伺服控制裝置的製作方法
2023-05-29 14:28:26
專利名稱：伺服控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用電機驅動如工作機械的輸送軸和工業機器人的臂那樣的負荷機械的伺服控制裝置，特別涉及在具有2個以上的軸的機械中進行軌跡控制的伺服控制裝置。
背景技術：
作為以往的伺服控制裝置，為了補償針對位置和速度等被控制量的指令值的應答延遲而進行前饋控制。例如，對位置指令進行微分求出位置的前饋控制量，在位置循環控制中得到的控制量上加算前饋控制量作為速度指令，把微分位置的前饋控制量得到的速度的前饋控制量，加算在由速度循環控制得到的值上作為電流指令進行伺服控制，由此提高位置控制的應答性(例如下述專利文獻1的圖1)。
另外，構成針對把由扭矩傳遞機構、負荷機構以及電動機構成的機械系統近似構成為2慣性共振系統而構成的機械系統模型的模擬控制電路，通過把模擬控制電路的模擬電動機位置、速度以及扭矩作為前饋控制量加算到由位置循環控制以及速度循環控制得到的值上，從而即使在控制對象的剛性低，具有共振特性的情況下也不激起共振，可以提高位置控制的應答性(例如以下專利文獻2的圖25)。
專利第2762364號公報[專利文獻2]特開2000-92882號公報以往的伺服控制裝置因為如以上那樣構成，所以在專利文獻1所述的伺服控制裝置中，當控制對象的剛性高，可以看作剛體的情況下，可以發揮充分的性能，但當控制對象的剛性低，具有共振特性的情況下，如果要通過實施本方式提高應答性，則因機械共振而在作為被控制量的位置和速度中產生振動，如圖13所示存在定位精度和軌跡精度降低的問題。
另外，在專利文獻2所述的伺服控制裝置中，當控制對象可以看作是2慣性共振系統的情況下，控制對象位置可以始終完全跟隨模擬控制電路的位置，可以不激發共振提高應答性，但模擬控制電路構成反饋控制系統，脈衝應答不呈現對稱性。由此，即使把對稱的軌跡作為指令軌跡而施加，控制對象的應答軌跡也不會對稱。因而，如圖14所示當改變行進方向使同樣形狀的指令軌跡反覆的情況下，在反覆的應答軌跡之間會產生誤差。這在反覆加工金屬模時存在成為在加工面上產生傷痕的原因等問題。
本發明就是為了解決上述那樣的問題而提出的，其目的在於可以得到在降低因機械特性引起的振動的同時，使往返時的軌跡一致的伺服控制裝置。
本發明的伺服控制裝置包含從由FIR濾波單元修正的位置指令信號中，衰減與驅動對象機械的特性對應的規定的頻率成分，計算位置、速度以及扭矩的各前饋信號的機械特性補償單元；根據位置、速度以及扭矩的各前饋信號，驅動驅動對象機械的反饋補償單元。
如果採用此發明，因為通過機械特性補償單元，從位置指令信號中衰減與驅動對象機械的特性對應的規定的頻率成分，計算位置、速度以及扭矩的各前饋信號，所以可以降低因驅動對象機械的特性引起的振動。另外，由於把由機械特性補償單元計算的前饋信號輸入反饋補償單元，因而可以使驅動對象機械位置完全跟隨機械特性補償單元的輸入，即，完全跟隨FIR濾波單元的輸出。進而，因為用FIR濾波單元，容易把軌跡設置為對稱形，使往返時的軌跡一致，所以具有即使在繼續往返加工的情況下也可以得到沒有層差的加工面的效果。
圖1是展示採用本發明的實施例1的伺服控制裝置的方框圖。
圖2是展示對稱的脈衝應答的特性圖。
圖3是展示本發明的實施例1的伺服控制裝置的整體構成圖。
圖4是展示本發明的實施例1的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖。
圖5是展示本發明的實施例2的伺服控制裝置的方框圖。
圖6是展示本發明的實施例2的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖。
圖7是展示本發明的實施例3的伺服控制裝置的方框圖。
圖8是展示5次IIR(無限脈衝響應)濾波器的增益曲線一例的特性圖。
圖9是展示本發明的實施例3的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖。
圖10是展示本發明的實施例4的伺服控制裝置的方框圖。
圖11是展示本發明的實施例4的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖。
圖12是展示本發明的實施例5的伺服控制裝置的方框圖。
圖13是展示以往的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖。
