CN103222183A - 用于电动机的位置控制设备 - Google Patents
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Abstract
对于具有副回路中的速度控制系统以及主回路中的位置控制系统的位置控制设备，难以进行调整以确保高响应水平。该位置控制设备包括接收电流命令和角速度检测值并估计对应于扰动转矩的信号的扰动观察器。该位置控制设备还包括具有接收通过扰动观察器输出的值并限制角度命令的上和下限值的变化率的限制器的变化率限制部分。变化率限制器的上限值是通过从额定的最大驱动转矩减去扰动观察器的输出的绝对值，将此结果除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益而获得的值。变化率限制器的下限值是通过将额定的最大再生转矩与扰动观察器的输出的绝对值相加，将此结果乘以采样间隔并将此结果除以位置电动机惯量和控制部分的比例增益而获得的值。
Description
技术领域
本发明涉及用于电动机的位置控制设备，以及更具体来说，涉及具有副回路中的电流控制部分和速度控制部分以及主回路中的位置控制部分并控制电动机的位置的系统。
背景技术
图10示出了位置控制设备的示意框图。参考标号1是位置控制部分，参考标号2是速度控制部分，参考标号3是电流控制部分，参考标号4是要被控制的对象（电动机）的转子的机械特性部分。
位置控制部分1输入角度命令θref和角度检测值θdy（它们是位置控制设备的设置输入）之间的偏差信号，以及位置控制部分1计算角速度命令ωref。此计算出的角速度命令ωref和角速度检测值ωdy之间的差信号在减法部分6中被确定，并被输入到速度控制部分2。然后，速度控制部分2计算转矩电流命令Tdy。转子的机械特性部分4由此转矩电流命令Tdy通过电流控制部分3来控制。转子的机械特性部分4此时的角速度检测值ωdy作为反馈被返回到减法部分6，然后执行角速度命令ωref和角速度检测值ωdy之间的差运算（差值计算）。
另外，机械特性部分4的角度检测值θdy作为反馈返回到减法部分5，然后执行角度命令θref和角度检测值θdy之间的差运算（差值计算）。
通过专利文件1等，执行上文所描述的这样的位置控制的技术是已知的。此专利文件1公开了，甚至在机械系统的共振/反共振频率的参数未知的情况下，为了抑制机械系统的振动，提供了振动抑制补偿器，以及振动抑制补偿器输入通过计算确定的速度命令和速度检测信号之间的偏差，并生成速度命令补偿信号，然后将此补偿信号和速度命令基本信号的和设置为速度信号。
专利文件1:日本专利申请出版物No.JP2002-325473
发明内容
如图10所示，用于对电动机位置控制的配置具有副回路中的速度控制系统以及主回路中的位置控制系统。然后，在副回路的速度控制中，通过PI控制（比例加积分控制）来控制速度，而在主回路的位置控制中，通过P控制（比例控制）来执行位置控制。
图11A到11C示出了图10所示出的相关技术的位置控制设备中的命令值以及它们的响应特征。图11A是角度命令值的角度检测值特征，图11B是转速特征，以及图11C是转矩特征。
由于作为要被控制的对象的电动机具有电动机能输出的转矩的范围，如图10所示，在速度控制部分2提供转矩限制器，并设置转矩限制。因此，如图11C所示，当输入转矩电流命令Tdy被限于±100%转矩电流限制的这样的角度命令θref（参见图11A中的线“a”）时，由线“b”所指示的角度检测值θdy过冲，然后，通过此过冲，图11B和11C所分别示出的转速和转矩极大地改变，并发生叫做所谓的卷取的振动和过冲现象。
近年来，例如，为了对于测力计系统等产生振动，已需要具有更稳定和更高响应频率特征的位置控制设备。然而，如上文所描述的，由于电动机具有可输出的转矩范围，在在相关技术的位置控制设备中的速度控制部分2中施加转矩限制的情况下，需要采取防止卷取的措施，以及也需要针对位置控制的卷取措施。因此，难以在反馈控制中进行调整以实现高响应。另外，如果以低响应执行位置控制作为卷取措施，则位置控制响应难以是高的。
因此，本发明的目的是提供能够以对命令值的高响应来执行位置控制的位置控制设备。
