JP3230397B2

JP3230397B2 - 可変速駆動装置およびその装置を用いた速度推定装置

Info

Publication number: JP3230397B2
Application number: JP30328494A
Authority: JP
Inventors: 康弘山本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH08163884A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ロータリーエンコー
ダを用いた速度検出方式により速度制御を行う可変速駆
動装置に係わり、特に、負荷トルクオブザーバによって
負荷トルクを推定し、インパクトドロップ補償や極低速
域の速度制御性能を改善する零速オブザーバによる可変
速駆動装置およびその装置を用いた速度推定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在では、ディジタル演算器が高性能に
構成されるようになったため、モータ及び負荷の機械系
のモデルを制御演算器の内部に持って、モデルの挙動を
演算することができるようになってきている。このた
め、上記演算器の高性能化により、可変速駆動装置を用
いて電動機を速度制御する用途において、負荷急変時の
速度低下を抑制するインパクトドロップ補償が、例えば
鉄鋼の圧延設備などで実施されるようになって来てい
る。

【０００３】この制御原理として、モデルの速度と検出
速度とから負荷トルクを推定する負荷トルクオブザーバ
が提案され、現在盛んに使用されている。負荷トルクオ
ブザーバに関しても、種々な方式が提案されているが、
以下最小次元負荷トルクオブザーバを使用した例で説明
する。この負荷トルクオブザーバの原理ブロック図を図
８に示す。また、この負荷トルクオブザーバを発展さ
せ、ロータリーエンコーダのパルス間隔が速度制御周期
より長くなるような極低速域を改善する速度オブザーバ
の方式も提案されている。この速度オブザーバの制御ブ
ロック図を図９に示す。

【０００４】前記負荷トルクオブザーバは速度検出デー
タとモデル速度を比較しているが、極低速域では、ロー
タリーエンコーダの発生するパルス周期が非常に長くな
り、制御周期毎にパルスが発生しない期間がでてくるた
め、速度検出データが連続して得られなくなってしま
う。このような間欠的な速度検出条件では、トルクオブ
ザーバの演算自体が停止してしまい、システム全体も正
常に動作しなくなる。このような極低速域での対策は論
文などにもいまだ発表されていない。

【０００５】まず、エンコーダパルスを用いた速度検出
方式の原理について述べるに、図１０に示すロータリー
エンコーダを使用した速度制御系について考える。図１
０において、１１は速度指令と速度検出との偏差を採る
偏差器で、この偏差器１１の偏差出力を速度制御部１２
を介してモータドライバ１３に供給する。１４はモータ
ドライバ１３により駆動されるモータである。１５はモ
ータ１４の速度を検出するロータリーエンコーダで、こ
のロータリーエンコーダ１５で検出した２相エンコーダ
信号は速度演算部１６に供給される。速度演算部１６の
出力には速度検出信号が得られる。

【０００６】速度演算部１６は図１１に示すように構成
されていて、そのタイミングチャートは図１２のように
なる。なお、２相エンコーダ信号は図１２（ａ），
（ｂ）に示すように９０°位相差のある方形波である。
図１１において、Ａ１はロータリエンコーダの２相パル
ス信号ＰＰＡ，ＰＰＢの波形整形を行い、パルス信号の
立ち上がり、立ち下がりエッジの時刻（ｊ）にエッジト
リガ信号ＥＤＧを発生する波形整形回路である。また、
この波形整形回路Ａ１はパルスのエッジの種類を判定
し、正転、反転に対応した位相カウンタＡ２のアップ、
ダウン制御信号Ｄ／Ｕも出力する。この波形整形回路Ａ
１から出力されるエッジトリガ信号により位相カウンタ
Ａ２はロータリエンコーダの回転位相に相当してアッ
プ、ダウンする。Ａ３は時間を計測するための基準クロ
ック信号発生部で、この発生部Ａ３で得られた基準クロ
ック信号は基準時刻カウンタＡ４と速度制御周期タイマ
Ａ５に供給される。この基準時刻カウンタＡ４は基準ク
ロック信号発生部Ａ３の信号をカウントアップして、時
刻を出力する。また、速度制御周期タイマＡ５は速度演
算ルーチンの開始信号を発生し、速度演算周期Ｔｓ毎に
サンプリング（以下サンプルと称す）トリガ（ｉ）を出
力するものである。

【０００７】Ａ６はサンプルトリガ（ｉ）の直前のパル
スエッジ（ｊ）での位相角を保持する第１ダブルラッ
チ、Ａ７は前回のサンプル（ｉ−１）の直前のパルスエ
ッジ（ｊ−１）での位相角を保持する第２ダブルラッチ
である。Ａ８は第１、第２ダブルラッチＡ６とＡ７のサ
ンプル値を減算して｛（ｊ−１），（ｊ）｝間の位相差
を求める第１減算器である。Ａ９はサンプル（ｉ）の直
前のパルスエッジ（ｊ）の発生時刻をラッチする第３ダ
ブルラッチ、Ａ１０は前回のサンプル（ｉ−１）の直前
のパルスエッジ発生時（ｊ−１）の時刻をラッチする第
４ダブルラッチである。Ａ１１は第３、第４ダブルラッ
チＡ９とＡ１０のサンプル値を減算し、｛（ｊ−１），
（ｊ）｝間の時間差を計算する第２減算器である。Ａ
１３は除算器で、第１減算器Ａ８の出力位相差を、第４
減算器Ａ１１の出力時間差で除算することにより、速度
検出値を出力するものである。なお、除算器Ａ１３の演
算は、次の（１）式により行われる。

