专利名称：具有齿槽转矩修正量计算功能的电动机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具备计算用于消除成为控制上干扰的齿槽转矩的修正量，从而修 正转矩指令的功能(下面，称为齿槽转矩修正或者齿槽修正)的电动机控制装置。
背景技术：
近年，为了高速化和高精度，在机床的旋转轴中采用直接驱动电动机的情况正在 增加。一般来讲，在装配了直接驱动电动机的轴中，与通常的带有轴的电动机时相比，电动 机的齿槽转矩变大，因此为了提高进给的平稳性进行齿槽修正。在齿槽修正中，关于在恒定 的低速进给动作时从速度环控制器输出的转矩指令，进行频率分析，由此来计算修正量。在此，在重力的影响不变动的进给轴时，低速进给动作时的转矩指令几乎恒定，在 转矩指令中只包含由齿槽转矩引起的变动成分，因此能够通过对转矩指令进行频率分析， 计算齿槽修正量。但是，在使工作台倾斜的轴时，由于角度使重力的影响发生变化，因此低速进给动 作时的转矩指令不恒定，而是根据角度发生大的变化。在转矩指令中包含由重力引起的变 动成分，因此，即使直接对转矩指令进行频率分析，也无法计算出适当的齿槽修正量。如此，有时在恒定的低速进给动作时的转矩指令中重叠齿槽转矩以外的成分(重 力转矩等)，此时，当直接进行频率分析时，存在无法计算出适当的齿槽修正量的问题。即， 当在转矩指令中重叠了单调增加或者单调减少的成分时，即使简单地进行傅里叶变换也无 法获得适当的修正量。专利文献1 特开平7184286号公报专利文献2 特开2005-2M051号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种即使在恒定的低速进给动 作时的转矩指令中重叠了齿槽转矩以外的成分(重力转矩等)的情况下，也能够计算出适 当的齿槽转矩修正量的电动机控制装置。为了达到上述目的，根据本发明第一方式，提供一种电动机控制装置，其控制在机 床中使用的电动机，其具备转矩指令观测部，其观测使电动机以恒速工作时的转矩指令； 近似计算部，其在电动机的齿槽转矩周期的整数倍的区间中，根据所述转矩指令观测部观 测到的转矩指令近似计算转矩指令近似成分；第二转矩指令计算部，其通过从所述转矩指 令观测部观测到的转矩指令中减去所述近似计算部计算出的转矩指令近似成分，计算第二 转矩指令；第二转矩指令频率分析部，其通过对所述第二转矩指令计算部计算出的第二转 矩指令进行频率分析，提取齿槽转矩的基本频率的整数倍的各频率成分；以及齿槽修正量 计算部，其根据所述第二转矩指令频率分析部提取出的各频率成分的振幅和相位，计算齿 槽修正量。在上述那样构成的电动机控制装置中，近似计算齿槽转矩以外的转矩成分，使用从转矩指令中去除该成分而得到的波形，来计算齿槽转矩修正量。另外，根据本发明的第二方式，提供一种电动机控制装置，其控制在机床中使用的 电动机，其具备转矩指令观测部，其观测使电动机以恒速工作时的转矩指令；电动机位置 观测部，其观测电动机位置；重力转矩计算部，其根据所述电动机位置观测部观测到的电动 机位置，计算在各个电动机位置的重力转矩成分；第二转矩指令计算部，其在电动机的齿槽 转矩周期的整数倍的区间中，从所述转矩指令观测部观测到的转矩指令中减去所述重力转 矩计算部计算出的重力转矩成分，由此来计算第二转矩指令；第二转矩指令频率分析部，其 通过对所述第二转矩指令计算部计算出的第二转矩指令进行频率分析，提取齿槽转矩的基 本频率的整数倍的各频率成分；以及齿槽修正量计算部，其根据所述第二转矩指令频率分 析部提取出的各频率成分的振幅和相位，计算齿槽修正量。在如上那样构成的电动机控制装置中，计算与电动机位置对应的重力转矩成分， 使用从转矩指令中去除重力转矩成分而获得的波形，来计算齿槽转矩修正量。根据本发明的电动机控制装置，具有即使在恒定的低速进给动作时的转矩指令中 重叠齿槽转矩以外的成分或重力转矩成分的情况下，也能够通过计算适当的齿槽转矩修正 量，改善电动机速度的变动这样的效果。下面参照附图，对本发明的其他的特征以及优点进行详细说明。
