DE102020207412A1

DE102020207412A1 - Steuerung zur evaluierung von trägheit und trägheitsauswertungsverfahren

Info

Publication number: DE102020207412A1
Application number: DE102020207412.7A
Authority: DE
Inventors: Shougo SHINODA; Satoshi Ikai
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-03-11
Also published as: US20200408631A1; CN112134504A; JP2021005918A

Abstract

Eine Steuerung (100, 100A) zur einfachen Bewertung der Gültigkeit der Trägheit ist vorhanden. Eine Steuerung (100, 100A) umfasst: einen Elektromotor (300); eine Ist-Operations-Erfassungseinheit (301), die eine Ist-Operation des Elektromotors (300) erfasst; eine Modelleinheit (108), die eine Operation des Elektromotors (300) aus einem an den Elektromotor (300) angelegten Stromwert unter Verwendung eines Modells schätzt, das die Trägheit des Elektromotors (300) und einen mit dem Elektromotor (300) verbundenen angetriebenen Körper (400) umfasst; eine Operationssignal-Eingabeeinheit (106), die ein Operationssignal an eine Steuerschleife des Elektromotors (300) für eine vorgeschriebene Periode anlegt; und eine Evaluierungswert-Berechnungseinheit (111), die einen Evaluierungswert zum Evaluieren der Trägheit auf der Basis einer Differenz zwischen einer Ist-Operation und einer geschätzten Operation in der Anwendungsperiode des Operationssignals berechnet.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerung zur Auswertung der Trägheit und ein T rägheitsauswertungsverfah ren.
Verwandte Technik
Eine Steuerung zur Schätzung der Trägheit ist in Patentdokument 1 offengelegt. Darüber hinaus wird in Patentdokument 2 eine Steuerung offenbart, die ein inverses Modell einer Übertragungsfunktion eines Steuerziels berechnet, das Trägheit und Reibung umfasst, um einen Drehmomentkorrekturwert unter Verwendung des inversen Modells und eines Geschwindigkeitsbefehls zu berechnen. Insbesondere wird in Patentdokument 1 eine Steuerung offenbart, in der eine Trägheitsschätzeinheit einer Servosteuerung eines Elektromotors enthalten ist: eine Sinusbefehl-Erzeugungseinheit, die einen Sinusbefehl zu einem Drehmomentbefehl für einen Elektromotor hinzufügt, eine Stromrückkopplungs-Abtasteinheit, die einen in den Elektromotor fließenden Stromwert abtastet, eine Geschwindigkeitsrückkopplungs-Abtasteinheit, die eine Geschwindigkeitsrückkopplung des Elektromotors abtastet, eine Beschleunigungswert-Berechnungseinheit, die eine Beschleunigung aus der Geschwindigkeitsrückkopplung berechnet, und einer Schätzeinheit zur Berechnung der Trägheit, die die Trägheit aus einem repräsentativen Stromwert und einem repräsentativen Beschleunigungswert berechnet, die aus Stromwerten und Beschleunigungswerten über eine Vielzahl von Perioden des Sinusbefehls erhalten werden, und einer Drehmomentkonstante des Elektromotors, die in einer Abtastdatenspeichereinheit gespeichert ist.
Das Patentdokument 2 zeigt eine Steuerung, in der eine Motorsteuerung, die einen Motor steuert, der ein Steuerziel antreibt, umfasst: eine Geschwindigkeitsrückkopplungs-Steuereinheit, die einen nicht korrigierten Drehmomentbefehl zum Steuern einer Ist-Geschwindigkeit eines Steuerziels berechnet, um einen Eingangsgeschwindigkeitsbefehl zu verfolgen, eine Inversmodeleinheit-Erzeugungseinheit, die ein inverses Modell einer Übertragungsfunktion einschließlich Trägheit und Reibung des Steuerziels unter Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls und des nicht korrigierten Drehmomentbefehls berechnet, eine Drehmomentkorrekturwert-Erzeugungseinheit, die einen Drehmomentkorrekturwert unter Verwendung des inversen Modells des Geschwindigkeitsbefehls erzeugt, und eine Drehmomentbefehl-Erzeugungseinheit, die einen Drehmomentbefehl für den Motor erzeugt, der ein Steuerziel unter Verwendung des nicht korrigierten Drehmomentbefehls und des Drehmomentkorrekturwerts antreibt.

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2010-148178
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2015-15844

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn von der Trägheit abhängige Parameter eingestellt werden, sind eine Steuerung und ein Trägheitsbewertungsverfahren zur einfachen Bewertung der Gültigkeit der Trägheit wünschenswert.

(1) Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Steuerung (100, 100A): einen Elektromotor (300); eine Ist-Operations-Erfassungseinheit (301), die eine Ist-Operation des Elektromotors (300) erfasst; eine Modelleinheit (108), die eine Operation des Elektromotors (300) aus einem an den Elektromotor (300) angelegten Stromwert unter Verwendung eines Modells schätzt, das die Trägheit des Elektromotors (300) und einen mit dem Elektromotor (300) verbundenen angetriebenen Körper (400) umfasst; eine Operationssignal-Eingabeeinheit (106), die ein Operationssignal an eine Steuerschleife des Elektromotors (300) für eine vorgeschriebene Periode anlegt; und eine Evaluierungswert-Berechnungseinheit (111), die einen Evaluierungswert zum Evaluieren der Trägheit auf der Basis einer Differenz zwischen einer Ist-Operation und einer geschätzten Operation in der Anwendungsperiode des Operationssignals berechnet.
(2) Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung sieht ein Steuersystem (10) vor, das Folgendes umfasst: die Steuereinrichtung (100, 100A); und eine Host-Vorrichtung (200, 200A), die mit der Steuereinrichtung (100, 100A) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (100, 100A) eine Trägheitskorrektureinheit (112) umfasst, die die Trägheit des Elektromotors (300) und des angetriebenen Körpers (400) auf Grundlage des Bewertungswertes korrigiert: eine Empfangseinheit, die von der Steuerung (100, 100A) gesendete korrigierte Trägheitskorrektureinheit empfängt; und eine Änderungseinheit, die Einstellungen von wenigstens einer Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls des Elektromotors (300), einer Geschwindigkeitsverstärkung, einer Geschwindigkeitsvorschubeinheit, eines inversen Modells eines Beobachters, einer Dämpfungsfrequenz eines Filters und eines Drehmomentbegrenzungswerts, die trägheitsabhängige Parameter sind, auf Grundlage der empfangenen Trägheit ändert.
(3) Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung bietet eine Methode zur Bewertung der Trägheit einer Steuerung (100, 100A), die einen Elektromotor (300) steuert, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen eines Operationssignals an eine Steuerschleife des Elektromotors (300) für eine vorgeschriebene Zeitspanne; Erfassen einer Ist-Operation des Elektromotors (300); Schätzen einer Operation des Elektromotors (300) aus einem an den Elektromotor (300) angelegten Stromwert unter Verwendung eines Modells, das die Trägheit des Elektromotors (300) und eines mit dem Elektromotor (300) verbundenen angetriebenen Körpers umfasst; und Berechnen eines Bewertungswerts zum Bewerten der Trägheit auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Ist-Operation und einer geschätzten Operation in der Anwendungsperiode des Operationssignals.

Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Gültigkeit der Trägheit leicht zu bewerten.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel für ein Steuersystem einschließlich einer Steuerung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen Abschnitt einer Werkzeugmaschine einschließlich eines Motors umfasst und als Beispiel für einen Elektromotor und einen angetriebenen Körper einer Steuerung dient.
