CN104977899A - 位置控制装置 - Google Patents

Abstract

补偿功能构成装置，其根据使可动单元的移动方向反向所需的移动距离与作用于该可动单元的滑动阻力而计算相关性系数；以及，补偿量输出单元，其根据相关性系数和移动方向被反向时的反馈力矩计算直至该可动单元开始移动时所需的位置指令值上的移动距离，并根据移动方向反向后的移动距离增加力矩补偿量，直到移动方向反向后的移动距离达到直至移动开始所需的移动距离。

Description

位置控制装置

优先权信息

本申请要求以下日本专利申请的优先权：2014年4月14日提交的2014-083131、2014年8月21日提交的2014-168655和2015年3月4日提交的2015-042781；上述专利文件均以引用方式全文并入本申请。

技术领域

本发明涉及一种用于机器工具的进给轴等的位置控制装置。更为具体地，涉及对一种在移动方向反向时补偿后续延迟的位置控制装置的改进。

背景技术

当机器工具的进给轴移动方向反向时，由于摩擦力作用的方向变为反向，力矩响应受到延迟， 且观察到的延迟是相对于位置命令的后续延迟。为了降低该后续延迟，传统技术中有以下几种尝试。

图12是展示传统位置控制装置的示例的方框图。图12中，减法器1根据主机设备（未显示）发出的位置命令值Pc和安装在目标工厂12中的马达或被驱动体上的位置检测器的位置检测值Pd来计算位置偏差Pdif。计算所得的位置偏差Pdif由速度命令计算装置2（比例增益Kp）按比例放大，再由加法器4与速度前馈Vff相加得到速度命令值Vc，其中所述前馈速度Vff是微分器3对位置命令值Pc进行微分所得。然后，减法器5计算速度命令值Vc和速度检测值Vd之间的差异，其中速度检测值Vd来自对位置检测值Pd的微分或直接来自目标工厂12中安装的速度检测器。然后，分别由力矩命令计算装置6（比例增益Pv）和力矩命令计算装置7（积分增益增益Iv）比例放大和积分放大，并由加法器8进行相加以确定反馈力矩Tfb。此外，由加法器11令反馈力矩Tfb和前馈力矩Tff相加来得到力矩命令值Tc，其中前馈力矩Tff是由微分器9对前馈速度Vff进行微分后，乘以目标工厂12中的可动单元的马达轴转换惯量10所得。目标工厂12通过目标工厂12中的马达产生等于力矩命令值的力矩，驱动目标工厂12中设有的被驱动体穿过例如滚珠螺杆。

接下来，将描述移动方向反向时的力矩响应延迟。当沿一个方向驱动被驱动体时，主要需要2种力矩，其中之一是用于令被驱动体加速和减速的力矩，另一种则是用于克服滑动阻力（如摩擦力）进行移动的力矩。图12中，前者由根据运动方程所得的前馈力矩Tff来补偿；后者则被检测为位置检测值Pd对位置命令值Pc的后续延迟或速度检测值Vd对速度命令值Vc的后续延迟，由反馈力矩Tfb来补偿。特别是当被驱动体按命令移动时，速度命令值Vc和速度检测值Vd几乎处于相等状态，且用于克服滑动阻力移动的力矩由力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出来补偿。

在此，当向被驱动体发出命令来反转移动方向时，被驱动体的移动方向反向，同时，作用于被驱动体的滑动阻力也反向。因此，移动方向反转后，用于克服滑动阻力而移动的力矩极性也反向，且力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出极性也反向。在此，当移动方向反向时，若力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出可以迅速反转，就可以减小位置偏差Pdif。根据图12所示的现有技术，当补偿切换装置51检测到移动方向反向时，积分增益Iv增加，力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出迅速反转。如上所述的能够检测移动方向反向并改变积分增益Iv的补偿切换装置公开在JP2005-304155A等文件中。

在圆弧驱动时，为了实现令补偿随切线方向速度（驱动加速度）变化，JP2005-304155A测定了积分增益Iv的增量，如图13所示。图13中，当圆弧命令速度高时，移动方向反转后到达完成补偿所需的目标移动距离的所需时间短，则可以降低积分增益Iv的增量。另一方面，当圆弧命令速度低时，到达完成补偿所需的目标移动距离的所需时间长，则可以增加积分增益Iv的增量。因此，对于各种圆弧驱动速度而言，均可以实现补偿，迅速反转力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出。

另一方面，为了实现对各种处理条件的补偿，JP2005-304155A中，储存了对应于存在或不存在功能（例如形状错误补偿）和圆弧驱动速度的补偿模式，并根据处理条件切换补偿模式。

但是，图12所示的传统位置控制装置在移动方向反向时，有损害控制系统稳定性的可能。这是因为，通过增加积分增益Iv来迅速反转反馈力矩Tfb。反而言之，假设移动方向反向时会增加积分增益Iv，则正常驱动时提前降低积分增益Iv也是可能的，但这会在正常驱动时过度地保持增益余量，使得控制性能（例如命令后续性质）降低。而且，由于积分增益Iv的增量是通过方向反转后的移动距离来限定的，因此哪怕滑动阻力降低，仍会应用与高滑动阻力时相同的补偿，这是因为用于导引被驱动体的导轨的滑动平面因为例如长期的改变等而达到适切性，从而带来补偿过度、移动过度（例如超出目标）或被驱动体响应偶尔振荡的问题。

