JP2013219866A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低速回転領域における電動機特性に起因する不感帯または非線形特性による追従誤差低減を実現する。
【解決手段】ローパスフィルタ演算部１６において、速度検出値Ｖｍのローパスフィルタ演算処理を行う。ローパスフィルタ演算処理後の速度検出値Ｖｍ２に基づいて第２のトルク指令値ｔｃ２を算出し、これを通常の第１のトルク指令値Ｔｃ１に加算して加算されたトルク指令Ｔｃにより電動機を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置指令と検出位置との位置偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令を算出する位置制御装置と、速度指令と検出速度との差分値である速度偏差を求めた後に当該速度偏差と速度ループ比例ゲインとの乗算値および当該速度偏差と速度ループ積分ゲインとの乗算値を加算してトルク指令を算出する速度制御装置にて、電動機を制御する制御装置に関する。

図４は、従来技術による電動機の制御装置の一例を示すブロック図である。位置指令演算部1からの位置指令Ｐｃと電動機７に取り付けられた位置検出器８によって検出される位置検出値Ｐｍとの差分である位置偏差を減算器２が算出し、位置偏差演算器３が前記位置偏差に位置制御比例ゲインを乗じて速度指令Ｖｃを算出する。一方、電動機７に取り付けられた位置検出器８からの位置検出値Ｐｍを微分器９が微分し、速度検出値Ｖｍを出力する。速度指令Ｖｃと速度検出値Ｖｍとの差分である速度偏差を減算器４が算出し、所定のループゲインを乗算して速度偏差演算部（ＰＩ演算部）５へ出力する。速度偏差演算部５において、ＰＩ演算を行いトルク指令値Ｔｃを出力する。すなわち、速度偏差と速度ループ比例ゲインとの乗算値および当該速度偏差と速度ループ積分ゲインとの乗算値を加算してトルク指令値Ｔｃを出力する。インバータ６は、トルク指令値Ｔｃに従った電流を電動機に供給することによって、電動機７を駆動する。

位置検出値Ｐｍの微分を演算することで速度検出値Ｖｍを得ているため、電動機を極低速回転で駆動する場合、速度検出値の分解能が粗くなり、また微分演算によりノイズ成分が増幅され、速度検出値がノイズの影響を受けやすくなる問題がある。

さらに、電動機を極低速回転で駆動する場合、電動機の印加電流−トルク特性に起因する不感帯もしくは非線形特性の影響が大きくなる。速度指令Ｖｃは不感帯もしくは非線形特性の影響で発生する低周波の位置偏差成分を含んでいるが、減算器４において速度偏差を算出する際に、前述のノイズ成分に埋没してしまい、トルク指令に反映されず、位置偏差を解消することができない問題がある。

極低速回転領域における速度分解能を向上させる手段として、次のような技術が知られている（特許文献１参照）。トルク指令から電流指令を生成する電流制御手段と、電流指令と電流信号の差をＰＩＤ処理して電圧指令を生成する電流制御手段を備えた制御装置において、電流制御手段の積分器が生成する積分電圧指令を電動機誘起電圧定数で除した値を速度検出値としてトルク指令算出に使用することで、速度分解能を向上させている。

特開２００６−３４５６３１号公報

極低速回転で電動機を駆動する場合に発生する低周波かつ微小な位置偏差、特に電動機の印加電流−トルク特性に起因する不感帯または非線形特性により発生する位置偏差は、位置検出手段より検出される位置検出値を微分することで演算される速度検出の微分ノイズ成分に埋没してしまう場合があり、トルク指令値に反映されにくい。このため、前記低周波かつ微小な位置偏差が解消されず、工作機械のサーボ用電動機の場合、加工精度が低下する要因となっている。本発明の目的は、極低速回転領域における電動機特性に起因する不感帯または非線形特性による追従誤差低減を実現する電動機の制御装置を提供することにある。

位置指令と検出位置との差分値である位置偏差に位置ループゲインを乗じて算出された速度指令と速度検出値との差分値である速度偏差に基づき第１トルク指令値演算手段により第１のトルク指令値を算出して電動機を制御する電動機の制御装置において、速度検出値のローパスフィルタ演算処理を行うローパスフィルタ演算手段を備え、前記ローパスフィルタ演算処理後の速度検出値から第２のトルク指令値を算出する第２トルク指令値演算手段を備え、前記第１のトルク指令値と第２トルク指令を加算して加算されたトルク指令により電動機を制御するものである。

これにより、速度検出値における微分演算によるノイズ成分を低減することができ、極低速回転で電動機を駆動する場合の相対的に小さい低周波の位置偏差をトルク指令に反映させることが可能となる。

また、電動機の回転速度から、第１トルク指令と第２トルク指令を重み付け演算し、前記トルク指令とする重み付け演算部を備えることが好適である。さらにまた、速度検出値のバンドパスフィルタ演算処理を行うバンドパスフィルタ演算手段を備え、前記バンドパスフィルタ演算処理後の速度検出値を第１トルク指令値演算に与えることが好適である。

