JP2010178404A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータとエンコーダの間の偏芯量を直接に計測することなく、偏芯に起因する速度リップルを防止することが出来るモータ制御装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るモータ制御装置は、モータ３に取り付けられたエンコーダ４の出力信号に基づいて、モータ回転速度を検知し、検知されたモータ回転速度と速度指令との偏差に応じたトルク指令を生成するものであって、補償量決定モードにて、モータ３を一定速度で回転させるための速度指令を生成し、それによってトルク指令に現われる波形を検知し、その検知される波形から、モータ３とエンコーダ４の軸芯のずれに起因してエンコーダ４の出力信号に含まれる外乱成分を導出し、導出された外乱成分を相殺するための補償量を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに取り付けられたエンコーダの出力信号に基づいてモータの回転速度を制御するモータ制御装置に関するものである。

従来、図１１に示す如く、モータ(３)の出力軸(31)に直接にエンコーダ(４)を取り付けることによって、モータ(３)の回転速度を検出することが行なわれている。
又、図１２に示す如く、モータ(３)の出力軸(31)にアダプタ軸(32)を連結して、アダプタ軸(32)にエンコーダ(４)を取り付けることが行なわれている。

何れの取り付け構造においても、組立誤差によって、図１３に示す如くモータ(３)の出力軸(31)の軸芯Ｃ１とエンコーダ(４)の軸受けの軸芯Ｃ２との間にずれ(偏芯)が生じることがある。
この様な場合、図１４(ａ)の如くモータの回転速度が一定であったとしても、エンコーダの出力信号から演算によって得られる回転速度には、図１４(ｂ)の如くモータ１回転当りに１回の割合で正弦波状のリップルが生じることになる。

この様な状態でモータの速度制御を行なうと、速度制御システムは上記の速度リップルを打ち消す様にフィードバック制御を実行するため、図１５(ｂ)の如くエンコーダの出力信号から演算によって得られる回転速度は一定値となるが、この様な制御によって、モータの回転速度には図１５(ａ)の如く正弦波状のリップルが生じることになる。
この結果、例えばモータを駆動源とするエレベータにおいては、モータの速度リップルがロープを介して乗りかごに伝わり、乗り心地を悪化させる問題が生じる。

そこで、モータとエンコーダの間の偏芯量を光学的に計測して、モータの速度制御に補正を加えることによって、速度リップルを解消することが提案されている(特許文献１)。
又、モータの出力トルクに発生するリップルを逆位相のトルク指令によって抑制する技術が提案されている(特許文献２、３)。

特開２００７−１８３２５５号公報 特開２００２−２２３５８２号公報 特開２００５−２０６３４３号公報

しかしながら、モータとエンコーダの間の偏芯量を光学的に計測する技術においては、計測のための構造が複雑となる問題がある。
又、モータの出力トルクに発生するリップルを逆位相のトルク指令によって抑制する技術は、あるまでもトルクリップルを抑制するものであるため、負荷トルクが変化すると、トルク指令の補正量も変化させる必要があり、制御が複雑となる問題がある。

本発明の目的は、モータとエンコーダの間の偏芯量を直接に計測することなく、偏芯に起因する速度リップルを防止することが出来るモータ制御装置を提供することである。

本発明に係るモータ制御装置は、モータに取り付けられたエンコーダの出力信号に基づいて、モータ回転速度を検知し、検知されたモータ回転速度と速度指令との偏差に応じたトルク指令を生成するものであって、
補償量決定モードにて、モータを一定速度で回転させるための速度指令を生成し、それによってトルク指令に現われる波形を検知する波形検知手段と、
前記波形検知手段によって検知される波形から、モータとエンコーダの軸芯のずれに起因してエンコーダの出力信号に含まれる外乱成分を導出し、導出された外乱成分を相殺するための補償量を決定する補償量決定手段と、
通常動作モードにて、前記補償量決定手段によって決定された補償量によってエンコーダの出力信号に補償を施す補償手段
とを具えている。

上記本発明のモータ制御装置によれば、先ず、補償量決定モードにて、モータを一定速度で回転させるための速度指令が生成され、これによって速度指令に応じたトルク指令が生成される。ここで、モータの軸芯とエンコーダの軸芯の間にずれが存在すると、エンコーダの出力信号には、軸芯のずれの大きさと方向に応じた正弦波状の外乱が生じることになる。そして、速度指令に応じた速度制御によって、トルク指令は、エンコーダの出力信号を一定値とするべく、正弦波状に変動する。

