JP4123333B2 - Electric motor control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷機械を駆動する電動機に適切な駆動電圧を与えるための電動機制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の装置としては、特開平06−030578号に開示されている2自由度の電動機の位置制御装置と、特開平11−18469号に開示の電動機のディジタル電流制御装置がある。特開平06−030578号の場合、フィードバックループの応答周波数は、位置制御ループ<速度制御ループ<電流制御ループ、の順に高速応答性が必要であり、通常、速度制御ループの応答周波数は位置制御ループの数倍以上となるように制御系のゲインが設定される。従って、位置制御ループの応答性(比例定数Kpを用いた)を上げるには、速度制御ループの応答性を上げる必要があるが、速度制御ループの応答周波数を上げると今度は機械振動が発生する。
この速度制御系の応答性の制約から位置制御ループのゲインを上げるのが困難なために、位置・速度フィードバックループとは無関係に、機械共振を無視した機械系模擬回路を制御対象とするフィードフォワード型の位置・速度制御ループを別に設けて、フィードフォワード制御によって応答周波数を上げると同時に、一方のフィードバックループにより機械振動を抑制する2自由度の制御系を構成して、与えられた位置指令に対して所定のトルク指令を生成し高速応答を可能にしている。また、特開平11−18469号の場合は、高速応答の電流制御性能を得るために電流制御ループの応答周波数を高くするとオーバーシュートが増加する課題を解消しようとする装置であって、電流制御フィードバックループとは別に、フィードフォワード制御部を設けて1次電流指令を1サンプリング周期遅らせたモデル電流を出力することで、モデル電流は1次電流指令値の変化に対して1サンプリング周期遅れで追従し、与えられた電流指令又はトルク指令に対する電圧指令を生成して、デッドビート応答によってオーバーシュートを抑制し、高速応答を実現するものである。このように特開平06−30578号は、位置・速度制御ループの応答周波数を機械フィードフォワードを構成して上げるものであり、特開平11−18469号の場合は、電流制御ループで電流フィードフォワードを構成して高速応答を達成しているもので、これらを組合わせて、位置制御ループ、速度制御ループ、電流制御ループの高速応答システムを構成しようとすれば、図5に示すような電動機制御装置となる。この装置は機械システム5と、実測定部6、位置指令発生器7と、機械フィードフォワード制御部21と、機械フィードバック制御部22と、加算器23と、電流フィードフォワード制御部24と、電流フィードバック制御部25と、加算器26とで構成されている。先ず、位置指令に対して機械フィードフォワード制御部21により位置制御、速度制御ループの応答周波数を上げ、機械フィードバック制御部22により機械振動を抑制してトルク指令Trefを出力する。トルク指令Trefに対して電流フィードフォワード制御部24では、デッドビート応答制御によって振動低減を図り電流制御ループの高速応答が可能な電圧指令Vrefをパワー部4に印加しているので、機械フィードフォワード制御部21の導入によって、高速の位置応答制御が得られ、電流フィードフォワード制御部24の導入により、高速の電流応答制御が得られる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、図5のように機械フィードフォワード制御部21を、電流フィードフォワード制御部24の入出力特性と、電流フィードバック制御部25の入出力特性と、加算器26の入出力特性と、パワー部4の入出力特性と、電動機4の電磁気特性とを考慮しないで構築した場合、機械フィードフォワード制御部21にはモデリング誤差が存在することになり、実位置指令に対して実位置応答にはオーバーシュートや振動が生ずるという問題があった。
更に、仮に、機械フィードフォワード制御部21を、電流フィードフォワード制御部24の入出力特性と、電流フィードバック制御部25の入出力特性と、加算器26の入出力特性と、パワー部4の入出力特性と、電動機3の電磁気特性とを考慮した場合には、少なくともパワー部4の入出力特性と、電動機3の電磁気特性を模擬するために、機械フィードフォワード制御部21と電流フィードフォワード24の両方で、この模擬演算を行うことになるので制御装置の構成が複雑になり、必要以上に演算時間が長くなって制御性能に悪影響を及ぼすという問題があった。
更に、電流フィードフォワード制御部24の出力Vffは、機械フィードバック制御部22の出力Tfbを含んだトルク信号Trefに基づいて生成されるので、電流フィードフォワード制御部24の出力Vffは、機械フィードバック制御部22K出力Tfbの影響を受けた。
また、機械フィードバック制御部22の出力Tfbは位置・速度観測ノイズや機械外乱などによって影響されていた。。従って、電流フィードフォワード制御部24の出力Vffは、位置・速度観測ノイズや機械外乱などによって影響を受けて、電流フィードバック制御部24の設計は、機械フィードバック制御部22の出力信号Tfbの特性(位置・速度観測ノイズや機械外乱などによって影響されている)により制限されることになり、自由に行うことができなかった。すなわち、位置指令に対する応答特性とノイズや外乱に対する応答特性とを、それぞれ独立に設計できないという問題があった。
そこで、本発明は、実位置指令に対して実位置応答にはオーバーシュートや振動が生ずることが無く、高速応答を実現するサンプリング時間の短縮に悪影響を与えることが無い、位置指令に対する応答特性と、ノイズや外乱に対する応答特性とを独立で設計できる電動機制御装置を提供することを目的にしている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、動力を伝達する伝達機構と、
前記伝達機構を介して負荷機械を駆動する電動機と、
前記電動機を駆動する動力を与えるパワー部を有する機械システムと、
前記機械システムの状態量を観測し少なくとも実位置信号θと実電流Iを提供する実測定部と、
位置指令θrefを提供する位置指令発生器を備えて、
