专利名称：电动机速度控制系统的扭转振动抑制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有共振系统的2惯性系统或者多惯性系统的驱动系统的共振抑制，尤其涉及对因电动机的脉动转矩或者负载的周期性变化所引起的微弱振动也能获得充分的抑制效果的电动机的振动抑制方法和控制装置。
背景技术：
作为现有的振动抑制方法，例如可以举出专利文献1公开的“电动机速度控制系统的扭转振动抑制方法”等。
图4表示一般的可变速驱动装置的机械图。来自电动机2的旋转转矩通过扭转刚性率为K(Kgm/rad)的驱动轴4传递给机械5。可变速度控制装置1将从安装在电动机2上的速度检测器3检出的信号作为速度反馈信号进行电动机2的速度控制。
下面，作为现有技术的实施例，在图5中表示由数字运算器或者模拟运算器构成的速度控制装置的构成方框。在图5中，通过电动机平均速度运算器23对安装在电动机驱动轴上的速度检测器3(参照图4)的信号计算一定周期ts内的平均值。该每一定周期的平均速度的计算方法是例如如果速度检测器是脉冲信号发生器，则可以通过将从速度检测器3输出的脉冲信号的周期ts期间的计数值用除以ts，作为ts期间的脉冲平均频率而求出ts期间的平均速度。在模拟式的速度检测发电机的情况下，可以在一定周期ts内读n次速度检测器的信号，将这些信号的合计值的1/n，作为ts期间的平均速度。
设该一定周期的电动机平均速度为NMAVG，首先对速度控制器11的动作进行说明。
如果将速度指令NREF和电动机平均速度NMAVG和其偏差输入速度控制器11，则把对该速度偏差信号乘以比例增益A的信号和将该信号用时间常数τ1进行了积分的信号叠加，将叠加的信号作为转矩指令信号TRFA。速度控制器11在仅具有比例增益A的情况下，输出在该速度偏差信号上乘以了A的信号作为TRFA输出。
下面，对电动机加速转矩运算器24的动作进行说明。如果将每一定周期的电动机平均速度NNAVG输入电动机加速转矩运算器24，则输出对NMAVG进行了微分的值乘以了电动机的惯性时间常数τM的值的信号TMAFB。该信号TMAFB是电动机的加速转矩信号。
下面，对电动机加速转矩控制器25的动作进行说明。
将速度控制器11的转矩指令信号TRFA作为电动机加速转矩指令，对于该指令将电动机加速转矩运算器24的输出信号TMFB作为电动机的加速转矩信号进行反馈，将该两个信号的偏差输出到电动机加速转矩控制器25，电动机加速转矩控制器25输出叠加了对该两个信号偏差的信号乘以了比例增益G1的信号和将该信号以时间常数τL1进行了积分的信号的信号TRFL，并进行控制使得电动机的加速转矩信号TMAFB与速度控制器11输出的转矩指令信号TRFA一致。
通过将叠加了电动机的加速转矩信号TMAFB和电动机加速转矩控制器25的输出信号TRFL的信号作为转矩指令TRFM进行电动机的转矩控制，对成为电动机加速转矩的外部干扰因素的负载转矩TL1，根据电动机加速转矩控制器25的输出的转矩指令补偿信号TRFL向消除方向进行控制。使得转矩指令信号，向使由于加速和负载急剧变化时的驱动轴的扭转而发生的电动机的外部干扰因素转矩消除的方向作用，来抑制扭转振动。
专利文献1专利第3173007号公报(第6～7页、图1、图9)可是，虽然在上述的现有技术中采用了，推算出由电动机和控制装置引起的驱动系统的脉动转矩和负载的周期性的变化转矩等的外部干扰因素转矩，补偿电动机转矩以消除这些外部干扰因素转矩的方法，但在负载的速度和加速度的周期性变化、和驱动轴转矩的周期性变化很微弱的情况下，却不能得到充分的抑制效果。
