JP2000197384A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バックラッシュが存在する系において、一般
的な制御器のＰＩゲインはバックラッシュの大小にかか
わらず一定のＰＩゲインに固定して制御を行っている。
そのため、ハンチング状態に陥ってしまい、振動や異音
の原因となる。 【解決手段】 モータ制御時の外乱を推定器（９１、９
２、９３、９４）で演算し、前記推定値で得られた値に
応じて変化させる関数をもつ演算器（９５）によってモ
ータ（７）を制御するＰＩゲインを演算させる。バック
ラッシュ中はロータイナーシャのみを考慮した小さなゲ
イン、また負荷とモータとが連結中は、この制御系にお
ける最大ゲインで動作させる。バックラッシュ中はゲイ
ンを小さくし、かつＩゲインを０とし、Ｐ制御のみにす
る。その場合、トルク補償値を推定器からのトルク誤差
値を演算しフィードバックし、ゲインが低い分を補償す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の送り軸
制御や位置決め用途に使用されるモータの制御装置に関
するものであり、特に外乱の度合いに応じて制御器のゲ
インが演算されて制御されることを特徴とする制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７に一般的な工作機械の送り軸制御や
位置決め用途に使用されるモータの制御ブロック図を示
す。上位制御器から得られる速度指令値ＳＶＣをもとに
モータを駆動する速度制御ループにおいて、モータ７に
取り付けられたロータ速度検出手段（ロータ位置検出手
段８及び微分器１０）によって得られた速度検出値ＳＰ
Ｄと速度指令値ＳＶＣとを加算器上で演算した誤差ＳＤ
ＦをＰＩ演算器２で増幅しトルク指令値ＳＴＣとし、ロ
ータ位置検出手段８によって得られるロータ位置ＳＰと
トルク指令値ＳＴＣにモータトルク定数Ｋｔｍを演算器
４で乗じた値ＳＩＱＣとから位相分配器５により多相電
流指令値ＳＩＣとしてアンプ６に与え、アンプ６より多
相電流としてモータ７に印加し駆動している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】工作機械、特にＮＣ旋
盤のタレットなどをモータで駆動しようとする場合、タ
レット（負荷）とモータとの間にギア（減速器）やベル
ト、プーリーなどの伝達機構が用いられる。このような
伝達機構、特にギアの場合、ギアの製作精度や組立精度
などの諸要因により、モータ側ギアと負荷側ギアとの間
にバックラッシュが存在する。

【０００４】この様な系では、バックラッシュ中は負荷
が抜けた状態であり、バックラッシュ中でない場合、つ
まり負荷がモータと連結されている場合（ギアがかみ合
っている状態）に比べてゲインを低くしなければならな
い。

【０００５】ところが従来技術で述べた制御器のＰＩゲ
インはバックラッシュの大小にかかわらず一定のＰＩゲ
インに固定して制御を行っている。

【０００６】これは一般に制御器のゲインが負荷を連結
した場合は、負荷のイナーシャとモータのロータイナー
シャを考慮して高めに設定されるのだが、バックラッシ
ュ中は負荷抜けが起きてしまい、負荷イナーシャ分のゲ
インが余分になってしまう。

【０００７】その結果、バックラッシュ中はモータ単体
でゲインを高くした場合によく見られるハンチング状態
に陥ってしまい、振動や異音の原因となることが多い。
また機械的にもモータ側、負荷側、それぞれのギア歯面
が衝突して歯音となることもある。

【０００８】これを避けるために、従来は制御器のゲイ
ンをモータのロータイナーシャのみを考慮した低めのゲ
インに調整することが多く、刃物台のタレットインデッ
クスにおいて位置決め時間が短縮できないなどの不具合
が生ずる。

【０００９】本発明は上述した事情から成されたもので
あり、本発明はバックラッシュが存在する系において、
安定した制御器を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、モータに加わ
る外乱を推定器で推定し、モータを制御する制御ゲイン
をこの推定値に応じて演算することによって、前記目的
を達成するものである。

【００１１】本発明の上記目的は、モータ制御時の外乱
を推定器で演算し、モータを制御するＰＩゲインを前記
推定値で得られた値に応じて変化させる関数をもつ演算
器によって演算させることで達成される。

