JP3892823B2

JP3892823B2 - モータの速度制御装置

Info

Publication number: JP3892823B2
Application number: JP2003072244A
Authority: JP
Inventors: 勇治井出
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004280563A; CN100456193C; CN1761920A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械などに使用されるモータの速度制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモータの速度制御装置としては、図５に示すような制御装置がある（特開平１０−２５４５５０号公報の図１参照）。この装置では速度指令とエンコーダＥから出力された位置フィードバックを速度算出部２で変換して得た速度フィードバックと速度指令との偏差を、速度制御部３に含まれる減算器ＳＢで算出する。この偏差は、速度制御部３内で処理され、速度制御部３はトルク制御部４にトルク指令を出力する。トルク制御部４は、トルク指令通りのトルクがモータＭから出力されるようにモータに流れる電流を制御する。
【０００３】
通常、この装置における速度制御部３は比例積分制御（ＰＩ制御）部で構成されている。このＰＩ制御部では、速度指令と速度フィードバックの偏差を減算器ＳＢで算出し、その偏差をゲイン１の比例制御系を通して加算器ＡＤに入力する。積分制御系では、乗算器３１で偏差に積分ゲインを乗算した後、この偏差を速度積分器３２で積分して加算器ＡＤに入力する。加算器ＡＤは、比例制御系の出力と積分制御系の出力とを加算して、乗算器３３へと出力し、乗算器３３は加算器ＡＤ出力に比例ゲインを乗算してトルク指令として出力する。このように、速度制御部３をＰＩ制御部で構成することにより、速度の過渡偏差のみならず、定常偏差も抑制できる。また、この速度偏差の積分項により、モータに加わる外乱抑圧能力を向上させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２５４５５０号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、制御系の応答は有限であり、速度指令を出力しても速度フィードバックが応答するには時間がかかる。速度指令が出力されてモータは回転し始めるが、速度指令が出力されてから速度フィードバックが応答するまでの間（速度指令に対応する速度フィードバックが現れるまでの間）、速度積分器３２は積算を行ってしまう。そしてモータＭが一定速で回転している間に、この積算値は減少する。しかしながらモータＭの減速時にまた積算が行われ、残った積算値がすべて吐き出されてからモータＭは停止する。このため、従来の制御装置では、速度指令が０になった後でも、速度積分器の溜り量の分、速度の応答が遅くなっていた。その結果、速度フィードバックにオーバーシュートが発生するため、速度積分ゲインを高くできないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、その目的は、オーバーシュートが少なく、高速で外乱抑圧能力に優れた速度制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、位置検出部により検出されたモータの位置からモータの速度を算出する速度算出部と、比例積分制御により、速度算出部からフィードバックされた速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを備えたモータの速度制御装置を改良の対象とする。
【０００８】
本発明のモータの速度制御装置においては、速度制御部を、速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する速度積分補償ローパスフィルタと、速度指令を速度積分補償ローパスフィルタに入力して得た遅延速度指令と速度との速度偏差を積分する速度積分器を含んで構成された積分制御系と、速度指令とモ一夕の速度との差に比例した指令を出力する比例制御系と、積分制御系の出力と比例制御系の出力とを加算する加算手段と、加算手段の出力に速度比例ゲインを乗じてトルク指令を得る乗算手段とから構成する。なお比例制御系において速度比例ゲインを速度偏差に乗算し、積分制御系において制御中の演算値に速度比例ゲインを乗じて出力するようにしてもよい。
【０００９】
本発明のように速度積分補償ローパスフィルタを用いれば、速度制御系の遅れに相当する遅れを持った速度指令と実際に遅れている速度フィードバックの速度との偏差はゼロに近いものとなる。そのため速度積分器の溜まり量をほぼゼロにして、速度フィードバックのオーバーシュートを低減することができる。
