JP2008228446A

JP2008228446A - モータ制御装置と速度信号生成方法

Info

Publication number: JP2008228446A
Application number: JP2007063122A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Takei; 康行竹井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】低分解能の位置検出器を使用しても速度検出精度を向上させたモータ制御装置と速度信号生成方法を提供する。
【解決手段】位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部（１）と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部（２）と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部（３）と、モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部（４）と、位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部（５）と、を備えたモータ制御装置において、前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部（５１）と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部（５２）とを備え、フィルタ部（５２）は、位置検出器の分解能に応じて時定数を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置と、速度信号生成方法に関する。

従来のモータ制御装置は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、モータに結合された位置検出器のモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、位置信号を制御時間ごとに差分をとり速度信号を生成する速度信号生成部と、で構成されている。また、従来の速度信号生成方法は特許文献１に速度演算方法として開示されている。図４は速度演算方法のパルスチャートであり、速度検出の際に検出精度を上げるために、エンコーダからの出力パルスを指定パルスＰ４（ｎー１）〜Ｐ４（ｎ）として設定する。これは、例えば、図５のように４分周してＰ４（ｎ）、Ｐ４（ｎ―１）として設定するもので、この指定パルスＰ４（ｎ）〜Ｐ４（ｎ−１）の間隔を速度検出のサンプリング区間として、クロックでカウントし、カウント数Ｔ（４ｎ）〜Ｔ（４ｎ−１）を移動平均フィルタ処理をする。その際、カウント数に対してａ０〜ａ５の重み付け処理を行い、例えばａ０＝６／２１、ａ１＝５／２１、ａ２＝４／２１、ａ３＝３／２１、ａ４＝２／２１、ａ５＝１／２１とするものである。
特開平８−１４６０２３号公報

しかしながら、従来例の特許文献１の場合は、エンコーダのパルス間隔をクロックで数え、かつ、移動平均フィルタに重み付けをするという複雑な処理をしなければならず、ハードウエアで実現する場合は回路が複雑になり、また、フィルタは制御系の遅れ要素となり、フィルタ時定数を必要以上に大きくすることはサーボ性能の著しい劣化をまねく。

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、エンコーダなどの位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定することで、速度分解能を向上させつつ、移動平均フィルタの遅れ要素による遅れ時間の増加も最小限にして制御精度を上げ、高速化に対応して発生するトルク振動を抑止できるモータ制御装置と速度信号生成方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えたモータ制御装置において、前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部と、を備え、前記フィルタ部は、前記位置検出器の分解能に応じて時定数を決定することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能と前記制御時間と、前記速度制御部の速度制御ゲインに応じて移動平均回数を決定することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記速度指令は、上位コントローラから与えられることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えたモータ制御装置の速度信号生成法において、前記モータ位置検出信号から前記位置信号を生成するステップと、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成するステップと、前記位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定するステップと、前記速度信号を前記フィルタを通して新たな速度信号を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の速度信号生成方法において、前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能によって決定することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項５記載の速度信号生成方法において、前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能と、制御時間と、前記速度制御部の制御ゲインによって決定することを特徴とするものである。

本発明によると、移動平均フィルタを使用することで速度分解能があがり、移動平均フィルタの遅れ要素に対しても、位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定するので、遅れ時間の増加を最小限に抑えられ、高速化に対応してトルク振動が増加するのを抑止できるモータ制御装置と速度信号生成方法を提供できる。

以下に本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図１において、１は位置制御部、２は速度制御部、３はモータ駆動部、４は位置信号生成部、５は速度信号生成部、６はモータ、７は位置検出器である。位置制御部１は上位コントローラからの位置指令と位置信号の差をＰＩＤ制御処理をして速度指令を生成する。速度制御部２は、速度指令と速度信号の差をＰＩＤ制御処理をしてトルク指令を生成する。モータ駆動部３はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電流信号を比較し電圧指令を生成、さらに、電圧指令からＰＷＭ信号を生成して電力増幅器を制御し、モータ６に電圧を供給する。位置検出器７はモータに結合されて２相パルス列信号やシリアル通信データを生成する。位置信号生成部４は２相パルス列信号やシリアル通信データを受けて位置信号を生成する。速度信号生成部５は位置信号を制御時間ごとに差分を演算し速度信号を生成する。

図２は速度信号生成部を示したものであり、位置差分部５１とフィルタ部５２とで構成される。位置差分部５１は、制御時間ごとに位置信号の時間差分を演算し速度信号を生成し、フィルタ部５２は、位置検出器の分解能によって決定された時定数のローパスフィルタであり、速度信号から新たな速度信号を生成する。また、フィルタ部が移動平均フィルタの場合は、位置検出器の分解能に対応した回数の移動平均をして新たな速度信号を生成する。

