JP2015126649A

JP2015126649A - サーボ制御装置

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Publication number: JP2015126649A
Application number: JP2013270921A
Authority: JP
Inventors: 哲男梁田; Tetsuo Yanada; 敬典大橋; Takanori Ohashi; 智之青山; Tomoyuki Aoyama; 雅志藤嶽; Masashi Fujitake
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-06

Abstract

【課題】サーボ制御装置が制御する電動機の位置情報から、任意周波数及び位相の脈動抑制電流を生成する。【解決手段】サーボ制御装置が、電動機に指令電圧を印加する電力変換器２と、回転位置を検出する位置検出器５と、その検出値から電動機の速度検出値を演算する速度演算部７と、外部入力もしくは内部で生成される速度指令値と速度検出値の偏差から電流指令値を出力する速度制御部６と、位置検出器が検出した位置から電動機の回転に伴って発生する任意の周波数の脈動成分の振幅と位相を算出して、ｄ軸及びｑ軸電流指令値を生成・合成し、予め設定した任意の周波数と該脈動成分の振幅と位相を有する脈動抑制電流値を出力する波形生成部８と、速度制御部が出力する電流指令値に脈動抑制電流値が加算され、その結果から電力変換器２の出力電圧を制御する電流制御部４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、サーボ制御装置に係り、脈動抑制を制御するサーボ制御装置に関する。

近年、産業用機械などの制御装置において、制御性や環境性に優れるサーボシステムが採用されることが増えてきており、サーボシステムが駆動する電動機も様々な種類がある。このため、機械との接合方法、電動機および機械の大きさ、電動機の個体差やその他要因によっては、電動機への電流指令値に脈動成分が発生する場合があるが、制御する機械の用途によっては振動や騒音の原因となる脈動成分は許容されないため、サーボ制御装置にてこの脈動成分を抑制する必要性が大きくなっている。

特許文献１は、電動機の誘起電圧歪により発生する脈動を抑制する制御装置であって、脈動抑制を制御する発明を開示する。

特開２０１１−１５１８８３号公報

しかしながら、脈動の要因は誘起電圧歪だけではなく、そのため脈動の周波数や振幅、位相も様々であると考えられる。
本発明の目的は、サーボ制御装置が制御する電動機の位置情報をもとに、任意の周波数、振幅および位相の脈動抑制電流を生成するサーボ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、例えば、特許請求の範囲に記載の発明を適用する。即ち電動機に指令電圧を印加する電力変換器と、前記電動機の回転位置を検出する位置検出器と、位置検出器の検出値から前記電動機の速度である速度検出値を演算する速度演算部と、外部入力される速度指令値と、前記速度検出値の偏差に応じて電流指令値を出力する速度制御部と、前記位置検出器が検出した位置から、電動機の回転に伴って発生する任意の周波数の脈動成分の振幅と位相を算出して、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成し、それらを合成して予め設定した任意の周波数と該脈動成分の振幅と位相を有する脈動抑制電流値を出力する波形生成部と、前記速度制御部が出力する電流指令値に前記脈動抑制電流値が加算され、該加算の結果に前記電力変換器の出力電圧を制御する電流制御部とを有するサーボ制御装置である。

本発明によれば、任意の周波数成分の脈動を複雑な調整を必要としないで抑制し、電動機の滑らかな制御を簡単な構成で実現するサーボ装置を提供できる。

本発明を適用した第１実施形態のサーボ制御装置の構成を例示する模式図である。本実施形態の脈動抑制電流生成部の構成を例示する模式図である。本発明を適用した第２実施形態のサーボ制御装置の構成を例示する模式図である。本発明を適用した第３実施形態のサーボ制御装置の構成を例示する模式図である。本実施形態の振幅設定部の構成を例示する模式図である。本発明を適用した第４実施形態のサーボ制御装置の構成を定時する模式図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を用いて本発明を適用した第１実施形態であるサーボ制御装置を説明する。まず概要を示せば、サーボ制御装置は、回転位置の検出器によって得られた位置情報から、脈動成分の複数の任意の周波数における振幅および位相を算出し、算出した複数の任意の周波数とそれぞれ同周波数、同位相、符号が逆で絶対値が等しい振幅を有する脈動成分抑制電流を複数生成し、それらを電流指令値に加算することで、脈動成分を抑制するものである。
図１に、サーボ制御装置の構成を示す。サーボ制御装置は電動機１に指令電圧を印加する電力変換器２、電流検出器３、電流制御部４、電動機１の回転位置を検出する位置検出器５、位置検出器５で検出した回転位置から電動機１のその時点の回転速度Ｎ（速度検出値）を演算する速度演算部７、速度検出値である回転速度Ｎと、外部から入力、もしくは内部で生成される速度指令値（Ｎ*）との偏差に応じて電流指令値を演算する速度制御部６及び脈動抑制電流生成部８を有する。これらは電動機１と直接・間接的に接続され、電動機１の制御を行う。電動機１は、例えば、永久磁石モータであるが、これに限定されるものではない。