3 ist ein charakteristisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Geschwindigkeit ω und einer nichtlinearen Reibung F veranschaulicht.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Host-Vorrichtung veranschaulicht.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform der Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für den Betrieb des Reglers gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Funktionsweise der Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
8 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel für ein Steuersystem einschließlich eines Reglers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Host-Vorrichtung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel für ein Steuersystem einschließlich einer Steuerung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Steuersystem 10 eine Steuerung 100, eine Host-Vorrichtung 200, die einen Positionsbefehl θc an die Steuerung 100 ausgibt, einen Elektromotor 300, der von der Steuerung 100 angetrieben wird, und einen angetriebenen Körper 400, der mit dem Elektromotor 300 verbunden ist. Die Steuerung 100 umfasst einen Subtrahierer 101, eine Positionssteuereinheit 102, einen Subtrahierer 103, eine Geschwindigkeitssteuereinheit 104, einen Filter 105, eine Operationssignal-Eingabeeinheit 106, einen Addierer 107, eine Modelleinheit 108, einen Integrator 109, einen Subtrahierer 110, eine Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111, eine Trägheitskorrektureinheit 112, eine Optimalwert-Empfangseinheit 113 und eine Speichereinheit 114.
Der Positionsbefehl θc wird an den Subtrahierer 101 ausgegeben. Der Positionsbefehl θc wird von der Host-Vorrichtung 200 auf Grundlage eines Programms für den Betrieb des Elektromotors 300 berechnet. Der Subtrahierer 101 berechnet eine Differenz zwischen dem Positionsbefehl θc und einer Positions-Feedback-Erfassungsposition θ und gibt die Differenz als Positionsfehler an die Positionssteuereinheit 102 aus. Die Positionssteuereinheit 102 gibt einen durch Multiplikation des Positionsfehlers mit einer Positionsverstärkung Kp erhaltenen Wert als Geschwindigkeits-Sollwert an den Subtrahierer 103 aus ω_c. Der Subtrahierer 103 berechnet eine Differenz zwischen dem Geschwindigkeitssollwert ω_c und einer Geschwindigkeitsrückmeldungs-Geschwindigkeit (Ist-Geschwindigkeit) ωr und gibt die Differenz als Geschwindigkeitsfehler an die Geschwindigkeits-Steuereinheit 104 aus.
Die Geschwindigkeits-Steuereinheit 104 addiert einen Wert, der durch Multiplizieren und Integrieren des Geschwindigkeitsfehlers mit einer integralen Verstärkung K1v erhalten wird, und einen Wert, der durch Multiplizieren des Geschwindigkeitsfehlers mit einer proportionalen Verstärkung K2v erhalten wird, und gibt den Additionswert als Strombefehl an das Filter 105 aus.
Der Filter 105 ist ein Filter (beispielsweise ein Vertiefungsfilter oder ein Tiefpassfilter) zur Dämpfung einer bestimmten Frequenzkomponente und veranlasst einen gefilterten Strombefehl an den Addierer 107. Der angetriebene Körper 400, beispielsweise eine Werkzeugmaschine, die durch den Elektromotor 300 angetrieben wird, hat einen Resonanzpunkt, und die Steuerung 100 kann die Resonanz erhöhen. In diesem Fall kann die Resonanz beispielsweise mit einem Vertiefungsfilter verringert werden.
Die Operationssignal-Eingabeeinheit 106 erzeugt ein Operationssignal und gibt das Operationssignal für einen vorgegebenen Zeitraum in den Addierer 107 ein. Wie später beschrieben, ist die vorgeschriebene Zeitspanne eine Zeitspanne, in der eine vorgeschriebene Zeitspanne verstrichen ist und sich ein Geschwindigkeitsfehler beruhigt hat, nachdem ein Operationssignal in den Addierer 107 eingegeben wurde, und die später zu beschreibende Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 integriert eine Differenz zwischen einer geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ωr für (N+1) Zeiten von n=0 bis n=N (N ist eine natürliche Zahl). Die Geschwindigkeits-Steuereinheit 104, der Filter 105, der Addierer 107 und der Elektromotor 300 bilden eine Geschwindigkeits-Steuereinheit, die als Regelkreis dient. Das Operationssignal ist ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz (beispielsweise einer niedrigen Frequenz von etwa 25Hz bis 100Hz), die gleich oder kleiner als ein Regelbereich des Elektromotors 300 ist. Die Frequenz von 25Hz bis 100Hz ist ein Beispiel und ist nicht auf diesen Bereich beschränkt. Das Operationssignal ist nicht auf eine Sinuswelle beschränkt, sondern kann ein anderes Signal sein, wie beispielsweise eine Rechteckwelle. Das Operationssignal kann dem Geschwindigkeitsbefehl ω_c hinzugefügt werden, anstatt über den Addierer 107 dem vom Filter 105 ausgegebenen Strombefehl hinzugefügt zu werden. In 1 wird ein Operationssignal, das dem Geschwindigkeitssollwert ω_c hinzugefügt wird, durch eine gestrichelte Linie angezeigt.
Der Addierer 107 addiert die Strombefehlsausgabe vom Filter 105 und die Operationssignalausgabe von der Operationssignal-Eingabeeinheit 106 und veranlasst den Additionswert als Strombefehl Iq in den Elektromotor 300 einzugeben. Außerdem veranlasst der Addierer 107 die Eingabe des Strombefehls Iq in die Modelleinheit 108. Der vom Filter 105 ausgegebene Strombefehl ist ein fester Wert, wenn das Operationssignal in den Addierer 107 eingegeben wird.
Der Elektromotor 300 ist ein Servomotor, ein Spindelmotor oder ähnliches. Obwohl der Servomotor als ein Motor beschrieben wird, bei dem sich die Achse dreht, kann der Servomotor ein Linearmotor sein. Der angetriebene Körper 400 ist eine Maschine wie beispielsweise eine Werkzeugmaschine, ein Roboter oder eine Industriemaschine, die vom Elektromotor 300 angetrieben wird. Der Elektromotor 300 und der angetriebene Körper 400 sind Steuerungsziele der Steuerung 100. Der Elektromotor 300 kann eine Maschine wie beispielsweise eine Werkzeugmaschine, einen Roboter oder eine Industriemaschine umfassen.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen Abschnitt einer Werkzeugmaschine einschließlich eines Motors umfasst und als Beispiel für den Elektromotor 300 und den angetriebenen Körper 400 der Steuerung 100 dient. Die Steuerung 100 bewegt einen Tisch 402 mit Hilfe eines Kupplungsmechanismus 401 eines angetriebenen Körpers 400 unter Verwendung des Elektromotors 300, um dadurch ein auf dem Tisch 402 montiertes Werkstück zu bearbeiten. Der Kupplungsmechanismus 401 hat eine Kupplung 4001, die mit dem Elektromotor 300 verbunden ist, und eine Kugelumlaufspindel 4003, die an der Kupplung 4001 befestigt ist, und eine Mutter 4002, die auf die Kugelumlaufspindel 4003 geschraubt ist. Bei Drehung des Elektromotors 300 bewegt sich die Mutter 4002, die auf die Kugelumlaufspindel 4003 geschraubt ist, in axialer Richtung der Kugelumlaufspindel 4003. Der Tisch 402 bewegt sich mit der Bewegung der Mutter 4002.
Eine Drehwinkelposition des Elektromotors 300 wird von einem dem Elektromotor 300 zugeordneten Drehgeber („rotary encoder“) 301 erfasst, und eine durch die Drehwinkelposition erhaltene Erfassungsgeschwindigkeit (Ist-Geschwindigkeit) ωr wird dem Subtrahierer 103 und dem Subtrahierer 110 als Geschwindigkeitsrückmeldung (Geschwindigkeits-FB) eingegeben. Der Drehgeber 301 dient als eine Ist-Operations-Erfassungseinheit. Eine Ist-Operation oder tatsächliche Operation dient als Erfassungsgeschwindigkeit. Wenn ein Linearmotor verwendet wird, wird die Geschwindigkeit mit Hilfe einer linearen Skala erfasst, die als Ist-Operations-Erfassungseinheit dient. Die Erfassungsgeschwindigkeit ωr wird durch den Integrator 109 integriert und es wird eine Erfassungsposition θ ermittelt, und die Erfassungsposition θ wird dem Subtrahierer 101 als Positionsrückmeldung (Positions-FB) eingegeben.
