JP2001069786A

JP2001069786A - 負荷トルク推定方法及びトルク制御装置

Info

Publication number: JP2001069786A
Application number: JP24486699A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Amano; 昌幸天野; 稔 ▲吉▼田; Minoru Yoshida; Toshihiro Hosokawa; 智弘細川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-16
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP4140139B2

Abstract

(57)【要約】【課題】安価で高精度なトルク制御を実現できる、負
荷トルクの推定方法及びトルク制御装置の構造を提供す
る。【解決手段】電機子抵抗の公称値Ｒａｎと、電機子電
流Ｉａの微分値ｄＩａ／ｄｔとを乗じた値を、入力電圧
の微分値ｄＥ／ｄｔから減じ、その値に、電機子の慣性
モーメントの公称値Ｊｎを乗じると共に、モータの誘導
電圧定数の公称値Ｋｅｎで除し、その値を、電機子電流
Ｉａと、モータのトルク定数の公称値Ｋｔｎとを乗じた
値から減じて、負荷トルク推定値ＴＬｈを求める。この
方法を用いる制御装置の構造は、負荷トルク推定値ＴＬ
ｈが、目標トルク値Ｔｃより大きくなったときに、モー
タ１を停止させる停止信号を出力するトルク判定部３を
備えるか、目標回転数Ｎｃを記録する目標回転数記憶部
６ｃと、総回転数Ｎを目標回転数Ｎｃから減じた値と、
静止回転数Ｓｎとを比較して、モータ１を停止させる停
止信号を出力するモータ回転数判定部６ｄとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械や電動工
具等に用いられるモータの負荷トルクを推定し、この推
定値に基づいてモータへの指令値を補償して、高精度の
トルク制御を行なうための、負荷トルク推定方法及び、
トルク制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】工作機械や電動工具等に用いられるモー
タに加わる負荷トルクは、モータの制御系で高精度のト
ルク制御を実現する上での弊害、すなわち一種の外乱で
あり、従来からこの外乱を積極的に推定し、制御系にフ
ィードバックすることによって、速度制御性能の向上を
図っている。

【０００３】以下、従来の負荷トルク推定方法につい
て、図８及び図９に基づいて説明する。図８は、従来の
モータのトルク制御装置の構成を示すブロック図、図９
は、トルク制御装置に用いられる負荷トルク推定器を示
すブロック線図である。

【０００４】図８に示すように、従来のモータのトルク
制御装置は、制御対象であるモータ１と、モータ１のト
ルク制御及びモータ１に加わる負荷トルクの推定を行う
マイコン６と、モータ１を回転させるためのモータ駆動
回路５とを具備し、電機子電流Ｉａを計測する電流セン
サ７ｂと、電機子の角変位θを計測するエンコーダ７ｃ
と、モータ駆動回路５を介してモータ１に電力を供給す
るモータ駆動用電源８ａと、マイコン６に電力を供給す
るマイコン用電源８ｂとを備えている。

【０００５】モータ駆動回路５は、モータ駆動用電源８
ａから電力の供給を受け、モータ１に駆動電力の供給を
行うように構成されている。

【０００６】マイコン６は、作業者が設定する速度指令
値Ｖｃ及び目標トルク値Ｔｃと、電流センサ７ｂが計測
した電機子電流Ｉａとを、８ビットでＡ／Ｄ（アナログ
・ディジタル）変換するＡ／Ｄ変換部６ａと、エンコー
ダ７ｃが出力したパルスをカウントするカウンタ６ｂと
を備えている。

【０００７】Ａ／Ｄ変換部６ａは、速度指令値Ｖｃ、目
標トルク値Ｔｃ、電機子電流Ｉａを夫々ディジタル値に
変換し、離散化速度制御指令値Ｖｃｄ、離散化目標トル
ク値Ｔｃｄ、離散化電機子電流ＩａｄにＡ／Ｄ変換す
る。

【０００８】また、マイコン６は、離散化電機子電流Ｉ
ａｄと、エンコーダ７ｃから出力されるパルス数とから
負荷トルクを推定する負荷トルク推定部２と、負荷トル
ク推定部２から出力される負荷トルク推定値ＴＬｈと、
離散化トルク設定値Ｔｃｄとの大小を判定するトルク判
定部３と、離散化速度指令値Ｖｃｄとトルク判定部３か
ら出力されるトルク判定出力とを受けて、速度制御信号
を出力する速度制御部４ａと、速度制御部４ａの速度制
御信号を受けて、８ビットのＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉ
ｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）出力ｕをモータ駆動回
路５へ出力するＰＷＭ部４ｂとを備えている。

【０００９】次に、図８に示したトルク制御装置の動作
について説明する。作業者が速度指令値Ｖｃとトルク設
定値Ｔｃとをマイコン６に入力すると、それらの値はＡ
／Ｄ変換部６ａで夫々離散化され、離散化速度指令値Ｖ
ｃｄと離散化トルク設定値Ｔｃｄとなる。

