專利名稱：電機(jī)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制電機(jī)的控制裝置。
現(xiàn)有技術(shù)如圖15(a)所示，在電機(jī)控制裝置中，通常在轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17(未示出其控制系統(tǒng)的細(xì)節(jié))的外側(cè)集成速度控制系統(tǒng)20，且在速度控制系統(tǒng)20的外側(cè)集成具有位置控制部分15的位置控制系統(tǒng)。該速度控制系統(tǒng)20包括速度控制部分16，其根據(jù)速度指令和電機(jī)速度之間的差產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(推力)指令；轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17；電機(jī)18；齒輪等的驅(qū)動部分19；負(fù)載1A；位置檢測部分1B，其用于檢測電機(jī)18的位置；以及速度計(jì)算部分1C，用于根據(jù)來自位置檢測部分1B的位置信號計(jì)算該電機(jī)的速度。此外，數(shù)字101、102表示用于產(chǎn)生各個(gè)信號之間的差的減法器。
為了使該位置控制系統(tǒng)的特性穩(wěn)定，要求在該速度控制系統(tǒng)20的特性不發(fā)生變化的情況下穩(wěn)定。
盡管為了使速度控制系統(tǒng)20穩(wěn)定，需要使速度增益不發(fā)生變化，但是存在這樣一種情況，即計(jì)算速度增益所需要的、由電機(jī)18驅(qū)動的負(fù)載1A的轉(zhuǎn)動慣量值是未知的或變化的。由于電機(jī)18的轉(zhuǎn)動慣量通常是已知的，因此經(jīng)常通過為電機(jī)18的電機(jī)控制裝置的速度控制系統(tǒng)20設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量比，在包含負(fù)載1A的轉(zhuǎn)動慣量值的情況下，來計(jì)算速度增益。
當(dāng)使用標(biāo)記JL表示安裝有電機(jī)18的機(jī)械的驅(qū)動部分19與負(fù)載1A的轉(zhuǎn)動軸換算(移動方向換算)的轉(zhuǎn)動慣量，并使用Jm表示電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量(移動部件的慣性質(zhì)量)時(shí)，轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比Jratio如下所示Jratio＝JL/Jm(1)盡管已經(jīng)對作為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)式電機(jī)進(jìn)行了說明，但是對于直線電機(jī)來說，該說明的內(nèi)容也同樣適用。因此為了說明的方便，在描述轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)時(shí)，直線電動機(jī)的特有術(shù)語由(*)表示。
圖15(a)的速度控制系統(tǒng)以如圖15(b)所示的方式實(shí)現(xiàn)。在該圖中，方框1/(Js)表示電機(jī)，其輸入是轉(zhuǎn)矩且其輸出是電機(jī)速度。標(biāo)記J表示負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)JL與電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)Jm的和。
當(dāng)在慣量設(shè)置部分中使用轉(zhuǎn)動慣量比時(shí)，根據(jù)公式(1)，前向增益為Kv×Jm(1+Jratio)＝Kv(Jm+JL)＝Kv×J(2)包括電機(jī)在內(nèi)的前向增益為如下所示Kv×J(1/(Js))＝Kv/s (3)通過正確地設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量比，可以確定速度環(huán)增益Kv。然而，在負(fù)載機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量未知的情況下，或在即使轉(zhuǎn)動慣量已知但轉(zhuǎn)動慣量變化顯著的情況下，公式(3)的分子J(計(jì)算值)和分母Js(機(jī)械的物理量)不同，因此該速度增益Kv發(fā)生變化而與規(guī)定值不同。
盡管當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)未知時(shí)存在確定轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)的方法，但是當(dāng)少量移動時(shí)(例如，諸如移動大約100個(gè)脈沖)時(shí)，無法確定轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)，結(jié)果控制系統(tǒng)的增益平衡惡化，控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，并且存在控制系統(tǒng)發(fā)生諧振的情形。
因此，已經(jīng)設(shè)想了一種擾動抑制控制，其利用擾動觀測器代替確定轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比。在大約10年前已經(jīng)在學(xué)術(shù)界等中出現(xiàn)這樣的設(shè)想當(dāng)應(yīng)用該控制時(shí)，在未確定轉(zhuǎn)動慣量的情況下，能夠得到與設(shè)定了正確的轉(zhuǎn)動慣量比(通過計(jì)算求得的轉(zhuǎn)動慣量比是與實(shí)際的轉(zhuǎn)動慣量比基本一致的轉(zhuǎn)動慣量比)時(shí)大致相等的控制性能。例如，Isogai(磯貝)等人的″Application of an Observer to a Motor ControlSystem″(“相對于電機(jī)控制系統(tǒng)的觀測器的應(yīng)用”)，第19屆SICE學(xué)術(shù)會議稿集，1980年，第371-372頁，提出了一種方法，其通過將由二次系統(tǒng)的同一次元的擾動觀測器推定的電機(jī)擾動(檢測與擾動相當(dāng)?shù)碾娏髦?反饋到電流指令，構(gòu)成用于減少擾動對電機(jī)的影響的擾動抑制控制系統(tǒng)，從而減少擾動影響。
此后，Oishi(大石)等人″A Control Method of a Separately ExcitedDirect Current Machine Using a State Observer″(“一種使用狀態(tài)觀測器分別激勵(lì)直流機(jī)的控制方法”)，電氣學(xué)會論文集，1984年，B45第373-379頁，提出了一次系統(tǒng)的最小次元的擾動觀測器的構(gòu)成方法。
此外，M.Nakao等人″A ROBUST DECENTRALIZED JOINTCONTROL BASED ON INTERFERENCE EXTIMATION″，IEEE TransIndustrial Electronics，1987年，IE-34第326-331頁，示出了通過使用一次系統(tǒng)的最小次元的擾動觀測器進(jìn)行擾動抑制控制，來減小由轉(zhuǎn)動慣量變化引起的控制系統(tǒng)的特性變化，并得到這樣的結(jié)果即使當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生1.7倍的變化時(shí)，該控制系統(tǒng)仍然是魯棒性的(即特性變換很小)。Miyashita(宮下)等人，″A Tuningless Control of a Motor″(電機(jī)的無調(diào)諧控制)，2000年，第47-52頁，示出了一種即使轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生10倍的變化時(shí)仍然保持魯棒性的控制系統(tǒng)，其專利參考文獻(xiàn)1已經(jīng)被提交作為相關(guān)專利。
專利參考文獻(xiàn)1的特征在于，當(dāng)對慣量遠(yuǎn)大于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動時(shí)，通過使用擾動觀測器執(zhí)行擾動抑制控制，從速度控制部分來看，機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量被控制到非常小的程度。
專利參考文獻(xiàn)1JP-A-10-248286專利參考文獻(xiàn)2JP-A-2002-229605發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明將要解決的問題盡管沒有在專利參考文獻(xiàn)1中明確記載，但是根據(jù)上述Miyashita等人的參考文獻(xiàn)，存在這樣的問題，即，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的擾動抑制控制方法僅僅可以確保轉(zhuǎn)動慣量比10倍為止的控制性能。
類似于Miyashita等人的參考文獻(xiàn)，如圖16所示，通過利用一次擾動觀測器構(gòu)成擾動抑制控制。據(jù)此，在速度控制部分16和轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17之間，增加了由虛線表示的慣量變化抑制部分13。該慣量變化抑制部分13包括擾動觀測器10，用于根據(jù)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩(推力)指令計(jì)算擾動因子；以及轉(zhuǎn)矩控制部分17，用于將其輸出乘以增益12再加上作為推定擾動轉(zhuǎn)矩(推力)的轉(zhuǎn)矩(推力)指令(加法器103)，并將其作為新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸出。
圖17示出了以這樣的方式，通過使用慣量變化抑制部分13，利用計(jì)算機(jī)對電機(jī)速度進(jìn)行仿真的結(jié)果的例子。圖17的曲線(a)示出了這樣一種情形，即轉(zhuǎn)動慣量比為0倍(電機(jī)本身)，且在使響應(yīng)穩(wěn)定的情形下調(diào)節(jié)增益。當(dāng)使轉(zhuǎn)動慣量比為其自身的10倍時(shí)，獲得了圖17的曲線(b)的響應(yīng)，當(dāng)查看電機(jī)速度剛剛從加速變?yōu)閯蛩僦蟮牟ㄐ巍⒁约霸撍俣葎倓倧臏p速變?yōu)榱闼僦蟮牟ㄐ芜M(jìn)行時(shí)，其響應(yīng)基本上與0倍時(shí)的響應(yīng)保持相同。如圖17的曲線(c)所示，當(dāng)使轉(zhuǎn)動慣量為25倍時(shí)，發(fā)生振蕩且系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。
如從該例子中所知的，在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，僅僅在轉(zhuǎn)動慣量比最多變化10倍時(shí)，才可以進(jìn)行穩(wěn)定的控制。
此外，在圖15(a)的通常的位置控制系統(tǒng)或者圖16所示的結(jié)合了擾動抑制控制的位置控制系統(tǒng)中，經(jīng)常加入前向反饋，用以在位置增益增加到上限之后進(jìn)一步縮短定位的時(shí)間。這里，圖16構(gòu)成第一現(xiàn)有技術(shù)的控制框圖。
圖20示出了第二現(xiàn)有技術(shù)的控制框圖。例如，如該圖所示，可以將速度前向反饋整合到已整合了第一現(xiàn)有技術(shù)的擾動抑制控制的位置控制系統(tǒng)之中。在該圖中，根據(jù)位置指令，并通過速度FF部分1D，作為位置控制部分15的輸出的速度指令與速度前向反饋信號相加。此外，在下文(尤其是附圖)中，前向反饋被縮寫為FF。通常，通過利用微分器或者近似微分器(通過低通濾波器與微分器的組合或者通過高通濾波器構(gòu)成)來構(gòu)成該速度FF部分1D。
