具備前饋控制的電動機控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具備前饋控制的電動機控制裝置(1)，其控制對控制對象(200)進行驅(qū)動的電動機。該電動機控制裝置(1)具備：速度反饋控制單元(11)，其生成用于進行控制使得控制對象(200)的實際速度跟隨所輸入的速度指令的修正前轉(zhuǎn)矩指令；逆模型計算單元(12)，其使用速度指令和修正前轉(zhuǎn)矩指令，計算控制對象(200)具有的傳遞函數(shù)的逆模型；轉(zhuǎn)矩修正值生成單元(13)，其使用速度指令和逆模型，生成轉(zhuǎn)矩修正值；轉(zhuǎn)矩指令生成單元(14)，其使用修正前轉(zhuǎn)矩指令和轉(zhuǎn)矩修正值，生成針對驅(qū)動控制對象(200)的電動機的轉(zhuǎn)矩指令。
【專利說明】具備前饋控制的電動機控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對作為機器人、機床或工業(yè)機械等機械的驅(qū)動源而使用的電動機進行控制的電動機控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在對作為機器人、機床或工業(yè)機械等機械的驅(qū)動源而使用的電動機進行控制的電動機控制裝置中，為了使被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的電動機單體、將電動機作為驅(qū)動源而聯(lián)動地進行動作的機械(還存在包含該機械所作用的工件等附屬物的情況)等控制對象(以下簡稱為“控制對象”)按照指令進行動作，而設(shè)置反饋控制。在反饋控制中，存在使控制對象的速度跟隨速度指令的速度反饋控制、使控制對象的位置跟隨位置指令的位置反饋控制等。
[0003]另外，已知為了實現(xiàn)對指令更高的響應性，以對反饋控制進行附加的形式設(shè)置了前饋控制。在對指令的前饋控制中，存在為了提高對速度指令的響應性而對速度反饋控制附加的速度前饋控制、為了提高對位置指令的響應性而對位置反饋控制附加的位置前饋控制等。
[0004]圖9是表示具有反饋控制和前饋控制的現(xiàn)有一般的電動機控制裝置的模塊線圖。以后，假設(shè)在不同的附圖中附加了相同的參照符號的部分表示具有相同功能的構(gòu)成要素。在此，說明通過電動機控制裝置100對控制對象200的動作進行控制的情況。
[0005]作為控制對象200的例子，如上述那樣，有電動機單體、電動機以及將該電動機作為驅(qū)動源而聯(lián)動地進行動作的機械(還存在包含該機械所作用的工件等附屬物的情況)等。在此，作為一個例子，將控制對象200的電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)設(shè)為Kt，將電動機慣量設(shè)為J，將摩擦系數(shù)設(shè)為C。另外，用s表示微分算子。用“Kt/(Js+C)”表示控制對象200的傳遞函數(shù)。
[0006]控制器101執(zhí)行使控制對象200的實際的速度(以下也稱為“實際速度”)跟隨速度指令的速度反饋控制。向控制器101輸入從控制對象200反饋的速度與速度指令之間的偏差，輸出轉(zhuǎn)矩指令。通過PI控制、PID控制來實現(xiàn)控制器101，例如，如圖9所示，在通過PI控制實現(xiàn)的情況下，如果將積分增益設(shè)為K1，將比例增益設(shè)為K2，則用“K/s+K/’來表示控制器101的傳遞函數(shù)。
[0007]為了實現(xiàn)對速度指令的高響應性的控制，將速度前饋(VFF)控制模塊104的傳遞函數(shù)設(shè)定為控制對象200的傳遞函數(shù)即“Kt/(Js+C)”的反函數(shù)即“(js+c)/Kt”。在此，在將控制器101、速度前饋控制模塊104、以及控制對象200組合為一個系統(tǒng)(以下稱為“速度控制系統(tǒng)”)的情況下，速度控制系統(tǒng)的輸入是“速度指令”，可以將速度控制系統(tǒng)的輸入看作從控制對象200反饋的“控制對象200的實際的速度”。如果將速度前饋控制模塊104的傳遞函數(shù)設(shè)計為控制對象200的傳遞函數(shù)的反函數(shù)(在非線性的情況下為逆模型)，則速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為“1”，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對速度指令的高響應性。
[0008]另外，在圖9所示的例子中，將使控制對象200的位置跟隨位置指令的位置反饋控制的位置增益模塊102的位置增益設(shè)為Kp。對用積分模塊103對控制對象200的速度進行積分所得的位置和位置指令之間的偏差乘以位置增益Kp，來用作上述速度指令的一部分。此外，用“ι/s”表示積分模塊103的傳遞函數(shù)。
[0009]在將傳遞函數(shù)為“I”的速度控制系統(tǒng)、位置增益102、傳遞函數(shù)為“Ι/s”的積分增益模塊103、以及位置前饋(PFF)模塊105組合為一個系統(tǒng)(以下稱為“位置控制系統(tǒng)”)的情況下，位置控制系統(tǒng)的輸入是“位置指令”，可以將位置控制系統(tǒng)的輸出看作從控制對象200反饋的“控制對象200的實際的位置”。如上述那樣，由控制器101、速度前饋控制模塊104、以及控制對象200構(gòu)成的速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是“1”，因此如果將位置前饋控制模塊105的傳遞函數(shù)設(shè)計為積分增益模塊103的傳遞函數(shù)即“Ι/s”的反函數(shù)“S”，則對于位置控制系統(tǒng)，傳遞函數(shù)也為“ 1”，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對位置控制系統(tǒng)的高響應性。
