JP4194862B2

JP4194862B2 - 電動機の位置決め制御方法および装置

Info

Publication number: JP4194862B2
Application number: JP2003064412A
Authority: JP
Inventors: 知紀間下; 英雄百目鬼
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: JP2004274923A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機を高速で位置決め制御する方法および装置に関するものである。
【０００２】
図４は、電動機を位置決め制御する従来の装置の構成を例示している。この図４において、電流検出器１０７は、電動機（永久磁石型同期電動機、誘導電動機等）１０８の固定子に流れる電流を検出し、位置検出器（例えば、エンコーダによって構成される）１０９は、該電動機１０８の回転子の角度変位量に対応する数のパルス信号を位置検出信号として出力する。また、位置・速度変換器１１０は、位置検出器１０９の出力に基づいて、単位時間当たりの上記回転子位置の変化量、つまり、電動機１０８の回転速度を検出する。
【０００３】
偏差カウンタ１０２は、パルス発振器１０１から出力される位置指令パルスと位置検出器１０９から出力されるフィードバックパルスをカウントして、それらの偏差、つまり、上記電動機１０８の位置偏差を検出する。
速度制御器１０３は、偏差カウンタ１０２から出力される上記位置偏差を速度指令として入力し、この速度指令の値と上記位置・速度変換器１１０から出力される電動機１０８の実際の回転速度の値とを比較して、両者の差に対応した適正な電流指令を出力する。
【０００４】
電流制御器１０４は、速度制御器１０３から出力される電流指令の値と上記電流検出器１０７で検出される固定子電流との差に対応した適正な指示電圧をインバータ１０６に与える。そこで、インバータ１０６は、上記電流制御器１０４からの指示電圧に基づいて交流電源１０５から得られる電圧をパルス幅変調し、その変調された電圧を電動機に印加する（例えば、非特許文献１参照）。
この制御装置によれば、位置指令パルスによって指令された位置に電動機１０８の回転子が位置決めされる。
【０００５】
図５（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、上記制御装置を用いて電動機１０８を最短時間で位置決めする際の理想的なトルク分電流ｉ、電動機１０８の速度ω_mおよび該電動機１０８の位置θ_mの各時間変化パターンを例示したものである。
この図５に示すように、電動機１０８を最短時間で位置決めするには、まず、最大のトルク分電流i_torqueが流れるような電圧を電動機１０８に印加して、該電動機１０８を最大トルクで加速する。これにより、電動機１０８は、速度ω_mがその限界値（電動機１０８の定格最大速度）ω_maxに到達するまで急加速されることになる。
その後、目標位置θ_m ^refに達する前のある時点までは、最大速度ω_maxが維持されるように電動機１０８を駆動し、ついで、先とは逆に電動機１０８を最大トルクで減速駆動するためのトルク分電流−i_torqueを該電動機１０８に流して、該電動機１０８を減速させる。
【０００６】
要するに、電動機１０８を最短時間で位置決めするには、図５（ｂ）に示すパターンで変化する速度指令を発生する必要がある。偏差カウンタ１０２から出力される速度指令は、該偏差カウンタ１０２におけるたまりパルスによって形成される。そして、このたまりパルスの数は、パルス発振器1０１の出力パルスの周波数が高くなるほど多くなる傾向を示す。そこで、電動機１０８の目標位置θ_m ^ref、速度限界値ω_max、電流制限値i_torque，−i_torqueに基づいてパルス発振器１０１の出力パルスの周波数を適宜設定して、上記のような速度指令を発生させることになる。
【０００７】
【非特許文献】
