机械装置的控制装置及摩擦补偿用增益确定方法
【专利摘要】本发明提供一种机械装置的控制装置及摩擦补偿用增益确定方法。本发明的目的在于提高机械装置的位置控制精度。机械装置(12)的控制装置(14)具备：速度控制器(32)，计算出机械装置(12)的转矩指令；摩擦估计部(44)，计算出机械装置(12)中产生的摩擦力的估计值；振幅相位调整部(46)，由摩擦估计部(44)估计出的摩擦力与比例增益(Kc)相乘来计算出摩擦修正值；及修正部(48)，使用由振幅相位调整部(46)计算出的摩擦修正值来修正转矩指令。而且，比例增益根据从机械装置(12)的位置指令至位置偏差的传递函数的增益特性来确定。
【专利说明】
机械装置的控制装置及摩擦补偿用増益确定方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种机械装置的控制装置及摩擦补偿用增益确定方法。
【背景技术】
[0002] 在要求高精度定位的机床等机械装置中，存在由于摩擦使控制精度恶化的问题。 尤其是在如停止后要重新开始运动的往复运动中，受到摩擦的约束而有可能增加位置指令 与负荷轴的位置的偏差即位置偏差。因此，进行补偿机械装置中产生的摩擦的控制。
[0003] 作为以往机械装置中的摩擦补偿方法有如下方法，即预先实验性调整摩擦的修正 量与开始修正及结束修正的定时，并将修正量与速度指令或转矩指令进行相加。然而，该方 法中，摩擦特性会经年变化和因各个驱动条件、机械装置而异，因此在调整上需要时间。
[0004] 并且，作为其他摩擦补偿方法有如下方法，即使用摩擦模型估计机械装置的摩擦 力，根据估计出的摩擦力来补偿实际摩擦力。使用摩擦模型的摩擦补偿方法有根据位置指 令、目标值等控制指令来估计摩擦力的前馈方式、或根据实际位置或速度来估计摩擦力的 反馈方式。
[0005] 而且，使用摩擦模型的摩擦补偿方法中，摩擦力的估计精度越高，与使用所述修正 量的方法相比调整越简单。
[0006] 作为一个例子，在专利文献1中公开有一种由反馈控制进行马达控制的马达控制 装置，该装置具备用于估计马达的扰动转矩的扰动转矩观测器(Observer)，以减小由马达 反转时的摩擦引起的扰动影响，除了在通过可变增益来反转马达时以外，控制扰动转矩观 测器的输出值。
[0007] 以往技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1:日本特开平9-74783号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的技术课题
[0011]机械装置中产生的摩擦的产生部位存在于驱动轴、负荷轴、及在驱动轴与负荷轴 之间传递力的中间轴(例如滚珠丝杠)等多处。
[0012] 作为控制观测量的负荷轴的位置信号成为在这些多个产生部位产生的摩擦力包 含扭曲和共振的合计值，阻碍机械装置的控制精度的提高。
[0013] 而且，为了进行摩擦补偿，即使向驱动轴施加相当于摩擦补偿的力(摩擦修正量）， 在从驱动轴向中间轴和负荷轴传递力时，也会因轴的扭曲、齿轮的死区（机械间隙）的影响 而延缓力的传递，或产生力的损失。
[0014] 因此，即使向驱动轴施加与整个机械装置的摩擦力本身相同大小的摩擦修正量， 也会存在无法以良好的精度补偿实际的机械装置的摩擦的情况。
[0015] 本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够进一步提高机械装置 的位置控制精度的机械装置的控制装置及摩擦补偿用增益确定方法。
[0016] 用于解决技术课题的手段
[0017] 为了解决上述课题，本发明的机械装置的控制装置及摩擦补偿用增益确定方法采 用以下机构。
