專利名稱：機(jī)械振動(dòng)檢測裝置及制振控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有機(jī)械振動(dòng)檢測裝置的電機(jī)控制裝置，其中機(jī)械振動(dòng)檢測裝置檢測電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)。
背景技術(shù)：
作為電機(jī)控制系統(tǒng)中的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置和制振控制裝置，有本發(fā)明人在特愿平6-127859中提案的裝置。在該現(xiàn)有技術(shù)中，包括電機(jī)在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)被分為等效剛性系統(tǒng)和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，由基于等效剛性系統(tǒng)的模機(jī)的觀測器對機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行高速地推算，從而完成制振控制。
然而，在該現(xiàn)有技術(shù)中，構(gòu)成了將等效剛性系統(tǒng)的角速度和階狀轉(zhuǎn)矩干擾分別作為狀態(tài)變量的二次觀測器。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)檢測裝置，除等效剛性模機(jī)和比例換算單元外，還需要積分運(yùn)算單元。由于需要設(shè)定兩個(gè)觀測器的參數(shù)，同時(shí)機(jī)械振動(dòng)信號的相位隨參數(shù)的設(shè)定值而變化很大，所以，存在著難以進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的不足之處。
發(fā)明的公開因此，本發(fā)明的目的在于提供一種易調(diào)節(jié)、能夠高精度檢測機(jī)械振動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置和能夠減小機(jī)械振動(dòng)的制振控制裝置。
為解決上述問題，有關(guān)本發(fā)明的第一方面，在控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)控制裝置中，包括等效剛性模機(jī)；比例運(yùn)算單元；高通濾波器；以及將上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩信號和上述比例運(yùn)算單元的輸出相加后輸入上述等效剛性模機(jī)、同時(shí)將上述電機(jī)控制裝置的速度信號減去上述等效剛性模機(jī)的輸出后所得的差信號輸入上述比例運(yùn)算單元和上述高通濾波器、將上述高通濾波器的輸出作為機(jī)械振動(dòng)信號的單元。
有關(guān)本發(fā)明的第二方面，在控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)控制裝置中，包括等效剛性模機(jī)；比例運(yùn)算單元；高通濾波器；調(diào)相器；調(diào)幅器；以及將上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩信號和上述比例運(yùn)算裝置的輸出相加后輸入上述等效剛性模機(jī)、將上述電機(jī)控制裝置的速度信號減去上述等效剛性模機(jī)的輸出后所得的差信號輸入上述比例運(yùn)算單元和上述高通濾波器、將上述高通濾波器的輸出輸入到上述調(diào)相器、將上述調(diào)相器的輸出輸入到上述調(diào)幅器、在傳送到上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩指令上加上上述調(diào)幅器的輸出并將由此得到的信號作為新的轉(zhuǎn)矩指令的單元。
有關(guān)本發(fā)明的第三方面，在控制電機(jī)角速度的電機(jī)控制裝置中，包括等效剛性模機(jī)；比例運(yùn)算單元；高通濾波器；調(diào)相器；調(diào)幅器；以及將上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩信號與上述比例運(yùn)算裝置的輸出相加后輸入上述等效剛性模機(jī)、同時(shí)將上述電機(jī)控制裝置的速度信號減去上述等效剛性模機(jī)的輸出后所得的差信號輸入上述比例運(yùn)算單元和上述高通濾波器、將上述高通濾波器的輸出輸入到上述調(diào)相器、將上述調(diào)相器的輸出輸入到上述調(diào)幅器、在傳送到上述電機(jī)控制裝置的速度指令上加上上述調(diào)幅器的輸出并將由此得到的信號作為新的速度指令的單元。
