CN102893513B - 马达控制装置 - Google Patents

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Abstract

为了使驱动对象在稳定的控制下靠近加压对象而以低冲击接触到加压对象、且抑制对加压对象进行加压时所产生的振动、而且能够根据简单的指令来进行动作,在马达控制装置中,回归转矩控制器(102)根据驱动对象(201)和加压对象(202)的接触速度来确定的速度限制值(vlim)转矩控制速度指令(uT)进行限制而输出,速度控制器(101)计算转矩指令(Tu),使得马达速度(v)追踪回归转矩控制器(102)所输出的转矩控制速度指令(uT)。

Description

马达控制装置
技术领域
本发明涉及一种对产业用机械装置所具备的马达进行驱动的马达控制装置。
背景技术
在产业用机械装置中有螺帽固定、螺丝固定、成型机等使驱动对象移动到规定的位置之后将驱动对象以所期望的压力推压到加压对象的类型。在这种类型的产业用机械装置中,大多采用如下的马达控制方式:在驱动对象移动时进行使马达的旋转位置追踪位置指令的位置控制,之后向使马达直接产生所设定的目标转矩的前馈性的转矩控制进行切换。
在切换这种位置控制和前馈性的转矩控制的马达控制方式中,产生如下问题:当单纯地切换控制方式时,由于切换时转矩不连续地变化而产生冲击、振动的问题、马达速度增大到所需以上的问题。
对于该问题,例如专利文献1公开了如下技术:根据从外部输入的切换信号来进行对于位置或者速度的指令的位置·速度控制和基于目标转矩的前馈性的转矩控制之间的切换。根据该技术,如果在切换后的转矩控制时马达速度超过速度限制值,则以速度限制值为基准的速度控制进行工作,从而防止马达速度增大。另外,如果马达速度恢复到速度限制内,则还作为前馈性的转矩控制而进行动作。另外,通过恰当地设定切换时位于速度控制器内的积分器的值来确保了转矩连续性。
另外,专利文献2公开了如下技术:假定点焊等的机器人控制装置,代替使用施加压力传感器而通过反馈推定了施加压力的值来实现所期望的动作。具体地说,根据该技术,控制装置具备根据转矩(电流)和马达速度来推定对于马达的干扰转矩的干扰推定观测器(observer)、和速度控制器(速度环处理部),在转矩控制模式(施加压力控制模式)中将目标转矩(施加压力指令的换算转矩)与作为干扰推定观测器的输出的推定干扰转矩的偏差反馈给速度指令。另外,机器人控制装置在进行通常的位置控制的位置控制模式的状态下,将驱动对象推碰到加压对象,判断推定干扰转矩变得比规定的值大的时刻而从位置控制模式向前述的转矩控制模式进行切换。
专利文献1:日本特开2009-141987号公报
专利文献2:日本特开2000-141262号公报
发明内容
然而,根据上述专利文献1公开的技术,在驱动对象没有接触到加压对象的时刻向转矩控制进行切换的情况下,当马达速度成为速度限制值附近时,速度控制的ON/OFF被频繁地切换,存在动作变得不稳定这样的问题。另外,当驱动对象推碰加压对象时,来自加压对象的反作用力成为干扰而有时马达产生振动,但是专利文献1的技术只是简单地通过前馈性地控制转矩,因此存在没有抑制所产生的振动这样的问题。
另外,根据专利文献2的技术,控制装置的指令生成装置需要根据如下的缜密的计算来生成位置指令:以在位置控制模式的动作下驱动对象不向加压对象提供过大的冲击的方式进行接触、且在接触后产生规定值以上的施加压力。另外,在位置控制模式和转矩控制模式的切换中,需要使用对于通常的定位控制等而言是特殊的变量的推定干扰转矩来进行切换判断。将这种功能适用于在单纯的定位用途等中所使用的简易的指令生成装置的方案,从开发成本等的观点出发是不现实的。
本发明是鉴于上述记载而完成的,其目的在于能够使驱动对象在稳定的控制下靠近加压对象而以低冲击来接触到加压对象、且能够抑制当对加压对象进行加压时所产生的振动的马达控制装置。另外,其目的在于获得一种根据简单的指令来进行动作的马达控制装置。
为了解决上述的课题而达到其目的,本发明的马达控制装置,控制对驱动对象进行驱动的马达来将所述驱动对象以与目标转矩相对应的压力推压到加压对象,该马达控制装置的特征在于,具备:速度控制器,根据所述马达的速度检测值,计算针对所述马达的转矩指令以及用于补偿所述转矩指令的回归转矩;以及回归转矩控制器,计算与所述目标转矩和所述速度控制器所计算出的回归转矩的偏差相应的第1速度指令,其中,所述回归转矩控制器以根据所述驱动对象和所述加压对象的接触速度来确定的所期望的速度限制值对所述计算出的第1速度指令进行限制而输出,所述速度控制器以使所述速度检测值追踪所述回归转矩控制器所输出的第1速度指令的方式计算所述转矩指令。
根据本发明,在驱动对象接触到加压对象之前的期间不是使马达产生目标转矩而是能够自动地执行以速度限制值为速度指令的速度控制,因此能够使驱动对象在稳定的控制下靠近加压对象而以低冲击接触到加压对象,另外能够在驱动对象接触到加压对象之后,反馈速度检测值且使马达产生目标转矩,因此起到能够抑制当对加压对象进行加压时所产生的振动这样的效果。另外,只通过指令生成装置输入目标转矩,马达控制装置进行移动驱动对象到接触加压对象的位置为止并在接触之后推压加压对象的控制,因此起到能够根据简单的指令来进行动作这样的效果。
附图说明
图1是说明实施方式1的马达控制装置的连接例的图。
图2是说明马达控制装置的结构的图。
图3是说明实施方式1中的回归转矩控制器的结构的图。
图4是用于说明实施方式1中的马达控制装置的动作的曲线。
图5是表示只以转矩控制模式进行动作的马达控制装置的结构的图。
图6是表示实施方式2的马达控制装置的结构的图。
图7是表示实施方式3的马达控制装置的结构的图。
图8是表示实施方式3中的回归转矩控制器的结构的图。
图9是用于说明实施方式3中的马达控制装置的动作的曲线。
图10是表示实施方式4的马达控制装置的结构的图。
图11是表示实施方式4中的回归转矩控制器的结构的图。
图12是表示实施方式4中的速度控制器的结构例的图。
附图标记说明
100:马达控制装置;101:速度控制器;102:回归转矩控制器;103:转矩信号减法器;104:速度运算器;105:位置控制器;106:控制切换部;111:转矩信号增益;112:转矩信号限幅器;200:指令生成装置;201:驱动对象;202:加压对象;203:马达;204:检测器;205:电流控制器;400:马达控制装置;401:控制切换部;500:马达控制装置;501:回归转矩控制器;502:初始值设定部;511:转矩信号增益;512:转矩信号限幅器;513:滤波器;600:马达控制装置;601:速度控制器;602:回归转矩控制器;603:初始值设定部;611:转矩信号增益;612:转矩信号限幅器;613:滤波器;621:速度信号减法器;622:速度积分增益;623:速度积分器;624:速度输入加法器;625:速度比例增益;626:滤波器。
具体实施方式
下面附图详细地说明与本发明有关的马达控制装置的实施方式。此外,并非通过该实施方式来限定本发明。
实施方式1.
