JP2011234456A - モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの制御装置において、慣性モーメントを含む機械定数の推定に要する時間を短縮し、加減速時間に関わらず一定とする。
【解決手段】負荷駆動用のモータの機械系モデルを構成する機械定数を、速度相当値及びトルク相当値から推定する機械定数推定部３０を備えた制御装置において、機械定数推定部は、機械系の加速度相当値に第１のゲインを乗算して第２の加速度相当値を演算する加速度演算手段（微分器３１及びゲイン乗算器３２）と、第２の加速度相当値、速度相当値及びトルク相当値から、第２の加速度相当値の比例係数である第２の慣性モーメント推定値を含む機械定数を演算する機械定数演算手段（逐次形最小二乗演算部３３）と、第２の慣性モーメント推定値に第２のゲインを乗算して慣性モーメントを推定するためのゲイン乗算器３４と、を備え、第１のゲインと第２のゲインとを同じ値Ｋ_ａｍとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータにより駆動される機械系の慣性モーメントや負荷トルク等の機械定数を推定する機能を備えたモータの制御装置に関するものである。

インバータ等の電力変換器により駆動され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、モータを駆動するインバータを用いて機械定数を測定する技術が開発されている。
例えば、特許文献１には、モータを加減速運転し、このときのトルク指令微分値、加速度、及び、加速度の微分値である躍度の情報を使い、逐次形最小二乗法によって機械系の慣性モーメントや粘性摩擦係数等の機械定数を推定する技術が開示されている。

特開２００６−２１７７２９号公報（請求項５，請求項１５、段落［００６０］〜［００６２］、図２等）

特許文献１のように複数の機械定数を推定する場合、加速度検出値が小さいほど慣性モーメントの推定値の応答が遅くなる。このため、モータの加減速時間を短くして加速度を大きくできない場合は、機械定数の推定に要する時間が長くなるという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、機械定数の推定に要する時間を短縮し、また、加減速時間に左右されることなく一定にしたモータの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に係る発明は、モータの機械系を模擬した機械系モデルを構成する機械定数を、前記機械系の速度相当値及びトルク相当値から推定する機械定数推定手段を備えた制御装置において、
前記機械定数推定手段は、
前記機械系の加速度相当値に第１のゲインを乗算して第２の加速度相当値を演算する加速度演算手段と、
前記第２の加速度相当値、前記速度相当値及び前記トルク相当値から、前記第２の加速度相当値の比例係数である第２の慣性モーメント推定値を含む機械定数を演算する機械定数演算手段と、
前記第２の慣性モーメント推定値に第２のゲインを乗算して慣性モーメントを推定する手段と、を備え、
前記第１のゲインと前記第２のゲインとを同じ値としたものである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載した制御装置において、モータの加減速時間に比例させて第１及び第２のゲインを演算するものである。

請求項１に係る発明によれば、第１及び第２のゲインを１よりも大きい値に設定することにより、モータの加減速時間が長く加速度が小さい場合にも機械定数の推定に要する時間を短縮することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、加減速時間に左右されずに機械定数の推定に要する時間を一定にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る制御装置の全体的な構成を示すブロック図である。 図１における機械定数推定部の構成を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る制御装置の全体的な構成を示すブロック図であり、例えば、モータを駆動するインバータの制御装置として実現されるものである。
図１において、加速度制限器（ＨＬＲ）１０にはモータの速度指令値ω_ｍ ^＊及び加減速時間Ｔ_ａｃｃが入力されており、この加速度制限器１０は、加減速時間Ｔ_ａｃｃ以下の時間で所定の傾きを有するような速度指令値ω_ｍＨＬＲ ^＊を演算する。ここで、加減速時間Ｔ_ａｃｃは、モータの速度を零から基底速度まで加速するのに要する時間として定義する。

速度指令値ω_ｍＨＬＲ ^＊と速度検出回路１４により検出した速度検出値ω_ｍｄｅｔとの偏差が減算器１１により演算され、この偏差を速度調節器１２により増幅してトルク指令値τ_ｍ ^＊を演算する。
トルク制御手段１３は、モータのトルクτ_ｍを前記トルク指令値τ_ｍ ^＊に制御する。このトルク制御手段１３は、インバータによりモータ電流をトルク指令値τ_ｍ ^＊に応じた値に制御することによって実現される。これらの制御により、機械系２０としてのモータの速度ω_ｍを速度指令値ω_ｍＨＬＲ ^＊に制御することができる。

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 ^＊に基づいて、複数の機械定数推定値を求める。
ファンやポンプ等の二乗低減負荷の場合、モータの機械系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では、機械定数として、数式１における慣性モーメントＪ_ｍ，粘性摩擦係数Ｄ_ｍ１，二乗低減負荷係数Ｄ_ｍ２，速度に依存しない負荷トルクτ_Ｌ０を推定する。なお、図１では、これらの機械定数に推定値を示す添字estを付してある。

機械定数は、数式１の機械系モデルに基づいて、逐次形最小二乗法によって推定することができる。しかしながら、加速度が小さい場合は、慣性モーメントＪ_ｍの推定値の応答が遅くなる。そこで、数式１に示した機械系モデルを数式２のように変形したモデルを用いて、機械定数を推定する。

