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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuerung und betrifft insbesondere eine Motorsteuerung mit der Funktion zur Verringerung einer Vibration.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Motorsteuerungen zum Antreiben von Maschinen mit Motoren bewältigen herkömmlicherweise eine hohe Frequenzresonanz mit Hilfe von Tiefpassfiltern oder Kerbfiltern, die in Servosteuerungssystemen vorgesehen sind. Diese Filter sind in Steuerschleifen von Servomechanismen angeordnet und haben nicht zum Ziel, Positionsanweisungen zu kompensieren, sondern das Ansprechen und die Stabilität der Servomechanismen zu verbessern.
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Andererseits wurden üblicherweise Maßnahmen gegen eine Niederfrequenzresonanz ergriffen, wie eine Verwendung einer Glättungsanweisung (zum Beispiel
Japanische Ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2009-237916 ), ein Anwenden eines Kerbfilters an einer Anweisung, ein Verwenden von Input Shaping an einer Anweisung (zum Beispiel
"Preshaping Command Inputs to Reduce System Vibration", Massachusetts Institute of Technology Artificial Intelligence Laboratory A. I. Memo Nr. 1027 (AIM-1027), 1998-01-01) und dergleichen. Diese Maßnahmen bestimmen, im Gegensatz zu Maßnahmen gegen eine Hochfrequenzresonanz, die Positionsanweisungen, die an den Servosteuerungssystemen anzuwenden sind, um somit eine ausreichend verringerte Energie von Frequenzen zu haben, bei welchen mechanische Systeme vibrieren.
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Die Motorsteuerungen von Werkzeugmaschinen führen im Allgemeinen sowohl eine PTP(Punkt-zu-Punkt)Steuerung, die Bewegungspfade nicht betrifft, als auch eine Laufbahnsteuerung durch, die die Positionen von Maschinen in Übereinstimmung mit dem Bewegungspfaden steuert. Die vorliegende Erfindung ist eine Erfindung, die sich auf letztgenannte, d. h., die Laufbahnsteuerung bezieht. Wenn die Motorsteuerungen die Laufbahnsteuerung durchführen, ist es nicht erwünscht, dass die Servosteuerungssysteme weit von den von Benutzern programmierten Befehlen abweichen.
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Es wird nun als ein Beispiel angenommen, dass eine Zeitserie von Positionsanweisungen an einer Servosteuerungsachse angewendet wird. Die Aufgabe eines Servosteuerungssystems ist, eine Maschine in Übereinstimmung mit der Zeitserie von Positionsanweisungen zu betreiben. Die Maschine kann jedoch manchmal aufgrund der Wirkung einer mechanischen Resonanz nicht in Übereinstimmung mit den Positionsanweisungen betrieben werden. Die mechanische Resonanz verursacht eine Restvibration nach Stoppen der Achse und wenn eine Werkzeugmaschine läuft, kann sie Schnittmarken in einem bearbeiteten Werkstück hinterlassen.
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Bei Verwendung der herkömmlichen Techniken, wie des Kerbfilters und des Input Shaping, reduziert das Kerbfilter oder Input Shaping eine Energiekomponente entsprechend einer Resonanzfrequenz, wodurch die Restvibration verringert wird. Diese Filter ändern jedoch eine angewiesene Laufbahn zugunsten einer Verringerung in der Restvibration. Somit arbeitet eine Maschine nicht in Übereinstimmung mit der angewiesenen Laufbahn. Wenn zum Beispiel ein Kerbfilter an einer Anweisung angewendet wird, tritt im Allgemeinen ein Überschwingen auf. Dies ist leicht erklärbar, da eine Stufenreaktion des Kerbfilters das Überschwingen verursacht. Wenn die angewiesene Laufbahn aufgrund der Verwendung des Kerbfilters ein Überschwingen erfährt, bleiben Spuren in einem bearbeiteten Werkstück in Übereinstimmung mit dem Überschwingen zurück, was eine Verringerung in der Bearbeitungsintegrität verursacht.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Motorsteuerung bereitzustellen, die, unter der Annahme eines Modells eines Systems mit zwei Trägheiten, eine Lastseite des Systems mit zwei Trägheiten mit gut unterdrückten Vibrationen in einer halbgeschlossenen Steuerung betreiben kann.
