专利名称：电动机控制装置及电动机控制方法、控制系统及该控制系统中使用的位置推定方法
技术领域：
本发明涉及对使自动设备动作的电动机进行控制的电动机控制装置。此外，本发明涉及对使自动设备动作的电动机进行控制的电动机控制方法。此外，本发明涉及能适用于例如自动设备、数值控制装置等驱动系统、旋转系统的控制系统及该控制系统中使用的位置推定方法。
背景技术：
以往，已知有对使自动设备动作的DC电动机(也包含直流电动机、DC无刷电动机)进行控制的电动机控制装置(例如，参照专利文献I)。在专利文献I所记载的电动机控制装置中，利用位置检测器来检测出电动机的旋转位置，利用速度检测器来检测出电动机的转速。此外，利用减法器来计算出从位置指令减去位置检测器的输出后得到的位置偏差，利用位置控制器，将位置偏差变换成速度指令，利用加减法器，将速度指令与来自前馈控制器的输出进行相加并减去速度检测器的输出，利用PI控制器，将加减法器的输出变换成转矩指令。此外，利用限制器对从PI控制器输出的转矩指令施加限制之后，电动机驱动器基于该转矩指令来驱动电动机。此外，一般而言，在自动设备、数值控制装置等领域中，适用用于对它们进行驱动的控制系统。例如，在使自动设备进行工件的传送、焊接等各种操作的情况下，控制系统向对使自动设备的关节转动的电动机进行伺服控制的伺服控制器发出动作指令(位置指令)。另一方面，自动设备的关节具有测定电动机的旋转角度的编码器，主机控制器经由伺服控制器，参照从该编码器发送来的反馈的位置数据(旋转角度测定值等)进行采样，并识别目标值与实测值的偏差，以进行伺服控制。此处，由于以规定的采样周期对上述反馈的位置数据进行采样，因此，无法知道在采样周期以外的时刻的位置，采样周期成为位置分辨率的限制。然而，在进行高速/高精度的位置控制的情况下，位置分辨率的高低成为重要因素，因此，为了提高位置分辨率的极限，需要进行位置推定。在专利文献2所记载的自动设备控制装置中，即使绝对值编码器的测定周期与伺服周期不同步，也可通过外插运算来推定与伺服周期同步的位置脉冲，提高位置分辨率。更具体地进行说明，在专利文献2所公开的自动设备控制装置中，首先，对反馈位置X进行采样。然后，利用与最近的采样时刻的关系，计算采样时间间隔，计算反馈位置的差分，并将反馈位置的差分除以采样时间间隔，来求出反馈位置的变化率(变化率A)。另一方面，计算从采样时刻到伺服指令时刻的时间差(时间差B)。然后，在最后，将对变化率A乘以时间差B后得到的值与上述反馈位置X进行相加，从而推定伺服指令时刻的位置。现有技术文献专利文献专利文献1:日本专利特开平10 - 309683号公报
专利文献2 :日本专利特开平5 - 333931号公报
发明内容
在由专利文献I所记载的电动机控制装置所控制的DC电动机中，能得到与流过驱动用线圈的电流成比例的转矩。流过驱动用线圈的电流在静态下与施加于电动机驱动器的电压成比例，因此，通过对施加于电动机驱动器的电压进行控制，从而能控制电动机的转矩。此处，在施加于电动机驱动器的源电压下降的情况下，通过提高转矩指令，能防止转矩的下降。然而，一般而言，由于电动机驱动器等的物理上的限制，无法将转矩指令提高到一定值以上。因此，若施加于电动机驱动器的源电压大幅下降，则不仅无法使自动设备进行所希望的动作，而且因PI控制器等所具有的积分功能的影响而发生所谓饱和(wind-up)现象，自动设备有时会出现振动动作等不稳定的动作。因而，以往，例如，若发生源电压瞬间下降现象即瞬间下降(电压瞬间下降)，则在自动设备出现不稳定的动作之前强制停止电动机，确保安全性，并防止自动设备及工件的损伤。然而，在发生了电压瞬间下降等时，若停止电动机以停止自动设备，则会花费用于使自动设备重新起动的恢复时间，生产性下降。特别是在电源状况较差的工厂等使用自动设备的情况下，若每次发生电压瞬间下降时，都使自动设备停止，则生产性大幅下降。因而，本发明的课题在于提供一种电动机控制装置，即使在发生电压瞬间下降等、电源的电压下降的情况下，也能使自动设备适当地进行动作，而无需停止使自动设备动作的电动机。此外，本发明的课题在于提供一种电动机控制方法，即使在发生电压瞬间下降等、电源的电压下降的情况下，也能使自动设备适当地进行动作，而无需停止使自动设备动作的电动机。