此外，JP2005-304155A的位置控制装置需要存储每种处理条件的补偿模式，因此需要大储藏能力来处理随机处理条件。此外，需要对每种处理条件设定补偿模式，因此存在消耗大量时间和劳力的问题，而且，如果发生长期变化，则必须重新设定补偿模式。

本发明解决了上述问题，并提供了一种位置控制装置，其能够在移动方向反转时，通过少量补偿参数有效补偿后续延迟，而不会损害控制系统的稳定性，且能够根据长期变化（例如滑动阻力变化）对补偿进行优化。

发明内容

本发明的位置控制装置用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值来输出速度命令值；反馈力矩输出单元，用于根据力矩补偿量和所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经比例积分放大所得的值来输出反馈力矩；前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力、从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离之间的关系；补偿量输出装置，用于在所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息和所述反馈力矩，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量。

本发明的位置控制装置用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值来输出速度命令值；反馈力矩输出单元，用于根据力矩补偿量和所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经比例积分放大所得的值来输出反馈力矩；前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力、从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离、驱动加速度之间的关系；以及补偿量输出装置，用于在所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息和所述反馈力矩，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量。

本发明另一个方面中的位置控制装置，用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值和速度补偿量来输出速度命令值；反馈力矩输出单元，用于根据所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经过比例积分放大后的值来输出反馈力矩；前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力、接收到所述位置命令值时从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻的移动距离之间的关系；补偿量输出装置，用于在所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息和所述反馈力矩，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量；低频率截止滤波器，其具有与所述反馈力矩输出单元相反逆转换特性，将所述力矩补偿量转化为所述速度补偿量并输出。

本发明另一个方面中的位置控制装置用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值和速度补偿量来输出速度命令值；反馈力矩输出单元，用于根据所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经过比例积分放大后的值来输出反馈力矩；前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力、从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离、驱动加速度之间的关系；补偿量输出装置，用于在所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息、所述反馈力矩和所述驱动加速度，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量；低频率截止滤波器，其具有与所述反馈力矩输出单元相反的转换特性，将所述力矩补偿量转化为所述速度补偿量并输出。

上述的位置控制装置中，优选地，相关性信息构成装置输出相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力和直到开始所述移动时所述位置命令值上的移动距离之间的比例系数；补偿量输出装置根据发出反向移动命令时的所述比例系数和反馈力矩计算预期移动距离，并输出力矩补偿量，其中所述预期移动距离是从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离，所述力矩补偿量根据所述比例系数和当前移动距离而随着所述当前移动距离的增加而增加，直至所述当前移动距离达到所述预期移动距离，所述当前移动距离是接收到位置命令值后从发出所述反向移动命令之时开始的移动距离。

上述的位置控制装置中，优选地，相关性信息构成装置输出相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力和直到开始所述移动时所述位置命令值上的移动距离、驱动加速度之间的比例系数；补偿量输出装置根据发出反向移动命令时的所述比例系数和反馈力矩计算预期移动距离，并输出力矩补偿量；所述预期移动距离是从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离；所述力矩补偿量根据所述比例系数和当前移动距离而随着所述当前移动距离的增加而增加，直至所述当前移动距离达到所述预期移动距离，所述当前移动距离是接收到位置命令值后从发出所述反向移动命令之时开始的移动距离。

本发明的位置控制装置能够以少量补偿参数有效地补偿移动方向反向时的后续延迟，而不会损害控制系统的稳定性。进一步地，可以根据对长期变化（例如滑动阻力变化）的响应来优化补偿。

附图说明

下面将引用以下附图，详细对本发明的优选实施例进行说明：

图1展示了本发明实施例之一的方框图。

图2展示了改变补偿参数时的控制响应变化。

图3展示了驱动加速度变化时的控制响应变化。

图4展示了滑动阻力变化时的控制响应变化。

图5展示了本发明的相关性系数确定方法。

图6展示了本发明的又一实施例的方框图。

图7展示了反馈力矩和滑动阻力的事件响应。

图8展示了驱动加速度和相关性系数K的放大系数之间的关系。

图9是展示本发明的实施例之一的方框图。

图10是本发明的补偿量的时间响应。

图11是本发明的实施例之一的方框图。

图12是展示现有技术的方框图。

图13展示了现有技术的补偿参数确定方法。

具体实施方式

下面将引用附图，叙述本发明的实施例。

实施例1

图1展示了本发明第一个实施例的控制方框图。与现有技术相同的元件以相似的标号表示，且省略了对其的说明。补偿功能构成装置21充当了相关性信息构成装置，其输出相关性系数K作为相关性信息，该相关性信息表示的是作用于可动单元上的滑动阻力与从发出反向命令到可动单元实际反向后开始移动的时刻所述位置命令值上的滑动距离之间的关系。具体而言，补偿功能构成装置21确定位置命令值Pc反向的时刻为t=0，当可动单元实际开始进行反向移动的时刻为t=T，并输出一个力矩，从而反馈力矩Tfb克服滑动阻力移动，并根据时刻T的反馈力矩Tfb的值Tfb（T）以及移动方向反向时刻（时刻0）与时刻T之间位置命令值上的移动距离D(T)=Pc(T)-Pc(0)，来计算相关性参数K，该参数在下一次移动方向反向时使用。Tfb（T）值可看作是作用于可动单元的滑动阻力，且相关性系数K是滑动阻力（Tfb（T））与位置命令值上的移动距离（D（T））之间的比例系数（即Tfb(T)=K×D(T)），下文中将对此进行详细叙述。

