TWI234341B - Apparatus for controlling an electric motor - Google Patents

Description

!234341 坎、發明說明 [發明所屬之技術領域] 本發明係有關電動機之控制裝置。 [先前技術] 第6圖為概念性表示現行一般使用之電動機速度控制 裝置之構造圖。圖中’丨為電動機，2為經由電動機所驅動 的負載，3為連接電動機丨與負載2之軸。負載2為以電 1機1驅動之機械之活動部份作為—個慣性負載並將其模 型化者，軸3為將電動機1發生的轉矩傳達至機械之機構 全！化者。4為女裝於電動機丨，可檢測出電動機1位置之 ::碼态’ 5為將由編碼器4所檢測出的電動機位置予以微 :而s十算電動機速度的速度檢測裝置。6為比較器，比較 =未圖不之上位控制器所發出之速度指令信號與速度檢測 :輸出之電動機速度，而輸出兩者的差也就是速度誤 “ 7為速度控制裝置，輸人比較器6的輸出也就是速度 =並輸出電動機驅動指令也就是電流指令。8為電流控 制裝置’以速度控制裝置7輸出之電流指令為基準，藉由 控制電動機電流使電動機產生轉矩，而旋轉電動機。 $度控制裝置7由比例控制器9、積分控制器1〇、以 ^力二器U所構成。比例控制器9會將輸入的速度誤差乘 ==益KP後輸出’積分控制器1Q將速度誤差的積分 值乘上積分增益KI後輸出。 的輸出與積分控制器i。的輪出异;二二比例_ .σ 』出並將其作為電流指令輸 。卜15為機械系，由電動機卜負載2與軸3構成。 3]5392 5 1234341 先别的速度控制系統構造係如上述，為使速度指令信 唬與電動機速度的差也就是速度誤差變小，使其產生將電 動機1加速或減速的轉矩，藉此電動機會旋轉電動機^ 負載。2，使電動機速度可追隨上位控制器所發出的速度指 令信號。在機械系中發生干擾轉矩（—nee叫叫作 用時，經由此干擾轉矩電動機速度會產生變化，但是此速 度變化會被編碼器4與速度檢測裝 度控制裝置7而產生修正速度變化之電流指令。^ = 吏在干擾轉矩產生作，速度變化也會受到速度控制迴 路(:peed controlhng 1〇〇p)抑制，並控制電動機使之追隨速 度信號指令。 ' 统時之/為❹現行之速度控㈣置來構成速度控制系 度Γ放迴路(speed °pen lo°p)頻率特性圖。所謂速 ^帛率特性，係指從速度控制裝置7的輸入至由 =度檢測裝置5所測出電動機速度為止的頻率特性，第7 圖上圖為增益特性，下阁炎,/ 弟7 電動之I 特性。圖中的虛線為連接 性較高情況下的頻率特性的剛性“的情況’亦即機械剛 性較低故_難較低，以I;/、㈣顯㈣軸3的剛 料的頻率特性。 圖上圖虛線所二^剛性較高)時的增益特性如第7 置:或控制裝置之取樣週期：電::： 延遲增大’即使在低頻率下，因速心置： 315392 6 1234341 分控制Is 1 ο，故相位延遲也會增大。 — 面機械剛性較低（軸3的剛性較低）時，機械系 會產生機械共振，其增益特性如第7圖上圖實線所示，會 產生所謂的共振的高蜂與稱作反共振的底谷部份。因為: 共振與反共振間增益為向左下滑走勢，故低頻率下的增益 曰J於#由3之剛性較高時（虛線）的情形。當電動機1慣性矩 :二。f 與負冑2慣性矩之和的機械系整體的慣 於電動機慣性们Μ愈多，則共振與反共振的距離 退…反共振頻率變低，故低頻率的增益也會變更小。 因之度的速度控制，必須抑制形成速度誤差原 變化。縮小干擾轉矩發生作用時的速度 4說’干擾轉矩擁有低頻率的信號成分， 了細小干擾轉矩所產生的速度 ”、 详兴。β 疋厌艾化，必須增大低頻率下的 日皿-疋’因為在剛性較低之機械 頻率下增益會縮小，故干擾轉矩所產生 低 大，而難以進行高精度的控制。㈣m會增 的增示之現行速度控制裝置下欲增加低頻率時 辦χΚΙ 日大速度控制裝置7的比例增益kp或積分 二但是，仍有其極限’以致結果仍無法進行高二 的控制。以下說明其门精度 增益特性(實心… 在第7圖中，低剛性情況下的 ("線）係以低於反共振頻率之頻率、將盥捭x 的線交又之頻率做為第一交又頻率以二將： 率之頻率盥拎兴n 以冋於共振頻 C2…：又之頻率做為第二交又頻率ω …制系統不產生振動或振盈而進行安定的動作， 315392 7 1234341 在第一交叉頻率〇 Cl或篦_六。此古 速度開放迴路頻率特性—^、“C2方面必須縮小 KP變大時，因第-目位延遲。但是’當將比例增益 第二交又料Γ—頻率_會移動至高頻率侧，故 又又’y員率ω C2中的相位遲 轉為振動或產生振盈。