CN1237697C - 电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过传动机构、带有移动件及支撑移动件的固定件的机器上的移动件来控制电动机驱动的电动机控制装置，所述装置包括：用于检测所述电动机转动速度的旋转检测器；伺服装置，其响应于运动命令信号将与运动命令信号一致的运动信号发送到所述电动机来控制电动机，其中所述运动命令信号不包括在测量频率范围之外的不需要的高频分量，从而在频率分析上不产生干扰误差；和分析装置，其用于将所述运动命令信号向所述伺服装置输出，及分析所述运动命令信号的频率和来自所述旋转检测器的转动检测信号的频率并输出作为所述转动检测信号相对于所述运动命令信号的响应的分析结果。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种通过传动机构、带有移动件的机器上的移动件以及支撑移动件的固定件控制电动机驱动的方法和装置。

背景技术

图1是第一种传统电动机控制装置的方框图。

根据第一种传统电动机的控制装置，作为输入项的伺服操作命令15不需要识别机器的机械振动特性曲线就可以确定，该机器有移动件7和固定件8，运动命令信号9传送到伺服装置3，其将运动命令信号9作为操作命令12传送到电动机5，使传动机构6驱动移动件7。如果电动机控制装置不能有效地起到伺服作用，则伺服操作命令15就通过不断试凑来变化。

第一种传统电动机的控制装置需要很长的时间才能确定最佳的伺服操作命令。

图2是第二种传统电动机控制装置的方框图。

根据第二种传统电动机的控制装置，就是将分析装置31′，输入装置32和输出装置34被加到第一种传统电动机的控制装置中。由分析装置31′产生的运动命令信号9作为模拟信号传送到伺服装置3，进而将运动命令信号9作为操作命令12传送到电动机5，使传动机构6驱动移动件7。旋转检测器4通过伺服装置3将旋转检测器信号10传送到分析装置31′，分析装置31′对运动命令信号9和旋转检测器信号10进行快速傅立叶变换计算出频率特性曲线，确定分析结果35，并根据分析结果35确定伺服操作命令15。

如图3，根据第二种传统电动机的控制装置，由分析装置31′产生的运动命令信号9有超过最大测量频率分量fq并达到最大频率分量frmax的频率分量，所以当进行数字抽样时，将会在测量频率范围外对旋转检测器信号10和分析结果35产生干扰误差表达分量。因此，第二种传统电动机的控制装置不能确定精确的频率特性曲线。

第二种传统电动机的控制装置的问题将在下面进行详细描述。

如图3，由分析装置31′产生的运动命令信号9有达到最大频率分量frmax的频率分量，最大频率分量frmax包括那些超过最大测量频率分量fq的频率分量。当运动命令信号9使用具有图3显示的频率时，如果在比最大测量频率分量fq高而比最大频率分量frmax低处存在机械共振f4、f5，则运动命令信号9激励测量频率范围外的机械共振f4、f5，而机械共振f4、f5的分量包括在旋转检测器信号10中。因为机械共振f4、f5有比最大测量频率分量fq高的频率，如果进行数字抽样则出现的干扰误差会使机械共振f4、f5明显地观测到，如f4′、f5′。由于表示分析结果35的实线分量附加了虚线分量，所以得不到正确的频率特性曲线。当将比最大测量频率fq高的频率信号作为数字抽样时，会出现干扰误差使得实际上是高频的波形被错误地识别成低频的波形。抽样间隔Δt和最大测量频率fq间的关系参考熟知的抽样定理，由下面的公式(1)表达。如图5所示，包括不实际存在的分量的频率特性曲线被输出。

$f_q=\frac{1}{2\×\mathrm{\Δt}}\·\·\·\left(1\right)$

为了测量传统电动机控制装置的频率特征曲线，手头上必须有象FFT分析仪这样的贵重设备。

当启动电动机时，与之连接的移动件开始运动。受载机器的移动件根据其位置的变化改变它的特性曲线，使得共振频率和***振频率产生位移，降低了频率特性曲线的测量精度。为了增加测量的数据量以求得平均数据值，必须长时间地收集数据或进行许多操作和测量。然而，这些要求进一步产生了使移动件增加移动距离的问题，使得测量精度进一步下降，如图7所示，具体地说，由于测量使得电动机的位置距离起始位置有更大的位移，因而造成移动件移动，改变了受载机器的特性曲线。相应地，频率特性曲线的测量精度进一步降低，造成图6中的峰值分散。

图8是第三种传统电动机控制装置的方框图。第三种传统电动机控制装置与第二种传统电动机控制装置的不同在于其装有FFT分析仪41和取代了分析装置31′的信号发生器42、输入装置32，以及第二种传统电动机控制装置的输出装置34。

第三种传统电动机控制装置有FFT分析仪41和信号发生器42的目的是考虑机器的特性曲线实现电动机的控制过程。由信号发生器42产生的运动命令信号43被发送到伺服装置3，将运动命令信号43作为控制信号12送到电动机5，使传动机构6驱动移动件7。旋转检测器4通过伺服装置3将旋转检测器信号10传送到FFT分析仪41。FFT分析仪41接收来自于信号发生器42的运动命令信号43和来自于FFT分析仪41的旋转检测器信号44，并通过快速傅立叶变换计算出频率特性曲线。操作人员根据从计算出的频率特性曲线中读出的***振频率和共振频率来确定伺服操作命令15。操作人员要将伺服操作命令15手工输入伺服装置3。通常操作人员要花费很多人力和时间调整电动机控制装置。

在此之前，有多种通过二维惯性***调整具有近似柔性结构的机械控制***的方法。例如，日本公开专利No.10-275003公开了一种二维惯性共振***的振动抑制仪器，通过观测者和在控制二维惯性***中基于假设的机械载荷信息测算出机械载荷速度和扰动转矩。公开的振动抑制仪器产生了较好的效果。

然而，传统振动抑制仪器的问题在于观测者观测的参数和PI(proportional plus integral比例加积分)控制器参数是分别独自地调整，许多时间往往花在试凑调整上。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种电动机控制装置，它能产生与控制目标相一致的电动机控制装置过程，而不需要具有专业知识的观测者和具有专业知识的检查人员用固定在电动机控制装置外的专用仪器进行检查分析。

本发明的另外一个目的是提供一种电动机控制装置，它能正确计算频率特性曲线的分析结果并且很容易、很便宜地产生合适的电动机控制过程。

本发明的再一个目的是提供一种控制电动机控制装置的方法，它能精确地测量机械***的频率特性曲线。

本发明的再一个目的是提供一种电动机控制装置，它能抑制速度控制***的振动并能比以前更容易同时调整振动抑制器和理论上具有一个参数的I-P控制器的参数。

本发明的再一个目的是提供一种电动机控制装置，它能同时调整振动抑制器、速度控制器和位置控制器的参数，同时能使机械特性曲线是二维惯性***的速度控制***和位置控制***达到I-P控制(积分加比例控制)过程和PI控制过程。

本发明的再一个目的是提供一种电动机控制装置，它能同时调整振动抑制器和速度控制器的参数和当同时达到I-P控制过程和PI控制过程时，用于控制机器载荷速度的速度控制***和用于控制机器载荷位置的位置控制***的控制参数，它们的机械特性曲线近似于二维惯性***。

本发明的再一个目的是提供一种控制电动机控制装置的方法，它能很便宜地和很容易地调整电动机控制装置。

根据本发明的一个方面，其提供一种通过传动机构、带有移动件及支撑移动件的固定件的机器上的移动件来控制电动机驱动的电动机控制装置，所述装置包括：

用于检测所述电动机转动速度的旋转检测器；

伺服装置，其响应于运动命令信号将与运动命令信号一致的运动信号发送到所述电动机来控制电动机，其中所述运动命令信号不包括在测量频率范围之外的不需要的高频分量，从而在频率分析上不产生干扰误差；和

分析装置，其用于将所述运动命令信号向所述伺服装置输出，及分析所述运动命令信号的频率和来自所述旋转检测器的转动检测信号的频率并输出作为所述转动检测信号相对于所述运动命令信号的响应的分析结果。

根据本发明的上述方面，分析装置产生的运动命令信号不包括测量频率范围外的不需要的高频分量，所以在频率分析时没有干扰误差产生，而是分析运动命令信号的频率和旋转检测器信号的频率。

由于分析装置产生的运动命令信号包括比最大测量频率低的频率分量，所以不会在比最大测量频率高的频率时引起机械共振。当旋转检测器信号不包括比最大测量频率高的频率而且没有干扰误差产生时，正好能观测到***振点和共振点，从而得到正确的分析结果。因此就能测定电动机控制装置，并可能设定新的伺服操作命令来实现最佳的电动机控制过程。

根据本发明的另一方面，其提供一种通过传动机构、带有移动件及支撑移动件的固定件的机器上的移动件来控制电动机驱动的电动机控制装置，所述装置包括：

用于检测所述电动机的转动速度的旋转检测器；

伺服装置，其响应于运动命令信号将与运动命令信号一致的运动信号发送到所述电动机来控制电动机，其中所述运动命令信号通过产生具有预定持续时间的任意信号及所述任意信号的反相信号来获得，从而引起电动机沿正方向和反方向转动；和

