CN101292418A - 电动机控制装置及方法和程序存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在惯量辨识中，在尽可能高地保持加速度的同时，在作为对象的装置的可动范围、速度、加速度的限制内确定速度指令的形状的电动机控制装置及方法。本发明的电动机控制装置，包括：根据位置指令和电动机位置生成速度指令的位置控制部；根据速度指令和电动机速度生成转矩指令的速度控制部；及根据转矩指令生成电动机电流的电动机驱动部，其特征在于，具备：根据速度指令和模型速度生成模型转矩指令的模型控制部；及根据规定的位置指令，通过在规定的区间对电动机的转矩指令进行时间积分所得的电动机转矩指令积分值与在规定的区间对模型转矩指令进行时间积分所得的模型转矩指令积分值之比辨识惯量的惯量辨识部，具备对应作为对象的机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度、动作时间的制约条件而自动地生成辨识动作时的指令形状的指令形状形成部。

Description

电动机控制装置及方法和程序存储介质
技术领域
本发明涉及在机器人或机床等的控制装置中，尤其是辨识惯量的电动机控制装置及方法。
背景技术
图3表示现有的电动机控制装置的控制构成。21是电动机控制部，22是模型控制部，23是速度控制比例增益，24是微分器，25是积分器，26是模型控制部的速度控制比例增益，27是表示模型控制部的惯量的积分器，28是积分器。另外，Vref是速度指令，Vfb是电动机速度，Tref是转矩指令，STref是转矩指令时间积分值，Vfb′是模型速度，STref′是模型转矩指令时间积分值。在现有的电动机控制装置中，具备控制电动机速度的电动机控制部和通过模型模拟速度控制的模型控制部，根据对以规定的速度图形使之动作时的速度控制部的转矩指令进行时间积分所得的值STref与对模型控制部的转矩指令进行时间积分所得的值STref′之比辨识惯量(参照专利文献1)。
另外，具备：产生以规定的图形对控制对象进行加减速的速度图形的速度指令信号产生部；基于从该速度指令信号产生部产生的速度图形使控制对象进行加减速，控制控制对象的位置的位置控制部；控制控制对象的速度的速度控制部；及由观测控制对象的当前位置的编码器构成的观测装置。
在图4中，步骤4-1是将负载惯量加速至指令速度Vmax的步骤。步骤4-2是判断指令速度V是否达到设定指令速度Vn的步骤。虽然设定指令速度Vn需要设为最大指令速度Vmax的50％以上，但优选70％左右合适。步骤4-3是在指令速度V达到设定指令速度Vn的情况下，计算出Vn时的偏差的步骤。步骤4-4是判断指令速度V是否达到最大指令速度Vmax的步骤。步骤4-5是在指令速度V达到最大指令速度Vmax的情况下，减速至停止(指令速度＝0)的步骤。步骤4-6是判断实际速度是否为零的步骤。步骤4-7是根据偏差辨识负载惯量的步骤。
这样，也存在按照图4的步骤，基于根据速度指令信号产生部产生的指令速度成为预先设定的规定速度的时刻的控制对象的指令位置与观测装置所观测的当前位置的位置偏差，辨识控制对象的负载惯量的技术(参照专利文献2)。
专利文献1：国际公开第96/37039号小册子(第6页，图1)
专利文献2：日本专利第3509413号(第12页，图5)
发明内容
在现有的辨识惯量的控制常量调节装置中，根据速度指令的图形形状而辨识精度有所变化。因此，必须通过反复试验确定速度指令图形。另外，由于使用这样确定的规定的速度图形，因而存在由于设置的机械的可动范围、速度、加速度的限制而无法进行辨识动作的问题。另外，在专利文献2的例子中，也存在无法预先预测移动距离的问题。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，目的在于提供一种在尽可能高地保持在惯量辨识的方法上重要的加速度的同时，在作为对象的装置的可动范围、速度、加速度的限制内确定速度指令的形状的电动机控制装置及方法。
为了解决上述问题，本发明提出如下方案。
方案1提供一种电动机控制装置，包括：根据位置指令和电动机位置生成速度指令的位置控制部；根据所述速度指令和电动机速度生成转矩指令的速度控制部；及根据所述转矩指令生成电动机电流的电动机驱动部，其特征在于，具备：根据所述速度指令和模型速度生成模型转矩指令的模型控制部；及根据规定的位置指令，通过在规定的区间对所述电动机的转矩指令进行时间积分所得的电动机转矩指令积分值与在规定的区间对所述模型转矩指令进行时间积分所得的模型转矩指令积分值之比辨识惯量的惯量辨识部，具备对应作为对象的机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度、动作时间的制约条件而自动地生成辨识动作时的指令形状的指令形状形成部。