另夕增大，而導致控制系統 gi丨ra盔Λ V 另卜，虽將積分增益ΚΙ增大時， 則因為積分控制器1〇所 大，因此第-交又頻率r 相位延遲也會增 ’員率ω C1下的相位延遲隨祕 樣會導致控制系統轉為 9 同 為振動或開始振盪。如上所述，在現 订的速度控制梦署Τ 丄Λ < 杜現 τ ^ ^ 由於比例增益ΚΡ或積分增益幻到 一去增大，故無法增大低頻率的增益，其 、、Ό果k成要進行高精度控制變得相當困難。 以具備機械共振 機械糸為對象的伺服控制技術在曰 本國特開200-322105號公報中p古％ 口口 度控制裝置構造如第8圖所-:使用此技術之速 _ 圖所不。與第6圖相同的部分係才曼 不相同的符號。在第8圖中，12 '、不 的遽波器，係具有機械^反幻t入度控制迴路 、有機械糸之反共振、共振特性之相反特性 的特性。該遽波器12的特性係經調整為公式⑴所 不之特性。 G(s)-6； i2(s + 2r 2ω28+ω22)/{ω22(8+2Γ ιω ι8+ω j2)} _ (1) 在此，ω2、Γ1、Γ2分別為各個參數，^為 接近反共振頻率的數值，ω2&接近共振頻率的數值。另 外’（1、Γ2則對應反共振、共振的高峰設定為較小的數 值。根據此技術，可經由濾、波器12抑制機械系共振高峰的 增益’因此可較以往更加提升增益，並實現高精度的控制。 315392 8 1234341 & 峰更古^ 彳1之主要對象係抑制較第7圖所示共振高 f炅呵頻率的不安定丘 搌回 中所示之安定的共振言二’如將此技術套用在第7圖 題進行說明。 & ^ 、’會發生問題，以下便針對該問 第9圖表示將此技術套 率特性的嬙0 ★ 在擁有弟7圖實線所示之頻 千㈣的機械糸時的濾波器 上述-般會被調整為擁㈣機：/1率特性。 反的牲# /、機械系之反共振、共振特性相 夂的特性，因此其增益特性合 — ^ ^ ^ ㈢形成·猎由機械系的反共振 建到阿峰，而藉由機械系 m 韓矩盤L 、 妁^、振洛至底谷。接著考量干擾 子使用此種攄波器進行於 / ^ 工制之機械糸產生作用的情 $。共振頻率為機械系容易 外a a 進仃振動的頻率，如干擾轉矩 么生作用則機械系會有以 、* ώ w 只手振勤之情形。此振動被 速度檢測裝置5測出，反饋5、击命裉 ^m 饋至速度控制裝置7,速度控制 裝置7會產成並輸出用以停止 此動作的電流指令。此雷、户 扎令中當然包含有共振頻率的 千扪彳。唬成分。但是，如第9圖 所^慮波器12的增益因共振頻率而變小故在通過遽波器 12時共振頻率的信號成分會從電流指令中被除去。亦即， 藉由遽波器12,可自電流指令中除去用以停止振動之信號 成分。因此，會發生即使機械系因共振頻率產生振動，速 度控制系統也無法停止其振動之問題。 如上所述，在控制低剛性、且機械系之慣性矩】較電動 機慣性矩JM為大之機械系日夺’由於現行一般所使用之速度 控制裝置不易增大低頻率下的增益，且干擾轉矩所造成的： 度變化也會增大，因此有難以進行高精度控制的問題。 315392 9 1234341 ^ W m 2000-322105 術，雖可I你#安 心故中所揭示之技 雖了在低頻率下增大增益但卻蛊 此無法適用於低頻率且擁有機械 τ止機械振動，因 [發明内容】 有機U的機械系。 本發明為解決上述問題而 電動機控制裝置，可安定且高精度地"二為提供-種 第c振頻率之機械系的機械負載助電動機。 弟1項赉明之電動機控制裝置，係一猶 信號，驅動連接於且$ ’、 可依速度指令 系的機械頻率與反共振頻率之機械 動機之檢測速度的電動機控制裝：備r述電 诚# 4t人& 裝置具備有··依前 、又曰々#號與前述電動機檢測速度 前述電動機速度追隨前述速度 ^輸出可使 指令信號的声> & # 4唬的則述電動機驅動 而插入：==以及與前述速度控制裝置串聯 率領域 ^又工制迴路之渡波器’該遽波器具備高頻 m Φ ^ q馮半領域與低頻率領域之 =的中間頻率領域，除低頻率領域增 遲之相 ’還具有使前述中間頻率領域相位延 輸入乘上比例增K KP而、：/』述速度控制裝置具有：將 、， 冑出的比例控制部；或將輸入乘 上比例增盈ΚΡ之值盥將私 ^ ^ ^ /、將輪入之積分值乘上積分增益KI之 的積分控制部，而前㈣波器，係設定成可 相Γ闕共㈣率與前収絲料之間產生延遲。 