CN110661469B

CN110661469B - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN110661469B
Application number: CN201910556732.1A
Authority: CN
Inventors: 桥本章太郎; 森田有纪
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: DE102019004308A1; US20200007060A1; US11056992B2; JP2020005406A; CN110661469A; JP6730377B2

Abstract

提供电动机控制装置，在进行电动机的无速度传感器控制的电动机控制装置中提高实际速度相对于速度指令值的追随性。电动机控制装置具备：旋转速度估计部，基于电动机的电流信息和1次频率信息估计电动机的旋转速度；速度控制系统，基于估计出的旋转速度估计值进行电动机的速度控制；接近开关，在电动机的旋转体的一部分接近时输出接通信号，在电动机的旋转体的一部分不接近时输出断开信号；旋转速度计算部，基于从接近开关输出的接通信号和断开信号计算电动机的旋转速度；速度指令校正部，对速度指令值进行校正，使得速度指令值与计算出的旋转速度计算值的偏差变小，速度控制系统基于校正后的速度指令值和旋转速度估计值进行电动机的速度控制。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种进行电动机的无速度传感器控制的电动机控制装置。

背景技术

作为对感应电动机或同步电动机等电动机进行驱动控制的电动机控制装置，存在使用旋转编码器或旋转变压器等速度传感器实现的电动机控制装置以及不使用这样的速度传感器的、进行所谓的无速度传感器控制的电动机控制装置。专利文献1和2中记载了一种进行电动机的无速度传感器控制的电动机控制装置。

例如，专利文献2中所记载的电动机控制装置根据电动机的实际电流值(电流FB值)来估计电动机的1次频率(日语：1次周波数)和转差频率(日语：すべり周波数)，并通过从1次频率估计值减去转差频率估计值来估计电动机的旋转速度，并基于该旋转速度估计值来对电动机进行驱动控制。

这样的电动机控制装置不具备速度传感器，因此具有低成本化和小型化等优点。另外，由于不需要速度传感器用的布线，因此能够提高电动机的防水性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5435252号公报

专利文献2：日本特开2013-240194号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，有时实际速度会大幅偏离旋转速度估计值。这特别是在高负荷时、低速域的旋转时、负荷骤变时(急剧的过渡变化时)或速度骤变时(急剧的过渡变化时，例如加减速时)容易产生。

进行无速度传感器控制的电动机控制装置以使旋转速度估计值追随速度指令值的方式来进行控制。但是，在实际速度与旋转速度估计值之间产生偏离的情况下(特别是高负荷时、低速域的旋转时、负荷骤变时或速度骤变时)，虽然旋转速度估计值追随速度指令值，但实际速度大幅偏离速度指令值。因此，在实际速度与速度指令值之间产生偏离。

本发明的目的在于提供一种在进行电动机的无速度传感器控制的电动机控制装置中提高实际速度相对于速度指令值的追随性的电动机控制装置。

用于解决问题的方案

(1)本发明所涉及的电动机控制装置(例如后述的电动机控制装置1)是进行电动机(例如后述的感应电动机3)的无速度传感器控制的电动机控制装置，所述电动机控制装置具备：旋转速度估计部(例如后述的旋转速度估计部30)，其基于所述电动机的电流信息和1次频率信息，来估计所述电动机的旋转速度；速度控制系统(例如后述的速度控制系统10)，其基于由所述旋转速度估计部估计出的旋转速度估计值，来进行所述电动机的速度控制；接近开关(例如后述的接近开关31)，其在所述电动机的旋转体的一部分接近时输出接通信号，在所述电动机的旋转体的一部分不接近时输出断开信号；旋转速度计算部(例如后述的旋转速度计算部32)，其基于从所述接近开关输出的接通信号和断开信号，来计算所述电动机的旋转速度；以及速度指令校正部(例如后述的速度指令校正部34)，其对所述速度指令值进行校正，使得速度指令值与由所述旋转速度计算部计算出的旋转速度计算值的偏差变小，其中，所述速度控制系统基于由所述速度指令校正部校正后的速度指令值和所述旋转速度估计值，来进行所述电动机的速度控制。

