专利名称：：缝纫机电动机的控制方法以及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及缝纫机电动机的控制方法及装置，其用于对驱动缝纫机的主轴或XY方向自动进给缝纫机的XY轴的电动机进行振动抑制控制。
背景技术：
：在平缝缝纫机或者环缝缝纫机这种通常的缝纫机中，例如如图1所示，在将用于驱动针棒N的缝纫机构造(S,C,D,R,N)和作为驱动源的电动机(主轴电动机)M进行连接的情况下，电动机M经由同步皮带B和皮带轮P与主轴S连接(参照专利文献1的图3)。此外，从主轴S经由曲轴C、天秤D、连杆R等机械机构，驱动作为电动机M的控制对象的针棒N。另外如图2所示，在将电动机M和主轴S直接连接的所谓直接传动缝纫机(参照专利文献2的图6)的情况下，由于电动机M直接与主轴S进行连接，所以与图1相比刚性增大很多，并且从电动机轴观察主轴S较长，而且电动机M和针棒N的中途经由联轴节E或其他的机械机构来驱动针棒N，从而可以看成为用低刚性的弹性轴将电动机M和负载结合的共振系统。图中F为下轴，G为釜轴，H为缝纫机釜。在如图20所例示的花纹缝制缝纫机或图案缝制缝纫机等XY轴方向自动进给缝纫机中，与随着主轴电动机(未图示)的旋转驱动而进行上下移动的针棒N同步，利用电动机(XY电动机)M使保持被缝制物的布保持体WH在X方向及Y方向上移动，进行缝制。作为XY定位装置的一个例子，如图21(A)所示，采取下述结构向Y方向移动，具有左右一对平行配置的Y轴驱动部(以下称YL轴、YR轴)，通过在其上设置的X轴驱动部(X轴)进行X方向的移动。X轴、YL轴、YR轴的驱动，除了如图21(B)所例示的旋转型电动机M和同步皮带B之外，还采用滚珠丝杠、小齿轮或线性电动机等。由于电动机M和作为控制对象的布保持体WH，经由同步皮带B进行连接，所以可以看成由低刚性的弹性轴将电动机M和负载结合的共振系统。在上述的共振系统中，由于轴扭转等导致振动产生的问题很多。在出现振动的情况下，必须限制控制增益，无法提高速度控制系统的响应，会产生缝制间距的不均匀或驱动速度下降等不好的影响。而且，布保持体WH或X轴、YL轴、YR轴等机械结构部，为了实现轻量化而降低刚性，容易产生振动。实际的共振系统，由于存在多种振动模式或固有频率，所以如图3所示，作为多惯性共振系统被模型化。图3中，Jm是电动机M的惯性，Kfl、Kf2…Kfn是弹簧常数，Jal、Ja2…Jan是负载Al、A2、…An的惯性。该多惯性共振系统用图4所示的框图表示。在图4中，6m表示电动机M的旋转角度(电动机位置)，9al、9a2、…0n表示负载A的旋转角度(负载位置)，T表示扭矩，s表示拉普拉斯算子，下标m表示电动机M，下标a表示负载，下标dis表示干扰，下标reac表示轴扭转反作用力。对于这样的共振系统的振动控制和干扰控制，提出了以下方法状态反馈控制或H^控制、延迟干扰观测控制、共振比控制(参照非专利文献1)等。专利文献l:特开平6-285285号(图3)专利文献2:特开2002-159772号公报(图6)专利文献3:专利第3381880号公报非专利文献1:结城他「由共振比控制进行的2惯性共振系统的振动抑制控制」电学论D，113巻(平成5年)10号，1162页-1169页
发明内容然而，由于状态反馈控制或H^控制需要对控制对象进行严密的模型化，控制系统变得复杂化，同时计算量也增大很多等，所以需要高速、高性能的CPU，带来成本的增加，因而应用到缝纫机上存在问题。另外，以防振为目的，在针棒部分安装传感器也存在困难。与之相对，由于延迟干扰观测控制和共振比控制由比较简单的控制系统构成，所以可以实现低成本，调整上也只需要调整增益即可，在现场也容易对应，应用到缝纫机等产品上有非常高的实用性。然而，非专利文献1记载的共振比控制存在下述问题由于使系统作为2惯性共振系统模型化，所以对于1次共振有出众的效果，但在现实的多惯性系统中，有时会引发高次共振等，对于高次振动效果有限。另一方面，专利文献3中记载了与伺服系统上分开设置的相位超前滤波器，但其结构复杂，需要大量的计算而计算时间长，用廉价的控制装置无法实现。设计上也复杂，存在很难找到响应稳定的参数的问题。本发明的目的是以简单的结构，实现不仅是1次共振模式，还包括更高次振动模式的全部振动极的稳定化。本发明在控制用于驱动缝纫机的主轴或者XY方向自动进给缝纫机的XY轴的电动机时，通过对于1次共振模式，使用共振比控制，对于更高次振动模式，使用相位超前补偿，实现全部共振极的稳定化，从而解决前述课题。此外，前述相位超前补偿，使在共振比控制内的干扰观测器中使用的电动机惯性标称值，大于实际的电动机惯性值。