CN102684600A - 马达控制装置及马达控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种马达控制装置及马达控制方法，可以在一定期间内输出预先设定的转矩，使马达停止于目标停止位置。马达控制装置(10)具备：电力变换部(12)，根据转矩指令，输出驱动马达(M)的电流；速度控制部(14)，根据马达(M)的速度指令与马达(M)的马达速度的偏差，生成转矩指令；及准停控制部(20)，在马达(M)的速度控制中，最初检测出检测马达(M)的马达位置的位置检测器(PG)每转的基准位置后，对马达(M)进行位置控制。

Description

马达控制装置及马达控制方法

技术领域

本发明涉及一种马达控制装置及马达控制方法。

背景技术

专利文献1中记载有用于进行准停控制的准停控制装置。该准停控制装置具备：速度控制部，根据所输入的速度指令对当前速度进行反馈控制；准停速度指令运算部，输出与目标位置和当前位置之间的位置偏差的平方根成比例的准停速度指令；准停速度指令切换部，根据当前速度和当前位置切换为预先设定了输出的准停开始速度指令或从准停速度指令运算部输入的指令；及速度指令切换部件，在速度控制时将来自外部的速度指令给予速度控制部，在准停控制时将准停速度指令切换部的输出作为速度指令给予速度控制部。

专利文献1：日本国特开平6-195118号公报

在前述的准停控制装置中，通过使用生成与位置偏差的平方根成比例的准停速度指令的准停速度指令运算部，可以用简单的处理或构成，进行基于准停控制装置能力范围内的加速度的等加速度运动，即以一定的转矩进行准停控制。在此，该转矩与用户任意设定的转矩不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种马达控制装置及马达控制方法，可以在一定期间内输出预先设定的转矩，使马达停止于目标停止位置。

依照前述目的的第1发明所涉及的马达控制装置具备：电力变换部，根据转矩指令，输出驱动马达的电流；

速度控制部，根据所述马达的速度指令与该马达的马达速度的偏差，生成所述转矩指令；

及准停控制部，在所述马达的速度控制中，最初检测出检测所述马达的马达位置的位置检测器每转的基准位置后，为了输出预先设定的转矩T计算出加速度指令，根据该加速度指令生成加在所述转矩指令上的转矩前馈指令，同时根据所述加速度指令生成从最初检测出的所述基准位置到所述马达的目标停止位置的位置指令，根据该位置指令与所述马达位置的偏差生成所述速度指令，对所述马达进行位置控制。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，所述速度控制部中的速度指令是至少第1～第3速度指令中的任意一个速度指令，所述第1速度指令是所述准停控制部生成的速度指令，所述第2速度指令是来自上位控制装置的速度指令，所述第3速度指令是预先确定的速度指令，

所述速度控制部在按照所述第2速度指令对所述马达进行速度控制的状态下输入朝向所述目标停止位置的停止开始指令后，代替所述第2速度指令，按照所述第3速度指令对所述马达进行速度控制，

最初检测出所述基准位置后，所述准停控制部可以使用所述第1速度指令及所述转矩前馈指令对所述马达进行位置控制。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，所述预先确定的速度指令可以是能检测出所述基准位置的速度指令。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，优选所述预先确定的速度指令可以是能检测出所述基准位置的实质上的最大速度指令，

所述转矩T是所述马达的实质上的最大转矩。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，所述准停控制部可以根据所述转矩T及包括所述马达的转动惯量的控制对象的转动惯量计算出所述加速度指令，根据该加速度指令，生成所述转矩前馈指令。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，所述准停控制部可以对所述加速度指令进行二阶积分从而生成所述位置指令。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，从最初检测出所述基准位置的时刻Tm1到所述马达停止于所述目标停止位置的时刻Tm3的期间由从所述时刻Tm1到所述马达输出所述转矩T的时刻Tm2的第1期间和从该时刻Tm2到所述时刻Tm3的第2期间组成，

所述准停控制部根据所述目标停止位置、所述第3速度指令及所述转矩T计算出所述第1期间的长度，

根据所述转动惯量、所述第3速度指令及所述转矩T计算出所述第2期间的长度。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，也可以还具备辨识所述转动惯量的转动惯量辨识部。

在第1发明所涉及的马达控制装置中，所述准停控制部也可以对所述加速度指令进行一阶积分从而生成速度前馈指令，

由所述准停控制部生成的所述速度前馈指令至少被加在所述速度指令上。

依照前述目的的第2发明所涉及的马达控制方法包括：第1步骤，输入用于停止马达的停止开始指令后，对所述马达进行速度控制，使所述马达的马达速度成为检测可能速度，其能检测出检测该马达位置的位置检测器的基准位置；