圖21示出了在第二現(xiàn)有技術(shù)中速度FF部分1D內(nèi)的速度FF增益(未示出)被設(shè)置為90％時(shí)的定位操作時(shí)的響應(yīng)(計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果)。在該圖中，示出了在速度控制部分16中設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的電機(jī)速度波形、以及當(dāng)將速度控制部分16保持原樣而增加負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比使得轉(zhuǎn)動慣量比增大(2倍，10倍)時(shí)的電機(jī)速度波形。此外，位置指令速度表示將位置指令微分后得到的速度分量。如果在位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)中沒有時(shí)間滯后，則電機(jī)的速度與位置指令速度相一致。
當(dāng)與圖17的結(jié)果比較時(shí)，盡管當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比為0倍、2倍時(shí)通過前向反饋的影響加速了響應(yīng)，但是當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比為10倍時(shí)，電機(jī)速度剛剛從加速變到勻速之后的波形以及當(dāng)電機(jī)速度剛剛從減速變到零速之后的波形是振蕩的，且該控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。即，已知當(dāng)應(yīng)用速度FF時(shí)，相對于轉(zhuǎn)動慣量變化，魯棒性范圍從10倍惡化為大約2倍。
圖22示出了第三現(xiàn)有技術(shù)的控制框圖。為了縮短定位時(shí)間，如通過該圖所示的，在結(jié)合了作為第一現(xiàn)有技術(shù)的擾動抑制控制的位置控制系統(tǒng)中，常常添加速度FF和轉(zhuǎn)矩FF。在該圖中，根據(jù)輸入了位置指令的指令過濾器部分1F的輸出，并通過速度FF部分1D，作為位置控制部分15的輸出的速度指令與速度FF信號相加，同時(shí)通過轉(zhuǎn)矩FF部分1E與轉(zhuǎn)矩指令相加。可以通過與微分器2級串聯(lián)的2次微分器或與近似微分器2級串聯(lián)的2次微分器，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩FF部分1E。
圖23示出了在第三現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)速度FF部分1D內(nèi)的速度FF增益(未示出)被設(shè)置為100％且轉(zhuǎn)矩FF增益被設(shè)置為70％時(shí)的定位操作時(shí)的響應(yīng)。在該圖中，示出了在速度控制部分16中設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的電機(jī)速度波形、以及當(dāng)將速度控制部分16保持原樣而增加負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比使得轉(zhuǎn)動慣量比增大(3倍，10倍)時(shí)的電機(jī)速度波形。當(dāng)與圖17的結(jié)果比較時(shí)，盡管當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比為0倍、3倍時(shí)通過前向反饋的影響加速了響應(yīng)，但是當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比為10倍時(shí)，電機(jī)速度剛剛從加速變到勻速之后的波形以及剛剛從減速變到零速之后的波形是振蕩的，且該控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。即，已知當(dāng)應(yīng)用速度FF和轉(zhuǎn)矩FF時(shí)，相對于轉(zhuǎn)動慣量變化，魯棒性范圍從10倍惡化為大約3倍。
如上所述，存在這樣一種重要的問題，即，當(dāng)在應(yīng)用了慣量變化抑制部分13的現(xiàn)有技術(shù)的位置控制系統(tǒng)中應(yīng)用前向反饋的時(shí)候，相對于轉(zhuǎn)動慣量變化，魯棒性范圍從現(xiàn)有技術(shù)的10倍大幅度惡化到2至3倍。還存在這樣一種重要的問題，即當(dāng)希望增大轉(zhuǎn)動慣量的容許變化范圍時(shí)，需要減小前向反饋的影響，結(jié)果不能縮短定位時(shí)間，并且當(dāng)期望充分縮短定位時(shí)間時(shí)，轉(zhuǎn)動慣量的容許變化范圍是大約2到3倍，由于使用范圍變窄，因此沒有實(shí)用性。
鑒于上述問題完成了本發(fā)明，且本發(fā)明的目的在于提供電機(jī)控制裝置，該電機(jī)控制裝置即使對于較大的轉(zhuǎn)動慣量比(慣性質(zhì)量比)也能夠保證控制性能。
用于解決上述問題的裝置為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的第一結(jié)構(gòu)，提供一種電機(jī)控制裝置包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，位置控制部分，用于通過輸入位置指令和所述電機(jī)位置之間的差，輸出速度指令，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述電機(jī)的速度，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述速度指令，輸出已相位超前的新的速度指令，以及速度控制部分，用于通過輸入所述新的速度指令和所述電機(jī)速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第二結(jié)構(gòu)，提供第一結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第三結(jié)構(gòu)，提供第一結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括第一相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述速度指令，輸出已相位超前的新的速度指令，以，第二相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述新的速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第四結(jié)構(gòu)，提供第二結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中所述第二相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第五結(jié)構(gòu)，提供所述第三結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中所述第二相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第六結(jié)構(gòu)，提供所述第一結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
根據(jù)本發(fā)明的第七結(jié)構(gòu)，提供所述第三結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中所述第一相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
根據(jù)本發(fā)明的第八結(jié)構(gòu)，提供一種電機(jī)控制裝置，包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，
速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述電機(jī)速度，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于通過輸入速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第九結(jié)構(gòu)，提供所述第八結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第十結(jié)構(gòu)，提供一種電機(jī)控制裝置，包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，位置控制部分，用于通過輸入位置指令和所述電機(jī)的位置之間的差，輸出速度指令，速度前向反饋部分，用于通過輸入所述位置指令，輸出速度前向反饋信號，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述電機(jī)速度，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述速度指令與所述速度前向反饋信號之和，輸出已相位超前的新的速度指令，以及速度控制部分，用于通過輸入所述新的速度指令與所述電機(jī)速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第十一結(jié)構(gòu)，提供第十結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述電機(jī)的速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述速度指令和所述速度前向反饋信號之和與所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第十二結(jié)構(gòu)，提供第十結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括第一相位補(bǔ)償部分，用于取代前述第一相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述速度指令和所述速度前向反饋信號之和，輸出已相位超前的新的速度指令，第二相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述新的速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第十三結(jié)構(gòu)，提供一種電機(jī)控制裝置，包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，位置控制部分，用于通過輸入位置指令和所述電機(jī)的位置之間的差，輸出速度指令，速度前向反饋部分，用于通過輸入所述位置指令，輸出速度前向反饋信號，轉(zhuǎn)矩前向反饋部分，用于通過輸入所述位置指令，輸出轉(zhuǎn)矩前向反饋信號，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述轉(zhuǎn)矩前向反饋信號之和與所述電機(jī)速度的和，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述速度指令與所述速度前向反饋信號之和，從而輸出已相位超前的新的速度指令，以及速度控制部分，用于通過輸入所述新的速度指令與所述電機(jī)速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第十四結(jié)構(gòu)，提供第十三結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述轉(zhuǎn)矩指令與所述轉(zhuǎn)矩前向反饋信號之和與所述電機(jī)速度的和，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述速度指令和所述速度前向反饋信號之和與新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第十五結(jié)構(gòu)，提供第十三結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括第一相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述速度指令與所述速度前向反饋信號之和，輸出已相位超前的新的速度指令，第二相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述轉(zhuǎn)矩指令與所述轉(zhuǎn)矩前向反饋信號之和以及所述電機(jī)速度，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述新的速度指令與所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
