CN105099321B - 电机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够检测设备异常的电机控制装置。速度控制器(110)基于速度指令和速度反馈之间的偏差，生成并输出第一转矩指令。转矩指令陷波滤波器(115)通过从第一转矩指令去除设备(300)的共振频率的信号成分，生成并输出第二转矩指令。电力转换器(125)基于第二转矩指令驱动电机，该电机驱动设备(300)。共振频率估计器(135)通过基于速度反馈估计设备(300)的共振频率，而生成估计共振频率。设备异常检测部(150)基于估计共振频率来检测设备异常。

Description

电机控制装置

技术领域

本发明涉及电机控制装置。

背景技术

存在一种机床，其具有利用滚珠丝杠而直线移动的工作台。滚珠丝杠通过联轴器安装于电机的输出轴。如果电机转动，则工作台直线移动。

联轴器具有刚性。机床受到联轴器的刚性的影响而共振。机床共振对机床的控制特性产生不良影响。因此，使控制机床的动作的转矩指令通过陷波滤波器。利用通过陷波滤波器的转矩指令控制机床的动作，从而抑制共振的产生。

机床等机械系统在刚性等物理特性方面存在偏差。如果上述偏差较大，则共振频率大幅变化，所以难以利用通常的陷波滤波器来抑制共振。为了即使共振频率大幅变化也能够抑制共振，开发了一种自适应陷波滤波器。自适应陷波滤波器估计共振频率，自动地设定陷波滤波器的频率。

但是，由于共振频率从基准值大幅偏移时，可以认为机械系统产生了某种异常，所以如果在该状态下持续进行作业则产生问题。例如因设备未正确组装而导致固定部松动时，由于共振频率下降，所以自适应陷波滤波器的估计频率下降。如果估计频率下降，则由于自适应陷波滤波器的相位延迟，产生速度控制响应的峰值增加等与控制特性相关的不良影响。因此，加工精度下降或节拍时间增加。其结果，不仅生产效率恶化，在极端的情况下，对设备自身也产生不良影响。

作为检测设备异常的技术具有以下各种技术：利用外部传感器检测异常的技术、根据电机电流检测异常的技术以及根据电机位置检测异常的技术等。

例如日本专利公开公报特开2002-22617号记载了利用外部传感器检测异常的技术。在该文献记载的技术中，利用设置在轴承部上的加速度计，测量轴承部的振动加速度。通过对测量出的振动加速度进行FFT(高速傅里叶变换)处理，抽出振动产生频率的信号。由此，检测出异常。

例如日本专利公开公报特开平11-83686号记载了根据电机电流检测异常的技术。在该文献记载的技术中，对驱动机械设备的电动机的负载电流信号(电源频率及其高频的频率)进行频谱分析。根据频谱分析的结果，计算用于识别机械设备异常的诊断参数。对计算出的诊断参数和每个诊断对象的机械设备预先设定的判断基准值进行比较。当计算出的诊断参数大于判断基准值时，判断机械设备异常。

例如日本专利公开公报特开2013-81282号记载了根据电机位置检测异常的技术。在该文献记载的技术中，伺服系统包括电机、检测电机位置的位置检测器、驱动电机的伺服驱动器和控制伺服驱动器的伺服控制器。在上述伺服系统中，检测出由电机驱动的被驱动部的异常。即，系统具有输入部、频率转换部和比较判断部。输入部从位置检测器取得电机的位置信息。频率转换部对电机以大体固定速度转动时的电机的位置信息进行频率转换。比较判断部对由频率转换得到的预定频率中的振幅和用于判断被驱动部异常的阈值进行比较。基于具有比阈值大的振幅的频率，检测出被驱动部的异常部位。

但是，在日本专利公开公报特开2002-22617号、日本专利公开公报特开平11-83686号和日本专利公开公报特开2013-81282号记载的技术中，存在以下问题。

在日本专利公开公报特开2002-22617号的技术中，需要在轴承部上设置加速度计。此外，需要对测量出的信号进行复杂的运算处理。因此，存在成本增加的问题。

在日本专利公开公报特开平11-83686号的技术中，利用电机的负载电流信号检测设备异常。因此，存在以下问题：只能以特定的转动速度检测异常，所述特定的转动速度下，电动机的电源频率及其高频的频率与机械系统的共振频率一致。

