CN1579702A - 用于机床的位置控制设备和位置控制方法 - Google Patents

Abstract

用于机床的位置控制设备和位置控制方法。机床利用伺服电机来移动被驱动部件。位置控制设备根据全闭环控制对被驱动部件的位置进行控制。位置控制设备根据其中电机速度V_M、电机位置P_M、被驱动部件V_m和被驱动部件位置P_m四个状态量为独立变量的函数F(V_M，P_M，V_m，P_m)来计算综合反馈值g。通过综合反馈值g对输入到伺服电机的推力指令τ^*进行补偿。由此根据全闭环控制实现伺服电机的最佳驱动和控制。

Description

用于机床的位置控制设备和位置控制方法

技术领域

本发明涉及改进的机床位置控制设备和方法，其中根据全闭环控制来对伺服电机进行最佳的驱动和控制。

背景技术

传统上，机床的位置控制设备是公知的。机床包括用作驱动部件的伺服电机以及譬如滑动轴之类由该驱动部件驱动的用作被驱动部件的部件。更具体地，根据伺服控制(包括全闭环控制和半闭环控制)对滑动轴的驱动进行控制。在全闭环控制的控制回路中，对表示机床的被驱动部件(例如工作台)位置的数据执行反馈控制，其中该数据由诸如光栅尺(optical scale)的位置检测装置来检测。

在半闭环控制的控制回路中，对于由集成在伺服电机中的位置检测装置(例如旋转编码器)获得的位置数据执行反馈控制。也就是说，半闭环控制直接控制伺服电机，从而便于控制。然而，半闭环控制可能最终导致稳态偏差。与之相反，全闭环控制直接检测并控制被驱动部件的位置。这消除了产生稳态偏差的可能性，从而有利地提高了定位精度。

然而，由于全闭环控制直接作用于机床，所以如果机床的刚度相对较低，则与半闭环控制相比，需要设定一个相对较小的位置环增益。在这种情况下，被驱动部件对于控制的响应将受到破坏，这将导致被驱动部件的动态性能(包括轮廓精度(contouring accuracy))相对较差。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于机床的改进的位置控制设备和改进的位置控制方法，该设备和方法能够根据全闭环控制实现伺服电机的最佳驱动和控制。

为了实现上述和其它目的并根据本发明的用途，提供了一种用于根据全闭环控制对机床的被驱动部件的位置进行控制的设备。该设备包括：位置控制部，其根据位置指令生成速度指令；速度控制部，其基于PI控制而根据速度指令生成推力指令；驱动部件，其根据推力指令驱动被驱动部件；第一检测装置，其检测驱动部件的驱动状态量；以及第二检测装置，其检测被驱动部件的被驱动状态量。该设备还包括计算部和补偿部。计算部根据一个函数计算综合反馈值，在该函数中，至少驱动部件的速度和被驱动部件的速度是独立变量，或者另选地，至少驱动部件的位置和被驱动部件的位置是独立变量。驱动部件的速度和位置基于检测到的驱动状态量而得到，被驱动部件的速度和位置基于检测到的被驱动状态量而得到。补偿部通过该综合反馈值来对推力指令进行补偿。

本发明还提供了一种根据全闭环控制对机床的被驱动部件的位置进行控制的方法。该方法包括：根据位置指令生成速度指令；基于PI控制而根据速度指令生成推力指令；根据推力指令，利用驱动部件来驱动被驱动部件；检测驱动部件的驱动状态量；检测被驱动部件的被驱动状态量；根据一个函数计算综合反馈值，在该函数中，至少驱动部件的速度和被驱动部件的速度是独立变量，或者另选地，至少驱动部件的位置和被驱动部件的位置是独立变量，其中驱动部件的速度和位置基于检测到的驱动状态量而得到，被驱动部件的速度和位置基于检测到的被驱动状态量而得到；并且通过该综合反馈值来对推力指令进行补偿。

通过下面的说明书并结合附图，本发明的其它方面和优点将变得明了，其中附图以示例的方式举例说明了本发明的原理。

附图说明

参照下面的优选实施例以及附图的说明可以更好地理解本发明及其目的和优点。附图中：

图1是根据本发明第一实施例的机床位置控制设备的框图；

图2是图1所示设备的示意图；

图3是由图1所示设备的控制电路所执行的位置控制程序的流程图；

图4是根据本发明第二实施例的机床位置控制设备的框图；

图5是二惯量模型(2-inertia model)的示意图；和

图6是由第二实施例的控制电路执行的位置控制程序的流程图。

具体实施方式

下面参照图1和2说明本发明的一个实施例。图1是机床位置控制设备1的框图。图2是位置控制设备1的示意图。

参照图2，数值控制设备(下文中，简称“CNC”)100包括用于控制机床的计算机。控制电路200包括中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)和随机访问存储器(RAM)。控制电路200根据软件程序执行控制伺服电路的过程，其中每个伺服电路驱动用于机床的一个可移动部分的伺服电机。这样，控制电路200控制各个伺服电机。

