JP3030461B2 - 電動機の制御方法及び装置 - Google Patents
電動機の制御方法及び装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電動機の制御方法及び装置に係り、特に振動性
負荷を駆動するに好適な電動機の制御方法及び装置に関
する。
負荷を駆動するに好適な電動機の制御方法及び装置に関
する。
変動する負荷トルクにより駆動系の軸がねじり振動す
る電動機の制御方法しとて、電動機速度のモデルを備
え、そのモデルが出力する電動機基準速度と実際の電動
機速度との差に比例した値を電動機速度制御装置の電流
指令（これはトルク指令と等価である）に加える方法
が、電気学会半導体電力研究会資料SPC−86−２（昭和6
1年２月）の第11頁から20頁に電動機速度制御系への適
応モデル追従制御の応用と題して記載されている。
る電動機の制御方法しとて、電動機速度のモデルを備
え、そのモデルが出力する電動機基準速度と実際の電動
機速度との差に比例した値を電動機速度制御装置の電流
指令（これはトルク指令と等価である）に加える方法
が、電気学会半導体電力研究会資料SPC−86−２（昭和6
1年２月）の第11頁から20頁に電動機速度制御系への適
応モデル追従制御の応用と題して記載されている。
上記従来技術は、モデルが出力する電動機基準速度と
実際の電動機速度との差に比例した値を電動機速度制御
装置の電流指令（トルク指令と等価）に加えることによ
って、振動性の負荷であっても電動機慣性モーメントJM
に対して負荷慣性モーメントJLが大きい場合は振動を抑
制し安定な制御が可能であるが、その反対に電動機慣性
モーメントJMに対して負荷慣性モーメントJLが小さい場
合即ち、JL／JMが0.2程度になると振動を抑制する制御
が困難になってくる。また、速度制御要素、電流制御要
素（トルク制御と等価）を制御系に含むことによる制御
応答に対する影響について配慮がされておらず、電流制
御要素の制御応答が遅れる時に振動を抑制する制御が不
十分となる問題があった。
実際の電動機速度との差に比例した値を電動機速度制御
装置の電流指令（トルク指令と等価）に加えることによ
って、振動性の負荷であっても電動機慣性モーメントJM
に対して負荷慣性モーメントJLが大きい場合は振動を抑
制し安定な制御が可能であるが、その反対に電動機慣性
モーメントJMに対して負荷慣性モーメントJLが小さい場
合即ち、JL／JMが0.2程度になると振動を抑制する制御
が困難になってくる。また、速度制御要素、電流制御要
素（トルク制御と等価）を制御系に含むことによる制御
応答に対する影響について配慮がされておらず、電流制
御要素の制御応答が遅れる時に振動を抑制する制御が不
十分となる問題があった。
本発明の課題は、電動機慣性モーメントに対して負荷
慣性モーメントが小さい駆動系においても、振動を抑制
する制御が可能な電動機の制御方法及び装置を提供する
ことにある。
慣性モーメントが小さい駆動系においても、振動を抑制
する制御が可能な電動機の制御方法及び装置を提供する
ことにある。
上記課題は、速度指令と実際の電動機速度との差を入
力し、該差に応じたトルク信号を生成し、電動機速度モ
デルにより前記トルク信号に対応した電動機のモデル基
準速度を生成し、該モデル基準速度と実際の電動機速度
との差を求め、該差を補償伝達関数により補償処理した
補償トルク信号を前記トルク信号に加算した補正トルク
信号に基づいて前記電動機の発生トルクを制御し、前記
補償伝達関数を、前記実際の電動機速度から前記電動機
の発生トルクに至る制御の伝達関数が、負帰還の比例補
償要素と正帰還の微分補償要素の和からなる伝達関数に
なるように設定することにより解決できる。
力し、該差に応じたトルク信号を生成し、電動機速度モ
デルにより前記トルク信号に対応した電動機のモデル基
準速度を生成し、該モデル基準速度と実際の電動機速度
との差を求め、該差を補償伝達関数により補償処理した
補償トルク信号を前記トルク信号に加算した補正トルク
信号に基づいて前記電動機の発生トルクを制御し、前記
補償伝達関数を、前記実際の電動機速度から前記電動機
