CN104756399A - 电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

为了得到实现高速并且良好的响应特性的电动机控制装置，电动机控制装置具有：速度模型(21)，其基于第1状态变量(ξ)和速度指令(V_r)，对第1状态变量(ξ)的变化量进行计算而更新第1状态变量(ξ)，并基于更新后的第1状态变量(ξ)，输出速度前馈(V_ff)及电流前馈(U_ff)；速度控制器(33)，其基于电动机(11)的实际速度(V)、速度前馈(V_ff)以及电流前馈(U_ff)，对第2状态变量(η)的变化量进行计算而更新第2状态变量(η)，并基于电动机(11)的实际速度(V)、速度前馈(V_ff)、电流前馈(U_ff)以及更新后的第2状态变量(η)，输出电流指令(U)；限流器(34)，其以电流指令(U)为输入，输出限制后电流指令(U_sat)；以及变化量系数计算部(36)，其基于电流指令(U)和限制后电流指令(U_sat)，对变化量系数(α)进行计算。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及电动机控制装置。

背景技术

在对具有电动机和该电动机所连结的机械系统的控制对象进行驱动的电动机控制装置中，如果控制对象的惯性矩、摩擦之类的负载变化，则必须基于负载的大小重新计算目标位置指令。因此，能够自动地与目标位置、负载的大小相适应，自动地生成最大扭矩下的定位指令的技术开发不断推进。

作为上述现有技术，例如，在专利文献1中，公开了一种控制装置，其具有：速度指令产生单元，其根据位置偏差和基准值的大小关系，对与最大速度指令、零速度指令及位置偏差成正比的速度指令进行切换；以及具有抗饱和(anti-windup)功能的速度控制器。根据专利文献1所公开的技术，所述基准值设为电动机的实际速度的平方除以根据电动机的最大扭矩、控制对象的惯性矩及摩擦求出的加速度的2倍所得到的值，仅需赋予目标位置，就能够根据利用最大扭矩的理想速度模式(pattern)，高速地定位。

专利文献1：日本特开2005－160152号公报

发明内容

但是，在对由电动机和该电动机所连结的机械系统构成的控制对象进行驱动的电动机控制装置中，在控制对象的负载未知的情况下，如果要求在控制对象的惯性矩是电动机的惯性矩的1倍至几十倍左右的范围内均能够应对，则根据上述现有技术，存在如下问题，即，响应特性随着控制对象的负载的大小而变化，在控制对象的负载的大小与标称值相差甚大的情况下，不能得到良好的响应。另外，存在如下问题，即，由于速度指令值从最大速度切换至零速度，因此响应可能由于与切换相伴的瞬态变化而恶化。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到一种电动机控制装置，该电动机控制装置即使在控制对象的惯性矩、摩擦之类的负载未知、或者负载的大小发生较大变化的情况下，也能够自动地生成与目标位置、限制速度以及负载的大小相适应的位置指令及速度指令，实现高速并且良好的响应特性。

为了解决上述课题，达成目的，本发明是是一种电动机控制装置，其基于速度指令，对具有电动机和该电动机所连结的机械系统的控制对象进行驱动，该电动机控制装置的特征在于，具有：速度模型，其基于所述速度指令和大于或等于1个的变量即第1状态变量，对所述第1状态变量的变化量进行计算而更新所述第1状态变量，并基于更新后的所述第1状态变量，计算并输出速度前馈及电流前馈；速度控制器，其基于所述电动机的实际速度、所述速度前馈以及所述电流前馈，对大于或等于1个的变量即第2状态变量的变化量进行计算而更新所述第2状态变量，并基于所述电动机的所述实际速度、所述速度前馈、所述电流前馈以及更新后的所述第2状态变量，计算并输出电流指令；限流器，其以所述电流指令为输入，输出小于或等于限流值的限制后电流指令；以及变化量系数计算部，其基于所述电流指令和所述限制后电流指令，对所述第1状态变量和所述第2状态变量的变化量的校正系数即变化量系数进行计算，所述速度模型在计算所述第1状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，所述速度控制器在计算所述第2状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正。

发明的效果

根据本发明，具有如下效果，即，能够得到一种电动机控制装置，其即使在控制对象的惯性矩、摩擦之类的负载未知、或者负载的大小发生较大变化的情况下，也能够自动地生成与目标位置、限制速度以及负载的大小自动适应的位置指令及速度指令，实现高速并且良好的响应特性。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的电动机控制装置的结构的框图。

图2是表示实施方式1所涉及的由非线性函数表示的电流－扭矩特性的图。

图3是表示在使实施方式1所涉及的控制对象的负载惯性比变化的情况下，在虚拟时间τ轴上的速度响应的图。

图4是表示在实施方式1所涉及的实际时间t轴和虚拟时间τ轴上的速度响应的图。

图5是表示在使实施方式1所涉及的控制对象的负载惯性比变化的情况下速度响应和扭矩的响应的图。

图6是表示实施方式2所涉及的电动机控制装置的结构的框图。

图7是表示在使实施方式2所涉及的控制对象的负载惯性比变化的情况下速度响应和扭矩的响应的图。

图8是表示实施方式1所涉及的速度模型的结构的一个例子的框图。

图9是表示实施方式3所涉及的电动机控制装置的结构的框图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不限定于本实施方式。

实施方式1

图1是表示本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式1的结构的框图。图1所示的电动机控制装置具有：控制对象1、速度模型21、速度控制器33、限流器34、电流控制器35、以及变化量系数计算部36。