「ＡＣサーボモータ入門編」第５版、オリエンタルモーター株式会社、１９９７年１１月、ｐ．１２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記制御装置を用いた最短時間位置決め方法は、目標位置が変更された場合や電動機１０８に負荷トルクが作用した場合、もしくは、負荷トルクが変更された場合に、再度、目標位置から速度指令パターンを算出し直す必要がある。
また、上記方法では、速度指パターンを生成するためのパルス発振器等が必要になるほか、偏差カウンタ１０２のたまりパルスを指令速度に用いることから、このたまりパルスの蓄積に要する時間のために、通常、電動機１０８の位置決めが遅れることになる。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、電動機の目標位置や負荷に適応した最短時間位置決め用速度指令を自己生成することができる電動機の位置決め制御方法および装置を提供することにある。
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明に係る電動機の位置決め制御方法は、電動機の位置偏差を検出するステップと、前記位置偏差を第１の基準値および該基準値よりも小さい第２の基準値と比較して、前記位置偏差が前記第１の基準値以上であるときに前記電動機の許容最大速度を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値よりも小さいときに速度零を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値よりも小さいときに前記位置偏差に対応する速度を指示する速度指令をそれぞれ発生するステップと、前記電動機の速度が前記速度指令に対応する速度となるように該電動機を駆動するステップと、前記電動機の負荷トルクを前記電動機の駆動電流および速度に基づいて推定するステップと、を含み、前記第１の基準値を下記式に基づいて設定することを特徴としている。
【数３】

ただし、ω_ｍ：電動機の実速度
ｋ_ｔ：電動機のトルク係数
Ｊ：電動機の慣性モーメント
ｉ_{ｔｏｒｑｕｅ}：電動機を最大トルクで加速するためのトルク分電流
Ｔ_Ｌ：電動機の負荷トルク
【００１１】
この位置決め制御方法によれば、電動機の目標位置や負荷に適応した最短時間位置決め用速度指令が自己生成され、この速度指令に基づいて電動機が駆動される。
【００１２】
前記速度指令にアンチワインドアップ補償を施すようにしても良い。
【００１３】
一方、本発明に係る電動機の位置決め制御装置は、電動機の位置偏差を検出する偏差検出手段と、前記位置偏差を第１の基準値および該基準値よりも小さい第２の基準値と比較して、前記位置偏差が前記第１の基準値以上であるときに前記電動機の許容最大速度を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値よりも小さいときに速度零を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値よりも小さいときに前記位置偏差に対応する速度を指示する速度指令をそれぞれ発生する速度指令発生手段と、前記電動機の速度が前記速度指令に対応する速度となるように該電動機を駆動する駆動手段と、前記電動機の負荷トルクを前記電動機の駆動電流および速度に基づいて推定する負荷トルク推定手段と、を備え、前記第１の基準値を下記式に基づいて設定することを特徴としている。
【数４】

ただし、ω_ｍ：電動機の実速度
ｋ_ｔ：電動機のトルク係数
Ｊ：電動機の慣性モーメント
ｉ_{ｔｏｒｑｕｅ}：電動機を最大トルクで加速するためのトルク分電流
Ｔ_Ｌ：電動機の負荷トルク
【００１４】
前記速度指令にアンチワインドアップ補償を施すための補償手段を更に備えることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る電動機の位置決め制御方法および装置の実施の形態について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、最短時間で電動機を位置決めする際の該電動機の理想的な位置、速度およびトルク分電流の変化パターンをそれぞれ例示したものである。なお、この図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図５（ｃ）、（ｂ）および（ａ）に対応している。