[0018] 本发明的第一方式所涉及的机械装置的控制装置具备:转矩指令计算机构，计算 出机械装置的转矩指令;摩擦估计机构，计算出所述机械装置中产生的摩擦力的估计值;调 整机构，由所述摩擦估计机构计算出的估计值与既定增益相乘来计算出修正值;及修正机 构，用由所述调整机构计算出的所述修正值来修正由所述转矩指令计算机构计算出的所述 转矩指令，所述增益根据从所述机械装置的位置指令至位置偏差的传递函数的增益特性来 确定。
[0019] 根据上述结构，由转矩指令计算机构计算出机械装置的转矩指令，由摩擦估计机 构计算出机械装置中产生的摩擦力的估计值以补偿机械装置中产生的摩擦。
[0020] 然而，由于轴的扭曲、齿轮的死区（机械间隙）的影响会延缓力的传递或发生力的 损失。因此，仅通过使用摩擦力的估计值来修正转矩指令，不会成为精度高的摩擦补偿。
[0021] 因此，由调整机构将摩擦力的估计值与既定增益相乘来计算出修正值，并通过由 修正值修正转矩指令。
[0022] 与摩擦力的估计值相乘的增益根据从机械装置的位置指令至位置偏差的传递函 数的增益特性来确定。
[0023] 该传递函数是表示包含进行摩擦补偿的控制装置及机械装置在内的整个机械系 统的特性的函数，包含有与位置偏差有关的信息。而且，从传递函数的增益特性能够估计在 当前系统结构下产生何种程度的位置偏差，因此，能够简单地将与摩擦力的估计值相乘的 增益最佳化。
[0024] 因此，根据上述结构，能够进一步提高机械装置的位置控制的精度。
[0025] 上述第一方式中，所述增益优选根据所述传递函数的增益特性的低频区域与预先 设定的阈值所包围的面积来确定。
[0026] 根据上述结构，能够简单地确定与为了摩擦补偿而计算出的摩擦力的估计值相乘 的增益。
[0027] 上述第一方式中，所述传递函数优选通过线性分析来导出。
[0028] 根据上述结构，能够简单地确定与为了摩擦补偿而计算出的摩擦力的估计值相乘 的增益。
[0029] 本发明的第二方式所涉及的摩擦补偿用增益确定方法为是在机械装置的控制装 置中使用的方法，所述控制装置计算出机械装置中产生的摩擦力的估计值，将计算出的所 述估计值与既定增益相乘来计算出修正值，用所述修正值将所述机械装置的转矩指令进行 修正，所述方法中，导出从所述机械装置的位置指令至位置偏差的传递函数，根据所述传递 函数的增益特性来确定所述增益。
[0030] 发明效果
[0031] 根据本发明，具有能够提进一步高机械装置的位置控制精度的优异效果。
【附图说明】
[0032]图1是本发明的实施方式所涉及的机械系统的概略结构图。
[0033]图2是表示本发明的实施方式所涉及的控制装置的结构的功能框图。
[0034] 图3是具有摩擦的机械装置的框图。
[0035] 图4是表示本发明的实施方式所涉及的比例增益确定处理的流程的流程图。
[0036]图5是表示本发明的实施方式所涉及的传递函数的增益特性的一例的曲线图。
[0037] 图6是表示成为本发明的实施方式所涉及的评价值的面积的一例的曲线图。
[0038] 图7是表示针对本发明的实施方式所涉及的比例增益的评价值变化的一例的曲线 图。
[0039] 图8是表示对应于本发明的实施方式所涉及的比例增益的位置偏差变化的一例的 曲线图。
[0040] 图9是表示成为本发明的实施方式所涉及的评价值的面积的其他例的曲线图。
[0041] 图10是表示本发明的实施方式所涉及的控制装置的结构的功能框图。
【具体实施方式】
[0042] 以下，参考附图对本发明所涉及的机械装置的控制装置及摩擦补偿用增益确定方 法的一实施方式进行说明。
[0043] 图1是本实施方式所涉及的机械系统10的概略结构图。
[0044] 机械系统10具备机械装置12及以机械装置12为控制对象的控制装置14。
[0045] 机械装置12中，分别在驱动轴20上设置有齿轮24,且在负荷轴22上设置有齿轮26， 该齿轮24、26彼此齿合而将驱动轴20所具有的力传递至负荷轴22。驱动轴20作为一例设为 马达28的旋转轴(所谓马达轴），负荷轴22设为负荷30的旋转轴。机械装置12也可以具有传 递驱动轴20与负荷轴22之间的力的中间轴。
