CN109085802B - 电动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种电动机的控制装置，能够针对作为加工对象的被驱动体高精度地推定惯量。驱动工件(被驱动体)(W)的电动机(10)的控制装置(2)具备：指令生成部(21)，其生成电动机(10)的移动指令；惯量推定部(22)，其取得电动机(10)的反馈信息(转矩、电流)并根据预先设定的推定式来推定惯量；差值计算部(23)，其计算通过基于指令生成部(21)的移动指令的加工而变化的惯量的变化量；比较部(24)，其将通过惯量推定部(22)推定出的工件(W)的加工前后的推定结果的差值与差值计算部(23)计算出的惯量变化量进行比较。根据比较部(24)的比较结果来修正惯量推定部(22)的推定式，使得推定结果的差值与差值计算部(23)的计算结果一致。

Description

电动机的控制装置
技术领域
本发明涉及驱动被驱动体的电动机的控制装置。
背景技术
目前，专利文献1～4公开了与控制电动机来使被驱动体动作的控制装置相关的技术。
专利文献1中记载一种技术，即当伺服参数最优值随着老化而发生了改变时，慢慢改变参数直到指令与反馈之间的差值变为不到容许值为止。专利文献1中，在实际应答中发生了振动的情况下和控制的跟踪性能较低的情况下进行使加速度阶段性下降，延长时间常数直到位置偏差达到容许范围为止的处理。
专利文献2中记载一种方法，通过加速度检测单元检测加速度，当该加速度超过了某阈值时修正增益。专利文献2中考虑电动机与负荷构造之间的加速度差的瞬时值、平均值、平方平均值是比既定值大还是比既定值小，进行使用电动机的角度检测值以及负荷构造的加速度检测值来求出加速度差的处理。
专利文献3中记载以下技术，即在电动机控制装置的控制参数设定装置以及设定方法中，存储增益表并根据机械刚性来读出最优的增益。专利文献3是关于改变伺服***的PI控制器的增益值的技术，公开当负荷惯量大时增大增益，当负荷惯量小时减少增益的增益调度的一种方法。
专利文献4中记载一种技术，即作为推定惯量的方法，根据存储在采样数据存储部中的从正弦波状指令的多个周期的电流值和加速度值中得到的电流代表值和加速度代表值以及电动机的转矩常数来计算惯量。
通过根据机床的最大加载载荷进行调整后的加减速时间常数来决定通过电动机驱动的被驱动体(工件)的动作。加速时间根据用于使机床的工件移动的机构和加工对象的工件的载荷等而不同，但是从效率性的观点出发，在输出转矩的容许范围内，加速时间最好尽量短。另一方面，在以过短的加速时间(加减速时间常数)进行动作时，可能会导致电动机的位置控制的不稳定化(产生振动)。
现有技术中也记载了调整加减速的方法，但是在根据惯量设定加减速时间常数时，难以排除加工时的电动机中产生的摩擦和工件的错位等的影响，在推定出的惯量和实际的惯量之间有可能会产生偏差。也考虑电动机根据惯量的推定结果的偏差的产生方法以过大的转矩进行动作的情况。在根据实际的状况更高精度地推定惯量的方面有改善的余地。
专利文献1：日本特开2011-134169号公报
专利文献2：日本特开2007-141189号公报
专利文献3：日本特开2005-006418号公报
专利文献4：日本特开2010-148178号公报
发明内容
本发明的目的为提供一种能够针对作为加工对象的被驱动体高精度地推定惯量的电动机的控制装置。
(1)本发明为驱动被驱动体(例如后述的工件W)的电动机(例如后述的电动机10)的控制装置(例如后述的控制装置2)，具备：指令生成部(例如后述的指令生成部21)，其生成上述电动机的移动指令；惯量推定部(例如后述的惯量推定部22)，其取得上述电动机的反馈信息，并根据预先设定的推定式来推定惯量；差值计算部(例如后述的差值计算部23)，其计算通过基于上述指令生成部的上述移动指令的加工而变化了的惯量的变化量；以及比较部(例如后述的比较部24)，其将通过上述惯量推定部推定出的上述被驱动体的加工前后的推定结果的差值与上述差值计算部计算出的惯量变化量进行比较，该控制装置根据上述比较部的比较结果来修正上述惯量推定部的推定式，使得上述推定结果的差值与上述差值计算部的计算结果一致。
