专利名称：时间常数自动推定方法以及时间常数自动推定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过执行读入的动作程序，用来自动地推定作为机床或机器人的驱动源的伺服电动机的时间常数的时间常数自动推定方法、时间常数自动推定装置以及伺服电动机控制系统。
背景技术：
例如，当在现场组装从工厂出厂的机床或机器人时，需要对驱动作为被驱动物的工具刀具台或机器人手臂的伺服电动机的加速减速时的时间常数进行设定。此外，由于被驱动体标准的变更，往往要重新设定时间常数。此时，一般在伺服电动机的允许转矩范围内，为了可以最大限度地发挥伺服电动机的性能地设定时间常数。
作为通过执行读入到计算机中的动作程序，来推定伺服电动机参数的方法以及装置，已知的有在JP-A-2004-74357以及JP-A-9-149670中公开的方法以及装置。在JP-A-2004-74357中，记载了根据被安装在在轴上进行移动的被驱动体上的质量体的量确定伺服参数，使伺服电动机的驱动动作最佳化的方法以及装置。作为伺服参数的时间常数和增益，根据使安装了希望的质量体的被驱动体进行试验动作而检测到的实际负荷，从装置的存储器中预先存储的与负荷范围对应的参数数据中进行确定。
此外，在JP-A-9-149670中公开了自动进行负荷惯性的计算，根据计算结果自动地调整增益参数的方法以及装置。此外，还记载了以下的内容为了减少伺服电动机摩擦的影响可以进行高精度的推定，使用一边调整速度控制增益一边测定从速度指令的10％到达63％的速度所需要的时间而得到的时间常数，来进行负荷惯性的计算。
在JP-A-2004-74357中记载的现有的方法以及装置，根据使被驱动体进行试验动作时检测到的负荷数据，设定与安装在被驱动体上的负荷的大小对应的时间常数，但是，事前准备与负荷大小对应的参数数据非常麻烦，而且，负荷范围与参数数据的关系不是一样地求出的，所以必须对每个机床或机器人的标准求出与负荷范围对应的参数数据，存在用于调整时间常数的准备作业的负担沉重的问题。
在JP-A-9-149670记载的现有的方法以及装置中，根据负荷惯性的计算结果自动地调整增益参数，但是为了求出更高精度的增益参数，必须使用在规定的条件下测定的时间常数来计算正确的负荷惯性，存在无法容易地进行增益参数调整的问题。但是，因为在负载惯性的正确性上存在局限，最终，一边在实际的装置上观测电流值(电流指令的电流值或电流反馈的电流值)，一边通过凑试的方法求出时间常数，以便得到最大电流，无法容易地求出可以发挥伺服电动机的要求性能的时间常数。
发明内容
本发明是鉴于以上的问题而发明的，其目的在于，提供一种无需在时间常数的调整上花费工夫和时间，可以用简单的计算容易地进行推定，且可以减轻伺服电动机调整时的作业负担的时间常数自动推定方法、时间常数自动推定装置以及伺服电动机控制系统。
为了达成上述目的，本发明，提供一种时间常数自动推定方法，其用于自动地推定伺服电动机加速时的时间常数，具备以下步骤对使用为了试验运行而预先准备的假定时间常数使所述伺服电动机加速动作时的峰值电流值进行检测；和根据该峰值电流值与所述假定时间常数的关系，推定在真正控制时以希望的目标电流值使所述伺服电动机实际动作时的真正时间常数。
此外，本发明提供一种时间常数自动推定装置，其用于自动地推定伺服电动机加速时的时间常数，具备电流值检测部，其对使用为了试验运行而预先准备的假定时间常数使所述伺服电动机加速动作时的峰值电流值进行检测；和时间常数推定部，其根据该峰值电流值与所述假定时间常数的关系，推定在真正控制时以希望的目标电流值使所述伺服电动机实际动作时的真正时间常数。
