专利名称：电动机控制装置和电动机控制方法
技术领域：
本发明涉及产业用机械(半导体制造装置、工作机械、射出成形机)等电动机控制装置，特别是涉及推测在线负荷参数，谋求控制功能的提高的方式。
背景技术：
提出在半导体制造装置、工作机械、射出成形机等产业机械的电动机控制装置中，推测在实际运行中机械的惯性力矩和重力扭矩，在速度控制部的控制常数的自动修正中使用推测结果的方案。
专利文献1的技术通过将加减速运行时的扭矩指令值除以这时的加速度检测值，而推测惯性力矩。
专利文献2的技术通过以多个不同的一定速度驱动电动机，直接测定与各速度对应的摩擦扭矩(相当于粘性摩擦扭矩+动摩擦扭矩)。从电动机的加减速时必要的扭矩减去该取得的摩擦扭矩，求出为了把惯性力矩部分加减速所必要的扭矩，把该扭矩除以加速度，推测惯性力矩。此外，受到重力的影响的垂直轴时，把与各速度对应的摩擦扭矩作为“以速度大小相同而只有旋转方向不同的一定速度驱动时成为必要的扭矩”的平均值求出。通过“以速度大小相同而只有旋转方向不同的一定速度驱动时成为必要的扭矩”的差的二分之一，求出用于补偿与各速度对应的重力部分的扭矩。通过从电动机的加减速时必要的扭矩减去这样取得的摩擦扭矩和用于补偿重力部分的扭矩，求出为了把惯性力矩部分加减速所必要的扭矩，把该扭矩除以加速度，推测惯性力矩。
特开2001-352773号公报[专利文献2]特开平6-298074号公报
发明内容
在专利文献1的技术中，忽略与电动机成比例而增大的粘性摩擦扭矩的影响，所以存在粘性摩擦扭矩大的装置或高速运行时的惯性力矩的推测结果算出得比实际大的问题。
专利文献2的技术从电动机的加减速时所必要的扭矩减去一定速度运行时所必要的扭矩，求出为了把惯性力矩部分加减速所必要的扭矩，把该扭矩除以加速度，而推测惯性力矩。因此，与专利文献1的技术不同，在粘性摩擦扭矩大的装置中，高精度的惯性力矩的推测也是可能的。可是，实际上有必要用多个不同的一定速度驱动电动机，特别是因为在垂直轴时把运行方向反转的必要，运行次数增大到2倍。因此，推测耗费时间。此外，存在不适合于实际运行中的任意电动机运行模式下的惯性力矩推测的问题。
本发明的目的在于，检测所述以往技术的问题，提供能应用于实际运行中的任意电动机运行模式，通过速度控制部的控制常数的自动修正，提高控制性能的电动机控制装置和方法。
用于解决所述课题的本发明的特征是把电动机的加速度相同、只是速度不同的2个条件下的扭矩指令值差或扭矩检测值差除以这时的速度检测值差，算出粘性摩擦系数。接着把所述粘性摩擦系数乘以速度检测值，间接推测粘性摩擦扭矩，从电动机的加减速时必要的扭矩减去推测的所述粘性摩擦扭矩，算出排除了粘性摩擦的影响的电动机的加减速时必要的扭矩。这样，关于多个不同的加速度，求出所述排除了粘性摩擦的影响的电动机的加减速时必要的扭矩，作为所述仅排除了粘性摩擦的影响的电动机的加减速时必要的扭矩的变化量对于加速度的变化量的比，推测惯性力矩。
即本发明的电动机控制装置包括经由连接轴与驱动对象的负荷结合的电动机、驱动所述电动机的电力变换器、按照扭矩电流指令值和提供给所述电动机的扭矩电流检测值的偏差调整电力变换器的输出电流的电流控制器、检测所述电动机的速度并且作为速度检测值输出的速度检测器、通过把所述速度检测值进行微分从而输出加速度检测值的加速度运算器、推测所述负荷的惯性力矩的负荷参数推测部、输出所述扭矩电流指令值的速度控制器，其特征在于所述负荷参数推测部输入把所述扭矩电流指令值乘以扭矩常数而算出的扭矩指令值、所述速度检测值以及所述加速度检测值，把所述加速度检测值相等并且速度检测值不同的2点的条件下的扭矩指令值的差除以所述速度检测值的差，算出粘性摩擦系数推测值，使用该粘性摩擦系数推测值推测所述惯性力矩；所述速度控制器根据推测的所述惯性力矩自动修正控制常数，调整所述扭矩电流指令值。
根据本发明，即使是粘性摩擦系数大的产业用机械等装置，也能不受粘性摩擦力的影响，推测惯性力矩。此外，对于没有一定速度期间的运行模式、只是单一方向的运行模式，也能推测惯性力矩。据此，在以往技术中难以推测的装置中，在实际运行中能以高精度推测惯性力矩、粘性摩擦系数、负荷扭矩，能实现基于速度控制部的控制常数的自动修正的控制性能的提高。
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的结构的框图。
图2是表示本发明的推测对象的负荷的框图。
图3是电动机加速时的加速度、速度、扭矩等的波形图。
图4是表示加速度和电动机速度的关系、加速度和电动机扭矩的关系的曲线图。
图5是取得数据排列的数据格式图。
图6是数据取得部的状态转变图。
图7是表示数据取得部的处理的程序流程图。
图8是表示数据取得部的全体处理的程序流程图。
图9是表示数据分析部的全体处理的程序流程图。
图10是表示数据分析部的数据分析处理的细节的程序流程图。
图11是表示本发明实施例2的电动机控制装置结构的框图。
图12是表示本发明实施例3的电动机控制装置结构的框图。
图13是表示本发明实施例4的电动机控制装置结构的框图。
符号的说明。
1-电动机；2-负荷；3-连接轴；4-电力变换器；5-速度检测器；6-电流检测器；7-减法器；8-电流控制器；9-乘法器；10-低通滤波器；11-微分运算器；12-低通滤波器；13-低通滤波器；14-在线负荷参数推测部；15-数据取得部；16-数据分析部；501-速度控制器；502-减法器；Iq*-扭矩电流指令值；Iq-扭矩电流检测值；Ie-电流偏差；ωM-速度检测值；τM*-扭矩指令值；αM-加速度检测值；τMF*-滤波后扭矩指令值；ωMF-滤波后速度检测值；αMF-滤波后加速度检测值；data_atv[][]-取得数据矩阵；ID_REQ-数据分析要求标志；ID_DONE-数据分析结束标志；J^-电动机和负荷的合计惯性力矩推测值；D^-粘性摩擦系数推测值；τL^-负荷扭矩推测值；τG^-重力扭矩推测值；ωM*-速度指令值；ωe-速度偏差。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的多个实施例。
