JP2004201383A - Control method and device for motor speed - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械振動、モータとギアで発生する回転リップル、あるいはモータ自体が発生する回転速度リップルが存在するような機械系を有するモータ速度制御方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
このような機械振動等が発生するモータ速度制御装置においては、従来は、例えば特開平11−341852号公報(特許文献1)に開示されているように外乱オブザーバ(負荷トルク推定器)を設け、トルク指令に負荷外乱トルクをフィードバックするような構成のものがほとんどであった。この場合、外乱オブザーバによるモータトルクに加わる負荷外乱トルクの推定が可能となり、従来の速度制御装置で発生していた軸ねじり振動などの機械振動を抑制することができる。
【0003】
しかし、前掲の特許文献1に開示された従来技術では、以下に示すような周期的な外乱であるリップルについては外乱オブザーバ等では対処しきれないという問題がある。
1.モータとギアで発生する回転リップル
2.モータとカップリングの結合のずれによる偏芯などによる回転リップル
3.モータのコギングなどトルクリップル成分による回転速度リップル
【0004】
また、外乱オブザーバを構成した場合、推定値が合わないために、外乱抑制が不十分である。
さらに、外乱オブザーバは、微分器を必要とするため、ノイズ成分をトルクにフィードバックするという悪影響があり、この対策としては、フィルタを使うなどの方法で対処できるが、複数のパラメータ調整が必要であり、容易に調整ができないという問題がある。
【0005】
一方、特開平9−56183号公報(特許文献2)には、モータの機械振動を検出して、トルク指令にフィードバックすることで機械振動の抑制を図った制振制御装置が開示されている。その構成をアレンジしたものを図9に示す。
図9において、速度制御装置は、速度指令8に速度ゲインKvを乗じてトルク指令とする比例器10と、トルク指令から高周波成分を除去するトルクフィルタ11と、デジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換器12と、慣性モーメントJmをもつモータ14と、モータ14で駆動される負荷装置13と、モータ14の回転速度を積分する積分器15と、積分されたモータ14の回転位置を検出するエンコーダ16と、エンコーダ16で検出されたモータ回転位置フィードバック信号4の差分をとって速度指令8へのモータ速度フィードバック信号7として減算器37に出力する差分演算器17とを有している。さらに、以上の構成に、制振制御装置24が付加されている。
【0006】
制振制御装置24では、トルク指令に制振制御イナーシャ18を乗じた値と、差分演算器17で演算されたモータ速度フィードバック信号に制振制御周波数20を乗じた値とを加算器35で加算し、積分器19で積分して減算器36でモータ速度フィードバック信号と減算する。減算器36の出力はハイパスフィルタ21、ローパスフィルタ22を通し、制振ゲイン23を乗じて減算器37によりモータ速度フィードバック信号から減算され、その値が減算器31で速度指令8から減算される。
このような制振制御装置24を設けることで、機械振動を抑制することができる。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−341852号公報(段落0026〜0029、図1,図2)
【特許文献2】
特開平9−56183号公報(段落0017〜0018、図2)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献2に記載された制振制御装置においては、パラメータの設定はハイパスフィルタ21,ローパスフィルタ22,制振ゲイン23,制振制御周波数20,制振制御イナーシャ18の5つあり、調整が容易ではない上に、ある位置から目標位置までモータを駆動した後、その目標位置でモータを停止させるとその停止位置での1ビット分の振動が残り、その振動は抑制できないという問題があった。
そこで本発明は、パラメータの数が少なく調整が容易であり、また停止位置での振動のないモータ速度制御方法および装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項1に係る発明は、速度指令から積分要素および比例要素を有する速度制御手段を通してトルク指令を生成し、このトルク指令に基づいて駆動されるモータの回転位置をエンコーダにより検出し、このエンコーダの出力に基づいて前記モータの実速度を演算して前記トルク指令にフィードバックするモータ速度制御方法において、前記モータの実速度信号とトルク指令をエンコーダパルス換算してモータモデルに入力したモータの推定速度信号との差を外乱推定速度信号とし、この外乱推定速度信号にゲインを掛けた出力信号を前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間に入力することを特徴とする。
【0010】
また、請求項2に係る発明は、速度指令からトルク指令を生成する積分要素および比例要素を有する速度制御手段と、前記トルク指令に基づいて駆動されるモータの回転位置を検出するエンコーダと、このエンコーダの出力に基づいて前記モータの実速度を演算して前記トルク指令にフィードバックする速度演算手段とを備えたモータ速度制御装置において、前記トルク指令を前記エンコーダのパルスに換算するエンコーダパルス換算手段と、このエンコーダパルス換算手段の出力よりモータ速度を推定するモータモデルと、前記速度演算手段で演算されたモータの実速度と前記モータモデルで推定されたモータ推定速度の差である外乱推定速度信号に調整ゲインを乗じるゲイン調整器とを備え、このゲイン調整器の出力と前記モータの実速度とを、前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間にフィードバックする速度外乱推定手段を設けたことを特徴とする。
