CN101477330A - 具有增益自动调整功能的伺服电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有增益自动调整功能的伺服电动机控制装置。该装置具有：干扰加算部，其在所述速度指令值或者所述转矩指令值上，加上规定频率的干扰；输入输出特性估计处理部，其估计将所述干扰作为控制系统的输入值、将所述速度指令值或者所述转矩指令值作为控制系统的输出值时的输入输出增益和相位滞后；频率确定部，其进行基于频率响应法的解析，确定成为规定的相位滞后的所述干扰的频率；输入输出增益确定部，其确定通过该频率确定部确定的频率下的输入输出增益；以及倍率重新设定部，其通过对确定的输入输出增益与规定的输入输出增益的目标值之间的比率进行规定的运算，来重新设定所述调整倍率。

Description

具有增益自动调整功能的伺服电动机控制装置

技术领域

本发明涉及具有根据驱动对象等可以自动调整速度控制增益的增益自动调整功能的伺服电动机控制装置。

背景技术

一般，在伺服电动机控制装置中，根据驱动对象决定速度控制增益，这在改善速度控制的响应性的方面是重要的。速度控制增益的最佳值随着电动机所驱动的驱动对象而变化，因而需要根据控制对象调整速度控制增益。作为调整速度控制增益的方法的一例，已知有以下方法：进行基于频率响应法的解析，观测输入输出增益的增益裕度、相位裕度，并将该值作为目标值设定与运算常数相对的调整倍率。

但是，在对增益裕度进行观测的方法中，进行调整以使例如相位滞后成为-180°的频率下的输入输出增益成为-3dB左右，但若以调整前的增益裕度的观测值与-3dB之间的比率设定调整倍率，则已判明使用了已设定的调整倍率的结果是输入输出增益超过-3dB。输入输出增益超过-3dB是因为运算常数与速度控制的频率特性的输入输出增益之间的关系不存在比例关系的缘故。此外，若仅观测了增益裕度，则往往会使在相位滞后成为-180°的频率以外的频率下的输入输出增益变大。

作为其他的现有技术的一例，在特开平8-195043号公报中公开了应用到HDD的磁头定位控制系统的定位控制系统的增益调整方法。在特开平8-195043号公报的【0007】段中记载了以下内容：“具有输出与磁头的当前位置和目标位置的位置误差相对应的位置误差信号的检测单元，对基准测定信号和位置误差信号的各振幅值进行比较来调整系统的增益以使比较结果一致”。

此外，作为其他现有技术的一例，在特开2003-316402号公报中公开了可确定频率的驱动控制装置。在特开2003-316402号公报的【0056】段中记载了以下内容：“将规定的信号(依次输出不同频率的正弦波的信号或者由同一振幅构成的重叠了多个频率的信号)与根据位置指令值生成的电流指令值相加，并利用该加算结果控制伺服电动机。另一方面，测定伺服电动机的响应(速度反馈值、位置反馈值、电流反馈值等)，并比较作为对其测定结果进行了规定的运算后的值的特征量(伺服电动机的响应的最大值和最小值的差)与预先规定的目标值。此时，例如特征量不在规定的范围内时，变动上述规定信号的振幅，以使特征量与目标量接近，之后重复执行该调整，在特征量进入规定的范围内的阶段，判断为得到了足够的频率特性确定精度。由此，利用调整成最佳状态的上述规定信号，能够确定频率特性，因而即使是反馈控制系统改变了时，也能够高精度地确定频率特性”。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够容易且正确地进行速度控制增益的调整，并能提高伺服电动机的控制的可靠性的具有增益自动调整功能的伺服电动机控制装置。

为了达成上述目的，本发明的一个形态，是提供一种伺服电动机控制装置，其具有速度控制增益自动调整功能，其特征在于，

具有：速度控制部，其通过将作为速度指令值和速度检测值之间的差分的速度偏差，乘以作为运算常数和为了调整该运算常数而预先设定的调整倍率的乘积的所述速度控制增益，来计算出转矩指令值；干扰加算部，其将规定频率的干扰与所述速度指令值或者所述转矩指令值相加，；输入输出特性估计处理部，其估计将所述干扰作为控制系统的输入值、将所述速度指令值或者所述转矩指令值作为控制系统的输出值时的输入输出增益和相位滞后；频率确定部，其进行基于频率响应法的解析，确定形成规定的相位滞后的所述干扰的频率；输入输出增益确定部，其确定通过该频率确定部确定的频率下的输入输出增益；以及倍率重新设定部，其通过对确定的输入输出增益与规定的输入输出增益的目标值之间的比率进行规定的运算，重新设定所述调整倍率。

