JP2009141987A - モータ制御装置およびそのトルク制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、位置制御モードや速度制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置およびそのトルク制御方法を提供する。
【解決手段】 速度制御モードからトルク制御モードへの切換時に、外部トルク指令Ｔrfと速度制御部１０の積分器１０３の値Ｔriとに基づいて初期値Ｔinを算出し、速度制限指令Ｖlmと速度フィードバックＶfbと初期値Ｔinとに基づいて外部トルク指令Ｔrfを補正するトルク補正値Ｔrcを算出する補正トルク演算部１５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの実運転中に制御モードをダイレクトに切り換えられるモータ制御装置およびそのトルク制御方法に関わり、特に、トルク制御モードへの制御モードの切り換えにおいて、連続的なモータ動作を実現するモータ制御装置およびそのトルク制御方法に関する。

従来の速度制限機能付きトルク制御を実施するモータ制御装置として、例えば特許文献１には第１の従来技術が開示されている。また、速度制限方法を詳細には開示していないが、特許文献２に第２の従来技術が開示されている。

まず、第１の従来技術の構成について図４を用いて説明する。図４は、第１従来例のモータ制御装置の構成を示す図である。図４において、１ａはモータ制御装置、２はモータ、６はモータ２の速度を検出する速度検出器、１１は電流制御部、４１は速度制御ゲイン、４２は積分制御部、４３は暴走防止部、４４は積分演算制御部、４５は−１の積分制御係数である。
本モータ制御装置１ａは、電流制御部１１、速度制御ゲイン４１、積分制御部４２、暴走防止部４３、積分演算制御部４４、積分制御係数４５で構成されており、速度制限指令Ｖlm、速度検出器６の出力である速度フィードバックＶfb、外部トルク指令Ｔrfを入力し、速度制限中は速度制限指令Ｖlmが速度フィードバックＶfbに一致するようにモータ２を駆動し、トルク制御中はモータ２のトルクが外部トルク指令Ｔrfに一致するようにモータ２を駆動する。
速度制限指令Ｖlmと速度フィードバックＶfbとを入力として時定数Ｔで積分を行なう積分制御部４２と速度制御ゲイン４１とで速度制御を形成しており、内部トルク指令Ｔraを生成する。速度誤差は速度制限指令Ｖlmと速度フィードバックＶfbとの差である。暴走防止部４３は、内部トルク指令Ｔraと外部トルク指令Ｔrfとを切り換えて、電流制御部１１へ出力している。電流制御部１１の出力信号によりモータ５を駆動する。

次に動作について図５のフローチャートで説明する。図５は、第１従来例のモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップＴ０１で速度制限指令Ｖlmと速度フィードバックＶfbとの差である速度誤差εを作る。
次に、ステップＴ０２で速度制限中かトルク制御中かを判定する。これは、暴走防止部４３の出力信号が外部トルク指令Ｔrfならばトルク制御中となる。ここで、図４において、積分演算制御部４４は、トルク制御中ならばａが選択され、速度制限中ならばｂが選択される。ステップＴ０２で速度制限中と判定された場合は、積分演算制御部４４はｂが選択され、ステップＴ０４に進む。一方、ステップ０２でトルク制御中と判定された場合は、積分演算制御部４４はａが選択され、ステップＴ０３に進む。
ステップＴ０４では、積分演算制御部４４において、ａが選択されていると積分制御部４２により時定数Ｔで積分制御され、ｂが選択されていると積分制御係数４５により積分制御部４２の出力の逆極性が入力されることになり、積分制御部４２の出力は時定数Ｔで減少していく。
次に、ステップＴ０５で積分制御部４２の出力と速度誤差εの加算値が速度制御ゲイン４１の入力となる、
次にステップＴ０６で速度制御ゲイン４１を乗じて内部トルク指令Ｔraを作成する。
次に、ステップＴ０７ないしステップＴ１０で、暴走防止部４３において、内部トルク指令Ｔraと外部トルク指令Ｔrfとの比較を行ない、電流制御部１１への指令を選択する。外部トルク指令Ｔrfが電流制御部１１への指令となる条件は、外部トルク指令Ｔrfと内部トルク指令Ｔraの方向が同一でかつ外部トルク指令Ｔrfが内部トルク指令Ｔraよりも小さい場合である。それ以外のときは、内部トルク指令Ｔraが電流制御部１１への指令となる。
次に、ステップＴ１１で、暴走防止部４３の出力により電流制御部１１がモータ５を駆動し、ステップＴ１２で、速度検出器６により速度フィードバックＶfbを作成する。