根据本发明的一个方面，用于电动机的位置控制设备，该位置控制设备向位置控制部分输入角度命令和角度检测值之间的偏差信号，并计算角速度命令，向速度控制部分输入此角速度命令和角速度检测值之间的偏差信号，并计算转矩电流命令，以及根据此转矩电流命令，控制作为要通过电流控制部分控制的对象的电动机，包括：输入转矩电流命令和角速度检测值并估计对应于扰动扰动转矩的信号的扰动观察器部分；具有通过此扰动观察器部分输入扰动观察器输出值并执行角度命令的上和下限值的变化率限制的限制器的变化率限制部分；以及通过相当于速度控制部分的控制增益配置的并且来自位置控制部分的角速度命令通过其传递的目标值过滤器部分。
根据本发明的另一个方面，变化率限制部分的变化率限制器上限值是通过将电动机的额定的最大驱动转矩减去扰动观察器部分的输出绝对值，将此减法结果乘以采样间隔并将此乘法值除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益而获得的值，以及变化率限制部分的变化率限制器下限值是通过将电动机的额定的最大再生转矩与扰动观察器部分的输出绝对值相加到一起，将此加法结果乘以采样间隔并将此乘法值除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益而获得的值。
根据本发明的再一个方面，低通滤波器在变化率限制部分的限制器的输出侧提供低通滤波器。
根据本发明的再一个方面，扰动观察器部分估计角速度检测值和转矩电流命令之间的差信号作为对应的扰动转矩。
根据本发明的再一个方面，用于电动机的位置控制设备，该设备向位置控制部分输入角度命令和角度检测值之间的偏差信号，并计算角速度命令，向速度控制部分输入此角速度命令和角速度检测值之间的偏差信号，并计算转矩电流命令，以及根据此转矩电流命令，控制作为要通过电流控制部分控制的对象的电动机，包括：在位置控制部分的输出侧提供的用于限速的速度限制器；以及通过相当于速度控制部分的控制增益配置的并且通过速度限制器传递的角速度命令通过其传递的目标值过滤器部分。
根据本发明的再一个方面，速度限制器的角速度限制器上限值是通过电动机的额定的最大驱动转矩除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益的这一事实来确定的值，以及，
速度限制器的角速度限制器下限值是通过额定的最大再生转矩除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益的这一事实来确定的值。
根据本发明的再一个方面，速度限制器配备有分别用于允许改变角速度限制器上限值以及角速度限制器下限值的角速度限制器上限判断部分和角速度限制器下限判断部分。
附图说明
图1是示出了根据本发明的第一实施例的位置控制设备的框图。
图2是变化率限制部分的框图。
图3是扰动观察器部分的框图。
图4A到4C是根据第一实施例的命令值阶跃响应特征。
图5是示出了根据本发明的第二实施例的位置控制设备的框图。
图6A到6C是根据第二实施例的命令值阶跃响应特征。
图7是示出了根据本发明的第三实施例的位置控制设备的框图。
图8是变化率限制部分的框图。
图9A到9C是根据第三实施例的命令值阶跃响应特征。
图10是相关技术的位置控制设备的框图。
图11A到11C是根据相关技术的位置控制设备的命令值阶跃响应特征。
具体实施方式
本发明是这样的：在位置控制设备中提供了限制器，通过适当地设置限制器的上限值和下限值，减少了位置检测值相对于快速变化的角速度命令的过冲量。下面将根据每一个实施例来说明本发明。
图1示出了本实施例的框图。与图10的元件相同的元件或与图10的元件对应的元件将通过相同参考编号来示出，以及这里将省略其详细说明。
参考标号7是变化率限制部分。变化率限制部分7输入角度命令θref[rad/s]和扰动观察器输出值Tobs，并向减法部分5输出变化率限制位置命令θcmd。
参考标号8是目标值过滤器部分，以及参考标号9是扰动观察器部分。此扰动观察器部分9从转矩电流命令Tdy和角速度检测值ωdy[rad/s]来计算扰动观察器输出值Tobs。
在说明图1所示出的本发明的实施例之前，将说明通过P控制来执行位置控制并通过I-P控制来执行速度控制的情况。为了使电流控制部分3具有不会影响位置控制部分1和速度控制部分2的频带的高响应，设置下列公式。