此外，使前述相位超前补偿的极和零点，比共振比控制的极更靠近内侧，使相位超前补偿和共振比控制并存。本发明对于对于可以忽略轴扭转反作用力的刚性高的负载，仅使用干扰观测器进行相位超前补偿，以实现全部共振极的稳定化。本发明具备应用于1次共振模式的共振比控制单元、以及应用于2次或2次以上的高次振动模式的相位超前补偿单元，不需要另外的相位超前补偿单元。此外，使前述共振比控制单元由干扰观测器和轴扭转反作用力推定观测器构成。发明的效果本发明中，由于在共振比控制的基础上进行相位超前补偿，所以对于1次共振模式，使用对2惯性共振系统的振动控制有效的共振比控制，对于更高次振动模式，使用相位超前补偿而实现共振极的稳定化，从而实现全体共振极的稳定化。艮P，在大部分的缝制物上都有布折返部分，该部分一般被称为台阶部，是其他缝制部的2倍厚度，速度会急剧下降，容易出现跳针、间距错位等问题，根据本发明，如果可以在主轴电动机的增益足够大的状态下进行缝制，则速度的变动小，从而可以防止问题出现。此外，在缝制皮革或安全带等较厚的材料时，由于主轴1旋转中的速度变动大，会产生对于操作者来说不舒服的振动，但是通过本发明的干扰控制，可以防止振动。特别在平缝线切断缝纫机中，控制切线动作的凸轮以主轴为驱动源，该凸轮的负载较大，在切断线后，负载减轻而立刻停止，因此该负载的变动导致主轴停止角度的波动，而通过本发明的干扰控制，可以获得稳定的停止角度。在使布在X-Y上移动的缝纫机中，通常为了控制布的晃动，使用仅切除缝制部分的树脂制或金属制的布压脚模具。该压脚通过尽可能按压靠近落针点的布部分，获得稳定的缝制，但当前是考虑缝制物的落针点偏差而制作模具。因此，根据本发明，如果X-Y的动作在缝制物或缝制速度的变化时也处于稳定的状态，则可以控制针落点的时机，从而进行更加稳定的缝制。在这里，相位超前补偿控制是通过将例如在共振比控制内的干扰观测器中使用的电动机惯性标称值Jmn，设定为比实际的电动机惯性值Jm大，从而不需要附加另外的相位超前补偿手段，即可以实现相位超前补偿控制。此外，在基于干扰观测器进行控制的情况下，可以既保持振动控制效果也确保鲁棒性。也就是说，可以抑制因布厚的变化导致的负载变动或摩擦、干扰等产生的影响。另外还可以抑制因振动产生的噪音此外，通过使用轴扭转反作用力推定观测器，不在控制对象上安装传感器就可以推定轴扭转反作用力。此外，由于与状态反馈控制或H。控制相比，控制系统简单，运算量也少，所以无需使用高价格的CPU等。而且设计或调整也容易进行。此外，对于可以忽略轴扭转反作用力的刚性高的负载，可以仅使用干扰观测器进行相位超前补偿。图1是表示本发明的适用对象的一个例子的结构图。图2是表示本发明的适用对象的另一个例子的结构图。图3是本发明的适用对象的模式图。图4是本发明的适用对象的框图。图5是本发明的第一实施方式的整体框图。图6是表示在第一实施方式中使用的干扰观测器的构成的框图。图7是由前述干扰观测器构成的加速度控制系统的框图。图8是表示第一实施方式中使用的轴扭转反作用力推定观测器的构成的框图。图9是表示该轴扭转反作用力反馈的框图。图IO是图9的等价框线图。图ll是表示因第一实施例中使用的干扰观测器参数的变动产生相位补偿的框图。图12是表示该多惯性共振系统的极和零点的图。图13是对该2惯性共振系统进行相位补偿时的框线图。图14是表示(KCK1的比较例中相位滞后补偿时的极和零点的配置的图。图15是表示对该3惯性共振系统进行相位滞后补偿时的根轨迹的图。图16是表示。>1的本发明的相位超前补偿时的极和零点的配置的图。图17是表示对该3惯性共振体进行本发明的相位超前补偿时的根轨迹的图。图18是表示第一实施方式的极配置的图。图19是本发明的第二实施方式的整体框图。图20是表示本发明的适用对象的XY方向自动进给缝纫机的一个例子的结构图。图21表示XY方向自动进给缝纫机中的XY定位装置的结构，(A)是整体平面图，(B)是l轴的轴测图。具体实施方式下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。本发明的第一实施方式的控制装置的整体框图如图5所示(图中使负载为2惯性共振系统表示，但多惯性共振系统的情况也一样)。本控制装置中，使用用于进行图6所示的延迟干扰观测控制的干扰观测器10、和图8所示的轴扭转反作用力推定观测器20，进行共振比控制，以进行多惯性振动系统的振动抑制控制。通过在电动机侧使用干扰观测器10，可以将向电动机作用的各种干扰的影响抵消而去除，能够构筑如图7所示的鲁棒加速度控制系统。通过确保鲁棒性，成为可以抑制因布厚的变化产生的负载变动或摩擦、干扰等的影响的控制。