【００１２】前記、推定器はモータに指令されるトルク
指令値とトルク定数とから演算される予想値と、実際に
モータが得た加速度とロータイナーシャとから演算され
る推定値とを比較して、トルク誤差とし、誤差が小さい
値の場合はほぼロータイナーシャを考慮したゲインで動
作しているのでバックラッシュ中と判断される。また、
誤差が大きな場合、モータと負荷が連結されている（こ
のとき、ゲインの最大値はモータのロータイナーシャと
負荷イナーシャが加算された値を考慮したもの）と判断
でき、よってバックラッシュ中はロータイナーシャのみ
を考慮した小さなゲイン、また負荷とモータとが連結中
は、この系における最大ゲインで動作させることができ
る。

【００１３】バックラッシュ中のゲインは上述された理
由により小さくするものの、Ｉゲインが考慮されると不
安定さの要因になりかねない。これは、バックラッシュ
中の負荷が抜けている（ギアの自由空間を動作している
のでモータ端の検出器で負荷の挙動は推測不能）ため、
積分要素が実際の制御と負荷の挙動との誤差要因になる
からである。しかし、バックラッシュ中にＰ制御のみに
した場合、バックラッシュ以外の外乱（例えば、ギアの
偏芯）によって制御的に不安定になる場合がある。その
ため、バックラッシュを判断するため先に演算したトル
ク誤差値をもとに、係数を乗じてトルク制御ループにフ
ィードバックすることでＰ制御中（バックラッシュ中）
でも安定した制御が得られる。

【００１４】ＰＩ制御とＰ制御間で遷移する場合、急激
にゲインが変化すると、制御上、不安定さの要因にもな
りかねないので、バックラッシュを判断するため先に演
算した値をもとにＰＩ制御とＰ制御の遷移状態（ゲイン
的にはロータ＋負荷イナーシャを考慮したゲインとロー
タイナーシャを考慮したゲインの補間された中間値）を
設け、制御的な緩衝とする。

【００１５】また、モータ加速時など比較的異音や振動
が気にならない（加減速時間が一定回転時に比較して短
時間のため）場合、ゲインを下げて制御すると位置決め
時間が長くなるなどの不具合が発生するため、モータ速
度に応じて速度しきい値以上では上述してきたゲイン調
整制御を適用、以下では非適用といった制御も可能であ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
る。なお、特に断らない限り同一符号の要素・信号は同
機能、性能を有するものである。

【００１７】図１は本発明の実施形態を示す図である。
従来例である図７と異なるのは、ＰＩ演算器２のゲイン
が制御中に調整できるということと、トルク指令値ＳＴ
Ｃに対してトルク補償値ＳＴＥが加算されるというこ
と、そして、補償値演算部９がＰＩゲイン、トルク補償
値ＳＴＥを演算する演算器９５と補償後トルク指令値Ｓ
ＴＣＣと、ロータイナーシャＪｍとロータ位置ＳＰの２
階微分値（加速度）からバックラッシュ中か否かを推定
する推定器（９１、９２、９３、９４により構成）を持
っていることが異なる。

【００１８】制御ループを順に説明すると、上位制御器
から速度指令値ＳＶＣが与えられ、速度検出手段により
得られた速度検出値ＳＰＤとを加算器１にて演算し、速
度誤差ＳＤＦとしＰＩ演算器２に入力する。ＰＩ演算器
２でＰＩゲインを乗じられると速度誤差ＳＤＦはトルク
指令値ＳＴＣとなり、加算器３でトルク補償値ＳＴＥが
加算され補償後トルク指令値ＳＴＣＣとなる。その後、
モータトルク定数Ｋｔｍが乗じられることでトルク電流
指令値ＳＩＱＣとなり、位相分配器５により多相分配さ
れ各相電流指令ＳＩＣとなる。（本説明では便宜上３相
交流を想定して説明を行う。）各相電流指令ＳＩＣはア
ンプ６により電力増幅されモータ７に電流が印加されモ
ータ７が回転する。モータ７にはモータのロータ位置検
出手段である検出器８が取り付けられており、ロータ位
置ＳＰを出力する。ロータ位置ＳＰは位相分配器５に与
えられ、各相の電流位相を演算する際に参照される。ま
たロータ位置ＳＰは微分器１０により微分されロータ回
転速度検出値ＳＰＤとなる。

