JP2005160152A - 電動機の高速位置決め方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電動機8の位置偏差を第1基準値およびこの基準値よりも小さい第2基準値と比較して、位置偏差が第1基準値以上であるときに電動機8の許容最大速度を指示する速度指令を、位置偏差が第2基準値以上でかつ第1基準値よりも小さいときに速度零を指示する速度指令を、位置偏差が第2基準値よりも小さいときに位置偏差に対応する速度を指示する速度指令をそれぞれ発生し、電動機の速度が速度指令に対応する速度となるように該電動機を駆動する。第1基準値は、電動機8の実速度、電動機8のトルク係数、電動機8の慣性モーメント、負荷となる慣性モーメント、最大トルクを出力するための電動機8のトルク分電流、電動機8に対するクーロン摩擦負荷に基づいて設定される。
【選択図】図2
Description
速度制御器103は、偏差カウンタ102から出力される上記位置偏差を速度指令として入力し、この速度指令の値と上記位置・速度変換器110から出力される電動機108の実際の回転速度の値とを比較して、両者の差に対応した適正な電流指令を出力する。
この制御装置によれば、位置指令パルスによって指令された位置に電動機108の回転子が位置決めされる。
この図5に示すように、電動機108を最短時間で位置決めするには、まず、最大のトルク分電流itorqueが流れるような電圧を電動機108に印加して、該電動機108を最大トルクで加速する。これにより、電動機108は、速度ωmがその限界値(電動機108の定格最大速度)ωmaxに到達するまで急加速されることになる。
その後、目標位置θm refに達する前のある時点までは、最大速度ωmaxが維持されるように電動機108を駆動し、ついで、先とは逆に電動機108を最大トルクで減速駆動するためのトルク分電流−itorqueを該電動機108に流して、該電動機108を減速させる。
「ACサーボモータ入門編」第5版、オリエンタルモーター株式会社、1997年11月、p.12
また、上記方法では、速度指令パターンを生成するためのパルス発振器等が必要になり、しかも、偏差カウンタ102のたまりパルスを指令速度に用いることから、このたまりパルスの蓄積に要する時間のために、通常、電動機108の位置決めが遅れることになる。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷
また、速度指令を発生する手段としてパルス発振器や偏差カウンタを使用しないので、位置決め制御の応答性が向上するという利点も得られる。
図2の(a)、(b)および(c)は、高速で電動機を位置決めする際の該電動機の理想的な位置、速度およびトルク分電流の変化パターンをそれぞれ例示したものである。なお、この図2の(a)、(b)および(c)は、それぞれ図5の(c)、(b)および(a)に対応している。
換言すれば、電動機を高速で位置決めするためには、この電動機の速度が図2(b)のパターンに従って変化するような速度指令を制御系に与えれば良いことになる。
(1)領域(t0<t≦t1):電動機の許容最大電流により加速度が固定されている。
(2)領域(t1<t≦t2):電動機が最大速度で運転される。
(3)領域(t2<t≦t3):電動機の許容最大電流により減加速度が固定されている。
(4)領域(t3>t) :速度を零に近づける速度指令を出し続ける。
図1において、電流検出器7は電動機8に流れる電流(例えば、固定子電流)iを検出し、位置検出器9は電動機8の実位置(回転子の実回転位置)θmを検出する。また、位置・速度変換器10は、上記電動機8の実位置θmの時間変化に基づいて電動機8の実速度ωmを検出する。なお、電動機8としては、永久磁石型同期電動機、誘導電動機、ブラシ付同期電動機等が適用される。
なお、上記外乱オブザーバの原理および構成は周知であるので、ここではその説明を省略する。
負荷分離器13は、負荷推定器11によって推定される電動機8の負荷TLを、速度・加速度変換器12によって検出された加速度αに基づいてクーロン摩擦負荷TLCと負荷となる慣性モーメント(慣性モーメントの変動による負荷トルクであり、以下、負荷慣性モーメントという)JLに分離する。
そこで、負荷分離器13は、電動機8の加速終了時点tr以後における負荷トルクTL(=TL2)をクーロン摩擦負荷TLCとして得る。
TL1=JLα+TL2=JLα+TLC (1)
の関係が成立するので、負荷慣性モーメントJLは
JL=(TL1−TLC)/α (2)
と表される。
したがって、負荷分離器13は、加速中の負荷トルクTL(=TL1)と、上記のようにして得られたクーロン摩擦負荷TLCと、加速中の加速度αとに基づいて上記(2)式の演算を実行して、負荷慣性モーメントJLを得る。
クーロン摩擦負荷TLCと負荷慣性モーメントJLは、負荷推定器11で推定される負荷トルクTLから上記のようにして分離される。なお、負荷分離器13は、例えば電動機8の所定の最大速度ωmaxと実速度ωmの偏差Δωm err(図3参照)を演算し、この偏差Δωm errが所定の微小範囲になった時点trを加速の終了、つまり定常状態の開始として判断する。
図2における速度指令変化時点t2は、電動機8の減速を開始する時点を意味している。この減速開始時点は、電動機8の目標位置θm ref、該電動機8に作用するクーロン摩擦負荷および慣性モーメントの変動によって変化するので、予測することは不可能である。
