CN111566928B - 电动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

电动机的控制装置包括位置控制部、指令加速度计算部、第一减法运算器以及第二减法运算器。位置控制部被输入用于指定负载的目标位置的位置指令信号和表示驱动负载的电动机的位置的电动机位置信号，输出转矩指令信号。指令加速度计算部被输入位置指令信号，输出表示位置指令信号的加速度的指令加速度信号。第一减法运算器从表示负载的加速度的负载加速度信号减去指令加速度信号，来输出负载加速度校正信号。第二减法运算器从转矩指令信号减去对负载加速度校正信号乘以规定的加权系数所得到的值，来输出转矩指令校正信号。转矩指令校正信号用于控制向电动机的定子绕组通电的电流。

Description

电动机的控制装置
技术领域
本发明涉及一种电动机的控制装置，该电动机的控制装置针对电动机和通过电动机而被驱动的机械负载，控制电动机的速度或位置等驱动动作。特别是，本发明涉及一种具备抑制在驱动等时产生的机械负载的由反共振引起的振动的控制结构的电动机的控制装置。
背景技术
这种电动机的控制装置在内部具有反馈控制系统，使得从上级控制器输入的位置指令与电动机及作为被控制对象的负载(机械负载)的位置一致。这种电动机的控制装置根据位置指令和电动机的位置检测值来计算用于使位置指令与电动机位置一致的转矩指令值，控制向电动机的定子绕组通电的电流，使得在电动机中产生与转矩指令值相同的转矩，由此控制电动机及作为被控制对象的负载(机械负载)的位置。然而，在电动机与作为被控制对象的负载(机械负载)的接合部的机械刚性低的情况下，在加减速时或施加干扰时，容易在作为被控制对象的负载(机械负载)中产生由反共振引起的振动，从而认识到课题在于与以往相比进一步提高稳定性和干扰抑制性。
针对该课题，以往的进给控制装置构成为：在作为被控制对象的负载(机械负载)即滑块上设置加速度传感器，具备加速度反馈环来抑制在加减速时或施加干扰时在作为被控制对象的负载(机械负载)中产生的振动，该加速度反馈环用于从转矩指令值减去对作为被控制对象的负载(机械负载)的加速度检测值乘以作为加权系数的加速度反馈增益所得到的值(例如，参照专利文献1)。
在以专利文献1等为代表的结构中，使加速度反馈增益越大，则由机械刚性引起的振动越小。另一方面，负载的加减速动作所需要的转矩被从转矩指令值减去。因此，具有以下问题：指令跟踪性能变差，导致在停止期间发生动作延迟、过冲或下冲等，无法同时实现稳定性和振动抑制。换言之，在加速度反馈增益(加速度反馈量)与指令跟踪性能之间存在折衷的关系，为了同时实现稳定性和振动抑制，希望进一步进行改良。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-91482号公报
发明内容
本发明用于解决以往的课题。本发明的目的在于提供一种具有负载加速度反馈系统的电动机的控制装置，在所述电动机的控制装置中，通过在保持指令跟踪性能的同时，获得由负载加速度反馈产生的振动抑制效果，能够同时实现稳定性和振动抑制。即，本发明提供一种电动机的控制装置，实现缓解或避免负载加速度反馈增益(加速度反馈量)与指令跟踪性能之间的折衷关系，在保持指令跟踪性能的同时，提高了由来自负载侧的加速度反馈产生的振动抑制效果。
为了解决上述课题，本申请的发明人反复进行试验并且进行了深入研究。然后，发现了一种在保持指令跟踪性能的同时，提高了由来自负载侧的加速度反馈产生的振动抑制效果的新型的电动机的控制装置。其详情如下所述。
