專利名稱：具有同時推定慣量和摩擦的功能的電動機的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對驅動機床或工業(yè)機械的驅動軸的電動機進行控制的電動機的控制 裝置，尤其涉及具有同時推定該驅動軸的慣量(inertia)和摩擦的功能的電動機的控制裝置。
背景技術：
知道通過電動機驅動的機床等中的被驅動體的慣量和粘性摩擦或庫侖摩擦的大 小，在決定該機床等的加工條件等方面是重要的，在高精度地控制通過該電動機驅動的驅 動軸方面也是重要的。例如，當作為加工條件而決定加減速指令的時間常數(shù)時，為了能夠進行穩(wěn)定的控 制、并且充分地發(fā)揮電動機的加減速的能力，需要準確地知道慣量和摩擦。另外，在控制中， 在計算決定速度控制的響應性的增益方面也需要準確得知慣量和摩擦。而且，可以使用慣 量或摩擦來構成干擾觀測器(disturbanceobserver)，提高伺服的魯棒性。作為推定慣量的技術，在JP特開平8-140386號公報中公開了以下技術根據(jù)電動 機的動作中的電流反饋I、根據(jù)速度反饋求出的加速度a、和電動機的轉矩常數(shù)Kt，通過J = I · Kt/a的式子求出慣量。另外，作為推定摩擦的技術，在JP特開平8-15058號公報中公開了以下技術通過 不同的兩個速度驅動電動機，根據(jù)達到穩(wěn)定狀態(tài)時的轉矩求出粘性摩擦和庫侖摩擦。如上所述，推定慣量或摩擦的技術一般根據(jù)電動機的動作中的電流反饋I、和根據(jù) 速度反饋而求出的加速度a來進行計算，但與此不同還存在以下技術定義控制對象的內 部模型，推定模型的常數(shù)、即慣量和摩擦，以便減小從對其給予轉矩指令時的模型輸出的速 度和實際速度之間的誤差。例如在JP特開平8-249031號公報中公開了以下技術根據(jù)對給予加速指令時的 速度和模型速度進行比較的關系式，使用最小二乘法計算慣量和摩擦。該技術在預定時間 內對加速中的電流和速度進行采樣，根據(jù)該存儲的數(shù)據(jù)通過最小二乘法計算慣量和摩擦。但是，像重力軸等那樣存在施加恒定力的轉矩偏置(torque offset)或較大的庫 侖摩擦時，慣量的推定精度惡化。作為該對策，在JP特開2006-074896號公報中公開了以 下技術通過在關系式上乘以速度反饋的微分然后進行積分，或者對關系式進行微分，進而 乘以速度反饋的微分然后進行積分這樣的計算，來推定慣量和粘性摩擦。另外，動作范圍受限制的機械中，作為推定慣量和摩擦的技術，在JP特開 2007-295678號公報中公開了以下技術根據(jù)轉矩指令的傅立葉系數(shù)和電動機位置的傅立 葉系數(shù)推定系統(tǒng)常數(shù)(慣量或摩擦)。在JP特開2000-172341號公報中公開了使用M系列進行慣量推定的技術。在被驅動體的構造復雜的情況下，準確得知被驅動體的慣量和摩擦并不容易。另 外，在由于工件的裝卸等，被驅動體的慣量或摩擦變化的情況下，需要每次掌握慣量或摩 擦，準確且短時間地進行掌握并不容易。
所述JP特開平8-140386號公報中公開的技術中，由于需要穩(wěn)定加減速轉矩，因此 需要使電動機在比較寬的驅動范圍內動作，推定時間會延長。所述JP特開平8-15058號公報中公開的技術中，需要在第一速度的穩(wěn)定狀態(tài)下求 出轉矩，加速后求出此時的加速轉矩，進而在第二速度的穩(wěn)定狀態(tài)下求出轉矩的步驟，需要 較寬的動作范圍，不容易應用于動作范圍受限制的機床等中。所述JP特開平8-249031號公報中公開的技術中，要求較寬的動作范圍，需要用于進行數(shù)據(jù)存儲的大量的數(shù)據(jù)存儲器。另外，雖然粘性摩擦可以推定，但庫侖摩擦無法推定。所述JP特開2006-074896號公報中公開的技術中，與所述JP特開平8-249031號公報中公開的技術同樣，需要用于數(shù)據(jù)存儲的大量存儲器。