CN101325396A

CN101325396A - 电机控制装置

Info

Publication number: CN101325396A
Application number: CNA2008101254724A
Authority: CN
Inventors: 田泽彻
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: US7843159B2; CN101325396B; JP2008312339A; US20080309279A1

Abstract

本发明的电机控制装置包括：配置在控制系统内的陷波滤波器；对电机中的振动频率分量进行估计的振动频率估计单元；以及控制陷波滤波器以变更陷波频率和陷波宽度的陷波控制单元，陷波控制单元将振动频率和陷波滤波器中所设定的陷波频率之间的频率作为陷波滤波器的新的陷波频率来变更，同时将陷波宽度变更为新的陷波宽度，以使其在变更后比变更前更宽。

Description

电机控制装置

技术领域

本发明涉及对于电机或由电机所驱动的负载进行其速度或者位置的控制的电机控制装置。特别涉及用于抑制在驱动负载时产生的机械共振的电机控制装置。

背景技术

这样的以往的抑制机械共振的电机控制装置，例如被公开在日本专利申请特开2003-52188号公报中。

以下，使用图6说明以往的电机控制装置。图6是表示以往的电机控制装置的系统结构的方框图。

该以往的电机控制装置100连接到电机101和速度检测器103。电机101上连接有负载102。此外，速度检测器103测定电机101的速度，并输出电机101的速度检测信号ωra。

如图6所示，电机控制装置100包括：速度控制单元104、第1陷波滤波器105、高通滤波器107、第2陷波滤波器108、陷波控制单元109和转矩控制单元106。

速度控制单元104输入速度指令信号ωri和速度检测信号ωra，输出转矩指令信号τ1i。第1陷波滤波器105输入来自速度控制单元104的转矩指令信号τ1i，输出转矩指令信号τ2i。高通滤波器107输入速度检测信号ωra，输出截止频率以上的振动分量信号x。第2陷波滤波器108输入振动分量信号x，输出滤波(filtering)结果信号e。陷波控制单元109依次修正第2陷波滤波器108和第1陷波滤波器105的陷波频率fn，以使滤波结果信号e的振幅减少。并且，转矩控制单元106输入来自第1陷波滤波器105的转矩指令信号τ2i，从而控制电机101。

这里，第1陷波滤波器105的陷波频率fn如下求得并被设定。

首先，通过高通滤波器107，从所输入的速度检测信号ωra中提取截止频率以上的振动分量信号x，并被输出到第2陷波滤波器108。第2陷波滤波器108输入该振动分量信号x，输出滤波结果信号e。滤波控制单元109依次修正第2陷波滤波器108的陷波频率fn，以使来自第2陷波滤波器108的滤波结果信号e的振幅减少。变更第1陷波滤波器105的设定，以使该第2陷波滤波器108的陷波频率fn成为第1陷波滤波器105的陷波频率。

在这样构成的以往的电机控制装置中，无论因什么原因而引起机械共振导致的振荡，第1陷波滤波器105的陷波频率fn都会被依次修正，以使振动分量减少，因而振荡被抑制。因此，使用了以往的电机控制装置的系统成为稳定的控制状态。

但是，以往的电机控制装置检测振荡引起的振动分量，从而变更陷波频率。因此，在谐振频率因负载位置等的状态变化而频繁变化时，存在每当谐振频率和陷波频率之间产生偏差时，进行振荡和陷波频率的修正，无法进行平稳的动作的课题。

例如，在通过电机而使负载位置改变的装置的情况下，负载靠近电机的状态和负载远离电机的状态下，装置的谐振频率较大地变化。若使负载在这样的装置中往返动作，则装置的谐振频率也会较大地变化。因此，在每当谐振频率和陷波频率之间产生偏差时，虽然短时间但也会产生振荡，成为重复陷波频率被修正的工作状况。

