JP2008259272A - モータ制御装置と速度制御ゲイン設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御系の発振を回避して制御ゲインが調整ができ、システムの最適調整が可能なモータ制御装置を提供する。
【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、位置検出器の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、最小負荷イナーシャ比と最大負荷イナーシャ比を設定する負荷イナーシャ比設定部（６）と、速度制御系の周波数特性を設定する速度周波数特性設定部（７）と、最小負荷イナーシャと最大負荷イナーシャと速度周波数特性から位置制御ゲインおよび速度制御ゲインを生成する制御ゲイン生成部（８）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、速度制御ゲインを容易に設定できるモータ制御装置と速度制御ゲイン設定方法に関する。

従来のモータ制御装置は、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、位置信号から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、特許文献１に開示されたモータ制御装置では、さらに速度外乱推定装置を設けて速度オブザーバで速度推定信号を生成し、外乱オブザーバで外乱推定信号を生成して補償し振動を少なくしている。図８は特許文献１のモータ制御装置のブロック図であり、速度指令を積分する積分器１０９と、積分値に速度ゲインＫ ｖ を乗じてトルク指令とする比例器１１０と、トルク指令から高周波成分を除去するトルクフィルタ１１１と、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１１２と、慣性モーメントＪｍをもつモータ１１４と、モータ１１４で駆動される負荷装置１１３ と、モータ１１４の回転速度を積分する積分器１１５と、積分されたモータ１１４の回転位置を検出するエンコーダ１１６と、エンコーダ１１６で検出されたモータ回転位置フィードバック信号の差分をとって速度指令へのモータ速度フィードバック信号として減算器および差分演算器１１７とで構成され、さらに速度外乱推定装置１０１が付加されている。この速度外乱推定装置１０１は、トルク指令をエンコーダのパルス数に換算するエンコーダパルス換算器１０３と、モータモデル１０２と、差分演算器１１７の出力からモータモデル１０２の出力を減算して比例器１１０の入力側にフィードバックするゲイン調整器１０５で構成される。
特開２００４−２０１３８３号公報

しかしながら、従来のモータ制御装置は、速度制御系の設定周波数特性＝４０Ｈｚで設定負荷イナーシャ比＝０でも負荷イナーシャ比５倍程度までは安定した制御ができるように制御ゲインが設定されているが、制御ゲインを上げていくと安定に動作する許容負荷イナーシャ範囲が下がり、制御ゲインを上げすぎると制御系が不安定になり発振してしまうので調整に注意を払わなければならないという問題があった。

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、制御ゲインを調整する際、制御系の発振を回避でき、容易にシステムの最適調整ができるモータ制御装置と制御ゲイン設定方法を提供することを目的とする。

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、モータに結合した位置検出器の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、前記位置信号から前記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、最小負荷イナーシャ比と最大負荷イナーシャ比を設定する負荷イナーシャ設定部と、速度制御系の周波数特性を設定する速度周波数特性設定部と、前記最小負荷イナーシャ比と前記最大負荷イナーシャ比と前記速度周波数特性から位置制御ゲインと速度制御ゲインを生成する制御ゲイン生成部と、を備え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、前記制御ゲイン生成部は、位置制御ゲインおよび速度制御ゲインを安定動作可能なゲインの限界以上に上がらないように制限をかけ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、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、モータに結合した位置検出器の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、前記位置信号から前記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制御ゲイン設定方法において、設定された最小負荷イナーシャ比を取得するステップと、設定された最大負荷イナーシャ比を取得するステップと、設定された速度系周波数特性を取得するステップと、
前記最小負荷イナーシャ比と前記設定速度系応答周波数から位置制御ゲインおよび速度制御ゲイン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。

本発明によると、位置制御ゲインを調整する際、位置制御系の発振を回避し、また速度制御ゲインを調整する際、速度制御系の発振を回避でき、容易にシステムの最適調整ができるモータ制御装置と制御ゲイン設定方法を提供できる。