根据时间常数自动推定方法以及时间常数自动推定装置，着眼于伺服电动机的电流值与转矩的关系处于比例关系，以预先准备的假定时间常数进行伺服电动机的试验运行，求出根据伺服电动机的电流波形检测到的峰值电流值与假定时间常数的关系，由此，就可以通过简单的比例计算求出在真正控制时用于流过希望的目标电流的时间常数。因此，可以省略时间常数的调整所需要的时间，可以减轻伺服电动机调整时的作业负担。通过使用如此推定的时间常数进行真正控制，可以最大限度地发挥伺服电动机的性能。
本发明的上述以及其他的目的、特征和优点，在与附图关联的以下的合适的实施方式的说明中会更加清晰。在该附图中图1是用于说明本发明的伺服电动机控制系统的一实施方式的结构图。
图2是用于说明图1所示的伺服电动机控制系统的结构的结构图。
图3是表示使用图2所示的时间常数自动推定装置的第一时间常数自动推定方法的流程图。
图4A是图3所示的时间常数自动推定方法的试验运行时的说明图。
图4B是图3所示的时间常数自动推定方法的真正控制时的说明图。
图5A表示图3所示的时间常数自动推定方法的试验运行时的实际的电流波形。
图5B表示图3所示的时间常数自动推定方法的真正控制时的实际的电流波形。
图6是表示第二时间常数自动推定方法的流程图。
图7A是图6所示的时间常数自动推定方法的试验运行时的说明图。
图7B是图6所示的时间常数自动推定方法的真正控制时的说明图。
图8是表示第三时间常数自动推定方法的流程图。
图9A是图8所示的时间常数自动推定方法的试验运行时的说明图。
图9B是使用图8所示的时间常数自动推定方法的推定时间常数进行试验运行时的说明图。
图9C是对图8所示的时间常数自动推定方法的推定时间常数进行修正后进行真正控制时的说明图。
图10是表示第四时间常数自动推定方法的流程图。
图11A是图10所示的时间常数自动推定方法的试验运行时的说明图。
图11B是使用图10所示的时间常数自动推定方法的推定时间常数进行试验运行时的说明图。
图11C是对图10所示的时间常数自动推定方法的推定时间常数进行修正后进行真正控制时的说明图。
图12是表示本发明的伺服电动机控制系统的变形例的结构图。
具体实施例方式
根据图1以及图2对本发明的伺服电动机控制系统的一实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式的伺服电动机控制系统1，由对直线驱动机床的刀具台(被驱动体)的伺服电动机进行控制的NC控制装置2、和自动推定伺服电动机19的加速时的时间常数的时间常数自动推定装置6构成。NC控制装置2和时间常数自动推定装置6，经由信号线相互连接，接收发送程序以及数据。此外，由伺服电动机控制系统1和没有图示的机床或机器人构成整体的加工系统。
NC控制装置2，作为以下各部来工作通过读入的动作程序，生成针对伺服电动机19的控制指令的指令生成部3；接收来自指令生成部3的控制指令控制伺服电动机19的伺服控制部4；改写诸如时间常数、位置、速度、电流的伺服信息，或将伺服信息发送给时间常数自动推定装置6的参数管理部5。
时间常数自动推定装置6，作为以下各部来工作通过读入的动作程序，对伺服电动机生成试验运行时的控制指令的试验运行用指令生成部7；从NC控制装置2接收电流波形，检测电流指令的峰值电流值或反馈电流的峰值电流值的电流值检测部8；根据检测到的峰值电流值和试验运行时的假定时间常数T的关系，推定在真正控制时使伺服电动机19以希望的目标电流值实际动作时的真正时间常数τ(τ2)的时间常数推定部9；将推定的时间常数τ向NC控制装置2的参数管理部5进行发送的参数设定部10。
