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TW202344945A - 伺服控制裝置及伺服控制方法 - Google Patents

伺服控制裝置及伺服控制方法 Download PDF

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TW202344945A TW112113067A TW112113067A TW202344945A TW 202344945 A TW202344945 A TW 202344945A TW 112113067 A TW112113067 A TW 112113067A TW 112113067 A TW112113067 A TW 112113067A TW 202344945 A TW202344945 A TW 202344945A
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Abstract

伺服控制裝置，具備：實機頻率特性測量部（11），其根據馬達輸入訊號與檢測器的輸出來計算出實機頻率特性；以及參數調整部（12），其求出控制器（13）的參數的解，並且將所獲得的前述參數應用於控制器（13），該控制器（13）的參數為將根據實機頻率特性測量部（11）的計算結果與控制器（13）的頻率特性計算出的開環特性與理想的開環特性之間的差設置為設為規定的基準以下的參數。

Description

伺服控制裝置及伺服控制方法
本發明係有關工具機等之伺服控制裝置及伺服控制方法。 ［相關申請的交叉引用］ 本申請要求於2022年4月11日提交的日本專利申請第2022-65296號的優先權，該日本專利申請的全部內容（包括說明書、申請專利範圍、圖式及摘要）以引用的方式併入本文。
在包括工具機等的產業伺服系統中，從實現高速且高精度的定位動作與減少控制參數的調整勞力的觀點而言，對調整步驟自動化的需求越來越高。
尤其是，在產業中廣泛使用的反饋控制器的調整不僅影響加工質量，而且影響控制系統的穩定性，在該反饋控制器中，結合了用於實現寬頻帶化的增益穩定濾波器與用於共振特性抵銷的振動抑制濾波器。因此，需要執行基於頻率特性，而能明確考慮實機的共振特性與控制系統的穩定性。
由於各個機台的組裝誤差與零件的尺寸變化等之機台變化，實機頻率特性在機台間產生差異。
圖3係表示工具機之一例的概略圖，該工具機具有經由滾珠螺桿等由馬達驅動的進給軸機構。
在固定於地板表面的基座31上立設的構造體32的前表面，配置有馬達33、滾珠螺桿34、導件35及主軸頭36。馬達33所產生的轉矩被滾珠螺桿34轉換成沿直線方向作用的力，從而控制可藉由導件35移動地支撐的主軸頭36沿圖中的左右方向的移動。利用同樣的機構，控制主軸頭36在圖中的上下方向的移動。藉此，使安裝在主軸頭36的前端的工具移動。另外，控制配置在基座31上的工作台37在貫通紙面的方向的移動。藉此，使安裝在工作台37的上表面的工件38移動。進而，安裝於主軸頭36的工具旋轉，藉由此工具來加工工件。
又，藉由安裝於馬達33的位置檢測器39a（旋轉角度檢測器）、或安裝於構造體32以能夠直接檢測主軸頭36位置的位置檢測器39b（負載位置檢測器）或這兩者所檢測的由馬達33所產生的轉矩，以與位置檢測值在控制裝置310中生成的位置指令訊號一致的方式，由內含反饋控制器的控制裝置310控制。
例如，藉由對為了驅動馬達33而生成的轉矩指令值、以及位置檢測器39a（旋轉角度檢測器）與位置檢測器39b（負載位置檢測器）的檢測值進行頻率分析，由兩者的頻譜的差異，能夠計算用於反饋控制器的調整的實機頻率特性。
圖4係表示圖3的主軸頭36與工作台37等因馬達所驅動的負載裝置的位置引起的實機頻率特性的變化的一例的圖。
作為示例，虛線示出了在圖3的主軸頭36朝向馬達33側移動時的位置（a點）處測量的實機頻率特性，並且實線示出了在主軸頭36與馬達33充分遠離的位置（b點）處測量的實機頻率特性。根據工作台與主軸頭等負載裝置的位置，尤其因滾珠螺桿34部分的馬達軸等效慣性的變化，即使在同一機台中也會在實機頻率特性上產生變化。
當相對於在負載裝置處於a點的狀態下測量的實機頻率特性來調整控制參數時，存在以下可能性：當負載裝置在b點附近的位置處動作時，由於特性變化，增益穩定濾波器與振動抑制濾波器不能有效地起作用，會有導致異常聲音與振動的發生以及控制性能的降低之虞。因此，為了穩定地實現高速且高精度的定位動作，需要考慮特性變化的調整。