【0011】
請求項1および2に係る本発明のモータ速度制御方法および装置においては、モータのトルク指令とモータモデルからモータの推定速度を演算し、この推定速度とモータの実速度との差を外乱推定速度信号として調整ゲインを乗じて速度制御手段の積分要素と比例要素との間にフィードバックすることにより、モータ制御を行うようにしている。このため、パラメータは調整ゲインのみであり、これを調整するだけで最適なモータ速度制御が可能となる。また、振動成分だけを除去するという従来の制振制御とは異なり、実際のモータとモータモデルとの差として現れる振動および外乱等を推定できるため、運転状態から停止状態になったときに最後の1パルスでモータが振動することを抑制することができる。
請求項3に係る発明は、前記ゲイン調整器において調整されるゲインを、前記モータモデルと実速度の差の0から100%まで調整可能としたものである。これにより、調整ゲインはその範囲の値を設定すればよく、調整の範囲を限定することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係るモータの速度制御装置を示すブロック図である。この図において、IP(積分比例)速度制御装置は、速度指令8を積分する積分器9と、その積分値に速度ゲインKvを乗じてトルク指令とする比例器10と、トルク指令から高周波成分を除去するトルクフィルタ11と、デジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換器12と、慣性モーメントJmをもつモータ14と、モータ14で駆動される負荷装置13と、モータ14の回転速度を積分する積分器15と、積分されたモータ14の回転位置を検出するエンコーダ16と、エンコーダ16で検出されたモータ回転位置フィードバック信号4の差分をとって速度指令8へのモータ速度フィードバック信号7として減算器31および32に出力する差分演算器17とを有している。さらに、以上の構成に、本発明の特徴である速度外乱推定装置1が付加されている。
【0013】
この速度外乱推定装置1は、トルク指令をエンコーダのパルス数に換算するエンコーダパルス換算器3と、モータモデル2と、差分演算器17の出力からモータモデル2の出力を減算して比例器10の入力側にフィードバックするゲイン調整器5とからなっている。
この構成の速度外乱推定装置1においては、トルクフィルタ11の出力であるトルク指令はエンコーダパルス換算器3でエンコーダパルス数に換算され、その出力はモータモデル2で速度換算値に変換される。この速度換算値と、差分演算器17で演算されたモータ回転速度フィードバック信号7との差が減算器34で演算されてゲイン調整器5に入力され、得られた速度外乱推定値6は減算器32に入力される。これにより、モータ回転速度フィードバック信号7と速度指令8の差が減算器31により演算され、その差が積分器9に入力され、積分器9の出力から速度外乱推定値6とモータ速度フィードバック信号7が減算器32により減算され、その出力が比例器10に入力され、トルクフィルタ11を通過してトルク指令が生成される。
【0014】
トルク指令は、デジタル信号であるのでそれをD/A変換器12によりアナログの電流値に変換してモータ14に供給する。モータ14の軸端には負荷装置13がカップリングなどで結合されて駆動される。
なお、図1において、Tiは積分時定数、Tsはサンプリング時間、z-1はむだ時間モデル、Jmはモータ14の慣性モーメント、Jm'はモータモデル2の慣性モーメント、αはゲイン調整器5の調整ゲインである。
【0015】
次に、従来技術と本発明の実施の形態におけるシミュレーション実施結果を、図2〜図5に示す。このシミュレーションにおいては、モータ14と負荷装置13による2慣性モデルを用いて、共振周波数は200Hzの設定とした。共振周波数を200Hzとしたのは、ノッチフィルタで構成されるトルクフィルタ11が設定できる領域が200Hzよりも大きい周波数であり、200Hz以下に設定すると発振するなどの問題があるからである。従来の技術では、200Hz以下の振動に対しては制振制御などを使わないと振動を抑えられない。
【0016】
図2は、従来の速度IP(積分比例)位置P(比例)制御でのシミュレーション結果である。図3は、文献2に示した制振制御を適用した場合のシミュレーション結果である。図4は、本発明を適用した場合のシミュレーション結果である。図2〜図4において、(a)はモータ位置のタイムチャート、(b)はモータトルクのタイムチャート、(c)は回転数偏差のタイムチャート、(d)は負荷の位置のタイムチャートを示している。これらの図の(a)および(d)からわかるように、モータ位置および負荷の位置はそれぞれほぼ同じく約0.5secで目標位置に達しているが、速度IP位置P制御では図2(b),(c)に表されているように、トルク変動が大きく、停止位置での回転数偏差も大きく振動している。制振制御では、図3(b)に示すようにモータトルクの振動は抑制されているが、同図(c)に示すように停止位置での1rpm分の振動が残存している。これに対し、本発明の速度外乱推定装置を設けたものでは、図4(c)に表されているように、停止状態でのパルスの振動が少なくなる。
【0017】
図5は、本発明で設定するイナーシャをモータイナーシャのみとした場含のシミュレーション結果である。通常、速度IP位置P制御でゲインを上げていくと発振するが、図9の制振制御及び本発明装置でのシミュレーションでは、(b)のトルク波形に振動が載らず、(c)の偏差信号にも振動が載らないという利点がある。このようなシミュレーション結果になる理由について周波数特性を使って説明する。
【0018】
図6は、速度IP制御の速度制御系の周波数特性((a)はゲイン、(b)は位相)であるが、反共振周波数付近で、位相遅れが180度となっている。それに対して、図7の制振制御を用いた場合には、1kHz付近まで位相遅れが180度まで達していない。また、本発明の周波数応答を示す図8でも同様に1kHz付近まで、位相遅れが180度に達していない。
