TWI496410B - 馬達控制裝置 - Google Patents

Description

馬達控制裝置

本發明係關於一種馬達控制裝置。

在半導體製造裝置、電子零件封裝機、工作機械等的各種產業機械，係廣泛地進行利用馬達驅動之定位控制。在使用該等產業機械時，係要求盡可能使定位控制時的電力為最小。

專利文獻1係著眼於定位控制用的指令值而揭示一種技術，其係藉由使指令速度的形狀成為拋物線而進行定位控制，來使驅動電流的二次方積分在定位控制動作中所積分的值成為最小。

又，專利文獻2係著眼於指令值(動作傳送(pass))而揭示以在驅動裝置之電力損失(動作傳送的電流之平均二次方)及基於引擎(engine))的轉速之電力損失(動作傳送的轉數之平均二次方積分)的和為變小的方式，來調整在動作傳送之加速度和速度。

[先前技術文獻] (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2007-241604號公報

專利文獻2：日本特表2004-522602號公報

但是，專利文獻1的技術著眼於電流的二次方積分。 電流的二次方積分係相當於被稱為銅損之損失且損失係主要成為熱。雖然銅損係消耗電力量的一部分，但是並不是佔有定位動作時的消耗電力量之全部。因此，雖然專利文獻1的技術係使產生的熱為最小，但是並不是相當於使消耗電力量成為最小。定位控制動作係使馬達從停止狀態加速之後，接近預定移動距離時使其減速停止之動作，為了進行該動作，與成為熱的損失為不同的電力係必要的。

專利文獻2的方法之轉速的平均二次方積分係考慮定位控制動作所必要的加速、減速動作所需要的消耗電力，亦是無法產生消耗電力為最小的定位控制用之指令值。

本發明係鑒於上述情形而完成者，其目的係得到一種盡可能減低定位控制所需要的消耗電力量之馬達控制裝置。

為了解決上述課題來達成目的，本發明係提供一種以馬達的動作追隨位置指令值的方式，對產生驅動前述馬達的電流之馬達驅動放大器(amplifier)產生並供給前述位置指令值之馬達控制裝置，對應前述馬達的電流或速度而產生的損失L、與前述馬達進行的功W之和Q大於零(zero)值時為P=Q，前述和Q小於零值時為P=0，並且以將P積分而求得之前述馬達的消耗電力量成為最小的方式產生位置指令值，其中前述馬達進行的功W係由取決於前述馬達的電流之前述馬達的轉矩(torque)與前述馬達的速度之積所構成。

依照本發明，因為係以不僅考慮損失L而且亦考慮功W之消耗電力量成為最小的方式來產生位置指令值，所以能夠達成盡可能減低定位控制所需要的消耗電力量之效果。

以下，根據圖式來詳細地說明本發明之馬達控制裝置的實施形態。又，本發明係不被該實施形態限定。

實施形態1

第1圖係說明使用實施形態1的馬達控制裝置之系統的構成例之方塊圖。

馬達1係藉由從後述的馬達驅動放大部4所供給的電流22來動作。編碼器(encoder)2係檢出馬達1的位置和速度等的馬達資訊23。機械負荷3係藉由馬達1所供給的轉矩、推力等的驅動力21而被驅動。機械負荷3係例如相當於滾珠螺桿(ball screw)機構。

馬達控制裝置7係從上位裝置被輸入包含移動距離D、定位時間T、最大加速度Amax及最大速度Vmax之指令值產生資訊100，並且依據該被輸入的指令值產生資訊100而產生用以使馬達1或機械負荷3進行定位動作之屬於參照信號之位置指令值24。在此，移動距離D係表示使馬達1或機械負荷3進行定位動作之移動量，且定位時間T係表示從位置指令值開始至到達目標位置D之時間，最大加速度Amax係表示屬於位置指令值的2階微分之指令加速度 之能夠容許的最大值，最大速度Vmax係表示屬於位置指令值的一階微分之指令速度之能夠容許的最大值。

在此，馬達控制裝置7係從上位裝置被輸入機械運動資訊101、功計算資訊及損失計算資訊(在此，係將功計算資訊及損失計算資訊總稱為功/損失計算資訊102)，且以使消耗電力量盡可能為較小的方式算出位置指令值24，其中該消耗電力量係用以使馬達1或機械負荷3在定位時間T的期間進行達移動距離D的動作。針對機械運動資訊101、功/損失計算資訊102的詳細係後述。又，上位裝置係例如為可程式邏輯控制器(programmable logic controller)(PLC)。

馬達驅動放大部4係以馬達1的位置為追隨馬達控制裝置7所產生的位置指令值24之方式產生驅動馬達1的電流，且將所產生的電流供給至馬達1。採用伺服馬達作為馬達1時，伺服放大器(servo amplifier)即相當於馬達驅動放大部4。馬達驅動放大部4係例如安裝有用以追隨位置指令值24之回饋(feedback)控制系統。具體上，係提供位置指令值24作為馬達1的位置之參照信號，且在馬達1的檢出位置提供馬達資訊23，並且馬達驅動放大部4係以馬達1的檢出位置為追隨位置指令值24的方式計算電流指令值。並且，依據所計算的電流指令值而使用PWM換流器(inverter)等的電力變換器，來產生驅動馬達1之電流。

電源5係供給用以使馬達驅動放大部4產生電流的電力25之電源，例如3相交流電源和單相交流電源即相當於 此。再生電阻6係用以使馬達1在再生狀態時消耗再生能源(energy)26之電阻。

第2圖係說明用以算出位置指令值24之本實施形態1的馬達控制裝置7的功能構成之圖，其中該位置指令值24係能夠盡可能減低定位控制所需要的消耗電力量。如圖示，馬達控制裝置7係具備：記憶指令值曲線(產生模式(pattern))群103之指令值曲線記憶部(產生模式記憶部)71；輸入接受部72；指令值曲線選擇部73；參數(parameter)集(set)產生部(參數產生部)74、消耗電力量算出部75、參數集選擇部(參數選擇部)76及指令值產生部77。

