JP2014135860A

JP2014135860A - モータ速度制御装置

Info

Publication number: JP2014135860A
Application number: JP2013003364A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Shibata; 知宏柴田; Tomohisa Kameyama; 智寿亀山
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP6043191B2

Abstract

【課題】工作機械等の主軸において、主軸の回転数を変化させる時には、速度偏差積分演算器の影響によりオーバシュートが発生する課題がある。
【解決手段】上位装置からの速度指令値と、モータ位置検出器７で検出されたモータ位置検出値から演算する速度検出値と、に基づきモータの回転数を制御するモータ速度制御装置は、前記速度指令値と前記速度検出値の差である速度偏差値を演算する減算器２と、前記速度偏差値を入力として速度偏差比例成分を出力する速度比例演算器３、および、前記速度偏差値を入力として速度偏差積分成分を出力する速度積分演算器４を有し、速度比例演算器３および速度積分演算器４の出力に基づきトルク指令を出力するトルク指令出力部と、前記速度積分演算器４のゲインを、前記トルク指令の値、または、磁束密度の指令値と磁束密度の推定値との誤差量に応じて変更する積分ゲイン操作器９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸等におけるモータ速度制御装置に関する。

工作機械等の主軸において、主軸の回転数を変化させる時には、高速かつオーバシュートを生じることなく目標の回転数となることが望ましく、その方式に関しては各種の試みがなされている。

図６に従来技術のモータ制御装置のブロック図を示す。微分器１１は、モータ８に取り付けられた位置検出器７の位置検出値Ｐｍからの出力を微分し、速度検出値Ｖｍを出力する。減算器２は、上位制御装置１から出力される速度指令値Ｖｃから前記速度検出値Ｖｍを減算し、速度偏差値Ｖｄを出力する。該速度偏差値Ｖｄと速度ループ比例ゲインＰｖと速度ループ積分ゲインＩｖに基づき、速度偏差比例演算器３と速度偏差積分演算器４がそれぞれ速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を出力し、加算器５が速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を加算しトルク指令Ｔｃを出力する。該トルク指令Ｔｃに基づき電流制御部６がモータ８の電流を制御する。積分ゲイン操作器９は、前記速度偏差値Ｖｄを入力とし、前記速度偏差積分演算器４で演算に用いる速度ループ積分ゲインとして速度ループ積分ゲイン指令Ｉｖｓを出力する。

図７に積分ゲイン操作器９のブロック図を示す。絶対値化器９２０により、入力された前記速度偏差値Ｖｄが絶対値化され、速度偏差絶対値｜Ｖｄ|となり、比較器９２１が前記速度偏差値｜Ｖｄ｜と速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍとを比較し、切替器９２５が、前記速度偏差絶対値｜Ｖｄ｜が前記速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍより大きい場合は前記速度ループ積分ゲイン指令として０を出力し、前記速度偏差絶対値｜Ｖｄ｜が前記速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍ以下の場合は前記速度ループ積分ゲイン指令として速度ループ積分ゲインＩｖを出力する。

モータの回転数を変化させるため加減速する場合には、前記速度偏差値Ｖｄが大きく発生する。速度偏差値Ｖｄの値に関わらず速度ループ積分ゲインＩｖが常に一定の場合、前記速度偏差積分演算器４が、速度ループ積分ゲインＩｖに基づき、速度偏差積分成分を演算し、速度偏差積分成分が大きくなるため、速度検出値Ｖｍが前記速度指令値Ｖｃ近傍に到達したときに、前記速度偏差積分成分により、余分なトルクが出力され、オーバシュートが生じる。一方、図６のモータ制御装置では、前記速度偏差値Ｖｄが前記速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍより大きい場合は、速度ループ積分ゲインは０となるため、速度偏差積分成分は０となり、速度検出値Ｖｍが前記速度指令値Ｖｃ指令回転数近傍に到達した際に、余分なトルクが出力されず、オーバシュートが小さくなる。

