TWI508425B - 馬達之控制方法及馬達之控制裝置 - Google Patents
馬達之控制方法及馬達之控制裝置 Download PDFInfo
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Description
本發明係關於馬達之控制裝置，特別是有關適合於工作機械等以高精確度將位置做軌跡控制之馬達之控制裝置。
如圖5所示，工作機械等加工用機械是將馬達固定在藉由水平調整螺絲(leveling bolt)等所支承的機台上。馬達係使滾珠螺桿旋轉以驅動平台。用於驅動端銑刀等的主軸係構成在機台上。因此機台和平台之間的相對位置精確度變成加工精確度而呈現。馬達之控制裝置例如具有圖6之構成。既有的馬達之控制裝置，係將位置指令和馬達的可動元件的位置之偏差，輸入位置控制器5。位置控制器5係輸出速度指令。且，將速度指令、和利用微分器2將檢測馬達M的可動元件的位置之編碼器3的輸出進行微分所得的速度之偏差，輸入速度控制器4。速度控制器4係輸出扭矩指令。而且，扭矩指令係經由扭矩控制器6而驅動馬達，並控制馬達的扭矩。於滾珠螺桿的剛性高之情形下，藉由編碼器檢測的可動元件的位置，係於平台和機台之間形成相對位置。因此，馬達之控制裝置將馬達控制成該相對位置與位置指令吻合。
以往，在使用金屬加工機械的金屬加工中，進行需要軌跡精確度的加工時，為了對應位置指令的變化，係使馬達速度變慢，而以使機械振動不會造成問題的速度進行。但是，近年來為了減少能源消耗或降低成本，日益要求更高速的加工。但是，利用以往的馬達控制裝置進行高速加工時，機台因為水平調整螺絲的剛性而搖晃，平台和機台間產生振動，而有加工精確度降低的問題。做為抑制這種振動的方法，有在位置指令的輸入部插入代表陷波濾波器(notch filter)的IIR型前置濾波器的方法、或專利文獻1所示之利用模式追從控制的方法。但是，利用此等方法，由於不形成線形相位特性，因而有無法獲得軌跡精確度之問題。做為利用該線形相位特性來抑制振動的方法，有專利文獻2。專利文獻2揭示有一伺服控制裝置，其具備：FIR濾波器部，用於修正位置指令訊號；機械特性補償部，係根據由FIR濾波器部所修正的位置指令訊號，衰減對應於驅動對象機械的特性之預定頻率成分，並運算位置、速度及扭矩的各前饋訊號；及反饋補償部，係對應於藉由機械特性補償部所運算的位置、速度及扭矩的各前饋訊號，而驅動驅動對象機械。而且，機械特性補償部具備：位置指令運算器，係根據位置指令訊號，衰減驅動對象機械的反共振頻率成分，並運算位置的前饋訊號；微分器，係將位置指令訊號微分；速度指令運算器，係根據微分器的運算值，衰減驅動對象機械的反共振頻率成分，並運算速度的前饋訊號；運算器，係將根據微分器的運算值微分，並且乘算驅動對象機械的總慣性；及扭矩指令運算器，係根據運算器的運算值，衰減驅動對象機械的共振頻率成分，並運算扭矩的前饋訊號。但是，專利文獻2所記載的方法，係使用具有線形相位特性的FIR濾波器做為前置濾波器。因此，由於濾波器延遲，而有位置之控制特性延遲、於高速驅動時會有精確度惡化之問題。
抑制平台和機台間的振動之其他方法，亦有設置檢測機台振動的感測器之方法。但是，由於會有感測器故障等而降低可靠性，並且有成本提高之問題。
另一方面，做為抑制週期性干擾的方法，有如非專利文獻1使用峰值濾波器之方法。非專利文獻1所記載的方法，係以下式所示之峰值濾波器來抑制馬達產生的週期性干擾。
Kpk
=kωpk
/(s2
+ωpk 2
)
[專利文獻1]日本特開2000-92882號公報
[專利文獻2]日本特開2004-272883號公報
[非專利文獻1]第51回自動控制聯合講演會629「利用峰值濾波器的IPM馬達之週期性速度變動抑制控制」