項發明之電動機控制裝置，係-種可依速度指令 315392 10 1234341 信號’驅動連料具傷擁有共 ㈣機械負載的電動機，且在速度控制二:率之機械 ==度的電動機控制裝置，該裝置具備 达k度4日々化號與前述電動 述雷動播、b , “動機檢測速度的差信號輸出使前 ==τ前述速度指令信號的前述電動機驅動指 於前述速度控制迴路之滤波器，該遽波器且：：丰而 =、低頻率領域以及位於高頻率領域與低頻率領域= 領域間=領域、，除低頻率領域增益KLA於前述高頻率 相^增""KH以外，擁有使前述中間頻率領域相位延遲 之相位延遲特性，盆Φ ^ 拗、， /、中則述速度控制裳置擁有將輸入乘上 輸出的比例控制部，或是將輸入乘上比例 二以之值與將輸入之積分值乘上積分增益…值加算 在將〜 κρ而别述滤波器，係設定為：相位可 慣性=ΓΓ增益κρ々與料增益KL的積除以前述機械系 〆 亦即第一父又頻率ω C 1，與將前述比例增 =與前述增益ΚΗ的積除以前述電動機慣性矩说的 、亦即第2交又頻率ω C2之間產生延遲。 第3項發明之電動機控制裝置，係一種可依速度指令 動連接於具備擁有共振頻率與反共振頻率之機械 I的機械負載的電動機’而速度控制迴路中具有前述電動 :之檢測速度的電動機控制裝置，該農置具備有：依前述 ^度指令信號與前述電動機檢測速度的差信號輸出使前述 動機速度追隨前述速度指令信號的前述電動機驅動指令 315392 11 1234341 信號料度控制裝置；以及與前述速度控制裝置串聯而插 入於前述速度控制迴路之滤波器，此濾波器在低於第一滤 ^頻率ωη的頻率領域形成大致一定的增益kl，而在 南於第2濾波器頻率wF2的頻率領域中具有較前述增益 KL小：大致一定的增益KH’且在前述第一攄波器頻“ F1與W述第二濾波器頻率ωΡ2之間會產生相位延遲之相 位延遲特性，其中，前述速度控制裝置具有：將輸入乘上 比例增益ΚΡ並輸出的比例控制運算；或將輸入乘上比例 增益ΚΡ之值與將輪人之積分值乘上積分增益ΚΙ之值加算 並輸出的比例積分控制運算，而前述濾波器，係將前述比 例增益κρ與前述增益KL之積除以前述機械系慣性矩j 的值、亦即父又頻率ω C1，與前述第一濾波器頻率ο Η 的比設定成大致一定。 第4項發明的電動機控制裝置，係一種根據速度指令 信號將連接於電動機之機械負載所組成之擁有共振頻率與 反共振頻率的機械系藉由速度控制迴路驅動控制前述電動 機的檢測速度之電動機控制裝置，該裝置具備有：與該濾 波益速度控制裝置串聯插入於前述速度控制迴路之濾波 器，該濾波器在低於第一濾波器頻率ω F1的頻率領域形成 大致一定的增益KL’在高於第2滤波器頻率ωρ2的頻率 領域下形成較前述增益KL小的大致一定的增益κη，而在 前述低頻率領域與前述高頻率領域之間的中間頻率領域中 具有相位延遲特性；以及設定前述滤波器特性與前述速度 控制裝置參數之參數設定裝置，纟中：_述速度控制裝^ 315392 12 1234341 具有將輪入乘上比例增益κρ之 積分辦兴Κ 值，、將輸入之積分值乘上 、日皿ΚΙ之值加算而輸出 #將· i、+、1積分控制部，前述濾波器 係將·刖34比例增益κρ與前 ^ If ^ Τ ^ ㈢風KL之積除以前述機械 系丨貝性矩J的值、亦即交叉頻 Μ ^ ω F1 hh 、 1，與前述第一濾、波器 頻羊ωΡΙ的比設定成大致 以前述比例増益ΚΡ的數值、亦Λ述積分增益ΚΙ除 ^ Ο π ΛΛ 亦17夸點頻率ω PI與前述交 又頻率〇Cl的比設定成大致一定。 第5項發明之電動機控 、击奋伙连丨壯姐— 置係具備有濾波器與設定 速度控制裝置參數之參數 ^ ^ , 衣罝其中：參數設定裝置 係政疋為·在機械系慣性矩了除 ΛΑ ^ ^ L ^ ’、電動機慣性矩JM的值 的^性比變大時，第二濾波器 ⑽的比也會變大。 員羊_對弟-渡波器頻率 第6項發明之電動機控制裝置， ^ ^ ^ ^ 置具備有：濾波器與設 疋速度控制竑置筝數之參數設 置係輸入增益KL與增益KL之比的置’其中’參數設定裝 曰皿之比的增益 — 器頻率0F2與第一濾波器頻 / 一匕波 、、，、 干 Η之比的頻率比，並依 照增盈比或頻率比設定濾波器之特性。 第7項發明之電動機控制裝 η 種可依速度指令 信號，驅動連接於具備擁有共振頻率與反共振頻率之機械 系的機械負載的電動機，且速度控制迴路中具有前述電動 機之檢測速度的^動機控制裝置，該裝置具備有··依前述 速度指令信號與_動機檢測速度的差信號輸出使前述 電動機速度追隨前述速度指令信號的前述電動機驅動指令 信號的速度控制裝置’·與前述速度控制裝置串聯括入於前 315392 13 1234341 =控制迴路之遽波器，該滤波器具備由高頻率領域、 =率領域以及位於高頻率領域與低頻率領域之間的中間 辦兴 „ KL大於前述高頻率領域之 曰皿 ㉜具有使前述中間頻率領域相位延遲之相位 延遲特性；取得前述機械系頻率特性之頻率特性取得裝 置，以及設定前述濾波器特性之參數設定裝置二 述參數設定裝置，孫抓宁士拍# 1 ’、 則 係⑸疋成根據丽述頻率特性取得妒 =之前述機械系頻率特性，使前㈣波器的相位得以在 機械系的反共振頻率與共振頻率間延遲。 如上所述，根據第！