本發(fā)明涉及一種伺服控制裝置，特別涉及一種具有通過評價(jià)函數(shù)在線優(yōu)化控制增益的功能的伺服控制裝置。

背景技術(shù)：

提出很多與伺服控制裝置的控制系統(tǒng)的頻率特性的測量相關(guān)的裝置和方法，在機(jī)床的進(jìn)給軸的傳輸特性的測量中也被廣泛靈活使用。一般測量通過勵(lì)振裝置強(qiáng)制使分析對象振動時(shí)(頻率掃描)的應(yīng)答振動，在將該時(shí)間系列數(shù)據(jù)記錄到大容量存儲器中后，通過各種信號處理技術(shù)來求出頻率傳輸函數(shù)。在進(jìn)行簡單的測量時(shí)，將傳動器自身作為勵(lì)振源時(shí)的應(yīng)答振動進(jìn)行測量/記錄并進(jìn)行信號處理。在電路和光學(xué)系統(tǒng)的情況下使用勵(lì)振電路。

提出以下方法，作為將控制增益最優(yōu)化的系統(tǒng)，擬合時(shí)間系列信號并定義規(guī)范模型的基本形函數(shù)，將該函數(shù)中包括調(diào)整參數(shù)的選為規(guī)范模型(例如，日本特開2015-076024號公報(bào))。在該現(xiàn)有技術(shù)中，將作為時(shí)間系列數(shù)據(jù)而取得并可定量化的多個(gè)指標(biāo)(過調(diào)(overshoot)和上升時(shí)間)的加權(quán)和作為評價(jià)函數(shù)來進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)整。雖然不管評價(jià)函數(shù)的意義但能夠?qū)⒃O(shè)備控制的補(bǔ)償器最優(yōu)化。

另外，也提出一種使用實(shí)際測量的時(shí)間系列數(shù)據(jù)和規(guī)范應(yīng)答的時(shí)間系列數(shù)據(jù)之間的誤差來計(jì)算控制特性的評價(jià)值的方法(例如，日本特開平9-131087號公報(bào))。在該現(xiàn)有技術(shù)中，在調(diào)整裝置內(nèi)具有近似模型，在進(jìn)行對于該近似模型的調(diào)整后對時(shí)間的控制對象適用調(diào)整結(jié)果。

但是，這些現(xiàn)有技術(shù)中以符合對時(shí)間區(qū)域的應(yīng)答的曲線為目標(biāo)的規(guī)范模型擬合為基礎(chǔ)。在這之前沒有提出過使用能夠在線取得的頻率特性，在頻域直接定量評價(jià)和規(guī)范傳輸函數(shù)之間的差異的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種伺服控制裝置，將控制特性處理為數(shù)學(xué)方式定義的最優(yōu)化問題，由此能夠原則地確立穩(wěn)定性和高速應(yīng)答性的并存。

本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的伺服控制裝置，在具有通過伺服電動機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給軸的機(jī)床的控制裝置中，具備：速度指令生成部，其生成伺服電動機(jī)的速度指令值；扭矩指令生成部，其生成伺服電動機(jī)的扭矩指令值；速度檢測部，其檢測伺服電動機(jī)的速度；速度控制環(huán)路，其包括速度指令生成部、扭矩指令生成部以及速度檢測部；速度控制環(huán)路增益設(shè)定部，其設(shè)定速度控制環(huán)路的控制增益；正弦波干擾輸入部，其對速度控制環(huán)路進(jìn)行正弦波掃描；頻率特性計(jì)算部，其根據(jù)對速度控制環(huán)路輸入了正弦波時(shí)的速度控制環(huán)路的輸出來推定速度控制環(huán)路輸入輸出信號的增益和相位；規(guī)范特性生成部，其生成進(jìn)給軸的規(guī)范的頻率特性；以及增益調(diào)整部，其調(diào)整速度控制環(huán)路增益，增益調(diào)整部使用規(guī)范特性生成部所生成的規(guī)范頻率特性和頻率特性計(jì)算部計(jì)算出的實(shí)際測量的頻率特性，來計(jì)算針對實(shí)際測量的頻率特性的每個(gè)頻率掃描的評價(jià)函數(shù)值，并在線執(zhí)行對實(shí)現(xiàn)希望的評價(jià)函數(shù)值的速度控制環(huán)路增益的調(diào)整。

