CN110677094A

CN110677094A - 马达控制装置

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Publication number: CN110677094A
Application number: CN201910188159.3A
Authority: CN
Inventors: 田中政仁; 大野悌
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: US10720868B2; JP2020010433A; US20200014319A1; CN110677094B; EP3591834B1; EP3591834A1; JP7081346B2

Abstract

本发明提供一种具有推断电感及电阻不详的马达的电感及电阻的功能的马达控制装置。马达控制装置包括：电力转换器，将与所输入的电压指令相应的电压施加至马达；电流控制器，利用马达的驱动电流的电流值的检测结果算出输入至电力转换器的电压指令；电流指令生成部，基于马达的电时间常数确定马达常数计算用频率，生成马达常数计算用频率的正弦波并作为电流指令输入至电流控制器；以及马达常数计算部，求出频率响应，根据所求出的频率响应算出马达的电阻及电感，所述频率响应是将在电流指令生成部将正弦波作为电流指令而输入至电流控制器的期间内的电压指令、马达的驱动电流的电流值分别作为输入、输出。

Description

马达控制装置

技术领域

本发明涉及一种马达控制装置。

背景技术

为了利用马达控制装置良好地控制马达，需要所述马达的马达常数(电感、电阻等)。并且，马达的马达常数会根据马达的温度或流经马达的电流而发生变化。因此，已开发出用于推断马达常数的各种技术。例如，已开发出如下的技术：使马达电阻为已知，根据当d轴及q轴施加有脉冲电压时的各种电压及电流，而推断与流经马达的电流相应的d轴及q轴电感(例如，参照专利文献1)。并且，还开发出如下的技术：根据在d轴及q轴电流指令上重叠着高频成分时的各种电压及电流，推断与流经马达的电流及马达的温度相应的d轴及q轴电感(例如，参照专利文献2)。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2001-69782号公报

[专利文献2]日本专利特开平9-28198号公报

当处于规定状态的马达的马达常数为已知时，只要对马达控制装置进行与所述马达常数相应的设定之后利用如上所述的技术对马达常数进行修正，就可以更良好地控制马达。但是，也存在完全不知道马达控制装置所控制的马达的马达常数(电感及电阻)的情况。而且，如果马达的马达常数不详，就必须进行用于推断马达的马达常数的复杂操作。

发明内容

本发明是鉴于所述问题而完成的，旨在提供一种具有推断电感及电阻不详的马达的电感及电阻的功能的马达控制装置。

本发明的一个实施例的对马达进行控制的马达控制装置包括：电力转换器，将与所输入的电压指令相应的电压施加至所述马达；电流控制器，利用所述马达的驱动电流的电流值的检测结果算出输入至所述电力转换器的所述电压指令，以使得由所输入的电流指令指定的电流值与所述马达的所述驱动电流的所述电流值相一致；电流指令生成部，基于所述马达的电时间常数确定马达常数计算用频率，生成所述马达常数计算用频率的正弦波并作为所述电流指令输入至所述电流控制器；以及马达常数计算部，求出频率响应，并且根据所求出的频率响应算出所述马达的电阻及电感，其中所述频率响应是将在所述电流指令生成部将所述正弦波作为所述电流指令而输入至所述电流控制器的期间内的所述电压指令、所述马达的所述驱动电流的所述电流值分别作为输入、输出。

即，马达的电阻及电感基本上可以根据如下的频率响应求出，所述频率响应是将在作为电流指令的正弦波输入至电流控制器的期间内的电压指令、马达的驱动电流的电流值分别作为输入、输出，但是如果作为电流指令输入至电流控制器的正弦波的频率过低，则电感的计算精度(推断精度)变差。并且，如果所述正弦波的频率过高，则电阻的计算精度(推断精度)变差，但在求出用于算出马达的电阻及电感的频率响应时，在马达控制装置中，是将基于马达的电时间常数而确定的马达常数计算用频率的正弦波作为电流指令输入至电流控制器。因此，根据所述马达控制装置，能够准确地推断(算出)电感及电阻不详的马达的电感及电阻。

