CN101180789A - 电动机控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的电动机控制装置为了能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械(2)的振动抑制,速度控制电路(9a)输入作为电动机(3)的速度目标值的速度指令信号(vr)、用速度修正信号(vc)修正了作为电动机(3)的速度的当前值的速度信号(vm)后的修正速度信号(vmc),输出用于指定由电动机(3)驱动负载机械(2)的转矩(τm)的目标值的转矩指令信号(τr),振动抑制电路(11a)基于表示负载机械(2)的加速度的当前值的加速度信号(al)的输入,输出速度修正信号(vc),对于振动抑制电路(11a)的传递函数,将从表示电动机(3)的位置的当前值的位置信号(xm)到转矩指令信号τr的传递函数乘以规定的增益的比例特性和积分特性,而得到从加速度信号(al)到转矩指令信号(τr)的传递函数。
Description
技术领域
本发明涉及对驱动工作机械的工作台和工业机器人的臂这样的负载机械的电动机进行控制的电动机控制装置。
背景技术
作为这种电动机控制装置,已知以下这样的装置,即对根据电动机的速度信号或位置信号生成的转矩指令信号进行控制使得电动机的转矩与转矩指令信号一致从而经由转矩传递机械结构对与电动机结合的负载机械进行驱动,但由于使电动机和负载机械结合的转矩传递机械结构的刚性低,所以有难以同时实现干扰抑制力的提高和负载机械的振动。
因此,现有的传统设备控制装置构成为从基于电动机的速度信号和位置信号生成的转矩指令信号减去负载机械结构的加速度信号的比例倍的信号,使包含在负载机械的加速度信号中的负载机械的振动反映到转矩指令信号中,来抑制负载机械的振动(例如参考专利文献1)。
或者,构成为输入负载机械的加速度信号,并附加对位置控制电路输出的转矩指令信号进行修正的振动抑制电路,用状态方程式的模型表现电动机、负载机械、位置控制电路、振动抑制电路,决定位置控制电路和振动抑制电路所具备的增益,使得包含考虑到位置偏差和负载机械的加速度和向电动机施加的操作能量的项、状态方程式的状态变量的评价函数为最小,由此不使负载机械振动而提高指令跟踪性(例如参考专利文献2)。
专利文献1:特开平6-91482号公报
专利文献2:特开平5-303427号公报
在专利文献1中记载的发明中,如果将速度比例增益Kvp固定为某值,则通过增大加速度反馈增益Ka,能够抑制负载机械的振动。但是,由于适合于振动抑制的Ka的大小根据速度比例增益Kvp而不同,所以为了提高干扰抑制力,必须在每次调整速度比例增益Kvp时都重新调整加速度反馈增益Ka,有调整作业烦琐的问题。
另外,为了抑制负载机械的振动,必须增大加速度反馈增益Ka,但由于构成为将负载机械的加速度信号的比例倍的信号与速度控制电路输出的转矩指令信号相加,以抑制振动为目的的加速度反馈增益Ka的效果、以抑制干扰为目的的速度积分增益Kvi和位置比例增益kp的效果会引起干扰而成为振动,有无法同时得到充分的振动抑制效果和干扰抑制效果的问题。
另外,在专利文献2记载的发明中,需要与组合了电动机和负载机械的机械系统有关的正确的公式模型,因此需要确定机械系统的频率特性等的特殊装置,有装置整体的结构变得大规模并且复杂的问题。
另外,为了决定位置控制电路和振动抑制电路的增益,需要设置评价函数的加权,但由于评价函数的加权增益与所得到的结果的关系不明确,所以为了得到满意的结果,必须不断试验错误的调整,调整作业烦琐,另外由于为了决定位置控制电路和振动抑制电路的增益而需要求解Riccati方程式,所以还有调整作业烦琐的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述那样的问题点而提出的,其目的在于:提供一种通过容易的增益调整就能够同时实现干扰抑制力的提高和负载机械的振动抑制的电动机控制装置。
电动机控制装置的结构是:位置控制单元输入用于指定驱动负载机械的电动机的位置目标值的位置指令信号、表示电动机的位置的当前值的位置信号,输出用于指定电动机的速度目标值的速度指令信号,速度控制单元输入位置控制单元输出的速度指令信号、将表示电动机的速度的当前值的速度信号与修正该速度信号的速度修正信号相加后的修正速度信号,输出电动机驱动负载机械的转矩目标值的转矩指令信号,进而,输入表示负载机械的加速度的当前值的加速度信号并输出速度修正信号的振动抑制单元构成为:从加速度信号到转矩指令信号的传递函数具有将从位置信号到转矩指令信号的传递函数乘以规定的增益的比例特性和积分特性那样地确定的传递函数。
不需要用于得到与由电动机和负载机械构成的机械系统有关的信息的计算、频率特性的确定等的特殊装置,如果与电动机和负载机械的速度控制中的用于干扰抑制的速度比例增益和速度积分增益的调整独立地,将负载机械的加速度信号的反馈增益设置为固定值,就能够实现负载机械的振动抑制,因此能够通过容易的增益调整,同时实现电动机和负载机械的速度控制中的干扰抑制力的提高、负载机械的振动抑制。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的一个例子的框图。
图2是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的一个例子的框图。
图3是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的根轨迹的图。
图4是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的速度比例增益与闭环复极(complex pole)的衰减系数的关系的图。
图5是表示本发明的实施例2的电动机控制装置的一个例子的框图。
图6是表示本发明的实施例2的电动机控制装置的一个例子的框图。