の発生トルクに至る制御の伝達関数が、負帰還の比例補
償要素と正帰還の微分補償要素の和からなる伝達関数に
なるように設定することにより解決できる。
上記の解決手段によれば、速度指令と実際の電動機速
度との差に応じたトルク信号を、モデル基準速度と実際
の電動機速度との差を補償伝達関数により補償処理した
補償トルク信号により補正するものとし、その補償伝達
関数を、実際の電動機速度から電動機の発生トルクに至
る制御の伝達関数が、負帰還の比例補償要素と正帰還の
微分補償要素の和からなる伝達関数になるように設定し
たことから、電動機はダンピングトルクを発生し、電動
機から負荷までの機械系のダンピング効果が小さく、電
動機慣性モーメントに対して負荷慣性モーメントが小さ
い場合においても、系の特性を非振動系に変えて、振動
を抑制できる。
度との差に応じたトルク信号を、モデル基準速度と実際
の電動機速度との差を補償伝達関数により補償処理した
補償トルク信号により補正するものとし、その補償伝達
関数を、実際の電動機速度から電動機の発生トルクに至
る制御の伝達関数が、負帰還の比例補償要素と正帰還の
微分補償要素の和からなる伝達関数になるように設定し
たことから、電動機はダンピングトルクを発生し、電動
機から負荷までの機械系のダンピング効果が小さく、電
動機慣性モーメントに対して負荷慣性モーメントが小さ
い場合においても、系の特性を非振動系に変えて、振動
を抑制できる。
本発明の実施例を図や表を用いて説明する。
第１図は本発明をモデル追従型の適応制御AMFC（Adap
tive Model Following Control）に適用した実施例のブ
ロック図を示したものである。速度制御回路１に速度指
令ωRと実際の電動機速度ωMの差を入力し電動機24が発
生すべきトルクを決めるトルク信号TRSを演算して出力
する。速度制御回路１の出力のトルク信号TRSを速度モ
デル８に入力しトルクに対応する電動機24の基準速度ω
Sを出力する。この基準速度ωSと振動している実際の電
動機速度ωMとの差から速度の振動成分を抽出し、補償
伝達関数９に出力する。補償伝達関数９では振動を抑制
する補償トルク信号TRCを演算し出力する。速度制御回
路１が出力するトルク信号TRSとこの補償トルク信号TRC
を加算器２に入力して加算し補正トルク信号TRを出力す
る。補正トルク信号TRをトルク制御回路３に入力し電動
機24の電流を制御する電流制御信号を演算して出力す
る。この電流制御信号を電力変換器23に入力し電力変換
器23は電動機24に供給する電流を制御し発生する電動機
トルクTMを制御する。
tive Model Following Control）に適用した実施例のブ
ロック図を示したものである。速度制御回路１に速度指
令ωRと実際の電動機速度ωMの差を入力し電動機24が発
生すべきトルクを決めるトルク信号TRSを演算して出力
する。速度制御回路１の出力のトルク信号TRSを速度モ
デル８に入力しトルクに対応する電動機24の基準速度ω
Sを出力する。この基準速度ωSと振動している実際の電
動機速度ωMとの差から速度の振動成分を抽出し、補償
伝達関数９に出力する。補償伝達関数９では振動を抑制
する補償トルク信号TRCを演算し出力する。速度制御回
路１が出力するトルク信号TRSとこの補償トルク信号TRC
を加算器２に入力して加算し補正トルク信号TRを出力す
る。補正トルク信号TRをトルク制御回路３に入力し電動
機24の電流を制御する電流制御信号を演算して出力す
る。この電流制御信号を電力変換器23に入力し電力変換
器23は電動機24に供給する電流を制御し発生する電動機
トルクTMを制御する。
電動機24は機械軸25を介して負荷26と連結され、負荷
26は負荷速度ωLで駆動される。電動機24の軸に連結し
たエンコーダ27で回転速度に比例したパルスを出力し、
そのパルスを速度検出器28に入力し回転速度に変換して
実際の電動機速度ωMを出力する。
26は負荷速度ωLで駆動される。電動機24の軸に連結し
たエンコーダ27で回転速度に比例したパルスを出力し、
そのパルスを速度検出器28に入力し回転速度に変換して
