JP3253434B2 - 電動機駆動システムの軸トルク制御方法および軸トルク推定方法 - Google Patents
電動機駆動システムの軸トルク制御方法および軸トルク推定方法Info
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- JP3253434B2 JP3253434B2 JP29274393A JP29274393A JP3253434B2 JP 3253434 B2 JP3253434 B2 JP 3253434B2 JP 29274393 A JP29274393 A JP 29274393A JP 29274393 A JP29274393 A JP 29274393A JP 3253434 B2 JP3253434 B2 JP 3253434B2
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- shaft torque
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電動機と負荷を連結す
る軸からなるねじり系において、軸トルクセンサを設け
ず電動機に取り付けられた速度センサだけを用い、ねじ
り振動を防止または抑制しかつ軸トルクを推定して得る
制御システムおよびトルクセンサレス制御アルゴリズム
に関するものである。
る軸からなるねじり系において、軸トルクセンサを設け
ず電動機に取り付けられた速度センサだけを用い、ねじ
り振動を防止または抑制しかつ軸トルクを推定して得る
制御システムおよびトルクセンサレス制御アルゴリズム
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ねじり系の軸トルク制御においては、従
来一般に軸に軸トルクセンサを設け、指令トルクと軸ト
ルクセンサによるトルク検出信号との偏差に基づき、何
にかの制御理論に基づいて制御しており、トルクセンサ
を設けずに軸トルク制御すること自体、従来では不可能
とされている。さらに、軸トルクセンサ方式によれば、
トルク検出信号にノイズが多く含まれ制御に使える信号
とするのに何にかの特殊な信号処理を必要とするため、
センサの値段が高く製品のコストがぐんと高くなること
はよく知られている。
来一般に軸に軸トルクセンサを設け、指令トルクと軸ト
ルクセンサによるトルク検出信号との偏差に基づき、何
にかの制御理論に基づいて制御しており、トルクセンサ
を設けずに軸トルク制御すること自体、従来では不可能
とされている。さらに、軸トルクセンサ方式によれば、
トルク検出信号にノイズが多く含まれ制御に使える信号
とするのに何にかの特殊な信号処理を必要とするため、
センサの値段が高く製品のコストがぐんと高くなること
はよく知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】剛性の低い軸を有する
電動機駆動システムにおいて、軸にトルクセンサを設け
ず、電動機に取り付けられた速度センサから軸トルク制
御に必要とする軸トルク信号を推定し、推定されたトル
ク信号を用いて廉価で軸トルクを振動せずに指令通りに
追従させることが本発明の第１の課題である。また、軸
振動を抑制するために軸トルクの微分値などの信号もフ
ィードバックする必要があり、それらの信号も遅れずに
ソフトで確実に推定するアルゴリズムを提供することが
本発明の第２の課題である。
電動機駆動システムにおいて、軸にトルクセンサを設け
ず、電動機に取り付けられた速度センサから軸トルク制
御に必要とする軸トルク信号を推定し、推定されたトル
ク信号を用いて廉価で軸トルクを振動せずに指令通りに
追従させることが本発明の第１の課題である。また、軸
振動を抑制するために軸トルクの微分値などの信号もフ
ィードバックする必要があり、それらの信号も遅れずに
ソフトで確実に推定するアルゴリズムを提供することが
本発明の第２の課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】ここで、本発明の理解を
容易にするため、まずシステムの動特性分析を説明す
る。
容易にするため、まずシステムの動特性分析を説明す
る。
【０００５】電動機と負荷と弾性軸を含むシステムのブ
ロックは図３のように表され、また運動方程式はよく知
られているように、式（１），（２），（３）のように
表される。図３においては、７は電動機、８は弾性軸、
９は負荷機、10はトルク発生係数である。
ロックは図３のように表され、また運動方程式はよく知
られているように、式（１），（２），（３）のように
表される。図３においては、７は電動機、８は弾性軸、
９は負荷機、10はトルク発生係数である。
【０００６】
