TWI501540B - 電動機控制裝置 - Google Patents

Description

電動機控制裝置

本發明係關於驅動機器人等機械，進行高速定位的電動機控制裝置。

以藉由電動機控制裝置來將機械作高速定位的方法之一而言，有模型追隨控制。模型追隨控制係建構模擬實際控制系統的模型控制系統，以追隨該模型控制系統的方式來驅動反饋控制系統的控制方式。第3圖係顯示日本特開昭62-217304號公報(專利文獻1)所示之習知之利用模型追隨控制的電動機控制裝置的構成。在習知的裝置中，取得位置指令與模型位置的偏差，通過模型位置控制器來輸出模型速度指令。取得模型速度指令與模型速度的偏差，通過模型速度控制器來輸出模型力矩指令。將模型力矩指令透過電動機機械模型來計算模型速度。將模型速度透過積分器來計算模型位置。取得模型位置與在編碼器所檢測出的電動機位置的差，透過位置控制器來輸出速度指令。取得將速度指令與模型速度加算所成者與速度檢測值的偏差，透過速度控制器來輸出力矩指令。將力矩指令與模型力矩指令作加算，透過力矩控制器來驅動電動機，而控制電動機的力矩。

在此，電動機機械模型係將電動機側慣量(inertia)設為JM、負荷側慣量設為JL，而表示為：

電動機機械模型=1/{(JM+JL)S}

。如上所示，藉由構成模型追隨控制，可獨立控制指令響應特性與外亂響應特性。外亂響應係因機械系統的高頻共振等而受到限制，無法提高至某程度以上。模型響應由於不會受到其影響，因此可提高模型響應。藉此，可提高指令響應而實現機械的高速定位。

如以上所示，若機械系統為剛體，藉由進行以電動機機械模型為剛體的模型追隨控制，可實現高速定位。但是，在實際的機械系統係存在有剛性低的部分，由此而產生振動。機器人等機械係如第4圖所示，可視為將在近似上電動機側的慣性與負荷側的慣性藉由較低的扭轉剛性相結合的機械系統。在如上所示之機械中會發生在驅動電動機時因電動機側慣性與負荷側慣性及其間的剛性而起的振動。

以如此之抑制2個慣性系統的振動的方法而言，係有在位置指令的輸入部插入前置濾波器的方法。第5圖係藉由前置濾波器來抑制2個慣性系統的振動的方塊圖。例如，插入陷波濾波器作為前置濾波器，將其陷波頻率設定為振動頻率，藉此可抑制振動。但是，若使用前置濾波器，因濾波器的延遲，會有無法充分縮短定位整定時間的問題。

以其他抑制2個慣性系統之振動的方法而言，在日本特開平8-168280號公報(專利文獻2)中顯示一種使用模型追隨控制的電動機控制裝置。在專利文獻2的第1圖中係顯示進行模型追隨控制之電動機控制裝置的構成。在該電動機控制裝置中，係在第1控制系統(模型控制系統)之中，裝載有電動機模擬電路與負荷機械模擬電路與力矩傳達機構模擬電路。此外，電動機控制裝置係具備有：以來自電動機模型的模擬速度指令與來自負荷機械模型的模擬速度指令的偏差指令作為輸入而輸出補償力矩訊號的補償力矩運算手段。藉由由來自第1速度控制手段的第1力矩訊號扣除來自該補償力矩運算手段的補償力矩訊號後的偏差指令，來控制電動機模型或力矩控制手段。而該補償力矩運算電路係由比例積分控制器所構成。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開昭62-217304號公報

