本發(fā)明涉及一種在用于機(jī)床等的進(jìn)給軸控制裝置中測定包含有電機(jī)的進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的頻率特性的方法。
背景技術(shù):
在控制機(jī)床等的進(jìn)給軸的位置控制裝置或速度控制裝置中,通常,測定包含有電機(jī)的進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的頻率特性,在評價了機(jī)械共振特性、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性之后進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化。
作為這樣的測定方法,例如專利文獻(xiàn)1公開了賦予白噪聲作為位置指令或速度指令來測定開環(huán)特性的方法。
此外,專利文獻(xiàn)2公開了如下的方法:使速度反饋從速度控制系統(tǒng)的反饋環(huán)分離,賦予白噪聲作為速度指令,由此測定速度開環(huán)特性,變更速度環(huán)增益。
另外,專利文獻(xiàn)3公開了如下的方法:使正弦波信號、m系列信號與操作量重疊,測定開環(huán)頻率特性、閉環(huán)頻率特性。
另一方面,公知在進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)中,存在彈性變形等引起的空程(lostmotion),專利文獻(xiàn)4中公開了如下的方法:著眼于該空程特性具有摩擦力小時剛性低、摩擦力大時剛性高的“非線性彈簧特性”,并補(bǔ)償這一點(diǎn)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:日本特開2000-278990號公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:日本特開2001-175303號公報(bào)
專利文獻(xiàn)3:日本特開2006-221404號公報(bào)
專利文獻(xiàn)4:日本特開2002-258922號公報(bào)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明所要解決的課題
但是,在專利文獻(xiàn)1~3的發(fā)明中,存在著如下課題:由于掃描位移小的白噪聲、m系列信號來測定頻率特性,因此在作用于驅(qū)動系統(tǒng)的摩擦或空程的影響下,得不到充分的輸出作為控制量,頻率特性的增益特性比真值小,結(jié)果不能進(jìn)行正確的測定。
尤其是,在如專利文獻(xiàn)3的發(fā)明那樣掃描正弦波信號的情況下,存在著如下課題:由于必須在進(jìn)行測定的整個頻率范圍內(nèi)進(jìn)行正弦波施振,因此測定需要時間,而且由于以微小振幅的正弦波繼續(xù)施振,在軸承、引導(dǎo)部分上油脂、潤滑油用完,發(fā)生微振磨損。
另一方面,在專利文獻(xiàn)4的發(fā)明中,存在著如下課題:由于未在頻率區(qū)域內(nèi)分別評價在空程的位移范圍內(nèi)可見的低剛性彈簧特性、以及在空程的位移范圍外可見的高剛性彈簧特性,因此不能考慮共振特性或穩(wěn)定性,不能優(yōu)化反饋控制器。
因此,本發(fā)明是鑒于上述課題而完成的,目的在于提供一種進(jìn)給軸控制裝置中的頻率特性測定方法,能夠不產(chǎn)生微振磨損且不受作用于驅(qū)動系統(tǒng)的摩擦或空程的影響地正確地測定頻率特性。
用于解決課題的手段
為了達(dá)到上述目的,技術(shù)方案1的發(fā)明是在進(jìn)給軸控制裝置中測定頻率特性的方法,該進(jìn)給軸控制裝置根據(jù)由來自上位裝置或速度指令運(yùn)算器的速度參照值和為了測定頻率特性而掃描的掃描信號形成的速度指令值來驅(qū)動電機(jī),控制被驅(qū)動體的可動部的速度或位置,
所述方法的特征在于,執(zhí)行如下步驟:
移動步驟,以所述進(jìn)給軸的移動速度固定的所述速度參照值作為指令而使所述進(jìn)給軸沿一個方向移動;
施振步驟,將振幅小于所述速度參照值的大小的正弦波賦予給所述掃描信號來進(jìn)行施振;以及
測定步驟,測定包括所述電機(jī)的進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的頻率特性。
技術(shù)方案2的發(fā)明的特征在于,在技術(shù)方案1的結(jié)構(gòu)中,所述測定步驟包括:
頻譜計(jì)算步驟,計(jì)算待測定的傳遞特性的輸入輸出信號的頻譜;以及
頻率測定步驟,在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)計(jì)算相應(yīng)頻率下的傳遞特性,
在所述頻譜計(jì)算步驟中,按照掃描頻率的整數(shù)倍的采樣頻率對所述輸入輸出信號進(jìn)行重采樣,切取所述輸入輸出信號的至少一個周期的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù),計(jì)算與切取出的所述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)所包括的掃描頻率對應(yīng)的頻譜,校正重采樣引起的頻率特性的振幅衰減。
為了達(dá)到上述目的,技術(shù)方案3的發(fā)明是在進(jìn)給軸控制裝置中測定頻率特性的方法,該進(jìn)給軸控制裝置根據(jù)由來自上位裝置或速度指令運(yùn)算器的速度參照值和為了測定頻率特性而掃描的掃描信號形成的速度指令值來驅(qū)動電機(jī),控制被驅(qū)動體的可動部的速度或位置,
所述方法的特征在于,執(zhí)行如下步驟:
移動步驟,以所述進(jìn)給軸的移動速度固定的所述速度參照值作為指令而使所述進(jìn)給軸沿一個方向移動;
施振步驟,將具有規(guī)定的振幅的正弦波賦予給所述掃描信號來進(jìn)行施振;以及
測定步驟,測定包括所述電機(jī)的進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的頻率特性,
并且,把所述正弦波的振幅確定為以比圓周率、掃描的所述正弦波的頻率、所述進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的空程量之積小的值,把所述速度參照值的大小確定為小于所述正弦波的振幅,
所述測定步驟包括:
頻譜計(jì)算步驟,計(jì)算測定的傳遞特性的輸入輸出信號的頻譜;以及
頻率測定步驟,在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)計(jì)算相應(yīng)頻率下的傳遞特性,
在所述頻譜計(jì)算步驟中,按照掃描頻率的整數(shù)倍的采樣頻率對所述輸入輸出信號進(jìn)行重采樣,切取所述輸入輸出信號的至少一個周期的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù),計(jì)算與切取出的所述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)所包括的掃描頻率對應(yīng)的頻譜,校正重采樣引起的頻率特性的振幅衰減。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明,執(zhí)行如下步驟:移動步驟,以進(jìn)給軸的移動速度固定的速度參照值作為指令而使進(jìn)給軸沿一個方向移動;施振步驟,將具有規(guī)定的振幅的正弦波賦予掃描信號來進(jìn)行施振;以及測定步驟,測定包括電機(jī)的進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的頻率特性,由此能夠一邊用掃描信號對進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行正弦波施振,一邊使進(jìn)給軸始終持續(xù)沿一個方向移動。因而,不用擔(dān)心軸承或引導(dǎo)部分上油脂、潤滑油用完而發(fā)生微振磨損,而且能夠排除移動方向反轉(zhuǎn)等中使控制量下降的摩擦或空程的影響,能正確地測定頻率特性。
尤其是,根據(jù)技術(shù)方案2的發(fā)明,在上述效果的基礎(chǔ)上,使得測定步驟包括頻譜計(jì)算步驟和頻率測定步驟,在頻譜計(jì)算步驟中,以掃描頻率的整數(shù)倍的采樣頻率對輸入輸出信號進(jìn)行重采樣,切取輸入輸出信號的至少一個周期的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù),計(jì)算與切取出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)包括的掃描頻率所對應(yīng)的頻譜,校正重采樣引起的頻率特性的振幅衰減,由此能夠?qū)⒏黝l率分量的正弦波施振所需要的時間限定為穩(wěn)定狀態(tài)的正弦波一個周期量和達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止的過渡狀態(tài)的極短時間。因而,能夠使測定頻率特性所需要的時間最短,能夠抑制在軸承或引導(dǎo)部分上油脂、潤滑油用完而導(dǎo)致微振磨損的風(fēng)險(xiǎn)。