另一方面，补偿量输出装置22根据补偿功能构成装置21在前次（上次）移动方向反向时计算的相关性系数K和当前移动方向反向时刻（t=0时刻）的反馈力矩Tfb来决定力矩补偿模式，并输出对应于从移动方向反向时刻到当前时刻的移动距离D（T）=Pc（T）-Pc（0）的力矩补偿量Tad。下文将说明，力矩补偿量Tad是可变值，根据位置命令值Pc（T）（得到移动距离D（t））而变化；即是说，Tad(t)=K×D(t)。此外，加法器23将补偿量输出装置22输出的力矩补偿量Tad与加法器8的输出相加，以得到反馈力矩Tfb。

下面将说明用于计算力矩补偿量Tad的力矩补偿模式。若当移动方向反向时未执行该补偿，则反馈力矩Tfb和位置偏移Pdif的性质如图2的实线所示。当命令速度（前馈速度Vff）的极性从负反转到正时，被驱动体暂时停止；希望该被驱动体停止后立即向相反方向移动，但其进入无法开始移动的状态，因为没有输出足够的力矩来克服反向移动时产生的滑动阻力。此时，位置命令值Pc发出反向移动命令，但由于位置检测值Pd仍保持停止，因此位置偏差Pdfi逐渐增大。相应地，反馈力矩Tfb也开始反转。而且，当反馈力矩Tfb达到反向移动而产生的滑动阻力时，被驱动体和位置检测值Pd开始移动，且位置偏差Pdif开始减小。当位置偏差Pdif变为减小之后，反馈力矩Tfb几乎不变，而持续产生用于克服滑动阻力移动的力矩。

下面将说明力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的积分增益Iv增加时的响应。当积分增益Iv增加时，其性质如图2的虚线所示，且当其进一步增加时，其性质如点横线所示。换言之，当积分增益Iv增加时，即使速度偏差小也可以得到大输出，从而令反馈力矩Tfb达到滑动阻力的时间减小。由此一来，位置偏差Pdif可以减小，而且在理想状态下，当积分增益Iv无限增大时，位置偏差Pdif可以无限减小。但是，如上所述，当移动方向反向，位置偏差Pdif增加时，可能损害控制系统的稳定性。因此，考虑输出反馈力矩Tfb，该反馈力矩Tfb等于积分增益Iv增加时的情况，但积分增益Iv不增加。

当移动方向反向时，前馈速度Vff的影响占主导地位，且速度命令值Vc依照斜坡函数形状变化。另一方面，速度检测值Vd变为零，因为被驱动体暂时停止。因此，减法器5计算的速度偏差依照斜坡函数形状而变化，类似于速度命令值Vc。另一方面，当积分增益Iv增加时，与力矩命令计算装置6（比例增益Pv）相比，反馈力矩Tfb主要依赖于力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出。因此，当速度偏差依照斜坡函数形状变化时，反馈力矩Tfb可看作是依照速度偏差积分函数变化，亦即，依照二次方程函数形状变化。

因此，对于力矩补偿量Tad，可以执行在移动方向反向后变为二次方程形状的前馈力矩。此外，由于反馈力矩Tfb的变化在达到用于克服滑动阻力移动的力矩时达到饱和，因此，其也使力矩补偿量Tad在达到用于克服滑动阻力移动的力矩时达到饱和。滑动阻力的大小根据长期变化或驱动加速度而改变，但是，由于移动方向反向操作在数十毫秒的极短时间内带来的变化量非常小，因此，从移动方向反向时刻（t=0）的反馈力矩Tfb值Tfb（0）得到的值，即极性反向的- Tfb（0），被用作克服滑动阻力移动的力矩。

因此，在速度命令值Vc按照斜坡函数形状变化的情况下，可以限定一种力矩补偿模式，使得力矩补偿量Tad的时间响应性质为从Tfb（0）开始，按照斜坡函数形状变化，并饱和于- Tfb（0）。

例如，当按照上述力矩补偿模式加上如图2的反馈力矩Tfb图中的实线所示响应的力矩补偿量Tad时，力矩补偿量Tad就可以涵盖传统上由命令计算装置7（积分增益Iv）来补偿的滑动阻力，且命令计算装置7（积分增益Iv）输出补偿量来抑制位置偏差Pdif。由此一来，反馈力矩Tfb和位置偏差Pdif的性质如虚线所示。当加上如图2的反馈力矩Tfb图中的虚线所示的响应的力矩补偿量Tad作为力矩补偿量时，则反馈力矩Tfb和位置偏差Pdif的性质如点横线所示，且可以无需增加积分增益Iv就得到相同效果。