(2)也可以是，在根据(1)所述的电动机控制装置中，所述速度指令校正部具备：减法运算器(例如后述的减法运算器341)，其求出所述速度指令值与由所述旋转速度计算部计算出的旋转速度计算值的偏差；运算部(例如后述的运算部342)，其基于由所述减法运算器求出的偏差，来生成所述速度指令值的校正值；以及加法运算器(例如后述的加法运算器343)，其将由所述运算部生成的校正值与所述速度指令值相加，求出校正后的速度指令值。

(3)也可以是，在根据(2)所述的电动机控制装置中，所述运算部由积分项构成。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种在进行电动机的无速度传感器控制的电动机控制装置中提高实际速度相对于速度指令值的追随性的电动机控制装置。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的电动机控制装置的结构的图。

图2是用于说明接近开关的一例的图。

图3是表示图1所示的电动机控制装置中的速度指令校正部的结构的一例的图。

图4是表示图1所示的电动机控制装置的等效模型的图，是表示使用了传递函数的简易的等效模型的图。

图5是表示图1所示的电动机控制装置中的速度指令校正部的结构的另一例的图。

图6是用于说明接近开关的配置的一例的图。

附图标记说明

1：电动机控制装置；2：数值控制装置(CNC)；3：感应电动机(电动机)；3s：轴(旋转体)；10：速度控制系统；11、20：减法运算器；12：速度控制器；14：电流控制器；16：1次频率控制部；18：转差频率计算部；22：2相-3相变换部；30：旋转速度估计部；31：接近开关；32：旋转速度计算部；34：速度指令校正部；341：减法运算器；342：运算部；343：加法运算器。

具体实施方式

以下，参照附图来对本发明的实施方式的一例进行说明。此外，在各附图中对相同或相当的部分标注相同的附图标记。

图1是表示本实施方式所涉及的电动机控制装置的结构的图。图1所示的电动机控制装置1按照从数值控制装置(CNC)2提供的基于加工程序的速度指令，来对感应电动机3进行驱动控制。

感应电动机3例如对进行切削加工的机床的主轴(旋转轴)进行驱动。感应电动机3是不具有旋转编码器等速度传感器的所谓的无速度传感器的电动机。

电动机控制装置1是不使用旋转编码器等速度传感器的进行所谓的无速度传感器控制的电动机控制装置。电动机控制装置1进行感应电动机3的矢量控制。

电动机控制装置1具备减法运算器11、速度控制器12、电流控制器14、1次频率控制部16、转差频率计算部18、减法运算器20以及2相-3相变换部22。此外，减法运算器11、速度控制器12、电流控制器14以及2相-3相变换部22构成速度控制系统10。另外，转差频率计算部18和减法运算器20构成旋转速度估计部30。电动机控制装置1还具备接近开关31、旋转速度计算部32以及速度指令校正部34。

减法运算器11求出从数值控制装置2提供的速度指令值被后述的速度指令校正部34进行校正得到的速度指令值(校正后)与由后述的旋转速度估计部30估计出的旋转速度估计值(速度FB)之间的速度偏差。速度控制器12通过对由减法运算器11求出的速度偏差例如实施PI(比例、积分)控制来生成电流指令值(转矩指令值)。

电流控制器14基于由速度控制器12生成的电流指令值(转矩指令值)和由电流检测器(未图示)检测出的感应电动机3的实际电流值(驱动电流值、电流FB值)，来生成电压指令值。电流控制器14例如进行矢量控制。具体地说，电流控制器14根据电流指令值(转矩指令值)生成d相电流指令值(励磁电流指令值)和q相电流指令值(转矩电流指令值)。电流控制器14基于d相电流指令值与UVW3相的实际电流值被2相-3相变换部22进行变换得到的d相实际电流值之差，来生成d相电压指令值。另外，电流控制器14基于q相电流指令值与UVW3相的实际电流值被2相-3相变换部22进行变换得到的q相实际电流值之差来生成q相电压指令值。

