DE112011103674B9 - Motorregelvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Motorregelvorrichtung (101, 201, 301), welche einen in einem Regelobjekt enthaltenen Motor (1) ansteuert, wobei die Motorregelvorrichtung (101, 201, 301) aufweist: eine Geschwindigkeitserfassungseinheit (5), welche eine Bewegungsgeschwindigkeit (vm) des Motors (1) erfasst und eine Erfassungsgeschwindigkeit (vb) ausgibt; eine Regelungs-Recheneinheit (102, 202, 302), welche einen Antriebskraft-Befehl für den Motor (1) so berechnet, dass die Erfassungsgeschwindigkeit (vb) mit einem Geschwindigkeitsbefehl (vr) in Einklang gebracht wird; eine Verstärkerkompensationseinheit (103, 303), welche eine Berechnung des Multiplizierens einer Übertragungsfunktion (F(s)), welche eine Übertragungsfunktion von der Erfassungsgeschwindigkeit (vb) zum Antriebskraft-Befehl ist, mit einer Geschwindigkeitsverstärkung (Kv) in der Regelungs-Recheneinheit (102, 202, 302) durchführt; ein Rückführungsfilter (104, 204, 304), welches Filterkennlinien hat, bei welchen ...

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorregelvorrichtung, welche die Geschwindigkeit und die Lage eines Motors regelt.
  • Hintergrund
  • Die Motorregelvorrichtung, welche die Geschwindigkeit und die Lage eines Motors regelt, führt gewöhnlich eine Proportional-Integral-(PI-)Regelung der Geschwindigkeit oder eine Regelung mit einer Rückführungsschleife, welche unter Verwendung eines Filters oder dergleichen konfiguriert ist, durch. Regelkonstanten, die Charakteristiken dieser Regelungen definieren, müssen entsprechend den Charakteristiken eines anzutreibenden mechanischen Systems eingestellt werden, und folglich ist es erwünscht, dass eine sehr schnelle, hochgenaue Regelung mit möglichst einfacher Einstellung und/oder Justierung realisiert wird.
  • Um diesen Wunsch zu erfüllen, offenbart zum Beispiel Patentliteratur 1 ein Verfahren, das eine Motorregelvorrichtung betrifft, die eine Geschwindigkeits-Regeleinheit, welche PI-Regelung durchführt, eine Drehmomentfiltereinheit, in welcher gewöhnlich ein Tiefpassfilter verwendet wird, und dergleichen aufweist und verschiedene Regelkonstanten zum Einstellen von Charakteristiken dieser Einheiten auf Grundlage eines einzigen von außen eingegebenen Parameters gemäß einem speziellen Vergleichsausdruck einstellt.
  • Indessen ist eine stabile Regelung bei Verwendung des Tiefpassfilters wie oben in einem Fall, in welchem ein anzutreibendes mechanisches System eine geringe Steifigkeit und eine höhere Trägheit als diejenige des Motors aufweist, schwierig. Um dieses Problem zu lösen, wird in Patentliteratur 2 ein für ein mechanisches System, welches ein Zwei-Trägheiten-System mit einer größeren Last ist, vorgesehenes Verfahren offenbart.
  • Gemäß dem in Patentliteratur 2 beschriebenen Verfahren kann eine Proportionalverstärkung (Geschwindigkeitsverstärkung) einer Geschwindigkeits-Regeleinheit unter Verwendung eines Phasenverzögerungsfilters mit Kennlinien, bei welchen in einem unter einer eingestellten ersten Filterfrequenz liegenden niedrigen Frequenzbereich und in einem über einer eingestellten zweiten Filterfrequenz liegenden hohen Frequenzbereich die Frequenzgang-Verstärkung konstant ist und bei welchen in einem dazwischenliegenden Zwischenfrequenzbereich eine Phasenverzögerung auftritt und die Frequenzgang-Verstärkung mit zunehmender Frequenz abnimmt, stabil erhöht werden. Die ”Frequenzgang-Verstärkung” wird im folgenden einfach als ”Verstärkung” bezeichnet, wenn keine Verwechslungsgefahr besteht. Patentliteratur 2 offenbart außerdem ein Verfahren, in welchem eine Parametereinstelleinheit bereitgestellt ist, um zu ermöglichen, die erste Filterfrequenz und die zweite Filterfrequenz automatisch einzustellen. Als ein Einstellverfahren für diese Frequenzen wird ein Verfahren offenbart, in welchem die erste und die zweite Filterfrequenz auf Grundlage der Proportionalverstärkung (Geschwindigkeitsverstärkung) der Geschwindigkeits-Regeleinheit, eines Trägheitswerts des gesamten mechanischen Systems und eines Trägheitswert des Motors selbst bezüglich einer von der Trägheit des gesamten mechanischen Systems her betrachteten ersten Durchgangsfrequenz ωC1 und einer von der Trägheit allein des Motors her betrachteten zweiten Durchgangsfrequenz ωC2 eingestellt werden. Alternativ wird auch ein Verfahren offenbart, bei welchem die Frequenzen bezüglich einer Antiresonanzfrequenz oder Resonanzfrequenz des mechanischen Systems eingestellt werden.
  • Aufstellung der Druckschriften
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: JP 2002-27772 A
    • Patentliteratur 2: WO 2005/064781 A1
  • Nicht-Patentliteratur
    • Nicht-Patentliteratur 1: verfasst von Odai und Hori, ”Controller Design Robust to Nonlinear Elements based on Fractional Order Control System”, The transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, D, 2000, Band 120, Nr. 1, S. 11–18
  • Kurzbeschreibung
  • Technisches Problem
  • Jedoch tritt bei Verwendung des in dem in Patentliteratur 1 beschriebenen Verfahren verwendeten üblichen Tiefpassfilters eine durch das Tiefpassfilter bedingte Phasenverzögerung auf. Wenn die Trägheit eines anzutreibenden mechanischen Systems erheblich größer als die des Motors ist, wird die Frequenzgang-Verstärkung des Regelobjekts bei höheren Frequenzen groß und wird das Regelungssystem folglich ungünstigerweise instabil. Ferner ist es wahrscheinlich, dass in einem mechanischen System mit komplizierten Charakteristiken, welche eine Vielzahl von mechanischen Resonanzen aufweisen, auch eine Schwingung auftritt, und demgemäß ist es schwierig, eine stabile Regelung durchzuführen.
  • Patentliteratur 2 zeigt eine Konfiguration, um ein mechanisches System von geringer Steifigkeit unter Verwendung eines Phasenverzögerungsfilters stabil zu regeln. Jedoch betreffen deren Einstellverfahren nur Zwei-Trägheiten-Systeme wie das Regelobjekt. Daher wird im Verfahren zum Einstellen der ersten und der zweiten Filterfrequenz bezüglich der ersten Durchgangsfrequenz ωC1 und der zweiten Durchgangsfrequenz ωC2 eine Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Filterfrequenz nur auf Grundlage eines Verhältnisses zwischen der Trägheit des anzutreibenden mechanischen Systems und der Trägheit des Motors ermittelt. Infolgedessen ist ein Unterschied zwischen der ersten Durchgangsfrequenz ωC1 und der zweiten Durchgangsfrequenz ωC2 klein, wenn die Trägheit der Last nicht so hoch ist, was folglich zu einer geringen Wirkung der Verringerung der Verstärkung hoher Frequenzen mittels des Filters führt. Ferner unterscheiden sich praktische mechanische Systeme von den oben erwähnten idealen Zwei-Trägheiten-Systemen und haben sie in vielen Fällen komplizierte Charakteristiken mit einer Vielzahl von Resonanzen und ist ein Faktor wie eine Totzeit in der Rückführungsschleife enthalten. Da die in Patentliteratur 2 beschriebene Parametereinstelleinheit diese Punkte nicht betrifft, kann die Geschwindigkeitsverstärkung einer Geschwindigkeitsregelung in manchen Fällen nicht genügend erhöht werden, was die Realisierung einer hochgenauen Regelung erschwert.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Umstände geschaffen, und eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Motorregelvorrichtung bereitzustellen, welche eine sehr schnelle, hochgenaue Regelung für mechanische Systeme mit einem so breiten Bereich von Charakteristiken wie möglich realisieren kann.
  • Problemlösung
  • Um die oben genannten Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Motorregelvorrichtung bereit, welche einen in einem Regelobjekt enthaltenen Motor ansteuert, wobei die Motorregelvorrichtung aufweist: eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, welche eine Bewegungsgeschwindigkeit des Motors erfasst und eine Erfassungsgeschwindigkeit ausgibt; eine Regelungs-Recheneinheit, welche einen Antriebskraft-Befehl für den Motor so berechnet, dass die Erfassungsgeschwindigkeit mit einem Geschwindigkeitsbefehl in Einklang gebracht wird; eine Verstärkerkompensationseinheit, welche eine Berechnung des Multiplizierens einer Rückführungs-Übertragungsfunktion, welche eine Übertragungsfunktion von der Erfassungsgeschwindigkeit zum Antriebskraft-Befehl ist, mit einer Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der Regelungs-Recheneinheit durchführt; ein Rückführungsfilter, welches Filterkennlinien hat, bei welchen eine Frequenzgang-Verstärkung bei Frequenzen unter oder gleich einer Filter-Eckfrequenz im Wesentlichen eins ist, eine Frequenzgang-Verstärkung in einem Bereich von der Filter-Eckfrequenz bis zu einer über der Filter-Eckfrequenz liegenden oberen Filter-Grenzfrequenz mit zunehmender Frequenz abnimmt und eine Frequenzgang-Verstärkung bei Frequenzen gleich oder über der oberen Filter-Grenzfrequenz im Wesentlichen konstant ist, und eine Berechnung durchführt, um die Filterkennlinien auf die Rückführungs-Übertragungsfunktion in der Regelungs-Recheneinheit anzuwenden; eine Regelungskonstanten-Einstelleinheit, welche die Geschwindigkeitsverstärkung Kv sowie die Filter-Eckfrequenz oder die obere Filter-Grenzfrequenz oder beide entsprechend einer Eingabe von außen einstellt; und eine Antriebskraft-Regeleinheit, welche den Motor so ansteuert, dass eine Antriebskraft des Motors mit dem Antriebskraft-Befehl in Einklang gebracht wird, wobei die Regelungskonstanten-Einstelleinheit die Geschwindigkeitsverstärkung Kv sowie die Filter-Eckfrequenz oder die obere Filter-Grenzfrequenz oder beide so einstellt, dass ein Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz zur Filter-Eckfrequenz mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv abnimmt.
  • Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können Verstärkungen bei höheren Frequenzen verringert werden, während ein Frequenzbereich, in welchem die Phase eines Rückführungsfilters nacheilt, sich mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv verengt. Daher kann eine sehr schnelle, hochgenaue Regelung für ein mechanisches System mit einem möglichst breiten Bereich von Charakteristiken realisiert werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockschaltbild, welches eine Motorregelvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist ein Schaubild, welches einen Frequenzgang eines Regelobjekts der Motorregelvorrichtung zeigt.
  • 3 ist ein Schaubild, welches einen Frequenzgang eines Rückführungsfilters gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 4 ist ein Schaubild, welches einen rückführungslosen Frequenzgang in der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 5 ist ein Schaubild, welches eine Wirkung der ersten Ausführungsform durch Vergleich von rückführungslosen Frequenzgängen zeigt.
