TW201440415A - 馬達控制裝置 - Google Patents

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Hidetoshi Ikeda
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Mitsubishi Electric Corp
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    • H02P21/06—Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/08—Indirect field-oriented control; Rotor flux feed-forward control

Abstract

為了獲得實現高速且良好的響應特性之馬達控制裝置，本發明的馬達控制裝置係具備：速度模型21，係根據第1狀態變數ξ與速度指令Vr，算出第1狀態變數ξ的變化量並更新第1狀態變數ξ，根據更新後的第1狀態變數ξ，輸出速度前饋Vff及電流前饋Uff；速度控制器33，係根據馬達11的實際速度V、速度前饋Vff及電流前饋Uff，算出第2狀態變數η的變化量並更新第2狀態變數η，根據馬達11的實際速度V、速度前饋Vff、電流前饋Uff、及更新後的第2狀態變數η，輸出電流指令U；電流限制器34，係以電流指令U為輸入，輸出限制後電流指令Usat；及變化量係數算出部36，係根據電流指令U與限制後電流指令Usat，算出變化量係數α。

Description

馬達控制裝置
本發明係關於馬達(motor)控制裝置。
在對具備馬達與連結該馬達的機械系統之控制對象進行驅動的馬達控制裝置中，當控制對象的慣性矩(moment)和摩擦之類的負載發生變化，便必須根據負載大小重新算出目標位置指令。為此，能夠自動適應目標位置和負載大小而自動產生依據最大轉矩(torque)的定位指令之技術正開發中。
就習知的此類技術而言，例如專利文獻1所揭示的控制裝置，該控制裝置係具備：速度指令產生手段，係依據位置偏差與基準值間之大小關係來切換最大速度指令、零速度指令及與位置偏差成比例的速度指令；及附有反飽和(anti-windup)功能的速度控制器。依據專利文獻1中揭示的技術，前述基準值係設為馬達的實際速度的平方除以根據馬達的大轉矩、控制對象的慣性矩及摩擦求取的加速度的2倍值所得之值，只要給予目標位置，便能夠按照使用最大轉矩的理想的速度模式(pattern)高速地定位。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本國特開2005-160152號公報
然而，在對由馬達與連結該馬達的機械系統所構成之控制對象進行驅動的馬達控制裝置中，當控制對象的負載為未知時，係要求要能夠對應控制對象的慣性矩為馬達的慣性矩的一倍至數十倍程度，然而依據上述的習知技術，響應特性會因為控制對象的負載大小而變化，有當控制對象的負載大小變得跟額定(nominal)值有大幅差異時無法獲得良好的響應的問題。此外，由於速度指令值會從最大速度切換為零速度，因此還有切換所伴隨的過渡變化導致響應有惡化之虞的問題。
本發明乃係鑒於上述問題而研創，目的在於獲得實現高速且良好的響應特性之馬達控制裝置，即使是控制對象的慣性矩和摩擦之類的負載為未知時或負載大小大幅變化時，仍能夠自動地產生適應目標位置、限制速度及負載大小的位置指令及速度指令。
為了解決上述課題並達成上述目的，本發明的馬達控制裝置係根據速度指令對具備馬達與連結該馬達的機械系統之控制對象進行驅動，該馬達控制裝置係具備：速度模型(model)，係根據屬於1個以上變數的第1狀態變數與前述速度指令，算出前述第1狀態變數的變化量並更新前述第1狀態變數，根據更新後的前述第1狀態變數，算出速度前饋(feedforward)及電流前饋並予以輸出；速度控制器，係根據前述馬達的實際速度、前述速度 前饋及前述電流前饋算出屬於1個以上變數的第2狀態變數的變化量並更新前述第2狀態變數，根據前述馬達的前述實際速度、前述速度前饋、前述電流前饋及更新後的前述第2狀態變數，算出電流指令並予以輸出；電流限制器，係以前述電流指令為輸入，輸出限制電流值以下的限制後電流指令；及變化量係數算出部，係根據前述電流指令與前述限制後電流指令，算出屬於前述第1狀態變數與前述第2狀態變數的變化量的補正係數之變化量係數；前述速度模型係在前述第1狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述速度控制器係在前述第2狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正。
依據本發明，可達到能夠獲得實現高速且良好的響應特性之馬達控制裝置的效果，即使是控制對象的慣性矩和摩擦之類的負載為未知時或負載大小大幅變化時，仍能夠自動地產生自動適應於目標位置、速度及負載大小之位置指令及速度指令。
1、1a‧‧‧控制對象
2、2b‧‧‧位置模型
11‧‧‧馬達
