JP3659827B2

JP3659827B2 - 同期電動機の制御装置

Info

Publication number: JP3659827B2
Application number: JP37295498A
Authority: JP
Inventors: 明喜佐竹
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000197384A

Description

【０００１】
【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、２ＰＩ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、２３ＰＩ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、ＫｐＰゲイン、ＫｉＩゲイン、Ｋｇトルク補償係数、ＳＰＴ速度（加速度）しきい値。

Claims

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。