[專利文獻2]日本特開平8-168280號公報

在專利文獻2所示之習知的電動機控制裝置中，建立模型控制系統的特性方程式。但是，為了高速進行定位且不會發生振動，要如何解開該式來設定控制參數，在專利文獻2中並未明確揭示。因此，要利用專利文獻2來設定控制參數，在現實上並無法實施。因此，實際上，若使用專利文獻2所示之構成時，必須以試算法(cut and try)來調整各參數，會有耗費時間在調整上的問題。此外，根據發明人使用專利文獻2所示之構成，進行是否可利用試算法來調整各參數，以高速進行定位且不會發生振動的模擬試驗後的結果，可知由模型速度控制器(第1速度控制電路)所被輸出的模型力矩指令，如第6圖(B)般成為大於電動機可輸出的力矩[第6圖(B)的縱軸刻度為±2以下的值]的值[第6圖(B)的縱軸刻度為±7以上的值]。因此，為了以習知的電動機控制裝置來高速進行定位，係必須將模型速度控制器(第1速度控制電路)形成為與過大力矩相對應者。但是對過大力矩的對應係會造成運算精度的降低或運算時間的增加，因此以儘可能抑制對過大力矩的對應為宜。其中第6圖(A)為位置指令(微分值)，第6圖(C)為位置偏差。

本發明之目的在提供一種可簡單調整模型控制系統的參數，而且不會有由模型速度控制器所被輸出的力矩指令變得過大的情形，可實現更為高速且不會振動的定位的電動機控制裝置。

除了上述目的以外，本發明之其他目的在提供一種可利用一個參數來簡單調整模型控制系統的參數的電動機控制裝置。

本發明之電動機控制裝置係具備有：將實際的電動機的控制系統進行模擬且包含模型位置控制器、模型速度指令部、模型速度控制器及模型力矩指令部所構成的模型控制系統；及具備有位置控制器、速度控制器及力矩控制器，以追隨模型控制系統的方式所構成，將實際的電動機進行反饋控制的反饋控制系統。

模型控制系統係具備有：生成模型電動機側加速度指令S14及模型電動機側速度指令S7之關於電動機的第1慣性系統的機械模型；生成模型負荷側加速度指令S15及模型負荷側速度指令S16之關於負荷的第2慣性系統的機械模型；關於電動機與負荷之間的扭轉力矩的扭轉力矩模型；將模型負荷側加速度指令S15與模型電動機側加速度指令S14的偏差亦即模型側加速度偏差指令S18作增益K_AB 倍所得的反饋加速度指令S10，反饋至生成模型力矩偏差指令S11的模型力矩指令部的第1狀態反饋系統；及將由模型負荷側速度指令S16與模型電動機側速度指令S7的偏差所構成的模型側速度偏差指令S19作增益K_VB 倍所得的反饋速度指令S5，進行狀態反饋至模型速度指令部的第2狀態反饋系統。接著，在本發明之電動機控制裝置中，根據以由模型控制系統的狀態方程式所得的特性方程式具有4重根的方式進行運算所得的參數的關係式，來決定模型控制系統的參數。

在本發明中，係使用2個慣性系統的機械模型，以適用現代控制理論而模型控制系統的特性方程式的根成為重根的方式來決定模型控制系統的各參數。因此，在控制參數的設定中，藉由模型位置控制器的增益來決定特性方程式中的極值，若可取得較高的反饋系統的位置控制器的增益，與習知技術相比較，可實現非常高速且不會發生機械振動的定位。

本發明之更為具體的電動機控制裝置係模型控制系統具備有：第1偏差運算部、模型位置控制器、第2偏差運算部、第3偏差運算部、模型速度控制器、第4偏差運算部、第5偏差運算部、第1慣性系統的機械模型、第2慣性系統的機械模型、第6偏差運算部、模型負荷加速度指令生成部、第7偏差運算部、模型速度指令發生部、第8偏差運算部、及扭轉力矩指令發生部。

第1偏差運算部係將位置指令S1與模型電動機側位置指令S2的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型位置偏差指令S3。模型位置控制器係以模型位置偏差指令S3為輸入而輸出模型速度指令S4。

第2偏差運算部係將模型速度指令S4與反饋速度指令S5的偏差進行運算，輸出該偏差作為第1模型速度偏差指令S6。第2偏差運算部構成模型速度指令部。

第3偏差運算部係將第1模型速度偏差指令S6與模型電動機側速度指令S7的偏差進行運算，輸出該偏差作為第2模型速度偏差指令S8。模型速度控制器係以第2模型速度偏差指令S8為輸入而輸出模型力矩指令S9。

