機械裝置的控制裝置及摩擦補償用增益確定方法
【專利摘要】本發明提供一種機械裝置的控制裝置及摩擦補償用增益確定方法。本發明的目的在于提高機械裝置的位置控制精度。機械裝置(12)的控制裝置(14)具備：速度控制器(32)，計算出機械裝置(12)的轉矩指令；摩擦估計部(44)，計算出機械裝置(12)中產生的摩擦力的估計值；振幅相位調整部(46)，由摩擦估計部(44)估計出的摩擦力與比例增益(Kc)相乘來計算出摩擦修正值；及修正部(48)，使用由振幅相位調整部(46)計算出的摩擦修正值來修正轉矩指令。而且，比例增益根據從機械裝置(12)的位置指令至位置偏差的傳遞函數的增益特性來確定。
【專利說明】
機械裝置的控制裝置及摩擦補償用増益確定方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種機械裝置的控制裝置及摩擦補償用增益確定方法。
【背景技術】
[0002] 在要求高精度定位的機床等機械裝置中，存在由于摩擦使控制精度惡化的問題。 尤其是在如停止后要重新開始運動的往復運動中，受到摩擦的約束而有可能增加位置指令 與負荷軸的位置的偏差即位置偏差。因此，進行補償機械裝置中產生的摩擦的控制。
[0003] 作為以往機械裝置中的摩擦補償方法有如下方法，即預先實驗性調整摩擦的修正 量與開始修正及結束修正的定時，并將修正量與速度指令或轉矩指令進行相加。然而，該方 法中，摩擦特性會經年變化和因各個驅動條件、機械裝置而異，因此在調整上需要時間。
[0004] 并且，作為其他摩擦補償方法有如下方法，即使用摩擦模型估計機械裝置的摩擦 力，根據估計出的摩擦力來補償實際摩擦力。使用摩擦模型的摩擦補償方法有根據位置指 令、目標值等控制指令來估計摩擦力的前饋方式、或根據實際位置或速度來估計摩擦力的 反饋方式。
[0005] 而且，使用摩擦模型的摩擦補償方法中，摩擦力的估計精度越高，與使用所述修正 量的方法相比調整越簡單。
[0006] 作為一個例子，在專利文獻1中公開有一種由反饋控制進行馬達控制的馬達控制 裝置，該裝置具備用于估計馬達的擾動轉矩的擾動轉矩觀測器(Observer)，以減小由馬達 反轉時的摩擦引起的擾動影響，除了在通過可變增益來反轉馬達時以外，控制擾動轉矩觀 測器的輸出值。
[0007] 以往技術文獻
[0008] 專利文獻
[0009] 專利文獻1:日本特開平9-74783號公報
【發明內容】
[0010]發明要解決的技術課題
[0011]機械裝置中產生的摩擦的產生部位存在于驅動軸、負荷軸、及在驅動軸與負荷軸 之間傳遞力的中間軸(例如滾珠絲杠)等多處。
[0012] 作為控制觀測量的負荷軸的位置信號成為在這些多個產生部位產生的摩擦力包 含扭曲和共振的合計值，阻礙機械裝置的控制精度的提高。
[0013] 而且，為了進行摩擦補償，即使向驅動軸施加相當于摩擦補償的力(摩擦修正量）， 在從驅動軸向中間軸和負荷軸傳遞力時，也會因軸的扭曲、齒輪的死區（機械間隙）的影響 而延緩力的傳遞，或產生力的損失。
[0014] 因此，即使向驅動軸施加與整個機械裝置的摩擦力本身相同大小的摩擦修正量， 也會存在無法以良好的精度補償實際的機械裝置的摩擦的情況。
[0015] 本發明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種能夠進一步提高機械裝置 的位置控制精度的機械裝置的控制裝置及摩擦補償用增益確定方法。
[0016] 用于解決技術課題的手段
[0017] 為了解決上述課題，本發明的機械裝置的控制裝置及摩擦補償用增益確定方法采 用以下機構。