1次频率控制部16基于由速度控制器12生成的电流指令值(转矩指令值)来生成1次频率指令值。该1次频率是指施加于电动机的电源电压的频率。此外，作为1次频率指令值的计算方法，已知各种方法。例如，既可以使用实际电流值(例如q相实际电流值)，也可以使用电流指令值(例如q相电流指令值)与实际电流值(例如q相实际电流值)的电流偏差，来代替电流指令值。

转差频率计算部18基于由速度控制器12生成的电流指令值(转矩指令值)，来计算转差频率估计值。具体地说，转差频率计算部18基于d相电流指令值和q相电流指令值，来计算转差频率控制型矢量控制中的最佳转差频率，并作为当前的转差频率估计值。

例如，通过基于感应电动机3中的互感M、2次电感L₂、2次电阻值R₂、2次d相磁通值

以及1次q相电流值i_1q的下式来求出转差频率估计值ω_S[rad/s]。

[数式1]

在此，在稳定时，通过基于互感M和1次d相电流值i_1d的下式来求出2次d相磁通值

[数式2]

φ_2d＝Mi_1d。

由此，通过下述(1)式来求出稳定时的转差频率估计值ω_S。

[数式3]

K一般被称为转差常数。

此外，作为转差频率估计值的计算方法，已知各种方法。例如，也可以使用实际电流值、例如q相实际电流值(FB)和d相实际电流值(FB)来代替电流指令值。

减法运算器20通过基于来自1次频率控制部16的1次频率指令值和由转差频率计算部18求出的转差频率估计值的下述(2)式，来求出感应电动机3的旋转速度估计值。

旋转速度估计值＝1次频率指令值-转差频率估计值…(2)。

在本实施方式中，上述的转差频率计算部18和减法运算器20作为旋转速度估计部30来发挥功能。即，旋转速度估计部30基于由速度控制器12生成的电流指令值(电流信息)和转差常数(换言之，电动机常数)来估计转差频率，并基于该转差频率估计值和来自1次频率控制部16的1次频率指令值来估计感应电动机3的旋转速度。

此外，如上所述，旋转速度估计部30也可以使用实际电流值(电流信息)来代替电流指令值。

2相-3相变换部22基于来自1次频率控制部16的1次频率指令值，将由电流控制器14生成的d相电压指令值和q相电压指令值变换为UVW各相的电压指令值，由此，生成用于驱动感应电动机3的电压指令值。

接近开关31设置于感应电动机3。接近开关31既可以内置于感应电动机3，也可以设置于感应电动机3的外部。接近开关31例如是由JIS C 8201-5-2或IEC60947-5-2定义的接近开关(proximity switch)且是检测金属和/或非金属物体的接近的感应型接近开关(inductive proximity switch)或静电电容型接近开关(capacitive proximity switch)等。接近开关31在感应电动机3的轴(旋转体)的一部分接近时输出接通(ON)信号，在感应电动机3的轴的一部分不接近时输出断开(OFF)信号。

例如，如图2所示，在感应电动机3的轴3s的正交的两个径x、y不同的情况下，接近开关31在长径y侧接近时输出接通信号(高电平的脉冲信号)，在长径y侧不接近时输出断开信号(低电平的信号)。在图2的例子中，在感应电动机3的轴3s旋转一圈的期间，由于长径y侧与接近开关31接近两次，因此接近开关31输出两次脉冲信号。

在上述的说明中，示出了接近开关31安装于感应电动机3的轴的一例，但接近开关31的设置方法不限定于此。例如，也可以如图6所示那样，接近开关31安装于经由齿轮3a、3b或同步带等来与感应电动机3的轴结合的主轴4。在这种情况下，在图2中，将感应电动机3的轴3s(旋转体)置换为主轴4(旋转体)来思考即可。由此，接近开关31在主轴4(旋转体)的一部分接近时输出接通信号，在主轴4的一部分不接近时输出断开信号。