因此，存在着在负载的速度和加速度即使发生微弱的变化也不容许的设备、例如电梯轿厢的加速度振动和印刷机印刷辊的周期性速度变化等，不能得到充分的抑制效果的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够充分抑制负载的速度和加速度的周期性且微弱变化和驱动轴转矩的周期性且微弱变化的电动机控制系统的振动抑制方法及其装置。
为了达到上述目的，本发明之一提供一种电动机速度控制系统的扭转振动抑制方法，该电动机速度控制系统由通过设置在电动机的负载侧的低扭转刚性的驱动轴从电动机向负载传递驱动转矩的机构、和控制装置构成，该控制装置针对速度指令NREF，反馈通过对于从速度检测器检出的电动机速度检测信号计算其每一定周期的平均值而得到的电动机平均速度NMAVG，并计算出偏差信号，并且控制电动机的电流，使电动机转矩成为对应转矩指令信号TRFA的电动机转矩，该转矩指令信号TRFA是通过由具有比例放大器和积分器、或者仅具有比例放大器的速度控制器放大所述偏差信号而得到的信号，其特征在于，针对从所述速度控制器输出的所述转矩指令信号TRFA，将对所述电动机平均速度NMAVG进行了微分的信号乘以了电动机的惯性时间常数τM的信号作为电动机加速转矩信号TMAFB输入到惯性控制器，所述惯性控制器在对电动机的加速转矩TMAFB乘以比例增益G2之后，经由二次或者一次低通滤波器和二次或者一次高通滤波器，将其作为惯性控制信号TMJC输出，对于从由速度控制器输出的转矩指令信号TRFA中减去了所述惯性控制信号TMJC的电动机加速转矩指令信号TRFAX，反馈电动机的加速转矩信号TMAFB，通过控制电动机的电流，使电动机转矩成为对应信号RFM的电动机转矩，该信号RFM是通过把转矩补偿信号TRFL叠加在所述加速转矩指令信号TRFAX上而得到的信号，该转矩补偿信号TRFL是通过由比例放大器和积分器构成的电动机加速转矩控制器放大该偏差信号而得到的信号，通过对电动机电流进行以上的控制，根据输出的转矩补偿信号TRFL进行控制以消除电动机负载转矩，该转矩补偿信号TRFL是为了使所述电动机的加速转矩反馈信号TMAFB与从所述速度控制器输出的转矩指令信号TRFA一致而计算出的信号，并且对电动机部的惯性进行等价放大控制。
本发明之2的特征是，在本发明之1的电动机速度控制系统的扭转振动抑制方法中，通过将惯性控制器的比例增益设为0～-1范围的负值，对电动机部的惯性进行等价缩小控制。
本发明之3提供一种电动机速度控制系统的扭转振动抑制装置，其由通过设置在电动机的负载侧的低扭转刚性的驱动轴从电动机向负载传递驱动转矩的机构、和控制装置构成，该控制装置针对速度指令NREF，反馈通过对于从速度检测器检出的电动机速度检测信号计算其每一定周期的平均值而得到的电动机平均速度NMAVG，并计算出偏差信号，并且控制电动机的电流，使电动机转矩成为对应转矩指令信号TRFA的电动机转矩，该转矩指令信号TRFA是通过由具有比例放大器和积分器、或者仅具有比例放大器的速度控制器放大所述偏差信号而得到的信号，其特征在于，具有惯性控制单元，利用惯性控制器从电动机加速转矩信号TMAFB计算输出惯性控制信号TMJC，电动机加速转矩信号TMAFB是对将所述电动机平均速度NMAVG进行了微分的信号乘以了电动机的惯性时间常数τM而得到的信号；电动机加速转矩控制单元，具有比例放大器和积分器，用于根据从作为所述速度控制单元的输出信号的转矩指令信号TRFA减去了所述惯性控制信号TMJC的信号TRFAX与所述电动机加速转矩指令信号TMFAFB之间的偏差信号，计算出转矩指令补偿信号TRFL；和电动机转矩控制单元，控制电动机的电流，使得电动机转矩成为对应转矩指令TRFM的电动机转矩，该转矩指令TRFM是作为所述速度控制单元的输出信号的转矩指令信号TRFA与作为所述电动机加速转矩控制单元的输出信号的指令补偿信号TRFL之和的信号。