根據(jù)本發(fā)明的第十六結(jié)構(gòu)，提供所述第十結(jié)構(gòu)或者所述第十三結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
根據(jù)本發(fā)明的第十七結(jié)構(gòu)，提供所述第十一結(jié)構(gòu)或者第十四結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第十八結(jié)構(gòu)，提供第十二結(jié)構(gòu)或者第十五結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中第一相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
根據(jù)本發(fā)明的第十九結(jié)構(gòu)，提供所述第十二結(jié)構(gòu)或者第十五結(jié)構(gòu)中的電機(jī)控制裝置，其中第二相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式計(jì)算來所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的第一結(jié)構(gòu)，雖然沒有改變伺服系統(tǒng)的參數(shù)，但即使當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的變化范圍擴(kuò)大到現(xiàn)有技術(shù)的1.5倍時(shí)也無需設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量比，并且可以確保伺服系統(tǒng)的性能。
根據(jù)本發(fā)明的第二結(jié)構(gòu)，即使當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的變化范圍擴(kuò)大到現(xiàn)有技術(shù)的2.5倍時(shí)也無需設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量比，并且可以確保伺服系統(tǒng)的性能。此外，與權(quán)利要求1中記載的本發(fā)明相比，還實(shí)現(xiàn)了能夠縮短定位時(shí)間的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第三結(jié)構(gòu)，即使當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的變化范圍擴(kuò)大到現(xiàn)有技術(shù)的3倍時(shí)也無需設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量比，并且可以確保伺服系統(tǒng)的性能。
并且，對于慣量的變化，由于形成了與設(shè)置了正確轉(zhuǎn)動慣量比時(shí)相同的響應(yīng)波形，因此通過在具有不同轉(zhuǎn)動慣量比的多個(gè)軸上進(jìn)行軌跡控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡偏差較小的操作。
根據(jù)本發(fā)明的第四結(jié)構(gòu)或第五結(jié)構(gòu)，通過作為速度環(huán)增益的函數(shù)來自動地改變相位補(bǔ)償部分中的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，在無需顧慮伺服系統(tǒng)性能變化的情況下，實(shí)現(xiàn)了能夠改變速度環(huán)增益的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第六結(jié)構(gòu)或第七結(jié)構(gòu)，通過作為速度環(huán)增益的函數(shù)來自動地改變相位補(bǔ)償部分中的低通濾波器的截止頻率，在無需顧慮伺服系統(tǒng)性能變化的情況下，實(shí)現(xiàn)了能夠改變速度環(huán)增益的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第八結(jié)構(gòu)，即使在電機(jī)控制裝置作為速度控制裝置進(jìn)行操作的情形中，盡管未改變伺服系統(tǒng)參數(shù)，仍實(shí)現(xiàn)了與所述電機(jī)控制裝置作為位置控制裝置操作時(shí)相類似的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第九結(jié)構(gòu)，即使在電機(jī)控制裝置作為速度控制裝置進(jìn)行操作的情形中，通過作為速度環(huán)增益的函數(shù)來自動地改變相位補(bǔ)償部分中的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，在無需顧慮伺服系統(tǒng)性能變化的情況下，實(shí)現(xiàn)了能夠改變速度環(huán)增益的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第十結(jié)構(gòu)或第十一結(jié)構(gòu)或第十二結(jié)構(gòu)，當(dāng)將速度前向反饋應(yīng)用于位置控制系統(tǒng)中時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)確保魯棒性范圍和提高響應(yīng)速度二者兼顧的顯著效果，解決了在現(xiàn)有技術(shù)中無法解決的問題。
根據(jù)本發(fā)明的第十三結(jié)構(gòu)或第十四種結(jié)構(gòu)或第十五結(jié)構(gòu)，當(dāng)將速度前向反饋和轉(zhuǎn)矩前向反饋應(yīng)用于位置控制系統(tǒng)中時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)確保魯棒性范圍和高速形成響應(yīng)二者兼顧的顯著效果，解決了在現(xiàn)有技術(shù)中無法解決的問題。
根據(jù)本發(fā)明的第十六結(jié)構(gòu)或第十八結(jié)構(gòu)，通過作為速度環(huán)增益的函數(shù)來自動地改變相位補(bǔ)償部分中的低通濾波器的截止頻率，在無需顧慮伺服系統(tǒng)性能變化的情況下，實(shí)現(xiàn)了能夠改變速度環(huán)增益的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第十七結(jié)構(gòu)或第十九結(jié)構(gòu)，通過作為速度環(huán)增益的函數(shù)來自動地改變相位補(bǔ)償部分中的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，在無需顧慮伺服系統(tǒng)性能變化的情況下，實(shí)現(xiàn)了能夠改變速度環(huán)增益的效果。


圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例1的控制框圖。
圖2示出了根據(jù)實(shí)施例1的慣量變化抑制部分的例子。
圖3示出了根據(jù)實(shí)施例1的慣量變化抑制部分的其他例子。
圖4示出了根據(jù)實(shí)施例1的慣量變化抑制部分的另外的例子。
圖5示出了根據(jù)實(shí)施例1的一種相位補(bǔ)償部分的控制框圖。
圖6示出了根據(jù)實(shí)施例1的、利用了一次擾動觀測器和相位超前濾波器的位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線7示出了根據(jù)實(shí)施例1的、利用了一次擾動觀測器和相位超前濾波器的位置控制系統(tǒng)的定位時(shí)間周期圖。
圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例2的控制框圖。
圖9示出了根據(jù)實(shí)施例2的、利用了一次擾動觀測器和相位補(bǔ)償速度觀測器的位置控制系統(tǒng)的定位時(shí)間周期曲線圖。
圖10示出了根據(jù)實(shí)施例2的位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖，其中所述的位置控制系統(tǒng)利用了所有的擾動觀測器和相位補(bǔ)償速度觀測器以及低通濾波器。
圖11示出了本發(fā)明實(shí)施例3的控制框圖。
圖12示出了根據(jù)實(shí)施例3的位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖，其中所述的位置控制系統(tǒng)利用了所有的擾動觀測器和相位補(bǔ)償速度觀測器以及相位超前濾波器。
圖13示出了當(dāng)利用了根據(jù)實(shí)施例3的一次擾動觀測器和相位補(bǔ)償速度觀測器時(shí)，相位補(bǔ)償速度觀測器的低通濾波器時(shí)間常數(shù)和速度環(huán)增益之間的關(guān)系圖。
圖14示出了當(dāng)利用了根據(jù)實(shí)施例3的二次擾動觀測器和相位補(bǔ)償速度觀測器時(shí)，相位補(bǔ)償速度觀測器的低通濾波器時(shí)間常數(shù)和速度環(huán)增益之間的關(guān)系圖。
圖15示出了常用電機(jī)的位置控制系統(tǒng)的框圖。
圖16示出了第一現(xiàn)有技術(shù)的控制框圖。
圖17示出了位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖，其中該位置控制系統(tǒng)應(yīng)用了根據(jù)第一現(xiàn)有技術(shù)的一次擾動觀測器。
圖18示出了當(dāng)利用了根據(jù)實(shí)施例1的一次擾動觀測器和相位超前濾波器時(shí)，相位超前濾波器的低通濾波器截止頻率和速度環(huán)增益之間的關(guān)系圖。
圖19示出了當(dāng)利用了根據(jù)實(shí)施例1的二階擾動觀測器和相位超前濾波器時(shí)，相位超前濾波器的低通濾波器截止頻率和速度環(huán)增益之間的關(guān)系圖。
圖20示出了第二現(xiàn)有技術(shù)的控制框圖。
圖21示出了位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖，其中該位置控制系統(tǒng)應(yīng)用了根據(jù)第二現(xiàn)有技術(shù)的速度FF。
圖22示出了第三現(xiàn)有技術(shù)的控制框圖。
圖23示出了位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖，其中該位置控制系統(tǒng)應(yīng)用了根據(jù)第三現(xiàn)有技術(shù)的速度FF和轉(zhuǎn)矩FF。
圖24示出了本發(fā)明的實(shí)施例9的控制框圖。
圖25示出了位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖，其中該位置控制系統(tǒng)應(yīng)用了根據(jù)實(shí)施例9的速度FF。
