专利名称：电机驱动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于电机的控制系统，并且特别涉及一种具有测量电机的频率特性的功能的电机驱动控制系统。
近几年来，人们广泛地通过利用机械连接到电机上的负载获得电机的频率特性，以用于分析可能造成操作性能下降的机械共振、分析响应特性和控制的稳定性等等目的。在该描述中，应当指出，术语“频率特性”是指在表示增益或相位与频率之间的关系的图中的特性。术语“频率响应特性”是指实际运动对驱动指令的频率特性，其中实际运动由控制对象根据输入指令通过控制增益输出，以形成一个反馈控制环路。术语“速度指令响应特性”是指在输入指令是一个速度指令的情况下的频率响应特性。
通常，为了在电机驱动控制系统中测量电机的频率特性，已经采用例如
图12中所示的反馈控制环路的结构。参照图12，电机驱动单元1接收一个输入驱动控制指令信号(在下文中称为“输入指令信号”)，并在根据该输入指令信号的控制下驱动电机3和负载4。负载4由电机的驱动轴机械连接到该电机上。通常使用速度指令信号Vins和位置指令信号Pins作为一个输入指令信号。在图12的例子中，该常规结构引用的是使用速度指令Vins的一种情况。
其中包括用于产生正弦波信号的振荡器(未示出)的伺服分析器5被连接到电机驱动单元1，使得伺服分析器5的正弦波信号输出被提供到电机驱动单元1，作为速度指令Vins。伺服分析器5还与附着在电机上用于检测电机3的实际旋转速度(在下文中称为“实际电机速度”)的速度检测器6相连接，使得伺服分析器5接收由该速度检测器6所检测的实际电机速度Vr。
通过这种结构，伺服分析器5输出一个正弦波信号作为速度指令Vins。电机驱动单元1接收该速度指令Vins，并在根据该速度指令Vins的控制驱动电机3和负载4。因此，实际电机速度Vr是如图13中所示的根据速度指令Vins以正弦波形式变动。
在图13中所示的波形比较中，伺服分析器5检测一个作为速度指令Vins与实际电机速度Vr的幅度比值的增益和电机指令Vins与实际电机速度Vr之间的相位差。通过连续检测该增益相位差，并逐步增加速度指令Vins的频率，获得从速度指令Vins到实际电机速度Vr范围内的频率特性。该频率特性的检测结果通常被表示为伯德图。
在上述这种常规结构中，本质上需要伺服分析器5作为一种用于测量电机的频率特性的工具。因此，在连接到电机上的硬件负载4尺寸和重量太大而不能被移动的情况下，伺服分析器5必须被移动到负载4所安装的位置。但是，通常伺服分析器5是一种缺乏便携性的装置，因此常规的驱动控制系统非常不方便。
另外，由于速度指令Vins的频率在所需测量带宽的范围内从最低频率逐步增加到最高频率，所存在的问题是测量时间较长。同时，为了抑制噪声等的影响提高频率特性的测量精度，必须使速度指令Vins的幅度增加到某个所希望的程度。如果该测量时间较长，而该幅度保持较大，则作用在电机3和负载4上的负荷增加，这在某些情况中可能造成电机3的过热损坏或者硬件负载4的损坏。
本发明被开发用于解决这些问题，并且具有提供一种电机驱动控制系统的目的，该电机驱动控制系统能够在短时间之内测量带有连接到其上的负载的电机的频率特性，而不需要象伺服分析器这样的用于测量频率特性的专用工具。
为了实现上述目的，本发明提供一种电机驱动控制系统，其中一电机驱动单元接收输入驱动控制指令信号，以在该电机驱动的控制下驱动一电机和连接到其上的负载。所述电机驱动控制系统包括产生白噪声的白噪声产生装置；指令选择装置，用于选择用于正常控制操作的输入驱动控制指令信号和由白噪声产生装置所产生的用于频率特性运算的白噪声中的一个，作为一个控制指令数据信号；
控制装置，其利用所述指令选择装置输出的控制指令数据信号控制电机的驱动；采样装置，其按照预定的采样周期采样表示电机和该负载中的一个的驱动状态的数据，以产生采样数据；第一傅利叶变换装置，其用于把所述指令选择装置输出的控制指令数据与由所述采样装置获得的采样数据一同进行傅利叶变换；以及第一频率特性运算装置，其用于根据所述第一傅利叶变换装置的输出数据计算在从控制指令数据到采样数据的范围内的频率特性。
通过上述结构，由于该用于计算频率特性的结构被包含在电机控制单元中，因此不需要专用设备。另外，由于包含均匀的所有频率成份的白噪声被用作为该控制指令信号，因此不需要象常规系统中所要求的那样逐步增加频率，因此可以在短时间之内完成频率特性的测量。
