馬達控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種馬達控制裝置。該馬達控制裝置包括：第一減法器、速度控制器以及相位補償速度觀測器。所述第一減法器從速度反饋信號減去速度基準而獲得速度偏差。所述速度控制器接收所述速度偏差并且輸出第一轉(zhuǎn)矩基準。所述相位補償速度觀測器接收所述第一轉(zhuǎn)矩基準和包括馬達的控制對象的速度，并且該相位補償速度觀測器輸出所述速度反饋信號。所述相位補償速度觀測器包括具有積分元件的延遲元件模型，該積分元件的階次最佳地滿足設(shè)定條件，該設(shè)定條件基于實現(xiàn)容易程度和對所述速度反饋信號相對于所述速度基準的相位延遲補償?shù)挠行猿潭取?br> 【專利說明】馬達控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文討論的實施方式涉及一種馬達控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]日本專利N0.3856215和日本專利申請?zhí)亻_N0.2008-299573均例如公開了這樣一種構(gòu)造，其使得可以通過利用相位補償速度觀測器來補償馬達控制裝置中的速度控制回路中的振動分量的相位延遲，而增加該速度控制回路的控制增益。該相位補償速度觀測器在前級側(cè)設(shè)置有將控制對象假定為剛體的等效剛體模型，而在后級側(cè)設(shè)置有模擬延遲元件的延遲元件模型，該延遲元件存在于比PI控制器落后一段的控制器中或者存在于該控制對象中。該等效剛體模型和延遲元件模型彼此串聯(lián)連接。該相位補償速度觀測器將PI控制器的輸出供應(yīng)給等效剛體模型，并且還將通過把延遲元件的輸出與控制對象的速度相減而獲取的信號經(jīng)由與穩(wěn)定化增益相乘，而反饋給積分元件。接著，相位補償速度觀測器將進入到延遲元件模型中的輸入作為速度控制回路的速度反饋信號輸出。
[0003]在上述日本專利N0.3856215中公開的相位補償速度觀測器設(shè)置有僅包括一個積分元件(Ι/s)的延遲元件模型，即，階次為一的一階延遲元件模型。在上述日本專利申請?zhí)亻_N0.2008-299573中公開的相位補償速度觀測器設(shè)置有四階延遲元件模型，其中，積分元件(Ι/s)的階次通過準確地模擬存在于控制對象中的延遲元件而被估算成較高。
[0004]如果延遲元件模型中的積分元件的階次如上述日本專利N0.3856215中所公開的太低，則出現(xiàn)反饋速度的相位超前速度基準的相位太多的問題。與此相反，如果延遲元件模型中的積分元件的階次如日本專利申請?zhí)亻_N0.2008-299573中所公開的太高，則在該觀測器實際上被實現(xiàn)為軟件時，出現(xiàn)這樣的問題，即，該觀測器花費冗長的處理時間，并且控制增益能僅在較窄范圍內(nèi)設(shè)定。
[0005]所述實施方式的一方面的目的是，提供這樣一種馬達控制裝置，即，該馬達控制裝置按達至實際上可實現(xiàn)的較寬頻率范圍來補償相位延遲，從而改進設(shè)定控制增益的性能，并由此實現(xiàn)控制對象速度針對速度基準的更精確的跟蹤性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)所述實施方式的一方面的馬達控制裝置包括:第一減法器、速度控制器以及相位補償速度觀測器。所述第一減法器從速度反饋信號減去速度基準而獲得速度偏差。所述速度控制器接收所述速度偏差并且輸出第一轉(zhuǎn)矩基準。所述相位補償速度觀測器接收所述第一轉(zhuǎn)矩基準和包括馬達的控制對象的速度，并且該相位補償速度觀測器輸出所述速度反饋信號。所述相位補償速度觀測器包括具有積分元件的延遲元件模型，該積分元件的階次最佳地滿足下述設(shè)定條件，該設(shè)定條件基于實現(xiàn)容易程度和對所述速度反饋信號相對于所述速度基準的相位延遲補償?shù)挠行猿潭取?br> [0007]根據(jù)所述實施方式的所述方面，可以按達至實際上可實現(xiàn)的更寬頻率范圍來補償相位延遲，從而改進設(shè)定控制增益的性能，并由此以實現(xiàn)控制對象速度針對速度基準的更精確的跟蹤性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參照附圖，通過閱讀下面對實施方式的詳細描述，將容易理解對本實施方式和與其相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點的更完整的評價:
[0009]圖1是示出根據(jù)一實施方式的整個馬達控制裝置的系統(tǒng)構(gòu)造的框圖；