12‧‧‧機械系統
13‧‧‧速度檢測器
14‧‧‧位置檢測器
21‧‧‧速度模型
22‧‧‧速度指令算出部
23‧‧‧積分器
31‧‧‧位置控制器
32‧‧‧微分器
33‧‧‧速度控制器
34‧‧‧電流限制器
35‧‧‧電流控制器
36‧‧‧變化量係數算出部
37‧‧‧慣性矩推定部
38‧‧‧減速度算出部
39‧‧‧最大速度設定部
40‧‧‧模型補正部
41‧‧‧切換開關
211、212‧‧‧積分器
213至215‧‧‧乘法器
216、217‧‧‧減法器
361‧‧‧轉矩常數乘法器
362‧‧‧非線性轉矩模型
363‧‧‧比率演算器
Adec‧‧‧減速度
Aff、Bff、Cff、Dff‧‧‧矩陣
e‧‧‧剩餘距離
i‧‧‧電流
Jhat‧‧‧慣性矩推定值
Jn‧‧‧慣性矩的額定值
Ki‧‧‧速度積分增益
Kt‧‧‧轉矩常數
Kv‧‧‧速度比例增益
t‧‧‧實際時間
T‧‧‧實際轉矩
Tcmd‧‧‧轉矩指令
U‧‧‧電流指令
Uff‧‧‧電流前饋
Umax‧‧‧最大電流指令值
Usat‧‧‧限制後電流指令
V‧‧‧實際速度
Vc‧‧‧速度補正量
Vff‧‧‧速度前饋
Vmax‧‧‧最大速度
Vr‧‧‧速度指令
Wm‧‧‧模型補正增益
Xff‧‧‧位置前饋
Xr‧‧‧目標位置
α‧‧‧變化量係數
η‧‧‧積分變數(第2狀態變數)
ξ‧‧‧狀態變數(第1狀態變數)
τ‧‧‧虛擬時間
第1圖係顯示實施形態1的馬達控制裝置的構成之方塊(block)圖。
第2圖係顯示實施形態1的以非線性函數表示的電流-轉矩特性之圖。
第3圖係顯示實施形態1中令控制對象的負載慣性比變化時的虛擬時間τ軸上的速度響應之圖。
第4圖係顯示實施形態1中實際時間t軸與虛擬時間τ軸的 速度響應之圖。
第5圖(A)及(B)係顯示實施形態1中令控制對象的負載慣性比變化時的速度響應與轉矩的響應之圖。
第6圖係實施形態2的馬達控制裝置的構成之方塊圖。
第7圖(A)及(B)係顯示實施形態2中令控制對象的負載慣性比變化時的速度響應與轉矩的響應之圖。
第8圖係顯示實施形態1的速度模型的構成的一例之方塊圖。
第9圖係顯示實施形態3的馬達控制裝置的構成之方塊圖。
以下，針對本發明的馬達控制裝置的實施形態，根據圖式詳細說明。另外，本發明並不受下述的實施形態所限定。
實施形態1.
第1圖係顯示本發明的馬達控制裝置的實施形態1的構成之方塊圖。第1圖中所示的馬達控制裝置係具備：控制對象1、速度模型21、速度控制器33、電流限制器34、電流控制器35及變化量係數算出部36。
控制對象1係具備：馬達11；機械系統12，係連結馬達11；及速度檢測器13，係檢測馬達11的速度。此外，亦可取代速度檢測器13而改構成為具備位置檢測器(例如編碼器(encoder)或解角器(resolver))，藉由對位置檢測器的輸出進行微分而算出馬達11的速度。此外，亦可取代速度檢測器13而改構成為具備電流檢測器，藉由根據電流檢測器的輸出來推定馬達11的速度。速度檢測器13係輸出所檢測出的實際速度V。
速度模型(model)21乃係根據從外部輸入的速度指 令Vr，使用下述式(1)所示的狀態方程式將速度前饋Vff及電流前饋Uff算出並輸出之模型。
另外，式(1)中的矩陣Aff、Bff、Cff、Dff係予先設定好的矩陣，變化量係數α係如後述藉由變化量係數算出部36算出，而屬於1個以上變數的狀態變數ξ乃係表示速度模型21的狀態變數之向量(vector)。式(1)中的第1式乃係狀態變數ξ的更新演算，藉由式(1)的第1式算出狀態變數ξ的變化量，並對該變化量進行逐次積分，藉此算出各個狀態變數ξ。
此處，若設α=1，則式(1)乃係稱為一般性模型追隨(model following)控制的控制方式中的速度模型的狀態方程式。在稱為一般性模型追隨控制的控制方式中，係藉由速度模型，根據從外部輸入的速度指令Vr算出速度前饋Vff及電流前饋Uff。就該速度前饋Vff而言，輸出的是對於速度指令Vr形成理想的響應波形之信號。此外，就電流前饋Uff而言，輸出的是對速度前饋Vff進行微分，乘上控制對象1的慣性矩的額定值Jn後之信號。此時，電流前饋Uff與速度前饋Vff的特性係與控制對象1的理論模型(nominal model)的輸入/輸出特性一致。矩陣Aff、Bff、Cff、Dff係以令速度模型21形成上述特性的方式設定。
於第8圖顯示能夠獲得如上述特性的速度模型21的構成的一例之方塊圖。第8圖中所示的速度模型21係具備：積分 器211、212、乘法器213、214、215、以及減法器216、217。在第8圖中，若設α=1，則從速度指令Vr到速度前饋Vff為止的輸入/輸出特性係成為線性的低通(low pass)特性，電流前饋Uff係輸出將相當於速度前饋Vff的微分之信號乘上控制對象1的慣性矩的額定值Jn而得之信號。此外，積分器211、212係以輸入至積分器的輸入信號與變化量係數α之積做為積分變數的變化量，於各時刻對前述變化量進行積分，藉此計算積分變數的值。設積分器211、212的值分別為ξ 1、ξ 2，則第8圖所示的方塊圖的狀態方程式係能夠以下述式(2)表示。藉此，藉由將矩陣Aff、Bff、Cff、Dff及狀態變數向量ξ設定如下式(3)，便能夠以式(1)來表示第8圖的方塊圖的計算式。