在日本专利公开公报特开2013-81282号的技术中，当检测异常时，需要使电机以大体固定速度转动。因此，存在以下问题：基于来自控制器的指令进行加减速运转时不能准确地检测出异常。此外，在利用高速傅里叶变换或小波变换进行的频率变换中，由于利用软件进行的处理量变大，所以需要使用能够进行高速处理的CPU。因此，存在电机控制装置成本增加的问题。

发明内容

本发明用于解决上述的现有技术的问题。本发明的一个目的在于提供一种如下的能够在电机运转中检测设备异常的电机控制装置。上述电机控制装置不需要为了检测异常而设置特别的传感器、检测异常时不会限制电机的转动速度或运转模式以及不需要在检测异常时进行复杂的运算处理，并且能够将对控制特性产生的不良影响抑制在一定范围内。

为了实现上述目的，本发明一种实施方式的电机控制装置包括：速度控制器，基于速度指令和速度反馈之间的偏差，生成第一转矩指令；转矩指令陷波滤波器，通过从所述第一转矩指令去除设备的共振频率的信号成分，而生成第二转矩指令；电力转换器，基于所述第二转矩指令驱动电机，所述电机驱动所述设备；共振频率估计器，通过基于所述速度反馈估计所述设备的共振频率，而生成估计共振频率；以及设备异常检测部，基于所述估计共振频率来检测设备异常，所述设备异常检测部具有：开关，对是否向外部输出所述设备异常进行切换；以及初始动作检测器，取得运转开始和所述速度指令，检测所述共振频率估计器是否能够适当地进行动作，所述初始动作检测器在检测出所述共振频率估计器不能适当地进行动作的情况下，使所述开关打开，避免向外部输出所述设备异常，所述初始动作检测器在检测出所述共振频率估计器能够适当地进行动作的情况下，使所述开关关闭，能够向外部输出所述设备异常。

按照具有上述结构的电机控制装置，不需要为了检测设备异常而设置特别的传感器、在设备异常检测时不会限制电机的转动速度或运转模式以及不需要在设备异常检测时进行复杂的运算处理，并且可以将对控制特性产生的不良影响抑制在一定范围内。

附图说明

图1是本实施方式的电机控制装置的框图。

图2是用于说明本实施方式的电机控制装置的动作的坐标图。

附图标记说明

100电机控制装置

105速度计算器

110速度控制器

115转矩指令陷波滤波器

120转矩控制器

125电力转换器

130高通滤波器

135共振频率估计器

150设备异常检测部

155上限检测器

160下限检测器

165、170持续状态确认器

175OR电路

180开关

185初始动作检测器

具体实施方式

以下基于附图，对本发明实施方式的电机控制装置进行说明。图1是本实施方式的电机控制装置的框图。

[电机控制装置的构成]

电机控制装置100具有速度计算器105、速度控制器110、转矩指令陷波滤波器115、转矩控制器120、电力转换器125、高通滤波器130、共振频率估计器135和设备异常检测部150。

电机控制装置100与电机200电连接。电机200与设备300以机械方式连接并驱动设备300。编码器210与电机200以机械方式连接。编码器210输出与电机200的位置相关的信号(电机位置)。

速度计算器105取得从编码器210输出的电机位置，并且通过对上述电机位置进行微分，生成并输出速度反馈。速度控制器110取得从未图示的控制器输出的速度指令和速度反馈之间的偏差，并且基于上述偏差生成并输出第一转矩指令。转矩指令陷波滤波器115取得第一转矩指令，并且通过从上述第一转矩指令去除设备300的共振频率的信号成分，生成并输出第二转矩指令。设定于转矩指令陷波滤波器115的共振频率是由共振频率估计器135估计出的设备300的共振频率(估计共振频率)。即，转矩指令陷波滤波器115通过从第一转矩指令去除估计共振频率的信号成分，而生成第二转矩指令。

转矩控制器120取得第二转矩指令，并且输出信号(电机驱动信号)，该信号用于使与上述第二转矩指令对应的转矩向电机200输出。电力转换器125取得上述电机驱动信号。电力转换器125基于上述电机驱动信号生成电压和电流并向电机200供给，上述电压和电流用于使与第二转矩指令对应的转矩向电机200输出。即，电力转换器基于第二转矩指令驱动电机200，该电机200驱动设备300。