項發明，滤波器係設定為：可使 相位在機械系的共振頻率與反共振頻率間會產生延遲所 以可保持控制系統的安定性並能增大低頻率時的增益。藉 ^可使干擾轉矩所造成的速度變化變小，並具有實現高^ 度控制的效果。 根據第2項發明，係設定為：可使相位在比例增益以 :增盃KL之積除以機械系慣性矩j所得之值、亦即第一 交又頻率wci ’以及比例增益κρ與前述增益κη之積除 以前述電動機慣性矩JM所得之值、亦即第二交又頻率^ C2之間產生延遲。藉此第一交又頻率以及第二交又 頻率ω C2之間的相位延遲的增加量會變小，而得以保持栌 制系統的安定性並增大低頻率時的增益。藉此可減少干^ 轉矩所造成的速度變化，並具有實現高精度控制的效果^ 根據第3項發明，濾波器係將比例增益κρ與增益 之積除以機械系慣性矩j之值、亦即交又頻率ω ci與第一 315392 14 1234341 :波器頻率_的比設定成大致一定，因此具有可減少第 —交叉頻率0C1下之相位延遲的增加量、 性，以及控制系統不會產生振動或振盪的效果、。、

根據第4項發明，濾波器係將比例增益κρ與增益KL 之積除以機械系慣性矩J之值、亦即交又頻率〇ci盥第一 據波器頻率_的比歧成大致同時將積分增益幻 除以比例增益KP的值、亦即零點頻率ωρι與交叉頻率ω

Cl的比也設定成大致一定，因此在第一交叉頻率〇ci發 生的相位延遲不會過大，而具有得以確保控制系統的安定 性之效果。 根據第5項發明，參數設定裝置，係在機械系慣性矩 除以電動機慣性矩JM的值也就是慣性比增大時，設定成 第二濾波器頻率ω F2對第一濾波器頻率ω F1的比也會增 大’因此第二交又頻率ω C2下的相位延遲增加量會減少， 不日損及女疋性’同時亦具有不會使控制系統產生振動 或振蓋的效果。 根據第6項發明，係由參數設定裝置輸入增益KL與 立曰益ΚΗ之比、亦即增益比，或第二濾波器頻率ω F2與第 濾波杰頻率ω F丨之比、亦即頻率比，並根據增益比或頻 率來η又疋/慮波裔特性，因此即使在機械系存在有複數之 機械共振的情況，也具有第一交叉頻率ω C1以及第二交又 所發生的相位延遲也不會變得過大，而得以保 持安定性並增大低頻率的增益之效果。 根據第7項發明，參數設定裝置，係依照頻率特性取 15 315392 1234341 羞置所取侍的機械系頻率特性，μ 6 機械系之反妓据葙盎彳 °又疋濾波器的相位可在 ,, 、、'員率與共振頻率間產生延遲，因此嗆油口口 的相位延遲會μ Α撼 口此濾波态 又频…械系的相位前進而被取消。故第-交 人頸率oCl以及筮—丄 ώ又示乂 大，弟—父又頻率0C2下的相位延遲 八 而具有即佶杯 >、上. ％丨曰文 [實施方式]入錢器也不會影響安定性的效果。 差一1實施例 “扩二第1圖所不之控制裝置構造方塊圖說明本發明之 一貫施例。第][圖中， +知乃之 相同符於，…同或是相當部位係使用 相门付遽，並適度省略其說明 2為經由雷叙撒以 1馮冤勳機， 之舳。&、幾 動的負載，3為連接電動機1與負載2 。、載2為將電動機1所驅動之機械的活動部份作為 棘：負載並使其模型化者，轴3為將電動機 =傳達至機械之機搆的模型化者。4為安裝於電動機卜 ㈣出電動機1位置之位置檢測裝置的編碼器，5為_ 分將編碼器4所檢測出的電動機位置計算為電動機曰！ 、又的速度檢测裝置。6為比較器’用以比較從未圖示之 控制°°所發出之速度指令信號與代表速度檢測裝置5 輸出^動機1檢測速度（檢測速度信號），並輸出兩者的 差也就是速度誤差(速度偏差信號)。7為速度控制裝置，輸 ，比較輸出的速度誤差，並輸出電動機！驅動指令信 说之電机才曰令。8為電流控制裝置，以速度控制褒置7輸 出之電流指令為基準透過控制電動機電流使電動機1產生 轉矩，以旋轉電動機。 315392 16 1234341 以及==广/7係由比例控制器9;積分控制器!。; #, μ〜 構成。關控制119會將輸人的速度誤差 乘上比例增盃ΚΡ並輪出，積分控制哭ι〇 積分值乘上積分撣兴u ^山 ，、將速度决差的 哭9的幹出輸出。力0算器11加算比例控制 -的輸出與積分控制器1〇的輪出 輸出。另外，15為具有共振頻率與反 由雪翻她、！ ·么I 卞”久/、搌頻率的機械系， 串聯插人〇 與軸3構成。13為與速度控制裝置7 =二速度迴路’並以速度控制裝置7的輸出為輸入， 二f運算而輸出電流指令之相位延遲遽波器，14為 ㈣裝置的參數也就是積 度控制裝置”相位延遲二速二迴路，^ 邊慮波的1 3 ,電流控制裝置8 ;電 1，編碼器4 ;以及速度檢測裝置5所形成的迴路。 相位延遲濾、波器13，如第2圖所示，為具有相位延遲 ㈣^慮波器。