专利名称：位置控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于诸如机床的进给轴(工作台)的位置控制装置。
背景技术：
在全闭环控制系统中，线性标尺联接到机床的活动部分，当活动部分被送进极低速区域中时，由于摩擦或者弹性变形而发生粘着滑动。为了减小粘着滑动的影响，已经尝试通过为速度回路和位置回路设定高增益来减小过冲(overshoot)。图5为示出相关现有技术的位置控制装置中全闭环控制的框图。第一位置检测器 17联接到电动机18上。微分器12对由第一位置检测器17检测到的位置检测值Ym求微分，并且输出电动机18的速度检测值Vm。从主机装置输入的位置指令Rc被输入微分器8和减法器1。微分器8对位置指令 Rc求微分，并且输出的结果作为速度前馈指令Vr。通过微分器10对速度前馈指令Vr求微分，然后乘以转矩前馈系数Ka，并且输出的结果作为转矩前馈指令Tff。第二位置检测器21联接到由电动机驱动的旋转工作台19(进给轴)上。由第二位置检测器21检测到的位置检测值Yl被输入减法器1和微分器11。减法器1从位置指令 Rc减去由第二位置检测器21检测到的位置检测值Y1，并且输出位置偏差Ep。加法器2将通过用位置偏差Ep乘以位置回路增益Kp所获得的计算输出与速度前馈指令Vr相加，并且输出速度指令Vc。减法器3从速度指令Vc中减去电动机18的速度检测值Vm，并且输出电动机速度偏差Em。微分器11对由第二位置检测器21检测到的位置检测值Yl求微分，并且输出旋转工作台19的速度检测值VI。减法器4从速度前馈指令Vr中减去旋转工作台19的速度检测值Vl，并且输出实际速度偏差El。加法器5将通过用实际速度偏差El乘以比例增益Pl所获得的计算输出、通过用电动机速度偏差Em乘以比例增益Rn所获得的计算输出以及通过将电动机速度偏差Em输入积分补偿器9所获得的计算输出相加，并且输出转矩反馈指令Tfb。加法器6将转矩前馈指令TfT和转矩反馈指令Tfb相加，并且输出转矩指令Tc。 图5中的附图标记15表示电流控制单元和用于过滤转矩指令的各个过滤器单元。对于具有被可滑动地引导的滑动表面的进给轴，或者在制动下被促使旋转的主轴，存在如下问题当它们在极低速区域中运行时，由于摩擦或者弹性变形而发生粘着滑动，并且加工精度降低。在图5所示的相关现有技术中，即使在控制目标为其中存在空转 (包括滚珠螺杆的松动或传送带的屈曲)的大型机床时，通过将旋转工作台的速度vl反馈给速度回路，使得可以将位置回路增益设定得较高，并且显著改善随动特性。然而，如果静摩擦相对于动摩擦较大，则在极低速区域中会发生粘着滑动(其中反复地停顿和过冲)。通过将积分增益设定得较大，或者通过缩短积分时间常数来提高从静摩擦转矩切换为动摩擦转矩的响应速度，可以抑制粘着滑动的发生。然而，当将积分增益设定得较大时，或者缩短积分时间常数时，在加速度增大的运行期间，例如，在获得较大速度指令的情况下，空转的影响变大，并且发生机械振动。
发明内容
本发明是在考虑了前述问题的情况下产生的。根据本发明的一个方案，提供了一种位置控制装置，所述位置控制装置基于连接到电动机上的第一位置检测器的输出和连接到由电动机驱动的进给轴上的第二位置检测器的输出来控制进给轴的位置，所述位置控制装置包括位置计算器，其用于输出从位置指令和第二位置检测器的输出之间的差值所获得的速度反馈指令；位置指令微分器，其用于对位置指令求微分来输出速度前馈指令；第一减法器，其用于输出实际速度偏差，该实际速度偏差为速度前馈指令和从第二位置检测器的输出所获得的进给轴的实际速度之间的差值；第一比例计算器，其用于执行实际速度偏差的比例计算；第一积分补偿器，其用于对实际速度偏差求积分；第一加法器，其用于将速度前馈指令和速度反馈指令相加来输出速度指令；第二减法器，其用于输出电动机速度偏差，该电动机速度偏差为速度指令和从第一位置检测器的输出所获得的电动机速度之间的差值；第二比例计算器，其用于执行电动机速度偏差的比例计算；第二积分补偿器，其用于对电动机速度偏差求积分；以及第二加法器，其用于将第一比例计算器的输出、第二比例计算器的输出、第一积分补偿器的输出和第二积分补偿器的输出相加来输出转矩指令，其中第一积分补偿器和第二积分补偿器中的每一个都包括能够根据速度前馈指令或速度指令来改变系数的系数变换器。对于根据本发明的位置控制装置，通过在空转影响小的极低速区域中将积分增益 Kl设定得较大来提高从静摩擦转矩切换到动摩擦转矩的响应速度，可以抑制粘着滑动的发生。
