专利名称：电动机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对驱动工作机械的工作台和工业机器人的臂这样的负 载机械的电动机进行控制的电动机控制装置。
背景技术：
作为这种电动机控制装置，已知以下这样的装置，即对根据电动 机的速度信号或位置信号生成的转矩指令信号进行控制使得电动机的 转矩与转矩指令信号一致从而经由转矩传递机械结构对与电动机结合 的负载机械进行驱动，但由于使电动机和负载机械结合的转矩传递机 械结构的刚性低，所以有难以同时实现干扰抑制力的提高和负载机械 的振动。
因此，现有的传统设备控制装置构成为从基于电动机的速度信号 和位置信号生成的转矩指令信号减去负载机械结构的加速度信号的比 例倍的信号，使包含在负载机械的加速度信号中的负载机械的振动反 映到转矩指令信号中，来抑制负载机械的振动(例如参考专利文献1 )。
或者，构成为输入负载机械的加速度信号，并附加对位置控制电 路输出的转矩指令信号进行修正的振动抑制电路，用状态方程式的模 型表现电动机、负载机械、位置控制电路、振动抑制电路，决定位置 控制电路和振动抑制电路所具备的增益，使得包含考虑到位置偏差和 负载机械的加速度和向电动机施加的操作能量的项、状态方程式的状 态变量的评价函数为最小，由此不使负载机械振动而提高指令跟踪性
(例如参考专利文献2)。
专利文献l:特开平6 - 91482号/>才艮 专利文献2:特开平5 - 303427号公报
在专利文献1中记载的发明中，如果将速度比例增益Kvp固定为
某值，则通过增大加速度反馈增益Ka，能够抑制负载机械的振动。但 是，由于适合于振动抑制的Ka的大小根据速度比例增益Kvp而不同， 所以为了提高干扰抑制力，必须在每次调整速度比例增益Kvp时都重 新调整加速度反馈增益Ka，有调整作业烦瑣的问题。
另外，为了抑制负载机械的振动，必须增大加速度反馈增益Ka， 但由于构成为将负载机械的加速度信号的比例倍的信号与速度控制电 路输出的转矩指令信号相加，以抑制振动为目的的加速度反馈增益Ka 的效果、以抑制干扰为目的的速度积分增益Kvi和位置比例增益kp的 效果会引起干扰而成为振动，有无法同时得到充分的振动抑制效果和 干扰抑制效果的问题。
另外，在专利文献2记栽的发明中，需要与组合了电动机和负载
机械的机械系统有关的正确的公式模型，因此需要确定机械系统的频
率特性等的特殊装置，有装置整体的结构变得大规模并且复杂的问题。 另外，为了决定位置控制电路和振动抑制电路的增益，需要设置 评价函数的加权，但由于评价函数的加权增益与所得到的结果的关系 不明确，所以为了得到满意的结果，必须不断试验错误的调整，调整 作业烦瑣，另外由于为了决定位置控制电路和振动抑制电路的增益而
需要求解Riccati方程式，所以还有调整作业烦瑣的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述那样的问题点而提出的，其目的在于 提供一种通过容易的增益调整就能够同时实现干扰抑制力的提高和负 载机械的振动抑制的电动机控制装置。
电动机控制装置的结构是位置控制单元输入用于指定驱动负载 机械的电动机的位置目标值的位置指令信号、表示电动机的位置的当 前值的位置信号，输出用于指定电动机的速度目标值的速度指令信号， 速度控制单元输入位置控制单元输出的速度指令信号、将表示电动机 的速度的当前值的速度信号与修正该速度信号的速度修正信号相加后 的修正速度信号，输出电动机驱动负载机械的转矩目标值的转矩指令
信号，进而，输入表示负载机械的加速度的当前值的加速度信号并输
出速度修正信号的振动抑制单元构成为从加速度信号到转矩指令信 号的传递函数具有将从位置信号到转矩指令信号的传递函数乘以规定 的增益的比例特性和积分特性那样地确定的传递函数。
息的ii算、频率二性:确定等的特殊装置，如果与电动机;负载机:
独立地，将负载机械的加速度信号的反馈增益设置为固定值，就能够 实现负载机械的振动抑制，因此能够通过容易的增益调整，同时实现 电动机和负载机械的速度控制中的干扰抑制力的提高、负载机械的振 动抑制。
图1是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的一个例子的框图。
图2是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的一个例子的框图。
图3是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的根轨迹的图。 图4是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的速度比例增益 与闭环复极(complex pole )的衰减系数的关系的图。
图5是表示本发明的实施例2的电动机控制装置的一个例子的框图。
图6是表示本发明的实施例2的电动机控制装置的一个例子的框图。
图7是表示本发明的实施例3的电动机控制装置的一个例子的框图。
图8是表示本发明的实施例4的电动机控制装置的一个例子的框图。
图9是表示本发明的实施例5的电动机控制装置的一个例子的框图。
图10是表示本发明的实施例5的电动机控制装置的 一 个例子的框图。
符号说明
2:负载机械；3:电动机；8a、 8b、 8c、 8d、 8e、 8f、 8g、 8h: 作为位置控制单元的位置控制电路；9a、 9b、 9c、 9e、 9f、 9h:作为 速度控制单元的速度控制电路；lla、 llb、 llc、 lld、 lle、 llf、 llg、 llh:作为振动抑制单元的振动抑制电路；12:作为增益部件的增益电 路；13:作为积分部件的积分电路
具体实施方式
实施例1
图l是表示本发明的实施例1的电动机控制装置的框图。控制对 象1由包括驱动负栽机械2的电动机3的机械系统4、控制电动机3
驱动负载机械2的转矩Tm使其与转矩指令信号Tr一致的转矩控制电路
5构成。另外，除了负载机械2和电动机3以外，机械系统4还包括 检测出作为电动机3的位置的当前值的位置信号Xm的位置检测电路6、 检测作为负载机械2的加速度的当前值的加速度信号a,的加速度检测 电路7。