利用上述單元，可以形成一次等效剛性觀測器，從而使積分單元減少了一個(gè)，擴(kuò)大了使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)城。另外，由于觀測器的參數(shù)變成了一個(gè)，同時(shí)該參數(shù)對機(jī)械振動(dòng)信號相位的敏感度降低，所以，容易進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成了設(shè)定參數(shù)少且其設(shè)定范圍寬的等效剛體觀測器，所以，具有能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整容易且能以高精度檢測機(jī)械振動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置和能夠?qū)崿F(xiàn)減少機(jī)械振動(dòng)的制振控制裝置的效果。
附圖的簡單說明

圖1表示本發(fā)明的第1實(shí)施例的圖。圖2是說明共振機(jī)構(gòu)的一例的說明圖。圖3是表示本發(fā)明的第二實(shí)施例的圖。圖4是表示本發(fā)明的第三實(shí)施例的圖。
用于實(shí)施發(fā)明的最佳方式下面說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
說明圖1所示的本發(fā)明機(jī)械振動(dòng)檢測裝置的第一實(shí)施例。圖中，塊102是包括等效剛性模機(jī)103、比例運(yùn)算單元104、高通濾波器105的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置。輸入電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號τ和電機(jī)速度信號(這里使用電機(jī)角速度Vm)，輸出機(jī)械振動(dòng)信號。塊101表示帶有機(jī)械共振系統(tǒng)的機(jī)械(包括電機(jī))。
下面說明機(jī)械振動(dòng)信號的檢測原理。機(jī)械系統(tǒng)101的傳遞函數(shù)采用在特愿平6-127859中提出的近似法時(shí)，能夠分割成等效剛體系統(tǒng)G1(S)和機(jī)械共振系統(tǒng)G2(S)。G1(s)=γs+D0---(1)]]>G2(s)=ωr2ωa2·s2+ωaQas+ωa2s2+ωrQrs+ωr2---(2)]]>式中，γ是等效剛體系統(tǒng)的慣性矩的倒數(shù)；Do/γ是等效剛性系統(tǒng)的粘性摩擦系數(shù)。另外，ωr和ωa是機(jī)械共振系統(tǒng)的共振頻率與反共振頻率。
首先說明本發(fā)明的原理。圖1中，虛線所圍的塊101表示伴有機(jī)械共振現(xiàn)象的機(jī)械(包括電機(jī))，點(diǎn)劃線所圍的塊102表示本發(fā)明的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置。作為機(jī)構(gòu)的一例，參照圖2所示的2慣性扭轉(zhuǎn)共振系統(tǒng)。圖中的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為Jmθ..m+K(θm-θL)+(Dm+DT)θ.m-DTθ.L=u1--(3a)]]>JLθ..L+K(θm-θL)+(DL+DT)θ.L-DTθ.L=0--(3b)]]>式中θm電機(jī)軸的角度 [rad]θL負(fù)載軸角度 [rad]δθ等效線形板簧的扭轉(zhuǎn)角 [rad]Jm電機(jī)軸側(cè)的慣性矩 [Kgm2]JL負(fù)載軸側(cè)的慣性矩(電機(jī)軸換算)[Kgm2]K等效線形板簧的板簧常數(shù) [Nm/rad]Dm電機(jī)軸的粘性摩擦系數(shù)[Nm/(rad/s)]DL負(fù)載軸的粘性摩擦系數(shù)[Nm/(rad/s)]DT等效線形板簧系統(tǒng)的等效粘性摩擦系數(shù)[Nm/(rad/s)]ul電機(jī)軸的發(fā)生轉(zhuǎn)矩 [Nm]