分析装置，其用于将所述运动命令信号向所述伺服装置输出，分析所述运动命令信号的频率和来自所述旋转检测器的转动检测信号的频率，对电动机沿正方向和反方向操作的分析结果取平均值，以及输出作为所述转动检测信号相对于所述运动命令信号的响应的分析结果。根据本发明的上述方面，从处理装置输出到伺服装置的运动命令信号在电动机的正反两个对称转动方向上执行。

采用以上的方案，消除了由电动机操作产生的移动件位移，也消除了在测量频率特性曲线时由移动件位置造成的误差，所以能精确地测量频率特性曲线。

在运动命令信号中，低频分量有较小的振幅，高频分量有较大的振幅，因此减少了由于电动机操作产生的移动件位移，所以能更精确地测量频率特性曲线。

根据本发明的再一方面，其提供一种通过传动机构、带有移动件及支撑移动件的固定件的机器上的移动件来控制电动机驱动的电动机控制装置，所述装置包括：

用于检测所述电动机的转动速度的旋转检测器；

伺服装置，其响应于运动命令信号将与运动命令信号一致的运动信号发送到所述电动机来控制电动机，其中所述运动命令信号通过微分任意信号产生，并且具有较小振幅的低频分量和具有较大振幅的高频分量；和

分析装置，其用于将所述运动命令信号向所述伺服装置输出，分析所述运动命令信号的频率和来自所述旋转检测器的转动检测信号的频率，以及输出作为所述转动检测信号相对于所述运动命令信号的响应的分析结果。

根据本发明的另一方面，处理装置计算来自运动命令信号和旋转检测器信号的频率特性曲线，共振频率和***振频率根据频率特性曲线的形状自动地计算。电动机控制装置根据计算结果自动地进行调整。

因此只使用便宜的处理装置并给出简单的输入信息，就能方便快速地自动调整为合适的电动机控制过程。

根据本发明的另一方面，电动机控制装置有速度控制器用于提供速度命令，执行I-P控制过程以确定扭转命令从而使电动机速度与速度命令保持一致，有电流控制器用于提供扭转命令并激励电动机，有检测器用于检测电动机电流和电动机速度，电动机控制装置还有振动抑制器，其用于计算来自电动机速度和机器载荷速度的扭转角速度并用扭转角速度来抑制振动，以及用于同时调整速度控制器参数和振动抑制器参数的装置。

就速度控制***而言，速度环路增益kv，积分时间常数1/Ti，扭转角增益ks，扭转角速度增益ksd中的任何一个参数值在理论上都可以得到。因此，可以同时调节振动抑制器和I-P控制器的参数。在保持二维惯性***稳定的同时，电动机在速度控制上具有更好的响应，而且不会增加和降低目标响应并激励机器***的振动。

根据本发明的另一方面，电动机控制装置有速度控制器用于提供速度命令并确定扭转命令，以使电动机速度和速度命令保持一致，有电流控制器用于提供扭转命令并激励电动机，有检测器用于检测电动机电流、电动机速度及机器载荷速度，电动机控制装置还有参数为α(0≤α≤1)的振动抑制器，用于在I-P控制过程和PI控制过程之间的连续转换，以便根据电动机速度和机器载荷速度计算扭转角速度，并用扭转角速度来抑制振动，以及用于同时调整速度控制器参数和振动抑制器参数的装置。

就速度控制***和位置控制***而言，速度环路增益kv的参数值，积分时间常数1/Ti，扭转角增益ks，扭转角速度增益ksd以及位置环路增益kp对I-P控制过程和PI控制过程都有影响并很容易得到。因此，振动抑制器、速度控制器以及位置控制器的参数都能同时调整。如果目标响应改变，则其参数能通过改变目标响应频率ω稳定地调整。并通过改变与参数α相关的ξ缩短设定的时间。

根据本发明的另一方面，电动机控制装置有速度控制器，其用于提供速度命令并确定扭转命令使机器载荷速度与速度命令保持一致，有电流控制器用于提供扭转命令并激励电动机，有检测器用于检测电动机电流、电动机速度及机器载荷速度，电动机控制装置还有参数为α(0≤α≤1)的振动抑制器，用于在积分加比例控制过程和比例加积分控制过程间的连续转换，以便计算来自电动机速度和机器载荷速度的扭转角速度，并用扭转角速度来抑制振动，以及用于同时调整速度控制器参数和振动抑制器参数的装置。

就控制机器载荷速度的速度控制***和控制机器载荷位置的位置控制***而言，速度环路增益kv的参数值，积分时间常数1/Ti，扭转角增益ks，扭转角速度增益ksd以及位置环路增益kp对I-P控制过程和PI控制过程都有影响并很容易得到。因此，振动抑制器、速度控制器以及位置控制器参数都能同时调整。如果目标响应改变，则其参数能通过改变目标响应频率ω稳定地调整。并通过改变与参数α相关的ξ缩短设定的时间。

附图说明

图1是显示第一种传统电动机控制装置的方框图；

图2是显示第二种传统电动机控制装置的方框图；

图3是显示在第二种传统电动机控制装置中运动命令信号的频率分析结果的曲线图；

图4是显示在第二种传统电动机控制装置中的分析结果的曲线图；

图5是显示在第二种传统电动机控制装置中干扰误差如何产生的原理简图；

图6是显示传统电动机控制装置的频率特性曲线图；

图7是显示测量传统电动机控制装置的频率特性曲线时电动机的位置简图；

图8是显示第三种传统电动机控制装置的方框图；

图9是显示根据本发明第一实施方式的电动机控制装置方框图；

图10是显示根据本发明第二实施方式的电动机控制装置方框图；

图11是显示根据本发明第三实施方式的电动机控制装置方框图；

图12是显示根据本发明第四实施方式的电动机控制装置方框图；

图13是显示根据本发明第五实施方式的电动机控制装置方框图；

图14是显示根据本发明第六实施方式的电动机控制装置方框图；

图15是显示根据本发明第六实施方式的电动机控制装置中运动命令信号频率分析结果的曲线图；

图16是显示根据本发明第六实施方式的电动机控制装置的分析结果的曲线图；

图17是显示根据本发明第七实施方式的电动机控制装置的方框图；

图18是显示根据本发明第七实施方式电动机控制装置的频率特性曲线图；

图19是显示根据本发明第七实施方式的改进方式的电动机控制装置频率特性曲线的增益曲线简图；

图20是显示根据本发明第七实施方式的电动机控制装置中运动命令信号的第一实施例简图；

图21是显示根据本发明第七实施方式电动机控制装置中运动命令信号的第二实施例简图；

图22是显示根据本发明第七实施方式测量电动机控制装置的频率特性曲线时电动机的位置简图；

图23是显示根据本发明第七实施方式的改进方式的电动机控制装置中运动命令信号的曲线图；

图24是显示根据本发明第七实施方式的改进方式测量电动机控制装置的频率特性曲线时电动机的位置简图；

图25是显示根据本发明第七实施方式的改进方式的电动机控制装置中运动命令信号的频率分析结果的曲线图；

图26是显示根据本发明第八实施方式的电动机控制装置的方框图；

图27是显示根据本发明第八实施方式的电动机控制装置操作顺序的流程图；

图28是显示根据本发明第八实施方式电动机控制装置的频率特性曲线简图；

图29是显示根据本发明第九实施方式的电动机控制装置的方框图；

图30是显示图29中电动机控制装置的二维惯性***的调整过程方框图；

图31是显示当振动抑制器不工作时，有步进输入加载到图29中电动机控制装置中产生的响应波形简图；

图32是显示当振动抑制器工作时，有步进输入加载到图29中电动机控制装置中产生的响应波形简图；

图33是显示根据本发明第十实施方式的电动机控制装置的方框图；

图34是显示图33中电动机控制装置的二维惯性***的调整过程的方框图；

图35是显示当振动抑制器工作时，图33中的电动机控制装置的速度控制***(I-P控制器)的响应波形简图；

图36是显示当振动抑制器工作时，图33中的电动机控制装置的速度控制***(PI控制器)的响应波形简图；

图37是显示当振动抑制器工作时，图33中电动机控制装置的位置控制***(I-P控制器)的响应波形简图；

图38是显示当振动抑制器工作时，图33中电动机控制装置的位置控制***(PI控制器)的响应波形简图；

图39是显示根据本发明第十一实施方式的电动机控制装置方框图；

图40是显示图39中电动机控制装置的二维惯性***的调整过程的方框图；

图41是显示当振动抑制器工作时，图39中电动机控制装置的速度控制***(I-P控制器)的响应波形简图；

图42是显示当振动抑制器工作时，图39中电动机控制装置的速度控制***(PI控制器)的响应波形简图；

图43是显示当振动抑制器工作时，图39中电动机控制装置的位置控制***(I-P控制器)的响应波形；图44是显示当振动抑制器工作时，图39中电动机控制装置的位置控制***(PI控制器)的响应波形简图。

