JP2002136165A - モータ制御装置の速度検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 速度閉ループの位相遅れを補償し、速度制御
系の応答性を向上させる手段を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 モータ１の位置を制御周期毎に検出した
エンコーダ２情報からモータ速度を計算する速度検出回
路と、速度検出値と与えられる速度指令値を比較しトル
ク指令１１を生成する速度制御器１０と、トルク指令１
１に従いモータ電流１３を制御する電流制御器１２を備
えたモータ制御装置３において、まず制御周期開始時の
モータ速度を計算（ステップＳ１１）後、その時点から
設定時間だけ未来のモータ速度を推定し（ステップＳ１
２）、速度検出値として制御に用いることを特徴とする
モータ制御装置３の速度検出方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータ制御装置の
速度検出方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＰＵ・周辺ＩＣの進歩により、
制御のディジタル化は一般的となり、アナログ制御では
実現困難な制御を行うことで、機器の高性能・高機能化
に大きく貢献している。

【０００３】一般的なモータ制御装置の速度制御ブロッ
ク図を用いて説明する。

【０００４】図９において、モータ制御装置３は、モー
タ１に取り付けられたエンコーダ２からモータ位置４を
得る。このモータ位置４は速度制御周期の開始時点にサ
ンプラ５でサンプリングされ、今回の速度制御演算に用
いられる。

【０００５】サンプリング後のモータ位置６は、従来の
速度検出器１５によりモータ速度８に変換される。与え
られた速度指令９と検出されたモータ速度８から速度制
御器１０はトルク指令１１を計算し、電流制御器１２に
指令を与える。電流制御器１２は、トルク指令１１に等
しいトルクをモータが発生するようにモータ電流１３を
制御する。

【０００６】ここで従来の速度検出器１５内処理のフロ
ーチャートを図８に示す。ここでは、今回のサンプリン
グ開始時のモータ速度計算を行うステップＳ５１がある
のみである。

【０００７】またモータ制御装置３内処理のタイミング
チャートを図１０に示す。

【０００８】エンコーダパルス１６は、モータ制御装置
３内でカウント値１７に変換され、速度制御周期１８毎
にサンプル・ホールドされ離散化した値となる。

【０００９】この値を元に、速度制御処理１９が行われ
る。一般に速度制御処理１９はマイコンなどによるディ
ジタル計算が行われることが多いが、これは必然的に速
度演算遅れＴｄ１を生む。

【００１０】また、電流制御処理２１がディジタル計算
されている場合、速度制御処理１９で計算されたトルク
指令は、電流制御周期２０毎に電流制御処理２１に与え
られるため、転送遅れＴｄ２が生ずる。また、電流制御
処理２１自体の演算遅れ、および実際にモータ電流が変
化するまでの応答遅れなどにより、電流遅れＴｄ３があ
る。最終的に、位置情報のサンプリング時点からモータ
電流が変化するまでには、Ｔｄ１＋Ｔｄ２＋Ｔｄ３だけ
の遅れが生ずることとなる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この遅れは、速度閉ル
ープ制御系の位相遅れ要素となるため、速度応答性向上
の大きな妨げとなっていた。

【００１２】従来、速度制御周期および電流制御周期の
時間を短くすることでＴｄ１、Ｔｄ２およびＴｄ３を小
さくしてきたが、これには高性能なＣＰＵを用いる必要
があり、コスト等の問題で限界が生ずる。

【００１３】また、ディジタル制御を行っている限り、
この遅れは０にはならないことから、アナログ制御によ
る速度制御系に対して応答性の面で劣る課題があった。

【００１４】本発明は、この従来の課題を解決するもの
で、速度閉ループの位相遅れを補償し、速度制御系の応
答性を向上させる手段を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では従来の速度検出器で計算されていた、今
回のサンプリング開始時の速度情報から、設定される時
間だけ未来の速度情報を推定して制御に用いることで、
速度閉ループ制御の位相遅れを補償し、応答性を向上さ
せることを可能とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】上記の課題を解決するために本発
明の請求項１では、モータの位置を制御周期毎に検出し
たエンコーダ情報からモータ速度を計算する速度検出回
路と、速度検出値と与えられる速度指令値を比較しトル
ク指令を生成する速度制御器と、トルク指令に従いモー
タ電流を制御する電流制御器を備えたモータ制御装置に
おいて、まず制御周期開始時のモータ速度を計算した
後、その時点から設定時間だけ未来のモータ速度を推定
し、速度検出値として制御に用いることを特徴としてい
る。

