CN1650508A - 电动机的速度控制装置 - Google Patents

Abstract

速度控制装置具有：速度控制部分12，基于检测出驱动负载2的电动机4速度的速度检测信号与电动机4的速度指令之差，生成原电流指令信号；陷波滤波器14，可以在连续的频带宽度中截断所选的规定频率的陷波频率，同时产生从输入的原电流指令中去除了陷波频率的补偿电流指令；陷波滤波器自适应部分16，为了从陷波滤波器14产生去除了原电流指令的持续振动频率成分的补偿电流指令，选择陷波频率；减法器103，产生作为原电流指令与补偿电流指令之差的除去部分电流指令；以及加法器109，使补偿电流指令和除去部分电流指令相加，产生流向电动机4的电流指令。

Description

电动机的速度控制装置

发明领域

本发明涉及一种可以正确地设定陷波滤波器的陷波频率的电动机速度控制装置。

背景技术

电动机速度控制装置根据速度误差产生使电动机速度加速或减速的转矩，由此以与上一级控制器发出的指令一致的速度使电动机和负载转动。

一般而言，由速度控制单元用作为速度指令信号与电动机的速度检测信号之差的速度误差相乘的速度增益Kv值被设定得越大，则相对该速度误差，将以较大的加速度修正电动机速度，所以速度误差在短时间内变小，可以进行高精度的速度控制。

但是，若将电动机产生的转矩传达给负载的电动机轴的刚性低，则不能将速度增益Kv值设定得大，控制精度恶化。即，若轴的刚性低，则由于该轴起弹簧作用，所以容易产生机械振动。因此产生的结果是，在将速度增益Kv设定得大时，上述机械振动随时间而增大，控制系统将会振荡。

作为解决上述问题的装置，日本国特开昭60-39397号公报公开了在电动机的速度环路内插入陷波滤波器的电动机速度控制装置。

根据该公报，若将从输入信号仅去除某一特定的频率成分并输出的滤波器插入到速度环路中，去除机械共振的频率成分，则可以抑制控制系统的振荡。

根据上述电动机速度控制装置，可在抑制控制系统振荡的同时，将速度增益Kv设定得较大，其结果是可以实现高精度控制。

但是，如上所述的电动机速度控制装置是通过设定陷波滤波器，使得其陷波频率与已知的机械系统共振频率一致，由此使机械系统不产生共振。另外，机械系统的共振频率可以通过计算和测量的方法获得，但分别存在需要复杂的计算和专用测量器的问题。

因此，作为用于使陷波频率与机械系统的共振频率一致的简单方法，自适应陷波滤波器被提出。例如记载在“自适应IIR数字陷波滤波器的稳态特性的解析”(电子信息通信学会论文集，Vol.J81-A，No.9)一文中的自适应陷波滤波器。图1示出采用了自适应陷波滤波器的电动机速度控制装置的框图。图1中，电动机速度控制装置具有：电动机4，驱动负载2，同时具有轴4a；速度检测部分8，利用编码器6检测电动机4的转动角度并对转动角度(位置)进行微分，由此运算电动机4的速度检测信号；速度控制部分12，利用速度比较器10求出作为速度指令信号与该速度检测信号之差的速度误差，并对速度误差乘以速度增益Kv，输出原电流指令信号Ia；陷波滤波器14，产生去除了原电流指令信号Ia的特定频率成分即陷波频率的补偿电流指令信号Ic；陷波滤波器自适应部分16，调整陷波频率，使得从陷波滤波器14产生去除了持续振动频率成分的电流指令信号；以及电流控制部分18，基于补偿电流指令信号(电流指令信号)Ic，产生电动机4的转矩指令信号。

