电动机驱动装置的伺服调整方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对伺服电动机进行控制的电动机驱动装置中的伺服调整方法。
【背景技术】
[0002]由于近来的RISC微型计算机、DSP等嵌入式微型计算机的高性能化以及将能够定制的要素与FPGA、SoC之类的以往的ASIC相组合而成的集成电路的发展，在目前的电动机驱动装置中，除了搭载有按外部指令对伺服电动机进行驱动控制的位置/速度/电流控制等基本功能以外，还搭载有各种自动调整功能。
[0003]图33是以往的电动机驱动装置的框图。
[0004]对电动机进行驱动控制的基本功能包括图33上以实线连接的单线的块。
[0005]作为上级的控制器的上级装置I所输出的外部位置指令被输入到电动机驱动装置92的指令选择部21。指令选择部21选择外部位置指令和后述的试运转功能211所输出的内部位置指令中的某一个，将选择后的位置指令输出到指令响应设定部22。
[0006]在指令响应设定部22中，在对选择后的位置指令进行滤波运算处理之后，将滤波后的位置指令输出到位置速度控制部23。
[0007]位置速度控制部23基于该滤波后的位置指令和来自编码器4的电动机位置信息来进行以PID (比例、积分、微分)控制为代表的反馈控制运算，并输出使位置偏差为O的转矩指令。
[0008]负载特性补偿部24根据电动机3和负载5的总惯量对位置速度控制部23所输出的转矩指令进行用于吸收惯量的影响的缩放(scaling)处理，由此吸收负载惯量的差异。另外，进行基于来自编码器4的电动机位置信息来估计电动机3和负载5的摩擦转矩并预先相加该摩擦转矩的补偿，由此生成补偿后的转矩指令。
[0009]谐振抑制部25将通过陷波滤波或者低通滤波处理后得到的结果作为滤波后的转矩指令而输出，该陷波滤波或者低通滤波处理用于从补偿后的转矩指令去除特定的频率成分以避免激发电动机3和负载5的谐振特性所引起的振动。
[0010]通过以该滤波后的转矩指令为输入的未图示的电流控制、功率电路来控制电动机3，以使电动机3输出按照滤波后的转矩指令的转矩。电动机3的运动被传递到所连接的负载5、编码器4，并通过编码器4而作为电动机位置信息被反馈到电动机驱动装置92。
[0011]接着，说明自动调整功能的概要，该自动调整功能包括图33上以虚线连接的双线的块。
[0012]试运转功能211例如像专利文献I所述的那样，在电动机驱动装置92的内部以具有某斜率的加减速度的三角波来将正负的往复运转模式生成固定量。另外，更一般地说，从外部对电动机驱动装置92设定移动量、最高速度、加速时间、减速时间、停止时间等参数。而且，试运转功能211是以下的功能:通过电动机驱动装置92内置的NC(数值控制)运算处理来实时地自动计算指令模式，生成针对每个固定周期的内部位置指令。此外，通过将用于请求选择内部位置指令的附加信息与内部位置指令一起传递到指令选择部21，还能够从试运转功能211对指令选择部21的动作进行指定。
[0013]指令响应设定功能221例如像专利文献2所述的那样，从电动机驱动装置92的外部提供刚性值这样的一个指标，基于内置于电动机驱动装置92的表来决定指令前置滤波的截止频率，该截止频率用于决定位置指令的响应性。另外，更一般地说，对于电动机驱动装置92，通过以一阶滞后、二阶滞后的滤波时间常数或衰减比来指示更详细的频率特性的形式、或者指示上升时间、延迟时间、过冲量等时间响应的过渡特性的形式等，输入一个或多个指令响应指标。而且，指令响应设定功能221以使指令响应设定部22的输入输出关系与指令响应指标尽可能一致的方式自动设定指令响应设定部22的一个或多个参数。
[0014]刚性设定功能231例如像专利文献3所述的那样，将代表伺服刚性的一个参数作为指标，将其乘以固定的比率来连动地设定速度比例增益、速度积分增益、位置比例增益。另外，也可以如前述的专利文献2所述的那样，基于与刚性值对应的表来决定位置速度控制部的增益设定。一般来说，刚性设定功能231输入一个或多个刚性指标，以使位置速度控制部23的干扰响应与刚性指标尽可能一致的方式自动设定位置速度控制部23的一个或多个参数。