這里，狀態(tài)變量為X(t)=X1(t)X2(t)X3(t)X4(t)=θm(t)θL(t)θ.m(t)θ.L(t)---(4a)]]>觀測輸出(電動(dòng)機(jī)的角速度)為y(t)=θ.m(t)=X3(t)= X(t)]]>(4b)時(shí)，由式(1a)、(1b)可得，狀態(tài)方程式為x.(t)=Ax(t)+bu(t)---(5a)]]>y(t)＝cx(t)(5b)其中，A=00100001KJmKJm-Dm+DTJmDTJmKJL-KJLDTJL-DL+DTJL]]>b=00-1Jm0]]>c＝(6)從電動(dòng)機(jī)發(fā)生的轉(zhuǎn)矩到電動(dòng)機(jī)的角速度為止的傳遞函數(shù)為G(S)＝C(SI-A)-1b=Gs(S)=1JmS2+DL+DTJLS+KJLP(s)(7)]]>其中，特性方程式P(s)為P(s)=s3+(DmJn-DTJm+DLJL+DTJL)s2+]]>(KJm+KJL+DmJnDTJL+DmJmDTJL+DmJmDTJL)s+K(Dm+DL)JmJL-(8)]]>由于式(8)組合了電動(dòng)機(jī)參數(shù)和機(jī)械共振系統(tǒng)的參數(shù)，將表達(dá)式因數(shù)分解為一次式和二次式的因數(shù)分解是非常困難的。這樣，表達(dá)式的物理意義不明確，得到了必須對控制系統(tǒng)整體進(jìn)行的狀態(tài)觀測器。
在本發(fā)明中，對式(8)進(jìn)行如下表述D0=Dm+DL(1+α)Jm11+DmDT+DLDT+DmDL(1+α)JmK--(9a)]]>ωrQr=1Jm(Dm+1αDL+1+ααDT)-D0--(9b)]]>ωr2=(1+α)KαJm[1+DmDT+DLDT+DmDL(1+α)JmK]--(9c)]]>其中，α是電機(jī)的負(fù)載慣性矩之比。
α＝JL/Jm(10)如果使用(9a)～(9c)來表示式(8)的話，P(s)＝s3+((ωr/Qr)+D0)s2+ωr2s+ωr2D0(11)這里，重新設(shè)定P~(s)=(s+D0)(s2+ωrQrs+ωr2)--(12a)]]>=s3+(ωrQr+D0)s2+(1+ϵ)ωr2s+ωr2D0(12b)]]>其中，在式(12b)中，設(shè)定ε＝(1/Qr)(D0/ωr)。
從式(11)和(12b)可以看出，當(dāng)ε＝0時(shí)，

所以，

是P(s)的近似式，ε表示近似誤差。由式(13)可知，Qr越大，近似誤差ε越小。例如，Qr＞10、ωr＞10D0時(shí)，ε＜0.01。
通過設(shè)定式(9a)～(9c)，特性方程式P(s)能夠用式(12a)、(12b)的

來近似。P(s)=s3+(DmJm+DTJm+DLJL+DTJL)s2+]]>(KJm+KJL+DmJmDTJL+DmJmDTJL+DmJmDTJL)s+K(Dm+DL)JmJL]]>=(s+D0)(s2+ωrQrs+ωr2)---(14)]]>這里，在式(7)中，ωa2=KJL=KαJm---(15a)]]>ωaQa=DL+DTJL=DL+DTαJm---(15b)]]>在式(7)中使用式(15a)、(15b)時(shí)，能夠?qū)С鰝鬟f函數(shù)的近似式G~(s)=1Jm=1s+D0s2+ωaQas+ωa2s2+ωrQrs+ωr2--(16a)]]>=1Jmωa2ωr21s+D0ωr2s2+ωrQrs+ωr2s2+ωaQas+ωa2ωa2--(16b)]]>通過使用式(16a)、(16b)，2慣性共振系統(tǒng)能夠分離為圖1虛線框101內(nèi)所示的等效剛性系統(tǒng)G1(s)和機(jī)械共振系統(tǒng)G2(s)。G1(s)=1Jmωa2ωr21s+D0---(17a)]]>G2(s)=ωr2s2+ωrQrs+ωr2s2+ωaQas+ωa2ωa2--(17b)]]>如果能檢測出等效剛體系統(tǒng)的速度，則可以從觀測輸出減去等效剛體系統(tǒng)的檢測速度得到差信號，從而檢測出單純的機(jī)械振動(dòng)成分。
在此，將等效剛體系統(tǒng)作為模機(jī)構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測器。只將等效剛體系統(tǒng)的角速度V考慮為狀態(tài)X、將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩τ作為控制輸入u時(shí)，其微分方程式為v.(t)=-D0v(t)+γτ(t)--(18)]]>等效剛體系統(tǒng)的狀態(tài)方程式和輸出方程式為x.(t)=ax(t)+bu(t)---(19a)]]>y(t)＝cx (19b)式中，x(t)＝v(t)、u(t)＝τ(t)、a＝-D0、b＝γ、c＝1(19c)由上式，能夠構(gòu)成下式表述的觀測器x^.(t)=(a-kc)x^(t)+ky(t)+bu(t)--(20)]]>通過式(19)和(20)，可以得到由下式給出的等效剛體系統(tǒng)的角速度推測值

v^.(t)=-D0v^(t)+k(y(t)-v^(t))+γτ(t)--(21)]]>這里，如果用電機(jī)角速度Vm替代V來給出輸出y的話，則式(21)能夠用圖1框102中的框線圖表現(xiàn)。
