TWI499197B - 電動機控制方法及裝置 - Google Patents

Description

電動機控制方法及裝置

本發明是關於一種進行在工作母機等所使用的電動機的高精度定位的電動機控制方法及裝置。

在使用電動機的工作母機等的電動機的定位裝置中，利用數位編碼器來檢測出電動機的活動元件的現在位置，而將電動機的活動元件定位在因應於位置指令的位置。在此種習知的裝置中，例如將位置指令作成零，而在指令位置停止電動機時，因位置檢測為依數位值所致的檢測，因此在活動元件經常地發生著編碼器的輸出的±1脈衝分量的變動。若連結電動機與負荷的機械系統為剛體時，則該變動是不會增幅，而不會產生大的問題。然而，若連結電動機與負荷的機械系統有剛性低的部分時，則視條件，該變動被增幅，而會產生共振於機械系統的微振動的情形。

例如，有滾珠螺桿連結機構被連接於電動機的軸而構成機械系統時，則如第6(A)圖至第6(C)圖所示地，在滾珠螺桿連結機構的滾珠會產生彈性變形。第6(B)圖是未彈性變形的滾珠螺桿連結機構中的滾珠，而第6(A)圖及第6(C)圖是誇大描繪因振動而彈性變形的滾珠。第6(A)圖及第6(C)圖中的箭頭是表示振動時的移動方向。

依數位編碼器所為的電動機的活動元件的位置檢測， 是抽樣周期別地實行。所以一直到實行抽樣為止，在上次抽樣所檢測的位置作為活動元件的位置。結果，如第5圖所示地，相對於「實際的位置」具有延遲地檢測位置。又，算出速度時也成為依差分演算所致的延遲的原因，而速度也隨著依抽樣周期所決定的檢測粗糙度與時間滯後被檢測。速度控制系統是動作成如此被檢測的速度被抑制。又，被連接於電動機的滾珠螺桿的滾珠的動作，是依電動機的動作會再延遲彈性變形分量。所以，即使電動機的活動元件被停止在停止位置的狀況下，宏偉地觀看，在電動機以±1脈衝變動時，反轉滾珠的移動方向後[從第6(A)圖的狀態回到第6(B)圖的狀態時，或是從第6(C)圖回到第6(B)圖的狀態時]，增幅滾珠從彈性變形恢復的速度的方式，習知的定位位置是有移動電動機的軸的情形。這時候，滾珠螺桿的滾珠重複彈性變形而微振動，從滾珠螺桿周邊發生機械聲音。此種微振動是關連於滾珠螺桿的劣化等之故，因而儘量抑制較佳。

作為抑制該微振動的方法，有一種至機械系統不會共振為止降低電動機控制裝置的速度環路或位置環路的增益的方法。但是，在此種方法中，有降低應答特性，也降低伺服剛性的問題。作為其他方法，有一種將轉矩指令經陷波濾波器，而從轉矩指令將微振動的頻率成分除外的方法。但是，當插入陷波濾波器，則在比陷波頻率還要低的頻率中相位會滯後之故，因而會有在速度控制應答特性產生顛峰值，控制特性變壞的問題。

又，作為其他抑制微振動的技術，有表示於專利文獻1所示的電動機控制裝置的技術。在表示於日本特開2007-252093號公報的裝置中，具備電動機停止判定電路與死區形成電路。電動機停止判定電路是位置指令資料為零，而若位置偏差資料在定位完成範圍內時，則判定電動機在停止狀態。死區形成電路是在電動機停止判定電路判定為電動機停止時，為了忽略從定位點因±1脈衝分量的變動所變化的轉矩指令分量，對於轉矩指令設置死區。

在日本特開2007-252093號公報所述的習知技術中，在位置指令為零時於轉矩指令設置死區。由於存在死區，位於停止狀態的電動機的活動元件的位置若利用外力等，不進行+2脈衝或-2脈衝變化，就不會輸出轉矩。若設置此種死區，則在死區無法進行定位控制。由於此，在習知的裝置中，無法提昇定位精度。尤其是，在停止電動機時施加外力時，即使產生一脈衝分量的偏位，也無法進行定位控制。所以，在如工作母機需要高定位精度的用途上，若在控制電動機利用習知裝置，則有加工精度會降低的問題。

