专利名称：电动机位置控制装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种电动机位置控制装置，该装置基于来自安装于电动机所驱动负载的位置检测器的负荷位置信号进行位置控制。
另一方面，为了高精度地控制直线运动机构，在机构的可动工作台上安装直线标度等直线运动位置检测部分，利用该检测部分的输出来构成位置控制系统。以下，将此类控制系统称为全闭合控制系统。
此类全闭合控制系统的框图如图13所示。
在图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是电动机，704是负载(机械可动部分，可动工作台等)。这里，由位置指令Yr减去负载位置信号YL求出位置偏差eP，在位置控制部分701该位置偏差eP乘上位置控制增益KP，求得速度指令Vr。从该速度指令Vr中减去速度反馈信号Vf得到速度偏差ev，再基于速度偏差eV在速度控制部分702上求得转矩指令(电流指令)Tr，然后基于该转矩指令Tr驱动电动机703及负载704。
近年来，对工业机械在高精度与高速度方面的要求提高了，因此在全闭合控制系统中不得不增大位置控制增益KP。提高位置控制增益(或位置环路增益)，首先必须提高速度环路增益，但是由于直线运动机构的滚珠丝杆、螺母等的机械共振特性的影响，很难提升增益。
但在半闭合控制系统的场合，根据众所周知的采用等价刚体观测器的减振控制法(例如日本特願平9-56183号的机械振动的减振控制装置)等的应用，通过将由等价刚体模型观测器所检测的机械振动信号加于速度指令作为新速度指令，以抑制振动并提高速度环路增益，由此可简单地将位置环路增益提升至与该场合相称的数值。
传统技术中，为了提高全闭合控制系统中位置控制增益作过各种尝试。
就全闭合控制系统的速度环路而言，通过上述减振控制的应用，可取得与半闭合系统同等的速度增益；但是若在位置环路提高位置控制增益，由于会再发生控制系统的振动，在该状态下位置控制增益的上限仅能取半闭合控制系统上限值的1/2至2/3。由于再发生的振动频率比速度环路上发生的振动频率还要低，不能单纯地将整体控制环路的增益上升看作振动再发生的原因，这也就成了无法解释清楚的问题(课题一)。
除了究明原因之外，迄今，人们还为提高全闭合控制系统中的位置控制增益作过各种尝试。
例如，也可考虑这样的方法，将电动机位置信号Xm与负载位置信号XL如下相加k×XL+(1-k)×Xm(式中，0＜k＜1)，来作为位置反馈信号(日本特開平3-110607)。若k接近于0，由于负载位置的反馈成分减少，因此会减少振动，但是根据驱动系统的弹簧特性，由于电动机位置与负载位置信号不一致，减弱了全闭合控制的效果，因此没有意义。结果，为了取得全闭合的效果，将位置控制增益提高到跟降低的k相称的程度，因此对于实质上的位置环路增益，不变到k＝1便无法其解决振动问题(课题二)。
另外，也有这样的方法，将作为负载速度与电动机速度之差的扭转角速度反馈给速度指令(日本特開平1-251210)或转矩指令来降低速度环路内的机械振动。该方法中，如果为了降低位置环路中再发生的振动，由于扭转角速度包含电动机速度的高频成分，却又在速度环路上产生高频振动(存在为适应低频振动而出现高频振动的可能性)，结果，只是单纯地应用该方法并不能抑制在上述位置环路再发生振动(课题三)。
因此，考虑仅采用传统的方法，在全闭合控制系统几乎不可能提高位置控制增益。要从本质上解决本课题，必须找到位置环路中低频振动再发生的原因。
本发明的目的，在于(通过分析其原因提出新的控制方法)提供一种可将全闭合控制系统中的位置控制增益KP无振动再发生地提高到与半闭合控制系统的同等数值，并可通过位置控制增益的提高在短时间内高精度定位的电动机位置控制装置。
