转动惯量辨识装置与其辨识方法以及具备该辨识装置的马达控制装置

摘要

本发明提供在摩擦或恒定转矩扰动存在的情况下，只用微小动作便可精度良好地辨识连接有负载的马达的转动惯量的转动惯量辨识装置与其辨识方法以及具备该辨识装置的马达控制装置。具体为，转动惯量辨识器(108)具备：输入马达位置输出第1马达位置与第2马达位置的转换器(109)；输入第1马达位置输出第1马达位置存储值的第1马达位置存储器(110)；输入位置指令与第1马达位置存储值输出第1马达位置相位的第1马达位置相位运算器(111)；输入第2马达位置输出第2马达位置存储值的第2马达位置存储器(112)；输入位置指令与第2马达位置存储值输出第2马达位置相位的第2马达位置相位运算器(113)；及输入第1马达位置相位与第2马达位置相位输出转动惯量辨识值的转动惯量运算器(114)辨识器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种转动惯量辨识装置与其辨识方法以及具备该辨识装置的马达控制装置，其辨识半导体制造装置、机床、工业机器人等一般工业用机械中的连接有负载的马达的转动惯量。

背景技术

现有技术的转动惯量辨识装置是利用正负对称的速度指令、作为正负对称的梯形波的第1速度指令与只放大所述第1速度指令的振幅的第2速度指令来辨识马达的转动惯量的装置(例如，参照专利文献1)。

图4是现有技术的转动惯量辨识装置。在图中，401是速度指令发生部，402是速度控制部，403是模型速度控制部，404是辨识部，405是调节部。

以下，利用图4说明现有技术的马达转动惯量辨识装置的构成以及动作。速度指令发生部401输出速度指令。速度控制部402输入所述速度指令与速度控制变量，输出转矩指令。模型速度控制部403输入所述速度指令与调节信号，输出转矩指令估计值。辨识部404输入所述转矩指令与所述转矩指令估计值，根据所述转矩指令的1次时间积分值与所述转矩指令估计值的1次时间积分值之比来辨识惯量而输出，通过相对于正负对称的所述速度指令的正转时与反转时的所述转矩指令的差来算出恒定转矩扰动，利用分别对应于作为正负对称的梯形波的第1速度指令与作为只放大所述第1速度指令振幅的速度指令的第2速度指令的转矩指令的第1转矩指令、第2转矩指令、所述恒定转矩扰动而算出库仑阻尼，利用所述第1转矩指令、所述第2转矩指令、所述第1速度指令、所述第2速度指令而算出粘性摩擦。调节部405输入所述惯量，输出所述速度控制变量与所述调节信号。

专利文献1：日本国特开平11-46489号公报(第3-5页，第1图)

发明内容

但是，现有技术的转动惯量辨识装置，在可动范围被局限的连接有负载的马达的转动惯量辨识中存在摩擦或恒定转矩扰动的情况下，因为未能得到充分的加速度而存在辨识精度下降的问题。

本发明是基于上述问题而进行的，其目的在于提供一种在摩擦或恒定转矩扰动存在的情况下，只用微小动作便可精度良好地辨识连接有负载的马达的转动惯量的转动惯量辨识装置与其辨识方法以及具备该辨识装置的马达控制装置。

为了解决上述问题，本发明如以下构成。

技术方案1所述的发明为一种转动惯量辨识装置，其具备：发生位置指令的位置指令发生器；检测马达位置的位置检测器；根据所述位置指令与所述马达位置而运算速度指令的位置控制器；根据所述速度指令而运算转矩指令的速度控制器；及辨识连接有负载的马达即控制对象的转动惯量的转动惯量辨识器，其为，所述转动惯量辨识器根据所述位置指令与所述马达位置的相位差而辨识所述转动惯量。

技术方案2所述的发明为，技术方案1所述的所述速度控制器具有作为第1以及第2速度比例控制增益的第1速度比例控制增益以及第2速度比例控制增益，在转换所述第1速度比例控制增益以及第2速度比例控制增益而驱动所述控制对象时，所述转动惯量辨识器算出作为所述第1速度比例控制增益中的所述马达位置的相位的第1马达位置相位与作为所述第2速度比例控制增益中的所述马达位置的相位的第2马达位置相位，根据所述第1马达位置相位与所述第2马达位置相位辨识所述转动惯量，以便不包含所述控制对象的粘性摩擦或者恒定转矩扰动。

