CN108336940B

CN108336940B - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN108336940B
Application number: CN201711429557.7A
Authority: CN
Inventors: 井出勇治; 平出敏雄; 北原通生
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP6846213B2; TW201841085A; JP2018116600A; TWI783961B; PH12018000005B1; PH12018000005A1; CN108336940A

Abstract

本发明提供一种对双惯性系统的电动机进行控制的电动机控制装置，其包括：速度控制器，向使速度指令值与速度反馈值的偏差成为零的方向控制电动机；以及惯性比补偿滤波器，设置在所述速度控制器的输出侧，所述惯性比补偿滤波器对作为控制对象的所述双惯性系统的电动机的至少一组反谐振特性和谐振特性，以使反谐振频率和谐振频率下的增益的增减变缓的方式进行补偿，并且使反谐振频率和谐振频率下的相位延迟为相位裕度以下。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种电动机控制技术。

背景技术

机床中进行如下动作：利用滚珠丝杠将电动机的转动运动转换为直线运动来驱动工作台。在这种动力传递机构中，由滚珠丝杠等刚性低的部分构成双惯性系统。

如图6所示，在双惯性系统中，例如具有100Hz附近的反谐振频率和140Hz附近的谐振频率。从反谐振频率到谐振频率的相位超前180°。

在这种双惯性系统中，如果电动机惯性变小，则负载侧惯性和电动机侧惯性的比变大。在构成速度环时的从转矩指令到速度的频率特性中，如图7A和图7B所示，与惯性比小时(图7A)相比，反谐振频率以下的增益与谐振频率以上的增益的差变大(图7B)。

如果以使反谐振频率以下的增益和谐振频率以上的增益相同的方式来调整速度控制增益，则谐振频率以上的增益变大。因此，在不能在确保反谐振频率以下的频率的增益裕度和相位裕度的基础上确保谐振频率以上的频率的增益裕度和相位裕度的情况下，控制系统变得不稳定而产生振荡。

因此，以往驱动惯性比大的电动机时，为了确保稳定性，使速度控制增益下降。

但是，存在如果速度控制增益低则加工精度下降的问题。如果是相同的电动机转矩，则全惯性小，会使加减速所需要的时间变短。因此，为了缩短机械的周期时间，使电动机惯性变小。

在日本专利公开公报特开2000-322105号中公开了用于改进双惯性系统的特性的技术例。在上述文献中记载的伺服控制装置包括速度控制器。上述速度控制器对伺服电动机进行控制，以使速度指令值与速度反馈值的偏差成为零。在速度控制器中组装有滤波器。上述滤波器具有与控制对象的反谐振特性和谐振特性的至少一组相反的特性、或与其近似的特性。由此，通过尽可能抑制低频的相位延迟的增加并抑制谐振峰值的增益，可以稳定地提高速度控制系统的速度控制增益。

在日本专利公开公报特开2005-328607号中公开了对惯性力矩的变化确保其稳定性的技术的例子。在上述文献中记载的电动机控制装置中，惯性力矩从最小值变化到最大值的机械负载与电动机结合。电动机控制装置基于速度指令信号对电动机进行驱动控制，并且具有速度环。电动机控制装置根据速度指令信号与电动机的速度检测信号的偏差的信号对电动机进行驱动。此外，电动机控制装置包括速度控制装置和补偿控制装置。速度控制装置对偏差信号进行比例控制计算和积分控制计算，生成电动机驱动指令并输出。补偿控制装置与速度控制装置串联插入速度环中。上述补偿控制装置设定成使第一交差频率与第二交差频率之间的频率的速度开环的相位成为-140°以上。第一交差频率是惯性力矩为最小值时的作为开放的速度环的速度开环的交差频率。第二交差频率是惯性力矩为最大值时的速度开环的交差频率。补偿控制装置是相位超前滤波器。上述相位超前滤波器具有在中间频率区域相位超前、在低频率区域和高频区域相位大体为零的相位超前特性。

