CN113632370A - 电动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供电动机的控制装置，能够高精度地运算电动机的旋转速度。电动机的控制装置具有：速度运算部，其从检测电动机的旋转位置并输出包含根据所述旋转位置决定的周期性误差的位置检测信号的位置检测器接受该位置检测信号的输入，从输出检测来自所述位置检测器的位置检测信号发生了变化的时间而得到的位置变化时间信号的时间检测器接受该位置变化时间信号的输入，根据所述位置检测信号和所述位置变化时间信号，运算所述电动机的旋转速度并输出；以及速度校正部，其接受来自所述位置检测器的位置检测信号的输入，利用速度校正值对由所述速度运算部输出的旋转速度进行校正，该速度校正值是由速度校正模型根据该位置检测信号运算根据所述电动机的旋转速度中包含的所述旋转位置决定的周期性速度误差而得到的。

Description

电动机的控制装置
技术领域
本发明涉及电动机的控制装置。
背景技术
专利文献1公开电动机的控制装置。该控制装置在安装于电动机的编码器中检测与旋转位置对应的脉冲，由计时器计测编码器的脉冲间隔。该控制装置通过按照预先设定的每个运算周期将脉冲的变化量除以计时器的变化量，运算电动机的旋转速度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-15184号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1记载的控制装置中，电动机的旋转位置的检测值包含周期性误差。因此，在电动机的旋转速度的运算值中也包含误差。
本发明正是为了解决上述课题而完成的。本发明的目的在于，提供一种能够高精度地运算电动机的旋转速度的电动机的控制装置。
用于解决课题的手段
本发明的电动机的控制装置具有：速度运算部，其从检测电动机的旋转位置并输出包含根据所述旋转位置决定的周期性误差的位置检测信号的位置检测器接受该位置检测信号的输入，从输出检测来自所述位置检测器的位置检测信号发生了变化的时间而得到的位置变化时间信号的时间检测器接受该位置变化时间信号的输入，根据所述位置检测信号和所述位置变化时间信号，运算所述电动机的旋转速度并输出；以及速度校正部，其接受来自所述位置检测器的位置检测信号的输入，根据该位置检测信号利用速度校正值对输出到所述速度运算部的旋转速度进行校正，该速度校正值是通过速度校正模型运算根据所述电动机的旋转速度中包含的所述旋转位置决定的周期性速度误差而得到的。
发明效果
根据本发明，在电动机的旋转速度运算中，利用通过速度校正模型运算出的速度校正值进行校正。因此，能够高精度地运算电动机的旋转速度。
附图说明
图1是应用实施方式1中的电动机的控制装置的电动机系统的框图。
图2是用于说明应用实施方式1中的电动机的控制装置的电动机系统的时间检测器的动作的图。
图3是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的速度运算部的延迟的图。
图4是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的速度校正部的图。
图5是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的校正效果的第1例的图。
图6是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的校正效果的第2例的图。
图7是作为实施方式1中的电动机的控制装置的速度运算部和速度校正部的硬件结构图。
图8是用于说明实施方式2中的电动机的控制装置的速度校正部的图。
图9是用于说明实施方式2中的电动机的控制装置的校正效果的第1例的图。
图10是用于说明实施方式2中的电动机的控制装置的校正效果的第2例的图。
具体实施方式
参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。另外，在各图中，对相同或对应的部分标记相同的标号。适当简化或省略该部分的重复说明。
实施方式1
图1是应用实施方式1中的电动机的控制装置的电动机系统的框图。
如图1所示，电动机系统具有电动机1、位置检测器2、时间检测器3、速度运算部4、速度校正部5和电动机控制系统6。
电动机1的种类没有限定。例如，电动机1是永磁同步机。例如，电动机1是感应电动机。
例如，位置检测器2是光学式编码器。例如，位置检测器2是旋转变压器。例如，位置检测器2是磁传感器。位置检测器2检测电动机1的旋转位置，将该旋转位置的信息作为位置检测信号输出。此时，位置检测器2输出相对于真实的旋转位置θm包含由下述的(1)式表示的周期误差的旋转位置θ的信息。
[式1]
θ＝θm+A sin(Xθm+φ) (1)
其中，A是周期误差的振幅。X是周期误差的次数。
Figure BDA0003221935620000032