技术方案3所述的发明为，技术方案1所述的所述速度控制器具有作为第1以及第2速度比例控制增益的第1速度比例控制增益以及第2速度比例控制增益，所述转动惯量辨识器具有：在由所述第1速度比例控制增益驱动所述控制对象时输出第1马达位置，在由所述第2速度比例控制增益驱动所述控制对象时输出第2马达位置的转换器；存储所述第1马达位置设定长度并输出第1马达位置存储值的第1马达位置存储器与存储所述第2马达位置设定长度并输出第2马达位置存储值的第2马达位置存储器；根据所述位置指令与所述第1马达位置存储值的相位差而运算并输出第1马达位置相位的第1马达位置相位运算器；根据所述位置指令与所述第2马达位置存储值的相位差而运算并输出第2马达位置相位的第2马达位置相位运算器；及根据所述第1马达位置相位与所述第2马达位置相位而运算转动惯量辨识值的转动惯量运算器。

技术方案4所述的发明为，技术方案3所述的所述转动惯量辨识器把所述第2速度比例控制增益与所述第1速度比例控制增益之差和所述位置指令的频率的位置指令频率的乘积；与所述第2速度比例控制增益与所述第2马达位置相位的正切的乘积，及所述第1速度比例控制增益与所述第1马达位置相位的

之差和位置比例控制增益的乘积之和除以，所述第2马达位置相位的正切与所述第1马达位置相位的正切之差乘以所述位置指令频率的平方而运算所述转动惯量辨识值。

技术方案5所述的发明为一种马达控制装置，其为控制向所述马达供电的马达控制装置，其具备权利要求1至4中任意一项所述的转动惯量辨识装置。

技术方案6所述的发明为一种转动惯量辨识方法，其为具备：发生位置指令的位置指令发生器；检测马达位置的位置检测器；根据所述位置指令与所述马达位置而运算速度指令的位置控制器；根据所述速度指令而运算转矩指令的速度控制器；及辨识连接有负载的马达即控制对象的转动惯量的转动惯量辨识器的转动惯量辨识装置的转动惯量辨识方法，其采用，转换所述速度控制器中的作为第1以及第2速度比例控制增益的第1速度比例控制增益以及第2速度比例控制增益而驱动所述控制对象，算出作为所述第1速度比例控制增益中的所述马达位置的相位的第1马达位置相位与作为所述第2速度比例控制增益中的所述马达位置的相位的第2马达位置相位，根据所述位置指令、所述第1马达位置相位、所述第2马达位置相位的相位差运算转动惯量辨识值，以便不包含所述控制对象的粘性摩擦或者恒定转矩扰动的步骤。

技术方案7所述的发明为，技术方案6所述的所述转动惯量辨识值是把所述第2速度比例控制增益与所述第1速度比例控制增益之差和位置指令频率的乘积；与所述第2速度比例控制增益与所述第2马达位置相位的正切的乘积，及所述第1速度比例控制增益与所述第1马达位置相位的正切的乘积之差和位置比例控制增益的乘积之和除以，所述第2马达位置相位的正切与所述第1马达位置相位的正切之差乘以所述位置指令的频率的位置指令频率的平方而算出。

根据技术方案1至7所述的发明，即使在摩擦或恒定转矩扰动存在的情况下，也可以只用微小动作(例如1/1000旋转程度)来精度良好地辨识连接有负载的马达的转动惯量。

另外，根据技术方案5所述的发明，即使在摩擦或恒定转矩扰动存在的情况下，因为具备只用微小动作便可辨识连接有负载的马达的转动惯量的转动惯量辨识装置，因此可以根据其转动惯量辨识值而高精度地进行响应性高的马达控制。

