DE102016004775A1

DE102016004775A1 - Servosteuervorrichtung mit Funktion zum Erhalten von Frequenzcharakteristika einer Maschine online

Info

Publication number: DE102016004775A1
Application number: DE102016004775.5A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Iijima
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2016-10-27
Anticipated expiration: 2036-04-21
Also published as: US10025296B2; JP2016207021A; CN106066636A; JP6212068B2; DE102016004775B4; US20160313726A1; CN106066636B

Abstract

Eine Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Drehzahlbefehlsgenerator, einen Drehmomentbefehlsgenerator, einen Drehzahldetektor zum Erfassen der Drehzahl eines Servomotors, einen Drehzahlregelkreis, der den Drehzahlbefehlsgenerator, den Drehmomentbefehlsgenerator und den Drehzahldetektor umfasst, eine Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung zum Durchführen eines Sinus-Sweep am Drehzahlregelkreis und eine Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung zum Schätzen der Verstärkung und Phase von Drehzahlregelkreis-Eingangs- und Ausgangssignalen anhand des Ausgangs des Drehzahlregelkreises, wenn eine sinusförmige Störung in diesen eingegeben wird. Die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung drückt den Ausgang des Drehzahlregelkreises als Fourier-Reihe mit einer beliebigen Anzahl Glieder aus, wobei eine Störungseingangsfrequenz als Grundfrequenz verwendet wird, und berechnet die Amplitude und Phase einer Grundkomponente der Fourier-Reihe, um die Frequenzcharakteristika online zu berechnen.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servosteuervorrichtung und insbesondere eine Servosteuervorrichtung mit einer Funktion zum Erhalten eines Frequenzgangs eines Steuersystems online unter Verwendung der Fourier-Reihe.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Es wurden zahlreiche das Messen der Frequenzcharakteristika eines Steuersystems einer Servosteuervorrichtung betreffende Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen und beim Messen der Übertragungscharakteristika einer Vorschubachse einer Werkzeugmaschine häufig verwendet. Im Allgemeinen wird eine Antwortschwingung gemessen, während ein Schwingungserzeuger eine Schwingung wirkungsvoll auf ein Analyseobjekt anwendet (während des Anwendens eines Frequenzdurchlaufs). Nachdem Zeitreihendaten derselben in einem Massenspeicher aufgezeichnet worden sind, wird unter Verwendung verschiedener Signalverarbeitungstechniken eine Frequenztransferfunktion erhalten. Bei vereinfachten Messungen wird ein Aktor selbst als Schwingungserzeuger verwendet und eine Antwortschwingung gemessen, aufgezeichnet und einer Signalverarbeitung unterzogen. Bei elektrischen Schaltungen und optischen Systemen wird eine Schwingungserzeugerschaltung verwendet.
Es wurde aktiv eine Technologie zum Verstehen der Resonanzcharakteristika eines Objekts durch Aufzeichnen und Analysieren von Zeitreihendaten entwickelt (z. B. "System Identification for Control by MATLAB", verfasst von Shuichi Adachi, veröffentlicht 1996 von Tokyo Denki University Press, Seiten 69–88, nachstehend als ”Nicht-Patentliteratur 1” bezeichnet). Wie in der Nicht-Patentliteratur 1 beschrieben, gehört das vorstehende Verfahren zum Berechnen eines Frequenzgangs zur ”nichtparametrischen Identifikation”, die auf der Fourier-Transformation der Zeitreihendaten basiert. Als Verfahren zur ”parametrischen Identifikation”, das als Online- oder Inline-Schätzung (sequentielle Schätzung) bezeichnet wird, existiert ein Normierte-Gradienten-Verfahren, das sich unter Verwendung eines DSP (digitalen Signalprozessors) leicht umsetzen lässt (z. B. "System Identification for Control by MATLAB", verfasst von Shuichi Adachi, veröffentlicht 1996 von Tokyo Denki University Press, Seiten 89–114 und 115–151). Diese Verfahren sind im Prinzip darauf gerichtet, die Frequenzcharakteristika im Laufe oder als Ergebnis einer Anpassung an ein lineares Regressionsmodell zu erhalten.