[0010]另外，如果能夠如上述那樣使速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為“1”，則將位置前饋控制模塊105的傳遞函數(shù)設(shè)計為積分增益模塊103的傳遞函數(shù)即“Ι/s”的反函數(shù)“s”即可，因此容易設(shè)計位置前饋控制模塊105。因此，在設(shè)計電動機控制裝置100的速度前饋控制模塊104和位置前饋控制模塊105時，需要與控制對象200的各種常數(shù)有關(guān)的詳細信息。
[0011]一般，在機器人、機床、或工業(yè)機械等機械中，有時難以詳細地掌握控制對象的慣量、摩擦等的各種常數(shù)，例如對于在機器人、工業(yè)機械等中安裝在機械上的附屬物、通過機床加工的對象物，如果其大小、重量等變動，則慣量、摩擦變動。另外，隨著機械的經(jīng)年變化，摩擦等的常數(shù)也變化。另外，根據(jù)被電動機驅(qū)動的被驅(qū)動體的位置，摩擦等的常數(shù)也變動。并且，有時慣量還根據(jù)被驅(qū)動體的位置而發(fā)生變動。
[0012]為了即使控制對象的各種常數(shù)未知或不確定也要實現(xiàn)高響應性，目前已知通過自適應控制來求出前饋控制的參數(shù)的方法。
[0013]例如，如日本特開平3-242703號公報所記載的那樣，有以下的方法，即在驅(qū)動機械臂的電動機中，對應于機械臂的運動其慣量很大地變動，因此為了即使慣量很大地變動也要實現(xiàn)高的指令響應性，通過最速下降法的算法自適應地求出位置前饋控制的參數(shù)使得位置偏差減小。
[0014]另外，例如在日本特開2008-171165號公報中記載的那樣，有以下的方法，即自適應地確定因慣量以及重力對控制對象的影響而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩偏移量，使用該轉(zhuǎn)矩偏移量修正轉(zhuǎn)矩指令來執(zhí)行前饋控制，由此與包含依賴于旋轉(zhuǎn)角而進行變動的負載的控制對象對應地輸出最佳的轉(zhuǎn)矩指令。
[0015]如果如上述那樣進行設(shè)計使電動機控制裝置的速度前饋控制的傳遞函數(shù)成為控制對象的逆模型，則能夠?qū)崿F(xiàn)對速度指令的高響應性。如果能夠最佳地設(shè)計速度前饋控制的傳遞函數(shù)，則響應性高的位置前饋控制的設(shè)計變得比較容易。因此，在速度前饋控制的設(shè)計時，確實地掌握與控制對象的各種常數(shù)有關(guān)的詳細信息非常重要。
[0016]但是，在設(shè)計電動機控制裝置的前饋控制時，在由于某種原因而無法確實地掌握控制對象的各種常數(shù)的情況下，完成的前饋控制并不一定是最優(yōu)的，不能說實現(xiàn)了對指令的高響應性。
[0017]特別在電動機控制裝置所驅(qū)動的控制對象的慣量和摩擦發(fā)生變動的情況下，得到與控制對象的各種常數(shù)有關(guān)的詳細信息非常難，難以提高電動機控制裝置對指令的響應性。
[0018]例如，日本特開平3-242703號公報和日本特開2008-171165號公報所記載的發(fā)明通過自適應控制求出與控制對象具有的慣量有關(guān)的參數(shù)來進行前饋控制，但并沒有考慮到與控制對象具有的摩擦有關(guān)的參數(shù)。因此，在日本特開平3-242703號公報和日本特開2008-171165號公報所記載的發(fā)明中，能夠應對慣量變動的控制對象，但存在無法針對摩擦變動的控制對象進行最佳的前饋控制的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的在于提供一種電動機控制裝置，其具備即使不詳細地掌握控制對象的各種常數(shù)也能夠容易地進行最優(yōu)設(shè)計的，對指令的響應性高的前饋控制。
[0020]另外，本發(fā)明另一個目的在于提供一種電動機控制裝置，其具備即使控制對象具有的慣量和摩擦變動，對指令的響應性高的前饋控制。
[0021]電動機控制裝置控制用于驅(qū)動控制對象的電動機，該電動機控制裝置具備:速度反饋控制單元，其生成用于進行控制以使控制對象的實際速度跟隨所輸入的速度指令的修正前轉(zhuǎn)矩指令；逆模型計算單元，其使用速度指令和修正前轉(zhuǎn)矩指令，計算控制對象具有的傳遞函數(shù)的逆模型的系數(shù)；轉(zhuǎn)矩修正值生成單元，其使用速度指令和逆模型的系數(shù)，生成轉(zhuǎn)矩修正值；轉(zhuǎn)矩指令生成單元，其使用修正前轉(zhuǎn)矩指令和轉(zhuǎn)矩修正值，生成針對驅(qū)動控制對象的電動機的轉(zhuǎn)矩指令。
[0022]逆模型計算單元可以具備:系數(shù)修正值計算單元，其使用速度指令、修正前轉(zhuǎn)矩指令、預定的適應系數(shù)，計算系數(shù)修正值；慣量系數(shù)推定值計算單元，其使用系數(shù)修正值、慣量系數(shù)推定值，計算新的慣量系數(shù)推定值；粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元，其使用系數(shù)修正值、粘性摩擦系數(shù)推定值，計算新的粘性摩擦系數(shù)推定值；庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元，其使用系數(shù)修正值、庫倫摩擦系數(shù)推定值，計算新的庫倫摩擦系數(shù)推定值，使用新的慣量系數(shù)推定值、新的粘性摩擦系數(shù)推定值、以及新的庫倫摩擦系數(shù)推定值，在每個采樣期間計算逆模型的系數(shù)。
[0023]另外，上述逆模型計算單元可以在速度指令的絕對值比預定的值小時，維持在輸入該速度指令的采樣期間之前的采樣期間中計算出的逆模型的系數(shù)，將其輸出到轉(zhuǎn)矩修正值生成單元。
