專利名稱：伺服系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的進(jìn)給桿和機(jī)械臂等的伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的方法，特別是涉及進(jìn)行前饋控制以改進(jìn)對(duì)基準(zhǔn)的隨動(dòng)能力的方法。
背景技術(shù)：
通常，前饋控制經(jīng)常被用作改進(jìn)對(duì)基準(zhǔn)的隨動(dòng)能力的方法。在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，通常的做法是將對(duì)位置基準(zhǔn)求微分得到的值作為速度前饋基準(zhǔn)值，將對(duì)該值再求一次微分后得到的值作為轉(zhuǎn)矩前饋基準(zhǔn)值。
作為可能與本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)之一，日本專利公開第2762364號(hào)“伺服電動(dòng)機(jī)的前饋控制方法”說(shuō)明了如下內(nèi)容。即，圖4是示出現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。圖4中，首先，該方法在位置“1”處將位置基準(zhǔn)θref和實(shí)際位置θf(wàn)b之間的偏差乘以位置回路增益Kp所得到的值作為速度基準(zhǔn)Vref，接著，將在微分器41對(duì)位置基準(zhǔn)值θref求微分得到的值乘以系數(shù)α所得到的值作為速度前饋基準(zhǔn)Vff，并將其加到速度基準(zhǔn)Vref中。接下來(lái)，取得速度基準(zhǔn)Vref和實(shí)際速度Vfb之間的偏差，并在“2”處進(jìn)行速度回路處理，由此獲得電流基準(zhǔn)值Iref，然后，將在微分器42對(duì)速度前饋基準(zhǔn)Vff求微分獲得的值乘以系數(shù)β所得到的值作為電流前饋Iff，并將其加到電流基準(zhǔn)中。據(jù)描述該方法產(chǎn)生了改進(jìn)速度回路和電流回路的響應(yīng)能力及改進(jìn)伺服系統(tǒng)的響應(yīng)延遲的效果。
此外，另一個(gè)有關(guān)的技術(shù)是日本未經(jīng)審查的特開平-10-149210號(hào)“在定位控制系統(tǒng)中準(zhǔn)備基準(zhǔn)的方法”，它采用了圖5所示的結(jié)構(gòu)。該公開說(shuō)明了改進(jìn)對(duì)基準(zhǔn)的隨動(dòng)能力和實(shí)現(xiàn)完全隨動(dòng)的方法，其中在基準(zhǔn)產(chǎn)生部分51中逆向求解包含控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，準(zhǔn)備使從位置基準(zhǔn)到負(fù)載位置的傳遞函數(shù)為1的位置基準(zhǔn)。圖5中的標(biāo)注符號(hào)與圖4中的相同。
然而，這兩個(gè)采用現(xiàn)有技術(shù)的例子存在如下的問(wèn)題。
第一，現(xiàn)有技術(shù)例1所示的方法對(duì)于控制機(jī)械系統(tǒng)被剛性耦合到伺服電動(dòng)機(jī)的情況是沒(méi)有問(wèn)題的。但在具有兩個(gè)或兩個(gè)以上由彈性元件耦合到一起的慣性系統(tǒng)的柔性結(jié)構(gòu)的情況下，由于輸入了未考慮機(jī)械彈性元件的基準(zhǔn)，即使電動(dòng)機(jī)按照基準(zhǔn)隨動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生負(fù)載端振動(dòng)的問(wèn)題。結(jié)果就產(chǎn)生了負(fù)載不能跟隨基準(zhǔn)的問(wèn)題。
第二，在現(xiàn)有技術(shù)例2公開的方法中，由于為了解決現(xiàn)有技術(shù)例1中的問(wèn)題，生成基準(zhǔn)時(shí)考慮了整個(gè)系統(tǒng)的傳遞特性，因此即使在兩個(gè)或兩個(gè)以上的慣性系統(tǒng)的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)完全隨動(dòng)。然而，因?yàn)槔昧税刂葡到y(tǒng)的傳遞函數(shù)，當(dāng)改變控制系統(tǒng)的特性(例如為了改進(jìn)干擾響應(yīng)而改變速度回路的響應(yīng))時(shí)，需要再次求解逆?zhèn)鬟f函數(shù)，因此存在比較麻煩的問(wèn)題。同樣，因?yàn)樾枰M(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，還帶來(lái)計(jì)算量顯著增加的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的就是要提供一種可以解決上述問(wèn)題的伺服系統(tǒng)的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用前饋的伺服系統(tǒng)的控制方法，其中，分別用可進(jìn)行高階微分的函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動(dòng)機(jī)的位置，基于運(yùn)行條件和機(jī)械參數(shù)確定各可進(jìn)行高階微分的函數(shù)，由已確定的可進(jìn)行高階微分的函數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，將獲得的電動(dòng)機(jī)的位置、速度和上述轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)。
同樣，在權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明提供了一種利用前饋的伺服系統(tǒng)的控制方法，其中，分別用可進(jìn)行高階微分的函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動(dòng)機(jī)的位置，基于運(yùn)行條件和機(jī)械參數(shù)確定各可進(jìn)行高階微分的函數(shù)，由已確定的可進(jìn)行高階微分的函數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，將計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩輸入到機(jī)械模型中，將獲得的電動(dòng)機(jī)的位置、速度和上述的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)。
還有，可進(jìn)行高階微分的函數(shù)可以是15階的多項(xiàng)式方程。
另外，上述的運(yùn)行條件可以是移動(dòng)距離和移動(dòng)時(shí)間。