上記のトルク指令によって、モータの回転速度は、トルク指令とは９０度の位相のずれを伴って、正弦波状に変動することになる。このモータの回転速度の変動成分は、エンコーダの出力信号に含まれる外乱成分とは、逆位相の関係となる。従って、エンコーダの出力信号に対し、この外乱成分を相殺する補償を施すことによって、モータの軸芯とエンコーダの軸芯との間にずれがない場合にエンコーダから得られる速度検出信号を生成することが出来る。

そこで、波形検知手段は、上記のトルク指令に現われる波形を検知し、補償量決定手段は、波形検知手段によって検知されるトルク指令の波形から、モータとエンコーダの軸芯のずれに起因してエンコーダの出力信号に含まれる外乱成分を導出し、導出された外乱成分を相殺するための補償量を決定する。

そして、任意の速度指令にモータ回転速度を追従させる通常動作モードでは、前記補償量決定手段によって決定された補償量によってエンコーダの出力信号に補償が施され、速度帰還信号にはモータとエンコーダの芯ずれに応じた補正が加わることになる。
従って、モータの軸芯とエンコーダの軸芯との間にずれが存在したとしても、一定の速度指令に対してモータの回転速度が正弦波状に変動することはない。

本発明の具体的態様において、エンコーダから得られるＺ相パルスを原点とするモータの回転角度をｘ、位相をθ、振幅をＫとして、前記波形検知手段によって検知される波形がＫsin(ｘ＋θ)で表わされるとき、前記補償量決定手段は、振幅をＡとして、エンコーダの出力信号から減算すべき補償量を−Ａcos(ｘ＋θ)に決定する、位相決定手段を具えている。
ここで、前記波形検知手段は、エンコーダから得られるＺ相パルスを基準として、トルク指令に現われる波形の位相θを検出することが可能である。

更に具体的な態様において、前記補償量決定手段は、前記位相決定手段によって補償量の位相が決定された後、定格のモータ回転速度の下で補償量の振幅を変化させ、その過程でトルク指令の位相が補償量の位相に対して逆転する時点の補償量の振幅を、通常動作モードで用いる補償量の振幅として決定する、振幅決定手段を具えている。

更に他の具体的態様においいて、前記補償量決定手段は、一定のモータ回転速度の下で補償量の振幅を変化させるための操作手段と、補償量の振幅が変化する過程でトルク指令の位相が補償量の位相に対して逆転する時点の補償量の振幅を検知するための検知手段と、検知された振幅を通常動作モードで用いる補償量の振幅として設定するための振幅設定手段とを具えている。

本発明に係るモータ制御装置によれば、モータとエンコーダの間の偏芯量を直接に計測することなく、速度帰還信号を補正することによって、偏芯に起因する速度リップルを防止することが出来る。

本発明に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 該モータ制御装置における各ポイントの信号の変化を表わす波形図である。 エンコーダから得られるＺ相パルスとトルク指令の位相差を表わす波形図である。 一般的なモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 モータとエンコーダの間に芯ずれが存在しない場合の一般的なモータ制御装置における各ポイントの信号の変化を表わす波形図である。 一般のモータ制御装置においてモータとエンコーダの間に芯ずれが存在する場合の構成を説明するブロック図である。 一般のモータ制御装置においてモータとエンコーダの間に芯ずれが存在する場合の各ポイントの信号の変化を表わす波形図である。 本発明に係るモータ制御装置において補償量を決定するための手続きを示すフローチャートである。 本発明に係るモータ制御装置において補償量の位相を自動的に測定するための手続きを示すフローチャートである。 補償量の振幅を同定するための手続きを示すフローチャートである。 モータにエンコーダが取り付けられている状態を示す側面図である。 モータにエンコーダが取り付けられている他の状態を示す側面図である。 モータとエンコーダの間に芯ずれが存在する様子を表わす正面図である。 モータとエンコーダの間に芯ずれが存在する場合において、モータ回転速度と、エンコーダ信号から演算によって得られる速度の変化を表わす波形図である。 速度制御の結果として得られるモータ回転速度と、エンコーダ信号から演算によって得られる速度の変化を表わす波形図である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
モータ制御装置は、一般的に図４に示す如きフィードバック制御系から構成されており、モータ(３)を駆動するインバータ(２)と、モータ(３)の回転速度を検出するためのロータリ式のエンコーダ(４)と、エンコーダ(４)の出力信号に基づいてインバータ(２)をフィードバック制御する制御回路(９)とを具えている。

