TW513627B - Positioning control device for suppressing vibration - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513627 A7 _B7 五、發明説明（i ) (技術領域） 本發明係關於一種以馬達驅動負荷並進行定位的定位 控制裝置，特別是，關於一種抑制負荷或存在於有負荷之 機台的低頻率之振動的技術。 (習知技術） 近年來之產業用機械係受到輕量化或小型化之要求， 有連接馬達與負荷之軸或置放驅動機構之機台的剛性逐漸 降低，而有降低負荷系統或機台之固定頻率之趨勢。又隨 著此趨勢，有提高伺服控制系統之性能，也提高驅動系統 之反應之趨勢。有關於有此種狀況的伺服控制系統，負荷 或機台成爲容易振動之問題逐漸顯在化。 習知，爲了抑制此種振動，提案一種記載於如第3圖 所示之「電氣學會硏究會資料」II C 一 96 — 17， P P . 7 5〜8 4的伺服控制裝置。在圖中，3 1係S字 位置指令發生器，3 2係準安定型前置濾波器，3 3係半 閉反饋位置控制系統，3 3 a係從反饋控制系統之位置指 令一直到馬達位置的傳動函數，3 3 b係從馬達位置一直 到負荷位置的傳動函數。該反饋控制系統的負荷之固有振 動再頻率爲ω。，例示S字位置指令之速度圖案 成爲如第5圖所示之加速時間與減速時間相等之台形之情 形。又，t A係加減速時間；（t D - t A )係等速時間。 構成此種控制系統時，反饋位置控制系統3 3之振動 極^3，係由第3圖可知，藉由準安定型前置濾波器3 2之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -4- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513627 A7 _____ __B7_ 五、發明説明（2 ) 傳動函數

Fi(S)= ⑴ s2+GTan ma 所具有之零點被消除，又，藉由將O a η設定成能滿足（2 )式之任一種，可實現制振控制。 1-cos ω antΑ = 0,1-cos ω antD = 0 (2) 然而，依照上述之習知技術，有 (1 )目標位置指令0 * Μ之加減速時間及等速時間短 時，反饋系統之位置指令0 * * Μ成爲急峻。（參照第6圖 ，詳細說明係下述） (2 ) ( 2 )式係須嚴密地滿足，若未滿足則發生持 續振動。例如若目標位置指令0 * μ之加減速時間僅變動5 %，則如下述之第7圖所示地持續地振動反饋系統之位置 指令0 * * Μ。 (3 )欲以C P U等演算手段實現習知之準安定型前 置濾波器，則以依據離散時間化之誤差，使準安定型前置 濾波器之臨界安定極成爲不安定之極之故，因而準安定型 前置濾波器成爲不安定。例如即使採樣時間僅爲 1 0 0 // S，如第8圖所示地，反饋系統之位置指令 也成爲不安定者（一面振動一面發散）。 等之問題。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） e I 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513627 A7 __B7_ 五、發明説明（3 ) 考察習知之準安定型前置濾波器之問題時，可歸類爲 問題之本質爲所有濾波器之分母之衰減項成爲零。通常可 考量單純地適用有衰減項之濾波器，惟這時候，濾波器之 延遲時間變大，而會延長定位時間。習知例係爲了消除該 延遲時間，可能將衰減項成爲零者。因此，在習知想法之 延長，並無法構成「安定性高且定位時間短」的前置濾波 (發明之槪要） 本發明係爲了解決該根本上之問題，其目的係在於提 供一種藉由在反饋控制系統之位置指令與目標指令一致時 將前置濾波器之輸出成爲零，並將反饋控制系統之位置指 令固定在目標位置，而在短時間內可進行安定之定位的振 動抑制定位控制裝置。 申請專利範圍第1項之發明的振動抑制定位裝置，係 屬於給與以所定圖案變化的目標位置指令之微分値時，生 成位置指令，並將該位置指令輸入於反饋控制系統而將負 荷追隨於上述位置指令的定位控制裝置，其特徵爲具備： 積分上述目標位置指令之微分値的積分器，及減去上述積 分器之輸出與上述位置指令並輸出位置指令偏差的減算器 ，及輸入上述目標位置指令之微分値時，除去與上述反饋 控制系統之振動極ω 〇相同頻率成分的安定型前置濾波器’ 及輸入上述安定型前置濾波器之輸出與上述位置指令偏差 ，當上述目標位置指令之微分値從零成爲非零則判斷爲開 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X：297公釐） β I 裝 訂 I 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513627 