【００１０】離散化速度指令値Ｖｃｄは速度制御部４ａ
へ出力され、速度制御部４ａは、この速度指令値Ｖｃｄ
に対応した速度制御信号を、ＰＷＭ部４ｂへ出力する。
ＰＷＭ部４ｂでは速度制御部４ａからの速度制御信号を
受け、モータ駆動回路５にＰＷＭ出力ｕを出力し、その
出力を受けてモータ駆動回路５は、モータ１を回転させ
る。

【００１１】モータ１が回転を始めると共に、電機子電
流Ｉａが電流センサ７ｂによって、モータ１の電機子の
角変位θがエンコーダ７ｃによって計測される。つま
り、電機子電流ＩａはＡ／Ｄ変換部６ａで離散化され
て、離散化電機子電流Ｉａｄとなり、角変位θに対応し
たエンコーダ７ｃのパルス出力が、カウンタ６ｂによっ
てカウントされる。

【００１２】負荷トルク推定部２は、カウンタ６ｂから
出力されたカウント数を、電機子の角変位θに変換し、
さらに、以下の数１の式に示す、現在時点の角変位θ
（ｋ）と１サンプリング前の角変位θ（ｋ−１）との後
進差分をとることによって近似微分を行なって、電機子
の角速度ωを求める。ここで、数１の式のＴは、サンプ
リング時間である。

【００１３】

【数１】

【００１４】また、負荷トルク推定部２は、モータ１の
トルク定数の公称値Ｋｔｎと、離散化電機子電流値Ｉａ
ｄとを乗じて求めた内部トルク値から、電機子の慣性モ
ーメントの公称値Ｊｎと、角速度ωとを乗じて求めた値
を減じて負荷トルクの推定値ＴＬｈを推定し、トルク判
定部３へ負荷トルク推定値ＴＬｈを出力する。

【００１５】トルク判定部３では、離散化トルク設定値
Ｔｃｄと負荷トルク推定値ＴＬｈとを比較して、離散化
目標トルク値Ｔｃｄの方が小さい場合は、モータ１を停
止させるための停止信号を速度制御部４ａへ出力する。

【００１６】速度制御部４ａでは、離散化速度指令値Ｖ
ｃｄと、トルク判定部３からのトルク判定出力とを受け
て、ＰＷＭ部４ｂへの出力信号を決定する。以上の動作
を繰り返すことにより、モータ１のトルク制御を実現し
ている。

【００１７】次に、モータ１と負荷トルク推定部２の制
御系の詳細について、図９のブロック線図に基づいて説
明する。尚、ここでは簡単のために連続系であるとして
説明する。

【００１８】モータ１は入力端子に入力電圧Ｅが印加さ
れると、電機子が回転を始めるが、電機子が回転する
と、モータ１の入力端子間には逆起電力Ｅｅが発生する
ので、モータ１の入力端子間に実際に現れる電機子電圧
Ｅａは、入力電圧Ｅから逆起電力Ｅｅを減じた電圧値と
なる。尚、逆起電力Ｅｅは、電機子の角速度ωに、逆起
電力定数２ｅを乗じた電圧値である。

【００１９】モータ１の入力端子に現れる電機子電圧Ｅ
ａと、電機子の巻線抵抗Ｒａの逆数とを乗じたものが、
電機子に流れる電機子電流Ｉａとなり、その電機子電流
Ｉａにモータ１のトルク定数２ｔを乗じたものが、モー
タ１の原発生トルクＴｏとなる。

【００２０】また、モータ１の原発生トルクＴｏから、
電機子に加わる負荷トルクＴＬを減じたものが、実際に
モータ１が発生するトルクＴｅとなり、そのトルクＴｅ
を電機子の慣性モーメントＪ及びラプラス演算子ｓで除
した値が、電機子の角速度ωとなる。但し、電機子を支
持しているベアリングの粘性は、小さいものとして無視
することとする。

【００２１】負荷トルク推定部２は、モータ１のトルク
定数の公称値Ｋｔｎ、電機子の慣性モーメントの公称値
Ｊｎ、電機子の角加速度ｄω／ｄｔを、数２の式に代入
することにより、負荷トルク推定値ＴＬｈを算出する。

【００２２】

【数２】

【００２３】すなわち、負荷トルク推定部２は、電機子
電流Ｉａと、トルク定数の公称値Ｋｔｎとの積であるト
ルクＴ１から、電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎと
ラプラス演算子ｓとを乗じた微分器ｓＪｎによって、モ
ータ速度ωの検出値を微分して得られたトルクＴ４を減
じて、モータ１に加わる負荷トルクの推定値ＴＬｈを推
定する方法が用いられている。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、数２の式を
用いたトルク推定方法では、負荷トルクを推定するため
に、電機子の角速度ωを微分して角加速度を求める必要
がある。一般的に、モータのトルク制御系では、電機子
の角変位θを計測する、ポテンショメータ、エンコーダ
等の変位センサは用いられるが、電機子の角速度ωを計
測する速度センサ及び、電機子の角加速度を計測する加
速度センサは、コストを考えて用いられないことが多
い。

