CN111095131B - 伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

伺服控制方法包含：对在控制对象的反馈控制中使用的反馈增益进行调节，以使得所述控制对象追踪指令动作的工序，其中，所述控制对象的反馈控制基于所述指令的目标值与来自所述控制对象的反馈信号的差分信息进行；在反馈增益的调节后，对在控制对象的前馈控制中使用的前馈增益进行调节的工序。

Description

伺服控制方法

技术领域

本发明涉及进行反馈控制和前馈控制的伺服控制方法。

背景技术

为使控制对象追随目标轨迹动作，一般使用反馈控制。例如在多关节机器人中，由机器人的控制装置使用反馈控制对各关节轴的伺服马达进行控制，以使得机器人的手臂前端部的位置追随预先设定(指示)的目标轨迹。但是，在一般的反馈控制中，无论如何都会在各伺服马达产生响应延迟，因此存在机器人的实际轨迹从目标轨迹偏离的问题。对于这样的问题，存在采用前馈控制使机器人的位置一直与指令位置一致的技术。

作为进行反馈控制和前馈控制的现有技术，存在一种具备前馈增益变更机构的伺服控制装置，能够自动设定前馈控制器中的前馈增益，以使得目标指令与马达的输出的偏差绝对值的最大值最小(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2006-18431号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

但是，在上述现有技术中，没有提及为了提高轨迹追随性而应如何调节反馈增益和前馈增益的平衡。

本发明是鉴于这样的问题而做出的，其目的在于提供一种伺服控制方法，能够得到反馈增益与前馈增益的平衡，并且使控制对象的动作有效地追随指令。

用于解决技术问题的技术方案

在本发明中，为了解决上述技术问题，采用了以下技术方案。本发明的一个技术方案为伺服控制方法。该伺服控制方法包含：对在控制对象的反馈控制中使用的反馈增益进行调节，以使得所述控制对象追随指令动作的工序，其中，所述控制对象的反馈控制基于所述指令的目标值与来自所述控制对象的反馈信号的差分信息进行；在所述反馈增益的调节后，对在所述控制对象的前馈控制中使用的前馈增益进行调节的工序。

根据本发明的伺服控制方法，在反馈增益的调节后调节前馈增益。由此，能够得到以下优点。即，在以整定时间为基准进行增益调节的情况下，如果先将前馈增益设定得比反馈增益大，在反馈增益没有变得足够大的状态下就达到整定时间，不能得到合适的轨迹追随性和稳定性。根据本发明的伺服控制方法，能够避免上述状况。即，能够使控制对象的动作有效地追随指令(实现轨迹追随性的提高)。

在本发明的伺服控制方法中，可以采用在所述控制对象的动作中发生施加于所述控制对象的力矩的饱和的情况下使所述前馈的调节停止的技术方案。在力矩的饱和状态下即使提高前馈增益，对改善轨迹追随性的贡献仍然较低，因此使其成为前馈增益的调节的停止条件。

在本发明的伺服控制方法中，可以采用在所述控制对象的停止时检测到振动的情况下使所述前馈增益的调节停止的技术方案。通过根据控制对象的停止时检测到振动使前馈增益的调节停止，能够避免无用的前馈增益的上升。

在本发明的伺服控制方法中，可以采用在对所述控制对象进行速度控制和力矩控制的情况下，在所述速度控制的前馈增益的调节后，进行所述力矩控制的前馈增益的调节的技术方案。与力矩的前馈控制相比，速度的前馈控制难以发生振动，因此先进行速度的前馈控制。

发明的效果

根据本发明，能够得到反馈增益与前馈增益的平衡，使控制对象的动作有效地追随指令。

附图说明

图1是表示本发明的马达控制系统的概略构成的图。

图2是表示马达控制系统进行的伺服控制的步骤的流程图。

图3是表示前馈增益调节的一个例子的流程图。

具体实施方式

＜应用例＞

图1是本发明实施方式的伺服控制系统的概略构成图。在图1中，伺服控制系统1具备成为控制对象11的马达2和负荷装置3、对控制对象11进行控制的控制装置(伺服驱动器4)、PLC(Programmable Logic Controller)10、进行反馈增益和前馈增益的调节等的个人计算机(PC)20。该控制系统的伺服驱动器4对控制对象11进行驱动控制，以使得成为控制对象11的马达2和负荷装置3追随PLC10所生成的动作指令信号。

