JP2006149176A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、一定速度で回転するモータの回転むらを小さくするために用いられる繰り返し制御器の制御特性と安定性の改善することにある。
【解決手段】一定速度回転、低回転むらを要求されるモータ駆動システムにおいて用いられる繰り返し制御器において、特定周波数のみピークを持ち、ピークの大きさを調整出来るフィルタを搭載した繰り返し制御器を用いることにより、特定周波数に対する抑制効果と安定性の改善を図るものである。
【選択図】図１

Description

本発明は一定速度で回転するモータの低回転むら駆動に対応するもので、特に周期変動を伴う回転むらを低減させるために用いられる繰り返し制御器のフィルタ構成に関するものである。

一定速度の回転が要求されるモータでは、モータのコギングトルクや周期的に変動する負荷等の影響により回転むらが多く発生する。回転むらを低減させる技術として制御ゲインを上げたり、外乱オブザーバなどが用いられているが、その中の一つとして周期的な回転むらを低減させる技術である繰り返し制御器を用いる方法がある。

これまでの繰り返し制御では、非特許文献１の（社）計測自動制御学会 平成元年１２月２５日初版 「繰り返し制御 」中野道雄、井上
悳、山本 裕、原 辰次共著の第９３頁〜第９８頁のＣ２．２無効電力制御 及び 図Ｃ．２．７などに紹介されているように、制御偏差すなわち入力信号と出力との差をある時間毎に保持し、それを次の周期に偏差信号に加算する。これによって、設定値や負荷が周期的に変動する自動制御系にて、極めて高精度の制御を実現することが出来ている。

また、特開平３−７０００３号公報「自動制御方式」に示すように制御対象の位置に相関して前記偏差信号の記憶、加算を行なうことも行なわれている。これらによって、設定値や負荷が周期的に変動する自動制御系にて、極めて高精度の制御を実現することが出来ている。

このように繰り返し制御の手法は、設定値や負荷が周期的に変動する自動制御系にて、極めて高精度の制御を実現することが出来るが、一方、文献１の第４頁などに紹介されているように、繰り返し制御器は制御対象の遅れに比し比較的大きいむだ時間を持ち、かつ、正帰還で構成されているため、このままでは安定な特性を得ることに困難がある。そのため、特別に考慮した安定化補償器を挿入するなどの対策が必要となり、実用上問題点が有った。

文献１の第３２頁〜第４８頁には繰り返し制御器内部に低域通過フィルタを用いることで安定化できるとある。また、モータ制御に適用した繰り返し制御では、特開２００２−１９９７６７、特開２００１−３７２８７、特開平１１−２８５２８３、特開平６−３４３２８４があるが、何れも従来のモータ制御器と繰り返し制御器の組み合わせに関するもので安定化と制御特性の向上を目的としたものではない。
（社）計測自動制御学会 平成元年１２月２５日初版 「繰り返し制御 」中野道雄、井上 悳、山本裕、原 辰次共著 特開平３−７０００３号 特開２００２−１９９７６７号 特開２００１−３７２８７号 特開平１１−２８５２８３号 特開平６−３４３２８４号

一定速度の回転が要求されるモータでは、モータのコギングトルクや周期的に変動する負荷等の影響により回転むらが発生する。回転むらを低減させる技術の一つとして周期的な回転むらを低減させる技術である繰り返し制御器を用いる方法があるが、従来の繰り返し制御器では安定性に問題があった。

安定性を向上させるために、低域通過フィルタや安定化補償器を用いる方法が主に用いられているが、十分な安定性が得られなかったり回転むらの抑制効果が低減する等の問題があった。

本発明の目的は上述の問題点を解決し、一定速度で回転するモータの低回転むらを実現するために、特定周波数の回転むらを効果的に低減し、且つ安定に動作する繰り返し制御器を備えたモータ制御装置を提供することにある。

