专利名称：电动机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机控制装置，特别是涉及作为在例如钢板或纸、薄膜等输送材料的输送中所使用的输送辊的驱动用等各种工业设备的驱动装置而使用的电动机控制
>J-U ρ α装直。
背景技术：
在当前的电动机控制装置中，为了输送例如钢板或纸、薄膜等输送材料，利用电动机驱动连续地配置的多个的输送辊。当前的电动机控制装置具有速度控制单元。速度控 制装置将指令速度与电动机速度的偏差作为输入，通过比例积分运算，以使指令速度与电动机速度一致的方式，运算出补偿扭矩，并输出针对电动机的指令扭矩。在当前的电动机控制装置中，为了对输送材料施加张力，使用以使相对于某一个基准速度具有速度差(拉拽draw)的方式生成指令速度的拉拽控制。另外，在当前的电动机控制装置中，将通过简单调整使输送材料的张力与期望的张力值一致作为目的，具有张力运算单元。张力运算单元基于电动机进行加减速所需的加减速扭矩、机械损耗扭矩、和检测出的电动机电流，运算输送材料的张力。具有拉拽设定，其用于以使运算出的张力运算值成为期望的张力的方式设定速度差。以使张力运算值与期望的张力一致的方式设定速度差后，将此时的张力运算值作为张力基准值进行保存。另外，在当前的电动机控制装置中，通过将基于该张力基准值和张力运算值校正指令速度的张力控制单元设为有效，以使输送材料的张力恒定的方式进行控制(例如参照专利文献I)。另外，在其他当前的电动机控制装置中具有速度控制单元，该速度控制单元运算补偿扭矩，并将该补偿扭矩与用于驱动电动机的扭矩指令相加。速度控制单元将指令速度与电动机速度的偏差作为输入，通过比例控制或比例积分控制的运算，以使指令速度与电动机速度一致的方式，运算补偿扭矩。另外，使用下垂控制，以使得不会由于速度控制单元的作用而在稳态下产生过大扭矩。所谓下垂控制是指具有如果电动机扭矩增大，则电动机速度降低这样的下垂特性的控制。在下垂控制中，从指令速度减去与所述补偿扭矩成正比的速度下垂量。通过该下垂控制可以实现下述功能，即，即使在通过其他输送辊一边约束输送材料一边进行输送的输送速度与指令速度之间存在微小误差，也不会由于速度控制单元的作用而在稳态下产生过大的扭矩(例如参照专利文献2)。专利文献I :日本特开平7 - 81818号公报专利文献2 :日本特开平4 — 121086号公报
发明内容
然而，在专利文献I中记载的当前的电动机控制装置中，存在以下的问题点。向输送材料施加的张力根据输送材料的伸缩特性、厚度或宽度等形状、以及输送辊直径而变化。因此，即使期望的张力值相同，但对应于输送材料或辊直径，所需的速度差不同。因此，在专利文献I中记载的电动机控制装置中，每次变更输送材料或输送辊时，需要更改速度差的设定。另外，一边确认张力运算值一边设定速度差，将速度差设定结束时的张力运算值作为张力基准值。随后，将该张力基准值作为基准，以张力恒定的方式进行控制。因此，每次变更向输送材料施加的张力值时，需要更改速度差的设定。因此，很难对应连续地变更向输送材料施加的张力的运转。另外，在专利文献I中记载的电动机控制装置中，进行速度差的设定后，切换开关而保存张力基准值，使基于张力基准值和张力运算值进行控制的张力控制单元动作。通过张力控制单元，对设定有速度 差时的搬送材料的张力，利用设定中的速度差进行控制。因此，存在下述问题点，即，如果存在辊直径误差、机械损耗扭矩、或加减速扭矩的模型化误差等微小的设定误差，则在以使输送材料的张力成为期望的值的方式设定速度差为止的期间内，在输送材料的张力中产生过大的误差，无法进行稳定的输送。另外，在专利文献2中记载的电动机控制装置中，由于电动机控制装置内部的速度控制单元只具有上述的下垂特性，因此存在下述问题点，即，例如不容易将电动机扭矩准确地确保为与期望的张力相匹配的值。在用于使用电动机对输送材料进行输送的输送棍直径中存在微小误差的情况下，大多会使由多个输送棍一边约束一边输送的输送材料的输送速度与电动机速度的关系，产生相对于理论值的稳态误差。在此情况下，速度控制单元以使电动机速度与赋予输送速度的理论值的速度指令一致的方式动作。由此，即使进行上述下垂控制，速度控制单元也会在稳态下产生较大的扭矩。其结果存在下述问题点，即，与通过从外部输入的扭矩指令赋予的输送材料张力值相比产生较大的误差。另外，存在下述问题点，8卩，由于以使得电动机控制装置内部的速度控制器具有上述下垂特性的方式构成速度控制单元，所以特别是在进行加减速的情况下，由于相对于驱动其他输送辊的电动机的同步性降低，因此输送材料的张力大幅变动。本发明就是为了解决上述问题点而提出的，其目的在于获得一种电动机控制装置，其即使在输送材料或输送辊，或应向输送材料施加的期望的张力值变更的情况下，也可以通过简单的调整一边进行稳定的输送一边设定速度差，将与从外部的设定一样的张力施加至输送材料，并且，对应于指令速度准确且稳定地控制电动机及输送材料的输送速度。本发明是一种电动机控制装置，其具有指令速度运算单元，其根据从外部输入的基准速度和比率增益运算指令速度；控制偏差运算单元，其根据速度偏差和速度偏差校正值输出控制偏差，该速度偏差是所述指令速度与电动机速度的差，该电动机速度是驱动负载设备的电动机的速度；速度控制单元，其基于所述控制偏差，以所述控制偏差减小的方式通过至少包含积分运算的控制运算，输出补偿扭矩；速度偏差校正单元，其至少基于所述补偿扭矩运算所述速度偏差校正值，并输入至所述控制偏差运算单元；指令扭矩运算单元，其至少基于所述补偿扭矩，输出指令扭矩，该指令扭矩是驱动所述负载设备的所述电动机的扭矩的目标值；以及比率运算单元，其基于所述速度偏差运算所述比率增益，并输入至所述指令速度运算单元。