下面将描述驱动加速度变化时的响应。原本，当驱动加速度改变时，滑动阻力的大小也改变，但为简便起见，在此假设滑动阻力大小即使在驱动加速度变化的情况下也不改变。

图3展示了驱动加速度改变时，反馈力矩Tfb和位置偏差Pdif的时间响应特征。当驱动加速度增加时，前馈速度Vff、速度命令值Vc和速度偏差均在短时间内获得大数值。图3上半部分中，实现表示驱动加速度增加前的前馈速度Vff，且虚线表示驱动加速度增加后的前馈速度Vff。当驱动加速度增加时，力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出和反馈力矩Tfb也在短时间内获得大数值，并在短时间内达到克服滑动阻力移动的力矩。亦即，缩短力矩补偿量Tad变化为二次方程形状的时间也是必要的。

在此，当被驱动体经历幅角为P0、圆周速度为V0、中心坐标为（P0, 0）的圆弧驱动时，可以分别用等式1、等式2和等式3的函数来表达位置P（方向为X）、速度V和加速度A。速度V可以用位置P对时间t微分得出，加速度A可以用速度V对时间t微分得出。然后，在移动方向反向（时间t=0）之前和之后，等式1、2和3可以分别近似变形为等式4、5、6。

P=P0-P0·cos{(V0/P0)t} ····· 等式 1

V=V0·sin{(V0/P0)t}     ····· 等式 2

A=(V0²/P0)·cos{(V0/P0)t}····· 等式 3

P≈(1/2)·(V0²/P0)t²        ····· 等式 4

V≈(V0²/P0)t    ····· 等式 5

A≈(V0²/P0)     ····· 等式 6

等式1取t=0以泰勒公式展开至第二项可以得到等式4；等式2取t=0以泰勒公式展开至第一项可以得到等式5；等式3取t=0以泰勒公式展开至零级项可以得到等式6。等式5和6还可以与等式2和3类似地通过微分得到。亦即，等式5的速度V对应于通过对等式4的位置P关于时间t进行微分所得的情形，而等式6的加速度A对应于通过对等式5的速度V关于时间t进行微分所得的情形。等式4至6相当于时间=t时加速度A=（V0²/P0）（该加速度可从等式3计算所得）的匀加速运动的等式。而且，等式7可以从等式4和6推导出；从等式7中解时间t时，可以得到等式8:。

P≈(1/2)·At²    ·····等式 7

t≈√(2P/A)      ·····等式 8

等式8意味着，当驱动加速度A加倍时，移动相等距离所需时间缩短到1/√2倍；还意味着反馈力矩Tfb达到可克服滑动阻力移动的力矩的时间缩短到1/√2倍。

因此，对于力矩补偿量Tad的力矩补偿模式，其通过将接到位置命令值后自移动方向反向开始的移动距离D(t)=Pc(t)-Pc(0)乘以相关性系数K，在以二次函数形状变化的时间域中计算力矩补偿量Tad（t），其中移动方向反向后力矩补偿量Tad从Tfb(0)变为-Tfb(0)。亦即，力矩补偿量Tad的表达如等式9所示。

Tad(t)=K{Pc(t)-Pc(0)}=K·D(t)     ·····等式 9

若被驱动体进行圆周驱动且在移动方向反向之前和之后可看做是匀加速驱动，则使用等式7，等式9的Tad（t）项可以表达为相对于时间t按照二次函数形状变化的函数，如等式10所示。

Tad(t)=K{(1/2)·At²}    ·····等式 10

即使驱动加速度在移动方向反向后立即改变，也可能通过使用移动方向反向时刻开始的移动距离如等式9所示地限定力矩补偿量Tad，从而进行适当补偿。

下面将描述滑动阻力大小变化的响应。滑动阻力的大小随着长期变化等改变，并且随着驱动速度而改变。尤其是，滑动阻力的大小不仅因当前驱动速度变化，也因此前的驱动速度而变化。例如，当以极慢速度移动时，滑轨的滑动面负荷大，因为被驱动体克服油膜表面的油而移动；但是，当以高速移动时，被驱动体在油膜表面滑动，负荷因而变小。而且，当高速移动的被驱动体突然减速到以极低速度移动时，紧接着极低速度移动开始后的施加负荷小，但是负荷大小随着时间逐渐增加。

图4展示了被驱动体的驱动加速度相同而滑动阻力大小不同时，反馈力矩Tfb和位置偏差Pdif的时间响应性质。图4显示，当移动方向反转时，反馈力矩Tfb的大小确定为零。

当滑动阻力减小时，与图4实线所示的性质相比，反馈力矩Tfb和位置偏差Pdif的变化如图4虚线所示。亦即，当滑动阻力减小时，被驱动体和位置检测值Pd开始移动，直至位置偏差Pdif变为降低的所需力矩变小。有次一档，当滑动阻力小时，时间相应性质类似于滑动阻力大的情况，直至达到克服滑动阻力移动的力矩；而且，当达到克服滑动阻力移动的力矩时，反馈力矩Tfb饱和，且位置偏差Pdif变为降低。因此，为了适当进行补偿，必须知道某种准确度的滑动阻力大小，且移动方向反向时的反馈力矩Tfb的值Tfb（0）被确定为本发明的上述值。滑动阻力的大小可以被取代为力矩补偿量Tad和力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的输出值相加所得的值，且还可以指定为用例如干扰观测器所得的滑动阻力大小来取代。