另外，在本實施形態中雖然係針對速度模型21具備 兩個積分器時的情形亦即速度模型21的次數為2次時的情形進行說明，但並不限定於此。速度模型的次數只要是自然數即可。
速度控制器33係根據速度前饋Vff與實際速度V之差及電流前饋Uff、預先設定好的常數Kv(速度比例增益(gain))、Ki(速度積分增益)、變化量係數α，使用下式(4)所示的狀態方程式將電流指令U算出並輸出。
此處，設α=1，式(4)係表示一般性的速度比例積分(PI)控制。另外，積分變數η(第2狀態變數)係表示速度控制器33的積分變數之純量(scalar)值。其中，在本實施形態的馬達控制裝置中，實際的積分變數η的變化量係與式(1)同樣設為對藉由一般的比例積分演算而得的積分變數的變化量乘上變化量係數α而得之值。另外，若在速度控制器33增設例如低通濾波器(low pass filter)，則積分變數η係成為由比例積分演算的積分變數與所增設的低通濾波器的演算的狀態變數所組成的向量。
電流限制器34係以電流指令U為輸入，且以所輸入的電流指令U的絕對值會成為預先設定好的最大電流指令值Umax以下之方式輸出限制後電流指令Usat。亦即，當所輸入的電流指令U的絕對值為最大電流指令值Umax以下時，限制後電流指令Usat等於所輸入的電流指令U，當所輸入的電流指令U的絕對值超過最大電流指令值Umax時，限制後電流指令Usat為最大電流指令值Umax。
電流控制器35係以限制後電流指令Usat為輸入，輸出馬達11的電流i。
變化量係數算出部36係具備轉矩常數乘法器361、非線性轉矩模型362及比率演算器363，藉由電流指令U與限制後電流指令Usat之比率算出變化量係數α。轉矩常數乘法器361係以電流指令U為輸入，乘上預先設定好的轉矩常數Kt而算出轉矩指令Tcmd並輸出。非線性轉矩模型362係使用預先設定好的馬達11的電流-轉矩特性，從所輸入的限制後電流指令Usat算出馬達11的實際轉矩T並輸出之模型。另外，此處，非線性轉矩模型362所使用的電流-轉矩特性係以考量馬達11的磁飽和及電壓飽和後的非線性函數表示。第2圖係顯示以如上述非線性函數(實線)表示的電流-轉矩特性之圖。比率演算器363係對實際轉矩T乘上轉矩指令Tcmd的倒數而算出變化量係數α並輸出。另外，當轉矩指令Tcmd為0時，比率演算器363輸出的變化量係數α係定為1。
接著，說明實施形態1的馬達控制裝置的動作原理。
假設控制對象1所具備的機械系統12的剛性高到能夠將控制對象1視為是慣性矩J的剛體之程度且電流控制器35所導致的延遲能夠忽略，則從控制對象1的電流指令U到實際速度V為止的動態特性係以下式(5)的狀態方程式表示。
另外，此處，g(U)係電流指令U的函數，係表示由電流限制器34致生的非線性特性及馬達11的電流-轉矩特性。亦 即，g(U)代表實際轉矩T。
此外，轉矩常數乘法器361中使用的轉矩常數Kt係以下式(6)表示。
此外，變化量係數α乃係對實際轉矩T=g(U)乘上轉矩指令Tcmd=Kt＊U的倒數而算出之值，因此變化量係數α係以下式(7)表示。
此處，以下式(8)定義虛擬時間τ。
虛擬時間τ乃係由實際時間t伸縮形成，其變化率乃係由實際時間t的變化率乘上述式(8)的倒數。虛擬時間τ軸上的控制對象1的狀態方程式(於實際時間t軸上為式(5))於虛擬時間τ軸上係以下式(9)表示。
由於慣性矩J及轉矩常數Kt為常數，因此式(9)為線 性。
同樣地，由於式(8)右邊為式(5)右邊的倒數，因此虛擬時間τ軸上的速度模型21的狀態方程式於虛擬時間τ軸上係以下式(10)表示。
此外，同樣地，虛擬時間τ軸上的速度控制器33的狀態方程式於虛擬時間τ軸上係以下式(11)表示。
上述式(9)、(10)、(11)皆為線性，且電流指令U方面無限制。因此，虛擬時間τ軸上的控制對象1的響應係不受電流限制器34中的電流限制的影響。此外，虛擬時間τ軸上的控制對象1的響應也不受馬達11的電流-轉矩特性為非線性的影響。
此外，如上述說明，第1圖中所示的馬達控制裝置的控制系統係以模型追隨控制為基礎，即以速度模型21產生所期望的響應，並以令控制對象1追隨該響應的方式進行回饋(feedback)控制，因此，速度控制系統的響應特性係能夠藉由速度模型21的矩陣Aff、Bff、Cff、Dff而以與速度控制器33的特性分別獨立的方式設定。
第3圖係顯示以速度控制器33的誤差抑制性能相較 於速度模型21的響應特性變得足夠高(亦即，達到相對於速度模型21的響應特性誤差獲得抑制之程度)的方式設定的情形中，令控制對象1的負載慣性比(慣性矩)變化時的虛擬時間τ軸上的速度響應之圖。當以速度控制器33的誤差抑制性能相較於速度模型21的響應特性變得足夠高的方式設定矩陣Aff、Bff、Cff、Dff及常數Kv、Ki，便能夠實現即使控制對象1的慣性矩發生變化，響應特性的變化也會很小的控制系統。
亦即，即使控制對象1的慣性矩的額定值Jn與控制對象1的慣性矩J之間存在有誤差，仍能夠有良好的響應。
