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CN112039403A - 电动机控制装置和产业机械 - Google Patents

电动机控制装置和产业机械 Download PDF

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CN112039403A
CN112039403A CN202010451051.1A CN202010451051A CN112039403A CN 112039403 A CN112039403 A CN 112039403A CN 202010451051 A CN202010451051 A CN 202010451051A CN 112039403 A CN112039403 A CN 112039403A
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中邨勉
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Abstract

本发明提供一种电动机控制装置和产业机械。电动机控制装置具备：位置指令部，其生成针对控制对象的位置指令；位置检测部，其检测控制对象的位置或者用于驱动控制对象的电动机的位置；以及位置控制部，其基于位置指令、以及所检测出的控制对象的位置或电动机的位置，来控制电动机的位置，其中，位置指令部和位置控制部中的至少一者具备振动抑制滤波器，该振动抑制滤波器用于将在电动机与控制对象之间产生的振动特性的反向特性进行近似，振动抑制滤波器根据控制对象的位置和质量中的至少一者来变更振动抑制频率。

Description

电动机控制装置和产业机械
技术领域
本发明涉及一种电动机控制装置和产业机械，特别是涉及一种抑制振动的电动机控制装置和产业机械。
背景技术
以往以来一直关注以下问题：当使用产生低频的振动、例如在100Hz以下的频带产生振动的机床来加工工件时，在工件上产生与振动相应的条纹。作为抑制上述的低频振动的技术，下面的文献是公知的。
在日本特开2009-15448号公报中公开了一种对电动机的位置和速度进行反馈控制的半闭环控制系统的电动机控制装置，其具备带阻滤波器，该带阻滤波器检测控制对象的固有频率，并将检测出的固有频率的分量去除。
在日本特开2016-163397号公报中公开了一种对机械的位置进行反馈控制的全闭环控制系统的电动机控制装置，其中，位置控制部具备将从电动机至机械的传递特性的反向特性进行近似的滤波器。
在日本特开2019-9958号公报中公开了一种对电动机的速度进行反馈控制的半闭环控制系统的电动机控制装置，其中，速度控制部具备将从电动机至机械的传递特性的反向特性进行近似的滤波器。
发明内容
在通过检测机械的固有频率来仅去除特定的振动分量的方法中，针对振动特性的变化的振动抑制功能的变更容易延迟，另外，容易将目标的振动分量以外的分量也去除，因此有时电动机控制变得不稳定。
因此，寻求一种针对振动特性的变化更快且更准确地应用振动抑制功能的技术。
本公开的一个方式提供一种电动机控制装置，具备：位置指令部，其生成针对控制对象的位置指令；位置检测部，其检测控制对象的位置或者用于驱动控制对象的电动机的位置；以及位置控制部，其基于所生成的位置指令、以及所检测出的控制对象的位置或电动机的位置，来控制电动机的位置，其中，位置指令部和位置控制部中的至少一者具备振动抑制滤波器，振动抑制滤波器用于将在电动机与控制对象之间产生的振动特性的反向特性进行近似，振动抑制滤波器根据所述控制对象的位置和质量中的至少一者，来变更振动抑制频率。
本公开的其它方式提供一种产业机械，具备：电动机；通过电动机而驱动的自轴；能够通过自轴进行移动的控制对象；以及上述的电动机控制装置。
本公开的另一方式提供一种产业机械，具备：电动机；通过电动机而驱动的自轴；通过与电动机不同的电动机而驱动的他轴；能够通过自轴和他轴中的至少一者进行移动的控制对象；以及上述的电动机控制装置。
附图说明
图1是一个实施方式中的半闭环控制系统的电动机控制装置的结构图。
图2是一个实施方式中的全闭环控制系统的电动机控制装置的结构图。
图3A是示出滚珠丝杠的扭转振动特性的说明图。
图3B是示出滚珠丝杠的扭转振动特性的说明图。
图4是示出滚珠丝杠的板簧振动特性的说明图。
图5是具备通过电动机而驱动的自轴的产业机械的结构图。
图6是具备通过与电动机不同的电动机而驱动的他轴的产业机械的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本公开的实施方式。在各附图中，对于相同或类似的构成要素标注相同或类似的附图标记。另外，以下记载的实施方式并不是对权利要求书中记载的发明的技术范围和用语的意义进行限定。此外，本说明书中，将“前馈”称为“FF”，将“反馈”称为“FB”。