[0024]另外，轉(zhuǎn)矩修正值生成單元將根據(jù)速度指令計算出的加速度和用于推定控制對象所具有的慣量的慣量系數(shù)推定值的積、速度指令和用于推定該控制對象所具有的粘性摩擦系數(shù)的粘性摩擦系數(shù)推定值的積、以及速度指令的極性和用于推定該控制對象所具有的庫倫摩擦系數(shù)的庫倫摩擦系數(shù)推定值的積相加，由此生成上述轉(zhuǎn)矩修正值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]通過參照以下的附圖，能夠更明確地理解本發(fā)明。
[0026]圖1是表示第一實施例的電動機控制裝置的模塊線圖。
[0027]圖2是表示第一實施例的電動機控制裝置的逆模型計算單元的框圖。
[0028]圖3是表示第一實施例的電動機控制裝置的動作流程的流程圖。
[0029]圖4是表示第一實施例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果(之一)的圖。
[0030]圖5A是表示第一實施例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果(之二)的圖，表示使使用了逆模型的速度前饋控制無效的情況。
[0031]圖5B是表示第一實施例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果(之二)的圖，表示使使用了逆模型的速度前饋控制發(fā)揮功能的情況。
[0032]圖6是示例電動機控制裝置的控制對象的非線性摩擦所引起的斯特里貝克效應(stribeck effect)的圖。
[0033]圖7A是表示第一實施例的變形例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果的圖，表示不設(shè)置死區(qū)的情況。
[0034]圖7B是表示第一實施例的變形例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果的圖，表示設(shè)置了死區(qū)的情況。
[0035]圖8是表示第二實施例的電動機控制裝置的模塊線圖。
[0036]圖9是表示具有反饋控制和前饋控制的現(xiàn)有一般的電動機控制裝置的模塊線圖。

【具體實施方式】
[0037]以下，參照附圖，說明具備前饋控制的電動機控制裝置。但是，應該理解本發(fā)明并不限于附圖或以下說明的實施方式。
[0038]電動機控制裝置所驅(qū)動的控制對象包括電動機、包含該電動機和以該電動機作為驅(qū)動源聯(lián)動地進行動作的機械的控制對象、或者包含該機械和該機械所作用的工件等附屬物的控制對象等。因此，如果適當?shù)貙⑺鼈冎脫Q并讀作以下說明的“控制對象”，則能夠理解本發(fā)明能夠應用于各種用途。此外，在與電動機控制裝置驅(qū)動控制的電動機聯(lián)動地進行動作的機械中，有機器人、機床、或工業(yè)機械等。此外，用其大小(標量)和極性(向量)規(guī)定以下說明的速度指令、轉(zhuǎn)矩指令、位置指令、修正前轉(zhuǎn)矩指令、修正前速度指令。
[0039]圖1是表示第一實施例的電動機控制裝置的模塊線圖。根據(jù)第一實施例，對驅(qū)動控制對象200的電動機進行控制的電動機控制裝置I具備:速度反饋控制單元11、逆模型計算單元12、轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13、轉(zhuǎn)矩指令生成單元14。在圖示的例子中，將控制對象200的電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)設(shè)為Kt，將電動機慣量設(shè)為J，將摩擦系數(shù)設(shè)為C，另外，將微分算子設(shè)為S，用“Kt/(Js+C) ”表示控制對象200的傳遞函數(shù)。對控制對象200產(chǎn)生影響的重力也具有非線性特性，因此控制對象200的傳遞函數(shù)也可以考慮重力的影響。
[0040]速度反饋控制單元11生成用于進行控制使得控制對象200的實際的速度跟隨所輸入的速度指令的修正前轉(zhuǎn)矩指令。具體地說，向速度反饋控制單元11中包含的控制器101輸入從控制對象200反饋的實際速度和速度指令之間的偏差，生成修正前轉(zhuǎn)矩指令并輸出，由此進行速度反饋控制，使控制對象200的實際的速度跟隨速度指令。通過PI控制或PID控制來實現(xiàn)控制器101，例如，如圖1所示在通過PI控制來實現(xiàn)的情況下，如果將積分增益設(shè)為K1，將比例增益設(shè)為K2，則用“K1/S+K2”來表示控制器101的傳遞函數(shù)。
[0041]逆模型計算單元12使用速度指令和修正前轉(zhuǎn)矩指令，計算控制對象200所具有的傳遞函數(shù)的逆模型的系數(shù)。將在后面詳細說明逆模型。
[0042]轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13使用速度指令和通過逆模型計算單元12計算出的逆模型的系數(shù)，生成轉(zhuǎn)矩修正值。將在后面詳細說明轉(zhuǎn)矩修正值。
[0043]轉(zhuǎn)矩指令生成單元14使用修正前轉(zhuǎn)矩指令和轉(zhuǎn)矩修正值，生成針對用于驅(qū)動控制對象200的電動機的轉(zhuǎn)矩指令。把生成的轉(zhuǎn)矩指令用于控制輸出電動機的驅(qū)動電力的電力變換器(未圖示)。例如，在電力變換器由通過設(shè)置在內(nèi)部的半導體開關(guān)元件的開關(guān)動作將直流電力變換為交流電力的PWM逆變器構(gòu)成的情況下，根據(jù)生成的轉(zhuǎn)矩指令，生成用于控制PWM逆變器內(nèi)的半導體開關(guān)元件的開關(guān)動作的PWM開關(guān)信號。PWM逆變器根據(jù)接收到的PWM開關(guān)信號，使內(nèi)部的半導體開關(guān)元件進行開關(guān)動作，將直流電力變換為交流電力后輸出到電動機。電動機將從電力變換器輸出的交流電力作為驅(qū)動電力來進行動作，因此如果控制從電力變換器輸出的交流電力，則能夠以按照希望的速度、轉(zhuǎn)矩、或電動機內(nèi)的轉(zhuǎn)子的位置進行動作的方式使電動機動作，結(jié)果，能夠使包含該電動機作為驅(qū)動源的機器人、機床、或工業(yè)機械等機械動作。