Ein nichtparametrisches Messverfahren der Frequenzcharakteristika, das auf einen allgemeinen geschlossenen Regelkreis angewandt wird, und ein vereinfachtes Messverfahren, das die Notwendigkeit des Bereitstellens eines Spektrumanalysators beseitigt, sind bekannt (z. B. ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 59-226907 , nachstehend als ”Patentliteratur 1” bezeichnet). Wie in der Patentliteratur 1 beschrieben, verwenden herkömmliche Messverfahren der Frequenzcharakteristika die Fourier-Transformation mittels eines Spektrumanalysators.
Es ist außerdem eine Anwendung bekannt, bei der die Messung der Frequenzcharakteristika unter Verwendung der Fourier-Transformation für eine Werkzeugmaschine verwendet wird (z. B. japanisches Patent Nr. 5302639 , nachstehend als ”Patentliteratur 2” bezeichnet). Die Patentliteratur 2 beschreibt eine Werkzeugmaschinensteuervorrichtung, die basierend auf der Berechnung der Frequenzcharakteristika mittels eines Sinus-Sweep-Verfahrens eine Kompensationsschaltung regelt. Die Frequenzcharakteristika werden vor dem tatsächlichen Betrieb der Werkzeugmaschine berechnet (siehe Absatz [0031] von Patentliteratur 2).
Es wurden Verfahren vorgeschlagen, die die Fourier-Transformation nicht verwenden (z. B. ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2004-020522 und Nr. 11-326411 , nachstehend als ”Patentliteratur 3” bzw. ”Patentliteratur 4” bezeichnet). Bei diesen Verfahren wird die Zeitdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen direkt gemessen, um eine Phasenverzögerung zu erhalten. Die Patentliteratur 3 offenbart ein Messverfahren zum Berechnen der Frequenzcharakteristika durch eine Gleichstromerfassung eines Ausgangs und eine Nulldurchgangserfassung beim Analysieren des Ausgangssignals eines Übertragungswegs bezüglich eines Sinuswelleneingangs und ein Verfahren zum Erhalten einer Phase unter Verwendung eines Zeitmessmoduls. Die Patentliteratur 4 offenbart ein Frequenzcharakteristik-Messgerät, das die Frequenzcharakteristika mittels einer Sequenzsteuerung sequentiell misst. Bei einer Frequenzumschaltung wird unter Verwendung von Messparametern, die eine Gruppenverzögerungszeit und eine zulässige Toleranz umfassen, eine Wartezeit zur Datenabtastung bereitgestellt.
Es wurde ein Verfahren zum Erhalten einer Frequenztransferfunktion durch Ändern komplexer Fourier-Koeffizienten in Vektoren vorgeschlagen (z. B. japanisches Patent Nr. 3626858 , nachstehend als ”Patentliteratur 5” bezeichnet). Dieses Verfahren ist in Bezug auf das Ermöglichen von Analysen einer Schwingung bedeutungsvoll, die Oberschwingungen enthält. Die Patentliteratur 5 offenbart, dass komplexe Fourier-Koeffizienten einer Oberschwingungen enthaltenden Beobachtungsschwingung an einer Schwingungsachse eines Mehr-Achsen-Schwingungstisches berechnet werden und die Transferfunktion des Schwingungstisches anhand der Vektoren der Fourier-Koeffizienten geschätzt wird, und ein Schwingungsanalyseverfahren in einem Fall, in dem ein Aktor eine Schwingung auf ein System anwendet, bei dem ein Beschleunigungsmesser am Schwingungstisch angebracht ist. Die in der Patentliteratur 5 beschriebene Erfindung betrifft ursprünglich ein Schwingungstischsystem, in dem ein Probestück befestigt wird. Der Schwingungstisch soll die Festigkeit des Probestücks testen und eine Wellenformverzerrungssteuervorrichtung stellt eine Schwingungsreproduktionseinrichtung dar. Das Schwingungstischsystem ist kein Steuersystem zur Positionierung, das einen Elektromotor verwendet.
