测力计系统的制作方法
【专利摘要】提供一种即使负载的惯性变大也能够实现稳定的速度控制、位置控制的测力计系统。测力计系统的速度控制装置6C具备：速度控制电路部61A，根据角速度指令值ωref以及测力计角速度ωM，计算转矩电流指令值T2；干扰观测补偿部63C，从由速度控制电路部61A计算出的转矩电流指令值T2减去干扰观测Tobs，校正该转矩电流指令值；以及轴转矩检测补偿部62A，对轴转矩检测值Tsh乘以滤波器传递函数GBPF以及抑制增益K1，将由此得到的轴转矩检测补偿量Tsh_K加到转矩电流指令值T1，校正该转矩电流指令值。轴转矩检测补偿部62A的滤波器传递函数GBPF被设定为仅将由负载设备以及测力计构成的机械系的共振频率及其附近作为通过频带。
【专利说明】测力计系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及测力计系统(dynamometer system)。更详细而言涉及如下测力计系统:具备检测测力计的旋转位置或者角速度的编码器、和检测负载设备以及测力计之间的轴转矩的轴转矩测量计，根据这些检测值来控制测力计。
【背景技术】
[0002]在测力计系统中，将电动机、引擎、辊等负载设备、和吸收在该负载设备产生的动力的测力计用共用的轴连结，并且根据编码器、轴转矩测量计的检测信号控制测力计的速度、位置，在对负载设备提供适当的负载的同时控制负载设备的输出，从而进行其各种性能试验。
[0003]作为这样的测力计(电动机)的速度控制装置，例如专利文献I是公知的。更具体而言，专利文献I的速度控制装置为了同时实现对于指令值的响应和对于干扰的响应，由对1-P速度控制附加了前馈补偿的2自由度控制系构成。特别地，在该专利文献I中，示出了在这样的2自由度控制系中，唯一地设定比例增益、积分增益等多个控制参数的方法。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2011-152005号公报
【发明内容】
[0007]发明所要解决的技术问题
[0008]根据专利文献I的速度控制装置，能够易于调整控制参数，同时实现稳态偏差少的速度控制，但是对于与测力计连接的负载的惯性，没有充分研究。因此，在将专利文献I的速度控制装置原样地应用于上述测力计系统的情况下，如果想要提高例如控制响应，则起因于由测力计和负载设备构成的机械系的共振特性，有产生振荡、发散等不稳定现象的担心，稳定的速度控制变得困难。特别是，负载设备的惯性力矩越大，其倾向越显著。
[0009]本发明是鉴于以上那样的课题而完成的，其目的在于提供一种即使负载的惯性变大也能够实现稳定的速度控制、位置控制的测力计系统。
[0010]解决技术问题的技术方案
[0011](I)为了达成上述目的，本发明提供一种测力计系统(例如后述测力计系统I)，具备:测力计(例如后述测力计2)，与负载设备(例如后述电动机9)通过共用的轴(例如后述的轴S)连结；逆变器(例如后述逆变器3)，向该测力计供给电力；编码器(例如后述编码器4)，检测所述测力计的旋转位置或者角速度；轴转矩测量计(例如后述的轴转矩测量计5)，检测所述负载设备以及所述测力计之间的轴转矩；和控制装置(例如后述速度控制装置6、6A、6A'、6B、6B'、6C、6D或者位置控制装置)，根据所述编码器的检测值以及所述轴转矩测量计的检测值，控制所述测力计。其特征在于:所述控制装置具备:主控制部(例如后述速度控制电路部61A)，根据外部输入的对从所述编码器的检测值(ωΜ)的指令值(?ref)以及所述编码器的检测值(ωΜ)，计算成为对所述逆变器的输入(Tdyref)的转矩电流指令值(Τ1、Τ2);以及轴转矩检测补偿部(例如后述的轴转矩检测补偿部62Α、62Α'、62Β,62Β/ )，将对所述轴转矩测量计的检测值乘以滤波器传递函数(Gbpf、Gut-Ghpf)以及抑制增益(Kl)而得到的结果加到由所述主控制部计算出的转矩电流指令值(Τ1、Τ2)，校正该转矩电流指令值，所述轴转矩检测补偿部的滤波器传递函数被设定为仅将由所述负载设备以及所述测力计构成的机械系的共振频率及其附近作为通过频带。
[0012]根据(I)本发明，通过利用轴转矩检测补偿部，用对轴转矩测量计的检测值乘以抑制增益而得到的结果，校正根据编码器的检测值和其指令值由主控制部计算出的转矩电流指令值，从而能够抑制由负载设备和测力计构成的机械系的共振增益，实现稳定的测力计的速度控制、位置控制。
