DE102014009598B4

DE102014009598B4 - Motorsteuervorrichtung, die mit einer Vorwärtsregelung versehen ist

Info

Publication number: DE102014009598B4
Application number: DE102014009598.3A
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC CORPORATION Sonoda Naoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2034-06-28
Also published as: JP5650814B1; CN104283484B; DE102014009598A1; CN104283484A; JP2015015844A; US9166512B2; US20150008861A1

Abstract

Motorsteuervorrichtung (1) zum Steuern eines Motors, der eine Regelstrecke (200) antreibt, wobei die Motorsteuervorrichtung umfasst:
eine Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit (11), die eingerichtet ist, um einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl zum Steuern derart zu erzeugen, dass eine Ist-Geschwindigkeit der Regelstrecke (200) einem Geschwindigkeitsbefehl nachfolgt, der eingegeben ist;
eine Inversmodellberechnungseinheit (12), die eingerichtet ist, um einen Koeffizienten eines inversen Modells mit einer Transferfunktion invers gegenüber einer Transferfunktion der Regelstrecke (200) zu berechnen, indem der Geschwindigkeitsbefehl und der Vorkorrekturdrehmomentbefehl verwendet werden;
eine Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit (13), die eingerichtet ist, um einen Drehmomentkorrekturwert zu erzeugen, indem der Geschwindigkeitsbefehl und der Koeffizient des inversen Modells verwendet werden; und
eine Drehmomentbefehlerzeugungseinheit (14), die eingerichtet ist, um einen Drehmomentbefehl für den Motor zu erzeugen, der die Regelstrecke (200) antreibt, indem der Vorkorrekturdrehmomentbefehl und der Drehmomentkorrekturwert verwendet werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuervorrichtung zum Steuern eines Motors, der als eine Antriebsquelle einer Maschine verwendet wird, wie eines Roboters, einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Eine Motorsteuervorrichtung zum Steuern eines Motors, der als eine Antriebsquelle einer Maschine, wie eines Roboters, einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine verwendet wird, ist mit einer Rückwärtsregelung versehen, damit eine Regelstrecke, wie ein drehgetriebener Motor alleine oder eine Maschine, die mit dem Motor als eine Antriebsquelle zusammenarbeitet (einschließlich Anfügungen, wie ein Werkstück, auf das die Maschine in einigen Fällen einwirkt) (nachstehend einfach als „Regelstrecke” bezeichnet) gemäß einem Befehl betrieben wird. Beispiele der Rückwärtsregelung umfassen eine Geschwindigkeitsrückwärtsregelung, in der eine Geschwindigkeit eines Regelziel einem Geschwindigkeitsbefehl nachfolgt, und eine Positionsrückwärtsregelung, in der eine Position einer Regelstrecke einem Positionsbefehl nachfolgt.
Es ist bekannt, dass eine Vorwärtsregelung zusätzlich zu einer Rückwärtsregelung eingesetzt wird, um eine höhere Antwortfreudigkeit auf einen Befehl zu erlangen. Beispiele der Vorwärtsregelung für einen Befehl umfassen eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung, die zu einer Geschwindigkeitsrückwärtsregelung hinzugefügt wird, um die Antwortfreudigkeit auf einen Geschwindigkeitsbefehl zu verbessern, und eine Positionsvorwärtsregelung, die zu einer Positionsrückwärtsregelung hinzugefügt wird, um die Antwortfreudigkeit auf einen Positionsbefehl zu erhöhen.
9 zeigt eine Blockdarstellung, die eine herkömmliche allgemeine Motorsteuervorrichtung mit einer Rückwärtsregelung und einer Vorwärtsregelung zeigt. Nachstehend sind Komponenten, die durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, Komponenten mit der gleichen Funktion. Ein Fall, in dem eine Motorsteuervorrichtung 100 den Betrieb einer Regelstrecke 200 steuert, wird nachstehend beschrieben werden.
Wie vorstehend erwähnt, umfassen Beispiele der Regelstrecke 200 einen Motor alleine und einen Motor und eine Maschine, die mit dem Motor als eine Antriebsquelle zusammenarbeitet (einschließlich Anfügungen, wie ein Werkstück, auf das die Maschine in einigen Fällen einwirkt). Es sei zum Beispiel angenommen, dass eine Motordrehmomentkonstante der Regelstrecke 200 auf K_t, eine Motorträgheit auf J und ein Reibungskoeffizient auf C gesetzt wird. Der Differenzialoperator wird durch s dargestellt. Eine Transferfunktion der Regelstrecke 200 wird durch „K_t/(Js + C)” dargestellt.
Eine Steuereinrichtung 101 führt eine Geschwindigkeitsrückwärtsregelung aus, in der eine Ist-Geschwindigkeit der Regelstrecke 200 einem Geschwindigkeitsbefehl nachfolgt. Ein Fehler zwischen einer Geschwindigkeit, die von der Regelstrecke 200 rückgeführt wird, und dem Geschwindigkeitsbefehl wird in die Steuereinrichtung 101 eingegeben, und die Steuereinrichtung 101 gibt einen Drehmomentbefehl aus. Die Steuereinrichtung 101 wird durch einen PI-Regler oder einen PID-Regler realisiert. Wird zum Beispiel die Steuereinrichtung 101 als ein PI-Regler realisiert, wie in 9 gezeigt, dann werden der integrale Zuwachs auf K₁ und der proportionale Zuwachs auf K₂ gesetzt, wodurch die Transferfunktion der Steuereinrichtung 101 durch „K₁/s + K₂” dargestellt wird.
Die Transferfunktion eines Geschwindigkeitsvorwärts-(VFF)-Regelblocks 104 wird auf „(Js + C)/K_t” gesetzt, die eine inverse Funktion der Transferfunktion der Regelstrecke 200 „K_t/(Js + C)” ist, um eine hochempfindliche Regelung bezüglich eines Geschwindigkeitsbefehls zu realisieren. Werden die Steuereinrichtung 101, der Geschwindigkeitsvorwärtsregelblock 104 und die Regelstrecke 200 als ein System aufgefasst (nachstehend als „Geschwindigkeitsregelsystem” bezeichnet), dann kann hierbei eine Eingabe des Geschwindigkeitsregelsystems als ein „Geschwindigkeitsbefehl” betrachtet werden und kann eine Ausgabe des Geschwindigkeitsregelsystems als eine „Ist-Geschwindigkeit der Regelstrecke 200” angesehen werden, die von der Regelstrecke 200 rückgeführt wird. Wird die Transferfunktion des Geschwindigkeitsvorwärtsregelblocks 104 als die inverse Funktion (inverses Modell in dem nichtlinearen Fall) der Transferfunktion der Regelstrecke 200 ausgelegt, dann ist die Transferfunktion des Regelsystems „1”, wodurch eine hohe Antwortfreudigkeit auf einen Geschwindigkeitsbefehl realisiert wird.
In einem in 9 gezeigten Beispiel wird ein Positionszuwachs eines Positionszuwachsblocks 102 einer Positionsrückwärtsregelung, in der die Position der Regelstrecke 200 einem Positionsbefehl nachfolgt, auf K_P gesetzt. Der Fehler zwischen einer Position, die erlangt wird, indem die Geschwindigkeit der Regelstrecke 200 in einem Integrationsblock 103 integriert wird, und dem Positionsbefehl wird mit einem Positionszuwachs K_P multipliziert, der als ein Teil des vorstehend beschriebenen Geschwindigkeitsbefehls zu verwenden ist. Die Transferfunktion des Integrationsblocks 103 wird durch „1/s” dargestellt.
Wenn das Geschwindigkeitsregelsystem, dessen Transferfunktion „1” ist, der Positionszuwachs 102, der Integralzuwachsblock 103, dessen Transferfunktion „1/s” ist, und ein Positionsvorwärtsregel-(PFF, Position Feed-Forward)-Block 105 als ein System aufgefasst werden (nachstehend als Positionsregelsystem bezeichnet), dann kann eine Eingabe des Positionsregelsystems als ein „Positionsbefehl” aufgefasst werden und kann die Ausgabe des Positionsregelsystems als die „Ist-Position der Regelstrecke 200” aufgefasst werden, die von der Regelstrecke 200 rückgeführt ist. Da wie vorstehend beschrieben die Transferfunktion des Geschwindigkeitsregelsystems, das die Steuereinrichtung 101, den Geschwindigkeitsvorwärtsregelblock 104 und die Regelstrecke 200 umfasst, „1” ist, wenn die Transferfunktion des Positionsvorwärtsregelblocks 105 als eine inverse Funktion „s” der Transferfunktion „1/s” des Integralzuwachsblocks 103 ausgelegt ist, dann wird die Transferfunktion des Positionsregelsystems ebenso zu „1”, wodurch eine hohe Antwortfreudigkeit auf das Positionsregelsystems realisiert wird.