つまり、図9に示す制振制御と図1に示す本発明の速度制御装置では、位相特性に特徴を持っていることが言える。特に、本発明では特別に位相補償を行う手段を有していないにもかかわらず、位相補償を行ったように設計されていることが特徴となっている。
【0019】
本発明の実施の形態における周波数特性は、IP制御以外にはフィルタなどを設けていないが、実機では、フィルタなどを入れてモータ指令を滑らかにすることがあり、これは位相遅れとなるが、本発明では前述の位相補償機能があるので有利に働く。
本実施の形態において、調整するパラメータは、ゲイン調整器5の調整ゲインαとモータモデル2のJm’のみであるが、Jm’は基本的にモータイナーシャ値であり、これは本来わかっているものなので、調整は調整ゲインα1つだけとなる。この調整ゲインαは、前記モータモデルと実速度の差の0〜100%までの範囲で、停止時の位置偏差が0となるように調整を行う。調整ゲインが0の場合は実速度を使用し、調整ゲインが100%の場合はモデル速度を使用することになるので、これらの間の任意の値を設定する。
【0020】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、モータのトルク指令とモータモデルからモータの推定速度を演算し、この推定速度とモータの実速度との差を外乱推定速度信号として調整ゲインを乗じて速度制御手段の積分要素と比例要素との間にフィードバックすることにより、モータ制御を行うようにしている。このため、パラメータは調整ゲインのみであり、これを調整するだけで最適なモータ速度制御が可能となる。また、振動成分だけを除去するという従来の制振制御とは異なり、実際のモータとモータモデルとの差として現れる振動および外乱等を推定できるため、運転状態から停止状態になったときに最後の1パルスでモータが振動することを抑制することができる。これにより、制振制御に比べてパラメータの数が少なく、振動周波数を調べて、調整するようなことがないので、調整も容易である。
また、調整ゲインは前記モータモデルと実速度の差の0〜100%までの値を設定すればよく、調整の範囲を限定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るモータの速度制御装置を示すブロック図である。
【図2】従来の速度IP位置P制御によるシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図3】従来の制振制御を用いた場合のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図4】本発明のモータ速度制御装置を用いた場合のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図5】本発明のモータ速度制御装置でモータモデルのイナーシャをモータイナーシャのみとした場合のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図6】従来の速度IP制御の周波数特性を示すグラフである。
【図7】従来の制振制御を付加した場合の周波数特性を示すグラフである。
【図8】本発明のモータ速度制御系における周波数特性を示すグラフである。
【図9】従来の制振制御の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1…速度外乱推定装置
2…モータモデル
3…エンコーダパルス換算器
4…モータ回転位置フィードバック信号
5…ゲイン調整器
6…速度外乱推定値
7…モータ速度フィードバック信号
8…速度指令
9…速度制御器の積分器
10…速度制御器の比例器
11…トルクフィルタ
12…D/A変換器
13…負荷装置
14…モータ
15…積分器
16…エンコーダ
17…差分演算器
31,32,33,34 減算器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a motor speed control method and apparatus having a mechanical system in which there is mechanical vibration, rotation ripple generated by a motor and a gear, or rotation speed ripple generated by a motor itself.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a motor speed control device in which such mechanical vibration occurs, a disturbance observer (load torque estimator) is provided as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-341852 (Patent Document 1). In most cases, the load disturbance torque is fed back to the torque command. In this case, it is possible to estimate the load disturbance torque added to the motor torque by the disturbance observer, and it is possible to suppress mechanical vibration such as shaft torsional vibration generated in the conventional speed control device.