此外，在专利文献2所记载的自动设备控制装置中，由于通过将反馈位置的差分除以采样时间间隔来求出变化率A，仅通过单纯的外插运算进行位置推定，因此，存在不善于应对电动机的速度变动的问题。在此情况下，虽然能通过缩小编码器的测定周期来提高位置的推定精度，但需要加快通信周期和CPU的处理速度等，因此，存在成本增加的问题。因而，本发明是鉴于这些点而完成的，其课题在于提供一种能高精度地应对电动机的速度变动等、而无需缩小采样周期的控制系统及该控制系统中使用的位置推定方法。为了解决上述课题，本发明的电动机控制装置对使自动设备动作的电动机进行控制，其特征在于，包括位置指令输出单元，该位置指令输出单元输出用于对电动机进行控制的位置指令；第I减法单元，该第I减法单元基于旋转位置和位置指令来计算位置偏差并输出，该旋转位置基于来自在电动机每旋转规定角度时产生脉冲信号的旋转检测单元的输出而计算出；位置控制单元，该位置控制单元将位置偏差变换成速度指令并输出；第2减法单元，该第2减法单元基于转速和速度指令来计算速度偏差并输出，该转速基于来自旋转检测单元的输出来计算出；速度控制单元，该速度控制单元将速度偏差变换成转矩指令并输出；限制器，该限制器在转矩指令的值为规定的限制值以下时，将转矩指令原样输出，并且，在转矩指令的值超过限制值时，输出将限制值作为其值的转矩指令；电动机驱动单元，该电动机驱动单元基于来自限制器的转矩指令来驱动电动机；及电压变动检测单元，该电压变动检测单元检测对电动机驱动单元施加电压的电源的电压变动，在利用电压变动检测单元检测出电源的电压为规定的基准值以下时，进行如下动作中的至少任一种位置指令输出单元使位置指令变动，以使电动机的转速下降；及位置控制单元限制所输出的速度指令。在本发明的电动机控制装置中，若利用电压变动检测单元检测出电源的电压为规定的基准值以下，则位置指令输出单元使位置指令变动，以使电动机的转速下降，并且，位置控制单元限制所输出的速度指令。或者，在本发明中，若利用电压变动检测单元检测出电源的电压为基准值以下，则位置指令输出单元使位置指令变动，以使电动机的转速下降，或者，位置控制单元限制所输出的速度指令。因此，在本发明中，在发生电压瞬间下降等、电源的电压为基准值以下时，能抑制速度指令的值的增加，从而抑制速度偏差的增加。因而，在本实施方式中，即使发生电压瞬间下降等、电源的电压为基准值以下，通过使电动机的转速下降，从而也能适当控制电动机，使自动设备进行所希望的动作，并且，能防止饱和现象的发生，并能防止自动设备呈现不稳定的动作。其结果是，在本发明中，即使在发生电压瞬间下降等、电源的电压下降的情况下，也能使自动设备适当地进行动作，而无需使电动机停止。此处，在发生电压瞬间下降等、电源的电压为基准值以下时，仅进行位置指令的变动的情况下，能抑制从第I减法单元输出的位置偏差的增加，因此，能对电源的电压恢复到超过基准值、将位置指令恢复到原来的状态时的速度指令的急剧变动进行抑制。另一方面，由于位置指令的变动的影响有少许延迟地呈现在速度指令中，因此，在此情况下，在电源的电压为基准值以下时，会发生难以在短时间内抑制速度指令的值的增加的状况。此外，在发生电压瞬间下降等、电源的电压为基准值以下时，仅进行速度指令的限制的情况下，在电源的电压为基准值以下时，能在短时间内抑制速度指令的值的增加，但由于从第I减法单元输出的位置偏差有时会增加，因此，在电源的电压恢复到超过基准值、解除了对速度指令的限制时，有可能速度指令的值急剧变大，电动机急剧加速，自动设备急剧动作。因此，在本发明中，优选为，若利用电压变动检测单元检测出电源的电压为基准值以下，则位置指令输出单元使位置指令变动，以使电动机的转速下降，并且，位置控制单元限制所输出的速度指令。若采用这种结构，则在发生电压瞬间下降等、电源的电压为基准值以下时，能解决在仅进行位置指令的变动的情况下会产生的问题和在仅进行速度指令的限制的情况下会产生的问题这两者。在本发明中，优选为，在利用电压变动检测单元检测出电源的电压恢复到超过基准值时，位置指令输出单元使位置指令延迟，以使从第I减法单元输出的位置偏差变小，之后，进行如下动作中的至少任一种位置指令输出单元在延迟后的位置将位置指令恢复到原来的状态；及位置控制单元解除对所输出的速度指令的限制。