JP3659827B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の送り軸制御や位置決め用途に使用されるモータの制御装置に関するものであり、特に外乱の度合いに応じて制御器のゲインが演算されて制御されることを特徴とする制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図7に一般的な工作機械の送り軸制御や位置決め用途に使用されるモータの制御ブロック図を示す。上位制御器から得られる速度指令値SVCをもとにモータを駆動する速度制御ループにおいて、モータ7に取り付けられたロータ速度検出手段(ロータ位置検出手段8及び微分器10)によって得られた速度検出値SPDと速度指令値SVCとを加算器上で演算した誤差SDFをPI演算器2で増幅しトルク指令値STCとし、ロータ位置検出手段8によって得られるロータ位置SPとトルク指令値STCにモータトルク定数Ktmを演算器4で乗じた値SIQCとから位相分配器5により多相電流指令値SICとしてアンプ6に与え、アンプ6より多相電流としてモータ7に印加し駆動している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
工作機械、特にNC旋盤のタレットなどをモータで駆動しようとする場合、タレット(負荷)とモータとの間にギア(減速器)やベルト、プーリーなどの伝達機構が用いられる。このような伝達機構、特にギアの場合、ギアの製作精度や組立精度などの諸要因により、モータ側ギアと負荷側ギアとの間にバックラッシュが存在する。
【0004】
この様な系では、バックラッシュ中は負荷が抜けた状態であり、バックラッシュ中でない場合、つまり負荷がモータと連結されている場合(ギアがかみ合っている状態)に比べてゲインを低くしなければならない。
【0005】
ところが従来技術で述べた制御器のPIゲインはバックラッシュの大小にかかわらず一定のPIゲインに固定して制御を行っている。
【0006】
これは一般に制御器のゲインが負荷を連結した場合は、負荷のイナーシャとモータのロータイナーシャを考慮して高めに設定されるのだが、バックラッシュ中は負荷抜けが起きてしまい、負荷イナーシャ分のゲインが余分になってしまう。
【0007】
その結果、バックラッシュ中はモータ単体でゲインを高くした場合によく見られるハンチング状態に陥ってしまい、振動や異音の原因となることが多い。また機械的にもモータ側、負荷側、それぞれのギア歯面が衝突して歯音となることもある。
【0008】
これを避けるために、従来は制御器のゲインをモータのロータイナーシャのみを考慮した低めのゲインに調整することが多く、刃物台のタレットインデックスにおいて位置決め時間が短縮できないなどの不具合が生ずる。
【0009】
本発明は上述した事情から成されたものであり、本発明はバックラッシュが存在する系において、安定した制御器を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータに加わる外乱を推定器で推定し、モータを制御する制御ゲインをこの推定値に応じて演算することによって、前記目的を達成するものである。
【0011】
本発明の上記目的は、モータ制御時の外乱を推定器で演算し、モータを制御するPIゲインを前記推定値で得られた値に応じて変化させる関数をもつ演算器によって演算させることで達成される。
【0012】
前記、推定器はモータに指令されるトルク指令値とトルク定数とから演算される予想値と、実際にモータが得た加速度とロータイナーシャとから演算される推定値とを比較して、トルク誤差とし、誤差が小さい値の場合はほぼロータイナーシャを考慮したゲインで動作しているのでバックラッシュ中と判断される。また、誤差が大きな場合、モータと負荷が連結されている(このとき、ゲインの最大値はモータのロータイナーシャと負荷イナーシャが加算された値を考慮したもの)と判断でき、よってバックラッシュ中はロータイナーシャのみを考慮した小さなゲイン、また負荷とモータとが連結中は、この系における最大ゲインで動作させることができる。
【0013】
バックラッシュ中のゲインは上述された理由により小さくするものの、Iゲインが考慮されると不安定さの要因になりかねない。これは、バックラッシュ中の負荷が抜けている(ギアの自由空間を動作しているのでモータ端の検出器で負荷の挙動は推測不能)ため、積分要素が実際の制御と負荷の挙動との誤差要因になるからである。しかし、バックラッシュ中にP制御のみにした場合、バックラッシュ以外の外乱(例えば、ギアの偏芯)によって制御的に不安定になる場合がある。そのため、バックラッシュを判断するため先に演算したトルク誤差値をもとに、係数を乗じてトルク制御ループにフィードバックすることでP制御中(バックラッシュ中)でも安定した制御が得られる。