【００１０】
位置検出部（例えばエンコーダ）の精度が悪い場合には、量子化誤差や位置誤差が原因になったリップルが速度フィードバックに含まれることがある。そこでこのような場合に対処するためには、位置検出部の量子化誤差及び／または位置誤差が原因となって発生するリップルが、トルク指令に現れるのを阻止する伝達関数を有する速度フィードバック・ローパスフィルタを設けるのが好ましい。この場合には、速度を速度フィードバック・ローパスフィルタに入力して得たフィルタ処理後の速度と速度指令との偏差を求める減算手段を含んで比例制御系を構成する。なお位置検出部として、精度及び分解能の高いものを用いれば、位置誤差も小さくなるため、このような構成を採用する必要はない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明で用いる速度制御装置の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図１のシステム構成は、速度制御部１３の構成が相違する点と速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５を備えている点を除いては、図５の従来の構成と実質的に変わるところがない。
【００１２】
このシステムは、制御対象であるモータＭの位置を検出する位置検出部としてエンコーダＥを備えている。エンコーダＥの出力が、モータの出力軸の位置を示す位置フィードバックである。速度算出部２は、エンコーダＥの出力に基づいてモータの速度を算出するように構成されており、速度算出部２の出力が速度フィードバックとなっている。速度フィードバックが、モータＭの出力軸の速度を示している。
【００１３】
速度制御部１３は、比例積分制御により、速度算出部２からフィードバックされた速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う。図１に示すように、本実施の形態の速度制御部１３は、速度制御系の遅れに相当する伝達関数（１／（１＋ＳＴｃ））を有する速度積分補償ローパスフィルタ１３３を備えている。また速度制御部１３は、速度指令を速度積分補償ローパスフィルタ１３３に入力して得た遅延速度指令と速度との速度偏差を減算手段ＳＢ２で求め、この速度偏差に積分ゲイン（１／Ｔｖｉ）を乗算する乗算手段１３１と、乗算手段１３１の出力を積分する速度積分器１３２を含んで構成された積分制御系１３６と、速度指令と速度フィードバックとの偏差を減算手段ＳＢ１でとり、その偏差に比例した指令を出力する比例制御系１３７とを含んでいる。そして速度制御部１３は、積分制御系１３６の出力と比例制御系１３７の出力とを加算手段ＡＤ１で加算したものに速度比例ゲインＫＶＰを乗じてトルク指令として出力する乗算手段１３４を更に備えている。以上の構成が基本構成であるが、この例では、エンコーダ（位置検出部）の量子化誤差及び／または位置誤差が原因となって発生するリップルが、トルク指令に現れるのを阻止する伝達関数（１／（１＋ＳＴ_ＦＢ））を有する速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５を更に備えている。またこの場合、比例制御系１３７は、速度を速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５に入力して得たフィルタ処理後の速度と速度指令との偏差を求める減算手段ＳＢ１を含んでいる。
【００１４】
この例では、速度指令を速度積分補償ローパスフィルタ１３３に通したものと速度フィードバックとの差を減算手段ＳＢ２でとり、速度積分ゲイン（１／Ｔｖｉ）を乗算して速度積分器１３２に通す。また速度指令と、速度フィードバックを速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５に通したものとの差を減算手段ＳＢ１でとり、速度積分器１３２の出力と加算手段ＡＤ１により加算する。そして最後に、速度比例ゲイン（ＫＶＰ）を乗算してトルク制御部４にトルク指令を出力する。トルク制御部４は、トルク指令通りのトルクが出力されるように電流を制御する。
【００１５】
前述の速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５は、エンコーダＥの量子化誤差や位置誤差によるリップルを抑制するフィルタである。このフィルタは、比例制御系１３７のフィードバックにのみ挿入し、リップル分がトルク指令に現れないようにする機能を果す。積分制御系１３６では、速度積分器１３２が平滑作用を行うため、このようなフィルタは不要である。
【００１６】