Die Verwendung der Verfahren, die das Aufzeichnen der Zeitreihendaten erfordern, wie in der Patentliteratur 1 und 2 beschrieben, ermöglicht es, die Frequenzcharakteristika unter Verwendung der Fourier-Transformation genau zu erhalten. Die schnelle Fourier-Transformation wird durch ein Verfahren umgesetzt, das als Schmetterlingsberechnung bezeichnet wird. Ein Spektrumanalysator, wie etwa ein Oszilloskop, wird mit einem geeigneten flüchtigen Speicherbereich und einer Schmetterlingsschaltung ausgestattet. Dies ermöglicht es, die Fourier-Transformation leicht in Echtzeit umzusetzen. Die Steuerperiode der digitalen Servosteuerung hängt jedoch stark von der PWM-Steuerperiode eines Servoverstärkers ab, der einen Motor antreibt. Daher wird die Servosteuerperiode unter einer Betriebsgeschwindigkeitsbeschränkung eines in den Verstärker eingebauten Leistungsgeräts bestimmt. Aufgrund der Wärmeerzeugung durch das Leistungsgerät kann die Servosteuerperiode nicht so kurz sein. Aufgrund der Wärmeerzeugung durch einen Steuer-DSP selbst kann eine Taktgeschwindigkeit des DSP nicht so hoch sein. Aus diesen Gründen ist es schwierig, nur durch für die Servosteuerung installierte Software die schnelle Fourier-Transformation in Echtzeit umzusetzen.
Die Verfahren, die die Fourier-Transformation nicht verwenden, wie in der Patentliteratur 3 und 4 beschrieben, ermöglichen angesichts des Umfangs der Berechnungen und des Speicherverbrauchs eine Berechnung der Frequenzcharakteristika online. Die Verfahren jedoch, die die Nulldurchgangserfassung ”direkt” durchführen und die Verzögerungszeit der Zeitreihendaten messen, können die Frequenzcharakteristika nicht mit hoher Genauigkeit berechnen. Bei der Maschinenvorschubachse wird häufig eine nichtlineare Schwingung (als selbsterregte Ratterschwingung und dergleichen bezeichnet) auffällig. Bei einem solchen System werden aufgrund der prominenten integralen mehreren Oberschwingungen die Frequenzcharakteristika erhalten, die sich von den tatsächlichen Resonanzcharakteristika unterscheiden.
Die Patentliteratur 5 schlägt ein Verfahren zum genauen Berechnen der Frequenzcharakteristika in einem nichtlinearen System mit solchen Oberschwingungen vor. Die Fourier-Reihe, die kein kontinuierliches Spektrum, sondern ein diskretes Spektrum erzielt, ist aufgrund der einfachen Umsetzung mit einer Beschränkung hinsichtlich einer beliebigen Anzahl Glieder zur Online-Berechnung der Frequenzcharakteristika geeignet. Der in der Patentliteratur 5 beschriebene Vorschlag betrifft jedoch ein Verfahren zum Konfigurieren der Vorrichtung dafür, die Festigkeit eines Objekts zu bestimmen, betrifft jedoch nicht den Aufbau und die Steuerung zur Positionierung einer Werkzeugmaschine. Die Patentliteratur 5 schlägt lediglich ein Kompensationselement zum Reproduzieren eines Zeitreihensignals vor, schlägt jedoch weder ein Verfahren zum Berechnen der Frequenzcharakteristika noch ein Messverfahren für wesentliche Steuercharakteristika vor.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Servosteuervorrichtung bereitzustellen, die mittels eines Schwingungstests, der unter Verwendung eines an der Vorschubachse angebrachten Motors leicht durchführbar ist, zu einer Online-Messung der Frequenzcharakteristika einer Vorschubachse mit hoher Genauigkeit und in Echtzeit fähig ist.