根据上述说明，引用图5来描述图1的操作。图5展示了补偿功能构成装置21输出的相关性系数K的确定方法和补偿量输出装置22的参考方法。

首先，假设对力矩补偿量Tad的补偿量为零，且被驱动体的移动方向反转，得到如图2实线所示的性质。当检测到移动方向反向时，开始计算时间t。补偿功能构成装置21计算下述作为移动距离D1：:从向可动单元发出移动方向反向命令的时刻到可动单元实际反向后开始移动的时刻（即从t=0到t=T）之间，位置命令值上的移动距离D(T)={Pc(T)-Pc(0)}。反馈力矩Tfb在时间T时的值Tfb（T）也测量为滑动阻力Tfb1。然后，相关数据点作图如图5第一栏所示，计算通过相关点的原点的倾斜直线K1，并将K1的值作为相关性系数输出到补偿量输出装置22。

第一次转向过程完成后，计时器重置为t=0。当补偿量输出装置22检测到来自位置命令值Pc的第二次移动方向转向命令时，计时重新启动。当检测到移动方向反向命令时，补偿量输出装置22检测到反转移动方向（时间t=0）时的反馈力矩Tfb值Tfb（0）。此外，第二次反向时间作用于可动单元的滑动阻力Tfb2设定为一个值，该值的极性为Tfb（0）的反向，即是说，该值设定为Tfb2=-Tfb（0）。此时，如图5第二栏所示，从斜率为K1（K1从第一次移动方向反向时得到）的直线上读出预期移动距离D2，作为接收到位置命令值后相应于滑动阻力Tfb2的移动距离值。该预期移动距离D2是反向后力矩补偿量Tad饱和时的移动距离。

因此，补偿量输出装置22根据等式9或等式10增加补偿量Tad（t），直至当前接受位置命令值第二次移动方向反向后的移动距离D(t)=Pc(t)-Pc(0)达到转向后的预期移动距离D2为止。在此，使用K1作为等式9或等式10中的相关性系数K。当移动距离D（t）达到预期移动距离D2时，随后输出达到时刻的补偿量Tad。因此，例如，当时间t=ta时的当前移动距离D（ta）达到预测距离D2（若D（ta）=D2）时，Tad（ta）输出为时间ta及此后的力矩补偿量。

因此，第二次移动方向反向操作中，如图2实线所示地施加力矩补偿量Tad（t），由此反向操作中的反馈力矩Tfb增加，如图2中的虚线所示。因此，补偿功能构成装置21计算接收到位置命令值后从第二次移动方向反向操作发出移动方向反向命令的时刻到可动单元实际反向并开始移动的时刻之间（从t=0到t=T）的移动距离D3={Pc(T)-Pc(0)}。此外，时间T的反馈力矩Tfb值Tfb（T）测量为Tfb3。然后，相关点作图，如图5的第三栏所示，计算通过相关点和远点的倾斜直线K2，且将K2的值作为相关性系数K输出到补偿量输出装置22。如上所述，Tfb3的极性与Tfb（0）相反，即是说，大致等于Tfb2（Tfb3≈Tfb2）。

第二次转向过程完成后，计时器重置为t=0。当检测到第三次反向时，计时重新启动。第三次移动方向反向中，补偿量输出装置22使用上述计算所得的相关性系数K2计算力矩补偿量Tad。在此，描述一个假设滑动阻力减小的例子。当检测到位置命令值Pc的第三次移动方向反向命令时，补偿量输出装置22检测到反馈力矩Tfb在移动方向反向时的值Tfb（0），并确定反向后的滑动阻力值为Tfb4=-Tfb（0）。此时，如图5第四栏所示地读出与Tfb4相对应的反向后预期移动距离D4。由于滑动阻力减小，返乡后的预期移动距离D4的值小于第二次移动距离D3（图5第三栏）。读数值为接收到位置命令值后返乡后力矩补偿量Tad达到饱和之后的移动距离。此后，当移动距离类似地反向时，补偿量根据等式9或等式10增加，直至位置命令值Pc被上述反向后移动过的距离所改变，而且，当达到上述反向后移动过的距离时，输出力矩补偿量Tad以保存该补偿量。在此，使用K2作为等式9或等式10中的相关性系数K。

在此，补偿功能构成装置21需要检测反馈力矩Tfb到达的时间（时间T）以输出用于克服滑动阻力移动的力矩，且该检测可以通过检测反馈力矩Tfb的转折点或检测位置偏差Pdif的最大值更新时间来实现。

也可能为每一次反向限定相关性系数K，而且，在命令速度（前馈速度Vff）的极性从负到正或从正到负地反向时，单独测定相关性系数K并将其用于计算每一反向的力矩补偿量Tad。