次に移動平均フィルタの移動平均回数について説明する。移動平均フィルタの移動平均回数は、位置検出器の分解能や、速度制御系のゲイン、制御時間などにより決定される。速度制御系の応答性は通常周波数特性によって表される。周波数特性は速度制御系の比例ゲインｋｖ（Ｎｍｓ／ｒａｄ）を系のイナーシャＪ（ｋｇｍ２）で除した値ωｃ＝ｋｖ／Ｊ（ｒ／ｓ）で決定され、ｋｖが大きいほど高応答が実現されるが、余計なノイズを増幅し振動トルクを発生する。トルク指令は、速度指令ωｒｅｆと速度信号ωｆの差のΔωと比例ゲインｋｖの積で表されるが、速度信号ωｆに位置検出器の分解能や制御時間によるノイズが含まれるのでトルク指令にもノイズが含まれることになる。分解能ｍ（ｂｉｔ）の位置検出器は、１回転あたりのパルス数に換算するとＰ＝２^m パルスであり、１パルス間隔の位置を制御時間Ｔｓで除した値が速度信号のノイズになるので、速度ノイズは、ωｎ＝２π／（Ｐ・Ｔｓ）（ｒ／ｓ）になる。速度ノイズに速度制御の比例ゲインを乗じたものがトルク指令になるのでノイズになるトルク指令は２π・ｋｖ／（Ｐ・Ｔｓ）（Ｎｍ）となる。移動平均回数をＮとすると、ノイズは１／Ｎに緩和されて２π・ｋｖ／（Ｐ・Ｔｓ）になる。しかし、移動平均回数は、回数を多くとるほど速度信号の遅延時間を増加させることになる。移動平均回数をＮとしたときの遅延時間はＮ・Ｔｓ／２であり、速度制御系の周波数特性ωｃの逆数１／ωｃよりも大きくすると、制御系が不安定になり制御的振動が発生することになる。従って移動平均回数Ｎは、位置検出器の分解能ｍと制御時間Ｔｓと速度制御系の周波数特性ωｃからノイズになるトルク指令が許容振動トルクＴｑｒ以下になるように決定する。
また、ｋｖが同一である条件下ではエンコーダ分解能に応じて移動平均回数Ｎを決定しても良い。

図３は本発明の速度信号生成方法を示すフローチャートである。
ステップＳＴ１で位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定し、ステップＳＴ２でモータ位置検出信号から位置信号を生成し、ステップＳＴ３で位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成し、ステップＳＴ４で速度信号をフィルタを通して新たな速度信号を生成する。フィルタが移動平均フィルタの場合はステップＳＴ１は位置検出器の分解能に応じて移動平均フィルタの移動平均回数を決定し、ステップＳＴ４で移動平均をして新たな速度信号を生成する。

図５は本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。実施例１が上位コントローラから位置指令を与えられたのに対し実施例２では、速度指令が与えられる。
図６、図７は実施例２をシミュレーションした図である。条件は、速度制御比例ゲインｋｖ＝１Ｎｍｓ／ｒａｄ、速度制御積分時定数Ｔｖｉ＝１０ｍｓ、イナーシャＪ＝０．００１ｋｇｍ２、制御時間Ｔｓ＝０．１ｍｓ、位置検出器分解能ｍ＝１３ｂｉｔｓであり、移動平均回数は図６が２０回、図７が５回である。図６は位置検出器分解能によるノイズは減少したもののＴｓ・Ｎ／２＝１ｍｓで１／ωｃ＝Ｊ／ｋｖ＝１ｍｓでおなじになり制御的な振動が見え始めている。図７は制御的な振動は見られないものの位置検出器によるノイズが顕著で、Ｔｒｎ＝２π・ｋｖ／（２^m・Ｔｓ・Ｎ）＝１．５３Ｎｍの振動トルクが発生している。ωｃ＝１０００ｒ／ｓではＮ＝１０回程度が最適である。

本発明の実施例１に係るモータ制御装置のブロック図である。実施例１に係る速度信号生成部のブロック図である。本発明の速度信号生成方法を示すフローチャートである。従来の速度演算方法の速度パルスチャートを示す図である。本発明の実施例２に係るモータ制御装置のブロック図である。本発明の実施例２のシミュレーションを示す図である。本発明の実施例２のシミュレーションを示す部である。

符号の説明

１位置制御部
２速度制御部
３モータ駆動部
４位置信号生成部
５速度信号生成部
６モータ
７位置検出器
５１位置差分部
５２フィルタ部

Claims

位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、
を備えたモータ制御装置において、
前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部と、を備え、
前記フィルタ部は、前記位置検出器の分解能に応じて時定数を決定することを特徴とするモータ制御装置。
前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能と前記制御時間と、前記速度制御部の速度制御ゲインに応じて移動平均回数を決定することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記速度指令は、上位コンとローラから与えられることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、
を備えたモータ制御装置の速度信号生成法において、
前記位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定するステップと、
前記モータ位置検出信号から前記位置信号を生成するステップと、
前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成するステップと、
前記速度信号を前記フィルタを通して新たな速度信号を生成するステップと、
を備えることを特徴とするモータ制御装置の位置信号生成方法。
前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能によって決定することを特徴とする請求項５記載の速度信号生成方法。
前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能と、制御時間と、前記速度制御部の制御ゲインによって決定することを特徴とする請求項５記載の速度信号生成方法。