若采用这种结构，则在电源的电压恢复到超过基准值之后将位置指令恢复到原来的状态时、解除对速度指令的限制时，能防止速度指令的值急剧变大。因而，能防止在电源的电压恢复到超过基准值之后将位置指令恢复到原来的状态时、解除对速度指令的限制时的电动机的急加速，其结果是，能防止自动设备的急剧动作。在本发明中，优选为，在利用电压变动检测单元检测出电源的电压为基准值以下时，位置指令输出单元使位置指令变动，以使电动机的转速下降，在该情况下，在利用电压变动检测单元检测出电源的电压恢复到超过基准值时，位置指令输出单元使位置指令延迟，以使从第I减法单元输出的位置偏差变小，之后，位置指令输出单元在延迟后的位置将位置指令恢复到原来的状态。若采用这种结构，则能防止在电源的电压恢复到超过基准值之后将位置指令恢复到原来的状态时的电动机的急加速，其结果是，能防止自动设备的急剧动作。此外，在本发明中，优选为，在利用电压变动检测单元检测出电源的电压为基准值以下时，位置控制单元限制所输出的速度指令，在利用电压变动检测单元检测出电源的电压恢复到超过基准值时，位置指令输出单元使位置指令延迟，以使从第I减法单元输出的位置偏差变小，之后，位置控制单元解除对所输出的速度指令的限制。若采用这种结构，则能防止在电源的电压恢复到超过基准值之后解除对速度指令的限制时的电动机的急加速，其结果是，能防止自动设备的急剧动作。此外，为了解决上述课题，本发明的电动机控制方法对使自动设备动作的电动机进行控制，其特征在于，基于用于控制电动机的位置指令和电动机的实测旋转位置，计算位置偏差，将位置偏差变换成速度指令，基于速度指令与电动机的实测转速，计算速度偏差，将速度偏差变换成转矩指令，且在转矩指令的值为规定的限制值以下时，基于原样的转矩指令，驱动电动机，在转矩指令的值超过限制值的情况下，基于将限制值作为其值的转矩指令来驱动电动机，并且，在检测出电动机的电源的电压为规定的基准值以下时，进行如下动作中的至少任一种:使位置指令变动，以使电动机的转速下降；及限制速度指令。在本发明的电动机控制方法中，若检测出电动机的电源的电压为规定的基准值以下，则使位置指令变动，以使电动机的转速下降，并且，限制速度指令。或者，在本发明的电动机控制方法中，若检测出电动机的电源的电压为基准值以下，则使位置指令变动，以使电动机的转速下降，或者，限制速度指令。因此，在本发明中，在发生电压瞬间下降等、电源的电压为基准值以下时，能抑制速度指令的值的增加，从而抑制速度偏差的增加。因而，在本实施方式中，即使发生电压瞬间下降等、电源的电压为基准值以下，通过使电动机的转速下降，从而也能适当控制电动机，使自动设备进行所希望的动作，并且，能防止饱和现象的发生，并能防止自动设备呈现不稳定的动作。其结果是，若利用本发明的电动机控制方法来控制电动机，则即使在发生电压瞬间下降等、电源的电压下降的情况下，也能使自动设备适当地进行动作，而无需使电动机停止。此外，为了解决上述课题，本发明提供以下技术。一种控制系统，该控制系统具有:驱动被控制体的电动机；以规定的周期检测出基于所述电动机的旋转角度的所述被控制体的位置数据的传感器；对所述电动机进行伺服控制的伺服控制部；及对所述伺服控制部发出动作指令(位置指令)的位置控制部，其特征在于，所述位置控制部包括:生成所述伺服控制部的动作指令的指令生成单元；将从所述传感器获取的所述位置数据与获取时刻一起存储的位置数据存储单元；及基于规定周期的所述位置数据来推定所述被控制体在任意时刻的位置的位置推定单元，所述位置推定单元基于所述位置数据，利用多项式来表示所述被控制体在时刻t的位置f (t)，通过多项式插补来推定所述被控制体在任意时刻的位置。根据本发明，位置推定单元基于位置数据，利用多项式来表示被控制体在时刻t的位置f(t)，通过多项式插补来推定在任意时刻的位置，因此，能高精度应对电动机的负荷变动、速度变动等，而不用缩小采样周期。S卩，位置推定单元基于在位置数据存储单元中与时刻一起存储的位置数据，利用多项式来表示被控制体在时刻t的位置f(t)，因此，即使在电动机的速度有变动的情况下，也能将位置作为t的函数忠实地呈现，从而能高精度地推定在任意时刻的位置，而不用缩小采样周期。此外，位置推定单元利用反馈来的位置数据来推定被控制体的位置，因此，不易被电动机的负荷变动所影响，能高精度地推定在任意时刻的位置。自动设备控制系统具有如下特征:所述位置推定单元利用下述数学式I的多项式来表示所述被控制体在时刻t的位置f(t)，基于所述位置数据存储单元所存储的所述位置数据Ii及获取时刻ti，利用下述数学式2求出该多项式的系数ai;推定所述被控制体在任意时刻的位置。[数学式I]
