CN101640511A

CN101640511A - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN101640511A
Application number: CN200910160269A
Authority: CN
Inventors: 井出勇治
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: EP2154779A3; US7969113B2; JP4540727B2; EP2154779A2; CN101640511B; US20100060226A1; JP2010041734A

Abstract

本发明提供一种不使用特别的传感器等，而使用模型控制系统来抑制机台振动，并且实现高速的位置决定的电动机控制装置。其中，第一反馈部(131)根据模型机台位置信息输出至少包括机台的位置信息的第一反馈指令。第二反馈部(133)输出包括滤波器处理模型扭矩指令的第二反馈指令。求出在第二加法部(SP15)求出的第一反馈指令和第二反馈指令之和与模型扭矩指令的差分，将该差分供给模型扭矩指令低通滤波器(127)的输入部和扭矩指令低通滤波器(115)的输入部。模型控制系统(105)，将模型位置指令作为位置指令供给位置控制器(111)，将根据模型位置指令所制成的模型机台位置信息加算到从位置控制器(111)向速度控制器(113)输入的速度指令。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及具有模型控制系统而进行模型跟踪控制的电动机控制装置。

背景技术

当驱动芯片安装器等机械来高速地进行位置决定时，作为通过电动机控制装置对机械进行高速位置决定的方法之一，有模型跟踪控制法。在模型跟踪控制中，构筑模拟了实际的反馈控制系统的模型控制系统。而且，以跟踪该模型控制系统的方式驱动反馈控制系统。图2是表示采用了在JP特开昭62-217304号公报[专利文献1]中所表示的现有的模型跟踪控制法的电动机控制装置的结构。在该控制装置中，取得位置指令与模型位置的偏差，通过模型位置控制器来获取模型速度指令。然后取得模型速度指令与模型速度的偏差，通过模型速度控制器获取模型扭矩指令。此外，将模型扭矩指令通过电动机机械模型计算出模型速度。并且将模型速度通过积分器计算出模型位置。取得模型位置与由编码器检测出的电动机位置的差，通过位置控制器输出速度指令。还取得对速度指令和模型速度相加后的值与速度检测值的偏差，将该偏差通过速度控制器获取扭矩指令。将扭矩指令与模型扭矩指令相加，通过扭矩控制器驱动电动机，并控制电动机的扭矩。在此，电动机机械模型，将电动机惯量(inertia)设为JM，将负载惯量设为JL，则表示为电动机机械模型＝1/{(JM+JL)S}。如此，通过构成模型跟踪控制，可独立地控制指令响应特性和抗干扰特性。抗干扰特性由于机械系统的高频谐振等而受到制约。为此抗干扰特性不能高至某种程度。模型响应特性由于不受机械系统的高频谐振等的制约，所以能够提高。由此，提高指令响应特性，就可实现机械的高速位置决定。

当机械系统是刚体时，通过进行将电动机机械模型作为刚体的模型跟踪控制，可实现高速位置决定。但是，在实际的机械系统中存在刚性低的部分，由此产生振动。芯片安装器等的机械，如图3所示，在机台上固定电动机，通过滚珠丝杠等驱动工作台(table)。机台由水平螺栓等支撑。在这样的机械中，若驱动电动机使工作台高速驱动，则由于水平螺栓的刚性使机台摇动，产生机台振动。

作为抑制这样的机台振动的方法，有在位置指令的输入部中插入前置滤波器的方法。图4是通过前置滤波器抑制机台振动的电动机控制装置的方框图。作为前置滤波器，例如可使用陷波滤波器。因此，通过将陷波滤波器的陷波频率设置为与机台振动频率相同的值，可抑制机台振动。图5(A)以及(B)表示未使用前置滤波器时的差分位置指令与位置偏差。并且图6(A)以及(B)表示使用了前置滤波器时的差分位置指令与位置偏差。若将图5(B)与图6(B)进行比较，则可知通过前置滤波器可抑制机台振动，改善位置决定整定特性。但是，如观察图6(B)可知，使用了前置滤波器时，由于滤波器的延迟，存在不能充分缩短位置决定整定时间Ts的问题。

