马达的控制方法和马达的控制装置与流程

1.本发明涉及一种控制马达以降低马达中产生的齿槽效应的、马达的控制方法和马达的控制装置。


背景技术：

2.马达是具备定子和动子并且通过在定子与动子之间以磁方式产生推力来使动子相对于定子移动的结构。作为马达的代表性的例子，存在以下线性马达：形成使以磁性交替地改变的方式排列多个永磁体而成的动子与在多个磁极齿上分别卷绕线圈而成的定子以隔离规定距离的方式对应配置而得到的结构，通过使定子的线圈中流动交流电流，来利用与永磁体之间的吸引排斥力产生推力，从而使动子相对于定子进行直线移动。
3.在包括这种线性马达在内的马达中，众所周知一般会产生齿槽效应。齿槽效应是指伴随磁吸引力的周期性变动而发生的推力的周期性变动，其中，磁吸引力的周期性变动是依赖于动子相对于定子的位置而产生的。齿槽效应的产生对马达的动作造成不良影响，有时得不到期望的动作特性，例如在线性马达中，无法进行稳定的等速度控制。这样的齿槽效应对于马达而言是不可避免的事件，因此提出了用于对所产生的齿槽效应进行校正以得到期望的动作特性的各种方法(日本特开2004
‑
120861号公报、日本特开2019
‑
221032号公报等)。


技术实现要素：

4.然而，在这些现有技术中，现状是尚未实现针对所产生的齿槽效应的充分的补偿。
5.本发明是鉴于这样的情形而完成的，其目的在于提供马达的控制方法和马达的控制装置，能够对所产生的齿槽效应进行充分的补偿，从而能够大幅降低齿槽效应的影响来实现期望的动作特性。
6.本发明所涉及的马达的控制方法用于控制马达以降低马达中产生的齿槽效应，所述控制方法的特征在于，将针对齿槽效应的状态施加逆校正的逆校正控制与对所述马达动作时的干扰进行校正的干扰观测器控制组合。
7.本发明所涉及的马达的控制方法的特征在于，利用所述逆校正控制与所述干扰观测器控制的组合，来控制所述马达的速度和位置。
8.本发明所涉及的马达的控制方法的特征在于，在所述干扰观测器控制中，使用稳态卡尔曼滤波器。
9.本发明所涉及的马达的控制方法的特征在于，所述马达是具备排列多个永磁体而成的动子以及在多个磁极齿上分别卷绕线圈而成的定子的线性马达。
10.本发明所涉及的马达的控制装置用于控制马达以降低马达中产生的齿槽效应，所述控制装置具备：逆校正控制系统，其针对齿槽效应的状态施加逆校正；以及干扰观测器控制系统，其对所述马达动作时的干扰进行校正。
11.本发明所涉及的马达的控制装置的特征在于，还具备：速度控制系统，其控制所述
马达的速度；以及位置控制系统，其控制所述马达的位置。
12.本发明所涉及的马达的控制装置的特征在于，所述干扰观测器控制系统具有稳态卡尔曼滤波器。
13.本发明所涉及的马达的控制装置的特征在于，所述马达是具备排列多个永磁体而成的动子以及在多个磁极齿上分别卷绕线圈而成的定子的线性马达。
14.在本发明中，将针对齿槽效应状态施加逆校正的逆校正控制与针对干扰的干扰观测器控制组合。即，针对齿槽效应状态施加逆校正来粗略去除齿槽效应的影响，并且通过干扰观测器控制来降低通过该逆校正无法降低的影响。因此，能够对所产生的不可避免的齿槽效应进行充分的补偿，从而能够大幅降低齿槽效应的影响。
15.在本发明中，利用上述那样的逆校正控制与干扰观测器控制的组合来控制马达的速度和位置。因此，能够抑制齿槽效应的影响，从而能够高精度地控制马达中的速度和位置。
16.在本发明中，干扰观测器控制中利用稳态卡尔曼滤波器。因此，能够高效地补偿马达工作时的干扰。
17.在本发明中，将具备排列多个永磁体而成的动子以及将在多个磁极齿上卷绕线圈而成的定子的线性马达设为控制的对象。因此，实现降低线性马达中的不可避免的齿槽效应。
18.根据本发明，将针对齿槽效应状态施加逆校正的控制与针对干扰的观测器控制组合，因此能够大幅降低所产生的不可避免的齿槽效应的影响，从而在马达中能够可靠地获得期望的动作特性。