图2表示伺服电动机控制系统1的方框图。NC控制装置2，具有处理器板15、数字伺服控制电路17和伺服放大器18。处理器板15具有中央运算处理装置(以下称为CPU)15a、ROM15b、RAM15c、以及未图示的CMOS，经由总线16在与NC控制装置2内的其它部分之间进行指令、数据的交换。CPU15a按照在ROM15b中存储的系统程序控制NC控制装置2。系统程序进行程序的生成以及编辑处理、用于自动运行的再生处理、模拟、伺服参数的调整处理。
RAM15c的很大一部分构成了非易失性存储器区域，存储了示教数据、位置数据(伺服数据)、各种设定值、和各种动作程序。RAM15c的一部分为了CPU15a执行的计算处理等，用于暂时存储数据。CMOS存储器被构成为作为由未图示的电池后备的，即使切断NC控制装置2的电源仍然保持存储状态的非易失性存储器。在该CMOS存储器中，经由串行端口20存储从示教操作盘(CRT/MDI单元)21输入的动作程序和数据。
数字伺服控制电路17，具备机床的轴控制电路(未图示)、主轴控制电路(未图示)。各个控制电路经由总线16与处理器板15相连接，接收来自CPU15a的移动指令。伺服放大器18，把从数字伺服控制电路17接收到的移动指令转换为速度指令来驱动伺服电动机19。在与各个轴对应的伺服电动机19中内置了位置检测用的脉冲编码器(未图示)，来自该脉冲编码器的位置信号通过脉冲串或串行传送进行反馈。在为脉冲串时，可以通过(频率/速度)转换形成速度数据；在为串行数据时，通过求出绝对位置的差分可取得速度数据。
例如，主轴控制电路接收向机床的主轴旋转指令，对主轴放大器输出主轴速度指令。主轴放大器接收该主轴速度指令，以指令的旋转速度使机床的主轴电动机旋转。通过齿轮或皮带将位置编码器与主轴电动机进行结合，位置编码器与主轴的旋转同步地输出反馈脉冲，该反馈脉冲经由接口由CPU15a读取。
位置的反馈信号、速度的反馈信号、电流的反馈信号以及反馈脉冲等可以作为伺服信息使用。电流的反馈信号用于本发明的时间常数的推定。
将各种输入输出部、外部存储装置以及外部设备经由未图示的接口与总线16连接。NC控制装置2，可以通过该接口在与外部装置之间读入动作程序等，还可以向外部输出编辑的程序。
此外，对串行端口20进行总线连接，并与示教操作盘21和RS232C设备(通信用接口)22相连接。示教操作盘21用于输入动作程序等程序、位置数据、各种设定值等。此外，将数字信号用数字I/O(输入输出装置)23、模拟信号用模拟I/O(输入输出装置)24与总线16连接此外，上述NC控制装置2的结构，因为与现有公知的控制装置为大致相同的结构，所以省略其它的说明。
然后，对时间常数自动推定装置6进行说明。本发明的时间常数自动推定装置6通过与接口连接，可以处理动作程序和收发伺服信息。处理器30是整体控制时间常数自动推定装置6的处理器，经由总线31读出存储在ROM32中的系统程序，并按照该系统程序整体控制时间常数自动推定装置6。此外，在盘装置33等存储装置中存储了用于使伺服电动机19进行规定动作的各种程序。在RAM34中存储暂时的计算数据、显示数据以及经由CRT/MdI单元37由操作员输入的各种数据。推定时间常数所需要的数据可以存储在该RAM34中。
此外，在盘装置33等存储装置中预先写入了使计算机执行以下功能部的动作程序检测通过为试验运行而预先准备的假定时间常数T使伺服电动机19加速动作时的峰值电流值P的功能部；和根据峰值电流值P和假定时间常数T的关系，推定在真正控制时以希望的目标电流值使伺服电动机19实际动作时的真正时间常数τ的功能部。此外，存储在存储装置中的程序，被从存储装置中读出后传送给NC控制装置2。接口35在与NC控制装置2之间进行信号的交换。
CRT/MdI单元37是具备处理器、存储器、显示器以及键盘等的手动数据输入装置。接口38接受来自CRT/MdI单元37的数据将其交给处理器30。此外，CRT/MdI单元37根据从处理器30发送来的数据，执行显示处理在显示器上进行显示。