エンコーダ(４)の出力信号は、制御回路(９)を構成する速度演算器(７)に供給されて速度帰還信号ｇが作成される。そして、速度帰還信号ｇと速度指令ａとの偏差が生成されて、制御器(５)に供給される。これによってトルク指令ｂが生成され、該トルク指令ｂがインバータ(２)へ送出される。

モータ(３)の軸芯とエンコーダ(４)の軸芯の間にずれがない場合において、例えば図５に示す如く速度指令ａが一定であれば、定常状態では、トルク指令ｂは一定となり、モータ(３)は、一定の回転速度ｃで回転する。この結果、速度帰還信号ｇも一定となる。

しかしながら、モータ(３)の軸芯とエンコーダ(４)の軸芯の間にずれが存在する場合、エンコーダ(４)は、図６に示す様に、パルス発生部(８)の出力に対して芯ずれの振幅と位相に応じた外乱ｆ(ｘ)が加わった構成となる。
この場合、図７に示す如く速度指令ａが一定であったとしても、エンコーダ(４)の出力信号を一定値に維持するようにフィードバック制御が働くため、トルク指令ｂは、モータ(３)と同一周期で変動する正弦波状の波形となる。

ここで、モータ(３)の位相をθ、振幅をＫとして、トルク指令ｂをＫsin(ｘ＋θ)で表わす。モータ(３)の回転角度ｘは、エンコーダ(４)から得られるＺ相パルスを基準としてエンコーダパルス(Ａ相パルス及びＢ相パルス)の数をカウントすることによって得ることが出来る。

上記のトルク指令ｂがインバータ(２)へ送出されることにより、モータ(３)の回転速度ｃは、図７の如くトルク指令ｂの変動とは９０度の位相差を伴って、正弦波状に変動することになる。このモータ(３)の回転速度ｃの変動成分は、エンコーダ(４)の出力信号に含まれる外乱成分ｆ(ｘ)とは、逆位相の関係となる。
この結果、速度演算器(７)から得られる速度帰還信号ｇは一定の値となる。

この様に従来の一般的なモータ制御装置においては、速度指令ａが一定であるにも拘わらず、モータ(３)とエンコーダ(４)の芯ずれに起因して、モータ(３)の回転速度が正弦波状に変動する問題があった。

これに対し、本発明に係るモータ制御装置においては、図１に示す如く、インバータ(２)を制御する制御回路(１)が、速度演算器(７)の前段に補償要素(６)を配備している。
モータ(３)に取り付けられているエンコーダ(４)は、パルス発生部(８)の出力信号に対してモータ(３)とエンコーダ(４)の芯ずれに起因する外乱ｆ(ｘ)が加わった構成を有しており、このエンコーダ(４)の出力信号は、制御回路(９)を構成する補償要素(６)を経て補償が施された後、速度演算器(７)に供給されて速度帰還信号ｇが作成される。そして、速度帰還信号ｇと速度指令ａとの偏差が生成されて、制御器(５)に供給される。これによってトルク指令ｂが生成され、該トルク指令ｂがインバータ(２)へ送出される。

制御回路(１)の補償要素(６)は、上記の外乱ｆ(ｘ)に相当する補償量を反転してエンコーダ(４)の出力信号に加えるものである。
ここで、モータ(３)の回転速度は、モータ(３)とエンコーダ(４)の間に芯ずれが存在する場合に従来の一般的なモータ制御装置で一定の速度指令を与えたときに生成されるトルク指令Ｋsin(ｘ＋θ)に対して９０度の位相差を有するので、外乱ｆ(ｘ)は、その振幅をＡとして、−Ａcos(ｘ＋θ)で表わされる。

尚、トルク指令Ｋsin(ｘ＋θ)の位相θは、図３に示す様にエンコーダから得られるＺ相パルスを基準として規定することが出来る。即ち、トルク指令が負の値から正の値に転換するゼロクロス点を検知し、その検知時点からＺ相パルスが発生するまでのモータ回転角度をθとする。