輸入接受部72係接受指令值產生資訊100、機械運動資訊101及功/損失計算資訊102的輸入。

所謂機械運動資訊101，係表示馬達1追隨位置指令值24而動作時，在馬達1所產生的電流、馬達速度係成為如何的值之資訊，例如運動方程式係相當於此。以下，說明機械運動資訊101的具體例。

因為馬達驅動放大部4係以追隨位置指令值24的方式進行控制，所以使用某位置指令值24而進行定位控制時的速度係與屬於位置指令值24的一階微分之速度指令相等。因此，馬達速度係能夠藉由將位置指令值24一階微分來求得。使用將馬達1的慣性力(inertia)與馬達1旋轉時之可移動機械負荷3的慣性力合計之總慣性力J；在馬達1產生電流時之產生轉矩的屬於比例乘數之馬達1的轉矩常數Kt；與馬達1的速度成正比而產生的黏性摩擦係數Cd； 及在與馬達1的旋轉方向為相反方向所承受之屬於一定的摩擦力之庫侖摩擦Cc的資訊，而表示與馬達1在時刻t所產生的電流I(t)及馬達的速度v(t)、加速度(a(t)的關係之運動方程式係成為J．a(t)=Kt．I(t)-Cd．v(t)-Cc (1)。

在該式，各自將屬於位置指令值24的一階微分之速度指令v*(t)代入速度v(t)，且將屬於位置指令值24的二階微分之指令加速度a*(t)代入加速度a(t)時，式(1)的運動方程式係能夠變形為I(t)=(1/Kt)．(J．a*(t)+Cd．v*(t)+Cc) (2)。

此時的機械運動資訊101之馬達速度v(t)係與將位置指令值24一階微分後之值相等，且式(2)的關係式為屬之。

又，機械運動資訊101不是設作在式(2)所表示的運動方程式本身，可以是在馬達控制裝置7內預先保持以在該運動方程式所含有的參數(J、Kt、Cd、Cc)作為變數之式(2)的運動方程式，並且輸入參數(J、Kt、Cd、Cc)作為機械運動資訊101。而且，亦可以是在馬達控制裝置7內預先保持機械運動資訊101本身，而不需要輸入機械運動資訊101之構成。

而且，亦可以構築經考慮機械負荷3的共振特性及馬達驅動放大部4的回饋控制系統之模式(model)，並且求取依據該模式之位置指令值24、電流I(t)及速度v(t)之間的關係式且以該關係式作為機械運動資訊101。

其次，針對功/損失計算資訊102之中的功計算資訊 進行說明。在時刻t之馬達1所進行的功W(t)係使用在時刻t之馬達的速度v(t)與馬達的轉矩τ(t)而表示為W(t)=v(t)×τ(t) (3)。

馬達轉矩τ(t)係對應電流I(t)而產生。馬達轉矩與電流於處於比例關係的情況，功W(t)係能夠表示為W(t)=v(t)×Kt．I(t) (4)。

在此，Kt係馬達1的轉矩常數。此時的功計算資訊係式(4)的計算式及轉矩常數Kt為屬之。

又，就馬達1而言，於使用同步馬達的情況，因為轉矩常數與誘發電壓常數係相等，所以亦可使用誘發電壓常數來代替轉矩常數。又，在轉矩與電流之間，比例關係不成立的情況，可以將在馬達1流動電流時所產生的轉矩之值以表(table)，或是函數予以預先記憶並以此作為基礎而算出轉矩。亦即，當將表示電流I(t)與轉矩τ(t)的關係之表、或是函數設為F時，為W(t)=v(t)×F(I(t)) (5)。

此時，功計算資訊係式(5)的計算式、及表或函數F為屬之。

在任一情況，依照作為功計算資訊的計算式，功W(t)係能夠藉由速度、與從電流所計算的轉矩之積來算出。

其次，針對功/損失計算資訊102之中的損失計算資訊進行說明。作為損失的具體例，有屬於因馬達線圈(coil)的電阻而損失之能源的銅損、或屬於在纏繞於馬達的鐵芯因交流而磁化時所損失的能源之鐵損。

依據銅損之損失Lcopper，係以馬達繞線電阻R作為比例常數而使用且能夠如下式計算，Lcopper=R．I(t)ˆ2 (6)。

又，鐵損係由遲滯(hysteresis)損失和渦電流所構成。依據將遲滯損失與渦電流損失合計的鐵損之損失Lcore，係能夠使用馬達的磁束密度B(t)、速度v及比例乘數α’、β’而表示為Lcore=α’．v(t)．B(t)ˆγ+β’．v(t)ˆ2．B(t)ˆ2(7)。

而且，因為磁束密度B係大致與馬達電流I成比例而產生，所以藉由使用各自對應比例乘數α’、β’之另外的比例乘數α、β，係能夠表示為Lcore=α．v(t)．I(t)ˆγ+β．v(t)ˆ2．I(t)ˆ2 (8)。

又，常數α、β、γ係能夠藉由將馬達進行電磁場解析來得到。

作為損失，含有銅損及鐵損的情況，損失L(t)係能使用下式來計算，L(t)=R．I(t)ˆ2+α．v(t)．I(t)ˆγ+β．v(t)ˆ2．I(t)ˆ2 (9)

損失計算資訊係例如(9)式的計算式、各係數R、α、β、γ為屬之。又，馬達1的鐵損非常小的場合，亦可以只有將銅損設為損失，亦即設為α=0、β=0。

又，雖然上述說明，係說明了將依據與電流的二次方成比例而產生的銅損之損失、及依據依存於馬達的速度及 電流的雙方而產生的鐵損之損失，以如(9)式的計算式進行模式化，但是只要是用以將損失模式化之計算式、及表示常數者，係任何均可以而不被此限定。例如，馬達驅動放大部4的損失係雖然有馬達1的速度、電流、轉矩，但是只要產生一定值的損失，可以在(9)式增加一定值的項目。又，只要與電流的絶對值成比例而產生損失，亦可以在(9)式增加與電流的絶對值成比例的項目。而且，亦可以預先使功計算資訊或損失計算資訊預先保持在馬達控制裝置7內，而以不需要輸入功計算資訊或損失計算資訊的方式構成。