應(yīng)求的機(jī)械振動(dòng)信號雖可利用電機(jī)角速度與等效剛體系統(tǒng)的角速度推測值的差信號ee(t)=vm(t)-v^(t)--(22)]]>來得到，但由于在式(20)的觀測器中沒考慮轉(zhuǎn)矩干擾d，所以，如果存在階狀干擾d的話，那么在差信號e中就會(huì)形成推測誤差。在此，讓差信號e通過高通濾波器105，將除去轉(zhuǎn)矩干擾導(dǎo)致的推測誤差的信號作為機(jī)械振動(dòng)信號。由上，利用機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102內(nèi)的結(jié)構(gòu)，得到了機(jī)械振動(dòng)信號。
下面利用圖3來說明本發(fā)明制振控制裝置的第二實(shí)施例。該圖是將本發(fā)明應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制裝置的圖。圖中，帶有電機(jī)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)101和機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102與第1實(shí)施例相同。106是輸入轉(zhuǎn)矩指令、輸出電機(jī)發(fā)生的轉(zhuǎn)矩的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，由功率放大器等構(gòu)成。作為輸入到機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號τ，采用發(fā)生轉(zhuǎn)矩監(jiān)測信號或轉(zhuǎn)矩指令信號。機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102將推測的機(jī)械振動(dòng)信號輸入到調(diào)相器107。將調(diào)相器107的輸出輸入到調(diào)幅器108，再將其輸出w與轉(zhuǎn)矩指令相加，把得到的信號作為新的轉(zhuǎn)矩指令輸入到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制裝置。
調(diào)相器107和調(diào)幅器108調(diào)整機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102的輸出、即機(jī)械振動(dòng)信號的相位和振幅，以抑制包括電機(jī)和機(jī)械共振系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102輸出的機(jī)械振動(dòng)信號的相位比電機(jī)角速度Vm的振動(dòng)相位超前，其超前程度受上述比例運(yùn)算單元104的增益K調(diào)整，因此，調(diào)相器107是由低通濾波器等相位延遲部件實(shí)現(xiàn)的。調(diào)幅器108是由將上述調(diào)相器107的輸出信號放大增益倍的放大器或運(yùn)算器來實(shí)現(xiàn)的。
圖4說明本發(fā)明的制振控制裝置的第三實(shí)施例。圖4是將本發(fā)明應(yīng)用于電機(jī)的速度控制裝置的圖。圖中，帶有電機(jī)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)101和機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102和第一實(shí)施例相同。電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置106、調(diào)相器107和調(diào)幅器108和第二實(shí)施例同樣工作。所不同的是調(diào)幅器108的輸出w被加到速度指令中去，相加后的信號作為新的速度指令被輸入到電機(jī)的速度控制裝置。109是輸入速度指令與速度反饋之間的差信號、同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩指令的速度控制補(bǔ)償器。
在上面的第1、第2、第3實(shí)施例中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩干擾d的檢測值或推測值能夠得到時(shí)，也可以將該值加到轉(zhuǎn)矩指令中，將相加得到的值作為轉(zhuǎn)矩信號輸入到機(jī)械振動(dòng)檢測裝置102。在這種情況下，不需要高通濾波器105。比如，在第三實(shí)施例的速度控制補(bǔ)償器109中，當(dāng)利用比例積分控制確定轉(zhuǎn)矩指令時(shí)，可以將積分運(yùn)算值的正負(fù)反轉(zhuǎn)后作為上述轉(zhuǎn)矩干擾推測值使用。
工業(yè)上的可利用性本發(fā)明適用于各種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械，例如加工機(jī)械、機(jī)器人、半導(dǎo)體制造裝置、金屬加工機(jī)以及其他一般工業(yè)機(jī)械和辦公機(jī)械等。