Wenn die Transferfunktion des Geschwindigkeitsregelsystems auf „1” gesetzt werden kann, wie vorstehend beschrieben, dann wird die Auslegung des Positionsvorwärtsregelblocks 105 erleichtert, da die Transferfunktion des Positionsvorwärtsregelblocks 105 als die inverse Funktion „s” der Transferfunktion „1/s” des Integralzuwachsblocks 103 ausgelegt werden kann. Die Auslegung des Geschwindigkeitsvorwärtsregelblocks 104 und des Positionsvorwärtsregelblocks 105 der Motorsteuervorrichtung 100 benötigt somit ausführliche Informationen bezüglich einer Vielfalt von Konstanten der Regelstrecke 200.
Im Allgemeinen kann es schwerfallen, eine Vielfalt von Konstanten, wie die Trägheit und die Reibung einer Regelstrecke, in einer Maschine zu erfassen, wie einem Roboter, einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine. Zum Beispiel hinsichtlich einer Anfügung, die an eine Maschine in einem Roboter oder eine Industriemaschine angefügt wird, oder hinsichtlich eines Objekts, das in einer Werkzeugmaschine zu bearbeiten ist, wenn dessen Größe oder Gewicht schwanken, fluktuieren dann die Trägheit oder die Reibung eines solchen Objekts. Ein Parameter, wie ein Parameter für die Reibung einer Maschine, ändert sich ebenso aufgrund einer langfristigen Änderung. Der Parameter, wie ein Parameter für die Reibung, fluktuiert ebenso abhängig von der Position eines angetriebenen Körpers, der durch einen Motor angetrieben wird. Des Weiteren fluktuiert die Trägheit ebenso abhängig von der Position eines angetriebenen Körpers.
Wie vorstehend beschrieben, ist im Stand der Technik ein Verfahren bekannt, in dem ein Parameter einer Vorwärtsregelung bestimmt wird, indem eine adaptive Regelung verwendet wird, um eine hohe Antwortfreudigkeit selbst dann zu realisieren, wenn eine Vielfalt von Konstanten einer Regelstrecke unbekannt oder unsicher sind.
Die JP H03-242 703 A offenbart zum Beispiel ein Verfahren, in dem in einem Elektromotor, der einen Roboterarm antreibt, ein Parameter einer Positionsvorwärtsregelung adaptiv bestimmt wird, in dem Algorithmus des Verfahrens mit steilstem Abstieg verwendet wird, so dass der Positionsfehler klein wird, um eine hohe Antwortfreudigkeit selbst dann zu realisieren, wenn die Trägheit in großem Maße fluktuiert, da die Trägheit in großem Maße gemäß der Bewegung des Arms fluktuiert.
Als ein weiteres Beispiel offenbart die JP 2008-171 165 A ein Verfahren, in dem ein optimaler Drehmomentbefehl entsprechend einer Regelstrecke einschließlich einer Last ausgegeben wird, die abhängig von einem Drehwinkel fluktuiert, indem adaptiv ein Drehmoment, das aufgrund der Trägheitswirkung versetzt ist, und ein Schwerpunkt hinsichtlich einer Regelstrecke identifiziert wird, und indem eine Vorwärtsregelung durch Korrigieren eines Drehmomentbefehls unter Verwendung des Drehmomentversatzes ausgeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben, wenn die Transferfunktion einer Geschwindigkeitsvorwärtsregelung einer Motorsteuervorrichtung als das inverse Modell einer Regelstrecke ausgelegt ist, kann eine hohe Antwortfreudigkeit auf einen Geschwindigkeitsbefehl realisiert werden. Wenn die Transferfunktion der Geschwindigkeitsvorwärtsregelung optimal ausgelegt werden kann, dann kann eine Positionsvorwärtsregelung mit einer hohen Antwortfreudigkeit vergleichsweise einfach ausgelegt werden. Es ist deshalb sehr wichtig, genau detaillierte Informationen bezüglich einer Vielfalt von Konstanten einer Regelstrecke zu erfassen, wenn eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung ausgelegt wird.
Wird jedoch eine Vorwärtsregelung einer Motorsteuervorrichtung in Fällen ausgelegt, in denen eine Vielfalt von Konstanten einer Regelstrecke aus irgendwelchen Gründen nicht genau erfasst werden, dann ist die fertige Vorwärtsregelung nicht notwendigerweise eine optimale Regelung, und sie realisiert nicht notwendigerweise eine hohe Antwortfreudigkeit auf einen Befehl.
Ganz besonders in Fällen, in denen eine Regelstrecke, die eine Motorsteuervorrichtung antreibt, eine solche ist, deren Trägheit und Reibung fluktuieren, ist es äußerst schwierig, detaillierte Informationen bezüglich einer Vielfalt von Konstanten einer Regelstrecke zu erlangen, und es ist ebenso schwierig, die Antwortfreudigkeit auf einen Befehl der Motorsteuervorrichtung zu erhöhen.
In den Erfindungen beispielsweise, die in der JP H03-242 703 A und der JP 2008-171 165 A offenbart sind, obwohl ein Parameter, der sich auf die Trägheit einer Regelstrecke bezieht, unter Verwendung einer adaptiven Steuerung bestimmt wird, um eine Vorwärtsregelung auszuführen, wird kein Parameter in Betracht gezogen, der sich auf eine Reibung der Regelstrecke bezieht. Die Erfindungen, die in der JP H03-242 703 A und der JP 2008-171 165 A offenbart sind, weisen somit ein Problem dahingehend auf, dass obwohl eine Regelstrecke, deren Trägheit fluktuiert, verwaltet werden kann, keine optimale Vorwärtsregelung für eine Regelstrecke ausgeführt werden kann, deren Reibung fluktuiert.
Die Druckschrift DE 10 2012 106 771 A1 offenbart eine Vorrichtung, in der eine Subtrahiereinheit einen geschätzten Drehmomentenfehler berechnet durch Subtrahieren des geschätzten Kopplungsdrehmomentwerts, der von einer inversen Modelliereinheit ausgegeben wird, vom Kopplungsdrehmomentwert, den die Subtrahiereinheit ausgibt, und den geschätzten Drehmomentenfehler in die Korrektureinheit eingibt. Die Subtrahiereinheit bildet eine Berechnungseinheit für den geschätzten Drehmomentenfehler, und die inverse Modelliereinheit berechnet den geschätzten Kopplungsdrehmomentwert.
Die Druckschrift DE 10 2010 036 500 A1 offenbart ein Verfahren zum zeitgleichen Abschätzen von Trägheit, viskoser Reibung, und Coulomb-Reibung mit einer Anpassung, bei der kein Fourier-Transformator, jedoch ein Modell der inversen Transferfunktion verwendet wird, um den geschätzten Fehler zu minimieren. Das inverse Transferfunktionsmodell umfasst eine Funktionsgleichung, die die geschätzte Trägheit, die der tatsächlichen Trägheit eines Steuerziels entspricht, und die geschätzte Reibung, die der tatsächlichen Reibung des Steuerziels entspricht, einsetzt. Entsprechend dem inversen Transferfunktionsmodell wird die geschätzte Reibung berechnet, wobei die geschätzte viskose Reibung und die geschätzte Coulomb-Reibung unterschieden werden.
Die Druckschrift US 2011/0 285 340 A1 offenbart eine Technik, in der ein Servosystem modelliert wird und eine Vorwärtskopplungskompensierung unter Verwendung einer Transferfunktion durchführt wird, die eine Inverse dieses Modells verwendet.
Kurzfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Motorsteuervorrichtung, die mit einer Vorwärtsregelung mit einer hohen Antwortfreudigkeit auf einen Befehl versehen ist, die leicht optimal ausgelegt werden kann, ohne eine Vielfalt von Konstanten einer Regelstrecke im Detail zu erfassen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Motorsteuervorrichtung, die mit einer Vorwärtsregelung mit hoher Antwortfreudigkeit auf einen Befehl versehen ist, selbst wenn eine Trägheit und eine Reibung der Regelstrecke fluktuieren.
Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch bereitgestellt. Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Eine Motorsteuervorrichtung zum Steuern eines Motors, der eine Regelstrecke antreibt, umfasst vorzugsweise: eine Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit, die einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl zur Steuerung derart erzeugt, dass eine Ist-Geschwindigkeit der Regelstrecke einem Geschwindigkeitsbefehl nachfolgt, der eingegeben wird; eine Inversmodellberechnungseinheit, die einen Koeffizienten eines inversen Modells berechnet, das eine Transferfunktion invers gegenüber einer Transferfunktion der Regelstrecke aufweist, indem der Geschwindigkeitsbefehl und der Vorkorrekturdrehmomentbefehl verwendet werden; eine Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit, die einen Drehmomentkorrekturwert erzeugt, indem der Geschwindigkeitsbefehl und der Koeffizient des inversen Modells verwendet werden; und eine Drehmomentbefehlerzeugungseinheit, die einen Drehmomentbefehl für den Motor erzeugt, der die Regelstrecke antreibt, indem der Vorkorrekturdrehmomentbefehl und der Drehmomentkorrekturwert verwendet werden.
Die Inversmodellberechnungseinheit umfasst vorzugsweise: eine Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit, die einen Koeffizientenkorrekturwert berechnet, indem der Geschwindigkeitsbefehl, der Vorkorrekturdrehmomentbefehl und ein vorbestimmter adaptiver Koeffizient verwendet werden; eine Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit, die, indem der Koeffizientenkorrekturwert und ein Trägheitskoeffizientenschätzwert verwendet werden, einen neuen Trägheitskoeffizientenschätzwert berechnet; eine Viskosreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit, die, indem der Koeffizientenkorrekturwert und ein Viskosreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden, einen neuen Viskosreibungskoeffizientenschätzwert berechnet; und eine Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit, die, indem der Koeffizientenkorrekturwert und ein Coulombreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden, einen neuen Coulombreibungskoeffizientenschätzwert berechnet, wobei ein Koeffizient eines inversen Modells für jede Abtastspanne berechnet werden kann, indem der neue Trägheitskoeffizientenschätzwert, der neue Viskosreibungskoeffizientenschätzwert und der neue Coulombreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden.
Ist ein Betragswert des Geschwindigkeitsbefehls kleiner als ein vorbestimmter Wert, dann behält die Inversmodellberechnungseinheit einen Koeffizienten des inversen Modells vorzugsweise bei, der in einer Abtastspanne vor einer Abtastspanne berechnet ist, in der der Geschwindigkeitsbefehl eingegeben ist, und gibt vorzugsweise den Koeffizienten zu einer Drehmomentkorrekturwertberechnungseinheit aus, wenn der Betragswert eines Geschwindigkeitsbefehls kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit erzeugt vorzugsweise den Drehmomentkorrekturwert, indem addiert wird: ein Produkt einer Beschleunigung, die aus dem Geschwindigkeitsbefehl berechnet ist, und eines Trägheitskoeffizientenschätzwerts, der für eine Schätzung einer Trägheit der Regelstrecke verwendet wird; ein Produkt eines Geschwindigkeitsbefehls und eines Viskosreibungskoeffizientenschätzwerts, der für eine Schätzung eines Viskosreibungskoeffizienten der Regelstrecke verwendet wird; und ein Produkt einer Polarität eines Geschwindigkeitsbefehls und eines Coulombreibungskoeffizientenschätzwerts, der für eine Schätzung eines Coulombreibungskoeffizienten der Regelstrecke verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung lässt sich klarer verstehen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Blockdarstellung, die eine Motorsteuervorrichtung gemäß einem ersten Beispiel zeigt;
2 eine Blockdarstellung, die eine Inversmodellberechnungseinheit in der Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
3 ein Ablaufdiagramm, das einen Betriebsablauf der Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
4 eine Darstellung, die ein Simulationsergebnis (#1) der Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel zeigt;
5A eine Darstellung, die ein Simulationsergebnis (#2) der Motorsteuervorrichtung des ersten Beispiels zeigt, in dem eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines Inversmodells inaktiv geschaltet ist;
5B eine Darstellung, die ein Simulationsergebnis (#2) der Motorsteuervorrichtung des ersten Beispiels zeigt, in dem eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines Inversmodells aktiviert wird;
6 eine Darstellung, die den Stribeck-Effekt zeigt, der durch eine nichtlineare Reibung einer Regelstrecke der Motorsteuervorrichtung verursacht wird;
7A eine Darstellung, die ein Simulationsergebnis einer Motorsteuervorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel des ersten Beispiels zeigt, in dem ein Totzonenbereich nicht vorgesehen ist;
7B eine Darstellung, die ein Simulationsergebnis der Motorsteuervorrichtung gemäß dem modifizierten Beispiel des ersten Beispiels zeigt, in dem ein Totzonenbereich vorgesehen ist;
8 eine Blockdarstellung, die eine Motorsteuervorrichtung gemäß einem zweiten Beispiel zeigt; und
9 eine Blockdarstellung, die eine herkömmliche allgemeine Motorsteuervorrichtung einschließlich einer Rückwärtsregelung und einer Vorwärtsregelung zeigt.
Ausführliche Beschreibung
Nachstehend wird eine Motorsteuervorrichtung, die mit einer Vorwärtsregelung versehen ist, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Zeichnungen und die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele einzuschränken ist.
Beispiele einer Regelstrecke, die durch die Motorsteuervorrichtung angetrieben wird, umfassen einen Motor, eine solche, die den Motor und eine Maschine umfasst, die mit dem Motor als eine Antriebsquelle zusammenarbeitet, oder eine solche, die die Maschine und eine Anfügung, wie ein Werkstück, umfasst, auf das die Maschine einwirkt. Wenn eine „Regelstrecke” in der nachfolgenden Beschreibung substituiert mit der obigen Definition gelesen wird, ist demgemäß ersichtlich, dass die Erfindung bei einer Vielfalt von Anwendungen angewendet werden kann. Beispiele der Maschine, die mit einem Motor zusammenarbeitet, der durch die Motorsteuervorrichtung angetrieben ist, umfassen einen Roboter, eine Werkzeugmaschine oder eine Industriemaschine. Ein Geschwindigkeitsbefehl, ein Drehmomentbefehl, ein Positionsbefehl, ein Vorkorrekturdrehmomentbefehl und ein Vorkorrekturgeschwindigkeitsbefehl werden durch den Betrag (Skalar) und die Polarität (Vektor) definiert.
1 zeigt eine Blockdarstellung, die eine Motorsteuervorrichtung gemäß einem ersten Beispiel zeigt. Gemäß dem ersten Beispiel umfasst eine Motorsteuervorrichtung 1 zum Steuern eines Motors, der eine Regelstrecke 200 antreibt, eine Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit 11, eine Inversmodellberechnungseinheit 12, eine Drehmomentkorrekturwertberechnungseinheit 13 und eine Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 14. In dem gezeigten Beispiel, indem eine Motordrehmomentkonstante der Regelstrecke 200 durch K_t dargestellt wird, eine Motorträgheit als J, ein Reibungskoeffizient als C und ein Differenzialoperator als s, wird die Transferfunktion der Regelstrecke 200 durch „K_t/(Js + C)” dargestellt. Da die Schwerkraft eine Wirkung bei der Regelstrecke 200 aufweist und ebenso eine nichtlineare Eigenschaft aufweist, kann die Transferfunktion der Regelstrecke 200 eine solche sein, in der eine Wirkung der Schwerkraft in Betracht gezogen wird.
Die Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit 11 erzeugt einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl zur derartigen Steuerung, dass die Ist-Geschwindigkeit der Regelstrecke 200 einem eingegebenen Geschwindigkeitsbefehl nachfolgt. Insbesondere wird ein Fehler zwischen einer Ist-Geschwindigkeit, die von der Regelstrecke 200 zurückgeführt wird, und dem Geschwindigkeitsbefehl in eine Steuereinrichtung 101 eingegeben, die in der Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit 11 umfasst ist. Außerdem wird eine Geschwindigkeitsrückwärtsregelung, in der die Ist-Geschwindigkeit der Regelstrecke 200 dem Geschwindigkeitsbefehl nachfolgt, ausgeführt, indem der Vorkorrekturdrehmomentbefehl erzeugt und ausgegeben wird. Die Steuereinrichtung 101 wird durch einen PI-Regler oder einen PID-Regler realisiert, und wird sie durch den PI-Regler realisiert, dann wird die Transferfunktion der Steuereinrichtung 101 durch „K₁/s + K₂” dargestellt, wobei ein integraler Zuwachs auf K₁ und ein proportionaler Zuwachs auf K₂ gesetzt ist.
