CN1071065C - 机械振动检测装置及制振控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种易调节、能够高精度检测机械振动的机械振动检测装置和能够减小机械振动的制振控制装置。

在控制电机转矩的电机控制装置中，包括如下单元：该单元由等效钢性模机103、比例运算单元104和高通滤波器105构成，将转矩信号和上述比例运算装置的输出相加后输入到上述等效刚性模机中，从上述电机控制装置的速度信号中减去上述等效刚性模机的输出并将由此得到的差信号输入到上述比例运算单元和高通滤波器，将上述高通滤波器的输出作为机构振动信号。

Description

机械振动检测装置及制振控制装置

技术领域

本发明涉及具有机械振动检测装置的电机控制装置，其中机械振动检测装置检测电机驱动机构的振动。

技术背景

作为电机控制系统中的机械振动检测装置和制振控制装置，有本发明人在特愿平6-127859中提案的装置。在该现有技术中，包括电机在内的机械系统被分为等效刚性系统和机械振动系统，由基于等效刚性系统的模机的观测器对机械振动进行高速地推算，从而完成制振控制。

然而，在该现有技术中，构成了将等效刚性系统的角速度和阶状转矩干扰分别作为状态变量的二次观测器。为了实现机械振动检测装置，除等效刚性模机和比例换算单元外，还需要积分运算单元。由于需要设定两个观测器的参数，同时机械振动信号的相位随参数的设定值而变化很大，所以，存在着难以进行参数调整的不足之处。

发明的公开

因此，本发明的目的在于提供一种易调节、能够高精度检测机械振动的机械振动检测装置和能够减小机械振动的制振控制装置。

为解决上述问题，有关本发明的第一方面，在控制电机转矩的电机控制装置中，包括：等效刚性模机；比例运算单元；高通滤波器；以及将上述电机控制装置的转矩信号和上述比例运算单元的输出相加后输入上述等效刚性模机、同时将上述电机控制装置的速度信号减去上述等效刚性模机的输出后所得的差信号输入上述比例运算单元和上述高通滤波器、将上述高通滤波器的输出作为机械振动信号的单元。

有关本发明的第二方面，在控制电机转矩的电机控制装置中，包括：等效刚性模机；比例运算单元；高通滤波器；调相器；调幅器；以及将上述电机控制装置的转矩信号和上述比例运算装置的输出相加后输入上述等效刚性模机、将上述电机控制装置的速度信号减去上述等效刚性模机的输出后所得的差信号输入上述比例运算单元和上述高通滤波器、将上述高通滤波器的输出输入到上述调相器、将上述调相器的输出输入到上述调幅器、在传送到上述电机控制装置的转矩指令上加上上述调幅器的输出并将由此得到的信号作为新的转矩指令的单元。

有关本发明的第三方面，在控制电机角速度的电机控制装置中，包括：等效刚性模机；比例运算单元；高通滤波器；调相器；调幅器；以及将上述电机控制装置的转矩信号与上述比例运算装置的输出相加后输入上述等效刚性模机、同时将上述电机控制装置的速度信号减去上述等效刚性模机的输出后所得的差信号输入上述比例运算单元和上述高通滤波器、将上述高通滤波器的输出输入到上述调相器、将上述调相器的输出输入到上述调幅器、在传送到上述电机控制装置的速度指令上加上上述调幅器的输出并将由此得到的信号作为新的速度指令的单元。

利用上述单元，可以形成一次等效刚性观测器，从而使积分单元减少了一个，扩大了使系统稳定的参数城。另外，由于观测器的参数变成了一个，同时该参数对机械振动信号相位的敏感度降低，所以，容易进行参数调整。

如上所述，根据本发明，构成了设定参数少且其设定范围宽的等效刚体观测器，所以，具有能够实现调整容易且能以高精度检测机械振动的机械振动检测装置和能够实现减少机械振动的制振控制装置的效果。