第4偏差運算部係將模型力矩指令S9與由第1狀態反饋系統F1所被輸入的反饋加速度指令S10的偏差進行運算，輸出該偏差作為第1模型力矩偏差指令S11。第4偏差運算部構成模型力矩指令部。

第5偏差運算部係將第1模型力矩偏差指令S11與表示扭轉力矩的扭轉力矩指令S12的偏差進行運算，輸出該偏差作為第2模型力矩偏差指令S13。

第1慣性系統的機械模型係以第2模型力矩偏差指令S13為輸入，生成模型電動機側加速度指令S14、模型電動機側速度指令S7及模型電動機側位置指令S2。

第2慣性系統的機械模型係以扭轉力矩指令為輸入，生成模型負荷側加速度指令S15、模型負荷側速度指令S16及模型負荷側位置指令S17。

第6偏差運算部係將模型電動機側加速度指令S14與模型負荷側加速度指令S15的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側加速度偏差指令S18。模型加速度指令發生部係對模型側加速度偏差指令S18乘以第1增益K_AB 而生成反饋加速度指令S10。藉由第6偏差運算部與模型加速度指令發生部，構成第1狀態反饋系統。

第7偏差運算部係將模型電動機側速度指令S7與模型負荷側速度指令S16的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側速度偏差指令S19。模型速度指令發生部係對模型側速度偏差指令S19乘以第2增益K_VB 而生成反饋速度指令S5。藉由第7偏差運算部與模型速度指令發生部，構成第2狀態反饋系統。

第8偏差運算部係將模型負荷側位置指令S17與模型電動機側位置指令S2的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側位置偏差指令S20。扭轉力矩指令發生部係對模型側位置偏差指令S20乘以第3增益K_B 而生成扭轉力矩指令S12。

在本發明中，將模型位置控制器的增益設為K_P 、模型速度控制器的增益設為K_V 、電動機側慣量設為J_M 、負荷側慣量設為J_L ，另外將由模型控制系統的狀態方程式所得的特性方程式的極值設為K時，根據以特性方程式具有4重根的方式進行運算所得的關係式：

K=-4K_P

K_V =-K_B (J_M +J_L )/[1.5K_B /K+K_P J_L ]

K_AB =K_V K_B /(-4K³ J_L )-J_M

K_VB =-4K(J_M +K_AB )/K_V -1

，來決定模型控制系統的參數。

在具體的本發明之電動機控制裝置中，若使用第1及第2慣性系統的機械模型，將模型負荷側加速度指令S15與模型電動機側加速度指令S14的偏差亦即模型側加速度偏差指令S18，進行狀態反饋至構成生成模型力矩偏差指令S11的模型力矩指令部的第4偏差運算部。此外，將由模型電動機側速度指令S7與模型負荷側速度指令S16的偏差所構成的模型側速度偏差指令S19，進行狀態反饋至構成模型速度指令部的第2偏差運算部。接著，根據以適用現代控制理論而模型控制系統的特性方程式的根具有4重根的方式進行運算所得的關係式，來決定模型控制系統的各參數。藉此，可以模型控制系統的位置控制器的增益K_P 一個參數來決定所有模型側的參數，可簡單調整模型控制系統的參數。而且，由模型速度控制器所被輸出的力矩指令係在電動機可輸出的力矩內。此外，在參數的設定中，若使用上述關係式，由於藉由模型位置控制器的增益K_P 來決定極值，因此若可取得較高的反饋系統的位置控制器的增益，與習知技術相比較，可實現非常高速且不會產生機械振動的定位。

尤其，將K_P 形成為與反饋控制系統的位置控制器的增益為相同的值，將電動機側慣量J_M 、負荷側慣量J_L 、表示扭轉剛性的增益K_B 形成為與實際機械系統的各個的值相同，若根據上述關係式來決定第1增益K_AB 、第2增益K_VB 、及模型速度控制器的增益K_V 時，可得最具效果的控制效果。

