CN1846348A - 电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

可容易且精确地实施控制参数的调整，使电动机控制装置的响应快速、精度高，可将振动抑制得较低。通过根据转矩指令T_ref和电动机速度V_fb进行计算的控制常数识别部(18)，即使在动作中发生惯量变动的情况或粘滞摩擦大的情况下，也能够精确地识别惯量和粘滞摩擦系数。结果，可容易且精确地进行控制参数的调整，使电动机控制装置的响应快速、精度高，并且将振动抑制得较低。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及在用于驱动机器人或工作机械等的电动机控制装置中，识别在动作中有惯量变动时的惯量以及识别粘滞摩擦系数的技术。

背景技术

作为现有的对电动机控制装置的电动机进行控制的装置，有具备识别惯量的功能的装置(例如，参照专利文献1)。

本申请人已提出过的该装置的特征在于，具备：速度控制部，其决定转矩指令并控制电动机速度以使所输入的速度指令和实际的电动机速度一致；估计部，其模拟所述速度控制部以使模型的速度与所述电动机速度一致；识别部，其根据在预定区间内对所述速度控制部的速度偏差通过预定过滤器所得的值的绝对值进行时间积分而得到的值、和在相同区间内对所述估计部的速度偏差的绝对值进行时间积分而得到的值之比，来识别惯量，仅在所述估计部的速度偏差为零、并且所述估计部内的速度不为零的情况下，才在所述识别部内进行识别惯量的运算。

在该装置中，因为能够实时地对任意的速度指令进行识别，所以即使在惯量时刻变化的情况下也能够进行惯量的识别。

专利文献1：特许第3185857号公报(第3页、图1)

发明内容

然而在上述现有技术中，当粘滞摩擦大时，由于其影响使得算出的惯量识别值大。因此，若使用该识别的惯量值来调整控制参数，则存在有时会产生振动的问题。因此，本发明的目的在于提供一种电动机控制装置，通过即使在粘滞摩擦较大的情况下也降低惯量识别误差，并且识别粘滞摩擦系数，可容易且精确地实施控制参数的调整，使电动机控制装置的响应快速、精度高，并且可将振动抑制得较低。

为了解决上述问题，本发明按如下构成。

权利要求1所述的发明是一种电动机控制装置，具备：输出速度指令V_ref的速度指令产生部；速度控制部，其输入所述速度指令V_ref和电动机速度检测信号V_fb并输出转矩指令T_ref，以使所述电动机速度检测信号V_fb与所述速度指令V_ref一致；转矩控制部，其输入所述转矩指令T_ref，进行转矩控制，向电动机输出电动机驱动电流；以及检测器，其检测所述电动机的位置或速度，输出所述电动机速度检测信号V_fb，其特征在于，所述电动机控制装置具备控制常数识别部，其至少根据所述转矩指令T_ref和所述电动机速度检测信号V_fb，计算粘滞摩擦系数D以及将所述电动机的转子惯量值、和将所述电动机驱动的负载机械的惯量值换算成所述电动机的旋转轴而得到的值进行合计所得到的惯量合计值J。

另外，权利要求2所述的发明的特征在于，在所述控制常数识别部中，若设在区间[a，b]内、即从时刻a到时刻b对所述转矩指令T_ref进行积分得到的值为ST_ref，即，

【数式1】

$S{T}_{\mathrm{ref}}={\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}\mathrm{dt}...\left(1\right)$

则根据

【数式2】

$J=\frac{{\∫}_a^{b}S{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(2\right)$

【数式3】

$D=\frac{{\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(3\right)$

算出粘滞摩擦系数D以及将所述电动机的转子惯量值、和将所述电动机驱动的负载机械的惯量值换算成所述电动机的旋转轴而得到的值进行合计所得到的惯量合计值J。

另外，权利要求3所述的发明的特征在于，在所述控制常数识别部中，设用于计算所述惯量合计值J的区间[a，b]为使时刻a的电动机位置P_fb(a)和时刻b的电动机位置P_fb(b)一致的区间。

另外，权利要求4所述的发明的特征在于，在所述控制常数识别部中，在所述粘滞摩擦系数D为已知的情况下，根据

【数式4】

$J=\frac{{\∫}_a^{b}S{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{D}{2}\·\frac{(P_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-P_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(4\right)$

计算所述惯量合计值J。

另外，权利要求5所述的发明的特征在于，在所述控制常数识别部中，在所述惯量合计值J为已知的情况下，若设V_fb(a)为时刻a的电动机速度，并且V_fb(b)为时刻b的电动机速度，则根据

【数式5】

$D=\frac{{\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{J}{2}\·\frac{(V_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-V_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(5\right)$