控制对象1具有：电动机11、电动机11所连结的机械系统12、以及对电动机11的速度进行检测的速度检测器13。或者，也可以取代速度检测器13而具有位置检测器(例如编码器或解析器)，对位置检测器的输出进行微分，计算电动机11的速度。或者，也可以取代速度检测器13而具有电流检测器，根据电流检测器的输出推算电动机11的速度。速度检测器13输出检测到的实际速度V。

速度模型21是如下的模型，即，根据从外部输入的速度指令V_r，并利用下述式(1)所示的状态方程式，计算并输出速度前馈V_ff及电流前馈U_ff。

【算式1】

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\ξ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\α}(A_{\mathrm{ff}}\mathrm{\ξ}+B_{\mathrm{ff}}{V}_r)\\ \left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ff}}\\ U_{\mathrm{ff}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{ff}}\mathrm{\ξ}+D_{\mathrm{ff}}{V}_r\end{array}\right.\·\·\·\left(1\right)$

此外，式(1)中的矩阵A_ff、B_ff、C_ff、D_ff是预先设定的矩阵，变化量系数α是如后述所示由变化量系数计算部36计算出的数值，大于或等于1个变量即状态变量ξ是表示速度模型21的状态变量的矢量。式(1)的第1个式子是状态变量ξ的更新运算，利用式(1)的第1个式子计算出状态变量ξ的变化量，通过对它进行逐次积分，计算出各个状态变量ξ。

在这里，如果设α＝1，则式(1)是通常的称为模型跟踪控制的控制方式中的速度模型的状态方程式。在通常的称为模型跟踪控制的控制方式中，利用速度模型，根据从外部输入的速度指令V_r，对速度前馈V_ff及电流前馈U_ff进行计算。作为该速度前馈V_ff，输出呈与速度指令V_r相对的理想响应波形的信号。另外，作为电流前馈U_ff，输出对速度前馈V_ff进行微分后与控制对象1的惯性矩的标称值J_n相乘所得到的信号。此时，电流前馈U_ff和速度前馈V_ff的特性与控制对象1的标称模型的输入输出特性一致。矩阵A_ff、B_ff、C_ff、D_ff设定为使速度模型21具有上述特性。

图8中示出了对能够得到上述特性的速度模型21的结构的一个例子进行表示的框图。图8所示的速度模型21具有：积分器211、212、乘法器213、214、215、以及减法器216、217。在图8中，如果设α＝1，则从速度指令V_r至速度前馈V_ff为止的输入输出特性变为线性的低通特性，电流前馈U_ff输出的是将与速度前馈V_ff的微分相当的信号和控制对象1的惯性矩的标称值J_n相乘所得到的信号。另外，积分器211、212通过将针对积分器的输入信号和变化量系数α的乘积作为积分变量的变化量，对所述变化量在各个时刻进行积分，对积分变量的值进行计算。如果将积分器211、212的值分别设为ξ₁、ξ₂，则图8所示的框图的状态方程式能够用下述式(2)表示。由此，通过以下述式(3)的方式设定矩阵A_ff、B_ff、C_ff、D_ff及状态变量矢量ξ，能够用式(1)表示图8框图中的计算式。

【算式2】

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\end{array}\right]=\mathrm{\α}\left(\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}-W_a& -W_v{W}_a\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_v{W}_a\\ 0\end{array}\right]V_r\end{array}\right)\\ \left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ff}}\\ U_{\mathrm{ff}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ J_n& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\end{array}\right]\end{array}\right.\·\·\·\left(2\right)$

【算式3】

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{ff}}=\left[\begin{array}{cc}-W_a& -W_v{W}_a\\ 1& 0\end{array}\right]\\ B_{\mathrm{ff}}=\left[\begin{array}{c}{W}_v{W}_a\\ 0\end{array}\right]\\ C_{\mathrm{ff}}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ J_n& 0\end{array}\right]\\ D_{\mathrm{ff}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]\\ \mathrm{\ξ}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\end{array}\right]\end{array}\right.\·\·\·\left(3\right)$

此外，在本实施方式中，对速度模型21具有2个积分器的情况，即，对速度模型21的次数是2次的情况进行了说明，但是并不限定于此。速度模型的次数只要是自然数即可。

速度控制器33根据速度前馈V_ff和实际速度V的差、电流前馈U_ff、预先设定的常数K_v(速度比例增益)、K_i(速度积分增益)、以及变化量系数α，利用下述式(4)所示的状态方程式计算并输出电流指令U。

【算式4】

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\η}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\α}{K}_i(V_{\mathrm{ff}}-V)\\ U=K_v\{(V_{\mathrm{ff}}-V)+\mathrm{\η}\}+U_{\mathrm{ff}}\end{array}\right.\·\·\·\left(4\right)$

在这里，如果设α＝1，则式(4)所表示的变为通常的速度比例积分(PI)控制。此外，积分变量η(第2状态变量)是表示速度控制器33的积分变量的标量值。但是，在本实施方式的电动机控制装置中，实际的积分变量η的变化量与式(1)同样地，设为将通过通常的比例积分运算得到的积分变量的变化量与变化量系数α相乘所得到的值。此外，如果对速度控制器33追加例如低通滤波器，则积分变量η变为由比例积分运算的积分变量和追加的低通滤波器的运算状态变量构成的矢量。

限流器34以电流指令U为输入，以使所输入的电流指令U的绝对值变为小于或等于预先设定的最大电流指令值U_max的方式，输出限制后电流指令U_sat。即，在所输入的电流指令U的绝对值小于或等于最大电流指令值U_max的情况下，限制后电流指令U_sat与所输入的电流指令U相等，在所输入的电流指令U的绝对值超过最大电流指令值U_max的情况下，限制后电流指令U_sat变为最大电流指令值U_max。