專利文獻1公開了一種用於自動調整控制系統的增益的技術。在專利文獻1中，藉由正弦掃描法測量機器的實際頻率特性。藉由以下方式來獲得標準頻率特性：逐次改變物理模型的參數組，使得使用物理模型計算出的頻率特性與實際頻率特性一致。進而，在專利文獻1中，當機器的加工物或治具/機器構成發生變化等時，藉由再次測量實機頻率特性，以求出與先前求得的標準頻率特性的差量。然後自動調整控制系統的增益，以實現與變化之前同等的控制性能。藉此，可以解決由於在機台之間發生的特性變化而導致的控制性能的降低。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2018-128734號公報
在專利文獻1的技術中，為了獲得標準頻率特性，必須預先設計物理模型。因此，當機器的質量和慣性系統根據機器的類型而不同時，對應於這些類型的物理模型變得必要，於構裝時需要更長的時間。另外，當包含大量影響控制性能的機器共振特性時，因為必須增加物理模型的慣性，會有受到DSP（Digital Signal Processor，數位訊號處理器）的計算能力的限制的影響之虞。進而，即使可以解決機台間的特性變化，但是由於對每個機台僅可規定一個物理模型，因此有難以處理在同一機台內發生的特性變化之課題。
本發明，提供一種伺服控制裝置，藉由伺服馬達驅動負載裝置，其具備：指令生成器，其作成前述伺服馬達的指令值；檢測器，其檢測驅動的前述伺服馬達或前述負載裝置的狀態量；控制器，其控制馬達輸入訊號，使得前述指令值與前述檢測器的輸出一致；實機頻率特性測量部，其根據前述馬達輸入訊號與前述檢測器的輸出來計算出實機頻率特性；以及參數調整部，其求出前述控制器的參數的解，並且將所獲得的前述參數應用於前述控制器，前述控制器的參數為將根據前述實機頻率特性測量部的計算結果與前述控制器的頻率特性計算出的開環特性與理想的開環特性之間的差設為規定的基準以下的參數。
根據上述伺服控制裝置，可以提供這樣的控制器，當因負載裝置的位置而發生特性變化時，該控制器可以被調整，以實現穩定的高速且高精度的控制，而不會引起異常聲音和振動，並且不會損及控制性能。
圖1係表示伺服控制裝置的伺服控制部的構成的方塊線圖。
根據從操作者等給出的程式，指令生成器17生成針對負載裝置16的移動指令。控制器13控制由馬達15產生的轉矩，使得生成的指令與由檢測器14檢測的值一致。又，實機頻率特性測量部11將控制器13的輸出與檢測器14的輸出作為輸入，計算出頻率特性測量對象部18的頻率特性，並輸出至參數調整部12。參數調整部12基於由實機頻率特性測量部11計算出的頻率特性求出用於控制器13的最佳參數的解，並且更新控制器13。此外，控制器13、實機頻率特性測量部11及參數調整部12以物理上具有處理器與記憶體的電腦構成。檢測器14係檢測馬達15或負載裝置16的狀態量者，例如係位置感測器、振動感測器等。
圖2係表示伺服控制裝置的動作的流程圖。圖2中的S1示出了圖1的實機頻率特性測量部11的動作，圖2中的S2示出了圖1的參數調整部12的動作。
首先，在步驟S11和步驟S12中，一邊改變負載裝置的位置，一邊測量圖1所示的頻率特性測量對象部18的實機頻率特性。在此，n意指測量點數，並且是以特性變化的變化幅度盡可能大之方式預先決定的值。例如，當負載裝置是圖3所示的工作台37時，滾珠螺桿34部分的馬達軸等效慣性之差在負載裝置定位於可移動範圍內的正端附近的情況與負載裝置定位於負端附近的情況之間最大。另外，由於滾珠螺桿34部分的彈性變形在負載裝置定位於可移動範圍的中心附近時最大，因此較佳係採用3個點，包括正端附近的點、負端附近的點及可移動範圍的中心附近的點。在步驟S11的處理之後，在步驟S12中，從0增加測量次數m，並且當測量次數m變為測量點數n以上時，處理進行到步驟S21。
在步驟S21中，基於在步驟S11和S12中獲得的實機頻率特性來決定速度控制器C(s)的構造。在本例中，作為包括在速度控制器C(s)的構造中的補償器的要素，示例包括例如PID補償器、PI補償器、PD補償器、P補償器、相位提前/延遲補償器、陷波濾波器、全通濾波器、低通濾波器、高通濾波器等。在本實施例中，以組合了PI補償器與X級陷波濾波器C k(s)之下述式（1）的構成為例來進行說明。又，陷波濾波器C k(s)可以表示為下述式（2）。
此外，陷波濾波器的級數X可以考慮DSP的計算能力與有效地作用於陷波濾波器的寬頻帶化的共振特性的數量等而預先限定，並且可對應於實機頻率特性的共振特性在步驟S21中適當改變。
式（1） 式（2）