在日本专利公开公报特开2000-322105号的技术中，在控制系统中安装将由双惯性系统构成的机械系统的反谐振频率与谐振频率相互抵消的滤波器，由此改进特性。

但是，日本专利公开公报特开2000-322105号的技术中使用的具有控制对象(双惯性系统)的一组反谐振特性和谐振特性的相反特性的滤波器，如图8A所示，具有反谐振频率和谐振频率的相位的变化剧烈的特性。从反谐振频率到谐振频率之间的相位延迟是180°。

作为双惯性系统的特性从反谐振频率到谐振频率，相位超前180°。因此，如果机械系统的反谐振频率和谐振频率与设定在补偿滤波器中的反谐振频率和谐振频率完全一致，则不容易产生振荡，从而改进特性。但是，如果设定在补偿滤波器中的反谐振频率与机械系统的反谐振频率之间产生稍许偏差，则存在如下问题：因急剧且大的由补偿滤波器产生的相位延迟而产生振荡。

如相位延迟180°，则信号反相输出。因此，构成控制环时产生振荡。此外，在谐振频率中也同样，如果设定在补偿滤波器中的谐振频率与机械系统的谐振频率之间产生稍许偏差，则存在如下问题：因急剧且大的由补偿滤波器产生的相位延迟而产生振荡。

在使用滚珠丝杠的机械系统中具有以下问题。根据工作台的位置，滚珠丝杠的扭转刚性稍许变化。因此，根据工作台的位置，反谐振频率和谐振频率稍许变化而产生振荡。在这种情况下，不能加入补偿滤波器,从而不能提高速度控制增益。

此外，例如，如图8B所示，想要插入降低反谐振频率和谐振频率的相位延迟的滤波器时，产生以下问题。因比反谐振频率稍低的频率的相位延迟，闭环频率特性的峰增大。此外，因比谐振频率稍高的频率的相位延迟，相位裕度消失而产生振荡。峰的增大和振荡的产生使加工精度下降。

在日本专利公开公报特开2005-328607号的技术中，利用相位超前滤波器，使机械负载的惯性力矩为最大时的交差频率附近的相位延迟变小。由此，能够得到即使机械负载的惯性力矩变化、相位裕度也成为40°以上的所希望的控制特性。

但是，日本专利公开公报特开2005-328607号的技术仅使机械负载的惯性力矩为最大时的交差频率附近的相位延迟变小。上述技术未改进在机械负载中具有刚性低的部分的双惯性系统的特性。

此外，在日本专利公开公报特开2005-328607号的方法中，作为相位超前滤波器使用具有使低频率区域的速度控制增益下降的特性的滤波器。因此，如果将所述方法应用于存在刚性低的部分的惯性比大的机械中，想要使谐振频率附近的相位超前，则存在以下问题：控制频带的速度控制增益下降，并且控制特性变差。

发明内容

本发明用于解决以上问题。本发明的目的在于在双惯性系统中，驱动惯性比大的电动机时，使电动机的动作更稳定化。

本发明具有以下结构。

1)防止或抑制比反谐振频率稍低的频率下的由补偿滤波器产生的相位延迟，或者使上述频率下的相位超前。由此，防止或抑制产生闭环频率特性的峰。

2)同时利用补偿滤波器，使比谐振频率稍高的频率下的相位超前。由此，可以防止或抑制产生谐振频率下的振荡。

3)此外，反谐振频率和谐振频率下的由补偿滤波器产生的相位延迟成为相位裕度(40°～60°)以下。

由此，即使机械系统的反谐振频率和/或谐振频率稍许变化，也可以防止或抑制产生振荡。

此外，对机械系统的反谐振频率下的增益下降和谐振频率下的增益上升以某种程度例如以变缓的方式进行补偿。其结果，即使惯性比大，也能够提高速度控制系统的响应。

因此，实现由使电动机惯性变小来缩短加减速时间。此外，在相同的加减速时间的情况下，实现由降低电动机输出转矩来降低电动机成本。由此，可以提供实现了机械的周期时间的缩短和高精度化两者的电动机控制装置。