发明的效果本发明是一种电动机控制装置，其具有指令速度运算单元，其根据从外部输入的基准速度和比率增益运算指令速度；控制偏差运算单元，其根据速度偏差和速度偏差校正值输出控制偏差，该速度偏差是所述指令速度与电动机速度的差，该电动机速度是驱动负载设备的电动机的速度；速度控制单元，其基于所述控制偏差，以所述控制偏差减小的方式通过至少包含积分运算的控制运算，输出补偿扭矩；速度偏差校正单元，其至少基于所述补偿扭矩运算所述速度偏差校正值，并输入至所述控制偏差运算单元；指令扭矩运算单元，其至少基于所述补偿扭矩，输出指令扭矩，该指令扭矩是驱动所述负载设备的所述电动机的扭矩的目标值；以及比率运算单元，其基于所述速度偏差运算所述比率增益，并输入至所述指令速度运算单元，因此，即使在输送材料或输送辊，或应向输送材料施加的期望的张力值变更的情况下，也可以通过简单的调整一边进行稳定的输送一边设定速度差，一边向输送材料施加与从外部的设定一样的张力，一边对应于指令速度准确且稳定地控制电动机及输送材料的输送速度。
图I是表示本发明的实施方式I所涉及的电动机控制装置的结构的框图。
图2是表示本发明的实施方式I所涉及的电动机控制装置的使用例即输送系统的结构的结构图。图3是表示本发明的实施方式2所涉及的电动机控制装置的结构的框图。图4是表示本发明的实施方式3所涉及的电动机控制装置的结构的框图。图5是表示本发明的实施方式4所涉及的电动机控制装置的结构的框图。
具体实施例方式图I是表示本发明的实施方式I所涉及的电动机控制装置的框图。在图I中，I是电动机、2是负载设备、3是速度检测单元、100是电动机控制装置、101是指令速度运算单兀、102是比率运算单兀、103是控制偏差运算单兀、104是速度控制单兀、105是速度偏差校正单元、106是加减速扭矩运算单元、107是指令扭矩运算单元、108是标准速度生成单元。此外，如图I所示，电动机控制装置100在内部具有结构要素101至108。另外，电动机控制装置100与配置在其外部的电动机I连接。首先，针对电动机控制装置100的整体动作进行说明。此外，在本发明的实施方式I中示出了将速度控制作为基础而进行动作的方式，但并不特别限定于速度控制，在进行位置控制的情况下也同样可以实现。电动机控制装置100将由速度检测单元3检测的电动机I的速度即电动机速度ωπι、从外部输入的基准速度cob、前馈扭矩Tff作为输入。而且，通过下述的动作，将指令扭矩τ r向电动机I输出。电动机I通过未图示的扭矩控制单元或功率转换单元的作用，产生与指令扭矩τι· 一致的扭矩，并驱动电动机I自身和负载设备2。在此，作为由电动机I驱动的负载设备2的例子，列举输送系统(参照图2)而进行说明，但并非仅限定于此。在电动机控制装置100内部，指令速度运算单元101将从外部输入的基准速度《b及由后述的比率运算单元102运算出的比率增益α作为输入。指令速度运算单元101使用基准速度《b及比率增益α，生成用于控制电动机I的电动机速度com的指令速度ωΓ。具体来说，指令速度运算单元101使用该比率增益α，以指令速度相对于基准速度cob具有速度差的方式，例如进行如下面的公式(I)所示的运算而生成指令速度ωι·。此外，如上所述，通过使指令速度具有相对于基准速度cob的速度差，可以向由负载设备2输送的输送材料施加张力。cor= (l+α ) cob(I)标准速度生成单元108将指令速度《1*作为输入，例如通过一次延迟运算等，以标准速度追随指令速度ωι·的方式运算标准速度coa。控制偏差运算单元103将标准速度与电动机速度com的差即速度偏差coe、和后述速度偏差校正单元105所输出的速度偏差校正值《ec作为输入，通过下面公式(2)所示的运算，输出控制偏差e。e= coe-Coec(2)速度控制单元104将控制偏差e作为输入，例如如下面公式(3)所示，通过使用速度比例增益Kvp和速度积分增益Kvi进行比例积分运算，从而进行像控制偏差e减小这样的运算，并将其结果作为补偿扭矩Tm输出。此外，在下面公式(3)中，s是拉普拉斯运算符。Tm= (Kvp · s+Kvi) /s · e(3)速度偏差校正单元105将补偿扭矩τ m作为输入，基于该补偿扭矩τ m，通过进行规定的控制运算而输出速度偏差校正值《ec。作为该规定的控制运算的一个例子，在补偿扭矩Tm上乘以预先设定的规定的增益，并将其相乘的结果作为速度偏差校正值Coec即可。
另一方面，加减速扭矩运算单元106将指令速度运算单元101输出的标准速度ωa作为输入，对应于该标准速度的变化，运算出为了对电动机I及与电动机I结合的负载设备2进行加减速所需的扭矩，并作为加减速扭矩τ a输出。该加减速扭矩τ a的运算例如通过计算出标准速度的微分信号即标准加速度coa'，在计算出的标准加速度ωΥ上乘以电动机I及负载设备2的惯性矩的方法进行运算。指令扭矩运算单元107将从外部输入的前馈扭矩τ ff、速度控制单元104输出的补偿扭矩Tm、和加减速扭矩运算单元106输出的加减速扭矩Ta作为输入，并将前馈扭矩τ ff、补偿扭矩Tm及加减速扭矩τ a相加得到的结果作为指令扭矩τΓ输出。另外，比率运算单元102将指令速度ωΓ与电动机速度com的差即速度偏差作为输入，通过进行像速度偏差减小这样的控制运算，运算并输出比率增益α。由此，指令速度运算单元101基于由比率运算单元102运算出的比率增益α，通过公式(I)所示的运算变更基准速度《b，并输出指令速度ωΓ。图2示出利用了本发明的电动机控制装置的输送系统的结构例。在图2中，10是钢板、纸或薄膜等输送材料、11是第I辊、12是第2辊、21是第I电动机、22是第2电动机。此外，在下面的记述中，为了易于说明，将标准速度生成单元108的从输入至输出的传递特性设为1，作为oa=cor、coa' =ωΓ; ( ωτ':指令加速度)进行说明。图2所示的输送系统通过分别利用第I电动机21及第2电动机22将第I辊11及第2棍12在相同方向上进行旋转驱动，从而对输送材料10进行输送。在上述的输送系统中，希望一边保持对输送材料10施加期望的张力的状态，一边以期望的输送速度进行加减速而对输送材料10进行输送。本发明的实施方式I所说明的电动机控制装置例如用于驱动如图2所示的第I电动机21，此时，第2电动机22也可以使用通常所使用的速度控制或位置控制。