通过下面参照附图结合优选实施例的具体描述，将使本发明的这些和其它目的和特点更加易于理解，其中相同的部件用相同的参考标号表示，其中图1为示出根据本发明的电机驱动控制系统的第一实施例的方框图；图2为示出根据本发明的电机驱动控制系统的第二实施例的方框图；图3为示出根据本发明的电机驱动控制系统的第三实施例的方框图；图4为示出根据本发明的电机驱动控制系统的第四实施例的方框图；图5为示出该第四实施例中的操作的伯德图；图6为示出在第四实施例中的反馈控制环路的方框图；图7为示出在第五实施例中的反馈控制环路的方框图；图8A和8B为示出该第五实施例中的操作的伯德图；图9为示出根据本发明的电机驱动控制系统的第六实施例的方框图；图10为示出根据本发明的电机驱动控制系统的第七实施例的方框图；图11为示出在第八实施例中的数据结构的说明图；图12为示出常规电机驱动控制系统的方框图；以及图13为用于说明常规电机驱动控制系统的操作的视图。
在进行描述之前，应当指出，由于优选实施例的基本结构是共同的，因此在所有附图中相同的部件由相同的参考标号表示。
(实施例1)图1示出根据本发明的电机驱动控制系统的第一实施例的方框结构。在该结构中，用于驱动和控制电机3的电机驱动单元1接收用于电机驱动控制的输入指令信号。通常使用速度指令信号Vins和位置指令信号Pins作为一个输入指令信号。在本实施例中，该结构引用的是把速度指令信号Vins应用于该电机驱动单元1的一种情况。
电机驱动单元1包括产生白噪声WN的白噪声产生器8、速度指令切换单元9、包括具有已知特性的补偿器用于控制电机的转动的速度控制器10、以及用于检测电机的实际旋转速度并采样电机的所检测速度的速度检测单元13。该电机驱动单元1还包括第一傅利叶变换器15和第一频率特性运算单元16。
在该结构中，速度指令切换单元9被切换以在输入到电机驱动单元1的速度指令信号Vins与由该噪声产生器8所产生的白噪声信号WN之间选择，使得所选择的指令信号Vins或WN被用作为要被施加的速度控制器10上的控制速度指令Cins。由白噪声产生器8所产生的白噪声WN均匀地包括所有频率成分。在该电机驱动控制系统中，电机3通过由电机3所驱动的电机轴和负载的耦联机构可运转地与硬件的负载4相连接。
例如，电机3被提供有带有脉冲发生器等等的旋转编码器12，其作为用于检测电机3的旋转位置并产生该电机的旋转位置检测信号Pd的旋转位置检测单元。根据由旋转编码器12所检测的电机的旋转位置检测信号Pd，该输出检测单元13通过包括如一个微分器(未示出)获得电机3的实际旋转速度Vr。另外，旋转编码器12可以包括一个微分器的功能，以产生实际电机速度Vr。速度检测单元13还作为一个采样实际电机速度的速度采样装置，并产生该电机的所采样速度数据(在下文中称为“电机速度Vm”)。在速度检测单元13的采样操作中，由于速度数据的采样周期被缩短，因此可以获得较高频段中的频率特性。
速度控制器10接收控制速度指令Cins和电机速度Vm，设置一个控制增益数值K以控制该电机3，使得控制速度指令Cins和电机速度Vm相互匹配。因此，速度控制器10、电机3、旋转编码器12和速度检测单元13构成一个速度反馈控制环路。
同时，由指令切换单元9所产生的速度指令Cins的数据和速度检测单元13输出的电机速度Vm被共同提供给第一傅利叶变换器15，并且其结果输出被提供给第一频率特性运算单元16。
通常上述结构，当电机3被正常控制时，指令切换单元9被切换以选择要被用作为用于速度控制器10的控制器速度指令Cins的输入速度指令Vins。这使得电机3和负载4将被根据输入速率指令Vins而操作。
当控制系统的操作模式被设置以测量电机的频率特性时，在第一步骤中，指令切换单元9被切换以选择由白噪声产生器8所产生的白噪声WN，使得白噪声被用作为要被提供给速度控制器10的控制器速度指令Cins。这使得电机3和负载4将根据作为速度指令Cins的白噪声WN而操作。
在该频率特性测量操作中，在时域中的速度指令Cins和电机速度Vm的数据被通过第一傅利叶变换器15变换为频域中的数据。然后，根据产生的频域数据，第一频率特性运算单元16计算将被用于获得在从速度指令Cins到电机速度Vm的范围内的频率特性的增益和相位。换句话说，电机3的速度指令响应特性是根据该增益和相位差而获得的。
根据第一实施例，该电机驱动单元1包括用于获得电机的频率特性的结构，其消除如常规方法中所要求的对象伺服分析器(5)这样的专用设备的需要。这使得可以明显简化对带有机械连接到其上的硬件负载4的电机3的频率特性的测量。
另外，由于均匀包含所有频率成分的白噪声WN被用作为控制速度指令，因此不需要如常规方法中所要求的那样在所需测量带宽的范围内从最低频率到最高频率增加速度指令Vins的频率，因此电机的频率特性的测量可以在短时间内完成。因此，即使当速度指令的幅度被增加以提高测量精度时，由于该测量在短时间内完成，因此作用在电机3和负载4上的负荷可以被最小化。
另外，通过计算机的软件可以容易地实现电机驱动单元1的每个方框部件8、9、10、13、15和16。因此，有利的是，通过由软件实现该结构，基本不需要从常规结构增加成本。