并且，权利要求2所述的本发明的电动机位置控制装置，基于对电动机的回转位置信号作微分运算获得的速度信号进行速度控制，同时基于来自安装于电动机所驱动负载的位置检测器的负载位置信号进行位置控制，所述电动机位置控制装置设有对上述直线运动位置信号作微分运算后输出直线运动速度信号的微分运算部分；用以计算速度指令信号与所述直线运动速度信号之差的减法运算部分；通过将所述减法部分输出的信号差值输入低通滤波器进行相位调节的相位调节部分；输入上述相位调节部分输出信号的比例增益部分；以及将所述比例增益部分的输出信号与所述速度指令信号相加后输出新速度指令信号的加法运算部分。
并且，权利要求3所述的本发明的特征在于所述相位调节部分通过将所述减法运算部分输出的信号差值输入带通滤波器进行相位调节。
并且，权利要求4所述的本发明的电动机位置控制装置，基于对电动机的回转位置信号作微分运算获得的速度信号进行速度控制，同时基于来自安装于电动机所驱动负载的位置检测器的负载位置信号进行位置控制，所述电动机位置控制装置设有对速度指令信号作积分运算的积分运算部分；用以计算所述负载位置信号与所述积分运算部分输出的积分信号之差的减法运算部分；通过将所述减法运算部分输出的信号差值输入带通滤波器进行相位调节的相位调节部分；输入所述相位调节部分输出信号的比例增益部分；以及将所述比例增益部分的输出信号与所述速度指令信号相加后输出新速度指令信号的加法运算部分。
根据所述电动机位置控制装置，检测由微分运算部分求得的负载速度与速度指令之间的速度差值，由积分运算部分对速度差值作积分运算，其积分值通过比例增益部分乘上增益Kf，再加到速度指令上。所述微分运算部分、检测速度差值的减法运算部分、积分运算部分和比例增益部分合在一起，恰好相当于检出并输出机械振动信号(即电动机的角速度与等价刚体模型的角速度估计值之间的速度差值)的半闭合控制系统的减振控制装置，比例增益部分的增益Kf值不使振动再发生地将位置环路增益KP的上限提高。
或者，通过低通滤波器或带通滤波器等的相位调节部分来相位调节速度指令与负载速度的速度差值，从而消除振动频率；由于是通过比例增益部分乘以增益Kf再加到速度指令上，因此可提高位置环路增益KP。
图2是表示从图1所示的电动机的加速度至负载的直线运动速度的框图。
图3是表示图2所示的模型所构成的全闭合控制系统的框图。
图4是表示图3所示的位置控制系统内的速度控制系统的简图。
图5是图4所示位置控制系统的振动现象的示图。
图6是表示图5所示位置控制系统的简图。
图7是图6所示速度指令与负载速度之间的速度差值的示图。
图8是表示图1所示比例增益部分的速度指令的补正的示图。
图9是表示本发明实施例2电动机位置控制装置的框图。
图10是表示图9所示的位置环路稳定化补偿部分的框图。
图11是表示本发明实施例3的位置环路稳定化补偿部分的框图。
图12是表示本发明实施例4的位置环路稳定化补偿部分的框图。
图13是表示传统的全闭合控制系统的框图。
图2示出了具机械共振特性的滚珠丝杆与螺母等的机械驱动系统的模型。
图2(a)是表示从电动机加速度到电动机角速度的框图，归纳图1的速度反馈系统并以速度控制系统表示，便可得到如上的框图。此时，由于电动机轴上加有机械共振反作用力，因此电动机角速度也表现出共振特性。为了表示该特性，在图2(a)所示的加速度与角速度之间加入二惯性共振特性的方框。在该二惯性共振特性的方框内给出的传递函数中，其分母上的多项式表示机械的共振特性，分子上的多项式表示反共振特性。图中，ωs为反共振角频率，ωr为共振角频率。
