JP4140139B2

JP4140139B2 - 負荷トルク推定方法及びトルク制御装置

Info

Publication number: JP4140139B2
Application number: JP24486699A
Authority: JP
Inventors: 昌幸天野; 稔 ▲吉▼田; 智弘細川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2001069786A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械や電動工具等に用いられるモータの負荷トルクを推定し、この推定値に基づいてモータへの指令値を補償して、高精度のトルク制御を行なうための、負荷トルク推定方法及び、トルク制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械や電動工具等に用いられるモータに加わる負荷トルクは、モータの制御系で高精度のトルク制御を実現する上での弊害、すなわち一種の外乱であり、従来からこの外乱を積極的に推定し、制御系にフィードバックすることによって、速度制御性能の向上を図っている。
【０００３】
以下、従来の負荷トルク推定方法について、図８及び図９に基づいて説明する。図８は、従来のモータのトルク制御装置の構成を示すブロック図、図９は、トルク制御装置に用いられる負荷トルク推定器を示すブロック線図である。
【０００４】
図８に示すように、従来のモータのトルク制御装置は、制御対象であるモータ１と、モータ１のトルク制御及びモータ１に加わる負荷トルクの推定を行うマイコン６と、モータ１を回転させるためのモータ駆動回路５とを具備し、電機子電流Ｉａを計測する電流センサ７ｂと、電機子の角変位θを計測するエンコーダ７ｃと、モータ駆動回路５を介してモータ１に電力を供給するモータ駆動用電源８ａと、マイコン６に電力を供給するマイコン用電源８ｂとを備えている。
【０００５】
モータ駆動回路５は、モータ駆動用電源８ａから電力の供給を受け、モータ１に駆動電力の供給を行うように構成されている。
【０００６】
マイコン６は、作業者が設定する速度指令値Ｖｃ及び目標トルク値Ｔｃと、電流センサ７ｂが計測した電機子電流Ｉａとを、８ビットでＡ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換するＡ／Ｄ変換部６ａと、エンコーダ７ｃが出力したパルスをカウントするカウンタ６ｂとを備えている。
【０００７】
Ａ／Ｄ変換部６ａは、速度指令値Ｖｃ、目標トルク値Ｔｃ、電機子電流Ｉａを夫々ディジタル値に変換し、離散化速度制御指令値Ｖｃｄ、離散化目標トルク値Ｔｃｄ、離散化電機子電流ＩａｄにＡ／Ｄ変換する。
【０００８】
また、マイコン６は、離散化電機子電流Ｉａｄと、エンコーダ７ｃから出力されるパルス数とから負荷トルクを推定する負荷トルク推定部２と、負荷トルク推定部２から出力される負荷トルク推定値ＴＬｈと、離散化トルク設定値Ｔｃｄとの大小を判定するトルク判定部３と、離散化速度指令値Ｖｃｄとトルク判定部３から出力されるトルク判定出力とを受けて、速度制御信号を出力する速度制御部４ａと、速度制御部４ａの速度制御信号を受けて、８ビットのＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）出力ｕをモータ駆動回路５へ出力するＰＷＭ部４ｂとを備えている。
【０００９】
次に、図８に示したトルク制御装置の動作について説明する。作業者が速度指令値Ｖｃとトルク設定値Ｔｃとをマイコン６に入力すると、それらの値はＡ／Ｄ変換部６ａで夫々離散化され、離散化速度指令値Ｖｃｄと離散化トルク設定値Ｔｃｄとなる。
【００１０】
離散化速度指令値Ｖｃｄは速度制御部４ａへ出力され、速度制御部４ａは、この速度指令値Ｖｃｄに対応した速度制御信号を、ＰＷＭ部４ｂへ出力する。ＰＷＭ部４ｂでは速度制御部４ａからの速度制御信号を受け、モータ駆動回路５にＰＷＭ出力ｕを出力し、その出力を受けてモータ駆動回路５は、モータ１を回転させる。
【００１１】
モータ１が回転を始めると共に、電機子電流Ｉａが電流センサ７ｂによって、モータ１の電機子の角変位θがエンコーダ７ｃによって計測される。つまり、電機子電流ＩａはＡ／Ｄ変換部６ａで離散化されて、離散化電機子電流Ｉａｄとなり、角変位θに対応したエンコーダ７ｃのパルス出力が、カウンタ６ｂによってカウントされる。
【００１２】
負荷トルク推定部２は、カウンタ６ｂから出力されたカウント数を、電機子の角変位θに変換し、さらに、以下の数１の式に示す、現在時点の角変位θ（ｋ）と１サンプリング前の角変位θ（ｋ−１）との後進差分をとることによって近似微分を行なって、電機子の角速度ωを求める。ここで、数１の式のＴは、サンプリング時間である。
【００１３】
【数１】