伺服驱动器4将与来自PLC10的位置指令相对应的动力信号向控制对象11供给，对控制对象11的动作进行控制。伺服驱动器4包含反馈控制器(FB控制器)4A。FB控制器4A接收与控制对象11的动作相关的反馈信号，相对于位置环、速度环以及力矩环进行反馈控制，以使得控制对象11的实际的位置、速度以及力矩追随指令的目标值。需要说明的是，不需要对位置、速度以及力矩全部进行控制，对其中的至少一个进行控制即可。

伺服驱动器4还包含前馈(FF)控制器5。在FF控制器5中输入有位置指令。FF控制器5生成反映了前馈增益的FF信号(进行了与指令的量纲相加操作的信号)，将其向FB控制器4A输入。

在伺服控制系统1中，在控制对象11的动作控制中，在反馈增益(FB增益)的调节后进行前馈增益(FF增益)的调节。具体地说，进行使用了在伺服驱动器4内形成的位置、速度以及力矩的闭环(反馈环)的反馈控制。在该反馈控制中使用的FB增益使用PC20调节，在FB控制器4A中设定。调节例如使用位置指令和与其对应的反馈信号，通过使FB增益上升以使得整定时间相对于位置指令达到最小。在FB增益通过该上升而成为规定的值时，完成FB增益的调节。需要说明的是，FB增益的调节方法和调节的完成条件能够适当地设定。

在FB增益调节的完成后，使用PC20进行FF增益的调节。在本实施方式中，作为FF增益的一个例子，对速度控制的前馈增益(称之为速度FF增益)和力矩控制的力矩前馈增益(称之为力矩FF增益)进行调节。通过PC20调节的速度FF增益和力矩FF增益设定在FF控制器5中。FF控制器5使用速度FF增益生成前馈控制的速度指令(速度FF信号)而将其输出。并且，FF控制器5使用力矩FF增益生成前馈控制的力矩指令(力矩FF信号)而将其输出。速度FF信号在加法器411中与来自位置控制器41的速度指令相加而成为速度的目标值。并且，力矩FF信号在加法器412中与来自速度控制器42的力矩指令相加而成为力矩的目标值。这样，进行相对于速度和力矩的前馈控制。即，伺服控制系统1(伺服驱动器4)能够对控制对象11进行反馈控制和前馈控制。

通过在FB增益的调节后对FF增益进行调节而能够得到以下优点。即，鉴于控制系统的鲁棒性，优选FB增益和FF增益双方为高。在这里，考虑先对FF增益进行调节，较大地设定FF增益，之后对FB增益进行调节。在这种情况下，存在FB增益未充分上升就达到整定时间的问题。

与此相对，在伺服控制系统1中，先进行FB增益的调节，之后进行FF增益的调节。由此，在FB增益上升到作为系统适当的程度的状态下对FF增益进行调节，因此能够将FB增益和FF增益的大小分别调节成所期望的大小。由此，能够得到通过前馈控制实现轨迹追随性的改善并且具有适当的鲁棒性的伺服控制系统1。

＜实施方式＞

如上所述，图1所示的伺服控制系统1具备控制对象11(马达2和负荷装置3)、伺服驱动器4、PLC10、PC20。伺服驱动器4与PLC10和控制对象11电连接。并且，伺服驱动器4能够与PC20通信。通信可以是有线通信，也可以是无线通信。

在伺服控制系统1中，伺服驱动器4对马达2和负荷装置3的驱动进行控制，以使得控制对象11(马达2和负荷装置3)的动作追随从PLC10输入的位置指令(位置的目标值)。具体地说，伺服驱动器4具有对马达2的旋转角度(位置)、马达2的旋转速度(移动速度)以及马达2的发生力矩进行控制的多个闭环，能够进行使用了各闭环的反馈控制。需要说明的是，不需要实施位置、速度以及力矩的全部，能够从位置、速度以及力矩中选择至少一个实施。

在这里，作为控制对象11所包含的负荷装置3，能够例示出各种机械装置(例如，工业用机器人的手臂或搬运装置)。并且，马达2作为驱动该负荷装置3的促动器而装入负荷装置3内。例如，马达2是AC伺服马达。

在马达2中安装有未图示的编码器(位置检测器)，通过该编码器将与马达2的动作有关的参数信号反馈到FB控制器4A。该反馈的参数信号(FB信号)包含关于马达2的旋转轴的旋转角度(位置)的位置信息、该旋转轴的旋转速度(移动速度)的速度信息等。需要说明的是，控制对象11可以包含多个马达2，在该情况下，负荷装置3具有被多个马达2驱动控制的结构、即所谓的多轴结构。