電力変換器２は、電動機１に出力する指令電圧を制御して回転を制御する。位置検出器５は、例えば、エンコーダやレゾルバ等の回転位置検出センサであり、電動機１の回転位置θを検出する。速度演算部７は、検出された回転位置θの入力から速度検出値である回転速度Ｎを演算する。速度演算部６は、回転速度Ｎの入力と、速度指令値Ｎ*との入力の偏差に応じた電流指令値を演算する。

また、位置検出器５が検出する回転位置θ及び速度演算７が演算した速度Ｎは、脈動抑制電流生成部８にも入力される。

脈動抑制電流生成部８は、位置θと、速度Ｎと、生成する脈動抑制電流の任意周波数ｆ１とから電動機の脈動を抑制する波形を生成するようになっている。ここで、任意の周波数ｆ１は、入力装置を介してユーザ等によってサーボ制御装置に設定される値であり、一般には抑制したい脈動の周波数である。以下に、脈動抑制電流生成部８について説明する。

図２に、脈動抑制電流生成部８の詳細構成を示す。脈動抑制電流生成部８は、位相進め処理部８１、入力切替部８２、電流演算部８３、フィルタ部８４、８５、ｄｑ-α変換器８６、８７、振幅調整部８８を有する。

電流演算部８３には、速度演算部７（図１）で演算された速度Ｎが入力される。電流演算部８３では、入力された速度Ｎから速度の前回値との差分が求められ、この差分と、電動機１に関する種々の値とから、差分電流ΔＩｍｃが算出される。電動機１に関する種々の値は、トルク定数、定格電流値、極数及びスロット数である。これらは既知であるため、サーボ制御装置のメモリ等に予め記憶されている。

入力切替部８２では、外部から入力される任意の周波数ｆ１から基本周波数ｆｂの次数が算出される。より具体的には、電動機１の極数とスロット数は既知であり、予めメモリ等に記憶されており、入力切替部８２は、極数とスロット数から、電動機１を制御する電流の基本周波数ｆｂを算出する。設定した周波数ｆ１を電流の基本周波数ｆｂで除すると、設定した周波数ｆ１を基本周波数ｆｂの倍数で表現でき、これを基本周波数ｆｂの次数ｎ１として算出する。

また、本実施形態では、任意周波数ｆ１に変えてユーザが任意の次数ｎaを入力することができるようにもなっている。任意の次数ｎaの入力がある場合にはこれらの切り替えが行われる。

なお、ユーザによる設定ではなく、周波数ｆや次数ｎを自動で設定することも可能である。例えば、内蔵メモリに位置データを一定間隔で保存、周波数解析を施し、脈動成分の大きな周波数から順に動的に設定する。その周波数を電流の基本周波数ｆｂで除することで次数ｎを設定するように構成してもよい。

位相進め処理部８１では、位置検出器５から入力された位置θを制御対象の実際の位相に追従させるために、１サンプリング分だけ位相が進められる。即ち後述するように、電流演算部８３からの出力である差分電流ΔImcとサンプリングを一致させる為である。

入力切替部８２からの出力（次数ｎ１若しくはｎａ等）と、位相進め処理部８１からの出力はその後乗算され、結果が位相調整部８７を経て、電流演算部８３の出力である差分電流ΔImcが乗算される。この結果、電流の基本周波数のｎ倍の周波数で、かつ検出た脈動成分と同位相θｒｃ１である脈動成分ｄ軸差分電流ΔＩmc1dと、脈動成分ｑ軸差分電流ΔＩmc1qとをそれぞれ得ることができる。ここで、電流演算部８３の差分電流ΔImcは１サンプリング前の値である。

