CN1502067A - 电机控制器及用于测量机械装置的特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个目的是提供一种电机控制器和一种机械装置特性测量方法，从而可以在不发生位置偏移及转矩饱和的情况下，准确测量机械装置的频率响应，并且同时测量频率特性和确认惯量。检测器(20)检测电机的位置，微分器(26)根据所述电机位置来计算电机的速度。指令生成单元(11)将一位置指令固定于当前位置。位置控制单元(12)生成一速度指令，以使所述位置指令与电机的位置相一致。速度控制单元(13)生成一转矩指令，以使所述速度指令与电机的速度相一致。加法器(16)将由干扰信号生成单元(15)生成的转矩干扰和从转矩滤波单元(14)输出的转矩指令相加，并将所得的信号作为新转矩指令输出。电流控制单元(17)将该转矩指令变换成电流指令，从而驱动电机(18)。频率响应测量单元(21)接收从加法器(16)输出的转矩指令和由微分器(26)计算出的电机速度，从而测量频率响应。

Description

电机控制器及用于测量机械装置的特性的方法
技术领域
本发明涉及用于控制电机、自动机械或机床等的电机控制器，尤其涉及一种机械装置特性测量方法，其用于测量与电机相连的机械装置的频率特性和包括底座单元的惯量在内的机械装置特性。
背景技术
当利用电机控制器来控制电机、自动机械、机床等时，需将一底座单元与电机相连。因此，需要测量与电机相连的底座单元的频率特性，以及包括底座单元的惯量在内的机械装置特性。
关于底座单元的频率特性的测量，有如下方法：输入一高速扫描波形作为转矩指令，然后将此转矩指令作为输入，将电机速度作为输出，来测量频率响应(第一相关技术)；以及输入一高速扫描波形作为速度指令，然后将此速度指令作为输入，将电机速度作为输出，来测量频率响应(第二相关技术)。
下面首先参考图1来说明用于采用第一相关技术来测量底座单元的频率特性的电机控制器的构成。
所述相关技术电机控制器由以下单元构成：干扰信号生成单元15、电流控制单元17、检测器20、微分器26，以及频率响应测量单元27。该电机控制器将测量与底座单元19相连的电机18的频率特性。
干扰信号生成单元15生成并输出高速扫描波形。电流控制单元17接收从干扰信号生成单元15输出的该高速扫描波形，并将其作为转矩指令，然后将该转矩指令变换成电流指令，进而执行电流控制，以使供给电机18的电流与该变换得到的电流指令相一致，从而驱动电机18。检测器20与电机18的转轴或类似物相耦合，从而可检测转轴的旋转位置。微分器26根据从检测器20输出的信号来计算电机速度。频率响应测量单元27接收从干扰信号生成单元15输出的转矩指令和由微分器26计算出的电机速度，从而测量频率响应。
下面，参考图2来说明用于采用第二相关技术来测量底座单元的频率特性的电机控制器的构成。
所述相关技术的电机控制器由以下单元构成：干扰信号生成单元15、速度控制单元13、转矩滤波单元14、电流控制单元17、检测器20、微分器26，以及频率响应测量单元27。和图1中所示的电机控制器一样，这里所述的电机控制器将测量与底座单元19相连的电机18的频率特性。在图2中，用相同的标号来指示与图1中相同的组成单元，并且省略对这些相同的组成单元的说明。
速度控制单元13接收干扰信号生成单元15的输出，将其作为速度指令，并且通过生成一转矩指令来执行速度控制操作，以使由微分器26计算出的电机速度与该速度指令相一致。转矩滤波单元14接收从速度控制单元13输出的转矩指令，然后采用低通滤波器等执行滤波处理。
在第二相关技术中使用的电流控制单元17接收从转矩滤波单元14输出的转矩指令，将该转矩指令变换成电流指令，并且执行电流控制操作，以使供给电机18的电流与该电流指令相一致，从而驱动电机18。
和图1中所示的相关技术电机控制器一样，在第二相关技术中使用的频率响应测量单元27也将接收从干扰信号生成单元15输出的速度指令和由微分器26计算出的电机速度，从而测量频率响应。
根据前面所述的第一和第二相关技术方法，可以测量与电机18相连的底座单元19的频率特性。
