CN102158155A - 电动机控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机控制方法和装置，其即使在机械***中存在刚性低的部分，也不会使定位精度降低，并且能够抑制机械***的微振动。当前速度数据生成部(9)基于差分当前位置数据生成部(7)生成的差分当前位置数据，生成电动机M的可动元件的当前速度数据。当前速度数据生成部(9)在极性判定部(11)判定极性发生了变化之后，立刻将从差分当前位置数据生成部(7)输出的差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零，生成当前速度数据。当前速度数据生成部(9)在经过了n个取样周期之后，将差分当前位置数据从零返回到实际的数据。其结果，能够防止由不能控制的力的影响使可动元件的振动变大而发生噪声。

Description

电动机控制方法和装置

技术领域

本发明涉及用于进行由机床等使用的电动机的高精度定位的电动机控制方法和装置。

背景技术已

在使用电动机的机床等的电动机的定位装置中，通过数字·编码器来检测电动机的可动元件的当前位置，从而将电动机的可动元件定位在与位置指令相应的位置上。在这种现有技术的装置中，例如将位置指令设为0，在使电动机停止于指令位置的情况下，由于位置检测是通过数字值检测的，因此在可动元件上经常产生编码器之输出的±1个脉冲部分的变动。在连接电动机和负载的机械***是刚体的情况下，该变动不会被放大，不会产生大的问题。但是，当在连接电动机和负载的机械***中存在刚性低的部分的情况下，有时根据条件，该变动被放大，并且产生与机械***共振的微振动。

例如，在通过将滚珠螺杆连结机构连接到电动机的轴来构成机械***的情况下，在滚珠螺杆连结机构的滚珠上就产生如图6(A)到(C)所示那样的弹性变形。图6(B)是没有进行弹性变形的滚珠螺杆连结机构中的滚珠，图6(A)和(C)夸张描述了由振动引起的弹性变形后的滚珠。图6(A)和(C)中的箭头表示振动时的移动方向。

在每个取样周期都执行由数字·编码器进行的电动机的可动元件的位置检测。为此，在执行取样之前，由前次的取样所检测的位置变成可动元件的位置。其结果，如图5所示，通过相对“实际的位置”而带有延迟，来检测位置。在速度计算时由差分运算引起的延迟变成原因，速度也伴随由取样周期所决定的检测粗糙度和时间延迟而被检测出。为了抑制这样检测的速度，使速度控制***动作。根据电动机的运动，电动机所连接的滚珠螺杆的滚珠的运动进一步延迟弹性变形部分。因此，即使在电动机的可动元件被停止在停止位置上的状况，当宏观地观察时，在电动机以±1个脉冲进行变动的情况下，在滚珠的移动方向反转后[从图6(A)的状态返回到图6(B)的状态时，或者从图6(C)的状态返回到图6(B)的状态]时，为了增大滚珠从弹性变形返回的速度，现有技术的定位装置有时转动电动机的轴。在这种情况下，滚珠螺杆的滚珠重复弹性变形而进行微振动，从而从滚珠螺杆周边产生机械音。这种微振动由于关联到滚珠螺杆的劣化等，因此希望尽可能地进行抑制。

作为抑制该微振动的方法，具有在机械***没有共振之前降低电动机控制装置的速度回路和位置回路的增益的方法。但是，根据这种方法，存在响应特性降低，伺服刚性也降低之类的问题。作为另外的方法，具有将转矩指令放入陷波滤波器，将微振动的频率分量从转矩指令中除外的方法。但是，当***陷波滤波器时，由于在比陷波频率更低的频率上相位延迟，因此具有在速度控制响应特性产生峰值等、从而使控制特性变坏之类的问题。

作为另外的抑制微振动的技术，具有专利文献1所示的电动机控制装置所示出的技术。在日本特开2007-252093号公报所示出的装置中，包括电动机停止判定电路和不灵敏区形成电路。电动机停止判定电路在位置指令数据是零，位置偏差数据处于定位结束范围内的情况下，判定电动机处于停止状态。不灵敏区形成电路在电动机停止判定电路判定为电动机停止的情况下，为了忽视从定位点开始由±1个脉冲部分的变动引起的变化的转矩指令部分，对转矩指令设置了不灵敏区。