第4圖係顯示實際時間t軸與虛擬時間τ軸的控制對象1的速度響應之圖。實際時間t軸上的控制對象1的速度響應乃相應於以式(8)求取的實際時間t與虛擬時間τ之關係，將根據屬於線性的狀態方程式之式(9)、式(10)、式(11)求取的虛擬時間τ軸上的速度響應沿時間軸方向伸展後的響應。因此，為了防止實際時間t軸上的速度響應發生過衝(overshoot)，只要以使速度響應在虛擬時間τ軸上不會發生過衝的方式設定速度模型21及速度控制器33的動態特性即可。此即代表前面說明過的本實施形態的控制系統含有反飽和效果，即使採用步階(step)信號的形式在速度指令Vr輸入大的值而形成U≧Umax時，仍能夠以不使過衝發生的方式控制實際速度V。因此，藉由構成為如上述，即使控制對象1的慣性矩J為未知(Umax的最大加速度為未知)，只要採用步階信號的形式在速度指令Vr輸入目標速度，便能夠實現以最大加速度進行的高速速度響應。
第5圖係顯示令控制對象1的負載慣性比(慣性矩J) 變化時的速度響應(第5圖(A))與轉矩的響應(第5圖(B))之圖。依據第5圖(A)及(B)，不論在哪個負載慣性比，即使以最大轉矩(最大加速度)進行加速，實際速度V也不會發生過衝。
如上述說明，在本實施形態的馬達控制裝置中，係即使控制對象的慣性矩為未知時或負載大小大幅變化時，只要給予目標速度，便能夠實現自動適應目標速度及慣性矩之高速且良好的速度響應。此外，在本實施形態的馬達控制裝置中，係對馬達的電流-轉矩特性(非線性轉矩模型的特性)的非線性特性進行補償，從而能夠防止因馬達的電流-轉矩特性為非線性所造成的響應之劣化。
另外，在上述的說明中係針對控制對象1無摩擦時的情形進行說明。設控制對象1有摩擦產生，黏性摩擦係數為c，此時控制對象1的動態特性係以下式(12)的狀態方程式表示。
若對於有摩擦產生的控制對象1同樣也進行與無摩擦時相同的控制，則虛擬時間τ軸的控制對象1係以下式(13)的狀態方程式表示。
上述式(13)係能夠視為是黏性摩擦係數c依變化量係數α而變化的線性時變性的狀態方程式。如上述說明，模型追 隨控制的控制系統不易受控制對象1的誤差與變動的影響，因此，即使慣性矩J變動，響應特性也幾乎不會變化，同樣地，即使摩擦係數有變化，響應特性也幾乎不會變化。因此，本實施形態的馬達控制裝置幾乎不受摩擦的影響，僅給予目標速度便能夠實現高速且良好的速度響應。
另外，當慣性矩J及黏性摩擦係數c已預先設定時，亦能夠在變化量係數算出部36藉由下式(14)算出變化量係數α。
此時，取代上述式(8)改以下式(15)定義虛擬時間τ。
如此一來，虛擬時間τ軸上的控制對象1的狀態方程式係以下式(16)表示。
上式(16)的狀態方程式係不同於上述式(13)，能夠視為是不含變化量係數α的線性非時變性的狀態方程式。如上述，在變化量係數算出部36算出的變化量係數α之算出方法並不限定於上述，係能夠運用各種方法。
另外，在上述中乃係使用連續時間的狀態方程式進 行說明，而在為離散時間的情形中，藉由設各取樣(sampling)時刻的狀態變數其與前取樣時刻間的變化量為以習知的狀態變數的更新演算所求得之值的α倍，便能夠同樣實現上述的特性。
另外，當馬達11的電流-轉矩特性的非線性特性小到能夠忽略或是僅動作在該能夠忽略非線性特性的範圍內時，於變化量係數算出部36便不需設置轉矩常數乘法器361及非線性轉矩模型362，只要將電流指令U與限制後電流指令Usat輸入比率演算器363即可。藉由構成如上述，便只要考慮由電流限制器34的屬於電流指令的限制值之最大電流指令值Umax所致生的非線性特性。
另外，當在速度控制器33設置有低通濾波器和抑制機械之共振的陷波濾波器(notch-filter)時，即使電流飽和發生，該些濾波器(filter)也不會蓄積誤差，因此該些濾波器的狀態變數的變化量並不需乘上變化量係數α。尤其在陷波濾波器中，若對狀態變數的變化量乘上變化量係數α，則相應於機械的共振頻率而設定的陷波頻率(notch)便會變化，因此並不需乘上變化量係數α。
如上述，本實施形態的馬達控制裝置係根據速度指令對具備馬達與連結該馬達的機械系統之控制對象進行驅動，該馬達控制裝置係具備：速度模型，係根據屬於1個以上變數的第1狀態變數與前述速度指令，算出前述第1狀態變數的變化量並更新前述第1狀態變數，根據更新後的前述第1狀態變數，算出速度前饋及電流前饋並予以輸出；速度控制器，係根據前述馬達的實際速度、前述速度前饋及前述電流前饋而算出屬於1個以上變數的第2狀態變數的變化量並更新前述第2狀態變數，根據前 述馬達的前述實際速度、前述速度前饋、前述電流前饋及更新後的前述第2狀態變數，算出電流指令並予以輸出；電流限制器，係以前述電流指令為輸入，輸出限制電流值以下的限制後電流指令；及變化量係數算出部，係根據前述電流指令與前述限制後電流指令，算出屬於前述第1狀態變數與前述第2狀態變數的變化量的補正係數之變化量係數；前述速度模型係在前述第1狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述速度控制器係在前述第2狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正。
實施形態2.