另外，方案2是在方案1中，其特征在于：设置对所述位置指令进行微分生成速度前馈指令的速度前馈指令生成部，所述模型控制部根据所述速度前馈指令与所述模型速度生成模型转矩指令。
另外，方案3是在方案1中，其特征在于：所述指令形状形成部以作为所述对象的机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度和所述电动机的可动距离的限制、许用速度、许用加速度的各个较小值作为可动距离的限制、许用速度、许用加速度的条件。
另外，方案4是在方案3中，其特征在于：所述指令形状形成部为梯形的速度指令，通过固定加速区间、恒定速度区间、减速区间的比率，唯一地计算出所述指令形状。
另外，方案5是在方案4中，其特征在于：使所述加速区间、恒定速度区间、减速区间的比率分别为加速区间为1、恒定速度区间为2、减速区间为1的比，
设定可动距离的限制值Pmax、许用速度值Vmax、许用加速度值Amax、许用动作时间Tmax，用式(1)计算出速度指令V，
V＝4Amax/Tmax    …(1)
比较计算出的速度指令V与所述许用速度Vmax，以较小的值作为速度指令V，用式(2)计算出移动距离P，
P＝3V2/Amax    …(2)
将计算出的P与所述Pmax进行比较，以较小者作为新的移动距离P。
方案6提供一种电动机控制装置的电动机控制方法，是具备：根据位置指令和电动机位置生成速度指令的位置控制部；根据所述速度指令和电动机速度生成转矩指令的速度控制部；根据所述转矩指令生成电动机电流的电动机驱动部；根据所述速度指令和模型速度生成模型转矩指令的模型控制部；及根据规定的位置指令，通过在规定的区间对所述电动机的转矩指令进行时间积分所得的电动机转矩指令积分值与在规定的区间对所述模型转矩指令进行时间积分所得的模型转矩指令积分值之比辨识惯量的惯量辨识部的电动机控制装置的电动机控制方法，所述电动机控制方法包括：设定可动距离的限制值Pmax、许用速度值Vmax、许用加速度值Amax的步骤(步骤1)，基于设定的许用加减速值Amax与动作时间的限制值Tmax计算出速度指令V的步骤(步骤2)，比较速度指令V与所述许用速度值Vmax，以较小的值作为速度指令V的步骤(步骤3)，基于所述速度指令V与许用加速度值Amax计算出移动距离P的步骤(步骤4)，及比较计算出的所述移动距离P与Pmax，以较小的值作为移动距离P的步骤(步骤5)。
另外，方案7是在方案6中，其中
令所述速度指令成为使所述加速区间、恒定速度区间、减速区间的比率分别为加速区间为1、恒定速度区间为2、减速区间为1的比的梯形，用式(1)计算出所述速度指令V，
V＝4Amax/Tmax    …(1)
比较计算出的速度指令V与所述许用速度Vmax，以较小的值作为速度指令V，用式(2)计算出移动距离P，
P＝3V2/Amax    …(2)
将计算出的移动距离P与所述Pmax进行比较，以较小者作为新的移动距离P。
另外，方案8提供一种程序存储介质，存储有在电动机控制装置中自动地形成惯量辨识用的速度指令形状的程序，所述程序包括：
设定可动距离的限制值Pmax、许用速度值Vmax、许用加速度值Amax的步骤(步骤1)，
基于设定的许用加减速值Amax与动作时间的限制值Tmax计算出速度指令V的步骤(步骤2)，
比较速度指令V与所述许用速度值Vmax，以较小的值作为速度指令V的步骤(步骤3)，
基于所述速度指令V与许用加速度值Amax计算出移动距离P的步骤(步骤4)，
比较计算出的所述移动距离P与Pmax，以较小的值作为移动距离P的步骤(步骤5)。
根据本发明的电动机控制装置，在辨识使用于机器人、数值控制装置等的伺服电动机的惯量(惯性转矩)之际，即使不是熟练者，也可以通过仅输入机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度、许用动作时间，能够在尽可能高地保持加速度的同时，自动地形成最适于惯量辨识的速度指令形状图形。另外，不仅是机械，而且也可以根据电动机自身的性能设定条件，能够在条件的范围内执行惯量辨识。
附图说明
图1是表示实施本发明的方法的电动机控制装置的第1构成的框图。
图2是表示实施本发明的方法的电动机控制装置的第2构成的框图。
图3是表示现有的电动机控制装置的控制构成的图。
图4是表示现有方法的处理步骤的流程图。
图5是表示本发明的生成最合适的指令的处理步骤的流程图。
图6是表示本发明的速度指令形状的图。
符号说明
1、21-电动机控制部；2、22-模型控制部；3-位置控制部；4-速度控制部；5-速度前馈部；6-位置比例增益；7、23-速度控制比例增益；8-电流控制部；9-惯量辨识部；10、11、24-微分器；12、25、28-积分器；13、26-模型控制部速度控制比例增益；14、27-表示模型控制部的惯量的积分器；15-模型控制部积分器；30-控制对象；40、41、42、43-加法器；50-指令形状形成部；60-指令生成部；61-速度指令生成部；62-指令生成部的积分器；101-速度指令；102-许用加速度；103-移动距离。