图1是表示本发明的一个实施例的电动机控制装置的结构的框图。实施例1是利用在线负荷参数推测部件，按照时刻变动的负荷的惯性力矩值，实现最佳的速度控制器的增益设定的电动机控制装置。
通常，负荷的惯性力矩值变动为N倍时，为了实现与惯性力矩变动前同等的控制特性，有必要使速度控制器的输出放大到N倍。可是，这样的修正的实现中，以实时、高精度推测负荷的合计惯性力矩值的部件是不可欠缺的。
在本实施例中，采用把定位动作中的电动机的加速度检测值、扭矩指令值、速度检测值作为输入值，在线负荷参数推测部14中进行负荷的合计惯性力矩值的推测运算，把推测结果立刻反映到速度控制器的增益设定中的结构。此外，为了除去对在线负荷参数推测部14的输入信号中包含的噪声成分，并且使对推测精度的影响最小化，使用同一特性的低通滤波器。据此，对于全部输入信号，能使滤波器的追加引起的振幅和相位的变化一致，最终取消对推测结果的不良影响。以下进行本实施例的详细的说明。
在图1中，1是电动机，2是由电动机1驱动的驱动对象的负荷，3是连接电动机1和负荷2的连接轴，4是驱动电动机1的电力变换器，5是安装在电动机1上，输出电动机1的旋转轴的速度检测值ωM的速度检测器，6是检测提供给电动机1的扭矩电流检测值Iq的电流检测器，7是运算扭矩电流指令值Iq*和提供给电动机1的扭矩电流检测值Iq的电流偏差Ie的减法器，8是按照电流偏差Ie，调整电力变换器4的输出电流的电流控制器。
501是输出扭矩电流指令值Iq*的速度控制器，使用后面描述的电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^，使控制增益可变。502是运算速度指令值ωM*和速度检测值ωM的速度偏差ωe的减法器。
9是把扭矩电流指令值Iq*变为扭矩常数kt倍，取得扭矩指令值τM*的乘法器，10是输入扭矩指令值τM*，输出滤波后扭矩指令值τMF*的用于除去噪声的低通滤波器。11是输入速度检测值ωM，输出加速度检测值αM的微分运算器，12是输入速度检测值αM，输出滤波后加速度检测值αMF的用于除去噪声的低通滤波器，13是输入速度检测值ωM，输出滤波后速度检测值ωMF的用于除去噪声的低通滤波器。
在线负荷参数推测部14输入滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、滤波后速度检测值ωMF。然后，输出电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^、粘性摩擦系数推测值D^、负荷扭矩推测值τL^、重力扭矩推测值τG^、动摩擦扭矩的大小的推测值τkc^。具有按照后面描述的预先决定的规则，同时取得滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、滤波后速度检测值ωMF的数据取得部15。此外，具有根据数据取得部15取得的数据，算出电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^、粘性摩擦系数推测值D^、负荷扭矩推测值τL^、重力扭矩推测值τG^、动摩擦扭矩的大小的推测值τkc^的数据分析部16。
此外，从数据取得部15对数据分析部16提供储存数据取得部15的取得数据的取得数据矩阵data_atv[][]。此外，提供记录后面描述的加速度状态的最大值的变量即state_acc_MaxhoLd、用于在数据的取得结束后对数据分析部16要求数据分析的标志即数据分析要求标志ID_REQ。而从数据分析部16对数据取得部15提供用于通知数据分析结束的标志即数据分析结束标志ID_DONE。据此，数据取得部15等待数据分析的结束，清除已经取得的数据，能开始取得新的数据。
下面说明成为推测对象的负荷。图2是把推测对象的负荷模型化的框图。利用电动机扭矩τM、电动机速度ωM，推测构成框图的各要素的参数。
在图2中，框40是表现电动机和负荷的合计惯性力矩J的举动的框，把加减速扭矩τa作为输入值，把它积分，再把除以电动机和负荷的合计惯性力矩J取得的值作为电动机速度ωM输出。积分器41把电动机速度ωM作为输入，输出电动机位置θM。框42是输入电动机速度ωM，把电动机速度ωM乘以粘性摩擦系数D的值作为粘性摩擦扭矩τD输出的粘性摩擦系数增益。
粘性摩擦扭矩框43输入电动机速度ωM，如果电动机速度ωM的旋转方向为正，就把表示动摩擦扭矩的大小的一定值τkc作为动摩擦扭矩τk输出。如果电动机速度ωM的旋转方向为负，就把表示动摩擦扭矩的大小的一定值τkc的符号取反的-τkc作为动摩擦扭矩τk输出。加法器44在负荷的驱动方向具有垂直成分时，把作用于负荷的重力扭矩τG和动摩擦扭矩τk相加，作为负荷扭矩τL输出。减法器45从电动机扭矩τM减去负荷扭矩τL和粘性摩擦扭矩τD，输出加减速扭矩τa。
在本实施例中，推测图2所示的电动机和负荷的合计惯性力矩J、粘性摩擦系数D、负荷扭矩τL、重力扭矩τG、以一定值τkc表现为动摩擦扭矩的参数以及状态变量。此外，在推测中使用的电动机扭矩τM中，扭矩电流指令值Iq*变为扭矩常数kt倍后取得的扭矩指令值τM*、把扭矩电流检测值Iq变为扭矩常数kt倍后取得的扭矩检测值τM作为等价的值使用。
图3表示电动机加速时的电动机速度和位置、各参数的推移。使用图2的框图和图3的波形，说明粘性摩擦系数推测值D^的导出原理。
在图3中，最上部的曲线图表示电动机加速运行时的电动机位置θM，从最上部开始的第二个曲线图表示电动机加速运行时的电动机速度ωM，从最上部开始的第三个曲线图表示电动机加速运行时的电动机扭矩τM、加减速扭矩τa、粘性摩擦扭矩τD、负荷扭矩τL。最下部的曲线图表示电动机加速运行时的电动机加速度αM。