图1示出半闭环控制系统的电动机控制装置1的结构。电动机控制装置1具备：位置指令部10，其生成针对控制对象3的位置指令；位置控制部11，其基于所生成的位置指令和所检测出的电动机2的位置，来控制电动机2的位置；以及直接安装于电动机的位置检测部13。位置检测部13例如具备编码器、解析器(resolver)、霍尔传感器等旋转移位传感器。控制对象3例如包括机床、搬送机械之类的产业机械的工作台、主轴头、传送机等。
电动机控制装置1可以还具备进行速度控制和转矩控制的伺服控制部12。但是，位置控制部11也可以兼具伺服控制部12的功能。在后者的情况下，位置控制部11将转矩指令直接输出到电动机2。另外，位置指令部10、位置控制部11以及伺服控制部12也可以具备CPU(central processing unit：中央处理单元)、FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)等处理器。位置控制部11具备振动抑制滤波器20a、位置FF控制器21、减法运算器22、位置FB控制器23以及加法运算器24。
振动抑制滤波器20a具备将在电动机2与控制对象3之间产生的振动特性的反向特性进行近似的滤波器。由于电动机控制装置1是半闭环控制系统，因此振动抑制滤波器20a对在位置FB环的外侧(即，电动机2与控制对象3之间)产生的振动特性进行补偿。因此，振动抑制滤波器20a可以是设置于位置FB环的外侧的、对位置指令进行校正的位置指令滤波器。另外，振动抑制滤波器20a也可以不设置于位置控制部11，而是设置于位置指令部10。
位置FF控制器21对位置指令进行微分来生成第一速度指令。减法运算器22将位置指令与检测出的电动机的位置相减，来生成位置偏差。位置FB控制器23对位置偏差乘以位置FB增益，来生成第二速度指令。加法运算器24将第一速度指令与第二速度指令相加，来生成电动机速度指令。
图2示出全闭环控制系统的电动机控制装置1的结构。电动机控制装置1在具备安装于产业机械的位置检测部13这一点上，与上述的电动机控制装置1不同。位置检测部13例如具备应变计、激光移位传感器等直线移位传感器。位置控制部11基于位置指令部10中生成的位置指令和检测出的控制对象3的位置，来控制电动机2的位置。
由于电动机控制装置1是全闭环控制系统，因此振动抑制滤波器20b对在位置FB环的内侧(尤其是电动机2与控制对象3之间)产生的振动特性进行补偿。因此，振动抑制滤波器20b可以是设置于位置FB环的内侧的位置FB滤波器。振动抑制滤波器20b可以是设置于位置FB控制器23的后级的、对第二速度指令进行校正的第二速度指令滤波器，但也可以是设置在紧挨着加法运算器24之后的、对电动机速度指令进行校正的电动机速度指令滤波器。并且，振动抑制滤波器20b还可以是设置于位置FB控制器23的前级的、对位置偏差进行校正的位置偏差滤波器。
也可以是，位置控制部11除了具备振动抑制滤波器20b之外，在位置FB环的外侧还具备振动抑制滤波器20c，或者，位置控制部11在位置FB环的外侧具备振动抑制滤波器20c来代替振动抑制滤波器20b。振动抑制滤波器20c可以是设置于位置FB环的外侧的位置FF滤波器。振动抑制滤波器20c可以是设置于位置FF控制器21的后级的、对第一速度指令进行校正的第一速度指令滤波器，但也可以是设置于位置FF控制器21的前级的、对位置指令进行校正的位置指令滤波器。通过将振动抑制滤波器20c设置于位置FB环的外侧，能够降低第一速度指令中的引发振动的频率分量，使控制对象不振动地进行移动。
上述的振动抑制滤波器20a-20c具备如下面的式子所示那样将在电动机2与控制对象3之间产生的振动特性(式1)的反向特性(式2)进行近似的滤波器F(s)。在这些式子中，ω0是反共振频率(即，振动抑制频率)，ζ是振动衰减系数，s是拉普拉斯算子。
Figure BDA0002507526440000041
Figure BDA0002507526440000042
在式2所示的振动抑制滤波器F(s)中，分子多项式是关键，分母多项式也可以是适当的低通滤波器。作为低通滤波器，能够列举一阶低通滤波器、二阶低通滤波器等。一阶低通滤波器为理想形，例如能够如下面的式子那样进行记述。在下面的式子中，ωadj是能够对特定的反共振频率进行调整的参数。
Figure BDA0002507526440000051
二阶低通滤波器是安装形，例如能够如下面的式子那样进行记述。二阶低通滤波器适合于仅抑制目标的振动分量的情形。
Figure BDA0002507526440000052
这些振动抑制滤波器F(s)中的反共振频率ω0(即，振动抑制频率)根据控制对象3的物理变化(即，位置和质量中的至少一者的变化)而变化。因而，本例的振动抑制滤波器20a-20c的特征在于，如后述那样，根据控制对象3的位置和质量中的至少一者来变更振动抑制频率。
一般而言，在产业机械中，经由轴、齿轮、传送带、链条、凸轮、链环等动力传递要素来向控制对象3传递动力。因而，控制对象3的振动频率能够通过动力传递要素的扭转振动特性、板簧振动特性以及它们的组合等来进行记述。
