專利名稱：伺服系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對驅(qū)動機床的進給桿和機械臂等的伺服電動機進行控制的方法，特別是涉及進行前饋控制以改進對基準(zhǔn)的隨動能力的方法。
背景技術(shù)：
通常，前饋控制經(jīng)常被用作改進對基準(zhǔn)的隨動能力的方法。在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，通常的做法是將對位置基準(zhǔn)求微分得到的值作為速度前饋基準(zhǔn)值，將對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“伺服電動機的前饋控制方法”說明了如下內(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和實際位置θfb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，取得速度基準(zhǔn)Vref和實際速度Vfb之間的偏差，并在“2”處進行速度回路處理，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)生了改進速度回路和電流回路的響應(yīng)能力及改進伺服系統(tǒng)的響應(yīng)延遲的效果。
此外，另一個有關(guān)的技術(shù)是日本未經(jīng)審查的特開平-10-149210號“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)。該公開說明了改進對基準(zhǔn)的隨動能力和實現(xiàn)完全隨動的方法，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)注符號與圖4中的相同。
然而，這兩個采用現(xiàn)有技術(shù)的例子存在如下的問題。
第一，現(xiàn)有技術(shù)例1所示的方法對于控制機械系統(tǒng)被剛性耦合到伺服電動機的情況是沒有問題的。但在具有兩個或兩個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械彈性元件的基準(zhǔn)，即使電動機按照基準(zhǔn)隨動，也會產(chǎn)生負(fù)載端振動的問題。結(jié)果就產(chǎn)生了負(fù)載不能跟隨基準(zhǔn)的問題。
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中的問題，生成基準(zhǔn)時考慮了整個系統(tǒng)的傳遞特性，因此即使在兩個或兩個以上的慣性系統(tǒng)的情況下，也可以實現(xiàn)完全隨動。然而，因為利用了包含控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，當(dāng)改變控制系統(tǒng)的特性(例如為了改進干擾響應(yīng)而改變速度回路的響應(yīng))時，需要再次求解逆?zhèn)鬟f函數(shù)，因此存在比較麻煩的問題。同樣，因為需要進行復(fù)雜的計算，還帶來計算量顯著增加的問題。
因此，本發(fā)明的目的就是要提供一種可以解決上述問題的伺服系統(tǒng)的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(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，分別用可進行高階微分的函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動機的位置，基于運行條件和機械參數(shù)確定各可進行高階微分的函數(shù)，由已確定的可進行高階微分的函數(shù)計算電動機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，將獲得的電動機的位置、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，分別用可進行高階微分的函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動機的位置，基于運行條件和機械參數(shù)確定各可進行高階微分的函數(shù)，由已確定的可進行高階微分的函數(shù)計算電動機的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，將計算出的轉(zhuǎn)矩輸入到機械模型中，將獲得的電動機的位置、速度和上述的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)。
還有，可進行高階微分的函數(shù)可以是15階的多項式方程。
另外，上述的運行條件可以是移動距離和移動時間。
此外，在確定上述的可進行高階微分的函數(shù)時，可以使用機械系統(tǒng)的動力方程。


圖1是示出本發(fā)明的實施例1的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2是說明本發(fā)明的實施例2的結(jié)構(gòu)的框圖；圖3是說明本發(fā)明的處理順序的流程圖；圖4是說明現(xiàn)有技術(shù)例1的結(jié)構(gòu)的框圖；及圖5是說明現(xiàn)有技術(shù)例2的結(jié)構(gòu)的框圖。
具體實施例方式
參照附圖描述本發(fā)明的實施例。這里，假設(shè)控制機械系統(tǒng)可以用一個雙慣性系統(tǒng)來近似。圖1是示出本發(fā)明的一個實施例的框圖。圖1中，標(biāo)號1指示的是位置回路比例增益Kp，2指示的是速度回路，3指示的是計算電動機位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)的基準(zhǔn)生成部分。規(guī)定的運行條件4保存在存儲器中。標(biāo)號5指示的是保存在存儲器中的機械參數(shù)。
在速度回路2中實現(xiàn)比例積分控制。同樣，權(quán)利要求4所述的移動距離dist和移動時間te被作為運行條件4輸入和保存。電動機慣量J1、負(fù)載慣量J2、彈性常數(shù)Kc和衰減系數(shù)DL被作為機械參數(shù)5輸入和保存。
使用保存在存儲器中的運行條件4和機械參數(shù)5，電動機位置基準(zhǔn)θref、電動機速度基準(zhǔn)Vff和電動機轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值Tff由基準(zhǔn)生成部分3計算而得，并被作為控制輸入。
在下文中，利用圖3的流程圖，順序地對基準(zhǔn)生成部分3的處理內(nèi)容進行詳細(xì)描述。
第一步負(fù)載的位置X1(t)和電動機位置Xm(t)被分別表示成如方程式(1)所示的15階的多項式方程。使方程式為15階的原因是存在下面所述的16個邊界條件。