以上のように、速度制限中とトルク制御中とで積分演算制御方法を切り換えており、速度制限中は積分制御部の出力を大きくし、トルク制御中は積分制御部の出力を小さくすることで、２つの状態を交互に繰り返すことにより、速度制限指令に対する定常偏差を補正し、また、速度制限指令を超えないように電流制御部への指令を与え、速度制限機能付きトルク制御を実現しているのである。

次に、第２の従来技術について図６を用いて説明する。図６は、第２従来例のモータ制御装置の構成を示す図である。図６において、１ｂはモータ制御装置、１２ａは速度演算部、７１はトルク電流補正部、７２は最大トルク制御部、７３ベクトル演算部、７４は印加電圧作成部、７５は補正演算部である。
第２の従来技術では、モータ出力トルクを制御するトルク指令型モータ制御装置において、モータの回転速度限界を超えないように回転速度を制限するモータ制御構成を提供しており、主に、外部トルク電流指令Ｉrfを補正しトルク電流指令Ｉｒを算出するトルク電流補正部７１と、磁極位置センサからの位置信号Ｕ，Ｖ，Ｗを用いてモータ回転速度Ｖｍを算出する速度演算部１２ａと、トルク電流指令Ｉｒに基づいて励磁電流指令Ｉexを算出する最大トルク制御部７２と、モータ定数とトルク電流指令Ｉｒ及び励磁電流指令Ｉexとモータ回転速度Ｖｍ等から電圧指令を演算するベクトル演算部７３と、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の印加電圧を作成する印加電圧作成部７４と、ベクトル演算部７３や印加電圧作成部７４等への各種補正演算を行なう補正演算部７５とで構成されている。トルク電流補正部７１は、モータ回転速度Ｖｍが所定の速度制限指令Ｖlmを超えないように、主にＰＩ制御を用いて外部トルク電流指令Ｉrfを補正し、トルク電流指令Ｉｒを算出している。トルク電流補正部７１では、モータ回転速度Ｖｍが速度制限指令Ｖlmを下回っている場合は、トルク電流補正値はゼロとなり、外部トルク電流指令Ｉrfとトルク電流指令Ｉｒは同じ値になる。すなわち、モータ回転速度Ｖｍが速度制限指令Ｖlmを超えた場合にトルク電流指令Ｉｒの補正を行なっている。

特開平３−４５１８２号公報（第２−３頁、図１、図２） 特開２００３−３３０６８号公報（第４−５頁、図１）

しかしながら、第１の従来技術は、電流制御部への指令を選択する暴走防止部において、外部トルク指令と内部トルク指令の方向が異なる場合（例えば、一方向へ進み過ぎたので反対方向へ動作させる場合等）には内部トルク指令が選択されているので、外部トルク指令の方向を反転し反対方向の動作をさせようとしても、外部トルク指令で動作しないため、反対方向の動作ができないという問題があった。
また、第１の従来技術も第２の従来技術も、モータの回転速度限界を超えないように回転速度を制限するトルク指令型モータ制御装置であって、位置制御や速度制御からトルク制御モードへのダイレクトな制御モード切り換え動作については記載されておらず、このような制御モード切り換えを行うことができ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、外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、位置制御モードや速度制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置およびそのトルク制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて前記速度指令（Ｖrf）に前記速度フィードバック（Ｖfb）が一致するように速度制御を行う速度制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）を備えたモータ制御装置において、速度制御モードからトルク制御モードへの切換時に、前記制御切換部（１３）は、前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出し、速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出する補正トルク演算部（１５）を備えることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて位置指令に位置フィードバックが一致するように位置制御を行う位置制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）を備えたモータ制御装置において、位置制御モードからトルク制御モードへの切換時に、前記制御切換部（１３）は、前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出し、速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出する補正トルク演算部（１５）を備えることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のモータ制御装置において、前記制御切換部（１３）は、前記積分器（１０３）の値（Ｔri）に代えて、前記内部トルク指令（Ｔra）に基づいて初期値（Ｔin）を算出することを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載のモータ制御装置において、補正トルク演算部（１５）は、比例ゲイン（１６１）と積分ゲイン（１６２）と積分器（１６３）とで構成し、前記速度フィードバック（Ｖfb）から前記速度制限指令（Ｖlm）を差引いた偏差に前記比例ゲイン（１６１）の値を乗じた値と、前記偏差に前記積分ゲイン（１６２）の値を乗じた値を前記積分器（１６３）で前記初期値（Ｔin）を初期値として積分した値とを加算した余剰トルク（Ｔov）を算出する余剰トルク演算部（１６）と、前記余剰トルク（Ｔov）と前記速度フィードバック（Ｖfb）とに基づいて前記積分器（１６３）をクリアするクリア信号（Ｃｌ）と補正切換信号（Ｓｃ）とを発生するトルク補正判定部１７と、前記補正切換信号（Ｓｃ）に基づいて前記余剰トルク（Ｔov）とゼロとを切り換えて前記トルク補正値（Ｔrc）を出力するスイッチ（１８）とを備えることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のモータ制御装置において、前記トルク補正判定部（１７）は、前記余剰トルク（Ｔov）の符号と前記速度フィードバック（Ｖfb）の符号とが異なる場合に、前記クリア信号（Ｃｌ）を発生し、前記スイッチ（１８）がゼロを出力するように前記補正切換信号（Ｓｃ）を発生することを特徴とするものである。