具体实施方式

图9是显示根据本发明第一实施方式的电动机控制装置的方框图。

电动机5通过传动机构6驱动机器上的移动件7，该机器带有移动件7和支撑移动件7的固定件8。旋转检测器4检测电动机5的旋转速度。伺服装置3根据扭转命令9由输入扭转信号12控制电动机5。存储装置2储存与输入扭转信号9等同的输入扭转信号11和来自旋转检测器4的旋转速度信号10。分析装置1用分析命令13分析输入扭转信号11和旋转速度信号10的频率，分析结果14作为伺服操作命令15输出到伺服装置3。伺服操作命令15表示用于改变伺服装置3的参数并将分析结果14作为伺服装置3的参数发送的命令。

根据本发明第一实施方式的电动机控制装置的操作将在下面描述。当扭转信号9如随机波信号、慢扫描正弦波信号、快扫描正弦波信号、阶梯波信号或脉冲扭转信号作为运动命令信号发送到伺服装置3时，伺服装置3就将与扭转信号9相对应的运动信号(输入扭转信号)12传送到电动机5。电动机5就开始工作，使传动机构6驱动移动件7使其产生振动。旋转检测器4检测电动机5的旋转速度，并将旋转速度信号10传送到存储装置2。伺服装置3将等同于输入扭转信号12的输入扭转信号11传送到存储装置2。存储装置2储存输入扭转信号11和旋转速度信号10。分析装置1根据FFT(快速傅立叶变换)分析储存在存储装置2中的输入扭转信号11和旋转速度信号10。

在频率分析中，输入扭转信号11和旋转速度信号10除以选择的时间间隔，再进行频率分析，然后再取平均。输入扭转信号11除以选择的时间间隔的频率分析结果Sx和旋转速度信号10除以选择的时间间隔的频率分析结果Sy即可确定。将输入扭转信号11的频率分析结果Sx和频率分析结果Sx的复合共轭结果Sx^*相乘再取平均。将旋转速度信号10的频率分析结果Sy和输入扭转信号11的频率分析结果Sx的复合共轭结果Sx^*相乘再取平均。根据公式(2)计算出平均结果就确定了频率响应函数H_yx：

$H_{\mathrm{yx}}=\frac{\stackrel{\‾}{(s_y\×s_y^{*})}}{\stackrel{\‾}{(s_x\×s_x^{*})}}\·\·\·\left(2\right)$

频率分析可以通过Blackman-Turkey法、自回归法、移动平均方法、自回归移动平均方法或弱波变换进行，而不采用快速傅立叶变换(FFT)。也可以采用通过将旋转速度信号10转换成移动件7的位置产生的信号，而不是旋转速度信号10。也可以不用公式(2)，而采用通过公式(2)数学等式变换得到的公式(3)。

$H_{\mathrm{yx}}=\frac{\stackrel{\‾}{(s_y\×s_y^{*})}}{\stackrel{\‾}{(s_{\mathrm{\γ}}\×s_{\mathrm{\γ}}^{*})}}\·\·\·\left(3\right)$

由频率响应函数H_yx振幅的波谷和波峰表示的频率是机器的固有频率。响应分析命令13，分析装置1很容易就能检测到表示机器振动特性的固有频率并输出分析结果14。根据分析结果14将伺服操作命令15发送到伺服装置3，就可以实现新的电动机控制过程。在以上的实施方式中，电动机5用于产生振动。当然也可以安装外部振动装置来产生振动，也可以用外部振动信号而不用输入扭转信号12。

图10显示根据本发明第二实施方式的电动机控制装置的方框图。

在第二实施方式中，位置检测器16固定在第一实施方式的移动件7上，来自于位置检测器16的移动件位置信号17储存在存储装置2中。

根据本发明第二实施方式的电动机控制装置的操作将在下面描述。命令信号9如随机波信号、慢扫描正弦波信号、快扫描正弦波信号或脉冲扭转信号等被传送到伺服装置3。伺服装置3将与运动命令信号(扭转信号)9相一致的运动信号(输入扭转信号)12传送到电动机5。电动机5开始工作，使传动机构6驱动移动件7，产生振动。位置检测器16检测移动件7的位置并将移动件位置信号17传送到存储装置2。伺服装置3将与输入扭转信号12相等的输入扭转信号11传送到存储装置2。存储装置2储存输入扭转信号11和移动件位置信号17。分析装置1根据FFT(快速傅立叶变换)分析输入扭转信号11和移动件位置信号17的频率。

在频率分析中，输入扭转信号11和移动件位置信号17除以选择的时间间隔，再进行频率分析，然后再取平均。输入扭转信号11除以选择的时间间隔的频率分析结果Sx和移动件位置信号17除以选择的时间间隔的频率分析结果Sy就可以确定。将输入扭转信号11的频率分析结果Sx和频率分析结果Sx的复合共轭结果Sx^*相乘再取平均。将移动件位置信号17的频率分析结果Sy和输入扭转信号11的频率分析结果Sx的复合共轭结果Sx^*相乘再取平均。根据上面的公式(1)计算出的平均结果就确定了频率响应函数H_yx。

频率分析可以通过Blackman-Turkey法、自回归法、移动平均法、自回归移动平均法或弱波变换进行，而不采用FFT。也可以不用公式(2)，而采用通过公式(2)数学等式变换得到的公式，如上面的公式(3)。由频率响应函数H_yx振幅的波谷和波峰表示的频率是机器的固有频率。响应分析命令13，分析装置1很容易就能检测到表示机器振动特性的固有频率并输出分析结果14。根据分析结果14将伺服操作命令15传送到伺服装置3，就可以实现新的电动机控制过程。在以上的实施方式中，电动机5用于产生振动。当然也可以安装外部振动装置来产生振动，也可以用外部振动信号而不用输入扭转信号12。

图11显示根据本发明第三实施方式的电动机控制装置方框图。

在第二实施方式中，测量传感器18固定在第一实施方式的移动件7上，来自测量传感器18的传感器信号19储存在存储装置2中。

根据本发明第三实施方式的电动机控制装置的操作将在下面描述。将命令信号9如随机波信号、慢扫描正弦波信号、快扫描正弦波信号或脉冲扭转信号等传送到伺服装置3。伺服装置3将与运动命令信号(扭转信号)9相等的运动信号(输入扭转信号)12传送到电动机5。电动机5开始工作，使传动机构6驱动移动件7，测量传感器18检测移动件7的振动并将传感器信号19传送到存储装置2。测量传感器18可以固定在固定件8或传动机构6上。测量传感器18包括加速度表、速度表、位移表、应力表或其它同类的仪表。

伺服装置3将等同于输入扭转信号12的输入扭转信号11传送到存储装置2。存储装置2储存输入扭转信号11和传感器信号19。分析装置1根据FFT(快速傅立叶变换)分析输入扭转信号11和传感器信号19的频率。

在频率分析中，输入扭转信号11和传感器信号19除以选择的时间间隔，进行频率分析，然后再取平均。输入扭转信号11除以选择的时间间隔的频率分析结果Sx和传感器信号19除以选择的时间间隔的频率分析结果Sy就可以确定。将输入扭转信号11的频率分析结果Sx和频率分析结果Sx的复合共轭结果Sx^*相乘再取平均。将传感器信号19的频率分析结果Sy和输入扭转信号11的频率分析结果Sx的复合共轭结果Sx^*相乘再取平均。根据上面的公式(2)计算出的平均结果就确定了频率响应函数H_yx。

频率分析也可以通过Blackman-Turkey法、自回归法、移动平均法、自回归移动平均法或弱波变换进行，而不采用FFT。

也可以不用公式(2)，而采用通过公式(2)数学等式变换得到的公式，如上面的公式(3)。由频率响应函数H_yx振幅的波谷和波峰表示的频率是机器的固有频率。响应分析命令13，分析装置1很容易就能检测到表示机器振动特性的固有频率并输出分析结果14。如果有许多测量传感器18，就有许多频率响应函数H_yx，以及根据频率响应函数H_yx计算出的振动模式。分析装置1将振动模式作为分析结果14输出。

根据分析结果14将伺服操作命令15发送到伺服装置3，就可以实现新的电动机控制过程。在以上的实施方式中，电动机5用于产生振动。当然也可以安装外部振动装置来产生振动，同时也可不用输入扭转信号12而用外部振动信号。

图12显示根据本发明第四实施方式的电动机控制装置方框图。

根据本发明的电动机控制装置有输入装置20，显示装置21以及加到根据第一实施方式的电动机控制装置中的存储装置22。

显示装置21有显示来自分析装置1的分析结果14的功能。显示装置21也可以显示运动命令信号(扭转信号)9、旋转速度信号10、输入扭转信号11、输入扭转信号12、分析命令13、伺服操作命令15、储存数据23和输入数据24。显示装置21也可以显示伺服装置3的设定数据25。存储装置22有储存来自分析装置1的分析结果14的功能。存储装置22也可以储存扭转信号9、旋转速度信号10、输入扭转信号11、输入扭转信号12、分析命令13、伺服操作命令15和输入数据24。存储装置22也可以储存伺服装置3的设定数据25。输入装置20有接收输入数据24的输入功能并将其作为分析命令13发送到分析装置1。输入装置20也可以输入扭转命令9和伺服操作命令15，也可以用作输入装置的存储装置22。