[0010]圖2是從相位控制的觀點替代的速度控制系統(tǒng)回路的框圖；
[0011]圖3是相位補償速度觀測器的詳細框圖；
[0012]圖4是簡化的速度控制系統(tǒng)回路的框圖；
[0013]圖5A和5B是通過模擬簡化的速度控制系統(tǒng)回路而獲得的結(jié)果的波德(Bode)圖；
[0014]圖6是通過模擬簡化的速度控制系統(tǒng)回路而獲得的結(jié)果的階躍響應(yīng)圖；
[0015]圖7A至7C是按階次示出相位補償有效性程度的評價值和容易實現(xiàn)的程度的評價值以及這些評價值的總和的圖；
[0016]圖8A至8D是示出在馬達控制裝置設(shè)置有PI控制和由該實施方式的二階延遲元件模型所實現(xiàn)的相位補償速度觀測器時的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的圖；
[0017]圖9A至9D是示出在馬達控制裝置設(shè)置有PI控制和由常規(guī)一階延遲元件模型所實現(xiàn)的相位補償速度觀測器時的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的圖；
[0018]圖1OA至IOD是示出在馬達控制裝置僅設(shè)置有PI控制而沒有相位補償速度觀測器時的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的圖；
[0019]圖11是示出在馬達控制裝置設(shè)置有免調(diào)節(jié)功能時的整個馬達控制裝置的系統(tǒng)構(gòu)造的框圖；
[0020]圖12A至12C是示出在馬達控制裝置僅設(shè)置有PI控制而沒有相位補償速度觀測器并且禁用了免調(diào)節(jié)功能無效時的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的圖；
[0021]圖13A至13C是示出在馬達控制裝置僅設(shè)置有PI控制而沒有相位補償速度觀測器并且啟用了免調(diào)節(jié)功能時的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的圖；以及
[0022]圖14A至14C是示出在馬達控制裝置設(shè)置有PI控制和由修改例的二階延遲元件模型所實現(xiàn)的相位補償速度觀測器并且啟用了免調(diào)節(jié)功能時的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的圖。
【具體實施方式】
[0023]下面，參照附圖，對本文公開的馬達控制裝置的實施方式進行詳細描述。相同附圖標記被賦予相同的構(gòu)造，并由此，在適當(dāng)時省略了對其的多余描述。應(yīng)注意到，本發(fā)明不限于在所述實施方式中的例證。
[0024]首先，利用圖1，將對根據(jù)本實施方式的馬達控制裝置的示意性構(gòu)造進行描述。如圖1所示，馬達控制裝置100基于從較上位控制裝置(未例示)供應(yīng)的位置基準Θ a來控制馬達M的旋轉(zhuǎn)位置Pa (旋轉(zhuǎn)角)。應(yīng)注意到，下面給出的圖和說明將全部采用傳遞函數(shù)的形式來進行描述。在圖1中，本實施方式的馬達控制裝置100包括:位置控制器1、速度控制器2、一階低通濾波器(一階LPF) 3、電流控制器4、速度換算器6、以及相位補償速度觀測器7。
[0025]獲取作為所供應(yīng)的位置基準Θ a與由編碼器5 (稍后要描述)檢測到的馬達M的旋轉(zhuǎn)位置Pa之差的位置誤差Λ 0a?；谠撐恢谜`差Λ Θ a，位置控制器I輸出速度基準Va,從而減小位置誤差Δ Θ a。
[0026]獲取作為來自位置控制器I的速度基準Va與由相位補償速度觀測器7 (稍后要描述)按相位補償?shù)挠^測器估算速度Vb之差的速度偏差A(yù)Va?；谒俣绕預(yù)Va，速度控制器2輸出轉(zhuǎn)矩基準Ta，從而減小速度誤差A(yù)Va。應(yīng)注意到，速度偏差Λ Va從減法器9輸出。
[0027]一階LPF3例如由一階延遲元件組成，該一階延遲元件中設(shè)置有未具體示出的一個積分元件(Ι/s)。一階LPF3將高頻帶分量從由速度控制器2供應(yīng)的轉(zhuǎn)矩基準Ta中去除，并由此僅提取并輸出低頻帶分量。借助該操作，一階LPF3充當(dāng)轉(zhuǎn)矩基準濾波器，其抑制按轉(zhuǎn)矩基準Ta的采樣頻率生成的振動。
