公开的实施方式涉及电机控制装置和电机控制方法。
背景技术：
在专利文献1中记载了如下的方法：在电机的数值控制中，在位置偏差超过预先单一设定的容许值的情况下进行警告通知。
专利文献1：日本昭63-268006号公报
技术实现要素：
但是，在低速时，位置偏差增大需要时间，所以，即使在该期间内产生异常，位置偏差超过固定地设定的阈值也需要时间，异常检测延迟。
本发明是鉴于这种问题点而完成的，其目的在于，提供能够提高异常检测性能的电机控制装置和电机控制方法。
为了解决上述课题，根据本发明的一个观点，应用一种电机控制装置，其具有根据位置指令和电机的位置检测值对所述电机进行控制的位置控制部，其中，所述电机控制装置具有计算部，该计算部根据所述位置指令和所述位置控制部中使用的控制参数逐次计算容许位置偏差值，计算与所述容许位置偏差值的变化逐次对应的位置偏差过大阈值。
并且，根据本发明的另一个观点，应用一种电机控制方法，根据位置指令和电机的位置检测值对所述电机进行控制，所述电机控制方法执行以下步骤：根据所述位置指令和所述电机的控制中使用的控制参数逐次计算容许位置偏差值，计算与所述容许位置偏差值的变化逐次对应的位置偏差过大阈值。
发明效果
根据本发明，能够提高电机控制装置的异常检测性能。
附图说明
图1是示出实施方式的机械控制系统的概略系统框结构的一例的图。
图2是示出包含反馈控制部的反馈控制系统与调整部之间的各信息的收发关系的图。
图3是示出进行了微动定位控制的情况下的位置指令速度、位置检测值、检测阈值和容许位置偏差值的时间变化的时序图。
图4是从图2的控制框中提取位置控制系统反馈环并进行简化而示出的控制框图。
图5是对图4的控制框进行变形以使得根据位置指令输出位置偏差的图。
图6是示出在位置反馈控制部内一并进行位置前馈控制的情况下的控制框图的一例的图。
图7是从图6的控制框中一并提取位置前馈控制和位置控制系统反馈环并进行简化而示出的控制框图。
图8是对图7的控制框进行变形以使得根据位置指令输出位置偏差的图。
图9是对图9的控制框进行变形并整理的图。
图10是实际位置偏差的时间变化图案比容许位置偏差值滞后的情况下的与图3对应的时序图。
图11是示出具有固定部的情况下的控制框图的一例的图。
图12是利用固定部固定了检测阈值的情况下的与图10对应的时序图。
具体实施方式
下面，参照附图对实施方式进行说明。
<机械控制系统的概略结构>
图1示出具有本实施方式的电机控制装置的机械控制系统的概略系统框结构的一例。该机械控制系统是通过对电机的驱动进行控制而对驱动机械的可动部分进行定位控制的系统。在图1中，机械控制系统1具有上位控制装置2、电机控制装置3、电机4、驱动机械5。
上位控制装置2例如由具有未特别图示的cpu、rom、ram、操作部、显示部等的通用个人计算机等构成，根据操作者经由操作部输入的各种设定和指令，生成希望使后述驱动机械5的可动部分定位的位置指令，将其输入到电机控制装置3。
电机控制装置3根据从上位控制装置2输入的位置指令生成驱动电力，将其输入到电机4。此时，根据从电机4具有的后述编码器41a输出的位置检测值进行位置反馈控制。该电机控制装置3具有位置反馈控制部31、逆变器32、计算部33、异常检测部34。
位置反馈控制部31(位置控制部)是根据上述位置指令和位置检测值生成电流指令的处理部。使用后述的位置环增益kp等控制参数进行该位置反馈控制部31中的处理，在本实施方式的例子中，该控制参数从上述上位控制装置2额外输入并设定在该位置反馈控制部31内，并且，同一控制参数还输入到后述的计算部33。另外，也可以使用未图示的工程工具输入控制参数。并且，利用后面的图2详细叙述该位置反馈控制部31内进行的处理的控制框。