圖14是展示以往的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖。
具體實施例方式
實施例1圖1是展示本發明的實施例1的伺服控制裝置的方框圖，在圖中，伺服控制裝置1根據位置指令信號驅動控制機械(驅動對象機械)2。
在該伺服控制裝置1中，FIR(有限脈衝響應)濾波單元3修正位置指令信號，機械特性補償單元4從被修正的位置指令信號中，衰減與機械2的特性對應的規定的頻率成分，計算位置、速度以及扭矩的各前饋信號，反饋補償單元5根據計算出的位置、速度以及扭矩的各前饋信號驅動機械2。
另外，FIR濾波單元3由FIR濾波器6構成。
進而，在機械特性補償單元4中，位置指令計算器7從位置指令信號中衰減機械2的反共振頻率成分，計算位置的前饋信號，微分器8微分位置指令信號，速度指令計算器9從由微分器7產生的計算值中衰減機械2的反共振頻率成分，計算速度的前饋信號，計算器10在由微分器8微分計算值的同時乘算機械2的總慣性，扭矩指令計算器11從由計算器10產生的計算值中衰減機械2的共振頻率成分，計算扭矩的前饋信號。
進而，在反饋補償單元5中，減法器12從位置前饋信號中減去電機位置信號輸出到位置控制器13，位置控制器13求出速度控制信號，加減法器14在加算速度前饋信號和速度控制信號的同時減去電機速度信號並輸出到速度控制器15，速度控制器15求出扭矩控制信號，加法器16，加算扭矩的前饋信號和扭矩控制信號，作為電機扭矩指令信號向機械2輸出。
機械2由根據電機扭矩指令信號而驅動負荷18的電機17構成。
以下說明動作。
在圖1中，位置指令信號由FIR濾波器6平滑化，輸出到機械特性補償單元4。在此，FIR濾波器6由串聯連接2個以上的時間常數Tf的移動平均濾波器構成。在此，所謂移動平均濾波器的時間常數，是指在移動平均濾波器的個數上乘以採樣周期的值。進而，從要求軌跡精度參數中通過規定的運算計算時間常數Tf，使得應答軌跡滿足要求軌跡精度。要求軌跡精度參數有轉角通過時的塌角量(應答軌跡在最靠近轉角頂點時至轉角頂點的距離)，和圓弧內旋轉量(應答軌跡的半徑相對指令半徑的減少量)等。
在機械特性補償單元4中，首先，把機械特性補償單元4的輸入信號xr1輸入位置指令計算器7，計算位置的前饋信號xa。位置指令計算器7是使輸入信號xr1中的機械2的反共振頻率ωz的成分衰減後輸出的計算器，輸入信號xr1和輸出信號xa之間的關係用下式(1)表示。進而，s是拉普拉斯算子。
xa(s)=(1+1z2s2)xr1(s)---(1)]]>另外，機械特性補償單元4的輸入信號xr1在用微分器8微分後，被輸入速度指令計算器9，計算速度的前饋信號Va。速度指令計算器9是衰減輸入信號vr1中的機械2的反共振頻率ωz的成分後輸出的計算器，輸入信號vr1和輸出信號xa之間的關係用下式(2)表示。
va(s)=(1+1z2s2)vr1(s)---(2)]]>進而，微分器8的輸出信號在用計算器10微分並乘以機械2的總慣性J後，被輸入扭矩指令計算器11，計算扭矩的前饋信號τa。這裡所說的總慣性是電機慣性和負荷慣性之和的慣性。扭矩指令計算器11是使輸入信號τa1中的機械2的共振頻率ωp的成分衰減後輸出的計算器，輸入信號τr1和輸出信號τa之間的關係用下式(3)表示。
a(s)=(1+1p2s2)r1(s)---(3)]]>以下，位置的前饋信號xa、速度的前饋信號va、扭矩的前饋信號τa被輸入反饋補償單元5。在反饋補償單元5中，在減法器12中，從位置前饋信號xa中減去從機械2輸出的電機位置信號xm並輸出到位置控制器13，在位置控制器13中求出速度控制信號vc。進而，位置控制器13可以是使反饋控制系統穩定的任何構成，但通常使用比例控制器等。另外，在加減法器14中，從加算速度的前饋信號va和速度控制信號vc的值中，減去從機械2輸出的電機速度信號vm並輸出到速度控制器15，在速度控制器15中求扭矩控制信號τc。進而，速度控制器15可以是使反饋控制系統穩定的任意構成，但通常使用比例、積分控制器等。進而，在加法器16中，加算扭矩的前饋信號τa和扭矩控制信號τc的值作為電機扭矩指令信號τm輸出到機械2，驅動電機17。機械2的被設置在電機設置臺上的電機17和負荷18通過扭矩傳遞機構連接，由被安裝在電機17上的轉動檢測器輸出電機位置信號xm以及電機速度信號vm。在此，電機17發出的扭矩極其迅速地跟隨電機扭矩指令信號τm。