【０００８】 ω_M(j-1→j)={θ_M(j)-θ_M(j-1)}／{ｔ(j)-ｔ(j-1)} ……（１） ω_M(j-1→j)：検出速度 θ_M（ｘ）：ｘのエンコーダエッジの発生時の回転位相
角ｔ（ｘ）：ｘのエンコーダエッジの発生時の時刻本来は、（１）式の演算はパルスエッジ（ｊ）が発生し
た直後に演算が可能であるが、実際には速度検出結果を
利用して速度制御演算を行うのは、タイマＡ５のＴｓの
時間周期（サンプル時刻をｉで示す）毎に実行する図１
２の符号Ｂ１で示した速度制御演算ルーチンにおいてで
ある。そのため、実際にはパルスの発生時刻ではなく、
サンプル時刻（ｉ）から始まる速度制御ルーチンの先頭
（図１２の符号Ｂ２で示す）で速度演算が行われてい
る。

【０００９】また、計測パルスの選択に関しては、速度
検出の精度のためにはできるだけパルス間隔を広く取る
必要があり、かつ、検出時間遅れも少なくするために
（ｉ−１）の直前のパルスエッジ｛ここでは（ｊ−１）
と定義する｝と、（ｉ）の直前のパルスエッジ｛（ｊ）
と定義する｝とを使用するとよい。このように、サンプ
リング周期の直前の（ｊ）のデータをラッチする方式を
ブロック図で記述するため、図１１に符号Ａ６で示すよ
うなダブルラッチの記号を使用した。図１１において、
ＳＷ１はエッジの発生周期毎にラッチし、次のパルスエ
ッジまで値を保持し、これをさらにＳＷ２により（ｉ）
の時刻でラッチすることにより、前述の（ｉ）の時刻の
直前のパルスエッジのデータを選択してラッチすること
が可能となる。なお、図１１ではラッチタイミングの種
類を判別しやすくするために、異なったラッチの記号で
記述しているが、どちらもデータ保持としての機能は同
じである。

【００１０】次に極低速域のロータリーエンコーダの出
力パルスについて述べる。ある程度の速度から速度が低
下し、零速度に到達する場合のタイミングチャートを図
１３に示す。ロータリーエンコーダの出力パルスは、速
度が低下するにつれて間隔が長くなり、零速になるとパ
ルスが発生しなくなる。ここで、サンプル間隔とパルス
の有無により図１３は３種類の領域に分類できる。

【００１１】分類１（正常動作）：エンコーダパルスｊ
がサンプル周期間Ｔ_S毎に常に発生している場合、この
場合は、速度検出がサンプル毎に検出可能である。

【００１２】分類２（極低速域）：分類１と次の分類３
との間には、サンプル周期毎にはパルスが発生しない
が、Ｔ_max以内には次のパルスが発生する条件が存在す
る。この場合は、極低速で回転していると判断する。

【００１３】分類３（零速域）前回のエンコーダパルス
の発生時刻から、Ｔ_maxの設定時刻より長い間次のパル
スが発生しない場合、この場合は前記（１）式の速度演
算を中止し、速度検出値を零に設定する。

【００１４】前述した負荷トルクオブザーバの方式は、
上記分類の内（分類１）の期間のみしか正常に動作でき
ない。そのため、サンプル周期間にパルスが発生せず速
度検出ができなければ、負荷トルクオブザーバの値は更
新されず前回値がずっと保持されたままになる。このよ
うな従来方式の負荷トルクオブザーバの構成を図１４に
示す。この図１４は図８の負荷トルクオブザーバと図１
１の速度検出方式とを組み合わせたものである。図１４
において、２１は速度検出部、２２はモデル速度演算
部、２３は平均化処理部、２４は負荷トルク推定部であ
る。速度検出部２１は図１１に示す速度検出方式に次の
構成要件が追加されたものである。

【００１５】零速判定部Ａ１２、切り替えスイッチＡ１
４及びＳＲラッチＡ１５を追加する。零速判定部Ａ１２
は、第４減算器Ａ１１の出力である時間差が設定零速検
出期間Ｔ_max以内に制限するリミッタＬＩＭと、Ｔ_maxを
オーバした場合にはＺ（ｊ−１→ｊ）の零速検出信号
を”１”にするコンパレータＣＯＰとで構成される。な
お、リミッタＬＩＭは前記（１）式の分母がオーバフロ
ーしないように制限するものである。切り替えスイッチ
Ａ１４は、零速判定部Ａ１２のコンパータＣＯＰの出力
Ｚ（ｊ−１→ｊ）が”１（零速検出）”の場合、除算器
Ａ１３の速度演算結果を強制的に零に切り替える動作を
行うものである。ＳＲラッチＡ１５は波形整形回路Ａ１
のエッジトリガｊによりセットし、速度制御周期タイマ
Ａ５のサンプルトリガ信号によりリセットするもので、
このＳＲラッチの機能は、サンプル周期（ｉ−１→ｉ）
の期間に１つ以上のパルスエッジが存在する場合には、
サンプルタイミング（ｉ）の時点で”１”を出力し、サ
ンプル時の演算直後にリセットされる。これにより、後
述する負荷トルクオブザーバのデータの更新の可否を制
御することができる。

【００１６】次に機械系のモデル速度演算部２２につい
て述べる。この機械系のモデル速度演算部２２は、トル
ク指令τ＊と負荷トルク推定値∧τ_Lとの差を求める第
５減算器２２１と、サンプル周期Ｔｓとモータや負荷の
慣性などより求められる機械的時定数Ｔ_M＊との比を乗
算する係数乗算器２２２と、この係数乗算器２２２の出
力をサンプル周期毎に積算する累算器２２３とにより構
成される。前記機械系のモデル速度演算部２２は出力に
サンプル時刻ｉの時点でのモデル速度ω_M'（ｉ）を送出
する。