Die Inversmodellberechnungseinheit 12 berechnet den Koeffizienten des inversen Modells der Transferfunktion, die die Regelstrecke 200 aufweist, indem ein Geschwindigkeitsbefehl und der Vorkorrekturdrehmomentbefehl verwendet werden. Die Einzelheiten des inversen Modells werden nachstehend beschrieben werden.
Die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 erzeugt einen Drehmomentkorrekturwert, in dem ein Geschwindigkeitsbefehl und der Koeffizient des inversen Modells verwendet werden, das durch die Inversmodellberechnungseinheit 12 berechnet ist. Die Einzelheiten des Drehmomentkorrekturwerts werden nachstehend beschrieben werden.
Die Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 14 erzeugt einen Drehmomentbefehl für einen Motor, der die Regelstrecke 200 antreibt, indem der Vorkorrekturdrehmomentbefehl und der Drehmomentkorrekturwert verwendet werden. Der erzeugte Drehmomentbefehl wird zum Steuern eines (nicht gezeigten) Stromwandlers verwendet, der einen Antriebsstrom eines Motors ausgibt. Zum Beispiel in Fällen, in denen der Stromwandler durch einen PWM-Inverter gebildet ist, der Gleichstrom in Wechselstrom durch einen Schaltvorgang eines in ihm vorgesehenen Halbleiterschaltelements umwandelt, dann wird ein PWM-Umschaltsignal zur Steuerung eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschaltelements in dem PWM-Inverter gemäß dem erzeugten Drehmomentbefehl erzeugt. Der PWM-Inverter führt einen Schaltvorgang des Halbleiterschaltelements in sich gemäß einem empfangen PWM-Schaltsignal durch und wandelt Gleichstrom in Wechselstrom zur Ausgabe zu einem Motor um. Da der Motor unter Verwendung von Wechselstrom läuft, der von dem Stromwandler als ein Antriebsstrom ausgegeben ist, falls der Wechselstrom, der von dem Stromwandler ausgegeben ist, gesteuert wird, kann der Motor bei einer gewünschten Geschwindigkeit, einem gewünschten Drehmoment oder einer gewünschten Position eines Rotors in dem Motor betrieben werden. Im Ergebnis kann eine Maschine betrieben werden, die den Motor als eine Antriebsquelle umfasst, wie ein Roboter, eine Werkzeugmaschine oder eine Industriemaschine.
Als nächstes wird jeder Betrieb einer Inversmodellerzeugungseinheit 12, die ein Inversmodell erzeugt, einer Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 und einer Drehmomentbefehlerzeugungseinheit 14 beschrieben werden, die den Drehmomentbefehl erzeugen.
Die Inversmodellerzeugungseinheit 12 schätzt Koeffizienten eines inversen Modells der Transferfunktion der Regelstrecke 200, die die Trägheit und die Reibung umfasst. In dem Beispiel wird eine Reibung als ein Beispiel hergenommen, die eine nichtlineare Eigenschaft aufweist, die durch eine Coulombreibung dargestellt ist. Eine Reibung C in der Transferfunktion „K_T/(Js + C)” der Regelstrecke 200, die in 1 gezeigt ist, wird somit durch Gleichung 1 dargestellt. In der Gleichung 1 stellt ω(r) die Geschwindigkeit eines Motors dar, C₁ einen Viskosreibungskoeffizienten und C₂ einen Coulombreibungskoeffizienten. „Sign()” ist eine Vorzeichenfunktion für eine Funktion innerhalb der „()”. Es stellt mit anderen Worten „Sign(ω(t))” die Polarität der Geschwindigkeit ω(t) eines Motors dar. C(t) = C₁·ω(t) + C₂·sign(ω(t)) (1)
Das inverse Modell der Regelstrecke 200, das ein System mit einzelner Trägheit ist, und das eine nichtlineare Reibung umfasst, ist gemäß Gleichung 2 definiert. Unter der Annahme, dass die Geschwindigkeitsrückwärtsregelung und die Geschwindigkeitsvorwärtsregelung digital in einer vorbestimmten Abtastspanne in einer Ist-Vorrichtung gesteuert werden, ist die Gleichung 2 durch ein diskretes System dargestellt. In Gleichung 2 stellt i(n) ein inverses Modell dar, ω(n) die Geschwindigkeit eines Motors, J die Trägheit der Regelstrecke 200, K_t eine Motordrehmomentkonstante der Regelstrecke 200, T eine Abtastspanne und n die Anzahl von Abtastdaten in einer Abtastspanne.
Ein inverses Modell, das durch die Gleichung 2 definiert ist, wird für eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung verwendet. Mit anderen Worten erzeugt gemäß dem inversen Modell, das durch die Gleichung 2 definiert ist, die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 einen Drehmomentkorrekturwert. Im Einzelnen schätzt die inverse Modellberechnungseinheit 12 (eine Identifikationsvorrichtung) einen Koeffizienten des inversen Modells, das durch Gleichung 2 definiert ist, sequenziell unter Verwendung eines Vorkorrekturdrehmomentbefehls, der eine Ausgabe einer Steuereinrichtung 101 ist, die in der Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit 11 umfasst ist, und eines Geschwindigkeitsbefehls. Die Drehmomentbefehlskorrekturwerterzeugungseinheit 13 erzeugt einen Drehmomentkorrekturwert, indem der Geschwindigkeitsbefehl und der Koeffizient des inversen Modells verwendet werden, das in der Inversmodellberechnungseinheit 12 geschätzt ist. Des Weiteren korrigiert die Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 14 die Vorkorrekturdrehmomentbefehlsausgabe aus der Steuereinrichtung 101, indem der Drehmomentkorrekturwert, der durch die Drehmomentbefehlskorrekturwerterzeugungseinheit 13 erzeugt ist, verwendet wird, und erzeugt einen Drehmomentbefehl für einen Motor, der die Regelstrecke 200 antreibt. Da auf eine solche Art und Weise Drehmomentkorrekturwerte sequenziell durch die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 entsprechend den Koeffizienten des inversen Modells erzeugt werden, die sequenziell durch die Inversmodellberechnungseinheit 12 geschätzt werden, und da der Vorkorrekturdrehmomentbefehl, der eine Ausgabe der Steuereinrichtung 101 ist, sequenziell korrigiert wird, indem die Drehmomentkorrekturwerte verwendet werden, kann eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung realisiert werden, die die Fluktuation der Trägheit und der Reibung der Regelstrecke 200 bewältigen kann.
Die Gleichung 2, die die Definitionsgleichung des inversen Modells ist, wird zu der Gleichung 3 vereinfacht, die für die Erzeugungsverarbeitung eines Drehmomentkorrekturwerts durch die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 zu verwenden ist. In Gleichung 3 stellt i_ff(n) einen Drehmomentkorrekturwert, ω(n) einen Geschwindigkeitsbefehl, J die Trägheit der Regelstrecke 200, Kt eine Motordrehmomentkonstante der Regelstrecke 200, T eine Abtastspanne, n die Anzahl von Abtastdaten in einer Abtastspanne, C₁ einen Viskosreibungskoeffizienten der Regelstrecke 200 und C₂ einen Coulombreibungskoeffizienten der Regelstrecke 200 dar. „Sign()” ist eine Vorzeichenfunktion für eine Funktion innerhalb der „()”, es stellt mit anderen Worten „Sign(ω(n))” die Polarität des Geschwindigkeitsbefehls ω(n) eines Motors dar. i_ff(n) = h_o·V₀(n) + h₁·V₁(n) + h₂·V₂(n) (3) where h₀ = J/(K_t·T), h₁ = C₁/K_t, h₂ = C₂/K_t,
V₀ = ω(n) – ω(n – 1), V₁ = ω(n), V₂ = sign(ω(n))
Wie aus Gleichung 3 ersichtlich, erzeugt die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 den Drehmomentkorrekturwert i_ff(n), indem addiert wird: ein Produkt v₀·h₀ einer Beschleunigung v₀(= ω(n) – ω(n – 1)), die durch die Befehlsgeschwindigkeit ω(n) berechnet ist, und eines Trägheitskoeffizientenschätzwerts h₀, der zur Schätzung der Trägheit) der Regelstrecke 200 verwendet wird; ein Produkt v₁·h₁ eines Geschwindigkeitsbefehls v₁(= ω(n)) und eines Viskosreibungskoeffizientenschätzwerts h₁, der zum Schätzen des Viskosreibungskoeffizienten C₁ der Regelstrecke 200 verwendet wird; und ein Produkt v₂·h₂ der Polarität (v₂(= Sign(ω(n))) des Geschwindigkeitsbefehls und eines Coulombreibungskoeffizientenschätzwerts h₂, der zum Schätzen eines Coulombreibungskoeffizienten C₂ der Regelstrecke 200 verwendet wird. Der Drehmomentkorrekturwert i_fn(n), der in der Gleichung 3 dargestellt wird, wird zur Korrektur eines Vorkorrekturdrehmomentbefehls verwendet, den die Steuereinrichtung 101 ausgibt. Im Einzelnen erzeugt die Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 14 einen Drehmomentbefehl für einen Motor, der die Regelstrecke 200 antreibt, indem die Vorkorrekturdrehmomentbefehlsausgabe aus der Steuereinrichtung 101 und der Drehmomentkorrekturwert addiert werden, der durch die Drehmomentbefehlskorrekturwerterzeugungseinheit 13 erzeugt ist. In Fällen, in denen der Drehmomentkorrekturwert ein optimaler Wert ist, ist hiermit der Fehler zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und der Ist-Geschwindigkeit null (0) und ist somit der Vorkorrekturdrehmomentbefehl, der aus der Steuereinrichtung 101 eingegeben ist, ebenso null (0). In derartigen Fällen ist deshalb der Drehmomentkorrekturwert der Drehmomentbefehl an sich.