如果採用這樣的構成，因為根據機械2的振動特性，適宜地計算出機械2的負荷位置完全跟隨機械特性補償單元4的輸入信號xr1的位置、速度以及扭矩的前饋信號，並被輸出到反饋補償單元5，所以負荷位置x1完全跟隨機械特性補償單元4的輸入信號xr1。如果用下式表示它則如下。當可以用2慣性共振系統近似機械2的情況下，電機扭矩指令τm和電機位置xm之間的關係如下式(4)。
xm(s)=1Js21+1z2s21+1p2s2m(s)---(4)]]>另外，電機位置xm和負荷位置x1之間的關係如以下的式(5)。
x1(s)=11+1z2s2xm(s)---(5)]]>另外，電機速度vm和電機位置xm之間的關係如下式(6)。
vm(s)＝sxm(s) (6)進而，如果把位置控制器13以及速度控制器15的傳遞函數分別設置為Cp(s)以及Cv(s)，則反饋補償單元5的輸入輸出關係可以用以下的式(7)表示。
τm(s)＝Cv(s)(Cp(s)(xa(s)-xm(S)))
+va(s)-vm(s))+τa(s)(7)考慮從式(1)到式(5)、式(6)、式(7)的各關係式成立，如果解求本實施例1中的機械特性補償單元4的輸入信號xr1和機械2的負荷位置x1之間的關係，則x1＝xr1。即，負荷位置x1完全跟隨機械特性修正單元4的輸入信號xr1。因而，從指令位置到負荷位置的應答特性和FIR濾波器6的應答特性相等。
圖2是展示對稱的脈衝應答的特性圖，如果FIR濾波器6的脈衝應答如該圖2所示接近對稱形，則眾所周知因為如果輸入對稱則輸出也對稱，所以對於對稱的指令軌跡的應答軌跡也對稱，在往返同樣形狀的軌跡時的往返應答軌跡也大致為同樣形狀。進而，如果FIR濾波器6的脈衝應答是完全對稱的形狀，即是線性相位FIR濾波器，則對應於對稱的指令軌跡的應答軌跡完全對稱，使同樣形狀的軌跡往返時的往返的應答軌跡一致。另外，扭矩的前饋信號τr1包含最大4級微分了機械特性補償單元4的輸入信號xr1的成分，當機械特性補償單元4的輸入信號xr1未被充分平滑的情況下，考慮到扭矩的前饋信號τr1為脈衝狀的非常大的值，對機械2有不良影響，但通過把FIR濾波器6的構成設置成移動平均濾波器的2個串聯連接，則如果位置指令信號xr1是在位置控制中經常使用的加速度步進指令，則即使對機械特性補償單元4的輸入信號xr1進行4級微分，也不會有脈衝狀的信號，可以避免扭矩的前饋信號τr1包含脈衝狀的非常大的成分。另外，因為該FIR濾波器6的脈衝應答是對稱形，所以對應於對稱的指令軌跡的應答軌跡是完全對稱的，使相同形狀的軌跡往返時的往返的應答軌跡一致。
進而，FIR濾波器6理想的是如線性相位FIR濾波器那樣具有線性相位特性，而即使使用沒有線性相位特性的一般的FIR濾波器，因為可以根據過去的有限時間的履歷確定輸出，所以與使用FIR濾波器以外的濾波器，即IIR(無限脈衝響應)濾波器的情況相比，也具有容易得到對稱的應答軌跡的優點。進而，有關FIR濾波器，例如在F.R.克納著，濾波電路入門(森北出版)等中有詳細解釋。
以下，用數值模擬展示本實施例1的效果。
圖3是展示本發明的實施例1的伺服控制裝置的整體構成圖，在圖中，通過x軸用、y軸用伺服控制裝置1a、1b，使用x軸用、y軸用電機17a、17b驅動具有2軸自由度的機械2。
圖4是展示本發明的實施例1的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖。展示指令軌跡是角度90度的轉角形狀，應答軌跡是把該指令軌跡的行進方向設置為行進方向A以及行進方向B的情況，即使相同的軌跡反覆的情況。假設機械2的共振頻率ωp是300rad/s，反共振頻率ωz是200rad/s。
在圖4所示的例子中，應答軌跡與以往的專利文獻1比較，可知可以抑制振動，與專利文獻2比較可知可以降低往返的應答軌跡的差。如上所述，即使在金屬模往返加工時，也可以得到沒有傷痕的加工面。
如上所述，如果採用本實施例1，則在機械特性補償單元4中，可以把機械2看作2慣性共振系統，當可以忽略由機械2的粘性摩擦引起的衰減特性的情況下，通過使用機械2的特性值(共振頻率，反共振頻率，總慣性)求出位置、速度以及扭矩的前饋信號，可以降低因機械2的特性引起的振動。
另外，通過把由機械特性補償單元4得到的前饋信號輸出到反饋補償單元5，可以使機械2的位置完全跟隨機械特性補償單元4的輸入，即完全跟隨FIR濾波單元3的輸出。
進而，因為通過FIR濾波單元3容易把軌跡設置成對稱形，可以使往返時的軌跡一致，所以即使繼續往返加工也可以得到沒有層差的加工面。
進而，通過把FIR濾波單元3設置成2級以上的移動平均濾波器，根據要求軌跡精度設定移動平均濾波器的時間常數，在保持軌跡的對稱性，避免被輸入到反饋補償單元5中的信號成為大的脈衝形狀的信號對機械2有大的衝擊的同時，可以把應答軌跡的來自指令軌跡的誤差設置在要求軌跡精度以內。