根据第四实施方式的电动机控制装置的其它具体操作与根据第一实施方式的电动机控制装置的操作相同。可以将输入装置20、显示装置21和存储装置22增加到根据第二和第三实施方式的电动机控制装置中。

图13是显示根据本发明第五实施方式的电动机控制装置的方框图。

除了从分析装置1输出的分析结果14是作为命令信号9发送到伺服装置3，而且作为伺服操作命令15发送到伺服装置3外，根据第五实施方式的电动机控制装置与根据第四实施方式的电动机控制装置相似。

根据第五实施方式的电动机控制装置以这样的模式操作，其中当由分析结果14改变伺服操作命令15时，电动机5启动使机器产生振动，以及这样的模式操作，其中在频率域内具有恒定量的振动力或扭矩加载到电动机5上使机器产生振动。可以有选择地建立测量条件以设定分析装置1、伺服装置3和存储装置22的输入和输出。运动命令信号9、旋转速度命令10、输入扭转命令11、控制信号12、分析命令13、分析结果14以及储存数据23中的任何一个都可以发送到运动命令信号9、分析命令13、分析结果14以及储存数据23中的任何一个。

根据第二种和第三实施方式的电动机控制装置可以设计组合成具有根据第五实施方式的电动机控制装置的特征。

图14是显示根据本发明第六实施方式的电动机控制装置的方框图。

根据第六实施方式的电动机控制装置有分析装置31、输入装置32和输出装置34，而不用根据第一实施方式的电动机控制装置中的分析装置1和存储装置2。

根据第六实施方式的电动机控制装置的操作将在下面描述。

当将操作命令从输入装置32发送到分析装置31时，分析装置31产生那些只有频率分量低于最大测量频率的运动命令信号9，运动命令信号9可以是随机波信号、慢扫描正弦波信号、快扫描正弦波信号或其它同类信号，不包括测量频率范围外的频率分量，只包括那些低于作为频率分析指示的最大测量频率的频率分量。慢扫描正弦波信号和快扫描正弦波信号是扫描达到最大测量频率时产生的，根据Mikio Hino(1977)著的“光谱分析”书中对熟知过程的描述，随机波信号只能由那些低于最大测量频率的频率分量产生。产生的慢扫描正弦波信号、快扫描正弦波信号或随机波信号都可以用做运动命令信号9。运动命令信号9通过伺服装置3传送，而且当运动信号12与运动命令信号9相同时从那里输出，并传送到电动机5。电动机5开始工作，使传动机构6驱动移动件7并产生振动。旋转检测器4检测电动机5的旋转和振动并通过伺服装置3将旋转速度信号10传送到分析装置31。

采用与第一实施方式相同的方式，根据FFT(快速傅立叶变换)分析装置31分析运动命令信号9和旋转检测信号11的频率。分析装置31将分析结果35输出到输出装置34。

根据表示电动机控制装置频率特性曲线的分析结果35，将新的伺服操作命令15发送到伺服装置3，就可以实现最佳的电动机控制过程。

在上述的实施方式中，当运动信号12与运动命令信号9等同时就被使用。当然运动信号12也可以作为包括运动命令信号9和旋转检测信号11的信号使用。

在上述的实施方式中，采用FFT做频率分析。当然也可以使用数字傅立叶变换、Blackman-Turkey法、自回归法、移动平均法、自回归移动平均法或弱波变换进行分析。

在上述的实施方式中，使用的是旋转检测信号11。当然也可以使用由旋转检测信号11转换得到的信号，如通过将旋转检测信号11微分、积分或乘以一个系数产生的信号，而不采用旋转检测信号11。另外，也可以采用来自于信号测量装置用于指示移动件7运动的位置信号、速度信号或加速度信号，而不采用旋转检测信号11。

在上述的实施方式中，运动命令信号9和旋转检测信号11除以预设时间间隔，再进行频率分析，然后再被除法数n平均。当然运动命令信号9和旋转检测信号11也可以直接进行频率分析然后再由运动命令信号9操纵的电动机5的操作时间数n平均。

在上述的实施方式中，分析结果35从输出装置34中输出。当然输出装置34也可以由附属于分析装置31的存储装置替换，或分析结果35也可以从另外的通过存储装置或连接装置的输出装置输出。

在上述的实施方式中，电动机5用于获得分析结果35。当然振动装置也可以安装在电动机控制装置的外面。

图15是显示根据第六实施方式电动机控制装置中运动命令信号9的频率分析结果的曲线图。由分析装置31产生的运动命令信号9的频率分析结果只显示达到最大频率分量frmax和低于最大测量频率fq的频率分量。

图16显示根据本发明第六实施方式中电动机控制装置的分析结果的曲线图。由于由分析装置31产生的运动命令信号9只包括低于最大测量频率fq的频率分量，运动命令信号9不能激发频率比最大测量频率fq高的机械共振f4、f5。因此旋转检测器信号不包括f4、f5分量，从而没有干扰误差。这样，可以正确地观察到***振点f0和振点f1、f2、f3，进而产生正确的分析结果。因此，也就能测定电动机控制装置，使得设定的用于实现最佳电动机控制过程的新伺服操作命令成为可能。

图17是显示根据本发明第七实施方式的电动机控制装置的方框图。

处理装置36产生运动命令信号37，并将与运动命令信号37相等的控制信号12通过伺服装置3传送到电动机5。电动机5开始工作，使传动机构6驱动移动件7，以使包括固定件8的承载机器产生振动。旋转检测器4检测电动机5的旋转和振动，并将旋转速度信号10通过伺服装置3传送到处理装置36。处理装置36分析运动命令信号37和旋转检测信号38的频率并确定频率特性曲线39。

如图20所示，根据第七实施方式的电动机控制装置通过不断交替重复的运动命令信号37使电动机正向旋转和反向旋转来测量频率特性曲线。作为替代实施方式，如图21所示，根据第七实施方式的电动机控制装置通过一系列包括使电动机正向和反向旋转的运动命令信号37来测量频率特性曲线。

图22是显示测量根据第七实施方式电动机控制装置的频率特性曲线时电动机位置的简图。由于电动机的操作是由上述的运动命令信号37控制并进行频率特性曲线的测量，所以电动机发生位变并驱动移动件7。然后电动机在反方向上移位并驱动移动件7返回原位。因此，即使电动机控制装置增加了操作时间或较长时间的工作，，如图18所示，由于移动件7最终的位置保持不变，所以能精确地测量出频率特性曲线。

在本实施方式中，运动命令信号37先使电动机正向旋转，然后再反向旋转。当然，运动命令信号37也可以先使电动机反向旋转，然后再正向旋转。在图21(a)中，运动命令信号37首先使电动机在低频处正向旋转，然后扫描达到高频，通过从高频扫描到低频使电动机反向旋转。当然，在图21(b)中，运动命令信号37也可以先使电动机在低频处正向旋转，然后扫描正弦波到高频，通过从低频扫描到高频使电动机反向旋转。当用于消除位移时，运动命令信号37也可以是不同于图20和图21组合的信号。

如图23所示，在根据第七实施方式的改进方式中，运动命令信号37包括较小的低频分量和较大的高频分量。

图19是显示根据本发明第七实施方式的改进方式电动机控制装置频率特性曲线的增益曲线简图。

在本改进方式中，对频率分量与图23中有同样振幅的扫描正弦波进行微分、并对微分进行比例运算以使平均振幅值与原扫描正弦波相同，将通过上述方式产生的信号作为运动命令信号37。由于这个运动命令信号37大大减少电动机的位置变化，使得移动件7的任何位移都减少，如图24显示，也可以精确地测量出频率特性曲线。

在图25(a)中，根据频率分析结果，运动命令信号37具有从最小频率Fmin到最大频率Fmax的恒定增益。根据本实施方式的运动命令信号37没有图25(b)显示的恒定增益，而是由逐渐变化的连续曲线表示。测量频率特性曲线显示在图19中。尽管图19显示的测量频率特性曲线与图18显示的频率特性曲线在形状上稍微有些不同，但它们都具有与图18频率特性曲线完全相同的***振及共振频率，其目的是为了测量频率特性曲线。

根据本改进方式的扫描正弦波是按照平均振幅值与原扫描正弦波相同的比例缩放。当然，扫描正弦波也可以按照比例缩放到参考的任意需求需求的振幅。

根据本改进方式的电动机控制装置减少了移动件7的位移。当然，由于移动件7有小量位移，所以根据本改进方式的电动机控制装置可以与上述图17的控制电动机方法相组合。

在本改进方式中，将扫描正弦波作为运动命令信号17。当然，也可以将另外的信号如随机波信号作为运动命令信号17。

图26显示根据本发明第八实施方式的电动机控制装置方框图。

根据第八实施方式的电动机控制装置具有将加入到根据第七实施方式的电动机控制装置中的输入装置40和输出装置42。

下面，将参考图27中的流程图对第八实施方式的电动机控制装置的操作进行说明。在步骤51中，处理装置36产生运动命令信号37，并将等同于运动命令信号37的控制信号12通过伺服装置3传送到电动机5。电动机5开始工作，使传动机构6驱动移动件7以使其产生振动。旋转检测器4检测电动机5的旋转和振动，并将旋转速度信号9通过伺服装置3传送到处理装置36。处理装置36分析运动命令信号37和旋转检测信号38的频率并确定频率响应函数。