Nachfolgend wird ein Schätzalgorithmus eines Koeffizienten eines inversen Modells, das die Inversmodellberechnungseinheit 12 verwendet, beschrieben werden. In dem ersten Beispiel wird ein sequenzielles Verfahren kleinster Quadrate mit einer hervorragenden Stabilität oder Schätzgeschwindigkeit als der Schätzalgorithmus eines Koeffizienten eines inversen Modells verwendet. Ein Verfahren mit steilstem Abstieg kann als der Schätzalgorithmus für ein alternatives Beispiel verwendet werden.
Die Schätzgleichung, die verwendet wird, wenn ein Trägheitskoeffizientenschätzwert h₀, ein Viskosreibungskoeffizientenschätzwert h₁ und ein Coulombreibungskoeffizientenschätzwert h₃ aus n Abschnitten der Abtastdaten unter Verwendung eines Verfahrens kleinster Quadrate verwendet wird, liegt in Gleichung 4 vor. In der Gleichung 4 werden in dem Beispiel h₀, h₁ und h₃ verwendet, und somit gilt: m = 3. i = Vh + e (4) i: n-Drehmomentkorrekturwertvektor, h: Koeffizientenvektor eines inversen Modells m-ter Ordnung, v: n × m-Geschwindigkeitsbefehlsmatrix, e: n-Fehlervektor
Der Fehlervektor in der Gleichung 4 bezeichnet einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl, der eine Ausgabe aus der Steuereinrichtung 101 ist. Eine Evaluierungsfunktion des Fehlervektors wird als die Gleichung 5 definiert. In der Gleichung 5 bezeichnet eine Matrix, oberhalb derer „T” geschrieben steht, eine transponierte Matrix. S(h) = e^Te = (j – Vh)^T(i – Vh) (5)
Da der Zweck des Fehlervektors in einem Nullvektor besteht, besteht eine notwendige Bedingung für die Evaluierungsfunktion und ihr Minimum in der Gleichung 6. ∂S / ∂h = –2V^T(i – Vh) = 0 (6)
Die Gleichung 6 wurde umgestellt, um die Gleichung 7 als die Schätzfunktion des Verfahrens kleinster Quadrate zu erlangen. h_f = (V^TV)^–1V^Ti (7)
Wird ein Beobachtungswert definiert, ein Punkt N in der Zeit zum Umwandeln eines sequenziellen Verfahrens kleinster Quadrate zu sein, dann kann die Gleichung 7 in die Gleichung 8 umgewandelt werden. h_f = (V_N ^TV_N)^–1V_N ^Ti_N (8)
Damit in ein sequenzielles Verfahren kleinster Quadrate umgewandelt werden kann, wird die nachstehende Gleichung 9 definiert. P_N = (V_N ^TV_N)^–1 P_N ^–1 = P_N-1 ^–1 + V_NV_N ^T (9) wobei v_N der Vektor m-ter Ordnung der Matrix V bei einem Zeitpunkt N ist.
Durch Einsetzen der Gleichung 9 in die Gleichung 8 wird eine rekursive Gleichung erlangt, die in Gleichung 10 gezeigt ist. h ^_N = h ^_N-1 + P_Nv_N(i_N – v_N ^Th ^N-1) (10)
Um die Berechnung einer inversen Matrix in der Gleichung 10 zu vermeiden, wird ein Matrixinversionslemma bei der Gleichung 10 angewendet, um die Gleichung 11 zu erlangen.
Der Initialwert der Gleichung 11 wird in der Gleichung 12 unter Verwendung einer Einheitsmatrix und eines adaptiven Koeffizienten α dargestellt. In der Gleichung 12 wird der adaptive Koeffizient α geeignet abhängig von dem Zustand der eingesetzten Motorsteuervorrichtung 1 gesetzt. P₀ = αI (12)
Die Inversmodellberechnungseinheit 12 berechnet einen Koeffizienten eines Inversmodells, das in der Gleichung 3 dargestellt ist, indem eine rekursive Gleichung der Gleichung 10 unter Verwendung der Gleichung 11 und der Gleichung 12 berechnet wird.
2 zeigt eine Blockdarstellung, die eine Inversmodellberechnungseinheit in einer Motorsteuervorrichtung in dem ersten Beispiel zeigt.
Die Inversmodellberechnungseinheit 12, die den Koeffizienten eines inversen Modells berechnet, umfasst eine Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31, eine Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 32, eine Viskosreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 33 und eine Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 34.
Die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 berechnet einen Koeffizientenkorrekturwert, indem eine Geschwindigkeitsanweisung, die für jede Abtastspanne eingegeben ist, einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl, der in einer Abtastspanne vor einer Abtastspanne erzeugt wird, in der der Geschwindigkeitsbefehl eingegeben wird, und ein vorbestimmter adaptiver Koeffizient α verwendet werden.
Die Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 32 berechnet einen neuen Trägheitskoeffizientenschätzwert, indem ein Koeffizientenkorrekturwert, der durch die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 berechnet ist, und ein Trägheitskoeffizientenschätzwert verwendet werden, der in einer Abtastspanne vor einer Abtastspanne berechnet wurde, in der der Koeffizientenkorrekturwert berechnet und in einer temporären Speichereinheit 35 gespeichert wird. Der neue Trägheitskoeffizientenschätzwert, der durch die Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinrichtung 32 berechnet ist, wird zu einem Addierer 38 ausgegeben, und wird zur gleichen Zeit in der temporären Speichereinheit 35 zur Verwendung in einer Berechnungsverarbeitung durch die Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 32 in der nächsten Abtastspanne gespeichert.
Die Viskosreibungskoeffizientenschtzwertberechnungseinheit 33 berechnet einen neuen Viskosreibungskoeffizientenschätzwert, indem ein Koeffizientenkorrekturwert, der durch die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 berechnet wird, und ein Viskosreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden, der in einer Abtastspanne vor einer Abtastspanne berechnet wurde, in der der Koeffizientenkorrekturwert in einer temporären Speichereinheit 36 berechnet und gespeichert wird. Der neue Viskosreibungskoeffizientenschätzwert, der durch die Viskosreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 33 berechnet ist, wird zu dem Addierer 38 ausgegeben und gleichzeitig in der temporären Speichereinheit 36 für die Verwendung in einer Berechnungsverarbeitung durch die Viskosreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 33 in der nächsten Abtastspanne gespeichert.
Die Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 34 berechnet einen neuen Coulombreibungskoeffizientenschätzwert, indem ein Koeffizientenkorrekturwert, der durch die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 berechnet ist, und ein Coulombreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden, der in einer Abtastspanne vor einer Abtastspanne berechnet wurde, in der der Koeffizientenkorrekturwert berechnet und in einer temporären Speichereinheit 37 gespeichert wird. Der neue Coulombreibungskoeffizientenschätzwert, der durch die Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 34 berechnet wird, wird zu dem Addierer 38 ausgegeben und wird gleichzeitig in der temporären Speichereinheit 37 zur Verwendung in einer Berechnungsverarbeitung durch die Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 34 in der nächsten Abtastspanne gespeichert.
