JP3812176B2

JP3812176B2 - 可動体の制御装置

Info

Publication number: JP3812176B2
Application number: JP30194498A
Authority: JP
Inventors: 伸夫黒河内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2018-10-23
Also published as: JP2000134965A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータで駆動される可動体の動きを制御する制御装置の改良に関するものである。なお、ここでは説明の便宜上、可動体としてクレーン車を例に挙げてその駆動制御について記述する。
図５は周知のクレーン車であって、クレーン車１のターレット２は、ターレット２を矢印イおよびロ方向、すなわち旋回させるＡＣモータ３と、アーム４を矢印ハおよびニ方向、すなわち上下させるＡＣモータ５とによって駆動され、これらのモータ３、５は制御装置６により制御される。
【０００２】
【従来の技術】
次にクレーン車のターレットの制御を図６を用いて詳細に説明する。図６において３、５、６は図５で示したものと同じである。７ａはモータ３の回転角度を検出する第１の角度検出器、８ａはモータ３の回転角速度を検出する第１の角速度検出器であり、これらはモータ３に付属する。また７ｂはモータ３の回転角度を検出する第２の角度検出器、８ｂはモータ３の回転角速度を検出する第２の角速度検出器であり、上述の７ａおよび８ａと同様にモータ５に付属する。また、９ａはモータ３の各電機子巻線に流れる電流を検出する第１の電流検出器、１０ａはモータ３を回転させるためにステップ状の角度指令を発生する第１の角度パターン発生部、１１ａは第１の角度パターン発生部１０ａの発生する角度指令と第１の角度検出器７ａの検出するモータ３の回転角度を検出する角度の差を演算する角度減算器、１２ａは角度減算器１１ａの出力をＫ_P倍する第１の角度偏差増幅器、１３ａは第１の角度偏差増幅器１２ａの出力と第１の角速度検出器８ａの検出する角速度の差を演算する第１の角速度減算器、１４ａは第１の角速度減算器１３ａの出力をＫ_R倍する第１の角速度偏差増幅器、１５ａは第１の角速度偏差増幅器１４ａの出力と第１の電流検出器９ａの出力の差を演算する第１の電流減算器、１６ａは第１の電流減算器１５ａの出力をＫ_I倍する電流偏差増幅器、１７ａはＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変換の基準三角波を発生させる第１の三角波発生器、１８ａは電流偏差増幅器１６ａの出力を第１の角度検出器７ａの出力を用いてモータ３の電機子巻線座標に変換し、その出力を第１の三角波発生器１７ａの基準三角波を用いてＰＷＭ変換して電力増幅を行いモータ３に電流を供給する第１の電力増幅器である。また、７ｂ〜１８ｂは７ａ〜１８ａと同様の動作をモータ５に対して行うものである。
【０００３】
次に制御装置６の動作について説明する。図５のターレット２をＯからＡに向けさせる場合、ロ方向に角度α回転させるようなステップ状の角度指令が第１の角度パターン発生器１０ａより発せられ、第１の角度減算器１１ａを用いた角度帰還路、第１の角速度減算器１３ａを用いた角速度帰還路、第１の電流減算器１５ａを用いた電流帰還路により、各減算器１１ａおよび１３ａおよび１５ａの出力をそれぞれ零にするように動作する。図７は上述のようなステップ状の角度指令が第１の角度パターン発生器１０ａより発せられた場合のターレット２の運動を示したものであり、１９は第１の角度パターン発生器１０ａより発せられる角度指令、２０は第１の角度検出器７ａの検出する角度の推移、すなわちターレット２の角度の推移、２１は第１の角度偏差増幅器１２ａの出力する角速度指令、２２は第１の角速度検出器８ａの検出する角速度、すなわち２の角速度の推移を表している。アーム４に対しても制御装置６はターレット２に対するものと同様の動作を行う。
【０００４】
次に、モータ３の動作について説明する。ここでは便宜上、３相ＡＣモータを用いる。図８は３相ＡＣモータと電力増幅器１８ａの等価回路図であって、Ｕ層電機子巻線に電流ｉ_U、Ｖ相電機子巻線に電流ｉ_V、Ｗ相電機子巻線に電流ｉ_Wを流すことにより磁石を回転させ、各電機子巻線に流れる電流の合成ベクトルである電流ベクトルと磁石の作り出す界磁磁束によってトルクが発生し、そのトルクＴは数１で示される。
【０００５】
【数１】