需要说明的是，伺服驱动器4计算出与马达2的驱动相关的伺服控制、即与马达2的动作相关的指令值，向马达2供给驱动电流，以使得马达2的动作追随该指令值。该供给电流使用从未图示的交流电源相对于伺服驱动器4输送的交流电。需要说明的是，在本实施方式中，伺服驱动器4是接收三相交流的类型，但也可以是接收单相交流的类型。

并且，FB控制器4A使用从FF控制器5输入的速度FF信号和力矩FF信号，进行反映了速度FF增益的速度控制和反映了力矩FF增益的力矩控制。需要说明的是，伺服驱动器4、PLC10例如通过电气/电子电路和集成电路(ASIC、FPGA等)的组合形成。需要说明的是，它们所进行的动作的一部分可以通过使用了处理器和存储器的程序(软件)进行。PC20是信息处理装置的一个例子，作为PC20能够使用通用或专用计算机。

＜伺服控制＞

接着，对伺服驱动器4进行的伺服控制进行说明。本实施方式的伺服控制具备利用了伺服驱动器4所具有的位置控制器41、速度控制器42、电流控制器43的反馈系统。

在位置控制器41中例如进行比例控制(P控制)。具体地说，伺服驱动器4包含减法器45，该减法器45计算出来自PLC10的位置指令与来自编码器(未图示)的检测位置的偏差即位置偏差(差分信息的一个例子)，并且伺服驱动器4输入有从减法器45输出的位置偏差。位置控制器41通过将规定的位置比例增益与位置偏差相乘来计算出速度指令而将其输出。

速度控制器42例如进行比例积分控制(PI控制)。具体地说，在速度控制器42的前段设有减法器46。在减法器46中输入有速度指令和由速度检测器44通过检测位置信息的微分而计算出的检测速度。减法器46计算出速度指令与检测速度的偏差即速度偏差(差分信息的一个例子)而将其输出。速度偏差输入到速度控制器42。速度控制器42将规定的速度积分增益与速度偏差的积分量相乘，将规定的速度比例增益与该计算结果和该速度偏差的和相乘。由此能够得到力矩指令，力矩指令被从速度控制器42输出。需要说明的是，速度控制器42可以进行P控制来代替PI控制。

在减法器46的前段设有加法器411。加法器411输出将从位置控制器41输出的速度指令和从FF控制器5输出的速度FF信号相加的信号(称之为修正速度指令)。修正速度指令输入到减法器46。需要说明的是，在没有速度FF信号的情况下，从位置控制器41输出的速度指令输入到减法器46。通过进行与这样的修正速度指令相对应的速度控制，来进行速度前馈控制。

在电流控制器43的前段设有减法器47。在减法器47中输入有力矩指令和从电流控制器43输出的电力指令。减法器46计算出力矩指令与电流指令的偏差(差分信息的一个例子)，该偏差输入到电流控制器43中。电流控制器43例如进行P控制，通过将偏差与规定的力矩比例增益相乘来计算出电流指令。与电流指令相对应的电能供给到马达2。

虽然没有图示，但电流控制器43包含对供给到马达2的电流指令进行检测的电流检测器，电流检测器检测到的电流指令反馈到减法器47中。需要说明的是，电流控制器43包含相对于力矩指令的滤波器(一阶低通滤波器)、一个或多个陷波滤波器，作为控制参数，具有与这些滤波器的性能相关的截止频率等。

在减法器47的前段设有加法器412。加法器412输出将从速度控制器42输出的力矩指令与从FF控制器5输出的力矩FF信号相加的信号(称之为修正力矩指令)。修正力矩指令输入至减法器47。需要说明的是，在没有力矩FF信号的情况下，从速度控制器42输出的力矩指令输入至减法器47。如以上说明的那样，伺服控制系统1包含使用了FF控制器5的前馈系统，能够对速度和力矩进行前馈控制。

＜动作例＞

图2是对伺服控制系统1中的动作例进行说明的流程图。在以下的动作例中，作为一个例子，假设FB增益和FF增益的调节由操作者使用PC20通过手动操作进行。需要说明的是，FB增益和FF增益的调节也可以自动进行。并且，表示的是FB增益和FF增益的调节使用PC20进行的例子，但FB增益和FF增益的调节机构也可以设置于伺服驱动器4或PLC10。

