JP2005224051A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速に確実にリプルを抑制するモータ制御装置を提供する。
【解決手段】 速度指令とモータ速度の偏差を処理し、トルク指令を出力する速度制御器と、トルク指令を電流指令に変換してモータ電流を制御する電流制御器と、モータ位置を速度に変換する速度変換器からなるモータ制御装置において、モータ位置からモータ電気角に変換する電気角変換器と、モータ電気角とトルク指令を入力として、係数パラメータを出力する係数推定器と、係数パラメータとモータ電気角を入力し、トルク補償指令を出力するトルク補償指令生成器と、トルク補償指令をトルク指令に加算して補償後トルク指令を生成する加算器とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータや負荷によって生じるコギングトルクやトルクリプルを低減するモータ制御装置に関する。

従来のトルクリプルを補償するモータ制御装置には、例えば特許文献１がある。
特許文献１による従来技術を図６に示す。図６において、１１３は電流制御手段、１１４はパルス幅変調型の電力変換装置、１１５は電流検出手段、１１６はモータ電気角手段である。また、１１１はモータ、１１２はエンコーダ、１１７は周波数ｆ、振幅、位相入力手段、１１８は正弦波計算手段である。この従来例は、同期型ＡＣモータのトルクリプルを補償するモータ制御装置で、同期型ＡＣモータの電気角周波数の整数倍とし、正弦波信号をｍ個つくり独立して各正弦波信号の周波数、振幅、位相を選択し、合成してトルク補償Ｔ_cmpとして、トルク指令Ｔ^*に加算し、トルクリプルを低減するものであった。
特開２００３−０８８１５９

しかしながら、従来のトルクリプルを補償するモータ制御装置は、モータの回転角により磁気的なパーミアンスが変動する磁気不平衡が要因のトルクリプルには有効であるが、モータに取り付けた負荷が変動する場合、例えば、電気角をθとし、トルクをτとする一次関数に表現されるようなトルク（τ＝ｋ１θ＋ｋ２、ｋ１：トルク係数、ｋ２：トルクオフセット）が発生する場合には、正弦波と余弦波に係る係数の推定ができない為、補償が弱められるという問題や、正転と逆転でのトルクリプルの違いが現れる時の補償ができないという問題があった。また、従来方法として、正弦波の係数と位相を求める方法としては、トルク指令をＦＦＴ（高速フーリエ変換）にかけて解析し、合成してトルクリプルを補償するなどの方法もあるが、この場合、トルク指令のデータ数を多く取れば、精度が向上するが、保存できるデータ数はハードウェアによって制限され、データ数が少なければ精度が悪化するため、問題であった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で確実にトルクリプルを補償するモータ制御装置を提供する。

請求項１記載の本発明は、速度指令とモータ速度の偏差をもとめて制御処理し、トルク指令を出力する速度制御手段と、トルク指令を電流指令に変換してモータ電流を制御する電流制御手段と、モータ位置を速度に変換する速度変換手段と、モータ位置からモータ電気角に変換する電気角変換手段とからなるモータ制御装置において、モータ電気角とトルク指令を入力として、係数パラメータを出力する係数推定手段と、係数パラメータとモータ電気角を入力し、トルク補償指令を出力するトルク補償指令生成手段と、トルク補償指令をトルク指令に加算して補償後トルク指令を生成する加算手段とを備えるようにしたものである。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、係数推定手段は、トルク指令をローパスフィルタに通してフィルタドトルク指令を生成するローパスフィルタ手段と、モータ電気角とトルク補償指令の差であるトルク補償誤差を入力とし、角度トルク係数（ｋ１）、オフセット係数（ｋ２）、モータ電気角の基本波の余弦波、正弦波係数（ａ１、ｂ１）、第２高調波の余弦波、正弦波係数（ａ２、ｂ２）という手順であらかじめ設定された整数ｎの第ｎ高調波の余弦波、正弦波係数（ａｎ、ｂｎ）を出力してトルク補償指令手段の係数を書き換える係数更新手段で構成され、係数更新手段の角度トルク係数は、１サンプリング前の角度トルク係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータとの積を加算して新たに角度トルク係数を求め、オフセット係数は、１サンプリング前のオフセット係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータと電気角との積を加算して新たなオフセット係数を求め、各第１から第ｎ高調波の余弦波係数は、１サンプリング前の余弦波係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータと第１から第ｎ高調波の余弦波との積を加算して新たな各余弦波係数を求め、第１から第ｎ高調波の正弦波係数は、１サンプリング前の正弦波係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータと各第１から第ｎ高調波の正弦波との積を加算して新たな各正弦波係数を求め、新たに求めた角度トルク係数、オフセット係数、各余弦波係数、各正弦波係数を前記トルク補償指令生成手段へ出力するようにしたものである。
請求項３記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、トルク補償指令生成手段は、係数推定手段で得られた角度トルク係数とモータ電気角との積と、オフセットトルクと、モータ電気角の基本波の余弦波と係数（ａ１）との積と、モータ電気角の正弦波と係数（ｂ１）との積と、同様の手順でモータ電気角の第ｎ高調波の余弦波と係数（ａｎ）との積と、モータ電気角の第ｎ高調波の正弦波と係数（ｂｎ）との積とを加算したものをトルク補償指令とするようにしたものである。
請求項４記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、係数推定手段はトルク補償誤差があらかじめ設定された値よりも小さくなった時に係数パラメータをトルク補償指令生成手段へ出力するようにしたものである。
請求項５記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、モータの正転、逆転毎に、モータ電気角の余弦波及び正弦波の基本波から第ｎ高調波の係数と、電気角に応じて変化するトルク係数と、オフセットトルクを求めるようにしたものである。
請求項６記載の本発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、係数推定手段で求めた係数パラメータを電源断時のパワーオフ処理で不揮発性メモリに記憶し、次の電源オン時のイニシャル処理時に前記不揮発性メモリから読み出し、初期値に設定するようにしたものである。

