CN1150352A - 旋转马达的速度控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转马达的速度控制方法及其装置，通过简单的计算来推定并补偿由角速度和角位置的函数形式表示的干扰以提高速度控制特性。由速度控制器、电流控制器、马达、速度测定装置以及输入速度命令、角位置信息和速度控制器的输出并形成补偿角速度和角位置的函数的干扰影响的修正值的学习补偿器构成，学习补偿器在速度控制回路稳定的状态下把速度控制器的输出存储一周期并求出修正值。

Description

旋转马达的速度控制 方法及其装置

本发明涉及内装在VCR等中的旋转马达的速度控制，特别涉及可推断并补偿加在旋转马达上的干扰以提高速度控制特性的旋转马达速度控制方法及其装置。

一般在马达的控制中，由于存在干扰，所以不能进行马达的正确控制并会产生控制误差。在这种情况下，通过马达动作的VCR等不能正常进行工作。  因此，使用了通过利用通常观测器而推断马达的干扰转矩来去除所说干扰的方法。在现代控制理论中开始了抑制该负荷干扰的控制理论的研究。图1表示了其中的一个例子。

图1是表示已有的存在干扰的旋转马达的速度控制装置的构成图。图1的装置由名称为“通过转矩观测器的直接驱动马达的转矩波动自动补偿”的文献(Nobuyuki Matsui，Tatsuo Makino，Hirokazu Satoh，IEEE Trans.on IndustryApplications，第29卷第1期，1993年1月/2月，187页-194页)所公开。

在图1中，第一加法器A1将速度命令ω^* _m作为基准输入并与马达15的输出响应之一的角速度ω_m相比较而求出偏差(ω^* _m-ω_m)。该偏差(ω^* _m-ω_m)输入速度控制器11中。速度控制器11根据输入的偏差(ω^* _m-ω_m)为控制马达15的旋转速度而输出电流命令i^* _v。将该电流命令i^* _v输入第二加法器A2。第二加法器A2将由速度控制器11施加的电流命令i^* _v和干扰去除命令i^* _L相加以求出修正的电流命令i^*。这里，由把马达15的输出响应即角速度ω_m和实际电流i作为输入的转矩观测器17推定出推定负荷转矩

再把传递函数K^-1 _T与推定负荷干扰转矩

相乘而求出干扰去除命令i^* _L。这时，没有^*的值是实际有的值，而有^*的值是命令值。另外，修正的电流命令输入到电流控制器13中。如K_T的传递函数所示的电流控制器13根据该修正的电流命令i^*把控制马达15的旋转速度的转矩命令τ^*加到马达15上。马达15以与电流控制器13的转矩命令τ^*相当的速度旋转。但是，在马达的速度控制中，因周围条件的影响，经常产生使控制量规则或不规则地变化为某一状态的起因。将此作为干扰T_L，并作为不良的速度控制的主要原因。因此只要能去除干扰的效果就能得到良好的速度特性．在推定加在马达15上的干扰T_L的转矩观测器17中假定干扰十分慢地变化根据下式(1)可求出推定负荷干扰转矩 $\widehat{\mathrm{\τ}}\left(i\right)=\mathrm{\ϵ}\left(i\right)+l{\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}}_m\left(i\right)$ $\mathrm{\ϵ}(i+1)={\hat{A}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(i\right)+\hat{b}{i}_q\left(i\right)+\hat{K}{\mathrm{\ω}}_m\left(i\right)----\left(1\right)$ $\hat{A}=1+L{T}_S/J_n,b=-L{K}_{\mathrm{Tn}}{T}_S/J$ $\hat{K}=L(L+\mathrm{Dn})T_S/\mathrm{Jn}$

这时，  L_n  D_n、  K_Tn分别是相对惯性转矩J、衰减系数D、转矩常数K_T的指定值，L是观测器增益，ε是任意的变量， 是观测器输出，T_S是采样周期。

上述的式(1)按下面的式(2)被再次定义， ${\widehat{\mathrm{\τ}}}_L\left(S\right)=\frac{1}{1+\mathrm{ST}}{\mathrm{\τ}}_L\left(S\right)----\left(2\right)$

这里，τ_L是实际的负荷干扰转矩，

芝推定负荷干扰转矩，S是拉普拉斯算子。这时，T=-T_S/l_n(1+LT_S/J_n)，1/(1+T_S)起低通滤波器的作用。这里，不带有n的值是实际值，而带有n的值是与实际值相类似的值并是由设计者假定的值。