计算所述粘滞摩擦系数D。

另外，权利要求6所述的发明的特征在于，在所述控制常数识别部中，仅在所述速度指令V_ref不为0且不恒定的情况下，根据所述式(2)

【数式6】

$J=\frac{{\∫}_a^{b}S{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(2\right)$

或所述式(4)

$J=\frac{{\∫}_a^{b}S{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{D}{2}\·\frac{(P_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-P_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(4\right)$

计算所述惯量合计值J。

另外，权利要求7所述的发明的特征在于，在控制参数的调整、前馈信号的生成、或振动抑制补偿器的调整中利用所识别的所述惯量合计值J和所识别的所述粘滞摩擦系数D。

根据本发明，即使在动作中发生惯量变动的情况或粘滞摩擦大的情况下，也能够精确地识别惯量，并且也能够识别粘滞摩擦系数。另外，根据权利要求7，具有如下效果：可容易且精确地实施控制参数的调整，使电动机控制装置的响应快速、精度高，并且将振动抑制得较低。

附图说明

图1是说明应用本发明的第一实施例的电动机控制装置的方框图。

图2是实施例1的验证实验结果(速度指令V_ref和速度信号V_fb)。

图3是实施例1的验证实验结果(转矩指令T_ref)。

图4是实施例1的验证实验结果(所识别的粘滞摩擦系数和真值)。

图5是实施例1的验证实验结果(所识别的惯量合计值J和真值)。

图6是说明应用本发明的第二实施例的电动机控制装置的方框图。

符号说明

11：位置控制部；12：速度控制部；13：转矩控制部；14：电动机；15：检测器；16：差分器；17：刚体负载；18：控制常数识别器；61：前馈信号生成器。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

实施例1

在实际的电动机控制装置中内置有各种功能和单元，但在图中，仅对与本发明相关的功能和单元进行了记述和说明。另外，以下，对于同一名称赋予完全相同的符号，并省略重复说明。

图1是把本发明应用于对电动机施加刚体负载的驱动装置时的方框图。图1中，11是位置控制部，12是速度控制部，13是转矩控制部，14是电动机，15是检测器，16是差分器，17是刚体负载，18是控制常数识别部。

位置控制部11输入位置指令P_ref和电动机14的位置信号P_fb，向速度控制部12输出速度指令V_ref。速度控制部12输入所述速度指令V_ref和电动机的速度信号V_fb，向转矩控制部13和控制常数识别部18输出转矩指令T_ref。转矩控制部13输入所述转矩指令T_ref，向电动机14输出电动机驱动电流I_m。电动机14被所述电动机驱动电流I_m驱动，产生转矩。利用该转矩驱动刚体负载17。另外，电动机14中安装有检测器15，以向位置控制部11和差分器16输出所述位置信号P_fb。差分器16输入所述位置信号P_fb，向速度控制部12和控制常数识别部18输出所述速度信号V_fb。控制常数识别部18输入所述速度信号V_fb和所述转矩指令T_ref。

位置控制部11进行位置控制运算以使所述位置信号P_fb与所述位置指令P_ref一致。速度控制部12进行速度控制运算以使所述速度信号V_fb与所述速度指令V_ref一致。转矩控制部13进行转矩控制运算以使电动机14产生的转矩与所述转矩指令T_ref一致。检测器15检测电动机14的位置。差分器16获取所述位置信号P_fb的每隔一定时间的差分，求出所述速度信号V_fb。控制常数识别部18根据所述速度信号V_fb和所述转矩指令T_ref，计算电动机14的转子惯量和安装在电动机14上的刚体负载17的惯量的合计值J以及粘滞摩擦系数D。

另外，本发明中通过假定了旋转型电动机而把速度控制部的输出作为转矩指令，但在直线电动机的情况下，只要把速度控制部的输出作为推力指令，根据同样的结构来实现即可。因此，如果使用本发明，则可通过简单的数学式运算，实时地识别惯量合计值和粘滞摩擦系数。

本发明的特征在于具备根据转矩指令T_ref和电动机速度检测信号V_fb而计算惯量J和粘滞摩擦系数D的控制常数识别部18。

以下，说明具体的计算方法。

在利用惯量J和粘滞摩擦系数D来表现控制对象的情况下，转矩指令T_ref和电动机速度V_fb的关系用式(6)来表示。

【数式8】

$T_{\mathrm{ref}}=J{V}_{\mathrm{fb}}^1+D{V}_{\mathrm{fb}}...\left(6\right)$

其中，V_fb’是V_fb的时间微分值。

若利用区间[a，b]对式(6)的两边进行时间积分，则得到式(7)。并且，若将式(1)代入其中，并且在两边乘以速度V_fb，则成为式(8)。

【数式9】

${\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}\mathrm{dt}=J{V}_{\mathrm{fb}}+D{P}_{\mathrm{fb}}...\left(7\right)$