高通滤波器130取得速度反馈，并且使包含在速度反馈中的高频成分的信号(高频反馈信号)通过，另一方面，使上述高频成分以外的频率成分的信号衰减。通过高通滤波器130的高频反馈信号的频率高于速度控制器110的响应频率。即，高通滤波器130使包含在速度反馈中的高频成分的信号通过，并且使上述高频成分以外的频率成分的信号衰减，该高频成分的信号具有比速度控制器110的响应频率高的频率。

共振频率估计器135基于高频反馈信号，估计设备300的共振频率。在转矩指令陷波滤波器115中设定由共振频率估计器135估计出的设备300的共振频率(估计共振频率)。设备异常检测部150基于估计共振频率来检测设备300的异常。因此，共振频率估计器135和设备异常检测部150作为检测设备300异常的传感器发挥功能。

设备异常检测部150具有上限检测器155、下限检测器160、持续状态确认器165、170、OR电路(或电路)175、开关180和初始动作检测器185。

上限检测器155检测由共振频率估计器135估计出的估计共振频率是否在设定于上限检测器155的图2所示的上限频率以上。下限检测器160检测估计共振频率是否在设定于下限检测器160的图2所示的下限频率以下。上限频率例如设定为设备300的基准共振频率能够容许的最大共振频率。下限频率例如设定为设备300的基准共振频率能够容许的最小共振频率。

当估计共振频率持续一定时间以上在上限频率以上时，持续状态确认器165输出设备异常。当估计共振频率持续一定时间以上在下限频率以下时，持续状态确认器170输出设备异常。

当从持续状态确认器165、170中的至少一个输出设备异常时，OR电路175将上述设备异常向外部输出。初始动作检测器185取得运转开始(例如与运转开始对应输出的信号(运转开始信号))和速度指令，检测共振频率估计器135是否能够适当地进行动作。开关180设置在持续状态确认器165、170后级的OR电路175的输出侧。开关180是用于对是否向外部输出设备异常进行切换的开关。

初始动作检测器185检测出共振频率估计器135不能适当地进行动作的情况下，使开关180打开，避免向外部输出设备异常。初始动作检测器185检测出共振频率估计器135能够适当地进行动作时，使开关180关闭，能够向外部输出设备异常。

按照这种初始动作检测器185的动作，能够得到以下效果。即，电机200开始运转时，有时速度指令为0，电机200停止。此时，因机械系统的摩擦的影响，有时共振频率估计器135不能估计共振频率(即，共振频率估计器135不能适当地进行动作)。在这种情况下，利用初始动作检测器185的上述动作，可以防止或抑制输出设备异常。即，共振频率估计器135不能适当地进行动作的情况是指：在设备300开始动作时基于速度指令的初始值估计出的估计共振频率成为上限频率以上或成为下限频率。在这种情况下，可以防止或抑制出现设备异常的误检测。

基于从未图示的控制器输出的速度指令产生的电机动作的频率成分在速度控制器110的响应频率的范围内。设定于高通滤波器130的截止频率高于速度控制器110的响应频率。因此，在高通滤波器130的输出中未出现基于速度指令产生的电机动作的频率成分。在基于来自控制器的指令进行的加减速运转中，也能够适当地检测出设备300的异常。

通过将设定于上限检测器155的上限频率和设定于下限检测器160的下限频率设定为能够防止或抑制设备300破损的频率，可以预先防止或抑制设备300破损。

此外，通过将下限频率设定为电机控制装置100的控制特性不会极端恶化(不容易对加工产生不良影响)区域的频率，即使共振频率下降，也能够防止或抑制控制特性恶化。

[电机控制装置的动作]

接着参照图1和图2，对电机控制装置的动作进行说明。图2是用于说明本实施方式的电机控制装置的动作的坐标图。具体地说，图2是表示由共振频率估计器135估计出的设备300的估计共振频率的增益和频率之间关系的坐标图。

如果运转开始并从未图示的控制器输出速度指令，则初始动作检测器185取得运转开始和速度指令，并且为了防止或抑制设备异常检测部150的误检测，使开关180打开。另一方面，如果运转开始且速度指令上升，则共振频率估计器135能够适当地进行动作。此时，为了使设备异常检测部150检测设备异常，初始动作检测器185使开关180关闭。