由于在某种程度上难以获得理想的白噪声，因此可以利用作为通常使用的伪随机信号的M-序列信号取代该白噪声，使得可以简化白噪声产生器8的结构。如果包含在白噪声的频率成分的一致性足够高，则速度指令Cins的增益特性为与频率无关的常量。因此，在这种情况下，仅仅根据电机速度Vm的数据的傅利叶变换结果可以获得该频率特性，而与速度指令Cins的频率无关。
另外，在图1中所示的实施例中，电机3的旋转速度是由附着设置到电机3上的旋转编码器12检测的。另外，负载4的运转速度可以通过把速度传感器等附着到负载4上而检测。通过这种结构，可以直接获得响应输入速度指令Vins的负载4的频率响应特性。因为即使当由于在电机3和负载4之间的耦联机构的性能使得电机3和负载4的两个运动之间出现差异时也可以获得负载4的实际状态，因此该结构是有效的。
另外，要由第一傅利叶变换器15所变换的数据数目可以是等于2的任何次幂的一个数值。这使得可以采用通常已知的高速傅利叶变换算法，从而提高一系列处理的速度。所获得频率特性的最高频率被根据电机速度Vm的数据的采样周期而确定。相应地，通过改变采样周期而测量的频率特性的一些结果可以被累加，以获得宽频带中的结果。
(实施例2)图2示出本发明第二实施例的方框结构，说明在获得要被用于图1中所示的傅利叶变换的速度指令Cins和电机速度Vm之后的处理。为了简化描述，除了第一傅利叶变换器15和第一频率特性运算单元16被保留以用于理解该描述之外，与图1中相同的由参考标号1-4、8-10和13所表示的类似部件在该图中被省略。
在第二实施例的结构中，与第一实施例不同之处在于电机驱动单元1还包括速度偏差运算单元17、第二傅利叶变换器19、第二频率特性运算单元20和第三频率特性运算单元21。
速度偏差运算单元17计算速度指令Cins和电机速度Vm之间的差别，以输出一个速度偏差Vd。该速度指令Cins和速度偏差Vd被共同通过第二傅利叶变换器19提供给第二频率特性运算单元20。然后，第一频率特性运算单元16的输出和第二频率特性运算单元20的输出被共同提供给第三频率特性运算单元21。
通过上述结构，在该操作中当电机的频率特性要被测量时，该过程与第一实施例相同之处在于，利用白噪声WN作为控制速度指令Cins驱动电机3和负载4，以及第一频率特性运算单元16在从速度指令Cins到电机速度Vm的范围内计算频率特性。
在该第二实施例中，除了第一实施例的处理之外，在时域中的速度指令Cins和速度偏差Vd的数据被通过第二傅利叶变换器19变换为频域中的数据。然后，基于在频域中的该产生的变换数据，第二频率特性运算单元20计算被用于获得从速度指令Cins到速度偏差Vd的范围内的频率特性的增益和相位。
第三频率特性运算单元21通过用由第一频率特性运算单元16所获得的增益除以由第二频率特性运算单元20所获得的增益计算从速度偏差Vd到电机速度Vm范围内的增益特性，即，在速度控制下的环路传递函数的增益特性。
类似地，第三频率特性运算单元21通过计算由第一频率特性运算单元16所获得的相位与第二频率特性运算单元20所获得的相位之间的差值，获得在速度控制下的环路传递函数的相位特性。
根据第二实施例，在速度控制下的环路传递函数的频率特性可以通过仅仅把速度偏差运算单元17、第二傅利叶变换器19、第二频率特性运算单元20和第三频率特性运算单元21的部件添加到第一实施例的结构中而获得。该环路传递函数的频率特性可以被用于确定由速度控制器10所执行的速度反馈控制的稳定性。
另外，由于包含在速度控制器10中的补偿器的特性是已知的，因此电机3和负载4的传递函数可以容易地从该环路传递函数中获得，这使得可以具体检验负载4等的共振特性。通常，当尝试检验负载4的传递特性时，通常采用一种方法，其中速度是通过发出一个用于施加到电机3上的转矩而检测的。但是，在这种情况下，由于电机3和负载4不被控制，因此它们的速度是不固定的，这造成稳定性上的问题。相反，在本实施例中，由于传递特性的测量是在速度控制状态中执行的，因此可以保证高度的稳定性。
在该实施例中，应当指出，尽管该描述是对于使用速度控制指令信号的情况而作出的，但是通过采用位置偏差运算单元取代速度偏差运算单元17使得它等同于使用位置控制指令信号的情况。在这种情况下，可以获得在位置控制下的环路传递函数的频率特性。
(实施例3)图3示出本发明第三实施例的方框图，说明在获得图1中所示的速度指令Cins和电机速度Vm之后的处理。与图1共同由参考标号1-4、8-10和13所表示的类似部件被在该图中省略以便于简洁。速度偏差运算单元17计算速度指令Cins和电机速度Vm之间的差别，以输出一个速度偏差Vd，这与第二实施例相类似。在这种情况下，速度偏差Vd和电机速度Vm的数据被共同通过第三傅利叶变换器22而不是通过第一傅利叶变换器15和第一频率特性运算单元16提供给第四频率特性运算单元23。
通过上述结构，当频率特性要被计算时，利用被选择作为速度指令Cins的白噪声WN运转电机3和负载4。同时，在时域中的速度偏差Vd和电机速度Vm的数据被第三傅利叶变换器22变换为频域中的数据，另外，根据在频域中上述变换的数据，第四频率特性运算单元23计算从速度偏差Vd到电机速度Vm范围内的频率特性。换句话说，获得一个在速度控制下的环路传递函数的频率特性。
