專利名稱：電動機控制裝置的減振控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動升降機等容易由彈簧系統(tǒng)引起共振的機械的電動機控制裝置的減振控制方法和裝置。
背景技術(shù)：
圖3和圖4示出了現(xiàn)有的電動機控制裝置的一例。圖3是示出現(xiàn)有的電動機控制裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖，圖4(a)是速度控制部和與減振控制有關(guān)的部分的控制方框圖。
如圖3所示，從三相交流電源20提供的三相交流電壓通過功率元件21變換為直流電壓(也可使用直流電源)，并通過由電壓型PWM逆變器構(gòu)成的功率變流器1再度變換為任意頻率和電壓的交流電壓。該一次頻率和一次電壓被提供給交流電動機2。這里，省略由交流電動機2驅(qū)動的機械系統(tǒng)的描述。
流入交流電動機2的U、V、W各相的一次電流(U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw)由電流檢測器3A、3B、3C進(jìn)行檢測，并通過三相/兩相變換器5變換為d軸的勵磁電流反饋值Idfb和q軸的轉(zhuǎn)矩電流反饋值Iqfb。
并且，交流電動機2的旋轉(zhuǎn)速度由速度檢測器4進(jìn)行檢測，并被反饋給速度控制電路(ASR)110。一次角頻率計算電路6根據(jù)下述的勵磁電流指令值Idref、轉(zhuǎn)矩電流指令值Iqref和設(shè)定的二次電阻r2，求出滑差頻率指令值ωs，并根據(jù)該頻率指令值ωs和來自速度檢測器4的速度檢測值ωr，計算一次角頻率ω1并輸出該一次角頻率ω1。在磁通指令計算器7中，根據(jù)速度檢測值ωr來計算磁通指令，并使用系數(shù)器8乘以系數(shù)(系數(shù)值1/M*，M*是勵磁電感)，并輸出勵磁電流指令值Idref。
勵磁電流控制電路(ACRd)9對勵磁電流方向電壓進(jìn)行控制，使勵磁電流指令值Idref與來自三相/兩相變換器5的勵磁電流反饋值Idfb一致。
前饋控制電路10根據(jù)從外部輸入的速度指令值ωrref，并根據(jù)交流電動機和負(fù)載的慣性來計算加速轉(zhuǎn)矩。前饋控制電路10由把控制增益Kf與交流電動機和負(fù)載的合計慣性J的倒數(shù)設(shè)定為系數(shù)的系數(shù)器和積分器構(gòu)成，并構(gòu)成為使速度指令值ωrref與所述積分器輸出匹配的一次延遲濾波器。加速轉(zhuǎn)矩指令使用乘以控制增益Kf后的值。表示由前饋控制電路10生成的加速轉(zhuǎn)矩指令的指令響應(yīng)速度的時間常數(shù)為J/Kf，可通過設(shè)定Kf來決定該時間常數(shù)。速度控制電路(ASR)110進(jìn)行比例積分(PI)控制，使通過前饋控制電路10內(nèi)的速度指令值ωrref與來自速度檢測器4的速度檢測值ωr一致。使用加法器12-1將前饋控制電路10的輸出和速度控制電路110的輸出相加，并使用減法器17計算速度控制電路110的輸出和負(fù)載干擾觀測器18的輸出的差，然后把轉(zhuǎn)矩電流指令值Iqref提供給轉(zhuǎn)矩電流控制電路(ACRq)13。轉(zhuǎn)矩電流控制電路13進(jìn)行控制，使轉(zhuǎn)矩電流指令值Iqref與三相/兩相變換器5的輸出的轉(zhuǎn)矩電流反饋值Iqfb一致。
電壓指令補償電路14輸出由交流電動機2的漏電感1和一次電阻r1引起的反電動勢的勵磁電流方向分量的電壓，由交流電動機2的磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢系數(shù)決定的感應(yīng)電壓，以及由一次電阻決定的反電動勢的轉(zhuǎn)矩電流方向分量的電壓。
使用加法器12-2將電壓指令補償電路14的輸出中的轉(zhuǎn)矩電流方向分量的電壓與轉(zhuǎn)矩電流控制電路13的輸出相加，生成轉(zhuǎn)矩電流方向電壓指令值Vqref。使用加法器12-3將電壓指令補償電路14的輸出中的勵磁電流方向分量的電壓與勵磁電流控制電路9的輸出相加，生成勵磁電流方向電壓指令值Vdref。