參照圖示，詳加說明本發明之電動機控制裝置之實施形態之一例。在第1圖所示之本實施形態中，在使用模型控制系統1與反饋控制系統2的電動機控制裝置中，係使用第1及第2慣性系統的機械模型，將電動機側模型加速度指令S14與機械側模型加速度指令S15的偏差，亦即模型側加速度偏差指令S18、及模型電動機側速度訊號S7與模型負荷側速度指令S16的偏差，亦即模型側速度偏差指令S19進行狀態反饋。接著，運用現代控制理論，以控制系統安定而不會發生振動的方式來決定模型控制系統的參數。

具體而言，電動機控制裝置中，模型控制系統1具備有：第1偏差運算部3、模型位置控制器4、構成模型速度 指令部的第2偏差運算部5、第3偏差運算部6、模型速度控制器7、構成模型力矩指令部的第4偏差運算部8、第5偏差運算部9、由電動機側模型10、積分器11及12所構成的第1慣性系統的機械模型、由負荷側模型13、積分器14及15所構成的第2慣性系統的機械模型、第6偏差運算部16、模型加速度指令發生部17、第7偏差運算部18、模型速度指令發生部19、第8偏差運算部20、及扭轉力矩指令發生部21。反饋控制系統2係具備有：第9偏差運算部22、位置控制器23、第10偏差運算部24、微分器25、速度控制器26、加算運算部27、及力矩控制器28。在第1圖中，符號M表示電動機，符號L表示作為負荷的機械，符號PS表示由檢測電動機M的轉子的旋轉位置的編碼器等所構成的旋轉位置感測器。

第1偏差運算部3係將由上位控制器所被輸出的位置指令S1及由積分器12所被輸出的模型電動機側位置指令S2的偏差進行運算，將該偏差作為模型位置偏差指令S3而輸出至模型位置控制器4。模型位置控制器4係以模型位置偏差指令S3為輸入而輸出模型速度指令S4。第2偏差運算部5係將模型速度指令S4及由第2狀態反饋系統F2所被反饋的反饋速度指令S5的偏差進行運算，將該偏差作為第1模型速度偏差指令S6而輸出至第3偏差運算部6。在本實施形態中，第2偏差運算部5構成模型速度指令部。第3偏差運算部6係將第1模型速度偏差指令S6及由積分器11所被輸出的模型電動機側速度指令S7的偏差進行運算，將該偏差作為第2模型速度偏差指令S8而輸出至模型速度控制器7。模型速度控制器7係以第2模型速度偏差指令S8為輸入而輸出模型力矩指令S9。

第4偏差運算部8係將模型力矩指令S9與反饋加速度指令S10的偏差進行運算，輸出該偏差作為第1模型力矩偏差指令S11。在本實施形態中，第4偏差運算部8構成模型力矩指令部。第5偏差運算部9係將第1模型力矩偏差指令S11、及表示由扭轉力矩指令發生部21所被輸出的扭轉力矩的扭轉力矩指令S12的偏差進行運算而輸出該偏差作為第2模型力矩偏差指令S13。第2模型力矩偏差指令S13係被供予至電動機側模型10與加算運算部27。

第1慣性系統的機械模型係由電動機側模型10、積分器11及12所構成。電動機側模型10係將第2模型力矩偏差指令S13與考慮到電動機側慣量J_M 的1/J_M 的增益相乘，輸出該結果作為模型電動機側加速度指令S14。積分器11係將模型電動機側加速度指令S14進行積分，將該結果作為模型電動機側速度指令S7而輸出至積分器12、第3偏差運算部6及第10偏差運算部24。積分器12係將模型電動機側速度指令S7進行積分而輸出模型電動機側位置指令S2。模型電動機側速度指令S7係被供予至第1偏差運算部3與第9偏差運算部22。