图7是表示本发明的实施例3的电动机控制装置的一个例子的框图。
图8是表示本发明的实施例4的电动机控制装置的一个例子的框图。
图9是表示本发明的实施例5的电动机控制装置的一个例子的框图。
图10是表示本发明的实施例5的电动机控制装置的一个例子的框图。
符号说明
2:负载机械;3:电动机;8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h:作为位置控制单元的位置控制电路;9a、9b、9c、9e、9f、9h:作为速度控制单元的速度控制电路;11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g、11h:作为振动抑制单元的振动抑制电路;12:作为增益部件的增益电路;13:作为积分部件的积分电路
具体实施方式
实施例1
图1是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的框图。控制对象1由包括驱动负载机械2的电动机3的机械系统4、控制电动机3驱动负载机械2的转矩τm使其与转矩指令信号τr一致的转矩控制电路5构成。另外,除了负载机械2和电动机3以外,机械系统4还包括检测出作为电动机3的位置的当前值的位置信号xm的位置检测电路6、检测作为负载机械2的加速度的当前值的加速度信号al的加速度检测电路7。
位置控制电路8a输入作为电动机3的位置的目标值的位置指令信号xr、位置信号xm,输出作为电动机3的速度目标值的速度指令信号vr。
速度控制电路9a输入位置控制电路8a输出的速度指令信号vr、将用于对该速度信号vm进行修正的速度修正信号vc与速度计算电路10根据位置信号xm计算输出的速度信号vm相加后的修正速度信号vmc,输出作为电动机3驱动负载机械2的转矩τm的目标值的转矩指令信号τr。
由将负载机械2的加速度信号al作为输入的振动抑制电路11a输出速度修正信号vc,但对于该振动抑制电路11a的传递函数,如下这样确定从加速度信号al到转矩指令信号τr的传递函数,即将规定的增益的比例特性和积分特性乘以从位置信号xm到转矩指令信号τr的传递函数。
使用比图1的结构简单的不向位置控制电路8b输入位置信号xm的反馈的图2的结构,说明本实施例1的原理。在图2中,控制对象1与图1一样。
位置控制电路8b输入位置指令信号xr,输出速度指令信号vr。
速度控制电路9b输入位置控制电路8b输出的速度指令信号vr、将修正该速度信号vm的速度修正信号vc与由速度计算电路10根据位置xm计算输出的速度信号vm相加后的修正速度信号vmc,输出转矩指令信号τr。
另外,在振动抑制电路11b中,对负载机械2的加速度信号al进行比例倍增,而生成速度修正信号vc。
另外,在图2的结构中,位置控制电路8b并不一定限于是电动机控制装置的构成要素,也可以考虑电动机控制装置从外部输入速度指令信号vr的结构。
接着,说明本实施例1的原理。
机械系统4是具有机械共振特性,从转矩指令信号τr到电动机3的速度信号vm的传递函数只具有一个机械共振特性的二惯性系统。这时,如果假设从电动机3的转矩τm到电动机3的速度信号vm的传递函数为Gv(s),从电动机3的转矩τm到负载机械2的加速度信号al的传递函数为Ga(s),则分别如下这样表示Gv(s)、Ga(s)。
公式1
公式2
在此,ω为反共振频率,ωp为共振频率,J是机械系统4的总惯性,如果假设电动机3的惯性为Jm,负载机械2的惯性为Jl,则总惯性J表示为Jm与Jl的和。Gv(s)在虚数轴上具有一对复数零点,如果假设该复数零点为z’,则用下式给出z’。
公式3
z′=±jωz (3)
另外,速度控制电路9b构成为从修正速度信号vmc到转矩指令信号τr的传递特性为下式所示的PI控制的传递特性。
公式4
在此,kv是速度比例增益,ωvi是速度积分增益。
首先,在振动抑制电路11b中将负载机械2的加速度信号al的比例倍的增益设为α,考虑该增益α为0,即不将速度修正信号vc与电动机3的速度信号vm相加的电动机控制装置。如果理想地将转矩控制电路5的传递特性设为1,设在控制对象1的输入端切断回路(loop)时的开环传递函数为Lv’(s),则Lv’(s)为从控制对象1的输入端经由检测电动机3的位置信号xm的位置检测电路6、速度计算电路10和速度控制电路9b返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数,如下这样表示。
公式5
根据公式(5),Lv’(s)具有的零点为实数零点-ωvi和位于虚数轴上的一对复数零点±jωz,原样地出现速度控制电路9b所赋予的实数零点-ωvi和Gv(s)的复数零点z’。
另一方面,如果考虑α>0时,则如果设在控制对象1的输入端切断回路时的开环传递函数为Lv(s),则Lv(s)为从控制对象1的输入端经由电动机3、位置检测电路6、速度计算电路10和速度控制电路9b返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数与从控制对象的输入端经由负载机械2、加速度检测电路7、振动抑制电路11b和速度控制电路9b返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数的和,如下式这样表示。
公式6
根据公式(6),Lv(s)具有实数零点-ωvi和根据增益α变化的一对复数零点。如果设Lv(s)的复数零点为z,则通过下式给出z。
公式7
另外,如果设Lv(s)的复数零点z的衰减系数为ζz,在复数平面中复数零点z与实数轴所成的角度为,则通过下式给出复数零点z的衰减系数为ζz。
公式8
一般,为了提高干扰抑制效果,必须增大开环传递函数的增益,但已知如果充分增大开环传递函数的增益,则不切断回路的闭环传递函数的极(以下称为闭环极)逐渐接近开环传递函数的零点。因此,如果增大开环传递函数的增益,则闭环极的衰减系数接近公式(8)的开环传递函数的零点(以下称为开环零点)的衰减系数。
