DE102016103301A1

DE102016103301A1 - Motorsteuereinheit mit einer funktion zur unterdrückung von schwingungen

Info

Publication number: DE102016103301A1
Application number: DE102016103301.4A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Nakamura; Satoshi Ikai
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: DE102016103301B4; JP6046182B2; CN105932930B; JP2016163397A; CN105932930A; US20160252896A1; US9798295B2

Abstract

Eine Motorsteuereinheit nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, bei der es sich um eine Motorsteuereinheit zur Steuerung eines Servomotors, der eine Maschine antreibt, handelt, weist eine Positionsbefehlseinheit, um einen Positionsbefehl einer Maschine auszugeben; einen Positionsdetektor, um die Position der Maschine zu detektieren; eine Positionssteuereinheit, um auf Basis des von der Positionsbefehlseinheit ausgegebenen Positionsbefehls und der durch den Positionsdetektor detektierten Maschinenposition einen Motorgeschwindigkeitsbefehl zu erzeugen; und eine Geschwindigkeitssteuereinheit, um die Motorgeschwindigkeit gemäß dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu steuern, auf, und ist so aufgebaut, dass die Positionssteuereinheit ein Filter F(s) aufweist, das die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu der Maschinengeschwindigkeit approximiert.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuereinheit und insbesondere eine Motorsteuereinheit mit einer Funktion zur Unterdrückung von Schwingungen, indem eine Positionssteuereinheit bereitgestellt wird, die eine vollständig geschlossene Steuerung unter Berücksichtigung der Niederfrequenzresonanz vornimmt.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Was die mechanische Hochfrequenzresonanz einer Motorpositionierungsvorrichtung, die die Steuerungsbandbreite eines Servosteuersystems übersteigt, betrifft, wurde die Servosteuerschleife herkömmlich mit Kerbfiltern oder einem Tiefpassfilter ausgestattet, damit das Servosteuersystem nicht auf die mechanische Resonanz reagiert.
Andererseits wurden im Hinblick auf die Niederfrequenzresonanz unterhalb des Servosteuerungsbands, auf das das Servosteuersystem reagiert, Verfahren der Korrektur von Befehlen (erstes Verfahren), Verfahren der Bereitstellung von Kerbfiltern innerhalb der Servosteuerschleife (zweites Verfahren) und andere untersucht.
Es ist eine Motorsteuereinheit bekannt, die unter der Voraussetzung eines halbgeschlossenen Steuersystems für die Motorpositionierungsvorrichtung Schwingungen unter Verwendung des ersten Verfahrens oder des Verfahrens der Korrektur von Befehlen verwendet.
In der Motorsteuereinheit bei Maschinenwerkzeugen wird im Allgemeinen entweder eine Punktsteuerung (PTP), die Bewegungswege nicht berücksichtigt, oder eine Bahnsteuerung, die die Position der Maschine entlang eines Bewegungswegs steuert, vorgenommen. Die obige Motorsteuereinheit nimmt in einem halbgeschlossenen Steuersystem zur Vornahme einer Rückkopplungssteuerung der Motorposition eine Bahnsteuerung vor. Insbesondere weist das halbgeschlossene Steuersystem ein Positionsbefehlskorrekturfilter auf, das eine Umwandlung zwischen dem Positionsbefehl an den Motor und dem Positionsbefehl an die Maschine vornimmt.
Das zweite Verfahren oder das Verfahren der Bereitstellung von Kerbfiltern innerhalb der Servosteuerschleife ist als eine andere Maßnahme gegen Niederfrequenzresonanz bekannt (z. B. die Japanische Patentschrift Nr. 4174543 ). Wenn Kerbfilter gegen Niederfrequenzresonanz verwendet werden, kommt es zu einem Überschwingen, wodurch die Bearbeitungsformgenauigkeit verschlechtert wird. Bei der obigen herkömmlichen Technologie sind die Anwendungsverhältnisse der Kerbfilter einstellbar, um die Verschlechterung der Formgenauigkeit zu verringern.
