時間常數自動推定方法以及時間常數自動推定裝置的製作方法
2023-05-17 17:17:11
專利名稱：時間常數自動推定方法以及時間常數自動推定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過執行讀入的動作程序，用來自動地推定作為工具機或機器人的驅動源的伺服電動機的時間常數的時間常數自動推定方法、時間常數自動推定裝置以及伺服電動機控制系統。
背景技術：
例如，當在現場組裝從工廠出廠的工具機或機器人時，需要對驅動作為被驅動物的工具刀具臺或機器人手臂的伺服電動機的加速減速時的時間常數進行設定。此外，由於被驅動體標準的變更，往往要重新設定時間常數。此時，一般在伺服電動機的允許轉矩範圍內，為了可以最大限度地發揮伺服電動機的性能地設定時間常數。
作為通過執行讀入到計算機中的動作程序，來推定伺服電動機參數的方法以及裝置，已知的有在JP-A-2004-74357以及JP-A-9-149670中公開的方法以及裝置。在JP-A-2004-74357中，記載了根據被安裝在在軸上進行移動的被驅動體上的質量體的量確定伺服參數，使伺服電動機的驅動動作最佳化的方法以及裝置。作為伺服參數的時間常數和增益，根據使安裝了希望的質量體的被驅動體進行試驗動作而檢測到的實際負荷，從裝置的存儲器中預先存儲的與負荷範圍對應的參數數據中進行確定。
此外，在JP-A-9-149670中公開了自動進行負荷慣性的計算，根據計算結果自動地調整增益參數的方法以及裝置。此外，還記載了以下的內容為了減少伺服電動機摩擦的影響可以進行高精度的推定，使用一邊調整速度控制增益一邊測定從速度指令的10％到達63％的速度所需要的時間而得到的時間常數，來進行負荷慣性的計算。
在JP-A-2004-74357中記載的現有的方法以及裝置，根據使被驅動體進行試驗動作時檢測到的負荷數據，設定與安裝在被驅動體上的負荷的大小對應的時間常數，但是，事前準備與負荷大小對應的參數數據非常麻煩，而且，負荷範圍與參數數據的關係不是一樣地求出的，所以必須對每個工具機或機器人的標準求出與負荷範圍對應的參數數據，存在用於調整時間常數的準備作業的負擔沉重的問題。
在JP-A-9-149670記載的現有的方法以及裝置中，根據負荷慣性的計算結果自動地調整增益參數，但是為了求出更高精度的增益參數，必須使用在規定的條件下測定的時間常數來計算正確的負荷慣性，存在無法容易地進行增益參數調整的問題。但是，因為在負載慣性的正確性上存在局限，最終，一邊在實際的裝置上觀測電流值(電流指令的電流值或電流反饋的電流值)，一邊通過湊試的方法求出時間常數，以便得到最大電流，無法容易地求出可以發揮伺服電動機的要求性能的時間常數。
發明內容
本發明是鑑於以上的問題而發明的，其目的在於，提供一種無需在時間常數的調整上花費工夫和時間，可以用簡單的計算容易地進行推定，且可以減輕伺服電動機調整時的作業負擔的時間常數自動推定方法、時間常數自動推定裝置以及伺服電動機控制系統。
為了達成上述目的，本發明，提供一種時間常數自動推定方法，其用於自動地推定伺服電動機加速時的時間常數，具備以下步驟對使用為了試驗運行而預先準備的假定時間常數使所述伺服電動機加速動作時的峰值電流值進行檢測；和根據該峰值電流值與所述假定時間常數的關係，推定在真正控制時以希望的目標電流值使所述伺服電動機實際動作時的真正時間常數。
此外，本發明提供一種時間常數自動推定裝置，其用於自動地推定伺服電動機加速時的時間常數，具備電流值檢測部，其對使用為了試驗運行而預先準備的假定時間常數使所述伺服電動機加速動作時的峰值電流值進行檢測；和時間常數推定部，其根據該峰值電流值與所述假定時間常數的關係，推定在真正控制時以希望的目標電流值使所述伺服電動機實際動作時的真正時間常數。
