DE102009058443A1

DE102009058443A1 - Trägheitsschätzsteuerungseinrichtung und Steuerungssystem

Info

Publication number: DE102009058443A1
Application number: DE102009058443A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Okita; Yukio Toyozawa; Naoto Sonoda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: JP4565034B2; CN101753094B; DE102009058443B4; US20100148714A1; US7902780B2; CN101753094A; JP2010148178A

Abstract

Eine Steuerung und ein Steuerungssystem, die in der Lage sind, eine Trägheit eines anzutreibenden Gegenstandes in einem kurzen Zeitraum bei einem kleinen Betriebsbereich eines Elektromotors zu bestimmen. Die Steuerungseinrichtung für den Motor umfasst einen Trägheitsschätzteil, der einen Sinuswellenbefehl-Erzeugungsteil aufweist, der einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl für den Motor hinzufügt, einen Stromrückkopplungs-Abtastteil, der einen Stromwert des Motors ermittelt, einen Geschwindigkeitsrückkopplungs-Abtastteil, der eine Geschwindigkeitsrückkopplung des Motors erfasst, einen Beschleunigungsberechnungsteil, der einen Beschleunigungswert auf Grundlage der Geschwindigkeitsrückkopplung berechnet, und einen Trägheit-Schätzwert-Berechnungsteil, der die Trägheit des Gegenstandes auf Grundlage eines repräsentativen Stromwertes, eines repräsentativen Beschleunigungswertes und einer Drehmomentkonstante des Motors berechnet, die von den Stromwerten und Beschleunigungswerten in einer Mehrzahl von Zyklen des Sinuswellenbefehls berechnet werden und in einem Abtastdatenspeicherteil gespeichert werden.

Description

Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung JP 2008-320 088 , die am 16. Dezember 2008 eingereicht wurde, wobei deren gesamter Inhalt hiermit per Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung und ein Steuerungssystem für einen Elektromotor, der ein mechanisches Element einer Industriemaschine antreibt, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, und betrifft insbesondere eine Steuerungseinrichtung und ein Steuerungssystem, das die Trägheit eines durch den Elektromotor anzutreibenden Gegenstandes schätzt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In einer Werkzeugmaschine oder dergleichen ist es wichtig, die Trägheit eines durch einen Elektromotor anzutreibenden Gegenstandes zum Bestimmen eines Verfahrenszustandes oder dergleichen und zum Steuern des Motors mit einer hohen Genauigkeit zu wissen. Falls beispielsweise eine Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls als Prozesszustand zu bestimmen ist, ist es vorteilhaft, die Trägheit korrekt zu kennen, um den Motor stabil zu steuern und das Beschleunigungs-/Verzögerungsverhalten des Motors zu verbessern. Ferner ist es auch vorteilhaft, die Trägheit zum Berechnen des Ansprechverhaltens der Geschwindigkeitssteuerung in einem Steuerungssystem korrekt zu kennen.
Es ist jedoch nicht einfach, die Trägheit des anzutreibenden Gegenstandes zu bestimmen. Beispielsweise ist es schwierig, die Trägheit eines anzutreibenden Gegenstandes zu bestimmen, falls der Gegenstand eine komplizierte Struktur aufweist. Falls die Trägheit des durch den Elektromotor anzutreibenden Gegenstandes aufgrund des Aufnehmens/Ablegens eines Werkstücks oder dergleichen variiert, ist es zusätzlich vorteilhaft, die Trägheit im jeweiligen Fall zu kennen. Es ist jedoch nicht leicht, die Trägheit in einem kurzen Zeitraum zu bestimmen.
Andererseits ist es eine bekannte Technik, die Trägheit unter Verwendung der Stromrückkopplung „I” und der Beschleunigungsrückkopplung „a” während des Betriebs des Motors zu berechnen. Beispielsweise kann die Trägheit J durch die folgende Gleichung berechnet werden, bei der Kt die Drehmomentkonstante des Motors ist. J = I·Kt/a;
Die nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 8-140 386 offenbart ein Verfahren zum Schätzen der Trägheit, bei dem ein Elektromotor durch einen Beschleunigungs-/Verzögerungs-Befehl aktiviert wird und die Trägheit aus einem Rückkoppelsignal während des Betriebs des Motors geschätzt wird. Ferner offenbart die nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 6-82 346 ein Verfahren zum Schätzen der Trägheit durch ein Rückkoppelsignal während des Betriebes aufgrund eines willkürlichen Befehls.
Der vorstehende Stand der Technik kann einige Verbesserungen aufweisen, wie sie nachstehend beschrieben sind.
Die erste Verbesserung ist der bzw. die zum Schätzen der Trägheit erforderliche Betriebsbereich und Betriebszeit. Wie in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 8-140 386 beschrieben ist, ist es erforderlich, wenn die Trägheit auf Grundlage eines Rückkoppelsignals während des Betriebes eines Elektromotors durch einen Beschleunigungs-/Verzögerungs-Befehl geschätzt wird, die Trägheit zu schätzen, nachdem ein erzeugtes Drehmoment stabil im Bezug auf den Beschleunigungs-/Verzögerungs-Befehl ist. Daher ist es erforderlich, den Elektromotor über einen relativ langen Zeitraum zu betreiben. Insbesondere kann bei einer Werkzeugmaschine der Betriebsbereich einer Antriebsachse beschränkt sein, wodurch es schwierig sein kann, einen zum Schätzen der Trägheit ausreichenden Betriebsbereich zu erhalten. Falls das Werkstück häufig durch ein anderes ersetzt wird, kann es zusätzlich schwierig sein, ausreichend Zeit zum Durchführen der zum Schätzen der Trägheit erforderlichen speziellen Arbeitsweise zu erhalten.
