CN1623273A - 控制常数调整装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器人或工作机械等的控制装置中的控制常数调整装置。该控制常数调整装置包含速度控制部(12)、推断部(13)、辨识部(14)、调整部(15)。辨识部(14)只在速度控制部(12)内的电动机速度(Vfb)与推断部(13)内的模型的速度(Vfb′)的值不为零且一致的情况下，对利用将速度控制部(12)的转矩指令Tref通过规定的高通滤波器所得的值(FTr)的绝对值|FTr|在规定的区间[a，b]内进行时间积分所得的值|SFTr|，和将推断部(13)的模型转矩指令Tref′通过规定的高通滤波器所得的值(FTr′)的绝对值(|FTr′|)在相同的区间内进行时间积分所得的值(|SFTr′|)的比所求得的惯量(J)进行辨识。

Description

控制常数调整装置
技术领域
本发明涉及控制常数调整装置，特别是涉及在机器人或工作机械等的控制装置中在其动作中负载的惯量发生变化的情况下，具有对该惯量的辨识以及与其相关的所必需的控制系统的增益进行调整的功能的控制常数调整装置。
背景技术
以往，在作为电动机动作时，在作为控制对象的负载的惯量发生变化的情况下，作为辨识该惯量的装置，例如有本申请人在专利3185857号中所提出的控制常数调整装置。
该装置的特征在于，具有：速度控制部，其决定转矩指令并控制电动机速度，使实际的电动机速度与所输入的速度指令一致；推断部，其对速度控制部进行仿真，使模型速度与上述电动机速度一致；辨识部，其利用将上述转矩指令通过规定的高通滤波器所得的值的绝对值在规定的区间内进行时间积分所得的值，与将推断部的模型转矩指令通过规定的高通滤波器所得的值的绝对值在相同的区间内进行时间积分所得的值之比，来辨识惯量；只有在速度控制部内的电动机速度与推断部内的模型速度的值不为零且一致的情况下，才会在辨识部内进行惯量的辨识。
该装置由于对任意的速度指令都能实时辨识，所以，即使负载的惯量随时变化，也能对其进行辨识。
但是，在上述以往的控制常数调整装置中存在如下问题：在速度控制部由比例积分控制(以下称为PI控制)构成的情况下，由于正常状态下重力等的固定干扰可以由速度控制部内的积分器补偿，所以对于为了进行实际驱动所必需的转矩可用速度偏差来代替，这时没有问题的，但在速度控制部由积分比例控制(以下称为IP控制)的情况下，由于用于补偿干扰的必需的转矩成分与用于实际驱动的必需的转矩成分不能分离，所以，在该IP控制中，不能进行惯量的辨识。
另外，在上述以往的控制常数调整装置中还存在如下问题：由于将电动机速度作为模型速度控制部的速度指令，所以，使模型速度控制系统产生延迟，由于电动机速度和模型电动机速度很难达到一致，所以，需要很长时间才能进行辨识。另外，在存在机械振动或摩擦等的负载干扰的情况下，虽然可以将实际的速度控制部内的速度积分值乘以负载干扰补偿部分，但该负载干扰补偿部分很难在模型中反映出来。另外在以往的技术中还存在以下问题：通过高通滤波器并进行乘以转矩指令这样的处理，但是，在因干扰的频率而不能使高通滤波器有效工作的情况下，辨识精度恶化。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制常数调整装置，该控制常数调整装置无论速度控制是PI控制还是IP控制，都能可靠地进行惯量的辨识，即使在如二惯性系统的振动系统中，也能实现实时的辨识精度高的调整。
根据本发明的第1形式，控制常数调整装置具有：
指令产生单元，其输出速度指令Vref；
速度控制单元，其决定转矩指令Tref并根据该转矩指令控制电动机速度，使实际的电动机速度Vfb与速度指令Vref一致；
推断单元，其对上述速度控制单元进行仿真，使模型的速度Vfb’与电动机速度Vfb一致；