接下来，针对电动机控制装置100的详细动作及由此取得的效果进行说明。如上所述，前馈扭矩Tff从外部输入至电动机控制装置100。前馈扭矩Tff作为向输送材料10施加张力所需的扭矩，在外部预先计算得到。另外，为了更加准确，也可以将对电动机I及负载设备2中的摩擦等机械损耗进行计算而得到的值或预先测量的值作为前馈扭矩τ ff。首先考虑以下情况，S卩，省略速度控制单元104，将速度控制单元104输出的补偿扭矩Tm设为O。在该情况下，指令扭矩τι·是通过由指令扭矩加法单元107将前馈扭矩Tff与加减速扭矩Ta相加而获得的。随后，基于该指令扭矩11*使电动机I动作。如果前馈扭矩Tff与加减速扭矩Ta的运算准确且没有摩擦变动等干扰因素，则可以一边向输送材料施加期望的张力一边对电动机I及负载设备2进行加减速，并可以按照所期望的方式控制输送材料的速度和张力。
然而，实际上如果利用根据前馈扭矩τ ff与加减速扭矩τ a而生成的指令扭矩τι·驱动电动机1，则电动机速度com会变动。作为该原因，有下述的各种干扰的影响，即，由电动机I产生的脉动、负载设备2的机械性偏芯等引起的速度的脉动、将摩擦等机械损耗的变动或加减速扭矩Ta的运算中的暂态分量考虑在内的误差等。因此，存在利用根据前馈扭矩Tff与加减速扭矩Ta生成的指令扭矩τι·，无法稳定地进行输送材料的输送的问题。因此，针对在本发明的电动机控制装置100中设置的速度控制单元104的性质和效果进行说明。速度控制单元104具有对由上述所说明的干扰的影响产生的电动机速度ωπι的变动进行抑制的效果。另外，考虑图2所示的输送系统中的第I电动机21及第2电动机22都利用速度控制进行驱动的情况，即省略了速度偏差校正单元105的情况。在该情况下，通过以下述方式生成向第I电动机21赋予的指令速度，从而向输送材料施加张力，S卩，在某一个基准速度、例如向控制输送速度的电动机(在图2所示的输送系统中为第I电动机21)赋予的指令速度，和向驱动相邻的输送辊的电动机(在图2所示的输送系统中为第2电动机22)赋予的指令速度之间，产生少量的速度差。如上所述，在第I电动机21及第2电动机22都利用省略了速度偏差校正单元105的速度控制进行驱动的情况下，向输送材料施加的张力仅由第I电动机21及第2电动机22的速度差决定，因此，即使以使得输送材料的张力成为期望的值的方式从外部输入前馈扭矩τ ，也无法进行使张力成为期望值的控制。然而，速度差与向输送材料施加的张力之间的物理关系不明确。因此，为了进行使得向输送材料施加的张力成为期望的值的控制，需要反复试验而调整速度差。然而，在图2所示的输送系统中，由于少量的速度差的设定误差，也易于引起不稳定化。因此，以使向输送材料施加的张力成为期望的值的方式调整速度差的操作变得非常微妙且困难。另外，图2所示的输送系统中的输送辊直径相对于设计值具有微小的误差。另外，如果输送辊的前后的输送材料的张力不同，则因输送材料的伸缩引起输送材料的输送速度在输送棍的前后发生变化。基于上述原因，即使将电动机21及电动机22的电动机速度按指令速度进行控制，输送材料的输送速度相对于期望的值也具有误差。在此情况下，如果以使电动机速度与指令速度一致的方式进行速度控制，则由多个输送辊一边约束一边进行输送的输送材料的输送速度、和向电动机输入的指令速度之间产生误差。由此，导致向输送材料施加的张力产生过大的误差。在向电动机赋予的指令速度大于输送材料的输送速度的情况下，向输送材料施加的张力减小，并且输送材料变得松弛。相反地，在向电动机赋予的指令速度小于输送材料的输送速度的情况下，向输送材料施加过大的张力，或产生与该过大的张力相对应的过大的电动机扭矩。在上述专利文献I中记载的现有的电动机控制装置中，为了使得速度差的设定变得容易这一目的，设置有张力运算单元。张力运算单元根据通过输送辊的惯性矩和指令速度运算出的加减速扭矩、机械扭矩、和检测出的电动机电流值，运算向输送材料施加的张力。随后，通过一边确认张力运算单元运算出的张力运算值一边以使向输送材料施加的张力最适合的方式设定速度差。如上所述，通过一边确认张力运算值一边设定速度差，可以向输送材料施加期望的张力。如上所述，在专利文献I中记载的现有的电动机控制装置中，一边确认张力运算值一边设定速度差。因此，每次变更向输送材料施加的张力的设定值时，需要重新设定对应于张力设定值的速度差。因此，不能将专利文献I中记载的现有的电动机控制装置，使用于在运转中阶段性或连续地变更张力设定值的输送系统中。另外，如果变更输送的输送材料的尺寸或材质以及输送辊之间的距离等，则即使是相同的张力设定值，所需的速度差也不 同。另外，如上所述，输送辊直径相对于设计值具有微小的误差，该微小误差在每个输送辊中都不同。因此，在更换输送材料或输送辊的情况下，也需要每次重新设定对应于张力设定值的速度差。虽然可以想到，将输送材料的尺寸或材质等考虑在内事先计算出张力设定值所需的速度差，并将其在电动机控制装置中设定为表函数，但将全部的输送材料的尺寸或材质、输送辊直径的微小误差、输送辊的配置等全部条件考虑在内的做法是不现实的。