根据本实施例，通过比第二实施例更简单的结构可以获得环路传递函数的频率特性。
应当指出，在该实施例中，尽管该描述是在使用速度控制指令信号的情况中作出的，但是通过采用位置偏差运算单元取代速度偏差运算单元17使得它等同于使用位置控制指令信号的情况。在这种情况下，可以获得在位置控制下的环路传递函数的频率特性。
(实施例4)图4示出本发明第四实施例的方框结构，说明由图1中所示的第一频率特性运算单元16所作的处理之后的处理过程。在该实施例中，响应频率检测装置24和惯量推测装置26被添加到第一实施例的结构中。其它部分与图1中所示的第一实施例相同，并且为了简洁起见在此省略。
在该结构中，由第一频率特性运算单元16所获得的频率特性Fc被提供给响应频率检测单元24，以检测响应频率Rf。然后，所检测的响应频率以及由速度控制器10所产生的控制增益数值K被提供给惯量推测单元26。
根据由第一频率特性运算单元16所获得的电机3的速度指令响应特性Fc，该响应频率检测单元24检测如图5中所示的增益特性降低3分贝的频率，以用作为响应频率Rf。该惯量推测单元根据响应频率Rf和控制增益数值K计算电机3的惯量和负载4的惯量。
图6示出包括速度控制器10等等的速度反馈控制环路的方框结构，其中K表示控制增益数值，J表示电机3和负载4的惯量的总数值，并且s表示拉普拉斯算符。在从速度指令Cins到该方框图的电机速度Vm范围内的传递函数表示具有J/K的时间常数的主延迟特性。因此，响应频率Rf可以由作为该时间常数的倒数的K/J所表示。在这种关系中，惯量J可以通过把控制增益数值K除以响应频率Rf而获得。惯量推测单元26通过执行该运算推测电机3和负载4的惯量的总数值。
根据上述第4实施例，可以容易地推测作为该控制系统中的重要参数的电机3的惯量和负载4的惯量。通过推测该惯量数值，可以确定用于获得所需响应特性的控制增益数值。因此可以自动地设置速度控制器10的控制增益K。
(实施例5)图7示出本发明的第五实施例的方框结构，说明由速度控制器10等等所构成的速度反馈控制环路，其不同于图6中所示的第四实施例。该实施例示出用于电机3和负载4的耦联机构具有产生共振的较低刚度的情况。
在图7中，频率特性Fc表示由第一实施例的结构所获得的速度指令响应特性，或者由第二和第三实施例的结构所获得的在速度控制之下的环路传递特性。该频率特性Fc被提供给共振频率检测单元28，以检测共振频率Fres，然后所检测的共振频率Fres被提供给陷波滤波器特性设置单元30。
在这种结构中，Jm表示电机3的惯量，J1表示负载4的惯量，Kf表示弹簧常数，Cf表示耦联机构的粘滞摩擦系数，并且s表示拉普拉斯算符。陷波滤波器31被插入在这一控制数值K的方框部件的下游，并且陷波滤波器31的特性由陷波滤波器特性设置单元30所设置，其中ωn表示陷波频率，并且α表示用于确定陷波宽度的参数。
共振频率检测单元28检测一峰值频率作为共振频率Fres，如图8A中所示，在此处增益特性的倾角突然从正变为负。陷波滤波器特性设置单元30设置陷波滤波器31的特性，使得陷波频率ωn基本上与共振频率Fres相匹配，如图8B中所示。这消除可能从驱动电机3的转矩激发共振的频率成分，导致对该共振的抑制。
根据该实施例，通过自动地设置陷波滤波器的特性使得与电机3和负载4的所检测共振特性相匹配，从而可以抑制共振。
另外，共振频率Fres可以通过利用相位特性的突然改变而检测。另外，共振抑制效果不但可以通过设置陷波频率而加强，而且还可以通过设置陷波滤波器31的特性的陷波宽度使其与所获得的共振特性相匹配而增强共振抑制效果。
(实施例6)图9示出本发明第六实施例的方框结构。在该结构中，电机驱动单元1接收一个输入位置指令信号Pins，取代在第一实施例中所用的速度指令信号Vins。电机驱动单元1包括一个位置指令切换单元33、位置控制器34、以及用于检测电机的实际旋转位置的位置检测单元36，并且还包括第四傅利叶变换器38和第五频率特性运算单元39。该电机驱动单元1的其它结构与第一实施例相类似。
在该结构中，指令切换单元33选择位置指令信号Pins和由白噪声产生器8所产生的白噪声信号WN中的一个，使得所选的指令信号Pins或WN被用作为要被提供给位置控制器34的控制器速度指令Cins。根据由旋转编码器12所检测的电机的旋转位置检测信号Pd，位置检测单元36采用电机3的实际旋转位置Pm(在下文中称为“电机位置Pm”)。位置控制器34控制电机3，使得控制器位置指令Cins和电机位置Pm相互匹配。因此，位置控制器34、电机3、旋转编码器12和位置检测单元36构成一个位置反馈控制环路。