Die Verwendung des ersten Verfahrens oder des Verfahrens der Korrektur von Befehlen ist in einem vollständig geschlossenen Steuersystem, das eine Rückkopplungssteuerung der Maschinenposition vornimmt, nicht wünschenswert. In dem vollständig geschlossenen Steuersystem ist der Positionsbefehlsausgang von der Positionsbefehlseinheit ein Positionsbefehl an die Maschine. Eine Korrektur des Positionsbefehls führt zu einer direkten Korrektur der Bearbeitungsform des Werkstücks. Als Ergebnis der Korrektur weicht die Form des Werkstücks von der Form, die durch das Programm bestimmt wird, ab, was nicht erwünscht ist.
Bei dem zweiten Verfahren oder dem Verfahren der Bereitstellung von Kerbfiltern innerhalb der Servosteuerschleife verändern die Kerbfilter die Servosteuercharakteristik, was ein Überschwingen der tatsächlichen Bahn der Maschine verursacht. Wenn Kerbfilter verwendet werden, sind die Bahngenauigkeit und die Unterdrückung von Schwingungen nicht kompatibel. Somit ist eine Filtereinstellung unter Berücksichtigung eines ”Kompromisses” zwischen diesen beiden Faktoren nötig.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motorsteuereinheit bereitzustellen, die die Schwingungsunterdrückungswirkung und die Formgenauigkeit, die bei einer vollständig geschlossenen Steuerung bisher nicht kompatibel waren, kompatibel macht.
Eine Motorsteuereinheit nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, bei der es sich um eine Motorsteuereinheit zur Steuerung eines Servomotors, der eine Maschine antreibt, handelt, weist eine Positionsbefehlseinheit, um einen Positionsbefehl einer Maschine auszugeben; einen Positionsdetektor, um die Position der Maschine zu detektieren; eine Positionssteuereinheit, um auf Basis des von der Positionsbefehlseinheit ausgegebenen Positionsbefehls und der durch den Positionsdetektor detektierten Maschinenposition einen Motorgeschwindigkeitsbefehl zu erzeugen; und eine Geschwindigkeitssteuereinheit, um die Motorgeschwindigkeit gemäß dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu steuern, auf, wobei die Positionssteuereinheit ein Filter F(s) aufweist, das die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu der Maschinengeschwindigkeit approximiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgabe, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Lesen der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen besser verstanden werden, wobei
1 ein schematisches Diagramm eines Modells eines Systems mit zwei Trägheiten ist;
2 ein Blockdiagramm eines Systems mit zwei Trägheiten ist;
3 ein schematisches Diagramm eines vollständig geschlossenen Steuersystems bei einer Motorsteuereinheit nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein Steuerungsblockdiagramm einer vollständig geschlossenen Steuerung ist, wenn bei einer Motorsteuereinheit nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Filter in einer Positionsvorsteuereinheit eingerichtet ist;
5 ein Steuerungsblockdiagramm einer vollständig geschlossenen Steuerung ist, wenn bei einer Motorsteuereinheit nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Filter so eingerichtet ist, dass es sowohl auf die Vorsteuerung als auch die Rückkopplung angewendet wird; und
6 ein Steuerungsblockdiagramm ist, wenn bei einer Motorsteuereinheit nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Positionsvorsteuer- und eine -rückkopplungssteuereinheit jeweils ein unabhängig einstellbares Filter F(s) aufweisen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun Motorsteuereinheiten nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
[Erste Ausführungsform]
1 zeigt ein Modell eines Systems mit zwei Trägheiten. Ein Motor 20 und eine Maschine 30 sind Massepunkte mit einer Trägheit J_m bzw. J_L. Die Reibung wird vernachlässigt. Der Motor 20 und die Maschine 30 sind durch eine Feder 40 mit einer Federkonstanten K und einen Dämpfer 50 mit einer Dämpfungskonstanten C miteinander verbunden. In der Figur bezeichnet ”u” das Drehmoment, ”V_m” die Motorgeschwindigkeit, ”V_L” die Maschinengeschwindigkeit, und ”T” eine kombinierte Kraft der Feder und des Dämpfers.
