在此通過(guò)引用，將提交于2015年11月30日、編號(hào)為2015-232850的日本專利申請(qǐng)包括說(shuō)明書、權(quán)利要求書、附圖及摘要的全部公開通過(guò)整體引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及一種對(duì)機(jī)器工具或機(jī)器人的臂進(jìn)行軸控制的伺服控制器，具體地涉及一種全閉合環(huán)路位置控制器，其目的在于，通過(guò)直接感應(yīng)負(fù)載的一端的位置，根據(jù)位置命令值來(lái)控制負(fù)載的位置。

背景技術(shù)：

通常，用于數(shù)控機(jī)床的軸控制的全閉合環(huán)路位置控制器，通過(guò)控制向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制輸入τ_m，根據(jù)由較高級(jí)別設(shè)備提供的位置命令值X_C來(lái)控制受控目標(biāo)(下文中稱為“目標(biāo)設(shè)備”)的負(fù)載位置θ_L。因此，全閉合環(huán)路位置控制器要求高水平的系統(tǒng)穩(wěn)定性(包括振動(dòng)抑制性能)、精確的命令跟蹤性能以及高水平的負(fù)載擾動(dòng)抑制性能。

圖5為展示常規(guī)全閉合環(huán)路位置控制器的示例的框圖。目標(biāo)設(shè)備200按照旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸展示。所述目標(biāo)設(shè)備200具有作為傳遞特性的傳遞極點(diǎn)ω_P和傳遞零點(diǎn)ω_Z，目標(biāo)設(shè)備200描述為以下配置：電機(jī)慣性矩I_m和負(fù)載慣性矩I_L通過(guò)具有硬度K的彈簧系統(tǒng)相連?！皊”表示進(jìn)行拉普拉斯變換。所述目標(biāo)設(shè)備200的運(yùn)動(dòng)方程式用以下方程式(1)表示：

其中，ω_m為電機(jī)速度，θ_m為電機(jī)位置，ω_L為負(fù)載速度，τ_d為負(fù)載擾動(dòng)力矩。

圖5中的常規(guī)全閉合環(huán)路位置控制器300如下所述。減法器50從較高級(jí)別設(shè)備(未圖示)提供的位置命令值X_C減去由負(fù)載位置感應(yīng)器(未圖示)感應(yīng)的負(fù)載位置θ_L。作為所述減法器50的輸出的位置偏差通過(guò)位置偏差放大器51被放大位置環(huán)路增益K_P倍以用作速度命令值。減法器52從所述速度命令值減去混合速度反饋ω_fb。作為所述減法器52的輸出的速度偏差通過(guò)速度偏差放大器53被放大速度環(huán)路增益G_V倍以用作向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制輸入τ_m。

所述速度環(huán)路增益G_V可以基于以下方程式(2)的比例增益G_P和積分增益G_i來(lái)獲得：

G_V＝G_P+G_i/s 方程式(2)

由于所述速度環(huán)路增益G_V不指定速度控制帶，假定帶有應(yīng)用于所述目標(biāo)設(shè)備200的剛體近似的速度控制系統(tǒng)的自然共振頻率ω_V為速度控制帶，以便使所述速度控制帶ω_V與所述比例增益G_P及所述積分增益G_i以下列方程式(3)關(guān)聯(lián)：

G_P＝2(I_m+I_L)ω_y,G_i＝(I_m+I_L)ω_V² 方程式(3)

微分器57通過(guò)將時(shí)間微分施加至所述負(fù)載位置θ_L來(lái)輸出負(fù)載速度ω_L。電機(jī)速度ω_m由感應(yīng)器(未圖示)感應(yīng)，比如，設(shè)置在電機(jī)處的位置感應(yīng)器和速度感應(yīng)器。減法器56從所述負(fù)載速度ω_L減去電機(jī)速度ω_m。然后，所述減法器56的輸出通過(guò)放大器55被放大混合增益f_b倍，并且通過(guò)加法器54與電機(jī)速度ω_m相加以用作混合速度反饋ω_fb。這個(gè)過(guò)程由以下方程式(4)定義：

ω_fb＝(1-f_b)ω_m+f_bω_L 方程式(4)

其中，所述混合增益f_b表示混合速度回饋ω_fb中電機(jī)速度ω_m與負(fù)載速度ω_L的混合比?；旌显鲆鎓_b為設(shè)置在范圍內(nèi)的參數(shù)。