【００２５】そこで、従来から、数１の式を用いて、変
位センサによって計測された角変位θの後進差分を２回
とることによって、角加速度を求めることが通例となっ
ているが、この方法では、安価な低精度の変位センサを
用いた場合、精度の良い角加速度を求められないため、
負荷トルクの推定精度が著しく低下し高精度なトルク制
御が行えないという問題点があった。

【００２６】本発明は、上記の問題点に鑑みて成された
ものであり、その目的とするところは、安価で高精度な
トルク制御を実現できる、負荷トルクの推定方法及びト
ルク制御装置の構造を提供することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明にあっては、回路方程式であ
る数３の式の両辺を時間ｔで微分した後、右辺第２項の
角速度ωを、モータの運動方程式である数４の式に代入
して求めた数５の式を用いて、負荷トルク推定値ＴＬｈ
を推定する。尚、数３の式は、電機子抵抗Ｒａに比べて
電機子インダクタンスが微小であるとして、インダクタ
ンスの項を省略してある。

【００２８】

【数３】

【００２９】

【数４】

【００３０】

【数５】

【００３１】すなわち、数５の式に示すように、電機子
抵抗の公称値Ｒａｎと、モータ１の電機子に流れる電機
子電流Ｉａの微分値ｄＩａ／ｄｔとを乗じた値Ｒａｎ・
ｄＩａ／ｄｔを、モータ１に印加される入力電圧の微分
値ｄＥ／ｄｔから減じ、その値（ｄＥ／ｄｔ−Ｒａｎ・
ｄＩａ／ｄｔ）に、電機子の慣性モーメントの公称値Ｊ
ｎを乗じると共に、モータの誘導電圧定数の公称値Ｋｅ
ｎで除し、その値（Ｊｎ／Ｋｅｎ（ｄＥ／ｄｔ−Ｒａｎ
・ｄＩａ／ｄｔ））を、電機子電流Ｉａと、モータのト
ルク定数の公称値Ｋｔｎとを乗じた内部トルク値Ｋｔｎ
・Ｉａから減じて、負荷トルクの推定値ＴＬｈを求め
る。

【００３２】請求項２記載の発明にあっては、請求項１
記載の発明において、モータ１を駆動させるモータ駆動
回路５及びモータ駆動用電源８ａの内部抵抗値と、電機
子電流Ｉａとを乗じて、前記内部抵抗値に起因する降下
電圧を求め、モータ駆動用電源が発生する電圧からその
降下電圧を減じた値を、モータ１に印加される入力電圧
として、負荷トルクの推定値ＴＬｈを求める。

【００３３】請求項３記載の発明にあっては、請求項１
又は請求項２記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク
制御装置であって、負荷トルク推定値ＴＬｈが、目標ト
ルク値より一定時間以上大きくなったときに、前記モー
タを停止させる停止信号を出力するトルク判定部を備え
る。

【００３４】請求項４記載の発明にあっては、請求項１
又は請求項２記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク
制御装置であって、前記モータの起動時から目標トルク
値に至るまでの前記電機子の総回転数である、目標回転
数を記録する目標回転数記憶部と、モータ１の起動時か
ら現在までの前記電機子の総回転数を、前記目標回転数
から減じた値と、前記モータへの電力の供給を止めてか
ら、モータ１が停止するまでの回転数とを比較して、前
者が後者以下の値になったときに、前記モータを停止さ
せる停止信号を出力する回転数判定部とを備える。

【００３５】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］本発明の第
１の実施の形態について、図１、図２及び図３に基づい
て説明する。図１は本発明に係るトルク制御装置を、連
続系モデルとして表現した場合のブロック線図、図２
は、図１に示すトルク制御装置の負荷トルク推定器とロ
ーパスフィルタとを、離散系モデルとして表現した場合
のブロック線図、図３は、本発明に係るトルク制御装置
の構成を示すブロック図である。

【００３６】本実施形態は、図３に示すように、モータ
１と、マイコン６と、モータ駆動回路５と、モータ１に
印加する入力電圧Ｅを計測する電圧センサ７ａと、電流
センサ７ｂと、モータ駆動用電源８ａと、マイコン用電
源８ｂとを備えている。

【００３７】マイコン６は、作業者が設定する速度指令
値Ｖｃ及び目標トルク値Ｔｃと、電圧センサ７ａが計測
した入力電圧Ｅと、電流センサ７ｂが計測した電機子電
流Ｉａとを、８ビットでＡ／Ｄ（アナログ・ディジタ
ル）変換するＡ／Ｄ変換部６ａを具備すると共に、離散
化入力電圧Ｅｄと、離散化電機子電流Ｉａｄとから負荷
トルクを推定する負荷トルク推定部２と、トルク判定部
３と、速度制御部４ａと、ＰＷＭ部４ｂとを備えてい
る。

【００３８】従って、本実施形態は、図８に示した従来
のモータのトルク制御装置の構成に対して、カウンタ６
ｂとエンコーダ７ｃとを無くし、入力電圧Ｅを計測する
電圧センサ７ａを備えたものであり、Ａ／Ｄ変換部６ａ
は入力電圧Ｅも離散化して、離散化入力電圧Ｅｄを負荷
トルク推定部２へ出力するように構成したものである。