在步骤52中，由于频率响应函数具有向上波峰和向下波峰表示的振幅，所以处理装置36根据复杂光谱插值法或平滑微分法，如Shigeo Minami著，CQ出版公司(1986)出版的“科学仪器的波形数据处理”中的波峰检测法来确定响应频率和反响应频率，将需求的响应频率作为输入信息41输入到输入装置40，然后处理装置36计算伺服操作命令15。

在步骤53中，由处理装置36计算的伺服操作命令15自动地发送到伺服装置3，从而实现最佳的电动机控制过程，从而完成调整。

在本实施方式中，运动命令信号37和旋转检测信号38要进行频率分析以便确定频率响应函数。当然也可以使用另外的传感器如用于检测移动件7的位置检测器，而不使用旋转检测器4。

在本实施方式中，由处理装置36确定的伺服操作命令15立刻发送到伺服装置3。当然，伺服操作命令15也可以从处理装置36输出到输出装置42，然后再作为输入信息从输入装置40输入到处理装置36，然后再发送伺服操作命令15。

另外，由处理装置36确定的伺服操作命令15也可以发送到和另一个机器相连的伺服装置3，该机器也具有本实施方式的结构，并包括具有同样性能的传动机构6、移动件7及固定件8。

图27中显示的每个步骤的临时数据都可以输出到输出装置42，然后再输入到输入装置40以继续进行下一个步骤。

另外，输出装置42也可以由存储装置替换，在存储装置中储存的数据也可以发送到处理装置36再继续进行下一步骤。

图29是显示根据本发明第九实施方式的电动机控制装置方的方框图。

在图29中，电动机速度控制器51提供速度命令Vref，从电动机54中输出的电动机速度Vfb，以及从振动抑制器53输出的抑制信号Tc，实现积分加比例控制(I-P控制)处理使速度命令Vref和电动机速度Vfb保持彼此一致，将扭转命令τr输出到电流控制器52。电流控制器52提供扭转命令τr并激励电动机54。机器载荷55通过扭转联结轴与电动机54联结。振动抑制器53提供表示电动机速度Vfb和机器载荷速度偏差的扭转角速度，并输出振动抑制信号Tc。

电动机速度控制器51、振动抑制器53、电动机54及机器载荷55将在下面参考图30进行描述。在速度控制器51中减法器62从速度命令Vref中减去电动机速度Vfb确定速度偏差。积分仪63对时间常数Ti积分速度偏差。减法器64从积分仪63的输出中减去电动机速度Vfb。乘法器65将减法器64的输出与速度环路增益Kv相乘。

振动抑制器53中的积分仪67将扭转角速度xa积分以确定扭转角。乘法器68将扭转角乘以扭转角增益Ks。加法器69将乘法器68的输出和扭转角速度xa彼此相加。乘法器70将加法器69的输出乘以扭转角速度增益Ksd以确定振动抑制信号Tc。减法器66从乘法器65的输出中减去乘法器70的输出。乘法器71将减法器66的输出乘以电动机的转动惯量J1得到扭转命令τr。在图30中，图号57表示在技术中熟知的二维惯性***的振动模式，J1为电动机的转动惯量、J2为机器载荷的转动惯量、K为机器载荷的扭转刚度值、xa为扭转角速度及1/s表示积分处理步骤。

在图30显示的二维惯性***中，速度控制器51的时间常数Ti和速度环路增益Kv、扭转角速度增益Ksd和振动抑制器53的扭转角增益Ks的调整过程将在下面描述。

假设***振频率、共振频率、电动机和机器载荷的转动惯量J1、J2已知。则I-P控制***的速度环路增益Kv、时间常数Ti和振动抑制***的扭转角增益Ks及扭转角速度增益Ksd可以表示如下：

Kv＝K2

1/Ti＝K1/K2

Ksd＝K4

Ks＝k3/k4            (4)

当给出速度命令Vref和扭转角速度xa时，I-P控制器和振动抑制器产生一个由下列公式表示的输出：

$\begin{array}{c}\frac{1}{J1}\mathrm{\τr}=(\frac{1}{s}\frac{K1}{K2}(\mathrm{Vref}-\mathrm{Vfb})-\mathrm{Vfb})K2-(\frac{1}{s}\frac{k3}{k4}+1)K4\mathrm{xa}\\ =\frac{1}{s}K1\mathrm{Vref}-(\frac{1}{s}K1+K2)\mathrm{Vfb}-(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}\end{array}\·\·\·\left(5\right)$

其中s表示拉普拉斯运算符，1/s表示积分过程。

从控制目标的方框图30中可以得到下列公式(6)、(7)：

$x\stackrel{\·\·}{b}=s^2\mathrm{xb}=\frac{K}{J2}\mathrm{xa}\·\·\·\left(6\right)$

$x\stackrel{\·\·}{a}=s^2(\mathrm{Vfb}-\mathrm{xb})=s\frac{\mathrm{\τr}}{J1}-(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})\mathrm{Kxa}\·\·\·\left(7\right)$

其中s2表示二次积分。

a、b由下列公式(8)表示：

$a=\frac{K}{J2},b=(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})K\·\·\·\left(8\right)$

利用a、b，公式(6)、(7)可以改写成公式(9)、(10)：

s²xb＝axa                        (9)

$s^2\mathrm{xa}=s^2(\mathrm{Vfb}-\mathrm{xb})=s\frac{\mathrm{\τr}}{J1}-\mathrm{bxa}\·\·\·\left(10\right)$

将公式(5)代入公式(10)，得到下面的公式(11)：

$s^2\mathrm{xa}=s[\frac{1}{s}K1\mathrm{Vref}-(\frac{1}{s}K1+K2)\mathrm{Vfb}-(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}]-\mathrm{bxa}\·\·\·\left(11\right)$

由于Vfb＝xa+xb，公式(11)变为(12)：

$(s^2+b)\mathrm{xa}=K1\mathrm{Vref}-s(\frac{1}{s}K1+K2)(\mathrm{xa}+\mathrm{xb})-s(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}\·\·\·\left(12\right)$

公式(10)重新改写为公式(13)：

$\mathrm{xa}=s^2\frac{1}{a}\mathrm{xb}\·\·\·\left(13\right)$

将公式(12)代入公式(13)并将得到的公式展开，得到公式(14)：

$(s^2+b)s^2\frac{1}{a}\mathrm{xb}=K1\mathrm{Vref}-(s^2\frac{K1}{a}+s^3\frac{K2}{a}+K1+\mathrm{sK}2+s^2\frac{K3}{a}+s^3\frac{K4}{a})\mathrm{xb}\·\·\·\left(14\right)$

将公式(14)移项并重新组织成公式(15)：

$K1\mathrm{Vref}=\frac{1}{a}{s}^4+\frac{1}{a}(K2+K4)s^3+\frac{1}{a}(b+K1+K3)s^2+K2s+\mathrm{aK}1)\mathrm{xb}\·\·\·\left(15\right)$

从公式(15)可以确定特性曲线公式，用公式(16)表示：

$\mathrm{aK}1\frac{\mathrm{Vref}}{\mathrm{xb}}=s^4+(K2+K4)s^3+(b+K1+K3)s^2+\mathrm{aK}2s+\mathrm{aK}1=F\left(s\right)\·\·\·\left(16\right)$

由于F(s)是一个四次公式，为了满足稳定的条件，应该考虑特征公式四次方根之一的s＝-ω，及ω＞0的值，其中ω表示目标响应频率。

G(s)＝(s²+ξ₁ωs+ω²)(s²+ξ₂ωs+ω²)      (17)

如果ξ1＝ξ2＝2，可以推导出特性曲线公式(18)：

G(s)＝s⁴+4ωs³+6ω²s²+4ω³s+ω⁴           (18)

公式(16)变成公式(19)：

F(s)＝s⁴+(K2+K4)s³+(b+K1+K3)s²+aK2s+aK1   (19)

通过比较公式(16)、(19)项的系数(s0、s1、s2和s3项)，确定系数的系数由公式(20)表示：

由s0项知 $K1=\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{a}$

由s1项知 $K2=\frac{4{\mathrm{\ω}}^3}{a}$

由s2项知 $K3=-\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{a}+6{\mathrm{\ω}}^2-b$

由s3项知 $K4=4\mathrm{\ω}-\frac{4{\mathrm{\ω}}^3}{a}\·\·\·\left(20\right)$

从公式(4′)可知，I-P控制器51和振动抑制器53的增益由公式(1)表示。

通过本发明调整的速度控制***的模拟结果在下面显示出来。机器载荷和电动机的参数根据50(Hz)的反响应频率WL和70(Hz)的响应频率WH确定如下：电动机的转动惯量J1为0.5102[Kgm²]，机器载荷转动惯量J2为0.4898[Kgm²]，机器载荷扭转刚度值K为4.8341e+4[Kgm²/s²]。目标响应频率ω设定为60[Hz]，时间常数Ti，速度环路增益Kv，扭转角增益Ks及扭转角速度增益Ksd根据公式(18)调整。