同时，由指令切换单元33所选择的位置指令Cins和位置检测单元36输出的电机位置Pm的输出数据被共同提供给第四傅利叶变换器38，并且其产生的输出结果被提供给第五频率特性运算单元39。
当电机3被正常控制时，指令切换单元33还被切换以选择要被用作为用于位置控制器34的控制器位置指令Cins的输入位置指令Pins。这使得电机3和负载4要被根据输入位置指令Pins而运转。
在第一步骤中，当控制系统的操作模式被设置以获得电机的频率特性时，指令切换单元33被切换以选择由白噪声产生器8所产生的白噪声WN，使得白噪声被用作为要被提供给位置控制器34的控制器位置指令Cins。这使得电机3和负载4要被根据作为位置指令Cins的白噪声WN而运转。
在该频率特性测量操作中，在时域中的位置指令Cins上和电机位置Pm的数据被通过第四傅利叶变换器38变换为频域中的数据。然后，根据产生的频域数据，第五频率特性运算单元39计算被用于获得在从位置指令Cins到电机位置Pm的范围内的频率特性的增益和相位。换句话说，电机3的位置指令响应特性是根据该增益和相位差而获得的。
根据第六实施例，该电机驱动单元1包括用于获得电机的频率特性的结构，其消除了象在常规方法中所要求的那样对象伺服分析器(5)这样的专用工具的需要。这使得可以大大简化机械连接有硬件负载4的电机3的频率特性的测量。
另外，由于均匀包含所有频率成分的白噪声WN被用作为控制速度指令，因此电机的频率特性的测量可以在短时间内完成，这类似于第一实施例。因此即使当速度指令的振幅被增加以提高测量精度，由于该测量是在短时间之内完成的，所以作用在电机3和负载4上的负荷也可以被最小化。
另外，电机驱动单元1的每个方框部件可以容易地通过计算机软件而实现。因此，有利的是，通过软件实现该结构基本上不需要在常规结构上增加成本。
另外，负载4的运转位置可以通过把位置传感器等附着到负载4上而检测。通过这种结构，响应输入位置指令Pins的负载4的频率特性可以直接获得。因为即使当由于在电机3和负载4之间的耦联机构的性能使得电机3和负载4的两个运动之间出现差异时也可以获得负载4的实际状态，因此该结构是有效的。
(实施例7)图10示出本发明的第七实施例的方框结构，该结构基本上与图1中所示的第一实施例相同，只是在电机驱动单元1中号设置有数据存储单元40，同时第一傅利叶变换器15和第一频率特性运算单元16被置于外部处理单元42中。该电机驱动单元1和外部处理单元42是通过数据传输总线41所连接的。
在该方案中，速度指令Cins和电机速度Vm的数据被暂时地存储在数据存储单元40中，此后从数据存储单元40读出的数据被通过数据传输总线41提供给第一傅利叶变换器15，并且第一傅利叶变换器15被提供给外部处理单元42中的第一频率特性运算单元16。在该实施例中，类似于第一实施例，该白噪声产生器8、速度指令切换单元9、速度控制器10、速度检测单元13也被置于电机驱动单元1内。
通过上述结构，在测量电机的频率特性的操作模式中，白噪声WN被选择用作为速度指令Cins，然后速度指令Cins和电机速度Vm的数据都被暂时地存储在象RAM(随机存取存储器)这样的数据存储单元40中。在这种结构中，速度指令Cins被在该数据存储单元40中采样，并且所得采样数据被同时存储在其中。在频率特性的测量结束之后，速度指令Cins和电机速度Vm的数据被从数据存储单元40中取得并通过数据传输总线41提供给第一傅利叶变换器15。其它操作与第一实施例相同，并且为了简洁起见在此省略对其它操作的说明。
如已经描述的那样，由于速度指令Cins和电机速度Vm的采样周期被缩短，可以获得在较高频带中的频率特性。通常，傅利叶变换是耗时间的算术过程。因此，如果需要获得高频带中的频率特性，则傅利叶变换处理不能被及时地执行。例如，为了获得高达1KHz的频率特性，该采样周期是对应于该频率1KHz周期(即，1毫秒)的四分之一，即至少需要250微秒的采样周期。然而，该傅利叶变换处理时间在量级上比该采样周期长得多。
但是在该实施例中，即使采样周期被按照需要地缩短，为了获得较高频带，通过在数据存储单元40中暂时存储速度指令Cins和电机速度Vm可以吸收在处理时间中的差别。
另外，由于傅利叶变换和频率特性运算是在象个人计算机这样独立于电机驱动单元1的外部处理单元42中执行的，因此可以减少电机驱动单元1的处理。通过象伯德图这样的图形表示可以容易地识别频率特性，另外如果该图受到平滑处理以消除噪声成份，则可以更加容易地分析。但是由于处理能力不足并且缺少指示器，因此电机驱动单元1难以执行这种处理。相反，该实施例的结构可以容易地实现该处理，其中可以由外部处理单元42执行图形表示处理。
该实施例结构还可以应用于在第二和第三实施例中描述的在速度控制之下的环路传递特性的测量，以及通过把由数据存储单元40和数据传输总线41所处理的数据改变为位置指令数据、速度偏差等等，该结构还可以应用于在第六实施例中描述在位置控制之下的响应特性的测量。
