JP3611738B2

JP3611738B2 - 電流制御装置

Info

Publication number: JP3611738B2
Application number: JP06747399A
Authority: JP
Inventors: 彰啓伊藤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: JP2000270589A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流制御装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えばＵＶＷ相を制御する同期モータやｄｑ軸変換制御を行う同期モータなどにおける電流制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボモータなどの電動モータを制御するには、モータのコイルのＬ分による遅れやＰＷＭインバータに起因する非線形性を補償する必要があり、このため、図５に示すように、電流フィードバックによる電流制御をかけ、ＰＷＭにまつわる非線形性を補償し、電流の応答性を向上させることが一般的に行われる。この場合、電流制御の方法としては、ＰＩ制御（比例・積分制御）を用いて遅れの補償と非線形性の補償とを行っている。例えば、図５に示すようにＵＶＷ相を制御する同期モータの場合、あるいは図６に示すようにｄｑ軸変換制御を行う同期モータの場合（図６）は、このような電流制御によって電流指令から電流に至る特性が改善されて速い応答特性が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような電流制御においては、電流の検出遅れや閉ループ内部の非線形性、さらには寄生要素（ダイナミクス）などによって電流ループそのもののハイゲイン化が難しく、電流帯域を広げる限界が低いという問題がある。つまり、現実には、電流制御部の応答性は種々の原因により阻害され、応答性を上げすぎるとサーボハンチングが生じたり、ハイゲイン化に起因した発振が生じたりする。
【０００４】
また、単一のフィードフォワードゲインを試行錯誤的に調整しなければならなく調整作業に手間がかかることに加え、実構造に基づいたものでないことから補償効果もそれほど上がらないという問題もある。
【０００５】
さらに、特開平４−４７８２号公報（発明の名称「モータ駆動装置」）や特開平５−２０７７６７号公報（発明の名称「モータ駆動制御装置」）では、いずれもフィードフォワード信号をフィードバック電流補償値と加算する構造になっており、モータのインピーダンスモデルを基に応答特性を補償するが、実際にはドライバ部等に強い非線形性を含んでおり、またＰＩ制御系の構造から、補償の程度もあまり強くできないため補償効果がそれほど上がらない。
【０００６】
本発明は、トータルの電流帯域を広げることができるとともに、補償効果を上げることにより電流ループの広帯域化など応答特性の改善を図ることができる電流制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明の電流制御装置は、電動機の電圧指令信号ｕ（ｋ）から電流出力ｙ（ｋ）までの伝達関数をＫ_ｐｗｍ／（Ｌｓ＋Ｒ）と近似し、これを離散値変換して制御対象Ｎ（δ）をＮ（δ）＝ｒ_０／（δ＋ｐ_０）とした時（ただしδ＝ｚ−１、ｚを進み演算とする）、この系にｄ（ｔ）＝ｄ_０＋ｄ_１ｔ＋…＋ｄ_ｉｔ^ｉ（ｉは０以上の適当な整数）というような近似誤差分を含む外乱が印加されているものとしてｉ＋１次モニック安定多項式ｑ（δ）を選んで、多項式方程式（δ＋ｐ_０）｛ｑ_ｉδ^ｉ＋…＋ｑ_０｝＋ｒ_０｛ｈ_ｉ＋１δ^ｉ＋１＋…＋ｈ_０｝＝ｑ（δ）（ｐ_０−ｍ_０）を満たすｈ_０〜ｈ_ｉ＋１を求め、Ｋ（δ）＝｛ｑ_ｉδ^ｉ＋…＋ｑ_０｝／ｑ（δ），Ｈ（δ）＝｛ｈ_ｉ＋１δ^ｉ＋１＋…＋ｈ_０｝／ｑ（δ），ｇ＝ｍ_０／ｒ_０として、制御法則ｕ（ｋ）＝Ｋ（δ）ｕ（ｋ）＋Ｈ（δ）ｙ（ｋ）＋ｇｖ（ｋ），｛ただしｖ（ｋ）は電流指令｝によってフィードバック補償することで、外乱ｄ（ｔ）の影響を除去しつつ電流制御系全体をＭ（δ）＝ｍ_０／（δ＋ｍ_０）という極配置系としたフィードバック補償器に対し、さらに電流指令部に｛ｚＭ（δ）｝^−１というフィードフォワード補償器を挿入し、電流制御系全体の電流応答特性をｚ^−１としたものである。
