JP2011147268A

JP2011147268A - モータ制御装置

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Publication number: JP2011147268A
Application number: JP2010005803A
Authority: JP
Inventors: Hisafumi Nomura; 尚史野村; Nobuo Itoigawa; 信夫糸魚川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】モータの運転中でもトルクを急変させず、機械定数の正確な推定及びトルクフィードフォワード補償を可能にする。
【解決手段】機械系モデル２０の機械定数を推定する機械定数推定部３０と、モータの速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器により増幅する速度調節器１２と、機械定数推定値と速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算する補償部４０と、速度調節器１２の出力とトルクフィードフォワード補償値とを加算してトルク指令値を演算する加算器４１と、モータのトルクを指令値に制御するトルク制御手段１３とを備え、機械定数の推定演算を開始する前はトルクフィードフォワード補償値を零とし、機械定数の推定演算を開始して所定時間経過後にトルクフィードフォワード補償値の演算を開始し、前記補償値の演算開始時にトルク指令値が急変しないように速度調節器１２の出力を初期化する。
【選択図】図１

Description

本発明はモータ制御装置に関し、詳しくは、モータの運転中に機械系の慣性モーメント等の機械定数を正確に推定し、その推定値を用いてトルクフィードフォワード補償を行うことによりモータの速度制御を行う技術に関するものである。

モータの速度制御を高応答化するためには、慣性モーメントを始めとする機械定数の情報が必要である。このため、従来より、モータを駆動するインバータを用いて機械定数を推定する技術が種々提供されている。
例えば、特許文献１には、加減速を行うための電流指令値、機械系の速度及び加速度を用い、最小二乗近似法によって慣性モーメントや摩擦トルクを推定する技術が開示されている。
また、特許文献２には、トルク指令微分値、加速度、及び加速度の微分値である躍度を用い、逐次形最小二乗近似法によって慣性モーメントや粘性摩擦係数を推定する技術が開示されている。

機械定数の中で慣性モーメントを推定するためには、加速度の情報が必要になり、加速度が大きいほど慣性モーメントを正確かつ高応答に推定することができる。加速度を大きくするには、モータの加減速時間を長くする必要があり、そのためには、モータの速度を指令値に速やかに追従させることが必要である。

一般に、モータの速度制御は、速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器からなる速度調節器により増幅してトルク指令値を演算し、実際のトルクがトルク指令値に一致するようにモータの電流を制御する方法が採られている。ここで、速度調節器の最適調整は、慣性モーメントの値に基づいて実施される。
しかしながら、機械定数の推定が完了するまでの間は慣性モーメントの値が未知であるため、速度調節器を最適調整することができず、速度の指令値に対する追従性が悪くなる。このような場合に速度の追従性を改善する現実的な方法としては、誤差が大きくても暫定的に求めた機械定数の推定値と速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算し、これを速度調節器の出力に加算してトルク指令値を演算する方法が提案されている。

特許第３５４５４８７号公報（段落［０００８］〜［００１６］、図１等）特開２００６−２１７７２９号公報（段落［００３６］〜［００５０］，［００６０］〜［００６４］、図１等）

しかしながら、静止摩擦の影響を受けることなく機械定数を正確に推定できるのは、速度が所定の大きさ以上になってからであり、低速時には機械定数の正確な推定が難しい。
一方、モータの制御方式として、モータの電流及び端子電圧からモータの速度を推定し、この速度推定値を用いてモータを運転するセンサレス制御が知られているが、このセンサレス制御は、安定性の制約から中高速領域で適用されるため、機械定数を推定できるのは中高速運転時のみである。