本发明的实施方式,控制对驱动对象进行驱动而将驱动对象以所期望的压力推碰到加压对象的马达。这里作为一个例子,说明在驱动对象与加压对象之间对成型对象进行加压·成型的成型系统中适用马达控制装置的情况。图1是说明与本发明有关的实施方式1的马达控制装置的连接例的图。
如图1所示,成型系统具备有驱动对象201,在驱动对象201的驱动方向上配设有加压对象202。成型对象与加压对象202接触而配置,并通过向加压对象202推压驱动对象201而变形、成型。驱动对象201通过马达203驱动滚珠螺杆等机构来被推压到加压对象202。
电流控制器205根据转矩指令Tu来产生提供给马达203的实际电流I。马达203通过实际电流I以与转矩指令Tu相应的转矩进行动作来对驱动对象201进行驱动。另外,在马达203中安装有进行马达203的旋转位置的检测的检测器204,检测器204输出表示马达203的旋转角度等的马达动作检测值(位置检测值)y。
马达控制装置100从指令生成装置200输入动作目标值(位置指令)yref、目标转矩Tref、以及切换信号sw。马达控制装置100根据切换信号sw在生成转矩指令Tu使得马达动作检测值y追踪动作目标值yref的位置控制、和生成转矩指令Tu使得以目标转矩Tref将驱动对象201推压到加压对象202的转矩控制之间切换动作模式。这里,设为如下而进行说明:指令生成装置200当以位置A为初始位置而将驱动对象201从位置A驱动到与加压对象202(正确地说为成型对象)接触的位置C的跟前的位置B为止时,使马达控制装置100执行位置控制,在位置B以后使马达控制装置100执行转矩控制。此外,以后设为成型对象包含在加压对象202的概念中。
图2是说明马达控制装置100的结构的图。如图所示,马达控制装置100具备速度控制器101、回归转矩控制器102、转矩信号减法器103、速度运算器104、位置控制器105、以及控制切换部106。
位置控制器105被输入从指令生成装置200输入的动作目标值yref和由检测器204检测出的马达动作检测值y,运算位置控制速度指令(第2速度指令)upv,使得马达动作检测值y追踪动作目标值yref。例如,在位置控制器105进行P控制的情况下,将位置增益设为Kp来进行式(1)的运算,并将其结果作为位置控制速度指令upv而输出。
upv=Kp(yref-y)        (1)
位置控制器105将所求出的位置控制速度指令upv向控制切换部106进行输出。
速度运算器104对检测器204所检测出的马达动作检测值y进行差分、滤波器处理等来计算马达速度v。并且,将计算出的马达速度v向速度控制器101进行输出。
速度控制器101计算转矩指令Tu,使得从速度运算器104输入的马达速度v与从后述的控制切换部106输入的速度指令u一致。并且,速度控制器101将计算出的转矩指令Tu输出给电流控制器205。而且,速度控制器101计算恒定的值与转矩指令Tu一致的回归转矩信号Tt,并将计算出的回归转矩信号Tt向转矩信号减法器103进行输出。
例如,速度控制器101进行组合了式(2)所示的PI控制和滤波器的运算来计算转矩指令Tu
Tu=H(s)·Kv·{(s+Ki)/s}·(u-v)    (2)
这里,s是拉普拉斯算子,Kv是速度P增益,Ki是速度I增益。滤波器H(s)是在比由速度控制器101的控制常数所决定的控制带宽更高的频率中消除规定的频率成分的单元,使用被称为低通滤波器、陷波滤波器的滤波器来提高反馈马达速度v的速度反馈环的稳定性,并且通过将速度控制器101、位置控制器105的增益设定得高来使马达动作检测值y快速地追踪动作目标值yref,该滤波器H(s)在通常的速度控制中为了进行控制系的高响应化所必需、且根据情况而具有复杂的特性。
另外,例如,速度控制器101进行基于式(3)所示的PI控制的运算,计算回归转矩信号Tt
Tt=Kv·{(s+Ki)/s}·(u-v)(3)
此外,根据式(2)、式(3)在转矩指令Tu与回归转矩信号Tt之间存在如下关系。
Tu=H(s)·Tt    (4)
滤波器H(s)是如上述那样消除规定的频率成分的单元,为了使转矩指令Tu和回归转矩信号Tt的恒定的值一致,恒定增益|H(0)|成为0dB。此外,速度控制器101可以使用(3)式来进行回归转矩信号Tt的计算、从回归转矩信号Tt中使用(4)式来进行转矩指令Tu的计算。
转矩信号减法器103计算由速度控制器101计算出的回归转矩信号Tt和目标转矩Tref的差分(参照下式(5))。并且,转矩信号减法器103将所求出的差分作为转矩信号偏差eT而向回归转矩控制器102进行输出。
eT=Tref-Tt    (5)
回归转矩控制器102根据转矩信号偏差eT来计算提供给控制切换部106的转矩控制速度指令(第1速度指令)uT。图3是说明回归转矩控制器102的结构的图。
如图3所示,回归转矩控制器102具备转矩信号增益111和转矩信号限幅器112。转矩信号增益111使转矩信号偏差eT成为常数倍(Wx倍)来向转矩信号限幅器112进行输出。转矩信号限幅器112将转矩信号增益111的输出的大小(绝对值)限制到规定的大小(速度限制值)以下并作为转矩控制速度指令uT而进行输出。
即,当将上述速度限制值设为vlim时,作为转矩信号限幅器112的输出的转矩控制速度指令uT是通过式(6)来计算的。
uT=Wx·eT  如果|Wx·eT|<vlim