根据该构成，能够容易且正确地自动调整速度控制增益以使如所述确定的输入输出增益接近所述规定的输入输出增益目标值，，并能提高伺服电动机的控制的响应性(可靠性)。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，所述倍率重新设定部，将对所确定的输入输出增益与规定的输入输出增益目标值之间的比率乘以规定的修正系数的而得的值，乘以所述调整倍率，由此，重新设定调整倍率。根据该构成，能够使调整倍率的变化的幅度变大，提高一定时间中的调整的自由度。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，伺服所述倍率重新设定部，对从确定的输入输出增益和规定的输入输出增益目标值之间的比率减去1所得的值乘以未满1的规定的修正系数，再将加上1所得的值上乘以所述调整倍率，由此，重新设定所述调整倍率。根据该构成，能够缓和调整倍率的变化部分，此外，不会将修正比率已被判断为1以上(倍率上升)的情况计算成未满1(倍率下降)的情况，或者被计算成与其相反的情况，能够进行更加稳定的速度控制增益的调整。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，可以也将所述干扰的波形做成正弦波。由此，根据基于频率响应法的解析，能够正确地进行速度控制增益的调整。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，通过所述频率确定部确定的频率是相位滞后与-180°相等或者其绝对值小于-180°的绝对值的频率，将所述输入输出增益目标值作为0dB以下的规定的值，来进行该频率下的输入输出增益趋近该输入输出增益目标值的调整。由此，由于由频率确定部确定的频率是相位滞后与-180°相等或者其绝对值小于-180°的绝对值的频率，因而能够满足控制能够响应的频率区域内的速度控制增益调整的必要性。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，还具有最大增益计算部，该最大增益计算部，在比由所述频率确定部确定的频率低的频率下，求出所述输入输出增益的最大值，在所述最大值大于0dB以上的规定的值时，也可以按所述最大值和所述规定的值之间的比率，降低所述速度控制部的调整倍率。由此，能够在比由所述频率确定部确定的频率低的频率区域下，提高控制的可靠性。该频率区域是控制能够响应的频率区域，多少超过0dB也没有问题，但为了安全，通过在例如最大值超过5dB～10dB时，降低运算常数，能够提高控制的稳定性。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，在比由所述频率确定部确定的频率高的频率下，共振频率下的输入输出增益超过了规定的值时，也能够根据该输入输出增益和所述规定的值之间的比率，降低所述速度控制部的所述调整倍率。能够防止在共振频率下控制变得不稳定，或者不能控制。因为在比求出调整倍率的频率高的频率下控制不能充分地响应，所以需要将输入输出增益降低到-3dB～10dB以下程度，但在观测到大到0dB以下的规定的值以上的值时，通过降低运算常数，能够提高控制的稳定性。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，在重新设定所述调整倍率后，求出新的调整倍率下的输入输出增益，重复进行所述调整倍率的重新设定，以使该输入输出增益接近所述规定的输入输出增益目标值，当所述输入输出增益进入了包含所述规定的输入输出增益目标值的规定的范围内时，结束重新设定。由此，重新设定所述调整倍率后，求出新的调整倍率下的输入输出增益，重复进行所述调整倍率的重新设定，以使该输入输出增益接近所述规定的输入输出增益目标值，并在所述输入输出增益进入包含所述规定的输入输出增益目标值的规定的范围内时，结束重新设定，由此，就能够更加正确地求出恰当的调整倍率。

此外，在所述伺服电动机控制装置中，也可以使在第二次的所述调整倍率的重新设定中使用的所述修正系数，大于在第一次的所述调整倍率的重新设定中使用的所述修正系数。由此，例如在求出第一次的调整倍率时使用的修正系数，可使用0.6倍左右小的值，在求出第二次的调整倍率时，通过使用接近1的修正系数，由此，在每次重复调整时就能够得到接近输入输出增益的目标值的结果。为了求出调整倍率，一般来说在相位滞后量为-180°的频率下进行，而解释成在控制上要求响应性的频率的临界值，能够在-90°～-180°程度的范围内任意设定，通过将频率设定成较高的值，检测误差变小，能够更加稳定地求出调整倍率。

