CN102006011A - 具有同时推定惯量和摩擦的功能的电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有同时推定惯量和摩擦的功能的电动机的控制装置，其与惯量或粘性摩擦同时推定库仑摩擦本身，降低了库仑摩擦对推定惯量的精度的影响。另外，该控制装置不使用傅立叶变换器，使用反函数模型逐次自适应地同时推定惯量或粘性摩擦、库仑摩擦，以使推定误差达到最小，因此不需要存储在预定时间采样而得的数据，因此不需要大量的数据存储器。

Description

具有同时推定惯量和摩擦的功能的电动机的控制装置

技术领域

本发明涉及对驱动机床或工业机械的驱动轴的电动机进行控制的电动机的控制装置，尤其涉及具有同时推定该驱动轴的惯量(inertia)和摩擦的功能的电动机的控制装置。

背景技术

知道通过电动机驱动的机床等中的被驱动体的惯量和粘性摩擦或库仑摩擦的大小，在决定该机床等的加工条件等方面是重要的，在高精度地控制通过该电动机驱动的驱动轴方面也是重要的。

例如，当作为加工条件而决定加减速指令的时间常数时，为了能够进行稳定的控制、并且充分地发挥电动机的加减速的能力，需要准确地知道惯量和摩擦。另外，在控制中，在计算决定速度控制的响应性的增益方面也需要准确得知惯量和摩擦。而且，可以使用惯量或摩擦来构成干扰观测器(disturbanceobserver)，提高伺服的鲁棒性。

作为推定惯量的技术，在JP特开平8-140386号公报中公开了以下技术：根据电动机的动作中的电流反馈I、根据速度反馈求出的加速度a、和电动机的转矩常数Kt，通过J＝I·Kt/a的式子求出惯量。

另外，作为推定摩擦的技术，在JP特开平8-15058号公报中公开了以下技术：通过不同的两个速度驱动电动机，根据达到稳定状态时的转矩求出粘性摩擦和库仑摩擦。

如上所述，推定惯量或摩擦的技术一般根据电动机的动作中的电流反馈I、和根据速度反馈而求出的加速度a来进行计算，但与此不同还存在以下技术：定义控制对象的内部模型，推定模型的常数、即惯量和摩擦，以便减小从对其给予转矩指令时的模型输出的速度和实际速度之间的误差。

例如在JP特开平8-249031号公报中公开了以下技术：根据对给予加速指令时的速度和模型速度进行比较的关系式，使用最小二乘法计算惯量和摩擦。该技术在预定时间内对加速中的电流和速度进行采样，根据该存储的数据通过最小二乘法计算惯量和摩擦。

但是，像重力轴等那样存在施加恒定力的转矩偏置(torque offset)或较大的库仑摩擦时，惯量的推定精度恶化。作为该对策，在JP特开2006-074896号公报中公开了以下技术：通过在关系式上乘以速度反馈的微分然后进行积分，或者对关系式进行微分，进而乘以速度反馈的微分然后进行积分这样的计算，来推定惯量和粘性摩擦。

另外，动作范围受限制的机械中，作为推定惯量和摩擦的技术，在JP特开2007-295678号公报中公开了以下技术：根据转矩指令的傅立叶系数和电动机位置的傅立叶系数推定***常数(惯量或摩擦)。

在JP特开2000-172341号公报中公开了使用M系列进行惯量推定的技术。

在被驱动体的构造复杂的情况下，准确得知被驱动体的惯量和摩擦并不容易。另外，在由于工件的装卸等，被驱动体的惯量或摩擦变化的情况下，需要每次掌握惯量或摩擦，准确且短时间地进行掌握并不容易。

所述JP特开平8-140386号公报中公开的技术中，由于需要稳定加减速转矩，因此需要使电动机在比较宽的驱动范围内动作，推定时间会延长。

所述JP特开平8-15058号公报中公开的技术中，需要在第一速度的稳定状态下求出转矩，加速后求出此时的加速转矩，进而在第二速度的稳定状态下求出转矩的步骤，需要较宽的动作范围，不容易应用于动作范围受限制的机床等中。