非專利文獻1所記載的以上述式代表的峰值濾波器，係藉由改變增益k而可調整其大小。但是，若調整增益k，則改變濾波器的全頻率中的增益，無法只改變峰值部分的大小。又，亦無法調整增益高的部分的寬度。圖7係顯示該峰值濾波器的頻率特性。又，非專利文獻1記載的技術，係將峰值濾波器以加法方式使用於速度控制器，且藉由比例控制器構成速度控制器。一方面，使用於工作機械等的定位用途之速度控制器，係為了抑制摩擦干擾等而藉由比例積分控制器構成。因此，積分增益高的時候，峰值濾波器的效果降低，而有無法充分抑制干擾的問題。因此，即使將非專利文獻1記載的峰值濾波器直接應用於抑制機台振動，也無法充分抑制機台振動。
本發明之目的在於提供一種馬達控制方法及裝置，能在不使用特別的感測器等之下，抑制控制對象之振動，且高速度、高精確度地將控制對象加以控制。
本發明之更具體的目的在於提供一種馬達控制方法及裝置，能在不使用特別的感測器等之下，抑制平台和機台之間的振動，且高速度、高精確度地控制工作機械等的位置之軌跡。
本發明係以下述為對象：將驅動控制對象的馬達之速度、和由速度指令下達指令的指令速度兩者之偏差，經由速度控制器所得之扭矩指令，賦予至扭矩控制器以控制馬達的馬達控制方法。控制對象包含例如平台等，其係設置在機台上，藉由馬達而被驅動。又，馬達除了旋轉型馬達以外，亦包含線性馬達。本發明中，在以消除控制對象的反共振特性之方式所構成的峰值濾波器，經由扭矩指令進行濾波器處理之後，將扭矩指令賦予至扭矩控制器。
本發明之馬達之驅動裝置具備：位置控制器，係將設置在機台以用於驅動控制對象的馬達之可動元件的位置、和位置指令兩者之偏差當作輸入，而輸出速度指令；速度控制器，係將馬達的速度和由速度指令下達指令的指令速度兩者之偏差當作輸入，而輸出扭矩指令；及扭矩控制器，係將扭矩指令當作輸入而控制馬達的扭矩。而且，本發明的馬達之驅動裝置及方法，係於速度控制器和扭矩控制器之間，配置將扭矩指令進行濾波器處理之峰值濾波器。
作為峰值濾波器，較佳係將設置有馬達的機台和控制對象之間產生的機台振動中的反共振頻率成分加以放大，且使用根據反共振頻率成分的頻率所制定的傳遞函數，使控制對象以像是不具反共振特性之剛體系統的方式進行動作。若使用這樣的峰值濾波器，則將有機台振動的機械系統當作控制對象，例如於控制機台和平台間的相對位置時，可抑制機台和平台間的機台振動成分。其結果為由於可抑制機台和平台間的振動，因此可實現更高速的加工。其結果為即使沒有檢測機台的振動之感測器，仍可高速度、高精確度地控制工作機械等的位置之軌跡。
此外，傳遞函數係使用滿足下述式者較佳。
Gpk
=(s2
+gd
‧2ζpk
ωnpk
‧s+ωnpk 2
)/(s2
+2ζpk
ωnpk
‧s+ωnpk 2
)
其中，上述式中，ωnpk
為固有頻率，ζpk
為衰減係數，gd
為分母分子的衰減係數之比。該傳遞函數可藉由固有頻率ωnpk
調整缺口的中心頻率，可藉由衰減係數ζpk
調整缺口(notch)的寬度，可藉由分母分子的衰減係數之比gd
調整缺口的深度。而且，gd
>1。若使用這種傳遞函數，則可調整逆缺口特性(共振峰值特性)的寬度和高度。
以下，參照圖式詳細地說明本發明之實施形態。圖1係顯示實施本發明的馬達之控制方法的本發明的馬達之控制裝置1的構成之方塊圖。本實施形態的馬達之控制裝置1具備：速度檢測器2、構成位置檢測器之編碼器3、速度控制器4、位置控制器5、扭矩控制器6、峰值濾波器7。本實施形態係將圖5所示之藉由滾珠螺桿驅動平台的機械系統當作控制對象。因而，馬達M係設置在機台上。速度檢測器2係根據來自編碼器3的輸出，而檢測馬達M的旋轉子之旋轉速度並將旋轉速度輸出。構成位置檢測器的編碼器3係檢測馬達M的旋轉子之旋轉位置。本實施形態係利用編碼器3當作速度檢測器2的檢測部(感測器部)。位置偏差運算部SB1係求出根據位置指令所下達指令的位置和編碼器3輸出的旋轉位置兩者的位置偏差。位置指令係由無圖示之上位控制器所輸出。位置控制器5係將位置偏差當作輸入而輸出速度指令。速度偏差運算部SB2係求出根據速度指令所下達指令的指令速度和速度檢測器2輸出的旋轉速度兩者的速度偏差。速度控制器4係將速度偏差運算部SB2的輸出當作輸入而產生扭矩指令。扭矩控制器6係將藉由峰值濾波器7做過濾波器處理的扭矩指令當作輸入，而控制馬達的扭矩。