(实施例8)图11示出在本发明的第八实施例中由数据存储单元40和数据传输总线41所处理的数据的数据结构，并且本实施例的其它结构基本上与图10中所示的第七实施例相同。
在该实施例中，二进制数据的M-序列信号被作用为由白噪声产生器8所产生的白噪声信号。相应地，假设当测量频率特性时W表示被用作为速度指令Cins的白噪声，使用为0或1的基准信号数据REF，白噪声W的振幅AMP和偏移量OFS，白噪声W可以表示为等式W＝(2×REF-1)×AMP+OFS。在该等式中，由于振幅AMP和偏移量OFS为常量，当在测量频率特性的操作中采样速度指令Cins时，通过仅仅在数据存储单元40中存储速度指令Cins的基准信号数据REF，被作为速度指令Cins的白噪声W可以被再现。
利用这一事实，由数据存储单元40和数据传输总线41所处理的数据的结构被构成如图11中所示的复合数据，其中数位0(即，最低有效位)被分配给速度指令Cins的基准信号数据REF，并且剩余的较高有效位可以分配给电机速度Vm的数据。该复合数据由外部处理单元42所接收，然后被分离以再现作为速度指令Cins的白噪声W。
根据本实施例，由于速度指令Cins和电机速度Vm的两个不同数据被合并为一个复合数据，因此可以使数据量减半。这使得可以使数据存储单元40的存储容量减半，从而明显地减少把数据从电机驱动单元1传送到外部处理单元42所需的时间。
在该数据结构中，最低有效位被分配给速度指令Cins的基准信号数据REF，并且剩余的较高有效位可以分配给电机速度Vm。这是因为基准信号数据REF可以通过掩蔽该较高有效位而获得，并且电机速度Vm的数据可以通过算术右移而获得，这可以容易地执行而不破坏电机速度Vm的数据的代码。但是，该分配不特别限制于上述结构。另外，白噪声还可以是任何除了M-序列信号之外的任何二进制信号。通过用位置数据取代速度数据，该实施例的结构还可以应用于在位置控制之下的频率特性的测量。
从上述实施例显然可以看出，根据本发明第一方面，一种电机驱动控制系统，其中一电机驱动单元(1)接收输入驱动控制指令信号(Vins，Pins)，以在该电机驱动的控制下驱动一电机(3)和连接到其上的负载(4)，所述电机驱动控制系统包括产生白噪声(WN)的白噪声产生装置(8)；指令选择装置(9，33)，用于选择正常控制操作输入驱动控制指令信号和由白噪声产生装置所产生的用于频率特性运算的白噪声中的一个，作为一个控制指令数据信号(Cins)；控制装置(10，34)，其利用所述指令选择装置(9，33)输出的控制指令数据信号(Cins)控制电机的驱动；采样装置(13，36)，其按照预定的采样周期采样表示电机和该负载中的一个的驱动状态的数据，以产生采样数据(Vm，Pm)；第一傅利叶变换装置(15，22，38)，其用于把所述指令选择装置(9，33)输出的控制指令数据(Cins)与由所述采样装置(13，36)获得的采样数据(Vm，Pm)一同进行傅利叶变换；以及第一频率特性运算装置(16，23，39)，其用于根据所述第一傅利叶变换装置的输出数据计算在从控制指令数据(Cins)到采样数据(Vm，Pm)的范围内的频率特性。
在这种结构中，该电机驱动单元(1)接收一个速度指令信号(Vins)作为输入驱动控制指令信号，并且控制指令数据信号(Cins)是一个速度控制指令数据信号，并且所述采样装置(13)采样该电机和负载中的一个的实际速度，以产生采样速度数据(Vm)，从而该速度控制指令数据和采样速度数据(Vm)通过所述第一傅利叶变换装置(15，22)被提供给所述第一频率特性运算装置(16，23)。
按照这种方案，由于用于计算频率特性的结构包含在电机控制单元中，因此带有连接到其上的负载的电机的频率特性可以简单地获得，而不需要象伺服分析器这样的专用设备。另外，由于均匀包含所有频率成分的白噪声被用作为该速度指令，因此可以在短时间内执行频率特性的测量，从而作用在电机和负载上的负荷可以被最小化。
根据本发明的第二方面，该电机控制系统还包括速度偏差运算装置(17)，用于计算速度控制指令数据(Cins)和采样电机速度数据(Vm)之间差值，以产生一个速度偏差(Vd)；第二傅利叶变换装置(19)，用于把速度控制指令数据(Cins)和由所述速度偏差运算装置所获得的速度偏差(Vd)进行傅利叶变换；第二频率特性运算装置(20)，用于根据所述第二傅利叶变换装置的输出数据计算在从速度控制指令数据(Cins)到该速度偏差(Vd)之间的范围内的频率特性；以及第三频率特性运算装置(21)，用于根据所述第一频率特性运算装置(16)和第二频率特性运算装置(20)的输出结果，计算在速度控制下的环路传递函数的频率特性。
按照这种方案，仅仅通过把少量部件添加到第一方面的结构中，可以在速度控制状态下获得环路传递函数的频率特性，并且因此可以被用于确定控制的稳定性，以及具体检验负载等的共振特性。