【００３９】また、本実施形態に於ける、負荷トルク推
定部２は、電圧センサ７ａにより計測されＡ／Ｄ変換部
６ａによって離散化された入力電圧Ｅｄと、電流センサ
７ｂにより計測されＡ／Ｄ変換部６ａによって離散化さ
れた入力電流Ｉａとから負荷トルクを推定して、負荷ト
ルク推定値ＴＬｈをトルク判定部３に出力する構成とし
ている。

【００４０】さらに、モータ駆動用電源８ａとしては、
直流１２Ｖの定電圧源を用い、電圧センサ７ａ及び電流
センサ７ｂとしては、夫々１２Ｖ、８０Ａまで測定でき
るものを使用する。また、Ａ／Ｄ変換部６ａとしては、
８ビット長のディジタル値を出力するものを用い、１ミ
リ秒毎にサンプリング値を負荷トルク推定部２に出力す
るように構成する。

【００４１】次に、負荷トルク推定部２及びトルク判定
部３の詳細について、図１及び図２に基づいて説明す
る。尚、図１では簡単のために、連続系であるとして説
明する。

【００４２】図１に示すように、負荷トルク推定部２
は、電機子電流Ｉａとモータ１のトルク定数の公称値Ｋ
ｔｎとを乗じて求めたトルクＴ１と、電機子の慣性モー
メントの公称値Ｊｎとラプラス演算子ｓとを乗じた微分
器ｓＪｎに、電機子抵抗の公称値Ｒａｎを乗じ、その値
（ｓＲａｎＪｎ）を、モータ１の逆起電力定数の公称値
Ｋｅｎで除して求めたトルクＴ２とを足してトルク（Ｔ
１＋Ｔ２）を求め、その値から電機子の慣性モーメント
の公称値Ｊｎとラプラス演算子ｓとを乗じた微分器ｓＪ
ｎを、モータ１の逆起電力定数の公称値Ｋｅｎで除して
求めたトルクＴ３を減じて負荷トルクの推定値ＴＬｈを
求めている。

【００４３】以上に説明した、負荷トルク推定方法のト
ルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、夫々数５の式の右辺各項、Ｋ
ｔｎＩａ，Ｊｎ／Ｋｅｎ・Ｒａｎ・ｄＩａ／ｄｔ，−Ｊ
ｎ／Ｋｅｎ・ｄＶ／ｄｔに対応する。

【００４４】図１に示すトルク判定部３は、負荷トルク
推定部２から出力された負荷トルク推定値ＴＬｈの計測
ノイズ及び離散化の影響を低減させる１次のローパスフ
ィルタ３ａと、ローパスフィルタ３ａから出力される負
荷トルクの推定値ＴＬＬと、目標トルクＴｃとの大小関
係を判定するトルク判定器３ｂとを備え、高周波帯域の
ノイズを減衰させた負荷トルクの推定値ＴＬＬが目標ト
ルクＴｃよりも大きい場合は、モータ制御器４に対して
モータ１を停止させるための停止信号の出力を行う。

【００４５】図２に示すように、負荷トルクの推定に必
要な電圧及び電流の微分値は、数１の式で表わされる後
進差分法を用いて求められている。具体的には、まず現
在時点の電機子電流Ｉａ（ｋ）とゲインＫ１とを乗じて
トルクＴ１を求める。次に、現在時点の電機子電流Ｉａ
（ｋ）から、１サンプリング前の電機子電流Ｉａ（ｋ−
１）を減じた電機子電流Ｉａの近似微分値ｄＩａ／ｄｔ
に、ゲインＫ２を乗じてトルクＴ２を求める。

【００４６】さらに、現在時点の入力電圧Ｅ（ｋ）か
ら、１サンプリング前の入力電圧Ｅ（ｋ−１）を減じた
電機子電流Ｅの近似微分値ｄＥ／ｄｔに、ゲインＫ３を
乗じてトルクＴ３を求める。そして、トルクＴ１とトル
クＴ２とを足した値から、トルクＴ３を減じたものが負
荷トルクの推定値ＴＬｈとなる。

【００４７】ここで、図２に示すブロック線図は離散系
なので、各ゲインＫ１，Ｋ２，Ｋ３の値は、夫々数６，
数７，数８で表わされる。但し、Ｉｍは電流センサ７ｂ
の定格電流、Ｅｍは電圧センサ７ａの定格電圧、ｎはＡ
／Ｄ変換部６ａのビット数、Ｔはサンプリング時間であ
る。

【００４８】

【数６】

【００４９】

【数７】

【００５０】

【数８】

【００５１】数６に示すように、ゲインＫ１はモータ１
のトルク定数の公称値Ｋｔｎと、電流センサ７ｂの定格
電流Ｉｍとを乗じた値ＫｔｎＩｍを、２のｎ乗（Ａ／Ｄ
変換部のビット数）で除した値ＫｔｎＩｍ／２のｎ乗で
ある。