逆变器32是如下的电力转换部：通过基于上述位置反馈控制部31输出的电流指令的pwm控制等，将未特别图示的外部的商用电力转换为对电机4馈电的驱动电力。
计算部33是根据上位控制装置2输出的位置指令计算检测阈值的处理部。另外，该计算部33中的检测阈值的计算内容在后面详细叙述。
异常检测部34根据上述计算部33计算出的检测阈值与上述位置反馈控制部31的内部计算出的位置偏差的比较结果，检测上述电机4和驱动机械5中有无异常，在检测到异常的情况下向外部输出警告信号，报知异常的产生。另外，该警告信号也可以利用额外设置的显示装置进行输出，也可以输入到上述上位控制装置2。
电机4例如是同步旋转型的三相交流电机，一体地具有输出该电机4的输出轴的旋转位置作为位置检测值的编码器41a。另外，不限于该例子，也可以应用感应型、直动型等其他种类的电机。
驱动机械5是与电机4的输出轴连结并被驱动的机械，其可动部分与电机4的输出轴的旋转位置联动地被驱动。
<反馈控制系统与各部的关系>
图2示出包含位置反馈控制部31的反馈控制系统与计算部33以及异常检测部34之间的各信息的收发关系的一例。另外，这里所说的反馈控制系统由上述位置反馈控制部31以及汇集作为其控制对象的电机4和驱动机械5而得到的电机/驱动机械构成，利用传递函数形式的控制框表示它们的数理模型。在该图2中，示出位置反馈控制部31、电机/驱动机械40、计算部33、异常检测部34。
位置反馈控制部31具有减法器51、位置比例控制器p、减法器52、速度比例积分控制器pi和速度运算器53。
减法器51从由外部输入的位置指令中减去从电机/驱动机械40中检测到的检测位置，输出它们之间的位置偏差。在位置比例控制器p中，对该位置偏差乘以位置环增益kp，输出速度指令。在本实施方式的例子中，从上位控制装置2输入该位置环增益kp的值作为控制参数，固定地设定。
减法器52从上述速度指令中减去从后述速度运算器53输出的速度检测值，输出它们之间的速度偏差。在速度比例积分控制器pi中，对该速度偏差乘以速度环增益kv、速度积分常数tv(作为具体的一例，乘以kv(1+1/tvs))，输出转矩指令。另外，在该图2中，为了避免图示的烦杂，省略了上述逆变器32的图示，示出与转矩指令相当的电流指令直接作为驱动电力输入到电机/驱动机械40。
速度运算器53是根据从电机/驱动机械40检测到的位置检测值(电机位置)输出速度检测值(电机4的输出速度)的运算器，具体而言，由微分器s构成即可。
电机/驱动机械40相当于上述图1中的电机4和驱动机械5，是基于连结电机4的转子和驱动机械5的可动部分的可动机构整体的惯性力矩j的数理模型。
如上述那样由位置反馈控制部31和电机/驱动机械40构成的本实施方式的例子的反馈控制系统成为位置比例控制系统的反馈环和速度比例积分控制系统的反馈环的双环结构(所谓的p-pi控制)。另外，也可以构成为使用位置比例积分控制系统。
然后，计算部33根据与输入到上述位置反馈控制部31的位置指令以及位置环增益相同的位置指令以及位置环增益kp，计算检测阈值，将其输入到异常检测部34。异常检测部34通过该检测阈值与上述位置反馈控制部31的减法器51输出的位置偏差的比较，检测上述电机/驱动机械40中有无异常，在产生了异常的情况下输出警告信号。
在以上结构的机械控制系统1中，电机控制装置3进行位置反馈控制，并且，在检测到电机4和驱动机械5中的异常时输出警告信号，其中，在该位置反馈控制中，控制对电机4馈电的驱动电力以使得从编码器41a输出的位置检测值追随于上述位置指令。
<本实施方式的特征>
