JP2006074885A

JP2006074885A - 電動機の制御装置

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Publication number: JP2006074885A
Application number: JP2004253879A
Authority: JP
Inventors: Toru Tazawa; 徹田澤; Kazunari Narasaki; 和成楢崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: JP4496895B2

Abstract

【課題】電動機の制御装置において、ゲイン変更に伴うトルク変化によるショックを抑制できる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】制御パラメータ変更部が、ゲイン変更目標値に対し、制御周期毎のゲイン変更値によるトルク指令の変化が所定量以内になるようゲイン変更値を決定し変更するので、ゲイン変更に伴うトルク急変が抑制され、ショックが軽減される。また、速度偏差に基づいてゲイン変更値を決定するので、速度偏差が小さい場合はゲインの変更量が自動的に大きくなり、トルク急変の抑制と素早いゲイン変更の両立が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関し、特にゲイン変更に伴うトルク変化によるショックを抑制できる制御装置に関する。

図５は従来の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。

電動機１には負荷２が連結され、負荷２が所望の動作をするよう電動機１が制御される。また、電動機１には回転位置情報を検出する回転位置情報検出器３が取り付けられている。

４は電動機１を制御する制御装置である。以下、制御装置４の詳細を説明する。速度演算部５は、回転位置情報検出器３の出力に基づいて電動機１の回転速度ω_rmを算出する。

速度制御部６は、速度指令ω_rm ^*と速度演算部５で算出された回転速度ω_rmとの差である速度偏差Δω＝ω_rm ^*−ω_rmが入力されトルク指令τ^*を出力する。速度制御部６の具体的動作としては、例えば次式に表されるように速度偏差Δω＝ω_rm ^*−ω_rmを比例積分演算した結果をトルク指令τ^*として出力する。

ここで、Ｋ_vp、Ｋ_viはそれぞれ速度制御部６の比例ゲインと積分ゲインである。

トルク制御部７は、速度制御部６の出力であるトルク指令τ^*に応じたトルクを電動機１が出力するよう制御する。トルク制御部７の具体的動作としては、トルク指令τ^*を電流指令に変換し、電動機１に流れる電流が電流指令に一致するよう電圧を制御して印加する。

以上の構成により、制御装置４は速度指令ω_rm ^*と電動機１の回転速度ω_rmとの差である速度偏差が零になるよう制御する。

また、イナーシャ推定部８は、電動機１、負荷２、回転位置情報検出器３から成る機械系のイナーシャを推定する。

１０９は制御パラメータ変更部で、イナーシャ推定部８で推定されたイナーシャに基づいて速度制御部５の制御ゲインを修正し設定する。具体的には推定されたイナーシャに比例した値を制御ゲインとして設定する。これにより適切なゲイン設定が可能となり高性能な制御が可能となる。

機械系のイナーシャを推定し、推定値に基づいて制御ゲインを設定する技術として開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３５２７７３号公報

しかしながら、従来の技術において制御ゲインの設定前後で制御ゲイン設定値に大きな差がある場合、速度制御部の出力であるトルク指令も大きな変化となりショックが生じる。

イナーシャ推定値に比例した制御ゲインを設定する場合、例えば推定前の初期イナーシャが１で推定されたイナーシャが３０とすると、設定後の制御ゲインは設定前の制御ゲインに対し３０倍された値が設定される。すると速度制御部は同じ速度偏差に対して３０倍のトルク指令出力することになる。すなわちゲイン変更によって急激なトルク変化がもたらされ電動機の動作にショックを与える。

この課題に対し、ゲインを所定量ずつ段階的に切り替える手法もある（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、トルク変化は速度偏差にも依存するので速度偏差が大きい場合に対応させるために１回のゲイン変化量である所定量を小さく設定するとゲイン変更完了までの時間が長くなるという課題がある。
特開平４−８５７６２号公報

上記課題を解決するために、本発明の電動機の制御装置は、制御パラメータ変更部が、速度制御部のゲインの変更目標値と、変更前の速度制御部のゲインと、速度偏差とに基づいてゲイン変更可能範囲を算出し、１回の制御周期における速度制御部のゲインの変更値をゲイン変更可能範囲内に制限した上で決定し変更する。