如上所述地，本发明的位置控制装置可以执行对移动方向反向的后续延迟的补偿，该补偿适用于长期变化，例如滑动阻力变化，且不会损害控制系统稳定性。此外，该位置控制装置仅用反向后的移动距离和反馈力矩之间的相关性系数作为补偿参数，可以简化补偿参数。

实施例2

图6展示了本发明实施例2的控制框图。与现有技术和实施例1中相同的元件用相似的标号表示，且省略其说明。补偿功能构成装置27充当相关性信息构成装置，输出相关性系数K作为相关性信息，表示作用于可动单元的滑动阻力、接收到位置命令值后的移动距离D（t）=Pc（t）-Pc（0）和命令加速度Ac之间的关系。补偿量输出装置28根据补偿功能构成装置27计算所得的相关性系数K、反馈力矩Tfb（0）和接收到位置命令值后的移动距离D（t）来输出力矩补偿量Tad。

如上所述，滑动阻力的大小随驱动加速度而变化。因此，为了适当地补偿后续延迟，需要知道以某种精确度了解滑动阻力的大小。但是，在第一个实施例的结构中，滑动阻力的估计精确度很大程度上取决于力矩命令计算装置7（积分增益Iv），且当驱动加速度变高时，发生滑动阻力估计延迟，导致相关性系数K的尝试次数增加，直到执行适当补偿为止。

另一方面，当相关性系数K随驱动加速度变化而执行补偿时，考虑到估计延迟，力矩补偿量Tad可以放大或变小。因此，可以减少达到补偿前的尝试次数。

图7展示了反馈力矩Tfb和滑动阻力的时间响应。图7中，实线表示反馈力矩，虚线表示滑动阻力。当驱动加速度小时，滑动阻力和反馈力矩几乎相等，如图7上半部所示，且可以高精确度地推测滑动阻力。但是，若驱动加速度高，则反馈力矩相对于滑动阻力存在延迟，如图7下半部分所示。因此，力矩补偿模式进入未补偿状态，且提供上述最优力矩补偿模式的需要尝试的此述增加。对于滑动阻力大小，也可以通过以上述的干扰观测器等取代来提高其估计精确度，但无法充分避免估计延迟问题。

图8展示了驱动加速度Ac和放大因子K之间的关系。图8中，放大因子1意味着不予改变地使用以前述的相关性系数K确定方法计算所得的相关性系数K。若驱动加速度Ac低于驱动加速度A1，则放大因子确定为1；若驱动加速度Ac高于驱动加速度A1，则根据驱动加速度执行比例放大，由此可以考虑到反馈力矩后续延迟来增加力矩补偿。驱动加速度A1和放大因子的斜率（c2-1）/（A2-A1）如下所述。能够使反馈力矩Tfb跟随滑动阻力的驱动加速度A1由积分增益Iv确定。而且，驱动加速度A2的放大因子c2是根据位置偏差Pdif的峰值 相对于力矩补偿量为零时的位置偏差峰值Pdif1达到预定目标值或以下或达到目标放大率或以下的尝试次数来确定的。例如，若尝试次数N=4，则根据等式11计算为c2=2。

c2=√(N) ·····等式 11

该情况下，对尝试次数开根号以计算放大因子c2，但为了提高位置偏差Pdif 的收敛性，可以计算为尝试次数N与系数的乘积，或尝试次数N的自然对数与系数的乘积。也就是说，以等式12表达放大因子c2：

c2=f(N) ·····等式 12

K的放大因子的计算，还可以通过计算相对于任意驱动加速度A1、A2、A3……的K的放大因子c1、c2、c3……，如图8下半部分所示，并在驱动加速度之间的放大因子上执行线性插值。在此情况下，图8上半部分的例子中，驱动加速度的样本数目增加，但可能无视驱动加速度而提高位置偏差Pdif的收敛度。对驱动加速度的放大因子的插值法不限于线性插值法，也可以替代地使用抛物线插值法、样条插值法等。

如上所述地，本发明的位置控制装置可以执行对移动方向反向的后续延迟的补偿，该补偿适用于长期变化，例如滑动阻力变化，且不会损害控制系统稳定性。此外，该位置控制装置仅用驱动加速度、反向后的移动距离和反馈力矩之间的相关性系数作为补偿参数，可以简化补偿参数。可以通过少量尝试即令补偿量收敛到适当值。

实施例3

图9展示了本发明实施例3的控制框图。与现有技术和实施例1中相同的元件用相似的标号表示，且省略其说明。图9中，补偿量输出装置22输出对应于接收到位置命令值后的移动距离D（t）=Pc（t）-Pc（0）的力矩补偿量Tad，与实施例1类似。补偿量输出装置22输出的力矩补偿量Tad由低频率截止滤波器24和转化增益25转化为速度补偿量Vad。在此，包含低频率截止滤波器24和转化增益25的控制框图的转化功能，具有力矩命令计算装置6（比例增益Pv）和力矩命令计算装置7（积分增益Iv）的逆转换性质。而且，加法器26将转化增益25输出的速度补偿量Vad与速度命令计算装置2（比例增益Kp）和前馈速度Vff相加，以构成速度命令值Vc。

