DE102018209284B4

DE102018209284B4 - Motorsteuereinrichtung

Info

Publication number: DE102018209284B4
Application number: DE102018209284.2A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Nakamura; Satoshi Ikai
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2038-06-12
Also published as: CN109104131A; DE102018209284A1; US20180373221A1; JP2019009858A; CN109104131B; US10303152B2; JP6474460B2

Abstract

Motorsteuereinrichtung (1), die einen Servomotor (50) zum Antreiben einer Maschine (60, 70) steuert,wobei die Motorsteuereinrichtung (1), umfasst:eine Drehzahlbefehlseinheit (10), die einen Drehzahlbefehl zum Befehlen einer Drehzahl der Maschine (60, 70) ausgibt;eine Drehzahlerfassungseinheit (40), die eine Drehzahl des Servomotors (50) erfasst; undeine Drehzahlsteuereinheit (20), die einen Drehmomentbefehl basierend auf dem von der Drehzahlbefehlseinheit (10) ausgegebenen Drehzahlbefehl und einer von der Drehzahlerfassungseinheit (40) erfassten Motordrehzahl erzeugt, um die Drehzahl (50) des Servomotors zu steuern,wobei die Drehzahlsteuereinheit (20) ein Filter (31, 32) enthält, das eine inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft von dem Servomotor (50) zu der Maschine (60, 70) annähert,das Filter (31, 32) eine Übersetzungseigenschaft F(s) der nachstehenden Formel (1) basierend auf einer Frequenz ω, einem Vibrationsdämpfungskoeffizienten ζ und einer Grenzfrequenz ωadjaufweist, die Einstellungsparameter sind,und die Frequenz ω so eingestellt ist, dass sie größer oder gleich einer Antiresonanzfrequenz ω0der Maschine (60, 70) aber kleiner als eine Resonanzfrequenz ωpder Maschine (60, 70) ist. [Formel 1]F(s)=s2+2ζωs+ω2s2+2ωadjs+ωadj2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuerung, die einen Servomotor steuert.
Stand Technik
Beispielsweise ist in einer Werkzeugmaschine eine Motorsteuerung bekannt, die einen Servomotor steuert, um eine Vorschubachse anzutreiben. Wenn bei der oben beschriebenen Werkzeugmaschine der Servomotor und eine Maschine mit der Vorschubachse wie einer Kugelumlaufspindel gekoppelt sind, ist die Steifigkeit der Vorschubachse gering, so dass der Servomotor und die Maschine in einen Zustand der Federkopplung gebracht werden. Aufgrund der Federkopplung kann in der Vorschubachse der Maschine eine niederfrequente Resonanz (Vibration) in einem Servosteuerband auftreten.
Als ein Verfahren zum Reduzieren der niederfrequenten Resonanz (Vibration), die oben beschrieben wurde, werden ein Verfahren zum Korrigieren eines Positionsbefehls, ein Verfahren zum Verwenden eines Filters für eine Servopositionssteuerschleife und dergleichen untersucht. Die Patentdokumente 1 und 2 offenbaren eine Motorantriebsvorrichtung, bei der in einer Motorsteuerung zum Ausführen einer Positionssteuerung basierend auf einem Positionsbefehl zum Antreiben einer Vorschubachse in einer Werkzeugmaschine ein Filter für eine Servopositionssteuerschleife verwendet wird.
Patentdokument 3 bezieht sich auf eine Motorsteuereinrichtung und eine Drehzahlsteuereinheit. Die Motorsteuereinrichtung umfasst eine Drehzahlbefehlseinheit, die einen Drehzahlbefehl zum Befehlen einer Drehzahl der Maschine ausgibt, eine Drehzahlerfassungseinheit, die eine Drehzahl des Servomotors erfasst, eine Drehzahlsteuereinheit, die einen Drehmomentbefehl basierend auf dem von der Drehzahlbefehlseinheit ausgegebenen Drehzahlbefehl und einer von der Drehzahlerfassungseinheit erfassten Motordrehzahl erzeugt, um die Drehzahl des Servomotors zu steuern. Die Drehzahlsteuereinheit umfasst ein Filter, das eine inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft von dem Servomotor zu der Maschine annähert.
Patentdokument 4 bezieht sich auf eine Motorsteuervorrichtung. Diese dient der Kompensation einer elastischen Deformation zwischen einem Servomotor und einer durch den Servomotor angetriebenen Komponente mit einem Positionsbefehlsgenerator zum Generieren eines Motor-Positionsbefehls, einem Kompensationsfilter zum Kompensieren des mit dem Positionsbefehlsgenerator generierten Positionsbefehls und einer Servosteuereinheit zum Steuern der Bewegung des Motors auf Basis eines Positionsbefehls nach Kompensation, d. h. dem mit dem Kompensationsfilter kompensierten Positionsbefehl, wobei der Aufbau so ist, dass das Kompensationsfilter ein Filter F(s) enthält mit der trägen Masse JL der angetriebenen Komponente, einem Festigkeitskoeffizienten K einer elastisch deformierbaren Komponente und einem Dämpfungskoeffizienten C der elastisch deformierbaren Komponente als Elemente der Filterkoeffizienten.