図８は前記積分ゲイン操作器９がないモータ制御装置での、速度指令値Ｖｃ、速度検出値Ｖｍ、速度偏差値Ｖｄおよび速度偏差積分成分の動作例を示す。速度指令値Ｖｃを変化させた直後から、速度偏差積分成分が大きくなり、速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃの近傍になったときに、前記速度偏差積分成分の余分なトルク指令Ｔｃが出力され、オーバシュートが生じる。図９に図６のモータ制御装置での速度指令値Ｖｃ、速度検出値Ｖｍ、速度偏差値Ｖｄおよび速度偏差積分成分の動作例を示す。速度偏差値Ｖｄが速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍより小さくなるまで速度偏差積分成分は０のままであるため、図８に対して、速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃの近傍に到達したときの、速度偏差積分成分が小さく、余分なトルク指令Ｔｃも小さいため、オーバシュートを抑制することができる。

特開２００８−２３６８８３号公報

図６に示した従来技術において、速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍは一定の値であるが、実際には、この速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍの最適値は、前記速度指令値Ｖｃや主軸のイナーシャによって異なる。よって、速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍが最適値より大きい場合はオーバシュートが生じ、速度偏差基準定数Ｖｄｌｉｍが最適値より小さい場合は速度指令値Ｖｃへの到達時間が長くなるという課題がある。また、そもそも、従来は、速度偏差の大きさに基づいて速度ループ積分ゲインの値を切り替えていたが、この速度偏差は、実際に生じているモータトルクや指令トルクの大きさを直接表すパラメータではない。したがって、この速度偏差に基づいて、オーバシュートや到達時間の長期化の原因となるモータの指令トルクへの追従性の悪さを改善することは困難であった。

本発明のモータ速度制御装置は、上位装置からの速度指令値と、モータ位置検出器で検出されたモータ位置検出値から演算する速度検出値と、に基づきモータの回転数を制御するモータ速度制御装置であって、前記速度指令値と前記速度検出値の差である速度偏差値を演算する減算器と、前記速度偏差値を入力として速度偏差比例成分を出力する速度比例演算器、および、前記速度偏差値を入力として速度偏差積分成分を出力する速度積分演算器を有し、速度比例演算器および速度積分演算器の出力に基づきトルク指令を出力するトルク指令出力部と、前記速度積分演算器のゲインを、前記トルク指令の値、および、磁束密度の指令値と磁束密度の推定値との誤差量の少なくとも一方に応じて変更する積分ゲイン操作器と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記積分ゲイン操作器は、前記速度積分演算器のゲインを、前記トルク指令が予め規定された閾値を超えた場合には０に、前記トルク指令が前記閾値以下の場合には予め規定された積分ゲインに、設定する。

他の好適な態様では、前記積分ゲイン操作器は、モータへの磁束密度指令と、モータの磁束密度の推定値と、の差分量を算出し、前記差分量が予め規定された閾値以下の場合には、前記速度積分演算器のゲインを予め規定された積分ゲインに設定し、前記差分量が予め規定された閾値を超えた場合には、前記速度積分演算器のゲインとして０を設定するとともに、前記速度積分演算器の積算値をリセットする指令を出力する。

本発明のモータ速度制御装置によれば、速度指令値や主軸のイナーシャによらず、オーバシュートを防止しつつ、高速にモータの速度を制御できる。

本発明の実施形態であるモータ速度制御装置を示すブロック図である。積分ゲイン操作器を示すブロック図である。積分ゲイン操作器の他の例を示すブロック図である。モータ速度制御装置の動作を説明する図である。他の実施形態の動作を説明する図である。従来のモータ速度制御装置を示すブロック図である。図６の積分ゲイン操作器を示すブロック図である。積分ゲイン操作器がない場合のモータ速度制御装置の動作を説明する図である。図６のモータ速度制御装置の動作を説明する図である。