也就是说，向电动机作用的干扰扭矩Tdism，可以用下式(l)表示。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>…(1)这里，Iaref表示电流参照值，公式右边的第1项表示惯性变动扭矩，第2项表示扭矩脉动，第3项表示库仑摩擦扭矩，第4项表示粘性摩擦扭矩，第5项表示轴扭转反作用力。作用于负载的干扰扭矩Tdisa，通过包含在轴扭转反作用力Treac中而向电动机作用。在可以检测电流参照值Iaref和电动机速度时，在(1)式中被定义的干扰扭矩Tdism，利用图6所示的干扰观测器10，经过1次低通滤波器，如(2)公式所示被推定。在图6中，Icmp是用于通过补偿干扰扭矩以确保鲁棒性的补偿电流。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>…(2)通过对该推定干扰扭矩Tdisn^进行反馈，可以构筑针对干扰具有鲁棒性的控制系统。基于该干扰观测器IO的鲁棒控制系统，成为图7所示的加速度控制系统。通过将干扰观测器增益Gdis设定得较大，可以消除干扰扭矩Tdism的影响。由此，成为去除对电动机的轴扭转反作用力Treac而不受负载侧影响的鲁棒控制系统。由于在电动机侧使用干扰观测器10，所以会抵消并去除唯一的负载侧的信息即轴扭转反作用力Treac，因而会引起负载侧的振动。因此，采用具有与干扰观测器IO大致相同构造的轴扭转反作用力推定观测器20，进行轴扭转反作用力Treac的推定。在(l)式的干扰扭矩Tdism中，通过使电动机惯性的标称值Jmn根据加速度试验成为同定的值，可以消除电动机惯性的变动扭矩的影响。此外，通过将库仑摩擦扭矩Tfric、粘性摩擦扭矩Dm(d2em/dt2)根据等速度试验而进行同定、相抵，扭转反作用力如Treac(3)公式所示推定。Treac*=Tdism*—Tfric—Dm(d6m/dt)…(3)图8表示轴扭转反作用力推定观测器20的框线图。Greac是在轴扭转反作用力推定观测器20中包含的1次低通滤波器的截止频率。图9表示通过在电动机侧使用干扰观测器10，将轴扭转反作用力Treac向构成加速度控制系统的控制对象反馈的系统。Kr是轴扭转反作用力Treac的反馈增益，可以任意地设定。该系统中的从加速度参照值(d29m/dt2)ref到电动机位置0m为止的传递函数(4)、和从电动机位置em到负载位置6a为止的传递函数(5)，分别如下所示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(4)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>…(5)此外，电动机共振频率"m和负载共振频率"a，分别如下式(6)、(7)所示定义。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>…(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>…(7)在这里，将共振比K定义为下式(8)、(9)<<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>…(8)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>)…(9)负载共振频率(oa为使电动机侧成为零点的逆共振频率。(oa不包含任意参数而由控制对象决定。此外，对于电动机侧的状态反馈不可控制。另一方面，(om是电动机侧的共振频率，可以通过轴扭转反作用力反馈增益Kr任意地设定。通过使用(6)、(7)式，图9等价变换为图10的框线图。根据该图可知，只要没有由电动机侧前馈的零点操作，并且在电动机侧没有极零抵消，负载侧共振极"a就与电动机侧逆共振零点抵消。共振比控制是对轴扭转反作用力Treac进行反馈，可以根据轴扭转反作用力反馈增益Kr任意地设定共振比。控制共振比K相当于控制虚拟的电动机惯性，在共振比K较大时，即反馈增益Kr较大的情况下，相对于负载惯性而电动机惯性变小，容易受负载侧的影响。反之也是相同地。通过将共振比K设定为K-^5…(10)对于任何的2惯性共振系统，都可以进行振动控制、适应性都优良的增益设定。各增益如下所示。Kr=4/JaKp=coa2Kv=斗coa在这里，如果向电动机M施加的干扰，仅由根据参数变动的干扰扭矩Tdism构成，则如式(14)表示。Tdism=(Jm—Jmn)(d^m/dt2)+(Ktn—Kt)Iaref".(14)如果考虑并代入参数的变动，求取从电动机的加速度参照值(d20m/dt2)ref到加速度响应值d20m/dt2的传递函数，贝lj如(15)式所示。