附圖說明

通過說明與附圖關(guān)聯(lián)的以下的實(shí)施方式，能夠更加明確本發(fā)明的目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)。在該附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖2A是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中的正弦波頻率的時(shí)間變化的圖。

圖2B是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中的輸入信號的時(shí)間變化的圖。

圖2C是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中的輸出信號的時(shí)間變化的圖。

圖2D是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中的增益以及相位的頻率特性各自的時(shí)間變化的圖。

圖3A是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中的正弦波頻率的時(shí)間變化的圖。

圖3B是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中的頻率特性的實(shí)際測量值以及成為規(guī)范的頻率特性的時(shí)間變化的圖。

圖3C是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中的評價(jià)函數(shù)值的時(shí)間變化的圖。

圖4A是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中使用了大型機(jī)用的規(guī)范特性以及小型機(jī)用的規(guī)范特性時(shí)的增益的頻率特性的圖。

圖4B是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中使用了大型機(jī)用的規(guī)范特性以及小型機(jī)用的規(guī)范特性時(shí)的相位的頻率特性的圖。

圖5是用于說明本發(fā)明的實(shí)施例的伺服控制裝置的動作步驟的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖說明本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置。

圖1是表示本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置100，在具有通過伺服電動機(jī)20驅(qū)動的進(jìn)給軸的機(jī)床的控制裝置中具備：速度指令生成部1，其生成伺服電動機(jī)20的速度指令值；扭矩指令生成部2，其生成伺服電動機(jī)20的扭矩指令值；速度檢測部3，其檢測伺服電動機(jī)的速度；速度控制環(huán)路4，其包括速度指令生成部1、扭矩指令生成部2以及速度檢測部3；速度控制環(huán)路增益設(shè)定部5，其設(shè)定速度控制環(huán)路4的控制增益；正弦波干擾輸入部6，其對速度控制環(huán)路4進(jìn)行正弦波掃描；頻率特性計(jì)算部7，其根據(jù)對速度控制環(huán)路4輸入了正弦波時(shí)的速度控制環(huán)路4的輸出來推定速度控制環(huán)路輸入輸出信號的增益和相位；規(guī)范特性生成部8，其生成進(jìn)給軸的規(guī)范的頻率特性；以及增益調(diào)整部9，其調(diào)整速度控制環(huán)路增益，增益調(diào)整部9使用規(guī)范特性生成部8所生成的規(guī)范頻率特性和頻率特性計(jì)算部7計(jì)算出的實(shí)際測量的頻率特性，來計(jì)算針對實(shí)際測量的頻率特性的每個(gè)頻率掃描的評價(jià)函數(shù)值，并在線執(zhí)行對實(shí)現(xiàn)希望的評價(jià)函數(shù)值的速度控制環(huán)路增益的調(diào)整。

接著，說明本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置的動作。首先，速度指令生成部1生成用于驅(qū)動伺服電動機(jī)20的速度指令值，并輸出給加法器10。加法器10將從正弦波干擾輸入部6輸入的正弦波干擾加到速度指令值上，并且減去速度檢測部3檢測出的伺服電動機(jī)20的速度檢測值，將計(jì)算結(jié)果輸出給速度控制環(huán)路增益設(shè)定部5。

速度控制環(huán)路增益設(shè)定部5設(shè)定通過增益調(diào)整部9調(diào)整后的速度控制環(huán)路4的控制增益。

扭矩指令生成部2取得將速度控制環(huán)路增益乘以加法器10的計(jì)算結(jié)果后得到的值，輸出扭矩指令，驅(qū)動伺服電動機(jī)20。伺服電動機(jī)20經(jīng)由傳輸機(jī)構(gòu)30使驅(qū)動體(未圖示)動作。