兩相/三相變換器15根據(jù)勵磁電流方向電壓指令值Vdref和轉(zhuǎn)矩電流方向電壓指令值Vqref來生成U、V、W各相的電壓指令(Vu，Vv，Vw)的PWM信號，并把該PWM信號輸出到功率變流器1。
乘法器16乘以一次角頻率ω1得出相位θ，并把該相位θ作為相變換的相位基準(zhǔn)值提供給三相/兩相變換器5和兩相/三相變換器15。
在負(fù)載干擾觀測器18中，取入減法器17的輸出和來自速度檢測器4的速度檢測值ωr，計算速度檢測值與在負(fù)載干擾觀測器18內(nèi)計算的預(yù)測速度的差，并把對該輸出進(jìn)行比例積分(PI)控制的結(jié)果作為負(fù)載干擾計算值反饋到減法器17。
并且，在圖中，盡管把減法器17的輸出(Iqref)輸入到負(fù)載干擾觀測器18，然而嚴(yán)格地說，必須取減法器輸出17(Iqref)與磁通指令計算器7的輸出即磁通指令的積作為轉(zhuǎn)矩指令。
然而，為了簡化說明，此處作了省略。以下，轉(zhuǎn)矩指令和轉(zhuǎn)矩電流指令未嚴(yán)格區(qū)分。并且，也省略磁場減弱控制。
并且，在負(fù)載干擾觀測器18中，使轉(zhuǎn)矩電流指令值Iqref通過把電動機慣性JM的倒數(shù)作為系數(shù)的系數(shù)器，并使該轉(zhuǎn)矩電流指令值Iqref與下述的速度預(yù)測誤差進(jìn)行比例積分(PI)控制(各增益由K1、K2決定)的值的差值通過積分器，求出預(yù)測速度(以下稱為ωr^)。通過使該預(yù)測速度與作為電動機端速度的速度檢測值ωr匹配，計算速度預(yù)測誤差。該速度預(yù)測誤差被作為由負(fù)載干擾所產(chǎn)生的誤差來處理。并且，在負(fù)載干擾觀測器18中，把K1、K2確定為振動系統(tǒng)的響應(yīng)頻率的5～10倍左右，以使動力學(xué)響應(yīng)盡快衰減。并且，對速度預(yù)測誤差進(jìn)行比例積分(PI)控制(各增益由K3、K4決定)，作為負(fù)載干擾觀測器的輸出。
現(xiàn)有的減振控制如上所述進(jìn)行。
圖4(b)和圖4(c)是對圖4(a)的方框圖進(jìn)行了等效整理的圖。圖4(a)如上所述進(jìn)行矢量控制，并且電流控制部等把足夠高的響應(yīng)頻率設(shè)定為常數(shù)。而且，為了方便起見，一般認(rèn)為沒有摩擦、衰減系數(shù)。
此處，對在圖4(a)～(c)中使用的符號進(jìn)行說明。
JL是由電動機驅(qū)動的負(fù)載的慣性，Kc是電動機和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸剛性系數(shù)，ωL是反共振頻率，按ωL＝ωM/(1+JL/JM)(ωM共振頻率)來計算。
已知速度預(yù)測誤差(ωr-ωr^)可使用1式所示的傳遞函數(shù)求出并包含作為電動機端速度的速度檢測值ωr的二次微分項。對該速度預(yù)測誤差進(jìn)行比例積分(PI)控制后，反饋到轉(zhuǎn)矩電流指令值。
ωr-ωr^＝[{ωL2/(s2+ωL2)}/(s2+K1s+K2)]·(JL/JM)·ωr·s2(1式)并且，實際觀測器輸出OBS0為OBS0＝[{(K3s+K4)·ωL2/(s2+ωL2)}/(s2+K1s+K2)]·(JL/JM)·ωr·s(2式)作為負(fù)載干擾觀測器，有例如在特開平6-269188號公報和特開平9-93972號公報中所公開的負(fù)載干擾觀測器。
然而，在現(xiàn)有的減振控制方法中，從圖4(b)可知，速度控制電路(ASR)110對速度指令和作為電動機端速度的速度檢測值ωr的差進(jìn)行比例積分控制，并與轉(zhuǎn)矩指令相加，而負(fù)載干擾觀測器18使用1式對作為電動機端速度的速度檢測值ωr和作為反相位的分量進(jìn)行比例積分控制，因而不能充分抑制機械振動。