【００１７】２３は平均化処理部で、特にモデル速度の
平均化処理演算を行う。負荷トルクオブザーバにおいて
は、モデル速度と検出速度との差を求める後述する減算
器Ａ２２が必要である。しかし、速度検出ω_M（ｊ−１
→ｊ）は（ｊ−１→ｊ）期間の平均値で出力されるのに
対し、モデル速度ω_M'（ｉ）は時刻（ｉ）の瞬時値であ
る。このため、速度検出期間の時間的な整合が取れな
い。そこで、モデル速度についても、速度検出期間（ｊ
−１→ｊ）と同一期間での平均値ω_M'（ｊ−１→ｊ）を
求めるものである。この処理部内では、次のＡ１８から
Ａ２１により構成されており、モデル速度の平均値を演
算する。Ａ１８はモデル位相角出力部で、この出力部Ａ
１８は、モデル速度ω_M'（ｉ）にサンプル周期期間Ｔｓ
を乗算して、サンプル期間の進み角に変換する乗算器２
２４と、その進み角の位相角を累算し出力にモデルの位
相角θ_M'（ｉ）を送出する累算器２２５とで構成され
る。Ａ１９は第５ダブルラッチで、この第５ダブルラッ
チＡ１９はモデル位相角出力部Ａ１８の出力位相角を第
１ダブルラッチＡ６と同一のタイミングでラッチする。
Ａ２０は第６ダブルラッチで、第２ダブルラッチＡ７と
同一のタイミングで第５ダブルラッチＡ１９の前回値を
保持するものである。Ａ２１は第５、第６ダブルラッチ
Ａ１９とＡ２０との位相差を零速判定部Ａ１２の時間差
で除算し、出力にモデル平均速度ω_M'（ｊ−１→ｊ）を
送出する除算器である。

【００１８】最後に負荷トルク推定部２４について述べ
る。Ａ２２は減算器で、この減算器Ａ２２は平均化処理
部２３の出力であるモデル速度の平均値ω_M'（ｊ−１→
ｊ）と速度検出ω_M（ｊ−１→ｊ）との差を演算し誤差
速度を演算するものである。Ａ２３は切り替えスイッチ
で、このスイッチＡ２３はＳＲラッチＡ１５が”１（パ
ルスが発生している）”である場合には、減算器Ａ２２
の誤差速度を選択出力し、ＳＲラッチＡ１５の出力が”
０（パルスが欠けている）”場合は減算器Ａ２２の出力
を無視して、前回値を続けて出力するものである。Ａ２
４は係数乗算器で、この係数乗算器Ａ２４は切り替えス
イッチＡ２３により選択された速度誤差にオブザーバゲ
インＧ１を乗算して出力に負荷トルク推定値∧τ_Lを出
力するものである。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述した負荷トルクオ
ブザーバ方式では、回転速度が十分に速くてパルスがサ
ンプル周期毎に発生する場合には、図１４に示す切り替
えスイッチＡ２３は、検出誤差を毎回更新することがで
きるため、常に最新の負荷トルク推定値が得られる。し
かし、極低速域や零速検出領域になるとサンプル周期毎
にパルスが発生しなくなり、負荷トルク推定値は前回値
を保持してしまう。このようなときには、従来は負荷ト
ルクの推定ができないという現象が生じてしまう問題が
ある。

【００２０】上記のように極低速域で負荷トルクオブザ
ーバの推定が停止してしまうと、インパクトドロップ補
償や、零速オブザーバの性能の低下という問題も引き起
こしてしまう恐れがある。もし、負荷トルクの推定限界
速度を引き下げることができれば、極低速域の特性が改
善可能となり、特に、ロボットや工作機械の位置決めな
どのように低速域での特性が要求される用途などの特性
向上に有効である。

【００２１】次に負荷トルクオブザーバを用いた極低速
域の速度推定の場合の問題点について述べる。動摩擦ト
ルクに比べ静止摩擦トルクの値が大きい場合には、零速
域で回転していないにもかかわらず、速度推定は回転し
ていると推定する現象が発生する。この対策としては、
速度制御周期毎にエンコーダパルスが検出できたと仮定
したときの速度予測値を用いて、速度推定値にリミッタ
をかけている。

【００２２】モータが逆転から正転に変化する場合の速
度変化を図１５に示す。なお、図１５においては、分か
りやすいように速度制御演算は無視して、一定トルク指
令状態と近似してある。ここで、図１５の（ａ）時点で
は逆転状態であり、トルク指令が正方向に与えられてい
るため、トルク指令と動摩擦トルクとの差により、回転
速度は減速して行く。速度が低下するにつれてエンコー
ダパルスの発生間隔は長くなり、ついに図１５の（ｂ）
時点で発生しなくなる。速度検出はこの時点が最終値と
なり、このときのモデル速度との差より負荷トルクを推
定したものが保持されてしまう。ところが、図１５の
（ｃ）時点で実回転速度が零になると動摩擦トルクが静
止摩擦トルクに変化するため、負荷トルクが急に大きく
なる。そして、モータトルクとつりあうため零速のまま
となってしまう。しかし、速度検出がないため、負荷ト
ルクオブザーバは、上記摩擦トルクの変動を推定でき
ず、図１５の（ｂ）時点の値を相変わらず保持したまま
の状態となる。

【００２３】このことが要因となって、次のような速度
推定の誤差が生じてくる。モデル速度は推定トルクを機
械時定数を乗じて積分して求めているが、速度検出と、
負荷トルクが図１５の（ｂ）時点以降保持された状態の
ままなので、いつまでたってもモデル速度は直線的に変
化し続ける。そして、図１５の時点（ｃ）を過ぎても正
転に変化してそのまま推定値は加速して行くことにな
る。このように、エンコーダパルスが無くなる極低速域
で負荷トルク推定を保持し続けると、静止摩擦により実
速度は零であるにもかかわらず、速度オブザーバは加速
してしまう異常が発生する。