[0003]
However, the prior art disclosed in the above-mentioned
1. 1. Rotary ripple generated by motor and
In addition, when a disturbance observer is configured, disturbance estimation is inadequate, so that disturbance suppression is insufficient.
Furthermore, since the disturbance observer requires a differentiator, it has the adverse effect of feeding back the noise component to the torque, and as a countermeasure this can be dealt with by using a filter or the like, but multiple parameter adjustments are required. However, there is a problem that adjustment cannot be easily performed.
[0005]
On the other hand, Japanese Patent Laying-Open No. 9-56183 (Patent Document 2) discloses a vibration damping control device that detects mechanical vibration of a motor and feeds it back to a torque command to suppress the mechanical vibration. FIG. 9 shows an arrangement of the configuration.
In FIG. 9, a speed control device includes a
[0006]
In the vibration suppression control device 24, an
By providing such a vibration suppression control device 24, mechanical vibration can be suppressed.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-11-341852 (paragraphs 0026 to 0029, FIGS. 1 and 2)
[Patent Document 2]
JP-A-9-56183 (paragraphs 0017 to 0018, FIG. 2)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the vibration suppression control device described in
Therefore, an object of the present invention is to provide a motor speed control method and apparatus which have a small number of parameters, are easy to adjust, and have no vibration at a stop position.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
[0010]
Further, the invention according to
[0011]
In the motor speed control method and apparatus according to the present invention, the estimated speed of the motor is calculated from the torque command of the motor and the motor model, and the difference between the estimated speed and the actual speed of the motor is calculated as the estimated disturbance speed. The motor control is performed by multiplying the adjustment gain as a signal and feeding it back between the integral element and the proportional element of the speed control means. Therefore, the parameter is only the adjustment gain, and the optimum motor speed control can be performed only by adjusting the adjustment gain. Also, unlike the conventional vibration suppression control that removes only the vibration component, vibration and disturbance that appear as a difference between the actual motor and the motor model can be estimated, so that when the operation state is stopped from the operation state, the final Vibration of the motor with one pulse can be suppressed.
According to a third aspect of the present invention, the gain adjusted by the gain adjuster can be adjusted from 0 to 100% of the difference between the motor model and the actual speed. Accordingly, the adjustment gain may be set to a value within the range, and the range of adjustment can be limited.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a motor speed control device according to an embodiment of the present invention. In the figure, an IP (integral proportional) speed control device includes an integrator 9 for integrating a speed command 8, a
[0013]
The speed
In the speed
[0014]
Since the torque command is a digital signal, it is converted into an analog current value by the D / A converter 12 and supplied to the
In FIG. 1, Ti is the integration time constant, Ts is the sampling time, z -1 is the dead time model, Jm is the moment of inertia of the
[0015]
Next, simulation results of the prior art and the embodiment of the present invention are shown in FIGS. In this simulation, the resonance frequency was set to 200 Hz using a two-inertia model using the
[0016]
FIG. 2 shows a simulation result in the conventional speed IP (integral proportional) position P (proportional) control. FIG. 3 is a simulation result when the vibration suppression control shown in
[0017]
FIG. 5 is a simulation result including the case where the inertia set in the present invention is only the motor inertia. Normally, oscillation occurs when the gain is increased by the speed IP position P control. However, in the vibration suppression control of FIG. 9 and the simulation of the apparatus of the present invention, no vibration is applied to the torque waveform of (b), and the deviation of (c) There is an advantage that no vibration is applied to the signal. The reason for such a simulation result will be described using frequency characteristics.
[0018]
FIG. 6 shows the frequency characteristics ((a) is a gain and (b) is a phase) of the speed control system of the speed IP control, and the phase delay is 180 degrees near the anti-resonance frequency. In contrast, when the vibration suppression control of FIG. 7 is used, the phase delay does not reach 180 degrees near 1 kHz. Also, in FIG. 8 showing the frequency response of the present invention, similarly, the phase delay does not reach 180 degrees up to around 1 kHz.