【００１６】
前述したように、電動機を最短時間で位置決めするためには、該電動機に許容最大電流（最大のトルク分電流）i_torqueを流して、該電動機を最大速度ω_maxまで加速した後、この最大速度ω_maxを維持する電流を電動機に流し、ついで、許容最大電流−i_torqueを電動機に流して該電動機を減速させれば良い。
換言すれば、電動機を最短時間で位置決めするためには、電動機の実速度が図２（ｂ）のパターンに従って変化するような速度指令を制御系に与えれば良いことになる。
【００１７】
図２（ｂ）の速度パターンは、以下のように分析される。
（１）領域（ｔ₀＜ｔ≦ｔ₁）：電動機の許容最大電流により加速度が固定される。
（２）領域（ｔ₁＜ｔ≦ｔ₂）：電動機が最大速度で運転される。
（３）領域（ｔ₂＜ｔ≦ｔ₃）：電動機の許容最大電流により減加速度が固定される。
（４）領域（ｔ＞ｔ₃）：速度を零に近づける速度指令を出し続ける。
【００１８】
上記分析結果は、速度指令を図２（ｄ）のように設定すすることによって図２（ｂ）に示す理想的な速度パターンが得られることを示している。
【００１９】
ところで、電動機を最短時間で位置決めするための理想速度パターンは、目標位置や電動機に作用する負荷トルクの変更に伴って変化する。したがって、図２（ｂ）に示す理想速度パターンは、一例を示しているに過ぎない。例えば、負荷トルクが増大方向に変更された場合の理想速度パターンは、図３（ｂ）のようになる。この理想速度パターンでは、最大の加速トルクおよび減加速トルクで電動機が加速および減速されているものの、最大速度ω_maxまで該電動機の速度が上昇してない。
図３（ｄ）は、図３（ｂ）の理想速度パターンを実現するための速度指令を示している。
【００２０】
図１は、電動機を最短時間で位置決めするための本発明に係る位置決め制御装置の実施の形態を示したものである。この位置決め制御装置では、図２（ｄ）、図３（ｄ）に例示したような最短時間位置決め用速度指令が自己生成される。
図１において、電流検出器７は電動機８に流れる電流（例えば、固定子電流）ｉを検出し、位置検出器９は電動機８の実位置（回転子の実回転位置）θ_mを検出する。また、位置・速度変換器１０は、上記電動機８の実位置θ_mの時間変化に基づいて電動機８の実速度ω_mを検出する。なお、電動機８としては、永久磁石型同期電動機、誘導電動機、ブラシ付同期電動機等が適用される。
【００２１】
位置制御器２は、目標位置入力器１から与えられる目標位置θ_m ^refと上記電動機８の実位置θ_mとの偏差をとり、この位置偏差に対応する速度指令を出力する。
速度制御器３は、速度指令によって指示される目標速度ω_m ^refと上記電動機８の実速度ω_mとの偏差に対応した適正な電流指令を電流制御器４へ出力する。なお、この速度制御器３は、多大な速度偏差が生じたときにも安定に電動機８を駆動するためのアンチワインドアップ機能（これについては後述する）を有している。
【００２２】
電流制御器４は、速度制御器３から出力される電流指令によって指示される電流と上記電流検出器７で検出される電流との差に対応した適正な指示電圧をインバータ６に与える。インバータ６は、交流電源５から得られる電圧を上記電流制御器４からの指示電圧に基づいてパルス幅変調し、この指示電圧に対応する変調出力電圧を電動機８に印加する周知の構成を有する。
【００２３】
負荷推定器１１は、上記電動機８の実速度ω_mと電流検出器７によって検出される電流ｉとに基づいて、電動機８に作用している負荷トルクＴ_L（外乱）を推定するものであり、いわゆる外乱オブザーバとしての構成を有する。
上記外乱オブザーバの原理および構成は周知であるので、ここではその説明を省略する。
【００２４】
速度指令生成器１２は、上記目標位置θ_m ^ref、上記電動機８の実位置θ_m、および上記負荷トルクＴ_Lに基づいて、図２および図３の領域ｔ₀〜ｔ₃における速度指令を生成するものである。
【００２５】
速度指令切換器１３は、上記目標位置θ_m ^ref、上記電動機８の実位置θ_mおよび後述の第２基準値Δθ_m2 ^err-sとに基づいて、切換スイッチ素子１４の切換えタイミングを判断し、そのタイミングで切換スイッチ素子１４を切換える。スイッチ素子１４は、速度指令位置制御器２の出力と速度指令生成器１２の出力を速度制御器３の入力に選択的に加えるために設けられている。