前記機械システムが所望の動作となるように前記パワー部に適正電圧指令を与える電動機制御装置であって、
前記位置指令θrefに基づいて模擬位置指令θff、模擬速度指令ωff、模擬電流指令Iffおよび模擬電圧指令Vffとを
θff=θref/(Tf*s+1)^4 (1)
ωff=θref*s/(Tf*s+1)^4 (2)
Iff=Kf1*θref*s^2/(Tf*s+1)^4 (3)
Vff=Kf2*θref*s^3/(Tf*s+1)^4 (4)
(但し、sは微分演算子、Tfは時定数、Kf1は比例係数、Kf2は比例係数)
により提供するフィードフォワード制御部と、前記模擬位置指令θff、前記模擬速度指令ωff、前記模擬電流指令Iff、前記実位置信号θおよび前記実電流信号Iとに基づいてフィードバック電圧指令Vfbを
Vfb={Kfbv[Kfbp*(θff−θ)+ωff−θ*s]
+Iff−I}*Kfbi (5)
(但し、Kfbv、Kfbp、Kfbiは制御ゲイン)
により提供するフィードバック制御部と、前記フィードバック電圧指令Vfbと前記模擬電圧指令Vffとを加算し電圧指令Vrefを提供する加算器とを備えたことを特徴としている。
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、前記フィードフォワード制御部が、前記機械システムを少なくとも3次積分演算で模擬し前記模擬電圧指令Vffに基づいて少なくとも模擬位置指令θffと模擬速度指令ωffと模擬電流指令Iffとを有する模擬状態量Xθiを提供する模擬モデルと、該模擬状態量Xθiと前記位置指令θrefとに基づいて模擬電圧指令Vffを提供するフィードフォワードコントローラとを備えたことを特徴としている。
また、請求項3記載の発明は、請求項2記載の電動機制御装置において、前記模擬モデルが、前記電動機の電磁気特性と前記パワー部の特性とを少なくとも1次の積分演算と1回の比例演算とで模擬し、前記模擬電圧指令Vffに基づいて模擬電流指令Iffと模擬トルク指令Tffとを提供する模擬電磁気モデルと、前記電動機の機械特性と負荷機械の機械特性と伝達機構の機械特性とを少なくとも2次の積分演算と1回の比例演算とで模擬し、前記模擬トルク指令Tffに基づいて少なくとも模擬位置指令θffと模擬速度指令ωffとを有する模擬機械状態量Xθを提供する模擬機械モデルとを備えたことを特徴としている。
また、請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の電動機制御装置において、前記電動機の制御が、複数のプロセッサ上で動作するソフトウェアにより構成されることを特徴としている。
この請求項1記載の電動機制御装置によれば、簡素な構成により迅速な演算が可能な電動機制御装置によって、モデリング誤差が無く、且つ、フィードフォワード制御部の設計をフィードバック制御部のTfbに制限されないように、位置指令、速度指令、電流指令に対する応答特性とノイズや外乱に対する応答特性を独立に設計できる自由度を確保して、機械系の振動を抑制し、電流制御ループの遅れを改善して、系の高速応答化を可能にできる。
【0005】
また、請求項2記載の電動機制御装置によれば、フィードフォワード制御部を、フィードフォワードコントローラと機械システムを積分演算で模擬した模擬モデル8bで構成して、模擬モデル8bによって模擬状態量Xθiを生成するので、機械システムの特性を考慮した制御が容易になり、振動抑制と高速応答化が可能になる。また、模擬モデルを、模擬電磁気モデルと、機械システムを2慣性モデルなどの近似モデルで模擬した模擬機械モデル8b2を用いて構成し、模擬機械状態量Xθを生成するので、模擬モデル8bを構築する際に機械システムの特性を模擬することが容易になり、高速応答制御が可能になる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る電動機制御装置のブロック図である。図1において、電動機制御装置は、負荷機械1と、動力を伝達する伝達機構2と、その伝達機構2を介して負荷機械1を駆動する電動機3と、電動機3を駆動する電力を与えるパワー部4を有する機械システム5と、機械システム5の状態量を観測し、電流検出器、エンコーダ等により、少なくとも実位置信号θと実電流信号Iとを提供する実測定部6と、位置指令θrefを出力する位置指令発生器7と、位置指令θrefに基づいて、模擬位置指令θff、模擬速度指令ωff、模擬電流指令Iff、模擬電圧指令Vffを提供するフィードフォワード制御部8と、模擬位置指令θff、模擬速度指令ωff、模擬電流指令Iffと、実位置信号θと実位置信号Iとに基づいてフィードバック電圧指令Vfbを提供するフィードバック制御部9と、フィードバック電圧指令Vfbと模擬電圧指令Vffを加算して電圧指令Vrefを出力する加算器10とで構成されている。なお、機械システム5と実測定器6と位置指令発生器7は従来装置のもので構わない。つぎに動作について説明する。フィードフォワード制御部8は、次の式から位置指令θrefを基に、模擬位置指令θffと模擬速度指令ωffと模擬電流指令Iffと模擬電圧指令Vffとを生成する。
θff=θref/(Tf*s+1)^4 (1)
ωff=θref*s/(Tf*s+1)^4 (2)
Iff=KfI*θref*s^2/(Tf*s+1)^4 (3)
Vff=Kf2*θref*s^3/(Tf*s+1)^4 (4)
但し、sは微分演算子、Tfは時定数、Kf1、Kf2は比例係数である。フィードフォワード制御部8で作成されたθff、ωff、Iffはフィードバック制御部9へ提供され、実測定部6からの実位置信号θと実位置電流Iとにより、フィードバック制御部9は次式からフィードバック電圧指令Vfbを生成する。
Vfb={Kfbv[Kfbp*(θff−θ)+ωff−θ*s]
+Iff−I}*Kfbi (5)