なお、位相調整部８７は、入力切替部８２からの出力と位相進め処理部８１からの出力の乗算結果の位相を変更可能とするものであり、本実施形態では、脈動抑制電流の位相が調整可能となっている。

演算した脈動成分ｄ軸差分電流ΔＩmc1dと脈動成分ｑ軸差分電流ΔＩmc1qをそれぞれフィルタ部８４に通して平滑する。フィルタ部８４からの出力は、ＰＩ制御演算器８５に入力される。なお、本実施形態では、ファイルタ部８４として一次遅れフィルタを用いるものとするが、本発明はこれに限るものではない。また、時定数を０にすることによってフィルタを使用しない態様も可能である。

ＰＩ制御演算器８５は、フィルタ部８４からの出力を、指令値０に対する入力としたもの、すなわちフィルタ部８４からの出力の符号を反転させた入力を得る。

ｄｑ-α変換器８６では、ＰＩ制御演算器８５からの出力と、位相進め処理部８１からの出力が入力され、脈動抑制電流Ｉ^* _qsin1が出力される。本実施形態では、位相調整部８７を設けており、脈動抑制電流の振幅を調整可能とするため、振幅調整部８８を有する。

振幅調整部８８では、入力された振幅Ａ１を脈動抑制電流Ｉ*qsin1に乗じ、その結果であるＡ１・Ｉ*qsin1を脈動抑制電流生成部８の出力とする。図１に示すように、Ａ１・Ｉ*qsin1は、速度制御部６からの出力であるトルク電流指令に印加され、その和が新たなトルク電流指令とされるようになっている。

〔第２実施形態〕
次いで、本発明を適用した第２実施形態のサーボ制御装置を説明する。図３に、その構成を示す。
第２実施形態では、電動機１が駆動する機器である駆動対象物９の位置θ及び速度Ｎも考慮して、脈動抑制電流生成部８で脈動抑制電流指令値を生成する構成である。駆動対象物９の位置θを検出する位置検出器１０と、位置検出器１０の検出値から速度Ｎを算出する速度演算部７とを有し、これらの出力も脈動抑制電流生成部８に入力する点が第１実施形態と異なる。他の構成は第１実施形態と同様である。
電動機１のみならず、駆動対象物９の駆動状況を考慮することで、電動機１を適用した機器全体の脈動抑制を可能にする。

〔実施形態３〕
図４に、第３実施形態のサーボ制御装置を示す。第１の実施形態と異なる点は、脈動制御電流生成部８の出力を入力する振幅設定部１１を更に備える点である。他の構成は第１の実施形態と同様である。

図５に、振幅設定部１１の構成を示す。振幅設定部１１には、速度制御部６より出力されたトルク電流指令Ｉ*q、既知である電動機１の定格電流値Ｉrate、脈動抑制電流生成部８より出力された脈動抑制電流Ａ・Ｉqsin、サーボ制御装置に設定した振幅調整比ρが入力される。

まず、振幅設定部１１は、定格電流値Ｉrateに対するトルク電流指令Ｉ*qの比Ｉ*q／Ｉrateを求める。その結果に振幅調整比ρと脈動抑制電流Ａ・Ｉ*qinを乗じ、その結果であるＡ´・Ｉ*qsinを出力する。

振幅調整比ρはトルク電流指令が定格電流と等しい場合には、脈動抑制電流Ａ・Ｉ*qsinの振幅Ａをどの程度増幅するかを決定する係数であり、例えば０．１〜１０００程度の幅で設定可能とする。
また、例えば振幅調整比ρを０に設定した場合には、振幅設定部１１からの出力はゼロとなることから、結果として脈動を抑制するか否かを選択可能とする構成が実現できる。

〔実施形態４〕
図６に、第４実施形態のサーボ制御装置を示す。第２実施形態の構成に、第３実施形態で説明した振幅設定部１１を更に備える点である。他の構成は第２実施形態と同様である。