Durch Hinzufügen des vorstehend beschriebenen neuen Trägheitskoeffizientenschätzwerts, des vorstehend beschriebenen neuen Viskosreibungskoeffizientenschätzwerts und des vorstehend beschriebenen neuen Coulombreibungskoeffizientenschätzwerts durch den Addierer 38 wird ein inverses Modell erzeugt. Der erzeugte Koeffizient des inversen Modells wird zu der Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 ausgegeben. Andererseits werden der Trägheitskoeffizientenschätzwert, der in der temporären Speichereinheit 35 gespeichert ist, der Viskosreibungskoeffizientenschätzwert, der in der temporären Speichereinheit 36 gespeichert ist, und der Coulombreibungskoeffizientenschätzwert, der in der temporären Speichereinheit 37 gespeichert ist, zur Berechnung eines inversen Modells in der nächsten Abtastspanne verwendet.
Der Prozess durch jede der vorstehend beschriebenen Einheiten 31 bis 38 wird für jede Abtastspanne durchgeführt.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das einen Betriebsablauf der Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel zeigt. Jeder Prozess der Schritte S101 bis S107 wird für jede Abtastspanne ausgeführt. Die Reihenfolge, in der die Prozesse der Schritte S101 bis S107 ausgeführt werden, ist ein Beispiel, und diese Prozesse können ausgeführt werden, indem ihre Reihenfolge geeignet ohne das Verursachen von Widersprüchen geändert wird.
Zuerst erlangt in Schritt S101 die Motorsteuervorrichtung 1 einen Geschwindigkeitsbefehl in einer vorliegenden Abtastspanne und eine Ist-Geschwindigkeit, die von der Regelstrecke 200 rückgekoppelt ist.
Als nächstes erlangt in Schritt S102 die Inversmodellberechnungseinheit 12 einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl und einen Koeffizienten eines inversen Modells in einer vorigen Abtastspanne. Im Einzelnen erlangt die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 in der Inversmodellberechnungseinheit 12 einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl in einer vorigen Abtastspanne. Jede der Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 32 in der Inversmodellberechnungseinheit 12, der Viskosreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 33 und der Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 34 erlangt einen Koeffizienten (d. h. einen Koeffizienten, der in jeder der temporären Speichereinheiten 35 bis 37 gespeichert ist) eines inversen Modells in einer vorigen Abtastspanne.
Als nächstes berechnet in dem Schritt S103 die Inversmodellberechnungseinheit 12 einen neuen Koeffizienten eines inversen Modells aus einem Geschwindigkeitsbefehl in einer vorliegenden Abtastspanne und einem Vorkorrekturdrehmoment und einem Koeffizienten eines inversen Modells in einer vorigen Abtastspanne. Im Einzelnen berechnet die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 einen Koeffizientenkorrekturwert, indem ein Geschwindigkeitsbefehl in einer vorliegenden Abtastspanne, ein Vorkorrekturdrehmomentbefehl in einer vorigen Abtastspanne und ein vorbestimmter adaptiver Koeffizient α verwendet werden. Die Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 32 berechnet einen neuen Trägheitskoeffizientenschätzwert, in dem ein Koeffizientenkorrekturwert, der durch die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 berechnet ist, und einen Trägheitkoeffizientenschätzwert in einer vorigen Abtastspanne verwendet werden. Die Viskosreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 33 berechnet einen neuen Viskosreibungskoeffizientenschätzwert, indem ein Koeffizientenkorrekturwert, der durch die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 berechnet ist, und ein Viskosreibungskoeffizientenschätzwert in einer vorigen Abtastspanne verwendet werden. Die Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit 34 berechnet einen neuen Coulombreibungskoeffizientenschätzwert, indem ein Koeffizientenkorrekturwert, der durch die Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit 31 berechnet ist, und ein Coulombreibungskoeffizientenschätzwert in einer vorigen Abtastspanne verwendet werden.
Als nächstes berechnet in Schritt S104 die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 einen Drehmomentkorrekturwert aus einem Geschwindigkeitsbefehl in einer vorliegenden Abtastspanne und einem Koeffizienten eines inversen Modells, das durch die Inversmodellberechnungseinheit 12 berechnet ist.
Demgegenüber führt in Schritt S105 die Steuereinrichtung 101 in der Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit 11 eine PI-Regelung bezüglich eines Geschwindigkeitsbefehls in einer vorliegenden Abtastspanne, der in dem Schritt S101 erlangt ist, und des Fehlers zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und einer Ist-Geschwindigkeit durch, die von der Regelstrecke 200 rückgekoppelt ist, um einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl auszugeben. Obwohl in dem ersten Beispiel als ein Beispiel der PI-Regler für die Geschwindigkeitsrückwärtsregelung verwendet wird, kann zum Beispiel ebenso ein PID-Regler verwendet werden.
In Schritt S106 werden ein Vorkorrekturdrehmomentbefehl und ein Koeffizient eines inversen Modells in einer vorliegenden Abtastspanne in jeder Speichereinheit zur Verwendung in der Berechnung eines inversen Modells in der nächsten Abtastspanne gespeichert. Im Einzelnen wird ein Trägheitskoeffizientenschätzwert, der in einer vorliegenden Abtastspanne berechnet ist, in der temporären Speichereinheit 35 gespeichert; ein Viskosreibungskoeffizientenschätzwert, der in einer vorliegenden Abtastspanne berechnet ist, wird in der temporären Speichereinheit 36 gespeichert; und ein Coulombreibungskoeffizientenschätzwert, der in einer vorliegenden Abtastspanne berechnet ist, wird in der temporären Speichereinheit 37 gespeichert. Ebenso wird ein Vorkorrekturdrehmomentbefehl, der in einer vorliegenden Abtastspanne berechnet wird, ebenso in einer vorbestimmten temporären Speichereinheit in der Motorsteuervorrichtung 1 gespeichert. Jede der Daten, die in den Speichereinheiten gespeichert sind, wird wieder durch einen Prozess in Schritt S102 in der nächsten Abtastspanne ausgelesen und für die Prozesse in den Schritten S103 und danach verwendet.
In Schritt S107 erzeugt die Drehmomentbefehlserzeugungseinheit 14 einen neuen Drehmomentbefehl für einen Motor, der die Regelstrecke 200 antreibt, indem ein Vorkorrekturdrehmomentbefehl, der aus der Steuereinrichtung 101 in einer vorliegenden Abtastspanne ausgegeben ist, und ein Drehmomentkorrekturwert addiert werden, der aus der Drehmomentbefehlskorrekturwerterzeugungseinheit 13 erzeugt ist.
Wie vorstehend beschrieben, schätzt gemäß dem ersten Beispiel die Inversmodellberechnungseinheit 12 (Identifikationsvorrichtung) sequenziell einen Koeffizienten eines inversen Modells in Anbetracht der Trägheit, der Viskosreibung und der Coulombreibung auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen rekursiven Gleichungen, indem ein Vorkorrekturdrehmomentbefehl, der eine Ausgabe einer Steuereinrichtung 101 ist, die in der Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit 11 umfasst ist, und ein Geschwindigkeitsbefehl verwendet werden. Außerdem erzeugt die Drehmomentbefehlskorrekturwerterzeugungseinheit 13 einen Drehmomentkorrekturwert, indem ein Geschwindigkeitsbefehl und ein Koeffizient eines inversen Modells verwendet werden, der in der Inversmodellberechnungseinheit 12 geschätzt ist. Wird ein geschätztes inverses Modell schlussendlich für das inverse Modell der Transferfunktion der Regelstrecke 200 optimiert, dann ist die Transferfunktion eines Geschwindigkeitsregelsystems, das die Steuereinrichtung 101, den Geschwindigkeitsvorwärtsregelblock 104 und die Regelstrecke 200 umfasst, „1”, wodurch eine hohe Antwortfreudigkeit auf den Geschwindigkeitsbefehl realisiert wird. Da der Koeffizient, der in der Inversmodellberechnungseinheit 12 (Identifikationsvorrichtung) für einen Koeffizienten zur Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unverändert übernommen wird, und die Transferfunktion einer Geschwindigkeitsvorwärtsregelung sequenziell abhängig von einem inversen Modell geändert wird, das sequenziell geschätzt wird, kann selbst dann eine hohe Antwortfreudigkeit auf einen Befehl erlangt werden, wenn die Trägheit und die Reibung der Regelstrecke 200 fluktuieren. Da das inverse Modell gemäß der vorstehend beschriebenen rekursiven Gleichung berechnet wird, indem ein Initialwert auf den adaptiven Koeffizienten α gesetzt wird, kann eine Vorwärtsregelung mit hoher Antwortfreudigkeit auf einen Befehl leicht optimal ausgelegt werden, ohne eine Vielfalt von Konstanten der Regelstrecke 200 im Detail zu erfassen.