  • 6 ist ein Blockschaltbild, welches eine Motorregelvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 7 ist ein Schaubild, welches einen Frequenzgang eines Rückführungsfilters gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 8 ist ein Schaubild, welches einen rückführungslosen Frequenzgang in der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 9 ist ein Blockschaltbild, welches eine Motorregelvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden nun Ausführungsformen einer Motorregelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
  • Erste Ausführungsform.
  • 1 ist ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Konfiguration einer Motorregelvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine Motorregelvorrichtung 101 veranlasst einen Motor 1, ein Drehmoment (eine Antriebskraft) τm zur Bewegung des Motors 1 zu erzeugen, um dem Bewegungsbefehl auf Grundlage eines Geschwindigkeitsbefehls vr als eines von außen eingegebenen Bewegungsbefehls, einer mittels eines Bewegungsgebers (nicht gezeigt) wie eines Codierers erfassten Bewegung (Geschwindigkeit) vm des Motors 1 und eines durch Eingabe von außen eingestellten Ansprechparameters Pr zu folgen. Durch Erzeugung des Drehmoments τm treibt der Motor 1 ein den Motor 1 und eine mit dem Motor 1 verbundene mechanische Last 2 enthaltendes mechanisches System 3 an. Während vorausgesetzt wird, dass der Motor 1 ein Rotationsmotor ist und unten Begriffe eines Rotationssystems einschließlich eines Drehmoments verwendet werden, ist der Motor 1 nicht sonderlich auf den Rotationstyp beschränkt und kann er ein Linearmotor sein, welcher einen Schub (eine Antriebskraft) erzeugt.
  • Die Motorregelvorrichtung 101 enthält eine Drehmoment-Regeleinheit (Antriebskraft-Regeleinheit) 4, eine Geschwindigkeitserfassungseinheit 5, eine Regelungs-Recheneinheit 102 und eine Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105.
  • Die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 berechnet eine Geschwindigkeit, mit welcher der Motor 1 sich auf Grundlage der erfassten Bewegung vm des Motors 1 bewegt, und gibt die berechnete Geschwindigkeit als eine Erfassungsgeschwindigkeit vb aus. Die Regelungs-Recheneinheit 102 enthält eine Verstärkerkompensationseinheit 103, welche eine Kompensationsverstärkungsberechnung durchführt, und ein Rückführungsfilter 104, welches eine Filterberechnung durchführt, und gibt einen durch Berechnung der Rückführungsregelung für die Erfassungsgeschwindigkeit vb erhaltenen Drehmomentbefehl τr aus, um dem Geschwindigkeitsbefehl vr auf Grundlage des Geschwindigkeitsbefehls vr als des Bewegungsbefehls und der Erfassungsgeschwindigkeit vb zu folgen. Die Drehmoment-Regeleinheit 4 regelt einen Strom des Motors 1, wodurch sie eine Regelung durchführt, um das durch den Motor 1 erzeugte Drehmoment τm an den Drehmomentbefehl τr anzugleichen.
  • Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 stellt Charakteristiken des Rechenbetriebs der die Verstärkerkompensationseinheit 103 und das Rückführungsfilter 104 enthaltenden Regelungs-Recheneinheit 102, das heißt, beim Rechnen auf Grundlage des auf eine später erläuterte Weise von außen eingestellten Ansprechparameters Pr zu verwendende Konstanten, ein.
  • Rechenbetrieb der Regelungs-Recheneinheit 102
  • Nun wird ein Rechenprozess der die Verstärkerkompensationseinheit 103 und das Rückführungsfilter 104 enthaltenden Regelungs-Recheneinheit 102 erläutert.
  • Die Regelungs-Recheneinheit 102 empfängt den Geschwindigkeitsbefehl vr und die Erfassungsgeschwindigkeit vb. In der Regelungs-Recheneinheit 102 führt die Verstärkerkompensationseinheit 103 eine Berechnung einer üblichen Proportional-Integral-Regelung für die Erfassungsgeschwindigkeit vb durch, um dem Geschwindigkeitsbefehl vr auf Grundlage des Geschwindigkeitsbefehls vr und der Erfassungsgeschwindigkeit vb zu folgen. Das heißt, eine Berechnung gemäß dem folgenden Ausdruck wird durch Proportionalkompensation des Multiplizierens einer Geschwindigkeitsabweichung, welche eine Abweichung zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl vr und der Erfassungsgeschwindigkeit vb ist, mit einer Geschwindigkeitsverstärkung Kv und Integralkompensation, bei welcher der Kehrwert einer Integrationskonstanten ωi ist, durchgeführt, um ein Kompensationsdrehmoment τc als eine Zwischenvariable in der Regelungs-Recheneinheit 102 auszugeben. Im nächsten und in den anschließenden Ausdrücken ist ”s” ein Laplace-Operator und bezeichnet 1/s eine Integration. τc = Kv·{1 + (ωi/s)}(vr – vb) (Ausdruck 1)
  • Das Rückführungsfilter 104 empfängt das aus der Verstärkerkompensationseinheit 103 ausgegebene Kompensationsdrehmoment τc als eine Eingabe und gibt durch Berechnung einer Übertragungsfunktion F(s) den Drehmomentbefehl τr aus, um die Frequenzgang-Verstärkung bei über einer vordefinierten Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzen relativ zu verringern. Das Rückführungsfilter 104 hat als eine Filtereigenschaft Frequenzgang-Kennlinien, bei welchen die Verstärkung in einem unter der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden niedrigen Frequenzbereich im Wesentlichen eins ist, die Verstärkung in einem Zwischenfrequenzbereich von der Filter-Eckfrequenz ωfL bis zu einer über der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH mit zunehmender Frequenz abnimmt und die Verstärkung in einem über der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH liegenden hohen Frequenzbereich im Wesentlichen konstant ist. Der Inhalt eines Rechenprozesses des Rückführungsfilters 104 wird später ausführlich erläutert.
  • Während Phasengänge des Rückführungsfilters 104 oben nicht erwähnt sind, befindet sich ein für die Rückführungsregelung zu verwendendes Filter praktisch in einer als Minimal phasenverschiebungssystem bezeichneten Kategorie, und folglich werden die Phasengänge eindeutig ermittelt, wenn die Kennlinien der Frequenzgang-Verstärkung ermittelt werden. Speziell wenn es die oben genannten Verstärkungskennlinien aufweist, hat das Rückführungsfilter 104 demgemäß Phasengänge, bei welchen die Phase im Zwischenfrequenzbereich relativ nacheilt.
  • Durch diese Berechnung führt die Regelungs-Recheneinheit 102 eine Berechnung durch, in welcher eine Übertragungsfunktion (im folgenden als Rückführungs-Übertragungsfunktion beschrieben) von der Erfassungsgeschwindigkeit vb zum Drehmomentbefehl τr durch den folgenden (Ausdruck 2) dargestellt wird. Das heißt, die Regelungs-Recheneinheit 102 führt eine Berechnung durch, um durch die Berechnung der Verstärkerkompensationseinheit 103 die Rückführungs-Übertragungsfunktion mit der Geschwindigkeitsverstärkung Kv zu multiplizieren und durch die Berechnung des Rückführungsfilters 104 die oben erwähnten Filterkennlinien auf die Rückführungs-Übertragungsfunktion anzuwenden. τr/vb = –F(s)·Kv{(s + Kpi)/s} (Ausdruck 2)
  • Charakteristiken des Regelobjekts
  • Nun werden nachfolgend allgemeine Charakteristiken des durch die Motorregelvorrichtung 101 gemäß der vorliegenden Erfindung anzutreibenden mechanischen Systems 3, der Drehmoment-Regeleinheit 4 und der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 erläutert. Während die Rechencharakteristiken der Regelungs-Recheneinheit 102, welche die Berechnung des Drehmomentbefehls τr auf Grundlage der Erfassungsgeschwindigkeit vb durchführt, gemäß den Charakteristiken des anzutreibenden mechanischen Systems 3 eingestellt werden, sind die Drehmoment-Regeleinheit 4 und die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 so konfiguriert, dass sie normalerweise feste Charakteristiken haben, welche nicht von den Charakteristiken des mechanischen Systems 3 abhängen. Daher werden Charakteristiken vom Drehmomentbefehl τr zur Erfassungsgeschwindigkeit vb, das heißt, wird ein kombinierter Teil aus der Drehmoment-Regeleinheit 4, dem mechanischen System 3 und der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 als ein Regelobjekt bezeichnet.
  • Zuerst werden Charakteristiken in einem Fall, in welchem vorausgesetzt wird, dass das mechanische System 3 ein idealer starrer Körper ist, erläutert. In diesem Fall hat eine Übertragungsfunktion vom durch den Motor 1 erzeugten Drehmoment τm zum mechanischen System 3, das heißt, zur tatsächlichen Bewegungsgeschwindigkeit des Motors 1, reine Integralcharakteristiken. Das heißt, mit zunehmender Frequenz nimmt die Verstärkung des Frequenzgangs mit einer Steilheit von –20 [dB/Dek] ab und beträgt die Phase konstant –90 [Grad]. Indessen weisen die Charakteristiken der Drehmoment-Regeleinheit 4, das heißt, die Übertragungskennlinien des durch den Motor 1 in Reaktion auf den Drehmomentbefehl τr erzeugten Drehmoments τm eine gewisse Verzögerung auf. Die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 berechnet die Erfassungsgeschwindigkeit vb zum Beispiel durch eine Differenzoperation einer Ausgabe des Codierers, welcher die Bewegung des Motors 1 wie oben erwähnt erfasst hat. Jedoch ist zur Übertragung eines Signals und für den Rechenprozess eine gewisse Zeit erforderlich, und deshalb wird die Erfassungsgeschwindigkeit vb ein Signal mit einer gewissen Verzögerung gegenüber der Geschwindigkeit, mit welcher sich der Motor 1 tatsächlich bewegt.
  • 2 veranschaulicht einen Frequenzgang des die Drehmoment-Regeleinheit 4, das mechanische System 3 und die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 enthaltenden Regelobjekts, das heißt, Charakteristiken vom Drehmomentbefehl τr zur Erfassungsgeschwindigkeit vb. Durchgezogene Linien in 2 geben Kennlinien in einem Fall, in welchem das mechanische System 3 der oben erwähnte ideale starre Körper ist, an. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Verstärkung des Regelobjekts im Wesentlichen mit –20 [dB/Dek] ab, ähnlich dem mechanischen System 3. Die Phase hat Kennlinien, bei welchen die Phasenverzögerung mit zunehmender Frequenz zunimmt, weil die Drehmoment-Regeleinheit 4 und die Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 eine gewisse Verzögerung aufweisen, welche wie oben erwähnt, an die Totzeit angenähert wird.
  • Hierin wird eine Frequenz, bei welcher die Summe in der Drehmoment-Regeleinheit 4 und der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 auftretender Phasenverzögerungen –90 [Grad] beträgt, als eine Phasenbezugsfrequenz ωq bezeichnet. Wie in 2 gezeigt, geht der Phasengang des Regelobjekts bei der Phasenbezugsfrequenz ωq auf –180 [Grad].
