电动机速度控制装置及该装置的增益设定方法 【技术领域】
本发明涉及能高速响应的电动机速度控制装置、以及该装置地增益设定方法。
背景技术
电动机的速度控制装置不仅有按照指令速度进行工作的用途，而且通过在速度回路的外侧附加位置控制回路，还能用于高速定位工作等具有多种用途。即高速控制系统高速、高精度地跟踪速度指令是不可缺少的。以下，列举有关上述技术领域中的现有的技术，说明其特性。
(1)只反馈由位置差分产生的速度信号的电动机速度控制装置。
在该技术中，如果为了实现高速响应而增大速度回路的比例增益，则会放大检测速度的高频脉动分量，转矩波形紊乱，产生电动机的声音和振动增大的问题。用电动机速度控制装置驱动的电动机在驱动机构的情况下，上述转矩波形的紊乱成为机构及动力传递机构的机械共振要素的激振源，或者，由于上述共振特性的存在损害了控制回路的稳定余裕，所以机构驱动时发生共振音，存在控制系统不稳定的问题，因此，由于上述“转矩波形的紊乱”和“控制回路的稳定余裕的减少”，上述电动机速度控制装置的比例增益的大小受到限制，存在不能改善速度控制系统的响应特性的问题。
(2)使速度检测输出信号通过低通滤波器的方法。
为了使转矩波形圆滑，可以考虑使速度检测信号通过低通滤波器，降低噪声的方法，但由于相位滞后的增加损害了控制回路的稳定余裕，所以不能增加速度控制系统的比例增益，不能改善响应特性。
(3)采用同一维观测器的方法。
为了使转矩波形圆滑，而且确保控制回路的稳定余裕，可以考虑将同一维(状态)观测器合并到速度控制系统中。由于同一维状态观测器是预测型的，所以能输出相位滞后少的速度信号，这是容易想象而且能实现的。
(4)用等效刚体观测器进行的减振控制方法。
作为确保控制回路的稳定余裕、增大驱动有机械共振要素的影响的机构系统的比例增益的装置，有“特愿平6-127859”(特开平7-337057)和“特愿平7-233528”(特开平9-56183)。这是在速度控制系统中增加了由等效刚体观测器和低通滤波器、高通滤波器、减振增益构成的控制结构的控制装置。
将本发明的课题整理成以下四点。
(a)一般说来，在状态观测器中，由于库仑摩擦等的干扰，在检测速度中产生恒定温差，所以例如速度控制系统即使是比例积分型的，也存在速度控制系统的输出信号与指令速度不一致的问题。因此，通常的状态观测器不能直接合并到速度控制系统中。
(b)在使用等效刚体观测器的电动机控制装置中，应调整的参数很多。除了速度控制系统的通常的控制参数以外，还需要增加对观测器增益、低通滤波器的时间常数、高通滤波器的时间常数、以及减振增益中的至少合计三个参数进行调整。
(c)速度控制系统没有进行高速响应的调整程序，或调整方法复杂。
这样，在现有的技术中，由于应调整的参数多，所以调整程序复杂，存在不能提示调整程序的问题。
作为其解决措施，由于将观测器增益取得比速度控制系统的增益大，所以多半进行观测器的动特性对速度控制系统的动特性没有影响的设定，简化控制系统的调整。
(d)合并了观测器的速度控制系统没有成为能容易地改善响应特性的结构。即，在此情况下，由于观测器(作为滤波器用)的截止频率高，所以不能用观测器充分地降低机械共振分量，仍然不能增大速度控制系统的比例增益(将在后文详述)。
通过上面的讨论，本发明的目的在于提供一种在合并了等效刚体观测器的速度控制系统中，具有应调整的参数少、能增加速度控制系统的比例增益的控制结构的控制装置，以及提示一种在上述控制装置中能容易地高速进行速度响应的调整程序。
发明的公开
在以下的说明中，符号的意义如下。
s：拉普拉斯算符
ζs：观测器的衰减常数
ωs：观测器的频带
kv：比例增益
Cf(s)：后文所述的稳定化补偿器的传递函数
为了解决上述课题，如果采用发明的第一方面，则其特征在于备有：
备有比例运算装置、控制电动机的角速度的速度控制装置；
在将粘性摩擦作为时间常数的一次滞后系统中模型化的等效刚体模型；