速度控制器110基于从速度计算器105输出的速度反馈和从控制器输出的速度指令之间的偏差，生成并输出第一转矩指令。高通滤波器130使包含在速度反馈中的高频成分的信号(高频反馈信号)通过。共振频率估计器135通过基于高频反馈信号估计设备300的共振频率，而生成估计共振频率。

在转矩指令陷波滤波器115中设定估计共振频率。转矩指令陷波滤波器115取得从速度控制器110输出的第一转矩指令，并且通过从上述第一转矩指令去除设备300的估计共振频率的信号成分，生成并输出第二转矩指令。转矩控制器120取得从转矩指令陷波滤波器115输出的第二转矩指令并输出信号(电机驱动信号)，该信号用于使与该第二转矩指令对应的转矩向电机200输出。电力转换器125基于从转矩控制器120输出的电机驱动信号，生成电压和电流并向电机200供给，该电压和电流用于使与第二转矩指令对应的转矩向电机200输出。

电机200按照从电力转换器125供给的电压和电流而转动，从而驱动设备300。利用编码器210检测出表示电机200转动位置的电机位置并向速度计算器105输出。

当设备300的共振频率(估计共振频率)在图2所示的上限频率和下限频率之间时，上限检测器155和下限检测器160都不输出设备异常。因此，从设备异常检测部150未输出设备异常。

另一方面，当设备300的共振频率(估计共振频率)成为图2所示的上限频率以上或下限频率以下时，上限检测器155或下限检测器160输出设备异常。

当持续状态确认器165确认到持续一定时间以上从上限检测器155输出了设备异常时，或者是持续状态确认器170确认到持续一定时间以上从下限检测器160输出了设备异常时，持续状态确认器165或持续状态确认器170向OR电路175输出设备异常。OR电路175通过开关180向外部输出设备异常。

此外，在输出设备异常之后，上限检测器155或下限检测器160持续一定时间以上未输出设备异常时，持续状态确认器165、170也可以停止向OR电路175输出设备异常。

例如设备300的共振频率在图2所示的作为上限的380Hz和作为下限的210Hz之间时，不输出设备异常。另一方面，当设备300的共振频率在380Hz以上或210Hz以下、且该状态持续一定时间以上时，输出设备异常。

如上所述，在本实施方式的电机控制装置100中，对共振频率估计器135设定上限频率和下限频率。由共振频率估计器135估计出的估计共振频率持续一定时间以上在上限频率以上或下限频率以下时，输出设备异常。

因此，即使伴随未正确地组装设备300和/或设备部件劣化而导致设备300的共振频率下降，也能够防止或抑制电机控制装置100的控制特性恶化。此外，还可以防止或抑制设备300破损。

另外，在以上的实施方式中，电机控制装置100(设备异常检测部150)设置有上限检测器155和下限检测器160双方。根据设备300的共振特性，有时为了检测设备异常，只要检测出估计共振频率成为上限频率以上和估计共振频率成为下限频率以下中的一个即可。在这种情况下，可以将上限检测器155和下限检测器160中的任意一个设置于电机控制装置100(设备异常检测部150)。

为了检测设备300的异常，本实施方式的电机控制装置100具有共振频率估计器135和设备异常检测部150。因此，不需要用于检测异常的特别的传感器，也能够检测出设备300的异常。

此外，在本实施方式的电机控制装置100中，高通滤波器130通过从速度反馈去除速度控制器110的响应频率以下的频率成分，从而生成高频反馈信号。并且，共振频率估计器135基于上述高频反馈信号，估计设备300的共振频率。因此，可以避免为了检测设备300的异常而限制电机200的转动速度和运转模式。

此外，电机控制装置100基于上限频率和下限频率来检测设备异常。因此，当检测异常时，不需要进行复杂的运算处理。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明。上述内容是用于说明本发明的示例，并不限定本发明的范围。可以在不脱离本发明宗旨的范围内，以与上述实施方式不同的各种方式实施本发明。