【０００８】
ここでは、まずモータの電圧−電流特性を１次で表し、外乱補償機能を含んだ極配置制御を行い、ドライバ部やモータにまつわる非線形性を補償し、系全体を無理なく適当に大きく設定した極をもつ１次の線形モデルに補償する。この系は、制御構造に含まれた外乱補償機能と、状態フィードバック効果によりＰＷＭインバータ等で発生する外乱やミスマッチに対してロバストである。このようにして構成したフィードバック制御系に対して、１次離散系フィードフォワード補償をかけることで、任意の応答特性を得ることができる。そして、１次有限整定応答することができる。
【０００９】
したがって、電流の検出遅れや、寄生要素（ダイナミクス）によって電流ループそのもののハイゲイン化が難しい場合でも、指令信号のみにフィードフォワード補償することだけで、トータル電流帯域を自由に広げられる。また、やみくもにフィードフォワードゲインを調整する必要なく応答特性の改善が自由にできるようになる。
【００１０】
またトータル電流帯域を調整するため、極の配置だけでなく、フィードフォワード補償の度合いを調整するために、フィードフォワード補償器を、請求項２記載の電流制御装置のように、ゲインαを持った、｛αδ＋ｍ_０｝／｛ｍ_０ｚ｝とすることができる。
【００１１】
またさらに電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計るため、請求項３記載の電流制御装置のように、本発明を例えばＰＷＭドライバや同期モータの制御用として用いることができる。
【００１２】
またさらに電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計るため、さらにトータル電流帯域を調整するのに、極の配置だけでなくフィードフォワード補償の度合いを調整するようにして、種々の特性のドライバやモータに対応してより柔軟な調節を可能にするため、請求項４記載の電流制御装置のように、本発明を例えばＰＷＭドライバや同期モータの制御用として用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１〜図２に、本発明の電流制御装置１の一実施形態を示す。本実施形態での電流制御装置１は、外乱補償機能をもった極配置系にフィードフォワード補償による応答特性の改善を図ることにより、電流制御系に対して外乱ｄが例えば図１に想像線で示すように印加されている場合においても電流帯域を広げるとともに補償効果を上げるようにしたものである。なお、以下に説明する実施形態は、ＰＷＭドライバと同期モータとの組み合わせからなる制御対象Ｎ（δ）に本発明の電流制御装置１を適用したものである。また本実施形態では、ＰＷＭ等に関わる非線形性等は、この系に外乱ｄとして印加されるものとしている。また、本実施形態では、外乱ｄは０次外乱、つまり請求項１におけるｉ＝０としているが、もちろんｉ＝１以上のより高次の外乱ｄとしてもかまわない。
【００１５】
まず、系の入力信号である各相電圧指令信号ｕ（ｋ）から出力である電流出力ｙ（ｋ）までの伝達関数は、近似式である以下の数式１により
【数１】
Ｋ_ｐｗｍ／（Ｌｓ＋Ｒ）
と表すことができる。この数式１で表される関数を離散値変換し、制御対象であるＮ（δ）を以下の数式２のように表す。
【００１６】
【数２】
Ｎ（δ）＝ｒ_０／（δ＋ｐ_０）
ただし、この数式２中におけるδは、ｚを進み演算子として