…(11)…U2)…(13)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>在这里，使扭矩常数的变动充分小，将干扰观测器io中使用的标称值Jmn、Ktn设定如下。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>现有技术中，Jm=Jmn，即控制为。=1。如果将(16)、(17)代入(15)，则可以获得以下的(18)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>如果将(18)式用框线图表示，则如图ll所示。根据图ll可以看出，对于加速度参照值(d29m/dt2)ref，相位补偿器30增加相位补偿值(s+Gdis)/{(1/a)s+Gdis}，对于干扰Tdism，等价于高通滤波器的截止频率的a倍。在这里，在ckI的情况下，相位滞后补偿，干扰观测增益下降在a〉l的情况下，相位超前补偿，干扰观测增益增加艮P，通过改变在干扰观测器10中使用的电动机惯性的标称值Jmn和实际的电动机惯性的值Jm之比ci，具有使加速度参照值的相位补偿值和干扰观测器的截止频率变化的效果。然后，在多惯性共振系统中，使用根轨迹表示使在干扰观测器10中采用的电动机惯性标称值Jmn变化的情况下的振动抑制效果。图12中，在复平面上图示多惯性共振系统的极(X记号)和零点(O记号)。Re是实轴，Im是虚轴。可以看出多惯性共振系统的极和零点在虚轴Im上交互排列。在以下的说明中，为了简便对于将2惯性共振系统作为负载进行相位补偿的情况进行解析。对2惯性共振系统进行相位补偿时的框线图如图13所示。在这里，ecmd是位置指令值(可以任意地设定)，Cp是比例控制的增益。图13的传递函数如下所示。0m=n(s)..."9)0crad—d(S)n(s)=Cp(s3+aGdis,s2+o>a2s+o;Gdis-coa2)…(20)d(s)-丄s5+aGdis's4十(丄com2+Cp)s3+(aGdiscom2+CpaGdis)s2aa+Cp*cua2s+Cp'o;Gdis-cua2…(21)…(22)0ras2+wa2根据相位补偿器30的相位补偿值，特性改变。也就是说，相位补偿器30在0<a<1的情况下成为相位滞后补偿。如果使此时的极和零点为Plag、Zlag，则分别如下式(23)、(24)表示。Plag=…(23)Zlag-[jcoa，一jwa,Gdis]…(24)将其用图表示则如图14所示。X为极，O为零点。在这里，使相位滞后补偿器30的极-aGdis与振动极s叫wm所成的角为9p，与反振动的零点s^wa所成的角为①p。此外，使相位滞后补偿器30的零点-Gdis与振动极s^o)m所成的角为ez，与反振动的零点s叫coa所成的角为0>z。此时，各个极的出发角eid(i^l5)和零点的到达角9ia(i=l3)，如下所示计算。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>图15表示对3惯性共振系统进行相位滞后补偿的根轨迹。可以确认，如果使比例控制增益Cp变化，则系统必定向不稳定的方向移动。另一方面，相位补偿器30在a〉1的情况下成为相位超前补偿。如果使此时的极和零点为Plead、Zlead，则分别如下面(25)、(26)式所示。Plead=…(25)Zlead=[jwa，一joja,Gdis]…(26)如果将其用图表示，则如图16所示。在这里，使相位超前补偿器30的极-aGdis与振动极s叫com所成的角为0p，与反振动的零点s^(oa所成的角为Op。此外，使相位超前补偿器30的零点-Gdis与振动极s^io)ra所成的角为ez，与反振动的零点s^icoa所成的角为O)z。此时，各个极的出发角0id(i^5)和零点的到达角0ia(i=l3)，如下所示计算。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>图17表示对3惯性共振系统进行本发明的相位超前补偿的根轨迹。可以确认，如果使比例控制增益Cp变化，则系统必定向稳定的方向移动。这些对于高次振动系统也会获得相同的结果。也就是，通过进行相位超前补偿，可以进行多惯性共振系统的振动抑制控制。在本实施方式中，通过使在共振比控制内的干扰观测器10中采用的电动机惯性标称值Jmn和实际的电动机惯性值Jm的比率ci变化，具体来说，使电动机惯性标称值Jmn大于实际电动机惯性值Jm，从而不用特别追加相位超前补偿器30，就能实现这些相位超前补偿。