JP3561911B2

JP3561911B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP3561911B2
Application number: JP2000209161A
Authority: JP
Inventors: 和寛鶴田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: JP2002027772A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モ−タ、ロボット及び工作機械等のモータ制御装置に関し、特に制御パラメータのチューニング方法を改良したモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御ゲインをチューニングする装置として、例えば、特開平１０−７６４４４がある。この装置では、負荷イナ−シャの大きさを測定し制御ゲインを自動的に決定するオ−トチュ−ニング部と、決定したゲインを格納するゲイン記憶部と、指令値と出力により決定されるゲインを読み出すゲイン読み出し部と、フィ−ドバックル−プで構成されるコントロ−ラを備えており、初期的にチュ−ニング作業をしておくことで、実用的に負荷の変動に応じてリアルタイムなゲイン変更を安価に実現できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記従来例では、実際の運転に入る前に、実動作をいくつかのパタ−ンに分けて指令に対する操作量と出力からゲインを決定し、ゲイン修正量をコントロ−ラに与えるサイクルを繰り返すことで制御ゲインチュ−ニングしている。しかし、この方法では、複数個ある制御ゲインのどれをどのくらい変更すれば良いかは、熟練者の経験に頼らなければならず、チュ−ニングする技術者によっては、最適なゲインを得るまでに多大な時間を要すばかりでなく、振動を誘発する恐れがあるという問題がある。そこで本発明は、複数個ある制御パラメ−タを１つパラメ−タで自動的にチュ−ニングするモータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の本発明は、位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するように速度指令を決定する位置制御部と、前記速度指令を入力し前記モータ速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が前記電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、前記モータ位置から前記モータ速度を決定する速度信号作成部と、を備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、前記位置制御部内の位置ループゲインと、前記速度ループ内の速度ループゲイン及び速度積分時定数と、前記トルクフィルタ部内のフィルタ定数と、前記電流制御部内の電流ループゲイン及び電流積分時定数と、速度信号作成部内のフィルタ時定数と、を一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段を備え、目標応答周波数ω f を入力すると、前記速度ループゲイン kv を kv= ω f 、前記速度積分時定数 ti を ti=4/ ω f 、前記位置ループゲイン kp を kp= ω f/4 、前記トルクフィルタ定数 tf を tf=1/( ω f*4) 、前記電流ループゲイン ki を ki= ω f*4 、前記電流積分時定数 ta を ta=1/ ω f 、前記速度信号作成部内のフィルタ時定数 tv を tv=2 ^0.5 /( ω f*4) 、と設定することを特徴としている。