在日本特开2007-252093号公报所记载的现有技术中，在位置指令为0的情况下，在转矩指令上设置不灵敏区。通过不灵敏区的存在，当处于停止状态的电动机的可动元件的位置由于外力等不变化+2个脉冲或者-2个脉冲时，不输出转矩。当设置这种不灵敏区时，在不灵敏区中，不能够进行定位控制。因此，在现有技术的装置中，不能够提高定位精度。特别地，当在电动机停止时施加了外力的情况下，即使产生1个脉冲部分的位置偏差，也不进行定位控制。因此，在机床那样的需要高的定位精度的使用中，如果将现有技术的装置使用在电动机的控制中，则会存在加工精度降低之类的问题。

发明内容

本发明的目的在于：在使用了数字·编码器的电动机控制装置中，提供一种电动机控制方法和装置，其即使在机械***中具有刚性低的部分，也不会使定位精度降低，并且能够抑制机械***的微振动。

在实现上述目的的本发明的电动机控制方法中，根据对电动机的可动元件的移动位置进行指令的位置指令数据和表示通过数字·编码器检测的可动元件的当前位置的当前位置数据运算偏差，来生成位置偏差数据。对此次取样的当前位置数据和前次取样的当前位置数据之间的差分进行运算，来生成差分当前位置数据。之后，基于差分当前位置数据，生成可动元件的当前速度数据。运算基于位置偏差数据而作成的速度指令数据和当前速度数据之间的偏差，生成速度偏差数据，基于该速度偏差数据而生成转矩指令数据。基于转矩指令数据而控制电动机的转矩。特别的，在本发明中，当可动元件通过目标位置时，利用差分当前位置数据的极性变化。因此首先，判定差分当前位置数据的极性是否变化。在判定极性发生了变化之后，将差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零，从而生成当前速度数据。

理论上，当差分当前位置数据的极性变化了时，就是可动元件通过了设为目标的位置之时。如果是位置指令数据对目标位置(定位点)进行指令之时，则理论上，可动元件处于目标位置。但是，在如现有技术那样没有设置不灵敏区的情况下(在控制被继续的情况下)，存在可动元件以目标位置为中心在编码器之输出的±1个脉冲内微细地进行摇动的状况。即，在判定极性发生了变化之后，立刻基于差分当前位置数据而生成当前速度数据时，在与极性变化之前的移动方向相反的方向上，产生使可动元件移动的转矩。例如，在连结电动机和负载的连结机构进行弹性变形的程度上机械的刚性低的情况下，产生使弹性变形返回原样的比较大的推斥力。该推斥力实现增大使所述的可动元件在相反的方向上移动的转矩的作用。其结果，可动元件的移动量变大，在最坏的情况下，产生共振，产生人耳能够确认程度的振动音。如本发明，在判定极性发生了变化之后，如果将差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零，则在该期间中，当前速度数据变为零，在可动元件上仅仅使基于弹性变形的推斥力动作。在该n个取样周期期间，由基于弹性变形的推斥力产生的可动元件的位移结束。然后，在经过了n个取样周期之后，将差分当前位置数据从零返回到实际的数据。当这样做时，即使任何原因，当不能够控制的力在差分当前位置数据的极性反转之后作用于可动元件的情况下，如果在为1以上的整数的n个取样周期期间将差分当前位置数据设为零，则能够防止由不可控制的力的影响使可动元件的振动变大而发生噪声。由于没有设置如现有技术那样的不灵敏区，因此与现有技术相比，能够提高定位精度。

n的值不是一定的，可以根据在可动元件和负载之间配置的进行弹性变形的连结机构的机械刚性来合适地设定。该n的设定基准是定为发生的可动元件的微振动对连结机构的刚性不受到影响的值。如果这样，能够有效地发挥本发明的效果。