實施例2
圖5是展示本發明的實施例2的伺服控制裝置的方框圖，在圖中，1次延遲濾波器21被設置在機械特性補償單元4中，是根據機械2的衰減常數、反共振頻率以及負荷慣性設定時間常數，使得降低由機械2的粘性摩擦引起的衰減特性的影響的單元，修正位置指令信號。
另外，位置指令計算器22從由1次延遲濾波器21修正的位置指令信號中，衰減考慮了因機械2的粘性摩擦引起的衰減特性的機械2的反共振頻率成分，計算位置的前饋信號，速度指令計算器23從微分器8的計算值中，衰減考慮了由機械2的粘性摩擦引起的衰減特性的機械2的反共振頻率成分，計算速度的前饋信號，扭矩指令計算器24從計算器10的計算值中衰減考慮了由機械2的粘性摩擦引起的衰減特性的機械2的共振頻率成分，計算扭矩的前饋信號。
其他的構成和圖1相同。
以下說明動作。
在圖5中，和上述實施例1的不同之處在於在用1次延遲濾波器21修正機械特性補償單元4的輸入信號xr1後，輸出到位置指令計算器22以及微分器8這一點，和在位置指令計算器22、速度指令計算器23以及扭矩指令計算機24中，考慮了機械2的衰減特性的構成這一點。
當不能忽視由機械2的粘性摩擦引起的衰減特性的情況下，在上述實施例1所示的構成中，因該特性的原因，在機械特性補償單元4的輸入信號xr1和負荷位置x1之間產生相位誤差，有不能使負荷位置x1正確地跟隨機械特性補償單元4的輸入信號xr1的情況。
因而，在1次延遲濾波器21中，設定時間常數，使得可以消除因機械2的粘性摩擦產生的衰減特性引起的機械特性補償單元4的輸入信號xr1和負荷位置x1之間的相位誤差，修正機械特性補償單元4的輸入信號xr1用下式(8)表示1次延遲濾波器21的輸入信號xr1和輸出信號xr2之間的關係。
xr2(s)=11+2zzsxr1(s)---(8)]]>在此，ξz用機械的衰減常數c、反共振頻率ωz、負荷慣性J1表示成下式(9)。
z=c2zJ1---(9)]]>另外，位置指令計算器22是使考慮了由1次延遲濾波器21修正的輸入信號xr2中的機械2的衰減特性的機械2的反共振頻率ωz的成分衰減後輸出的計算器，用下式(10)表示輸入信號xr2和輸出信號xa之間的關係。
xa(s)=(1+2zzs+1z2s2)xr2(s)---(10)]]>另外，速度指令計算器23是使考慮了輸入信號vr1中的機械2的衰減特性的機械2的反共振頻率ωz的成分衰減後輸出的計算器，用下式(11)表示輸入信號vr1和輸出信號va之間的關係。
vn(s)=(1+2zzs+1z2s2)vr1(s)---(11)]]>進而，扭矩指令計算器24是使考慮了輸入信號τr1中的機械2的衰減特性的機械2的共振頻率ωp的成分衰減後輸出的計算器，用下式(12)表示輸入信號τr1和輸出信號τa之間的關係。
n(s)=(1+2pps+1p2s2)r1(s)---(12)]]>
在此，衰減比ξz用機械的衰減常數c、反共振頻率ωz、負荷慣性J1、電機慣性Jm表示成下式(13)。
p=c2p(1Jm+1J1)---(13)]]>如果採用這樣的構成，則即使機械2具有因粘性摩擦等產生的衰減特性的情況下，負荷位置x1也完全跟隨機械特性補償單元4的輸入信號xr1。如果用公式表示它則如下。當機械2可以用2慣性系統近似並具有衰減特性的情況下，電機扭矩指令信號τm和電機位置xm之間的關係如下式(14)。
xm(s)=1Js21+2zzs+1z2s21+2pps+1p2s2m(s)---(14)]]>另外，電機位置xm和負荷位置x1之間的關係如下式(15)。
x1(s)=1+2zzs1+2zzs+1z2s2xm(s)---(15)]]>另外，電機速度vm和電機位置xm之間的關係以及反饋補償單元5的輸入輸出關係，和上述實施例1一樣，分別用式(6)以及式(7)表示。考慮式(6)以及式(7)、從式(8)到式(15)的各關係式成立，如果求解本實施例2中的機械特性補償單元4的輸入信號xr1和機械2的負荷位置x1之間的關係，則為x1＝xr1。即，負荷位置x1完全跟隨機械特性補償單元4的輸入信號xr1。因而，從指令位置到機械2的負荷位置的應答特性與FIR濾波器6的應答特性一致，可以得到對稱但不激起振動的應答軌跡。
以下，用數值模擬展示本實施例2的效果。
