全闭合环路位置控制器的制作方法

在此通过引用，将提交于2015年11月30日、编号为2015-232850的日本专利申请包括说明书、权利要求书、附图及摘要的全部公开通过整体引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种对机器工具或机器人的臂进行轴控制的伺服控制器，具体地涉及一种全闭合环路位置控制器，其目的在于，通过直接感应负载的一端的位置，根据位置命令值来控制负载的位置。

背景技术：

通常，用于数控机床的轴控制的全闭合环路位置控制器，通过控制向驱动电机的控制输入τ_m，根据由较高级别设备提供的位置命令值X_C来控制受控目标(下文中称为“目标设备”)的负载位置θ_L。因此，全闭合环路位置控制器要求高水平的系统稳定性(包括振动抑制性能)、精确的命令跟踪性能以及高水平的负载扰动抑制性能。

图5为展示常规全闭合环路位置控制器的示例的框图。目标设备200按照旋转电机轴展示。所述目标设备200具有作为传递特性的传递极点ω_P和传递零点ω_Z，目标设备200描述为以下配置：电机惯性矩I_m和负载惯性矩I_L通过具有硬度K的弹簧系统相连。“s”表示进行拉普拉斯变换。所述目标设备200的运动方程式用以下方程式(1)表示：

其中，ω_m为电机速度，θ_m为电机位置，ω_L为负载速度，τ_d为负载扰动力矩。

图5中的常规全闭合环路位置控制器300如下所述。减法器50从较高级别设备(未图示)提供的位置命令值X_C减去由负载位置感应器(未图示)感应的负载位置θ_L。作为所述减法器50的输出的位置偏差通过位置偏差放大器51被放大位置环路增益K_P倍以用作速度命令值。减法器52从所述速度命令值减去混合速度反馈ω_fb。作为所述减法器52的输出的速度偏差通过速度偏差放大器53被放大速度环路增益G_V倍以用作向驱动电机的控制输入τ_m。

所述速度环路增益G_V可以基于以下方程式(2)的比例增益G_P和积分增益G_i来获得：

G_V＝G_P+G_i/s 方程式(2)

由于所述速度环路增益G_V不指定速度控制带，假定带有应用于所述目标设备200的刚体近似的速度控制系统的自然共振频率ω_V为速度控制带，以便使所述速度控制带ω_V与所述比例增益G_P及所述积分增益G_i以下列方程式(3)关联：

G_P＝2(I_m+I_L)ω_y,G_i＝(I_m+I_L)ω_V² 方程式(3)

微分器57通过将时间微分施加至所述负载位置θ_L来输出负载速度ω_L。电机速度ω_m由感应器(未图示)感应，比如，设置在电机处的位置感应器和速度感应器。减法器56从所述负载速度ω_L减去电机速度ω_m。然后，所述减法器56的输出通过放大器55被放大混合增益f_b倍，并且通过加法器54与电机速度ω_m相加以用作混合速度反馈ω_fb。这个过程由以下方程式(4)定义：

ω_fb＝(1-f_b)ω_m+f_bω_L 方程式(4)

其中，所述混合增益f_b表示混合速度回馈ω_fb中电机速度ω_m与负载速度ω_L的混合比。混合增益f_b为设置在范围内的参数。

下一步，描述图5所示的位置控制系统的稳定极限。由于对稳定性问题的积分增益G_i的作用受限，假定该增益G_i为零(G_i＝0)。以下方程式可通过基于众所周知的劳斯稳定判据计算所述全闭合环路位置控制的稳定极限来获得：

其中，负载惯性矩比R＝I_L/I_m，目标设备的零点角频率ω_Z＝(K/I_L)^1/2。

方程式(5)表明除非伺服增益(K_Pω_V)减小，否则振动特性变得显著，这是因为负载惯性矩I_L的增加减小了零点角频率ω_Z,导致所述方程式的右边变小。然而，已知所述振动抑制性能可以通过设置混合增益f_b来改善，因为稳定极限可以增加，特别当负载惯性矩比R为高时。