[0015]负载特性测定功能241例如像专利文献5所述的那样，基于针对电动机3的滤波后的转矩指令和来自编码器4的电动机位置信息以及作为电动机位置信息的高阶差分的速度/加速度，使用最小二乘估计来自动估计与负载有关的特性。作为与负载有关的特性，例如有将电动机3和负载5合在一起得到的总惯量、始终固定地起作用的偏载荷转矩、依赖于动作方向的动摩擦转矩、与动作速度成正比的粘性摩擦转矩等摩擦特性。另外，通过使估计结果实时地反映到负载特性补偿部24，使得能够具有自适应鲁棒性，即无论连接了什么样的负载5都能够得到由指令响应指标、刚性指标指定的相同的响应性。
[0016]自适应滤波功能251例如像专利文献4所述的那样，通过使用递归型的陷波滤波的自适应算法，以使从电动机速度提取出的高频成分尽可能接近O的方式自动调整谐振抑制部25的参数。另外，在自适应滤波功能251中，存在如下的变化(variat1n)等:从转矩指令提取振动成分，或者从与模型响应之差提取振动成分，或者具有多个自适应滤波器，或者不仅自动调整陷波频率还自动调整宽度、深度、Q值。一般来说，可以说是以下的功能:以某种方法提取由电动机3和负载5的谐振特性引起的振动成分，通过使该振动成分与规范输入之差最小的自适应算法，来自动调整谐振抑制部25的滤波参数。
[0017]振荡探测功能26例如像专利文献6所述的那样，从来自编码器4的电动机位置信息提取变动量，通过该变动量与阈值的比较、持续时间的判定等，来检测电动机3和负载5的振荡状态。在探测出振荡的情况下，将振荡探测信息传递给前述的刚性设定功能231，选择使反馈环的频带宽度变窄的刚性值来自动地抑制振荡。
[0018]最后，评价指标测定功能27例如像专利文献7所述的那样，周期性地测定并存储指令选择部21的位置指令输出、编码器4的电动机位置输出、负载特性补偿部24的转矩指令输出等输入输出数据。而且，该评价指标测定功能27是以下的功能:基于与整定时间、过冲、转矩变动等评价指标对应的输入输出数据来计算出评价值并显示、存储该评价值。本功能的重要的一面在于，将全部均能够实时地获取的庞大的电动机控制信息数据压缩为更具有含义的少数的评价指标。
[0019]但是，在如上所述的以往技术中，各种自动调整功能是被个别地优化的，从而存在以下问题:未充分地整合在伺服调整的一系列流程中。
[0020]例如，试运转功能211不限于伺服调整，能够以机构组装时的原点搜索、动作确认的成熟化(日语:工一夕' )用、维护作业中的退避动作等各种目的来使用。因此，在试运转功能211中，能够定制移动量、速度、加速度。但是，伺服调整所需的动作按其步骤而不同，在该动作的选择中需要与伺服调整和各种自动调整功能有关的知识。
[0021]另外，关于指令响应设定功能221而g，越提尚指令响应指标，则越能够缩短定位控制(PTP控制)中的整定时间，并且越能够减小轨迹控制(CP控制)中的跟踪误差，但是由于外部位置指令的离散化、指令分辨率设定而受到制约。另外，还有时考虑固定有电动机3和负载5的装置本身的刚性所引起的机架振动来降低指令响应指标，在该判断中需要对上级装置的了解、实机运用的经验。
[0022]另外，关于刚性设定功能231也是，越提高刚性指标则越改善干扰抑制特性，因此越能够减小PTP控制中的过冲量，还越能够减小CP控制中的跟踪误差。但是，至于将刚性指标能够提高到多高，很大程度上依赖于位置速度控制部23的反馈控制的稳定性。因此，为了进行最佳的调整，必须具有与控制理论有关的知识。另外，若位置速度控制部23、负载特性补偿部24的总惯量、谐振抑制部25的设定没有按正确的顺序进行设定，则有损于反馈稳定性，无法得到由刚性指标指定的响应性。并且在最差的情况下，还有时会不稳定而发生振荡。在此，不仅控制理论重要，针对伺服调整过程的专有技术(know-how)也变得重要。