在线负荷参数推测部14在这些波形中，把电动机速度ωM作为速度检测器5输出的速度检测值ωM观测，电动机加速度αM作为电动机速度ωM的微分值算出。电动机扭矩τM把扭矩电流指令值Iq*变为扭矩常数kt倍后取得的扭矩指令值τM*、把扭矩电流检测值Iq变为扭矩常数kt倍后取得的扭矩检测值τM作为等价的值使用。此外，加减速扭矩τa、粘性摩擦扭矩τD、负荷扭矩τL以及电动机位置θM虽然不是关于粘性摩擦系数推测值D^的导出应该检测的状态量，但是为了便于说明，进行了记载。
从图2的减法器45的输入输出，导出以负荷扭矩τL和粘性摩擦系数τD的和表现电动机扭矩τM的表达式1的关系。
数学式1τM＝τa+τL+τD……………………………(1)此外，从表现电动机和负荷的合计惯性力矩J的举动的框40的输入输出，表达式2的关系成立，从粘性摩擦系数增益42的输入输出，表达式3的关系成立。
数学式2τa＝J·s·ωM＝J·αM…………………… (2)τD＝D·ωM……………………………………(3)如果把所述表达式2、表达式3代入表达式1，就取得表达式4。
数学式3τM＝J·αM+τL+D·ωM…………………… (4)在表达式4中，左边是所述电动机扭矩τM，右边第一项是把未知的“电动机和负荷的合计惯性力矩J”乘以电动机加速度αM的值，右边第二项等于重力扭矩τG和动摩擦扭矩τk的相加值，如果电动机的旋转方向一定，就变为一定值。此外，右边第三项是把未知的粘性摩擦系数D乘以电动机速度ωM的值。
因此，电动机加速度αM相等，电动机速度ωM不同的2条件下的电动机扭矩τM的差异由于右边第一项以及第二项相等，所以等于电动机速度ωM的差异乘以粘性摩擦系数D的值。
下面根据图3的波形和数学式，说明以上的内容。如果着眼于图3的电动机加速度αM的波形，则加速时增加后，一定变为减少。因此，在增加时和减少时，存在电动机加速度αM变为相等的状态。例如51是粘性摩擦测定加速度αM1，与这样的粘性摩擦测定加速度αM1对应的状态在由虚线52表示的时刻和由虚线53表示的时刻的2处存在。
接着在确认两时刻的加减速扭矩τa、负荷扭矩τL分别相等的基础上，着眼于两时刻的电动机扭矩τM和电动机速度ωM。为由虚线52表示的时刻的电动机扭矩τM1L、同一时刻的电动机速度ωM1L、由虚线53表示的时刻的电动机扭矩τM1H、同一时刻的电动机速度ωM1H时，如果分别代入表达式4，就取得以下的表达式5、表达式6数学式4τM1L＝J·αM1+τL+D·ωM1L………………………(5)τM1H＝J·αM1+τL+D·ωM1H………………………(6)接着，如果取表达式5、表达式6的两边的差，关于粘性摩擦系数D，求解，就取得表达式7数学式5D=τM1H-τM1LωM1H-ωM1L---(7)]]>表达式7表示如果能观察电动机加速度αM相等，并且电动机速度ωM不同的2条件下的电动机扭矩τM以及电动机速度ωM，就能推测粘性摩擦系数D。本实施例的在线负荷参数推测装置中，由表达式7算出粘性摩擦系数推测值D^。
下面说明电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^的导出原理。图4是表示加速度和电动机速度的关系、加速度和电动机扭矩的关系的曲线图。(a)表示电动机加速时的电动机加速度αM和电动机速度ωM的关系。波形70是以图3的电动机加速度αM的值为横轴，以电动机速度ωM的值为纵轴取得的。此外，(b)表示电动机加速时的电动机加速度αM和电动机扭矩τM的关系，波形72是以图3的电动机加速度αM的值为横轴，以电动机扭矩τM的值为纵轴取得的。
这里，参照表达式4，说明图4的曲线图。首先，为了简单，考虑粘性摩擦系数D为0的特殊情形。这时，表达式4的第三项变为0，能由表达式8表示。
数学式6τM＝J·αM+τL……………………………(8)表达式8是表示斜率为电动机和负荷的合计惯性力矩J、截距为负荷扭矩τL的直线的表达式，图4(b)中用虚线71表示该直线。从表达式8和虚线71可知，在粘性摩擦系数D为0时，如果能取得2点以上电动机加速度αM和电动机扭矩τM的观测数据，就能算出关于观测数据的近似直线的斜率和截距。即能算出电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^以及负荷扭矩推测值τL^。
而粘性摩擦系数D不是0的一般时候，考虑把表达式4的粘性摩擦项移项到左边的表达式9。
数学式7τM-D·ωM＝J·αM+τL……………………(9)表达式9的左边相当于除去粘性摩擦的影响的电动机扭矩，它为τc，由表达式10表示。
数学式8τC＝τM-D·ωM………………………………(10)据此，表达式9能由表达式11表示。
数学式9τC＝J·αM+τL………………………………(11)表达式11与表达式8同样，是表示斜率为电动机和负荷的合计惯性力矩J、截距为负荷扭矩τL的直线的表达式。因此，如果能取得2点以上电动机加速度αM和除去粘性摩擦的影响的电动机扭矩τc的数据，作为关于取得的得数据的近似直线的斜率和截距，能算出电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^以及负荷扭矩推测值τL^。
因此，从表达式12算出除去粘性摩擦的影响的电动机扭矩τc的推测值τc^。表达式10的右边第二项的粘性摩擦系数D由粘性摩擦系数推测值D^置换取得。
数学式10τC^＝τM-D^·ωM……………………………(12)接着，表示关于粘性摩擦系数D不是0时，从电动机加速度αM和除去粘性摩擦的影响的电动机扭矩τc的推测值τc^的数据2点，算出电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^以及负荷扭矩推测值τL^的具体例。可是以下，用(αM、τM、ωM)的形式表现同时刻取得的电动机加速度αM、电动机扭矩τM、电动机速度ωM的组。