Patentdokument 5 bezieht sich auf eine Motorsteuereinheit, bei der es sich um eine Motorsteuereinheit zur Steuerung eines Servomotors, der eine Maschine antreibt, handelt. Diese 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.

Patentdokument 1: JP 6 017 595 B2
Patentdokument 2: JP 6 046 182 B2
Patentdokument 3: US 2009 / 0 009 128 A1
Patentdokument 4: DE 10 2016 000 265 A1
Patentdokument 5: DE 10 2016 103 301 A1

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
In einer Motorsteuerung zum Antreiben einer Spindel (Antriebseinheit) in einer Werkzeugmaschine oder in einer Motorsteuerung zum Antreiben einer Hydraulikpumpe, eines Bandförderers (Antriebseinheit) oder dergleichen in einer Industriemaschine kann, ohne dass eine Positionssteuerung basierend auf einem Positionsbefehl ausgeführt wird, eine Geschwindigkeitssteuerung basierend auf einem Drehzahlbefehl ausgeführt werden. Bei der Steuerung auf einer Vorschubachse (Antriebseinheit) in einer Werkzeugmaschine können die Positionssteuerung und die Drehzahlsteuerung an einem Motor mit separaten Motorsteuereinheiten ausgeführt werden. Die Motorsteuereinheit zum Ausführen einer derartigen Drehzahlsteuerung an sich ist erforderlich, um niederfrequente Schwingungen in der Antriebseinheit einer Maschine zu reduzieren.
Obwohl die Patentdokumente 1 und 2 ein Verfahren zum Reduzieren von Vibrationen in der Motorsteuerung zum Ausführen der Positionssteuerung offenbaren, offenbaren sie kein Verfahren zum Reduzieren von Vibrationen in einer Motorsteuerung zum Ausführen einer Geschwindigkeitssteuerung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Motorsteuerung anzugeben, die eine Geschwindigkeitssteuerung basierend auf einem Drehzahlbefehl ausführt und Vibrationen in der Antriebseinheit einer Maschine reduziert.

(1) Eine Motorsteuereinheit (zum Beispiel eine Motorsteuereinheit 1, die später beschrieben wird) gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Servomotor (zum Beispiel einen Servomotor 50, der später beschrieben wird) zum Antreiben einer Maschine (zum Beispiel einer Maschine 60, die später beschrieben wird (einschließlich einer Kugelumlaufspindel 70)) steuert, umfasst: eine Drehzahlbefehlseinheit (zum Beispiel eine Drehzahlbefehlseinheit 10, die später beschrieben wird), die einen Drehzahlbefehl zum Befehlen der Drehzahl der Maschine ausgibt; eine Drehzahlerfassungseinheit (zum Beispiel einen Codierer 40, der später beschrieben wird), der die Drehzahl des Servomotors erfasst; und eine Drehzahlsteuereinheit (zum Beispiel eine Drehzahlsteuereinheit 20, die später beschrieben wird), die einen Drehmomentbefehl basierend auf dem von der Drehzahlbefehlseinheit ausgegebenen Drehzahlbefehl und einer von der Drehzahlerfassungseinheit erfassten Motordrehzahl erzeugt, um die Drehzahl des Servomotors zu steuern, wobei die Drehzahlsteuereinheit ein Filter aufweist (zum Beispiel ein Filter 31 oder 32, das später beschrieben wird), das die inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft von dem Servomotor an die Maschine angleicht, wobei das Filter eine Übersetzungseigenschaft F(s) der nachstehenden Formel (1) hat, basierend auf einer Frequenz ω, einem Vibrationsdämpfungskoeffizienten ζ und einer Abschaltfrequenz ω_adj, die Einstellungsparameter sind, und die Frequenz ω so eingestellt wird, dass sie größer oder gleich einer Antiresonanzfrequenz ω₀ der Maschine, aber kleiner als eine Resonanzfrequenz der Maschine ist. [Formel 1] $F (s) = \frac{s^{2} + 2 ζ ω s + ω^{2}}{s^{2} + \sqrt{2} ω_{a d j} s + ω_{a d j}^{2}}$
(2) Vorzugsweise umfasst in der Motorsteuereinheit gemäß (1) die Drehzahlsteuereinheit: eine Vorsteuereinheit (zum Beispiel eine FF-Steuereinheit 21), die einen ersten Drehmomentbefehl basierend auf dem Drehzahlbefehl erzeugt; eine Rückmeldesteuereinheit (zum Beispiel eine FB-Steuereinheit 23, die später beschrieben wird), die einen zweiten Drehmomentbefehl basierend auf einer Differenz zwischen dem Drehzahlbefehl und der Motordrehzahl erzeugt; und eine Additionseinheit (zum Beispiel ein Addierer 26, der später beschrieben wird), die den ersten Drehmomentbefehl und den zweiten Drehmomentbefehl zusammenaddiert, um den Drehmomentbefehl zu erzeugen, wobei die Vorsteuereinheit und die Rückmeldesteuereinheit die Filter umfassen, für die die Übersetzungseigenschaft F(s) individuell und unabhängig eingestellt werden kann.