本発明の実施形態であるモータ速度制御装置について図面を参照して説明する。従来技術と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。モータ速度制御装置の制御ブロック図を図１に示す。積分ゲイン操作器９は、前記トルク指令値Ｔｃを入力とし、前記速度偏差積分演算器４で演算に用いる速度ループ積分ゲインとして速度ループ積分ゲイン指令Ｉｖｓを出力する。あるいは、積分ゲイン操作器９は、前記速度検出値Ｖｍより磁束密度指令演算部１０で演算された磁束密度指令φｃと前記電流制御部６より公知の磁束密度オブザーバ等で演算され、出力される磁束密度推定値φｅを入力とし、前記速度偏差積分演算器４で演算に用いる速度ループ積分ゲインとして速度ループ積分ゲイン指令Ｉｖｓを出力する。

図２に、積分ゲイン操作器９のブロック図を示す。比較器９０１が前記トルク指令値Ｔｃとトルク指令基準定数Ｔｃｌｉｍとを比較し、切替器９０５が、前記トルク指令値Ｔｃが前記トルク指令基準定数Ｔｃｌｉｍより大きい場合は前記速度ループ積分ゲイン指令として０を出力し、前記トルク指令値Ｔｃがトルク指令基準定数Ｔｃｌｉｍ以下の場合は前記速度ループ積分ゲイン指令としてＩｖを出力する。ここで、トルク指令基準定数Ｔｃｌｉｍとしては、想定する最大の主軸イナーシャと所望の加速度の積から演算するトルク値を設定することが望ましい。なお、「所望の加速度」は、速度ループ比例ゲインＰｖおよび速度ループ積分ゲインＩｖの応答性から定まるもので、応答性が高いほど、所望の加速度の値も大きくなる。

図４に、図２の積分ゲイン操作器９を搭載したモータ速度制御装置での、速度指令値Ｖｃ、速度検出値Ｖｍ、トルク指令Ｔｃおよび速度偏差積分成分の動作例を示す。トルク指令基準定数Ｔｃｌｉｍに、想定する最大のイナーシャと所望の加速度の積から演算するトルク値を設定することで、トルク指令値Ｔｃがトルク指令基準定数Ｔｃｌｉｍより小さくなるまで、すなわち、所望のトルクが出力できる状態（モータがトルク指令に追従できる状態）まで、トルク値速度偏差積分成分は０のままであるため、図９に対して、速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃの近傍になったときの、速度偏差積分成分が小さく、余分なトルク指令Ｔｃも小さいため、オーバシュートを抑制することができる。

図３に、積分ゲイン操作器９の他の例のブロック図を示す。減算器９１１が前記磁束密度指令φｃと、前記磁束密度推定値φｅとの差を磁束密度誤差φｄとして出力し、絶対値化器９１２が絶対値化した磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜を出力する。前記磁束密度推定値φｅは、実測が困難な磁束密度を、モータへの印加電流値等から推測した推定値である。かかる磁束密度の推定には、公知のオブザーバなどを利用できるため、ここでの詳説は省略する。したがって、この磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜は、磁束密度の指令値と、現時点の磁束密度の値との差分量とみなすことができる。

比較器９１３が前記磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜と磁束密度誤差基準定数φｌｉｍとを比較し、切替器９１７が、前記磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜が前記磁束密度誤差基準定数φｌｉｍより大きい場合は、前記速度ループ積分ゲイン指令として０を出力し、また、速度偏差積分演算器４の積算値を０にリセットする積算成分０リセット信号ＲＳＴを出力する。一方、前記磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜が前記磁束密度誤差基準定数φｌｉｍ以下の場合は前記速度ループ積分ゲイン指令としてＩｖを出力する。