また、請求項２記載の本発明は、位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するように速度指令を決定する位置制御部と、前記速度指令を入力し前記モータ速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が前記電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、前記モータ位置から前記モータ速度を決定する速度信号作成部と、を備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、前記位置制御部内の位置ループゲインと、前記速度ループ内の速度ループゲイン及び速度積分時定数と、前記トルクフィルタ部内のフィルタ定数と、前記電流制御部内の電流ループゲイン及び電流積分時定数と、速度信号作成部内のフィルタ時定数と、を一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段を備え、前記負荷イナーシャ値 JL と目標応答周波数ω f を入力すると、モータイナーシャ JM との比から求めたイナーシャ補正ゲイン JCOM=((JL+JM)/JM) ^0.5 を用いて、前記速度ループゲイン kv を kv= ω f/JCOM 、前記速度積分時定数 ti を ti=4/ ω f*JCOM 、前記位置ループゲイン kp を kp= ω f/4/JCOM 、前記トルクフィルタ定数 tf を tf=1/( ω f*4)*JCOM 、前記電流ループゲイン ki を ki= ω f*4/JCOM 、前記電流積分時定数 ta を ta=1/ ω f*JCOM 、前記速度信号作成部内のフイルタ時定数 tv を tv=2 ^0.5 /( ω f*4)*JCOM 、と設定することを特徴としている。
また請求項３記載の本発明は、位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するように速度指令を決定する位置制御部と、前記速度指令を入力し前記モータ速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が前記電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、前記モータ位置から前記モータ速度を決定する速度信号作成部と、を備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、前記位置制御部内の位置ループゲインと、前記速度ループ内の速度ループゲイン及び速度積分時定数と、前記トルクフィルタ部内のフィルタ定数と、前記電流制御部内の電流ループゲイン及び電流積分時定数と、速度信号作成部内のフィルタ時定数と、を一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段を備え、メカの共振周波数ω H 及び反共振周波数ω L と目標応答周波数ω f を入力すると、モータイナーシャ J1 を J1=(JM+JL)*( ω L/ ω H) ² /JM と表し、前記速度ループゲイン kv を kv= ω f/J1 、前記速度積分時定数 ti を ti=4/ ω f*J1 、前記位置ループゲイン kp を kp= ω f/4/J1 、前記トルクフィルタ定数 tf を tf=1/( ω f*4)*J1 、前記電流ループゲイン ki を ki= ω f*4/J1 、前記電流積分時定数 ta を ta=1/ ω f*J1 、前記速度信号作成部内のフィルタ時定数 tv を tv=2 ^0.5 /( ω f*4)*J1 、と設定することを特徴としている。
また請求項４に記載の本発明は、前記一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段は、ユーザーが希望する目標応答周波数ω f から決定する手段と、負荷イナーシャ値 JL と目標応答周波数ω f から決定する手段と、メカの共振周波数ω H 及び反共振周波数ω L と目標応答周波数ω f から決定する手段と、これら３つの手段を選択する手段とを備えたことを特徴としている。
このようになっているため、予め負荷イナ−シャ値JLとメカの共振周波数ωH、反共振周波数ωLを設定しておけば、目標応答周波数ωfを入力するだけで全ての設定個所の値が決まって制御装置全体の定数を所望の値にすることができるのである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的実施例に基づいて述べる。図１は本発明のモータ制御装置を適用したモ−タ制御システムのブロック図である。