  • Die Phasenbezugsfrequenz ωq wird nur durch die Phasenverzögerungs-Kennlinien der Drehmoment-Regeleinheit 4 und der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 bestimmt und kann folglich durch Ermitteln des Frequenzgangs vom Drehmomentbefehl τr zur Erfassungsgeschwindigkeit vb in einem Zustand, in welchem nur der Motor 1 von der Motorregelvorrichtung 101 angeregelt wird, ermittelt werden. Alternativ kann die Phasenbezugsfrequenz ωq als eine Frequenz einer Schwingung ermittelt werden, welche auftritt, wenn die Regelungs-Recheneinheit 102 veranlasst wird, Charakteristiken einer einfachen Geschwindigkeits-Proportionalregelung zu haben, und die Regelverstärkung derselben im gleichen Zustand, in welchem nur der Motor 1 angeregelt wird, erhöht wird. Das heißt, die Phasenbezugsfrequenz ωq kann im Voraus ermittelt werden, ohne dass die mechanische Last 2 tatsächlich mit dem Motor 1 verbunden ist und angetrieben wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasenbezugsfrequenz beispielhaft als 10000 [rad/s] definiert.
  • Nun werden praktische Charakteristiken in einem Fall, in welchem das mechanische System 3 kein idealer starrer Körper ist, erläutert. Bedingt durch eine geringe Steifigkeit einer Kupplung oder Welle (nicht gezeigt), welche den Motor mit der mechanischen Last 2 verbindet, oder der mechanischen Last 2 selbst, weist das mechanische System 3 gewöhnlich eine Vielzahl von mechanischen Resonanzen auf. In vielen Motoren für industrielle Anwendungen sind ferner der Motor 1 und ein Bewegungsgeber wie ein Codierer (nicht gezeigt) in einer zusammengefassten Weise konfiguriert und wird eine als Kollokation bezeichnete Bedingung erfüllt, bei welcher ein Antriebskrafterzeugungsteil und ein Bewegungserfassungsteil nah genug beieinander liegen. In diesem Fall ist theoretisch bekannt, dass mit zunehmender Frequenz abwechselnd Antiresonanzen und Resonanzen auftreten und dass in einer Übertragungsfunktion von einem Erzeugungsdrehmoment des Motors 1 zu einer tatsächlichen Geschwindigkeit des Motors 1 die Phase nicht um mehr als –90 [Grad] nacheilt. Das heißt, die Phasenverzögerung wird über alle Frequenzen nicht größer als in dem Fall, in welchem das mechanische System 3 ein idealer starrer Körper ist.
  • Die gestrichelten Linien in 2 geben ein Beispiel des Frequenzgangs vom Drehmomentbefehl τr zur Erfassungsgeschwindigkeit vb in einem Fall an, in welchem das mechanische System 3 kein idealer starrer Körper ist, das heißt, in einem Fall, in welchem die Steifigkeit gering ist und es mechanische Resonanzen gibt. Wie in 2 gezeigt, treten mit zunehmender Frequenz abwechselnd Antiresonanzen, welche Kerbcharakteristiken der Verstärkung zeigen, und Resonanzen, welche Spitzencharakteristiken zeigen, auf. Ferner nimmt die Verstärkung zwischen der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz mit zunehmender Frequenz zu. Gegenüber dem durch die durchgezogene Linie angegebenen Fall, in welchem das mechanische System 3 ein idealer starrer Körper ist, nimmt infolgedessen die Verstärkung gewöhnlich mit zunehmender Frequenz zu. Die Verstärkungszunahmen bei höheren Frequenzen sind gewöhnlich größer, wenn die Trägheit des Motors 1 geringer als die Trägheit des gesamten mechanischen Systems 3 ist. Indessen sind die Phasengänge so beschaffen, dass, während die Phase sich mit zunehmender Frequenz bei den Antiresonanzfrequenzen in einer Vorausrichtung um 180 [Grad] und bei den Resonanzfrequenzen in einer Verzögerungsrichtung um 180 [Grad] ändert, die Phase gegenüber dem Fall, in welchem das mechanische System 3 ein idealer starrer Körper ist, nicht verzögert wird. Infolgedessen eilt die Phase bei Frequenzen unter der oben erwähnten Phasenbezugsfrequenz ωq um nicht mehr als –180 [Grad] nach.
  • Einzelheiten des Rückführungsfilters 104
  • Einzelheiten der Konfiguration des Rückführungsfilters 104 gemäß der ersten Ausführungsform werden nachfolgend erläutert. Das Rückführungsfilter 104 hat eine Übertragungsfunktion mit einem Nenner und einem Zähler, welche jeweils die gleiche vordefinierte Ordnung n haben (n ist eine Ganzzahl größer als oder gleich eins). Das heißt, das Rückführungsfilter 104 führt eine durch die Übertragungsfunktion des folgenden Ausdrucks, welcher ein Nennerpolynom Df(s) und ein Zählerpolynom Nf(s), welche jeweils Polynome n-ter Ordnung von s sind, verwendet, dargestellte Berechnung durch. F(s) = Nf(s)/Df(s) (Ausdruck 3)
  • Das Rückführungsfilter 104 in der vorliegenden Ausführungsform führt eine Berechnung durch, in welcher das Nennerpolynom Df(s) und das Zählerpolynom Nf(s) durch Produkte von n Polynomen wie den folgenden, Frequenzen von n Polen (im folgenden einfach ”Pole”) ωp_i [rad/s] beziehungsweise Frequenzen von n Nullstellen (im folgenden einfach ”Nullstellen”) ωz_i [rad/s] verwendenden Ausdrücken dargestellt werden. In diesem Fall ist jedes der ”i” in ”_i”, welches das Suffix angibt, eine Ganzzahl von 1 bis n. Df(s) = {(1/ωp_1)s + 1} ... {(1/ωp_n)s + 1} (Ausdruck 4) Nf(s) = {(1/ωz_1)s + 1} ... {(1/ωz_n)s + 1} (Ausdruck 5)
  • In (Ausdruck 4) und (Ausdruck 5) sind die n Pole ωp_i mit den Suffixen i in aufsteigender Reihenfolge zugeordnet und sind entsprechend die n Nullstellen ωz_i mit den Suffixen i in aufsteigender Reihenfolge zugeordnet. Der erste oder niedrigste Pol ωp_1 gehört zu der oben genannten Filter-Eckfrequenz ωfL, die n-te oder höchste Nullstelle ωz_n gehört zu der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH, und die Pole vom ersten bis zum n-ten Pol ωp_i und die Nullstellen ωz_i sind so eingestellt, dass Pole und Nullstellen sich in aufsteigender Reihenfolge ihrer Absolutwerte abwechseln. Das heißt, die Pole ωp_i und die Nullstellen ωz_i sind so eingestellt, dass sie die folgende Beziehung haben. ωfL = ωp_1 < ωz_1 < ... < ωp_n < ωz_n = ωfH (Ausdruck 6)
  • Infolge dieser Einstellung sind die Frequenzgang-Kennlinien des durch (Ausdruck 3) bis (Ausdruck 5) dargestellten Rückführungsfilters F(s) so beschaffen, dass die Verstärkung in einem unter der Filter-Eckfrequenz ωfL, das heißt dem niedrigsten Pol ωp_1, liegenden niedrigen Frequenzbereich im Wesentlichen eins ist, die Verstärkung in einem Zwischenfrequenzbereich zwischen der Filter-Eckfrequenz ωfL und der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH mit zunehmender Frequenz abnimmt und die Verstärkung in einem über der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH, das heißt der höchsten Nullstelle ωz_n, liegenden hohen Frequenzbereich im Wesentlichen konstant ist, um auf Gh, dargestellt durch den folgenden (Ausdruck 7), hin zu konvergieren, wie in 3 gezeigt, welche später ausführlich erläutert wird. Gh = (ωz_1 ... ωz_n)/(ωp_1 ... ωp_n) (Ausdruck 7)
  • Ferner sind die Phasengänge der Übertragungsfunktion F(s) des Rückführungsfilters 104 so beschaffen, dass die Phase im Zwischenfrequenzbereich zwischen der Filter-Eckfrequenz ωfL und der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zwischen –90 [Grad] und 0 [Grad] beträgt, die Phase im niedrigen, unter der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzbereich mit abnehmender Frequenz gegen null geht, und die Phase im hohen, über der oberen Filter-Grenzfrequenz liegenden Frequenzbereich mit zunehmender Frequenz gegen null geht. Daher hat das Rückführungsfilter F(s) Kennlinien, bei welchen die Phase über alle Frequenzen größer als –90 [Grad] ist.
  • Betrieb der Regelungskonstanten-Einstelleinheit
  • Nun werden Grundzüge des Betriebs der Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 erläutert. Der Ansprechparameter Pr wird von außen in die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 eingegeben. Der Ansprechparameter Pr dient zum Einstellen einer Ansprechgeschwindigkeit der Motorregelvorrichtung 101, welche veranlasst, die Erfassungsgeschwindigkeit vb mit dem Geschwindigkeitsbefehl vr in Einklang zu bringen, und kann entweder ein stetiger Wert wie eine die Ansprechgeschwindigkeit angebende Frequenz oder eine Zeitkonstante oder ein Kehrwert derselben oder ein stufenweiser Parameter wie groß/mittel/klein sein. Der Ansprechparameter Pr wird entsprechend einer Anwendung, auf welche die Motorregelvorrichtung 101 angewendet wird, und/oder Charakteristiken des anzutreibenden mechanischen Systems 3 sowie unter Berücksichtigung der Stabilität des Regelungssystems oder einer gewünschten Ansprechgeschwindigkeit bestimmt. Die Geschwindigkeitsverstärkung Kv selbst kann als der Ansprechparameter Pr eingegeben werden.
  • Wenn die Ansprechgeschwindigkeit der Motorregelvorrichtung 101 höher eingestellt werden soll, erhält die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 eine Eingabe des Ansprechparameters Pr, um die Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der Berechnung von (Ausdruck 1) in der Verstärkerkompensationseinheit 103 der Regelungs-Recheneinheit 102 auf einen höheren Wert einzustellen. Der Kehrwert ωi der Integralzeitkonstanten wird auf einen etwa 0,1- bis 0,5-mal so großen Wert wie eine durch Dividieren der Geschwindigkeitsverstärkung Kv durch einen Trägheitswert J des mechanischen Systems 3 erhaltene Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc eingestellt. Gleichzeitig mit dieser Einstellung der Verstärkerkompensationseinheit 103 stellt die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 die Charakteristiken des Rückführungsfilters 104 wie folgt ein. Der Trägheitswert J kann als ein Einstellwert von außen eingegeben werden oder kann durch Schätzung auf Grundlage des Drehmomentbefehls τr und der Erfassungsgeschwindigkeit vb geschätzt werden.
  • Außerdem stellt die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 die Filter-Eckfrequenz ωfL auf einen Wert zwischen einem ähnlichen Wert und einem etwas größeren Wert als die Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc, üblicherweise auf einen ungefähr 1- bis 5-mal so großen Wert wie die Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc ein. Die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH wird auf einen etwas kleineren Wert als die oben erwähnte Phasenbezugsfrequenz ωq, gewöhnlich auf einen ungefähr 0,2- bis 1-mal mal so großen Wert wie die Phasenbezugsfrequenz ωq eingestellt. Zur Vereinfachung der Erläuterungen bezieht sich die Beschreibung auf einen Fall, in welchem die Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc genügend niedriger als die Phasenbezugsfrequenz ωq ist und demgemäß die Filter-Eckfrequenz ωfL kleiner als die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH in der oben erwähnten Einstellung eingestellt wird.