【００１９】ロータ位置ＳＰは演算器９１にて加速度の
次元に演算されロータイナーシャＪｍが乗じられた値
と、補償後ロータイナーシャＳＴＣＣに演算器９３によ
りトルク定数Ｋｔが乗じられた値とを加算器９２で演算
し、トルク誤差ＳＴＤを算出する。

【００２０】トルク誤差ＳＴＤはローパスフィルタ（以
下ＬＰＦ）９４を介してトルク誤差ＳＴＤＣとし、関数
演算器９５に入力する。ＬＰＦ９４を介するのは、トル
ク誤差ＳＴＤが制御周期を基本にした高周波成分を含ん
でいるからであり、ＬＰＦ９４を介さない場合、関数演
算器９５内での各種パラメータの演算が不安定になって
しまい、制御自体も不安定になるといった不具合を招く
可能性があるためである。

【００２１】関数演算器９５は速度検出値ＳＰＤとトル
ク誤差ＳＴＤＣとから、内部関数に従って、ゲイン（Ｋ
ｐとＫｉ）を演算しＰＩ演算器２に出力するとともに、
トルク誤差ＳＴＤＯを演算器９６に出力する。演算器９
６はトルク定数Ｋｔの逆数をトルク誤差ＳＴＤＯに乗じ
てＳＴＥを求め、加算器３に出力する。

【００２２】図２は本発明の関数演算器９５内のブロッ
ク図を示したものである。まず有効値関数演算器２２の
機能を説明する。有効値関数演算器２２は前段のスイッ
チにより関数が検出速度ＳＰＤか加速度ＳＰＤＤのどち
らを底にするかセレクタＳＥＬにより選択できるように
なっている。なお加速度ＳＰＤＤは検出速度ＳＰＤを微
分器２１により微分して演算される。また有効値関数演
算器に入力される際、検出速度ＳＰＤは絶対値器２９０
により絶対値化されている。

【００２３】有効値関数演算器２２は後述するように、
係数Ｋを乗算器２５、２６、２７に出力する。ＰＩ値関
数演算器２３と関数演算器２４には絶対値器２９１で絶
対値化されたＳＴＤＣが入力される。ＰＩ値関数演算器
２３は、トルク誤差ＳＴＤＣに応じてＰゲイン値；Ｋ
ｐ、Ｉゲイン値：Ｋｉを乗算器２５、２６にそれぞれ出
力する。

【００２４】また補償関数演算器２４は絶対値化された
トルク誤差ＳＴＤＣに応じて補正係数Ｋｇを乗算器２８
に出力する。乗算器２８は絶対値化される前のＳＴＤＣ
と補正係数Ｋｇを乗じて乗算器２７に出力する。乗算器
２５、２６、２８でＫｐ、Ｋｉ、Ｋｇが有効値関数演算
器２２からの係数Ｋに乗じられて、それぞれＰＩ演算器
２に出力されるＰゲイン：Ｐ、Ｉゲイン：Ｉ、トルク誤
差ＳＴＤＯとして出力される。

【００２５】図３（ａ）、（ｂ）はＰＩ値関数演算器２
３の関数、図３（ｃ）は補償関数演算器２４の関数パタ
ーン例を表している。図３（ａ）はトルク誤差ＳＴＤＣ
（絶対値）によりＰゲイン値Ｋｐが変化する様子を表し
ており、（ｂ）はＩゲイン値Ｋｉの変化の様子を表して
いる。

【００２６】これを見るとわかるように、トルク誤差Ｓ
ＴＤＣが０〜ｄｆの区間ではＩゲイン値：Ｋｉが０にな
っており、Ｐ制御状態であることがわかる。またｄｓ〜
ｄｍの区間ではＰＩゲインがそれぞれ最高のゲインをと
ることがわかる。ｄｆ〜ｄｓは遷移状態で、急激にＰＩ
制御状態とＰ制御状態が切り替わることによる制御上の
不安定さを避けるために設けられる区間である。この例
では１次式で表現されているが、制御条件によっては多
次式で表現しても良い。

【００２７】さらにトルク誤差ＳＴＤＣが０の時はゲイ
ンがモータのロータイナーシャＪｍのみで決定されてお
り、逆にトルク誤差ＳＴＤＣがｄｍの場合、イナーシャ
がロータイナーシャＪｍと負荷イナーシャＪｌが考慮さ
れたゲインになっている。