附图说明
19.图1是示出应用本发明的线性马达的结构的立体图。
20.图2是示出线性马达的结构的侧视图。
21.图3是示出本发明所涉及的马达的控制装置的一个实施方式的结构的框图。
22.图4是示出干扰观测器的内部结构的框图。
23.图5是示出来自控制对象的输出(实际动作模型)的动作波形和作为对照的估计模型的动作波形的图。
24.图6是示出齿槽效应的逆校正波形和通过干扰观测器控制得到的估计波形的图。
25.图7是示出输入指令的波形和电流指令的波形的图。
26.图8是示出使线性马达进行动作时的动作波形的图。
27.图9是示出本发明例中的动作波形与理想的动作模型中的动作波形的比较的图。
28.图10是示出使用稳态卡尔曼滤波器的干扰观测器的内部结构的框图。
29.图11是示出本发明所涉及的马达的控制装置的其它实施方式的结构的框图。
30.图12是示出速度控制的结果的图。
31.图13是示出速度控制的结果的图。
32.图14是示出位置控制的结果的图。
具体实施方式
33.基于示出本发明的实施方式的附图来详述本发明。此外，下面说明将本发明应用于作为马达的一例的线性马达的情况。首先，简单说明该线性马达的结构。
34.图1和图2是示出线性马达1的结构的立体图和侧视图。线性马达1具有隔开规定距离相向的动子2和定子3。
35.动子2是例如将14个矩形形状的永磁体21以等间距地支承固定于薄板状的背面磁轭22的方式沿可动方向(图2的左右方向)排列而构成的。各永磁体21被沿着厚度方向(图2的上下方向)磁化，相邻的永磁体21、21彼此的磁化方向是相反方向。即，沿着从动子2侧朝向定子3侧的方向(从图2的上方朝向下方的方向)磁化的永磁体21与沿着从定子3侧朝向动子2侧的方向(从图2的下方朝向上方的方向)磁化的永磁体21被交替地配置。
36.另一方面，定子3是将例如30个矩形形状的磁极齿32沿可动方向等间距地成一体地设置于薄板状的芯31并在各磁极齿32卷绕线圈33而构成的。图2中的u、v、w分别表示3相交流电源的u相、v相、w相，将正反2槽3对设为1组，以进行3相平行通电。而且，在线性马达1中，将具有7个永磁体21以及6个磁极齿32及6个线圈33的7极6槽结构设为基本单元。
37.当向定子3的线圈33接通3相交流而在磁极齿32产生磁场时，在该磁场中动子2的永磁体21依次被磁吸引排斥，由此对动子2产生推力，从而动子2相对于定子3进行直线运动。
38.下面，详述用于降低在形成这种结构的线性马达1中不可避免地产生的齿槽效应的影响的方法和装置。
39.在本发明中，将针对齿槽效应状态施加逆校正的控制与针对干扰的干扰观测器控制组合。即，针对齿槽效应状态施加逆校正来粗略去除齿槽效应的影响，并且通过干扰观测器控制来降低通过该逆校正而降低不了的因干扰产生的影响。因此，能够对所产生的不可避免的齿槽效应进行充分的补偿，从而能够大幅降低齿槽效应的影响。
40.干扰观测器控制是针对向反馈系统施加干扰那样的工作机构比较简单地去除干扰来实现动作的稳定化的控制。在以线性马达1为例子的情况下，作为干扰，存在通电线缆的张力的影响(由于张力而推力在线性马达1的前进方向与后退方向上产生差的现象)、线性引导件的影响(由于组装线性引导件而线性马达1产生位置偏差的现象)等。在本发明中，通过干扰观测器控制来补偿这样的线性马达1中的干扰的影响。
41.图3是示出本发明所涉及的马达的控制装置的一个实施方式的结构的框图。该控制装置具备：线性马达1、齿槽效应要素部41、加法运算器42、非线性补偿器51、干扰观测器61、微分器62以及减法运算器71。而且，由线性马达1、齿槽效应要素部41以及加法运算器42构成一个控制对象 齿槽效应40，具有非线性补偿器51来构成逆校正控制系统50，具有干扰观测器61和微分器62来构成干扰观测器控制系统60。