  • In einem Fall, in welchem ein bestimmtes mechanisches System 3 anzutreiben ist, nimmt die Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc, wenn die Geschwindigkeitsverstärkung Kv erhöht wird, proportional zur Geschwindigkeitsverstärkung Kv zu. Indessen hat die Phasenbezugsfrequenz ωq einen Wert, der nicht von der Geschwindigkeitsverstärkung Kv abhängt. Daher führt die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 die Einstellung so durch, dass ein Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL abnimmt, wenn die Geschwindigkeitsverstärkung Kv entsprechend einer Eingabe des Ansprechparameters Pr erhöht wird. Mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv verengt sich infolgedessen der oben erwähnte Zwischenfrequenzbereich, das heißt, ein Frequenzbereich, in welchem die Phasenverzögerung des Rückführungsfilters 104 groß ist, auf einer logarithmischen Achse.
  • Beim Betrieb der oben erwähnten Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 hat das Rückführungsfilter 104 Frequenzgang-Kennlinien, bei welchen die Verstärkung bei etwas höheren Frequenzen als der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc verringert wird, ohne die Phasenverzögerung nahe der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc zu sehr zu erhöhen und außerdem die Phasenverzögerung nahe der Phasenbezugsfrequenz ωq zu sehr zu verringern.
  • Einzelheiten der Rückführungsfilter-Einstellung
  • Nachfolgend werden Einzelheiten der durch die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105, deren Betrieb oben in Grundzügen erläutert wurde, durchgeführten Einstellung des Rückführungsfilters 104 erläutert. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 berechnet eine obere Bezugsfrequenz ωH durch Multiplizieren der Phasenbezugsfrequenz ωq mit einer vordefinierten Konstanten rH. Die Konstante rH liegt im Wesentlichen in einem Bereich von 0,2 bis 1. Da die Phasenbezugsfrequenz ωq und die Konstante rH vorher definiert werden können, kann die obere Bezugsfrequenz ωH selbst vorher definiert werden. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 berechnet außerdem durch Multiplizieren der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc, welche entsprechend dem eingegebenen Ansprechparameter Pr bestimmt wird, mit einer vordefinierten Konstante rL eine untere Bezugsfrequenz ωL. Die Konstante rL ist im Wesentlichen in einem Bereich von 1 bis 5 eingestellt. Das heißt, die obere Bezugsfrequenz ωH und die untere Bezugsfrequenz ωL werden in den folgenden Ausdrücken berechnet. ωH = rH·ωq (Ausdruck 8) ωL = rL·ωc (Ausdruck 9)
  • In der Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 werden den Polen ωp_i des Filters, deren Anzahl der oben genannten Ordnung n des Rückführungsfilters 104 entspricht, entsprechende n Konstanten αp_i und den n Nullstellen ωz_i entsprechende n Konstanten αz_i (i ist eine Ganzzahl von 1 bis n) vorher so eingestellt, dass sie eine Beziehung gemäß dem folgenden (Ausdruck 10) erfüllen. 0 ≤ αp_1 < αz_1 < ... < αp_n < αz_n ≤ 1 (Ausdruck 10)
  • Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 berechnet die n Pole ωp_i und die n Nullstellen ωz_i im Rückführungsfilter 104 durch die folgenden Ausdrücke, welche die obere Bezugsfrequenz ωH, die untere Bezugsfrequenz ωL und die vorher eingestellten n Konstanten αp_i und n Konstanten αz_i verwenden, und stellt die berechneten Pole und Nullstellen ein. ωp_i = {ωL^(1 – αp_i)}·ωH^(αp_i) (Ausdruck 11) ωz_i = {ωL^(1 – αz_i)}·ωH^(αz_i) (Ausdruck 12)
  • Bei der Einstellung gemäß den obigen Ausdrücken wird der i-te Pol ωp_i auf eine durch Aufteilen eines Bereichs zwischen der oberen Bezugsfrequenz ωH und der unteren Bezugsfrequenz ωL in einem Verhältnis von αp_i:(1 – αp_i) auf einer Achse, auf welcher die Frequenz logarithmisch ausgedrückt ist, erhaltene Frequenz eingestellt. Entsprechend wird die i-te Nullstelle ωz_i auf eine durch Aufteilen des Bereichs zwischen der oberen Bezugsfrequenz ωH und der unteren Bezugsfrequenz ωL in einem Verhältnis von αz_i:(1 – αz_i) auf der logarithmischen Achse erhaltene Frequenz eingestellt. Da ωp_1 die Filter-Eckfrequenz ωfL ist und ωz_n die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH ist, wie oben erwähnt, werden die Pole und die Nullstellen des Rückführungsfilters 104 so eingestellt, dass sie (Ausdruck 6) erfüllen, indem die Konstanten αp_i und αz_i gemäß (Ausdruck 10) eingestellt werden.
  • In der Berechnung gemäß (Ausdruck 11) und (Ausdruck 12) wird eine Berechnung mit einem Exponenten einer rationalen Zahl, der nicht kleiner als 0 und nicht größer als 1 ist und der nicht auf eine Ganzzahl beschränkt ist, unter Verwendung der Konstanten αp_i und αz_i durchgeführt. Zur Realisierung dieser Berechnung ist es vorzuziehen, die n Konstanten αp_i und die n Konstanten αz_i so auszuwählen, dass sie (Ausdruck 10) erfüllen und durch Produkte von Werten, welche man durch Multiplizieren von (1/2) mit sich selbst so oft wie durch eine vordefinierte Ganzzahl ”a” beziehungsweise eine vordefinierte Ganzzahl ”b” angegeben erhalten hat, dargestellt werden. Die Zahl ”a” der Anzahl der Multiplikationen von (1/2) kann verschiedene Werte entsprechend ”i” oder zwischen αp_i und αz_i haben. Entsprechend kann die Ganzzahl ”b” verschiedene Werte entsprechend ”i” oder zwischen αp_i und αz_i haben. In (Ausdruck 11) und (Ausdruck 12) können auf diese Weise Potenzierungsoperationen mit αp_i und αz_i, welche keine Ganzzahlen sind, als Exponenten zum Beispiel durch ”a” Sätze von Quadratwurzeloperationen und ”b” Sätze von Multiplikationsoperationen für die obere Bezugsfrequenz ωH realisiert werden und können sie ohne Verwendung einer kostspieligen Rechenvorrichtung selbst mit einer Berechnung, die darin installiert sein kann, realisiert werden.
  • Ein theoretischer Hintergrund bezüglich der Einstellung des Rückführungsfilters 104 durch die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 ist nachfolgend angegeben. Zur Erleichterung der theoretischen Erläuterungen wird vorausgesetzt, dass ωfL << ωfH und dass die Ordnung n des Rückführungsfilters 104 ist eine genügend große Ganzzahl ist. Es ist der zu betrachtende Fall, dass die durch (Ausdruck 6) dargestellte Größenbeziehung und die gleiche Beziehung wie diejenige im Näherungsrealisierungsverfahren einer in Kapitel 5 in Nicht-Patentliteratur 1 beschriebenen Integration gebrochener Ordnung für die Pole ωp_i und die Nullstellen ωz_i des Rückführungsfilters 104 bereitgestellt werden.
  • Hierzu werden die n Konstanten αp_i und die n Konstanten αz_i so, dass sich arithmetische Folgen mit Intervallen Δα zwischen jeweils benachbarten Konstanten ergeben, und außerdem auf eine Weise, dass eine Differenz zwischen αz_i und αp_i k-mal (0 < k < 1) so groß wie Δα ist, eingestellt. In diesem Fall wird die Übertragungsfunktion F(s) des Rückführungsfilters 104 bei Frequenzen zwischen ωfL und ωfH an Kennlinien einer durch den folgenden Ausdruck dargestellten Integration gebrochener Ordnung angenähert. Die Konstante k im folgenden Ausdruck ist eine rationale Zahl, welche die Bedingung 0 < k < 1 erfüllt. F(s) = 1/(s^k) (Ausdruck 13)
  • Die Phase der durch (Ausdruck 13) dargestellten Integration gebrochener Ordnung der k-ten Ordnung ist konstant und beträgt –90k [Grad]. Daher ist es, wenn die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 und das Rückführungsfilter 104 wie in der vorliegenden Ausführungsform konfiguriert sind und ωp_i und ωz_i so eingestellt sind, dass die gebrochene Ordnung k auf Grundlage des theoretischen Hintergrunds einen gewünschten Wert hat, möglich, die Phase so einzustellen, dass sie in einem Frequenzbereich zwischen ωfL und ωfH, selbst wenn der Frequenzbereich breit ist, einen gewünschten Wert zwischen –90 [Grad] und 0 [Grad] hat.
  • Spezielles Beispiel
  • Die Regelung durch die Motorregelvorrichtung 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird unter Verwendung von Zahlenwerten speziell erläutert. 3 veranschaulicht einen Frequenzgang der Übertragungsfunktion F(s) des Rückführungsfilters 104 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. In diesem speziellen Beispiel ist die Ordnung n des Rückführungsfilters 104 zwei. In 3 sind drei Fälle gezeigt, in welchen die Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der Verstärkerkompensationseinheit 103 durch den Betrieb der Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 entsprechend Änderungen des Ansprechparameters Pr in einem Zustand, in welchem eine bestimmte mechanische Last 2 mit dem Motor 1 verbunden ist, auf verschiedene Werte eingestellt ist. Ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv niedrig ist, ist durch durchgezogene Linien angegeben, ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv einen mittleren Wert hat, ist durch gepunktet-gestrichelte Linien angegeben, und ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv hoch ist, ist durch gepunktete Linien angegeben. Die Verstärkung ist in einem oberen Teil von 3 gezeigt, und die Phase ist in einem unteren Teil derselben gezeigt. Die Pole ωp_i des Rückführungsfilters 104 sind mit Dreiecken und die Nullstellen ωz_i sind mit Kreisen unter den jeweiligen Bedingungen im Verstärkungsdiagramm und im Phasendiagramm eingezeichnet. Wie oben erwähnt, entspricht der niedrigste Pol ωz_1 der Filter-Eckfrequenz ωfL und entspricht die höchste Nullstelle ωz_2 der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH.