峰值濾波器7係將設置有馬達M的機台和控制對象之間產生的機台振動中的反共振頻率成分加以放大，且具備根據其頻率來制定的傳遞函數，其係使控制對象成為像是不具反共振特性之剛體系統。亦即，峰值濾波器7具有能取消(消除)控制對象的反共振特性之傳遞函數。
說明有關峰值濾波器7的傳遞函數之設計。峰值濾波器7具有下式所示之陷波濾波器型構造之傳遞函數。
Gpk
=(s2
+gd
‧2ζpk
ωnpk
‧s+ωnpk 2
)/(s2
+2ζpk
ωnpk
‧s+ωnpk 2
)
但式中，ωnpk
為固有頻率，ζpk
為衰減係數，gd
為分母分子的衰減係數之比。該傳遞函數可藉由固有頻率ωnpk
調整缺口的中心頻率，可藉由衰減係數ζpk
調整缺口的寬度，可藉由分母分子的衰減係數之比gd
調整缺口的深度。
峰值濾波器7的各參數係以下述方式決定較佳。亦即，固有頻率ωnpk
配合控制對象的反共振頻率。衰減係數ζpk
配合控制對象的的反共振頻率的衰減特性。比gd
係缺口的深度被定為等於：控制對象的反共振頻率中的增益、和將控制對象只假設為剛體模式的情形之反共振頻率中的增益之差。而且，gd
>1。
將有機台振動的機械系統當作控制對象予以控制的情形下，沒有峰值濾波器7的情形之位置控制系統的頻率特性，呈現如圖3(A)所示在機台振動頻率中，出現相對於位置指令之增益為降低之反共振點以及在在比它高的頻率出現共振點。因此，無法壓抑機台振動產生的反共振頻率的振動。又，亦產生共振點的振動。其結果為位置控制時，如圖4(A)所示在位置偏差出現振動。相對於此，本實施形態係使峰值濾波器7的頻率配合機台振動頻率，並將峰值濾波器7的缺口之寬度和缺口之深度定為改善控制對象的增益之降低。其結果為藉由峰值濾波器7放大機台振動頻率成分，改善機台振動頻率中的反共振並且共振點消失。其結果為在機台振動頻率中，位置控制亦相對於位置指令而形成應答。藉此，位置偏差中的機台振動頻率成分之振動被抑制，平台和機台間的振動被抑制。
圖2係顯示該峰值濾波器7的頻率特性。該頻率特性係形成：比中心頻率低的頻率為相位前進、比中心頻率高的頻率為相位延遲之特性。藉此，能適當地抑制因為機台振動而減少的增益、改善相位特性、抑制機台振動、實現高速的定位。
圖3(B)係顯示已插入峰值濾波器7時的位置控制系統的頻率應答特性。從圖3(B)可明瞭，反共振頻率中的增益降低被減少並且共振點消失，機台振動頻率中的相位延遲亦得到改善。圖4(B)係顯示已插入峰值濾波器時的定位整定特性，得知位置偏差的振動被抑制。
如以上，根據本實施形態，在對於有機台振動的機械系統設置位置控制系統以控制機台和平台間的相對位置的馬達之控制裝置中，將峰值濾波器7插入於速度控制器的輸出，適當地放大機台振動的反共振頻率成分，藉以抑制機台和平台間的機台振動成分。由於機台和平台間的振動被抑制，因此可實現更高速的加工。藉此，根據本實施形態的馬達之控制裝置，即使沒有檢測機台振動的感測器，亦能高速度、高精確度地控制工作機械等的位置之軌跡。
上述實施形態中，機械系統係藉由設置在機台上的滾珠螺桿而被驅動之平台，但將其他驅動機構當作控制對象之情形，當然亦可適用本發明。又，峰值濾波器亦可在速度控制器之前插入。進一步，應用於：根據位置指令和位置偏差，經由位置控制器而直接賦予扭矩指令的控制系統，或根據加速度指令和加速度反饋，經由加速度控制器而賦予扭矩指令的控制系統，亦能獲得同樣的效果。又，不是檢測馬達的位置，而是檢測平台位置等負載側的位置之全封閉控制系統，亦可應用本發明。