(3) Vorzugsweise umfasst in der Motorsteuereinheit gemäß (2) die Vorsteuereinheit das Filter, das die inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft von dem Drehmomentbefehl zu einer Drehzahl der Maschine annähert, wobei die Rückmeldesteuereinheit das Filter umfasst, das die inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft von der Motordrehzahl zu der Drehzahl der Maschine annähert.
(4) Vorzugsweise kann in der Motorsteuereinheit gemäß (2) oder (3) die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters in der Vorsteuereinheit in einem Bereich größer oder gleich der Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters in der Rückmeldesteuereinheit eingestellt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Motorsteuereinheit bereitzustellen, die eine Geschwindigkeitssteuerung basierend auf einem Drehzahlbefehl ausführt und Vibrationen in der Antriebseinheit einer Maschine reduziert.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
2 ist ein Diagramm, das im Detail die Konfiguration der Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Diagramm, das eine bekannte Konfiguration von einem Motor zu einer Maschine als ein Modell eines Zwei-Trägheits-Systemmodells zeigt;
4 ist ein Blockschaltbild des in 3 gezeigten bekannten Zwei-Trägheits-Systems; und
5 ist eine schematische Ansicht, die als Übersetzungseigenschaften einen Teil der Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind die gleichen oder entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Motorsteuereinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und 2 ein Diagramm, das im Detail die Konfiguration der Motorsteuereinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Motorsteuereinheit 1, die in 1 und 2 gezeigt ist, steuert die Drehzahl eines Servomotors 50 basierend auf einem Drehzahlbefehlswert entsprechend einem Bearbeitungsprogramm und einem tatsächlichen Motordrehzahlwert (Drehzahlrückmeldewert). Der Servomotor 50 ist mit einer Kugelumlaufspindel 70 in einer Maschine 60 verbunden. Der Servomotor 50 dreht und treibt die Kugelumlaufspindel (Antriebseinheit) 70 an, um die Maschine 60 anzutreiben. Die Motorsteuereinheit 1 umfasst eine Drehzahlbefehlseinheit 10, eine Drehzahlsteuereinheit 20 und ein Codierer (Drehzahlerfassungseinheit) 40.
Die Drehzahlbefehlseinheit 10 erzeugt den Drehzahlbefehlswert für den Servomotor 50 (d.h. den Drehzahlbefehlswert für die Maschine 60) gemäß einem Programm und einem Befehl, der von einer höheren Steuereinheit, einer externen Eingabevorrichtung oder dergleichen eingegeben wird, die nicht dargestellt ist.
Der Codierer 40 ist in dem Servomotor 50 vorgesehen, um die Drehzahl des Servomotors 50 zu erfassen. Die erfasste Motordrehzahl wird als eine Drehzahlrückmeldung verwendet.
Die Drehzahlsteuereinheit 20 erzeugt einen Drehmomentbefehlswert basierend auf dem Drehzahlbefehlswert, der in der Drehzahlbefehlseinheit 10 erzeugt wird, und einem Motordrehzahlwert, der in dem Codierer 40 erfasst wird. Die Drehzahlsteuereinheit 20 enthält eine Vorsteuereinheit 21 (nachstehend als eine FF-Steuereinheit bezeichnet), eine Rückmeldesteuereinheit (nachfolgend als FB-Steuereinheit bezeichnet) 23 und einen Addierer 26.
Die FF-Steuereinheit 21 erzeugt einen ersten Drehmomentbefehlswert basierend auf dem Drehzahlbefehlswert, der in der Drehzahlbefehlseinheit 10 erzeugt wird. Die FF-Steuereinheit 21 umfasst eine FF-Steuereinheit 22 und ein Filter 31.
Die FF-Steuereinheit 22 differenziert den Drehzahlbefehlswert, der in der Drehzahlbefehlseinheit 10 erzeugt wird und der dann durch das Filter 31 geleitet wird, und erzeugt dadurch den ersten Drehmomentbefehlswert.
Das Filter 31 ist in dem der FF-Steuereinheit 22 vorhergehenden Schritt vorgesehen. Das Filter 31 hat die Übersetzungseigenschaft F(s) der nachstehenden Formel (1) basierend auf einer Frequenz ω, einem Vibrationsdämpfungskoeffizienten ζ und einer Abschaltfrequenz ω_adj, die Einstellparameter sind.