图2(b)是表示从电动机加速度至机构的可动工作台的直线运动速度的框图，以二次传递函数表示振动部分的二惯性共振特性。
图2(c)是汇总了图2的(a)、(b)框图，表示从电动机加速度至电动机的角速度、直至可动工作台的直线运动速度。
图3是在图2(c)的模型中构成全闭合控制系统的示例；图中，速度控制系统通过反馈电动机的角速度信号构成，位置控制系统通过反馈直线运动位置信号构成。图4是图3的简化图。在通过前述的等价刚体观察器等的减振控制来稳定速度控制系统10的二惯性共振系统的场合，从位置控制系统看，速度控制系统10具有高响应，因此若速度控制系统的传递函数近似在1时，可得到图5所示的框图。图5中，由于在位置控制环路有ωa的共振特性，可知当位置环路增益增大时，在ωa附近的频率处，控制系统会振动。
在表示图5中的驱动机构的特性的传递函数中，由于ωr＞ωs、ξr＜＜1，有ωr＞＞2ζrωa----------(1)而在振动频率ωa附近，可近似成2ξrS+ωrωr≈1--------(2)]]>因此，图5的位置控制系统可简化成图6的框图。计算从位置指令至负载位置的传递函数，得G(s)=KPωa2s3+2ξaωas2+ωa2s+KPωa2--------(3)]]>在(3)式中，计算劳斯-赫维茨(Routh-Hurwitz)的稳定条件，得KP＜2ζaωa------------(4)由于ζa约为0.1，据(4)式，不管速度环路增益Kv如何，位置环路增益KP值受到了限制。由此说明，在全闭合控制系统的场合，在该状态下与半闭合控制系统相比较，位置环路增益不会提升。
根据以上所述，通过本发明的分析，对“具有低于速度环路上发生的振动的频率的振动再发生现象”有了明确的解答(先有技术的课题一得到了解决)。
以下，利用方程式来说明本发明的原理。当如图7所示计算从速度指令至速度差值(速度指令与负载速度的差)的传递函数时，可得G(s)=s2+2ξaωass2+2ξaωas+ωa2--------(5)]]>因ξa约为0.1，在(5)式的分子中，ωa附近的频率，可近似成s+2ζaωa≈s----------(6)据(6)，(5)式成为G(s)=s2s2+2ξaωas+ωa2--------(7)]]>由于(7)式的分子是s的二次项，因此在本实施例1中，如图8所示，通过积分部分3对速度差值信号进行积分，又通过比例增益部分1乘以反馈增益Kf并加到速度指令上，成为新速度指令。
按图8所示，计算从速度指令至负载速度的传递函数，得到G(s)=ωa2s2+(2ξa+Kf)s+ωa2--------(8)]]>在(8)式中，由于通过反馈增益Kf使分母的多项式中s的一次项系数变大，可证明共振特性被衰减。
在图8中，若在从速度指令至负载速度的速度控制系统的外侧构成全闭的位置控制系统时(未作图示)，从位置指令至负载位置的传递函数成为G(s)=KPωa2s3+(2ξaωa+Kf)s2+ωa2s+KPωa2--------(9)]]>
在(9)式中，求出劳斯-赫维茨稳定条件，则成为KP＜2ζaωa+Kf----------(10)因此，依据本实施例，通过反馈增益Kf位置环路增益KP回复到上限，从而可证实位置环路增益KP被无振动再发生地提升。
由此，可解决实质的位置环路增益不能以全闭合方式被提升的问题(课题二)。
并且，如上述，从电动机速度至直线运动位置信号，通过机构的积分特性，充分地衰减电动机速度的高频成分。速度指令由位置指令与直线运动位置信号的差形成，又由于在积分处理后反馈至速度指令，因此本发明的构成对于速度环路的稳定性几乎没有影响，可相对速度环路独立地提升位置环路增益。
由于基于此类考察，本发明可解决先有技术中存在的在降低位置环路振动时发生速度环路振动的问题(课题三)。
