指令生成装置和指令生成方法
技术领域
本发明涉及生成与电动机的动作有关的指令的指令生成装置和指令生成方法。
背景技术
以前，电动机控制装置根据来自上位装置的位置指令、转速指令对电动机进行旋转控制。
在日本公开公报特开2015-156734号公报中，公开了一种电动机驱动装置，其根据来自上位装置的指令信息生成内部指令信息，使电动机跟随该内部指令信息。在此，电动机驱动装置根据基于来自上位装置的脉冲串指令的位置指令，生成梯形速度模式的内部位置指令。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开公报：日本特开2015-156734号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，日本公开公报特开2015-156734号公报所记载的技术只限于内部位置指令的生成方法。另外，通过利用了来自上位装置的脉冲串指令的开放循环而生成内部指令，因此指令生成的自由度低，指令生成的精度不充分。
因此，本发明的目的在于：提供能够生成用于高精度地控制电动机的指令值(内部目标值)的指令生成装置和指令生成方法。
用于解决问题的方法
为了解决上述问题，本发明的一个实施例的指令生成装置具备：指令接收部，其从上位装置接收与电动机的动作有关的上位指令值；内部目标生成部，其根据上述上位指令值，生成包含上述电动机的位置目标值和转速目标值的内部目标值。上述内部目标生成部具备根据上述上位指令值与上述内部目标值的差分，生成修正后的上述内部目标值的反馈计算部，并且，在比上述指令接收部对上述上位指令值的接收周期短的周期，生成修正后的上述内部目标值。
另外，本发明的一个实施例的指令生成方法包括：从上位装置接收与电动机的动作有关的上位指令值的步骤；根据上述上位指令值，生成包含上述电动机的位置目标值和转速目标值的内部目标值的步骤。在生成上述内部目标值的步骤中，进行根据上述上位指令值与上述内部目标值的差分生成修正后的上述内部目标值的反馈计算，并且，在比上述上位指令值的接收周期短的周期，生成修正后的上述内部目标值。
并且，本发明的一个实施例的电动机控制装置具备：上述指令生成装置；动作控制部，其根据由上述指令生成装置生成的上述内部目标值，进行上述电动机的位置控制和转速控制。
另外，在本发明的一个实施例的电动机单元中，上述电动机控制装置载置于电路基板上，上述电路基板向上述电动机供给驱动电力。
发明效果
根据本发明的一个实施例，在比上位指令值的接收周期短的周期进行反馈计算，生成电动机的位置目标值和转速目标值，因此能够生成可进行电动机的高精度同步运转的指令值。
附图说明
图1是本实施方式的电动机驱动系统的结构例子。
图2是表示电动机单元的具体结构的图。
图3是表示内部目标生成部的具体结构的图。
图4是表示内部目标生成部的另一个结构的图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式。
此外，本发明的范围并不限于以下的实施方式，在本发明的技术思想的范围内能够任意地进行变更。
图1是本实施方式的电动机驱动系统10的结构例子。
电动机驱动系统10具备上位装置1、电动机控制装置2、电动机3。
上位装置1具备生成与电动机的动作有关的上位指令值的上位指令生成部11，向电动机控制装置2发送由上位指令生成部11生成的上位指令值。通过与电动机控制装置2独立的模块驱动该上位装置1。
另外，上位指令值包含与电动机3的位置指令值和转速指令值的至少一方有关的信息。
此外，在以下的说明中，将作为上位指令值的位置指令值称为“上位位置指令值”，将作为上位指令值的转速指令值称为“上位转速指令值”。
在本实施方式中，说明上位指令值是数字电信号(脉冲串指令)的情况。电动机控制装置2能够根据脉冲串指令的脉冲接收时刻取得位置指令值，根据脉冲串指令的脉冲宽度取得转速指令值。即，本实施方式的上位指令值包含与电动机3的位置指令值有关的信息以及与电动机3的转速指令值有关的信息这双方。
电动机控制装置2具备指令接收部21、内部目标生成部22、动作控制部23。
指令接收部21接收从上位装置1发送的上位指令值。在本实施方式中，上位指令值是脉冲串信号，因此指令接收部21以预定的时间间隔从上位装置1接收与位置指令值有关的信息和与转速指令值有关的信息。指令接收部21向内部目标生成部22输出从上位装置1接收到的上位指令值。
内部目标生成部22根据由指令接收部21接收到的上位指令值生成内部目标值，将生成的内部目标值输出到动作控制部23。在此，内部目标值包含电动机3的位置目标值和转速目标值。此外，在以下的说明中，将作为内部目标值的位置目标值称为“内部位置目标值”，将作为内部目标值的转速目标值称为“内部转速目标值”。
