进行(A+B)的运算和(C+D)的运算，在全体上就是进行了2个步骤的处理。另一方面，在CPU的逐次运算中，需要①A+B→X、②C+D→Y、③X+Y→输出这样的3个步骤。即，具有并列运算电路的数字逻辑电路11的控制运算的步骤数可以比CPU的逐次控制运算的步骤数大幅度地减少。

作为实际的控制处理时间，在CPU的情况时也有数十μsec，但是，在数字逻辑电路11的情况时，作为为数μsec，即，周转时间缩短了，提高了控制性能。

另外，本实施例的数字逻辑电路11与12位分辨率的A/D变换器对应，按12位宽制造，所以，运算电路没有浪费。CPU的寄存器长度，通常为8位的倍数，所以，CPU为了与12位分辨率的A/D变换器对应，将变换后的数据按16位处理，可以避免这样的浪费，任意选择数据精度。此外，按照本实施例的数字逻辑电路11，可以更可靠地防止发生所谓的溢出的问题。

以上的说明是对电流环控制进行的，但是，本发明也可以应用于速度环控制和位置环控制。

如上所述，按照本发明的实施例，通过比较廉价的作为专用硬件电路的数字逻辑电路进行控制，取代使用软件进行控制的CPU，可以用低成本实现更高速的控制运算特别是电流运算。

按照本发明的实施例，可以任意决定数字逻辑电路的位宽，所以，可以对各控制内容选择最佳的位宽，从而可以避免设计上的浪费，提高控制效率。

此外，在数字逻辑电路具有至少一对并列运算电路时，可以进一步缩短运算时间。

下面，详细说明本发明实施例的多轴的伺服控制装置。

图5是模式地表示本发明实施例的伺服控制装置500和伺服电机200a、200b、200c和200d(以下，也简单地称为伺服电机200)的框图。

伺服电机200作为驱动控制对象(图中未示出)的驱动部而起作用。作为控制对象，可以使用线性电机、传动齿轮、静压蜗杆传动、静压螺旋等进给驱动机构。作为进给驱动机构，采用线性电机时，线性电机起驱动部的作用，所以，线性电机可以取代伺服电机200。另外，作为控制对象的实施例，也可以采用皮带驱动等的转动驱动机构。

伺服控制装置500驱动伺服电机200，并且供给由于进行控制的驱动电流。伺服控制装置500具有向各个伺服电机200供给用于驱动伺服电机200的驱动电流的PWM(Pulse Width Modulator)逆变器150a、150b、150c和150d(以下，也简单地称为PWM逆变器150)和检测该驱动电流值的电流检测器170a、170b、170c和170d(以下，也简单地称为电流检测器170)。

另外，伺服控制装置500进而具有为了使控制对象移动到所希望的位置，接收决定控制伺服电机200的驱动速度的驱动电流的电流指令而通过各个电流反馈电路190a、190b、190c和190d(以下，也简单地称为反馈电路190)从电流检测器170输入反馈的驱动电流值并根据该驱动电流值利用数字逻辑方式修正电流指令从而将该修正后的电流指令向各个PWM逆变器150输出的逻辑运算部510。

伺服控制装置500进而具有根据控制对象的位置的差分输出速度指令的位置控制部110和输入位置控制部110的速度指令而变换为电流指令从而将该电流指令向逻辑运算部510输出的速度控制部120。

伺服控制装置500进而具有检测各个伺服电机200的位置的位置检测器210a、210b、210c和210d(以下，也简单地称为位置检测器210)和将在位置检测器210中检测的伺服电机200的位置向位置控制部110反馈的位置反馈电路220a、220b、220c和220d(以下，也简单地称为位置反馈电路220)。

逻辑运算部510具有向各伺服电机200输入并保持电流指令的输入寄存器520a、520b、520c和520d(以下，也简单地称为输入寄存器520)、输入并保持从电流检测器170反馈的各伺服电机200的驱动电流值的电流反馈寄存器580a、580b、580c和580d(以下，也简单地称为电流FB寄存器580)和修正电流指令使输入寄存器520的电流指令与电流FB寄存器580的驱动电流值相等的电流控制运算器550。

电流控制运算器550连接成可以通过选择器530与输入寄存器520和电流FB寄存器580进行通信。此外，电流控制运算器550连接成也可以通过选择器530与PWM发生器560a、560b、560c和560d(以下，也简单地称为PWM发生器560)进行通信。PWM发生器560利用脉冲幅度调制方式将电流控制运算器550的信号调制为脉冲幅度调制信号，向PWM逆变器150输出。

PWM逆变器150、输入寄存器520、电流FB寄存器580和PWM发生器560分别与伺服电机200对应地设置，设置与伺服电机200相同的数量。另一方面，电流控制运算器550对于多个伺服电机200仅设置1个。按照本实施例，电流控制运算器550对于4个伺服电机200仅设置1个。