然而，在第一相关技术方法中，由于没有构成位置环和速度环，所以测量会受重力导致的干扰力和机械装置的摩擦特性导致的干扰的影响。鉴于这些原因，在测量频率特性的前后，电机位置有时会发生偏移。因而所述方法需要采取一些措施，以在测量完频率响应后，使电机回复到初始的位置；或者采用一些保护性措施，以便在电机的位置偏移一定量或更多时，终止频率特性的测量。此外，位置偏移量过大时，还会发生电机超出机械装置的可动范围的问题。
在第二相关技术方法中，由于构造了速度环，基本上可以抑制位置偏移的发生。然而，由于转矩指令需与作为速度指令输入的高速扫描波形相一致，故随着速度指令的频率提高，转矩指令也会变大，最终会发生转矩饱和。此时，不但不能测量频率响应，而且电机或机械装置还有可能被破坏。如果采取诸如减小速度环增益之类的措施，可以避免发生这种问题。不过，如果速度环增益减小，其响应会变慢，从而无法准确测量机械装置的频率特性。此外，由于将高速扫描波形作为速度指令使用，所以速度环的特性会影响频率响应，从而无法获得准确的频率特性。
目前已有用于确认惯量的方法，其利用与测量频率特性不同的设备来进行。
例如，特开昭61-88780号公报说明了一种设备，其通过改变转矩指令来改变旋转速度，然后计算转矩指令的积分结果和旋转速度的变化幅度，最后利用(惯量)＝(转矩指令的积分结果)/(旋转速度的变化幅度)的计算来确认惯量。特开平6-70566号公报说明了一种设备，其输入具有斜度(ramp section)的速度指令，以使速度环服从P控制(比例控制)，然后根据无负载惯量时的固定速度偏差与有负载惯量时的固定速度偏差的比来确认负载惯量。
利用由这种方法确认的惯量，可执行用于修正电机惯量的惯量补偿。具体而言，通过预先将速度指令的输出乘以电机惯量的倒数，可以执行惯量补偿。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电机控制器和一种机械装置特性测量方法，从而可以在不发生位置偏移或转矩饱和的情况下，准确测量机械装置的频率响应。
本发明的另一目的是提供一种可同时执行频率特性测量和惯量确认的机械装置特性测量方法。
为解决这些问题，本发明的电机控制器包括：
检测器，用于检测电机的位置；
微分器，用于根据由检测器检测到的电机位置来计算电机的速度；
指令生成单元，其输出一位置指令，并在测量机械装置的特性时，将该位置指令固定于当前位置以产生一输出；
位置控制单元，其接收从指令生成单元输出的位置指令，并通过生成一速度指令来执行位置控制操作，以使所述位置指令与电机的位置相一致；
速度控制单元，用于通过生成一转矩指令来执行速度控制操作，以使所述速度指令与电机的速度相一致；
转矩滤波单元，用于对所述转矩指令进行滤波；
干扰信号生成单元，用于生成并输出转矩干扰；
加法器，其将由干扰信号生成单元所生成的转矩干扰和从转矩滤波单元输出的转矩指令相加，然后将所得的信号作为新转矩指令输出；
电流控制单元，其接收从加法器输出的转矩指令，并将该转矩指令变换成电流指令，然后执行电流控制，以使供给电机的电流与该电流指令相一致，从而驱动电机；以及
频率响应测量单元，其接收从加法器输出的转矩指令和由所述微分器计算出的电机速度，从而测量频率响应。
本发明在配置了位置环和速度环的情况下，对转矩指令增加转矩干扰，并且测量增加了转矩干扰的转矩指令与电机速度间的频率响应，可以在不发生位置偏移和转矩饱和的情况下测量频率响应，并可不受位置环和速度环的影响而准确测量频率响应。
在本发明的电机控制器中，可以将所述转矩干扰具体实施为一高速扫描波形或最大长度代码信号(Maximum length code signal)。
此外，本发明的机械装置特性测量方法采用一电机控制器来测量机械装置的频率响应，该电机控制器包括：检测器，用于检测电机的位置；微分器，用于根据由检测器检测到的电机的位置来计算电机的速度；指令生成单元，用于输出一位置指令；位置控制单元，其接收从指令生成单元输出的位置指令，并通过生成一速度指令来执行位置控制，以使所述位置指令与电机的位置相一致；速度控制单元，用于通过生成一转矩指令来执行速度控制操作，以使所述速度指令与电机的速度相一致；转矩滤波单元，用于对所述转矩指令进行滤波；以及，电流控制单元，其接收从转矩滤波单元输出的转矩指令，并将该转矩指令变换成电流指令，然后执行电流控制，以使供给电机的电流与该电流指令相一致，从而驱动所述电机，本方法包括以下步骤：
将从指令生成单元输出的位置指令固定于当前位置；