[0028]基于來自一階LPF3的轉(zhuǎn)矩基準Tb，電流控制器4例如通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制將驅(qū)動電流輸出至馬達M。
[0029]馬達M根據(jù)從電流控制器4供應(yīng)的驅(qū)動電流來生成轉(zhuǎn)矩，并由此驅(qū)動負載機器(未示出)。
[0030]編碼器5例如由與馬達M的轉(zhuǎn)子機械地連接的旋轉(zhuǎn)編碼器組成。編碼器5檢測馬達M的旋轉(zhuǎn)位置Pa。
[0031]速度換算器6將由編碼器5檢測到的馬達M的旋轉(zhuǎn)位置Pa的變化換算成馬達M的馬達速度Vc。具體來說，可以將微分器(s)充分地用作速度換算器6。
[0032]相位補償速度觀測器7基于由速度控制器2輸出的轉(zhuǎn)矩基準Ta并且基于由速度換算器6輸出的馬達M的馬達速度Vc，來輸出觀測器估算速度Vb，該觀測器估算速度按相位補償，從而相對于馬達速度Vc相位提前。稍后，將對相位補償速度觀測器7的構(gòu)造進行詳細描述。
[0033]如上所述構(gòu)造的馬達控制裝置100包括三重回路構(gòu)造，該三重回路構(gòu)件由位置控制系統(tǒng)的反饋回路、速度控制系統(tǒng)的反饋回路以及電流控制系統(tǒng)的反饋回路所組成。在位置控制系統(tǒng)的反饋回路(下面稱作位置控制系統(tǒng)回路)中，在從較上位控制裝置(未例示)供應(yīng)了位置基準Θ a之后，將控制信號和檢測信號通過按位置控制器1、速度控制器2、一階LPF3、電流控制器4、馬達M、以及編碼器5的次序來傳送，并且此后執(zhí)行反饋。在速度控制系統(tǒng)的反饋回路(下面稱作速度控制系統(tǒng)回路)中，將控制信號和檢測信號通過按速度控制器2、一階LPF3、電流控制器4、馬達M、編碼器5、速度換算器6、以及相位補償速度觀測器7的次序來傳送，并且此后執(zhí)行反饋。應(yīng)注意到，在本實施方式中，為簡單描述起見，省略了對電流控制器4中設(shè)置的電流控制系統(tǒng)的反饋回路的描述。
[0034]在這些回路當(dāng)中的速度控制系統(tǒng)回路中，相位補償速度觀測器7補償速度反饋信號(馬達速度)中的相位延遲，該相位延遲是由來自馬達M的特性參數(shù)(諸如馬達線圈的電阻、馬達線圈的電感、以及馬達的慣性矩)中的波動的不可忽略影響所造成的，或者由因數(shù)字伺服所造成的空載時間(dead time)而造成的。這種補償確保了馬達M的響應(yīng)特性的魯棒性(robustness)。下面,將對如上所述起作用的相位補償速度觀測器7的構(gòu)造進行詳細描述。
[0035]首先，與圖1中的速度控制系統(tǒng)回路相對應(yīng)的部分可以用圖2所示構(gòu)造來替換。在圖2中，該速度控制系統(tǒng)回路包括:PI控制器21、延遲元件22、控制對象23、速度換算器6、以及相位補償速度觀測器7。
[0036]PI控制器21對應(yīng)于圖1中的速度控制器2的功能元件。PI控制器21執(zhí)行所謂PI運算，其中，針對速度偏差Λ Va并行執(zhí)行比例運算(P運算)和積分運算(I運算)，并輸出轉(zhuǎn)矩基準Ta。這些運算當(dāng)中的比例運算的增益對應(yīng)于速度回路增益(未具體示出)。
[0037]延遲元件22對應(yīng)于包括在圖1中的一階LPF3和電流控制器4中的延遲元件。延遲元件22是這樣的元件，即，其相對于供應(yīng)至其的轉(zhuǎn)矩基準Ta的變化，對從隨后的控制對象的輸出響應(yīng)(即，在該實施例中，在馬達速度Vc的響應(yīng))所換算的速度值產(chǎn)生延遲。
[0038]控制對象23對應(yīng)于圖1中的馬達M的功能元件和連接至馬達M的負載機器的功能元件?？刂茖ο?3在馬達M的轉(zhuǎn)子與負載機器之間具有已知的慣性矩比。
[0039]控制對象速度(馬達速度)是從控制對象的輸出(馬達位置)而換算成的速度值，并且是針對供應(yīng)到速度控制系統(tǒng)回路的速度基準Va中的變化的延遲響應(yīng)。如果控制對象速度被直接反饋，則整個速度控制系統(tǒng)回路很可能振蕩。具體來說，當(dāng)將速度回路增益設(shè)定成較大值時，整個速度控制系統(tǒng)回路因轉(zhuǎn)矩基準Ta中的高頻分量在相位上顯著延遲而容易振蕩。
[0040]為了防止振蕩，相位補償速度觀測器7輸出假定控制對象速度作為觀測器估算速度Vb，其中，在控制對象速度沒有延遲地對供應(yīng)到控制器和控制對象的轉(zhuǎn)矩基準Ta中的變化進行響應(yīng)的情況下，所述假定控制對象速度被估算以輸出。具體來說，相位補償速度觀測器7參考轉(zhuǎn)矩基準Ta中的實際變化，并且輸出通過適當(dāng)?shù)貙嶋H檢測的控制對象速度的相位提前而獲得的觀測器估算速度Vb。將觀測器估算速度Vb反饋可以防止速度控制系統(tǒng)回路中的振蕩。