并且，在专利文献I中记载的现有的电动机控制装置中，一边确认通过张力运算单元运算出的张力运算值一边以向输送材料施加的张力成为期望的值的方式设定速度差。如上所述，由于用于控制向输送材料施加的张力的速度差设定中需要微妙的设定，因此，容易成为反复试验地进行调整，由少量的设定误差引起输送系统不稳定化。因此，在专利文献I中记载的现有的电动机控制装置中存在下述问题，即，在设定的速度差从初始设定开始成为某种程度上适当的速度差为止的设定期间内，输送系统不稳定化。接下来，针对在本发明的电动机控制装置100中设置的速度偏差校正单元105的性质和效果进行说明。本发明的电动机控制装置100中设置有速度偏差单元105。速度偏差单元105将进行比例积分控制等运算的速度控制单元104的输出即补偿扭矩τ m与规定的增益相乘而得到的结果，作为速度偏差校正值oec输出。随后，速度偏差单元105通过控制偏差运算单兀103进行从速度偏差oe减去被输出的速度偏差校正值oec的控制。由此，即使在稳态下存在微小的速度误差，也可以防止发生过大的张力误差或过大的电动机扭矩。在图I中，针对从速度偏差ωθ减去速度偏差校正值coec的结构进行了记载，但像取代偏差速度偏差ωθ，从指令速度ωΓ减去速度校正值Coec这样的结构也可以实现相同的效果。即，等价于将从指令速度ωΓ减去速度偏差校正值Coec而得到的信号与电动机速度的偏差输入至速度控制单元104的结构。通过进行上述控制,如果补偿扭矩τηι变大，则以减少指令速度《1*的方式进行修正，由此，具有防止补偿扭矩Tm变得过大的效果O考虑将通过速度控制单元104进行的运算设为公式(3)所示的比例积分运算，速度偏差校正单元105进行使用了比例增益K的比例运算的情况。此时，从速度偏差coe至补偿扭矩Tm的传递函数通过下面公式(4)表示。τ m/ ω e= (Kvp · s+Kvi) / { (1+K · Kvp) s+K · Kvi )(4)在公式(4)中假设K=0，则公式(4)与公式(3)相同，等价于省略了速度偏差校正单元105的情况。此时，使S=O后，公式(4)的稳态增益变得无限大。如果速度偏差在稳态下具有微小的值，则以产生无限大的补偿扭矩Tm的方式进行运算，使速度偏差coe向零渐进。另一方面，使用速度偏差校正单元105的情况下的公式(4)的稳态增益成为1/K，即使存在稳态的速度偏差《e，由于速度控制单元104输出的补偿扭矩Tm是有限大，因此，防止了电动机扭矩变得过大。然而，在存在稳态的速度偏差ω e的情况下，速度控制单元104输出稳态的补偿扭矩τπι，因此，向电动机赋予的指令扭矩成为将前馈扭矩Tff、加减速扭矩Ta及补偿扭矩Tm相加而得到的结果，从而难于准确地维持由前馈扭矩τ 所设定的张力。 与其相对，在本发明的实施方式I所示的电动机控制装置中，具有比率运算单元102。如下面公式(5)所示，比率运算单元102基于速度偏差coe，以速度偏差ω e渐近于零的方式，通过至少包含积分运算在内的运算，对比率增益α进行运算。随后，使用该比率增益α，变更从外部输入的基准速度《b，并以指令速度0 1*相对于基准速度cob具有适当的速度差的方式生成指令速度《r。a =Kr · ω e/s(5)在此，Kr是进行比率运算时的积分增益。在本实施方式I中，如上述所述地构成，即使因输送辊直径的微小误差或输送材料的伸缩引起输送速度在输送辊的前后变化，存在由此产生的稳态的速度偏差《e，也可以基于该速度偏差《e，通过比率运算单元102调整比率增益α的值。随后，指令速度运算单元101以使速度偏差向零渐近的方式，使用比率增益α修正基准速度cob，并生成指令速度ωΓ。由此，可以使速度偏差coe变得很小(几乎为零)。因此，速度控制单元104输出的补偿扭矩Tm不会具有稳态的输出，可将由前馈扭矩Tff设定的期望的张力向输送材料施加，并可以进行高精度的张力控制。另外，在本实施方式I中，不是直接基于张力或张力运算值而调整比率增益α，而是基于速度偏差以使速度偏差coe向零渐近的方式运算比率增益α。由此，即使在更换输送材料或输送辊的情况下，也可以自动运算适当的比率增益α。因此，可以始终将由前馈扭矩Tff设定的张力向输送材料施加。另外，即使在像由于预料之外的干扰的影响而引起输送速度或张力发生变动这样的情况下，也可以利用速度偏差校正单元105的效果，防止电动机扭矩或张力产生过大的误差或输送系统的不稳定化。基于暂态发生的速度偏差ωθ,自动计算比率增益α，以使速度偏差向零渐近的方式生成指令速度ωΓ，因此，可以在稳态下向输送材料施加期望的张力。另外，在本实施方式I中具有加减速扭矩运算单元106和指令扭矩运算单元107。加减速扭矩运算单元106运算用于驱动电动机I及负载设备2所需的加减速扭矩Ta。指令扭矩运算单元107将加减速扭矩Ta、前馈扭矩τ 和补偿扭矩Tm相加而生成指令扭矩τ r。由此，可以一边准确地进行电动机I的加减速一边在稳态下使电动机I产生的扭矩与从外部设定的前馈扭矩Tff 一致，并且使电动机I的速度稳定地动作。由此，即使在加减速时，也可以一边使向使用电动机I及负载设备2进行输送的输送材料施加的张力与从外部设定的值一致，一边使电动机I稳定地动作。另外，在本实施方式I中，说明了速度偏差校正单元105使用比例增益K进行比例运算。但是，并不限定于此，速度偏差校正单元105只要构成为，在从速度偏差coe至补偿扭矩τπι的传递函数中，使s=0后的稳态常数为有限大即可。例如，可以构成为省略速度偏差校正单元105，在进行比例积分运算的速度控制单元104上串联添加高通滤波器。或者，也可以构成为同样省略速度偏差校正单元105，取代高通滤波器，执行将速度控制单元104的积分运算替换为伪积分运算的控制运算。