JP2017099232A - トルクリップル補正機能を備えた制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速では正確にトルクリップル補正量を算出できない。【解決手段】トルクリップル補正機能を備えた制御装置１は、電動機の回転角度を検出する回転角度検出器と、回転角度を二階微分して電動機の角加速度を算出する角加速度算出部と、角加速度と電動機のロータ慣性モーメントとを乗算して角加速度をトルクに換算するトルク算出部と、トルク指令からオフセットを除去しトルク指令の脈動分を算出するオフセット除去部と、トルク算出部で算出したトルクとオフセット除去部から出力されるトルク指令の脈動分を加算するトルクリップル加算部と、回転角度検出器により検出された回転角度及びトルクリップル加算部により算出されたトルクリップルに基づき、回転角度に対応したトルクリップル補正量を算出する補正量算出部と、補正量算出部で算出した補正量をトルク指令に加える補正量加算部を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、トルクリップル補正機能を備えた制御装置に関する。

電動機は、巻線に通電することによって発生する磁束と磁石から発生する磁束との相互作用、及びステータティース形状やロータの極形状の影響により、回転中にトルクリップルと呼ばれるトルクの脈動が生じる。

トルクリップルの大きい電動機を、工作機械の送り軸に使用した場合、切削面に筋目が現れる等の不具合が発生する。このため、一般的には電動機の制御装置にトルクリップル補正機能を備えトルクリップルを打ち消すようにトルク指令を補正し、動作中の速度、位置指令に対する実速度、位置の誤差を抑制している。

トルクリップル補正機能を備えた制御装置としては、例えば特許文献１等に開示された装置が知られている。特許文献１では、速度フィードバック制御で電動機を回転させたときに速度ループ制御器から出力されるトルク指令をもとにトルク指令を補正する装置が示されている。図３を用いて具体的な構成を説明する。図３は、トルクリップル補正機能を備えた制御装置６１の概略構成を示した図である。制御装置６１は、回転角度検出器１２、速度ループ制御器６２、トルク指令補正部６３、電流制御部６５、微分器６６を備えている。トルク指令補正部６３は、回転速度指令Ｖ＊を入力した際に速度ループ制御器６２から出力されるトルク指令Ｔ＊の脈動分を回転角度毎に記憶し、記憶したトルク指令Ｔ＊の脈動分を回転角度毎にトルク指令Ｔ＊に加えることで、トルク指令Ｔ＊を補正している。

特開平７−２８４２８６号公報

上述特許文献１で示されるトルクリップル補正機能を備えた制御装置において、トルクリップル補正量は、速度ループ制御器で生成されたトルクリップルを打ち消すような同じ振幅と周期のトルク指令をもとに算出される。よって、正確にトルクリップル補正量を算出するには、速度ループ制御器からトルクリップルと同じ振幅のトルク指令が出力される必要がある。

しかし、電動機の回転速度を高速にすると、トルクリップルの周波数が速度ループ制御器の周波数帯域を超えるため、速度ループ制御器が反応できず速度ループ制御器から出力されるトルク指令は、トルクリップルより振幅が小さくなってしまう。このため、補正量が小さくなり、高速では正確に補正量を算出できないという課題があった。一方、低速であっても、どこまで回転速度を低くすれば正確に補正量を算出できるかについては、トルクリップルの周波数と速度ループ制御器の帯域を把握して決める必要がある。

しかし、トルクリップルの周波数は電動機毎に異なり、速度ループの周波数帯域も電動機が取付けられる機械の剛性等によって異なるため、補正時の回転速度も電動機や制御器の種類毎に異なる。このため、特に、多種の制御器、電動機を取り扱う場合は、作業者が誤った回転速度を指令してしまうことがあり、低速でも正確に補正量を算出できない場合があった。

本発明に係るトルクリップル補正機能を備えた電動機の制御装置は、電動機の回転角度を検出する回転角度検出器と、前記回転角度を二階微分して前記電動機の角加速度を算出する角加速度算出部と、前記角加速度と前記電動機のロータ慣性モーメントとを乗算して前記角加速度をトルクに換算するトルク算出部と、トルク指令からオフセットを除去しトルク指令の脈動分を算出するオフセット除去部と、前記トルク算出部で算出したトルクとオフセット除去部から出力されるトルク指令の脈動分を加算してトルクリップルを算出するトルクリップル加算部と、前記回転角度検出器により検出された回転角度及び前記トルクリップル加算部により算出された前記トルクリップルに基づき、回転角度に対応したトルクリップル補正量を算出する補正量算出部と、前記補正量算出部で算出した補正量をトルク指令に加える補正量加算部を備える。

本発明によれば、高速でも正確にトルクリップル補正量を算出できる。また、速度によらず正確にトルクリップル補正量を算出できるため、作業者が誤った回転速度を指令して、正確な補正量を算出できないことがなくなる。