根據時間常數自動推定方法以及時間常數自動推定裝置，著眼於伺服電動機的電流值與轉矩的關係處於比例關係，以預先準備的假定時間常數進行伺服電動機的試驗運行，求出根據伺服電動機的電流波形檢測到的峰值電流值與假定時間常數的關係，由此，就可以通過簡單的比例計算求出在真正控制時用於流過希望的目標電流的時間常數。因此，可以省略時間常數的調整所需要的時間，可以減輕伺服電動機調整時的作業負擔。通過使用如此推定的時間常數進行真正控制，可以最大限度地發揮伺服電動機的性能。
本發明的上述以及其他的目的、特徵和優點，在與附圖關聯的以下的合適的實施方式的說明中會更加清晰。在該附圖中圖1是用於說明本發明的伺服電動機控制系統的一實施方式的結構圖。
圖2是用於說明圖1所示的伺服電動機控制系統的結構的結構圖。
圖3是表示使用圖2所示的時間常數自動推定裝置的第一時間常數自動推定方法的流程圖。
圖4A是圖3所示的時間常數自動推定方法的試驗運行時的說明圖。
圖4B是圖3所示的時間常數自動推定方法的真正控制時的說明圖。
圖5A表示圖3所示的時間常數自動推定方法的試驗運行時的實際的電流波形。
圖5B表示圖3所示的時間常數自動推定方法的真正控制時的實際的電流波形。
圖6是表示第二時間常數自動推定方法的流程圖。
圖7A是圖6所示的時間常數自動推定方法的試驗運行時的說明圖。
圖7B是圖6所示的時間常數自動推定方法的真正控制時的說明圖。
圖8是表示第三時間常數自動推定方法的流程圖。
圖9A是圖8所示的時間常數自動推定方法的試驗運行時的說明圖。
圖9B是使用圖8所示的時間常數自動推定方法的推定時間常數進行試驗運行時的說明圖。
圖9C是對圖8所示的時間常數自動推定方法的推定時間常數進行修正後進行真正控制時的說明圖。
圖10是表示第四時間常數自動推定方法的流程圖。
圖11A是圖10所示的時間常數自動推定方法的試驗運行時的說明圖。
圖11B是使用圖10所示的時間常數自動推定方法的推定時間常數進行試驗運行時的說明圖。
圖11C是對圖10所示的時間常數自動推定方法的推定時間常數進行修正後進行真正控制時的說明圖。
圖12是表示本發明的伺服電動機控制系統的變形例的結構圖。
具體實施例方式
根據圖1以及圖2對本發明的伺服電動機控制系統的一實施方式進行說明。如圖1所示，本實施方式的伺服電動機控制系統1，由對直線驅動工具機的刀具臺(被驅動體)的伺服電動機進行控制的NC控制裝置2、和自動推定伺服電動機19的加速時的時間常數的時間常數自動推定裝置6構成。NC控制裝置2和時間常數自動推定裝置6，經由信號線相互連接，接收發送程序以及數據。此外，由伺服電動機控制系統1和沒有圖示的工具機或機器人構成整體的加工系統。
NC控制裝置2，作為以下各部來工作通過讀入的動作程序，生成針對伺服電動機19的控制指令的指令生成部3；接收來自指令生成部3的控制指令控制伺服電動機19的伺服控制部4；改寫諸如時間常數、位置、速度、電流的伺服信息，或將伺服信息發送給時間常數自動推定裝置6的參數管理部5。
時間常數自動推定裝置6，作為以下各部來工作通過讀入的動作程序，對伺服電動機生成試驗運行時的控制指令的試驗運行用指令生成部7；從NC控制裝置2接收電流波形，檢測電流指令的峰值電流值或反饋電流的峰值電流值的電流值檢測部8；根據檢測到的峰值電流值和試驗運行時的假定時間常數T的關係，推定在真正控制時使伺服電動機19以希望的目標電流值實際動作時的真正時間常數τ(τ2)的時間常數推定部9；將推定的時間常數τ向NC控制裝置2的參數管理部5進行發送的參數設定部10。