所述JP特开平8-249031号公报中公开的技术中，要求较宽的动作范围，需要用于进行数据存储的大量的数据存储器。另外，虽然粘性摩擦可以推定，但库仑摩擦无法推定。

所述JP特开2006-074896号公报中公开的技术中，与所述JP特开平8-249031号公报中公开的技术同样，需要用于数据存储的大量存储器。

所述JP特开2007-295678号公报中公开的技术中，为了求出傅立叶系数，需要进行傅立叶变换，需要以某种程度存储位置以及转矩的数据，需要大量数据存储器。

与此对应，本申请的申请人在2008年12月16日在日本申请的JP特愿2008-320088号专利申请中记载了以下发明：在控制装置的转矩指令上加上适当频率的正弦波状指令来推定惯量。在该发明中，电动机的动作成为微小的范围，不受驱动范围的制约。另外，通过提高频率可以缩短推定时间。但是，当摩擦较大时，存在惯量的推定精度恶化的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于，鉴于上述现有技术的问题，提供一种具有同时推定惯量和摩擦、并提高惯量的推定精度的功能的电动机的控制装置。

为了达到上述目的，本发明提供一种控制装置，用于控制驱动机床或工业机械的驱动轴的电动机，其中，具有：正弦波状指令单元，其将正弦波状指令加在所述控制装置的转矩指令或速度指令上；电流反馈值取得单元，其在每个采样周期取得流过所述电动机的电流的电流反馈信号，作为电流反馈值；速度反馈值取得单元，其在每个采样周期取得所述电动机的速度的速度反馈信号，作为速度反馈值；推定电流值计算单元，其根据在所述每个采样周期取得的速度反馈值、所述驱动轴的推定惯量、以及推定摩擦力，计算推定电流值；推定误差计算单元，其根据在所述每个采样周期取得的电流反馈值和所述推定电流值，计算推定误差；以及更新单元，其使用在所述每个采样周期检测出的速度反馈值和所述推定误差，更新所述驱动轴的推定惯量和推定摩擦。

所述推定电流值计算单元具有：速度差计算单元，其计算在所述每个采样周期检测出的速度反馈的此次采样而得的速度反馈值、与前一次采样而得的速度反馈值的差分；第一计算单元，其计算通过所述速度差计算单元计算出的速度反馈值的差分与所述推定惯量的积；第二计算单元，其计算所述此次采样而得的速度反馈值与推定粘性摩擦的积；以及第三计算单元，其计算所述此次采样而得的速度反馈的极性与推定库仑摩擦的积，所述推定电流值计算单元，可以使用通过所述第一计算单元、所述第二计算单元以及所述第三计算单元求出的值，计算所述推定电流值。

所述推定电流值计算单元可以使用下式计算推定电流值：

$x\left(n\right)=\frac{\mathrm{Jm}}{\mathrm{Kt}\·T}\·(\mathrm{\ω}\left(n\right)-\mathrm{\ω}(n-1))+\frac{C1}{\mathrm{Kt}}\·\mathrm{\ω}\left(n\right)+\frac{C3}{\mathrm{Kt}}\·\mathrm{sign}\left(\mathrm{\ω}\left(n\right)\right)$

其中，Jm是推定惯量，Kt是电动机的转矩常数，T是采样周期，C1是推定粘性摩擦，C3是推定库仑摩擦，sign是符号，ω(n)是在此次的周期中采样而得的速度反馈值，ω(n-1)是在前一次周期中采样而得的速度反馈值，x(n)是推定电流值，n＝1、2、3...。

所述更新单元可以具备：差分计算单元，其计算在所述每个采样周期取得的速度反馈值中、此次的采样周期中取得的速度反馈值与前一次采样周期中取得的速度反馈值的差分；第四计算单元，其计算通过所述差分计算单元计算出的速度反馈值的差分、所述推定误差、与决定推定速度的常数μ1三者的积；第五计算单元，其计算所述此次的采样周期中取得的速度反馈值、所述推定误差、与决定推定速度的常数μ2三者的积；第六计算单元，其计算所述此次的采样周期中取得的速度反馈值的极性、所述推定误差、与决定推定速度的常数μ3三者的积；推定惯量计算单元，其将通过所述第四计算单元计算出的结果与当前的推定惯量相加，由此计算新的推定惯量；推定粘性摩擦计算单元，其将通过所述第五计算单元计算出的结果与当前的推定粘性摩擦相加，由此计算新的推定粘性摩擦；以及推定库仑摩擦计算单元，其将通过所述第六计算单元计算出的结果与当前的推定库仑摩擦相加，由此计算新的推定库仑摩擦。

所述更新单元，当把计算所述推定电流的式子改写成

x(n)＝h₀·v₀(n)+h₁·v₁(n)+h₂·v₂(n)的形式时，

其中，h₀＝Jm/(Kt·T)、h₁＝C1/Kt、h₂＝C3/Kt、v₀(n)＝(ω(n)-ω(n-1))、v₁(n)＝ω(n)、v₂(n)＝sign(ω(n))，