【0014】
PI制御とP制御間で遷移する場合、急激にゲインが変化すると、制御上、不安定さの要因にもなりかねないので、バックラッシュを判断するため先に演算した値をもとにPI制御とP制御の遷移状態(ゲイン的にはロータ+負荷イナーシャを考慮したゲインとロータイナーシャを考慮したゲインの補間された中間値)を設け、制御的な緩衝とする。
【0015】
また、モータ加速時など比較的異音や振動が気にならない(加減速時間が一定回転時に比較して短時間のため)場合、ゲインを下げて制御すると位置決め時間が長くなるなどの不具合が発生するため、モータ速度に応じて速度しきい値以上では上述してきたゲイン調整制御を適用、以下では非適用といった制御も可能である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。なお、特に断らない限り同一符号の要素・信号は同機能、性能を有するものである。
【0017】
図1は本発明の実施形態を示す図である。従来例である図7と異なるのは、PI演算器2のゲインが制御中に調整できるということと、トルク指令値STCに対してトルク補償値STEが加算されるということ、そして、補償値演算部9がPIゲイン、トルク補償値STEを演算する演算器95と補償後トルク指令値STCCと、ロータイナーシャJmとロータ位置SPの2階微分値(加速度)からバックラッシュ中か否かを推定する推定器(91、92、93、94により構成)を持っていることが異なる。
【0018】
制御ループを順に説明すると、上位制御器から速度指令値SVCが与えられ、速度検出手段により得られた速度検出値SPDとを加算器1にて演算し、速度誤差SDFとしPI演算器2に入力する。PI演算器2でPIゲインを乗じられると速度誤差SDFはトルク指令値STCとなり、加算器3でトルク補償値STEが加算され補償後トルク指令値STCCとなる。その後、モータトルク定数Ktmが乗じられることでトルク電流指令値SIQCとなり、位相分配器5により多相分配され各相電流指令SICとなる。(本説明では便宜上3相交流を想定して説明を行う。)各相電流指令SICはアンプ6により電力増幅されモータ7に電流が印加されモータ7が回転する。モータ7にはモータのロータ位置検出手段である検出器8が取り付けられており、ロータ位置SPを出力する。ロータ位置SPは位相分配器5に与えられ、各相の電流位相を演算する際に参照される。またロータ位置SPは微分器10により微分されロータ回転速度検出値SPDとなる。
【0019】
ロータ位置SPは演算器91にて加速度の次元に演算されロータイナーシャJmが乗じられた値と、補償後ロータイナーシャSTCCに演算器93によりトルク定数Ktが乗じられた値とを加算器92で演算し、トルク誤差STDを算出する。
【0020】
トルク誤差STDはローパスフィルタ(以下LPF)94を介してトルク誤差STDCとし、関数演算器95に入力する。LPF94を介するのは、トルク誤差STDが制御周期を基本にした高周波成分を含んでいるからであり、LPF94を介さない場合、関数演算器95内での各種パラメータの演算が不安定になってしまい、制御自体も不安定になるといった不具合を招く可能性があるためである。
【0021】
関数演算器95は速度検出値SPDとトルク誤差STDCとから、内部関数に従って、ゲイン(KpとKi)を演算しPI演算器2に出力するとともに、トルク誤差STDOを演算器96に出力する。演算器96はトルク定数Ktの逆数をトルク誤差STDOに乗じてSTEを求め、加算器3に出力する。
【0022】
図2は本発明の関数演算器95内のブロック図を示したものである。まず有効値関数演算器22の機能を説明する。有効値関数演算器22は前段のスイッチにより関数が検出速度SPDか加速度SPDDのどちらを底にするかセレクタSELにより選択できるようになっている。なお加速度SPDDは検出速度SPDを微分器21により微分して演算される。また有効値関数演算器に入力される際、検出速度SPDは絶対値器290により絶対値化されている。
【0023】
有効値関数演算器22は後述するように、係数Kを乗算器25、26、27に出力する。PI値関数演算器23と関数演算器24には絶対値器291で絶対値化されたSTDCが入力される。PI値関数演算器23は、トルク誤差STDCに応じてPゲイン値;Kp、Iゲイン値:Kiを乗算器25、26にそれぞれ出力する。
【0024】