图1为根据本发明的实施例的位置控制装置的控制框图。图2为示出了积分补偿器的框图。图3为用于控制目标侧速度回路积分补偿器的系数的曲线图。图4为用于电动机侧速度回路积分补偿器的系数的曲线图。图5为相关现有技术的位置控制装置的控制框图。
具体实施例方式下面将描述根据本发明的实施例的位置控制装置。与在相关现有技术的示例中描述的部件相同的部件在附图中用相同的附图标记来表示，并且在这里不会重复对它们的描述。图1示出了根据本发明的实施例的位置控制装置的控制框图。第一位置检测器17联接到电动机18上。微分器12对由第一位置检测器17检测到的位置检测值Ym求微分，并且输出电动机18的速度检测值Vm。
从主机装置输入的位置指令Rc被输入微分器8和减法器1。用作位置指令微分器的微分器8对位置指令Rc求微分，并且输出的结果作为速度前馈指令Vr。通过微分器10 对速度前馈指令Vr求微分，然后乘以转矩前馈系数Ka，并且输出的结果作为转矩前馈指令 Tff。第二位置检测器21联接到由电动机驱动的旋转工作台19(进给轴)上。由第二位置检测器21检测到的位置检测值Yl被输入减法器1和微分器11。减法器1从位置指令RC中减去由第二位置检测器21检测到的位置检测值Y1，并且输出位置偏差Ep。计算器 7用作位置计算器，其用位置偏差Ep乘以位置回路增益Kp，并且输出速度反馈指令。加法器2(第一加法器)将通过用位置偏差Ep乘以位置回路增益Kp所获得的计算输出(速度反馈指令)与速度前馈指令Vr相加，并且输出速度指令Vc。减法器3 (第二减法器)从速度指令Vc中减去电动机18的速度检测值Vm，并且输出电动机速度偏差Em。微分器11对由第二位置检测器21检测到的位置检测值Yl求微分，并且输出旋转工作台19的速度检测值VI。减法器4(第一减法器)从速度前馈指令Vr中减去旋转工作台19的速度检测值VI，并且输出实际速度偏差El。计算器14 (第一比例计算器)执行实际速度偏差El与比例增益Pl相乘的比例计算。积分补偿器25 (第一积分补偿器)对实际速度偏差El求积分，并且输出实际速度偏差的积分项Tl。计算器13 (第二比例计算器)执行电动机速度偏差Em与比例增益Rii相乘的比例计算。积分补偿器9 (第二积分补偿器)对电动机速度偏差Em求积分，并且输出电动机速度偏差Em的积分项Tm。加法器5和加法器M用作输出转矩指令Tfb的第二加法器。特别地，加法器24 将来自计算器14的通过用实际速度偏差El乘以比例增益Pl所获得的计算输出与作为来自积分补偿器25的输出的实际速度偏差的积分项Tl相加。加法器5将来自加法器M的输出、作为来自积分补偿器9的输出的电动机速度偏差的积分项Tm以及来自计算器13的通过用电动机速度偏差Em乘以比例增益Rn所获得的计算输出相加，并且输出的结果作为转矩反馈指令Tfb。加法器6将转矩反馈指令Tfb和转矩前馈指令Tff相加，并且输出的结果作为转矩指令Tc。接下来，将参照图2描述积分补偿器9和积分补偿器25。图2是积分补偿器9和积分补偿器25的详细框图。在图2中，积分计算器91是输出电动机速度偏差Em的积分值的积分器。电动机速度偏差Em的积分值乘以由附图标记92表示的系数β和由附图标记 93表示的积分增益Km，并且输出的结果作为电动机速度偏差的积分项Tm。积分计算器251是输出实际速度偏差El的积分值的积分器。实际速度偏差El的积分值乘以由附图标记252表示的系数α和由附图标记253表示的积分增益Κ1，并且输出的结果作为实际速度偏差的积分项Tl。在这里，系数α和系数β是依据速度前馈指令Vr或速度指令Vc的值而从0至1 变化的可变值。当速度前馈指令Vr或速度指令Vc较小时，系数α呈现出接近1的值amax， 而当速度前馈指令Vr或速度指令Vc较大时，系数α呈现出接近0的值amin。图3示出了系数α的变化曲线的示例。如图3所示，当假定保持关系0<al<a2时，当Vr(或Vc) <al时，系数α呈现出最大值α max。当al彡Vr (或Vc)彡a2时，系数α逐渐地(成比例地)从最大值α max减小到最小值amin。当a2<Vr (或Vc)时，系数α呈现出最小值α min。换句话说，可以说积分补偿器25具有用于改变系数的系数变换器，以使得在速度前馈指令Vr或速度指令Vc减小时系数增大。相似地，当速度前馈指令Vr或速度指令Vc较大时，系数β呈现出接近1的值 β max，并且当速度前馈指令Vr或速度指令Vc较小时，系数β呈现出接近0的值β min。 图4示出了系数β的变化曲线的示例。如图4所示，当假定保持关系0<bl< 1^2时，当 Vr (或Vc) < bl时，系数β呈现出最小值β min。当bl彡Vr (或Vc)彡1^2时，系数β逐渐地(成比例地)从最小值β min增大到最大值β max。