[0041]圖3例示了本實施方式中的相位補償速度觀測器7的詳細框圖。在圖3中，相位補償速度觀測器7主要包括:等效剛體模型31、延遲元件模型32、以及觀測器補償器33。
[0042]等效剛體模型31是假定圖2中的控制對象(負載機器)作為最簡單的剛體的模型(用傳遞函數(shù)表達的數(shù)學(xué)模型)。
[0043]延遲元件模型32是對圖2中的延遲元件22進行模擬的模型(用傳遞函數(shù)表達的數(shù)學(xué)模型)。
[0044]在相位補償速度觀測器7中，將從PI控制器21供應(yīng)有轉(zhuǎn)矩基準Ta的等效剛體模型31設(shè)置在前級級側(cè)，而延遲元件模型32被設(shè)置在后級側(cè)，并且等效剛體模型31串聯(lián)連接至延遲元件模型32。在這種連接構(gòu)造中，延遲元件模型32可以被假定成生成對實際控制對象速度進行模擬并且在相位上具有較小延遲的輸出。相位補償速度觀測器7使用觀測器補償器33，以適當(dāng)?shù)匮a償延遲元件模型32的輸出與實際控制對象速度之間的誤差。相位補償速度觀測器7還將通過觀測器補償器33補償?shù)恼`差反饋并循環(huán)至供應(yīng)到等效剛體模型31的轉(zhuǎn)矩基準Ta。結(jié)果，延遲元件模型32的輸出還可以被近似成實際控制對象速度。在這種狀態(tài)下，等效剛體模型31可以被看作生成接近于已經(jīng)消除了相位延遲的控制對象速度的輸出。相位補償速度觀測器7作為具有比實際控制對象速度的相位超前的相位的觀測器估算速度輸出該輸出。應(yīng)注意到，上述誤差從減法器10輸出。
[0045]等效剛體模型31和延遲元件模型32設(shè)置有積分元件(Ι/s)。為了穩(wěn)定地操作相位補償速度觀測器7，必需將延遲元件模型32的輸出與實際控制對象速度之間的誤差乘以適當(dāng)?shù)挠^測器穩(wěn)定化增益，并且將該乘積加至等效剛體模型31中的和延遲元件模型32中的相應(yīng)積分元件的輸入。觀測器補償器33被構(gòu)造成，將該誤差乘以與每一個積分元件相對應(yīng)的觀測器穩(wěn)定化增益，并接著將該乘積分布至每一個積分元件的輸入。
[0046]在如上所述起作用的相位補償速度觀測器7中，期望延遲元件模型32準確地對包括存在于一階LPF3和電流控制器4中的延遲元件并且還存在于包括馬達M的控制對象23中的延遲元件的延遲元件22進行模擬。即使僅考慮到延遲元件，除了設(shè)置在一階LPF3中的積分元件的階次以外，電流控制器4中固有的積分元件的階次也需要被加至延遲元件模型32的階次。由此，延遲元件模型32需要具有一階或更高階次。然而，每當(dāng)積分元件的總數(shù)要被積分時，即，積分元件針對每一處理信號的階次每上升一，則變得越來越難于將延遲元件模型32實現(xiàn)為數(shù)字電路或軟件。
[0047]在本實施方式中，延遲元件模型32的階次已經(jīng)基于下列考慮進行了設(shè)定。例如，圖2中所示的速度控制系統(tǒng)回路用諸如圖4所示的模型的最簡化模型來替換。該模型將供應(yīng)至其的速度基準Va乘以控制增益41和延遲元件42以及控制對象43，并且單純地反饋該乘法的輸出(速度)?？刂圃鲆?1被表示為K ;延遲元件42被表示為一階延遲元件I(Ι+Ts);而控制對象43被表示為Ι/s。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)延遲元件42的時間常數(shù)T，模型的模擬按下列情況執(zhí)行:在不存在相位延遲時；以及在相位延遲在80Hz (T=2ms)的頻率、200Hz(T=0.8ms)的頻率、以及400Hz(T=0.4ms)的頻率下為45度時。圖5A、5B以及6示出了該模擬的結(jié)果。圖5A和5B是上述結(jié)果的波德圖(圖5A中為增益特性，而圖5B中為相位特性)。圖6是上述結(jié)果的階躍響應(yīng)圖。應(yīng)注意到，控制增益41在上述模擬中被設(shè)定為K=40Hz。
[0048]從圖5B的相位特性觀察到，在等于或低于控制增益K的頻率范圍中，隨著延遲頻率的增加，該曲線更靠近沒有延遲的情況下的曲線，而且在延遲頻率為400Hz時，幾乎與沒有延遲的情況下的曲線重合。這種關(guān)系在圖5A的增益特性中和圖6的階躍響應(yīng)中也被觀察到。這種關(guān)系暗示了，如果延遲頻率充分高于(在所示實施例中，約略和10倍一樣大)由控制增益K確定的控制系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，則控制回路中的延遲元件被忽略而不會有顯著影響。