辨识单元，其只在上述速度控制单元内的电动机速度Vfb与上述推断单元内的模型的速度Vfb’的值不为零且一致的情况下，对通过将速度控制单元的转矩指令Tref通过规定的高通滤波器所得的值FTr的绝对值|FTr|在规定的区间[a，b]内进行时间积分所得的值|SFTr|，和将上述推断单元的模型转矩指令Tref’通过规定的高通滤波器所得的值FTr’的绝对值|FTr’|在相同的区间内进行时间积分所得的值|SFTr’|的比所求得的惯量J进行辨识；
调整单元，其根据在上述辨识单元中被辨识的惯量J和上述推断单元中的惯量J’的比J/J’，对控制增益进行调整。
只在速度控制单元内的电动机速度Vfb与推断单元内的模型的速度Vfb’的值不为零且一致的情况下，对利用将速度控制单元的转矩指令Tref通过规定的高通滤波器所得的值FTr的绝对值|FTr|在规定的区间[a，b]内进行时间积分所得的值|SFTr|，和将上述推断单元的模型转矩指令Tref’通过规定的高通滤波器所得的值FTr’的绝对值|FTr’|在相同的区间内进行时间积分所得的值|SFTr’|的比所求得的惯量J进行辨识。由此，无论速度控制是PI控制还是IP控制，都能够可靠地进行惯量的辨识，而且，即使在二惯性系统这样的振动系统中，也不仅能进行稳定的调整，并且由于不受固定干扰的影响，所以可以实现实时的辨识精度高的调整。
根据本发明的第2形式，控制常数调整装置具有：
指令产生单元，其输出速度指令Vref；
速度控制单元，其输入速度指令Vref和实际的电动机速度Vfb，从速度指令Vref中减去实际的电动机速度Vfb来计算出速度偏差Ve，利用积分时间常数Ti对该速度偏差Ve进行积分，将算出速度积分值的积分项与从速度指令Vref乘以规定的常数α(α≥0)所得的值中减去发动机速度Vfb而算出的速度比例项相加，来计算速度比例积分值，该速度比例积分值乘以推断了电动机惯量值Jm和负载惯量值JL的合计值的惯量推断值J，来决定转矩指令Tref，并根据该转矩指令，对电动机速度进行控制；
推断单元，其对上述速度控制单元进行仿真，使模型的速度Vfb’与上述电动机速度Vfb一致；
辨识单元，其具有将在速度控制单元中的速度比例积分值与上述推断单元中以同样的方法计算出的模型速度比例积分值相加，将其作为新的模型速度比例积分值的前馈补偿功能，对利用将速度控制单元的转矩指令Tref通过规定的高通滤波器所得的值FTr的绝对值|FTr|在规定的区间[a，b]内进行时间积分所得的值|SFTr|，和将推断单元的模型转矩指令Tref’通过规定的高通滤波器所得的值FTr’的绝对值|FTr’|在相同的区间内进行时间积分所得的值|SFTr’|的比所求得的惯量J进行辨识；
调整单元，其根据在辨识单元中被辨识的惯量J和推断单元中的惯量J’之比J/J’，对控制增益进行调整。
通过将前馈信号从速度控制单元输入给推断单元，不仅使实际速度与模型速度容易变得一致，而且在即使有负载干扰的情况下也能考虑其影响。因此，由于辨识误差小且收敛到真值的时间短，所以可以实现实时的辨识精度高的调整。
附图说明
图1是本发明1实施方式的控制常数调整装置的方框图。
图2是详细表示图1中的速度控制部、推断部、辨识部、以及调整部的方框图。
图3是更详细地表示图1中的速度控制部和推断部的方框图。
图4是表示实现使用本发明一实施例的仿真结果的图。
图5是表示以往技术的仿真结果的图。
图6是表示使用本发明的电动机控制系统的方框图。
图7是详细表示速度控制部、推断部、辨识部、以及调整部的方框图。
图8是更详细地表示速度控制部和推断部的方框图。
图9是表示用PI控制实现本发明的仿真结果的图。
图10是表示用IP控制实现本发明的仿真结果的图。
具体实施方式
参照图1，本发明第1实施方式的控制常数调整装置包含：指令产生部11、速度控制部12、推断部13、辨识部14和调整部15。
指令产生部11向速度控制部12输出速度指令Vref。