[0044]接著，說明生成逆模型的逆模型計算單元12、生成轉(zhuǎn)矩修正值的轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13、以及生成轉(zhuǎn)矩指令的轉(zhuǎn)矩指令生成單元14的各動作。
[0045]逆模型計算單元12推定包含慣量和摩擦的控制對象200的傳遞函數(shù)的逆模型的系數(shù)。在本實施例中，列舉以庫倫摩擦為代表的具有非線性特性的摩擦為例子。因此，如式I那樣，表示圖1所示的控制對象200的傳遞函數(shù)“Kt/(Js+C)”的摩擦C。在式I中，將ω⑴設(shè)為電動機的速度，將C1設(shè)為粘性摩擦系數(shù)，將C2設(shè)為庫倫摩擦系數(shù)。另外，“sign O ”是與“O”內(nèi)的函數(shù)有關(guān)的符號函數(shù)，即“sign(?(t))”表示電動機的速度《⑴的極性。
[0046]C (t) = C1.ω (t) +C2.sign (ω (t)).....(I)
[0047]如式2那樣定義包含非線性摩擦的I慣性系統(tǒng)的控制對象200的逆模型。此外，對于速度反饋控制和速度前饋控制，在實際的裝置中設(shè)想以預定的采樣周期進行數(shù)字控制，在式2中用離散系統(tǒng)表示。在式2中，將i (η)設(shè)為逆模型，將ω (η)設(shè)為電動機的速度，將J設(shè)為控制對象200的慣量，將Kt設(shè)為控制對象200的電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，將T設(shè)為采樣周期，將η設(shè)為I采樣周期的采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)。
[0048]
i (η) = —~-(ω (η)-ω (η-1)) + —-ω (η) + —-sign (ω (η)).?…(2 )
JfI/U.IΛ t
[0049]在速度前饋控制中利用通過式2定義的逆模型。即，依照通過式2定義的逆模型，轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13生成轉(zhuǎn)矩修正值。具體地說，逆模型計算單元12 (確定器)使用包含在速度反饋控制單元11中的控制器101的輸出即修正前轉(zhuǎn)矩指令和速度指令，逐次推定通過式2定義的逆模型的系數(shù)。轉(zhuǎn)矩指令修正值生成單元13使用速度指令以及通過逆模型計算單元12推定出的逆模型的系數(shù)，生成轉(zhuǎn)矩修正值。然后，轉(zhuǎn)矩指令生成單元14使用通過轉(zhuǎn)矩指令修正值生成單元13生成的轉(zhuǎn)矩修正值對從控制器101輸出的修正前轉(zhuǎn)矩指令進行修正，生成針對驅(qū)動控制對象200的電動機的轉(zhuǎn)矩指令。這樣，與通過逆模型計算單元12逐次推定的逆模型的系數(shù)對應地，通過轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13逐次生成轉(zhuǎn)矩修正值，使用該轉(zhuǎn)矩修正值逐次修正作為控制器101的輸出的修正前轉(zhuǎn)矩指令，因此實現(xiàn)了能夠與控制對象200的慣量和摩擦的變動對應的速度前饋控制。
[0050]為了將作為逆模型的定義式的式2用于轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13的轉(zhuǎn)矩修正值的生成處理，如式3那樣進行簡化。在式3中，將iff(n)設(shè)為轉(zhuǎn)矩修正值，將ω (η)設(shè)為速度指令，將J設(shè)為控制對象200的慣量，將Kt設(shè)為控制對象200的電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，將T設(shè)為采樣周期，將η設(shè)為I個采樣周期中的采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)，將Cl設(shè)為控制對象200的粘性摩擦系數(shù)，將C2設(shè)為控制對象200的庫倫摩擦系數(shù)。另外，“sign O ”是與“ O ”內(nèi)的函數(shù)有關(guān)的符號函數(shù)，即“sign(? (η))”表示速度指令ω (η)的極性。
[0051]iff (η) = h。.V0 (n).V1 (n) +h2.V2 (η).....(3)
[0052]在此，
[0053]h0 = J/ (Kt.Τ)，Ii1 = C1At, h2 = C2/Kt,
[0054]V0 = ω (η) - ω (η-1), V1 = ω (η), V2 = sign (ω (η))
[0055]根據(jù)式3可知，轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13將根據(jù)速度指令ω(η)計算出的加速度ν0(= ω(η) - ω (η— I))和用于控制對象200具有的慣量J的推定的慣量系數(shù)推定值％的積％ X&、速度指令Vl ( = ω (η))和用于控制對象200所具有的粘性摩擦系數(shù)C1的推定的粘性摩擦系數(shù)推定值Ii1的積V1 Xh1、速度指令的極性v2( = sign(co (η)))和用于控制對象200所具有的庫倫摩擦系數(shù)C2的推定的庫倫摩擦系數(shù)推定值匕的積V2 Xh2進行相加，由此生成轉(zhuǎn)矩修正值iff(n)。