附图说明

图1是本发明的转动惯量辨识装置。

图2是在本发明的转动惯量辨识装置中粘性摩擦变化时的模拟结果。

图3是在本发明的转动惯量辨识装置中恒定转矩扰动变化时的模拟结果。

图4是现有技术的转动惯量辨识装置。

符号说明

101-位置指令发生器；102-位置控制器；103-速度控制器；104-转矩控制器；105-控制对象；106-位置检测器；107-微分器；108-转动惯量辨识器；109-转换器；110-第1马达位置存储器；111-第1马达位置相位运算器；112-第2马达位置存储器；113-第2马达位置相位运算器；114-转动惯量运算器；401-速度指令发生部；402-速度控制部；403-模型速度控制部；404-辨识部；405-调节部。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

实施例1

图1是本发明的转动惯量辨识装置。在图中，101是位置指令发生器，102是位置控制器，103是速度控制器，104是转矩控制器，105是控制对象，106是位置检测器，107是微分器，108是转动惯量辨识器，109是转换器，110是第1马达位置存储器，111是第1马达位置相位运算器，112是第2马达位置存储器，113是第2马达位置相位运算器，114是转动惯量运算器。本发明与现有技术的不同之处在于，具备具有：转换器109；第1马达位置存储器110；第1马达位置相位运算器111；第2马达位置存储器112；第2马达位置相位运算器113；及转动惯量运算器114的转动惯量辨识器108。

在图中，位置指令发生器101输出位置指令。位置控制器102输入所述位置指令与马达位置，输出速度指令。速度控制器103输入所述速度指令与马达速度，输出转矩指令。转矩控制器104输入所述转矩指令，输出马达驱动信号。控制对象105为连接有负载的马达，由所述马达驱动信号所驱动，所述马达位置由位置检测器106检测、输出。微分器107输入所述马达位置，输出所述马达速度。

转动惯量辨识器108输入所述位置指令与所述马达位置，算出、输出作为控制对象105的转动惯量的转动惯量辨识值。在转动惯量辨识器108中，转换器109输入所述马达位置，把速度控制器103的增益为第1速度控制增益时的所述马达位置作为第1马达位置而输出，把速度控制器103的增益与所述第1速度控制增益不同的第2速度控制增益时的所述马达位置作为第2马达位置而输出。第1马达位置存储器110输入所述第1马达位置，存储该输入信号用于转动惯量辨识的周期部分(例如5周期)并作为第1马达位置存储值来输出。第1马达位置相位运算器111输入所述位置指令与所述第1马达位置存储值，把该输入信号的相位差作为第1马达位置相位来输出。第2马达位置存储器112输入所述第2马达位置，存储该输入信号用于转动惯量辨识的周期部分并作为第2马达位置存储值来输出。第2马达位置相位运算器113输入所述位置指令与所述第2马达位置存储值，把该输入信号的相位差作为第2马达位置相位来输出。转动惯量运算器114输入第1马达位置相位与第2马达位置相位，算出、输出所述转动惯量辨识值。

在此，所述第1速度控制增益以及所述第2速度控制增益，取不损坏图1的闭环系统稳定性的范围内充分分开的值的作为转动惯量辨识专用的速度控制增益，不同于所述闭环系统的响应性以及扰动特性满足要求规格地设定的常规控制用速度控制增益。在转动惯量辨识中所述马达位置的振幅不超过控制对象105的可动范围地转换所述第1速度控制增益与所述第2速度控制增益。转换器109在所述速度控制增益为所述第1速度控制增益期间，转换为第1马达位置存储器110一侧，所述速度控制增益为所述第2速度控制增益期间，转换为第2马达位置存储器112一侧。

以下，对于在转动惯量辨识器108中算出控制对象105的转动惯量的方法进行详细说明。

当位置控制器102为位置比例控制增益为K_p的比例控制，速度控制器103为速度比例控制增益为K_vj的比例控制，则包含位置控制器102、速度控制器103、转矩控制器104、控制对象105、位置检测器106、微分器107的闭环系统运动方程式为式(1)。

$J\stackrel{··}{\theta }+(K_{\mathrm{vj}}+D)\stackrel{·}{\theta }+K_p{K}_{\mathrm{vj}}\theta =K_p{K}_{\mathrm{vj}}r+w---\left(1\right)$