也就是說，負(fù)載干擾觀測器18即使進(jìn)行控制成使機械端不振動，由于從速度控制電路(ASR)110輸出反相位的轉(zhuǎn)矩指令，因而導(dǎo)致共振，存在不能充分抑制機械振動的問題。并且，考慮應(yīng)用于升降機等的情況，雖然考慮了多慣性的負(fù)載干擾觀測器，并也考慮了解決辦法，但存在共振系統(tǒng)模型復(fù)雜、調(diào)整非常困難等的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于以上各種問題而作出的，本發(fā)明的目的是提供一種不需要嚴(yán)格的參數(shù)調(diào)整，并且無需高價CPU就能實現(xiàn)減振控制的方法和裝置。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種電動機控制裝置的減振控制方法，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成發(fā)給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，在該減振控制方法中，通過把所述速度控制電路的增益設(shè)定為保持速度控制精度的程度的值，減小加到所述轉(zhuǎn)矩指令中的速度控制電路輸出中的振動分量，使用所述前饋控制電路輸出的加速轉(zhuǎn)矩分量來彌補速度指令響應(yīng)的不足部分。
并且，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種電動機控制裝置的減振控制裝置，其中，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成發(fā)給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，在該減振控制裝置中，把由所述速度控制電路生成的轉(zhuǎn)矩指令的指令響應(yīng)速度設(shè)定為由所述前饋控制電路生成的加速轉(zhuǎn)矩指令的指令響應(yīng)速度的1/10或1/10以下。
在發(fā)明第一方面中，通過把速度控制電路的增益設(shè)定在保持速度控制精度的程度，不會把來自速度控制電路的振動分量加到轉(zhuǎn)矩指令中。但是，一味地把速度控制電路的增益設(shè)定得極小，則速度指令響應(yīng)變差，會產(chǎn)生實際速度與速度指令不一致的新問題。因此，通過輸入作為前饋控制電路的輸出的加速轉(zhuǎn)矩指令，可彌補速度指令響應(yīng)的不足部分。這樣，不會把來自速度控制電路的振動分量加到轉(zhuǎn)矩指令中，可使用負(fù)載干擾觀測器高效地進(jìn)行振動抑制。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種電動機控制裝置的減振控制方法，其中，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成發(fā)給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，在該減振控制方法中，使所述速度控制電路的輸入值或者速度檢測值通過陷波濾波器電路，減小從所述速度控制電路輸出的轉(zhuǎn)矩指令中的振動分量。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供一種電動機控制裝置的減振控制裝置，其中，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成發(fā)給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，在該減振控制裝置中，設(shè)有陷波濾波器電路，該陷波濾波器電路用于減小所述速度控制電路的輸入值或者速度檢測值中的振動分量。
根據(jù)第二方面，通過設(shè)置陷波濾波器電路，不會使速度控制電路的增益過度低于通常情況，使用負(fù)載干擾觀測器高效地進(jìn)行振動抑制。


圖1是本發(fā)明第一實施方式的電動機控制裝置的控制方框圖。
圖2是本發(fā)明第二實施方式的電動機控制裝置的控制方框圖。
圖3是示出現(xiàn)有的電動機控制裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖4是速度控制部和與減振控制有關(guān)的部分的控制方框圖。