根据本发明的第三方面，该电机控制系统还包括偏差运算装置(17)，其用于计算控制指令数据(Cins)与采样数据(Vm，Pm)之间的差值，以产生偏差数据(Vd)，并且所述第一傅利叶变换装置(22)把由所述偏差运算装置(17)所获得的偏差数据(Vd)和由所述采样装置(13)所获得的采样数据(Vm)进行傅利叶变换，并且所述第一频率特性运算装置(23)根据所述第一傅利叶变换装置(22)的输出数据，在从该偏差数据(Vd)到采样数据(Vm，Pm)的范围内计算环路传递函数的频率特性。
按照这种方案，利用比第二方面更加简单的结构可以获得在速度控制下的环路传递函数的频率特性。
根据本发明的第四方面，该电机驱动控制系统还包括响应频率检测装置(24)，其根据由所述第一频率特性运算装置(16，23，39)所获得的频率特性检测一响应频率(Rf)；以及惯量推测装置(26)，其根据所述控制装置(10，24)的控制增益数值(K)和由所述响应频率检测装置(24)所获得的响应频率(Rf)进行惯量的推测。
通过这种方案，由于电机驱动单元具有响应频率检测单元，因此可以从惯量、控制增益数值、和响应频率之间的关系推测电机的惯量和负载的惯量。
根据本发明的第五方面，该电机驱动控制系统还包括共振频率检测装置(28)，其用于根据由所述第一频率特性运算装置(16，23，39)所获得的频率特性检测一共振频率；以及陷波滤波器特性设置装置(30)，其用于根据由所述共振频率检测装置(28)所获得的共振频率设置陷波滤波器(31)的特性。
通过这种方案，该陷波滤波器的特性被自动设置使得陷波频率与所检测频率相匹配，能够激发共振的频率成分被从驱动该电机的转矩中消除，从而抑制共振。
根据本发明第六方面，该电机驱动单元(1)接收一个位置指令信号(Pins)作为输入驱动控制指令信号，并且控制指令数据信号(Cins)是一个位置控制指令数据信号，并且所述采样装置(13)采样该电机和负载中的一个的实际位置数据，以产生采样位置数据(Pm)，从而该位置控制指令数据和采样位置数据(Vm)被通过所述第一傅利叶变换装置(38)提供给所述第一频率特性运算装置(39)。
通过这种方案，连接有负载的电机的位置指令响应特性可以被简单地测量而不需要专用设备。
根据本发明第七方面，该电机驱动单元(1)还包括一个数据存储装置(40)，其用于暂时地与由所述采样装置(13，36)所获得的采样数据(Vm，Pm)一同存储所述指令选择装置(9，33)输出的控制指令数据(Cins)，其中所述第一傅利叶变换装置(15，22，38)和所述第一频率特性运算装置(16，23，39)被置于一个独立于该电机驱动单元的外部处理单元(42)内，并且该电机驱动单元和外部处理单元被通过数据传输总线装置(41)相连接。
通过暂时地在数据存储单元中存储数据，即使当速度数据的采样周期被缩短时，也可以及时地执行傅利叶变换的处理。但是，电机驱动单元的处理可以通过该结构而减少，其中傅利叶变换和频率特性运算被在独立于该电机驱动单元的外部处理单元中执行。
根据本发明第八方面，所述白噪声产生装置(8)输出的白噪声是一个二进制数据信号，并且存储在所述数据存储装置(40)中的数据和由所述数据传输总线装置(41)所发送的数据中的至少一个是一种复合数据结构，其中该数据的一个位被分配用于控制指令数据(Cins)，并且剩余位被分配用于由所述采样装置(13，36)所获得的采样数据(Vm，Pm)。
根据这种结构，由于速度指令和采样速度这两个数据或位置指令和采样位置个两个数据被合并为一个复合数据，因此可以使数据量减半，这使得可以把数据存储单元的存储容量减半，从而减小从电机驱动单元到外部处理单元的数据传送时间。
权利要求
1.一种电机驱动控制系统，其中一电机驱动单元(1)接收输入驱动控制指令信号(Vins，Pins)，以在该电机驱动的控制下驱动一电机(3)和连接到其上的负载(4)，所述电机驱动控制系统包括产生白噪声(WN)的白噪声产生装置(8)；指令选择装置(9，33)，用于选择用于正常控制操作的输入驱动控制指令信号和由白噪声产生装置所产生的用于频率特性运算的白噪声中的一个，作为一个控制指令数据信号(Cins)；控制装置(10，34)，其利用所述指令选择装置(9，33)输出的控制指令数据信号(Cins)控制电机的驱动；采样装置(13，36)，其按照预定的采样周期采样表示电机和该负载中的一个的驱动状态的数据，以产生采样数据(Vm，Pm)；第一傅利叶变换装置(15，22，38)，其用于把所述指令选择装置(9，33)输出的控制指令数据(Cins)与由所述采样装置(13，36)获得的采样数据(Vm，Pm)一同进行傅利叶变换；以及第一频率特性运算装置(16，23，39)，其用于根据所述第一傅利叶变换装置的输出数据计算在从控制指令数据(Cins)到采样数据(Vm，Pm)的范围内的频率特性。