【００１４】
また、負荷トルク推定部２は、モータ１のトルク定数の公称値Ｋｔｎと、離散化電機子電流値Ｉａｄとを乗じて求めた内部トルク値から、電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎと、角速度ωとを乗じて求めた値を減じて負荷トルクの推定値ＴＬｈを推定し、トルク判定部３へ負荷トルク推定値ＴＬｈを出力する。
【００１５】
トルク判定部３では、離散化トルク設定値Ｔｃｄと負荷トルク推定値ＴＬｈとを比較して、離散化目標トルク値Ｔｃｄの方が小さい場合は、モータ１を停止させるための停止信号を速度制御部４ａへ出力する。
【００１６】
速度制御部４ａでは、離散化速度指令値Ｖｃｄと、トルク判定部３からのトルク判定出力とを受けて、ＰＷＭ部４ｂへの出力信号を決定する。以上の動作を繰り返すことにより、モータ１のトルク制御を実現している。
【００１７】
次に、モータ１と負荷トルク推定部２の制御系の詳細について、図９のブロック線図に基づいて説明する。尚、ここでは簡単のために連続系であるとして説明する。
【００１８】
モータ１は入力端子に入力電圧Ｅが印加されると、電機子が回転を始めるが、電機子が回転すると、モータ１の入力端子間には逆起電力Ｅｅが発生するので、モータ１の入力端子間に実際に現れる電機子電圧Ｅａは、入力電圧Ｅから逆起電力Ｅｅを減じた電圧値となる。尚、逆起電力Ｅｅは、電機子の角速度ωに、逆起電力定数Ｋｅを乗じた電圧値である。
【００１９】
モータ１の入力端子に現れる電機子電圧Ｅａと、電機子の巻線抵抗Ｒａの逆数とを乗じたものが、電機子に流れる電機子電流Ｉａとなり、その電機子電流Ｉａにモータ１のトルク定数Ｋｔを乗じたものが、モータ１の原発生トルクＴｏとなる。
【００２０】
また、モータ１の原発生トルクＴｏから、電機子に加わる負荷トルクＴＬを減じたものが、実際にモータ１が発生するトルクＴｅとなり、そのトルクＴｅを電機子の慣性モーメントＪ及びラプラス演算子ｓで除した値が、電機子の角速度ωとなる。但し、電機子を支持しているベアリングの粘性は、小さいものとして無視することとする。
【００２１】
負荷トルク推定部２は、モータ１のトルク定数の公称値Ｋｔｎ、電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎ、電機子の角加速度ｄω／ｄｔを、数２の式に代入することにより、負荷トルク推定値ＴＬｈを算出する。
【００２２】
【数２】

【００２３】
すなわち、負荷トルク推定部２は、電機子電流Ｉａと、トルク定数の公称値Ｋｔｎとの積であるトルクＴ１から、電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎとラプラス演算子ｓとを乗じた微分器ｓＪｎによって、モータ速度ωの検出値を微分して得られたトルクＴ４を減じて、モータ１に加わる負荷トルクの推定値ＴＬｈを推定する方法が用いられている。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、数２の式を用いたトルク推定方法では、負荷トルクを推定するために、電機子の角速度ωを微分して角加速度を求める必要がある。一般的に、モータのトルク制御系では、電機子の角変位θを計測する、ポテンショメータ、エンコーダ等の変位センサは用いられるが、電機子の角速度ωを計測する速度センサ及び、電機子の角加速度を計測する加速度センサは、コストを考えて用いられないことが多い。
【００２５】
そこで、従来から、数１の式を用いて、変位センサによって計測された角変位θの後進差分を２回とることによって、角加速度を求めることが通例となっているが、この方法では、安価な低精度の変位センサを用いた場合、精度の良い角加速度を求められないため、負荷トルクの推定精度が著しく低下し高精度なトルク制御が行えないという問題点があった。
【００２６】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、安価で高精度なトルク制御を実現できる、負荷トルクの推定方法及びトルク制御装置の構造を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明にあっては、回路方程式である数３の式の両辺を時間ｔで微分した後、右辺第２項の角速度ωを、モータの運動方程式である数４の式に代入して求めた数５の式を用いて、負荷トルク推定値ＴＬｈを推定する。尚、数３の式は、電機子抵抗Ｒａに比べて電機子インダクタンスが微小であるとして、インダクタンスの項を省略してある。
【００２８】
【数３】