第2慣性系統的機械模型係由負荷側模型13、積分器14及15所構成。負荷側模型13係以後述的扭轉力矩指令S12為輸入，對扭轉力矩指令S12乘以考慮到負荷側慣量J_L 的1/J_L 而生成模型負荷側加速度指令S15。積分器14係將模型負荷側加速度指令S15進行積分，輸出模型負荷側速度指令S16，積分器15係將模型負荷側速度指令S16進行積分，而生成模型負荷側位置指令S17。

第6偏差運算部16係將模型電動機側加速度指令S14與模型負荷側加速度指令S15的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側加速度偏差指令S18。模型加速度指令發生部17係對模型側加速度偏差指令S18乘以第1增益K_AB 而生成反饋加速度指令S10。在本實施形態中，藉由第6偏差運算部16與模型加速度指令發生部17，構成第1狀態反饋系統F1。

第7偏差運算部18係將模型電動機側速度指令S7與模型負荷側速度指令S16的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側速度偏差指令S19。模型速度指令發生部19係對模型側速度偏差指令S19乘以第2增益K_VB 而生成反饋速度指令S5。在本實施形態中，藉由第7偏差運算部18與模型速度指令發生部19，構成第2狀態反饋系統F2。

第8偏差運算部20係將模型負荷側位置指令S17與模型電動機側位置指令S2的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側位置偏差指令S20。扭轉力矩指令發生部21係對模型側位置偏差指令S20乘以表示扭轉剛性的第3增益K_B 而生成扭轉力矩指令S12。

在本實施形態中，第9偏差運算部22取得模型電動機側位置指令S2與以由編碼器所構成的位置感測器PS所檢測到的電動機位置的偏差，且將該偏差供予至位置控制器23。位置控制器23係計算出速度指令S22。而且第10偏差運算部24係將模型電動機側速度指令S7與來自位置控制器23的速度指令S22進行加算，在該加算後的指令取得與以微分器25將利用位置感測器PS所檢測到的電動機位置進行微分後的速度S23的偏差，將該偏差S24供予至速度控制器26。速度控制器26係計算出力矩指令S25。加算運算部27係將來自速度控制器26的力矩指令S25及作為電動機側模型力矩指令的第2模型力矩偏差指令S13進行加算，加算結果係被供予至力矩控制器28，根據來自力矩控制器28的輸出S27來驅動電動機M。

在本實施形態中，當將模型位置控制器的增益設為K_P 、模型速度控制器的增益設為K_V 、電動機側慣量設為J_M 、負荷側慣量設為J_L 時，模型控制系統的狀態方程式係如以下所示。

接著，當將由模型控制系統的狀態方程式所得的特性方程式的極值設為K時，根據以特性方程式具有4重根的方式進行運算所得的關係式：K=-4K_P

K_V =-K_B (J_M +J_L )/[1.5K_B /K+K_P J_L ]

K_AB =K_V K_B /(-4K³ J_L )-J_M

K_VB =-4K(J_M +K_AB )/K_V -1，來決定模型控制系統1的參數。

若如上所示決定參數，可利用模型控制系統1的模型位置控制器4的增益K_P 一個參數來決定所有模型控制系統1側的參數，而可簡單調整模型控制系統的參數。而且，由模型速度控制器7所被輸出的模型力矩指令係在電動機M可輸出的力矩範圍。另外若在參數的設定中使用上述關係式，藉由模型位置控制器4的增益K_P 來決定極值，因此若可取得較高的反饋系統的位置控制器23的增益，與習知技術相比較，可實現非常高速且不會發生機械振動的定位。

尤其，將模型位置控制器4的增益K_P 設為與反饋控制系統2的位置控制器23的增益為相同的值，將電動機側慣量J_M 、負荷側慣量J_L 、表示扭轉剛性的增益K_B 形成為與實際機械系統L的各個的值相同，若根據上述關係式來決定第1增益K_AB 、第2增益K_VB 、及模型速度控制器的增益K_V ，可得最具效果的控制效果。

