伺服控制裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)信息
[0002] 本申請要求申請?zhí)枮?014-179299,申請日為2014年9月3日的日本專利申請的 優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及伺服控制裝置，并且，尤其涉及用于控制數(shù)控機器中的軸的速度控制 裝置和位置控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0004] 通常，用于控制數(shù)控機器中的軸的伺服控制裝置（如速度控制裝置及位置控制裝 置）要求具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性（包括振動抑制能力），以及高水平的命令遵循性能和擾動 抑制性能。圖6展示了在一個這樣的伺服控制裝置中的伺服系統(tǒng)的一般配置。在圖6中，伺 服控制裝置組成反饋系統(tǒng)，其中使用控制器C，并且對目標設備55的輸入u，施加擾動d，從 而引起目標設備55的輸出y遵循命令值Y。在該伺服系統(tǒng)中，命令遵循性能隨著代表Y-y 傳輸特征的補償靈敏度函數(shù)T=C~ΡΛΙ+C~P)的帶寬（范圍為|T|~1)的變寬而提 高，而抑制擾動d的擾動抑制性能隨著代表d-u傳輸特征的靈敏度函數(shù)S=ΙΛΙ+C~P) 的中低頻范圍的|s|值的變小而提高。
[0005] 在此，可以通過形成前饋系統(tǒng)（未示出）來提高命令遵循性能。同時，當中低頻范 圍的靈敏度函數(shù)S最小化，以提高擾動抑制性能時，補償靈敏度函數(shù)T的帶寬不可避免地擴 大至高范圍。這經(jīng)常導致這樣的問題：比如，在高頻帶發(fā)生振動和系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。為了規(guī) 避這些問題，傳統(tǒng)上提出了僅在小的環(huán)路中抑制擾動的控制方法。作為傳統(tǒng)的擾動抑制控 制方法，已知這樣的控制方法（以下稱為擾動觀察器方法）使目標設備接近低階模型，估計 輸入目標設備的擾動d，并且提供到控制輸入的反饋數(shù)據(jù)，以抵消擾動d，從而抑制擾動。
[0006] 圖7展示了使用擾動觀察器方法的傳統(tǒng)位置控制裝置的例子的方塊圖。該目標設 備55由驅(qū)動電機（未示出）驅(qū)動，并且目標設備55的控制輸入u接收通過在加法器54中 將擾動d加入由電機產(chǎn)生的驅(qū)動力u。獲得的信號。來自目標設備55的輸出v代表由檢測 器（未示出）或類似物檢測到的電機速度，并且來自目標設備55的另一輸出X由以類似該 檢測器使用的方式檢測到的驅(qū)動器位置和電機位置組成。速度控制單元100為用于根據(jù)速 度命令值V。準確地控制電機速度v的速度控制裝置，并且被配置成在速度偏差放大器Gv中 放大通過從速度命令值V。中減去電機速度V。獲得的速度偏差信號。
[0007] 擾動觀察器53在內(nèi)部儲存目標設備55的低階模型，并且輸出由電機生成驅(qū)動力 u。和電機速度v計算出的擾動估計值~d。驅(qū)動命令值u。，即來自速度偏差放大器Gv的輸 出，作為在減法器52中從驅(qū)動力命令值u。減去擾動估計值~d獲得的電機生成驅(qū)動力u。而 通過。為了根據(jù)位置命令值X。準確地控制驅(qū)動器位置x(或直接指示驅(qū)動器位置的電機位 置），位置控制裝置101在減法器50中從位置命令值X。減去驅(qū)動器位置X，以查找位置偏 差并在位置偏差放大器Gp中放大位置偏差。來自位置控制裝置101的放大輸出作為速度 命令值V。通過速度控制單元100。