4 zeigt eine Darstellung, die ein Simulationsergebnis (#1) einer Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel zeigt. Die vorstehend beschriebene Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel wurde auf einem Computer modelliert, und es wurde eine sinusförmige Geschwindigkeitsbefehlseingabe mit 5 Hz bei 0 Sekunden begonnen, um den Fehler zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und der Ist-Geschwindigkeit danach zu simulieren. Wie gezeigt, nach Eingabe des Geschwindigkeitsbefehls bei 0 Sekunden, verringert sich der Fehler zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl und der Ist-Geschwindigkeit graduell mit dem Verstreichen der Zeit, und konvergiert der Geschwindigkeitsfehler zu einem Zeitpunkt, zu dem etwa 1 Sekunde verstrichen war. Aus dem Simulationsergebnis lässt sich ermitteln, dass eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells in dem ersten Beispiel effektiv ist.
5A und 5B zeigen Darstellungen, die Simulationsergebnisse (#2) einer Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel zeigen. 5A stellt den Fall dar, in dem eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells inaktiviert ist, und 5B stellt den Fall dar, in dem eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells aktiviert wird. Die vorstehend beschriebene Motorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel wurde auf einem Computer modelliert, und der Fehler zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl und der Ist-Geschwindigkeit wurde simuliert, indem ein sinusförmiger Geschwindigkeitsbefehl mit 5 Hz für den Fall vorgesehen wurde, in dem die Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines ersten Modells in dem ersten Beispiel inaktiviert wurde (5A) und für den Fall, in dem die Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells im ersten Beispiel aktiviert wurde (5B). Wenn die Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells in dem ersten Beispiel inaktiviert wurde, blieb der Geschwindigkeitsfehler divergent, wie in 5A gezeigt. Wurde demgegenüber die Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells in dem ersten Beispiel aktiviert, dann konvergierte der Geschwindigkeitsfehler, wie in 5B gezeigt. Ebenso aus diesem Simulationsergebnis lässt sich ermitteln, dass eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells in dem ersten Beispiel effektiv ist.
Nachfolgend wird ein modifiziertes Beispiel des ersten Beispiels beschrieben werden.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst eine Coulombreibung der Regelstrecke 200 eine nichtlineare Eigenschaft. Im Allgemeinen weist die nichtlineare Reibung den Stribeck-Effekt auf, der ein Haft-/Schlupfphänomen verursacht. 6 zeigt eine Darstellung, die den Stribeck-Effekt zeigt, der eine nichtlineare Reibung einer Regelstrecke einer Motorsteuervorrichtung verursacht. Wie in 6 gezeigt, ist eine Reibkraft eines Motors nicht-linear nahe dem Nulldurchlauf der Geschwindigkeit des Motors. Deshalb kann ein inverses Modell, das für eine Regelstrecke einschließlich des Motors geschätzt wird, einen großen Fehler insbesondere nahe dem Nulldurchlauf aufweisen. Demgemäß wird in dem modifizierten Beispiel des ersten Beispiels ein vorbestimmter Bereich des Totzonenbereichs nahe dem Nulldurchlauf des Geschwindigkeitsbefehls v1 (= ω(n)) vorgesehen, um einen Einfluss des Stribeck-Effekts zu verringern. Wenn mit anderen Worten der Betragswert eines Geschwindigkeitsbefehls kleiner als ein vorbestimmter Wert σ wird, dann behält die Inversmodellberechnungseinheit 12 ein inverses Modell bei, das in einer Abtastspanne vor der Abtastspanne berechnet wurde, in der der Geschwindigkeitsbefehl eingegeben ist, und gibt das inverse Modell zu der Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 aus. Dieser Fall ist durch die Gleichung 13 dargestellt, wobei die Totzonenbreite durch σ dargestellt ist. |v₁| ≥ σ h ^_N = h ^_N-1 + P_Nv_N(i_N – v_N ^Th ^_n-1) |v₁| < σ h ^_N = h ^_N-1 (13)
Wie in der Gleichung 13 gezeigt, wenn der Betragswert des Geschwindigkeitsbefehls v1 kleiner als die Totzonenbreite σ wird, dann behält die Inversmodellberechnungseinheit 12 einen Koeffizienten eines inversen Modells ohne dessen Aktualisierung bei und gibt den Koeffizienten eines inversen Modells zu der Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 aus. Beträgt demgegenüber der Betragswert des Geschwindigkeitsbefehls v1 die Totzonenbreite σ oder mehr, dann berechnet die Inversmodellberechnungseinheit 12 ein neues inverses Modell gemäß der Gleichung 10 und gibt das neue inverse Modell zu der Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 aus. In dem in 6 gezeigten Beispiel kann die Totzonenbreite σ zum Beispiel auf 5 (rad/s) gesetzt werden.
7A und 7B zeigen Darstellungen, die Simulationsergebnisse einer Motorsteuervorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel des ersten Beispiels zeigen. 7A zeigt den Fall, in dem ein Totzonenbereich nicht vorgesehen wird, und 7B zeigt den Fall, in dem ein Totzonenbereich vorgesehen wird. Eine Motorsteuervorrichtung gemäß dem vorstehend beschriebenen modifizierten Beispiel des ersten Beispiels wurde auf einem Computer modelliert, und eine Eingabe eines M-Sequenzgeschwindigkeitsbefehls wurde bei 0 Sekunden begonnen, um einen Trägheitskoeffizientenschätzwert h₀, einen Viskosreibungskoeffizientenschätzwert h₁ und einen Coulombreibungskoeffizientenschätzwert h₂ zu simulieren, die danach Koeffizienten eines inversen Modells sind. In 7A und 7B stellt die vertikale Achse die Größe von jedem der Koeffizienten dar, die normalisiert sind, indem der wahre Wert als 1 gesetzt wird. Jeder Koeffizient des inversen Modells konvergiert zu einem wahren Wert in einer kürzeren Zeit in dem Fall (7B), in dem ein Totzonenbereich vorgesehen wird, verglichen mit dem Fall (7A), in dem kein Totzonenbereich vorgesehen wird. In dem Fall, in dem ein Totzonenbereich nicht vorgesehen wird, verbleibt jeder Koeffizient mit einem konstanten Fehler und konvergiert nicht auf einen wahren Wert. Auch aus diesem Simulationsergebnis wurde ermittelt, dass eine Geschwindigkeitsvorwärtsregelung unter Verwendung eines inversen Modells, das mit einem Totzonenbereich versehen ist, in dem modifizierten Beispiel des ersten Beispiels effektiver ist.
Als nächstes wird ein zweites Beispiel beschrieben werden. Das zweite Beispiel wird erlangt, in dem eine Positionsregelung zu der Geschwindigkeitsregelung des ersten Beispiels hinzugefügt wird.
8 zeigt eine Blockdarstellung einer Motorsteuervorrichtung gemäß dem zweiten Beispiel. Die Motorsteuervorrichtung 2 gemäß dem zweiten Beispiel wird erlangt, indem eine Positionsrückwärtsregeleinheit 21, die einen Positionszuwachsblock 102, einen Integrationsblock 22 und einen Positionsvorwärtsregelblock 23 umfasst, zu der Motorsteuervorrichtung 1 des ersten Beispiels hinzugefügt wird, wie in 1 gezeigt ist. Da andere Schaltungskomponenten als jene vorstehend beschriebenen die gleichen wie die in 1 gezeigten Schaltungskomponenten sind, wird eine ausführliche Beschreibung der Schaltungskomponenten ausgelassen, indem die gleichen Schaltungskomponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Gemäß dem zweiten Beispiel erzeugt die Positionsrückwärtsregeleinheit 21 einen Vorkorrekturgeschwindigkeitsbefehl zur Steuerung derart, dass die Ist-Position der Regelstrecke 200 einem eingegebenen Positionsbefehl nachfolgt, und gibt diesen aus. In 8 wird ein Positionszuwachs in dem Positionszuwachsblock 102 der Positionsrückwärtsregeleinheit 21 auf Kp gesetzt. Der Fehler zwischen der Position, die erlangt wird, indem die Geschwindigkeit der Regelstrecke 200 durch einen Integrationsblock 103 integriert wird, und dem Positionsbefehl wird mit dem Positionszuwachs Kp multipliziert, um einen Vorkorrekturgeschwindigkeitsbefehl zu erzeugen. Die Transferfunktion des Integrationsblocks 103 wird durch „1/s” dargestellt.