図において、１１は位置指令Ｐｒｅｆを出力する指令発生部、１２は位置指令Ｐｒｅｆと検出されたモータの位置信号Ｐｆｂを入力して速度指令Ｖｒｅｆを出力するとともに前記２つの入力信号が一致するようにモータの位置制御をする位置制御部、１３は速度指令Ｖｒｅｆと演算されたモータ１６の速度信号Ｖｆｂを入力してトルク指令Ｔｒｅｆを出力するとともに前記２つの入力信号が一致するようにモータ１６の速度制御をする速度制御部、１４はトルク指令Ｔｒｅｆを受けてフィルタをかけるトルクフィルタ部、１５はトルクフィルタ部の出力であるトルク指令Ｔｒｅｆを受けて電流指令Ｉｒに変換し、検出されたモ−タ電流Ｉｆｂが電流指令Ｔｒに一致するように電流制御を行いモータ１６に電流を供給する電流制御部、１７はモータ１６の回転軸に接続するなどして回転軸の回転位置を検出する検出器、１８はモ−タで駆動されるメカ部、１９は検出器１７の出力信号を受けて差分演算して得られた速度信号にフィルタをかけて前記速度信号Ｖｆｂを出力する速度信号作成部、１ａは制御パラメ−タ選定信号を入力し、前記位置制御部１２と速度制御部１３とトルクフィルタ部１４と電流制御部１５と速度信号作成部１８に最適な制御パラメ−タを供給するワンパラメ−タチュ−ニング部である。
【０００６】
次に、位置制御部１２と速度制御部１３、トルクフィルタ部１４、電流制御部１５、モ−タ１６、検出器１７、速度信号作成部１９の詳細について図２を用いて説明する。図中、２１は位置指令Ｐｒｅｆからモ−タ位置Ｐｆｂを減じて位置偏差を出力する減算器、２２は位置偏差に位置ル−プゲインｋｐを乗じて速度指令Ｖｒｅｆを出力する乗算器、２３は速度指令Ｖｒｅｆから速度信号Ｖｆｂを減じて速度偏差を出力する減算器、２４は速度ル−プゲインｋｖと速度積分時定数ｔｉで構成されるＰＩ制御器でありトルク指令Ｔｒｅｆを出力する。２５は時定数ｔｆのトルクフィルタであり、２６はトルク指令を電流指令に変換する電流変換定数である。２７は電流指令Ｉｒとモ−タ電流Ｉｆｂを減じて電流偏差を出力する減算器、２８は電流ル−プゲインｋｉと電流積分時定数ｔａで構成されるＰＩ制御器であり電流をモ−タ２９に出力する。モ−タは２９の抵抗ＲとインダクタンスＬ、トルク定数ｋｔ、誘起電圧定数ｋｅでモデル化している。２ａはモ−タ位置を時間微分する微分器であり、２ｂはモ−タ位置を微分した信号に時定数ｔｖのフィルタ通す速度フィルタである。以上に示したように、モ−タモデルに表した抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、トルク定数ｋｔ、誘起電圧定数ｋｅ、および電流変換定数ｋａ以外の７つの制御パラメ−タは、ユ−ザが設定しなければならず、それぞれのパラメ−タの整合を取らなければ振動を誘発し、要求仕様を満たせない場合がある。そこで本発明では、ワンパラメ−タで制御パラメ−タを自動的に設定する方法を提案する。なお、抵抗ＲとインダクタンスＬとトルク定数ｋｔと誘起電圧定数ｋｅはモ−タ固有の値であり、チュ−ニングする必要はない。
【０００７】
ワンパラメ−タチュ−ニング部１ａの詳細について図３を用いて説明する。ワンパラメ−タチュ−ニング部１ａでは、制御パラメ−タ選定信号を入力し、判定器３１で、ユ−ザが希望する目標応答周波数ωｆから決定する手段３２と、負荷イナーシャ値ＪＬと目標応答周波数ωｆから決定する手段３３、メカ特性である共振周波数ωＨ及び反共振周波数ωＬと目標応答周波数ωｆから決定する手段３４の選択を行う。
【０００８】
ユーザが希望する目標応答周波数ωｆから決定する手段が選ばれた場合は、前記目標応答周波数ωｆを入力し、前記速度ル−プゲインｋｖをｋｖ＝ωｆ、前記速度積分時定数ｔｉをｔｉ＝４／ωｆ、前記位置ル−プゲインｋｐをｋｐ＝ωｆ／４、前記トルクフィルタ定数ｔｆをｔｆ＝１／（ωｆ＊４）、前記電流ル−プゲインｋｉをｋｉ＝ωｆ＊４、前記電流積分時定数ｔａをｔａ＝１／ωｆ、前記速度信号作成部内のフィルタ時定数ｔｖをｔｖ＝２^０．５／（ωｆ＊４）、と設定し、上記演算により算出された制御パラメ−タを出力する。
【０００９】
負荷イナーシャ値ＪＬと目標応答周波数ωｆから決定する手段が選ばれた場合は、前記負荷イナ−シャ値ＪＬを入力し、モ−タイナ−シャＪＭとの比から求めたイナ−シャ補正ゲインＪＣＯＭ＝（（ＪＬ＋ＪＭ）／ＪＭ）^０．５を用いて、前記速度ル−プゲインｋｖをｋｖ＝ωｆ／ＪＣＯＭ、前記速度積分時定数ｔｉをｔｉ＝４／ωｆ＊ＪＣＯＭ、前記位置ル−プゲインｋｐをｋｐ＝ωｆ／４／ＪＣＯＭ、前記トルクフィルタ定数ｔｆをｔｆ＝１／（ωｆ＊４）＊ＪＣＯＭ、前記電流ル−プゲインｋｉをｋｉ＝ωｆ＊４／ＪＣＯＭ、前記電流積分時定数ｔａをｔａ＝１／ωｆ＊ＪＣＯＭ、前記速度信号作成部内のフィルタ時定数ｔｖをｔｖ＝２^０．５／（ωｆ＊４）＊ＪＣＯＭ、と設定し、上記演算により算出された制御パラメ−タを出力する。
