專利名稱：電動機位置控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電動機位置控制裝置，該裝置基于來自安裝于電動機所驅動負載的位置檢測器的負荷位置信號進行位置控制。
另一方面，為了高精度地控制直線運動機構，在機構的可動工作臺上安裝直線標度等直線運動位置檢測部分，利用該檢測部分的輸出來構成位置控制系統(tǒng)。以下，將此類控制系統(tǒng)稱為全閉合控制系統(tǒng)。
此類全閉合控制系統(tǒng)的框圖如圖13所示。
在圖13中，701是位置控制部分，位置控制增益是KP。702是速度控制部分，703是電動機，704是負載(機械可動部分，可動工作臺等)。這里，由位置指令Yr減去負載位置信號YL求出位置偏差eP，在位置控制部分701該位置偏差eP乘上位置控制增益KP，求得速度指令Vr。從該速度指令Vr中減去速度反饋信號Vf得到速度偏差ev，再基于速度偏差eV在速度控制部分702上求得轉矩指令(電流指令)Tr，然后基于該轉矩指令Tr驅動電動機703及負載704。
近年來，對工業(yè)機械在高精度與高速度方面的要求提高了，因此在全閉合控制系統(tǒng)中不得不增大位置控制增益KP。提高位置控制增益(或位置環(huán)路增益)，首先必須提高速度環(huán)路增益，但是由于直線運動機構的滾珠絲桿、螺母等的機械共振特性的影響，很難提升增益。
但在半閉合控制系統(tǒng)的場合，根據眾所周知的采用等價剛體觀測器的減振控制法(例如日本特願平9-56183號的機械振動的減振控制裝置)等的應用，通過將由等價剛體模型觀測器所檢測的機械振動信號加于速度指令作為新速度指令，以抑制振動并提高速度環(huán)路增益，由此可簡單地將位置環(huán)路增益提升至與該場合相稱的數值。
傳統(tǒng)技術中，為了提高全閉合控制系統(tǒng)中位置控制增益作過各種嘗試。
就全閉合控制系統(tǒng)的速度環(huán)路而言，通過上述減振控制的應用，可取得與半閉合系統(tǒng)同等的速度增益；但是若在位置環(huán)路提高位置控制增益，由于會再發(fā)生控制系統(tǒng)的振動，在該狀態(tài)下位置控制增益的上限僅能取半閉合控制系統(tǒng)上限值的1/2至2/3。由于再發(fā)生的振動頻率比速度環(huán)路上發(fā)生的振動頻率還要低，不能單純地將整體控制環(huán)路的增益上升看作振動再發(fā)生的原因，這也就成了無法解釋清楚的問題(課題一)。
除了究明原因之外，迄今，人們還為提高全閉合控制系統(tǒng)中的位置控制增益作過各種嘗試。
例如，也可考慮這樣的方法，將電動機位置信號Xm與負載位置信號XL如下相加k×XL+(1-k)×Xm(式中，0＜k＜1)，來作為位置反饋信號(日本特開平3-110607)。若k接近于0，由于負載位置的反饋成分減少，因此會減少振動，但是根據驅動系統(tǒng)的彈簧特性，由于電動機位置與負載位置信號不一致，減弱了全閉合控制的效果，因此沒有意義。結果，為了取得全閉合的效果，將位置控制增益提高到跟降低的k相稱的程度，因此對于實質上的位置環(huán)路增益，不變到k＝1便無法其解決振動問題(課題二)。
另外，也有這樣的方法，將作為負載速度與電動機速度之差的扭轉角速度反饋給速度指令(日本特開平1-251210)或轉矩指令來降低速度環(huán)路內的機械振動。該方法中，如果為了降低位置環(huán)路中再發(fā)生的振動，由于扭轉角速度包含電動機速度的高頻成分，卻又在速度環(huán)路上產生高頻振動(存在為適應低頻振動而出現高頻振動的可能性)，結果，只是單純地應用該方法并不能抑制在上述位置環(huán)路再發(fā)生振動(課題三)。
因此，考慮僅采用傳統(tǒng)的方法，在全閉合控制系統(tǒng)幾乎不可能提高位置控制增益。要從本質上解決本課題，必須找到位置環(huán)路中低頻振動再發(fā)生的原因。
本發(fā)明的目的，在于(通過分析其原因提出新的控制方法)提供一種可將全閉合控制系統(tǒng)中的位置控制增益KP無振動再發(fā)生地提高到與半閉合控制系統(tǒng)的同等數值，并可通過位置控制增益的提高在短時間內高精度定位的電動機位置控制裝置。