Die Transferfunktion des Positionsvorwärtsregelblocks 23 wird auf die inverse Funktion „s” der Transferfunktion „1/s” des Integrationsblocks 103 gesetzt. Der Positionsvorwärtsregelblock 23 differenziert mit anderen Worten einen eingegebenen Positionsbefehl. Wie in dem ersten Beispiel beschrieben, wird in einer Geschwindigkeitsvorwärtsregelung ein inverses Modell durch die Inversmodellberechnungseinheit 12 berechnet und wird ein Drehmomentkorrekturwert durch die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit 13 erzeugt. Ist ein geschätztes inverses Modell schlussendlich für das inverse Modell der Transferfunktion der Regelstrecke 200 optimiert, dann ist die Transferfunktion des Geschwindigkeitssteuersystems, das in dem ersten Beispiel beschrieben ist, „1”, wodurch eine hohe Antwortfreudigkeit auf einen Geschwindigkeitsbefehl realisiert wird. In Fällen, in denen die Transferfunktion des Geschwindigkeitssteuersystems „1” ist, wenn die Transferfunktion des Positionsvorwärtsregelblocks 105 als die inverse Funktion „s” der Transferfunktion „1/s” des Integralzuwachsblocks 103 ausgelegt ist, ist die Transferfunktion des Positionssteuersystems ebenso „1”, wodurch eine hohe Antwortfreudigkeit auf das Positionssteuersystem leicht realisiert wird.
Auch in dem vorstehend beschriebenen zweiten Beispiel wird auf die gleiche Art und Weise wie in dem modifizierten Beispiel des ersten Beispiels ein vorbestimmter Totzonenbereich nahe dem Nulldurchlauf des Geschwindigkeitsbefehls vorgesehen, um den Einfluss des Stribeck-Effekts zu verringern.
Die Erfindung kann bei einer Motorsteuervorrichtung angewendet werden, die umfasst: eine Rückwärtsregelung, um einem Motor, der als eine Antriebsquelle einer Maschine, wie eines Roboters, einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine, verwendet wird, ein Operieren gemäß einem Befehl zu ermöglichen; und eine Vorwärtsregelung zur Erhöhung der Antwortfreudigkeit auf den Befehl.
Gemäß der Erfindung kann eine Motorsteuervorrichtung, die mit einer Vorwärtsregelung versehen ist, in der die Antwortfreudigkeit auf einen Befehl hoch ist, leicht optimal ausgelegt werden, ohne eine Vielfalt von Konstanten der Regelstrecke im Detail zu erfassen. Da mit anderen Worten das inverse Modell der Transferfunktion einer Regelstrecke gemäß einer vorbestimmten rekursiven Gleichung berechnet wird, kann eine Vorwärtsregelung, in der die Antwortfreudigkeit auf einen Befehl hoch ist, leicht optimal ausgelegt werden, ohne eine Vielfalt von Konstanten der Regelstrecke im Detail zu erfassen.
Des Weiteren kann eine Motorsteuervorrichtung realisiert werden, die mit einer Vorwärtsregelung mit einer hohen Antwortfreudigkeit auf einen Befehl versehen ist, und die leicht optimal auslegbar ist, ohne eine Vielfalt von Konstanten einer Regelstrecke im Detail zu erfassen. Da mit anderen Worten das inverse Modell der Transferfunktion einer Regelstrecke sequenziell geschätzt wird und die Transferfunktion einer Geschwindigkeitsvorwärtsregelung sequenziell abhängig von dem Schätzergebnis geändert wird, kann eine hohe Antwortfreudigkeit auf einen Befehl selbst dann erlangt werden, wenn die Trägheit und Reibung einer Regelstrecke fluktuieren. Da der Koeffizient, der in der Inversmodellberechnungseinheit (Identifikationsvorrichtung) geschätzt ist, in sich als der Koeffizient der Geschwindigkeitsvorwärtsregelung verwendet werden kann, kann eine hohe Antwortfreudigkeit auf einen Befehl selbst dann erlangt werden, wenn die Trägheit und eine nichtlineare Reibung einer Regelstrecke fluktuieren.
Des Weiteren kann ein Einfluss des Stribeck-Effekts, der eine nichtlineare Reibung umfasst, verringert werden, indem ein Prozess der Erfindung ausgeführt wird, wenn ein Totzonenbereich für einen eingegebenen Geschwindigkeitsbefehl vorgesehen wird.

Claims

Motorsteuervorrichtung (1) zum Steuern eines Motors, der eine Regelstrecke (200) antreibt, wobei die Motorsteuervorrichtung umfasst: eine Geschwindigkeitsrückwärtsregeleinheit (11), die eingerichtet ist, um einen Vorkorrekturdrehmomentbefehl zum Steuern derart zu erzeugen, dass eine Ist-Geschwindigkeit der Regelstrecke (200) einem Geschwindigkeitsbefehl nachfolgt, der eingegeben ist; eine Inversmodellberechnungseinheit (12), die eingerichtet ist, um einen Koeffizienten eines inversen Modells mit einer Transferfunktion invers gegenüber einer Transferfunktion der Regelstrecke (200) zu berechnen, indem der Geschwindigkeitsbefehl und der Vorkorrekturdrehmomentbefehl verwendet werden; eine Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit (13), die eingerichtet ist, um einen Drehmomentkorrekturwert zu erzeugen, indem der Geschwindigkeitsbefehl und der Koeffizient des inversen Modells verwendet werden; und eine Drehmomentbefehlerzeugungseinheit (14), die eingerichtet ist, um einen Drehmomentbefehl für den Motor zu erzeugen, der die Regelstrecke (200) antreibt, indem der Vorkorrekturdrehmomentbefehl und der Drehmomentkorrekturwert verwendet werden.
Motorsteuervorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Inversmodellberechnungseinheit (12) umfasst: eine Koeffizientenkorrekturwertberechnungseinheit (31), die eingerichtet ist, um einen Koeffizientenkorrekturwert zu berechnen, indem der Geschwindigkeitsbefehl, der Vorkorrekturdrehmomentbefehl und ein vorbestimmter adaptiver Koeffizient verwendet werden; eine Trägheitskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit (32), die eingerichtet ist, um unter Verwendung des Koeffizientenkorrekturwerts und eines Trägheitskoeffizientenschätzwerts einen neuen Trägheitskoeffizientenschätzwert zu berechnen; eine Viskosreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit (33), die eingerichtet ist, indem der Koeffizientenkorrekturwert und ein Viskosreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden, um einen neuen Viskosreibungskoeffizientenschätzwert zu berechnen; und eine Coulombreibungskoeffizientenschätzwertberechnungseinheit (34), die eingerichtet ist, indem der Koeffizientenkorrekturwert und ein Coulombreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden, um einen neuen Coulombreibungskoeffizientenschätzwert zu berechnen, wobei ein Koeffizient des inversen Modells für jede Abtastspanne berechnet wird, indem der neue Trägheitskoeffizientenschätzwert, der neue Viskosreibungskoeffizientenschätzwert und der neue Coulombreibungskoeffizientenschätzwert verwendet werden.
Motorsteuervorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn ein Betragswert des Geschwindigkeitsbefehls kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, die Inversmodellberechnungseinheit (12) eingerichtet ist, um den Koeffizienten des inversen Modells beizubehalten, der in einer Abtastspanne vor einer Abtastspanne berechnet ist, in der der Geschwindigkeitsbefehl eingegeben wird, und den Koeffizienten zu der Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit (13) auszugeben.
Motorsteuervorrichtung (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Drehmomentkorrekturwerterzeugungseinheit (13) eingerichtet ist, um den Drehmomentkorrekturwert zu erzeugen, indem addiert wird: ein Produkt einer Beschleunigung, die aus dem Geschwindigkeitsbefehl berechnet ist, und eines Trägheitskoeffizientenschätzwerts, der für eine Schätzung der Trägheit der Regelstrecke (200) verwendet ist; ein Produkt des Geschwindigkeitsbefehls und eines Viskosreibungskoeffizientenschätzwerts, der für eine Schätzung eines Viskosreibungskoeffizienten der Regelstrecke (200) verwendet wird; und ein Produkt einer Polarität des Geschwindigkeitsbefehls und eines Coulombreibungskoeffizientenschätzwerts, der für eine Schätzung eines Coulombreibungskoeffizienten der Regelstrecke (200) verwendet wird.