具體的參數設定係如以下進行。位置控制器23的增益 、速度控制器26的增益係在不會將機械系統的諧波共振進行激振的範圍內調整為儘可能高的值。模型控制系統1的模型位置控制器4的增益K_P 係形成為與反饋系統為相同的值。模型控制系統的慣量J_M 、負荷側慣量J_L 、表示扭轉剛性的增益K_B 的參數係配合實際機械系統的值。接著，根據該等參數，計算出第1及第2狀態反饋F1及F2的第1增益K_AB 及第2增益K_VB 。如上所示，反饋系統的參數係配合實際機械系統來作調整，配合其來決定模型控制系統的參數。模型控制系統1側的參數係僅將模型位置控制器4的增益K_P 調整一個，來決定所有模型內的參數，並不需要個別調整模型控制系統的參數亦即增益K_P 、K_V 、K_AB 、K_VB 。

第2圖(A)至(C)係使用如上所示所計算出的參數來進行定位時的位置指令(微分值)、來自模型速度控制器7的模型力矩指令S9及模型側位置偏差指令S20的模擬結果。若將第2圖(B)所示之來自模型速度控制器7的模型力矩指令S9與第6圖(B)的專利文獻2的習知裝置的模型力矩指令相對比可知，負荷側的振動係受到抑制，而實現高速的定位。

此外，在本實施形態中，係將模型電動機側加速度指令S14與模型負荷側加速度指令S15的差的加速度亦即模型側加速度偏差指令S18作增益K_AB 倍後的反饋加速度指令S10，進行狀態反饋至作為模型力矩指令算出部的第4偏差運算部8。此外，將模型電動機側速度指令S7與模型負荷側速度指令S16的差的速度亦即模型側速度偏差指令S19作 增益K_VB 倍後的反饋速度指令S5，進行狀態反饋至作為模型速度指令算出部的第2偏差運算部5。結果，由模型速度控制器7所被輸出的力矩指令係在電動機可輸出的力矩範圍內。

(產業上可利用性)

在本發明中，若使用第1及第2慣性系統的機械模型，將模型負荷側加速度指令S15與模型電動機側加速度指令S14的偏差亦即模型側加速度偏差指令S18，進行狀態反饋至構成生成模型力矩偏差指令S11的模型力矩指令部的第4偏差運算部。此外，將由模型電動機側速度指令S7與模型負荷側速度指令S16的偏差所構成的模型側速度偏差指令S19，進行狀態反饋至構成模型速度指令部的第2偏差運算部。接著，根據以適用現代控制理論而模型控制系統的特性方程式的根具有4重根的方式進行運算所得的關係式，來決定模型控制系統的各參數。藉此，以模型控制系統的位置控制器的增益K_P 一個參數即可決定所有模型側的參數，可得可簡單調整模型控制系統的參數的優點。而且，由模型速度控制器所被輸出的力矩指令係在電動機可輸出的力矩內。此外，在參數的設定中，由於藉由模型位置控制器的增益K_P 來決定極值，因此若可取得較高的反饋系統的位置控制器的增益，可得可實現非常高速且不會發生機械振動的定位的優點。