このように、実施形態１〜４によれば、任意の周波数成分の脈動を複雑な調整を必要としないで抑制し、電動機の滑らかな制御を簡単な構成で実現することができる。

なお、本発明は上記種々の例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。例えば、各機能部の種々の機能を他の機能部が実行するようにすることもできるし、各部の一部又は全部をハードウェア乃至ソフトウェアで実行するように構成することも可能である。また、脈動を抑制する周波数ｆ１、位相調整部８３や振幅調整部８８に入力する任意の値等の入力はインタフェースによって入力できるものである。

１・・・電動機、２・・・電力変換器、３・・・電流検出器、４・・・電流制御部、５・・・位置検出器、６・・・速度制御部、７・・・速度演算部、８・・・脈動抑制電流生成部、９・・・電動機の駆動対象物、１０・・・位置検出器、１１・・・振幅設定部、８１・・・位相進め処理部、８２・・・次数と周波数の入力切替部、８３・・・電流演算部、８４・・・フィルタ部、８５・・・ＰＩ制御演算器、８６・・・ｄｑ−α変換器、８７・・・位相調整部、８８・・・振幅調整部

Claims

電動機に指令電圧を印加する電力変換器と、
前記電動機の回転位置を検出する位置検出器と、
位置検出器の検出値から前記電動機の速度である速度検出値を演算する速度演算部と、
外部入力される速度指令値と、前記速度検出値との偏差に応じて電流指令値を出力する速度制御部と、
前記位置検出器が検出した位置から、電動機の回転に伴って発生する任意の周波数の脈動成分の振幅と位相を算出して、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成し、それらを合成して予め設定した任意の周波数と該脈動成分の振幅と位相を有する脈動抑制電流値を出力する波形生成部と、
前記速度制御部が出力する電流指令値に前記脈動抑制電流値が加算され、該加算の結果から前記電力変換器の出力電圧を制御する電流制御部と、
を有するサーボ制御装置。
請求項１に記載のサーボ制御装置であって、
更に、前記電動機が駆動する対象物の回転位置を検出する第２検出器及び該第２検出器が検出した位置から対象物の回転速度を算出する第２速度演算部を有し、
前記波形生成部が、第２検出器が検出した位置から、前記電動機の回転に伴って前記対象物に発生する任意の周波数の脈動成分の位相を算出して、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成し、それらを合成して予め設定された任意の周波数と該脈動成分の振幅と位相を有する脈動抑制電流値を出力し、前記速度制御部が出力する電流指令値に前記脈動抑制電流値が加算されるサーボ制御装置
請求項１又は２に記載のサーボ制御装置であって、
前記予め設定された任意の周波数を複数入力可能とする入力手段を更に有するサーボ制御装置。
請求項３のサーボ制御装置において、
前記入力手段は、前記第１又は第２位置検出器が検出する位置値を一定間隔で記憶し、周波数解析によって脈動成分が大である周波数から順に入力するものであるサーボ制御装置。
請求項１〜４の何れか一項に記載のサーボ制御装置であって、
前記波形生成部が、
前記脈動抑制電流値の振幅を調整する振幅調整部と前記脈動抑制電流値の位相を調整する位相調整部の少なくとも一方を更に有するサーボ制御装置。
請求項１〜５の何れか一項に記載のサーボ制御装置であって、
前記波形生成部が、前記電動機の極数とスロット数から算出される電動機の電流周波数の実数倍を、脈動抑制電流の周波数として任意の複数個を設定可能とするサーボ制御装置。
請求項１〜６の何れか一項に記載のサーボ制御装置であって、
前記波形生成部から出力される脈動抑制電流値に対し、前記速度制御部が出力する電流指令値が前記電動機の定格電流値である場合の前記脈動抑制電流値の振幅を比で設定し、前記電流指令値に応じて設定された振幅を前記脈動抑制電流値の新たな振幅とする振幅設定部を更に有するサーボ制御装置。
請求項７記載のサーボ制御装置であって、
前記振幅設定部が、
前記速度制御部が出力する電流指令値が前記電動機の定格電流値である場合の前記脈動抑制電流値の振幅を比で設定し、前記電流指令値に応じて設定された振幅を新たな振幅とする否かを、各々の周波数毎に選択可能とするサーボ制御装置。