42.作为控制对象的线性马达1的输入端及齿槽效应要素部41的输入端连接于减法运算器71的输出端子。线性马达1的输出端连接于加法运算器42的一个输入端子，齿槽效应要素部41的输出端连接于加法运算器42的另一个输入端子。加法运算器42的输出端子连接于非线性补偿器51的输入端及微分器62的输入端。非线性补偿器51的输出端连接于减法运算器71的一个减法运算输入端子。微分器62的输出端与干扰观测器61的输入端连接。另外，干扰观测器61的输出端连接于减法运算器71的另一个减法运算输入端子。
43.从外部向减法运算器71的加法运算输入端子和干扰观测器61输入输入指令u’，另外，从非线性补偿器51向减法运算器71的一个减法运算输入端子输入校正输出^i
cog
(齿槽效应的周期性校正的估计值)，从干扰观测器61向减法运算器71的另一个减法运算输入端子输入控制输出^d(干扰的估计值)。此外，“^”符号表示估计值。
44.从减法运算器71的输出端子向线性马达1和齿槽效应要素部41输出电流指令u。在加法运算器42中对来自线性马达1的输出加上来自齿槽效应要素部41的输出(齿槽效应要素c)，从加法运算器42向非线性补偿器51、微分器62以及外部输出位置x。
45.针对齿槽效应要素中的特别是周期性地产生的部分，使用非线性补偿器51来进行校正。非线性补偿器51针对齿槽效应的状态(齿槽效应要素c)施加逆校正(c
‑1)，将齿槽效应校正的估计值^i
cog
输出到减法运算器71。该估计值^i
cog
根据齿槽效应要素的模型导出。
46.另一方面，干扰观测器61进行针对干扰的干扰观测器控制，将干扰的估计值^d输出到减法运算器71。此外，在后面叙述该针对干扰的干扰观测器控制的详情。
47.在本发明中，将针对齿槽效应的状态施加逆校正的逆校正控制系统50进行的逆校正控制与针对干扰的干扰观测器控制系统60进行的观测器控制组合。即，使用逆校正控制系统50(非线性补偿器51)来针对齿槽效应状态施加逆校正来粗略去除齿槽效应的影响，并且使用干扰观测器控制系统60(干扰观测器61)来降低通过该逆校正无法降低的因干扰产生的影响。其结果，能够对所产生的不可避免的齿槽效应进行充分的补偿，从而能够大幅降低齿槽效应的影响。
48.下面，说明干扰观测器控制的详情。图4是示出干扰观测器61的内部结构的框图。此外，在图4中，对与图3相同的部分标注相同的编号和附图标记。
49.干扰观测器61具有估计模型生成部81、比较部82、干扰估计值决定部83以及减法运算器84。减法运算器84的加法运算输入端子连接有上述的微分器62的输出端，减法运算器84的减法运算输入端子连接有估计模型生成部81的输出端。减法运算器84的输出端子连接有比较部82的输入端。比较部82的输出端与干扰估计值决定部83的输入端连接。另外，干扰估计值决定部83的输出端连接于上述的减法运算器71的另一个减法运算输入端子。
50.在干扰观测器控制中，根据控制对象的建模和输入来制作成为目标的动作(估计模型)，将该估计模型与实际的响应进行比较。然后，将在进行比较时产生的差设为干扰来将误差施加到输入。
51.估计模型生成部81根据控制对象的建模和从外部输入的输入指令u’来制作成为目标的估计模型，将根据该估计模型计算出的速度的估计值^vel输出到减法运算器84。该估计模型是不受干扰的影响的情况下的控制模型。另一方面，在微分器62中对来自控制对象的输出(位置x)进行时间微分而得到的速度值vel被从微分器62输入到减法运算器84。在减法运算器84中获得来自微分器62的输出(速度值vel)与来自估计模型生成部81的输出(速度的估计值^vel)之差。所获得的差被输出到比较部82。
52.比较部82基于来自控制对象的输出与估计模型之差来决定校正值。具体地说，根据两者的差的大小(面积的宽窄)来决定校正值。图5是示出来自控制对象的输出(实际动作模型)的动作波形和作为对照的估计模型的动作波形的图。在图5的情况下，(a)示出实际动作模型的动作波形，(b)示出估计模型的动作波形。