下一步，描述圖5所示的位置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。由于對(duì)穩(wěn)定性問題的積分增益G_i的作用受限，假定該增益G_i為零(G_i＝0)。以下方程式可通過(guò)基于眾所周知的勞斯穩(wěn)定判據(jù)計(jì)算所述全閉合環(huán)路位置控制的穩(wěn)定極限來(lái)獲得：

其中，負(fù)載慣性矩比R＝I_L/I_m，目標(biāo)設(shè)備的零點(diǎn)角頻率ω_Z＝(K/I_L)^1/2。

方程式(5)表明除非伺服增益(K_Pω_V)減小，否則振動(dòng)特性變得顯著，這是因?yàn)樨?fù)載慣性矩I_L的增加減小了零點(diǎn)角頻率ω_Z,導(dǎo)致所述方程式的右邊變小。然而，已知所述振動(dòng)抑制性能可以通過(guò)設(shè)置混合增益f_b來(lái)改善，因?yàn)榉€(wěn)定極限可以增加，特別當(dāng)負(fù)載慣性矩比R為高時(shí)。

因此，穩(wěn)定極限增加比h(f_b)通過(guò)利用混合增益f_b由以下方程式(6)定義：

圖6展示了相對(duì)于混合增益f_b的穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)，負(fù)載慣性矩比R用作參量。方程式(6)表明：當(dāng)f_b＝(R-1)/(1+R)時(shí)，穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)達(dá)到最大值。當(dāng)在此值上的混合增益f_b設(shè)定時(shí)，h(f_b)迅速減小并且易于落入的范圍內(nèi)，如圖6所示。

換言之，對(duì)于具有顯著變化的負(fù)載慣性矩比R的控制軸，需要選擇最小R(R_min)時(shí)的最佳混合增益f_b，并且鑒于穩(wěn)定極限最大值R(R_max)設(shè)置足夠的伺服增益(K_Pω_V)。

下一步，以具有在3≤R≤10的范圍內(nèi)變化的負(fù)載慣性矩比R的目標(biāo)設(shè)備為示例進(jìn)行描述。所述伺服增益(K_Pω_V)可以從以下方程式(7)獲得，鑒于穩(wěn)定極限和振動(dòng)抑制特性，對(duì)方程式(5)應(yīng)用了邊際常數(shù)

在圖5中，假定在R＝10的情況下目標(biāo)設(shè)備具有ω_z＝64rad/s＝10Hz的特征，描述了位置控制系統(tǒng)中提供的命令響應(yīng)的頻率特性θ_L/X_C和擾動(dòng)響應(yīng)ω_L/τ_d。

圖7展示了頻率特性，具體地，在混合增益f_b＝0的情況下，伺服增益(位置環(huán)路增益K_P和速度控制帶ω_V)基于方程式(7)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。相反地，圖8展示了在R＝10及混合增益f_b＝0.5的情況下基于方程式(7)適當(dāng)設(shè)置伺服增益(K_Pω_V)時(shí)的頻率特性，在R＝3的情況下實(shí)現(xiàn)最大穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)。

在這個(gè)示例中，混合增益f_b＝0.5，此為負(fù)載慣性矩比R在3≤R≤10的范圍內(nèi)R＝3的情況下的最佳混合增益。因此，基于圖6，在R＝10的情況下，穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)約為1.8。因此，命令響應(yīng)的截止頻率θ_L/X_C從10Hz增加至15Hz，命令跟蹤性能得到改進(jìn)。此外，在中間或低頻率范圍內(nèi)的負(fù)載擾動(dòng)抑制性能同樣改進(jìn)約-7dB。然而，由于在R＝10的情況下的穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)的最大值約為3，控制性能沒有改進(jìn)至接近極限。

作為常規(guī)技術(shù)，JP 2013-148422A可以作為示例提出。

如上所述，在常規(guī)全閉合環(huán)路位置控制器中，速度控制系統(tǒng)的配置基于電機(jī)速度ω_m和負(fù)載速度ω_L的混合速度反饋ω_fb，控制性能不能通過(guò)所述混合速度反饋充分地改進(jìn)，特別對(duì)于具有顯著變化的負(fù)載慣性矩比R的控制軸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開公開了一種帶有伺服增益(K_Pω_V)的全閉合環(huán)路位置控制器，通過(guò)根據(jù)變化的負(fù)載慣性矩比R改變混合增益f_b以保持最大穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)，該伺服增益設(shè)置用于不斷地實(shí)現(xiàn)最佳控制性能。