【００２９】
【数４】

【００３０】
【数５】

【００３１】
すなわち、数５の式に示すように、電機子抵抗の公称値Ｒａｎと、モータ１の電機子に流れる電機子電流Ｉａの微分値ｄＩａ／ｄｔとを乗じた値Ｒａｎ・ｄＩａ／ｄｔを、モータ１に印加される入力電圧の微分値ｄＥ／ｄｔから減じ、
その値（ｄＥ／ｄｔ−Ｒａｎ・ｄＩａ／ｄｔ）に、電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎを乗じると共に、モータの誘導電圧定数の公称値Ｋｅｎで除し、
その値（Ｊｎ／Ｋｅｎ（ｄＥ／ｄｔ−Ｒａｎ・ｄＩａ／ｄｔ））を、電機子電流Ｉａと、モータのトルク定数の公称値Ｋｔｎとを乗じた内部トルク値Ｋｔｎ・Ｉａから減じて、負荷トルクの推定値ＴＬｈを求める。
【００３２】
請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の発明において、モータ１を駆動させるモータ駆動回路５及びモータ駆動用電源８ａの内部抵抗値と、電機子電流Ｉａとを乗じて、前記内部抵抗値に起因する降下電圧を求め、モータ駆動用電源が発生する電圧からその降下電圧を減じた値を、モータ１に印加される入力電圧として、負荷トルクの推定値ＴＬｈを求める。
【００３３】
請求項３記載の発明にあっては、請求項１又は請求項２記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク制御装置であって、負荷トルク推定値ＴＬｈが、目標トルク値より一定時間以上大きくなったときに、前記モータを停止させる停止信号を出力するトルク判定部を備える。
【００３４】
請求項４記載の発明にあっては、請求項１又は請求項２記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク制御装置であって、前記モータの起動時から目標トルク値に至るまでの前記電機子の総回転数である、目標回転数を記録する目標回転数記憶部と、
モータ１の起動時から現在までの前記電機子の総回転数を、前記目標回転数から減じた値と、前記モータへの電力の供給を止めてから、モータ１が停止するまでの回転数とを比較して、前者が後者以下の値になったときに、前記モータを停止させる停止信号を出力する回転数判定部とを備える。
【００３５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態について、図１、図２及び図３に基づいて説明する。図１は本発明に係るトルク制御装置を、連続系モデルとして表現した場合のブロック線図、図２は、図１に示すトルク制御装置の負荷トルク推定器とローパスフィルタとを、離散系モデルとして表現した場合のブロック線図、図３は、本発明に係るトルク制御装置の構成を示すブロック図である。
【００３６】
本実施形態は、図３に示すように、モータ１と、マイコン６と、モータ駆動回路５と、モータ１に印加する入力電圧Ｅを計測する電圧センサ７ａと、電流センサ７ｂと、モータ駆動用電源８ａと、マイコン用電源８ｂとを備えている。
【００３７】
マイコン６は、作業者が設定する速度指令値Ｖｃ及び目標トルク値Ｔｃと、電圧センサ７ａが計測した入力電圧Ｅと、電流センサ７ｂが計測した電機子電流Ｉａとを、８ビットでＡ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換するＡ／Ｄ変換部６ａを具備すると共に、離散化入力電圧Ｅｄと、離散化電機子電流Ｉａｄとから負荷トルクを推定する負荷トルク推定部２と、トルク判定部３と、速度制御部４ａと、ＰＷＭ部４ｂとを備えている。
【００３８】
従って、本実施形態は、図８に示した従来のモータのトルク制御装置の構成に対して、カウンタ６ｂとエンコーダ７ｃとを無くし、入力電圧Ｅを計測する電圧センサ７ａを備えたものであり、Ａ／Ｄ変換部６ａは入力電圧Ｅも離散化して、離散化入力電圧Ｅｄを負荷トルク推定部２へ出力するように構成したものである。