[0056]為了修正控制器101輸出的修正前轉(zhuǎn)矩指令，使用式3所示的轉(zhuǎn)矩修正值iff (η)。即，轉(zhuǎn)矩指令生成單元14將從控制器101輸出的修正前轉(zhuǎn)矩指令和轉(zhuǎn)矩指令修正值生成單元13生成的轉(zhuǎn)矩修正值相加，生成對驅(qū)動控制對象200的電動機的轉(zhuǎn)矩指令。在此，在轉(zhuǎn)矩修正值成為最佳的值的情況下，速度指令和實際的速度之間的偏差變?yōu)榱?O)，因此從控制器101輸出的修正前轉(zhuǎn)矩指令變?yōu)榱?O)。因此，這時轉(zhuǎn)矩修正值是轉(zhuǎn)矩指令本身。
[0057]接著，說明逆模型計算單元12的逆模型的系數(shù)的推定算法。在第一實施例中，作為逆模型的系數(shù)的推定算法，使用穩(wěn)定性、推定速度優(yōu)良的逐次最小二乘法。作為其代替例子，也可以將最速下降法用于推定算法。
[0058]在根據(jù)η個采樣數(shù)據(jù)使用最小二乘法來推定式3的慣量系數(shù)推定值h0、粘性摩擦系數(shù)推定值4、以及庫倫摩擦系數(shù)推定值h3時使用的推定式如式4那樣。此外，在式4中，在本實施例中是Iic^h1、以及h3,因此m = 3。
[0059]i = Vh+e......(4)
[0060]i:n個轉(zhuǎn)矩修正值向量，h:m次的逆模型的系數(shù)向量，
[0061]V:nXm的速度指令的矩陣，e:n個誤差向量
[0062]式4中的誤差向量表示作為來自控制器101的輸出的修正前轉(zhuǎn)矩指令。如式5那樣設(shè)置該誤差向量的評價函數(shù)。在式5中附加了 “T”的矩陣表示轉(zhuǎn)置矩陣。
[0063]S (h) = eTe = (i~Vh)T (i~Vh).....(5)
[0064]將使誤差向量為零向量作為目標，因此使評價函數(shù)為最小的必要條件成為式6。
[0065]—— = —2￥^*(i—￥h) = O,,.*.(β)
m
[0066]如果對式6進行整理，則最小二乘法的推定式成為式7那樣。
[0067]hf= (VTV)_1VT1.....(7)
[0068]如果為了變換為逐次最小二乘法而定義為觀測值處于時刻N，則能夠如式8那樣對式7進行變換。
[0069]hf= (VntVn)^1VntIn.....⑶
[0070]為了變換為逐次最小二乘法，定義以下的式9。
[0071]Pn= (VntVn)
[0072]P;1 = ΡΝ_Γ1+νΝνΝτ.....(9)
[0073]其中，vN是矩陣V中的N時刻的m次的向量
[0074]如果將式9代入到式8中，則得到式10所示的遞歸式。
[0075]iB =hw + PNvN(iN -VktSm).....(10)
[0076]如果為了避免式10的逆矩陣的計算,將逆矩陣的輔助定理(matrix invers1nlemma:矩陣求逆引理)應用于式10，則得到式11。
[0077]Pw =Pw.….(H)

I + vN Pff-1vN
[0078]使用單位矩陣和適應系數(shù)α，通過式12表示式11的初始值。在式12中，與電動機控制裝置I的應用狀態(tài)對應地適當?shù)卦O(shè)定適應系數(shù)α。
[0079]P0 = α 1.....(12)
[0080]逆模型計算單元12使用式11和式12計算式10的遞歸式，由此計算式3所示的逆模型的系數(shù)。
[0081]圖2是表示第一實施例的電動機控制裝置的逆模型計算單元的框圖。
[0082]計算式3所示的逆模型的系數(shù)的逆模型計算單元12具備系數(shù)修正值計算單元31、慣量系數(shù)推定值計算單元32、粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元33、庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元34。
[0083]系數(shù)修正值計算單元31使用在每個采樣期間輸入的速度指令、在輸入該速度指令的采樣期間之前的采樣期間生成的修正前轉(zhuǎn)矩指令、預定的適應系數(shù)α，來計算系數(shù)修正值。
[0084]慣量系數(shù)推定值計算單元32使用系數(shù)修正值計算單元31計算出的系數(shù)修正值、在計算出該系數(shù)修正值的采樣期間之前的采樣期間中計算出并存儲在暫時存儲單元35中的慣量系數(shù)推定值，計算新的慣量系數(shù)推定值。把慣量系數(shù)推定值計算單元32計算出的新的慣量系數(shù)推定值輸出到加法器38，并且為了在下一個采樣周期用于慣量系數(shù)推定值計算單元32的計算處理，而存儲在暫時存儲單元35中。
[0085]粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元33使用系數(shù)修正值計算單元31計算出的系數(shù)修正值、在計算出該系數(shù)修正值的采樣期間之前的采樣期間中計算出并存儲在暫時存儲單元36中的粘性摩擦系數(shù)推定值，計算新的粘性摩擦系數(shù)推定值。把粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元33計算出的新的粘性摩擦系數(shù)推定值輸出到加法器38，并且為了在下一個采樣周期中用于粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元33的計算處理，而存儲在暫時存儲單元36中。
[0086]庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元34使用系數(shù)修正值計算單元31計算出的系數(shù)修正值、在計算出該系數(shù)修正值的采樣期間之前的采樣期間中計算出并存儲在暫時存儲單元37中的庫倫摩擦系數(shù)推定值，計算新的庫倫摩擦系數(shù)推定值。把庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元34計算出的新的庫倫摩擦系數(shù)推定值輸出到加法器38，并且為了在下一個采樣周期中用于庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元34的計算處理，而存儲在暫時存儲單元37中。
