TW200841141A - Servo control apparatus and control method thereof - Google Patents

Description

200841141 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於回授控制會大幅變動慣性之負載機械之 伺服控制裝置及其控制方法。 【先前技術】 近年，控制驅動產業機械之伺服控制系統，逐年對使 用容易度及驅動速度的兩方面提高要求。通常的伺服裝置 ，爲了要達成良好的控制性能，必須正確地設定包含電動 機的轉子之機械可動部的總慣性，故會有使用容易度及驅 動速度兩者兼具無法實現的事態。 第1習知的伺服控制裝置係將干擾觀測器及相位超前 補償觀測器組合在PI控制中（例如，參考日本非專利文 獻1 )。第3圖爲表示第1習知的伺服控制裝置的構成之 方塊圖。圖中，圖號4爲電動機的轉子和包含負載機械之 實際的受控體，且表示扭矩指令到電動機的迴轉速度之傳 達函數。另外，圖號5爲干擾觀測器，包含標稱受控體的 逆系統53及第1低通濾波器52。另外，圖號6爲相位超 前補償觀測器，包含標稱受控體6 1及第2低通濾波器62 及觀測補償器63。另外，圖號1爲位置控制部，圖號2爲 PI控制部，圖號9爲積分。 另外，爲目標指令，0m爲電動機位置爲速 度指令，0„1爲電動機的迴轉速度，ofb爲回授速度，τ + 爲扭矩指令，TG *爲扭矩指令的基本訊號，Td爲干擾補償 -5- 200841141 扭矩，j爲實際的受控體的慣性，jn爲標稱受控體的慣性 ，S爲拉普拉斯運算元。 另外，實際的受控體的慣性J的最小値設爲Jm，最大 値設爲J Μ。 其次，針對第1習知的伺服控制裝置的動作原理進行 說明。爲了要簡化，將第1低通濾波器52作爲式子（1 ) 所示的第1低通濾波器。 此處，爲第1低通濾波器的時間常數。求出扭矩指 令的基本訊號Τ〇*至電動機的迴轉速度6；„1之傳達函數Gl (s)，則成爲式子（2)。

c〇m{s) — l + ^Ss β 1 νω - i+CJ7jn)TlS * 另外，等價低通濾波器3 1以式子（3 )來表示。

l + 7；Ss

i + (J/Jn)TlS 因而，可以如同第4圖來改寫第3圖的控制系統。第 4圖中，圖號3爲第1等價控制對象，包含等價低通濾波 器31及標稱受控體32。最壞的狀況下之實際的受控體的 慣性J變成最大値J Μ的情況，等價低通濾波器L ( S，J ) -6 - 200841141 則變成式子（4 )。

L ( sf JM) = __Li^Ss一 i + (JM/Jn)TlS 此時’因等價低通濾波器的相位延遲最大，所以將第 2低通濾波器L2(s)配合該式子（4)來作爲式子（5)

l2 ( Ο l + ^Ss 1 + (Jm / Jn)Tis

另外’將ω m至ω fb的傳達函數作爲式子（6 )，則可 以如同第5圖來改寫第4圖的控制系統。

另外’將觀測補償器63的增益設定成非常大，則式 子（7 )成立。

因而，式子8成立。 Η ( sf J)