符號說明1 功率變流器2 交流電動機3A、3B、3C 電流檢測器4 速度檢測器5 三相/兩相變換器6 一次角頻率計算電路7 磁通指令計算器8 系數(shù)器9 勵磁電流控制電路(ACRd)10 前饋控制電路11 速度控制電路(ASR)12-1、-2、-3 加法器13 轉(zhuǎn)矩電流控制電路(ACRq)
14 電壓指令補償電路15 兩相/三相變換器16 乘法器17 加法器18 負(fù)載干擾觀測器19 陷波濾波器電路20 三相交流電源21 功率元件110 速度控制電路(ASR)(現(xiàn)有)具體實施方式
以下使用附圖，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。
第一實施方式圖1是本發(fā)明第一實施方式的電動機控制裝置的控制方框圖。由于圖1在結(jié)構(gòu)上與圖3所示的現(xiàn)有的電動機控制裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖相同，因而對于同樣的結(jié)構(gòu)附加相同符號并省略說明。在本實施方式中，盡管把圖3中的速度控制電路(ASR)110變更為速度控制電路(ASR)11，然而只是增益設(shè)定方法不同，結(jié)構(gòu)自身不變。
在圖1的電路中，速度控制電路(ASR)11把增益設(shè)定為可使速度指令與電動機速度一致的程度的值，也就是說，通常與應(yīng)用于難以共振的機械的情況相比，增益設(shè)定得較低。然而，一味把速度控制電路的增益設(shè)定得極小，速度指令響應(yīng)會變差，并且可能導(dǎo)致實際速度與速度指令不一致，因而通過輸入作為前饋控制電路10的輸出的加速轉(zhuǎn)矩指令，可彌補速度指令響應(yīng)的不足部分。這樣，可使轉(zhuǎn)矩指令不包含機械系統(tǒng)的振動分量，可抑制振動。
第二實施方式圖2是本發(fā)明第二實施方式的電動機控制裝置的控制方框圖。圖2在結(jié)構(gòu)上與圖3的現(xiàn)有的電動機控制裝置的方框圖的不同點在于，插入了陷波濾波器電路19。盡管圖2中省略了速度控制電路11的輸入值的描述，僅描述了使速度檢測值通過陷波濾波器電路19的情況，但在實施時，可以附加任何一方。
下面，對把陷波濾波器電路19增加到速度控制電路11的輸入部的情況下的操作進(jìn)行說明。
通過把陷波濾波器電路19插入速度控制電路11的輸入部，除去速度檢測值中包含的振動頻率分量，可使轉(zhuǎn)矩指令不包含機械系統(tǒng)的振動分量，可抑制振動，同時也可使速度控制電路的增益不會過度低于通常情況。
同樣，使速度檢測值通過陷波濾波器，也可除去速度檢測值所載的振動頻率分量，因而可獲得與把陷波濾波器電路19插入速度控制電路11的輸入部時同樣的效果。
盡管以上以交流電動機中的感應(yīng)電動機為例作了說明，然而可與電動機的種類無關(guān)地進(jìn)行應(yīng)用，并且，即使在不使用速度檢測值的控制方式中，當(dāng)速度控制電路輸出和負(fù)載干擾觀測器輸出為反相位時，同樣也可發(fā)揮效果。并且，盡管針對應(yīng)用于升降機等共振頻率低的機械的情況作了說明，但也可同樣應(yīng)用于振動頻率高的機械。
并且，如果負(fù)載干擾觀測器具有振動抑制的效果，則也可不采用上述結(jié)構(gòu)，前饋控制電路頁只要可輸出加速轉(zhuǎn)矩即可。
并且，盡管對前饋控制電路10在使速度指令值ωrref通過的例子中的應(yīng)用作了說明，但是前饋控制電路10也可應(yīng)用于以下電動機控制裝置前饋控制電路10根據(jù)從外部輸入的交流電動機和負(fù)載的慣性來計算加速轉(zhuǎn)矩，求出估計速度，并提供所求出的估計速度作為速度控制電路10的速度指令值。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過把速度控制電路的增益設(shè)定為保持速度控制精度的程度的低值，減小加到轉(zhuǎn)矩指令中的來自速度控制電路輸出的振動分量，并通過輸入作為前饋控制電路輸出的加速轉(zhuǎn)矩指令，彌補來自速度控制電路的速度指令響應(yīng)的不足部分，從而不把來自速度控制電路的振動分量加到轉(zhuǎn)矩指令中。這樣，無需復(fù)雜的共振系統(tǒng)模型，也不用進(jìn)行嚴(yán)格的參數(shù)調(diào)整就能應(yīng)用，無需高價CPU就能實現(xiàn)減振控制。