また、請求項６に記載の発明は、速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて前記速度指令（Ｖrf）に前記速度フィードバック（Ｖfb）が一致するように速度制御を行う速度制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）を備えたモータ制御装置のトルク制御方法において、速度制御モードからトルク制御モードへの切換時に、前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出するステップと、速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出するステップとを備えることを特徴とするものである。

また、請求項７に記載の発明は、速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて位置指令に位置フィードバックが一致するように位置制御を行う位置制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）を備えたモータ制御装置のトルク制御方法において、位置制御モードからトルク制御モードへの切換時に、前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出するステップと、速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出するステップとを備えることを特徴とするものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載のモータ制御装置のトルク制御方法において、前記初期値（Ｔin）は、前記積分器（１０３）の値（Ｔri）に代えて、前記内部トルク指令（Ｔra）に基づいて算出することを特徴とするものである。

また、請求項９に記載の発明は、請求項６または７に記載のモータ制御装置のトルク制御方法において、前記速度フィードバック（Ｖfb）から前記速度制限指令（Ｖlm）を差引いた偏差に比例ゲイン（１６１）の値を乗じた値と、前記偏差に積分ゲイン（１６２）の値を乗じた値を積分器（１６３）で前記初期値（Ｔin）を初期値として積分した値とを加算して余剰トルク（Ｔov）を算出し、前記余剰トルク（Ｔov）と前記速度フィードバック（Ｖfb）とに基づいて前記積分器（１６３）をクリアするクリア信号（Ｃｌ）と補正切換信号（Ｓｃ）とを発生し、前記補正切換信号（Ｓｃ）に基づいて前記トルク補正値（Ｔrc）を前記余剰トルク（Ｔov）またはゼロに切り換えることを特徴とするものである。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のモータ制御装置のトルク制御方法において、前記余剰トルク（Ｔov）の符号と前記速度フィードバック（Ｖfb）の符号とが異なる場合に、前記クリア信号（Ｃｌ）を発生し前記トルク補正値（Ｔrc）をゼロとし、前記余剰トルク（Ｔov）の符号と前記速度フィードバック（Ｖfb）の符号とが同じ場合には、前記クリア信号（Ｃｌ）は発生せず前記トルク補正値（Ｔrc）を前記余剰トルク（Ｔov）とすることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、速度制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置を提供することができる。
請求項２に記載の発明によると、外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、位置制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置を提供することができる。
請求項３ないし５に記載の発明によると、外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、位置制御モードや速度制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置を提供することができる。
請求項６に記載の発明によると、外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、速度制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置のトルク制御方法を提供することができる。
請求項７に記載の発明によると、外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、位置制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置のトルク制御方法を提供することができる。
請求項８ないし１０に記載の発明によると、外部トルク指令の方向を反転した場合でも、反対方向の動作が可能であり、また、位置制御モードや速度制御モードからトルク制御モードへ制御モードを切り換える際において、モータ動作の連続性を保つことができるモータ制御装置のトルク制御方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
また、実際のモータ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施例のモータ制御装置の構成を示す図である。図１において、１はモータ制御装置、３はモータ２の位置を検出する位置検出器、１０は速度制御部、１２は速度演算部、１３制御切換部、１４はトルク指令切換器、１５は補正トルク演算部、１６は余剰トルク演算部、１７はトルク補正判定部、１８スイッチである。また、１０１および１６１は比例ゲイン、１０２および１６２は積分ゲイン、１０３および１６３は積分器である。