【００２４】この状態を最終パルスの発生時刻から現在
の制御時間までの時間差を用いて、エンコーダパルスが
発生しない場合にも、ちょうど今パルスが発生した場合
の予測速度を計算して、予測値にリミットをかけた具体
的な制御ブロックを図１６に示す。図１６は図１４に予
測速度演算部３０と推定速度リミッタ部３１を設けたも
ので、予測速度演算部３０は第３ダブルラッチＡ９間の
入出力の減算器３０ａと除算器３０ｂからなり、推定速
度リミッタ部３１はω_M'（ｉ）とΔωとの減算器３１ａ
と、この減算器３１ａの出力を前記予測速度演算部３０
から出力される予測速度でリミットをかけるリミッタ３
１ｂとから構成される。ここで、Δθ_PPはエンコーダの
パルス間隔の角度である。

【００２５】この図１６のように構成すると、速度推定
値は予測速度により制限されるが、このリミッタのかか
っている期間でもモデル速度は前述のように加速したま
まとなっている（トルク制御モードなどのように、トル
ク指令が一定の場合）。そこで、リミッタ条件下では、
次に速度検出が可能になったときに異常にならないよう
に、モデル速度の値も零速付近に補正しておかねばなら
ない問題がある。

【００２６】上述したように、従来は負荷トルクの推定
ができない現象と、零速時の速度推定の異常現象が生じ
る問題があった。

【００２７】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、エンコーダパルスが速度制御周期毎に発生しない
ような極低速域や零速判定域においても、負荷トルク推
定が可能となるようにするとともに、速度推定を行う場
合には動摩擦と静摩擦トルクが大きく異なるときに発生
する零速時の速度推定の異常現象が抑制され、速度推定
が零速に収束されるようにした可変速駆動装置およびそ
の装置を用いた速度推定装置を提供することを目的とす
る。

【００２８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、第１発明は、電動機と、この電動機
の回転軸に取り付けられたエンコーダと、このエンコー
ダからの出力パルスをカウントして回転位相を検出し、
エンコーダの出力パルスから位相と発生時刻をラッチし
て前回のラッチデータとの位相差と時間差により速度検
出を行う速度検出部と、トルク指令とトルク推定との差
である加速トルクと負荷の慣性による機械時定数により
モデル速度を演算するモデル速度演算部と、このモデル
速度演算部からのモデル速度出力が供給され、このモデ
ル速度出力の平均値を前記速度検出部でラッチした時間
差の期間だけ演算する平均化処理部と、前記速度検出部
からの速度検出出力とモデル速度演算部からのモデル速
度の平均値との差を比例又は比例積分要素に入力し、そ
の要素の出力にトルク推定出力を送出する負荷トルク推
定部とを備えた可変速駆動装置において、前記速度検出
部に、エンコーダからの出力パルスが十分長い間発生し
ないことを零速検出として判定する零速判定部を設け、
この零速判定部で判定された零速検出時に、前記モデル
速度出力を直接前記負荷トルク推定部に供給するバイパ
ス回路を前記平均化処理部と並列にに設け、前記零速検
出時にモデル速度出力と零速検出出力との差を前記負荷
トルク推定部で演算してトルク推定出力の更新を行う機
能を設けたことを特徴とするものである。

【００２９】第２発明は、前記エンコーダからの出力パ
ルスが発生しないとき、最終発生パルスの時刻と現在時
刻との期間におけるモデル速度出力の平均値を演算する
第２の平均化処理部と、前記エンコーダからの出力パル
スが発生しないとき、エンコーダの１パルス相当の位相
差を最終発生パルスの時刻と現在時刻で除算して予測速
度を演算する予測速度演算部と、この予測速度演算部か
らの予測速度が供給され、最終パルス発生時の速度検出
値の絶対値以下にリミットするリミット回路およびその
絶対値と予測速度とを比較するコンパレータと、前記エ
ンコーダからの出力パルスが発生して正常に速度が検出
されているときには、速度検出と第１の平均化処理部に
よるモデル速度検出の平均値との差を前記負荷トルクオ
ブザーバ部で演算してトルク推定出力を更新し、前記エ
ンコーダからの出力パルスが発生しておらず、かつ、前
記コンパレータの比較結果として予測速度の方が前回の
検出値より絶対値が小さいときにおいては、予測速度と
第２の平均化処理部の出力値との差により前記負荷トル
ク推定部で演算してトルク推定出力を更新する機能を設
けたことを特徴とするものである。

【００３０】第３発明は、前記第２の平均化処理部の内
部に存在する最終発生パルスの時刻と現在時刻間のモデ
ルの回転位相成分と、エンコーダの１パルス相当の位相
差の差を比較するコンパレータを設け、このコンパレー
タがエンコーダからの出力パルスが無くかつ１パルス相
当の位相差より絶対値が大きくなったことを判断する判
断回路を設け、予測速度と第２の平均化処理部の出力値
との差よりトルク推定出力を更新する機能を設けたこと
を特徴とするものである。

【００３１】第４発明は、エンコーダが出力パルスを発
生して正常に速度が検出されているとき、モデル速度演
算部からのモデル速度出力から、速度検出と平均化処理
部によるモデル速度の平均値との差を減算して速度推定
出力を得るとともに、零速検出時には、零速検出出力と
バイパス回路出力との差を減算して等価的に零速の速度
推定出力を得る機能を負荷トルク推定部に設けたことを
特徴とするものである。

【００３２】第５発明は、エンコーダが出力パルスを発
生して正常に速度が検出されているときは、モデル速度
演算部からのモデル速度出力から、速度検出と第１の平
均化処理部によるモデル速度の平均値との差を減算して
速度推定出力を得るとともに、エンコーダからの出力パ
ルスが発生しておらず、かつ、予測速度の方が前回の速
度検出値より絶対値が小さいときには、モデル速度演算
部からのモデル速度出力から、予測速度と第２の平均化
処理部による出力値との差を減算して速度推定出力を得
る機能を負荷トルク推定部に設けたことを特徴とするも
のである。