是周期误差的相位。
另外，在(1)式中，仅示出一个次数的周期误差，但也可以考虑为包含多个周期误差的模型。
例如，周期误差是由于编码器中的缝隙不良而产生的。例如，周期误差是由于旋转变压器或磁传感器中的磁应变或外部磁场而产生的。
另外，A、X、
Figure BDA0003221935620000033
是已知的。例如，通过出厂试验，使用基准编码器等确定位置检测器2中包含的周期误差。例如，在电动机1的运转中自动地确定A、X、
Figure BDA0003221935620000034
时间检测器3计测由位置检测器2得到的电动机1的旋转位置的时间间隔。例如，时间检测器3进行如下处理：检测电动机1的旋转位置发生了变化时的上升沿而使计时器启动，计测到下一次上升沿为止的时间。时间检测器3将此时的计测值作为位置变化时间信号输出。
速度运算部4根据位置检测器2的旋转位置的检测值与时间检测器3的计时器的计测值的差分，运算电动机1的旋转速度。具体而言，速度运算部4使用下述的(2)式运算电动机1的旋转速度ωm(k)。
[式2]
Figure BDA0003221935620000031
其中，k是速度运算周期的最新的时刻。k-1是前1步的时刻。θ(k)是时刻k的电动机1的旋转位置。θ(k-1)是时刻k-1的电动机1的旋转位置。T(k)是时刻k的计时器的计测值。T(k-1)是时刻k-1的计时器的计测值。
如(1)式所示，位置检测器2的旋转位置的检测值包含周期性误差。因此，实际上运算的电动机1的旋转速度是包含误差的旋转速度。具体而言，电动机1的旋转速度由(3)式表示。
[式3]
Figure BDA0003221935620000041
其中，Δθ(k)是时刻k的电动机1的旋转位置的误差。ΔT(k)是时刻k的计时器的计测值的误差。Δθ(k-1)是时刻k-1的电动机1的旋转位置的误差。ΔT(k-1)是时刻k-1的计时器的计测值的误差。
例如，即使在(3)式的分子中对位置检测器2中包含的周期误差进行校正而在没有电动机1的旋转位置的误差的状态下运算出电动机1的旋转速度，也残留有计时器的计测值中包含的误差。因此，电动机1的旋转速度的运算值产生误差。(3)式被转换成下述的(4)式。
[式4]
ω(k)＝ωm(k)+Δω(k) (4)
如(4)式所示，速度运算部4运算对真实的旋转速度ωm加上误差Δω而得到的旋转速度ω。
在此，考虑(4)式的ω与(1)式的模型的关系。当对(1)式进行时间微分时，得到下述的(5)式。
[式5]
ω＝ωm+AXωmcos(Xθm+φ) (5)
通过(4)式与(5)式的比较，下述的(6)式成立。
[式6]
Δω＝AXωmcos(Xθm+φ) (6)
(6)式表示根据位置检测器2对电动机1的旋转位置的检测值和时间检测器3对计时器的计测值运算出的电动机1的旋转速度中包含的速度误差。
速度校正部5运算对速度运算部4通过(6)式运算出的电动机1的旋转速度进行校正的速度校正值。速度校正部5通过从由速度运算部4运算出的电动机1的旋转速度值减去该速度校正值，对电动机1的旋转速度进行校正。
电动机控制系统6根据校正后没有误差的旋转速度，控制电动机1。
接着，使用图2对时间检测器3的动作进行说明。
图2是用于说明应用实施方式1中的电动机的控制装置的电动机系统的时间检测器的动作的图。
如图2所示，时间检测器3在电动机1的旋转位置发生了变化时，开始计测时间。具体而言，时间检测器3如Δt1、Δt2、Δ3那样计测时间。此时，计时器对发生了变化的时间Δt1、Δt2、Δ3进行累计。计时器以比运算电动机1的旋转速度的周期快的时钟进行动作。因此，时间分辨率变得精细。其结果是，电动机1的旋转速度的运算精度提高。特别是在电动机1的旋转速度慢且电动机1的旋转位置的变化较少的区域中，电动机1的旋转速度的运算精度提高。
另外，也可以通过其他方法计测电动机1的旋转位置的时间间隔。电动机1的旋转位置的时间间隔可以通过软件来计测，也可以通过硬件来计测。
接着，使用图3对速度运算部4的延迟进行说明。
图3是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的速度运算部的延迟的图。
如图3所示，速度运算部4通过如(2)式、(3)式那样将电动机1的旋转位置的检测值的差分除以计时器的计测值的差分，运算电动机1的旋转速度。此时的电动机1的旋转速度是运算周期间的平均速度。例如，在时刻t1，速度运算部4运算时刻t0的真实的速度0和时刻t1的真实的速度1的平均值即0.5作为电动机1的旋转速度。例如，在时刻t2，速度运算部4运算时刻t1与时刻t2之间的平均速度1.5作为电动机1的旋转速度。例如，在时刻t3，速度运算部4运算时刻t2与时刻t3之间的平均速度2.5作为电动机1的旋转速度。