【０００６】
ここで、モータ３の回転角速度をω、ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを数２とすると、
【０００７】
【数２】

【０００８】
数２を数１に代入することで、トルクＴは数３で表される。
【０００９】
【数３】

【００１０】
数３から明らかなように、数２に示す電流をｉｕ、ｉｖ、ｉｗに流すことによって、トルクＴの周波数はロータ磁石の角度に依存せず、モータ３の回転角速度に、言い換えると、モータ３の回転周波数に比例することがわかる。図９はこの様子を示すもので、図９（ａ）に示すモータ３の加速領域ではｉｕ、ｉｖ、ｉｗの周波数は徐々に高くなり、図９（ｂ）に示す定速領域では最大周波数で一定となり、図９（ｃ）に示す減速領域では徐々に周波数は低くなるよう、第１の電力増幅部１８ａは動作する。
【００１１】
ところで、ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを数２で示すような電流を流すために、第１の電力増幅器１８ａは、内部の座標変換器により第１の電流偏差増幅器１６ａの出力を第１の角度検出器７ａの出力を用いてモータ３の電機子巻線座標に変換し、その出力は第１の三角波発生器１７ａの基準三角波を用いてＰＷＭ変換するよう内部のＰＷＭ変換・ゲート回路が動作する。図１０はこのＰＷＭ変換の様子を示すものである。例えば、図８において、回転磁界を生成するために電流を▲１▼ｕ→ｖ、▲２▼ｖ→ｗの順に転流させる場合、▲１▼ＰＷＭ変換・ゲート回路ｕ；ＯＮ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｕ；ＯＦＦ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｖ；ＯＦＦ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｖ；ＯＮ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｗ；ＯＦＦ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｗ；ＯＦＦの状態から▲２▼ＰＷＭ変換・ゲート回路ｕ；ＯＦＦ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｕ；ＯＦＦ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｖ；ＯＮ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｖ；ＯＦＦ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｗ；ＯＦＦ、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｗ；ＯＮの状態に推移する。図１１にこの様子をタイムチャートにて示す。図８におけるトランジスタ等のパワー素子がｕとｕ、ｖとｖ、およびｗとｗのように直列に接続されている場合、わずかな時間でも同時にＯＮすると直流電源短絡を引き起こすことによってパワー素子破壊を招くことから、その防止対策として一般に、直列に接続されたパワー素子が両方共にＯＦＦとなる短絡防止時間：ｔｄを設けるようＰＷＭ変換・ゲート回路は動作する。これは、パワー素子のスイッチング特性が、一般に、ＯＦＦ→ＯＮの遷移時間よりＯＮ→ＯＦＦの遷移時間の方が長いことに起因しており、その大きさはパワー素子固有の値となる。図１１においては、▲１▼から▲２▼に遷移するとき、ＰＷＭ変換・ゲート回路ｖ、ｖによりこの短絡防止時間：ｔｄを設けるよう制御されるため、直列に接続されたトランジスタ等のパワー素子ｖ、ｖは同時にＯＮすることはない。
【００１２】
次に、この短絡防止時間：ｔｄの影響を図９で示した加速領域、定速領域、減速領域各々において説明する。図１２はこの様子を示すもので、図１２（ａ）はモータ３の加速領域、図１２（ｂ）はモータ３の定速領域、図１２（ｃ）はモータ３の減速領域をそれぞれ示し、３相電流の内ｖ相のみの電流ｉｖを記述してある。図１２から明らかなとおり、単位時間当たりの短絡防止時間：ｔｄの占める割合は、図１２（ａ）より図１２（ｂ）の方が高い。これは、ｉｖが高周波数となるほどＰＷＭ変換回数が増加することに起因して高くなることを意味する。つまり、モータ３が高速に回転するほどｔｄの占める割合の増加に反比例して実際にパワー素子がＯＮする時間が減少するため、電流帰還路のゲインが等価的に低下してしまう。この速度帰還路のマイナループである電流帰還路のゲインが低下した場合の速度帰還路の挙動について、図１３で説明する。図１３は図６の制御装置の速度帰還路、電流帰還路をラプラス演算子：Ｓを用いた伝達関数で表したもので、Ｊはターレット２の慣性能率、τはモータ３の時定数、ｋ_I・（Ｓ＋ω_I）／Ｓは電流偏差増幅器１６ａ、三角波発生器１７ａ、電力増幅器１８ａの総合伝達関数、Ｊ・Ｋ_Rは速度偏差増幅器１４ａの伝達関数である。また、図中、同一記号は図５、６と同一である。図１３において、ω_I＝１／τとおいて電流帰還路をブロック変換すると図１４を得る。次に図１４の速度帰還路を整理すると図１５を得る。さらに、図１５をブロック変換すると図１６を得る。図１６において、Ｋ_R・Ｋ_Iと１／Ｋ_Rを数４のようにおくとき、
【００１３】
【数４】