【００１７】また、請求項２では、請求項１記載内容の
なかで、今回と前回の速度検出値の差分に、設定時間と
制御周期との比を乗じた値を今回の制御周期開始時の速
度検出値に加算し、その結果を未来のモータ速度推定値
として用いることを特徴としている。

【００１８】また、請求項３では、請求項１記載内容の
なかで、未来のモータ速度推定値として、前回計算した
トルク指令値を、モータと負荷の総イナーシャで割った
値に、設定時間を乗じた値を今回の制御周期開始時の速
度検出値に加算した結果を用いることを特徴としてい
る。

【００１９】また、請求項４では、請求項３記載内容の
なかで、制御周期開始時のモータ速度の計算に速度オブ
ザーバを用い、請求項３記載内容における未来のモータ
速度の推定で用いる前回のトルク指令値に、速度オブザ
ーバで得られる外乱トルク推定値を加算することを特徴
としている。

【００２０】また、請求項５では、請求項１から請求項
４記載内容のなかで、どれだけ未来のモータ速度を推定
するかの設定時間について、制御周期開始時からトルク
指令が生成されるまでの遅れ時間Ｔｄ１を用いることを
特徴としている。

【００２１】さらに、請求項６では、上記請求項１から
請求項４記載内容のなかで、どれだけ未来のモータ速度
を推定するかの設定時間について、制御周期開始時から
計算されたトルク指令に応じて実際にモータ電流が変化
するまでの時間を用いることを特徴としている。

【００２２】このように、請求項１記載の発明によれ
ば、Ｔｄ１、Ｔｄ２およびＴｄ３による速度閉ループ系
の位相遅れが低減され、応答性を向上させることができ
る。

【００２３】また、請求項２から請求項４記載の発明に
よれば、モータ制御装置および負荷の特性が分かる場合
に、より精度よい未来速度推定を可能とすることができ
る。

【００２４】さらに、請求項５および請求項６記載の発
明によれば、Ｔｄ１、Ｔｄ２およびＴｄ３の値がはっき
り分かる場合に、最良な未来速度推定を可能とすること
ができる。

【００２５】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
て説明する。

【００２６】（実施例１）まず、請求項１の実施例につ
いて説明する。

【００２７】図２において、速度検出器７以外は従来例
の図９と同じであり、この速度検出器７内の処理を示し
たフローチャートを用いて説明する。

【００２８】図１においても、従来の図８にあるよう
に、ステップＳ１１のサンプリング開始時のモータ速度
を計算しているが、このモータ速度からステップＳ１２
により設定時間だけ未来のモータ速度を推定し、以降の
速度制御を用いることで、速度制御の位相遅れを改善で
きる。

【００２９】このステップＳ１１の計算方法としては、
制御周期間のパルス数をカウントする方法、パルス間隔
を高速カウンタで測定し逆数をとることで算出する方
法、およびそれらの組み合わせなど、さまざまな方法を
適用できる。また、瞬時速度オブザーバなど、負荷モデ
ルを用いたよりも正確な速度推定方法の採用も可能であ
る。

【００３０】（実施例２）次に、請求項２の実施例につ
いて説明する。

【００３１】実施例２の速度制御系のブロック図は実施
例１と同じであり、速度検出器７内の処理が異なる。こ
の処理を図３のフローチャートに示す。

【００３２】この処理は、実施例１のステップＳ１２を
より詳細化したもので、ステップＳ２１で算出した今回
のサンプリング開始時のモータ速度を用い、未来速度の
推定をステップＳ２２で行っている。

【００３３】この際必要となる前回のサンプリング開始
時のモータ速度として、今回のサンプリング開始時のモ
ータ速度をステップＳ２３で保存している。

【００３４】図４は、このステップＳ２２での計算式の
概念図を示したもので、加速度一定の仮定のもとで、一
次式にて未来速度を推定している。外乱トルクや負荷変
動の影響を考慮していないので、あまり遠い未来の推定
を行うと推定誤差が増加し、動作時の振動・騒音の原因
となるが、逆に今回と前回の速度情報さえあれば計算が
可能である利点もある。