圖6是展示本發明的實施例2的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖，圖6(a)是用本實施例2的伺服控制裝置驅動具有x軸、y軸這2個自由度的機械時的指令軌跡和應答軌跡，圖6(b)是上述實施例1的指令軌跡和應答軌跡。指令軌跡是角度90度的轉角的形狀，假設機械2的共振頻率ωp是300rad/s，反共振頻率ωz是200rad/s。進而，假設衰減比ξp是0.2。
在圖6所示的例子中，當在機械2中有衰減特性的情況下，通過使用採用本實施例2的伺服控制裝置，與使用上述實施例1的伺服控制裝置的情況相比，知道可以抑制應答軌跡的振動。
如上所述，如果採用本實施例2，則在位置指令計算器22、速度指令計算器23以及扭矩指令計算器24中，使考慮了機械2的粘性摩擦的衰減特性的機械2的反共振頻率成分或者共振頻率成分衰減，在1次延遲濾波器21中，通過設定時間常數，使得可以消除機械特性補償單元的輸入信號xr1和負荷位置x1之間的相位誤差，修正輸入的位置指令信號，從而當把機械2看作2慣性共振系統的情況下，即使在機械2具有因粘性板擦產生的衰減特性的情況下，也可以不激起機械共振地使負荷位置完全跟隨機械特性補償單元4的輸入，即FIR濾波單元3的輸出。
實施例3圖7是展示本發明的實施例3的伺服控制裝置的方框圖，在圖中，5次IIR濾波器(n次濾波器)31被設置在機械特性補償單元4中，具有所希望的頻率截止特性，修正位置指令信號。
其他構成和圖1相同。
以下說明動作。
在圖7中，和上述實施例1的不同之處在於在用5次IIR濾波器31修正機械特性補償單元4的輸入信號xr1後，輸出到位置指令計算器7以及微分器8這一點。5次IIR濾波器31例如假設其構成用下式(16)表示。
xr2(s)=1(1+1K1s)(1+1K2s)(1+1K3s)(1+1K4s)(1+1K5s)xr1(s)---(16)]]>在此，K1至K5是表示確定IIR濾波器31的頻率截止特性的頂點的參數。
圖8是展示5次IIR濾波器的增益曲線的一例的特性圖。作為一例，如展示K1＝K2＝K3＝K4＝K5＝1000時的5次IIR濾波器31的增益曲線，則如圖8所示，可知可以屏蔽比400rad/s附近還高的頻率區域。
如果採用這樣的構成，則即使在機械2不能用2慣性系統近似，在比共振頻率ωp還高的頻率區域中存在另一共振點的情況下，因為用5次IIR濾波器31屏蔽該共振點附近的頻率成分，所以可以降低應答軌跡的振動。另外，即使在由於在位置指令信號中包含高頻幹擾，而在應答軌跡中產生振動的情況下，因為可以用5次IIR濾波器31屏蔽包含在位置指令信號中的高頻區域的成分，所以可以降低應答軌跡的振動。
以下，用數值模擬展示本實施例3的效果。
圖9是展示本發明的實施例3的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖，圖9(a)是用本實施例3的伺服控制裝置驅動了具有x軸、y軸這2個自由度的機械時的指令軌跡和應答軌跡，圖9(b)是上述實施例1的指令軌跡和應答軌跡。指令軌跡是角度90度的轉角形狀，機械2的共振頻率ωp假設是300rad/s，反共振頻率ωz假設是200rad/s。進而假設在1000rad/s中有第2共振頻率，在700rad/s中具有第2反共振頻率的機械。
在圖9所示的例子中，則即使在不能用2慣性系統近似機械2，具有第2共振頻率、第2反共振頻率的情況下，通過使用本實施例3的伺服控制裝置，與使用了上述實施例1的伺服控制裝置的情況相比，可知可以抑制應答軌跡的振動。
如上所述，如果採用本實施例3，則在機械特性補償單元4中，具備具有所希望的頻率截止特性的5次IIR濾波器31，通過用該5次IIR濾波器31修正輸入的位置指令信號，可以降低存在包含在位置指令信號中的幹擾、作為機械特性補償單元4的參數的機械2的共振頻率、在比反共振頻率還高的頻率區域上存在另一共振點以及反共振點的情況下給予應答軌跡的不良影響。
進而，在本實施例3中，設置具有5個所希望的頂點的5次IIR濾波器31，但也可以設置1次以上的任何IIR濾波器。
實施例4圖10是展示本發明的實施例4的伺服控制裝置的方框圖，在圖中，把直接輸入到機械特性補償單元4中的位置指令信號作為位置的前饋信號輸出到減法器12，微分器8微分位置指令信號計算速度的前饋信號並輸出到加減法器14，計算器10在由微分器8微分計算值的同時乘以機械2的總慣性，振動抑制濾波器41從計算器10的計算值中衰減機械2的共振頻率成分，放大反共振頻率成分，計算扭矩的前饋信號，輸出到加法器16。
其他構成和圖1相同。
以下說明動作。