伺服电机300通过诸如滚珠丝杠的连接部310驱动机床驱动系统330的被驱动部件400。伺服电机300包括速度检测装置320，其为与伺服电极300相连的旋转编码器或测速发电机。如果速度检测装置320由旋转编码器构成，则生成相位差为90度的两相脉冲信号。旋转编码器可以是绝对编码器。此外，如果速度检测装置320由测速发电机构成，则根据伺服电机300的速度而生成模拟电压。随后测速发电机通过模-数转换器将模拟电压转换为数字信号并输出该数字信号。速度检测装置320检测伺服电机300的电机速度V_M并将检测值输出到控制电路200。

同时，诸如直线标尺的位置检测装置340与机床驱动系统330的被驱动部件400相连，用于检测被驱动部件400的位置。位置检测装置340将被驱动部件位置P_m作为位置检测信号输出到控制电路200。由于图2的CNC是公知的，所以省略对其的详细说明。

下面参照图1说明位置控制设备10的控制模块。

总体而言，在位置控制设备10中，位置控制部12根据位置指令P^*输出速度指令V_r。此外，位置控制设备10的速度控制部14根据速度指令V_r，根据PI控制(比例积分控制)输出推力指令τ^*。随后根据推力指令τ^*控制伺服电机300。此外，位置控制设备10基于被驱动部件400的位置P_m的检测，根据全闭环控制对诸如滑动轴(未示出)的被驱动部件400的位置进行控制。

图1中，元件11到15、32、34、40到47、和50并不表示硬件元件，而是表示由控制电路200的CPU根据软件程序所执行的功能。

用作指令设备的CNC 100将位置指令P^*输入到位置控制设备10的减法器11。减法器11从位置指令P^*中减去被驱动部件位置P_m，得到位置偏差(P^*-P_m)。更具体地，由位置检测装置340通过直接检测作为控制对象的被驱动部件400的位置而获得被驱动部件位置P_m。位置检测装置340对应于第二检测装置。被驱动部件位置P_m对应于被驱动状态量。

位置控制部12以位置环增益为比率对位置偏差(P^*-P_m)进行比例放大，从而生成速度指令V_r。将速度指令V_r输入到减法器13。减法器13从速度指令V_r中减去电机速度V_M，得到速度偏差(V_r-V_M)。更具体地，由作为第一检测装置的速度检测装置320确定电机速度V_M。电机速度V_M对应于伺服电机300或驱动部件的驱动状态量。伺服电机300通过诸如滚珠丝杠的连接部310与机床驱动系统相连。由此伺服电机300移动机床驱动系统330的被驱动部件。

将速度偏差(V_r-V_M)输入速度控制部14。速度控制部14以比例积分的方式放大速度偏差(V_r-V_M)，或者根据PI控制对速度偏差(V_r-V_M)进行控制，从而生成推力指令τ^*。图1中，对应于速度控制部14的框中所描述的方程表示速度控制部14的传递函数。更具体地，K_v表示速度环比例增益，K_i表示速度环积分增益。此外，s表示拉普拉斯算子。减法器15从推力指令τ^*中减去综合反馈值g或补偿值(稍后将要说明)，以确定推力指令偏差(τ^*-g)。

推力控制部16包括电流控制器、功率放大器、和伺服电机300。将推力指令偏差(τ^*-g)输入推力控制部16。电流由电流控制器来控制并由功率放大器来放大。伺服电机300输出推力τ(扭矩)。

由位置控制设备10控制的图1所示机械模型20为直线运动系统的二惯量模型，其中被驱动部件400(负载)和伺服电机300通过具有有限刚度的部件连接在一起。

图1中，M表示通过将伺服电机300的惯量矩转换为直线运动的惯性质量而得到的值，该值对应于二惯量模型的初级侧惯量。此外，m表示被驱动部件400(负载)的惯性质量，该值对应于二惯量模型的次级侧惯量。K表示二惯量模型的刚度，h表示作用于次级侧惯量m的次级侧推力。指数1/s表示积分器。

