CN105191116B - 电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电动机驱动装置一边进行反馈控制一边驱动电动机使得实际动作跟随指令进行。本电动机驱动装置具备：反馈控制部，其输出扭矩指令来进行反馈控制；以及粘性摩擦计算部，其将速度指令与粘性摩擦系数相乘来计算粘性摩擦扭矩补偿值。而且，本电动机驱动装置根据将粘性摩擦扭矩补偿值与扭矩指令相加而得到的驱动信号来驱动电动机。本电动机驱动装置还具备：评价指标测定部，其被输入位置指令和电动机位置、或者位置指令和负载位置，测定过冲量、定位整定时间；以及伺服调整部，其改变粘性摩擦系数来多次进行定位动作，从而决定使过冲量为指定值或使定位整定时间为最小值的粘性摩擦系数。

Description

电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种对伺服电动机进行控制驱动的电动机驱动装置，特别涉及一种具备粘性摩擦补偿的功能的电动机驱动装置。

背景技术

在伺服电动机的控制中，对于缩短定位整定时间、提高轨迹跟踪精度来说，适当地补偿伴随着电动机、负载的动作而产生的摩擦扭矩具有重要的作用。对于该摩擦扭矩中的具有偏负荷、运动摩擦扭矩等固定值的部分，能够用反馈控制系统的积分项来补偿。但是，粘性摩擦与电动机速度成比例地变化，因此来不及进行积分补偿，从而引起在定位整定时产生过冲、在轨迹控制时跟踪精度恶化。

作为对该粘性摩擦扭矩的补偿方法，例如在专利文献1中提出了方案。该补偿方法具备估计电动机速度与粘性摩擦扭矩之比、即粘性摩擦系数的单元。而且，该补偿方法构成为使作为将实际的电动机速度乘以粘性摩擦系数估计值所得的结果的粘性摩擦扭矩补偿值与扭矩指令相加。另外，在专利文献2中，根据摩擦系数估计值决定速度积分项前馈增益，从积分补偿单元的输入减去将该速度积分项前馈增益乘以模型速度所得的结果，由此实现了摩擦补偿。

然而，在专利文献1的技术中，以实际的电动机速度为基准，因此在与速度的符号相应地将粘性补偿扭矩估计值的符号反转的速度零附近，控制容易变得不稳定。另外，在专利文献2的技术中，使前馈处理所要生成的扭矩指令等价地减少。为了跟踪位置指令而需要扭矩指令，但是由于像这样等价地减少，因此定位整定时间变长，轨迹跟踪精度也恶化。

而且，在任意一个现有例子中都使用粘性摩擦系数的估计值，但是根据控制目的的不同，该估计值未必是最优值。例如，在以定位控制为目的的情况下，即使直接使用该估计值，定位整定时间也不为最短。对于该问题，现有技术并没有提供任何解决的手段。

专利文献1：日本特开平7-333084号公报

专利文献2：国际公开第2006/011203号

发明内容

本发明的电动机驱动装置是一边进行反馈控制一边驱动电动机使得实际动作跟随指令进行的电动机驱动装置。本电动机驱动装置具备：反馈控制部，其输出扭矩指令来进行反馈控制；以及粘性摩擦计算部，其将速度指令与粘性摩擦系数相乘来计算粘性摩擦扭矩补偿值。而且，本电动机驱动装置构成为根据将粘性摩擦扭矩补偿值与扭矩指令相加所得的驱动信号来驱动电动机。

另外，本电动机驱动装置还具备指令响应滤波部，该指令响应滤波部对位置指令进行平滑化，来生成滤波后位置指令。而且，构成为根据滤波后位置指令的差分来生成速度指令。

另外，本电动机驱动装置也可以构成为还具备：评价指标测定部，其被输入位置指令和电动机位置、或者位置指令和负载位置，测定过冲量、定位整定时间；以及伺服调整部，其改变粘性摩擦系数来多次进行定位动作，从而决定使过冲量为指定值或使定位整定时间为最小值的粘性摩擦系数。