速度控制環(huán)路4包括速度指令生成部1、扭矩指令生成部2以及速度檢測部3。

正弦波干擾輸入部6對速度控制環(huán)路4進(jìn)行正弦波掃描。即，正弦波干擾輸入部6對速度控制環(huán)路4輸入正弦波干擾。

頻率特性計(jì)算部7根據(jù)將正弦波干擾輸入給伺服控制裝置100的速度控制環(huán)路4時(shí)的速度控制環(huán)路4的輸出，來推定速度控制環(huán)路輸入輸出信號的增益和相位。進(jìn)一步，頻率特性計(jì)算部7通過將來自正弦波干擾輸入部6的干擾輸入頻率作為基本頻率的由任意項(xiàng)數(shù)組成的傅立葉級數(shù)來表現(xiàn)速度控制環(huán)路4的輸出。頻率特性計(jì)算部7通過計(jì)算該傅立葉級數(shù)的基本波成分的振幅和相位，在線計(jì)算出頻率特性。

規(guī)范特性生成部8生成進(jìn)給軸的規(guī)范頻率特性。

增益調(diào)整部9調(diào)整速度控制環(huán)路增益。優(yōu)選增益調(diào)整部9根據(jù)作為目標(biāo)的希望的評價(jià)函數(shù)值和對實(shí)際掃描的評價(jià)函數(shù)值之間的差來決定速度控制環(huán)路增益的調(diào)整量。

本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置100在伺服控制系統(tǒng)中具有速度控制用的環(huán)路結(jié)構(gòu)。速度控制環(huán)路4直接反映與伺服電動機(jī)20連接的傳輸機(jī)構(gòu)30的機(jī)械特性。

在將頻率特性的計(jì)算方法作為問題的情況下，該速度控制環(huán)路的結(jié)構(gòu)自身并不重要。如果將圖1所示的虛線部捕捉為一個(gè)具有輸入輸出關(guān)系的系統(tǒng)就足夠了。因此只要考慮速度控制環(huán)路4的輸入信號和輸出信號之間的對應(yīng)關(guān)系即可。在進(jìn)行頻率掃描時(shí)，通過調(diào)查階段性地增加輸入信號的正弦波頻率時(shí)輸出信號的穩(wěn)定應(yīng)答而得到頻率特性。

接著，說明本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置的動作。圖2A表示從正弦波干擾輸入部6向速度控制環(huán)路4施加的干擾輸入即正弦波頻率的時(shí)間變化。圖2A中，從時(shí)刻t₀到t₁使正弦波頻率增加，在時(shí)刻t₂返回初始值。以下同樣地使正弦波頻率發(fā)生變化。這里，將時(shí)刻t₀到t₁的期間設(shè)為第一期間，將時(shí)刻t₁到t₂的期間設(shè)為第二期間，將時(shí)刻t₂到t₃的期間設(shè)為第三期間。

圖2B表示速度控制環(huán)路4的輸入信號的時(shí)間變化。圖2C表示速度控制環(huán)路4的輸出信號的時(shí)間變化。頻率特性計(jì)算部7根據(jù)將正弦波輸入給速度控制環(huán)路4時(shí)的速度控制環(huán)路的輸出，來推定速度控制環(huán)路輸入輸出信號的增益和相位。圖2D表示頻率特性計(jì)算部7推定出的增益(實(shí)線)和相位(虛線)的時(shí)間變化。在本實(shí)施例中，增益調(diào)整部9進(jìn)行了速度控制環(huán)路增益的高增益化調(diào)整，因此在每次追逐第一期間、第二期間、第三期間和時(shí)間時(shí)增益增大。

接著，說明以下方法，即根據(jù)本發(fā)明逐次測量控制系統(tǒng)的頻率特性，通過由規(guī)范特性和實(shí)際測量特性構(gòu)成的評價(jià)函數(shù)，在線將控制參數(shù)最優(yōu)化。圖3A表示從正弦波干擾輸入部6施加到速度控制環(huán)路4的干擾輸入即正弦波的頻率的時(shí)間變化。