然后，根据图3以及图4A、4B，对使用时间常数自动推定装置6的第一时间常数自动推定方法进行说明。
首先，在步骤A1中，设置在真正控制时想要实现的加速时的峰值电流值A。在步骤A2中，将用于试验运行的假定时间常数T(图4A)发送给NC控制装置2。在步骤A3中，将用于试验运行的动作程序发送给NC控制装置2。在步骤A4中，在进行了从NC控制装置2进行接收的电流数据取得准备之后，在步骤A5中进行试验运行。在步骤A6中，从NC控制装置2接收(取得)电流指令或反馈电流的电流波形。在步骤A7中，从接收到的电流波形中读取电流指令的峰值电流值P或反馈电流的峰值电流值P。在步骤A8中，根据式子τ＝T/(A/P)自动计算与真正控制加速时的峰值电流值A对应的时间常数τ(图4B)。其中，T假定时间常数、P以假定时间常数进行驱动时的峰值电流值、A真正控制时流过的希望的目标电流值。上式中，伺服电动机19的电流值与转矩关系为比例关系，通过简单的比例计算来求出时间常数τ。在步骤A9中，将求出的时间常数τ发送给NC控制装置2，然后结束。
图5A表示了试验运行时的实际的电流波形，图5B表示了真正控制时的实际的电流波形。在图中，与电流波形一起还记载了电动机速度。可知在图5A和图5B中为得到相同的电动机速度而流过的电流指令的电流值不相同。在图5A中，因为使用长的时间常数(300ms)，所以仅使用了最大电流的12％。与此相对，在图5B中，因为以流过最大电流85％的电流为目标，所以为短时间常数(42ms)。因此，通过使用如此推定的时间常数τ进行控制，可以最大限度地发挥伺服电动机19的性能，可以进行周期短的控制。
然后，根据图6以及图7A、7B，对使用时间常数自动推定装置的第二时间常数自动推定方法进行说明。作为时间常数自动推定装置，除了第一方法中使用的时间常数自动推定装置6的功能之外，还使用检测恒定电流值的第二电流值检测部(未图示)的功能。
步骤B1～B7因为与步骤A1～A7相同，所以省略重复的说明。在步骤B8中，通过第二电流值检测部读取以一定速度移动的部分的恒定电流值B。在步骤S9中，将峰值电流值P减去恒定电流值B的值作为新的峰值电流值，将希望的峰值电流值A减去恒定电流值B的值作为新的目标电流值，根据τ＝T/{(A-B)/(P-B)}计算与真正控制的加速时的峰值电流值A对应的时间常数τ。式中，T假定时间常数，P以假定时间常数驱动时的峰值电流值，A真正控制时流过的目标电流值，B恒定电流值。在步骤B10中，将求出的时间常数τ发送给NC控制装置2，然后结束。
根据第二时间常数自动推定方法，可以将摩擦转矩消除的电流值和加速电流值分开，来求出去除了由摩擦产生的影响的正确的时间常数。
然后，根据图8以及图9A～图9C，对使用时间常数自动推定装置的第三时间常数自动推定方法进行说明。作为时间常数自动推定装置，除了第二方式中使用的时间常数自动推定装置的功能以外，还使用判定峰值电流值是否达到了伺服放大器的最大允许电流值的未图示的峰值电流值判定部(第一判定部)的功能。
首先，在步骤C1中，将在真正控制时希望实现的加速时的峰值电流值A设为放大器最大允许电流。步骤C2～C10因为与步骤B2～B10相同，所以省略重度的说明。在步骤C11中，以在步骤C10中推定的时间常数τ1执行试验运行。在步骤C12中，通过判定部判定峰值电流值是否达到了伺服放大器的最大允许电流值。判定的结果在为NO时结束作业，在为YES时，在步骤C13中，把推定时间常数τ1乘以系数的值作为修正后(调整后)的时间常数τ2，再次进行试验运行。以下，反复进行相同的作业，直到判定结果为NO。