本發明的目的在提供一種在使用數位編碼器的電動機控制裝置中，即使在機械系統有剛性低的部分，也不會降低定位精度，而可抑制機械系統的微振動的電動機控制方 法及裝置。

在達成上述目的本發明的電動機控制方法中，由指令電動機的活動元件的移動位置的位置指令資料、及表示利用數位編碼器所檢測出的活動元件的現在位置資料，來演算偏差而生成位置偏差資料。又，演算這次抽樣的現在位置資料與上次抽樣的現在位置資料的差分而生成差分現在位置資料。又，依據差分現在位置資料來生成活動元件的現在速度資料。又，演算依據位置偏差資料所製作的速度指令資料與現在速度資料的偏差來生成速度偏差資料，依據該速度偏差資料來生成轉矩指令資料。又，依據轉矩指令資料來控制電動機的轉矩。尤其是，在本發明中，係利用當活動元件通過目標位置時，則差分現在位置資料的極性會變化的情形。因此首先判定差分現在位置資料的極性是否有變化。又，判定為極性有變化之後，將差分現在位置資料以1以上的整數亦即n抽樣周期的期間作為零來生成現在速度資料。

理論上，差分現在位置資料的極性有變化時，即為活動元件通過作為目標的位置時。若位置指令資料為指令目標位置(定位點)時，則理論上，活動元件是目標位置。但是如習知技術般未設置死區時(繼續被控制時)，則活動元件是處於以目標位置作為中心而以編碼器的輸出的±1脈衝內微細地搖晃的狀況。亦即，判定為有極性變化之 後，若立即依據差分現在位置資料來生成現在速度資料，則發生朝與極性有變化之前的移動方向相反之方向移動活動元件的轉矩。例如，以連結電動機與負荷的連結機構作彈性變形之程度地機械式剛性低時，則會發生欲把彈性變形恢復成原來的較大的相斥力。該相斥力是發揮增大朝著相反方向移動上述活動元件的轉矩的作用。結果，活動元件的移動量會變大，在最壞的情形下，發生共振，且發生以人類耳朵就可確認之程度的振動聲音。如本發明地，被判定為極性有變化之後，若將差分現在位置資料在1以上的整數亦即n抽樣周期之期間作為零，則在該期間中，現在速度資料是成為零，而在活動元件僅作用依據彈性變形的相斥力。在該n抽樣周期的期間，因依據彈性變形的相斥力所致的活動元件的位移即結束。又，在經過n抽樣周期之後，將差分現在位置資料從零回到實際資料。作成如此，則不管原因為如何，若無法控制的力在差分現在位置資料之極性反轉之後作用於活動元件時，則1以上的整數亦即n抽樣周期之期間，若將差分現在位置資料作為零，則可防止因無法控制的力的影響，活動元件的振動變大而發生噪音的情形。又，如習知技術地未設置死區之故，因而比習知還可提高定位精度。

n的數值並非為一定，若因應於配置在活動元件與負荷之間之作彈性變形的連結機構的機械性剛性來適當地設定即可。該n的設定基準是設定為所發生的活動元件的微振動不會受到連結機構的剛性影響的數值。作成如此，可 有效地發揮本發明的效果。

又連結機構為一般性的剛性的滾珠螺桿連結機構時，則將n作成1就可以。在使用其他構造的連結機構時，則選擇適當的n值就可以。

實施本發明的方法的電動機控制裝置是具備：以數位值輸出電動機的活動元件的現在位置的編碼器；位置偏差資料生成部；差分現在位置資料生成部；現在速度資料生成部；位置控制器；速度偏差資料生成部；速度控制器；及轉矩控制部。位置偏差資料生成部是由指令活動元件的移動位置的位置指令資料、及表示利用編碼器所檢測出的活動元件的現在位置的現在位置資料，來演算偏差而生成位置偏差資料。差分現在位置資料生成部是演算這次抽樣的現在位置資料與上次抽樣的現在位置資料的差分而生成差分現在位置資料。現在速度資料生成部是依據差分現在位置資料來生成活動元件的現在速度資料。位置控制器是依據位置偏差資料來生成速度指令資料。速度偏差資料生成部是演算現在速度資料與速度指令資料之偏差來生成速度偏差資料。速度控制器是依據速度偏差資料來生成轉矩指令資料。轉矩控制部是依據轉矩指令資料來控制電動機的轉矩。現在速度資料生成部是包括判定差分現在位置資料的極性是否有變化的極性判定部。又，現在速度資料生成部是當極性判定部判定極性有變化之後，立即將差分現在位置資料在1以上的整數亦即n抽樣周期的期間作為零而生成現在速度資料。依據本發明，可簡單且確實地實施 本發明的方法。