【数３】
δ＝ｚ−１
によって示されるものである。
【００１７】
また、系の極配置モデルを
【数４】
Ｍ（δ）＝ｍ_０／（δ＋ｍ_０）
としたフィードバック補償器２に対し、図２に示すように、電流指令部にｚ^−１Ｍ（δ）^−１で表されるフィードフォワード補償器３を挿入する。そして、数式５で表される安定多項式
【数５】
ｑ（δ）＝δ＋ｑ_０
を選び、数式６で表される多項式方程式
【数６】
（δ＋ｐ_０）ｑ_０＋ｒ_０（ｈ_１δ＋ｈ_０）＝（δ＋ｑ_０）（ｐ_０−ｍ_０）
を満たすｈ_０、ｈ_１を求める。
【００１８】
次に、上述の数式６に関し、
【数７】
Ｋ（δ）＝ｑ_０（δ＋ｑ_０）^−１
【数８】
Ｈ（δ）＝（ｈ_１δ＋ｈ_０）（δ＋ｑ_０）^−１
【数９】
ｇ＝ｍ_０／ｒ_０
で表される各式をつくり、これら数式７〜９を利用して数式１０に示す制御法則を得る。
【００１９】
【数１０】
ｕ（ｋ）＝Ｋ（δ）ｕ（ｋ）＋Ｈ（δ）ｙ（ｋ）＋ｇｖ（ｋ）
ただしｕ（ｋ）：各相電圧指令
ｙ（ｋ）：各相電流
ｖ（ｋ）：各相電流指令
この場合、ｖ（ｋ）→ｙ（ｋ）特性は、Ｍ（δ）となる。このことは、制御法則をＮ（δ）の式に代入して、多項式方程式の関係をつかうことで簡単に証明することができる。またこの制御系は、入力外乱やミスマッチの影響にもロバストな構造をしておりモータやＰＷＭにまつわる非線形性やミスマッチ、外乱を抑制し、１次モデルに補償している。
【００２０】
さて、電流指令部分にｚ^−１Ｍ（δ）^−１というフィードフォワード補償器３を挿入することで、電流制御部全体の電流応答特性ｚ^−１となる。なお、このフィードフォワード補償器３はプロパーであるから、実現可能な補償器である。また、本実施形態では、数式１０に示すフィードバック制御を施すことにより、制御系の極を適当な位置に配置するだけでなく、モデル化誤差や非線形性を含んだ外乱ｄも補償することができる。
【００２１】
以上説明したように、本発明の電流制御装置１によれば、非線形要素を含んだモデル化誤差も外乱ｄとして補償し、制御系を極配置して１次系に補償しておいてから、フィードフォワードをかけることにより補償効果を上げ、反応速度を向上させることができる。これにより、電流制御部の応答性が向上し、電流ループそのもののハイゲイン化や、トータルの電流帯域を広げることが可能となる。また、本発明の電流制御装置１を例えばＵＶＷ相を制御する同期モータ、あるいはｄｑ軸変換制御を行う同期モータに応用した場合、図３及び図４に示すようになり、電流制御系を無理なく適当な位置に配置した極をもつ１次系に補償することができることから、それぞれにおいて、電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を図ることができる。
【００２２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、制御対象がＰＷＭドライバ及び同期モータの組み合わせであるとして本発明の電流制御装置１を説明したが、この電流制御装置１の用途は特にこれらに限られないことは勿論であり、各種モータをはじめとした他の機器において実施可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の電流制御装置によれば、非線形性を補償して任意の応答特性を得ることができるので、電流の検出遅れや、寄生要素（ダイナミクス）によって電流ループそのもののハイゲイン化が難しい場合でも、指令信号のみにフィードフォワード補償することだけでトータルの電流帯域を広げることができる。
【００２４】
しかも、非線形性をもつモータやＰＷＭドライバを、外乱補償機能とフィードバック効果による強いロバスト性をもった制御構造により、電流制御系を無理なく適当な位置に配置した極をもつ１次系に補償することができ、さらにこれを基に実現可能な最適な構造でフィードフォワード補償をかけるため、やみくもにフィードフォワードゲインを調整する必要もなく、応答特性の改善（電流ループの広帯域化）が自由にできるようになる。