另外，自适应陷波滤波器20由陷波滤波器自适应部分16和陷波滤波器14构成。

记载在上述论文集当中的对于陷波滤波器自适应部分16的处理内容，基本上是为了使陷波滤波器14的脉动成分的输出变小而调整陷波频率。若控制系统成为振荡状态，电动机4和负载2以共振频率振动，则该振动由编码器6检测出，然后通过速度检测部分8、减法器10、速度控制部分12而被输入到陷波滤波器14。在陷波频率与控制系统的共振频率不一致时，陷波滤波器14将不能抑制振荡，所以机械共振随时间增大。因此，在陷波滤波器14的输入中包含很多共振频率的信号成分，并占支配地位。在陷波滤波器自适应部分16中，由于在作为陷波滤波器14的输入的原电流指令信号Ia中包含很多共振频率的信号成分，所以去除该频率成分将会导致输出变小。其结果是，陷波滤波器自适应部分16起到使陷波频率接近共振频率的作用，最终将使陷波频率与共振频率大体一致。

采用图2至图4所示的仿真说明利用自适应陷波滤波器20抑制控制系统的振荡。图2是图1所示的电动机速度控制装置的时序图，(a)表示速度检测部分4检测出的电动机速度、(b)表示陷波滤波器16的输入、(c)表示由陷波滤波器自适应部分调整的陷波频率的变化、(d)表示作为陷波滤波器9的输出的电流指令，图3是图2(a)、(b)的放大图，图4是图1所示的速度控制装置的速度控制系统的增益曲线图。

在图4(a)示出没有插入陷波滤波器时的速度控制系统的开环增益特性，由于共振频率为1500Hz，共振峰值大于0分贝，所以在这样的情况下控制系统会振荡。

因此，在初始状态下，将陷波频率设定为3000Hz，并将3000Hz作为初始值，通过陷波滤波器自适应部分16来调整陷波频率。虽然从时刻0开始进行控制，但由于最初共振频率与陷波频率不一致，所以控制系统成为振荡状态，电动机速度(速度检测信号)产生振动，其振幅随时间变大。图2(a)中因为振动频率很高，所以电动机速度的部分呈黑色。若在时间轴方向放大，则如图3(a)所示，以1500Hz的共振频率振动。来自速度检测部分8的速度检测信号经速度比较器10和速度控制部分12而被输入到陷波滤波器14。输入到陷波滤波器14的原电流指令信号Ia成为图2(b)所示，若对其在时间轴方向进行放大，则如图3(b)所示，成为1500Hz的振动成分。伴随1500Hz的振动变大，陷波滤波器自适应部分16为了去除该频率成分而调整陷波频率，如图2(c)所示，陷波频率随时间的经过而接近1500Hz的共振频率。若陷波频率在时刻0.1秒接近共振频率，则控制系统的振荡趋向收敛，在时刻0.17秒，振荡状态被消除。因此，通过自适应陷波滤波器20，若控制系统起振，则陷波频率可以自动变化，从而抑制振荡。

但是，若仔细观察图2(c)，可知调整后的陷波频率为1770Hz，与1500Hz的共振频率不一致。这是因为随着陷波频率的调整，陷波频率与共振频率接近到某一程度时，振荡收敛。

如上所述，为了使陷波频率的调整有效地起作用，必须对陷波滤波器14持续输入共振频率的信号成分。但是，若控制系统的振荡收敛，则电动机4的振动也收敛，在来自速度检测部分8的速度检测信号中将不包含共振频率的信号成分。因此，在作为陷波滤波器14的输入的原电流指令信号Ia中也将不包含共振频率的信号成分，陷波滤波器自适应部分16不再进行陷波频率的调整，即不进行自适应动作。最终，得到1770Hz的陷波频率，图4(b)示出1770Hz时的陷波滤波器14的增益特性，图4(c)示出包含该陷波滤波器14的速度控制系统的增益特性。

如图4(c)所示可知，由于共振峰值没有超过0分贝，所以不成为振荡状态，但由于接近0分贝，所以处于产生振荡的临界状态。因此存在的问题是，随着时间等因素的变化，只要负载2等机械系统的特性稍微发生变化，则控制系统就有可能再次陷入振荡状态。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种可以高精度调整陷波滤波器的陷波频率的电动机速度控制装置。