[Formel 2] $F (s) = \frac{s^{2} + 2 ζ ω s + ω^{2}}{s^{2} + \sqrt{2} ω_{a d j} s + ω_{a d j}^{2}}$
Die Frequenz ω wird in einem Bereich größer oder gleich als die Antiresonanzfrequenz ω₀ der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70) eingestellt, jedoch kleiner als die Resonanzfrequenz ω_p davon, und wird vorzugsweise nahe der Resonanzfrequenz ω_p eingestellt. Wie später beschrieben wird, nähert sich auf diese Weise die Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 31 der inversen Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft basierend auf einem Zwei-Trägheits-Systemmodell von dem Servomotor 50 zu der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel) 70), insbesondere der inversen Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von einem Drehmomentbefehl zu einer Maschinendrehzahl.
Die FB-Steuereinheit 23 erzeugt einen zweiten Drehmomentbefehlswert basierend auf einer Differenz zwischen dem in der Drehzahlbefehlseinheit 10 erzeugten Drehzahlbefehlswert und dem in dem Codierer 40 erfassten Motordrehzahlwert. Die FB-Steuereinheit 23 enthält einen Subtrahierer 24, eine Proportionalfaktor-Integralsteuereinheit (im Folgenden als eine PI-Steuereinheit bezeichnet) 25 und ein Filter 32.
Der Subtrahierer 24 bestimmt die Differenz zwischen dem in der Drehzahlbefehlseinheit 10 erzeugten und durch das Filter 32 geleiteten Drehzahlbefehlswert und dem in dem Codierer 40 erfassten Motordrehzahlwert. Die PI-Steuereinrichtung 25 führt eine PI-Steuerung bezüglich der in dem Subtrahierer 24 bestimmten Differenz aus, um den zweiten Drehmomentbefehlswert zu erzeugen.
Das Filter 32 ist in dem dem Subtrahierer 24 vorhergehenden Schritt vorgesehen. Wie bei dem Filter 31 weist das Filter 32 die Übersetzungseigenschaft F(s) der obigen Formel (1) auf. Die Frequenz ω wird in dem Bereich größer oder gleich als die Antiresonanzfrequenz ω₀ der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70), jedoch kleiner als die Resonanzfrequenz ω_p davon eingestellt und wird vorzugsweise nahe der Antiresonanzfrequenz ω₀ eingestellt. Auf diese Weise nähert sich, wie später beschrieben, die Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 32 der inversen Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft basierend auf dem Zwei-Trägheits-Systemmodell von dem Servomotor 50 zu der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70), insbesondere der inversen Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von der Motordrehzahl zu der Maschinendrehzahl.
Für das Filter 31 der FF-Steuereinheit 21 und das Filter 32 der FB-Steuereinheit 23 kann die Übersetzungseigenschaft F(s) individuell und unabhängig eingestellt werden. Die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 31 in der FF-Steuereinheit 21 kann in einem Bereich größer oder gleich als die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 32 in der FB-Steuereinheit 23 eingestellt werden.
Der Addierer 26 addiert den ersten Drehmomentbefehlswert von der FF-Steuereinheit 21 und den zweiten Drehmomentbefehlswert von der FB-Steuereinheit 23 zusammen.
Hier ist die Steifigkeit der Kugelumlaufspindel 70 in der Maschine 60 gering, so dass der Servomotor 50 und die Maschine 60 in einen Zustand der Federkopplung gebracht werden. Aufgrund der Federkopplung kann in der Kugelumlaufspindel 70 der Maschine 60 eine Niederfrequenzresonanz (Vibration) in einem Servosteuerband auftreten.
Um die Niederfrequenzresonanz (Vibration) in der Kugelumlaufspindel 70 der Maschine 60 zu reduzieren, ist die Motorsteuereinheit 1 der vorliegenden Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass sie die Filter 31 und 32 umfasst, die die Übersetzungseigenschaft F(s) der oben erwähnten Formel (1) aufweisen, die sich der inversen Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von dem Servomotor 50 zu der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70) annähert. Ein Verfahren zum Bestimmen der Übersetzungseigenschaft F(s) der Filter 31 und 32 wird nachstehend beschrieben.
3 ist ein Diagramm, das das Zwei-Trägheits-Systemmodell von dem Servomotor 50 zu der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70) zeigt, und 4 ist ein Blockschaltbild des in 3 gezeigten Zwei-Trägheits-Systemmodells. In dem in 3 gezeigten Zwei-Trägheits-Systemmodell sind der Servomotor 50 und die Maschine 60 Massenpunkte und mit einer entsprechenden Feder 70A und einem Dämpfer 70B entsprechend der Kugelumlaufspindel 70 gekoppelt. In 3 wird Reibung ignoriert. Hier wird angenommen, dass die Massen des Servomotors 50 und der Maschine 60 J_m bzw. J_L sind, dass die Federkonstante der Feder 70A K ist, dass die Dämpferkonstante des Dämpfers 70B C ist, dass das Antriebsdrehmoment (Drehmomentbefehl) des Servomotors 50 u ist, dass die resultierende Kraft der Feder 70A und des Dämpfers 70B T ist, dass die Motordrehzahl V_m ist und dass die Maschinendrehzahl V_L ist, wobei die Bewegungsgleichungen von V_m und V_L und die Resultierende die Kraft T der Feder 70A und des Dämpfers 70B durch die nachstehenden Formeln dargestellt sind.