在图2中，在S01中，使FF控制器5处于非起动状态，使用PC20进行FB控制器4A所使用的FB增益(上述位置比例增益、速度积分增益、速度比例增益、力矩比例增益)的调节。FB增益能够阶梯性地增减。FB增益例如以相对于一次的位置指令输入而能够得到控制对象11的检测位置的时间为一个周期，根据一个或两个以上的规定数量的周期中的位置偏差使FB增益阶梯性地上升。如果满足FB增益上升到规定值等FB增益的调节完成条件(S02的是)，则FB增益的调节完成。

如果FB增益的调节完成，则从PC20向滤波器控制器9供给使位置指令滤波器8为无效的控制信号，滤波器控制器9将位置指令滤波器8设定为无效(S03)。本实施方式的伺服控制系统1作为可选的构成要素具备位置指令滤波器8和滤波器控制器9。滤波器控制器9进行位置指令滤波器8的时间常数设定，选择位置指令滤波器8的特性。并且，滤波器控制器9按照从PC20供给的控制信号，将位置指令滤波器8设定为无效或有效。通过位置指令滤波器8的特性选择，进行相对于位置指令的脉冲的软启动处理，能够实现缓慢的加速减速。但是，在进行前馈控制的基础上，从改善轨迹追随性这一观点出发，存在位置指令滤波器8的特性起相反作用的可能。于是，在FB增益的调节完成而开始进行FF增益的调节的情况下，使位置指令滤波器8为无效。

在S04中，进行FF增益的调节。FF增益能够阶梯性地增减，在FF增益的调节开始时，设定规定的FF增益的初始值。初始值例如为0％，但也能够将比0％大的值设定为初始值。在本实施方式中，作为FF增益，决定速度FF增益和力矩FF增益，FF控制器5能够将速度FF信号和力矩FF信号向FB控制器4A供给。可以在速度FF增益和力矩FF增益中设定不同的初始值。

图3是表示FF增益调节的一个例子的流程图。在S21中，使速度FF增益上升一个级别。在S22中，在速度FF增益为规定值的情况下，使速度FF增益的调节结束，使力矩FF增益上升一个级别(S23)。在S24中，判定力矩FF增益是否为规定值。在力矩FF增益的值比规定值低的情况下(S24的否)，使处理进入S05，如果是规定值则使处理进入S08而使FF增益的调节结束。

在FF增益调节的判定中使用的速度FF增益的规定值和力矩FF增益的规定值例如为极限值(最大的级别)。需要说明的是，也可以将比其低的级别的值设定为规定值。这样，在本实施方式中，与力矩FF增益的调节相比先进行速度FF增益的调节。速度增益的调节与力矩增益的调节相比难以产生振动。因此，从提高轨迹追随性的观点出发，先对速度FF增益进行调节。并且，也能够期待伺服驱动器4中对速度指令的追随性的提高。总之，也能够进行使速度FF增益和力矩FF增益并行地上升相同量的控制。在这种情况下，速度FF增益和力矩FF增益能够在相同时机调节，因此能够避免调节变得麻烦并且能够缩短时间。

位置指令的目标值与检测位置的偏差(误差)例如在PC20中监视，判定其误差是否进入规定范围(称之为整定值)而处于稳定的状态(是否经过了整定时间)(S05)。从PC20向使用者通知经过了整定时间，使用者接收到通知而使FF增益调节结束(S08)。需要说明的是，PC20包含未图示的显示器、扬声器、指示灯等通知装置，通过在显示器中显示信息、从扬声器输出声音、使指示灯点亮或闪烁等来将整定时间告知或通知给操作者。

在S06中，判定有无施加于控制对象11的力矩饱和。本实施方式的伺服驱动器4具备力矩饱和检测器6。力矩饱和检测器6接收来自伺服驱动器4的动力信号而能够检测控制对象11的动作中的力矩饱和。力矩饱和检测器6例如在由电流指令求出的力矩超过马达2的力矩极限值的情况下对力矩饱和进行检测。需要说明的是，力矩饱和的检测方法能够适当地选择上述之外的方法。力矩饱和检测器6在检测到力矩饱和的情况下，将力矩饱和检测信号向PC20输入。PC20中安装有对力矩饱和检测信号和后述振动检测信号进行检测的工具(软件)，该工具在接收到力矩饱和检测信号时，使FF增益的调节停止(结束)(S08)。这是由于即使进一步提高FF增益也无益于轨迹追随性的提高。需要说明的是，在由于检测到力矩饱和而使FF增益调节停止的情况下，可以使FF增益的大小降低一个或两个以上的规定的级别。并且，PC20在接收到力矩饱和检测信号的情况下，通过在显示器中显示、从扬声器输出声音、使指示灯的点亮或闪烁等来向操作者通知表示发生力矩饱和的信息。