実際の電動機速度ωMを出力する。
第２図は、第１図で示した電動機24の実際の電動機速
度ωMから電動機トルクTM迄の制御系を伝達関数ブロッ
クで示したものである。第１図と対応するブロックは同
じ番号で示す。電動機24から負荷26迄の機械系はブロッ
ク11に示すような２次の振動系となる。ブロック４に示
すJMは電動機慣性モーメント、ブロック５に示すＫは機
械軸25のバネ定数、ブロック６に示すＤは振動を吸収す
る要素である機械軸25のダンピング係数、ブロック７に
示すJLは負荷慣性モーメントである。
度ωMから電動機トルクTM迄の制御系を伝達関数ブロッ
クで示したものである。第１図と対応するブロックは同
じ番号で示す。電動機24から負荷26迄の機械系はブロッ
ク11に示すような２次の振動系となる。ブロック４に示
すJMは電動機慣性モーメント、ブロック５に示すＫは機
械軸25のバネ定数、ブロック６に示すＤは振動を吸収す
る要素である機械軸25のダンピング係数、ブロック７に
示すJLは負荷慣性モーメントである。
次に補償伝達関数９の構成及び定数を決める方法につ
いて説明する。まず、振動を抑制する為の実際の電動機
速度ωMから電動機トルクTM迄のうち、速度制御回路１
と速度モデル８を含まないモデル伝達関数GC（ｓ）とそ
の定数を求める。
いて説明する。まず、振動を抑制する為の実際の電動機
速度ωMから電動機トルクTM迄のうち、速度制御回路１
と速度モデル８を含まないモデル伝達関数GC（ｓ）とそ
の定数を求める。
第３図は第２図に示した全体ブロックのうち速度制御
回路１、トルク制御回路３等を含む破線で囲まれた制御
回路部ブロック10をモデル伝達関数16に置換したもので
ある。モデル伝達関数16を負の符号でフィードバックす
る負帰還の比例要素と正の符号でフィードバックする正
帰還の微分要素とで構成すると次式（１）で表わすこと
が出来る。
回路１、トルク制御回路３等を含む破線で囲まれた制御
回路部ブロック10をモデル伝達関数16に置換したもので
ある。モデル伝達関数16を負の符号でフィードバックす
る負帰還の比例要素と正の符号でフィードバックする正
帰還の微分要素とで構成すると次式（１）で表わすこと
が出来る。
モデル伝達関数GC（ｓ）＝k2ｓ−k1 …（１） 但しｓはラプラス演算子 第４図は第３図に示したブロック15のＤが機械系の持
つ振動減衰定数として小さいから無視して表わしたもの
である。第４図において破線で囲まれたブロック20を軸
トルクTSから（ωM−ωL）迄での伝達関数はブロックの
等価交換により次式（２）で表わすことが出来る。
つ振動減衰定数として小さいから無視して表わしたもの
である。第４図において破線で囲まれたブロック20を軸
トルクTSから（ωM−ωL）迄での伝達関数はブロックの
等価交換により次式（２）で表わすことが出来る。
第５図は（２）式より第４図の制御系を２つの積分要
素（ブロック21の分母左辺）と１次遅れ要素（ブロック
21の分母右辺）及び比例＋微分の和になる進み要素（ブ
ロック21の分子）の積で表わしたものである。
素（ブロック21の分母左辺）と１次遅れ要素（ブロック
21の分母右辺）及び比例＋微分の和になる進み要素（ブ
ロック21の分子）の積で表わしたものである。
（２）式より１次遅れ要素、進み要素時定数はモデル伝
達関数GC（ｓ）の定数k1，k2を選ぶことにより任意に設
定可能となる。十分なゲイン余裕を取るように１次遅れ
要素、進み要素時定数即ち、k1、k2を設定することによ
り振動の少ない安定な制御を行なうことが出来る。
達関数GC（ｓ）の定数k1，k2を選ぶことにより任意に設
定可能となる。十分なゲイン余裕を取るように１次遅れ
要素、進み要素時定数即ち、k1、k2を設定することによ
り振動の少ない安定な制御を行なうことが出来る。
次にボード線図によりk1、k2を設定する方法を説明す
る。
る。
第６図は、第５図の開ループ線図であり、破線は各要
素のゲイン特性、実線は全体のゲイン特性を示したもの
である。一般に0db線を横切る時の傾斜が−20db/decで
あり、また、その−20db/decの傾斜部分が長いほど安定