因此，稳定极限增加比h(f_b)通过利用混合增益f_b由以下方程式(6)定义：

图6展示了相对于混合增益f_b的稳定极限增长率h(f_b)，负载惯性矩比R用作参量。方程式(6)表明：当f_b＝(R-1)/(1+R)时，稳定极限增长率h(f_b)达到最大值。当在此值上的混合增益f_b设定时，h(f_b)迅速减小并且易于落入的范围内，如图6所示。

换言之，对于具有显著变化的负载惯性矩比R的控制轴，需要选择最小R(R_min)时的最佳混合增益f_b，并且鉴于稳定极限最大值R(R_max)设置足够的伺服增益(K_Pω_V)。

下一步，以具有在3≤R≤10的范围内变化的负载惯性矩比R的目标设备为示例进行描述。所述伺服增益(K_Pω_V)可以从以下方程式(7)获得，鉴于稳定极限和振动抑制特性，对方程式(5)应用了边际常数

在图5中，假定在R＝10的情况下目标设备具有ω_z＝64rad/s＝10Hz的特征，描述了位置控制系统中提供的命令响应的频率特性θ_L/X_C和扰动响应ω_L/τ_d。

图7展示了频率特性，具体地，在混合增益f_b＝0的情况下，伺服增益(位置环路增益K_P和速度控制带ω_V)基于方程式(7)适当地设置。相反地，图8展示了在R＝10及混合增益f_b＝0.5的情况下基于方程式(7)适当设置伺服增益(K_Pω_V)时的频率特性，在R＝3的情况下实现最大稳定极限增长率h(f_b)。

在这个示例中，混合增益f_b＝0.5，此为负载惯性矩比R在3≤R≤10的范围内R＝3的情况下的最佳混合增益。因此，基于图6，在R＝10的情况下，稳定极限增长率h(f_b)约为1.8。因此，命令响应的截止频率θ_L/X_C从10Hz增加至15Hz，命令跟踪性能得到改进。此外，在中间或低频率范围内的负载扰动抑制性能同样改进约-7dB。然而，由于在R＝10的情况下的稳定极限增长率h(f_b)的最大值约为3，控制性能没有改进至接近极限。

作为常规技术，JP 2013-148422A可以作为示例提出。

如上所述，在常规全闭合环路位置控制器中，速度控制系统的配置基于电机速度ω_m和负载速度ω_L的混合速度反馈ω_fb，控制性能不能通过所述混合速度反馈充分地改进，特别对于具有显著变化的负载惯性矩比R的控制轴。

技术实现要素：

本公开公开了一种带有伺服增益(K_Pω_V)的全闭合环路位置控制器，通过根据变化的负载惯性矩比R改变混合增益f_b以保持最大稳定极限增长率h(f_b)，该伺服增益设置用于不断地实现最佳控制性能。

本公开公开了一种数控机床的全闭合环路位置控制器，根据由较高级别设备提供的位置命令值，通过利用伺服电机驱动目标设备，控制目标设备的负载位置。所述全闭合环路位置控制器的速度反馈控制系统基于电机速度和负载速度的混合速度形成。所述全闭合环路位置控制器包括识别计算器、混合增益计算器以及伺服增益识别器，该识别计算器基于控制输入、电机速度以及伺服电机的负载速度识别负载惯性矩比；该混合增益计算器基于所识别的负载惯性矩比计算作为混合速度的混合比的混合增益；该伺服增益识别器基于所识别的负载惯性矩比和混合增益计算位置环路增益和速度环路增益。所述全闭合环路位置控制器基于所述混合增益、所述位置环路增益和所述速度环路增益控制负载位置。

在根据本公开的一个实施例中，所述全闭合环路位置控制器进一步包括积分放大器和伺服电机变化率计算器，该积分放大器基于所识别的负载惯性矩比计算待应用于所述控制的负载惯性矩比，该伺服电机变化率计算器基于待应用于所述控制的负载惯性矩比和所述混合增益计算伺服电机变化率。所述伺服增益识别器基于待应用于所述控制的负载惯性矩比和所述伺服增益变化率计算位置环路增益和速度环路增益。