作为电机4的位置控制，多数情况下应用如下的位置反馈控制：如上述本实施方式的例子那样，根据位置指令与电机4的位置检测值之间的位置偏差生成速度指令和转矩指令(电流指令)，进而根据这些指令对电机4进行控制。
在这种位置反馈控制中，有时具有如下功能：在位置偏差为规定的阈值以上的情况下，判断为包含电机4在内的控制对象存在某些异常，视为位置偏差过大而进行异常检测。而且，存在位置指令速度(位置指令的时间变化率；后述)越大、则位置偏差越大的趋势，所以，此前，上述阈值固定地设定为与指令图案中的最高速度(最大的位置指令速度)对应的较高的值。
但是，在位置指令速度为低速的情况下，位置偏差增大需要时间，所以，即使在该期间内产生例如电机4由于故障而不进行动作这样的异常，位置偏差超过上述固定设定为较高的值的阈值也需要时间，异常检测延迟。
与此相对，在本实施方式中，具有计算部33，该计算部33根据位置指令和作为位置反馈控制部31中使用的控制参数的位置环增益kp逐次计算容许位置偏差值(后述)，计算与容许位置偏差值的变化逐次对应的检测阈值。该计算部33逐次计算预计与时间变化的位置指令对应产生的理论位置偏差、即容许位置偏差值。而且，该容许位置偏差值也是时间变化的值，计算部33计算以该容许位置偏差值为基准且与其变化逐次对应的检测阈值。由此，针对位置指令和预计与其对应产生的位置偏差的时间变化，能够在该时点逐次设定适当的检测阈值，与固定阈值的情况相比，能够进行与控制状况对应的灵活的异常检测。下面，依次对该异常检测方法进行详细说明。
<检测阈值的计算方法>
图3是示出对电机位置进行定位控制的情况下的位置指令速度和位置检测值的时间变化的时序图(图中上方侧)、以及示出对应的检测阈值和容许位置偏差值的时间变化的时序图(图中上方侧)。
在对上述反馈控制系统进行了定位控制的情况下，位置指令的时间变化率即位置指令速度以图示的大致梯形形状的图案进行时间变化(参照图中上侧的实线曲线)。即，在移动开始的加速移动中，位置指令速度线性增加，在此后的等速移动中，位置指令速度恒定，在减速移动中，位置指令速度线性减少。与此相对，电机4实际输出的速度、即上述速度运算器输出的速度检测值以与位置指令速度的大致梯形图案几乎相同的形状且时间轴稍微滞后的非线性(角度稍微呈曲线)图案进行时间变化(参照图中上侧的单点划线曲线)。
由于这种位置指令速度与速度检测值的时间变化之差，产生位置指令与位置检测值的差分值即位置偏差，但是，能够通过基于位置指令速度和位置环增益kp的规定运算来预想通常时的位置偏差的时间变化的图案。在本实施方式中，设这样理论上预计产生的位置偏差为容许位置偏差值，其时间变化的图案也成为图示那样的大致梯形形状的图案。具体而言，容许位置偏差值进行时间变化(参照图中下方侧的虚线曲线)，以使得在位置指令速度开始加速后非线性增加、在位置指令速度与速度检测值一致的期间内恒定、在位置指令速度开始减速后非线性减少。
下面，对用于计算该容许位置偏差值的具体运算式进行说明。首先，在本实施方式中，根据位置偏差的变动进行异常检测，在求出该位置偏差后，来自速度控制系统反馈环的影响较低，因此，能够忽略该影响的存在。因此，当从上述图2中的反馈控制系统中省略速度控制系统反馈环而仅提取位置控制系统反馈环时，成为图4所示的控制框。在图中，为了简化运算，将速度环增益kv、速度积分常数tv置换为“1”(具体而言，将上述例子的速度比例积分控制器pi＝kv(1+1/tvs)置换为“1”)，省略速度运算器、惯性力矩j、积分器(1/s)。然后，当对该控制框进行变形以使得根据位置指令输出位置偏差时，成为图5所示的控制框。
根据该图5的控制框，从位置指令到位置偏差的传递函数如下表示。
这里，位置指令速度与速度检测值一致的等速区间、即容许位置偏差值恒定的区间内的容许位置偏差利用以下的式子表示。
