專利名稱：馬達(dá)控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可推算機(jī)械模型的馬達(dá)控制裝置。
背景技術(shù)：
以往在整定機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量時，以規(guī)定模式的動作實(shí)際驅(qū)動一定程度的范 圍，根據(jù)此時輸出的轉(zhuǎn)矩指令及速度來求得轉(zhuǎn)動慣量(專利文獻(xiàn)l)。
另外，也有的是根據(jù)頻率特性的低頻斜率來求得轉(zhuǎn)動慣量(專利文獻(xiàn)2、 3)。 通過利用該轉(zhuǎn)動慣量的值，能夠最佳地調(diào)整馬達(dá)控制裝置的參數(shù)，通過使 用于進(jìn)行減振控制的前饋控制器或觀測器的模型能夠使機(jī)械特性提高。 專利文獻(xiàn)1:日本國特開平9-182479號公報(bào) 專利文獻(xiàn)2:日本國特開2002-304219號公報(bào) 專利文獻(xiàn)3:日本國特開2003-79174號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
在現(xiàn)有的機(jī)械模型推算裝置中，對于專利文獻(xiàn)1的現(xiàn)有技術(shù)的情況，由于 以規(guī)定模式的動作實(shí)際驅(qū)動一定程度的范圍，所以在無法確保機(jī)械的動作范圍 時，存在無法實(shí)施整定動作的情況。另外，在專利文獻(xiàn)2、 3的現(xiàn)有技術(shù)中，由 于采用通過頻率特性的低頻斜率來求得轉(zhuǎn)動慣量的方法，所以在因摩擦或控制 的影響而低頻斜率不固定時，存在無法得到足夠的整定精度的情況。
本發(fā)明是鑒于上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種馬達(dá)控制裝置及其控 制方法，即使在較小的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，因摩擦或控制的影響而低頻斜率不固定時， 也能夠高精度地推斷轉(zhuǎn)動慣量。
為了解決上述問題，本發(fā)明是如下構(gòu)成的。
方案1所述的發(fā)明提供一種馬達(dá)控制裝置，是具備由位置信號生成速度信 號的速度信號生成部及根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令控制馬達(dá)電流的電流控制部的馬達(dá)控制裝
4置，其特征在于，具備測試轉(zhuǎn)矩指令生成部，生成包括多個頻率成分的測試 轉(zhuǎn)矩指令；實(shí)機(jī)頻率特性計(jì)算部，由針對所述測試轉(zhuǎn)矩指令的所述速度信號的 響應(yīng)計(jì)算出實(shí)機(jī)頻率特性；及機(jī)械部，通過所述實(shí)機(jī)頻率特性生成機(jī)械參數(shù)。
方案2所述的發(fā)明的特征為，在方案1所述的馬達(dá)控制裝置中，具備位 置控制部，由位置指令和所述位置信號生成速度指令；及速度控制部，由所述 速度指令和所述速度信號生成所述轉(zhuǎn)矩指令。
方案3所述的發(fā)明的特征為，在方案1所述的馬達(dá)控制裝置中，所述實(shí)機(jī) 頻率特性包括共振頻率及其振幅以及反共振頻率及其振幅。
方案4所述的發(fā)明的特征為，在方案1及2所述的馬達(dá)控制裝置中，機(jī)械 參數(shù)生成部使二慣性公式模型的總轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)反復(fù)微小變化，使二慣 性公式模型頻率特性與實(shí)機(jī)頻率特性大致一致，將所述總轉(zhuǎn)動慣量和所述阻尼 系數(shù)作為參數(shù)確定。
方案5所述的發(fā)明的特征為，在方案4所述的馬達(dá)控制裝置中，由式(1) 表示所述二慣性系公式模型，由式(2)表示反共振頻率和共振頻率的中頻增益。 (式1)
<formula>formula see original document page 5</formula>這里，J是總轉(zhuǎn)動慣量，COH是共振頻率，①L是反共振頻率，W是測試頻率， ^是阻尼系數(shù)，S是拉普拉斯算子。
方案6所述的發(fā)明的特征為，在方案5所述的馬達(dá)控制裝置中，機(jī)械參數(shù)