即，速度运算部4运算相对于真实的旋转速度延迟了运算周期的一半时间的旋转速度。因此，速度校正部5实施考虑到如下延迟的校正，该延迟是由于根据电动机1的旋转位置的检测值的差分和计时器的计测值的差分运算电动机1的旋转速度而产生的。此时的速度校正模型针对(6)式考虑速度运算部4的时间延迟而成为(7)式。
[式7]
Δω＝AXωmcos(Xθm+φ-XωmΔt/2) (7)
在此，Δt是电动机1的旋转速度的运算周期。速度校正部5通过(7)式的速度校正模型对由速度运算部4运算出的旋转速度中包含的周期误差进行校正，运算没有误差的旋转速度。
接着，使用图4对速度校正部5进行说明。
图4是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的速度校正部的图。
如图4所示，速度校正部5具有位置校正模型7、速度校正模型8和延迟器9。
由于无法得到电动机1的真实的旋转位置，因此，位置校正模型7对位置检测器2的旋转位置的检测值进行校正。具体而言，位置校正模型7对(1)式所示的周期误差进行校正。此时，校正后的旋转位置微小到不对电动机1的旋转速度的校正精度产生影响。
速度校正模型8将由位置校正模型7校正后的旋转位置作为输入，运算(7)式的速度校正值。
在(7)式中，误差的振幅A、误差的次数X、误差的相位
Figure BDA0003221935620000061
校正后位置θm、速度运算周期Δt是已知的。与此相对，真实的旋转速度ωm是未知的。因此，速度校正模型8从延迟器9得到速度运算周期的前1步的电动机1的校正速度，运算速度校正值。该速度校正值对由速度运算部4运算出的旋转速度进行校正。其结果是，能够得到电动机1的校正速度。
接着，使用图5对校正效果的第1例进行说明。
图5是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的校正效果的第1例的图。
图5示出电动机1以恒定的速度旋转的情况下的校正结果。在如现有技术那样仅对电动机1的旋转位置进行校正的情况下，由于计时器的计测值的误差而产生速度误差。与此相对，在基于实施方式1的(7)式的校正中，不产生速度误差。
接着，使用图6对校正效果的第2例进行说明。
图6是用于说明实施方式1中的电动机的控制装置的校正效果的第2例的图。
图6示出电动机1正在加速的情况下的校正结果。在图6中，也与图5同样，在基于实施方式1的(7)式的校正中，不产生速度误差。
根据以上说明的实施方式1，在位置检测器2的检测值包含周期性误差时，在根据电动机1的旋转位置的检测值和计时器的计测值来运算电动机1的旋转速度时，以电动机1的旋转速度的维度进行校正，由此，对电动机1的旋转位置的误差和计时器的误差双方进行校正。因此，能够高精度地运算电动机1的旋转速度。其结果是，能够防止电动机1的控制性能劣化。
此外，速度校正部5在速度校正模型8中运算速度校正值时，使用前1步的电动机1的校正速度进行运算。因此，能够不使用电动机1的控制信息而仅利用传感器类的检测值来运算电动机1的旋转速度。
接着，使用图7对速度运算部4和速度校正部5的例子进行说明。
图7是作为实施方式1中的电动机的控制装置的速度运算部和速度校正部的硬件结构图。
速度运算部4和速度校正部5作为电动机1的控制装置的一部分发挥功能。控制装置的各功能能够通过处理电路来实现。例如，处理电路具有至少一个处理器100a和至少一个存储器100b。例如，处理电路具有至少一个专用的硬件200。
在处理电路具有至少一个处理器100a和至少一个存储器100b的情况下，控制装置的各功能通过软件、固件或者软件与固件的组合来实现。软件和固件中的至少一方记作程序。软件和固件中的至少一方存储于至少一个存储器100b。至少一个处理器100a通过读出并执行至少一个存储器100b中存储的程序，实现控制装置的各功能。至少一个处理器100a也称作中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微计算机、DSP。例如，至少一个存储器100b是RAM、ROM、闪存、EPROM、EEPROM等非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、紧凑盘、迷你盘、DVD等。
在处理电路具有至少一个专用的硬件200的情况下，处理电路例如通过单一电路、复合电路、程序化的处理器、并列程序化的处理器、ASIC、FPGA或者它们的组合来实现。例如，控制装置的各功能分别通过处理电路实现。例如，控制装置的各功能统一通过处理电路实现。
关于控制装置的各功能，也可以由专用的硬件200实现一部分，由软件或固件实现另一部分。例如，也可以是，关于速度运算部4的功能，由作为专用的硬件200的处理电路实现，关于速度运算部4的功能以外的功能，通过至少一个处理器100a读出并执行至少一个存储器100b中存储的程序来实现。
这样，处理电路通过硬件200、软件、固件或者它们的组合实现控制装置的各功能。
实施方式2
图8是用于说明实施方式2中的电动机的控制装置的速度校正部的图。另外，对与实施方式1的部分相同或对应的部分标注相同的标号。省略该部分的说明。