頻率特性計(jì)算部7根據(jù)將正弦波輸入到速度控制環(huán)路4時(shí)的速度控制環(huán)路4的輸出來推定在該頻率的頻率特性、即速度控制環(huán)路輸入輸出信號的增益和相位。然后，規(guī)范特性生成部8計(jì)算進(jìn)給軸的規(guī)范頻率特性。圖3B表示頻率特性的實(shí)際測量值(實(shí)線)以及成為規(guī)范的頻率特性(虛線)的時(shí)間變化。如果輸入信號的正弦波頻率達(dá)到最大值，則增益調(diào)整部9計(jì)算針對掃描的評價(jià)函數(shù)值。

接著，增益調(diào)整部9使用規(guī)范特性生成部8所生成的規(guī)范頻率特性和頻率特性計(jì)算部7計(jì)算出的實(shí)際測量的頻率特性，來計(jì)算對于實(shí)際測量的頻率特性的每個(gè)頻率掃描的評價(jià)函數(shù)值。以下的公式(1)表示評價(jià)函數(shù)S_j。

$S_j={\∫}_{{\mathrm{\ω}}_{\min }}^{{\mathrm{\ω}}_{\max }}W\left(\mathrm{\ω}\right){\[\left|G_{\mathrm{mod}el}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|-\left|G_{\exp erimental}(\mathrm{\ω};kv)\right|\]}^{2}d\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

其中，

ω：頻率

kv：速度控制環(huán)路增益

W(ω)：針對頻率特性的加權(quán)

G_model(ω)：規(guī)范特性

G_experimental(ω)：實(shí)際測量特性

公式(1)是加權(quán)最小平方法的計(jì)算式。通過逐次掃描計(jì)算S_j成為最小的速度控制環(huán)路增益kv。這樣，能夠求出最合適的速度控制環(huán)路增益kv。

上述的公式(1)是評價(jià)函數(shù)值的計(jì)算式的一例，也能夠使用其它的評價(jià)函數(shù)。例如也可以使用如下述公式(2)那樣表示的評價(jià)函數(shù)。

$S_j=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_{\min }}^{{\mathrm{\ω}}_{\max }}{\[\left|G_{\mathrm{mod}el}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|-\left|G_{\exp erimental}(\mathrm{\ω};kv)\right|\]}^{2}d\mathrm{\ω}}{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_{\min }}^{{\mathrm{\ω}}_{\max }}\left|G_{\mathrm{mod}el}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|d\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

按照公式(2)使用評價(jià)函數(shù)S_j時(shí)，S_j越接近0，速度控制環(huán)路增益kv越接近目標(biāo)值。另外，當(dāng)S_j為負(fù)時(shí)表示增益過剩。

圖3C表示評價(jià)函數(shù)值的時(shí)間變化。在時(shí)刻t₁計(jì)算第一期間(時(shí)刻：t₀～t₁)的評價(jià)函數(shù)值。在時(shí)刻t₁，與一期間前的評價(jià)函數(shù)值比較，將差分反映到增益調(diào)整量中。即使在第二期間、第三期間也同樣地計(jì)算評價(jià)函數(shù)值，重復(fù)計(jì)算直到評價(jià)函數(shù)值達(dá)到目標(biāo)值為止。這樣，增益調(diào)整部9在線執(zhí)行對用于實(shí)現(xiàn)希望的評價(jià)函數(shù)值的速度控制環(huán)路增益的調(diào)整。另外，優(yōu)選增益調(diào)整部9根據(jù)作為目標(biāo)的希望的評價(jià)函數(shù)值和針對實(shí)際掃描的評價(jià)函數(shù)值之間的差來決定速度控制環(huán)路增益的調(diào)整量。在圖3C中，在時(shí)刻t₃表示評價(jià)函數(shù)值達(dá)到目標(biāo)值的例子。