モータ制御装置１は、速度制御部１０と電流制御部１１と速度演算部１２と制御切換部１３とトルク指令切換器１４と補正トルク演算部１５とで構成されている。
速度制御部１０は、比例ゲイン１０１と積分ゲイン１０２と積分器１０３とで構成されており、速度指令Ｖrfから速度演算部１２で得られた速度フィードバックＶfbを差引いた偏差ε１に比例ゲイン１０１の値Ｋｖ１を乗じた値と、偏差ε１に積分ゲイン１０２の値Ｋｉ１を乗じた値を積分器１０３で積分した値Ｔriとを加算したものを、内部トルク指令Ｔraとしてトルク指令切換器１４へ出力する。
電流制御部１１は、トルク指令切換器１４で選択されたトルク指令Ｔrbに基づいてモータ２を駆動するものであり、図示していないが、トルク指令Ｔrbに応じたモータ電流を制御するための電流制御ループを構成しており、電力変換部（図示せず）を含めたものとしている。
速度演算部１２は、位置検出器３のモータ位置検出信号から速度フィードバックＶfbを演算するものである。

制御切換部１３は、制御切換信号Ｃmd、速度制御部１０の積分器１０３の値Ｔri、および外部トルク指令Ｔrfを入力し、トルク指令切換器１４へ切換信号Ｓｍを出力すると共に、前記制御切換信号Ｃmdがトルク制御モードのときは、トルク制御モードへの切り換え時に外部トルク指令Ｔrfから速度制御部１０の積分器１０３の値Ｔriを差引いた値Ｔinを余剰トルク演算部１６の積分器１６３へ初期値として与えるものである。
補正トルク演算部１５は、余剰トルク演算部１６とトルク補正判定部１７とスイッチ１８とで構成され、速度制限指令Ｖlmと速度フィードバックＶfbと初期値Ｔinとに基づいて外部トルク指令Ｔrfを補正するトルク補正値Ｔrcを算出する。
トルク指令切換器１４は、制御切換部１３からの切換信号Ｓｍに基づいて、速度制御部１０からの内部トルク指令Ｔraと外部トルク指令Ｔrfからスイッチ１８の出力であるトルク補正値Ｔrcを差引いたトルク指令とを切り換えるスイッチである。切換信号Ｓｍがトルク制御モードのときは、１４ｂを選択し、それ以外のときは、１４ａを選択する。

余剰トルク演算部１６は、比例ゲイン１６１と積分ゲイン１６２と積分器１６３とで構成されており、速度フィードバックＶfbから速度制限指令Ｖlmを差引いた偏差ε２に比例ゲイン１６１の値Ｋｖ２を乗じた値と、偏差ε２に積分ゲイン１６２の値Ｋｉ２を乗じた値を積分器１６３で制御切換部１３より受取った初期値Ｔinを初期値として積分した値とを加算したものを、余剰トルクＴovとしてトルク補正判定部１７およびスイッチ１８へ出力する。
トルク補正判定部１７は、余剰トルク演算部１６で得られた余剰トルクＴovの符号と速度フィードバックＶfbの符号を比較して、異なっている場合は、積分器１６３をクリアするクリア信号Ｃｌと補正切換信号Ｓｃとを発生して、積分器１６３をクリアすると共にスイッチ１８をゼロ（１８ｂ）に切り換える。
また、余剰トルクＴovの符号と速度フィードバックＶfbの符号が同じであれば、積分器１６３をクリアするクリア信号Ｃｌは発生せず、スイッチ１８を１８ａに切り換える。