生成部比較所述實(shí)機(jī)頻率特性與所述二慣性系公式模型頻率特性的反共振頻率 至共振頻率的范圍的增益，如果所述實(shí)機(jī)頻率特性的增益較大，則使二慣性系 公式模型的總轉(zhuǎn)動慣量微小增加，如果較小則微小減少，反復(fù)進(jìn)行至大致一致 為止。
方案7所述的發(fā)明的特征為，在方案6所述的馬達(dá)控制裝置中，所述增益 的大小通過比較反共振頻率至共振頻率的增益面積來確定。方案8所述的發(fā)明的特征為，在方案6所述的馬達(dá)控制裝置中，所述總轉(zhuǎn) 動慣量的初始值為式(3)。 (式3)
<formula>formula see original document page 6</formula>
但是，YL是實(shí)機(jī)頻率特性的反共振頻率的db換算增益，Yh是共振頻率的 db換算增益。
方案9所述的發(fā)明的特征為，在方案6所述的馬達(dá)控制裝置中，所述總轉(zhuǎn) 動慣量的初始值為式(5)。
<formula>formula see original document page 6</formula> 但是，YM是實(shí)機(jī)頻率特性的a^W((oh'coO時的增益。
方案IO所述的發(fā)明提供一種馬達(dá)控制裝置的控制方法，是具備由位置信號 生成速度信號的速度信號生成部及根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令控制馬達(dá)電流的電流控制部的
馬達(dá)控制裝置的控制方法，其特征在于，具備向電流控制部輸入包括多個頻 率成分的測試轉(zhuǎn)矩指令并求出實(shí)機(jī)頻率特性的步驟；比較所述實(shí)機(jī)頻率特性與 二慣性系公式模型頻率特性的步驟；反復(fù)微小修正總轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)以便 所述實(shí)機(jī)頻率特性與所述二慣性系公式模型頻率特性的增益一致的步驟；及在 所述增益大致一致后將總轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)作為參數(shù)確定的步驟。
根據(jù)方案1所述的發(fā)明，能夠提供一種馬達(dá)控制裝置，在使用開環(huán)中的頻 率解析結(jié)果整定轉(zhuǎn)動慣量時，即使針對因粘性摩擦或控制器的影響而低頻區(qū)域 的頻率特性下降這樣的對象，也可高精度地進(jìn)行整定。
根據(jù)方案2所述的發(fā)明，能夠提供一種馬達(dá)控制裝置，在使用由控制器控 制的閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的頻率解析結(jié)果整定轉(zhuǎn)動慣量時，即使針對因粘性摩擦或控制 器的影響而低頻區(qū)域的頻率特性下降這樣的對象，也可高精度地進(jìn)行整定。
根據(jù)方案3至9所述的發(fā)明，能夠提供一種馬達(dá)控制裝置，即使在較小的 運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，因摩擦或控制的影響而低頻斜率不固定時，也可高精度地推斷轉(zhuǎn) 動慣量。
根據(jù)方案10所述的發(fā)明，能夠提供一種馬達(dá)控制裝置的控制方法，即使在 較小的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，因摩擦或控制的影響而低頻斜率不固定時，也可高精度地200780040459.2
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推斷轉(zhuǎn)動慣量。


圖1是表示本發(fā)明的構(gòu)成的框圖。
圖2是表示本發(fā)明的構(gòu)成的框圖。
圖3是表示本發(fā)明的方法的流程圖。
圖4是表示本發(fā)明的曲線擬合方法的圖。
圖5是表示基于現(xiàn)有方法的整定結(jié)果的圖。
圖6是表示基于本發(fā)明的整定結(jié)果的圖。
符號說明
l-電流控制部；2-速度信號生成部；3-測試轉(zhuǎn)矩指令生成部；4-頻率特性計(jì) 算部；5-機(jī)械參數(shù)計(jì)算部；6-機(jī)械參數(shù)；7-位置控制部；8-速度控制部；ll-馬達(dá)； 12-位置檢測器；13-機(jī)械；21-測定而得的頻率響應(yīng)；22-二慣性系模型的頻率響 應(yīng)；23-評價開始點(diǎn)；24-評價結(jié)束點(diǎn)；25-剛體系模型的頻率特性。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行說明。 實(shí)施例l