【００２６】
ここで、図２（ａ）および図３（ａ）に示す第１基準値Δθ_m1 ^err-sおよび第２基準値Δθ_m2 ^err-sについて説明する。
図２および図３における速度指令変化時点ｔ₂は、電動機８の減速を開始する時点を意味している。この減速開始時点は、電動機８の目標位置θ_m ^refや該電動機８に作用する負荷によって変動するので、予測することが不可能である。
そこで、この実施の形態では、上記第１基準値Δθ_m1 ^err-sを演算によって求め、電動機８の位置偏差をこの第１基準値Δθ_m1 ^err-sと比較することによって上記速度指令変化時点ｔ₂、つまり、電動機８の減速開始タイミングを定めるようにしている。
【００２７】
上記第１基準値Δθ_m1 ^err-sは、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示す速度パターンの領域ｔ₀〜ｔ₃における面積に対応するものであり、下式に基づいて算定することができる。
【数５】

ただし、ω_m：電動機の実速度
ｋ_t：電動機のトルク係数
Ｊ：電動機の慣性モーメント
ｉ_torque：電動機を最大トルクで加速するためのトルク分電流
Ｔ_L：電動機の負荷トルク
【００２８】
一方、上記第２基準値Δθ_m2 ^err-sは、電動機８がほぼ目標位置θ_m ^refに到達したと見做しうる微小な位置偏差値に固定設定されている。この第２基準値Δθ_m2 ^err-sは、第１基準値Δθ_m1 ^err-sよりも小さくなる。
【００２９】
以下、この実施の形態に係る位置決め制御装置を用いた位置決め制御手法について説明する。
上記速度指令切換器１３は、目標位置θ_m ^refと電動機８の実位置θ_mの偏差をとり、この位置偏差を上記第２基準値Δθ_m2 ^err-sと比較する。そして、位置偏差がこの第２基準値Δθ_m2 ^err-s以上であれば、電動機８がまだ目標位置θ_m ^ref近傍に到達していないと判断して、切換スイッチ素子１４を図１に示すようにｂ側に接続する。これにより、速度指令として速度指令生成器１２で発生される速度指令が選択されることになる。
【００３０】
一方、速度指令生成器１２は、上記位置偏差を演算し、この位置偏差を上記第１基準値Δθ_m1 ^err-sと比較する。なお、速度指令生成器１２は、上記第１基準値Δθ_m1 ^err-sを得るために、位置・速度変換器１０から与えられる電動機８の実速度ω_mと、負荷推定器１１から与えられる負荷トルクＴ_Lとに基づいて上式の演算を実行する。
【００３１】
位置決めが開始された時点においては、上記位置偏差が第２基準値Δθ_m2 ^err-s以上である。そこで、速度指令生成器１２は、電動機８の許容最大速度（定格速度）ω_maxを指示する速度指令を発生する。この速度指令は、現時点において接点ｂ側に接続されている上記スイッチ１４を介して速度制御器３に速度指令ω_m ^refとして入力される。
これにより、電動機８は、許容最大電流（最大のトルク分電流）i_torqueが流れるように駆動されて、最大速度ω_maxに向かって加速されることになる。なお、電流i_torqueは、電流制御器４に設けられた電流リミッタにより設定されている。
【００３２】
速度指令生成器１２は、電動機８の位置偏差が第２基準値Δθ_m2 ^err-sに達したと判断するまでの間において、つまり、領域（ｔ₀＜ｔ≦ｔ₂）おいて、上記許容最大速度（定格速度）ω_maxを指示する速度指令を継続的に発生する。
したがって、図２の例では、時点ｔ₂において電動機８が最大速度ω_maxまで加速され、その後、位置偏差が第１基準値Δθ_m1 ^err-sまで低下するまでの間において、つまり、領域（ｔ₁＜ｔ≦ｔ₂）の期間において、この最大速度ω_maxが維持される。上記領域（ｔ₁＜ｔ≦ｔ₂）における電流ｉは、i_torqueよりも小さくなる。これは、加速のためのエネルギーを発生する電流が不要になるからである。
【００３３】