根据本发明之一，在专利文献1的方法中举出的图5的控制方框中，将对于作为通过对扭转振动抑制控制部的电动机的检测速度进行了微分的值乘以了电动机的惯性时间常数的值的电动机的加速转矩信号TMAFB，在如本发明的图1所示的惯性控制器29中乘以比例增益G2的信号，作为惯性控制信号TMJC而通过二次或者一次低通滤波器LPF、和二次或者一次高通滤波器HPF输出。
加之以往方法的通过向以往技术的扭动振动抑制控制器28输入从速度控制器11的输出信号TRFA减去了惯性控制信号TMJC的信号，来推定电动机的脉动转矩和负载转矩，根据该推定信号进行使电动机的外部干扰因素转矩消除的补偿的控制功能，本发明在共振频率区域，能够使得电动机部的惯性在控制上被等价地将扩大(1+G2)倍，能够比现有技术的方法更有效地把具有共振频率区域的频率成分的转矩脉动和对负载转矩变化的负载速度和加速度的变化和驱动转矩的变化抑制得更小。
另外，根据本发明之二，相比在发明一中将惯性控制器29的比例增益G2设为正的值，将电动机部的惯性等价地扩大约(1+G2)倍进行控制，通过在发明二中将惯性控制器29的比例增益G2设为0～-1范围的负值，可控制成，使电动机部的惯性与适合机械系统的惯性的大小一致，从而可提高控制的稳定性。
关于对本发明的电动机部的惯性进行等价地扩大或者缩小的控制的原理，为了简化说明，把忽略了现有技术的图5中的电动机的平均速度运算器23的信号延迟和电动机的转矩控制部17的控制延迟的控制方框显示于图6。在图6中，将对电动机部的惯性时间常数τM乘以由二次或者一次低通滤波器LPF和二次或者一次高通滤波器HPF和比例增益G2构成的函数(1+G2LPFHPF)而构成的方框图表示于图3中。图3是表示相对于低衰减地通过低通滤波器LPF、和高通滤波器HPF的频率区域的电动机的加速转矩信号TMAFB的信号成分，电动机的惯性时间常数成为(1+G2LPFHPF)倍，即约为(1+G2)倍。
说明该图3和表示本发明的控制方法的图2是等价的。
首先，在图3的方框中，用下式表示使用了从速度控制器11输出的电动机加速转矩指令TRFA。负载转矩TL1，和电动机脉动转矩TRP的电动机速度NM的方程式。
公式1{TRFA+[TRFA-(1+G2LPFHPF)τMSNM]G1(1+τL1SτL1S)-(TL1+TRP)}=(1+G2LPFHPF)τMSNM]]>将(1)式右边的包含G2LPFHPF的项移项到左边进行整理而得到下式。
公式2
{TRFA-G2LPFHPFτMSNM+TRFA-(1+G2LPFHPF)τMSNM]G1(1+τL1SτL1S)-(TL1+TRP)}(1τMS)=NM]]>另一方面，在表示本发明的控制方法图2的方框图中，与图3的方框图相同，建立关于电动机速度NM的方程式。
公式3{TRFA-G2LPFHPFτMSNM+[TRFA-(1+G2LPFHPF)τMSNM]G1(1+τL1SτL1S)-(TL1+TRP)}(1τMS)=NM]]>(2)和(3)完全相同，因此表示本发明的控制方法的图2和方框和图3的方框是等价的。因此，通过采用本发明，相对于低衰减地通过低通滤波器LPF、和高通滤波器HPF的频率区域的频率成分的电动机脉动转矩和负载变化转矩，能够将电动机的惯性控制成为约(1+G2)倍。