附图说明

通过与附图相关联的以下优选实施方式的说明，本发明的上述以及其他目的、特征以及优点变得更加明确。在附图中，

图1是表示经由本发明的伺服电动机控制装置，从位于上游侧的未图示的上位控制装置到伺服电动机的控制指令的流动的框图；

图2是图1中所示的速度控制部的放大图；

图3是增益调整部的结构图；

图4是为了说明决定修正系数α的方法而使用的增益的伯德图；

图5是在图4的增益的伯德图中，表示比率X的说明图；

图6是表示已调整的输入输出增益C的说明图；

图7是表示已调整的输入输出增益D的说明图；

图8是为了说明决定修正系数α的其他方法使用的伯德图；

图9是倍率100％的调整前的伯德图；

图10是调整倍率484％的调整后的伯德图；

图11是调整倍率368％的调整后的伯德图；

图12是说明调整后的增益的阈值的说明图；

图13是表示倍率的初始值和α的最佳值的关系的说明图；

图14表示图中所示的框图的变形，是在速度指令值上加上速度干扰的框图。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明。本发明的伺服电动机控制装置1是通过控制作为驱动源的伺服电动机2，例如，使产业用机器人的关节或者机床的工作台等驱动对象动作。

在图1中示出了表示经由伺服电动机控制装置1从位于上游侧的未图示的上位控制装置到伺服电动机2的控制指令的流动的框图。如图所示，伺服电动机控制装置1具有：通过在作为速度指令值与速度检测值的差分的速度偏差上乘上速度控制增益，来输出转矩指令值的速度控制部3；输入在转矩指令值上加上转矩干扰6的值后输出电流指令值的电流控制部5；以及自动调整速度控制部3的速度控制增益的调整部4。在伺服电动机2中，经由未图示的伺服放大器提供来自电流控制部5的电流指令值，使机器人或机床等驱动对象动作。

使用图2更详细地说明速度控制部3。速度控制部3，在作为速度指令值和速度检测值的差分的速度偏差上乘上速度比例增益(运算常数)7而得的值上，加上在速度偏差的积分值上乘上速度积分增益(运算常数)8而得的值，并在该值上乘上规定的调整倍率mag，由此，输出转矩指令。此处，在本说明书中，将通过在速度比例增益7以及速度积分增益8上乘上调整倍率mag而得到的综合增益确定为速度控制增益。

如图3所示，增益调整部4具有：输入输出特性估计处理部儿、频率确定部12、输入输出增益确定部13以及倍率重新设定部14。所述输入输出特性估计处理部11将转矩干扰6作为控制系统的输入值，并将转矩指令值作为控制系统的输出值，来估计输入输出增益和相位滞后；所述频率确定部12，一边改变转矩干扰6的频率一边确定成为规定的相位滞后的转矩干扰6的频率；所述输入输出增益确定部13，确定在频率确定部12中确定的频率下的输入输出增益；所述倍率重新设定部14，通过将在确定的输入输出增益与规定的输入输出增益目标值之间的比率上乘上规定的修正系数α而得的值，乘上调整倍率mag，来设定调整倍率mag。通过这样的增益调整部4，可自动地设定调整倍率mag。

然后，参照图4～7，来说明倍率重新设定部14中的修正系数α的决定方法。

如图4所示，在输入输出增益A上乘上比率X，进行接近输入输出增益B(规定的增益目标值)的调整时，因为“dB值＝20log输入输出倍率”，  所以

输入输出增益A＝20log输入输出倍率A、输入输出倍率A＝10^{输入输出增益A/20}，

输入输出增益B＝20log输入输出倍率B、输入输出倍率B＝10^{输入输出增益B/20}。

然后，求出输入输出增益B除以输入输出增益A的比率X，为：

比率X＝输入输出倍率B/输入输出倍率A＝10^{输入输出增益B/20}/10^{输入输出增益A/20}＝10^{(输入输出增益B/20-输入输出增益A/20)/20}

在图5中，示出了使输入输出增益A扩大5倍的值为输入输出增益B的情况。但是，由于机械的非线性性，即使将比率X直接乘上速度控制部3的调整倍率mag，也无法得到输入输出增益B的特性，如图6所示，而成为超过输入输出增益B的输入输出增益C的结果。超过的幅度因机械结构、负荷等环境而不同(考虑成伺服电动机特性的差异)。

因此，定义修正系数α，乘上比率X，将乘上X而得的值乘上调整倍率mag，由此，来试图做到使输入输出增益C不过分上升。此时，也考虑到比率X已为大于1，但成为未满1(输入输出增益应该上升时反而下降了)，但由于变化的幅度大，因而在一定时间中的调整的自由度变高。

作为修正系数α的决定方法，将Xα乘上调整倍率上而得的输入输出增益作为D时，D比A更靠近B，即在成立|D-B|<|B-A|的范围内决定α。因此，

在B≦D时，通过使α为稍微大于1/X的值(假定＝β⁺)来实现(α的下限)。此外，当将成立D-B＝B-A的α作为γ时，可以在β⁺<α<γ的范围内任意决定α。理想的是，能够在β<α<γ的范围内，确定使输入输出增益成为规定的输入输出增益B的α，但由于即使在β⁺<α<γ的范围内任意决定，也一定会靠近规定的输入输出增益B，因而在定义上没有问题。