【数１】
【０００７】ただし、ωｍ，ωｌ，Ｔｓ，ｕ，Ｔｌはそ
れぞれ電動機７と負荷機９の速度，軸に発生する軸トル
ク，電動機に印加する制御入力，負荷に印加されている
負荷トルクであり、Ｊｍ，Ｄｍ，Ｋｔは電動機の慣性，
粘性摩擦係数，トルク発生係数を表し、Ｊｌ，Ｄｌは負
荷機の慣性，粘性摩擦係数を表し、Ｋｃは軸のバネ定数
を表す。
れぞれ電動機７と負荷機９の速度，軸に発生する軸トル
ク，電動機に印加する制御入力，負荷に印加されている
負荷トルクであり、Ｊｍ，Ｄｍ，Ｋｔは電動機の慣性，
粘性摩擦係数，トルク発生係数を表し、Ｊｌ，Ｄｌは負
荷機の慣性，粘性摩擦係数を表し、Ｋｃは軸のバネ定数
を表す。
【０００８】軸トルク制御で扱い易いモデルにするた
め、状態変数ωｍ，Ｔｓ，Ｔｓの微分値（以下φと記
す），Ｔｌとし、式（１），（２），（３）の運動方程
式を、つぎのような状態方程式で表す。
め、状態変数ωｍ，Ｔｓ，Ｔｓの微分値（以下φと記
す），Ｔｌとし、式（１），（２），（３）の運動方程
式を、つぎのような状態方程式で表す。
【０００９】
【数２】
【００１０】ここで、系に僅かな粘性摩擦を無視し、電
動機に印加する制御入力ｕから、軸トルクＴｓまでの伝
達関数は式（８）のようになる。
動機に印加する制御入力ｕから、軸トルクＴｓまでの伝
達関数は式（８）のようになる。
【００１１】
【数３】
【００１２】ρｏωｏは、電動機係数Ｊｍ，負荷慣性Ｊ
ｌ，軸ばね定数Ｋｃの機械定数を使って、式（９），式
（10）と定義されるパラメータであり、それぞれ負荷慣
性が等価的に全体慣性に占める割合とねじり系共振角周
波数を表す。
ｌ，軸ばね定数Ｋｃの機械定数を使って、式（９），式
（10）と定義されるパラメータであり、それぞれ負荷慣
性が等価的に全体慣性に占める割合とねじり系共振角周
波数を表す。
【００１３】
【数４】
【００１４】システムの特性を決める式（８）の分母の
特性多項式をみると、減衰係数（ｓにあたる係数）は０
であり、典型的な２次振動系になっていることが解か
る。実際に、粘性摩擦によって系に減衰する効果を多少
寄与するが、僅かである。
特性多項式をみると、減衰係数（ｓにあたる係数）は０
であり、典型的な２次振動系になっていることが解か
る。実際に、粘性摩擦によって系に減衰する効果を多少
寄与するが、僅かである。
【００１５】これより、ねじり振動を抑えるために、制
御入力から系に減衰項に相当するものを与える必要があ
る。それは軸トルクの微分値フィードバックに対応して
いる。これは、図１のようにＰＩＤ制御則によるもので
あってよい。
御入力から系に減衰項に相当するものを与える必要があ
る。それは軸トルクの微分値フィードバックに対応して
いる。これは、図１のようにＰＩＤ制御則によるもので
あってよい。
【００１６】図１は本発明の技術思想を示すトルクセン
サレス軸トルク制御原理を表したものであり、１は制御
対象、２は速度センサ、３はソフト観測器、４は比例積
分器、５は微分ゲイン、61，62は加算器である。図１よ
り、トルク指令Ｔ＊から軸トルクＴｓまでの伝達関数
は、式（11）になる。
サレス軸トルク制御原理を表したものであり、１は制御
対象、２は速度センサ、３はソフト観測器、４は比例積
分器、５は微分ゲイン、61，62は加算器である。図１よ
り、トルク指令Ｔ＊から軸トルクＴｓまでの伝達関数
は、式（11）になる。
【００１７】
【数５】
【００１８】すなわち、微分ゲインＫｄは減衰項（ｓ＝
乗項）に入り、振動抑制の効果を果たしていることが解
かる。また、閉ループ系の三つの特性極は三つのゲイン
Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄで自由に調整することができる。
乗項）に入り、振動抑制の効果を果たしていることが解
かる。また、閉ループ系の三つの特性極は三つのゲイン
Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄで自由に調整することができる。
【００１９】前述した制御側に、軸トルクとその微分信
号をフィードバックする必要があるが、その信号は直接
に測定しないため、ここではオブザーバ理論を変形用
い、プラントの機械定数に基づいてソフト観測器を構成
することにより、電動機に印加する制御入力信号と電動
機に取り付けられた速度センサの検出信号から、軸トル
ク，軸トルク微分値，負荷トルクを推定する。
号をフィードバックする必要があるが、その信号は直接
に測定しないため、ここではオブザーバ理論を変形用
い、プラントの機械定数に基づいてソフト観測器を構成
することにより、電動機に印加する制御入力信号と電動
機に取り付けられた速度センサの検出信号から、軸トル
ク，軸トルク微分値，負荷トルクを推定する。