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Eine Motorsteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Motorsteuerung, die eine elastische Verformung zwischen einem Servomotor und einer angetriebenen Einheit, die durch den Servomotor angetrieben wird, kompensiert. Die Motorsteuerung enthält eine Positionsanweisungseinheit zum Anweisen der Position der angetriebenen Einheit, eine Kompensationsfiltereinheit zum Kompensieren einer Positionsanweisung, die von der Positionsanweisungseinheit ausgegeben wird, und eine Servosteuerungseinheit zum Steuern des Betriebs des Servomotors auf Basis einer kompensierten Positionsanweisung, die von der Kompensationsfiltereinheit ausgegeben wird. Die Kompensationsfiltereinheit enthält ein Inverse-Kennlinie-Filter zum Nähern einer inversen Kennlinie einer Transferkennlinie von einer Motorposition zu einer mechanischen Position, und ein Hochfrequenz-Trennfilter zum Verringern einer Hochfrequenzkomponente der Positionsanweisung. Das Inverse-Kennlinie-Filter ist ein Filter zum Verringern einer Verstärkung bei einer mechanischen Resonanzfrequenz ω0. Das Hochfrequenz-Grenzfilter hat eine Konstante ”a” mal Hochfrequenz-Grenzfrequenz aω0 unter Verwendung einer Konstante ”a” von 1 oder mehr in Bezug auf die mechanische Resonanzfrequenz ω0, die im Inverse-Kennlinie-Filter bestimmt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher, wobei:
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1 ein Blockdiagramm einer Motorsteuerung gemäß einer Erfindung ist, die sich auf die vorliegende Erfindung bezieht;
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2 eine Grafik der Kennlinie eines Tiefpassfilters zweiter Ordnung ist, in dem eine mechanische Resonanzfrequenz ω0 als Grenzfrequenz bestimmt ist;
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3 ein Blockdiagramm einer Motorsteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine Grafik der Kennlinie von Zeitseriendaten eines Filters mit gleitendem Durchschnitt ist; und
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5 eine Grafik von Frequenzkennliniendaten des Filters mit gleitendem Durchschnitt ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Eine Erfindung, die sich auf die vorliegende Erfindung bezieht, das heißt, eine Erfindung einer verwandten Anmeldung (
Japanische Ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2015-007219 ), die von dieser Antragstellerin vorgelegt wurde, wird beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm einer Motorsteuerung gemäß der Erfindung, die sich auf die vorliegende Erfindung bezieht. Die Motorsteuerung gemäß der verwandten Erfindung kompensiert eine Positionsanweisung unter Verwendung eines Inverse-Kennlinie-Filters F(s) von einer Motorposition zu einer mechanischen Position.
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Eine Motorsteuerung 1000, dargestellt in 1, enthält eine Positionsanweisungseinheit 1001, eine Kompensationsfiltereinheit 1002, eine Servosteuerungseinheit 1003, ein Element 1004, das eine Transferkennlinie vom Drehmoment zu einer mechanischen Position darstellt, und ein Element 1005, das eine Transferkennlinie vom Drehmoment zu einer Motorposition darstellt.
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In 1 wird eine Positionsanweisung, die durch die Positionsanweisungseinheit 1001 generiert wird, in die Kompensationsfiltereinheit 1002 eingegeben. Die Kompensationsfiltereinheit 1002 gibt eine kompensierte Positionsanweisung aus, das heißt, eine Positionsanweisung nach Kompensation. Die Servosteuerungseinheit 1003 gibt ein Drehmoment auf der Basis der kompensierten Positionsanweisung aus, um den Betrieb eines Motors (nicht dargestellt) zu steuern.
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Ein Überblick der in 1 dargestellten Motorsteuerung gemäß der verwandten Erfindung ist wie folgt.
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Da die Motorsteuerung 1000 ein Motosteuersystem einer halb geschlossenen Konfiguration ist, spricht die Motorsteuerung 1000 aufgrund der Verwendung einer Vorsteuerung schnell an. Das heißt, in 1, ist erwünscht, dass eine Transferkennlinie von der kompensierten Positionsanweisung (B) zur Motorposition (C) annähernd 1 ist.
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Die verwandte Erfindung hat eine Verbesserung einer Transferkennlinie von der Positionsanweisung (A) zur mechanischen Position (D) zum Ziel. Das heißt, eine Transferkennlinie von der Positionsanweisung (A) zur mechanischen Position (D) soll annähernd 1 sein.
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Für den obengenannten Zweck wird ein Filter mit einer inversen Kennlinie von der Motorposition (C) zur mechanischen Position (D) an der Positionsanweisung (A) angewendet.
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Gemäß der Motorsteuerung der obengenannten verwandten Erfindung erlaubt die Verwendung eines Systems mit zwei Trägheiten, das heißt, eines Vibrationsmodells für das Inverse-Kennlinie-Filter, eine Positionssteuerung mit weniger Restvibration.
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Hinsichtlich der konkreten Ableitung des Inverse-Kennlinie-Filters gemäß der verwandten Erfindung wird das Inverse-Kennlinie-Filter F(s) der Transferkennlinie von der Motorposition (C) zur mechanischen Position (D) in dem System mit zwei Trägheiten als die folgende Gleichung (1) abgeleitet:
wobei ω0 eine mechanische Resonanzfrequenz ist und ζ ein Dämpfungsfaktor ist.