此外，感应电动机3的轴或主轴4(旋转体)的形状不限定于此。作为感应电动机3的轴或主轴4(旋转体)的形状的另一例，可以列举出齿轮形状。

接近开关31与感应电动机的速度控制系统中所使用的旋转编码器等速度传感器不同。以下，对接近开关与旋转编码器的不同进行说明。

旋转编码器具备A相输出和B相输出。因此，通过使用旋转编码器，除了能够检测旋转速度，还能够检测旋转位置和旋转方向。并且能够高精度且高速地检测旋转速度和旋转位置。

另一方面，与旋转编码器的输出脉冲相比，接近开关输出非常少的1相的脉冲，典型地，电动机每旋转一圈，接近开关输出一次～两次1相的脉冲。因此，通过使用接近开关，能够检测旋转速度，但无法检测旋转位置和旋转方向。

另外，在根据接近开关的脉冲输出来计算旋转速度的情况下，以规定的采样周期对脉冲数进行计数并进行速度换算后进行平均化(平滑化)，因此，旋转速度的检测花费时间。并且，由采样周期和平均化时间决定的旋转速度的检测分辨率低。如这样，根据接近开关的输出脉冲计算的旋转速度的响应性和分辨率低，因此，无法如使用旋转编码器那样在速度控制系统中使用接近开关。

在本实施方式中，不使用旋转编码器等速度传感器，而是使用接近开关来如以下那样进行感应电动机的旋转速度的检测。

旋转速度计算部32基于从接近开关31输出的接通信号和断开信号，来计算感应电动机3的旋转速度。例如，旋转速度计算部32以规定的采样周期对来自接近开关31的接通信号的脉冲数进行计数并换算为速度，并通过滤波器使所换算出的速度平均化(平滑化)，由此，求出感应电动机3的旋转速度。

在感应电动机3的轴3s旋转一圈的期间、接近开关31输出n次脉冲信号的情况下，通过下式来对在采样周期Fs期间所产生的脉冲数进行速度换算。

速度(min^-1)＝1/Fs×60/n。

速度指令校正部34基于由旋转速度计算部32计算出的旋转速度计算值，来生成对来自数值控制装置2的速度指令值进行校正得到的速度指令值(校正后)。具体地说，速度指令校正部34对速度指令值进行校正，使得速度指令值与旋转速度计算值的偏差变小。速度指令校正部34将进行校正得到的速度指令值(校正后)输入至速度控制系统10。

图3是表示本实施方式所涉及的速度指令校正部34的结构的图。图3所示的速度指令校正部34具备减法运算器341、运算部342以及加法运算器343。减法运算器341求出来自数值控制装置2的速度指令值(校正前)与由旋转速度计算部32计算出的旋转速度计算值的速度偏差。运算部342包括传递函数K/s(K为校正增益)的积分项。运算部342对由减法运算器341求出的速度偏差实施I(积分)控制，生成速度指令值的校正值。加法运算器343将由运算部342生成的校正值与来自数值控制装置2的速度指令值(校正前)相加，求出速度指令值(校正后)。

上述的电动机控制装置1中的减法运算器11、速度控制器12、电流控制器14、1次频率控制部16、转差频率计算部18、减法运算器20、2相-3相变换部22、旋转速度估计部30、旋转速度计算部32以及速度指令校正部34例如由DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等运算处理器构成。电动机控制装置1的各种功能例如通过执行存储部中所保存的规定的软件(程序、应用)来实现。电动机控制装置1的各种功能既可以由硬件与软件的协作来实现，也可以仅由硬件(电子电路)来实现。