本発明の電動機の制御装置によれば、１回の制御周期における速度制御部のゲインの変更値を制限した上で決定し変更するので、ゲイン変更に伴うトルク変化の急変が抑制され、電動機の動作のショックが軽減される。また、速度偏差に基づいてゲイン変更可能範囲を算出しゲイン変更値を決定するのでトルク急変を抑制しつつかつ素早いゲイン変更が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図１において、従来の技術で説明した図５のシステム構成と同じものには同じ番号を付して、その説明は省略する。

実施例１において、前述の従来のシステム構成と異なるのは、制御パラメータ変更部１０９の代わりに第２の制御パラメータ変更部９が設けられていることである。なお速度制御部６は、速度指令ω_rm ^*と速度演算部５で算出された回転速度ω_rmとの差である速度偏差Δω＝ω_rm ^*−ω_rmを比例積分演算した結果をトルク指令τ^*として出力する。式としては式１である。

以下、第２の制御パラメータ変更部９の詳細について説明する。

イナーシャ推定部８で機械系のイナーシャが推定される。イナーシャの推定方法は前述の特許文献１に開示された方法などがある。推定されたイナーシャをＪ_aとする。第２の制御パラメータ変更部９は推定されたイナーシャに応じて速度制御部６のゲインの変更目
標値を算出する。変更前の速度制御部６の比例ゲイン、積分ゲインをそれぞれＫ_vp0、Ｋ_vi0と、変更前に推定されていた機械系のイナーシャをＪ₀とすると、速度制御部６の比例ゲイン、積分ゲインの変更目標値はそれぞれ次式で計算される。

そして制御周期毎に、これら変更目標値と、変更前のゲインと、変更時点の速度偏差に基づいてゲイン変更値を決定し変更する。制御周期毎のゲイン変更値の決定処理のフローチャートを図２に示す。

ステップ１では、変更前のゲインが変更目標値と一致しているかを判断する。もし一致していれば変更する必要はないので終了する。一致していない場合はステップ２へ進む。

ステップ２では、ゲイン変更可能範囲を算出する。比例ゲイン、積分ゲインともゲイン変更可能範囲の下限は０とし、上限は後述する方法で算出する。

ステップ３では、各ゲインの変更目標値が各ゲイン変更可能範囲内にあるかを判断する。ゲイン変更可能範囲外の場合はステップ４へ、ゲイン変更可能範囲内の場合はステップ５へ進む。

ステップ４では、ゲイン変更可能範囲内で最もゲイン変更目標値に近い値をそれぞれのゲイン変更値として決定し変更する。

ステップ５では、ゲイン変更目標値をそれぞれのゲイン変更値として決定し変更する。

ステップ４、またはステップ５の処理後、制御周期内のゲイン変更処理を終了する。そして次回の制御周期に再びステップ１からの処理を行う。制御周期毎にこの処理を繰り返すことにより最終的にゲインを変更目標値へと変更する。

ここで、ステップ２におけるゲイン変更可能範囲の上限の算出について説明する。変更前の比例ゲイン、積分ゲインをそれぞれＫ_vp(n-1)、Ｋ_vi(n-1)、変更時の速度偏差をΔω_(n)とする。変更前のゲインを用いた場合、速度制御部６の出力であるトルク指令τ^* _baseは次式で計算される。

ゲイン変更に伴うトルク指令急変を緩和するために、ゲインを変更しない場合とゲインを変更する場合とのトルク指令の差が所定量以内になるようゲイン変更可能範囲の上限を算出する。ゲイン変更によるトルク指令増分の許容量をΔτとする。この値は予め設定す
る所定値であり、例えば定格トルクの１０％の値とする。ゲイン変更によるトルク指令増分がΔτとなる速度制御部６の比例ゲインと積分ゲインをそれぞれＫ_vpmax、Ｋ_vimaxとすれば次式が成り立つ。

また、変更前ゲインに対する変更後ゲインの比率をαとすれば次式も成り立つ。

式５、式６、式７を用いてαについて解くと次式が得られる。

よって得られたαを式６、式７に代入すれば次式が得られる。

式９、式１０の右辺はすべて既知の値となるのでこの式を用いて得られたＫ_vpmax、Ｋ_vimaxをゲイン変更可能範囲の上限値とする。

以上の構成により、ゲイン変更目標値に対し、制御周期毎のゲイン変更値によるトルク指令の差が所定量以内になるようゲイン変更値を決定し変更するので、ゲイン変更に伴うトルク急変が抑制され、ショックが軽減される。また、速度偏差に基づいてゲイン変更値
を決定するので、速度偏差が小さい場合はゲインの変更量が自動的に大きくなり、トルク急変の抑制と素早いゲイン変更の両立が可能となる。