【００３９】
また、本実施形態に於ける、負荷トルク推定部２は、電圧センサ７ａにより計測されＡ／Ｄ変換部６ａによって離散化された入力電圧Ｅｄと、電流センサ７ｂにより計測されＡ／Ｄ変換部６ａによって離散化された入力電流Ｉａとから負荷トルクを推定して、負荷トルク推定値ＴＬｈをトルク判定部３に出力する構成としている。
【００４０】
さらに、モータ駆動用電源８ａとしては、直流１２Ｖの定電圧源を用い、電圧センサ７ａ及び電流センサ７ｂとしては、夫々１２Ｖ、８０Ａまで測定できるものを使用する。また、Ａ／Ｄ変換部６ａとしては、８ビット長のディジタル値を出力するものを用い、１ミリ秒毎にサンプリング値を負荷トルク推定部２に出力するように構成する。
【００４１】
次に、負荷トルク推定部２及びトルク判定部３の詳細について、図１及び図２に基づいて説明する。尚、図１では簡単のために、連続系であるとして説明する。
【００４２】
図１に示すように、負荷トルク推定部２は、電機子電流Ｉａとモータ１のトルク定数の公称値Ｋｔｎとを乗じて求めたトルクＴ１と、電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎとラプラス演算子ｓとを乗じた微分器ｓＪｎに、電機子抵抗の公称値Ｒａｎを乗じ、その値（ｓＲａｎＪｎ）を、モータ１の逆起電力定数の公称値Ｋｅｎで除して求めたトルクＴ２とを足してトルク（Ｔ１＋Ｔ２）を求め、その値から電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎとラプラス演算子ｓとを乗じた微分器ｓＪｎを、モータ１の逆起電力定数の公称値Ｋｅｎで除して求めたトルクＴ３を減じて負荷トルクの推定値ＴＬｈを求めている。
【００４３】
以上に説明した、負荷トルク推定方法のトルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、夫々数５の式の右辺各項、ＫｔｎＩａ，Ｊｎ／Ｋｅｎ・Ｒａｎ・ｄＩａ／ｄｔ，−Ｊｎ／Ｋｅｎ・ｄＶ／ｄｔに対応する。
【００４４】
図１に示すトルク判定部３は、負荷トルク推定部２から出力された負荷トルク推定値ＴＬｈの計測ノイズ及び離散化の影響を低減させる１次のローパスフィルタ３ａと、ローパスフィルタ３ａから出力される負荷トルクの推定値ＴＬＬと、目標トルクＴｃとの大小関係を判定するトルク判定器３ｂとを備え、高周波帯域のノイズを減衰させた負荷トルクの推定値ＴＬＬが目標トルクＴｃよりも大きい場合は、モータ制御器４に対してモータ１を停止させるための停止信号の出力を行う。
【００４５】
図２に示すように、負荷トルクの推定に必要な電圧及び電流の微分値は、数１の式で表わされる後進差分法を用いて求められている。具体的には、まず現在時点の電機子電流Ｉａ（ｋ）とゲインＫ１とを乗じてトルクＴ１を求める。次に、現在時点の電機子電流Ｉａ（ｋ）から、１サンプリング前の電機子電流Ｉａ（ｋ−１）を減じた電機子電流Ｉａの近似微分値ｄＩａ／ｄｔに、ゲインＫ２を乗じてトルクＴ２を求める。
【００４６】
さらに、現在時点の入力電圧Ｅ（ｋ）から、１サンプリング前の入力電圧Ｅ（ｋ−１）を減じた電機子電流Ｅの近似微分値ｄＥ／ｄｔに、ゲインＫ３を乗じてトルクＴ３を求める。そして、トルクＴ１とトルクＴ２とを足した値から、トルクＴ３を減じたものが負荷トルクの推定値ＴＬｈとなる。
【００４７】
ここで、図２に示すブロック線図は離散系なので、各ゲインＫ１，Ｋ２，Ｋ３の値は、夫々数６，数７，数８で表わされる。但し、Ｉｍは電流センサ７ｂの定格電流、Ｅｍは電圧センサ７ａの定格電圧、ｎはＡ／Ｄ変換部６ａのビット数、Ｔはサンプリング時間である。
【００４８】
【数６】