接着，对本实施方式的电动机控制装置1的动作进行说明。

首先，参照图1，当从数值控制装置2提供速度指令值时，减法运算器11求出从数值控制装置2提供的速度指令值被速度指令校正部34进行校正得到的速度指令值(校正后)与由旋转速度估计部30估计出的旋转速度估计值的速度偏差，速度控制器12基于该速度偏差来生成电流指令值(转矩指令值)。电流控制器14基于该电流指令值和由电流检测器(未图示)检测出的感应电动机3的实际电流值(电流FB值)，来生成d相电压指令值和q相电压指令值。此时，1次频率控制部16基于电流指令值来生成1次频率指令值。2相-3相变换部22基于来自1次频率控制部16的1次频率指令值，将由电流控制器14生成的d相电压指令值和q相电压指令值变换为UVW各相的电压指令值，并提供给感应电动机3。

此时，在旋转速度估计部30中，转差频率计算部18基于d相电流指令值和q相电流指令值，计算转差频率控制型矢量控制中的最佳转差频率，并设为当前的转差频率估计值。例如，通过上述(1)式来求出转差频率估计值ω_S。然后，减法运算器20通过基于1次频率指令值和转差频率估计值的上述(2)式，来求出旋转速度估计值。

在此，实际速度有时会大幅偏离旋转速度估计值。这特别是在高负荷时、低速域的旋转时、负荷骤变时(急剧的过渡变化时)或速度骤变时(急剧的过渡变化时，例如加减速时)容易产生。

因此，在本实施方式中，在实际速度偏离旋转速度估计值的情况下，即实际速度偏离速度指令值的情况下(特别是高负荷时、低速域的旋转时、负荷骤变时或速度骤变时)，对速度指令值进行校正，使得实际速度接近速度指令值。

具体地说，旋转速度计算部32基于来自接近开关31的接通信号和断开信号，来计算并检测感应电动机3的旋转速度。

接着，速度指令校正部34对速度指令值进行校正，使得速度指令值与由旋转速度计算部32计算出的旋转速度计算值(实际速度)的偏差变小。更具体地说，如图3所示，速度指令校正部34通过将对速度指令值与旋转速度计算值(实际速度)的速度偏差进行积分得到的校正值与速度指令值相加来对速度指令值进行校正。由此，对于速度指令校正部34，旋转速度计算值(实际速度)越小，速度指令值越大。其结果是，实际速度接近速度指令值。

如以上所说明的那样，根据本实施方式的电动机控制装置1，接近开关31和旋转速度计算部32检测感应电动机3的实际速度(旋转速度计算值)，速度指令校正部34对速度指令值进行校正，使得速度指令值与所检测出的感应电动机3的实际速度(旋转速度计算值)的偏差变小，即，使感应电动机3的实际速度(旋转速度计算值)接近速度指令值。由此，即使在实际速度大幅偏离旋转速度估计值的情况下(特别是高负荷时、低速域的旋转时、负荷骤变时或速度骤变时)，也能够提高实际速度相对于速度指令值的追随性。

另外，如上所述，在通过接近开关31来进行速度检测的情况下，接近开关31的分辨率低，因此，需要对旋转速度计算部32应用时间常数大的滤波器。当使用由接近开关31检测出的速度来作为速度控制系统10的反馈值时，由于滤波器的延迟，电动机控制装置1容易变得不稳定。对此，根据如本实施方式那样使用由接近开关31检测出的速度来对速度指令值进行校正的方式，能够得到电动机控制装置1的稳定性。

在此，对速度指令校正部34中的运算部342的结构进行研究。图4是表示图1所示的电动机控制装置1的等效模型的图，是表示使用了传递函数的简易的等效模型的图。在图4中，将速度控制系统10的传递函数简易地设为1，用传递函数N(x)来表示电动机3，用1次滤波器的传递函数1/(τs+1)来表示接近开关31和旋转速度计算部32。另外，用传递函数F(s)来表示速度指令校正部34中的运算部342。速度指令校正部34将速度指令值与旋转速度计算值(实际速度)之差通过传递函数F(s)后得到的值作为校正值，并将该校正值与速度指令值相加来生成速度指令值(校正后)。