で非振動の制御特性を示す。通常0dbから上側の正側ゲ
イン余裕gm1と下側の負側ゲイン余裕gm2はともに6db以
上に設計する。またゲイン余裕gm1、gm2より（２）の進
み要素角周波数ω1と１次遅れ要素の角周波数ω2が一義
的に求められるので次式（３）、（４）が成立しモデル
伝達関数GC（ｓ）の定数k1、k2を（５）、（６）式から
設定可能となる。
素のゲイン特性、実線は全体のゲイン特性を示したもの
である。一般に0db線を横切る時の傾斜が−20db/decで
あり、また、その−20db/decの傾斜部分が長いほど安定
で非振動の制御特性を示す。通常0dbから上側の正側ゲ
イン余裕gm1と下側の負側ゲイン余裕gm2はともに6db以
上に設計する。またゲイン余裕gm1、gm2より（２）の進
み要素角周波数ω1と１次遅れ要素の角周波数ω2が一義
的に求められるので次式（３）、（４）が成立しモデル
伝達関数GC（ｓ）の定数k1、k2を（５）、（６）式から
設定可能となる。
また、正側ゲイン余裕gm1と負側ゲイン余裕gm2は通常
等しく設計する。この場合のk1、k2は（５）、（６）、
（８）、（９）、（10）式から求めることが可能とな
る。
等しく設計する。この場合のk1、k2は（５）、（６）、
（８）、（９）、（10）式から求めることが可能とな
る。
なお、ゲイン余裕を6db以上にすれば、ほぼ非振動の
制御特性を示すのでｇは４以上に設定すればよい。
制御特性を示すのでｇは４以上に設定すればよい。
以上述べたように、実際の電動機速度ωMから電動機
トルクTM迄の伝達関数を負帰還の比例要素と正帰還の微
分要素とで構成することにより安定に振動を抑制する制
御を実現出来る。
トルクTM迄の伝達関数を負帰還の比例要素と正帰還の微
分要素とで構成することにより安定に振動を抑制する制
御を実現出来る。
ところで実際に電動機24を制御する場合には、モデル
と異なり第１図のように速度制御回路１やトルク制御回
路３が含まれ、振動抑制効果に与える影響が無視出来な
くなる。そこで第２図に示す10の伝達関数が第４図に示
すモデル伝達関数19と等価になるように補償伝達関数９
を構成する。従って実際の電動機速度ωMから電動機ト
ルクTM迄の伝達関数は次式で表わすことが出来る。
と異なり第１図のように速度制御回路１やトルク制御回
路３が含まれ、振動抑制効果に与える影響が無視出来な
くなる。そこで第２図に示す10の伝達関数が第４図に示
すモデル伝達関数19と等価になるように補償伝達関数９
を構成する。従って実際の電動機速度ωMから電動機ト
ルクTM迄の伝達関数は次式で表わすことが出来る。
（11）をgc（ｓ）について解くと補償伝達関数が得られ
る。
る。
負荷慣性モーメントJLと電動機慣性モーメントJMの比
JL／JMが0.2、共振周波数15Hzで従来振動抑制効果が得
られなかったシステムに本実施例を適用してシミュレー
ションを行なった。シミューレーションの条件は速度制
御回路１を比例＋積分制御、トルク制御回路３を１次遅
れ系、速度モデル８を１次遅れ系×積分、補償伝達関数
９は（12）式により、ゲイン余裕gm1とgm2はそれぞれ10
dbとし、k1、k2は（９）、（10）式から設定した。
JL／JMが0.2、共振周波数15Hzで従来振動抑制効果が得
られなかったシステムに本実施例を適用してシミュレー
ションを行なった。シミューレーションの条件は速度制
御回路１を比例＋積分制御、トルク制御回路３を１次遅
れ系、速度モデル８を１次遅れ系×積分、補償伝達関数
９は（12）式により、ゲイン余裕gm1とgm2はそれぞれ10
dbとし、k1、k2は（９）、（10）式から設定した。
第7a図は従来技術による制御の応答パターンを示す。
速度指令ωRのステップ変化に対し電動機24が発生する
電動機トルクTMが加わると機械軸25がねじれ振動を起す
ので負荷速度ωLは実際の電動機速度ωMに振動しながら
追従している。
速度指令ωRのステップ変化に対し電動機24が発生する
電動機トルクTMが加わると機械軸25がねじれ振動を起す
ので負荷速度ωLは実際の電動機速度ωMに振動しながら
追従している。
第7b図は本実施例による制御の応答パターンを示し、