补偿量输出装置22输出的力矩补偿量Tad转化为速度补偿量Vad并由力矩命令计算装置6（比例增益Pv）和计算装置7（积分增益Iv）再转化为等同于初始力矩补偿量Tad的值，由此可以加快反馈力矩Tfb的反转，与实施例1的情况相似。

但是，在实施例1所述的结构中，必须在移动方向反向后持续输出力矩补偿量Tad，因为用于克服滑动阻力移动的力矩由力矩补偿量Tad来补偿。当用于克服滑动阻力移动的力矩由力矩补偿量Tad来补偿时，希望在下一次移动方向反向时提供补偿，且力矩补偿量Tad的值随着实际滑动阻力的大小而变化。

另一方面，在通过将力矩补偿量Tad转化为速度补偿量Vad来执行补偿的情况下，可以通过低频率截止滤波器24的作用来消除持续输出补偿量的要求。由此一来，消除了将滑动阻力变化反映在力矩补偿量Tad上的要求。

图10展示了力矩补偿量Tad和速度补偿量Vad的时间响应波形。如图10上半部分的实线所示，当输出力矩补偿量Tad时，速度补偿量Vad连续增加，而力矩补偿量Tad与反向后的移动距离成比例地增加，且在当力矩补偿量Tad成为恒定值时，速度补偿量Vad收敛到零。因此，当在速度补偿量Vad收敛到零时令速度补偿量Vad的输出为零时，力矩补偿量Tad的输出可以停止，此外，可能如图10上半部的虚线所示般配置力矩补偿量Tad。亦即，当移动方向反向时，力矩补偿量Tad并非从反馈力矩Tfb的值Tfb（0）增加到-Tfb（0），而是从移动方向反向时确定为零的补偿量增加到-2Tfb（0）。甚至当力矩补偿量Tad如上设置时，低频率截止滤波器24的作用可省略力矩补偿量Tad的DC元件，从而可以获得速度补偿量Vad，与图10中实线所示的力矩补偿量Tad的配置情况类似。

力矩补偿量Tad转化为速度补偿量Vad，以执行补偿，还添加了当速度补偿量Vad收敛为零时将速度补偿量Vad保持在零的操作。因此，用于克服滑动阻力移动的力矩由力矩命令计算装置7（积分增益Iv）进行补偿。例如，甚至在相同方向移动的驱动速度改变且滑动阻力改变的情况下，其输出宜为由力矩命令计算装置7（积分增益Iv）进行调整，由此无需将滑动阻力的变化反映到力矩补偿量Tad上。

如上所述地，本发明的位置控制装置可以执行对移动方向反向的后续延迟的补偿，该补偿适用于长期变化，例如滑动阻力变化，且不会损害控制系统稳定性。此外，该位置控制装置仅用反向后的移动距离和反馈力矩之间的相关性系数作为补偿参数，可以简化补偿参数。此外，能够总是在移动方向反向时进行适当的补偿，而无需按照滑动阻力变化改变补偿量。

实施例4

图11展示了本发明实施例4的控制框图。与现有技术、实施例2和实施例3相同的元件以相似标号表示，并省略其说明。补偿功能构成装置27充当相关性信息构成装置，输出相关性系数K作为相关性信息，该信息表示作用于可动单元上的滑动阻力、接收到位置命令值后的移动距离D（t）=Pc（t）-Pc（0））和命令加速度Ac之间的关系。补偿量输出装置28根据补偿功能构成装置27计算的相关性系数K、反馈力矩Tfb（0）和接收到位置命令值后的移动距离D（t）来输出力矩补偿量Tad。补偿量输出装置28输出的力矩补偿量Tad通过低频率截止滤波器24和转化增益25来转化为速度补偿量Vad，由加法器26将该转化结果与速度命令计算装置2（比例增益Kp）与前馈速度Vff相加，以构成速度命令值Vc。

该结构具有实施例2和实施例3的特征。如实施例2所述，补偿功能构成装置27和补偿量输出装置28可以无需依赖于驱动加速度地限定最优力矩补偿量Tad所需的尝试次数。此外，如实施例3所述，力矩补偿量Tad可以转化为速度补偿量Vad，以进行补偿，由此即使在滑动阻力改变时，也无需根据滑动阻力改变来改变力矩补偿量Tad。

如上所述地，本发明的位置控制装置可以执行对移动方向反向的后续延迟的补偿，该补偿适用于长期变化，例如滑动阻力变化，且不会损害控制系统稳定性。此外，该位置控制装置仅用驱动加速度、反向后的移动距离、反馈力矩之间的相关性系数作为补偿参数，可以简化补偿参数。此外，能够总是在移动方向反向时进行适当的补偿，而无需按照滑动阻力变化改变补偿量，且可以在较少尝试次数后就收敛到最优数值。

Claims (8)

1.一种位置控制装置，用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：

    速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值来输出速度命令值；

    反馈力矩输出单元，用于根据力矩补偿量和所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经比例积分放大所得的值来输出反馈力矩；

    前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；

力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；

    马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；

    相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力与从向所述可动单元发出反向移动指令的时刻到所述可动装置实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离之间的关系；以及