图9A表示使用假定时间常数T试验运行时的电流波形和电动机速度。图9B表示使用通过计算推定的时间常数τ1时的电流波形和电动机速度。表示峰值电流值达到了放大器最大允许电流值P(电流波形的前端变得平坦)。图9C表示使用修正时间常数τ2时的电流波形和电动机速度，表示峰值电流值没有达到放大器最大允许电流值P(电流波形的前端变得尖锐)。
根据第三时间常数自动推定方法，可以在峰值电流值没有达到伺服放大器的最大允许电流值的条件下推定时间常数τ2。因此，可以避免伺服电动机19在负荷较大的状态下的长期运行，防止伺服电动机19以及伺服放大器18的热损伤。
然后，根据图10以及图11A～11C，对使用时间常数自动推定装置的第四时间常数自动推定方法进行说明。作为时间常数自动推定装置，除了第三方式中使用的时间常数自动推定装置的功能以外，还使用对峰值电流值达到伺服放大器的最大允许电流值的状态所持续的时间进行测定，判定持续时间是否在规定时间以内的未图示的持续时间判定部(第二判定部)的功能。
步骤D1～D12因为与步骤C1～C12相同，所以省略重复的说明。在步骤D13中，通过持续时间判定部对峰值电流值达到伺服放大器的最大允许电流值的状态所持续的时间进行测定，在持续时间在规定时间以内时(YES)结束作业；相反，在为ON时，在步骤D14中将推定时间常数τ1乘以系数的值作为修正时间常数τ2，在步骤D11中再次进行试验运行。以下，反复进行相同的作业，直到判定结果为YES。
图11A表示使用假定时间常数T进行试验运行时的电流波形和电动机速度。图11B表示使用通过计算推定出的时间常数τ1时的电流波形和电动机速度。表示持续时间在规定时间以上。图11C表示使用修正时间常数τ2时的电流波形和电动机速度，持续时间小于规定时间。
根据第四时间常数自动推定方法，在由持续时间测定部测定的持续时间在规定时间以上时，根据推定时间常数τ1求出修正时间常数τ2，使持续时间小于规定时间，由此，可以在位置偏差或速度偏差不过大的范围内，进行发挥伺服电动机19的最大性能的控制。
此外，本发明并不限于上述实施方式，在不超出本发明主旨的范围内可以进行各种变形来实施。在本实施方式中，在使用假定时间常数的试验运行与使用通过计算求出的推定时间常数τ的真正控制时，以负荷惯性相同为前提，但是在试验运行时的负荷惯性与真正控制时的负荷惯性不同时，也可以根据试验运行时的负荷惯性与真正控制时的负荷惯性的比例来修正推定时间常数。
即，在把试验运行时(调整时)的电动机惯性设为Jm(不变)，机械惯性设为JL1，假定时间常数设为T1，真正控制时(实际运行时)的机械惯性设为JL2时，可以通过τ＝T1·{(Jm+JL2)/(Jm+JL1)}求出实际运行时的真正时间常数τ。
此外，伺服电动机控制系统1由经由信号线相互链接的NC控制装置2和时间常数自动推定装置6构成，但是如图12所示，也可以将NC控制装置2和时间常数自动推定装置6做成一体化来构成伺服电动机控制系统100。此外，如本实施方式，在单独构成NC控制装置2和时间常数自动推定装置6时，可以使时间常数自动推定装置6为个人电脑。
以上，参照最佳实施方式对本发明进行了说明，但本行业的从业人员一定会理解在不脱离本发明请求范围的公开范围的情况下，可以进行各种各样的修改以及变更。
权利要求
1.一种时间常数自动推定方法，其用于自动推定伺服电动机(19)加速时的时间常数，其特征在于，具备下述步骤对使用为了试验运行而预先准备的假定时间常数(T)使所述伺服电动机(19)加速动作时的峰值电流值(P)进行检测；和根据该峰值电流值(P)与所述假定时间常数(T)的关系，推定在真正控制时以希望的目标电流值(A)使所述伺服电动机(19)实际动作时的真正时间常数(τ)。