圖2表示伺服電動機控制系統1的方框圖。NC控制裝置2，具有處理器板15、數字伺服控制電路17和伺服放大器18。處理器板15具有中央運算處理裝置(以下稱為CPU)15a、ROM15b、RAM15c、以及未圖示的CMOS，經由總線16在與NC控制裝置2內的其它部分之間進行指令、數據的交換。CPU15a按照在ROM15b中存儲的系統程序控制NC控制裝置2。系統程序進行程序的生成以及編輯處理、用於自動運行的再生處理、模擬、伺服參數的調整處理。
RAM15c的很大一部分構成了非易失性存儲器區域，存儲了示教數據、位置數據(伺服數據)、各種設定值、和各種動作程序。RAM15c的一部分為了CPU15a執行的計算處理等，用於暫時存儲數據。CMOS存儲器被構成為作為由未圖示的電池後備的，即使切斷NC控制裝置2的電源仍然保持存儲狀態的非易失性存儲器。在該CMOS存儲器中，經由串行埠20存儲從示教操作盤(CRT/MDI單元)21輸入的動作程序和數據。
數字伺服控制電路17，具備工具機的軸控制電路(未圖示)、主軸控制電路(未圖示)。各個控制電路經由總線16與處理器板15相連接，接收來自CPU15a的移動指令。伺服放大器18，把從數字伺服控制電路17接收到的移動指令轉換為速度指令來驅動伺服電動機19。在與各個軸對應的伺服電動機19中內置了位置檢測用的脈衝編碼器(未圖示)，來自該脈衝編碼器的位置信號通過脈衝串或串行傳送進行反饋。在為脈衝串時，可以通過(頻率/速度)轉換形成速度數據；在為串行數據時，通過求出絕對位置的差分可取得速度數據。
例如，主軸控制電路接收向工具機的主軸旋轉指令，對主軸放大器輸出主軸速度指令。主軸放大器接收該主軸速度指令，以指令的旋轉速度使工具機的主軸電動機旋轉。通過齒輪或皮帶將位置編碼器與主軸電動機進行結合，位置編碼器與主軸的旋轉同步地輸出反饋脈衝，該反饋脈衝經由接口由CPU15a讀取。
位置的反饋信號、速度的反饋信號、電流的反饋信號以及反饋脈衝等可以作為伺服信息使用。電流的反饋信號用於本發明的時間常數的推定。
將各種輸入輸出部、外部存儲裝置以及外部設備經由未圖示的接口與總線16連接。NC控制裝置2，可以通過該接口在與外部裝置之間讀入動作程序等，還可以向外部輸出編輯的程序。
此外，對串行埠20進行總線連接，並與示教操作盤21和RS232C設備(通信用接口)22相連接。示教操作盤21用於輸入動作程序等程序、位置數據、各種設定值等。此外，將數位訊號用數字I/O(輸入輸出裝置)23、模擬信號用模擬I/O(輸入輸出裝置)24與總線16連接此外，上述NC控制裝置2的結構，因為與現有公知的控制裝置為大致相同的結構，所以省略其它的說明。
然後，對時間常數自動推定裝置6進行說明。本發明的時間常數自動推定裝置6通過與接口連接，可以處理動作程序和收發伺服信息。處理器30是整體控制時間常數自動推定裝置6的處理器，經由總線31讀出存儲在ROM32中的系統程序，並按照該系統程序整體控制時間常數自動推定裝置6。此外，在盤裝置33等存儲裝置中存儲了用於使伺服電動機19進行規定動作的各種程序。在RAM34中存儲暫時的計算數據、顯示數據以及經由CRT/MdI單元37由操作員輸入的各種數據。推定時間常數所需要的數據可以存儲在該RAM34中。
此外，在盤裝置33等存儲裝置中預先寫入了使計算機執行以下功能部的動作程序檢測通過為試驗運行而預先準備的假定時間常數T使伺服電動機19加速動作時的峰值電流值P的功能部；和根據峰值電流值P和假定時間常數T的關係，推定在真正控制時以希望的目標電流值使伺服電動機19實際動作時的真正時間常數τ的功能部。此外，存儲在存儲裝置中的程序，被從存儲裝置中讀出後傳送給NC控制裝置2。接口35在與NC控制裝置2之間進行信號的交換。
CRT/MdI單元37是具備處理器、存儲器、顯示器以及鍵盤等的手動數據輸入裝置。接口38接受來自CRT/MdI單元37的數據將其交給處理器30。此外，CRT/MdI單元37根據從處理器30發送來的數據，執行顯示處理在顯示器上進行顯示。