作为其它抑制机台振动的方法，有使用了在JP特开2002-163006号公报(专利文献2)中所表示的模型跟踪控制的方法。图7是将专利文献2的图2保持原样进行表示。在使用该现有的模型跟踪控制法的电动机控制装置中，在模型控制系统中，通过设置扭角补偿器25抑制了振动。但是，在专利文献2中，公开了电动机以及机械设备10的具体的数字模型17。然而在机械系统的振动抑制中，若不进行合适的模型化，则不能抑制振动。此外在专利文献2的方法中，使用扭角以及扭角速度的值来适应地控制作为振动抑制控制用的补偿所使用的扭角、扭角速度的反馈量。模拟速度控制器的参数，也按照模拟速度偏差适应地进行了控制。但是，在专利文献2中，未表示模拟适应扭角补偿器25与模拟适应速度控制器15之间的参数的定义方法。机台振动的抑制中，需要使模拟适应速度控制器15与扭角补偿器25的增益一起收敛于控制系统稳定而且不产生振动的值。但是，模拟适应扭角补偿器25与模拟适应速度控制器15，被设计为以各自的偏差变小的方式独立动作。其结果，例如，即使通过扭角以及扭角速度反馈而抑制了振动，也存在若以抑制模拟速度偏差的方式改变了模拟适应速度控制器15的参数，则会降低振动抑制效果的问题。如此，在专利文献2中所表示的方法中，未明确表示机械模型，不知道是否真的抑制了机台振动。此外，由于未表示模拟适应速度控制器15与扭角、扭角速度反馈之间的控制规则，存在为了抑制振动而模拟适应扭角补偿器25与模拟适应速度控制器15不收敛的可能性。

对此，在JP特开2004-21413号公报(专利文献3)中，公开了明确机械模型的现有的技术。在专利文献3记载的技术中，如图8那样表示了机台模型。在该现有技术中，反馈机台的位置信息与模型机台位置信息来抑制振动。此外，在该现有技术中，将模型的位置信息、模型机台位置信息、推力指令附加于反馈控制系统的位置信息和模型机台位置信息中。如此，在专利文献3所表示的技术中，将模型的推力指令通过转换器附加于反馈控制系统的速度指令中。由此，存在即使当没有模型控制系统与反馈控制系统的误差时，也由于转换器的结构或延迟，反馈控制系统的推力指令不能成为按照模型控制系统的推力指令那样，而无法得到充分的模型跟踪控制特性的问题。此外，即使阅读专利文献3的记载，为了抑制振动如何设定参数也并不明确。为此，存在不能实现抑制振动而且高速的位置决定的可能性。

例如，此处，将图8的模型控制系统省略衰减项Cb、粘性电阻Ct而使用图9表示的记号来表示，若由现代控制理论计算其参数则如下。

首先，模型控制系统的状态方程式，如以下算式所示。

【式1】

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{x}}_{T} \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{T} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{B} \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{B} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ - \frac{K_{P} K_{V}}{J} & - \frac{K_{V}}{J} & - \frac{1}{J} (K_{P} K_{V} + K_{PB}) & - \frac{1}{J} (K_{V} + K_{VB}) \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \frac{K_{P} K_{V}}{J_{B}} & \frac{K_{V}}{J_{B}} & \frac{1}{J_{B}} (K_{P} K_{V} + K_{PB} - K_{B}) & \frac{1}{J_{B}} (K_{V} + K_{VB}) \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{T} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{T} \\ x_{B} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{B} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ \frac{K_{P} K_{V}}{J} \\ 0 \\ - \frac{K_{P} K_{V}}{J_{B}} \end{matrix}] P *

y = [\begin{matrix} 1 & 0 & 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{T} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{T} \\ x_{B} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{B} \end{matrix}]

根据现代控制理论，若全部的极具有负的实根，则控制系统为了稳定，特性方程式若以具有四重根的方式计算各参数，则如下。

【式2】

K＝-4K_P

K_V＝4⁴K_P ³J·J_B/K_B

K_{VB} = - 16 K_{P} J_{B} + (\frac{J_{B}}{J} - 1) K_{V}

K_{PB} = - 96 J_{B} {K_{P}}^{2} + (\frac{J_{B}}{J} - 1) K_{P} K_{V} + K_{B}

因此，若确定了位置环路增益(loop gain)K_p，则根K确定，且速度环路增益K_v、机台速度反馈增益K_VB、机台位置反馈增益K_PB确定。例如，在JM＝8.47×10^-4(Kg·m²)、JL＝JM×3.66、J＝JM+JL、JB＝JM×70.5、K_B＝1595(Nm/rad)的机械系统中，若K_P＝125rad/s，则K_v＝3030Hz、K_VB＝942(Nm/(rad/s))、K_PB＝4.45×10⁴(Nm/rad)。从此，在专利文献3的结构中，抑制了振动，而且若以能够高速位置决定的方式计算参数，则模型速度控制器的增益会成为通常所无法设定的大的值。在使用了模型跟踪控制的减振控制中，通过将模型系统的参数与反馈控制系统的参数设定为相同值来抑制振动。为此，需要将反馈控制系统的速度控制器的增益也设定为大的值。但是，反馈控制系统的速度控制器的增益，由机械系统的刚性等限制了其上限。其结果，不能设置极端高的值。因此，对于图8的模型控制系统，应用状态反馈理论计算出其参数，并计算出实现振动控制与高速位置决定的参数，即使对计算出的值设定参数，也会产生振动等，从而存在无法实现利用计算结果来控制电动机的问题。