[0087]通過加法器38將上述新的慣量系數(shù)推定值、上述新的粘性摩擦系數(shù)推定值、上述新的庫倫摩擦系數(shù)推定值相加，生成逆模型。將生成的逆模型的系數(shù)輸出到轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13。另一方面，把存儲在暫時存儲單元35中的慣量系數(shù)推定值、存儲在暫時存儲單元36中的粘性摩擦系數(shù)推定值以及存儲在暫時存儲單元37中的庫倫摩擦系數(shù)推定值用于下一個采樣期間的逆模型的計算。
[0088]在每個采樣期間執(zhí)行上述各單元31?38的處理。
[0089]圖3是表示第一實施例的電動機控制裝置的動作流程的流程圖。在每個采樣周期執(zhí)行步驟SlOl?S107的處理。此外，以下的步驟SlOl?S107的處理的執(zhí)行順序是一個例子，也可以在沒有矛盾的范圍內(nèi)適當?shù)靥鎿Q執(zhí)行各處理。
[0090]首先，在步驟SlOl中，電動機控制裝置I取得本次的采樣期間的速度指令和從控制對象200反饋的實際的速度。
[0091]接著，在步驟S102中，逆模型計算單元12取得上次的采樣期間的修正前轉(zhuǎn)矩指令和逆模型的系數(shù)。更詳細地說，逆模型計算單元12內(nèi)的系數(shù)修正值計算單元31取得上次的采樣期間的修正前轉(zhuǎn)矩指令。另外，逆模型計算單元12內(nèi)的慣量系數(shù)推定值計算單元32、粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元33以及庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元34分別取得上次的采樣期間的逆模型的系數(shù)(即分別存儲在暫時存儲單元35?37中的各系數(shù))。
[0092]接著，在步驟S103中，逆模型計算單元12根據(jù)本次的采樣期間的速度指令、上次的采樣期間的修正前轉(zhuǎn)矩以及逆模型的系數(shù)，計算新的逆模型的系數(shù)。更詳細地說，系數(shù)修正值計算單元31使用本次的采樣期間的速度指令、上次的采樣期間的修正前轉(zhuǎn)矩指令、預定的適應系數(shù)α，計算系數(shù)修正值。另外，慣量系數(shù)推定值計算單元32使用系數(shù)修正值計算單元31計算出的系數(shù)修正值、上次的采樣期間的慣量系數(shù)推定值，計算新的慣量系數(shù)推定值。另外，粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元33使用系數(shù)修正值計算單元31計算出的系數(shù)修正值、上次的采樣期間的粘性摩擦系數(shù)推定值，計算新的粘性摩擦系數(shù)推定值。另外，庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元34使用系數(shù)修正值計算單元31計算出的系數(shù)修正值、上次的采樣期間的庫倫摩擦系數(shù)推定值，計算新的庫倫摩擦系數(shù)推定值。
[0093]接著，在步驟S104中，轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13根據(jù)本次的采樣期間的速度指令和通過逆模型計算單元12計算出的逆模型的系數(shù)，計算轉(zhuǎn)矩修正值。
[0094]另一方面，在步驟S105中，速度反饋控制單元11內(nèi)的控制器101針對在步驟SlOl中取得的本次的采樣期間的速度指令與從控制對象200反饋的實際的速度的偏差執(zhí)行PI控制，輸出修正前轉(zhuǎn)矩指令。此外，在第一實施例中，作為一個例子對速度反饋控制使用了PI控制，但是例如也可以使用PID控制。
[0095]在步驟S106中，為了將本次的采樣期間的修正前轉(zhuǎn)矩指令和逆模型的系數(shù)用于下次的采樣周期的逆模型的計算，而存儲在各存儲單元中。更具體地說，將在本次的采樣期間中計算出的慣量系數(shù)推定值存儲在暫時存儲單元35中，將在本次的采樣期間中計算出的粘性摩擦系數(shù)推定值存儲在暫時存儲單元36中，將在本次的采樣期間中計算出的庫倫摩擦系數(shù)推定值存儲在暫時存儲單元37中。同樣，將在本次的采樣期間中計算出的修正前轉(zhuǎn)矩指令也存儲在電動機控制裝置I內(nèi)的規(guī)定的暫時存儲單元中。在下次的采樣周期的步驟S102的處理中再次讀出這些存儲在各存儲單元中的各數(shù)據(jù)，在步驟S103以后的處理中使用。
[0096]在步驟S107中，轉(zhuǎn)矩指令生成單元14將在本次的采樣期間中從控制器101輸出的修正前轉(zhuǎn)矩指令和通過轉(zhuǎn)矩指令修正值生成單元13生成的轉(zhuǎn)矩修正值相加，生成針對驅(qū)動控制對象200的電動機的新的轉(zhuǎn)矩指令。
[0097]如以上說明的那樣，根據(jù)第一實施例，逆模型計算單元12 (確定器)使用包含在速度反饋控制單元11中的控制器101的輸出即修正前轉(zhuǎn)矩指令和速度指令，根據(jù)上述遞歸式，逐次推定考慮了慣量、粘性摩擦、以及庫倫摩擦的逆模型的系數(shù)，轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13使用速度指令、逆模型計算單元12推定出的逆模型的系數(shù)，生成轉(zhuǎn)矩修正值。如果最終將推定的逆模型最優(yōu)化為控制對象200的傳遞函數(shù)的逆模型，則由控制器101、速度前饋控制模塊104、以及控制對象200構(gòu)成的速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)成為“1”，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)對速度指令的高響應性。另外，將通過逆模型計算單元12 (確定器)推定出的系數(shù)直接作為速度前饋的系數(shù)而利用，與逐次推定的逆模型對應地逐次變更速度前饋控制的傳遞函數(shù)，因此即使控制對象200所具有的慣量和摩擦變動，也能夠?qū)χ噶罹哂懈唔憫?。另外，對適應系數(shù)α設(shè)定初始值，依照上述遞歸式計算逆模型，因此即使不詳細地掌握控制對象200的各種常數(shù)，也能夠容易地最優(yōu)設(shè)計針對指令響應性高的前饋控制。