此外，在確定上述的可進(jìn)行高階微分的函數(shù)時(shí)，可以使用機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力方程。


圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)的框圖；圖3是說(shuō)明本發(fā)明的處理順序的流程圖；圖4是說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)例1的結(jié)構(gòu)的框圖；及圖5是說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)例2的結(jié)構(gòu)的框圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。這里，假設(shè)控制機(jī)械系統(tǒng)可以用一個(gè)雙慣性系統(tǒng)來(lái)近似。圖1是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的框圖。圖1中，標(biāo)號(hào)1指示的是位置回路比例增益Kp，2指示的是速度回路，3指示的是計(jì)算電動(dòng)機(jī)位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)的基準(zhǔn)生成部分。規(guī)定的運(yùn)行條件4保存在存儲(chǔ)器中。標(biāo)號(hào)5指示的是保存在存儲(chǔ)器中的機(jī)械參數(shù)。
在速度回路2中實(shí)現(xiàn)比例積分控制。同樣，權(quán)利要求4所述的移動(dòng)距離dist和移動(dòng)時(shí)間te被作為運(yùn)行條件4輸入和保存。電動(dòng)機(jī)慣量J1、負(fù)載慣量J2、彈性常數(shù)Kc和衰減系數(shù)DL被作為機(jī)械參數(shù)5輸入和保存。
使用保存在存儲(chǔ)器中的運(yùn)行條件4和機(jī)械參數(shù)5，電動(dòng)機(jī)位置基準(zhǔn)θref、電動(dòng)機(jī)速度基準(zhǔn)Vff和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值Tff由基準(zhǔn)生成部分3計(jì)算而得，并被作為控制輸入。
在下文中，利用圖3的流程圖，順序地對(duì)基準(zhǔn)生成部分3的處理內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。
第一步負(fù)載的位置X1(t)和電動(dòng)機(jī)位置Xm(t)被分別表示成如方程式(1)所示的15階的多項(xiàng)式方程。使方程式為15階的原因是存在下面所述的16個(gè)邊界條件。
X1(t)＝a15·t15+a14·t14+a13·t13+……a1·t1+a0
……(1)Xm(t)＝b15·t15+b14·t14+b13·t13+……b1·t1+b0(其中a0到a15，b0到b15是系數(shù))第二步獲得運(yùn)行條件和機(jī)械參數(shù)。
運(yùn)行條件dist，te機(jī)械參數(shù)J1，J2，Kc，DL第三步通過(guò)求解表達(dá)式(2)中所示的邊界條件和表達(dá)式(3)中所示的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力方程，得到系數(shù)a0到a15及b0到b15。
在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載中，邊界條件如下當(dāng)運(yùn)行開始時(shí)(t＝0)，位置＝速度＝加速度＝加速度率＝0，當(dāng)運(yùn)行結(jié)束時(shí)(t＝te)，位置＝dist，速度＝加速度＝加速度率＝0，條件為表達(dá)式(2)所示的16個(gè)。
X1(0)(0)＝0，X1(1)(0)＝0，X1(2)(0)＝0，X1(3)(0)＝0，X1(0)(te)＝dist，X1(1)(te)＝0，X1(2)(te)＝0，X1(3)(te)＝0，Xm(0)(0)＝0，Xm(1)(0)＝0，Xm(2)(0)＝0，Xm(3)(0)＝0，Xm(0)(te)＝dist，Xm(1)(te)＝0，Xm(2)(te)＝0，Xm(3)(te)＝0，……(2)其中，假設(shè)A(n)表示的是A(A＝X1或Xm)的第n階微分。同樣，雙慣量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力方程如下面的表達(dá)式(3)所示J2·X1(2)(t)+DL·(X1(1)(t)-Xm(1)(t))+Kc·(X1(0)(t)-Xm(0)(t))＝0 ……(3)如上所述，系數(shù)a0到a15及b0到b15通過(guò)表達(dá)式(2)和(3)求得。
第四步電動(dòng)機(jī)的位置基準(zhǔn)值Xm(0)(t)由第三步中求得的系數(shù)獲得。再對(duì)其求微分，得到電動(dòng)機(jī)的速度基準(zhǔn)值Xm(1)(t)。
最后，轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值Tref通過(guò)下面的表達(dá)式(4)求得。
Tref(t)＝J1·Xm(2)(t)+J2·X1(2)(t) ……(4)在該方法中，由于為了解決問(wèn)題1，在生成基準(zhǔn)時(shí)考慮了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行特性，因此負(fù)載側(cè)不振動(dòng)而使完全隨動(dòng)成為可能。
此外，由于基準(zhǔn)不是由包含控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)生成的，而是僅通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力方程生成的，因此在改變控制增益時(shí)完全不受影響，從而不必改變?nèi)魏位鶞?zhǔn)。
接下來(lái)，利用圖2對(duì)權(quán)利要求2所述的根據(jù)實(shí)施例2的方法進(jìn)行說(shuō)明。
當(dāng)由于硬件有限基準(zhǔn)的輸出只限于一個(gè)輸入時(shí)，不可能象在實(shí)施例1中那樣輸入電動(dòng)機(jī)的位置基準(zhǔn)、電動(dòng)機(jī)的速度基準(zhǔn)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)這三個(gè)輸入。