电流控制运算器550连接成可以与内部数据寄存器590进行通信。电流控制运算器550有时需要积分器等内部存储要素。因此，设置了内部数据寄存器590。

按照本实施例，逻辑运算部510是将逻辑运算部510包含的各要素集成在1芯片中的LSI，作为数字逻辑电路的形式形成。

下面，说明本发明实施例的伺服控制装置500和伺服电机200的动作。

位置控制部110从位置检测器210接收控制对象的位置，根据该位置反馈与位置指令之差输出速度指令，用以将控制对象控制到目的位置。另外，位置控制部110根据位置检测器210的位置反馈计算并输出伺服电机200的电角。

速度控制部120利用从位置控制部110输入的位置反馈值的时间微分计算控制对象的速度反馈，根据该速度反馈与位置控制部110的速度指令之差输出电流指令，用以将控制对象控制为目的速度。电流指令是向伺服电机200a～200d的某一个供给的驱动电流的数据。因此，速度控制部120也输出表示电流指令是对伺服电机200a～200d中的哪一个的指令的地址数据。另外，除了电流指令外，速度控制部120也输出伺服电机200的电角的信息。

电流指令和电角的信息由逻辑运算部510接收，按照地址数据保持在指定的寄存区域。例如，考虑由4个区域构成逻辑运算部510内的输入寄存器，将各个寄存区域分配给伺服电机200的各轴。按照本实施例，关于伺服电机200a的电流指令和电角的信息保持在第1轴的输入寄存器520a中，关于伺服电机200b的电流指令和电角的信息保持在第2轴的输入寄存器520b中，关于伺服电机200c的电流指令和电角的信息保持在第3轴的输入寄存器520c中，关于伺服电机200d的电流指令和电角的信息保持在第4轴的输入寄存器520d中。

电流指令和电角的信息在输入寄存器520中是从第1轴到第4轴的并行的数据。选择器530将该并行数据变换为串行数据，分时向电流控制运算器550发送。

另一方面，电流检测器170检测从PWM逆变器150向伺服电机200供给的驱动电流值。电流检测器170检测的驱动电流值由反馈电路190向逻辑运算部510反馈。这时，驱动电流值保持在指定的寄存区域。例如，考虑由4个区域构成逻辑运算部510内的电流FB寄存器580，将各个寄存区域分配给伺服电机200的各轴。按照本实施例，伺服电机200a的驱动电流值的数据保持在第1轴的电流FB寄存器580a中，伺服电极200b的驱动电流值的数据保持在第2轴的电流FB寄存器580b中，伺服电机200c的驱动电流值的数据保持在第3轴的电流FB寄存器580c中，伺服电极200d的驱动电流值的数据保持在第4轴的电流FB寄存器580d中。

驱动电流值的数据在电流FB寄存器580中是第1轴～第4轴的并行的数据。选择器530将该并行数据变换为串行数据，分时向电流控制运算器550发送。

电流控制运算器550进行将输入寄存器520的电流指令与电流FB寄存器580的驱动电流值比较的运算。这时，电流指令和驱动电流值分别是分时的串行数据，所以，电流控制运算器550与电流指令和驱动电流值的串行数据对应地分时进行处理。另外，电流控制运算器550同样也可以计算利用输入寄存器520的电角进行修正的电流指令。

图6是表示逻辑运算部510的动作的时间图。将关于第1轴～第4轴的伺服电机200a～200d的处理沿时间轴进行排列。

首先，输入寄存器520取得并保持电流指令和电角。电流FB寄存器580取得并保持电流反馈。电流反馈是包含由电流检测器170检测的驱动电流值的信息。

其次，由选择器530将电流指令、电角和电流反馈变换为串行数据，并分时向电流控制运算器550发送。电流控制运算器550必须将4个伺服电机200作为对象进行运算处理，所以，对各伺服电机200分时进行运算处理。按照本实施例，电流控制运算器550先进行第1轴的伺服电机200a的电路控制运算，然后，顺序进行第2轴的伺服电机200b、第3轴的伺服电机200c和第4轴的伺服电机200d的电流控制运算。

电流控制运算，为了将目的电流值供给伺服电机200，根据驱动电流值与电流指令之差计算利用电角修正的电流指令。

然后，电流控制运算器550向选择器530发送修正后的电流指令，选择器530将修正后的电流指令变换为并行数据，向PWM发生器560输出。PWM发生器560根据修正后的电流指令向PWM逆变器150输出PWM信号。逻辑运算部510就这样动作。

此外，PWM逆变器150将PWM信号变换为与电流指令对应的值的电流，并将该电流供给伺服电机200。伺服电机200接收该电流而被驱动，从而使控制对象以所希望的速度和转矩向所希望的位置移动。

如上所述，按照本实施例，电流控制运算器550利用数字逻辑方式构成。即，电流控制运算器550不使用程序而利用硬件进行数字逻辑化处理。

数字逻辑方式的控制动作由控制电路中的逻辑电路构成，所以，虽然缺乏高度的功能和多用途的适应性，但是，高速进行规定的反复进行的控制动作却是很有效的。

另一方面，迄今利用程序控制方式时，仅变更程序就可以扩展功能，从而可以使机器适用于多用途。但是，控制动作包含读出或解读程序内的多个命令，结果，存在控制速度慢的缺点。