指令值曲線記憶部71係記憶複數個指令值曲線(指令值曲線群103)之記憶體(memory)。指令值曲線係定義所產生的位置指令值24的時間推移之產生模式，且具備用以調整自指令值曲線的形狀之參數。亦即，藉由設定該參數的值，能夠惟一地規定可滿足移動距離D、定位時間T之位置指令值24的時間推移。以下，說明指令值曲線及參數的例子。第3圖及4圖係用以說明指令值曲線的例子之圖。

作為指令值曲線的一個例子，可舉出通用凸輪(universal cam)曲線。第3圖係表示移動距離為D、定位時間為T之以通用凸輪曲線表示的位置指令值24、屬於位置指令值24的一階微分之速度(指令速度)、屬於位置指令的二階微分之加速度(指令加速度)之圖(chart)。如圖示，通用凸輪曲線係被分割為7個區間，整體係由正負的等加速度區間(t2、t6)、等速度區間(t4)、及將其等以三角函 數連接之連接區間(t1、t3、t5、t7)所構成之曲線。依照該通用凸輪曲線，藉由滿足在定位時間T之位置指令值24係與移動距離D相等，而且t1至t7的合計值係與定位時間T相等之條件的方式，指定表示各自區間的長度之參數的組(t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7)，能夠惟一地決定移動距離為D，並且定位時間為T之位置指令值24的時間推移。

又，作為指令值曲線的另外例子，可舉出在第4圖所表示的曲線。在第4圖所表示的曲線係將滿足0<Tj<T、0<Xj<D之複數個(該例係4個)的座標(Tj、Xj)(j=1、2、3、4)作為參數，且例如以仿樣(spline)內插法等內插(0、0)、該等的座標、及(T、D)之間而產生。亦即，依照該曲線，藉由以滿足0<Tj<T、0<Xj<D的條件來指定8個參數的組(T1、X1、T2、X2、T3、X3、T4、X4)，能夠惟一地決定位置指令值24的時間推移。

又，指令值曲線係不只限定為該等。只要是移動距離為D，定位時間為T，且能夠藉由1以上的參數來決定形狀之曲線，係任何均可。以下，有將用以惟一地決定位置指令值24的時間推移之參數的組稱為參數集之情形，指令值曲線選擇部73係於指令值曲線記憶部71所記憶的指令值曲線群103之中選擇使用用以產生位置指令值24之指令值曲線。又，指令值曲線選擇部73係可以接受從上位裝置指定之所希望的指令值的指令而且根據該指令來選擇指令值曲線。

參數集產生部74係以移動距離成為D、定位時間成為T的方式，產生複數個對應前述所選擇的指令值曲線之參數集。所產生的複數個參數集係被積蓄記憶在內部的記憶體作為參數集群104。例如，將通用凸輪曲線作為指令值曲線使用時，參數集產生部74係準備N組滿足在定位時間T之位置指令值24為移動距離D，而且t1至t7的合計值係與定位時間T相等的條件之參數集(t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7)。

消耗電力量算出部75係使用指令值產生資訊100、機械運動資訊101、及功/損失計算資訊102而算出每個參數集在定位控制所需要的消耗電力量。具體上係如以下方式進行而算出。將在時刻t之消耗電力設為Q(t)時，為Q(t)=L(t)+W(t) (10)。

又，為了避免麻煩而將式變形省略，但是式(10)係能夠應用機械運動資訊101、功/損失計算資訊102，乃是自不待言。在實施形態1，因為再生電力係被再生電阻6消耗，消耗電力量E(i)係成為

每個參數集所算出的消耗電力量E(i)係使其對應所使用的參數集而被積蓄記憶在內部的記憶體。

參數集選擇部76係從參數集群104之中選擇消耗電力量E(i)為最小的參數集。

指令產生部77係以在從指令值曲線選擇部73所選擇的位置指令值24的時間推移之指令值曲線應用從參數集選擇部76所選擇的參數集而得到的曲線之方式，來產生位置指令值24。所產生的位置指令值24係被供給至馬達驅動放大部4。

又，該等的功能構成要素係可以藉由各自硬體(hardware)電路來實現。又，亦可以藉由在具備用以連接演算裝置、記憶裝置、及上位裝置和馬達驅動放大部4的界面(interface)之電腦(computer)中，實行預先安裝(install)的程式(program)來實現。例如，演算裝置係根據前述程式而作為輸入接受部72、指令值曲線選擇部73、參數集產生部74、消耗電力量算出部75、參數集選擇部76、指令產生部77而發揮功能。又，記憶裝置係除了預先記憶前述程式以外，亦可以作為指令值曲線記憶部71而發揮功能。

第5圖係說明具備上述的功能構成要素之馬達控制裝置7算出位置指令值24的動作之流程圖。

首先，輸入接受部72係接受指令值產生資訊100(移動距離D、定位時間T、最大加速度Amax、及最大速度Vmax)的輸入(步驟(step)ST1)。而且，輸入接受部72係接受機械運動資訊101的輸入(步驟ST2)。

接著步驟ST2，輸入接受部72係接受功/損失計算資 訊102的輸入(步驟ST3)。

接著步驟ST3，指令值曲線選擇部73係從被收藏在指令值曲線記憶部71之指令值曲線群103，選擇規定所產生之位置指令值24的時間推移的形式之指令值曲線(步驟ST4)。

參數集產生部74係以移動距離為D、定位時間為T的方式，產生複數個(在此係設為N個)對應前述所選擇的指令值曲線之參數集，且作為參數集群104而輸出(步驟ST5)。

消耗電力量算出部75係首先將在步驟ST7至步驟ST12之環(loop)處理的計數(count)所使用的指數(index)i設作1而初始化(步驟ST6)，且從參數集群104之中選擇一個參數集(步驟ST7)。然後，算出使用所選擇的參數集時之位置指令值24的尖峰速度Vp及尖峰加速度Ap(步驟ST8)。具體上，消耗電力量算出部75係從在步驟ST4所選擇的指令值曲線應用在步驟ST7所選擇的參數集而得到的位置指令值24之時間推移的曲線，計算屬於位置指令值24的一階微分之指令速度，且將指令速度的絶對值之最大值設作尖峰(peak)速度Vp。又，計算屬於位置指令的二階微分之指令加速度且將指令加速度的絶對值之最大值設作尖峰加速度Ap。