Die Bewegungsgleichungen von V_m und V_L und die kombinierte Kraft T der Feder und des Dämpfers sind durch die folgenden Gleichungen gegeben:
Das in 1 gezeigte Modell des Systems mit zwei Trägheiten ist in 2 als Blockdiagramm dargestellt gezeigt. Durch Umwandeln der obigen Bewegungsgleichungen und der Gleichung der kombinierten Kraft der Feder und des Dämpfers können die Transferfunktion von dem Drehmoment zu der Motorgeschwindigkeit und die Transferfunktion von dem Drehmoment zu der Maschinengeschwindigkeit wie folgt bestimmt werden: Drehmoment → Motorgeschwindigkeit:
Drehmoment → Maschinengeschwindigkeit:
Bei den neuesten Motorsteuereinheiten wird dank des Ansteigens der Regelungsverstärkung und der Verwendung der Vorsteuerung die tatsächliche Geschwindigkeit des Motors sofort gesteuert, wenn das Servosteuersystem einen Motorgeschwindigkeitsbefehl erteilt. Mit anderen Worten liegt die Transfercharakteristik von dem Geschwindigkeitsbefehl des Motors, der durch das Servosteuersystem berechnet wird, zu der tatsächlichen Geschwindigkeit des Motors dicht an 1.
3 ist ein schematisches Steuerungsdiagramm einer vollständig geschlossenen Steuerung der Motorsteuereinheit nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt gibt eine Positionsbefehlseinheit 1 einen Positionsbefehl an eine Positionssteuereinheit 3 aus. Die Positionssteuereinheit 3 gibt auf Basis des eingegebenen Positionsbefehls und der Daten hinsichtlich der Maschinenposition, die von einem Positionsdetektor 2, mit dem die Maschine 30 ausgerüstet ist, erhalten werden, einen Motorgeschwindigkeitsbefehl aus. Eine Geschwindigkeitssteuereinheit 4 gibt auf Basis des eingegebenen Motorgeschwindigkeitsbefehls und der Motorgeschwindigkeit eines Motors 20 ein Drehmoment zum Antrieb des Motors aus.
4 ist ein Steuerungsblockdiagramm der Motorsteuereinheit nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Motorsteuereinheit 101 nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Motorsteuereinheit zur Steuerung des Motors 20 als Servomotor zum Antrieb der Maschine 30 (siehe 3), und weist die Positionsbefehlseinheit 1, um einen Positionsbefehl der Maschine auszugeben; den Positionsdetektor 2, um die Position des Motors zu detektieren; die Positionssteuereinheit 3, um auf Basis des von der Positionsbefehlseinheit 1 ausgegebenen Positionsbefehls und der durch den Positionsdetektor 2 detektierten Maschinenposition einen Motorgeschwindigkeitsbefehl zu berechnen; und eine Geschwindigkeitssteuereinheit 4, um die Motorgeschwindigkeit gemäß dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu steuern, auf, und die Positionssteuereinheit 3 weist ein Filter F(s) auf, das die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu der Maschinengeschwindigkeit approximiert.
Nun wird der Betrieb der Motorsteuereinheit nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Der Positionsbefehl, der durch die Positionsbefehlseinheit 1 erzeugt wurde, wird in die Positionssteuereinheit 3 eingegeben. Die Positionssteuereinheit 3 weist eine Positionsvorsteuereinheit (Positions-FF-Steuereinheit) 31 und eine Positionsrückkopplungssteuereinheit (Positions-FB-Steuereinheit) 32 auf. Der von der Positionsbefehlseinheit 1 eingegebene Positionsbefehl wird durch einen Differenzierer ”s” und das Filter F(s) in der Positions-FF-Steuereinheit 31 geführt, und das Ergebnis wird an einem Addierer 34 addiert. Der von der Positionsbefehlseinheit 1 eingegebene Positionsbefehl, von dem Daten der Maschinenposition von dem Positionsdetektor 2 der Maschine abgezogen wurden, wird in der Positions-FB-Steuereinheit 32 mit einer Positions-FB-Verstärkung multipliziert, und das Ergebnis wird an dem Addierer 34 addiert. Das summierte Signal an dem Addierer 34 wird von der Positionssteuereinheit 3 als Motorgeschwindigkeitsbefehl ausgegeben.