Eine Servosteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einer durch einen Servomotor angetriebenen Vorschubachse. Die Servosteuervorrichtung umfasst einen Drehzahlbefehlsgenerator zum Erzeugen eines Drehzahlbefehlswerts für den Servomotor, einen Drehmomentbefehlsgenerator zum Erzeugen eines Drehmomentbefehlswerts für den Servomotor, einen Drehzahldetektor zum Erfassen der Drehzahl des Servomotors, einen Drehzahlregelkreis, der den Drehzahlbefehlsgenerator, den Drehmomentbefehlsgenerator und den Drehzahldetektor umfasst, eine Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung zum Durchführen eines Sinus-Sweep am Drehzahlregelkreis und eine Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung zum Schätzen der Verstärkung und Phase von Drehzahlregelkreis-Eingangs- und Ausgangssignalen anhand des Ausgangs des Drehzahlregelkreises, wenn eine sinusförmige Störung in den Drehzahlregelkreis eingegeben wird. Die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung drückt den Ausgang des Drehzahlregelkreises als Fourier-Reihe mit einer beliebigen Anzahl Glieder aus, wobei eine Störungseingangsfrequenz der Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung als Grundfrequenz verwendet wird, und berechnet die Amplitude und Phase einer Grundkomponente der Fourier-Reihe, um die Frequenzcharakteristika online zu berechnen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genauer hervor. Es zeigt:
1 ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer Servosteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine Zeichnung, die die Wellenform eines Eingangssignals und eines Ausgangssignals eines Drehzahlregelkreises in der Servosteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine Zeichnung, die die Wellenform des Eingangssignals und des Ausgangssignals des Drehzahlregelkreises vor und nach einer Aktualisierung einer Frequenz und eine Energievariation auf periodischer Basis in der Servosteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 ein Flussdiagramm, das das Betriebsverfahren der Servosteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Eine Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer Servosteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einer durch einen Servomotor angetriebenen Vorschubachse und umfasst einen Drehzahlbefehlsgenerator 1 zum Erzeugen eines Drehzahlbefehlswerts für einen Servomotor 20, einen Drehmomentbefehlsgenerator 2 zum Erzeugen eines Drehmomentbefehlswerts für den Servomotor 20, einen Drehzahldetektor 3 zum Erfassen der Drehzahl des Servomotors 20, einen Drehzahlregelkreis 4, der aus dem Drehzahlbefehlsgenerator 1, dem Drehmomentbefehlsgenerator 2 und dem Drehzahldetektor 3 besteht, eine Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 zum Durchführen eines Sinus-Sweep am Drehzahlregelkreis 4 und eine Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 zum Schätzen der Verstärkung und Phase von Drehzahlregelkreis-Eingangs- und Ausgangssignalen anhand des Ausgangs des Drehzahlregelkreises 4, wenn eine sinusförmige Störung in den Drehzahlregelkreis 4 der Servosteuervorrichtung 100 eingegeben wird. Die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 drückt den Ausgang des Drehzahlregelkreises 4 als Fourier-Reihe mit einer beliebigen Anzahl Glieder aus, wobei eine Störungseingangsfrequenz der Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 als Grundfrequenz verwendet wird, und berechnet die Amplitude und Phase einer Grundkomponente der Fourier-Reihe, um die Frequenzcharakteristik online zu berechnen.
Als Nächstes wird der Betrieb der Servosteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zunächst erzeugt der Drehzahlbefehlsgenerator 1 den Drehzahlbefehlswert zum Antreiben des Servomotors 20 und gibt den Drehzahlbefehlswert an einen Addierer 10 aus. Der Addierer 10 addiert die von der Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 eingegebene sinusförmige Störung zu dem Drehzahlbefehlswert, subtrahiert einen durch den Drehzahldetektor 3 erfassten Drehzahlerfassungswert des Servomotors 20 und gibt ein Berechnungsergebnis an den Drehmomentbefehlsgenerator 2 aus.
Der Drehmomentbefehlsgenerator 2 erhält das Berechnungsergebnis vom Addierer 10 und gibt einen Drehmomentbefehl zum Antreiben des Servomotors 20 aus. Der Servomotor 20 betreibt eine Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) über einen Übertragungsmechanismus 30.
Der Drehzahlregelkreis 4 besteht aus dem Drehzahlbefehlsgenerator 1, dem Drehmomentbefehlsgenerator 2 und dem Drehzahldetektor 3.