[0049]原則上，延遲元件22中的積分元件的階次還應(yīng)當(dāng)精確地估算，以便使得延遲元件模型32準確地對包括存在于一階LPF3和電流控制器4中的延遲元件并且還存在于包括馬達M的控制對象中的延遲元件的延遲元件22進行模擬。然而，從圖5A、5B以及6中所示關(guān)系觀察到，省略該估算幾乎不影響針對比速度回路的響應(yīng)頻率顯著更高的頻率的性能。即，本申請的發(fā)明人最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將延遲元件模型32的階次上升至預(yù)定值或更高幾乎不提高相位延遲補償?shù)挠行猿潭取?br> [0050]在本實施方式中，積分元件的階次在相位補償中的有效性程度被定義為從如上所述的相位延遲補償?shù)墓δ苄杂^點評價的階次的影響。圖7A是示出圖3所示延遲元件模型32中的有效性程度的評價值作為針對階次分布的圖。在圖7A中，雖然有效性程度隨著階次的上升而總是單調(diào)地增加，但當(dāng)階次為三或更高時，該增加的變化率仍僅是小的，并且有效性程度收斂到幾乎恒定值。
[0051]如上所述，每當(dāng)積分元件以一個處理信號累積的階次每上升一，就變得越來越難于將延遲元件模型32實現(xiàn)為數(shù)字電路和軟件。在本實施方式中，在積分元件的階次處的實現(xiàn)容易程度被定義為從如上所述按數(shù)字電路和軟件實現(xiàn)的觀點評價的階次的影響。圖7B是作為針對階次的分布示出圖3所示的延遲元件模型32中的容易實現(xiàn)的程度的評價值的圖。在圖7B中，實現(xiàn)容易程度與階次中的上升大致成反比地單調(diào)減小。盡管充分可行值被保持達至階次為二的情況，但實現(xiàn)容易程度在三階或更高階次快速下降，此后漸進地幾乎接近于零。應(yīng)注意到，圖7A和7B按相同比例示出了評價值。
[0052] 在本實施方式中，期望的是，延遲元件模型32設(shè)置有階次滿足以下條件的積分元件:相位補償?shù)挠行猿潭鹊脑u價值和實現(xiàn)容易程度的評價值兩者之和等于或大于預(yù)定值。換句話說，延遲元件模型32設(shè)置有這樣的階次的積分元件，即:在該階次下，所述和等于或大于通過將圖7A的分布和圖7B的分布求和而獲得的圖7C的分布中的預(yù)定值。具體地，在本實施方式中，兩個評價值的和在第二階次下最高。因此，延遲元件模型32設(shè)置有兩個積分元件，并且整個相位補償速度觀測器7是四階的(參照圖3)。應(yīng)注意到，整個相位補償速度觀測器7為四階系統(tǒng)，這是因為用于干擾補償?shù)穆窂骄哂腥缟院髮⒚枋龅囊粋€積分元件。
[0053]返回圖3中，觀測器補償器33將信號(參照圖3中的D、E以及F)分布至設(shè)置在等效剛體模型31中的單一積分元件的輸入和設(shè)置在延遲元件模型32中的兩個積分元件的輸入。這些信號(參照圖3中的D、E以及F)是通過將延遲元件模型32的輸出與實際控制對象速度(馬達速度)之差乘以適當(dāng)?shù)挠^測器穩(wěn)定化增益而獲得的信號。而且，觀測器補償器33與上述分布信號分離地將通過將所述誤差乘以積分元件與觀測器穩(wěn)定化增益而獲得的信號(參照圖3中的C)加至等效剛體模型31的積分元件的輸入。該路徑是用于干擾補償?shù)穆窂?，其考慮了因控制對象23的負載機器中的摩擦元件等所造成的干擾而導(dǎo)致的移位量。作為上述的結(jié)果，觀測器補償器33經(jīng)由觀測器穩(wěn)定化增益通過總計四個路徑輸出。
[0054]下面，將參照圖8A至IOD的具體階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，對本實施方式的馬達控制裝置100的有效性進行說明。圖8A、9A以及IOA中的每一個的軸向標記“位置^示從較上位控制裝置(未示出)供應(yīng)的位置基準和從編碼器5供應(yīng)的馬達旋轉(zhuǎn)位置(其應(yīng)用至所有圖12A、13A以及14A)。應(yīng)注意到，在圖8A、9A以及IOA中的任一個圖中，因為馬達旋轉(zhuǎn)位置完全響應(yīng)于位置基準，所以位置基準和馬達旋轉(zhuǎn)位置被示出為彼此幾乎重合。圖8B、9B以及IOB的每一個中的軸向標記“速度”表示供應(yīng)到速度控制系統(tǒng)回路的速度基準以及馬達速度(其應(yīng)用至所有圖12B、13B，以及14B)。應(yīng)注意到，在圖8B、9B以及IOB中的任一個圖中，因為馬達速度完全響應(yīng)于速度基準，所以速度基準和馬達速度被示出為彼此幾乎重合。圖8C、9C以及IOC的每一個中的軸向標記“位置誤差”表示位置誤差Λ 0a，其是位置誤差與從編碼器5供應(yīng)的馬達旋轉(zhuǎn)位置之差，并且是直接供應(yīng)到位置控制器I的信號(其應(yīng)用至所有圖12C、13C以及14C)。圖8D、9D以及IOD的每一個中的軸向標記“轉(zhuǎn)矩”表示恰好在供應(yīng)到電流控制器4之前的轉(zhuǎn)矩基準Tb。