[0018] 本發明的第一方式所涉及的機械裝置的控制裝置具備:轉矩指令計算機構，計算 出機械裝置的轉矩指令;摩擦估計機構，計算出所述機械裝置中產生的摩擦力的估計值;調 整機構，由所述摩擦估計機構計算出的估計值與既定增益相乘來計算出修正值;及修正機 構，用由所述調整機構計算出的所述修正值來修正由所述轉矩指令計算機構計算出的所述 轉矩指令，所述增益根據從所述機械裝置的位置指令至位置偏差的傳遞函數的增益特性來 確定。
[0019] 根據上述結構，由轉矩指令計算機構計算出機械裝置的轉矩指令，由摩擦估計機 構計算出機械裝置中產生的摩擦力的估計值以補償機械裝置中產生的摩擦。
[0020] 然而，由于軸的扭曲、齒輪的死區（機械間隙）的影響會延緩力的傳遞或發生力的 損失。因此，僅通過使用摩擦力的估計值來修正轉矩指令，不會成為精度高的摩擦補償。
[0021] 因此，由調整機構將摩擦力的估計值與既定增益相乘來計算出修正值，并通過由 修正值修正轉矩指令。
[0022] 與摩擦力的估計值相乘的增益根據從機械裝置的位置指令至位置偏差的傳遞函 數的增益特性來確定。
[0023] 該傳遞函數是表示包含進行摩擦補償的控制裝置及機械裝置在內的整個機械系 統的特性的函數，包含有與位置偏差有關的信息。而且，從傳遞函數的增益特性能夠估計在 當前系統結構下產生何種程度的位置偏差，因此，能夠簡單地將與摩擦力的估計值相乘的 增益最佳化。
[0024] 因此，根據上述結構，能夠進一步提高機械裝置的位置控制的精度。
[0025] 上述第一方式中，所述增益優選根據所述傳遞函數的增益特性的低頻區域與預先 設定的閾值所包圍的面積來確定。
[0026] 根據上述結構，能夠簡單地確定與為了摩擦補償而計算出的摩擦力的估計值相乘 的增益。
[0027] 上述第一方式中，所述傳遞函數優選通過線性分析來導出。
[0028] 根據上述結構，能夠簡單地確定與為了摩擦補償而計算出的摩擦力的估計值相乘 的增益。
[0029] 本發明的第二方式所涉及的摩擦補償用增益確定方法為是在機械裝置的控制裝 置中使用的方法，所述控制裝置計算出機械裝置中產生的摩擦力的估計值，將計算出的所 述估計值與既定增益相乘來計算出修正值，用所述修正值將所述機械裝置的轉矩指令進行 修正，所述方法中，導出從所述機械裝置的位置指令至位置偏差的傳遞函數，根據所述傳遞 函數的增益特性來確定所述增益。
[0030] 發明效果
[0031] 根據本發明，具有能夠提進一步高機械裝置的位置控制精度的優異效果。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明的實施方式所涉及的機械系統的概略結構圖。
[0033]圖2是表示本發明的實施方式所涉及的控制裝置的結構的功能框圖。
[0034] 圖3是具有摩擦的機械裝置的框圖。
[0035] 圖4是表示本發明的實施方式所涉及的比例增益確定處理的流程的流程圖。
[0036]圖5是表示本發明的實施方式所涉及的傳遞函數的增益特性的一例的曲線圖。
[0037] 圖6是表示成為本發明的實施方式所涉及的評價值的面積的一例的曲線圖。
[0038] 圖7是表示針對本發明的實施方式所涉及的比例增益的評價值變化的一例的曲線 圖。
[0039] 圖8是表示對應于本發明的實施方式所涉及的比例增益的位置偏差變化的一例的 曲線圖。
[0040] 圖9是表示成為本發明的實施方式所涉及的評價值的面積的其他例的曲線圖。
[0041] 圖10是表示本發明的實施方式所涉及的控制裝置的結構的功能框圖。
【具體實施方式】
[0042] 以下，參考附圖對本發明所涉及的機械裝置的控制裝置及摩擦補償用增益確定方 法的一實施方式進行說明。
[0043] 圖1是本實施方式所涉及的機械系統10的概略結構圖。
[0044] 機械系統10具備機械裝置12及以機械裝置12為控制對象的控制裝置14。
[0045] 機械裝置12中，分別在驅動軸20上設置有齒輪24,且在負荷軸22上設置有齒輪26， 該齒輪24、26彼此齒合而將驅動軸20所具有的力傳遞至負荷軸22。驅動軸20作為一例設為 馬達28的旋轉軸(所謂馬達軸），負荷軸22設為負荷30的旋轉軸。機械裝置12也可以具有傳 遞驅動軸20與負荷軸22之間的力的中間軸。
