馬達控制裝置、馬達控制方法及機械系統的製作方法
2023-05-07 09:01:36 1
馬達控制裝置、馬達控制方法及機械系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種馬達控制裝置、馬達控制方法及機械系統，在抑制機械振動的同時，抑制機械定位時發生過衝。一種馬達控制裝置，其具備：位置環路增益，根據位置指令和馬達位置來生成速度指令；速度環路增益，根據速度指令和馬達速度來生成轉矩指令；及馬達驅動部，根據轉矩指令來驅動線性馬達，其是通過線性馬達來驅動安裝有加速度傳感器的機械的馬達控制裝置，其具備：一階低通濾波器及第2加速度反饋增益，根據加速度傳感器的檢測信號即加速度檢測信號，生成針對速度指令的第2加速度反饋信號；以及位置指令濾波器，被輸入位置指令，可抑制機械的低頻振動。
【專利說明】馬達控制裝置、馬達控制方法及機械系統
【技術領域】
[0001]本發明所公開的實施方式涉及一種馬達控制裝置、馬達控制方法及機械系統。
【背景技術】
[0002]專利文獻I中公開有一種構成，在通過進行位置反饋控制和速度反饋控制的馬達控制裝置來驅動馬達，進行與該馬達連結的機械的定位控制的構成中，通過將安裝於該機械的加速度傳感器的加速度信號反饋給馬達控制裝置的速度指令而得到機械的振動抑制功能。
[0003]專利文獻1:日本國特開2009-159774號公報
[0004]在上述現有技術中，雖然機械的振動得到抑制，但是由於在機械的定位時發生過衝，因此根據馬達控制裝置的用途存在改善的餘地。
【發明內容】
[0005]本發明是鑑於上述問題而進行的，其目的在於提供一種馬達控制裝置、馬達控制方法及機械系統，在抑制機械振動的同時，可抑制機械定位時發生過衝。
[0006]為了解決上述課題，根據本發明的一個觀點，應用一種馬達控制裝置，其具備--位置控制部，根據位置指令和馬達位置來生成速度指令；速度控制部，根據所述速度指令和馬達速度來生成轉矩指令；及馬達驅動部，根據所述轉矩指令來驅動馬達，其是通過所述馬達來驅動安裝有加速度傳感器的機械的馬達控制裝置，其特徵在於，具備:加速度反饋信號生成部，根據所述加速度傳感器的檢測信號即加速度檢測信號，生成針對所述速度指令的反饋信號；及位置指令濾波器，被輸入所述位置指令，可抑制所述機械的低頻振動。
[0007]為了解決上述課題，根據本發明的一個觀點，應用一種馬達控制方法，其是由馬達控制裝置執行的馬達控制方法，該馬達控制裝置具備:位置控制部，根據位置指令和馬達位置來生成速度指令；速度控制部，根據所述速度指令和馬達速度來生成轉矩指令；及馬達驅動部，根據所述轉矩指令來驅動馬達，其通過所述馬達來驅動機械，其特徵在於，執行:加速度反饋信號生成步驟，根據安裝於所述機械的加速度傳感器的檢測信號即加速度檢測信號，生成針對所述速度指令的反饋信號；及位置指令濾波器步驟，對所述位置指令進行濾波，以抑制所述機械的低頻振動。
[0008]為了解決上述課題，根據本發明的一個觀點，應用一種機械系統，其具備:馬達控制裝置，具備根據位置指令和馬達位置來生成速度指令的位置控制部、根據所述速度指令和馬達速度來生成轉矩指令的速度控制部、根據所述轉矩指令來驅動馬達的馬達驅動部；馬達，被所述馬達控制裝置驅動；及機械，安裝有加速度傳感器且被所述馬達驅動，其特徵在於，所述馬達控制裝置具備:加速度反饋信號生成部，根據所述加速度傳感器的檢測信號即加速度檢測信號，生成針對所述速度指令的反饋信號；及位置指令濾波器，被輸入所述位置指令，可抑制所 述機械的低頻振動。
[0009]根據本發明的馬達控制裝置、馬達控制方法及機械系統，在抑制機械振動的同時，可抑制機械定位時發生過衝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是表示一個實施方式所涉及的具備馬達控制裝置的機械系統的簡略構成的圖。
[0011]圖2是以傳遞函數形式表示機械系統的控制系統模型的圖。
[0012]圖3是表示最理想地進行加速度反饋控制時的控制系統模型的圖。
[0013]圖4是表示使加速度反饋控制無效時的階躍響應的圖。