uT=vlim    如果|Wx·eT|≥vlim    (6)
在速度限制值vlim中设定当驱动对象201接触到加压对象202时不会向驱动对象201以及加压对象202提供意外的损伤的速度。这里,速度限制值vlim的值设为比|Wx·Tref|小。
控制切换部106被输入从位置控制器105输出的位置控制速度指令upv、从回归转矩控制器102输出的转矩控制速度指令uT、以及切换信号sw,在指令生成装置200通过切换信号sw选择了位置控制模式的情况下,作为速度指令u而输出位置控制速度指令upv,在选择了转矩控制模式的情况下,作为速度指令u而将转矩控制速度指令uT输出给速度控制器101。
接着,说明马达控制装置100的动作。图4是用于说明马达控制装置100的动作的曲线。图4(a)表示马达旋转位置、即马达动作检测值y的推移。标记在纵轴上的A、B、C分别与图2所示的位置A(A地点)、位置B(B地点)、位置C(C地点)相对应,具体地说位置A表示驱动对象201的初始位置,位置B表示指令生成装置200将切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换的地点,位置C表示驱动对象201接触到加压对象202的地点。描绘在横轴的a、b、c分别表示驱动对象201到达A地点、B地点、C地点的时刻。图4(b)是表示马达速度v的推移的曲线,图4(c)是表示转矩指令Tu的推移的曲线。
下面,分为指令生成装置200在切换信号sw中选择位置控制模式中、从位置控制模式向转矩控制模式的切换时、选择转矩控制模式中的情况而进行说明。
当马达控制装置100以位置控制模式进行动作时、即指令生成装置200在切换信号sw中选择了位置控制模式时,控制切换部106作为速度指令u而输出位置控制速度指令upv。即,在切换信号sw为选择位置控制模式中的情况下,成为如下:
u=upv    (7)
因而,马达控制装置100在时刻a至时刻b为止的期间(马达动作检测值y从A地点到达B地点为止)进行位置控制,驱动对象201在B地点中静止。
并且,当指令生成装置200将切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换时,控制切换部106将速度指令u从位置控制速度指令upv切换为转矩控制速度指令uT
在模式切换时,驱动对象201在B地点中几乎停止,因此转矩指令Tu和回归转矩信号Tt几乎成为零。因而,由转矩信号减法器103计算的转矩信号偏差eT变得与目标转矩Tref相等,回归转矩控制器102的输入成为目标转矩Tref。另外,转矩信号增益111的输出成为Wx·Tref
这里,在回归转矩控制器102没有转矩信号限幅器112、回归转矩控制器102作为转矩控制速度指令uT而输出了Wx·Tref的情况下,切换信号sw刚刚从位置控制模式切换为转矩控制模式之后速度指令u急剧地增大、马达速度v急剧地增加。与此相对,在本发明的实施方式1中,回归转矩控制器102所输出的转矩控制速度指令uT设定为速度限制值vlim比|Wx·Tref|小的值,因此当切换为转矩控制模式时,根据转矩信号限幅器112的作用,转矩控制速度指令uT最大被限制为速度限制值vlim。因而,防止指令生成装置200刚刚将切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换之后速度指令u急剧增大。
在指令生成装置200通过切换信号sw选择了转矩控制模式的情况下,控制切换部106如下式(8)所示那样作为速度指令u而将转矩控制速度指令uT输出给速度控制器101。
u=uT    (8)
即,在选择了转矩控制模式的时,作为回归转矩控制器102的输出的转矩控制速度指令uT成为向速度控制器101的输入,因此马达速度v追踪转矩控制速度指令uT
这里,驱动对象201即将从B地点到达C地点之前以转矩控制模式进行动作,但是驱动对象201不会接触到加压对象202。因此,马达控制装置100在从B地点到C地点为止的期间,以没有来自加压对象202的反作用力的状态进行转矩控制模式。因而,到C地点为止作为回归转矩控制器102的输出的转矩控制速度指令uT变得与速度限制值vlim相等,因此马达控制装置100进行与将速度限制值vlim设为速度指令u的速度PI控制同等的控制。作为结果,从B地点到C地点为止的马达速度v平滑地加速而成为与速度限制值vlim相同的速度。
这样,当马达控制装置100以转矩控制模式进行动作时,生成大小被速度限制值vlim限制的速度指令u,因此即使驱动对象201没有接触到加压对象202的状态下无意地向转矩控制模式进行切换,也能够防止马达速度v变快到所需以上。另外,驱动对象201接触到加压对象202为止,马达控制装置100进行速度控制使得马达速度v与速度限制值vlim一致,因此能够在接触加压对象202之前,不会不稳定地缓慢地移动驱动对象201,从而以低冲击接触到加压对象。因此,能够防止驱动对象201、加压对象202的破损。此外,有时将在接触加压对象202的位置之前,缓慢地移动驱动对象201的动作表现为蠕变(creep)动作。