可以通过下述的两个式子在每个采样周期更新上述系数h₀、h₁、h₂，

h_m(n)＝h_m(n-1)+μ_m(n)·e(n)·v_m(n)

${\mathrm{\μ}}_m\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_m}{1+\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}{v}_m{\left(n\right)}^2}$

其中，e(n)是推定误差，η_m是决定推定速度的常数，m＝0、1、2，n＝1、2、3...。

所述电流反馈值取得单元，可以经由使所述电流反馈信号延迟所述采样周期的1/2周期的延迟单元，在所述每个采样周期取得所述电流反馈值。

所述推定误差计算单元，可以使所述电流反馈值通过高通滤波器来计算推定误差。

所述控制装置，可以代替所述正弦波状指令单元而具备：生成M系列指令的M系列指令单元、和来自所述M系列指令单元的M系列指令通过的低通滤波器，将通过该低通滤波器后的该M系列指令加在所述控制装置的转矩指令或速度指令上。

可以构成：使用所述推定惯量和所述推定摩擦，根据在所述每个采样周期取得的电流反馈值和所述推定电流值计算推定干扰转矩的干扰观测器，所述控制装置可以还具备：乘以调整该推定干扰转矩的修正量的修正增益Kd的单元；以及将该结果与转矩指令相加的单元。

通过本发明，可以提供具有同时推定惯量和摩擦，并且提高惯量的推定精度的功能的电动机的控制装置。

根据本发明，通过使用正弦波输入或M系列输入，动作区域小，不使用最小二乘法，通过每当采样时逐次更新惯量和推定摩擦的方法，不需要存储在预定时间采样而得的数据，不需要大量的数据存储器。而且，不仅可以推定粘性摩擦，也可以同时推定库仑摩擦。

根据本发明，使用与惯量和粘性摩擦同时推定库仑摩擦本身的方法，可以减小库仑摩擦对推定惯量的精度的影响。

另外，根据本发明，采用了不使用傅立叶变换器而使用反函数模型逐次自适应地同时推定惯量和粘性摩擦、库仑摩擦以使推定误差达到最小的方法，因此，不需要存储在预定时间采样而得的数据，因此不需要大量的数据存储器。

附图说明

图1是表示包含本发明的控制装置的一个实施方式的控制***的概要结构的框图。

图2是进一步详细说明图1所示的控制***中的伺服控制装置的结构的框图。

图3是说明图2所示的惯量·摩擦推定部的结构的框图。

图4说明在本发明的控制装置中实施的反函数推定。

图5说明在图4所示的反函数推定部中推定(2)式的系数hm，以使推定误差e(n)减小。

图6表示粘性摩擦和库仑摩擦的摩擦特性和速度的关系。

图7是包含惯量·摩擦推定部的伺服控制部中的惯量·摩擦推定处理的流程图。

图8说明在对速度反馈信号进行采样时的差分运算的延迟。

图9说明具有使电流反馈信号延迟采样周期的1/2周期，在每个采样周期检测电流反馈信号的单元的、本发明的控制装置的一个实施方式。

图10说明使电流反馈值通过高通滤波器来去除转矩偏置的影响，提高推定精度。

图11说明代替正弦波状指令而使用M系列指令的实施方式。

图12A-图12D说明通过把用于推定的速度输入设为M系列指令，推定精度和推定速度提高。

图13说明通过停止反函数推定部和正弦波输入，把进行加工时的干扰转矩作为推定误差而输入，使用该推定误差(＝推定干扰转矩)修正转矩指令，来抑制加工干扰的影响，能够进行高精度的加工。

具体实施方式

图1是表示包含本发明的控制装置的一个实施方式的控制***的概要结构的框图。

如图1所示，在本发明的控制装置的一个实施方式(伺服控制装置10)中，把使被驱动体4动作的电动机2作为控制对象。电动机2例如是改变在机床中保持工件的工作台的位置或姿态的驱动源，或者被用作使机器人的手臂旋转动作的驱动源。作为被驱动体4，例如包含在机床中保持工件的工作台或机器人的手臂、在工作台或手臂上装卸的工件等，另外，也包含电动机2自身的动作部分。另外，该被驱动体4具有由粘性摩擦和库仑摩擦组成的摩擦特性。

通过伺服控制装置10控制电动机2的位置、速度、转矩。伺服控制装置10与根据作业工序输出电动机2的位置、速度或转矩的指令的CNC(数值控制装置)等上位控制装置20连接。在上位控制装置20上可以连接多个伺服控制装置10。