また補償関数演算器24は絶対値化されたトルク誤差STDCに応じて補正係数Kgを乗算器28に出力する。乗算器28は絶対値化される前のSTDCと補正係数Kgを乗じて乗算器27に出力する。乗算器25、26、28でKp、Ki、Kgが有効値関数演算器22からの係数Kに乗じられて、それぞれPI演算器2に出力されるPゲイン:P、Iゲイン:I、トルク誤差STDOとして出力される。
【0025】
図3(a)、(b)はPI値関数演算器23の関数、図3(c)は補償関数演算器24の関数パターン例を表している。図3(a)はトルク誤差STDC(絶対値)によりPゲイン値Kpが変化する様子を表しており、(b)はIゲイン値Kiの変化の様子を表している。
【0026】
これを見るとわかるように、トルク誤差STDCが0〜dfの区間ではIゲイン値:Kiが0になっており、P制御状態であることがわかる。またds〜dmの区間ではPIゲインがそれぞれ最高のゲインをとることがわかる。df〜dsは遷移状態で、急激にPI制御状態とP制御状態が切り替わることによる制御上の不安定さを避けるために設けられる区間である。この例では1次式で表現されているが、制御条件によっては多次式で表現しても良い。
【0027】
さらにトルク誤差STDCが0の時はゲインがモータのロータイナーシャJmのみで決定されており、逆にトルク誤差STDCがdmの場合、イナーシャがロータイナーシャJmと負荷イナーシャJlが考慮されたゲインになっている。
【0028】
この各しきい値df、ds、dmは任意に設定可能であり、制御系によって変更できる。当然のことながらKp、Kiの値も任意に設定可能である。
【0029】
図3(c)は極性を持つ(絶対値化前)のトルク誤差STDCに乗じられるトルク補正係数Kgの関数パターンである。これを見てわかるように、係数が有効になるのはトルク誤差(絶対値)STDCが0〜df〜dsである。これは、トルク補償を行うのが、PI演算器2が主にP制御状態のときに有効になることを意味している。ただし、制御系によっては0〜dmの全区間でも有効にする場合もある。
【0030】
図4は有効値関数演算器22内の関数パターンである。絶対値化された検出速度SPDもしくは加速度SPDDによって係数Kが演算される。図をみてわかるように、しきい値SPTの前後で係数が0と1に変化する。この例ではただのON、OFF用に使用しているのでこのようなパターンになるが、この係数やパターンは任意に設定可能であり、係数Kを0.8程度や2.0程度にすることも可能である。
【0031】
図5はこの発明の効果を検証するための制御系を模式的に図にしたものである。モータ50には検出器51が取り付けられており、軸にはギア52が取り付けられている。また負荷側は負荷54は軸を介してギア53に取り付けられている。ギア53と52はそれぞれ歯面間でバックラッシュを持ってかみ合っている。なお、説明の便宜上、モータ、負荷の支持系統は省略してある。モータのギア52が回転することで、ギア53と同軸で負荷54が回転する。モータロータイナーシャはJm、負荷イナーシャはJlとなっている。
【0032】
図6に、本発明の効果を表した特性例を示す。測定系は図5で示したような系であり、バックラッシュ量(任意)は大きくとってある。
【0033】
(a)は速度指令を表しており、時刻t1で加速を行い、加速時間t1〜t2で指令速度SPD0になり、時刻t3まで一定速度になる。減速にはt3〜t4の時間を指令している。総合時間でt1〜t4の時間の速度指令である。(b)は図7で示すような一般のPI制御系での加減速波形であり加減速時、一定速時共にバックラッシュの影響で振動的な波形になってしまう。
【0034】
(c)は特に図示しないが図7の制御系において検出速度においてしきい値SPTを設け、それ以上でPIゲインを下げて制御を行うといった方法の場合である。速度がSPT以下では図(b)の波形61とほぼ同じであるがしきい値SPTを越えるとゲインが下がるため比較的振動も緩やかになり、異音の原因にもなりにくいといったメリットもある。しかし速度が早い状態でゲインを下げているので速度制御が甘くなり速度制御時間がt1〜t4よりΔtだけ延びている。位置制御器に適用した場合、位置決め時間が延びるため好ましくない。
【0035】
(d)は本発明の制御器を適用した場合である。有効値関数演算器22の影響(機能OFF)でしきい値SPT以下は、ほぼ図(b)、(c)と同じである。加減速中は一定速時間に比べて短いため、異音とか振動などの不具合とはなりにくい。図(c)と比べて明らかに違うのは、しきい値SPT以上での振る舞いであり、異音となる振動がなく、ほぼ一定速で制御が可能である。しかも、位置決めに適用した場合にも、ほぼ指令通りの時間で制御が行えるため、不具合となりにくい。また、一定速中は、トルク補償が行われているので外乱にも比較的強くなっている(図(c)では、一定速中はゲインが下がっているため外乱に弱くなっている)。
