CN105932920B - 电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机控制装置，包括：补偿数据存储部，存储与齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的数据；以及干扰观测器，计算与电动机的位置对应的齿槽转矩推断值，并根据计算出的齿槽转矩推断值进行干扰抑制补偿。这样，可以抑制摩擦等的影响并减少电动机的速度波动和转矩波动。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及进行电动机的干扰的推断和抑制的电动机控制装置。

背景技术

出于精细加工等的要求，机床需要保持较高的加工品质。因此，电动机驱动需要高精度化。此外，为缩短循环时间，需要缩短定位时间。

另一方面，电动机还需要小型化。将电动机小型化时，由于电动机结构的制约，有时齿槽转矩变大。由这种齿槽转矩引起的转矩波动，在加工时成为干扰。由齿槽转矩引起的转矩波动，会使被加工物的表面精度降低，或在定位时成为干扰而产生位置偏差的变动。由于所述位置偏差的变动会推迟定位时间，所以机械的循环时间被延长。此外，机械系统中存在摩擦。这种摩擦也成为加工精度降低或定位延迟的主要原因。

图5是抑制这种干扰的现有干扰观测器的结构图。现有干扰观测器根据转矩指令和电动机速度，利用低通滤波器推断负载转矩。可是，为了以微分计算来去除噪声而插入的低通滤波器，会引起推断值的衰减和相位偏移。因此，难以适当补偿转矩波动。

日本专利公开公报特开平4-69082号记述了这种干扰观测器的高响应化的示例。日本专利公开公报特开平4-69082号记述的伺服电动机控制装置，具备推断干扰转矩的观测器，以及用推断的干扰转矩修正转矩指令的修正单元。上述观测器以在时间上一定的干扰转矩、借助低通滤波器施加于伺服电动机为前提。上述修正单元利用通过上述观测器求出的推断干扰转矩修正转矩指令。

这里，实际的编码器由于存在分辨率的制约，所以存在量子化误差。因此，日本专利公开公报特开平4-69082号的方法存在以下的问题。即，通过观测器推断的干扰转矩的高频增益上升。因此，编码器的量子化误差引起的波动，出现在推断干扰转矩中。特别是当编码器的分辨率低的情况下，推断干扰转矩的噪声变大。

发明内容

鉴于上述问题，发明了本发明。本发明的目的是提供下述的电动机控制装置。所述电动机控制装置在抑制编码器的量子化误差的影响的同时，推断电动机的包含齿槽转矩的干扰转矩，并进行干扰抑制补偿。这样，可以抑制摩擦的影响并减少电动机的速度波动和转矩波动。

本发明的一个方式的电动机控制装置(本电动机控制装置)，包括：补偿数据存储部，存储与齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的数据；以及干扰观测器，计算与电动机的位置对应的齿槽转矩推断值，并根据计算出的齿槽转矩推断值进行干扰抑制补偿，所述干扰观测器由基于下述公式的等效电路构成，TD＾＝gd/(s+gd)[Tcmd-Jn{ωm+TR＾/(Jn·s)·s}]+TR＾其中，TD＾：全干扰转矩推断值，TR＾：齿槽转矩推断值，Jn：惯性额定值，ωm：电动机速度，Tcmd：转矩指令，gd：低通滤波器的截止频率。

按照本电动机控制装置，可以在抑制编码器的量子化误差的影响的同时，推断电动机的包含齿槽转矩和转矩波动的干扰转矩。通过利用所述干扰观测器进行干扰抑制补偿，可以抑制摩擦等的影响并减少电动机的速度波动和转矩波动。