及第2步骤，所述检测可能速度与所述马达速度的偏差变为小于预先决定的值后，最初检测出所述基准位置时，对所述马达进行位置控制，使所述马达停止于预先设定的目标停止位置，

在所述第2步骤中，在一定期间内使所述马达输出预先设定的转矩。

根据本发明所涉及的马达控制装置及马达控制方法，可以在一定期间内输出预先设定的转矩，使马达停止于目标停止位置。

附图说明

图1是本发明一个实施方式所涉及的马达控制装置的功能框图。

图2是该马达控制装置进行位置控制时的控制框图。

图3是由该马达控制装置控制的马达的速度-时间线图。

图4是该马达控制装置的转矩前馈指令、速度前馈指令及位置指令的说明图。

符号说明

10-马达控制装置；12-电力变换部；14-速度控制部；20-准停控制部；22-转动惯量辨识部；30-积分器；32-低通滤波器；34-转矩限制器；40a-存储部；40b-存储部；42-加速度指令计算部；46a-切换器；46b-连接器。

具体实施方式

下面，参照附图说明对本发明进行具体化的实施方式，以便于理解本发明。另外，在各图中，与说明无关的部分有时省略图示。

如图1所示，本发明一个实施方式所涉及的马达控制装置10具备电力变换部12、速度控制部14、准停控制部20及转动惯量辨识部22，可控制安装有位置检测器PG的马达M。该马达M及位置检测器PG例如是伺服马达，用于驱动机床的主轴。

电力变换部12可根据转矩指令Tref输出驱动马达M的电流。

速度控制部14可根据马达的速度指令Vref、马达M的位置(马达位置)Pfb、以及准停控制部20生成的速度前馈指令Vff及转矩前馈指令Tff，生成转矩指令Tref。

详细为，速度控制部14如图2所示，求出在速度指令Vref与对马达位置(位置反馈)Pfb进行微分后的马达M的速度(马达速度)Vfb的偏差上加上速度前馈指令Vff后的值Ev。速度控制部14用积分时间常数Ti的积分器30对所求出的值Ev进行积分，求出速度Va。速度控制部14求出在速度Va与马达速度(速度反馈)Vfb的偏差上加上速度前馈指令Vff后的值Eva，在所求出的值Eva上乘以速度环增益Kv，用低通滤波器32除去高频成分。而且，速度控制部14针对在低通滤波器32的输出上加上转矩前馈指令Tff后的转矩Ta，用转矩限制器34施以限制，生成转矩指令Tref。

准停控制部20根据1)分别由用户预先设定的转矩T及目标停止位置Pos、以及可检测出位置检测器PG每转的基准位置(C相信号Dc)的速度指令Vc；2)包括马达M转子的转动惯量的控制对象的转动惯量J；3)马达速度Vfb；4)马达位置Pfb；及5)C相信号Dc，可生成1)速度指令P-Vref；2)转矩前馈指令Tff；及3)速度前馈指令Vff。

转矩T及目标停止位置Pos储存在存储部40a中，速度指令Vc储存在存储部40b中。

另外，用户设定的转矩T可以是马达M的最大转矩Tmax。但是，这里所说的“最大转矩Tmax”不是严密意义上的最大转矩。即，“最大转矩”容许误差，意味着“实质上的最大转矩”(以下同样)。而且，速度指令Vc可以是能检测出C相信号Dc的最大速度。但是，这里所说的“最大速度”不是严密意义上的最大速度。即，“最大速度”容许误差，意味着“实质上的最大速度”(以下同样)。

详细为，准停控制部20如图2所示，具有加速度指令计算部42，输入C相信号Dc后，根据马达速度Vfb计算出加速度指令Aref。准停控制部20在加速度指令计算部42计算出的加速度指令Aref上乘以转动惯量J从而生成转矩前馈指令Tff。而且，准停控制部20对加速度指令Aref进行积分从而生成速度前馈指令Vff。而且，准停控制部20对所生成的速度前馈指令Vff进行积分从而生成位置指令Pref，在位置指令Pref与马达位置Pfb的偏差上乘以位置环增益Kp，生成速度指令P-Vref。