根据本发明的电动机驱动装置，设为这样的结构，因此延迟比使用了电动机速度的现有的粘性摩擦补偿的延迟少，能够进行不受干扰影响的稳定的补偿。进而，在定位控制中，与直接应用粘性摩擦估计值的情况相比，能够缩短整定时间。

附图说明

图1A是本发明的实施方式一的电动机驱动装置的框图。

图1B是表示本发明的实施方式一的粘性摩擦计算部的结构例的框图。

图2是本发明的实施方式二的电动机驱动装置的框图。

图3是表示本发明的实施方式二的评价指标测定部的概念的图。

图4是本发明的实施方式二的伺服调整部执行的粘性摩擦的补偿处理的流程图。

图5是本发明的实施方式二的定位整定时波形的图。

图6是本发明的实施方式二的定位整定时波形(将纵轴放大)的图。

图7是本发明的实施方式二的定位整定时波形(将纵轴进一步放大)的图。

图8是本发明的实施方式三的伺服调整部的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

(实施方式一)

图1A是本发明的实施方式一的包含电动机驱动装置12的框图。

如图1A所示，在上位控制器11中为了指示位置而生成的位置指令Prc被输入到电动机驱动装置12。电动机驱动装置12根据位置指令Prc生成驱动信号Dd，利用驱动信号Dd来驱动电动机13。由此，控制电动机13的可动部的位置。编码器14检测这样控制的可动部的位置，作为电动机位置信息Pd而通知到电动机驱动装置12。

另外，在电动机驱动装置12中，指令响应滤波部21对被输入的位置指令Prc进行平滑化，输出滤波后的位置指令、即滤波后位置指令Prf。使用使高频带衰减的一次延迟滤波器、二次滤波器、或移动平均滤波器等来实现该平滑化。此外，也可以构成为对位置指令Prc的差分进行指令响应滤波处理，根据需要通过积和处理恢复为位置的维数。通过设为这样的结构，能够降低计算量。

将滤波后位置指令Prf与来自编码器14的电动机位置信息Pd进行比较，通过反馈控制部22根据它们的差即位置偏差dP生成扭矩指令Tr。该反馈控制部22能够考虑以PID(比例、积分、微分)控制为代表的各种控制结构。另外，存在不只根据位置偏差dP，还根据位置指令Prc或电动机位置信息Pd、以及作为其微分的速度/加速度的信息，设定位置/速度的串级回路结构、独立地设定指令响应和干扰响应的双自由度结构等各种变形。但是，作为任意一个的目的，在反馈控制部22生成使位置偏差接近0那样的扭矩指令Tr这一点上是共通的，电动机驱动装置12一边进行反馈控制一边驱动电动机使得实际动作跟随指令进行。此外，也可以设为具备检测与电动机13连接的负载的位置来代替来自编码器14的电动机位置信息Pd的未图示的外部标尺的完全闭合结构。由此，能够更高精度地计算外部标尺与位置指令之差即位置偏差。

接着，粘性摩擦计算部23使用被输入的滤波后位置指令Prf，生成并输出粘性摩擦扭矩补偿值tw。图1B是表示粘性摩擦计算部23的结构例的框图。如图1B所示，粘性摩擦计算部23通过速度指令计算部231首先计算位置指令Prf的时间上的差分，由此将位置指令Prf变换为速度指令Sr。即，速度指令计算部231通过对位置指令Prf的微分等，根据位置指令Prf的时间上的变化量计算速度指令Sr。然后，通过乘法器232将速度指令Sr乘以通过其它单元估计出的粘性摩擦系数Kw，由此生成并输出粘性摩擦扭矩补偿值tw。此外，粘性摩擦计算部23可以具备速度指令计算部231，但如上所述，指令响应滤波部21在根据差分进行计算的情况下能够利用该差分，能够省去速度指令计算部231。