附图说明

图1表示本发明的一个实施方式的电动机控制装置的结构的一例。

图2表示上述电动机控制装置具备的干扰观测器的结构的一例。

图3表示上述电动机控制装置具备的干扰观测器应用的速度控制系统的结构的一例。

图4表示干扰抑制补偿的模拟结果。

图5表示现有干扰观测器的结构。

附图标记说明

1 电动机控制装置

2 电动机

3 编码器

4 速度控制器

5 转矩控制器

10 干扰观测器

11 补偿数据存储部

12 第一速度计算器

13 速度计算器

14 第一乘法器

15 低通滤波器

16 第二乘法器

100 齿槽转矩推断值计算部

200 第一速度计算部

300 第二速度计算部

400 干扰转矩推断值计算部

500 全干扰转矩计算部

具体实施方式

在下面的详细说明中，出于说明的目的，为了提供对所公开的实施方式的彻底的理解，提出了许多具体的细节。然而，显然可以在没有这些具体细节的前提下实施一个或更多的实施方式。在其它的情况下，为了简化制图，示意性地示出了公知的结构和装置。

如图1所示，本实施方式的电动机控制装置1具备补偿数据存储部11和干扰观测器10。补偿数据存储部11存储与电动机2的位置对应的齿槽转矩的数据(齿槽转矩数据)，作为用于抑制由齿槽转矩引起的电动机2的转矩变动的数据。

干扰观测器10取得电动机2的位置。干扰观测器10根据补偿数据存储部11中存储的齿槽转矩数据，从取得的电动机的位置计算齿槽转矩推断值。而且，干扰观测器10根据计算出的齿槽转矩推断值，进行干扰抑制补偿。此外，电动机控制装置1具备速度控制器4、转矩控制器5和速度计算器13。对此，将在后面利用图3进行描述。

干扰观测器10具备：齿槽转矩推断值计算部100；第一速度计算部200；第二速度计算部300；干扰转矩推断值计算部400；全干扰转矩计算部500。齿槽转矩推断值计算部100计算齿槽转矩推断值。第一速度计算部200利用额定惯性计算第一速度。第二速度计算部300计算去除齿槽转矩推断值的第二速度。干扰转矩推断值计算部400计算去除齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值。全干扰转矩计算部500计算全干扰转矩。

齿槽转矩推断值计算部100具有补偿数据存储部11。齿槽转矩推断值计算部100根据齿槽转矩数据，计算齿槽转矩推断值。即，齿槽转矩推断值计算部100取得由编码器3检测出的电动机位置。齿槽转矩推断值计算部100根据补偿数据存储部11中存储的齿槽转矩数据，从取得的电动机位置计算齿槽转矩推断值。即，齿槽转矩推断值计算部100根据齿槽转矩数据和电动机位置，计算齿槽转矩推断值。齿槽转矩推断值计算部100将计算出的齿槽转矩推断值，向第一速度计算部200和全干扰转矩计算部500输出。

第一速度计算部200取得由齿槽转矩推断值计算部100计算出的齿槽转矩推断值，并根据取得的齿槽转矩推断值，利用额定惯性计算第一速度。第一速度计算部200将计算出的第一速度，向第二速度计算部300输出。

第二速度计算部300取得由速度计算器13计算出的电动机速度以及由第一速度计算部200计算出的第一速度。第二速度计算部300通过从电动机速度减去第一速度，计算去除齿槽转矩推断值的第二速度。第二速度计算部300把计算出的第二速度向干扰转矩推断值计算部400输出。

干扰转矩推断值计算部400根据第二速度，计算去除齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值。即，干扰转矩推断值计算部400取得转矩指令和由第二速度计算部300计算出的第二速度。干扰转矩推断值计算部400根据转矩指令和第二速度，计算去除齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值。干扰转矩推断值计算部400将计算出的干扰转矩推断值向全干扰转矩计算部500输出。

全干扰转矩计算部500取得由干扰转矩推断值计算部400计算出的干扰转矩推断值，以及由齿槽转矩推断值计算部100计算出的齿槽转矩推断值。全干扰转矩计算部500通过将干扰转矩推断值和齿槽转矩推断值相加，计算全干扰转矩，并且将计算出的全干扰转矩进行反馈。

另外，在本实施方式中，补偿数据存储部11配置在干扰观测器10一侧。干扰观测器10只要具备齿槽转矩推断值计算部100即可。因此，补偿数据存储部11可以配置在编码器3一侧。

接着，说明补偿数据存储部11和干扰观测器10的具体结构的一例。

首先，电动机控制装置1通过电动机的运动方程式，使以下的公式(1)和公式(2)成立。

Jnωm·s＝Tcmd-TD＝Tcmd-TL-TR…(1)

