CN110635737A - 电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，对电流传感器的检测值所包含的误差导致的控制误差进行抑制。电流传感器的偏移误差导致的扭矩波动以及位置误差会影响电机的电角频率。本发明所提供的装置在三相交流电机的速度恒定时，其计算设备执行功率谱计算处理，通过对从在位置检测部检测到的位置减去位置指令值而得到的值进行快速傅里叶变换，而计算电角频率中的位置误差信号的功率谱。其次，计算设备执行偏移校正计算处理，对上述功率谱进行评价，更新偏移校正量。当三相交流电机以恒定速度驱动时，通过重复以上的操作，从而降低偏移误差导致的扭矩波动和位置误差。

Description

电机驱动装置

交叉引用

本申请要求申请号为2018-118781、申请日为2018年6月22日的日本发明专利申请的优先权，其全文内容通过引用并入本申请中。

技术领域

本发明涉及一种电机驱动装置，特别涉及一种对电机的控制误差进行抑制的技术。

本说明书记载了，对于作为本发明的一种实施方式的一种三相交流电机的驱动装置(在数控机床的轴控制中主要用于进给轴控制的三相交流电机的驱动装置)，降低由电流传感器的偏移误差导致的扭矩波动。

背景技术

数控机床的进给轴大多使用具有高扭矩且容易控制的三相交流电机。在驱动三相交流电机时，如果电流传感器的检测值存在偏移误差，则当通过矢量控制将三相交流电流转换到两相旋转坐标系(一般将磁场方向称为d轴，将电垂直于磁场方向的方向称为q轴)时，波动会叠加到dq轴电流上。由于三相交流电机与dq轴电流成正比地产生扭矩，因此会与dq轴电流的波动成正比地产生扭矩波动。

其结果，由于dq轴电流有偏移误差，而产生三相交流电机的扭矩波动。在数控机床的进给轴，扭矩波动分量会导致电机所具备的转子的旋转位置发生误差，即位置误差，导致加工精度下降，如切割面出现条纹等。

为了抑制扭矩波动导致的位置误差，一种有效的方法是增加闭环控制系统的速度/位置的反馈增益，然而由于其取决于受控对象的特性，一般不容易实现。因此，需要一种方法，其通过精确地校正电流传感器检测值的偏移误差，降低扭矩波动，从而抑制位置误差。

在现有的驱动装置中，存在一种驱动装置，其获取未向电机施加电流期间的电流传感器的检测值，将该检测值作为偏移校正量。即，在电机未被驱动时，电流传感器的检测值应为0，驱动装置使用此时检测到的值对偏移进行校正。

然而，在对于位置误差具有严格的公差等级的对象，如数控机床中，检测到的电流值存在噪声和失真等影响，现有的电流传感器的偏移误差校正法将其作为用于抑制扭矩波动以及位置误差的校正值使用，这是不够的。

因此，在专利文献3中，提供了一种方法，其将电机驱动装置内的温度、三相交流电机的温度、电机驱动装置的各个部分的电压、指令位置与转子实际位置之间的误差、以及对上述位置误差进行快速傅里叶变换而得到的傅里叶系数作为输入而进行机器学习，借此对电流偏移的校正值进行学习。

参考文献

专利文献1：日本发明专利第5447810号

专利文献2：日本发明专利第6080687号

专利文献3：日本特开2017-79514号公报

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的在于，对电流传感器的检测值所包含的误差导致的控制误差进行抑制。如上所述，在使用未施加电流期间的电机的相电流值而校正偏移的方法中，没有对实际的位置误差进行评价。因此，需要提出一种方法，以降低因扭矩波动产生的位置误差为目的，以某种形式对位置误差进行评价，使用其评价值对偏移进行校正。

其中一个方法是例如专利文献3的使用机器学习的方法。虽然机器学习能够从简单的输入中学习复杂的行为决定，但是一般来说，需要花费大量时间才能收敛。特别是强化学习由于不存在训练数据而收敛慢。