以下，参照图1说明整个控制系统的构成。
首先，通过对直线标度(未作图示)所输出的直线运动位置信号的反馈构成位置控制系统，再将位置指令与直线运动位置信号的差乘以位置环路增益(KP)11，作为第一速度指令。速度控制系统10的稳定化补偿器12输入下述的第二速度指令与电动机(未作图示)角速度信号的差，向由控制电动机及电动机转矩的部分(未作图示)构成的转矩控制装置(未作图示)输出转矩指令信号。通过虚线所示的电动机的控制部分来实施控制。
将输入第一速度指令信号和来自比例增益部分(Kf)1的减振信号的加法运算部分的输出作为第二速度指令。微分运算部分2对直线运动位置信号作微分运算后输出直线运动速度信号。通过积分部分3对直线运动速度信号与第二速度指令的差分信号作积分运算后，输入至比例增益部分1。比例增益部分1在乘以适当的增益Kf后输出减振信号。由此，在稳定状态下可提高位置环路增益。
以下，对照
本发明实施例2。
图9是表示本发明的实施例2的电动机位置控制装置的框图。
图10是表示图9所示的位置环路稳定化补偿部分的框图。
图9所示的实施例2是在图13所示的传统实例中，重新组合位置环路稳定化补偿部分18的全闭合控制系统；其在构成上与图13所示系统的不同点在于，追加了输出速度指令补正信号Vrh的位置环路稳定化补偿部分18，以及将速度指令基本信号Vrb与速度指令补正信号Vrh合成的加法运算部分19。与图13相同的其他结构均采用相同记号，不再重复说明。
以下说明动作。
图10是图9所示的位置环路稳定化补偿部分18的详细框图。30是相位调节部分的二次低通滤波器。在减法运算电路308中取出速度指令Vr与在微分电路301中微分运算负载位置信号YL获得的负载速度VL的差，将其输入低通滤波器30。在振荡频率中设定低通滤波器30的参数，使得低频滤波器30的输出信号比输入信号相位延迟90°；将低频滤波器30的输出信号乘以适当的补偿增益Kf′作为速度指令补正信号Vrh，再通过加法运算器19加到速度指令基本信号Vrb上。
这样，根据实施例2，对于速度指令基本信号Vrb所包含的位置环路的共振信号，由于在速度指令补正信号Vrh中被取消，因此能够提升位置环路增益KP。并且，由于未包含积分项，不会留下平稳偏差，所以可进行高精度定位。
以下，对照
本发明的实施例3。
图11是表示本发明实施例3的位置环路稳定化补偿部分的框图。
图11与图10的不同之处在于，用以二次低通滤波器与一次高通滤波器构成的带通滤波器40代替低通滤波器30。其他与图10所示相同的结构均采用相同记号，不再重复说明。再有，图9在这里也通用。
以下进行动作说明。
将速度指令Vr与在微分电路301中微分运算负载位置信号YL获得的负载速度VL的差输入带通滤波器40。在振荡频率上设定带通滤波器40的参数，使得带通滤波器40的输出信号比输入信号相位延迟90°，将带通滤波器40的输出信号乘以适当的补偿增益，作为速度指令补正信号Vrh。
这样，在实施例3中，依照这种补偿方式，与图10所示的场合相比较，除了减振效果之外，也可减小高通滤波器所增加的基值摇晃(ベ-ス摇れ)等在负载位置信号中出现的低频干扰信号的影响。
以下，对照
本发明的实施例4。
图12是表示本发明实施例4的位置环路稳定化补偿部分的框图。
图12与图10的不同之处在于设有速度指令Vr的积分处理部分56，带通滤波器57由一次低通滤波器与一次高通滤波器构成。其他与图11相同的结构均采用相同记号，不再重复说明。
以下说明其动作。