在圖10中，直接被輸入到機械特性補償單元4中的位置指令信號xr作為位置的前饋信號xa輸出到反饋補償單元5。另外，位置指令信號由微分器8微分，作為速度的前饋信號va輸出到反饋補償單元5。進而，微分器8的計算值由計算器10微分並乘以機械2的總慣性後，輸出到振動抑制濾波器41，振動抑制濾波器41的輸出信號作為扭矩的前饋信號τa輸出到反饋控制單元5。反饋補償單元5以及機械2的構成和動作與上述實施例1相同。
以下，說明振動抑制濾波器41。振動抑制濾波器41中的輸入信號τr1和輸出信號τa的關係用機械2的共振頻率ωp和機械2的反共振頻率ωz以式(17)表示。
a(s)=1+1p2s21+1z2s2r1(s)---(17)]]>這樣從計算器10的計算值中衰減機械2的共振頻率成分，放大反共振頻率成分。
如果採用這樣的構成，則可以以更簡單的構成謀求降低機械振動。另外，對於機械2，當雖然電機17和負荷18之間的剛性高但電機17和電機設置臺之間的剛性低，機械振動是由電機17和電機設置臺之間的共振以及反共振引起的情況下，由該共振以及反共振引起的振動成分被振動減低濾波器41去除，負荷位置x1完全跟隨位置指令信號xr。
如果用公式表示它則如下。對於機械2，當可以用電機17和負荷18之間的剛性高，電機17和電機設置臺之間的剛性低這種模式近似的情況下，電機扭矩指令信號τm和電機位置xm之間的關係變為以下的式(18)。
xm(s)=1Js21+1z2s21+1p2s2---(18)]]>另外，電機位置xm和負荷位置x1之間的關係如下式(19)。
x1(s)＝xm(s) (19)另外，電機速度vm和電機位置xm之間的關係以及反饋補償單元5的輸入輸出關係和上述實施例1相同，分別可以用式(6)以及式(7)表示。考慮式(6)以及式(7)、從式(17)至(19)的各關係式成立，如果求解在本實施例4中的位置指令信號xr和機械2的負荷位置x1之間的關係，則為x1＝xr。即，負荷位置x1完全跟隨位置指令信號xr。因而，可以有效地抑制機械振動。
以下用數值模擬展示本實施例4的效果。
圖11是展示本發明的實施例4的伺服控制裝置的指令軌跡和應答軌跡的特性圖，是展示驅動具有x軸、y軸這2個軸自由度的機械2時的指令軌跡和應答軌跡的圖。指令軌跡是角度90度的轉角的形狀，展示了應答軌跡把該指令軌跡的行進方向設置為圖14的行進方向A以及行進方向B的情況，即使相同形狀的軌跡往返的情況。另外，假設對於機械2，電機17和負荷18之間的剛性充分高，但電機17和電機設置臺之間的剛性低。機械2的共振頻率ωp假設是300rad/s，反共振頻率ωz假設是200rad/s。
在圖11所示的例子中，對於應答軌跡在機械2中即使電機17和電機設置臺之間的剛性低，也可知通過使用本實施例4的伺服控制裝置，與以往例子比較可以抑制應答軌跡的振動和往返的應答軌跡的差。
如上所述，如果採用本實施例4，則在振動抑制濾波器41中，由於從計算器10的計算值中衰減機械2的共振頻率成分，放大反共振頻率成分，計算扭矩的前饋信號，從而可以以比上述實施例1還簡單的結構得到振動抑制效果。特別是在因機械2的電機17和電機設置臺之間的剛性低引起振動的情況下，可以抑制機械2的振動。
實施例5圖12是展示本發明的實施例5的伺服控制裝置的方框圖，在圖中，位置指令修正單元51被設置在FIR濾波單元3和機械特性補償單元4之間，具有降低由FIR濾波器6以及5次IIR濾波器31產生的、這些濾波器的截止頻率以下的低頻率區域的增益下降的影響的特性，修正位置指令信號。
另外，模擬位置控制循環電路52根據位置前饋信號和速度前饋信號進行模擬反饋補償單元5的運算，計算模擬速度信號，扭矩修正信號計算單元53根據模擬速度信號的符號變化計算扭矩修正信號輸出到加法器16。
進而，在模擬位置控制電路52中，減法器54，從位置前饋信號中減去模擬位置信號輸出到第2位置控制器55，第2位置控制器55，進行和位置控制器13同樣的計算後輸出到加法器56，加法器56，加算第2位置控制器55的輸出和速度前饋信號求模擬速度信號，積分器57，積分模擬速度信號求模擬位置信號。
其他構成和圖7相同。
以下說明動作。
在圖12中，和上述實施例3的不同之處在於在用位置指令修正單元51修正FIR濾波單元3的輸出信號後輸出到機械特性補償單元4這一點，和把位置的前饋信號和速度的前饋信號輸出到模擬位置控制電路52中，求解模擬速度信號，把模擬速度信號輸入到扭矩修正信號計算單元53計算扭矩修正信號後加算在電機扭矩指令信號上這一點。
FIR濾波器6以及5次IIR濾波器31使指令平滑化，防止對反饋補償單元5的輸入信號變為大的脈衝形狀從而對機械2產生不良影響，屏蔽包含在位置指令信號中的高頻區域的成分，可以降低應答軌跡的振動，但都是低通濾波器，越到高頻區域增益越低。這些濾波器即使在截止頻率以下的低頻率區域中也存在增益的稍微下降，由於此原因，在圓弧指令時有時應答軌跡的半徑比指令軌跡的半徑還小。