本公開公開了一種數(shù)控機(jī)床的全閉合環(huán)路位置控制器，根據(jù)由較高級(jí)別設(shè)備提供的位置命令值，通過(guò)利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)設(shè)備，控制目標(biāo)設(shè)備的負(fù)載位置。所述全閉合環(huán)路位置控制器的速度反饋控制系統(tǒng)基于電機(jī)速度和負(fù)載速度的混合速度形成。所述全閉合環(huán)路位置控制器包括識(shí)別計(jì)算器、混合增益計(jì)算器以及伺服增益識(shí)別器，該識(shí)別計(jì)算器基于控制輸入、電機(jī)速度以及伺服電機(jī)的負(fù)載速度識(shí)別負(fù)載慣性矩比；該混合增益計(jì)算器基于所識(shí)別的負(fù)載慣性矩比計(jì)算作為混合速度的混合比的混合增益；該伺服增益識(shí)別器基于所識(shí)別的負(fù)載慣性矩比和混合增益計(jì)算位置環(huán)路增益和速度環(huán)路增益。所述全閉合環(huán)路位置控制器基于所述混合增益、所述位置環(huán)路增益和所述速度環(huán)路增益控制負(fù)載位置。

在根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例中，所述全閉合環(huán)路位置控制器進(jìn)一步包括積分放大器和伺服電機(jī)變化率計(jì)算器，該積分放大器基于所識(shí)別的負(fù)載慣性矩比計(jì)算待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比，該伺服電機(jī)變化率計(jì)算器基于待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比和所述混合增益計(jì)算伺服電機(jī)變化率。所述伺服增益識(shí)別器基于待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比和所述伺服增益變化率計(jì)算位置環(huán)路增益和速度環(huán)路增益。

更具體地，在本公開中，所述全閉合環(huán)路位置控制器包括預(yù)先設(shè)置的初始參數(shù)(R₀,F_b0，ω_V0,K_P0)。所述全閉合控制器基于實(shí)時(shí)識(shí)別的負(fù)載慣性矩比R和相應(yīng)混合增益f_b不斷地計(jì)算關(guān)于初始參數(shù)(ω_V0K_P0)的伺服增益變化率A，以便適當(dāng)?shù)馗淖兇龖?yīng)用于所述控制的比例增益G_P和積分增益G_i(二者結(jié)合形成速度環(huán)路增益G_V)以及位置環(huán)路增益K_P。

在根據(jù)本公開的全閉合環(huán)路位置控制器中，通過(guò)根據(jù)變化的負(fù)載慣性矩比R改變混合增益f_b，可以不斷地提供最佳控制性能。更具體地，在本公開中，比例增益G_P和積分增益G_i(二者結(jié)合形成速度環(huán)路增益G_V)、混合增益f_b以及位置環(huán)路增益K_P可以根據(jù)變化的負(fù)載慣性矩比R適當(dāng)?shù)馗淖?。因此，即使?duì)于具有顯著變化的負(fù)載慣性矩比R的控制軸，所述全閉合環(huán)路位置控制系統(tǒng)可以不斷地具有適當(dāng)命令跟蹤性能和負(fù)載擾動(dòng)抑制性能。

附圖說(shuō)明

本公開的實(shí)施例基于下列附圖進(jìn)行描述，其中：

圖1為展示根據(jù)本公開的全閉合環(huán)路位置控制器的一個(gè)示例的框圖；

圖2展示了根據(jù)本公開的積分放大器3處的放大器輸入e和積分增益G_e之間的關(guān)系；

圖3展示了根據(jù)本公開的全閉合環(huán)路位置控制器的位置控制頻率特性的一個(gè)示例；

圖4展示了根據(jù)本公開的全閉合環(huán)路位置控制器的位置控制頻率特性的另一示例；

圖5為展示常規(guī)全閉合環(huán)路位置控制器的示例性結(jié)構(gòu)的框圖；

圖6展示了以負(fù)載慣性矩比R為參數(shù)的相對(duì)于混合增益f_b的穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)；