根據本發明，峰值濾波器係將設置有馬達的機台和控制對象之間產生的機台振動中的反共振頻率成分加以放大，且根據該反共振頻率成分的頻率來制定傳遞函數，使控制對象成為像是不具反共振特性之剛體系統，藉由使扭矩指令經由峰值濾波器而賦予至扭矩控制器，即使不使用感測器，亦可縮小成為振動產生增益的扭矩指令中的峰值部分之大小，而抑制控制對象的振動。
1‧‧‧馬達之控制裝置
2‧‧‧速度檢測器
3‧‧‧編碼器
4‧‧‧速度控制器
5‧‧‧位置控制器
6‧‧‧扭矩控制器
7‧‧‧峰值濾波器
圖1係顯示實施本發明的馬達之控制方法的馬達之控制裝置的構成之方塊圖。
圖2係顯示峰值濾波器的頻率特性之圖。
圖3(A)係顯示未插入峰值濾波器的情形下之位置控制系統的頻率應答特性之圖，(B)係顯示插入著峰值濾波器的情形下之位置控制系統的頻率應答特性之圖。
圖4(A)係顯示未插入峰值濾波器的情形下之定位整定特性之圖，(B)係顯示插入著峰值濾波器的情形下之定位整定特性之圖。
圖5係顯示將馬達固定於藉由水平調整螺絲等所支承的機台上的狀態之圖。
圖6係顯示以往的馬達之控制裝置的構成的一例之方塊圖。
圖7係顯示非專利文獻1中採用的峰值濾波器之頻率特性之圖。
1．．．馬達之控制裝置
2．．．速度檢測器
3．．．編碼器
4．．．速度控制器
5．．．位置控制器
6．．．扭矩控制器
7．．．峰值濾波器
M．．．馬達
SB1．．．位置偏差運算部
SB2．．．速度偏差運算部
Claims (5)
- 一種馬達之控制方法，其係將驅動控制對象的馬達之速度、和由速度指令下達指令的指令速度兩者之偏差，經由速度控制器所得之扭矩指令，賦予至扭矩控制器以控制前述馬達的扭矩，其特徵為：使前述扭矩指令經由峰值濾波器而賦予至前述扭矩控制器，該峰值濾波器係將設置有前述馬達的機台和前述控制對象之間產生的機台振動中的僅反共振頻率成分加以放大，且根據該反共振頻率成分的頻率來制定傳遞函數，使前述控制對象成為像是不具反共振特性之剛體系統。
- 如申請專利範圍第1項之馬達之控制方法，其中，前述傳遞函數係以Gpk =(s2 +gd ．2ζpk ωnpk ．s+ωnpk 2 )/(s2 +2ζpk ωnpk ．s+ωnpk 2 )表示，其中ω npk 為固有頻率，ζ pk 為衰減係數，gd 為分母分子的衰減係數之比，gd >1。
- 一種馬達之控制裝置，其係具備以下構件而成：位置控制器，係將設置在機台以用於驅動控制對象的馬達之可動元件的位置和位置指令兩者之偏差當作輸入，而輸出速度指令；速度控制器，係將前述馬達的速度和由速度指令下達指令的指令速度兩者之偏差當作輸入，而輸出扭矩指令；及 扭矩控制器，係將前述扭矩指令當作輸入而控制馬達的扭矩，該馬達之控制裝置之特徴為：前述速度控制器和前述扭矩控制器之間配置有峰值濾波器，用以將前述扭矩指令進行濾波器處理，該峰值濾波器係將設置有前述馬達的機台和前述控制對象之間產生的機台振動中的僅反共振頻率成分加以放大，且根據該反共振頻率成分的頻率來制定傳遞函數，使前述控制對象成為像是不具反共振特性之剛體系統。
- 如申請專利範圍第3項之馬達之控制裝置，其中，前述峰值濾波器係將設置有前述馬達的機台和前述控制對象之間產生的機台振動中的反共振頻率成分加以放大，藉此制定傳遞函數而抑制前述機台振動。
- 如申請專利範圍第4項之馬達之控制裝置，其中，前述傳遞函數係以Gpk =(s2 +gd ．2ζpk ωnpk ．s+ωnpk 2 )/(s2 +2ζp kωnpk ．s+ωnpk 2 )表示，其中ω npk 為固有頻率，ζ pk 為衰減係數，gd 為分母分子的衰減係數之比，gd >1。
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