Der ausgegebene Motorgeschwindigkeitsbefehl wird in die Geschwindigkeitssteuereinheit 4 eingegeben, die wiederum ein Drehmoment ausgibt. Das Drehmoment wird durch die Transfercharakteristik 5 von dem Drehmoment zu der Motorgeschwindigkeit übertragen, um eine Geschwindigkeit an den Motor zu ergeben. Andererseits wird bei der vorliegenden Erfindung die Transfercharakteristik 6 von dem Drehmoment zu der Maschinengeschwindigkeit berücksichtigt. Das Drehmoment wird durch die Transfercharakteristik 6 von dem Drehmoment zu der Maschinengeschwindigkeit verarbeitet, damit eine Maschinengeschwindigkeit ausgegeben wird. Die Maschinengeschwindigkeit wird durch einen Integrator 7 integriert, um eine Maschinenposition zu ergeben.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es als erstes nötig, bei der in 4 gezeigten vollständig geschlossenen Steuerung ein derartiges Filter anzuwenden, dass sich die Transfercharakteristik von dem Positionsbefehl (Punkt A) zu der Maschinenposition (Punkt E) 1 nähert.
Da dies mit der Programmfolgefähigkeit in Zusammenhang steht, sollte in 4 die Transfercharakteristik des Pfads durch die Vorsteuerung beachtet werden. Um die Transfercharakteristik von dem Positionsbefehl (Punkt A) zu der Maschinenposition (Punkt E) auf 1 zu bringen, muss der Vorsteuerungspfad von dem Positionsbefehl (Punkt A) zu dem Motorgeschwindigkeitsbefehl (Punkt B) die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl (Punkt B) zu der Maschinenposition (Punkt E) aufweisen.
Der Differenzierer ”s” mit der inversen Charakteristik des kinetischen Integrators von der Maschinengeschwindigkeit (Punkt D) zu der Maschinenposition (Punkt E) ist in die allgemeinen Positionsvorsteuer(FF)einheit 31 in der Motorsteuereinheit eingebracht. Bei der vorliegenden Erfindung ist das restliche Element, d. h., das Filter F(s) mit der inversen Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl (Punkt B) zu der Maschinengeschwindigkeit (Punkt D), in die Positionssteuereinheit 3 eingebracht.
Wenn berücksichtigt wird, dass die Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl (Punkt B) zu der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit (Punkt C) nahe an 1 liegt, versteht man, dass das Filter F(s) durch die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von der Motorgeschwindigkeit (Punkt C) zu der Maschinengeschwindigkeit (Punkt D) approximiert werden kann. Die Transfercharakteristik von der Motorgeschwindigkeit zu der Maschinengeschwindigkeit kann durch Teilen der Gleichung 2 durch die Gleichung 1 wie in dem folgenden Ausdruck 3 bestimmt werden.
Die Gleichung 3 ergibt auch den in eine quadratische Standardfunktion umgewandelten Ausdruck. ω stellt die Schwingungsfrequenz, wenn der Motor in dem System mit zwei Trägheiten fixiert ist, dar, und ζ stellt das Dämpfungsverhältnis dar. Der Pol und der Nullpunkt in der Gleichung 3 können wie folgt gegeben sein. Nullpunkt: s = – ω / 2ζ
Aus dem obigen Nullpunkt und Pol sind die Entfernung von dem Ursprungspunkt zu dem Nullpunkt auf der komplexen Ebene und die Entfernungen von dem Ursprung zu dem Pol auf der komplexen Ebene wie folgt gegeben:
Entfernung von dem Ursprung zu dem Nullpunkt auf der komplexen Ebene: ω/2ζ
Entfernungen von dem Ursprung zu dem Pol auf der komplexen Ebene: ω
Wenn angenommen wird, dass ζ in einem typischen Schwingungssystem einen Wert von 0,1 bis 0,2 annimmt, beträgt der Abstand von dem Ursprungspunkt zu dem Nullpunkt auf der komplexen Ebene das 2,5- bis 5-fache des Abstands von dem Ursprungspunkt zu dem Pol auf der komplexen Ebene. Entsprechend versteht sich, dass in dieser Transfercharakteristik das Nenner-Polynom dominant ist.