本发明的电动机速度控制装置的特征在于，具有：驱动负载的电动机；电流指令生成单元，生成原电流指令信号，该原电流指令信号能够具有基于检测出上述电动机速度的速度检测信号与上述电动机的速度指令信号之差而得到频率成分；陷波滤波器单元，可以在连续的频带宽度中截断所选的规定频率的陷波频率，同时产生从输入的上述原电流指令信号中去除了上述陷波频率的补偿电流指令信号；陷波滤波器调整单元，为了从上述陷波滤波器单元产生去除了上述原电流指令信号的持续振动频率成分的上述补偿电流指令信号，选择上述陷波频率；减法单元，产生作为上述原电流指令信号与上述补偿电流指令信号之差的除去部分电流指令信号；加法单元，使上述补偿电流指令信号和上述除去部分电流指令信号相加，产生流向上述电动机的电流指令信号；以及限流单元，限制上述电流指令信号的最大值。

根据所述的电动机速度控制装置，减法单元产生作为原电流指令信号与补偿电流指令信号之差的除去部分电流指令信号，加法单元使补偿电流指令信号和除去部分电流指令信号相加而产生电流指令信号，限流单元限制电流指令信号的最大值。

因此，由于基于原电流指令信号产生(生成)除去部分电流指令信号，并利用该除去部分电流指令信号和补偿电流指令信号生成电流指令信号，所以即使补偿电流指令信号不振动，电流指令信号也振动，电动机的速度检测信号也振动，从而原电流指令信号也振动。因此，由于可以使电流指令信号持续振动，所以具有容易选择(调整)陷波滤波器单元的陷波频率的效果。

另一发明的电动机速度控制装置的特征在于：作为限流单元的替代，具有限制器，该限制器输入除去部分电流指令信号，限制上述除去部分电流指令信号的最大值，同时产生限流信号。

根据所述的电动机速度控制装置，由于限制器单元可以把除去部分电流指令信号的振动限制在所希望的规定值内，所以具有可以在抑制电动机振动的同时调整陷波滤波器的陷波频率的效果。

另一发明的电动机速度控制装置的特征在于，陷波滤波器调整单元自动调整陷波频率，使其与原电流指令信号的持续振动频率成分一致。

根据所述的电动机速度控制装置，具有可以容易调整陷波滤波器的陷波频率的效果。

另一发明的电动机速度控制装置的特征在于，具有：振荡判断单元，判断补偿电流指令信号是否振荡，同时产生判断信号；以及开关单元，基于判断信号而使上述限流信号导通/断开，并输入给加法单元。

根据所述的电动机速度控制装置，具有以下效果，即由于振荡判断单元通过振荡的停止来判断完成了陷波频率的调整，然后使限流信号断开，所以补偿电流指令信号成为电流指令信号，并且电流指令信号不持续振动。