本発明のモータ制御装置によれば、モータの磁気的な不平衡によって発生する周期的なトルクリプルだけではなく、オフセットトルクや角度に比例するような負荷の変動にも効果があり、かつ、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）などのように莫大なメモリ容量を必要とせず、簡単な構成で確実にトルクリプルを補償し、精度よくモータを制御できる。

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置の構成図である。
図１において、１は速度制御器、２は電流制御器、３は速度変換器、４は電気角変換器、５は係数推定器、６はトルク補償指令生成器、７は加算器である。また８はモータ、９はモータの機械角を検出するエンコーダである。
次に動作について説明する。速度制御器１は速度指令と速度との差を制御処理し、トルク指令を出力する。トルク補償指令が無い場合はトルク指令だけが電流制御器２に入力される。電流制御器２は、図には示していないが、トルク指令とモータ電気角を用いて座標変換を行い、ｄｑ電流指令を生成する。さらに、電流制御器は３相電流を検出してｄｑ変換し、電流制御系を構成し、モータ８に流れる電流を制御する。モータ８は電流が流れることによりトルクを発生し、負荷トルクや慣性モーメントに応じて回転する。エンコーダ９はモータ８に直結されており、モータ機械角度を検出する。電気角変換器４はモータ機械角を入力とし、モータの極対数ｐ倍してモータ電気角を出力する。モータ電気角は係数推定器５、トルク補償指令生成器６に入力される。速度変換器３は、現在取得したモータ機械角と１サンプリング前に取得したモータ機械角の差をとり、サンプリング時間で徐して速度に変換する。速度は速度制御器に入力され、速度制御ループが構成され、速度は速度指令の通りに動作する。

しかしながらモータの回転精度を悪化させる要因がある。モータは磁気的構造の不平衡に起因したコギングトルクやトルク定数の歪みによる発生トルクに比例した高調波トルクリプル、電流制御器２のＤＣオフセット電流に起因する基本波リプルを発生する。さらに、機械的な要因により、周期的なリプル以外にも速度に比例した外乱トルクや回転角度には関係ない数分から数時間といった長い周期の摩擦トルク変動なども負荷外乱として精度を悪化させる一要因になっている。
次に発明に係る部分を説明する。トルク補償指令生成器は図２のブロック図に示される。図２において、１１はオフセットトルクを補償し、１２はモータ電気角に比例したトルクを補償し、１３から１６は電気角の基本波から第ｎ高調波までの余弦波と正弦波で振幅がそれぞれ基本波についてはａ１、ｂ１、第２高調波についてはａ２、ｂ２、第ｎ高調波についてはａｎ、ｂｎで三角波関数のリプルトルクを補補する。これらのオフセットトルクと電気角比例トルクと三角波関数リプルトルクの合計がトルク補償指令となり式（１）で示される。