[0055]所觀察到的是，在馬達停止時出現(xiàn)振動(參照由虛線所繪的橢圓中的部分)，在圖1OC和IOD中，針對其中馬達控制裝置僅設(shè)置有PI控制而沒有相位補償速度觀測器7的情況，而在圖9C和9D中，針對其中馬達控制裝置設(shè)置有PI控制和由常規(guī)的一階延遲元件模型所實現(xiàn)的相位補償速度觀測器的情況。與此相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，改進了在馬達停止時振動的抑制效果(參照由虛線所繪的橢圓中的部分)，在圖8AC和8D中，針對其中馬達控制裝置設(shè)置有PI控制和由本實施方式的二階延遲元件模型32所實現(xiàn)的相位補償速度觀測器7的情況。提供本實施方式的相位補償速度觀測器7防止因相位延遲而造成的振動。
[0056]在上面給出的描述中，由速度控制器2輸出的轉(zhuǎn)矩基準Ta對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的第一轉(zhuǎn)矩基準，而等效剛體模型31對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的控制對象模型。等效剛體模型31和延遲元件模型32的整個串聯(lián)連接組合對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的觀測器對象。減法器9對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的第一減法器，而減法器10對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的第二減法器。
[0057]根據(jù)上述實施方式，獲得如下所述的效果。即，在本實施方式的馬達控制裝置100中，延遲元件模型32被構(gòu)造成設(shè)置有積分元件，積分元件的階次最佳地滿足下述設(shè)定條件，該設(shè)定條件基于相位延遲補償?shù)挠行猿潭群蛯崿F(xiàn)容易程度。利用該構(gòu)造，具有最佳平衡的相位補償速度觀測器7可以考慮到相位延遲補償?shù)男阅芘c軟件實現(xiàn)的可行性之間的折衷來實現(xiàn)。結(jié)果，可以按達至實際上可實現(xiàn)的更寬頻率范圍來補償相位延遲，從而改進設(shè)定控制增益的性能，并由此以實現(xiàn)控制對象速度針對速度基準的更精確的跟蹤性能。
[0058]在相位補償速度觀測器7中，接收從速度控制器2輸出的轉(zhuǎn)矩基準Ta的等效剛體模型31被設(shè)置在前級側(cè)，而通過建模存在于包括控制對象23在內(nèi)的控制系統(tǒng)中的延遲元件而獲得的延遲元件模型32被設(shè)置在后級側(cè)，并且等效剛體模型31串聯(lián)連接至延遲元件模型32。延遲元件模型32可以被假定成生成模擬控制對象23的實際速度并且在相位上具有較小延遲的輸出。相位補償速度觀測器7將延遲元件模型32的輸出與控制對象23的實際速度之間的誤差乘以觀測器補償器33的觀測器穩(wěn)定化增益以補償誤差，并且此后，將該乘積加至等效剛體模型31和延遲元件模型32，以循環(huán)該誤差。結(jié)果，延遲元件模型32的輸出還可以被近似成控制對象的實際速度。在這種狀態(tài)下，等效剛體模型31可以被看作生成接近已經(jīng)消除了延遲元件的控制對象的速度的輸出。通過將該輸出用作速度控制系統(tǒng)回路的速度反饋信號，速度控制系統(tǒng)回路中的相位延遲能夠被補償而得到消除。
[0059]最佳地滿足設(shè)定條件的階次被設(shè)定成這樣的階次，在該階次下，相位延遲補償?shù)挠行猿潭鹊脑u價值和實現(xiàn)容易程度的評價值的和是最大的。利用該設(shè)定，最佳階次可以被設(shè)定成考慮相位延遲補償?shù)挠行猿潭群蛯崿F(xiàn)容易程度兩者。
[0060]從圖7C發(fā)現(xiàn)，該設(shè)定條件在階次為二時被最佳地滿足。由此，在延遲元件模型當(dāng)中，具體地，具有兩個積分元件的二階延遲元件模型32最合適。