其中，式子中的f是位置指令速度，xref(s)(＝f/s2)是位置指令。
然后，根据最终值的定理，稳定状态下的位置偏差(稳定偏差)利用以下的式子表示。
如上所述，各时点的容许位置偏差值ε能够近似为该时点的位置指令速度f的瞬时值除以位置环增益kp而得到的值。由此，视为上述图3中的容许位置偏差值的时间波形的图案与使高度成为1/kp倍的位置指令速度的大致梯形形状的时间变化图案几乎一致。
另外，关于以上所示的各时间变化图案，在进行了使电机4的旋转方向为与图示例子相反的方向的定位控制的情况下，位置指令速度、速度检测值和容许位置偏差值直接以关于时间轴上下对称的图案进行时间变化(未特别图示)。
然后，在本实施方式中，针对这样计算的容许位置偏差值的瞬时值，在与位置指令速度相同的方向上加上规定量的检测电平值α，计算上述检测阈值。具体而言，上述计算部33首先根据输入的位置指令，计算该时点的位置指令速度f，根据该位置指令速度f，利用下式计算检测阈值lth。
即，上述计算部33根据位置指令f和位置环增益kp逐次计算容许位置偏差值ε，计算与该容许位置偏差值ε的时间变化逐次对应的检测阈值lth。另外，该检测阈值lth相当于各权利要求记载的位置偏差过大阈值。
如上述图3中下侧的点划线曲线所示，该检测阈值lth的时间波形图案成为使容许位置偏差值的时间变化图案(参照虚线曲线)的形状直接向上方偏移检测电平值α而得到的图案。
另外，检测电平值α始终是正值，如上所述，在与位置指令速度相同的方向上进行相加，所以，电机4的旋转方向为相反方向的情况下的检测阈值lth成为下式。
该情况下的检测阈值lth的时间变化图案成为使容许位置偏差值的时间变化图案的形状直接向下方偏移检测电平值α而得到的图案(未特别图示)。
然后，上述异常检测部34在所输入的实际位置偏差(减法器51输出的实际的位置偏差)超过上述检测阈值lth时、即实际位置偏差的绝对值大于检测阈值lth的绝对值时，设为在电机4或驱动机械5中产生异常，输出警告信号。这里，通常时，在实际位置偏差与理论上的容许位置偏差值大致一致地进行时间变化的情况下，由于电机4或驱动机械5的异常而使实际位置偏差增加检测电平值α，就能立即检测该异常。因此，通过将检测电平值α适当设定为较小的值，能够提高异常检测的反应性。
<本实施方式的效果>
如以上说明的那样，本实施方式的机械控制系统1的电机控制装置3具有计算部33，该计算部33根据位置指令和位置反馈控制部31中使用的位置环增益kp(控制参数)逐次计算容许位置偏差值，计算与该容许位置偏差值的时间变化逐次对应的检测阈值。该计算部33逐次计算预计与时间变化的位置指令(位置指令速度)对应产生的理论位置偏差、即容许位置偏差值。而且，该容许位置偏差值也是时间变化的值，计算部33计算以该容许位置偏差值为基准而与其变化逐次对应的检测阈值。由此，针对位置指令和预计与其对应产生的位置偏差的时间变化，能够在该时点逐次设定适当的检测阈值，与固定阈值的情况相比，能够进行与控制状况对应的灵活的异常检测。其结果，能够提高电机控制装置3的异常检测性能。
并且，在本实施方式中，特别地，计算部33在与位置指令的时间变化率即位置指令速度f相同的方向上，对容许位置偏差值ε加上(偏置)规定量的检测电平值α，计算检测阈值。由此，检测阈值lth逐次设定为，其绝对值始终比正常运转的情况下预计产生的容许位置偏差值ε的理论变动值大规定量(固定值)的检测电平值α的值。然后，在实际位置偏差的绝对值增大而比容许位置偏差值ε超出检测电平值α时，能够视为产生了异常，相应地能够提高异常检测的速度和反应性。