本発明の第１の実施形態のトルクリップル補正機能を備えた制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明におけるトルクリップル補正機能を備えた制御装置のフローチャートである。 従来のトルクリップル補正機能を備えた制御装置の概略構成図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係るトルクリップル補正機能を備えた制御装置１の構成を示すブロック図である。トルクリップル補正機能を備えた制御装置１は、電動機１１を制御する装置であり、回転角度検出器１２、比例増幅器２２、電流分配器２３、積分増幅器２４、電流制御部２５、微分器２６、３相ＰＷＭインバータ２８、電流検出器２９、トルクリップル検出部３０、補正量算出部３５、補正量加算部３６を備えている。トルクリップル検出部３０は、角加速度算出部３１と、トルク算出部３２と、オフセット除去部３３と、トルクリップル加算部３４で構成される。

この制御装置において、回転速度指令Ｖ＊が入力されると、回転角度検出器１２の検出値を微分器２６で微分して得られる電動機１１の回転速度との差分が、比例増幅器２２および積分増幅器２４によってＰＩ演算されてトルク指令Ｔ＊が生成される。トルク指令Ｔ＊には、回転軸の摩擦トルクなどのオフセット分と電動機のトルクリップルによる脈動分が含まれるため、オフセット除去部３３では、このトルク指令Ｔ＊のオフセット分を除去しトルク指令Ｔ＊の脈動分のみを取り出す。角加速度算出部３１では回転角度検出器１２で検出した回転角度を二階微分して角加速度を算出し、トルク算出部３２は、角加速度算出部３１で算出した角加速度に既知である回転軸の慣性モーメントを乗算してトルクを算出する。トルクリップル加算部３４は、オフセット除去部３３から出力されるトルク指令Ｔ＊の脈動分とトルク算出部３２から出力されるトルク算出値を足し合わせる。ただし、トルク算出部３２から出力されるトルク算出値は、トルクリップルと同極性であり、トルクリップル補正量としてトルクリップルの逆極性とするため、トルク算出部３２の出力の極性を反転してからトルクリップル加算部３４で足し合わせる。このトルクリップル加算部３４の出力がトルクリップル補正量となる。

補正量算出部３５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３７、メモリ３８で構成されている。メモリ３８は、各種プログラムや制御パラメータ等を記憶したＲＯＭや、検出データ等を書き換え可能に記憶するＲＡＭなどから構成されている。メモリ３８が記憶するプログラムとしては、例えば、回転角度検出器１２の検出値とトルクリップル加算部３４から出力されるトルクリップル補正量をもとに回転角度に対応したトルクリップル補正量を作成するプログラムや、作成されたトルクリップル補正量をメモリ３８に記憶するプログラム、回転角度検出器１２の検出値に対応したトルクリップル補正量を出力するプログラム等がある。また、中央演算処理装置３７は、メモリに記憶された各種プログラムを読み出して実行する機能を有する。

補正量加算部３６は、補正量算出部３５から出力される回転角度に応じたトルクリップル補正量をトルク指令Ｔ＊に足し合わせる。このトルクリップル補正量を足し合わせたトルク指令Ｔ＊´の入力を受けて電流分配器２３は、３相電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊のうち２相分の電流指令Ｉｕ＊、Ｉｖ＊を生成して電流制御部２５へ出力する。このとき、電流指令を生成する際に、回転角度検出器１２による検出値が考慮される。電流制御部２５は、電流分配器２３から入力された電流指令Ｉｕ＊およびＩｖ＊と、ｉｕ＊＋ｉｖ＊＋ｉｗ＊＝０の関係式から導出される電流指令Ｉｗ＊とに基づいて、３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊を生成して３相ＰＷＭインバータ２８へ出力する。電動機１１は、直流電源２７から供給される直流電圧を３相ＰＷＭインバータ２８が前記３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊に基づいて変換した３相交流電圧を印加して駆動される。実際に電動機１１に印加する電圧は、電流制御部２５において、電流検出器２９によって検出された電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗとの偏差から求めた３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊である。

次に、トルクリップル補正量の算出手順について、図２に基づき説明する。まず、ステップＳ１０において、制御装置に一定回転速度指令Ｖ＊を入力する。ここで、入力する回転速度指令Ｖ＊は、低い回転速度に限定されず、電動機１１の回転速度範囲内の任意の値でよい。回転速度指令Ｖ＊が入力されると、上述したように電動機１１が一定回転速度制御される。

次に、ステップＳ１１において回転角度検出器１２によって検出される電動機１１の回転角度とトルク指令Ｔ＊を記憶する。

続いて、ステップＳ１２において電動機１１が１回転したかどうかを判断する。電動機１１が１回転したかどうかは、トルクリップル補正量算出開始後、最初に記憶した回転角度と現在の回転角度との差が３６０°を超えるかどうかで判断する。電動機１１が１回転していなければ、再度ステップＳ１１で電動機１１の回転角度と、トルク指令Ｔ＊を記憶する。この動作を電動機１１が１回転するまで繰り返す。