该闭环极的衰减系数是表示闭环响应的振动衰减的比例的代表性指标,闭环极的衰减系数越小,则闭环响应的振动越大,闭环极的衰减系数越大,则闭环响应的振动越快衰减。
根据本实施例1,如果将公式(8)所示的闭环复数零点的衰减系数ζz适当地设置为大的值,则即使为了提高干扰抑制效果而增大开环传递函数的增益,也能够增大闭环复极的衰减系数,抑制振动。即,能够同时实现干扰抑制和振动抑制。
使用图3和图4,详细说明上述性质。
图3是表示改变速度比例增益kv时的闭环复极的根轨迹的概要图。在此,为了简化说明,设ωvi=0,另外设置α=1/ωz,使得复数零点z的衰减系数为ζz=0.5。
在图3中,用虚线表示设α=0时的闭环复极的根轨迹,用实线表示设α>0时的闭环复极的根轨迹,另外用○表示开环零点,用×表示开环极,各根轨迹的箭头表示增大速度比例增益kv时闭环极移动的方向。
另外,实数轴上的闭环极在速度增益为0时位于原点,并与速度比例增益kv的增大对应地收敛为位于-∞的闭环零点。该轨迹在α=0、α=1/wz噪声的情况下都是同样的轨迹(未图示)。
另外,图4是表示增大速度比例增益kv时的闭环复极的衰减系数的变化的图,横轴是用总惯性J标准化了的速度比例增益kv,纵轴是闭环复极的衰减系数。
在增益为0时,如果为了提高干扰抑制力,而从0开始增大速度比例增益kv,则闭环复极向从虚数轴离开的方向移动,闭环复极的衰减系数在某kv的值时成为最大。
如果进而使速度比例增益kv从衰减系数成为最大的值开始增大,则闭环复极接近Lv’(s)在虚数轴上具有的复数零点z’,闭环复极的衰减系数逐渐接近0。与此同时,负载机械2的振动增大,但即使调整速度比例增益kv和速度积分增益ωvi,该复数零点z’的位置也不改变,因此为了增大衰减系数抑制负载机械2的振动,就必须减小速度比例增益kv。
由此,在增益α为0,即不将速度修正信号vc与电动机3的速度vm相加的情况下,无法同时实现干扰抑制力的提高和振动抑制。
与此相对,如果将增益α增大为正,则可以增大Gv(s)的复数零点z’的衰减系数。即,能够使Lv(s)的复数零点z向从位于虚数轴的z’离开的位置移动,能够增大Lv(s)的复数零点z的衰减系数ζz。
这时,如果为了提高干扰抑制力而增大速度比例增益kv,则闭环复极向从虚数轴离开的方向移动,闭环复极的衰减系数增大。如果进而增大kv,则与α=0时一样,闭环复极的衰减系数减小,但能够如上述那样使Lv(s)的复数零点z的衰减系数ζz成为适当的大小,因此能够进行调整,使得即使闭环复极接近Lv(s)的复数零点z,闭环极的衰减系数也不为0,使负载机械2不振动。
即,能够同时实现干扰抑制力的提高和负载机械的振动抑制。
在图1的结构中,可以与图2的结构一样地构成振动抑制电路11a,其内容如下。
在图1中,构成为位置控制电路8a具有位置比例增益kp的传递特性,速度控制电路9a具有与图2一样的公式(4)所示的PI控制的传递特性。这时,如果着眼于来自位置检测电路6的反馈回路(feedbackloop),则从位置信号xm到转矩指令信号τr的传递特性如下式所示那样。
公式9
如果构成为从加速度信号al到转矩指令信号τr的传递特性是将增益α的比例积分特性乘以从位置信号xm到转矩指令信号τr的传递特性,则可以与图2的结构一样地调整开环复数零点的衰减,因此也可以具有如下式所示那样的传递特性。
公式10
另一方面,通过下式表示从速度修正信号vc到转矩指令信号τr的传递特性。
公式11
因此,可以使振动抑制电路11a具有下式所示那样的比例增益为α、积分增益为kp的PI控制的传递函数Ca(s)。
公式12
接着,说明本实施例1的振动抑制电路11a、振动抑制电路11b、速度控制电路9a、速度控制电路9b的调整。
通过增大增益α能够增大衰减系数ζz,如果衰减系数ζz为0.5左右,则在增大速度比例增益kv时,能够得到充分的振动抑制效果。另外,即使进一步增大衰减系数ζz而成为1以上,也不会有特别好的效果,但另一方面,收敛减慢、安定(robust)稳定性变差这样的恶劣影响增大。因此,可以将增益α调整为使得衰减系数ζz=0.5左右。
另外,衰减系数ζz并不依存于速度比例增益kv和速度积分增益ωvi。因此,可以与速度比例增益kv和速度积分增益ωvi的调整独立地,在能够抑制负载机械2的振动的范围内将增益α固定为某一个值。例如,如果α=1/ωz左右,则能够充分抑制负载机械2的振动,使得衰减系数ζz=0.5左右。
另外,如果事先知道机械系统4的反共振频率ωz,则可以如上述那样设置增益α,使得衰减系数ζz与最优值一致,但在不知道反共振频率ωz的情况下,只将增益α增大为正,就能够增大衰减系数ζz而得到振动抑制效果。
因此,为了获得反共振频率ωz等与机械系统4有关的信息,不需要用于计算和确定频率特性那样的特殊的装置,只通过逐渐使α从0逐渐增大的容易的调整,就能够抑制负载机械2的振动。
另外,由于衰减系数ζz不依存于速度比例增益kv,所以可以与增益α和速度比例增益kv独立地进行调整,能够独立地调整干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,衰减系数ζz也不依存于速度积分增益ωvi,因此也可以独立地调整增益α和速度积分增益ωvi。根据公式(6)可知,即使改变速度积分增益ωvi,也只是Lv(s)的实数零点-ωvi在实数轴上移动,不会影响根据增益α而变化的复数零点的衰减系数ζz。
由于复数零点的衰减系数为1,所以在收敛为实数零点-ωvi的闭环极的影响下,负载机械2不振动。在这种电动机控制装置中,大多使速度积分增益ωvi与速度比例增益kv联动,设置为与速度比例增益kv的增大对应地ωvi也增大,但在这样的情况下,也不需要变更与速度积分增益ωvi、速度比例增益kv有关的设置,而将速度修正信号vc与电动机3的速度信号vm相加,即实施例1的结构,能够通过上述那样只调整增益α的容易的调整,同时实现干扰抑制力的提高和振动抑制。