[Formel 3] $V_{m} = \frac{1}{J_{m} s} (u - T)$
$V_{L} = \frac{1}{J_{L} s} T$
$T = (\frac{K}{s} + C) (V_{m} - V_{L})$
Auf diese Weise wird das in 3 gezeigte Modell durch das in 4 gezeigte Blockschaltbild dargestellt. Die Bewegungsgleichungen von V_m und V_L und die Formel der resultierenden Kraft T der Feder 70A und des Dämpfers 70B werden modifiziert, und somit werden die Übersetzungseigenschaft von dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) u zu der Motordrehzahl V_m und die Übersetzungseigenschaft von dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) u zu der Maschinendrehzahl V_L jeweils durch die nachstehenden Formeln bestimmt. Drehmoment → Motordrehzahl
(Übersetzungseigenschaft) :
[Formel 4] $\frac{V_{m}}{u} = \frac{1}{s} \frac{J_{L} s^{2} + C s + K}{J_{m} J_{L} s^{2} + (J_{m} + J_{L}) C s + (J_{m} + J_{L}) K} = \frac{1}{J_{m} s} \frac{s^{2} + 2 ζ ω_{0} s + ω_{0}^{2}}{s^{2} + 2 ζ' ω_{p} s + ω_{p}^{2}}$
Drehmoment → Maschinendrehzahl (Übersetzungseigenschaft)
[Formel 5] $\frac{V_{L}}{u} = \frac{1}{s} \frac{C s + K}{J_{m} J_{L} s^{2} + (J_{m} + J_{L}) C s + (J_{m} + J_{L}) K} = \frac{1}{J_{m} s} \frac{2 ζ ω_{0} s + ω_{0}^{2}}{s^{2} + 2 ζ' ω_{p} s + ω_{p}^{2}}$
In den obigen Formeln (2) und (3) werden Formen, die in ein sekundäres Standardsystem umgewandelt werden, gleichzeitig dargestellt. Hier sind ω_p und ζ' eine Resonanzfrequenz und ein Vibrationsdämpfungskoeffizient, wenn der Servomotor 50 in dem Zwei-Trägheits-Systemmodell fixiert ist, und sind ω₀ und ζ eine Antiresonanzfrequenz und ein Vibrationsdämpfungskoeffizient davon. Die Antiresonanzfrequenz ω₀ und die Resonanzfrequenz ω_p sind durch die nachstehenden Formeln dargestellt.
[Formel 6] $ω_{0} = \sqrt{\frac{K}{J_{L}}}$
$ω_{p} = \sqrt{(1 + \frac{J_{L}}{J_{m}}) \frac{K}{J_{L}}}$
Durch die obigen Formeln (2) und (3) wird die Übersetzungseigenschaft von der Motordrehzahl V_m zu der Maschinendrehzahl V_L durch die folgende Formel dargestellt. Motordrehzahl → Maschinendrehzahl (Übersetzungseigenschaft):
[Formel 7] $\frac{V_{L}}{V_{m}} = \frac{2 ζ ω_{0} s + ω_{0}^{2}}{s^{2} + 2 ζ ω_{0} s + ω_{0}^{2}}$
5 ist ein Diagramm, das als Übersetzungseigenschaften einen Teil der Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In 5 ist die Konfiguration von dem Servomotor 50 zu der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70), die in 2 gezeigt ist, durch die Übersetzungseigenschaft von dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) u zu der Motordrehzahl Vm, der Übersetzungseigenschaft von dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) u zu der Maschinendrehzahl VL und der Übersetzungseigenschaft von der Motordrehzahl V_m zu der oben beschriebenen Maschinendrehzahl V_L gezeigt.
Hier wird der Drehzahlbefehl, der von der Drehzahlbefehlseinheit 10 ausgegeben wird, als ein Befehl für die Maschinendrehzahl betrachtet. Dies ist eine Möglichkeit, die Verringerung von Vibrationen in der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70) unabhängig davon zu berücksichtigen, ob Vibrationen von dem Drehzahlbefehl auf die Maschinendrehzahl vorhanden sind oder nicht, das heißt in dem der Maschine 60 (der Kegelumlaufspindel) vorausgehenden Schritt.