另外，使用一种类型的机床获得的学习模型，难以通用于其他类型的机床。因此，在每个机床中都需要对模型进行学习。此外，如果学习时间长，则预计在每个机床上的模型学习的作业需要耗费很多工时。

因此，为了对实际的位置误差进行评价，而且对电流偏移进行快速地校正，可以考虑选择并使用电流偏移校正问题固有的信息的方法，以及使用快速收敛的方法。

另外在专利文献3中，关于学习过程中的电机速度，没有明确记载其具体实施方式，可以考虑在一个以上的恒定速度的条件下驱动电机的方式。即，也可以考虑不必以多种条件驱动电机以校正偏移误差的方法。

本发明的目的在于，对电流传感器的检测值所包含的误差导致的控制误差进行抑制。

技术方案

本发明的特征在于，具备：电流传感器，其检测向电机供给的电流；以及计算设备，所述计算设备构成为执行功率谱计算处理及偏移校正计算处理，所述功率谱计算处理是，基于所述电机的旋转位置和位置指令值，求得关于位置误差的功率谱，所述偏移校正计算处理是，基于由所述功率谱计算处理求得的功率谱，计算所述电流传感器的偏移校正量，所述功率谱计算处理包括：在所述电机的转速为恒定速度时，计算位置误差的电角频率的功率谱的处理。

在一种实施方式中，上述偏移校正计算处理包括：对由上述功率谱计算处理求得的功率谱进行评价，利用基于梯度法的算法对上述电流传感器的偏移校正量进行更新，计算使由上述功率谱计算处理求得的功率谱的值变小的、所述电流传感器的偏移校正量。

另外，根据本发明的一个实施例，三相交流电机驱动装置可以具备：逆变器，其向三相交流电机供给电流；电流传感器，其对从上述逆变器向三相交流电机供给的电流进行测量；控制部，其控制从上述逆变器向三相交流电机供给电流的供给量；检测器，其检测作为上述三相交流电机的旋转位置的角度；计算装置，其对上述三相交流电机是否为恒定速度进行判断，通过从角度指令值中减去检测出的角度而计算位置误差，对上述位置误差进行快速傅里叶变换，求得上述位置误差的电角频率中的功率谱；以及，偏移校正计算部，其对上述功率谱进行评价，利用基于梯度法的算法，校正电流传感器的偏移误差。通过本实施方式，能够降低三相交流电机驱动装置的电流传感器的偏移误差导致的扭矩波动以及数控机床的控制轴的位置误差。

发明的效果

根据本发明，能够降低电机驱动装置的电流传感器的检测误差导致的控制误差。此外，根据后述的本发明的实施方式，能够降低由电机驱动装置的电流传感器的检测值所包含的误差导致的电机的扭矩波动，抑制数控机床的位置误差，提高装置的可靠性和加工精度。

附图说明

图1是表示本发明的三相交流电机驱动装置的构成例的框图。

图2是本实施例中电流传感器的偏移校正量更新算法的流程图。

图3是示出本发明的驱动装置的速度指令值以及位置指令值的一个示例的曲线图。

图4是示出本实施例的模拟中进行偏移校正前后的电机位置误差的一个示例的曲线图。

图5是表示本实施例的模拟中的功率谱的变化的曲线图。

具体实施方式

下面对电流传感器的偏移误差导致的扭矩波动及其评价方法进行概述。可以使用SPM(Surface Permanent Magnet,表面永磁体)电机作为三相交流电机(电动机)。

设电机扭矩为τ，其单位为“N·m”，设扭矩常数为K_e，其单位为“N·m/A”，设q轴电流为i_q，其单位为“A”。此时扭矩的生成式如下。

[算式1]

τ＝K_e·i_q…(1)

在SPM电机中，即使d轴上通电，扭矩也不会变化，SPM电机具有q轴电流i_q与扭矩成正比关系的特征。

如果分别设U相、V相以及W相的电流为i_u、i_v以及i_w，设电角度为θ_re，则关于q轴的电流i_q，以下关系成立。

[算式2]