速度指令ωRのステップ変化に対し電動機24がダンピン
グトルクを発生しねじれ振動が抑制されるので負荷速度
ωLは実際の電動機速度ωMに良く追従している。
速度指令ωRのステップ変化に対し電動機24がダンピン
グトルクを発生しねじれ振動が抑制されるので負荷速度
ωLは実際の電動機速度ωMに良く追従している。
以上述べたように本実施例によると、電動機慣性モー
メントJMに対して負荷慣性モーメントJLが小さい場合に
振動を抑制することが出来る。更に、速度制御回路１や
トルク制御回路３（電流制御回路と等価）の制御応答遅
れが大きい場合でも振動を抑制することが出来る。本実
施例では直流電動機を例に説明したが、トルク成分と励
磁成分を分離して制御するベクトル制御交流電動機に本
実施例を適用してもその構成から同様の効果が得られ
る。
メントJMに対して負荷慣性モーメントJLが小さい場合に
振動を抑制することが出来る。更に、速度制御回路１や
トルク制御回路３（電流制御回路と等価）の制御応答遅
れが大きい場合でも振動を抑制することが出来る。本実
施例では直流電動機を例に説明したが、トルク成分と励
磁成分を分離して制御するベクトル制御交流電動機に本
実施例を適用してもその構成から同様の効果が得られ
る。
本発明によれば、電動機の制御系の電動機速度から電
動機発生トルク迄を負帰還の比例補償要素と正帰還の微
分補償要素の和からなる補償伝達関数にて構成すること
により、電動機はダンピングトルクを発生し、電動機慣
性モーメントJMに対して負荷慣性モーメントJLが小さい
場合においても、系の特性を非振動系に変えて振動を抑
制するすることができる。
動機発生トルク迄を負帰還の比例補償要素と正帰還の微
分補償要素の和からなる補償伝達関数にて構成すること
により、電動機はダンピングトルクを発生し、電動機慣
性モーメントJMに対して負荷慣性モーメントJLが小さい
場合においても、系の特性を非振動系に変えて振動を抑
制するすることができる。
第１図は本発明をモデル追従型の適応制御AMFCに適用し
た実施例のブロック図、第２図は本発明の実施例に係る
振動性の負荷を駆動する電動機を制御する制御系と機械
系のブロック線図、第３図は第２図に示した制御系をモ
デル伝達関数に置換したブロック線図、第４図は第３図
に示したモデル伝達関数を負帰還の比例補償要素と正帰
還の微分補償要素の和からなる補償伝達関数に置換した
ブロック線図、第５図は第４図の等価変換ブロック線
図、第６図は第５図に示したブロック線図の開ループボ
ード線図、第7a図は従来技術による制御の応答パターン
を示す図表、第7b図は本発明の実施例による制御の応答
パターンを示す図表である。 １…速度制御回路、２…加算器、３…トルク制御回路、
８…速度モデル、９…補償伝達関数、10…制御回路部ブ
ロック、16…モデル伝達関数、19…モデル伝達関数、23
…電力変換器、24…電動機、25…機械軸、26…負荷、27
…エンコーダ、28…速度検出器。
た実施例のブロック図、第２図は本発明の実施例に係る
振動性の負荷を駆動する電動機を制御する制御系と機械
系のブロック線図、第３図は第２図に示した制御系をモ
デル伝達関数に置換したブロック線図、第４図は第３図
に示したモデル伝達関数を負帰還の比例補償要素と正帰
還の微分補償要素の和からなる補償伝達関数に置換した
ブロック線図、第５図は第４図の等価変換ブロック線
図、第６図は第５図に示したブロック線図の開ループボ
ード線図、第7a図は従来技術による制御の応答パターン
を示す図表、第7b図は本発明の実施例による制御の応答
パターンを示す図表である。 １…速度制御回路、２…加算器、３…トルク制御回路、
８…速度モデル、９…補償伝達関数、10…制御回路部ブ
ロック、16…モデル伝達関数、19…モデル伝達関数、23
…電力変換器、24…電動機、25…機械軸、26…負荷、27
…エンコーダ、28…速度検出器。