如图1所示，元件21从推力τ中减去次级侧推力h或反作用力。元件22根据传递函数(1/Ms)得到电机速度V_M。电机速度V_M是通过将伺服电机300的转速转换为直线运动的值而得到的。元件23从电机速度V_M中减去被驱动部件的速度V_m并将结果值输出到元件24。元件24根据传递函数(K/s)得到次级侧推力h。将所获得的值输入元件25。通过元件25，使用传递函数(1/ms)确定被驱动部件速度V_m。此外，元件30或积分器30计算被驱动部件的位置P_m。

接下来，将说明综合反馈值计算部40。

综合反馈值计算部40包括积分器32，微分器34、以及多个元件41到44和47。元件41用电机速度反馈系数K₁(≠0)乘以电机速度V_M并将结果值输出到元件47。积分器32对电机速度V_M进行积分以确定电机位置P_M，并将所确定的值输出到元件42。元件42用电机位置反馈系数K₂(≠0)乘以电机位置P_M，并将所得值输出到元件47。

微分器34对被驱动部件位置P_m进行微分以确定被驱动部件速度V_m，并将该结果值输出到元件43。元件43用被驱动部件速度反馈系数K₃(≠0)乘以被驱动部件速度V_m，并将所得值输出到元件47。元件44用被驱动部件位置反馈系数K₄(≠0)乘以被驱动部件位置P_m，并将所得值输出到元件47。元件47将从元件41到44获得的值相加，以确定综合反馈值g或补偿值，并将值g输入减法器15。

如上所述，控制电路200具有计算综合反馈值g的功能以及通过综合反馈值g对推力指令τ^*进行补偿的功能。

下面将说明确定作为控制参数的各个反馈系数K₁到K₄、速度环比例增益K_v、和速度环积分增益K_i的方法。

如图1的框图所示，通过下面的方程(1-0)表示速度指令V_r(或位置控制部12的输出)与被驱动部件的速度V_m(或机械模型20的元件25的输出(速度输出))间的传递函数(V_m/V_r)。为了去除此方程中的稳态偏差，必须满足下面的条件：K₂+K₄＝0。因此，由下面的方程(1-1)表示传递函数(V_m/V_r)。

如果将极值定义为-A±jA、-B和-C，并将零点定义为-D(A、B、C、D均大于零)，则也可由下面的方程(1-2)表示传递函数(V_m/V_r)。在每个方程中，“s”表示拉普拉斯算子。

$\frac{V_m}{V_r}=\frac{K(K_{v}s+K_i)}{{\mathrm{Mms}}^4+m(K_v+K_1)s^3+(K(M+m)+m(K_i+K_2))s^2+K(K_v+K_1+K_3)s+K(K_i+K_2+K_4)}...(1-0)$

$\frac{V_m}{V_r}=\frac{K(K_{v}s+K_i)}{{\mathrm{Mms}}^4+m(K_v+K_1)s^3+(K(M+m)+m(K_i+K_2))s^2+K(K_v+K_1+K_3)s+{\mathrm{KK}}_i}...(1-1)$

$\frac{V_m}{V_r}=\frac{s+D}{s^4+(2A+B+C)s^3+(2A(B+C)+\mathrm{BC}+{2A}^2)s^2+(2\mathrm{ABC}+{2A}^2(B+C))s+{2A}^2\mathrm{BC}}...(1-2)$

通过比较方程(1-1)、(1-2)的系数，得到下面的用于计算各种控制参数的方程(2-1)到(2-6)。对于这些方程，如果二惯量模型是直线运动系统，则初级侧惯量M和次级侧惯量m各表示惯性质量。相反，如果二惯量模型为旋转系统，则M和m各表示惯量矩。在第一实施例中，由于二惯量模型为直线运动系统，所以初级侧惯量M和次级侧惯量m都表示惯性质量。

$K_i=\frac{{2A}^2\mathrm{BCMm}}{K}...(2-1)$

$K_v=\frac{K_i}{D}...(2-2)$

K₁＝(2A+B+C)M-K_v                              …(2-3)

$K_2=(2A(B+C)+\mathrm{BC}+{2A}^2)M-\frac{K(M+m)}{m}-K_i...(2-4)$

$K_3=\frac{(2\mathrm{ABC}+{2A}^2(B+C))\mathrm{Mm}}{K}-K_v-K_i...(2-5)$

K₄＝-K₂                                       …(2-6)

在第一实施例中，将A、B、C、D、M、m和K输入图1的数值设定部60。基于该输入，控制参数计算部50或者CPU根据方程(2-1)到(2-6)确定控制参数K_i、K_v、以及K₁到K₄。将所获得的控制参数存储在未示出的存储器中。此外，当执行位置控制程序时(下文将描述)，CPU读取所存储的参数并使用这些参数来执行各种控制过程。