这里，考虑电流传感器仅安装在U相、V相以及W相中的U相和W相的情形。如果分别设U相以及W相的电流传感器的偏移误差为d_u以及d_w，则在U相以及W相检测到的电流i_uo以及i_wo分别为i_uo＝i_u-d_u以及i_wo＝i_w-d_w。

而且，不将电流传感器安装在V相，而是通过下式求得V相电流i_v的推测值i_vo：

[算式3]

i_vo＝-i_uo-i_wo…(3)

此时，V相电流推测值的偏移误差d_v为：

[算式4]

d_v＝-d_u-d_w…(4)

根据算式2，q轴电流i_q为：

[算式5]

算式5右边第二项表示由电流传感器的偏移导致的误差分量。

在此，如果将由电流传感器的偏移误差导致的扭矩的波动分量设为τ_rip，则由算式1的与i_q有关的线性,能够得到：

[算式6]

进一步地，使用算式4的关系对算式6进行整理后，会得到

[算式7]

可知τ_rip以电角频率振动。

因此，可知，如果分别将在U相以及W相检测到的电流的偏移校正量设为a以及b，将以恒定速度驱动三相交流电机时的位置误差信号的电角频率的功率谱设为P(θ_re)，则可预计P(θ_re)随着偏移误差d_u以及d_w的减少而单调减少。即通过测量以恒定速度驱动时的P(θ_re)，能够对电流传感器的偏移误差导致的扭矩波动进行评价。

由以上的研究，将通过校正偏移而降低扭矩波动这一问题，转换为求解使恒定速度驱动时的功率谱P(θ_re)变小的偏移校正量a以及b的问题。

如果假设三相交流电机的转速不恒定，则由偏移误差导致的P(θ_re)的变化将受时间影响。即，因为由τ_rip导致的位置误差出现在多个频率分量中，所以难以准确地获取对电流偏移误差导致的扭矩波动进行评价的评价值。

下面对本申请的实施例进行说明。图1示出了本申请的三相交流电机驱动装置的电流控制所涉及的方框图。

在图1所示的组成元素中，本实施方式的三相交流电机驱动装置包括：电流控制器101、dq→三相转换部102、PWM信号计算部103、逆变器104、电流传感器105、三相→dq转换部108、电角度转换部109、偏移校正计算部110、功率谱计算部111、以及校正时机计算部112。另外，三相交流电源100从外部连接到逆变器104，三相交流电源100用于向三相交流电机106供电(三相交流电)。从未图示的控制装置向三相交流电机驱动装置输入d轴电流指令值i_d ^*、q轴电流指令值i_q ^*、以及指令角度θ_m ^*(位置指令值)。在组成三相交流电机驱动装置的元素中，电流控制器101、dq→三相转换部102、PWM信号计算部103、三相→dq转换部108、电角度转换部109、偏移校正计算部110、功率谱计算部111、以及校正时机计算部112中的任意一个或多个，或者其全部，可以由处理器等计算设备构成。此时，计算设备可以构成为：通过执行程序而执行分配给每个组成元素的处理。另外，电流控制器101、dq→三相转换部102、PWM信号计算部103、三相→dq转换部108、电角度转换部109、偏移校正计算部110、功率谱计算部111、以及校正时机计算部112的每一个、或者其任意组合，可以由计算设备单独地构成。此时，每个计算设备构成为：通过执行程序而执行分配给每个组成元素的处理。

三相交流电机驱动装置与位置检测部107联结，并且接收来自位置检测部107的电信号，检测作为三相交流电机的旋转位置的角度θ_m。根据检测到的角度θ_m以及对角度θ_m进行时间微分而得到的角速度ω_m(未图示)，计算控制电流，并且经由逆变器104向三相交流电机106供给控制电流。三相交流电机106可以是具备具有永磁体的转子的同步电动机。对于转子，定义了两相旋转(d轴、q轴)坐标系。