另外，在本实施方式中，共振频率估计器135基于高频反馈信号估计设备300的共振频率。但是，电机控制装置100也可以不具备高通滤波器130。在这种情况下，共振频率估计器135也可以基于速度反馈来估计设备300的共振频率，从而生成并输出估计共振频率。

速度计算器105可以输入从编码器210输出的电机位置，对上述电机位置进行微分并输出速度反馈。速度控制器110可以输入未图示的控制器输出的速度指令和速度反馈之间的偏差，并且输出转矩指令。转矩指令陷波滤波器115可以输入转矩指令，并且输出从上述转矩指令去除设备300的共振频率的信号成分后的转矩指令。设定于转矩指令陷波滤波器115的共振频率可以是共振频率估计器135估计出的共振频率。转矩控制器120可以输入去除设备300的共振频率的信号成分后的转矩指令，电机200可以输出信号，该信号用于输出与上述转矩指令对应的转矩。电力转换器125可以输入用于输出上述转矩的信号，并且向电机200提供必要的电压和电流。

高通滤波器130可以输入速度反馈，使包含在速度反馈中的高频成分的信号通过，并且使上述高频成分以外的频率成分的信号衰减。通过高通滤波器130的高频成分信号的频率可以高于速度控制器110的响应频率。共振频率估计器135可以根据比速度控制器110的响应频率高的频率成分的速度反馈，估计出设备300的共振频率。共振频率估计器135估计出的共振频率可以设定于转矩指令陷波滤波器115。设备异常检测部150可以利用共振频率估计器135估计出的共振频率来检测设备300的异常。

在电机200开始运转时，速度指令为0，电机200停止，因机械系统摩擦的影响，共振频率估计器135不能估计出共振频率的情况下，初始动作检测器185可以防止或抑制输出设备异常。即，当使设备300开始动作之前估计出的共振频率成为上限频率以上的频率或成为下限频率以下的频率时，初始动作检测器185可以防止或抑制产生设备异常的误检测。

上限频率可以设定成相对于设备300的基准共振频率为能够容许的最大共振频率。下限频率可以设定成相对于设备300的基准共振频率为能够容许的最小共振频率。基于未图示的控制器输出的速度指令产生的电机动作的频率成分可以成为速度控制器110的响应频率。在上限检测器155或下限检测器160持续一定时间以上未输出设备异常时，持续状态确认器165、170可以不向OR电路175输出设备异常。

本发明可以是能够检测设备异常的电机控制装置。

第一电机控制装置包括：速度控制器，根据速度指令和速度反馈之间的偏差来输出转矩指令；转矩指令陷波滤波器，根据所述转矩指令输出去除设备的共振频率的信号成分后的转矩指令；电力转换器，利用去除所述设备的共振频率的信号成分后的转矩指令，来驱动电机；共振频率估计器，利用所述速度反馈，估计电机所驱动的所述设备的共振频率；以及设备异常检测部，利用估计出的所述设备的共振频率，来检测设备异常。

第二电机控制装置在第一电机控制装置的基础上，所述共振频率估计器估计出的所述设备的共振频率被设定于所述转矩指令陷波滤波器。

第三电机控制装置在第一或第二电机控制装置的基础上，所述设备异常检测部至少具有上限检测器和下限检测器中的一个，所述上限检测器在所述估计出的所述设备的共振频率是设定的上限频率以上的频率时输出设备异常，所述下限检测器在所述估计出的所述设备的共振频率是设定的下限频率以下的频率时输出设备异常。

第四电机控制装置在第三电机控制装置的基础上，所述设备异常检测部还具有持续状态确认器，所述持续状态确认器在确认到从所述上限检测器或所述下限检测器持续一定时间以上输出设备异常时，向外部输出所述设备异常。

第五电机控制装置在第四电机控制装置的基础上，所述设备异常检测部还具有：开关，对是否向外部输出所述设备异常进行切换；以及初始动作检测器，输入有运转开始和所述速度指令，检测所述共振频率估计器是否能够适当地进行动作，所述初始动作检测器检测出所述共振频率估计器不能适当地进行动作的情况下，使所述开关打开，不向外部输出所述设备异常，所述初始动作检测器检测出所述共振频率估计器能够适当地进行动作的情况下，使所述开关关闭，向外部输出所述设备异常。