但し、Kfbv、Kfbp、Kfbiは制御ゲインである。この各制御ゲインKfbv、Kfbp、Kfbiの設定は従来のフィードバック制御器のように、例えば、伝達関数式等により理論的に設定し、セルフ・チューニング等により実際に数値を入れて最適値に設定する。次に、加算器10でフィードフォワード制御部8からの模擬電圧指令Vffとフィードバック制御部9からのフィードバック電圧指令Vfbを入力加算して、電圧指令Vrefを生成しパワー部4に印加する。このようにフィードフォワード制御部8により電流制御ループの遅れを解消し、高速応答化された模擬電圧指令Vffと、機械システム5の振動成分を抑圧するフィードバック制御部9からのフィードバック電圧指令Vfbを加算することで、迅速な演算処理によりモデリング誤差の無い、振動成分を抑圧して高速応答を実現する電圧指令Vrefが得られる。なお、フィードバック制御部9を従来のPID制御のように構成してもよい。その場合の制御構成や、そのゲイン設定は当業者にとって明らかなものであるから、その評価は略す。また、図1では詳細は省略したが、実際の回路では、フィードフォワード制御部8の模擬電流指令Iffや、模擬電圧指令Vff等は座標変換器を介し、図4に示すように、q軸、d軸成分Iffq、Iffd、Vffq、Vffd、に分離、Iffd=0として演算するものとする。
【0007】
次に、本発明の第2の実施の形態について図を参照して説明する。
図2は本発明の第2の実施の形態に係るフィードフォワード制御部のブロック図である。図2において、フィードフォワード制御部8は、模擬状態量と位置指令θrefに基づいて模擬電圧指令Vffを提供するフィードフォワードコントローラ8aと、機械システム5を少なくとも3次積分演算で模擬し、模擬電圧指令Vffに基づいて、少なくとも模擬位置指令θff、模擬速度指令ωff、模擬電流指令Iffを有する模擬状態量Xθiを提供する模擬モデル8bとで構成されている。模擬モデル8bは次式より模擬状態量Xθiを生成する。
Iff=Kf3*Vff/s (6)
ωff=Kf4*Iff/s (7)
θff=ωff/s (8)
Xθi=[θff、ωff、Iff] (9)
但し、Kf3は等価インダクタンス、Kf4はトルク係数である。フィードフォワードコントローラ8aは模擬モデル8bより模擬状態量Xθiをフィードバックして、次式より模擬電圧指令Vffを生成する。
Vff=Kff1*(θref−θff)−Kff2*ωff
−Kff3*Iff (10)
但し、Kff1、Kff2、Kff3は制御ゲインである。この場合のKff1〜3の各制御ゲインの設定は、いわゆる極配置法で行えばよい。ちなみに極配置法は通常用いられているもので、状態方程式や伝達関数の係数(極)を行列式に変換して求めるもので、閉ループ中の固有値(極)を極配置法により設定すれば系は安定化できる。
【0008】
このように、第2の実施の形態は、第1の実施の形態とは別に、フィードフォワード制御部8を、機械システム5を3次積分で模擬した模擬モデル8bを用いて、(6)〜(9)式の演算を行うものである。
なお、(6)〜(10)式で求めたIff、ωff、θff、Vffなどはフィードバック制御部9へ提供し、同様に加算器10において、VffとVfbを加算してパワー部4に印加される。また、模擬状態量Xθiは振動抑止ループなどにも使用できる。
【0009】
次に、本発明の第3の実施の形態について図を参照して説明する。
図3は本発明の第3の実施の形態に係る模擬モデルのブロック図である。
図3において、模擬モデル8bは、電動機3の電磁気特性とパワー部4の特性とを少なくとも1次の積分演算と1回の比例演算とで模擬し、模擬電圧指令Vffに基づいて、模擬電流指令Iffと模擬トルク指令Tffを提供する模擬電磁気モデル8b1と、電動機3の機械特性と負荷機械1の機械特性と伝達機構2の機械特性とを、少なくとも2次の積分演算と1回の比例演算とで模擬し、模擬トルク指令Tffに基づいて、少なくとも模擬位置指令θffと模擬速度指令ωffとを有する模擬機械状態量Xθを提供する模擬機械モデル8b2から構成されている。
模擬電磁気モデル8b1は次式から、模擬電流指令Iffと模擬トルク指令Tffを生成する。
Iff=(Vff−ωff*φ*L)/(L*s+R) (11)
Tff=K*Iff (12)
但し、Lはモータの等価インダクタンス、Rはモータの等価抵抗、φ
は磁束係数、Kはトルク係数である。
模擬機械モデル8b2は、電動機3の機械特性と負荷機械1の機械特性と伝達機構2の機械特性とを剛体モデル、2慣性モデルなどの近似モデルで模擬し、その特性を表すものである。
2慣性モデルで近似する場合、模擬機械モデル8b2は、次式から模擬機械状態量Xθを生成する。
θff=ωff/s (13)
ωff=(Tff−Tk)/(Jm*s) (14)
Tk=Ka*(θff−θffL) (15)
θffL=ωffL/s (16)
ωffL=Tk/(JL*s) (17)
Xθ=[θff、ωff、θffL、ωffL] (18)
但し、Kaはバネ係数、Jmは2慣性モデルの駆動側のイナーシャ、
JLは2慣性モデルの負荷側のイナーシャである。
このように、第3の実施の形態は、機械システム5を2慣性モデルから模擬したもので、ねじれ角の補正などによる振動抑止にも有効である。
【0010】
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
第4の実施の形態は請求項4に関するもので、上述のフィードフォワード制御部8と、フィードバック制御部9とを別々のプロセッサで構成するような例である。このような構成によって、各処理の処理時間が短縮されるので、高速応答が実現できる。
また、高速CPUプロセッサではなくて、限られた種類のプロセッサでも複数使用して分散処理を行えば、オーバーシュートを低減するためのサンプリング周期の短縮も可能になり、高速応答処理が実現できる。
【0011】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機械システムが所望の動作となるようにパワー部に適正電圧指令を与える電動機制御装置で、位置指令θrefに基づいて模擬位置指令θff、模擬速度指令ωff、模擬電流指令Iffおよび模擬電圧指令Vffとを提供するフィードフォワード制御部と、模擬位置指令θffと、模擬速度指令ωffと、模擬電流指令Iffと、実位置信号θと実電流信号Iとに基づいてフィードバック電圧指令Vfbを提供するフィードバック制御部と、フィードバック電圧指令Vfbと模擬電圧指令Vffとを加算し電圧指令Vrefを提供する加算器とを備えたので、実位置指令に対して実位置応答にはオーバーシュートや振動を生じることが無く、サンプリング時間の短縮にも悪影響を与えない、位置指令に対する応答特性とノイズや外乱に対する応答特性とを独立に設計できる電動機制御装置を提供できるという効果がある。