附图的简单说明

图1表示本发明的第1实施例的图。图2是说明共振机构的一例的说明图。图3是表示本发明的第二实施例的图。图4是表示本发明的第三实施例的图。

用于实施发明的最佳方式

下面说明本发明的具体实施例。

说明图1所示的本发明机械振动检测装置的第一实施例。图中，块102是包括等效刚性模机103、比例运算单元104、高通滤波器105的机械振动检测装置。输入电机转矩信号τ和电机速度信号(这里使用电机角速度Vm)，输出机械振动信号。块101表示带有机械共振系统的机械(包括电机)。

下面说明机械振动信号的检测原理。机械系统101的传递函数采用在特愿平6-127859中提出的近似法时，能够分割成等效刚体系统G₁(S)和机械共振系统G₂(S)。

$G_1\left(s\right)=\frac{7}{s+D_o}---\left(1\right)$ $G_2\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2}{{\mathrm{\ω}}_a^2}\·\frac{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{Q_2}s+{\mathrm{\ω}}_a^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}s+{\mathrm{\ω}}_r^2}----\left(2\right)$ 式中，γ是等效刚体系统的惯性矩的倒数；D_o/γ是等效刚性系统的粘性摩擦系数。另外，ω_r和ω_a是机械共振系统的共振频率与反共振频率。

首先说明本发明的原理。图1中，虚线所围的块101表示伴有机械共振现象的机械(包括电机)，点划线所围的块102表示本发明的机械振动检测装置。作为机构的一例，参照图2所示的2惯性扭转共振系统。图中的机械系统的运动方程式为： $J_m{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_m+K({\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_L)+(D_m+D_T){\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_m-D_T{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_L=u_1---\left(3a\right)$ $J_L{\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}}_L+K({\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_L)+(D_L+D_T){\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_L-D_T{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_L=0---\left(3b\right)$ 式中：

θ_m：电机轴的角度               [rad]

θ_L：负载轴角度                 [rad]

δθ：等效线形板簧的扭转角      [rad]

J_m：电机轴侧的惯性矩            [Kgm²]

J_L：负载轴侧的惯性矩(电机轴换算)[Kgm²]

K：等效线形板簧的板簧常数      [Nm/rad]

D_m：电机轴的粘性摩擦系数      [Nm/(rad/s)]

D_L：负载轴的粘性摩擦系数      [Nm/(rad/s)]

D_T：等效线形板簧系统的等效粘性摩擦系数    [Nm/(rad/s)]

u_l：电机轴的发生转矩             [Nm]

这里，状态变量为 $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{X}_1\left(t\right)\\ X_2\left(t\right)\\ X_3\left(t\right)\\ X_4\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)\\ {\mathrm{\θ}}_L\left(t\right)\\ {\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_m\left(t\right)\\ {\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_L\left(t\right)\end{array}\right]---\left(4a\right)$ 观测输出(电动机的角速度)为 $y\left(t\right)={\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_m\left(t\right)=X_3\left(t\right)=\[0010\]X\left(t\right)$ (4b) 时，由式(1a)、(1b)可得，状态方程式为 $\stackrel{.}{x}\left(t\right)=\mathrm{Ax}\left(t\right)+\mathrm{bu}\left(t\right)---\left(5a\right)$                         (5b)其中， $A=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ -\frac{K}{J_m}& \frac{K}{J_m}& -\frac{D_m+D_T}{J_m}& \frac{D_T}{J_m}\\ \frac{K}{J_L}& -\frac{K}{J_L}& \frac{D_T}{J_L}& -\frac{D_L+D_T}{J_L}\end{array}\right]$ $b=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -\frac{1}{J_m}\\ 0\end{array}\right]$ c=[0010]                          (6)从电动机发生的转矩到电动机的角速度为止的传递函数为G(S)= $C{(\mathrm{SI}-A)}^{-1}b=\mathrm{Gs}\left(S\right)=\frac{1}{\mathrm{Jm}}\frac{S^2+\frac{D_L+D_T}{J_L}S+\frac{K}{J_L}}{P\left(s\right)}\left(7\right)$ 其中，特性方程式P(s)为 $P\left(s\right)=s^3+(\frac{D_m}{J_m}+\frac{D_T}{J_m}+\frac{D_L}{J_L}+\frac{D_T}{J_L})s^2+$ $(\frac{K}{J_m}+\frac{K}{J_L}+\frac{D_m}{J_m}\frac{D_T}{J_L}+\frac{D_m}{J_m}\frac{D_T}{J_L}+\frac{D_m}{J_m}\frac{D_T}{J_L})s+\frac{K(D_m+D_L)}{J_m{J}_L}$ (8)由于式(8)组合了电动机参数和机械共振系统的参数，将表达式因数分解为一次式和二次式的因数分解是非常困难的。这样，表达式的物理意义不明确，得到了必须对控制系统整体进行的状态观测器。