【００３５】（実施例３）次に請求項３の実施例につい
て説明する。

【００３６】図５は実施例３の速度制御系のブロック図
で、トルク指令１１が速度検出器１４に入力されている
点以外は、図２と同じである。

【００３７】この速度検出器１４内の処理を示したフロ
ーチャートを用いて説明する。

【００３８】図６において、ステップＳ３１で計算され
た今回のサンプリング開始時のモータ速度から、前回の
トルク指令で負荷イナーシャを設定時間加速したという
仮定で、未来速度をステップＳ３２で推定する。

【００３９】負荷イナーシャの情報が必要となる点で、
負荷変動がある場合や、負荷イナーシャが不明の場合に
は適用できない短所はあるが、実施例２と比較してより
正確な未来速度推定が可能である。

【００４０】（実施例４）次に請求項４の実施例につい
て説明する。

【００４１】実施例４の速度制御系のブロック図は図５
と同じであり、この速度検出器１４内の処理が異なるの
で、フローチャートを用いて説明する。

【００４２】図７において、速度オブザーバは一般に、
ステップＳ４１に示す負荷モデルに基づいたモータ位置
・速度の推定部と、ステップＳ４２に表されるモータ位
置推定値と実際のモータ位置との誤差による推定値の修
正から構成される。この結果、サンプリング開始時のモ
ータ速度が正確に推定されると同時に、外乱トルクの推
定値も得られる。

【００４３】これを用いて、ステップＳ４３の計算式
で、外乱トルクも考慮した未来速度推定を行うことで、
実施例３よりさらに精度よい推定が可能となる。

【００４４】但し、本実施例の場合、実施例３の制約条
件に加え、負荷モデルが正確でない場合や、速度オブザ
ーバの推定速度を最適に設定する必要があるなどの短所
があり、適用範囲はさらに限定される。

【００４５】（実施例５）次に請求項５の実施例につい
て説明する。

【００４６】実施例５の速度制御ブロック図およびフロ
ーチャートは、実施例１から４に記された通りである
が、実施例５が異なるのは、どれだけ未来のモータ速度
推定を行うかの設定時間を、図１０におけるＴｄ１に設
定する点にある。

【００４７】実施例１から実施例４でこの設定時間を指
定しなかった理由は、未来速度の推定方式によっては、
本実施例で指定した時間だけ未来の速度推定を行うと、
推定誤差による振動・騒音が増加し、実用レベルに達し
ない場合があり、これらとのトレードオフが可能となる
よう設定時間を、本実施例に明示した時間未満に設定で
きるようにする意図がある。

【００４８】従って、実施例１から実施例４の方式で十
分な未来速度推定精度が確保でき、電流制御がアナログ
制御であるか、速度制御周期より十分に早い周期で演算
されており、Ｔｄ２＋Ｔｄ３が無視できる場合には、本
実施例により位相遅れが最小となる速度制御が可能とな
る。

【００４９】（実施例６）同様に、請求項６の実施例に
ついても、速度制御ブロック図およびフローチャート
は、実施例１から４に記された通りで、どれだけ未来の
モータ速度推定を行うかの設定時間を、図１０における
Ｔｄ１＋Ｔｄ２＋Ｔｄ３に設定する点にある。

【００５０】これは電流制御の演算遅れおよび応答性が
無視できない場合に、より正確な位相遅れ補償を可能と
するものである。

【００５１】

【発明の効果】上記の実施例から明らかなように、請求
項１記載の発明によれば、設定時間だけ未来のモータ速
度を推定し、以降の速度制御に用いることで、速度制御
の位相遅れを改善できる。

【００５２】また、請求項２記載の発明によれば、今回
と前回の速度情報さえあれば計算が可能で、Ｔｄ１＋Ｔ
ｄ２＋Ｔｄ３の遅れ要素が補償され、速度閉ループ系の
位相遅れが低減される。