Die Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 führt den Sinus-Sweep am Drehzahlregelkreis durch.
Die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 schätzt die Verstärkung und Phase der Drehzahlregelkreis-Eingangs- und Ausgangssignale anhand des Ausgangs des Drehzahlregelkreises 4, wenn die sinusförmige Störung in den Drehzahlregelkreis 4 der Servosteuervorrichtung 100 eingegeben wird. Des Weiteren drückt die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 den Ausgang des Drehzahlregelkreises 4 als Fourier-Reihe mit einer beliebigen Anzahl Glieder aus, wobei eine Störungseingangsfrequenz der Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 als Grundfrequenz verwendet wird, und berechnet die Amplitude und Phase einer Grundkomponente der Fourier-Reihe, um Frequenzcharakteristika online zu berechnen.
Die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat eine Regelkreiskonfiguration zur Drehzahlsteuerung in ihrem Servosteuersystem. Die mechanischen Charakteristika des mit dem Servomotor 20 verbundenen Übertragungsmechanismus 30 werden im Drehzahlregelkreis direkt reflektiert.
Bei der Betrachtung eines Verfahrens zum Berechnen der Frequenzcharakteristika ist die Konfiguration des Drehzahlregelkreises selbst nicht wichtig, solange ein durch eine gestrichelte Linie angezeigter Abschnitt von 1 als System mit einer Eingangs-Ausgangs-Beziehung betrachtet wird. Daher ist nur die entsprechende Beziehung zwischen einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal des Drehzahlregelkreises, wie in 2 gezeigt, zu berücksichtigen. Beim Durchführen eines Frequenzdurchlaufs dient das Bestimmen eines stationären Verhaltens (steady-state response) des Ausgangssignals während einer schrittweisen Erhöhung der Sinusfrequenz des Eingangssignals dazu, die Frequenzcharakteristika zu erhalten.
Beim Durchführen des Frequenzdurchlaufs tritt beim Umschalten der Frequenz ein geringes Einschwingverhalten auf. Da die Frequenzcharakteristika als ”die Eingangs- und Ausgangs-Entsprechung eines stationären Verhaltens, wenn eine unbegrenzte Zeit verstrichen ist” definiert werden, wird in erwünschter Weise ein stationärer Zustand etabliert, um die Frequenzcharakteristika mit hoher Genauigkeit zu berechnen. Um dies zu realisieren ist es notwendig, ”weiterhin eine Sinuswelle konstanter Frequenz einzugeben bis ein stationäres Verhalten etabliert ist” und ”die Etablierung eines stationären Zustands zu verifizieren”.
Zur Verifizierung der Etablierung eines stationären Verhaltens in Antwort auf eine Sinuswelle einer Frequenz F [Hz] ist es sinnvoll, dies durch eine Konvergenz der Schwingungsenergie gegen einen konstanten Wert in einer Periode T = 1/F [s] zu bestimmen. Mit anderen Worten, wenn E₁, E₂, ..., E_n jeweils die Energie eines Ausgangssignals v(t) in einer ersten Periode, einer zweiten Periode, ..., einer n-ten Periode repräsentieren, muss in einem stabilen Steuersystem die folgende Gleichung gelten.
wobei T eine Periode ist.
Im Wesentlichen ermöglicht das Bestimmen der Konvergenz einer Sequenz {E_n} die Verifizierung der Etablierung des stationären Verhaltens. Wie in 3 gezeigt, wird die Energie in jeder Periode berechnet und es wird angenommen, dass ein stationärer Zustand etabliert worden ist, wenn das Verhältnis E_n/E_n+1 er Energie in der aktuellen Periode zu demjenigen in der vorherigen Periode 1 beträgt. Auf diese Weise verifiziert die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 bevorzugt die Konvergenz des Ausgangs des Drehzahlregelkreises 4 gegen den stationären Zustand durch Überwachen der Energie einer Periode der Sinuswelle auf periodischer Basis. Die Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 gibt bevorzugt weiterhin die Sinuswelle der konstanten Frequenz ein bis der Ausgang des Drehzahlregelkreises 4 den stationären Zustand erreicht, der durch die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 bestimmt wird. Faktisch kann ”ein Schwellenwert für die Bestimmung des stationären Zustands” in der Größenordnung von E_n/E_n+1 = 1 ± 0,05 unter Berücksichtigung von Variationen der Messpunkte definiert werden.