然後，根據圖3以及圖4A、4B，對使用時間常數自動推定裝置6的第一時間常數自動推定方法進行說明。
首先，在步驟A1中，設置在真正控制時想要實現的加速時的峰值電流值A。在步驟A2中，將用於試驗運行的假定時間常數T(圖4A)發送給NC控制裝置2。在步驟A3中，將用於試驗運行的動作程序發送給NC控制裝置2。在步驟A4中，在進行了從NC控制裝置2進行接收的電流數據取得準備之後，在步驟A5中進行試驗運行。在步驟A6中，從NC控制裝置2接收(取得)電流指令或反饋電流的電流波形。在步驟A7中，從接收到的電流波形中讀取電流指令的峰值電流值P或反饋電流的峰值電流值P。在步驟A8中，根據式子τ＝T/(A/P)自動計算與真正控制加速時的峰值電流值A對應的時間常數τ(圖4B)。其中，T假定時間常數、P以假定時間常數進行驅動時的峰值電流值、A真正控制時流過的希望的目標電流值。上式中，伺服電動機19的電流值與轉矩關係為比例關係，通過簡單的比例計算來求出時間常數τ。在步驟A9中，將求出的時間常數τ發送給NC控制裝置2，然後結束。
圖5A表示了試驗運行時的實際的電流波形，圖5B表示了真正控制時的實際的電流波形。在圖中，與電流波形一起還記載了電動機速度。可知在圖5A和圖5B中為得到相同的電動機速度而流過的電流指令的電流值不相同。在圖5A中，因為使用長的時間常數(300ms)，所以僅使用了最大電流的12％。與此相對，在圖5B中，因為以流過最大電流85％的電流為目標，所以為短時間常數(42ms)。因此，通過使用如此推定的時間常數τ進行控制，可以最大限度地發揮伺服電動機19的性能，可以進行周期短的控制。
然後，根據圖6以及圖7A、7B，對使用時間常數自動推定裝置的第二時間常數自動推定方法進行說明。作為時間常數自動推定裝置，除了第一方法中使用的時間常數自動推定裝置6的功能之外，還使用檢測恆定電流值的第二電流值檢測部(未圖示)的功能。
步驟B1～B7因為與步驟A1～A7相同，所以省略重複的說明。在步驟B8中，通過第二電流值檢測部讀取以一定速度移動的部分的恆定電流值B。在步驟S9中，將峰值電流值P減去恆定電流值B的值作為新的峰值電流值，將希望的峰值電流值A減去恆定電流值B的值作為新的目標電流值，根據τ＝T/{(A-B)/(P-B)}計算與真正控制的加速時的峰值電流值A對應的時間常數τ。式中，T假定時間常數，P以假定時間常數驅動時的峰值電流值，A真正控制時流過的目標電流值，B恆定電流值。在步驟B10中，將求出的時間常數τ發送給NC控制裝置2，然後結束。
根據第二時間常數自動推定方法，可以將摩擦轉矩消除的電流值和加速電流值分開，來求出去除了由摩擦產生的影響的正確的時間常數。
然後，根據圖8以及圖9A～圖9C，對使用時間常數自動推定裝置的第三時間常數自動推定方法進行說明。作為時間常數自動推定裝置，除了第二方式中使用的時間常數自動推定裝置的功能以外，還使用判定峰值電流值是否達到了伺服放大器的最大允許電流值的未圖示的峰值電流值判定部(第一判定部)的功能。
首先，在步驟C1中，將在真正控制時希望實現的加速時的峰值電流值A設為放大器最大允許電流。步驟C2～C10因為與步驟B2～B10相同，所以省略重度的說明。在步驟C11中，以在步驟C10中推定的時間常數τ1執行試驗運行。在步驟C12中，通過判定部判定峰值電流值是否達到了伺服放大器的最大允許電流值。判定的結果在為NO時結束作業，在為YES時，在步驟C13中，把推定時間常數τ1乘以係數的值作為修正後(調整後)的時間常數τ2，再次進行試驗運行。以下，反覆進行相同的作業，直到判定結果為NO。