发明内容

为了解决上述课题，本发明的电机控制装置包括控制系统，该控制系统对于具备可动单元的电机，利用检测出的可动单元的移动量，对可动单元的移动动作进行反馈控制，同时包括：陷波滤波器，配置在控制系统内，对于输入信号，以陷波频率为中心而使与陷波宽度对应的邻近频率的信号分量衰减；振动频率估计单元，由移动量估计电机中的振动频率分量；以及陷波控制单元，根据振动频率估计单元的估计结果，控制陷波滤波器，以变更陷波频率和陷波宽度。而且，陷波控制单元的结构为：在判定为由振动频率估计单元估计的振动频率和陷波滤波器中所设定的陷波频率不同时，将振动频率和陷波滤波器中所设定的陷波频率之间的频率作为陷波滤波器的新的陷波频率来变更，同时将陷波宽度变更为新的陷波宽度，以使其在变更后比变更前更宽。

根据这样的结构，即使在例如装置的谐振频率根据负载的状态而较大地变化的情况下，陷波控制单元都会控制陷波滤波器以变更陷波宽度，使得原来的陷波频率的信号分量和所估计的振动频率的信号分量都衰减。因此，本发明的电机控制装置能够抑制装置的谐振频率的较大变化所引起的短时间振荡，由此，能够始终稳定地控制电机。

附图说明

图1是本发明实施方式1的电机控制装置的方框图。

图2是表示本发明实施方式1的电机控制装置的控制步骤的流程图。

图3是表示陷波滤波器的一例频率特性的图。

图4是本发明实施方式2的电机控制装置的方框图。

图5是表示本发明实施方式2的电机控制装置的控制步骤的流程图。

图6是表示以往的电机控制装置的系统结构的方框图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

(实施方式1)

图1是本发明实施方式1的电机控制装置的方框图。

本发明实施方式1的电机控制装置10连接在电机1和速度检测器3上。电机1上连接有负载2。此外，速度检测器3测定电机1内具备的可动元件(未图示)的旋转速度，输出用于表示与该旋转速度对应的速度量的速度检测信号ωra。另外，在本实施方式中，列举速度检测器3这样检测作为电机1的可动单元的可动元件的旋转速度量作为移动量的一例进行说明。

如图1所示，电机控制装置10包括：速度控制单元4、陷波滤波器5、振动频率估计单元7、陷波控制单元8以及转矩控制单元6。

速度控制单元4中被输入表示速度指令值的速度指令信号ωri和速度检测器3检测出的速度检测信号ωra。速度控制单元4计算速度指令信号ωri和速度检测信号ωra之间的偏差量，基于该偏差量生成用于将偏差量控制为零的转矩指令信号τ1i，并将其输出。具体地说，速度控制单元4例如计算速度指令信号ωri和速度检测信号ωra之间的差分值，并将对该差分值进行比例积分后的结果作为转矩指令信号τ1i输出。

陷波滤波器5中从速度控制单元4被输入转矩指令信号τ1i。陷波滤波器5是使从输入信号中对于该输入信号中包含的具有以特定频率为中心的频率的信号分量产生急剧的衰减的滤波器。将该特定频率称为陷波频率，衰减的邻近的频率宽度称为陷波宽度。陷波滤波器5输入从速度控制单元4输出的转矩指令信号τ1i，输出新的转矩指令信号τ2i。

转矩控制单元6中被输入从陷波滤波器5输出的转矩指令信号τ2i。转矩控制单元6控制电机1，以使电机1输出目标转矩。

由此，电机控制装置10构成了如下的速度控制系统：利用由速度检测器3检测出的表示可动元件的移动量的速度检测信号ωra，对该可动元件的移动动作进行反馈控制，以使该可动元件的旋转速度成为与速度指令信号ωri对应的旋转速度。并且，电机控制装置10是在该速度控制系统内配置了陷波滤波器5的结构。

此外，振动频率估计单元7中也从速度检测器3被输入速度检测信号ωra。振动频率估计单元7从速度检测信号ωra估计电机1中的振动频率分量。即，振动频率估计单元7提取例如在通过电机1驱动了负载2时产生的机械谐振的振动频率分量等、呈现在所输入的速度检测信号ωra上的振动频率分量，从而估计该振动频率fo。振动频率估计单元7将与估计出的振动频率fo有关的信息通知给陷波控制单元8。