[0098]圖4是表示第一實施例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果(之一)的圖。在計算機上將上述第一實施例的電動機控制裝置模型化，在時刻O秒開始5Hz的正弦波狀的速度指令的輸入，對此后的速度指令和實際的速度之間的偏差進行模擬。如圖示那樣，在時刻O秒輸入了速度指令后，速度指令和實際的速度之間的偏差隨著時間的經(jīng)過逐漸降低，經(jīng)過I秒左右速度偏差收斂，根據(jù)以上的本模擬結(jié)果，可知使用了第一實施例的逆模型的速度前饋控制是有效的。
[0099]圖5A和圖5B是表示第一實施例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果(之二)的圖，圖5A表示將使用了逆模型的速度前饋控制設(shè)為無效的情況，圖5B表示使使用了逆模型的速度前饋控制發(fā)揮功能的情況。在計算機上將上述的第一實施例的電動機控制裝置模型化，關(guān)于使用了第一實施例的逆模型的速度前饋控制無效的情況(圖5A)和有效的情況(圖5B)，提供5Hz的正弦波狀的速度指令，模擬了速度指令和實際的速度之間的偏差。在將使用了第一實施例1的逆模型的速度前饋控制設(shè)為無效的情況下，如圖5A所示，速度偏差保持發(fā)散，但在將使用了第一實施例1的逆模型的速度前饋控制設(shè)為有效的情況下，如圖5B所示，速度偏差收斂。根據(jù)本模擬結(jié)果，也可知使用了第一實施例的逆模型的速度前饋控制是有效的。
[0100]接著，說明第一實施例的變形例。
[0101]如上述那樣，控制對象200具有的庫倫摩擦具有非線性特性。一般，在非線性摩擦中，具有引起粘滑運動現(xiàn)象的斯特里貝克效應。圖6是示例電動機控制裝置的控制對象的非線性摩擦所引起的斯特里貝克效應的圖。如圖6所示，在電動機的速度的過零附近，電動機的摩擦力成為非線性。因此，針對包含該電動機的控制對象而推定出的逆模型有時特別在過零附近具有大的誤差。因此，在第一實施例的變形例中，在速度指令Vl(= ω(η))的過零附近設(shè)置預定范圍的死區(qū)，降低斯特里貝克效應的影響。即，逆模型計算單元12在速度指令的絕對值比預定的值σ小時，維持在輸入了該速度指令的采樣期間之前的采樣期間中計算出的逆模型，將其輸出到轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13。在該情況下，在將死區(qū)寬度設(shè)為σ時,如式13那樣表示上述式10。
[0102]|v,|>0 hK = + PllVftCiit -v/h^)
IlΛΛ
[0103]|ν!|<σ....(13)
[0104]如式13所示，在速度指令V1的絕對值比死區(qū)寬度σ小時，逆模型計算單元12不更新逆模型的系數(shù)而維持它，輸出到轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13。另一方面，在速度指令V1的絕對值為死區(qū)寬度σ以上時，逆模型計算單元12依照式10的式子計算新的逆模型，將其輸出到轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13。在圖6所示的例子中，例如將死區(qū)寬度σ設(shè)定為5(rad/s)即可。
[0105]圖7A和圖7B是表示第一實施例的變形例的電動機控制裝置的模擬結(jié)果的圖，圖7A表示不設(shè)置死區(qū)的情況，圖7B表示設(shè)置了死區(qū)的情況。在計算機上將上述第一實施例的變形例的電動機控制裝置模型化，在時刻O秒開始M序列速度指令的輸入，對此后的逆模型的系數(shù)即慣量系數(shù)推定值h0、粘性摩擦系數(shù)推定值h1、以及庫倫摩擦系數(shù)推定值h2進行模擬。在圖7A和圖7B中，縱軸表示將真值設(shè)為I進行標準化時的各系數(shù)的大小。在設(shè)置了死區(qū)的情況下(圖7B)，與不設(shè)置死區(qū)的情況(圖7A)相比，到逆模型的各系數(shù)收斂為真值為止的時間短。另外，在不設(shè)置死區(qū)的情況下，保持恒定的誤差而不收斂為真值。根據(jù)本模擬結(jié)果，還可知使用了第一實施例的變形例的設(shè)置了死區(qū)的逆模型的速度前饋控制更加有效。
[0106]接著，說明第二實施例。第二實施例向第一實施例的速度控制追加了位置控制。
[0107]圖8是表示第二實施例的電動機控制裝置的模塊線圖，第二實施例的電動機控制裝置2向參照圖1的第一實施例的電動機控制裝置I追加了包含位置增益模塊102的位置反饋控制單元21、積分模塊22、以及位置前饋控制模塊23。此外，對于除此以外的電路構(gòu)成要素，與圖1所示的電路構(gòu)成要素相同，因此向相同的電路構(gòu)成要素賦予相同符號，省略與該電路構(gòu)成要素有關(guān)的詳細說明。
[0108]根據(jù)第二實施例，位置反饋控制單元21生成用于進行控制使得控制對象200的實際的位置跟隨所輸入的位置指令的修正前速度指令并輸出。在圖8中，將位置反饋控制單元21的位置增益模塊102的位置增益設(shè)為Kp。將通過積分模塊103對控制對象200的速度進行積分所得的位置和位置指令之間的偏差乘以位置增益Kp，生成修正前速度指令。此夕卜，用“Ι/s”表示積分模塊103的傳遞函數(shù)。