但，J为控制对象105的转动惯量，D为粘性摩擦，θ为马达位置，r为位置指令，w为恒定转矩扰动。在使位置指令r为位置指令振幅为r₀，位置指令频率为ω的正弦波时，马达位置θ为振幅及相位与所述位置指令不同而频率相同的正弦波，由式(2)与式(3)表示所述位置指令与所述马达位置。

r＝r₀e^jωt    (2)

$\theta ={\mathrm{Ae}}^{j(\mathrm{\omega t}+\phi )}+\frac{w}{K_p{K}_{\mathrm{vj}}}---\left(3\right)$

但，A为马达位置振幅，Φ为马达位置相位。把式(2)与式(3)代入式(1)，对马达相位Φ求解得式(4)。

$\phi =-{\tan }^{-1}\frac{\omega (K_{\mathrm{vj}}+D)}{K_p{K}_{\mathrm{vj}}-{\omega }^{2}J}---\left(4\right)$

式(4)可以另写为式(5)。

(ω²J-K_pK_vj)tanφ＝ω(K_vj+D)    (5)

以下，在分别把所述速度比例控制增益设定为K_vj＝K_vj1、K_vj2的两个值时，式(5)成为式(6)与式(7)。

(ω²J-K_pK_vj1)tanφ₁＝ω(K_vj1+D)    (6)

(ω²J-K_pK_vj2)tanφ₂＝ω(K_vj2+D)    (7)

但，Φ₁为K_vj＝K_vj1时的所述马达位置相位的第1马达位置相位，Φ₂为K_vj＝K_vj2时的所述马达位置相位的第2马达位置相位。从式(6)与式(7)中清除粘性摩擦D，对转动惯量J求解得式(8)。

$J=\frac{\omega (K_{\mathrm{vj}2}-K_{\mathrm{vj}1})+K_p(K_{\mathrm{vj}2}\tan {\phi }_2-K_{\mathrm{vj}1}\tan {\phi }_1)}{{\omega }^2(\tan {\phi }_2-\tan {\phi }_1)}---\left(8\right)$

其次，示出式(8)中的tanΦ₁与tanΦ₂的算法。首先，位置指令振幅r₀为1时的标准化位置指令与通过傅里叶变换从所述马达位置只抽出频率ω的成分，马达位置振幅A为1的标准化马达位置的差，从式(2)与式(3)表示成式(9)。

$\frac{r}{r_0}-\frac{\theta }{A}=\cos \mathrm{\omega t}-\cos (\mathrm{\omega t}+\phi )---\left(9\right)$

$=(1-\cos \phi )\cos \mathrm{\omega t}+\sin \phi \sin \mathrm{\omega t}$

式(9)的振幅A₀可以求得为式(10)。

$A_0=\sqrt{{(1-\cos \phi )}^2+{\sin }^2\phi }$(10)

$=\sqrt{2-2\cos \phi }$

式(10)的平方成为式(11)。

$A_0^2=2-2\cos \phi ---\left(11\right)$

改变式(11)，用式(12)表示tanΦ。

$\tan \phi =\sqrt{-1+\frac{1}{{\cos }^2\phi }}$(12)

$=\frac{A_0}{2-A_0^2}\sqrt{4-A_0^2}$

在转动惯量运算器114中，速度比例控制增益K_vj分别为K_vj1与K_vj2时算出式(12)，代入式(8)算出转动惯量J，作为转动惯量辨识值来输出。

因为式(8)与式(12)不包含粘性摩擦D以及恒定转矩扰动W，因此可以不受粘性摩擦D与恒定转矩扰动的影响而辨识控制对象105的转动惯量J。另外，因为采用所述标准化位置指令与所述标准化马达位置的差的振幅A₀，因此即使在位置指令振幅r₀以及马达位置振幅A同时小的情况下，也可以高精度地算出转动惯量J，能适用于可动范围被局限的控制对象105。