本発明が特許文献１と異なる点は、補正トルク演算部と制御切換部を備え、外部トルク指令に補正を実施している点である。
特許文献１の発明は、一方向におけるトルク制御での速度制限動作が可能であるが、反転動作や速度制御からトルク制御への切り換え動作を行なうことができない。本発明によれば、補正トルク演算部と速度制御部と制御切換部を備えているので、トルク制御での反転動作や速度制御からトルク制御への切り換え動作を連続的に行なうことができるという効果がある。
また、特許文献２と異なる点は、特許文献２のトルク電流補正部が、本発明の補正トルク演算部の機能に類似しているが、速度制御部と制御切換部は備えていない。
特許文献２の発明は、トルク制御での速度制限動作が可能であるが、速度制御からトルク制御への切り換え動作を行なうことができない。本発明によれば、速度制御部と制御切換部を備えているので、速度制御からトルク制御への切り換え動作を連続的に行なうことができるという効果がある。

次に、動作について説明する。
まず、速度制御モードからトルク制御モードへ切り換えるときの動作について説明する。
速度制御モードからトルク制御モードへの切り換え動作の手順として図２のフローチャートで説明する。
まず、ステップＳ０１で制御切換信号がトルク制御モードへ切り換わると、ステップＳ０２で制御切換部１３がトルク指令切換器１４を接点１４ｂに接続すると共に、外部トルク指令Ｔrfから速度制御部１０の積分器１０３の値Ｔriを差引いた値Ｔinを余剰トルク演算部１６の積分器１６３の初期値として与える。
Ｔin＝Ｔrf−Ｔri （１）
次にステップＳ０３で速度演算部１２によって速度フィードバックＶfbを求める。
次に、ステップＳ０４で余剰トルク演算部１６によって余剰トルクＴovを求める。余剰トルクＴovは、速度フィードバックＶfbから速度制限指令Ｖlmを差引いた値に比例ゲイン１６１の値Ｋｖ２乗じた比例項と速度フィードバックＶfbから速度制限指令Ｖlmを差引いた値に積分ゲイン１６２の値Ｋｉ２を乗じた値を積分器１６３で積分した積分項の和として求めるが、積分器１６３には、ステップＳ０２で初期値Ｔinが与えられている。
Ｔov＝（Ｖfb−Ｖlm）×Ｋｖ２＋｛Ｔin＋（Ｖfb−Ｖlm）×Ｋｉ２×ｔ｝ （２）
ただし、ｔは制御切換信号がトルク制御モードへ切り換わってからの時間
次に、ステップＳ０５で余剰トルクＴovの補正を実施するか否かを判定する。判定は、トルク補正判定部１７によって余剰トルクＴovと速度フィードバックＶfbの正負の符号を比較し、同じ符号であれば補正を実施する。

次に、ステップＳ０５で補正を実施するように判定された場合は、ステップＳ０６でスイッチ１８を接点１８ａに接続する。
一方、ステップＳ０５で補正を実施しないように判定された場合は、ステップＳ０７でスイッチ１８を出力値がゼロとなる接点１８ｂに接続し、ステップＳ０８で余剰トルク演算部１６の積分器１６３の値をクリアする。
次に、ステップＳ０９で外部トルク指令Ｔrfからスイッチ１８の出力値を引いたトルク指令をトルク指令切換器１４の接点１４ｂに入力する。
最後に、ステップＳ１０でトルク指令切換器１４から出力されたトルク指令Ｔrbに基づいて電流制御部１１によってモータ２を駆動する。以後、トルク制御モードではステップＳ０３からステップＳ１０を繰り返す。

ここで、補正を実施する場合のトルク制御モードへの制御切り換え動作の連続性について説明する。
トルク制御モードへ切り換える前は速度制御部がＰＩ制御を実施しているので、速度指令Ｖrfと速度フィードバックＶfbはほぼ一致しており、
Ｖrf≒Ｖfb
なので、
Ｖrf−Ｖfb≒０
となり、比例ゲイン１０１の出力は、ほぼ０となっている。
また、速度制御部１０の積分器１０３には、加減速トルクや負荷(外乱)トルクが溜まっている。よって、制御切り換え直前に速度制御部１０から出力されている内部トルク指令Ｔraは、積分器１０３の値Ｔriにほぼ等しい。
Ｔra≒Ｔri