TL＝Tcmd-Jn{ωm+TR/(Jn·s)}·s…(2)

因此，在公式(2)中，设齿槽转矩成分推断值为TR＾，其他成分推断值为TL＾，则全干扰转矩推断值TD＾能用下述公式推断。

TD＾＝TL＾+TR＾＝gd/(s+gd)[Tcmd-Jn{ωm+TR＾/(Jn·s)·s}]+TR＾··(3)

其中，Jn：惯性额定值，ωm：电动机速度，Tcmd：转矩指令，gd：低通滤波器的截止频率。

通过采用上述公式(3)，可以构成对补偿数据存储部11中存储的齿槽转矩数据、以及瞬时的干扰推断两者进行补偿的干扰观测器10。

图2表示基于上述公式(3)的、电动机控制装置1上具备的干扰观测器10的结构的一例。

这里，上述补偿数据存储部11中存储的齿槽转矩数据是预先测量和存储的、与电动机位置对应的齿槽转矩的数据。

如图2所示，干扰观测器10根据由编码器3检测出的电动机位置，使用补偿数据存储部11中存储的齿槽转矩数据，求出齿槽转矩推断值a1。干扰观测器10利用第一速度计算器12，使用额定惯性计算基于齿槽转矩推断值的第一速度a2。

接着，干扰观测器10使用速度计算器13，从电动机位置求出电动机速度a3。干扰观测器10通过从电动机速度a3减去基于齿槽转矩推断值的第一速度a2，计算去除齿槽转矩推断值的第二速度a4。

而后，干扰观测器10将转矩指令Tcmd和值a5相加，所述值a5通过将去除齿槽转矩推断值的第二速度a4使用第一乘法器14乘以gd·Jn倍得到。干扰观测器10使这个相加值通过gd/(s+gd)的低通滤波器15计算值a6。干扰观测器10从所述值a6减去值a7，所述值a7通过将去除齿槽转矩推断值的第二速度a4使用第二乘法器16乘以gd·Jn倍得到。这样，干扰观测器10计算出去除齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值a8。

最后，干扰观测器10通过将去除所述齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值a8与齿槽转矩推断值a1相加，推断全干扰转矩TD＾。

另外，干扰观测器10可以由基于上述公式(3)的等效电路构成。低通滤波器可以由二阶滤波器等一阶以外的滤波器构成。

图3表示电动机控制装置1具备的干扰观测器10应用的速度控制系统的结构的一例。

电动机控制装置1利用编码器3检测电动机位置。电动机控制装置1通过由速度计算器13对电动机位置进行微分，计算电动机速度。

接着，电动机控制装置1比较速度指令和电动机速度(从速度指令减去电动机速度)。而后，电动机控制装置1利用这个减法运算结果，由速度控制器4计算基于速度控制的转矩指令。

而后，电动机控制装置1在计算出的基于速度控制的转矩指令上，加上由干扰观测器10推断的全干扰转矩TD＾。这样，电动机控制装置1计算出干扰抑制补偿后的转矩指令Tcmd(补偿了干扰抑制的转矩指令Tcmd)。电动机控制装置1使用干扰抑制补偿后的转矩指令Tcmd，由转矩控制器5驱动电动机2。

这样，根据电动机2的电动机速度，利用图2所示的干扰观测器10，推断全干扰转矩TD＾。使用从干扰观测器10的输出，可以实施干扰抑制补偿。

另外，在位置控制的情况下，电动机控制装置1可以通过如下动作，控制电动机的位置。即，电动机控制装置1比较由编码器3检测出的位置和位置指令(计算它们的差)。电动机控制装置1根据比较结果(计算结果)，由位置控制器计算速度指令。进而，电动机控制装置1将计算出的速度指令作为图3的速度指令而提供。

图4表示干扰抑制补偿的模拟结果。

图4的上层表示电动机的速度的响应。图4的下层表示电动机的转矩的响应。此外，0～0.5sec的波形，表示不应用干扰观测器时(不实施补偿时)的响应。0.5～1.0sec的波形，表示应用图5所示的现有干扰观测器时的响应。1.0～1.5sec的波形，表示应用本实施方式的干扰观测器10时的响应。