在连结机构是一般刚性的滚珠螺杆连结机构的情况下，可以将n设为1。在使用其他结构的连结机构的情况下，可以选择合适的n的值。

实施本发明方法的电动机控制装置，包括以数字值输出电动机的可动元件的当前位置的编码器、位置偏差数据生成部、差分当前位置数据生成部、当前速度数据生成部、位置控制器、速度偏差数据生成部、速度控制器和转矩控制器。位置偏差数据生成部，根据对可动元件的移动位置进行指令的位置指令数据和表示通过编码器检测的可动元件的当前位置的当前位置数据运算偏差，来生成位置偏差数据。差分当前位置数据生成部，对此次取样的当前位置数据和前次取样的当前位置数据之间的差分进行运算，来生成差分当前位置数据。当前速度数据生成部，基于差分当前位置数据来生成可动元件的当前速度数据。位置控制器，基于位置偏差数据来生成速度指令数据。速度偏差数据生成部，对当前速度数据和速度指令数据之间的偏差进行运算，生成速度偏差数据。速度控制器，基于速度偏差数据而生成转矩指令数据。转矩控制部，基于转矩指令数据而控制电动机的转矩。当前速度数据生成部，包括用于判定差分当前位置数据的极性是否发生变化的极性判定部。当前速度数据生成部，在极性判定部判定极性发生了变化之后，立刻将差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零，生成当前速度数据。根据本发明，能够简单且可靠地实施本发明的方法。

根据本发明的装置，当在可动元件和负载之间配置了进行弹性变形的连结机构的情况下，可以将n的值确定为发生的可动元件的微振动对连结机构的刚性不受到影响的值。如果连结机构是一般刚性的滚珠螺杆连结机构，则可以将n设为1。

本发明在停止操作的情况下，即在位置指令数据是零时，也当然能够适用。在这种情况下，在判定极性发生了变化之后，通过将差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零，来生成当前速度数据。

附图说明

图1是表示用于实施本发明的电动机控制方法的电动机控制装置的实施方式的一个例子的构成的方框图。

图2(A)到(C)是图1实施方式的动作说明中所用的时序图。

图3(A)和(B)是用于表示在一个方向上移动的情况下在定位点附近的转矩指令和编码器输出的关系的示意图。

图4(A)和(B)是表示由实际的机械所测量的电动机停止时的可动元件的位置的示意图。

图5是用于对本实施方式的电动机的可动元件的位置检测动作进行说明的时序图。

图6(A)到(C)是用于对作为机械***使用的滚珠螺杆连结机构的滚珠的弹性变形进行说明的示意图。

附图符号说明

1电动机控制装置

3位置偏差数据生成部

5位置控制器

7差分当前位置数据生成部

9当前速度数据生成部

11极性判定部

13增益乘法部

15速度偏差数据生成部

17速度控制器

19转矩控制部

具体实施方式

图1是表示用于实施本发明的电动机控制方法的电动机控制装置的实施方式的一个例子的构成的方框图。本实施方式的电动机控制装置1包括：数字·编码器E，其以数字值输出电动机M(包含旋转型电动机和线性电动机两者)的可动元件(在旋转型电动机的情况下为转子)的当前位置；位置偏差数据生成部3；位置控制器5；差分当前位置数据生成部7；当前速度数据生成部9；速度偏差数据生成部15；速度控制器17；以及转矩控制部19。作为数字·编码器E，能够使用光学式编码器、磁式编码器等公知的编码器。

由减法器构成的位置偏差数据生成部3，通过根据用于对电动机M的可动元件的移动位置进行指令的位置指令数据和对由数字·编码器E检测的可动元件的当前位置进行表示的当前位置数据运算出偏差，从而生成位置偏差数据。

差分当前位置数据生成部7，通过对由数字·编码器E此次取样的当前位置数据和前次取样的当前位置数据之间的差分进行运算，生成差分当前位置数据。因此，差分当前位置数据生成部7通过包括下述部分而构成：存储部，其对来自数字·编码器E的输出，至少存储前次取样部分和此次取样部分；差分运算部，其获取存储部所存储的前次的数据和此次的数据的差分；以及结果存储部，其存储差分运算部的运算结果。

当前速度数据生成部9，基于差分当前位置数据生成部7生成的差分当前位置数据，生成电动机M的可动元件的当前速度数据。当前速度数据生成部9包含极性判定部11和增益乘法部13。极性判定部11判定差分当前位置数据生成部7生成的差分当前位置数据的极性是否变化。极性判定部11，如图2(A)所示那样，将“0”电平作为基准，根据由差分当前位置数据生成部7所生成的差分当前位置数据是否大于“0”电平，来判定极性是否进行变化。图2(A)所示的状况示出了当位置偏差数据生成部3所输入的位置指令数据是零时、可动元件是仅仅稍微振动的状况。在本实施方式中，如图2(B)所示，当前速度数据生成部9，在极性判定部11判定极性发生了变化之后，立刻将从差分当前位置数据生成部7输出的差分当前位置数据在1个以上的整数即n个取样周期之间设为零，生成当前速度数据。在图2(B)中，将该状态称为“滞后(ヒステリシス)***后的差分位置”。这里，所谓“滞后”，以“前的状态作为后的状态来在预定的期间进行***(进行维持)”之类的意味而使用。在图2(B)的例子中，将极性反转判定前的“0”状态在极性反转判定后维持1个取样周期部分。增益乘法部13始终在从差分当前位置数据生成部7输出的差分当前位置数据上乘以规定的增益，并作为速度反馈而输出。增益乘法部13通过乘以与数字·编码器E的分辨率相对应的增益，算出速度反馈。