【００４９】
【数７】

【００５０】
【数８】

【００５１】
数６に示すように、ゲインＫ１はモータ１のトルク定数の公称値Ｋｔｎと、電流センサ７ｂの定格電流Ｉｍとを乗じた値ＫｔｎＩｍを、２のｎ乗（Ａ／Ｄ変換部のビット数）で除した値ＫｔｎＩｍ／２のｎ乗である。
【００５２】
また、数７に示すように、ゲインＫ２は電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎと、電機子抵抗Ｒａｎと、電流センサ７ｂの定格電流Ｉｍと、サンプリング時間Ｔの逆数とを乗じた値ＪｎＲａｎＩｍ／Ｔを、２のｎ乗とモータ誘導起電圧定数２ｅｎとで除した値ＪｎＲａｎＩｍ／（２のｎ乗×Ｋｅｎ×Ｔ）である。
【００５３】
さらに、数８に示すように、ゲインＫ３は電機子の慣性モーメントの公称値Ｊｎと、電圧センサ７ａの定格電圧Ｅｍと、サンプリング時間Ｔの逆数とを乗じた値ＪｎＥｍ／Ｔを、モータ誘導起電圧定数２ｅｎと、２のｎ乗とで除した値ＪｎＫｅｎＥｍ／（２のｎ乗×Ｋｅｎ×Ｔ）である。
【００５４】
一例として、本実施形態における電流センサ７ｂの定格電流Ｉｍ＝８０［Ａ］、電圧センサ７ａの定格電圧Ｅｍ＝１２［Ｖ］、Ａ／Ｄ変換部６ａのビット数ｎ＝８、サンプリング時間Ｔ＝１［ｍｓｅｃ］を用いると、数６，数７，数８式は、夫々次のようになる。
【００５５】
【数９】

【００５６】
【数１０】

【００５７】
【数１１】

【００５８】
離散化ローパスフィルタ３ａは、カットオフ周波数１００Ｈｚのものを用いており、現在時点の負荷トルクの推定値ＴＬｈ（ｋ）から、１サンプリング前の負荷トルクの推定値ＴＬｈ（ｋ−１）を減じ、その値（ＴＬｈ（ｋ）−ＴＬｈ（ｋ−１））と、１サンプリング前の高周波帯域のノイズを減衰させた負荷トルクの推定値ＴＬＬ（ｋ−１）に１９を乗じた値（１９×ＴＬＬ（ｋ−１））とを足し、その値（ＴＬｈ（ｋ）−ＴＬｈ（ｋ−１）＋１９×ＴＬＬ（ｋ−１））を２１で除して、高周波帯域のノイズを減衰させた負荷トルクの推定値ＴＬＬを求めている。ここで、１９及び２１という値は、カットオフ周波数１００Ｈｚから導き出せるものである。
【００５９】
尚、１次のローパスフィルタを用いるとして説明したが、高周波帯域の計測ノイズ及び、離散化の影響（量子化誤差）を低減できれば良いので、２次のローパスフィルタ等であっても良い。
【００６０】
また、カットオフ周波数は１００Ｈｚ、サンプリング時間Ｔは１ミリ秒、電圧センサ７ａの定格電圧Ｅｍは１２Ｖ、電流センサ７ｂの定格電流Ｉｍは８０Ａ、Ａ／Ｄ変換部６ａのビット数は８であるとして説明したが、これらに限定するものではない。
【００６１】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係るトルク制御装置の第２の実施の形態について説明する。第１の実施形態では、モータ１への入力電圧Ｅの測定に電圧センサ７ａを用いている。本来、モータ１への入力電圧Ｅは一定であるから、測定する必要がないのであるが、モータ１に大電流が流れる場合には、モータ駆動用電源８ａの内部抵抗及びモータ１までの配線抵抗等に起因する電圧降下によって、入力電圧Ｅが降下するため入力電圧Ｅを計測しているのである。
【００６２】
ところが、電圧センサ７ａで入力電圧Ｅを計測する方法では、入力電圧Ｅに重畳されるＰＷＭノイズが混入する。その結果、そのノイズを含んだ計測値を用いて負荷トルクを推定することになるので、トルク制御の精度の低下を来たすこととなる。
【００６３】
そこで、本実施形態では、モータ駆動回路５の内部抵抗Ｒｍｉ及び、モータ駆動用電源８ａの内部抵抗Ｒｐｉの合成抵抗Ｚを予め測定しておき、この測定した合成抵抗Ｚと、電流センサ７ｂの出力である電機子電流Ｉａとを乗じて、合成抵抗Ｚに起因する降下電圧ΔＥ（＝ＩａＺ）を求める。
【００６４】
次に、その降下電圧ΔＥを、モータ駆動用電源８ａが発生する供給電圧Ｅｏから減じることによって、モータ１に印加される入力電圧Ｅの推定を行っている。これを式で表わすと、数１２の式となる。
【００６５】
【数１２】