【００３３】第６発明は、エンコーダが出力パルスを発
生して正常に速度が検出されているときは、モデル速度
演算部からのモデル速度出力から、速度検出と第１の平
均化処理部によるモデル速度の平均値との差を減算して
速度推定出力を得るとともに、エンコーダからの出力パ
ルスが発生しておらず、かつ、モデルの位相差がエンコ
ーダの１パルス相当の位相差より絶対値が大きくなった
ときに、モデル速度演算部からのモデル速度出力から、
予測速度と第２の平均化処理部による出力値との差を減
算して速度推定出力を得る機能を負荷トルク推定部に設
けたことを特徴とするものである。

【００３４】

【作用】第１発明のように構成することにより零速域で
はトルク指令とトルク推定が一次遅れで等しくなる機能
を持つようになる。また、第２発明では、エンコーダか
ら出力パルスが発生しないで、かつ零速判定もされてい
ない極低速域において最終パルスによる速度検出値より
明かに実速度が低い条件においても、トルク推定がより
正確な方向に修正が可能な機能を持つようになる。さら
に、第３発明では、エンコーダから出力パルスが発生し
ないで、かつ零速判定もされていない極低速域におい
て、実速度より明らかにモデル速度の方が高速である条
件において、トルク推定がより正確な方向に修正が可能
な機能を持つようになる。第４発明では、零速域で速度
推定結果も零に変更でき、第５発明では、エンコーダか
ら出力パルスが発生しないで、かつ零速判定もされてい
ない極低速域において最終パルスによる速度検出値より
明かに実速度が低い条件においても、速度推定がより正
確な方向に修正が可能となる。第６発明では、エンコー
ダから出力パルスが発生しないで、かつ零速判定もされ
ていない極低速域において、実速度より明らかにモデル
速度の方が高速である条件において、速度推定がより正
確な方向に修正が可能となる。

【００３５】

【実施例】以下この発明の実施例を図面に基づいて説明
するに、図１４と同一部分は同一符号を付して示す。図
１はこの発明の第１実施例を示すブロック構成図で、こ
の図１は、特に動作速度領域が零速検出領域の場合の実
施例である。図１において、エンコーダパルスが零速判
定期間Ｔ_max以上発生しない場合、零速検出信号Ｚ（ｊ
−１→ｉ）が”1"になる。これにより、速度検出ω_M（ｊ
−１→ｉ）は零に固定される。ここで、実際にモータの
回転が停止している場合を考えてみる。可変速駆動装置
はトルク指令τ＊通りのトルクを出力しているにも拘わ
らず、速度が零速度のままであるということは、負荷ト
ルクとモータの発生トルクが等しく釣り合ったため、加
速トルク成分が零という状態である。この場合本来、負
荷トルクの推定値∧τ_Lはトルク指令と一致していなけ
ればならない。しかし、エンコーダパルスが発生しない
ので、トルクオブザーバの推定値は前回のエンコーダパ
ルスの発生の時の値がホールドされたままになってい
る。

【００３６】これを、トルク指令に変更するには、単純
な回路として零速検出の場合は、トルク指令を直接トル
ク推定とするバイパスを作ればよい。しかし、トルク推
定値が不連続に急変するのはあまり好ましくないので、
通常は切り替え出力部分にローパスフィルタを挿入して
波形を滑らかにする必要があるけれども、この第１実施
例ではローパスフィルタを用いないで、推定値の不連続
が無くかつ最終的には推定トルクをトルク指令と一致さ
せることができるようにしたものである。

【００３７】このために、図１においては、零速検出を
した場合でも、速度検出とモデル速度の誤差を更新する
ように、切り替えスイッチＡ２３の制御信号路にＳＲラ
ッチＡ１５の出力Ｑと論理和回路ＯＲを設ける。この論
理和回路ＯＲには零速判定部Ａ１２のコンパレータＣＯ
Ｐの出力である零速検出信号Ｚも入力する。これによ
り、零速検出でも推定値が更新されるようなる。また、
零速検出期間中は速度検出値が固定されており、瞬時値
であるともみなすことができるので、モデル速度の方も
平均化処理部２３をバイパスするように切り替えスイッ
チＴＳＷを設けて、機械系モデル速度演算部２２の出力
を直接偏差器Ａ２２のプラス端に入力する。

【００３８】また、速度検出ω_Mは零に固定されている
ので、ブロック図上は切り離して考えることができるか
ら、トルク指令から推定トルクまでの伝達特性のブロッ
ク図は図２（ａ）に示すように表される（平均化処理部
２３はバイパスされているため）。また、この図２
（ａ）は図２（ｂ）に示すローパスフィルタの構成と等
価になる。すなわち、外部に別のローパスフィルタを構
成しなくとも現在ある構成を代用して簡単に実現が可能
となる。さらに、ディジタル演算器で実現する場合に
も、零速専用のプログラムが必要でなく、メモリの使用
量も少なくてすむ利点がある。

【００３９】次にパルスが間欠的に発生する極低速域で
エンコーダパルスの発生しない期間により、検出速度の
保持速度より実速度の方が低いことを検出する場合の第
２実施例について述べる。この第２実施例を述べる前に
まず、モータは極低速域において回転しており、エンコ
ーダパルスが時たま発生する条件について考える。パル
スが発生しないサンプル周期間では速度検出はできない
が、次の条件を仮定して、従来と同様な速度演算を行っ
てみる。

【００４０】仮定１：サンプル時刻（ｉ）の直後にエン
コーダパルスが発生するものと仮定し、ｔ（ｊ＋１）＝
ｔ（ｉ）と近似する。

【００４１】仮定２：位相差としてロータリーエンコー
ダの１パルス相当の角度Δθ_PPが仮定１での（ｊ→ｊ＋
１）期間に発生する。ここで、Δθ_PPは前回の速度検出
ω_Mと同一の符号を持つものとする。