[专利文献1]JP特开昭62-217304号公报

[专利文献2]JP特开2002-163006号公报图2

[专利文献3]JP特开2004-21413号公报图2

作为抑制机台振动的其它方法，可考虑设置检测机台振动的传感器。然而，由于传感器故障等的发生，可靠性降低，此外，产生成本提高的问题。

发明内容

本发明的目的，在于解除现有问题，而且提供一种不使用特别的传感器等，而使用模型控制系统来抑制机台振动且实现高速的位置决定的电动机控制装置。

本发明的电动机控制装置，由反馈控制系统和模型控制系统构成。反馈控制系统，由位置传感器、位置控制器、速度控制器、扭矩指令低通滤波器和扭矩控制器组成。位置传感器检测出机台上所安装的电动机的可动部的位置。位置控制器根据由位置传感器所检测出的位置信息和位置指令来输出速度指令。速度控制器根据速度指令和从位置传感器的输出得到的速度信息来输出扭矩指令。扭矩指令低通滤波器根据扭矩指令来抑制高频成分。扭矩控制器，根据通过扭矩指令低通滤波器进行了滤波器处理的扭矩指令来控制电动机的扭矩。

此外模型控制系统具备可动部模型、机台模型、模型位置控制器、模型速度控制器、模型扭矩指令低通滤波器、主反馈部、第一反馈部、第二反馈部和减法部。可动部模型，将可动部的动作模型化来输出可动部的模型可动部位置信息。机台模型，将机台的动作模型化来输出机台的模型机台位置信息。模型位置控制器将位置控制器模型化来输出模型速度指令。模型速度控制器将速度控制器模型化来输出模型扭矩指令。模型扭矩指令低通滤波器，将扭矩指令低通滤波器模型化，将对模型扭矩指令进行低通滤波器处理后的模型扭矩指令(以后称为滤波器处理模型扭矩指令)供给可动部模型和机台模型。主反馈部，将模型可动部位置信息与模型机台位置信息进行合计而得到的模型位置信息作为向反馈系统的模型位置指令，分别反馈给模型位置控制器以及模型速度控制器。第一反馈部根据模型机台位置信息输出至少包括机台的模型机台位置信息的第一反馈指令。第二反馈部输出包括滤波器处理模型扭矩指令的信息的第二反馈指令。而减法部求出第一反馈指令和第二反馈指令的合计与模型扭矩指令的差分，将该差分作为差分模型扭矩指令输出给模型扭矩指令低通滤波器的输入部和扭矩指令低通滤波器的输入部。而模型控制系统，构成为将向反馈系统的模型位置指令作为位置指令供给位置控制器，将根据向反馈系统的模型位置指令所制成的向反馈系统的模型速度指令加算到由位置控制器输入给速度控制器的速度指令中。

本发明中也包括以不将差分模型扭矩指令供给扭矩指令低通滤波器的输入部，而将滤波器处理模型扭矩指令加算到扭矩控制器中所输入的进行了滤波器处理的扭矩指令中的方式构成模型控制系统的情形。

根据本发明，在将模型位置控制器或模型速度控制器中设定的增益以及扭矩指令低通滤波器的值设定为反馈控制系统中物理上可设定的增益的范围内的任意的值的情况下，通过调整第一反馈部以及第二反馈部的增益，可抑制机台的振动。因此根据本发明，不使用特别的传感器等，使用模型控制系统就可抑制机台振动，并实现高速位置决定。

而第一反馈部，优选构成为第一反馈指令中除了包括模型机台位置信息，还包括机台的模型机台速度信息以及模型机台加速度信息。如此，与只反馈模型机台位置信息的情况相比，可易于将模型速度环路增益设定为一般可使用的值。

在具体实施本发明时，模型位置控制器以及模型速度控制器中分别设定的增益，被设定为与位置控制器以及速度控制器分别设定的增益相同，而且，第一反馈部中设定的第一反馈增益与第二反馈部设定的第二反馈增益被确定，以便抑制所述机台的振动。

此外，模型控制系统中所包括的多个参数被确定，以使模型控制系统的状态方程式的特性方程式具有五重根并且反馈控制系统稳定。如此，若确定了多个参数，则可抑制振动而高速进行位置决定。