Wenn verifiziert worden ist, dass sich der stationäre Zustand etabliert hat, wird in der Annahme, dass sich die eine Periode unendlich wiederholt, nur eine Periode von v(t) herausgenommen und in die Fourier-Reihe erweitert. Die Fourier-Reihe wird wie folgt angegeben.
wobei ω [rad/s] die Winkelfrequenz einer Grundwelle des Signals, V₀ eine Gleichstromkomponente des Signals, T die Periode der Grundwelle und die anderen eine n-te harmonische Komponente repräsentieren. Die Koeffizienten a_n und b_n werden als Ergebnis einer Extraktion harmonischer Komponenten erhalten, die Basissignalen cos(nωt) und sin(nωt) der Fourier-Reihe entsprechen und die Größe einer Cosinuskomponente bzw. einer Sinuskomponente der entsprechenden harmonischen Komponente repräsentieren.
Die Fourier-Koeffizienten a_n und b_n können durch Integrieren eines Produkts des Ausgangssignals und einer Cosinuswelle bzw. eines Produkts des Ausgangssignals und einer Sinuswelle über eine gesamte Periode erhalten werden. Die Integration über nur eine gesamte festgelegte Periode erfordert deutlich weniger Berechnungen als die Fourier-Transformation und kann daher wesentlich leichter durch einen DSP online durchgeführt werden.
Durch Berechnen der Fourier-Reihe mit einer beliebigen Anzahl Glieder N, wann immer die Frequenz umgeschaltet wird, werden die Amplitude c₁(ω) und Phase θ₁(ω) der Grundwelle als die Frequenzcharakteristika in folgender Form erhalten.
wobei c_n die Amplitude einer n-ten Oberschwingung repräsentiert und θ_n die Phase der n-ten Oberschwingung ist.
Das Ausgangssignal manifestiert sich als Spannungswelle. Gesetzt den Fall, dass das Ausmaß der Nähe der Spannungswelle zu einer Sinuswelle eine Nichtlinearität repräsentiert, kann die Nichtlinearität immer dann bewertet werden, wenn die Frequenz auf einer Frequenz-für-Frequenz-Basis umgeschaltet wird. Hinsichtlich eines Vergleichs zwischen der Grundwelle und den Oberschwingungen ist es von einem physikalischen Gesichtspunkt aus sinnvoll, den folgenden Verzerrungsfaktor zu verwenden.
Als Verfahren zum Bewerten der Spannungswelle kann ein Formfaktor oder ein Scheitelfaktor anstelle des Verzerrungsfaktors verwendet werden. Die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 kann den Ausgang des Drehzahlregelkreises 4 als Fourier-Reihe mit einer harmonischen Komponente ausdrücken, die der Störungseingangsfrequenz entspricht, und die Nichtlinearität des Steuersystems durch eine Charakteristik bewerten, die das Verhältnis der enthaltenen harmonischen Komponente zur Grundkomponente ist, wie etwa der Verzerrungsfaktor.
Als Nächstes wird das Betriebsverfahren der Servosteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf ein in 4 gezeigtes Flussdiagramm beschrieben. Zunächst gibt die Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 (siehe 1) in Schritt S101 eine sinusförmige Störung in den Drehzahlregelkreis 4 ein. Danach erfasst der Drehzahldetektor 3 in Schritt S102 die Drehzahl des Servomotors 20.
Danach erzeugt der Drehmomentbefehlsgenerator 2 in Schritt S103 einen Drehmomentbefehlswert anhand eines Drehzahlbefehlswerts und eines Drehzahlerfassungswerts. Danach integriert die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 in Schritt S104 das Quadrat des durch den Drehzahldetektor 3 erfassten Drehzahlerfassungswerts.