另外,对于位置比例增益kp,也可以与速度比例增益kv一样地进行处理。
另外,在本实施例1中,记载了在振动抑制电路11a中,使负载机械2的加速度信号al成为比例倍而生成速度修正信号vc,但也可以构成为使从负载机械2的加速度信号al除去了规定的频率成分的信号成为比例倍。
例如,通过向振动抑制电路11a或振动抑制电路11b追加除去规定频率以上的成分的低通滤波器,能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的包含在负载机械2的加速度信号al中的高频噪声。低通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的5倍还大。
另外,通过向振动抑制电路11a或振动抑制电路11b追加除去规定频率以下的成分的高通滤波器,能够除去因包含在负载机械2的加速度信号al中的偏移量而产生的恒定误差。另外,高通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的1/10小。
本实施例1通过以上那样的构成,不需要用于得到与机械系统4有关的信息的计算、确定频率特性这样的特殊装置,能够与位置比例增益kp、速度比例增益kv和速度积分增益ωvi的调整独立地,只通过将增益α设置为固定值使得衰减系数ζz成为1以下的适当的值这样的容易的调整,就能够同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,如图2的结构那样,在不向位置控制电路8b输入位置信号xm的反馈时,通过将负载机械2的加速度信号al的比例倍的速度修正信号vc与电动机3的速度信号vm相加这样的更简单的结构,就能够得到同等的效果。
另外,以速度控制电路9a和速度控制电路9b具有PI控制的传递特性的情况为例子进行了说明,但在具有其他传递特性的情况下,例如如果是PI控制的传递特性,则振动抑制电路也可以如向PI控制追加了用ωvi决定的滤波器的结构那样,用同样的方法构成振动抑制电路11a或振动抑制电路11b。
实施例2
图5是表示本发明的实施例2的电动机控制装置的框图。
控制对象与实施例1一样。
位置控制电路8c输入位置指令信号xr、将修正该位置信号xm的位置修正信号xc与位置信号xm相加了的修正位置信号xmc,输出速度指令信号vr。
速度控制电路9c输入位置控制电路8c输出的速度指令信号vr、10根据位置信号xm计算输出的速度信号vm,输出转矩指令信号τr。
由输入负载机械2的加速度信号al的振动抑制电路11c输出位置修正信号vc,但决定该振动抑制电路11c的传递函数,使得从加速度信号al到转矩指令信号τr的传递函数是将从位置信号xm到转矩指令信号τr的传递函数乘以规定的增益的比例特性和积分特性。
使用比图5的结构简单的不向速度控制电路9c输入速度信号vm的反馈的图6的结构,说明本实施例2的原理。在图6中,控制对象1与图5一样。
在该图6的结构中,位置控制电路8d构成为不经由速度控制电路而直接输出转矩指令信号τr,输入位置指令信号xr和修正位置信号xmc,输出转矩指令信号τr。另外,由振动抑制电路11d对负载机械2的加速度信号al的比例倍的信号进行积分而生成位置修正信号xc。
接着,说明本实施例2的原理。与实施例1一样,机械系统4是具有机械共振特性,从转矩指令信号τr到电动机3的位置信号xm的传递函数只具有一个机械共振特性的二惯性系统。这时,如果设从电动机3的转矩τm到电动机3的位置信号vm的传递函数为Gp(s),则如下式这样表示Gp(s)。
公式13
另外,假设振动抑制电路11d对负载机械2的加速度信号al进行比例积分,如下式这样给出从负载机械2的加速度信号al到位置修正信号xc的传递特性。
公式14
在此,α是振动抑制电路11d的积分增益。
另外,假设是位置控制电路8d中的从电动机3的位置信号xm到转矩指令信号τr的传递特性为下式所示的Gp(s)所示那样的PID控制装置。
公式15
在此,K是位置微分增益,kp是位置比例增益,Ki是位置积分增益。
如果理想地设转矩控制电路5的传递特性为1,设在控制对象1的输入端切断回路(loop)时的开环传递函数为Lp(s),则Lp(s)为从控制对象1的输入端经由电动机3、位置检测电路6、位置控制电路8d返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数与从控制对象1的输入端经由负载机械2、加速度检测电路7、振动抑制电路11d和位置控制电路8d返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数的和,如下式那样表示。
公式16
Lp(s)具有由位置控制电路8d赋予的零点、根据振动抑制电路11d的积分增益α变化的复数零点。根据积分增益α变化的复数零点与公式(7)所示的复数零点z相同,因此通过与K、Kp和Ki的调整独立地,增大α为正,能够增大衰减系数。
另外,由位置控制电路8d赋予的零点也有根据位置比例增益Kp和位置积分增益Ki的值成为复数零点的情况,但通过调整位置比例增益Kp和位置积分增益Ki,能够增大复数零点的衰减系数,因此即使增大位置微分增益K,收敛于该复数零点的闭环极也不会使负载机械2振动。因此,与实施例1一样,通过容易的调整就能够同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,根据与实施例1一样的考虑方式,在图5的结构中,也可以与图6的结构一样地构成振动抑制电路11c。在图5中,在位置控制电路8c具有增益kp的P控制的传递特性,速度控制电路9c具有PI控制的传递特性的情况下,可以构成振动抑制电路11c,使得具有下式所示那样的比例增益为α/kp、积分增益为kp的PI控制的传递特性。