次に、制御切り換え後に電流制御部１１へ入力されるトルク指令Ｔrｂは、トルク指令切換器１４は接点１４ｂが選択され、スイッチ１８は接点１８ａが選択されるので、
Ｔrb＝Ｔrf−Ｔov
であるが、式（１）および式（２）より余剰トルクＴovは、
Ｔov＝｛（Ｔrf−Ｔri）＋（Ｖfb−Ｖlm）×（Ｋｖ２＋Ｋｉ２×ｔ）｝
となる。したがって、
Ｔrb＝Ｔrf−｛（Ｔrf−Ｔri）＋（Ｖfb−Ｖlm）×（Ｋｖ２＋Ｋｉ２×ｔ）｝ （３）
ここで、Ｔri＝Ｔraを（３）式に代入すると、（４）が得られる。
Ｔrb＝Ｔra＋（Ｖfb−Ｖlm）×（Ｋｖ２＋Ｋｉ２×ｔ）｝ （４）
（４）式よりにおいて、
ｔ＝０
とすると、制御切り換え直後のトルク指令Ｔrbが求められ、
Ｔrb＝Ｔra＋（Ｖfb−Ｖlm）×Ｋｖ２
となり、電流制御部１１のトルク指令Ｔrbは、切り換え直前のトルク指令Ｔraを基準とするトルク指令を出力するため、モータ動作の連続性を保つことができる。

図３は、本発明の第１実施例のモータ制御装置において速度制御モードからトルク制御モードへ切り換えたときのトルク指令Ｔrbと速度フィードバックＶfbの挙動の一例を示す図である。（ａ）はトルク補償がない場合であり、（ｂ）は本発明のトルク補償を行った場合である。
図３は、速度制御モードでは、速度指令Ｖrfで動作しており、速度フィードバックＶfb＝Ｖrfである。トルク指令Ｔrbは、負荷(外乱)トルクである一定の内部トルク指令Ｔraを出力し、トルク指令Ｔrb＝Ｔraとなっている。
この状態から、外部トルク指令Ｔrfが内部トルク指令Ｔraよりも大きく（Ｔrf＞Ｔra）、速度制限指令Ｖlmが速度指令Ｖrfと等しい（Ｖlm＝Ｖrf）条件のトルク制御モードへ切り換える。

（a）の場合、切り換え時は、余剰トルク演算部１６の積分器１６３の積分値はゼロであり、速度制限指令Ｖlmと速度フィードバックＶfbは等しいため、トルク指令Ｔrbは外部トルク指令Ｔrfが出力され、その結果、速度フィードバックＶfbは、速度制限指令Ｖlmを超過していく。その後、速度制限指令に対する速度フィードバックの超過に対してＰＩ制御し、求められた余剰トルクが外部トルク指令から差引かれ、最終的に、トルク指令Ｔrbは切り換え前の内部トルク指令Ｔraに収束し、速度フィードバックＶfbは速度制限指令Ｖlmに収束する。

一方、（b）の場合、切り換え時は、余剰トルク演算部１６の積分器１６３に初期値が設定されており、速度制限指令Ｖlmが速度フィードバックＶfbと等しいため、トルク指令Ｔrbは切り換え前の内部トルク指令Ｔraと等しくなる。その結果、速度フィードバックＶfbも切り換え前の速度と変化なく動作することができ、以後、トルク指令Ｔrbは切り換え前の内部トルク指令Ｔraを出力し続け、速度フィードバックＶfbは切り換え前の速度を維持し続ける。

本実施例では、トルク制御モードへの切り換え時に外部トルク指令Ｔrfから速度制御部１０の積分器１０３の値Ｔriを差引いた値Ｔinを余剰トルク演算部１６の積分器１６３への初期値として与えたが、速度制御部１０の積分器１０３の値Ｔriの代わりに速度制御部１０の出力である内部トルク指令Ｔraを用いても良い。

以上、速度制御モードからトルク制御モードへの切り換え動作について、説明した。
つぎに、位置制御モードからトルク制御モードへの切り換え動作について、説明する。
図１では、速度指令を外部システムからの速度指令Ｖrfとしているが、モータ制御装置１内に位置指令と位置フィードバックを入力とする位置制御部を備えて、位置制御部から出力される信号を速度指令Ｖrfとしても良い。
速度制御と位置制御の差は、速度制御部１０へ入力される速度指令Ｖrfの出所の違いだけであるため、速度制御モードからトルク制御モードへの切り換え動作と位置制御モードからトルク制御モードへの切り換え動作は、図１において同じとなる。
このように、本発明のトルク制御方法は、位置制御においても、速度制御モードからトルク制御モードへ切り換える方法と同様にして、位置制御モードからトルク制御モードへ切り換えることが可能である。