圖9A表示使用假定時間常數T試驗運行時的電流波形和電動機速度。圖9B表示使用通過計算推定的時間常數τ1時的電流波形和電動機速度。表示峰值電流值達到了放大器最大允許電流值P(電流波形的前端變得平坦)。圖9C表示使用修正時間常數τ2時的電流波形和電動機速度，表示峰值電流值沒有達到放大器最大允許電流值P(電流波形的前端變得尖銳)。
根據第三時間常數自動推定方法，可以在峰值電流值沒有達到伺服放大器的最大允許電流值的條件下推定時間常數τ2。因此，可以避免伺服電動機19在負荷較大的狀態下的長期運行，防止伺服電動機19以及伺服放大器18的熱損傷。
然後，根據圖10以及圖11A～11C，對使用時間常數自動推定裝置的第四時間常數自動推定方法進行說明。作為時間常數自動推定裝置，除了第三方式中使用的時間常數自動推定裝置的功能以外，還使用對峰值電流值達到伺服放大器的最大允許電流值的狀態所持續的時間進行測定，判定持續時間是否在規定時間以內的未圖示的持續時間判定部(第二判定部)的功能。
步驟D1～D12因為與步驟C1～C12相同，所以省略重複的說明。在步驟D13中，通過持續時間判定部對峰值電流值達到伺服放大器的最大允許電流值的狀態所持續的時間進行測定，在持續時間在規定時間以內時(YES)結束作業；相反，在為ON時，在步驟D14中將推定時間常數τ1乘以係數的值作為修正時間常數τ2，在步驟D11中再次進行試驗運行。以下，反覆進行相同的作業，直到判定結果為YES。
圖11A表示使用假定時間常數T進行試驗運行時的電流波形和電動機速度。圖11B表示使用通過計算推定出的時間常數τ1時的電流波形和電動機速度。表示持續時間在規定時間以上。圖11C表示使用修正時間常數τ2時的電流波形和電動機速度，持續時間小於規定時間。
根據第四時間常數自動推定方法，在由持續時間測定部測定的持續時間在規定時間以上時，根據推定時間常數τ1求出修正時間常數τ2，使持續時間小於規定時間，由此，可以在位置偏差或速度偏差不過大的範圍內，進行發揮伺服電動機19的最大性能的控制。
此外，本發明並不限於上述實施方式，在不超出本發明主旨的範圍內可以進行各種變形來實施。在本實施方式中，在使用假定時間常數的試驗運行與使用通過計算求出的推定時間常數τ的真正控制時，以負荷慣性相同為前提，但是在試驗運行時的負荷慣性與真正控制時的負荷慣性不同時，也可以根據試驗運行時的負荷慣性與真正控制時的負荷慣性的比例來修正推定時間常數。
即，在把試驗運行時(調整時)的電動機慣性設為Jm(不變)，機械慣性設為JL1，假定時間常數設為T1，真正控制時(實際運行時)的機械慣性設為JL2時，可以通過τ＝T1·{(Jm+JL2)/(Jm+JL1)}求出實際運行時的真正時間常數τ。
此外，伺服電動機控制系統1由經由信號線相互連結的NC控制裝置2和時間常數自動推定裝置6構成，但是如圖12所示，也可以將NC控制裝置2和時間常數自動推定裝置6做成一體化來構成伺服電動機控制系統100。此外，如本實施方式，在單獨構成NC控制裝置2和時間常數自動推定裝置6時，可以使時間常數自動推定裝置6為個人電腦。
以上，參照最佳實施方式對本發明進行了說明，但本行業的從業人員一定會理解在不脫離本發明請求範圍的公開範圍的情況下，可以進行各種各樣的修改以及變更。
權利要求
1.一種時間常數自動推定方法，其用於自動推定伺服電動機(19)加速時的時間常數，其特徵在於，具備下述步驟對使用為了試驗運行而預先準備的假定時間常數(T)使所述伺服電動機(19)加速動作時的峰值電流值(P)進行檢測；和根據該峰值電流值(P)與所述假定時間常數(T)的關係，推定在真正控制時以希望的目標電流值(A)使所述伺服電動機(19)實際動作時的真正時間常數(τ)。