作为扭转振动特性的一例，参照图3A和图3B来说明滚珠丝杠31的扭转振动特性。在该例中，假设以下情况：作为工作台的控制对象3在滚珠丝杠31上移动，滚珠丝杠31被支承要素32以悬臂方式支承，滚珠丝杠31产生扭转振动V1。滚珠丝杠31具有长度L、直径d以及横向弹性系数G，在能够无视滚珠丝杠31的质量时，用下面的式子记述滚珠丝杠31的弹簧常数k1。
Figure BDA0002507526440000053
根据该式子可知，弹簧常数k1根据与控制对象3的位置等价的滚珠丝杠的长度L而变化。当如图3B所示那样控制对象3的位置变化从而弹簧常数k1变化时，控制对象3的角频率ω1(即，振动频率)也如下面的式子那样变化。在下面的式子中，JL是控制对象3的惯量。
Figure BDA0002507526440000061
根据该式子，还可知控制对象3的角频率ω1根据与控制对象3的质量M等价的惯量JL而变化。控制对象3在具有质量M且通过螺距p[m]的滚珠丝杠31而驱动的情况下，控制对象3的惯量JL能够通过下面的式子变换成控制对象3的质量M。
Figure BDA0002507526440000062
另外，作为板簧振动特性的一例，参照图4来说明滚珠丝杠31的板簧振动特性。在该例中，假设以下情况：控制对象3处于滚珠丝杠31的顶端，滚珠丝杠31被支承要素32以悬臂方式支承，滚珠丝杠31产生板簧振动V2。滚珠丝杠31具有长度L、直径d以及杨氏模量E，在能够无视滚珠丝杠31的质量时，用下面的式子记述滚珠丝杠31的弹簧常数k2。
Figure BDA0002507526440000063
根据该式子可知，弹簧常数k2根据与控制对象3的位置等价的滚珠丝杠31的长度L而变化。当控制对象3的位置变化从而弹簧常数k2变化时，控制对象3的角频率ω2(即，振动频率)也如下面的式子那样变化。在下面的式子中，M是控制对象3的质量。
Figure BDA0002507526440000064
根据该式子，还可知控制对象3的角频率ω2根据控制对象3的质量M而变化。
再次参照图1和图2，关于控制对象3的位置(即，滚珠丝杠长度L)，既可以如虚线箭头所示那样从位置检测部13输入到振动抑制滤波器20a-20c，或者也可以从位置指令部10输入到振动抑制滤波器20a-20c。另一方面，关于控制对象3的质量M，既可以由操作员预先输入到电动机控制装置1，或者也可以使电动机2微小地动作(例如振动)，根据控制对象3或电动机2的转矩与加速度的关系来进行估计。
图5是示出具备通过电动机2而驱动的自轴31的产业机械30。产业机械30具备电动机2、通过电动机2而驱动的自轴31、能够通过自轴31进行移动的控制对象3以及对电动机2进行控制的电动机控制装置1。电动机2例如是伺服电动机，自轴31例如是规定X轴方向的X轴滚珠丝杠，控制对象3例如是工作台。自轴31被支承要素32以悬臂方式支承，但也可以是以两端方式支承。
电动机控制装置1根据全闭环控制系统或半闭环控制系统而具备图1或图2所示的振动抑制滤波器20a-20c。自轴31产生扭转振动V1，扭转振动特性根据控制对象3在X轴方向上的位置Lx而变化。因而，振动抑制滤波器20a-20c基于控制对象3在自轴31上的位置Lx，根据式6来求出扭转振动V1的角频率ω1，基于求出的角频率ω1，来变更将扭转振动特性的反向特性进行近似的F(s)的振动抑制频率ω0。然后，振动抑制滤波器20a-20c输出变更后的F(s)。
图6示出还具备通过与电动机2不同的电动机4而驱动的他轴33的产业机械30。产业机械30具备电动机2、自轴31、他轴33、能够通过自轴31和他轴33中的至少一者进行移动的控制对象3以及对电动机2和电动机4进行控制的电动机控制装置1。自轴31例如是规定Y轴方向的Y轴滚珠丝杠，他轴33例如是规定Z轴方向的Z轴滚珠丝杠，控制对象3例如是主轴头。自轴31被支承要素32以悬臂方式支承，但也可以是以两端方式支承，他轴33被以悬臂方式支承。
电动机控制装置1根据全闭环控制系统或半闭环控制系统而具备图1或图2所示的振动抑制滤波器20a-20c。自轴31产生扭转振动V1，扭转振动特性根据控制对象3在Y轴方向上的位置Ly而变化。他轴33产生板簧振动V2，板簧振动特性根据控制对象3在Z轴方向上的位置Lz而变化。振动抑制滤波器20a-20c根据控制对象3在自轴31上的位置Ly，通过式6来求出扭转振动V1的角频率ω1，基于求出的角频率ω1，来变更将扭转振动特性的反向特性进行近似的F1(s)的振动抑制频率ω0。另外，振动抑制滤波器20a-20c根据控制对象3在他轴33上的位置Lz，通过式9来求出板簧振动V2的角频率ω2，基于求出的角频率ω2，来变更对板簧振动特性的反向特性进行近似的F2(s)的振动抑制频率ω0。然后，振动抑制滤波器20a-20c输出变更后的F1(s)×F2(s)。
根据上述的实施方式，根据控制对象3的物理变化(即，控制对象的位置和质量中的至少一者的变化)来变更振动抑制滤波器20a-20c，因此能够针对振动特性的变化更快且更准确地应用振动抑制滤波器20a-20c。
另外，由上述的处理器执行的程序也可以记录于计算机可读的非暂态的记录介质例如CD-ROM等来进行提供。
在本说明书中说明了各种实施方式，但本发明不限定于上述的实施方式，能够在上述的权利要求书记载的范围内进行各种变更。