马达控制装置的电流指令生成部也可以将所述马达的电时间常数的倒数确定为所述马达常数计算用频率。并且，电流指令生成部也可以将马达的电时间常数的倒数附近的频率(例如，包含电时间常数的倒数的规定频率范围内的值)确定为马达常数计算用频率。

为了防止因为电流控制环路的反馈(feedback)控制的影响，而导致马达的电感及电阻的鉴定精度变差，也可以在马达控制装置中采用如下的结构，即，“所述电流指令生成部使包含所述电力转换器及所述电流控制器的电流控制环路的频带低于所述马达常数计算用频率之后，生成所述马达常数计算用频率的正弦波并作为所述电流指令输入至所述电流控制器”。

为了获得各种驱动电流下的马达的电阻及电感，也可以在马达控制装置中采用如下的结构，即，“所述电流指令生成部将所述马达常数计算用频率的振幅互不相同的多个正弦波逐个地作为所述电流指令输入至所述电流控制器，以及所述马达常数计算部针对所述多个正弦波，分别算出所述马达的电阻及电感”。

另外，在马达控制装置中，也可以采用如下的结构：“还包括推断部，所述推断部是通过将用以使规定电压以下的电压施加至所述马达的电流指令输入至所述电流控制器，而求出在规定频率范围内将所述电压指令、所述马达的驱动电流的电流值分别作为输入、输出的频率响应，并根据所求出的频率响应推断所述马达的电时间常数，其中所述规定电压被预定为不论所述马达的规格如何过度电流都不会流入至所述马达的电压，所述电流指令生成部基于所述推断部推断出的所述马达的电时间常数确定所述马达常数计算用频率”。只要预先采用所述结构，就可以推断电时间常数、电感及电阻不详的马达的电感及电阻。

根据本发明，能够推断电感及电阻不详的马达的电感及电阻。

附图说明

图1是本发明的实施例的马达控制装置的马达控制功能的说明图。

图2是实施例的马达控制装置的马达常数计算功能的说明图。

图3是将电压指令、检测电流分别作为输入、输出时的增益线(gain line)图。

图4是电流控制环路的伯德图(Bode plot)。

图5是电感的电流依存性的说明图。

[符号的说明]

10：马达控制装置

11：位置控制器

12：速度控制器

13：电流控制器

14：电力转换器

15：电流检测器

16：速度运算器

20：马达常数推断部

21：电流指令生成部

22：RL计算部

30：AC伺服马达

31：机械

32：位置检测部

具体实施方式

以下，基于附图，对本发明的实施方式进行说明。

在图1、图2中，分别表示本发明的一个实施方式的马达控制装置10的马达控制功能、马达常数计算功能的说明图。

本实施方式的马达控制装置10是在用于控制与机械31连接的交流电(alternating current，AC)伺服马达(以下只记作马达)30的装置(图1)中，追加有计算马达30的电感及电阻的功能(图2)的装置。

首先，对马达控制装置10的马达控制功能进行说明。如图1所示，当对马达30进行控制时，马达控制装置10作为包含位置控制器11、速度控制器12、电流控制器13、电力转换器14、电流检测器15及速度运算器16的装置而运行。图1所示的各部是以如下的方式而运行的单元。

位置控制器11通过在位置指令与马达30的位置的偏差上，乘以位置比例增益而算出速度指令，所述位置指令是从可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)等上位装置(图略)输入的位置指令，所述马达30的位置是安装于马达30上的位置检测器32检测出的位置(以下记作检测位置)。速度运算器16对检测位置进行时间微分而算出速度(以下记作检测速度)。

速度控制器12通过在位置控制器11所算出的速度指令与检测速度的偏差的积分量上乘以速度积分增益，并在其计算结果与所述速度偏差的和上乘以速度比例增益，而算出电流指令。

电流控制器13生成与速度控制器12所算出的电流指令和电流检测器15检测出的实际流经马达30的电流的大小(以下记作检测电流)的偏差相应的电压指令。作为所述电流控制器13，通常使用比例积分(proportional integral，PI)控制器。电力转换器14是将来自电流控制器13的电压指令加以放大而施加至马达30的单元。