当在蠕变动作之后驱动对象201在C地点接触到加压对象202时,来自加压对象202的反作用力施加到马达203。因此,马达速度v下降,速度指令u与马达速度v之差增加,速度控制器101的输出增加,因此与反作用力的增加相应地转矩指令Tu、回归转矩信号Tt增加。当回归转矩信号Tt增加时,作为目标转矩Tref与回归转矩信号Tt之差的转矩信号偏差eT减少。转矩信号增益111的输出的绝对值|Wx·(Tref-Tt)|减少,都低于速度限制值vlim。马达控制装置100在|Wx·(Tref-Tt)|低于速度限制值vlim之前,以将速度限制值vlim设为速度指令u的速度PI控制来驱动驱动对象201,成型对象被驱动对象201加压而成型。
当转矩信号增益111的输出的绝对值低于速度限制值vlim时,回归转矩控制器102的反馈变得有效,马达控制装置100对加压对象202进行加压使得回归转矩信号Tt与目标转矩Tref一致。然后,当进一步加压时,来自加压对象202的反作用力进一步增大,转矩指令Tu、回归转矩信号Tt不久与目标转矩Tref一致。当回归转矩信号Tt和目标转矩Tref一致时,转矩信号偏差eT成为0,转矩控制速度指令uT也变成0。由此,速度指令u也成为0,马达203在目标转矩Tref和回归转矩信号Tt一致的地点静止。并且,转矩指令Tu和回归转矩信号Tt处于稳定值一致的关系,因此转矩指令Tu也与目标转矩Tref一致。根据上述的动作的流程,马达203最终在转矩指令Tu、回归转矩信号Tt和目标转矩Tref一致的地点静止。
此外,在以上的说明中,说明了切换位置控制模式和转矩控制模式来执行的控制,但是也可以如下:如图5所示的马达控制装置300那样,设为从马达控制装置100省略了位置控制器105和控制切换部106的结构,只以基于来自指令生成装置200的目标转矩Tref的转矩控制模式来进行动作。在这种情况下,驱动对象201从位置A蠕变动作到位置C。
如上所述,根据本发明的实施方式1,构成为具备:速度控制器101,根据马达203的速度v计算对马达203的转矩指令Tu以及用于补偿所述转矩指令Tu的回归转矩指令Tt;以及回归转矩控制器102,根据目标转矩Tref和速度控制器101所计算出的回归转矩指令Tt的偏差eT计算转矩控制速度指令uT,其中,回归转矩控制器102通过根据驱动对象201和加压对象202的接触速度所确定的速度限制值vlim对转矩控制速度指令uT进行限制而输出,速度控制器101计算转矩指令Tu使得马达速度v追踪回归转矩控制器102所输出的转矩控制速度指令uT,因此不是在驱动对象201接触到加压对象202之前的期间使马达203产生目标转矩Tref,而是能够自动地执行以速度限制值vlim为速度指令的速度控制,因此能够使驱动对象201在稳定的控制下靠近加压对象202而以低冲击接触到加压对象202,另外在驱动对象201接触到加压对象202之后反馈马达速度v且使马达203产生目标转矩Tref,因此能够抑制当对加压对象202进行加压时所产生的振动。另外,只通过指令生成装置200输入目标转矩Tref,马达控制装置100进行使驱动对象201移动到接触加压对象202,在接触之后推压加压对象202的控制,因此能够根据简单的指令来进行动作。
此外,有时有由于加压对象202的故障等而来自加压对象202的反作用力急剧减少。当来自加压对象202的反作用力急剧减少时,回归转矩信号Tt急剧减少,作为转矩信号增益111的输出的Wx·(Tref-Tt)增大。然而,即使作为转矩信号增益111的输出的Wx·(Tref-Tt)急剧增大,回归转矩控制器102将转矩控制速度指令uT以速度限制值vlim进行限制而输出,因此防止马达203的急加速、马达速度v变大到所需以上。
另外,构成为还具备:位置控制器105,根据动作目标值yref以及马达动作检测值y来计算位置控制速度指令upv;以及控制切换部106,根据切换信号sw将提供给速度控制器101的速度指令在位置控制器105所计算出的位置控制速度指令upv和回归转矩控制器102所输出的转矩控制速度指令uT之间进行切换,其中,速度控制器101计算转矩指令Tu,使得马达速度v追踪控制切换部106所选择的速度指令u,因此指令生成装置200在驱动对象201接触到加压对象202的跟前之前能够执行使用了动作目标值yref的位置控制。另外,回归转矩控制器102将转矩控制速度指令uT以速度限制值vlim进行限制而输出,因此能够防止在指令生成装置200操作切换信号sw而进行了模式切换的瞬间马达速度v急剧地增加。另外,指令生成装置200生成动作目标值yref来使驱动对象201移动到驱动对象201接触加压对象202的跟前的任意的位置而停止,能够只操作切换信号sw来转移到转矩控制模式,因此能够使马达控制装置200通过简单的指令进行动作。
此外在本实施方式1中,表现出转矩信号限幅器112使用式(6)来向正方向(马达的正转方向)、负方向(马达的反转方向)中的哪一个都始终施加相同大小的限制。在本实施方式1中也可以构成为速度限制值vlim可变、或者能够从上位控制器在线地进行变更。另外,也可以只对马达203的正转方向、反转方向中的某一个限制大小。
另外,在本实施方式1中,位置控制器105的特性成为位置P控制、速度控制器101的特性成为速度PI控制,但是各特性不限于此。如果是马达203不会变得不稳定、马达动作检测值y追踪动作目标值yref的控制,则位置控制器105的特性也可以不是位置P控制,另外,如果马达速度v追踪速度指令u,则速度控制器101的特性也可以不是速度PI控制。
另外,转矩指令Tu和回归转矩信号Tt不需要必须具有如式(5)那样的关系,也可以一致。
实施方式2.