補償要素(６)は、外乱ｆ(ｘ)と同一振幅、同一位相の信号を反転して、エンコーダ(４)の出力信号に加えればよいので、エンコーダ(４)の出力信号から減算すべき補償量は、−Ａcos(ｘ＋θ)で表わされる。

図８は、補償量を決定するための手続きを表わしている。先ず、ステップＳ１では、モータ回転速度を補償量決定用の低速度(速度制御応答よりも低い周波数)に設定し、速度指令を生成する。次にステップＳ２では、補償量の位相θを決定し、ステップＳ３では、補償量の振幅Ａを同定する。その後、補償量の位相θを不揮発メモリに格納すると共に、補償量の振幅Ａを不揮発メモリに格納し、調整完了フラグをオンに設定する。

モータ回転速度を速度制御応答よりも低い周波数に設定した場合、エンコーダの出力信号から演算によって求めたモータ回転速度にはリップルは生じず、その代わりにトルク指令がリップルを持つことになるので、Ｚ相パルスを基準とするトルク指令の位相を検知すれば、補償量の位相θを決定することが出来る。

そこで、補償量の位相θを決定する手続きにおいては、先ず図９のステップＳ２１にて、カウント値ｎを０に初期設定した後、ステップＳ２２にて、ハイパスフィルターを用いてトルク指令から交流分を採取し、その結果を新たなトルク指令とする。更にステップＳ２３では、トルク指令のフィルタリングを実施し、ノイズを除去する。

続いて、ステップＳ２４にて、トルク指令の傾きが正であり、且つトルク指令がゼロクロス点を通過したか否かを判断し、ノーの場合はステップＳ２２に戻って同じ処理を繰り返す。その後、ステップＳ２４にてイエスと判断されたとき、ステップＳ２５に移行し、エンコーダのＡ相パルス及びＢ相パルスのカウントを開始する。
次に、ステップＳ２６にて、エンコーダのＺ相パルスを検出したか否かを判断し、ノーの場合はステップＳ２５に戻ってＡ相パルス及びＢ相パルスのカウントを継続する。

その後、ステップＳ２６にてＺ相パルスが検出されると、ステップＳ２７に移行して、Ａ相パルス及びＢ相パルスのカウント値をエンコーダパルス数で除算して、その結果をサンプル値θｎとする。
続いてステップＳ２８にて、カウント値ｎをインクリメントした後、ステップＳ２９では、カウント値ｎが所定のサンプル数(例えば５)に達したか否かを判断し、ノーの場合はステップＳ２２に戻って同じ手続きを繰り返す。

その後、ステップＳ２９にてイエスと判断されたときは、ステップＳ３０に移行して、θｎの平均値を算出し、その結果を補償量の位相θとして決定する。
尚、θｎの平均値を算出するためのサンプル数は５に限らず、任意の値に設定することが出来る。

補償量の振幅Ａを同定するためには、例えば次の様な探索手続きを採用することが出来る。
即ち、モータを定格回転速度で回転させた状態で、補償量の振幅を一定の刻み幅で増大させ、その過程でトルク指令を観察すると、振幅がある値を上回ると過補償となって、補償量の波形が逆位相になり、これを抑えるためにトルク指令の位相が逆転する。位相が逆転したら、次は刻み量を小さく設定して振幅を減少させていく。振幅がある値を下回ると補償量が不足するので、トルク指令の位相が再び逆転する。位相が逆転したら、次は刻み量を小さくして振幅を増大させていく。この手続きを繰り返すことによって、振幅Ａの値は限りなく真値に近づいていくことになるので、刻み量がある一定値以下となった時点で繰り返しを終了すれば、その時点の振幅Ａの値を同定結果として決定することが出来る。

図１０は、上記の方法によって補償量の振幅Ａを同定する手続きを示しており、先ずステップＳ３１で振幅Ａを０に初期化すると共に、ステップＳ３２で振幅の変動幅ΔＡを初期値(例えば５０)に設定する。
次にステップＳ３３では、振幅の変動幅ΔＡの絶対値が所定値よりも小さいか否かを判断し、ノーの場合はステップＳ３４に移行して、振幅Ａに変動幅ΔＡを加算して、新たな振幅Ａとする。
続いて、ステップＳ３５では、補償量をＡcos(ｘ＋θ)としてモータ制御装置を運転し、ステップＳ３６では、補償量Ａcos(ｘ＋θ)とトルク指令Ｋsin(ｘ＋θ)の位相を比較する。