Als nächstes wird die Rückkopplungssteuerschleife betrachtet werden. Das Nenner-Polynom, das den dominanten Einfluss auf den Betrieb ausübt, weist die Form eines Tiefpassfilters zweiter Ordnung auf. Entsprechend weist die Rückkopplungssteuerung eine Charakteristik auf, die eine Phase bei der Frequenz ω um 90 Grad verzögert. Eine Kombination dieses Phasenverzögerungsmerkmals (Vornahme einer Verzögerung von 90 Grad bei ω von dem Punkt B zu dem Punkt D) mit dem Merkmal des kinetischen Integrators der Maschine (Vornahme einer Verzögerung von 90 Grad von dem Punkt D zu dem Punkt E) wird eine Phasenverschiebung von –180°C ergeben, die die Stabilitätsgrenze des Rückkopplungssteuersystems bestimmt. Die Phasenverzögerung aufgrund des Nenner-Polynoms in der Gleichung 3 ist im Hinblick auf die Verbesserung der Verstärkung der Rückkopplungssteuerschleife nicht wünschenswert. Es ist daher wünschenswert, dass die Phasenverzögerung aufgrund der Transfercharakteristik von Gleichung 3 verbessert wird, indem das Filter F(s) auch in die Rückkopplungssteuerung eingebracht wird. 5 zeigt ein Beispiel eines Steuerblockdiagramms einer Motorsteuereinheit 101', bei der das Filter F(s) so eingerichtet ist, dass es sowohl auf die Positionsvorsteuereinheit 31' als auch auf die Positionsrückkopplungssteuereinheit 32' in einer Positionssteuereinheit 3' angewendet wird.
Wie bisher unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben wurde, ist das Filter F(s) ein Filter, das wirksam ist, wenn es in die Vorsteuerung, in die Rückkopplungssteuerung, oder beide eingebracht ist. Die Motorsteuereinheit nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssteuereinheit 3 ein Filter F(s) aufweist, das die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu der Maschinengeschwindigkeit approximiert.
Das Filter ist so ausgebildet, dass es die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Geschwindigkeitsbefehl zu der Maschinengeschwindigkeit approximiert. Wenn die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Geschwindigkeitsbefehl (Punkt B) zu der Maschinengeschwindigkeit (Punkt D) durch die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von der Motorgeschwindigkeit (Punkt C) zu der Maschinengeschwindigkeit (Punkt D), die durch die Gleichung 3 gegeben ist, approximiert wird, ist das Filter F(s) durch den folgenden Ausdruck 4 dargestellt.
Aus der Gleichung 4 wird verstanden, dass das Filter F(s) als Elemente eine Trägheit J_L eines angetriebenen Teils, einen Elastizitätskoeffizienten K eines elastisch verformbaren Teils und einen Dämpfungskoeffizienten C des elastisch verformbaren Teils aufweist.
Aus der Gleichung 4 wird auch verstanden, dass das Zähler-Polynom des Filters F(s) (J_L/K) × s² + (C/K) × s + 1 enthält.
In der Gleichung 4 ist die Ordnung des Zähler-Polynoms größer als jene des Nenner-Polynoms. Daher ist es nötig, die Ordnung des Nenner-Polynoms um zumindest eine zu erhöhen, um die Ausführung zu verwirklichen. Hierzu ist das Hinzufügen eines Tiefpassfilters erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz ω_adj als einstellbaren Parameter denkbar.
Zu diesem Zweck wird angenommen, dass das folgende Filter, das einen einstellbaren Parameter ω_adj aufweist, sein Nenner-Polynom so definiert, dass das Filter F(s) ein Tiefpassfilter mit einer Zeitkonstanten (C/K) und ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz ω_adj aufweist.
Wie oben beschrieben ist aus der Beziehung auf der komplexen Ebene zwischen dem Abstand von dem Ursprungspunkt zu dem Pol und dem Abstand von dem Ursprungspunkt zu dem Nullpunkt bekannt, dass in der Gleichung 3 das Nenner-Polynom verglichen mit dem Zähler-Polynom dominant ist. Da die Gleichung 4 die inverse Charakteristik der Gleichung 3 aufweist, ist in der Gleichung 4 demgemäß das Zähler-Polynom dominant. Aus diesem Grund ist es möglich, ein Filter auszuführen, das eine ähnliche Wirkung zeigt, auch wenn das Nenner-Polynom der Gleichung 4 nicht verwendet wird.
Daher kann angenommen werden, dass ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einem einstellbaren Parameter ω_c(ω_adj) sein Nenner-Polynom definiert, ohne das Nenner-Polynom der Gleichung 4 zu verwenden.
Wie bisher beschrieben ist es nach der Motorsteuereinheit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgrund des Umstands, dass die Positionssteuereinheit ein Inverse-Charakteristik-Filter aufweist, möglich, die Position der Maschine gemäß den Befehlen zu steuern, ohne Positionsbefehle zu korrigieren, wenn diese Positionssteuereinheit bei einer vollständig geschlossenen Steuerung verwendet wird.