在本实施方式中，不是根据实际的电动机速度，而是根据用于指示的速度指令Sr来生成粘性摩擦扭矩补偿值tw。并且，使用指令响应滤波部21的输出即位置指令Prf，来生成粘性摩擦扭矩补偿值tw。这样，在本实施方式中，使用了平滑化后的速度指令Sr，因此与被干扰扭矩、负载的共振特性干扰的电动机速度相比，粘性摩擦扭矩补偿值tw稳定。此外，通过对速度指令Sr设置不灵敏带、进而利用粘性摩擦计算部23实施滤波处理来平滑化等，还能够实现进一步的稳定化。

最后，将粘性摩擦扭矩补偿值tw加上扭矩指令Tr而作为驱动信号Dd，如上所述，粘性摩擦与电动机速度成比例地变化。对于这样的粘性摩擦，在本实施方式中，构成为将基于速度指令Sr的粘性摩擦扭矩补偿值tw包含在驱动信号Dd中，由此补偿实际的电动机13和所连接的负载中存在的粘性摩擦扭矩的量。通过设置这样的补偿的功能，与使用了电动机速度的粘性摩擦补偿相比延迟更少，能够进行不受干扰影响的稳定的补偿。

(实施方式二)

图2是本发明的实施方式二的包含电动机驱动装置32的框图。

在图2中，对与图1A相同的构成要素附加相同的附图标记，省略详细的说明。图2所示的实施方式二的电动机驱动装置32除了具备图1A的结构以外，还具备评价指标测定部24以及伺服调整部15。

评价指标测定部24将位置指令Prc和电动机位置信息Pd作为输入并输出评价指标。

另外，伺服调整部15变更粘性摩擦计算部23的粘性摩擦系数Kw，在每次进行定位动作时获取从评价指标测定部24得到的评价指标，来决定粘性摩擦系数Kw的最优值。

图3是表示本实施方式的评价指标测定部24的概念的图。

评价指标测定部24从伺服调整部15接收测定过冲量和定位整定时间这两个评价指标所需的控制信号Cnt和测定阈值Th。评价指标的定义、计算方法有多个，但在此如下定义。

关于定位整定时间，在来自上位控制器11的位置指令Prc停止后，测定位置指令Prf与电动机位置信息Dd之差即位置偏差dP，来作为处于从伺服调整部15赋予的定位完成范围以内所经过的时间。在一旦进入到定位完成范围内后，在脱离范围的情况下，将到最后处于定位完成范围内为止的时间定义为定位整定时间。

另外，选择位置偏差dP的最大/最小中的与位置指令Prc的方向相反方向的偏差，用其绝对值来定义过冲量。因而，在该定义中，过冲量必定是0以上的值。另外，在产生了多个过冲的情况下，绝对值最大的峰值成为过冲量。

图4是本实施方式的伺服调整部15所执行的粘性摩擦的补偿处理的流程图。

伺服调整部15在步骤1中对粘性摩擦计算部23设定粘性摩擦系数Kw的初始值。然后，在步骤2中执行定位动作。在定位动作完成时，在步骤3中评价指标测定部24计算过冲量。在步骤4中，判定定位动作是否进行了所需要的试行次数。在定位动作没有进行所需要的试行次数(否)的情况下，在步骤4-1中变更粘性摩擦系数Kw，并返回到步骤2。在步骤4中定位动作进行了所需要的试行次数(是)的情况下，转移到步骤5。然后，伺服调整部15在步骤5中，将各试行中的过冲量与指定值相比较，将粘性摩擦系数Kw决定为在过冲量为指定值以下且为最接近指定值的值的试行时的值。

这样，在本实施方式中，伺服调整部15决定如成为在过冲量为指定值以下且为最接近指定值的值的试行时的值那样的粘性摩擦系数Kw的最优值。然后，伺服调整部15将这样决定出的最优的粘性摩擦系数Kw设定到粘性摩擦计算部23。

图5～图7是表示本实施方式的定位整定时波形的波形图。

在该例子中，示出由以下结构得到的控制结果：通过时间参数为[2ms]的指令响应滤波部21对最高速度3000[转/分钟]＝50[转/s]的速度指令进行平滑化，还在反馈控制部22中，在以速度响应频率50[Hz]为代表的位置比例/速度比例积分控制中同时使用前馈控制。在图5和图6中，示出粘性摩擦计算部23的粘性摩擦系数Kw为0、粘性摩擦补偿无效的情况下的波形。