亦即’在第一據波器頻率㈣以下（低頻 ^貝域）之頻率下具有大致一定的增益灯，而在第二渡波 頻率ω F2以上(兩頻率領域)之頻率下具有小於增益以 古大致疋的增盈ΚΗ，在第—遽波器頻率^ fi與第二滤 :二頻率W2之間增益會產生連續性變化。在第2圖中係 并苜:為KH 1 〇db。另外’其相位特性為，在第一渡波器 、^ ω F1與第二濾波器頻率ω F2之間相位會產生延遲， =第濾波器頻率ω F1以下的頻率以及第二濾波器頻率 ω F2 Μ上的頻率下相位延遲會形成大致為零或很小值。具 有此種頻率特性的濾、波器，舉例來說，可藉由具有公式⑺ 17 315392 1234341 之傳遞函數Gf(s)的濾波器來實現。

Gf(s) = (s+W 2)/(δ+ω })......(2) 其中（λ)ι—6l)F1 ’。 但是，ω 1 < ω 2。 決定相位延遲濾波器13特性的第一濾波器頻率ω Fl 與第二濾波器頻率ω F2，可藉由參數設定裝置丨4進行以 下设疋。首先，可以下纟己公式計算第一交叉頻率oCi與第 二交叉頻率ω C2。 ω Cl=Kp · KL/J......(3) ω C2 = Kp · KH/JM......(4) 在此，KP :速度控制裝置7的比例增益。 KL :相位延遲濾波器13在低頻率下的增益。 KH ·相位延遲濾波器1 3在高頻率下的增益。 J ·機械系1 5的慣性矩。 JM :電動機1的慣性矩。 由公式（3)與公式（4)可導出以下的結果。在反共振頻率 以下的低頻率時，可使機械系15的傳遞函數近似i/js。另 外，在低頻率時相位延遲濾波器13的增益會轉變為KL， 因此在速度控制裝置7的比例增益為κρ的考慮下，在低 頻率時的速度開放迴路傳遞函數變成近似κρ· KL"”但 二速度控制竑置7的積分增益KI較小故可忽視其影響。 :傳遞函數之增盈$ odb的頻率為，且該頻率係 形成第一交又頻率wC1，故可得公式（3)。 同樣的，在高於共振頻率的高頻率時可使機械系15 315392 18 1234341 的傳遞函數接近1 /JMs，在高頻率時相位延遲濾波器丨3的 增並會變為KH，故在高頻率下的速度開放迴路傳遞函數 會變成近似KP · KH/JMs。 該傳遞函數之增益變為〇db的頻率為Kp · kh/jm，而 該頻率變因變為第二交叉頻率〇C2故可獲得公式（4)。在 芩數設定裝置1 4中，設定第一濾波器頻率ω F丨與第二濾 波器頻率ω F2以使在公式（3)以及公式（4)所供給的第一交 叉頻率0C1與第二交又頻率yC2之間令相位延遲濾波器 1 3的相位產生延遲。 第3圖為比較將該種相位延遲濾波器丨3插入與不插入 速度迴路時之速度開放迴路頻率特性圖。在第3圖中，實 線為將相位延遲濾波器丨3插入速度迴路時的頻率特性，而 虛線為不插入時的頻率特性。相位延遲濾波器丨3具有可在 低頻率下增大增益的特性，所以可看出藉由將相位延遲濾 波器1 3插入速度迴路，可使低頻率下的增益增大的情形。 如上所述，在低頻率時增大增益可減少干擾轉矩所造成的 速度變化，因此可藉由插入相位延遲濾波器丨3來實現高精 度的控制。 另外，為了使控制系統能安定動作，如上所述位於第 一父叉頻率ω C1與第二交叉頻率ω C2之相位延遲必須很 小。相位延遲濾波器13如上所述，係設定第一濾波器頻率 0F1與第二濾波器頻率⑴！^以使在第一交叉頻率wCi與 第二交叉頻率ω C2的相位延遲變小，因此在第一交叉頻率 ω C1與第二交叉頻率ω C2之相位延遲增加量會變小，而 315392 19 1234341 不會衫響控制系統的安定性。也就是說，只要在參數設定 裳置14如上述一般設定相位延遲濾波器η的第一濾波器 頻率ω F1與第二濾波器頻率ω F2，便不會影響控制系統的 女疋性’同時可增大低頻率下的增益，並實現高精度的控 制。 此外’第3圖的第一交叉頻率〇(^1與第二交叉頻率ω 的正確值雖然必須經過實際測量速度開放迴路頻率特 性才能決定，但也可經由上述公式（3)以及公式（4)來計算近 似結果。 接著，針對參數設定裝置14的具體處理内容進行說 月首先，设定第一濾波器頻率ω F1，以使第一濾波器頻 bFl與第一交又頻率ω(：1白勺比形成大致一定。舉例來 說，將第-渡波器頻率ωΡ1設定成第一交叉頻率_的i 至2倍左右。士°第2圖所示，在低於第-濾波器頻率ωΡ1 的頻率時相位延遲濾波器13的相位延遲會變小，因此經由 如此設定第-交叉頻率心下的相位延遲的增加量也工合 ::盈不僅不會影響到安定性，控制系統也不會產生振動 JM的值:Γ 5之慣性力矩J除以電動機1慣性 F2以使第”二性比變大的話則設定第二遽波器頻“ 趙大。：頻率_對第-據波器頻率_的 牛例來汍，將第二濾波器頻率ω 芈方椒伽贫、占丄 Ζ 口又疋為慣性比 千方U -慮波器頻率wF1的積。或亦 頻率設定為第- 、一濾波 弟—又又頻率的1/2至i倍左右。 315392 20 I23434l ^由該種設定 该種設定，第二濾波器頻率ω F2會變為同程度或/K於