位置控制器5基于位置偏差数据生成部3生成的位置偏差数据，生成速度指令数据。由减法器构成的速度偏差数据生成部15，对从当前速度数据生成部9的增益乘法部13输出的当前速度数据(速度反馈)和位置控制器5输出的速度指令数据之间的偏差进行运算，作为速度偏差数据而输出。速度控制器17，基于速度偏差数据生成部15输出的速度偏差数据而生成转矩指令数据。转矩控制器19基于被输入的转矩指令数据，控制可动元件的转矩。

理论上，当差分当前位置数据的极性变化了时，就是电动机M的可动元件通过了设为目标的停止位置之时。根据位置偏差数据生成部3所输入的(从上一级的控制器输入的)位置指令数据，理论上，可动元件在目标位置上停止。但是，实际上，存在可动元件以目标位置为中心在数字·编码器E之输出的±1个脉冲内微细摇动的状况。因此，如果在极性判定部11判定极性变化之后，基于此后的差分当前位置数据，当前速度数据生成部9生成当前速度数据的话，则在与极性变化之前的移动方向相反的方向上，产生使可动元件移动的转矩。如先前使用图6说明的，当假设作为连接电动机M和负载的机械***MS的连结机构是进行弹性变形的滚珠螺杆连结机构，则由于机械***的机械刚性低，如图6(A)或者(C)所示，产生使滚珠的弹性变形返回原样的比较大的推斥力。该推斥力获得增大使所述的可动元件在相反的方向上移动的转矩的作用。其结果，可动元件的移动量变大，在最坏的情况下，产生共振，产生人耳能够确认程度的振动音。

在本实施方式中，极性判定部11在判定极性发生了变化之后，立刻将差分当前位置数据生成部7输出的差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零。因此，在该取样周期期间中，当前速度数据变为零。在该期间，在可动元件上使基于弹性变形的推斥力动作，但是，在该n个取样周期期间，由基于弹性变形的推斥力产生的可动元件的位移结束。然后，当前速度数据生成部9，在n个取样周期过去之后，将差分当前位置数据从零返回到实际的数据。当这样做时，能够防止在不可控制的力(由弹性变形引起的推斥力等)的影响下可动元件的振动变大而发生噪音。

使用图2来进行更具体的说明。在图2(A)所示的差分当前位置数据的极性发生了变化的情况下，图2(B)的滞后***后的差分当前位置数据在经过了1个取样周期之后变化。即，在电动机的可动元件的速度的极性发生了变化的情况下，在1个取样部分(1个取样周期部分)，不输出速度反馈。此后，当在2个连续取样中出现相同极性的值时，值首先呈现在速度反馈上。因此，在时间上变成***了1个取样部分(1个取样周期部分)的滞后。通过这样，在电动机停止时，随着编码器的±1个脉冲的变动，进行控制的控制***的动作变成延迟1个取样部分(1个取样周期部分)。因此，根据本实施方式，在有时为了放大前述滚珠螺杆连结机构的滚珠从弹性变形返回的动作而使电动机的可动元件动作的控制***中，速度的检测成为延迟1个取样部分。其结果，根据本实施方式，不用加速滚珠螺杆连结机构的滚珠从弹性变形返回的动作，就抑制了滚珠螺杆连结机构的微振动。而且，在机械***的刚性仍然低的情况下，通过增加滞后的脉冲数(n个取样周期的n的数量)来进行对应。

在本实施方式中，对速度反馈计算时的位置的差分运算结果，在速度的极性发生了变化时，***1个控制取样(取样周期)之类的短时间的滞后。由此，不用降低定位精度，就能够抑制伴随在机械***的刚性低的情况下所产生的弹性变形的微振动。然后，能够防止机械的劣化，能够实现由高的伺服响应产生的高精度的加工。

