JP2013190289A - 電動機の回転速度検出方法及び電動機の回転速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の加速減速時など、電動機の回転数が変化したときの回転速度を正確に求めることができるようにする。
【解決手段】電動機Ｍの回転子の回転位置を所定の間隔で抽出し、抽出した回転位置に基づいて電動機の回転速度を求める電動機の回転速度検出方法において、電動機Ｍの加速度を求め、求めた加速度に応じて回転位置を抽出する間隔を変更する。有限差分法を適用して回転位置から電動機Ｍの速度演算値を求め、求められた速度演算値に基づいて電動機Ｍの加速度を求める。電動機Ｍの電流値から電動機の加速度を算出可能な電動機の物理モデルを予め設定しておき、この物理モデルに電動機Ｍの電流値を適用して電動機Ｍの加速度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の回転速度検出方法及び電動機の回転速度検出装置に関する。

従来より、モータ等の電動機には、回転子（駆動軸）の回転位置をパルス等で検出するエンコーダが備えられており、エンコーダで検出した回転子の回転位置に基づいて電動機の回転速度が求められている。このようなエンコーダを利用して、電動機の回転速度を求める技術としては、特許文献１や特許文献２に示すものがある。
特許文献１では、パルス差分法や時間間隔法といった方法を用いて電動機の速度を検出している。パルス差分法では、単位時間当たりのエンコーダで検出したパルス数に基づいて回転速度を求め、時間間隔法では、エンコーダのパルスの時間間隔を測定し、測定した時間間隔の逆数に基づいて回転速度を求めている。通常、回転速度を求めるにあたっては、量子化ノイズにより誤差が生じるため、特許文献１では、低速域ではエンコーダの出力パルスの時間間隔の逆数をモータの速度として用い、高速域では単位時間当たりのエンコーダの出力パルス数をモータの速度として用いている。

特許文献２では、電動機の駆動軸に連結された増分方式エンコーダが出力するパルス数を所定の計測期間毎に計測し、その都度の計測したパルス数の積算値とこの積算値を取り込んだ時刻とにより、最小２乗法に基づく時刻の多項式を所定の演算周期毎に導出し、導出された多項式の時間に対する微分演算値を電動機の回転速度検出値としている。

特開平５−２３６７７２号公報 特開２００１−３３４７１号公報

特許文献１や特許文献２では、単位時間当たりのエンコーダのパルス数より回転速度を求めるため、モータの加減速時においては、回転位置を取得した時点ごとで検出した回転速度が実際の回転速度と大きく違うということがあり、正確な回転速度を検出することができないのが実情である。
そこで、本発明は上記問題点を鑑み、電動機の加減速の運転時などに量子化誤差が回転速度の演算に与える影響を低減し、可及的に電動機の回転速度を正確に求めることができる電動機の回転速度検出方法及び電動機の回転速度検出装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る回転速度検出方法は、電動機の回転子の回転位置を所定の間隔で抽出し、抽出した回転位置に基づいて電動機の回転速度を求める電動機の回転速度検出方法において、前記電動機の加速度を求め、求めた加速度に応じて前記回転位置を抽出する間隔を変更することを特徴とする。

有限差分法を適用して前記回転位置から電動機の速度演算値を求め、求められた速度演算値に基づいて前記電動機の加速度を求めることが好ましい。
電動機の電流値から電動機の加速度を算出可能な電動機の物理モデルを予め設定しておき、この物理モデルに前記電動機の電流値を適用して前記電動機の加速度を求めることが好ましい。

本発明に係る電動機の回転速度検出装置は、回転子の回転位置を抽出する位置抽出部と、この位置抽出部で検出された回転位置に基づいて前記電動機の回転速度を求める速度計算部とを備えた電動機の回転速度検出装置において、前記速度計算部は電動機の加速度を求める加速度計算部を備え、前記位置抽出部は、前記加速度計算部で求められた加速度に基づいて前記回転位置の検出間隔を変更することを特徴とする。

前記加速度計算部は、有限差分法を適用して前記回転位置から電動機の速度演算値を求め、求められた速度演算値に基づいて前記電動機の加速度を求めることが好ましい。
前記加速度計算部には、電動機の電流値から電動機の加速度を算出可能な電動機の物理モデルが予め設定されており、前記加速度計算部は、設定された物理モデルに前記電動機の電流値を適用して電動機の加速度を求めることが好ましい。

本発明によれば、電動機の加減速の運転時などに量子化誤差が回転速度の演算に与える影響を低減することができるため、電動機の回転速度を正確に求めることができる。

電動機に備えられた回転速度制御装置の構成図である。 電動機が回転している状況下において位置検出器で検出した検出信号を示した図である。 電動機を所定の加速度で加減速させた場合のサンプリング間隔ｈと回転速度の誤差の平均との関係図である。 電動機の回転速度を一定（加速度＝０）とした場合のサンプリング間隔ｈと回転速度の誤差の平均との関係図である。 電動機の物理モデルを示したブロック図である。

