CN107873122A - 电动机控制系统 - Google Patents

Abstract

电动机控制系统(100)具有：控制处理部(8)，其基于控制增益、用于对驱动机械负载的电动机(3)进行控制的指令信号、从设置于电动机(3)的检测器(4)输出的检测信号，生成扭矩指令，基于扭矩指令对电动机(3)进行控制；参数设定部(11)，其执行对扭矩指令的限制值及控制增益进行设定的参数设定；以及惯量推定部(9)，其基于检测信号及扭矩指令，对电动机(3)的惯量进行推定，惯量推定部(9)在通过参数设定而使电动机(3)发生了自激振动的状态下对惯量进行推定。

Description

电动机控制系统

技术领域

本发明涉及一种电动机控制系统，其具有对诸如工作机械这样的工业用机械装置进行驱动的电动机控制装置。

背景技术

对工业用机械装置进行驱动的装置通常具有：电动机，其经由机械性的传递机构与成为驱动对象的移动体连接以向该移动体传递动力；以及电动机控制装置，其基于从控制器输入的指令信号和对电动机的位置或者速度进行检测的检测器的检测信号，使电动机得到驱动，以使得电动机以作为目标的运转模式进行动作。

在这里，在电动机控制装置中，希望准确地求出成为驱动对象的移动体的惯量。通过得到惯量而实现的优点如以下所述。

首先，通过求出惯量，从而能够获知作为参数的位置增益或者速度增益的设定基准，该参数用于进行电动机控制装置中的位置控制或者速度控制的运算，该电动机控制装置用于稳定且高精度地对机械装置进行控制。

另外，通过求出惯量，从而能够判断从控制器输入至电动机控制装置的指令信号的时间常数相对于所连接的电动机具有何种程度的裕度，因此能够以最佳的时间常数进行动作。

与此相对，在现有的电动机控制装置中，根据扭矩T和加速度a，基于J＝T/a的关系式对惯量J进行推定，其中，该扭矩T是指，电动机正在运转时所产生的扭矩，该加速度a能够根据由检测器观测的速度反馈进行运算。在这里，扭矩T是施加于电动机的电流I和扭矩常数Kt之积，能够根据电动机的速度反馈和电流检测结果进行运算。

但是，存在通过简易的处理且高精度地对惯量进行推定并不容易的问题。

为了解决上述的问题，专利文献1提出了一种电动机控制装置，其在针对电动机控制装置中的扭矩指令施加正弦波状的信号后，对上述的速度反馈和施加于电动机的电流进行观测，进行惯量推定。

专利文献1：日本特开2010－148178号公报

发明内容

但是，在上述的专利文献1所公开的现有技术中，需要将在使机械装置进行通常运转时不使用的推定用运转模式预先存储于控制装置，存在繁琐的问题。

另外，在专利文献1所公开的现有技术中，需要取得周期性的信号的最大值及最小值，如果无法取得适当的值，则存在推定精度恶化的问题。另外，关于这一点，专利文献1一并公开了执行在变换为绝对值化得到的信号后进行平均化这一处理的解决方法，但存在处理更复杂的问题。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种能够简易且高精度地实现稳定的惯量推定的电动机控制系统。

为了解决上述的课题并达到目的，本发明的特征在于，具有：控制处理部，其基于控制增益、用于对驱动机械负载的电动机进行控制的指令信号、从设置于电动机的检测器输出的检测信号，生成扭矩指令，基于扭矩指令对电动机进行控制；参数设定部，其执行对扭矩指令的限制值及控制增益进行设定的参数设定；以及惯量推定部，其基于检测信号及扭矩指令，对电动机的惯量进行推定。惯量推定部在通过参数设定而使电动机发生了自激振动的状态下对惯量进行推定。

发明的效果

本发明所涉及的电动机控制系统具有下述效果，即，能够简易且高精度地实现稳定的惯量推定。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的电动机控制系统的结构的框图。

图2是将由实施方式1所涉及的电动机控制装置执行的电动机控制处理进行模型化而得到的线框图。

图3是表示将实施方式1所涉及的控制器或者电动机控制装置的功能通过计算机实现的情况下的硬件结构的图。

图4是表示实施方式1中的惯量推定时的处理的流程图。

图5是表示实施方式1中的发生了自激振动时的电动机的速度及扭矩指令的波形图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明的实施方式所涉及的电动机控制系统详细地进行说明。此外，本发明不受本实施方式限定。

实施方式1.