[0014]圖5是表示使加速度反饋控制有效時的階躍響應的圖。
[0015]圖6是表示使位置環路增益變化時的階躍響應的圖。
[0016]圖7是表示將一階低通濾波器用於加速度反饋控制時的控制系統模型的圖。
[0017]圖8是表示積分器和一階低通濾波器的頻率特性的伯德圖。
[0018]圖9是表示分別使用積分器和一階低通濾波器時的階躍響應的圖。
[0019]圖10是將圖7所示的控制系統模型替換為其它構成的圖。
[0020]圖11是表示圖10的傳遞函數的極點配置的圖。
[0021]圖12是放大表示圖11中的A部的圖。
[0022]圖13是表示設置有僅消去傳遞函數的零點的位置指令濾波器時的控制系統模型的圖。
[0023]圖14是表示使用僅消去零點的位置指令濾波器時的階躍響應的圖。
[0024]圖15是表示使時間常數變化時的階躍響應的圖。
[0025]圖16是表示設置有在零點和極點雙方消去整個偶極子的偶極子消去濾波器時的階躍響應的圖。
[0026]圖17是表示使用偶極子消去濾波器時的階躍響應的圖。
[0027]圖18是表示使用偶極子消去濾波器時的原點附近的極點配置的圖。
[0028]圖19是表示使用偶極子消去濾波器時的階躍響應的速度的圖。
[0029]圖20是表示將高通濾波器用於加速度反饋控制時的控制系統模型的圖。
[0030]圖21是表示機械中的二自由度振動模式的圖。
[0031]圖22是表示對應於二自由度振動馬達時的控制系統模型的圖。
[0032]符號說明
[0033]1-上位控制裝置；2_馬達控制裝置；3-機械；11_線性馬達(相當於馬達)；12_彈性杆；13_末端執行器；14_加速度傳感器；21、21B-位置指令濾波器(相當於第I偶極子消去濾波器)；21a-位置指令濾波器；21A-高通濾波器用位置指令濾波器(相當於第2偶極子消去濾波器)；22_第I加減法部；23_第2加減法部；24_第3加減法部；25_馬達模型；26-積分器；27、27A-機械模型；28、28A_ —階低通濾波器；29_加速度積分器；31_ —階高通濾波器；Kfl-第I加速度反饋增益；Kf2-第2加速度反饋增益(相當於增益)；Kf3-第3加速度反饋增益；Kf4-第4加速度反饋增益(相當於增益)；Kp-位置環路增益(相當於位置控制部)；Κν-速度環路增益(相當於速度控制部)；S-機械系統。
【具體實施方式】[0034]以下，參照附圖對一個實施方式進行說明。
[0035]
[0036]首先，利用圖1，對一個實施方式所涉及的具備馬達控制裝置的機械系統的簡略構成進行說明。如圖1所示，本實施方式的例子的機械系統S是將連結於線性馬達11的可動平臺Iib的連杆定位控制於該線性馬達11的直動方向上的規定位置的系統，由上位控制裝置1、馬達控制裝置2及機械3構成。上位控制裝置I向馬達控制裝置2輸出位置指令，其用於將後述的機械的末端執行器定位於規定位置。馬達控制裝置2根據從上位控制裝置I輸入的位置指令對所連接的線性馬達11的驅動進行控制。
[0037]機械3具備:直動式馬達即線性馬達11，具備定子Ila和可動平臺Ilb ;彈性杆12，垂直設置在該可動平臺Ilb上；末端執行器13，固定在該彈性杆12的上端；及加速度傳感器14，設置在該末端執行器13上。彈性杆12是由彈性材料構成的足夠長的稜柱部件，末端執行器13是具有規定質量的部件。由於上述彈性杆12和末端執行器13的結合體的整體剛性低，因此容易產生如下機械振動，即因線性馬達11的可動平臺Ilb在其移動中突然停止而以彈性杆12的設置部分為中心搖動。
[0038]在本實施方式的例子中，上述加速度傳感器14被安裝於末端執行器13的搖動方向，也就是線性馬達11的可動平臺Iib的移動方向上的一側的端面上，檢測出該末端執行器13的搖動方向的加速度。該加速度傳感器14的檢測信號即加速度檢測信號被輸入至馬達控制裝置2。另外，線性馬達11的可動平臺Ilb上設置有並未特別圖示的位置檢測器，由該位置檢測器檢測出位置檢測信號並輸入至馬達控制裝置(通過馬達控制裝置對位置進行近似微分而生成速度)。馬達控制裝置2根據從上位控制裝置I輸入的位置指令向線性馬達11供給驅動電力，以使可動平臺Ilb進行定位移動，同時參照來自可動平臺Ilb的速度檢測信號和來自加速度傳感器14的加速度檢測信號來控制驅動電流，以抑制上述末端執行器13的振動。