【数式10】

$S{T}_{\mathrm{ref}}={\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}\mathrm{dt}...\left(1\right)$

【数式11】

$T_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}=J{V}_{\mathrm{fb}}^2+D{P}_{\mathrm{fb}}{V}_{\mathrm{fb}}...\left(8\right)$

并且，若利用区间[a，b]对式(8)进行时间积分，则成为式(9)。这里，由于式(9)的右边第二项为式(10)，所以根据式(9)和式(10)得到式(4)。

【数式12】

${\∫}_a^{b}S{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}=J{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}+D{\∫}_a^b{P}_{\mathrm{fb}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}...\left(9\right)$

【数式13】

${\∫}_a^b{P}_{\mathrm{fb}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}=D{\∫}_a^b{P}_{\mathrm{fb}}{P}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}$

$=\frac{D}{2}(P_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-P_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)...\left(10\right)$

【数式14】

$J=\frac{{\∫}_a^{b}S{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{D}{2}\·\frac{(P_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-P_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(4\right)$

因为式(4)的右边第二项的分母一定为正，所以分母随着时间而增加。因此，如果将区间[a，b]取得较大，则根据式(4)得到式(2)。

【数式15】

$J=\frac{{\∫}_a^{b}S{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(2\right)$

并且，在式(4)中，如果设定使时刻a的电动机位置P_fb(a)和时刻b的电动机位置P_fb(b)一致的区间[a，b]，则右边第二项的分子为零，所以即使不把区间[a，b]取得较大，上述式(2)也成立。

接着，说明粘滞摩擦系数D的计算方法。与惯量的计算方法相同，利用式(6)的关系，在两边乘以速度V_fb，则得到式(11)，若利用区间[a，b]对式(11)的两边进行积分，则成为式(12)。这里，式(12)的右边第一项为式(13)，所以根据式(12)和式(13)得到式(5)。

【数式16】

$T_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}=J{V}_{\mathrm{fb}}^1{V}_{\mathrm{fb}}+D{V}_{\mathrm{fb}}^2...\left(11\right)$

【数式17】

${\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}=J{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^1{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}+D{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}...\left(12\right)$

【数式18】

${\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^1{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}=\frac{1}{2}(V_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2+V_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)...\left(13\right)$

【数式19】

$D=\frac{{\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{J}{2}\·\frac{(V_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-V_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(5\right)$

因为式(5)的右边第二项的分母一定为正，所以分母随着时间而增加。因此，如果将区间[a，b]取得较大，则根据式(5)得到式(3)。

【数式20】

$D=\frac{{\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}...\left(3\right)$

并且，式(5)中，如果设定使时刻a的电动机速度V_fb(a)和时刻b的电动机速度V_fb(b)一致的区间[a，b]，则式(5)的右边第二项的分子为零，所以即使不把区间[a，b]取得较大，上述式(3)也成立。

以上说明了惯量J和粘滞摩擦系数D的计算方法。

接着使用图说明对电动机施加电动机转子惯量的2倍的刚体负载时的验证实验结果。

图2至图5是对电动机14施加具有电动机惯量Jm的2倍的惯量的刚体负载17时的验证实验结果。

图2表示速度指令V_ref(rad/s)和速度信号V_fb(rad/s)，图3表示转矩指令T_ref(Nm)。

另外，图4表示所识别的粘滞摩擦系数D(×10e-3Nms/rad)，虚线所示的线是粘滞摩擦系数的真值(计算值＝0.04×10e-3Nms/rad)。并且，图5表示所识别的惯量合计值J(×10e-3kgm²)，点划线所示的线是惯量合计值的真值(计算值＝0.025×10e-3kgm²)。

从图4和图5可知，利用本方法所识别的粘滞摩擦系数和真值几乎一致，并且，所识别的惯量合计值和真值也几乎一致。根据以上的结果，可知本发明是有效的。

实施例2

图6是用于说明在前馈信号的生成中使用本发明所识别的惯量合计值和粘滞摩擦系数的例子的电动机控制装置的方框图。

图6中，61是前馈信号生成器。前馈信号生成器61同时输入位置控制部11的位置指令P_ref输入，生成前馈信号ff后输出。速度控制部12的输出信号和该前馈信号ff之和为转矩指令T_ref。