2点数据的电动机加速度αM分别为αM1、αM2(αM1≠αM2)时，关于各电动机加速度αM，如果在电动机速度ωM不同的2条件下取得，就能取得全部4点的数据。这些数据为(αM1、τM1L、ωM1L)、(αM1、τM1H、ωM1H)、(αM2、τM2L、ωM2L)、(αM2、τM2H、ωM2H)。这时，粘性摩擦系数推测值D^作为表达式13或表达式14、或表达式13和表达式14的平均值算出。
数学式11D^=τM1H-τM1LωM1H-ωM1L---(13)]]>D^=τM2H-τM2LωM2H-ωM2L---(14)]]>下面，关于电动机加速度αM1、αM2时，把除去粘性摩擦的影响的电动机扭矩τc的推测值τc^分别作为τc1^、τc2^算出。利用D^，把τc1^作为表达式15或表达式16、或表达式15和表达式16的平均值算出。
数学式12τ^C1=τM1L-D^·ωM1L---(15)]]>τ^C1=τM1H-D^·ωM1H---(16)]]>同样，能利用D^，把τc2^作为表达式17或表达式18、或表达式17和表达式18的平均值算出。
数学式13τ^C2=τM2L-D^·ωM2L---(17)]]>τ^C2=τM2H-D^·ωM2H---(18)]]>这时，通过(αM1、τc1^)、(αM2、τc2^)等2点的直线由表达式19表示。
数学式14τ^C=τ^C1-τ^C2αM1-αM2·α+αM1·τ^C2-αM2·τ^C1αM1-αM2---(19)]]>因此，作为表达式19的斜率，通过表达式20算出电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^。此外，作为表达式19的截距，由表达式21算出负荷扭矩推测值τL^。
数学式15J^=τ^C1-τ^C2αM1-αM2---(20)]]>τ^L=αM1·τ^C2-αM2·τ^C1αM1-αM2---(21)]]>下面，表示算出重力扭矩推测值τG^以及粘性摩擦扭矩的大小的推测值τkc^的方法。如图2所示，由重力扭矩τG和动摩擦扭矩τk的和表示负荷扭矩τL。动摩擦扭矩τk具有根据电动机的旋转方向，只使符号取反的性质，使用表示动摩擦扭矩的大小的一定值τkc，电动机正向旋转时的负荷扭矩τL+和电动机负向旋转时的负荷扭矩τL-分别由表达式22、表达式23表示。
数学式16τL+＝τG+τkc…………………………………(22)τL-＝τG-τkc…………………………………(23)从表达式22、表达式23，重力扭矩τG由表达式24表现，表示动摩擦扭矩的大小的一定值τkc由表达式25表现。
数学式17τG=τL++τL-2---(24)]]>τkC=τL+-τL-2---(25)]]>重力扭矩推测值τG^以及动摩擦扭矩的大小的推测值τkc^在表达式24和表达式25中，分别置换电动机正向旋转时的负荷扭矩τL+和电动机负向旋转时的负荷扭矩τL-。即从置换为电动机正向旋转时的负荷扭矩推测值τL^+和电动机负向旋转时的负荷扭矩推测值τL^-而取得的表达式26和表达式27算出。
数学式18τ^G=τ^L++τ^L-2---(26)]]>τ^kC=τ^L+-τ^L-2---(27)]]>如上所述，根据本实施例，即使是粘性摩擦系数大的装置，也能不受粘性摩擦的影响，推测惯性力矩。此外，能从正向旋转时的负荷扭矩推测值和负向旋转时的负荷扭矩推测值推测动摩擦的大小、重力扭矩。
下面，说明在图1中，波及由符号10、12、13表示的低通滤波器的推测精度的影响小的情况。如果使用的3个低通滤波器的传递函数全部相等，能由G(s)表现，则滤波后扭矩指令值τMF*能使用扭矩指令值τM*，表示为τMF*＝G(s)·τM*。同样，滤波后加速度检测值αMF能使用加速度检测值αM，表示为αMF＝G(s)·αM，滤波后速度检测值ωMF能速度检测值ωM表示为ωMF＝G(s)·ωM。此外，如果在表达式4的两边乘以G(s)，就取得表达式28。
数学式19G(s)·τM＝J·G(s)·αM+G(s)·τL+D·G(s)·ωM………………(28)此外，在本发明中，以为扭矩指令值τM*近似为等于电动机扭矩τM，所以表达式28能由表达式29表示。
数学式20τMF＝J·αMF+G(s)·τL+D·ωMF……………………………(29)在表达式29中，右边第二项意味着对低通滤波器输入负荷扭矩τL的输出结果，但是如果假定负荷扭矩τL在推测动作中几乎一定，则τL＝G(s)·τL成立。因此，表达式29能由表达式30表示。
数学式21τMFJ·αMF+τL+D·ωMF………………………………(30)表达式30与表达式4比较，只是电动机扭矩τM、电动机加速度αM、电动机速度ωM变为滤波后的值，为同一形式。因此，如果负荷扭矩τL在推测动作中几乎能视为一定，则只要各检测部中使用的滤波器全部为同一特性，就能与滤波器的有无无关，推测以下的各值。即可以说能用此前描述的手法推测电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^、粘性摩擦系数推测值D^、负荷扭矩推测值τL^、重力扭矩推测值τG^、动摩擦扭矩的大小的推测值τkc^等。
下面说明数据取得部15的数据取得方法。在以上的说明中，以能取得滤波后加速度检测值αMF为所需值(以下称作目标加速度)时的滤波后扭矩指令值τMF*、滤波后速度检测值ωMF为前提。可是，实际上，数据取得部15在计算机上构成，所以对每个采样周期必须取得数据。因此，对于本发明处理的变化的滤波后加速度检测值αMF，不可能取得目标加速度下的滤波后扭矩指令值τMF*以及滤波后速度检测值ωMF。
因此，在本发明中，同时取得目标加速度附近的低于目标加速度和目标加速度以上的滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、滤波后速度检测值ωMF。然后，通过线性插补，算出目标加速度下的滤波后扭矩指令值τMF*、滤波后速度检测值ωMF。