位置控制电路8a输入作为电动机3的位置的目标值的位置指令信
号Xr、位置信号Xm,输出作为电动机3的速度目标值的速度指令信号 Vr。
速度控制电路9a输入位置控制电路8a输出的速度指令信号vr、
将用于对该速度信号Vm进行修正的速度修正信号Ve与速度计算电路 10根据位置信号Xm计算输出的速度信号Vm相加后的修正速度信号 VmC,输出作为电动机3驱动负载机械2的转矩Tm的目标值的转矩指 令信号Tr。
由将负载机械2的加速度信号a，作为输入的振动抑制电路lla输 出速度修正信号Ve，但对于该振动抑制电路lla的传递函数，如下这
样确定从加速度信号a,到转矩指令信号Tr的传递函数，即将规定的增 益的比例特性和积分特性乘以从位置信号Xm到转矩指令信号Tr的传 递函数。
使用比图1的结构简单的不向位置控制电路8b输入位置信号xm 的反馈的图2的结构，说明本实施例1的原理。在图2中，控制对象 1与图1 一样。
位置控制电路8b输入位置指令信号Xr,输出速度指令信号Vr。 速度控制电路9b输入位置控制电路8b输出的速度指令信号Vr、 将修正该速度信号Vm的速度修正信号Ve与由速度计算电路10根据位 置Xm计算输出的速度信号Vm相加后的修正速度信号Vmc,输出转矩指 令信号A。
另外，在振动抑制电路llb中，对负载机械2的加速度信号a,进 行比例倍增，而生成速度修正信号Vc。
另夕卜，在图2的结构中，位置控制电路8b并不一定限于是电动机 控制装置的构成要素，也可以考虑电动机控制装置从外部输入速度指
令信号Vr的结构。
接着，说明本实施例l的原理。
机械系统4是具有机械共振特性，从转矩指令信号Tr到电动机3
的速度信号Vm的传递函数只具有一个机械共振特性的二惯性系统。这 时，如果假设从电动机3的转矩Tm到电动机3的速度信号Vm的传递
函数为Gv ( s )，从电动机3的转矩Tm到负载机械2的加速度信号a, 的传递函数为Ga ( s )，则分别如下这样表示Gv ( s ) 、 Ga ( s )。 公式1
<formula>formula see original document page 11</formula>
公式2
在此，(o为反共振频率，(Op为共振频率，J是机械系统4的总惯 性，如果假设电动机3的惯性为Jm，负载机械2的惯性为J"则总惯
性J表示为Jm与Ji的和。Gv (S)在虚数轴上具有一对复数零点，如 果假设该复数零点为Z，，则用下式给出Z，。
公式3<formula>formula see original document page 12</formula>
另外，速度控制电路9b构成为从修正速度信号Vme到转矩指令信 号Tr的传递特性为下式所示的PI控制的传递特性。
公式4
在此，kv是速度比例增益，cow是速度积分增益。 首先，在振动抑制电路llb中将负载机械2的加速度信号a,的比 例倍的增益设为a，考虑该增益a为0，即不将速度修正信号Ve与电 动机3的速度信号Vm相加的电动机控制装置。如果理想地将转矩控制 电路5的传递特性设为1，设在控制对象1的输入端切断回路(loop) 时的开环传递函数为Lv， ( s ),则Lv， ( s )为从控制对象1的输入端 经由检测电动机3的位置信号Xm的位置检测电路6、速度计算电路IO 和速度控制电路9b返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数，如 下这样表示。 公式5
<formula>formula see original document page 12</formula>
根据公式(5) ， Lv， (s)具有的零点为实数零点-(Ovi和位于虛数 轴上的一对复数零点士jo)z，原样地出现速度控制电路9b所赋予的实数 零点-C0vi和Gv ( s )的复数零点z，。
另一方面，如果考虑aX)时，则如果设在控制对象1的输入端切 断回路时的开环传递函数为Lv ( s )，则Lv ( s )为从控制对象1的输 入端经由电动机3、位置检测电路6、速度计算电路10和速度控制电 路9b返回到控制对象l的输入端的回路的传递函数与从控制对象的输 入端经由负载机械2、加速度检测电路7、振动抑制电路lib和速度控 制电路9b返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数的和，如下式
这样表示。
公式6
根据公式(6 ) ， Lv ( s )具有实数零点-covi和根据增益a变化的 一对复数零点。如果设U (s)的复数零点为z,则通过下式给出z。
公式7
(7)
另外，如果设U(s)的复数零点z的衰减系数为；，在复数平面 中复数零点z与实数轴所成的角度为(p，则通过下式给出复数零点z
的衰减系数为；z。
公式8
Cz= —= 丁 (8)
一般，为了提高干扰抑制效果，必须增大开环传递函数的增益， 但已知如果充分增大开环传递函数的增益，则不切断回路的闭环传递 函数的极(以下称为闭环极)逐渐接近开环传递函数的零点。因此，
如果增大开环传递函数的增益，则闭环极的衰减系数接近公式(8)的 开环传递函数的零点(以下称为开环零点)的衰减系数。
该闭环极的衰减系数是表示闭环响应的振动衰减的比例的代表性 指标，闭环极的衰减系数越小，则闭环响应的振动越大，闭环极的衰 减系数越大，则闭环响应的振动越快衰减。
根据本实施例1，如果将公式(8)所示的闭环复数零点的衰减系 数"适当地设置为大的值，则即使为了提高干扰抑制效果而增大开环 传递函数的增益，也能够增大闭环复极的衰减系数，抑制振动。即， 能够同时实现干扰抑制和振动抑制。
使用图3和图4,详细说明上述性质。
图3是表示改变速度比例增益kv时的闭环复极的根轨迹的概要 图。在此，为了简化说明，设o)vi-O,另外设置a-l/(0z,使得复数零 点z的衰减系数为；z-0.5。
在图3中，用虛线表示设a-O时的闭环复极的根轨迹，用实线表 示设aX)时的闭环复极的根轨迹，另外用o表示开环零点，用x表示开 环极，各根轨迹的箭头表示增大速度比例增益kv时闭环极移动的方向。