Um zu berücksichtigen, dass der Drehzahlbefehl ein Befehl für die Maschinendrehzahl ist, ist es vorzuziehen, die Übersetzungseigenschaft von dem Drehzahlbefehl zu der Maschinendrehzahlannäherung 1 zu machen. Vorzugsweise hat, damit die Übersetzungseigenschaft von dem Drehzahlbefehl zu der Maschinedrehzahl 1 gemacht wird, das Filter 31 der FF-Steuereinheit 21 die inverse Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) u zu der Maschinendrehzahl V_L, das heißt, die Übersetzungseigenschaft von der Maschinendrehzahl V_L zu dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) u, wobei das Filter 32 in dem Schritt, der dem Subtrahierer 24 der FB-Steuerung vorausgeht, die inverse Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von der Motordrehzahl V_m zu der Maschinendrehzahl V_L, das heißt die Übersetzungseigenschaft von der Maschinendrehzahl V_L zu der Motordrehzahl V_m, hat
Die Übersetzungseigenschaft von der Maschinendrehzahl V_L zu dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) u und die Übersetzungseigenschaft von der Maschinendrehzahl V_L zu der Motordrehzahl V_m sind aus den obigen Formeln (3) und (6) durch die nachstehenden Formeln dargestellt. Maschinendrehzahl → Drehmoment (Übersetzungseigenschaft)
[Formel 8] $\frac{u}{V_{L}} = J_{m} s \frac{s^{2} + 2 ζ' ω_{p} s + ω_{p}^{2}}{2 ζ ω_{0} s + ω_{0}^{2}}$
Maschinendrehzahl → Motordrehzahl (Übersetzungseigenschaft)
[Formel 9] $\frac{V_{m}}{V_{L}} = \frac{s^{2} + 2 ζ ω_{0} s + ω_{0}^{2}}{2 ζ ω_{0} s + ω_{0}^{2}}$
Aus den obigen Formeln (7) und (8) ergibt sich, dass (1) Nennerpolynome üblich sind, (2) sich Zählerpolynome in den Parametern für die Frequenzen ω_p und ω₀ unterscheiden und die Vibrationsdämpfungskoeffizienten ζ und ζ' jedoch in der Form und gleich sind und (3) die numerischen Zählerpolynome die sekundäre Übersetzungseigenschaft der Frequenz ω_p oder der Antiresonanzfrequenz ω₀ umfassen. Somit wird die gemeinsame Nutzung der Übersetzungseigenschaft (Formel (7) oben) des Filters 31 in der FF-Steuereinheit 21 und die Übersetzungseigenschaft (Formel (8) oben) des Filters 32 in der FB-Steuereinheit 23 nachstehend untersucht.
Der Nullpunkt und der Pol der sekundären Übersetzungseigenschaft der obigen Formeln (7) und (8) werden durch die nachstehenden Formeln bestimmt. Maschinendrehzahl → Nullpunkt des Drehmoments
(Übersetzungseigenschaft):
[Formel 10] $s = - ζ ω_{p} \pm j \sqrt{1 - ζ^{2}} ω_{p}$
Maschinendrehzahl → Nullpunkt der Motordrehzahl (Übersetzungseigenschaft)
[Formel 11] $s = - ζ ω_{0} \pm j \sqrt{1 - ζ^{2}} ω_{0}$
Polar (allgemein)
[Formel 12] $s = - \frac{ω_{0}}{2 ζ}$
Auf diese Weise werden die Abstände des Nullpunktes und der Polarkoordinate durch die folgenden Formeln bestimmt. Maschinendrehzahl → Nullpunkt des Drehmoments
(Übersetzungseigenschaft)
[Formel 13] $| s | = ω_{p}$
Maschinendrehzahl → Nullpunkt der Motordrehzahl (Übersetzungseigenschaft)
[Formel 14] $| s | = ω_{0}$
Polarkoordinate (allgemein):
[Formel 15] $| s | = \frac{ω_{0}}{2 ζ}$
Wenn hier angenommen wird, dass als allgemeine Werkzeugmaschine ein Lastträgheitsverhältnis J_L/J_m ungefähr 1 ist und dass der Vibrationsdämpfungskoeffizient ζ ungefähr 0,1 ist, ist nach den obigen Formeln (4) und (5) die Resonanzfrequenz ω_p ungefähr √2 mal die Antiresonanzfrequenz ω₀. Aus der obigen Formel (9) ergibt sich, da der abstand der Polarkoordinate von der komplexen Ebene 5 bis 7,07 mal (5√2 mal) so groß wie der Abstand des Nullpunkts vom Ursprung der komplexen Ebene ist, dass der Nullpunkt in der Übersetzungseigenschaft dominant ist.
Auf diese Weise wird als die gemeinsame Übersetzungseigenschaft F(s) das Filter 31 und 32 die Übersetzungseigenschaft der nachstehenden Formel (1) einschließlich des dominanten Nullpunkts angenähert.