图1是本发明第一实施方式的电动机速度控制系统的扭转振动抑制装置的方框图。
图2是表示图1所示装置的控制概念的方框图。
图3是表示图2所示方框图的控制原理的图。
图4是以往的可变速驱动装置的结构图。
图5是表示图4所示装置的方框图。
图6是表示图5所示方框图的控制概念的控制方框图。
图中1可变速控制装置；2电动机3电动机速度检测器；4驱动轴；5负载机械；10速度指令器；11速度控制器；12表示电动机部的惯性的方框；13表示驱动轴的刚性的方框；14表示负载的惯性的方框；15表示负载转矩的方框；17电动机转矩控制部；23电动机平均速度运算器；24电动机加速转矩运算器；25电动机加速转矩控制器；28扭动振动抑制控制部；29惯性控制器；30振动抑制控制部。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是本发明的第一实施方式的电动机速度控制系统的扭转振动抑制装置的方框图。
图2是表示图1所示装置的控制概念的方框图。
图3是表示图2所示的控制概念的控制方框的控制原理图。
在图1中，29是惯性控制器，由比例放大器G2、低通滤波器LPF、高通滤波器HPF构成。并且，由扭动振动抑制控制部28和惯性控制器29构成振动抑制控制部30。
另外，其他的与图5所示的以往图相同的构成被赋予相同符号，并省略对构成的重复说明。
下面对动作进行说明。
图2是从图1所示的扭转振动抑制装置中认为电动机平均速度运算器23和转矩控制部17可以忽略而进行了删除的控制方框图，首先，设通过与以往技术相同的计算方法计算出的每一定周期的电动机平均速度为NMAVG，对速度控制器11的动作进行说明。
如果将速度指令NREF和电动机平均速度NMAVG，和其偏差输入速度控制器11，则输出叠加了对该速度偏差信号乘以比例增益A的信号、和将对该信号用时间常数τ1进行了积分的信号的信号作为转矩指令信号TRFA。速度控制器11在仅具有比例增益A的情况下，输出在该速度偏差信号上乘以了A的信号TRFA。
然后，在电动机加速转矩运算器24的动作中，如果将每一定周期的电动机平均速度NMAVG输入电动机加速转矩运算器24，则输出对将NMAVG进行了微分的值乘以了电动机的惯性时间常数τM的信号TMAFB。该信号TMAFB是电动机的加速转矩信号。
然后，惯性控制器29，将对在作为电动机加速转矩运算器24的输出信号的电动机的加速转矩信号TMAFB乘以了比例增益G2的信号，通过二次或者一次低通滤波器LPF、和二次或者一次高通滤波器HPF输出惯性控制信号TMJC。
将从速度控制器11的输出信号TRFA减去了惯性控制信号TMJC的信号，作为电动机加速转矩指令信号TRFAX，将该电动机加速转矩指令信号TRFAX根据现有技术的方法输入扭动振动抑制控制部28。
然后，在电动机加速转矩控制器25的动作中，对于电动机加速转矩指令信号TRFAX，将电动机加速转矩运算器24的输出信号TMAFB作为电动机的加速转矩信号进行反馈，将该两个信号的偏差输出到电动机加速转矩控制器25。电动机加速转矩控制器25输出叠加了对该两个信号偏差的信号乘以了比例增益G1的信号、和将对该信号以时间常数τL1进行了积分的信号的信号作为TRFL，并进行控制使得电动机的加速转矩信号TMAFB与速度控制器11输出的转矩指令信号TRFA一致。