本発明の繰り返し制御器は、一定速度で回転するモータに発生する周期的な回転むらを抑制するために、Bode線図で表したときにそのゲイン特性が特定周波数で大きなピークを持ち、回転むら抑制の目標とする周波数以上では十分に減衰する特性を備えたフィルタを有することを特徴とした繰り返し制御器を備えたモータ制御装置である。図１に示すモータ制御装置において、繰り返し制御器９のフィルタ１１を（１）式のように構成する。
（１）式はバンドパスフィルタの特性を有しており、カットオフ周波数をｆ_ｃ１、ｆ_ｃ２とすると中心周波数ω_０は（２）式、バンド幅ω_ｂは（３）式で表される。
また、αは中心周波数のゲインの大きさを調整する係数である。（１）式のフィルタを図１の繰り返し制御器９のフィルタ１１として適用すると、繰り返し制御器９のbode線図のゲイン特性は図３に示すようになり抑制したい周波数で大きなピークを持ち、回転むら抑制の目標とする周波数以上の高周波数領域では十分に減衰しており従来の方法と比較して安定性と制御特性の両方を向上出来ることが分かる。

また、抑制したい周波数が２つ存在している場合は、該フィルタを図２に示すように並列に接続した場合を考えればよいので、フィルタ１３を（４）式、フィルタ１５を（５）式で表し、該フィルタを図１の繰り返し制御器９のフィルタ１１に適用できるように計算すると（６）式となる。

（６）式のフィルタを用いて構成した繰り返し制御器のBode線図のゲイン特性は図４のように２つの周波数帯にピークが存在する。一般的に抑制したい周波数が２つ以上ある場合その回転むらの大きさは異なる。この場合（４）式の係数αと（５）式の係数βを調整することで繰り返し制御器の伝達特性のピークを調整することができ、例えば図５のように回転むらの大きさと繰り返し制御器のBode線図のゲイン特性においてピークの大きさを一致させることが出来る。

本発明に成るモータ制御装置は下記の特徴がある。
（１）一定速度で回転するモータの、特定周波数において顕著に現れる回転むらを抑制することができる。
（２）回転むらが複数の周波数に存在する場合、係数を調整し制御装置の伝達特性と一致させることにより安定性を保ちながら回転むらを抑制することができる。
（３）ソフトウエアで構成されるため安価に構成することが可能である。

電流制御器と速度制御器からなる従来のモータ速度制御システムにおいて、電流制御器または速度制御器と並列に本発明の繰り返し制御器を挿入する。電流制御器と並列に構成した場合は速度制御器の出力である電流指令値と電流センサで検出した電流値との差を繰り返し制御器の入力とする。速度制御器と並列に構成した場合は速度指令値と速度センサから得られたモータ速度の偏差を繰り返し制御器の入力とする。繰り返し制御器に入力された信号は低域遮断フィルタを通して、抑制したい周波数とコントローラのサンプリングで決定されるメモリの出力と加算され繰り返し制御器の出力となる。また、低域遮断フィルタの出力とメモリの出力を加算した信号は、抑制したい周波数とその大きさによって決まるフィルタ、例えば（６）式で与えられるフィルタに入力されその出力が上記メモリに入力される。繰り返し制御器の出力は、電流制御器と並列に構成した場合は、電流指令値と検出した電流値の偏差に加算されて電流制御器の入力となる。速度制御器と並列に構成した場合は、速度指令値と検出した速度の偏差に加算されて速度制御器の入力となる。

図１は、本発明による繰り返し制御器９の実施例で、モータの速度制御システムの構成図である。これは、速度制御器２と電流制御器３、で構成された従来からのモータ制御システムに、本発明の繰り返し制御器９を適用した低回転むらを実現するモータの速度制御システムである。