将在积分处理部分56对速度指令Vr积分后获得的信号与负载位置信号YL的差输入带通滤波器57。59为减法运算部分。在共振频率上设定带通滤波器57的参数，使带通滤波器57的输出信号成为与输入信号相同的相位，将带通滤波器57的输出信号乘以适当的补偿增益Kf′，作为速度指令补正信号Vrh。
这样，根据实施例4，此时可取得与图11相同的效果，但是由于低通滤波器为一次滤波器，补偿器的构成与参数的调节均较为简单。
如上所述，根据本发明，在全闭合控制系统的位置控制中，通过反馈增益Kf的作用，可将位置环路增益KP无振动再发生地回复到与半闭合控制系统同等的值。
并且，对于速度指令基本信号包含的位置环路的共振信号，由于可通过使用低通滤波器、带通滤波器等相位调整手段所调整的速度补正信号来消除，由此可提升位置环路增益，同时由于未包含积分项而不会留下平稳偏差，具有可在短时间内进行高精度定位的效果。
工业上的应用可能性本发明的位置控制装置可适用于半导体制造装置等的工业机械的快速、高精度的位置控制。
权利要求
1.一种将安装于直线运动机构的直线运动位置检测部分输出的可动工作台位置信号作为位置反馈信号的电动机位置控制装置，其特征在于设有对所述直线运动位置信号作微分运算后输出直线运动速度信号的微分运算部分；用以计算速度指令信号与所述直线运动速度信号之间的差值的减法运算部分；对所述减法运算部分输出的信号差值作积分运算的积分运算部分；用以输入所述积分运算部分输出信号的比例增益部分；以及将所述比例增益部分的输出信号与所述速度指令信号相加后输出新速度指令的加法运算部分。
2.一种基于对电动机回转位置信号作微分运算后获得的速度信号进行速度控制，同时基于来自安装于电动机所驱动负载的位置检测器的负载位置信号进行位置控制的电动机位置控制装置，其特征在于具备对所述负载位置信号作微分运算后输出负载速度信号的微分运算部分；用以计算所述负载速度信号与速度指令信号之间的差值的减法运算部分；将所述减法运算部分输出的信号差值输入低通滤波器来进行相位调节的相位调节部分；用以输入所述相位调节部分输出信号的比例增益部分；以及将所述比例增益部分的输出信号与所述速度指令信号相加后输出新速度指令信号的加法运算部分。
3.如权利要求2所述的电动机位置控制装置，其特征在于所述相位调节部分将所述减法运算部分输出的信号差值输入带通滤波器来进行相位调节。
4.一种基于对电动机回转位置信号作微分运算后获得的速度信号来进行速度控制，同时基于来自安装于电动机所驱动负载的位置检测器的负载位置信号来进行位置控制的电动机位置控制装置，其特征在于设有对速度指令信号作积分运算的积分运算部分；用以计算所述负载位置信号与所述积分运算部分输出的积分信号之间的差值的减法运算部分；将所述减法运算部分输出的信号差值输入带通滤波器来进行相位调节的相位调节部分；用以输入所述相位调节部分输出信号的比例增益部分；以及将所述比例增益部分的输出信号与所述速度指令信号相加后输出新速度指令信号的加法运算部分。
全文摘要
提供一种在全闭合控制系统中能够无振动再发生地提高位置环路增益的电动机位置控制装置,该装置将安装于直线运动机构的直线运动位置检测部分输出的可动工作台位置信号作为位置反馈信号。所述电动机位置控制装置中设有:对直线运动位置信号作微分运算后输出直线运动速度信号的微分运算部分2；计算速度指令信号与直线运动速度信号之差的减法运算部分4；对减法运算部分输出的信号差值作积分运算的积分运算部分3；输入积分运算部分的输出信号的比例增益部分1；以及将比例增益部分的输出信号与速度指令信号相加后输出新速度指令V
文档编号G05B19/19GK1367887SQ00810958
公开日2002年9月4日 申请日期2000年6月1日 优先权日1999年6月4日
发明者张文农, 加来靖彦, 大久保整, 中野胜 申请人:株式会社安川电机