Li~l ( s) ωβ^)〜〇)p(S) ωΜ (〇0(s) 200841141 利用式子（3 )、式子（5 )以及式子（5 )，等價低 通濾波器L ( s，J) 8 1的延遲相位，對大致等價低通濾波 器H ( s，J ) 8 3的超前相位進行補償，而解決相位所造成 的振動或不穩定的問題。即是即使負載有變動仍會保證控 制系統的穩定性，對於目標指令之響應特性則幾乎沒有改 變 〇 第2習知的伺服控制裝置係由規範模型部的輸出來算 出前授訊號，施加到回授控制系統中（例如，參考專利文 獻1 )。第6圖爲表示第2習知的伺服控制裝置的構成之 方塊圖。圖中，在該部位附註與第3圖的同等部位相同的 圖號，其說明則省略。另外，圖號7爲前授控制部，包含 規範模型部70及微分器73及標稱受控體的逆系統74。另 外，0 ff爲前授位置指令，ω ff爲前授速度指令，Tff爲前 授扭矩指令。 其次， 針對第2習知的伺服控 制裝置的 動作原理進行 說明 〇 利用第6圖， 式子 (9 )、式 子（10) 、式子（11 ) 、式 子（1 2)成立。 ω fb (s ) = $ • Θ m (5 ) (9) TV (s ) = J s • S · Qm ( S) (10) ω // (*0 = S · Θ// ( s ) (11 ) Tff ( S)二 Jns • S · θ // ( $ ) (12) -8- 200841141 成立。負荷慣性沒有變動而且標稱受控體jn與j相等 的情況，式子（13 )成立。