然後，消耗電力量算出部75係判定是否滿足Ap≦Amax、Vp≦Vmax(步驟ST9)。能夠滿足上述條件時(步驟ST9、Yes)，係算出使用該參數集時之位置指令值24的消 耗電力量(步驟ST10)。在步驟ST9，不滿足Ap≦Amax且Vp≦Vmax時(步驟ST9、No)，係跳過(skip)步驟ST10的處理。

步驟ST10之後，消耗電力量算出部75係判定是否i=N(步驟ST11)。不是i=N時(步驟ST11、No)，消耗電力量算出部75係設為i=i+1(步驟ST12)且移轉至步驟ST7，並且從參數集群104選擇一個未選擇的參數集。係i=N時(步驟ST11、Yes)，參數集選擇部76係選擇消耗電力量為最小值之參數集(步驟ST13)。

指令產生部77係依據在步驟ST4所選擇的指令值曲線應用在步驟ST13所選擇的參數集而決定位置指令值24的時間推移產生位置指令值24，且將所產生的位置指令值24依照順序供給至馬達驅動放大部4(步驟ST14)，並且將動作結束。

又，在本實施形態，係最大速度及最大加速度的雙方均輸入，且使用該等的資訊而以尖峰速度及尖峰加速度係各自為最大速度及最大加速度以下之方式來產生位置指令值，但是亦可以只有輸入最大速度、或是只有輸入最大加速度，且只有使各自對應的尖峰速度、或是只有尖峰加速度為所輸入的最大值以下之方式來產生位置指令值。

例如，只有在移動距離為十分短的情況之定位控制時，因為在馬達到達最大速度之前，進行減速動作，所以將最大速度的輸入省略而只有輸入最大加速度，且以尖峰加速度為所輸入的最大值以下之方式來產生位置指令值。

又，只有在定位時間為十分長的情況之定位控制時，因為定位時的加速度變小，所以將最大加速度的輸入省略，而只有輸入最大速度，且以尖峰速度為所輸入的最大值以下之方式來產生位置指令值。

馬達1被驅動時的消耗電力，係藉由對應在馬達1流動的電流I(t)和馬達速度v(t)而產生之在馬達1及馬達驅動放大部4所產生的損失L(t)、以及馬達1所進行的功W(t)而決定。定位動作係由馬達1/機械負荷3為從停止狀態被加速、若接近預定的移動距離則減速且進行停止之動作所構成。加速動作、減速動作在消耗電力量之中並不是引起損失部分者，而是因馬達1進行之功所引起的。因此，在計算定位動作所必要的消耗電力量之推定值時，若不考慮馬達1所進行的功，則不能夠得到使消耗電力量為較小之定位控制用的位置指令值。

又，因為損失L(t)係成為熱能源，與馬達1的加速、減速狀態無關而採用正值。功W(t)係馬達1進行加速度動作、維持一定速度之動作的情況為正值，馬達1進行減速動作而於轉矩與速度的符合為不同的情況係成為負值。功W(t)成為負，係意味著藉由伴隨減速動作之運動能源的減少來產生再生能源。功及損失均為正的情況，或是功W(t)為負，並且其絶對值係比損失L(t)小的情況，L(t)+W(t)的值亦成為正，這成為在其時點之消耗電力P(t)。另一方面，功W(t)的值為負，並且其絶對值係比損失L(t)大的情況，功與損失的合計值L(t)+W(t)成為負值。這意味著因 為補償損失L(t)的電力，係藉由馬達的再生能源(=功W(t))來供給，所以馬達驅動放大部4係不需要電力。而且，因為補償損失L(t)的電力、進而剩餘的再生能源係被再生電阻6消耗，故在其時點的消耗電力P(t)係成為0。藉由將該消耗電力P(t)積分，能夠算出定位動作時的消耗電力量。將以上模式化者係式(11)。

依照本發明的實施形態1，因為馬達控制裝置7係以依據式(11)而求得的消耗電力量E(i)為最小的方式來算出位置指令值，且因為不只是考慮損失L而是以亦考慮功W之消耗電力量成為最小的方式來產生位置指令值，所以能夠達成盡可能減低在定位控制所需要的消耗電力量之效果。又，因為能夠將再生能源的消耗納入考慮而估計消耗電力量，所以系統係具備在再生電阻6消耗再生能源之構成時，能夠達成盡可能減低在定位控制所需要的消耗電力量之效果。

又，因為係如以下的構成：參數集產生部74(參數產生部)係以滿足輸入接受部72所接受的移動距離D及定位時間T之方式來產生複數個指令值曲線的參數集；消耗電力量算出部75係針對參數集產生部74所產生的複數個參數集之各自，依據將參數集各自應用在指令值曲線時之馬達1的功及損失而算出消耗電力量E(i)；參數集選擇部(參數選擇部)76係依據在每個參數集所算出的消耗電力量來選擇消耗電力量為最小的參數集；而且指令產生部77係依據應用所選擇的參數集之指令值曲線而產生供給至馬達驅 動放大部4之位置指令值24，所以能夠盡可能減低在定位控制所需要的消耗電力量。

又，馬達1、機械負荷3係存在有可以使其輸出的最大速度和最大加速度。大於該限制值而使馬達1和機械負荷3動作係不佳。作為決定最大速度的重要因素之例子，最大速度係能夠舉出馬達1的最大旋轉速度。又，最大加速度係能夠舉出取決於馬達最大轉矩之最大加速度。藉由馬達1的最大轉矩，從運動方程式(慣性力×加速度=轉矩)之關係，使用最大轉矩而進行加速時的加速度，係只能夠使其產生至最大轉矩/慣性力為止。因此，這是決定最大加速度之重要因素。又，當使機械負荷超過某速度容許值和某加速度容許值而動作時，有造成非常大的振動之情形、這成為在機械負荷的動作決定最大速度和最大加速度之重要因素。