速度指令校正部34在现实中以使接近开关31以及旋转速度计算部32后的旋转速度计算值vfb2接近速度指令值(校正前)v0的方式进行工作。但是，理想的是使接近开关31和旋转速度计算部32前的电动机3的实际速度vfb1与速度指令值(校正前)v0一致。旋转速度计算值vfb2以比电动机3的实际速度vfb1延迟与时间常数相应的量(例如1s～2s)的方式变化。因此，可以考虑使速度指令校正部34中的运算部342的传递函数F(s)包括用于对该延迟量进行校正的微分项。

如果仅是微分项则存在稳定偏差，因此可以考虑使传递函数F(s)还包括积分项。并且，可以考虑使传递函数F(s)包括比例项。

即，运算部342可以如图5所示那样包括传递函数sK_D(K_D为微分增益)的微分项、传递函数K_I/s(K_I为积分增益)的积分项、传递函数K_P(K_P为比例增益)的比例项。由此，运算部342也可以进行PID(比例、积分、微分)控制。

但是，当速度指令校正部34中的运算部342包括微分项和比例项时，能够预想到速度指令值(校正后)v1变得不稳定，难以进行调整。此外，在本实施方式中，通常，从使用由旋转速度估计部30估计出的旋转速度估计值来进行速度控制，且在实际速度大幅偏离旋转速度估计值的情况下(特别是高负荷时、低速域的旋转时、负荷骤变时或速度骤变时)提高实际速度相对于速度指令值的追随性的观点考虑，作为速度指令校正部34而言不需要高速的响应。

因此，在实际使用中，能够预想到优选的是如图3所示的那样速度指令校正部34中的运算部342仅由积分项构成。由此，能够仅通过积分项来比较慢地对速度指令值进行校正并且得到电动机控制装置1的稳定性。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，能够进行各种变更和变形。例如，在上述的实施方式中，举例示出了对感应电动机进行控制的电动机控制装置，但本发明的特征不限定于此，能够应用于对各种电动机进行控制的电动机控制装置。例如，本发明的特征是，也能够应用于对不具有旋转变压器等速度传感器的所谓的无速度传感器的同步电动机进行无速度传感器控制的电动机控制装置。

此外，与同步电动机的无速度传感器控制中的旋转速度估计值与实际速度的偏离相比，感应电动机的无速度传感器控制中的旋转速度估计值与实际速度的偏离更大，因此，本发明的特征是适于应用于进行感应电动机的无速度传感器控制的电动机控制装置。

另外，在上述的实施方式中，旋转速度计算部32通过滤波器来使根据接近开关31的接通信号的脉冲数来换算出的速度平均化，由此求出旋转速度计算值，但不限定于此。例如，旋转速度计算部32也可以不使用滤波器，只是在规定时间内使根据接近开关31的接通信号的脉冲数来换算出的速度平均化，由此求出旋转速度计算值。

Claims

1.一种电动机控制装置，进行电动机的无速度传感器控制，所述电动机控制装置具备：

旋转速度估计部，其基于所述电动机的电流信息和1次频率信息，来估计所述电动机的旋转速度；

速度控制系统，其基于由所述旋转速度估计部估计出的旋转速度估计值，来进行所述电动机的速度控制；

接近开关，其在所述电动机的旋转体的一部分接近时输出接通信号，在所述电动机的旋转体的一部分不接近时输出断开信号；

旋转速度计算部，其基于从所述接近开关输出的接通信号和断开信号，来计算所述电动机的旋转速度；以及

速度指令校正部，其对速度指令值进行校正，使得所述速度指令值与由所述旋转速度计算部计算出的旋转速度计算值的偏差变小，

其中，所述速度控制系统基于由所述速度指令校正部校正后的速度指令值和所述旋转速度估计值，来进行所述电动机的速度控制。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述速度指令校正部具备：

减法运算器，其求出所述速度指令值与由所述旋转速度计算部计算出的旋转速度计算值的偏差；

运算部，其基于由所述减法运算器求出的偏差，来生成所述速度指令值的校正值；以及

加法运算器，其将由所述运算部生成的校正值与所述速度指令值相加，求出校正后的速度指令值。

3.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述运算部由积分项构成。