根据本发明，在将模型位置控制器或模型速度控制器中设定的增益以及扭矩指令低通滤波器的值设定为反馈控制系统中物理上可设定的增益的范围内的任意的值的情况下，通过调整第一反馈部以及第二反馈部的增益(参数)，得到可抑制机台的振动而高速进行位置决定的优点。

附图说明

图1是表示本发明的电动机控制装置的结构的方框图。

图2是表示采用了现有的模型跟踪控制法的电动机控制装置的结构的示意图。

图3是表示电动机与机台的关系的示意图。

图4是表示通过前置滤波器来抑制机台振动的电动机控制装置的方框图。

图5(A)以及(B)表示了所使用的差分位置指令和未使用前置滤波器时的位置偏差。

图6(A)以及(B)表示了差分位置指令和使用了前置滤波器时的位置偏差。

图7是表示采用了其它现有模型跟踪控制法的电动机控制装置的结构的示意图。

图8是还采用了其它现有模型跟踪控制法的电动机控制装置的结构的示意图。

图9是将图8表示的控制装置的模型控制系统省略了衰减项Cb、粘性电阻Ct后所表示的示意图。

图10是表示不使用扭矩指令低通滤波器并且不使用第二反馈部，只反馈模型机台位置信息、模型机台速度信息以及模型机台加速度信息时的结构的方框图。

图11是表示使用扭矩指令低通滤波器并且不使用第二反馈部，只反馈模型机台位置信息、模型机台速度信息以及模型机台加速度信息时的结构的方框图。

图12(A)以及(B)是表示将本实施方式中使用的差分位置指令以及扭矩指令低通滤波器的截止(cut off)频率设为600Hz时的位置偏差的示意图。

图13是(A)以及(B)是表示将本实施方式中使用的差分位置指令以及扭矩指令低通滤波器的断开频率设为1000Hz时的位置偏差的示意图。

图中：101-电动机控制装置，103-反馈控制系统，105-模型控制系统，107-电动机，109-位置传感器，111-位置控制器，113-速度控制器，115-扭矩指令低通滤波器，117-扭矩控制器，119-可动部模型，121-机台模型，123-模型位置控制器，125-模型速度控制器，127-模型扭矩指令低通滤波器，129-主反馈部，131-第一反馈部，133-第二反馈部，135-微分器。

具体实施方式

以下，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的电动机控制装置的结构的方框图。本实施方式的电动机控制装置101由反馈控制系统103和模型控制系统105构成。反馈控制系统103具备：由检测电动机107的移动旋转位置的编码器构成的位置传感器109；位置控制器111；速度控制器113；扭矩指令低通滤波器115和扭矩控制器117。位置传感器109的输出(位置信息)被反馈给位置控制器111，此外位置传感器109的输出(位置信息)被微分后作为速度信息被反馈给速度控制器113。向位置控制器111输入在减法部SP1中对由位置传感器109所检测出的位置信息与位置指令的差分进行计算后的结果。在本实施方式中，位置控制器111中输入的位置指令，是由模型控制系统105输出的向反馈系统的模型位置指令。然后，位置控制器111根据向反馈系统的模型位置指令与来自位置传感器109的位置信息的差分向速度控制器113输出速度指令。在减法部SP2中求出根据速度指令与从模型控制系统105所输出的向反馈系统的模型速度指令之和，对位置传感器109的输出进行微分得到的与速度信息的差分。速度控制器113，根据从减法部SP2所输出的差分来输出扭矩指令。由加法部SP3加算从速度控制器113所输出的扭矩指令和从模型控制系统105所供给的后述的差分模型扭矩指令，所加算的扭矩指令被输入给扭矩指令低通滤波器115。扭矩指令低通滤波器115，根据从加法部SP3所输出的被加算的扭矩指令来抑制高频成分。而扭矩控制器117根据通过扭矩指令低通滤波器115进行滤波处理后的扭矩指令来抑制电动机107的扭矩。