按照本发明一种方式，提供以下的电动机控制装置(本电动机控制装置)。本电动机控制装置是对双惯性系统的电动机进行控制的电动机控制装置，其包括：速度控制器，向使速度指令值与速度反馈值的偏差成为零的方向控制电动机；以及惯性比补偿滤波器，设置在所述速度控制器的输出侧，所述惯性比补偿滤波器对作为控制对象的所述双惯性系统的电动机的至少一组反谐振特性和谐振特性，以使反谐振频率和谐振频率下的增益的增减变缓的方式进行补偿，并且使反谐振频率和谐振频率下的相位延迟为相位裕度(40°～60°)以下，所述惯性比补偿滤波器包括双二阶滤波器和相位超前滤波器。

在本电动机控制装置中，所述惯性比补偿滤波器可以包括双二阶滤波器和相位超前滤波器。

在本电动机控制装置中，所述双二阶滤波器可以对作为控制对象的所述双惯性系统的电动机的至少一组反谐振特性和谐振特性，以使反谐振频率和谐振频率下的增益的增减变缓的方式进行补偿。

在本电动机控制装置中，所述相位裕度可以是40°～60°。

在本电动机控制装置中，所述相位超前滤波器可以构成为，使比谐振频率高1.5～5倍的频率上的相位超前。

在本电动机控制装置中，所述相位超前滤波器可以通过抑制比反谐振频率稍低的频率下的由所述惯性比补偿滤波器产生的相位延迟或者使所述频率下的相位超前，抑制产生闭环频率特性的峰，并且使比谐振频率稍高的频率下的相位超前。

所述惯性比补偿滤波器例如可以包括双二阶滤波器和相位超前滤波器。双二阶滤波器可以仅消除机械系统的反谐振频率的特性。

由此，驱动惯性比大的电动机时，能够使电动机的动作稳定化。

按照本发明，驱动惯性比大的电动机时，能够使电动机的动作稳定化。

附图说明

图1A是表示控制对由双惯性系统构成的机械系统进行加工的电动机的系统的一个构成例的功能框图，图1B是表示电动机控制装置的惯性比补偿滤波器的一个构成例的功能框图。

图2是表示双二阶滤波器的频率特性的一例的图。

图3是表示相位超前滤波器的频率特性的一例的图。

图4是表示惯性比补偿滤波器的频率特性的一例的图。

图5A和图5B表示将本实施方式的补偿滤波器应用于(插入到)具有100Hz的反谐振频率和150Hz的谐振频率的机械系统的电动机控制装置时的效果，图5A表示无补偿滤波器时的例子，图5B表示有补偿滤波器时的例子。

图6表示双惯性系统中的速度控制增益和相位的频率依存性。

图7A表示惯性比小时双惯性系统中的速度控制增益的频率依存性，图7B表示惯性比大时双惯性系统中的速度控制增益的频率依存性。

图8A表示日本专利公开公报特开2000-322105号中记载的双惯性系统的反函数的特性，图8B表示插入降低反谐振频率和谐振频率上的相位延迟的滤波器时的特性。

附图标记说明

A 系统

B 电动机控制装置

1a 电动机

1b 机械系统

3 速度控制器

5 惯性比补偿滤波器

5-1 双二阶滤波器

5-2 相位超前滤波器

7 转矩控制部

15 速度计算器(s)

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。

下面，参照附图，对本发明一种实施方式的电动机控制装置进行详细说明。

图1A所示的系统A是控制电动机的系统的一例，该电动机对由双惯性系统构成的机械系统进行加工，该系统A包括本实施方式的电动机控制装置B。上述电动机控制装置B控制电动机1a。电动机(双惯性系统的电动机)1a驱动由双惯性系统构成的机械系统1b。图1B是表示电动机控制装置B所具有的惯性比补偿滤波器5的一种构成例的功能框图。

如图1A所示，电动机控制装置B具有：速度控制器3、惯性比补偿滤波器5、转矩控制部7、编码器11、速度计算器(s)15和减法器。另外，减法器可以包含在速度控制器3中。