[Formel 16] $F (s) = \frac{s^{2} + 2 ζ ω s + ω^{2}}{s^{2} + \sqrt{2} ω_{a d j} s + ω_{a d j}^{2}}$
In der obigen Formel (1) ist ein Nennerpolynom so ausgebildet, dass es das Format eines allgemeinen Sekundärfilters der Grenzfrequenz ω_adj aufweist. Aus den Zählerpolynomen der obigen Formeln (7) und (8) wird ein Zählerpolynom gebildet, um ein Format basierend auf der Frequenz ω und dem Vibrationsdämpfungskoeffizienten ζ zu haben, die als Einstellparameter dienen.
In der obigen Formel (1) wird die Frequenz co, die als der Einstellparameter dient, in dem Bereich größer oder gleich der Antiresonanzfrequenz ω₀ der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70), aber kleiner als die Resonanzfrequenz ω_p davon eingestellt. Zum Beispiel wird in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 31 in der FF-Steuereinheit 21 durch die obige Formel (7) die Frequenz ω vorzugsweise nahe der Resonanzfrequenz ω_p eingestellt, und in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 32 in der FB-Steuereinheit 23, wird durch die obige Formel (8) die Frequenz ω vorzugsweise auf die Antiresonanzfrequenz ω₀ gesetzt. Da, wie zuvor beschrieben, als eine allgemeine Werkzeugmaschine, die Resonanzfrequenz ω_p ungefähr √2 mal die Antiresonanzfrequenz ω₀ ist, wird die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 31 in der FF-Steuereinheit 21 in dem Bereich größer oder gleich als die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 32 in der FB-Steuereinheit 23 eingestellt.
Wie oben beschrieben, enthält bei der Motorsteuereinheit 1 der vorliegenden Ausführungsform, die die Geschwindigkeitssteuerung basierend auf dem Drehzahlbefehl durchführt, die Drehzahlsteuereinheit 20 die Filter 31 und 32, die die inverse Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von dem Servomotor 50 an die Maschine 60 (die Kugelumlaufspindel 70) annähern, haben die Filter 31 und 32 die Übersetzungseigenschaft F(s) der obigen Formel (1) basierend auf der Frequenz co, dem Vibrationsdämpfungskoeffizienten ζ und der Grenzfrequenz ω_adj, die die Einstellparameter und sind, und ist die Frequenz ω so eingestellt, dass sie größer oder gleich der Antiresonanzfrequenz ω₀ der Maschine 60 (der Kugelumlaufspindel 70) ist, aber kleiner als die Resonanzfrequenz ω_p ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Übersetzungseigenschaft von dem Drehzahlbefehl zu der Maschinendrehzahlannäherung 1 zu machen, und somit kann der Drehzahlbefehl als ein Befehl für die Maschinendrehzahl betrachtet werden. Daher ist es möglich, Vibrationen in der Kugelumlaufspindel (Antriebseinheit) 70 der Maschine 60 zu reduzieren.
Daneben ist gemäß den obigen Formeln (7) und (8) die Eigenschaft (die umgekehrte Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von dem Drehmoment (Drehmomentbefehl) der Maschinendrehzahl), die für das Filter 31 der FF-Steuereinheit 21 in der Drehzahlsteuereinheit 20 notwendig ist, unterschiedlich zu der Eigenschaft (der Umkehreigenschaft der Übersetzungseigenschaft von der Motordrehzahl zu der Maschinendrehzahl), die für das Filter 32 der FB-Steuereinheit 23 notwendig ist. In der Motorsteuereinheit 1 der vorliegenden Ausführungsform ist es, da die FF-Steuereinheit 21 und die FB-Steuereinheit 23 die Filter 31 und 32 umfassen, für die die Übersetzungseigenschaft F(s) einzeln und unabhängig eingestellt werden kann, möglich, Vibrationen in der Kugelumlaufspindel 70 der Maschine 60 mit den gemeinsam genutzten Filtern 31 und 32 stärker zu reduzieren.
Genauer gesagt, ist die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 31 in der FF-Steuereinheit 21 in der Nähe der Resonanzfrequenz ω_p eingestellt und die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters 32 in der FB-Steuereinheit 23 nahe der Antiresonanzfrequenz ω₀ eingestellt. Auf diese Weise umfasst die FF-Steuereinheit 21 das Filter 31, das die inverse Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von dem Drehmoment zu der Maschinendrehzahl annähert, und die FB-Steuereinheit 23 umfasst das Filter 32, das die inverse Eigenschaft der Übersetzungseigenschaft von der Motordrehzahl zur Maschinendrehzahl annähert. Auf diese Weise ist es möglich, die Übersetzungseigenschaft von dem Drehzahlbefehl zu der Maschinendrehzahlannäherung 1 zu machen, und somit kann der Drehzahlbefehl mehr als ein Befehl für die Maschinendrehzahl angesehen werden. Daher ist es möglich, Vibrationen in der Kugelumlaufspindel (Antriebseinheit) 70 der Maschine 60 weiter zu verringern.
Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oben beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die in der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Effekte sind einfach eine Liste der am meisten bevorzugten Effekte, die von der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, wobei die Effekte der vorliegenden Erfindung nicht auf die in der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Effekte beschränkt sind.