在实施方式1中,马达控制装置将动作模式在位置控制模式和转矩控制模式之间进行切换。与此相对,在实施方式2中在速度控制模式和转矩控制模式之间切换动作模式。
图6是表示与本发明有关的实施方式2的马达控制装置的结构的图。此外,对于进行与实施方式1相同的输入输出的结构要素附加相同的标记,并省略详细的说明。
如图6所示,实施方式2的马达控制装置400从指令生成装置200输入作为对于马达速度v的目标值的外部速度目标值vref、切换速度控制模式和转矩控制模式的切换信号sw、转矩控制模式中的目标转矩Tref。另外,马达控制装置400被输入通过检测器204检测出的马达动作检测值y。马达控制装置400以通过切换信号sw作出指令的动作模式来进行动作,生成提供给电流控制器205的转矩指令Tu
马达控制装置400具备速度控制器101、回归转矩控制器102、转矩信号减法器103、速度运算器104、以及控制切换部401。控制切换部401在切换信号sw选择了速度控制模式的情况下,作为速度指令u而将外部速度目标值vref输出给速度控制器101,在选择了转矩控制模式的情况下,作为速度指令u而将回归转矩控制器102所生成的转矩控制速度指令uT输出给速度控制器101。
本实施方式2的马达控制装置400的动作除了从A地点到B地点为止的动作不是位置控制模式而是由速度控制模式来执行之外与实施方式1相同,因此省略说明。
这样,根据本发明的实施方式2,构成为还具备控制切换部401,该控制切换部401根据切换信号sw来将提供给速度控制器101的速度指令u在外部速度目标值vref和回归转矩控制器102所输出的转矩控制速度指令uT中进行切换,速度控制器101计算转矩指令Tu使得马达速度v追踪控制切换部401所选择的速度指令u,因此指令生成装置200在驱动对象201接触到加压对象202的跟前之前能够执行使用了外部速度目标值vref的速度控制。另外,回归转矩控制器102将转矩控制速度指令uT以速度限制值vlim进行限制而输出,因此能够防止在指令生成装置200操作切换信号sw来进行模式切换的瞬间马达速度v急剧地增加。另外,指令生成装置200生成外部速度目标值vref来将驱动对象201移动到驱动对象201接触加压对象202的跟前的任意的位置而停止,能够只通过操作切换信号sw来转移到转矩控制模式,因此能够使马达控制装置400通过简单的指令进行动作。
此外,在本实施方式2中,通过检测器204检测马达动作检测值,通过速度运算器104从马达动作检测值y中运算马达速度v,但是也可以通过分解器等检测器来直接检测马达速度v。
实施方式3.
实施方式3的马达控制装置切换执行位置控制模式和转矩控制模式。图7是表示本实施方式3的马达控制装置的结构的图。此外,在本图7中,对于进行与实施方式1相同的输入输出的结构要素附加相同的标记,并省略详细的说明。
如图7所示,马达控制装置500从指令生成装置200被输入动作目标值yref、切换位置控制模式和转矩控制模式的切换信号sw、以及目标转矩Tref。另外,马达控制装置500从检测器204被输入马达动作检测值y。马达控制装置500以通过切换信号sw作出指令的动作模式进行动作而生成提供给电流控制器205的转矩指令Tu
马达控制装置500具备速度控制器101、回归转矩控制器501、转矩信号减法器103、速度运算器104、位置控制器105、控制切换部106、以及初始值设定部502。
回归转矩控制器501根据来自转矩信号减法器103的转矩信号偏差eT来计算输入到控制切换部106的转矩控制速度指令uT。图8是表示回归转矩控制器501的结构的图。
如图8所示,回归转矩控制器501具备转矩信号增益511、转矩信号限幅器512、以及滤波器513。转矩信号增益511使转矩信号偏差eT成为常数倍(Wx倍)来向转矩信号限幅器512进行输出。转矩信号限幅器512根据与式(6)相同的运算将转矩信号增益511的输出的大小(绝对值)限制为规定的大小以下来向滤波器513进行输出。
滤波器513被输入来自转矩信号限幅器512的输出,通过以传递函数F(s)表示的运算来输出转矩控制速度指令uT。这里,传递函数F(s)的运算是通过使用了以连续时间系中的积分器、或者离散时间系中的移位寄存器表示的状态变量的运算来实现的。通过进行以所期望的定时重写这些状态变量的处理,能够不连续地变更传递函数F(s)的运算结果。此外,使得滤波器513的恒定增益|F(0)|成为1。
作为回归转矩控制器501的运算结果的转矩控制速度指令uT成为如下式(9)所示。
uT=F(s)·Wx·eT    如果|Wx·eT|<vlim
uT=F(s)·vlim      如果|Wx·eT|≥vlim    (9)
初始值设定部502被输入位置控制速度指令upv以及切换信号sw,在切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换的定时,设定上述的滤波器513的状态变量,使作为滤波器513的输出的转矩控制速度指令uT与位置控制速度指令upv一致。
接着,说明切换信号sw选择转矩控制模式、且满足|Wx·eT|<vlim的情况下的马达控制装置500的特性。此外,为了使说明简单,这里说明将速度控制器101的控制设为在式(2)、(3)中所示的速度PI控制、滤波器513具有使下式(10)所示的截止频率与速度积分增益Ki一致的一次低通滤波器的特性。
F(s)=Ki/(s+Ki)(10)
当使用式(2)、式(3)、式(5)、式(9)、式(10)时,满足|Wx·eT|<vlim的情况下的从目标转矩Tref到转矩指令Tu为止的传递函数以及从马达速度v到转矩指令Tu为止的传递函数分别成为如下式(11)、(12)所示。
Tu/Tref=H(s)·Kv·Ki·Wx/(s+Kv·Ki·Wx)(11)
Tu/v=H(s)·Kv·(s+Ki)/(s+Kv·Ki·Wx)(12)
这里,当将转矩信号增益Wx设为0时,式(11)所示的传递函数成为0。另外式(12)所示的传递函数变得与对于马达速度v的PI控制相等。即,马达控制装置500的特性变成将速度指令u设为0的速度PI控制的特性。