[0109]將位置前饋控制模塊23的傳遞函數(shù)設(shè)定為積分模塊103的傳遞函數(shù)“Ι/s”的反函數(shù)，即“S”。即，位置前饋控制模塊23對輸入的位置指令進行微分。如在第一實施例中說明的那樣，在速度前饋控制中，通過逆模型計算單元12計算逆模型，通過轉(zhuǎn)矩修正值生成單元13生成轉(zhuǎn)矩修正值。如果最終將推定的逆模型最優(yōu)化為控制對象200的傳遞函數(shù)的逆模型，則在第一實施例中說明的速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)成為“1”，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)對速度指令的高響應性。如果速度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是“1”，另外如果將位置前饋控制模塊105的傳遞函數(shù)設(shè)計為積分增益模塊103的傳遞函數(shù)“Ι/s”的反函數(shù)“S”，則關(guān)于位置控制系統(tǒng)，傳遞函數(shù)成為“ 1”，因此能夠容易地實現(xiàn)對位置控制系統(tǒng)的高響應性。
[0110]此外，在上述第二實施例中，也可以與第一實施例的變形同樣地，在速度指令的過零附近設(shè)置預定的范圍的死區(qū)，降低斯特里貝克效應的影響。
[0111]本發(fā)明能夠應用于以下的電動機控制裝置，該電動機控制裝置具備用于使作為機器人、機床或工業(yè)機械等機械的驅(qū)動源而使用的電動機按照指令進行動作的反饋控制和用于提高對指令的響應性的前饋控制。
[0112]根據(jù)本發(fā)明，即使不詳細地掌握控制對象的各種常數(shù)，也能夠容易地最優(yōu)設(shè)計具有對指令的響應性高的前饋控制的電動機控制裝置。即，依照規(guī)定的遞歸式計算控制對象的傳遞函數(shù)的逆模型，因此即使不詳細地掌握控制對象的各種常數(shù)，也能夠容易地最優(yōu)設(shè)計對指令的響應性高的前饋控制。
[0113]另外，能夠?qū)崿F(xiàn)具備即使控制對象所具有的慣量和摩擦變動，對指令具有高響應性的前饋控制的電動機控制裝置。即，逐次推定控制對象的傳遞函數(shù)的逆模型，與該推定結(jié)果對應地逐次變更速度前饋控制的傳遞函數(shù)，因此即使控制對象所具有的慣量和摩擦變動，也能夠針對指令具有高響應性。能夠?qū)⒛婺Ｐ陀嬎銌卧?確定器)推定出的系數(shù)直接作為速度前饋的系數(shù)來利用，因此，即使控制對象的慣量和非線性摩擦變動，也能夠針對指令具有高響應性。
[0114]另外，如果在對輸入的速度指令設(shè)置了死區(qū)的基礎(chǔ)上執(zhí)行本發(fā)明的處理，能夠降低非線性摩擦所具有的斯特里貝克效應的影響。
【權(quán)利要求】
1.一種電動機控制裝置(I)，其控制用于驅(qū)動控制對象(200)的電動機，該電動機控制裝置(I)的特征在于，具備: 速度反饋控制單元(11)，其生成用于進行控制以使控制對象(200)的實際速度跟隨所輸入的速度指令的修正前轉(zhuǎn)矩指令； 逆模型計算單元(12)，其使用上述速度指令和上述修正前轉(zhuǎn)矩指令，計算控制對象(200)具有的傳遞函數(shù)的逆模型的系數(shù)； 轉(zhuǎn)矩修正值生成單元(13)，其使用上述速度指令和上述逆模型的系數(shù)，生成轉(zhuǎn)矩修正值； 轉(zhuǎn)矩指令生成單元(14)，其使用上述修正前轉(zhuǎn)矩指令和上述轉(zhuǎn)矩修正值，生成針對驅(qū)動控制對象(200)的電動機的轉(zhuǎn)矩指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機控制裝置(I)，其特征在于， 上述逆模型計算單元(12)具備: 系數(shù)修正值計算單元(31)，其使用上述速度指令、上述修正前轉(zhuǎn)矩指令、預定的適應系數(shù)，計算系數(shù)修正值； 慣量系數(shù)推定值計算單元(32)，其使用上述系數(shù)修正值、慣量系數(shù)推定值，計算新的慣量系數(shù)推定值； 粘性摩擦系數(shù)推定值計算單元(33)，其使用上述系數(shù)修正值、粘性摩擦系數(shù)推定值，計算新的粘性摩擦系數(shù)推定值； 庫倫摩擦系數(shù)推定值計算單元(34)，其使用上述系數(shù)修正值、庫倫摩擦系數(shù)推定值，計算新的庫倫摩擦系數(shù)推定值， 使用上述新的慣量系數(shù)推定值、上述新的粘性摩擦系數(shù)推定值、以及上述新的庫倫摩擦系數(shù)推定值，在每個采樣期間計算上述逆模型的系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電動機控制裝置(I)，其特征在于， 上述逆模型計算單元(12)在上述速度指令的絕對值比預定的值小時，維持在輸入該速度指令的采樣期間之前的采樣期間中計算出的上述逆模型的系數(shù)，將其輸出到上述轉(zhuǎn)矩修正值生成單元(13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項所述的電動機控制裝置(I)，其特征在于， 上述轉(zhuǎn)矩修正值生成單元(13)將根據(jù)上述速度指令計算出的加速度和用于推定控制對象(200)所具有的慣量的慣量系數(shù)推定值的積、上述速度指令和用于推定該控制對象(200)所具有的粘性摩擦系數(shù)的粘性摩擦系數(shù)推定值的積、以及上述速度指令的極性和用于推定該控制對象(200)所具有的庫倫摩擦系數(shù)的庫倫摩擦系數(shù)推定值的積相加，由此生成上述轉(zhuǎn)矩修正值。
【文檔編號】H02P23/14GK104283484SQ201410321091
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月5日
【發(fā)明者】園田直人 申請人:發(fā)那科株式會社