[0013]但是，如果考虑轴转矩测量计的噪声，则仅用使用了轴转矩测量计的检测值的上述轴转矩检测补偿部，遍及全部频率区域的恰当的校正变得困难，还设想优选与其它补偿器组合的情况。因此，在本发明中，在轴转矩检测补偿部中，对轴转矩测量计的检测值乘以仅将由负载设备以及测力计构成的机械系的共振频率及其附近设定为通过频带的滤波器传递函数。即，在轴转矩检测补偿部中，通过仅补偿机械系的共振频率频带，在与其它补偿器组合而使用的情况下，抑制与其的干涉，结果能够在全部频率区域中实现稳定的速度控制、位置控制。
[0014](2)在该情况下，优选所述测力计系统还具备干扰观测补偿部(例如后述干扰观测补偿部63C)，该干扰观测补偿部根据所述编码器的检测值(ωΜ)以及由所述主控制部计算出的转矩电流指令值(Tl)计算干扰观测(observer) (Tobs),从由所述主控制部计算出的转矩电流指令值(T2)减去该计算出的干扰观测，校正该转矩电流指令值。
[0015](2)根据本发明，还设置干扰观测补偿部，通过用根据编码器的检测值、转矩电流指令值计算出的干扰观测，校正由主控制部计算出的转矩电流指令值，能够提高干扰响应，进而实现更高响应的测力计的速度控制、位置控制。另外，在本发明中，通过如上所述与被设定为仅补偿共振频率频带的轴转矩检测补偿部组合使用干扰观测补偿部，能够使两者协调，在全部频率区域中实现高响应且稳定的速度控制、位置控制。
[0016](3)在该情况下，所述干扰观测补偿部优选为将J设为将所述测力计以及所述负载设备合起来的整体的惯性力矩，将ωΜ设为所述编码器的检测值，将Tl设为由所述主控制部计算出的转矩电流指令值，将s设为拉普拉斯算子，将1/Gfc (s)设为具有相对次数是I次以上且阻止比规定的截止频率高的频率频带的特性的任意的传递函数，通过下述式(I)计算干扰观测Tobs。
[0017][式I]
τ h (V.(oM 'S，)- 7?
[0018]Tobs =—————— (I)
GJc(s)
[0019](3)根据本发明，如上述式(I)那样，用考虑了将负载设备和测力计合起来的整体的惯性力矩的模型，计算作为干扰的推测值的干扰观测，由此校正转矩电流指令值，从而能够提高干扰响应，进而实现更高响应的测力计的速度控制、位置控制。另外，在成为干扰观测的干扰的推测值中，包括编码器的检测值的伪微分，所以在由于噪声的影响而在高频率侧的应对变得困难时，乘以具有上述那样的低通特性的传递函数l/GfC (S)，从而能够去除这样的噪声的影响。
[0020](4)在该情况下，所述传递函数1/Gfc (s)的截止频率优选被设定为比所述共振频率低。
[0021](4)根据本发明，通过使截止频率如上所述低于机械系的共振频率，能够在低频率侧通过干扰观测补偿部进行补偿，在高频率侧通过轴转矩检测补偿部进行补偿，使两者协调而在全部频率区域中实现高响应且稳定的速度控制、位置控制。
[0022](5)在该情况下，所述轴转矩检测补偿部的滤波器传递函数优选为被设定为在其上侧截止频率与下侧截止频率之间的频带宽度内包括所述机械系的共振频率的带通滤波器。
[0023](5)通过使滤波器传递函数成为被设定为在其频带宽度内包括共振频率的带通滤波器，能够更可靠地起到上述(I)的效果。
[0024](6)在该情况下，所述轴转矩检测补偿部的滤波器传递函数优选将具有比所述共振频率高的截止频率的低通滤波器和具有比所述共振频率低的截止频率的高通滤波器串联地结合而构成。
[0025](6)在本发明中，通过将低通滤波器和高通滤波器串联地结合来构成具有带通滤波器的特性的滤波器传递函数，能够起到与上述(5)同样的效果。另外，在组合了低通滤波器和高通滤波器时，相比于带通滤波器，能够将频带宽度设定得更宽，所以相比于上述(5)的发明，能够提高轴转矩检测补偿部的设计的自由度。
[0026](7)在该情况下，所述轴转矩检测补偿部优选关于所述机械系的多个共振频率，将对每个该共振频率设定的滤波器传递函数及其抑制增益并联地连接多个而构成。
[0027](7) 一般地，在存在多个共振频率时，通过将在本发明中对各个共振频率的每一个设定的滤波器传递函数及其抑制增益并联地连接，能够恰当地抑制各共振增益。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是示出本发明的一个实施方式的测力计系统的结构的框图。