【００２８】この各しきい値ｄｆ、ｄｓ、ｄｍは任意に
設定可能であり、制御系によって変更できる。当然のこ
とながらＫｐ、Ｋｉの値も任意に設定可能である。

【００２９】図３（ｃ）は極性を持つ（絶対値化前）の
トルク誤差ＳＴＤＣに乗じられるトルク補正係数Ｋｇの
関数パターンである。これを見てわかるように、係数が
有効になるのはトルク誤差（絶対値）ＳＴＤＣが０〜ｄ
ｆ〜ｄｓである。これは、トルク補償を行うのが、ＰＩ
演算器２が主にＰ制御状態のときに有効になることを意
味している。ただし、制御系によっては０〜ｄｍの全区
間でも有効にする場合もある。

【００３０】図４は有効値関数演算器２２内の関数パタ
ーンである。絶対値化された検出速度ＳＰＤもしくは加
速度ＳＰＤＤによって係数Ｋが演算される。図をみてわ
かるように、しきい値ＳＰＴの前後で係数が０と１に変
化する。この例ではただのＯＮ、ＯＦＦ用に使用してい
るのでこのようなパターンになるが、この係数やパター
ンは任意に設定可能であり、係数Ｋを０．８程度や２．
０程度にすることも可能である。

【００３１】図５はこの発明の効果を検証するための制
御系を模式的に図にしたものである。モータ５０には検
出器５１が取り付けられており、軸にはギア５２が取り
付けられている。また負荷側は負荷５４は軸を介してギ
ア５３に取り付けられている。ギア５３と５２はそれぞ
れ歯面間でバックラッシュを持ってかみ合っている。な
お、説明の便宜上、モータ、負荷の支持系統は省略して
ある。モータのギア５２が回転することで、ギア５３と
同軸で負荷５４が回転する。モータロータイナーシャは
Ｊｍ、負荷イナーシャはＪｌとなっている。

【００３２】図６に、本発明の効果を表した特性例を示
す。測定系は図５で示したような系であり、バックラッ
シュ量（任意）は大きくとってある。

【００３３】（ａ）は速度指令を表しており、時刻ｔ１
で加速を行い、加速時間ｔ１〜ｔ２で指令速度ＳＰＤ０
になり、時刻ｔ３まで一定速度になる。減速にはｔ３〜
ｔ４の時間を指令している。総合時間でｔ１〜ｔ４の時
間の速度指令である。（ｂ）は図７で示すような一般の
ＰＩ制御系での加減速波形であり加減速時、一定速時共
にバックラッシュの影響で振動的な波形になってしま
う。

【００３４】（ｃ）は特に図示しないが図７の制御系に
おいて検出速度においてしきい値ＳＰＴを設け、それ以
上でＰＩゲインを下げて制御を行うといった方法の場合
である。速度がＳＰＴ以下では図（ｂ）の波形６１とほ
ぼ同じであるがしきい値ＳＰＴを越えるとゲインが下が
るため比較的振動も緩やかになり、異音の原因にもなり
にくいといったメリットもある。しかし速度が早い状態
でゲインを下げているので速度制御が甘くなり速度制御
時間がｔ１〜ｔ４よりΔｔだけ延びている。位置制御器
に適用した場合、位置決め時間が延びるため好ましくな
い。

【００３５】（ｄ）は本発明の制御器を適用した場合で
ある。有効値関数演算器２２の影響（機能ＯＦＦ）でし
きい値ＳＰＴ以下は、ほぼ図（ｂ）、（ｃ）と同じであ
る。加減速中は一定速時間に比べて短いため、異音とか
振動などの不具合とはなりにくい。図（ｃ）と比べて明
らかに違うのは、しきい値ＳＰＴ以上での振る舞いであ
り、異音となる振動がなく、ほぼ一定速で制御が可能で
ある。しかも、位置決めに適用した場合にも、ほぼ指令
通りの時間で制御が行えるため、不具合となりにくい。
また、一定速中は、トルク補償が行われているので外乱
にも比較的強くなっている（図（ｃ）では、一定速中は
ゲインが下がっているため外乱に弱くなっている）。