    补偿量输出装置，用于在所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息和所述反馈力矩，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量。

2.一种位置控制装置，用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：

   速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值来输出速度命令值；

   反馈力矩输出单元，用于根据力矩补偿量和所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经比例积分放大所得的值来输出反馈力矩；

   前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；

力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；

   马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；

   相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力、从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离、以及驱动加速度之间的关系；以及

   补偿量输出装置，用于在使所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息和所述反馈力矩，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量。

3.一种位置控制装置，用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：

   速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值和速度补偿量来输出速度命令值；

   反馈力矩输出单元，用于输出下述作为反馈力矩：所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经过比例积分放大后的值；

   前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；

力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；

   马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；

   相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力、从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离之间的关系；

补偿量输出装置，用于在使所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息和所述反馈力矩，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量；以及

   低频率截止滤波器，其具有与所述反馈力矩输出单元相反的转换特性，将所述力矩补偿量转化为所述速度补偿量并输出。

4.一种位置控制装置，用于根据主机设备发出的位置命令值驱动伺服马达从而控制可动单元的位置，所述位置控制装置包括：

   速度命令输出单元，用于根据至少所述位置命令值和速度补偿量来输出速度命令值；

   反馈力矩输出单元，用于输出下述作为反馈力矩：所述速度命令值与所述可动单元的速度检测值之间的偏差经比例积分放大后的值；

   前馈力矩输出单元，用于根据所述位置命令值和所述可动单元的惯量来输出前馈力矩；

力矩命令值输出单元，用于根据所述反馈力矩和前馈力矩来输出力矩命令值；

   马达驱动单元，用于根据所述力矩命令值来驱动所述伺服马达；

   相关性信息构成装置，用于计算相关性信息，所述相关性信息表示作用于所述可动单元的滑动阻力、从向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻所述位置命令值上的移动距离、驱动加速度之间的关系；

补偿量输出装置，用于在使所述位置命令值的移动方向反向时，根据所述相关性信息、所述反馈力矩和所述驱动加速度，相应地计算与所述位置命令值相对应的力矩补偿量；

   低频率截止滤波器，其具有与所述反馈力矩输出单元相反的转换特性，将所述力矩补偿量转化为所述速度补偿量并输出。

5.根据权利要求1所述的位置控制装置，其特征在于：

相关性信息构成装置输出下述作为相关性信息：所述可动单元的滑动阻力与直到开始移动时所述位置命令值上的移动距离之间的比例系数；

补偿量输出装置计算下述作为预期移动距离：从基于所述比例系数和发出反向移动命令时的反馈力矩向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻位置命令值上的移动距离，且所述补偿量输出装置输出力矩补偿量，所述力矩补偿量根据所述比例系数和当前移动距离而随着所述当前移动距离的增加而增加，直至所述当前移动距离达到所述预期移动距离，所述当前移动距离是从发出所述反向移动命令之时起位置命令值上的移动距离。

6.根据权利要求3所述的位置控制装置，其特征在于：

相关性信息构成装置输出下述作为相关性信息：作用于所述可动单元的滑动阻力与直到开始所述移动所述位置命令值上的移动距离之间的比例系数；

补偿量输出单元计算下述作为预期移动距离：从基于所述比例系数和发出反向移动命令时的反馈力矩向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻位置命令值上的移动距离，且所述补偿量输出单元输出力矩补偿量，所述力矩补偿量根据所述比例系数和当前移动距离而随着所述当前移动距离的增加而增加，直至所述当前移动距离达到所述预期移动距离，所述当前移动距离是从发出所述反向移动命令之时起位置命令值上的移动距离。

7.根据权利要求2所述的位置控制装置，其特征在于：

相关性信息构成装置输出下述作为相关性信息：作用于所述可动单元的滑动阻力、直到开始所述移动时所述位置命令值上的移动距离、以及驱动加速度之间的比例系数；并且

补偿量输出单元计算下述作为预期移动距离：从基于所述比例系数和发出反向移动命令时的反馈力矩向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻位置命令值上的移动距离，且所述补偿量输出单元输出力矩补偿量，所述力矩补偿量根据所述比例系数和当前移动距离而随着所述当前移动距离的增加而增加，直至所述当前移动距离达到所述预期移动距离，所述当前移动距离是从发出所述反向移动命令之时起位置命令值上的移动距离。

8.根据权利要求4所述的位置控制装置，其特征在于：

相关性信息构成装置输出下述作为相关性信息：作用于所述可动单元的滑动阻力和接收到所述位置命令值后直到开始所述移动时的移动距离之间的比例系数；以及

补偿量输出单元计算下述作为预期移动距离：从基于所述比例系数和发出反向移动命令时的反馈力矩向所述可动单元发出反向移动命令的时刻到所述可动单元实际反转并开始移动的时刻位置命令值上的移动距离，且所述补偿量输出单元输出力矩补偿量，所述力矩补偿量根据所述比例系数和当前移动距离而随着所述当前移动距离的增加而增加，直至所述当前移动距离达到所述预期移动距离，所述当前移动距离是从发出所述反向移动命令之时起位置命令值上的移动距离。