Danach wird in Schritt S105 bestimmt, ob eine Integrationsperiode eine Periode der Sinuswelle erreicht hat. Wenn die Integrationsperiode keine Periode der Sinuswelle erreicht hat, kehrt der Betriebsablauf zu Schritt S104 zurück und die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 fährt damit fort, das Quadrat des Drehzahlerfassungswerts zu integrieren.
Wenn hingegen die Integrationsperiode eine Periode der Sinuswelle erreicht hat, berechnet die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 in Schritt S106 die Schwingungsenergie E_n+1 einer Periode des Drehzahlerfassungswerts. Danach wird in Schritt S107 bestimmt, ob die Schwingungsenergie E_n in der vorherigen Periode der Schwingungsenergie E_n+1 in der aktuellen Periode innerhalb der Grenzen eines Schwellenwerts entspricht. Wenn die Schwingungsenergie E_n in der vorherigen Periode der Schwingungsenergie E_n+1 der aktuellen Periode innerhalb der Grenzen des Schwellenwerts (”Schwellenwert für die Bestimmung des stationären Zustands”) nicht entspricht, kehrt der Betriebsablauf zu Schritt S104 zurück und die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 fährt damit fort, das Quadrat des Drehzahlerfassungswerts zu integrieren.
Wenn hingegen die Schwingungsenergie E_n in der vorherigen Periode der Schwingungsenergie E_n+1 in der aktuellen Periode innerhalb der Grenzen des Schwellenwerts entspricht, nimmt die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 in Schritt S108 an, dass die Schwingung des Drehzahlerfassungswerts mit einer entsprechenden Frequenz ein stationäres Verhalten angenommen hat. Danach berechnet die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 in Schritt S109 die Fourier-Koeffizienten a_n und b_n einer Periode der Schwingung des Drehzahlerfassungswerts mit der entsprechenden Frequenz.
Danach berechnet die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 in Schritt S110 die Amplitude c₁ und Phase θ₁ einer Grundwelle der Fourier-Reihe mit der entsprechenden Frequenz. Danach berechnet die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung 6 in Schritt S111 die Frequenzcharakteristika mit der entsprechenden Frequenz.
Danach aktualisiert die Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung 5 in Schritt S112 eine Eingangsfrequenz. Danach wird in Schritt S113 bestimmt, ob die Sinusfrequenz eines Eingangssignals einen Maximalwert überschritten hat. Wenn die Sinusfrequenz des Eingangssignals den Maximalwert überschritten hat, ist der sequentielle Betrieb abgeschlossen. Wenn hingegen die Sinusfrequenz des Eingangssignals den Maximalwert nicht überschritten hat, kehrt der Betriebsablauf zu Schritt S101 zurück und der sequentielle Betrieb wird neu gestartet.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der Servosteuervorrichtung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine Servosteuervorrichtung bereitzustellen, die die Funktion zum genauen Erhalten der Frequenzcharakteristika der Vorschubachse in Echtzeit online mittels eines Schwingungstests aufweist, der unter Verwendung eines an der Vorschubachse angebrachten Motors leicht durchzuführen ist.
Die vorliegende Erfindung hat gemäß den folgenden drei Aspekten große Bedeutung für herkömmliche Technologien.

1. Es wird ein Regelkreisaufbau für eine Vorschubachse bereitgestellt und der Ausgang des Regelkreises als Fourier-Reihe mit einer beliebigen Anzahl Glieder ausgedrückt. Obgleich die Fourier-Transformation nicht auf der Annahme der Periodizität von Objekten basiert, ist die Fourier-Reihe lediglich für periodische Signale verwendbar. Wenn ein Frequenzdurchlauf angewandt wird, wird ein Signal als periodisches Signal bestimmt, so dass es möglich ist, anhand einer Grundkomponente der Fourier-Reihe Frequenzcharakteristika zu messen (die Erfindung gemäß Anspruch 1).