(2)在(1)记载的控制装置中，上述差值计算部从上述指令生成部取得随着加工而减少的上述被驱动体的体积，根据上述被驱动体的体积和对上述被驱动体设定的密度来计算惯量的变化量。
(3)在(1)或(2)记载的控制装置中，上述惯量推定部根据通过上述加工而变化了的重量和表示上述被驱动体的重心位置的重心位置信息来取得有效载荷，并根据上述有效载荷来计算惯量的变化量。
(4)在(1)～(3)中的任意一项记载的控制装置中，上述指令生成部根据修正后的上述推定式的推定结果来调整上述电动机的加减速时间常数。
根据本发明的电动机的控制装置，能够针对作为加工对象的被驱动体高精度地推定惯量。
附图说明
图1示意性地表示应用本发明一个实施方式的控制装置的机床。
图2是表示本实施方式的控制装置的伺服控制相关的结构的框图。
图3是说明推定惯量(推定值)与实际的惯量之间的偏差的说明图。
图4A是表示加工前的工件的外形的示意图。
图4B是表示加工后的工件的外形的示意图。
图5是通过本实施方式的控制装置进行的校正惯量的推定的处理的流程图。
符号说明
W：工件、2：控制装置、10：电动机、21：指令生成部、22：惯量推定部、23：差值计算部、24：比较部。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。
图1示意性地表示应用本发明一个实施方式的控制装置的机床1。首先，说明机床1的结构例。图1所示的机床1是进行将工件(被驱动体)W切削成预定的形状的切削加工的加工装置。
本实施方式的机床1构成为包括由数值控制装置20以及伺服控制装置30组成的控制装置2、由控制装置2控制的电动机10、通过电动机10的驱动力使工件W移动的进给轴(传动机构)11。
数值控制装置20是CNC(Computerized Numerical Control计算机数值控制)，进行控制机床1的各种处理。伺服控制装置30根据来自数值控制装置20的指令进行电动机10的驱动控制。
电动机10是将驱动力赋予进给轴11的伺服电动机。通过驱动进给轴11，作为被驱动体的工件W移动到预定的位置。在电动机10上安装有编码器等位置检测部12，位置检测部12的检测信号被用于反馈控制等的各种处理。
接着，说明进行惯量推定的结构。图2是表示本实施方式的控制装置2的伺服控制相关的结构的框图。另外，图2所示的各部是通过数值控制装置20或伺服控制装置30来实现的结构，但是不特别限定配置场所。也能够通过数值控制装置20、伺服控制装置30或者数值控制装置20以及伺服控制装置30以外的外部装置构成为实现该功能。
如图2所示，控制装置2构成为包括指令生成部21、惯量推定部22、差值计算部23以及比较部24。
指令生成部21生成用于使工件W移动的移动指令。电动机10根据来自指令生成部21的移动指令进行驱动，使进给轴11旋转，由此使工件W的位置移动。
指令生成部21中设定加工条件中的加减速指令的时间常数和速度增益。加减速指令的时间常数和速度增益根据假设的惯量进行设定。
惯量推定部22根据在预定的动作中取得的电动机10的反馈信号(反馈信息)来推定设置在机床1中的工件W的惯量。电动机10的反馈信号与转矩、电流、速度等相关。例如，根据来自电动机10的位置检测部12的速度反馈信号和来自伺服控制装置30的放大器(省略图示)的电流反馈信号来计算惯量。
惯量推定部22根据预先设定的推定式来计算惯量。惯量的推定式例如能够使用以下的式(1)。惯量推定部22取得电流I、角加速度ω、干扰Tf等变量作为反馈，推定惯量。电流的反馈信号能够作为使用位置检测部12的相位信息计算出的有效电流而取得。角加速度ω能够通过角速度的微分等来求出。另外，惯量的推定方法不限于该方式而能够适当变更。
Jw＝(kt·I－Tf)/ω……(1)
Jw：惯量
Kt：转矩常数
I：电流
Tf：干扰(摩擦等)
ω：角加速度