Eine Übertragungsfunktion des Elektromotors 300 und des angetriebenen Körpers 400 wird durch den Ausdruck 1 (Formel 1 unten) dargestellt. In Ausdruck 1 bezeichnet J die Gesamtträgheit, K_t eine Drehmomentkonstante und F die nichtlineare Reibung. Die Gesamtträgheit J ist die Summe der Trägheit eines Elektromotors und der Trägheit einer Maschine. $\frac{K_{t}}{J \cdot s + F}$
Die nichtlineare Reibung F wird durch F((ω)=V((ω)+C·sign(ω)/ω.V(ω) dargestellt. V(ω) steht für die viskose Reibung, C für die Coulomb-Reibung und ω für die Geschwindigkeit. Die Funktion sign((ω) ist eine Vorzeichenfunktion der Geschwindigkeit ω und gibt die Polarität der Geschwindigkeit ω an. sign(ω)=1, wenn die Geschwindigkeit ω positiv ist, sign(ω)=0, wenn die Geschwindigkeit ω 0 ist, und sign(ω)=-1, wenn die Geschwindigkeit ω negativ ist. 3 ist ein charakteristisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Geschwindigkeit ω und einer nichtlinearen Reibung F darstellt. Da die viskose Reibung V(ω) annähernd proportional zur Geschwindigkeit ω ist, ist die Coulomb-Reibung gleich Csign(ω) dominant in der nichtlinearen Reibung F, wenn sich der Elektromotor mit einer niedrigen Geschwindigkeit bewegt, wie in 3 dargestellt. Wenn das Operationssignal der Operationssignal-Eingabeeinheit 106 ein niederfrequentes Signal ist und der Elektromotor mit einer niedrigen Geschwindigkeit betrieben wird, kann der Einfluss der viskosen Reibung V(ω) vernachlässigt werden. Zum Beispiel wird, wie oben beschrieben, ein sinusförmiges Signal mit einer niedrigen Frequenz von etwa 25Hz bis 100Hz als Operationssignal verwendet.
Die Modelleinheit 108 berechnet die geschätzte Geschwindigkeit ωe auf Grundlage des aktuellen Befehls Iq und gibt die geschätzte Geschwindigkeit ωe an den Subtrahierer 110 aus. Eine Übertragungsfunktion der Modelleinheit 108 wird durch den Ausdruck 2 (Formel 2 unten) dargestellt, wobei eine nichtlineare Reibung nicht berücksichtigt wird. J ist eine Gesamtträgheit, Kt ist eine Drehmomentkonstante, und „^“ (bezeichnet als Hut oder Caret) über J und Kt gibt einen Mittelwert (einen Nennwert) des von einer Erkennungsvorrichtung o.ä. ermittelten Wertes an. $\frac{\hat{K_{t}}}{\hat{J} \cdot s}$
Ein inverses Modell des Elektromotors 300 und des angetriebenen Körpers 400 wird durch den Ausdruck 3 (Formel 3 unten) definiert. T steht für eine Abtastperiode. n gibt die Anzahl der Abtastdaten an und ist eine natürliche Zahl von 1 oder mehr. Eine Drehmomentkonstante Kt inFormel 3 gibt den Nennwert der Drehmomentkonstante Kt in Formel 2 an. Eine Gesamtträgheit J in Formel 3 gibt einen Nennwert der Gesamtträgheit J oder eine korrigierte Gesamtträgheit J an. Die Gesamtträgheit J in Formel 3 wird auf Grundlage eines Evaluierungswertes ε korrigiert, der von der Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 berechnet wird. $i_{q} (n) = \frac{J}{K t \cdot T} (ω_{e} (n) - ω_{e} (n - 1))$
Ausdruck 3 wird zu einer Gleichung modifiziert, die durch Ausdruck 4 dargestellt wird (Formel 4 unten). Eine geschätzte Geschwindigkeit ωe(n) kann auf Grundlage der Summe eines (Kt·T)/J -Vielfachen eines Integrationswertes des aktuellen Befehls Iq und eines Anfangswertes ωe(0) der geschätzten Geschwindigkeit berechnet werden. $\begin{matrix} ω_{e} (n) = \frac{K t \cdot T}{J} i_{q} (n) + ω_{e} (n - 1) \\ = \frac{K t \cdot T}{J} i_{q} (n) + \frac{K t \cdot T}{J} i_{q} (n - 1) + ω_{e} (n - 2) \\ = \frac{K t \cdot T}{J} \sum i_{q} (n) + ω_{e} (0) \end{matrix}$
Der Subtrahierer 110 gibt eine Differenz zwischen der von der Modelleinheit 108 ausgegebenen Schätzgeschwindigkeit ωe und einer Erfassungsgeschwindigkeit ωr aus. Wenn eine nichtlineare Reibung berücksichtigt wird, subtrahiert der Subtrahierer 110 weiter einen nichtlinearen Reibungsterm ζ(ωr) von der Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ωr. Der nichtlineare Reibungsterm ζ(ωr) kann wie folgt approximiert werden. Aus Ausdruck 1, (ωr(n)=(Kt/(J·s+F))×|q. Wenn der Elektromotor 300 bei einer niedrigen Geschwindigkeit betrieben wird und die viskose Reibung V der nichtlinearen Reibung F vernachlässigbar klein sein kann, wird (J-s)x(ωr(n)+Cxsign((jr)=Kt×lq und ωr(n) durch den Ausdruck 5 (Formel 5 unten) dargestellt. $ω_{r} (n) = \frac{K_{t} \times i_{q}}{J \cdot s} - \frac{C \cdot s i g n (ω_{r} (n))}{J \cdot s}$
Daher kann der nichtlineare Reibungsterm ζ(ωr) als (C·sign(ωr))/(J·s) in Ausdruck 5 angenähert werden. Wenn die nichtlineare Reibung nicht berücksichtigt wird, berechnet die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 eine Integration (Summe) eines Absolutwerts der Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ωr, wie in Ausdruck 6 (Formel 6 unten) dargestellt, und der Integrationswert wird an die Trägheitskorrektureinheit 112 und die Speichereinheit 114 als Evaluierungswert ε ausgegeben. Die Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ωr wird berechnet, nachdem eine vorgeschriebene Zeitspanne verstrichen ist und sich ein Geschwindigkeitsfehler beruhigt hat, nachdem das Operationssignal durch die Operationssignal-Eingabeeinheit 106 in den Addierer 107 eingegeben wurde, und eine Integration (Summe) für (N+1)-fache von n=0 bis n=N berechnet wird. N gibt die Anzahl der Abtastdatenstücke in einer Abtastperiode an und ist eine natürliche Zahl gleich oder größer als eins. $ε = \sum_{n = 0}^{N} | ω_{e} (n) - ω_{r} (n) |$
Ein Evaluierungswert, bei dem eine nichtlineare Reibung nicht berücksichtigt wird, ist nicht auf den durch Ausdruck 3 berechneten Evaluierungswert beschränkt, sondern wie in Ausdruck 7 (Formel 7 unten) dargestellt, kann eine Integration (Summe) des Quadrats des Absolutwerts der Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ω+r berechnet und der Integrationswert als Evaluierungswert ε ausgegeben werden. $ε = {\sum_{n = 0}^{N} | ω_{e} (n) - ω_{r} (n) |}^{2}$
Wenn die nichtlineare Reibung berücksichtigt wird, berechnet die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 eine Integration (Summe) des Absolutwertes eines Wertes, der durch Subtraktion des nichtlinearen Reibungsterms ζ(ωr) von der Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ωr erhalten wird, wie in Ausdruck 8 (Formel 8 unten) dargestellt, und gibt den Integrationswert als Evaluierungswert ε aus. $ε = \sum_{n = 0}^{N} | ω_{e} (n) - ω_{r} (n) - ς (ω_{r} (n)) |$
Der Evaluierungswert bei Nichtberücksichtigung der nichtlinearen Reibung ist nicht auf den durch Ausdruck 8 berechneten Evaluierungswert beschränkt, sondern es kann, wie in Ausdruck 9 (Formel 9 unten) dargestellt, eine Integration (Summe) des Quadrats des Absolutwertes eines Wertes, der durch Subtraktion des nichtlinearen Reibungsterms ζ(ωr) von der Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ωr erhalten wird, berechnet und der Integrationswert als Evaluierungswert ε ausgegeben werden. $ε = {\sum_{n = 0}^{N} | ω_{e} (n) - ω_{r} (n) - ς (ω_{r} (n)) |}^{2}$
Die Trägheitskorrektureinheit 112 bewertet die Gültigkeit der Gesamtträgheit J der Modelleinheit 108 gemäß dem von der Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 berechneten Evaluierungswert ε. Konkret wird eine Gesamtträgheit (im Folgenden als korrigierte Trägheit bezeichnet) J berechnet, die den Evaluierungswert ε minimiert, der eine Funktion der Gesamtträgheit J ist. Die von der Trägheitskorrektureinheit 112 berechnete korrigierte Trägheit J wird an die Host-Vorrichtung 200 und die Speichereinheit 114 ausgegeben. Die Host-Vorrichtung 200 berechnet eine optimale Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, eine optimale Geschwindigkeitsverstärkung und eine Resonanzfrequenz unter Verwendung der korrigierten Trägheit J, wie später beschrieben wird.