附图说明

图1是采用了陷波滤波器自适应部分的电动机速度控制装置的框图。

图2是图1所示的电动机速度控制装置的仿真时序图。

图3是图1所示的电动机速度控制装置的仿真时序图。

图4是调整了图1所示的电动机速度控制装置的陷波频率时的速度控制系统的增益曲线图。

图5是表示本发明的一实施例的电动机速度控制装置的框图。

图6是表示图5所示的振动检测部分的框图。

图7是表示图5所示的导通/断开部分的动作的流程图。

图8是图5所示的电动机速度控制装置的各部分的仿真时序图。

图9是说明图5所示的限制器的作用的仿真时序图。

图10是调整了图5所示的速度控制装置的陷波频率时的速度控制系统的增益曲线图。

具体实施方式

以下根据图5和图6说明本发明的一个实施例的电动机速度控制装置。图5是一个实施例的电动机速度控制装置的框图，图6是图5所示的振动检测部分的框图。

在图5和图6中，电动机速度控制装置101具有：电动机4，轴4a与负载2连接，驱动负载2；编码器6，检测电动机4的检测位置(检测转动角度)；速度检测部分8，通过对该检测位置进行微分来运算电动机4的检测速度信号；速度比较器10，求出未图示的上一级控制器提供的速度指令信号与上述检测速度信号之差，输出速度误差；作为电流指令生成单元的速度控制部分12，用该速度误差乘以速度增益Kv，输出原电流指令信号Ia；作为陷波滤波器单元的陷波滤波器14，输入原电流指令信号Ia并具有连续的频带宽度，在该频带宽度中选择任意特定的规定频率的陷波频率fn，产生从原电流指令信号Ia中去除了持续振动频率成分的补偿电流指令信号Ic，例如在从5000Hz至100Hz的频带中，选择例如3000Hz、1500Hz…的特定频率成分的陷波频率fn；作为陷波滤波器调整单元的陷波滤波器自适应部分16，例如自动选择(调整)陷波频率fn，使得从陷波滤波器14产生去除了原电流指令信号Ia的持续振动频率成分的补偿电流指令信号Ic，即，随时如3000Hz、1500Hz…那样进行选择(调整)，以减小补偿电流指令信号Ic的脉动成分；以及电流控制部分18，基于补偿电流指令信号Ic产生电动机4的转矩指令信号。

持续振动维持部分具有：作为减法单元的减法器103，从原电流指令信号Ia中减去补偿电流指令信号Ic，输出除去部分电流指令信号Ir；作为限制器单元的限制器105，输入除去部分电流指令信号Ir，输出抑制到规定值或低于该规定值的限流指令信号IL；作为振荡判断单元的振动检测部分120，判断补偿电流指令信号Ic是否振动(振荡)，若判断为振动，则产生导通信号，相反若判断为没有振动，则产生断开信号；作为开关单元的导通/断开部分107，由振动检测部分120的导通信号导通(闭合)，由断开信号断开(断路)；以及作为加法单元的加法器109，对补偿电流指令信号Ic和限流指令信号IL进行加法运算。

在此，限制器105的规定值是电动机4的速度控制系统基于除去部分电流指令信号Ir而可以维持持续振动的值，优选尽可能小的值。这是为了在利用持续振动调整陷波滤波器14的陷波频率fn的同时而不使电动机4等产生过大的振动。例如，该值设定在电动机4的额定电流的几％程度。

振动检测部分120用于判断补偿电流指令信号Ic是否在振动，它由以下部分构成：整流电路122，对补偿电流指令信号Ic进行整流；平滑电路124，使整流电路122整流后的输入信号平滑；以及比较器128，比较来自平滑电路124的平滑值和由基准值设定器126设定的基准值，在平滑值大于基准值时，判断为补偿电流指令信号Ic振动，并产生导通信号，相反，在平滑值小于基准值时，判断为补偿电流指令信号Ic没有振动，并产生断开信号。另外，将导通信号和断开信号统称为开关信号。

根据图5至图7说明如上述构成的速度控制装置101的作用。图7是表示图5所示的导通/断开部分的动作的流程图。当前，若电动机4基于来自上一级控制器(未图示)的速度指令信号而驱动负载2的同时执行速度控制，则利用编码器6检测出电动机4的位置检测信号(转动角度)，位置检测信号经速度检测部分8而生成速度检测信号，并将所得的速度检测信号输入到速度比较器10。减法器10求出速度指令信号与速度检测信号之差(速度误差)，并输入到速度控制部分12。

速度控制部分12生成原电流指令信号Ia，并输入到陷波滤波器14和陷波滤波器自适应部分16，从陷波滤波器14将补偿电流指令信号Ic输入到陷波滤波器自适应部分16。陷波滤波器自适应部分16为了使补偿电流指令信号Ic的持续振动成分减小，产生从陷波滤波器14的连续的频带宽度自动选择(调整)了陷波频率fn的补偿电流指令信号Ic。