动作控制部23根据由内部目标生成部22生成的内部位置目标值和内部转速目标值，进行电动机3的位置控制和转速控制。
在该图1中，指令接收部21和内部目标生成部22与指令生成装置对应。
图2是表示电动机单元的具体结构的图。
电动机单元具备电动机控制装置2、电动机3。电动机控制装置2载置在电路基板(未图示)上，该电路基板向电动机3供给驱动电力。
如图2所示，在电动机3中安装有检测电动机旋转角的位置传感器3a。在此，位置传感器3a例如可以是霍尔传感器等磁传感器。此外，位置传感器3a也可以是光学传感器、解释器(resolver)等。
通过时间捕获器(time capture)23a取得位置传感器3a的输出信号。传感器信号处理部23b根据通过时间捕获器23a取得的位置传感器3a的输出信号，并且测定电动机旋转角(电动机实际位置)和电动机转速，并输出到位置/速度控制部23c。
位置/速度控制部23c根据由内部目标生成部22生成的内部位置目标值和内部转速目标值、由传感器信号处理部23b测定的电动机实际位置和电动机转速，生成电压指令值。电压控制部23d根据由位置/速度控制部23c生成的电压指令值，计算PWM信号的占空比。逆变器控制部23e根据由电压控制部23d计算出的占空比，生成PWM信号。
栅极驱动器23f根据由逆变器控制部23e生成的PWM信号，对构成逆变器23g的开关元件进行接通/断开控制。逆变器23g构成为包含上述开关元件，按照栅极驱动器23f的控制向电动机3供给驱动电力。
如图2所示，能够由软件(S/W)构成组成电动机控制装置2的各部中的指令接收部21、内部目标生成部22、传感器信号处理部23b、位置/速度控制部23c、电压控制部23d、以及逆变器控制部23e。另外，能够由硬件(H/W)构成逆变器23g。
接着，说明内部目标生成部22的具体结构。
图3是表示内部目标生成部22的具体结构的框图。内部目标生成部22具备前馈计算部221、差分计算部222、修正值生成部223、加法部224、积分器225。在此，差分计算部222和修正值生成部223构成反馈计算部226。
前馈计算部221从上述指令接收部21输入上位指令值，根据该上位指令值，使用预定的模型生成前馈速度目标值ωFF。前馈计算部221具备脉冲测定部221a、移动平均处理部221b、倒数计算器221c。
脉冲测定部221a是记录作为上位指令值的脉冲串信号的上升沿到下降沿的计数值而测定周期T1的计时器。移动平均处理部221b构成为包含移动平均过滤器，计算作为周期T1的移动平均值的周期T2。倒数计算器221c使用反函数模型计算周期T2的倒数，生成计算结果作为前馈速度目标值ωFF。
这样，前馈计算部221通过计时器测定作为上位指令值的脉冲串指令的周期，根据移动平均处理后的结果，使用预定的模型(反函数(inverse function)模型)生成前馈速度目标值ωFF。
此外，在本实施方式中，说明在移动平均处理部221b中进行移动平均处理的情况，但也可以使用移动平均以外的平滑化单元。作为平滑化单元的例子，也可以使用低通滤波器等。
通过由反馈计算部226生成的修正值ωFB对由前馈计算部221生成的前馈速度目标值ωFF进行修正，作为修正后的内部目标值即内部转速目标值ωref而输出。即，前馈速度目标值ωFF可以说是内部目标值的基准值。
反馈计算部226根据上位指令值与内部目标值的差分，生成用于修正作为内部目标值的基准值的前馈速度目标值ωFF的修正值ωFB。
差分计算部222计算上位指令值与内部目标值的差分。具体地说，差分计算部222计算上位位置指令值θ*与内部位置目标值θref的差分Δθ。
修正值生成部223根据由差分计算部222计算出的上位指令值与内部目标值的差分，生成用于修正上述基准值的修正值。具体地说，修正值生成部223根据上位位置指令值θ*与内部位置目标值θref的差分，生成反馈速度目标值ωFB作为用于修正前馈速度目标值ωFF的修正值。
修正值生成部223具备开关223a、修正值计算部223b、限制器223c。
开关223a在接通状态下向修正值计算部223b输出上位位置指令值θ*与内部位置目标值θref的差分Δθ。修正值计算部223b根据差分Δθ，计算用于使内部位置目标值θref与上位位置指令值θ*一致的前馈速度目标值ωFF的修正值。限制器223c针对由修正值计算部223b计算出的修正值设置上限和下限，输出作为最终的修正值的反馈速度目标值ωFB。