转动惯量辨识部22能够辨识包括前述的马达M转子的转动惯量的控制对象的转动惯量J。转动惯量辨识部22在输入停止开始信号(停止开始指令)DIs时，例如以下式所示，可根据转矩指令Tref及马达速度Vfb，辨识转动惯量J。

J＝Tref/(s·Vfb)    …式(1)

其中，s是拉普拉斯算子。

另外，预先知道转动惯量J时，也可以不设置转动惯量辨识部22。

马达控制装置10如图1所示，还具备切换器46a及连接器46b。

切换器46a对于输入至速度控制部14的速度指令Vref，可以将至少1)准停控制部20生成的速度指令P-Vref；2)来自未图示的上位控制装置(例如可编程序逻辑控制器)的速度指令E-Vref；及3)可检测出位置检测器PG每转的基准位置(C相信号Dc)的速度指令Vc中的任意一个切换为速度指令Vref。在此，速度指令P-Vref是第1速度指令的一个例子。速度指令E-Vref是第2速度指令的一个例子。速度指令Vc是第3速度指令的一个例子。

切换器46a在输入有停止开始信号DIs时，通过将图1所示的接点从接点a切换至接点b，而能够将速度指令Vref从速度指令E-Vref切换为速度指令Vc。而且，切换器46a在输入有C相信号Dc时，通过将该图1所示的接点从接点b切换至接点c，而能够将速度指令Vref从速度指令Vc切换为速度指令P-Vref。

连接器46b在输入有C相信号Dc时，将接点d及接点f分别连接于接点e及接点g，可以将准停控制部20生成的转矩前馈指令Tff及速度前馈指令Vff输入至速度控制部14。

下面，对马达控制装置10的动作(马达控制方法)进行说明。另外，下述动作通过搭载于马达控制装置10的CPU(未图示)执行的软件而实现。

首先，如图3所示，在对马达M进行速度控制，以跟踪于来自上位控制装置的速度指令E-Vref的方式进行动作的状态下，对在输入有停止开始信号DIs时的期间ta～td中的马达控制装置10的动作分别进行说明。

(期间ta)

期间ta是从输入停止开始信号DIs开始，到马达速度Vfb与可检测出位置检测器PG每转的基准位置(C相信号Dc)的速度指令Vc(例如可检测出C相信号Dc的最大速度)一致为止的期间。在此，马达速度Vfb与速度指令Vc一致并不意味着严密的一致，而是意味着实质上的一致(以下同样)。具体为，马达速度Vfb只要控制在预先决定的偏差内即可。该偏差例如为速度指令Vc的±5％。

输入停止开始信号DIs后，切换器46a将速度控制部14的速度指令Vref从速度指令E-Vref切换为速度指令Vc(从图1所示的接点a切换至接点b)。其结果，马达M开始减速。

另一方面，转动惯量辨识部22开始转动惯量J的辨识运算，在期间ta的期间内辨识转动惯量J。

(期间tb)

期间tb是从马达速度Vfb与速度指令Vc一致开始，到最初检测出位置检测器PG每转的基准位置(C相信号Dc)为止的期间。

在期间tb的期间内，马达控制装置10将速度指令Vref作为速度指令Vc对马达M进行速度控制。

在期间tb结束之前对马达M进行速度控制。

(期间tc)

期间tc是从最初检测出位置检测器PG每转的基准位置(C相信号Dc)开始(时刻Tm1)，到马达M输出预先设定的转矩T为止(时刻Tm2)的期间(第1期间)。

最初检测出C相信号Dc后，切换器46a将速度控制部14的速度指令Vref从速度指令Vc切换为准停控制部20生成的速度指令P-Vref(从图1所示的接点b切换至接点c)。而且，最初检测出C相信号Dc后，连接器46b通过将接点d及接点f分别连接于接点e及接点g，将准停控制部20生成的转矩前馈指令Tff及速度前馈指令Vff输入至速度控制部14。

其结果，从期间tb进入期间tc时，马达M的控制从速度控制切换至位置控制。

另外，从速度控制切换至位置控制时，确定速度前馈指令Vff的初始值，使速度前馈指令Vff与马达速度Vfb的大小实质上一致。例如，速度前馈指令Vff的初始值被设定为Vc。而且，确定位置指令Pref的初始值，使位置指令Pref与马达位置Pfb的大小实质上一致。例如，由于检测出C相信号Dc时将马达M的控制切换至位置控制，因此位置指令Pref的初始值被设定为0。而且，对于速度控制部14中的积分器30的积分值，清除将要切换之前的积分值，以降低从速度控制切换至位置控制时的震动(马达速度的不连续性)。因而，从速度控制切换至位置控制时的马达速度的连续性保持在容许范围内。