以下、本発明に係る電動機の回転速度検出方法及び電動機の回転速度検出装置を図をもとに説明する。
［第１実施形態］
電動機は、例えば、三相誘導電動機であって、多関節型の溶接ロボットを動作させる際に駆動源として用いられる。なお、電動機は、三相誘導電動機以外の電動機でもよく、溶接ロボットに用いられるものに限定されない。

図１は、電動機に備えられた回転速度制御装置の構成図である。
図１に示すように、回転速度制御装置は、電動機（モータ）Ｍの回転速度を制御する速度制御部１と、この速度制御部１からの信号に基づき電動機Ｍの電流を制御する電流制御部２と、この電流制御部２からの信号に基づき電動機Ｍへ付与する電流の周波数を制御するインバータ３と、電動機Ｍに付与した電流値を算出して電流制御部２にフィードバックを行う電流計算部４と、電動機Ｍの回転速度を検出する回転速度検出装置５とを備えている。

回転速度検出装置５は、電動機の回転子の回転位置を抽出する位置抽出部６と、この位置抽出部６で抽出された回転位置に基づいて電動機Ｍの回転速度を求める速度計算部７とを備えている。
位置抽出部６は、電動機の回転子の回転をエンコーダ等でパルス信号として検出する位置検出器６ａと、位置検出器６ａで検出したパルス信号に基づいて回転子の回転位置を算出する位置計算器６ｂとを備え、エンコーダ等で検出したパルス信号を回転位置に変換することによって回転位置を抽出する。

このような回転速度検出装置５では、外部から与えられた速度指令値（ωref）と回転速度検出装置５で求められたモータの速度演算値（ω）との偏差が零となるように速度制御部１が電流指令値（lqref）を求めて当該電流指令値（lqref）を電流制御部２に出力する。電流制御部２は、電流計算部４で算出された電流値（lq,ld）と電流指令値（lqref）とが零となるようにインバータ３に出力する三相の信号（Vu,Vv,Vw）を求めて当該信号（Vu,Vv,Vw）をインバータ３に出力する。インバータ３は三相の信号における周波数を変化させて電動機Ｍに出力し、電動機Ｍは三相の信号によって回転する。

図２は、電動機が回転している状況下において位置検出器で検出した検出信号をまとめたものである。
図２に示すように、位置検出器６ａは電動機Ｍの回転時に回転子の回転に応じてパルス信号を位置計算器６ｂに出力する。位置検出器６ａで検出したパルス信号同士の間隔は、回転子の回転が速ければ短く、回転子の回転が遅ければ長くなる。つまり、回転子の回転
（電動機の回転数）に応じてパルス信号の周波数（単位時間当たりのパルス数）が変化する。

さて、電動機Ｍの回転子の回転に応じて出力されるパルス信号を用いて、電動機の回転速度を算出する場合、従来の技術では、図２（ａ）に示すように、パルス信号のパルス数をカウントする間隔（サンプリング間隔ｈ）を一定の時間に固定したうえで、サンプリング間隔ｈに存在するパルス信号のパルス数をカウントし、サンプリング間隔当たりのパルスの総数を用いて、電動機Ｍの回転速度を求めている。

しかしながら、従来の技術では、電動機Ｍの回転子の加速や減速時などにより短時間でパルス信号のパルス数が増減した場合、量子化ノイズによりパルス数から求めた電動機の回転速度と実際の回転速度との誤差が大きくなることがある。そこで、本発明では、図２（ｂ）に示すように、電動機Ｍの加減速時など回転子の回転数が変化するとき、即ち、電動機Ｍの回転数が変動するときは、電動機Ｍの加速度に応じて、サンプリング間隔ｈを変化させることとしている。

以下、電動機の回転速度検出方法について、回転速度検出装置と共に詳しく説明する。
位置計算器６ｂは、位置検出器６ａで検出されたパルス信号から回転子の位置情報（回転子の回転位置θ）を求め、速度計算部７は位置計算器６ｂで求めた３点の位置情報に基づいて、式（１）に示すように２次精度の有限差分法により回転速度ω[rpm]、即ち、速度演算値を求める。