尤其是,根據(jù)技術(shù)方案3的發(fā)明,在上述效果的基礎(chǔ)上,把正弦波的振幅確定為比圓周率、掃描的正弦波的頻率、進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的空程量之積小的值,把速度參照值的大小確定為小于正弦波的振幅,因此能夠測定以空程表示的非線性彈簧特性中的低剛性彈簧特性為重點(diǎn)的頻率特性。
附圖說明
圖1是進(jìn)行速度控制的進(jìn)給軸控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是進(jìn)行位置控制的進(jìn)給軸控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是示出實(shí)施方式1的頻率特性測定方法的流程圖。
圖4是示出實(shí)施方式2的頻率特性測定方法的流程圖。
圖5是示出實(shí)施方式3的頻率特性測定方法的流程圖。
標(biāo)號說明
1、5:減法器;2:扭矩指令運(yùn)算器;3:對象系統(tǒng);4、8:加法器、6:速度指令運(yùn)算器;7:微分器
具體實(shí)施方式
下面,根據(jù)附圖說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1是示出進(jìn)行速度控制的進(jìn)給軸控制裝置的一例的結(jié)構(gòu)圖。在圖1中,減法器1根據(jù)速度指令值vc與速度檢測值vd之差,計(jì)算速度偏差vdif,速度檢測值vd是對安裝在對象系統(tǒng)(機(jī)床等)3內(nèi)的電機(jī)(機(jī)床上的伺服電機(jī))或被驅(qū)動體(機(jī)床上的加工臺等)上的位置檢測器的位置檢測值pd進(jìn)行微分而得的速度檢測值vd,或者是從安裝在對象系統(tǒng)3內(nèi)的電機(jī)或被驅(qū)動體上的速度檢測器直接得到的速度檢測值vd。
算出的速度偏差vdif通過扭矩指令運(yùn)算器2被放大,成為扭矩指令值tc。對象系統(tǒng)3使得在對象系統(tǒng)3內(nèi)的電機(jī)中產(chǎn)生相當(dāng)于扭矩指令值tc的扭矩,例如經(jīng)由滾珠絲杠,驅(qū)動配置在對象系統(tǒng)3內(nèi)的被驅(qū)動體。
速度指令值vc是加法器4對從未圖示的上位裝置(機(jī)床上的nc裝置等)指示的速度參照值vref和為了測定頻率特性而掃描的掃描信號vadd進(jìn)行相加而算出的。
另一方面,用于實(shí)施本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)可以是圖2所示的進(jìn)行位置控制的進(jìn)給軸控制裝置。
圖2所示的減法器5計(jì)算從未圖示的上位裝置指示的位置指令值pc與位置檢測值pd之差,位置檢測值pd是從安裝在對象系統(tǒng)3內(nèi)的電機(jī)或被驅(qū)動體上的位置檢測器直接得到的位置檢測值pd,或者是對安裝在對象系統(tǒng)3內(nèi)的電機(jī)或被驅(qū)動體上的速度檢測器的速度檢測值vd進(jìn)行積分而得的位置檢測值pd。
從減法器5輸出的值通過速度指令運(yùn)算器6被放大,通過加法器8與速度前饋相加,從而得到速度參照值vref,速度前饋是微分器7對位置指令值pc進(jìn)行微分而得的。關(guān)于其他的結(jié)構(gòu),與圖1相同。
此處,考慮到從速度偏差vdif及速度指令值vc至速度檢測值vd的傳遞特性,能分別通過一下(1)式、(2)式表達(dá)。
vd/vdif=cv·p··(1)
vd/vc=cv·p/(1+cv·p)··(2)
上述(1)式意味著能夠根據(jù)速度偏差vdif的頻譜和速度檢測值vd的頻譜,計(jì)算速度控制系的開環(huán)傳遞特性:cv·p。
同樣,上述(2)式意味著能夠根據(jù)速度指令值vc的頻譜和速度檢測值vd的頻譜,計(jì)算速度控制系的閉環(huán)傳遞特性:cv·p/(1+cv·p)。為了得到這些傳遞特性,賦予正弦波信號作為掃描信號vadd即可。
以下對在上述進(jìn)給軸控制裝置中不產(chǎn)生微振磨損且不受作用于驅(qū)動系統(tǒng)的摩擦或空程的影響而正確地測定頻率特性的方法進(jìn)行說明。