  • Die Pole ωp_i und die Nullstellen ωz_i des in 3 gezeigten Rückführungsfilters 104 werden durch die oben erwähnte Operation der Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 wie folgt ermittelt. Wie in 2 gezeigt, ist in dem speziellen Beispiel die Phasenbezugsfrequenz ωq, bei welcher die in der Drehmoment-Regeleinheit 4 und der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 auftretende Phasenverzögerung –90 [Grad] beträgt, 10000 [rad/s] und wird die obere Bezugsfrequenz ωH gemäß der Berechnung von (Ausdruck 8) ermittelt, wobei die vordefinierte Konstante rH auf 0,5 eingestellt wird. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 ermittelt dann die Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der Verstärkerkompensationseinheit 103 entsprechend einer Eingabe des Ansprechparameters Pr von außen und erhält die Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc mit einen Wert, welchen man durch Dividieren der Geschwindigkeitsverstärkung Kv durch den Trägheitswert J des mechanischen Systems 3 erhält. Die untere Bezugsfrequenz ωL wird dann gemäß der Berechnung von (Ausdruck 9) ermittelt, wobei die vordefinierte Konstante rL auf Grundlage der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc auf 2,0 eingestellt ist. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 verwendet dann die vorher ermittelten Konstanten αp_i und αz_i (i = 1, 2) so, dass sie eine Beziehung des folgenden Ausdrucks erfüllen, um die Pole ωp_i und die Nullstellen ωz_i des Rückführungsfilters 104 gemäß (Ausdruck 11) und (Ausdruck 12) einzustellen. 0 = αp_1 < αz_1 < αp_2 < αz_2 < 1 (Ausdruck 14)
  • Da αp_1 auf 0 eingestellt ist, wie im obigen Ausdruck gezeigt, wird ωp_1, das heißt die Filter-Eckfrequenz ωfL, in dem speziellen Beispiel als gleich der unteren Bezugsfrequenz ωL ermittelt, was ein konstantes Vielfaches der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc ist.
  • Wenn die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 die Charakteristiken des Rückführungsfilters 104 wie oben erwähnt einstellt, hat die Übertragungsfunktion F(s) des Rückführungsfilters 104 Frequenzgang-Kennlinien, bei welchen die Verstärkung bei über der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzen abnimmt, die Verstärkung in einem unter der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzbereich im Wesentlichen eins ist, die Verstärkung in einem Zwischenfrequenzbereich zwischen der Filter-Eckfrequenz ωfL und der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH mit zunehmender Frequenz abnimmt und die Verstärkung in einem über der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH liegenden Frequenzbereich im Wesentlichen konstant ist, wie im Verstärkungsdiagramm in 3 gezeigt. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 stellt außerdem ein Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL auf Grundlage des Ansprechparameters Pr so ein, dass es mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv abnimmt.
  • Wie im Phasendiagramm in 3 gezeigt, sind die Phasengänge des Rückführungsfilters 104 so beschaffen, dass ihre Phase im gesamten Frequenzbereich größer als –90 [Grad] ist, und ist die Phase insbesondere bei niedriger Geschwindigkeitsverstärkung Kv fast konstant, wobei sie, aufgrund einer Wirkung der abwechselnden Anordnung der Pole ωp_i und der Nullstellen ωz_i des Rückführungsfilters 104 wie oben erwähnt, in einem breiten Frequenzbereich zwischen der Filter-Eckfrequenz ωfL und der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH einen ungefähr 30 [Grad] größeren Wert als –90 [Grad] hat. Solche Charakteristiken haben ein Merkmal, welches in einem Fall, in welchem die Ordnung n des Rückführungsfilters 104 eins ist, nicht realisiert werden kann. Da das Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL wie oben erwähnt mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv abnimmt, verengt sich ferner ein dazwischenliegender Zwischenfrequenzbereich, in welchem die Phase nacheilt, auf der logarithmischen Achse.
  • Um eine in der vorliegenden Ausführungsform erzielte vorteilhafte Wirkung zu erläutern, ist in 4 ein Frequenzgang einer rückführungslosen Übertragungsfunktion eines Regelungssystems in einem Fall gezeigt, in welchem vorausgesetzt wird, dass das mechanische System 3 im speziellen Beispiel ein idealer starrer Körper ist.
  • 4 veranschaulicht einen Fall, in welchem die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 die Geschwindigkeitsverstärkung Kv der Verstärkerkompensationseinheit 103 ähnlich 3 entsprechend von außen eingegebenen Änderungen des Ansprechparameters Pr auf drei verschiedene Werte einstellt. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 stellt den Kehrwert ωi der Integralzeitkonstanten so ein, dass er 0,3-mal so groß wie die Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc ist. Ähnlich 3 ist ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv niedrig ist, durch durchgezogene Linien angegeben, ist ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv einen mittleren Wert hat, durch gepunktetgestrichelte Linien angegeben, und ist ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv hoch ist, durch gepunktete Linien angegeben. Selbst wenn die Geschwindigkeitsverstärkung Kv geändert wird, ist, wie aus 4 ersichtlich, eine Phasendurchgangsfrequenz, bei welcher die Phase der rückführungslosen Übertragungsfunktion –180 [Grad] beträgt, fast unverändert und wird sie lediglich etwas niedriger als 10000 [rad/s], was die in 3 gezeigte Phasenbezugsfrequenz ωq ist. In jedem Fall hat die Phasenreserve bei der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc einen hinreichenden Wert und ist sie größer als oder gleich 45 [Grad]. Bei höheren Frequenzen als der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc wird die Reserve größer als oder gleich ungefähr 30 [Grad] bezüglich –180 [Grad] bis zu einer etwas niedrigeren Frequenz als dieser Phasendurchgangsfrequenz gewahrt. Insbesondere bei niedriger Geschwindigkeitsverstärkung Kv ist die Phase konstant, wobei sie in einem breiten Frequenzbereich einen ungefähr 30 [Grad] größeren Wert als –180 [Grad] hat. Solche Charakteristiken haben ein Merkmal, welches in dem Fall, in welchem die Ordnung n des Rückführungsfilters 104 eins ist, nicht realisiert werden kann.
  • Während in 4 der Frequenzgang der rückführungslosen Übertragungsfunktion in dem Fall, in welchem das mechanische System 3 ein idealer starrer Körper ist, gezeigt ist, sehen die Verstärkungskennlinien in dem Fall, in welchem das mechanische System 3 kein idealer starrer Körper ist, insofern anders aus, als eine Resonanzspitze erscheint oder die Verstärkung mit zunehmender Frequenz zunimmt wie oben erwähnt. Was die Phasengänge anbelangt, wird die Phasenverzögerung indessen nicht größer als in dem Fall, in welchem das mechanische System 3 ein in 4 gezeigter idealer starrer Körper ist. Daher wird, selbst wenn die Verstärkung der rückführungslosen Übertragungsfunktion, bedingt durch mechanische Resonanzen oder dergleichen, bei unter der in 4 gezeigten Phasendurchgangsfrequenz liegenden Frequenzen größer als 0 [dB] wird, keine Instabilität hervorgerufen, solange die Verstärkung bei über der Phasendurchgangsfrequenz liegenden Frequenzen nicht 0 [dB] übersteigt. Wenn die Phasendurchgangsfrequenz auf einem hohen Wert gehalten wird, werden demgemäß die mechanischen Resonanzen bei unter der Phasendurchgangsfrequenz liegenden Frequenzen nicht instabil, und folglich kann die Stabilität auf einem so hohen Wert wie möglich gehalten werden.
  • Auf diese Weise, wie in 3 gezeigt, ist die vorliegende Ausführungsform so konfiguriert, dass sich der Frequenzbereich, in welchem die Phasenverzögerung, bedingt durch eine Erhöhung der Geschwindigkeitsverstärkung Kv, groß ist, auf der logarithmischen Achse verengt, um so weit wie möglich zu verhindern, dass die Phasendurchgangsfrequenz niedriger als die Phasenbezugsfrequenz ωq wird, wie in 4 gezeigt, während die Verstärkung bei den hohen Frequenzen in der rückführungslosen Übertragungsfunktion durch den Rückführungsfilter 104 verringert wird. Daher wird das Rückführungsfilter 104, selbst wenn das mechanische System 3 keine Art von starrem Körper ist und zum Beispiel reichlich mechanische Resonanzen aufweist, entsprechend der Einstellung der Geschwindigkeitsverstärkung Kv eingestellt, um durch Verwenden der Charakteristiken des mechanischen Systems, in welchem eine Kollokation hergestellt ist, so weit wie möglich zu verhindern, dass eine Instabilität bewirkt wird. Demgemäß kann ein sehr schnelles, hochgenaues Regelungssystem durch einfache Justierung des allmählichen Erhöhens der Geschwindigkeitsverstärkung Kv entsprechend einer Eingabe des Ansprechparameters Pr stabil realisiert werden.
  • 5 veranschaulicht einen Vergleich von Frequenzgängen einer rückführungslosen Übertragungsfunktion zwischen einem Fall, in welchem die oben beschriebene Motorregelvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, und einem Fall, in welchem das Rückführungsfilter 104 gegen einen vom der vorliegenden Ausführungsform entsprechenden verschiedenen ausgetauscht ist. Durchgezogene Linien geben einen rückführungslosen Frequenzgang in dem Fall an, in welchem die Motorregelvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Als Vergleichsobjekte stellen gepunktet-gestrichelte Linien einen Fall dar, in welchem das Rückführungsfilter 104 in der vorliegenden Ausführungsform gegen einen Direktübertragungszustand, in welchem keine Filteroperation durchgeführt wird, ausgetauscht ist, und stellen gepunktete Linien einen Fall dar, in welchem das Rückführungsfilter 104 gegen einen Tiefpassfilter erster Ordnung ausgetauscht ist, um die Verstärkung in einem hohen Frequenzbereich so weit wie möglich zu verringern. In 5 bezeichnet ein Kreis in jedem der Fälle eine Phasendurchgangsfrequenz und bezeichnet ein Zweirichtungspfeil eine Verstärkungsreserve, welche ein allgemeines Anzeichen der Robustheit ist. Wie aus 5 ersichtlich, ist die Phasendurchgangsfrequenz gemäß der vorliegenden Ausführungsform nur ein wenig niedriger als diejenige im Fall keines Filters und ist sie nicht viel niedriger als im Fall der Verwendung des Tiefpassfilters. Die Verstärkungsreserven betragen ungefähr 60 [dB], ungefähr 40 [dB] und ungefähr 35 [dB] in der vorliegenden Ausführungsform, im Fall keines Filters beziehungsweise im Fall einer Verwendung des Tiefpassfilters, und so erkennt man, dass die Verstärkungsreserve in der vorliegenden Ausführungsform mindestens 20 [dB] höher als in den anderen Fällen ist. Das heißt, es wird festgestellt, dass die Stabilität selbst in einem Fall, in welchem das mechanische System 3 keine Art von idealem starrem Körper ist und eine gewisse mechanische Resonanz aufweist oder selbst in einem Fall, in welchem die Verstärkung hoher Frequenzen, bedingt durch eine niedrige Trägheit des Motors, erhöht ist, je nach diesen Unterschieden in der Reserve zuverlässiger gewahrt wird. Ferner können solche stabilen Regelcharakteristiken lediglich durch Eingabe des Ansprechparameters Pr leicht realisiert werden.
  • Während in den obigen Erläuterungen die Einstelloperation des Rückführungsfilters 104 in der Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 auf Grundlage der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc, welche man durch Dividieren der Geschwindigkeitsverstärkung Kv durch den Trägheitswert des mechanischen Systems 3 erhält, durchgeführt wird, kann zum Beispiel in einem Fall, in welchem ein potentieller Bereich des Trägheitswerts des mechanischen Systems 3 schmal ist, die gleiche Wirkung durch Näherung erzielt werden, ohne einen genauen Trägheitswert J zu verwenden. Während die Einstelloperation des Rückführungsfilters 104 in der Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 auf der vorher ermittelten Phasenbezugsfrequenz ωq beruht, kann durch Einstellen der Phasenbezugsfrequenz ωq zum Beispiel auf einen Erfahrungswert, ohne zuvor einen genauen Wert der Phasenbezugsfrequenz ωq zu erhalten, die gleiche Wirkung erzielt werden. Das heißt, wenn die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 die Charakteristiken des Rückführungsfilters 104 so einstellt, dass mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv das Verhältnis von der Filter-Eckfrequenz ωfL zur oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH in einem Bereich kleiner als oder gleich eins zunimmt, in anderen Worten, dass das Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL abnimmt, kann die gleiche Wirkung erzielt werden.