并且，權利要求2所述的本發(fā)明的電動機位置控制裝置，基于對電動機的回轉位置信號作微分運算獲得的速度信號進行速度控制，同時基于來自安裝于電動機所驅動負載的位置檢測器的負載位置信號進行位置控制，所述電動機位置控制裝置設有對上述直線運動位置信號作微分運算后輸出直線運動速度信號的微分運算部分；用以計算速度指令信號與所述直線運動速度信號之差的減法運算部分；通過將所述減法部分輸出的信號差值輸入低通濾波器進行相位調節(jié)的相位調節(jié)部分；輸入上述相位調節(jié)部分輸出信號的比例增益部分；以及將所述比例增益部分的輸出信號與所述速度指令信號相加后輸出新速度指令信號的加法運算部分。
并且，權利要求3所述的本發(fā)明的特征在于所述相位調節(jié)部分通過將所述減法運算部分輸出的信號差值輸入帶通濾波器進行相位調節(jié)。
并且，權利要求4所述的本發(fā)明的電動機位置控制裝置，基于對電動機的回轉位置信號作微分運算獲得的速度信號進行速度控制，同時基于來自安裝于電動機所驅動負載的位置檢測器的負載位置信號進行位置控制，所述電動機位置控制裝置設有對速度指令信號作積分運算的積分運算部分；用以計算所述負載位置信號與所述積分運算部分輸出的積分信號之差的減法運算部分；通過將所述減法運算部分輸出的信號差值輸入帶通濾波器進行相位調節(jié)的相位調節(jié)部分；輸入所述相位調節(jié)部分輸出信號的比例增益部分；以及將所述比例增益部分的輸出信號與所述速度指令信號相加后輸出新速度指令信號的加法運算部分。
根據所述電動機位置控制裝置，檢測由微分運算部分求得的負載速度與速度指令之間的速度差值，由積分運算部分對速度差值作積分運算，其積分值通過比例增益部分乘上增益Kf，再加到速度指令上。所述微分運算部分、檢測速度差值的減法運算部分、積分運算部分和比例增益部分合在一起，恰好相當于檢出并輸出機械振動信號(即電動機的角速度與等價剛體模型的角速度估計值之間的速度差值)的半閉合控制系統(tǒng)的減振控制裝置，比例增益部分的增益Kf值不使振動再發(fā)生地將位置環(huán)路增益KP的上限提高。
或者，通過低通濾波器或帶通濾波器等的相位調節(jié)部分來相位調節(jié)速度指令與負載速度的速度差值，從而消除振動頻率；由于是通過比例增益部分乘以增益Kf再加到速度指令上，因此可提高位置環(huán)路增益KP。
圖2是表示從圖1所示的電動機的加速度至負載的直線運動速度的框圖。
圖3是表示圖2所示的模型所構成的全閉合控制系統(tǒng)的框圖。
圖4是表示圖3所示的位置控制系統(tǒng)內的速度控制系統(tǒng)的簡圖。
圖5是圖4所示位置控制系統(tǒng)的振動現象的示圖。
圖6是表示圖5所示位置控制系統(tǒng)的簡圖。
圖7是圖6所示速度指令與負載速度之間的速度差值的示圖。
圖8是表示圖1所示比例增益部分的速度指令的補正的示圖。
圖9是表示本發(fā)明實施例2電動機位置控制裝置的框圖。
圖10是表示圖9所示的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分的框圖。
圖11是表示本發(fā)明實施例3的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分的框圖。
圖12是表示本發(fā)明實施例4的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分的框圖。
圖13是表示傳統(tǒng)的全閉合控制系統(tǒng)的框圖。
圖2示出了具機械共振特性的滾珠絲桿與螺母等的機械驅動系統(tǒng)的模型。
圖2(a)是表示從電動機加速度到電動機角速度的框圖，歸納圖1的速度反饋系統(tǒng)并以速度控制系統(tǒng)表示，便可得到如上的框圖。此時，由于電動機軸上加有機械共振反作用力，因此電動機角速度也表現出共振特性。為了表示該特性，在圖2(a)所示的加速度與角速度之間加入二慣性共振特性的方框。在該二慣性共振特性的方框內給出的傳遞函數中，其分母上的多項式表示機械的共振特性，分子上的多項式表示反共振特性。圖中，ωs為反共振角頻率，ωr為共振角頻率。