以上のように、機械定数の推定はモータの速度が所定の大きさ以上になってから開始することが多い。しかし、モータの運転中に機械定数の推定、及び、トルクフィードフォワード補償値の演算を開始すると、トルクフィードフォワード補償値と速度調節器の出力とが干渉してトルク指令値にショックが発生し、トルクを急変させることがあり、特に、モータがファンやポンプのような二重低減負荷を駆動している場合には、この問題が顕在化するという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、モータの運転中であってもトルクを急変させずに、機械定数の推定及びトルクフィードフォワード補償を可能にして速度制御性能を向上させたモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るモータ制御装置は、モータの速度が速度指令値に一致するように制御するモータ制御装置において、
前記モータにより駆動される負荷をモデル化した機械系モデルの機械定数を推定する手段と、
前記モータの速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器により増幅する速度調節手段と、
前記機械定数の推定値と前記速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算する手段と、
前記速度調節手段の出力と前記トルクフィードフォワード補償値とを加算してトルク指令値を演算する手段と、
前記モータのトルクが前記トルク指令値に一致するように制御する手段と、を備え、
前記機械定数の推定演算を開始する前は前記トルクフィードフォワード補償値を零に制御し、前記機械定数の推定演算を開始してから所定時間が経過した後に前記トルクフィードフォワード補償値の演算を開始し、前記トルクフィードフォワード補償値の演算開始時に前記トルク指令値が急変しないように前記速度調節手段の出力を初期化するものである。

本発明によれば、モータの運転中であってもトルクを急変させることなく、慣性モーメント等の機械定数を正確かつ高応答に推定し、その推定値を用いてトルクフィードフォワード補償を行うことができる。これにより、モータの速度を指令値に速やかに追従させることが可能になる。

本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。実施形態における機械定数推定時の動作を示す波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の実施形態に係る制御装置のブロック図を示している。図１において、速度指令値ω_ｍ ^＊と速度検出回路１４により検出した機械系モデル２０の速度検出値ω_ｍｄｅｔとの偏差を減算器１１により演算し、この偏差を比例・積分調節器からなる速度調節器１２により増幅して信号τ_ｍＰＩを得る。なお、機械系モデル２０は、モータと負荷の機械系の伝達関数である。

一方、トルクフィードフォワード補償器４０は、速度指令値ω_ｍ ^＊と機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔとからトルクフィードフォワード補償値τ_ｍＦＦを演算する。なお、この演算内容については後述する。
加算器４１は、速度調節器１２の出力信号τ_ｍＰＩとトルクフィードフォワード補償値τ_ｍＦＦとを加算してトルク指令値τ_ｍ ^＊を演算する。

トルク制御手段１３は、モータトルクτ_ｍがトルク指令値τ_ｍ ^＊に一致するように制御するものであり、図示されていないインバータによってモータの電流を制御し、結果として出力トルクを所望の値に制御するように機能する。
上記のような制御により、モータ（機械系モデル２０）の速度ω_ｍを速度指令値ω_ｍ ^＊に制御することができる。

また、機械定数推定部３０は、速度検出値ω_ｍｄｅｔ及びトルク指令値τ_ｍ ^＊から、機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔを求める。
以下、この機械定数推定部３０による演算について説明する。
ファンやポンプ等の二乗低減負荷を駆動する場合、機械系モデル２０は、数式１のような数式モデルによって表現することができる。

機械定数推定部３０は、数式１における機械定数としての慣性モーメントＪ_ｍ，粘性摩擦係数Ｄ_ｍ１，二乗低減負荷係数Ｄ_ｍ２、及び、速度に依存しない負荷トルクτ_Ｌ０を、トルク検出値τ_ｍｄｅｔ、加速度検出値ａ_ｍｄｅｔ及び速度検出値ω_ｍｄｅｔから逐次形最小二乗近似法によって推定する。
まず、機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔ、信号ベクトルｚ、出力ｙを、数式２により定義する。なお、以下の数式におけるＴは転置を示す。

数式２におけるトルク検出値τ_ｍｄｅｔは、図１のトルク制御手段１３によるトルク制御が正確に実施できているという前提のもとで、トルク指令値τ_ｍ ^＊により代用する。なお、トルク検出値τ_ｍｄｅｔは、トルク指令値τ_ｍ ^＊をローパスフィルタに通して得た出力から求め、トルク制御手段１３の制御遅れを模擬して演算してもよいし、モータの電流検出値とモータの電気定数とを用いて演算してもよい。なお、加速度検出値ａ_ｍｄｅｔは、速度検出値ω_ｍｄｅｔを微分して演算する。