另外，实数轴上的闭环极在速度增益为0时位于原点，并与速度 比例增益kv的增大对应地收敛为位于-oo的闭环零点。该轨迹在a = 0、 a-l/wz噪声的情况下都是同样的轨迹(未图示)。
另外，图4是表示增大速度比例增益kv时的闭环复极的衰减系数 的变化的图，橫轴是用总惯性J标准化了的速度比例增益kv,纵轴是 闭环复极的衰减系数。
在增益为0时，如果为了提高干扰抑制力，而从O开始增大速度 比例增益kv,则闭环复极向从虚数轴离开的方向移动，闭环复极的衰 减系数在某kv的值时成为最大。
如果进而使速度比例增益kv从衰减系数成为最大的值开始增大， 则闭环复极接近Lv， (s)在虛数轴上具有的复数零点z，，闭环复极的 衰减系数逐渐接近O。与此同时，负载机械2的振动增大，但即使调 整速度比例增益kv和速度积分增益(ovi，该复数零点z，的位置也不改 变，因此为了增大衰减系数抑制负栽机械2的振动，就必须减小速度 比例增益kv。
由此，在增益a为O，即不将速度修正信号Ve与电动机3的速度
Vm相加的情况下，无法同时实现干扰抑制力的提高和振动抑制。
与此相对，如果将增益a增大为正，则可以增大Gv (s)的复数 零点z，的衰减系数。即，能够使Lv(s)的复数零点z向从位于虛数轴 的z，离开的位置移动，能够增大Lv(s)的复数零点z的衰减系数；z。
这时，如果为了提高干扰抑制力而增大速度比例增益kv,则闭环 复极向从虚数轴离开的方向移动，闭环复极的衰减系数增大。如果进 而增大kv，则与a-O时一样，闭环复极的衰减系数减小，但能够如 上述那样使Lv(s)的复数零点z的衰减系数；z成为适当的大小，因 此能够进行调整，使得即使闭环复极接近Lv (s)的复数零点z，闭环 极的衰减系数也不为O，使负载机械2不振动。
即，能够同时实现干扰抑制力的提高和负载机械的振动抑制。
在图l的结构中，可以与图2的结构一样地构成振动抑制电路lla， 其内容如下。
在图1中，构成为位置控制电路8a具有位置比例增益kp的传递 特性，速度控制电路9a具有与图2—样的公式(4)所示的PI控制的 传递特性。这时，如果着眼于来自位置检测电路6的反馈回^( feedback
h)Op)，则从位置信号Xm到转矩指令信号Tr的传递特性如下式所示那样。
公式9
Tr= ^ ^ 〈9〉
如果构成为从加速度信号a,到转矩指令信号Tr的传递特性是将增 益01的比例积分特性乘以从位置信号Xm到转矩指令信号Tr的传递特 性，则可以与图2的结构一样地调整开环复数零点的衰减，因此也可 以具有如下式所示那样的传递特性。
公式10
<formula>formula see original document page 15</formula>
另 一方面，通过下式表示从速度修正信号Ve到转矩指令信号Tr的 传递特性。
公式11
<formula>formula see original document page 15</formula>
因此，可以使振动抑制电路lla具有下式所示那样的比例增益为 a、积分增益为kp的PI控制的传递函数Ca (s)。 公式12
接着，说明本实施例1的振动抑制电路lla、振动抑制电路llb、 速度控制电路9a、速度控制电路9b的调整。
通过增大增益a能够增大衰减系数；z，如果衰减系数"为0.5左
右，则在增大速度比例增益kv时，能够得到充分的振动抑制效果。另 外，即使进一步增大衰减系数；z而成为1以上，也不会有特别好的效
果，但另一方面，收敛减慢、安定(robust)稳定性变差这样的恶劣 影响增大。因此，可以将增益a调整为使得衰减系数^-0.5左右。 另外，衰减系数；z并不依存于速度比例增益kv和速度积分增益
0)vi。因此，可以与速度比例增益kv和速度积分增益O)vi的调整独立地，
在能够抑制负载机械2的振动的范围内将增益a固定为某一个值。例 如，如果a-l/cOz左右，则能够充分抑制负载机械2的振动，使得衰 减系数"-0.5左右。
另外，如果事先知道机械系统4的反共振频率cOz，则可以如上述 那样设置增益a，使得衰减系数"与最优值一致，但在不知道反共振 频率coz的情况下，只将增益a增大为正，就能够增大衰减系数^而 得到振动抑制效果。
因此，为了获得反共振频率o)z等与机械系统4有关的信息，不需 要用于计算和确定频率特性那样的特殊的装置，只通过逐渐使a从0 逐渐增大的容易的调整，就能够抑制负载机械2的振动。
另外，由于衰减系数；z不依存于速度比例增益kv，所以可以与增 益a和速度比例增益kv独立地进行调整，能够独立地调整干扰抑制力 的提高和负载机械2的振动抑制。
另外，衰减系数；z也不依存于速度积分增益O)vi,因此也可以独立
地调整增益a和速度积分增益a)vi。根据公式(6)可知，即使改变速
度积分增益(Ovi，也只是Lv (S)的实数零点-(Ovi在实数轴上移动，不
会影响根据增益a而变化的复数零点的衰减系数"。
由于复数零点的衰减系数为1，所以在收敛为实数零点-O)vi的闭 环极的影响下，负栽机械2不振动。在这种电动机控制装置中，大多 使速度积分增益O)vi与速度比例增益kv联动，设置为与速度比例增益 kv的增大对应地(Ovi也增大，但在这样的情况下，也不需要变更与速
度积分增益0)vi、速度比例增益kv有关的设置，而将速度修正信号VC 与电动机3的速度信号Vm相加，即实施例l的结构，能够通过上述那
样只调整增益a的容易的调整，同时实现干扰抑制力的提高和振动抑 制。
另外，对于位置比例增益kp,也可以与速度比例增益kv—样地进
行处理。
另外，在本实施例l中，记栽了在振动抑制电路lla中，使负载 机械2的加速度信号ai成为比例倍而生成速度修正信号ve，但也可以 构成为使从负栽机械2的加速度信号a,除去了规定的频率成分的信号 成为比例倍。
例如，通过向振动抑制电路lla或振动抑制电路lib追加除去规 定频率以上的成分的低通滤波器，能够除去有可能对机械系统4的稳 定性产生恶劣影响的包含在负载机械2的加速度信号a,中的高频噪 声。低通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率coz的5倍 还大。