并且，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，由于使輸入到速度控制電路的輸入值或者速度檢測值通過陷波濾波器電路，減小從速度控制電路輸出的轉(zhuǎn)矩指令中的振動分量，因而不會使速度控制電路的增益過度低于通常情況，可使用負(fù)載干擾觀測器高效率地進(jìn)行振動抑制。
權(quán)利要求
1.一種電動機控制裝置的減振控制方法，其中，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，該減振控制方法的特征在于通過把所述速度控制電路的增益設(shè)定為保持速度控制精度的程度的值，減小加到所述轉(zhuǎn)矩指令中的來自速度控制電路輸出的振動分量，使用所述前饋控制電路輸出的加速轉(zhuǎn)矩分量來彌補速度指令響應(yīng)的不足部分。
2.一種電動機控制裝置的減振控制裝置，其中，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，該減振控制裝置的特征在于把由所述速度控制電路生成的轉(zhuǎn)矩指令的指令響應(yīng)速度設(shè)定為由所述前饋控制電路生成的加速轉(zhuǎn)矩指令的指令響應(yīng)速度的1/10或1/10以下。
3.一種電動機控制裝置的減振控制方法，其中，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，該減振控制方法的特征在于使所述速度控制電路的輸入值或者速度檢測值通過陷波濾波器電路，減小從所述速度控制電路輸出的轉(zhuǎn)矩指令中的振動分量。
4.一種電動機控制裝置的減振控制裝置，其中，該電動機控制裝置具有前饋控制電路，其根據(jù)速度指令來計算加速轉(zhuǎn)矩，并輸出該加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路，其根據(jù)所述速度指令與電動機速度檢測值之間的偏差來生成給電動機的轉(zhuǎn)矩指令；以及負(fù)載干擾觀測器，其根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩指令和所述電動機速度檢測值來生成預(yù)測速度，計算負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，并反饋該負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，該減振控制裝置的特征在于設(shè)有陷波濾波器電路，該陷波濾波器電路用于減小所述速度控制電路的輸入值或者速度檢測值中的振動分量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電動機控制裝置的減振控制方法和裝置，無需進(jìn)行嚴(yán)格的參數(shù)調(diào)整，無需高價CPU就能實現(xiàn)電動機的減振控制。該電動機控制裝置具有前饋控制電路10，其根據(jù)速度指令ωrref來計算并輸出加速轉(zhuǎn)矩；速度控制電路11，其根據(jù)速度指令ωrref和電動機速度檢測值ωr之間的偏差來生成給電動機2的轉(zhuǎn)矩指令；負(fù)載干擾觀測器18，其根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令和電動機速度檢測值ωr生成預(yù)測速度，計算并反饋負(fù)載干擾轉(zhuǎn)矩，其特征在于，通過把速度控制電路10的增益設(shè)定為保持速度控制精度的程度的值，減小加到轉(zhuǎn)矩指令中的來自速度控制電路11的輸出的振動分量，并使用前饋控制電路10的輸出的加速轉(zhuǎn)矩分量來彌補速度指令響應(yīng)的不足部分。
文檔編號B66B1/30GK1487661SQ0315607
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月3日
發(fā)明者山本陽一 申請人:株式會社安川電機