【００２０】そのソフト観測器３は図２の如きものであ
る。ここで、図２は本発明によるソフト観測器の原理を
示す図である。すなわち、ソフト観測器はつぎのような
状態方程式で表される。
る。ここで、図２は本発明によるソフト観測器の原理を
示す図である。すなわち、ソフト観測器はつぎのような
状態方程式で表される。
【００２１】
【数６】
【００２２】ただし、ωｃは設計者が自由に決められる
カットオフ周波数を表し、それ以上の高周波ノイズを減
衰することを意味する。ソフト観測器出力のうち、ｘ
ｂ，ｘｃ，ｘｄはそれぞれ軸トルク信号，軸トルク微分
値信号，負荷トルク信号に相当する。かようにして、観
測した信号は実際の信号に漸次収束することが保証され
る。しかも、その信号をフィードバックした場合、制御
ループに影響しないことも指摘されている。最初の初期
偏差は除いて真の信号を使った場合と完全に等価にな
る。
カットオフ周波数を表し、それ以上の高周波ノイズを減
衰することを意味する。ソフト観測器出力のうち、ｘ
ｂ，ｘｃ，ｘｄはそれぞれ軸トルク信号，軸トルク微分
値信号，負荷トルク信号に相当する。かようにして、観
測した信号は実際の信号に漸次収束することが保証され
る。しかも、その信号をフィードバックした場合、制御
ループに影響しないことも指摘されている。最初の初期
偏差は除いて真の信号を使った場合と完全に等価にな
る。
【００２３】
【作用】図１においては、微分ゲイン５は系に減衰項を
与え、ねじり振動を防止または抑制する役割を果たす。
トルク調整ループにおいて、比例積分器４にて比例器は
指令トルクＴ＊に追従速度を調整し、積分器は指令追従
のオフセットをなくす役割をする。図２のソフト観測器
３において、カットオフ周波数ωｃは収束のスピードを
決めるとともに、それ以上の高周波観測ノイズをカット
オフする役割をする。
与え、ねじり振動を防止または抑制する役割を果たす。
トルク調整ループにおいて、比例積分器４にて比例器は
指令トルクＴ＊に追従速度を調整し、積分器は指令追従
のオフセットをなくす役割をする。図２のソフト観測器
３において、カットオフ周波数ωｃは収束のスピードを
決めるとともに、それ以上の高周波観測ノイズをカット
オフする役割をする。
【００２４】
【実施例】さらに本発明を、具体的なシステム適用例に
て詳述する。すなわち、負荷を駆動する電動機と、負荷
と電動機を連結する弾性軸とらなるねじり系において、
電動機に取り付けられた速度検出器のみを使って、軸ト
ルクを振動させずに指令に追従させる適用においては、
まずシステム応答特性を決める三っの安定な極を決め
る。
て詳述する。すなわち、負荷を駆動する電動機と、負荷
と電動機を連結する弾性軸とらなるねじり系において、
電動機に取り付けられた速度検出器のみを使って、軸ト
ルクを振動させずに指令に追従させる適用においては、
まずシステム応答特性を決める三っの安定な極を決め
る。
【００２５】例えば、−ｐａ，−ｐｂ，−ｐｃと決めた
とき、これらの極とプラントの機械定数であるρ, ωo
から、制御ループに各ゲインを式（17），（18），（1
9）と計算し、各制御ブロックに入れる。
とき、これらの極とプラントの機械定数であるρ, ωo
から、制御ループに各ゲインを式（17），（18），（1
9）と計算し、各制御ブロックに入れる。
【００２６】つぎに、実際運転時のノイズ状況をみて、
カットオフ周波数ωｃを適当に決め、このカットオフ周
波数とプラントの機械定数から、ソフト観測器の各係数
は決められることにより、最後に、計算した各係数をそ
れぞれソフト観測器に入れればよい。
カットオフ周波数ωｃを適当に決め、このカットオフ周
波数とプラントの機械定数から、ソフト観測器の各係数
は決められることにより、最後に、計算した各係数をそ
れぞれソフト観測器に入れればよい。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ね
じり振動制御に必要とする軸トルク，軸トルク微分値に
相当する信号を、ソフト観測器により格別に推定し、あ
るいはフィードバック系を有してねじり振動を抑制し得
る安価な制御方法を提供することができる。
じり振動制御に必要とする軸トルク，軸トルク微分値に
相当する信号を、ソフト観測器により格別に推定し、あ
るいはフィードバック系を有してねじり振動を抑制し得
る安価な制御方法を提供することができる。
【図１】図１は本発明の技術思想を示すトルクセンサレ
ス軸トルク制御原理を表す系統図である。
ス軸トルク制御原理を表す系統図である。
【図２】図２は本発明によるソフト観測器の原理を示す
図である。
図である。
【図３】図３はねじり系制御対象ブロックを示す系統図
である。
である。