【００４２】上記のように仮定すると、（ｉ）の時刻に
パルスが発生したと仮定した場合の（ｊ→ｉ）区間の速
度は次の（２）式で計算できる。

【００４３】 ω_M（ｊ→ｉ）＝Δθ_PP／（ｔ（ｉ）−ｔ（ｊ）） ……（２） Δθ_PP＝２π／（１回転の相パルス数） ……（３）パルスが発生しなくなった当初のサンプル時点では（ｔ
（ｉ）−ｔ（ｊ））の時間間隔が短いため、前回の速度
検出のホールド値ω_M（ｊ−１→ｊ）に比較して（２）
式の値はかなり大きな値となる。しかし、実際のモータ
の回転速度がω_M（ｊ−１→ｊ）の値より小さい場合に
は、しばらくすると（２）式の値がω_M（ｊ−１→ｊ）
より小さくなってくる。もし、実際のモータが前回の速
度検出のホールド値ω_M（ｊ−１→ｊ）の速度で回り続
けているならば、丁度（ｉ）の時刻で１個以上のパルス
が発生するはずである。また、これより速度が速くなっ
ている場合には、（ｉ）の時刻より前に１個以上のパル
スが発生しなければならない。このように（２）式の値
が前回値より小さくなってもまだエンコーダのパルスが
発生しないということは、現在の回転速度はω_M（ｊ−
１→ｊ）以下と判断できる。

【００４４】ここで、速度検出は正負の場合があるの
で、（２）式の計算結果を、前回の速度検出のホールド
値ω_M（ｊ−１→ｊ）の絶対値を採り、その正負の間に
存在するどうか比較することにし、（２）式の絶対値の
方が小さくなった場合には、（２）式の値を有効な速度
検出情報として使用する。

【００４５】以上説明した速度情報を用いて、負荷トル
クオブザーバを更新するブロック図を図３に示す。この
図３において、図１および図１４と同一部分は同一符号
を付して示す。まず、前述した仮定１の条件を設定し、
（２）式の分母である時間ｔ（ｊ→ｉ）を求めるため、
（ｉ）のサンプル時の基準時刻カウンタＡ４の基準時刻
と、前回の発生エッジの時刻ｔ（ｊ）（第３ダブルラッ
チＡ９の出力）との差を減算器Ｃ１で減算する。この時
間差を零速判定部Ａ１２と同様な回路で構成された零速
判定部Ｃ２により零速判定および時間をＴ_maxに制限す
る。除算器Ｃ３により、（２）式の分子に相当するΔθ
_PPをリミッタ後の時間ｔ（ｊ→ｉ）で除算する。もし、
零速判定部Ｃ２の零速判定結果Ｚ（ｊ→ｉ）が”１”の
場合は、切り替えスイッチＣ４により強制的に（２）式
の結果を零とする。ここで、（２）式の結果が前回の速
度検出値より大きい場合は、（２）式の速度を修正する
ために、前回の保持速度の±の値以内にリミッタするリ
ミッタ回路Ｃ５を挿入する。また、（２）式の結果の有
効／無効を判定するためリミッタ回路Ｃ５にはウィンド
コンパレータＣ５１を追加する。なお、減算器Ｃ１、零
速判定部Ｃ２および除算器Ｃ３とで予測速度演算部２５
が構成される。

【００４６】モデル速度側も（２）式と同じ期間の平均
値を求める必要があるため、減算器Ｃ９により位相差Δ
θ_M’（ｊ→ｉ）を求め、この位相差を除算器Ｃ１０に
より除算器Ｃ３と同じ時間で除算し、第２の平均化処理
部２６を構成する。そして、ＳＲラッチＡ１５のパルス
の有無をあらわすフラグ（ＥＤＧＥＮ）が”０（パルス
無し）”の場合は、切り替えスイッチＣ６，Ｃ７，Ｃ１
１により、リミッタ回路Ｃ５、除算器Ｃ１０の出力を有
効にする。また、リミッタ回路Ｃ５のデータの有効／無
効信号を用いて論理積回路Ｃ８はＳＲラッチＡ１５のパ
スが無く、かつ、前回速度よりω_M（ｊ→ｉ）の方が低
速となった場合にのみ”１”を出力する。この論理積回
路Ｃ８の結果は論理和回路ＯＲに供給され、その結果
が”１”または、パルスが存在する場合に負荷トルク推
定を更新するための制御信号を発生させる。

【００４７】上記のように第２実施例を構成することに
より、エンコーダパルスが発生しない場合でも、前回の
検出速度より正確な速度情報が得られるときトルク推定
を更新するようにした。これにより、トルク推定の極低
速域での動作停止期間が従来より短くなり、低速域での
特性が改善される。

【００４８】上記第２実施例を別の表現で表すと、前回
の速度ω（ｊ−１→ｊ）と同一速度で回転し続けている
場合には、最低単位の位相差Δθ_PPの回転に要する時間
は次式（４）で現すことができる。

【００４９】 Δｔ（ｊ→ｊ＋１）＝Δθ_PP÷ω（ｊ−１→ｊ） ……（４）現在はまだパルスが１つも発生していない条件でリミッ
タ回路Ｃ５の部分で速度の比較を行うということは、仮
定１のｔ（ｊ→ｉ）の時間と（４）式の時間を比較する
ことと等しい。つまり、このことは、パルスの発生しな
い時間を基準としたことに基づいている。