1．．．模型控制系統

2．．．反饋控制系統

3．．．第1偏差運算部

4．．．模型位置控制器

5．．．第2偏差運算部

6．．．第3偏差運算部

7．．．模型速度控制器

8．．．第4偏差運算部

9．．．第5偏差運算部

10．．．電動機側模型

11、12．．．積分器

13．．．負荷側模型

14、15．．．積分器

16．．．第6偏差運算部

17．．．模型加速度指令發生部

18．．．第7偏差運算部

19．．．模型速度指令發生部

20．．．第8偏差運算部

21．．．扭轉力矩指令發生部

22．．．第9偏差運算部

23．．．位置控制器

24．．．第10偏差運算部

25．．．微分器

26．．．速度控制器

27．．．加算運算部

28．．．力矩控制器

M．．．電動機

PS．．．位置感測器

第1圖係顯示本發明之實施形態之一例之構成的方塊圖。

第2圖(A)至(C)係在第1圖之實施形態中進行定位時的位置指令、來自模型速度控制器的模型力矩指令及模型側位置偏差指令的模擬結果。

第3圖係顯示專利文獻1所示之習知之利用模型追隨控制的電動機控制裝置之構成圖。

第4圖係用在說明可視為將在近似上電動機側的慣性與負荷側的慣性藉由較低的扭轉剛性相結合的機械系統的圖。

第5圖係藉由前置濾波器來抑制2個慣性系統之振動的習知的裝置的方塊圖。

第6圖(A)至(C)係在專利文獻2的裝置中，進行定位時的位置指令、來自模型速度控制器的模型力矩指令及模型側位置偏差指令的模擬結果。

1．．．模型控制系統

3．．．第1偏差運算部

4．．．模型位置控制器

5．．．第2偏差運算部

6．．．第3偏差運算部

7．．．模型速度控制器

8．．．第4偏差運算部

9．．．第5偏差運算部

10．．．電動機側模型

11、12．．．積分器

13．．．負荷側模型

14、15．．．積分器

16．．．第6偏差運算部

17．．．模型加速度指令發生部

18．．．第7偏差運算部

19．．．模型速度指令發生部

20．．．第8偏差運算部

21．．．扭轉力矩指令發生部

22．．．第9偏差運算部

23．．．位置控制器

24．．．第10偏差運算部

25．．．微分器

26．．．速度控制器

27．．．加算運算部

28．．．力矩控制器

M．．．電動機

PS．．．位置感測器

F1．．．第1狀態反饋系統

F2．．．第2狀態反饋系統

L．．．實際機械系統

Claims (5)