第6圖係顯示本發明的馬達控制裝置的實施形態2的構成之方塊圖。在實施形態2中，功能與實施形態1中相同的構成要素係標註相同的元件符號並省略說明。第6圖中所示的馬達控制裝置係具備：控制對象1a、含有速度模型21的位置模型2、位置控制器31、微分器32、速度控制器33、電流限制器34、電流控制器35、變化量係數算出部36、慣性矩推定部37、減速度算出部38及最大速度設定部39。
控制對象1a係具備：馬達11；機械系統12，係連結馬達11；及位置檢測器14，係檢測馬達11的位置。就位置檢測器14而言，係例如使用編碼器或解角器即可。
位置模型2係具備：速度模型21、速度指令算出部22及積分器23。
速度指令算出部22係接受剩餘距離e(目標位置Xr與位置前饋Xff間之偏差)、預先設定好的最大速度Vmax及如後述 藉由減速度算出部38算出的減速度Adec之輸入，輸出速度指令Vr。另外，最大速度Vmax係由最大速度設定部39設定。
速度模型21乃係以速度指令Vr為輸入，同實施形態1將速度前饋Vff及電流前饋Uff算出並輸出之模型。
積分器23係對從速度模型21輸出而輸入的速度前饋Vff進行積分，輸出位置前饋Xff。
位置控制器31係以從積分器23輸出的位置前饋Xff與以位置檢測器14檢測出的實際位置X間之偏差為輸入，使用預先設定的位置增益，輸出速度補正量Vc。
微分器32係對實際位置X進行微分，輸出實際速度V。
速度控制器33係以速度前饋Vff與速度補正量Vc的和與實際速度V間之差以及電流前饋Uff為輸入，同實施形態1輸出電流指令U。
電流限制器34、電流控制器35及變化量係數算出部36係與實施形態1相同。
慣性矩推定部37係以電流控制器35輸出的電流i與實際位置X或實際速度V為輸入，輸出控制對象1a的慣性矩推定值Jhat。例如只要使用對實際位置X進行二階微分或對實際速度V進行一階微分而算出的加速度與電流i，逐次推定來算出慣性矩推定值Jhat即可。
減速度算出部38係以慣性矩推定值Jhat為輸入，使用從預先設定好的最大電流Umax算出的最大轉矩Tmax，將減速度Adec算出並輸出。減速度Adec係藉由下式(17)算出。
[數式17]Adee=Tmax/Jhat×γ…(17)
此處，上式(17)中的常數γ乃係預先設定好的1以下的正常數，為了使減速時的轉矩比最大轉矩小，約設為0.8至0.9。此外，當控制對象1a的摩擦的大小已預先設定時，亦能夠考量摩擦而將減速度Adec設為比藉由上述式(17)算出的值大。
此處，針對速度指令算出部22的動作進行說明。速度指令算出部22係使用稱為PTOS(Proximate Time-Optimal Servomechanism)法的控制方式的目標速度函數。該目標速度函數係以下式(18)至式(20)表示。另外，e係目標位置Xr與位置前饋Xff間之剩餘距離。
當使用如上述的目標速度函數，由於目標速度函數係相應於剩餘距離e連續地切換，因此能夠以不使過渡響應惡化的方式進行速度指令Vr的切換。
接著，說明實施形態2的馬達控制裝置的動作。
當設定了離現在的實際位置X夠遠的目標位置Xr時，依據式(19)，速度指令算出部22輸出最大速度Vmax，速度指令Vr係從0切換為Vmax。如此一來，該控制系統係在速度迴路(loop)中含有與實施形態1的速度控制系統同等的控制系統，因此會自動對應電流限制和馬達11的電流-轉矩特性的非線性特性，馬達11的實際速度V係在高速且良好的響應下加速至最大速度Vmax。
此時，若於加速中發生電流飽和，速度前饋Vff的響應便會藉由變化量係數α自動調整。因此，對速度前饋Vff進行積分而得的位置前饋Xff的響應亦同樣形成為相對於電流飽和自動進行過調整。此外，於加速中，慣性矩推定部37係推定控制對象1a的慣性矩，輸入至速度指令算出部22的減速度Adec係藉由上述式(17)設定。
若剩餘距離e減少，速度指令算出部22的目標速度函數Vr’便會切換為式(18)中的第1式。因此，速度指令Vr係以減速度Adec進行定減速。在此期間，馬達11的實際速度V也會以減速度Adec進行減速。由於減速度Adec的值係藉由控制對象1a的慣性矩推定值Jhat而設定，因此能夠實現最大限度使用馬達11所能產生的轉矩之理想的減速響應。