【００５０】次にパルスが間欠的に発生する極低速域で
モデル位相データを用いて、実速度よりモデル速度が高
速であることを検出する場合の第３実施例を図４につい
て述べる。この第３実施例は、原理的には速度検出値の
保持速度とモデル速度とを比較するもので、モデル速度
はパルスが無い場合でも継続して演算しており、モデル
速度の平均化処理部２３のモデル位相角出力部Ａ１８で
はモデルの回転位相を積分し続けている。そこでまず、
エンコーダパルスが発生しない状態のまま、最後のパル
ス（ｊ）の発生時刻のモデル位相と現在のモデル位相と
の差を減算器Ｃ９により求める。次に、この位相差がエ
ンコーダの１パルス間隔相当の位相差より大きくなった
場合を考えて見る。もし、前回の検出速度が今も継続し
て維持されているならば、このとき、エンコーダも同時
に次のパルスを出力する。しかし、モデル速度が１パル
ス分進んだのにエンコーダパルスが発生しない場合はモ
デル速度の方が実速度より高い速度であると判断でき
る。つまり、モデル速度と実速度の大小関係という情報
が得られるようになる。そこで、このような情報がある
のなら、トルク推定を更新することもでき、より正確な
方向にトルク推定が補正可能となる。トルク推定を行う
ためには、速度検出側も何らかの値が必要であるが、今
回はパルスが無い場合は、第２実施例の予測速度を比較
するようにした。この方が、前回検出値の保持速度より
も情報量が多いからである。

【００５１】上記第３実施例において、モデル速度の平
均化処理部２６の位相差（除算器Ｃ９の出力）を、ウィ
ンドコンパレータＤ１により、エンコーダパルス１パル
ス相当の位相より絶対値が大きくなることを検出する。
エンコーダパルスが無く、かつ、実速度よりモデル速度
の方が、位相差が大きい条件を論理積回路Ｄ２で判断
し、この論理積回路Ｄ２の出力を論理和回路ＯＲに供給
する。これにより、論理和回路ＯＲの動作条件を広く
し、論理積回路Ｄ２の判定条件によってもトルクが更新
されるようにする。この第３実施例は第２実施例の演算
部分を流用しているため、追加構成は少なくて良く簡単
に実現できる。

【００５２】図５は、モデル速度演算部２２の出力から
負荷トルク推定部２４のＡ２３の出力を減算器Ｅ１にて
減算させて速度推定出力を得る第４実施例で、この第４
実施例は第１実施例に速度推定ができる構成を追加した
ものである。この第４実施例では、通常のパルスが発生
しており正常に速度が検出されている場合は、モデル速
度から、速度検出と平均化処理部２３によるモデル速度
の平均値との差を減算して、速度推定を行う。また、零
速検出時には、モデル速度から零速検出出力とモデル速
度の平均化初期をバイパスする出力との差を減算して等
価的に零速を速度推定することにより、簡単な回路変更
のみで、零速域で速度推定結果も零に変更が可能とな
る。

【００５３】図６、図７はそれぞれ第２実施例と第３実
施例に速度推定ができる構成を追加した第５、第６実施
例である。第５、第６実施例とも第４実施例と同様に減
算器Ｅ１を設けて速度推定出力を得るようにしたもので
ある。第５実施例は、通常のパルスが発生しており、正
常に速度が検出されている場合は、モデル速度から、速
度検出と第１の平均化処理部２３ａによるモデル速度の
平均値との差を減算して、速度推定を行う。また、エン
コーダから出力パルスが発生していないが、予測速度の
方が前回の速度検出値より絶対値が小さい場合において
は、モデル速度から、予測速度と第２の平均化処理部２
６の出力値との差を減算することにより速度推定を行
う。これにより、エンコーダからの出力パルスが発生せ
ず、かつ零速判定もされていない極低速域において、最
終パルスによる速度検出値より明らかに実速度が低い条
件においても、速度推定がより正確な方向に修正が可能
となる。

【００５４】第６実施例は、通常のパルスが発生してお
り、正常に速度が検出されている場合は、モデル速度か
ら、速度検出と第１の平均化処理部２３ａによるモデル
速度の平均値との差を減算して、速度推定を行う。ま
た、エンコーダから出力パルスが発生していないが、モ
デルの位相差がエンコーダの１パルス相当の位相差より
大きい場合に、モデル速度から、予測速度と第２の平均
化処理部２６の出力値との差を減算することにより速度
推定を行う。これにより、エンコーダからの出力パルス
が発生せず、かつ零速判定もされていない極低速域にお
いて、実速度より明らかにモデル速度の方が高速である
条件下で、速度推定がより正確な方向に修正が可能とな
る。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
エンコーダパルスが速度制御周期毎に発生しないような
極低速域や零速判定域においても、負荷トルク推定が可
能となり、負荷トルク推定の誤差が少なくなる効果が得
られる。また、速度推定をおこう用途に関しては、動摩
擦と静摩擦トルクが大きく異なる場合に発生する零速時
の速度推定の異常現象が抑制され、速度推定が零速に収
束される効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示すブロック構成図。