2.根据权利要求1所述的电机驱动控制系统，其特征在于，该电机驱动单元(1)接收一个速度指令信号(Vins)作为输入驱动控制指令信号，并且控制指令数据信号(Cins)是一个速度控制指令数据信号，并且所述采样装置(13)采样该电机和负载中的一个的实际速度，以产生采样速度数据(Vm)，从而该速度控制指令数据和采样速度数据(Vm)被通过所述第一傅利叶变换装置(15，22)提供给所述第一频率特性运算装置(16，23)。
3.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于，还包括速度偏差运算装置(17)，用于计算速度控制指令数据(Cins)和采样电机速度数据(Vm)之间差值，以产生一个速度偏差(Vd)；第二傅利叶变换装置(19)，用于把速度控制指令数据(Cins)和由所述速度偏差运算装置所获得的速度偏差(Vd)进行傅利叶变换；第二频率特性运算装置(20)，用于根据所述第二傅利叶变换装置的输出数据计算在从速度控制指令数据(Cins)到该速度偏差(Vd)之间的范围内的频率特性；以及第三频率特性运算装置(21)，用于根据所述第一频率特性运算装置(16)和第二频率特性运算装置(20)的输出结果，计算在速度控制下的环路传递函数的频率特性。
4.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，还包括偏差运算装置(17)，其用于计算控制指令数据(Cins)与采样数据(Vm，Pm)之间的差值，以产生偏差数据(Vd)，并且所述第一傅利叶变换装置(22)把由所述偏差运算装置(17)所获得的偏差数据(Vd)和由所述采样装置(13)所获得的采样数据(Vm)进行傅利叶变换，并且所述第一频率特性运算装置(23)根据所述第一傅利叶变换装置(22)的输出数据，在从该偏差数据(Vd)到采样数据(Vm，Pm)的范围内计算环路传递函数的频率特性。
5.根据权利要求1所述的电机驱动控制系统，其特征在于，还包括响应频率检测装置(24)，其根据由所述第一频率特性运算装置(16，23，39)所获得的频率特性检测一响应频率；以及惯量推测装置(26)，其根据所述控制装置(10，24)的控制增益数值(K)和由所述响应频率检测装置(24)所获得的响应频率(Rf)进行惯量的推测。
6.根据权利要求1至4中的任何一个所述的电机驱动控制系统，其特征在于，还包括共振频率检测装置(28)，其用于根据由所述第一频率特性运算装置(16，23，39)所获得的频率特性检测一共振频率；以及陷波滤波器特性设置装置(30)，其用于根据由所述共振频率检测装置(28)所获得的共振频率设置包括在所述控制装置(10，34)中的陷波滤波器(31)的特性。
7.根据权利要求1所述的电机驱动控制系统，其特征在于，该电机驱动单元(1)接收一个位置指令信号(Pins)作为输入驱动控制指令信号，并且控制指令数据信号(Cins)是一个位置控制指令数据信号，并且所述采样装置(13)采样该电机和负载中的一个的实际位置数据，以产生采样位置数据(Pm)，从而该位置控制指令数据和采样位置数据(Vm)被通过所述第一傅利叶变换装置(38)提供给所述第一频率特性运算装置(39)。
8.根据权利要求1至6中任何一个所述的电机驱动控制系统，其特征在于，该电机驱动单元(1)还包括一个数据存储装置(40)，其用于暂时地将由所述采样装置(13，36)所获得的采样数据(Vm，Pm)与所述指令选择装置(9，33)输出的控制指令数据(Cins)一起存储，其中所述第一傅利叶变换装置(15，22，38)和所述第一频率特性运算装置(16，23，39)被置于一个独立于该电机驱动单元的外部处理单元(42)内，并且该电机驱动单元和外部处理单元被通过数据传输总线装置(41)相连接。
9.根据权利要求1所述的电机驱动控制系统，其特征在于，所述白噪声产生装置(8)输出的白噪声是一个二进制数据信号，并且存储在所述数据存储装置(40)中的数据和由所述数据传输总线装置(41)所发送的数据中的至少一个是一种复合数据结构，其中该数据的一个位被分配用于控制指令数据(Cins)，并且剩余位被分配用于由所述采样装置(13，36)所获得的采样数据(Vm，Pm)。
全文摘要
一种电机控制单元(1)包括白噪声产生器(8)、指令转换器(9)、用于反馈控制电机驱动速度的控制器(10)、用于以预定的周期检测和采样电机或负载的实际速度的检测单元(13)、用于把控制指令数据(Cins)与采样速度数据(Vm)一同进行傅利叶变换的第一傅利叶变换器(15)、以及用于计算在从控制指令数据(Cins)到采样数据(Vm)的范围内的频率特性的第一频率特性运算装置(16),因此可以在短时间内获得频率特性而不需要伺服分析器。
文档编号H02P6/14GK1267953SQ9912669
公开日2000年9月27日 申请日期1999年12月27日 优先权日1999年3月23日
发明者藤崎好洋, 江村真一 申请人:松下电器产业株式会社