进行比例运算的第一补偿装置；
进行积分运算的第二补偿装置；
将上述速度控制装置输出的电动机的转矩信号、上述第一补偿装置的输出、以及上述第二补偿装置的输出相加后，输入给上述等效刚体模型，同时从上述速度控制装置的速度信号减去上述等效刚体模型的输出，并将该减得的差信号输入给上述第一补偿装置和上述第二补偿装置的装置；以及
用第一增益(ζs)和第二增益(ωs)的积定义上述第一补偿装置的比例增益，用上述第二增益的平方定义上述第二补偿装置的积分增益，
将上述速度控制装置的上述比例运算装置的比例增益(kv)乘以预先设定的频带设定系数(α)，构成上述第二增益(ωs)的装置，将上述等效刚体模型的输出作为检测速度，反馈输入给上述速度控制装置。
另外，如果采用发明的第二方面，则其特征在于：在发明的第一方面所述的电动机速度控制装置的增益设定中，
在预先设定的值中取出上述频带设定系数，
使上述速度控制装置的比例运算装置的比例增益增加，直至达到速度控制系统的振荡极限之前为止，将上述频带设定系数变更为比预先设定的值低的值，使上述速度控制装置的比例运算装置的比例增益增加，直至达到速度控制系统的振荡极限之前为止，反复进行上述处理。
附图的简单说明
图1是表示本发明的电动机速度控制装置的原理的框图。
图2(a)是在附加条件下与图1(d)所示框图等效的框图。
(b)是用比例控制实现的速度控制装置。
(c)是用比例积分控制实现的速度控制装置。
(d)是用积分比例控制实现的速度控制装置。
图3是本发明的电动机速度控制装置及该装置的增益设定方法的一实施例的框图。
图4是表示图3所示的一实施例中的计算机模拟结果的说明图。
实施发明用的最佳形态
图1是表示成为本发明的电动机速度控制装置的基础的速度控制装置的原理的框图。伴随机械共振的控制对象是在本申请人的特开平7-337057号公报和特愿平7-233528中已经申请过的控制对象，它可以用图1(a)所示的分离成等效刚体101和机械共振系统102的框图表示。为了说明简单起见，可以认为电动机等的粘性摩擦小，设D0=0。另外，惯量也简化为J=1。
根据上述的问题，首先，需要具有干扰补偿功能的同一维观测器，所以在本发明中，如果采用具有干扰补偿功能的等效刚体观测器(特开平7-337057号中记载的)，则能用图1(a)所示的结构构成输入电动机的检测速度和转矩指令信号的观测器。但是，在本发明中，与在上述公开公报中公开的技术不同，将等效刚体观测器110的等效刚体模型111的输出作为检测速度，反馈给速度控制系统。因此能构成合并了输出速度的等效刚体观测器的速度控制系统。观测器的稳定化补偿器112能用下面的(1)式表示。Cf(s)=2ξsωs+ωs2s---(1)]]>
图1(a)中的速度控制装置103输入速度指令和速度反馈，能输出电动机的转矩即可，在控制结构上不需要规定。作为代表例，将比例控制、比例积分控制、积分比例控制的各种控制结构分别示于图2(b)、(c)、(d)中。
通常，到此阶段为止，如果将框图汇总起来，则虽然不进行以上的变形，但在本发明中，为了在本质上解释合并了等效刚体观测器110的速度控制系统的结构，尝试一下特意进行的变形。
如果将图1(a)中的框图变为(a)→(b)→(c)，则可知速度反馈通路能分成两个等效反馈回路(外侧和内侧共两个)。图1(c)中的内侧的等效反馈回路还能象图1(d)所示那样变形。
内侧的等效反馈回路的部件的传递函数Gin(s)由(1)式变为下面的(2)式。ss+Cf(s)=s2s2+2ξsωss+ωs2---(2)]]>
分子只是s的平方项，分母是s的平方的多项式，所以Gin(s)部件是高通滤波器。
外侧的等效反馈回路的部件的传递函数Gout(s)变为下面的(3)式。Cf(s)s+Cf(s)=2ξsωss+ωs2s2+2ξsωss+ωs2---(3)]]>
分子是s的一次方的多项式，分母是s的平方的多项式，Gin(s)部件是低通滤波器。