Die Optimalwert-Empfangseinheit 113 empfängt die optimale Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und die Resonanzfrequenz von der Host-Vorrichtung 200 und speichert diese in der Speichereinheit 114 und ändert die Einstellungen der Geschwindigkeits-Steuereinheit 104 und des Filters 105 auf Grundlage der optimalen Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, der optimalen Geschwindigkeitsverstärkung und der Resonanzfrequenz.
Die Trägheitskorrektureinheit 114 speichert wenigstens einen der folgenden Werte: die Gesamtträgheit vor der Korrektur, die korrigierte Trägheit, die Werte vor und nach Änderung der optimalen Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und die Resonanzfrequenz sowie den Evaluierungswert ε. Die Gesamtträgheit vor der Korrektur, die korrigierte Trägheit, die Werte vor und nach der Änderung der optimalen Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und die Resonanzfrequenz sowie der in der Speichereinheit 114 gespeicherte Evaluierungswert ε können von einer Trägheitskorrektureinheit, die als Informationsmeldeeinheit dient (nicht abgebildet), an die Außenseite der Steuereinheit 100 übertragen werden. Wenigstens einer der Werte für die Gesamtträgheit vor der Korrektur, die korrigierte Trägheit, die Werte vor und nach der Änderung der optimalen Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und die Resonanzfrequenz sowie der Evaluierungswert ε können auf einer Anzeigeeinheit, beispielsweise einer in der Steuereinheit 100 vorgesehenen Flüssigkristallanzeige, angezeigt werden. Die Anzeigeeinheit bildet auch eine Informationsmeldeeinheit. Die Informationsmeldeeinheit ist nicht besonders auf eine Sendeeinheit und eine Anzeigeeinheit beschränkt, solange sie die Benutzer über wenigstens eine der folgenden Größen informieren kann: die gesamte Trägheit vor der Korrektur, die korrigierte Trägheit, die Werte vor und nach der Änderung der optimalen Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung und die Resonanzfrequenz sowie den Evaluierungswert ε.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Host-Vorrichtung veranschaulicht. Wie in 4 dargestellt, umfasst die Host-Vorrichtung 200 eine Korrigierte-Trägheit-Empfangseinheit 201, eine Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, eine Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, eine Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, eine Optimalwert-Übertragungseinheit 205 und eine Positionsbefehl-Berechnungseinheit 206. Die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203 und die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204 sind wechselnde Einheiten, die die Einstellungen der Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls, des Geschwindigkeitsgewinns und der Dämpfungsfrequenz eines Filters des Elektromotors 300 veranlassen.
Die Korrigierte-Trägheit-Empfangseinheit 201 erhält die korrigierte Trägheit von der Trägheitskorrektureinheit 112, und die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203 und die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204 erhalten die korrigierte Trägheit, um die optimale Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, den optimalen Geschwindigkeitsgewinn bzw. die Resonanzfrequenz zu berechnen. Die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203 und die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204 geben die berechnete Optimalzeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die Optimalgeschwindigkeitsverstärkung bzw. die Resonanzfrequenz über die Optimalwert-Übertragungseinheit 205 an die Optimalwert-Empfangseinheit 113 der Steuerung 100 aus. Die Positionsbefehl-Berechnungseinheit 206 berechnet einen Positionsbefehl θc auf Grundlage eines Programms zum Betrieb des Elektromotors 300 und gibt den berechneten Positionsbefehl θc an die Steuerung 100 aus.
Die Host-Vorrichtung 200 kann getrennt von einer Vorrichtung bereitgestellt werden, die die Positionsbefehl-Berechnungseinheit 206 umfasst. In diesem Fall umfasst die Host-Vorrichtung 200 nicht die Positionsbefehl-Berechnungseinheit 206.
Im Folgenden wird eine Beziehung zwischen einer Gesamtträgheit, einer Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, einem Geschwindigkeitsgewinn und einer Resonanzfrequenz beschrieben. Wenn die Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung im Verhältnis zur Gesamtträgheit des angetriebenen Körpers 400 und des Elektromotors 300 zu kurz ist, ist es nicht möglich, eine befohlene Beschleunigung/Verzögerung mit der Fähigkeit des Elektromotors 300 zu realisieren, ein Ausgangsdrehmoment in Bezug auf ein Befehlsdrehmoment zu sättigen, und es ist nicht möglich, eine normale Steuerung durchzuführen. Darüber hinaus, wenn die Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung im Verhältnis zur Gesamtträgheit des angetriebenen Körpers 400 und des Elektromotors 300 zu lang ist, ist die Fähigkeit des Elektromotors 300 nicht ausreichend gegeben und der Elektromotor 300 wird langsamer als nötig beschleunigt oder abgebremst.
Daher wird die Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung auf der Basis der korrigierten Trägheit optimal eingestellt, so dass eine möglichst schnelle Beschleunigung/Verzögerung durch den Elektromotor 300 gemäß der Gesamtträgheit realisiert wird.
Wenn der Geschwindigkeitsgewinn im Verhältnis zur Gesamtträgheit des angetriebenen Körpers 400 und des Elektromotors 300 zu klein ist, kann die Geschwindigkeit des Elektromotors 300 keinen Sollwert verfolgen und keine stabile Steuerung veranlassen. Außerdem kann es zu Vibrationen kommen, wenn der Geschwindigkeitsgewinn im Verhältnis zur Gesamtträgheit des angetriebenen Körpers 400 und des Elektromotors 300 zu groß ist.
Daher kann die Geschwindigkeits-Steuereinheit 104 durch optimale Einstellung der Geschwindigkeitsverstärkung auf Grundlage der korrigierten Trägheitskorrektureinheit die Geschwindigkeit entsprechend anpassen.
Die optimale Zeitkonstante und die optimale Geschwindigkeitsverstärkung können mit einem gewöhnlichen Verfahren berechnet werden, beispielsweise durch Annäherung einer Beziehung zur Trägheit mit Hilfe einer Funktion und Speicherung derselben in Form einer Tabelle und gegebenenfalls Ergänzung der Tabelle.
Wenn im Elektromotor 300 mechanische Resonanz auftritt, da ein nachteiliger Effekt wie instabiler Betrieb auftritt, ist der Filter 105 zur Verhinderung von Resonanz in der Steuerung 100 vorgesehen. Hier ändert sich die Resonanzfrequenz f gemäß der Massenträgheit des angetriebenen Körpers 400. Das heißt, wenn das Trägheitsmoment des Elektromotors 300 Jm, das Trägheitsmoment des angetriebenen Körpers 400 J_L und die Torsionssteifigkeit dazwischen Ks ist, wird die Resonanzfrequenz f durch den Ausdruck 10 (Formel 10 unten) berechnet. Das Trägheitsmoment Jm des Elektromotors kann im Voraus theoretisch oder experimentell berechnet werden, und das Trägheitsmoment J_L des angetriebenen Körpers 400 kann aus dem Trägheitsmoment Jm und dem korrigierten Trägheitsmoment berechnet werden. $f = \sqrt{\frac{K_{s}}{J_{L}} (\frac{J_{L} + J_{m}}{J_{m}})}$
Daher ist es möglich, die Resonanzfrequenz f gemäß Ausdruck 10 aus der korrigierten Trägheit zu berechnen, um die Dämpfungsfrequenz des Filters 105 einzustellen.