１ 制御対象 ２ 速度センサ ３ ソフト観測器 ４ 比例積分器 ５ 微分ゲイン ７ 電動機 ８ 弾性軸 ９ 負荷機 10 トルク発生係数 Ｔ＊ 指令トルク ｕ 制御入力トルク Ｔｓ 軸トルク φ 軸トルク微分値推定値 ωｏ ねじり係共振角周波数 ωｍ 電動機速度 ωｌ 負荷機速度 Ｔｌ 負荷外乱 ωｃ カットオフ周波数
【数７】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02P 5/00
Claims (2)
- 【請求項１】 負荷と負荷を駆動する電動機の間を連結
する剛性の低い軸の軸トルクを振動抑制しながら指令ト
ルクに追従制御させる方法において、前記電動機に取り
付けられた速度センサの出力値を入力して軸トルクの値
とその微分値を推定して得るソフト観測手段を設けると
ともに、指令トルクと前記軸トルクの推定値との偏差を
比例積分した値に、前記推定された軸トルクの微分値を
印加することにより、トルク指令を得るようにしたこと
を特徴とする電動機駆動システムの軸トルク制御方法。 - 【請求項２】 電動機と負荷を連結する弾性軸に発生す
るねじり軸トルクとその微分値の推定方法において、前
記電動機に印加する制御入力と電動機速度センサの出力
信号とプラントの機械定数と任意に指定されるカットオ
フ周波数に基づいて次数４のソフト観測器（３）を構成
することにより、該ソフト観測器（３）の状態変数（ｘ
ｂ）と状態変数（ｘｃ）を軸トルクとその微分値の推定
値とすることを特徴とする電動機駆動システムの軸トル
ク推定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29274393A JP3253434B2 (ja) | 1993-10-28 | 1993-10-28 | 電動機駆動システムの軸トルク制御方法および軸トルク推定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29274393A JP3253434B2 (ja) | 1993-10-28 | 1993-10-28 | 電動機駆動システムの軸トルク制御方法および軸トルク推定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07123761A JPH07123761A (ja) | 1995-05-12 |
| JP3253434B2 true JP3253434B2 (ja) | 2002-02-04 |
Family
ID=17785760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29274393A Expired - Lifetime JP3253434B2 (ja) | 1993-10-28 | 1993-10-28 | 電動機駆動システムの軸トルク制御方法および軸トルク推定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3253434B2 (ja) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS594954B2 (ja) * | 1977-09-14 | 1984-02-01 | 三菱電機株式会社 | 機械駆動系軸ねじり振動制御装置 |
| JPH01304511A (ja) * | 1988-06-02 | 1989-12-08 | Seiko Instr Inc | サーボ制御装置 |
| JP2798217B2 (ja) * | 1989-07-27 | 1998-09-17 | 三菱重工業株式会社 | 高速位置決め制御方法 |
| JP2841902B2 (ja) * | 1991-02-28 | 1998-12-24 | 富士電機株式会社 | ダイナミック・シミュレータの制御装置 |
| JP2981625B2 (ja) * | 1991-07-09 | 1999-11-22 | 光洋精工株式会社 | 動力舵取装置 |
| JP3006223B2 (ja) * | 1991-10-16 | 2000-02-07 | 富士電機株式会社 | 電動機の制御装置 |
| JP2737065B2 (ja) * | 1991-12-13 | 1998-04-08 | 東洋電機製造株式会社 | ねじり振動抑制制御方式 |
-
1993
- 1993-10-28 JP JP29274393A patent/JP3253434B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07123761A (ja) | 1995-05-12 |
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