ωref=KPθ＊(θref–θdy)...(1)
ωdy=θdy＊s...(2)
Tdy={(KIω/s)＊(ωref–ωdy)}–(KPω＊ωdy)...(3)
(Js+D)ωdy=Tdy...(4)
这里，J是电动机惯量[kgm2]，D是旋转损耗[Nms/rad]，KPθ是位置控制部分的比例增益，KIω是速度控制部分的积分增益，KPω是速度控制部分的比例增益，以及s是拉普拉斯算子（Laplacian）。
当从上面的公式（1）到（4）确定θdy/θref时，确定下列表达式。
θdy/θref=(KIω*KPθ)/{Js3+(KPω+D)s2+KIωs
+(KIω*KPθ)}...(5)
表达式（5）的分母多项式是三次多项式，以及通过将分母表达式除以常数项KIω*KPθ并将常数项设置为1所获得的表达式的线性到三次系数相对于KIω、KPθ、KPω是独立的。因此，当进行系数比较以便表达式（5）的分母多项式变为1+c1*s+c2*s2+c3*s3时，
KPθ=1/c1...(6)
KPω=(c2*J/c3)–D...(7)
KIω=c1*J/c3...(8)
参数KPθ、KPω和KIω可以根据上面的（6）到（8）来确定。
例如，当二项式系数类型(s+1)3=1+3*s+3*s2+1*s3（根据它，所有极都变为阻尼系数1）被确定并且s被替换为s/ws时，那么，它们的系数是c1、c2、以及c3，在该二项式系数类型的情况下，c1=3/wc,c2=3/wc2,c3=1/wc3。对于这些c1到c3，由表达式（6）到（8）所示出的位置控制部分1和速度控制部分2的每一个参数KPθ、KPω和KIω被确定。
目标值过滤器部分8具有增益特征KIω/(KPωs+KPθ)，并且当速度控制具有图1所示出的PI控制配置，每一个参数都由表达式（6）到（8）来确定时，那么，目标值过滤器部分8相当于速度控制部分2的I-P控制配置。
在图1所示出的实施例中，由于如上文所描述的，可以唯一地计算出三个参数KPθ、KPω和KIω，因此，在不需要参数调整的假定之下，配置位置控制设备。
图1所示出的变化率限制部分7如图2所示的那样配置，以及变化率限制器上限值(θ_Rate_Lim_H)是表达式（9），而变化率限制器下限值(θ_Rate_Lim_L)是表达式（10）。
[表达式1]
θ_Rate_Lim_H=(Tmax-|Tobs|)·Ts/(J·KPθ)...(9)
[表达式2]
θ_Rate_Lim_L=(Tmin-Tobs|)·Ts/(J·KPθ)...(10)
在扰动观察器部分9处计算出的扰动观察器输出值Tobs在绝对值转换部分72通过转矩限制器70和低通滤波器71被转换为绝对值。
将绝对值与电动机的额定的最大驱动转矩Tmax[Nm]进行比较，并执行绝对值和额定的最大驱动转矩Tmax[Nm]之间的差值计算（差运算）。将此差值计算结果除以电动机惯量J并乘以预定的采样间隔Ts[sec]（在乘法部分73），然后，在比例元件75处除以位置控制部分1的比例增益KPθ。向限制器77输入由除法所获得的信号，并将该信号设置为变化率限制器的上限值。
另一方面，也将电动机的设置额定的最大再生转矩Tmin[Nm]与绝对值相加。将此加法计算结果除以电动机惯量J，并在乘法部分74乘以采样间隔Ts。将此结果（乘法结果）在比例元件76处除以位置控制部分1的比例增益KPθ。从比例元件76输出由除法所获得的信号，以及该信号被输入到限制器77，并被设置为变化率限制器的下限值。
即，变化率限制部分7利用被给予扰动观察器的优先级执行变化率限制，然后，执行控制，以便速度控制不受转矩限制器限制。
减法部分78将从输入到变化率限制部分7的角度命令θref减去最后的采样变化率限制位置命令θcmd（是被延迟电路79延迟了一个采样），并向限制器77输入此减法结果。限制器77输出与设置上和下限值之间的输入信号成比例的信号，以及在加法部分将此输出信号和最后的采样值（被延迟电路79延迟了一个采样）加在一起，然后，此相加的值变为变化率限制位置命令θcmd，并输出到减法部分5。
在减法部分5处，确定变化率限制位置命令θcmd和机械特性部分4的反馈角度检测值θdy之间的偏差信号，并通过位置控制部分1向目标值过滤器部分8输入该偏差信号。