對此，因為依照本發明的實施形態1係如以下的構成：輸入接受部72係接受規定能夠供給至馬達驅動放大部4的位置指令值之最大速度Vmax及最大加速度Amax的輸入；消耗電力量算出部75係依據應用參數集後的產生模式而算出尖峰速度Vp及尖峰加速度Ap，且前述所算出的尖峰速度Vp係比前述所輸入的最大速度Vmax小，而且前述所算出的尖峰加速度Ap係比前述所輸入的最大加速度Amax小時，係算出該參數集所需要的消耗電力量；所以在定位控制所使用之位置指令值的尖峰加速度係不會大於最大加速度，並且，尖峰速度係不會大於最大速度，並且， 能夠以使消耗電力量盡可能較小的方式算出位置指令值。

又，損失係與電流的二次方成比例而產生的銅損為代表性，但是使馬達1驅動時所產生的損失係不只是銅損，依照馬達1的種類，對應電流及速度而產生的鐵損係有不能夠忽視的情形。

依照本發明的實施形態1，因為消耗電力量算出部75係藉由將在馬達1流動的電流平方而算出依據銅損的損失，而且，依據在馬達1流動的電流及馬達1的速度而算出依據鐵損之損失，相較於不考慮鐵損的情形，能夠正確地計算損失，所以具有能夠正確地算出盡可能使定位動作時的消耗電力量為較小的位置指令值之效果。

實施形態2

在實施形態1，係針對應用採用馬達驅動放大部的再生能源係被再生電阻消耗的方式(電阻再生方式)的系統之情況進行了說明，但是實施形態2的馬達控制裝置係應用具備使再生能源返回電源的方式(電源再生方式)之系統。

第6圖係說明使用本發明的實施形態2的馬達控制裝置之系統的構成例之方塊圖。又，在此，與實施形態1同様的構成要素係附加相同的符號而省略重複的說明。

如圖示，依照使用實施形態2的馬達控制裝置11的系統之構成例，馬達驅動放大部4係連接至電源再生電路10來代替連接至再生電阻6之點係與實施形態1不同。電源再生電路10係具體上為使用電源再生轉化器(converter)等而實現，而且在馬達驅動放大部4成為再生狀態時，產 生使再生能源26返回電源5之作用。

第7圖係說明實施形態2的馬達控制裝置11的功能構成之圖。如圖示，馬達控制裝置11係具備：記憶指令值曲線群103之指令值曲線記憶部71；輸入接受部72；指令值曲線選擇部73；參數集產生部74；消耗電力量算出部111；參數集選擇部76及指令產生部77。

在第6圖的系統，因為再生能源係藉由電源再生電路10而返回電源5，所以消耗電力量算出部111係使用下式代替式(11)來算出消耗電力量E(i)。

實施形態2的馬達控制裝置11算出位置指令值24之動作，因為除了在步驟ST10中消耗電力量算出部111為根據式(12)而算出每個參數集的消耗電力量E(i)以外，係與第5圖所示之實施形態1的動作同様，所以將實施形態2的馬達控制裝置11算出位置指令值24之動作的說明省略。

其次，進行說明在實施形態2的發明所得到的效果。在安裝有電源再生方式之馬達驅動放大部4，亦與採用電阻再生方式的情況同様地，定位控制動作時的消耗電力係取決於馬達進行的功W(t)、及對應所產生的電流和速度之損失L(t)。定位控制動作時的加速動作和減速動作係藉由功W(t)部分的能源引起的。功W(t)與損失L(t)的合計值為正的情況，消耗電力P(t)係以功W(t)與損失L(t)的合 計值提供，係與電阻再生方式的情況相同，與電阻再生方式的情況不同係即便P(t)=W(t)+L(t)的值為負的情況，亦係直接作為消耗電力之點。成為負值之消耗電力P(t)不是被電阻再生消耗，而是藉由電源再生電路10而返回電源5。而且能夠藉由將消耗電力P(t)積分而推定定位動作時的消耗電力量。式(12)係表示如上述的電源再生方式之馬達驅動放大器的消耗電力。

依照本發明的實施形態2，因為馬達控制裝置11係根據式(12)而算出每個參數集的消耗電力量E(i)，即便系統係具備使再生能源返回電源5的構成之情況，亦能夠將再生能源的再生納入考慮而算出消耗電力量，所以能夠正確地估計消耗電力量，結果能夠盡可能減低在定位控制所需要的消耗電力量。

又，本實施形態係只有與實施形態1計算消耗電力之式為不同，因為在步驟ST8、ST9，以尖峰加速度為不大於最大加速度Amax的方式，而且，尖峰速度為最大值不大於最大速度Vmax的方式進行確認(check)之點係相同，所以與實施形態1同様地，具有能夠滿足使指令加速度和指令速度為最大加速度和最大速度以下之限制，並且產生使消耗電力為最小之位置指令值之效果。

實施形態3

在實施形態1、2，係藉由計算在每個參數集的消耗電力量來進行推定且選擇該推定值為最小的參數集。實施形態3係每個參數集進行測定用以實際地實行定位控制而求 取消耗電力量之電流及馬達的速度，且根據測定值而算出每個參數集的消耗電力量。

第8圖係說明使用本發明的實施形態3的馬達控制裝置之系統的構成例之方塊圖。又，在此，與實施形態1同様的構成要素係附加相同的符號，而省略重複的說明。

如圖示，依照使用實施形態3的馬達控制裝置12之系統的構成例，係具備在實施形態1所使用的系統追加電流檢出部13之構成，其中該電流檢出部13係檢出從馬達驅動放大部4被供給至馬達1的電流22。電流檢出部13係在馬達控制裝置12輸入相當於電流的檢出值之電流資訊27。

又，馬達控制裝置12係從上位裝置被輸入指令值產生資訊100、功/損失計算資訊102。而且，編碼器2所檢出的馬達資訊23之中，馬達速度的檢出值係經由馬達驅動放大部4而被輸入作為檢出速度信號28。

第9圖係說明使用實施形態3的馬達控制裝置12之功能構成之圖。如圖示，馬達控制裝置12係具備：記憶指令值曲線群103之指令值曲線記憶部71；輸入接受部72；指令值曲線選擇部73；參數集產生部74；消耗電力量測定部121；參數集選擇部76及指令產生部77。