[實(shí)施方式1]
圖3是示出本發(fā)明的頻率特性測定方法的第1實(shí)施方式的流程圖。
首先,在步驟1a中,賦予速度參照值vref,使得進(jìn)給軸的移動速度固定。速度參照值vref在圖1的結(jié)構(gòu)的情況下是從上位裝置直接得到的,在圖2的結(jié)構(gòu)的情況下相當(dāng)于從上位裝置指示的位置指令值pc的微分值,因此步驟1a相當(dāng)于例如在機(jī)床的進(jìn)給軸上通過nc程序等給予f指令。該步驟1a為移動步驟。
接著,對于賦予掃描信號vadd的正弦波,在步驟2a中,以振幅小于速度參照值vref的大小的方式確定振幅之后,在步驟3中,與測定的頻率特性的頻率范圍相應(yīng)地確定掃描的正弦波的頻率。并且,在步驟4中,將由確定的振幅及頻率形成的正弦波賦予掃描信號vadd。即,一邊使進(jìn)給軸以固定的速度移動,一邊用具有小于速度參照值vref的振幅的正弦波進(jìn)行施振。該步驟2a~步驟4為施振步驟。
接著,在步驟5中,計(jì)算測定的傳遞特性的輸入輸出信號的頻譜。例如意味著在測定速度控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞特性的情況下,分別計(jì)算作為輸入信號的速度指令值vc的頻譜和作為輸出信號的速度檢測值vd的頻譜。該步驟5為測定步驟中的頻譜計(jì)算步驟。
另外,作為頻譜的計(jì)算方法,公知fft(高速傅立葉變換),但不限定于此。例如,已知用掃描信號vadd進(jìn)行施振的頻率,因此可以是通過dft(離散傅立葉變換)那樣的方法僅提取單一頻率的光譜的方法。并且,考慮實(shí)時進(jìn)行運(yùn)算,也能使用sdft(滑動離散傅立葉變換)。
并且,在步驟6中,基于例如(1)式、(2)式,計(jì)算掃描的正弦波的頻率的傳遞特性。在測定的傳遞特性的頻率范圍內(nèi),一邊改變施振的正弦波的頻率,一邊重復(fù)執(zhí)行該步驟3至步驟6的操作,直至完成測定的頻率范圍內(nèi)的全部頻率的測定,由此能夠測定傳遞特性。從該步驟6至全部頻率測定完成的步驟為測定步驟中的頻率測定步驟。
這樣,根據(jù)上述實(shí)施方式1的頻率特性測定方法,執(zhí)行如下的步驟:移動步驟(步驟1a),以進(jìn)給軸的移動速度固定的方式指示速度參照值vref而使進(jìn)給軸沿一個方向移動;施振步驟(步驟2a~步驟4)將具有小于速度參照值vref的大小的振幅的正弦波賦予掃描信號vadd來進(jìn)行施振;測定步驟(從步驟5至全部頻率測定完成),測定包括電機(jī)的進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的頻率特性。由此,能夠一邊用掃描信號vadd對進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行正弦波施振,一邊使其始終持續(xù)沿一個方向移動。因而,不用擔(dān)心在軸承或引導(dǎo)部分上油脂、潤滑油用完而發(fā)生微振磨損,而且能夠排除移動方向反轉(zhuǎn)等中使控制量下降的摩擦或空程的影響,能正確地測定頻率特性。
[實(shí)施方式2]
圖4是示出本發(fā)明的頻率特性測定方法的第2實(shí)施方式的流程圖,是對第1實(shí)施方式(圖3)的步驟5(頻譜計(jì)算步驟)改良而得的。除此以外的步驟與實(shí)施方式1相同,因此僅說明不同的步驟。
在步驟4中,將正弦波賦予掃描信號vadd后,在接下來的步驟5-1中,開始測定所測定的傳遞特性的輸入輸出信號,在步驟5-2中,以掃描頻率的整數(shù)倍的采樣頻率進(jìn)行重采樣。但是,如果預(yù)先開始以掃描頻率的整數(shù)倍的采樣頻率測定輸入輸出信號,則不需要該步驟5-2。
接著,在步驟5-3中,在分別通過輸入輸出信號觀測重復(fù)性的時候,判斷為從過渡狀態(tài)轉(zhuǎn)移到了穩(wěn)定狀態(tài),切取輸入輸出信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的一個周期的量。此處,處理的輸入輸出信號的數(shù)據(jù)是以掃描頻率的整數(shù)倍的采樣頻率所采樣的數(shù)據(jù),因此通過重復(fù)切取出的一個周期的數(shù)據(jù),能夠得到連續(xù)的時序數(shù)據(jù)。另外,此處切取的數(shù)據(jù)不限于一個周期的量,即使切取多個周期的量,也能夠進(jìn)行傳遞特性的運(yùn)算。但是,由于僅數(shù)據(jù)量和計(jì)算量增加,幾乎無助于運(yùn)算精度,因此切取的數(shù)據(jù)優(yōu)選一個周期的量。