Die zweite Verbesserung ist die Stabilität der Steuerung des Elektromotors während des Schätzens der Trägheit. Falls die Trägheit gemessen wird, nachdem sich die Trägheit durch Aufnehmen bzw. Anbringen eines Werkstückes geändert hat, kann es schwierig sein, den Motor mit der Steuerungsverstärkung, bevor sich die Trägheit geändert hat, stabil zu steuern.
Die dritte Verbesserung ist eine Variabilität beim Schätzen der Genauigkeit der Trägheit. Wie in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 6-82 346 beschrieben ist, kann die Schätzgenauigkeit in Abhängigkeit von der Art des Betriebes schwanken, wenn die Trägheit geschätzt wird, wenn ein Elektromotor durch einen willkürlichen Befehl betrieben wird.
Die vierte Verbesserung ist der Einfluss des Rauschens. Wenn die Trägheit geschätzt wird, wird eine Stromrückkopplung oder Geschwindigkeitsrückkopplung verwendet, die ein gewisses Maß an Rauschen umfasst. Daher kann ein solches Rauschen die Genauigkeit der Trägheit verschlechtern.
Kurzer Abriss der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Steuerungseinrichtung und ein Steuerungssystem zum Schätzen der Trägheit bereitzustellen, das in der Lage ist, zumindest einen der vier vorstehenden Punkte zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuerungseinrichtung für einen Elektromotor bereitgestellt, umfassend: einen Stromabtastteil, der einen Stromwert eines Elektromotors ermittelt, einen Beschleunigungsberechnungsteil, der einen Beschleunigungswert des Elektromotors berechnet, einen Sinuswellenbefehl-Erzeugungsteil, der einen Sinuswellenbefehl erzeugt und den Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl für den Elektromotor hinzufügt, und einen Trägheits-Schätzwert-Berechnungsteil, der die Trägheit eines durch den Elektromotor anzutreibenden Gegenstandes aufgrund eines repräsentativen Stromwertes, eines repräsentativen Beschleunigungswertes und einer Drehmomentkonstante des Elektromotors schätzt, wobei der repräsentative Stromwert und der repräsentative Beschleunigungswert aus dem Stromwert und dem Beschleunigungswert ermittelt werden, die von einer Mehrzahl von Zyklen des Sinuswellenbefehls umfasst werden.
Bei einer Ausführungsform schätzt der Trägheit-Schätzwert-Berechnungsteil die Trägheit, indem als repräsentativer Beschleunigungswert ein Durchschnittswert von den Spitzenwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Beschleunigungswertes verwendet wird und als repräsentativer Stromwert ein Durchschnittswert von Spitzenwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Stromwerts verwendet wird.
Bei einer anderen Ausführungsform schätzt der Trägheit-Schätzwert-Berechnungsteil die Trägheit, indem als repräsentativer Beschleunigungswert ein integrierter Wert von Absolutwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Beschleunigungswertes verwendet wird und als repräsentativer Stromwert ein integrierter Wert von Absolutwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Stromwertes verwendet wird.
Die Steuerungseinrichtung kann ferner einen Geschwindigkeitsabtastteil aufweisen, der einen Geschwindigkeitswert des Elektromotors ermittelt, wobei der Beschleunigungsberechnungsteil den Beschleunigungswert auf Grundlage des Geschwindigkeitswertes, der durch den Geschwindigkeitsabtastteil ermittelt wird, und eines Abtastzyklus des Geschwindigkeitsabtastteils berechnet.
Es ist bevorzugt, dass die Frequenz des Sinuswellenbefehls höher als das Frequenzband bzw. die Bandfrequenz der Positionssteuerung ist.
Es ist bevorzugt, dass die Frequenz des Sinuswellenbefehls niedriger als das Frequenzband bzw. die Bandfrequenz der Stromsteuerung ist.
Die Steuerungseinrichtung kann ferner einen Positionsverstärkungs-Einstellteil aufweisen, der eine Positionsverstärkung so einstellt, dass das Frequenzband bzw. die Bandfrequenz der Positionssteuerung niedriger ist als die Frequenz des Sinuswellenbefehls, wenn der Sinuswellenbefehl zum Drehmomentbefehl hinzugefügt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Steuerungssystem mit einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung und einer Steuerungseinrichtung höherer Ordnung oder einer externen Einrichtung bereitgestellt, wobei die Steuerungseinrichtung ferner einen Trägheits-Schätzwert-Sendeteil umfasst, der die Daten der geschätzten Trägheit an die Steuerungseinrichtung höherer Ordnung oder die externe Einrichtung sendet, wobei die Steuerungseinrichtung höherer Ordnung oder die externe Einrichtung umfasst: einen Trägheits-Schätzwert-Empfangsteil, der die Daten der geschätzten Trägheit erhält, einen Optimalzeitkonstanten-Berechnungsteil, der einen Optimalwert einer Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungs-Befehls für den Elektromotor auf Grundlage der geschätzten Trägheit berechnet, und/oder einen Optimalgeschwindigkeitsverstärkungs-Berechnungsteil, der einen optimalen Wert einer Geschwindigkeitsverstärkung für den Elektromotor auf Grundlage der geschätzten Trägheit berechnet, und/oder einen Resonanzfrequenzberechnungsteil, der eine mechanische Resonanzfrequenz auf Grundlage der geschätzten Trägheit berechnet, und einen Optimalwert-Sendeteil, der die optimale Zeitkonstante und/oder die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und/oder die Resonanzfrequenz an die Steuerungseinrichtung sendet, und wobei die Steuerungseinrichtung umfasst: einen Optimalwert-Empfangsteil, der die optimale Zeitkonstante und/oder die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und/oder die Resonanzfrequenz empfängt, und einen Optimalwert-Einstellteil, der eine Einstellung der Zeitkonstante und/oder der Geschwindigkeitsverstärkung und/oder Dämpfungsfrequenz eines Dämpfungsfilters ändert, die bei einem Drehmomentbefehl der Steuerungseinrichtung angewendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung deren bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines Steuerungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 ein Blockdiagramm ist, das einen detaillierten Aufbau eines Servosteuerungsteils des Steuerungssystems von 1 zeigt;
3 ein Flussdiagramm ist, das ein Trägheitsschätzverfahren im Steuerungssystem von 1 zeigt; und
4 ein Flussdiagramm ist, das eine Modifikation des Trägheitsschätzverfahrens von 3 zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Hierin nachstehend wird jede Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm eines Steuerungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie gezeigt ist, ist der in dieser Ausführungsform zu steuernde Gegenstand ein Elektromotor 1, der einen Gegenstand 5 antreibt. Der Elektromotor 1 kann beispielsweise verwendet werden, um die Position und/oder die Orientierung eines Tisches zu ändern, der ein Werkstück in der Werkzeugmaschine hält, oder um einen Roboterarm zu drehen. Der durch den Elektromotor 1 anzutreibende Gegenstand 5 kann den Tisch, den Roboterarm oder das daran angebrachte Werkstück umfassen. Ferner kann der Artikel 5 einen beweglichen Teil des Elektromotors 1 umfassen.