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Obwohl eine Abweichung in der verwandten Anmeldung fehlt, ist eine Transferkennlinie G(s) von der Motorposition (C) zur mechanischen Position (D) durch die folgende Gleichung (2) dargestellt:
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Die Transferkennlinie von der Motorposition (C) zur mechanischen Position (D) von 1 ist als ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung dargestellt, in dem eine mechanische Resonanzfrequenz (in der Folge einfach als ”Resonanzfrequenz” bezeichnet) ω0 als eine Grenzfrequenz bestimmt ist. 2 zeigt beispielsweise eine Kennlinie im Fall von ω0 = 1 [Hz] und ζ = 0,1. In 2 stellt eine horizontale Achse eine Frequenz [Hz] dar und eine vertikale Achse stellt eine Verstärkung [dB] dar.
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Gemäß 2 hat die Transferkennlinie von der Motorposition (C) zur mechanischen Position (D) die folgenden zwei Merkmale:
- (i) Die Verstärkung ist 0 [dB] oder mehr bei der Resonanzfrequenz ω0. Dies bewirkt die Vibration eines mechanischen Systems bei der Frequenz ω0.
- (ii) Die Verstärkung wird bei Frequenzen verringert, die ausreichend höher als die Resonanzfrequenz ω0 sind. Somit spricht ein System mit einer Niederfrequenzresonanz nicht auf Frequenzen an, die ausreichend höher als die Resonanzfrequenz ω0 sind.
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Zum Eliminieren der zwei obengenannten Merkmale führt die verwandte Anmeldung eine Kompensation unter Verwendung des Inverse-Kennlinie-Filters an der in 2 dargestellten Kennlinie durch.
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Übrigens, aufgrund des obengenannten Merkmals (ii) spricht das mechanische System mit Niederfrequenzresonanz nicht auf die Frequenzen an, die ausreichend über die Resonanzfrequenz ω0 hinausgehen. In einer solchen Maschine wird die Positionssteuerung vorzugsweise an einer Glättungspositionsanweisung angewendet, in der die Frequenzen (bei welchen das mechanische System ursprünglich nicht anspricht), die ausreichend über die Resonanzfrequenz ω0 hinausgehen, von der Frequenzkennlinie der Positionsanweisung getrennt werden.
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Daher enthält in einer Motorsteuerung 101 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in einem Blockdiagramm von 3 dargestellt, eine Kompensationsfiltereinheit 2, die bei einer Positionsanweisung anzuwenden ist, ein Hochfrequenz-Trennfilter 22, um die Glätte der Positionsanweisung sicherzustellen, wie auch ein Inverse-Kennlinie-Filter 21. Die Motorsteuerung 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Motorsteuerung, die eine elastische Verformung zwischen einem Servomotor (nicht dargestellt, in der Folge einfach als ”Motor” bezeichnet) und einer angetriebenen Einheit (nicht dargestellt), die durch den Servomotor angetrieben wird, kompensiert. Die Motorsteuerung 101 enthält eine Positionsanweisungseinheit 1, die Kompensationsfiltereinheit 2 und eine Servosteuerungseinheit 3. Die Kompensationsfiltereinheit 2 enthält das Inverse-Kennlinie-Filter 21 und das Hochfrequenz-Trennfilter 22. Die Motorsteuerung 101 enthält ferner ein Element 4, das eine Transferkennlinie vom Drehmoment zu einer mechanischen Position darstellt, und ein Element 5, das eine Transferkennlinie vom Drehmoment zu einer Motorposition darstellt.
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Die Positionsanweisungseinheit 1 weist die Position (mechanische Position (D)) der angetriebenen Einheit an. Eine Positionsanweisung, die durch die Positionsanweisungseinheit 1 generiert wird, wird in die Kompensationsfiltereinheit 2 eingegeben.
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Die Kompensationsfiltereinheit 2 kompensiert die Positionsanweisung, die von der Positionsanweisungseinheit 1 ausgegeben wird. Die Kompensationsfiltereinheit 2 gibt eine kompensierte Positionsanweisung aus, das heißt, die Positionsanweisung nach Kompensation. Die zugrundeliegende Idee der vorliegenden Erfindung ist eine Änderung der angewiesenen Position des Motors, die durch ein Hoststeuergerät (nicht dargestellt), angewiesen wird, zur Steuerung einer Lastposition mit hoher Genauigkeit. Daher kompensiert die Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung die Positionsanweisung von dem Hoststeuergerät.