并且，在本实施方式中，特别地，控制参数包含位置反馈控制部31中的位置环增益kp。由此，计算部33能够具体且功能性地计算反映了在位置反馈控制部31中对位置偏差的产生造成较大影响的位置环增益kp的控制参数的容许位置偏差值ε和检测阈值lth，能够提高电机控制装置3的异常检测性能。
并且，在本实施方式中，特别地，还具有异常检测部34，该异常检测部34通过位置指令与位置检测值的差分值即位置偏差与检测阈值的比较来检测异常。由此，异常检测部34能够具体且功能性地进行基于实际产生的位置偏差和计算部33计算出的检测阈值的异常检测。
<变形例>
另外，以上说明的实施方式能够在不脱离其主旨和技术思想的范围内进行各种变形。
<变形例1：还进行位置前馈控制的情况>
图6示出在位置反馈控制部31内一并进行位置前馈控制的情况下的与上述图2对应的控制框图的一例。在该图6中，位置反馈控制部31a相对于上述图2所示的内容，还具有：对位置指令进行微分的微分器54、与该微分器54的输出相乘的位置前馈增益kf、将该乘法值与位置环增益kp的乘法值相加的加法器55(图中，与减法器52一体地表示)。并且，与位置反馈控制部31中输入设定的位置前馈增益相同的位置前馈增益kf作为控制参数输入到计算部33。如该图2所示，在还进行位置前馈控制的情况下，其控制路径对实际位置偏差的产生造成较大影响，所以，优选计算部33计算与其对应的检测阈值。
图7从上述图6的控制框图中提取包含上述位置前馈控制的控制路径的位置控制系统反馈环并示出。另外，在该控制框中，与上述图4同样，省略速度控制系统反馈环进行简化。在该图7中，从微分器s经由位置前馈增益kf、加法器55、积分器1/s到达减法器51之前的路径相当于所谓的前馈路径，从加法器55之后经由积分器1/s到达减法器51之前的路径相当于所谓的反馈路径。
然后，当对该控制框进行变形以使得根据位置指令输出位置偏差时，成为图8所示的控制框。在该图8中，从微分器s经由位置前馈增益kf到达积分器1/s的路径相当于上述前馈路径，从位置环增益kp到达积分器1/s的路径相当于上述反馈路径。进一步对其进行变形并整理时，成为图9所示的控制框。
根据该图5的控制框，从位置指令到位置偏差的传递函数如下表示。
这里，等速区间内的容许位置偏差利用以下的式子表示。
而且，根据最终值的定理，稳定状态下的位置偏差(稳定偏差)利用以下的式子表示。
如上所述，本变形例中的容许位置偏差值ε能够近似为该时点的位置指令速度f的瞬时值除以kp′(＝kp/(1-kf))而得到的值。计算部33根据该值，利用下式计算检测阈值lth即可。
如以上说明的那样，在本变形例中，控制参数包含位置前馈增益kf。由此，计算部33能够具体且功能性地计算一并反映了在位置反馈控制部31中对位置偏差的产生造成较大影响的位置前馈增益kf的控制参数的容许位置偏差值ε和检测阈值lth，能够提高电机控制装置3的异常检测性能。
<变形例2：实际位置偏差比容许位置偏差值滞后的情况>
作为现实的位置反馈控制的举动，由于控制的滞后、负载的状况或速度环增益kv的设定不良等，如与上述图3对应的图10所示，多数情况下，实际产生的实际位置偏差(参照图中下侧的实线曲线)以比理论容许位置偏差值滞后的图案进行时间变化。因此，在对计算部33计算出的检测阈值的值和实际位置偏差进行比较的情况下，即使不存在异常，在位置指令速度的减速中，位置偏差也可能超过检测阈值，有时误检测出异常。
与此相对，本变形例中的电机控制装置3通过在规定时机固定检测阈值，避免上述异常的误检测。图11示出具有这样固定检测阈值的固定部的情况下的与上述图2对应的图。在该图11中，计算部33输出检测阈值和位置指令速度，它们被输入到固定部35。固定部35将通常时输入的检测阈值直接输出到异常检测部34，但是，在基于所输入的位置指令速度的变化的规定时机，以使检测阈值维持当前的值(该时点的值)的方式固定检测阈值并输出。