在电动机控制装置B中，速度控制器3例如向使速度指令值与速度反馈值的偏差成为零的方向控制电动机1a。即，速度控制器3例如基于速度指令和从速度计算器(s)15输出的速度反馈，生成使速度指令值与速度反馈值的偏差成为零的转矩指令并输出。

速度指令和速度反馈(或速度指令与速度反馈的差)通过速度控制器3。速度控制器3借助惯性比补偿滤波器5向转矩控制部7输出转矩指令。

转矩控制部7例如基于转矩指令生成控制指令并向电动机1a输出。由此，电动机1a被驱动。编码器11对电动机1a的转动位置进行编码，生成并输出位置反馈。速度计算器(s)15例如基于位置反馈，计算速度(例如电动机的转动速度)并生成速度反馈。速度计算器(s)15将速度反馈回送(输出)给速度控制器3(或速度控制器3的前级的减法器)。

在本实施方式中，如图1B所示，惯性比补偿滤波器5可以通过将仅消除机械系统1b的反谐振频率的特性的双二阶滤波器5-1和相位超前滤波器5-2组合而构成。

惯性比补偿滤波器5例如对电动机1a的至少一组反谐振特性和谐振特性，以使反谐振频率和谐振频率下的增益的增减变缓的方式进行补偿，并且使反谐振频率和谐振频率下的相位延迟成为相位裕度以下。

双二阶滤波器5-1例如对电动机1a的至少一组反谐振特性和谐振特性，以使反谐振频率和谐振频率下的增益的增减变缓的方式进行补偿。

相位超前滤波器5-2例如使比谐振频率高1.5～5倍的频率上的相位超前。此外，相位超前滤波器5-2例如通过抑制(或防止)比反谐振频率稍低的频率下的因补偿滤波器(惯性比补偿滤波器5)产生的相位延迟或者使上述频率下的相位超前，抑制(或防止)产生闭环频率特性的峰，并且使比谐振频率稍高的频率下的相位超前。

例如，惯性比补偿滤波器5的传递函数G可以是以下的传递函数。

G＝G₁×G₂

G₁＝(s²+2ζ_Hω_Hs+ω_H ²)/(s²+2ζ_Lω_Ls+ω_L ²)·ω_L ²/ω_H ²

G₂＝{(1+sT₁)/(1+sT₂)}²

其中，G₁是双二阶滤波器5-1的传递函数。S是拉普拉斯算子。ω_L和ω_H是固有角频率。ζ_L和ζ_H是衰减系数。例如，ω_L设定为机械系统1b的反谐振频率，ω_H设定为机械系统1b的谐振频率。此外，通过使ζ_H＝0.5，防止或抑制机械系统1b的谐振频率下的增益下降。此外，通过使ζ_L＝0.1～0.01左右，对机械系统1b的反谐振频率下的增益下降进行某种程度的补偿。

G₂是相位超前滤波器5-2的传递函数。(1/T₁)<(1/T₂)。T₁与T₂的比设定为使高频区域的增益上升与由双二阶滤波器5-1产生的高频区域的增益下降成为同等程度。反谐振频率和谐振频率下的由惯性比补偿滤波器5产生的相位延迟为相位裕度以下。相位裕度例如是40°～60°。

由此，消除(或减少)比反谐振频率稍低的频率下的由惯性比补偿滤波器5产生的相位延迟，或者使上述频率下的相位稍许超前。此外，反谐振频率和谐振频率下的相位延迟为90°以下。此外，比谐振频率稍高的频率下的相位超前。

图2表示如上所述设定的双二阶滤波器5-1(传递函数G₁)的频率特性的一例。图3表示如上所述设定的相位超前滤波器5-2(传递函数G₂)的频率特性的一例。图4表示如上所述设定的惯性比补偿滤波器5(传递函数G)的频率特性的一例。