当l32<Vr (或Vc)时，系数β呈现出最大值iimax。换句话说，可以说积分补偿器9具有用于改变系数β的系数变换器，以使得在速度前馈指令Vr或速度指令Vc增大时系数增大。系数α和系数β是依据速度前馈指令Vr改变还是依据速度指令Vc改变能通过切换开关沈来选择。在这里，在如图5所示的相关现有技术中，通过将旋转工作台的速度Vl反馈给速度回路，使得可以设定较高的位置回路增益Κρ，并且使得可以显著地减小稳态偏差。然而， 如果静摩擦相对于动摩擦大，则在极低速区域中发生粘着滑动(其中反复地停顿和过冲)。 通过将积分增益设定得较大，或者通过缩短积分时间常数来提高从静摩擦转矩切换到动摩擦转矩的响应速度，可以抑制这种粘着滑动的发生。然而，存在的问题在于，在加速度增大的运行期间，例如，在获得较大速度指令的情况下，空转的影响变大，并且发生机械振动。在上述实施例中，设置了用于实际速度偏差El的积分补偿器25，使得可以直接减小实际速度偏差Ε1。作为在速度前馈指令Vr或速度指令Vc较小的极低速区域中改变如图3和图4所示的系数α和系数β的结果，通过将积分增益Kl设定得较大来仅在空转的影响较小的状态下提高从静摩擦转矩切换到动摩擦转矩的响应速度，使得可以抑制发生在极低速区域中的粘着滑动的发生。由于包括位置偏差Ep的速度指令不被反馈给积分补偿器25，因此积分补偿器25 用于减小实际速度偏差Ε1，而不考虑位置偏差Ερ。由于包括位置偏差Ep的速度指令被反馈给积分补偿器9，因此积分补偿器9用于依据位置偏差Ep来减小电动机速度偏差Em。由于积分增益Kl相对于积分增益Km呈现出足够大的值，并且用于在极低速区域中减小在位置偏差Ep之前的实际速度偏差E1，因此抑制了位置过冲的发生。在这里，由于相关的现有技术使得可以设定高的位置回路增益Kp，因此即使在速度指令较小的极低速区域中将积分增益Km设定得较小，也几乎不可能导致出现位置偏差Ερ。
权利要求
1.一种位置控制装置，其基于连接到电动机上的第一位置检测器的输出和连接到由所述电动机驱动的进给轴上的第二位置检测器的输出来控制所述进给轴的位置，所述位置控制装置包括位置计算器，其用于输出从位置指令和所述第二位置检测器的所述输出之间的差值所获得的速度反馈指令；位置指令微分器，其用于对所述位置指令求微分以输出速度前馈指令； 第一减法器，其用于输出实际速度偏差，所述实际速度偏差为所述速度前馈指令和从所述第二位置检测器的输出所获得的所述进给轴的实际速度之间的差值； 第一比例计算器，其用于执行所述实际速度偏差的比例计算； 第一积分补偿器，其用于对所述实际速度偏差求积分；第一加法器，其用于将所述速度前馈指令和所述速度反馈指令相加以输出速度指令； 第二减法器，其用于输出电动机速度偏差，所述电动机速度偏差为所述速度指令和从所述第一位置检测器的输出所获得的电动机速度之间的差值；第二比例计算器，其用于执行所述电动机速度偏差的比例计算； 第二积分补偿器，其用于对所述电动机速度偏差求积分；以及第二加法器，其用于将所述第一比例计算器的输出、所述第二比例计算器的输出、所述第一积分补偿器的输出和所述第二积分补偿器的输出相加来输出转矩指令，其中，所述第一积分补偿器和所述第二积分补偿器中的每一个包括能够根据所述速度前馈指令或所述速度指令来改变系数的系数变换器。
2.根据权利要求1所述的位置控制装置，其中，所述第一积分补偿器的所述系数变换器改变所述系数，以使得在所述速度前馈指令或所述速度指令减小时所述系数增大，并且所述第二积分补偿器的所述系数变换器改变所述系数，以使得在所述速度前馈指令或者所述速度指令增大时所述系数增大。
全文摘要
为了全闭环位置控制，本发明提供了一种位置控制装置，其能够抑制在极低速区域中执行的进给操作期间发生的粘着滑动的发生。加法器将实际速度偏差El乘以比例增益Pl的结果、将实际速度偏差El输入积分补偿器所得的实际速度偏差的积分项Tl、用电动机速度偏差Em乘以比例增益Pm的结果以及将电动机速度偏差Em输入积分补偿器所得的电动机速度偏差的积分项Tm相加，结果作为转矩反馈指令Tfb。积分补偿器具有系数变换器，能够改变系数使其从0至1变化，从而根据速度前馈指令Vr或速度指令Vc的值来调整积分增益Kl和积分增益Km。通过在空转的影响小的极低速区域中将积分增益Kl设定得较大来提高从静摩擦转矩切换到动摩擦转矩的响应速度，抑制粘着滑动的发生。
文档编号H02P6/16GK102201772SQ20111007823
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月24日 优先权日2010年3月25日
发明者川津勇治, 龟山智寿 申请人:大隈株式会社