接着，说明取得粘性摩擦系数推测值D^的算出中使用的、滤波后加速度检测值αMF相等，并且滤波后速度检测值ωMF不同的2条件下的数据的方法。在本实施例中，关于滤波后加速度检测值αMF为增加倾向时和减少倾向时，按以下那样取得。分别同时取得目标加速度附近的低于目标加速度和目标加速度以上的滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、及滤波后速度检测值ωMF。
具体而言，按照图6所示的状态转变图。在图6中，用滤波后加速度检测值αMF的大小定义状态转变的12个数据取得状态。在各数据取得状态中，进行负责的低于目标加速度和目标加速度以上的数据的取得。
图5表示在各数据取得状态中负责的目标加速度值、取得数据的储存位置。图5是图1的框图中记载的取得数据矩阵data_atv[][]的数据格式，是10行6列的2维矩阵。此外，能通过使行与第一个[]内对应，列与第二个[]对应，实现数据矩阵data_atv[][]的参照。
例如，数据取得状态UP_ACC_3中的目标加速度是8×WT_ACC。其储存位置为低于目标加速度8×WT_ACC的滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、滤波后速度检测值ωMF分别为data_atv[3]
、data_atv[3][1]、data_atv[3][2]。目标加速度8×WT_ACC以上的滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、滤波后速度检测值ωMF的储存位置分别为data_atv[3][3]、data_atv[3][4]、data_atv[3][5]。同样根据图5，能知道各数据取得状态下的目标加速度值、取得数据的内容及其储存位置。
这里，WT_ACC是定义取得的滤波后检测值αMF的间隔的最小值的常数，最大加速度大的装置中设定得大，最小加速度小的装置中设定得小。另外，如图5所示，设n为整数时，以滤波后加速度检测值αMF的间隔成为2的n次方倍的方式取得目标加速度，从而确保处理的滤波后加速度检测值αMF的动态范围。
接着，从START开始按顺序观察图6的状态转变。从100的数据取得状态UP_ACC_0开始数据的取得，如果滤波后加速度检测值αMF变为1.5×WT_ACC以上，就转变为101的状态UP_ACC_1。在状态UP_ACC_1，如果滤波后加速度检测值αMF变为3×WT_ACC以上，就转变为102的状态UP_ACC_2，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于1.5×WT_ACC，就转变为110的状态DN_ACC_0。在状态UP_ACC_2，如果滤波后加速度检测值αMF变为6×WT_ACC以上，就转变为103的状态UP_ACC_3，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于3×WT_ACC，就转变为109的状态DN_ACC_1。在状态UP_ACC_3，如果滤波后加速度检测值αMF变为12×WT_ACC以上，就转变为104的状态UP_ACC_4，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于6×WT_ACC，就转变为108的状态DN_ACC_2。在状态UP_ACC_4，如果滤波后加速度检测值αMF变为24×WT_ACC以上，就转变为105的状态ACC_5，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于12×WT_ACC，就转变为107的状态DN_ACC_3。
状态ACC_5是不进行数据的取得的状态，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于24×WT_ACC，就转变为106的状态DN_ACC_4。在状态DN_ACC_4，如果滤波后加速度检测值αMF变为24×WT_ACC以上，就转变为状态ACC_5，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于12×WT_ACC，就转变为状态DN_ACC_3。在状态DN_ACC_3，如果滤波后加速度检测值αMF变为12×WT_ACC以上，就转变为状态UP_ACC_4，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于6×WT_ACC，就转变为状态DN_ACC_2。在状态DN_ACC_2，如果滤波后加速度检测值αMF变为6×WT_ACC以上，就转变为状态UP_ACC_3，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于3×WT_ACC，就转变为状态DN_ACC_1。在状态DN_ACC_1，如果滤波后加速度检测值αMF变为3×WT_ACC以上，就转变为状态UP_ACC_2，如果滤波后加速度检测值αMF变为低于1.5×WT_ACC，就转变为状态DN_ACC_0。在状态DN_ACC_0，如果滤波后加速度检测值αMF变为1.5×WT_ACC以上，就转变为状态UP_ACC_1。
滤波后加速度检测值αMF低于0.5×WT_ACC，并且后面描述的数据取得状态编号的最大保持值即state_acc_MaxhoLd低于2时，无法取得推测所必要的数据，所以能转变为状态UP_ACC_0。而滤波后加速度检测值αMF低于0.5×WT_ACC，并且后面描述的数据取得状态编号的最大保持值state_acc_MaxhoLd为2以上时，能取得推测所必要的数据，转变为111的状态ACC_END，结束数据的取得。
下面说明数据取得部15的处理步骤。图7表示数据取得部的程序流程图。作为一个例子，说明同时取得状态UP_ACC_1的低于目标加速度和目标加速度以上的滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、及滤波后速度检测值ωMF的方法。