电流控制器35以限制后电流指令U_sat为输入，输出电动机11的电流i。

变化量系数计算部36具有扭矩常数乘法器361、非线性扭矩模型362、以及比例运算器363，通过电流指令U和限制后电流指令U_sat的比例计算变化量系数α。扭矩常数乘法器361以电流指令U为输入，与预先设定的扭矩常数K_t相乘而计算并输出扭矩指令T_cmd。非线性扭矩模型362是如下模型，即，根据所输入的限制后电流指令U_sat，利用预先设定的电动机11的电流－扭矩特性，计算并输出电动机11的实际扭矩T。此外，在这里，非线性扭矩模型362所利用的电流－扭矩特性由考虑了电动机11的磁饱和及电压饱和的非线性函数表示。图2是表示利用上述非线性函数(实线)表示的电流－扭矩特性的图。比例运算器363将实际扭矩T与扭矩指令T_cmd的倒数相乘而计算并输出变化量系数α。此外，假设在扭矩指令T_cmd为0时，比例运算器363输出的变化量系数α为1。

下面，对实施方式1的电动机控制装置的动作原理进行说明。

如果假定控制对象1所具有的机械系统12的刚性高到能够将控制对象1视为惯性矩为J的刚体的程度，另外，电流控制器35所导致的延迟能够忽略，则控制对象1的从电流指令U至实际速度V为止的动态特性能够用下述式(5)的状态方程式表示。

【算式5】

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{J}g\left(U\right)\·\·\·\left(5\right)$

此外，在这里，g(U)是电流指令U的函数，表示限流器34所导致的非线性特性及电动机11的电流－扭矩特性。即，g(U)表示实际扭矩T。

另外，在扭矩常数乘法器361中所利用的扭矩常数K_t用下述式(6)表示。

【算式6】

$K_t=\frac{\mathrm{dg}}{\mathrm{dU}}{|}_{U=0}\·\·\·\left(6\right)$

另外，由于变化量系数α是将实际扭矩T＝g(U)与扭矩指令T_cmd＝K_t×U的倒数相乘而计算得出的值，因此变化量系数α用下述式(7)表示。

【算式7】

$\mathrm{\α}=\frac{g\left(U\right)}{K_{t}U}\·\·\·\left(7\right)$

在这里，虚拟时间τ用下述式(8)定义。

【算式8】

$\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{d\τ}}=\frac{K_{t}U}{g\left(U\right)}\·\·\·\left(8\right)$

虚拟时间τ是以其变化率为实际时间t的变化率乘以式(8)的倒数的方式对实际时间t进行伸缩的时间。虚拟时间τ轴上的控制对象1的状态方程式(在实际时间t轴上是式(5))在虚拟时间τ轴上用下述式(9)表示。

【算式9】

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\τ}}=\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}\·\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{d\τ}}=\frac{1}{J}g\left(U\right)\·\frac{K_{t}U}{g\left(U\right)}=\frac{1}{J}{K}_{t}U\·\·\·\left(9\right)$

由于惯性矩J及扭矩常数K_t是常数，因此式(9)是线性的。

同样地，对于虚拟时间τ轴上的速度模型21的状态方程式，由于式(8)的右边是式(5)的右边的倒数，因此在虚拟时间τ轴上用下述式(10)表示。

【算式10】

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\ξ}}{\mathrm{d\τ}}=A_{\mathrm{ff}}\mathrm{\ξ}+B_{\mathrm{ff}}{V}_r\\ \left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ff}}\\ U_{\mathrm{ff}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{ff}}\mathrm{\ξ}+D_{\mathrm{ff}}{V}_r\end{array}\right.\·\·\·\left(10\right)$

另外，同样地，虚拟时间τ轴上的速度控制器33的状态方程式在虚拟时间τ轴上用下述式(11)表示。

【算式11】

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\η}}{\mathrm{d\τ}}=K_i(V_{\mathrm{ff}}-V)\\ U=K_v\{(V_{\mathrm{ff}}-V)+\mathrm{\η}\}+U_{\mathrm{ff}}\end{array}\right.\·\·\·\left(11\right)$

上述式(9)、(10)、(11)全部都是线性的，并且电流指令U不受限制。因此，虚拟时间τ轴上的控制对象1的响应不受限流器34处的限流的影响。另外，虚拟时间τ轴上的控制对象1的响应也不受电动机11的电流－扭矩特性是非线性的影响。

另外，如上述说明所述，由于图1所示的电动机控制装置的控制系统的基础是利用速度模型21生成期望的响应，以控制对象1追随该响应的方式进行反馈控制的模型跟踪控制，因此速度控制系统的响应特性能够通过速度模型21中的矩阵A_ff、B_ff、C_ff、D_ff，与速度控制器33的特性独立地进行设定。

图3是表示在速度控制器33的误差抑制性能与速度模型21的响应特性相比设定得充分高(即，相对于速度模型21的响应特性，可认为误差受到抑制这样的程度)的情况下，使控制对象1的负载惯性比(惯性矩)变化时的在虚拟时间τ轴上的速度响应的图。如果以使速度控制器33的误差抑制性能与速度模型21的响应特性相比充分高的方式对矩阵A_ff、B_ff、C_ff、D_ff及常数K_v、K_i进行设定，则能够实现即使控制对象1的惯性矩变化，响应特性的变化也较小的控制系统。