權(quán)利要求
1.在控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)控制裝置中，機(jī)械振動(dòng)檢測裝置的特征在于，包括等效剛性模機(jī)；比例運(yùn)算單元；高通濾波器；將上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩信號和上述比例運(yùn)算單元的輸出相加后輸入上述等效剛性模機(jī)、同時(shí)將上述電機(jī)控制裝置的速度信號減去上述等效剛性模機(jī)輸出后所得的差信號輸入到上述比例運(yùn)算單元和上述高通濾波器、將上述高通濾波器的輸出作為機(jī)械振動(dòng)信號的單元。
2.在控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)控制裝置中，制振控制裝置的特征在于，包括等效剛性模機(jī)；比例運(yùn)算單元；高通濾波器；調(diào)相器；調(diào)幅器；將上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩信號和上述比例運(yùn)算單元的輸出相加后輸入上述等效剛性模機(jī)、同時(shí)將上述電機(jī)控制裝置的速度信號減去上述等效剛性模機(jī)輸出后所得的差信號輸入到上述比例運(yùn)算單元和上述高通濾波器、將上述高通濾波器的輸出輸入到上述調(diào)相器、將上述調(diào)相器的輸出輸入到上述調(diào)幅器、在傳送到上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩指令中加上上述調(diào)幅器的輸出并將由此得到的信號作為新的轉(zhuǎn)矩指令的單元。
3.在控制電機(jī)角速度的電機(jī)控制裝置中，制振控制裝置的特征在于，包括等效剛性模機(jī)；比例運(yùn)算單元；高通濾波器；調(diào)相器；調(diào)幅器；將上述電機(jī)控制裝置的轉(zhuǎn)矩信號和上述比例運(yùn)算機(jī)構(gòu)的輸出相加后輸入上述等效剛性模機(jī)、將上述電機(jī)控制裝置的速度信號減去上述等效剛性模機(jī)的輸出后所得的差信號輸入到上述比例運(yùn)算單元和上述高通濾波器、將上述高通濾波器的輸出輸入到上述調(diào)相器、將上述調(diào)相器的輸出輸入到上述調(diào)幅器、在傳送到上述電機(jī)控制裝置的速度指令中加上上述調(diào)幅器的輸出并將由此得到的信號作為新的速度指令的單元。
4.權(quán)利要求1～3記載的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置及制振裝置，其特征在于，包括利用檢測或推算來求取轉(zhuǎn)矩干擾信號的單元；將在上述轉(zhuǎn)矩信號中加上上述轉(zhuǎn)矩干擾信號并將由此得到的信號作為新的轉(zhuǎn)矩信號的單元。
5.權(quán)利要求4記載的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置及制振裝置，其特征在于，包括利用包括比例積分控制等積分運(yùn)算的運(yùn)算確定轉(zhuǎn)矩指令的單元；把將該積分運(yùn)算值的正負(fù)反轉(zhuǎn)了的值作為上述轉(zhuǎn)矩干擾信號的單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種易調(diào)節(jié)、能夠高精度檢測機(jī)械振動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)檢測裝置和能夠減小機(jī)械振動(dòng)的制振控制裝置。在控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)控制裝置中,包括如下單元:該單元由等效剛性模機(jī)103、比例運(yùn)算單元104和高通濾波器105構(gòu)成,將轉(zhuǎn)矩信號和上述比例運(yùn)算裝置的輸出相加后輸入到上述等效剛性模機(jī)中,從上述電機(jī)控制裝置的速度信號中減去上述等效剛性模機(jī)的輸出并將由此得到的差信號輸入到上述比例運(yùn)算單元和高通濾波器,將上述高通濾波器的輸出作為機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號。
文檔編號G01H1/00GK1198854SQ9619747
公開日1998年11月11日 申請日期1996年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月18日
發(fā)明者中村裕司, 高松祥治, 加來靖彥 申請人:株式會(huì)社安川電機(jī)