【００５２】また、数７に示すように、ゲインＫ２は電
機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎと、電機子抵抗Ｒａ
ｎと、電流センサ７ｂの定格電流Ｉｍと、サンプリング
時間Ｔの逆数とを乗じた値ＪｎＲａｎＩｍ／Ｔを、２の
ｎ乗とモータ誘導起電圧定数２ｅｎとで除した値ＪｎＲ
ａｎＩｍ／（２のｎ乗×Ｋｅｎ×Ｔ）である。

【００５３】さらに、数８に示すように、ゲインＫ３は
電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎと、電圧センサ７
ａの定格電圧Ｅｍと、サンプリング時間Ｔの逆数とを乗
じた値ＪｎＥｍ／Ｔを、モータ誘導起電圧定数２ｅｎ
と、２のｎ乗とで除した値ＪｎＫｅｎＥｍ／（２のｎ乗
×Ｋｅｎ×Ｔ）である。

【００５４】一例として、本実施形態における電流セン
サ７ｂの定格電流Ｉｍ＝８０［Ａ］、電圧センサ７ａの
定格電圧Ｅｍ＝１２［Ｖ］、Ａ／Ｄ変換部６ａのビット
数ｎ＝８、サンプリング時間Ｔ＝１［ｍｓｅｃ］を用い
ると、数６，数７，数８式は、夫々次のようになる。

【００５５】

【数９】

【００５６】

【数１０】

【００５７】

【数１１】

【００５８】離散化ローパスフィルタ３ａは、カットオ
フ周波数１００Ｈｚのものを用いており、現在時点の負
荷トルクの推定値ＴＬｈ（ｋ）から、１サンプリング前
の負荷トルクの推定値ＴＬｈ（ｋ−１）を減じ、その値
（ＴＬｈ（ｋ）−ＴＬｈ（ｋ−１））と、１サンプリン
グ前の高周波帯域のノイズを減衰させた負荷トルクの推
定値ＴＬＬ（ｋ−１）に１９を乗じた値（１９×ＴＬＬ
（ｋ−１））とを足し、その値（ＴＬｈ（ｋ）−ＴＬｈ
（ｋ−１）＋１９×ＴＬＬ（ｋ−１））を２１で除し
て、高周波帯域のノイズを減衰させた負荷トルクの推定
値ＴＬＬを求めている。ここで、１９及び２１という値
は、カットオフ周波数１００Ｈｚから導き出せるもので
ある。

【００５９】尚、１次のローパスフィルタを用いるとし
て説明したが、高周波帯域の計測ノイズ及び、離散化の
影響（量子化誤差）を低減できれば良いので、２次のロ
ーパスフィルタ等であっても良い。

【００６０】また、カットオフ周波数は１００Ｈｚ、サ
ンプリング時間Ｔは１ミリ秒、電圧センサ７ａの定格電
圧Ｅｍは１２Ｖ、電流センサ７ｂの定格電流Ｉｍは８０
Ａ、Ａ／Ｄ変換部６ａのビット数は８であるとして説明
したが、これらに限定するものではない。

【００６１】［第２の実施の形態］次に、本発明に係る
トルク制御装置の第２の実施の形態について説明する。
第１の実施形態では、モータ１への入力電圧Ｅの測定に
電圧センサ７ａを用いている。本来、モータ１への入力
電圧Ｅは一定であるから、測定する必要がないのである
が、モータ１に大電流が流れる場合には、モータ駆動用
電源８ａの内部抵抗及びモータ１までの配線抵抗等に起
因する電圧降下によって、入力電圧Ｅが降下するため入
力電圧Ｅを計測しているのである。

【００６２】ところが、電圧センサ７ａで入力電圧Ｅを
計測する方法では、入力電圧Ｅに重畳されるＰＷＭノイ
ズが混入する。その結果、そのノイズを含んだ計測値を
用いて負荷トルクを推定することになるので、トルク制
御の精度の低下を来たすこととなる。

【００６３】そこで、本実施形態では、モータ駆動回路
５の内部抵抗Ｒｍｉ及び、モータ駆動用電源８ａの内部
抵抗Ｒｐｉの合成抵抗Ｚを予め測定しておき、この測定
した合成抵抗Ｚと、電流センサ７ｂの出力である電機子
電流Ｉａとを乗じて、合成抵抗Ｚに起因する降下電圧Δ
Ｅ（＝ＩａＺ）を求める。

【００６４】次に、その降下電圧ΔＥを、モータ駆動用
電源８ａが発生する供給電圧Ｅｏから減じることによっ
て、モータ１に印加される入力電圧Ｅの推定を行ってい
る。これを式で表わすと、数１２の式となる。

【００６５】

【数１２】

【００６６】このようにすることで、電圧降下分ΔＥを
補償することができ、モータ１に印加される入力電圧Ｅ
を推定することができる。尚、電機子電流Ｉａに重畳さ
れるノイズもあるが、入力電圧Ｅに重畳されるノイズよ
りも小さいので、第１の実施の形態の方法よりも、負荷
トルクの推定値ＴＬｈの推定精度が向上し、精度の高い
トルク制御を実現することができる。