[Zweite Ausführungsform]
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 6 eine Motorsteuereinheit nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Die Motorsteuereinheit nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Motorsteuereinheit nach der ersten Ausführungsform darin, dass eine Positionssteuereinheit 3'' aus einer Positionsvorsteuereinheit 31'', um aus einem Positionsbefehl einen ersten Motorgeschwindigkeitsbefehl zu berechnen, einer Positionsrückkopplungssteuereinheit 32'', um aus dem Unterschied zwischen dem Positionsbefehl und der Maschinenposition einen zweiten Motorgeschwindigkeitsbefehl zu berechnen, und einem Addierer 34, der den ersten Motorgeschwindigkeitsbefehl und den zweiten Motorgeschwindigkeitsbefehl addiert, um den Motorgeschwindigkeitsbefehl zu bestimmen, besteht, und dass die Positionsvorsteuereinheit 31'' und die Positionsrückkopplungssteuereinheit 32'' jeweils ein unabhängig konfigurierbares Filter F(s)(F_FF(s), F_FB(s)) aufweisen. Die sonstigen Aufbauten der Motorsteuereinheit 102 nach der zweiten Ausführungsform sind jenen bei der Motorsteuereinheit 101 nach der ersten Ausführungsform gleich, weshalb auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird.
Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, kann das Filter F(s) sowohl für die Vorsteuerung als auch für die Rückkopplungssteuerung verwendet werden, doch weist es unterschiedliche Wirkungen auf.
Wenn das Filter F(s)(F_FF(s)) in die Positionsvorsteuereinheit 31'' eingebracht ist, weist das Filter die Funktion auf, die Transfercharakteristik von dem Positionsbefehl (Punkt A) zu der Maschinenposition (Punkt E) zur Annäherung an 1 zu bringen. Mit anderen Worten ist das Filter dazu wirksam, die Maschinenposition dazu zu bringen, der befohlenen Bahn ohne Schwingungen zu folgen. Wenn der einstellbare Parameter ω_adj in dem Nenner-Polynom des obigen Filters auf eine hohe Frequenz festgelegt wird, wird die Stabilität des Systems nicht beeinflusst werden.
Wenn das Filter F(s)(F_FB(s)) andererseits in die Positionsrückkopplungssteuereinheit 32'' eingebracht ist, wird die Phasenverzögerungscharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl (Punkt B) zu der Maschinengeschwindigkeit (Punkt D) in der Rückkopplungssteuerschleife verbessert. Diese Verbesserung der Phasenverzögerungscharakteristik hebt die obere Grenze der Rückkopplungssteuerverstärkung an, so dass eine Verbesserung der Störungscharakteristik erwartet werden kann. Doch wenn der obige einstellbare Parameter ω_adj auf einen übermäßig hohen Wert festgelegt wird, wird die Rückkopplungsverstärkung bei hohen Frequenzen größer und wird die Gefahr, dass das System instabil gemacht wird, erhöht.
Entsprechend ist es wünschenswert, dass der einstellbare Parameter ω_adj für das Filter, das in die Vorsteuerung eingebracht ist, und jenes, das in die Rückkopplungssteuerung eingebracht ist, unabhängig eingestellt werden kann.
Zu diesem Zweck ist die Motorsteuereinheit nach der zweiten Ausführungsform wie in 6 gezeigt dadurch gekennzeichnet, dass
die Positionssteuereinheit 3'' eine Positions-FF-Steuereinheit 31'', eine Positions-FB-Steuereinheit 32'' und einen Addierer 34, der ihre Ausgänge (den ersten und den zweiten Motorgeschwindigkeitsbefehl) addiert, aufweist, und
die Positions-FF-Steuereinheit 31'' und die Positions-FB-Steuereinheit 32'' jeweils unabhängig einstellbare Filter F(s)(F_FF(s), F_FS(s)) aufweisen.
Ferner werden anstelle der Eingabe des quadratischen Koeffizienten J_L/K und des primären Koeffizienten C/K des Zähler-Polynoms von F(s), die durch die Trägheit J_L des angetriebenen Teils, die Elastizitätskonstante K des elastisch verformbaren Teils und die Dämpfungskonstante C des elastisch verformbaren Teils bestimmt sind, die Schwingungsfrequenz ω und der Schwingungsdämpfungskoeffizient ζ eingegeben, um das Zähler-Polynom des Filters F(s) zu berechnen.