以上のように、トルク制御モードへの制御切り換えにおいて、外部トルク指令Ｔrfと速度制御部１０の積分値Ｔriとの差を余剰トルク演算部１６の積分器の初期値として与えているため、切り換え直後のトルク指令Ｔrbを切り換え時点での内部トルク指令Ｔraを基準とした値とすることができ、連続的なモータ動作を実現できる。すなわち、モータの実運転中に連続的な制御モード切り換えができるといえる。また、外部トルク指令の方向を反転した場合にも、反対方向の動作ができる。

本発明のモータ制御装置は、モータの実運転中に制御モードをトルク制御モードへダイレクトに切り換えられるので、ＮＣ等のモーションコントロールシステムにおいて産業上幅広く利用可能である。例えば、工作機械などへの適用には有効である。

本発明の第１実施例のモータ制御装置の構成と動作を示す図 本発明の第１実施例のモータ制御装置の動作の手順を示すフローチャート 本発明の第１実施例のモータ制御装置において速度制御モードからトルク制御モードへ切り換えたときのトルク指令Ｔrbと速度フィードバックＶfbの挙動の一例を示す図 第１従来例のモータ制御装置の構成を示す図 第１従来例のモータ制御装置の動作を示すフローチャート 第２従来例のモータ制御装置の構成を示す図

符号の説明

１、１ａ、１ｂ モータ制御装置
２ モータ
３ 位置検出器
６ 速度検出器
１０ 速度制御部
１１ 電流制御部
１２、１２ａ 速度演算部
１３ 制御切換部
１４ トルク指令切換器
１５ 補正トルク演算部
１６ 余剰トルク演算部
１７ トルク補正判定部
１８ スイッチ
４１ 速度制御ゲイン
４２ 積分制御部
４３ 暴走防止部
４４ 積分演算制御部
４５ 積分制御係数
７１ トルク電流補正部
７２ 最大トルク制御部
７３ ベクトル演算部
７４ 印加電圧作成部
７５ 補正演算部
１０１、１６１ 比例ゲイン
１０２、１６２ 積分ゲイン
１０３、１６３ 積分器

Claims (10)