圖26示出了本發(fā)明的實(shí)施例10的控制框圖。
圖27示出了位置控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖，其中該位置控制系統(tǒng)應(yīng)用了根據(jù)實(shí)施例10的速度FF和轉(zhuǎn)矩FF。
說明書的參考數(shù)字和標(biāo)記10擾動觀測器11低通濾波器12增益13慣量變化抑制部分14相位補(bǔ)償部分15位置控制部分16速度控制部分17電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分18電機(jī)19驅(qū)動部分20速度控制系統(tǒng)1A負(fù)載1B位置檢測部分1C速度計(jì)算部分1D速度前向反饋部分1E轉(zhuǎn)矩前向反饋部分1F指令過濾器部分21觀測器增益22觀測器積分增益23轉(zhuǎn)動慣量(慣量)校正部分24積分計(jì)算部分31觀測器增益41觀測器增益42觀測器增益51低通濾波器52高通濾波器
61相位補(bǔ)償部分62控制對象的模型63控制器64低通濾波器101減法器102減法器103加法器104減法器208加法器209減法器具體實(shí)施方式
將參考如下附圖解釋根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)控制裝置的具體實(shí)施例。
實(shí)施例1圖1示出了控制框圖，該控制框圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)。
在圖1中，實(shí)施例1的電機(jī)控制裝置包括位置控制部分15，其用于根據(jù)位置指令和電機(jī)位置之間的差輸出速度指令；相位補(bǔ)償部分14，其用于執(zhí)行速度指令的相位補(bǔ)償；速度控制部分16，其用于根據(jù)相位補(bǔ)償后的速度指令與電機(jī)速度之間的差產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(推力)指令；慣量變化抑制部分13；轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17；電機(jī)18；齒輪等的驅(qū)動部分19；負(fù)荷1A；位置檢測部分1B，其用于檢測電機(jī)18的位置；以及速度計(jì)算部分1C，其用于根據(jù)來自于位置檢測部分1B的位置信號計(jì)算電機(jī)速度。所述慣量變化抑制部分13包括擾動觀測器10，其用于根據(jù)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩(推力)指令計(jì)算擾動因子；低通濾波器11，其用于除去上述輸出中的高諧波噪音；以及加法器103，用于將上述輸出乘以增益12再加上作為推定擾動轉(zhuǎn)矩(推力)的轉(zhuǎn)矩(推力)指令，從而將其作為新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸出。
在具有上述結(jié)構(gòu)的電機(jī)控制裝置中，由包括功率放大器(未示出)的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17對電機(jī)18進(jìn)行驅(qū)動。由于電機(jī)18對機(jī)械(未示出)的驅(qū)動部分19進(jìn)行驅(qū)動，因此當(dāng)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)型電機(jī)時(shí)，成為負(fù)荷1A的機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量與電機(jī)18的轉(zhuǎn)動慣量相加。當(dāng)電機(jī)是直線電機(jī)時(shí)，構(gòu)成負(fù)載1A的機(jī)械的慣性質(zhì)量與所述直線電機(jī)的慣性質(zhì)量相加。在下文中，當(dāng)包括旋轉(zhuǎn)型電機(jī)和直線電機(jī)兩者時(shí)，稱作電機(jī)(當(dāng)對其進(jìn)行區(qū)分時(shí)，則稱作旋轉(zhuǎn)型電機(jī)或者直線電機(jī))。
此外，盡管以下以旋轉(zhuǎn)型電機(jī)為例進(jìn)行說明，但是如果將轉(zhuǎn)矩替換為推力，則能夠以完全相同的方式在直線電機(jī)的情形中實(shí)施本發(fā)明。通過添加()的方式來表示直線電機(jī)中的術(shù)語替換，如“轉(zhuǎn)矩(推力)”。
利用編碼器、直線標(biāo)尺等的位置檢測部分1B對電機(jī)18的位置進(jìn)行檢測，并將位置檢測部分1B的輸出輸入到速度計(jì)算部分1C，并根據(jù)檢測出的位置來計(jì)算速度。微分器等可以用于速度計(jì)算部分1C。
根據(jù)本發(fā)明，為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，如下所述，將慣量變化抑制部分13和相位補(bǔ)償部分14整合到通常的速度控制系統(tǒng)中。
將速度指令輸入到相位補(bǔ)償部分14，并且將相位補(bǔ)償部分14的輸出作為新的速度指令。
新的速度指令與速度反饋信號之間的差被輸入到速度控制部分16，且速度控制部分16的輸出被輸入到慣量變化抑制部分13。
可以通過將慣量變化抑制部分13的輸出作為轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17，來構(gòu)成速度控制系統(tǒng)。
此外，可以通過將位置檢測部分1B的輸出與位置指令之間的偏差輸入到位置控制部分15，并使位置控制部分15的輸出成為速度指令，來構(gòu)成位置控制系統(tǒng)。
如圖1所示，在慣量變化抑制部分13中，電機(jī)速度被輸入到擾動觀測器10，擾動觀測器10的輸出被輸入到低通濾波器11，將低通濾波器11的輸出乘以增益12后得到的輸出與作為速度控制部分16的輸出的的轉(zhuǎn)矩(推力)指令相加，相加后的輸出作為新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到所述擾動觀測器10，同時(shí)輸入到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17。盡管通常不需要低通濾波器11，但是在具有較大噪音的環(huán)境中使用低通濾波器11作為噪聲濾波器。
擾動觀測器10可以被構(gòu)造為公知的擾動觀測器。例如，如圖2所示，可以通過2次擾動觀測器構(gòu)成擾動觀測器10。
在圖2的擾動觀測器10中，電機(jī)速度和積分計(jì)算部分24的輸出之的偏差乘以觀測器增益21和觀測器積分增益22，通過積分計(jì)算部分24對這兩個(gè)輸出之和與轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)校正部分23的輸出的和進(jìn)行積分，然后計(jì)算積分值和電機(jī)速度之間的差，以進(jìn)行反饋。在該圖中，數(shù)字201表示減法器，數(shù)字202、203表示加法器。
或者，可以通過如圖3所示的一次擾動觀測器構(gòu)成所述擾動觀測器10。
根據(jù)圖3的擾動觀測器10，用電機(jī)速度和積分計(jì)算部分24的輸出之間的差乘以觀測器增益31，其輸出與轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)校正部分33的輸出的和被通過積分計(jì)算部分24進(jìn)行積分，然后計(jì)算積分值和電機(jī)速度之間的差作為反饋。
或者，如圖4所示，通過其他一次擾動觀測器構(gòu)成所述擾動觀測器10。
根據(jù)圖4的擾動觀測器10，電機(jī)速度乘以觀測器增益41，其輸出加上新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令減去積分計(jì)算部分24的輸出，然后乘以觀測器增益42，將所獲得的結(jié)果輸入積分計(jì)算部分24。積分計(jì)算部分24的輸出與觀測器增益41的輸出之間的差被輸出到低通濾波器11。在該圖中，數(shù)字205表示加減法器，數(shù)字206表示減法器。
根據(jù)第一實(shí)施例的相位補(bǔ)償部分或者根據(jù)第三實(shí)施例的第一相位補(bǔ)償部分的目的在于將相位超前某一特定頻帶范圍，不僅僅是由低通濾波器引起相位超前，甚至在不必要的的低通頻帶中僅僅由高通濾波器將相位超前，而且在高通濾波器中，固有的速度環(huán)增益或者通過速度積分補(bǔ)償?shù)牡皖l帶增益也下降了。因此，例如圖5所示，相位補(bǔ)償部分14可以是使用相位超前濾波器的控制塊，其設(shè)置有低通濾波器51和高通濾波器52，并通過加法器207將其輸出相加然后輸出。
通常，通過公式(8)表示相位超前濾波器的傳遞函數(shù)G(s)，通過使低通濾波器的時(shí)間常數(shù)T1和高通濾波器的時(shí)間常數(shù)T2之間的關(guān)系變成條件1/T2＜1/T1，來調(diào)節(jié)各個(gè)時(shí)間常數(shù)，由此，即通過將低通濾波器截止頻率ω1(＝1/T1)和將高通濾波器截止頻率ω2(＝1/T2)之間的關(guān)系變?yōu)棣?＜ω1，可以改善相位滯后。當(dāng)所述條件相反時(shí)，所構(gòu)成的相位滯后濾波器將失去使相位超前的效果。
G(s)＝(1+sT2)/(1+sT1)＝1/(1+sT1)+sT2/(1+sT1)＝ω1/(ω1+s)+T2ω1s/(ω1+s)(8)此外，相位超前濾波器的結(jié)構(gòu)還可以寫作如以下公式(9)所示的。
G(s)＝ω1/(ω1+s)+T2ω1s/(ω2+s)(9)在這種情況下，通過使低通濾波器51的截止頻率大于高通濾波器52的截止頻率，構(gòu)成了相位超前濾波器。
圖6示出了當(dāng)通過一次擾動觀測器構(gòu)成慣量變化抑制部分并使用相位超前濾波器作為相位補(bǔ)償部分時(shí)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。
圖6示出了當(dāng)對速度控制部分設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的電機(jī)速度，以及示出了當(dāng)在本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比是0倍、5倍、10倍、15倍時(shí)的電機(jī)速度(計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果)。在該圖中，當(dāng)對電機(jī)速度剛剛從加速變化到勻速之后的波形以及剛剛從減速變化到零速之后的波形(在該圖中由橢圓圍繞的部分)進(jìn)行比較時(shí)，在轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比是0倍、5倍、10倍、15倍時(shí)所有的曲線重疊在一起，從而構(gòu)成了大體上相同的響應(yīng)。
即，根據(jù)該實(shí)施例，能夠補(bǔ)償高達(dá)15倍的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比，并且魯棒性性能被提升為現(xiàn)有技術(shù)的1.5倍。
因此，根據(jù)該實(shí)施例，能夠在比現(xiàn)有技術(shù)更廣的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比的情況下使控制系統(tǒng)穩(wěn)定，并且定位響應(yīng)變得恒定而與負(fù)載無關(guān)。