为了讨论上述内侧和外侧的等效反馈回路的本质，在图1(d)中，考虑负载机械的刚性大的理想状态。这时，假定R(s)=1，所以将内侧和外侧的等效反馈回路汇总起来，变为下面的(4)式。ss+Cf(s)+Cf(s)s+Cf(s)=1---(4)]]>
由(4)式可知，图1(a)所示的合并了同一维的等效刚体观测器的速度控制系统等效地具有反馈速度信号的低频分量的外侧反馈回路，以及反馈高频分量的内侧反馈回路。
已知一般情况下，速度控制系统的稳定与控制回路的高频带的相位特性有关，干扰抑制性能等恒定特性与控制回路的低频带的增益特性有关。在图1(d)中，在将高通滤波器和低通滤波器的频带设定得比速度控制回路中作为目标的频带低(设定为ωs)的情况下，控制回路的稳定性由内侧回路决定，恒定特性由外侧回路决定。由于内侧回路与机械共振要素R(s)不相通，所以高通滤波器的频带最适合用ωs设定，这时能增加速度回路增益，可知能改善速度控制系统的目标响应特性。在现有的先行发明中，由于没有考虑利用观测器合并控制系统的这样的性质，所以含混地将观测器的频带取得比控制系统的频带宽。例如，呈下面的(5)式所示的结果。
ωs＞2Kv …(5)
在这样的情况下，上述内侧回路几乎没有稳定作用，所以只能用外侧回路来同时谋求稳定化和恒定特性的改善，与不利用观测器的情况相同。即，没有发挥内侧回路的优点。
在本发明中为了积极地利用上述内侧及外侧回路，来改善速度回路的响应特性，而使用频带设定系数α，用下面的(6)式确定ωs，
ωs=αKv …(6)
用下面的(7)式表示α。
α＜1 …(7)
由于这样处理，观测器的频带能自动地设定得比速度控制回路中作为目标的频带(大致由速度回路增益Kv决定的)低，能构筑能改善响应特性的控制结构。
观测器的ζs最好固定为0．7~2．0的适当的值。
上述α这样设定，即考虑机械的刚性或机械共振频率、其中速度控制系统的目标等，在0．01~1．00范围内设定适当的值。上述α如果是0外的值，则会使控制系统不稳定，由于能与速度控制系统的稳定化补偿器的参数设定独立地设定α，所以容易设定参数。
图2是在附加条件下与图1(d)所示框图等效的框图。以下说明即使适当地确定α，控制系统也不稳定的理由。由于考虑只由观测器决定的控制系统的稳定性，假定R(s)=1，如果将机械共振除外，则图1(d)所示框图变成图2(a)。根据(2)、(3)、(6)式，图2所示的速度反馈总线中的部件的传递特性用下面的(8)式表示。ss+Cf(s)+Cf(s)s+Cf(s)=s2+2ξs(αKv)s+(αKv)2s2+2ξs(αKv)s+(αKv)2=1---(8)]]>
在(8)式中，对应于上述范围内的ζs，分母中的多项式是稳定的，而且，由于右边=1，所以速度控制回路对应于0以外的上述α的值，是稳定的。
图3是本发明的电动机速度控制装置及该装置的增益设定方法的框图。
图中，速度控制装置1是一种速度控制系统，它备有由电动机(图中未示出)及控制电动机的转矩的装置(图中未示出)构成的转矩控制装置11、稳定化补偿器12、以及惯量补偿增益13。10是等效刚体，方块中的J是电动机和负载机构的总惯量，Do是电动机和负载机构的粘性摩擦，14是机械共振系统。
上述稳定化补偿器12输入速度指令信号和速度反馈信号，检测加速度信号。将惯量补偿增益13加在加速度信号中，输出转矩指令信号。在使速度控制系统进行比例控制(P控制)的情况下，上述稳定化补偿器12作为减法部件和比例运算要素，从速度指令信号减去速度反馈信号，在比例积分控制(PI控制)时，由上述减法部件、比例要素和积分要素构成。积分比例控制(IP控制)时，也能用上述减法部件、比例要素和积分要素构成。在任何情况下，比例增益都是Kv。(这些补偿器的结构示于图2(b)、(c)、(d)中)
上述转矩控制装置11输入上述转矩指令信号，控制电动机的转矩，输出电动机的速度信号。在电动机只备有角度传感器的情况下，通过检测角度的差分运算，获得角速度信号，并将它作为检测速度信号输出。