トルク補償指令はトルク指令と加算されて、補償後トルク指令となり、電流制御器に入力され、外乱となるトルクを補償する。
次に係数推定器について説明する。図３は係数推定器のブロック図で、２１はローパスフィルタ、２２は係数更新器である。ロ−パスフィルタ２１にトルク指令が入力され、フィルタドトルク指令が出力される。フィルタドトルク指令とトルク補償指令の差をとりトルク補償誤差とし係数更新器２２に入力する。係数更新器はトルク補償誤差とモータ電気角を入力し、係数パラメータを出力する。
係数更新器の更新アルゴリズムについて説明する。モータ電気角比例トルク係数ｋ１は式（２）により更新される。
ｋ１＝ｋ１０＋μ・Ｔｅｒ・θｅ ・・・（２）
ここでｋ１０は前のサンプリング時に使用した係数であり初期値は０である。μはステップサイズパラメータ、θｅはモータ電気角、Ｔｅｒはトルク補償誤差である。
また、オフセットトルク係数ｋ２は式（３）により更新される。
ｋ２＝ｋ２０＋μ・Ｔｅｒ ・・・（３）
ここで、ｋ２０は前のサンプリング時に使用した係数であり初期値は０である。

次に三角波関数の部分の係数更新について説明する。
三角波関数の部分のトルク補償指令は全体のトルク補償指令である式（１）からオフセットトルクとモータ電気角比例トルクを差し引いたもので、式（４）で表される。

ここでＴｅｒａｃは三角波関数部のトルク補償指令である。
ａｉについては式（５）で、ｂｉについては式（６）で更新される。
ａｉ＝ａｉ０＋μ・Ｔｅｒ・ｃｏｓ（ｉ・θｅ０） ・・・（５）
ｂ１＝ｂｉ０＋μ・Ｔｅｒ・ｓｉｎ（ｉ・θｅ０） ・・・（６）
ここでａｉ０、ｂｉ０は前のサンプリング時に用いた係数であり初期値は０である。式（２）、式（３）と式（５）、式（６）をブロック図で表したものが、図４である。
トルク補償誤差Ｔｅｒがあらかじめ設定した値以下に収束したところで、トルク補償指令生成器６の係数パラメータを上書きし、定常トルクが変動するような場合でもトルクリプル補償ができる。
図７はシミュレーション例で補償なしの場合のタイムチャート、図８は補償をした場合のタイムチャートである。ただし、パラメータの更新はサンプリング時間ごとに毎回行っているが、速度波形が改善されていることがわかる。

第２実施例について説明する。図５は係数推定器及びトルク補償指令生成器のブロック図を示したものである。図５においてはフィルタ２１を省略している。図５において、３７〜４２は遅延器、４３〜５２は乗算器、５３はモータ電気角の余弦波を生成、５４はモータ電気角の正弦波を生成、５５はモータ電気角の第ｎ高調波の余弦波を生成、５６はモータ電気角の第ｎ高調波の正弦波を生成する。
次に図５の一部であるモータ電気角の基本波の余弦波と正弦波に関係するトルク補償について説明する。ブロック５３と５４にモータ電気角が入力され、それぞれ、ｃｏｓ（θｅ）とｓｉｎ（θｅ）を生成する。ブロック４４と４５の乗算器はｃｏｓ（θｅ）とトルク補償誤差Ｔｅｒ、ｓｉｎ（θｅ）とＴｅｒの積をとり、Ｔｅｒ・ｃｏｓ（θｅ）とＴｅｒ・ｓｉｎ（θｅ）を生成する。これらにステップサイズパラメータμを乗算し、（５）、（６）式のように前回係数値ａｉ０とｂｉ０とを加算する。この加算された係数値ａｉとｂｉにそれぞれ、ｃｏｓ（θｅ０）とｓｉｎ（θｅ０）を乗算するとトルク補償指令が生成される。図９は本発明をシミュレーションした場合のタイムチャートであり、条件は図７の補償なしの場合と同様であり、リプルがかなり改善されていることが分かる。

第３実施例では、係数パラメータの初期値を０にするのではなく、電源オフ時のパワーオフ処理時に係数パラメータを不揮発性メモリに記憶しておき、次の電源オン時のイニシャル処理時に不揮発性メモリから読み出し、初期値とした。

モータ電気角比例トルク係数及びオフセット係数を推定してトルクを補償することができるので、二つのモータを使って１軸を駆動するツインドライブ機構のように軸間のトルク変動があるようなメカにも適用可能である。

本発明の第１実施例のモータ制御装置のブロック図 本発明の図１のトルク補償指令生成器のブロック図 本発明の図１の係数推定器のブロック図 本発明の図３の係数更新器のブロック図 本発明の第２実施例の係数推定器及びトルク補償指令生成器のブロック図 従来のモータ制御装置装置 補償の無い場合のシミュレーション結果 本発明の第１実施例の補償をした場合のシミュレーション結果 本発明の第２実施例の補償をした場合のシミュレーション結果