用于解决课题的第一方式是一种驱动负载(机械负载)的电动机的控制装置，其具备位置控制部、指令加速度计算部、第一减法运算器以及第二减法运算器。位置控制部被输入用于指定负载的目标位置的位置指令信号和表示驱动负载的电动机的位置的电动机位置信号，输出转矩指令信号。指令加速度计算部被输入位置指令信号，输出表示位置指令信号的加速度的指令加速度信号。第一减法运算器从表示负载的加速度的负载加速度信号减去指令加速度信号，来输出负载加速度校正信号。第二减法运算器从转矩指令信号减去对负载加速度校正信号乘以规定的加权系数所得到的值，来输出转矩指令校正信号。转矩指令校正信号用于控制向电动机的定子绕组通电的电流。
另外，关于第二方式，在第一方式的电动机的控制装置中，指令加速度计算部通过将对指令加速度信号实施以下滤波处理所得到的信号乘以加权系数，来生成负载速度信号，该滤波处理是与针对位置指令信号而言的电动机位置信号的传递特性等效的处理。
另外，关于第三方式，在第一方式的电动机的控制装置中，指令加速度计算部通过将对指令加速度信号实施以下滤波处理所得到的信号乘以加权系数，来生成负载速度信号，该滤波处理是与将负载和电动机设为刚体的情况下的针对位置指令信号而言的电动机位置信号的传递特性等效的处理。
通过解决上述课题，在具有负载加速度反馈系统的电动机的控制装置中，通过从被反馈的负载加速度信息预先减去指令加速度信息，能够防止由负载加速度反馈引起的加减速转矩的减法运算。因此，也不会导致由负载加速度反馈引起的指令跟踪性能的降低，能够在保持指令跟踪性能的状态下，提高由负载加速度反馈产生的振动抑制效果。因而，能够同时实现稳定性和振动抑制。
本发明的电动机的控制装置从被反馈的负载加速度信息预先减去指令加速度信息。本发明的电动机的控制装置能够防止由负载加速度反馈引起的加减速转矩的减法运算，能够在保持指令跟踪性能的同时，提高由负载加速度反馈产生的振动抑制效果，产业上的价值大。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的电动机的控制装置的结构的一例的图。
图2是示出本发明的实施方式的负载加速度校正部的结构的一例的图。
图3是示出本发明的实施方式的电动机的控制装置的结构的其它例的图。
图4是示出本发明的实施方式的电动机的控制装置的结构的又一其它例的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。此外，本发明不限定于该实施方式。
(实施方式)
图1是示出本发明的实施方式的电动机的控制装置的结构的一例的图。图1所示的电动机的控制装置100与电动机201、位置检测器202及加速度检测器205连接，其中，位置检测器202用于检测电动机201的位置，加速度检测器205用于检测经由接合部203而与电动机201连接的作为驱动对象的负载204的加速度。电动机的控制装置100被未图示的上级控制器输入位置指令信号，控制向电动机的定子绕组通电的电流，使得位置指令信号与电动机及负载机械的位置一致。
位置检测器202检测电动机的位置，将所检测出的电动机的位置设为电动机位置信号θm输出到电动机的控制装置100。加速度检测器205检测负载的加速度，将检测出的负载的加速度设为负载加速度信号AL输出到电动机的控制装置100。
说明电动机的控制装置100的结构。电动机的控制装置100在内部具有位置控制部101、速度控制部102、转矩控制部103、速度变换部104、负载加速度校正部105、指令加速度计算部106、减法运算器107以及减法运算器108。
位置控制部101被输入位置指令信号θS和电动机位置信号θm，输出速度指令信号ωS。速度控制部102被输入速度指令信号ωS和由速度变换部104根据电动机位置信号θm计算出的电动机速度信号ωm，输出转矩指令信号τS。转矩控制部103被输入从转矩指令信号τS减去后述的负载加速度反馈转矩信号τacc所得到的转矩指令校正信号τin，控制向电动机的定子绕组通电的电流，使得在电动机中产生与转矩指令校正信号τin相同的转矩。