最後，若剩餘距離e降到藉由上述式(20)算出的e1以下，速度指令算出部22的目標速度函數Vr’便會切換為上述式(18)中的第2式，目標速度函數Vr’(速度指令Vr)係與剩餘距離e成比例。此時，位置模型2整體成為線性，因此位置前饋Xff係滑順地收斂至目標位置Xr。藉由位置控制器31，位置前饋Xff與實 際位置X之誤差獲得抑制，因此實際位置X亦滑順地到達目標位置Xr。
如上述說明，在本實施形態的馬達控制裝置中，僅藉目標位置Xr之輸入，以使速度響應成為理想的梯形波形之方式自動產生位置前饋Xff、速度前饋Vff及電流前饋Uff，從而能夠實現高速且良好的定位響應。
在本實施形態中係具有以實施形態1中說明過的構成所進行的速度控制系統，因此，相較於習知的PTOS控制法，對於例如控制對象1a的負載的變動和電流限制之類的非線性特性能夠有更為強建(robust)的控制。此外，在習知的PTOS控制法中，減速度Adec為固定值，而在本實施形態中，減速度Adec係藉由控制對象1a的慣性矩推定值Jhat而動態地設定，因此即使控制對象1a的負載大小為未知，加速、減速仍皆能夠獲得理想的響應。
此外，即使在移動距離小時，仍係將與剩餘距離e相應的速度指令Vr算出，藉由速度指令Vr與速度前饋Vff的大小自動地進行加速與減速的切換，因此會以使速度響應成為理想的三角波形之方式產生位置前饋Xff、速度前饋Vff、電流前饋Uff。
第7圖係顯示令控制對象1a的負載慣性比(慣性矩J)變化時的速度響應(第7圖(A))與轉矩的響應(第7圖(B))之圖。依據第7圖，不論在哪個負載慣性比，皆能夠進行以理想的速度模式進行的高速的定位。
如上述說明，在本實施形態的馬達控制裝置中，即使控制對象的負載大小為未知時或負載大小大幅變化時，只要給予目標位置，便能夠實現自動適應目標位置及控制對象的負載大 小之高速且良好的定位。
另外，在本實施形態中雖然係針對當給予目標位置便能夠自動進行定位控制的控制系統進行說明，但不限定於此，本實施形態係亦能夠適用於對以時間序列(例如脈波(pulse)序列)給予的位置指令進行追隨控制的控制系統。此時，速度指令算出部22以不論剩餘距離e為何均輸出與剩餘距離e成比例的速度指令Vr之方式設定。此外，在如此的控制系統中，於電流未飽和的狀況下，係與以稱為一般性模型追隨控制的控制方式所進行的位置控制一致，因此馬達11的實際位置X係以追隨所給予的位置指令Xr之方式受到控制。另一方面，當發生電流飽和時，係藉由變化量係數α使速度模型21與速度控制器33雙方獲得補償，因此能夠得到反飽和效果，從而能夠以不會造成例如過衝之類的不穩定響應之方式進行控制。
如上述說明，本實施形態的馬達控制裝置係根據位置指令對具備馬達的控制對象進行驅動，該馬達控制裝置係具備：速度指令算出部，係根據前述位置指令與位置前饋間之偏差，輸出速度指令；速度模型，係根據屬於1個以上變數的第1狀態變數與前述速度指令，算出前述第1狀態變數的變化量並更新前述第1狀態變數，根據更新後的前述第1狀態變數，算出速度前饋及電流前饋並予以輸出；積分器，係對前述速度前饋進行積分，輸出前述位置前饋；位置控制器，係根據前述馬達的實際位置與前述位置前饋間之差分，輸出速度補正量；速度控制器，係根據前述馬達的實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋及前述電流前饋，算出屬於1個以上變數的第2狀態變數的變化量並更新 前述第2狀態變數，根據前述馬達的前述實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋、前述電流前饋及更新後的前述第2狀態變數，算出電流指令並予以輸出；電流限制器，係以前述電流指令為輸入，輸出限制電流值以下的限制後電流指令；及變化量係數算出部，係根據前述電流指令與前述限制後電流指令，算出屬於前述第1狀態變數與前述第2狀態變數的變化量的補正係數之變化量係數；前述速度模型係在前述第1狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述速度控制器係在前述第2狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正。
實施形態3.