[0046] 控制装置14根据负荷轴22的位置与位置指令的偏差来控制机械装置12。图2是表 示本实施方式所涉及的控制装置14的结构的功能框图。
[0047] 控制装置14由例如CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、及计算机能够读取的记录介质等构成。而且，用于实现控制装置14的各种功能的 一系列处理中，作为一例，以程序形式记录在记录介质等中，CPU将该程序读出至RAM等中， 以执行信息的加工、运算处理，由此来实现各种功能。
[0048] 控制装置14具备位置控制器30及速度控制器32。
[0049] 位置控制器30根据表示负荷轴22的位置（以下称作"负荷位置"）的位置指令与负 荷位置的检测值之间的偏差（以下称作"位置偏差"），计算出表示驱动轴20的速度的马达速 度指令。由减法器34计算出位置偏差。
[0050] 位置控制器30中，作为一例，通过使用位置偏差的比例控制来计算出马达速度指 令。负荷轴22的位置例如为角度，驱动轴20的速度例如为角速度。
[0051] 速度控制器32根据由位置控制器30计算出的马达速度指令与作为驱动轴20(马达 28)的角速度的马达速度的检测值之间的偏差（以下称作"速度偏差"）来计算出表示驱动轴 20的转矩的转矩指令。由减法器36计算出马达速度偏差。并且，速度控制器32中，作为一列， 通过使用马达速度偏差的比例积分控制来计算出转矩指令。
[0052]转矩指令由放大器38放大之后被输入至马达28。马达28根据已放大的转矩指令来 驱动驱动轴20。
[0053] 并且，控制装置14具备FF控制器40。
[0054] FF控制器40根据位置指令来计算出转矩指令的修正值。该修正值由加法器42相加 到转矩指令。即，FF控制器40为通过前馈来修正转矩指令的控制器，作为一例，通过使用将 位置指令进行二次微分的加速度的加速度前馈补偿来计算出转矩指令。控制装置14也可以 不具备FF控制器40。
[0055]在此，图3是表示具有摩擦的3惯性系统的机械装置12的一例的框图。
[0056]如图3的例子中所示，3个惯性体(马达、滚珠丝杠及负荷)分别相当于驱动轴、中间 轴及负荷轴，且分别产生摩擦。
[0057]因此，控制装置14中作为摩擦补偿功能具备摩擦估计部44、振幅相位调整部46及 修正部48。
[0058]摩擦估计部44计算出机械装置12中产生的摩擦力的估计值（以下称作"摩擦估计 值"。）。本实施方式所涉及的摩擦估计部44通过在预先构筑的摩擦模型上输入马达速度，从 而计算出摩擦估计值。
[0059] 然而，由于轴的扭曲、齿轮24、26的死区（机械间隙）的影响，会延缓力的传递，或发 生力的损失。因此，仅通过使用由摩擦估计部44计算出的摩擦估计值来修正转矩指令，不会 成为精度较高的摩擦补偿。
[0060] 因此，振幅相位调整部46通过将计算出的摩擦估计值与既定增益（以下称作"比例 增益Kc"。）相乘来计算出摩擦修正值，从而能够成为精度更高的摩擦补偿。
[0061 ]修正部48通过从计算出的转矩指令减去摩擦修正值，来利用摩擦修正值对转矩指 令进行修正，并输出至放大器38。
[0062]接着，对振幅相位调整部46中所使用的比例增益Kc的确定方法进行说明。
[0063]比例增益Kc使用信息处理装置来进行预先确定。图4是表示确定比例增益Kc的比 例增益确定处理流程的流程图。比例增益确定处理以程序形式记录在具有信息处理装置的 记录介质等中。
[0064] 首先，在步骤IOO(SlOO)中临时选择振幅相位调整部46中所使用的比例增益Kc。本 实施方式中，作为一例，在〇至10的范围内以0.25单位临时选择比例增益Kc。