因而，在位置指令修正單元51中，修正位置指令信號，使得用FIR濾波器6以及5次IIR濾波器31生成的增益降低的影響減小。位置指令修正單元51的輸入信號xr1和輸出信號xr11之間的關係可以用以下的式(20)表示。
xr11(s)＝(1+αs)xr1(20)這裡，α是加減修正量的參數，設定為從位置指令信號xr到5次IIR濾波器31的輸出xr2的低頻區域的增益降低為所希望的值以下。
另外，當在電機17中摩擦力起作用的情況下，在電機17的旋轉方向反轉時產生跟隨延遲，在指令軌跡和應答軌跡之間產生誤差。這種情況下，在電機速度的符號變化時，通過向扭矩指令付予修正指令可以消除跟隨延遲。但是，在電機速度信號的符號變化時付予修正指令的方式中，在電機17停止時，即使因施加在電機17和負荷18上的一點幹擾而電機速度信號的符號變化的情況下，也看作電機17的旋轉方向反轉付予修正指令，這是不理想的。
因而，在模擬位置控制循環單元52中，根據位置的前饋信號和速度的前饋信號進行模擬了反饋補償單元5的計算，計算模擬速度信號輸出到信號計算單元53。在模擬位置控制電路單元52中，通過減法器54從位置前饋信號中減去模擬位置信號，輸出到第2位置控制器55，第2位置控制器55進行和位置控制器13同樣的計算並輸出到加法器56，加法器56加算第2位置控制器55的輸出和速度前饋信號，求出模擬速度信號，積分器57積分模擬速度信號，求出模擬位置信號。扭矩修正信號計算單元53根據模擬速度信號的符號變化，計算扭矩修正信號輸出到加法器16。進而，扭矩修正信號使用預先測定了電機17的方向反轉時的扭矩變化的信號。
如上所述，如果採用本實施例5，因為通過位置指令修正單元51，修正由FIR濾波器6和5次IIR濾波器31產生的低頻區域的增益降低，所以在圓弧指令時應答軌跡的半徑不會比指令軌跡的半徑小，可以減小指令軌跡和應答軌跡之間的誤差。
另外，在模擬位置控制電路52中，根據位置的前饋信號和速度的前饋信號計算模擬速度信號，在扭矩修正信號計算單元53中，通過根據模擬速度信號的符號變化計算扭矩修正信號並加算到電機扭矩指令信號上，消除在電機17的旋轉方向反轉時的跟隨延遲，可以減小指令軌跡和應答軌跡間的誤差。
進而，在本實施例5中，說明了包含位置指令修正單元51和模擬位置控制循環單元52以及扭矩修正信號計算單元53的構成，但也可以是只包含這些中的位置指令修正單元51，或者只包含模擬位置控制循環單元52以及扭矩修正信號計算單元53的構成。
進而，在本實施例5中，說明了在FIR濾波單元3和機械特性補償單元4之間設置位置指令修正單元51的情況，但也可以設置在FIR濾波單元3的前面和機械特性補償單元4的後邊。
進而，在本實施例5中，說明了把扭矩修正信號加算到電機扭矩指令信號上的情況，但也可以是加算到扭矩的前饋信號上。另外，速度控制器15是進行比例積分控制的控制器的情況下，可以把扭矩修正信號加算到速度控制器15的積分項中。
進而，在以上說明中說明了在反饋補償單元5的輸入是位置、速度、扭矩的情況，但也可以代替扭矩輸入加速度。在這種情況下，通過把上述各實施例中的計算器10置換為只進行微分的計算器，可以得到同樣的效果。或者，可以代替扭矩輸入電流。在這種情況下，通過把在上述各實施例中的計算器10中乘算的值置換為用電機17的扭矩常數除機械2的總慣性的值，可以得到同樣的效果。
另外，在以上的說明中說明了電機17以旋轉型產生扭矩的情況，但也可以如線性電機那樣得到推力。在這種情況下，通過把在上述各實施例中的慣性置換為質量，把扭矩置換為推力，可以得到同樣的效果。
進而，在以上說明中說明了進行位置控制的情況，但也可以是速度控制的情況。在速度控制的情況下，在上述各實施例中通過除去位置的反饋循環和位置的前饋信號可以得到同樣的效果。
進而，在上述各實施例中，在位置指令計算單元、速度指令計算單元、扭矩指令計算單元中，可以是乘以由離散化產生的無用時間和由於針對控制對象的微小模式誤差進行調整的調整係數。或者，在微分器8以及計算器10中乘以同樣的調整係數。
進而，在上述各實施例中，機械特性補償單元4如果從輸入到輸出的傳遞函數不同則各構成要素的順序等也可以不同。例如，可以通過微分位置的前饋信號xa求得速度前饋信號va。
進而，在上述各實施例中，也可以用模擬微分(在此次值和上次值的差上乘以採樣周期的倒數來計算近似微分值)置換微分。