另外，通过向振动抑制电路lla或振动抑制电路lib追加除去规 定频率以下的成分的高通滤波器，能够除去因包含在负栽机械2的加 速度信号a,中的偏移量而产生的恒定误差。另外，高通滤波器的截止 频率可以比机械系统4的反共振频率coz的1/10小。
本实施例1通过以上那样的构成，不需要用于得到与机械系统4 有关的信息的计算、确定频率特性这样的特殊装置，能够与位置比例
增益kp、速度比例增益kv和速度积分增益COvi的调整独立地，只通过
将增益a设置为固定值使得衰减系数"成为1以下的适当的值这样的 容易的调整，就能够同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动 抑制。
另外，如图2的结构那样，在不向位置控制电路8b输入位置信号 Xm的反馈时，通过将负载机械2的加速度信号a,的比例倍的速度修正 信号Vc与电动机3的速度信号Vm相加这样的更简单的结构，就能够 得到同等的效果。
另外，以速度控制电路9a和速度控制电路9b具有PI控制的传递 特性的情况为例子进行了说明，但在具有其他传递特性的情况下，例
如如果是PI控制的传递特性，则振动抑制电路也可以如向PI控制追 加了用0)vi决定的滤波器的结构那样，用同样的方法构成振动抑制电
路lla或振动抑制电路llb。 实施例2
图5是表示本发明的实施例2的电动机控制装置的框图。 控制对象与实施例l一样。
位置控制电路8c输入位置指令信号Xr、将修正该位置信号xm的
位置修正信号Xc与位置信号Xm相加了的修正位置信号Xme，输出速度
指令信号 。
速度控制电路9c输入位置控制电路8c输出的速度指令信号vr、
IO根据位置信号Xm计算输出的速度信号Vm,输出转矩指令信号Tr。
由输入负载机械2的加速度信号a,的振动抑制电路llc输出位置
修正信号Ve,但决定该振动抑制电路llC的传递函数，使得从加速度 信号a,到转矩指令信号Tr的传递函数是将从位置信号Xm到转矩指令 信号Tr的传递函数乘以规定的增益的比例特性和积分特性。
使用比图5的结构简单的不向速度控制电路9C输入速度信号Vm
的反馈的图6的结构，说明本实施例2的原理。在图6中，控制对象 l与图5—样。
在该图6的结构中，位置控制电路8d构成为不经由速度控制电路
而直接输出转矩指令信号Tr，输入位置指令信号Xr和修正位置信号 Xmc，输出转矩指令信号Tr。另外，由振动抑制电路lld对负载机械2
的加速度信号a,的比例倍的信号进行积分而生成位置修正信号xc。 接着，说明本实施例2的原理。与实施例l一样，机械系统4是
具有机械共振特性，从转矩指令信号Tr到电动机3的位置信号Xm的 传递函数只具有一个机械共振特性的二惯性系统。这时，如果设从电 动机3的转矩Tm到电动机3的位置信号Vm的传递函数为Gp (S)， 则如下式这样表示Gp (S)。
公式13
另外，假设振动抑制电路lld对负载机械2的加速度信号^进行 比例积分，如下式这样给出从负载机械2的加速度信号a,到位置修正
信号Xe的传递特性。
公式14
<formula>formula see original document page 19</formula> (14)
在此，a是振动抑制电路lid的积分增益。
另外，假设是位置控制电路8d中的从电动机3的位置信号Xm到 转矩指令信号Tr的传递特性为下式所示的Gp (s)所示那样的PID控 制装置。
公式15<formula>formula see original document page 19</formula>
在此，K是位置微分增益，kp是位置比例增益，Ki是位置积分增益。
如果理想地设转矩控制电路5的传递特性为1，设在控制对象1 的输入端切断回路(lo叩)时的开环传递函数为Lp ( s ),则Lp ( s ) 为从控制对象l的输入端经由电动机3、位置检测电路6、位置控制电 路8d返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数与从控制对象1 的输入端经由负载机械2、加速度检测电路7、振动抑制电路lld和位 置控制电路8d返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数的和，如 下式那样表示。
公式16
<formula>formula see original document page 19</formula>( i 6)
Lp (s)具有由位置控制电路8d赋予的零点、根据振动抑制电路 lid的积分增益a变化的复数零点。根据积分增益a变化的复数零点 与公式(7)所示的复数零点z相同，因此通过与K、 Kp和Ki的调整 独立地，增大a为正，能够增大衰减系数。
另外，由位置控制电路8d赋予的零点也有根据位置比例增益Kp 和位置积分增益Ki的值成为复数零点的情况，但通过调整位置比例增 益Kp和位置积分增益Ki,能够增大复数零点的衰减系数，因此即使 增大位置微分增益K，收敛于该复数零点的闭环极也不会使负栽机械 2振动。因此，与实施例l一样，通过容易的调整就能够同时实现干 扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外，根据与实施例1 一样的考虑方式，在图5的结构中，也可 以与图6的结构一样地构成振动抑制电路llc。在图5中，在位置控 制电路8c具有增益kp的P控制的传递特性，速度控制电路9c具有 PI控制的传递特性的情况下，可以构成振动抑制电路llc,使得具有 下式所示那样的比例增益为(X/kp、积分增益为kp的PI控制的传递特 性。
公式17
<formula>formula see original document page 20</formula> (17)
另外，即使位置控制电路9c不具有PI控制，而具有IP控制那样 的其他传递特性，也能够同样地构成振动抑制电路llc。
在本实施例2中，振动抑制电路llc对负载机械2的加速度信号 a,进行比例倍积分，生成位置修正信号Xc，但也可以使从负载沖几械2 的加速度信号a,除去了规定的频率成分的信号成为比例倍。