また、フィードフォワード制御部を、模擬電圧指令Vffを提供するフィードフォワードコントローラと、機械システムを少なくとも3次積分演算で模擬し模擬状態量Xθiを提供する模擬モデルとで構成したり、あるいは、その模擬モデルを、電動機の電磁気特性とパワー部の特性とを少なくとも1次の積分演算と1回の比例演算とで模擬した模擬電磁気モデルと、電動機の機械特性と負荷機械の機械特性と伝達機構の機械特性とを少なくとも2次の積分演算と1回の比例演算とで模擬し、模擬機械状態量Xθを提供する模擬機械モデルとで構成することによって、機械システムの特性を模擬することが容易な電動機制御装置を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る電動機制御装置のブロック図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態に係るフィードフォワード制御部のブロック図である。
【図3】本発明の第3の実施の形態に係る模擬モデルのブロック図である。
【図4】図1に示すフィードフォワード制御部の模擬指令の詳細図である。
【図5】従来の電動機制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
1 電動機
2 伝達機構
3 電動機
4 パワー部
5 機械システム
6 実測定部
7 位置指令発生器
8 フィードフォワード制御部
9 フィードバック制御部
10 加算器
8a フィードフォワードコントローラ
8b 模擬モデル
8a1 模擬電磁気モデル
8b2 模擬機械モデル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric motor control device for applying an appropriate driving voltage to an electric motor that drives a load machine.
[0002]
[Prior art]
Conventional devices include a two-degree-of-freedom motor position control device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 06-030578 and a motor digital current control device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-18469. In the case of Japanese Patent Laid-Open No. 06-030578, the response frequency of the feedback loop requires high-speed response in the order of position control loop <speed control loop <current control loop. Normally, the response frequency of the speed control loop is the position control loop. The gain of the control system is set so as to be several times greater than. Therefore, in order to increase the response of the position control loop (using the proportional constant Kp), it is necessary to increase the response of the speed control loop. However, if the response frequency of the speed control loop is increased, this time mechanical vibration is generated. .
Because it is difficult to increase the gain of the position control loop due to this speed control system's responsiveness limitation, the feedforward that controls the machine system simulation circuit that ignores the machine resonance is controlled regardless of the position / speed feedback loop. A separate position / velocity control loop is provided, the response frequency is increased by feedforward control, and at the same time a two-degree-of-freedom control system that suppresses mechanical vibration is formed by one feedback loop. On the other hand, a predetermined torque command is generated to enable high-speed response. In the case of Japanese Patent Laid-Open No. 11-18469, in order to obtain a current control performance with a high-speed response, a device that attempts to solve the problem of an increase in overshoot when the response frequency of the current control loop is increased, and current control feedback Separately from