【００６７】［第３の実施の形態］次に、本発明に係る
トルク制御装置の第３の実施の形態について説明する。
第１又は第２の実施の形態における負荷トルク推定値Ｔ
Ｌｈは、電圧センサ７ａ及び電流センサ７ｂの計測誤
差、若しくは離散化時に生じる量子化誤差分のために、
実際に生じている負荷トルクＴＬよりも大きな値となる
場合がある。

【００６８】従って、モータ１を起動し、目標トルク値
Ｔｃと負荷トルク推定値ＴＬｈとが等しく、若しくは大
きくなったからといって、モータ１を停止させてしまう
と、実際にモータ１に働いている負荷トルクＴＬは、目
標トルクＴｃよりも小さな値を示すこととなる。

【００６９】一例として、エンジンブロックを止める締
めつけボルトを、電動ドライバーで締めつける場合、設
置した締めつけトルク（目標トルクＴｃ）が発生されな
い場合があり、トルクレンチで締め直すといった不具合
が生じる場合があった。

【００７０】そこで、本実施形態では、予め実験を行っ
て、負荷トルク推定値ＴＬｈが目標トルクＴｃを超えて
から、どのくらい時間が経過してからモータ１を停止さ
せれば、実際にモータ１に働く負荷トルクＴＬと、目標
トルクＴｃとが略等しくなるか、その経過時間（静止時
間）を計測する。そして、負荷トルク推定値ＴＬｈが目
標トルクＴｃを超えた時より時間を計測し始め、静止時
間が経過した後にモータ１を停止させるように制御を行
う。

【００７１】尚、本実施形態は離散系であるので、連続
系モデルの静止時間に対応する静止回数Ｓｎを用い、Ｓ
ｎ回先のサンプリング時点でモータ１を停止させるよう
に制御する。

【００７２】次に、本実施形態の動作について図４に基
づいて詳細に説明する。図４は本実施形態のトルク判定
部３の処理の流れを示すフローチャートである。モータ
１が回転をし始めた時点では、負荷トルク推定値ＴＬｈ
は目標トルクＴｃよりも小さいので、変数ｆｌａｇには
０の代入が繰り返される。

【００７３】次第に負荷トルク推定値ＴＬｈが大きくな
り、目標トルク値Ｔｃよりも大きくなった場合には変数
ｆｌａｇに１を加えて、静止回数Ｓｎとｆｌａｇの値を
比較する。静止回数Ｓｎよりｆｌａｇの方が小さい場合
には、サンプリング時間Ｔ毎に変数ｆｌａｇに１を加え
て、静止回数Ｓｎとｆｌａｇの値の比較動作を繰り返
す。

【００７４】そして、ｆｌａｇの値が静止回数Ｓｎより
も大きくなった場合、モータ１に停止命令を出力してモ
ータ１を停止させることで、突発的なノイズによって、
目標トルクＴｃに達する前に停止することを防止するこ
とができる。

【００７５】［第４の実施の形態］本発明の第４の実施
の形態について、図５、図６及び図７に基づいて説明す
る。図５は、本発明に係るトルク制御装置の構成を示す
ブロック図である。図６は、離散化目標トルクＴｃｄと
目標回転数Ｎｃとの対応を示す表、図７は、回転数判定
部６ｄの動作を示すフローチャートである。

【００７６】図５に示すトルク制御装置は、第１の実施
の形態のトルク制御装置の構成に、モータの角変位θを
計測するエンコーダ７ｃを付加すると共に、第１の実施
の形態のマイコン６に、エンコーダ７ｃから出力される
パルスをカウントするカウンタ６ｂと、目標回転数Ｎｃ
を格納する目標回転数記憶部６ｃと、目標回転数Ｎｃか
ら総回転数Ｎを減じた値が、静止回転数Ｎｓ以下になっ
たかどうかの判断を行う回転数判定部６ｄとを付加した
ものである。

【００７７】また、カウンタ６ｂからは速度制御部４ａ
と回転数判定部６ｄとにカウント数が出力され、回転数
判定部６ｄには、Ａ／Ｄ変換部６ａから離散化目標トル
ク値Ｔｃｄが入力される。

【００７８】目標回転数記憶部６ｃには、図６の表に示
すような、離散化目標トルクＴｃｄと、そのトルクが発
生する回転数（目標回転数Ｎｃ）との対応関係を示した
情報が格納されている。目標回転数Ｎｃは予め実験を行
って得られた値である。但し、図６の表に示す各目標回
転数Ｎｃは、対応する離散化目標トルク値Ｔｃｄを発生
する状態になるまでのモータ１の総回転数を意味し、ｒ
ｐｍのような単位時間内に回転した数ではない。また、
予め実験を行って、最高速の状態からモータ１への電力
の供給を止め、モータ１が静止するまでの回転数（静止
回転数Ｎｓ）を、最高速の違いに応じて求めておく。