實(shí)施例2盡管根據(jù)實(shí)施例1，可以提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且拓寬了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比，但是由于在該位置控制系統(tǒng)中加入了濾波器，因此存在響應(yīng)被延遲的問題。圖7示出了例如當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比是15倍時(shí)執(zhí)行實(shí)施例1的控制的情況，以及當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比是0倍時(shí)的定位響應(yīng)。圖7示出了對定位時(shí)間進(jìn)行比較的結(jié)果，已知當(dāng)對位置偏差波形變?yōu)?的時(shí)間進(jìn)行比較時(shí)，與將轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比設(shè)置為正確值時(shí)相比，定位時(shí)間延長了。此外，眾所周知轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比越大，定位時(shí)間延長的越多。
為了解決該問題，作為相位補(bǔ)償部分，例如可以使用本申請人在JP-A-2002-229605(專利參考文獻(xiàn)2)中記載的速度觀測器，如圖8中所示的那樣構(gòu)成控制塊。
根據(jù)圖8(a)所示的實(shí)施例2，取代具有圖1所示的實(shí)施例1結(jié)構(gòu)的相位補(bǔ)償部分14，提供了相位補(bǔ)償部分61，用于根據(jù)轉(zhuǎn)矩(推力)指令以及電機(jī)速度執(zhí)行相位補(bǔ)償。即，速度計(jì)算部分1C的輸出被輸入到相位補(bǔ)償部分61以及慣量變化抑制部分13內(nèi)的擾動觀測器10，相位補(bǔ)償部分61的輸出(電機(jī)的推定速度)成為新的速度反饋信號。根據(jù)相位補(bǔ)償部分61，如圖8(b)所示，轉(zhuǎn)矩(推力)指令被輸入到控制對象的模型62，其輸出通過低通濾波器64，從而產(chǎn)生相位補(bǔ)償信號，該輸出和電機(jī)速度之間的差通過控制器63被反饋到輸入了轉(zhuǎn)矩(推力)指令的加法器208。在該圖中，數(shù)字208表示加法器，數(shù)字209表示減法器。
再參考圖8(a)，通過減法器104產(chǎn)生速度指令和新的速度反饋信號之間的差，然后將其輸入到速度控制部分16，該速度控制部分16的輸出被輸入到相位補(bǔ)償部分61和慣量變化抑制部分13。
可以通過將慣量變化抑制部分13的輸出作為新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17，來構(gòu)成速度控制系統(tǒng)。如專利參考文獻(xiàn)2所述，由于該速度觀測器不僅可以推定速度而且可以使相位超前，因此，通過使速度控制系統(tǒng)的相位超前，可以提高位置控制系統(tǒng)的相位裕度。由此，可以使響應(yīng)穩(wěn)定并且可以拓寬慣性的變化范圍。
圖9示出了當(dāng)對速度控制部分16設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的電機(jī)速度，以及示出了在本實(shí)施例2的速度控制部分處轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比是0倍、25倍時(shí)的電機(jī)位置偏差波形(計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果)。由于0倍和25倍的曲線圖重疊，因此可以證實(shí)這樣的效果，即，在轉(zhuǎn)動慣量比為0倍和25倍時(shí)，定位時(shí)間基本上相同。
此外，與對速度計(jì)算部分設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)相比，定位時(shí)間縮短。
即，在本實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)了這樣的效果在轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)的范圍比現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)例更廣的情況下仍能夠使控制系統(tǒng)穩(wěn)定；并且通過使定位響應(yīng)恒定而與負(fù)載無關(guān)，與設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量比(慣性質(zhì)量)時(shí)相比，可以縮短定位時(shí)間。
實(shí)施例3對于實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)，與對速度控制系統(tǒng)設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)相比，響應(yīng)往往變得快速，并且非常適用于定位操作等。
然而，在軌跡控制操作中，例如需要平衡X和Y兩軸的操作，如果僅僅一個(gè)軸的響應(yīng)過于迅速，并沒有改善跟蹤的精度。在這種情況下，需要與設(shè)置了正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)相同的響應(yīng)。
盡管通常在實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)中，為了或多或少地延遲調(diào)整響應(yīng)，易于想到對位置指令應(yīng)用低通濾波器。在這種情況下，如圖10所示，即使在與轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比匹配的情況下的響應(yīng)與定位時(shí)間相符，但響應(yīng)的全部波形被改變了，無法實(shí)現(xiàn)相同的響應(yīng)。
為了解決上述問題，認(rèn)為在具有魯棒特性的同時(shí)或多或少延遲響應(yīng)的補(bǔ)償方法是不可缺少的，并且設(shè)想將實(shí)施例1的相位補(bǔ)償部分和實(shí)施例2的相位補(bǔ)償部分結(jié)合起來。
具體地，如圖11所示，將慣量變化抑制部分13和第一相位補(bǔ)償部分14(與實(shí)施例1的相位補(bǔ)償部分14相同)以及第二相位補(bǔ)償部分61(與實(shí)施例2的相位補(bǔ)償部分61相同)整合到通常的速度控制系統(tǒng)中。
速度指令被輸入到第一相位補(bǔ)償部分14中，并且將第一相位補(bǔ)償部分14的輸出作為新的速度指令。
使用第二相位補(bǔ)償部分61的輸出作為新的速度反饋信號，新的速度指令和新的速度反饋信號之間的差被輸入到速度控制部分16，并且速度控制部分16的輸出被輸入到慣量變化抑制部分13和第二相位補(bǔ)償部分61。
通過將慣量變化抑制部分13的輸出作為新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17，來構(gòu)成速度控制系統(tǒng)。
此外，可以與第一實(shí)施例相類似地，如圖5所示的那樣構(gòu)成第一相位補(bǔ)償部分，并且可以與實(shí)施例2相類似地，如圖8(b)所示的那樣構(gòu)成第二相位補(bǔ)償部分。
圖12示出了當(dāng)對速度控制部分16設(shè)置正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的電機(jī)速度，以及示出了在本實(shí)施例中當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比是0倍、15倍、25倍、30倍時(shí)的電機(jī)速度(計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果)。在該圖中，當(dāng)對電機(jī)速度剛剛從加速變化到勻速之后的波形以及剛剛從減速變化到零速之后的波形(在該圖中由橢圓圍繞的部分)進(jìn)行比較時(shí)，所有的曲線重疊在一起，從而形成基本上相同的響應(yīng)。即，通過將第一和第二兩個(gè)相位補(bǔ)償部分結(jié)合起來，響應(yīng)與當(dāng)設(shè)置了正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)基本上相同；此外，相對于慣量變化的魯棒性范圍被拓寬到高達(dá)30倍。
根據(jù)本實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)了這樣的效果，即與現(xiàn)有技術(shù)的10倍相比，能夠使更廣的、高達(dá)30倍的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比的控制系統(tǒng)穩(wěn)定，并且能夠使定位響應(yīng)與設(shè)置了正確的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的定位響應(yīng)相當(dāng)而與負(fù)載無關(guān)。
實(shí)施例4如實(shí)施例2所說明的，在控制系統(tǒng)中沒有設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比的情況下，如圖8(a)所示，可以僅僅通過慣量變化抑制部分13和相位補(bǔ)償部分61對慣量變化進(jìn)行抑制。在這種情況下，當(dāng)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)增加時(shí)，由于在應(yīng)當(dāng)被相位補(bǔ)償部分61補(bǔ)償?shù)南辔恢挟a(chǎn)生了偏差，因此產(chǎn)生了振蕩。由此，需要根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)對相位補(bǔ)償部分61補(bǔ)償?shù)南辔贿M(jìn)行再調(diào)整。
例如，當(dāng)對專利參考文獻(xiàn)2中記載的速度觀測器的相位進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，如圖8(b)所示，通過速度觀測器的低通濾波器64的時(shí)間常數(shù)對將被補(bǔ)償?shù)南辔涣窟M(jìn)行設(shè)置。當(dāng)通過仿真或者實(shí)際的試驗(yàn)確定了該低通濾波器64的時(shí)間常數(shù)時(shí)，可以繪出如圖13或者圖14所示的曲線圖。在所述圖中，標(biāo)記○表示實(shí)測數(shù)據(jù)，虛線繪出了對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的近似公式。
此外，根據(jù)所述曲線圖，例如對于一次擾動觀測器的情形，根據(jù)圖13，可以通過如公式(4)示出的一次函數(shù)來確定近似公式?？梢愿鶕?jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)的設(shè)定值對速度觀測器的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)LPF進(jìn)行設(shè)置。
LPF＝a×Kv+b (4)此外，如圖14所示，對于二次擾動觀測器的情形，可以通過公式(5)的二次函數(shù)進(jìn)行近似。
LPF＝a×Kv2+b×Kv+c (5)因此，通過利用這樣的近似公式，例如當(dāng)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)變化時(shí)，可以通過該函數(shù)改變速度觀測器的低通濾波器64的時(shí)間常數(shù)，并且可以自動地對相位補(bǔ)償值進(jìn)行再調(diào)整。
實(shí)施例5例如，即使當(dāng)在實(shí)施例3中使用第二相位補(bǔ)償部分61構(gòu)成如專利參考文獻(xiàn)2所示的速度觀測器時(shí)，類似于實(shí)施例4，需要根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)改變速度觀測器的低通濾波器64的時(shí)間常數(shù)，其中所述的速度觀測器構(gòu)成了圖8(b)所示的第二相位補(bǔ)償部分61。