[0046] 控制裝置14根據負荷軸22的位置與位置指令的偏差來控制機械裝置12。圖2是表 示本實施方式所涉及的控制裝置14的結構的功能框圖。
[0047] 控制裝置14由例如CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、及計算機能夠讀取的記錄介質等構成。而且，用于實現控制裝置14的各種功能的 一系列處理中，作為一例，以程序形式記錄在記錄介質等中，CPU將該程序讀出至RAM等中， 以執行信息的加工、運算處理，由此來實現各種功能。
[0048] 控制裝置14具備位置控制器30及速度控制器32。
[0049] 位置控制器30根據表示負荷軸22的位置（以下稱作"負荷位置"）的位置指令與負 荷位置的檢測值之間的偏差（以下稱作"位置偏差"），計算出表示驅動軸20的速度的馬達速 度指令。由減法器34計算出位置偏差。
[0050] 位置控制器30中，作為一例，通過使用位置偏差的比例控制來計算出馬達速度指 令。負荷軸22的位置例如為角度，驅動軸20的速度例如為角速度。
[0051] 速度控制器32根據由位置控制器30計算出的馬達速度指令與作為驅動軸20(馬達 28)的角速度的馬達速度的檢測值之間的偏差（以下稱作"速度偏差"）來計算出表示驅動軸 20的轉矩的轉矩指令。由減法器36計算出馬達速度偏差。并且，速度控制器32中，作為一列， 通過使用馬達速度偏差的比例積分控制來計算出轉矩指令。
[0052]轉矩指令由放大器38放大之后被輸入至馬達28。馬達28根據已放大的轉矩指令來 驅動驅動軸20。
[0053] 并且，控制裝置14具備FF控制器40。
[0054] FF控制器40根據位置指令來計算出轉矩指令的修正值。該修正值由加法器42相加 到轉矩指令。即，FF控制器40為通過前饋來修正轉矩指令的控制器，作為一例，通過使用將 位置指令進行二次微分的加速度的加速度前饋補償來計算出轉矩指令。控制裝置14也可以 不具備FF控制器40。
[0055]在此，圖3是表示具有摩擦的3慣性系統的機械裝置12的一例的框圖。
[0056]如圖3的例子中所示，3個慣性體(馬達、滾珠絲杠及負荷)分別相當于驅動軸、中間 軸及負荷軸，且分別產生摩擦。
[0057]因此，控制裝置14中作為摩擦補償功能具備摩擦估計部44、振幅相位調整部46及 修正部48。
[0058]摩擦估計部44計算出機械裝置12中產生的摩擦力的估計值（以下稱作"摩擦估計 值"。）。本實施方式所涉及的摩擦估計部44通過在預先構筑的摩擦模型上輸入馬達速度，從 而計算出摩擦估計值。
[0059] 然而，由于軸的扭曲、齒輪24、26的死區（機械間隙）的影響，會延緩力的傳遞，或發 生力的損失。因此，僅通過使用由摩擦估計部44計算出的摩擦估計值來修正轉矩指令，不會 成為精度較高的摩擦補償。
[0060] 因此，振幅相位調整部46通過將計算出的摩擦估計值與既定增益（以下稱作"比例 增益Kc"。）相乘來計算出摩擦修正值，從而能夠成為精度更高的摩擦補償。
[0061 ]修正部48通過從計算出的轉矩指令減去摩擦修正值，來利用摩擦修正值對轉矩指 令進行修正，并輸出至放大器38。
[0062]接著，對振幅相位調整部46中所使用的比例增益Kc的確定方法進行說明。
[0063]比例增益Kc使用信息處理裝置來進行預先確定。圖4是表示確定比例增益Kc的比 例增益確定處理流程的流程圖。比例增益確定處理以程序形式記錄在具有信息處理裝置的 記錄介質等中。
[0064] 首先，在步驟IOO(SlOO)中臨時選擇振幅相位調整部46中所使用的比例增益Kc。本 實施方式中，作為一例，在〇至10的范圍內以0.25單位臨時選擇比例增益Kc。