Die Position, eine Geschwindigkeit und ein Drehmoment des Elektromotors 1 werden von einer Servosteuerungseinrichtung 10 gesteuert. An die Servosteuerungseinrichtung 10 ist eine Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung oder eine externe Einrichtung angeschlossen, beispielsweise eine CNC-Steuerungseinrichtung, die die Befehle hinsichtlich der Position, der Geschwindigkeit und des Drehmomentes des Elektromotors 1 in Abhängigkeit von einem Arbeitsverfahren ausgibt. An die Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung kann eine Mehrzahl von Servosteuerungseinrichtungen 10 angeschlossen sein.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen detaillierten Aufbau der Servosteuerungseinrichtung 10 zeigt. Wie gezeigt ist, umfasst die Servosteuerungseinrichtung 10 einen Positionssteuerungsteil 11, einen Geschwindigkeitssteuerungsteil 12, einen Stromsteuerungsteil 13 und einen Verstärker 14. Der Positionssteuerungsteil 11 und der Geschwindigkeitssteuerungsteil 12 arbeiten entsprechend dem Positionsrückkoppelssignal und dem Geschwindigkeitsrückkoppelsignal von einer am Elektromotor 1 angebrachten Ermittlungseinrichtung 3 auf Grundlage einer Sollposition und Geschwindigkeitsverstärkungen. Der Stromsteuerungsteil 13 arbeitet entsprechend einem Drehmomentbefehl, der von dem Geschwindigkeitssteuerungsteil 12 ausgegeben wird, und einem Stromrückkoppelsignal vom Verstärker 14. Ein Ausgangssignal von einem Stromsteuerungsteil 13 wird in den Verstärker 14 eingespeist, und der Verstärker 14 steuert dann die dem Motor 1 gelieferte Leistung auf Grundlage des Eingangssignals. Zusätzlich ist ein Dämpfungsfilter 15, das in der Lage ist, eine gewisse Frequenz des Drehmomentbefehls zu dämpfen, beispielsweise ein Sperrfilter, in der Servosteuerungseinrichtung 10 angeordnet, um eine mechanische Resonanz zu vermeiden.
Die Servosteuerungseinrichtung 10 umfasst ein Trägheitsschätzteil 30. In das Trägheitsschätzteil 30 werden das Geschwindigkeitsrückkoppelsignal vom Detektor 3 des Elektromotors 1 und das Stromrückkoppelsignal vom Verstärker 14 eingespeist. Das Trägheitsschätzteil 30 berechnet die Trägheit des Gegenstandes 5 auf Grundlage dieser Signale. Zusätzlich bedeutet das Stromrückkoppelsignal eine q-Phasen-Stromrückkopplung, die ein aktiver Strom ist, der durch Abtasten einer Drei-Phasen-Stromrückkopplung des Elektromotors 1 (oder eines Drei-Phasen-Synchronmotors) und durch eine dq-Umwandlung eines Drei-Phasen-Wechselstromwertes in einen Zwei-Phasen-Gleichstromwert unter Verwendung einer Phaseninformation einer am Motor 1 angebrachten Kodiereinrichtung ermittelt wird.
1 oder 2 offenbart ferner ein Trägheits-Schätzwert-Empfangsteil 21 einer Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung und ein Sinuswellenbefehl-Erzeugungsteil 31 des Trägheitschätzteils 30, deren Funktionen nachstehend erläutert werden. Obwohl jeder Teil der Servosteuerungseinrichtung 10 und der Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung zum Zwecke der Vereinfachung als ein diskreter Teil beschrieben wird, kann zusätzlich jeder Teil nicht einer diskreten Hardware entsprechen. Mit anderen Worten, jeder Teil kann durch Software in einer Hardware ohne klare Segmente realisiert werden. Falls jeder Teil durch Software realisiert ist, kann jeder Teil durch eine diskrete Software oder durch eine andere Software ohne klare Segmente gebildet sein.
Unter Bezugnahme auf 3 wird als nächstes das Schätzverfahren im Steuerungssystem der Erfindung erläutert. 3 ist ein Flussdiagramm, das das Trägheitsschätzverfahren im Trägheitsschätzteil 30 zeigt.