例如，通过向振动抑制电路llc或振动抑制电路lld追加除去规 定频率以上的成分的低通滤波器，能够除去有可能对机械系统4的稳 定性产生恶劣影响的包含在负载机械2的加速度信号a,中的高频噪 声。低通滤波器的响应频率可以比机械系统4的反共振频率(Oz的大致 5倍还大。
另外，也可以将振动抑制电路llc或振动抑制电路lld中的积分 设为在积分中同时具有高通滤波器的特性的伪积分。通过设该高通滤 波器为2次以上的特性，能够除去因包含在负载机械2的加速度信号 中的偏移量而产生的恒定误差。另外，可以与包含在从加速度信号a,
到转矩指令信号Tr的传递特性中的积分要素的次数的合计对应地决定 该高通滤波器的次数。进而，高通滤波器的截止频率可以比机械系统
4的反共振频率coz的大致1/10小。
本实施例2通过以上那样的构成，通过增大振动抑制电路lie或 振动抑制电路lid的积分增益a，将Lp (s)的复数零点的位置设为 与位于虛数轴上的Gp (s)的复数零点的位置不同的位置，能够增大 衰减系数。因此，与实施例l一样，能够通过容易的调整，同时实现 干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外，如图6的结构那样，在不向速度控制电路输入速度信号vm 的反馈时，通过将负栽机械2的加速度信号^的比例积分倍的位置修
正信号、与电动机3的位置信号Xm相加这样的更简单的结构，就能
够得到同等的效果。
实施例3
图7是表示本发明的实施例3的电动机控制装置的框图。控制对 象1与实施例1 一样。
位置控制电路8e输入位置指令信号xr、将修正该位置信号xm的
位置修正信号Xe与电动机3的位置信号Xm相加了的修正位置信号Xmc, 输出速度指令信号 。
速度控制电路9e输入位置控制电路8e输出的速度指令信号vr、
将速度计算电路IO根据位置信号Xm计算输出的速度信号Vm与修正该 速度信号Vm的速度修正信号Vc相加后的修正速度信号Vme,输出转矩 指令信号Tr。
由振动抑制电路lle输出位置修正信号Xc和速度修正信号vc,该 振动抑制电路lle包括使负载机械2的加速度信号a,成为比例倍而生
成速度修正信号Ve的增益电路12、对该速度修正信号Ve进行积分而
生成位置修正信号xe的积分电路13。
接着，说明本实施例3的原理。机械系统4与实施例1 一样，是 二惯性系统。另外，设位于振动抑制电路lle的内部的增益电路12的 增益为oi，用下式所示的比例控制的传递特性表示位置控制电路8e中
的从电动机3的位置信号xm到速度指令信号vr的传递特性。 公式18
Cp(s) = -fcp (工8 )
在此，kp是位置比例增益。另外，速度控制电路9e对速度指令信 号vr与电动机3的速度信号vm的偏差进行下式所示的PI计算。 公式19
Cv(S)--^"~ (19)
在此，kv是速度比例增益，(Ovi是速度积分增益。
在理想地将转矩控制电路5的传递特性设为1的情况下，如果设 在控制对象1的输入端切断回路(loop )时的开环传递函数为Lp ( s )， 则Lp (s)为从控制对象l的输入端经由位置检测电路6、位置控制电 路8e和速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回路的传递函 数、从控制对象1的输入端经由位置检测电路6、速度计算电路10和 速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回路的传递函数、从控 制对象1的输入端经由加速度检测电路7、增益电路12、积分电路13、 位置控制电路8e和速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回 路的传递函数、从控制对象1的输入端经由加速度检测电路7、增益 电路12、速度控制电路9e返回到控制对象1的输入端的回路的传递 函数的和，如下式那样表示。
公式20
/S3(<s2 + 1) (2o)
Lp (s)具有实数零点-kp和-ovi、根据振动抑制电路lie的积 分增益a而变化的复数零点。
2个实数零点的衰减系数始终为1，因此在增大速度比例增益kv 时，收敛于该实数零点的闭环极不会使负载机械振动。
另外，根据积分增益a而变化的复数零点与公式(7)所示的复数 零点z相同，通过与速度比例增益kv、速度积分增益Wvi和位置比例 增益kp的调整无关地，增大积分增益a而成为正，将Lp(s)的复数
零点z的位置设为与位于虛数轴上的Gp (s)的复数零点z，不同的位 置，能够增大衰减系数。
因此，与实施例1 一样，能够通过容易的调整同时实现干扰抑制 力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外，即使速度控制电路9e不具有PI控制，而具有IP控制那样 的其他传递特性，也能够同样地构成振动抑制电路lle。
另外，在本实施例3中，在速度计算电路10中，根据由位置检测 电路6检测出的位置信号Xm计算出电动机3的速度信号vm，但也可 以使用电动机3的速度的检测值。
另外，振动抑制电路lie使负载机械2的加速度信号a,成为比例
倍而生成速度修正信号Ve，对速度修正信号Ve进行积分而生成位置修
正信号Xe，但也可以代替加速度信号ai，而使用从加速度信号a,除去
了规定的频率成分的信号。
例如，通过向振动抑制电路lid追加除去规定频率以上的成分的 低通滤波器，能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的 包含在加速度信号a,中的高频噪声。低通滤波器的响应频率可以比机 械系统4的反共振频率coz的5倍还大。
另外，也可以向振动抑制电路lie中的从负载机械2的加速度信 号a,到速度修正信号vc的传递特性追加除去规定频率以下的成分的高 通滤波器，并且代替包含在从加速度信号a,到位置修正信号、的传递 特性中的积分，而在积分中使用具有2次以上的特性的高通滤波器的
特性的伪积分。可以与包含在从加速度信号^到转矩指令信号Tr的传
递特性中的积分要素的次数的合计对应地决定包含在该伪积分中的高