另外,当将转矩信号增益Wx加大到实质上的无限大(被控制周期限制的最大值),并将滤波器H(s)设为1时,式(11)所示的传递函数实际上变成1,式(12)所示的传递函数成为0。即,使转矩指令Tu和目标转矩Tref变得一致,马达控制装置500的特性实际上变得进行转矩前馈控制。这种转矩控制模式的特性在例如想要将粘性大、难于振动的加压对象202以所期望的力进行加压的情况下,符合目的。
另外,在将转矩信号增益Wx设定为上述两个例子的中间的值的情况下,通过式(11)以及式(12),马达控制装置500的特性成为如在比转矩信号增益Wx低的频率下使转矩指令Tu与目标转矩Tref一致的特性、如在比Wx高的频率下将马达203的速度靠近0的速度控制的特性。通过具有这种特性,如在驱动对象201推碰到加压对象202时容易产生振动的情况下,能够进行稳定的控制,使得一边抑制该振动一边恒定地以与目标转矩Tref相对应的力来对加压对象202进行加压。
接着,说明马达控制装置500的动作。图9是用于说明马达控制装置500的动作的曲线。图9(a)、图9(b)、图9(c)分别是表示马达动作检测值y的推移、马达速度v的推移、转矩指令Tu的推移的曲线。此外,这里与实施方式1的情况不同,在位置B中不停止马达而进行模式切换。位置控制模式中的动作是与实施方式1相同的动作,因此省略说明。马达控制装置500以位置控制模式进行控制来使驱动对象201移动到位置B。
说明位置B中的模式切换时的动作。首先,在B地点中,指令生成装置200将切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换。当指令生成装置200将切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换时,初始值设定部502设定位于回归转矩控制器501内部的滤波器513的状态变量,使得转矩控制速度指令uT与位置控制速度指令upv一致。与此同时,控制切换部106作为速度指令u而选择转矩控制速度指令uT。其结果,保持切换定时前后的回归转矩信号Tt以及转矩指令Tu的连续性。换句话说,即使在马达动作过程中从位置控制模式向转矩控制模式进行切换,也防止在切换了控制模式的瞬间速度急剧地变化。
接着,说明转移到转矩控制模式之后的动作。在图9的例子中,B地点以后(时刻b以后)的控制模式成为转矩控制模式。驱动对象201从位置B到达位置C之前(即,从切换为转矩控制模式之后驱动对象201接触加压对象202之前),马达控制装置500在没有来自加压对象202的反作用力的状态下进行转矩控制模式。另外,进行设定使得滤波器513的恒定增益|F(0)|成为1,因此在恒定状态下转矩信号限幅器512的输出和滤波器513的输出一致。即,驱动对象201被速度控制器101进行控制,使得马达速度v追踪作为回归转矩控制器501的输出的转矩控制速度指令uT,因此马达速度v与切换为转矩控制模式的时刻的马达速度v无关地平滑地转移到与速度限制值vlim相同的速度。因而,能够与实施方式1相同地将驱动对象201缓慢地稳定地靠近加压对象202并以低冲击向加压对象202进行接触。
然后,当在C地点中驱动对象201接触到加压对象202时,来自加压对象202的反作用力施加到马达203,马达速度v下降,速度指令u与马达速度v之差增加,速度控制器101的输出增加,由此与反作用力的量相应地转矩指令Tu、回归转矩信号Tt增加。当回归转矩信号Tt增加时,作为目标转矩Tref与回归转矩信号Tt之差的转矩信号偏差eT减少。因此,转矩信号增益511的输出的绝对值|Wx·(Tref-Tt)|减少,都低于速度限制值vlim。到此为止驱动对象201通过速度控制器101缓慢地移动而对加压对象202进行加压。当转矩信号增益511的输出的绝对值低于速度限制值vlim时回归转矩控制器501的反馈变得有效,马达控制装置500对加压对象202进行加压使得回归转矩信号Tt与目标转矩Tref一致。然后,当进一步加压时,来自加压对象202的反作用力进一步增加,转矩指令Tu、回归转矩信号Tt与目标转矩Tref一致。当回归转矩信号Tt和目标转矩Tref一致时,转矩信号偏差eT成为0,转矩控制速度指令uT也成为0。由此,速度指令u也成为0,马达203在回归转矩信号Tt和目标转矩Tref一致的地点静止。并且,回归转矩信号Tt和转矩指令Tu恒定地一致,因此转矩指令Tu与目标转矩Tref一致。根据上述的动作的流程,马达203最终在转矩指令Tu、回归转矩信号Tt和目标转矩Tref一致的地点静止。
这样,根据本发明的实施方式3,构成为回归转矩控制器501具备进行使用了状态变量的演算的滤波器513,还具备初始值设定部502,当控制切换部106将速度指令u从位置控制速度指令upv切换为转矩控制速度指令uT时,该初始值设定部502将状态变量设定在滤波器513使得即将切换之前的位置控制速度指令upv和刚刚切换之后的转矩控制速度指令uT变得相等,因此能够使切换时的转矩指令Tu连续。即,除了实施方式1以及实施方式2的效果之外,即使指令生成装置200在马达203没有静止的状态下操作切换信号sw来执行模式切换,也保持切换时的转矩的连续性。
另外,当将速度控制器101的控制设为式(2)、(3)中所示的速度PI控制、滤波器513具备使下式(10)所示的截止频率与速度积分增益Ki一致的一次低通滤波器的特性时,能够通过将转矩信号增益Wx设为实质上的无限大(被控制周期限制的最大值)来具有与前馈性的转矩控制相同的特性。另外,通过调整转矩信号增益Wx,能够将过渡特性调整为所期望的特性。
此外,在本实施方式3中,说明了切换位置控制模式和转矩控制模式来进行动作,但是也可以如实施方式2那样切换速度控制模式和转矩控制模式来进行动作。
另外,在上述说明中,说明了回归转矩控制器501的滤波器513是低通滤波器、速度控制器101的速度控制是PI控制的情况,但是回归转矩控制器501的滤波器513的特性以及速度控制器101的速度控制的特性不限于这些。
实施方式4.