图3(A)和(B)是用于表示在一个方向上移动的情况下在定位点附近的转矩指令和编码器输出的关系的示意图。图3(A)表示在与取样周期比较以长时间(周期)观察转矩指令的变化时的转矩指令。当以长时间(周期)观察转矩指令的变化时，转矩指令的变化在1个取样周期期间，将差分当前位置数据设为零的滞后变成与没有被***的情况下的转矩指令的变化相同。图3(B)表示在与取样周期相当的时间观察转矩指令的变化时的转矩指令。图3(B)的情况下，在1个取样周期期间，将差分当前位置数据设为零的滞后被***了。图4(A)和(B)表示由实际的机械所测量的电动机停止时的可动元件的位置。图4(A)是没有滞后的情况，在该例子中，产生了±2个脉冲的微振动。图4(B)是***了在1个取样周期期间将差分当前位置数据设为零的滞后的情况，微振动被抑制。

工业实用性

根据本发明，即使任何原因，在差分当前位置数据的极性反转了之后，当不能够控制的力作用于可动元件的情况下，通过在为1以上整数的n个取样周期期间将差分当前位置数据设为零，能够防止由不可控制的力的影响使可动元件的振动变大而发生噪声。由于没有设置如现有技术那样的不灵敏区，因此与现有技术相比，能够提高定位精度。

Claims (7)

1.一种电动机控制方法，

根据对电动机的可动元件的移动位置进行指令的位置指令数据和表示通过数字·编码器检测出的所述可动元件的当前位置的当前位置数据运算偏差，生成位置偏差数据，

对此次取样的当前位置数据和前次取样的当前位置数据之间的差分进行运算，生成差分当前位置数据，

判定所述差分当前位置数据的极性是否发生变化，基于所述差分当前位置数据，生成所述可动元件的当前速度数据，但是，在判定所述极性发生了变化之后，将所述差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零，生成所述可动元件的当前速度数据，

运算基于所述位置偏差数据而作成的速度指令数据和所述当前速度数据之间的偏差，生成速度偏差数据，

基于所述速度偏差数据而生成转矩指令数据，

基于所述转矩指令数据控制所述电动机的转矩。

2.根据权利要求1所述的电动机控制方法，其特征在于，

在所述可动元件和负载之间配置了进行弹性变形的连结机构，

所述n被确定为：发生的所述可动元件的微振动对所述连结机构的刚性不受到影响的值。

3.根据权利要求2所述的电动机控制方法，其特征在于，

所述连结机构是滚珠螺杆连结机构，所述n是1。

4.一种电动机控制装置，具备下述部分而构成：

编码器，其以数字值输出电动机的可动元件的当前位置；

位置偏差数据生成部，其根据对所述可动元件的移动位置进行指令的位置指令数据和表示通过所述编码器检测出的所述可动元件的所述当前位置的当前位置数据运算偏差，生成位置偏差数据；

差分当前位置数据生成部，其对此次取样的当前位置数据和前次取样的当前位置数据之间的差分进行运算，生成差分当前位置数据；

当前速度数据生成部，其包括判定所述差分当前位置数据的极性是否发生变化的极性判定部，基于所述差分当前位置数据来生成所述可动元件的当前速度数据，但是，在判定所述极性发生了变化之后，将所述差分当前位置数据在为1以上的整数即n个取样周期期间设为零，生成所述当前速度数据；

位置控制器，其基于所述位置偏差数据来生成速度指令数据；

速度偏差数据生成部，其运算所述当前速度数据和所述速度指令数据之间的偏差，生成速度偏差数据；

速度控制器，其基于所述速度偏差数据而生成转矩指令数据；和

转矩控制部，其基于所述转矩指令数据来数字控制所述电动机的转矩。

5.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于，

在所述可动元件和负载之间配置了进行弹性变形的连结机构，

所述n被确定为：发生的所述可动元件的微振动对所述连结机构的刚性不受到影响的值。

6.根据权利要求5所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述连结机构是滚珠螺杆连结机构，所述n是1。

7.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述当前速度数据生成部，在所述位置指令数据是零时，在判定所述极性发生了变化之后，通过将所述差分当前位置数据在n个取样周期期间设为零，来生成所述当前速度数据。

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