  • Die oben beschriebene Regelungs-Recheneinheit 102 ist so konfiguriert, dass sie die Verstärkerkompensationseinheit 103 veranlasst, eine Berechnung auf Grundlage einer Abweichung zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl vr und der Erfassungsgeschwindigkeit vb vorzunehmen, und dann den Rückführungsfilter 104 veranlasst, in dieser Reihenfolge auf das Berechnungsergebnis zu reagieren, aber diese Reihenfolge stellt keine besondere Einschränkung dar. Das heißt, die Regelungs-Recheneinheit 102 kann so konfiguriert sein, dass sie das Rückführungsfilter 104 der durch (Ausdruck 3) dargestellten Übertragungsfunktion veranlasst, auf eine Abweichung zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl vr und der Erfassungsgeschwindigkeit vb zu reagieren, und dann die Ausgabe des Filters 104 Rechenoperationen einer Proportional-Integral-Regelung auf Grundlage der gleichen Eingabe/Ausgabe-Beziehung wie in (Ausdruck 1) unterzieht, wodurch sie Operationen durchführt, durch welche eine Übertragungsfunktion (Rückführungs-Übertragungsfunktion) von der Erfassungsgeschwindigkeit vb zum Drehmomentbefehl τr genau die gleiche wie (Ausdruck 2) ist.
  • Die oben beschriebene Motorregelvorrichtung 101 hat eine Konfiguration eines Geschwindigkeitsregelungssystems, welches die Erfassungsgeschwindigkeit vb mit dem Geschwindigkeitsbefehl vr in Einklang bringt, aber es ist überflüssig, zu erwähnen, dass die Motorregelvorrichtung 101 als ein Lageregelungssystem konfiguriert werden kann, welches das Geschwindigkeitsregelungssystem als eine Nebenschleife enthält.
  • Während die Verstärkerkompensationseinheit 103 in den obigen Erläuterungen die Proportional-Integral-Berechnung durchführt, genügt es, eine Berechnung wie die Multiplikation einer Rückführungs-Übertragungsfunktion von der Erfassungsgeschwindigkeit vb zum Drehmomentbefehl τr mit der Geschwindigkeitsverstärkung Kv durchzuführen, und ist es überflüssig, zu erwähnen, dass auf Integralkompensation verzichtet werden kann, wenn sie in einem Fall, in welchem eine stationäre Abweichung zulässig ist, in einem Fall, in welchem sie als eine Nebenschleife für ein Lageregelungssystem verwendet wird, oder in ähnlichen weiteren Fällen nicht erforderlich ist. Ferner ist es überflüssig, zu erwähnen, dass die Merkmale der ersten Ausführungsform überhaupt nicht verlorengehen, selbst wenn Tiefpasscharakteristiken zum Entfernen von Frequenzkomponenten, welche hinreichend höher als die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH sind, zur Verstärkerkompensationseinheit 103 hinzugefügt werden.
  • Wie oben beschrieben, enthält die Regelungs-Recheneinheit 102 gemäß der ersten Ausführungsform: die Verstärkerkompensationseinheit 103, welche die Berechnung des Multiplizierens der Rückführungs-Übertragungsfunktion mit der Geschwindigkeitsverstärkung Kv durchführt; und das Rückführungsfilter 104, welches Frequenzgang-Kennlinien hat, bei welchen die Verstärkung bei unter der Filter-Eckfrequenz liegenden Frequenzen im Wesentlichen eins ist, bei welchen die Verstärkung in einem Bereich von der Filter-Eckfrequenz ωfL bis zur über der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH mit zunehmender Frequenz abnimmt und bei welchen die Verstärkung bei über der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH liegenden Frequenzen im Wesentlichen konstant ist, und welches die Berechnung des Verringerns der Frequenzgang-Verstärkung der Rückführungs-Übertragungsfunktion bei über der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzen durchführt, und die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105, welche so konfiguriert ist, dass sie die Geschwindigkeitsverstärkung Kv, die Filter-Eckfrequenz ωfL und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH so einstellt, dass das Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv abnimmt. Daher verengt sich mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv der Frequenzbereich, in welchem die Phase des Rückführungsfilters 104 nacheilt, und folglich kann die Verstärkung hoher Frequenzen der rückführungslosen Übertragungsfunktion entsprechend der Größenordnung der Geschwindigkeitsverstärkung Kv so weit wie möglich verringert werden, ohne die Phasendurchgangsfrequenz abnehmen zu lassen. Demgemäß kann, selbst wenn die Trägheit der mechanischen Last 2 größer als diejenige des Motors 1 ist oder wenn sie nicht größer ist oder selbst wenn es eine Vielzahl von mechanischen Resonanzen gibt, die Stabilität entsprechend der Geschwindigkeitsverstärkung Kv so weit wie möglich gesteigert werden. Dies ermöglicht, die Geschwindigkeitsverstärkung Kv auf einen so hohen Wert wie möglich einzustellen, so dass eine sehr schnelle, hochgenaue Regelung für das mechanische System mit einem so breiten Bereich von Charakteristiken wie möglich realisiert werden kann. Da die Filter-Eckfrequenz ωfL und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH auf Grundlage der Geschwindigkeitsverstärkung Kv eingestellt werden, ist es lediglich erforderlich, den Ansprechparameter Pr zum Definieren der Geschwindigkeitsverstärkung Kv als einen einzustellenden variablen Parameter einzugeben, und daher kann die sehr schnelle, hochgenaue Regelung durch einfaches Einstellen realisiert werden.
  • Zweite Ausführungsform.
  • Während das Rückführungsfilter 104 in der ersten Ausführungsform eine Konfiguration zweiter Ordnung hat, kann eine Motorregelvorrichtung mit einer gleichwertigen Wirkung realisiert werden, selbst wenn das Rückführungsfilter 104 eine einfachere Konfiguration erster Ordnung hat. 6 ist ein Blockschaltbild einer Motorregelvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Eine Motorregelvorrichtung 201 gemäß der zweiten Ausführungsform hat, abgesehen von einer Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 und einer Regelungs-Recheneinheit 202, die gleiche Konfiguration wie diejenige der ersten Ausführungsform. Mit denjenigen der ersten Ausführungsform identische Bestandteile werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf Erläuterungen derselben wird verzichtet.
  • Die Regelungs-Recheneinheit 202 enthält die Verstärkerkompensationseinheit 103 und ein Rückführungsfilter 204. Das Rückführungsfilter 204 ist ein Filter erster Ordnung als Ersatz für das Rückführungsfilter zweiter Ordnung 104 in der ersten Ausführungsform. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 hat ein anderes Charakteristik-Einstellverfahren als die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 in der ersten Ausführungsform, weil das Rückführungsfilter 204 sich von dem Filter 104 der ersten Ausführungsform unterscheidet.
  • Rückführungsfilter 204
  • Der Inhalt eines durch das Rückführungsfilter 204 durchgeführten Rechenprozesses wird nachfolgend erläutert. Das Rückführungsfilter 204 empfängt gleich wie in der ersten Ausführungsform eine Eingabe des von der Verstärkerkompensationseinheit 103 ausgegebenen Kompensationsdrehmoments τc. Ein durch Durchführen einer Berechnung F(s) eines Filters erster Ordnung, die durch den folgenden, eine Filter-Eckfrequenz ωfL und eine obere Filter-Grenzfrequenz ωfH, welche durch die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 eingestellt wurden, verwendenden Ausdruck dargestellt wird, erhaltenes Ergebnis wird als der Drehmomentbefehl τr ausgegeben, um die Verstärkung bei über der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzen relativ zu verringern. Das heißt, das Rückführungsfilter 204 ist ein Filter erster Ordnung, dessen Eckfrequenz ωfL ein Pol und dessen obere Grenzfrequenz ωfH eine Nullstelle ist. F(s) = {(s/ωfH) + 1}/{(s/ωfL) + 1} (Ausdruck 15)
  • Die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH wird gleich hoch wie oder höher als die Filter-Eckfrequenz ωfL eingestellt. Das Rückführungsfilter 204 hat Kennlinien, bei welchen die Verstärkung in einem niedrigen, unter der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzbereich im Wesentlichen eins ist, bei welchen die Verstärkung in einem Zwischenfrequenzbereich von der Filter-Eckfrequenz ωfL bis zur oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH mit zunehmender Frequenz abnimmt und bei welchen die Verstärkung in einem hohen, über der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH liegenden Frequenzbereich ein niedrigerer Wert als derjenige im niedrigen Frequenzbereich ist, welcher im Wesentlichen konstant ist.
  • Die Übertragungsfunktion F(s) des Rückführungsfilters 204 hat Phasengänge, bei welchen, wenn das Verhältnis zwischen der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH und der Filter-Eckfrequenz ωfL in einem bestimmten Bereich liegt, die Phase im Zwischenfrequenzbereich zwischen der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH und der Filter-Eckfrequenz ωfL zwischen –90 [Grad] und 0 [Grad] beträgt, die Phase sich bei unter der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzen mit abnehmender Frequenz an 0 [Grad] annähert und die Phase sich bei über der oberen Filter-Grenzfrequenz liegenden Frequenzen mit zunehmender Frequenz an 0 [Grad] annähert. Anders als beim Rückführungsfilter 104 in der ersten Ausführungsform nähert sich die Phase jedoch, wenn das Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL ziemlich groß wird, in der Mitte des Zwischenfrequenzbereichs allmählich an –90 [Grad] an.
  • Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205
  • Nun wird eine Operation der Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 erläutert. Wie in der ersten Ausführungsform stellt die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 die Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der Verstärkerkompensationseinheit 103 der Regelungs-Recheneinheit 202 auf Grundlage des von außen eingegebenen Ansprechparameters Pr auf einen größeren Wert ein, wenn die Ansprechgeschwindigkeit der Motorregelvorrichtung 201 auf einen höheren Wert eingestellt werden soll Außerdem stellt die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 den Kehrwert ωi der Integralzeitkonstanten in der Verstärkerkompensationseinheit 103 wie in der ersten Ausführungsform ein. Gleichzeitig mit der Erhöhung der Geschwindigkeitsverstärkung Kv werden die Eckfrequenz ωfL und die obere Grenzfrequenz ωfH des Rückführungsfilters 204 wie folgt eingestellt.
  • Wie in der ersten Ausführungsform berechnet die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 die obere Bezugsfrequenz ωH durch Multiplizieren der Phasenbezugsfrequenz ωq mit der Konstanten rH. In diesem Fall liegt die Konstante rH im Wesentlichen in einem Bereich von 0,2 bis 1 und kann die obere Bezugsfrequenz ωfH selbst vorher ermittelt werden. Die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 berechnet die untere Bezugsfrequenz ωL durch Multiplizieren der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc, welche man durch Dividieren der entsprechend dem eingegebenen Ansprechparameter Pr ermittelten Geschwindigkeitsverstärkung Kv durch den Trägheitswert J des mechanischen Systems erhält, mit der vorher ermittelten Konstante rL. Die Konstante rL ist im Wesentlichen in einem Bereich von 1 bis 5 eingestellt. Das heißt, die obere Bezugsfrequenz ωH und die untere Bezugsfrequenz ωL werden gemäß (Ausdruck 8) und (Ausdruck 9) wie in der ersten Ausführungsform berechnet.