加法部224将由反馈计算部226生成的反馈速度目标值ωFB与由前馈计算部221生成的前馈速度目标值ωFF相加，输出作为修正后的内部目标值的内部转速目标值ωref。
积分器225对从加法部224输出的内部转速目标值ωref进行积分，生成内部位置目标值θref。在此，将上述积分器225的积分的周期设定得比内部目标生成部22接收上位指令值的周期短。即，内部目标生成部22在比上位指令值的接收周期短的周期，生成修正后的内部目标值。
图4是表示内部目标生成部22的另一个结构的框图。
上述图3所示的内部目标生成部22具备前馈计算部221和反馈计算部226，与此相对，图4所示的内部目标生成部22只具备反馈计算部226。更具体地说，图4所示的内部目标生成部22不具备前馈计算部221和加法部224，具备积分器225和反馈计算部226。
在该情况下，反馈计算部226根据上位指令值与内部目标值的差分，生成修正后的内部目标值。即，反馈计算部226根据上位位置指令值θ*与内部位置目标值θref的差分Δθ，利用比例/微分/积分运算等计算反馈速度目标值ωFB，并直接作为修正后的内部目标值即内部转速目标值ωref输出。另外，与图3同样地，内部目标生成部22在比上位指令值的接收周期短的周期，生成修正后的内部目标值。
如以上那样，本实施方式的电动机控制装置2具备根据来自上位装置1的与电动机3的动作有关的上位指令值生成内部目标值的指令生成装置。另外，电动机控制装置2具备根据由指令生成装置生成的内部目标值进行电动机3的位置控制和转速控制的动作控制部23。电动机控制装置2具备指令生成装置和动作控制部23，由此无论上位装置1是怎样的产品，都能够高精度地进行组装在上位装置1中的电动机3的位置控制或转速控制。
在此，指令生成装置具备指令接收部21、内部目标生成部22。指令接收部21从上位装置1接收与电动机3的动作有关的上位指令值。另外，内部目标生成部22根据由指令接收部21接收到的上位指令值，生成包含电动机3的位置目标值和转速目标值的内部目标值。
另外，如图4所示，内部目标生成部22可以具备根据上位指令值与内部目标值的差分生成修正后的内部目标值的反馈计算部226。这时，内部目标生成部22按照比上位指令值的接收周期短的周期，生成修正后的内部目标值。
这样，内部目标生成部22具备反馈计算部226，针对根据上位指令值生成的内部目标值，进而进行基于反馈计算的修正。因此，能够生成可进行电动机的高精度同步运转的指令值。另外，内部目标生成部22按照比上位指令值的接收周期短的周期生成内部目标值，因此能够更高精度(能够顺畅地控制电动机3)地生成指令值。进而，内部目标生成部22能够高精度地生成位置目标值和转速目标值这双方作为内部目标值。因此，动作控制部23能够高精度地进行电动机3的位置控制和转速控制这双方，能够进行电动机3的高精度同步运转。
并且，如果由于噪声的叠加等而上位指令值的信号紊乱，则无法高精度地控制电动机3的动作。与此相对，在本实施方式中，根据上位指令值与内部目标值的差分，通过反馈计算生成修正后的内部目标值，根据修正后的内部目标值控制电动机3。因此，能够抑制上述信号的紊乱的影响，而高精度地控制电动机3。
并且，在本实施方式中，上位指令值是脉冲串信号。例如，为了实现独立的微处理器的同步，也有采用串行通信方式的方法，但在该情况下，需要通信专用的硬件，会造成成本提高。在本实施方式中，使用脉冲串信号作为上位指令值，因此不需要上述那样的高成本的专用硬件，能够削减相应的成本。另外，通过使用脉冲串信号作为上位指令值，能够通过脉冲串信号的上升沿和下降沿的检测容易地取得上位指令值包含的位置指令值和转速指令值，能够适当地生成内部目标值。
另外，如图3所示，内部目标生成部22可以具备前馈计算部221、反馈计算部226、加法部224。前馈计算部根据上位指令值，使用预定的模型生成内部目标值的基准值。反馈计算部根据上位指令值与内部目标值的差分，生成用于修正通过前馈计算部221生成的基准值的修正值。加法部将上述修正值与上述基准值相加，生成修正后的内部目标值。
在此，反馈计算部226具备计算上位指令值与内部目标值的差分(差值)的差分计算部222、根据该差分生成用于修正上述基准值的修正值的修正值生成部223。这样，内部目标生成部22通过反馈计算对通过前馈计算预测出的目标值进行修正，生成修正后的内部目标值。
在通过前馈计算预测出的目标值中有可能包含任意的误差，该误差会对电动机控制的精度产生不少坏影响。在本实施方式中，通过反馈计算对通过前馈计算预测出的目标值进行修正，因此能够适当地修正通过前馈计算预测出的目标值所包含的上述误差。其结果是，能够高精度地生成电动机控制所使用的内部目标值。