指令加速度计算部106被输入位置指令信号θS，输出表示位置指令的加速度的指令加速度信号AS。
负载加速度校正部105被输入从负载加速度信号AL减去指令加速度信号AS所得到的负载加速度校正信号A'L，输出负载加速度反馈转矩信号τacc。
这样，电动机的控制装置100在内部具有将电动机位置、电动机速度以及负载速度进行反馈的级联型的反馈控制系统，使得位置指令与电动机及负载的位置一致。
接着，说明电动机的控制装置的结构的详情。位置控制部101被输入位置指令信号θS和电动机位置信号θm，输出用于减小两者的差异的速度指令信号ωS。位置控制部101例如进行以下比例控制运算，在该比例控制运算中，将对位置指令信号θS和电动机位置信号θm乘以加权系数所得到的信号作为速度指令信号ωS输出。位置控制部101例如进行以下比例控制运算，在该比例控制运算中，将对位置指令信号θS与电动机位置信号θm的差值乘以加权系数所得到的值作为速度指令信号ωS输出。
速度控制部102被输入速度指令信号ωS和电动机速度信号ωm，输出用于减小两者的差异的转矩指令信号τS。速度控制部102例如进行以下比例积分运算，在该比例积分运算中，将以下两个值的相加值作为转矩指令信号τS输出，所述两个值中的一者是对速度指令信号ωS与电动机速度信号ωm的差值乘以加权系数所得到的值，所述两个值中的另一者是对速度指令信号ωS与电动机速度信号ωm的差值的积分值乘以加权系数所得到的值。
速度变换部104被输入电动机位置信号θm，输出表示电动机速度的电动机速度信号ωm。速度变换部104例如对电动机位置信号θm进行微分运算，将其计算结果作为电动机速度信号ωm输出。
指令加速度计算部106被输入位置指令信号θS，输出表示位置指令信号θS的加速度的指令加速度信号AS。指令加速度计算部106例如通过对位置指令信号θS实施二阶微分运算处理，来计算指令加速度信号AS。
减法运算器107从负载加速度信号AL减去指令加速度信号AS，来输出负载加速度校正信号A'L。负载加速度校正部105被输入负载加速度校正信号A'L，将对负载加速度校正信号A'L乘以加权系数所得到的值作为负载加速度反馈转矩信号τacc输出。
减法运算器108将从转矩指令信号τS减去负载加速度反馈转矩信号τacc所得到的值作为转矩指令校正信号τin输出到转矩控制部103。
负载加速度校正部105构成为：将对从负载加速度信号AL减去指令加速度信号AS所得到的负载加速度校正信号A'L乘以加权系数所得到的值作为负载加速度反馈转矩信号τacc输出。假设在将对负载加速度信号AL乘以加权系数所得到的值作为负载加速度反馈转矩信号τacc输出的情况下，在为了使电动机位置信号θm或负载位置θL跟踪位置指令信号θS而使电动机或负载进行加减速动作时，设为从转矩指令信号τS减去负载加速度反馈转矩信号τacc。在该情况下，导致从转矩指令信号τS中包含的在加减速动作中需要的转矩减去负载加速度反馈转矩信号τacc。关于从转矩指令信号τS减去负载加速度反馈转矩信号τacc的情况下的作用，结合负载加速度校正部105的动作原理进行说明。
图2是示出本发明的实施方式的负载加速度校正部105的结构的一例的图。负载加速度校正部105被输入负载加速度校正信号A'L，将对负载加速度校正信号A'L乘以作为加权系数的负载加速度反馈增益Kacc所得到的值作为负载加速度反馈转矩信号τacc输出。此时，如果设为指令加速度信号AS＝0，则针对转矩指令信号τS而言的电动机位置信号θm的传递函数GτS→θm(s)用式(1)表示。针对转矩指令信号而言的负载位置θL的传递函数GτS→θL(s)用式(2)表示。
[数式1]
[数式2]
[数式3]
[数式4]