陷波控制单元8对于陷波滤波器5进行参数的设定或变更，该参数包含陷波频率fn和陷波宽度Bn。特别地，陷波控制单元8根据振动频率估计单元7的估计结果控制陷波滤波器5，以变更陷波频率fn或陷波宽度Bn。即，陷波控制单元8输入与振动频率估计单元7估计出的振动频率fo有关的信息，并基于该信息变更陷波滤波器5的陷波频率fn或陷波宽度Bn的操作。此外，陷波控制单元8还进行将陷波滤波器5切换为有效状态和无效状态的操作。

另外，陷波滤波器5的有效状态是指从输入信号中除去以陷波频率为中心的频率的信号分量而输出的状态，无效状态是指将输入信号直接输出的状态。

并且，在本实施方式中，陷波控制单元8在判定为从振动频率估计单元7所通知的振动频率fo和陷波滤波器5中所设定的陷波频率fn不同时，如下控制陷波滤波器5。即，陷波控制单元8将振动频率fo和当前所设定的陷波频率fn之间的频率作为陷波滤波器的新的陷波频率fn′来进行更新。与此同时，陷波控制单元8变更陷波宽度，以使变更后的陷波宽度Bn′比变更前的陷波宽度Bn更宽。作为新的陷波频率fn′的具体一个例子，变更为振动频率fo和陷波频率fn的平均值、即成为新的陷波频率fn′＝(fo+fn)/2的陷波频率。此外，对于陷波宽度进行变更，使得新的陷波宽度Bn′＞Bn。

本实施方式的电机控制装置10的特征在于，陷波控制单元8对于陷波滤波器5进行这样的控制。通过陷波控制单元8对于陷波滤波器5进行这样的控制，从而受到控制，以使原来的陷波频率fn的信号分量和振动频率fo的信号分量都衰减。因此，可以抑制装置的谐振频率的较大的变化所引起的短时间振荡。由此，本电机控制装置10实现通过电机1驱动负载2时的稳定。

此外，陷波控制装置8在判断为陷波宽度Bn在规定值以上时，输出报警信号。由此，可以防止陷波宽度Bn的极端扩大所造成的控制的不稳定。即，在陷波宽度Bn极端扩大的情况下，使低于陷波频率fn的频域的相位特性恶化，控制变得不稳定。因此，需要用于防止陷波宽度Bn的极端扩大的手段，构成为输出警报信号。

接着，对于电机控制装置10的动作，以陷波控制单元8控制陷波滤波器5的处理为中心进行说明。

图2是表示电机控制装置10的控制步骤的流程图。以下，参照图2说明陷波控制单元8控制陷波滤波器5的处理。

首先，由速度检测器3检测出的速度检测信号ωra被输入到振动频率估计单元7，振动频率fo被估计(步骤S1)。

这时，陷波控制单元8确认陷波滤波器5处于有效状态还是无效状态(步骤S2)。

在陷波滤波器5为无效状态时，陷波控制单元8将估计出的振动频率fo作为陷波频率fn，并将该陷波频率fn设定在陷波滤波器5中(步骤S3)。然后，将陷波滤波器5切换成有效状态(步骤S4)。

另一方面，在陷波滤波器5为有效状态时，设定陷波滤波器5的陷波频率fn和估计出的振动频率fo之间的频率作为陷波滤波器5的新的陷波频率fn′。并且，此时，将陷波宽度Bn变更为陷波宽度Bn′(Bn′＞Bn)，以使原来的陷波频率fn的信号分量和估计出的振动频率fo的信号分量衰减(步骤S5)。

在该步骤S5中所设定的新的陷波频率fn′，例如上述那样设为原来的陷波频率fn和估计出的振动频率fo的平均值。因此，可以抑制装置的谐振频率的较大的变化所引起的短时间振荡。由此，可以始终稳定地控制电机1。

图3是表示陷波滤波器5的一例频率特性的图，横轴表示频率，纵轴表示陷波滤波器5的增益。此外，图3对于陷波滤波器5的陷波频率和陷波宽度的特性，比较变更前和变更后而进行了表示。