在上述任何情况下，由于在从速度偏差至补偿扭矩Tm的传递特性中，s=0时的稳态增益为有限大，因此可以实现与上述的本实施方式I相同的效果。另外,作为本实施方式I中的比运算单元102,针对基于速度偏差ωθ,以速度偏差ωθ向零渐近的方式，通过至少包含积分运算的运算，对比率增益α进行运算的情况进行了说明。然而，比率运算单元102也可以使用比例增益进行比例运算或比例积分运算。此夕卜，在上述任何情况下均可以得到如下效果，即，即使是设定张力、输送辊、输送材料变更的·情况，也可以自动运算比率增益。并且，在比率运算单元102利用基于速度偏差coe的比例运算，对比率增益α进行运算的情况下，通过直至速度偏差的大小小于规定的阈值为止，连续或阶段性地加大上述比例增益，可以实现与上述进行积分运算的情况大致相同的效果。另外，在本实施方式I中，指令扭矩运算单元107至少将从外部输入的前馈扭矩τ 与补偿扭矩Tm相加而输出指令扭矩τΓ，因此，可以将由前馈扭矩Tff设定的张力向输送材料施加。另外，在本实施方式I中具有加减速扭矩运算单元106和指令扭矩运算单元107。加减速扭矩运算单元106将指令速度《1*作为输入，输出加减速扭矩Ta，该加减速扭矩Ta是以使电动机速度ωπι与指令速度ωΓ—致的方式进行加减速所需的扭矩。指令扭矩运算单元107将补偿扭矩Tm、前馈扭矩τ 和加减速扭矩Ta相加，而输出指令扭矩τ r。由此，在加减速时，也可以使电动机I稳定地动作，实现准确的加减速。另外，与加减速变化相伴的暂态变动不会出现在速度偏差中。因此，可以准确且高速地进行比率运算。本实施方式I的电动机控制装置100是在电动机控制装置100的内部具有加减速扭矩运算单元106的结构，但也可以构成为省略加减速扭矩运算单元106，在输入指令速度时从外部输入预先运算出的加减速扭矩。另外，在本实施方式I中，将标准速度生成单元108的从输入至输出的传递特性设为1，作为COa=COr进行了说明。例如,通过构成为标准速度生成单元108利用一次延迟运算，以追随于指令速度的方式运算标准速度coa，可以抑制由指令速度在拐点上的不连续变化引起的张力变动。另外，通过使分别对图2的电动机21及电动机22进行驱动控制的电动机控制装置中的标准速度生成单元108的一次延迟运算的响应相等，可以提高电动机21和电动机22的电动机速度的同步性，可以进行准确的张力控制。实施方式2图3是表示本发明的实施方式2的电动机控制装置的框图。在图3中，200是电动机控制装置(相当于图I的100)、201是指令速度运算单元(相当于图I的101)、202是比率运算单元(相当于图I的102)、203是控制偏差运算单元(相当于图I的103)、204是速度控制单元(相当于图I的104)、205是速度偏差校正单元(相当于图I的105)、206是加减速扭矩运算单元(相当于图I的106)、207是指令扭矩运算单元(相当于图I的107)、208是标准速度生成单元(相当于图I的108)。此外，标号I至3与图I相同，因此在此省略说明。此夕卜，在下述记述中，与实施方式I同样地，为了易于说明，将标准速度生成单元208的从输入至输出的传递特性设为1，设为《a=cor、coa' =ωΓ'进行说明。图3的结构与图I的结构的不同点在于，图I所示的实施方式I中的比率运算单元102将速度偏差作为输入，但在本实施方式中，对于比率运算单元202，取代速度偏差ωθ而将速度偏差校正单元205输出的速度偏差校正值oec作为输入。对于其他的结构及动作，基本上与实施方式I相同。因此，在以下的说明中没有记载的说明，请参照实施方式I。
电动机控制装置200将由速度检测单元3检测出的电动机I的速度即电动机速度ωπι和从外侧输入的基准速度《b及前馈扭矩Tff作为输入，通过下述的动作而输出指令扭矩τ r。在电动机控制装置200的内部，指令速度运算单元201将从外部输入的基准速度 b及由比率运算单元202运算出的比率增益α作为输入。指令速度运算单元201使用基准速度Ob及比率增益α生成用于控制电动机I的电动机速度ωπι的指令速度ωΓ。具体来说，指令速度运算单元201使用比率增益α，以使指令速度《1*相对于基准速度cob具有速度差的方式，例如进行如公式(I)所示的运算生成指令速度ωΓ。向控制偏差运算单元203输入指令速度ωΓ (=标准速度coa)与电动机速度com的差即速度偏差we。并且，向控制偏差运算单兀203还输入由速度偏差校正单兀205输出的速度偏差校正值oec。控制偏差运算单元203使用速度偏差ωθ和速度偏差校正值 ec，例如通过进行如公式(2)所示的运算，输出控制偏差e。速度控制单元204将控制偏差e作为输入，例如如公式(3)所示，通过使用速度比例增益Kvp和速度积分增益Kvi的比例积分运算，进行像控制偏差e减小这样的运算，而将其结果作为补偿扭矩τ m输出。向速度偏差校正单元205输入由速度控制单元204输出的补偿扭矩τ m。速度偏差校正单元205通过基于补偿扭矩Tm，进行规定的控制运算，从而输出速度偏差校正值oec。作为该规定的控制运算的一个例子，将补偿扭矩Tm与预先设定的规定的增益相乘，并将该相乘的结果作为速度偏差校正值《ec即可。向加减速扭矩运算单元206输入由指令速度运算单元201输出的指令速度ωΓ( =标准速度《a)。加减速扭矩运算单元206对应于指令速度的变化，运算出为了使电动机I及与电动机I结合的负载设备2进行加减速所需的扭矩，并作为加减速扭矩τ a输出。该加减速扭矩Ta的运算通过例如计算指令速度《1·的微分信号即指令加速度ωι·'，将计算出的指令加速度与电动机I及负载设备2的惯性矩相乘的方法进行运算。