Schritt S1 zeigt das Verfahren zum Warten auf einen Anfang-Befehl von der Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung für das Trägheitsschätzverfahren. Mit anderen Worten, es wird in Schritt 1 beurteilt, ob ein Trägheitsschätzanfangssignal eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Die Zeitsteuerung zum Aktivieren des Trägheitsschätzverfahrens kann in der Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung durch einen Bediener als ein Arbeitsschritt eines jeden dem Verfahren entsprechenden Teils vorbestimmt sein. Anderenfalls kann die Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung automatisch die Zeitsteuerung beurteilen, wenn sich die Trägheit des Gegenstandes 5 aufgrund des Aufnehmens/Ablegens eines Werkstücks geändert hat, und einen Aktivierungsbefehl ausgeben, um das Trägheitsschätzverfahren zu aktivieren.
Wenn der Aktivierungsbefehl eingespeist wird, gibt im Schritt S2 der Sinuswellenbefehl-Erzeugungsteil 31 einen Sinuswellenbefehl mit einer gewissen Frequenz, beispielsweise 10 Hz, aus. Der ausgegebene Sinuswellenbefehl wird zum Drehmoment befehl addiert, der vom Geschwindigkeitssteuerungsteil 12 ausgegeben wird. An diesem Punkt ist bevorzugt, dass ein Steuerungsbefehl zum Abgeben eines konstanten Drehmomentbefehls an den Geschwindigkeitssteuerungsteil 12 übergeben wird. Dadurch kann die Schwankung der Schätzgenauigkeit geeignet gesteuert werden.
Es ist bevorzugt, dass die Frequenz des Sinuswellenbefehls höher als das Frequenzband bzw. die Bandfrequenz der Positionssteuerung (d. h. eine Antwortfrequenz in der Positionssteuerung; f [Hz] = Positionsverstärkung [s^–1]/2π) in der Servosteuerungseinrichtung 10 ist. Dadurch kann eine Interferenz aufgrund des Positionssteuerungsteils 11 hinsichtlich des Sinuswellenbefehls vermieden werden.
Ferner ist es erforderlich, dass die Frequenz des Sinuswellenbefehls niedriger als ein Frequenzband der Stromsteuerung ist. Wenn eine Übertragungsfunktion des Stromsteuerungsteils 13 als ein Standardsekundäroszillationssystem dargestellt ist, wie in der folgenden Gleichung (1) gezeigt ist, entspricht konkret eine Winkelfrequenz ω_n dem Frequenzband der Stromsteuerung. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die Frequenz des Sinuswellenbefehls niedriger als die Winkelfrequenz ω_n ist. Dadurch kann der Elektromotor 1 ordnungsgemäß einen zyklischen Vorgang durchführen, der dem Sinuswellenbefehl entspricht. Zusätzlich ist in Gleichung (1) ein Dämpfungskoeffizient ζ = (1/2)^1/2 (= 0,71), und die Winkelfrequenz ω_n wird durch 2^1/2/σ dargestellt (wobei σ eine Zeitkonstante ist).
Als nächstes laden im Schritt S3 ein Stromrückkoppelabtastteil 32 und ein Geschwindigkeitsrückkoppelabtastteil 33 des Trägheitsschätzteils 30 Stromrückkopplungssignale bzw. Geschwindigkeitsrückkopplungssignale bei einem gewissen Abtastinterwall T. Dann speichert ein Abtastdatenspeicherteil 34 die Signale als Stromrückkopplungswerte und Geschwindigkeitsrückkopplungswerte. Danach berechnet ein Beschleunigungsberechnungsteil 35 Beschleunigungswerte auf Grundlage der gespeicherten Geschwindigkeitsrückkopplungsdaten, und die berechneten Beschleunigungswerte werden im Speicherteil 34 gespeichert. Konkret kann der Beschleunigungswert „a” durch die folgende Gleichung (2) unter Verwendung der Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsrückkopplungswert v(n) im aktuellen Abtastzeitraum und dem Geschwindigkeitsrückkopplungswert v(n – 1) im vorangegangenen Abtastzeitraum berechnet werden. a = (v(n) – v(n – 1))/T (2)
Dann werden im Schritt S4 unter den gespeicherten Stromrückkopplungswerten und Beschleunigungswerten in Bezug auf eine Anzahl von Abtastzeiträumen (beispielsweise 20 Abtastzeiträume) des durch den Sinuswellenbefehl-Erzeugungsteil 31 erzeugten Sinuswellenbefehls Maximal- und Minimalwerte ausgewählt. Mit anderen Worten, durch periodisches Ändern des Drehmomentbefehlwerts, der dem Sinuswellenbefehl entspricht, können Maximal- und Minimalwerte der Stromrückkopplungswerte und der Beschleunigungswerte in jedem Zyklus der Sinuswelle ausgewählt werden. Dann werden die Mittelwerte der Maximal- und Minimalwerte der Stromrückkopplungswerte als durchschnittliches I_max bzw. durchschnittliches I_min berechnet. Ähnlich hierzu werden die Durchschnittswerte der Maximal- und Minimalwerte der Beschleunigungswerte als ein Durchschnitt A_max bzw. ein Durchschnitt Amin berechnet. Genauer gesagt, um die Stromrückkopplungswerte und die Beschleunigungswerte auszuwählen, die dem Sinuswellenbefehl entsprechen, falls der vom Geschwindigkeitssteuerungsteil 12 ausgebende Drehmomentbefehl nicht Null ist, wird ein Einfluss hiervon korrigiert.