第六电机控制装置在第五电机控制装置的基础上，所述开关设置在所述持续状态确认器的后级。

第七电机控制装置在第五或第六电机控制装置的基础上，检测出所述共振频率估计器不能适当地进行动作的情况是指：所述设备开始动作时利用所述速度指令的初始值估计出的共振频率成为上限频率以上的频率或成为下限频率以下的频率。

第八电机控制装置在第一～第七电机控制装置中的任意一个电机控制装置的基础上，在所述共振频率估计器的前级设置有高通滤波器，所述高通滤波器使包含在所述速度反馈中的高频成分的信号通过，并且使所述高频成分以外的频率成分的信号衰减，所述高频成分为比所述速度控制器的响应频率高的频率。

Claims (11)

1.一种电机控制装置，其特征在于包括：

速度控制器，基于速度指令和速度反馈之间的偏差，生成第一转矩指令；

转矩指令陷波滤波器，通过从所述第一转矩指令去除设备的共振频率的信号成分，而生成第二转矩指令；

电力转换器，基于所述第二转矩指令驱动电机，所述电机驱动所述设备；

共振频率估计器，通过基于所述速度反馈估计所述设备的共振频率，而生成估计共振频率；以及

设备异常检测部，基于所述估计共振频率来检测设备异常，

所述设备异常检测部具有：

开关，对是否向外部输出所述设备异常进行切换；以及

初始动作检测器，取得运转开始和所述速度指令，检测所述共振频率估计器是否能够适当地进行动作，

所述初始动作检测器在检测出所述共振频率估计器不能适当地进行动作的情况下，使所述开关打开，避免向外部输出所述设备异常，所述初始动作检测器在检测出所述共振频率估计器能够适当地进行动作的情况下，使所述开关关闭，能够向外部输出所述设备异常。

2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述转矩指令陷波滤波器通过从所述第一转矩指令去除所述估计共振频率的信号成分，而生成所述第二转矩指令。

3.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述设备异常检测部还至少具有上限检测器和下限检测器中的一个，所述上限检测器在所述估计共振频率为设定的上限频率以上时输出设备异常，所述下限检测器在所述估计共振频率为设定的下限频率以下时输出设备异常。

4.根据权利要求2所述的电机控制装置，其特征在于，所述设备异常检测部还至少具有上限检测器和下限检测器中的一个，所述上限检测器在所述估计共振频率为设定的上限频率以上时输出设备异常，所述下限检测器在所述估计共振频率为设定的下限频率以下时输出设备异常。

5.根据权利要求3所述的电机控制装置，其特征在于，所述设备异常检测部还具有持续状态确认器，所述持续状态确认器确认到从所述上限检测器或所述下限检测器持续一定时间以上输出设备异常时，输出所述设备异常。

6.根据权利要求4所述的电机控制装置，其特征在于，所述设备异常检测部还具有持续状态确认器，所述持续状态确认器确认到从所述上限检测器或所述下限检测器持续一定时间以上输出设备异常时，输出所述设备异常。

7.根据权利要求5所述的电机控制装置，其特征在于，所述开关设置在所述持续状态确认器的后级。

8.根据权利要求6所述的电机控制装置，其特征在于，所述开关设置在所述持续状态确认器的后级。

9.根据权利要求1、7或8所述的电机控制装置，其特征在于，检测出所述共振频率估计器不能适当地进行动作的情况是指：在所述设备开始动作时基于所述速度指令的初始值估计出的所述估计共振频率成为上限频率以上或成为下限频率以下。

10.根据权利要求1至8中任意一项所述的电机控制装置，其特征在于，

所述电机控制装置还包括高通滤波器，所述高通滤波器设置在所述共振频率估计器的前级，

所述高通滤波器使包含在所述速度反馈中的高频成分的信号通过，并且使所述高频成分以外的频率成分的信号衰减，所述高频成分为比所述速度控制器的响应频率高的频率。

11.根据权利要求9所述的电机控制装置，其特征在于，

所述电机控制装置还包括高通滤波器，所述高通滤波器设置在所述共振频率估计器的前级，

所述高通滤波器使包含在所述速度反馈中的高频成分的信号通过，并且使所述高频成分以外的频率成分的信号衰减，所述高频成分的信号具有比所述速度控制器的响应频率高的频率。