[0039]
[0040]圖2以傳遞函數形式表示本實施方式的例子的機械系統S的控制系統模型。另外，為了避免圖示複雜，以儘可能省略上位控制裝置1、電流控制環路等而簡化後的模型進行表示。在該圖2中,機械系統S具有位置指令濾波器21、第I加減法部22、位置環路增益Kp、第2加減法部23、第3加減法部24、速度環路增益Kv、馬達模型25、積分器26、機械模型27、第I加速度反饋增益Kfl、一階低通濾波器28及第2加速度反饋增益Kf2。
[0041]在本實施方式中，位置指令濾波器21由在分母上具有第I時間常數Tl且在分子上具有第2時間常數Τ2的傳遞函數((T2*s+l)/(Tl*s+l))的濾波器構成，將來自上位控制裝置I的位置指令輸入至該位置指令濾波器21，將其輸出輸出至第I加減法部22。另外，與該位置指令濾波器21的功能等同執行的軟體的程序相當於各技術方案記載的位置指令濾波器步驟。
[0042]第I加減法部22從由位置指令濾波器21輸入的位置指令減去後述的馬達位置Pfb從而求出其偏差。將在該偏差上乘以位置環路增益Kp後的值作為速度指令Vref而輸出至第2加減法部23。另外，該位置環路增益Kp相當於各技術方案記載的位置控制部。
[0043]第2加減法部23從由位置環路增益Kp輸出的速度指令Vref減去後述的第I加速度反饋信號和第2加速度反饋信號而求出其偏差。[0044]第3加減法部24從由第2加減法部23輸出的偏差減去後述的馬達速度Vfb而求出其偏差。將在該偏差上乘以速度環路增益Kv後的值作為轉矩指令Tref而輸出至馬達模型25。另外，該速度環路增益Kv相當於各技術方案記載的速度控制部。
[0045]馬達模型25是模擬本實施方式的例子中的上述線性馬達11的模型(為了簡單而使慣量J=I )，由對從速度環路增益Kv輸入的轉矩指令Tref進行積分的積分器(Ι/s)構成。由此，馬達模型25輸出馬達速度Vfb (上述可動平臺Ilb的移動速度)。該馬達速度Vfb被分別輸入至上述第3加減法部24和機械模型27。
[0046]在本實施方式中，機械模型27由相當於上述圖1所示的可動平臺lib、彈性杆12、末端執行器13及加速度傳感器14的結合體的傳遞函數((Wr2S)/(s2+wr2))表示。通過向該機械模型27輸入上述馬達速度Vfb，從而輸出相當於由加速度傳感器14檢測出的加速度檢測信號的信號。
[0047]在上述機械模型27輸出的加速度檢測信號上乘以第I加速度反饋增益Kfl，將該值作為第I加速度反饋信號而輸入至上述第2加減法部23。
[0048]在本實施方式中，一階低通濾波器28由在分母和分子上具有第I時間常數Tl的傳遞函數(Τ1/(Τ1.8+1))表示。將上述機械模型27輸出的加速度檢測信號輸入至該一階低通濾波器28，將在其輸出上乘以第2加速度反饋增益Kf2後的值作為第2加速度反饋信號而輸入至上述第2加減法部23。另外，第2加速度反饋增益Kf2相當於各技術方案記載的增益，第2加速度反饋信號相當於各技術方案記載的反饋信號，一階低通濾波器28和第2加速度反饋增益Kf2相當於各技術方案記載的加速度反饋信號生成部。另外，與一階低通濾波器28和第2加速度反饋增益Kf2的功能等同執行的軟體的程序相當於各技術方案記載的加速度反饋信號生成步驟。
[0049]另外，將上述馬達模型25輸出的馬達速度Vfb輸入至積分器26後，其輸出成為線性馬達11的可動平臺Iib的位置也就是馬達位置Pfb，將該馬達位置Pfb輸入至上述第I加減法部22。
[0050]在以上的控制系統的構成中，構成為與P-P反饋控制一起還結合進行加速度反饋控制，其中，該P-P反饋控制基於跟蹤位置指令Pref的輸入的位置控制系統的P反饋環路(以下稱為位置控制系統環路)及速度控制系統的P反饋環路(以下稱為速度控制系統環路)，該加速度反饋控制將在加速度檢測信號上介由適當的增益Kfl、Kf2和一階低通濾波器28後的第I加速度反饋信號和第2加速度反饋信號反饋至速度控制系統環路。另外，該圖2所示的控制系統模型中除馬達模型25和機械模型27以外的部分相當於馬達控制裝置