在這種情況下，首先，按實(shí)施例1中描述的順序?qū)С鲛D(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值Tref(t)。接下來(lái)，如圖2中標(biāo)號(hào)6所示，事先在控制器中置入機(jī)械模型，將如上所述導(dǎo)出的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)輸入到該機(jī)械模型中，在機(jī)械模型中計(jì)算出的電動(dòng)機(jī)位置和電動(dòng)機(jī)速度可以作為前饋基準(zhǔn)值。使用這種方法，僅將轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)輸入到控制計(jì)算部分即可，并可以得到類似于實(shí)施例1的效果。
此外，盡管在上面描述的兩個(gè)實(shí)施例中給出了對(duì)電動(dòng)機(jī)位置、電動(dòng)機(jī)速度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)進(jìn)行前饋的方法的描述，當(dāng)然也可以獲得電流基準(zhǔn)而不是轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，并且將其用于前饋。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，首先，用可高階微分的多項(xiàng)式方程表示負(fù)載的位置和電動(dòng)機(jī)的位置，根據(jù)從運(yùn)行條件(移動(dòng)距離和移動(dòng)時(shí)間)求出的邊界條件和機(jī)械動(dòng)力方程確定多項(xiàng)式方程的系數(shù)。最后，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的位置基準(zhǔn)、電動(dòng)機(jī)的速度基準(zhǔn)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，將它們作為前饋基準(zhǔn)值，由此，可以產(chǎn)生使得柔性結(jié)構(gòu)可以完全跟隨基準(zhǔn)的效果。
另外，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)控制系統(tǒng)的增益等發(fā)生變化時(shí)，可以使用相同的基準(zhǔn)，因此可以產(chǎn)生這樣的效果即使在前饋基準(zhǔn)是事先在離線處理中計(jì)算的情況下也不再需要繁瑣的再計(jì)算等。
工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明，可以使具有由彈性元件耦合的兩個(gè)或兩個(gè)以上的慣性系統(tǒng)的柔性結(jié)構(gòu)完全跟隨基準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種利用前饋的伺服系統(tǒng)的控制方法，包含以下步驟分別用可高階微分函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動(dòng)機(jī)的位置；根據(jù)運(yùn)行條件和機(jī)械參數(shù)確定上述可高階微分函數(shù)；基于上述已確定的可高階微分函數(shù)計(jì)算上述電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)；將上述計(jì)算出的電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)。
2.一種利用前饋的伺服系統(tǒng)的控制方法，包含以下步驟分別用可高階微分函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動(dòng)機(jī)的位置；根據(jù)運(yùn)行條件和機(jī)械參數(shù)確定上述可高階微分函數(shù)；基于上述已確定的可高階微分函數(shù)計(jì)算上述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)；將上述計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)輸入到機(jī)械模型中；將上述獲得的電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的伺服系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，上述可高階微分函數(shù)是15階的多項(xiàng)式方程。
4.如權(quán)利要求1或2所述的伺服系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，上述運(yùn)行條件是移動(dòng)時(shí)間和移動(dòng)距離。
5.如權(quán)利要求1或2所述的伺服系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，在確定上述可高階微分函數(shù)時(shí)，使用控制的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力方程。
全文摘要
具有通過(guò)彈性元件連接的兩個(gè)或兩個(gè)以上的慣性系統(tǒng)的柔性結(jié)構(gòu)迄今為止產(chǎn)生的問(wèn)題是基準(zhǔn)和負(fù)載不完全一致并且需要計(jì)算很大的復(fù)雜計(jì)算，利用前饋的伺服系統(tǒng)的控制方法的特征在于，包含以下步驟分別用可進(jìn)行高階微分的函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動(dòng)機(jī)的位置，根據(jù)運(yùn)行條件(4)和機(jī)械參數(shù)(5)確定可進(jìn)行高階微分的函數(shù)，根據(jù)已確定的可進(jìn)行高階微分的函數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，利用已計(jì)算出的電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)，或者根據(jù)已確定的可進(jìn)行高階微分的函數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，將計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)輸入到機(jī)械模型中，并將獲得的電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G05B11/32GK1633629SQ0181585
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2001年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月20日
發(fā)明者萩原淳, 今津篤志, 安田賢一, 小黑龍一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社安川電機(jī)