A7 _ B7 五、發明説明（4 ) 始指令，而當上述目標位置之微分値從非零成爲零則判斷 爲結束指令，同時結束指令之後’從上述位置指令偏差成 爲0 —直到下一開始指令爲止輸出0，此些以外仍然輸出 上述安定型前置濾波器之輸出的指令固定手段，及積分上 述指令固定手段之輸出並輸出上述位置指令的第二積分器 〇 申請專利範圍第2項之發明的振動抑制定位裝置，係 屬於給與以所定圖案變化的目標位置指令時，生成位置指 令，並將該位置指令輸入於反饋控制系統而將負荷追隨於 上述位置指令的定位控制裝置，其特徵爲具備：微分上述 目標位置指令的微分器，及減去上述目標位置指令與上述 位置指令並輸出位置指令偏差的減算器，及輸入上述微分 器之輸出的目標位置指令之微分値時，除去與上述反饋控 制系統之振動極ω 〇相同頻率成分的安定型前置濾波器，及 輸入上述安定型前置濾波器之輸出與上述位置指令偏差， 當上述目標位置指令之微分値從零成爲非零則判斷爲開始 指令，而當上述目標位置之微分値從非零成爲零則判斷爲 結束指令，同時結束指令之後，從上述位置指令偏差成爲 0 —直到下一開始指令爲止輸出〇，此些以外仍然輸出上 述安定型前置濾波器之輸出的指令固定手段，及積分上述 指令固定手段之輸出並輸出上述位置指令的第二積分器。 如上所述地依照本發明，將目標指令信號經安定型前 置濾波器之故，因而包含於目標指令信號的機械之固定振 動頻率成分被除去，而且通過安定型前置濾波器後之指令 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 7 I I 裝 — —訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513627 A7 __ B7 五、發明説明（5 ) 信號成爲安定且平穩者。又，將通過安定型前置濾波器後 之指令信號經指令固定部之故，因而給與反饋控制系統之 最終指令信號成爲迅速地到達目標位置。因此，不會激勵 機械之振動，具有可得到指令固定時間短之安定的定位指 令的很大效果。 (實施發明所用之最佳形態） 以下，使用圖式說明本發明之實施形態。第1圖與第 2圖係分別表示本發明之實施例一與實施例二的方塊圖； 第4圖係表示適用本發明之系統的構成圖。 首先由第4圖加以說明，4 1係馬達，4 3係負荷， 4 2係連結馬達4 1與負荷4 3並傳動旋轉力的力量傳動 機構，4 4係裝載這些的機台，4 5係支持機台4 4的支 持腳。馬達4 1經由力量傳動機構4 3來驅動負載4 3時 ，機台4 4受到馬達4 1之驅動力之反作用力。支持腳 4 5之剛性低時，機台4 4容易振動，又在馬達以高加減 速度驅動負荷時，特別是驅動力之周期接近於機台4 4之 固有振動周期時，機台4 4容易振動。 爲了抑制此種機台4 4之振動，本發明之實施例一與 實施例二之控制系統係分別如第1圖及第2圖所示地構成 。在這些圖中，5係反饋控制系統；5 a係從反饋控制系 統5之位置指令X * * * —直到機台變位y爲止的傳動函數 之安定項，5 b係相同的該傳動函數之不安定項。又，ω 〇 係機台4 4之固有振動頻率。 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4規格（210Χ297公嫠） 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -8 - 513627 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __B7五、發明説明（6 ) 在第1圖中，給與目標位置指令之微分値V *時，則在 積分器6，目標位置指令之微分値v *被積分而得到目標位 置指令X *。 在第2圖中，給與目標位置指令X *時，則在微分器8 ，目標位置指令X *被微分而得到目標位置指令之微分値 y * ° 在第1圖及第2圖中，首先，在減算器7，從目標位 置指令X *減算控制系統5之位置指令X * * *而得到位置指 令偏差e r。目標位置指令之微分値v *輸入於式（3 )之 傳動函數的安定型前置濾波器1。 ζ2> 〇 (3) ，及位置指令偏差e r，及目標位 置指令之微分値v *係輸入於指令固定部2。 然後，在指令固定部2，依據目標位置指令之微分値 v *來判斷目標指令之開始與結束。v *從零成爲非零時， 則判斷爲開始指令，而v *從非零成爲零時，則判斷爲結束 指令。又，結束指令之後’位置指令偏差e ^成爲0之後一 直到下一開始指令爲止，將切換開關倒向B側而輸出〇， 這些以外之情形，則倒向A側而輸出v * *。亦即，採取反 饋控制系統之位置指令達到目標位置之前，係輸出通過安 定型前置濾波器1後之信號v * * ’而反饋控制系統之位置 達到目標位置之後，係輸出〇之動作。