[0008] 在使用上述擾動觀察器方法的常規(guī)位置控制裝置中，只要目標設備的傳遞特征~ P匹配儲存在擾動觀察器中低階模型的傳遞特征~P，則獲得該擾動估計值~d作為擾動d 的精確估計值，并且擾動d可以通過反饋精確的擾動估計值~d抵消。以這種方式，可以提 高擾動抑制性能而不對命令遵循性能施加任何影響。但是，因為目標設備的傳遞特征~P 通常不匹配低階模型的傳遞特征P，特別是在高頻帶中，待反饋的擾動估計值~d可以包括 一種意外狀態(tài)的反饋數(shù)據(jù)。這通常對命令遵循性能施加不利的影響，并導致振動的發(fā)生。
[0009] 參見圖8,其更具體地描述了與由此配置的常規(guī)位置控制裝置相關(guān)的控制特征。圖 8為更詳細地展示速度控制單元100的典型配置的方塊圖。下文不重復描述結(jié)合圖7解釋 的部件。在此，目標設備的傳遞特征~P被假定為從控制輸入u至電機速度v的傳遞特征， 并定義為雙慣性系統(tǒng)，具有傳遞桿ωρ和傳遞區(qū)ωz，其由等式（1)表示如下。
[0010]~P= (82+0/)/(10(82+2ζωρ ·s+t〇p2)} (1)
[0011] 其中Ii表示驅(qū)動側(cè)慣性矩，I2表示負載側(cè)慣性矩，并且ζ表示衰減因子。接著， 儲存在擾動觀察器中的低階模型定義為一個慣性系統(tǒng)，并且該模型的傳遞特征Ρ由如下等 式（2)限定，以在低頻范圍匹配目標設備的傳遞特征~Ρ:
[0012] P=l/(Is) =l/tdi+I^s} (2)
[0013] 其中等效的慣性矩等于α+ι2)。
[0014] 由擾動觀察器53執(zhí)行輸出擾動估計值~d的操作可以等效表達為：在減法器56中 從電機速度v乘以低階模型的傳遞特征的倒數(shù)P1減去電機生成驅(qū)動力u。，并在傳遞函數(shù)塊 57中用減去后的結(jié)果乘以傳遞特征K。。該傳遞函數(shù)塊57中，使用觀察器增益ω。將該傳遞 特征Κ。表達為Κ〇=I·ω。，該傳遞特征Κ。用作下述等式（3)的主要的低通濾波特征。
[0015] PK〇/(l+PK〇) = (o0/s)/{l+(〇0/s)} = 〇0/(S+〇0) (3)
[0016] 在此與傳遞特征~P相關(guān)的參數(shù)設定為0· 2[kgm2]，I2=0· 4[kgm2]，ζ= 0. 005,ωρ=628[rad/s]，并且ωz= 364[rad/s]，且在不使用擾動觀察器方法的條件（ω。 =〇)下適當?shù)卮_定速度偏差放大器Gv。圖9展示了速度控制單元100使用上述參數(shù)和速 度偏差放大器Gv獲得的頻率特征（V。，d-v，v2)。應該注意，v2代表用雙慣性系統(tǒng)表示的 目標設備55的負載側(cè)速度，并且速度偏差放大器Gv配置有常用的比例積分補償器。相比 之下，圖10展示了當采用擾動觀察器方法并且選擇《。= 300[rad/s]作為觀察器增益ω。 時，獲得的頻率特征（Vc，d-ν，ν2)。
[0017] 通過使用擾動觀察器方法在中低范圍提高頻率特征（d-ν，ν2)代表的擾動抑制 性能。但是，從圖10中明顯看出，在靠近目標設備的傳遞特征~Ρ和低階模型的傳遞特征 Ρ之差最大化的傳遞區(qū)域《2的頻帶中，擾動觀察器方法的使用影響由頻率特征（Vc-v2) 代表的命令遵循性能，相對于頻率特征（Vc-v2)來說，增益提高了，導致振動的發(fā)生。
[0018] 從下面的描述可以理解命令遵循性能如何受擾動觀察器方法的影響。因為圖8的 傳遞函數(shù)塊57中的傳遞特征K。的下降特征最大值僅為-20dB/dec，如等式（3)所示，在設 備誤差（傳遞特征~P和P之差）增加的頻率范圍中，該傳遞函數(shù)塊57無法切斷增大的分 量，而非包含在傳遞函數(shù)塊57的輸入中的擾動。
[0019] 為了把握圖8的擾動抑制系統(tǒng)的運行，假設1!。= 0,擾動抑制部分被等效轉(zhuǎn)換。圖 11展示了該等效轉(zhuǎn)換的結(jié)果。當利用傳遞特征P和設備誤差的表面特征表達目標設備的 傳遞特征~P時，降低關(guān)于設備誤差的等式（3)的大小的問題可以被魯棒穩(wěn)定性問題代替。 這用于以控制設計對傳遞特征K。進行設計的JPH11-24708A(其中K。為Η無窮大控制 器）中。