消耗電力量測定部121係藉由試驗性地執行定位控制而收集電流資訊27及檢出速度信號28的值，而測定從開始定位控制動作之後，至完成為止的實際電流Ir(t)及實際速度Vr(t)。然後，根據所測定的實際電流Ir(t)及實際 速度Vr(t)而算出消耗電力量E(i)。具體上，係在消耗電力量測定部121使用式(4)或式(5)而算出功W(t)時，及使用式(9)而算出損失L(t)時，各自使用實際電流Ir(t)代替電流I(t)且使用實際速度Vr(t)代替速度v(t)。然後，將所算出的功W(t)及損失L(t)應用在式(10)及式(11)而求取消耗電力量E(i)。又，消耗電力量測定部121係依參數集產生部74所產生的每個參數集進行執行測定實際電流Ir(t)及實際速度Vr(t)及算出消耗電力量E(i)。每個參數集所算出的消耗電力量E(i)係被積蓄記憶在內部的記憶體。

第10圖係說明具備上述的功能構成要素之馬達控制裝置12算出位置指令值24的動作之流程圖。

首先，輸入接受部72係接受指令值產生資訊100(移動距離D、定位時間T、最大加速度Amax、及最大速度Vmax)的輸入(步驟ST21)。然後，輸入接受部72接受功/損失計算資訊102的輸入(步驟ST22)。

接著，指令值曲線選擇部73係從被儲存在指令值曲線記憶部71之指令值曲線群103選擇一個指令值曲線(步驟ST23)。

參數集產生部74係以移動距離為D、定位時間為T的方式，產生複數個(在此係設作N個)對應前述所選擇的指令值曲線之參數集且輸出作為參數集群104(步驟ST24)。

接著，消耗電力量測定部121係執行步驟ST26至步驟ST31的環處理而依每個參數集算出定位控制所需要的 消耗電力量。具體上，首先消耗電力量測定部121係將在該環處理的計算所使用的指數i以1初始化(步驟ST25)，且從參數集群104之中選擇一個參數集(步驟ST26)。

然後，消耗電力量測定部121係算出使用所選擇的參數集時之位置指令值24的尖峰速度Vp及尖峰加速度Ap(步驟ST27)。然後，消耗電力量測定部121係將在步驟ST21所接受的最大加速度Amax及最大速度Vmax、及所算出的尖峰速度Vp及尖峰加速度Ap進行比較，而判定是否滿足Ap≦Amax、且Vp≦Vmax(步驟ST28)。

能夠滿足述條件時(步驟ST28、Yes)，消耗電力量測定部121係按照在步驟ST23所選擇的指令值曲線應用在步驟ST26所選擇的參數集而決定之位置指令值24的時間推移，而產生位置指令值24來執行定位控制，同時接受電流資訊27及檢出速度信號28的輸入而測定從定位控制動作開始至完成為止的實際電流Ir(t)及實際速度Vr(t)(步驟ST29)。

然後，消耗電力量測定部121係根據所測定的實際電流Ir(t)與實際速度Vr(t)而算出每個參數集的消耗電力量E(i)(步驟ST30)。

步驟ST30之後，消耗電力量測定部121係判定是否i=N(步驟ST31)。不是i=N時(步驟ST31、No)，消耗電力量測定部121係設作i=i+1(步驟ST32)且移轉至步驟ST26且從參數集群104選擇一個未選擇的參數集。i=N時(步驟ST31、Yes)，參數集選擇部76係選擇消耗電力量為最小值 之參數集(步驟ST33)。

又，在步驟ST28，不滿足Ap≦Amax、且Vp≦Vmax時(步驟ST28、No)係跳過步驟ST29及步驟ST30的處理。

步驟ST33之後，指令產生部77係根據在步驟ST23所選擇的指令值曲線應用在步驟ST33所選擇的參數集而決定之位置指令值24的時間推移來產生位置指令值24，且將所產生的位置指令值24依照順序供給至馬達驅動放大部4(步驟ST34)，並且將動作結束。

又，本發明的實施形態3係針對應用馬達驅動放大部4成為再生狀態時，再生能源係被再生電阻6消耗之系統時進行說明，但是應用再生能源係返回電源5之系統時，亦可如在實施形態2所說明，根據式(12)而算出消耗電力量E(i)。

如此，係照本發明的實施形態3，因為係如以下的構成：消耗電力量測定部121係根據應用參數集產生部74所產生的參數集後的指令值曲線，而實際地將位置指令值供給至馬達驅動放大部4，且試驗性地使馬達1驅動而測定在馬達1驅動時在馬達1流動的電流及馬達1的速度，並且根據所測定的電流及速度而求取馬達的功W(t)及損失L(t)，所以不必使用機械運動資訊101而能夠得到功W(t)及損失L(t)，其中該機械運動資訊101係在藉由計算來推定功W(t)及損失L(t)之實施形態1、2被認為必要的。亦即，即便沒有用以正確地推定功W(t)及損失L(t)之機械運動資訊101，亦能夠盡可能減低消耗電力量。

又，在步驟ST27、ST28，因為以尖峰加速度為不大於最大加速度Amax的方式，而且，尖峰速度的最大值為不大於最大速度Vmax的方式進行確認之點係與實施形態1相同，所以與實施形態1同様地，具有能夠滿足使指令加速度和指令速度為最大加速度和最大速度以下之限制，並且產生使消耗電力為最小的位置指令值之效果。

實施形態4

實施形態1、2係在指令加速度為不大於最大加速度Amax的範囲算出位置指令值，但是依照實施形態4，係在定位控制時所產生的電流為不大於最大值的範囲算出位置指令值。

第11圖係說明使用本發明的實施形態4的馬達控制裝置之系統的構成例之方塊圖。又，在此，與實施形態1同様的構成要素係附加相同的符號而省略重複的說明。

如圖示，實施形態4的馬達控制裝置14係從上位裝置被輸入最大電流Imax來代替最大加速度Amax之點為與實施形態1不同。具體上，馬達控制裝置14係被輸入包含移動距離D、定位時間T、最大電流Imax、最大速度Vmax之指令值產生資訊105。然後，馬達控制裝置14係以在定位控制時在馬達1所流動的電流為不大於從上位裝置被輸入的最大電流Imax，而且屬於位置指令值的一階微分之指令速度為不大於最大速度Vmax的方式來產生位置指令值24。