又，在重複第5圖 F2(s): S2 -hC7〇2 Λ S ~\-1ζ2ΐπ2 + xu\ ml 如此所得到之信號v — 批衣IT (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9- 513627 A7 B7 五、發明説明（7 ) 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之圖案的連續傳送時，則反饋控制系統之位置指令達到目 標位置一直到開始下一傳送爲止，追加將安定型前置濾波 器1之全狀態量淸除成零的處理。由此，安定型前置濾波 器1在初期狀態經常地起動之故，因而即使連續之第5圖 之圖案間隔較短時，也具有安定型前置濾波器1正常地動 作之效果。 最後，指令固定部2之輸出v * * *在積分器4被積分 演算而得到位置指令X * * *時，則作爲位置指令被輸入於 反饋控制系統5。 如上所述地，藉由將目標位置指令之微分値經安定型 前置濾波器1 ，除去包含於目標位置指令之微分値的機台 之固有振動頻率成分之故，因而通過安定型前置濾波器 1後之指令信號係成爲安定且平穩而不會有激勵機台之振 動者。又，藉由將通過安定型前置濾波器1後之指令信號 通過指令固定部2，可將施加於反饋控制系統的最終指令 信號迅速地到達目標位置。如此不會激勵機台之振動，可 得到指令固定時間較短之安定的定位指令。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以下，對於該實施例的發明之效果，作成模擬說明以 下之三種情況。 情況1 ) t a爲一定，以連續系統實現習知之準安定 型前置濾波器及本發明之安定型前置濾波器。 情況2 ) t a爲5 %以下，以連續系統實現習知之準 安定型前置濾波器及本發明之安定型前置濾波器。 情況3 ) t a爲一定，以離散系統實現習知之準安定 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 513627 A7 B7 五、發明説明（8 ) 型前置濾波器及本發明之安定型前置濾波器（樣品周期T s =1 0 0 // S )。 使用於模擬之共通條件，係目標位置指令X *與Q μ $ 相同，在表示於第5圖之圖案，tA=18·8ms ， tp =27 · 2ms，機台之固有振動頻率ω〇=12Ηζ。 在習知之技術，係將準安定型前置濾波器F i ( s )之 爹數作爲= Tr/tA而對於上述三種情 況加以模擬，結果，將所得到之位置指令之時間函數分別 表示於第6圖，第7圖及第8圖。 對於適用本發明之情形，係將安定型前置濾波器F 2 ( s )之參數作爲，Γ2=0 · 4而對於上述三 種情況加以模擬，結果，將所得到之位置指數之時間函數 分別表示於第9圖，第1 〇圖及第1 1圖。 將第6圖至第8圖與第9圖至第11圖相比較就可知 ，習知技術的反饋系統之位置指令Q Μ * *係成爲 1 )波形爲急峻。 2 )即使稍降低（5 % ) t a，也持續地振動。 3 )以離散系統實現準安定型前置濾波器，則成爲不 安定。 而本發明的反饋系統之位置指令X * * *係成爲 1 )平穩， 2 )即使稍降低（5 % ) t a，波形也幾乎沒有變化。 3 )即使以離散系統實現目標位置指令，波形也完全 沒有變化。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） I---------裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11 - 513627 A7 B7 五、發明説明（9 ) 可知與習知技術相比較可知大幅度地改善時間反應。 又，通過安定型前置濾波器F 2 ( s )後之位置指令x * *係成爲過越量，惟指令固定部2之輸出的反s貴控制系統 之位置指令X***係未成爲過越量之故，因而指令固定時 間成爲極短。 (產業上之利用可能性） 依照本發明，將目標指令信號經安定型前置濾波器之 故，因而包含於目標指令信號的機械之固定振動頻率成分 被除去，而且通過安定型前置瀘波器後之指令信號成爲安 定且平穩者。又，將通過安定型前置瀘波器後之指令信號 經指令固定部之故，因而給與反饋控制系統之最終指令信 號成爲迅速地到達目標位置。因此，不會激勵機械之振動 ，具有可得到指令固定時間短之安定的定位指令的很大效 果。 (圖式之簡單之說明） 第1圖係表示本發明之實施例一的方塊圖。 第2圖係表示本發明之實施例二的方塊圖。 第3圖係表示習知之振動抑制定位控制裝置之構成的 方塊圖。 第4圖係表示本發明之實施例的系統構成圖。 第5圖係表示S學位置指令及指令之速度圖案之時間 函數的圖式。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） I 批衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 513627 A7 __ B7 五、發明説明（1〇 ) 第6圖係表示t A爲一定而以連續系統實現準安定型前 置濾波器時的習知技術之位置指令之時間函數的圖式。 