所述JP特開2007-295678號公報中公開的技術中，為了求出傅立葉系數(shù)，需要進 行傅立葉變換，需要以某種程度存儲位置以及轉矩的數(shù)據(jù)，需要大量數(shù)據(jù)存儲器。與此對應，本申請的申請人在2008年12月16日在日本申請的JP特愿 2008-320088號專利申請中記載了以下發(fā)明在控制裝置的轉矩指令上加上適當頻率的正 弦波狀指令來推定慣量。在該發(fā)明中，電動機的動作成為微小的范圍，不受驅動范圍的制 約。另外，通過提高頻率可以縮短推定時間。但是，當摩擦較大時，存在慣量的推定精度惡 化的問題。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于，鑒于上述現(xiàn)有技術的問題，提供一種具有同時推定慣量 和摩擦、并提高慣量的推定精度的功能的電動機的控制裝置。為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種控制裝置，用于控制驅動機床或工業(yè)機械的 驅動軸的電動機，其中，具有正弦波狀指令單元，其將正弦波狀指令加在所述控制裝置的 轉矩指令或速度指令上；電流反饋值取得單元，其在每個采樣周期取得流過所述電動機的 電流的電流反饋信號，作為電流反饋值；速度反饋值取得單元，其在每個采樣周期取得所述 電動機的速度的速度反饋信號，作為速度反饋值；推定電流值計算單元，其根據(jù)在所述每個 采樣周期取得的速度反饋值、所述驅動軸的推定慣量、以及推定摩擦力，計算推定電流值； 推定誤差計算單元，其根據(jù)在所述每個采樣周期取得的電流反饋值和所述推定電流值，計 算推定誤差；以及更新單元，其使用在所述每個采樣周期檢測出的速度反饋值和所述推定 誤差，更新所述驅動軸的推定慣量和推定摩擦。所述推定電流值計算單元具有速度差計算單元，其計算在所述每個采樣周期檢 測出的速度反饋的此次采樣而得的速度反饋值、與前一次采樣而得的速度反饋值的差分； 第一計算單元，其計算通過所述速度差計算單元計算出的速度反饋值的差分與所述推定慣 量的積；第二計算單元，其計算所述此次采樣而得的速度反饋值與推定粘性摩擦的積；以 及第三計算單元，其計算所述此次采樣而得的速度反饋的極性與推定庫侖摩擦的積，所述 推定電流值計算單元，可以使用通過所述第一計算單元、所述第二計算單元以及所述第三 計算單元求出的值，計算所述推定電流值。所述推定電流值計算單元可以使用下式計算推定電流值
權利要求
1.一種控制裝置，用于控制驅動機床或工業(yè)機械的驅動軸的電動機，其特征在于，具有正弦波狀指令單元，其將正弦波狀指令加在所述控制裝置的轉矩指令或速度指令上； 電流反饋值取得單元，其在每個采樣周期取得流過所述電動機的電流的電流反饋信 號，作為電流反饋值；速度反饋值取得單元，其在每個采樣周期取得所述電動機的速度的速度反饋信號，作 為速度反饋值；推定電流值計算單元，其根據(jù)在所述每個采樣周期取得的速度反饋值、所述驅動軸的 推定慣量、以及推定摩擦力，計算推定電流值；推定誤差計算單元，其根據(jù)在所述每個采樣周期取得的電流反饋值和所述推定電流 值，計算推定誤差；以及更新單元，其使用在所述每個采樣周期檢測出的速度反饋值和所述推定誤差，更新所 述驅動軸的推定慣量和推定摩擦，所述控制裝置同時推定慣量和摩擦。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制裝置，其特征在于， 所述推定電流值計算單元具有速度差計算單元，其計算在所述每個采樣周期檢測出的速度反饋的此次采樣而得的速 度反饋值、與前一次采樣而得的速度反饋值的差分；第一計算單元，其計算通過所述速度差計算單元計算出的速度反饋值的差分與所述推 定慣量的積；第二計算單元，其計算所述此次采樣而得的速度反饋值與推定粘性摩擦的積；以及 第三計算單元，其計算所述此次采樣而得的速度反饋的極性與推定庫侖摩擦的積， 所述推定電流值計算單元使用通過所述第一計算單元、所述第二計算單元以及所述第 三計算單元求出的值，計算所述推定電流值。