【００６６】
このようにすることで、電圧降下分ΔＥを補償することができ、モータ１に印加される入力電圧Ｅを推定することができる。尚、電機子電流Ｉａに重畳されるノイズもあるが、入力電圧Ｅに重畳されるノイズよりも小さいので、第１の実施の形態の方法よりも、負荷トルクの推定値ＴＬｈの推定精度が向上し、精度の高いトルク制御を実現することができる。
【００６７】
［第３の実施の形態］
次に、本発明に係るトルク制御装置の第３の実施の形態について説明する。第１又は第２の実施の形態における負荷トルク推定値ＴＬｈは、電圧センサ７ａ及び電流センサ７ｂの計測誤差、若しくは離散化時に生じる量子化誤差分のために、実際に生じている負荷トルクＴＬよりも大きな値となる場合がある。
【００６８】
従って、モータ１を起動し、目標トルク値Ｔｃと負荷トルク推定値ＴＬｈとが等しく、若しくは大きくなったからといって、モータ１を停止させてしまうと、実際にモータ１に働いている負荷トルクＴＬは、目標トルクＴｃよりも小さな値を示すこととなる。
【００６９】
一例として、エンジンブロックを止める締めつけボルトを、電動ドライバーで締めつける場合、設置した締めつけトルク（目標トルクＴｃ）が発生されない場合があり、トルクレンチで締め直すといった不具合が生じる場合があった。
【００７０】
そこで、本実施形態では、予め実験を行って、負荷トルク推定値ＴＬｈが目標トルクＴｃを超えてから、どのくらい時間が経過してからモータ１を停止させれば、実際にモータ１に働く負荷トルクＴＬと、目標トルクＴｃとが略等しくなるか、その経過時間（静止時間）を計測する。そして、負荷トルク推定値ＴＬｈが目標トルクＴｃを超えた時より時間を計測し始め、静止時間が経過した後にモータ１を停止させるように制御を行う。
【００７１】
尚、本実施形態は離散系であるので、連続系モデルの静止時間に対応する静止回数Ｓｎを用い、Ｓｎ回先のサンプリング時点でモータ１を停止させるように制御する。
【００７２】
次に、本実施形態の動作について図４に基づいて詳細に説明する。図４は本実施形態のトルク判定部３の処理の流れを示すフローチャートである。モータ１が回転をし始めた時点では、負荷トルク推定値ＴＬｈは目標トルクＴｃよりも小さいので、変数ｆｌａｇには０の代入が繰り返される。
【００７３】
次第に負荷トルク推定値ＴＬｈが大きくなり、目標トルク値Ｔｃよりも大きくなった場合には変数ｆｌａｇに１を加えて、静止回数Ｓｎとｆｌａｇの値を比較する。静止回数Ｓｎよりｆｌａｇの方が小さい場合には、サンプリング時間Ｔ毎に変数ｆｌａｇに１を加えて、静止回数Ｓｎとｆｌａｇの値の比較動作を繰り返す。
【００７４】
そして、ｆｌａｇの値が静止回数Ｓｎよりも大きくなった場合、モータ１に停止命令を出力してモータ１を停止させることで、突発的なノイズによって、目標トルクＴｃに達する前に停止することを防止することができる。
【００７５】
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態について、図５、図６及び図７に基づいて説明する。図５は、本発明に係るトルク制御装置の構成を示すブロック図である。図６は、離散化目標トルクＴｃｄと目標回転数Ｎｃとの対応を示す表、図７は、回転数判定部６ｄの動作を示すフローチャートである。
【００７６】
図５に示すトルク制御装置は、第１の実施の形態のトルク制御装置の構成に、モータの角変位θを計測するエンコーダ７ｃを付加すると共に、第１の実施の形態のマイコン６に、エンコーダ７ｃから出力されるパルスをカウントするカウンタ６ｂと、目標回転数Ｎｃを格納する目標回転数記憶部６ｃと、目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値が、静止回転数Ｎｓ以下になったかどうかの判断を行う回転数判定部６ｄとを付加したものである。
【００７７】
また、カウンタ６ｂからは速度制御部４ａと回転数判定部６ｄとにカウント数が出力され、回転数判定部６ｄには、Ａ／Ｄ変換部６ａから離散化目標トルク値Ｔｃｄが入力される。
【００７８】
目標回転数記憶部６ｃには、図６の表に示すような、離散化目標トルクＴｃｄと、そのトルクが発生する回転数（目標回転数Ｎｃ）との対応関係を示した情報が格納されている。目標回転数Ｎｃは予め実験を行って得られた値である。但し、図６の表に示す各目標回転数Ｎｃは、対応する離散化目標トルク値Ｔｃｄを発生する状態になるまでのモータ１の総回転数を意味し、ｒｐｍのような単位時間内に回転した数ではない。また、予め実験を行って、最高速の状態からモータ１への電力の供給を止め、モータ１が静止するまでの回転数（静止回転数Ｎｓ）を、最高速の違いに応じて求めておく。
【００７９】
次に、回転数判定部６ｄの処理を、図５及び図７に基づいて説明する。まず、モータ１が回転するとエンコーダ７ｃにより、電機子の角変位θが計測され、カウンタ６ｂにより、エンコーダ７ｃから出力されるパルスがカウントする。
【００８０】
そして、図７に示すように、回転数判定部６ｄは、目標回転数記憶部６ｃを参照して、離散化トルク設定値Ｔｃｄを発生させる目標回転数Ｎｃを求め、カウンタ６ｂのカウント数を積算して、モータ１の起動時から現時点までのモータ１の総回転数Ｎを求める。そして、目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値が、静止回転数Ｎｓ以下であるかどうかの判断を行う。
【００８１】
目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値が、静止回転数Ｎｓよりも大きな値の場合は、離散化目標トルクＴｃｄが再設定されたかどうかの判断を行う。
【００８２】
ここで、離散化目標トルクＴｃｄが再設定された場合は、新たな目標回転数Ｎｃを求めるために、再び目標回転数記憶部６ｃを参照する。そして、カウンタ６ｂからのカウント数をさらに積算して総回転数Ｎを求め、再び目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値が、静止回転数Ｎｓ以下であるかどうかの判断を行う。