将叠加了电动机的加速转矩信号TMAFB和电动机加速转矩控制器25的输出信号TRFL的信号作为转矩指令TRFM，通过进行电动机的转矩控制，对成为电动机的加速转矩的外部干扰因素的负载转矩TL1，根据电动机加速转矩控制器25的输出的转矩指令补偿信号TRFL向消除方向进行控制，并且对于共振频率附近的频率成分的电动机脉动转矩和负载的变化转矩产生作用，使得电动机部的惯性由在控制上等价的比例增益G2扩大为约(1+G2)倍，减轻成为加振源的电动机脉动转矩和负载的周期性的脉动转矩的影响，抑制负载的速度和加速度的变化和驱动轴转矩变化。关于将该电动机的惯性等价地扩大(1+G2)倍的原理，如前面所说明的那样，在现有技术的图6中，图3的方框的结构是对电动机部的惯性时间常数τM乘以由LPF和HPF和比例增益G2构成的函数(1+G2LPFHPF)而构成，该图3的方框与图2是等价的，在本发明中，可以如图2所示将电动机的惯性控制为约(1+G2)倍。
下面，参照
本发明的第二实施方式。
第一实施方式和第二实施方式共用各图，第二实施方式的控制结构与图1完全相同。
如上所述，在图3所示的方框中，关于电动机速度NM的公式可以用(2)式表示，另一方面，图2所示的方框中，关于电动机速度NM的公式可以用(3)式表示。由于该(2)式和(3)式完全相同，所以设置了图1所示的本发明的惯性控制器29的方框，可以将电动机的惯性控制成约为原来的(1+G2)倍。
根据该原理，在第一实施方式中将惯性控制器29的比例增益G2设为正的值，将电动机部的惯性等价地扩大约(1+G2)倍进行控制。与此相比，在第二实施方式中将惯性控制器29的比例增益G2设为0～-1范围的负值，将电动机部的惯性等价地缩小约(1+G2)倍进行控制，可控制成使电动机部的惯性与适合于机械系统的惯性的大小相符合。
如上所述，根据本发明之一，通过在已往技术的专利文献1的控制方法中，附加将本发明的电动机的惯性等价地放大进行控制的惯性控制单元，在保持推定基于以往技术的电动机的外部干扰因素转矩，并进行控制使其消除的效果的基础上，再加上在控制上等价地将电动机部的惯性扩大进行控制的效果，能够比现有技术的方法更有效地对基于电动机的脉动转矩和负载的周期性的转矩变化的负载速度和加速度的微弱变化和驱动转矩的变化进行抑制控制。
另外，根据本发明之二，通过将惯性控制器的比例增益G2设为0～-1范围的负的值，将电动机部的惯性等价地缩小约(1+G2)倍进行控制，能够将电动机部的惯性控制成与机械系统的惯性相适合的大小，从而达到提高控制的稳定性的效果。
以上，参照了详细且特定的实施方式对本发明进行了说明，但对于本技术领域的技术人员来讲，在不脱离本发明的主要技术思想的范围内能够进行各种各样的变形和修正是显而易见的。
本申请基于2002年12月02日申请的日本专利申请(专利申请2002-349879)，并将其内容作为参照在此引用。
根据本发明，由于扩大了控制范围，提高了振动抑制效果，所以，即使对于不容许负载的速度或加速度发生微弱变化的设备、例如电梯的轿厢的加速度振动或印刷机的印刷辊的周期性速度变化等，也能得到充分的抑制效果。
权利要求