2。另外，雖然並未特別圖示，但是在馬達控制裝置2中還具備針對轉矩指令的電流控制系統的反饋環路。該電流控制系統的反饋環路的模型(未圖示)相當於各技術方案記載的馬達驅動部。
[0051]以上構成的本實施方式的機械系統S與用於生成第2加速度反饋信號而設置的一階低通濾波器28相應地設置位置指令濾波器21，通過介由該位置指令濾波器21輸入來自上位控制裝置I的位置指令Pref，可以抑制機械3產生低頻振動。以下，依次說明其理由。
[0052]〈對於機械中的低頻振動的產生原因>
[0053]首先，對機械3中的低頻振動的產生原因進行說明。圖3示出最理想地進行加速度反饋控制時的控制系統模型。在該圖3中，與上述圖2所示的控制系統模型的不同之處在於，具備加速度積分器29以代替用於生成第2加速度反饋信號的一階低通濾波器28，進而未設置位置指令濾波器21而是將來自上位控制裝置I的位置指令Pref直接輸入至第I加減法部22。另外，對機械模型27輸出的信號進行二階積分而檢測出成為最終控制對象的末端執行器13的位置(以下稱為負載位置)。另外，作為對比例還設想不反饋第1、第2加速度反饋信號的情況，也就是使上述加速度反饋控制無效的情況，從而還設置有2個開關SWl、SW2，可切換有無向上述第2加減法部23輸入第1、第2加速度反饋信號。
[0054]在該圖3所示的控制系統模型中，在使2個開關SW1、SW2處於截斷狀態而使加速度反饋控制無效時，在上述負載位置的階躍響應中產生如圖4所示的振動。與此相對，在使2個開關SW1、SW2處於連接狀態而使加速度反饋控制有效時，如圖5所示，同一階躍響應快速地穩定。這是因為通過用加速度積分器29對機械模型27輸出的加速度檢測信號進行一階積分，從而可以將加速度反饋信號(第2加速度反饋信號)生成為對應於速度指令的適當的信號，加速度反饋控制理想地發揮作用。另外，雖然節省詳細的說明，但是在加速度檢測信號上未介由加速度積分器29而僅乘以第I加速度反饋增益Kfl後的第I加速度反饋信號也一併用於加速度反饋控制，其也在位置控制的減振功能上有效。
[0055]另外，該階躍響應的反應速度、穩定度還依賴於上述位置環路增益Kp、速度環路增益Kv。例如在使位置環路增益Kp變化時，如圖6所示，階躍響應的速度發生變化，還根據位置環路增益Kp的值而產生振動。因此，通過根據公知的係數圖法等適當地設定位置環路增益Kp、速度環路增益Kv、第I加速度反饋增益Kfl及第2加速度反饋增益Kf2各自的值，從而可實現理想的加速度反饋控制。
[0056]但是，由於實際安裝上的狀況而實際上很難使用加速度積分器29來進行加速度反饋控制。具體而言，是因為加速度積分器29累積AD轉換時的直流偏移、漂移，因此，結果上產生相對於位置指令的位置偏差。於是，如圖7所示，可以考慮使用頻率特性相似的一階低通濾波器28代替加速度積分器29來生成第2加速度反饋信號的構成。如上所述，該一階低通濾波器28是由在分母和分子上具有第I時間常數Tl的傳遞函數(T1/(T1.s+1))表示的濾波器，如圖8的伯德圖所示，由於頻率增益特性與加速度積分器29 (Ι/s)近似，因此可以考慮進行代用。使用該一階低通濾波器28進行加速度反饋控制時，如圖9所示，階躍響應穩定。但是，如果與使用加速度積分器29時相比，則由圖示可知，產生過衝即機械3的低頻振動。
[0057]於是，根據本次的研討，得到了新的見解，即將一階低通濾波器28用於加速度反饋控制時產生低頻振動的原因是極點配置中的偶極子的形成所引起的。對此，以下依次進行說明。
[0058]〈對於偶極子的形成〉
[0059]在此，試著將上述圖7所示的控制系統模型替換為圖10的構成的控制系統模型。另外，圖中的Gv(S)相當於上述圖7中的包括第3加減法部24、速度環路增益Kv、馬達模型25的速度控制系統環路整體的傳遞函數，其輸出相當於馬達速度Vfb。另外，圖中的P(S)相當於機械模型27的傳遞函數，但是其輸出相當於末端執行器13的移動速度也就是負載速度。加速度傳感器14對該負載速度進行一階微分而檢測出加速度檢測信號。另外，通過對馬達速度Vfb進行一階積分而得到馬達位置Pfb，通過對負載速度進行一階積分而求出負載位置。另外，為了便於計算，在該圖10的控制系統模型中，用(1/(T.s+1))來簡化一階低通濾波器28的傳遞函數。