向从转矩滤波单元输出的转矩指令增加一转矩干扰，并将由此形成的信号作为新的转矩指令；以及
接收增加了所述转矩干扰的转矩指令和由微分器计算出的电机速度，从而测量频率特性。
本发明在配置了位置环和速度环的情况下，对转矩指令增加转矩干扰，并且测量增加了转矩干扰的转矩指令与电机速度间的频率响应，可以在不发生位置偏移和转矩饱和的情况下测量频率响应，并可不受位置环和速度环的影响而准确测量频率响应。
本发明的另一机械装置特性测量方法可以进一步包括如下步骤：
预先确定电机单体的频率特性；以及
对所述电机单体的频率特性和所测得的频率特性进行比较，来计算包括底座单元的惯量在内的总惯量值。
根据本发明的机械装置特性测量方法，可将位置指令固定于当前位置来执行惯量确认，所以无需改变电机位置即可确认惯量。另外，根据由此得到的频率特性可容易地进行惯量确认，因而无需用于确认惯量的单独装置。
根据本发明的另一机械装置特性测量方法，总惯量值的计算可以包括如下步骤：
将所述电机单体的频率特性的多个频率处的增益与所测得的频率特性的多个频率处的增益分别进行比较，进而分别计算所述各频率处的增益差；
计算各频率处的增益差的平均值；以及
根据所计算出的平均值，通过将包括底座单元的惯量在内的总惯量值指定为电机单体的惯量的整数倍，来计算总惯量值；
可以利用由所述电机控制器的仿真所确定的控制器模型，或者通过测量将底座单元从电机上拆除后所述电机控制器中的频率响应，来测量电机单体的频率特性。
附图说明
图1是采用第一相关技术方法的电机控制器的构成的框图；
图2是采用第二相关技术方法的电机控制器的构成的框图；
图3是用于实现根据本发明的实施例的机械装置特性测量方法的电机控制器的构成的框图；
图4是利用仿真进行的频率响应测量的结果图；
图5是用于说明控制器模型的构成的框图；
图6是用于说明采用频率响应的测量结果来确认惯量的方法的图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明用于实现本发明的实施例。
图3是采用根据本发明的实施例的机械装置特性测量方法的电机控制器的构成的框图。
如图3所示，本实施例的电机控制器包括：指令生成单元11、位置控制单元12、速度控制单元13、转矩滤波单元14、干扰信号生成单元15、加法器16，以及电流控制单元17，该电机控制器将测量与底座单元19相连的电机18的频率特性。在图3中，与图1和图2中相同的构成元素采用相同的标号来指示，这里将省略对这些相同元素的说明。
指令生成单元11输出一位置指令。当测量机械装置的特性时，所述指令生成单元通过将该位置指令固定于当前位置来产生一输出。位置控制单元12执行位置控制，接收从指令生成单元11输出的位置指令和由检测器20测得的电机18的位置，并生成一速度指令以使所述两个位置相一致。
速度控制单元13接收从位置控制单元12输出的速度指令和由微分器26计算出的电机18的速度，并生成一转矩指令，以使从位置控制单元12输出的速度指令与由微分器26计算出的电机18的速度相一致，从而控制电机18的速度。干扰信号生成单元15生成的高速扫描波形作为转矩干扰，由加法器16增加到从转矩滤波单元14输出的转矩指令上，所得到的信号作为新的转矩指令，由加法器16输出。
本实施例的电流控制单元17将从加法器16输出的转矩指令变换成电流指令，并且控制电流，以使检测到的电机电流与该电流指令相一致，然后将该电流供给电机18。频率响应测量单元21接收从加法器16输出的转矩指令和由微分器26计算出的电机速度，来测量频率响应。
图4是采用本实施例的机械装置特性测量方法、第一相关技术方法和第二相关技术方法来仿真频率响应的结果。图4显示了表示频率特性的增益图和由相位图形成的波德图。图4中，①表示利用根据本实施例的机械装置特性测量方法所获得的频率特性的曲线图，②表示利用第一相关技术方法所获得的频率特性的曲线图，③表示利用第二相关技术方法所获得的频率特性的曲线图。在图4中，①和②所示的曲线图基本一致，因此重叠在一起。无论采用哪种所述的方法，反谐振频率及谐振频率都和预设的机械装置特性相一致。