[0061]在本實施方式中，作為用于干擾補償?shù)穆窂剑淇紤]了因控制對象的負載機器中的摩擦元件而造成的移位量，觀測器補償器33將第一輸出C加至PI控制器21的輸出。另夕卜，如上所述，當(dāng)延遲元件模型32具有第二階次時，相位補償速度觀測器7中具有四個積分元件，包括等效剛體模型31中的一個積分元件和用于干擾補償?shù)穆窂街械囊粋€積分元件。與此對應(yīng)的是，除了加上上述第一輸出C以外，觀測器補償器33向積分元件的輸入加上與相應(yīng)穩(wěn)定化增益相乘的第二輸出D、第三輸出E以及第四輸出F，由此，使得可以穩(wěn)定相位補償速度觀測器7。
[0062]下面，將對上述實施方式的修改例進行描述。
[0063](I)針對具有干擾觀測器的馬達控制裝置的應(yīng)用
[0064]上述實施方式描述了這樣的情況，即，將四階相位補償速度觀測器7 (僅具有延遲元件模型32的第二階次)應(yīng)用至未利用干擾觀測器補償負載慣性矩的馬達控制裝置100。在其它情況下，還通過將四階相位補償速度觀測器7應(yīng)用至通過利用干擾觀測器補償負載慣性矩的馬達控制裝置而獲得有利效果。
[0065]如圖11所示，本修改例的馬達控制裝置100A除了圖1所示構(gòu)造以外還包括慣性矩補償器51。慣性矩補償器51基于通過利用內(nèi)部干擾觀測器的速度換算器6輸出的馬達M的旋轉(zhuǎn)速度Vc并且基于從一階LPF3輸出的并且將要供應(yīng)到電流控制器4的轉(zhuǎn)矩基準，來計算干擾轉(zhuǎn)矩的估算值。將干擾轉(zhuǎn)矩的估算值作為估算干擾轉(zhuǎn)矩Tc而在加法器14處加至恰好從一階LPF3輸出之后的轉(zhuǎn)矩基準。在按這種方式構(gòu)造的本修改例的馬達控制裝置IOOA中，慣性矩補償器51調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩基準，從而減小賦予馬達M的轉(zhuǎn)子的干擾的影響。結(jié)果，即使負載機器的慣性矩比是未知的或波動，也可以確保馬達M的響應(yīng)特性的魯棒性。
[0066]按這種方式，慣性矩補償器51使用干擾觀測器來補償馬達M的負載慣性矩，由此，使控制系統(tǒng)接近標稱模型。然而，當(dāng)慣性矩比Jtl增加時，不能完全補償慣性矩。慣性矩的未補償部分從控制系統(tǒng)的觀點來看可以被看作充當(dāng)延遲元件。該延遲元件打破了速度控制系統(tǒng)回路與位置控制系統(tǒng)回路之間的增益平衡，使得整個馬達控制裝置100A變得很可能振蕩。
[0067]為了處理這個問題，也在本修改例的馬達控制裝置100A中，延遲元件模型32被構(gòu)造成設(shè)置有積分元件，該積分元件的階次最佳地滿足下述設(shè)定條件，該設(shè)定條件基于相位延遲補償?shù)挠行猿潭群蛯崿F(xiàn)容易程度。利用該構(gòu)造，具有最佳平衡的相位補償速度觀測器7可以考慮到相位延遲補償?shù)男阅芘c軟件實現(xiàn)的可行性來實現(xiàn)。按這種方式構(gòu)造的相位補償速度觀測器7可以補償?shù)刃в趹T性矩的、不能通過慣性矩補償器51補償?shù)牟糠值难舆t元件，并由此還可以穩(wěn)定控制系統(tǒng)。換句話說，當(dāng)將相位補償速度觀測器7應(yīng)用至通過利用上述干擾觀測器補償負載慣性矩的馬達控制裝置100A時，相位補償速度觀測器7可以在功能上補助由干擾觀測器對負載慣性矩的補償，并由此是有用的。
[0068]結(jié)果，也在本修改例中，可以按達至實際上可實現(xiàn)的更寬頻率范圍來補償相位延遲，并因而改進設(shè)定控制增益的性能，并由此實現(xiàn)控制對象速度針對速度基準的更精確的跟蹤性能。應(yīng)注意到，恰好在從一階LPF3輸出之后的轉(zhuǎn)矩基準對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的第一轉(zhuǎn)矩基準；加法器14對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的轉(zhuǎn)矩基準加法器；而恰好在被供應(yīng)到電流控制器4之前的轉(zhuǎn)矩基準對應(yīng)于權(quán)利要求書中描述的第二轉(zhuǎn)矩基準。