図３は本発明の実施例２に係る電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図である。図３において、実施例１で説明した図１のシステム構成と同じものには同じ番号を付して、その説明は省略する。

実施例２において、前述の実施例１のシステム構成と異なるのは、第２の制御パラメータ変更部９のかわりに第３の制御パラメータ変更部１９が設けられていることである。第３の制御パラメータ変更部１９は、ゲイン変更可能範囲の下限も算出する。なお、速度制御部６は速度指令ω_rm ^*と速度演算部５で算出された回転速度ω_rmとの差である速度偏差Δω＝ω_rm ^*−ω_rmを比例積分演算した結果をトルク指令τ^*として出力する。式としては式１である。

以下、第３の制御パラメータ変更部１９の詳細について説明する。
イナーシャ推定部８で機械系のイナーシャが推定される。イナーシャの推定方法は前述の特許文献１に開示された方法などがある。推定されたイナーシャをＪ_aとする。第３の制御パラメータ変更部１９は推定されたイナーシャに応じて速度制御部６のゲインの変更目標値を算出する。変更前の速度制御部６の比例ゲイン、積分ゲインをそれぞれＫ_vp0、Ｋ_vi0と、変更前に推定されていた機械系のイナーシャをＪ₀とすると、速度制御部６の比例ゲイン、積分ゲインの変更目標値はそれぞれ式２、式３で計算される。

そして制御周期毎に、これら変更目標値と、変更前のゲインと、変更時点の速度偏差に基づいてゲイン変更値を決定し変更する。制御周期毎のゲイン変更値の決定処理のフローチャートを図４に示す。

ステップ１１では、変更前のゲインが変更目標値と一致しているかを判断する。もし一致していれば変更する必要はないので終了する。一致していない場合はステップ１２へ進む。

ステップ１２では、ゲイン変更可能範囲を算出する。比例ゲイン、積分ゲインともゲイン変更可能範囲の上限と下限は後述する方法で算出する。

ステップ１３では、各ゲイン変更目標値が各ゲイン変更可能範囲に対しどういう関係になっているかを判断する。ゲイン変更目標値が、ゲイン変更可能範囲の上限より大きい場合はステップ１４へ、ゲイン変更可能範囲内にある場合はステップ１５へ、ゲイン変更可能範囲内下限より小さい場合はステップ１６へ進む。

ステップ１４では、ゲイン変更可能範囲の上限をそれぞれのゲイン変更値として決定し変更する。

ステップ１５では、ゲイン変更目標値をそれぞれのゲイン変更値として決定し変更する。

ステップ１６では、ゲイン変更可能範囲の下限をそれぞれのゲイン変更値として決定し変更する。

ステップ１４、またはステップ１５、またはステップ１６の処理で、制御周期内のゲイン変更処理を終了する。そして次回の制御周期に再びステップ１１からの処理を行う。制
御周期毎にこの処理を繰り返すことにより最終的にゲインを変更目標値へと変更する。

ここで、ステップ１２におけるゲイン変更可能範囲の上限および下限の算出について説明する。変更前の比例ゲイン、積分ゲインをそれぞれＫ_vp(n-1)、Ｋ_vi(n-1)、変更時の速度偏差をΔω_(n)とする。変更前のゲインを用いた場合、速度制御部６の出力であるトルク指令τ^* _baseは式４で計算される。
ゲイン変更に伴うトルク指令急変を緩和するために、ゲイン変更によるトルク指令の差が所定量以内になるようゲイン変更可能範囲の上限と下限を算出する。

上限の算出について実施例１で説明した通りで、ゲイン変更によるトルク指令増分の許容量をΔτとするれば、式９、式１０で算出される。

下限の算出について説明する。

ゲイン変更によるトルク指令減少分がΔτ２となる速度制御部６の比例ゲインと積分ゲインをそれぞれＫ_vpmin、Ｋ_viminとすれば次式が成り立つ。

また、変更前ゲインに対する変更後ゲインの比率をβとすれば次式も成り立つ。

式１１、式１２、式１３を用いてβについて解くと次式が得られる。

ただし、ゲイン変更は大きさのみの変更になるのでβが負の値になる場合はβ＝０とする。
得られたβを式１２、式１３に代入して得られたＫ_vpmin、Ｋ_viminをゲイン変更可能範囲の下限値とする。