圖7展示了常規(guī)全閉合環(huán)路位置控制器的位置控制系統(tǒng)的頻率特性的一個(gè)示例；

圖8展示了常規(guī)全閉合環(huán)路位置控制器的位置控制系統(tǒng)的頻率特性的另一示例。

具體實(shí)施方式

以下描述根據(jù)本公開的實(shí)施例。應(yīng)該注意的是，以下實(shí)施例僅作為示例提供。本公開不限于以下實(shí)施例。圖1為展示根據(jù)本公開的全閉合環(huán)路位置控制器的一個(gè)示例的框圖。以下描述僅指示與以上描述的常規(guī)技術(shù)的不同。

方程式(1)所示的目標(biāo)設(shè)備200的運(yùn)動(dòng)方程可以通過(guò)利用負(fù)載慣性矩比R的以下方程式來(lái)表示：

這個(gè)方程式可以轉(zhuǎn)換為以下方程式(9)，作為參數(shù)表達(dá)式：

電機(jī)加速度dω_m/dt和負(fù)載加速度dω_L/dt可以通過(guò)在采樣時(shí)間感應(yīng)電機(jī)速度ω_m和負(fù)載速度ω_L來(lái)計(jì)算。進(jìn)一步地，由于控制輸入τ_m是位置控制器的計(jì)算值并且電機(jī)慣性矩I_m為已知參數(shù)，可以獲得方程式(9)的左側(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩τ_L以及右側(cè)的信號(hào)行向量ξ。因此，可以識(shí)別方程式(9)的右側(cè)的未知參數(shù)的列向量γ，這是因?yàn)?，?dāng)加速度改變時(shí)，通過(guò)以時(shí)間序列收集n個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩τ_L和信號(hào)行向量ξ并且使其以行方向排列，所述信號(hào)行向量ξ形成信號(hào)矩陣Ξ(n×2)，其中每個(gè)列向量是線性獨(dú)立的。

當(dāng)感應(yīng)到加速度的變化時(shí)，通過(guò)以信號(hào)ω_m、ω_L、τ_m為輸入，利用已知的識(shí)別算法，識(shí)別計(jì)算器1執(zhí)行以上描述的未知參數(shù)的列向量γ的識(shí)別計(jì)算。在圖1中，已識(shí)別的負(fù)載慣性矩比R由R_ID表示。從識(shí)別計(jì)算器1輸出的已識(shí)別負(fù)載慣性矩比R_ID在每次識(shí)別計(jì)算中更新。

減法器2從已識(shí)別的負(fù)載慣性矩比R_ID減去待用于所述控制的負(fù)載慣性矩比R(下文中指代“待應(yīng)用于控制的負(fù)載慣性矩比R”)。所述減法器的輸出e(輸入至放大器)通過(guò)集成放大器3放大積分增益G_e，以用作待應(yīng)用于控制的負(fù)載慣性矩比R。這個(gè)系列的計(jì)算可以由以下方程式(10)表示：

積分增益G_e由圖2所示的放大器輸入e變換。用和表示的值預(yù)定義為常量，考慮負(fù)載慣性矩R的實(shí)際比的可能的變化范圍和隨時(shí)間的變化率，以及所述積分放大器3的濾波效應(yīng)，來(lái)預(yù)設(shè)所述常量。這樣，圖6所示的穩(wěn)定極限范圍內(nèi)的位置控制操作可以通過(guò)控制待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比R的增長(zhǎng)來(lái)確保，以便在e＞0的情況下，負(fù)載慣性矩比R的增長(zhǎng)被控制為適度的；反之，在的情況下，積分增益G_e更加快速地增長(zhǎng)，以提高對(duì)R_ID的跟蹤性能以及利用較小R_ID(R_ID＜＜R)使R更快速地增長(zhǎng)。

混合增益計(jì)算器4基于待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比R，從以下方程式(11)計(jì)算混合增益f_b：

其中，α為向?qū)崿F(xiàn)圖6所示的最大穩(wěn)定極限增長(zhǎng)率h(f_b)的混合增益f_b施加安全裕量的減額因素。所述減額因素α典型地設(shè)置在0.8至1的范圍內(nèi)。所計(jì)算的混合增益f_b設(shè)定為放大器55的放大系數(shù)。