第12圖係說明實施形態4的馬達控制裝置之功能構 成之圖。如圖示，馬達控制裝置14係具備：記憶指令值曲線群103之指令值曲線記憶部71；輸入接受部72；指令值曲線選擇部73；參數集產生部74；消耗電力量算出部141；參數集選擇部76及指令產生部77。

第13圖係說明具備上述的功能構成要素之馬達控制裝置14算出位置指令值24的動作之流程圖。

首先，輸入接受部72係接受含有移動距離D、定位時間T、最大電流Imax、及最大速度Vmax之指令值產生資訊105的輸入(步驟ST41)。以下，馬達控制裝置7係執行與在步驟ST42至步驟ST45、步驟ST2至步驟ST5同様的處理。

步驟ST45之後，消耗電力量算出部141係將指數I以1進行初始化(步驟ST46)，並且從參數集群104之中選擇一個參數集(步驟ST47)。

然後，消耗電力量算出部141係算出使用所選擇參數集時在馬達1流動的屬於電流之最大值的尖峰電流值Ip、及屬於位置指令值24的一階微分之指令速度之最大值的尖峰速度Vp(步驟ST48)。具體上，消耗電力量算出部141係將屬於位置指令值24的一階微分之指令速度v*(t)在時間0≦t≦T之最大值設作尖峰速度Vp。關於尖峰電流值Ip，係使用式(2)而算出電流I(t)且將所算出的電流I(t)在時間0≦t≦T之最大值設作尖峰電流Ip。

接著，消耗電力量算出部141係將在步驟ST41所接受的最大電流Imax及最大速度Vmax、與所算出的尖峰電 流值Ip及尖峰速度Vp進行比較，而判定是否滿足Ip≦Imax、且Vp≦Vmax(步驟ST49)。能夠滿足上述條件時(步驟ST49、Yes)，算出使用該參數集時之位置指令值24的消耗電力量E(i)(步驟ST50)。在步驟ST50的處理之消耗電力量的算出方法係與實施形態1同様。在每個參數集所算出的消耗電力量E(i)，係被積蓄記憶在內部的記憶裝置。

在步驟ST49，不滿足Ip≦Imax、且Vp≦Vmax時(步驟ST49、No)，係跳過步驟ST50的處理。

步驟ST50之後，消耗電力量算出部141係判定是否i=N(步驟ST51)。不是i=N時(步驟ST51、No)、消耗電力量算出部141係設作i=i+1(步驟ST52)且移轉至步驟ST47，而從參數集群104選置未選擇的參數集。i=N時(步驟ST51、Yes)，參數集選擇部76係選擇消耗電力量為最小值之參數集(步驟ST53)。

以下，指令產生部77係執行行與步驟ST14同様的處理(步驟ST54)，且馬達控制裝置14的動作結束。

又，本發明的實施形態4係針對應用馬達驅動放大部4成為再生狀態時，再生能源係被再生電阻6消耗之系統時進行說明，但是應用再生能源係返回電源5之系統時，如在實施形態2所說明，根據式(12)而算出消耗電力量E(i)即可。

其次，針對本實施形態4的效果進行說明。通常，馬達1係存在可以流動的電流之最大值。若大於該最大值而 流動電流時，馬達1有產生破損之可能性。依照本發明的實施形態4，因為係如以下的構成：輸入接受部72係接受規定能夠供給至馬達驅動放大部4之位置指令值的最大速度Vmax及最大電流Imax的輸入，消耗電力量算出部141係根據應用參數集產生部74所產生的參數集後的指令值曲線而算出尖峰速度Vp及尖峰電流Ip，且前述所算出的尖峰速度Vp係比前述所輸入的最大速度Vmax小，而且前述所算出的尖峰電流Ip係比前述所輸入的最大電流Imax小的情況，係算出該參數所需要的消耗電力量E(i)，所以使用者(user)係藉由適當地設定所輸入之最大電流Imax，能夠使在定位控制時所產生的電流，為造成馬達1的破損之電流值以下。亦即，能夠防止馬達1的破損。又，如式(2)所表示，電流與加速度之間係成立線形的關係。藉由限制定位控制時的電流，亦能夠得到限制尖峰加速度之效果。

又，在本實施形態，係最大速度及最大加速度的雙方均輸入，且使用該等的資訊而以尖峰速度及尖峰電流係各自為最大速度及最大電流以下的方式來產生位置指令值，但是亦可以只有輸入最大速度、或是只有輸入最大電流，且只有使各自對應的尖峰速度、或是只有尖峰電流為所輸入的最大值以下之方式來產生位置指令值。

只要在定位時間為十分長的情況之定位控制時，因為定位時的加速度變小，且伴隨著它電流係變小，所以將最大電流的輸入省略，而只有輸入最大速度，且以尖峰速度為所輸入的最大值以下的方式來產生位置指令值。

而且，實施形態1至4的馬達控制裝置係含有馬達驅動放大部4等在系統的構成例所表示之其的構成要素而構成亦無妨。

又，實施形態1至4係預先準備複數個參數，且將該等各自應用在前述產生模式，並且根據應用前述參數後的各自產生模式而求取前述馬達的電流及速度，而且根據前述所求取的馬達之電流及速度而依每參數算出前述馬達的消耗電力量之例子進行說明，但是亦可以不產生複數個參數，而使用最小二次方法、最陡下降法(method of steepest descent)等各種最合適化手法而算出以(11)式或(12)式所表示的消耗電力最小化之參數。