【００７９】次に、回転数判定部６ｄの処理を、図５及
び図７に基づいて説明する。まず、モータ１が回転する
とエンコーダ７ｃにより、電機子の角変位θが計測さ
れ、カウンタ６ｂにより、エンコーダ７ｃから出力され
るパルスがカウントする。

【００８０】そして、図７に示すように、回転数判定部
６ｄは、目標回転数記憶部６ｃを参照して、離散化トル
ク設定値Ｔｃｄを発生させる目標回転数Ｎｃを求め、カ
ウンタ６ｂのカウント数を積算して、モータ１の起動時
から現時点までのモータ１の総回転数Ｎを求める。そし
て、目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値が、静止
回転数Ｎｓ以下であるかどうかの判断を行う。

【００８１】目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値
が、静止回転数Ｎｓよりも大きな値の場合は、離散化目
標トルクＴｃｄが再設定されたかどうかの判断を行う。

【００８２】ここで、離散化目標トルクＴｃｄが再設定
された場合は、新たな目標回転数Ｎｃを求めるために、
再び目標回転数記憶部６ｃを参照する。そして、カウン
タ６ｂからのカウント数をさらに積算して総回転数Ｎを
求め、再び目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値
が、静止回転数Ｎｓ以下であるかどうかの判断を行う。

【００８３】一方、離散化目標トルクＴｃｄが変更され
ていない場合は、目標回転数Ｎｃを変更することなく、
カウンタ６ｂからのカウント数をさらに積算して総回転
数Ｎを求めて、再び目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減
じた値が、静止回転数Ｎｓ以下であるかどうかの判断を
行う。

【００８４】目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値
が、静止回転数Ｎｓ以下になった場合は、図５に示す速
度制御部４ａに停止命令を出力し、モータ１を停止させ
る。以上のように制御することで、目標トルクＴｃによ
り近い負荷トルクでモータ１を停止させることができ、
トルク制御の精度の向上を図ることができる。

【００８５】

【発明の効果】以上のように、請求項１乃至請求項4記
載の発明にあっては、モータの電機子抵抗の公称値と、
電機子電流の微分値とを乗じた値を、入力電圧の微分値
から減じ、その値に、電機子の慣性モーメントの公称値
を乗じると共に、モータの誘導電圧定数の公称値で除
し、その値を、電機子電流値と、モータのトルク定数の
公称値とを乗じた内部トルク値から減じて、負荷トルク
の推定値を求めるので、従来の技術のように、角変位の
後進差分を２回とる必要がなく、高精度の負荷トルクの
推定ができるので、トルク制御の精度が著しく向上す
る。また、モータの角加速度を測定する必要が無いの
で、高価な速度センサや加速度センサを用いずに、安価
で高精度のトルク制御ができるという効果を奏する。

【００８６】請求項２記載の発明にあっては、モータ駆
動用電源の内部抵抗及び、モータ駆動用電源の内部抵抗
の合成抵抗を予め測定しておき、この測定した合成抵抗
と、電流センサの出力である電機子電流とを乗じて求ま
った降下電圧を、モータ駆動用電源の供給電圧から減じ
ることによって、モータに印加される入力電圧の推定値
を求めることができる。

【００８７】従って、モータに印加される入力電圧を計
測する電圧センサを無くすことができ、電圧センサの計
測ノイズによる、負荷トルクの推定精度の低下を防ぐこ
とができるので、モータに印加される入力電圧を計測し
て求める場合よりも精度の良いトルク制御を実現するこ
とができる。また、電圧センサを省略できるため、請求
項１記載の発明の方法を用いたトルク制御装置の構成よ
り、Ａ／Ｄ変換器が１つ不要となり、Ａ／Ｄ変換ポート
が１つ少ないマイコンを用いることができるため、コス
トを削減することができるという効果を奏する。

【００８８】請求項３記載の発明にあっては、入力電圧
を計測する電圧センサ及び、電機子電流を計測する電流
センサの計測時に生じるノイズの影響や、速度指令値、
トルク設定値、入力電圧値、電機子電流値をＡ／Ｄ変換
部で夫々離散化したときの量子化誤差分のために、実際
の負荷トルクが目標トルクよりも小さな値となる場合が
あるが、予め負荷トルク推定値が目標トルクを超えてか
ら、どのくらい時間が経過してからモータを停止させれ
ば、実際にモータに働く負荷トルクと目標トルクが略等
しくなるか、その経過時間（静止時間）を計測してお
き、負荷トルクが目標トルクを超えた時より時間を計測
し始め、静止時間が経過したときモータを停止させるよ
うに制御することで、突発的なノイズによって、目標ト
ルクに達する前に停止することを防ぐことができるとい
う効果を奏する。