下面，使用图1至图5，对本发明的实施方式1所涉及的电动机控制系统100进行说明。图1是表示本发明的实施方式1所涉及的电动机控制系统100的结构的框图。图2是将由实施方式1所涉及的电动机控制装置2执行的电动机控制处理进行模型化而得到的线框图。图3是表示将实施方式1所涉及的控制器1或者电动机控制装置2的功能通过计算机实现的情况下的硬件结构的图。图4是表示实施方式1中的惯量推定时的处理的流程图。图5是表示实施方式1中的发生了自激振动时的电动机的速度及扭矩指令的波形图。

在图1中，电动机控制系统100具有：控制器1，其生成位置指令；电动机控制装置2，其是伺服放大器，向驱动未图示的机械负载的电动机3赋予适当的电力；电动机3，其将被赋予的电力变换为电动机轴的旋转动力；以及检测器4，其设置于电动机3。位置指令是用于对电动机3进行控制的指令信号，控制器1将生成的位置指令发送至电动机控制装置2。检测器4的具体例是编码器，由检测器4输出的检测信号被发送至电动机控制装置2。

控制器1接收操作者的操作，基于所接收到的内容，具体地说，基于在由操作者输入的程序中记载的程序指令，生成用于发送至电动机控制装置2的位置指令。检测器4对电动机3的旋转角度进行检测，将检测值作为检测信号输出。电动机控制装置2基于由控制器1生成的位置指令及检测器4的检测信号，向电动机3赋予适当的电力。

控制器1具有：操作部5，其接收操作者的操作；指令生成部6，其生成发送至电动机控制装置2的位置指令；参数设定部11，其进行针对由后面记述的电动机控制装置2的控制处理部8使用的参数的设定；以及显示部10，其将信息通知给操作者。在由控制处理部8使用的参数中包含后面记述的扭矩指令的限制值及控制增益。将对参数的值进行设定称为参数设定。因此，参数设定部11执行参数设定。

电动机控制装置2具有：逆变器电路7，其向电动机3供给电力；控制处理部8，其基于从控制器1接收到的位置指令，向逆变器电路7发送电力指令；以及惯量推定部9，其进行电动机3的惯量的推定处理。控制处理部8具有：位置控制部81，其基于位置指令，执行位置控制运算而输出速度指令；速度控制部82，其基于速度指令，执行速度控制运算而输出扭矩指令；以及电流控制部83，其基于扭矩指令，执行将电力指令输出的电流控制运算。

在通常运转时，基于操作者输入至操作部5的运转条件，由指令生成部6生成用于使电动机3进行期望的动作的位置指令，将生成的位置指令发送至控制处理部8。控制处理部8基于接收到的位置指令和从检测器4接收到的电动机3的旋转角度信息，执行反馈控制运算而生成电力指令。反馈控制运算包含：通过位置控制部81进行的位置控制运算、通过速度控制部82进行的速度控制运算和通过电流控制部83进行的电流控制运算。逆变器电路7基于从控制处理部8赋予的电力指令，将输入电压及输入电流进行频率变换，向电动机3供给适当的电力。由此，实现操作者所要求的运转。

在这里，诸如通常运转时所需的控制处理部8中的运算用的各控制增益的设定值、用于防止施加大于或等于电动机3的最大容许电流的电流的扭矩限制值这样的参数的设定值，被在控制器1及电动机控制装置2的电源接通时的初始通信序列(sequence)中从参数设定部11发送至控制处理部8。另外，参数设定部11所作出的参数设定的设定状态及电动机3的动作状态的内容被经由显示部10而通知给操作者。

图2是将电动机控制装置2中的电动机控制处理作为通过比例控制实现的反馈控制的框图而模型化得到的，对图1的控制处理部8、电动机3及检测器4的处理进行了模型化。S表示拉普拉斯运算符。位置增益Kp及速度增益Kv是由控制处理部8使用的控制增益。

位置增益模块21与位置控制部81的处理相对应，速度增益模块22与速度控制部82的处理相对应。位置增益模块21、速度增益模块22及微分器23的功能包含于控制处理部8的功能。负载24及积分器25对电动机3及检测器4的处理进行了模型化。由积分器25输出的电动机3的位置相当于由检测器4输出的检测信号即电动机3的旋转角度。

位置增益模块21使位置指令和由积分器25输出的电动机3的位置之间的差值乘以位置增益Kp而求出速度指令，输出速度指令。微分器23对由积分器25输出的电动机3的位置进行微分而求出电动机3的速度，输出电动机3的速度。速度增益模块22使从位置增益模块21赋予的速度指令和从微分器23赋予的电动机3的速度之间的差值乘以速度增益Kv而求出扭矩指令，输出扭矩指令。在图2中，省略了与图1的电流控制部83及逆变器电路7相对应的模块。因此，由速度增益模块22输出的扭矩指令被变换为与扭矩指令相对应的扭矩电流而输出至负载24。负载24使用惯量J将扭矩电流变换为电动机3的速度。积分器25对由负载24输出的速度进行积分，求出电动机3的位置并输出。