速度控制部12进行速度控制，使电动机速度Vfb与所输入的速度指令Vref一致，并将转矩指令Tref和电动机速度Vfb输出给辨识部14，同时，将电动机速度Vfb输出给推断部13。
推断部13进行速度控制，使在该推断部13中使用电动机模型推断的模型速度Vfb’与作为目标指令输入的电动机速度Vfb一致，并将模型转矩指令Tref’和模型速度Vfb’输出给辨识部14。
辨识部14使用由速度控制部12输入的转矩指令Tref和电动机速度Vfb、以及由推断部13输入的模型转矩指令Tref’和模型速度Vfb’，求得电动机与电动机模型的惯量比J/J’，并将该惯量比J/J’输出给调整部15。
调整部15接收该惯量比J/J’，根据通过规定的滤波器的值，决定速度控制部12内的比例增益Kv和积分增益Ki，同时，调节速度控制部12内的积分器12c的值，以便能够对应上述惯量的变动。
图2是更加详细地表示速度控制部12、推断部13、辨识部14、调整部15各部分结构的图。
如果从指令产生部11输入速度指令Vref，则速度控制部12通过图示的速度控制器12a和电流控制器12b对规定的速度进行控制，使实际的电动机速度Vfb与该速度指令Vref一致。另外，在电动机上安装负载JL，假设其检测实际的电动机速度Vfb并从电动机输出。
此处，本实施方式的速度控制器的控制状态可以是PI(比例积分)控制，也可以是上述的IP(积分比例)控制，速度控制器12a将转矩指令输出给驱动电动机的电流控制器12b。
即，在更加详细地表示速度控制部12和推断部13的图3中，如果将速度控制部12的α设定为1，则为PI控制，如果将α设定为0，则为IP控制。
并且，如图2所示，速度控制部12将电动机速度Vfb输出给推断部13，同时，将转矩指令Tref和电动机速度Vfb输出给辨识部14。
推定部13将从速度控制部12中输入的电动机速度Vfb作为指令，通过如图所示的模型速度控制器13a和模型电流控制器13b，进行使模型速度Vfb’与电动机速度Vfb一致的速度控制。另外，该模型速度控制器13a的制造方法可以与速度控制部12中的速度控制器12a相同，也可以进行P(比例)控制。
模型速度控制部13a将模型转矩指令Tref’输出给模型电流控制部13b，利用该模型电流控制器13b驱动被模型化的电动机模型13c(1/J’s)。另外，电动机模型13c的惯量值J’是已知的值，假设从电动机模型13c输出模型速度Vfb’。并且推断部13将模型转矩指令Tref’和模型速度Vfb’输出给辨识部14。
辨识部14输入从速度控制部12输出的转矩指令Tref和速度Vfb、以及从推断部13输出的模型转矩指令Tref’和模型速度Vfb’，并取将转矩指令Tref和模型转矩指令Tref’通过时间常数Tk的高通滤波器所得的值、即FTr和FTr’的绝对值。
如图3所示，该高通滤波器只要实现在速度控制部12中，事先从转矩指令Tref中减掉转矩指令通过时间常数Tk的低通滤波器所得的值即可，在推断部13中，对于通过模型转矩指令的高通滤波器也可以同样地实现。
接着，取来自高通滤波器的各输出的绝对值|FTr|和|FTr’|，使用各自的绝对值|FTr|或|FTr’|，在规定的区间[a，b]内进行时间积分，通过所求得的时间积分值|SFTr|和|SFTr’|、以及已知的值、即推断部的惯量J’，利用下述的式子(1)可以计算出速度控制部12的惯量J。
J＝(|SFTr|/|SFTr’|)×J’          (1)
此处，对惯量辨识原理进行简单的说明。
要想确切地求出通过转矩指令或者电动机电流的各自的时间积分的惯量，在只用惯量来表示从转矩指令或者电动机电流到速度的传递函数，并且速度不为零的情况下，可以通过转矩指令或者电动机电流的各自的时间积分值与速度之比，简单地求出惯量。
利用该关系，将与实际的速度控制部12和其模型上输入相同的速度指令，在电动机速度和模型速度是不为零的值且一致的状态下，可根据该状态下的转矩指令或者电动机电流的时间积分和速度，求得惯量。