the loop, a feedforward control unit is provided to output a model current obtained by delaying the primary current command by one sampling cycle, so that the model current follows the change of the primary current command value with a delay of one sampling cycle. generates a voltage command for a given current command or torque command, to suppress the overshoot by deadbeat response, is to achieve high-speed response. In this way, JP 06-30578 A raises the response frequency of the position / velocity control loop by constructing a mechanical feed forward. In JP 11-18469 A, the current feed forward is performed in the current control loop. If a high-speed response system of a position control loop, a speed control loop, and a current control loop is configured by combining these to achieve a high-speed response, an electric motor control device as shown in FIG. It becomes. This apparatus includes a
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, as shown in FIG. 5, the mechanical feedforward control unit 21 includes the input / output characteristics of the current
Furthermore, suppose that the mechanical feedforward control unit 21 is connected to the input / output characteristics of the current
Furthermore, since the output Vff of the current
The output Tfb of the mechanical feedback control unit 22 is affected by position / velocity observation noise, mechanical disturbance, and the like. . Therefore, the output Vff of the current
Therefore, the present invention provides a response characteristic to the position command that does not cause overshoot or vibration in the actual position response to the actual position command and does not adversely affect the shortening of the sampling time for realizing a high-speed response. An object of the present invention is to provide an electric motor control device that can independently design response characteristics against noise and disturbance.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes a transmission mechanism for transmitting power,
An electric motor that drives a load machine via the transmission mechanism;
A mechanical system having a power section for supplying power for driving the electric motor;
An actual measurement unit that observes the state quantity of the mechanical system and provides at least an actual position signal θ and an actual current I;
A position command generator for providing a position command θref;
An electric motor control device that gives an appropriate voltage command to the power unit so that the mechanical system performs a desired operation,
Based on the position command θref, a simulated position command θff, a simulated speed command ωff, a simulated current command Iff, and a simulated voltage command Vff are obtained.