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Die Servosteuerungseinheit 3 steuert den Betrieb des Servomotors (Motor) auf der Basis der kompensierten Positionsanweisung, die von der Kompensationsfiltereinheit 2 ausgegeben wird. Durch den Betrieb des Motors wird eine Maschine durch einen Getriebemechanismus (nicht dargestellt) angetrieben.
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Das Inverse-Kennlinie-Filter 21 nähert eine inverse Kennlinie einer Transferkennlinie von der Motorposition (C) zur mechanischen Position (D). Das Inverse-Kennlinie-Filter 21 ist ein Filter, das eine Verstärkung bei einer mechanischen Resonanzfrequenz ω0 verringert. Es ist zu beachten, dass die Ausführungsform das Inverse-Kennlinie-Filter verwendet. Die Verwendung des Inverse-Kennlinie-Filters bietet einen Vorteil einer Programmimplementierung.
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Das Hochfrequenz-Trennfilter 22 verringert eine Hochfrequenzkomponente der Positionsanweisung. Das Hochfrequenz-Trennfilter 22 hat eine ”a” mal Hochfrequenz Grenzfrequenz aω0 unter Verwendung einer Konstante ”a” von 1 oder mehr in Bezug auf die mechanische Resonanzfrequenz ω0, die im Inverse-Kennlinie-Filter 21 bestimmt wird. Obwohl der Wert von ”a” von einer mechanischen Steifheit und Modellierungsexaktheit abhängig ist, sind Werte in der Größenordnung von etwa 1 bis 5 passend. Das Hochfrequenz-Trennfilter 22 kann ein Tiefpassfilter sein.
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Das Hochfrequenz-Trennfilter 22 kann ein Filter mit gleitendem Durchschnitt sein. Das Filter mit gleitendem Durchschnitt hat dieselbe Konfiguration wie die einfachste Konfiguration einer Technik, die als Input Shaping bezeichnet wird, und hat eine kammförmige Frequenzkennlinie. Beispielsweise zeigt 4 Zeitseriendaten eines Filters mit gleitendem Durchschnitt einer Sekunde. In 4 stellt die horizontale Achse Zeit [s] dar und die vertikale Achse stellt die Amplitude dar. 5 zeigt Frequenzkennliniendaten des Filters mit gleitendem Durchschnitt. In 5 stellt die horizontale Achse die Frequenz [Hz] dar, und die vertikale Achse stellt die Verstärkung [dB] dar.
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Im Blockdiagramm der Motorsteuerung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3 dargestellt, verringert das Inverse-Kennlinie-Filter 21 im Grunde die Verstärkung der mechanischen Resonanz. Wenn jedoch das Inverse-Kennlinie-Filter 21 eine Vibration aufgrund eines Modellierungsfehlers oder dergleichen nicht ausreichend verringern kann, ist die Verwendung des Filters mit gleitendem Durchschnitt mit der kammförmigen Frequenzkennlinie als Hochfrequenz-Trennfilter 22 wirksam. Genauer gesagt, wenn ein Filter mit gleitendem Durchschnitt von a = 1 verwendet wird, kann die kammförmige Verstärkungsverringerungswirkung des Filters mit gleitendem Durchschnitt zum Verringern einer Vibration verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerkonfiguration mit sowohl dem Inverse-Kennlinie-Filter 21 als auch dem Hochfrequenz-Trennfilter 22. Jedoch hat, insbesondere bei Bestimmen bei a = 1, das Filter mit gleitendem Durchschnitt, das als Hochfrequenz-Trennfilter 22 verwendet wird, die Wirkung eines Input Shaping.
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Das Inverse-Kennlinie-Filter 21 ist durch die obenstehende Gleichung (1) unter Verwendung der mechanischen Resonanzfrequenz ω0 und eines Dämpfungsfaktors ζ dargestellt. Die vorliegende Erfindung behandelt den Wert ζ, der einer Dämpfungskonstante entspricht, als einen Wert ungleich Null in einem Standardsystem zweiter Ordnung. Da Vibrationen in einer tatsächlichen Maschine notwendigerweise schwächer werden, hat die Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Einstellparameter entsprechend der Dämpfungskonstante hat, die günstige Wirkung, Vibration zu verringern.
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Gemäß der Motorsteuerung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Motorsteuerung bereitzustellen, die, unter Annahme des Modells des Systems mit zwei Trägheiten, die Lastseite des Systems mit zwei Trägheiten mit gut unterdrückter Vibration in halbgeschlossener Steuerung betreiben kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2009-237916 [0003]
- JP 2015-007219 [0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Preshaping Command Inputs to Reduce System Vibration”, Massachusetts Institute of Technology Artificial Intelligence Laboratory A. I. Memo Nr. 1027 (AIM-1027), 1998-01-01 [0003]