公式17
另外,即使位置控制电路9c不具有PI控制,而具有IP控制那样的其他传递特性,也能够同样地构成振动抑制电路11c。
在本实施例2中,振动抑制电路11c对负载机械2的加速度信号a1进行比例倍积分,生成位置修正信号xc,但也可以使从负载机械2的加速度信号al除去了规定的频率成分的信号成为比例倍。
例如,通过向振动抑制电路11c或振动抑制电路11d追加除去规定频率以上的成分的低通滤波器,能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的包含在负载机械2的加速度信号al中的高频噪声。低通滤波器的响应频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的大致5倍还大。
另外,也可以将振动抑制电路11c或振动抑制电路11d中的积分设为在积分中同时具有高通滤波器的特性的伪积分。通过设该高通滤波器为2次以上的特性,能够除去因包含在负载机械2的加速度信号中的偏移量而产生的恒定误差。另外,可以与包含在从加速度信号al到转矩指令信号τr的传递特性中的积分要素的次数的合计对应地决定该高通滤波器的次数。进而,高通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的大致1/10小。
本实施例2通过以上那样的构成,通过增大振动抑制电路11c或振动抑制电路11d的积分增益α,将Lp(s)的复数零点的位置设为与位于虚数轴上的Gp(s)的复数零点的位置不同的位置,能够增大衰减系数。因此,与实施例1一样,能够通过容易的调整,同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,如图6的结构那样,在不向速度控制电路输入速度信号vm的反馈时,通过将负载机械2的加速度信号al的比例积分倍的位置修正信号xc与电动机3的位置信号xm相加这样的更简单的结构,就能够得到同等的效果。
实施例3
图7是表示本发明的实施例3的电动机控制装置的框图。控制对象1与实施例1一样。
位置控制电路8e输入位置指令信号xr、将修正该位置信号xm的位置修正信号xc与电动机3的位置信号xm相加了的修正位置信号xmc,输出速度指令信号vr。
速度控制电路9e输入位置控制电路8e输出的速度指令信号vr、将速度计算电路10根据位置信号xm计算输出的速度信号vm与修正该速度信号vm的速度修正信号vc相加后的修正速度信号vmc,输出转矩指令信号τr。
由振动抑制电路11e输出位置修正信号xc和速度修正信号vc,该振动抑制电路11e包括使负载机械2的加速度信号al成为比例倍而生成速度修正信号vc的增益电路12、对该速度修正信号vc进行积分而生成位置修正信号xc的积分电路13。
接着,说明本实施例3的原理。机械系统4与实施例1一样,是二惯性系统。另外,设位于振动抑制电路11e的内部的增益电路12的增益为α,用下式所示的比例控制的传递特性表示位置控制电路8e中的从电动机3的位置信号xm到速度指令信号vr的传递特性。
公式18
Cp(s)=-kp (18)
在此,kp是位置比例增益。另外,速度控制电路9e对速度指令信号vr与电动机3的速度信号vm的偏差进行下式所示的PI计算。
公式19
在此,kv是速度比例增益,ωvi是速度积分增益。
在理想地将转矩控制电路5的传递特性设为1的情况下,如果设在控制对象1的输入端切断回路(loop)时的开环传递函数为Lp(s),则Lp(s)为从控制对象1的输入端经由位置检测电路6、位置控制电路8e和速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数、从控制对象1的输入端经由位置检测电路6、速度计算电路10和速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数、从控制对象1的输入端经由加速度检测电路7、增益电路12、积分电路13、位置控制电路8e和速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数、从控制对象1的输入端经由加速度检测电路7、增益电路12、速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数的和,如下式那样表示。
公式20
Lp(s)具有实数零点-kp和-ωvi、根据振动抑制电路11e的积分增益α而变化的复数零点。
2个实数零点的衰减系数始终为1,因此在增大速度比例增益kv时,收敛于该实数零点的闭环极不会使负载机械振动。
另外,根据积分增益α而变化的复数零点与公式(7)所示的复数零点z相同,通过与速度比例增益kv、速度积分增益ωvi和位置比例增益kp的调整无关地,增大积分增益α而成为正,将Lp(s)的复数零点z的位置设为与位于虚数轴上的Gp(s)的复数零点z’不同的位置,能够增大衰减系数。
因此,与实施例1一样,能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,即使速度控制电路9e不具有PI控制,而具有IP控制那样的其他传递特性,也能够同样地构成振动抑制电路11e。
另外,在本实施例3中,在速度计算电路10中,根据由位置检测电路6检测出的位置信号xm计算出电动机3的速度信号vm,但也可以使用电动机3的速度的检测值。
另外,振动抑制电路11e使负载机械2的加速度信号al成为比例倍而生成速度修正信号vc,对速度修正信号vc进行积分而生成位置修正信号xc,但也可以代替加速度信号al,而使用从加速度信号al除去了规定的频率成分的信号。
例如,通过向振动抑制电路11d追加除去规定频率以上的成分的低通滤波器,能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的包含在加速度信号al中的高频噪声。低通滤波器的响应频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的5倍还大。