θff = θref / (Tf * s + 1) ^ 4 (1)
ωff = θref * s / (Tf * s + 1) ^ 4 (2)
If = Kf1 * θref * s ^ 2 / (Tf * s + 1) ^ 4 (3)
Vff = Kf2 * θref * s ^ 3 / (Tf * s + 1) ^ 4 (4)
(Where s is a differential operator, Tf is a time constant, Kf1 is a proportional coefficient, and Kf2 is a proportional coefficient)
A feed forward control unit be provided by the simulation position instruction [theta] ff, the simulated speed command Omegaff, the simulated current command Iff, a feedback voltage command Vfb based the on the actual position signal θ and the actual current signal I
Vfb = {Kfbv [Kfbp * (θff−θ) + ωff−θ * s]
+ Iff-I} * Kfbi (5)
(However, Kfbv, Kfbp, and Kfbi are control gains.)
And a feedback control unit provided by the above and an adder that adds the feedback voltage command Vfb and the simulated voltage command Vff to provide the voltage command Vref.
According to a second aspect of the present invention, in the electric motor control device according to the first aspect, the feedforward control unit simulates the mechanical system by at least third-order integration calculation and at least a simulated position based on the simulated voltage command Vff. A simulation model that provides a simulated state quantity Xθi having a command θff, a simulated speed command ωff, and a simulated current command Iff, and a feedforward controller that provides a simulated voltage command Vff based on the simulated state quantity Xθi and the position command θref It is characterized by having.
According to a third aspect of the present invention, in the electric motor control apparatus according to the second aspect, the simulation model is configured such that the electromagnetic characteristic of the electric motor and the characteristic of the power unit are at least a first-order integral operation and one proportional operation. And a simulated electromagnetic model that provides a simulated current command Iff and a simulated torque command Tff based on the simulated voltage command Vff, mechanical characteristics of the motor, mechanical characteristics of the load machine, and mechanical characteristics of the transmission mechanism. A simulated machine model that simulates at least a second-order integral calculation and one proportional calculation and provides a simulated machine state quantity Xθ having at least a simulated position command θff and a simulated speed command ωff based on the simulated torque command Tff; It is characterized by having.
According to a fourth aspect of the present invention, in the electric motor control apparatus according to any one of the first to third aspects, the control of the electric motor is configured by software that operates on a plurality of processors. .
According to the motor control unit of the first aspect, the motor control device capable of fast operation with a simple configuration, there is no modeling error, and is not limited to feed-forward control unit designs Tfb feedback controller As described above, the flexibility to independently design the response characteristics for the position command, speed command, and current command and the response characteristics for noise and disturbance is ensured, the vibration of the mechanical system is suppressed, and the delay of the current control loop is improved. , Enabling high-speed response of the system.
[0005]
In addition, according to the motor control device of the second aspect, the feedforward control unit is configured by the
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of an electric motor control device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, an electric motor control device includes a load machine 1, a
θff = θref / (Tf * s + 1) ^ 4 (1)
ωff = θref * s / (Tf * s + 1) ^ 4 (2)
If = KfI * θref * s ^ 2 / (Tf * s + 1) ^ 4 (3)
Vff = Kf2 * θref * s ^ 3 / (Tf * s + 1) ^ 4 (4)
Here, s is a differential operator, Tf is a time constant, and Kf1 and Kf2 are proportional coefficients. The θff, ωff, and Iff created by the
Vfb = {Kfbv [Kfbp * (θff−θ) + ωff−θ * s]
+ If -I} * Kfbi (5)
However, Kfbv, Kfbp, and Kfbi are control gains. The control gains Kfbv, Kfbp, and Kfbi are set theoretically by, for example, a transfer function equation as in a conventional feedback controller, and are set to optimum values by actually entering numerical values by self-tuning or the like. . Next, the
[0007]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a block diagram of a feedforward control unit according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the
If = Kf3 * Vff / s (6)
ωff = Kf4 * Iff / s (7)
θff = ωff / s (8)
Xθi = [θff , ωff , Iff] (9)
However, Kf3 is an equivalent inductance and Kf4 is a torque coefficient. The
Vff = Kff1 * (θref−θff) −Kff2 * ωff
-Kff3 * Iff (10)
However, Kff1, Kff2, and Kff3 are control gains. In this case, the control gains Kff1 to Kff3 may be set by a so-called pole arrangement method. By the way, the pole placement method is usually used and is obtained by converting the state equation and transfer function coefficient (pole) into a determinant. If the eigenvalue (pole) in the closed loop is set by the pole placement method, the system Can be stabilized.