在本發明的裝置中，若在活動元件與負荷之間配置有作彈性變形的連結機構時，決定n值為所發生的活動元件的微振動不會受到連結機構的剛性影響的數值就可以。又，若連結機構為一般性的剛性的滾珠螺桿連結機構，則將n作為1就可以。

本發明當然也可適用在停止操作時，亦即位置指令資料為零時。這時候，也在判定極性有變化之後，將差分現在位置資料在1以上的整數亦即n抽樣周期的期間作為零來生成現在速度資料。

第1圖是表示實施本發明的電動機控制方法的電動機控制裝置的實施形態的一例子的構成的方塊圖。本實施形態的電動機控制裝置1是具備：以數位值進行輸出電動機M(包括旋轉型電動機及線性電動機的雙方)的活動元件(旋轉型電動機時為轉子)的現在位置的數位編碼器E；位置偏差資料生成部3；位置控制器5；差分現在位置資料生成部7；現在速度資料生成部9；速度偏差資料生成部15；速度控制器17；及轉矩控制部19。作為數位編碼器E，可使用光學式編碼器、磁性式編碼器等的公知編碼器。

利用減法器所構成的位置偏差資料生成部3是由指令電動機M的活動元件的移動位置的位置指令資料、及表示 利用數位編碼器E所檢測的活動元件的現在位置的現在位置資料來演算偏差而生成位置偏差資料。

差分現在位置資料生成部7是利用數位編碼器E來演算這次抽樣的現在位置資料及上次抽樣的現在位置資料的差分來生成差分現在位置資料。因此，差分現在位置資料生成部7是具備：至少將來自數位編碼器E的輸出記憶上次抽樣分量與這次抽樣分量的記憶部；採取記憶於記憶部的上次資料與這次資料的差分的差分演算部；及記憶差分演算部的演算結果的結果記憶部所構成。

現在速度資料生成部9是依據差分現在位置資料生成部7所生成的差分現在位置資料來生成電動機M的活動元件的現在速度資料。現在速度資料生成部9是包括：判定差分現在位置資料生成部7所生成的差分現在位置資料的極性是否有變化的極性判定部11、與增益乘法部13。如第2(A)圖所示地，極性判定部11是利用以差分現在位置資料生成部7所生成的差分現在位置資料為以「0」位準作為基準是否為較大，判定極性是否有變化。表示於第2(A)圖的狀況是被輸入於位置偏差資料生成部3的位置指令資料為零時，表示活動元件雖些微惟有振動的狀況。在本實施形態中，如第2(B)圖所示地，現在速度資料生成部9是當極性判定部11判定極性有變化之後，立即將差分現在位置資料生成部7所輸出的差分現在位置資料在1以上的整數亦即n抽樣周期的期間作為零而生成現在速度資料。在第2(B)圖中，將此狀態稱為「插入磁滯 後的差分位置」。在此，「磁滯」是使用在「將前狀態作為後狀態插入事先決定的期間(維持)」的意思。在第2(B)圖的例子中，將極性反轉判定前的「0」狀態，在極性反轉判定後維持一抽樣周期分量。增益乘法部13是經常將所定增益相乘於差分現在位置資料生成部7所輸出的差分現在位置資料而輸出作為速度回饋。增益乘法部13是利用施以因應於數位編碼器E的分解能的增益，來算出速度回饋。

位置控制器5是依據位置偏差資料生成部3所生成的位置偏差資料而生成速度指令資料。由減法器所成的速度偏差資料生成部15是演算現在速度資料生成部9的增益乘法部13所輸出的現在速度資料(速度回饋)與位置控制器5所輸出的速度指令資料的偏差，而輸出作為速度偏差資料。速度控制器17是依據速度偏差資料生成部15所輸出的速度偏差資料來生成轉矩指令資料。轉矩控制部19是依據所輸入的轉矩指令資料來控制活動元件的轉矩。