欠小’因此經由該種設定在第二交叉頻率ω C2下的相位延 遲增加量也會變小，而不僅不會影響安定性，且控制系統 也不會產生振動或振盪。 此外’以參數設定裝置14設定積分增益ΚΙ，使速度 控制裝置7中的積分增益KI除以比例增益κρ的值、亦即 零點頻率ω PI與第一交叉頻率ω C 1的比會形成大致一 疋。舉例來說，如欲使零點頻率ω ΡΙ成為第一交叉頻率〇 c 1的1 /2 ’則可設定為κι=κρ · ω c丨/2。起因於積分控制 器1 〇的第一交叉頻率ω c丨的相位延遲的大小，係大致由 零點頻率ω ΡΙ與第一交叉頻率ω c i的比例來決定，所以 只要先將零點頻率ω PI與第一交叉頻率ω C1的比例設定 在適當值，則第一交叉頻率ω C1下的相位延遲便不會變得 過大，可確保控制系統的安定性。也就是說，只要設定積 分增益K〗，以使零點頻率ωΡΙ與第一交叉頻率ω(：ι的比 變成適當i，便可在控制系統的安定性受到保障的範圍内 增大積分增益KI，並增加對低頻率干擾的抑制效果。 第2實施例

315392 21 1234341 與第1圖中之參數設定裝置作用大致相同，但係由外部輪 入一個調整參數α。 該調整參數α，會指定相位延遲濾、波器13之低頻率下 的增盈KL與高頻率下的增盈ΚΗ比。在參數設定裝置1 6 中，使用調整參數α設定KL= α · ΚΗ，透過上述公式 進行第一交又頻率ω C 1的計算。再來，如上述決定第一渡 波器頻率ω F 1，以使第一交叉頻率ω C丨與第一濾波器頻率 ω F1的比形成大致一定。第二濾波器頻率ω F2係設定成 KL= α · KH。 調整參數α的賦予方法，首先設定α =1。然後，啟動 機械系一邊觀察其應答特性一邊慢慢地將α增大。是否得 到理想的應答，或是機械開始振動時停止增大調整來數 «，到獲得理想應答時將α固定在當時的數值，開始振動 時則將^稍微減少後固定其數值。經由該種步驟來賦予調 整參數α，可確保控制系統的安定性並增大低頻率下的增 盃，而增加抑制干擾的效果。以下說明其理由。 首先，當增大調整參數《3時，經由KL=a ·ΚΗ相位 延遲濾波器在低頻率下的增益KL會增大，所以可增大在 低頻率下對干擾的抑制效果。料，此時因為第—二又頻 率〇ci與第ϋ器頻率_ @比大致形成_冑，故>、 亡述第-交又頻率⑽中相位延遲不會過大，而得以麵 安定性並增大低頻率下的增益。 另外’苐二濾波器頻率 F2作;％ 4 肩千ω ^係°又疋成相位延遲濾波哭 1 3在低頻率下的增益KL盥名古相、t π从以 口口 L興在间頻率下的增益KH的關係 315392 22 1234341 為KL= α · KH。從第2圖之濾波器特性可知，如欲增大低 頻率下的增益KL對高頻率下的增益KH的比之" \ α ’必須 增大第二濾波器頻率ω F 2對第一濾波器頻率ω F丨的比 當α增大時，因KL=a · KH故KL增大，隨之根據公式（3) 第一交叉頻率〇ci會增大，且第一交叉頻率ωει與第 據波器頻率㈣的比會形成大致一定，故第1波器頻率 ω F 1也會增大，因此第二濾波器頻率ω F2亦隨之增大 當第一濾波器頻率ω F1與第二濾波器頻率ω F2增^時 相位延遲/慮波^§ 1 3的相位產生延遲的頻率範圍合白古， 率方向移動，故第二交又頻率wC2中的相位延遲會增 如上所述，當將調整參數a由丨慢慢增大時，相對於 此，第二交叉頻率ω C2中的相位延遲也會慢慢增大。作、 是，當第二交又頻率〇(：2中的相位延遲變得過大時， 系便會開始振動’因此只要觀察機械系的應答便可得知二 反應。 因此，如將α設定為小於機械系 即使在第二交又頻率開始振動之數值’則 此便可〜 位延遲也不會變得過大。如 便了叹疋相位延遲濾波器 C1 Μ第一 々符性，使第一交又頻率ω 〆、弟一父又頻率ω C2兩者的相 而得以保持控制系統的安定性。 $曰變得過大， 裝置：1，圖:=:1Γ之速度控制裝置中的參數設定 用。作是二械糸具有―組共振、反共振時即能有效作 用 疋，因機械而在較高的頻率中4合目t , 反共振特性，在，㈣H 肩羊中也會具有別的共振、 ㈣㈣’ 自計算來求得正碟的 315392 23 1234341 第二交叉頻率ω C2。此時，與其藉計算來自動地設定第二 濾波1§頻率ω F2的數值，不如使用調整參數^，邊觀察機 械的應答邊進行設定，結果反而能夠獲得良好的特性。 