圖1是表示本發(fā)明第1實(shí)施例的構(gòu)成的框圖。圖中，1是電流控制部，2是 速度信號生成部，3是測試轉(zhuǎn)矩指令生成部，4是頻率特性計(jì)算部，5是機(jī)械模 型計(jì)算部，6是機(jī)械模型，ll是馬達(dá)，12是位置檢測器，13是機(jī)械。電流控制 部1將轉(zhuǎn)矩指令轉(zhuǎn)換成電流指令，對電流指令和馬達(dá)電流的電流偏差進(jìn)行PID 控制處理并生成電壓指令，對電壓指令進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)并驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換 器向馬達(dá)供給電力。速度信號生成部2獲取與馬達(dá)結(jié)合的位置檢測器的位置信 號的時間差分生成速度信號。測試轉(zhuǎn)矩指令生成部3在馬達(dá)控制裝置未處于通 常運(yùn)轉(zhuǎn)模式而是測試模式時生成包括多個頻率成分的轉(zhuǎn)矩指令并向電流控制部 1輸入。頻率特性計(jì)算部計(jì)測測試轉(zhuǎn)矩指令被輸入至電流控制部1時的速度信號 并計(jì)算出頻率特性。機(jī)械模型計(jì)算部5從頻率特性的波峰波谷的頻率推算共振頻率、反共振頻率的組合，抽出幾個候補(bǔ)，判別希望模型化的2慣性系。
在圖3中表示本發(fā)明方法的流程圖。如圖所示，本發(fā)明的方法通過步驟l 7的7個步驟進(jìn)行處理。在步驟1中，將包括多個頻率成分的測試轉(zhuǎn)矩指令輸入 電流控制部，計(jì)測速度信號的響應(yīng)。在步驟2中，根據(jù)輸入的測試轉(zhuǎn)矩指令及 計(jì)測的速度信號的響應(yīng)運(yùn)算機(jī)械的頻率特性。在步驟3中，針對頻率特性運(yùn)算 的結(jié)果，進(jìn)行波峰波谷的檢測。推算作為二慣性系模型的共振頻率及反共振頻 率的組合，抽出幾個候補(bǔ)。在步驟4中，根據(jù)目的，判別希望模型化的二慣性 系的組。例如，在求出系統(tǒng)整體的剛體模式的轉(zhuǎn)動慣量時，選擇最低的頻率。 另外，在以調(diào)整針對高頻振動的減振控制為目的時，選擇成為問題的共振頻率 及與其對應(yīng)的反共振頻率。當(dāng)存在多個共振頻率，自動判別較難時，或希望直 接設(shè)定對象即頻率時，通過步驟5手動選擇共振頻率及反共振頻率。在步驟6 中，通過對于所選擇的共振頻率及反共振頻率的組合進(jìn)行二慣性系模型的曲線 擬合來調(diào)整模型。在步驟7中，根據(jù)該評價后的模型，整定共振頻率、反共振 頻率、轉(zhuǎn)動慣量及振動的阻尼。另外，虛線部8是相當(dāng)于專利文獻(xiàn)3的部分。
下面，對步驟6及步驟7進(jìn)行詳細(xì)說明。
如果設(shè)定共振頻率coH、反共振頻率coL、阻尼C、總轉(zhuǎn)動慣量J，則二慣性 系模型的轉(zhuǎn)矩至速度的傳遞函數(shù)由式(1)表示。
將頻率區(qū)域的振幅作為db換算增益H (co)來表示時，作為頻率0)的函數(shù) 由式(2)對其進(jìn)行表示。這里如果阻尼；足夠小，則共振頻率coH、反共振頻 率coL的中間點(diǎn)近似地如式(5)所示。 (式4)
<formula>formula see original document page 8</formula>
如果通過頻率響應(yīng)運(yùn)算求出的反共振頻率的增益為YL，共振頻率的增益為 YH，則總轉(zhuǎn)動慣量J可通過式(3)計(jì)算出來。增益采用周邊數(shù)點(diǎn)的平均值即可。