通常，在工作机械、机器人、注射成形机、电线放电加工机、电动冲压等各种产业机器中都使用伺服电机，该电流控制运算器可以利用单一的算法语言进行设计。另外，即使CPU和电流控制运算器550以相同的时钟频率动作，利用数字逻辑方式的伺服控制装置的控制周期也比利用程序控制方式的快数十倍。

按照数字逻辑方式，控制周期比利用程序控制方式时快数十倍，所以，用1个LSI芯片可以控制多个伺服电机。例如，按照本实施例，具有1个电流控制运算器550的逻辑运算部510控制4个伺服电机200。如本实施例所述，即使用1个LSI芯片控制多个轴，本实施例的伺服控制装置500的控制周期也比现有的伺服控制装置100的控制周期快数10/4倍。另外，这样就可以减少伺服控制装置500所需要的电流控制用的LSI芯片数，从而可以降低伺服控制装置500的成本。

为了进一步提高伺服控制装置500的控制周期，可以减少1个LSI芯片即1个电流控制运算器550控制的伺服电机200的数，或者使用处理能力更高的LSI芯片。例如，对各伺服电机200设置1个电流控制运算器500时(图中未示出)，可以得到比现有的伺服控制装置200快数十倍的控制周期。

但是，对各伺服电机200设置1个电流控制运算器550时或设置处理能力高的电流控制运算器550时，伺服控制装置的成本将提高。因此，控制周期的速度与伺服控制装置的成本存在折衷的关系，可以根据需要进行设计。例如，维持现有例的控制周期的速度而比现有例降低伺服控制装置的成本的事，可以通过减少伺服控制装置中设置的LSI芯片数来实现，或者，也可以通过将廉价的并且处理能力低的LSI芯片设置与现有例相同的数量来实现。

以上，使用实施例说明了本发明，但是，本发明的技术范围不限于上述实施例所述的范围。可以对上述实施例进行各种各样的变更或改良。进行这样的变更或改良的形式也包含在本发明的技术范围内，根据权利要求所述的范围即可明白。

本发明实施例的伺服控制装置，制造成本低，可以实现小型化，并且控制对象的控制周期比现有例短，可以同时实现提高控制性能和降低成本的要求。

Claims

1.一种伺服控制装置，其特征在于：具有为了驱动控制对象而向驱动部供给驱动电流的电流供给部、至少检测上述驱动电流值的第1检测部、和为了使上述控制对象移动到所希望的位置而输入决定控制上述驱动部的驱动速度的上述驱动电流的电流指令以及输入从上述第1检测部反馈的上述驱动电流值、并使用专用的LSI、根据上述驱动电流值、利用数字逻辑方式、变换上述电流指令，从而将变换后的该电流指令向上述电流供给部输出的逻辑运算部。

2.按权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：上述逻辑运算部具有输入并保持上述电流指令的输入寄存器、输入并保持从上述第1检测部反馈的上述驱动电流值的反馈寄存器和根据上述输入寄存器的上述电流指令与上述反馈寄存器的上述驱动电流值之差修正上述电流指令的电流控制运算器。

3.按权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：上述驱动部是多个伺服电机，上述电流供给部和上述第1检测部与上述多个伺服电机对应地设置相同数量，上述逻辑运算部具有输入并保持与上述多个伺服电机对应地设置的上述各个伺服电机的上述电流指令的输入寄存器、输入并保持从与上述多个伺服电机对应地设置的上述第1检测部反馈的上述驱动电流值的反馈寄存器和根据多个上述输入寄存器的上述电流指令与多个上述反馈寄存器的上述驱动电流值之差分时修正上述电流指令的电流控制运算器。

4.按权利要求2所述的伺服控制装置，其特征在于：上述电流供给器是由脉冲幅度调制信号控制的逆变电路，上述逻辑运算部进而具有连接上述逆变电路与上述电流控制运算器之间的、利用脉冲幅度调制方式将该电流控制运算器的信号调制为脉冲幅度调制信号并向上述逆变电路输出的脉冲波发生器。

5.按权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：进而具有根据上述驱动部的位置输出速度指令和电角的位置控制部和检测上述驱动部的位置的第2检测部，上述逻辑运算部输入上述位置控制部根据从上述第2检测部反馈的上述驱动部的位置计算的电角和上述电流指令，输入从上述第1检测部反馈的上述驱动电流值，使用专用的LSI、根据上述驱动电流值和上述电角，利用数字逻辑方式变换上述电流指令，并将变换后的该电流指令向上述电流供给部输出。

6.按权利要求2所述的伺服控制装置，其特征在于：上述输入寄存器、上述反馈寄存器和上述电流控制运算器集成在1个芯片中。