说明各式中的变量和运算符。s是拉普拉斯算子。Jm是电动机201的惯量。JL是负载204的惯量。ω'P是从转矩指令信号τS向电动机位置信号θm的传递特性中的共振频率。ωZ是从转矩指令信号τS向电动机位置信号θm的传递特性中的反共振频率。负载加速度反馈增益Kacc与共振频率ω'P的关系表示为式(3)。弹性系数KS及负载204的惯量JL与反共振频率ωZ的关系用式(4)的式子表示。在式(3)和式(4)中，KS表示接合部203的弹性系数。在电动机的控制装置100中通过电动机201驱动负载204的情况下，通过加减速动作在负载204中激起反共振频率ωZ的振动，成为妨碍停止时的稳定性的主要原因。
当关注式(1)时可知，当使负载加速度反馈增益Kacc增大时，共振频率ω'P变大，反共振频率ωZ不变化。共振频率与反共振频率的差异越大，则反共振频率下的增益越小，因此反共振的影响越小。另一方面，根据式(1)和式(2)可知，针对转矩指令信号τS而言的电动机位置信号θm与负载位置θL的关系处于下式(5)的关系。
[数式5]
根据式(5)，电动机位置信号θm与负载位置θL的关系与负载加速度反馈增益Kacc无关，始终是恒定的。因此，在式(1)中，通过提高负载加速度反馈增益Kacc，当针对转矩指令信号τS而言的电动机位置信号θm的传递特性的反共振频率ωZ下的增益变小时，针对转矩指令信号τS而言的负载位置θL的传递特性的反共振频率ωZ下的增益也同样变小。因此，由加减速动作产生的负载204的反共振频率ωZ的振动也变小。
如上所述，通过由负载加速度校正部105对负载加速度进行反馈，如上述各式所示，具有降低反共振频率下的增益、即灵敏度的作用。由此，在通过电动机的控制装置100驱动电动机201或负载204时，能够减少在加减速动作时在负载204中产生的反共振振动。
如上所述，通过由负载加速度校正部105对负载加速度信号AL进行反馈，能够得到抑制由反共振引起的振动的效果。
另一方面，在为了使电动机位置信号θm和负载加速度信号AL跟踪位置指令信号θS而进行加减速动作时，在不从负载加速度信号AL减去指令加速度信号AS而将负载加速度信号AL直接输入到负载加速度校正部105来计算出负载加速度反馈转矩信号τacc的情况下，由于负载加速度反馈而产生稳定性变差的问题。
在进行加减速动作时,需要进行控制使得在电动机中产生与期望的加速度成比例的转矩。在电动机的控制装置100中，由位置控制部101和速度控制部102计算加减速动作所需要的转矩，将该转矩作为转矩指令信号τS输出。然而，在不从负载加速度信号AL减去指令加速度信号AS而将负载加速度信号AL直接输入到负载加速度校正部105来计算出负载加速度反馈转矩信号τacc的情况下，由于从转矩指令信号τS减去负载加速度反馈转矩信号τacc，因此导致加减速动作所需要的转矩也减少，指令跟踪性能降低。通过由位置控制部101和速度控制部102再次补偿加减速动作所需要的转矩的不足部分，来控制成使电动机位置信号θm及负载位置θL与位置指令信号θS一致。但是，由于位置控制部101和速度控制部102是反馈控制，因此在控制中产生延迟。由于该控制延迟，在停止期间发生动作延迟、过冲或下冲等，导致稳定性降低。也就是说，使负载加速度反馈增益(加速度反馈量)越大，则指令跟踪性能越低。负载加速度反馈增益(加速度反馈量)与指令跟踪性能处于折衷的关系。
将从被反馈的负载加速度信号AL预先减去表示加减速动作时的加速度的指令加速度信号AS所得到的负载加速度校正信号A'L输入到负载加速度校正部105，来计算负载加速度反馈转矩信号τacc，由此电动机201和负载204的加减速动作所需要的转矩不会由于负载加速度反馈而减少。因此，能够得到改善停止期间的动作延迟、过冲或下冲等的效果。
如上所述，在本实施方式中，在内部具有负载加速度反馈系统的电动机的控制装置中，通过从被反馈的负载加速度信息预先减去指令加速度信息，能够防止由负载加速度反馈引起的加减速转矩的减法运算。因此，能够在保持指令跟踪性能的同时，得到由负载加速度反馈产生的振动抑制效果。因此，能够同时实现稳定性和振动抑制。