另外,也可以向振动抑制电路11e中的从负载机械2的加速度信号al到速度修正信号vc的传递特性追加除去规定频率以下的成分的高通滤波器,并且代替包含在从加速度信号al到位置修正信号xc的传递特性中的积分,而在积分中使用具有2次以上的特性的高通滤波器的特性的伪积分。可以与包含在从加速度信号al到转矩指令信号τr的传递特性中的积分要素的次数的合计对应地决定包含在该伪积分中的高通滤波器的次数。通过如上述那样构成振动抑制电路11e,能够除去因包含在加速度信号al中的偏移量而产生的恒定误差。
追加到从加速度信号al到速度修正信号vc的传递特性中的高通滤波器、代替包含在从加速度信号al到位置修正信号xc的传递特性中的积分使用的伪积分所包含的高通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的1/10小。
实施例3如上述那样构成,因此通过增大位于振动抑制电路11e的内部的增益电路12的增益α,能够将Lp(s)的复数零点的位置设在与位于虚数轴上的Gp(s)的复数零点不同的位置,能够增大衰减系数。因此,与实施例1一样,能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
实施例4
图8是表示本发明的实施例4的电动机控制装置的图。
控制对象1与实施例1一样。
另一方面,在实施例1~3中,振动控制电路11a~11e构成为输入负载机械2的加速度信号al,输出用于修正位置信号xm的位置修正信号xc或用于修正速度信号vm的速度修正信号vc,但在本实施例4中,振动抑制电路11f构成为同样输入加速度信号al,输出用于修正速度控制电路9f输出的转矩指令信号τv的转矩修正信号τc。
位置控制电路8f输入位置指令信号xr,输出速度指令信号vr。
速度控制电路9f输入位置控制电路8f输出的速度指令信号vr、由速度计算电路10根据电动机3的位置信号xm计算输出的速度信号vm,输出转矩指令信号τr。
振动抑制电路11f构成为将从速度信号vm到转矩指令信号τr的传递函数全体与增益相乘而得到从加速度信号al到指令信号τr的传递函数。另外,将振动抑制电路11f输出的转矩修正信号τc与速度控制电路9f输出的转矩指令信号τv相加,得到赋予转矩控制电路5的修正转矩指令信号τr。
以下说明本实施例4的原理。在图8中,假设机械系统4是二惯性系统,理想地设转矩控制电路5的传递特性为1,设从负载机械2的加速度信号al到修正转矩指令信号τr的传递函数为Ca(s),速度控制电路9f中的从速度信号vm到修正转矩指令信号τv的传递特性为公式(4)所示的Cv(s),则可以构成振动抑制电路11f使得Ca(s)成为下式所示的传递特性。
公式21
在此,α是在振动抑制电路11f中与从速度信号vm到修正转矩指令信号τv的传递特性Cv(s)全体相乘的增益。
这时,在控制对象1的输入端断开回路时的开环传递函数与公式(6)一样,与实施例1一样,能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,与实施例1一样,即使在速度控制电路9f不具有PI控制而是具有IP控制那样的其他传递特性时,也可以同样地构成振动抑制电路11f。
上述振动抑制电路11f通过对负载机械2的加速度信号al施加PI计算,生成速度修正信号vc,但也可以使用从加速度信号al除去了规定的频率成分的信号。
例如,通过向振动抑制电路11f追加除去规定频率以上的成分的低通滤波器,能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的包含在加速度信号al中的高频噪声。低通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的5倍还大。
另外,在振动抑制电路11f中包含积分特性的情况下,也可以在积分特性中使用同时具有高通滤波器的特性的伪积分。通过使用伪积分,能够除去因包含在加速度信号al中的偏移量而产生的恒定误差。上述高通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的1/10小。
如本实施例4那样,通过构成振动抑制电路11f使得将从速度信号vm到转矩指令信号τr的传递函数全体乘以增益而得到从负载机械2的加速度信号al到转矩指令信号τr的传递函数,与实施例1一样,能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,可以对上述实施例4所示的电动机控制装置进行等价变换,也能够得到与上述同样的效果。
实施例5
图9是表示与实施例4一样根据加速度信号al得到转矩修正信号τc的其他实施例的实施例5的电动机控制装置的图。
控制对象1与实施例1一样。
位置控制电路8g输入对电动机3的位置指令信号xr、电动机3的位置信号xm,不经由速度控制电路而直接输出转矩指令信号τp。
振动抑制电路11g构成为将从位置信号xm到转矩指令信号τr的传递函数全体乘以增益特性和积分特性,而得到从加速度信号al到转矩指令信号τr的传递函数。另外,将振动抑制电路11g输出的转矩修正信号τc与位置控制电路8g输出的转矩指令信号τp相加,得到赋予转矩控制电路5的修正转矩指令信号τr。
以下,说明动作原理。图9中的机械系统4与实施例1一样,是二惯性系统,理想地将转矩控制电路5的传递特性设为1。在将从负载机械2的加速度信号al到转矩指令信号τr的传递函数设为Ca(s),位置控制电路8g中的从电动机3的速度信号vm到转矩指令信号τp的传递特性例如是公式(15)所示的Cp(s)时,构成振动抑制电路11g使得Ca(s)为下式所示的传递特性。
公式22