更具体地，在本公开中，所述全闭合环路位置控制器包括预先设置的初始参数(R₀,F_b0，ω_V0,K_P0)。所述全闭合控制器基于实时识别的负载惯性矩比R和相应混合增益f_b不断地计算关于初始参数(ω_V0K_P0)的伺服增益变化率A，以便适当地改变待应用于所述控制的比例增益G_P和积分增益G_i(二者结合形成速度环路增益G_V)以及位置环路增益K_P。

在根据本公开的全闭合环路位置控制器中，通过根据变化的负载惯性矩比R改变混合增益f_b，可以不断地提供最佳控制性能。更具体地，在本公开中，比例增益G_P和积分增益G_i(二者结合形成速度环路增益G_V)、混合增益f_b以及位置环路增益K_P可以根据变化的负载惯性矩比R适当地改变。因此，即使对于具有显著变化的负载惯性矩比R的控制轴，所述全闭合环路位置控制系统可以不断地具有适当命令跟踪性能和负载扰动抑制性能。

附图说明

本公开的实施例基于下列附图进行描述，其中：

图1为展示根据本公开的全闭合环路位置控制器的一个示例的框图；

图2展示了根据本公开的积分放大器3处的放大器输入e和积分增益G_e之间的关系；

图3展示了根据本公开的全闭合环路位置控制器的位置控制频率特性的一个示例；

图4展示了根据本公开的全闭合环路位置控制器的位置控制频率特性的另一示例；

图5为展示常规全闭合环路位置控制器的示例性结构的框图；

图6展示了以负载惯性矩比R为参数的相对于混合增益f_b的稳定极限增长率h(f_b)；

图7展示了常规全闭合环路位置控制器的位置控制系统的频率特性的一个示例；

图8展示了常规全闭合环路位置控制器的位置控制系统的频率特性的另一示例。

具体实施方式

以下描述根据本公开的实施例。应该注意的是，以下实施例仅作为示例提供。本公开不限于以下实施例。图1为展示根据本公开的全闭合环路位置控制器的一个示例的框图。以下描述仅指示与以上描述的常规技术的不同。

方程式(1)所示的目标设备200的运动方程可以通过利用负载惯性矩比R的以下方程式来表示：

这个方程式可以转换为以下方程式(9)，作为参数表达式：

电机加速度dω_m/dt和负载加速度dω_L/dt可以通过在采样时间感应电机速度ω_m和负载速度ω_L来计算。进一步地，由于控制输入τ_m是位置控制器的计算值并且电机惯性矩I_m为已知参数，可以获得方程式(9)的左侧的负载转矩τ_L以及右侧的信号行向量ξ。因此，可以识别方程式(9)的右侧的未知参数的列向量γ，这是因为，当加速度改变时，通过以时间序列收集n个负载转矩τ_L和信号行向量ξ并且使其以行方向排列，所述信号行向量ξ形成信号矩阵Ξ(n×2)，其中每个列向量是线性独立的。

当感应到加速度的变化时，通过以信号ω_m、ω_L、τ_m为输入，利用已知的识别算法，识别计算器1执行以上描述的未知参数的列向量γ的识别计算。在图1中，已识别的负载惯性矩比R由R_ID表示。从识别计算器1输出的已识别负载惯性矩比R_ID在每次识别计算中更新。

减法器2从已识别的负载惯性矩比R_ID减去待用于所述控制的负载惯性矩比R(下文中指代“待应用于控制的负载惯性矩比R”)。所述减法器的输出e(输入至放大器)通过集成放大器3放大积分增益G_e，以用作待应用于控制的负载惯性矩比R。这个系列的计算可以由以下方程式(10)表示：

积分增益G_e由图2所示的放大器输入e变换。用和表示的值预定义为常量，考虑负载惯性矩R的实际比的可能的变化范围和随时间的变化率，以及所述积分放大器3的滤波效应，来预设所述常量。这样，图6所示的稳定极限范围内的位置控制操作可以通过控制待应用于所述控制的负载惯性矩比R的增长来确保，以便在e＞0的情况下，负载惯性矩比R的增长被控制为适度的；反之，在的情况下，积分增益G_e更加快速地增长，以提高对R_ID的跟踪性能以及利用较小R_ID(R_ID＜＜R)使R更快速地增长。