Zum Beispiel ist in der oben beschriebenen Ausführungsform die Motorantriebsvorrichtung, die die Geschwindigkeitssteuerung basierend auf dem Drehzahlbefehl ausführt, dargestellt. Das Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt, und die vorliegende Erfindung kann auch auf Motorantriebsvorrichtungen zur Drehzahlsteuerung angewendet werden, bei denen eine Positionssteuerung basierend auf einem Positionsbefehl und die Geschwindigkeitssteuerung basierend auf dem Drehzahlbefehl mit separaten Motorantriebsvorrichtungen ausgeführt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Motorsteuerung dargestellt, die die Geschwindigkeitssteuerung an der Kugelumlaufspindel (Antriebseinheit) der Maschine ausführt. Das Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt, und die vorliegende Erfindung kann auch auf eine Motorsteuerung, die eine Geschwindigkeitssteuerung auf der Vorschubachse (Antriebseinheit) einer Maschine ausführt, eine Motorsteuerung, die eine Geschwindigkeitssteuerung an einer Hydraulikpumpe ausführt, einem Bandförderer (Antriebseinheit) oder dergleichen in einer Industriemaschine und dergleichen angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Motorsteuereinheit
10: Drehzahlbefehlseinheit
20: Drehzahlsteuereinheit
21: FF-Steuereinheit
22: FF-Steuereinheit
23: FB-Steuereinheit
24: Subtrahierer
25: PI-Steuereinrichtung
26: Addierer (Additionseinheit)
31, 32: Filter
40: Codierer (Geschwindigkeitserkennungseinheit) 50 Servomotor
60: Maschine
70: Kugelumlaufspindel (Antriebsachse)
70A: Feder
70B: Dämpfer

Claims

Motorsteuereinrichtung (1), die einen Servomotor (50) zum Antreiben einer Maschine (60, 70) steuert, wobei die Motorsteuereinrichtung (1), umfasst: eine Drehzahlbefehlseinheit (10), die einen Drehzahlbefehl zum Befehlen einer Drehzahl der Maschine (60, 70) ausgibt; eine Drehzahlerfassungseinheit (40), die eine Drehzahl des Servomotors (50) erfasst; und eine Drehzahlsteuereinheit (20), die einen Drehmomentbefehl basierend auf dem von der Drehzahlbefehlseinheit (10) ausgegebenen Drehzahlbefehl und einer von der Drehzahlerfassungseinheit (40) erfassten Motordrehzahl erzeugt, um die Drehzahl (50) des Servomotors zu steuern, wobei die Drehzahlsteuereinheit (20) ein Filter (31, 32) enthält, das eine inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft von dem Servomotor (50) zu der Maschine (60, 70) annähert, das Filter (31, 32) eine Übersetzungseigenschaft F(s) der nachstehenden Formel (1) basierend auf einer Frequenz ω, einem Vibrationsdämpfungskoeffizienten ζ und einer Grenzfrequenz ω_adj aufweist, die Einstellungsparameter sind, und die Frequenz ω so eingestellt ist, dass sie größer oder gleich einer Antiresonanzfrequenz ω₀ der Maschine (60, 70) aber kleiner als eine Resonanzfrequenz ω_p der Maschine (60, 70) ist. [Formel 1] $F (s) = \frac{s^{2} + 2 ζ ω s + ω^{2}}{s^{2} + \sqrt{2} ω_{a d j} s + ω_{a d j}^{2}}$
Motorsteuereinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Drehzahlsteuereinheit (20) umfasst: eine Vorsteuereinheit (21), die basierend auf dem Drehzahlbefehl einen ersten Drehmomentbefehl erzeugt; eine Rückmeldesteuereinheit (23), die einen zweiten Drehmomentbefehl basierend auf einer Differenz zwischen dem Drehzahlbefehl und der Motordrehzahl erzeugt; und eine Additionseinheit, die den ersten Drehmomentbefehl und den zweiten Drehmomentbefehl addiert, um den Drehmomentbefehl zu erzeugen, und die Vorsteuereinheit (21) sowie die Rückmeldesteuereinheit (23) die Filter (31, 32) enthalten, für die die Übersetzungseigenschaft F(s) einzeln und unabhängig eingestellt werden kann.
Motorsteuereinrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der die Vorsteuereinheit das Filter (31) umfasst, das eine inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft von dem Drehmomentbefehl zu einer Drehzahl der Maschine (60, 70) annähert, und die Rückmeldesteuereinheit das Filter (32) umfasst, das eine inverse Eigenschaft einer Übersetzungseigenschaft der Motordrehzahl zu der Drehzahl der Maschine (60, 70) annähert.
Motorsteuereinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters (31) in der Vorsteuereinheit in einem Bereich größer oder gleich der Frequenz ω in der Übersetzungseigenschaft F(s) des Filters (32) in der Rückmeldesteuereinheit eingestellt sein kann.