【００１０】
メカ特性である共振周波数ωＨ及び反共振周波数ωＬと目標応答周波数ωｆから決定する手段が選ばれた場合は、前記メカの共振周波数ωＨ及び反共振周波数ωＬを入力し、モ−タ側イナ−シャＪ１をＪ１＝（ＪＭ＋ＪＬ）＊（ωＬ／ωＨ）^２／ＪＭと表し、前記速度ル−プゲインｋｖをｋｖ＝ωｆ／Ｊ１、前記速度積分時定数ｔｉをｔｉ＝４／ωｆ＊Ｊ１、前記位置ル−プゲインｋｐをｋｐ＝ωｆ／４／Ｊ１、前記トルクフィルタ定数ｔｆをｔｆ＝１／（ωｆ＊４）＊Ｊ１、前記電流ル−プゲインｋｉをｋｉ＝ωｆ＊４／Ｊ１、前記電流積分時定数ｔａをｔａ＝１／ωｆ＊Ｊ１、前記速度信号作成部内のフィルタ時定数ｔｖをｔｖ＝２^０．５／（ωｆ＊４）＊Ｊ１、と設定し、上記演算により算出された制御パラメ−タを出力する。
【００１１】
以上の制御パラメ−タは安定条件と実験を繰り返すことにより決定した。例えば、速度ル−プゲインｋｖと速度積分時定数ｔｉは、速度ル−プをｋｖとｔｉとモ−タイナ−シャのみで表される２次系で表し、速度指令から速度にいたる範囲の伝達関数の特性方程式の根が安定になる（重根）ように決定した。なお、本発明ではそれぞれの制御パラメ−タの整合を重根条件で解いたが、安定条件を満たす範囲で解いて制御パラメ−タを決定しても良い。また、本発明は、１つのパラメ−タで７つの制御パラメ−タを自動的に決定できることに加えて、負荷のイナ−シャの大きさや、メカ特性である反共振周波数と共振周波数を用いて、制御パラメ−タの設定指針を自動的に変更し、最適な制御パラメ−タを得ることができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、位置制御部、速度制御部、電流制御部などの制御パラメ−タを１つのパラメ−タで振動することなく自動的に決定することができ、さらに、負荷イナ−シャの大きさや、メカ特性を用いて、制御パラメ−タの設定指針を自動的に変更し、負荷イナ−シャの大きさやメカ特性に応じた最適な制御パラメ−タを得ることができる位置制御装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータ制御装置を適用したモ−タ制御システムのブロック図
【図２】図１の各ブロックの詳細を示したブロック図
【図３】図１のワンパラメ−タチュ−ニング部の詳細を示す図
【符号の説明】
１１指令発生器
１２位置制御部
１３速度制御部
１４トルクフィルタ部
１５電流制御部
１６モ−タ
１７検出器
１８メカ部
１９速度信号作成部
１ａワンパラメータチューニング部
２１、２３、２７減算器
２２乗算器
２４速度ＰＩ制御器
２５トルクフィルタ
２６電流変換定数
２８電流ＰＩ制御器
２９モ−タモデル
２ａ微分器
２ｂ速度フィルタ
３１判定器
３２目標応答周波数から決定する手段
３３負荷イナーシャ値と目標応答周波数から決定する手段
３４メカ特性と目標応答周波数から決定する手段

Claims

位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するように速度指令を決定する位置制御部と、前記速度指令を入力し前記モータ速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が前記電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、前記モータ位置から前記モータ速度を決定する速度信号作成部と、を備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、
前記位置制御部内の位置ループゲインと、前記速度ループ内の速度ループゲイン及び速度積分時定数と、前記トルクフィルタ部内のフィルタ定数と、前記電流制御部内の電流ループゲイン及び電流積分時定数と、速度信号作成部内のフィルタ時定数と、を一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段を備え、
目標応答周波数ω f を入力すると、前記速度ループゲイン kv を kv= ω f 、前記速度積分時定数 ti を ti=4/ ω f 、前記位置ループゲイン kp を kp= ω f/4 、前記トルクフィルタ定数 tf を tf=1/( ω f*4) 、前記電流ループゲイン ki を ki= ω f*4 、前記電流積分時定数 ta を ta=1/ ω f 、前記速度信号作成部内のフィルタ時定数 tv を tv=2 ^0.5 /( ω f*4) 、と設定することを特徴とするモータ制御装置。