根据本实施例的机械装置特性测量方法，配置了位置环来测量频率响应，因而不会发生位置偏移，可在频率响应测量后立即执行满足其它驱动要求的操作。再者，由于将高速扫描波形作为转矩干扰输入，计算出的转矩指令与该高速扫描波形的幅值大致相同，因此不会发生转矩饱和。鉴于此，利用本实施例的机械装置特性测量方法，可在不发生位置偏移及转矩饱和的情形下测量频率特性。
尽管根据本实施例，要构造速度环，但是高速扫描波形是作为转矩干扰而非速度指令来输入，通过将该转矩干扰与从所述速度环输出的转矩指令相加，确定了一新的转矩指令，采用该新的转矩指令和电机的速度来测量频率特性。因此，所述速度环的特性不会影响频率响应，从而可以得到准确的频率特性。
下面来说明利用本实施例的机械装置特性测量方法来确认包括底座单元19的惯量在内的电机18的惯量的惯量确认方法。
根据本实施例的机械装置特性测量方法，首先用控制器模型来确定电机单体的频率特性。接着，再将所述电机单体的频率特性与由所述电机控制器实际测得的频率特性进行比较，从而确认惯量。
这里，控制器模型是对实际电机控制器的仿真。在该控制器模型中，将底座单元作为刚体。参考图5来说明该控制器模型的构成。
所述控制器模型由以下单元组成：模型位置控制单元51、模型速度控制单元52、模型转矩滤波单元53、干扰信号生成单元54、加法器55、模型电流控制单元56、由电机单体代表的电机模型57、微分器58，以及模型频率响应测量单元59。
模型位置控制单元51通过生成并输出一速度指令来执行位置控制操作，以将电机模型57的输出位置重置为零点位置。模型速度控制单元52通过产生并输出一转矩指令来执行速度控制操作，以使从模型位置控制单元51输出的速度指令与从微分器58输出的速度信号相一致。模型转矩滤波单元53输入从模型速度控制单元52输出的转矩指令并对其进行滤波处理。干扰信号生成单元54则生成并输出一高速扫描波形。
加法器55将从干扰信号生成单元54输出的高速扫描波形与从模型转矩滤波单元53输出的转矩指令相加，并将所得结果作为新的转矩指令输出。模型电流控制单元56将从加法器55输出的转矩指令变换成电流指令，并执行电流控制，以使所检测到的电机电流与该电流指令相一致，从而驱动电机模型57。模型频率响应测量单元59接收从加法器55输出的转矩指令与电机速度，从而测量频率响应。
接着，利用所述控制器模型，通过仿真来确定所述电机单体的频率特性，以及所述电机模型57的惯量为所述电机单体的惯量的2倍、4倍和8倍时的频率特性。图6显示了仿真的结果。
在图6中，①是电机单体情况下的波德图，②是电机+底座单元的双惯量系统的波德图，这里电机+底座单元的总惯量值为所述电机单体的惯量的2倍，③是所述总惯量值为电机单体的4倍时的波德图，④是所述总惯量值为电机单体的8倍时的波德图。
参考图6可知，在增益图的低频区域，和电机单体情况下的增益相比，总惯量值为电机单体的2倍时，增益降低6dB；总惯量值为电机单体的4倍时，增益降低12dB；总惯量值为电机单体的8倍时，增益降低18dB。由以上的结果可知，将电机单体的频率特性和底座单元与电机相连时所获得的频率特性进行比较，可以很容易地确认由电机和底座单元的惯量所构成的总惯量值。增益下降与惯量的关系可用下式来计算：增益下降＝20log10(总惯量值/电机单体的惯量)(dB)。
具体而言，可以采用下述方法来确认由电机和底座单元的惯量所构成的总惯量值。
将利用所述控制器模型获得的电机单体的频率特性的多个频率处的增益与被测的实际控制器的频率特性的多个频率处的增益进行比较，分别计算各频率处的增益差，求取计算所得的各频率处的增益差的平均值。若增益差的平均值为-6dB，则可判断总惯量值为电机单体的惯量的2倍；若增益差的平均值为-12dB，则可判断总惯量值为电机单体的惯量的4倍。具体来说，以计算所得的平均值为基础，通过将包括底座单元的惯量在内的总惯量值指定为电机单体的惯量的整数倍，可以计算总惯量值。
作为用于惯量确认的基准的电机单体的频率特性，不一定要利用模型控制器来进行测量，也可以拆除底座单元，在电机独立的情况下，由实际电机控制器来测量。
进行增益比较的低频范围在比共振频率和反共振频率都低的频率区域。具体而言，可用诸如50Hz或更低的频率区域。
根据本实施例的惯量确认方法，位置指令被固定于当前位置，因而可在不改变电机位置的情形下进行惯量的确认。此外，可以很容易地根据所得的频率特性来确认惯量，而无需用于确认惯量的单独装置。