Tff、s、— —心⑴ T0\s)〜⑻ 9m{s) 因而，與回授控制的構成無關，電動機的位置θ m完 全跟著也是規範模型部70的輸出之前授位置指令從 動。因此，即使回授系統的增益沒有上升，仍會提高規範 模型部的響應性，可以提高對於目標位置指令的從動性。 非專利文獻1 :日本平成1 8年電氣學會產業應用部門 大會，II337 - 340 專利文獻1 :日本專利特開2003 - 24 1 802 【發明內容】 <發明所欲解決之課題> 然而，第1習知技術中，僅以回授的構成無論如何都 達不到非常高速的反應特性。 另外，第2習知技術中，負載慣性是否變動，無法正 確地確認，實際的負載慣性大幅偏離標稱慣性的情況，會 有前授扭矩指令所引起的速度訊號與前授速度指令有很大 的不同，而使超越量等的控制特性惡化的問題。 於是，本發明係鑒於這個問題點而提案，其目的是提 供構成符合將干擾觀測器及相位超前補償觀測器組合在ρι 控制中的回授控制系統之前授控制部，以抑制負載變動等 -9 - 200841141 導致的不良影響，可以對於目標指令來實 的從動性能之伺服控制裝置及控制方法。 <用以解決課題之手段> 爲了要解決上述問題，本發明則由以-本發明的申請專利範圍第1項所述之 是一種在根據扭矩指令來驅動電動機及負 令前述電動機的位置相對於目標位置來予 制之伺服控制裝置中，具備有根據回授系 電動機的位置之偏差，計算速度指令之位 據前述速度指令與回授速度之偏差，計算 基本訊號之PI控制部、及根據前述扭矩 和前述電動機的迴轉速度，推定干擾扭矩 disturbance observer)、及根據前述扭矩 和前述電動機的迴轉速度，由前述電動機 定相位超前的前述回授速度之相位超前補 控制裝置，其特徵爲：具備有：輸入前述 前授位置指令之規範模型部、及輸入前述 微分器、及輸入前述微分器的輸出並輸出 第1高通濾波器、及輸入前述微分器的輸 (nominal plant )的逆系統、及輸入前j nominal plant)的逆系統的輸出並輸出前 2高通濾波器；將前述前授位置指令作爲 位置指令，將前述前授速度指令加算到前 現既穩定又高速 F方式所構成。 伺服控制裝置， 載機械，以進行 以從動的回授控 統的位置指令與 置控制部、及根 前述扭矩指令的 指令的基本訊號 之干擾觀測器（ 指令的基本訊號 的迴轉速度來推 償觀測器之伺服 目標位置並輸出 前授位置指令之 前授速度指令之 出之標稱受控體 趣標稱受控體（ 授扭矩指令之第 前述回授系統的 述速度指令中來 -10- 200841141 作爲新速度指令，將前述前授扭矩指令加算到前述扭矩指 令的基本訊號中來作爲新扭矩指令的基本訊號。 本發明的申請專利範圍第2項所述之伺服控制裝置， 如同申請專利範圍第1項所述之伺服控制裝置，其中，前 述第1高通濾波器爲前述第2低通濾波器的逆系統。 本發明的申請專利範圍第3項所述的伺服控制裝置之 控制方法，是一種在根據扭矩指令來驅動電動機及負載機 械，以進行令前述電動機的位置相對目標位置來予以從動 的回授控制之伺服控制裝置中，具備有根據回授系統的位 置指令與電動機的位置之偏差，計算速度指令之位置控制 部、及根據前述速度指令與回授速度之偏差，計算前述扭 矩指令的基本訊號之PI控制部、及根據前述扭矩指令的 基本訊號和前述電動機的迴轉速度，推定干擾扭矩之干擾 觀測器（disturbance observer )、及根據前述扭矩指令的 基本訊號和前述電動機的迴轉速度，由前述電動機的迴轉 速度來推定相位超前的前述回授速度之相位超前補償觀測 器的伺服控制裝置之控制方法，其特徵爲，具備有以下的 步驟：將前述目標位置輸入至規範模型部並輸出前授位置 指令之步驟、及將前述前授位置指令輸入至微分器之步驟 、及將前述的微分器的輸出輸入至第1高通濾波器並輸出 前授速度指令之步驟、及將前述的微分器的輸出輸入至標 稱受控體（nominal plant )的逆系統之步驟、及將前述標 稱受控體（nominal plant)的逆系統之的輸出輸入至第2 高通濾波器並輸出前授扭矩指令之步驟、及將前述前授位 -11 200841141 置指令作爲前述回授系統的位置指令之步驟、及將前述前 授速度指令加算到前述速度指令中來作爲新速度指令之步 驟、及將前述前授扭矩指令加算到前述扭矩指令的基本訊 號中來作爲新扭矩指令的基本訊號之步驟。 本發明的申請專利範圍第4項所述的伺服控制裝置之 控制方法’如同申請專利範圍第3項所述的伺服控制裝置 之控制方法，其中，前述第1高通濾波器爲第2低通濾波 φ 器的逆系統。 〔發明效果〕 本發明可以提供構成符合將干擾觀測器及相位超前補 償觀測器組合在PI控制中的回授控制系統之前授控制部 ’以抑制負載變動等導致的不良影響，可以對於目標指令 來實現既穩定又高速的從動性能之伺服控制裝置及控制方 法。 【實施方式】 以下，參考圖面來說明本發明的實施形態。 ' 第1圖爲表示本發明的實施例的伺服控制裝置之方塊 圖。圖中，在各部位，附註與第3圖和第6圖同等部位相 同符號，其說明則省略。另外，圖號71爲第1高通濾波 器，圖號72爲第2高通濾波器。本發明係將第2習知技 術經改良過的前授控制部技巧地組合在第1習知的技術中 而形成。 -12- 200841141 以下’針對本發明的伺服控制裝置的動作原理及構成 方法進行說明。 本發明的伺服控制裝置之回授控制部係與第1習知的 技術完全相同，故可以基於與第1習知的技術相同的理由 ’如同第2圖來改寫第1圖的控制系統。另外，式子（1 )〜式子（8 )依然成立。利用第2圖，貝[] ω /6 ( 〇 = H ( sf J) · s · Qm ( s) ( 14 ) TV ⑺=1 ( j) · Jns · s · Qm ( s) (15) ω//(Ό = Hff i ( ^ ) (16) Γ// (*y) ~ H/f 2 ( s ) · J ns · s · Θ ff { s ) (17) 成立。 利用式子（14 )和式子（1 6 )，則式子（1 8 )成立。 變成 ，⑷—Hffl(S) 叱⑻ H(s，J) 0m(s) 另外，利用式子（1 5 )和式子（1 7 )，則式子（1 9 ) 成立。 T〇Hs) (Ο • L ( J)