上位控制装置20如使用图2在后面描述的那样，具有分别向伺服控制装置10的正弦波状指令发生部40以及惯量·摩擦推定部30发送开始信号的功能。另一方面，惯量·摩擦推定部30具有当结束惯量和摩擦的推定值的计算时，向上位控制装置20发送计算完成信号、以及推定而得的惯量的数据的功能。上位控制装置20具有接收从惯量·摩擦推定部30发送的完成信号、以及推定而得的推定惯量Jm的功能。

图2是进一步详细说明图1所示的伺服控制装置10的结构的框图。

如图2所示，伺服控制装置10具备位置控制部11、速度控制部12、电流控制部13以及放大器14。位置控制部11以及速度控制部12分别基于所设定的位置增益Kp以及速度增益Kv，根据来自上位控制装置20的指令信号、和来自附属于电动机2的检测器3的位置和速度的反馈信号而动作。电流控制部13的输出(电压指令)被输入放大器14。放大器14根据输入信号控制对电动机2的供给电力。

伺服控制装置10还具备惯量·摩擦推定部30。对惯量·摩擦推定部30输入来自附属于电动机2的检测器3的速度反馈信号和来自放大器14的电流反馈信号。惯量·摩擦推定部30使用速度反馈信号和电流反馈信号，同时计算被驱动体4的惯量(惯性力矩)和摩擦。通过计算而求得的惯量的数据与完成信号一起被输出到上位控制装置20。可以区别粘性摩擦和库仑摩擦来计算摩擦。

图3是说明图2所示的惯量·摩擦推定部30的结构的框图。

在图3中，电流反馈采样部31以预定的采样周期T对表示流过电动机2的电流值的电流反馈信号进行采样，并作为电流反馈值i(n)FB取入到惯量·摩擦推定部30。同样地，速度反馈采样部32以预定的采样周期T对从检测电动机2的速度的检测器3输出的速度反馈信号进行采样，并作为速度反馈值ω(n)FB取入到惯量·摩擦推定部30。

反函数模型33是同时考虑了与控制对象1的实际惯量Jms对应的推定惯量Jm、以及与实际摩擦Cfs对应的推定摩擦Cf的函数式。通过反函数模型33区别推定粘性摩擦C1和推定库仑摩擦C3地计算推定摩擦Cf。

反函数推定部34是推定控制对象1的实际惯量Jms和实际摩擦Cfs的计算式。该反函数推定部34通过计算来推定使推定误差e(n)减小的反函数模型33的系数。通过由反函数推定部34推定出的系数，更新反函数模型33的计算式的系数，可以减小推定误差e(n)。在此，所谓系数是指推定惯量Jm、推定粘性摩擦C1、以及推定库仑摩擦C3。

在图3所示的惯量·摩擦推定部30中，关于与上位控制装置20进行信号收发的功能省略了记载。

图4说明在本发明的控制装置中实施的反函数推定。

在图4中，如使用图3说明的那样，惯量·摩擦推定部30具备：电流反馈采样部31、速度反馈采样部32、反函数模型33以及反函数推定部34。惯量·摩擦推定部30，当接收从上位控制装置20输出的开始信号时(参照图2)，开始惯量和摩擦的推定处理。

电流反馈采样部31以预定的采样周期T对表示流过电动机2的电流值的电流反馈信号i(t)进行采样，并作为电流反馈值i(n)FB取入到惯量·摩擦推定部30。同样地，速度反馈采样部32以预定的采样周期T对从检测电动机2的速度的检测器3输出的速度反馈信号ω(t)进行采样，并作为速度反馈值ω(n)FB取入到惯量·摩擦推定部30。

速度反馈采样部32采样而得的速度反馈值ω(n)FB被输入反函数模型33以及反函数推定部34。反函数模型33是同时考虑了通过反函数推定部34推定出的推定惯量Jm和推定摩擦Cf的函数式。通过反函数模型33区别推定粘性摩擦C1和推定库仑摩擦C3地计算推定摩擦Cf。从反函数模型33输出推定了电流值的推定电流值x(n)。并且，求出该推定电流值x(n)与电流反馈值i(n)FB的差、即推定误差e(n)。

反函数推定部34是推定控制对象1的实际惯量Jms和实际摩擦Cfs的计算式。该反函数推定部34在每个采样周期通过计算来推定使推定误差e(n)减小的反函数模型33的系数。通过由反函数推定部34推定出的系数，更新反函数模型33的计算式的系数，可以减小推定误差e(n)。所谓反函数模型33的系数是指推定惯量Jm以及推定摩擦Cf。并且，推定摩擦Cf是推定粘性摩擦C1和推定库仑摩擦C3。