适合作为速度观测器使用的等效刚体观测器2由等效刚体模型21、用电动机的惯性和负载的惯性相加后的总惯性J定义的惯性模型22、以及观测器的稳定化补偿器23构成。
观测器的稳定化补偿器23由作为第一补偿器的比例运算装置231、以及作为第二补偿器的积分运算装置232构成。
比例运算装置231的增益是用第一增益ζs和第二增益ωs的积的二倍定义的。积分运算装置232的增益是用ωs的二次方定义的。ζs是观测器的衰减常数。观测器的频带ωs是用频带设定常数α和速度控制系统的比例增益Kv的积定义的。
对于速度观测器来说，由于电动机的模型21、总惯性模型22和观测器的衰减常数ζs的值能预先设定，所以只有频带设定常数α是应调整的参数。即，除了速度控制系统的各控制参数以外，只调整频带设定常数α即可。
其次，说明增益调整程序的例。
调整频带设定系数(α)时，增加上述速度控制装置的比例运算装置的比例增益(Kv)的调整程序如下。
步骤1：取出预先设定了频带设定系数(α)的值。
步骤2：使上述速度控制装置的比例运算装置的比例增益(Kv)增加，直至达到速度控制系统的振荡极限(开始振动的极限)为止。
步骤3：将上述频带设定系数(α)变更为比预先设定的值低的值。
步骤4：使上述速度控制装置的比例运算装置的比例增益(Kv)增加，直至达到速度控制系统的振荡极限(开始振动的极限)为止。
步骤5：通过反复执行上述步骤3和上述步骤4，能使上述速度控制装置的比例运算装置的比例增益(Kv)增加得比步骤2中的极限值大。
图4是表示本发明的电动机速度控制装置及该装置的增益设定方法的图3所示的一实施例中的计算机模拟结果的说明图。为了简单起见，速度控制系统为比例控制系统，速度指令为直线加速波形。
图4(a)是将上述速度控制装置的比例增益设定为振荡开始的值(Kv=188[1／s])的情况。由于电动机的转矩波形和速度波形的振动生长，不是能作为速度控制装置使用的状态，所以不能将跟踪速度指令的跟踪性能提高得比它更高。
图4(b)是速度控制装置的各控制增益(Kv=188[l／s])保持不变，将等效刚体观测器作为速度推断器合并后的情况。没有电动机的转矩波形和速度波形振动，能作为速度控制装置使用，有余裕。因此，能期待改善跟踪速度指令的跟踪性能。频带设定系数(α)为10％，可知能恢复控制系统的稳定性。
图4(c)是在上述的将等效刚体观测器作为速度推断器合并后的状态下，使频带设定系数保持不变(α=10％)，只将速度控制装置的比例增益从188[1／s]变为565[1／s]，即增加到了三倍的情况。
由于小的振动立刻衰减，所以能作为速度控制装置使用。可知跟踪速度指令的跟踪特性与图4(a)的情况相比能显著地改善。通过只降低频带设定系数的非常简单的调整，速度控制装置的比例增益(Kv)简单地增加到了三倍，可以理解，能充分地达到本发明的目的。
如上所述，如果采用本发明，则由于在驱动结构的速度控制装置中，具有能一边抑制机械共振现象的发生，一边增加上述速度控制装置的比例增益的效果，所以能显著地改善上述速度控制装置的指令跟踪特性。
特别是如果采用本发明的模拟结果，则不管是否存在机械共振现象，进行简单的增益调整，能使比例增益改善三倍，具有显著的改善效果。
另外，在合并了等效刚体观测器的速度控制系统中，虽然在作为速度控制系统本来应调整的控制参数中，增加了应调整的参数，但具有只需要一个频带设定常数的效果(以往的先行的发明需要两个以上)。
因此，如“通过降低频带设定常数，提高速度控制装置的比例增益”所述，在上述控制装置中，具有能具体地提示容易地高速获得速度响应的调整程序的效果，同时由于上述的调整简单，所以具有能提供大范围高性能的速度控制装置的效果。
工业上利用的可能性
本发明能用于这样的用途：在用电动机速度控制装置驱动的电动机使机构工作的情况下，需要抑制机械共振现象的发生、增大比例增益、高速指令跟踪性。