詳しくは、速度計算部７は、最新の回転位置である「ｘ_o」と、サンプリング間隔hと制御周期Tsとを掛け合わせた時間（h×Ts）だけ過去に遡った位置である「ｘ₁」と、「ｘ₁」からさらにh×Tsだけ過去に遡った位置である「ｘ_２」との３つの位置情報に基づき、式（１）を用いて速度演算値である回転速度ωを求める。
このように、速度計算部７は、２次精度の有限差分法によって回転速度ω（速度演算値）を求めるが、上述したように回転速度の誤差を少なくするため、電動機Ｍの加速度に応じて回転速度の演算に適用するサンプリング間隔hを変化させることとしている。

具体的には、速度計算部７は、電動機Ｍの加速度を求める加速度計算部７ａを備えている。加速度計算部７ａは、電動機Ｍが加減速したときなど加速度が変化したとき、まず、有限差分法を用いて位置計算器６ｂで求めた回転位置から電動機Ｍの速度演算値を求め、求めた速度演算値を用いて電動機Ｍの加速度を求める。
例えば、加速度計算部７ａは、位置計算器６ｂにて回転位置が求められると、回転位置を式（２）に示すような１次精度の有限差分法の式に適用して、速度演算値である回転速度ωを求め、当業者常法通りに回転速度ωの変化などから加速度a[rad/s²]を算出する。そして、速度計算部７は、加速度計算部７ａで求めた加速度に応じてサンプリング間隔hを決定し、このサンプリング間隔hを用いて、電動機Ｍの回転速度を求める。

図３は、電動機Ｍを一定の加速度で加速乃至は減速させた場合のサンプリング間隔hと回転速度の誤差の平均をシュミュレーションによりまとめたものである。シュミュレーションでは、制御周期Tsを200μs、１回転当たりの位置検出器６ａの分解能は4096とし、0.1秒で0rpmから300rpmに加速させた。なお、図３の[1st-order]は二次精度の有限差分法を用いた結果であり、[2st-order]は一次精度の有限差分法を用いた結果であり、[3st-orde
r]は三次精度の有限差分法を用いた結果である。

図３に示すように、電動機Ｍを一定の加速度で加減速させたとき、一次精度、二次精度、三次精度の有限差分法を用いても、回転速度の誤差が最小となるサンプリング間隔hが存在する。例えば、一次精度の有限差分法を用いた場合では、サンプリング間隔hが10程度であるときに回転速度の誤差が最小となり、二次精度や三次精度の有限差分法を用いた場合ではサンプリング間隔hが40〜50程度であるときに回転速度の誤差が最小となる。

回転速度の計算を求めるに際して、計算に適用するサンプリング間隔hが、最小誤差となるサンプリング間隔よりも小さい場合には、速度の差分において量子化誤差の占める割合が大きく、回転速度の誤差も大きくなる。一方、計算に適用するサンプリング間隔hが、最小誤差となるサンプリング間隔よりも大きい場合には、各位置毎の速度差が大きく、サンプリング間隔hに比例して回転速度の誤差が大きくなる。このようなことから、本発明では、回転速度の計算を求めるに際しては、回転速度の誤差の平均が最小となるサンプリング間隔を回転速度の計算に適用している。

具体的には、表１に示すような電動機Ｍの加速度と誤差が最小となるサンプリング間隔hとを関連付けしたテーブルを予め用意しておく。

そして、加減速時の回転速度を求める際、まず、上述したように１次精度の有限差分法を用いて加速度計算部７ａにより加速度を求め、加速度計算部７ａで求めた加速度（演算加速度）に近い加速度をテーブルから選び出し、選び出したテーブルの加速度に関連付けられたサンプリング間隔hを適用する。なお、加速度を一次精度の有限差分法ではなく他の二次精度や三次精度を用いる場合も、表１に示したような電動機Ｍの加速度と誤差が最小となるサンプリング間隔ｈとのテーブルを用意して、このテーブルから最も適切なサンプリング間隔ｈを決定する。

このように、本発明では、電動機Ｍを加減速したときは、有限差分法を適用して回転位置から電動機Ｍの速度演算値を求め、求めた速度演算値に基づいて電動機Ｍの加速度を求めることとし、求めた加速度に応じて回転位置を抽出する間隔（サンプリング間隔）を変更することとしている。
図４は、電動機Ｍを一定の速度、即ち、加速度を零としたときのサンプリング間隔hと回転速度の誤差の平均をシュミュレーションによりまとめたものである。図４（ａ）は回
転速度を500rpmで一定とした結果であり、図４（ｂ）は回転速度を1000rpmで一定とした結果である。