但是，上述转矩指令或者电动机电流除了指令响应成分之外，还包含机械部分的摩擦和转矩波动等的干扰补偿部分，所以，这些影响也被蓄积在速度控制器的积分器中。
因此，为了除去所蓄积的该补偿部分，必须将转矩指令或者电动机电流的信号通过高通滤波器。因此，优选将高通滤波器的时间常数设定为与速度控制部12的积分时间常数相同的值。
以下，对该点进行叙述，例如，存在固定干扰Fd的情况下，如果速度控制部12是P控制，则该速度偏差E(∞)如下式给出的那样，利用极限定理，产生固定的速度偏差。
E ( ∞ ) = lim s → 0 sE ( s ) = lim s → 0 s 1 Js + k v F d s = F d k v
另一方面，如果速度控制器部12是PI控制，则，速度偏差E(∞)同样如下式给出的那样，不会产生速度偏差。
E ( ∞ ) = lim s → 0 sE ( s ) = lim s → 0 s T i s J T i s 2 + k v T i s + k v F d s = 0
即，固定干扰Fd由速度控制部12的积分器来补偿，将其补偿量作为转矩指令从速度控制部12输出。
该补偿部分的转矩由于仅使惯量动作，所以不是必需的转矩，因此，在辨识惯量时，必需除去。所以，在该实施方式中，为了除去由该积分器补偿的固定干扰转矩，通过高通滤波器，并且，通过将该时间常数设定为与积分时间常数相同，也可以除去由积分器过度补偿的干扰转矩(固定干扰之外的粘性摩擦等)。
另外，将电动机速度作为推断部13的速度指令，使电动机速度和模型速度尽量满足不为零且相互一致的条件。
另一方面，调整部15根据在辨识部14中求得的惯量之比J/J’通过规定的滤波器所得的值，进行速度控制部12中的比例增益Kv和积分时间常数Ti的更新，同时，对速度控制部12内的积分器12c的值进行调节，使转矩指令变得连续。
接着，图4和图5表示了使用上述实施方式的仿真结果。
图4是由PI控制构成速度控制部12的情况，是将负载惯量设为电动机惯量(Jm＝0.000019kgm2)的10倍、将力学系统用二惯性系统来进行模型化、将谐振频率设为270Hz、将反谐振频率设为80Hz、将粘性摩擦常数设为0.00005Nms/rad、将固定干扰设定为0.005Nm的仿真结果。另外，将模型惯量J’设定为与电动机惯量Jm相同，并且，惯量辨识值在调整部16内，通过时间常数为50ms的低通滤波器。
从图中可知，在调整开始350ms之后，惯量辨识值J被辨识为模型惯量J’的11.0倍，根据该辨识值，对速度控制部12内的Kv、Ti、积分器的值进行修正，结果，可以实现对速度指令非常平滑稳定的响应。
另外，图5是由IP控制构成速度控制部12的情况，其他条件与图4的PI控制的情况相同。从图上可知，即使是由IP控制构成的情况，也与由PI控制构成的情况同样，可以进行高精度的调整。
参照图6，本发明第2实施方式的控制常数调整装置与图1所示的第1实施方式的控制常数调整装置之间只有速度控制部12’、推断部13’的处理这一处不同，其他的与第1实施方式的控制常数调整装置相同。
速度控制部12’进行速度控制，使电动机速度Vfb与所输入的速度指令Vref一致，将转矩指令Tref和电动机速度Vfb输出给辨识部14，同时，将电动机速度Vfb和前馈信号FFa输出给推断部13’。
推断部13’输入电动机速度Vfb和前馈信号FFa，进行速度控制，使在该推断部13’中利用电动机模型所推断的模型速度Vfb’与作为目标指令输入的电动机速度Vfb一致，将模型转矩指令Tref’和模型速度Vfb’输出给辨识部14。
接着，图7对速度控制部12’、推断部13’、辨识部14、调整部15的各部分结构进行更详细的说明。
如果从指令产生部11输入速度指令Vref，则速度控制部12’通过图示的速度控制器12a和电流控制器12b对规定的速度进行控制，使实际的电动机速度Vfb与该速度指令Vref一致。另外，在电动机上安装负载JL，假设从电动机检测出实际的速度Vfb并从电动机输出。