在本实施方式中，设为将从负载加速度减去指令加速度所得到的结果进行反馈的结构。但是，也可以设为以下结构：从负载加速度减去对指令加速度实施与针对位置指令信号而言的电动机位置信号的传递特性等效的滤波处理所得到的加速度信息。图3是示出本发明的实施方式的电动机的控制装置的结构的其它例的图。在图3中，对与图1所示的构成要素相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略说明。在图3所示的电动机的控制装置100的滤波处理部109中，实施与针对位置指令信号而言的电动机位置信号的传递特性等效的滤波处理，来输出加速度信息。通过采用这种结构，从被反馈的负载加速度信息预先减去实际进行加减速动作时的加速度，能够防止由负载加速度反馈引起的加减速转矩的减法运算。因此，能够在进一步保持指令跟踪性能的同时，得到由负载加速度反馈产生的振动抑制效果。因而，能够同时实现稳定性和振动抑制。
在本实施方式中，设为将从负载加速度减去指令加速度所得到的结果进行反馈的结构。但是，也可以设为以下结构：从负载加速度减去对指令加速度实施以下滤波处理所得到的加速度信息，该滤波处理与在电动机同负载的接合部的刚性高、也就是将电动机和负载设为刚体的情况下的针对位置指令信号而言的电动机位置的传递特性是等效的处理。在该情况下，在图3所示的电动机的控制装置100的滤波处理部109中，实施与在电动机同负载的接合部的刚性高、也就是将电动机和负载设为刚体的情况下的针对位置指令信号而言的电动机位置的传递特性等效的滤波处理，来输出加速度信息。通过采用这种结构，从被反馈的负载加速度信息预先减去实际进行加减速动作时的加速度，能够防止由负载加速度反馈引起的加减速转矩的减法运算。因此，能够在进一步保持指令跟踪性能的同时，得到由负载加速度反馈产生的振动抑制效果。因此，能够同时实现稳定性和振动抑制。
如上所述，本实施方式的电动机的控制装置100是驱动负载(机械负载)的电动机的控制装置100，包括位置控制部101、指令加速度计算部106、相当于第一减法运算器的减法运算器107以及相当于第二减法运算器的减法运算器108。位置控制部101被输入用于指定负载的目标位置的位置指令信号θS和表示驱动负载的电动机的位置的电动机位置信号θm，输出转矩指令信号τS。指令加速度计算部106被输入位置指令信号θS，输出表示位置指令信号θS的加速度的指令加速度信号AS。第一减法运算器从表示负载的加速度的负载加速度信号AL减去指令加速度信号AS，来输出负载加速度校正信号A'L。第二减法运算器从转矩指令信号τS减去对负载加速度校正信号A'L乘以规定的加权系数所得到的值，来输出转矩指令校正信号τin。转矩指令校正信号τin用于控制向电动机的定子绕组通电的电流。
由此，在内部具有负载加速度反馈系统的电动机的控制装置100中，通过从被反馈的负载加速度信息预先减去指令加速度信息，能够防止由负载加速度反馈引起的加减速转矩的减法运算。因此，能够在保持指令跟踪性能的同时，得到由负载加速度反馈产生的振动抑制效果。因而，能够同时实现稳定性和振动抑制。
另外，指令加速度计算部106也可以通过将对指令加速度信号AS实施以下滤波处理所得到的信号乘以加权系数，来生成负载速度信号，该滤波处理是与针对位置指令信号θS而言的电动机位置信号θm的传递特性等效的处理。图4是示出本发明的实施方式的电动机的控制装置的结构的又一其它例的图。在图4中，对与图3所示的构成要素相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略说明。在图4所示的电动机的控制装置100的加权系数乘法运算部110中，对由滤波处理部109实施滤波处理所得到的信号乘以加权系数。此外，也可以是指令加速度计算部106包括滤波处理部109和加权系数乘法运算部110。