【００１４】
２次系がオーバシュートなく安定に挙動する条件はξ≧１となるので、数４より数５を得る。
【００１５】
【数５】

【００１６】
以上のように、前述の状態により電流帰還路のゲイン：Ｋ_Iが等価的に低下することは、数５を満足できなくなることを意味する。よって、速度帰還路が不安定となるため、モータ３の回転は不安定となり、その結果、ターレット２の動作が振動的、あるいはハンチングする等不安定になってしまうという問題があった。アーム４の駆動制御に関しても同様の問題があった。クレーン車はアーム４の先端部分から重量物を吊り上げて旋回、上下して重量物の運搬を行うものであるため、ターレット２およびアーム４は安定に動作する必要があり、不安定な動作は、クレーン車の操作性のみならず、運搬時間を増加させるという問題があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような問題は、モータ３および５が高速回転時に制御装置６の電流帰還路のゲインが等価的に低下することにより生じる。よって、安定性がモータ３および５の回転角速度に依存しない制御装置の提供が必要であった。
【００１８】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、モータが高速回転時電流帰還路のゲインが等価的に低下しない制御機能を有することにより、モータの高速回転時にも安定に動作する制御装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る可動体の制御装置は、制御対象を回転させるモータと、上記モータの回転角度を検出する角度検出器と、上記モータの回転角速度を検出する角速度検出器と、上記モータの各電機子巻線に流れる電流を検出する電流検出器と、制御対象を回転させるために指令値を発生させる角度パターン発生部と、上記角度検出器の出力と上記角度パターン発生部の出力する角度指令との偏差を演算する角度減算器と、上記角度減算器の出力を増幅する角度偏差増幅器と、上記角度偏差増幅器の出力と上記角速度検出器の検出する角速度との偏差を演算する角速度減算器と、上記角速度減算器の出力を増幅する角速度偏差増幅器と、上記角速度偏差増幅器の出力と上記電流検出器の出力との偏差を演算する電流減算器と、上記電流減算器の出力を増幅する電流偏差増幅器と、上記角速度検出器の検出する上記モータの回転角速度の周波数が高くなるとＰＷＭ周波数を低下させ、周波数が小さくなるとＰＷＭ周波数を元の値に戻すように周波数を変更しＰＷＭ変換の基準三角波を発生させる三角波発生器と、上記電流偏差増幅器の出力を上記角度検出器の出力を用いて上記モータの電機子巻線座標に座標変換しその出力を上記三角波発生器の出力を用いてＰＷＭ変換して電力増幅を行い上記モータに電力を供給する電力増幅器とからなるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１はこの発明における制御装置６の実施の形態１を示す構成図である。図において３および、５および、７ａ〜１５ａ、１７ａ〜１８ａ、および７ｂ〜１５ｂ、１７ｂ〜１８ｂは従来の可動体の制御装置と同じものであり、２３ａは第１の電流減算器１５ａの出力を第１の角速度検出器８ａの検出するモータ３の回転角速度に応じて信号を増幅し第１の電力増幅部１８ａに出力する第３の電力偏差増幅器であり、２３ｂは第２の電流減算器１５ｂの出力を第２の角速度検出器８ｂの検出するモータ５の回転角速度に応じて信号を増幅し第２の電力増幅部１８ｂに出力する第４の電流偏差増幅器である。また、図中、同一記号は図５と同一である。
【００２４】
次に動作について説明する。図１に示す角度帰還路、角速度帰還路、および電流帰還路の動作は、従来の可動体の制御装置と同一の動作をする。
【００２５】
次に第３の電流偏差増幅器２３ａの動作について説明する。第３の電流偏差増幅器２３ａは、第１の角速度検出器８ａの検出するモータ３の回転角速度の周波数が高くなるとゲインを増加させ、周波数が小さくなるとゲインを元の値に戻す。この機能によりモータ３が高速回転時に制御装置６の電流帰還路のゲインが等価的に低下することに起因した速度帰還路の不安定性の影響を小さくすることが可能となる。第４の電流偏差増幅器２３ｂも第３の電流偏差増幅器２３ａと同様の動作をする。
【００２６】
実施の形態２
図２はこの発明における制御装置６の実施の形態２を示す構成図である。３および、５および、７ａ〜１６ａ、１８ａ、および７ｂ〜１６ｂ、１８ｂは従来の可動体の制御装置と同じものであり、２４ａは第１の角速度検出器８ａの検出するモータ３の回転角速度に応じて周波数を変更しＰＷＭ変換の基準三角波を発生させる第３の三角波発生器であり、２４ｂは第２の角速度検出器８ｂの検出するモータ５の回転角速度に応じて周波数を変更しＰＷＭ変換の基準三角波を発生させる第４の三角波発生器である。また、図中、同一記号は図５と同一である。
【００２７】
次に動作について説明する。図２に示す角度帰還路、角速度帰還路、および電流帰還路の動作は、従来の可動体の制御装置と同一の動作をする。
【００２８】