此外，模型控制系统105具备可动部模型119、机台模型121、模型位置控制器123、模型速度控制器125、模型扭矩指令低通滤波器127、主反馈部129、第一反馈部131、第二反馈部133、第一至第三减法部SP11-SP13、第一以及第二加法部SP14以及SP15。可动部模型119，将电动机的可动部的动作进行模型化后输出模型可动部位置信息。机台模型121，将机台的动作进行模型化后输出模型机台位置信息。模型位置控制器123，将位置控制器111进行模型化后输出模型速度指令。模型速度控制器125，将速度控制器113模型化来输出模型扭矩指令。而且，为了不使模型加入干扰，模型速度控制器由比例控制器构成。模型扭矩指令低通滤波器127，将扭矩指令低通滤波器115以一阶低通滤波器进行模型化，而后将对模型扭矩指令进行低通滤波器处理后的滤波器处理模型扭矩指令供给可动部模型119和机台模型121。主反馈部129，在第一加法部SP14中将模型可动部位置信息和模型机台位置信息相加后得到的模型位置信息作为向反馈系统的模型位置指令，分别反馈给模型位置控制器123以及模型速度控制器125。第一减法部SP11，从输入位置指令减去向反馈系统的模型位置指令后，输入给模型位置控制器123。此外向反馈系统的模型位置指令通过微分器135进行微分转换为向反馈系统的模型速度指令。第二减法部SP12，从模型位置控制器123所输出的模型速度指令减去向反馈系统的模型速度指令后，将减算结果输出给模型速度控制器125。第一反馈部131，根据模型机台位置信息输出不只包括模型机台位置信息，还包括模型机台速度信息以及模型机台加速度信息的第一反馈指令。第二反馈部133，将乘以滤波器处理模型扭矩指令中规定的增益KLP后的指令作为第二反馈指令进行输出。然后，第三减法部SP13，求出由第二加法部SP15求出的第一反馈指令和第二反馈指令的合计与模型扭矩指令的差分，并将该差分作为差分模型扭矩指令输出给模型扭矩指令低通滤波器127的输入部和反馈控制系统103的扭矩指令低通滤波器115的输入部(加法部SP3)。

模型控制系统105，将由从第一加法部SP14得到的模型位置信息构成的向反馈系统的模型位置指令作为位置指令而供给位置控制器111。此外，将通过微分器135对向反馈系统的模型位置指令进行微分后得到的向反馈系统的模型速度指令与从位置控制器111输入给速度控制器113的速度指令相加。

在本实施方式中，在包括机台的电动机机械模型(119，121)中利用第一反馈部131以及第二反馈部133进行状态反馈。然后，为了使模型控制系统105稳定并且不产生机台的振动，确定了各控制器的参数。

此外，第一反馈部131，将模型机台位置信息与机台位置反馈增益K_PB、机台速度反馈增益K_VB和机台加速度反馈增益K_ABS²的合计增益(K_PB+K_VB+K_ABS²)相乘后的结果作为第一反馈指令进行输出。将第一反馈指令和第二反馈指令进行合计后的结果成为状态反馈量。

根据本实施方式，如上所述，通过将模型扭矩指令低通滤波器127的输出、模型机台位置信息、模型机台速度信息、模型机台加速度信息进行状态反馈，一边抑制机台的振动，一边可自由地设定模型位置增益KP、模型扭矩指令低通滤波器127的参数[时间常数]。并且在本实施方式中，获取在减法部SP1由模型控制系统105所输出的向反馈系统的模型位置指令与由编码器构成的位置传感器109检测出的位置信息(位置反馈指令)的偏差，并通过位置控制器111输出速度指令。此外在减法部SP2中，获取将该速度指令和由微分器135所输出的向反馈系统的模型速度指令相加后的结果与将由编码器构成的位置传感器109检测出的位置信息进行微分后得到的信息(速度反馈指令)的偏差。此偏差，通过速度控制器113而作为扭矩指令被输出。然后，在减法部SP13中，将从模型扭矩指令减去将第一反馈指令与所述第二反馈指令合计后得到的状态反馈量后的差分模型扭矩指令，在加法部SP3中与扭矩指令相加。然后将该加算后的指令通过扭矩指令低通滤波器115进行滤波器处理后，输入到扭矩控制器117，并通过扭矩控制器117的输出来驱动电动机107。

针对如此构成的模型控制系统的状态方程式进行说明。最初，图10是表示不使用模型扭矩指令低通滤波器127并且不使用第二反馈部133，只反馈模型机台位置信息、模型机台速度信息以及模型机台加速度信息时的结构的方框图。在图10中，在各位置赋予了采用公式的记号。若由现代控制理论，以特性方程式具有四重根的方式计算各参数则此时的参数如下。