[0029]图2是示出2惯性系模型的结构的图。
[0030]图3是示出实施例1的控制系的整体的框图。
[0031 ]图4是示出实施例1的滤波器传递函数Gbpf的频率特性的图。
[0032]图5是示出实施例1的变形例的控制系的整体的框图。
[0033]图6是示出实施例2的控制系的整体的框图。
[0034]图7是示出实施例2的滤波器传递函数Gut.Ghpf的频率特性的图。
[0035]图8是示出实施例2的变形例的控制系的整体的框图。
[0036]图9是示出实施例3的控制系的整体的框图。
[0037]图10是示出从转矩电流指令值至轴转矩测量计检测值的频率响应的波特图。
[0038]图11是示出实施例4的控制系的整体的框图。
[0039]附图标记
[0040]1:测力计系统；2:测力计；3:逆变器；4:编码器；5:轴转矩测量计;6、6A、6A,、6B,6B/、6C、6D:速度控制装置(控制装置)；61A:速度控制电路部(主控制部)；62A、62A'、62B、62B':轴转矩检测补偿部；63C:干扰观测补偿部
【具体实施方式】
[0041]以下，参照附图，并且对本发明的一个实施方式的测力计系统详细进行说明。
[0042]图1是示出本实施方式的测力计系统I的结构的框图。
[0043]测力计系统I具备:测力计2，与作为负载设备的电动机9由共用的轴S连结；逆变器3，对该测力计2供给电力；编码器4，检测测力计2的旋转位置或者角速度；轴转矩测量计5，检测电动机9以及测力计2之间的轴转矩；以及速度控制装置6，根据这些编码器4以及轴转矩测量计5的检测值，控制测力计2的角速度。
[0044]编码器4检测测力计2的旋转位置或者角速度，将与检测值大致成比例的信号发送到速度控制装置6。轴转矩测量计5根据例如轴的扭转方向的歪斜量，检测对电动机9以及测力计2之间的轴S作用的轴转矩，将与检测值大致成比例的信号发送到速度控制装置6。
[0045]逆变器3将从未图示的直流电源供给的直流电力变换为交流电力，供给到电动机
I。速度控制装置6根据编码器4的检测值、轴转矩测量计5的检测值、以及从外部输入的角速度指令值，决定作为对逆变器3的输入的转矩电流指令值。关于该速度控制装置6的详细的结构，之后在各实施例中说明。
[0046]在测力计系统I中，由上述速度控制装置6控制测力计2的角速度，在对电动机9提供适当的负载的同时，控制电动机9的输出，从而进行其各种性能试验。
[0047]实施例1
[0048]接下来，参照附图，并且对上述实施方式中的速度控制装置的实施例1详细地进行说明。在以下的实施例的说明中，将测力计系统的机械系的结构作为图2所示那样的2惯性系模型。
[0049]在图2中，“ JM”是测力计的惯性力矩[kgm2]。
[0050]“几”是电动机(负载设备)的惯性力矩[kgm2]。
[0051]“Ksh”是测力计-电动机之间的轴的弹簧刚度[Nm/rad]。
[0052]“ωΜ”是测力计的角速度[rad/s]，相当于编码器的检测值。以下，称为测力计角速度。
[0053]“ ω L”是电动机的角速度[rad/s]。
[0054]“TL”是电动机的驱动转矩[Nm]。
[0055]“Tsh”是对测力计-电动机之间的轴作用的轴转矩[Nm]，相当于轴转矩测量计的检测值。以下，称为轴转矩测量计检测值。
[0056]“Tdyref”是测力计的驱动转矩[Nm]，相当于对逆变器的输入。以下，称为转矩电流指令值。
[0057]在以下的说明中，对于旋转损耗[Nms/rad]、弹簧损耗[Nms/rad],省略说明,但本发明不限于此。
[0058]在图2所示那样的2惯性系模型中想要提高速度控制响应的情况下，如果负载的惯性力矩几大于测力计的惯性力矩JMCJLS JM)，则易于由于机械系的共振而产生振荡、发散等不稳定现象。以下，说明为了抑制这样的共振而构成的速度控制装置的结构。
[0059]图3是示出应用了本实施例的速度控制装置6A的控制系的整体的框图。另外，在图2中用粗虚线表示的部分是将参照图2而说明的2惯性系模型用传递函数表示的部分。
[0060]在图3所示的控制系中，操作量成为测力计的驱动转矩Tdyref，观测量成为测力计角速度ωΜ以及轴转矩测量计检测值Tsh，控制量成为测力计角速度ωΜ，驱动转矩TL被作为干扰而施加到电动机侧。