そこで、この実施の形態では、上記第1基準値Δθm1 err-sを演算し、電動機8の位置偏差をこの第1基準値Δθm1 err-sと比較することによって上記速度指令変化時点t2、つまり、電動機8の減速開始タイミングを定めるようにしている。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷
上記速度指令切換器15は、目標位置θm refと電動機8の実位置θmの偏差をとり、この位置偏差を上記第2基準値Δθm2 err-sと比較する。そして、位置偏差がこの第2基準値Δθm2 err-s以上であれば、電動機8がまだ目標位置θm ref近傍に到達していないと判断して、切換スイッチ素子16を図1に示すようにb側に接続する。これにより、速度指令として速度指令生成器14で発生される速度指令が選択されることになる。
これにより、電動機8には、停止状態から許容最大速度ωmax に移行すべく急峻な指示が与えられて、無限大の駆動電流が流れようとする。しかし、電動機8は、電流制御器4に設けられた電流リミッタの作用により許容最大電流(最大のトルク分電流)itorqueが流れるように駆動されて、前記許容最大速度ωmaxに向かって加速される。
したがって、図2の例では、時点t2において電動機8が最大速度ωmaxまで加速され、その後、位置偏差が第1基準値Δθm1 err-sまで低下するまでの間において、つまり、前記領域(t1<t≦t2)の期間において、この最大速度ωmaxが維持される。なお、上記領域(t1<t≦t2)における電流iは、itorqueよりも小さくなる。
これにより、速度制御器3には位置制御器2の出力、つまり、電動機8の位置偏差に対応する速度指令が与えられるので、第2基準値Δθm2 err-sよりも小さい微小な位置偏差がなくなるように電動機8が駆動されて、該電動機8が目標位置θm refに位置決めされる。
すなわち、従来のように、発振器の出力パルスによって目標位置を指令して上記理想の速度パターンを実現しようとすると、目標位置やクーロン摩擦負荷トルク、慣性モーメントの変動による負荷の変動に伴って、上記指令パルスの出力形態を調整し直すという手間を要するが、上記実施の形態によれば、目標位置や負荷に適応した高速位置決め用速度指令が自己生成されるので、上記のような手間が不要になる。
しかも、従来では、偏差カウンタに蓄積される上記発振器の出力パルスに基づいて速度指令を形成するので、偏差カウンタにパルスがたまるまでの時間のために制御の遅れを生じることになるが、上記実施の形態によれば、パルス発振器や偏差カウンタが不要になるので制御性が向上する。
2 位置制御器
3 速度制御器
4 電流制御器
6 インバータ
7 電流検出器
8 電動機
9 位置検出器
10 位置・速度変換器
11 負荷推定器
12 速度・加速度変換器
13 負荷分離器
14 速度指令生成器
15 速度指令切換器
Claims (6)
- 電動機の位置偏差を検出するステップと、
前記位置偏差を第1基準値および該基準値よりも小さい第2基準値と比較して、前記位置偏差が前記第1基準値以上であるときに前記電動機の許容最大速度を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第2基準値以上でかつ前記第1基準値よりも小さいときに速度零を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第2基準値よりも小さいときに前記位置偏差に対応する速度を指示する速度指令をそれぞれ発生するステップと、
前記電動機の速度が前記速度指令に対応する速度となるように該電動機を駆動するステップと、を含み、
前記第1基準値を下記式に基づいて設定するようにしたことを特徴とする電動機の高速位置決め方法。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷 - 前記電動機の負荷と負荷となる慣性モーメントを、該電動機の駆動電流、速度および加速度に基づいて推定することを特徴とする請求項1に記載の電動機の高速位置決め方法。
- 前記速度指令にアンチワインドアップ補償を施すステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の電動機の高速位置決め方法。
- 電動機の位置偏差を検出する偏差検出手段と、
前記位置偏差を第1基準値および該基準値よりも小さい第2基準値と比較して、前記位置偏差が前記第1基準値以上であるときに前記電動機の許容最大速度を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第2基準値以上でかつ前記第1基準値よりも小さいときに速度零を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第2基準値よりも小さいときに前記位置偏差に対応する速度を指示する速度指令をそれぞれ発生する速度指令発生手段と、
前記電動機の速度が前記速度指令に対応する速度となるように該電動機を駆動する駆動手段と、を備え、
前記第1基準値を下記式に基づいて設定するようにしたことを特徴とする電動機の高速位置決め装置。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷 - 電動機の駆動電流、速度および加速度を検出する手段と、前記駆動電流、速度および加速度に基づいて、前記電動機の負荷と負荷となる慣性モーメントを推定する手段とを備えることを特徴とする請求項1に記載の電動機の高速位置決め装置。
- 前記速度指令にアンチワインドアップ補償を施すための補償手段を更に備えることを特徴とする請求項4に記載の電動機の高速位置決め装置。
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