[0065] 在接下來的步驟102(S102)中，通過線性分析來導出從機械裝置12的位置指令至 位置偏差的傳遞函數。
[0066]該傳遞函數是將機械裝置12進行模型化后，從機械裝置12的位置指令至位置偏差 的函數。即，傳遞函數是表示包含進行摩擦補償的控制裝置14及機械裝置12在內的整個機 械系統10的特性的函數，包含與位置偏差有關的信息。
[0067] 線性分析中的摩擦模型例如僅考慮與速度呈比例的粘性摩擦作為摩擦參數(粘性 摩擦參數）。并且，線性分析中，齒輪24、26的死區要素等是非線性要素，因此不考慮在內。
[0068] 通過線性分析導出傳遞函數，從而能夠簡單地確定后述比例增益Kc。
[0069] 在接下來的步驟104(S104)中，計算出已導出的傳遞函數的增益特性。根據傳遞函 數的增益特性容易提取上述與位置偏差有關的信息。
[0070] 圖5是表示本實施方式所涉及的傳遞函數的增益特性的一例的曲線圖，橫軸(X軸） 表示頻率、縱軸(y軸)表示增益。
[0071 ] 在接下來的步驟106(S106)中，根據增益特性計算出用于確定比例增益Kc的評價 值J。
[0072]具體而言，在步驟106(S106)中，以低頻區域(例如頻率為1以下的區域）中的傳遞 函數的增益特性與預先設定的閾值所包圍的面積作為評價值J來計算出。本實施方式中，將 閾值設為規定的增益（以下稱作"增益閾值"），作為一例，增益閾值設為_3dB。而且，如圖6所 示，計算出設為y = _3dB的增益閾值與增益特性所包圍的面積即評價值J。該評價值J為與位 置偏差有關的信息。
[0073] 將增益閾值與增益特性Gre( j ω )的交點上的頻率設為ω #寸，各比例增益Kc的評價 值J由下述(1)式表示。
[0074] 「數式 1]
[0075]
... ( 1 )
[0076] 表示該評價值J越大，位置偏差越小。
[0077]該傳遞函數是從位置指令至位置偏差的特性，因此表示增益越是在OdB以下，越不 易產生位置偏差。即，表示將增益為OdB以下的既定的區域進行積分而得的值即評價值J越 大，位置偏差越小。
[0078]在接下來的步驟108 (S108)中，判定是否已臨時選擇所有比例增益Kc，當為肯定判 定時，過渡到步驟110(SI 10)。另一方面，當為否定判定時，過渡到步驟100(S100)，臨時選擇 新的比例增益Kc，并計算出對應于臨時選擇的比例增益Kc的評價值J。
[0079] 步驟110 (S110)中，比較臨時選擇的比例增益Kc的評價值J，導出評價值J成為最大 的比例增益Kc。
[0080] 圖7是表示針對比例增益Kc的評價值J的變化的一例的曲線圖。
[0081 ]圖7的例子中，在比例增益Kc = 3.25的情況下，評價值J成為最大。
[0082] 圖8是表示針對用于導出圖7所示結果的機械裝置12的模型將比例增益設為Kc = 0、1、2、3、4、5時的位置偏差的模擬實驗結果。圖8中，橫軸設為時間，縱軸設為位置偏差。
[0083] 比例增益Kc = O時，即摩擦補償不發揮作用時，位置偏差最大。而且，比例增益Kc越 大，位置偏差越小，比例增益設為Kc = 3時的位置偏差在上述比例增益Kc中最小。另一方面， 比例增益Kc = 4、5時成為過補償，位置偏差變大。
[0084] 如圖8所示，在圖7的例子中評價值J成為最大的比例增益Kc = 3.25附近，比例增益 Kc = 3時的位置偏差最小。
[0085] 這樣，根據機械系統10的傳遞函數的增益特性，能夠估計當前系統結構下發生何 種程度的位置偏差，因此能夠簡單地將與摩擦估計值相乘的比例增益Kc最佳化。
[0086] 在接下來的步驟112 (SI 12)中，將評價值J成為最大的比例增益Kc的值確定為，實 際在振幅相位調整部46中使用的比例增益Kc，然后對振幅相位調整部46進行設定，從而結 束比例增益確定處理。