That is, it can be said that the vibration suppression control shown in FIG. 9 and the speed control device of the present invention shown in FIG. 1 have characteristics in phase characteristics. In particular, the present invention is characterized in that it is designed to perform phase compensation even though it does not have a special means for performing phase compensation.
[0019]
In the frequency characteristic according to the embodiment of the present invention, a filter or the like is not provided other than the IP control. However, in an actual machine, a motor or the like may be smoothed by inserting a filter or the like, which causes a phase delay. The present invention works advantageously because of the above-mentioned phase compensation function.
In the present embodiment, the parameters to be adjusted are only the adjustment gain α of the
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the estimated speed of the motor is calculated from the torque command of the motor and the motor model, and the difference between the estimated speed and the actual speed of the motor is multiplied by an adjustment gain as a disturbance estimated speed signal to obtain a speed. Motor control is performed by feeding back between the integral element and the proportional element of the control means. Therefore, the parameter is only the adjustment gain, and the optimum motor speed control can be performed only by adjusting the adjustment gain. Also, unlike the conventional vibration suppression control that removes only the vibration component, vibration and disturbance that appear as a difference between the actual motor and the motor model can be estimated, so that when the operation state is stopped from the operation state, the final Vibration of the motor with one pulse can be suppressed. Thus, the number of parameters is smaller than in vibration suppression control, and there is no need to check and adjust the vibration frequency, so that adjustment is easy.
Further, the adjustment gain may be set to a value from 0% to 100% of the difference between the motor model and the actual speed, so that the adjustment range can be limited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a motor speed control device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing a simulation result by a conventional speed IP position P control.
FIG. 3 is a time chart showing a simulation result when using a conventional vibration suppression control.
FIG. 4 is a time chart showing a simulation result when the motor speed control device of the present invention is used.
FIG. 5 is a time chart showing a simulation result when the inertia of the motor model is only the motor inertia in the motor speed control device of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing frequency characteristics of conventional speed IP control.
FIG. 7 is a graph showing frequency characteristics when a conventional vibration suppression control is added.
FIG. 8 is a graph showing frequency characteristics in the motor speed control system of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a conventional vibration suppression control.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記モータの実速度信号とトルク指令をエンコーダパルス換算してモータモデルに入力したモータの推定速度信号との差を外乱推定速度信号とし、この外乱推定速度信号にゲインを掛けた出力信号を前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間に入力することを特徴とするモータ速度制御方法。A torque command is generated from the speed command through speed control means having an integral element and a proportional element, the rotational position of a motor driven based on the torque command is detected by an encoder, and the actual position of the motor is determined based on the output of the encoder. In a motor speed control method of calculating a speed and feeding back to the torque command,
The difference between the actual speed signal of the motor and the estimated speed signal of the motor input to the motor model by converting the torque command into an encoder pulse is defined as a disturbance estimated speed signal, and an output signal obtained by multiplying the disturbance estimated speed signal by a gain is defined as the speed. A motor speed control method characterized by inputting between an integral element and a proportional element of a control means.
前記トルク指令を前記エンコーダのパルスに換算するエンコーダパルス換算手段と、このエンコーダパルス換算手段の出力よりモータ速度を推定するモータモデルと、前記速度演算手段で演算されたモータの実速度と前記モータモデルで推定されたモータ推定速度の差である外乱推定速度信号に調整ゲインを乗じるゲイン調整器とを備え、このゲイン調整器の出力と前記モータの実速度とを、前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間にフィードバックする速度外乱推定手段を設けたことを特徴とするモータ速度制御装置。Speed control means having an integral element and a proportional element for generating a torque command from a speed command, an encoder for detecting a rotational position of a motor driven based on the torque command, and an actual motor of the motor based on an output of the encoder. A motor speed control device comprising a speed calculation means for calculating a speed and feeding back the torque command,
Encoder pulse conversion means for converting the torque command into pulses of the encoder, a motor model for estimating a motor speed from an output of the encoder pulse conversion means, an actual motor speed calculated by the speed calculation means, and the motor model A gain adjuster that multiplies a disturbance estimation speed signal that is a difference between the estimated motor speeds by an adjustment gain, and an output of the gain adjuster and an actual speed of the motor, and an integral element of the speed control unit. A motor speed control device comprising speed disturbance estimating means for feeding back between proportional elements.
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