由图4可知，通过应用本实施方式的干扰观测器10，可以使速度波动和转矩波动大幅降低。

这样，本实施方式的电动机控制装置1，组合了用于补偿转矩波动的补偿数据存储部11和进行瞬时的干扰推断的干扰观测器10两者。这样，进行适当的瞬时的干扰推断。而且，可以适当进行使用所述推断值的干扰抑制补偿。

另外，本实施方式的补偿数据存储部11中，作为与齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的数据，存储有预先测量的与电动机位置对应的齿槽转矩的数据(齿槽转矩数据)。作为与齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的数据，可以存储m个(m为2以上的自然数)正弦波的频率、振幅和相位的数据。此时，干扰观测器10根据补偿数据存储部11中存储的m个频率、振幅和相位，作成m个正弦波。干扰观测器10通过将这些相加，生成合成正弦波信号。干扰观测器10根据所述合成正弦波信号，能求出与电动机位置对应的齿槽转矩推断值。

干扰观测器10根据补偿数据存储部11从输入的电动机的位置计算齿槽转矩推断值，并根据算出的齿槽转矩推断值进行干扰抑制补偿。齿槽转矩推断值计算部100可以具有补偿数据存储部11，也可以输入由编码器3检测出的电动机位置，根据补偿数据存储部11从输入的电动机位置计算齿槽转矩推断值，并将计算出的齿槽转矩推断值向第一速度计算部200和全干扰转矩计算部500输出。

第一速度计算部200输入由齿槽转矩推断值计算部100计算的齿槽转矩推断值，从输入的齿槽转矩推断值利用额定惯性计算第一速度，并将计算出的第一速度向第二速度计算部300输出。

干扰观测器10的结构可以由基于上述公式(3)的等效电路构成，低通滤波器可以由二阶等一阶以外的滤波器构成。

通过采用上述公式(3)，可以构成对补偿数据存储部11和瞬时的干扰推断两者进行补偿的干扰观测器10。

干扰观测器10可以根据由编码器3检测出的电动机位置，并使用补偿数据存储部11求出齿槽转矩推断值a1。

另外，在位置控制的情况下，可以以由编码器3检测出的位置为基础和位置指令进行比较，由位置控制器计算速度指令，并作为图3的速度指令提供，以控制电动机的位置。

全干扰转矩计算部500可以是全干扰转矩推断值计算部。

本实施方式的电动机控制装置可以是以下的第一～第四电动机控制装置。

第一电动机控制装置包括干扰观测器，所述干扰观测器从存储与电动机的齿槽转矩引起的转矩变动对应的数据的补偿数据存储部，计算与电动机的位置对应的齿槽转矩推断值，并根据计算出的齿槽转矩推断值进行干扰抑制补偿。

第二电动机控制装置在第一电动机控制装置的基础上，所述干扰观测器包括：齿槽转矩推断值计算部，从所述补偿数据存储部计算齿槽转矩推断值；第一速度计算部，根据由所述齿槽转矩推断值计算部计算出的齿槽转矩推断值，利用额定惯性计算第一速度；第二速度计算部，通过从电动机速度减去由所述第一速度计算部计算出的所述第一速度，计算去除齿槽转矩推断值的第二速度；干扰转矩推断值计算部，根据由所述第二速度计算部计算出的第二速度，计算去除齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值；以及全干扰转矩计算部，通过把由所述干扰转矩推断值计算部计算出的干扰转矩推断值与由所述齿槽转矩推断值计算部计算出的齿槽转矩推断值相加，计算全干扰转矩。