向指令扭矩运算单元207输入从外部输入的前馈扭矩τ ff、速度控制单元204输出的补偿扭矩Tm和加减速扭矩运算单元206输出的加减速扭矩Ta。指令扭矩运算单元207将输入的这些前馈扭矩Tff、补偿扭矩Tm及加减速扭矩Ta进行相加并作为指令扭矩τ r输出。向比率运算单元202输入由速度偏差校正单元205输出的速度偏差校正值coec。比率运算单元202通过进行像速度偏差校正值Coec减小这样的控制运算，运算比率增益α。并且，比率运算单元202基于该比率增益α，通过如公式(I)所示的运算变更基准速度 b,输出指令速度ωι·。在此，如果设为速度控制单元204进行公式(3 )所示的使用了速度比例增益Kvp及速度积分增益Kvi的比例积分运算,速度偏差校正单元205进行使用了速度比例增益Kvp的比例运算，则从速度偏差ω e至速度偏差校正值ω ec的传递函数如下面的公式(6)所示。ω ec/ ω e= (Kvp · s+Kvi) K/ { (1+Kvp) · s+K · Kvi}(6)在公式(6)中，如果设为s=0,则coec/coe=l,稳态下速度偏差ωθ与速度偏差校正值ω ec 一致。在本实施方式2中，如上所述地构成，取代速度偏差ωθ，将速度偏差校正值Coec作为向比率运算单元202的输入，比率运算单元202基于速度偏差校正值ω ec运算比率增益α，指令速度运算单元201生成指令速度ωΓ，由此，虽然存在暂态上不同的部分，但可以 实现与上述实施方式I相同的效果。另外，只要是与速度偏差等同的信号即可，也可以构成为，取代速度偏差coe或速度偏差校正值《ec，例如将速度控制单元204输出的补偿扭矩Tm作为比率运算单元202的输入，比率运算单元202基于补偿扭矩τ m运算比率增益α。另外，在本实施方式2中，说明了比率运算单元202基于速度偏差校正值coec，通过以速度偏差校正值《ec向零渐近的方式进行至少包含积分运算的运算，对比率增益α进行运算的情况。然而，比率运算单元202也可以使用比例增益α进行比例运算或比例积分运算。此外，在上述任何情况下均可以得到如下效果，即，即使是设定张力、输送辊、输送材料变更的情况，也可以自动运算比率增益α。并且，在比率运算单元202通过基于速度偏差校正值《ec的比例运算，对比率增益α进行运算的情况下，通过直至速度偏差校正值ωβο的大小小于规定的阈值为止,连续或阶段性地加大比例增益α，由此，可以实现与上述进行积分运算的情况大致相同的效果。实施方式3图4是表示本发明的实施方式3的电动机控制装置的框图。在图4中，300是电动机控制装置(相当于图I的100)、301是指令速度运算单元(相当于图I的101)、302是比率运算单元(相当于图I的102)、303是控制偏差运算单元(相当于图I的103)、304是速度控制单元(相当于图I的104)、305是速度偏差校正单元(相当于图I的105)、307是指令扭矩运算单元(相当于图I的107)、308是标准速度生成单元(相当于图I的108)。此外，标号I至3与图I相同，因此在此省略说明。此外，在下述记述中，与实施方式I同样地，为了易于说明，将标准速度生成单元108的从输入至输出的传递特性设为1，设为ω = ω&进行说明。图4的结构与图I的结构的不同点在于，在本实施方式中，省略了在图I的实施方式I中设置的加减速扭矩运算单元106，不向指令扭矩运算单元307输入加减速扭矩τ a,向指令扭矩运算单元307仅输入来自外部的输入即前馈扭矩τ ff和速度控制单元304输出的补偿扭矩Tm。其他的结构及动作基本上与实施方式I相同。因此，在以下说明中没有记载的说明，请参照实施方式I。电动机控制装置300将由速度检测单元3检测出的电动机速度ωπι和从外部输入的基准速度Ob及前馈扭矩Tff作为输入，通过下述的动作，输出指令扭矩TI·。
在电动机控制装置300的内部，指令速度运算单元301将从外部输入的基准速度 b及由比率运算单元302运算的比率增益α作为输入。指令速度运算单元301使用比率增益α生成用于控制电动机I的电动机速度ωπι的指令速度ωι·。电动机I按照指令速度ωι·，驱动负载设备2。具体来说，指令速度运算单元301以使指令速度相对于基准速度《b具有速度差的方式，例如进行如公式(I)所示的运算，生成指令速度ωΓ。向控制偏差运算单元303中输入指令速度ωΓ与电动机速度com的差即速度偏差ω e。并且，向控制偏差运算单元303还输入后述的速度偏差校正单元305输出的速度偏差校正值oec。控制偏差运算单元303使用速度偏差ωθ和速度偏差校正值oec,例如通过进行如公式(2)所示的运算，输出控制偏差e。速度控制单元304将控制偏差e作为输入，例如如公式(3)所示，通过使用了速度比例增益Kvp和速度积分增益Kvi的比例积分运算，进行像控制偏差e减小这样的运算，并将其结果作为补偿扭矩τ m输出。速度偏差校正单元305通过基于速度控制单元304输出的补偿扭矩τ m,进行规定的控制运算而输出速度偏差校正值《ec。作为该规定的控制运算的一个例子，将补偿扭矩Tm与预先设定的规定的增益相乘，将该相乘的结果作为速度偏差校正值Coec即可。指令扭矩运算单元307将从外部输入的前馈扭矩τ ff和速度控制单元304输出的补偿扭矩Tm作为输入，将前馈扭矩τ 与补偿扭矩Tm相加而得到的值作为指令扭矩τ r输出。向比率运算单元302输入指令速度ωΓ (=标准速度coa)与电动机速度com的差即速度偏差《e。比率运算单元302通过进行像速度偏差减小这样的控制运算，运算比率增益α。由此，指令速度运算单元301基于由比率运算单元302运算出的比率增益α，·通过如公式(I)所示的运算，变更基准速度《b，输出指令速度ωΓ。如上述所述，有时会由于输送棍直径的微小误差或输出材料的伸缩引起在输送棍前后输送速度变化。