(第一实施例的操作)

接下来，参照图3说明位置控制设备10的操作，其中图3是由控制电路200的CPU所执行的位置控制程序。该程序被周期性地执行。

更具体地，在步骤S10中，CPU读取位置指令P^*、电机速度V_M和被驱动部件位置P_m。此外，在步骤S20中，积分器32根据电机速度V_M获得电机位置P_M，同时微分器34根据被驱动部件位置P_m确定被驱动部件速度V_m。

在步骤S30中，由减法器11计算位置偏差(P^*-P_m)。随后，在步骤S40中，位置控制部12以位置环增益为比率对位置偏差(P^*-P_m)进行比例放大，从而生成速度指令V_r。

在步骤S50中，减法器13计算速度偏差(V_r-V_m)。在随后的步骤S60中，速度控制部14以比例积分的方式放大速度偏差(V_r-V_M)，从而生成推力指令τ^*。

在步骤S70中，分别由电机速度反馈系数K₁、电机位置反馈系数K₂、被驱动部件速度反馈系数K₃和被驱动部件位置反馈系数K₄乘以电机速度V_M、电机位置P_M、被驱动部件速度V_m和被驱动部件位置P_m。将所得值相加以确定综合反馈值g，该值为补偿值。

也就是说，CPU通过下面的方程(4)执行计算。

          g＝K₁·V_M+K₂·P_M+K₃·V_m+K₄·P_m           …(4)

换言之，方程(4)表示其中电机速度V_M、电机位置P_M、被驱动部件速度V_m和被驱动部件位置P_m为独立变量的函数F(V_M，P_M，V_m，P_m)，该函数用于确定综合反馈值g。此外，步骤S70对应于综合反馈值计算装置。

在步骤S80中，减法器15从推力指令τ^*中减去综合反馈值g，以确定推力指令偏差(τ^*-g)。在步骤S90中，将对应于所确定的推力指令偏差(τ^*-g)的电流指令输出到推力控制部16。

第一实施例具有下面的操作效果。

(1)在第一实施例中，机床位置控制设备10包括速度检测装置320和位置检测装置340。速度检测装置320检测伺服电机300的电机速度V_M或驱动状态量。位置检测装置340检测诸如滑动轴的被驱动部件400的被驱动部件位置P_m或被驱动状态量。此外，控制电路200根据包含四个独立变量的函数F(V_M，P_M，V_m，P_m)计算综合反馈值g。这些独立变量对应于电机速度V_M、电机位置P_M、被驱动部件速度V_m和被驱动部件位置P_m四个状态量。电机速度V_M和电机位置P_M根据速度检测装置320的检测信号而获得。被驱动部件速度V_m和被驱动部件位置P_m根据位置检测装置340的检测信号而获得。控制电路200通过综合反馈值g来对推力指令τ^*进行补偿。

换言之，根据第一实施例的用于控制机床位置的方法，根据其中电机速度V_M、电机位置P_M、被驱动部件速度V_m和被驱动部件位置P_m为独立变量的函数F(V_M，P_M，V_m，P_m)，确定综合反馈值g。利用获得的值g来对推力指令τ^*进行补偿。

在这种方式中，基于被驱动部件400的位置P_m的检测来执行全闭环控制。此外，通过反映被驱动部件速度V_m(运动数据)的综合反馈值g来对推力指令τ^*进行补偿。由此可以抑制机床的振动。因此，与现有技术不同，可将速度环增益K_v、速度环积分增益K_i和位置环增益设为较大的值。结果，即使机床的刚度较小，也不必将位置环增益设为较小的值。由此防止了诸如轮廓精度的动态性能受到破坏。

(2)在第一实施例的位置控制设备10和位置控制方法中，由控制电路200计算的函数F(V_M，P_M，V_m，P_m)通过用预定反馈系数K₁、K₂、K₃、和K₄分别乘以电机速度V_M、电机位置P_M、被驱动部件速度V_m和被驱动部件位置P_m这四个参数并将所得值相加而得到。更具体地，由方程(4)确定函数F。由此可以容易地获得上述操作效果(1)。

(3)在第一实施例中，乘以电机位置P_M的电机位置反馈系数K₁与乘以被驱动部件位置P_m的被驱动部件位置反馈系数K₄的绝对值相同但符号相反。这消除了产生稳态偏差的可能性。