圖2(b)是表示從電動機加速度至機構的可動工作臺的直線運動速度的框圖，以二次傳遞函數表示振動部分的二慣性共振特性。
圖2(c)是匯總了圖2的(a)、(b)框圖，表示從電動機加速度至電動機的角速度、直至可動工作臺的直線運動速度。
圖3是在圖2(c)的模型中構成全閉合控制系統(tǒng)的示例；圖中，速度控制系統(tǒng)通過反饋電動機的角速度信號構成，位置控制系統(tǒng)通過反饋直線運動位置信號構成。圖4是圖3的簡化圖。在通過前述的等價剛體觀察器等的減振控制來穩(wěn)定速度控制系統(tǒng)10的二慣性共振系統(tǒng)的場合，從位置控制系統(tǒng)看，速度控制系統(tǒng)10具有高響應，因此若速度控制系統(tǒng)的傳遞函數近似在1時，可得到圖5所示的框圖。圖5中，由于在位置控制環(huán)路有ωa的共振特性，可知當位置環(huán)路增益增大時，在ωa附近的頻率處，控制系統(tǒng)會振動。
在表示圖5中的驅動機構的特性的傳遞函數中，由于ωr＞ωs、ξr＜＜1，有ωr＞＞2ζrωa----------(1)而在振動頻率ωa附近，可近似成2ξrS+ωrωr≈1--------(2)]]>因此，圖5的位置控制系統(tǒng)可簡化成圖6的框圖。計算從位置指令至負載位置的傳遞函數，得G(s)=KPωa2s3+2ξaωas2+ωa2s+KPωa2--------(3)]]>在(3)式中，計算勞斯-赫維茨(Routh-Hurwitz)的穩(wěn)定條件，得KP＜2ζaωa------------(4)由于ζa約為0.1，據(4)式，不管速度環(huán)路增益Kv如何，位置環(huán)路增益KP值受到了限制。由此說明，在全閉合控制系統(tǒng)的場合，在該狀態(tài)下與半閉合控制系統(tǒng)相比較，位置環(huán)路增益不會提升。
根據以上所述，通過本發(fā)明的分析，對“具有低于速度環(huán)路上發(fā)生的振動的頻率的振動再發(fā)生現象”有了明確的解答(先有技術的課題一得到了解決)。
以下，利用方程式來說明本發(fā)明的原理。當如圖7所示計算從速度指令至速度差值(速度指令與負載速度的差)的傳遞函數時，可得G(s)=s2+2ξaωass2+2ξaωas+ωa2--------(5)]]>因ξa約為0.1，在(5)式的分子中，ωa附近的頻率，可近似成s+2ζaωa≈s----------(6)據(6)，(5)式成為G(s)=s2s2+2ξaωas+ωa2--------(7)]]>由于(7)式的分子是s的二次項，因此在本實施例1中，如圖8所示，通過積分部分3對速度差值信號進行積分，又通過比例增益部分1乘以反饋增益Kf并加到速度指令上，成為新速度指令。
按圖8所示，計算從速度指令至負載速度的傳遞函數，得到G(s)=ωa2s2+(2ξa+Kf)s+ωa2--------(8)]]>在(8)式中，由于通過反饋增益Kf使分母的多項式中s的一次項系數變大，可證明共振特性被衰減。
在圖8中，若在從速度指令至負載速度的速度控制系統(tǒng)的外側構成全閉的位置控制系統(tǒng)時(未作圖示)，從位置指令至負載位置的傳遞函數成為G(s)=KPωa2s3+(2ξaωa+Kf)s2+ωa2s+KPωa2--------(9)]]>
在(9)式中，求出勞斯-赫維茨穩(wěn)定條件，則成為KP＜2ζaωa+Kf----------(10)因此，依據本實施例，通過反饋增益Kf位置環(huán)路增益KP回復到上限，從而可證實位置環(huán)路增益KP被無振動再發(fā)生地提升。
由此，可解決實質的位置環(huán)路增益不能以全閉合方式被提升的問題(課題二)。
并且，如上述，從電動機速度至直線運動位置信號，通過機構的積分特性，充分地衰減電動機速度的高頻成分。速度指令由位置指令與直線運動位置信號的差形成，又由于在積分處理后反饋至速度指令，因此本發(fā)明的構成對于速度環(huán)路的穩(wěn)定性幾乎沒有影響，可相對速度環(huán)路獨立地提升位置環(huán)路增益。
由于基于此類考察，本發(fā)明可解決先有技術中存在的在降低位置環(huán)路振動時發(fā)生速度環(huán)路振動的問題(課題三)。