减法器103求出原电流指令信号Ia与补偿电流指令信号Ic之差即除去部分电流指令信号Ir，将除去部分电流指令信号Ir输入到限制器105，限制器105输出限流指令信号IL。

振动检测部分120如上所述地判断补偿电流指令信号Ic是否在振荡(振动)(步骤S101)，在振动时产生导通信号，使导通/断开部分107导通(步骤S103)，加法器109将限流指令信号IL和补偿电流指令信号Ic相加所得的电流指令信号输入到电流控制部分18。电流控制部分18将转矩指令信号提供给电动机4，将电动机4连同负载2一起驱动。

接着，振动检测部分120判断补偿电流指令信号Ic是否产生振动(步骤S105)。若振动收敛，则等待经过规定时间(步骤S107)，产生断开信号，使导通/断开部分107断开(步骤S109)。由此，停止在加法器109相加限流指令信号IL，只有补偿电流指令信号Ic作为电流指令信号从加法器109输入到电流控制部分18，并驱动电动机4。

即，在本实施例的速度控制装置101中，经由限制器105将除去部分电流指令信号Ir变为限流指令信号IL，并与补偿电流指令信号Ic相加而得到电流指令信号，由此使振动持续。因此，即使补偿电流指令信号Ic没有振动，基于速度指令信号与速度检测信号之差的原电流指令信号Ia也振动。由于原电流指令信号Ia振动，所以有调整陷波滤波器14的陷波频率fn的余地，从而可以提高该陷波频率fn的调整精度。

下面，基于图8所示的仿真结果来说明电动机速度控制装置101的作用。图8是在与图2相同的条件下进行仿真，图8(a)～(d)对应图2(a)～(d)，(a)表示电动机4的速度，(b)表示陷波滤波器14的输入(原电流指令信号Ia)，(c)表示陷波频率fn，(d)表示电流指令，(e)表示振动检测部分120的输出(开关信号)和导通/断开部分107的状态。

若速度控制装置101从时刻0开始进行控制，则控制系统开始振荡。与此相随，陷波滤波器自适应部分16调整陷波滤波器14的陷波频率fn(图8(c))，陷波频率fn渐渐接近共振频率。这样，电动机4的电流指令、检测速度的振动从时刻0.04秒开始收敛(图8(a)、(d))。

振动检测部分120若在时刻0.02秒检测出振动，则使导通/断开部分107导通(图8(e))，加法器109开始相加限流指令信号IL和补偿电流指令信号Ic。这样，电流指令信号的振荡不会完全收敛，如图8(a)所示，到时刻0.2秒为止，以一定程度持续振动。设定在振动收敛到一定程度的0.05秒之后到0.15秒之后，将导通/断开部分107断开，所以如图8(e)所示，在时刻0.2秒使导通/断开部分107断开，停止限流指令信号IL向加法器109的加法运算，之后振动收敛。

根据本实施例，通过使除去部分电流指令信号Ir经由限制器105而变成限流指令信号IL，并将限流指令信号IL与补偿电流指令信号Ic相加，因而可使电流指令信号以一定程度来持续振动。在振动持续期间，如图8(b)所示，共振频率的振动成分持续输入到陷波滤波器14。因此，可以在高精度进行陷波频率fn的调整的同时，利用限制器105限制除去部分电流指令信号Ir的值，所以可抑制电动机4产生的振动。

另外，根据图9更具体说明速度控制装置101的限制器105的作用。图9是图8的仿真结果中，示出从时刻0.1秒至0.105秒的陷波滤波器14的输入和输出、限制器105的输入和输出、以及电流指令。速度检测部分8检测出的电动机4的振动被反馈到减法器10，经速度控制部分12而被输入到陷波滤波器14。被输入到陷波滤波器14的原电流指令信号Ia如图9(a)所示，成为作为共振频率fc的1500Hz的振动成分。如图8(c)所示，在时刻0.1秒，由于陷波频率fn与共振频率fc大体一致，所以原电流指令信号Ia的振动成分的大部分由陷波滤波器14去除，其输出如图9(b)所示。在减法器103中，通过从原电流指令信号Ia中减去补偿电流指令信号Ic，计算并输出由陷波滤波器14去除的信号成分。该信号成分如图9(c)所示，为1500Hz的振动成分，并被输入到限制器105。在限制器105中，以规定值对输入的1500Hz的振动成分进行限幅并输出。在此的极限值为±1，其输出如图9(d)所示。将该输出在加法器109与陷波滤波器14的输出(图9(b))相加，得到如图9(e)的电流指令。