具体实施方式
以下，对于本发明方法的具体实施例基于附图进行说明。
实施例1
图1是表示实施本发明的方法的电动机控制装置的第1构成的框图。1是电动机控制部，2是模型控制部。3是位置控制部，4是速度控制部，6是位置比例增益，7是速度控制比例增益，8是电流控制部，9是惯量辨识部，11是微分器，12是积分器，13是模型控制部的速度控制比例增益，14是表示模型控制部的惯量的积分器，15是模型控制部的积分器。通过1驱动的控制对象30包括电动机及负载。另外，Pref是位置指令，Pfb是电动机位置，Vref1是速度指令，Vfb是电动机速度，Tref是转矩指令，STref是转矩指令时间积分值，Vfb′是模型速度，STref′是模型转矩指令时间积分值。
另外，模型控制部2由速度控制比例增益13、表示惯量的积分器14、积分器15及加法器41构成。
模型控制部2是电动机单体的模型，再现对于这种情况下的速度指令Vref1的应答。惯量辨识部9比较积分器12的输出与模型积分器15的输出，以进行辨识惯量。
50是指令形状形成部。指令形状形成部50是形成输入控制装置的速度指令形状的部分，图5表示其处理流程图的一个例子。60是指令生成部，61是速度指令生成部，62是指令生成部的积分器。
基于由指令形状生成部50形成的速度指令形状，由速度指令生成部输出速度指令，通过用积分器62对该速度指令进行积分而生成电动机控制部的输入即位置指令。
指令形状生成部在已设定的限制的范围内确定最适于惯量辨识的速度指令的形状，因此，基于此由指令生成部60输出的指令是最适于惯量辨识的指令。
图5是表示在本发明的电动机控制装置中生成最适合的指令的处理步骤的流程图。用该图按照顺序说明本发明的方法。
首先，在步骤1中设定控制对象30的可动距离的限制Pmax、许用速度Vmax、许用加速度Amax的条件。确定的方法是使用作为对象的机械的限制与电动机的限制中较小的值为好。另外，使用者也可以任意地确定。接着，根据在步骤2中已设定的加减速的限制Amax与通过存储器的制约等确定的动作时间的限制Tmax计算出速度指令V。这里，令速度形状成为图6所示的梯形形状，若区间1、区间2、区间3的比率为1∶2∶1，则速度V可以唯一地求出，如下式计算出。
V＝4Amax/Tmax    …(1)
在步骤3中，比较计算出的速度V与Vmax，以较小的值作为速度指令V。进而，在步骤4中，基于V及Amax如下式计算出移动距离P。
P＝3V2/Amax    …(2)
计算出的P在步骤5中与Pmax比较，以较小者作为新的移动距离P。最后，根据移动距离如下式再次计算出速度指令V。
V＝(Amax·P/3)1/2    …(3)
这样，在将指令加速度保持为许用加速度Amax的状态下，可以生成在限制内计算出的速度V、移动距离P的速度指令。对该速度指令进行积分，作为位置指令，通过输入图1的电动机控制装置而可以在限制范围内高精度地辨识惯量。
图6是表示本发明的速度指令的形状的图，横轴表示时间，纵轴表示指令速度。101是速度指令V，102是许用加速度Amax，103是移动距离P(图中的斜线部分)，区间1是加速区间，区间2是恒定速度区间，区间3是减速区间。
另外，也可以将表示生成图5的最合适指令的处理步骤的流程图的步骤1～5存储在程序存储介质上，或者通过互联网作为软件(工程技术工具)下载。这种软件可以事先安装在电动机控制装置上。另外，对应本软件的版本升级通过程序存储介质或互联网可以下载最新的软件。指令形成部50不仅可以装入电动机控制装置，而且也可以装入通用的个人电脑或上位的控制装置。
实施例2
图2是表示实施本发明的方法的电动机控制装置的第2构成的框图。是通过在图1的构成中添加5即速度前馈部、10即微分器而提高了应答性的电动机控制装置，其它的构成与图1相同。
对于图2的构成，通过与实施例1相同的处理，也可以高精度地辨识惯量。本发明的电动机控制装置，在辨识使用于机器人、数值控制装置等的伺服电动机的惯量(惯性转矩)之际，即使不是熟练者，也可以通过仅输入机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度、许用动作时间，自动地形成最适于惯量辨识的速度指令形状图形。
本发明的电动机控制装置，在辨识使用于机器人、数值控制装置等的伺服电动机的惯量(惯性转矩)之际，即使不是熟练者，也可以通过仅输入机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度、许用动作时间，自动地形成最适于惯量辨识的速度指令形状图形。