如图3的曲线A所示，在陷波滤波器5的变更前被设定，使得消除以原来的陷波频率fn为中心的频率的信号分量。另一方面，如曲线B所示，在陷波滤波器5的变更后被设定，以将新的陷波频率fn′为中心，从而能够除去宽度比曲线A更宽的频带的信号分量。此外，与曲线A相比，在曲线B中，对于陷波频率附近的频率，能够提高增益抑制。

因此，在变更了陷波滤波器5以成为曲线B所示的特性之后，对于变更前的振动分量具有抑制效果，同时对于新出现的振动分量也具有抑制效果。例如在图3的情况下，曲线B所示的陷波滤波器5的新的频率特性，对于与变更前的振动分量对应的频率fn的信号分量具有抑制效果，同时对于与新出现的振动分量对应的频率fo的信号分量也具有抑制效果。

由此，例如在谐振频率因负载2的位置变化等状态变化而频繁变化时，由于被设定了考虑到该变化的陷波频率和陷波宽度，因此可以防止短时间振荡。并且，对于电机1或由电机1所驱动的负载2，可以使其进行稳定的平滑动作。

此外，如图2所示，以上的步骤S1至步骤S5的同时，由速度检测器3检测出的速度检测信号ωra被输入到速度控制单元4，生成转矩指令信号τ1i(步骤S6)。

这样，从速度控制单元4输出的转矩指令信号τ1i被输入到陷波滤波器5，生成由陷波滤波器5去除了振动分量的转矩指令信号τ2i(步骤S7)。

并且，在此之后，转矩控制单元6中被输入转矩指令信号τ2i，对电机1输出转矩(步骤S8)。

另外，在本实施方式中，陷波控制单元8构成为，在其判断为陷波宽度在规定值以上时，输出报警信号。

其理由如下。即，若陷波宽度过渡扩大，则会使低于陷波频率的频域的相位特性恶化，控制特性变得不稳定。因此，陷波控制单元8构成为，在其判断为陷波宽度在规定值以上时，输出报警信号，从而引起操作者的注意。

这里，陷波宽度成为规定值以上的原因在于，变为即使扩大陷波宽度，振动也不收敛的状态。在这样的振动不收敛的状态下继续控制电机1时，控制会成为不稳定状态，因此可能会导致电机1和负载2损坏。这时，仅通过陷波滤波器5无法实现稳定。

因此，也可以设陷波控制单元8为具备了停止扩大陷波宽度的功能的结构。并且还可以具备使电机控制装置10本身的动作停止的功能。由此能够使装置安全地停止。

如以上说明的那样，本实施方式的电机控制装置中，陷波控制单元在判定为由振动频率估计单元估计的振动频率和陷波滤波器中所设定的陷波频率不同时，将振动频率和陷波滤波器中所设定的陷波频率之间的频率作为陷波滤波器的新的陷波频率来变更，同时将陷波宽度变更为新的陷波宽度，以使其在变更后比变更前更宽。因此，陷波滤波器受到控制，使得原来的陷波频率的信号分量和估计出的振动频率的信号分量都衰减。因此，根据本实施方式的电机控制装置，能够抑制装置的谐振频率的较大变化所引起的短时间振荡，由此，能够始终稳定地控制电机。

(实施方式2)

以下，使用附图说明本发明实施方式2的电机控制装置20。

图4是本发明实施方式2的电机控制装置20的方框图。

在图4中，对于与实施方式1的电机控制装置10相同的结构元素附加相同的标号，并省略它们的详细说明。

在与实施方式1的比较中，电机控制装置20具备多个陷波滤波器5，同时具备用于控制这些陷波滤波器5的陷波控制单元80。并且，陷波控制单元80可以变更多个陷波滤波器5的各个陷波频率和各个陷波宽度。此外，可以将多个陷波滤波器5分别切换成有效状态和无效状态。另外，在本实施方式中，如图4所示，列举具备了两个陷波滤波器5的一例进行说明，但也可以是例如具有两个以上的陷波滤波器5的结构。