Als nächstes werden im Schritt S5 ein repräsentativer Stromwert und ein repräsentativer Beschleunigungswert zum Schätzen der Trägheit berechnet, wie nachstehend beschrieben ist. In der Ausführungsform wird, wie in der folgenden Gleichung (3) gezeigt ist, ein Durchschnittsstrom „I” als repräsentativer Stromwert berechnet, indem Absolutwerte des durchschnittlichen I_max und des durchschnittlichen I_min gemittelt werden. Auf ähnliche Weise wird, wie in der folgenden Gleichung (4) gezeigt ist, ein Durchschnittsstrom „a” als der repräsentative Beschleunigungswert durch Mitteln der Absolutwerte des durchschnittlichen A_max und des durchschnittlichen A_min berechnet. I = (|Durchschnitt Imax| + |Durchschnitt Imin|)/2 (3) a = (|Durchschnitt Amax| + |Durchschnitt Amin|)/2 (4)
Als nächstes kann im Schritt S6 unter Verwendung eines Durchschnittsstroms „I”, einer Durchschnittsbeschleunigung „a” und einer Drehmomentkonstante Kt des Elektromotors 1 eine geschätzte Trägheit J berechnet werden, wie in der folgenden Gleichung (5) gezeigt ist. Zusätzlich können die Verfahren der Schritte S4 bis S6 in einem Trägheit-Schätzwert-Berechnungsteil 36 ausgeführt werden. J = Kt·I/a (5)
Als solches ist das Trägheitsschätzverfahren abgeschlossen. Nachdem das Trägheitsschätzverfahren abgeschlossen ist, wird das geschätzte Trägheitsmoment 3 von einem Trägheit-Schätzwert-Sendeteil 37 zu einem Trägheit-Schätzwert-Empfangsteil 21 einer Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung sowie ein Signal gesendet, das anzeigt, dass das Schätzverfahren abgeschlossen ist. In der Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung berechnen auf Grundlage des erhaltenen geschätzten Drehmomentes J ein Optimalzeitkonstanten-Berechnungsteil 22, ein Optimalgeschwindigkeitsverstärkungs-Berechnungsteil (23) und ein Resonanzfrequenz-Berechnungsteil 24 eine optimale Zeitkonstante während der Beschleunigung/Verzögerung, eine optimale Geschwindigkeitsverstärkung bzw. eine Resonanzfrequenz.
Wenn die Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung zu klein gegenüber der Leistungsfähigkeit des Elektromotors 1 und der Trägheit des Gegenstandes 5 ist, kann die Leistungsfähigkeit des Motors nicht die vorgegebene Beschleunigung/Verzögerung realisieren, wodurch das abgegebene Drehmoment des Motors im Verhältnis zum vorgegebenen Drehmoment gesättigt ist und bei dem der Motor nicht geeignet gesteuert werden kann. Wenn die Zeitkonstante zu hoch ist, kann andererseits die Leistungsfähigkeit des Motors nicht vollständig ausgenutzt werden und die Beschleunigung/Verzögerung wird zu niedrig.
Bei der vorliegenden Erfindung kann durch geeignetes Einstellen der Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung auf Grundlage der geschätzten Trägheit der Elektromotor 1 die maximale Beschleunigung/Verzögerung entsprechend der Leistungsfähigkeit des Motors und der Trägheit realisieren. Beim Optimieren der Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung wird beispielsweise eine optimale Zeitkonstante für eine Referenzträgheit als eine Referenzzeitkonstante gespeichert. Falls in diesem Fall die geschätzte Trägheit J zweimal so hoch wie die Referenzträgheit ist, kann eine optimale Zeitkonstante für die geschätzte Trägheit als der halbe Wert der Referenzzeitkonstante bestimmt werden. An diesem Punkt kann die Referenzzeitkonstante für die Referenzträgheit theoretisch oder experimentell vorbestimmt werden.
Wenn eine Geschwindigkeitsverstärkung gegenüber der Trägheit zu klein ist, kann die Geschwindigkeit des Elektromotors 1 dem vorgegebenen Wert nicht folgen, wodurch keine stabile Steuerung durchgeführt werden kann. Andererseits, wenn die Geschwindigkeitsverstärkung gegenüber der Trägheit zu groß ist, kann eine Vibration auftreten.
Daher kann durch optimales Einstellen der Geschwindigkeitsverstärkung auf Grundlage der geschätzten Trägheit die Geschwindigkeit ordnungsgemäß im Geschwindigkeitssteuerungsteil 12 gesteuert werden. Beim Optimieren der Geschwindigkeitsverstärkung wird beispielsweise eine optimale Geschwindigkeitsverstärkung für eine Referenzträgheit als eine Referenzgeschwindigkeitsverstärkung gespeichert. Falls die geschätzte Trägheit J zweimal so groß wie die Referenzträgheit ist, kann eine optimale Geschwindigkeitsverstärkung für die geschätzte Trägheit als ein zweifacher Wert der Referenzgeschwindigkeitsverstärkung bestimmt werden. An diesem Punkt kann die Referenzgeschwindigkeitsverstärkung für die Referenzträgheit theoretisch oder experimentell vorbestimmt werden.
Die optimale Zeitkonstante und die optimale Geschwindigkeitsverstärkung können durch ein herkömmliches Verfahren, beispielsweise durch Nähern der Beziehung zwischen der Trägheit und der Zeitkonstante oder der Geschwindigkeitsverstärkung durch eine Funktion oder durch Speichern der Beziehung als Tabellendaten und Interpolieren der Tabellendaten, falls erforderlich, bestimmt werden.
Falls eine mechanische Resonanz im Elektromotor 1 auftritt, kann der Betrieb des Motors instabil werden. Daher weist die Servosteuerungseinrichtung 10, wie zuvor beschrieben wurde, ein Dämpfungsfilter 15 auf, um die Resonanz zu vermeiden. An diesem Punkt variiert die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Trägheit des Gegenstandes 5. Konkret kann die Resonanzfrequenz ω_r0 durch folgende Gleichung (6) berechnet werden, wobei Jm die Trägheit eines beweglichen Teils eines Elektromotors 1, JL die Trägheit eines verbleibenden Teiles des Gegenstandes 5 und Ks die Torrosionssteifigkeit zwischen beiden Teilen ist.