另外，指令加速度计算部106也可以通过将对指令加速度信号AS实施以下滤波处理所得到的信号乘以加权系数，来生成负载速度信号，该滤波处理是与将负载和电动机设为刚体的情况下的针对位置指令信号θS而言的电动机位置信号θm的传递特性等效的处理。在图4所示的电动机的控制装置100的滤波处理部109中，实施与在电动机同负载的接合部的刚性高、也就是将电动机和负载设为刚体的情况下的针对位置指令信号而言的电动机位置的传递特性等效的滤波处理，来输出信号。在图4所示的电动机的控制装置100的加权系数乘法运算部110中，对由滤波处理部109实施滤波处理所得到的信号乘以加权系数。此外，也可以是指令加速度计算部106包括滤波处理部109和加权系数乘法运算部110。
产业上的可利用性
如上所述，本发明所涉及的电动机的控制装置在保持指令跟踪性能的同时，获得由负载加速度反馈产生的振动抑制效果。因此，能够同时实现稳定性和振动抑制。能够提供如下一种电动机的控制装置：通过缓解或避免负载加速度反馈增益(加速度反馈量)与指令跟踪性能之间的折衷关系，能够在保持指令跟踪性能的同时，提高由来自负载侧的加速度反馈产生的振动抑制效果。因而，适用于在半导体制造装置或电子部件安装机等中使用的电动机的控制装置等用途。
附图标记说明
100：电动机的控制装置；101：位置控制部；102：速度控制部；103：转矩控制部；104：速度变换部；105：负载加速度校正部；106：指令加速度计算部；107：减法运算器；108：减法运算器；109：滤波处理部；110：加权系数乘法运算部；201：电动机；202：位置检测器；203：接合部；204：负载；205：加速度检测器。

Claims (3)

1.一种电动机的控制装置，所述电动机用于驱动负载，所述电动机的控制装置包括：
位置控制部，其被输入用于指定所述负载的目标位置的位置指令信号和表示驱动所述负载的所述电动机的位置的电动机位置信号，输出速度指令信号；
速度变换部，其被输入所述电动机位置信号，输出表示所述电动机的速度的电动机速度信号；
速度控制部，其被输入所述速度指令信号和所述电动机速度信号，输出用于减小两者的差异的转矩指令信号；
指令加速度计算部，其被输入所述位置指令信号，输出表示所述位置指令信号的加速度的指令加速度信号；
第一减法运算器，其从表示所述负载的加速度的负载加速度信号减去所述指令加速度信号，来输出负载加速度校正信号；
负载加速度校正部，其被输入所述负载加速度校正信号，将对所述负载加速度校正信号乘以加权系数所得到的值作为负载加速度反馈转矩信号输出；
第二减法运算器，其从所述转矩指令信号减去所述负载加速度反馈转矩信号，来输出转矩指令校正信号；以及
转矩控制部，其被输入所述转矩指令校正信号，控制向所述电动机的定子绕组通电的电流，
其中，所述转矩控制部用于控制向所述电动机的定子绕组通电的电流，使得在所述电动机中产生与所述转矩指令校正信号相同的转矩。
2.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，
所述指令加速度计算部通过将对所述指令加速度信号实施以下滤波处理所得到的信号乘以加权系数，来生成负载速度信号，该滤波处理是与针对所述位置指令信号而言的所述电动机位置信号的传递特性等效的处理。
3.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，
所述指令加速度计算部通过将对所述指令加速度信号实施以下滤波处理所得到的信号乘以加权系数，来生成负载速度信号，该滤波处理是与将所述负载和所述电动机设为刚体的情况下的针对所述位置指令信号而言的所述电动机位置信号的传递特性等效的处理。
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