图5说明通过图4所示的反函数推定部34推定后述的(2)式的系数hm，以使推定误差e(n)减小。

反函数模型33通过下述的(1)式计算推定电流值x(n)。

$x\left(n\right)=\frac{\mathrm{Jm}}{\mathrm{Kt}\·T}\·(\mathrm{\ω}\left(n\right)-\mathrm{\ω}(n-1))+\frac{C1}{\mathrm{Kt}}\·\mathrm{\ω}\left(n\right)+\frac{C3}{\mathrm{Kt}}\·\mathrm{sign}\left(\mathrm{\ω}\left(n\right)\right)...\left(1\right)$

其中，上式中，Jm是推定惯量，Kt是电动机的转矩常数，T是采样周期，C1是推定粘性摩擦，C3是推定库仑摩擦，sign是符号，ω(n)是此次采样而得的速度反馈值，ω(n-1)是前一次采样而得的速度反馈值，x(n)是推定电流值。另外，n＝1、2、3...。sign是-1、0、+1的某一个。

如以上(1)式所示，通过惯量项、粘性摩擦项以及库仑摩擦项对本发明中的反函数模型33进行了模型化。图6表示粘性摩擦和库仑摩擦的摩擦特性与速度的关系。

在此，为了简化标记而将(1)式改写为下述(2)式。

x(n)＝h₀·v₀(n)+h₁·v₁(n)+h₂·v₂(n)...(2)

其中，h₀＝Jm/Kt/T，h₁＝C1/Kt，h₂＝C3/Kt。另外，定义v₀(n)＝ω(n)-ω(n-1)，v₁(n)＝ω(n)，v₂(n)＝sign(ω(n))。另外，n＝1、2、3、...。

本发明即使从零或适当的值开始对推定惯量Jm、推定摩擦Cf(C1、C3)的初始值(h₀、h₁、h₂)进行推定，也可以使它们收敛于实际惯量Jms、实际摩擦Cfs。通常存储前一次推定而求出的数据，设定为初始值即可。

更新上面的(2)式的系数h₀(n)、h₁(n)、h₂(n)的式子，通过以下所示的(3)式以及(4)式来表示。在每个采样周期进行系数h₀(n)、h₁(n)、h₂(n)的更新。反函数推定部34推定反函数模型33的(2)式的系数h_m(n)，以使推定误差e(n)减小。其中，m＝0、1、2。m＝0是惯量的情况，m＝1是粘性摩擦的情况，m＝2是库仑摩擦的情况。

h_m(n)＝h_m(n-1)+μ_m(n)·e(n)·v_m(n)...(3)

其中，e(n)是推定误差。n＝1、2、3、...。

${\mathrm{\μ}}_m\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_m}{1+\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}{v}_m{\left(n\right)}^2}...\left(4\right)$

其中，η_m(m＝0、1、2)是用于决定推定速度的常数。另外，n＝1、2、3、...。

图7是包含惯量·摩擦推定部30的伺服控制部10中的惯量·摩擦推定处理的流程图。以下，按照各步骤进行说明。

[步骤S1]表示等待来自上位控制装置20的惯量·摩擦推定部30中的推定处理的开始指令的动作。惯量·摩擦推定部30的处理的开始时刻，可以在上位控制装置20中作为与处理工序对应的各部的动作之一，由操作员预先设定。或者，也可以使上位控制装置20自动判定被驱动体4的实际惯量Jms由于工件的装卸等而变化的时刻，输出惯量·摩擦推定处理部30的开始指令。

[步骤S2]当输入开始信号时，首先，正弦波状指令发生部40输出预定频率(例如10Hz)的正弦波状指令。所输出的正弦波状指令被加在从速度控制部12输出的转矩指令上。此时，最好将速度控制部12控制成输出恒定的转矩指令。由此，始终把惯量和摩擦的推定处理的动作作为相同的动作，可以抑制推定精度的波动。

[步骤S3]读入反函数模型33的系数的初始值。

[步骤S4]取入速度反馈值ω(0)的反馈(FB)。

[步骤S5]将指标n设定为1。

[步骤S6]以预定的采样周期T，分别从电流反馈采样部31和速度反馈采样部32取入电流反馈信号和速度反馈信号，作为电流反馈值i(n)FB和速度反馈值ω(n)FB。

[步骤S7]使用速度反馈值ω(n)FB，根据反函数模型33计算推定电流值x(n)。

[步骤S8]根据电流反馈值i(n)FB和推定电流值x(n)计算推定误差e(n)。

[步骤S9]判断在步骤S8中计算出的推定误差e(n)是否在预定范围内，若在预定范围内则向步骤S12转移，若不在预定范围内则向步骤S10转移。在预定范围内意味着推定惯量Jm、推定粘性摩擦C1和推定库仑摩擦C3收敛于真值。