【００８３】
一方、離散化目標トルクＴｃｄが変更されていない場合は、目標回転数Ｎｃを変更することなく、カウンタ６ｂからのカウント数をさらに積算して総回転数Ｎを求めて、再び目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値が、静止回転数Ｎｓ以下であるかどうかの判断を行う。
【００８４】
目標回転数Ｎｃから総回転数Ｎを減じた値が、静止回転数Ｎｓ以下になった場合は、図５に示す速度制御部４ａに停止命令を出力し、モータ１を停止させる。以上のように制御することで、目標トルクＴｃにより近い負荷トルクでモータ１を停止させることができ、トルク制御の精度の向上を図ることができる。
【００８５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１乃至請求項4記載の発明にあっては、モータの電機子抵抗の公称値と、電機子電流の微分値とを乗じた値を、入力電圧の微分値から減じ、その値に、電機子の慣性モーメントの公称値を乗じると共に、モータの誘導電圧定数の公称値で除し、その値を、電機子電流値と、モータのトルク定数の公称値とを乗じた内部トルク値から減じて、負荷トルクの推定値を求めるので、従来の技術のように、角変位の後進差分を２回とる必要がなく、高精度の負荷トルクの推定ができるので、トルク制御の精度が著しく向上する。また、モータの角加速度を測定する必要が無いので、高価な速度センサや加速度センサを用いずに、安価で高精度のトルク制御ができるという効果を奏する。
【００８６】
請求項２記載の発明にあっては、モータ駆動用電源の内部抵抗及び、モータ駆動用電源の内部抵抗の合成抵抗を予め測定しておき、この測定した合成抵抗と、電流センサの出力である電機子電流とを乗じて求まった降下電圧を、モータ駆動用電源の供給電圧から減じることによって、モータに印加される入力電圧の推定値を求めることができる。
【００８７】
従って、モータに印加される入力電圧を計測する電圧センサを無くすことができ、電圧センサの計測ノイズによる、負荷トルクの推定精度の低下を防ぐことができるので、モータに印加される入力電圧を計測して求める場合よりも精度の良いトルク制御を実現することができる。また、電圧センサを省略できるため、請求項１記載の発明の方法を用いたトルク制御装置の構成より、Ａ／Ｄ変換器が１つ不要となり、Ａ／Ｄ変換ポートが１つ少ないマイコンを用いることができるため、コストを削減することができるという効果を奏する。
【００８８】
請求項３記載の発明にあっては、入力電圧を計測する電圧センサ及び、電機子電流を計測する電流センサの計測時に生じるノイズの影響や、速度指令値、トルク設定値、入力電圧値、電機子電流値をＡ／Ｄ変換部で夫々離散化したときの量子化誤差分のために、実際の負荷トルクが目標トルクよりも小さな値となる場合があるが、予め負荷トルク推定値が目標トルクを超えてから、どのくらい時間が経過してからモータを停止させれば、実際にモータに働く負荷トルクと目標トルクが略等しくなるか、その経過時間（静止時間）を計測しておき、負荷トルクが目標トルクを超えた時より時間を計測し始め、静止時間が経過したときモータを停止させるように制御することで、突発的なノイズによって、目標トルクに達する前に停止することを防ぐことができるという効果を奏する。
【００８９】
請求項４記載の発明にあっては、請求項１記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク制御装置では、高精度にトルクを推定し、モータ駆動回路に停止命令を出したとしても、高速に回転しているモータを瞬時に停止させることは不可能で、停止までの間モータが回転して、目標トルクを大幅に越えるトルクが発生するので、目標トルクでモータを停止させることが困難であるが、目標トルクを発生するまでの総回転数を予め、その総回転数に達した時点でモータ駆動回路に停止命令を出力することにより、請求項１記載の発明よりも、より目標トルクに近いトルクが発生した状態で、モータを停止させることができ、トルク制御の精度の向上を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る負荷トルク推定器を用いたトルク制御装置を、連続系モデルとして表現した場合のブロック線図である。
【図２】図１のトルク制御装置の負荷トルク推定器とローパスフィルタとを、離散系モデルとして表現した場合のブロック線図である。
【図３】本発明に係るトルク制御装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係るトルク判定部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明に係るトルク制御装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】離散化目標トルクを発生させる目標回転数を示す表である。
【図７】本発明に係る回転数判定部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】従来のモータのトルク制御装置を示すブロック図である。
【図９】従来のトルク制御装置に用いられる負荷トルク推定器を示すブロック線図である
【符号の説明】
３トルク判定部
４ａ速度制御部（モータ速度制御部）
６ｃ目標回転数記憶部
６ｄ回転数判定部
Ｉａ電機子電流
Ｅ入力電圧
Ｅｏ供給電圧（モータ駆動用電源が発生する電圧）
Ｅｈ入力電圧の推定値
ΔＥ降下電圧
Ｋｔｎモータのトルク定数の公称値
Ｒａｎ電機子抵抗の公称値
Ｒｍｉモータ駆動回路の内部抵抗値
Ｒｐｉモータ駆動用電源の内部抵抗値
Ｊｎ電機子の慣性モーメントの公称値
Ｋｅｎ誘導起電圧定数の公称値
ＴＬ負荷トルク
ＴＬｈ負荷トルク推定値
Ｔｃ目標トルク
Ｎｃ目標回転数
Ｎ総回転数