Mf) 19 因而，爲了要使電動機的位置em依據前授位置指令 -13- 200841141 Θ//予以從動，必須第1高通濾波器71和第2高通濾波器 72爲式子（20 )、式子（21 )。

Hff 1(5) = H ( sf J) ( 20) ^//2 (^) ~ L 1 (5, J) (21) 由式子（8)，等價高通濾波器H(s，J)83的截止頻 率爲一定’幾乎不依隨負載慣性J，故第1高通濾波器7 1 爲式子（22) ’則符合式子（20)的條件。 (22 )

Hff 1 ( s ) = L ~ 1 ( s ) 另外，由式子（3 )，等價低通濾波器L ( s，J ) 82的 截止頻率大致與負載慣性j成反比例改變，所以不可能對 於全部的J來符合式子（2 1 )的條件。於是配合負載慣性 J成爲變動範圍的中間値Jo的情況來將第2高通濾波器72 作爲式子（23 )。 Η// 2 ( s) = L~ 1 ( s, J〇) ( 23 ) 一方面，本發明的扭矩前授與第2習知的伺服控制裝 置的扭矩前授有很大不同，即使負載慣性有變動，因前授 控制部所使用標稱受控體慣性必需與第2等價控制對象8 的慣性一致，所以施加扭矩前授造成之響應特性的干擾仍 -14- 200841141 很少。尤其，只要不是急遽變化的目標位置指令，等價低 通濾波器L ( s，J ) 82的影響則很小。 第7圖爲本發明的伺服控制裝置之控制方法之流程圖 。步驟ST 1中，將目標位置輸入至規範模型部並輸出前授 位置指令，步驟ST2中，將前授位置指令輸入至爲分器， 步驟ST3中，將微分器的輸出輸入至第1高通濾波器並輸 出前授速度指令。步驟ST4中，將微分器的輸出輸入至標 稱受控體的逆系統，步驟S T 5中，將標稱受控體的逆系統 的輸出輸入至第2高通濾波器並輸出前授扭矩指令。步驟 ST6中，將前授位置指令作爲回授系統的位置指令，步驟 ST7中，將前授速度指令加算到速度指令中來作爲新速度 指令。步驟ST8中，將前授扭矩指令加算到扭矩指令的基 本訊號中來作爲新扭矩指令的基本訊號。 以上，即使負載慣性有變動，電動機的位置仍會跟著 規範模型的輸出從動，提高規範模型的響應特性，以提高 電動機的位置相對於目標位置的從動性。 〔產業上的可利用性〕 藉由構成符合將干擾觀測器及相位超前補償觀測器組 合在PI控制中的回授控制系統之前授控制部，可以對於 指令來實現既穩定又高性能的從動控制。因此，不僅伺服 器，對於所謂標稱受控體以非最小相位系統來呈現且參數 大幅變動之系統，也可以適合用於既穩定又高速地依照指 令從動的用途。 -15- 200841141 【圖式簡單說明】 第1圖爲表示本發明的實施例的伺服控制裝置之方塊 圖。 第2圖爲第1圖中之等價方塊圖。 第3圖爲表示第1習知的伺服控制裝置的構成之方塊 圖。 弟4圖第3圖中之等價方塊圖。 弟5圖第4圖中之％價方塊圖。 第6圖爲表示第2習知的伺服控制裝置的構成之方塊 圖。 第7圖爲本發明的伺服控制裝置之控制方法之流程圖 【主要元件符號說明】 1 :位置控制部 2 : PI控制部 3 :第1等價控制對象 4 =實際的受控體 5 :干擾觀測器（disturbance ob server ) 6 :相位超前補償觀測器 7 _·前授補償器 8 :第2等價控制對象 9 :積分項 -16- 200841141 1 0、1 1 :加減法器 1 2、5 4 :加法器 31、 82 :等價低通濾波器 32、 61、81:標稱受控體(nominal plant) 51、64、65 :減法器 52 :第1低通濾波器 53、74:標稱受控體（nominal plant)的逆系統 62 :第2低通濾波器 63 :觀測器補償器 70 :規範模型部 71 :第1高通濾波器 72 :第2高通濾波器 73 :微分器 8 3 :第2等價控制對象