以上の構成により、ゲイン変更目標値に対し、制御周期毎のゲイン変更値によるトルク指令変化が所定量以内になるようゲイン変更値を決定し変更するので、ゲイン変更に伴う
トルク急変が抑制され、ショックが軽減される。また、速度偏差に基づいてゲイン変更値を決定するので、速度偏差が小さい場合はゲインの変更量が自動的に大きくなり、トルク急変の抑制と素早いゲイン変更の両立が可能となる。

なお、実施例１および実施例２では、イナーシャを推定し、推定されたイナーシャに応じて速度制御部のゲイン変更目標値を計算する例を示したが、外部よりゲイン変更目標値が入力されるなど、異なる部分からゲイン変更目標値が入力されるとしてもよい。同様の効果が得られる。

また、実施例１および実施例２では、速度制御システムを用いて説明したが、速度制御部を含むシステムであれば同様の効果を得ることができる。例えば速度制御部を有する位置制御システムにも適用できる。

また、実施例１および実施例２では、速度制御部が比例積分制御をするとしたが、比例制御としてもよい。その場合、積分ゲインを削除した演算式にて比例ゲインのゲイン変更可能範囲を算出し処理することにより同様の効果が得られる。

また、実施例１および実施例２では、電動機の速度を回転位置情報検出器の出力を速度演算部で処理することにより得りシステムを用いて説明したが、例えば回転位置情報検出器を用いず電流、電圧の情報を用いて推定するなど、他の方法で電動機の速度を得るシステムに用いるとしてもよい。

本発明の電動機の制御装置は、ゲイン変更に伴うトルク急変から生じるショックの抑制に最適である。

本発明の実施例１における電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図本発明の実施例１における第２の制御パラメータ変更部の処理を示すフローチャート本発明の実施例２における電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図本発明の実施例２における第３の制御パラメータ変更部の処理を示すフローチャート従来の電動機の制御装置のシステム構成を示すブロック図

符号の説明

１電動機
２負荷
３回転位置情報検出器
４制御装置
５速度演算部
６速度制御部
７トルク制御部
８イナーシャ推定部
９第２の制御パラメータ変更部
１９第３の制御パラメータ変更部

Claims

速度指令値と電動機の速度の差である速度偏差が零になるよう制御演算しトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令に応じて前記電動機のトルクを制御するトルク制御部と、前記速度制御部のゲインを変更する制御パラメータ変更部とを有する電動機の制御装置であって、前記制御パラメータ変更部は、前記速度制御部のゲインの変更目標値と、変更前の速度制御部のゲインと、速度偏差とに基づいて、速度制御部のゲインの変更値を決定し変更する電動機の制御装置。
速度指令値と電動機の速度の差である速度偏差が零になるよう制御演算しトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令に応じて前記電動機のトルクを制御するトルク制御部と、前記速度制御部のゲインを変更する制御パラメータ変更部とを有する電動機の制御装置であって、前記制御パラメータ変更部は、前記速度制御部のゲインの変更目標値と、変更前の速度制御部のゲインと、速度偏差とに基づいて、速度制御部のゲインの変更値を決定し変更する処理を、所定周期毎に、前記変更目標値と変更値が一致するまで繰り返す電動機の制御装置。
制御パラメータ変更部は、変更前の速度制御部のゲインと、速度偏差とに基づいて、ゲイン変更可能範囲を算出し、ゲインの変更目標値が変更可能範囲内にある場合はゲインの変更目標値を、ゲインの変更目標値がゲイン変更可能範囲外にある場合はゲイン変更可能範囲内でゲインの変更目標値に最も近い値を、速度制御部のゲインの変更値と決定し変更する請求項１または請求項２いずれかに記載の電動機の制御装置。
ゲイン変更可能範囲は、変更前のゲインを用いた時の速度制御部の出力であるトルク指令に対し、トルク指令の大きさを所定量増加させたトルク指令となるゲインを前記ゲイン変更可能範囲の上限とする請求項３記載の電動機の制御装置。
ゲイン変更可能範囲は、変更前のゲインを用いた時の速度制御部の出力であるトルク指令に対し、トルク指令の大きさを所定量減少させたトルク指令となるゲインを前記ゲイン変更可能範囲の下限とする請求項３記載の電動機の制御装置。