基于输入的d轴电流指令值i_d ^*以及q轴电流指令值i_q ^*与在三相→dq转换部108转换后的d轴电流值i_d以及q轴电流值i_q之间的偏差，电流控制器101使用PI控制，计算d轴电压指令值v_d以及q轴电压指令值v_q，并且将它们向dq→三相转换部102输出。

基于输入的d轴电压指令值v_d以及q轴电压指令值v_q、和在位置检测部107检测出的三相交流电机106的转子的电角度θ_re，dq→三相转换部102分别计算出U相、V相以及W相的电压指令值v_u、v_v以及v_w，并且将它们向PWM信号计算部103输出。

PWM信号计算部103对输入的U相电压指令值v_u、V相电压指令值v_v、以及W相电压指令值v_w相应的占空比进行计算，向逆变器104输出计算出的占空比的脉冲信号。

根据上述脉冲信号，控制逆变器104的上桥半导体和下桥半导体的导通时间的比例，从而逆变器104向三相交流电机106的三相绕组(未图示)施加交流电压，该交流电压与U相电压指令值v_u、V相电压指令值v_v、以及W相电压指令值v_w相等。

电流传感器105输出三相交流电机106的U相电流的检测值i_uo以及W相电流的检测值i_wo。此外，用i_vo＝-i_uo-i_wo计算V相电流的推测值i_vo。在电角度转换部109，通过将旋转角θ_m乘以极对数而计算电角度θ_re。三相→dq转换部108通过坐标变换，由电角度θ_re、U相电流i_uo、以及W相电流i_wo计算并且输出d轴电流i_d以及q轴电流i_q。

功率谱计算部111将电角度θ_re和从指令角度θ_m ^*(位置指令值)减去角度θ_m而得到的位置误差作为输入，利用快速傅里叶变换，计算并且输出电角频率中的位置误差信号的功率谱P(θ_re)。

校正时机计算部112根据电机速度、傅里叶变换所需的采样数等，判断校正的时机，通知偏移校正计算部110。

偏移校正计算部110将功率谱P(θ_re)、相电流的检测值i_uo和i_wo以及推测值i_vo作为输入，对功率谱P(θ_re)进行评价，输出电流传感器105的偏移校正量。下面对偏移校正计算的实施例进行说明。

图2是对本发明实施例中的算法进行说明的流程图。该算法计算偏移校正量。首先，将计数器i初始化为1，分别设定偏移校正量a以及b的初始值。使三相交流电机以恒定速度动作。此时电角频率被设定为落入快速傅里叶变换的分析区间内。另外，本说明书中“恒定速度”这一概念包括：三相交流电机的转速有微小变动，而该变动微小到足以校正电流传感器105的检测值的偏移误差的程度。即，本说明书中的恒定速度也包括三相交流电机的转速的变动在规定的允许范围内的情形。

其次，利用类似于梯度法的算法减小功率谱。图2中的符号tmp表示用于暂时保存偏移校正量的变量。另外，符号h表示用于求解数值梯度的差分，符号κ是用于更新偏移校正量的学习系数。

与计数器的值i＝1、2、3相应地，依次计算偏移校正量a以及偏移校正量b的数值梯度grad_a以及grad_b。基于梯度法的更新规则a(n+1)＝a(n)-κ·grad_a，b(n+1)＝b(n)-κ·grad_b，更新偏移校正量a以及b。在此未图示的符号n表示偏移校正量a以及b的更新次数。计数器i计数到3就初始化为1。

对图2所示的流程图进行详细说明。偏移校正计算部110设定初始偏移校正量a以及b(S1)，将计数器的值设定为i＝1(S2)。交流电机驱动装置以及对其进行控制的控制装置使三相交流电机106以恒定速度旋转(S3)。不过，该转速的设定需满足的条件为：电角频率落在频域(快速傅里叶变换后的区域)中的预先规定的分析区间内。

偏移校正计算部110执行计数器的值i所对应的处理(S4、S21、S31)。即，偏移校正计算部110在i＝1时执行步骤S5，在i＝2时执行步骤S22后执行步骤S5，在i＝3时，执行步骤S32后执行步骤S5。