如图4所示，利用惯性比补偿滤波器5(传递函数G)，例如在比机械系统1b的反谐振频率低10％的频率以下，相位超前。此外，在双二阶滤波器5-1的增益特性中，与图6所示的以往装置相比，增益的频率依存变缓(图4的1))。此外，反谐振频率和谐振频率下的相位延迟，比40°稍小(图4的2))。此外，在比谐振频率高1.5～5倍的频率下，相位超前(图4的3))。

利用具有上述特征的本实施方式的具有传递函数G的惯性比补偿滤波器5，即使在电动机1a的惯性比变大而高频带的速度控制增益变高时，也可以通过使上述部分(例如速度控制增益变高的高频区域)的相位超前，抑制比谐振频率高的频率下的谐振。因此，电动机的动作稳定。此外，反谐振频率和谐振频率下的因惯性比补偿滤波器5产生的相位延迟变小为相位裕度(40°～60°)以下。因此，即使机械系统1b的反谐振频率和谐振频率变化5％左右，也可以防止或抑制产生振荡。

图5A和图5B表示将本实施方式的惯性比补偿滤波器5应用于(插入到)具有100Hz的反谐振频率和150Hz的谐振频率的机械系统1b的电动机控制装置B时的效果。如图5A所示，电动机控制装置B不具备惯性比补偿滤波器5时，在机械系统1b的电动机控制装置B中，例如55Hz附近的峰21变大。此外，在400Hz观察到谐振23。如果在这种状态下使电动机1a动作，则其动作不稳定。如图5B所示，电动机控制装置B包括具有图4所示的增益特性和相位特性的惯性比补偿滤波器5时(在速度控制器3和转矩控制部7之间插入惯性比补偿滤波器5时)，55Hz的峰21a向变小的方向受到抑制。此外，也抑制了400Hz的谐振23a。其结果，可以提高控制频带的截止频率。

如上所述，在本实施方式中，通过组合仅消除机械系统1b的反谐振频率的特性的双二阶滤波器和相位超前滤波器来构成惯性比补偿滤波器5。通过使用上述惯性比补偿滤波器5，能够得到以下效果。

驱动惯性比大的电动机1a时，防止或抑制比反谐振频率稍低的频率下的由补偿滤波器(惯性比补偿滤波器5)产生的相位延迟，或者是使上述频率下的相位超前。由此，防止或抑制了产生闭环频率特性的峰。同时利用惯性比补偿滤波器5(相位超前滤波器5-2)，使比谐振频率稍高频率下的相位超前。由此，能够防止或抑制产生谐振频率的振荡。

此外，反谐振频率和谐振频率下的由补偿滤波器产生的相位延迟成为相位裕度(40°～60°)以下。由此，即使机械系统1b的反谐振频率和/或谐振频率稍许变化，也能够防止或抑制产生振荡。此外，以使机械系统1b的反谐振频率下的速度控制增益下降和谐振频率下的速度控制增益上升以某种程度例如变缓的方式进行补偿。其结果，即使惯性比大，也能够提高速度控制系统的响应。

因此，实现由使电动机惯性变小来缩短加减速时间。此外，在相同的加减速时间的情况下，实现由降低电动机输出转矩来降低电动机成本。由此，能够提供实现了机械的周期时间的缩短和高精度化两者的电动机控制装置B。

上述实施方式的结构并不限定于附图所示的构成等。本发明的实施方式能够在发挥本发明效果的范围内进行适当变更。此外，只要不脱离本发明的目的的范围，能够进行适当变更来实施本发明的实施方式。

此外，本发明的各构成要素可以进行任意取舍选择。具有取舍选择的构成的发明也包含在本发明中。

关于工业实用性，本发明能够应用于电动机控制装置。

双惯性系统的电动机可以是例如驱动由双惯性系统构成的机械系统的电动机。由滤波器产生的相位延迟可以表现为滤波器的延迟。图2、图3、图4和图5所示的增益和相位可以是从速度控制器3输出的转矩指令的增益和相位。