Wie an der ganz rechten Seite der Gleichung 5 und der Gleichung 6 gezeigt, kann die Eingabe der Schwingungsfrequenz ω und des Schwingungsdämpfungskoeffizienten ζ anstelle der Trägheit J_L, der Elastizitätskonstanten K und der Dämpfungskonstanten C die Einstellungen erleichtern.
Wie bisher beschrieben ist es nach der Motorsteuereinheit der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, gleichzeitig eine Schwingungsunterdrückung und eine Bahnsteuerung zu verwirklichen, indem Filter bereitgestellt sind, die die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Geschwindigkeitsbefehl zu der Maschinengeschwindigkeit approximieren.
Durch die Motorsteuereinheiten nach den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Motorsteuereinheit bereitzustellen, die unter der Annahme eines Systems mit zwei Trägheiten, das eine vollständig geschlossene Steuerung vornimmt, wobei die Charakteristika des Systems mit zwei Trägheiten berücksichtigt werden, eine Schwingungsunterdrückungswirkung und eine Formgenauigkeit erzielen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4174543 [0006]

Claims

Motorsteuereinheit zur Steuerung eines Servomotors, der eine Maschine antreibt, umfassend: eine Positionsbefehlseinheit (1), die ausgebildet ist, um einen Positionsbefehl einer Maschine auszugeben; einen Positionsdetektor (2), der ausgebildet ist, um die Position der Maschine zu detektieren; eine Positionssteuereinheit (3), die ausgebildet ist, um auf Basis des von der Positionsbefehlseinheit ausgegebenen Positionsbefehls und der durch den Positionsdetektor detektierten Maschinenposition einen Motorgeschwindigkeitsbefehl zu erzeugen; und eine Geschwindigkeitssteuereinheit (4), die ausgebildet ist, um die Motorgeschwindigkeit gemäß dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu steuern, wobei die Positionssteuereinheit (3) ein Filter F(s) aufweist, das die inverse Charakteristik der Transfercharakteristik von dem Motorgeschwindigkeitsbefehl zu der Maschinengeschwindigkeit approximiert.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 1, wobei das Filter F(s) als Elemente eine Trägheit J_L eines angetriebenen Teils, einen Elastizitätskoeffizienten K eines elastisch verformbaren Teils und einen Dämpfungskoeffizienten C des elastisch verformbaren Teils aufweist.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 2, wobei das Zähler-Polynom des Filters F(s) (J_L/K) × s² + (C/K) × s + 1 enthält.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 3, wobei das Filter F(s) ein Tiefpassfilter mit einer Zeitkonstanten (C/K) und ein Tiefpassfilter mit einer einstellbaren Grenzfrequenz ω_adj aufweist.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 3, wobei das Filter F(s) ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer einstellbaren Grenzfrequenz ω_adj aufweist.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Positionssteuereinheit (3) Folgendes umfasst: eine Positionsvorsteuereinheit (31), die dazu ausgebildet ist, aus dem Positionsbefehl einen ersten Motorgeschwindigkeitsbefehl zu berechnen; eine Positionsrückkopplungssteuereinheit (32), die dazu ausgebildet, ist, aus dem Unterschied zwischen dem Positionsbefehl und der Maschinenposition einen zweiten Motorgeschwindigkeitsbefehl zu berechnen; und einen Addierer (34), der dazu ausgebildet ist, den ersten Motorgeschwindigkeitsbefehl und den zweiten Motorgeschwindigkeitsbefehl zu addieren, um den Motorgeschwindigkeitsbefehl zu bestimmen, und wobei die Positionsvorsteuereinheit (31) und die Positionsrückkopplungssteuereinheit (32) jeweils ein unabhängig konfigurierbares Filter F(s) aufweisen.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 6, wobei anstelle einer Eingabe des quadratischen Koeffizienten J_L/K und des primären Koeffizienten C/K des Zähler-Polynoms von F(s), die durch die Trägheit J_L des angetriebenen Teils, die Elastizitätskonstante K des elastisch verformbaren Teils und die Dämpfungskonstante C des elastisch verformbaren Teils bestimmt sind, die Schwingungsfrequenz ω und der Schwingungsdämpfungskoeffizient ζ eingegeben werden, um das Filter F(s) zu berechnen.