Mit der Gleichung (6) kann die Resonanzfrequenz unter Verwendung der geschätzten Trägheit J berechnet werden. An diesem Punkt kann die Trägheit Jm des beweglichen Teils des Elektromotors 1 theoretisch oder experimentell bestimmt werden und die Trägheit JL kann auf Grundlage der Trägheit Jm und der geschätzten Trägheit J berechnet werden. Zusätzlich kann durch Einstellen der Dämpfungsfrequenz des Dämpfungsfilters 15 auf Grundlage der Änderung der Resonanzfrequenz, die der Änderung der Trägheit entspricht, die Resonanz geeignet gesteuert werden (indem beispielsweise die Dämpfungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz zusammenfällt).
Die optimale Zeitkonstante, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und die Resonanzfrequenz, die so in der Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung berechnet wurden, werden von einem Optimalwert-Sendeteil 25 zu einem Optimalwert-Empfangsteil 17 der Servosteuerunseinrichtung 10 gesendet. Die Servosteuerungseinrichtung 10 weist einen Optimalwert-Einstellteil 18 auf, der die Einstellungen des Geschwindigkeitssteuerungsteils 12 und des Dämpfungsfilters 15 auf Grundlage der erhaltenen Zeitkonstante, Geschwindigkeitsverstärkung und Resonanzfrequenz ändert. Zusätzlich können diese Werte beim Einstellen eines Verfahrenszustandes und/oder Bearbeitungszustandes in der Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung verwendet werden.
Bei der Ausführungsform wird, wie zuvor beschrieben wurde, der Sinuswellenbefehl zum Drehmomentbefehl hinzuaddiert und die Trägheit wird aus den Rückkopplungssignalen während des Betriebes in einer Mehrzahl von Zyklen des Sinuswellenbefehls geschätzt. Dadurch können die Veränderungen der Schätzgenauigkeit zwischen einem jeden Schätzverfahren reduziert werden, da das Schätzverfahren unter der Verwendung der Rückkopplungssignale während des konstanten Betriebs ausgeführt wird. Da die Rückkopplungssignale in einer Mehrzahl von Zyklen verwendet werden, kann ferner der Einfluss von Rauschen durch Mitteln der Signale in der Mehrzahl von Zyklen reduziert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, zu warten, bis die Arbeitsweise des Motors stabil wird, da die Rückkopplungssignale bei der periodischen Arbeitsweise des Motors verwendet werden, und nicht ein Rückkopplungssignal verwendet wird, wenn die Arbeitsweise des Motors stabil ist. Stattdessen wird bei der Erfindung die Zuverlässigkeit des Schätzverfahrens durch Mittelung der Daten in einer Mehrzahl von Zyklen sichergestellt. Da eine solche Mittelung beispielsweise mehrerer zehn Zyklen des Sinuswellenbefehls erfordert, kann jedoch das Schätzverfahren in einem relativ kurzen Zeitraum ordnungsgemäß durchgeführt werden. Daher ist die für das Schätzverfahren erforderliche Zeit relativ kurz und der Betrieb für das Schätzverfahren ist der periodische Betrieb, der dem Sinuswellenbefehl entspricht, wodurch der für das Schätzen erforderliche Betriebsbereich klein ist.
Folglich kann die Trägheit in einem kurzen Zeitraum und durch Verwenden eines kleinen Betriebsbereichs geschätzt werden. Demgemäß kann die Trägheit schnell und effizient geschätzt werden, wann immer sich die Trägheit geändert hat, wodurch die Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die Geschwindigkeitsverstärkung und die Dämpfungsfrequenz zum Vermeiden der Resonanz entsprechend der ge schätzten Trägheit ordnungsgemäß eingestellt werden können. Dadurch kann der Elektromotor 1 ordnungsgemäß gesteuert werden, sogar falls sich die Trägheit ändert. Folglich kann die Verarbeitungsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine, die den Elektromotor verwendet, verbessert werden.
Die vorstehende Ausführungsform ist eine beispielhafte Erläuterung der vorliegenden Erfindung, folglich können verschiedene Modifikationen innerhalb des Bereichs der Erfindung, wie er durch die Ansprüche angegeben wird, möglich sein. Beispielsweise werden die optimale Zeitkonstante, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und die Resonanzfrequenz in einer Steuerungseinrichtung 20 höherer Ordnung berechnet und in der Servosteuerungseinrichtung 10 eingestellt. Jedoch können die Berechnung und das Einstellen dieser Werte in einer anderen separierten oder externen Einrichtung durchgeführt werden.
Bei der vorstehenden Ausführungsform ist die Frequenz des Sinuswellenbefehls ausreichend höher als das Frequenzband der Positionssteuerung. Insbesondere wenn die Geschwindigkeitsverstärkung niedrig ist und die Positionsverstärkung hoch ist, falls ein Sinuswellenbefehl mit einer Frequenz nahe dem Frequenzband der Positionssteuerung addiert wird, kann jedoch die Steuerung des Motors instabil werden. Andererseits ist es bevorzugt, um die Steuerung des Motors zu stabilisieren, das Frequenzband der Positionssteuerung auf ein Viertel der Frequenz des Sinuswellenbefehls oder niedriger festzulegen, wenn die Trägheit geschätzt wird.