1. 速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、
   外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて前記速度指令（Ｖrf）に前記速度フィードバック（Ｖfb）が一致するように速度制御を行う速度制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、
   前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、
   前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）とを備えたモータ制御装置において、
   トルク制御モードの時に前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出する補正トルク演算部（１５）を備え、
   前記制御切換部（１３）は、速度制御モードからトルク制御モードへの切り換え時に前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出し、
   前記補正トルク演算部（１５）は、速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記トルク補正値（Ｔrc）を算出することを特徴とするモータ制御装置。
2. 速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、
   外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて位置指令に位置フィードバックが一致するように位置制御を行う位置制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、
   前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、
   前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）とを備えたモータ制御装置において、
   トルク制御モードの時に前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出する補正トルク演算部（１５）を備え、
   前記制御切換部（１３）は、位置制御モードからトルク制御モードへの切り換え時に前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出し、
   前記補正トルク演算部（１５）は、速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記トルク補正値（Ｔrc）を算出することを特徴とするモータ制御装置。
3. 前記制御切換部（１３）は、前記積分器（１０３）の値（Ｔri）に代えて、前記内部トルク指令（Ｔra）に基づいて初期値（Ｔin）を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 補正トルク演算部（１５）は、比例ゲイン（１６１）と積分ゲイン（１６２）と積分器（１６３）とで構成し前記速度フィードバック（Ｖfb）から前記速度制限指令（Ｖlm）を差引いた偏差に前記比例ゲイン（１６１）の値を乗じた値と前記偏差に前記積分ゲイン（１６２）の値を乗じた値を前記積分器（１６３）で前記初期値（Ｔin）を初期値として積分した値とを加算した余剰トルク（Ｔov）を算出する余剰トルク演算部（１６）と、
   前記余剰トルク（Ｔov）と前記速度フィードバック（Ｖfb）とに基づいて前記積分器（１６３）をクリアするクリア信号（Ｃｌ）と補正切換信号（Ｓｃ）とを発生するトルク補正判定部（１７）と、
   前記補正切換信号（Ｓｃ）に基づいて前記余剰トルク（Ｔov）とゼロとを切り換えて前記トルク補正値（Ｔrc）を出力するスイッチ（１８）とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
5. 前記トルク補正判定部（１７）は、前記余剰トルク（Ｔov）の符号と前記速度フィードバック（Ｖfb）の符号とが異なる場合に、前記クリア信号（Ｃｌ）を発生し、前記スイッチ（１８）がゼロを出力するように前記補正切換信号（Ｓｃ）を発生することを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、
   外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて前記速度指令（Ｖrf）に前記速度フィードバック（Ｖfb）が一致するように速度制御を行う速度制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、
   前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、
   前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）とを備えたモータ制御装置のトルク制御方法において、
   速度制御モードからトルク制御モードへの切り換え時に、前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出するステップと、
   速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出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トルク制御方法。
7. 速度指令（Ｖrf）にモータ（２）の速度フィードバック（Ｖfb）が一致するようにＰＩ（比例積分）制御演算を行い内部トルク指令（Ｔra）を算出する速度制御部（１０）と、
   外部から指令される制御切換信号（Ｃmd）に基づいて位置指令に位置フィードバックが一致するように位置制御を行う位置制御モードと外部トルク指令（Ｔrf）にモータの発生トルクが一致するようにトルク制御を行うトルク制御モードとの制御モード切り換えを行い切換信号（Ｓｍ）を出力する制御切換部（１３）と、
   前記切換信号（Ｓｍ）に基づいて前記内部トルク指令（Ｔra）と前記外部トルク指令（Ｔrf）とを切り換えてトルク指令（Ｔrb）を出力するトルク指令切換器（１４）と、
   前記トルク指令（Ｔrb）に基づいて前記モータ（２）を駆動する電流制御部（１１）とを備えたモータ制御装置のトルク制御方法において、
   位置制御モードからトルク制御モードへの切り換え時に、前記外部トルク指令（Ｔrf）と前記速度制御部（１０）の積分器（１０３）の値（Ｔri）とに基づいて初期値（Ｔin）を算出するステップと、
   速度制限指令（Ｖlm）と前記速度フィードバック（Ｖfb）と前記初期値（Ｔin）とに基づいて前記外部トルク指令（Ｔrf）を補正するトルク補正値（Ｔrc）を算出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トルク制御方法。
8. 前記初期値（Ｔin）は、前記積分器（１０３）の値（Ｔri）に代えて、前記内部トルク指令（Ｔra）に基づいて算出することを特徴とする請求項６または７に記載のモータ制御装置のトルク制御方法。
9. 前記速度フィードバック（Ｖfb）から前記速度制限指令（Ｖlm）を差引いた偏差に比例ゲイン（１６１）の値を乗じた値と、前記偏差に積分ゲイン（１６２）の値を乗じた値を積分器（１６３）で前記初期値（Ｔin）を初期値として積分した値とを加算して余剰トルク（Ｔov）を算出し、
   前記余剰トルク（Ｔov）と前記速度フィードバック（Ｖfb）とに基づいて前記積分器（１６３）をクリアするクリア信号（Ｃｌ）と補正切換信号（Ｓｃ）とを発生し、
   前記補正切換信号（Ｓｃ）に基づいて前記トルク補正値（Ｔrc）を前記余剰トルク（Ｔov）またはゼロに切り換えることを特徴とする請求項６または７に記載のモータ制御装置のトルク制御方法。
10. 前記余剰トルク（Ｔov）の符号と前記速度フィードバック（Ｖfb）の符号とが異なる場合に、前記クリア信号（Ｃｌ）を発生し前記トルク補正値（Ｔrc）をゼロとし、前記余剰トルク（Ｔov）の符号と前記速度フィードバック（Ｖfb）の符号とが同じ場合には、前記クリア信号（Ｃｌ）は発生せず前記トルク補正値（Ｔrc）を前記余剰トルク（Ｔov）とすることを特徴とする請求項９に記載のモータ制御装置のトルク制御方法。

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