[0008]
As described above, in the second embodiment, separately from the first embodiment, the
It should be noted that Iff, ωff, θff, Vff and the like obtained by the equations (6) to (10) are provided to the
[0009]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a block diagram of a simulation model according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 3, a
The simulated electromagnetic model 8b1 generates a simulated current command Iff and a simulated torque command Tff from the following equations.
Iff = (Vff−ωff * φ * L) / (L * s + R) (11)
Tff = K * Iff (12)
Where L is the equivalent inductance of the motor, R is the equivalent resistance of the motor, φ
Is a magnetic flux coefficient, and K is a torque coefficient.
The simulated machine model 8b2 represents the characteristics obtained by simulating the mechanical characteristics of the
When approximated by a two-inertia model, the simulated machine model 8b2 generates a simulated machine state quantity Xθ from the following equation.
θff = ωff / s (13)
ωff = (Tff−Tk) / (Jm * s) (14)
Tk = Ka * (θff−θffL) (15)
θffL = ωffL / s (16)
ωffL = Tk / (JL * s) (17)
Xθ = [θff, ωff, θffL, ωffL] (18)
Where Ka is the spring coefficient, Jm is the inertia on the drive side of the 2-inertia model,
JL is the inertia on the load side of the 2-inertia model.
As described above, the third embodiment simulates the
[0010]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
The fourth embodiment relates to claim 4, and is an example in which the
Further, if distributed processing is performed by using a plurality of limited types of processors instead of a high-speed CPU processor, the sampling cycle for reducing overshoot can be shortened, and high-speed response processing can be realized.
[0011]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an electric motor control device that gives an appropriate voltage command to the power unit so that the mechanical system performs a desired operation, and the simulated position command θff and simulated speed command ωff based on the position command θref. Based on the feedforward control unit that provides the simulated current command Iff and the simulated voltage command Vff, the simulated position command θff, the simulated speed command ωff, the simulated current command Iff, the actual position signal θ, and the actual current signal I A feedback control unit that provides the feedback voltage command Vfb and an adder that adds the feedback voltage command Vfb and the simulated voltage command Vff to provide the voltage command Vref. Does not cause overshoot or vibration, and does not adversely affect the sampling time. There is an effect that it provides a motor control device can be designed and response independently to the response characteristics and noise and disturbances that.
In addition, the feedforward control unit may be configured by a feedforward controller that provides a simulated voltage command Vff and a simulated model that simulates a mechanical system by at least a third-order integral operation and provides a simulated state quantity Xθi, or a simulation thereof The model is a simulated electromagnetic model in which the electromagnetic characteristics of the motor and the characteristics of the power section are simulated by at least a first-order integral calculation and a single proportional calculation, the mechanical characteristics of the motor, the mechanical characteristics of the load machine, and the machine of the transmission mechanism An electric motor that can easily simulate the characteristics of a mechanical system by simulating the characteristics by at least a second-order integral calculation and a single proportional calculation and comprising a simulated machine model that provides a simulated machine state quantity Xθ There is an effect that a control device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an electric motor control device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a feedforward control unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a simulation model according to a third embodiment of the present invention.
4 is a detailed view of a simulation command of the feedforward control unit shown in FIG.