并且，前馈计算部221生成内部转速目标值ωref的基准值，反馈计算部226根据上位位置指令值θ*与内部位置目标值θref的差分，生成用于修正内部转速目标值ωref的基准值的修正值。
这样，在前馈计算部221中生成了转速目标值的基准值的情况下，在反馈计算部226中，根据位置指令值与位置目标值的差分，生成用于修正转速目标值的基准值的修正值。这样，将位置目标值和转速目标值中的任意一方的基准值通过基于另一方的上述差分生成的修正值进行修正。因此，能够适当地修正通过前馈计算预测出的目标值，能够高精度地生成内部目标值。
另外，前馈计算部221通过计时器取得脉冲串信号的周期T1，根据取得的脉冲串信号的周期T1，使用预定的模型生成作为内部转速目标值ωref的基准值的前馈速度目标值ωFF。这时，前馈计算部221能够生成平滑化了的上述基准值。由此，前馈计算部221能够抑制上位指令值的信号偏差，适当地生成前馈速度目标值ωFF。
如以上说明的那样，本实施方式的指令生成装置的指令生成方法包括：从上位装置接收与电动机的动作有关的上位指令值的步骤；根据上位指令值，生成包含电动机的位置目标值和转速目标值的内部目标值的步骤。另外，在生成内部目标值的步骤中，进行根据上位指令值与内部目标值的差分生成修正后的内部目标值的反馈计算，生成在比上位指令值的接收周期短的周期生成修正后的内部目标值。另外，也可以在生成内部目标值的步骤中，进行根据上位指令值使用预定的模型生成内部目标值的基准值的前馈计算、根据上位指令值与内部目标值的差分生成用于修正基准值的修正值的反馈计算、将修正值与基准值相加生成修正后的内部目标值的计算，在比上位指令值的接收周期短的周期，生成修正后的上述内部目标值。
由此，能够根据从由与电动机控制装置2独立的模块驱动的上位装置1发送的上位指令值，生成能够廉价、高效、并且高精度地实现电动机3在预定的时刻位于预定的位置这样的同步运转的内部目标值。因此，能够实现与上位指令值对应的高精度的电动机同步旋转。
本实施方式的电动机驱动系统10适合于严格地要求电动机的位置控制和转速控制的系统。作为这样的系统，例如有对OA设备、激光雷达、风扇等所使用的电动机进行驱动控制的系统。
(变形例子)
在上述实施方式中，说明了反馈计算部226根据上位位置指令值θ*与内部位置目标值θref的差分Δθ生成反馈速度目标值ωFB的情况。但是，反馈计算部226并不限于反馈位置目标值的结构，也可以是反馈转速目标值的结构。
即，也可以在图3所示的内部目标生成部22的情况下，前馈计算部221生成内部位置目标值θref的基准值，反馈计算部226根据上位转速指令值与内部转速目标值ωref的差分，生成用于修正上述基准值的修正值。在该情况下，也能够得到与上述实施方式同样的效果。
这样，前馈计算部221生成位置目标值和转速目标值中的任意一方的内部目标值的基准值，反馈计算部226根据位置目标值和转速目标值中的另一方的上位指令值与内部目标值的差分，生成用于修正上述基准值的修正值。
另外，在上述实施方式中，说明了上位指令值是脉冲串信号的情况，但上位指令值只要包含与电动机3的位置指令值和转速指令值的至少一方有关的信息即可，并不限于脉冲串信号。例如，在上位指令值中只包含与位置指令值和转速指令值的任意一方有关的信息的情况下，也能够使用预定的模型生成位置指令值和转速指令值的另一方的信息。因此，能够适当地生成位置目标值和转速目标值双方作为内部目标值。
另外，图3所示的内部目标生成部22也可以切换为以下的结构，即与指令值的推定状态对应地断开开关223a并关闭反馈计算，只使前馈计算部发挥功能。
另外，在上述实施方式中，说明了在反馈计算部226中反馈内部目标值的情况，但也可以切换为与电动机3的控制方法对应地反馈电动机实际位置的结构。在反馈电动机实际位置的情况下，也可以构成为与电动机的状态对应地，对开关223a进行接通断开，而打开关闭反馈计算。例如，也可以在电动机的旋转状态良好的情况下接通开关223a，在电动机的旋转状态差，电动机实际位置存在偏差的情况下，断开开关223a。
进而，在上述实施方式中，说明了电动机控制装置2具备指令生成装置的情况，但也可以是上位装置1具备指令生成装置。但是，在具备动作控制部24的电动机控制装置2具备指令生成装置的情况下，能够高精度地将通过指令生成装置生成的指令值用于电动机控制，能够高精度地控制电动机的动作。
符号说明
1：上位装置；2：电动机控制装置；3：电动机；10：电动机驱动系统；21：指令接收部；22：内部目标生成部；23：动作控制部；221：前馈计算部；222：差分计算部；223：修正值生成部；224：加法部；225：积分器；226：反馈计算部。