图1A、图1B、图IC以及图ID用于说明齿槽修正的方法。图2A及图2B表示齿槽修正前及齿槽修正后的转矩指令波形。图3A、图3B、图3C以及图3D用于说明由于倾斜旋转轴转矩变化。图4A、图4B、图4C以及图4D用于说明当由重力引起的转矩偏移变化时，难以通过 频率分析提取齿槽转矩成分。图5是表示本发明的第一实施方式的电动机控制装置的概要结构的框图。图6是表示相关联的图表和电动机控制装置的动作的流程图。图7是例示转矩指令波形、近似曲线以及齿槽波形的波形图。图8A、图8B、图8C以及图8D表示η次多项式的概要形状。图9Α、图9Β以及图9C是表示把对于本来的转矩指令波形应用了基于现有技术的 齿槽修正后的转矩指令波形和应用了基于本发明的齿槽修正后的转矩指令波形进行比较。图10是表示本发明的第二实施方式的电动机控制装置的概要结构的框图。
具体实施例方式首先，对齿槽修正进行说明。图1Α、图1Β、图IC以及图ID用于说明齿槽修正的方 法。由于齿槽转矩在控制上成为干扰，因此如图IA所示，实际的电动机在由速度控制器赋 予的转矩指令中相加齿槽转矩，将其结果赋予给理想的电动机来进行动作。因此，如图IB 所示，在实际的电动机速度中，略微留有作为干扰的齿槽转矩的影响引起的变动。对于齿槽 修正，如图IC所示，求出与齿槽转矩对应的逆相位的转矩修正量，来修正转矩指令。当进行 齿槽修正时，如图ID所示，实际的电动机速度的变动得到改善。图2Α及图2Β表示齿槽修正前及齿槽修正后的转矩指令波形。如图2Α所示，在转矩指令中重叠由齿槽转矩引起的变动成分。如果消除齿槽转矩引起的周期的变动，则转矩 指令变为平坦的图形，移动方向相同区间内的波形的斜率为0。即，在齿槽修正后，如图2B 所示，通过消除齿槽转矩成分，能够获得平坦的转矩指令波形。图3A、图;3B、图3C以及图3D用于说明由于倾斜旋转轴转矩发生变化的情形。如 上所述，在重力的影响不变的进给轴时，低速进给动作时的转矩指令几乎为恒定，但是，如 图3所示，在使工作台倾斜的轴(倾斜旋转轴)时，由于角度重力的影响发生变化。即根据 角度θ，重力的旋转方向成分发生变化。因此，保持轴所需的力，即转矩偏移与角度相对应 地变化。更加具体地讲，如图3C所示，当把倾斜旋转轴的重量设为Μ、角度设为θ时，重力 为Mg、对倾斜旋转轴施加的圆弧切线方向的力F为Mgsin θ。如此，如图3D所示，力F与θ 相对应地变化。因此，转矩偏移及其变化率如图3Β所示那样。根据图:3Β可知，当在机械方 面最稳定的位置(下死点附近)进行波形测定时，转矩偏移的变化率为最大。因此，在为倾 斜旋转轴时，低速进给动作时的转矩指令不为恒定，而是根据角度产生大的变化。因为在转 矩指令中包含由重力引起的变动成分，因此，即使直接对转矩指令进行频率分析，也无法计 算出适当的齿槽修正量。图4Α、图4Β、图4C以及图4D用于说明在由于重力转矩偏移发生变化时，难以通过 频率分析提取齿槽转矩成分。当重力的影响不变，转矩偏移恒定时，如图4Α所示，转矩指令 波形变得平坦。此时，当通过傅里叶变换求出频域中的波形时，如图4Β所示，能够识别在特 定频率的振幅的增大，可以提取齿槽转矩成分。另一方面，当重力的影响发生变动，转矩偏 移变化时，转矩指令波形例如包含如图4C所示那样单调减少的成分。此时，当通过傅里叶 变换求出频域的波形时，如图4D所示，出现基于偏移变化的频率成分，将齿槽转矩成分埋 没。图5是表示本发明第一实施方式的电动机控制装置的概要结构的框图。该第一实 施方式通过低次多项式近似求出在恒定低速进给动作时从速度环控制器输出的转矩指令 中包含的齿槽转矩以外的成分，对从原本的转矩指令中减去该成分而得的波形进行频率分 析，由此来计算适当的齿槽修正量。在图5中，电动机控制装置500是控制在机床中使用的 电动机590的装置。在电动机590中安装有检测电动机的位置(基准相位)的编码器592。电动机控制装置500具备位置及速度控制环502、齿槽修正转矩计算部504、加法 器506、电流控制环508以及齿槽修正参数计算部520。位置及速度控制环502包含基于根据来自上位装置的位置指令和位置反馈求出 的位置偏差，计算速度指令的位置控制器；以及基于根据速度指令和速度反馈求出的速度 偏差，计算转矩指令的速度控制器。齿槽修正转矩计算部504根据从齿槽修正参数计算部 520赋予的修正参数(频率、振幅、相位)，计算齿槽修正转矩。加法器506将转矩指令与齿 槽修正转矩相加，输出已修正转矩指令。电流控制环508基于根据已修正转矩指令成分的 电流和电流反馈求出的电流偏差，计算驱动指令，输出到电动机590。