図４に示すように、サンプリング間隔hが無限大に近づくほど、誤差は零に近づく。また、回転速度の誤差の許容値（閾値）を0.5としたとき、サンプリング間隔hを50にすれば誤差は閾値以下になる。このようなことから、電動機Ｍが一定の速度であるときは、例えば、サンプリング間隔h＝50とし、回転速度ωを求めるとよい。なお、電動機Ｍが一定の速度である場合は、回転速度を検出する周期、位置検出器６ａの分解能等によって最適となるサンプリング間隔hは変化することから、速度計算部７の能力（例えば、コントローラのメモリの上限）と、許容できる誤差等から速度によらず一定となるサンプリング間隔ｈを決定する。サンプリング間隔ｈを決定する場合には、シュミュレーションを用いることが好ましい。

以上、本発明によれば、電動機Ｍの加速度を求め、求めた加速度に応じて回転位置を抽出するサンプリング間隔を変更することによって、加減速時での量子化ノイズを低減することができ、正確な回転速度を検出することができる。例えば、特開2001-33471では、最小二乗法を用いているため回転速度が1000rpmでの検出速度が1000rpmに対し最大8rpmの振幅値となっている。回転速度を同じである1000rpmとして、本発明を適用した場合、サンプリング間隔h = 20とした時の二次精度での誤差の平均は0.7rpmにすることができる。
［第２実施形態］
上述した第１実施形態では、位置計算器６ｂで求めた回転位置（実測値）を用いて、加速度を求めていたが、第２実施形態では、電動機Ｍの物理モデルを用いて加速度を求めることとしている。

加速度計算部７ａには、図５に示すような電動機Ｍの電流値から電動機Ｍの加速度を算出可能な電動機Ｍの物理モデルが予め設定されており、当該加速度計算部７ａは、設定された物理モデルに電動機Ｍの電流値を適用して電動機Ｍの加速度を求める。
詳しくは、この物理モデルは、ベクトル制御におけるq軸電流［A］を用いて電動機Ｍの加速度を算出できるもので、q軸電流［A］にトルク定数KT［N・m/A］を掛け合わせることで全体のトルクT［N・m］が求まり、この全体のトルクT［N・m］をイナーシャJで除することによって加速度を導出できるものである。また、加速度を積分して求められた回転速度ωは、粘性摩擦係数B［N・s/m］に掛け合わせてフィードバックされる。また、回転速度ωを積分して得られた回転位置xは、バネ定数K［N/m］に掛け合わせてフィードバックされる。なお、例示として図５に示す物理モデルを示したが、加速度を求める物理モデルは非線形等の他の構成要素を含むものであってもよい。

第１実施形態では、一次精度や二次精度の有限差分法によって回転速度を求め、前後の回転速度を用いて加速度を求めていて、当該加速度には近似式を２回用いて微分した値が入るものの、物理モデルでは近似式を用いていないため、差分法よりもさらに誤差の少ない精度のよい加速度を得ることができる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 速度制御部
２ 電流制御部
３ インバータ
４ 電流計算部
５ 回転速度検出装置
６ 位置抽出部
６ａ 位置検出器
６ｂ 位置計算部
７ 速度計算部
７ａ 加速度計算部
Ｍ 電動機（モータ）

Claims (6)

1. 電動機の回転子の回転位置を所定の間隔で抽出し、抽出した回転位置に基づいて電動機の回転速度を求める電動機の回転速度検出方法において、
   前記電動機の加速度を求め、求めた加速度に応じて前記回転位置を抽出する間隔を変更することを特徴とする電動機の回転速度検出方法。
2. 有限差分法を適用して前記回転位置から電動機の速度演算値を求め、求められた速度演算値に基づいて前記電動機の加速度を求めることを特徴とする請求項１に記載の電動機の回転速度検出方法。
3. 電動機の電流値から電動機の加速度を算出可能な電動機の物理モデルを予め設定しておき、この物理モデルに前記電動機の電流値を適用して前記電動機の加速度を求めることを特徴とする請求項１に記載の電動機の回転速度検出方法。
4. 回転子の回転位置を抽出する位置抽出部と、この位置抽出部で検出された回転位置に基づいて前記電動機の回転速度を求める速度計算部とを備えた電動機の回転速度検出装置において、
   前記速度計算部は電動機の加速度を求める加速度計算部を備え、前記位置抽出部は、前記加速度計算部で求められた加速度に基づいて前記回転位置の検出間隔を変更することを特徴とする電動機の回転速度検出装置。
5. 前記加速度計算部は、有限差分法を適用して前記回転位置から電動機の速度演算値を求め、求められた速度演算値に基づいて前記電動機の加速度を求めることを特徴とする請求項４に記載の電動機の回転速度検出装置。
6. 前記加速度計算部には、電動機の電流値から電動機の加速度を算出可能な電動機の物理モデルが予め設定されており、
   前記加速度計算部は、設定された物理モデルに前記電動機の電流値を適用して電動機の加速度を求めることを特徴とする請求項４に記載の電動機の回転速度検出装置。