第9圖係顯示本發明的馬達控制裝置的實施形態3的構成之方塊圖。在第9圖中，功能與第1圖、第6圖中相同的構成要素係標註相同的元件符號並省略說明。
第9圖中所示的馬達控制裝置係具備：控制對象1a、位置模型2b、位置控制器31、微分器32、速度控制器33、電流限制器34、電流控制器35、變化量係數算出部36、慣性矩推定部37、減速度算出部38、最大速度設定部39、模型補正部40及切換開關(switch)41。亦即，第9圖中所示的馬達控制裝置乃係在第6圖所示的馬達控制裝置中增設模型補正部40及切換開關41而成者。
另外，在本實施形態中，電流限制器34係構成為能輸出電流限制之有無。此外，積分器23係輸入有從速度模型21輸出的速度前饋Vff與切換開關41的輸出信號間之偏差。
模型補正部40係與位置控制器31同樣以從積分器23輸出的位置前饋Xff與以位置檢測器14檢測出的實際位置X間之偏差(誤差信號)為輸入，輸出對該偏差乘上預先設定好的模型補正增益Wm而得的模型補正信號。所輸出的模型補正信號係輸入至切換開關41。
切換開關41乃係依電流限制器34輸出的電流限制之有無而成為接通或無接通之構成。當電流限制器34中發生電流限制時，切換開關41成為接通，當未發生電流限制時，切換開關41成為無接通。換言之，切換開關41係當電流指令U的大小超過限制電流值時成為接通，當電流指令U的大小為限制電流值以下時成為無接通。
當切換開關41為接通狀態時，切換開關41的輸出為模型補正信號，當切換開關41為無接通狀態時，切換開關41的輸出為0。
藉由切換開關41的輸出，積分器23係對速度前饋Vff與模型補正信號間之偏差進行積分，輸出位置前饋Xff。
接著，說明實施形態3的馬達控制裝置的動作。
首先，當設定離現在的實際位置X夠遠的目標位置Xr，如在實施形態2中參照式(19)之說明，速度指令算出部22係輸出最大速度Vmax，速度指令Vr係從0切換為Vmax，馬達11的實際速度V係加速至最大速度Vmax。
此時，若於加速中發生電流飽和，切換開關41便會變為接通狀態，積分器23、模型補正部40及切換開關41形成回饋迴路(feedback loop)。此回饋迴路的狀態方程式係以下式(21)表 示。
若設模型補正增益Wm為觀測器增益(observer gain)，上述式(21)便變為與狀態觀測器(observer)的式子相同，由積分器23、模型補正部40及切換開關41形成的回饋迴路係以使位置前饋Xff與實際位置X間之誤差減少之方式補正位置前饋Xff。
如實施形態2所說明過，在第6圖所示的馬達控制裝置中，當電流飽和發生時，會藉由變化量係數α補正速度模型21的動作。當如此補正速度模型21的動作，位置模型2與控制對象1a間的響應之背離便獲得抑制，從而即使發生電流飽和仍能夠獲得良好的響應。
在本實施形態的第9圖中所示的馬達控制裝置中，亦藉由模型補正部40補正位置前饋Xff與實際位置X間之誤差，因此更進一步抑制電流飽和發生時位置模型與控制對象1a間的響應之背離。因此，對於電流飽和能夠實現比實施形態2更為強健的控制。
此外，於電流未飽和的狀況下，切換開關41係成為無接通狀態，因此與以稱為一般性模型追隨控制的控制方式所進行的位置控制一致，從而能夠實現對於控制對象的變異和外部干擾強健的控制。
如上述說明，本實施形態的馬達控制裝置係根據位置指令對具備馬達的控制對象進行驅動，該馬達控制裝置係具 備：速度指令算出部，係根據前述位置指令與位置前饋間之偏差，輸出速度指令；速度模型，係根據屬於1個以上變數的第1狀態變數與前述速度指令，算出前述第1狀態變數的變化量並更新前述第1狀態變數，根據更新後的前述第1狀態變數，算出速度前饋及電流前饋並予以輸出；模型補正部，係根據前述馬達的實際位置的與前述位置前饋間之差分，輸出模型補正信號；切換開關，係以前述模型補正信號為輸入，於接通狀態時係輸出前述模型補正信號，於無接通狀態時係輸出零信號；積分器，係對前述速度前饋與前述切換開關的輸出信號間之偏差進行積分，輸出前述位置前饋；位置控制器，係根據前述馬達的實際位置與前述位置前饋間之差分，輸出速度補正量；速度控制器，係根據前述馬達的實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋及前述電流前饋，算出屬於1個以上變數的第2狀態變數的變化量並更新前述第2狀態變數，根據前述馬達的前述實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋、前述電流前饋及更新後的前述第2狀態變數，算出電流指令並予以輸出；電流限制器，係以前述電流指令為輸入，輸出將前述電流指令的大小限制在限制電流值以下的限制後電流指令；及變化量係數算出部，係根據前述電流指令與前述限制後電流指令，算出屬於前述第1狀態變數與前述第2狀態變數的變化量的補正係數之變化量係數；前述速度模型係在前述第1狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述速度控制器係在前述第2狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述切換開關係當前述電流指令的大小超過前述限制電流值時成為接通，當前述電流指令的大小為前述限 制電流值以下時成為無接通。
(產業上的利用可能性)
如上所述，就適用於慣性矩和摩擦之類的負載為未知或負載大小大幅變化的控制對象之馬達控制裝置而言，本發明的馬達控制裝置非常有用。
1‧‧‧控制對象
11‧‧‧馬達
12‧‧‧機械系統
13‧‧‧速度檢測器
21‧‧‧速度模型
33‧‧‧速度控制器
34‧‧‧電流限制器
35‧‧‧電流控制器
36‧‧‧變化量係數算出部
361‧‧‧轉矩常數乘法器
362‧‧‧非線性轉矩模型
363‧‧‧比率演算器
i‧‧‧電流
T‧‧‧實際轉矩
Tcmd‧‧‧轉矩指令
U‧‧‧電流指令
Uff‧‧‧電流前饋
Umax‧‧‧最大電流指令值
Usat‧‧‧限制後電流指令
V‧‧‧實際速度
Vff‧‧‧速度前饋
Vr‧‧‧速度指令
α‧‧‧變化量係數

Claims (9)