通過將由式(5)近似地求出的J及^0作為初始值，對采用式(2)的模型 及由測定得到的頻率響應(yīng)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，來整定參數(shù)。在曲線擬合中， 可以應(yīng)用最小二乘法或遺傳算法等各種方法，這里對如圖4所示的反共振頻率-共振頻率間的面積比較及中間點(diǎn)比較進(jìn)行說明。圖中表示由測定得到的實(shí)機(jī)頻率特性l、 二慣性系公式模型頻率特性2、評價開始點(diǎn)3、評價結(jié)束點(diǎn)4。 3對應(yīng) 于反共振頻率，4對應(yīng)于共振頻率。如果表示調(diào)整條件則如下所示。首先，針對阻尼系數(shù)；，如果由頻率特性運(yùn)算得到的增益為Y (o))，則以式 (6)的條件進(jìn)行調(diào)整。 (式5)廣 / 、 / 、叫,、 U = -5 |^(w)<2>( ) (6)這里，5為任意的調(diào)整值，另外，針對總轉(zhuǎn)動慣量J，以下面的條件進(jìn)行調(diào)整。(式6)/ = ■/ + (7 〖,、 / = J _ cr這里，C7為任意的調(diào)整值。由于在將模型限定于二慣性系時，總轉(zhuǎn)動慣量通過式(7)的條件很容易求出，所以阻尼系數(shù)可以通過模型與由測定得到的頻率特性的一致度判定來求出。在圖3、圖4中表示求出系統(tǒng)整體的剛體模式的轉(zhuǎn)動慣量時的具體的整定結(jié) 果的例子。圖3是表示基于現(xiàn)有方法的整定結(jié)果的圖。圖6是表示基于本發(fā)明 的整定結(jié)果的圖。相對于測定的頻率特性l，通過曲線擬合整定的模型為，現(xiàn)有 例為5，基于本發(fā)明的模型為2。對于剛體模式的轉(zhuǎn)動慣量準(zhǔn)確值60倍的機(jī)械， 與在現(xiàn)有的方法中，由低頻區(qū)域的斜率的平均值整定為70倍相對，通過采用本 方法，整定值為55.5倍，可知與現(xiàn)有的方法相比可高精度地整定轉(zhuǎn)動慣量。 實(shí)施例2圖2是表示本發(fā)明第2實(shí)施例的構(gòu)成的框圖。在第1實(shí)施例中追加了位置 控制部7和速度控制部8。另外，為了整定總轉(zhuǎn)動慣量，也可以將共振頻率與反共振頻率的中間點(diǎn)的頻率選定為COM=/"(COL*COH)。C=0時的頻率COM的二慣性系模型的增益H，(co)由式(8)表示。H,(a))=|G，(j(0)|=(l/J/Q)L)*:(a)H/o)L)另外，如果使實(shí)機(jī)頻率特性的中間點(diǎn)的增益為YM，則總轉(zhuǎn)動慣量J由式(9)將其作為初始值使用來進(jìn)行整定即可。由于求出的轉(zhuǎn)動慣量使用共振點(diǎn)及反共振點(diǎn)的頻率和增益，所以即使在多 慣性機(jī)械的建模中，也可求出各自的彈簧單元的彈簧常數(shù)及轉(zhuǎn)動慣量，因此， 可以應(yīng)用于與此對應(yīng)的濾波器的最佳設(shè)定。由于本發(fā)明的馬達(dá)控制裝置即使在較小的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)摩擦或控制的影 響較大時也可以高精度地推斷轉(zhuǎn)動慣量，所以可期待應(yīng)用于以機(jī)器人或機(jī)床為 主的一般工業(yè)機(jī)械等。另外，雖然本發(fā)明以安裝在馬達(dá)控制裝置中為前提，但 是也可以作為轉(zhuǎn)動慣量推斷裝置來應(yīng)用。
權(quán)利要求
1. 一種馬達(dá)控制裝置，是具備由位置信號生成速度信號的速度信號生成部及根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令控制馬達(dá)電流的電流控制部的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，具備測試轉(zhuǎn)矩指令生成部，生成包括多個頻率成分的測試轉(zhuǎn)矩指令；實(shí)機(jī)頻率特性計(jì)算部，由針對所述測試轉(zhuǎn)矩指令的所述速度信號的響應(yīng)計(jì)算出實(shí)機(jī)頻率特性；及機(jī)械參數(shù)生成部，通過所述實(shí)機(jī)頻率特性生成機(jī)械參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，具備位置控制部， 由位置指令和所述位置信號生成速度指令；及速度控制部，由所述速度指令和 所述速度信號生成所述轉(zhuǎn)矩指令。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，所述實(shí)機(jī)頻率特性 包括共振頻率及其振幅以及反共振頻率及其振幅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1及2所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，機(jī)械參數(shù)生成部使二慣性公式模型的總轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)反復(fù)微小變化，使二慣性公式模 型頻率特性與實(shí)機(jī)頻率特性大致一致，將所述總轉(zhuǎn)動慣量和所述阻尼系數(shù)作為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，由式(1)表示所 述二慣性系公式模型，由式(2)表示反共振頻率和共振頻率的中頻增益。