通滤波器的次数。通过如上述那样构成振动抑制电路lle，能够除去 因包含在加速度信号a,中的偏移量而产生的恒定误差。
追加到从加速度信号a,到速度修正信号ve的传递特性中的高通滤
波器、代替包含在从加速度信号A到位置修正信号Xe的传递特性中的
积分使用的伪积分所包含的高通滤波器的截止频率可以比机械系统4 的反共振频率COz的1/10小。
实施例3如上述那样构成，因此通过增大位于振动抑制电路lie 的内部的增益电路12的增益<x，能够将Lp(s)的复数零点的位置设 在与位于虛数轴上的Gp (s)的复数零点不同的位置，能够增大衰减 系数。因此，与实施例l一样，能够通过容易的调整同时实现千扰抑 制力的提高和负载机械2的振动抑制。
实施例4
图8是表示本发明的实施例4的电动机控制装置的图。 控制对象l与实施例l一样。
另一方面，在实施例1 3中，振动控制电路11a lle构成为输 入负载机械2的加速度信号ai,输出用于修正位置信号Xm的位置修正 信号Xe或用于修正速度信号Vm的速度修正信号Ve，但在本实施例4
中，振动抑制电路llf构成为同样输入加速度信号a,，输出用于^"正
速度控制电路9f输出的转矩指令信号TV的转矩修正信号Tc。
位置控制电路8f输入位置指令信号Xr，输出速度指令信号Vr。
速度控制电路9f输入位置控制电路8f输出的速度指令信号vr、
由速度计算电路10根据电动机3的位置信号Xm计算输出的速度信号 Vm，输出转矩指令信号^。
振动抑制电路llf构成为将从速度信号Vm到转矩指令信号Tr的传 递函数全体与增益相乘而得到从加速度信号a,到指令信号Tr的传递函
数。另外，将振动抑制电路llf输出的转矩修正信号Tc与速度控制电 路9f输出的转矩指令信号Tv相加，得到赋予转矩控制电路5的修正转 矩指令信号Tr。
以下说明本实施例4的原理。在图8中，假设机械系统4是二惯 性系统，理想地设转矩控制电路5的传递特性为1，设从负载机械2
的加速度信号a,到修正转矩指令信号Tr的传递函数为Ca (S),速度 控制电路9f中的从速度信号Vm到修正转矩指令信号TV的传递特性为 公式(4)所示的CV (S)，则可以构成振动抑制电路llf使得Ca (S) 成为下式所示的传递特性。
公式21
在此，a是在振动抑制电路llf中与从速度信号Vm到修正转矩指 令信号TV的传递特性CV ( S )全体相乘的增益。
这时，在控制对象1的输入端断开回路时的开环传递函数与公式
(6)—样，与实施例l一样，能够通过容易的调整同时实现干扰抑制 力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外，与实施例1 一样，即使在速度控制电路9f不具有PI控制 而是具有IP控制那样的其他传递特性时，也可以同样地构成振动抑制 电路llf。
上述振动抑制电路llf通过对负载机械2的加速度信号a,施加PI 计算，生成速度修正信号Ve，但也可以使用从加速度信号a,除去了规 定的频率成分的信号。
例如，通过向振动抑制电路llf追加除去规定频率以上的成分的 低通滤波器，能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的 包含在加速度信号a,中的高频噪声。低通滤波器的截止频率可以比机 械系统4的反共振频率(Oz的5倍还大。
另外，在振动抑制电路llf中包含积分特性的情况下，也可以在 积分特性中使用同时具有高通滤波器的特性的伪积分。通过使用伪积 分，能够除去因包含在加速度信号a,中的偏移量而产生的恒定误差。 上述高通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频率Wz的1/10 小。
如本实施例4那样，通过构成振动抑制电路llf使得将从速度信 号vm到转矩指令信号Tr的传递函数全体乘以增益而得到从负载机械2 的加速度信号a,到转矩指令信号Tr的传递函数，与实施例l一样，能 够通过容易的调整同时实现千扰抑制力的提高和负栽机械2的振动抑 制。
另外，可以对上述实施例4所示的电动机控制装置进行等价变换， 也能够得到与上述同样的效果。 实施例5
图9是表示与实施例4 一样根据加速度信号a,得到转矩修正信号 Tc的其他实施例的实施例5的电动机控制装置的图。 控制对象l与实施例1一样。
位置控制电路8g输入对电动机3的位置指令信号x"电动才几3的
位置信号Xm，不经由速度控制电路而直接输出转矩指令信号Tp。
振动抑制电路llg构成为将从位置信号Xm到转矩指令信号Tr的传
递函数全体乘以增益特性和积分特性，而得到从加速度信号a,到转矩
指令信号Tr的传递函数。另外，将振动抑制电路llg输出的转矩修正 信号A与位置控制电路8g输出的转矩指令信号Tp相加，得到赋予转 矩控制电路5的修正转矩指令信号Tr。
以下，说明动作原理。图9中的机械系统4与实施例1 一样，是
二惯性系统，理想地将转矩控制电路5的传递特性设为1。在将从负
载机械2的加速度信号a,到转矩指令信号Tr的传递函数设为Ca ( S )， 位置控制电路8g中的从电动机3的速度信号Vm到转矩指令信号Tp的
传递特性例如是公式(15)所示的Cp (s)时，构成振动抑制电路llg
使得Ca (S)为下式所示的传递特性。
公式22
在此，a是在振动抑制电路llg中与从电动机3的位置信号Xm到 转矩指令信号tp的传递特性Cp (s)全体相乘的增益。这时，在控制 对象1的输入端切断回路(loop)时的开环传递函数与公式(16)完 全一样，因此与实施例l一样，能够通过容易的调整同时实现干扰抑 制力的提高和负载机械2的振动抑制。
上述振动抑制电路llg构成为通过对负栽机械2的加速度信号ai 实施PID计算，生成转矩修正信号tc,但也可以向振动抑制电路llg 追加用于除去规定的频率成分的滤波器。
例如，通过向振动抑制电路llg追加除去规定频率以上的成分的
低通滤波器，能够除去有可能对机械系统4的稳定性产生恶劣影响的 包含在加速度信号a,中的高频噪声。低通滤波器的截止频率可以比机 械系统4的反共振频率coz的大致5倍还大。