在此,α是在振动抑制电路11g中与从电动机3的位置信号xm到转矩指令信号tp的传递特性Cp(s)全体相乘的增益。这时,在控制对象1的输入端切断回路(loop)时的开环传递函数与公式(16)完全一样,因此与实施例1一样,能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
上述振动抑制电路11g构成为通过对负载机械2的加速度信号al实施PID计算,生成转矩修正信号tc,但也可以向振动抑制电路11g追加用于除去规定的频率成分的滤波器。
例如,通过向振动抑制电路11g追加除去规定频率以上的成分的低通滤波器,能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的包含在加速度信号al中的高频噪声。低通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的大致5倍还大。
另外,也可以将振动抑制电路11g中的积分设为在积分中同时具有高通滤波器的特性的伪积分。通过设该高通滤波器为2次以上的特性,能够除去因包含在负载机械2的加速度信号中的偏移量而产生的恒定误差。上述高通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率ωz的大致1/10小。
如实施例5那样,通过构成振动抑制电路11g使得将从电动机3的位置信号xm到转矩指令信号τp的传递函数全体乘以比例积分特性,而得到从负载机械2的加速度信号al到转矩指令信号τr的传递函数,与实施例1一样,能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制,能够得到与实际的装置一致的最优的电动机控制装置的结构。
另外,在同时具有包含在实施例4和本实施例5中的电动机3的位置信号xm和速度信号xm的反馈的图10那样的结构中,也同样通过构成振动抑制电路11h使得将从电动机3的位置信号xm到转矩指令信号τv的传递函数全体乘以比例积分特性,而得到从负载机械2的加速度信号al到转矩指令信号τr的传递函数,由此与实施例1一样,能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外,可以对本实施例5所示的电动机控制装置进行等价变换,也能够得到与上述一样的效果。
另外,在各实施例中,说明了构成为由位置检测电路6检测出表示电动机3的位置的当前值的位置信号xm,由速度计算电路10根据位置信号xm计算输出速度信号vm,但在相反由速度检测电路检测出表示电动机3的速度的当前值的速度信号vm,根据速度信号vm计算出位置信号xm的结构中,本发明也能够得到同样的效果。
Claims (9)
1.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
位置控制单元,输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的位置目标值的位置指定信号、表示上述电动机的位置的当前值的位置信号,输出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号;
速度控制单元,输入上述速度指令信号和将表示上述电动机的速度的当前值的速度信号与用于修正该速度信号的速度修正信号相加后的修正速度信号,输出上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,根据传递函数,输入上述加速度信号或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号,输出上述速度修正信号,其中确定该传递函数使得将从上述位置信号到上述转矩指令信号的传递函数与规定的增益的比例特性和积分特性相乘而得到从表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号到上述转矩指令信号的传递函数,上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
2.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
速度控制单元,输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的速度目标值的速度指令信号、将表示上述电动机的速度的当前值的速度信号与用于修正该速度信号的速度修正信号相加后的修正速度信号,输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,使表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号成为比例倍,输出上述速度修正信号,其中,上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
3.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
位置控制单元,输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的位置目标值的位置指令信号、将表示上述负载机械的位置的当前值的位置信号与用于修正该位置信号的修正位置信号相加后的修正位置信号,输出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号;
速度控制单元,输入上述速度指令信号、表示上述电动机的速度的当前值的速度信号,输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,根据传递函数,输入上述加速度信号或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号,输出上述速度修正信号,其中确定该传递函数使得将从上述位置信号到上述转矩指令信号的传递函数与规定的增益的比例特性和积分特性相乘而得到从该加速度信号到上述转矩指令信号的传递函数,上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