权利要求
1.一种电动机控制装置，该电动机控制装置对使自动设备动作的电动机进行控制，其特征在于，包括: 位置指令输出单元，该位置指令输出单元输出用于对所述电动机进行控制的位置指令； 第I减法单元，该第I减法单元基于旋转位置和所述位置指令，计算位置偏差并输出，该旋转位置基于来自在所述电动机每旋转规定角度时产生脉冲信号的旋转检测单元的输出而计算出； 位置控制单元，该位置控制单元将所述位置偏差变换成速度指令并输出； 第2减法单元，该第2减法单元基于转速和所述速度指令，计算速度偏差并输出，该转速基于来自所述旋转检测单元的输出而计算出； 速度控制单元，该速度控制单元将所述速度偏差变换成转矩指令并输出； 限制器，该限制器在所述转矩指令的值为规定的限制值以下时，将所述转矩指令原样输出，并且，在所述转矩指令的值超过所述限制值时，输出将所述限制值作为其值的所述转矩指令； 电动机驱动单元，该电动机驱动单元基于来自所述限制器的所述转矩指令，驱动所述电动机；及 电压变动检测单元，该电压变动检测单元检测对所述电动机驱动单元施加电压的电源的电压变动， 在利用所述电压变动检测单元检测出所述电源的电压为规定的基准值以下时， 进行如下动作中的至少任一种:所述位置指令输出单元使所述位置指令变动，以使所述电动机的转速下降；及所述位置控制单元限制所输出的所述速度指令。
2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于， 在利用所述电压变动检测单元检测出所述电源的电压为所述基准值以下时，则所述位置指令输出单元使所述位置指令变动，以使所述电动机的转速下降，并且，所述位置控制单元限制所输出的所述速度指令。
3.如权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于， 在利用所述电压变动检测单元检测出所述电源的电压恢复到超过所述基准值时， 所述位置指令输出单元使所述位置指令延迟，以使从所述第I减法单元输出的所述位置偏差变小，之后， 进行如下动作中的至少任一种:所述位置指令输出单元在延迟后的位置将所述位置指令恢复到原来的状态；及所述位置控制单元解除对所输出的所述速度指令的限制。
4.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于， 在利用所述电压变动检测单元检测出所述电源的电压为所述基准值以下时， 所述位置指令输出单元使所述位置指令变动，以使所述电动机的转速下降， 在利用所述电压变动检测单元检测出所述电源的电压恢复到超过所述基准值时， 所述位置指令输出单元使所述位置指令延迟，以使从所述第I减法单元输出的所述位置偏差变小，之后，所述位置指令输出单元在延迟后的位置将所述位置指令恢复到原来的状态。
5.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在利用所述电压变动检测单元检测出所述电源的电压为所述基准值以下时， 所述位置控制单元限制所输出的所述速度指令， 在利用所述电压变动检测单元检测出所述电源的电压恢复到超过所述基准值时， 所述位置指令输出单元使所述位置指令延迟，以使从所述第I减法单元输出的所述位置偏差变小，之后，所述位置控制单元解除对所输出的所述速度指令的限制。