另外，也可以将振动抑制电路llg中的积分设为在积分中同时具 有高通滤波器的特性的伪积分。通过设该高通滤波器为2次以上的特 性，能够除去因包含在负载机械2的加速度信号中的偏移量而产生的 恒定误差。上述高通滤波器的截止频率可以比机械系统4的反共振频
率COz的大致1/10小。
如实施例5那样，通过构成振动抑制电路llg使得将从电动机3
的位置信号Xm到转矩指令信号Tp的传递函数全体乘以比例积分特性，
而得到从负载机械2的加速度信号a,到转矩指令信号Tr的传递函数，
与实施例1一样，能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和
负载机械2的振动抑制，能够得到与实际的装置一致的最优的电动机
控制装置的结构。
另外，在同时具有包含在实施例4和本实施例5中的电动机3的
位置信号Xm和速度信号Xm的反馈的图IO那样的结构中，也同样通过
构成振动抑制电路llh使得将从电动机3的位置信号xm到转矩指令信
号Tv的传递函数全体乘以比例积分特性，而得到从负栽机械2的加速 度信号a,到转矩指令信号Tr的传递函数，由此与实施例l一样，能够
通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械2的振动抑制。
另外，可以对本实施例5所示的电动机控制装置进行等价变换，
也能够得到与上述一样的效果。
另外，在各实施例中，说明了构成为由位置检测电路6检测出表 示电动机3的位置的当前值的位置信号xm，由速度计算电路10根据
位置信号Xm计算输出速度信号Vm，但在相反由速度检测电路检测出 表示电动机3的速度的当前值的速度信号Vm，根据速度信号Vm计算 出位置信号Xm的结构中，本发明也能够得到同样的效果。
权利要求
1.一种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其特征在于包括位置控制单元，输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的位置目标值的位置指定信号、表示上述电动机的位置的当前值的位置信号，输出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号；速度控制单元，输入上述速度指令信号和将表示上述电动机的速度的当前值的速度信号与用于修正该速度信号的速度修正信号相加后的修正速度信号，输出上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号；振动抑制单元，根据传递函数，输入上述加速度信号或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号，输出上述速度修正信号，其中确定该传递函数使得将从上述位置信号到上述转矩指令信号的传递函数与规定的增益的比例特性和积分特性相乘而得到从表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度信号到上述转矩指令信号的传递函数，上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分，上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
2. —种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其 特征在于包括速度控制单元，输入用于指定驱动上述负栽机械的电动机的速度 目标值的速度指令信号、将表示上述电动机的速度的当前值的速度信 号与用于修正该速度信号的速度修正信号相加后的修正速度信号，输 出用于指定由上述电动机驱动上述负栽机械的转矩目标值的转矩指令 信号；振动抑制单元，使表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度 信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信 号成为比例倍，输出上述速度修正信号，其中，上述低通滤波器除去 规定的值以上的频率成分，上述高通滤波器除去规定值以下的频率成分。
3. —种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其 特征在于包括位置控制单元，输入用于指定驱动上述负栽机械的电动机的位置 目标值的位置指令信号、将表示上述负载机械的位置的当前值的位置 信号与用于修正该位置信号的修正位置信号相加后的修正位置信号， 输出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号；速度控制单元，输入上述速度指令信号、表示上述电动机的速度 的当前值的速度信号，输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械 的转矩目标值的转矩指令信号；振动抑制单元，根据传递函数，输入上述加速度信号或使低通滤 波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信号，输出上述速度 修正信号，其中确定该传递函数使得将从上述位置信号到上述转矩指该加速度信号到上述转矩指令信号的传递函数，上述低通滤波器除去 规定的值以上的频率成分，上述高通滤波器除去规定值以下的频率成 分。
4. 一种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其 特征在于包括位置控制单元，输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的位置 目标值的位置指令信号、将表示上述电动机的位置的当前值的位置信 号与用于修正该位置信号的位置修正信号相加后的修正位置信号，输 出由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号；振动抑制单元，对表示上述负载机械的加速度的当前值的加速度 信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的信 号的比例值进行积分，输出上述位置修正信号的振动抑制单元，其中 上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分，上述高通滤波器除去 规定值以下的频率成分。