在本发明中，对式(8)进行如下表述： $D_o=\frac{D_m+D_L}{(1+\mathrm{\α})J_m}\frac{1}{1+\frac{D_m{D}_T+D_L{D}_T+D_m{D}_L}{(1+\mathrm{\α})J_{m}K}}----\left(9a\right)$ $\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}=\frac{1}{J_m}(D_m+\frac{1}{\mathrm{\α}}{D}_L+\frac{1+\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}{D}_T)-D_o---\left(9b\right)$ ${\mathrm{\ω}}_r^2=\frac{(1+\mathrm{\α})K}{\mathrm{\α}{J}_m}\[1+\frac{D_m{D}_T+D_L{D}_T+D_m{D}_L}{(1+\mathrm{\α})J_{m}K}\]---\left(9c\right)$ 其中，α是电机的负载惯性矩之比。α=J_L/J_m              (10)如果使用(9a)～(9c)来表示式(8)的话，P(s)=s³+((ω_r/Q_r)+Do)s²+ω_r ²s+ω_r ²D_o    (11)这里，重新设定 $\tilde{P}\left(s\right)=(s+D_o)(s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}s+{\mathrm{\ω}}_r^2)----\left(12a\right)$ $=s^3+(\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}+D_o)s^2+(1+\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\ω}}_r^{2}s+{\mathrm{\ω}}_r^2{D}_o\left(12b\right)$ 其中，在式(12b)中，设定ε=(l/Q_r)(D_o/ω_r)。从式(11)和(12b)可以看出，当ε=0时， $P\left(s\right)=\tilde{P}\left(s\right)$ 。所以， $\tilde{p}\left(s\right)$ 是P(s)的近似式，ε表示近似误差。由式(13)可知，Q_r越大，近似误差ε越小。例如，Q_r＞10、ω_r＞10Do时，ε＜0.01。

通过设定式(9a)～(9c)，特性方程式P(s)能够用式(12a)、(12b)的 $\tilde{p}\left(s\right)$ 来近似。 $P\left(s\right)=s^3+(\frac{D_m}{J_m}+\frac{D_T}{J_m}+\frac{D_L}{J_L}+\frac{D_T}{J_L})s^2+$ $(\frac{K}{J_m}+\frac{K}{J_L}+\frac{D_m}{J_m}\frac{D_T}{J_L}+\frac{D_m}{J_m}\frac{D_T}{J_L}+\frac{D_m}{J_m}\frac{D_T}{J_L})s+\frac{K(D_m+D_L)}{J_m{J}_L}$ $=(s+D_o)(s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}s+{\mathrm{\ω}}_r^2)---\left(14\right)$ 这里，在式(7)中， ${\mathrm{\ω}}_a^2=\frac{K}{J_L}=\frac{K}{\mathrm{\α}{J}_m}----\left(15a\right)$ $\frac{{\mathrm{\ω}}_a}{Q_a}=\frac{D_L+D_T}{J_L}=\frac{D_L+D_T}{\mathrm{\α}{J}_m}---\left(15b\right)$