次に第３の三角波発生器２４ａの動作について説明する。第３の三角波発生器２４ａは、第１の角速度検出器８ａの検出するモータ３の回転角速度の周波数が高くなるとＰＷＭ周波数を低下させ、周波数が小さくなるとＰＷＭ周波数を元の値に戻す。この機能により、モータ３の回転角速度の周波数が高いとき単位時間当たりのｔｄの割合がＰＷＭ周波数を低下させることにより減少するため、モータ３が高速回転時に制御装置６の電流帰還路のゲインが等価的に低下することに起因した速度帰還路の不安定性の影響を小さくすることが可能となる。第４の三角波発生器２４ｂも第３の三角波発生器２４ａと同様の動作をする。
【００２９】
実施の形態３
図３はこの発明における制御装置６の実施の形態３を示す構成図である。図において３および、５および、７ａ〜１５ａ、１７ａ〜１８ａ、および７ｂ〜１５ｂ、１７ｂ〜１８ｂは従来の可動体の制御装置と同じものであり、２３ａ、２３ｂは図１と同じものである。２５ａは第１の角度検出器７ａの出力からモータ３の角速度を生成する第１の微分器であり、２５ｂは第２の角度検出器７ｂの出力からモータ５の角速度を生成する第２の微分器である。また、図中、同一記号は図５と同一である。
【００３０】
次に動作について説明する。図３に示す角度帰還路、角速度帰還路、および電流帰還路の動作は、従来の可動体の制御装置と同一の動作をする。
【００３１】
次に第３の電流偏差増幅器２３ａの動作について説明する。第３の電流偏差増幅器２３ａは、第１の微分器２５ａが生成するモータ３の回転角速度の周波数が高くなるとゲインを増加させ、周波数が小さくなるとゲインを元の値に戻す。この機能によりモータ３が高速回転時に制御装置６の電流帰還路のゲインが等価的に低下することに起因した高速帰還路の不安定性の影響を小さくすることが可能となる。第４の電流偏差増幅器２３ｂも第３の電流偏差増幅器２３ａと同様の動作をする。
【００３２】
実施の形態４
図４はこの発明における制御装置６の実施の形態４を示す構成図である。３および、５および、７ａ〜１６ａ、１８ａ、および７ｂ〜１６ｂ、１８ｂは従来の可動体の制御装置と同じものであり、２４ａ、２４ｂは図２と同じものであり、２５ａ、２５ｂは図３と同じものである。また、図中、同一記号は図５と同一である。
【００３３】
次に動作について説明する。図４に示す角度帰還路、角速度帰還路、および電流帰還路の動作は、従来の可動体の制御装置と同一の動作をする。
【００３４】
次に第３の三角波発生器２４ａの動作について説明する。第３の三角波発生器２４ａは、第１の微分器２５ａが生成するモータ３の回転角速度の周波数が高くなるとＰＷＭ周波数を低下させ、周波数が小さくなるとＰＷＭ周波数を元の値に戻す。この機能により、モータ３の回転角速度の周波数が高いとき単位時間当たりのｔｄの割合がＰＷＭ周波数を低下させることにより減少するため、モータ３が高速回転時に制御装置６の電流帰還路のゲインが等価的に低下することに起因した速度帰還路の不安定性の影響を小さくすることが可能となる。第４の三角波発生器２４ｂも第３の三角波発生器２４ａと同様の動作をする。
【００３５】
【発明の効果】
この発明に係わる可動体の制御装置は、モータが高速回転時に制御装置６の電流帰還路のゲインが等価的に低下することに起因した速度帰還路の不安定性の影響を三角波発生器のＰＷＭ周波数を角速度検出器の検出するモータの回転角速度周波数に反比例させて低下させることで、可動体の制御装置の安定性を改善する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明における可動体の制御装置の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】この発明における可動体の制御装置の実施の形態２を示す構成図である。
【図３】この発明における可動体の制御装置の実施の形態３を示す構成図である。
【図４】この発明における可動体の制御装置の実施の形態４を示す構成図である。
【図５】この発明のクレーン車への適用例を示す図である。
【図６】従来の可動体の制御装置の構成を示す構成図である。
【図７】ステップ状の角度指令が角度パターン発生器より加えられた際のターレットの角度および角速度の時間変化を表した図である。
【図８】３相ＡＣモータと電力増幅器の等価回路図である。
【図９】従来装置における３相ＡＣモータの加速、定速、減速時の３相電流波形を示す図である。
【図１０】３相ＡＣモータのＰＷＭ変換を示す図である。
【図１１】従来装置における電流をｕ→ｖ、ｖ→ｗの順に転流させる場合のゲート波形と短絡防止時間の関係を示す図である。
【図１２】従来装置における３相ＡＣモータの加速、定速、減速時のｖ相電流波形とＰＷＭ変換後の短絡防止時間の関係を示す図である。
【図１３】従来装置における速度帰還路、および電流帰還路をラプラス演算子：Ｓで表した伝達関数を示すブロック図である。
【図１４】図１３をブロック変換したブロック図である。
【図１５】図１４をブロック変換したブロック図である。
【図１６】図１５をブロック変換したブロック図である。
【符号の説明】
１クレーン車、２ターレット、３ターレットを旋回させるモータ、４アーム、５アームを上下させるモータ、６制御装置、７角度検出器、８角速度検出器、９電流検出器、１０角度パターン発生部、１１角度減算器、１２角度偏差増幅器、１３角速度減算器、１４角速度偏差増幅器、１５電流減算器、１６電流偏差増幅器、１７三角波発生器、１８電力増幅器、１９角度パターン発生部出力波形、２０角度検出器出力波形、２１角度偏差増幅器出力波形、２２角速度検出器出力波形、２３電流偏差増幅器、２４三角波発生器、２５微分器。