4.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
位置控制单元,输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的位置目标值的位置指令信号、将表示上述电动机的位置的当前值的位置信号与用于修正该位置信号的位置修正信号相加后的修正位置信号,输出由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,对表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号的比例值进行积分,输出上述位置修正信号的振动抑制单元,其中上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
5.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
位置控制单元,输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的位置目标值的位置指令信号、将表示上述电动机的位置的当前值的位置信号与用于修正该位置信号的修正位置信号相加后的修正位置信号,输出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号;
速度控制单元,输入上述速度指令信号、将表示上述电动机的速度的当前值的速度信号与用于修正该速度信号的速度修正信号相加后的修正速度信号,输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,包括:增益部件,使表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号的比例值成为比例倍,输出上述速度修正信号,其中上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分;积分部件,对上述速度修正信号进行积分,输出上述位置修正信号。
6.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
速度控制单元,输入用于指定被上述电动机驱动的负载机械的速度目标值的速度指令信号、表示上述电动机的速度的当前值的速度信号,输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,输入表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号或使低通滤波器和高通滤波器发挥作用的信号,根据传递函数,输出修正上述转矩指令信号的转矩指令修正信号,其中将从上述速度信号到上述转矩指令信号的传递函数与规定的增益相乘而得到上述传递函数,上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
7.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
位置控制单元,输入用于指定被上述电动机驱动的负载机械的位置目标值的位置指令信号、表示上述电动机的位置的当前值的位置信号,输出用于指定上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,输入表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号,根据传递函数,输出修正上述转矩指令信号的转矩指令修正信号,其中将从上述位置信号到上述转矩指令信号的传递函数与具有规定增益的比例特性和积分特性相乘而得到上述传递函数,上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
8.一种电动机控制装置,对驱动负载机械的电动机进行控制,其特征在于包括:
位置控制单元,输入用于指定被上述电动机驱动的负载机械的位置目标值的位置指令信号、表示上述电动机的位置的当前值的位置信号,输出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号;
速度控制单元,输入上述速度指令信号、表示上述电动机的速度的当前值的速度信号,输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号;
振动抑制单元,输入表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号,根据传递函数,输出修正上述转矩指令信号的转矩指令修正信号,其中将从上述位置信号和上述速度信号到上述转矩指令信号的传递函数与具有规定增益的比例特性和积分特性相乘而得到上述传递函数,上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分,上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
9.根据权利要求1~8中的任意一个所述的电动机控制装置,其特征在于:
包含在振动抑制单元中的积分特性同时具有从表示负载机械的加速度的当前值的加速度信号到用于指定由电动机驱动负载机械的转矩目标值的转矩指令信号的传递函数所包含的积分要素的次数的合计所对应的次数的高通滤波器特性。
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