理論上，差分現在位置資料的極性有變化時，為電動機M的活動元件通過作為目的停止位置時。因應於被輸入於位置偏差資料生成部3(上位控制器所輸入的)的位置指令，理論上，活動元件是目標位置停止。但是實際上，活動元件是處於以目標位置作為中心而在數位編碼器E的輸出的±1脈衝內微細地搖動的狀況。所以，若極性判定部11判定極性的變化之後，當依據其後的差分現在位置資料使現在速度資料生成部9生成現在速度資料，則發生朝著 與極性變化之前的移動方向相反的方向移動活動元件的轉矩。如先前使用第6圖所述地，若作為連結電動機M與負荷的機械系統MS的連結機構為進行彈性變形的滾珠螺桿連結機構，則如第6(A)圖或第6(C)圖所示地，因機械系統的機械式剛性較低，因此發生將滾珠的彈性變形欲恢復成原來的較大的相斥力。該相斥力是發揮增大朝著相反方向移動上述活動元件的轉矩之作用。結果，活動元件的移動量會變大，在最壞時，會發生共振，而發生以人類耳朵可確認的程度的振動聲音。

在本實施形態中，極性判定部11為判定有極性變化之後，立即將差分現在位置資料生成部7所輸出的差分現在位置資料在1以上的整數亦即n抽樣周期的期間作為零。因此該抽樣周期期間中，現在速度資料是成為零。該期間，在活動元件作用著依據彈性變形的相斥力，惟在該n抽樣周期的期間，結束因依據彈性變形的相斥力所致的活動元件的位移。又，現在速度資料生成部9，是經過n抽樣周期之後，將差分現在位置資料從零回到實際的資料。作成如此，可防止因無法控制的力(依彈性變形所致的相斥力等)的影響，活動元件的振動變大而發生噪音的情形。

使用第2圖，更具體地加以具體地說明，表示於第2(A)圖的差分現在位置資料的極性有變化時，則第2(B)圖的插入磁滯後的差分現在位置資料是經過一抽樣周期之後有所變化。亦即，在電動機的活動元件的速度的 極性有變化時，則一抽樣分量(一抽樣周期分量)，速度回饋並不被輸出。之後，在連續兩次抽樣有相同極性的值時才在速度回饋出現數值。因此，在時間上成為有一抽樣分量(一抽樣周期分量)的磁滯被插入的情形。藉此，在停止電動機時隨著編碼器的±1脈衝的變動進行控制的控制系統的動作成為延遲一抽樣分量(一抽樣周期分量)。所以，依據本實施形態，在會有以上述滾珠螺桿連結機構的滾珠增幅由彈性變形恢復的動作的方式移動電動機的活動元件的情形的控制系統中，檢測速度成為延遲一抽樣分量。結果，依照本實施形態，不會有滾珠螺桿連結機構的滾珠加速由彈性變形恢復的動作，而滾珠螺桿連結機構的微振動是被抑制。又，機械系統的剛性更低時，則藉由增加磁滯的脈衝數(n抽樣周期的n的數)來加以對應。

在本實施形態中，對於算出速度回饋的位置的差分演算結果，在速度的極性有變化時，插入有一控制抽樣(抽樣周期)的較短時間的磁滯。藉此，不會降低定位精度，而可抑制隨著機械系統的剛性低時所產生的彈性變形的微振動。又，可防止機械的劣化，而可實現依高伺服器應答所致的高精度的加工。

第3(A)圖及第3(B)圖是表示朝著一方向移動時的定位點附近的轉矩指令與編碼器輸出的關係者。第3(A)圖是表示以與抽樣周期比較為較長時間(周期)觀看轉矩指令的變化時的轉矩指令。若以長時間(周期)觀看轉矩指令的變化，則轉矩指令的變化是成為與一抽樣周 期的期間將差分現在位置資料作為零的磁滯未被插入時的轉矩指令的變化相同。第3(B)圖是表示以抽樣周期相當的時間觀看轉矩指令的變化時的轉矩指令。第3(B)圖的情形是在一抽樣周期的期間插入有以差分現在位置資料作為零的磁滯。第4(A)圖及第4(B)圖是表示以實際的機械所計測的電動機停止時的活動元件的位置。第4(A)圖是無磁滯的情形，在該例子中產生±2脈衝的微振動。第4(B)圖是在一抽樣周期的期間插入以差分現在位置資料作為零的磁滯的情形，微振動被抑制。

(產業上可利用性)

依照本發明，不管原因為如何，在差分現在位置資料的極性反轉之後無法控制之力作用於活動元件時，1以上的整數亦即n抽樣周期的期間，藉由將差分現在位置資料作成零，可防止因無法控制的力的影響使活動元件的振動變大而發生噪音的情形。又未設置如習知技術的死區之故，因而比習知可更提高定位精度。