调整的增益是Kv＝2171.5[rad/s]，Ksd＝-663.5，Ks＝-685.2，及Ti＝10.6[ms]，图31，32示出了步骤命令输入时的响应。在图31，32中，曲线40表示速度命令，曲线41表示电动机速度。具体地说，图31显示的是当振动抑制器不工作时调整后的响应波形，图32显示的是当振动抑制器得到的响应波形。在图31中，电动机速度是振动的。在图32中，电动机速度没有受到影响，表示的是根据二维惯性***的理想无振动的响应。

根据上述结果可以确定能够通过二维惯性***来抑制振动，同时I-P控制器的参数(时间常数Ti，速度环路增益Kv)和振动抑制器的参数(扭转角增益Ks，扭转角速度增益Ksd)可以自动地设定。

根据本实施方式，如果要改变目标响应，则只需要改变目标响应频率ω，速度环路在自动抑制振动的同时进行调整，而不必象传统的电动机控制装置那样用试凑的方式调整振动抑制器和速度控制器。

图33是显示根据本发明第十实施方式的电动机控制装置的方框图。

在图33中，位置控制器56提供位置命令和电动机54的位置并将速度命令输出到速度控制器51。

速度控制器51提供速度命令、电动机54的速度和从振动抑制器53输出的振动抑制信号Tc，实现速度控制处理使速度命令和电动机速度彼此保持一致，并将扭转命令τr输出到电流控制器52。电流控制器52提供扭转命令τr并激励电动机54。机器载荷55通过扭转传动联结轴与电动机54相联结。振动抑制器53提供电动机54的速度与机器载荷速度间的偏差，并输出振动抑制信号Tc。如果检测不到机器载荷速度，那么就用扰动观察器或其它类似的设备进行估计。

下面，将参照图34对速度控制器51、振动抑制器53、电动机54以及机器载荷55的操作进行说明。

速度控制器51中的减法器62从速度命令Vref中减去电动机速度Vfb确定速度偏差。积分仪63对时间常数Ti积分速度偏差。乘法器74将速度命令与系数α(0≤α≤1)相乘。如果α＝0，就执行I-P控制处理步骤，如果α＝1，就执行PI控制处理步骤。通过α不断地从0到1之间的变化，速度控制***也不断地从I-P控制过程到PI控制过程之间变化。减法器64将乘法器74的输出和积分仪63的输出相加并从和中减去电动机速度Vfb。乘法器65将减法器64的输出与速度环路增益Kv相乘。

振动抑制器53中的积分仪67将扭转角速度xa积分以确定扭转角。乘法器68将扭转角与扭转角增益Ks相乘。

加法器69将乘法器68的输出与扭转角速度xa彼此相加。乘法器70将加法器69的输出与扭转角速度增益Ksd相乘以确定振动抑制信号Tc。

减法器66从乘法器65的输出中减去乘法器70的输出。

乘法器71将减法器66的输出与电动机的转动惯量J1相乘以确定扭转命令τr。在所述实施方式中，输入到振动抑制器53中的扭转角速度53由积分仪67积分以确定扭转角。当然，如果已知电动机位置和载荷位置，则振动抑制器可以由输入的扭转角确定。

在图34中，图号17表示的是在技术领域中熟知的二维惯性***振动模式，J1表示电动机的转动惯量、J2表示机器载荷的转动惯量、K表示机器载荷的扭转刚度值、xa表示由电动机速度和机器载荷速度之间的偏差决定的扭转角速度、1/s表示积分过程。

图34中显示的二维惯性***中，速度控制器51的速度环路积分时间常数Ti和速度环路增益Kv，以及振动抑制器53的扭转角速度增益Ksd和扭转角增益Ks的调整过程将在下面描述。假设已知***振频率、共振频率、电动机和机器载荷的转动惯量J1、J2。则根据第一实施方式，速度环路增益Kv、速度环路积分时间常数Ti和振动抑制***的扭转角增益Ks及扭转角速度增益Ksd可以表示如下：

Kv＝K2

1/Ti＝K1/K2

Ksd＝K4

Ks＝k3/k4                   (20′)

当给出速度命令Vref和扭转角速度xa时，I-P控制器和振动抑制器产生一个由下列公式(21)表示的输出：

$\begin{array}{c}\frac{1}{J1}\mathrm{\τr}=(\frac{1}{s}\frac{K1}{K2}(\mathrm{Vref}-\mathrm{Vfb})-\mathrm{Vfb}+\mathrm{\αK}2)K2-(\frac{1}{s}\frac{K3}{K4}+1)K4\mathrm{xa}\\ =(\frac{1}{s}K1+\mathrm{\αK}2)\mathrm{Vref}-(\frac{1}{s}K1+K2)\mathrm{Vfb}-(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}\end{array}\·\·\·\left(21\right)$

其中s为拉普拉斯运算符，1/s为积分过程。

从图34显示的控制目标方框图中可以得到公式(22)(23)：

$\stackrel{\·\·}{V}I=s^2\mathrm{VI}=\frac{K}{J21}\mathrm{xa}\·\·\·\left(22\right)$

$x\stackrel{\·\·}{a}=s^2\mathrm{xa}=s^2(\mathrm{Vfb}-\mathrm{VI})=s\frac{\mathrm{\τr}}{J1}-(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})\mathrm{Kxa}\·\·\·\left(23\right)$

其中V1为机器载荷速度，xa为扭转角速度，s2为二次积分。

a、b用公式(24)表示：

b、

$a=\frac{K}{J2},b=(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})K\·\·\·\left(24\right)$

利用a、b，可以将公式(22)、(23)改写为公式(25)、(26)：

s²xb＝axa                         (25)

$s^2\mathrm{xa}=s^2(\mathrm{Vfb}-\mathrm{VI})=s\frac{\mathrm{\τr}}{J1}-\mathrm{bxa}\·\·\·\left(26\right)$

将公式(21)代入公式(26)，得到公式(27)：

$s^2\mathrm{xa}=s[(\frac{1}{s}K1+\mathrm{\αK}2)\mathrm{Vref}-(\frac{1}{s}K1+K2)\mathrm{Vfb}-(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}]-\mathrm{bxa}\·\·\·\left(27\right)$

因为Vfb＝xa+VI，将公式(27)变为公式(28)：

$(s^2+b)\mathrm{xa}=(K1+\mathrm{\αK}2s)\mathrm{Vref}-s(\frac{1}{s}K1+K2)(\mathrm{xa}+\mathrm{VI})-s(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}\·\·\·\left(28\right)$

公式(25)变为公式(29)：

$\mathrm{xa}=s^2\frac{1}{a}\mathrm{VI}\·\·\·\left(29\right)$

将公式(29)代入公式(28)并将得到的公式展开，得到公式(30)：

$(s^2+b)s^2\frac{1}{a}\mathrm{VI}=(K1+\mathrm{\αK}2s)\mathrm{Vref}-(s^2\frac{K1}{a}+s^3\frac{K2}{a}+K1+\mathrm{sK}2+s^2\frac{K3}{a}+s^3\frac{K4}{a})\mathrm{VI}\·\·\·\left(30\right)$

将公式(30)移项并重新组织成公式(31)：

$(K1+\mathrm{\αK}2s)\mathrm{Vref}=(\frac{1}{a}{s}^4+\frac{1}{a}(K2+K4)s^3+\frac{1}{a}(b+K1+K3)s^2+K2s+K1)\mathrm{VI}\·\·\·\left(31\right)$

从速度命令到电动机速度的变换函数的特性曲线公式根据公式(31)确定，由公式(32)表示：

$(s^2+a)(\mathrm{\αK}2S+K1)\frac{\mathrm{Vref}}{\mathrm{Vm}}=s^4+(K2+K4)s^3+(b+K1+K3)s^2+\mathrm{aK}2s+\mathrm{aK}1=F\left(s\right)\·\·\·\left(32\right)$

由于F(s)为四次公式，特性曲线公式的四次方根之一的s＝-ω，及ω＞0的值认为可以满足稳定条件，其中ω为目标响应频率，ξ1、ξ2为阻尼常数。

G(s)＝(s²+2ξ₁ωs+ω²)(s²+2ξ₂ωs+ω²)      (33)

如果ξ1＝ξ2＝ξ，可以推导出特性曲线公式(34)：

G(s)＝s⁴+4ξωs³+(4ξ²+2)ω²s²+4ξω³s+ω⁴  (34)

公式(32)变成公式(35)：

F(s)＝s⁴+(K2+K4)s³+(b+K1+K3)s²+aK2s+aK1     (35)

通过比较公式(32)、(34)的系数项(s0、s1、s2和s3项)，系数就能确定由公式(36)表示：

由s0项知 $K1=\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{a}$

由s1项知 $K2=\frac{4\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}^3}{a}$

由s2项知 $K3=-\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{a}+(4{\mathrm{\ξ}}^2+2){\mathrm{\ω}}^2-b$