5. —种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其特征在于包括位置控制单元，输入用于指定驱动上述负载机械的电动机的位置 目标值的位置指令信号、将表示上述电动机的位置的当前值的位置信 号与用于修正该位置信号的修正位置信号相加后的修正位置信号，输 出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号；速度控制单元，输入上述速度指令信号、将表示上述电动机的速 度的当前值的速度信号与用于修正该速度信号的速度修正信号相加后 的修正速度信号，输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械的转 矩目标值的转矩指令信号；振动抑制单元，包括增益部件，使表示上述负栽机械的加速度 的当前值的加速度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度 信号发挥作用的信号的比例值成为比例倍，输出上述速度修正信号， 其中上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分，上述高通滤波器 除去规定值以下的频率成分；积分部件，对上述速度修正信号进行积 分，输出上述位置修正信号。
6. —种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其 特征在于包括速度控制单元，输入用于指定被上述电动机驱动的负载机械的速 度目标值的速度指令信号、表示上述电动机的速度的当前值的速度信 号，输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转 矩指令信号；振动抑制单元，输入表示上述负载机械的加速度的当前值的加速 度信号或使低通滤波器和高通滤波器发挥作用的信号，根据传递函数， 输出修正上述转矩指令信号的转矩指令修正信号，其中将从上述速度 信号到上述转矩指令信号的传递函数与规定的增益相乘而得到上述传 递函数，上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分，上述高通滤 波器除去规定值以下的频率成分。
7. —种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其 特征在于包括 位置控制单元，输入用于指定被上述电动机驱动的负载机械的位 置目标值的位置指令信号、表示上述电动机的位置的当前值的位置信 号，输出用于指定上述电动机驱动上述负载机械的转矩目标值的转矩指令信号；振动抑制单元，输入表示上述负载机械的加速度的当前值的加速 度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的 信号，根据传递函数，输出修正上述转矩指令信号的转矩指令修正信 号，其中将从上述位置信号到上述转矩指令信号的传递函数与具有规 定增益的比例特性和积分特性相乘而得到上述传递函数，上述低通滤 波器除去规定的值以上的频率成分，上述高通滤波器除去规定值以下 的频率成分。
8. —种电动机控制装置，对驱动负载机械的电动机进行控制，其 特征在于包括位置控制单元，输入用于指定被上述电动机驱动的负载机械的位 置目标值的位置指令信号、表示上述电动机的位置的当前值的位置信 号，输出用于指定上述电动机的速度目标值的速度指令信号；速度控制单元，输入上述速度指令信号、表示上述电动机的速度 的当前值的速度信号，输出用于指定由上述电动机驱动上述负载机械 的转矩目标值的转矩指令信号；振动抑制单元，输入表示上述负载机械的加速度的当前值的加速 度信号、或使低通滤波器和高通滤波器对上述加速度信号发挥作用的 信号，根据传递函数，输出修正上述转矩指令信号的转矩指令修正信 号，其中将从上述位置信号和上述速度信号到上述转矩指令信号的传数，上述低通滤波器除去规定的值以上的频率成分，上述高通滤波器 除去规定值以下的频率成分。
9.根据权利要求1~8中的任意一个所述的电动机控制装置，其 特征在于包含在振动抑制单元中的积分特性同时具有从表示负载机械的加 速度的当前值的加速度信号到用于指定由电动机驱动负载机械的转矩 目标值的转矩指令信号的传递函数所包含的积分要素的次数的合计所 对应的次数的高通滤波器特性。
全文摘要
本发明的电动机控制装置为了能够通过容易的调整同时实现干扰抑制力的提高和负载机械(2)的振动抑制，速度控制电路(9a)输入作为电动机(3)的速度目标值的速度指令信号(v<sub>r</sub>)、用速度修正信号(v<sub>c</sub>)修正了作为电动机(3)的速度的当前值的速度信号(v<sub>m</sub>)后的修正速度信号(v<sub>mc</sub>)，输出用于指定由电动机(3)驱动负载机械(2)的转矩(τ<sub>m</sub>)的目标值的转矩指令信号(τ<sub>r</sub>)，振动抑制电路(11a)基于表示负载机械(2)的加速度的当前值的加速度信号(a<sub>l</sub>)的输入，输出速度修正信号(v<sub>c</sub>)，对于振动抑制电路(11a)的传递函数，将从表示电动机(3)的位置的当前值的位置信号(x<sub>m</sub>)到转矩指令信号τ<sub>r</sub>的传递函数乘以规定的增益的比例特性和积分特性，而得到从加速度信号(a<sub>l</sub>)到转矩指令信号(τ<sub>r</sub>)的传递函数。
文档编号H02P29/00GK101180789SQ200680017489
公开日2008年5月14日 申请日期2006年5月29日 优先权日2005年5月31日
发明者丸下贵弘, 松本浩辉, 池田英俊 申请人:三菱电机株式会社