图2所示的控制系统的传递特性由下面的算式(1)表示。

【式1】

对通过增益设定的变更导致的振动激励进行说明。在图2所示的控制系统中，如果使速度增益Kv的值不断减少或者使位置增益Kp的值不断增大，则发生由相位延迟引起的不稳定化，发生由反馈引起的电动机3的自激振动。自激振动是由于即使不存在位置指令，也使控制增益如上述所示地变化而发生的。由于自激振动，扭矩指令也以相同的频率f振动。另外，自激振动的频率f由下面的算式(2)表示。

【式2】

在将控制器1或者电动机控制装置2的功能通过计算机实现的情况下，控制器1或者电动机控制装置2的功能如图3所示，是通过CPU(Central Processing Unit)51、存储器52、接口53及专用电路54实现的。控制器1或者电动机控制装置2的功能的一部分是通过软件、固件、或者软件和固件的组合而实现的。软件或者固件是作为程序进行记述的，储存于存储器52。CPU 51通过读出、执行在存储器52中存储的程序，从而实现各部分的功能。即，控制器1或者电动机控制装置2具有用于对程序进行储存的存储器52，该程序是指，在由计算机执行各部分的功能时，使得用于实施控制器1或者电动机控制装置2的动作的步骤最终得以执行的程序。另外，这些程序也可以说是，使计算机执行控制器1或者电动机控制装置2的例程或者方法。在这里，存储器52是指诸如RAM(Random Access Memory)、ROM(Read OnlyMemory)、闪存存储器、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)的非易失性或者易失性半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、压缩盘、迷你盘、DVD(Digital Versatile Disk)。

控制器1的CPU 51通过读出、执行在存储器52中储存的程序，从而实现指令生成部6及参数设定部11的功能。控制器1的接口53具有用于与电动机控制装置2之间收发信号的功能。控制器1的专用电路54的具体例是操作部5及显示部10的处理电路。

电动机控制装置2的CPU 51通过读出、执行在存储器52中储存的程序，从而实现控制处理部8及惯量推定部9的功能。电动机控制装置2的接口53具有用于与控制器1之间收发信号的功能。电动机控制装置2的专用电路54的具体例是逆变器电路7。

如上所述，控制器1或者电动机控制装置2能够通过硬件、软件、固件或者它们的组合而实现上述各功能。

下面，使用图4对实施方式1中的惯量推定的具体处理方法进行说明。

首先，指令生成部6使通常的位置指令向电动机控制装置2的输出停止(步骤S101)。然后，参数设定部11在速度控制部82中设定扭矩指令的限制值，该扭矩指令的限制值用于对在发生了自激振动的状态下的惯量的推定过程中由电动机3产生的扭矩指令进行限制(步骤S102)。参数设定部11还对控制处理部8中的控制增益的设定值进行变更(步骤S103)。在步骤S103中，具体地说，参数设定部11使由速度控制部82使用的速度增益Kv的值减少或者使由位置控制部81使用的位置增益Kp的值增大，由此对控制增益的设定值进行变更。

在步骤S103中变更了控制增益后，惯量推定部9判定是否由于参数设定部11所作出的参数设定而在电动机3中发生了自激振动(步骤S104)。具体地说，惯量推定部9基于从控制处理部8得到的数据，判定是否发生了自激振动。在没有发生自激振动的情况下(步骤S104：No)，参数设定部11重复进行步骤S103的处理。因此，直至发生自激振动为止，参数设定部11阶段性地对控制增益的设定值进行变更。其结果，直至发生自激振动为止，使控制增益的设定值阶段性地减少或者增大。

在发生了自激振动的情况下(步骤S104：Yes)，惯量推定部9执行惯量推定处理(步骤S105)。即，惯量推定部9在使电动机3发生了自激振动的状态下进行电动机3的惯量的推定。如果在发生了算式(2)所示的频率f的自激振动的状态下针对扭矩指令设定有限制值，则发生图5所示的矩形波状的扭矩指令的振动。在发生了扭矩指令的振动的情况下，输入至电动机3的扭矩电流也成为与扭矩指令相同的波形而进行振动。在扭矩指令的绝对值成为作为恒定值的扭矩指令的限制值时，电动机3的速度以恒定的梯度进行加速或者减速，因此在发生了扭矩指令的振动时，电动机3的速度重复进行恒定的梯度下的加减速。在图5中，在电动机3的速度及扭矩指令成为稳态的波形的状态下，惯量推定部9执行惯量推定。