【式3】

K＝-4K_P

K_V＝4K_P·J

K_{AB} = - \frac{K_{B}}{4^{3} {K_{P}}^{2}} + J_{B}

K_{VB} = - 4 K (- J_{B} + K_{AB}) - (1 - \frac{J_{B}}{J}) K_{V}

K_{PB} = 6 K^{2} (- J_{B} + K_{AB}) - (1 - \frac{J_{B}}{J}) K_{P} K_{V} + K_{B}

根据上述结果的判断，是若确定了位置环路增益K_P，则根K确定，速度环路增益K_V、机台加速度反馈增益K_AB、机台速度反馈增益K_VB、机台位置反馈增益K_PB确定。例如，在JM＝8.47×10^-4(Kg·m²)、JL＝JM×3.66、J＝JM+JL、JB＝JM×70.5、K_B＝1595(Nm/rad)的机械系统中，若K_P＝125rad/s，则K_v＝80Hz、K_AB＝0.058(Nm/(rad/s)²)、K_VB＝24.9(Nm/(rad/s))、K_PB＝2.72×10³(Nm/rad)。如图10的结构那样进行状态反馈，抑制机台的振动，并且若以可高速位置决定的方式计算参数，则模型速度控制器125的速度环路增益K_v成为可通常设定的值。反馈控制系统中若没有机械系统的高频谐振或基于编码器的高频成分等，则即使图10的结构，也可构筑抑制机台的振动而进行高速位置决定的控制系统。

然而反馈控制系统中，当包含机械系统的高频谐振或基于编码器的高频成分时，如图11所示成为追加了模型扭矩指令低通滤波器。如图11所示，若由现代控制理论，以特性方程式具有五重根的方式计算当插入了模型扭矩指令低通滤波器时的参数，则成为如下。

【式4】

K ＝-5K_P

K_V＝47J·K_P

T = \frac{4 K_{B}}{5^{5} {K_{P}}^{3} J_{B}}

T 2 = - \frac{1}{5 K}

K_AB＝J_B-5²K_PJ_BT

J 2 = \frac{J_{B} - K_{AB}}{J_{B}} J,

J_B2＝J_B-K_AB、

K_{B} 2 = \frac{J_{B} - K_{AB}}{J_{B}} K_{B}

K_{VB} = - \frac{10 K^{2} T 2 \cdot J 2 \cdot J_{B} 2 - K_{B} 2 \cdot T 2 \cdot J 2 + K_{V} J_{B} 2 + K_{V} J 2}{J 2}

K_{PB} 2 = - \frac{10 K^{3} T 2 \cdot J 2 \cdot J_{B} 2 + K_{P} K_{V} J 2 - K_{B} 2 \cdot J 2 - K_{P} K_{V} J_{B} 2}{J 2}

K_{PB} = K_{PB} 2 + \frac{K_{AB} K_{B}}{J_{B}}

由上述结果，若确定了位置环路增益K_P，则根K确定，速度环路增益K_V、机台加速度反馈增益K_AB、机台速度反馈增益K_VB、机台位置反馈增益K_PB确定，而且模型扭矩指令低通滤波器的时间常数T确定。因此，没有模型扭矩指令低通滤波器的时间常数T的设定自由度。通常，模型扭矩指令低通滤波器的时间常数T，为了配合机械系统的高频谐振而进行调整，需要能够自由地调整。然而，只以图11表示的结构，不能调整模型扭矩指令低通滤波器的时间常数T。

对此，在图1表示的本发明的实施方式中，设置为将模型扭矩指令低通滤波器127的输出进行反馈，所以能够调整包含模型扭矩指令低通滤波器127的时间常数T的各参数。图1表示的结构的状态方程式成为如下。

dX/dt＝AX+BU

y＝CX

y是模型位置指令。

A、B、C如下述。

【式5】

A =

[\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{1}{J_{3}} \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & \frac{- K_{B_{3}}}{{JB}_{3}} & 0 & \frac{- 1}{{JB}_{3}} \\ \frac{- K_{P} \times K_{V}}{T_{3}} & \frac{- K_{V}}{T_{3}} & \frac{(- K_{P} \times K_{V} - K_{{PB}_{3}})}{T_{3}} & \frac{(- K_{V} - K_{VB})}{T_{3}} & \frac{- 1}{T_{3}} \end{matrix}]

B =

[\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \frac{K_{P} \times K_{V}}{T_{3}} \end{matrix}]

C＝

[1 0 1 0 0]

其中

T_{2} = \frac{T}{1 + K_{LP}},

J₂＝J(1+K_LP)、

J_{B_{2}} = J_{B} (1 + K_{LP}), K_{B_{2}} = K_{B} (1 + K_{LP})