【００３６】なお、主旨が逸脱しない範囲で以下の変形
を行っても良い。関数パターンを式ではなく、ＲＯＭ等
の記憶装置にマップとして持っていても良い。実施例で
は、永久磁石型同期電動機の制御装置を例に挙げたため
界磁制御部分が省略されているが、リラクタンス型、誘
導電動機のトルク電流制御に応用してもよい。

【００３７】実施例では回転機をモデルにしたが、リニ
アモータの制御装置に適用しても良い。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、バック
ラッシュの状態に応じてＰＩ演算器のゲインを演算し変
更し、ＰＩ演算器からＰ制御器になる上、Ｐ制御中にト
ルク補償がかかり、なおかつ、速度または加速度により
機能の適用、非適用が選択されるため、バックラッシュ
を含む制御系でも安定した制御が行える同期電動機の制
御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態を示すブロック図である。

【図２】 図１の関数演算器９５の詳細を示すブロック
図である。

【図３】 本発明の実施形態の関数演算部の関数パター
ン例を示す図である。

【図４】 本発明の実施形態の関数演算部の関数パター
ン例を示す図である。

【図５】 本発明の実施形態の機能検証用の制御系を模
式的に示す図である。

【図６】 本発明の実施形態の効果を示す波形図であ
る。

【図７】 従来例を説明するためのブロック図である。

【符号の説明】

１，３，９２ 加算器、２ ＰＩ演算器、４ 演算器
（トルク定数）、５ 位相分配器、６ アンプ、７ モ
ータ、８ ロータ位置検出手段、９ 補償値演算部、９
１，９３，９６ 演算器、９４ ローパスフィルタ、９
５ 関数演算器、１０，２１ 微分器、２２ 有効値関
数演算器、２３ ＰＩ値関数演算器、２４補償関数演算
器、２５，２６，２７，２８ 乗算器、２９０，２９１
絶対値器、ＳＶＣ 速度指令値、ＳＤＦ 速度誤差、
ＳＴＣ トルク指令、ＳＴＣＣ補償後トルク指令、ＳＩ
ＱＣ 電流指令、ＳＩＣ 分配後電流指令、ＳＰ 検出
位置、ＳＰＤ 検出速度、ＳＴＤ トルク誤差、ＳＴＤ
Ｃ トルク誤差（ＬＰＦ後）、ＳＴＤＯ トルク誤差
（係数演算後）、ＳＰＤＤ 検出加速度、ＳＥＬ，ＳＥ
ＬＡ，ＳＥＬＢ モード選択スイッチ、Ｋｐ Ｐゲイ
ン、Ｋｉ Ｉゲイン、Ｋｇ トルク補償係数、ＳＰＴ
速度（加速度）しきい値。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H550 AA18 BB10 EE03 GG01 GG02 GG03 GG10 HB01 HB11 JJ23 JJ24 LL01 LL35 5H560 AA07 DA00 DB00 EB01 XA04 XA05 XA10 5H575 AA19 BB10 DD03 DD06 EE07 GG01 GG02 GG10 HB01 LL01 LL31 MM09

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上位制御器から得られる速度指令値と、
   モータのロータ速度検出手段によって得られたロータ速
   度との差をＰＩ演算器で増幅しトルク指令値とし、ロー
   タ位置検出手段によって得られるロータ位置と前記トル
   ク指令値とから多相電流指令値としてアンプに与え、ア
   ンプより多相電流としてモータに印加し駆動する同期電
   動機の制御装置において、 モータ制御時の外乱状態を前記トルク指令値と前記ロー
   タ位置から推定し、その結果をトルク誤差値として出力
   する外乱推定器と、 前記ロータ速度又は加速度から算出する係数を前記トル
   ク誤差値から算出されるＰゲイン値とＩゲイン値のそれ
   ぞれに乗算して、前記ＰＩ演算器が使用するＰゲインと
   Ｉゲインを算出する関数演算器とを備え、 モータ制御時の外乱状態に応じて、ＰＩゲインの値を変
   化させることを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 【請求項２】 前記関数演算器は、前記トルク誤差値が
   小さい時は、ＰＩ制御からＰ制御のみで制御が行われる
   ように前記ＰＩ演算器のＰゲイン値及びＩゲイン値が算
   出される関数からＰＩゲインを演算するＰＩ値関数演算
   器と、 前記Ｐ制御時には、前記トルク誤差値から前記トルク指
   令値のトルク補償値を演算する補償関数演算器とを備え
   ることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御装
   置。