FIG. 5 is a block diagram of a conventional motor control device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記伝達機構を介して負荷機械を駆動する電動機と、
前記電動機を駆動する動力を与えるパワー部を有する機械システムと、
前記機械システムの状態量を観測し少なくとも実位置信号θと実電流Iを提供する実測定部と、
位置指令θrefを提供する位置指令発生器を
備えて、
前記機械システムが所望の動作となるように前記パワー部に適正電圧指令を与える電動機制御装置であって、
前記位置指令θrefに基づいて模擬位置指令θff、模擬速度指令ωff、模擬電流指令Iffおよび模擬電圧指令Vffとを
θff=θref/(Tf*s+1)^4 (1)
ωff=θref*s/(Tf*s+1)^4 (2)
Iff=Kf1*θref*s^2/(Tf*s+1)^4 (3)
Vff=Kf2*θref*s^3/(Tf*s+1)^4 (4)
(但し、sは微分演算子、Tfは時定数、Kf1は比例係数、Kf2は比例係数)
により提供するフィードフォワード制御部と、
前記模擬位置指令θff、前記模擬速度指令ωff、前記模擬電流指令Iff、前記実位置信号θおよび前記実電流信号Iとに基づいてフィードバック電圧指令Vfbを
Vfb={Kfbv*[Kfbp*(θff−θ)+ωff−θ*s]
+Iff−I}*Kfbi (5)
(但し、Kfbv、Kfbp、Kfbiは制御ゲイン)
により提供するフィードバック制御部と、
前記フィードバック電圧指令Vfbと前記模擬電圧指令Vffとを加算し電圧指令Vrefを提供する加算器と
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。A transmission mechanism for transmitting power;
An electric motor that drives a load machine via the transmission mechanism;
A mechanical system having a power section for supplying power for driving the electric motor;
An actual measurement unit that observes the state quantity of the mechanical system and provides at least an actual position signal θ and an actual current I;
A position command generator for providing a position command θref;
An electric motor control device that gives an appropriate voltage command to the power unit so that the mechanical system performs a desired operation,
Based on the position command θref, a simulated position command θff, a simulated speed command ωff, a simulated current command Iff, and a simulated voltage command Vff are obtained.
θff = θref / (Tf * s + 1) ^ 4 (1)
ωff = θref * s / (Tf * s + 1) ^ 4 (2)
If = Kf1 * θref * s ^ 2 / (Tf * s + 1) ^ 4 (3)
Vff = Kf2 * θref * s ^ 3 / (Tf * s + 1) ^ 4 (4)
(Where s is a differential operator, Tf is a time constant, Kf1 is a proportional coefficient, and Kf2 is a proportional coefficient)
A feed forward control unit be provided by,
Based on the simulated position command θff, the simulated speed command ωff, the simulated current command Iff, the actual position signal θ, and the actual current signal I, a feedback voltage command Vfb is obtained.
Vfb = {Kfbv * [Kfbp * (θff−θ) + ωff−θ * s]
+ Iff-I} * Kfbi (5)
(However, Kfbv, Kfbp, and Kfbi are control gains.)
A feedback control unit for providing a result,
An electric motor control device comprising: an adder that adds the feedback voltage command Vfb and the simulated voltage command Vff to provide a voltage command Vref.
前記機械システムを少なくとも3次積分演算で模擬し前記模擬電圧指令Vffに基づいて少なくとも模擬位置指令θffと模擬速度指令ωffと模擬電流指令Iffとを有する模擬状態量Xθiを提供する模擬モデルと、
該模擬状態量Xθiと前記位置指令θrefとに基づいて模擬電圧指令Vffを提供するフィードフォワードコントローラとを
備えたことを特徴とする請求項1記載の電動機制御装置。The feedforward control unit
A simulation model for simulating the mechanical system by at least a third integral calculation and providing a simulated state quantity Xθi having at least a simulated position command θff, a simulated speed command ωff, and a simulated current command Iff based on the simulated voltage command Vff;
The motor control apparatus according to claim 1, further comprising a feedforward controller that provides a simulated voltage command Vff based on the simulated state quantity Xθi and the position command θref.
前記電動機の電磁気特性と前記パワー部の特性とを少なくとも1次の積分演算と1回の比例演算とで模擬し、前記模擬電圧指令Vffに基づいて模擬電流指令Iffと模擬トルク指令Tffとを提供する模擬電磁気モデルと、
前記電動機の機械特性と負荷機械の機械特性と伝達機構の機械特性とを少なくとも2次の積分演算と1回の比例演算とで模擬し、前記模擬トルク指令Tffに基づいて少なくとも模擬位置指令θffと模擬速度指令ωffとを有する模擬機械状態量Xθを提供する模擬機械モデルと
を備えたことを特徴とする請求項2記載の電動機制御装置。The simulated model is
The electromagnetic characteristics of the motor and the characteristics of the power section are simulated by at least a first-order integral calculation and a single proportional calculation, and a simulated current command Iff and a simulated torque command Tff are provided based on the simulated voltage command Vff. A simulated electromagnetic model,
The mechanical characteristics of the electric motor, the mechanical characteristics of the load machine, and the mechanical characteristics of the transmission mechanism are simulated by at least a quadratic integral calculation and a single proportional calculation, and at least a simulated position command θff is calculated based on the simulated torque command Tff. The motor control device according to claim 2, further comprising a simulated machine model that provides a simulated machine state quantity Xθ having a simulated speed command ωff.
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の電動機制御装置。The motor control apparatus according to claim 1, wherein the control of the electric motor is configured by software that operates on a plurality of processors.
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