齿槽修正参数计算部520包含转矩指令观测部530、转矩指令近似计算部Μ0、加 法器550、第二转矩指令频率分析部560以及电动机位置观测部570。转矩指令观测部530观测使电动机590以恒速工作时的来自位置及速度控制环 502的转矩指令。转矩指令近似计算部Μ0，在电动机590的齿槽转矩周期的整数倍的区间 中，根据由转矩指令观测部530观测到的转矩指令，近似计算转矩指令近似成分。加法器550通过从转矩指令观测部530观测到的转矩指令中，减去转矩指令近似计算部540计算出 的转矩指令近似成分，计算第二转矩指令。第二转矩指令频率分析部560通过对加法器550计算出的第二转矩指令进行频 率分析，提取齿槽转矩的基本频率的整数倍的各频率成分，将修正参数(频率、振幅以及相 位)提供给齿槽修正转矩计算部504。电动机位置观测部570根据编码器592的输出，求出 电动机590的齿槽转矩周期的整数倍的区间，作将其为分析范围提供给转矩指令近似计算 部540及第二转矩指令频率分析部560。图6是表示相关联的图表和图5的电动机控制装置的动作的流程图。首先，在电 动机590以恒定的低速进给进行工作的状态下，转矩指令观测部530通过观测来自位置及 速度控制环502的转矩指令，取得转矩指令波形622 (步骤602)。然后，转矩指令近似计算部540通过使用低次多项式近似所取得的转矩指令波形 622，取得近似波形624(步骤604)。具体来讲，通过最小二乘法使用下面的多项式(1)来近
似转矩指令波形622 (η为任意整数)。f(x)的系数％、％.....%是将LOO设为转矩指令
波形、将f(x)设为近似波形时，作为使Σ {f^OO-fOO}2为最小的值来求出。
权利要求
1.一种电动机控制装置，其控制在机床中使用的电动机，其特征在于， 具备转矩指令观测部，其观测使电动机以恒速工作时的转矩指令； 近似计算部，其在电动机的齿槽转矩周期的整数倍的区间中，根据所述转矩指令观测 部观测到的转矩指令近似计算转矩指令近似成分；第二转矩指令计算部，其通过从所述转矩指令观测部观测到的转矩指令中减去所述近 似计算部计算出的转矩指令近似成分，计算第二转矩指令；第二转矩指令频率分析部，其通过对所述第二转矩指令计算部计算出的第二转矩指令 进行频率分析，提取齿槽转矩的基本频率的整数倍的各频率成分；以及齿槽修正量计算部，其根据所述第二转矩指令频率分析部提取出的各频率成分的振幅 和相位，计算齿槽修正量。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，所述近似计算部进行比电动机的齿槽转矩的频率低次的多项式近似。
3.一种电动机控制装置，其控制在机床中使用的电动机，其特征在于，具备 转矩指令观测部，其观测使电动机以恒速工作时的转矩指令；电动机位置观测部，其观测电动机位置；重力转矩计算部，其根据所述电动机位置观测部观测到的电动机位置，计算在各个电 动机位置的重力转矩成分；第二转矩指令计算部，其在电动机的齿槽转矩周期的整数倍的区间中，从所述转矩指 令观测部观测到的转矩指令中减去所述重力转矩计算部计算出的重力转矩成分，由此来计 算第二转矩指令；第二转矩指令频率分析部，其通过对所述第二转矩指令计算部计算出的第二转矩指令 进行频率分析，提取齿槽转矩的基本频率的整数倍的各频率成分；以及齿槽修正量计算部，其根据所述第二转矩指令频率分析部提取出的各频率成分的振幅 和相位，计算齿槽修正量。
全文摘要
本发明提供一种具有齿槽转矩修正量计算功能的电动机控制装置，即使在恒定的低速进给动作时的转矩指令中重叠齿槽转矩以外的成分(重力转矩等)，也能够计算适当的齿槽转矩修正量。该电动机控制装置包含观测使电动机以恒速工作时的转矩指令的转矩指令观测部；在电动机的齿槽转矩周期的整数倍的区间中，根据观测到的转矩指令近似计算转矩指令近似成分的近似计算部；通过从转矩指令中减去转矩指令近似成分，计算第二转矩指令的第二转矩指令计算部；通过对计算出的第二转矩指令进行频率分析，提取齿槽转矩的基本频率的整数倍的各频率成分的第二转矩指令频率分析部；以及根据提取出的各频率成分的振幅和相位计算齿槽修正量的齿槽修正量计算部。
文档编号H02P21/14GK102104361SQ20101055502
公开日2011年6月22日 申请日期2010年11月19日 优先权日2009年12月22日
发明者岩下平辅, 手塚淳一, 杉山和之, 置田肇 申请人:发那科株式会社