即，即使控制对象1的惯性矩的标称值J_n和控制对象1的惯性矩J之间存在误差，也能够获得良好的响应。

图4是表示实际时间t轴和虚拟时间τ轴上的控制对象1的速度响应的图。实际时间t轴上的控制对象1的速度响应成为如下响应，即，使根据线性状态方程式即式(9)、式(10)、式(11)求出的虚拟时间τ轴上的速度响应与利用式(8)求出的实际时间t和虚拟时间τ的关系相对应地在时间轴方向上进行伸长而得到的。因此，为了使实际时间t轴上的速度响应不过冲，以速度响应在虚拟时间τ轴上不过冲的方式对速度模型21及速度控制器33的动态特性进行设定即可。这意味着上述说明的本实施方式的控制系统具有抗饱和效果，即使在将较大的值作为阶跃(step)信号向速度指令V_r输入并且成为U≥U_max的情况下，也能够不使实际速度V过冲地进行控制。因此，通过以上述方式构成，即使在控制对象1的惯性矩J未知的情况下(U_max下的最大加速度未知的情况下)，也只需将目标速度作为阶跃信号向速度指令V_r输入，就能够实现利用最大加速度实现的高速的速度响应。

图5是表示在使控制对象1的负载惯性比(惯性矩J)变化的情况下的速度响应(图5(A))和扭矩的响应(图5(B))的图。根据图5(A)及(B)，在任一种情况下，即使以最大扭矩(最大加速度)进行加速，实际速度V也不会过冲。

如以上说明所述，在本实施方式的电动机控制装置中，即使在控制对象的惯性矩未知、或者负载的大小发生较大变化的情况下，只要赋予目标速度，也能够自动地实现与目标速度及惯性矩相适应的高速并且良好的速度响应。另外，在本实施方式的电动机控制装置中，能够对电动机的电流－扭矩特性(非线性扭矩模型的特性)的非线性特性进行补偿，防止因电动机的电流－扭矩特性是非线性这一情况而导致响应的劣化。

此外，在上述的说明中，对控制对象1中无摩擦的情况进行了说明。如果假设在控制对象1中产生摩擦且粘性摩擦系数为c，则控制对象1的动态特性用下述式(12)的状态方程式表示。

【算式12】

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{cV}+\frac{1}{J}g\left(U\right)\·\·\·\left(12\right)$

如果对于产生摩擦的控制对象1，也进行与无摩擦的情况下相同的控制，则虚拟时间τ轴上的控制对象1用下述式(13)的状态方程式表示。

【算式13】

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\τ}}=(-\mathrm{cV}+\frac{1}{J}g\left(U\right))\frac{K_{t}U}{g\left(U\right)}=-\frac{c}{\mathrm{\α}}V+\frac{1}{J}{K}_{t}U\·\·\·\left(13\right)$

上述式(13)能够视为粘性摩擦系数c随变化量系数α而变化的线性时变的状态方程式。如上述说明所述，由于模型跟踪控制中的控制系统不易受到控制对象1的误差和变动的影响，因此与即使惯性矩J变动，响应特性也几乎不变化同样地，即使摩擦系数变化，响应特性也几乎不变化。因此，本实施方式的电动机控制装置几乎不受摩擦的影响，只需赋予目标速度，就能够实现高速并且良好的速度响应。

此外，也能够在预先设定有惯性矩J及粘性摩擦系数c的情况下，由变化量系数计算部36通过下述式(14)计算变化量系数α。

【算式14】

$\mathrm{\α}=\frac{g\left(U\right)-\mathrm{JcV}}{K_{t}U-\mathrm{JcV}}\·\·\·\left(14\right)$

此时，取代上述式(8)而利用下述式(15)对虚拟时间τ进行定义。

【算式15】

$\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{d\τ}}=\frac{K_{t}U-\mathrm{JcV}}{g\left(U\right)-\mathrm{JcV}}\·\·\·\left(15\right)$

于是，虚拟时间τ轴上的控制对象1的状态方程式用下述式(16)表示。

【算式16】

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\τ}}=(-\mathrm{cV}+\frac{1}{J}g\left(U\right))\frac{K_{t}U-\mathrm{JcV}}{g\left(U\right)-\mathrm{JcV}}=-\mathrm{cV}+\frac{1}{J}{K}_{t}U\·\·\·\left(16\right)$

上述式(16)与上述式(13)不同，能够将状态方程式视为不包含变化量系数α的线性时不变的状态方程式。如上所述，在变化量系数计算部36中所计算的变化量系数α的计算方法并不限定于上述，能够应用各种各样的方法。

此外，在上述中，利用连续时间的状态方程式进行了说明，但是，即使在离散时间的情况下，通过同样地将各采样时刻的状态变量相对于前一个采样时刻的变化量设为利用现有技术中的状态变量的更新运算求出的值的α倍，也能够实现上述的特性。

此外，在电动机11的电流－扭矩特性的非线性特性小到能够忽略，或者仅在能够忽略上述非线性特性的范围内动作的情况下，在变化量系数计算部36中不设置扭矩常数乘法器361及非线性扭矩模型362，而向比例运算器363输入电流指令U和限制后电流指令U_sat即可。通过形成为上述的结构，能够仅考虑限流器34中的由电流指令的限制值即最大电流指令值U_max所导致的非线性特性。

此外，在速度控制器33中设置有低通滤波器、对机械的共振进行抑制的陷波滤波器的情况下，由于即使发生电流饱和，在这些滤波器中也不累积误差，因此可以不将上述滤波器的状态变量的变化量与变化量系数α相乘。特别地，在陷波滤波器中，如果将状态变量的变化量与变化量系数α相乘，则与机械的共振频率相对应而设定的陷波频率变化，因此也可以不与变化量系数α相乘。