(4)在第一实施例中，控制参数计算部50根据方程(2-1)到(2-5)计算速度控制部14的PI控制中所使用的增益以及四个反馈系数，这几个方程是通过比较表示传递函数的方程(1-1)、(1-2)的系数而得到的。基于从数值设定部60输入的A、B、C、D、M、m和K，控制参数计算部50或CPU使用方程(2-1)到(2-6)确定控制参数K_i、K_v、以及K₁到K₄。

(5)在第一实施例中，通过综合反馈值g对速度控制部14根据PI控制所生成的推力指令τ^*进行补偿。因此，可以按照与传统PI控制相同的方式执行PI控制，而无需特定过程。

只要利用现代控制理论来确定机械模型20并计算反馈系数从而使图1所示设备生效，就可以可靠地安装位置控制设备10。另外，由于位置控制设备10是根据PI控制来操作的，所以可以确保位置控制设备10的稳定操作而不必考虑诸如工件重量的机械数据的微小变动。

接下来，将参照图4到6说明本发明的第二实施例。下文中，第二实施例中的与第一实施例中相同或相应的部件具有相同或相似的标记。由此集中说明第一实施例和第二实施例的不同之处。

在第二实施例中，综合反馈值计算部40A代替了第一实施例的综合反馈值计算部40。此外，控制参数计算部50A代替了控制参数计算部50。

下面将说明用作上述综合反馈值计算装置的综合反馈值计算部40A。综合反馈值计算部40A包括微分器35、元件36到38、积分器39、以及元件51到54。

微分器35对被驱动部件位置P_m进行微分以确定被驱动部件速度V_m。将所确定的值输入元件36、37。元件36为减法器，其从电机速度V_M中减去被驱动部件速度V_m，并将所得值，即速度差(V_M-V_m)输出到元件51。元件37为加法器，其将电机速度V_M与被驱动部件速度V_m相加并将所得值，即速度和(V_M+V_m)输出到元件52。积分器39对电机速度V_M进行积分，并将积分值，即电机位置P_M输出到元件38(也为减法器)。元件38从电机位置P_M中减去被驱动部件位置P_m并将所得值，即位置偏差(P_M-P_m)输出到元件53。

元件51用速度差系数K_a(其为反馈系数)乘以速度差(V_M-V_m)，并将结果值输出到元件54。元件52用速度和系数K_b(其也为反馈系数)乘以速度和(V_M+V_m)，并将结果值输出到元件54。元件53用位置偏差系数K_c(其也为反馈系数)乘以位置偏差(P_M-P_m)，并将结果值输出到元件54。随后元件54将元件51到53的输出相加，从而确定综合反馈值g，或补偿值。将所确定的值输入减法器15。

在第二实施例中，根据下面的方程(3-1)到(3-3)计算速度差系数K_a、速度和系数K_b和位置偏差系数K_c。在这些方程中，K_d是用于提高伺服电机300和被驱动部件400间的振动阻尼的参数，K_os是用于抑制伺服电机300和被驱动部件400的运动过冲的参数，K_va是用于减小上述振动的振幅的参数。此外，在本实施例中，速度环比例增益K_v和速度环积分增益K_i是预定的位置控制最优值，该两个值是通过例如实验得到的。

K_a＝K_d·K_v                                      …(3-1)

K_b＝K_os·K_v                                     …(3-2)

K_c＝K_va·K_i                                     …(3-3)

参照图5，说明速度差系数K_a、速度和系数K_b和位置偏差系数K_c。图5是二惯量模型的示意图。

如上所述，速度差系数K_a是与速度差(V_M-V_m)相乘的系数。由此，如果将系数K_a设为一相对较大的值，则伺服电机300和被驱动部件400之间的部分的粘滞系数C1变得较大，从而提高了伺服电机300和被驱动部件400间的振动阻尼。

速度和系数K_b是与速度和(V_M+V_m)相乘的值。由此，如果将系数K_b设为一较大值，则伺服电机300和相应基准之间的部分的粘滞系数C2以及被驱动部件400和相应基准之间的部分的粘滞系数C3也变得较大。结果，如果系数K_b较大，则整体上抑制了伺服电机300和被驱动部件400的运动，从而减小了过冲。

位置偏差系数K_c是与位置偏移(P_M-P_m)相乘的值。从而，如果将系数K_c设为相对较大的值，则伺服电机300和被驱动部件400之间的部分的刚度K也变得较大，从而伺服电机300和被驱动部件400之间的振动幅度变得较小。