在這些式中，K p和K i是PI補償器的參數，α k、ζ k和ω k是陷波濾波器的參數。另外，s表示拉普拉斯運算子，並且相當於單位虛數j與角頻率ω的積。因此，控制器C(s)可以用複數表示，如下述式（3）所示。
式（3）
在步驟S22中，基於在步驟S11、S12中測量的實機頻率特性以及在步驟S21中設計的控制器C(s)來設計開環特性L 1(jω)、L 2(jω)、...、L n(jω)。
當在步驟S11、S12中測量的實機頻率特性是P 1(jω)、P 2(jω)、...、P n(jω)時，各實機頻率特性中的開環特性L 1(jω)、L 2(jω)、...、L n(jω)可以由下述式（4）表示。
式（4）
利用如上述式（4）中使用jω的複數表達式而不是使用拉普拉斯運算子s的傳遞函數表達式，而可在不對實機頻率特性進行建模的情況下求出開環特性。
接著，在步驟S23中，基於上述式（4）的開環特性，對用於求出速度控制器C(s)的參數的最佳化問題執行運算處理。此時，作為要使用的最佳化算法，為了實現沒有異常聲音和振動的動作，需要具有使用增益裕度、相位裕度的制約條件。因此，最佳化算法可以是可賦予制約式的算法。另外，當速度控制器C(s)相對於求解參數以線性形式表示時，可以藉由線性矩陣不等式（linear matrix inequality，LMI）進行公式化。在本例中，由於上述式（4）的開環特性以非線性形式表示，因此以藉由序列二次規劃（sequential quadratic programming，SQP）進行的最佳化問題的公式化的情形為例來進行說明。在藉由SQP而公式化後，可以得到下述式（5）。
在此，L d(s)表示理想的開環特性，並且可以基於設計者對控制系統的性能要求來任意決定。當簡單地以寬頻帶化為目的時，例如，可以採用如下述式（6）中示出的形式。在此，α、β是任意係數。另外，相較於使用實機頻率特性的開環特性以與測量點數n相對應的數量存在，理想的開環特性L d(s)可為1種。
式（6）
在上述式（5）中，ω p表示當相位特性變為-180°時的角頻率，並且增益裕度GM示出當角頻率變為ω p時開環特性的增益特性。參數ω g示出增益特性變為0 dB的角頻率，相位裕度PM是角頻率變為ω g時的開環特性的相位特性。又，參數T是用於最佳化問題的公式化的頻率特性的數據點數，並且可以被設為在步驟S11中測量的數據點數以內的任意值。
當公式化上述式（5）時，必須預先決定增益裕度GM、相位裕度PM、理想的開環特性L d(s)。
在上述式（5）中，用於將理想的開環特性L d(s)與各實機頻率特性中的開環特性L 1(jω)、L 2(jω)、...、L n(jω)之間的差設為規定的基準以下的最佳化問題的決定變數是K p、K i、α k、ζ k、ω k（k=1，2,...，X）。當可以獲得這此2+3X個決定參數的最佳解時，可以求出最佳的開環特性及控制器參數。
在步驟S24中，將速度控制器參數更新為在步驟S23中求解後的參數，使得可以利用最佳的控制器來控制負載裝置16。
藉此，在負載裝置位於任意點時的所有的頻率特性中，並且在滿足增益裕度、相位裕度的狀態下設計可寬頻帶化的控制器。因此，即使在實機頻率特性因負載裝置的位置而變化的情況下，也能夠進行穩定的高速且高精度的控制，不會引起異常聲音或振動。同時，由於實機頻率特性的數據可以被公式化為最佳化問題而無需任何處理，因此不存在用於建模的勞力，並且可以考慮所有的共振特性來設計控制器。
在本例中，例示說明了具備用於從馬達經由滾珠螺桿驅動工作台的軸的工具機。然而，本發明的技術也適用於負載裝置為主軸頭的軸、或由線性馬達驅動的工具機，並且也適用於工具機以外的產業機器。另外，在以上的說明中，以速度控制系統為例對上述實施例進行了說明，但速度控制系統的構成並不重要，也可適用於位置控制系統以及組合了位置控制系統與速度控制系統的串聯型控制系統。
11:實機頻率特性測量部 12:參數調整部 13:控制器 14:檢測器 15、33:馬達 16:負載裝置 17:指令生成部 18:頻率特性測量對象部 31:基座 32:構造體 34:滾珠螺桿 35:導件 36:主軸頭 37:工作台 38:工件 39a:位置檢測器（旋轉角度檢測器） 39b:位置檢測器（負載位置檢測器） 310:控制裝置
[圖1]係表示伺服控制裝置的伺服控制部的構成的方塊線圖。 [圖2]係表示伺服控制裝置的動作的流程圖。 [圖3]係表示通常的工具機的一例的圖。 [圖4]係表示因負載裝置的位置實機頻率特性發生變化的一例的圖。
11:實機頻率特性測量部
12:參數調整部
13:控制器
14:檢測器
15:馬達
16:負載裝置
17:指令生成部
18:頻率特性測量對象部