以下，对马达控制装置10所具有的马达常数计算功能进行说明。

如上所述，马达控制装置10在控制马达30时，成为进行电流控制的装置。为了进行高精度的电流控制，需要马达30的电阻与电感的准确值，但是也存在完全不知道马达30的电阻及电感的情况。在这种情况下，用于求出马达30的电阻及电感的功能是所述马达常数计算功能。

如图2所示，马达控制装置10的马达常数计算功能是通过包含电流指令生成部21及电阻电感(resistance及inductance，RL)计算部22的马达常数推断部20、电流控制器13、电力转换器14及电流检测器15来实现。

马达常数推断部20具有第一运行模式～第三运行模式，作为运行模式。以下，对各模式下的马达常数推断部20的运行进行说明。

[第一运行模式]

第一运行模式是在已知马达30的电时间常数的情况下用户能够使用的模式。

当在第一运行模式下使马达常数推断部20运行时，用户对与马达控制装置10连接的上位装置，进行包含马达30的电时间常数的输入操作的规定的操作(以下记作第一操作)。当进行第一操作时，从上位装置对马达常数推断部20通知用户所输入的电时间常数，马达常数推断部20开始第一运行模式下的运行。

当马达常数推断部20开始第一运行模式下的运行时，电流指令生成部21算出用户所输入的电时间常数的倒数作为马达常数计算用频率。接着，电流指令生成部21判断包含电流控制器13等的电流控制环路的当前的带频(band frequency)是否为马达常数计算用频率以上。

电流指令生成部21在电流控制环路的当前的带频为马达常数计算用频率以上时，变更电流控制器13的控制参数(PI增益)，以使得电流控制环路的带频低于马达常数计算用频率。然后，电流指令生成部21进行电流指令输入处理，即，将马达常数计算用频率的规定振幅的正弦波，在规定时间的期间内作为电流指令而输入至电流控制环路。再者，所谓将正弦波输入至电流控制环路，是指将正弦波输入至电流控制器13的前级的差分器。

另一方面，当电流控制环路的当前的带频低于马达常数计算用频率时，电流指令生成部21不变更电流控制器13的控制参数，而进行所述电流指令输入处理。

在电流指令生成部21进行所述电流指令输入处理的期间内，RL计算部22收集电压指令及检测电流。当电流指令输入处理结束后，RL计算部22基于收集到的信息，求出将电压指令、检测电流分别作为输入、输出的频率响应。接着，RL计算部22根据所求出的频率响应，利用以下的(1)式、(2)式，算出马达30的电阻R及电感L。

[数式1]

在这里，ω是马达常数计算用频率，而P(ω)、G(ω)分别是作为所述频率响应而求出的增益、相位。再者，所述(1)式、(2)式是通过假设以下的马达模型而获得。

[数式2]

当RL计算部22的马达30的电阻及电感的计算结束后，马达常数推断部20将算出的电阻及电感作为处理结果发送至上位装置之后，结束第一运行模式下的运行。

[第二运行模式]

第二运行模式也是在已知马达30的电时间常数的情况下用户能够使用的模式。

当在第二运行模式下使马达常数推断部20运行时，用户对上位装置进行规定的操作(以下记作第二操作)，包含马达30的电时间常数及一个以上的驱动电流指定值的输入操作。当进行第二操作后，从上位装置对马达常数推断部20通知用户所输入的各值，马达常数推断部20开始第二运行模式下的运行。

当马达常数推断部20开始第二运行模式下的运行后，电流指令生成部21算出用户所输入的电时间常数的倒数作为马达常数计算用频率。接着，电流指令生成部21判断包含电流控制器13等的电流控制环路的当前的带频是否为马达常数计算用频率以上。然后，电流指令生成部21只在电流控制环路的当前的带频为马达常数计算用频率以上的情况下，变更电流控制器13的控制参数，以使电流控制环路的带频低于马达常数计算用频率。

然后，电流指令生成部21针对用户所输入的每个驱动电流指定值，进行电流指令输入处理，以在规定时间的期间内将马达常数计算用频率的正弦波作为电流指令输入至电流控制环路，以使流经马达的电流的时间平均值与驱动电流指定值相一致的方式而确定其振幅。