Claims

制御対象を回転させるモータと、
上記モータの回転角度を検出する角度検出器と、
上記モータの回転角速度を検出する角速度検出器と、
上記モータの各電機子巻線に流れる電流を検出する電流検出器と、
制御対象を回転させるために指令値を発生させる角度パターン発生部と、
上記角度検出器の出力と上記角度パターン発生部の出力する角度指令との偏差を演算する角度減算器と、
上記角度減算器の出力を増幅する角度偏差増幅器と、
上記角度偏差増幅器の出力と上記角速度検出器の検出する角速度との偏差を演算する角速度減算器と、
上記角速度減算器の出力を増幅する角速度偏差増幅器と、
上記角速度偏差増幅器の出力と上記電流検出器の出力との偏差を演算する電流減算器と、
上記電流減算器の出力を増幅する電流偏差増幅器と、
上記角速度検出器の検出する上記モータの回転角速度の周波数が高くなるとＰＷＭ周波数を低下させ、周波数が小さくなるとＰＷＭ周波数を元の値に戻すように周波数を変更しＰＷＭ変換の基準三角波を発生させる三角波発生器と、
上記電流偏差増幅器の出力を上記角度検出器の出力を用いて上記モータの電機子巻線座標に座標変換しその出力を上記三角波発生器の出力を用いてＰＷＭ変換して電力増幅を行い上記モータに電力を供給する電力増幅器と
からなる可動体の制御装置。