I 批衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第7圖係表示t A爲下降5 %而以連續系統實現準安定 型前置濾波器時的習知技術之位置指令之時間函數的圖式 0 第8圖係表示t A爲一定而以離散系統實現準安定型前 置濾波器時的習知技術之位置指令之時間函數的圖式。 第9圖係表示t A爲一定而以連續系統實現安定型前置 濾波器時之本發明之位置指令之時間函數的圖式。 第1 0圖係表示t A爲下降5 %而以連續系統實現安定 型前置濾波器時之本發明之位置指令之時間函數的圖式。 第1 1圖係表示t a爲一定而以離散系統實現安定型前 置濾波器時之本發明之位置指令之時間函數的圖式。 符號說明 1 安定型前置濾波器 2 指令固定部 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 a 切換判別部 2b 切換開關 2 c 常數〇 3，4，6 積分器 5 反饋控制系統 5 a 從反饋控制系統之位置指令一直到機台變位爲 止的傳動函數之安定項 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13- 513627 A7 B7 五、發明説明（n) 5 b 從反饋控制系統之位置指令一直到機台變位爲 止的傳動函數之不安定項 7 減算器 8 微分器 31 S字位置指令發生器 32 準安定型前置濾波器 3 3 半閉反饋控制系統 3 3a 從反饋控制系統之位置指令一直到馬達位置 爲止的傳動函數 3 3b 從反饋控制系統之馬達位置一直到負荷位置 爲止的傳動函數 4 1 馬達 42 力量傳動機構 4 3 負荷 4 4 機台 4 5 支持腳 —---------裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -14 -

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513627 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 彳 1 . 一種振動抑制定位裝置，係屬於給與以所定圖案 變化的目標位置指令之微分値時，生成位置指令，並將該 位置指令輸入於反饋控制系統而將負荷追隨於上述位置指 令的定位控制裝置，其特徵爲具備： 積分上述目標位置指令之微分値的積分器，及 減去上述積分器之輸出與上述位置指令並輸出位置指 令偏差的減算器，及 輸入上述目標位置指令之微分値時，除去與上述反饋 控制系統之振動極ω 0相同頻率成分的安定型前置濾波器， 及 輸入上述安定型前置濾波器之輸出與上述位置指令偏 差，當上述目標位置指令之微分値從零成爲非零則判斷爲 開始指令，而當上述目標位置之微分値從非零成爲零則判 斷爲結束指令，同時結束指令之後，從上述位置指令偏差 成爲0 —直到下一開始指令爲止輸出0，此些以外仍然輸 出上述安定型前置濾波器之輸出的指令固定手段，及 積分上述指令固定手段之輸出並輸出上述位置指令的. 第二積分器。 2 . —種振動抑制定位裝置，係屬於給與以所定圖案 變化的目標位置指令時，生成位置指令，並將該位置指令 輸入於反饋控制系統而將負荷追隨於上述位置指.令的定位 控制裝置，其特徵爲具備： 微分上述目標位置指令的微分器，及 減去上述目標位置指令與上述位置指令並輸出位置指 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -15- 1--------^------訂------0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 513627 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 令偏差的減算器，及 輸入上述微分器之輸出的目標位置指令之微分値時 除去與上述反饋控制系統之振動極ω q相同頻率成分的安定 型前置濾波器，及 輸入上述安定型前置濾波器之輸出與上述位置指令偏 差，當上述目標位置指令之微分値從零成爲非零則判斷爲 開始指令，而當上述目標位置之微分値從非零成爲零則判 斷爲結束指令，同時結束指令之後，從上述位置指令偏褰 成爲0 —直到下一開始指令爲止輸出0，此些以外仍然輸 出上述安定型前置濾波器之輸出的指令固定手段，及 積分上述指令固定手段之輸出並輸出上述位置指令的第二 積分器。 I^tr線， (請先閱讀背面之注意事項#填寫本育) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）