1‧‧‧電動機控制裝置

3‧‧‧位置偏差資料生成部

5‧‧‧位置控制器

7‧‧‧差分現在位置資料生成部

9‧‧‧現在速度資料生成部

11‧‧‧極性判定部

13‧‧‧增益乘法部

15‧‧‧速度偏差資料生成部

17‧‧‧速度控制器

19‧‧‧轉矩控制部

第1圖是表示實施本發明的電動機控制方法的電動機控制裝置實施形態的一例子的構成的方塊圖。

第2(A)圖至第2(C)圖是使用於第1圖的實施形態的動作的說明的時序圖。

第3(A)圖及第3(B)圖是表示朝著一方向移動時的定位點附近的轉矩指令與編碼器輸出的關係的圖式。

第4(A)圖及第4(B)圖是表示以實際機械所計測的停止電動機時的活動元件的位置的圖式。

第5圖是用以說明本實施形態的電動機的活動元件的位置檢測動作的時序圖。

第6(A)圖至第6(C)圖是用以說明使用作為機械系統的滾珠螺桿連結機構的滾珠的彈性變形的圖式。

1‧‧‧電動機控制裝置

3‧‧‧位置偏差資料生成部

5‧‧‧位置控制器

7‧‧‧差分現在位置資料生成部

9‧‧‧現在速度資料生成部

11‧‧‧極性判定部

13‧‧‧增益乘法部

15‧‧‧速度偏差資料生成部

17‧‧‧速度控制器

19‧‧‧轉矩控制部

M‧‧‧電動機

MS‧‧‧機械系統

E‧‧‧編碼器

Claims (7)

1. 一種電動機控制方法，其特徵為：由指令電動機的活動元件的移動位置的位置指令資料、及表示利用數位編碼器所檢測出的上述活動元件的現在位置的現在位置資料，來演算偏差而生成位置偏差資料，演算這次抽樣的現在位置資料與上次抽樣的現在位置資料的差分而生成差分現在位置資料，判定上述差分現在位置資料的極性是否有變化，依據上述差分現在位置資料來生成上述活動元件的現在速度資料，但是判定上述極性有變化之後，將上述差分現在位置資料在1以上的整數亦即n抽樣周期的期間作為零而生成上述活動元件的現在速度資料，演算依據上述位置偏差資料所製作的速度指令資料與上述現在速度資料的偏差而生成速度偏差資料，依據上述速度偏差資料而生成轉矩指令資料，依據上述轉矩指令資料來控制上述電動機的轉矩。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電動機控制方法，其中，在上述活動元件與負荷之間配置有作彈性變形的連結機構，上述n是被設定為所發生的上述活動元件的微振動不會受到上述連結機構的剛性影響的數值。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電動機控制方法， 其中，上述連結機構為滾珠螺桿連結機構，而上述n為1。
4. 一種電動機控制裝置，其特徵為：具備：以數位值輸出電動機的活動元件的現在位置的編碼器；及由指令上述活動元件的移動位置的位置指令資料、及表示利用上述編碼器所檢測出的上述活動元件的上述現在位置的現在位置資料，來演算偏差而生成位置偏差資料的位置偏差資料生成部；及演算這次抽樣的現在位置資料與上次抽樣的現在位置資料的差分而生成差分現在位置資料的差分現在位置資料生成部；及包括判定上述差分現在位置資料的極性是否有變化的極性判定部，依據上述差分現在位置資料來生成上述活動元件的現在速度資料，但是被判定上述極性有變化之後，將上述差分現在位置資料在1以上的整數亦即n抽樣周期的期間作為零而生成上述現在速度資料的現在速度資料生成部；及依據上述位置偏差資料來生成速度指令資料的位置控制器；及演算上述現在速度資料與上述速度指令資料的偏差而生成速度偏差資料的速度偏差資料生成部；及依據上述速度偏差資料來生成轉矩指令資料的速度控 制器；及依據上述轉矩指令資料來數位控制上述電動機的轉矩的轉矩控制部。
5. 如申請專利範圍第4項所述的電動機控制裝置，其中，在上述活動元件與負荷之間配置有作彈性變形的連結機構，上述n是被設定為所發生的上述活動元件的微振動不會受到上述連結機構的剛性影響的數值。
6. 如申請專利範圍第5項所述的電動機控制裝置，其中，上述連結機構為滾珠螺桿連結機構，而上述n為1。
7. 如申請專利範圍第4項所述之電動機控制裝置，其中：上述現在速度資料生成部，是當上述位置指令資料為零時，判定上述極性有發生變化後，將上述差分現在位置資料在n抽樣周期的期間作為零而生成上述現在速度資料。