[0065] 在接下来的步骤102(S102)中，通过线性分析来导出从机械装置12的位置指令至 位置偏差的传递函数。
[0066]该传递函数是将机械装置12进行模型化后，从机械装置12的位置指令至位置偏差 的函数。即，传递函数是表示包含进行摩擦补偿的控制装置14及机械装置12在内的整个机 械系统10的特性的函数，包含与位置偏差有关的信息。
[0067] 线性分析中的摩擦模型例如仅考虑与速度呈比例的粘性摩擦作为摩擦参数(粘性 摩擦参数）。并且，线性分析中，齿轮24、26的死区要素等是非线性要素，因此不考虑在内。
[0068] 通过线性分析导出传递函数，从而能够简单地确定后述比例增益Kc。
[0069] 在接下来的步骤104(S104)中，计算出已导出的传递函数的增益特性。根据传递函 数的增益特性容易提取上述与位置偏差有关的信息。
[0070] 图5是表示本实施方式所涉及的传递函数的增益特性的一例的曲线图，横轴(X轴） 表示频率、纵轴(y轴)表示增益。
[0071 ] 在接下来的步骤106(S106)中，根据增益特性计算出用于确定比例增益Kc的评价 值J。
[0072]具体而言，在步骤106(S106)中，以低频区域(例如频率为1以下的区域）中的传递 函数的增益特性与预先设定的阈值所包围的面积作为评价值J来计算出。本实施方式中，将 阈值设为规定的增益（以下称作"增益阈值"），作为一例，增益阈值设为_3dB。而且，如图6所 示，计算出设为y = _3dB的增益阈值与增益特性所包围的面积即评价值J。该评价值J为与位 置偏差有关的信息。
[0073] 将增益阈值与增益特性Gre( j ω )的交点上的频率设为ω #寸，各比例增益Kc的评价 值J由下述(1)式表示。
[0074] 「数式 1]
[0075]
... ( 1 )
[0076] 表示该评价值J越大，位置偏差越小。
[0077]该传递函数是从位置指令至位置偏差的特性，因此表示增益越是在OdB以下，越不 易产生位置偏差。即，表示将增益为OdB以下的既定的区域进行积分而得的值即评价值J越 大，位置偏差越小。
[0078]在接下来的步骤108 (S108)中，判定是否已临时选择所有比例增益Kc，当为肯定判 定时，过渡到步骤110(SI 10)。另一方面，当为否定判定时，过渡到步骤100(S100)，临时选择 新的比例增益Kc，并计算出对应于临时选择的比例增益Kc的评价值J。
[0079] 步骤110 (S110)中，比较临时选择的比例增益Kc的评价值J，导出评价值J成为最大 的比例增益Kc。
[0080] 图7是表示针对比例增益Kc的评价值J的变化的一例的曲线图。
[0081 ]图7的例子中，在比例增益Kc = 3.25的情况下，评价值J成为最大。
[0082] 图8是表示针对用于导出图7所示结果的机械装置12的模型将比例增益设为Kc = 0、1、2、3、4、5时的位置偏差的模拟实验结果。图8中，横轴设为时间，纵轴设为位置偏差。
[0083] 比例增益Kc = O时，即摩擦补偿不发挥作用时，位置偏差最大。而且，比例增益Kc越 大，位置偏差越小，比例增益设为Kc = 3时的位置偏差在上述比例增益Kc中最小。另一方面， 比例增益Kc = 4、5时成为过补偿，位置偏差变大。
[0084] 如图8所示，在图7的例子中评价值J成为最大的比例增益Kc = 3.25附近，比例增益 Kc = 3时的位置偏差最小。
[0085] 这样，根据机械系统10的传递函数的增益特性，能够估计当前系统结构下发生何 种程度的位置偏差，因此能够简单地将与摩擦估计值相乘的比例增益Kc最佳化。
[0086] 在接下来的步骤112 (SI 12)中，将评价值J成为最大的比例增益Kc的值确定为，实 际在振幅相位调整部46中使用的比例增益Kc，然后对振幅相位调整部46进行设定，从而结 束比例增益确定处理。