另外，当马达常数推断部20在第二运行模式下运行时，RL计算部22针对电流指令生成部21进行的每个电流指令输入处理，收集电压指令及检测电流，并基于收集到的信息，求出将电压指令、检测电流分别作为输入、输出的频率响应，根据所求出的频率响应算出马达30的电阻及电感。然后，在RL计算部22针对所有电流指令输入处理的处理完成时，马达常数推断部20将RL计算部22所算出的各(所有)对(pair)电阻及电感作为处理结果发送至上位装置之后，结束第二运行模式下的运行。

[第三运行模式]

第三运行模式是通常在马达30的电时间常数不详时使用的模式。

当在第三运行模式下使马达常数推断部20运行时，用户对上位装置，进行用于命令开始第三运行模式下的运行的规定操作(以下记作第三操作)。当进行第三操作时，从上位装置对马达常数推断部20命令开始第三运行模式下的运行，马达常数推断部20开始第三运行模式下的运行。

当马达常数推断部20开始第三运行模式下的运行时，通过电流指令生成部21及RL计算部22，进行如下的处理：在只将预定的规定电压以下的电压施加至马达30的状态下，测定将电压指令、检测电流分别作为输入、输出的规定频率范围(例如，数赫兹(Hz)～数千赫兹(kHz))内的频率响应，其中所述规定电压被预定为不论马达30的规格如何过度电流都不会流入至马达30的电压。再者，所述规定电压既可以是数伏(V)程度的预定的电压，也可以是根据马达控制装置10的电源电压而求出的值(例如，电源电压×5％)。

已结束所述频率响应的测定的RL计算部22，根据经测定的频率响应的若干频率下的增益及相位，算出马达30的电感及电阻。接着，RL计算部22根据多组电感及电阻的计算结果，通过规定的处理(例如，去除异常值之后取平均之类的处理)，而算出一组电感及电阻。然后，RL计算部22根据所述一组电感及电阻的计算结果算出马达30的电时间常数。

当按照所述顺序的马达30的电时间常数的计算完成时，电流指令生成部21及RL计算部22进行与所述第一运行模式下的电流指令生成部21及RL计算部22相比只有以下方面不同的处理：用于计算马达常数计算用频率的电时间常数并非用户所输入的值。并且，马达常数推断部20将所算出的电阻及电感作为处理结果发送至上位装置之后，结束第三运行模式下的运行。

如以上所述，本实施方式的马达控制装置10基本上是根据以将正弦波作为电流指令输入至电流控制器13的期间内的电压指令、检测电流分别作为输入、输出的频率响应，求出马达30的电阻及电感的装置。将电压指令、检测电流分别作为输入、输出的频率响应(增益线图)如图3所示。因此，如果作为电流指令而输入至电流控制器13的正弦波的频率过低，则电感的计算精度(推断精度)变差。并且，如果所述正弦波的频率过高，则电阻的计算精度(推断精度)变差，但马达控制装置10是以将作为电流指令而输入至电流控制器13的正弦波的频率设为马达30的电时间常数(图3中的T)的倒数的方式而构成。因此，马达控制装置10算出的马达30的电阻及电感的计算结果准确。并且，只要基于所算出的马达30的电阻R及电感L，例如，将电流控制器13的比例增益Kp、积分增益Ki设为以下的值，就能够良好地控制马达30。

Kp＝Wc×L (3)式

Ki＝R/L (4)式

再者，(3)式中的Wc是预定的比例系数。

另外，马达控制装置10的电流控制环路的频率响应(伯德图)如图4所示。因此，当“马达常数测定用频率<电流控制环路的带频”成立时，输入至电流控制器13的偏差接近于“0”，马达30的电阻及电感的鉴定精度变差，但是马达控制装置10具有将电流控制环路的带频变更为马达常数测定用频率以下的功能。因此，根据马达控制装置10，也可以抑制由输入至电流控制器13的偏差接近于“0”所引起的鉴定精度的下降。

并且，如图5所示，马达30的电感根据流经马达30的电流而发生变化。只要使马达常数推断部20在第二运行模式下运行，就能够算出(推断)各电流值时的马达30的电感及电阻。因此，根据马达控制装置10，也可以根据马达30的驱动电流来变更电流控制器13的参数。

