JP3672068B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機速度を高精度に制御可能な制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置の従来例を図５に示す。
すなわち、商用電源１，インバータ２，電動機３，速度検出器４および速度指令を受けてインバータ２に電力供給指令を与える制御装置５等から構成される。また、制御装置５は速度検出器４からの速度検出値Ｎｄｅｔを速度指令値Ｎ^* に追従させる速度調節器５０１と、この速度調節器５０１の出力であるトルク指令値よりインバータ２への電力供給指令を演算するトルク調節器５０２とから構成されている。なお、図５を伝達関数で示すと図６のようになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電動機の速度検出器としては、パルスエンコーダ（ＰＥとも略記する）が良く用いられるが、ＰＥの分解能やデューティずれによる検出ノイズや、信号伝送経路に混入する信号ノイズにより、速度検出器の出力である速度検出値に誤差が含まれ、この誤差を含む速度検出値を速度指令値に追従させるよう制御装置が動作するため、電動機の速度リプルやトルクリプルが発生する。
特に、早い応答が要求されるサーボモータの場合には、速度検出周期を短くする必要があるため、ＰＥの１パルスに対する速度検出値の変化量が大きくなり、速度リプルやトルクリプルの振幅が大きくなるという問題が発生している。
【０００４】
図７に速度検出器にＰＥを用いた場合の速度検出周期と速度検出値との関係を示す。同図（ａ）は速度検出周期がＴｓ、同図（ｂ）はＴｓ／２の場合を示している。なお、これは、速度検出周期内の電動機の位置変化量が微小な場合の例であり、速度検出値は速度検出周期内の位置変化量を検出周期で除した値として表わされる。
つまり、速度検出周期が半分になれば１パルス当たりの速度検出値が２倍になるため、速度応答を早めるために速度検出周期を早くすると速度検出値の変化が急激となり、この速度検出値を速度指令値に追従させようと速度調節器が動作することから、トルク指令値にリプルが発生し、電動機の速度リプルやトルクリプルが発生する、というわけである。
【０００５】
このため、従来は、高分解能，高精度で高価な速度検出器を用い、このような速度リプルやトルクリプルの抑制を図るようにしているのが普通である。
したがって、この発明の課題は高価な速度検出器を用いることなく、速度リプルやトルクリプルの抑制を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決すべく、請求項１の発明では、電動機と、この電動機の速度検出手段と、電動機の速度指令値と前記速度検出手段よりの速度検出値とから電動機のトルク指令値を求める速度制御手段と、そのトルク指令値にもとづき前記電動機を制御するトルク制御手段とを備えた電動機制御装置において、
前記速度検出値を入力されるローパスフィルタと、前記トルク指令値を入力される電動機のトルク制御手段モデルと、このトルク制御手段モデルの出力から電動機速度を推定する電動機モデルと、この電動機モデルの出力である速度推定値を入力されるハイパスフィルタと、このハイパスフィルタの出力と前記ローパスフィルタの出力とを加算する加算手段とを設け、この加算手段の出力を前記速度制御手段に入力するとともに、前記ローパスフィルタ，ハイパスフィルタの各時定数をほぼ等しくすることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明では、電動機と、この電動機の速度検出手段と、電動機の速度指令値と前記速度検出手段よりの速度検出値とから電動機のトルク指令値を求める速度制御手段と、そのトルク指令値にもとづき前記電動機を制御するトルク制御手段とを備えた電動機制御装置において、
前記速度検出値を入力されるローパスフィルタと、前記トルク指令値から電動機速度を推定する電動機モデルと、この電動機モデルの出力である速度推定値を入力されるハイパスフィルタと、このハイパスフィルタの出力と前記ローパスフィルタの出力とを加算する加算手段とを設け、この加算手段の出力を前記速度制御手段に入力するとともに、前記ローパスフィルタ，ハイパスフィルタの各時定数をほぼ等しくすることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
図５に示すものとの相違点は、制御装置５内に、速度検出値を入力されるローパスフィルタ（ＬＰＦとも略記する）５０３、トルク指令値を入力される電動機のトルク制御手段モデル５０４、このモデル５０４の出力から電動機速度を推定する電動機モデル５０５、このモデル５０５の出力である速度推定値を入力されるハイパスフィルタ（ＨＰＦとも略記する）５０６、上記ＬＰＦ５０３の出力とＨＰＦ５０６の出力とを加算する加算器５０７等を付加した点にある。
【０００９】
すなわち、速度検出器４により速度検出値が得られ、ＬＰＦ５０３により速度検出値の高周波成分が抑制され、トルク制御手段モデル５０４と電動機モデル５０５とにより電動機の速度推定値が得られ、ＨＰＦ５０６によりＬＰＦ５０３の出力の遅れを補償する値が得られ、加算器５０７によりＬＰＦ５０３の出力とＨＰＦ５０６の出力とが加算され、速度調節器５０１において加算器５０７の出力を速度指令値に追従させるために必要なトルク指令値が演算され、トルク調節器５０２にて電力供給指令値が演算され、インバータ２にて商用電源から電力供給指令値に従う電力が電動機３に供給され、電動機３が駆動される。
【００１０】
図１の如く構成する根拠について、以下に説明する。
まず、従来例を示す図５を伝達関数で表現した図６において、速度実際値Ｎと速度検出値Ｎｄｅｔとの間に、
Ｎｄｅｔ＝Ｎ＋ΔＮ …（１）
なる関係があるものとする。なお、ΔＮは速度検出誤差である。
ここで、Ｇａｓｒ（ｓ）を速度調節器の伝達関数、σをトルク制御手段の遅れ、Ｊを電動機のイナーシャとして、速度指令値（Ｎ^* ）と速度実際値（Ｎ）との関係を示すと、図６から、
Ｎ＝Ｇａｓｒ（ｓ）・Ｎ^* ／｛（１＋ｓσ）ｓＪ＋Ｇａｓｒ（ｓ）｝…（２）
Ｎ＝−Ｇａｓｒ（ｓ）・ΔＮ／｛（１＋ｓσ）ｓＪ＋Ｇａｓｒ（ｓ）｝ …（３）
なる関係が成立する。
【００１１】
これに対し、図１を伝達関数を用いて表現すると、図２のようになる。この図２において、Ｔ_L をＬＰＦの時定数、Ｔ_H をＨＰＦの時定数として、ＮとＮ^* ，ＮとΔＮとの間にはそれぞれ次式のような関係が成立する。