速度積分補償ローパスフィルタ１３３は、速度制御系の遅れに相当する時間を設定し、遅れ補償出力と速度フィードバックとがほぼ同等の立ち上がりになるようにし、速度指令変化時の速度積分器１３２の溜り量を低減する。このように速度制御部１３を構成することにより、速度フィードバックに含まれるリップルの制御と、速度指令変化時の速度積分器１３２の溜り量の低減を同時に達成することができる。
【００１７】
なお、エンコーダＥの量子化誤差が小さい場合は、速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５は不要である。また、速度積分補償ローパスフィルタ１３３は、速度制御系の遅れを模擬する伝達関数であれば、どのようなものでもよく、本実施の形態の伝達関数に限定されるものではない。
【００１８】
図２は、図１の速度制御装置において速度制御部１３を変形した速度制御部１３´を含む場合のブロック図である。図１の速度制御部１３と速度制御部１３´とを対比すると、図２の速度制御部１３´では速度比例ゲインＫＶＰの乗算手段１３４´が比例制御系１３７´の内部にある点（加算手段ＡＤ１の前に挿入されている点）と、積分制御系１３６´において速度比例ゲインＫＶＰを演算値に乗算するために、乗算手段１３１´の伝達関数を乗算手段１３１´がＫＶＰ／Ｔｖｉの乗算を行うように変更している点で前者の速度制御部１３とは構成が相違する。このようにしても図１の速度制御部１３と同様の作用効果を得ることができる。
【００１９】
図３及び図４は、図１に示した制御系における速度指令ステップ応答をシミュレーションした結果の一例である。それぞれの図で縦軸は上図（Ａ）が速度指令と速度フィードバックを、下図（Ｂ）が速度積分器出力を示す。全て同じ速度のスケールであり、同一速度値を基準として１０に規格化した値を示している。横軸は全て時間で０．０１秒単位になっている。図３は速度積分補償ローパスフィルタ１３３を入れない場合であり、図４は速度積分補償ローパスフィルタ１３３を挿入した場合のシミュレーションの結果である。図３（Ａ）と図４（Ａ）のいずれにおいても、階段状の波形の方が速度指令を、それより遅れて立ち上がる波形の方が速度フィードバックを示している。いずれの図においても、速度指令の階段状の立ち上がりに対して、速度フィードバックの立ち上がりは、０．０１秒の１／３〜１／２程度遅れている。これらの遅れ時間は速度制御系の時間応答の遅れを示している。速度積分補償ローパスフィルタ１３３を入れない場合は、図３（Ｂ）に示すように速度積分器１３２の出力は速度フィードバックの立ち上がりの領域で小さなピークを示す。この領域では速度指令と速度フィードバックの偏差が存在していて、速度偏差の積分が溜まっている状態を示している。即ちこのような速度フィードバックの立ち上がり時間における速度積分器出力の小さなピークはこの時間内に速度偏差が溜まった溜まり量を示している。このような溜まり量によって速度フィードバックは、図３（Ａ）に示すように値１２程度までオーバーシュートする。速度積分器の出力が０に収束する時間領域では、図３（Ａ）に示すように速度フィードバックのオーバーシュートも速度指令の値１０に収束している。このような速度フィードバックの立ち上がり点で速度積分器１３２の溜まり量が増加することからわかるように、モータ加減速に伴い速度積分器１３２の溜まり量が変動する。
【００２０】
次に速度積分補償ローパスフィルタ１３３を挿入した場合の結果を図４に示す。この場合は図４（Ａ）に示す階段状の速度指令が速度積分補償ローパスフィルタ１３３を通過して、遅延速度指令として出力され、この遅延速度指令の立ち上がりが、図４（Ａ）に示す速度フィードバックの立ち上がりと同じ程度の遅れになるように調節する。このように遅延速度指令と、速度フィードバックとの偏差が減算手段ＳＢ２で作られて、乗算手段１３１で１／Ｔｖｉ倍され、速度積分器１３２で積分される。この場合、減算手段ＳＢ２で作られるこれらの偏差は遅延速度指令と速度フィードバックの立ち上がり領域において十分に小さくなっていて、図４（Ｂ）に示すように速度積分器１３２における速度偏差の溜まり量は小さなピークを示し、それ以後はほぼ０に近い一定値を保っている。この場合、速度積分器１３２の溜まり量の小さなピ−クの高さは、図３（Ｂ）の場合に比べて大変小さなもので、ほとんど無視できる程度にとどまっている。また速度フィードバックは図４（Ａ）に示すように速度指令の値１０以上へのオーバーシュートはなく、急速に速度指令と同じ値１０に収束する。
【００２１】