在式(7)中使用式(15a)、(15b)时，能够导出传递函数的近似式 $\tilde{G}\left(s\right)=\frac{1}{J_m}=\frac{1}{s+D_o}\frac{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_a}{Q_a}s+{\mathrm{\ω}}_a^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}s+{\mathrm{\ω}}_r^2}---\left(16a\right)$ $=\frac{1}{J_m}\frac{{\mathrm{\ω}}_a^2}{{\mathrm{\ω}}_r^2}\frac{1}{s+D_o}\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}+{\mathrm{\ω}}_r^2}\frac{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_a}{Q_a}s+{\mathrm{\ω}}_a^2}{{\mathrm{\ω}}_a^2}---\left(16b\right)$

通过使用式(16a)、(16b)，2惯性共振系统能够分离为图1虚线框101内所示的等效刚性系统G₁(s)和机械共振系统G₂(s)。 $G_1\left(s\right)=\frac{1}{J_m}\frac{{\mathrm{\ω}}_a^2}{{\mathrm{\ω}}_r^2}\frac{1}{s+D_o}---\left(17a\right)$ $G_2\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{Q_r}s+{\mathrm{\ω}}_r^2}\frac{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_a}{Q_a}s+{\mathrm{\ω}}_a^2}{{\mathrm{\ω}}_a^2}---\left(17b\right)$

如果能检测出等效刚体系统的速度，则可以从观测输出减去等效刚体系统的检测速度得到差信号，从而检测出单纯的机械振动成分。

在此，将等效刚体系统作为模机构建状态监测器。只将等效刚体系统的角速度V考虑为状态X、将电动机的转矩τ作为控制输入u时，其微分方程式为       (18)等效刚体系统的状态方程式和输出方程式为 $\stackrel{.}{x}\left(t\right)=\mathrm{ax}\left(t\right)+\mathrm{bu}\left(t\right)----\left(19a\right)$ y(t)=cx                       (19b)

式中，x(t)v(t)、u(t)=τ(t)、a=-D_o、b=γ、c=1(19c)

由上式，能够构成下式表述的观测器 $\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{x}\left(t\right)=(a-\mathrm{kc})\hat{x}\left(t\right)+\mathrm{ky}\left(t\right)+\mathrm{bu}\left(t\right)---\left(20\right)$

通过式(19)和(20)，可以得到由下式给出的等效刚体系统的角速度推测值 $\hat{V}$ $\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{v}\left(t\right)=-D_0\hat{v}\left(t\right)+k(y\left(t\right)-\hat{v}\left(t\right))+\mathrm{\γ\τ}\left(t\right)---\left(21\right)$

这里，如果用电机角速度V_m替代V来给出输出y的话，则式(21)能够用图1框102中的框线图表现。

应求的机械振动信号虽可利用电机角速度与等效刚体系统的角速度推测值的差信号e $e\left(t\right)=\mathrm{vm}\left(t\right)-\hat{v}\left(t\right)---\left(22\right)$ 来得到，但由于在式(20)的观测器中没考虑转矩干扰d，所以，如果存在阶状干扰d的话，那么在差信号e中就会形成推测误差。在此，让差信号e通过高通滤波器105，将除去转矩干扰导致的推测误差的信号作为机械振动信号。由上，利用机械振动检测装置102内的结构，得到了机械振动信号。

下面利用图3来说明本发明制振控制装置的第二实施例。该图是将本发明应用于电机转矩控制装置的图。图中，带有电机的机构系统101和机械振动检测装置102与第1实施例相同。106是输入转矩指令、输出电机发生的转矩的电机驱动装置，由功率放大器等构成。作为输入到机械振动检测装置102中的电机转矩信号τ，采用发生转矩监测信号或转矩指令信号。机械振动检测装置102将推测的机械振动信号输入到调相器107。将调相器107的输出输入到调幅器108，再将其输出W与转矩指令相加，把得到的信号作为新的转矩指令输入到电机的转矩控制装置。