【００１２】
ここで、ＬＰＦの時定数，ＨＰＦの時定数を等しくＴ₀ とすると、（４）式は（６）式、（５）式は（７）式にそれぞれ変形できる。

すなわち、（６）式は（２）式と等しく、（７）式は（３）式に時定数Ｔ₀ のＬＰＦが追加されたものと等しくなる。このことは、図１のように構成することで、速度指令値に対する速度応答を損なうことなく、速度検出誤差に対する速度応答の影響を緩和できることを示している。また、ＬＰＦの時定数，ＨＰＦの時定数が互いにほぼ等しい場合でも、その効果は変わらないことを示している。
【００１３】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
この例の図１との相違点は、トルク指令値を入力とする電動機のトルク制御手段モデル５０４を省略した点にある。したがって、ここでは電動機の速度推定値を電動機モデル５０５から得るようにしている。
すなわち、トルク制御手段の遅れσとＬＰＦの時定数Ｔ_L が充分離れている場合、次の（８）式が成立する。

そこで、図１からトルク制御手段モデル５０４を省略して、図３の如くする代わりにＨＰＦ５０６として、
Ｔ₀ ’＝σ＋Ｔ_L …（９）
で表わされるような時定数Ｔ₀ ’を持つものを用いることにより、図１の場合と同様の効果を得ようとするものである。
【００１４】
図４はこの発明の第３の実施の形態を説明するブロック線図である。
これは、図１と等価なブロック線図となる構成を示している。このような構成にしても、その効果は変わらない。このことは、図３と等価なブロック線図となる構成を用いた場合も同様である。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、速度検出値の高周波成分を抑制するＬＰＦを入れることで、速度検出誤差による速度検出値の急激な変化を抑制し、速度リプルやトルクリプルの発生を抑制することが可能となり、電動機のトルク制御手段モデルと電動機モデルとにより、または電動機モデルのみにより電動機速度を推定することで、ＬＰＦの遅れを補償することが可能となるだけでなく、ＬＰＦの時定数とＨＰＦの時定数とをそれぞれほぼ等しくすることで、速度指令に対する速度応答を損なうことなく速度制御を実現できるなどの利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１を伝達関数で表現したブロック図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図４】図２と等価な伝達関数ブロック図である。
【図５】従来例を示す回路図である。
【図６】図５を伝達関数で表現したブロック図である。
【図７】速度検出周期と速度検出値との関係説明図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…インバータ、３…電動機、４…速度検出器、５…制御装置、５０１…速度調節器、５０２…トルク調節器、５０３…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、５０４…トルク制御手段モデル、５０５…電動機モデル、５０６…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、５０７…加算器。

Claims (2)

1. 電動機と、この電動機の速度検出手段と、電動機の速度指令値と前記速度検出手段よりの速度検出値とから電動機のトルク指令値を求める速度制御手段と、そのトルク指令値にもとづき前記電動機を制御するトルク制御手段とを備えた電動機制御装置において、
   前記速度検出値を入力されるローパスフィルタと、前記トルク指令値を入力される電動機のトルク制御手段モデルと、このトルク制御手段モデルの出力から電動機速度を推定する電動機モデルと、この電動機モデルの出力である速度推定値を入力されるハイパスフィルタと、このハイパスフィルタの出力と前記ローパスフィルタの出力とを加算する加算手段とを設け、この加算手段の出力を前記速度制御手段に入力するとともに、前記ローパスフィルタ，ハイパスフィルタの各時定数をほぼ等しくすることを特徴とする電動機制御装置。
2. 電動機と、この電動機の速度検出手段と、電動機の速度指令値と前記速度検出手段よりの速度検出値とから電動機のトルク指令値を求める速度制御手段と、そのトルク指令値にもとづき前記電動機を制御するトルク制御手段とを備えた電動機制御装置において、
   前記速度検出値を入力されるローパスフィルタと、前記トルク指令値から電動機速度を推定する電動機モデルと、この電動機モデルの出力である速度推定値を入力されるハイパスフィルタと、このハイパスフィルタの出力と前記ローパスフィルタの出力とを加算する加算手段とを設け、この加算手段の出力を前記速度制御手段に入力するとともに、前記ローパスフィルタ，ハイパスフィルタの各時定数をほぼ等しくすることを特徴とする電動機制御装置。

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