根据推定出的惯量(以下为推定惯量)进行将加减速的时间常数调整为最优的处理。通过电动机10应该产生的输出转矩，根据用于使机床1的工件W移动的机构和加工对象的工件W的载荷而不同，但是在输出转矩的容许范围内，加速时间最好尽量地短。另一方面，在以过短的加速时间(加减速时间常数)进行动作时，可能会导致电动机的位置控制的不稳定化(产生振动)。例如，在针对电动机10的能力以及工件W的惯量，加减速的时间常数被设定得比适当的值更短时，由于电动机10的能力的制约，无法进行被指示的加减速，有可能输出转矩相对于指令转矩饱和而无法进行正常的控制。相反，在加减速的时间常数被设定得比适当值长时，不必要地缓慢地进行加减速，导致效率下降。因此，根据推定惯量调整为最优的加减速时间常数。
加减速时间常数的最优化处理，例如理论上或实验性地预先求出针对惯量的最优时间常数，根据推定出的惯量来设定最优时间常数。最优时间常数可以是从预定值选择的方法，也可以是逐次计算的方法，可以采用适当的方式。
差值计算部23以及比较部24进行惯量推定部22的推定式的校正。有时，由于从工件W的设定位置的错位和摩擦等的影响，推定惯量偏离实际的惯量。
图3是说明推定惯量(推定值)与实际的惯量之间的偏差的说明图，横轴将实际惯量表示为J，纵轴将由惯量推定部22推定出的推定惯量表示为J～。另外，说明书中的J～是在J的上面配置“～(波浪号)”的字符的代替标记(参照图3的纵轴)。
图3中，在实际的惯量J中，将工件W加工前的惯量设为J1，将工件W加工后的惯量设为J2。另外，在推定惯量J～中，将工件W加工前的惯量设为J～ 1，将工件W加工后的惯量设为J～ 2。
当正确地设定推定式时，应该为J～ 1-J～ 2＝J1-J2。但是，如图3所示，作为推定值的推定惯量J～与实际的惯量J之间会产生J～ 1＝a×J1+b、J～ 2＝a×J2+b这样的偏差。因此会成为下式那样的关系。
J～ 1-J～ 2＝a(J1-J2)……(2)
接着，说明将惯量的推定式校正为适当的推定式的处理。图4A和图4B是表示加工前后的工件的外形的说明图。如图4A以及图4B所示，工件W通过切削加工被切削出预定的形状，因此在加工前后工件W的重量发生变化。惯量的变化量能够理解为工件W的重量变化。
在本实施方式中，根据数值控制装置20所具有的信息来计算实际惯量的减少量。数值控制装置20具有设为目标的形状信息和工具长度修正和主轴负荷所花费的时间等的加工信息，能够通过计算来算出由于加工产生的体积减少量V(参照图4B)。例如，考虑加工工具的长度和粗度对体积减少的影响、加工作业中的切削工具由于参照主轴负荷而不接触工件W的时间等来计算体积减少量V。计算出的体积减少量V与对工件W预先设定的密度相乘，从而能够取得减少重量(变化重量)。
进一步，在本实施方式中，考虑有效质量来计算密度。一般，刚体的惯性矩与刚体的质量成正比，随着刚体分布得离轴越远而变得越大，因此能够考虑从预定的基准位置(例如进给轴11的芯)到工件W的重心位置为止的高度(距离)越高，越虚拟地设置重物的状态。因此，将根据从预定的基准轴(旋转轴)到工件W的重心位置为止的距离进行了换算处理的重量作为有效载荷。换算处理中能够使用惯量的关系式I＝mr2(m：质量，r：从旋转基准位置开始的距离)。例如，当重心位置高时，进行将密度修正得高的处理来计算出有效载荷，根据该有效载荷来计算惯量变化量ΔJ。根据输入到数值控制装置20中的坐标来求出工件W的重心位置。
图5是通过本实施方式的控制装置进行的校正惯量的推定的处理的流程图。控制装置2根据为使工件W进行预定动作而驱动电动机10所取得的电动机转矩(电动机10的转矩)、电流的反馈来取得加工前的工件W的推定惯量J～1(步骤S101)。在步骤S101之后，进行将工件W切削成预定的形状的加工(步骤S102)。
在步骤S102的工件W的加工后，差值计算部23根据指令生成部21的信息来计算由于加工而减少的工件W的重量(步骤S103)。在本实施方式中，工件W的重量作为有效载荷，根据通过切削加工削掉的工件W的体积、对加工对象的工件W设定的密度、工件W的重心位置等来计算减少量的惯量ΔJ。
然后，以与步骤S101相同的方法来取得电动机转矩(电动机10的转矩)、电流的反馈，取得加工后的工件W的推定惯量J～ 2(步骤S104)。接着，惯量推定部22根据加工前的推定惯量J～ 1和加工后的推定惯量J～ 2来求出推定惯量ΔJ～作为加工前后的惯量变化(步骤S105)。