このように本制御装置では、速度積分補償ローパスフィルタ１３３を挿入することによって、モータ回転中の速度積分器１３２の溜り量を０に近い値に小さくできるため、その分積分ゲインを上げることができ、外乱抑圧能力を向上させることができる。速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５は、本発明の実施の形態で示すような時間に関して指数関数的に減衰するローパスフィルタで構成する他に、速度の応答特性の実測値あるいは理論値を模擬するような一般的な関数形の伝達関数で構成してもよい。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、速度積分補償ローパスフィルタを用いているので、速度制御系の遅れに相当する遅れを持った速度指令と実際に遅れている速度フィードバックの速度との偏差をゼロに近いものとすることができ、速度積分器の溜まり量をほぼゼロにすることができる。このように本制御装置の適用により、速度積分器の溜り量を小さくできるため、簡単な構成で、オーバーシュートが少なく、その分積分ゲインを上げることができ、高速で外乱抑圧能力に優れた速度制御装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる速度制御装置の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明で用いる他の速度制御装置の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】速度積分補償ローパスフィルタを入れる場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】速度積分補償ローパスフィルタを入れない場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】従来の速度制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ｅエンコーダ
２速度算出部
３，１３速度制御部
４トルク制御部
１３１，１３４、１３１´、１３４´ 乗算手段
１３２速度積分器
１３３速度積分補償ローパスフィルタ
１３５速度フィードバック・ローパスフィルタ
１３６、１３６´ 積分制御系
１３７、１３７´ 比例制御系
ＡＤ１加算手段
ＳＢ１，ＳＢ２減算手段
ＫＶＰ速度比例ゲイン

Claims

制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部により検出されたモータの位置から前記モータの速度を算出する速度算出部と、
比例積分制御により、前記速度算出部からフィードバックされた前記速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、
前記トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを備えたモータの速度制御装置において、
前記速度制御部が、
速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する速度積分補償ローパスフィルタと、
前記速度指令を前記速度積分補償ローパスフィルタに入力して得た遅延速度指令と前記速度との速度偏差を積分する速度積分器を含んで構成された積分制御系と、
前記速度指令と前記モ一夕の速度との差に比例した指令を出力する比例制御系と、
前記積分制御系の出力と前記比例制御系の出力とを加算する加算手段と、
前記加算手段の出力に速度比例ゲインを乗じて前記トルク指令を得る乗算手段とから構成されていることを特徴とするモータの速度制御装置。
制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部により検出されたモータの位置から前記モータの速度を算出する速度算出部と、
比例積分制御により、前記速度算出部からフィードバックされた前記速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、
前記トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを備えたモータの速度制御装置において、
前記速度制御部が、
速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する速度積分補償ローパスフィルタと、
前記速度指令を前記速度積分補償ローパスフィルタに入力して得た遅延速度指令と前記速度との速度偏差を積分する速度積分器を含み制御系中の演算値に速度比例ゲインを乗じて出力する積分制御系と、
前記速度指令と前記速度との差に速度比例ゲインを乗じた指令を出力する比例制御系と、
前記積分制御系の出力と前記比例制御系の出力とを加算する加算手段とから構成されていることを特徴とするモータの速度制御装置。
前記位置検出部の量子化誤差及び／または位置誤差が原因となって発生するリップルが、前記トルク指令に現れるのを阻止する伝達関数を有する速度フィードバック・ローパスフィルタを更に備え、
前記比例制御系は、前記速度を前記速度フィードバック・ローパスフィルタに入力して得たフィルタ処理後の速度と前記速度指令との偏差を求める減算手段を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のモータの速度制御装置。