【００５３】また、請求項３記載の発明によれば、外乱
トルクや負荷変動の影響が小さい場合には、さらに精度
のよい未来速度推定が可能となる。

【００５４】また、請求項４記載の発明によれば、負荷
モデルを正確に得ることができ、速度オブザーバを最適
に調整することができる場合には、さらにより精度のよ
い未来速度推定が可能となる。

【００５５】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項１から請求項４と組み合わせることで、未来速度推定
誤差が実用上問題にならず、トルク指令が実際に反映さ
れるまでの遅れ時間をＴｄ１と見なせる場合、正確な位
相遅れ補償が可能となる。

【００５６】さらに、請求項６記載の発明によれば、請
求項１から請求項４と組み合わせることで、未来速度推
定誤差が実用上問題にならず、トルク指令が実際に反映
されるまでの遅れ時間をＴｄ１＋Ｔｄ２＋Ｔｄ３と見な
せる場合、正確な位相遅れ補償が可能となる。

【００５７】このように、各種の速度検出方法を適用す
ることで、広範囲に速度閉ループの位相遅れを補償で
き、速度制御系の応答性を向上させる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるモータ速度検出処理フローチ
ャート

【図２】実施例１におけるモータ速度制御処理ブロック
図

【図３】実施例２におけるモータ速度検出処理フローチ
ャート

【図４】実施例２における未来速度推定概念図

【図５】実施例３におけるモータ速度制御処理ブロック
図

【図６】実施例３におけるモータ速度検出処理フローチ
ャート

【図７】実施例４におけるモータ速度検出処理フローチ
ャート

【図８】従来のモータ制御の速度検出処理フローチャー
ト

【図９】従来のモータ速度制御処理ブロック図

【図１０】従来のモータ制御処理タイミングチャート

【符号の説明】

１ モータ ２ エンコーダ ３ モータ制御装置 ４ モータ位置 ７、１４ 速度検出器 ８ モータ速度 ９ 速度指令 １０ 速度制御器 １１ トルク指令 １２ 電流制御器 １３ モータ電流 １８ 速度制御周期 １９ 速度制御処理 ２０ 電流制御周期 ２１ 電流制御処理

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータの位置を制御周期毎に検出したエ
   ンコーダ情報からモータ速度を計算する速度検出回路
   と、速度検出値と与えられる速度指令値を比較しトルク
   指令を生成する速度制御器と、トルク指令に従いモータ
   電流を制御する電流制御器を備えたモータ制御装置にお
   いて、まず制御周期開始時のモータ速度を計算した後、
   その時点から設定時間だけ未来のモータ速度を推定し、
   速度検出値として制御に用いることを特徴とするモータ
   制御装置の速度検出方法。
2. 【請求項２】 今回と前回の速度検出値の差分に、設定
   時間と制御周期との比を乗じた値を今回の制御周期開始
   時の速度検出値に加算し、その結果を未来のモータ速度
   推定値として用いることを特徴とする請求項１記載のモ
   ータ制御装置の速度検出方法。
3. 【請求項３】 前回計算したトルク指令値を、モータと
   負荷の総イナーシャで割った値に、設定時間を乗じた値
   を今回の制御周期開始時の速度検出値に加算し、その結
   果を未来のモータ速度推定値として用いることを特徴と
   する請求項１記載のモータ制御装置の速度検出方法。
4. 【請求項４】 制御周期開始時のモータ速度の計算に速
   度オブザーバを用い、速度オブザーバで得られる外乱ト
   ルク推定値を前回計算したトルク指令値に加算し、その
   値をモータと負荷の総イナーシャで割った値に設定時間
   を乗じ、その値に今回の制御周期開始時の速度検出値を
   加算した結果を、未来のモータ速度推定値として用いる
   ことを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置の速度
   検出方法。
5. 【請求項５】 制御周期開始時からトルク指令が生成さ
   れるまでの計算時間だけ未来のモータ速度を推定するこ
   とを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の
   モータ制御装置の速度検出方法。
6. 【請求項６】 制御周期開始時から計算されたトルク指
   令に応じて、実際にモータ電流が変化するまでの時間を
   加えただけ未来のモータ速度を推定することを特徴とす
   る請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ制御装
   置の速度検出方法。