当i＝1时，在偏移校正量a以及b为初始值这一条件下，偏移校正计算部110求功率谱P(θ_re)(S5)。该处理是对位置误差信号实施快速傅里叶变换，求电角频率中的频谱值。

当i＝2时，偏移校正计算部110将偏移校正量a的值保存到变量tmp，然后以差分h增加偏移校正量a(S22)。另外，当i＝3时，偏移校正计算部110将偏移校正量b的值保存到变量tmp，然后以差分h增加偏移校正量b(S32)。偏移校正计算部110根据在步骤S22或者步骤S32中设定的偏移校正量a以及b，求功率谱P(θ_re)(S5)。

当i＝1时，偏移校正计算部110将在偏移校正量a以及b为初始值这一条件下求得的功率谱P(θ_re)设置为P₁(S6，S7)。当i＝2时，偏移校正计算部110以步骤S22中保存在变量tmp中的值作为偏移校正量a的值(S23，S24)。另外，根据算式grad_a＝(P(θ_re)-P₁)/h求偏移校正量a的数值梯度grad_a(S24)。当i＝3时，偏移校正计算部110根据算式grad_b＝(P(θ_re)-P₁)/h求偏移校正量b的数值梯度grad_b(S33，S34)。另外，根据算式a＝a-κ·grad_a更新偏移校正量a(S34)。进一步地，根据算式b＝tmp-κ·grad_b更新偏移校正量b(S34)。

偏移校正计算部110对计数器的值i是否为3以上进行判断(S8)，当计数器的值i为3以上时，设i＝1，跳转到步骤S11的处理(S9)。另一方面，当计数器的值i为1或者2时，偏移校正计算部110使计数器的值i增加1，跳转到步骤S11的处理(S10)。偏移校正计算部110对位置误差是否在允许范围内、即、位置误差的绝对值是否在允许值以下进行判断(S11)。当位置误差在允许范围内时，偏移校正计算部110结束处理。当位置误差在允许范围外时，偏移校正计算部110返回到步骤S3的处理。

图3、图4以及图5是向极对数为4的三相交流电机施以了速度指令值为300rpm时的模拟结果。此时的电角频率为20Hz。图3是速度指令值和位置指令值。图4是进行根据本实施例的算法的校正前后的位置误差的曲线图。图5表示使用了本实施例的算法时的电角频率中的功率谱P(θ_re)的变化。这里将偏移校正量的初始值a以及b均设置为0。

如图4所示，校正前后，位置误差减少，可知本实施例的算法有效。如图5所示，根据本实施例的算法，电角频率中的功率谱P(θ_re)减小。

另外，如图5所示，评价值即功率谱P(θ_re)在偏移校正量更新到第40次时大都会收敛，数值实验证明了收敛快。

假设，在三相交流电机的转速为恒定速度时每8ms更新一次的情况下，恒定速度区间只要有320ms，就充分收敛。根据本方法，能够无需用每个机床进行事先的调整和学习，就简单地实现电流偏移的校正。

在上述实施例中，使用了梯度法中类似于最速下降法的算法，但是从快速减小功率谱的角度出发，也可以使用分割法和其他的梯度法。

Claims (2)

1.一种电机驱动装置，其特征在于，

具备：电流传感器，其检测向电机供给的电流；以及计算设备，

所述计算设备构成为，执行功率谱计算处理及偏移校正计算处理，其中，

所述功率谱计算处理，是基于所述电机的旋转位置和位置指令值，求得关于位置误差的功率谱，

所述偏移校正计算处理，是基于由所述功率谱计算处理求得的功率谱，计算所述电流传感器的偏移校正量，

所述功率谱计算处理包括：在所述电机的转速为恒定速度时，计算位置误差的电角频率的功率谱的处理。

2.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，

所述偏移校正计算处理包括：

对由所述功率谱计算处理求得的功率谱进行评价，利用基于梯度法的算法对所述电流传感器的偏移校正量进行更新，计算使由所述功率谱计算处理求得的功率谱的值变小的、所述电流传感器的偏移校正量。

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