在S07中，判定在控制对象11的动作停止时是否检测到振动。伺服驱动器4具备振动检测器7。振动检测器7对控制对象11的动作停止时的振动进行检测。具体地说，振动检测器7将速度偏差换算为力矩，通过该换算的值与阈值的比较来检测振动。振动的检测能够从换算为力矩的值或速度偏差检测。在检测到振动的情况下，振动检测器7将振动检测信号向PC20输入。上述PC20的工具在接收到振动检测信号的情况下，使FF增益的调节停止(结束)(S08)。从提高轨迹追随性的观点出发检测到振动并不是所希望的状况，因此使FF增益的进一步上升停止。需要说明的是，在通过振动检测使FF增益调节停止的情况下，可以使FF增益的大小降低一个或两个以上的规定的级别。并且，PC20在接收到振动检测信号的情况下，能够通过在显示器中显示、从扬声器输出声音、使指示灯点亮或闪烁等来向操作者通知检测到振动。

＜实施方式的效果＞

根据上述实施方式，在FB增益调节后对FF增益进行调节。由此，能够进行使FB增益和FF增益成为所期望的大小(得到FB增益与FF增益的平衡)的伺服控制。因此，能够提高轨迹追随性，并且提高伺服控制系统1的鲁棒性。

并且，实施方式中的FF增益调节的停止或结束不是基于目标值与控制对象11的输出的偏差，而是通过力矩饱和、振动检测、经过整定时间来判定。因此，能够使FF增益上升到不产生力矩饱和和振动检测的范围的极限，从而得到适当的轨迹追随性。并且，与力矩FF增益调节相比先进行速度FF增益调节，由此能够抑制振动的发生。上述实施方式的构成仅为一个例子，本发明不限于实施方式的构成。本发明在不脱离其目的的范围内能够对实施方式的构成适当地进行变更。

＜附录＞

一种伺服控制方法，包含：

对在控制对象(11)的反馈控制中使用的反馈增益进行调节，以使得所述控制对象(11)追随指令动作的工序，其中，所述控制对象(11)的反馈控制基于所述指令的目标值与来自所述控制对象的反馈信号的差分信息；

在所述反馈增益的调节后，对在所述控制对象的前馈控制中使用的前馈增益进行调节的工序。

附图标记说明

1....伺服控制系统；

2....马达；

3....负荷装置；

4....伺服驱动器；

4A...反馈控制器；

5....前馈控制器；

6....力矩饱和检测器；

7....振动检测器；

8....位置指令滤波器；

9....滤波器控制器；

10....PLC；

11....控制对象；

20....个人计算机(PC)；

41....位置控制器；

42....速度控制器；

43....电流控制器；

44....速度检测器；

45,46,47....减法器；

411,412....加法器。

Claims (3)

1.一种伺服控制方法，其特征在于，包含：

对在控制对象的反馈控制中使用的反馈增益进行调节，以使得所述控制对象追随指令动作的工序，其中，所述控制对象的反馈控制基于所述指令的目标值与来自所述控制对象的反馈信号的差分信息进行；

在所述反馈增益的调节后，对在所述控制对象的前馈控制中使用的前馈增益进行调节的工序，

在所述控制对象的动作中发生施加于所述控制对象的力矩的饱和的情况下使所述前馈增益的调节停止。

2.一种伺服控制方法，其特征在于，包含：

对在控制对象的反馈控制中使用的反馈增益进行调节，以使得所述控制对象追随指令动作的工序，其中，所述控制对象的反馈控制基于所述指令的目标值与来自所述控制对象的反馈信号的差分信息进行；

在所述反馈增益的调节后，对在所述控制对象的前馈控制中使用的前馈增益进行调节的工序，

在所述控制对象的停止时检测到振动的情况下使所述前馈增益的调节停止。

3.根据权利要求1或2所述的伺服控制方法，其特征在于，

在对所述控制对象进行速度控制和力矩控制的情况下，在所述速度控制的前馈增益的调节后，进行所述力矩控制的前馈增益的调节。