當(dāng)通過仿真或者實(shí)際試驗(yàn)確定了速度觀測器的低通濾波器64的時(shí)間常數(shù)時(shí)，可以繪出如圖13或者圖14所示的曲線圖。在該圖中，標(biāo)記○表示實(shí)測數(shù)據(jù)，虛線繪出了對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的近似公式。
類似于實(shí)施例4，根據(jù)插值近似公式，例如對于一次擾動觀測器的情形，可以通過圖13的一次函數(shù)，根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)Kv來確定速度觀測器的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)LPF。
此外，對于二次擾動觀測器的情形，可以通過圖14的二次函數(shù)，根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)Kv來確定速度觀測器的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)LPF。
因此，通過利用該近似公式，例如，當(dāng)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)變化時(shí)，可以通過上述函數(shù)改變速度觀測器的低通濾波器64的時(shí)間常數(shù)，并且可以自動地對相位補(bǔ)償值進(jìn)行再調(diào)整。
此外，類似于第一相位補(bǔ)償部分14和第二相位補(bǔ)償部分，通過仿真或者實(shí)際試驗(yàn)，可以根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)Kv的函數(shù)確定低通濾波器51和高通濾波器52的時(shí)間常數(shù)。因此，通過使用這樣的近似公式，例如，當(dāng)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)發(fā)生變化時(shí)，可以自動地對相位補(bǔ)償值進(jìn)行再調(diào)整。
實(shí)施例6在如實(shí)施例1所述的控制系統(tǒng)中沒有設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比的情況下，可以僅僅通過如圖1所示的慣量變化抑制部分13和相位補(bǔ)償部分14對慣量變化進(jìn)行抑制。在這種情況下，當(dāng)該速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)增加時(shí)，由于應(yīng)當(dāng)由相位補(bǔ)償部分61補(bǔ)償?shù)南辔恢挟a(chǎn)生偏差，因此產(chǎn)生了振蕩。由此，需要根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)對相位補(bǔ)償部分14補(bǔ)償?shù)南辔贿M(jìn)行再調(diào)整。
例如，當(dāng)使用相位超前濾波器作為相位補(bǔ)償部分14時(shí)，如圖5所示，通過低通濾波器51和高通濾波器52的截止頻率設(shè)置補(bǔ)償?shù)南辔涣?。?dāng)通過仿真或者實(shí)際試驗(yàn)確定了低通濾波器51的截止頻率時(shí)，可以繪出如圖18和圖19所示的曲線圖。在所述圖中，標(biāo)記○表示實(shí)測數(shù)據(jù)，虛線繪出了對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的近似公式。
此外，當(dāng)根據(jù)所述曲線圖時(shí)，例如，對于一次擾動觀測器的情形，根據(jù)圖18，可以通過公式(6)所示的二次函數(shù)確定近似公式?？梢愿鶕?jù)速度控制部分16中速度環(huán)增益(未示出)的設(shè)定值來設(shè)置相位超前濾波器的低通濾波器的截止頻率fc。
fc＝a×Kv2+b×Kv+c(6)此外，對于二次擾動觀測器的情形，如圖19所示，可以通過公式(7)的一次函數(shù)對截止頻率fc進(jìn)行近似。
fc＝a×Kv+b (7)因此，通過利用這樣的近似公式，例如，當(dāng)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)變化時(shí)，可以通過上述函數(shù)改變相位超前濾波器的低通濾波器51的截止頻率，并且可以自動地對相位補(bǔ)償值進(jìn)行再調(diào)整。
實(shí)施例7例如，即使當(dāng)根據(jù)實(shí)施例3使用第一相位補(bǔ)償部分14作為相位超前濾波器時(shí)，類似于實(shí)施例6，也需要根據(jù)該速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)改變相位超前濾波器的低通濾波器51的截止頻率，其中所述的相位超前濾波器是圖5所示的第一相位補(bǔ)償部分14。
當(dāng)通過仿真或者實(shí)際試驗(yàn)確定了相位超前濾波器的低通濾波器51的截止頻率時(shí)，可以繪出如圖18和圖19所示的曲線圖。在所述圖中，標(biāo)記○表示實(shí)測數(shù)據(jù)，虛線繪出了對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的近似公式。
根據(jù)插值近似公式，類似于實(shí)施例6，例如對于一次擾動觀測器的情形，可以通過圖18的二次函數(shù)，根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)Kv確定相位超前濾波器的低通濾波器的截止頻率fc。
此外，對于二次擾動觀測器的情形，可以通過圖19的一次函數(shù)，根據(jù)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)Kv來確定相位超前濾波器的低通濾波器的截止頻率fc。
因此，通過使用這樣的近似公式，例如當(dāng)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)變化時(shí)，可以通過上述函數(shù)改變相位超前濾波器的低通濾波器51的截止頻率，并且可以自動地對相位補(bǔ)償值進(jìn)行再調(diào)整。
實(shí)施例8至此，已經(jīng)在電機(jī)控制裝置主要作為位置控制裝置進(jìn)行操作的前提下進(jìn)行了說明。在實(shí)施例8中，將要對電機(jī)控制裝置作為速度控制裝置進(jìn)行操作的情形進(jìn)行說明，其實(shí)現(xiàn)了與電機(jī)控制裝置作為位置控制裝置進(jìn)行操作情形相同的效果。此外，具有第八結(jié)構(gòu)的本發(fā)明到具有第十一結(jié)構(gòu)的本發(fā)明，都是電機(jī)控制裝置作為速度控制裝置進(jìn)行操作的情形。
在對實(shí)施例2進(jìn)行說明的圖8(a)的結(jié)構(gòu)中，眾所周知除了通過將位置檢測部分1B輸出和位置指令之間的差輸入到位置控制部分15、并將位置控制部分15的輸出作為速度指令的方式構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)之外，該電機(jī)控制裝置還作為速度控制裝置來操作。
在這種情況下，由于是下述方式構(gòu)成配置用于根據(jù)轉(zhuǎn)矩(推力)指令和電機(jī)速度進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)南辔谎a(bǔ)償部分61，速度計(jì)算部分1C的輸出被輸入到相位補(bǔ)償部分61和慣量變化抑制部分13中的擾動觀測器10，并且相位補(bǔ)償部分61的輸出(電機(jī)的推定速度)被用作新的速度反饋信號，因此電機(jī)控制裝置作為位置控制裝置操作的情形與其作為速度控制裝置操作的情形相比，結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化。
因此，即使在電機(jī)控制裝置作為速度控制裝置進(jìn)行操作的情形中，即使對于較大的轉(zhuǎn)動慣量比(慣性質(zhì)量比)，仍然可以確?？刂菩阅?。
此外，在電機(jī)控制裝置作為速度控制裝置進(jìn)行操作的情形中，具有相同標(biāo)記的各個(gè)部分的作用和效果，與當(dāng)該電機(jī)控制裝置被作為位置控制裝置操作時(shí)的說明中具有相同標(biāo)記的各個(gè)部分的作用和效果相同，因此省略了對它們的說明。
實(shí)施例9根據(jù)本實(shí)施例，將要對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明，其解決了如第二現(xiàn)有技術(shù)所述的、具有速度FF的位置控制系統(tǒng)的問題。圖24示出了本發(fā)明實(shí)施例9的控制框圖，其示出了將速度前向反饋添加到圖11所示的第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)后得到的結(jié)構(gòu)。
類似于圖11，慣量變化抑制部分13和第一相位補(bǔ)償部分14(與實(shí)施例1的相位補(bǔ)償部分1相同)以及第二相位補(bǔ)償部分61(與實(shí)施例2的相位補(bǔ)償部分61相同)被整合到通常的速度控制系統(tǒng)中。在該圖中，速度指令被輸入到第一相位補(bǔ)償部分14中，且使用第一相位補(bǔ)償部分14的輸出作為新的速度指令。使用第二相位補(bǔ)償部分61的輸出作為新的速度反饋信號，且將該新的速度反饋信號和新的速度指令之間的差輸入到速度控制部分16，速度控制部分16的輸出被輸入到慣量變化補(bǔ)償部分13和第二相位補(bǔ)償部分61?？梢酝ㄟ^將慣量變化抑制部分13的輸出作為新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17，來構(gòu)成速度控制系統(tǒng)。此外，可以如圖5所示地構(gòu)成第一相位補(bǔ)償部分，且如圖8(b)所示地構(gòu)成第二相位補(bǔ)償部分。
接下來，為了根據(jù)位置指令來應(yīng)用速度FF，所述位置指令被輸入到速度FF部分1D，速度FF部分1D的輸出與位置控制部分15的輸出相加，然后作為速度指令輸入到第一相位補(bǔ)償部分14。通常，通過使用微分器或者近似微分器(通過將低通濾波器與微分器的組合或通過高通濾波器來構(gòu)成)(未示出)來構(gòu)成用于產(chǎn)生速度FF信號的速度FF部分1D。
圖25示出了本發(fā)明的第九實(shí)施例中速度FF部分1D中的速度FF增益(未示出)被設(shè)置為90％時(shí)的定位操作時(shí)的響應(yīng)(計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果)。在該圖中，示出了對于不帶負(fù)載的電機(jī)本身(轉(zhuǎn)動慣量為0倍)，對速度控制部分16設(shè)置0倍的正確轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的電機(jī)的速度波形，并且示出了當(dāng)按照原樣設(shè)置速度控制部分16、且通過添加和變化負(fù)載增加負(fù)載慣量，使得實(shí)際的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比變得很大時(shí)(10倍、15倍)的電機(jī)的速度波形。此外，在該圖中的位置指令速度表示對位置指令執(zhí)行微分后的速度分量。
與圖21的第二現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果相比，即使當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比變?yōu)?0倍時(shí)，仍能夠使響應(yīng)穩(wěn)定。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比變?yōu)?5倍時(shí)，盡管在電機(jī)速度剛剛從加速變化到勻速之后的波形中或剛剛從減速變化到零速之后的波形中導(dǎo)致了振蕩，但是該振蕩小于第二現(xiàn)有技術(shù)的振蕩。