1‧‧‧馬達

2‧‧‧編碼器

3‧‧‧機械負荷

4‧‧‧馬達驅動放大部

5‧‧‧電源

6‧‧‧再生電阻

7、11、12、14‧‧‧馬達控制裝置

10‧‧‧電源再生電路

13‧‧‧電流檢出部

21‧‧‧驅動力

22‧‧‧電流

23‧‧‧馬達資訊

24‧‧‧位置指令值

25‧‧‧電力

26‧‧‧再生能源

27‧‧‧電流資訊

28‧‧‧檢出速度信號

71‧‧‧指令值曲線記憶部

72‧‧‧輸入接受部

73‧‧‧指令值曲線選擇部

74‧‧‧參數集產生部

75、111、141‧‧‧消耗電力量算出部

76‧‧‧參數集選擇部

77‧‧‧指令產生部

100、105‧‧‧指令值產生資訊

101‧‧‧機械運動資訊

102‧‧‧功/損失計算資訊

103‧‧‧指令值曲線群

104‧‧‧參數集群

111‧‧‧消耗電力量算出部

121‧‧‧消耗電力量測定部

D‧‧‧移動距離

T‧‧‧定位時間

ST1至ST14、ST21至ST34、ST42至ST54‧‧‧步驟

第1圖係說明使用實施形態1的馬達控制裝置之系統(system)的構成例之方塊(block)圖。

第2圖係說明使用實施形態1的馬達控制裝置的功能構成之圖。

第3圖係顯示指令值曲線的例子圖。

第4圖係顯示指令值曲線的例子圖。

第5圖係說明實施形態1的馬達控制裝置算出位置指令值的動作之流程圖(flow diagram)。

第6圖係說明使用實施形態2的馬達控制裝置之系統的構成例之方塊圖。

第7圖係說明實施形態2的馬達控制裝置之功能構成之圖。

第8圖係說明使用本發明實施形態3的馬達控制裝置之系統的構成例之方塊圖。

第9圖係說明實施形態3的馬達控制裝置之功能構成之圖。

第10圖係說明實施形態3的馬達控制裝置算出位置指令值的動作之流程圖。

第11圖係說明使用本發明的實施形態4的馬達控制裝置之系統的構成例之方塊圖。

第12圖係說明實施形態4的馬達控制裝置之功能構成之圖。

第13圖係說明具備上述的功能構成要素之馬達控制裝置算出位置指令值的動作之流程圖。

ST1至ST14‧‧‧步驟

Claims (11)

1. 一種馬達控制裝置，係以馬達的動作追隨位置指令值的方式，對產生驅動前述馬達的電流之馬達驅動放大器產生並供給前述位置指令值，該馬達控制裝置係具備：輸入接受部，係接受移動距離及定位時間的輸入；產生模式記憶部，該產生模式係具備用以調整產生位置指令值之推移的參數；參數產生部，係以滿足前述輸入接受部所接受的移動距離及定位時間之方式，產生複數個前述產生模式的參數；消耗電力量算出部，係將前述參數產生部所產生的複數個參數各自應用在前述產生模式，且根據應用前述參數後之各自的產生模式求取前述馬達的電流及速度，並且由前述求取之馬達的電流及速度，依前述各參數算出前述馬達追隨位置指令值時的消耗電力量；參數選擇部，係根據前述各參數所算出的消耗電力量，而從前述參數產生部所產生的複數個參數之中選擇消耗電力量為最小的參數；及指令產生部，係根據應用前述參數選擇部所選擇的參數之產生模式而產生供給至前述馬達驅動放大器之位置指令值；其中前述消耗電力量算出部係對應前述馬達的電流或速度而產生的損失L與前述馬達進行的功W之和Q大於零值時為P=Q，前述和Q小於零值時為P=0，並且藉由 將P依各參數積分，從而依各參數算出前述馬達的消耗電力量，其中前述馬達進行的功W係由取決於前述馬達的電流之前述馬達的轉矩與前述馬達的速度之積所構成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中，前述消耗電力量算出部係將對應前述馬達的電流或速度而產生的損失L與前述馬達進行的功W之和P予以藉由積分，從而算出前述馬達的消耗電力量，其中前述馬達進行的功W係由取決於前述馬達的電流之前述馬達的轉矩與前述馬達的速度之積所構成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中，前述馬達驅動放大器係具備消耗前述馬達的再生能源之再生電阻。
4. 如申請專利範圍第2項所述之馬達控制裝置，其中，前述馬達驅動放大器係具備電源再生電路，該電源再生電路係使前述馬達的再生能源返回至對前述馬達驅動放大器供給電源的電源。
5. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述消耗電力量算出部係根據應用前述參數產生部所產生的參數後的產生模式而算出在前述馬達流動的電流及前述馬達的速度。
6. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述消耗電力量算出部係根據應用前述參數產生部所產生的參數後的產生模式對前述馬達驅 動放大器供給位置指令值而試驗性地使前述馬達驅動，來測定前述馬達驅動時在前述馬達流動的電流及前述馬達的速度。
7. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述輸入接受部係接受規定能夠供給至前述馬達驅動放大器的位置指令值之最大速度Vmax的輸入；且前述消耗電力量算出部係根據應用前述參數產生部所產生的參數後的產生模式算出尖峰速度Vp，並且在前述所算出的尖峰速度Vp為比前述所輸入的最大速度Vmax小的情況，算出該參數所需要的消耗電力量。
8. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述輸入接受部係接受規定能夠供給至前述馬達驅動放大器的位置指令值之最大加速度Amax的輸入；且前述消耗電力量算出部係根據應用前述參數產生部所產生的參數後的產生模式算出尖峰加速度Ap，並且在前述所算出的尖峰加速度Ap為比前述所輸入的最大加速度Amax小的情況，算出該參數所需要的消耗電力量。
9. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述輸入接受部係接受規定能夠供給至前述馬達 驅動放大器的位置指令值之最大電流Imax的輸入；且前述消耗電力量算出部係根據應用前述參數產生部所產生的參數後的產生模式算出尖峰電流Ip，並且在前述所算出的尖峰電流Ip為比前述所輸入的最大電流Imax小的情況，算出該參數所需要的消耗電力量。
10. 如申請專利範圍第6項所述之馬達控制裝置，其中，前述消耗電力量算出部係算出至少含有銅損或鐵損的任一者之損失L，該銅損係藉由將前述所測定的在馬達流動的電流平方算出；而該鐵損係根據前述所測定的在馬達流動的電流及前述馬達的速度而算出。
11. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述損失L係包含根據銅損的損失或根據鐵損的損失，該銅損係藉由將前述馬達的電流平方來求取；而該鐵損係根據在前述馬達流動的電流及速度來求取。