从START开始程序流程图，由判定部判定滤波后加速度检测值αMF是否低于1.5×WT_ACC(161)。如果是Yes，就把DN_ACC_0代入保存数据取得状态的状态变量state_acc中，进行向DN_ACC_0的状态转变(162)。在判定部161中为No时，转移到判定部164，判定滤波后加速度检测值αMF是否低于2×WT_ACC(164)。
在判定部164如果是Yes，就转移到判定部165，判定滤波后加速度检测值αMF是否比取得完毕的目标加速度低于2×WT_ACC时的滤波后加速度检测值αMF的值data_atv[1]
大(165)。在判定部165，为Yes时，把滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、及滤波后速度检测值ωMF全部覆盖目标加速度低于2×WT_ACC时的取得完毕的数据(166)。据此，能更新为目标加速度更附近的数据。而在判定部165，当No时，转移到END(163)，结束处理。
在判定部164，当No时，转移到判定部167，判定滤波后加速度检测值αMF是否低于3×WT_ACC(167)。如果Yes，就转移到判定部168，判定滤波后加速度检测值αMF是否比取得完毕的目标加速度为2×WT_ACC以上时的滤波后加速度检测值αMF的值data_atv[1][3]小(168)。
在判定部168，为Yes时，转移到处理169，把滤波后加速度检测值αMF、滤波后扭矩指令值τMF*、及滤波后速度检测值ωMF全部覆盖目标加速度为2×WT_ACC以上时的取得完毕的数据。据此，能更新为目标加速度更附近的数据。而在判定部168，当No时，转移到END，结束处理。
在判定部167，当No时，转移到处理175，把UP_ACC_2代入保存数据取得状态的状态变量state_acc中，进行向DN_ACC_2的状态转变，转移到处理176。在处理176，把转移目的地状态名的末尾编号2代入数据取得状态编号的最大保持值state_acc_MaxhoLd，转移到END，结束处理。在其他数据取得状态，实施同样的处理。
结果，在最终数据取得状态名的末尾编号相等的状态下，取得目标加速度相同的数据，但是它与滤波后加速度检测值相等，并且滤波后速度检测值不同的2条件下的数据对应。
根据以上的数据取得法，限于滤波后加速度检测值αMF为正时，能取得负荷参数的推测所必要的数据。因此，代替滤波后加速度检测值αMF，使用滤波后加速度检测值αMF的绝对值|αMF|，即使滤波后加速度检测值αMF为负时，也能取得负荷参数的推测所必要的数据。可是，滤波后加速度检测值αMF为负时，算出的电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^变为负值，所以这时实施符号的求反。
图8是表示数据取得部的全体动作的程序流程图。从START开始程序流程图，在处理121进行变量的初始化。这里，实施取得数据矩阵data_atv[][]的各要素、保持数据取得状态的状态变量state_acc、数据取得状态编号的最大保持值state_acc_MaxhoLd的清0。从data_atv[][]的第0列开始数，在第3列的数据全部写入24×WT_ACC的数据。据此，防止图7的程序流程图的判定部168总变为不成立的问题。
如果初始化结束，就转移到处理122。这例，实施数据分析要求标志ID_REQ的清0，转移到判定部123。在判定部123，判定数据分析部16输出的数据分析结束标志ID_DONE是否为0，如果是Yes，就转移到判定处理124，如果是0，就重复实施判定部123，直到变为Yes。
在判定部124，判定滤波后加速度检测值αMF是否下降到低于0.5×WT_ACC，如果是Yes，就转移到处理125，开始数据的取得，如果是No，就重复实施判定部124，直到变为Yes。处理125的内容从数据取得状态UP_ACC_0开始图6的状态转变，开始后，转移到判定部126。在判定部126，如果数据取得状态是ACC_END，就转移到处理127，如果不是ACC_END，就重复实施判定部126，直到变为ACC_END。
在处理127，对数据分析要求标志ID_REQ设置1，转移到判定部128。在判定部128，如果数据分析结束标志ID_DONE为1，就转移到数据初始化处理121，准备取得新的数据。在判定部128，当数据分析结束标志ID_DONE不是1时，重复实施判定部128，直到变为1。以上是数据取得部15的全体处理内容。
下面说明数据分析部16的动作。图9是表示数据分析部的全体动作的程序流程图。从START开始程序流程图，用处理141初始化变量。这里，把上次的分析时使用的变量初始化，转移到判定部142。在判定部142，判定数据分析要求标志是否为0，如果是Yes，就转移到处理143，如果是No，重复实施判定部142，直到变为Yes。在处理143，把数据分析结束标志ID_DONE清0，转移到判定部144。
在判定部144，判定数据分析要求标志ID_REQ是否为1，如果是1，就转移到处理145。如果ID_REQ不是1，就重复实施判定部144，直到变为1。在处理145，开始数据的分析，转移到判定部146。
在转移到判定部146，判定数据分析的结束，如果结束，就转移到处理147，未结束时，就重复实施判定部146，直到数据分析结束。在处理147，对数据分析要求标志设置1，转移到处理141。以上是数据分析部16的全体处理内容。
下面，使用图10所示的程序流程图，说明处理145中开始的数据分析处理的细节。从START开始程序流程图，在处理201进行目标加速度的2点αM1、αM2的决定。它从取得数据矩阵data_atv[][]中实际能取得的目标加速度中大的一方开始选择2点。例如，数据取得状态编号的最大保持值state_acc_MaxhoLd的值为5时，为目标加速度αM2选择16×WT_ACC，为目标加速度αM1选择8×WT_ACC。