如以上说明所述，本实施方式的电动机控制装置基于速度指令，对具有电动机和该电动机所连结的机械系统的控制对象进行驱动，该电动机控制装置的特征在于，具有：速度模型，其基于所述速度指令和大于或等于1个的变量即第1状态变量，对所述第1状态变量的变化量进行计算而更新所述第1状态变量，并基于更新后的所述第1状态变量计算并输出速度前馈及电流前馈；速度控制器，其基于所述电动机的实际速度、所述速度前馈、以及所述电流前馈，对大于或等于1个的变量即第2状态变量的变化量进行计算而更新所述第2状态变量，并基于所述电动机的所述实际速度、所述速度前馈、所述电流前馈以及更新后的所述第2状态变量，计算并输出电流指令；限流器，其以所述电流指令为输入，输出小于或等于限流值的限制后电流指令；以及变化量系数计算部，其基于所述电流指令和所述限制后电流指令，对所述第1状态变量和所述第2状态变量的变化量的校正系数即变化量系数进行计算，所述速度模型在计算所述第1状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，所述速度控制器在计算所述第2状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正。

实施方式2

图6是表示本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式2的结构的框图。在这里，对于具有与实施方式1相同的功能的结构要素，标注相同的标号而省略其说明。图6所示的电动机控制装置具有控制对象1a、包含速度模型21的位置模型2、位置控制器31、微分器32、速度控制器33、限流器34、电流控制器35、变化量系数计算部36、惯性矩推算部37、减速度计算部38以及最大速度设定部39。

控制对象1a具有：电动机11、与电动机11连结的机械系统12以及对电动机11的位置进行检测的位置检测器14。作为位置检测器14，例如可以利用编码器或解析器。

位置模型2具有：速度模型21、速度指令计算部22以及积分器23。

对于速度指令计算部22，输入有剩余距离e(目标位置X_r和位置前馈X_ff的偏差)、预先设定的最大速度V_max、以及如后述所示利用减速度计算部38计算出的减速度A_dec，输出速度指令V_r。此外，最大速度V_max利用最大速度设定部39而设定。

速度模型21是如下模型，即，以速度指令V_r为输入，与实施方式1同样地，计算并输出速度前馈V_ff及电流前馈U_ff。

积分器23对从速度模型21输出而被输入的速度前馈V_ff进行积分，输出位置前馈X_ff。

位置控制器31以从积分器23输出的位置前馈X_ff和利用位置检测器14检测到的实际位置X的偏差为输入，利用预先设定的位置增益而输出速度校正量V_c。

微分器32对实际位置X进行微分，输出实际速度V。

速度控制器33以速度前馈V_ff和速度校正量V_c之和与实际速度V的差、以及电流前馈U_ff为输入，与实施方式1同样地，输出电流指令U。

限流器34、电流控制器35以及变化量系数计算部36与实施方式1相同。

惯性矩推算部37以实际位置X或实际速度V，和由电流控制器35输出的电流i为输入，输出控制对象1a的惯性矩推算值J_hat。惯性矩推算值J_hat例如通过利用加速度和电流i进行逐次推算而计算即可，其中，该加速度是对实际位置X进行二阶微分或对实际速度V进行一阶微分而计算得出的。

减速度计算部38以惯性矩推算值J_hat为输入，利用根据预先设定的最大电流U_max计算得出的最大扭矩T_max，计算并输出减速度A_dec。减速度A_dec通过下述的式(17)进行计算。

【算式17】

A_dcc＝T_max/J_hat×γ       …(17)

在这里，上述的式(17)中的常数γ是预先设定的小于或等于1的正的常数，为了使减速时的扭矩比最大扭矩小，大致设为0.8～0.9。另外，也能够在预先设定有控制对象1a的摩擦的大小的情况下，考虑到摩擦，将减速度A_dec设为比通过上述的式(17)计算得出的值大。

在这里，对速度指令计算部22的动作进行说明。速度指令计算部22利用称为PTOS(Proximate Time-Optimal Servomechanism)法的控制方式的目标速度函数。该目标速度函数用下述的式(18)～(20)表示。此外，e是目标位置X_r和位置前馈X_ff之间的剩余距离。

【算式18】

${V^{\′}}_r=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(e\right)(\sqrt{2A_{\mathrm{dec}}\left|e\right|}-V_{\mathrm{off}})& \mathrm{for}\left|e\right|>e_1\\ \frac{A_{\mathrm{dec}}}{2V_{\mathrm{off}}}e& \mathrm{for}\left|e\right|\≤e_1\end{array}\right.\·\·\·\left(18\right)$

【算式19】

$V_r=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\max }& \mathrm{for}{V^{\&prime;}}_r>V_{\max }\\ {V^{\&prime;}}_r& \mathrm{for}\left|{V^{\&prime;}}_r\right|\&le;V_{\max }\\ -V_{\max }& \mathrm{for}{V^{\&prime;}}_r<-V_{\max }\end{array}\right.\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(19\right)$

【算式20】

$e_1=\frac{2V_{\mathrm{off}}^2}{A_{\mathrm{dec}}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(20\right)$

如果利用上述的目标速度函数，则由于目标速度函数与剩余距离e相对应而连续地切换，因此能够不使瞬态响应恶化地进行速度指令V_r的切换。

下面，对实施方式2的电动机控制装置的动作进行说明。

如果设定与现在的实际位置X充分地远离的目标位置X_r，则根据式(19)，速度指令计算部22输出最大速度V_max，速度指令V_r从0切换至V_max。于是，由于该控制系统在速度环路中包含与实施方式1的速度控制系统等同的控制系统，因此与限流、电动机11的电流－扭矩特性的非线性特性自动地相对应，高速并且良好地进行响应，电动机11的实际速度V加速至最大速度V_max。