[步骤S10]将指标n的值增加1。

[步骤S11]使用推定误差e(n)和速度反馈值ω(n)FB，用反函数推定部34通过反函数推定运算推定惯量和摩擦，向步骤S6转移，继续处理。

[步骤S12]将推定惯量Jm输出到上位控制装置20，结束处理。

上位控制装置20，当从惯量·摩擦推定部30取得推定惯量Jm时，可以进行加减速的时间常数、最佳速度增益的计算。通过计算而求出的加减速的时间常数，在通过上位控制装置20进行指令计算时使用，最佳速度增益的数据被发送到伺服控制装置10。

根据上述本发明的控制装置的一个实施方式，通过使用从正弦波状指令发生部40输出的正弦波状指令，动作区域减小，在不使用最小二乘法，在每次采样时逐次更新推定惯量Jm和推定摩擦Cf(C1、C2)的方法中，不需要存储在预定时间采样而得的数据，仅仅存储反函数模型33的系数的至少在前一采样周期中计算出的数据，不需要大量的数据存储器。而且，不仅可以推定推定粘性摩擦C1，还可以同时推定推定库仑摩擦C3。

如上所述，使用了与惯量和粘性摩擦同时地推定库仑摩擦本身的方法，可以减小库仑摩擦对推定惯量Jm的精度给予的影响。

由于采用了不使用傅立叶变换器，为使推定误差达到最小而使用反函数模型逐次自适应地同时推定惯量或粘性摩擦、库仑摩擦的方法，因此不需要存储在预定时间采样而得的数据，因此不需要大量的数据存储器。

接下来，说明由于在离散***中通过差分运算进行微分而产生的问题。

图8说明对速度反馈信号进行采样时的差分运算的延迟。在表示速度反馈信号ω(t)的曲线100中，第n次的采样点的微分值成为线段102的斜率。但是，在离散***中通过差分运算进行微分时，当根据第n-1次和第n次的差分求斜率时，成为线段104那样的斜率。

另一方面，在反函数模型33中，如上面的(1)式所示，惯量项包含速度ω(100)的差分运算。由于(1)式的惯量项占支配地位，因此，修正作为电流反馈值i(n)FB和推定电流值x(n)的差分而求出的推定误差e(n)，以使该惯量项的计算输出与电流反馈值i(n)FB的差减小。

因此，为了修正线段102的斜率与线段104的斜率的差，使电流反馈信号延迟1/2采样周期。例如，若采样周期T为1msec，则延迟的时间为0.5msec。延迟1/2采样周期后的时刻108的速度ω(100)的斜率如符号106所表示的那样，大体成为线段104。即，从延迟了采样周期T的1/2的电流反馈信号中对计算推定误差e(n)时的电流反馈值i(n)FB进行采样即可。

图9说明具有使电流反馈信号i(t)延迟采样周期的1/2周期，在每个采样周期检测电流反馈信号i(t)的单元的、本发明的控制装置的一个实施方式。电流反馈信号i(t)通过延迟单元35，使其延迟采样周期T的1/2周期，被输入电流反馈采样部31。

在对被驱动体4施加恒定的力的情况下，例如需要去除重力轴等情况下的转矩偏置。为此，如图10所示，使电流反馈值i(n)FB通过高通滤波器36来去除转矩偏置的影响，提高推定精度。该高通滤波器36为了不影响在推定时输入的正弦波状指令的频率，需要是足够低的频带。另外，通过应用高通滤波器36，可以通过简单的计算去除转矩偏置的影响。

而且，本发明中不需要存储在预定时间采样而得的数据，因此不需要大量的数据存储器。如后所述，在代替在推定时输入的正弦波状指令而输入M系列指令的情况下，也可以通过使用高通滤波器36去除转矩偏置的影响。

在上述本发明的控制装置的一个实施方式中使用了正弦波状指令。如此，在单一频率的正弦波状输入的情况下，关于惯量和摩擦的推定值的收敛速度和精度，存在最佳频率，因此需要搜索该最佳频率。为了可以不进行该搜索，使用M系列指令。