下面使用图10~12说明与本发明的实施方式4有关的马达控制装置。本实施方式4的马达控制装置切换位置控制模式和转矩控制模式来进行动作。
图10是表示实施方式4的马达控制装置的结构的图。如图所示,马达控制装置600从指令生成装置200被输入动作目标值yref、切换信号sw、以及目标转矩Tref。另外,马达控制装置600从检测器204被输入马达动作检测值y。马达控制装置600以通过切换信号sw作出指令的动作模式进行动作来计算提供给电流控制器205的转矩指令Tu
马达控制装置600具备速度控制器601、回归转矩控制器602、转矩信号减法器103、速度运算器104、位置控制器105、控制切换部106、以及初始值设定部603。
回归转矩控制器602根据来自转矩信号减法器103的转矩信号偏差eT来计算输入到控制切换部106的转矩控制速度指令uT。图11是表示回归转矩控制器602的结构的图。
如图11所示,回归转矩控制器602具备转矩信号增益611、转矩信号限幅器612、以及滤波器613。转矩信号增益611使转矩信号偏差eT成为常数倍(Wx倍)来向转矩信号限幅器612进行输出。转矩信号限幅器612通过与式(6)相同的运算将转矩信号增益611的输出的大小(绝对值)限制为规定的大小以下来向滤波器613进行输出。滤波器613内置一个以上的积分器,根据转矩信号限幅器612的输出来运算转矩控制速度指令uT而输出。另外,与实施方式3不同,设为内置于滤波器613的积分器的初始值全都成为0。由此,切换信号sw向转矩控制模式进行切换的瞬间的转矩控制速度指令uT的值成为0。此外,滤波器613的特性表现为F(s)。转矩控制速度指令uT与式(9)所示相等。此外,使得滤波器613的恒定增益|F(0)|成为1。
速度控制器601至少具备一个进行积分补偿运算使得降低速度指令u和马达速度v的偏差的积分器,从控制切换部106获取速度指令u,从速度运算器104获取马达速度v,计算转矩指令Tu使得马达速度v与速度指令u一致,并向电流控制器205进行输出。另外,将恒定的值与转矩指令Tu一致的回归转矩信号Tt向转矩信号减法器103进行输出。例如,作为内置积分器的速度控制器601而有图12所示的PI控制器。
如图12所示,速度控制器601具备速度信号减法器621、速度积分增益622、速度积分器623、速度输入加法器624、速度比例增益625、以及滤波器626。速度信号减法器621被输入速度指令u和马达速度v,运算所输入的速度指令u与马达速度v之差并作为速度偏差ev而输出。速度积分增益622被输入速度偏差ev,运算将所输入的速度偏差ev成为常数倍(Ki倍)的值而输出。速度积分器623被输入速度积分增益622的输出,累计所输入的值,并将该累计值作为速度积分输出eI而输出。
速度输入加法器624计算速度积分输出eI与速度偏差ev之和并输出给速度比例增益625。速度比例增益625被输入速度输入加法器624的输出,计算所输入的值的常数倍(Kv倍)并作为回归转矩信号Tt而输出。滤波器626输入回归转矩信号Tt,降低回归转矩信号Tt的规定的频率成分的信号,并作为转矩指令Tu而输出。
在图12所示的速度控制器601的情况下,回归转矩信号Tt通过式(3)的运算来计算,从回归转矩信号Tt通过(4)式来进行转矩指令Tu的运算。
初始值设定部603被输入切换信号sw和位置控制速度指令upv。初始值设定部603在指令生成装置200将切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换的定时,变更内置于速度控制器601的速度积分器623的值,以便确保切换前后的转矩的连续性。
接着,说明本实施方式的动作以及特性。位置控制模式中的动作以及特性与实施方式1以及实施方式3相等,因此省略说明。另外转矩控制模式中的动作以及特性与实施方式3相等,因此省略说明。这里说明模式切换时的动作。
当通过指令生成装置200而切换信号sw从位置控制模式向转矩控制模式进行切换时,初始值设定部603将切换的时刻的位置控制速度指令upv相加到内置于速度控制器601的速度积分器623的值上。另外,控制切换部106将速度指令u从位置控制速度指令upv切换为转矩控制速度指令uT
切换信号sw在即将从位置控制模式向转矩控制模式进行切换之前作为速度指令u而输出位置控制速度指令upv,因此速度输入加法器624的输出成为eI+upv-v。与此相对,刚刚向转矩控制模式进行切换之后转矩控制速度指令uT的初始值是0,因此速度指令u成为0,速度输入加法器624的输出成为eI-v。由此,在从位置控制模式向转矩控制模式的切换时,在速度积分器623的当前值中加上位置控制速度指令upv,使速度积分输出eI的值增加位置控制速度指令upv的量。由此,速度输入加法器624的输出变得连续。其结果,在从位置控制模式向转矩控制模式的切换前后,保持回归转矩信号Tt以及转矩指令Tu的连续性。换句话说,即使在马达动作中从位置控制模式向转矩控制模式进行切换,也防止在切换了控制模式的瞬间速度急剧地变化。