Claims (8)

1.一种电动机控制装置，包括：根据位置指令和电动机位置生成速度指令的位置控制部；根据所述速度指令和电动机速度生成转矩指令的速度控制部；及根据所述转矩指令生成电动机电流的电动机驱动部，其特征在于，
具备：根据所述速度指令和模型速度生成模型转矩指令的模型控制部；
及根据规定的位置指令，通过在规定的区间对所述电动机的转矩指令进行时间积分所得的电动机转矩指令积分值与在规定的区间对所述模型转矩指令进行时间积分所得的模型转矩指令积分值之比辨识惯量的惯量辨识部，
具备对应作为对象的机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度、动作时间的制约条件而自动地生成辨识动作时的指令形状的指令形状形成部。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于：
设置对所述位置指令进行微分生成速度前馈指令的速度前馈指令生成部，
所述模型控制部根据所述速度前馈指令与所述模型速度生成模型转矩指令。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于：
所述指令形状形成部以作为所述对象的机械的可动距离的限制、许用速度、许用加速度和所述电动机的可动距离的限制、许用速度、许用加速度的各个较小值作为可动距离的限制、许用速度、许用加速度的条件。
4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于：
所述指令形状形成部为梯形的速度指令，通过固定加速区间、恒定速度区间、减速区间的比率，唯一地计算出所述指令形状。
5.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于：
使所述加速区间、恒定速度区间、减速区间的比率分别为加速区间为1、恒定速度区间为2、减速区间为1的比，
设定可动距离的限制值Pmax、许用速度值Vmax、许用加速度值Amax、许用动作时间Tmax，用式(1)计算出速度指令V，
V＝4Amax/Tmax    …(1)
比较计算出的速度指令V与所述许用速度Vmax，以较小的值作为速度指令V，用式(2)计算出移动距离P，
P＝3V2/Amax    …(2)
将计算出的P与所述Pmax进行比较，以较小者作为新的移动距离P。
6.一种电动机控制装置的电动机控制方法，是具备：根据位置指令和电动机位置生成速度指令的位置控制部；根据所述速度指令和电动机速度生成转矩指令的速度控制部；根据所述转矩指令生成电动机电流的电动机驱动部；根据所述速度指令和模型速度生成模型转矩指令的模型控制部；及根据规定的位置指令，通过在规定的区间对所述电动机的转矩指令进行时间积分所得的电动机转矩指令积分值与在规定的区间对所述模型转矩指令进行时间积分所得的模型转矩指令积分值之比辨识惯量的惯量辨识部的电动机控制装置的电动机控制方法，所述电动机控制方法包括：
设定可动距离的限制值Pmax、许用速度值Vmax、许用加速度值Amax的步骤(步骤1)，
基于设定的许用加减速值Amax与动作时间的限制值Tmax计算出速度指令V的步骤(步骤2)，
比较速度指令V与所述许用速度值Vmax，以较小的值作为速度指令V的步骤(步骤3)，
基于所述速度指令V与许用加速度值Amax计算出移动距离P的步骤(步骤4)，
及比较计算出的所述移动距离P与Pmax，以较小的值作为移动距离P的步骤(步骤5)。
7.根据权利要求6所述的电动机控制方法，其中
令所述速度指令成为使所述加速区间、恒定速度区间、减速区间的比率分别为加速区间为1、恒定速度区间为2、减速区间为1的比的梯形，用式(1)计算出所述速度指令V，
V＝4Amax/Tmax    …(1)
比较计算出的速度指令V与所述许用速度Vmax，以较小的值作为速度指令V，用式(2)计算出移动距离P，
P＝3V2/Amax    …(2)
将计算出的移动距离P与所述Pmax进行比较，以较小者作为新的移动距离P。
8.一种程序存储介质，存储有在电动机控制装置中自动地形成惯量辨识用的速度指令形状的程序，所述程序包括：
设定可动距离的限制值Pmax、许用速度值Vmax、许用加速度值Amax的步骤(步骤1)，
基于设定的许用加减速值Amax与动作时间的限制值Tmax计算出速度指令V的步骤(步骤2)，
比较速度指令V与所述许用速度值Vmax，以较小的值作为速度指令V的步骤(步骤3)，
基于所述速度指令V与许用加速度值Amax计算出移动距离P的步骤(步骤4)，
及比较计算出的所述移动距离P与Pmax，以较小的值作为移动距离P的步骤(步骤5)。
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