  • Wenn die Filter-Eckfrequenz ωfL an die untere Bezugsfrequenz ωL angepasst ist und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH an die obere Bezugsfrequenz ωH angepasst ist, nähert sich, in der Mitte des Zwischenfrequenzbereichs wie oben erwähnt, die Phase des Rückführungsfilters 204 –90 [Grad] und liegt die Phase der rückführungslosen Übertragungsfunktion des Regelungssystems bei –180 [Grad], wenn die Geschwindigkeitsverstärkung Kv niedrig ist und die Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc und die Phasenbezugsfrequenz ωq stark voneinander abweichen. Daher kann bei Vorliegen einer gewissen mechanischen Resonanz der mechanischen Last 2 bei Frequenzen nahe der Mitte des Zwischenfrequenzbereichs eine Schwingung auftreten. Aus diesem Grund wird ein maximaler Wert Rmax des Verhältnisses zwischen der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH und der Filter-Eckfrequenz ωfL vorher definiert und werden dann die Filter-Eckfrequenz ωfL und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH wie folgt ermittelt. ωfL = ωL (Ausdruck 16) ωfH = min(Rmax·ωL, ωH) (Ausdruck 17)
  • Alternativ werden die Filter-Eckfrequenz ωfL und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH wie folgt ermittelt. ωfH = ωH (Ausdruck 18) ωfL = max(ωH/Rmax, ωL) (Ausdruck 19)
  • In diesem Fall bezeichnet das oben verwendete Symbol ”min(a, b)” die Auswahl eines kleineren Werts von ”a” und ”b” und bezeichnet ”max(a, b)” die Auswahl eines größeren Werts von ”a” und ”b”.
  • Spezielles Beispiel
  • 7 veranschaulicht einen Frequenzgang der Übertragungsfunktion F(s) des Rückführungsfilters 204 in einem Fall, in welchem die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 die Charakteristiken des Rückführungsfilters 204 unter Verwendung von (Ausdruck 16) und (Ausdruck 17) gemäß der vorliegenden Ausführungsform einstellt. In diesem speziellen Beispiel werden, abgesehen von den Charakteristiken des Rückführungsfilters 204, genau die gleichen Bedingungen wie im in 3 in der ersten Ausführungsform gezeigten Fall verwendet. Ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der Verstärkerkompensationseinheit 103 niedrig ist, ist durch durchgezogene Linien angegeben, ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv einen mittleren Wert hat, ist durch gepunktet-gestrichelte Linien angegeben, und ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv hoch ist, ist durch gepunktete Linien angegeben. Die Verstärkung ist in einem oberen Teil von 7 gezeigt, und die Phase ist in einem unteren Teil derselben gezeigt. Die Filter-Eckfrequenz ωfL, das heißt der Pol des Rückführungsfilters 204, ist mit einem Dreieck und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH, das heißt die Nullstelle, ist mit einem Kreis im Verstärkungsdiagramm und im Phasendiagramm in jeder der Bedingungen eingezeichnet.
  • Wenn man, wie in 7 gezeigt, die den Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv niedrig ist, angebende durchgezogene Linie und die den Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv einen mittleren Wert hat, angebende gepunktet-gestrichelte Linie miteinander vergleicht, gibt es infolge der Auswahl einer Einstellweise unter Verwendung des Maximalwerts Rmax in (Ausdruck 17) in diesen Fällen keine Änderung des Verhältnisses zwischen der durch den Kreis angegebenen oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH und der durch das Dreieck angegebenen Filter-Eckfrequenz ωfL. Auf der in 7 gezeigten logarithmischen Achse ändert sich demgemäß die Breite des oben erwähnten Zwischenfrequenzbereichs nicht und ändert sich die Breite des Frequenzbereichs, in welchem die Phase nacheilt, nicht. Wenn man andererseits die den Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv den mittleren Wert hat, angebende gepunktet-gestrichelte Linie und die den Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung hoch ist, angebende gepunktete Linie miteinander vergleicht, nimmt das Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv ab. Infolgedessen verengt sich mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv der Zwischenfrequenzbereich, in welchem die Phasenverzögerung groß ist, auf der in 7 gezeigten logarithmischen Achse.
  • 8 veranschaulicht einen Frequenzgang der rückführungslosen Übertragungsfunktion des Regelungssystems in einem Fall, in welchem das mechanische System 3 ein idealer starrer Körper ist, in der zweiten Ausführungsform, ähnlich 4. Ähnlich 7 ist ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der Verstärkerkompensationseinheit 103 niedrig ist, durch durchgezogene Linien angegeben, ist ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv einen mittleren Wert hat, durch gepunktet-gestrichelte Linien angegeben, und ist ein Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv hoch ist, durch gepunktete Linien angegeben.
  • Wie in 8 gezeigt, ändert sich die Phasendurchgangsfrequenz, bei welcher die Phase der rückführungslosen Übertragungsfunktion –180 [Grad] beträgt, wie in der ersten Ausführungsform nicht sonderlich, selbst wenn die Geschwindigkeitsverstärkung Kv geändert wird. Bei höheren Frequenzen als der Verstärkungsdurchgangsfrequenz ωc wahrt ferner die Phase in jedem Fall eine Reserve größer als oder gleich ungefähr 25 [Grad] bezüglich –180 [Grad] bis zu einer etwas niedrigeren Frequenz als der Phasendurchgangsfrequenz.
  • Vergleicht man 8 der zweiten Ausführungsform mit 4 der ersten Ausführungsform, gibt es insbesondere in dem durch die durchgezogene Linie angegebenen Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv niedrig ist, eine große Schwankung der Phase. Die Verstärkung im höheren Frequenzbereich des durch die durchgezogene Linie angegebenen Falls ist höher als diejenige der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform. Aufgrund dieser Tatsachen versteht es sich, dass die Verstärkungsverringerungs-Wirkung bei hohen Frequenzen in dem Fall, in welchem die Geschwindigkeitsverstärkung Kv in der zweiten Ausführungsform niedrig ist, geringer als diejenige in der ersten Ausführungsform ist. Dies liegt daran, dass das Rückführungsfilter 204 ein Filter erster Ordnung ist und dass es gegenüber dem Fall, in welchem das Rückführungsfilter 104 in der ersten Ausführungsform ein Filter zweiter Ordnung ist, schwieriger ist, die gewünschten Charakteristiken in einem breiten Frequenzbereich bereitzustellen.
  • Wie in 5 gezeigt, welche in der ersten Ausführungsform erläutert wurde, ist jedoch die hinreichend große Verstärkungsreserve wie in der ersten Ausführungsform sichergestellt gegenüber dem Fall, in welchem das Rückführungsfilter 204 in einen Direktübertragungszustand ohne Filteroperation versetzt ist oder dem Fall, in welchem das Rückführungsfilter 204 durch ein einfaches Tiefpassfilter ersetzt ist. Demgemäß wird festgestellt, dass eine höhere Stabilität als bei anderen Verfahren gewahrt wird, selbst wenn das mechanische System 3 sich von einem idealen starren Körper unterscheidet und eine gewisse mechanische Resonanz aufweist oder selbst wenn die Verstärkung hoher Frequenzen, bedingt durch die niedrige Trägheit des Motors, hoch ist. Ferner können solche stabilen Regelcharakteristiken lediglich durch Einstellen des von außen eingegebenen Ansprechparameters Pr leicht realisiert werden.
  • In den Erläuterungen der zweiten Ausführungsform wird die Berechnung von (Ausdruck 16) oder (Ausdruck 18) zwecks Vereinfachung der Berechnung so durchgeführt, dass die Filter-Eckfrequenz ωfL und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH als gleich der unteren Bezugsfrequenz ωL beziehungsweise der oberen Bezugsfrequenz ωH angesehen werden. Jedoch kann die Filter-Eckfrequenz ωfL oder die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH durch Voraussetzen, dass die Ordnung n in den Erläuterungen des Rückführungsfilters 104 in der ersten Ausführungsform eins ist, Einstellen der Konstanten αp_1 und αz_1 verschieden von 0 oder 1, um die Beziehung gemäß (Ausdruck 10) zu erfüllen, und Verwenden (Ausdruck 11) oder (Ausdruck 12) berechnet werden. Bei dieser Konfiguration kann, während die Berechnung komplizierter wird, eine Phasenänderung gegenüber den in 8 gezeigten, oben erläuterten Kennlinien geglättet werden und kann eine leichte Verbesserung erreicht werden, welche bewirkt, dass die Kennlinien in dem Fall, in welchem die Ordnung des Rückführungsfilters 204 eins ist, nah bei den in der ersten Ausführungsform beschriebenen liegen.
  • Wie oben beschrieben, stellt die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 gemäß der zweiten Ausführungsform, während die Ordnung des Rückführungsfilters 204 eins ist, die Geschwindigkeitsverstärkung Kv, die Filter-Eckfrequenz ωfL und die obere Filter-Grenzfrequenz ωfH so ein, dass das Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz ωfH zur Filter-Eckfrequenz ωfL mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung Kv abnimmt. Daher kann eine sehr schnelle, hochgenaue Regelung für das mechanische System mit einem so breiten Bereich von Charakteristiken wie möglich wie in der ersten Ausführungsform realisiert werden. Da es lediglich erforderlich ist, den Ansprechparameter Pr zum Definieren der Geschwindigkeitsverstärkung Kv als einen einzustellenden variablen Parameter einzugeben, kann die sehr schnelle, hochgenaue Regelung durch einfaches Einstellen realisiert werden.
  • Dritte Ausführungsform.
  • 9 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration einer Motorregelvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Motorregelvorrichtung 301 gemäß der dritten Ausführungsform hat, abgesehen von einer Regelungskonstanten-Einstelleinheit 305 und einer Regelungs-Recheneinheit 302, die gleiche Konfiguration wie diejenige der ersten Ausführungsform. Mit denjenigen der ersten Ausführungsform identische Bestandteile werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf Erläuterungen derselben wird verzichtet.
  • Während das Rückführungsfilter 104 in der Regelungs-Recheneinheit 102 in der ersten Ausführungsform die Ausgabe der Verstärkerkompensationseinheit 103 als eine Eingabe empfängt und den Drehmomentbefehl τr ausgibt, empfängt ein Rückführungsfilter 304 in der Regelungs-Recheneinheit 302 in der dritten Ausführungsform die Erfassungsgeschwindigkeit vb als eine Eingabe und gibt er eine Filtergeschwindigkeit vbf als eine Zwischenvariable in der Regelungs-Recheneinheit 302 aus.