フロントページの続き (72)発明者 神山 健三 茨城県日立市大みか町５丁目２番１号 株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 飛世 正博 茨城県日立市大みか町５丁目２番１号 株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 松井 孝行 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−126881（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02P 5/00
Claims (3)
- 【請求項１】速度指令と実際の電動機速度との差を入力
し、該差に応じたトルク信号を生成し、電動機速度モデ
ルにより前記トルク信号に対応した電動機のモデル基準
速度を生成し、該モデル基準速度と実際の電動機速度と
の差を求め、該差を補償伝達関数により補償処理した補
償トルク信号を前記トルク信号に加算した補正トルク信
号に基づいて前記電動機の発生トルクを制御し、前記補
償伝達関数を、前記実際の電動機速度から前記電動機の
発生トルクに至る制御の伝達関数が、負帰還の比例補償
要素と正帰還の微分補償要素の和からなる伝達関数にな
るように設定することを特徴とする電動機の制御方法。 - 【請求項２】前記伝達関数を（k2s−k1）とし、電動機
慣性モーメントをJM、負荷慣性モーメントをJL、電動機
と負荷間のバネ定数をＫとし、 とし、gm1，gm2をそれぞれ６以上に設定することを特徴
とする請求項１に記載の電動機の制御方法。 - 【請求項３】速度指令と実際の電動機速度との差を入力
し、該差に応じたトルク信号を出力する速度制御回路
と、該トルク信号に対応した電動機のモデル基準速度を
出力する電動機速度モデルと、該モデル基準速度と実際
の電動機速度との差を入力し、該差を補償伝達関数によ
り補償処理して補償トルク信号を出力する補償伝達関数
回路と、前記補償トルク信号を前記トルク信号に加算す
るトルク補正回路と、該補正された補正トルク信号に基
づいて前記電動機の発生トルクを制御するトルク制御回
路とを備えてなり、前記補償伝達関数回路の前記補償伝
達関数を、前記実際の電動機速度から前記電動機の発生
トルクに至る制御の伝達関数が、負帰還の比例補償要素
と正帰還の微分補償要素の和からなる伝達関数になるよ
うに設定してなることを特徴とする電動機の制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2107797A JP3030461B2 (ja) | 1990-04-24 | 1990-04-24 | 電動機の制御方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2107797A JP3030461B2 (ja) | 1990-04-24 | 1990-04-24 | 電動機の制御方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH048187A JPH048187A (ja) | 1992-01-13 |
| JP3030461B2 true JP3030461B2 (ja) | 2000-04-10 |
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ID=14468275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2107797A Expired - Fee Related JP3030461B2 (ja) | 1990-04-24 | 1990-04-24 | 電動機の制御方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3030461B2 (ja) |
-
1990
- 1990-04-24 JP JP2107797A patent/JP3030461B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH048187A (ja) | 1992-01-13 |
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