此外，速度差系数K_a和速度和系数K_b接近于速度环比例增益K_v。因此，如方程(3-1)所示，通过用K_d乘以速度环比例增益K_v得到系数K_a，K_d是表示相对于增益K_v的比率的参数。通过同样的方式，如方程(3-2)所示，用K_os乘以速度环比例增益K_v得到系数K_b，K_os是表示相对于增益K_v的比率。因此，为了调节速度差系数K_a或速度和系数K_b，可以调节相关值K_d、K_os。可将值K_d、K_os设为介于0和1之间的值。相关算子可以通过数值设定部60确定。当从数值设定部60接收到速度环比例增益K_v和参数K_d、K_os时，控制参数计算部50A根据相关方程(3-1)、(3-2)计算速度差系数K_a和速度和系数K_b。将所得值存储在未示出的存储器中。

类似地，位置偏差系数K_c近似等于速度环积分增益K_i。因此，如方程(3-3)所示，用K_va乘以速度环积分增益K_i获得系数K_c，K_va是表示相对于增益K_i的比率。因此，为了调节位置偏差系数K_c，可以调节值K_va。可将值K_va设为介于0和1之间的值。相关算子可以通过数值设定部60来确定。当从数值设定部60接收到速度环积分增益K_i和参数K_va时，控制参数计算部50A根据方程(3-3)计算位置偏差系数K_c。将所得值存储在未示出的存储器中。

图6是表示由位置控制设备10的控制电路200的CPU周期性执行的第二实施例的位置控制程序的流程图。第二实施例与第一实施例的不同之处在于执行步骤S70A而不是步骤S70。由于该程序的其它步骤与第一实施例的相同，所以省略对其说明。

在步骤S70A中，由K_a、K_b、K_c分别乘以电机速度V_M和被驱动部件速度V_m之差(V_M-V_m)、电机速度V_M和被驱动部件速度V_m之和(V_M+V_m)以及电机位置P_M和被驱动部件位置P_m之差(P_M-P_m)。随后将所得三个值相加以确定综合反馈值g或补偿值。

更具体地，在步骤S70A中，CPU根据下面的方程(5)计算综合反馈值g。

        g＝K_a(V_M-V_m)+K_b(V_M+V_m)+K_c(P_M-P_m)         …(5)

换言之，方程(5)表示其中电机速度V_M、电机位置P_M、被驱动部件速度V_m和被驱动部件位置P_m为独立变量的函数F(V_M，P_M，V_m，P_m)。此外，步骤S70A对应于综合反馈值计算装置。

如上所述，除了具有第一实施例的操作功能(1)到(5)之外，第二实施例还具有下面的操作效果。

(1)在第二实施例中，由控制电路200计算出的函数F(V_M，P_M，V_m，P_m)是通过用K_a、K_b、K_c(均为反馈系数)分别乘以电机速度V_M和被驱动部件速度V_m之差、电机速度V_M和被驱动部件速度V_m之和以及电机位置P_M和被驱动部件位置P_m之差，并将所得值相加而得到。更具体地，由方程(5)确定函数F。换言之，如在第一实施例的操作效果(1)中所描述的，全闭环控制是基于对被驱动部件400的被驱动部件位置P_m的检测来执行的。此外，通过反映被驱动部件400的速度V_m的综合反馈值g(运动数据)来对推力指令τ^*进行补偿。结果，第二实施例具有与第一实施例的操作效果(1)相同的效果。

可以以下面的形式对所示的实施例进行改进。

在第一实施例中，反馈系数K₁到K₄是根据相关方程(2-3)到(2-6)获得的。然而，也可以根据下述方程(5-1)到(5-4)来分别计算系数K₁到K₄。

在方程(5-1)到(5-4)中，K_os是用于抑制过冲的参数，K_d是用于增大振动阻尼的参数，K_va是用于降低振动幅度的参数。可将参数K_d和K_os设为介于0和1之间的值。通过数值设定部60设置相关算子。此外，可将参数K_va设定为介于1和10之间的值，并且相关算子可以通过数值设定部60来设定。

此外，与第二实施例相同，方程(5-1)到(5-4)的速度环比例增益K_v和速度环积分增益K_i为用于位置控制的预定最佳值，该两个值是通过例如实验得到的。

K₁＝(K_os+K_d)·K_v                                 …(5-1)

K₂＝K_va·K_i                                      …(5-2)

K₃＝(K_os-K_d)·K_v                                 …(5-3)

K₄＝-K₂＝-K_va·K_i                                …(5-4)

结果，借助于数值设定部60对于参数K_os、K_d和K_va的最佳选择，只需通过速度控制部14的PI控制即可将设备调节到相对稳定的状态，并抑制振动。

对于第一实施例的综合反馈值的计算，假定反馈系数K₁到K₄不等于零。但是，系数K₂、K₄也可以选为零。此外，电机位置P_M和被驱动部件位置P_m也可以选为零。换言之，计算时可以不包括系数K₂、K₄和参数P_M、P_m。在这种情况下，根据下面的方程(6)代替方程(4)来确定第一实施例的综合反馈值g。

g＝K₁·V_M+K₃·V_m                                   …(6)