  • Die Regelungs-Recheneinheit 302 enthält eine Verstärkerkompensationseinheit 303 und den Rückführungsfilter 304. Der Rückführungsfilter 304 empfängt die von der Geschwindigkeitserfassungseinheit 5 ausgegebene Erfassungsgeschwindigkeit vb als eine Eingabe und führt eine Berechnung genau der gleichen Übertragungsfunktion wie derjenigen im Rückführungsfilter 104 in der ersten Ausführungsform durch, um die Filtergeschwindigkeit vbf auszugeben. Das heißt, eine Berechnung gemäß dem folgenden Ausdruck wird durchgeführt. vbf = F(s)·vb (Ausdruck 20)
  • Die Verstärkerkompensationseinheit 303 führt die gleiche oder eine ähnliche Berechnung wie diejenige in der in der ersten Ausführungsform erläuterten Proportional-Integral-Regelung auf Grundlage des Geschwindigkeitsbefehls vr und der Filtergeschwindigkeit vbf durch, um die Filtergeschwindigkeit vbf mit dem Geschwindigkeitsbefehl vr in Einklang zu bringen, und gibt ein Ergebnis der Berechnung als den Drehmomentbefehl τr aus.
  • Während die Berechnung in der Verstärkerkompensationseinheit 303, abgesehen von der Eingabe und der Ausgabe, genau die gleiche Proportional-Integral-Operation wie in der Verstärkerkompensationseinheit 103 in der ersten Ausführungsform sein kann, wird in den Erläuterungen der vorliegenden Ausführungsform vorausgesetzt, dass eine als I-P-Regelung bezeichnete Berechnung durchgeführt wird. Das heißt, das Kompensationsdrehmoment τr wird gemäß dem folgenden (Ausdruck 21) auf Grundlage des Geschwindigkeitsbefehls vr und der Filtergeschwindigkeit vbf berechnet. τr = Kv·{(ωi/s)(vr – vbf) – vbf} (Ausdruck 21)
  • Durch Durchführen der als I-P-Regelung bezeichneten Berechnung kann eine Wirkung erzielt werden, die ein überschwingen in den Ansprechcharakteristiken der Erfassungsgeschwindigkeit vb oder der Filtergeschwindigkeit vbf auf den Geschwindigkeitsbefehl vr verringert. Indessen sind Ansprechcharakteristiken auf eine das mechanische System 3 beeinträchtigende Störung genau die gleichen wie in dem Fall, in welchem die PI-Regelung durchgeführt wird.
  • Bei der Konfiguration der oben erwähnten, vorliegenden Ausführungsform wird eine Rückführungs-Übertragungsfunktion, welche eine Übertragungsfunktion von der Erfassungsgeschwindigkeit vb zum Drehmomentbefehl τr ist, durch den folgenden, auf (Ausdruck 20) und (Ausdruck 21) beruhenden Ausdruck dargestellt, obwohl es in der Konfiguration einen Unterschied zur ersten Ausführungsform gibt. τr/vb = –Kv{(s + Kpi)/s}·F(s) (Ausdruck 22)
  • Das heißt, die genau der gleichen Übertragungsfunktion wie derjenigen von (Ausdruck 2) in der ersten Ausführungsform entsprechende Rückführungsregelung wird durchgeführt. Die Verstärkerkompensationseinheit 303 in der Regelungs-Recheneinheit 302 führt die Berechnung gemäß (Ausdruck 22) durch, um die Rückführungs-Übertragungsfunktion mit der Geschwindigkeitsverstärkung Kv zu multiplizieren, und das Rückführungsfilter 304 führt die Berechnung gemäß (Ausdruck 22) durch, um die Verstärkung der Rückführungs-Übertragungsfunktion bei über der Filter-Eckfrequenz ωfL liegenden Frequenzen wie in der ersten Ausführungsform zu verringern.
  • Daher führt die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 305 genau die gleiche Operation wie die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 105 in der ersten Ausführungsform durch, wodurch die Ansprechcharakteristiken auf eine das mechanische System 3 beeinträchtigende Störung entsprechend dem Ansprechparameter Pr auf genau die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform eingestellt werden können.
  • Wenn das Rückführungsfilter 304 und die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 305 auf die gleiche Weise wie das Rückführungsfilter 204 beziehungsweise die Regelungskonstanten-Einstelleinheit 205 in der zweiten Ausführungsform konfiguriert werden, ist es überflüssig, zu erwähnen, dass die dritte Ausführungsform die gleichen Wirkungen wie die zweite Ausführungsform erzielen kann.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß der dritten Ausführungsform die sehr schnelle, hochgenaue Regelung für das mechanische System mit einem so breiten Bereich von Charakteristiken wie möglich wie in der ersten Ausführungsform realisiert werden, selbst wenn das Rückführungsfilter 304 auf der vorherigen Stufe der Verstärkerkompensationseinheit 303 bereitgestellt ist. Da es genügt, den Ansprechparameter Pr zum Definieren der Geschwindigkeitsverstärkung Kv als einen einzustellenden variablen Parameter einzugeben, kann die sehr schnelle, hochgenaue Regelung durch einfaches Einstellen realisiert werden.
  • Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
  • Wie oben beschrieben, ist die Motorregelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür geeignet, für eine Motorregelvorrichtung verwendet zu werden, welche die Geschwindigkeit und/oder die Lage eines Motors regelt.

Claims (7)

  1. Motorregelvorrichtung (101, 201, 301), welche einen in einem Regelobjekt enthaltenen Motor (1) ansteuert, wobei die Motorregelvorrichtung (101, 201, 301) aufweist: eine Geschwindigkeitserfassungseinheit (5), welche eine Bewegungsgeschwindigkeit (vm) des Motors (1) erfasst und eine Erfassungsgeschwindigkeit (vb) ausgibt; eine Regelungs-Recheneinheit (102, 202, 302), welche einen Antriebskraft-Befehl für den Motor (1) so berechnet, dass die Erfassungsgeschwindigkeit (vb) mit einem Geschwindigkeitsbefehl (vr) in Einklang gebracht wird; eine Verstärkerkompensationseinheit (103, 303), welche eine Berechnung des Multiplizierens einer Übertragungsfunktion (F(s)), welche eine Übertragungsfunktion von der Erfassungsgeschwindigkeit (vb) zum Antriebskraft-Befehl ist, mit einer Geschwindigkeitsverstärkung (Kv) in der Regelungs-Recheneinheit (102, 202, 302) durchführt; ein Rückführungsfilter (104, 204, 304), welches Filterkennlinien hat, bei welchen eine Frequenzgang-Verstärkung bei Frequenzen unter oder gleich einer Filter-Eckfrequenz (ωfL) im Wesentlichen eins ist, eine Frequenzgang-Verstärkung in einem Bereich von der Filter-Eckfrequenz (ωfL) bis zu einer über der Filter-Eckfrequenz (ωfL) liegenden oberen Filter-Grenzfrequenz (ωfH) mit zunehmender Frequenz abnimmt und eine Frequenzgang-Verstärkung bei Frequenzen gleich oder über der oberen Filter-Grenzfrequenz (ωfH) im Wesentlichen konstant ist, und eine Berechnung durchführt, um die Filterkennlinien auf die Übertragungsfunktion (F(s)) in der Regelungs-Recheneinheit (102, 202, 302) anzuwenden; eine Regelungskonstanten-Einstelleinheit (105, 205, 305), welche die Geschwindigkeitsverstärkung (Kv) sowie die Filter-Eckfrequenz (ωfL) oder die obere Filter-Grenzfrequenz (ωfH) oder beide entsprechend einer Eingabe von außen einstellt; und eine Antriebskraft-Regeleinheit (4), welche den Motor (1) so ansteuert, dass eine Antriebskraft (τm) des Motors (1) mit dem Antriebskraft-Befehl in Einklang gebracht wird, wobei die Regelungskonstanten-Einstelleinheit (105, 205, 305) die Geschwindigkeitsverstärkung (Kv) sowie die Filter-Eckfrequenz (ωfL) oder die obere Filter-Grenzfrequenz (ωfH) oder beide so einstellt, dass ein Verhältnis von der oberen Filter-Grenzfrequenz (ωfH) zur Filter-Eckfrequenz (ωfL) mit zunehmender Geschwindigkeitsverstärkung (Kv) abnimmt.
  2. Motorregelvorrichtung (101, 201, 301) nach Anspruch 1, bei welcher die Regelungskonstanten-Einstelleinheit (105, 205, 305) die Filter-Eckfrequenz (ωfL) auf Grundlage einer Verstärkungsdurchgangsfrequenz (ωc), welche einem durch Dividieren der Geschwindigkeitsverstärkung (Kv) durch einen Trägheitswert (J) des Regelobjekts erhaltenen Wert entspricht, einstellt.
  3. Motorregelvorrichtung (101, 201, 301) nach Anspruch 2, bei welcher die Regelungskonstanten-Einstelleinheit (105, 205, 305) die obere Filter-Grenzfrequenz (ωfH) auf Grundlage einer Phasenbezugsfrequenz (ωq), bei welcher eine zwischen der Antriebskraft-Regeleinheit (4) und der Geschwindigkeitserfassungseinheit (5) auftretende Phasenverzögerung im Wesentlichen 90 [Grad] beträgt, einstellt.
  4. Motorregelvorrichtung (101, 201, 301) nach Anspruch 1, bei welcher das Rückführungsfilter (104, 204, 304) n (n ≥ 1) Pole (ωp_i) und genau so viele Nullstellen (ωz_i) wie Pole (ωp_i) hat und die Regelungskonstanten-Einstelleinheit (105, 205, 305) die n Pole (ωp_i) und die n Nullstellen (ωz_i), die das Rückführungsfilter (104, 204, 304) hat, auf eine solche Weise einstellt, dass die Filter-Eckfrequenz (ωfL) ein Pol (ωp_i) mit einem minimalen Absolutwert wird und die obere Filter-Grenzfrequenz (ωfH) eine Nullstelle (ωz_i) mit einem maximalen Absolutwert wird.
  5. Motorregelvorrichtung (101, 301) nach Anspruch 4, bei welcher n ein Wert größer als oder gleich zwei ist und die Regelungskonstanten-Einstelleinheit (105, 305) die Pole (ωp_i) und Nullstellen (ωz_i), die das Rückführungsfilter (104, 304) hat, so einstellt, dass Pole (ωp_i) und Nullstellen (ωz_i) sich in aufsteigender Reihenfolge der Absolutwerte der Pole (ωp_i) und Nullstellen (ωz_i) abwechseln.
  6. Motorregelvorrichtung (101, 301) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher die Regelungskonstanten-Einstelleinheit (105, 305) einen Pol (ωp_i) mit einem i-ten kleinsten Absolutwert und eine Nullstelle (ωz_i) mit einem i-ten kleinsten Absolutwert gemäß den folgenden Ausdrücken ωp_i = {ωL^(1 – αp_i)}·ωH^(αp_i) ωz_i = {ωL^(1 – αz_i)}·ωH^(αz_i) berechnet, wobei eine untere Bezugsfrequenz (ωL), eine obere Bezugsfrequenz (ωH), die höher als die untere Bezugsfrequenz (ωL) ist, und n Konstanten (αp_i) und n Konstanten (αz_i) verwendet werden, welche vorher so definiert werden, dass sie 0 ≤ αp_1 < αz_1 < ... < αp_n < αz_n ≤ 1 erfüllen.
  7. Motorregelvorrichtung (101, 301) nach Anspruch 6, bei welcher die Konstanten (αp_i) und (αz_i) durch null-, ein- oder mehrmaliges Multiplizieren einer vordefinierten Ganzzahl mit 1/2 erhaltene Werte sind.
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