由于将限制器105的输出(图9(d))与电流指令相加，所以如图9(e)所示，在电流指令中包含使电动机4以1500Hz的频率振动的信号成分。由于在该条件下驱动电动机4，所以电动机4的振动不会完全收敛，而会持续振动。该振动由速度检测部分8检测出，再次输入到陷波滤波器14。这样，1500Hz的共振频率fc的振动成分持续输入陷波滤波器14，因此，可以高精度进行陷波频率fn的调整。

另外，由于限制器105的输出幅度是以极限值限幅，所以电动机4振动的振幅不会过分增大，而是抑制在一定程度。若将该极限值设定为小值，则电动机4的振动振幅也将变小，不会给电动机4和设备施加过大的负载。

如图8(c)所示，最终的陷波频率fn为1500Hz，与共振频率精确一致。此时的陷波滤波器14的增益特性如图10(b)所示。原来的速度控制系统的开环增益特性如图10(a)所示，两者合成后的开环增益特性如图10(c)所示。由于陷波频率fn和共振频率fc一致，所以共振峰值被削去。

在此，在补偿电流指令信号Ic的振动收敛之后，经过规定时间后断开导通/断开部分107，但在完成了陷波频率fn的调整时，使导通/断开部分107断开的结构，也可以得到同样的效果。因此，可以监视陷波滤波器自适应部分16调整的陷波频率fn的变化，若陷波频率fn在规定时间不变化，则看作陷波频率fn的调整结束，使导通/断开部分107断开。

另外，本实施例的速度控制装置中，设置了限制器105，但只要具有对电流控制部分18等限制电流指令的功能，则限制器105并非必不可少。

工业的可应用性

如上所述，本发明的电动机速度控制装置适于陷波滤波器的调整。

Claims (4)

1.一种电动机速度控制装置，其特征在于，具有：

驱动负载的电动机；

电流指令生成单元，生成原电流指令信号，该原电流指令信号能够具有基于检测出上述电动机速度的速度检测信号与上述电动机的速度指令信号之差而得到的频率成分；

陷波滤波器单元，可以在连续的频带宽度中截断所选的规定频率的陷波频率，同时产生从输入的上述原电流指令信号中去除了上述陷波频率的补偿电流指令信号；

陷波滤波器调整单元，选择上述陷波频率，使得从上述陷波滤波器单元产生去除了上述原电流指令信号的持续振动频率成分的上述补偿电流指令信号；

减法单元，产生作为上述原电流指令信号与上述补偿电流指令信号之差的除去部分电流指令信号；

加法单元，使上述补偿电流指令信号和上述除去部分电流指令信号相加，产生流向上述电动机的电流指令信号；以及

限流单元，限制上述电流指令信号的最大值。

2.如权利要求1所述的电动机速度控制装置，其特征在于：

作为上述限流单元的替代，具有限制器，该限制器输入上述除去部分电流指令信号，限制上述除去部分电流指令信号的最大值，同时产生限流信号。

3.如权利要求1或2所述的电动机速度控制装置，其特征在于：

上述陷波滤波器调整单元自动调整上述陷波频率，使其与上述原电流指令信号的持续振动频率成分一致。

4.如权利要求3所述的速度控制装置，其特征在于，具有：

振荡判断单元，判断上述补偿电流指令信号是否振荡，同时产生判断信号；以及

开关单元，基于上述判断信号而使上述限流信号导通/断开，并输入给上述加法单元。

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