次に、数式２における信号ベクトルｚ及び出力ｙを、数式３により正規化する。

また、数式２における機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔは、正規化した信号ベクトルｚ_Ｎと正規化した出力ｙ_Ｎとを用いて、例えば「アダプティブコントロール」（鈴木隆著，現代制御シリーズ７，ｐ.８７〜ｐ.９０，２００１年８月，コロナ社発行）に記載されている逐次形最小二乗近似法の演算式（ｐ.８９の（４．８９）〜（４．９１）式など）に基づいて、数式４により演算することができる。

次に、トルクフィードフォワード補償器４０におけるトルクフィードフォワード補償値τ_ｍＦＦの演算は、数式１のモデルに基づいて、速度指令値ω_ｍ ^＊、加速度指令値ａ_ｍ ^＊、及び、数式４により求めた機械定数推定値（機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔ）から、数式５により演算する。数式５における加速度指令値ａ_ｍ ^＊は、速度指令値ω_ｍ ^＊を微分して演算すればよい。

次いで、機械定数の推定を開始するときの動作を、図２を参照しつつ説明する。
機械定数の推定及びトルクフィードフォワード補償は、下記の手順により開始する。
（１）機械定数推定部３０の演算を停止し、トルクフィードフォワード補償器４０の演算を停止することでτ_ｍＦＦを零に制御し、速度調節器１２の出力τ_ｍＰＩだけでトルク指令値τ_ｍ ^＊を演算し、モータを所定速度まで加速する（図２における期間（１））。
（２）機械定数推定部３０の演算を開始する（図２における期間（２））。
（３）所定の時間が経過したら、トルクフィードフォワード補償器４０の演算を開始し、トルク指令値τ_ｍ ^＊にショックが発生しないように速度調節器１２の出力τ_ｍＰＩを初期化する（図２における期間（３））。これにより、図示するように期間（２）におけるトルク指令値τ_ｍ ^＊が期間（３）でも維持され、トルクが急変することがない。
（４）次いで、速度調節器１２の演算を再開し、以後は、速度指令値ω_ｍ ^＊及び機械定数推定値から演算したトルクフィードフォワード補償値τ_ｍＦＦと速度調節器１２の出力τ_ｍＰＩとを用いてトルク指令値τ_ｍ ^＊を演算する（図２における期間（４））。

次に、トルクフィードフォワード補償開始時における速度調節器１２の出力τ_ｍＰＩの具体的な初期化方法を説明する。
速度調節器１２における比例・積分調節器の演算は、数式６により実現する。

トルクフィードフォワード補償の開始時における速度調節器１２の出力τ_ｍＰＩの初期化は、トルク指令値の前回値τ_{ｍ（ｎ−１）} ^＊と今回値τ_ｍ（ｎ） ^＊とが等しくなるように、速度調節器１２の積分調節器出力τ_ｍＩを数式７により初期化する。

以上のように、本実施形態によれば、モータの運転中からでもトルクを急変させることなく、慣性モーメント等の機械定数を正確に推定すると共に、この機械定数推定値を用いたトルクフィードフォワード補償により速度制御性能を向上させることができる。

１１減算器
１２速度調節器
１３トルク制御手段
１４速度検出回路
２０機械系モデル
３０機械定数推定部
４０トルクフィードフォワード補償器
４１加算器

Claims

モータの速度が速度指令値に一致するように制御するモータ制御装置において、
前記モータにより駆動される負荷をモデル化した機械系モデルの機械定数を推定する手段と、
前記モータの速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器により増幅する速度調節手段と、
前記機械定数の推定値と前記速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算する手段と、
前記速度調節手段の出力と前記トルクフィードフォワード補償値とを加算してトルク指令値を演算する手段と、
前記モータのトルクが前記トルク指令値に一致するように制御する手段と、を備え、
前記機械定数の推定演算を開始する前は前記トルクフィードフォワード補償値を零に制御し、前記機械定数の推定演算を開始してから所定時間が経過した後に前記トルクフィードフォワード補償値の演算を開始し、前記トルクフィードフォワード補償値の演算開始時に前記トルク指令値が急変しないように前記速度調節手段の出力を初期化することを特徴とするモータ制御装置。