在图5中，用实线表示根据位置指令Prc的差分计算出的速度指令Sr[转/s]，用虚线表示根据电动机位置信息Pd的差分计算出的电动机速度Sd[转/s]。电动机速度Sd跟随通过指令响应滤波部21平滑化后的滤波后速度指令Prf，因此产生了延迟。对这些速度指令Sr与电动机速度Sd之差进行积分所得的结果为位置偏差dP[转]。

图6是对图5的纵轴进行了放大使得容易看到该位置偏差dP[转]的图。与速度指令Sr大致成比例地产生位置偏差dP。另外，根据实际存在的粘性摩擦扭矩，可知在定位整定时电动机速度Sd发生过冲。由此，虽然在该图中尚难以了解，但位置偏差dP也发生了过冲。

图7对图6进一步放大纵轴，并且对横轴的时间轴进行放大使得容易看到从0.105[s]的位置指令停止时间点ts到位置偏差dP进入到定位完成范围内为止的动作。另外，省略电动机速度Sd，并且叠加绘出了使粘性摩擦计算部23的粘性摩擦系数Kw从0开始变化时的位置偏差波形。从伺服调整部15赋予的定位完成范围为1/1000[转]，在图7中正好相当于一个刻度。

到图6为止相同的粘性摩擦补偿无效时的波形是最小的粘性摩擦系数Kw＝0的波形(虚线)。在该设定中，如图6所示，位置偏差dP虽然从正的值暂且进入到定位完成范围内，但在负方向上过冲而脱离定位完成范围。因此，定位整定时间为再次处于定位完成范围内的A点的时间点，耗费了38ms这样的非常长的时间。

在大到粘性摩擦系数Kw＝5(虚线)时，过冲量变小，定位整定时间也变短。

在粘性摩擦系数Kw＝8(实线)时，过冲量首次未超出定位完成范围。此时，定位偏差dP在负侧没有超出定位完成范围，因此定位整定时间移动到正方向的B点，定位整定时间急剧缩短为4ms。

粘性摩擦系数Kw＝10(短划线)是最接近控制对象的粘性摩擦系数估计值的值，但此时的定位整定时间在C点为6ms，与Kw＝8相比慢大致2ms。而且，在粘性摩擦系数Kw大到12、15、20(全部为短划线)时，定位整定时间再次延迟。

根据以上的见解可知，通过将图4的步骤5中的过冲量的指定值设为定位完成范围，能够使定位动作的整定时间为最短。在实际的运用中，位置指令的动作模式、定位完成范围各种各样地不同，粘性摩擦系数的最优值也不同。通过对其进行搜索，能够发现适于各动作的设定值。

此外，在定位动作中，通常不希望过冲量超出定位完成范围，因此如果考虑到该点，则优选使上述指定值有所富余。另外，还优选多次执行基于相同的粘性摩擦系数的定位动作，来取得过冲量的平均值，从而抑制测定偏差的影响。进一步地，还优选取得过冲量的最大值，作为考虑到偏差的富余的替代。

在步骤1中的粘性摩擦系数Kw的初始值的选择中，优选使用估计粘性摩擦的各种算法的估计结果。例如，如果使用以电动机速度和扭矩指令为输入的最小二乘法，则能够容易地估计粘性摩擦系数。另外，通过观测动作波形，也能够通过将从加速开始时间点到加速完成时间点为止的扭矩指令变化除以电动机速度变化来估计粘性摩擦系数。

在本实施方式中，利用从上位控制器11赋予的位置指令Prc来执行步骤2的定位动作，但只要是内置有位置指令生成部的电动机驱动装置12，当然是自己制作该指令更容易进行定位动作、评价指标测定的控制。

在步骤4-1的粘性摩擦系数的变更中，除了如上述的例子那样以估计值Kw＝10为中心分配从0到估计值的2倍的20为止之类的方法以外，也能够考虑从最初起以固定的刻度值使粘性摩擦系数从0开始变化、或者使用二分搜索来搜索粘性摩擦系数等各种搜索方法。