【図２】図２ａはトルク指令から推定トルクまでの伝達
特性のブロック図、図２ｂはローパスフィルタの構成と
等価となることの説明図。

【図３】この発明の第２実施例を示すブロック構成図。

【図４】この発明の第３実施例を示すブロック構成図。

【図５】この発明の第４実施例を示すブロック構成図。

【図６】この発明の第５実施例を示すブロック構成図。

【図７】この発明の第６実施例を示すブロック構成図。

【図８】負荷トルクオブザーバの原理ブロック図。

【図９】速度オブザーバの制御ブロック図。

【図１０】ロータリエンコーダを用いた速度制御系のブ
ロック図。

【図１１】モータ回転速度検出部のブロック構成図。

【図１２】図１１のタイミングチャート。

【図１３】零速度に到達する場合のタイミングチャー
ト。

【図１４】従来例の負荷トルクオブザーバのブロック構
成図。

【図１５】逆転から正転に変化する場合の速度変化を示
す特性図。

【図１６】予測値にリミットをかけた具体的な制御ブロ
ック構成図。

【符号の説明】

２１…速度検出部２２…モデル速度演算部２３…平均化処理部２３ａ…第１の平均化処理部２４…負荷トルク推定部２５…予測速度演算部２６…第２の平均化処理部ＯＲ…論理和回路ＴＳＷ…切り替えスイッチＡ１２…零速判定部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電動機と、この電動機の回転軸に取り付
けられたエンコーダと、このエンコーダからの出力パル
スをカウントして回転位相を検出し、エンコーダの出力
パルスから位相と発生時刻をラッチして前回のラッチデ
ータとの位相差と時間差により速度検出を行う速度検出
部と、トルク指令とトルク推定との差であるモデル加速
トルクと負荷の慣性による機械時定数によりモデル速度
を演算するモデル速度演算部と、このモデル速度演算部
からのモデル速度出力が供給され、このモデル速度出力
の平均値を前記速度検出部でラッチした時間差の期間だ
け演算する平均化処理部と、前記速度検出部からの速度
検出出力とモデル速度演算部からのモデル速度の平均値
との差を比例又は比例積分要素に入力し、その要素の出
力にトルク推定出力を送出する負荷トルク推定部とを備
えた可変速駆動装置において、前記速度検出部に、エンコーダからの出力パルスが十分
長い間発生しないことを零速検出として判定する零速判
定部を設け、この零速判定部で判定された零速検出時
に、前記モデル速度演算部のモデル速度出力を、前記平
均化処理部をバイパスする回路を前記平均化処理部と並
列に設け、前記零速検出時にモデル速度出力と零速検出
出力との差を前記負荷トルク推定部で演算してトルク推
定出力の更新を行う機能を設けたことを特徴とする可変
速駆動装置。
【請求項２】電動機と、この電動機の回転軸に取り付
けられたエンコーダと、このエンコーダからの出力パル
スをカウントして回転位相を検出し、エンコーダの出力
パルスから位相と発生時刻をラッチして前回のラッチデ
ータとの位相差と時間差により速度検出を行う速度検出
部と、トルク指令とトルク推定との差である加速トルク
と負荷の慣性による機械時定数によりモデル速度を演算
するモデル速度演算部と、このモデル速度演算部からの
モデル速度出力が供給され、このモデル速度出力の平均
値を前記速度検出部でラッチした時間差の期間だけ演算
する第１の平均化処理部と、前記速度検出部からの速度
検出出力とモデル速度演算部からのモデル速度の平均値
との差を比例又は比例積分要素に入力し、その要素の出
力にトルク推定出力を送出する負荷トルク推定部とを備
えた可変速駆動装置において、前記エンコーダからの出力パルスが発生しないとき、最
終発生パルスの時刻と現在時刻との期間におけるモデル
速度出力の平均値を演算する第２の平均化処理部と、前
記エンコーダからの出力パルスが発生しないとき、エン
コーダの１パルス相当の位相差を最終発生パルスの時刻
と現在時刻の差の時間で除算して予測速度を演算する予
測速度演算部と、この予測速度演算部からの予測速度が
供給され、最終パルス発生時の速度検出値の絶対値以下
にリミットするリミット回路およびその絶対値と予測速
度とを比較するコンパレータと、前記エンコーダからの
出力パルスが発生して正常に速度が検出されているとき
には、速度検出と第１の平均化処理部によるモデル速度
検出の平均値との差を前記負荷トルク推定部で演算して
トルク推定出力を更新し、前記エンコーダからの出力パ
ルスが発生しておらず、かつ、前記コンパレータの比較
結果として予測速度の方が前回の検出値より絶対値が小
さいときにおいては、予測速度と第２の平均化処理部の
出力値との差により前記負荷トルク推定部で演算してト
ルク推定出力を更新する機能を設けたことを特徴とする
可変速駆動装置。
【請求項３】前記第２の平均化処理部の内部に存在す
る最終発生パルスの時刻と現在時刻間のモデルの回転位
相成分と、エンコーダの１パルス相当の位相差の差を比
較するコンパレータを設け、このコンパレータがエンコ
ーダからの出力パルスが無くかつ１パルス相当の位相差
より絶対値が大きくなったことを判断する判断回路を設
け、予測速度と第２の平均化処理部の出力値との差より
トルク推定出力を更新する機能を設けたことを特徴とす
る請求項２記載の可変速駆動装置。
【請求項４】エンコーダが出力パルスを発生して正常
に速度が検出されているとき、モデル速度演算部からの
モデル速度出力から、速度検出と平均化処理部によるモ
デル速度の平均値との差を減算して速度推定出力を得る
とともに、零速検出時には、零速検出出力とバイパス回
路出力との差を減算して等価的に零速の速度推定出力を
得る機能を負荷トルク推定部に設けたことを特徴とする
請求項１記載の可変速駆動装置を用いた速度推定装置。
【請求項５】エンコーダが出力パルスを発生して正常
に速度が検出されているとき、モデル速度演算部からの
モデル速度出力から、速度検出と第１の平均化処理部に
よるモデル速度の平均値との差を減算して速度推定出力
を得るとともに、エンコーダからの出力パルスが発生し
ておらず、かつ、予測速度の方が前回の速度検出値より
絶対値が小さいときに、モデル速度演算部からのモデル
速度出力から、予測速度と第２の平均化処理部による出
力値との差を減算して速度推定出力を得る機能を負荷ト
ルク推定部に設けたことを特徴とする請求項２記載の可
変速駆動装置を用いた速度推定装置。
【請求項６】エンコーダが出力パルスを発生して正常
に速度が検出されているとき、モデル速度演算部からの
モデル速度出力から、速度検出と第１の平均化処理部に
よるモデル速度の平均値との差を減算して速度推定出力
を得るとともに、エンコーダからの出力パルスが発生し
ておらず、かつ、モデルの位相差がエンコーダの１パル
ス相当の位相差より絶対値が大きくなったときに、モデ
ル速度演算部からのモデル速度出力から、予測速度と第
２の平均化処理部による出力値との差を減算して速度推
定出力を得る機能を負荷トルク推定部に設けたことを特
徴とする請求項３記載の可変速駆動装置を用いた速度推
定装置。