図３、図４は本発明の特徴部分を説明するためのブロック図である。図３において、Ｋｐ（１／ｓ）は位置制御ゲイン、ωｓ（ｒａｄ／ｓ）は速度制御系の周波数特性であり、電流制御系を伝達関数＝１とすると、位置制御系の閉ループ伝達関数は（１）式になる。
Ｇｐ（ｓ）＝ωｓ・Ｋｐ／（ｓ²＋ωｓ・ｓ＋ωｓ・Ｋｐ）
ζｐ＝（１／２）√（ωｓ／Ｋｐ） （１）
減衰係数ζｐ≧１．０とするには、以下の条件が必要である。
ωｓ≧４Ｋｐ （２）
図８においてＫｖ（ｒ／ｓ）はパラメータによって設定される速度制御周波数特性、Ｊｓｅｔ（ｋｇｍ２）は設定された負荷イナーシャ、Ｊｍ（ｋｇｍ２）はモータのロータイナーシャ、ＪＬ（ｋｇｍ２）は実際の負荷イナーシャである。実際の周波数特性をωｓ（ｒとすると、（３）式が成立する。
ωｓ＝Ｋｖ・（Ｊｍ＋Ｊｓｅｔ）／（Ｊｍ＋ＪＬ） （３）
（２）式と（３）式より（４）式が成立する。
Ｋｐ＜＝（Ｊｍ＋Ｊｓｅｔ）・Ｋｖ／（４・（Ｊｍ＋ＪＬ）） （４）
（４）式より、Ｊｓｅｔを大きくすると、同じＫｖ設定値に対して安定動作するＫｐは大きくなり、ＪＬが大きい場合は、逆に安定動作するＫｐは小さくなる。
次に電流制御系の影響について説明する。実際は電流制御の伝達関数は１ではなく、周波数特性はωc（ｒ／ｓ）で制限される。このため、速度制御系を安定化するためにはωｓ≦４ωｃの条件を満たすことが必要で、Ｊｓｅｔには実際の負荷イナーシャＪＬに応じて上限が存在する。
本発明は、（４）式のＪｓｅｔに最小負荷イナーシャＪｌｍｉｎを、ＪＬに最大負荷イナーシャＪｌｍａｘを代入し、（４）式に基づいてＫｖ設定に対する安定動作するＫｐを算出し、また、Ｋｐ設定に対し、安定動作するＫｖを算出することを特徴とする。

図１は、本発明によるモータ制御装置の実施例１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は速度系周波数特性設定部、７は負荷イナーシャ比設定部、８は制御ゲイン生成部、１１はモータ、１２は位置検出器である。位置制御部１は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する。速度制御部２は上位コントローラからの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１１に電圧を供給する。位置検出器１２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し、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。速度周波数特性設定部６に希望の速度周波数特性を、負荷イナーシャ設定部７に最大負荷イナーシャと最小負荷イナーシャを設定する。制御ゲイン生成部８は、設定された速度周波数特性と設定された最大負荷イナーシャと最小負荷イナーシャから安定動作可能な制御ゲインを算出し、位置制御部、速度制御部に設定する。制御ゲインに制限を加えることでユーザは振動の危険なくゲイン調整を行うことができる。
図２は本発明の速度制御ゲイン設定方法を示すフローチャートである。図２において、ステップＳＴ１で設定された最小イナーシャ比を取得し、ステップＳＴ２で設定された最大イナーシャ比を取得し、ステップＳＴ３で設定された速度制御系の周波数特性を取得し、ステップＳＴ４で最小イナーシャ比と速度制御系の周波数特性から位置制御ゲインおよび速度制御ゲインを演算により生成する。

本発明の実施例１の構成を示すブロック図である。 本発明の制御ゲイン設定方法を示すフローチャートである。 本発明の特徴部分を説明するための制御ブロック図である。 本発明の特徴部分を説明するための制御ブロック図である。 従来例の構成を示すブロック図である。

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 速度周波数特性設定部
７ 負荷イナーシャ比設定部
８ 制御ゲイン生成部
１１ モータ
１２ 位置検出器

Claims (3)

1. 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、モータに結合した位置検出器の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、位置信号から前記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、
   最小負荷イナーシャ比と最大負荷イナーシャ比を設定する負荷イナーシャ比設定部と、
   速度制御系の周波数特性を設定する速度周波数特性設定部と、
   前記最小負荷イナーシャと前記最大負荷イナーシャと前記速度周波数特性から位置制御ゲインと速度制御ゲインを生成する制御ゲイン生成部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御ゲイン生成部は、位置制御ゲインおよび速度制御ゲインを安定動作可能なゲインの限界以上に上がらないように制限をかけることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 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、モータに結合した位置検出器の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、前記位置信号から前記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制御ゲイン設定方法において、
   設定された最小負荷イナーシャ比を取得するステップと、
   設定された最大負荷イナーシャ比を取得するステップと、
   設定された速度系周波数特性を取得するステップと、
   前記最小負荷イナーシャ比と前記設定速度系応答周波数から位置制御ゲインおよび速度制御ゲインを生成するステップと、
   を備えることを特徴とする制御ゲイン設定方法。

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