モータ指令値速度１と位置・速度センサ７で検出したモータ速度８との偏差を本発明の繰り返し制御器９に入力する。繰り返し制御器９に入力された偏差は低域通過フィルタ１２により信号に含まれるノイズを除去した後、抑制したい周波数とコントローラのサンプリングで決定されるメモリ１０の出力と加算され繰り返し制御器９の出力となる。また、低域遮断フィルタ１２の出力とメモリ１０の出力を加算した信号は、抑制したい周波数とその大きさによって決まるフィルタ１１、例えば（６）式で与えられるフィルタ１１に入力されその出力が上記メモリ１０に入力される。繰り返し制御器９の出力はモータ指令値速度１とモータ速度８の偏差に加算されPI制御器で構成される速度制御器２に入力される。速度制御器２の出力は電流指令値となり、電流センサ５との偏差をPIで構成される電流制御器３に入力される。電流制御器３の出力は電圧指令値となり増幅器であるインバータ４に入力されモータ６に電圧を印加する。

図６、図７は本発明の繰り返し制御器の効果を示すもので、図６は図１に示すモータの速度制御システムで繰り返し制御器９を用いない、従来の速度制御で一定速度駆動を行った場合の速度の回転むらを周波数分析した実験結果の図で、横軸に周波数、縦軸に目標速度に対する回転むらの各周波数成分の大きさを示している。図６では２４[Hz]と４８[Hz]に大きなピークが現れていることが分かる。図７は図１に示す従来のモータの制御システムに本発明の繰り返し制御器９を適用した低回転むらを実現するモータの速度制御システムを用いてモータの一定速度駆動を行った実験結果の図である。図６から回転むらのピークが２４[Hz]と４８[Hz]にあることが分かるため、（６）式のフィルタの伝達特性が２４[Hz]と４８[Hz]にピークを持つように設計し、４８[Hz]のピークを２４[Hz]の２／３程度にする。その結果、従来の速度制御システムで現れていた図６の回転むらは、本発明の繰り返し制御器を適用した速度制御システムでは図７のようになり、任意の周波数の回転むら成分を大きく減少させ且つ安定に駆動できていることが分かる。

本発明によれば一定速度で回転制御されるシステムにおいて，モータが持つ特定周波数成分の回転むらを大幅に抑制することが可能であるため，回転むらを含む回転精度を要求される分野に広く応用が可能である。

本発明の繰り返し制御器を用いたモータの速度制御システム ピークが２つ以上存在する場合の考え方 本発明の繰り返し制御器の伝達特性 ピークが２つ存在する場合の繰り返し制御器の伝達特性 ピークの大きさを調整した繰り返し制御器の伝達特性 繰り返し制御器を用いない場合の回転むら成分 本発明の繰り返し制御器を用いた場合の回転むら成分

符号の説明

１：モータ指令値速度
２：速度制御器
３：電流制御器
４：インバータ
５：電流センサ
６：モータ
７：位置・速度センサ
８：モータ速度
９：繰り返し制御器
１０：メモリ
１１：フィルタ
１２：ローパスフィルタ
１３：フィルタ
１４：メモリ
１５：フィルタ
１６：メモリ

Claims (4)

1. 一定速度で回転するモータにおいて回転むらを低減させるために、位置または速度センサによって検出した速度偏差の周期的な回転むら成分を減少させることを目的とし、検出した回転むら成分の中から特定周波数の回転むらのみを低減させることが出来るフィルタと回転むら成分の値を保存するメモリで構成されることを特徴とする繰返し制御器を搭載することを特徴としたモータの速度制御装置。
2. 前記繰り返し制御器を搭載した一定速度で回転するモータにおいて、特定の周波数成分の回転むら抑制効果を上げるために抑制周波数のみにピークを持ち、それ以外の周波数にピークを持たないフィルタを具備することを特徴とする請求項１に記載の繰返し制御器を搭載したモータの速度制御装置。
3. 前記繰返し制御器のフィルタにおいて、安定性を高めるためと回転むら成分の抑制効果を高めるために各回転むら成分の大きさにフィルタのピークを調整することができる係数を具備することを特徴とする請求項１及び２に記載の繰返し制御器を搭載したモータの速度制御装置。
4. 前記繰返し制御器のフィルタにおいて、ピークを調整することによってモータ起動時や速度変更時の過渡状態の時間を短くすることができることを特徴とする請求項１及び２、３に記載の繰返し制御器を搭載したモータの速度制御装置。