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于， 所述推定電流值計算單元使用下式計算推定電流值jmClC3Φ) = -TT^: ‘ (_) “ -1)) + —‘ o){ri) + — · sign{ω{n)) Kt · 1KtKt其中，Jm是推定慣量，Kt是電動機的轉矩常數(shù)，T是采樣周期，Cl是推定粘性摩擦，C3是推定庫侖摩擦，sign是符號，ω (n)是在此次的周期中采樣而得的速度反饋值，ω (η-1)是在前一次周期中采樣而得的速度反饋值，χ (η)是推定電流值，η = 1、2、3...。
4.根據(jù)權利要求1所述的控制裝置，其特征在于， 所述更新單元具備差分計算單元，其計算在所述每個采樣周期取得的速度反饋值中、此次的采樣周期中 取得的速度反饋值與前一次采樣周期中取得的速度反饋值的差分；第四計算單元，其計算通過所述差分計算單元計算出的速度反饋值的差分、所述推定 誤差、與決定推定速度的常數(shù)μ 1三者的積；第五計算單元，其計算所述此次的采樣周期中取得的速度反饋值、所述推定誤差、與決 定推定速度的常數(shù)μ 2三者的積；第六計算單元，其計算所述此次的采樣周期中取得的速度反饋值的極性、所述推定誤 差、與決定推定速度的常數(shù)μ 3三者的積；推定慣量計算單元，其將通過所述第四計算單元計算出的結果與當前的推定慣量相 加，由此計算新的推定慣量；推定粘性摩擦計算單元，其將通過所述第五計算單元計算出的結果與當前的推定粘性 摩擦相加，由此計算新的推定粘性摩擦；以及推定庫侖摩擦計算單元，其將通過所述第六計算單元計算出的結果與當前的推定庫侖 摩擦相加，由此計算新的推定庫侖摩擦。
5.根據(jù)權利要求3所述的控制裝置，其特征在于， 所述更新單元，當把計算所述推定電流的式子改寫成χ (n) = h0 · ν0 (η) +Ii1 · V1 (η) +h2 · ν2 (η)的形式時，其中，
6.根據(jù)權利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述電流反饋值取得單元，經(jīng)由使所述電流反饋信號延遲所述采樣周期的1/2周期的 延遲單元，在所述每個采樣周期取得所述電流反饋值。
7.根據(jù)權利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述推定誤差計算單元使所述電流反饋值通過高通濾波器來計算推定誤差。
8.根據(jù)權利要求1的控制裝置，其特征在于，所述控制裝置，代替所述正弦波狀指令單元而具備生成M系列指令的M系列指令單 元、和來自所述M系列指令單元的M系列指令通過的低通濾波器，將通過該低通濾波器后的該M系列指令加在所述控制裝置的轉矩指令或速度指令上。
9.根據(jù)權利要求1所述的控制裝置，其特征在于，構成使用所述推定慣量和所述推定摩擦，根據(jù)在所述每個采樣周期取得的電流反饋 值和所述推定電流值計算推定干擾轉矩的干擾觀測器， 所述控制裝置還具備乘以調整該推定干擾轉矩的修正量的修正增益Kd的單元；以及 將該結果與轉矩指令相加的單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有同時推定慣量和摩擦的功能的電動機的控制裝置，其與慣量或粘性摩擦同時推定庫侖摩擦本身，降低了庫侖摩擦對推定慣量的精度的影響。另外，該控制裝置不使用傅立葉變換器，使用反函數(shù)模型逐次自適應地同時推定慣量或粘性摩擦、庫侖摩擦，以使推定誤差達到最小，因此不需要存儲在預定時間采樣而得的數(shù)據(jù)，因此不需要大量的數(shù)據(jù)存儲器。
文檔編號H02P29/00GK102006011SQ201010266210
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權日2009年8月28日
發(fā)明者豐澤雪雄, 園田直人, 置田肇 申請人:發(fā)那科株式會社