【００２５】
また、請求項２記載の電流制御装置によれば、フィードフォワード補償器を、ゲインαを持った、｛αδ＋ｍ_０｝／｛ｍ_０ｚ｝としているため、トータル電流帯域を調整するのに、極の配置だけでなく、フィードフォワード補償の度合いを調整することができるため、種々の特性のドライバやモータに対応してより柔軟な調節を可能である。
【００２６】
また、請求項３記載の電流制御装置によれば、電流制御装置を用いてＰＷＭドライバ及び同期モータを制御し、電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計ることができる。
【００２７】
また、請求項４記載の電流制御装置によれば、電流制御装置を用いてＰＷＭドライバ及び同期モータを制御し、電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計ることができるとともに、トータル電流帯域を調整するのに、極の配置だけでなくフィードフォワード補償の度合いを調整することができるため、種々の特性のドライバやモータに対応してより柔軟な調節が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電流制御装置の一実施形態を示す図であり、電流のフィードバック補償を表す。
【図２】フィードバック補償器とその前段に挿入されたフィードフォワード補償器とを示す図である。
【図３】本発明の電流制御装置をＵＶＷ相を制御する同期モータに応用した一例を示す図である。
【図４】本発明の電流制御装置をｄｑ軸変換制御を行う同期モータに応用した一例を示す図である。
【図５】従来の電流制御装置をＵＶＷ相を制御する同期モータに応用した一例を示す図である。
【図６】従来の電流制御装置をｄｑ軸変換制御を行う同期モータに応用した一例を示す図である。
【符号の説明】
１電流制御装置
２フィードバック補償器
３フィードフォワード補償器
ｄ外乱
ｕ（ｋ）各相電圧指令信号
ｖ（ｋ）各相電流指令
ｙ（ｋ）電流出力
Ｎ（δ）制御対象
Ｍ（δ）極配置モデル

Claims

電動機の電圧指令信号ｕ（ｋ）から電流出力ｙ（ｋ）までの伝達関数をＫ_ｐｗｍ／（Ｌｓ＋Ｒ）と近似し、これを離散値変換して制御対象Ｎ（δ）をＮ（δ）＝ｒ_０／（δ＋ｐ_０）とした時（ただしδ＝ｚ−１、ｚを進み演算とする）、この系にｄ（ｔ）＝ｄ_０＋ｄ_１ｔ＋…＋ｄ_ｉｔ^ｉ（ｉは０以上の適当な整数）というような近似誤差分を含む外乱が印加されているものとしてｉ＋１次モニック安定多項式ｑ（δ）を選んで、多項式方程式（δ＋ｐ_０）｛ｑ_ｉδ^ｉ＋…＋ｑ_０｝＋ｒ_０｛ｈ_ｉ＋１δ^ｉ＋１＋…＋ｈ_０｝＝ｑ（δ）（ｐ_０−ｍ_０）を満たすｈ_０〜ｈ_ｉ＋１を求め、Ｋ（δ）＝｛ｑ_ｉδ^ｉ＋…＋ｑ_０｝／ｑ（δ），Ｈ（δ）＝｛ｈ_ｉ＋１δ^ｉ＋１＋…＋ｈ_０｝／ｑ（δ），ｇ＝ｍ_０／ｒ_０として、制御法則ｕ（ｋ）＝Ｋ（δ）ｕ（ｋ）＋Ｈ（δ）ｙ（ｋ）＋ｇｖ（ｋ），｛ただしｖ（ｋ）は電流指令｝によってフィードバック補償することで、外乱ｄ（ｔ）の影響を除去しつつ電流制御系全体をＭ（δ）＝ｍ_０／（δ＋ｍ_０）という極配置系としたフィードバック補償器に対し、さらに電流指令部に｛ｚＭ（δ）｝^−１というフィードフォワード補償器を挿入し、電流制御系全体の電流応答特性をｚ^−１としたことを特徴とする電流制御装置。
フィードフォワード補償器が、｛ｚＭ（δ）｝^−１の代わりに、フィードフォワード補償の度合いを調整できるようにゲインαを持った、｛αδ＋ｍ_０｝／｛ｍ_０ｚ｝としたことを特徴とする請求項１記載の電流制御装置。
制御対象は、ＰＷＭドライバ及び同期モータであることを特徴とする請求項１記載の電流制御装置。
制御対象は、ＰＷＭドライバ及び同期モータであることを特徴とする請求項２記載の電流制御装置。