同样，在第二实施例中，如果将电机位置P_M和被驱动部件位置P_m选为零，则根据下面的方程(7)代替方程(5)来计算综合反馈值g。

g＝K_a(V_M-V_m)+K_b(V_M+V_m)

 ＝(K_a+K_b)V_M+(K_a+K_b)V_m                             …(7)

如果将方程(6)的系数与方程(7)的相比，得到下面的方程(8)、(9)。

K₁＝K_a+K_b                                          …(8)

K₃＝K_b-K_a                                          …(9)

换言之，在这种情况下，速度差系数K_a、速度和系数K_b以及电机速度反馈系数K₁之间有方程(8)所示的关系。以同样的方式，速度差系数K_a、速度和系数K_b和被驱动部件速度反馈系数K₃之间有方程(9)所示的关系。速度差系数K_a用于增大伺服电机300和被驱动部件400之间的部分的粘滞系数。速度和系数K_b用于增大伺服电机300和相关基准之间的部分以及被驱动部件400和相关基准之间的部分的粘滞系数。

此外，在这种情况下，第二实施例具有下述效果：伺服电机300和被驱动部件400之间的振动阻尼得到增强，过冲得到减小。结果，机床的振动得到抑制。

同时，对于第一实施例的综合反馈值g的计算，可将系数K₁、K₃选为零。此外，也可将电机速度V_M和被驱动部件速度V_m选为零。换言之，计算时可以不包括系数K₁、K₃和参数V_M和V_m。在这种情况下，根据下面的方程(10)代替方程(4)来确定综合反馈值。

g＝K₂·P_M+K₄·P_m                                  …(10)

同样，在第二实施例中，如果将电机速度V_M和被驱动部件速度V_m选为零，则根据下面的方程(11)代替方程(5)来计算综合反馈值g。

g＝K_c(P_M-P_m)

 ＝K_c·P_M+(-K_c)P_m                                …(11)

如果将方程(10)的系数与方程(11)的相比，得到下面的方程(12)、(13)。

K₂＝K_c                                           …(12)

K₄＝-K_c                                          …(13)

换言之，在这种情况下，在用于增大伺服电机300和被驱动部件400之间的部分的刚度的位置偏差系数K_c和电机位置反馈系数K₂之间具有方程(12)所示的关系。同样，在位置偏差系数K_c和被驱动部件位置反馈系数K₄之间具有方程(13)所示的关系。

此外，在这种情况下，第二实施例具有下述效果：伺服电机300和被驱动部件400之间的振动阻尼得到增强。结果，机床的振动得到抑制。

虽然第一实施例采用了速度检测装置320，但是也可以提供用于检测电机位置或者电机角度的装置。在这种情况下，在元件41之前安装微分器，并省略积分器32。

在所例举的实施例中，采用了诸如直线标尺的位置检测装置340。然而，可以使用用于检测被驱动部件400的速度的装置来代替位置检测装置340。在这种情况下，省略微分器34并在元件44之前提供积分器。

虽然在例举的实施例中，机械模型为直线运动系统，但是该模型也可以为旋转系统。此外，在这些实施例中，将参数V_M，P_M，V_m，P_m视为表示直线运动系统的数据。然而，也可将这些参数视为表示旋转系统的参数。换言之，可将本发明应用于诸如旋转工作台的旋转驱动系统。在这种情况下，可将控制系统整体上视为旋转驱动系统。

所述的示例和实施例是示例性的而不是限制性的，并且本发明不限于这里给出的具体细节，而是可以在所附权利要求的范围及其等价物之内进行各种修改。

Claims (11)

1.一种用于根据全闭环控制对机床的被驱动部件的位置进行控制的设备，该设备包括：

位置控制部，其根据位置指令生成速度指令；

速度控制部，其根据PI控制，根据所述速度指令生成推力指令；以及

驱动部件，其根据所述推力指令驱动所述被驱动部件，所述设备的特征在于：

第一检测装置，其检测所述驱动部件的驱动状态量；

第二检测装置，其检测所述被驱动部件的被驱动状态量；

计算部，其根据一个函数计算综合反馈值，在该函数中，至少所述驱动部件的速度和所述被驱动部件的速度为独立变量，或者至少所述驱动部件的位置和所述被驱动部件的位置为独立变量综合反馈，其中基于所检测到的驱动状态量而获得所述驱动部件的速度和位置，并且基于所检测到的被驱动状态量而获得所述被驱动部件的速度和位置；以及