53.在如图5的a所示那样实际动作模型与估计模型之差的大小(面积)大的情况下，干
扰的影响大，因此决定大的校正值，在如图5的b所示那样实际动作模型与估计模型之差的大小(面积)小的情况下，干扰的影响小，因此决定小的校正值。所决定的校正值被输出到干扰估计值决定部83。
54.干扰估计值决定部83根据被输入的校正值来生成干扰的估计值^d。所生成的干扰的估计值^d被输出到减法运算器71，从而被施加到输入指令u’。
55.在图6中示出齿槽效应的逆校正波形和通过干扰观测器控制得到的估计波形来作为追加干扰观测器控制后的动作确认。在图6中，横轴表示时间[s]，纵轴表示电流[a]，另外，图6中的(a)、(b)分别示出齿槽效应的逆校正波形和通过干扰观测器控制得到的估计波形。
[0056]
两个波形都是基于控制对象的模型计算出的，是按照齿槽效应的产生周期的波形。关于齿槽效应的逆校正波形(a)，由于仅对齿槽效应进行校正而成为恒定的校正值，与此相对地，关于通过干扰观测器控制得到的估计波形(b)，由于还将齿槽效应的影响以外的影响作为干扰来进行校正，因此如图6所示那样在齿槽效应以外的干扰大的(与估计模型的差更大的)位置处校正值也变大，因此校正根据位置而不同。
[0057]
在图7中将对输入指令u’施加上述2个校正而得到的电流指令u的波形与输入指令u’的波形一起示出。在图7中，横轴表示时间[s]，纵轴表示电流[a]，另外，图7中的(a)、(b)分别示出输入指令u’的波形、电流指令u的波形。向图3所示的控制装置输入示出图7所示那样的波形的输入指令u’。
[0058]
接着，叙述进行了本发明的控制的情况下的结果。在图8中示出基于图7所示的电流指令u来使实际的线性马达1进行动作时(本发明例)的动作波形。此外，在图8中还一并示出完全不进行校正而使线性马达1进行动作的情况(第一比较例)下的动作波形、以及仅进行齿槽效应的逆校正控制来使线性马达1进行动作的情况(第二比较例)下的动作波形。在图8中，横轴表示时间[s]，纵轴表示速度[m/s]，另外，图8中的(a)、(b)、(c)分别示出本发明例、第一比较例、第二比较例的动作波形。
[0059]
当将第一比较例中的动作波形(b)与第二比较例中的动作波形(c)进行比较时，第二比较例相比于第一比较例而言，更能够在某种程度上降低齿槽效应的影响，加速时及减速时的响应性也在某种程度上得到了改善，但是不能说是充分的。与此相对地，当尝试将本发明例中的动作波形(a)与这些第一比较例及第二比较例中的动作波形(b)及(c)进行比较时，可以获知，在本发明例中，能够进一步降低齿槽效应的影响，等速动作时的波动也大幅减少，加速时及减速时的响应性也得到了相当大的改善。
[0060]
在图9中示出上述本发明例中的动作波形与理想的动作模型中的动作波形的比较。在图9中，横轴表示时间[s]，纵轴表示速度[m/s]，另外，图9中的(a)、(b)分别示出本发明例的动作波形、理想的动作模型的动作波形。
[0061]
如果参照图9，则能够理解，在等速时、加速时以及减速时中的任何时候，在本发明例中都追随理想的动作模型。据此，证实了本发明的将针对齿槽效应状态的逆校正控制与针对干扰的干扰观测器控制组合的控制是极为有效的。
[0062]
下面，说明本发明的其它实施方式。在此实施方式中，干扰观测器使用了稳态卡尔曼滤波器。稳态卡尔曼滤波器是用于使用含有误差的实测值来估计或控制某个动态系统的状态的无限冲激响应滤波器的一种。稳态卡尔曼滤波器被广泛用于根据存在离散性误差的
实测结果来估计随时间变化的量(例如某个物体的位置和速度)。
[0063]
图10是示出使用稳态卡尔曼滤波器的干扰观测器的内部结构的框图。此外，在图10中，对与图3及图4相同的部分标注相同的编号和附图标记。
[0064]