2. Da die ursprüngliche Bedeutung der Frequenzcharakteristika die Amplituden- und Phasendifferenz einer Schwingung im stationären Zustand ist, ist es bevorzugt, die Etablierung eines stationären Zustands sicherzustellen. Zum Verifizieren einer Konvergenz einer Schwingung gegen den stationären Zustand wird die Energie der Schwingung auf periodischer Basis berechnet. Die Schwingung wird weiterhin mit einer konstanten Frequenz angelegt bis die Konvergenz gegen den stationären Zustand etabliert ist, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird (die Erfindung gemäß Anspruch 2).
3. Nichtlinearität manifestiert sich auch bei Verwendung der Fourier-Transformation nicht direkt in den Frequenzcharakteristika. Durch Berechnen der Fourier-Reihe bei jeder Frequenz und Vergleichen der Amplitude einer Grundkomponente mit der Amplitude einer harmonischen Komponente ist es jedoch möglich, die Nichtlinearität bei jeder Frequenz quantitativ zu bewerten (die Erfindung gemäß Anspruch 3).

Gemäß der Servosteuervorrichtung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mittels des Schwingungstests, der sich unter Verwendung des an der Vorschubachse angebrachten Motors leicht durchführen lässt, die Frequenzcharakteristika der Vorschubachse mit hoher Genauigkeit in Echtzeit zu erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 59-226907 [0004]
JP 5302639 [0005]
JP 2004-020522 [0006]
JP 11-326411 [0006]
JP 3626858 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”System Identification for Control by MATLAB”, verfasst von Shuichi Adachi, veröffentlicht 1996 von Tokyo Denki University Press, Seiten 69–88 [0003]
”System Identification for Control by MATLAB”, verfasst von Shuichi Adachi, veröffentlicht 1996 von Tokyo Denki University Press, Seiten 89–114 und 115–151 [0003]

Claims

Servosteuervorrichtung, die eine Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einer durch einen Servomotor angetriebenen Vorschubachse ist und umfasst: – einen Drehzahlbefehlsgenerator (1) zum Erzeugen eines Drehzahlbefehlswerts für den Servomotor, – einen Drehmomentbefehlsgenerator (2) zum Erzeugen eines Drehmomentbefehlswerts für den Servomotor, – einen Drehzahldetektor (3) zum Erfassen der Drehzahl des Servomotors, – einen Drehzahlregelkreis (4), der den Drehzahlbefehlsgenerator, den Drehmomentbefehlsgenerator und den Drehzahldetektor umfasst, – eine Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung (5) zum Durchführen eines Sinus-Sweep am Drehzahlregelkreis und – eine Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung (6) zum Schätzen der Verstärkung und Phase von Drehzahlregelkreis-Eingangs- und Ausgangssignalen anhand des Ausgangs des Drehzahlregelkreises, wenn eine sinusförmige Störung in den Drehzahlregelkreis der Steuervorrichtung eingegeben wird, – wobei die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung (6) den Ausgang des Drehzahlregelkreises als Fourier-Reihe mit einer beliebigen Anzahl Glieder ausdrückt, wobei eine Störungseingangsfrequenz der Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung (5) als Grundfrequenz verwendet wird, und die Amplitude und Phase einer Grundkomponente der Fourier-Reihe berechnet, um die Frequenzcharakteristika online zu berechnen.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung (6) eine Konvergenz des Ausgangs des Drehzahlregelkreises gegen einen stationären Zustand durch Überwachen der Energie einer Periode einer Sinuswelle auf periodischer Basis verifiziert, und die Sinus-Sweep-Eingabeeinrichtung (5) weiterhin die Sinuswelle mit einer konstanten Frequenz eingibt bis die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung bestimmt, dass der Ausgang des Drehzahlregelkreises den stationären Zustand erreicht hat.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Frequenzcharakteristik-Berechnungseinrichtung (6) den Ausgang des Drehzahlregelkreises als Fourier-Reihe mit einer harmonischen Komponente ausdrückt, die der Störungseingangsfrequenz entspricht, und die Nichtlinearität eines Steuersystems durch eine Charakteristik bewertet, die das Verhältnis der enthaltenen harmonischen Komponente zur Grundkomponente ist.