位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するように速度指令を決定する位置制御部と、前記速度指令を入力し前記モータ速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が前記電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、前記モータ位置から前記モータ速度を決定する速度信号作成部と、を備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、
前記位置制御部内の位置ループゲインと、前記速度ループ内の速度ループゲイン及び速度積分時定数と、前記トルクフィルタ部内のフィルタ定数と、前記電流制御部内の電流ループゲイン及び電流積分時定数と、速度信号作成部内のフィルタ時定数と、を一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段を備え、
前記負荷イナーシャ値 JL と目標応答周波数ω f を入力すると、モータイナーシャ JM との比から求めたイナーシャ補正ゲイン JCOM=((JL+JM)/JM) ^0.5 を用いて、前記速度ループゲイン kv を kv= ω f/JCOM 、前記速度積分時定数 ti を ti=4/ ω f*JCOM 、前記位置ループゲイン kp を kp= ω f/4/JCOM 、前記トルクフィルタ定数 tf を tf=1/( ω f*4)*JCOM 、前記電流ループゲイン ki を ki= ω f*4/JCOM 、前記電流積分時定数 ta を ta=1/ ω f*JCOM 、前記速度信号作成部内のフイルタ時定数 tv を tv=2 ^0.5 /( ω f*4)*JCOM 、と設定することを特徴とするモータ制御装置。
位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するように速度指令を決定する位置制御部と、前記速度指令を入力し前記モータ速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が前記電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、前記モータ位置から前記モータ速度を決定する速度信号作成部と、を備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、
前記位置制御部内の位置ループゲインと、前記速度ループ内の速度ループゲイン及び速度積分時定数と、前記トルクフィルタ部内のフィルタ定数と、前記電流制御部内の電流ループゲイン及び電流積分時定数と、速度信号作成部内のフィルタ時定数と、を一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段を備え、
メカの共振周波数ω H 及び反共振周波数ω L と目標応答周波数ω f を入力すると、モータイナーシャ J1 を J1=(JM+JL)*( ω L/ ω H) ² /JM と表し、前記速度ループゲイン kv を kv= ω f/J1 、前記速度積分時定数 ti を ti=4/ ω f*J1 、前記位置ループゲイン kp を kp= ω f/4/J1 、前記トルクフィルタ定数 tf を tf=1/( ω f*4)*J1 、前記電流ループゲイン ki を ki= ω f*4/J1 、前記電流積分時定数 ta を ta=1/ ω f*J1 、前記速度信号作成部内のフィルタ時定数 tv を tv=2 ^0.5 /( ω f*4)*J1 、と設定することを特徴とするモータ制御装置。
前記一つのパラメータに基づいて自動的に決定する手段は、ユーザーが希望する目標応答周波数ω f から決定する手段と、負荷イナーシャ値 JL と目標応答周波数ω f から決定する手段と、メカの共振周波数ω H 及び反共振周波数ω L と目標応答周波数ω f から決定する手段と、これら３つの手段を選択する手段とを備えたことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載のモータ制御装置。