1.一种电动机速度控制系统的扭转振动抑制方法，该电动机速度控制系统由通过设置在电动机的负载侧的低扭转刚性的驱动轴从电动机向负载传递驱动转矩的机构、和控制装置构成，该控制装置针对速度指令NREF，反馈通过对于从速度检测器检出的电动机速度检测信号计算其每一定周期的平均值而得到的电动机平均速度NMAVG，并计算出偏差信号，并且控制电动机的电流，使电动机转矩成为对应转矩指令信号TRFA的电动机转矩，该转矩指令信号TRFA是通过由具有比例放大器和积分器、或者仅具有比例放大器的速度控制器放大所述偏差信号而得到的信号，其特征在于，针对从所述速度控制器输出的所述转矩指令信号TRFA，将对所述电动机平均速度NMAVG进行了微分的信号乘以了电动机的惯性时间常数τM的信号作为电动机加速转矩信号TMAFB输入到惯性控制器，所述惯性控制器在对电动机的加速转矩TMAFB乘以比例增益G2之后，经由二次或者一次低通滤波器和二次或者一次高通滤波器，将其作为惯性控制信号TMJC输出，对于从由速度控制器输出的转矩指令信号TRFA中减去了所述惯性控制信号TMJC的电动机加速转矩指令信号TRFAX，反馈电动机的加速转矩信号TMAFB，通过控制电动机的电流，使电动机转矩成为对应信号RFM的电动机转矩，该信号TRFM是通过把转矩补偿信号TRFL叠加在所述加速转矩指令信号TRFAX上而得到的信号，该转矩补偿信号TRFL是通过由比例放大器和积分器构成的电动机加速转矩控制器放大该偏差信号而得到的信号，通过对电动机电流进行以上的控制，根据输出的转矩补偿信号TRFL进行控制以消除电动机负载转矩，该转矩补偿信号TRFL是为了使所述电动机的加速转矩反馈信号TMAFB与从所述速度控制器输出的转矩指令信号TRFA一致而计算出的信号，并且对电动机部的惯性进行等价放大控制。
2.根据权利要求1所述的电动机速度控制系统的扭转振动抑制方法，其特征在于，通过将惯性控制器的比例增益设为0～-1范围的负值，对电动机部的惯性进行等价缩小控制。
3.一种电动机速度控制系统的扭转振动抑制装置，由通过设置在电动机的负载侧的低扭转刚性的驱动轴从电动机向负载传递驱动转矩的机构、和控制装置构成，该控制装置针对速度指令NREF，反馈通过对于从速度检测器检出的电动机速度检测信号计算其每一定周期的平均值而得到的电动机平均速度NMAVG，并计算出偏差信号，并且控制电动机的电流，使电动机转矩成为对应转矩指令信号TRFA的电动机转矩，该转矩指令信号TRFA是通过由具有比例放大器和积分器、或者仅具有比例放大器的速度控制器放大所述偏差信号而得到的信号，其特征在于，具有惯性控制单元，利用惯性控制器从电动机加速转矩信号TMAFB计算输出惯性控制信号TMJC，电动机加速转矩信号TMAFB是对将所述电动机平均速度NMAVG进行了微分的信号乘以了电动机的惯性时间常数τM而得到的信号；电动机加速转矩控制单元，具有比例放大器和积分器，用于根据从作为所述速度控制单元的输出信号的转矩指令信号TRFA减去了所述惯性控制信号TMJC的信号TMFAX与所述电动机加速转矩指令信号TMFAFB之间的偏差信号，计算出转矩指令补偿信号TRFL；和电动机转矩控制单元，控制电动机的电流，使得电动机转矩成为对应转矩指令TRFM的电动机转矩，该转矩指令TRFM是作为所述速度控制单元的输出信号的转矩指令信号TRFA与作为所述电动机加速转矩控制单元的输出信号的指令补偿信号TRFL之和的信号。
全文摘要
本发明的目的是提供一种在扭转振动控制部中具有能够抑制更微弱的振动的惯性控制部的扭转振动抑制装置。本发明的扭转振动抑制装置具有根据对所述电动机平均速度N
文档编号H02P29/00GK1720657SQ20038010489
公开日2006年1月11日 申请日期2003年11月25日 优先权日2002年12月2日
发明者柴田尚武, 园田敬介, 池口将男, 唐仁原博孝 申请人:株式会社安川电机