  1. 一種馬達控制裝置，係根據速度指令對具備馬達與連結該馬達的機械系統之控制對象進行驅動，該馬達控制裝置係具備：速度模型，係根據屬於1個以上變數的第1狀態變數與前述速度指令，算出前述第1狀態變數的變化量並更新前述第1狀態變數，根據更新後的前述第1狀態變數，算出速度前饋及電流前饋並予以輸出；速度控制器，係根據前述馬達的實際速度、前述速度前饋及前述電流前饋算出屬於1個以上變數的第2狀態變數的變化量並更新前述第2狀態變數，根據前述馬達的前述實際速度、前述速度前饋、前述電流前饋及更新後的前述第2狀態變數，算出電流指令並予以輸出；電流限制器，係以前述電流指令為輸入，輸出將前述電流指令的大小限制在限制電流值以下的限制後電流指令；及變化量係數算出部，係根據前述電流指令與前述限制後電流指令，算出屬於前述第1狀態變數與前述第2狀態變數的變化量的補正係數之變化量係數；前述速度模型係在前述第1狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述速度控制器係在前述第2狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正。
  2. 一種馬達控制裝置，係根據位置指令對具備馬達的控制對象進行驅動，該馬達控制裝置係具備：速度指令算出部，係根據前述位置指令與位置前饋間之偏 差，輸出速度指令；速度模型，係根據屬於1個以上變數的第1狀態變數與前述速度指令，算出前述第1狀態變數的變化量並更新前述第1狀態變數，根據更新後的前述第1狀態變數，算出速度前饋及電流前饋並予以輸出；積分器，係對前述速度前饋進行積分，輸出前述位置前饋；位置控制器，係根據前述馬達的實際位置與前述位置前饋間之差分，輸出速度補正量；速度控制器，係根據前述馬達的實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋、及前述電流前饋，算出屬於1個以上變數的第2狀態變數的變化量並更新前述第2狀態變數，根據前述馬達的前述實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋、前述電流前饋、及更新後的前述第2狀態變數，算出電流指令並予以輸出；電流限制器，係以前述電流指令為輸入，輸出將前述電流指令的大小限制在限制電流值以下的限制後電流指令；及變化量係數算出部，係根據前述電流指令與前述限制後電流指令，算出屬於前述第1狀態變數與前述第2狀態變數的變化量的補正係數之變化量係數；前述速度模型係在前述第1狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述速度控制器係在前述第2狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正。
  3. 一種馬達控制裝置，係根據位置指令對具備馬達的控制對象進 行驅動，該馬達控制裝置係具備：速度指令算出部，係根據前述位置指令與位置前饋間之偏差，輸出速度指令；速度模型，係根據屬於1個以上變數的第1狀態變數與前述速度指令，算出前述第1狀態變數的變化量並更新前述第1狀態變數，根據更新後的前述第1狀態變數，算出速度前饋及電流前饋並予以輸出；模型補正部，係根據前述馬達的實際位置的與前述位置前饋間之差分，輸出模型補正信號；切換開關，係以前述模型補正信號為輸入，於接通狀態時係輸出前述模型補正信號，於無接通狀態時係輸出零信號；積分器，係對前述速度前饋與前述切換開關的輸出信號間之偏差進行積分，輸出前述位置前饋；位置控制器，係根據前述馬達的實際位置與前述位置前饋之差分，輸出速度補正量；速度控制器，係根據前述馬達的實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋及前述電流前饋，算出屬於1個以上變數的第2狀態變數的變化量並更新前述第2狀態變數，根據前述馬達的前述實際速度、前述速度補正量、前述速度前饋、前述電流前饋及更新後的前述第2狀態變數，算出電流指令並予以輸出；電流限制器，係以前述電流指令為輸入，輸出將前述電流指令的大小限制在限制電流值以下的限制後電流指令；及變化量係數算出部，係根據前述電流指令與前述限制後電 流指令，算出屬於前述第1狀態變數與前述第2狀態變數的變化量的補正係數之變化量係數；前述速度模型係在前述第1狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述速度控制器係在前述第2狀態變數的變化量的算出中，進行乘上前述變化量係數的補正；前述切換開關係當前述電流指令的大小超過前述限制電流值時成為接通，當前述電流指令的大小為前述限制電流值以下時成為無接通。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之馬達控制裝置，具備：最大速度設定部，係設定前述馬達的最大速度；及減速度算出部，係算出前述馬達於減速停止時的減速度；前述速度指令算出部係藉由以前述位置指令與前述位置前饋間之偏差、前述最大速度及前述減速度為根據的函數，算出前述速度指令。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之馬達控制裝置，具備：最大速度設定部，係設定前述馬達的最大速度；及減速度算出部，係算出前述馬達於減速停止時的減速度；前述速度指令算出部係藉由以前述位置指令與前述位置前饋間之偏差、前述最大速度及前述減速度為根據的函數，算出前述速度指令。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制裝置，其中，前述減速度算出部係根據從前述馬達的電流及實際位置或實際速度推定出的前述控制對象的慣性矩推定值，算出前述減速度。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之馬達控制裝置，其中，前述減速度算出部係根據從前述馬達的電流及實際位置或實際速度推定出的前述控制對象的慣性矩推定值，算出前述減速度。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述變化量係數算出部係藉由前述電流指令與前述限制後電流指令間之比率，算出前述變化量係數。
  9. 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述變化量係數算出部係具備：轉矩常數乘法器，係對前述電流指令乘上預先設定好的前述馬達的轉矩常數而算出轉矩指令；及非線性轉矩模型，係將前述馬達之電流與轉矩之間的非線性特性予以模型化而得者；藉由前述轉矩指令與根據前述限制後電流指令與前述非線性轉矩模型而算出的實際轉矩間之比率，算出前述變化量係數。
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