即，根據(jù)第二現(xiàn)有技術(shù)，如圖21所示，當(dāng)應(yīng)用了速度FF時(shí)，相對于轉(zhuǎn)動慣量變化的魯棒性范圍從10倍惡化為大約2倍，然而根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例，可以確保高達(dá)10倍的魯棒性范圍。此外，與圖12的第三實(shí)施例的速度響應(yīng)相比，顯然，速度FF使響應(yīng)加快了。因此，通過本發(fā)明的第九實(shí)施例，可以解決同時(shí)兼顧確保魯棒性范圍和高速形成響應(yīng)的問題，而這是在現(xiàn)有技術(shù)中所不能實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)施例10根據(jù)本實(shí)施例，將要對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明，其能夠解決如第三現(xiàn)有技術(shù)所述的、具有速度FF和轉(zhuǎn)矩FF的位置控制系統(tǒng)的問題。圖26示出了本發(fā)明實(shí)施例10的控制框圖，其示出了將速度FF和轉(zhuǎn)矩FF添加到圖11所示的第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)后得到的結(jié)構(gòu)。
類似于圖11，慣量變化抑制部分13和第一相位補(bǔ)償部分14(與實(shí)施例1的相位補(bǔ)償部分1相同)以及第二相位補(bǔ)償部分61(與實(shí)施例2的相位補(bǔ)償部分61相同)被整合到通常的速度控制系統(tǒng)中。在該圖中，速度指令被輸入到第一相位補(bǔ)償部分14中，且第一相位補(bǔ)償部分14的輸出被用作新的速度指令。第二相位補(bǔ)償部分16的輸出被用作新的速度反饋信號，該新的速度反饋信號和新的速度信號之間的偏差被輸入到速度控制部分16，所述速度控制部分16的輸出被輸入到慣量變化抑制部分13和第二相位補(bǔ)償部分61?？梢酝ㄟ^將慣量變化抑制部分13的輸出作為新的轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(推力)控制部分17，來構(gòu)成速度控制系統(tǒng)。此外，可以如圖5所示地構(gòu)成第一相位補(bǔ)償部分，且如圖8(b)所示地構(gòu)成第二相位補(bǔ)償部分。
接下來，為了根據(jù)位置指令來應(yīng)用速度FF，所述位置指令被輸入到指令過濾器部分1F，指令過濾器部分1F的輸出被輸入到速度FF部分1D，速度FF部分1D的輸出與位置控制部分15的輸出相加，然后作為速度指令輸入到第一相位補(bǔ)償部分14。接下來，為了應(yīng)用轉(zhuǎn)矩FF，指令過濾器部分1F的輸出被輸入到轉(zhuǎn)矩FF部分1E，轉(zhuǎn)矩FF部分1E的輸出與前述速度控制部分16的輸出相加，并作為轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到加法器103和第二相位補(bǔ)償部分61。根據(jù)本實(shí)施例，為了使作為速度FF部分1D和轉(zhuǎn)矩FF部分1E的輸出的前向反饋信號平滑，將位置指令輸入到指令過濾器部分1F。例如，可以通過作為一次低通濾波器的指數(shù)加速或者減速、二次濾波器(例如，低通濾波器)或者滑動平均濾波器等來構(gòu)成指令過濾器部分。此外，當(dāng)位置指令平滑時(shí)，可以省略指令過濾器部分，并且位置指令被直接輸入到速度FF部分1D或者轉(zhuǎn)矩FF部分1F。
通常，通過使用微分器或者近似微分器(通過低通濾波器與微分器的組合或者通過高通濾波器來構(gòu)成)(未示出)來構(gòu)成用于產(chǎn)生速度FF信號的速度部分1D。通常，通過使用兩級微分器或者兩級近似微分器串聯(lián)(通過將低通濾波器與微分器的組合或者通過高通濾波器來構(gòu)成)(未示出)來構(gòu)成用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩FF信號的轉(zhuǎn)矩FF部分1E?；蛘撸M管未示出，速度FF部分1D的輸出可以被輸入到轉(zhuǎn)矩FF部分1E。在這種情況下，通過微分器或者近似微分器的一級來構(gòu)成轉(zhuǎn)矩FF部分1E。
圖27示出了在本發(fā)明的第十實(shí)施例中，當(dāng)速度FF部分1D中的速度FF增益(未示出)被設(shè)置為100％且轉(zhuǎn)矩FF增益被設(shè)置為70％時(shí)的定位操作時(shí)的響應(yīng)(計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果)。在該圖中，示出了對于不帶負(fù)載的電機(jī)本身(轉(zhuǎn)動慣量為0倍)，對速度控制部分16設(shè)置0倍的正確轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比時(shí)的電機(jī)的速度波形，并且示出了當(dāng)按照原樣設(shè)置速度控制部分16、且通過添加和變化負(fù)載增加負(fù)載慣量，使得實(shí)際的轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比變得很大時(shí)(10倍、15倍)的電機(jī)的速度波形。這里，由于將指令過濾器部分1F用作低通濾波器，因此由于濾波器的影響，與圖25的速度響應(yīng)相比或多或少地延遲了響應(yīng)。然而，由于加速或者減速變得平滑，因此實(shí)現(xiàn)了柔和地對機(jī)械施加轉(zhuǎn)矩(推力)的效果。
當(dāng)與圖23的第三現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果相比時(shí)，即使當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比變成10倍時(shí)也可以使響應(yīng)穩(wěn)定。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量比為15倍時(shí)，盡管在電機(jī)速度剛剛從加速變化到勻速之后的波形中或剛剛從減速變化到零速之后的波形中導(dǎo)致了振蕩，但是該振蕩小于第三現(xiàn)有技術(shù)的振蕩。
即，根據(jù)第三現(xiàn)有技術(shù)，如圖23所示，當(dāng)應(yīng)用了速度FF和轉(zhuǎn)矩FF時(shí)，相對于轉(zhuǎn)動慣量變化的魯棒性范圍從10倍惡化為大約3倍，然而根據(jù)本發(fā)明的第十實(shí)施例，可以確保高達(dá)10倍的魯棒性范圍。此外，與圖12的第三實(shí)施例的速度響應(yīng)相比，顯然，速度FF和轉(zhuǎn)矩FF使響應(yīng)加快了。因此，根據(jù)本發(fā)明的第十實(shí)施例，可以解決使確保魯棒性范圍和高速形成響應(yīng)相共存的問題，而這是在現(xiàn)有技術(shù)中所不能實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)施例11盡管本發(fā)明的第九和第十實(shí)施例示出了對第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)應(yīng)用速度FF和轉(zhuǎn)矩FF的結(jié)構(gòu)，然而當(dāng)然也可以對第一實(shí)施例應(yīng)用前向反饋。
作為本發(fā)明的第十一實(shí)施例，盡管未示出，將對在圖1的結(jié)構(gòu)中根據(jù)位置指令來應(yīng)用速度FF的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。位置指令被輸入到速度FF部分1D，速度FF部分1D的輸出與前述位置控制部分15的輸出相加，然后作為速度指令輸入到相位補(bǔ)償部分14。通常，通過使用微分器或者近似微分器來構(gòu)成速度FF部分1D。
此外，盡管未示出，在圖1的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)相位補(bǔ)償部分14的時(shí)間滯后和前向反饋的特性不相匹配時(shí)，在位置偏差的波形中造成了過沖。在這種情況下，通過與速度FF部分1D中的微分器或者近似微分器串聯(lián)地添加濾波器以及調(diào)節(jié)速度FF增益和濾波器的參數(shù)(時(shí)間常數(shù)等)，從位置偏差的響應(yīng)波形中除去該過沖。
實(shí)施例12作為本發(fā)明的第十二實(shí)施例，盡管未示出，將對在圖1的結(jié)構(gòu)中根據(jù)位置指令來應(yīng)用速度FF以及轉(zhuǎn)矩FF的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。為了根據(jù)位置指令來應(yīng)用速度FF，位置指令被輸入到指令過濾器部分1F，指令過濾器部分1F的輸出被輸入到速度FF部分1D，速度FF部分1D的輸出與前述位置控制部分15的輸出相加，然后作為速度指令輸入到相位補(bǔ)償部分14。接下來，為了應(yīng)用轉(zhuǎn)矩FF，指令過濾器部分1F的輸出被輸入到轉(zhuǎn)矩FF部分1E，轉(zhuǎn)矩FF部分1E的輸出與前述速度控制部分16的輸出相加，然后作為轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到加法器103。根據(jù)本實(shí)施例，為了使作為速度FF部分1D和轉(zhuǎn)矩FF部分1E的輸出的前向反饋信號變得平滑，將位置指令輸入到指令過濾器部分1F。例如，可以通過作為一次低通濾波器的指數(shù)加速或者減速、二次濾波器(例如，低通濾波器)或者滑動平均濾波器等來構(gòu)成指令過濾器部分。此外，當(dāng)位置指令平滑時(shí)，可以省略指令過濾器部分，并且位置指令被直接輸入到速度FF部分1D以及轉(zhuǎn)矩FF部分1E。
此外，通常通過利用微分器或者近似微分器構(gòu)成速度FF部分1D。此外，通常通過利用兩級微分器或者兩級近似微分器串聯(lián)從而構(gòu)成轉(zhuǎn)矩FF部分1E?；蛘撸M管未示出，速度FF部分1D的輸出可以被輸入到轉(zhuǎn)矩FF部分1E。在這種情況下，通過微分器或者近似微分器的一級來構(gòu)成轉(zhuǎn)矩FF部分1E。此外，當(dāng)相位補(bǔ)償部分14的時(shí)間滯后與前向反饋特征不相匹配時(shí)，可能由于位置偏差的波形而造成了過沖。在那種情況下，通過與速度FF部分1D中的微分器或者近似微分器串聯(lián)地添加濾波器或者調(diào)節(jié)速度FF增益和該濾波器的參數(shù)(時(shí)間常數(shù)等)，從位置偏差的響應(yīng)波形中除去該過沖。
實(shí)施例13
盡管本發(fā)明的第九或者第十實(shí)施例，示出了對第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)應(yīng)用速度FF或轉(zhuǎn)矩FF的結(jié)構(gòu)，然而當(dāng)然也可以對第二實(shí)施例應(yīng)用前向反饋。
作為本發(fā)明的第十三實(shí)施例，盡管未示出，將對在圖8的結(jié)構(gòu)中根據(jù)位置指令來應(yīng)用速度FF的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。位置指令被輸入到速度FF部分1D，速度FF部分1D的輸出與前述位置控制部分15的輸出相加，然后作為速度指令輸入到減法器104。
通常使用微分器或者近似微分器來構(gòu)成速度FF部分1D。
此外，盡管未示出，當(dāng)由于根據(jù)圖8結(jié)構(gòu)中的位置指令應(yīng)用速度FF而使得相位補(bǔ)償部分61的相位超前效果與前向反饋特性不相匹配時(shí)，在位置偏差的波形中造成了過沖。在那種情況下，通過與速度FF部分1D中的微分器或者近似微分器串聯(lián)地添加濾波器以及調(diào)節(jié)速度FF增益和該濾波器的參數(shù)(時(shí)間常數(shù)等)，從位置偏差的響應(yīng)波形中除去該過沖。