如上所述,根据实施方式4,构成为速度控制器601具备进行用于降低控制切换部106所选择的速度指令u和马达速度v的偏差的积分补偿运算的速度积分器623,还具备初始值设定部603,当控制切换部106将速度指令u从位置控制速度指令upv切换为转矩控制速度指令uT时,该初始值设定部603进行速度积分器623的输出的修正,使得即将切换之前的速度积分器623的输出和刚刚切换之后的速度积分器623的输出变得相等,因此与实施方式3相同地,即使指令生成装置200在马达203没有静止的状态下操作切换信号sw来执行模式切换,也能够保持切换时的转矩的连续性。
此外,在本实施方式4中,说明了切换位置控制模式和转矩控制模式来进行动作,但是也可以如实施方式2那样切换速度控制模式和转矩控制模式来进行动作。
另外,在本实施方式4中,通过将刚刚从位置控制模式向转矩控制模式的切换之后的转矩控制速度指令uT的值设为0,能够预先计算刚刚切换之后的回归转矩信号Tt和转矩指令Tu,根据该计算来更新了内置于速度控制器601的速度积分器623的值,但是即使如下进行,也能够获得相同的效果:设定内置于回归转矩控制器602的滤波器626的积分器的值,使得转矩控制速度指令uT变成恰当的值,根据从位置控制模式向转矩控制模式的切换之前的回归转矩信号Tt和刚刚切换之后的回归转矩信号Tt之差、或者切换之前的转矩指令Tu和刚刚切换之后的转矩指令Tu之差,更新内置于速度控制器601的速度积分器623值。
另外,在本实施方式4中将速度控制器601设为PI控制器,但是不特别限于此,如果具备进行积分补偿运算以便降低速度指令与马达速度的偏差的积分器,马达203不会变得不稳定,马达动作检测值y追踪动作目标值yref,并且马达速度v追踪速度指令u,则也可以使用任一种控制方式。
产业上的可利用性
如以上那样,与本发明有关的马达控制装置优选适用于对产业用机械装置所具备的马达进行驱动的马达控制装置。

Claims (5)

1.一种马达控制装置,控制对驱动对象进行驱动的马达来将所述驱动对象从离开加压对象的位置进行驱动而使其接触到所述加压对象,在所述驱动对象与所述加压对象的接触之后,将所述驱动对象以与目标转矩相对应的压力推压到所述加压对象,该马达控制装置的特征在于,具备:
速度控制器,根据所述马达的速度检测值,计算针对所述马达的转矩指令以及用于补偿所述转矩指令的回归转矩;以及
回归转矩控制器,计算与所述目标转矩和所述速度控制器所计算出的回归转矩的偏差相应的第1速度指令,
其中,所述回归转矩控制器以根据所述驱动对象和所述加压对象的接触速度来预先设定的固定的速度限制值对所述计算出的第1速度指令进行限制而输出,
所述速度控制器以使所述速度检测值追踪所述回归转矩控制器所输出的第1速度指令的方式计算所述转矩指令。
2.根据权利要求1所述的马达控制装置,其特征在于,还具备:
位置控制器,根据从外部输入的位置指令以及所述马达的位置检测值来计算第2速度指令;以及
控制切换部,根据从外部输入的切换信号,将提供给所述速度控制器的速度指令在所述位置控制器所计算出的第2速度指令和所述回归转矩控制器所输出的第1速度指令之间进行切换,
其中,所述速度控制器以使所述速度检测值追踪从所述控制切换部提供的速度指令的方式计算所述转矩指令。
3.根据权利要求1所述的马达控制装置,其特征在于,
还具备控制切换部,该控制切换部根据从外部输入的切换信号,将提供给所述速度控制器的速度指令在从外部输入的第2速度指令和所述回归转矩控制器所输出的第1速度指令之间进行切换,
其中,所述速度控制器以使所述速度检测值追踪从所述控制切换部提供的速度指令的方式计算所述转矩指令。
4.根据权利要求2或者3所述的马达控制装置,其特征在于,
所述回归转矩控制器具备进行使用了状态变量的运算的滤波器,
该马达控制装置还具备初始值设定部,该初始值设定部以使当所述控制切换部将提供给所述速度控制器的速度指令从所述第2速度指令切换为所述第1速度指令时,即将切换之前的所述第2速度指令和刚刚切换之后的所述第1速度指令变得相等的方式,对所述滤波器设定所述状态变量。
5.根据权利要求2或者3所述的马达控制装置,其特征在于,
所述速度控制器具备积分器,该积分器进行用于降低所述控制切换部所选择的速度指令和所述速度检测值的偏差的积分补偿运算,
该马达控制装置还具备积分修正部,该积分修正部以使当所述控制切换部将提供给所述速度控制器的速度指令从所述第2速度指令切换为所述第1速度指令时,即将切换之前的所述转矩指令的输出和刚刚切换之后的所述转矩指令的输出变得相等的方式,进行所述积分器的输出的修正。
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