此外，在上述中，調整參數α係指定相位延遲濾波器 13在低頻率下的增益KL與在高頻率下的增益ΚΗ的比、 亦即增Μ，但調整參數㈣可指定第三濾波器頻率㈣ 與第-滤波器頻率ω F1之比、亦即頻率比。因為增益比與 頻率比的關係、係由相位延遲遽波器13的傳遞函數來決” 定，故不論指定增益比或是料比均可獲得相同的效果。 第3實施例 4 目 塊圖。與第！圖相同的部分係標示以相同的符號。在第5 ^17為取得機械系頻率特性的頻率特性取得裝置，】丨 特性取得Ml 設定裝置，係根據頻率 " 所取付的機械系頻率特性來設定相# 5£ 遲濾波器的特性。 又疋相位延 ::據頻率特性取得褒置17取得機械系的頻率特 、、為人所知的方法有數種。可使用 1，也可利用鶊她从扭 的別里為來测 ㈣摘性轉矩驅動電動機 當時的速度靡、欠。s 用手解析求出 、、 卜，於已知機械的剛性、句供曰 性力矩等時，亦 J陡或質量、慣 、 了利用该荨貧料製作數學式槿彳、、 ”求侍之。其結果，舉例來說〜乂進仃 =頻率特性。參數設定裝置18，係二：圖中實線 機械系頻率特性，設定相位延遲遽波器、13::= 315392 24 1234341 使相位延遲濾波器i 3的相位得以在機械系的反共振頻率 與共振頻率之間延遲。因此，相位延遲濾波器的第一濾波 器頻率ω F1係設定在反共振頻率附近，而第二濾波器頻率 ω F2則設定在共振頻率附近。 具有機械共振的機械系頻率特性，如第7圖中實線所 不，係具有相位在反共振頻率與共振頻率之間超前的特

性。因此，只要如上述一般，設定成相位延遲濾波器U 的相位得以在反共振頻率與共振頻率之間產生延遲，相位 延遲濾波器的相位延遲便會被機械系的相位超前所抵銷。 因此，第一交叉頻率wC1、以及第二交叉頻率下的 相位延遲不會增大，即使插入相位延遲濾波器13也不合 響其安定性。 胃… (產業上之可利用性） 如上所述，本發明係適用於：以電動機進行驅動之機 械系的慣性矩大於電動機本身之慣性矩的控制系統。 [圖示簡單說明] 第1圖所示為本發明之一實施例之控制裝置構造的方 塊圖。 第2圖所示為本發明之一實施例之相位延遲濾波器之 頻率特性圖。 第3圖所不為一實施例所形成之速度開放迴路頻率特 性圖。 、、 第4圖所示為本發明其他實施例之控制褒置構造的方 塊圖。 315392 25 1234341 塊® 第5圖所示為本發明其他實施例之控制裝置構造的方 ΐ7::示為以往速度控制裝置構造之方塊圖 頻率特性圖 第7圖所示為使用以往速度控制裝置時速度開放迴路 。所示為以擁有機械 速度控制裝置構造的方塊圖。 ^圖所不為使用以往技術之濾 (元件符號說明） 只午将f生圖 1 電動機 2 3 轴 4 5 速度檢測裝置 6 7 速度控制裝置 8 9 比例控制器 10 11 加算器 13 14、 16 > 18 參數設定裝 置 15 機械系 17 負載 編碼器 比較器 電流控制裝置 積分控制器 相位延遲濾波器 頻率特性取得裝置 315392 26

Claims (1)

1234341 拾、申請專利範圍： 1· 一種電動機之控制裝置，係可依速度指令信號，驅動連 接於具備擁有共振頻率與反共振頻率之機械系的機械 負載的電動機，且速度控制迴路中具有前述電動機之檢 測速度的電動機控制裝置，該裝置係具備有： 依前述速度指令信冑與前述電動機&測速度的差 信號輸出可使前述電動機速度追隨前述速度指令斤號 的前述電動機驅動指令信號的速度控制裳置；以^ & 與前述速度控制裝置串聯插入於前述速度控制迴 路之遽波器’該濾、波器具備，高頻率領域、低頻率領域 以及位於高頻率領域與低頻率領域之間的中間頻率領 域’除低頻率領域增益KL大於前述高頻率領域之增益 之外€具有使則述中間頻率領域相位延遲之相位 延遲特性，其中： 2. 前述速度控制裝置具有：將輸入乘上比例增益κρ 並輸出的比例控制部；或將輪入乘上比例增益κρ之值 ”將輸入之積分值乘上積分增益κι之值加算而輸出的 積分控制部’而前料波器，係設定成可使相位在前述 共振頻率與前述反共振頻率之間產生延遲。 -種電動機之控制裝置，係可依速度指令信號，驅動連 ，於具備擁有共振頻率與反共振頻率之機械系的機械 、載的電動機，且速度控制迴路中具有前述電動機之檢 測速度的電動機控制裝置，係具備有： 依則述速度指令信號與冑述電動機才余測速度的差 315392 27 1234341 信號輸出可使前述雷無 、， 機逮度追隨前述速度指令作I卢 的珂述電動機驅動指令 號 仏號的速度控制裝置；以及 與w述速度控吿丨|姑里 路HP # +凌置串聯插入於前述速度控制迴 以3 π A 一#方 σσ /、備，鬲頻率領域、低頻率領域 以及位於咼頻率領域盥 /、低頻率領域之間的中間頻率領 域，除了低頻率領域增兴 ^ L 皿KL大於丽述高頻率領域之增 ϋ KH外，具有你益、+、| 中間頻率領域相位延遲之相位延 遲特性，其中 前述速度控制裝置，且 /、有將輸入乘上比例增益KP 而輸出的比例控制部；. A將輸入乘上比例增益KP之值 與將輸入之積分值乘上藉八 ^ v 水上積刀增盃ΚΙ之值加算而輸出的 積分控制部，而 月)述濾波器係被设定為··相位可在將前述比例增 益ΚΡ與前述增益KL的積除以前述機械系慣性矩】的 值、亦即第-交又頻率WC1，與將前述比例增益κρ^ 前述增益ΚΗ的積除以前述電動機慣性矩m的值、亦 即第2交又頻率ω C2之間產生延遲。 -種電動機之控制裝置，係一種可依速度指令信號，驅 動連接於具備擁有共振頻率與反共振頻率之機械系的 機械負載的電動機’且速度控制迴路中具有前述電動機 之檢測速度的電動機控制裝置，該裝置係具備有·· 依岫述速度指令信號與前述電動機檢測速度的差 信號輸出使前述電動機速度追隨前述速度指令信號的 前述電動機驅動指令信號的速度控制裝置；以及 315392 28 1234341 與前述速度控制裝置串聯插入於前述速度控制迴 路之慮波益’該濾波器具備’在低於第—渡波器頻率〇 F1的頻率領域形成大致—定的增益KL，而在高於第2 滤波器頻率心的頻率領域中具有較前述增益紅小 ::致：定的增益KH，且在前述第一濾波器頻率㈣ ”則迷第二遽波器頻率WF2之間會產生相位延 位延遲特性，其中： 祁 :述速度控制裝置具有：將輸入乘上比例增益Μ 值：二的比例控制運算；或將輸入乘上比例增益ΚΡ之 值與將輸入之積分值乘上積分增益 的比例積分护制運曾.χ 值刀#而輸出 KPn 係將前述比例增益 /Λ增益KL之積除以前述機械系慣性矩：的值、 頻率_，與前述第一滤波器頻率 5又疋成大致一定0 一種電動機之控制步罟 ^ "係一種根據速度指令信號將連 共振頻率的機械系藉二二有共振頻率與反 動擁+ ^ 由速度控制迴路驅動控制前述電 :::速度之電動機控制裝置，係具備有： 迴路的同η度控制裝置串聯插入於前述速度控制 形成==:“器:—^ F2的頻率領域下形成較：：：於弟2濾波器頻率ω 的増益ΚΗ，並在前+^切為小的大致一定 間的中間頻率領域中率領域與前述高頻率領域之 一，、有相位延遲特性的濾波器；以及 315392 29 1234341 參數特性與前述速度控制裝置參數之 前：速度控制裝置具有將輪入乘上比例增益以之 值，、將輸入之積分值乘上積 的積分控制部，…刀增…值加算並輸出 前述滤波器係將：前述比例增益κρ與前述增益kl 之積除機械系慣性们的值、亦即交叉頻細 /、月）込帛/慮波益頻率ω F i❺比設定成大致一 定，並將前述積分增益KI除以前述比例增益κρ的數 值、亦即零點頻率數ωΡΙ與前述交又頻率⑽的比設 定成大致一定。 5.如申請專利範圍第3項或第4項之電動機之控制裝置， 係/、備有·别述濾波裔與設定前述速度控制裝置參數之 參數設定裝置，其中 / 前述參數設定裝置係設定為··在前述機械系慣性矩 J除以前述電動機慣性矩JM的值的慣性比變大時，前 述第一濾波裔頻率ω F2對前述第一濾波器頻率ω F i的 比也會變大。 6.如申請專利範圍第3項或第4項之電動機之控制裝置， 係具備有：前述濾波器與設定前述速度控制裳置參數之 參數設定襄置，其中 前述參數設定裝置，係輸入前述増益尺1^與前述增 益KL之比的增益比，或前述第二濾波器頻率〇 F2與前 述第一滤波器頻率之比的頻率比，並依照前述增 315392 30 1234341 益比或前述頻率比設定前述濾波器之特性。 7.-種電動機之控制裝置，係—種可依速度指令信號，驅 動連接於具備擁有共振頻率與反共振頻率之機械系的 機械負載的電動機’且速度控制迴路中具有前述電動機 之檢測速度的電動機控制裝置，係具備有·· 依前述速度指令信號與前述電動機檢測速度的差 ㈣輸出使前述電動機速度追隨前述速度指令信號的 則述電動機驅動指令信號的速度控制裝置； 與前述速度控制裝置串聯插入於前述速度控制迴 同寺由n頻率領域、低頻率領域以及位於高頻率 域與低頻率領域之Μ & + g 、 一 θ 、中間頻率領域所構成，除低頻率 L大於則述尚頻率領域之增益！〇!外，還呈 有使前述中間步苜查4 , /、 波器； 7 貝域相位延遲之相位延遲特性的濾 取仔則述機械系頻率特性之頻率特性取得装置·以 f定前述錢器特性之參數設定裝置，其中： 得裝置：取ί ^二裝置’係設定成根據前述頻率特性取 " 传之前述機械系頻率特性，使前述、;t、&哭& 機械系的反共振頻率與共振頻率間延遲。 315392 31