図５に、図３の積分ゲイン操作器９を搭載したモータ速度制御装置での、速度指令値Ｖｃ、速度検出値Ｖｍ、磁束密度指令φｃと磁束密度推定値φｅの動作例を示す。図５は磁束密度誤差基準定数φｌｉｍを０としている。なお、ここでいう「０」とは、完全０ではなく、無視できる程度の誤差を含んだ、ほぼ０の値である。換言すれば、「前記磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜が前記磁束密度誤差基準定数φｌｉｍ以下の場合」というのは、前記磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜がほぼ０の場合の意味であり、磁束密度の指令値と、実際の値（の推測値）と、がほぼ同じ場合の意味である。

また、磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜が０とは、磁束密度が所望の状態となり、その結果、所望のトルクが出力できる状態（モータがトルク指令に追従できる状態）であることを表している。前記磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜が０でない場合、速度偏差積分成分は０のままであり、前記磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜が０の場合、すなわち、所望のトルクが出力できる状態の場合、速度偏差積分演算器が有効に働くため、速度検出値Ｖｍが速度指令値Ｖｃ近傍に到達したときの速度偏差積分成分が小さく、余分なトルク指令Ｔｃも小さいため、オーバシュートを抑制することができる。なお、トルクは磁束密度φに比例するため、磁束密度誤差基準定数φｌｉｍには、磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜に起因して発生する所望のトルクとのずれが、想定する最大のイナーシャと所望の加速度の積から演算するトルク値より小さくなるような値を設定してもよい。また、上述の説明では、指令トルクＴｃ、または、磁束密度誤差絶対値｜φｄ｜のいずれか一方のみを用いる場合を例示したが、両方のパラメータに基づいて、速度ループ積分ゲインを切り替えてもよい。

１上位制御装置、２減算器、３速度偏差比例演算器、４速度偏差積分演算器、５加算器、６電流制御部、７位置検出器、８モータ、９積分ゲイン操作器、１０磁束密度指令演算部、１１微分器、９０１比較器、９０２トルク指令基準定数、９０３速度偏差積分ゲイン定数、９０４０定数、９０５切替器、９１１減算器、９１２絶対値化器、９１３比較器、９１４磁束密度誤差基準定数、９１５速度偏差積分ゲイン定数、９１６０定数、９１７切替器、９２０絶対値化器、９２１比較器、９２２速度偏差基準定数、９２３速度偏差積分ゲイン定数、９２４０定数及びリセット信号、９２５切替器。

Claims

上位装置からの速度指令値と、モータ位置検出器で検出されたモータ位置検出値から演算する速度検出値と、に基づきモータの回転数を制御するモータ速度制御装置であって、
前記速度指令値と前記速度検出値の差である速度偏差値を演算する減算器と、
前記速度偏差値を入力として速度偏差比例成分を出力する速度比例演算器、および、前記速度偏差値を入力として速度偏差積分成分を出力する速度積分演算器を有し、速度比例演算器および速度積分演算器の出力に基づきトルク指令を出力するトルク指令出力部と、
前記速度積分演算器のゲインを、前記トルク指令の値、および、磁束密度の指令値と磁束密度の推定値との誤差量の少なくとも一方に応じて変更する積分ゲイン操作器と、
を備えることを特徴とするモータ速度制御装置。
請求項１に記載のモータ速度制御装置であって、
前記積分ゲイン操作器は、前記速度積分演算器のゲインを、前記トルク指令が予め規定された閾値を超えた場合には０に、前記トルク指令が前記閾値以下の場合には予め規定された積分ゲインに、設定する、ことを特徴とするモータ速度制御装置。
請求項１のモータ速度制御装置であって、
前記積分ゲイン操作器は、
モータへの磁束密度指令と、モータの磁束密度の推定値と、の差分量を算出し、
前記差分量が予め規定された閾値以下の場合には、前記速度積分演算器のゲインを予め規定された積分ゲインに設定し、前記差分量が予め規定された閾値を超えた場合には、前記速度積分演算器のゲインとして０を設定するとともに、前記速度積分演算器の積算値をリセットする指令を出力する、
ことを特徴とするモータ速度制御装置。