6.一种电动机控制方法，该电动机控制方法对使自动设备动作的电动机进行控制，其特征在于， 基于用于控制所述电动机的位置指令和所述电动机的实测旋转位置，计算位置偏差，将所述位置偏差变换成速度指令，基于所述速度指令与所述电动机的实测转速，计算速度偏差，将所述速度偏差变换成转矩指令，且 在所述转矩指令的值为规定的限制值以下时，基于原样的所述转矩指令，驱动所述电动机，在所述转矩指令的值超过所述限制值时，基于将所述限制值作为其值的所述转矩指令，驱动所述电动机，并且， 在检测出所述电动机的电源的电压为规定的基准值以下时，进行如下动作中的至少任一种:使所述位置指令变动，以使所述电动机的转速下降；及限制所述速度指令。
7.一种控制系统，该控制系统具有:驱动被控制体的电动机；传感器，该传感器以规定的周期检测出基于所述电动机的旋转角度的所述被控制体的位置数据；对所述电动机进行伺服控制的伺服控制部；及对所述伺服控制部发出动作指令(位置指令)的位置控制部，其特征在于， 所述位置控制部包括:生 成所述伺服控制部的动作指令的指令生成单元；将从所述传感器获取的所述位置数据与获取时刻一起存储的位置数据存储单元；及位置推定单元，该位置推定单元基于规定周期的所述位置数据来推定所述被控制体在任意时刻的位置， 所述位置推定单元基于所述位置数据，利用多项式来表示所述被控制体在时刻t的位置f (t)，通过多项式插补来推定所述被控制体在任意时刻的位置。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于， 所述位置推定单元利用下述数学式I的多项式来表示所述被控制体在时刻t的位置f(t)，基于所述位置数据存储单元所存储的所述位置数据yi及获取时刻ti;利用下述数学式2求出该多项式的系数ai;推定所述被控制体在任意时刻的位置， [数学式I] /t)= 2 / T-V [数学式2] Θ T = [wTw] _1WTx /λλ I\ % ”.*n I 两(j.&W ........…… tn t'! 1 …t'、 O
9.如权利要求7或8所述的控制系统，其特征在于， 所述位置推定单元利用3次多项式，推定所述被控制体在任意时刻的位置。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于， 所述位置推定单元基于推定所述被控制体的位置的任意时刻附近的所述位置数据，推定所述被控制体在该时刻的位置。
11.如权利要求7至10中任一项所述的控制系统，其特征在于， 包括标记传感器，该标记传感器检测设置于所述被控制体的位置对准标记，所述位置推定单元推定所述被控制体在所述标记传感器检测出所述位置对准标记的时刻的位置。
12.一种位置推定方法，其特征在于， 在具有:驱动被控制体的电动机；传感器，该传感器以规定的周期检测出基于所述电动机的旋转角度的所述被控制体的位置数据；对所述电动机进行伺服控制的伺服控制部；及对所述伺服控制部发出动作指令的位置控制部的控制系统中， 所述位置控制部生成所述伺服控制部的动作指令，并将从所述传感器获取的所述位置数据与获取时刻一起存储，基于所述位置数据，利用多项式来表示所述被控制体在时刻t的位置f (t) ，通过多项式插补来推定所述被控制体在任意时刻的位置。
全文摘要
本发明提供一种电动机控制装置，即使在发生电压瞬间下降等情况下，也能使自动设备适当地进行动作，而无需停止使自动设备动作的电动机。对自动设备动作用的电动机(102)进行控制的电动机控制装置(101)包括计算从位置指令减去实测的旋转位置后得到的位置偏差的减法部(109)；将位置偏差变换成速度指令的位置控制部(110)；计算从速度指令减去实测的转速后得到的速度偏差的减法部(111)；将速度偏差变换成转矩指令的速度控制部(112)；设定转矩指令的上限值的限制器(113)；驱动电动机(102)的驱动器(114)；及检测出电源(103)的电压变动的电压变动检测部(115)。在电动机控制装置(101)中，若利用电压变动检测部(115)检测出电压瞬间下降的发生，则位置指令输出部(108)使位置指令变动，以使电动机(102)的转速下降，位置控制部(110)限制所输出的速度指令。
文档编号H02P29/02GK103081351SQ20118003910
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月6日 优先权日2010年8月8日
发明者尾辻淳, 伊藤彰启, 渡边洋和, 小田切秀行 申请人:日本电产三协株式会社