由s3项知 $K4=(4\mathrm{\ω}-\frac{4{\mathrm{\ω}}^3}{a})\mathrm{\ξ}\·\·\·\left(36\right)$

由公式(20′)，I-P控制器和振动抑制器53的增益由公式(37)表示：

$\mathrm{Kv}=\frac{4\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}^{3}J2}{K},\frac{1}{\mathrm{Ti}}=\frac{\mathrm{\ω}}{4\mathrm{\ξ}},\mathrm{Ksd}=(4\mathrm{\ω}-\frac{4{\mathrm{\ω}}^{3}J2}{K})\mathrm{\ξ}\·\·\·\left(37\right)$

其中ξ为阻尼系数(ξ＞0)；

ω为用于控制速度的目标响应频率；

J1为二维惯性***中的电动机转动惯量；

J2为机器载荷的转动惯量；

K为扭转刚度值；

下面对位置控制过程进行说明。

位置控制器56提供位置命令，并将速度命令输出到速度控制器51。

位置控制器56中的减法器72从位置命令Pref中减去电动机位置Pfb以确定位置偏差。乘法器73将位置偏差与位置环路增益Kp相乘。速度控制器51的参数是由公式(38)确定的数值。

$\mathrm{Kv}=\frac{4\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}^{3}J2}{K},\frac{1}{\mathrm{Ti}}=\frac{\mathrm{\ω}}{4\mathrm{\ξ}},\mathrm{Ksd}=(4\mathrm{\ω}-\frac{4{\mathrm{\ω}}^{3}J2}{K})\mathrm{\ξ},\mathrm{Ks}=\frac{-J2{\mathrm{\ω}}^4+(4{\mathrm{\ξ}}^2+2)K{\mathrm{\ω}}^2-K^2(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})}{(4\mathrm{K\ω}-4J2{\mathrm{\ω}}^3)\mathrm{\ξ}}\·\·\·\left(38\right)$

其中ξ为阻尼系数(ξ＞0)；

ω为用于控制速度的目标响应频率；

J1为二维惯性***中的电动机转动惯量；

J2为机器载荷的转动惯量；

K为扭转刚度值。

在位置控制器56中的位置环路增益Kp是速度控制器51的目标响应频率ω的函数，由公式(39)表示：

Kp＝ω/β                  (39)

其中β为自然数。

速度控制***的模拟结果和由第十实施方式调整的位置控制***在下面显示。

机器载荷和电动机的参数根据50[Hz]的***振频率WL和70[Hz]的共振频率WH确定如下：电动机的转动惯量J1为0.5102[Kgm²]，机器载荷转动惯量J2为0.4898[Kgm²]，机器载荷扭转刚度值K为4.8341e+4[Kgm²/s²]。

目标响应频率ω设定为60[Hz]，速度环路积分时间常数Ti，速度环路增益Kv，扭转角增益Ks及扭转角速度增益Ksd根据公式(36)调整。

调整的增益是Kv＝2171.5[rad/s]，Ksd＝-663.5，Ks＝-685.2，及Ti＝10.6[ms]，位置控制器16的位置环路增益Kp为ω/4。

由ξ＝0.5、1、1.5，图35，36示出了在执行速度控制过程时得到的步骤响应，图37，38示出了在执行位置控制过程时得到的步骤响应。在图35，37中，速度控制器执行I-P控制过程(α＝0)。在图36，38中，速度控制器执行PI控制过程(α＝1)。二维惯性***的振动在所有情况下都能够被抑制。根据ξ值之间的比较，ξ＝1时的响应曲线42的设定时间比图35中ξ＝0.5、1.5的响应曲线41、43短，ξ＝1.5的响应曲线43的设定时间比图36中ξ＝0.5、1的响应曲线41、42短，ξ＝0.5的响应曲线45的设定时间比图37中ξ＝1、1.5的响应曲线46、47短，以及ξ＝0.5的响应曲线45的设定时间比图38中ξ＝1、1.5的响应曲线46、47短。

从以上的结果可以看出，振动可以由二维惯性***抑制，随着速度控制***和位置控制***作用到PI控制过程和I-P控制过程，速度控制器的参数(速度环路积分时间常数Ti和速度环路增益kv)和振动抑制器的参数(扭转角增益ks、扭转角速度增益ksd、)可以自动地设定。通过随参数α的变化而改变参数ξ可以使处理时间缩短。

根据第十实施方式，如果改变目标响应，可以通过改变目标响应频率ω，当自动抑制振动时，就能调整速度控制器和位置控制器。因此，振动抑制器、速度控制器和位置控制器不需要用试凑来调整。此外当速度控制器的设置成利用参数α从I-P控制过程到PI控制过程变化时，通过随参数α的变化而改变参数ξ可以使处理时间缩短。图39是显示根据本发明第十一实施方式的电动机控制装置的方框图。

在图39中，位置控制器56提供机器载荷位置Pfb和位置命令Pref，并将速度命令Vfb输出到速度控制器51，从而使机器载荷位置Pfb和位置命令Pref保持彼此一致。

速度控制器51提供速度命令Vref、机器载荷速度Vfb和振动抑制信号Tc，执行速度控制过程，使速度命令Vref和机器载荷速度Vfb保持彼此一致，并将扭转命令τr输出到电流控制器52。电流控制器52提供扭转命令τr并输出电流命令来激励电动机54。电动机54通过传动联结轴与机器载荷55相联结。振动抑制器53提供表示电动机54的速度Vfb和机器载荷速度Vfb之间偏差的扭转角速度xa，并且输出振动抑制信号Tc。

如果检测不到机器载荷速度，那么可以用扰动观察器或其它类似的设备进行估计。

速度控制器51、振动抑制器53、电动机54以及机器载荷55将在下面参照图40进行详细描述。速度控制器51中的减法器62从速度命令Vref中减去机器载荷速度Vfb以确定速度偏差。积分仪63对时间常数Ti积分速度偏差。根据第十实施方式，系数34是用于确定PI控制过程和I-P控制过程到需求状态的参数，其与速度命令Vref相乘。减法器64将乘法器74的输出与积分仪63的输出相加并从和中减去机器载荷速度Vfb。乘法器65将减法器64的输出与速度环路增益Kv相乘。

振动抑制器53中的积分仪67积分由电动机速度Vm和机器载荷速度Vfb之间的偏差确定的扭转角速度xa来确定扭转角。乘法器68将扭转角乘以扭转角增益Ks。加法器69将乘法器68的输出和扭转角速度xa彼此相加。乘法器70将加法器69的输出乘以扭转角速度的增益Ksd确定振动抑制信号Tc。减法器66从乘法器65的输出中减去乘法器70的输出。乘法器71将减法器66的输出乘以电动机的转动惯量J1以确定扭转命令τr。在实施方式的介绍中，扭转角速度xa由积分仪67积分来确定扭转角。当然，如果已知电动机位置和载荷位置，则振动抑制器可以由输入到振动抑制器53的扭转角确定。

在图40中，图号57表示二维惯性***的振动模式，J1为电动机的转动惯量、J2为机器载荷的转动惯量、K为机器载荷的扭转刚度值、xa为由电动机速度和机器载荷速度之间偏差确定的扭转角速度及1/s为积分过程。

根据第十实施方式的半封闭反馈控制***中，使用的反馈信号表示电动机速度Vfb和电动机位置Pfb。在根据第十一实施方式的全封闭反馈控制***中，反馈信号用来表示机器载荷速度Vfb和机器载荷位置Pfb。尽管从严格意义上说，这些参数在实际的公式中是不同的数值，但它们是用同样的符号表示的，这是因为在一般的公式中它们不反映最终的结果。

时间常数Ti、速度环路增益Kv、扭转角速度增益Ksd及扭转角增益Ks的调整过程将在下面进行描述。假设***振频率、共振频率、电动机和机器载荷的转动惯量J1、J2已知。则I-P控制***的速度环路增益Kv、时间常数Ti和振动抑制***的扭转角增益Ks及扭转角速度增益Ksd可以表示如下：

Kv＝K2

1/Ti＝K1/K2

Ksd＝K4

Ks＝k3/k4                         (40)

当给出速度命令Vref和扭转角速度xa时，乘法器71产生由公式(41)表示的输出：

$\begin{array}{c}\frac{1}{J1}\mathrm{\τr}=(\frac{1}{s}\frac{K1}{K2}(\mathrm{Vref}-\mathrm{Vfb})-\mathrm{Vfb}+\mathrm{\αVref})K2-(\frac{1}{s}\frac{K3}{K4}+1)K4\mathrm{xa}\\ =(\frac{1}{s}K1+\mathrm{\αK}2)\mathrm{Vref}-(\frac{1}{s}K1+K2)\mathrm{Vfb}-(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}\end{array}\·\·\·\left(41\right)$