在期间tc的期间内，根据准停控制部20生成的速度指令P-Vref，马达M以马达速度保持与速度指令Vc相同的速度的方式进行动作。在后面说明准停控制部20生成速度指令P-Vref的方法。

(期间td)

期间td是从马达M输出预先设定的转矩T开始(时刻Tm2)，到马达M停止于目标停止位置Pos(预先设定的停止位置Pos)为止(时刻Tm3)的期间(第2期间)。

在期间td的期间内，根据准停控制部20生成的速度指令P-Vref，马达M输出预先设定的转矩T(例如最大转矩Tmax)。在后面说明准停控制部20生成速度指令P-Vref的方法。

经过期间td后，继续进行位置控制，以使马达M保持目标停止位置Pos上的定位。

下面，对期间tc及期间td中的准停控制部20生成速度指令P-Vref的方法进行说明。

准停控制部20的加速度指令计算部42在检测出C相信号时，计算出期间tc及期间td的长度，可分别针对所计算出的期间tc及期间td，生成加速度指令Aref。

首先，加速度指令计算部42根据下式计算出期间tc的长度。

tc＝Pos/Vc-J·Vc/(2·T)…式(2)

其中，Pos：目标停止位置(rad)；Vc：可检测出位置检测器每转的基准位置(C相信号Dc)的速度指令(rad/s)；J：转动惯量(kgm²)；T：预先设定的马达转矩(Nm)。

另外，变为tc＜0时，使在目标停止位置Pos上加上2π的位置成为新的目标停止位置Pos。

之后，加速度指令计算部42根据下式计算出期间td的长度。

td＝J·Vc/T    …式(3)

进而，加速度指令计算部42根据下式，按所计算出的期间tc及期间td计算出加速度指令Aref。

期间tc：Aref＝0…式(4)

期间td：Aref＝-T/J…式(5)

准停控制部20如图4的实线所示，可在该加速度指令Aref上乘以转动惯量J从而生成转矩前馈指令Tff。而且，准停控制部20可以对加速度指令Aref进行积分从而生成速度前馈指令Vff，对所生成的速度前馈指令Vff进行积分从而生成位置指令Pref。

即，马达M在从检测出C相信号Dc开始到目标停止位置Pos为止的移动量(图3所示的斜线部)中，对于期间tc，保持检测出C相信号Dc时的速度而移动，对于期间td，输出预先设定的转矩T并移动至目标停止位置Pos。

另外，该图4的各虚线示出期间ta及期间tb中的转矩指令Tref及马达速度Vfb。

如此，准停控制部20在马达M的速度控制中，在最初检测出检测马达位置Pfb的位置检测器PG每转的基准位置(C相信号Dc)后，1)为了输出预先设定的转矩T，生成加在转矩指令Tref上的转矩前馈指令Tff；同时2)根据转矩前馈指令Tff，生成从最初检测出的基准位置到马达M的目标停止位置Pos的位置指令Pref，根据位置指令Pref与马达位置Pfb的偏差生成速度指令P-Vref，可对马达M进行位置控制。

如以上说明的那样，根据本实施方式，可输出预先设定的转矩T，使马达M停止于目标停止位置Pos。

因而，例如用户通过分别作为速度指令Vc设定尽可能大的速度以及作为转矩T设定马达M的最大转矩Tmax，与设定除此以外的速度指令Vc、转矩T的情况相比，可缩短马达M停止于目标停止位置Pos所需的时间。

另外，本发明并未限定于前述的实施方式，可在不变更本发明要旨的范围内进行变更。例如，对前述的实施方式、变形例的一部分或全部进行组合来构成本发明时也属于本发明的技术范围。

在前述的实施方式中，准停控制部20生成的速度前馈指令Vff被输入至速度控制部14。但是，速度前馈指令Vff也可以不必一定被输入至速度控制部14。

为了补偿转动惯量J的误差所产生的影响，例如也可以在辨识转动惯量J的过程中使用干扰观测器，从马达的转矩和速度的信息中除去干扰估计值。通过进行该补偿，可生成更加适当的转矩前馈指令Tff、速度前馈指令Vff、位置指令Pref。