因此，如果实际负荷干扰转矩了τ_L缓慢地变化它可变为推定负荷干扰转矩

的近似值，这样可完全去除负荷干扰T_L。

然而，如上所述，为了推定已有的马达负荷干扰转矩而通过复杂的公式去除该负荷干扰需要很长的计算时间，而用硬件实现存在实际的问题。

另外，为了追踪快速变化的干扰，低通滤波器1/(1+ST)的频带幅度应变大，这样观测器增益L也应变大。然而，在实际中，无限大地增大所说增益是不合适的，因为是对于时间推定干扰，在相对旋转马达的速度控制的闭环回路动作期间必须进行连续推定，所以其计算量非常大。

因此，本发明的目的就是为了解决上述的问题而提供的一种旋转马达的速度控制方法，该方法通过学习存储补偿由角速度和角位置的函数所示的干扰影响的值，并利用该值补偿干扰。

本发明的另一个目的是提供一种旋转马达的速度控制装置，该装置具体实现通过反复学习控制方式，椎定并补偿干扰而控制旋转马达速度的方法。

为了实现上述本发明的目的，本发明的旋转马达的速度控制方法包括以下的步骤：将输入的基准速度与从马达检出的瞬时速度进行比较而求出速度偏差的步骤；输入上述求出的速度偏差并输出用于控制马达的旋转速度的电流命令的速度控制步骤；把所输入的基准速度和上述电流命令输入并输出通过反复学习补偿如加在马达上的角位置和角速度的函数形式所示的干扰影响的干扰修正值的学习补偿步骤；把上述电流命令和上述干扰补偿值相加以求出修正的电流命令的步骤；输入上述修正的电流命令并把转矩命令输出给马达的电流控制步骤；根据上述转矩命令检出旋转马达的瞬时速度的步骤。

为了实现本发明的另一个目的，本发明的旋转马达的速度控制装置包括：将输入的基准速度与由马达检出的瞬时速度进行比较而求出速度偏差的速度测定部件；输入上述求出的速度偏差并输出用于控制马达的旋转速度的电流命令的速度控制器，把所输入的基准速度和由上述速度控制器输出的电流命令输入并通过反复学习修正如加在马达上的角位置和角速度的函数形式所示的干扰影响的学习补偿器；把由上述速度控制器输出的电流命令与由上述学习补偿器求出的干扰修正值相加以求出修正的电流命令和电流命令补偿部件；输入上述求出的电流命令并把转矩命令输出给马达的电流控制器。

附图的简要说明

图1是表示已有的存在干扰的旋转马达的速度控制装置的构成图；

图2是表示本发明的存在干扰的旋转马达的速度控制装置的构成图；

图3是说明图2的速度控制装置中学习补偿器的动作的流程图。

下面结合附图详细说明本发明的一个优选实施例。

图2是表示本发明的存在干扰的旋转马达的速度控制装置的构成图。如图所示，本发明的装置在其构成及动作上与图1所示的已有技术是相似的，只是代替了转矩观测器而使用了学习补偿器27。该学习补偿器27的构成是：把基准输入即速度命令ω^*和速度控制器21的输出i^* _v以及角位置θ作为输入，把修正干扰的影响作为输出i^* _L。

下面参照图3更详细地说明具有这样结构的本发明的存在干扰的旋转马达的速度控制装置的动作。

图3是说明图2的装置中学习补偿器27的动作的流程图。

首先，第一加法器A3将由马达25推出的瞬时速度ω与输入的基准速度ω^*进行比较并输出速度偏差ω_e。把由第一加法器A3输出的速度偏差ω_e作为输入的速度控制器21在马达中转矩与速度之间具有下述的关系式(3)。 $J\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{dt}}+T_L=T=K_{T}i----\left(3\right)$

这里，J是惯性转矩，w是转数，T_L是负荷转矩，T是输入转矩，K_T是转矩常数，i是线圈电流。

如果负荷转矩T_L是零，在马达上不存在负荷干扰的情况下，以一般的速度控制器可以得到良好的速度控制特性。然而，在存在负荷转矩T_L的情况下，速度控制特性变差了。这里对于表示为角位置θ和角速度 的函数形式的负荷干扰转矩T_L[H(θ、θ)]提出了为了去除干扰H(