全ての周期のトルクリップルを測定するため、電動機１１の１回転分の回転角度とトルク指令Ｔ＊を採取することが望ましいが、必ずしも１回転分採取する必要はなく、例えばトルクリップルの周期がわかっている場合は、最低、（トルクリップル周期／３６０°）だけのデータを採取すればよい。

そして、電動機１１が１回転したら、ステップＳ１３において、採取したデータをもとに回転角度に対応したトルクリップル補正量を算出する。

次に、本実施形態で、高速でも正確にトルクリップル補正量を算出できる理由について説明する。上述課題において、特許文献１で示されるトルクリップル補正機能を備えた制御装置では、トルクリップルの周波数が速度ループ制御器の周波数帯域を超えると、速度ループ制御器が反応できなくなるため速度ループ制御器から出力されるトルク指令はトルクリップルより小さくなってしまい正確にトルクリップル補正量が求まらないことを説明した。

本実施形態においては、トルクリップル補正量を、速度ループ制御器が出力するトルク指令Ｔ＊の脈動分と、電動機１１の回転速度の変動により算出されるトルクリップルと、の２つを足し合わせることでトルクリップル補正量を算出している。このため、トルクリップルの周波数が、速度ループ制御器の周波数帯域を上回るような高回転速度において、速度ループ制御器で打ち消されず残ったトルクリップルは、回転速度の変動から算出されるトルクリップルで考慮されるため、トルクリップル補正量を正確に算出することができる。

なお、本実施形態においては、トルクリップル検出部３０に角加速度算出部３１と、トルク算出部３２と、オフセット除去部３３と、トルクリップル加算部３４を備えたことによって、高速では正確にトルクリップル補正量を算出できないという課題を解決できるものであり、例えばトルクリップル検出部３０が角加速度算出部３１と、トルク算出部３２だけで構成された場合は、下記の理由により課題を解決できない。

まず、本実施形態と同様に速度制御状態で補正量を算出する場合を考えると、トルク算出部で算出されるトルクリップル補正量は、回転角度検出器１２の検出角度を二階微分した値に回転軸慣性モーメントを乗じた値のみで算出されるため、速度ループ制御器がトルクリップルによる速度変動を打ち消した分だけ補正量が小さくなってしまう。このため、この構成においては速度制御ではなく、速度変動を打ち消す制御がされないよう定トルク制御で補正量を算出することになる。定トルク制御では電動機１１は等角加速度で加速することになるが、高速に補正量を算出するためにトルク指令値を大きくすると、電動機１１の角加速度が大きくなり、これにより、回転角度検出器１２の検出位置に多くのノイズが生じてしまう。よって、回転角度検出器１２の検出位置を二階微分して算出される補正量はノイズにより正確さを欠く。本実施形態においては、一定速度制御状態において、補正量を算出することができるためノイズによる影響が少なく、高速でも正確にトルクリップル補正量を算出することができる。

１ トルクリップル補正機能を備えた制御装置 、１１ 電動機、１２ 回転角度検出器、２１ 比例増幅器、２３ 電流分配器、２４ 積分増幅器、２５ 電流制御部、２６ 微分器、２７ 直流電源、２８ ３相ＰＷＭインバータ、２９ 電流検出器、３０ トルクリップル検出部、３１ 角加速度算出部、３２ トルク算出部、３３ オフセット除去部、３４ トルクリップル加算部、３５ 補正量算出部、３６ 補正量加算部、３７ 中央演算処理装置、３８ メモリ。

Claims (3)

1. トルクリップル補正機能を備えた電動機の制御装置であって、
   前記電動機の回転角度を検出する回転角度検出器と、
   前記回転角度を二階微分して前記電動機の角加速度を算出する角加速度算出部と、
   前記角加速度と前記電動機のロータ慣性モーメントとを乗算して前記角加速度をトルクに換算するトルク算出部と、
   トルク指令からオフセットを除去し、トルク指令に含まれる脈動分を算出するオフセット除去部と、
   前記トルク算出部で算出したトルクと、オフセット除去部から出力されるトルク指令の脈動分と、を加算してトルクリップルを算出するトルクリップル加算部と、
   前記回転角度検出器により検出された回転角度、及び、前記トルクリップル加算部により算出された前記トルクリップルに基づき、回転角度に対応したトルクリップル補正量を算出する補正量算出部と、
   前記補正量算出部で算出した補正量を前記トルク指令に加える補正量加算部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記トルクリップル加算部は、前記トルク算出部で算出したトルク、および、前記オフセット除去部から出力されるトルク指令の脈動分、それぞれの前記トルクリップルに対する極性を揃えたうえで、前記算出したトルクおよび前記トルク指令の脈動分を加算する、ことを特徴とする制御装置。
3. 請求項１または２に記載の制御装置であって、
   前記トルクリップル加算部は、前記電動機が、少なくとも、（トルクリップル周期／３６０°）分回転する期間中の回転角度毎の前記トルクリップルを算出する、ことを特徴とする制御装置。

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