[0020] 但是，在JPHll-24708Α中，速度控制單元如圖12所示的那樣進行構(gòu)建，這導致 對驅(qū)動命令值u。的響應與在擾動抑制系統(tǒng)中對擾動d的響應等效。因此，當引入該擾動抑 制系統(tǒng)時，命令遵循特征在中低范圍經(jīng)歷變化。為了防止該變化，命令遵循性能不應該獨立 于擾動抑制性能而設計，這不可避免地涉及速度偏差放大器Gv的重新設計。
[0021] 如上所述，通過包括擾動抑制系統(tǒng)的常規(guī)伺服控制器（在小環(huán)路中形成并且旨在 提尚擾動抑制性能），可以在中低范圍提尚擾動抑制性能，同時該擾動抑制系統(tǒng)影響命令遵 循系統(tǒng)，且因此引起振動或其它不利影響。由于這些影響，不可能獨立地設計命令遵循性能 和擾動抑制性能。需要這樣一種伺服控制裝置：其包括擾動抑制系統(tǒng)，該擾動抑制系統(tǒng)能夠 僅僅增強中低范圍的擾動抑制性能，而不對命令遵循系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 本發(fā)明通過將擾動抑制系統(tǒng)結(jié)合至伺服控制裝置中滿足該需求，其中，包含于目 標設備的輸出中的、因擾動估計誤差而產(chǎn)生的分量，在擾動抑制控制器中被放大并反饋至 控制輸入，該擾動抑制控制器具有對應于設備誤差（目標設備和設備模型之間的傳遞特征 的差異）的大小的頻率特征。
[0023] 在根據(jù)本發(fā)明的伺服控制裝置中，目標設備模型用于計算擾動估計誤差信號。擾 動抑制系統(tǒng)被配置成在其中設備誤差足夠小、以便高的精度檢測擾動估計誤差信號的中低 頻率范圍內(nèi)較大程度地對擾動估計誤差信號進行放大，而在其中設備誤差足夠大、以便降 低對擾動估計誤差信號的檢測精度的高頻范圍內(nèi)較小程度地對擾動估計誤差信號進行放 大，并將以任一種方式放大的擾動估計誤差信號饋送回控制輸入。通過由此配置的擾動抑 制系統(tǒng)，可以單獨實現(xiàn)在中低范圍提高擾動抑制性能，而不影響整個頻率范圍的命令遵循 性能。這具有這樣的有利效果：不引入由小環(huán)路中形成的擾動抑制系統(tǒng)造成的振動，從而使 擾動抑制性能可以獨立于命令遵循性能而設計。此外，因為防止了所有特征在高范圍內(nèi)經(jīng) 歷任何變化，所以可以確保速度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和位置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會受損。
【附圖說明】
[0024] 結(jié)合附圖進一步描述本發(fā)明，其中，在若干視圖中，相同的附圖標記表示相同的部 件，并且，其中：
[0025] 圖1為展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的位置控制裝飾的配置的方塊圖；
[0026] 圖2為解釋設計根據(jù)本發(fā)明的擾動抑制控制器的方法的方塊圖；
[0027] 圖3為展示圖2中的每個塊的頻率特征的例子的圖；
[0028] 圖4為展示根據(jù)本發(fā)明的擾動抑制控制器的頻率特征的例子的圖；
[0029] 圖5為展示在圖1的位置控制裝置中的速度控制單元的頻率特征的例子的圖；
[0030] 圖6為展示典型的伺服控制裝置的示意配置的圖；
[0031] 圖7為展示使用擾動觀察器方法的常規(guī)位置控制裝置的例子的方塊圖。
[0032] 圖8為詳細展示圖7中的速度控制單元的典型配置的方塊圖；
[0033] 圖9為展示不使用擾動觀察器方法的常規(guī)速度控制單元的頻率特征的例子的圖；
[0034] 圖10為展示使用擾動觀察器方法的常規(guī)速度控制單元的頻率特征的例子的圖；
[0035] 圖11為展示通過等效轉(zhuǎn)換圖8中的擾動抑制單元獲得的設置的方塊圖；以及
[0036] 圖12為展示常規(guī)速度控制裝