为了使该相位超前补偿和共振比控制并存，必须将相位超前补偿的极和零点设为比共振比控制的极更靠近内侧(接近0侧)。艮P，通过如图18所示设定控制系统整体的极配置，对于1次振动模式，通过共振比控制积极地进行抑制，对于高次振动模式，由于原影响小，所以通过相位超前补偿可以确保稳定性。此外，在第一实施方式中，电动机与负载通过柔软的驱动轴结合，以轴扭转成为问题的刚性较低的控制系统为对象，但在负载和轴刚性高而无需进行轴扭转补偿的情况下，如图19所示的第二实施方式所示，可以省略轴扭转反作用力推定观测器，仅由干扰观测器10构成相位超前补偿控制。'在第二实施方式中，利用相位超前补偿的效果，也与第一实施方式相同地，可以对全部共振极实现稳定化。此外，在前述实施方式中，构成位置控制系统，但本发明在仅速度控制系统中也可以适用。此外，在前述实施方式中，速度运算部使用P(比例)控制，但速度运算的控制种类不限定于此，也可以使用PI(比例积分)控制、PD(比例微分)控制、PID(比例积分微分)等。此外，前述X-Y驱动中的说明，以旋转型电动机+正时皮带为例进行，但对于滚珠丝杠、小齿轮或线形电动机等也可以适用，另外，向Y方向的移动以YL轴和YR轴的左右一对Y轴驱动部为例进行，但也适用仅单轴的驱动。权利要求1.一种缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，对于1次共振模式，使用共振比控制，对于2次或2次以上振动模式，使用相位超前补偿。2.如权利要求1所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述相位超前补偿，使在共振比控制内的干扰观测器中使用的电动机惯性标称值，大于实际的电动机惯性值。3.如权利要求1所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，使前述相位超前补偿的极和零点，比共振比控制的极更靠近内侧。4.如权利要求1所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述电动机是用于驱动缝纫机主轴的电动机。5.如权利要求1所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述缝纫机是XY方向自动进给缝纫机，前述电动机是用于驱动前述XY方向自动进给缝纫机的XY轴的电动机。6.—种缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，对于可以忽略轴扭转反作用力的刚性高的负载，不使用轴扭转反作用力推定观测器，而是使用干扰观测器进行相位超前补偿。7.如权利要求6所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述电动机是用于驱动缝纫机主轴的电动机。8.如权利要求6所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述缝纫机是XY方向自动进给缝纫机，前述电动机是用于驱动前述XY方向自动进给缝纫机的XY轴的电动机。9.一种缝纫机电动机的控制装置，其特征在于，具备共振比控制单元，其应用于I次共振模式；以及相位超前补偿单元，其应用于2次或2次以上的振动模式。10.如权利要求9所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述共振比控制单元，由干扰观测器和轴扭转反作用力推定观测器构成。11.如权利要求9所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述电动机，是用于驱动前述缝纫机的主轴的电动机。12.如权利要求9所述的缝纫机电动机的控制方法，其特征在于，前述缝纫机的是XY方向自动进给缝纫机，前述电动机是用于驱动前述XY方向自动进给缝纫机的XY轴的电动机。全文摘要本发明是一种缝纫机电动机的控制方法以及装置，其目的是在驱动缝纫机的主轴或者XY方向自动进给缝纫机的XY轴的电动机控制中，实现全部振动模式的稳定化。对于1次共振模式，使用对2惯性共振系统的振动控制有效的共振比控制，对于更高次振动模式，使用相位超前补偿，实现全部共振极的稳定化。另一方面，对于可以忽略轴扭转反作用力的刚性大的负载，通过仅使用干扰观测器进行相位超前补偿，可以实现全部振动极的稳定化。文档编号H02P23/00GK101232271SQ200810006028公开日2008年7月30日申请日期2008年1月25日优先权日2007年1月25日发明者中村明彦申请人:Juki株式会社