[0069]下面，將參照圖12A至14C的具體階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)對本修改例的馬達控制裝置100A的有效性進行說明。應(yīng)注意到，僅僅與圖8A至8D、9A至9D、以及IOA至IOD每一組當(dāng)中的、具有后綴A至C的那些圖相對應(yīng)的三個圖分別被示出為圖12A至12C、13A至13C、以及14A至 14C。
[0070]圖12C示出了在馬達控制裝置僅設(shè)置有PI控制而沒有相位補償速度觀測器7時的位置誤差。圖13C示出了在馬達控制裝置具有慣性矩補償器51并且僅設(shè)置有PI控制而沒有相位補償速度觀測器7時的位置誤差。圖13C中的位置誤差相對于圖12C中的位置誤差在相位上稍微延遲(參照由虛線所繪的橢圓中的部分)。這是指慣性矩的如上所述未補償?shù)牟糠謴目刂葡到y(tǒng)的觀點來看充當(dāng)延遲元件。與其相比，圖14C示出了在馬達控制裝置具有慣性矩補償器51并且設(shè)置有PI控制和由本修改例的二階延遲元件模型32所實現(xiàn)的相位補償速度觀測器7時的位置誤差。圖14C中的這種位置誤差保持幾乎與在圖12C的情況中相同的相位(參照由虛線所繪的橢圓中的部分)。這種結(jié)果已經(jīng)證明，改進了相位延遲的抑制效果。
[0071]通過上述實施方式和修改例所示的技術(shù)可以在適當(dāng)時按除了上述那些以外的其它方式來組合和使用。
【權(quán)利要求】
1.一種馬達控制裝置，該馬達控制裝置包括: 第一減法器，該第一減法器從速度反饋?目號減去速度基準而獲得速度偏差； 速度控制器，該速度控制器接收所述速度偏差并且輸出第一轉(zhuǎn)矩基準；以及相位補償速度觀測器，該相位補償速度觀測器接收所述第一轉(zhuǎn)矩基準和包括馬達的控制對象的速度，并且該相位補償速度觀測器輸出所述速度反饋信號，其中， 所述相位補償速度觀測器包括具有積分元件的延遲元件模型，該積分元件的階次最佳地滿足下述設(shè)定條件，該設(shè)定條件基于實現(xiàn)容易程度和對所述速度反饋信號相對于所述速度基準的相位延遲補償?shù)挠行猿潭取?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達控制裝置，其中， 所述相位補償速度觀測器包括: 觀測器對象，該觀測器對象串聯(lián)地包括將所述控制對象作為剛體進行建模而得的控制對象模型和對控制系統(tǒng)的延遲元件進行建模而得的所述延遲元件模型，并且該觀測器對象接收所述第一轉(zhuǎn)矩基準作為對所述控制對象模型的輸入并且輸出基于對所述延遲元件模型的輸入的所述速度反饋信號； 第二減法器，該第二減法器從所述控制對象的速度減去所述延遲元件模型的輸出；以及 觀測器補償器，該觀測器補償器具有多個增益，并且該觀測器補償器將所述第二減法器的輸出與所述增益中的一個增益相乘，并且將乘積加至所述控制對象模型或者加至所述延遲元件模型。`
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達控制裝置，其中，最佳地滿足所述設(shè)定條件的階次是這樣的階次，在該階次下，對所述相位延遲補償?shù)挠行猿潭雀鶕?jù)階次的評價值和所述實現(xiàn)容易程度根據(jù)階次的評價值之和最大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的馬達控制裝置，其中，包括在所述延遲元件模型中的所述積分元件的階次為二。
5.一種馬達控制裝置，該馬達控制裝置包括: 第一減法器，該第一減法器從速度反饋?目號減去速度基準而獲得速度偏差； 速度控制器，該速度控制器接收所述速度偏差并且輸出第一轉(zhuǎn)矩基準； 相位補償速度觀測器，該相位補償速度觀測器接收所述第一轉(zhuǎn)矩基準和包括馬達的控制對象的速度，并且該相位補償觀測器輸出所述速度反饋信號； 慣性矩補償器，該慣性矩補償器接收第二轉(zhuǎn)矩基準和所述控制對象的速度，并且該慣性矩補償器輸出估算的干擾轉(zhuǎn)矩；以及 轉(zhuǎn)矩基準加法器，該轉(zhuǎn)矩基準加法器將所述第一轉(zhuǎn)矩基準與所述估算的干擾轉(zhuǎn)矩相加，并且將和作為所述第二轉(zhuǎn)矩基準輸出，其中， 所述相位補償速度觀測器包括具有積分元件的延遲元件模型，該積分元件的階次最佳地滿足下述設(shè)定條件，該設(shè)定條件基于實現(xiàn)容易程度和對所述速度反饋信號相對于所述速度基準的相位延遲補償?shù)挠行猿潭取?br> 【文檔編號】H02P21/13GK103633914SQ201310082626
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月24日
【發(fā)明者】吉浦泰史, 加來靖彥 申請人:株式會社安川電機