實(shí)施例14作為本發(fā)明的第十二實(shí)施例，盡管未示出，將對在圖8的結(jié)構(gòu)中根據(jù)位置指令應(yīng)用速度FF以及轉(zhuǎn)矩FF的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。為了根據(jù)位置指令應(yīng)用速度FF，位置指令被輸入到指令過濾器部分1F，指令過濾器部分1F的輸出被輸入到速度FF部分1D，速度FF部分1D的輸出與前述位置控制部分15的輸出相加，然后作為速度指令輸入到減法器104。接下來，為了應(yīng)用轉(zhuǎn)矩FF，指令過濾器部分1F的輸出被輸入到轉(zhuǎn)矩FF部分1E，轉(zhuǎn)矩FF部分1E的輸出與速度控制部分16的輸出相加，然后作為轉(zhuǎn)矩(推力)指令輸入到加法器103和相位補(bǔ)償部分61。根據(jù)本實(shí)施例，為了使構(gòu)成速度FF部分1D和轉(zhuǎn)矩FF部分1E的輸出的前向反饋信號變得平滑，將位置指令輸入到指令過濾器部分1F。例如，可以通過作為一次低通濾波器的指數(shù)加速或者減速、二次濾波器(例如，低通濾波器)或者滑動平均濾波器等來構(gòu)成該指令過濾器部分1F。此外，當(dāng)位置指令平滑時(shí)，可以省略指令過濾器部分1F，并且位置指令被直接輸入到速度FF部分1D以及轉(zhuǎn)矩FF部分1E。
通常通過利用微分器或者近似微分器構(gòu)成速度FF部分1D。此外，通常通過利用兩級微分器或者兩級近似微分器串聯(lián)從而構(gòu)成轉(zhuǎn)矩FF部分?；蛘?，盡管未示出，速度FF部分1D的輸出可以被輸入到轉(zhuǎn)矩FF部分1E。在這種情況下，通過微分器或者近似微分器的一級來構(gòu)成轉(zhuǎn)矩FF部分1E。
此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例9到實(shí)施例14，即使在對位置控制系統(tǒng)應(yīng)用了速度前向反饋的情形中，或者在應(yīng)用了速度前向反饋和轉(zhuǎn)矩前向反饋的情形中，類似于第四實(shí)施例，當(dāng)該速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)變化時(shí)，可以通過公式(4)或者公式(5)的函數(shù)改變速度觀測器的低通濾波器64的時(shí)間常數(shù)，從而自動地對相位補(bǔ)償值進(jìn)行再調(diào)整。此外，類似于第六實(shí)施例，當(dāng)速度控制部分16中的速度環(huán)增益(未示出)變化時(shí)，可以通過公式(6)或者公式(7)的函數(shù)改變相位超前濾波器的低通濾波器51的截止頻率，從而自動地對相位補(bǔ)償值進(jìn)行再調(diào)整。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明通過慣量變化抑制部分和相位補(bǔ)償部分對設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，因此可以在不設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比的情況下仍能夠正常地驅(qū)動電機(jī)，并且能夠適用于電機(jī)(直線電機(jī))的控制裝置，為轉(zhuǎn)動慣量(慣性質(zhì)量)比變化的機(jī)械自動地補(bǔ)償變化。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)控制裝置包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，位置控制部分，用于通過輸入位置指令和所述電機(jī)位置之間的差，輸出速度指令，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述電機(jī)的速度，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述速度指令，輸出已相位超前的新的速度指令，以及速度控制部分，用于通過輸入所述新的速度指令和所述電機(jī)速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括第一相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述速度指令，輸出已相位超前的新的速度指令，以，第二相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述新的速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的電機(jī)控制裝置，其中所述第二相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的電機(jī)控制裝置，其中所述第一相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
8.一種電機(jī)控制裝置，包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述電機(jī)速度，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于通過輸入速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
10.一種電機(jī)控制裝置，包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，位置控制部分，用于通過輸入位置指令和所述電機(jī)的位置之間的差，輸出速度指令，速度前向反饋部分，用于通過輸入所述位置指令，輸出速度前向反饋信號，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述電機(jī)速度，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述速度指令與所述速度前向反饋信號之和，輸出已相位超前的新的速度指令，以及速度控制部分，用于通過輸入所述新的速度指令與所述電機(jī)速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述電機(jī)的速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述速度指令和所述速度前向反饋信號之和與所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括第一相位補(bǔ)償部分，用于取代前述第一相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述速度指令和所述速度前向反饋信號之和，輸出已相位超前的新的速度指令，第二相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述所述電機(jī)速度和所述轉(zhuǎn)矩指令，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述新的速度指令和所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
13.一種電機(jī)控制裝置，包括位置檢測部分，用于檢測電機(jī)位置，所述電機(jī)對轉(zhuǎn)動慣量或慣性質(zhì)量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，速度計(jì)算部分，用于通過輸入所述位置檢測部分的輸出，輸出所述電機(jī)的速度，位置控制部分，用于通過輸入位置指令和所述電機(jī)的位置之間的差，輸出速度指令，速度前向反饋部分，用于通過輸入所述位置指令，輸出速度前向反饋信號，轉(zhuǎn)矩前向反饋部分，用于通過輸入所述位置指令，輸出轉(zhuǎn)矩前向反饋信號，慣量變化抑制部分，用于通過輸入轉(zhuǎn)矩指令和所述轉(zhuǎn)矩前向反饋信號之和與所述電機(jī)速度的和，推定所述電機(jī)的擾動，從而輸出新的轉(zhuǎn)矩指令，轉(zhuǎn)矩控制部分，用于通過輸入所述新的轉(zhuǎn)矩指令，控制所述電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述速度指令與所述速度前向反饋信號之和，從而輸出已相位超前的新的速度指令，以及速度控制部分，用于通過輸入所述新的速度指令與所述電機(jī)速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述轉(zhuǎn)矩指令與所述轉(zhuǎn)矩前向反饋信號之和與所述電機(jī)速度的和，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述速度指令和所述速度前向反饋信號之和與新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電機(jī)控制裝置，進(jìn)一步包括第一相位補(bǔ)償部分，用于取代前述相位補(bǔ)償部分，通過輸入所述速度指令與所述速度前向反饋信號之和，輸出已相位超前的新的速度指令，第二相位補(bǔ)償部分，用于通過輸入所述轉(zhuǎn)矩指令與所述轉(zhuǎn)矩前向反饋信號之和以及所述電機(jī)速度，輸出已相位超前的新的速度，以及速度控制部分，用于取代前述速度控制部分，通過輸入所述新的速度指令與所述新的速度之間的差，輸出所述轉(zhuǎn)矩指令。
16.根據(jù)權(quán)利要求10或13的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
17.根據(jù)權(quán)利要求11或14的電機(jī)控制裝置，其中所述相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12或15的電機(jī)控制裝置，其中第一相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式來計(jì)算所述低通濾波器的截止頻率。
19.根據(jù)權(quán)利要求12或15的電機(jī)控制裝置，其中第二相位補(bǔ)償部分包括低通濾波器，并且通過將速度環(huán)增益作為自變量的多項(xiàng)式計(jì)算來所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種在即使轉(zhuǎn)動慣量比較大的情況下也能夠確保控制性能的電機(jī)控制裝置。在電機(jī)控制裝置中，包括對轉(zhuǎn)動慣量未知的機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動的電機(jī)(18)的位置檢測部分(1B)，速度計(jì)算部分(1C)，向其輸入位置指令和電機(jī)位置之差以輸出速度指令的位置控制部分(15)，向其輸入速度指令和電機(jī)速度之差的速度控制部分(16)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令控制轉(zhuǎn)矩指令的轉(zhuǎn)矩控制部分(17)，以及根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令和電機(jī)速度推定電機(jī)擾動、從而輸出轉(zhuǎn)矩指令的慣量變化抑制部分(13)。所述電機(jī)控制裝置還包括相位補(bǔ)償部分(14)，用于輸入速度指令，并將已相位超前的速度作為新的速度指令輸入到速度控制部分。將通過設(shè)置值相對于實(shí)際轉(zhuǎn)動慣量的偏差所產(chǎn)生的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩視為擾動，并通過所述慣量變化抑制部分(13)和相位補(bǔ)償部分(14)對該擾動進(jìn)行補(bǔ)償。
文檔編號G03F7/004GK1938934SQ20058000980
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月26日
發(fā)明者吉浦泰史, 加來靖彥, 豬木敬生, 張文農(nóng) 申請人:株式會社安川電機(jī)