T_{3} = \frac{J_{B_{2}}}{J_{B_{2}} - K_{AB}} T_{2},

J_{3} = \frac{J_{B_{2}} - K_{AB}}{J_{B_{2}}} J_{2},

J_{B_{3}} = J_{B_{2}} - K_{AB},

K_{B_{3}} = \frac{J_{B_{2}} - K_{AB}}{J_{B_{2}}} K_{B_{2}}

K_{{PB}_{3}} = K_{PB} - \frac{K_{AB} K_{B_{2}}}{J_{B_{2}}}

上述状态方程式的特性方程式，若以具有五重根的方式计算参数则如下。并且K_V＝4J₂·K_P，以使位置、速度控制系统稳定。

【式6】

K＝-5K_P

T_{2} = \frac{4 K_{B}}{5^{5} {K_{P}}^{3} J_{B}}

K_{LP} = \frac{T}{T_{2}} - 1

K_{AB} = J_{B_{2}} - 5^{2} K_{P} J_{B_{2}} \cdot T_{2}

K_{VB} = - \frac{10 K^{2} T_{3} \cdot J_{3} \cdot J_{B_{3}} - K_{B_{3}} \cdot J_{3} \cdot T_{3} - K_{V} J_{B_{3}} + K_{V} J_{3}}{J_{3}}

K_{P B_{3}} = - \frac{- 10 K^{3} T_{3} \cdot J_{3} \cdot J_{B_{3}} + K_{P} K_{V} J_{3} - K_{B_{3}} \cdot J_{3} - K_{P} K_{V} J_{B_{3}}}{J_{3}}

K_{PB} = K_{P B_{3}} + \frac{K_{AB} K_{B_{2}}}{J_{B_{2}}}

如上述若设定了各模型各部的参数，则可实现不产生机台振动的位置决定。

该参数的设定，如以下进行。首先，反馈控制系统103的扭矩指令低通滤波器115的时间常数，设定为可抑制由编码器等构成的位置传感器109的量子化脉动(ripple)、或机械系统的高次谐波谐振的高的值。速度控制器113的环路增益，在不激励机械系统的高次谐波谐振的范围内，尽量调整为高的值。位置控制器111的位置环路增益，将位置环路增益＝速度环路增益/4设定为基准，以使位置、速度控制系统的响应稳定。模型控制系统105的模型位置控制器123的环路增益K_P或模型速度控制器125的环路增益K_V、模型扭矩指令低通滤波器127的时间常数，设置为与反馈控制系统103的扭矩指令低通滤波器115的时间常数相同的值。模型控制系统105的可动部模型119的参数，或机台模型121的参数，配合于实际的机械系统的值。然后，以这些参数为基础，计算出状态反馈增益(K_PB+K_VB+K_ABS²)以及K_LP。

如此，根据本实施方式，首先，配合于实际的机械系统来调整反馈控制系统103的参数，与其配合来确定模型控制系统105的参数。图12(B)是使用如此计算出的参数以及状态反馈增益来进行位置决定时的位置偏差的模拟结果。图12(A)表示使用了的差分位置指令。图12(B)的模拟，是将反馈控制系统103和模型控制系统105的扭矩指令低通滤波器以及模型扭矩指令低通滤波器(115、127)的断开频率设定为600Hz。其它与图5以及图6设定相同的条件。此外，图13(B)是将反馈控制系统103和模型控制系统105的扭矩指令低通滤波器以及模型扭矩指令低通滤波器(115、127)的断开频率从600Hz提高到1000Hz时的位置偏差的模拟结果。图13(A)表示所使用的差分位置指令。如观察图12(B)以及图13(B)所判断那样，判断为没有位置偏差的振动，且抑制了机台的振动。此外，位置决定整定时间也比使用图6的前置滤波器时的结果早，判断为可实现高速的位置决定。

如上所述，根据本实施方式，作为模型控制系统105，将模型机台位置信息、模型机台速度信息、模型机台加速度信息、低通滤波器后的模型扭矩指令(四种状态)反馈给模型扭矩指令低通滤波器127的输入。然后，应用现代控制理论，以模型控制系统的特性方程式的根成为重根的方式计算出模型控制系统105的各参数，来确定参数。如本实施方式，通过反馈上述四种状态，即使在模型控制系统105的特性方程式的根成为重根的制约之下，也可自由地设定模型位置增益K_P或模型速度增益K_V，以及称为模型扭矩指令低通滤波器127的时间常数的由反馈控制系统103自由地设定的参数。由此，将考虑了机械系统的高频区域的特性上的制约等而设定的扭矩指令低通滤波器115的值、或模型位置增益K_P或模型速度增益K_V在模型控制系统105中设定之后，能以没有振动的方式设定模型控制系统105的参数。并且，以跟踪该无振动、可高速驱动的模型的方式驱动反馈控制系统103。由此，即使没有检测机台振动的传感器，也可实现抑制机台的振动且可高速地位置决定的电动机控制装置。

在上述实施方法中，将模型机台位置信息、模型机台速度信息以及模型机台加速度信息三个作为了状态反馈量。然而，若以将低通滤波后的模型扭矩指令作为状态反馈量来使用为条件，则针对只将模型机台位置信息作为状态反馈量来使用的情况、和将在模型机台位置信息中组合了模型机台位置信息以及模型机台加速度信息的至少一方作为状态反馈量来使用的情况也可适用本发明。