[0023]另外，负载特性测定功能241是对负载特性补偿部24的总惯量、摩擦补偿进行自动调整的便利的功能，但是不适于负载特性急剧变化的用途。对于多关节机器人、因直接驱动化等而负载变动的影响大的拾取和放置系的装置、因凸轮驱动而总惯量周期性地变动的装置等，使最小二乘估计始终有效，这不能说是适当的。另外，在多关节机器人的情况下重力方向是变化的，因此摩擦补偿也在电动机单体中的偏载荷转矩估计中不起作用。并且，成为补偿的前提的基于最小二乘法的负载特性估计也受到动作模式、非线形特性所引起的误差的影响，因此为了得到最佳的估计值而需要系统辨识的知识和经验。
[0024]另外，自适应滤波功能251也同样地，对上述谐振抑制部25的滤波设定进行自动调整，但是通常以谐振特性不急剧变化为前提。前述的垂直多关节机器人中的对接近固定侧的关节进行驱动的电动机的谐振特性根据姿势而变化，因此使用自适应滤波功能251是不适当的。另外，在间隙(Backlash)、饱和等非线性强的负载、用途中，还存在自适应滤波器进行误动作的情况，即使是在目前的技术下，使自适应滤波器始终有效的风险也是很大的。在这个意义下，需要针对现场、实物，根据具体情况具体处理。
[0025]另外，振荡探测功能26在频繁地改变设定来尝试动作的伺服调整时是便利的功能，但是若在实际运用时进行动作，则以后负载的行为会发生变化。因此，需要如下的运用上的注意:在伺服调整中等在某种程度上预计会发生振荡的状况下，限定性地使振荡探测功能26有效。
[0026]另外，评价指标测定功能27不对控制电动机的基本功能产生影响。但是，根据评价指标，有时为了得到正确的测定结果而对指令模式、基本功能的设定施加固定的制约。举一个例子，PTP控制中的定位整定时间被定义为从外部位置指令停止的时间点到电动机位置进入定位完成范围内的时间点。但是，在指标或刚性指标低而在电动机位置进入定位完成范围之前下一个外部位置指令变化已开始的情况下等，当然无法测定定位整定时间。若不了解评价指标的含义、评价指标测定功能的测定方法，则无法正确地判定伺服调整的结果O
[0027]这些各个自动调整功能的有效或无效、模式设定等操作通常是需要个别地从外部进行，为了进行伺服调整而按正确的顺序操作全部的自动调整功能是非常困难的。
[0028]专利文献1:日本特开平5-346359号公报
[0029]专利文献2:日本特开2007-336792号公报
[0030]专利文献3:日本特开平6-319284号公报
[0031]专利文献4:日本特开2004-274976号公报
[0032]专利文献5:日本特开2005-168166号公报
[0033]专利文献6:国际公开第2008/087893号
[0034]专利文献7:国际公开第2009/096169号
【发明内容】
[0035]本发明的电动机驱动装置具备下面的五个电动机控制的基本功能中的任一个。第一基本功能是指令选择部，该指令选择部被输入内部位置指令和从上级装置输入的外部位置指令，将其中一个作为选择后位置指令而输出。第二基本功能是指令响应设定部，该指令响应设定部被输入选择后位置指令，进行去除特定的频带的滤波处理，输出滤波后位置指令。第三基本功能是位置速度控制部，该位置速度控制部以滤波后位置指令和来自编码器的电动机位置信息为输入，生成使两者的偏差为O的转矩指令。第四基本功能是负载特性校正部，该负载特性校正部以转矩指令为输入，在乘以电动机和负载的惯量估计值之后与负载的摩擦转矩估计值相加，来生成补偿后转矩指令。第五基本功能是谐振抑制部，该谐振抑制部进行从补偿后转矩指令去除特定的频带的滤波处理，输出滤波后转矩指令。