虽然本实施以利用高速扫描波形生成转矩干扰的情形来对本发明进行说明，但本发明并不限于此情形。转矩干扰也可由最大长度代码信号等来生成。
如上所述，根据本实施例，可在不发生位置偏移和转矩指令不会饱和的状态下测量频率响应。因此，可以准确地测量频率响应。此外，采用与用于测量频率响应的控制系统相同的控制器模型，通过对模型的频率响应与实际的频率响应进行比较，可进行惯量的确认。

Claims (12)

1.一种电机控制器，其包括：
检测器，用于检测电机的位置；
微分器，用于根据由检测器检测到的电机位置来计算电机的速度；
指令生成单元，其输出一位置指令，并且在测量机械装置的特性时，将该位置指令固定于当前位置以产生一输出；
位置控制单元，其接收从指令生成单元输出的位置指令，并通过生成一速度指令来执行位置控制操作，以使所述位置指令与电机的位置相一致；
速度控制单元，用于通过生成一转矩指令来执行速度控制操作，以使所述速度指令与电机的速度相一致；
转矩滤波单元，用于对所述转矩指令进行滤波；
干扰信号生成单元，用于生成并输出转矩干扰；
加法器，其将由干扰信号生成单元所生成的转矩干扰和从转矩滤波单元输出的转矩指令相加，并将所得的信号作为新转矩指令输出；
电流控制单元，其接收从加法器输出的转矩指令，并将该转矩指令变换成电流指令，然后执行电流控制，以使供给电机的电流与该电流指令相一致，从而驱动电机；以及
频率响应测量单元，其接收从加法器输出的转矩指令和由微分器计算出的电机速度，并且测量频率响应。
2.根据权利要求1所述的电机控制器，其中，所述转矩干扰是一高速扫描波形。
3.根据权利要求1所述的电机控制器，其中，所述转矩干扰是一最大长度代码信号。
4.一种机械装置特性测量方法，用于采用一电机控制器来测量机械装置的特性，该电机控制器包括：检测器，用于检测电机的位置；微分器，用于根据由检测器检测到的电机的位置来计算电机的速度；指令生成单元，用于输出一位置指令；位置控制单元，其接收从指令生成单元输出的位置指令并通过生成一速度指令来执行位置控制操作，以使所述位置指令与电机的位置相一致；速度控制单元，用于通过生成一转矩指令来执行速度控制操作，以使所述速度指令与电机的速度相一致；转矩滤波单元，用于对所述转矩指令进行滤波；以及，电流控制单元，其接收从转矩滤波指令输出的转矩指令，并将该转矩指令变换成电流指令，然后执行电流控制，以使供给电机的电流与该电流指令相一致，从而驱动所述电机，所述方法包括如下步骤：
将从指令生成单元输出的位置指令固定于当前位置；
向从转矩滤波单元输出的转矩指令增加一转矩干扰，并将由此形成的信号作为新的转矩指令；以及
接收增加了所述转矩干扰的转矩指令和由微分器计算出的电机速度，从而测量频率特性。
5.根据权利要求4所述的机械装置特性测量方法，进一步包括以下步骤：
预先确定电机单体的频率特性；以及
对所述电机单体的频率特性和所测得的频率特性进行比较，来计算包括底座单元的惯量在内的总惯量值。
6.根据权利要求5所述的机械装置特性测量方法，其中，总惯量值的计算包括以下步骤：
将所述电机单体的频率特性的多个频率处的增益与所测得的频率特性的多个频率处的增益分别进行比较，从而分别计算所述各频率处的增益差；
计算各频率处的增益差的平均值；以及
根据所述计算出的平均值，通过将包括底座单元的惯量在内的总惯量值指定为电机单体的惯量的整数倍，来计算总惯量值；
7.根据权利要求5所述的机械装置特性测量方法，其中，所述电机单体的频率特性利用由所述电机控制器的仿真所确定的控制器模型来测量。
8.根据权利要求6所述的机械装置特性测量方法，其中，所述电机单体的频率特性利用由所述电机控制器的仿真所确定的控制器模型来测量。
9.根据权利要求5所述的机械装置特性测量方法，其中，所述电机单体的频率特性是在将所述底座单元从所述电机上拆除后，采用所述电机控制器来测量的。
10.根据权利要求6所述的机械装置特性测量方法，其中，所述电机单体的频率特性是在将所述底座单元从所述电机上拆除后，采用所述电机控制器来测量的。
11.根据权利要求4所述的机械装置特性测量方法，其中，所述转矩干扰是一高速扫描波形。
12.根据权利要求4所述的机械装置特性测量方法，其中，所述转矩干扰是一最大长度代码信号。
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