减法部分6在穿过目标值过滤器部分8的角速度命令ωref和机械特性部分4的反馈角速度检测值ωdy之间执行减法运算，并向速度控制部分2输入此减法结果。然后，在速度控制部分2处计算转矩电流命令Tdy，并将其输出到电流控制部分3和扰动观察器部分9。
扰动观察器部分9如图3所示出的那样配置。即，通过向元件91输入角速度检测值ωdy，向元件92输入转矩电流命令Tdy，并在减法部分93获得两者之间的差信号，扰动观察器部分9估计对应于扰动转矩的信号。这里，G(s)是其相对阶是一阶或更高阶（或其相对度数是一度或更高）的任意传递函数。s是由拉普拉斯算子（Laplacian）代表微分算子的那个。
图4A到4C示出了通过图1所示出的实施例的位置控制的命令值阶跃响应。图4A是角度命令值的角度检测值特征，图4B是转速特征，以及图4C是转矩特征。
从图4A到4C可以清楚地看出，对于检测值（（线“b”）（是对由线“a”所指示的阶跃输入角度命令值的响应），减少了出现在相关技术的位置控制设备中的过冲的发生。通过过冲的此减少，转速和转矩的每一种变化都大大地被抑制了。
因此，根据本实施例，允许稳定的位置控制和高响应控制，并可以减少位置命令值和位置检测值的相对于目标值响应的过冲量。进一步地，通过从额定的最大驱动转矩Tmax中减去扰动观察器输出值Tobs的这一事实，本实施例具有允许给扰动转矩以优先级的位置控制的效果。
图5示出了第二实施例。第二实施例的图5是这样的：在图10所示出的位置控制设备中提供了速度限制器10和目标值过滤器部分8。这里，速度限制器10具有角速度限制器上限判断部分11和角速度限制器下限判断部分12。其他元件或部分与图10的相同。
通过速度限制器10的角速度限制器上限值ω_Lim_H是表达式（11），而通过速度限制器10的角速度限制器下限值ω_Lim_L是表达式（12）。
[表达式3]
ω_Lim_H=Tmax/(J·KPθ)...(11)
[表达式4]
ω_Lim_L=Tmin/(J·KPθ)...(12)
角速度限制器上限值ω_Lim_H是通过这样的事实确定的：将额定的最大驱动转矩Tmax除以电动机惯量J和位置控制部分1的比例增益KPθ。角速度限制器下限值ω_Lim_L是通过这样的事实确定的：将额定的最大再生转矩Tmin除以电动机惯量J和位置控制部分1的比例增益KPθ。
这里，与图1相同，目标值过滤器部分8相当于速度控制部分2的I-P控制配置。
通过向速度限制器10输入通过在位置控制部分1处将角度命令θref和角度检测值θdy之间的偏差信号乘以比例增益而获得的角速度命令ωref的这一事实，生成角速度命令值ωcmd，该值被限速到角速度限制器上限值ω_Lim_H和角速度限制器下限值ω_Lim_L（或它们之间）。在此角速度命令值ωcmd通过目标值过滤器部分8被输出到减法部分6并执行此输出和角速度检测值ωdy之间的减法运算之后，向速度控制部分2输入此计算结果。然后，在速度控制部分2处计算转矩电流命令Tdy，并通过电流控制部分3来控制电动机。
当任意地设置速度限制器10的角速度限制器的上和下限值时，在外部角速度限制器上限值Ext_H和外部角速度限制器下限值Ext_L存在的情况下，每一个限制器值都由角速度限制器上和下限判断部分11和12来进行设置。
即，在角速度限制器上限判断部分11中，当判断"Ext_H<(Tmax/(J·KPθ))"时，端子从a切换到b，以及角速度限制器上限值ω_Lim_H被设置为"ω_Lim_H=Ext_H"。在角速度限制器上限判断部分11中，当判断"Ext_H>(Tmax/(J·KPθ))"时，端子从b切换到a，以及角速度限制器上限值ω_Lim_H被设置为"ω_Lim_H=Tmax/(J·KPθ)"。
此外，在角速度限制器下限判断部分12中，当判断"Ext_L<(Tmin/(J·KPθ))"时，端子从a'切换到b'，以及角速度限制器下限值ω_Lim_L被设置为"ω_Lim_L=Ext_L"。在角速度限制器下限判断部分12中，当判断"Ext_L>(Tmin/(J·KPθ))"时，端子从b'切换到a'，以及角速度限制器下限值ω_Lim_L被设置为"ω_Lim_L=Tmin/(J·KPθ)"。
图6A到6C示出了通过图5所示出的实施例的位置控制的命令值阶跃响应。图6A是角度命令值的角度检测值特征，图6B是转速特征，以及图6C是转矩特征。