Claims (4)

  1. 一種伺服控制裝置，藉由伺服馬達驅動負載裝置，其具備： 指令生成部，其作成前述伺服馬達的指令值； 檢測器，其檢測驅動的前述伺服馬達或前述負載裝置的狀態量； 控制器，其控制馬達輸入訊號，使得前述指令值與前述檢測器的輸出一致； 實機頻率特性測量部，其根據前述馬達輸入訊號與前述檢測器的輸出來計算出實機頻率特性；以及 參數調整部，其求出前述控制器的參數的解，並且將所獲得的前述參數應用於前述控制器，前述控制器的參數為將根據前述實機頻率特性測量部的計算結果及前述控制器的頻率特性計算出的開環特性與理想的開環特性之間的差設為規定的基準以下的參數。
  2. 如請求項1之伺服控制裝置，其中， 當前述實機頻率特性測量部計算前述實機頻率特性時，前述實機頻率特性測量部將前述負載裝置的位置任意地改變，並且計算出針對各個位置的前述實機頻率特性。
  3. 如請求項1或2之伺服控制裝置，其中， 前述參數調整部使用由前述實機頻率特性測量部計算出的複數個前述實機頻率特性作為測量值而不進行建模，在最佳化問題中將與前述控制器組合的開環特性公式化，並且求出前述最佳化問題的解，藉此，求出應用於前述控制器的參數。
  4. 一種伺服控制方法，藉由伺服馬達驅動負載裝置，其包括： 根據指令值使前述伺服馬達動作； 利用檢測器檢測驅動的前述伺服馬達或前述負載裝置的狀態量； 利用控制器控制馬達輸入訊號，使得前述指令值與前述檢測器的輸出一致； 根據前述馬達輸入訊號與前述檢測器的輸出來計算出實機頻率特性；以及 求出前述控制器的參數的解，並且將所獲得的前述參數應用於前述控制器，前述控制器的參數為將根據前述實機頻率特性及前述控制器的頻率特性計算出的開環特性與理想的開環特性之間的差設為規定的基準以下的參數。
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