并且，在本实施方式的例子中，位置反馈控制部31内产生的位置偏差(减法器51输出的实际位置偏差)也输入到固定部35，在基于该位置偏差的变化的规定时机解除检测阈值的固定，将从计算部33输入的检测阈值直接输出到异常检测部34。
而且，在上述固定部35在位置指令速度的减速开始时机开始固定检测阈值、在位置偏差大致成为0的时机解除检测阈值的固定的情况下，输入到异常检测部34的检测阈值以图12所示的时间变化图案进行变化(参照图中下侧的点划线曲线)。即，仅在位置指令速度减速中的期间内，检测阈值固定在最高值，由此，实际位置偏差不会超过检测阈值，能够避免异常的误检测。
如以上说明的那样，本变形例的机械控制系统1还具有在规定时机固定检测阈值的固定部35。由此，如上所述，在实际的位置偏差的时间变化图案比容许位置偏差值的时间变化图案滞后的情况下，也能够降低该位置偏差超过检测阈值的可能性，即，能够避免异常的误检测。
并且，在本变形例中，特别地，固定部35在位置指令速度开始减速的时机，开始固定检测阈值。特别是在位置指令速度减速中时，容易产生由于上述位置偏差的时间变化图案的滞后而引起的异常的误检测。因此，在位置指令速度开始减速的时机，固定部35固定检测阈值，由此，能够避免减速中的异常的误检测。
并且，在本变形例中，特别地，固定部35固定检测阈值以使其维持当前的值。由此，不会以在位置偏差的时间变化图案中产生滞后的程度超过检测阈值，所以，能够避免异常的误检测。
并且，在本变形例中，特别地，固定部35在电机4的定位完成时刻，解除检测阈值的固定。在电机4的定位完成的时刻(这不是位置指令速度成为0的时刻，只不过是电机位置停止的时刻(考虑过冲(overshoot)等停止时振动的意图))，该电机4的位置检测值停止变动而成为与位置指令一致的稳定状态，即，位置偏差消失(成为0)。在这种电机4的定位完成时刻，由于位置偏差的时间变化图案的滞后而引起的影响消失，所以，即使固定部35解除检测阈值的固定，也能够避免异常的误检测，能够进行此后的正确的异常检测。
另外，虽然没有特别图示，但是，固定部35也可以在位置指令速度开始再加速的时刻解除检测阈值的固定。在位置指令速度加速中时，不容易产生由于上述位置偏差的时间变化图案的滞后而引起的异常的误检测。因此，在位置指令速度开始再加速的时刻，固定部35解除检测阈值的固定，由此，能够进行此后的正确的异常检测。
另外，在以上的说明中，在存在“垂直”“平行”“平面”等记载的情况下，该记载不是严格的意思。即，这些“垂直”“平行”“平面”容许设计上、制造上的公差、误差，是“实质上垂直”“实质上平行”“实质上平面”的意思。
并且，在以上的说明中，在存在外观上的尺寸、大小、形状、位置等“同一”“相同”“相等”“不同”等记载的情况下，该记载不是严格的意思。即，这些“同一”“相等”“不同”容许设计上、制造上的公差、误差，是“实质上同一”“实质上相同”“实质上相等”“实质上不同”的意思。
并且，除了以上所述以外，也可以适当组合并利用上述实施方式和各变形例的方法。除此之外，虽然没有一一例示，但是，上述实施方式和各变形例能够在不脱离其主旨的范围内施加各种变更来实施。
标号说明
1：机械控制系统；2：上位控制装置；3：电机控制装置；4：电机；5：驱动机械；31、31a：位置反馈控制部(位置控制部)；32：逆变器；33：计算部；34：异常检测部；35：固定部；40：电机/驱动机械；kp：位置环增益(控制参数)；kf：位置前馈增益(控制参数)；p：位置比例控制器；pi：速度比例积分控制器。