干扰观测器61具有第一参数部86、第二参数部87、第三参数部88、第四参数部89、第五参数部90、第一加法运算器91、第二加法运算器92、减法运算器93、第一积分器94以及第二积分器95。在这些构成要素中，由第一参数部86、第二参数部87、第三参数部88、第四参数部89、第一加法运算器91、第二加法运算器92、减法运算器93以及第一积分器94构成了稳态卡尔曼滤波器100。
[0065]
第二参数部87的输出端连接于第一加法运算器91的一个加法运算输入端子。第一加法运算器91的输出端子连接有第一积分器94的输入端，第一积分器94的输出端连接于第一参数部86的输入端及第三参数部88的输入端。第三参数部88的输出端连接于减法运算器93的减法运算输入端子。减法运算器93的加法运算输入端子连接于上述的微分器62的输出端。减法运算器93的输出端子连接于第四参数部89的输入端及第五参数部90的输入端。第一参数部86的输出端连接于第二加法运算器92的一个加法运算输入端子，第四参数部89的输出端连接于第二加法运算器92的另一个加法运算输入端子。第二加法运算器92的输出端子连接于第一加法运算器91的另一个加法运算输入端子。第五参数部90的输出端与第二积分器95的输入端连接，第二积分器95的输出端连接于上述的减法运算器71的减法运算输入端子。
[0066]
第一参数部86、第二参数部87、第三参数部88分别保存有模型(输入：电流，输出：速度)的状态变量参数a、b、c。这些参数a、b、c的导出是按照matlab(注册商标)的程序进行的。
[0067]
另外，第四参数部89保存有模型的状态估计参数l
x
，第五参数部90保存有线性马达1的干扰估计参数l
d
。参数l
x
是模型增益，用于规定针对在被进行比较的模型的波形与实际的波形之间产生的误差的灵敏度，在即使是小的误差也想要进行校正的情况下，将该参数l
x
设定得大。另外，参数l
d
也与参数l
x
同样地，是用于规定校正中的灵敏度的模型增益。
[0068]
此外，在实际的安装时，作为这些各参数，优选使用离散化后的参数。
[0069]
计算对模型输入了输入指令u’时的速度波形的估计值(没有齿槽效应的影响的情况下的速度波形)。将该计算出的模型的速度波形与由微分器62对位置信息x进行微分所得到的实际的线性马达1的速度波形进行比较，通过减法运算器93求出它们的差。像这样，使用来自模型的估计值来估计动态系统(控制对象)的运动，由于使用将参数l
x
设为模型增益所决定的值，因此取得作为稳态卡尔曼滤波器的方式。
[0070]
使用由减法运算器93获得的差(误差)来决定干扰的估计值^d，通过减法运算器71从输入指令u’减去所决定的干扰的估计值^d，来实现齿槽效应的降低。
[0071]
下面，说明利用上述那样的逆校正控制与观测器控制的组合来控制线性马达1的速度和位置的实施方式。
[0072]
图11是示出本发明所涉及的马达的控制装置的其它实施方式的结构的框图。此外，在图11中，对与图3及图4相同的部分标注相同的编号和附图标记。
[0073]
此实施方式除了具有与图3同样的控制对象 齿槽效应40、逆校正控制系统50以及干扰观测器控制系统60之外，还具有速度控制部111、减法运算器112、位置控制部121以及
减法运算器122。由速度控制部111和减法运算器112构成了速度控制系统110，由位置控制部121和减法运算器122构成了位置控制系统120。
[0074]
速度控制部111的输出端连接于上述的减法运算器71的加法运算输入端子及上述的干扰观测器61的输入端。速度控制部111的输入端连接于减法运算器112的输出端子。减法运算器112的减法运算输入端子连接于上述的微分器62的输出端子，减法运算器112的加法运算输入端子连接于位置控制部121的输出端。位置控制部121的输入端连接于减法运算器122的输出端子。另外，减法运算器122的减法运算输入端子连接于上述的控制对象 齿槽效应40的输出端(加法运算器42的输出端子)。