Claims

モータに加わる負荷トルクの推定方法において、前記モータの電機子抵抗の公称値と、前記モータの電機子に流れる電機子電流の微分値とを乗じた値を、前記モータに印加される入力電圧の微分値から減じ、
その値に、前記モータの電機子の慣性モーメントの公称値を乗じると共に、前記モータの誘導電圧定数の公称値で除し、
その値を、前記電機子電流の値と、前記モータのトルク定数の公称値とを乗じた内部トルク値から減じて、負荷トルクの推定値を求めることを特徴とする負荷トルク推定方法。
前記モータを駆動させるモータ駆動回路及びモータ駆動用電源の内部抵抗値と、前記電機子電流の値とを乗じて、前記内部抵抗値に起因する降下電圧を求め、モータ駆動用電源が発生する電圧からその降下電圧を減じた値を、前記モータに印加される入力電圧とすることを特徴とする、請求項１記載の負荷トルク推定方法。
請求項１又は請求項２記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク制御装置であって、負荷トルク推定値が、目標トルク値より大きくなったときに、前記モータを停止させる停止信号を出力するトルク判定部を備えたことを特徴とするトルク制御装置。
請求項１又は請求項２記載の負荷トルク推定方法を用いるトルク制御装置であって、前記モータの起動時から目標トルク値に至るまでの前記電機子の総回転数である、目標回転数を記憶する目標回転数記憶部と、
前記モータの起動時から現在までの前記電機子の総回転数を、前記目標回転数から減じた値と、前記モータへの電力の供給を止めてから、前記モータが停止するまでの回転数とを比較して、前者が後者以下の値になったときに、前記モータを停止させる停止信号を出力する回転数判定部とを備えたことを特徴とするトルク制御装置。