θ)的影响而进行反复学习的学习补偿器27。学习补偿器27输入速度控制器21的输出i^* _v和速度命令ω^*以及角位置θ并形成去除干扰H(

θ)的影响的输出i^* _L。这里，学习补偿器27的输出i^* _L是具有速度命令ω^*和时间函数据(2π/ω^*)的周期T的周期函数，如下式(4)所定义(由于为定速控制，具有θ＝ω^* _t的关系)。

i_L(K)(ω^*，θ)＝i_L(K-1)(ω^*，θ)+mZ_(k-1)(θ)              (4)

(只是，m＜K_p，K_p是速度控制器p增益)

这里，m是反复学习增益，Z_(K-1)是在正常状态下在T周期内对速度控制器的输出的采样。

如上定义的周期函数式所示，可以知道收敛于去除干扰H(

θ)。模拟的结果是，通过几次反复，学习补偿器27的输出i^* _L去除了干扰H( θ)。下面通过图3更具体地说明学习补偿器27的动作。

在图3中，如果补偿开始，学习补偿器27在开始状态把反复学习次数K初始化为零、把干扰修正值的输出i^* _L初始化为零(K＝0、i^* _L＝0)(步骤301)。然后，只根据已有的速度控制回路进行马达的速度控制(步骤302)，使变为正常状态(步骤303)。如果通过速度控制步骤(步骤302)控制对象的马达速度为正常(步骤303)，由于角速度

是常数据、干扰H(

θ)只是角位置θ所示的周期函数，所以学习补偿器27对于周期的干扰把由速度控制器21施加的电流命令i^* _v形成为周期的电流命令。接着，把该周期的电流命令的一周期存储为Z_K的形式[Z_K(t)、t ∈(0，T)](步骤304)。然后，学习补偿器27把反复学习次数K增1(K＝K+1)，并按下面的式(5)形成修正干扰的影响的输出(步骤305)。

i^* _LK(t)＝i^* _L(K-1)(t)+mZ_(K-1)(t)             (5)

也就是说，把通过步骤304而存储的周期电流命令的一周期值Z_(K-1)与反复学习增益m相乘的值同由以前反复学习求得的干扰修正值i^* _L(K-1)相加而求得现在反复学习的干扰修正值i^* _LK。学习补偿器27把上述式(5)的输出i^* _LK作为最终输出i^* _L输出给第二加法器A4(i^* _L＝i_LK)(步骤306)。

在图2中第二加法器A4把由速度控制器21施加的电流命令i^* _v与由学习补偿器27施加的干扰补偿命令i^* _L相加并输出修正的电流命令i^*。该电流命令i^*输入给电流控制器23。电流控制器23根据输入的电流命令i^*把转矩命令输出给马达25。马达25中的第三加法器A5把由电流控制器23施加的转矩命令减去外加的干扰而输出修正的转矩命令τ^*。由1/JS的传递函数所示的马达25′的速度根据该转矩命令τ^*而被控制。速度控制的结果是，由马达25输出的角速度ω再次反馈输入到第一加法器A3，以求出和输入的速度命令ω^*的速度偏差ω_e。把该速度偏差ω_e输入给速度控制器21。速度控制器21根据输入的速度偏差ω_e输出用于控制马达25的旋转速度的电流命令i^* _v。把该电流命令i^* _v再次输入给学习补偿器27。角速度ω也通过由1/S的传递函数所示的马达25″而输出为角位置θ，并反馈输入给学习补偿器27。

在图3中，存储通过第K次学习而求得的干扰补偿值的学习补偿器27将由速度控制器21输入的电流命令i^* _v与已经设定的临界值B相比较并判断加在马达25上的干扰是否已被充分补偿(步骤307)。在干扰补偿判断步骤(步骤307)在由速度控制器21输入的电流命令i^* _v比已经设定的临界值B大时(i^* _v＞B)学习补偿器27返回到步骤302、再次进行速度控制，若变为正常状态，把相对速度控制器21的输出i^* _v的一周期值再次存储并反复进行补偿。若在步骤307速度控制器21的输出i^* _v比临界值B小，则学习补偿器27判断为已充分补偿，使相对该时刻的周期函数i^* _v最终固定为相对干扰的修正值并进行存储(步骤308)。然后，学习补偿器27将输入的基准速度ω^*和角位置θ输入并输出干扰修正值，所说干扰修正值存储在与适当角度相当的地址所指示的位置处。