另外，有时由于上述原因而产生速度偏差《e。在本实施方式3中，通过如上所述地进行构成，即使在产生了速度偏差ω e的情况下，通过比率运算单元302求出用于以使速度偏差向零渐近的方式对基准速度cob进行修正的比率增益α，指令速度运算单元301使用比率增益α修正基准速度cob而生成指令速度ωΓ,因此可以使速度偏差变得很小(几乎为零)。因此，速度控制单元304输出的补偿扭矩Tm不会具有稳态的输出，可以将由前馈扭矩Tff设定的期望的张力向输送材料施加，从而可以进行高精度的张力控制。另外，在本实施方式3中，比率运算单兀302通过基于速度偏差《e,以使速度偏差ωθ向零渐近的方式运算比率增益α，因此，即使在更换了输送材料或输送辊的情况下，也可以自动运算出适合的比率增益α，因此可以始终对输送材料施加由前馈扭矩Tff设定的张力。另外，即使是由于预料之外的干扰的影响，输送速度或张力发生变动的情况，利用速度偏差校正单元305的效果，也可以防止电动机扭矩或张力产生过大的误差或输送系统的不稳定化，基于暂态发生的速度偏差自动运算比率增益α，生成使速度偏差coe向零渐近这样的指令速度ωΓ，因此，可以在稳态下向输送材料施加期望的张力。另外，在本实施方式3中，如实施方式2所述，可以取代速度偏差ωθ，将速度偏差校正值《ec或补偿扭矩Tm作为比率运算单元302的输入。在此情况下，比率运算单元302基于速度偏差校正值coec或补偿扭矩Tm运算比率增益α。
此外，在本实施方式3中，没有如实施方式I所述，将加减速扭矩τ a与指令扭矩τ r相加，因此,加减速时指令扭矩Tr与前馈扭矩τ ff不一致，另外，电动机速度com相对于指令速度ωΓ的追随性与实施方式I相比，也变差，但由于以通过指令速度ωΓ的增减，使补偿扭矩Tm暂态地增减的方式动作，因此相对于指令速度0^的追随特性没有极端劣化。另外，在本实施方式3中，在电动机控制装置200中，对从外部输入的前馈扭矩Tff进行运算时，如果计算出为了使电动机I及负载设备2进行加减速所需的加减速扭矩，并与前馈扭矩τ ff进一步相加，则可以实现与实施方式I大致相同的效果。另外，在本实施方式3中，说明了比运算单元202基于速度偏差coe，以速度偏差ωθ向零渐近的方式通过至少包含积分运算的运算，对比率增益α进行运算的情况。然而，比率运算单元202也可以进行使用了比例增益的比例运算或比例积分运算。此外，在上述任何情况下都具有以下效果，即，即使是设定张力、输送辊、输送材料变更的情况，也可以自动运算比率增益。并且，在比率运算单元102通过基于速度偏差coe的比例运算对比率增 益α进行运算的情况下，通过直至速度偏差的大小小于规定的阈值为止，连续或阶段性地加大上述比例增益，从而可以实现与上述进行积分运算的情况大致相同的效果。实施方式4图5是表示本发明的实施方式4的电动机控制装置的框图。在图5中，400是电动机控制装置(相当于图I的100)、401是指令速度运算单元(相当于图I的101)、402是比率运算单元(相当于图I的102)、403是控制偏差运算单元(相当于图I的103)、404是速度控制单元(相当于图I的104)、405是速度偏差校正单元(相当于图I的105)、406是加减速扭矩运算单元(相当于图I的106)、407是指令扭矩运算单元(相当于图I的107)、408是标准速度生成单元(相当于图I的108)。此外，标号I至3与图I相同，因此在此省略说明。此夕卜，在下述记述中，与实施方式I同样地，为了易于说明，将标准速度生成单元108的从输入至输出的传递特性设为1，设为《a=cor、cor' =coa'进行说明。图5的结构与图I的结构的不同点在于，在本实施方式中，省略了向指令扭矩运算单元407的前馈扭矩τ Τ的输入。另外，作为向速度偏差校正单元405的输入，取代补偿扭矩τ m的输入,将前馈扭矩τ ff与补偿扭矩τ m的偏差即扭矩偏差τ e作为输入。其他的结构或动作，基本上与实施方式I相同，因此，在以下的说明中没有记载的说明，请参照实施方式I。电动机控制装置400将电动机速度ωπι、从外部输入的基准速度《b及前馈扭矩τ ff作为输入,通过下述的动作,输出指令扭矩τι·。在电动机控制装置400的内部，指令速度运算单元401将从外部输入的基准速度 b及由比率运算单元402运算的比率增益α作为输入，生成用于对驱动负载设备2的电动机I的电动机速度ωπι进行控制的指令速度ωΓ。指令速度运算单元401使用比率增益α，以指令速度ωΓ相对于基准速度cob具有速度差的方式，例如进行如公式(I)所示的运算，生成指令速度ωι·。向控制偏差运算单元403中输入指令速度ωΓ (=标准速度《a)与电动机速度ωπι的差即速度偏差ωθ。另外，向控制偏差运算单元403还从速度偏差校正单元405输入速度偏差校正值oec。控制偏差运算单元403根据速度偏差ωθ和速度偏差校正值ω ec求出控制偏差e。速度控制单元404将控制偏差e作为输入，例如如公式(2)所示，进行像通过使用了速度比例增益Kvp和速度积分增益Kvi的比例积分运算而使控制偏差e减小这样的运算，并将其结果作为补偿扭矩Tm输出。速度偏差校正单元405通过将从外部输入的前馈扭矩τ Τ与补偿扭矩τ m的偏差即扭矩偏差τ e作为输入,进行规定的控制运算而输出速度偏差校正值coec。作为该规定的控制运算的一个例子，只要将补偿扭矩Tm与预先设定的规定的增益相乘，将该相乘的结果作为速度偏差校正值《ec即可。加减速扭矩运算单元406将指令速度运算单元401输出的指令速度(=标准速度《a)作为输入，对应于指令速度的变化，运算为了使电动机I及与电动机I结合的负载设备2进行加减速所需的扭矩，并作为加减速扭矩τ a输出。该加减速扭矩τ a的运算，例如通过计算出指令速度的微分信号即指令加速度，，将计算出的指令加速度ωι·'与电动机I及负载设备2的惯性矩相乘的方法进行运算。