そして、ステップＳ３７にて、補償量の位相に対してトルク指令の位相が逆転したか否かを判断し、ノーの場合はステップＳ３４に戻って同じ手続きを繰り返す。
その後、ステップＳ３７にてイエスと判断されたとき、ステップＳ３８に移行して、変動幅ΔＡに所定の係数(例えば−０.５)を乗算して、その結果を新たな変動幅ΔＡとして、ステップＳ３３に戻り、同じ手続きを繰り返す。
その結果、ステップＳ３３にてイエスと判断されたとき、ステップＳ３９に移行して、そのときの振幅Ａを同定結果として決定する。

尚、ステップＳ３２における振幅の変動幅ΔＡの初期値は５０に限らず、任意の値を設定することも可能である。又、ステップＳ３８における変動幅ΔＡに乗算すべき係数は−０.５に限らず、任意の値を設定することも可能である。

モータが加速又は減速を行なうときの速度に応じた補償量の振幅は、定格回転速度における補償量の振幅を、速度に比例した値に換算することにより、容易に決定することが出来る。

任意の速度指令にモータ回転速度を追従させる通常動作モードでは、図１に示す補償要素(６)に、前記の手続きによって決定された振幅及び位相を有する補償量Ａcos(ｘ＋θ)を設定して、エンコーダ(４)の出力信号から補償量Ａcos(ｘ＋θ)を減算する補償を施し、その結果から速度帰還信号ｇを生成して、フィードバック制御を実行する。
従って、モータ(３)の軸芯とエンコーダ(４)の軸芯との間にずれが存在したとしても、図２に示す如く、一定の速度指令ａに応じてモータ(３)の回転速度ｃは一定となり、正弦波状に変動することはない。

尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、補償量決定モードにおいては、例えば図９に示す手続きで位相θの決定のみを実施し、振幅Ａについては、補償量決定モード若しくは通常動作モードにて手動により微調整を施す構成を採用することも可能である。
又、補償量を決定するときのモータ回転速度は、速度制御応答よりも高い周波数に設定することも可能であるが、この場合は、速度制御応答周波数に基づいて補償量の位相を算出する必要がある。

(１) 制御回路
(２) インバータ
(３) モータ
(４) エンコーダ
(５) 制御器
(６) 補償要素
(７) 速度演算器
(８) パルス発生部

Claims (5)

1. モータに取り付けられたエンコーダの出力信号に基づいて、モータ回転速度を検知し、検知されたモータ回転速度と速度指令との偏差に応じたトルク指令を生成するモータ制御装置において、
   補償量決定モードにて、モータを一定速度で回転させるための速度指令を生成し、それによってトルク指令に現われる波形を検知する波形検知手段と、
   前記波形検知手段によって検知される波形から、モータとエンコーダの軸芯のずれに起因してエンコーダの出力信号に含まれる外乱成分を導出し、導出された外乱成分を相殺するための補償量を決定する補償量決定手段と、
   通常動作モードにて、前記補償量決定手段によって決定された補償量によってエンコーダの出力信号に補償を施す補償手段
   とを具えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. モータの回転角度をｘ、位相をθ、振幅をＫとして、前記波形検知手段によって検知される波形がＫsin(ｘ＋θ)で表わされるとき、前記補償量決定手段は、振幅をＡとして、エンコーダの出力信号から減算すべき補償量を−Ａcos(ｘ＋θ)に決定する、位相決定手段を具えている請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記波形検知手段は、エンコーダから得られるＺ相パルスを基準として、トルク指令に現われる波形の位相θを検出する請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記補償量決定手段は、前記位相決定手段によって補償量の位相が決定された後、一定のモータ回転速度の下で補償量の振幅を変化させ、その過程でトルク指令の位相が補償量の位相に対して逆転する時点の補償量の振幅を、通常動作モードで用いる補償量の振幅として決定する、振幅決定手段を具えている請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記補償量決定手段は、一定のモータ回転速度の下で補償量の振幅を変化させるための操作手段と、補償量の振幅が変化する過程でトルク指令の位相が補償量の位相に対して逆転する時点の補償量の振幅を検知するための検知手段と、検知された振幅を通常動作モードで用いる補償量の振幅として設定するための振幅設定手段とを具えている請求項１乃至請求項３の何れかに記載のモータ制御装置。
   

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