在实施方式2中，在电动机1根据速度指令值进行动作的情况下，速度校正模型8根据该速度指令值，运算速度校正值。具体而言，速度校正模型8设速度指令值为ωr，使用下述的(8)式运算速度校正值Δω。
[式8]
Δω＝AXωrcos(Xθm+φ-XωrΔt/2) (8)
此时，电动机控制系统6进行速度控制，当速度指令值ωr与实际速度ωm一致时，通过(8)式运算速度校正值Δω。通过该速度校正值Δω对电动机1的旋转速度进行校正。其结果是，能够得到电动机1的校正速度。该校正速度不包含误差。因此，在不使电动机1的控制性能劣化的情况下，使电动机1旋转。
接着，使用图9对校正效果的第1例进行说明。
图9是用于说明实施方式2中的电动机的控制装置的校正效果的第1例的图。
图9示出电动机1以恒定的速度旋转的情况下的校正结果。在如现有技术那样仅对电动机1的旋转位置进行校正的情况下，由于计时器的计测值的误差而产生速度误差。与此相对，在基于实施方式2的(8)式的校正中，不产生速度误差。
接着，使用图10对校正效果的第2例进行说明。
图10是用于说明实施方式2中的电动机的控制装置的校正效果的第2例的图。
图10示出电动机1正在加速的情况下的校正结果。在图10中，也与图9同样，在基于实施方式2的(8)式的校正中，不产生速度误差。
根据以上说明的实施方式2，在位置检测器2的检测值包含周期性误差时，在根据电动机1的旋转位置的检测值和计时器的计测值来运算电动机1的旋转速度时，以电动机1的旋转速度的维度进行校正，由此，对电动机1的旋转位置的误差和计时器的误差双方进行校正。因此，能够高精度地运算电动机1的旋转速度。其结果是，能够防止电动机1的控制性能劣化。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的电动机的控制装置能够用于电动机系统。
标号说明
1：电动机；2：位置检测器；3：时间检测器；4：速度运算部；5：速度校正部；6：电动机控制系统；7：位置校正模型；8：速度校正模型；9：延迟器；100a：处理器；100b：存储器；200：硬件。

Claims (8)

1.一种电动机的控制装置，该电动机的控制装置具有：
速度运算部，其从检测电动机的旋转位置并输出包含根据所述旋转位置决定的周期性误差的位置检测信号的位置检测器接受该位置检测信号的输入，从输出检测来自所述位置检测器的位置检测信号发生了变化的时间而得到的位置变化时间信号的时间检测器接受该位置变化时间信号的输入，根据所述位置检测信号和所述位置变化时间信号，运算所述电动机的旋转速度并输出；以及
速度校正部，其接受来自所述位置检测器的位置检测信号的输入，利用速度校正值对由所述速度运算部输出的旋转速度进行校正，该速度校正值是由速度校正模型根据该位置检测信号运算根据所述电动机的旋转速度中包含的所述旋转位置决定的周期性速度误差而得到的。
2.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其中，
所述速度运算部通过将按照预先设定的运算周期发生了变化的位置检测信号的值除以按照预先设定的运算周期发生了变化的位置变化时间信号的值，来运算所述电动机的旋转速度。
3.根据权利要求1或2所述的电动机的控制装置，其中，
所述速度校正模型是对根据所述电动机的旋转位置决定的周期性误差的模型进行微分而得到的模型。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的电动机的控制装置，其中，
所述速度校正模型的振幅是根据在一个运算周期之前由所述速度校正部校正后的所述电动机的旋转速度而决定的。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的电动机的控制装置，其中，
所述速度校正模型的相位包含根据在一个运算周期之前由所述速度校正部校正后的所述电动机的旋转速度和所述速度运算部的运算周期的一半时间而决定的相位。
6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的电动机的控制装置，其中，
所述速度校正模型的振幅是根据所述电动机的速度指令值而决定的。
7.根据权利要求1～4中的任意一项所述的电动机的控制装置，其中，
所述速度校正模型的相位包含根据所述电动机的速度指令值和所述速度运算部的运算周期的一半时间而决定的相位。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的电动机的控制装置，其中，
所述速度校正模型使用如下的旋转位置运算速度校正值，该旋转位置是基于根据所述电动机的旋转位置决定的周期性误差的模型对所述位置检测信号的值进行校正而得到的。
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