此时，如果在加速过程中发生电流饱和，则速度前馈V_ff的响应根据变化量系数α而自动地进行调整。因此，对速度前馈V_ff进行积分而得到的位置前馈X_ff也同样地，变为相对于电流饱和自动地进行调整的响应。另外，在加速过程中惯性矩推算部37对控制对象1a的惯性矩进行推算，输入至速度指令计算部22的减速度A_dec通过上述的式(17)而设定。

如果剩余距离e减小，则速度指令计算部22的目标速度函数V_r’切换至式(18)的第1个式子。因此，速度指令V_r以减速度A_dec进行匀减速。在此期间，电动机11的实际速度V也以减速度A_dec减速。由于减速度A_dec的值根据控制对象1a的惯性矩推算值J_hat而设定，因此能够实现最大限度地使用了电动机11所能够产生的扭矩的理想的减速响应。

最后，如果剩余距离e变得小于或等于通过上述的式(20)计算得出的e_l，则速度指令计算部22的目标速度函数V_r’切换至上述的式(18)的第2个式子，目标速度函数V_r’(速度指令V_r)与剩余距离e成正比。此时，由于位置模型2整体变为线性，因此位置前馈X_ff平滑地收敛于目标位置X_r。由于通过位置控制器31，位置前馈X_ff和实际位置X的误差被抑制，因此实际位置X也平滑地稳定于目标位置X_r。

如以上说明所述，在本实施方式的电动机控制装置中，仅需要输入目标位置X_r，就能够以使速度响应成为理想的梯形波形的方式自动地生成位置前馈X_ff、速度前馈V_ff以及电流前馈U_ff，并实现高速并且良好的定位响应。

在本实施方式中，由于具有由在实施方式1中说明过的结构构成的速度控制系统，因此与现有的PTOS控制法相比，能够相对于例如控制对象1a的负载的变动、限流之类的非线性特性进行稳定的控制。另外，在现有的PTOS控制法中，减速度A_dec被固定，但是，在本实施方式中，由于能够根据控制对象1a的惯性矩推算值J_hat动态地设定减速度A_dec，因此即使在控制对象1a的负载的大小未知的情况下，不论是加速还是减速，也都能够得到理想的响应。

另外，即使在移动距离较小的情况下，由于计算出与剩余距离e相对应的速度指令V_r，并根据速度指令V_r和速度前馈V_ff的大小自动地进行加速和减速的切换，因此能够以使速度响应成为理想的三角波形的方式自动地生成位置前馈X_ff、速度前馈V_ff以及电流前馈U_ff。

图7是表示在使控制对象1a的负载惯性比(惯性矩J)变化的情况下的速度响应(图7(A))和扭矩的响应(图7(B))的图。根据图7，在任一种情况下，都能够利用理想的速度模式进行高速的定位。

如以上说明所述，在本实施方式的电动机控制装置中，即使在控制对象的负载的大小未知、或者负载的大小发生较大变化的情况下，只要赋予目标位置，也能够自动地实现与目标位置及控制对象的负载的大小相适应的高速并且良好的定位。

此外，在本实施方式中，对如果赋予目标位置则能够自动地进行定位控制的控制系统进行了说明，但是并不限定于此，本实施方式还能够应用于对以时间序列(例如脉冲序列)赋予的位置指令进行追随控制的控制系统。在该情况下，速度指令计算部22设定为无论剩余距离e如何都输出与剩余距离e成正比的速度指令V_r。另外，在上述的控制系统中，在没有发生电流饱和的状况下，由于与利用通常的称为模型跟踪控制的控制方式实现的位置控制一致，因此电动机11的实际位置X以追随所赋予的位置指令X_r的方式受到控制。另一方面，在发生电流饱和的情况下，由于通过变化量系数α对速度模型21和速度控制器33双方进行补偿，因此能够得到抗饱和效果，能够以不发生例如过冲之类的不稳定响应的方式进行控制。

如以上说明所述，本实施方式的电动机控制装置基于位置指令，对具有电动机的控制对象进行驱动，该电动机控制装置的特征在于，具有：速度指令计算部，其基于所述位置指令和位置前馈的偏差，输出速度指令；速度模型，其基于所述速度指令和大于或等于1个的变量即第1状态变量，对所述第1状态变量的变化量进行计算而更新所述第1状态变量，基于更新后的所述第1状态变量，计算并输出速度前馈及电流前馈；积分器，其对所述速度前馈进行积分，并输出所述位置前馈；位置控制器，其基于所述电动机的实际位置和所述位置前馈的差值，输出速度校正量；速度控制器，其基于所述电动机的实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈以及所述电流前馈，对大于或等于1个的变量即第2状态变量的变化量进行计算而更新所述第2状态变量，基于所述电动机的所述实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈、所述电流前馈以及更新后的所述第2状态变量，计算并输出电流指令；限流器，其以所述电流指令为输入，输出小于或等于限流值的限制后电流指令；以及变化量系数计算部，其基于所述电流指令和所述限制后电流指令，对所述第1状态变量和所述第2状态变量的变化量的校正系数即变化量系数进行计算，所述速度模型在计算所述第1状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，所述速度控制器在计算所述第2状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正。

实施方式3

图9是表示本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式3的结构的框图。在图9中，对具有与图1、6相同的功能的结构要素，标注相同的标号而省略其说明。