[0087] 作为一例，可在机械系统10运送前为了设定比例增益Kc而进行比例增益确定处 理。并不限定于此，也可以连接机械系统10与信息处理装置，并设为能够在线确认机械装置 12的摩擦，当更新机械装置12的粘性摩擦参数时，执行比例增益确定处理，从而在线重新设 定比例增益Kc。
[0088] 并且，上述实施方式中，根据增益阈值与增益特性所包围的面积计算出评价值J， 但并不限定于此，也可以如图9所示，根据对应于增益阈值的频率Co c(X=Coc)与增益特性所 包围的面积计算出评价值J。
[0089] 在该方式的情况下，表示评价值J越小，位置偏差越小。
[0090] 并且，如图10所示摩擦估计部44及振幅相位调整部46也可以作为FF控制器40的一 部分来配置。摩擦估计部44中输入有由速度算出部50根据位置指令计算出的速度信号，通 过在摩擦估计部44的后级上配置振幅相位调整部46来计算出机械装置12中产生的摩擦估 计值。而且，计算出的摩擦估计值被输出至加算部48。
[0091] 并且，振幅相位调整部46也可以如(2)式所示进行相位补偿。（2)式中，Tl为相位超 前时间常数，T2为相位延迟时间常数。
[0092] 「撒忒91
[0093]
, .. - ( 2)
[0094] 如以上说明，本实施方式所涉及的机械装置12的控制装置14具备:速度控制器32， 计算出对机械装置12的转矩指令;摩擦估计部44，计算出机械装置12中产生的摩擦力的估 计值;振幅相位调整部46,由摩擦估计部44估计的摩擦力与比例增益Kc相乘来计算出摩擦 修正值;及修正部48,使用由振幅相位调整部46计算出的摩擦修正值来修正转矩指令。而 且，比例增益Kc根据从机械装置12的位置指令至位置偏差的传递函数的增益特性来确定。
[0095] 接着，本实施方式所涉及的控制装置14能够进一步提高机械装置12的位置控制精 度。
[0096]以上，用上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于上 述实施方式记载的范围。在不脱离本发明的精神的范围内，可以对上述实施方式加以多种 变更或改善，附加了该变更或改善的方式也包含在本发明的技术范围内。并且，也可以对上 述实施方式进行适当组合。
[0097] 符号说明
[0098] 10-机械系统，12-机械装置，14-控制装置，32-速度控制器，44-摩擦估计部，46-振 幅相位调整部，48-修正部。
【主权项】
1. 一种机械装置的控制装置，具备： 转矩指令计算机构，计算出机械装置的转矩指令； 摩擦估计机构，计算出所述机械装置中产生的摩擦力的估计值； 调整机构，由所述摩擦估计机构计算出的估计值与既定增益相乘来计算出修正值;及 修正机构，用由所述调整机构计算出的所述修正值来对由所述转矩指令计算机构计算 出的所述转矩指令进行修正； 所述增益根据从所述机械装置的位置指令至位置偏差的传递函数的增益特性来确定。2. 根据权利要求1所述的机械装置的控制装置，其中， 所述增益根据所述传递函数的增益特性的低频区域与预先设定的阈值所包围的面积 来确定。3. 根据权利要求1或2所述的机械装置的控制装置，其中， 所述传递函数通过线性分析来导出。4. 一种摩擦补偿用增益确定方法，该方法在机械装置的控制装置中使用，所述控制装 置计算出机械装置中产生的摩擦力的估计值，将计算出的所述估计值与既定增益相乘来计 算出修正值，用所述修正值将所述机械装置的转矩指令进行修正，所述方法中， 导出从所述机械装置的位置指令至位置偏差的传递函数， 根据所述传递函数的增益特性来确定所述增益。
【文档编号】G05B13/02GK105849663SQ201580003413
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年2月20日
【发明人】望月庆佑, 粟屋伊智郎, 竹内克佳, 仓本博久
【申请人】三菱重工业株式会社