在图1A和图1B所示的结构中，使ω_L为机械系统的反谐振频率，使ω_H为机械系统的谐振频率，以ζ_H＝0.5可以消除机械系统的谐振频率下的增益下降，以ζ_L＝0.1～0.01左右可以对机械系统的反谐振频率下的增益下降进行某种程度补偿。如图1B所示，惯性比补偿滤波器5可以由组合仅消除机械系统1b的反谐振频率的特性的双二阶滤波器5-1和相位超前滤波器5-2构成。

T₁与T₂的比可以设定为使高频区域的增益上升与双二阶滤波器的高频区域的增益下降为同等程度。可以使反谐振频率、谐振频率下的惯性比补偿滤波器的相位延迟在相位裕度以下。由此，可以将比惯性比补偿滤波器5的反谐振频率稍低的频率下的相位延迟消除或使其稍许超前。

在本实施方式中，通过使用惯性比补偿滤波器5，可以得到以下效果。驱动惯性比大的电动机时，将比反谐振频率稍低的频率的补偿滤波器的相位延迟消除或使其超前，从而不会产生闭环频率特性的峰，同时通过使比谐振频率稍高的频率的补偿滤波器的相位超前，从而不会产生谐振频率下的振荡。

此外，本发明的实施方式可以是以下第一～第六电动机控制装置。

第一电动机控制装置是对双惯性系统的电动机进行控制的电动机控制装置，其特征在于，在包括向使速度指令值与速度反馈值的偏差成为零的方向控制电动机的速度控制器的电动机控制装置中，将惯性比补偿滤波器设置在所述速度控制器的输出侧，所述惯性比补偿滤波器针对控制对象的所述双惯性系统的电动机的至少一组反谐振特性和谐振特性，对反谐振频率和谐振频率以变缓的方式对增益进行补偿，并且使反谐振频率、谐振频率的相位延迟为相位裕度以下。

第二电动机控制装置在第一电动机控制装置的基础上，其特征在于，所述惯性比补偿滤波器包括双二阶滤波器和相位超前滤波器。

第三电动机控制装置在第二电动机控制装置的基础上，其特征在于，所述双二阶滤波器针对控制对象的所述双惯性系统的电动机的至少一组反谐振特性和谐振特性，对反谐振频率和谐振频率以变缓的方式对增益进行补偿。

第四电动机控制装置在第二或第三电动机控制装置的基础上，其特征在于，所述相位裕度是40°～60°。

第五电动机控制装置在第四电动机控制装置的基础上，其特征在于，所述相位超前滤波器进一步使比谐振频率高1.5～5倍的频率的相位超前。

第六电动机控制装置在第四电动机控制装置的基础上，所述相位超前滤波器将比反谐振频率稍低的频率的补偿滤波器的相位延迟消除或使其超前，从而不产生闭环频率特性的峰，并且使比谐振频率稍高的频率的补偿滤波器的相位超前。

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

1.一种电动机控制装置，所述电动机控制装置对双惯性系统的电动机进行控制，所述电动机控制装置包括：

速度控制器，向使速度指令值与速度反馈值的偏差成为零的方向控制电动机；以及

惯性比补偿滤波器，设置在所述速度控制器的输出侧，

所述惯性比补偿滤波器对作为控制对象的所述双惯性系统的电动机的至少一组反谐振特性和谐振特性，以使反谐振频率和谐振频率下的增益的增减变缓的方式进行补偿，并且使反谐振频率和谐振频率下的相位延迟为相位裕度以下，

所述电动机控制装置的特征在于，

所述惯性比补偿滤波器包括双二阶滤波器和相位超前滤波器。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述双二阶滤波器对作为控制对象的所述双惯性系统的电动机的至少一组反谐振特性和谐振特性，以使反谐振频率和谐振频率下的增益的增减变缓的方式进行补偿。

3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，所述相位裕度是40°～60°。

4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，所述相位超前滤波器使比谐振频率高1.5～5倍的频率上的相位超前。

5.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，所述相位超前滤波器通过抑制比反谐振频率稍低的频率下的由所述惯性比补偿滤波器产生的相位延迟或者使所述频率下的相位超前，抑制产生闭环频率特性的峰，并且使比谐振频率稍高的频率下的相位超前。