本实施方式的电机控制装置20被这样构成，其特征在于，陷波控制单元80在判定为由振动频率估计单元7估计的振动频率fo和各个陷波滤波器5中所设定的陷波频率不同时，从各个陷波滤波器5中，选择其所设定的陷波频率最接近振动频率fo的陷波滤波器5，并对于所选择的陷波滤波器5，变更为新的陷波频率和新的陷波宽度。

下面，关于电机控制装置20的动作，以陷波控制单元80控制各个陷波滤波器5的处理为中心进行说明。

图5是表示电机控制装置20的控制步骤的流程图。以下，参照图5说明陷波控制单元80控制各个陷波滤波器5的处理。

首先，由速度检测器3检测出的速度检测信号ωra被输入到振动频率估计单元7，振动频率fo被估计(步骤S11)。

然后，从多个陷波滤波器5中选择将与估计出的振动频率fo最接近的频率作为陷波频率fn而设定的陷波滤波器5(步骤S12)。

这时，确认所选择出的陷波滤波器5是否处于无效状态(步骤S13)。

在所选择的陷波滤波器5为无效状态时，将估计出的振动频率fo设定为陷波频率fn(步骤S14)。然后，将所选择的陷波滤波器5切换成有效状态(步骤S15)。

另一方面，在所选择的陷波滤波器5为有效状态时，设定该陷波滤波器5的陷波频率fn和估计出的振动频率fo之间的频率作为该陷波滤波器5的新的陷波频率fn′。并且，此时，将陷波宽度Bn变更为陷波宽度Bn′(Bn′＞Bn)，以使原来的陷波频率fn的信号分量和估计出的振动频率fo的信号分量衰减(步骤S16)。

在该步骤S16中所设定的新的陷波频率fn′，例如在实施方式1中说明的那样，设为原来的陷波频率fn和估计出的振动频率fo的平均值。因此，可以抑制装置的谐振频率的较大的变化所引起的短时间振荡。由此，可以始终稳定地控制电机1。

此外，如图5所示，与以上的步骤S11至步骤S16同时，由速度检测器3检测出的速度检测信号ωra被输入到速度控制单元4，生成转矩指令信号τ1i(步骤S17)。

这样，从速度控制单元4输出的转矩指令信号τ1i被输入到陷波滤波器5，生成由各个陷波滤波器5去除了振动分量的转矩指令信号τ2i(步骤S18)。

并且，在此之后，转矩控制单元6中被输入转矩指令信号τ2i，对电机1输出转矩(步骤S19)。

另外，在本实施方式中也与实施方式1同样地，陷波控制单元80也可以是，在其判断为陷波宽度在规定值以上时，输出报警信号的结构，或具有停止扩大陷波宽度的功能的结构，或者具有使电机控制装置20本身的动作停止的功能的结构。

如以上说明的那样，本实施方式的电机控制装置中，陷波控制单元在判定为由振动频率估计单元估计的振动频率和各个陷波滤波器中所设定的陷波频率不同时，从各个陷波滤波器中，选择其所设定的陷波频率最接近振动频率的陷波滤波器，并对于所选择出的陷波滤波器，将振动频率和所选择的陷波滤波器中所设定的陷波频率之间的频率作为所选择的陷波滤波器的新的陷波频率来变更，同时将陷波宽度变更为新的陷波宽度，以使其在变更后比变更前更宽。因此，所选择的陷波滤波器受到控制，使得原来的陷波频率的信号分量和估计出的振动频率的信号分量都衰减。因此，根据本实施方式的电机控制装置，也能够抑制装置的谐振频率的较大变化所引起的短时间振荡，由此，能够始终稳定地控制电机。

另外，在上述的各个实施方式中，列举了检测可动单元的速度，并利用检测出的速度量对可动单元的移动动作进行反馈控制的速度控制系统的一例进行了说明，但也可以是检测可动单元的位置，利用检测出的位置信息对可动单元的移动动作进行反馈控制的位置控制系统。此外，在位置控制系统的情况下，也可以设为根据检测出的位置信息估计振动频率的结构。此外，也可以是除了用于检测速度或位置的信号以外，例如另外引入用于估计振动频率的信号的结构。