Claims (11)

1.一种电动机控制装置，具备：
位置指令部，其生成针对控制对象的位置指令；
位置检测部，其检测所述控制对象的位置或者用于驱动所述控制对象的电动机的位置；以及
位置控制部，其基于所生成的所述位置指令、以及所检测出的所述控制对象的位置或所述电动机的位置，来控制所述电动机的位置，
其中，所述位置指令部和所述位置控制部中的至少一者具备振动抑制滤波器，所述振动抑制滤波器用于将在所述电动机与所述控制对象之间产生的振动特性的反向特性进行近似，
所述振动抑制滤波器根据所述控制对象的位置和质量中的至少一者，来变更振动抑制频率。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中，
所述控制对象的位置是所述控制对象在通过所述电动机而驱动的自轴上的位置，或者是所述控制对象在通过与所述电动机不同的电动机而驱动的他轴上的位置。
3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其中，
所述控制对象的重量是由操作员预先输入的，或者是基于所述控制对象或所述电动机的转矩与加速度的关系而估计出的。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电动机控制装置，其中，
所述振动抑制频率基于扭转振动特性和板簧振动特性中的至少一者而变更。
5.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其中，
用基于根据所述控制对象的位置而变化的弹簧常数k1、所述控制对象的惯量JL以及所述控制对象的角频率ω1的下面的式子，来记述所述扭转振动特性：
Figure FDA0002507526430000011
6.根据权利要求4或5所述的电动机控制装置，其中，
用基于根据所述控制对象的位置而变化的弹簧常数k2、所述控制对象的质量M以及所述控制对象的角频率ω2的下面的式子，来记述所述板簧振动特性：
Figure FDA0002507526430000021
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的电动机控制装置，其中，
所述电动机控制装置是半闭环控制系统，所述振动抑制滤波器是设置于位置反馈环的外侧的位置指令滤波器。
8.根据权利要求1～6中的任一项所述的电动机控制装置，其中，
所述电动机控制装置是全闭环控制系统，所述振动抑制滤波器是设置于位置反馈环的内侧的位置反馈滤波器。
9.根据权利要求8所述的电动机控制装置，其中，
所述电动机控制装置是全闭环控制系统，所述振动抑制滤波器是设置于位置反馈环的外侧的位置前馈滤波器。
10.一种产业机械，具备：
电动机；
通过所述电动机而驱动的自轴；
能够通过所述自轴进行移动的控制对象；以及
根据权利要求1～9中的任一项所述的电动机控制装置。
11.一种产业机械，具备：
电动机；
通过所述电动机而驱动的自轴；
通过与所述电动机不同的电动机而驱动的他轴；
能够通过所述自轴和所述他轴中的至少一者进行移动的控制对象；以及
根据权利要求1～9中的任一项所述的电动机控制装置。
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