混合增益计算器4基于待应用于所述控制的负载惯性矩比R，从以下方程式(11)计算混合增益f_b：

其中，α为向实现图6所示的最大稳定极限增长率h(f_b)的混合增益f_b施加安全裕量的减额因素。所述减额因素α典型地设置在0.8至1的范围内。所计算的混合增益f_b设定为放大器55的放大系数。

在本公开中，负载惯性矩比的初始值R₀预先定义，并且对应于该初始值R₀的f_b0在伺服增益变化率计算器5中预先设定。进一步地，当确定了待控制的目标设备200，可以获得刚度K。然后，从方程式(7)获得用于R₀和f_b0的速度控制带ω_V0及位置环路增益K_P0，并且设置在伺服增益识别器6中。基于方程式(3)，对于速度控制带ω_V0，形成速度环路增益G_V0的比例增益G_P0和积分增益G_i0由以下方程式(12)确定：

通过利用初始值R₀、f_b0和待应用于所述控制的负载惯性矩比R以及混合增益f_b，伺服增益变化率计算器5从以下方程式(13)计算伺服增益变化率A。待应用于所述控制的负载惯性矩比R以及混合增益f_b实时进行计算。所计算的值输出至伺服增益识别器6。

伺服增益识别器6基于预定义的初始值R₀、ω_V0、K_P0和伺服增益变化率A从方程式(14)实时地计算速度控制带ω_V和位置环路增益K_P(需要注意的是，速度控制带ω_V在这个示例中并非必需)：

基于伺服增益变化率A和待应用于所述控制的负载惯性矩比R，对于初始值G_P0和G_i0，形成速度环路增益G_V的比例增益G_P和积分增益G_i从以下方程式(15)计算：

所计算的位置环路增益K_P设置为位置偏差放大器51的放大系数。比例增益G_P和积分增益G_i设置为速度偏差放大器53的放大系数。

图3展示了命令响应θ_L/X_C和扰动响应ω_L/τ_d的频率特性，位置控制系统由伺服增益(位置环路增益K_P和速度控制带ω_V)配置，伺服增益由根据图1所示的本公开的全闭合环路位置控制器的方程式(7)设定，其中，减额因素α＝1，并且在负载惯性矩比R＝3的情况下混合增益f_b＝0.5。

根据本公开的全闭合环路位置控制器的位置控制特性描述为以下情况：负载惯性矩比R在R＝3至R＝10的范围内变化。为了方便起见，图3中使用的条件假定为初始值(R₀＝3,f_b0＝0.5)。识别计算器1输出已识别的负载惯性矩比R_ID＝10。然后，待应用于所述控制的负载惯性矩比R从3至10收敛。

混合增益计算器4从方程式(11)(假定α＝1)计算并输出混合增益f_b≒0.81。伺服增益变化率计算器5从方程式(13)计算并输出伺服增益变化率A＝0.82。伺服增益识别器6从方程式(14)确定位置环路增益K_P以及从方程式(15)确定比例增益G_P和积分增益G_i。因为位置环路增益K_P和速度控制带ω_V为初始值K_P0和ω_V0的0.9倍。比例增益G_P为初始值G_p0的2.5倍(11/4×0.9≈2.5)。积分增益G_i为初始值G_i0的2.3倍(11/4×0.82≈2.3)。图4展示了在这些条件下的命令响应θ_L/X_C和扰动响应ω_L/τ_d的频率特性。

这样，在负载惯性矩比R＝10的情况下，相较于图8所示的用于常规技术的控制特性，命令响应θ_L/X_C的截止频率从15Hz拓宽为24Hz，并且在中间和低频率带中的负载扰动抑制性能改进约为-10dB。

如上所述，根据本公开的全闭合环路位置控制器识别负载惯性矩比R并根据变化R选择最佳混合增益f_b，以便速度环路增益的比例增益G_P和积分增益G_i以及位置环路增益K_P可以适当地改变。因此，即使对于具有显著变化的负载惯性矩比R的控制轴，全闭合环路位置控制器系统不断地具有高水平的命令跟踪性能，并且可以实现负载扰动抑制性能。