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))第二步獲得運行條件和機械參數(shù)。
運行條件dist，te機械參數(shù)J1，J2，Kc，DL第三步通過求解表達式(2)中所示的邊界條件和表達式(3)中所示的機械系統(tǒng)的動力方程，得到系數(shù)a0到a15及b0到b15。
在電動機和負(fù)載中，邊界條件如下當(dāng)運行開始時(t＝0)，位置＝速度＝加速度＝加速度率＝0，當(dāng)運行結(jié)束時(t＝te)，位置＝dist，速度＝加速度＝加速度率＝0，條件為表達式(2)所示的16個。
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，雙慣量機械系統(tǒng)的動力方程如下面的表達式(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通過表達式(2)和(3)求得。
第四步電動機的位置基準(zhǔn)值Xm(0)(t)由第三步中求得的系數(shù)獲得。再對其求微分，得到電動機的速度基準(zhǔn)值Xm(1)(t)。
最后，轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值Tref通過下面的表達式(4)求得。
Tref(t)＝J1·Xm(2)(t)+J2·X1(2)(t) ……(4)在該方法中，由于為了解決問題1，在生成基準(zhǔn)時考慮了機械系統(tǒng)的運行特性，因此負(fù)載側(cè)不振動而使完全隨動成為可能。
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，而是僅通過機械系統(tǒng)的動力方程生成的，因此在改變控制增益時完全不受影響，從而不必改變?nèi)魏位鶞?zhǔn)。
接下來，利用圖2對權(quán)利要求2所述的根據(jù)實施例2的方法進行說明。
當(dāng)由于硬件有限基準(zhǔn)的輸出只限于一個輸入時，不可能象在實施例1中那樣輸入電動機的位置基準(zhǔn)、電動機的速度基準(zhǔn)和電動機的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)這三個輸入。
在這種情況下，首先，按實施例1中描述的順序?qū)С鲛D(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值Tref(t)。接下來，如圖2中標(biāo)號6所示，事先在控制器中置入機械模型，將如上所述導(dǎo)出的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)輸入到該機械模型中，在機械模型中計算出的電動機位置和電動機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)輸入到控制計算部分即可，并可以得到類似于實施例1的效果。
此外，盡管在上面描述的兩個實施例中給出了對電動機位置、電動機速度、電動機轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)進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式方程表示負(fù)載的位置和電動機的位置，根據(jù)從運行條件(移動距離和移動時間)求出的邊界條件和機械動力方程確定多項式方程的系數(shù)。最后，計算出電動機的位置基準(zhǔn)、電動機的速度基準(zhǔn)和電動機的轉(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，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算的情況下也不再需要繁瑣的再計算等。
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或兩個以上的慣性系統(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)載的位置和電動機的位置；根據(jù)運行條件和機械參數(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)計算上述電動機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)；將上述計算出的電動機的位置、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)載的位置和電動機的位置；根據(jù)運行條件和機械參數(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)計算上述電動機的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)；將上述計算出的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)輸入到機械模型中；將上述獲得的電動機的位置、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，上述運行條件是移動時間和移動距離。
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，使用控制的機械系統(tǒng)的動力方程。
全文摘要
具有通過彈性元件連接的兩個或兩個以上的慣性系統(tǒng)的柔性結(jié)構(gòu)迄今為止產(chǎn)生的問題是基準(zhǔn)和負(fù)載不完全一致并且需要計算很大的復(fù)雜計算，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行高階微分的函數(shù)表示負(fù)載的位置和電動機的位置，根據(jù)運行條件(4)和機械參數(shù)(5)確定可進行高階微分的函數(shù)，根據(jù)已確定的可進行高階微分的函數(shù)計算電動機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，利用已計算出的電動機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)，或者根據(jù)已確定的可進行高階微分的函數(shù)計算電動機的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)，將計算出的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)輸入到機械模型中，并將獲得的電動機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)作為前饋基準(zhǔn)。
文檔編號G05B11/32GK1633629SQ0181585
公開日2005年6月29日 申請日期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 申請人:株式會社安川電機