在前述的实施方式中，输入停止开始信号DIs后，马达M开始减速，以与速度指令Vc一致。但是，输入有停止开始信号DIs时，当马达速度Vfb小于速度指令Vc时，马达M也可以进行增速，以与速度指令Vc一致。

准停控制部20也可以首先生成位置指令Pref，通过对其进行微分，生成速度前馈指令Vff，对所生成的速度前馈指令Vff进行微分后，乘以转动惯量J从而生成转矩前馈指令Tff。如此，准停控制部20通过根据位置指令Pref生成速度前馈指令Vff及转矩前馈指令Tff，可降低马达位置Pfb相对于目标停止位置Pos的位置误差(位置偏差)。

在前述的实施方式中，对于准停控制部20中的位置控制系统及速度控制部14中的速度控制系统，以位置比例·速度积分比例控制系统(P-IP控制)的构成为例进行了说明。代替该控制系统，例如也可以使用位置比例·速度比例积分控制系统(P-PI控制)、位置比例·速度比例控制系统(P-P控制系统)等的构成。

Claims (10)

1.一种马达控制装置，其特征在于，具备：

电力变换部，根据转矩指令，输出驱动马达的电流；

速度控制部，根据所述马达的速度指令与该马达的马达速度的偏差，生成所述转矩指令；

及准停控制部，在所述马达的速度控制中，最初检测出检测所述马达的马达位置的位置检测器每转的基准位置后，为了输出预先设定的转矩T计算出加速度指令，根据该加速度指令生成加在所述转矩指令上的转矩前馈指令，同时根据所述加速度指令生成从最初检测出的所述基准位置到所述马达的目标停止位置的位置指令，根据该位置指令与所述马达位置的偏差生成所述速度指令，对所述马达进行位置控制。

2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，

所述速度控制部中的速度指令是至少第1～第3速度指令中的任意一个速度指令，所述第1速度指令是所述准停控制部生成的速度指令，所述第2速度指令是来自上位控制装置的速度指令，所述第3速度指令是预先确定的速度指令，

所述速度控制部在按照所述第2速度指令对所述马达进行速度控制的状态下输入朝向所述目标停止位置的停止开始指令后，代替所述第2速度指令，按照所述第3速度指令对所述马达进行速度控制，

最初检测出所述基准位置后，所述准停控制部使用所述第1速度指令及所述转矩前馈指令对所述马达进行位置控制。

3.根据权利要求2所述的马达控制装置，其特征在于，

所述预先确定的速度指令是能检测出所述基准位置的速度指令。

4.根据权利要求2所述的马达控制装置，其特征在于，

所述预先确定的速度指令是能检测出所述基准位置的实质上的最大速度指令，

所述转矩T是所述马达的实质上的最大转矩。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的马达控制装置，其特征在于，

所述准停控制部根据所述转矩T及包括所述马达的转动惯量的控制对象的转动惯量计算出所述加速度指令，根据该加速度指令，生成所述转矩前馈指令。

6.根据权利要求5所述的马达控制装置，其特征在于，

所述准停控制部对所述加速度指令进行二阶积分从而生成所述位置指令。

7.根据权利要求5或6所述的马达控制装置，其特征在于，

从最初检测出所述基准位置的时刻Tm1到所述马达停止于所述目标停止位置的时刻Tm3的期间由从所述时刻Tm1到所述马达输出所述转矩T的时刻Tm2的第1期间和从该时刻Tm2到所述时刻Tm3的第2期间组成，

所述准停控制部根据所述目标停止位置、所述第3速度指令及所述转矩T计算出所述第1期间的长度，

根据所述转动惯量、所述第3速度指令及所述转矩T计算出所述第2期间的长度。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的马达控制装置，其特征在于，

还具备辨识所述转动惯量的转动惯量辨识部。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的马达控制装置，其特征在于，

所述准停控制部对所述加速度指令进行一阶积分从而生成速度前馈指令，

由所述准停控制部生成的所述速度前馈指令至少被加在所述速度指令上。

10.一种马达控制方法，其特征在于，包括：

第1步骤，输入用于停止马达的停止开始指令后，对所述马达进行速度控制，使所述马达的马达速度成为检测可能速度，其能检测出检测该马达位置的位置检测器的基准位置；

及第2步骤，所述检测可能速度与所述马达速度的偏差变为小于预先决定的值后，最初检测出所述基准位置时，对所述马达进行位置控制，使所述马达停止于预先设定的目标停止位置，

在所述第2步骤中，在一定期间内使所述马达输出预先设定的转矩。

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