2.根據權利要求1所述的時間常數自動推定方法，其特徵在於，通過式子τ＝T/(A/P)來推定所述真正時間常數(τ)，其中，T假定時間常數、P以假定時間常數進行驅動時的峰值電流值、A真正控制時流過的希望的目標電流值。
3.一種時間常數自動推定裝置(6)，其用於自動推定伺服電動機(19)加速時的時間常數，其特徵在於，具備電流值檢測部(8)，其對使用為了試驗運行而預先準備的假定時間常數(T)使所述伺服電動機(19)加速動作時的峰值電流值(P)進行檢測；和時間常數推定部(9)，其根據所述峰值電流值(P)與所述假定時間常數(T)的關係，推定在真正控制時以希望的目標電流值(A)使所述伺服電動機(19)實際動作時的真正時間常數(τ)。
4.根據權利要求3所述的時間常數自動推定裝置(6)，其特徵在於，所述時間常數推定部(9)通過式子τ＝T/(A/P)來推定所述真正時間常數(τ)，其中，T假定時間常數、P以假定時間常數進行驅動時的峰值電流值、A真正控制時流過的希望的目標電流值。
5.根據權利要求3或4所述的時間常數自動推定裝置(6)，其特徵在於，具有在所述試驗運行時，對使所述伺服電動機(19)進行恆速動作時的恆定電流值(B)進行檢測的第二電流值檢測部，將所述峰值電流值(P)減去所述恆定電流值(B)的值作為新的峰值電流值，將所述希望的目標電流值(A)減去所述恆定電流值(B)的值作為新的希望的目標電流值。
6.根據權利要求3所述的時間常數自動推定裝置(6)，其特徵在於，具備在使用所述真正時間常數(τ)進行所述伺服電動機(19)的試驗運行時，判定所述峰值電流值(P)是否達到了伺服放大器(18)的最大允許電流值的第一判定部，在由該第一判定部判定為所述峰值電流值(P)達到了伺服放大器(18)的最大允許電流值時，通過使該真正時間常數(τ)乘以規定的係數來改寫所述真正時間常數(τ)，直到所述峰值電流值(P)達不到伺服放大器(18)的最大允許電流值為止，另一方面，在判定為所述峰值電流值(P)沒有達到所述伺服放大器(18)的最大允許電流值時，不改寫所述真正時間常數(τ)。
7.根據權利要求3所述的時間常數自動推定裝置(6)，其特徵在於，具備在使用所述真正時間常數(τ)進行所述伺服電動機(19)的試驗運行時，檢測所述峰值電流值(P)達到了伺服放大器(18)的最大允許電流值的狀態持續的持續時間，並判定該持續時間是否在規定時間以內的第二判定部，在通過該第二判定部判定為所述持續時間在規定時間以上時，通過使該真正時間常數(τ)乘以規定的係數來改寫所述真正時間常數(τ)，直到所述持續時間小於所述規定時間為止，另一方面，在判定為所述持續時間短於規定時間時，不改寫所述真正時間常數(τ)。
8.根據權利要求3所述的時間常數自動推定裝置(6)，其特徵在於，具備修正所述真正時間常數(τ)的修正部，所述修正部，在所述試驗運行時的負荷慣性與所述真正控制時的負荷慣性不同時，根據所述試驗運行時的負荷慣性與所述真正控制時的負荷慣性的比率來修正所述真正時間常數(τ)。
9.一種伺服電動機控制系統，其特徵在於，具備權利要求3所述的時間常數自動推定裝置。
全文摘要
一種用於自動推定伺服電動機加速時的時間常數的時間常數自動推定裝置，具備對使用為了試驗運行而預先準備的假定時間常數使伺服電動機加速動作時的峰值電流值進行檢測的電流值檢測部；和根據峰值電流值與假定時間常數的關係，推定在真正控制時以希望的目標電流值使伺服電動機實際動作時的真正時間常數的時間常數推定部。
文檔編號G05B19/18GK1983095SQ20061016563
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月11日 優先權日2005年12月12日
發明者巖下平輔, 置田肇, 杉山和之 申請人:發那科株式會社