据此，由于其后只把学习补偿器27预定的修正值i^* _L与速度控制器21的输出i^* _v相加而结束速度控制，所以可高效率地进行速度控制。

如上所述，本发明涉及存在干扰的旋转马达的速度控制方法及其装置，通过确定并存储修正干扰影响的修正值、利用该存储的修正值而进行速度控制就可以简单且高效率地进行速度控制。

Claims (9)

1、一种旋转马达的速度控制装置，其特征在于，

将输入的基准速度与由马达检出的瞬时速度进行比较而求出速度偏差的速度测定部；

输入上述求出的速度偏差并输出用于控制马达的旋转速度的电流命令的速度控制器；

把所输入的基准速度和由上述速度控制器输出的电流命令和角位置输入并通过反复学习修正如加在马达上的角位置和角速度的函数形式所示的干扰影响的学习补偿器；

把由上述速度控制器输出的电流命令与由上述学习补偿器求出的干扰修正值相加从求出修正的电流命令的第二速度测定部件；

输入上述求出的电流命令并把转矩命令输出给马达的电流控制器。

2、如权利要求1所述的旋转马达的速度控制装置，其特征在于，在速度控制是正常的情况下，所述学习补偿器对于周期的干扰把从上述速度控制器输出的电流命令形成为周期的电流命令，该周期的电流命令通过一周期值和以前学习求出的干扰修正值求出瞬时干扰补偿值。

3、如权利要求2所述的旋转马达的速度控制装置，其特征在于，上述学习补偿器按照下式输出干扰修正值，

i^* _LK(t)＝i^* _L(K-1)(t)+mZ_(K-1)(t)

这里，i^* _LK是通过K次的反复学习而求出的补偿值并变为学习补偿器的输出，i^* _L(K-1)是通过K-1次的反复学习而求出的干扰修正值，m(m＞1)是反复学习增益，Z_(K-1)是在K-1次的反复学习中由速度控制器输出的周期函数的电流命令的一周期值。

4、如权利要求3所述的旋转马达的速度控制装置，其特征在于，上述学习补偿器将由上述速度控制器输出的电流命令同已经设定的临界值进行比较，并判断对加在上述马达上的干扰是否已进行充分的补偿；若判断为已进行充分补偿，存储这时的干扰修正值并在其后的速度控制中使用存储的干扰修正值而进行干扰修正。

5、如权利要求4所述的旋转马达的速度控制装置，其特征在于，若上述学习补偿器判断为对加在上述马达上的干扰已进行了充分补偿，则通过反复学习求出新的干扰修正值。

6、如权利要求4所述的旋转马达的速度控制装置，其特征在于，上述学习补偿器把所输入的基准速度和马达的各位置作为地址输入并把存储在所述地址所指示的位置中的干扰修正值输出。

7、一种旋转马达的速度控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

将所输入的基准速度与由马达检出的瞬时速度进行比较而求出速度偏差的步骤；

输入所述求出的速度偏差并输出用于控制马达的旋转速度的电流命令的速度控制步骤；

把所输入的基准速度和所述电流命令输入并输出通过反复学习修正如加在马达上的角位置和角速度的函数形式所示的干扰影响的干扰修正值的学习补偿步骤；

把上述电流命令和上述干扰修正值相加以求出修正的电流命令的步骤；

输入上述修正的电流命令并把转矩命令输出给马达的电流控制步骤；

根据所述转矩命令检出旋转的马达的瞬时速度的步骤。

8、如权利要求7所述的旋转马达的速度控制方法，其特征在于，上述学习补偿步骤包括：

在开始状态下把反复学习次数初始化为零、并把干扰修正值初始化为零的步骤；

若通过所述速度控制步骤将速度控制变为正常状态，则角速度是常数，对于只由角位置所示的周期函数的干扰把所述电流命令设为周期的电流命令的步骤；

存储所述周期的电流命令为一周期的步骤；

把反复学习次数增一的步骤；

把以前反复学习求出的干扰修正值同上述周期的电流命令的一周期值相加而求出现在反复学习的干扰修正值的步骤；

在通过所述求出的干扰修正值修正加在马达上的干扰时，将上述速度控制步骤的电流命令与已经设定的临界值进行比较并判断是否已充分补偿干扰的步骤；

如果所述判断结果为已充分补偿干扰、存储此时的干扰修正值的步骤；

如果上述判断结果为还没有充分补偿干扰、求出通过反复学习直到充分补偿干扰为干扰修正值的步骤。

9、如权利要求8所述的旋转马达的速度控制方法，其特征在于，上述学习补偿步骤利用存储的干扰修正值进行干扰修正。

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