Wenn die Trägheit geschätzt wird, kann dann ein Positionsverstärkungs-Einstellteil 38, das automatisch die Positionsverstärkung so einstellt, dass das Frequenzband der Positionssteuerung auf ein Viertel der Frequenz des Sinuswellenbefehls oder niedriger geändert wird, beim Trägheitsschätzungsteil 30 vorgesehen sein. Falls beispielsweise die Frequenz des Sinuswellenbefehls 10 [Hz] ist, stellt das Positionsverstärkungs-Einstellteil 38 automatisch die Positionsverstärkung so ein, dass das Frequenzband der Positionssteuerung temporär gleich 15,7 [s^–1] (= 10 [Hz]·2π/4) oder niedriger ist, wenn die Trägheit geschätzt wird. Andernfalls kann ein Sinuswellenbefehl-Frequenz-Einstellteil 39 im Trägheitsschätzteil 30 vorgesehen sein. Der Sinuswellenbefehl-Frequenz-Einstellteil 39 stellt automatisch eine Frequenz, die gleich der vierfachen Frequenz des Frequenzbandes der Positionssteuerung ist, die der Positionsverstärkung entspricht, als die Frequenz des Sinuswellenbefehls ein. Um den repräsentativen Stromwert und den repräsentativen Beschleunigungswert zum Schätzen der Trägheit zu berechnen, werden bei der vorstehenden Ausführungsform die Maximal- und Minimalwerte der Rückkopplungssignale in jedem Zyklus ausgewählt und dann gemittelt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können als repräsentativer Stromwert und als repräsentativer Beschleunigungswert integrierte Werte von Absolutwerten der Rückkopplungssignale verwendet werden. 4 zeigt ein Flussdiagramm einer solchen Modifikation des Trägheitsschätzverfahrens. In 4 wird die gleiche Ziffer zu einem Schritt hinzugefügt, der gleich einem Schritt von 3 ist.
Bei der Modifikation von 4 werden in einem Schritt S11, der dem Schritt S3 folgt, die Absolutwerte der Stromwerte und der Rückkopplungswerte berechnet, und diese Absolutwerte werden in einer Mehrzahl von Zyklen des Sinuswellenbefehls integriert. Dann werden in Schritt S12 unter Verwendung eines integrierten Stromwertes I' ein integrierter Beschleunigungswert a', eine Drehmomentkonstante Kt des Elektromotors und eine geschätzte Trägheit durch folgende Gleichung (7) berechnet. Auch bei dieser Modifikation kann durch Verwendung der Rückkopplungswerte in der Mehrzahl von Zyklen des Sinuswellenbefehls die Schwankung der Schätzgenauigkeit zwischen jedem Schätzverfahren reduziert werden. Ferner kann der Einfluss durch Rauschen reduziert werden, und die Trägheit kann mit einer hohen Genauigkeit geschätzt werden. J = Kt·I'/a' (7)
Gemäß der erfindungsgemäßen Servosteuerungseinrichtung kann die Trägheit des anzutreibenden Gegenstandes in einem kurzen Zeitraum ordnungsgemäß geschätzt werden, ohne dass der Elektromotor über eine lange Distanz betrieben werden muss.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Trägheit aus den Rückkopplungssignalen geschätzt (z. B. ermittelten Werten des Stroms und/oder der Geschwindigkeit des Elektromotors), während der Elektromotor die konstante Bewegung auf Grundlage eines gewissen Sinuswellenbefehls durchführt. Daher kann die Schwankung der Schätzgenauigkeit zwischen jedem Schätzverfahren reduziert werden. Da die Rückkopplungssignale in der Mehrzahl von Zyklen verwendet werden, kann ferner der Einfluss von Rauschen durch Mitteln der Signale in der Mehrzahl von Zyklen reduziert werden. Bei der Erfindung werden die Rückkopplungssignale beim periodischen Betrieb des Motors verwendet, um die Trägheit zu schätzen, und die Zuverlässigkeit des Schätzverfahrens wird durch eine Mittelung der Daten in der Mehrzahl von Zyklen sichergestellt. Daher kann das Schätzverfahren ordnungsgemäß in einem relativ kurzen Zeitraum durchgeführt werden, beispielsweise mehreren zehn Zyklen des Sinuswellenbefehls. Ferner führt der Motor während des Schätzverfahrens den perio dischen Betrieb durch, der dem Sinuswellenbefehl entspricht, wodurch der für die Schätzung erforderliche Betriebsbereich klein wird.
Bei der vorliegenden Erfindung werden in der Gleichung J = Kt·I/a, die den Strom „I”, die Beschleunigung „a”, die Drehmomentkonstante „Kt” des Elektromotors und die Trägheit J umfasst, der repräsentative Stromwert und der repräsentative Beschleunigungswert durch „I” bzw. „a” subsituiert, wodurch die geschätzte Trägheit J erhalten werden kann. Da die gemessenen Werte beim gleichen Betrieb in der Mehrzahl von Zyklen gemittelt werden, kann der Einfluss des Rauschens reduziert werden.
Aufgrund der Frequenz des Sinuswellenbefehls, die höher als das Frequenzband bzw. die Bandfrequenz der Positionssteuerung ist, kann eine Interferenz zwischen dem Sinuswellenbefehl und der Positionssteuerung vermieden werden.
Aufgrund der Frequenz des Sinuswellenbefehls, die niedriger als das Frequenzband bzw. die Bandfrequenz der Stromsteuerung ist, kann der Elektromotor entsprechend dem Sinuswellenbefehl ordnungsgemäß betrieben werden.
Während der Sinuswellenbefehl zum Drehmomentbefehl addiert wird, kann der Positionsverstärkungseinstellteil die Positionsverstärkung so einstellen, dass das Frequenzband der Positionssteuerung niedriger ist als die Frequenz des Sinuswellenbefehls. Dadurch kann eine Steuerung stabil sein, während der Sinuswellenbefehl addiert wird.