接下來,在步驟5-4中,計(jì)算與輸入輸出信號的掃描頻率對應(yīng)的頻譜。另外,頻譜的計(jì)算方法與第1實(shí)施方式的步驟5同樣地,能利用fft(高速傅立葉變換)、dft(離散傅立葉變換)、sdft(滑動離散傅立葉變換)等中的任意一個,但fft要求切取的一個周期的數(shù)據(jù)為二次冪,因此dft或sdft能夠通用。此外,如果希望節(jié)約運(yùn)算需要的時間,優(yōu)選sdft。
并且,在步驟5-5中,校正重采樣導(dǎo)致的振幅衰減。通常,在進(jìn)行了重采樣的情況下,存在于原來的信號的波形的頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)因重采樣而缺失,波形的振幅略微減小。在步驟5-5中,例如在重采樣的前后,比較與一個周期的數(shù)據(jù)對應(yīng)的離散值,根據(jù)其變化量進(jìn)行振幅頻譜的校正。
由此,根據(jù)上述實(shí)施方式2的頻率特性測定方法,在頻譜計(jì)算步驟中,以掃描頻率的整數(shù)倍的采樣頻率對輸入輸出信號進(jìn)行重采樣,切取輸入輸出信號的至少一個周期的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù),計(jì)算與切取出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)所包括的掃描頻率對應(yīng)的頻譜,校正重采樣引起的頻率特性的振幅衰減,因此能夠?qū)⒏黝l率分量的正弦波施振所需要的時間限定為穩(wěn)定狀態(tài)的正弦波一個周期量和達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止的過渡狀態(tài)的極短時間。因而,能夠使測定頻率特性所需要的時間最短,能夠抑制在軸承或引導(dǎo)部分上油脂、潤滑油用完而導(dǎo)致微振磨損的風(fēng)險(xiǎn)。
[實(shí)施方式3]
圖5是示出本發(fā)明的頻率特性測定方法的第3實(shí)施方式的流程圖,是將第1實(shí)施方式(圖3)的步驟1a、步驟2a改為步驟1b、步驟2b并且將步驟5作為第2實(shí)施方式(圖4)的步驟5-1~步驟5-5而得的。
首先,在步驟1b中,確定賦予掃描信號vadd的正弦波的振幅。此處,正弦波的振幅設(shè)定為比圓周率π、正弦波的頻率f、測定的進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的空程量lm之積小的值。這意味著將(正弦波的振幅)/2πf設(shè)為小于lm/2,(正弦波的振幅)/2πf相當(dāng)于向速度信號賦予正弦波時對其進(jìn)行積分而得的位移量的振幅。另一方面,能夠空程量lm看作例如從正向?qū)υ撨M(jìn)給軸進(jìn)行了定位時與從負(fù)向進(jìn)行了定位時的定位誤差。即,在步驟1b中,規(guī)定正弦波的振幅,使得用正弦波施振時的位移收斂在空程的范圍內(nèi)。
接著,在步驟2b中,以速度參照值vref的大小小于步驟1b中確定的正弦波的振幅的方式賦予速度參照值vref。這與步驟1a同樣,相當(dāng)于例如在機(jī)床的進(jìn)給軸上通過nc程序等給予f指令。該步驟2b為移動步驟。另外,由于之后的步驟與第1實(shí)施方式(圖3)、第2實(shí)施方式(圖4)相同,故省略說明。
這樣,根據(jù)上述實(shí)施方式3的頻率特性測定方法,以比圓周率π、掃描的正弦波的頻率f、進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的空程量lm之積小的值確定正弦波的振幅,以小于所確定的正弦波的振幅的方式確定速度參照值vref的大小,因此能夠測定以空程表示的非線性彈簧特性中、低剛性彈簧特性為重點(diǎn)的頻率特性。
另外,上述各實(shí)施方式的方法不限于各自單獨(dú)地執(zhí)行的情況,也能并用實(shí)施方式1~3的方法來測定頻率特性。若進(jìn)行這樣的組合,則也能測定以空程的位移范圍外可見的高剛性彈簧特性為重點(diǎn)的頻率特性,因此能夠在頻率區(qū)域內(nèi)評價非線性彈簧特性的低剛性彈簧特性、高剛性彈簧特性這兩者。因此,對于共振特性、穩(wěn)定性,能夠優(yōu)化考慮到了空程的特性變化(穩(wěn)健性)的反饋控制器。