1. 一種電動機控制裝置，係具備有：將實際的電動機的控制系統進行模擬的模型控制系統；及具備有位置控制器、速度控制器及力矩控制器，以追隨前述模型控制系統的方式所構成，將前述實際的電動機進行反饋控制的反饋控制系統，該電動機控制裝置之特徵為：前述模型控制系統係具備有：將位置指令S1與表示模型電動機側位置的模型電動機側位置指令S2的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型位置偏差指令S3的第1偏差運算部；以前述模型位置偏差指令S3為輸入而輸出模型速度指令S4的模型位置控制器；將前述模型速度指令S4與反饋速度指令S5的偏差進行運算，輸出該偏差作為第1模型速度偏差指令S6的第2偏差運算部；將前述第1模型速度偏差指令S6與模型電動機側速度指令S7的偏差進行運算，輸出該偏差作為第2模型速度偏差指令S8的第3偏差運算部；以前述第2模型速度偏差指令S8為輸入而輸出模型力矩指令S9的模型速度控制器；將前述模型力矩指令S9與反饋加速度指令S10的偏差進行運算，輸出該偏差作為第1模型力矩偏差指令S11 的第4偏差運算部；將前述第1模型力矩偏差指令S11與表示扭轉力矩的扭轉力矩指令S12的偏差進行運算，輸出該偏差作為第2模型力矩偏差指令S13的第5偏差運算部；以前述第2模型力矩偏差指令S13為輸入，生成模型電動機側加速度指令S14、前述模型電動機側速度指令S7及前述模型電動機側位置指令S2的第1慣性系統的機械模型；以前述扭轉力矩指令為輸入，生成模型負荷側加速度指令S15、模型負荷側速度指令S16及模型負荷側位置指令S17的第2慣性系統的機械模型；將前述模型電動機側加速度指令S14與前述模型負荷側加速度指令S15的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側加速度偏差指令S18的第6偏差運算部；對前述模型側加速度偏差指令S18乘以第1增益K_AB 而生成前述反饋加速度指令S10的模型加速度指令發生部；將前述模型電動機側速度指令S7與前述模型負荷側速度指令S16的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側速度偏差指令S19的第7偏差運算部；及對前述模型側速度偏差指令S19乘以第2增益K_VB 而生成前述反饋速度指令S5的模型速度指令發生部，且具備有：將前述模型負荷側位置指令S17與前述模型電動機側 位置指令S2的偏差進行運算，輸出該偏差作為模型側位置偏差指令S20的第8偏差運算部；及對前述模型側位置偏差指令S20乘以第3增益K_B 而生成前述扭轉力矩指令S12的扭轉力矩指令發生部，將前述模型位置控制器的增益設為K_P 、前述模型速度控制器的增益設為K_V 、電動機側慣量設為J_M 、負荷側慣量設為J_L ，另外將由前述模型控制系統的狀態方程式所得的特性方程式的極值設為K時，根據以前述特性方程式具有4重根的方式進行運算所得的關係式：K=-4K_P K_V =-K_B (J_M +J_L )/[1.5K_B /K+K_P J_L ] K_AB =K_V K_B /(-4K³ J_L )-J_M K_VB =-4K(J_M +K_AB )/K_V -1，來決定前述模型控制系統的參數。
2. 如申請專利範圍第1項之電動機控制裝置，其中，將K_P 形成為與前述反饋控制系統的前述位置控制器的增益為相同的值，將前述電動機側慣量J_M 、前述負荷側慣量J_L 、表示扭轉剛性的前述第3增益K_B 形成為與實際機械系統的各個的值相同，來決定前述第1增益K_AB 、前述第2增益K_VB 、及前述模型速度控制器的增益K_V 。
3. 一種電動機控制裝置，係具備有：將實際的電動機的控制系統進行模擬且包含模型位置控制器、模型速度指令部、模型速度控制器及模型力矩指令部所構成的模型控制系統；及 具備有位置控制器、速度控制器及力矩控制器，以追隨前述模型控制系統的方式所構成，將前述實際的電動機進行反饋控制的反饋控制系統，該電動機控制裝置之特徵為：前述模型控制系統係具備有：生成模型電動機側加速度指令S14及模型電動機側速度指令S7之關於前述電動機的第1慣性系統的機械模型；生成模型負荷側加速度指令S15及模型負荷側速度指令S16之關於負荷的第2慣性系統的機械模型；關於前述電動機與前述負荷之間的扭轉力矩的扭轉力矩模型；將前述模型負荷側加速度指令S15與前述模型電動機側加速度指令S14的偏差亦即模型側加速度偏差指令S18作增益K_AB 倍所得的反饋加速度指令S10，反饋至生成模型力矩偏差指令S11的前述模型力矩指令部的第1狀態反饋系統；及將由前述模型負荷側速度指令S16與前述模型電動機側速度指令S7的偏差所構成的模型側速度偏差指令S19作增益K_VB 倍所得的反饋速度指令S5，進行狀態反饋至前述模型速度指令部的第2狀態反饋系統，根據以由前述模型控制系統的狀態方程式所得的特性方程式具有4重根的方式進行運算所得的參數的關係式，來決定前述模型控制系統的參數。
4. 如申請專利範圍第3項之電動機控制裝置，其中，將前述模型位置控制器的增益設為K_P 、前述模型速度控制器的增益設為K_V 、電動機側慣量設為J_M 、負荷側慣量 設為J_L ，將關於扭轉剛性的增益設為K_B 、關於前述模型電動機的加速度資訊的增益設為K_AB ，將關於前述模型電動機的速度資訊的增益設為K_VB ，將由前述模型控制系統的狀態方程式所得的特性方程式的極值設為K時，根據以前述特性方程式具有4重根的方式進行運算所得的關係式：K=-4K_P K_V =-K_B (J_M +J_L )/[1.5K_B /K+K_P J_L ] K_AB =K_V K_B /(-4K³ J_L )-J_M K_VB =-4K(J_M +K_AB )/K_V -1，來決定前述模型控制系統的參數。
5. 如申請專利範圍第4項之電動機控制裝置，其中，將K_P 形成為與前述反饋控制系統的前述位置檢測器的增益為相同的值，將前述電動機側慣量J_M 、前述負荷側慣量J_L 、表示扭轉剛性的前述增益K_B 形成為與實際機械系統的各個的值相同，來決定前述增益K_AB 、前述增益K_VB 、及前述模型速度控制器的增益K_V 。