專利名稱：伺服系統(tǒng)的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對驅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的隨動能力的方法。
背景技術：
通常，前饋控制經(jīng)常被用作改進對基準的隨動能力的方法。在現(xiàn)有技術的系統(tǒng)中，通常的做法是將對位置基準求微分得到的值作為速度前饋基準值，將對該值再求一次微分后得到的值作為轉矩前饋基準值。
作為可能與本發(fā)明有關的技術之一，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)有技術的系統(tǒng)的結構的框圖。圖4中，首先，該方法在位置“1”處將位置基準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Vref，接著，將在微分器41對位置基準值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Vff，并將其加到速度基準Vref中。接下來，取得速度基準Vref和實際速度Vfb之間的偏差，并在“2”處進行速度回路處理，由此獲得電流基準值Iref，然后，將在微分器42對速度前饋基準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能力及改進伺服系統(tǒng)的響應延遲的效果。
此外，另一個有關的技術是日本未經(jīng)審查的特開平-10-149210號“在定位控制系統(tǒng)中準備基準的方法”，它采用了圖5所示的結構。該公開說明了改進對基準的隨動能力和實現(xiàn)完全隨動的方法，其中在基準產(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)，準備使從位置基準到負載位置的傳遞函數(shù)為1的位置基準。圖5中的標注符號與圖4中的相同。
然而，這兩個采用現(xiàn)有技術的例子存在如下的問題。
第一，現(xiàn)有技術例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)的柔性結構的情況下，由于輸入了未考慮機械彈性元件的基準，即使電動機按照基準隨動，也會產(chǎn)生負載端振動的問題。結果就產(chǎn)生了負載不能跟隨基準的問題。
第二，在現(xiàn)有技術例2公開的方法中，由于為了解決現(xiàn)有技術例1中的問題，生成基準時考慮了整個系統(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)，當改變控制系統(tǒng)的特性(例如為了改進干擾響應而改變速度回路的響應)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、速度和轉矩基準，將獲得的電動機的位置、速度和上述轉矩基準作為前饋基準。
同樣，在權利要求2所述的結構中，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)計算電動機的轉矩基準，將計算出的轉矩輸入到機械模型中，將獲得的電動機的位置、速度和上述的轉矩基準作為前饋基準。
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的結構的框圖；圖2是說明本發(fā)明的實施例2的結構的框圖；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)有技術例1的結構的框圖；及圖5是說明現(xiàn)有技術例2的結構的框圖。
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、速度和轉矩基準的基準生成部分。規(guī)定的運行條件4保存在存儲器中。標號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θref、電動機速度基準Vff和電動機轉矩基準值Tff由基準生成部分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，順序地對基準生成部分3的處理內(nèi)容進行詳細描述。
第一步負載的位置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。
在電動機和負載中，邊界條件如下當運行開始時(t＝0)，位置＝速度＝加速度＝加速度率＝0，當運行結束時(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值Xm(1)(t)。
最后，轉矩基準值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，在生成基準時考慮了機械系統(tǒng)的運行特性，因此負載側不振動而使完全隨動成為可能。
此外，由于基準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)魏位鶞省?br> 接下來，利用圖2對權利要求2所述的根據(jù)實施例2的方法進行說明。
當由于硬件有限基準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、電動機的速度基準和電動機的轉矩基準這三個輸入。
在這種情況下，首先，按實施例1中描述的順序導出轉矩基準值Tref(t)。接下來，如圖2中標號6所示，事先在控制器中置入機械模型，將如上所述導出的轉矩基準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值。使用這種方法，僅將轉矩基準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、電動機轉矩基準進行前饋的方法的描述，當然也可以獲得電流基準而不是轉矩基準，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、電動機的速度基準和電動機的轉矩基準，將它們作為前饋基準值，由此，可以產(chǎn)生使得柔性結構可以完全跟隨基準的效果。
另外，根據(jù)本發(fā)明，當控制系統(tǒng)的增益等發(fā)生變化時，可以使用相同的基準，因此可以產(chǎn)生這樣的效果即使在前饋基準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)的柔性結構完全跟隨基準。
權利要求
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、速度和轉矩基準；將上述計算出的電動機的位置、速度和轉矩基準作為前饋基準。
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矩基準；將上述計算出的轉矩基準輸入到機械模型中；將上述獲得的電動機的位置、速度和轉矩基準作為前饋基準。
3.如權利要求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)的柔性結構迄今為止產(chǎn)生的問題是基準和負載不完全一致并且需要計算很大的復雜計算，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、速度和轉矩基準，利用已計算出的電動機的位置、速度和轉矩基準作為前饋基準，或者根據(jù)已確定的可進行高階微分的函數(shù)計算電動機的轉矩基準，將計算出的轉矩基準輸入到機械模型中，并將獲得的電動機的位置、速度和轉矩基準作為前饋基準。
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