Das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung umfasst die Servosteuerungseinrichtung, wie zuvor beschrieben wurde, und die Steuerungseinrichtung höherer Ordnung oder die externe Einrichtung. Die Steuerungseinrichtung höherer Ordnung oder die externe Einrichtung berechnen zumindest einen optimalen Wert der Zeitkonstante zum Beschleunigen/Verzögern und der Geschwindigkeitsverstärkung des Elektromotors und die Dämpfungsfrequenz des Dämpfungsfilters, die beim Drehmomentbefehl der Servosteuerungseinrichtung angewendet werden, und stellt den optimalen Wert bei der Servosteuerungseinrichtung ein. Aufgrund eines solchen Steuerungssystems können die Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die Geschwindigkeitsverstärkung und/oder die Dämpfungsfrequenz schnell und ordnungsgemäß festgelegt werden, wenn sich die Trägheit ändert. Daher kann der Elektromotor ordnungsgemäß gesteuert werden, sogar falls sich die Trägheit ändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2008-320088 [0001]
- JP 8-140386 [0006, 0008]
- JP 6-82346 [0006, 0010]

Claims

Steuerungseinrichtung (10) für einen Elektromotor (1) mit einem Stromabtastteil (32), der einen Stromwert eines Elektromotors (1) ermittelt, und einem Beschleunigungsberechnungsteil (35), der einen Beschleunigungswert des Elektromotors (1) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) aufweist: einen Sinuswellenbefehl-Erzeugungsteil (31), der einen Sinuswellenbefehl erzeugt und den Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl für den Elektromotor (1) hinzufügt; und einen Trägheit-Schätzwert-Berechnungsteil (36), der die Trägheit eines durch den Elektromotor (1) anzutreibenden Gegenstandes (5) auf Grundlage eines repräsentativen Stromwertes, eines repräsentativen Beschleunigungswertes und einer Drehmomentkonstante des Elektromotors (1) schätzt, wobei der repräsentative Stromwert und der repräsentative Beschleunigungswert aus dem Stromwert und den Beschleunigungswert ermittelt werden, die von einer Mehrzahl von Zyklen des Sinuswellenbefehls umfasst werden.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägheit-Schätzwert-Berechnungsteil (36) die Trägheit schätzt, indem als repräsentativer Beschleunigungswert ein Durchschnittswert von Spitzenwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Beschleunigungswertes verwendet wird und als repräsentativer Stromwert ein Durchschnittswert von Spitzenwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Stromwertes verwendet wird.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägheit-Schätzwert-Berechnungsteil (36) die Trägheit schätzt, indem als repräsentativer Beschleunigungswert ein integrierter Wert von Absolutwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Beschleunigungswertes verwendet wird und als repräsentativer Stromwert ein integrierter Wert von Absolutwerten in einigen Zyklen des Sinuswellenbefehls des Stromwertes verwendet wird.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Geschwindigkeitsabtastteil (33), der einen Geschwindigkeitswert des Elektromotors (1) ermittelt, wobei der Beschleunigungsberechnungsteil (35) den Beschleunigungswert auf Grundlage des Geschwindigkeitswertes, der durch den Geschwindigkeitsabtastteil (33) ermittelt wurden, und eines Abtastzyklus des Geschwindigkeitsabtastteils (33) berechnet.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Sinuswellenbefehls höher ist als das Frequenzband der Positionssteuerung.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Sinuswellenbefehls niedriger ist als das Frequenzband der Stromsteuerung.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Positionsverstärkung-Einstellteil (38), der eine Positionsverstärkung so einstellt, dass das Frequenzband der Positionssteuerung niedriger ist als die Frequenz des Sinuswellen-Befehls, wenn der Sinuswellenbefehl zum Drehmomentbefehl hinzugefügt wird.
Steuerungssystem mit der Steuerungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 und einer Steuerungseinrichtung (20) höherer Ordnung oder einer externen Einrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung (10) ferner einen Trägheit-Schätzwert-Sendeteil (37) umfasst, der die Daten der geschätzten Trägheit an die Steuerungseinrichtung (20) höherer Ordnung oder die externe Einrichtung sendet, wobei die Steuerungseinrichtung (20) höherer Ordnung oder die externe Einrichtung umfasst: einen Trägheit-Schätzwert-Empfangsteil (21), der die Daten der geschätzten Trägheit erhält; einen Optimalzeitkonstanten-Berechnungsteil (22), der einen optimalen Wert einer Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungs-Befehls für den Elektromotor (1) auf Grundlage der geschätzten Trägheit berechnet, und/oder einen Optimalgeschwindigkeitsverstärkungs-Berechnungsteil (23), der einen optimalen Wert einer Geschwindigkeitsverstärkung für den Elektromotor (1) auf Grundlage der geschätzten Trägheit berechnet, und/oder einen Resonanzfrequenz-Berechnungsteil (24), der eine mechanische Resonanzfrequenz auf Grundlage der geschätzten Trägheit berechnet; und einen Optimalwert-Sendeteil (25), der die optimale Zeitkonstante und/oder die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und/oder die Resonanzfrequenz an die Steuerungseinrichtung (10) sendet, und wobei die Steuerungseinheit (10) umfasst: einen Optimalwert-Empfangsteil (17), der die optimale Zeitkonstante und/oder die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und/oder die Resonanzfrequenz empfängt; und einen Optimalwert-Einstellteil (18), der eine Einstellung der Zeitkonstante und/oder der Geschwindigkeitsverstärkung und/oder der Dämpfungsfrequenz eines Dämpfungsfilters (15) ändert, die bei einem Drehmomentbefehl der Steuerungseinrichtung (10) angewendet wird.