Die Host-Vorrichtung 200 kann eine oder zwei Berechnungseinheiten umfassen: die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203 und die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204. In diesem Fall kann die Steuerung 100 eine der Geschwindigkeits-Steuereinheiten 104 und das Filter 105 umfassen.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für den Betrieb der Steuerung zeigt.
In Schritt S11 gibt die Operationssignal-Eingabeeinheit 106 ein Operationssignal an den Addierer 107 ein.
In Schritt S12 wird die Erfassungsgeschwindigkeit (Ist-Geschwindigkeit) ωr durch die vom Drehgeber 301 erfasste Drehwinkelposition erfasst.
In Schritt S13 berechnet die Modelleinheit 108 die geschätzte Geschwindigkeit ωe auf Grundlage des aktuellen Befehls Iq.
In Schritt S14 berechnet die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 einen Evaluierungswert (beispielsweise den in Ausdruck 3 dargestellten Evaluierungswert ε) unter Verwendung der Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der vom Subtrahierer 110 ausgegebenen Erfassungsgeschwindigkeit ωr.
In Schritt S15 ändert die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111, wenn der Evaluierungswert eine vorgegebene Zahl nicht erreicht hat (Nein), den Wert der Gesamtträgheit der Modelleinheit 108 und kehrt zu Schritt S12 zurück. Wenn der Evaluierungswert die vorgeschriebene Zahl erreicht hat, beendet die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 die Operation zur Berechnung des Evaluierungswerts (Ja) und wertet den Evaluierungswert in Schritt S16 aus, um die Gesamtträgheit (korrigierte Trägheit) zu berechnen, wenn der Evaluierungswert am kleinsten ist. Die Gesamtträgheit der Modelleinheit 108 wird auf die korrigierte Trägheit gesetzt, wenn der Auswertungswert am kleinsten ist, und die korrigierte Trägheit, wenn der Auswertungswert am kleinsten ist, wird an die Host-Vorrichtung 200 übertragen.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Funktionsweise der Steuerung zeigt. Die in 6 dargestellte Operation unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Operation dadurch, dass die Reihenfolge der Schritte S15 und S16 umgekehrt ist. Das heißt, der Evaluierungswert wird in Schritt S16 im Anschluss an Schritt S14 ausgewertet, und wenn der Evaluierungswert kleiner als der in Schritt S16 erhaltene vorherige Evaluierungswert ist, wird die Gesamtträgheit der Modelleinheit 108 nicht verändert. Wenn der Evaluierungswert größer als der in Schritt S16 erhaltene vorherige Evaluierungswert ist, wird die Gesamtträgheit der Modelleinheit 108 auf die vorherige Gesamtträgheit zurückgeführt.
Schritt S15 wird im Anschluss an Schritt S16 durchgeführt, und wenn der Evaluierungswert die vorgeschriebene Zahl (Nein) nicht erreicht hat, ändert die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 den Wert der Gesamtträgheit der Modelleinheit 108 und kehrt zu Schritt S12 zurück. Wenn der Evaluierungswert die vorgeschriebene Zahl erreicht hat, beendet die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 die Operation der Berechnung des Evaluierungswerts (Ja). Da die Gesamtträgheit der Modelleinheit am Ende der Operation die korrigierte Trägheit ist, wenn der Auswertungswert am kleinsten ist, wird die Gesamtträgheit als korrigierte Trägheit an die Host-Vorrichtung 200 übertragen.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Funktionsweise der Steuerung zeigt. Dier in 7 dargestellte Operation unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Operation dadurch, dass die Daten der Ist-Geschwindigkeit und der geschätzten Geschwindigkeit in Schritt S21 im Anschluss an Schritt S13 gespeichert werden und danach die Verarbeitung in der Reihenfolge der Schritte S15, S14 und S16 erfolgt.
In Schritt S21 speichert die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 die Daten der Ist-Geschwindigkeit und der geschätzten Geschwindigkeit in einer Speichereinheit wie beispielsweise einem Speicher in der Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 in Verbindung mit dem Wert der Gesamtträgheit der Modelleinheit 108. Danach ändert die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 in Schritt S15, wenn die Ist-Geschwindigkeit und die geschätzte Geschwindigkeit eine vorgegebene Zahl nicht erreicht haben (Nein), den Wert der Gesamtträgheit der Modelleinheit 108 und kehrt zu Schritt S12 zurück. In Schritt S15, wenn die Ist-Geschwindigkeit und die geschätzte Geschwindigkeit die vorgeschriebene Zahl erreicht haben (Ja), fährt die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 mit Schritt S14 fort.
In Schritt S14 liest die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111 die geschätzte Geschwindigkeit ωe und die Erfassungsgeschwindigkeit ωr aus der Speichereinheit und berechnet den Evaluierungswert (beispielsweise den in Ausdruck 3 dargestellten Evaluierungswert) unter Verwendung der Differenz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit ωe und der Erfassungsgeschwindigkeit ωr.
In Schritt S16 wird der Bewertungswert bewertet und die Gesamtträgheit berechnet, wenn der Bewertungswert am kleinsten ist. Die Gesamtträgheit der Modelleinheit 108 wird auf die Gesamtträgheit gesetzt, wenn der Auswertungswert am kleinsten ist, und die Gesamtträgheit (eine korrigierte Trägheit), wenn der Auswertungswert am kleinsten ist, wird an die Host-Vorrichtung 200 übertragen.
Im Steuersystem 10 können die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203 und die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die in der Host-Vorrichtung 200 vorgesehen sind, in der Steuervorrichtung 100 vorgesehen sein, die korrigierte Trägheit kann von der Trägheitskorrektureinheit 112 in der Steuervorrichtung 100 an die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, ausgegeben werden, und der Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, und die Einstellungen der Geschwindigkeits-Steuereinheit 104 und des Filters 105 können auf Grundlage der optimalen Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, der optimalen Geschwindigkeitsverstärkung und der Resonanzfrequenz, die von der Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, der Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203 und der Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204 berechnet wird, geändert werden. In diesem Fall sind die Trägheitskorrektureinheit 201 und die Optimalwert-Übertragungseinheit 205 der Host-Vorrichtung 200 nicht erforderlich, und die Optimalwert-Empfangseinheit 113 der Steuerung 100 ist nicht erforderlich. Die Steuerung 100 kann eine oder zwei Berechnungseinheiten umfassen: die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203 und die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204. In diesem Fall kann die Steuerung 100 eine der Geschwindigkeits-Steuereinheiten 104 und das Filter 105 umfassen.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die tatsächliche Operation und die Schätzoperation eine tatsächliche Geschwindigkeit und eine geschätzte Geschwindigkeit und können eine tatsächliche Position und eine geschätzte Position oder eine tatsächliche Beschleunigung und eine geschätzte Beschleunigung sein.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die Gültigkeit einer Gesamtträgheit einfach zu bewerten, indem man die Modelleinheit, den Subtrahierer, der eine Differenz zwischen der Ist-Geschwindigkeit und der von der Modelleinheit ausgegebenen geschätzten Geschwindigkeit ermittelt, und die Evaluierungswert-Berechnungseinheit, die den Evaluierungswert auf Grundlage der Differenz zwischen der tatsächlichen und der geschätzten Geschwindigkeit berechnet, verwendet. Darüber hinaus ist es möglich, trägheitsabhängige Parameter (beispielsweise eine Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, eine Geschwindigkeitsverstärkung und eine Resonanzfrequenz) auf Grundlage der bewerteten Gesamtträgheit einzustellen, um gültig zu sein.