[0075]
从外部向减法运算器122输入位置的基准值r
p
，并且向减法运算器122输入来自加法运算器42的位置输出x
p
，减法运算器122将作为两者之差(＝r
p
‑
x
p
)的位置指令e
p
输出到位置控制部121。另外，向减法运算器112输入作为位置控制部121的输出的速度的基准值r
v
，并且向减法运算器112输入来自微分器62的速度输出x
v
，减法运算器112将作为两者之差(＝r
v
‑
x
v
)的速度指令e
v
输出到速度控制部111。
[0076]
在图11所示的结构中，通过利用逆校正控制与观测器控制的组合，能够将线性马达1的速度控制部111和位置控制部121分别简单地设计为pi控制器和p控制器。在下述(1)中将pi控制器中的函数式表示为时间s的函数，在下述(2)中将p控制器中的函数式表示为时间s的函数。
[0077]
u'(s)＝k
pv
(1 t/t
is
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0078]
r
v
(s)=k
pp
e
p
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0079]
其中，k
pv
：pi控制的增益常数，
[0080]
t
i
：pi控制的积分系数，
[0081]
k
pp
：p控制的增益常数。
[0082]
下面，说明使用图11所示的结构进行的控制的具体例。
[0083]
关于速度控制，将速度控制部111的增益常数k
pv
和积分系数t
i
分别手动调整为k
pv
＝100和t
i
＝0.0083。在图12中示出以目标速度为0.05m/s、最大加速度为14m/s2的方式设定基准而得到的速度控制的结果。另外，在图12中还一并示出不利用本发明那样的逆校正控制与观测器控制的组合而同样地进行的速度控制的结果。在图12中，横轴表示时间[s]，纵轴表示速度[m/s]，另外，图12中的(a)、(b)分别示出利用了逆校正控制与观测器控制的组合的例子(本发明例)、不利用逆校正控制与观测器控制的组合的例子(比较例)。
[0084]
另外，在图13中示出上述的本发明例(a)和比较例(b)中的时间6.5秒～6.7秒之间的过渡状态中的速度变化。在图13中，横轴和纵轴与图12中的横轴和纵轴相同。
[0085]
根据图12和图13所示的结果能够理解，与未进行齿槽效应补偿的比较例(b)相比，将逆校正控制与观测器控制组合来进行齿槽效应补偿的本发明例(a)中的速度响应的过冲得到了抑制。
[0086]
关于位置控制，将位置控制部121的增益常数k
pp
手动调整为k
pp
＝19。在图14中示出以目标位置为0.045m和0.135m、速度为1.25m/s和0.1m/s的方式设定基准而得到的本发明例的位置控制的结果。此外，在图14中用虚线示出设为基准的位置控制的例子。在图14中，横轴表示时间[s]，纵轴表示位置[m]。
[0087]
根据图14所示的结果能够理解，在利用了逆校正控制与观测器控制的组合的本发
明例中，能够不受齿槽效应的影响地进行大致与基准相符的位置控制。
[0088]
根据以上内容，能够理解，通过利用上述那样的逆校正控制与观测器控制的组合，能够抑制齿槽效应的影响，从而高精度地控制线性马达1的速度和位置，证实了本发明中的控制方法和控制装置的有效性。
[0089]
此外，在上述的实施方式中，将控制对象设为线性马达，但是对于旋转型的马达，也能够与线性马达同样地应用本发明的控制，这是不言而喻的。
[0090]
应认为所公开的实施方式在所有方面都是例示性的而非制限性的。本发明的范围不是通过上述的说明表示，而是通过权利要求书表示，意图包含与权利要求书等同的含义和范围内的全部变更。