【００８９】請求項４記載の発明にあっては、請求項１
記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク制御装置で
は、高精度にトルクを推定し、モータ駆動回路に停止命
令を出したとしても、高速に回転しているモータを瞬時
に停止させることは不可能で、停止までの間モータが回
転して、目標トルクを大幅に越えるトルクが発生するの
で、目標トルクでモータを停止させることが困難である
が、目標トルクを発生するまでの総回転数を予め、その
総回転数に達した時点でモータ駆動回路に停止命令を出
力することにより、請求項１記載の発明よりも、より目
標トルクに近いトルクが発生した状態で、モータを停止
させることができ、トルク制御の精度の向上を図ること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る負荷トルク推定器を用いたトルク
制御装置を、連続系モデルとして表現した場合のブロッ
ク線図である。

【図２】図１のトルク制御装置の負荷トルク推定器とロ
ーパスフィルタとを、離散系モデルとして表現した場合
のブロック線図である。

【図３】本発明に係るトルク制御装置の一実施形態の構
成を示すブロック図である。

【図４】本発明に係るトルク判定部の処理の流れを示す
フローチャートである。

【図５】本発明に係るトルク制御装置の一実施形態の構
成を示すブロック図である。

【図６】離散化目標トルクを発生させる目標回転数を示
す表である。

【図７】本発明に係る回転数判定部の処理の流れを示す
フローチャートである。

【図８】従来のモータのトルク制御装置を示すブロック
図である。

【図９】従来のトルク制御装置に用いられる負荷トルク
推定器を示すブロック線図である

【符号の説明】

３トルク判定部４ａ速度制御部（モータ速度制御部）６ｃ目標回転数記憶部６ｄ回転数判定部Ｉａ電機子電流Ｅ入力電圧Ｅｏ供給電圧（モータ駆動用電源が発生する電圧）Ｅｈ入力電圧の推定値 ΔＥ降下電圧Ｋｔｎモータのトルク定数の公称値Ｒａｎ電機子抵抗の公称値Ｒｍｉモータ駆動回路の内部抵抗値Ｒｐｉモータ駆動用電源の内部抵抗値Ｊｎ電機子の慣性モーメントの公称値Ｋｅｎ誘導起電圧定数の公称値ＴＬ負荷トルクＴＬｈ負荷トルク推定値Ｔｃ目標トルクＮｃ目標回転数Ｎ総回転数

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月２６日（１９９９．１１．
２６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】モータ１は入力端子に入力電圧Ｅが印加さ
れると、電機子が回転を始めるが、電機子が回転する
と、モータ１の入力端子間には逆起電力Ｅｅが発生する
ので、モータ１の入力端子間に実際に現れる電機子電圧
Ｅａは、入力電圧Ｅから逆起電力Ｅｅを減じた電圧値と
なる。尚、逆起電力Ｅｅは、電機子の角速度ωに、逆起
電力定数Ｋｅを乗じた電圧値である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】モータ１の入力端子に現れる電機子電圧Ｅ
ａと、電機子の巻線抵抗Ｒａの逆数とを乗じたものが、
電機子に流れる電機子電流Ｉａとなり、その電機子電流
Ｉａにモータ１のトルク定数Ｋｔを乗じたものが、モー
タ１の原発生トルクＴｏとなる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細川智弘大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 5H570 AA17 AA23 DD01 HB16 JJ04 JJ12 JJ16 JJ26 LL02 LL03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータに加わる負荷トルクの推定方法に
おいて、前記モータの電機子抵抗の公称値と、前記モー
タの電機子に流れる電機子電流の微分値とを乗じた値
を、前記モータに印加される入力電圧の微分値から減
じ、その値に、前記モータの電機子の慣性モーメントの公称
値を乗じると共に、前記モータの誘導電圧定数の公称値
で除し、その値を、前記電機子電流の値と、前記モータのトルク
定数の公称値とを乗じた内部トルク値から減じて、負荷
トルクの推定値を求めることを特徴とする負荷トルク推
定方法。
【請求項２】前記モータを駆動させるモータ駆動回路
及びモータ駆動用電源の内部抵抗値と、前記電機子電流
の値とを乗じて、前記内部抵抗値に起因する降下電圧を
求め、モータ駆動用電源が発生する電圧からその降下電
圧を減じた値を、前記モータに印加される入力電圧とす
ることを特徴とする、請求項１記載の負荷トルク推定方
法。
【請求項３】請求項１又は請求項２記載の負荷トルク
推定方法を用いるトルク制御装置であって、負荷トルク
推定値が、目標トルク値より大きくなったときに、前記
モータを停止させる停止信号を出力するトルク判定部を
備えたことを特徴とするトルク制御装置。
【請求項４】請求項１又は請求項２記載の負荷トルク
推定方法を用いるトルク制御装置であって、前記モータ
の起動時から目標トルク値に至るまでの前記電機子の総
回転数である、目標回転数を記憶する目標回転数記憶部
と、前記モータの起動時から現在までの前記電機子の総回転
数を、前記目標回転数から減じた値と、前記モータへの
電力の供給を止めてから、前記モータが停止するまでの
回転数とを比較して、前者が後者以下の値になったとき
に、前記モータを停止させる停止信号を出力する回転数
判定部とを備えたことを特徴とするトルク制御装置。