在前馈信号生成器61中，s是拉普拉斯运算符，FF_a和FF_b是前馈增益。Ji和Di是本发明的控制常数识别部18所识别的惯量合计值J和粘滞摩擦系数D。

例如，前馈信号ff可以通过如下方式得到：将对位置指令P_ref进行了2阶微分得到的值与前馈增益FF_a相乘后再乘以所识别的惯量合计值Ji而得到的值、与对位置指令P_ref进行了1阶微分得到的值与前馈增益FF_b相乘后再乘以所识别的粘滞摩擦系数Di而得到的值相加而得到。

这样，可以在前馈信号的生成中利用本发明。

另外，因为利用本发明所识别的惯量合计值J和粘滞摩擦系数D是精确的，所以不言自明，可以根据它们进行位置循环增益和速度循环增益等控制参数的调整。

另外，作为可以在干扰观测器等振动抑制补偿器的调整中利用本发明所识别的惯量合计值J和粘滞摩擦系数D的例子，例如有本申请人申请的特许第3360935号公报。

在本专利中，通过利用本发明所识别的惯量合计值J和粘滞摩擦系数D，可精确运算估计干扰信号，可容易地实现振动抑制。

产业上的可利用性

本发明可以用作用来驱动工作机械或工业用机器人的电动机控制装置。

Claims (7)

1.一种电动机控制装置，具备：输出速度指令V_ref的速度指令产生部；速度控制部，其输入所述速度指令V_ref和电动机速度检测信号V_fb并输出转矩指令T_ref，以使所述电动机速度检测信号V_fb与所述速度指令V_ref一致；转矩控制部，其输入所述转矩指令T_ref，进行转矩控制，向电动机输出电动机驱动电流；以及检测器，其检测所述电动机的位置或速度，输出所述电动机速度检测信号V_fb，其特征在于，所述电动机控制装置具备：

控制常数识别部，其至少根据所述转矩指令T_ref和所述电动机速度检测信号V_fb，计算粘滞摩擦系数D以及将所述电动机的转子惯量值、和将所述电动机驱动的负载机械的惯量值换算成所述电动机的旋转轴而得到的值进行合计所得到的惯量合计值J。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在所述控制常数识别部中，若设在区间[a，b]内、即从时刻a到时刻b对所述转矩指令T_ref进行积分得到的值为ST_ref，即，

【数式1】

${\mathrm{ST}}_{\mathrm{ref}}={\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}\mathrm{dt}\·\·\·\left(1\right)$

则根据

【数式2】

$J=\frac{{\∫}_a^b{\mathrm{ST}}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}\·\·\·\left(2\right)$

【数式3】

$D=\frac{{\∫}_a^b{\mathrm{ST}}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}\·\·\·\left(3\right)$

算出粘滞摩擦系数D以及将所述电动机的转子惯量值、和将所述电动机驱动的负载机械的惯量值换算成所述电动机的旋转轴而得到的值进行合计所得到的惯量合计值J。

3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在所述控制常数识别部中，设用于计算所述惯量合计值J的区间[a，b]为使时刻a的电动机位置P_fb(a)和时刻b的电动机位置P_fb(b)一致的区间。

4.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在所述控制常数识别部中，在所述粘滞摩擦系数D为已知的情况下，根据

【数式4】

$J=\frac{{\∫}_a^b{\mathrm{ST}}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{D}{2}\·\frac{(P_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-P_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}\·\·\·\left(4\right)$

计算所述惯量合计值J。

5.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在所述控制常数识别部中，在所述惯量合计值J为已知的情况下，若设V_fb(a)为时刻a的电动机速度，并且V_fb(b)为时刻b的电动机速度，则根据

【数式5】

$D=\frac{{\∫}_a^b{T}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{J}{2}\·\frac{(V_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-V_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}\·\·\·\left(5\right)$

计算所述粘滞摩擦系数D。

6.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在所述控制常数识别部中，仅在所述速度指令V_ref不为0且不恒定的情况下，根据所述式(2)

【数式6】

$J=\frac{{\∫}_a^b{\mathrm{ST}}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}\·\·\·\left(2\right)$

或所述式(4)

$J=\frac{{\∫}_a^b{\mathrm{ST}}_{\mathrm{ref}}{V}_{\mathrm{fb}}\mathrm{dt}}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}-\frac{D}{2}\·\frac{(P_{\mathrm{fb}}{\left(b\right)}^2-P_{\mathrm{fb}}{\left(a\right)}^2)}{{\∫}_a^b{V}_{\mathrm{fb}}^2\mathrm{dt}}\·\·\·\left(4\right)$

计算所述惯量合计值J。

7.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在控制参数的调整、前馈信号的生成、或振动抑制补偿器的调整中利用所识别的所述惯量合计值J和所识别的所述粘滞摩擦系数D。

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