(Zweite Ausführungsform)
8 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel für ein Steuersystem einschließlich einer Steuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
Ein Steuersystem 11 der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine Steuerung 100A, eine Host-Vorrichtung 200A, die einen Positionsbefehl θc an die Steuerung 100A ausgibt, einen Elektromotor 300, der von der Steuerung 100A angetrieben wird, und einen angetriebenen Körper 400, der mit dem Elektromotor 300 verbunden ist.
Obwohl die Steuerung 100A die gleichen Bestandteile wie die in 1 dargestellte Steuerung 100 umfasst, sind der Einfachheit halber der Integrator 109, die Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111, die Trägheitskorrektureinheit 112 und die Speichereinheit 114 in 8 nicht dargestellt. Die Steuerung 100A umfasst zusätzlich zu der in 1 dargestellten Steuerung 100 eine Positionsvorschubeinheit (Positions-FF-Einheit) 115, einen Addierer 116, eine Geschwindigkeitsvorschubeinheit (Geschwindigkeits-FF-Einheit) 117, einen Addierer 118, einen Subtrahierer 119, eine Strombegrenzungseinheit 120, eine inverse Modelleinheit 121 und eine Störungskorrektureinheit 122.
Obwohl die in 1 dargestellte Steuereinheit 108 der Steuerung 100 die geschätzte Geschwindigkeit ωe auf Grundlage des Strombefehls Iq berechnet, berechnet die in 8 dargestellte Steuereinheit 108 der Steuerung 100A die geschätzte Geschwindigkeit ωe auf Grundlage des Erfassungsstroms (der als Ist-Strom dient), der von einem Stromdetektor ausgegeben wird, der an den Elektromotor 300 oder einen Verstärker angeschlossen ist, der den Elektromotor 300 antreibt. Natürlich kann bei der in 1 dargestellten Steuerung 100 anstelle der Berechnung der geschätzten Geschwindigkeit ωe auf Grundlage des Strombefehls Iq die geschätzte Geschwindigkeit ωe auf Grundlage des Detektionsstroms (der als Ist-Strom dient) berechnet werden, der von einem Stromdetektor ausgegeben wird, der an dem Elektromotor 300 oder einem Verstärker, der den Elektromotor 300 antreibt, angeschlossen ist.
Die Positionsvorschubeinheit 115 differenziert den Positionsbefehl θc, multipliziert diesen mit einem Vorsteuerungskoeffizienten und gibt den Multiplikationswert an den Addierer 116 und die Geschwindigkeitsvorschubeinheit 117 aus. Der Addierer 116 addiert den Ausgang der Positionsvorschubeinheit 115 zum Ausgang der Steuereinheit 102 und gibt den Additionswert als Geschwindigkeits-Sollwert an den Subtrahierer 103 aus ω_c.
Die Übertragungsfunktion der Geschwindigkeits-Vorschubeinheit 117 ist auf eine inverse Funktion (J·s+F)/Kt der Übertragungsfunktion des Antriebskörpers 400 und des Elektromotors 300 eingestellt, um eine hochempfindliche Steuerung in Bezug auf den Geschwindigkeits-Sollwert zu veranlassen.
Der Addierer 118 addiert den Ausgang der Geschwindigkeitsvorschubeinheit 117 zum Ausgang der Geschwindigkeitssteuereinheit 104 und gibt den Additionswert als Strombefehl an den Filter 105 aus.
Der Addierer 107 addiert den aktuellen Befehl und das von der Operationssignal-Eingabeeinheit 106 ausgegebene Operationssignal und gibt den Additionswert an den Subtrahierer 110 aus.
Der Subtrahierer 119 nimmt eine Differenz zwischen dem Ausgang des Addierers 107 und dem Ausgang der Störungskorrektureinheit 122 und gibt die Differenz an die Strombegrenzungseinheit 120 aus. Die Strombegrenzungseinheit 120 wendet eine Begrenzung des auszugebenden Stroms an, um das vom Elektromotor 300 erzeugte Drehmoment zu begrenzen. Die Strombegrenzungseinheit 120 gibt einen Strom an den Elektromotor 300 aus. Wie oben beschrieben, wird der Erfassungsstrom (der als Ist-Strom dient), der von einem am Elektromotor 300 angebrachten Stromdetektor oder einem Verstärker, der den Elektromotor 300 antreibt, ausgegeben wird, in die Modelleinheit 108 eingegeben. Die Modelleinheit 108 berechnet die geschätzte Geschwindigkeit ωe auf Grundlage des Erfassungsstroms und gibt die geschätzte Geschwindigkeit an den Subtrahierer 110 aus.
Die inverse Modelleinheit 121 schätzt einen Strombefehl, zu dem eine Störung addiert wird, anhand der Ist-Geschwindigkeit ωr und veranlasst die Ausgabe des geschätzten Strombefehls an die Störungskorrektureinheit 122. Die Störungskorrektureinheit 122 nimmt eine Differenz zwischen dem Strombefehl, zu dem die Störung addiert wird, und dem Strombefehl Iq und gibt die Differenz an den Subtrahierer 119 aus. Die inverse Modelleinheit 121 und die Störungskorrektureinheit 122 bilden einen Störungsbeobachter.
Die Optimalwert-Empfangseinheit 113 erhält die optimale Zeitkonstante der Beschleunigung/Abbremsung, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung, die Resonanzfrequenz, das korrigierte inverse Modell, den Geschwindigkeitsvorschubkoeffizienten und den Drehmomentbegrenzungswert von der Host-Vorrichtung 200A, speichert diese in der Speichereinheit 114 und ändert die Einstellungen der Geschwindigkeits-Steuereinheit 104, das Filter 105, die inverse Modelleinheit 121, die Geschwindigkeitsvorschubeinheit 117 und die Strombegrenzungseinheit 120 auf Grundlage der optimalen Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, der optimalen Geschwindigkeitsverstärkung, der Resonanzfrequenz, des korrigierten inversen Modells, des Geschwindigkeitsvorschubkoeffizienten und des Drehmomentbegrenzungswerts.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Host-Vorrichtung 200A zeigt. Wie in 9 dargestellt, umfasst die Host-Vorrichtung 200A zusätzlich zu den in 4 dargestellten Bestandteilen der Host-Vorrichtung 200 eine Invers-Modell-Korrektureinheit 207, eine Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit 208 und eine Optimaldrehmoment-Begrenzungswert-Berechnungseinheit 209.
Die Host-Vorrichtung 200A kann eine oder eine Vielzahl von Berechnungseinheiten umfassen: die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die Invers-Modell-Korrektureinheit 207, die Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit 208 und die Optimaldrehmoment-Begrenzungswert-Berechnungseinheit 209. In diesem Fall kann die Steuerung 100A eine oder eine Vielzahl von Einheiten unter der Geschwindigkeits-Steuereinheit 104, dem Filter 105, der inversen Modelleinheit 121, der Geschwindigkeits-Vorschubeinheit (Geschwindigkeits-FF-Einheit) 117 und der Strombegrenzungseinheit 120 umfassen. Die Host-Vorrichtung 200A kann getrennt von einer Vorrichtung vorgesehen werden, die die Positionsbefehl-Berechnungseinheit 206 umfasst, ähnlich wie die Host-Vorrichtung 200. In diesem Fall umfasst die Host-Vorrichtung 200A nicht die Positionsbefehl-Berechnungseinheit 206.
Die Korrigierte-Trägheit-Empfangseinheit 201 erhält die korrigierte Trägheit von der Trägheitskorrektureinheit 112 der Steuerung 100A, und die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die Invers-Modell-Korrektureinheit 207, die Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit (Optimalgeschwindigkeits-FF-Koeffizienten-Berechnungseinheit) 208, und die Optimalwert-Begrenzungswert-Berechnungseinheit 209 erhalten die korrigierte Trägheit, um die optimale Zeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, den optimalen Geschwindigkeitsgewinn, die Resonanzfrequenz, den inversen Modellkoeffizienten, den optimalen Geschwindigkeitsvorschubkoeffizienten bzw. den optimalen Drehmomentbegrenzungswert zu berechnen. Die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsverstärkungs-Berechnungseinheit 203, die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die Invers-Modell-Korrektureinheit 207, die Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit 208 und die Optimalmomentbegrenzungswert-Berechnungseinheit 209 geben die Optimalzeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die Optimalgeschwindigkeitsverstärkung, die Resonanzfrequenz, den inversen Modellkoeffizienten, den Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten bzw. den Optimalmomentbegrenzungswert über die Optimalwert-Übertragungseinheit 205 an die Optimalwert-Empfangseinheit 113 aus.