此外，在上述的各个实施方式中，列举说明了具备旋转动作的可动元件作为可动单元的电机的一例，但也可以是线性电动机(linear motor)等进行旋转以外的移动动作的电动机。

此外，在上述的各个实施方式中，采用若陷波宽度为规定值以上，则输出报警信号的结构，或停止将陷波宽度扩大的结构，而与此同时也可以作为降低控制系统的控制增益的结构，从而使电机成为稳定状态。

此外，在上述的各个实施方式中，将新的陷波滤波器的陷波频率作为原来的陷波频率和估计出的振动频率的平均值进行了说明，但只要是将原来的陷波频率和估计出的振动频率之间的频率作为陷波滤波器的新的陷波频率来设定，使得原来的陷波频率和所估计出的振动频率下的衰减被充分确保，则也可以是任意值。

此外，在上述的各个实施方式中，列举了本发明的电机控制装置例如由图1所示的功能模块构成的实施方式的例子进行了说明，但也可以是例如将各个模块中的处理按照顺序执行步骤而实现的电机控制方法。具体地说，将顺序执行与各个模块的处理对应的步骤的程序存储到存储器等中，例如微处理器这样的CPU顺序读取存储器中所存储的程序，并按照读取的程序执行处理的结构也可以。

如以上那样，本发明的电机控制装置，能够抑制装置的谐振频率的较大变化所引起的短时间振荡，由此，能够始终稳定地控制电机，因此在零件安装机或半导体制造装置等使用电机的装置中，特别适用于驱动谐振频率因负载状态而频繁地变化的装置的电机控制装置。

Claims

1、一种电机控制装置，包括控制系统，该控制系统对于具备可动单元的电机，利用检测出的所述可动单元的移动量，对所述可动单元的移动动作进行反馈控制，其特征在于，所述电机控制装置包括：

陷波滤波器，配置在所述控制系统内，对于输入信号，以陷波频率为中心而使与陷波宽度对应的邻近频率的信号分量衰减；

振动频率估计单元，由所述移动量估计所述电机中的振动频率分量；以及

陷波控制单元，根据所述振动频率估计单元的估计结果，控制所述陷波滤波器，以变更所述陷波频率和所述陷波宽度，

所述陷波控制单元在判定为由所述振动频率估计单元估计的所述振动频率和所述陷波滤波器中所设定的所述陷波频率不同时，将所述振动频率和所述陷波滤波器中所设定的所述陷波频率之间的频率作为所述陷波滤波器的新的陷波频率来变更，同时将所述陷波宽度变更为新的陷波宽度，以使其在变更后比变更前更宽。

2、如权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，

具备多个所述陷波滤波器，

所述陷波控制单元在判定为由所述振动频率估计单元估计的所述振动频率和各个所述陷波滤波器中所设定的所述陷波频率不同时，从各个所述陷波滤波器中选择其所设定的陷波频率最接近所述振动频率的陷波滤波器，并对于所选择出的所述陷波滤波器，变更为所述新的陷波频率和所述新的陷波宽度。

3、如权利要求1或2所述的电机控制装置，其特征在于，

所述陷波控制单元

具有将所述陷波滤波器切换为有效状态和无效状态的功能，

在所述陷波滤波器为无效状态时，将所述振动频率作为所述陷波滤波器的陷波频率来设定，

在所述陷波滤波器为有效状态时，对于所述陷波滤波器，变更为所述新的陷波频率和所述新的陷波宽度。

4、如权利要求1或2所述的电机控制装置，其特征在于，

所述陷波控制单元在判断为所述陷波宽度在规定值以上时，输出报警信号。

5、如权利要求1或2所述的电机控制装置，其特征在于，

所述陷波控制单元在判断为所述陷波宽度在规定值以上时，停止所述陷波宽度的变更。

6、如权利要求1或2所述的电机控制装置，其特征在于，

所述陷波控制单元在判断为所述陷波宽度在规定值以上时，使所述电机停止。

7、如权利要求1或2所述的电机控制装置，其特征在于，

所述陷波控制单元在判断为所述陷波宽度在规定值以上时，变更所述控制增益，以使所述控制系统的控制增益下降。