また、重み付け演算部では、和が1となる第1重み係数と、第２重み係数を所定の値に設定し、前記第1重み係数と前記第1トルク指令の積と、前記第２重み係数と前記第２トルク指令の積との和をトルク指令とすることが好適である。

また、位置指令を微分して得られる速度が小さい低回転速度領域では、第２重み係数を大きく設定し、一方、高回転速度領域では、第1重み係数を大きく設定することが好適であり、これに伴い、極低速回転領域では、微分ノイズの影響が少ない第２トルク指令が支配的となり、相対的に小さい低周波の位置偏差を低減することができる。

また、速度検出値のバンドパスフィルタ演算処理を行うバンドパスフィルタ演算手段を備え、前記バンドパスフィルタ演算処理後の速度検出値を第１トルク指令値演算手段に与えることが好適である。

本発明によると、極低速回転で電動機を駆動する場合に発生する低周波かつ微小な位置偏差、特に電動機の印加電流−トルク特性に起因する不感帯もしくは非線形特性、および位置検出手段による位置検出値から微分演算される速度検出値に重畳するノイズ（微分ノイズ）とに起因する、微小位置決め動作時の制御誤差を低減できる。

本発明の制御装置の第１実施形態を示すブロック図である。 本発明の制御装置の第２実施形態を示すブロック図である。 本発明の制御装置の重み係数の設定例を示す説明図である。 従来技術を示すブロック図である。

図１は、本発明による電動機の制御装置の第１実施形態を示すブロック図である。なお、図４に示した従来技術例と同一要素には同一番号が付してあり、その説明は省略する。

位置検出値Ｐｍを微分して得た電動機７の速度検出値Ｖｍをローパスフィルタ演算部１６がローパスフィルタ処理を行い、高域成分をカットした速度検出値Ｖｍ２を出力する。ローパスフィルタ演算部１６によるローパスフィルタ処理によって、極低速回転時における微分演算によって生じる速度検出値のノイズを除去することができる。なお、ローパスフィルタ演算部１６のカットオフ周波数は、実験的に求める値である。

減算器２が算出した位置偏差（Ｐｃ−Ｐｍ）に、位置偏差演算器３が位置制御比例ゲインＫｐ1を乗じて速度指令Ｖｃ1を算出する。速度指令Ｖｃ1と速度検出値Ｖｍとの偏差を減算器４が算出し、速度偏差演算部（ＰＩ演算部１）５へ出力する。速度偏差演算部５において、ＰＩ演算を行い第1トルク指令値Ｔｃ1を出力する。

一方、減算器２が算出した位置偏差（Ｐｃ−Ｐｍ）に、ローパスフィルタ演算部１３がローパスフィルタ処理を行い、速度指令Ｖｃ２を算出する。ここで、ローパスフィルタ演算部１３に供給されるのは、位置偏差であって、速度検出値Ｖｍと比べ高周波成分は少ない。このため、ローパスフィルタ演算部１３は、ローパスフィルタ演算部１６における遅延に合わせた遅延を得て減算器１４に供給される信号のタイミングを合わせることが主な機能となる。また、位置偏差を速度指令Ｖｃ２に変換するには、所定のゲインを乗算する必要があり、例えば位置偏差演算器を設け、ここで前記位置偏差に位置制御比例ゲインＫｐ２を乗じて速度指令Ｖｃ２を算出することが好適であるが、図においては位置偏差演算器を省略してある。すなわち、位置制御比例ゲインＫｐ２が１の場合を示してある。この位置制御比例ゲインＫｐ２も実験により決定される値である。

速度指令Ｖｃ２と速度検出値Ｖｍ２との偏差を減算器１４が算出し、速度偏差演算部（ＰＩ演算部２）１５へ出力する。速度偏差演算部１５において、ＰＩ演算を行い第２トルク指令値Ｔｃ２を出力する。

そして、加算器１０において、第２トルク指令値ＴＣ２を、第１トルク指令値Ｔｃ１に加算し、第1トルク指令値Ｔｃ1と第２トルク指令値Ｔｃ２との和を、トルク指令Ｔｃとして出力する。

このように、本実施形態では、速度検出値Ｖｍ２をローパスフィルタ処理して得たＶｍ２を用いたフィードバック制御ループを有している。従って、速度検出値における微分演算によるノイズ成分を低減することができ、極低速回転で電動機を駆動する場合の相対的に小さい低周波の位置偏差をトルク指令Ｔｃ２に反映させることが可能となる。

図２は、本発明による電動機の制御装置の第２実施形態を示すブロック図である。なお、図１、図４に示したブロック図と同一要素には同一番号が付してあり、その説明は省略する。