数式２において、第２の加速度演算ゲインＫ_ａｍを１よりも大きく設定すれば、第２の加速度ａ_ｍ’は加速度ａ_ｍよりも大きくなる。これにより、数式２に示した機械系モデルに基づいて機械定数を推定することで、慣性モーメントＪ_ｍの推定値の応答を速くすることができる。

図２は、図１における機械定数推定部３０の構成を示すブロック図である。
速度検出値ω_ｍｄｅｔは微分器３１にて微分され、加速度検出値ａ_ｍｄｅｔが求められる。ゲイン乗算器３２において、加速度検出値ａ_ｍｄｅｔに第２の加速度演算ゲインＫ_ａｍが乗算され、第２の加速度検出値ａ_ｍｄｅｔ’が算出される。ここで、微分器３１及びゲイン乗算器３２は、請求項における加速度演算手段を構成している。

一方、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近似し、図２に示すようにトルク検出値τ_ｍｄｅｔをトルク指令値τ_ｍ ^＊により代用する。なお、トルク制御手段１３の制御遅れを考慮する場合には、トルク指令値τ_ｍ ^＊をローパスフィルタ（図示せず）に通してその出力からトルク検出値τ_ｍｄｅｔを求めてもよい。また、電流検出値及びモータの電気定数から演算してもよい。
ここで、トルク検出値τ_ｍｄｅｔ及びトルク指令値τ_ｍ ^＊は、請求項におけるトルク相当値に対応する。

上述した第２の加速度検出値ａ_ｍｄｅｔ’、速度検出値ω_ｍｄｅｔ及びトルク検出値τ_ｍｄｅｔ（トルク指令値τ_ｍ ^＊）は逐次形最小二乗演算部３３に入力される。ここで、逐次形最小二乗演算部３３は、請求項における機械定数演算手段を構成している。
次に、逐次形最小二乗演算部３３における演算内容について説明する。

パラメータ推定値ベクトルΘ_ｅｓｔ、信号ベクトルｚ、出力ｙを数式３により定義する。なお、以下の数式３〜数式５におけるＴは、転置を示す。

次に、信号ベクトルｚ及び出力ｙを、数式４により正規化する。

パラメータ推定値ベクトル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、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.８７〜９０，２００１年８月，コロナ社発行）に記載されている逐次形最小二乗法の演算式（ｐ.８９の数式（４.８９）〜（４.９１）など）に基づいて、数式５により演算する。

逐次形最小二乗演算部３３では、第２の慣性モーメント推定値Ｊ_ｍｅｓｔ’、粘性摩擦係数推定値Ｄ_{ｍ１ｅｓｔ}，二乗低減負荷係数推定値Ｄ_{ｍ２ｅｓｔ}，速度に依存しない負荷トルク推定値τ_{Ｌ０ｅｓｔ}を演算して出力する。このうち、第２の慣性モーメント推定値Ｊ_ｍｅｓｔ’にはゲイン乗算器３４において前記ゲイン乗算器３２と同様に第２の加速度演算ゲインＫ_ａｍが乗算され、慣性モーメント推定値Ｊ_ｍｅｓｔが演算される。
以上に示した制御処理により、慣性モーメント推定値Ｊ_ｍｅｓｔの応答を速くすることができ、機械定数の推定に要する時間を従来よりも短縮することができる。

次に、本発明の第２実施形態につき説明する。この実施形態は、第１実施形態における加減速時間Ｔ_ａｃｃの設定値を変えても機械定数の推定に要する時間を一定にできるようにしたものである。

加速度ａ_ｍは、モータの加減速時間Ｔ_ａｃｃに反比例する。このため、ゲイン乗算器３２，３４における第２の加速度演算ゲインＫ_ａｍを加減速時間Ｔ_ａｃｃに比例させて設定すれば、第２の加速度検出値ａ_ｍｄｅｔ’を一定にすることができる。これにより、加減速時間Ｔ_ａｃｃに左右されずに機械定数の推定に要する時間を一定にすることが可能である。

１０ 加速度制限器
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
３０ 機械定数推定部
３１ 微分器
３２ ゲイン乗算器
３３ 逐次形最小二乗演算部
３４ ゲイン乗算器

Claims (2)

1. モータの機械系を模擬した機械系モデルを構成する機械定数を、機械系の速度相当値及びトルク相当値から推定する機械定数推定手段を備えた制御装置において、
   前記機械定数推定手段は、
   機械系の加速度相当値に第１のゲインを乗算して第２の加速度相当値を演算する加速度演算手段と、
   前記第２の加速度相当値、前記速度相当値及び前記トルク相当値から、前記第２の加速度相当値の比例係数である第２の慣性モーメント推定値を含む機械定数を演算する機械定数演算手段と、
   前記第２の慣性モーメント推定値に第２のゲインを乗算して慣性モーメントを推定する手段と、を備え、
   前記第１のゲインと前記第２のゲインとが同じ値であることを特徴とするモータの制御装置。
2. 請求項１に記載したモータの制御装置において、
   前記モータの加減速時間に比例させて前記第１及び第２のゲインを演算することを特徴とするモータの制御装置。

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