图11说明代替正弦波状指令而使用M系列指令的实施方式。

M系列指令发生部41通过来自上位控制装置20的指令，开始M系列指令的输出。从M系列指令发生部41输出的M系列指令经由低通滤波器42被加在转矩指令上。

M系列指令是0和1的不规则信号，为了避免急剧的指令变化，通过使M系列指令通过低通滤波器42来去除高频部分，可以不受转矩指令限制。

在推定时使用M系列指令的优点是由于M系列是包含大量频率成分的信号。在单一频率的正弦波状输入的情况下，关于推定值的收敛速度和精度存在最佳频率。但是，在使用M系列指令的情况下，可以不搜索最佳频率地获得接近最佳的推定值的收敛速度和精度。

对M系列进行简要说明。用于辨识的输入，由于需要激发其对象具有的大量模式，因此，作为输入信号需要包含大量频率成分。真正的不规则信号即白噪声满足此条件，但不可实现，因此，代为使用根据某规则而生成的伪不规则信号。在过去最常使用的一个伪不规则信号中存在仅具有二值的M系列。

通过向具有被称为M系列的次数的级数的移位寄存器输入时钟，可以规则地产生伪不规则信号，其性质已被深入研究而已知，在通过移位寄存器决定的其周期内具有不规则性。

此外，在所述JP特开2000-172341号公报中公开的技术使用M系列进行惯量推定，但推定算法与本发明的控制装置的一个实施方式不同，另外，还不进行摩擦的推定。

图12A～图12D说明在本发明的控制装置的一个实施方式中，把用于推定的速度输入做成M系列指令，由此提高推定精度和推定速度。

图12D表示使用单一频率的正弦波状信号推定摩擦系数时的收敛时间与推定系数的精度。由此可知，在精度高的频率区域中收敛时间长，在收敛时间短的频率区域中精度恶化。

图12A～图12C是为了观察M系列输入的效果，而比较正弦波状输入时的摩擦系数的收敛速度以及精度、与M系列输入时的摩擦系数的收敛速度以及精度的图表。正弦波是振幅为17rad/s、频率为5Hz的输入，M系列是振幅与正弦波相同，时钟为100msec的10次特性多项式＝x¹⁰+x³+1的输入。图12A是正弦波指令的情况，库仑摩擦C3缓慢地收敛于库仑摩擦C3的理论值。另一方面，在M系列指令的情况下如图12B所示，库仑摩擦C3迅速收敛于理论值。图12C表示输入了M系列指令时得到的摩擦特性。如图12C所示，控制对象的摩擦特性和推定摩擦特性大体一致。

使用上述的本发明的控制装置的一个实施方式中求出的推定惯量Jm和推定摩擦Cf，可以构成推定加工时的加工干扰转矩的干扰观测器。使用图13进行说明。将切换开关37连接在反函数推定部34一侧(接点37a)，首先，在没有干扰的状态下推定惯量和摩擦。

接着，如图13所示，可以停止反函数推定部34和正弦波状转矩指令发生部40或M系列指令发生部41，将切换开关37切换到修正增益Kd一侧(接点37b)，推定进行加工时的干扰转矩来作为推定误差e(n)。使用该推定误差e(n)＝推定干扰转矩，修正来自速度控制部12的转矩指令，由此可以抑制加工干扰的影响，进行高精度的加工。来自速度控制部12的转矩指令的修正量可以通过修正增益Kd来调整。

本发明，特别是在电动机对被驱动体的直接驱动中，推定根据装卸的工件种类的变化而变化的控制对象的惯量和摩擦，使用其结果推定加工干扰，通过抑制加工干扰来提高加工精度，或者在进行加减速时间常数或速度增益的最佳化时发挥效果。

对速度控制部12的速度反馈值或对电流控制部13的电流反馈值，可以由惯量·摩擦推定部30的各采样单元共用。并且，可以通过数字滤波器来构成延迟单元35、高通滤波器36。

Claims (9)

1.一种控制装置，用于控制驱动机床或工业机械的驱动轴的电动机，其特征在于，具有：

正弦波状指令单元，其将正弦波状指令加在所述控制装置的转矩指令或速度指令上；

电流反馈值取得单元，其在每个采样周期取得流过所述电动机的电流的电流反馈信号，作为电流反馈值；

速度反馈值取得单元，其在每个采样周期取得所述电动机的速度的速度反馈信号，作为速度反馈值；

推定电流值计算单元，其根据在所述每个采样周期取得的速度反馈值、所述驱动轴的推定惯量、以及推定摩擦力，计算推定电流值；

推定误差计算单元，其根据在所述每个采样周期取得的电流反馈值和所述推定电流值，计算推定误差；以及

更新单元，其使用在所述每个采样周期检测出的速度反馈值和所述推定误差，更新所述驱动轴的推定惯量和推定摩擦，

所述控制装置同时推定惯量和摩擦。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述推定电流值计算单元具有：