在B>D时，通过使α稍微小于1/X的值(假定＝β^-)来实现(α的上限)。此外，当将成立B-D＝A-B的α作为γ时，可以在γ<α<β^-的范围内任意决定α。理想的是，能够在γ<α<β^-的范围内，确定使输入输出增益成为规定的输入输出增益B的α，但由于即使在γ<α<β^-的范围内任意决定，也一定会靠近规定的输入输出增益B，因而在定义上没有问题。

按照如上行事，就能决定未满1的修正系数α，如图7所示，就可以求出接近输入输出增益B的输入输出增益D。

然后，参照图8来说明通过其他方法决定修正系数α的方法。

在该方法中，不是定义未满1的修正系数α、而直接乘上比率X，而是如式(1)所示，通过在B-A(A的变化部分)上乘上α来缓和变化部分，使其接近B的方法。

{A+(B-A)×α}/A＝1+(X-1)×α     ...(1)

即将式(1)乘上调整倍率mag上而得的输入输出增益作为D来求出。作为α的决定方法，D比A更靠近B，即需要在成立|D-B|<|B-A|的范围内决定α。如图8所示，当α＝0时，D＝A，因而只要将α设定成接近0的正值，就一定能满足条件|D-B|<|B-A|。若使α变大，则D单调增加(或者单调减少)，存在|D-B|无限接近0的点。若使A进一步变大，最终会变得不满足条件(|D-B|>|B-A|)，调整后比调整前会更远离规定的输入输出增益B。综上所述，若将成立D-B＝B-A的α作为γ，则在0<α<γ的范围内可任意决定α。

在该方法中，很难一次决定最佳的α，但能够确实地接近规定的输入输出增益B。这些一连串的动作，不需要手动的信息的输入等，因而能够自动调整。

由于该方法具有缓和变化部分的特征，在倍率中不需要较大的变化时虽然需要进行多次，但不会有比率X已为1以上(倍率上升)而却变成了未满1(倍率下降)的情况，能够进行更加稳定的调整。

在图9～11中示出了调整前和调整后的伯德图。

图9是在调整前的倍率100％下的伯德图。图中，相位滞后成为-180°的频率下的输入输出增益为-16.7dB。将输入输出增益的目标值作为-3dB时，输入输出增益的目标值与实测值(解析值)的比率X为10^{(-a+16.7)/20＝20}＝4.84(倍)。通过在该倍率X上乘上100％，求出调整倍率成为484％。

图10是修正倍率为484％下的伯德图。图中，相位滞后成为-180°的频率下的输入输出增益为2.9dB。这表示得到的输入输出增益比输入输出增益的目标值-3dB高5.9dB。此处，求出的修正系数α为(-3+16.7)/(2.9+16.7)＝0.699。然后，通过式(1)求出(4.84-1)×0.699+1＝3.68，求出调整倍率成为368％。

图11是修正倍率为368％下的伯德图。图中，相位滞后成为-180°的频率下的输入输出增益成为-1.8dB，得到非常接近输入输出增益的目标值-3dB的结果。

然后，参照图12来说明输入输出增益的增益阈值。在相位滞后与-180°相等或与-180°的绝对值相比绝对值小的频率区域内，设定调整倍率，以使输入输出增益的最大值不超过0dB以上的规定的值(例如5dB～10dB程度)，这样，就能够确保在控制可响应的频率区域内的稳定性。在绝对值比相位滞后-180°的绝对值大的频率区域内，调整倍率以将输入输出增益抑制在-3dB～-10dB以下。由于在该频率下控制不能充分响应，因而通过抑制增益，可以避免在共振频率下控制变得不稳定。

此外，在相位滞后-180°附近，基于控制的输出转矩的反映成为了与输入转矩相同的方向，因而，一旦超过0dB(即1倍)就会发散。因此，一般，若要在控制系统稳定的状态下将速度控制增益提高到最大，就要调整倍率以使相位滞后为-180°附近的规定相位滞后中的输入输出增益不超过0dB以下的规定值。此外，在绝对值比相位滞后-180°绝对值小的频率区域内，多少超过0dB也没有问题，但要调整倍率以使增益的最大值不超过5dB～10dB。通过最大增益计算部来求出输入输出增益的最大值，在最大值大于5dB～10dB时，要按照基于最大值与规定的阈值的差的比率进行调整，以使调整倍率下降。