此处，在本实施方式的速度控制部12’的控制方法中，可以是PI(比例积分)控制，也可以是上述的IP(积分比例)控制，速度控制器12a将转矩指令输出给驱动电动机的电流控制器12b。
即，图8更加详细地示出了速度控制部12’和推断部13’，图中，如果将速度控制部12’和推断部13’的α设定为1，则为PI控制，如果将α设定为0，则为IP控制。
并且，如图7所示，速度控制部12’将电动机速度Vfb和前馈信号FFa输出给推断部13’，同时，将转矩指令Tref和电动机速度Vfb输出给辨识部14。
推断部13’将来自速度控制部12’的电动机速度Vfb和前馈信号Ffa输入，将电动机速度Vfb作为指令，通过如图所示的模型速度控制器13a和电流控制器13b，进行使模型速度Vfb’与电动机速度Vfb一致的速度控制。
模型速度控制部13a将模型转矩指令Tref’输出给模型电流控制部13b，利用该模型电流控制器13b驱动被模型化的电动机模型13c(1/J’s)。此处，电动机模型13c的惯量值J’是已知的值，假设从电动机模型13c输出模型速度Vfb’。并且推断部13’将模型转矩指令Tref’和模型速度Vfb’输出给辨识部14。另外，优选模型速度控制器13a内的比例增益Kv’和积分时间常数Ti’与速度控制器12内的比例增益Kv和积分时间常数Ti为相同值。
辨识部14输入从速度控制部12’输出的转矩指令Tref和速度Vfb、以及从推断部13’输出的模型转矩指令Tref’和模型速度Vfb’，并取转矩指令Tref和模型转矩指令Tref’通过时间常数为Tk的高通滤波器所得的值、即FTr和FTr’的绝对值。
如图8所示，该高通滤波器只要实现在速度控制部12’中，事先从转矩指令Tref中减掉转矩指令通过时间常数为Tk的低通滤波器的值即可，在推断部13’中，对于通过模型转矩指令的高通滤波器也可以同样地实现。
接着，取来自高通滤波器的各输出的绝对值|FTr|和|FTr’|，使用各自的绝对值|FTr|或|FTr’|，在规定的区间[a，b]内进行时间积分，通过所求得的时间积分值|SFTr|和|SFTr’|、以及已知的值、即推断部13’的惯量J’，可以计算出速度控制部12’的惯量J。
在本实施方式中，通过将速度控制部12’内的速度比例积分项作为前馈信号输入给推断部13’，可以抑制因未被高通滤波器除去的干扰成分所受的影响，同时，通过输入前馈信号，与以往技术相比，使电动机速度和模型速度更容易变得一致。
接着，图9和图10示出了使用本实施方式的仿真结果。
图9是使用本发明的情况，是将负载惯量设为电动机惯量(Jm＝0.000019kgm2)的10倍、将力学系统用二惯性系统来进行模型化、将谐振频率设为270Hz、将反谐振频率设为80Hz、将粘性摩擦常数设为0.00005Nms/rad、将固定干扰设定为0.005Nm的仿真结果。此处，将模型惯量J’设定为与电动机惯量Jm相同，将阈值β设为零。并且，惯量辨识值在调整部15内，通过时间常数为10ms的低通滤波器。另外，可以在额定转矩以内(servo lock)希望除去高频的细微振动的情况下设定阈值。
从图中可知，在辨识开始后50ms之内，惯量辨识值J被辨识为模型惯量J’的11.0倍，根据该辨识值，对速度控制部12内的Kv、Ti、积分器12c的值进行修正，结果，可以实现相对速度指令的非常平滑稳定的响应。
另一方面，图10是使用以往技术的情况，其他条件与图9的情况相同。从图中可知：在不输入作为本方法的特征的前馈信号的情况下，达到辨识值的真值的时间长，而且，即使在1.5秒之后也会产生辨识误差。

Claims (6)

1、一种控制常数调整装置，其特征在于，具有：
指令产生单元，其输出速度指令(Vref)；
速度控制单元，其决定转矩指令(Tref)并根据该转矩指令控制电动机速度，使实际的电动机速度(Vfb)与上述速度指令(Vref)一致；