速度差计算单元，其计算在所述每个采样周期检测出的速度反馈的此次采样而得的速度反馈值、与前一次采样而得的速度反馈值的差分；

第一计算单元，其计算通过所述速度差计算单元计算出的速度反馈值的差分与所述推定惯量的积；

第二计算单元，其计算所述此次采样而得的速度反馈值与推定粘性摩擦的积；以及

第三计算单元，其计算所述此次采样而得的速度反馈的极性与推定库仑摩擦的积，

所述推定电流值计算单元使用通过所述第一计算单元、所述第二计算单元以及所述第三计算单元求出的值，计算所述推定电流值。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，

所述推定电流值计算单元使用下式计算推定电流值：

$x\left(n\right)=\frac{\mathrm{Jm}}{\mathrm{Kt}\·T}\·(\mathrm{\ω}\left(n\right)-\mathrm{\ω}(n-1))+\frac{C1}{\mathrm{Kt}}\·\mathrm{\ω}\left(n\right)+\frac{C3}{\mathrm{Kt}}\·\mathrm{sign}\left(\mathrm{\ω}\left(n\right)\right)$

其中，Jm是推定惯量，Kt是电动机的转矩常数，T是采样周期，C1是推定粘性摩擦，C3是推定库仑摩擦，sign是符号，ω(n)是在此次的周期中采样而得的速度反馈值，ω(n-1)是在前一次周期中采样而得的速度反馈值，x(n)是推定电流值，n＝1、2、3...。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述更新单元具备：

差分计算单元，其计算在所述每个采样周期取得的速度反馈值中、此次的采样周期中取得的速度反馈值与前一次采样周期中取得的速度反馈值的差分；

第四计算单元，其计算通过所述差分计算单元计算出的速度反馈值的差分、所述推定误差、与决定推定速度的常数μ1三者的积；

第五计算单元，其计算所述此次的采样周期中取得的速度反馈值、所述推定误差、与决定推定速度的常数μ2三者的积；

第六计算单元，其计算所述此次的采样周期中取得的速度反馈值的极性、所述推定误差、与决定推定速度的常数μ3三者的积；

推定惯量计算单元，其将通过所述第四计算单元计算出的结果与当前的推定惯量相加，由此计算新的推定惯量；

推定粘性摩擦计算单元，其将通过所述第五计算单元计算出的结果与当前的推定粘性摩擦相加，由此计算新的推定粘性摩擦；以及

推定库仑摩擦计算单元，其将通过所述第六计算单元计算出的结果与当前的推定库仑摩擦相加，由此计算新的推定库仑摩擦。

5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，

所述更新单元，

当把计算所述推定电流的式子改写成

x(n)＝h₀·v₀(n)+h₁·v₁(n)+h₂·v₂(n)

的形式时，

其中，h₀＝Jm/(Kt·T)、h₁＝C1/Kt、h₂＝C3/Kt、v₀(n)＝(ω(n)-ω(n-1))、v₁(n)＝ω(n)、v₂(n)＝sign(ω(n))，

通过下述的两个式子在每个采样周期更新上述系数h₀、h₁、h₂，

h_m(n)＝h_m(n-1)+μ_m(n)·e(n)·v_m(n)

${\mathrm{\μ}}_m\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_m}{1+\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}{v}_m{\left(n\right)}^2}$

其中，e(n)是推定误差，ηm是决定推定速度的常数，m＝0、1、2，n＝1、2、3...。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述电流反馈值取得单元，经由使所述电流反馈信号延迟所述采样周期的1/2周期的延迟单元，在所述每个采样周期取得所述电流反馈值。

7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述推定误差计算单元使所述电流反馈值通过高通滤波器来计算推定误差。

8.根据权利要求1的控制装置，其特征在于，

所述控制装置，代替所述正弦波状指令单元而具备：生成M系列指令的M系列指令单元、和来自所述M系列指令单元的M系列指令通过的低通滤波器，

将通过该低通滤波器后的该M系列指令加在所述控制装置的转矩指令或速度指令上。

9.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

构成：使用所述推定惯量和所述推定摩擦，根据在所述每个采样周期取得的电流反馈值和所述推定电流值计算推定干扰转矩的干扰观测器，

所述控制装置还具备：

乘以调整该推定干扰转矩的修正量的修正增益Kd的单元；以及

将该结果与转矩指令相加的单元。

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