2.根据权利要求1所述的时间常数自动推定方法，其特征在于，通过式子τ＝T/(A/P)来推定所述真正时间常数(τ)，其中，T假定时间常数、P以假定时间常数进行驱动时的峰值电流值、A真正控制时流过的希望的目标电流值。
3.一种时间常数自动推定装置(6)，其用于自动推定伺服电动机(19)加速时的时间常数，其特征在于，具备电流值检测部(8)，其对使用为了试验运行而预先准备的假定时间常数(T)使所述伺服电动机(19)加速动作时的峰值电流值(P)进行检测；和时间常数推定部(9)，其根据所述峰值电流值(P)与所述假定时间常数(T)的关系，推定在真正控制时以希望的目标电流值(A)使所述伺服电动机(19)实际动作时的真正时间常数(τ)。
4.根据权利要求3所述的时间常数自动推定装置(6)，其特征在于，所述时间常数推定部(9)通过式子τ＝T/(A/P)来推定所述真正时间常数(τ)，其中，T假定时间常数、P以假定时间常数进行驱动时的峰值电流值、A真正控制时流过的希望的目标电流值。
5.根据权利要求3或4所述的时间常数自动推定装置(6)，其特征在于，具有在所述试验运行时，对使所述伺服电动机(19)进行恒速动作时的恒定电流值(B)进行检测的第二电流值检测部，将所述峰值电流值(P)减去所述恒定电流值(B)的值作为新的峰值电流值，将所述希望的目标电流值(A)减去所述恒定电流值(B)的值作为新的希望的目标电流值。
6.根据权利要求3所述的时间常数自动推定装置(6)，其特征在于，具备在使用所述真正时间常数(τ)进行所述伺服电动机(19)的试验运行时，判定所述峰值电流值(P)是否达到了伺服放大器(18)的最大允许电流值的第一判定部，在由该第一判定部判定为所述峰值电流值(P)达到了伺服放大器(18)的最大允许电流值时，通过使该真正时间常数(τ)乘以规定的系数来改写所述真正时间常数(τ)，直到所述峰值电流值(P)达不到伺服放大器(18)的最大允许电流值为止，另一方面，在判定为所述峰值电流值(P)没有达到所述伺服放大器(18)的最大允许电流值时，不改写所述真正时间常数(τ)。
7.根据权利要求3所述的时间常数自动推定装置(6)，其特征在于，具备在使用所述真正时间常数(τ)进行所述伺服电动机(19)的试验运行时，检测所述峰值电流值(P)达到了伺服放大器(18)的最大允许电流值的状态持续的持续时间，并判定该持续时间是否在规定时间以内的第二判定部，在通过该第二判定部判定为所述持续时间在规定时间以上时，通过使该真正时间常数(τ)乘以规定的系数来改写所述真正时间常数(τ)，直到所述持续时间小于所述规定时间为止，另一方面，在判定为所述持续时间短于规定时间时，不改写所述真正时间常数(τ)。
8.根据权利要求3所述的时间常数自动推定装置(6)，其特征在于，具备修正所述真正时间常数(τ)的修正部，所述修正部，在所述试验运行时的负荷惯性与所述真正控制时的负荷惯性不同时，根据所述试验运行时的负荷惯性与所述真正控制时的负荷惯性的比率来修正所述真正时间常数(τ)。
9.一种伺服电动机控制系统，其特征在于，具备权利要求3所述的时间常数自动推定装置。
全文摘要
一种用于自动推定伺服电动机加速时的时间常数的时间常数自动推定装置，具备对使用为了试验运行而预先准备的假定时间常数使伺服电动机加速动作时的峰值电流值进行检测的电流值检测部；和根据峰值电流值与假定时间常数的关系，推定在真正控制时以希望的目标电流值使伺服电动机实际动作时的真正时间常数的时间常数推定部。
文档编号G05B19/18GK1983095SQ20061016563
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月11日 优先权日2005年12月12日
发明者岩下平辅, 置田肇, 杉山和之 申请人:发那科株式会社