[0036]并且，本发明的电动机驱动装置具备下面的七个自动调整功能中的任一个。第一自动调整功能是试运转功能，用于按照由伺服调整部指定的动作模式(pattern)，来自动生成内部位置指令。第二自动调整功能是指令响应设定功能，用于按照由伺服调整部指定的指令响应指标，来自动设定指令响应设定部的滤波特性。第三自动调整功能是刚性设定功能，用于按照由伺服调整部指定的刚性指标、从振荡探测功能通知的振荡探测信号，来自动设定位置速度控制部的参数。第四自动调整功能是负载特性测定功能，能够通过伺服调整部来个别地设定负载特性测定的有效或无效、负载特性估计结果的反映的有效或无效，用于基于谐振控制部的滤波后转矩指令和来自编码器的电动机位置信息来自动测定负载特性，根据测定结果对负载特性补偿部进行自动设定。第五自动调整功能是自适应滤波功能，能够通过伺服调整部来设定自适应动作的有效或无效、自适应滤波模式，用于在自适应动作有效的情况下按照自适应滤波模式来自动设定谐振抑制部的滤波特性。第六自动调整功能是振荡探测功能，能够通过伺服调整部来设定振荡探测的有效或无效、振荡探测水平，用于基于来自编码器的位置信息来自动测定振荡状态，与刚性设定功能连动地自动抑制振荡。第七自动调整功能是评价指标测定功能，能够从伺服调整部设定定位完成范围，用于基于滤波后位置指令、电动机位置信息以及滤波后转矩指令等来自动测定各种评价指标。
[0037]而且，上述的电动机驱动装置中的本发明的伺服调整方法为包括以下五个步骤中的任一个步骤的结构:步骤1，进行初始设定；步骤2，进行负载特性测定和指令模式决定；步骤3，决定刚性指标最大值，存储与刚性指标对应的谐振抑制部的设定；步骤4，将刚性指标和指令响应指标相组合，来存储指定动作时的评价指标；以及步骤5，基于评价指标，按照搜索条件来得到最终调整结果。
[0038]根据这种结构，即使是不具备伺服调整的详细知识的作业者，也只需按顺序执行五个步骤就能够得到适当的调整结果。另外，将五个步骤的任意的组合按顺序执行也具有同样的效果。
【附图说明】
[0039]图1是表示本发明的实施方式I中的电动机驱动装置的伺服调整方法的各步骤的流程图。
[0040]图2是实施方式I中的电动机驱动装置的框图。
[0041]图3是表示实施方式I中的指令选择部的详细结构的图。
[0042]图4是表示实施方式I中的指令响应设定部的详细结构的图。
[0043]图5是表示实施方式I中的位置速度控制部的详细结构的图。
[0044]图6是表示实施方式I中的位置速度控制部的另一实施例的详细结构的图。
[0045]图7是表示实施方式I中的负载特性补偿部的详细结构的图。
[0046]图8是表示实施方式I中的谐振抑制部的详细结构的图。
[0047]图9A是表示实施方式I中的试运转功能的详细结构的图。
[0048]图9B是表示实施方式I中的试运转功能的指令生成部的指令模式生成例的图。
[0049]图10是表示实施方式I中的指令响应设定功能的详细结构的图。
[0050]图1lA是表示实施方式I中的刚性设定功能的详细结构的图。
[0051]图1lB是表示实施方式I中的刚性设定功能的刚性表的一例的图。
[0052]图12A是表示实施方式I中的负载特性测定功能的详细结构的图。
[0053]图12B是用于说明实施方式I中的通过最小二乘估计处理来导出估计值的方法的图。
[0054]图13是表示实施方式I中的自适应滤波功能的详细结构的图。
[0055]图14是表示实施方式I中的振荡探测功能的详细结构的图。
[0056]图15是表示实施方式I中的评价指标测定功能的详细结构的图。
[0057]图16是本发明的实施方式2中的伺服调整的步骤I的操作画面的图。
[0058]图17是表示实施方式2中的伺服调整的步骤I的过程的流程图。
[0059]图18是表示实施方式2中的步骤1-3的初始条件决定表的图。
[0060]图19是本发明的实施方式3中的伺服调整的步骤2的操作画面的图。
[0061]图20是表示实施方式3中的伺服调整的步骤2的过程的流程图。
[0062]图21A是实施方式3中的伺服调整的步骤2中的动作模式图。
[0063]图21B是实施方式3中的伺服调整的步骤2中的其它动作模式图。
[0064]图22是本发明的实施方式4中的伺服调整的步骤3的操作画面的图。
[0065]图23是表示实施方式4中的伺服调整的步骤3的过程的流程图。
[0066]图24A是实施方式4中的伺服调整的步骤3中的动作模式图。
[0067]图24B是实施方式4中的伺服调整的步骤3中的作