推断单元，其对上述速度控制单元进行仿真，使模型的速度(Vfb’)与上述电动机速度(Vfb)一致；
辨识单元，其只在上述速度控制单元内的电动机速度(Vfb)与上述推断单元内的模型的速度(Vfb’)的值不为零且一致的情况下，对利用将上述速度控制单元的转矩指令(Tref)通过规定的高通滤波器所得的值(FTr)的绝对值(|FTr|)在规定的区间[a，b]内进行时间积分所得的值(|SFTr|)，和将上述推断单元的模型转矩指令(Tref’)通过规定的高通滤波器所得的值(FTr’)的绝对值(|FTr’|)在相同的区间内进行时间积分所得的值(|SFTr’|)之比而所求得的惯量J进行辨识；
调整单元，其根据在上述辨识单元中被辨识的惯量(J)和上述推断单元中的惯量(J’)之比(J/J’)，对控制增益进行调整。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，将上述推断单元构成为，通过使上述推断单元的速度控制器采用比例控制，并且将作为比例增益的环路增益设定为是上述速度控制单元中的速度环路增益的X(X是大于等于1的整数)倍，使上述速度与上述模型速度一致。
3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，使上述转矩指令(Tref)和上述模型转矩指令(Tref’)通过的高通滤波器的时间常数是上述速度控制单元内的速度积分时间常数。
4、一种控制常数调整装置，其特征在于，具有：
指令产生单元，其输出速度指令(Vref)；
速度控制单元，其输入上述速度指令(Vref)和实际的电动机速度(Vfb)，从上述速度指令(Vref)中减去实际的电动机速度(Vfb)来计算出速度偏差(Ve)，利用积分时间常数(Ti)对该速度偏差(Ve)进行积分，将算出速度积分值的积分项与从上述速度指令(Vref)乘以规定的常数(α)(α≥0)所得的值中减去发动机速度(Vfb)而算出的比例项相加，来计算速度比例积分值，该速度比例积分值乘以推断了电动机惯量值(Jm)和负载惯量值JL的合计值的惯量推断值(J)，来决定转矩指令(Tref)，并根据该转矩指令，对电动机速度进行控制；
推断单元，其对上述速度控制单元进行仿真，使模型的速度(Vfb’)与上述电动机速度(Vfb)一致；
辨识单元，其具有将在上述速度控制单元中的速度比例积分值与上述推断单元中以同样的方法计算出的模型速度比例积分值相加，将其作为新的模型速度比例积分值的前馈补偿功能，对利用将上述速度控制单元的转矩指令(Tref)通过规定的高通滤波器所得的值(FTr)的绝对值(|FTr|)在规定的区间[a，b]内进行时间积分所得的值(|SFTr|)，和将上述推断单元的模型转矩指令(Tref’)通过规定的高通滤波器所得的值(FTr’)的绝对值(|FTr’|)在相同的区间内进行时间积分的所得的值|SFTr’|的比所求得的惯量(J)进行辨识；
调整单元，其根据在上述辨识单元中被辨识的惯量(J)和上述推断单元中的惯量(J’)之比(J/J’)，对控制增益进行调整。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，上述推断单元的模型速度控制器是与上述速度控制单元的速度控制器相同的控制结构，上述模型速度控制器内的速度环路增益和积分时间常数与上述速度控制单元内的速度环路增益和积分时间常数相同。
6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在通过上述高通滤波器之后的转矩指令的绝对值(|FTr|)和通过上述高通滤波器之后的模型转矩指令的绝对值(|FTr’|)大于事先设定的阈值(β)的情况下，进行对上述转矩指令和上述模型转矩指令的绝对值的乘积运算。
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