调相器107和调幅器108调整机械振动检测装置102的输出、即机械振动信号的相位和振幅，以抑制包括电机和机械共振系统的控制系统的振动。机械振动检测装置102输出的机械振动信号的相位比电机角速度Vm的振动相位超前，其超前程度受上述比例运算单元104的增益K调整，因此，调相器107是由低通滤波器等相位延迟部件实现的。调幅器108是由将上述调相器107的输出信号放大增益倍的放大器或运算器来实现的。

图4说明本发明的制振控制装置的第三实施例。图4是将本发明应用于电机的速度控制装置的图。图中，带有电机的机构系统101和机械振动检测装置102和第一实施例相同。电机驱动装置106、调相器107和调幅器108和第二实施例同样工作。所不同的是调幅器108的输出W被加到速度指令中去，相加后的信号作为新的速度指令被输入到电机的速度控制装置。109是输入速度指令与速度反馈之间的差信号、同时输出转矩指令的速度控制补偿器。

在上面的第1、第2、第3实施例中，当转矩干扰d的检测值或推测值能够得到时，也可以将该值加到转矩指令中，将相加得到的值作为转矩信号输入到机械振动检测装置102。在这种情况下，不需要高通滤波器105。比如，在第三实施例的速度控制补偿器109中，当利用比例积分控制确定转矩指令时，可以将积分运算值的正负反转后作为上述转矩干扰推测值使用。

工业上的可利用性

本发明适用于各种由电机驱动的工业机械，例如加工机械、机器人、半导体制造装置、金属加工机以及其他一般工业机械和办公机械等。

Claims (5)

1．一种用于控制电机转矩的电机控制装置中的机械振动检测装置，其特征在于，包括：

等效刚性模机；

比例运算单元；

高通滤波器；

将上述电机控制装置的转矩信号和上述比例运算单元的输出相加后输入上述等效刚性模机、同时将上述电机控制装置的速度信号减去上述等效刚性模机输出后所得的差信号输入到上述比例运算单元和上述高通滤波器、将上述高通滤波器的输出作为机械振动信号的单元。

2．一种用于控制电机转矩的电机控制装置中的制振控制装置，其特征在于，包括：

等效刚性模机；

比例运算单元；

高通滤波器；

调相器；

调幅器；

将上述电机控制装置的转矩信号和上述比例运算单元的输出相加后输入上述等效刚性模机、同时将上述电机控制装置的速度信号减去上述等效刚性模机输出后所得的差信号输入到上述比例运算单元和上述高通滤波器、将上述高通滤波器的输出输入到上述调相器、将上述调相器的输出输入到上述调幅器、在传送到上述电机控制装置的转矩指令中加上上述调幅器的输出并将由此得到的信号作为新的转矩指令的单元。

3．一种用于控制电机角速度的电机控制装置中的制振控制装置，其特征在于，包括：

等效刚性模机；

比例运算单元；

高通滤波器；

调相器；

调幅器；

将上述电机控制装置的转矩信号和上述比例运算机构的输出相加后输入上述等效刚性模机、将上述电机控制装置的速度信号减去上述等效刚性模机的输出后所得的差信号输入到上述比例运算单元和上述高通滤波器、将上述高通滤波器的输出输入到上述调相器、将上述调相器的输出输入到上述调幅器、在传送到上述电机控制装置的速度指令中加上上述调幅器的输出并将由此得到的信号作为新的速度指令的单元。

4．根据权利要求1～3记载的用于控制电机转矩的电机控制装置中的机械振动检测装置及制振装置，其特征在于，包括：利用检测或推算来求取转矩干扰信号的单元；将在上述转矩信号中加上上述转矩干扰信号并将由此得到的信号作为新的转矩信号的单元。

5．根据权利要求4记载的用于控制电机转矩的电机控制装置中的机械振动检测装置及制振装置，其特征在于，包括：利用包括比例积分控制等积分运算的运算确定转矩指令的单元；把将该积分运算值的正负反转了的值作为上述转矩干扰信号的单元。

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