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Claims (1)

1. 200841141 十、申請專利範圍 1 · 一種伺服控制裝置，是在根據扭矩指令來驅動電 動機及負載機械，以進行令前述電動機的位置相對於目標 位置予以從動的回授控制之伺服控制裝置中，具備有根據 回授系統的位置指令與電動機的位置之偏差，計算速度指 令之位置控制部、及根據前述速度指令與回授速度之偏差 ，計算前述扭矩指令的基本訊號之PI控制部、及根據前 述扭矩指令的基本訊號和前述電動機的迴轉速度，推定干 擾扭矩之干擾觀測器（disturbance observer)、及根據前 述扭矩指令的基本訊號和前述電動機的迴轉速度，由前述 電動機的迴轉速度來推定相位超前的前述回授速度之相位 超前補償觀測器之伺服控制裝置，其特徵爲： 具備有： 輸入前述目標位置並輸出前授位置指令之規範模型部 ;及 輸入前述前授位置指令之微分器；及 輸入前述微分器的輸出並輸出前授速度指令之第1高 通濾波器；及 輸入前述微分器的輸出之標稱受控體（nominal plant )的逆系統；及 輸入前述標稱受控體（nominal plant)的逆系統的輸 出並輸出前授扭矩指令之第2高通濾波器； 將前述前授位置指令作爲前述回授系統的位置指令， 將前述前授速度指令加算到前述速度指令中來作爲新速度 -18- 200841141 指令，將前述前授扭矩指令加算到前述扭矩指令的基本訊 號中來作爲新扭矩指令的基本訊號。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之伺服控制裝置，其 中，前述第1高通濾波器爲前述第2低通濾波器的逆系統 〇 3. 一種伺服控制裝置之控制方法，是在根據扭矩指 令來驅動電動機及負載機械，以進行令前述電動機的位置 相對於目標位置予以從動的回授控制之伺服控制裝置中， 具備有根據回授系統的位置指令與電動機的位置之偏差， 計算速度指令之位置控制部、及根據前述速度指令與回授 速度之偏差，計算前述扭矩指令的基本訊號之PI控制部 、及根據前述扭矩指令的基本訊號和前述電動機的迴轉速 度，推定千擾扭矩之干擾觀測器（disturbance observer) 、及根據前述扭矩指令的基本訊號和前述電動機的迴轉速 度，由前述電動機的迴轉速度來推定相位超前的前述回授 速度之相位超前補償觀測器的伺服控制裝置之控制方法， 其特徵爲，具備有以下的步驟： 將前述目標位置輸入至規範模型部並輸出前授位置指 令之步驟；及 將前述前授位置指令輸入至微分器之步驟；及 將則述的微分的輸出輸入至弟1局通灑波器並輸出 前授速度指令之步驟；及 將前述的微分器的輸出輸入至標稱受控體（nominal plant)的逆系統之步驟，及 -19- 200841141 將前述標稱受控體（nominal plant)的逆系統的輸出 輸入至第2高通濾波器並輸出前授扭矩指令之步驟；及 將前述前授位置指令作爲前述回授系統的位置指令之 步驟；及 將前述前授速度指令加算到前述速度指令中來作爲新 速度指令之步驟；及 將前述前授扭矩指令加算到前述扭矩指令的基本訊號 中來作爲新扭矩指令的基本訊號之步驟。 4·如申請專利範圍第3項所述的伺服控制裝置之控 制方法’其中，前述第1高通濾波器爲前述第2低通濾波 器的逆系統。

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