[发明专利]电动机控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及电动机控制技术领域，具体地说，涉及一种用于改善电动机对 外部负载变化等各种扰动抵抗能力的电动机控制装置。

背景技术

在电动机控制装置中，通常可以形成转矩控制、速度控制、位置控制三种 控制方式，如图1所示，在转矩控制环节的外部，集合形成具有速度控制器的 速度控制系统，在速度控制系统的外部集合形成具有位置控制器的位置控制系 统。从图中可以看到，速度控制系统，包括：速度控制器，根据速度指令和速 度反馈之差生成转矩指令；转矩控制环节，根据转矩指令给电动机供电；位置 检测环节用于检测电动机的位置信号；速度运算器根据位置检测环节得到的电 动机位置信号生成电动机的速度反馈信号。此外，还包含用于产生信号之差的 减法器和产生信号之和的加法器。

在速度控制系统中，系统可以根据电动机驱动的负载的转动惯量设定一个 比较合适的增益值，从而速度控制系统以稳定性能运行。但是存在这样的一种 情况，当计算速度增益所需要的电动机负载转动惯量未知或者发生变化时，由 于系统已经设定的速度增益并不能反映电动机负载转动惯量的大小，不能随着 负载转动惯量的变化而变化，从而，当设定的速度增益没有反映出实际的电动 机负载转动惯量时，和反映出实际的电动机负载转动惯量时相比，控制系统的 性能将会恶化，甚至变得不稳定，并且存在控制系统发生谐振的情况。另外当 出现电动机转矩常数变化、摩擦引起的转矩效应等扰动因素，由于系统不能及 时地响应这种扰动，也将影响到实际的控制系统性能。

目前已经提出了一种利用扰动观测器来实现扰动抑制控制的方法，可以抑 制负载转动惯量变化、电动机转矩常数变化等一些扰动因素对系统的影响。根 据这个控制方法的思想，当采用这种控制时，在未知负载转动惯量的情况下， 能够得到与设定了正确的负载转动惯量时大致相同的控制性能。即使转动惯量 发生10倍的变化时，控制系统仍然能保持鲁棒性。图2示出了一种利用扰动 观测器来实现扰动抑制控制的电动机控制装置，此装置添加了一个扰动观测器 和加法器，扰动观测器根据电动机速度反馈和新转矩指令，生成扰动观测转矩 输出，并通过加法器叠加到原速度控制器输出的转矩指令上去，形成新的转矩 指令。集合位置控制器可以形成位置控制系统。例如，日本专利 JP-A-10-248286，通过使用扰动观测器来执行扰动抑制控制，当对惯量远大于 电动机转矩的机械系统进行驱动时，从速度控制的角度来看，机械系统的转动 惯量被控制到非常小的程度。

目前的速度控制器，在已知负载转动惯量时，通过设置合适的增益参数， 可以得到良好的系统响应；但是，在存在负载转动惯量变化、电动机转矩常数 变化等扰动时，系统扰动响应较慢，容易受到扰动的响应，系统鲁棒性较差。

如图9a所示，在外部扰动2a的作用下，系统速度响应产生比较大的波动。 但是启动过程1a中，电动机速度没有出现大的超调和振动；稳态3a时稳态噪 声小。

利用扰动观测器来实现扰动抑制控制时，可以有效抑制外部扰动对系统的 影响，从而系统对各扰动具有鲁棒性，系统扰动响应增强；但是，由于传感器 噪声、量化误差、微分运算等因素，系统中会引入观测噪声或振动，影响控制 性能，从而影响系统的鲁棒稳定性，指令响应变差。

由于观测器参数设置和传感器性能、计算误差等差别，扰动抑制控制时可 能存在下述两种情况(并与原来具有稳定性能和相同参数的速度控制进行比 较)：

指令稳态响应的恶化占主导因素，相比原速度控制，稳态噪声较大。下文 将其称为情况A。

指令动态响应(如启动或停止过渡过程的响应)的恶化占主导因素，对指 令稳态响应影响不大、稳态噪声较小；但是相比原速度控制，动态过程中出现 较大幅度的超调，如果观测器参数不合理甚至过渡过程的时间将会变长。下文 将其称为情况B。

如图9d所示，在外部扰动2d的作用下，系统速度响应没有出现如图9a 那么大的波动，但是稳态3d时稳态噪声比较大，即情况A。

如图9b所示，在外部扰动2b的作用下，系统速度响应没有出现如图9a 那么大的波动，但是启动过程1b中，电动机速度出现大的超调和振动，即情 况B。

发明内容