指令扭矩运算单元407将速度控制单元404输出的补偿扭矩τ m及加减速扭矩运算单元406输出的加减速扭矩Ta作为输入，将补偿扭矩Tm与加减速扭矩τ a相加而得到的值，作为指令扭矩输出。比率运算单元402将速度偏差ωθ作为输入,通过进行像速度偏差ωθ减小这样的控制运算，运算比率增益α，指令速度运算单元401基于运算出的比率增益α，通过如公式(I)所示的运算，变更基准速度《b，输出指令速度ωΓ。在本实施方式4中，通过如上所述地构成，可以实现与上述实施方式I相同的效果。另外，在本实施方式4中，速度偏差校正单元405将前馈扭矩τ Τ与补偿扭矩Tm的差Te作为输入，运算速度偏差校正值coec，因此可以通过扭矩反馈而稳定地控制向输送材料施加的张力，并且向输送材料施加由前馈扭矩设定的张力。另外，在本实施方式4中，说明了比运算单元402基于速度偏差ω e，以速度偏差ωθ向零渐近的方式通过至少包含积分运算的运算，对比率增益α进行运算的情况。然而，比率运算单元402也可以进行使用了比例增益的比例运算或比例积分运算。此外，在上述任何情况下均具有以下效果，即，即使是设定张力、输送辊、输送材料变更的情况，也可以自动运算比率增益。并且，在比率运算单元102通过基于速度偏差coe的比例运算，对比率增益α进行运算的情况下，通过直至速度偏差的大小小于规定的阈值为止，连续或阶段性地加大上述比例增益，从而可以实现与上述进行积分运算的情况大致相同的效果。标号的说明I电动机，2负载设备，3速度检测单元，100、200、300、400电动机控制装置，101、201,301,401指令速度运算单元，102、202、302、402比率运算单元，103、203、303、403控制偏差运算单元，104、204、304、404速度控制单元，105、205、305、405速度偏差校正单元，106、206、306、406加减速扭矩运算单元，107、207、307、407指令扭矩运算单元，108,208,308、408标准速度生成单元。
权利要求
1.一种电动机控制装置，其特征在于，具有 指令速度运算单元，其根据从外部输入的基准速度和比率增益运算指令速度； 控制偏差运算单元，其根据速度偏差和速度偏差校正值输出控制偏差，该速度偏差是所述指令速度与电动机速度的差，该电动机速度是驱动负载设备的电动机的速度； 速度控制单元，其基于所述控制偏差，以所述控制偏差减小的方式通过至少包含积分运算的控制运算，输出补偿扭矩； 速度偏差校正单元，其至少基于所述补偿扭矩运算所述速度偏差校正值，并输入至所述控制偏差运算单元； 指令扭矩运算单元，其至少基于所述补偿扭矩，输出指令扭矩，该指令扭矩是驱动所述负载设备的所述电动机的扭矩的目标值；以及 比率运算单元，其基于所述速度偏差运算所述比率增益，并输入至所述指令速度运算单元。
2.根据权利要求I所述的电动机控制装置，其特征在于， 所述比率运算单元以使所述速度偏差减小的方式通过至少包含积分运算的控制运算，运算所述比率增益。
3.根据权利要求I所述的电动机控制装置，其特征在于， 所述比率运算单元以使所述速度偏差减小的方式通过规定的增益的比例运算，运算所述比率增益。
4.根据权利要求I所述的电动机控制装置，其特征在于， 所述比率运算单元直至所述速度偏差小于规定的阈值为止，增大所述比率增益。
5.根据权利要求I所述的电动机控制装置，其特征在于， 所述指令扭矩运算单元将从外部输入的前馈扭矩和所述补偿扭矩相加，而输出所述指令扭矩。
6.根据权利要求I所述的电动机控制装置，其特征在于， 所述速度偏差校正单元将从外部输入的前馈扭矩与所述补偿扭矩的差作为输入，运算所述速度偏差校正值。
7.根据权利要求I所述的电动机控制装置，其特征在于， 还具有加减速扭矩运算单元，其将所述指令速度作为输入，输出为了以使所述电动机速度与所述指令速度一致的方式进行加减速所需的加减速扭矩， 所述指令扭矩运算单元将所述补偿扭矩、所述前馈扭矩及加减速扭矩相加，并输出所述指令扭矩。
8.根据权利要求7所述的电动机控制装置，其特征在于， 将基于所述指令速度运算单元输出的所述指令速度而运算出的标准速度与所述电动机速度的差，作为速度偏差，所述加减速扭矩运算单元将所述标准速度作为输入，输出为了以使所述电动机速度与所述标准速度一致的方式进行加减速所需的加减速扭矩。
全文摘要
具有指令速度运算单元(101)，其根据外部输入的基准速度(ωb)和比率增益(α)输出指令速度(ωr)；标准速度生成单元(108)，其将指令速度(ωr)作为输入，以追随指令速度(ωr)的方式运算并输出标准速度ωa；控制偏差运算单元(103)，其根据速度偏差(ωe)和速度偏差校正值(ωec)输出控制偏差(e)，速度偏差(ωe)是标准速度(ωa)与电动机(3)的速度(ωm)的差；速度控制单元(104)，其以控制偏差(e)减小的方式通过控制运算，输出补偿扭矩(τm)；速度偏差校正单元(105)，其至少基于补偿扭矩(τm)运算速度偏差校正值(ωec)；指令扭矩运算单元(107)，其至少将补偿扭矩(τm)作为输入而输出电动机(3)的扭矩的目标值即指令扭矩(τr)；以及比率运算单元(102)，其基于速度偏差(ωe)运算比率增益(α)。
文档编号H02P29/00GK102906995SQ20118002606
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月19日 优先权日2010年5月26日
发明者丸下贵弘, 池田英俊 申请人:三菱电机株式会社