[0061]实施例1的速度控制装置6Α构成为包括速度控制电路部61Α、和轴转矩检测补偿部62Α。对速度控制装置6Α，作为对于测力计角速度ωΜ的指令值,从外部输入角速度指令值 ωref[rad/s]。
[0062]速度控制电路部61A根据从外部输入的角速度指令值《ref和测力计角速度检测值ωΜ，以使这些偏差迅速变为O的方式，计算成为对逆变器的输入的转矩电流指令值Tl。对该速度控制电路部61Α，使用以往已知的例子。
[0063]轴转矩检测补偿部62Α通过对轴转矩测量计检测值Tsh乘以滤波器传递函数Gbpf以及抑制增益Kl计算轴转矩检测补偿量Tsh_K，将其加到由速度控制电路部61A计算出的转矩电流指令值Tl，校正转矩电流指令值Tl。
[0064]在本实施例中，对由速度控制电路部6IA计算出的转矩电流指令值Tl加上由轴转矩检测补偿部62A计算出的轴转矩检测补偿量Tsh_K而得到的结果成为最终的转矩电流指令值 Tdyref。
[0065]在大于O且小于I的值之间调整抑制增益Kl。滤波器传递函数Gbpf(S)使用用下述式(2)表示那样的带通滤波器。在下述式(2)中，Βω I是中心频率[rad/s]。Pgl是峰值增益。BQl是Q值，如果将从中心频率Βω I起的±3dB宽度(频带宽度)设为Bwidthl，则 Q 值 BQl 用 βωΙ/Bwidthl 表示。
[0066][式2]
【权利要求】
1.一种测力计系统，具备: 测力计，与负载设备通过共用的轴连结； 逆变器，向该测力计供给电力； 编码器，检测所述测力计的旋转位置或者角速度； 轴转矩测量计，检测所述负载设备以及所述测力计之间的轴转矩；以及 控制装置，根据所述编码器的检测值以及所述轴转矩测量计的检测值，控制所述测力计， 其特征在于， 所述控制装置具备: 主控制部，根据从外部输入的对于所述编码器的检测值的指令值以及所述编码器的检测值，计算成为对所述逆变器的输入的转矩电流指令值；以及 轴转矩检测补偿部，将对所述轴转矩测量计的检测值乘以滤波器传递函数以及抑制增益而得到的补偿量，加到由所述主控制部计算出的转矩电流指令值，校正该转矩电流指令值， 所述轴转矩检测补偿部的滤波器传递函数被设定为仅将由所述负载设备以及所述测力计构成的机械系的共振频率及其附近作为通过频带。
2.根据权利要求1所述的测力计系统，其特征在于， 还具备干扰观测补偿部，该干扰观测补偿部根据所述编码器的检测值以及由所述主控制部计算出的转矩电流指令值，计算干扰观测，从由所述主控制部计算出的转矩电流指令值减去计算出的该干扰观测，校正该转矩电流指令值。
3.根据权利要求2所述的测力计系统，其特征在于， 在所述干扰观测补偿部中，将J设为将所述测力计以及所述负载设备合起来的整体的惯性力矩，将ωΜ设为所述编码器的检测值，将Tl设为由所述主控制部计算出的转矩电流指令值，将s设为拉普拉斯算子，将1/Gfc(s)设为具有相对次数是I次以上且阻止比规定的截止频率高的频率频带的特性的任意的传递函数，通过下述式，计算干扰观测Tobs， [式I]
4.根据权利要求3所述的测力计系统，其特征在于， 所述传递函数1/Gfc(s)的截止频率被设定为低于所述共振频率。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的测力计系统，其特征在于， 所述轴转矩检测补偿部的滤波器传递函数是被设定为在其频带宽度内包括所述机械系的共振频率的带通滤波器。
6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的测力计系统，其特征在于， 所述轴转矩检测补偿部的滤波器传递函数是将具有比所述共振频率高的截止频率的低通滤波器和具有比所述共振频率低的截止频率的高通滤波器串联地结合而构成的。
7.根据权利要求5或者6所述的测力计系统，其特征在于， 所述轴转矩检测补偿部是关于所述机械系的多个共振频率，将对于每个该共振频率而设定的滤波器传递函数及其抑制增益并联地连接多个而构成的。
【文档编号】H02P29/00GK104137413SQ201380011117
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年2月27日 优先权日:2012年2月29日
【发明者】高桥利道 申请人:株式会社明电舍