接着，在处理202，从低于目标加速度时的数据和目标加速度以上的数据的2点，通过线性插补，算出目标加速度αM1的加速度增加时的ωMF、τMF*，分别代入ωM1L、τM1L中。接着在处理203，从低于目标加速度时的数据和目标加速度以上的数据的2点，通过线性插补，算出目标加速度αM1的加速度减少时的ωMF、τMF*，分别代入ωM1H、τM1H中。
接着，在处理204，从低于目标加速度时的数据和目标加速度以上的数据的2点，通过线性插补，算出目标加速度αM2的加速度增加时的ωMF、τMF*，分别代入ωM2L、τM2L中。接着在处理205，从低于目标加速度时的数据和目标加速度以上的数据的2点，通过线性插补，算出目标加速度αM2的加速度减少时的ωMF、τMF*，分别代入ωM2H、τ2M2H中。
接着，在处理206，根据表达式13或表达式14，算出粘性摩擦系数推测值D^。接着在处理207，根据表达式15或表达式16算出目标加速度αM1的除去粘性摩擦的影响的动摩擦扭矩的大小的推测值τc1^。接着，在处理208，根据表达式17或表达式18算出目标加速度αM2的除去粘性摩擦的影响的电动机扭矩的推测值τc2^。接着，在处理209，根据表达式20算出电动机和负荷的合计惯性力矩推测值J^。
接着，在处理210，根据表达式21算出负荷扭矩推测值τL^，转移到判定处理211。在判定处理211，判定速度数据ωM2H的符号，如果为正，就转移到处理213。在处理213，把所述处理210中算出的负荷扭矩推测值τL^代入电动机正向旋转时的负荷扭矩推测值τL^+中，转移到处理214。而速度数据ωM2H的符号如果为负，就转移到处理212。在处理212，把处理210中算出的负荷扭矩推测值τL^代入电动机负向旋转时的负荷扭矩推测值τL^-中，转移到处理214。在处理214，根据表达式26算出重力扭矩推测值τG^，根据表达式27算出动摩擦扭矩的大小τkc，转移到215，结束数据分析。
如上所述，数据取得部15和数据分析部16使用数据分析要求标志ID_REQ和数据分析结束标志ID_DONE一边把握彼此的进展状态，一边进行处理，从而实现负荷参数推测部14。此外，在以上说明的实施例中，从2点数据实施直线近似，但是在数据取得部，能取得多个等间隔数据。这时，使用最小二乘法，进行直线近似。关于这时的最小二乘法的应用方法，例如在饭国洋二写的文献“适应信号处理算法”培风馆中详细记载，所以请参照。
实施例2下面说明本发明实施例2。图11是表示实施例2的电动机控制装置的结构的框图。实施例2与实施例1的不同点是滤波后加速度检测值αMF的生成方法。
如图11所示，通过用微分运算器17把滤波后速度检测值ωMF进行微分，取得滤波后加速度检测值αMF，对数据取得部15输入。据此，能省略一个低通滤波器。
实施例3下面说明本发明实施例3。图12是表示实施例3的电动机控制装置的结构的框图。实施例3与实施例1的不同点是代替扭矩电流指令值Iq*，使用扭矩电流检测值Iq。
在图12中，首先在乘法器18算出把扭矩电流检测值Iq变为扭矩常数kt倍的扭矩检测值τM。把在低通滤波器19中输入扭矩检测值τM而取得的滤波后扭矩检测值τMF对数据取得部15输入。据此，利用扭矩电流检测值Iq也具有与利用扭矩电流指令值同等的效果。
实施例4下面说明本发明实施例4。图13是表示实施例4的电动机控制装置的结构的框图。实施例4与实施例3的不同点是滤波后加速度检测值αMF的生成方法。
图13中，通过把滤波后速度检测值ωMF用微分运算器17进行微分，取得滤波后加速度检测值αMF，对数据取得部15输入。据此，与实施例3相比，能省略一个低通滤波器。
权利要求
1.一种电动机控制装置，包括电动机，经由连接轴与驱动对象的负荷结合；电力变换器，驱动所述电动机；电流控制器，按照扭矩电流指令值和提供给所述电动机的扭矩电流检测值的偏差调整电力变换器的输出电流；速度检测器，检测所述电动机的速度并且作为速度检测值输出；加速度运算器，通过将所述速度检测值进行微分而输出加速度检测值；负荷参数推测部，推测所述负荷的惯性力矩；和速度控制器，输出所述扭矩电流指令值，所述负荷参数推测部输入将所述扭矩电流指令值乘以扭矩常数而算出的扭矩指令值、所述速度检测值以及所述加速度检测值，将所述加速度检测值相等并且速度检测值不同的2点的条件下的扭矩指令值的差除以所述速度检测值的差，算出粘性摩擦系数推测值，使用该粘性摩擦系数推测值推测所述惯性力矩，所述速度控制器根据所推测的所述惯性力矩自动修正控制常数，调整所述扭矩电流指令值。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于将所述扭矩指令值、所述加速度检测值、所述速度检测值分别对同一特性的低通滤波器输入，将作为所述低通滤波器的输出取得的滤波后扭矩指令值、滤波后加速度检测值、滤波后速度检测值对所述负荷参数推测部输入。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部具有取得分别在所述加速度检测值为增加倾向时和减少倾向时在给定的加速度检测值下的速度检测值和扭矩指令值的部件。
4.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部从所述扭矩指令值减去与所述扭矩指令值同时取得的作为所述速度检测值和所述粘性摩擦系数推测值的积算出的粘性摩擦扭矩推测值，而算出除去粘性摩擦的影响的扭矩指令值。
5.根据权利要求4所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部取得多个所述加速度检测值下的所述速度检测值和所述扭矩指令值，假定在以横轴为所述加速度检测值、纵轴为所述除去粘性摩擦的影响的扭矩指令值的曲线图上描画各取得数据时，作为近似直线的斜率，算出惯性力矩推测值，进一步作为曲线图的截距，算出负荷扭矩推测值。
6.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部分别取得比所述给定的加速度检测值还小的加速度检测值下的速度检测值和扭矩指令值、比所述给定的加速度检测值还大的加速度检测值下的速度检测值和扭矩指令值，将想求出的给定的所述加速度检测值下的速度检测值和扭矩指令值作为来自所述2点的条件的取得数据的线性推测值算出。