Da das inverse Modell der inversen Modelleinheit 121 ein inverses Modell der Übertragungsfunktion einer Steuereinheit ist, die den Elektromotor 300 und den angetriebenen Körper umfasst, ist es möglich, das inverse Modell auf Grundlage der korrigierten Trägheitskorrektureinheit einzustellen. Da der Koeffizient der Geschwindigkeitsvorschubeinheit 117 auf eine inverse Funktion (J·s+F)/Kt der Übertragungsfunktion des Elektromotors 300 und des angetriebenen Körpers 400 eingestellt ist, ist es möglich, den Koeffizienten der Geschwindigkeitsvorschubeinheit 117 auf der Basis der korrigierten Trägheitskorrektureinheit einzustellen. Der Drehmomentbegrenzungswert wird so bestimmt, dass der Ausgangsstrom der Strombegrenzungseinheit 120 so begrenzt wird, dass auf den Elektromotor 300 kein größeres Drehmoment als erforderlich aufgebracht wird. Da das Drehmoment T durch T=Kt·lq=(J·s+F)·(ωr dargestellt wird, wird ein Begrenzungswert, der als obere Grenzbeschleunigung dient, auf Grundlage des korrigierten Trägheitsmoments festgelegt.
Im Steuersystem 11 können die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die Invers-Modell-Korrektureinheit 207, die Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit 208 und die Optimalmomentbegrenzungswert-Berechnungseinheit 209, die in der Host-Vorrichtung 200A vorgesehen sind, in der Steuerung 100A vorgesehen sein. Die Korrigierte-Trägheit-Empfangseinheit 201 und die Optimalwert-Übertragungseinheit 205 der Host-Vorrichtung 200A sind nicht erforderlich, und die Optimalwert-Empfangseinheit 113 der Steuerung 100A ist nicht erforderlich. In diesem Fall gibt die Trägheitskorrektureinheit 112 der Steuerung 100A die korrigierte Trägheit an die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die Invers-Modell-Korrektureinheit 207, die Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit 208 und die Optimalmomentbegrenzungswert-Berechnungseinheit 209 aus. Die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die inverse Modellkorrektur-Einheit 207, die Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit 208 und die Optimalmomentbegrenzungswert-Berechnungseinheit 209 berechnen die Optimalzeitkonstante der Beschleunigung/Verzögerung, die optimale Geschwindigkeitsverstärkung, die Resonanzfrequenz, das inverse Modell, den optimalen Geschwindigkeitsvorschubkoeffizienten und den optimalen Drehmomentbegrenzungswert und ändern Sie die Einstellungen der Geschwindigkeits-Steuereinheit 104, des Filters 105, der inversen Modelleinheit 121, der Geschwindigkeitsvorschubeinheit 117 und der Strombegrenzungseinheit 120.
Die Steuereinheit 100A kann eine oder mehrere Berechnungseinheiten umfassen: die Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit 202, die Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit 203, die Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit 204, die Invers-Modell-Korrektureinheit 207, die Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit 208 und die Optimaldrehmomentbegrenzungswert-Berechnungseinheit 209. In diesem Fall kann die Steuerung 100A eine oder eine Vielzahl von Einheiten unter der Geschwindigkeits-Steuereinheit 104, dem Filter 105, der inversen Modelleinheit 121, der Geschwindigkeits-Vorschubeinheit 117 und der Strombegrenzungseinheit 120 umfassen.
Die oben beschriebene Ausführungsform ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht nur auf die Ausführungsform beschränkt, sondern die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Modifikationen verkörpert werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Steuerung und das Verfahren zur Bewertung der Trägheit gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen die oben beschriebenen Ausführungsformen und können verschiedene Ausführungsformen mit den folgenden Konfigurationen verwenden.

(1) Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Steuerung: einen Elektromotor (beispielsweise einen Elektromotor 300); eine Ist-Operations-Erfassungseinheit (beispielsweise einen Drehgeber 301), die einer tatsächliche Operation des Elektromotors erfasst; eine Modelleinheit (beispielsweise eine Modelleinheit 108), die eine Operation des Elektromotors aus einem an den Elektromotor angelegten Stromwert unter Verwendung eines Modells schätzt, das die Trägheit des Elektromotors und einen mit dem Elektromotor verbundenen angetriebenen Körper (beispielsweise einen angetriebenen Körper 400) umfasst; eine Operationssignal-Eingabeeinheit (beispielsweise eine Operationssignal-Eingabeeinheit 106), die ein Operationssignal an eine Steuerschleife des Elektromotors für eine vorgeschriebene Periode anlegt; und eine Evaluierungswert-Berechnungseinheit (beispielsweise eine Evaluierungswert-Berechnungseinheit 111), die einen Evaluierungswert zum Evaluieren der Trägheit auf der Basis einer Differenz zwischen einer Ist-Operation und einer geschätzten Operation in der Anwendungsperiode des Operationssignals berechnet.
(2) In der Steuerung gemäß (1) kann die Evaluierungswert-Berechnungseinheit den Evaluierungswert auf Grundlage eines Wertes berechnen, der durch Subtraktion der Reibung beim Betrieb des Elektromotors von der Differenz zwischen der Ist-Operation und der geschätzten Operation erhalten wird.
(3) In der Steuerung gemäß (2) kann der Bewertungswert eine Summe eines Absolutwertes oder eine Quadratsumme der Differenz zwischen der Ist-Operation und der geschätzten Operation im Antragszeitraum sein.
(4) Bei der Steuerung gemäß einem von (1) bis (3) kann der Stromwert ein Stromsollwert für den Elektromotor oder ein Stromistwert sein.
(5) Bei der Steuerung gemäß einem von (1) bis (4) können die Ist-Operation und die Schätzoperation entweder eine Ist-Geschwindigkeit und eine Schätzgeschwindigkeit, eine Ist-Position und eine Schätzposition oder eine Ist-Beschleunigung und eine Schätzbeschleunigung sein.
(6) Die Steuerung gemäß einem von (1) bis (5) kann des Weiteren eine Trägheitskorrektureinheit (beispielsweise eine Trägheitskorrektureinheit 112) umfassen, die die Trägheit des Elektromotors und des angetriebenen Körpers auf Grundlage des Bewertungswertes korrigiert.
(7) Die Steuerung gemäß (6) kann des Weiteren eine Änderungseinheit umfassen, die die Einstellungen von wenigstens einer der Zeitkonstanten eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls des Elektromotors, einer Geschwindigkeitsverstärkung, eines Geschwindigkeitsvorschubeinheitskoeffizienten, eines inversen Beobachtermodells, einer Dämpfungsfrequenz eines Filters und eines Drehmomentbegrenzungswerts auf Grundlage der korrigierten Trägheit ändert.
(8) Die Steuerung gemäß einem der Punkte (1) bis (7) kann des Weiteren eine Speichereinheit (beispielsweise eine Speichereinheit 114) umfassen, die wenigstens einen der folgenden Werte speichert: die Trägheit vor der Korrektur, die korrigierte Trägheit, Werte vor und nach der Änderung wenigstens einer der Zeitkonstanten des Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls des Elektromotors, die Geschwindigkeitsverstärkung, den Geschwindigkeitsvorschubkoeffizienten, das inverse Modell des Beobachters, die Dämpfungsfrequenz des Filters und den Drehmomentbegrenzungswert sowie den Bewertungswert.
(9) Bei der Steuerung gemäß einem der Punkte (1) bis (8) kann das Operationssignal ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz sein, die gleich oder niedriger als ein Steuerband des Elektromotors ist.