進而，從上述實施例1至3中，可以改變FIR濾波單元3和機械特性補償單元4的順序。即，可以把位置指令信號輸入到機械特性補償單元4，把各輸出分別輸入FIR濾波單元3，求解位置、速度以及扭矩的前饋信號。
權利要求
1.一種伺服控制裝置，其特徵在於包括修正位置指令信號的FIR濾波單元；從由上述FIR濾波單元修正的位置指令信號中，衰減與驅動對象機械的特性對應的規定的頻率成分，計算位置、速度以及扭矩的各前饋信號的機械的特性補償單元；根據由上述機械特性補償單元計算的位置、速度以及扭矩的各前饋信號，驅動上述驅動對象機械的反饋補償單元。
2.根據權利要求1所述的伺服控制裝置，其特徵在於機械特性補償單元包含從位置指令信號中衰減驅動對象機械的反共振頻率成分，計算位置的前饋信號的位置指令計算器；微分位置指令信號的微分器；從基於上述微分器的計算值中衰減上述驅動對象機械的反共振頻率成分，計算速度的前饋信號的速度指令計算器；在對基於上述微分器的計算值進行微分的同時，乘以上述驅動對象機械的總慣性的計算器；從基於上述計算器的計算值中衰減上述驅動對象機械的共振頻率成分，計算扭矩的前饋信號的扭矩指令計算器。
3.根據權利要求1所述的伺服控制裝置，其特徵在於機械特性補償單元包含根據該驅動對象機械的衰減常數、反共振頻率數以及負荷慣性設定時間常數，使得降低由於驅動對象機械的衰減特性產生的影響，修正位置指令信號的1次延遲濾波器；從由上述1次延遲濾波器修正的位置指令信號中衰減考慮了上述驅動對象機械的衰減特性的反共振頻率成分，計算位置的前饋信號的位置指令計算器；微分由上述1次延遲濾波器修正的位置指令信號的微分器；從基於上述微分器的計算值中衰減考慮了上述驅動對象機械的衰減特性的反共振頻率成分，計算速度的前饋信號的速度指令計算器；在對基於上述微分器的計算值進行微分的同時，乘以上述驅動對象機械的總慣性的計算器；從基於上述計算器的計算值中衰減考慮了上述驅動對象機械的衰減特性的共振頻率成分，計算扭矩的前饋信號的扭矩指令計算器。
4.根據權利要求1所述的伺服控制裝置，其特徵在於FIR濾波裝置由2級以上的移動平均濾波器組成，根據要求軌跡精度設定這些移動平均濾波器的各時間常數。
5.根據權利要求1所述的伺服控制裝置，其特徵在於機械特性補償單元具備具有所希望的頻率截止特性，修正位置指令信號的n次濾波器(n是任意的自然數)。
6.一種伺服控制裝置，其特徵在於包括微分位置指令信號，計算速度的前饋信號的微分器；在對基於上述微分器的計算值進行微分的同時，乘以上述驅動對象機械的總慣性的計算器；從上述計算器的計算值中衰減驅動對象機械的共振頻率成分，放大反共振頻率成分，計算扭矩的前饋信號的振動抑制濾波器；根據位置指令信號、由上述微分器計算的速度的前饋信號以及由上述振動抑制濾波器計算的扭矩的前饋信號，驅動上述驅動對象機械的反饋補償單元。
7.根據權利要求1所述的伺服控制裝置，其特徵在於具備位置指令修正單元，它修正位置指令信號，使得由FIR濾波單元產生的增益下降的影響減小。
8.根據權利要求7所述的伺服控制裝置，其特徵在於位置指令修正單元把位置指令信號的微分值的係數倍加算到該位置指令信號上作為修正後的位置指令信號。
9.根據權利要求1所述的伺服控制裝置，其特徵在於具備根據由機械特性補償單元計算出的位置以及速度的各前饋信號，計算模擬速度信號的模擬位置控制循環單元；根據由上述模擬位置控制循環單元計算出的模擬速度信號的符號變化，計算驅動對象機械的方向反轉時的扭矩修正信號，用該扭矩修正信號修正由上述機械特性補償單元計算出的扭矩的前饋信號的扭矩修正信號計算單元。
全文摘要
本發明提供在降低機械特性引起的振動的同時，使往返時的軌跡一致的伺服控制裝置。具備從由FIR濾波單元(3)修正的位置指令信號中，衰減與機械(2)的特性對應的規定的頻率成分，計算位置、速度以及扭矩的各前饋信號的機械特性補償單元(4)；根據位置、速度以及扭矩的各前饋信號驅動機械(2)的反饋補償單元(5)。用機械特性補償單元(4)從位置指令信號中衰減與機械(2)的特性對應的規定的頻率成分，計算位置、速度以及扭矩的各前饋信號，由此可以降低因機械(2)的特性引起的振動。另外，通過FIR濾波單元(3)容易把軌跡設置成對稱形狀，因為可以使往返軌跡一致，所以即使反覆加工也可以得到沒有層差的加工面。
文檔編號G05B19/19GK1523465SQ20041000585
公開日2004年8月25日 申請日期2004年2月20日 優先權日2003年2月20日
發明者長岡弘太朗, 佐藤智典, 池田英俊, 高橋悌史, 俊, 典, 史, 長 弘太朗 申請人:三菱電機株式會社