[0060]在以上的控制系統模型中，對位置指令Pref至負載位置為止的整體的傳遞函數G(S)進行整理後，則如下所示。
【權利要求】
1.一種馬達控制裝置，其具備:位置控制部，根據位置指令和馬達位置來生成速度指令；速度控制部，根據所述速度指令和馬達速度來生成轉矩指令；及馬達驅動部，根據所述轉矩指令來驅動馬達，其是通過所述馬達來驅動安裝有加速度傳感器的機械的馬達控制裝置，其特徵在於，具備: 加速度反饋信號生成部，根據所述加速度傳感器的檢測信號即加速度檢測信號，生成針對所述速度指令的反饋信號； 及位置指令濾波器，被輸入所述位置指令，可抑制所述機械的低頻振動。
2.根據權利要求1所述的馬達控制裝置，其特徵在於， 所述加速度反饋信號生成部具有一階低通濾波器和增益，使所述加速度檢測信號介由所述一階低通濾波器及所述增益從而生成所述反饋信號， 所述位置指令濾波器在其傳遞函數中具有與所述一階低通濾波器的時間常數相同的時間常數。
3.根據權利要求2所述的馬達控制裝置，其特徵在於， 所述位置指令濾波器具備第I偶極子消去濾波器，在其傳遞函數中，在分母中具有第I時間常數以及在分子中具有第2時間常數， 所述第I時間常數與所述一階低通濾波器的時間常數相同，所述第2時間常數是能夠消去所述位置指令至所 述 機械的位置為止的傳遞函數的極點的時間常數。
4.根據權利要求2或3所述的馬達控制裝置，其特徵在於， 所述加速度反饋信號生成部還具有與所述一階低通濾波器串聯配置的一階高通濾波器， 所述位置指令濾波器在其傳遞函數中具有與所述一階高通濾波器的時間常數相同的時間常數。
5.根據權利要求4所述的馬達控制裝置，其特徵在於， 所述位置指令濾波器還具備第2偶極子消去濾波器，在其傳遞函數中，在分母中具有第3時間常數以及在分子中具有第4時間常數， 所述第3時間常數與所述一階高通濾波器的時間常數相同，所述第4時間常數是能夠消去所述位置指令至所述機械的位置為止的傳遞函數的極點的時間常數。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的馬達控制裝置，其特徵在於， 所述機械由串聯連接且具有多自由度振動模式的N個連杆構成，N為2以上的整數，並聯地具備N個所述加速度反饋信號生成部，與來自安裝於所述N個連杆的前端或振動節部的N個所述加速度傳感器的加速度檢測信號分別對應， 串聯地具備N個所述位置指令濾波器，與所述N個加速度反饋信號生成部分別對應。
7.—種馬達控制方法，其是由馬達控制裝置執行的馬達控制方法，該馬達控制裝置具備:位置控制部，根據位置指令和馬達位置來生成速度指令；速度控制部，根據所述速度指令和馬達速度來生成轉矩指令；及馬達驅動部，根據所述轉矩指令來驅動馬達，其通過所述馬達來驅動機械，其特徵在於，執行: 加速度反饋信號生成步驟，根據安裝於所述機械的加速度傳感器的檢測信號即加速度檢測信號，生成針對所述速度指令的反饋信號； 及位置指令濾波器步驟，對所述位置指令進行濾波，以抑制所述機械的低頻振動。
8.一種機械系統，其具備:馬達控制裝置，具備根據位置指令和馬達位置來生成速度指令的位置控制部、根據所述速度指令和馬達速度來生成轉矩指令的速度控制部、根據所述轉矩指令來驅動馬達的馬達驅動部；馬達，被所述馬達控制裝置驅動；及機械，安裝有加速度傳感器且被所述馬達驅動，其特徵在於，所述馬達控制裝置具備: 加速度反饋信號生成部，根據所述加速度傳感器的檢測信號即加速度檢測信號，生成針對所述速度指令的反饋信號； 及位置指令濾波器，被輸入所述位置指令，可抑制所述機械的低頻振動。
【文檔編號】H02P25/06GK103916068SQ201310724355
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年1月8日
【發明者】吉浦泰史, 加來靖彥 申請人:株式會社安川電機