(实施方式三)

图8是实施方式三的伺服调整部15所执行的粘性摩擦的补偿处理的流程图。

关于步骤1、2、4、4-1，与图4相同，但在本实施方式中，在步骤3中，评价指标测定部24测定定位整定时间。另外，在执行试行次数后，在步骤5中输出使定位整定时间最小的粘性摩擦系数Kw。

这样，在本实施方式中，伺服调整部15决定使定位整定时间最小那样的粘性摩擦系数Kw的最优值。然后，伺服调整部15将这样决定出的最优的粘性摩擦系数Kw设定到粘性摩擦计算部23。

在该方法中，与图7的定位整定时间的变化相配合地看时可知，也选择与实施方式二相同的粘性摩擦系数Kw＝8。该方法的优点在于，在存在低频带的共振点的情况等下位置偏差成为振动性的，在过冲量未收敛于定位完成范围内的情况下，也能够计算以定位整定时间为基准的最优值。因而，也优选与实施方式二的方法同时使用。

以上，本发明的电动机驱动装置通过进行使用了平滑化后的速度指令的粘性摩擦补偿，使延迟比使用了电动机速度的粘性摩擦补偿的延迟少，能够进行不受干扰影响的稳定的补偿。另外，在定位控制中，与直接应用粘性摩擦估计值的情况相比，能够缩短整定时间。

此外，对于在本发明中所述的伺服调整部15，在各实施方式中列举了设置于电动机驱动装置的内部的一个例子进行了说明，但即使将全部功能设置于电动机驱动装置的外部，也完全不妨碍发明的效果。

产业上的可利用性

本发明的电动机驱动装置在伺服电动机的控制中能够进行适当的粘性摩擦补偿，因此作为控制伺服电动机的电动机驱动装置是有用的。

附图标记说明

11：上位控制器；12、32：电动机驱动装置；13：电动机；14：编码器；15：伺服调整部；21：指令响应滤波部；22：反馈控制部；23：粘性摩擦计算部；24：评价指标测定部。

Claims (4)

1.一种电动机驱动装置，一边进行反馈控制一边驱动电动机使得实际动作跟随用于指示位置的位置指令进行，来执行定位动作，该电动机驱动装置的特征在于，具备：

反馈控制部，其根据作为上述位置指令与检测出的位置信息之差的位置偏差来生成扭矩指令，输出上述扭矩指令来进行上述反馈控制；

粘性摩擦计算部，其根据上述位置指令的时间上的差分来计算速度指令，将上述速度指令与粘性摩擦系数相乘来计算粘性摩擦扭矩补偿值，

评价指标测定部，其在上述定位动作中测定直到定位完成为止的上述位置偏差的评价指标；

伺服调整部，其根据从上述评价指标测定部通知的上述评价指标来决定上述粘性摩擦系数的最优值，将所决定的上述粘性摩擦系数的最优值设定到上述粘性摩擦计算部；以及

加法器，其将上述粘性摩擦扭矩补偿值与上述扭矩指令相加，作为驱动上述电动机的驱动信号而进行输出，

其中，上述伺服调整部改变上述粘性摩擦系数来多次进行定位动作，并且在每次进行上述定位动作时从上述评价指标测定部获取上述评价指标，

上述伺服调整部将获取到的上述评价指标成为预先决定的位置偏差的指定值时的上述粘性摩擦系数决定为上述最优值。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

上述电动机驱动装置还具备指令响应滤波部，该指令响应滤波部对上述位置指令进行平滑化，来生成滤波后位置指令，

上述电动机驱动装置根据上述滤波后位置指令的差分来生成上述速度指令。

3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

用于决定上述粘性摩擦系数的最优值的上述位置偏差的评价指标是直到定位完成为止的上述位置偏差的过冲量。

4.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

用于决定上述粘性摩擦系数的最优值的上述位置偏差的评价指标是直到定位完成为止的上述位置偏差的整定时间，

上述伺服调整部将作为上述指定值的整定时间为最小时的上述粘性摩擦系数决定为上述最优值。