(10) Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung sieht ein Steuersystem vor, das Folgendes umfasst: eine Steuerung (beispielsweise eine Steuerung 100, 100A) gemäß (6); und eine Host-Vorrichtung (beispielsweise eine Host-Vorrichtung 200, 200A), die mit der Steuerung verbunden ist, wobei die Host-Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Empfangseinheit, die von der Steuerung gesendete korrigierte Trägheitskorrektureinheiten empfängt; und eine Änderungseinheit, die auf Grundlage der empfangenen Trägheit Einstellungen einer Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls des Elektromotors, einer Geschwindigkeitsverstärkung, eines Geschwindigkeitsvorschubeinheitskoeffizienten, eines inversen Beobachtermodells, einer Dämpfungsfrequenz eines Filters und/oder eines Drehmomentbegrenzungswertes, die trägheitsabhängige Parameter sind, ändert.
(11) Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung sieht ein Trägheitsbewertungsverfahren für eine Steuerung vor, die einen Elektromotor steuert, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen eines Operationssignals an eine Regelschleife des Elektromotors für eine vorgeschriebene Zeitspanne; Erfassen einer Ist-Operation des Elektromotors; Schätzen einer Operation des Elektromotors aus einem an den Elektromotor angelegten Stromwert unter Verwendung eines Modells, das die Trägheit des Elektromotors und eines mit dem Elektromotor verbundenen angetriebenen Körpers umfasst; und Berechnen eines Bewertungswerts zum Bewerten der Trägheit auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Ist-Operation und einer geschätzten Operation in der Anwendungsperiode des Operationssignals.

Bezugszeichenliste

100,: 100A: Steuerung
101:: Subtrahierer
102:: Positionssteuereinheit
103:: Subtrahierer
104:: Geschwindigkeits-Steuereinheit
105:: Filter
106:: Operationssignal-Eingabeeinheit
107:: Addierer
108:: Modelleinheit
109:: Integrator
110:: Subtrahierer
111:: Evaluierungswert-Berechnungseinheit
112:: Trägheitskorrektureinheit
113:: Optimalwert-Empfangseinheit
114:: Speichereinheit
115:: Positionsvorschubeinheit
116:: Addierer
117:: Geschwindigkeitsvorschubeinheit
118:: Addierer
119:: Subtrahierer
120:: Strombegrenzungseinheit
121:: Inverse Modelleinheit
122:: Störungskorrektureinheit
200,: 200A: Host-Vorrichtung
201:: Korrigierte-Trägheit-Empfangseinheit
202:: Optimalzeitkonstanten-Berechnungseinheit
203:: Optimalgeschwindigkeitsgewinn-Berechnungseinheit
204:: Resonanzfrequenz-Berechnungseinheit
205:: Optimalwert-Übertragungseinheit
206:: Positionsbefehl-Berechnungseinheit
207:: Inverse Modelleinheit-Erzeugungseinheit
208:: Optimalgeschwindigkeits-Vorschubkoeffizienten-Berechnungseinheit
209:: Optimaldrehmoment-Begrenzungswert-Berechnungseinheit
300:: Elektromotor
400:: Angetriebener Körper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010148178 [0003]
JP 201515844 [0003]

Claims

Steuerung (100, 100A), umfassend: einem Elektromotor (300); eine Ist-Operations-Erfassungseinheit (301), die eine tatsächliche Operation des Elektromotors (300) erfasst; eine Modelleinheit (108), die einen Betrieb des Elektromotors (300) aus einem an den Elektromotor (300) angelegten Stromwert unter Verwendung eines Modells, das die Trägheit des Elektromotors (300) und einen mit dem Elektromotor (300) verbundenen angetriebenen Körper (400) umfasst, schätzt; eine Operationssignal-Eingabeeinheit (106), die ein Operationssignal an eine Steuereinheit des Elektromotors (300) für eine vorgeschriebene Periode anlegt; und eine Evaluierungswert-Berechnungseinheit (111), die einen Evaluierungswert zur Bewertung der Trägheit auf Grundlage einer Differenz zwischen einer tatsächlichen Operation und einer geschätzten Operation in der Anwendungsperiode des Operationssignals berechnet.
Steuerung (100, 100A) nach Anspruch 1, wobei die Evaluierungswert-Berechnungseinheit (111) den Evaluierungswert auf Grundlage eines Wertes berechnet, der durch Subtraktion der Reibung beim Betrieb des Elektromotors (300) von der Differenz zwischen der Ist-Operation und der geschätzten Operation erhalten wird.
Steuerung (100, 100A) nach Anspruch 2, wobei der Auswertungswert eine Summe eines Absolutwertes oder eine Quadratsumme der Differenz zwischen der Ist-Operation und der geschätzten Operation in der Anwendungsperiode ist.
Steuerung (100, 100A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Stromwert ein Strombefehl an den Elektromotor (300) oder ein tatsächlicher Stromwert veranlasst.
Steuerung (100, 100A) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ist-Operation und die geschätzte Operation entweder eine Ist-Geschwindigkeit und eine geschätzte Geschwindigkeit, eine Ist-Position und eine geschätzte Position oder eine Ist-Beschleunigung und eine geschätzte Beschleunigung sind.
Steuerung (100, 100A) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend: eine Trägheitskorrektureinheit (112), die die Trägheit des Elektromotors (300) und des angetriebenen Körpers (400) auf Grundlage des Bewertungswertes korrigiert.
Steuereinheit (100, 100A) nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend: eine Änderungseinheit, die Einstellungen von wenigstens einer Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls des Elektromotors (300), einer Geschwindigkeitsverstärkung, eines Geschwindigkeitsvorschubeinheitskoeffizienten, eines inversen Beobachtermodells, einer Dämpfungsfrequenz eines Filters und eines Drehmomentbegrenzungswerts auf Grundlage der korrigierten Trägheit ändert.
Steuerung (100, 100A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die des Weiteren eine Speichereinheit (114) umfasst, die wenigstens eines der folgenden speichert: die Trägheit vor der Korrektur; die korrigierte Massenträgheit; Werte vor und nach Änderung wenigstens einer der Zeitkonstanten des Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls des Elektromotors (300), der Geschwindigkeitsverstärkung, des Geschwindigkeitsvorwärtskoeffizienten, des inversen Modells des Beobachters, der Dämpfungsfrequenz des Filters und des Drehmomentbegrenzungswertes; und den Bewertungswert.
Steuerung (100, 100A) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Operationssignal ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz gleich oder niedriger als ein Steuerband des Elektromotors (300) ist.
Steuersystem (10), umfassend: die Steuervorrichtung (100, 100A) nach Anspruch 6; und eine Host-Vorrichtung (200, 200A), die mit der Steuervorrichtung (100, 100A) verbunden ist, wobei die Host-Vorrichtung (200, 200A) umfasst: eine Empfangseinheit, die die von der Steuerung (100, 100A) gesendete Trägheitskorrektureinheit empfängt; und eine Änderungseinheit, die auf Grundlage der empfangenen Trägheit Einstellungen einer Zeitkonstante eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls des Elektromotors (300), einer Geschwindigkeitsverstärkung, einer Geschwindigkeitsvorschubeinheit, eines inversen Modells eines Beobachters, einer Dämpfungsfrequenz eines Filters und eines Drehmomentbegrenzungswerts, die trägheitsabhängige Parameter sind, von wenigstens einem ändert.
Verfahren zur Evaluierung der Trägheit einer Steuerung (100, 100A), die einen Elektromotor (300) steuert, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines Operationssignals an eine Regelschleife des Elektromotors (300) für eine vorgeschriebene Zeitspanne; Erfassen einer Ist-Operation des Elektromotors (300); Abschätzen einer Operation des Elektromotors (300) aus einem an den Elektromotor (300) angelegten Stromwert unter Verwendung eines Modells, das die Trägheit des Elektromotors (300) und einen mit dem Elektromotor (300) verbundenen angetriebenen Körper umfasst; und Berechnung eines Bewertungswertes zur Bewertung der Trägheit auf Grundlage einer Differenz zwischen einer tatsächlichen Operation und einer geschätzten Operation in der Anwendungsperiode des Operationssignals.