图9所示的电动机控制装置具有控制对象1a、位置模型2b、位置控制器31、微分器32、速度控制器33、限流器34、电流控制器35、变化量系数计算部36、惯性矩推算部37、减速度计算部38、最大速度设定部39、模型校正部40以及切换开关41。即，图9所示的电动机控制装置是在图6所示的电动机控制装置中追加了模型校正部40及切换开关41的装置。

此外，在本实施方式中，限流器34具有对限流的有无进行输出的结构。另外，在积分器23中输入从速度模型21输出的速度前馈V_ff和切换开关41的输出信号之间的偏差。

模型校正部40与位置控制器31同样地，以从积分器23输出的位置前馈X_ff和利用位置检测器14检测到的实际位置X之间的偏差(误差信号)为输入，输出将该偏差与预先设定的模型校正增益W_m相乘所得到的模型校正信号。输出的模型校正信号输入至切换开关41。

切换开关41是根据限流器34输出的限流的有无而置为连接或未连接的结构。在限流器34处发生限流时，切换开关41置为连接，在未发生限流时，切换开关41置为未连接。换言之，切换开关41在电流指令U的大小超过限流值时置为连接，在电流指令U的大小小于或等于限流值时置为未连接。

在切换开关41处于连接状态时，切换开关41的输出是模型校正信号，在处于未连接状态时，切换开关41的输出为0。

根据切换开关41的输出，积分器23对速度前馈V_ff和模型校正信号的偏差进行积分，输出位置前馈X_ff。

下面，对实施方式3的电动机控制装置的动作进行说明。

首先，如果设定与现在的实际位置X充分地远离的目标位置X_r，则如在实施方式2中参照式(19)而说明的那样，速度指令计算部22输出最大速度V_max，速度指令V_r从0切换至V_max，电动机11的实际速度V加速至最大速度V_max。

此时，如果在加速过程中发生电流饱和，则切换开关41变为连接状态，由积分器23、模型校正部40及切换开关41形成反馈环路。该反馈环路的状态方程式用下述的式(21)表示。

【算式21】

$\frac{d{X}_{\mathrm{ff}}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{ff}}+W_m(X-X_{\mathrm{ff}})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(21\right)$

如果将模型校正增益W_m设为观测器增益，则上述的式(21)变得与状态观测器的式子相同，由积分器23、模型校正部40以及切换开关41形成的反馈环路对位置前馈X_ff进行校正，以使得位置前馈X_ff和实际位置X的误差减小。

如实施方式2中说明的那样，在图6所示的电动机控制装置中，在发生电流饱和时，通过变化量系数α校正速度模型21的动作。如果以上述方式校正速度模型21的动作，则能够抑制位置模型2与控制对象1a之间的响应的背离，即使发生电流饱和也能够得到良好的响应。

在本实施方式中的图9所示的电动机控制装置中，由于通过模型校正部40，位置前馈X_ff与实际位置X的误差也被校正，因此进一步抑制发生电流饱和时的位置模型与控制对象1a之间的响应的背离。因此，相对于电流饱和能够实现比实施方式2更稳定的控制。

并且，在未发生电流饱和的状况下，由于切换开关41变为未连接状态，因此与利用通常的称为模型跟踪控制的控制方式实现的位置控制一致，相对于控制对象的波动、扰乱能够实现稳定的控制。

如以上说明所述，本实施方式的电动机控制装置基于位置指令，对具有电动机的控制对象进行驱动，该电动机控制装置的特征在于，具有：速度指令计算部，其基于所述位置指令和位置前馈的偏差，输出速度指令；速度模型，其基于所述速度指令和大于或等于1个的变量即第1状态变量，对所述第1状态变量的变化量进行计算而更新所述第1状态变量，并基于更新后的所述第1状态变量，计算并输出速度前馈及电流前馈；模型校正部，其基于所述电动机的实际位置的与所述位置前馈的差值，输出模型校正信号；切换开关，其以所述模型校正信号为输入，在连接状态下输出所述模型校正信号，在未连接状态下输出零信号；积分器，其对所述速度前馈和所述切换开关的输出信号之间的偏差进行积分，输出所述位置前馈；位置控制器，其基于所述电动机的实际位置和所述位置前馈的差值，输出速度校正量；速度控制器，其基于所述电动机的实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈以及所述电流前馈，对大于或等于1个的变量即第2状态变量的变化量进行计算而更新所述第2状态变量，并基于所述电动机的所述实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈、所述电流前馈以及更新后的所述第2状态变量，计算并输出电流指令；限流器，其以所述电流指令为输入，输出将所述电流指令的大小限制到小于或等于限流值的限制后电流指令；以及变化量系数计算部，其基于所述电流指令和所述限制后电流指令，对所述第1状态变量和所述第2状态变量的变化量的校正系数即变化量系数进行计算，所述速度模型在计算所述第1状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，所述速度控制器在计算所述第2状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，所述切换开关在所述电流指令的大小超过所述限流值时置为连接，在所述电流指令的大小小于或等于所述限流值时置为未连接。

工业实用性

如上所述，本发明所涉及的电动机控制装置作为应用于惯性矩、摩擦之类的负载未知、或者负载的大小发生较大变化的控制对象的电动机控制装置是有益的。

标号的说明

1、1a控制对象，2、2b位置模型，11电动机，12机械系统，13速度检测器，14位置检测器，21速度模型，211、212积分器，213、214、215乘法器，216、217减法器，22速度指令计算部，23积分器，31位置控制器，32微分器，33速度控制器，34限流器，35电流控制器，36变化量系数计算部，361扭矩常数乘法器，362非线性扭矩模型，363比例运算器，37惯性矩推算部，38减速度计算部，39最大速度设定部，40模型校正部，41切换开关。