从图6A到6C可以清楚地看出，对于由线“b”所指示的检测值（是对由线“a”所指示的阶跃输入角度命令值的响应），减少了出现在相关技术的位置控制设备中的过冲的发生。通过过冲的此减少，转速和转矩的每一种变化都大大地被抑制了。
因此，根据第二实施例，甚至在输入了等于或大于额定的最大驱动转矩Tmax的扰动转矩的情况下，也允许稳定的位置控制和高响应的控制，并可以减少位置命令值和位置检测值的相对于目标值响应的过冲量。
另外，通过提供任意角速度限制器上和下限值，作为超速防止功能的操作变得可能。
图7示出了第三实施例。在本实施例中，与图1所示出的第一实施例的不同点是在变化率限制部分7a的输出侧提供低通滤波器LPF。图8示出了变化率限制部分7a的框图。在限制器77的输出侧设置了低通滤波器LPF，以及在穿过此低通滤波器LPF之后获得变化率限制位置命令θcmd。其他元件或部分与图1的相同。
图9A到9C示出了通过根据第三实施例的通过位置控制的命令值阶跃响应。与第一实施例相比，可以进一步减少位置命令值和位置检测值的过冲量，并允许稳定和高响应的位置控制。
如上所述，根据本发明，可以减少位置命令值和位置检测值的相对于目标值响应的过冲量，然后，稳定并且高响应的位置控制变得可能。
Claims (7)
1.一种用于电动机的位置控制设备，所述位置控制设备向位置控制部分输入角度命令和角度检测值之间的偏差信号，并计算角速度命令，向速度控制部分输入此角速度命令和角速度检测值之间的偏差信号，并计算转矩电流命令，以及根据此转矩电流命令，控制作为要通过电流控制部分控制的对象的电动机，所述位置控制设备包括：
输入转矩电流命令和角速度检测值并估计对应于扰动转矩的信号的扰动观察器部分；
具有通过此扰动观察器部分输入扰动观察器输出值并执行角度命令的上和下限值的变化率限制的限制器的变化率限制部分；以及
通过相当于速度控制部分的控制增益配置的并且来自位置控制部分的角速度命令通过其传递的目标值过滤器部分。
2.如权利要求1所述的用于电动机的位置控制设备，其中：
变化率限制部分的变化率限制器上限值是通过从电动机的额定的最大驱动转矩减去扰动观察器部分的输出绝对值，将此减法结果乘以采样间隔并将此乘法值除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益而获得的值，以及
变化率限制部分的变化率限制器下限值是通过将电动机的额定的最大再生转矩与扰动观察器部分的输出绝对值相加到一起，将此加法结果乘以采样间隔并将此乘法值除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益而获得的值。
3.如权利要求1或2所述的用于电动机的位置控制设备，其中：
所述扰动观察器部分估计所述角速度检测值和所述转矩电流命令之间的差信号作为对应的扰动转矩。
4.如前面的权利要求1到3中的任何一个所述的用于电动机的位置控制设备，其中：
在变化率限制部分的限制器的输出侧提供了低通滤波器。
5.一种用于电动机的位置控制设备，所述位置控制设备向位置控制部分输入角度命令和角度检测值之间的偏差信号，并计算角速度命令，向速度控制部分输入此角速度命令和角速度检测值之间的偏差信号，并计算转矩电流命令，以及根据此转矩电流命令，控制作为要通过电流控制部分控制的对象的电动机，所述位置控制设备包括：
在位置控制部分的输出侧提供的用于限速的速度限制器；以及
通过相当于速度控制部分的控制增益配置的并且通过速度限制器传递的角速度命令通过其传递的目标值过滤器部分。
6.如权利要求5所述的用于电动机的位置控制设备，其中：
速度限制器的角速度限制器上限值是通过电动机的额定的最大驱动转矩除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益的这一事实来确定的值，以及
速度限制器的角速度限制器下限值是通过额定的最大再生转矩除以电动机惯量和位置控制部分的比例增益的这一事实来确定的值。
7.如权利要求6所述的用于电动机的位置控制设备，其中：
速度限制器配备有分别用于允许改变角速度限制器上限值以及角速度限制器下限值的角速度限制器上限判断部分和角速度限制器下限判断部分。
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