速度検出値Ｖｍをバンドパスフィルタ演算部１７がバンドパスフィルタ処理を行い、速度検出値Ｖｍ1を出力する。上述したように、ローパスフィルタ演算部１６では、ローパスフィルタ処理を行い、高域成分をカットして、低域成分による制御を行う。そこで、バンドパスフィルタ演算部１７では、ローパスフィルタ演算部１６によってカットされた成分を取り出す。ただし、両フィルタの低域側のカットオフ周波数が一致する必要はない。また、バンドパスフィルタ演算部１７では、不要な高域成分をカットして、制御の安定化を図っている。なお、バンドパスフィルタ演算部１７のカットオフ周波数は、実験的に求める値である。

速度指令Ｖｃ1と速度検出値Ｖｍ1との偏差を減算器４が算出し、速度偏差演算部５へ出力する。速度偏差演算部５において、ＰＩ演算を行い第1トルク指令値Ｔｃ1を出力する。

そして、速度偏差演算部５において得られた第1トルク指令値Ｔｃ1と、速度偏差演算部１５において得られた第２トルク指令値Ｔｃ２とが、重み付け演算部１２に入力され、ここで両者の重み付け演算が行われる。

ここで、微分器１１は、位置指令Ｐｃの微分演算を行い、位置指令を微分して得られる速度Ｖｆｃを重み付け演算部１２へ出力する。重み付け演算部１２では、前記速度Ｖｆｃから、和が1となる第1重み係数ｋ1と、第２重み係数ｋ２を用いて、

Ｔｃ ＝ ｋ1*Ｔｃ1 + ｋ2*Ｔｃ2 （数式１）

で算出されるトルク指令Ｔｃを出力する。

図３は第1重み係数ｋ1と、第２重み係数ｋ２の設定値の一例を示す図である。位置指令の変化速度Ｖｆｃが小さい低回転速度領域では、ｋ２を大きく設定し、一方、高回転速度領域では、ｋ1を大きく設定する。

これに伴い、極低速回転領域では、微分ノイズの影響が少ない第２トルク指令Ｔｃ２が支配的となり、相対的に小さい低周波の位置偏差を低減することができる。

すなわち、位置指令Ｐｃを微分して得られる速度が小さければ、電動機７による移動も小さく、位置指令Ｐｃの微分から得られる速度検出値Ｖｍについてのノイズが大きい。そこで、ノイズを除去した速度検出値Ｖｍ２を用いた制御を行うことで適切な電動機７の駆動制御が行える。一方、位置指令Ｐｃを微分して得られる速度が大きいと、電動機７による移動も大きく、時定数の小さな応答が必要となる。そこで、速度検出値Ｖｍ１を用いた制御を行うことで適切な電動機７の駆動制御が行える。

特に、Ｖｆｃが所定以上の時には、ｋ２を０として、通常通りの制御を行うことができ、極低速回転では、ｋ１を０としてローパスフィルタ演算部１６により得られたノイズの少ない速度検出値Ｖｍ２を用いて好適な制御が行える。

また、上記例では電動機の回転速度として位置指令値を微分した速度Ｖｆｃを使用したが、Ｖｆｃに限定されるわけではなく、例えば検出器の出力を微分して得られた速度Ｖｍを使用しても良い。

以上、説明した実施例においては第１トルク指令値演算手段、第２トルク指令値演算手段を例に挙げたが、対象とする周波数を任意の数：ｎ分割することで、ｎ個のトルク指令値演算手段を持つことができ、その際、対象する周波数成分の各々の重み付け係数を変えることで、周波数別に応答特性を変化させることが可能となる。また、第１実施形態のようにバンドパスフィルタのない構成としてもよい。

１ 位置指令演算部、２，４，１４ 減算器、３ 位置偏差演算器、５，１５ 速度偏差演算部、６ インバータ、７ 電動機、８ 位置検出器、９，１１ 微分器、１０ 加算器、１２ 重み付け演算部、１３，１６ ローパスフィルタ演算部、１７ バンドパスフィルタ演算部。

Claims (3)

1. 位置指令と検出位置との差分値である位置偏差に位置ループゲインを乗じて算出された速度指令
   と速度検出値との差分値である速度偏差に基づき第１トルク指令値演算手段により
   第１のトルク指令値を算出して電動機を制御する電動機の制御装置において、
   速度検出値のローパスフィルタ演算処理を行うローパスフィルタ演算手段を備え、
   前記ローパスフィルタ演算処理後の速度検出値から第２のトルク指令値を算出する第２トルク指令値演算手段を備え、前記第１のトルク指令値と第２トルク指令を加算して加算されたトルク指令により電動機を制御することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 請求項1に記載の電動機の制御装置であって、
   電動機の回転速度から、第1トルク指令と第２トルク指令を重み付け演算し、前記トルク指令とする重み付け演算部を備えることを特徴とする電動機の制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の制御装置であって、
   速度検出値のバンドパスフィルタ演算処理を行うバンドパスフィルタ演算手段を備え、前記バンドパスフィルタ演算処理後の速度検出値を第１トルク指令値演算手段に与えることを特長とする電動機の制御装置。

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