以下，參照圖1說明整個控制系統(tǒng)的構成。
首先，通過對直線標度(未作圖示)所輸出的直線運動位置信號的反饋構成位置控制系統(tǒng)，再將位置指令與直線運動位置信號的差乘以位置環(huán)路增益(KP)11，作為第一速度指令。速度控制系統(tǒng)10的穩(wěn)定化補償器12輸入下述的第二速度指令與電動機(未作圖示)角速度信號的差，向由控制電動機及電動機轉矩的部分(未作圖示)構成的轉矩控制裝置(未作圖示)輸出轉矩指令信號。通過虛線所示的電動機的控制部分來實施控制。
將輸入第一速度指令信號和來自比例增益部分(Kf)1的減振信號的加法運算部分的輸出作為第二速度指令。微分運算部分2對直線運動位置信號作微分運算后輸出直線運動速度信號。通過積分部分3對直線運動速度信號與第二速度指令的差分信號作積分運算后，輸入至比例增益部分1。比例增益部分1在乘以適當的增益Kf后輸出減振信號。由此，在穩(wěn)定狀態(tài)下可提高位置環(huán)路增益。
以下，對照


本發(fā)明實施例2。
圖9是表示本發(fā)明的實施例2的電動機位置控制裝置的框圖。
圖10是表示圖9所示的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分的框圖。
圖9所示的實施例2是在圖13所示的傳統(tǒng)實例中，重新組合位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分18的全閉合控制系統(tǒng)；其在構成上與圖13所示系統(tǒng)的不同點在于，追加了輸出速度指令補正信號Vrh的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分18，以及將速度指令基本信號Vrb與速度指令補正信號Vrh合成的加法運算部分19。與圖13相同的其他結構均采用相同記號，不再重復說明。
以下說明動作。
圖10是圖9所示的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分18的詳細框圖。30是相位調節(jié)部分的二次低通濾波器。在減法運算電路308中取出速度指令Vr與在微分電路301中微分運算負載位置信號YL獲得的負載速度VL的差，將其輸入低通濾波器30。在振蕩頻率中設定低通濾波器30的參數，使得低頻濾波器30的輸出信號比輸入信號相位延遲90°；將低頻濾波器30的輸出信號乘以適當的補償增益Kf′作為速度指令補正信號Vrh，再通過加法運算器19加到速度指令基本信號Vrb上。
這樣，根據實施例2，對于速度指令基本信號Vrb所包含的位置環(huán)路的共振信號，由于在速度指令補正信號Vrh中被取消，因此能夠提升位置環(huán)路增益KP。并且，由于未包含積分項，不會留下平穩(wěn)偏差，所以可進行高精度定位。
以下，對照

本發(fā)明的實施例3。
圖11是表示本發(fā)明實施例3的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分的框圖。
圖11與圖10的不同之處在于，用以二次低通濾波器與一次高通濾波器構成的帶通濾波器40代替低通濾波器30。其他與圖10所示相同的結構均采用相同記號，不再重復說明。再有，圖9在這里也通用。
以下進行動作說明。
將速度指令Vr與在微分電路301中微分運算負載位置信號YL獲得的負載速度VL的差輸入帶通濾波器40。在振蕩頻率上設定帶通濾波器40的參數，使得帶通濾波器40的輸出信號比輸入信號相位延遲90°，將帶通濾波器40的輸出信號乘以適當的補償增益，作為速度指令補正信號Vrh。
這樣，在實施例3中，依照這種補償方式，與圖10所示的場合相比較，除了減振效果之外，也可減小高通濾波器所增加的基值搖晃(ベ-ス搖れ)等在負載位置信號中出現的低頻干擾信號的影響。
以下，對照

本發(fā)明的實施例4。
圖12是表示本發(fā)明實施例4的位置環(huán)路穩(wěn)定化補償部分的框圖。
圖12與圖10的不同之處在于設有速度指令Vr的積分處理部分56，帶通濾波器57由一次低通濾波器與一次高通濾波器構成。其他與圖11相同的結構均采用相同記號，不再重復說明。