【0036】
なお、主旨が逸脱しない範囲で以下の変形を行っても良い。関数パターンを式ではなく、ROM等の記憶装置にマップとして持っていても良い。実施例では、永久磁石型同期電動機の制御装置を例に挙げたため界磁制御部分が省略されているが、リラクタンス型、誘導電動機のトルク電流制御に応用してもよい。
【0037】
実施例では回転機をモデルにしたが、リニアモータの制御装置に適用しても良い。
【0038】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、バックラッシュの状態に応じてPI演算器のゲインを演算し変更し、PI演算器からP制御器になる上、P制御中にトルク補償がかかり、なおかつ、速度または加速度により機能の適用、非適用が選択されるため、バックラッシュを含む制御系でも安定した制御が行える同期電動機の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図2】 図1の関数演算器95の詳細を示すブロック図である。
【図3】 本発明の実施形態の関数演算部の関数パターン例を示す図である。
【図4】 本発明の実施形態の関数演算部の関数パターン例を示す図である。
【図5】 本発明の実施形態の機能検証用の制御系を模式的に示す図である。
【図6】 本発明の実施形態の効果を示す波形図である。
【図7】 従来例を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
1,3,92 加算器、2 PI演算器、4 演算器(トルク定数)、5 位相分配器、6 アンプ、7 モータ、8 ロータ位置検出手段、9 補償値演算部、91,93,96 演算器、94 ローパスフィルタ、95 関数演算器、10,21 微分器、22 有効値関数演算器、23 PI値関数演算器、24補償関数演算器、25,26,27,28 乗算器、290,291 絶対値器、SVC 速度指令値、SDF 速度誤差、STC トルク指令、STCC 補償後トルク指令、SIQC 電流指令、SIC 分配後電流指令、SP 検出位置、SPD 検出速度、STD トルク誤差、STDC トルク誤差(LPF後)、STDO トルク誤差(係数演算後)、SPDD 検出加速度、SEL,SELA,SELB モード選択スイッチ、Kp Pゲイン、Ki Iゲイン、Kg トルク補償係数、SPT 速度(加速度)しきい値。
Claims (2)
- 上位制御器から得られる速度指令値と、モータのロータ速度検出手段によって得られたロータ速度との差をPI演算器で増幅しトルク指令値とし、ロータ位置検出手段によって得られるロータ位置と前記トルク指令値とから多相電流指令値としてアンプに与え、アンプより多相電流としてモータに印加し駆動する同期電動機の制御装置において、
モータ制御時のバックラッシュに係る外乱状態を、前記トルク指令値から演算される予想値と、前記ロータ位置及びロータイナーシャから演算される値とを比較してトルク誤差値として出力する外乱推定器と、
前記ロータ速度又は加速度から算出する係数を前記トルク誤差値から算出されるPゲイン値とIゲイン値のそれぞれに乗算して、前記PI演算器が使用するPゲインとIゲインを算出する関数演算器とを備え、
モータ制御時のバックラッシュに係る外乱状態に応じて、PIゲインの値を変化させることを特徴とする同期電動機の制御装置。 - 上位制御器から得られる速度指令値と、モータのロータ速度検出手段によって得られたロータ速度との差をPI演算器で増幅しトルク指令値とし、ロータ位置検出手段によって得られるロータ位置と前記トルク指令値とから多相電流指令値としてアンプに与え、アンプより多相電流としてモータに印加し駆動する同期電動機の制御装置において、
モータ制御時の外乱状態を前記トルク指令値と前記ロータ位置から推定し、その結果をトルク誤差値として出力する外乱推定器と、
前記ロータ速度又は加速度から算出する係数を前記トルク誤差値から算出されるPゲイン値とIゲイン値のそれぞれに乗算して、前記PI演算器が使用するPゲインとIゲインを算出する関数演算器とを備え、
前記関数演算器は、前記トルク誤差値が小さい時は、PI制御からP制御のみで制御が行われるように前記PI演算器のPゲイン値及びIゲイン値が算出される関数からPIゲインを演算するPI値関数演算器と、
前記P制御時には、前記トルク誤差値から前記トルク指令値のトルク補償値を演算する補償関数演算器と、を備え、
モータ制御時の外乱状態に応じて、PIゲインの値を変化させることを特徴とする同期電動機の制御装置。
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