比较部24将作为惯量推定部22的推定结果的推定惯量ΔJ～与作为差值计算部23的计算结果的惯量ΔJ进行比较(步骤S106)。然后，比较部24校正惯量推定部22的推定式，使得推定惯量J～ 1和惯量ΔJ一致。
另外，步骤S101～S106的处理在设置了工件W的状态下进行，但是其定时不被特别限定。例如可以在到了加工作业的预定阶段时进行校正，也可以根据情况经常监视工件W的移动，根据工件W的移动进行经常校正。
根据上述实施方式会达到以下效果。
驱动工件(被驱动体)W的电动机10的控制装置2具备：指令生成部21，其生成电动机10的移动指令；惯量推定部22，其取得电动机10的反馈信息(转矩、电流)，并根据预先设定的推定式来推定惯量；差值计算部23，其计算通过基于指令生成部21的移动指令的加工而发生变化的惯量的变化量；以及比较部24，其将通过惯量推定部22推定出的工件W的加工前后的推定结果的差值与差值计算部23计算出的惯量变化量进行比较。根据比较部24的比较结果修正惯量推定部22的推定式，使得推定结果的差值与差值计算部23的计算结果一致。
另外，与差值计算部23的计算结果一致不仅包括严格一致的情况，也包括修正为接近的情况。
这样，利用加工前后的惯量推定结果的差变成实际加工的重量变化的情况，所以即使工件重量未知也能够高精度地进行推定式的校正。能够反映实际的状况来推定准确的惯量，所以也能够准确且有效地进行使用了惯量的各种控制。
另外，本实施方式的控制装置2的差值计算部23从指令生成部21取得随着加工而减少的工件W的体积V(参照图4B)，并根据工件W的体积与对工件W预先设定的密度来计算惯量的变化量。
这样，即使不测量工件W的重量也能够计算惯量变化量。
另外，本实施方式的控制装置2的惯量推定部22根据由于加工而发生了变化的重量与表示工件W的重心位置的重心位置信息(距离r2)来取得有效载荷，并根据该有效载荷来计算惯量的变化量。
这样，反映影响惯量的工件W的重心位置，所以能够更高精度地推定惯量。
另外，本实施方式的控制装置2的指令生成部21根据修正后的推定式的推定结果来调整电动机10的加减速时间常数。
这样，根据基于比最大装载量轻的工件W的重量而推定出的惯量来调整加减速时间常数，所以能够更有效且精度良好地移动工件W来提高加工精度。与从安全性的观点出发将加减速时间常数设定为机床1的最大装载重量的现有机床1的情况相比，从效率以及加工精度的观点来看，达到有利的效果。
以上说明了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，而能够适当变更。

Claims (3)

1.一种驱动被驱动体的电动机的控制装置，其特征在于，
该控制装置具备：
指令生成部，其生成上述电动机的移动指令；
惯量推定部，其取得上述电动机的反馈信息，并使用反馈信息根据预先设定的推定式来推定惯量，其中惯量推定部计算第一推定结果和第二推定结果，在执行被驱动体的加工之前计算第一推定结果，在执行被驱动体的加工之后计算第二推定结果，其中，惯量推定部根据由于加工被驱动体而发生了变化的变化的重量与表示被驱动体的重心位置的重心位置信息来取得有效载荷，并根据有效载荷来计算第一推定结果和第二推定结果的差值；
差值计算部，其计算通过基于上述指令生成部的上述移动指令的加工而变化了的惯量的变化量；以及
比较部，其将通过上述惯量推定部计算出的第一推定结果和第二推定结果的差值与上述差值计算部计算出的惯量变化量进行比较，
该控制装置根据上述比较部的比较结果来修正上述惯量推定部的推定式，使得第一推定结果和第二推定结果的差值与上述差值计算部计算出的惯量的变化量一致。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
上述差值计算部从上述指令生成部取得随着加工而减少的上述被驱动体的体积，根据上述被驱动体的体积和对上述被驱动体设定的密度来计算惯量的变化量。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，
上述指令生成部根据修正后的上述推定式的推定结果来调整上述电动机的加减速时间常数。
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