符号の説明

１ 速度制御器
２ 電流制御器
３ 速度変換器
４ 電気角変換器
５ 係数推定器
６ トルク補償指令生成器
７ 加算器
８ モータ
９ エンコーダ
１０ 三角波補償ブロック
１１ オフセットトルク補償係数
１２ モータ電気角比例トルク係数
１３ 基本波の余弦波補償ブロック
１４ 基本波の正弦波補償ブロック
１５ 第ｎ高調波の余弦波補償ブロック
１６ 第ｎ高調波の正弦波補償ブロック
２１ ローパスフィルタ
２２ 係数更新器
３１〜３６ ステップサイズパラメータμ
３７〜４２ 遅延器
４３〜５２ 乗算器
５３〜５６ 三角波補償ブロック
１１１ 同期型ＡＣモータ
１１２ エンコーダ
１１３ 電流制御手段
１１４ ＰＷＭ電力変換装置
１１５ 電流検出手段
１１６ モータ電気角計算手段
１１７ 周波数・振幅・位相入力手段
１１８ 正弦波計算手段

Claims (6)

1. 速度指令とモータ速度の偏差をもとめて制御処理し、トルク指令を出力する速度制御手段と、トルク指令を電流指令に変換してモータ電流を制御する電流制御手段と、モータ位置を速度に変換する速度変換手段と、前記モータ位置からモータ電気角に変換する電気角変換手段とからなるモータ制御装置において、
   前記モータ電気角とトルク指令を入力として、係数パラメータを出力する係数推定手段と、
   前記係数パラメータと前記モータ電気角を入力し、トルク補償指令を出力するトルク補償指令生成手段と、
   トルク補償指令をトルク指令に加算して補償後トルク指令を生成する加算手段とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記係数推定手段は、前記トルク指令をローパスフィルタに通してフィルタドトルク指令を生成するローパスフィルタ手段と、
   前記モータ電気角と前記トルク補償指令の差であるトルク補償誤差を入力とし、角度トルク係数（ｋ１）、オフセット係数（ｋ２）、前記モータ電気角の基本波の余弦波、正弦波係数（ａ１、ｂ１）、第２高調波の余弦波、正弦波係数（ａ２、ｂ２）という手順であらかじめ設定された整数ｎの第ｎ高調波の余弦波、正弦波係数（ａｎ、ｂｎ）を出力して前記トルク補償指令手段の係数を書き換える係数更新手段で構成され、
   前記係数更新手段の前記角度トルク係数は、１サンプリング前の角度トルク係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータとの積を加算して新たな角度トルク係数を求め、
   前記オフセット係数は、１サンプリング前のオフセット係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータと電気角との積を加算して新たなオフセット係数を求め、
   前記第１から第ｎ高調波の余弦波係数は、１サンプリング前の余弦波係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータと前記各第１から第ｎ高調波の余弦波との積を加算して新たな各余弦波係数を求め、
   前記第１から第ｎ高調波の正弦波係数は、１サンプリング前の正弦波係数にトルク補償誤差とあらかじめ設定されたステップサイズパラメータと前記各第１から第ｎ高調波の正弦波との積を加算して新たな各正弦波係数を求め、
   新たに求めた前記角度トルク係数、オフセット係数、各余弦波係数、各正弦波係数を前記トルク補償指令生成手段へ出力することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記トルク補償指令生成手段は、前記係数推定手段で得られた角度トルク係数とモータ電気角との積と、オフセットトルクと、前記モータ電気角の基本波の余弦波と係数（ａ１）との積と、モータ電気角の正弦波と係数（ｂ１）との積と、同様の手順で前記モータ電気角の第ｎ高調波の余弦波と係数（ａｎ）との積と、前記モータ電気角の第ｎ高調波の正弦波と係数（ｂｎ）との積とを加算したものをトルク補償指令とすることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記係数推定手段はトルク補償誤差があらかじめ設定された値よりも小さくなった時に前記係数パラメータをトルク補償指令生成手段へ出力することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
5. モータの正転、逆転毎に、前記モータ電気角の余弦波及び正弦波の基本波から第ｎ高調波の係数と、電気角に応じて変化するトルク係数と、オフセットトルクを求めることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
6. 前記係数推定手段で求めた係数パラメータを電源断時のパワーオフ処理で不揮発性メモリに記憶し、次の電源オン時のイニシャル処理時に前記不揮発性メモリから読み出し、初期値に設定することを特徴とした請求項１記載のモータ制御装置。
   
   

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