[0087] 作為一例，可在機械系統10運送前為了設定比例增益Kc而進行比例增益確定處 理。并不限定于此，也可以連接機械系統10與信息處理裝置，并設為能夠在線確認機械裝置 12的摩擦，當更新機械裝置12的粘性摩擦參數時，執行比例增益確定處理，從而在線重新設 定比例增益Kc。
[0088] 并且，上述實施方式中，根據增益閾值與增益特性所包圍的面積計算出評價值J， 但并不限定于此，也可以如圖9所示，根據對應于增益閾值的頻率Co c(X=Coc)與增益特性所 包圍的面積計算出評價值J。
[0089] 在該方式的情況下，表示評價值J越小，位置偏差越小。
[0090] 并且，如圖10所示摩擦估計部44及振幅相位調整部46也可以作為FF控制器40的一 部分來配置。摩擦估計部44中輸入有由速度算出部50根據位置指令計算出的速度信號，通 過在摩擦估計部44的后級上配置振幅相位調整部46來計算出機械裝置12中產生的摩擦估 計值。而且，計算出的摩擦估計值被輸出至加算部48。
[0091] 并且，振幅相位調整部46也可以如(2)式所示進行相位補償。（2)式中，Tl為相位超 前時間常數，T2為相位延遲時間常數。
[0092] 「撒忒91
[0093]
, .. - ( 2)
[0094] 如以上說明，本實施方式所涉及的機械裝置12的控制裝置14具備:速度控制器32， 計算出對機械裝置12的轉矩指令;摩擦估計部44，計算出機械裝置12中產生的摩擦力的估 計值;振幅相位調整部46,由摩擦估計部44估計的摩擦力與比例增益Kc相乘來計算出摩擦 修正值;及修正部48,使用由振幅相位調整部46計算出的摩擦修正值來修正轉矩指令。而 且，比例增益Kc根據從機械裝置12的位置指令至位置偏差的傳遞函數的增益特性來確定。
[0095] 接著，本實施方式所涉及的控制裝置14能夠進一步提高機械裝置12的位置控制精 度。
[0096]以上，用上述實施方式對本發明進行了說明，但本發明的技術范圍并不限定于上 述實施方式記載的范圍。在不脫離本發明的精神的范圍內，可以對上述實施方式加以多種 變更或改善，附加了該變更或改善的方式也包含在本發明的技術范圍內。并且，也可以對上 述實施方式進行適當組合。
[0097] 符號說明
[0098] 10-機械系統，12-機械裝置，14-控制裝置，32-速度控制器，44-摩擦估計部，46-振 幅相位調整部，48-修正部。
【主權項】
1. 一種機械裝置的控制裝置，具備： 轉矩指令計算機構，計算出機械裝置的轉矩指令； 摩擦估計機構，計算出所述機械裝置中產生的摩擦力的估計值； 調整機構，由所述摩擦估計機構計算出的估計值與既定增益相乘來計算出修正值;及 修正機構，用由所述調整機構計算出的所述修正值來對由所述轉矩指令計算機構計算 出的所述轉矩指令進行修正； 所述增益根據從所述機械裝置的位置指令至位置偏差的傳遞函數的增益特性來確定。2. 根據權利要求1所述的機械裝置的控制裝置，其中， 所述增益根據所述傳遞函數的增益特性的低頻區域與預先設定的閾值所包圍的面積 來確定。3. 根據權利要求1或2所述的機械裝置的控制裝置，其中， 所述傳遞函數通過線性分析來導出。4. 一種摩擦補償用增益確定方法，該方法在機械裝置的控制裝置中使用，所述控制裝 置計算出機械裝置中產生的摩擦力的估計值，將計算出的所述估計值與既定增益相乘來計 算出修正值，用所述修正值將所述機械裝置的轉矩指令進行修正，所述方法中， 導出從所述機械裝置的位置指令至位置偏差的傳遞函數， 根據所述傳遞函數的增益特性來確定所述增益。
【文檔編號】G05B13/02GK105849663SQ201580003413
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年2月20日
【發明人】望月慶佑, 粟屋伊智郎, 竹內克佳, 倉本博久
【申請人】三菱重工業株式會社