此外，只要使马达控制装置10的马达常数推断部20在第三运行模式下运行，就能够推断电时间常数不详的马达30的电阻及电感。并且，在第三运行模式下，对马达30只施加低电压。因此，也能够防止电流过度流入至电阻低的马达30之类的现象产生。

《变形方式》

所述马达控制装置10是能够进行各种变形的装置。例如，也可以基于马达30的电阻及电感的计算结果，将马达控制装置10变形为自动变更电流控制器13的控制参数的装置。再者，当将电流控制器13的控制参数自动变更为第二运行模式下的电阻及电感的计算结果时，只要将存储着针对各电流值而算出的电阻及电感的表追加至马达控制装置10之后，预先根据电流值而变更电阻及电感的值(参照(3)式、(4)式)即可。

另外，马达常数计算用频率只要是马达30的电时间常数的倒数附近的值即可。也可以设为针对每个电时间常数的倒数的范围(区划)，预先确定马达常数计算用频率，使用与包含电时间常数的倒数的范围相对应的马达常数计算用频率。

《附记》

1.一种马达控制装置10，对马达30进行控制，所述马达控制装置10包括：

电力转换器14，将与所输入的电压指令相应的电压施加至所述马达；

电流控制器13，利用所述马达的驱动电流的电流值的检测结果算出输入至所述电力转换器14的所述电压指令，以使得由所输入的电流指令指定的电流值与所述马达的所述驱动电流的所述电流值相一致；

电流指令生成部21，基于所述马达30的电时间常数确定马达常数计算用频率，生成所述马达常数计算用频率的正弦波并作为所述电流指令输入至所述电流控制器13；以及

马达常数计算部22，求出频率响应，并且根据所求出的频率响应算出所述马达30的电阻及电感，其中所述频率响应是，将在所述电流指令生成部21将所述正弦波作为所述电流指令而输入至所述电流控制器13的期间内的所述电压指令、所述马达30的所述驱动电流的所述电流值分别作为输入、输出。

Claims

1.一种马达控制装置，用以对马达进行控制，其特征在于，所述马达控制装置包括：

电力转换器，将与所输入的电压指令相应的电压施加至所述马达；

电流控制器，利用所述马达的驱动电流的电流值的检测结果算出输入至所述电力转换器的所述电压指令，以使得由所输入的电流指令指定的电流值与所述马达的所述驱动电流的所述电流值相一致；

电流指令生成部，基于所述马达的电时间常数确定马达常数计算用频率，生成所述马达常数计算用频率的正弦波并作为所述电流指令输入至所述电流控制器；以及

马达常数计算部，求出频率响应，并且根据所求出的频率响应算出所述马达的电阻及电感，其中所述频率响应是，将在所述电流指令生成部将所述正弦波作为所述电流指令而输入至所述电流控制器的期间内的所述电压指令、所述马达的所述驱动电流的所述电流值分别作为输入、输出。

2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，所述电流指令生成部将所述马达的所述电时间常数的倒数确定为所述马达常数计算用频率。

3.根据权利要求1或2所述的马达控制装置，其特征在于，所述电流指令生成部使包含所述电力转换器及所述电流控制器的电流控制环路的频带低于所述马达常数计算用频率之后，生成所述马达常数计算用频率的所述正弦波并作为所述电流指令输入至所述电流控制器。

4.根据权利要求1或2所述的马达控制装置，其特征在于，

所述电流指令生成部将所述马达常数计算用频率的振幅互不相同的多个正弦波逐个地作为所述电流指令而输入至所述电流控制器，以及

所述马达常数计算部针对所述多个正弦波，分别算出所述马达的电阻及电感。

5.根据权利要求1或2所述的马达控制装置，其特征在于，所述马达控制装置还包括：

推断部，通过将用以使规定电压以下的电压施加至所述马达的电流指令输入至所述电流控制器，而求出在规定频率范围内将所述电压指令、所述马达的所述驱动电流的所述电流值分别作为输入、输出的频率响应，并根据所求出的频率响应推断所述马达的所述电时间常数，其中所述规定电压被预定为不论所述马达的规格如何过度电流都不会流入至所述马达的电压；

其中所述电流指令生成部基于所述推断部推断出的所述马达的电时间常数，确定所述马达常数计算用频率。