在本公開中，負(fù)載慣性矩比的初始值R₀預(yù)先定義，并且對(duì)應(yīng)于該初始值R₀的f_b0在伺服增益變化率計(jì)算器5中預(yù)先設(shè)定。進(jìn)一步地，當(dāng)確定了待控制的目標(biāo)設(shè)備200，可以獲得剛度K。然后，從方程式(7)獲得用于R₀和f_b0的速度控制帶ω_V0及位置環(huán)路增益K_P0，并且設(shè)置在伺服增益識(shí)別器6中?；诜匠淌?3)，對(duì)于速度控制帶ω_V0，形成速度環(huán)路增益G_V0的比例增益G_P0和積分增益G_i0由以下方程式(12)確定：

通過(guò)利用初始值R₀、f_b0和待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比R以及混合增益f_b，伺服增益變化率計(jì)算器5從以下方程式(13)計(jì)算伺服增益變化率A。待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比R以及混合增益f_b實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算。所計(jì)算的值輸出至伺服增益識(shí)別器6。

伺服增益識(shí)別器6基于預(yù)定義的初始值R₀、ω_V0、K_P0和伺服增益變化率A從方程式(14)實(shí)時(shí)地計(jì)算速度控制帶ω_V和位置環(huán)路增益K_P(需要注意的是，速度控制帶ω_V在這個(gè)示例中并非必需)：

基于伺服增益變化率A和待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比R，對(duì)于初始值G_P0和G_i0，形成速度環(huán)路增益G_V的比例增益G_P和積分增益G_i從以下方程式(15)計(jì)算：

所計(jì)算的位置環(huán)路增益K_P設(shè)置為位置偏差放大器51的放大系數(shù)。比例增益G_P和積分增益G_i設(shè)置為速度偏差放大器53的放大系數(shù)。

圖3展示了命令響應(yīng)θ_L/X_C和擾動(dòng)響應(yīng)ω_L/τ_d的頻率特性，位置控制系統(tǒng)由伺服增益(位置環(huán)路增益K_P和速度控制帶ω_V)配置，伺服增益由根據(jù)圖1所示的本公開的全閉合環(huán)路位置控制器的方程式(7)設(shè)定，其中，減額因素α＝1，并且在負(fù)載慣性矩比R＝3的情況下混合增益f_b＝0.5。

根據(jù)本公開的全閉合環(huán)路位置控制器的位置控制特性描述為以下情況：負(fù)載慣性矩比R在R＝3至R＝10的范圍內(nèi)變化。為了方便起見，圖3中使用的條件假定為初始值(R₀＝3,f_b0＝0.5)。識(shí)別計(jì)算器1輸出已識(shí)別的負(fù)載慣性矩比R_ID＝10。然后，待應(yīng)用于所述控制的負(fù)載慣性矩比R從3至10收斂。

混合增益計(jì)算器4從方程式(11)(假定α＝1)計(jì)算并輸出混合增益f_b≒0.81。伺服增益變化率計(jì)算器5從方程式(13)計(jì)算并輸出伺服增益變化率A＝0.82。伺服增益識(shí)別器6從方程式(14)確定位置環(huán)路增益K_P以及從方程式(15)確定比例增益G_P和積分增益G_i。因?yàn)槲恢铆h(huán)路增益K_P和速度控制帶ω_V為初始值K_P0和ω_V0的0.9倍。比例增益G_P為初始值G_p0的2.5倍(11/4×0.9≈2.5)。積分增益G_i為初始值G_i0的2.3倍(11/4×0.82≈2.3)。圖4展示了在這些條件下的命令響應(yīng)θ_L/X_C和擾動(dòng)響應(yīng)ω_L/τ_d的頻率特性。

這樣，在負(fù)載慣性矩比R＝10的情況下，相較于圖8所示的用于常規(guī)技術(shù)的控制特性，命令響應(yīng)θ_L/X_C的截止頻率從15Hz拓寬為24Hz，并且在中間和低頻率帶中的負(fù)載擾動(dòng)抑制性能改進(jìn)約為-10dB。

如上所述，根據(jù)本公開的全閉合環(huán)路位置控制器識(shí)別負(fù)載慣性矩比R并根據(jù)變化R選擇最佳混合增益f_b，以便速度環(huán)路增益的比例增益G_P和積分增益G_i以及位置環(huán)路增益K_P可以適當(dāng)?shù)馗淖?。因此，即使?duì)于具有顯著變化的負(fù)載慣性矩比R的控制軸，全閉合環(huán)路位置控制器系統(tǒng)不斷地具有高水平的命令跟蹤性能，并且可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)抑制性能。