7.根据权利要求5所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部，作为所述电动机的旋转方向为正向时求出的负荷扭矩推测值和所述电动机的旋转方向为负向时求出的负荷扭矩推测值的平均值，算出重力扭矩推测值。
8.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部对未知的最大加速度，为了取得尽可能相邻的加速度检测值差大的数据，在n为正整数时，将相邻的加速度检测值差变为2的n次方倍的系列作为所述给定的加速度检测值，取得数据。
9.一种电动机控制装置，包括电动机，经由连接轴与驱动对象的负荷结合；电力变换器，驱动所述电动机；电流控制器，按照扭矩电流指令值和提供给所述电动机的扭矩电流检测值的偏差调整电力变换器的输出电流；速度检测器，检测所述电动机的速度并且作为速度检测值输出；加速度运算器，通过将所述速度检测值进行微分而输出加速度检测值；负荷参数推测部，推测所述负荷的惯性力矩；和速度控制器，输出所述扭矩电流指令值，所述负荷参数推测部输入将所述扭矩电流检测值乘以扭矩常数而算出的扭矩检测值、所述速度检测值以及所述加速度检测值，将所述加速度检测值相等并且速度检测值不同的2点的条件下的扭矩检测值的差除以所述速度检测值的差，而算出粘性摩擦系数推测值，使用该粘性摩擦系数推测值推测所述惯性力矩，所述速度控制器根据所推测出的所述惯性力矩而自动修正控制常数，调整所述扭矩电流指令值。
10.根据权利要求9所述的电动机控制装置，其特征在于将所述扭矩指令值、所述加速度检测值、及所述速度检测值分别对同一特性的低通滤波器输入，将作为所述低通滤波器的输出取得的滤波后扭矩检测值、滤波后加速度检测值、及滤波后速度检测值对所述负荷参数推测部输入。
11.根据权利要求9所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部具有取得分别在所述加速度检测值为增加倾向时和减少倾向时在给定的加速度检测值下的速度检测值和扭矩检测值的部件。
12.根据权利要求9所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部从所述扭矩检测值减去与所述扭矩检测值同时取得的作为速度检测值和粘性摩擦系数推测值的积算出的粘性摩擦扭矩推测值，算出除去粘性摩擦的影响的扭矩检测值。
13.根据权利要求12所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部取得多个加速度检测值下的所述速度检测值和扭矩检测值，假定在以横轴为加速度检测值、纵轴为所述除去粘性摩擦的影响的扭矩检测值的曲线图上描画各取得数据时，作为近似直线的斜率，算出惯性力矩推测值，作为曲线图的截距，算出负荷扭矩推测值。
14.根据权利要求9所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部取得比所述给定的加速度检测值还小的加速度检测值下的速度检测值和扭矩检测值、比所述给定的加速度检测值还大的加速度检测值下的速度检测值和扭矩检测值，将想求出的所述给定的加速度检测值下的速度检测值和扭矩检测值作为来自所述2点的条件的取得数据的线性推测值算出。
15.根据权利要求13所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部作为所述电动机的旋转方向为正向时求出的负荷扭矩推测值和所述电动机的旋转方向为负向时求出的负荷扭矩推测值的平均值，算出重力扭矩推测值。
16.根据权利要求11所述的电动机控制装置，其特征在于所述负荷参数推测部对未知的最大加速度，为了取得尽可能相邻的加速度检测值差大的数据，在n为正整数时，将相邻的加速度检测值差变为2的n次方倍的系列作为所述给定的加速度检测值，取得数据。
17.一种电动机控制方法，所述电动机包括电力变换器，驱动经由连接轴与驱动对象的负荷结合的电动机；电流控制器，按照扭矩电流指令值和提供给所述电动机的扭矩电流检测值的偏差调整电力变换器的输出电流；负荷参数推测部，推测所述负荷的惯性力矩；和速度控制器，输出所述扭矩电流指令值，所述负荷参数推测部在所述电动机的动作中输入将所述扭矩电流指令值乘以扭矩常数而算出的扭矩指令值或扭矩检测值、检测所述电动机的速度的速度检测值及将所述速度检测值进行微分的加速度检测值，将所述加速度检测值相等并且速度检测值不同的2点的条件下的扭矩指令值或扭矩检测值的差除以所述速度检测值的差，而算出粘性摩擦系数推测值，使用该粘性摩擦系数推测值推测所述惯性力矩，所述速度控制器根据所推测出的所述惯性力矩而自动修正控制常数，调整所述扭矩电流指令值。
全文摘要
本发明的电动机控制装置具有与负荷结合的电动机、驱动电动机的电力变换器、按照扭矩电流指令值和提供给电动机的扭矩电流检测值的偏差调整电力变换器的输出电流的电流控制器。还具有输出电动机的速度检测值的速度检测器、把速度检测值微分并且输出加速度检测值的加速度运算器、负荷参数推测部。负荷参数推测部把加速度检测值相等且速度检测值不同的条件下的扭矩指令值的差除以速度检测值的差，算出为了推测惯性力矩所必要的粘性摩擦系数推测值。在实际运行中，推测惯性力矩、粘性摩擦系数、负荷扭矩，实现速度控制部的控制常数的自动修正。在驱动对象负荷的粘性摩擦大时，在线的负荷参数的推测误差增大。
文档编号H02P23/00GK101034865SQ200610141479
公开日2007年9月12日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年3月7日
发明者名仓宽和, 大桥敬典, 高野裕理, 梁田哲男 申请人:株式会社日立产机系统