另外，優(yōu)選規(guī)范特性生成部8根據(jù)進(jìn)給軸的結(jié)構(gòu)而生成可變更的規(guī)范特性。例如能夠根據(jù)成為控制對象的機(jī)械是大型機(jī)還是小型機(jī)來改變規(guī)范特性。圖4A表示基于大型機(jī)用的規(guī)范特性的增益的頻率特性、基于小型機(jī)用的規(guī)范特性的增益的頻率特性。為了正確地估計(jì)評價(jià)函數(shù)的值，需要意識到共振頻率的高低并設(shè)想規(guī)范特性(理想的特性)。這里，作為理想的特性，定義為大型機(jī)用的特性的控制頻帶狹小，小型機(jī)用的特性的控制頻帶寬。在小型機(jī)中作為標(biāo)稱的特性，共振頻率有變高的傾向，因此能夠比較容易地?cái)U(kuò)大頻帶(也可以提高增益)。另一方面，大型機(jī)中共振頻率有變低的傾向，所以難以擴(kuò)大頻帶(增益不能夠太高)。這樣，根據(jù)控制對象的機(jī)械是大型機(jī)還是小型機(jī)來改變規(guī)范特性，從而將上述的共振特性的差異作為背景，能夠包括高增益化的準(zhǔn)則而更正確地計(jì)算評價(jià)函數(shù)值。

如以上說明的那樣，在本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置中，作為自身能夠勵(lì)振輸入的定序器而動作并在線測量頻率特性。每次重復(fù)進(jìn)行測量時(shí)執(zhí)行評價(jià)函數(shù)計(jì)算，并以接近規(guī)范特性的方式逐次執(zhí)行控制器的參數(shù)調(diào)整。這樣，能夠取得控制裝置自身在線實(shí)現(xiàn)最佳的控制特性的參數(shù)。

接著使用圖5所示的流程圖來說明本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置的動作步驟。首先，在步驟S101中，正弦波干擾輸入部6(參照圖1)將輸入頻率初始化。接著，在步驟S102中，正弦波干擾輸入部6將正弦波干擾輸入給速度控制環(huán)路4。接著，在步驟S103中，速度檢測部3檢測伺服電動機(jī)20的速度。

接著，在步驟S104中，扭矩指令生成部2根據(jù)速度指令值、速度檢測值以及速度控制環(huán)路增益來生成扭矩指令值。接著，在步驟S105中，頻率特性計(jì)算部7計(jì)算在該頻率的頻率特性。接著，在步驟S106中，規(guī)范特性生成部8按照每個(gè)頻率計(jì)算成為規(guī)范的頻率特性。接著，在步驟S107中，正弦波干擾輸入部更新輸入頻率。

接著，在步驟S108中，判斷輸入信號的正弦波頻率是否達(dá)到最大值。當(dāng)輸入信號的正弦波頻率沒有達(dá)到最大值時(shí)，重復(fù)步驟S101到步驟S108的各個(gè)步驟。當(dāng)輸入信號的正弦波頻率達(dá)到最大值時(shí)，在步驟S109中，增益調(diào)整部9計(jì)算針對掃描的評價(jià)函數(shù)值。評價(jià)函數(shù)值的計(jì)算方法如上所述，

接著，在步驟S110中，判斷評價(jià)函數(shù)值是否達(dá)到目標(biāo)值。當(dāng)評價(jià)函數(shù)值沒有達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，在步驟S111中，增益調(diào)整部9變更速度控制環(huán)路增益使得評價(jià)函數(shù)值接近目標(biāo)值，重復(fù)步驟S101到步驟S110的各個(gè)步驟。

當(dāng)評價(jià)函數(shù)值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，在步驟S112中，增益調(diào)整部9確定最終的速度控制環(huán)路增益。如上所述，能夠使用能夠在線取得的頻率特性，在頻域直接定量評價(jià)與規(guī)范傳輸函數(shù)之間的差異。

如以上所說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置，能夠逐次測量控制系統(tǒng)的頻率特性，通過由規(guī)范特性和實(shí)際測量特性構(gòu)成的評價(jià)函數(shù)在線將控制參數(shù)最優(yōu)化。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的伺服控制裝置，能夠提供一種能夠原則地確立穩(wěn)定性和高速應(yīng)答性并存的伺服控制裝置。