以下說明其動作。
將在積分處理部分56對速度指令Vr積分后獲得的信號與負載位置信號YL的差輸入帶通濾波器57。59為減法運算部分。在共振頻率上設定帶通濾波器57的參數，使帶通濾波器57的輸出信號成為與輸入信號相同的相位，將帶通濾波器57的輸出信號乘以適當的補償增益Kf′，作為速度指令補正信號Vrh。
這樣，根據實施例4，此時可取得與圖11相同的效果，但是由于低通濾波器為一次濾波器，補償器的構成與參數的調節(jié)均較為簡單。
如上所述，根據本發(fā)明，在全閉合控制系統(tǒng)的位置控制中，通過反饋增益Kf的作用，可將位置環(huán)路增益KP無振動再發(fā)生地回復到與半閉合控制系統(tǒng)同等的值。
并且，對于速度指令基本信號包含的位置環(huán)路的共振信號，由于可通過使用低通濾波器、帶通濾波器等相位調整手段所調整的速度補正信號來消除，由此可提升位置環(huán)路增益，同時由于未包含積分項而不會留下平穩(wěn)偏差，具有可在短時間內進行高精度定位的效果。
工業(yè)上的應用可能性本發(fā)明的位置控制裝置可適用于半導體制造裝置等的工業(yè)機械的快速、高精度的位置控制。
權利要求
1.一種將安裝于直線運動機構的直線運動位置檢測部分輸出的可動工作臺位置信號作為位置反饋信號的電動機位置控制裝置，其特征在于設有對所述直線運動位置信號作微分運算后輸出直線運動速度信號的微分運算部分；用以計算速度指令信號與所述直線運動速度信號之間的差值的減法運算部分；對所述減法運算部分輸出的信號差值作積分運算的積分運算部分；用以輸入所述積分運算部分輸出信號的比例增益部分；以及將所述比例增益部分的輸出信號與所述速度指令信號相加后輸出新速度指令的加法運算部分。
2.一種基于對電動機回轉位置信號作微分運算后獲得的速度信號進行速度控制，同時基于來自安裝于電動機所驅動負載的位置檢測器的負載位置信號進行位置控制的電動機位置控制裝置，其特征在于具備對所述負載位置信號作微分運算后輸出負載速度信號的微分運算部分；用以計算所述負載速度信號與速度指令信號之間的差值的減法運算部分；將所述減法運算部分輸出的信號差值輸入低通濾波器來進行相位調節(jié)的相位調節(jié)部分；用以輸入所述相位調節(jié)部分輸出信號的比例增益部分；以及將所述比例增益部分的輸出信號與所述速度指令信號相加后輸出新速度指令信號的加法運算部分。
3.如權利要求2所述的電動機位置控制裝置，其特征在于所述相位調節(jié)部分將所述減法運算部分輸出的信號差值輸入帶通濾波器來進行相位調節(jié)。
4.一種基于對電動機回轉位置信號作微分運算后獲得的速度信號來進行速度控制，同時基于來自安裝于電動機所驅動負載的位置檢測器的負載位置信號來進行位置控制的電動機位置控制裝置，其特征在于設有對速度指令信號作積分運算的積分運算部分；用以計算所述負載位置信號與所述積分運算部分輸出的積分信號之間的差值的減法運算部分；將所述減法運算部分輸出的信號差值輸入帶通濾波器來進行相位調節(jié)的相位調節(jié)部分；用以輸入所述相位調節(jié)部分輸出信號的比例增益部分；以及將所述比例增益部分的輸出信號與所述速度指令信號相加后輸出新速度指令信號的加法運算部分。
全文摘要
提供一種在全閉合控制系統(tǒng)中能夠無振動再發(fā)生地提高位置環(huán)路增益的電動機位置控制裝置,該裝置將安裝于直線運動機構的直線運動位置檢測部分輸出的可動工作臺位置信號作為位置反饋信號。所述電動機位置控制裝置中設有:對直線運動位置信號作微分運算后輸出直線運動速度信號的微分運算部分2；計算速度指令信號與直線運動速度信號之差的減法運算部分4；對減法運算部分輸出的信號差值作積分運算的積分運算部分3；輸入積分運算部分的輸出信號的比例增益部分1；以及將比例增益部分的輸出信號與速度指令信號相加后輸出新速度指令V
文檔編號G05B19/19GK1367887SQ00810958
公開日2002年9月4日 申請日期2000年6月1日 優(yōu)先權日1999年6月4日
發(fā)明者張文農, 加來靖彥, 大久保整, 中野勝 申請人:株式會社安川電機