图13是表示倍率的初始值和修正系数α的最佳值之间的关系的图。此处，所谓“倍率的初始值”是指：控制装置的制造者或者使用者在使用控制装置之前设定的倍率的值，所谓“α的最佳值”是指：在横轴的倍率的初始值中，求出输入输出增益的比率，将对其乘上α而得的值乘上倍率的初始值，在通过新的倍率求出的输入输出增益成为了规定的输入输出增益目标值时的α值。倍率的初始值越小，结果，α的最佳值越小。作为一例，从图9～11的结果可以知道，在倍率的初始值为100％时，求得修正系数α为0.68。倍率的初始值和α的最佳值之间的关系在所有的控制中并非是一义地决定的，但可以用作表示所有的控制中共同的倾向。

另外，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的基本思想及范围的前提下可以进行多种变更。在本实施方式中，如图1所示，在转矩指令值上加上了转矩干扰6，但也可以如图14所示，在速度指令值上加上速度干扰9，来重新设定调整倍率。

Claims (10)

1.一种伺服电动机控制装置(1、1A)，其具有速度控制增益自动调整功能，其特征在于：

具有：

速度控制部(3)，其通过对作为速度指令值和速度检测值之间的差分的速度偏差，乘以作为运算常数和为了调整该运算常数而预先设定的调整倍率的乘积的所述速度控制增益，来计算出转矩指令值；

干扰加算部(10)，其在所述速度指令值或者所述转矩指令值上加上规定频率的干扰(6、9)；

输入输出特性估计处理部(11)，其估计将所述干扰(6、9)作为控制系统的输入值、将所述速度指令值或者所述转矩指令值作为控制系统的输出值时的输入输出增益和相位滞后；

频率确定部(12)，其进行基于频率响应法的解析，确定形成规定的相位滞后的所述干扰(6、9)的频率；

输入输出增益确定部(13)，其确定通过该频率确定部(12)确定的频率下的输入输出增益；以及

倍率重新设定部(14)，其通过对确定的输入输出增益与规定的输入输出增益的目标值之间的比率进行规定的运算，重新设定所述调整倍率。

2.根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

所述倍率重新设定部(14)，其通过将对所确定的输入输出增益与规定的输入输出增益目标值之间的比率乘以规定的修正系数(α)而得的值，乘以所述调整倍率，来重新设定调整倍率。

3.根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

所述倍率重新设定部(14)，其通过对从确定的输入输出增益和规定的输入输出增益目标值之间的比率减去1后所得的值，乘以未满1的规定的修正系数(α)，再将加上1后所得的值乘以所述调整倍率，来重新设定所述调整倍率。

4.根据权利要求2或3所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

所述干扰(6、9)的波形为正弦波状。

5.根据权利要求2或3所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

通过所述频率确定部(12)确定的频率是相位滞后与-180°相等或者其绝对值小于-180°的绝对值的频率，将所述输入输出增益目标值作为0dB以下的规定的值，来进行该频率下的输入输出增益接近该输入输出增益目标值的调整。

6.根据权利要求2或3所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

具有最大增益计算部，该最大增益计算部，在比由所述频率确定部(12)确定的频率低的频率下，求取所述输入输出增益的最大值，

在所述最大值大于0dB以上的规定的值时，按所述最大值和所述规定的值之间的比率，降低所述速度控制部(3)的所述调整倍率。

7.根据权利要求2或3所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

在比由所述频率确定部(12)确定的频率高的频率下，共振频率下的输入输出增益超过了规定的值时，按该输入输出增益和所述规定的值之间的比率，降低所述速度控制部(3)的所述调整倍率。

8.根据权利要求2或3所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

在重新设定所述调整倍率后，求取新的调整倍率下的输入输出增益，重复进行所述调整倍率的重新设定，以使该输入输出增益接近所述规定的输入输出增益目标值，当所述输入输出增益进入了包含所述规定的输入输出增益目标值的规定的范围内时，结束重新设定。

9.根据权利要求2或3所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

重新设定所述调整倍率后，求取新的调整倍率下的输入输出增益，重复进行所述调整倍率的重新设定，以使该输入输出增益接近所述规定的输入输出增益目标值，当所述输入输出增益进入了包含所述规定的输入输出增益目标值的规定的范围内时，结束重新设定。

10.根据权利要求8所述的伺服电动机控制装置(1、1A)，其特征在于，

在第二次的所述调整倍率的重新设定中使用的所述修正系数(α)，比在第一次的所述调整倍率的重新设定中使用的所述修正系数(α)还大。

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