其中s表示拉普拉斯运算符，1/s表示积分过程。

从控制目标的方框图40中可以得到下列公式(42)、(43)：

$s^2\mathrm{Vfb}=\frac{K}{J2}\mathrm{xa}\·\·\·\left(42\right)$

$s^2\mathrm{xa}=s\frac{\mathrm{\τr}}{J1}-(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})\mathrm{Kxa}\·\·\·\left(43\right)$

其中Vfb为机器载荷速度，xa为扭转角速度，s2为二次积分。

a、b用公式(44)表示：

$a=\frac{K}{J2},b=(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})K\·\·\·\left(44\right)$

利用a、b，可以将公式(42)、(43)改写为公式(45)、(46)：

s²xb＝axa                             (45)

$s^2\mathrm{xa}=s^2(\mathrm{Vfb}-\mathrm{VI})=s\frac{\mathrm{\τr}}{J1}-\mathrm{bxa}\·\·\·\left(46\right)$

将公式(41)代入(46)公式，得到公式(47)：

$s^2\mathrm{xa}=s[(\frac{1}{s}K1+\mathrm{\αK}2)\mathrm{Vref}-(\frac{1}{s}K1+K2)\mathrm{Vfb}-(\frac{1}{s}K3+K4)\mathrm{xa}]-\mathrm{bxa}\·\·\·\left(47\right)$

从公式(45)得到公式(48)：

$\mathrm{xa}=s^2\frac{1}{a}\mathrm{Vfb}\·\·\·\left(48\right)$

将公式(48)代入公式(47)并将得到的公式展开，得到公式(49)：

$s^4\frac{1}{a}\mathrm{Vfb}=(K1+\mathrm{\αK}2s)\mathrm{Vref}-(\frac{K1}{a}+s\frac{K2}{a}+s^2\frac{K3}{a}+s^3\frac{K4}{a})\mathrm{Vfb}-s^2\frac{b}{a}\mathrm{Vfb}\·\·\·\left(49\right)$

将公式(49)移项并重新组织成对于Vref、Vfb的公式(50)：

$(K1+\mathrm{\αK}2s)\mathrm{Vref}=(\frac{1}{a}{s}^4+\frac{1}{a}K4s^3+\frac{1}{a}(b+K3)s^2+K2s+K1)\mathrm{Vfb}\·\·\·\left(50\right)$

从速度命令Vref到机器载荷速度Vfb的变换函数由公式(50)确定，由公式(51)表示：

$\frac{\mathrm{Vm}}{\mathrm{Vref}}=\frac{a(\mathrm{\αK}2s+K1)}{s^4+K4s^3+(b+K3)s^2+\mathrm{aK}2s+\mathrm{aK}1}\·\·\·\left(51\right)$

这个***的特性曲线公式F(s)由公式(52)表示：

F(s)＝s⁴+K4s³+(b+K3)s²+aK2s+aK1                (52)

由于F(s)为四次公式，特性曲线公式(53)的四次方根之一的s＝-ω，及ω＞0的值认为可以满足稳定条件，其中ω为目标响应频率，ξ1、ξ2为阻尼常数。

G(s)＝(s²+2ξ₁ωs+ω²)(s²+2ξ₂ωs+ω²)         (53)

如果ξ1＝ξ2＝ξ，可以推导出特性曲线公式(54)：

G(s)＝s⁴+4ξωs³+(4ξ²+2)ω²s²+4ξω³s+ω⁴     (54)

通过比较公式(52)、(54)的系数项(s0、s1、s2和s3项)，确定的系数由公式(55)表示：

由s0项知 $K1=\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{a}$

由s1项知 $K2=\frac{4\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}^3}{a}$

由s2项知      K3＝(4ξ²+2)ω²-b

由s3项知      K4＝4ωξ                        (55)

由公式(40)，速度控制器51和振动抑制器53的增益表示为公式(56)：

$\mathrm{Kv}=\frac{4\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}^{3}J2}{K}$

$\frac{1}{\mathrm{Ti}}=\frac{\mathrm{\ω}}{4\mathrm{\ξ}}$

Ksd＝4ωξ

$\mathrm{Ks}=\frac{(4{\mathrm{\ξ}}^2+2){\mathrm{\ω}}^2-K(\frac{1}{J1}+\frac{1}{J2})}{4\mathrm{\ω\ξ}}\·\·\·\left(56\right)$

其中ξ为阻尼系数(ξ＞0)；

ω为控制速度的目标响应频率；

J1为二维惯性***中的电动机转动惯量；

J2为机器载荷的转动惯量；

K为扭转刚度值。

下面对位置控制过程进行说明。位置控制器56中的减法器72从位置命令Pref中减去机器载荷位置Pfb以确定位置偏差。乘法器73将位置偏差与位置环路增益Kp相乘。当速度命令传送到速度控制器51时输出计算值。

通过本发明调整的速度控制***和位置控制***的模拟结果显示如下。机器载荷和电动机的参数根据50(Hz)的反响应频率WL和70(Hz)的响应频率WH确定如下：电动机的转动惯量J1为0.5102[Kgm²]，机器载荷转动惯量J2为0.4898[Kgm²]，机器载荷扭转刚度值K为4.8341e+4[Kgm²/s²]。

目标响应频率ω设定为60[Hz]，时间常数Ti，速度环路增益Kv，扭转角增益Ks及扭转角速度增益Ksd根据公式(54)调整。位置控制器56中的位置环路增益Kp设定为Kp＝2πω/8[rad/s]。由ξ＝1调整的增益是Kv＝2171.5[rad/s]，Ksd＝-1580，Ks＝-434.6，及Ti＝10.6[ms]。

图41，42示出了在ξ＝0.5、1、1.5时实现速度控制过程得到的步骤响应，图43，44示出了在ξ＝0.5、1、1.5时实现位置控制过程得到的步骤响应。在图41，43中，速度控制器执行I-P控制过程(α＝0)。在图42，44中，速度控制器执行PI控制过程(α＝1)。二维惯性***的振动在所有情况下都能够被抑制。在速度控制过程中，ξ＝1时的响应曲线50根据I-P控制过程和PI控制过程有最短的设定时间。在位置控制过程中，ξ＝0.5时的响应曲线53根据I-P控制过程有最短的设定时间，及ξ＝1.5时的响应曲线55根据PI控制过程有最短的设定时间。从以上的结果可以看出，振动可以由二维惯性***抑制，随着速度控制***和位置控制***作用到PI控制过程和I-P控制过程，速度控制器的参数(速度环路积分时间常数Ti和速度环路增益kv)和振动抑制器的参数(扭转角增益ks、扭转角速度增益ksd)可以自动地设定。通过随参数α的变化而改变参数ξ可以使处理时间缩短。

根据本实施方式，如果改变目标响应，可以通过改变目标响应频率ω，则当自动抑制振动时速度控制器和位置控制器能被调整。因此，振动抑制器、速度控制器和位置控制器不需要用试凑来调整。此外当速度控制器设置成利用参数α从I-P控制过程到PI控制过程变化时，通过随参数α的变化而改变参数ξ可以使处理时间缩短。

Claims (3)

1.一种通过传动机构、带有移动件及支撑移动件的固定件的机器上的移动件来控制电动机驱动的电动机控制装置，所述装置包括：

用于检测所述电动机转动速度的旋转检测器；

伺服装置，其响应于运动命令信号将与运动命令信号一致的运动信号发送到所述电动机来控制电动机，其中所述运动命令信号不包括在测量频率范围之外的不需要的高频分量，从而在频率分析上不产生干扰误差；和

分析装置，其用于将所述运动命令信号向所述伺服装置输出，及分析所述运动命令信号的频率和来自所述旋转检测器的转动检测信号的频率并输出作为所述转动检测信号相对于所述运动命令信号的响应的分析结果。

2.一种通过传动机构、带有移动件及支撑移动件的固定件的机器上的移动件来控制电动机驱动的电动机控制装置，所述装置包括：

用于检测所述电动机的转动速度的旋转检测器；

伺服装置，其响应于运动命令信号将与运动命令信号一致的运动信号发送到所述电动机来控制电动机，其中所述运动命令信号通过产生具有预定持续时间的任意信号及所述任意信号的反相信号来获得，从而引起电动机沿正方向和反方向转动；和

分析装置，其用于将所述运动命令信号向所述伺服装置输出，分析所述运动命令信号的频率和来自所述旋转检测器的转动检测信号的频率，对电动机沿正方向和反方向操作的分析结果取平均值，以及输出作为所述转动检测信号相对于所述运动命令信号的响应的分析结果。

3.一种通过传动机构、带有移动件及支撑移动件的固定件的机器上的移动件来控制电动机驱动的电动机控制装置，所述装置包括：

用于检测所述电动机的转动速度的旋转检测器；

伺服装置，其响应于运动命令信号将与运动命令信号一致的运动信号发送到所述电动机来控制电动机，其中所述运动命令信号通过微分任意信号产生，并且具有较小振幅的低频分量和具有较大振幅的高频分量；和

分析装置，其用于将所述运动命令信号向所述伺服装置输出，分析所述运动命令信号的频率和来自所述旋转检测器的转动检测信号的频率，以及输出作为所述转动检测信号相对于所述运动命令信号的响应的分析结果。

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