以下，表示在所述的实施例中使用转动惯量辨识装置时的模拟结果。在本实施例的模拟中采用的数值为如下。

J_m＝0.116×10^-4[kg·m^2]、J₁＝0.816×10^-4[kg·m^2]、J^*＝J_m+J₁、D₀＝0.001[N·m·s/rad]、w₀＝0[N·m]、K_p＝40[s^-1]、K_v1＝40(2π)[s^-1]、K_vj1＝K_v1*J_m、K_v2＝125(2π)[s^-1]、K_vj2＝K_v2*J_m、T＝125×10^-6[s]、T_rat＝0.637[N·m]、r₀＝0.01[rad]、ω＝10(2π)[rad/s]、b＝17[bit]

但，J_m为马达转动惯量，J₁为负载转动惯量，J^*为转动惯量真值，D₀为公称粘性摩擦，w₀为公称恒定转矩扰动，K_p为位置比例控制增益，K_v1为第1标准化速度比例控制增益，K_vj1为第1速度比例控制增益，K_v2为第2标准化速度比例控制增益，K_vj2为第2速度比例控制增益，T为控制周期，T_rat为额定转矩，r₀为位置指令振幅，ω为位置指令频率，b为位置检测器106的分辨率。

在此，公称粘性摩擦D₀为下面所示的在变换恒定转矩扰动w的模拟中的粘性摩擦D的值，公称恒定转矩扰动w₀为在变换粘性摩擦D的模拟中的恒定转矩扰动w的值。

图2为本发明的转动惯量辨识装置中的粘性摩擦D变化时的模拟结果。在图中，恒定转矩扰动w为公称恒定转矩扰动w₀。图2中所示的转动惯量辨识误差(％)，使用转动惯量真值J^*与转动惯量辨识值J由式(13)算出。

$e_J=\frac{J-J^{*}}{J^{*}}\times 100---\left(13\right)$

在图中，在把粘性摩擦D从0[N·m·s/rad]变化到0.01[N·m·s/rad]时，转动惯量辨识误差eJ为2[％]以下并大致一定。该2[％]以下的误差为由式(1)所未考虑的位置检测器106的分辨率等引起的。根据式(8)以及式(12)，表示粘性摩擦D不影响转动惯量辨识误差eJ。此时，马达位置振幅A为0.006[rad](位置检测器106的分辨率为17[bit]时120[pulse]左右)以下，转矩指令振幅为额定转矩T_rat的0.3[％]左右。

因此，这表示根据本发明只用微小动作便可精度良好地辨识控制对象105的转动惯量，而且对负载转动惯量大的控制对象也可以适用。

图3是在本发明的转动惯量辨识装置中恒定转矩扰动w变化时的模拟结果。图3中粘性摩擦D为公称粘性摩擦D₀。在图3中，把恒定转矩扰动w从额定转矩T_rat的0[％]变换到50[％]时，通过式(13)算出的转动惯量辨识误差eJ为2[％]以下并大致一定。该2[％]以下的误差为由式(1)所未考虑的位置检测器106的分辨率等引起的。根据式(8)以及式(12)，表示恒定转矩扰动w不影响转动惯量辨识误差eJ。此时，马达位置振幅A为0.006[rad](位置检测器106的分辨率为17[bit]时120[pulse]左右)以下，转矩指令振幅为额定转矩T_rat的0.3[％]左右。

因此，这表示根据本发明只用微小动作便可精度良好地辨识控制对象105的转动惯量，而且对负载转动惯量大的控制对象也可以适用。

这样，因为转动惯量辨识器108为具备：输入马达位置并输出第1马达位置与第2马达位置的转换器109；输入所述第1马达位置并输出第1马达位置存储值的第1马达位置存储器110；输入位置指令与所述第1马达位置存储值并输出第1马达位置相位的第1马达位置相位运算器111；输入所述第2马达位置并输出第2马达位置存储值的第2马达位置存储器112；输入所述位置指令与所述第2马达位置存储值并输出第2马达位置相位的第2马达位置相位运算器113；及输入所述第1马达位置相位与所述第2马达位置相位并输出转动惯量辨识值的转动惯量运算器114的构成，因此能够抑制摩擦或恒定转矩扰动的影响，只用微小动作便可精度良好地辨识控制对象105的转动惯量。

因为只用微小动作便可辨识连接有负载的马达的转动惯量，因此可以广泛地应用于半导体制造装置、机床、工业用机器人等一般工业用机械中。