第三电动机控制装置在第一或第二电动机控制装置的基础上，所述干扰观测器由基于下述公式的等效电路构成，

TD＾＝gd/(s+gd)[Tcmd-Jn{ωm+TR＾/(Jn·s)·s}]+TR＾

其中，TD＾：全干扰转矩推断值，TR＾：齿槽转矩推断值，Jn：惯性额定值，ωm：电动机速度，Tcmd：转矩指令，gd：低通滤波器的截止频率。

第四电动机控制装置包括：补偿数据存储部，存储与电动机的齿槽转矩引起的转矩变动对应的数据；以及干扰观测器，从补偿数据存储部计算齿槽转矩推断值，并根据计算出的齿槽转矩推断值进行干扰抑制补偿。

按照第一～第四电动机控制装置，可以提供不受编码器的量子化误差的影响地推断包含电动机的齿槽转矩和转矩波动的干扰转矩，通过使用所述干扰观测器进行干扰抑制补偿，能够抑制摩擦等的影响，从而能够减少电动机的速度波动和转矩波动的电动机控制装置。

出于示例和说明的目的已经给出了所述详细的说明。根据上面的教导，许多变形和改变都是可能的。所述的详细说明并非没有遗漏或者旨在限制在这里说明的主题。尽管已经通过文字以特有的结构特征和/或方法过程对所述主题进行了说明，但应当理解的是，权利要求书中所限定的主题不是必须限于所述的具体特征或者具体过程。更确切地说，将所述的具体特征和具体过程作为实施权利要求书的示例进行了说明。

Claims (6)

1.一种电动机控制装置，其特征在于包括：

补偿数据存储部，存储与齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的数据；以及

干扰观测器，计算与电动机的位置对应的齿槽转矩推断值，并根据计算出的齿槽转矩推断值进行干扰抑制补偿，

所述干扰观测器由基于下述公式的等效电路构成，

TD＾＝gd/(s+gd)[Tcmd-Jn{ωm+TR＾/(Jn·s)·s}]+TR＾

其中，TD＾：全干扰转矩推断值，TR＾：齿槽转矩推断值，Jn：惯性额定值，ωm：电动机速度，Tcmd：转矩指令，gd：低通滤波器的截止频率。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述干扰观测器根据与所述齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的所述数据，计算与所述电动机的位置对应的齿槽转矩推断值。

3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述干扰观测器包括：

齿槽转矩推断值计算部，从所述补偿数据存储部中存储的与所述齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的所述数据，计算齿槽转矩推断值；

第一速度计算部，根据由所述齿槽转矩推断值计算部计算出的齿槽转矩推断值，利用额定惯性计算第一速度；

第二速度计算部，通过从电动机速度减去由所述第一速度计算部计算出的所述第一速度，计算去除齿槽转矩推断值的第二速度；

干扰转矩推断值计算部，根据由所述第二速度计算部计算出的所述第二速度，计算去除所述齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值；以及

全干扰转矩计算部，通过把由所述干扰转矩推断值计算部计算出的所述干扰转矩推断值与由所述齿槽转矩推断值计算部计算出的所述齿槽转矩推断值相加，计算全干扰转矩。

4.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述干扰观测器包括：

齿槽转矩推断值计算部，从所述补偿数据存储部中存储的与所述齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的所述数据，计算齿槽转矩推断值；

第一速度计算部，根据由所述齿槽转矩推断值计算部计算出的齿槽转矩推断值，利用额定惯性计算第一速度；

第二速度计算部，通过从电动机速度减去由所述第一速度计算部计算出的所述第一速度，计算去除齿槽转矩推断值的第二速度；

干扰转矩推断值计算部，根据由所述第二速度计算部计算出的所述第二速度，计算去除所述齿槽转矩推断值的干扰转矩推断值；以及

全干扰转矩计算部，通过把由所述干扰转矩推断值计算部计算出的所述干扰转矩推断值与由所述齿槽转矩推断值计算部计算出的所述齿槽转矩推断值相加，计算全干扰转矩。

5.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，所述齿槽转矩推断值计算部根据所述补偿数据存储部中存储的与所述齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的所述数据和所述电动机的位置，计算所述齿槽转矩推断值。

6.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于，所述齿槽转矩推断值计算部根据所述补偿数据存储部中存储的与所述齿槽转矩引起的电动机的转矩变动对应的所述数据和所述电动机的位置，计算所述齿槽转矩推断值。

Images