补偿部，其通过所述综合反馈值对所述推力指令进行补偿。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述计算部通过用预定的反馈系数乘以各个所述独立变量并将这些乘积值相加来确定所述综合反馈值。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述计算部通过用预定的反馈系数乘以所述驱动部件的速度、所述驱动部件的位置、所述被驱动部件的速度和所述被驱动部件的位置中的每一个并将这些乘积值相加而确定所述综合反馈值。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：

与所述驱动部件的位置相乘的所述反馈系数以及与所述被驱动部件的位置相乘的反馈系数具有相同的绝对值但符号相反。

5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于具有第二计算部，其中：

如果所述机床的模型为所述驱动部件和所述被驱动部件的二惯量模型，则通过下面的方程(1-1)表示速度指令V_r和被驱动部件速度V_m之间的传递函数V_m/V_r，并通过下面的方程(1-2)表示极值定义为-A±jA、-B和-C且零点定义为-D(A、B、C、D均大于零)的传递函数V_m/V_r，所述第二计算部根据方程(1-1)、(1-2)求得用于所述PI控制的速度环比例增益K_v和速度环积分增益K_i，以及所述反馈系数K₁到K₄，

$\frac{V_m}{V_r}=\frac{K(K_{v}s+K_i)}{{\mathrm{Mms}}^4+m(K_v+K_1)s^3+(K(M+m)+m(K_i+K_2))s^2+K(K_v+K_1+K_3)s+{\mathrm{KK}}_i}---(1-1)$

$\frac{V_m}{V_r}=\frac{s+D}{s^4+(2A+B+C)s^3+(2A(B+C)+\mathrm{BC}+2A^2)s^2+(2\mathrm{ABC}+2A^2(B+C))s+{2A}^2\mathrm{BC}}---(1-2)$

其中：

M是所述二惯量模型中的初级侧惯量，

m是所述二惯量模型中的次级侧惯量，

K是所述二惯量模型中的刚度；以及

s是拉普拉斯算子。

6.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：

如果将用于抑制所述驱动部件和所述被驱动部件的运动过冲的参数定义为K_os，将用于增大所述驱动部件和所述被驱动部件之间的振动阻尼的参数定义为K_d，并将用于降低所述振动幅度的参数定义为K_va，则将与所述驱动部件的速度相乘的反馈系数设定为(K_os+K_d)·K_v，将与所述驱动部件的位置相乘的反馈系数设定为K_va·K_i，将与所述被驱动部件的速度相乘的反馈系数设定为(K_os-K_d)·K_v，并将与所述被驱动部件的位置相乘的反馈系数设定为-K_va·K_i。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述计算部通过用预定的反馈系数乘以所述驱动部件的速度和所述被驱动部件的速度之差、所述驱动部件的速度和所述被驱动部件的速度之和、以及所述驱动部件的位置和所述被驱动部件的位置之差中的每一个，并将这些乘积值相加而确定所述综合反馈值。

8.一种用于根据全闭环控制对机床的被驱动部件的位置进行控制的方法，该方法包括：

根据位置指令生成速度指令；

根据PI控制，根据所述速度指令生成推力指令；以及

根据所述推力指令利用驱动部件来驱动所述被驱动部件，所述方法的特征在于：

检测所述驱动部件的驱动状态量；

检测所述被驱动部件的被驱动状态量；

根据一个函数计算综合反馈值，在该函数中，至少所述驱动部件的速度和所述被驱动部件的速度为独立变量，或者至少所述驱动部件的位置和所述被驱动部件的位置为独立变量，其中基于所检测到的驱动状态量而获得所述驱动部件的速度和位置，并且基于所检测到的被驱动状态量而获得所述被驱动部件的速度和位置；以及

通过所述综合反馈值对所述推力指令进行补偿。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述综合反馈值的计算包括用预定的反馈系数乘以每个所述独立变量并将这些乘积值相加。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述综合反馈值的计算包括用预定的反馈系数乘以所述驱动部件的速度、所述驱动部件的位置、所述被驱动部件的速度和所述被驱动部件的位置中的每一个，并将这些乘积值相加。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述综合反馈值的计算包括用预定的反馈系数乘以所述驱动部件的速度和所述被驱动部件的速度之差、所述驱动部件的速度和所述被驱动部件的速度之和、以及所述驱动部件的位置和所述被驱动部件的位置之差中的每一个，并将这些乘积值相加。

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