Claims (7)

1.一种电动机控制装置，其基于速度指令，对具有电动机和该电动机所连结的机械系统的控制对象进行驱动，

该电动机控制装置的特征在于，具有：

速度模型，其基于所述速度指令和大于或等于1个的变量即第1状态变量，对所述第1状态变量的变化量进行计算而更新所述第1状态变量，并基于更新后的所述第1状态变量，计算并输出速度前馈及电流前馈；

速度控制器，其基于所述电动机的实际速度、所述速度前馈以及所述电流前馈，对大于或等于1个的变量即第2状态变量的变化量进行计算而更新所述第2状态变量，并基于所述电动机的所述实际速度、所述速度前馈、所述电流前馈以及更新后的所述第2状态变量，计算并输出电流指令；

限流器，其以所述电流指令为输入，输出将所述电流指令的大小限制到小于或等于限流值的限制后电流指令；以及

变化量系数计算部，其基于所述电流指令和所述限制后电流指令，对所述第1状态变量和所述第2状态变量的变化量的校正系数即变化量系数进行计算，

所述速度模型在计算所述第1状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，

所述速度控制器在计算所述第2状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正。

2.一种电动机控制装置，其基于位置指令，对具有电动机的控制对象进行驱动，

该电动机控制装置的特征在于，具有：

速度指令计算部，其基于所述位置指令和位置前馈之间的偏差，输出速度指令；

速度模型，其基于所述速度指令和大于或等于1个的变量即第1状态变量，对所述第1状态变量的变化量进行计算而更新所述第1状态变量，并基于更新后的所述第1状态变量计算并输出速度前馈及电流前馈；

积分器，其对所述速度前馈进行积分，并输出所述位置前馈；

位置控制器，其基于所述电动机的实际位置和所述位置前馈之间的差值，输出速度校正量；

速度控制器，其基于所述电动机的实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈以及所述电流前馈，对大于或等于1个的变量即第2状态变量的变化量进行计算而更新所述第2状态变量，并基于所述电动机的所述实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈、所述电流前馈以及更新后的所述第2状态变量，计算并输出电流指令；

限流器，其以所述电流指令为输入，输出将所述电流指令的大小限制到小于或等于限流值的限制后电流指令；以及

变化量系数计算部，其基于所述电流指令和所述限制后电流指令，对所述第1状态变量和所述第2状态变量的变化量的校正系数即变化量系数进行计算，

所述速度模型在计算所述第1状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，

所述速度控制器在计算所述第2状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正。

3.一种电动机控制装置，其基于位置指令，对具有电动机的控制对象进行驱动，

该电动机控制装置的特征在于，具有：

速度指令计算部，其基于所述位置指令和位置前馈之间的偏差，输出速度指令；

速度模型，其基于所述速度指令和大于或等于1个的变量即第1状态变量，对所述第1状态变量的变化量进行计算而更新所述第1状态变量，并基于更新后的所述第1状态变量，计算并输出速度前馈及电流前馈；

模型校正部，其基于所述电动机的实际位置的与所述位置前馈的差值，输出模型校正信号；

切换开关，其以所述模型校正信号为输入，在连接状态下输出所述模型校正信号，在未连接状态下输出零信号；

积分器，其对所述速度前馈和所述切换开关的输出信号之间的偏差进行积分，输出所述位置前馈；

位置控制器，其基于所述电动机的实际位置和所述位置前馈之间的差值，输出速度校正量；

速度控制器，其基于所述电动机的实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈以及所述电流前馈，对大于或等于1个的变量即第2状态变量的变化量进行计算而更新所述第2状态变量，并基于所述电动机的所述实际速度、所述速度校正量、所述速度前馈、所述电流前馈以及更新后的所述第2状态变量，计算并输出电流指令；

限流器，其以所述电流指令为输入，输出将所述电流指令的大小限制到小于或等于限流值的限制后电流指令；以及

变化量系数计算部，其基于所述电流指令和所述限制后电流指令，对所述第1状态变量和所述第2状态变量的变化量的校正系数即变化量系数进行计算，

所述速度模型在计算所述第1状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，

所述速度控制器在计算所述第2状态变量的变化量时，进行与所述变化量系数相乘的校正，

所述切换开关在所述电流指令的大小超过所述限流值时置为连接，在所述电流指令的大小小于或等于所述限流值时置为未连接。

4.根据权利要求2或3所述的电动机控制装置，其特征在于，具有：

最大速度设定部，其对所述电动机的最大速度进行设定；以及

减速度计算部，其对所述电动机在减速停止时的减速度进行计算，

所述速度指令计算部通过基于所述位置指令和所述位置前馈之间的偏差、所述最大速度以及所述减速度的函数，对所述速度指令进行计算。

5.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述减速度计算部基于根据所述电动机的电流及实际位置或实际速度推算出的所述控制对象的惯性矩推算值，对所述减速度进行计算。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述变化量系数计算部通过所述电流指令和所述限制后电流指令的比例，对所述变化量系数进行计算。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述变化量系数计算部具有：

扭矩常数乘法器，其将所述电流指令与预先设定的所述电动机的扭矩常数相乘而计算扭矩指令；以及

非线性扭矩模型，其是对所述电动机的电流和扭矩之间的非线性特性进行模型化而成的，

通过所述扭矩指令和实际扭矩的比例，对所述变化量系数进行计算，其中，该实际扭矩是基于所述限制后电流指令和所述非线性扭矩模型计算得出的。