<formula>formula see original document page 2</formula>(2)這里，J是總轉(zhuǎn)動慣量，COh是共振頻率，Q)l是反共振頻率，co是測試頻率， ^是阻尼系數(shù)，s是拉普拉斯算子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，機(jī)械參數(shù)生成部比 較所述實(shí)機(jī)頻率特性與所述二慣性系公式模型頻率特性的反共振頻率至共振頻 率的范圍的增益，如果所述實(shí)機(jī)頻率特性的增益較大，則使二慣性系公式模型 的總轉(zhuǎn)動慣量微小增加，如果較小則微小減少，反復(fù)進(jìn)行至大致一致為止。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，所述增益的大小通 過比較反共振頻率至共振頻率的增益面積來確定。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，所述總轉(zhuǎn)動慣量的初始值為式(3)，<formula>formula see original document page 3</formula>但是，YL是實(shí)機(jī)頻率特性的反共振頻率的db換算增益，Yh是共振頻率的 db換算增益。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的馬達(dá)控制裝置，其特征在于，所述總轉(zhuǎn)動慣量的 初始值為式(5)，<formula>formula see original document page 3</formula>但是，YM是實(shí)機(jī)頻率特性的CO^T(COpTCOL)時的增益。
10. —種馬達(dá)控制裝置的控制方法，是具備由位置信號生成速度信號的速度信號生成部及根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令控制馬達(dá)電流的電流控制部的馬達(dá)控制裝置的控制方法，其特征在于，具備向電流控制部輸入包括多個頻率成分的測試轉(zhuǎn)矩指令并求出實(shí)機(jī)頻率特性的步驟；比較所述實(shí)機(jī)頻率特性與所述二慣性系公式模型頻率特性的步驟； 反復(fù)微小修正總轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)以便所述實(shí)機(jī)頻率特性與所述二慣性 系公式模型頻率特性的增益一致的步驟；及在所述增益大致一致后將總轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)作為參數(shù)確定的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種馬達(dá)控制裝置及其控制方法，即使在較小的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，因摩擦或控制的影響而低頻斜率不固定時，也能夠高精度地推斷轉(zhuǎn)動慣量。具體為，具備由位置信號生成速度信號的速度信號生成部(2)及根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令控制馬達(dá)電流的電流控制部(1)的馬達(dá)控制裝置，其為，具備測試轉(zhuǎn)矩指令生成部(3)，生成包括多個頻率成分的測試轉(zhuǎn)矩指令；頻率特性計(jì)算部(4)，由針對測試轉(zhuǎn)矩指令的速度信號的響應(yīng)計(jì)算出頻率特性；及機(jī)械參數(shù)計(jì)算部(6)，通過頻率特性計(jì)算出機(jī)械參數(shù)。
文檔編號H02P29/00GK101536305SQ200780040459
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者梅田信弘 申請人:株式會社安川電機(jī)