具体地说，惯量推定部9基于由微分器23输出的电动机3的速度，求出电动机3的加速度。具体地说，求出电动机3的速度如上所述以恒定的梯度进行加速或者减速时的加速度。而且，惯量推定部9通过将由速度控制部82输出的扭矩指令的值除以如上所述得到的电动机3的加速度的运算，对电动机3的惯量J进行推定。即，惯量推定部9能够通过使用从控制处理部8得到的电动机3的速度及扭矩指令进行的运算，简易地对惯量J进行推定。如上所述，关于通过惯量推定部9进行的用于惯量推定的运算，优选在如图5所示的矩形波状的扭矩指令的绝对值成为扭矩指令的限制值、电动机3的加速度成为恒定值的状态下执行。

此外，在步骤S105中，在以机械负载连接于电动机3的状态执行了惯量推定的情况下，求出包含机械系统在内的电动机3的惯量。在以机械负载没有连接于电动机3的状态执行了惯量推定的情况下，求出电动机3单体的惯量。

在惯量推定处理(步骤S105)后，参数设定部11将通过步骤S102及S103设定出的由控制处理部8使用的参数的值恢复为可进行通常运转的原始的状态(步骤S106)。由此，能够完成惯量推定的动作。

如上所述，在实施方式1的电动机控制系统100中，仅通过诸如对由电动机控制装置2的控制处理部8使用的参数的设定进行变更这样的简易的处理，就能够实现惯量推定。即，电动机控制系统100利用电动机控制系统通常所具有的机构，仅进行控制增益的变更处理及对扭矩指令的限制处理，就能够通过简易的处理实现惯量的推定。由此，电动机控制系统100无需将用于惯量推定的特殊处理或者信号模式安装于电动机控制装置2的内部，就能够实现惯量的推定。

另外，在实施方式1的电动机控制系统100中，在发生了电动机3的自激振动的状态下，在可稳定地执行扭矩指令及电动机3的加速度取恒定值的运算处理的状况下执行惯量推定。即，能够使用稳态的信号对惯量进行推定，因此能够高精度地实现稳定的惯量推定。

另外，包含电动机3在内的机械装置的惯量的变动对应于机械的规格而收敛于某种程度的幅度以内，因此通过对控制增益的设定值进行调整，从而能够基于算式(2)预先对振动的频率的值的范围进行调整。因此，电动机控制系统100通过对扭矩指令的限制值和频率一起进行控制，从而针对将惯量推定过程中的电动机3的速度以振动周期进行积分而得到的值即振动幅度也能够进行调整。其结果，电动机控制系统100也能够与诸如机械装置的移动体的设置场所或者移动体的行程长度这样的条件相匹配地将用于惯量推定的振动灵活地调整。

以上的实施方式所示的结构示出的是本发明的内容的一个例子，也能够与其他公知技术进行组合，在不脱离本发明的主旨的范围，也能够将结构的一部分省略、变更。

标号的说明

1控制器，2电动机控制装置，3电动机，4检测器，5操作部，6指令生成部，7逆变器电路，8控制处理部，9惯量推定部，10显示部，11参数设定部，21位置增益模块，22速度增益模块，23微分器，24负载，25积分器，51 CPU，52存储器，53接口，54专用电路，81位置控制部，82速度控制部，83电流控制部，100电动机控制系统。

Claims (6)

1.一种电动机控制系统，其特征在于，具有：

控制处理部，其基于控制增益、用于对驱动机械负载的电动机进行控制的指令信号、从设置于所述电动机的检测器输出的检测信号，生成扭矩指令，基于所述扭矩指令对所述电动机进行控制；

参数设定部，其执行对所述扭矩指令的限制值及所述控制增益进行设定的参数设定；以及

惯量推定部，其基于所述检测信号及所述扭矩指令，对所述电动机的惯量进行推定，

所述惯量推定部在通过所述参数设定而使所述电动机发生了自激振动的状态下对所述惯量进行推定。

2.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，

所述惯量推定部在所述扭矩指令成为矩形波状的状态下对所述惯量进行推定。

3.根据权利要求1或2所述的电动机控制系统，其特征在于，

所述惯量推定部在所述扭矩指令的绝对值成为所述限制值的状态下对所述惯量进行推定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机控制系统，其特征在于，

所述惯量推定部基于所述扭矩指令及根据所述检测信号求出的所述电动机的加速度，对所述惯量进行推定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电动机控制系统，其特征在于，

所述控制增益是位置增益或者速度增益。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电动机控制系统，其特征在于，

直至发生所述自激振动为止，所述参数设定部将所述控制增益阶段性地变更。