在上述实施方式中，虽然将旋转型的电动机作为了控制的对象，但对于线性电动机的控制，本发明当然也能适用。

此外在上述实施方式中，虽然应用现代控制理论，以模型控制系统的特性方程式的根成为重根的方式计算出模型控制系统的各参数，来确定参数，但并不需要一定是重根，只要确定参数以使模型控制系统稳定且振动被抑制即可，模型控制系统的各参数的计算或确定方法，并不限定于本实施方式。

此外，如图1点划线所示，不采用将模型扭矩指令低通滤波器127的输出与扭矩指令低通滤波器115的输入进行加算的结构，也可采用将模型扭矩指令低通滤波器127的输出与扭矩控制器117的输入进行加算的结构。即使如此，也可得到相同的结果。

Claims

1.一种电动机控制装置，由反馈控制系统和模型控制系统构成，

所述反馈控制系统，具有：

位置传感器，其检测机台上所安装的电动机的可动部的位置；

位置控制器，其根据由所述位置传感器所检测出的位置信息和位置指令来输出速度指令；

速度控制器，其根据所述速度指令和从所述位置传感器的输出得到的速度信息来输出扭矩指令；

扭矩指令低通滤波器，其根据所述扭矩指令来抑制高频成分；以及

扭矩控制器，其根据通过所述扭矩指令低通滤波器进行了滤波器处理的扭矩指令来控制所述电动机的扭矩，

所述模型控制系统，具有：

可动部模型，其将所述电动机的所述可动部的动作进行模型化来输出所述可动部的模型可动部位置信息；

机台模型，其将所述机台的动作进行模型化来输出所述机台的模型机台位置信息；

模型位置控制器，其将所述位置控制器进行模型化来输出模型速度指令；

模型速度控制器，其将所述速度控制器进行模型化来输出模型扭矩指令；

模型扭矩指令低通滤波器，其将所述扭矩指令低通滤波器进行模型化，将对所述模型扭矩指令进行低通滤波器处理后得到的滤波器处理模型扭矩指令供给所述可动部模型和所述机台模型；

主反馈部，其将所述模型可动部位置信息与所述模型机台位置信息进行合计后得到的模型位置信息作为向反馈系统的模型位置指令分别反馈给所述模型位置控制器以及所述模型速度控制器；

第一反馈部，其根据所述模型机台位置信息输出至少包括所述模型机台位置信息的第一反馈指令；

第二反馈部，其输出包括所述滤波器处理模型扭矩指令的信息的第二反馈指令；以及

减法部，其求出所述第一反馈指令和所述第二反馈指令的合计与所述模型扭矩指令的差分，将所述差分作为差分模型扭矩指令输出给所述模型扭矩指令低通滤波器的输入部和所述扭矩指令低通滤波器的输入部，

所述模型控制系统，将向所述反馈系统的模型位置指令作为所述位置指令供给所述位置控制器，将根据向所述反馈系统的模型位置指令所制成的向反馈系统的模型速度指令加算到输入给所述速度控制器的所述速度指令中。

2.一种电动机控制装置，由反馈控制系统和模型控制系统构成，

所述反馈控制系统，具有：

扭矩控制器，其根据通过所述扭矩指令低通滤波器进行了滤波器处理的指令来控制所述电动机的扭矩，

所述模型控制系统，具有：

减法部，其求出所述第一反馈指令和所述第二反馈指令的合计与所述模型扭矩指令的差分，将所述差分作为差分模型扭矩指令输出给所述模型扭矩指令低通滤波器的输入部，

所述模型控制系统，将向所述反馈系统的模型位置指令作为所述位置指令供给所述位置控制器，将根据向所述反馈系统的模型位置指令所制成的向反馈系统的模型速度指令加算到输入给所述速度控制器的所述速度指令中，将所述滤波器处理模型扭矩指令加算到输入给所述扭矩控制器的进行了所述滤波器处理的扭矩指令中。

3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一反馈部，构成为所述第一反馈指令中除了包括所述模型机台位置信息，还包括所述机台的模型机台速度信息以及模型机台加速度信息。

4.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述模型位置控制器以及所述模型速度控制器中分别设定的增益，被设定为与所述位置控制器以及所述速度控制器中分别设定的增益相同，所述第一反馈部中设定的第一反馈增益与所述第二反馈部设定的第二反馈增益被确定，以便抑制所述机台的振动。

5.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述模型控制系统中所包括的多个参数被确定，以使所述模型控制系统的状态方程式的特性方程式具有五重根并且所述反馈控制系统稳定。