一方、図３の例では、電動機８の位置偏差が基準値Δθ_m1 ^err-sまで低下する間、継続的に電流i_torqueが電動機８に流れる。しかし、電動機８は、負荷トルクの影響で最大速度ω_maxまで加速されないことになる。なお、電動機８が最大速度ω_maxまで加速されない現象は、目標位置θ_m ^refの値が小さい場合にも発生する。なぜなら、目標位置θ_m ^refの値が小さいほど、減速開始時点ｔ₂が早まることになるからである。
【００３４】
ところで、一般に、速度制御器３は定常偏差をなくすための積分器を含む補償器（例えば、ＰＩ補償器）を備えている。このため、図２（ｄ）および図３（ｄ）に示すようなステップ状に変化する速度指令を速度制御器３に入力すると、速度指令が零まで急激に変化するｔ₂時点で、いわゆるワインドアップ現象を生じることがある。すなわち、オーバーシュート等のために、応答が不安定または振動的になる場合がある。
【００３５】
そこで、この実施の形態においては、速度制御器３にアンチワインドアップ機能を持たせて、ワインドアップ現象を回避するようにしている。なお、上記アンチワインドアップ機能は、例えば状態オブザーバ等の周知手段を用いて得ることができるので、ここではその説明を省略する。アンチワインドアップ機能を有する速度制御器３によれば、図２（ｄ）および図３（ｄ）に示す速度指令が与えられた場合でも、図２（ｂ）および図３（ｂ）に示すような理想的な速度パターンに従って電動機８の速度を制御することができる。
【００３６】
図２（ｄ）および図３（ｄ）に示すように、速度指令生成器１２は、電動機８の位置偏差が第１基準値Δθ_m1 ^err-sよりも低下した時点ｔ₂で速度零を指示する速度指令を生成する。しかし、この速度指令が生成されても、電動機８の実際の速度ω_mは瞬時に零まで降下しない。すなわち、電動機８は、最大の減速トルクを発生する電流―ｉ_torqueによって駆動されながら図２（ｂ）、図３（ｂ）のような軌跡を描いて降下し、零に落ち着くことになる。
【００３７】
電動機８の位置偏差が前記基準値Δθ_m2 ^err-sよりも低下すると、つまり、制御が開始されてから時間ｔ₃が経過すると、速度指令切換器１２が前記スイッチ素子１４を端子ａ側に切換接続する。
これにより、速度制御器３には位置制御器２の出力、つまり、電動機８の位置偏差に対応する速度指令が与えられるので、前記基準値Δθ_m2 ^err-sよりもちいさな微小な位置偏差がなくなるように電動機８が駆動されて、該電動機が目標位置θ_m ^refに位置決めされる。
【００３８】
なお、上記実施の形態においては、電動機８の実速度ω_mを位置検出器９の出力を変換することによって得ているが、該実速度ω_mを適宜な速度検出器によって直接検出しても良い。また、上記実施の形態では、電動機８の負荷トルクＴ_Lを、外乱オブザーバを使用した負荷推定器で推定しているが、この負荷トルクＴ_Lを適宜なトルク検出器によって直接検出しても良い。
【００３９】
以上の説明から明らかなように、この実施の形態に係る電動機の位置決め制御方法および装置によれば、目標位置を与えるだけで、電動機を理想の速度パターンにしたがって最短時間で位置決めすることができる。
すなわち、従来のように、発振器の出力パルスによって目標位置を指令して上記理想の速度パターンを実現しようとすると、目標位置や負荷トルクの変更に伴って、上記指令パルスの出力形態を調整し直すという手間を要するが、上記実施の形態によれば、目標位置や負荷に適応した最短時間位置決め用速度指令が自己生成されるので、上記のような手間が不要になる。
しかも、従来では、偏差カウンタに蓄積される上記発振器の出力パルスに基づいて速度指令を形成するので、偏差カウンタにパルスがたまるまでの時間のために制御の遅れを生じることになるが、上記実施の形態によれば、パルス発振器や偏差カウンタが不要になるので制御性が向上する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係る電動機の位置決め制御方法および装置によれば、目標位置や負荷トルクに適応した最短時間位置決め用速度指令が自己生成されるので、目標位置を設定するだけでもって、その目標位置に電動機が最短時間で位置決めされる。したがって、目標位置や負荷トルクの変更に容易かつ迅速に対応することができる。
また、速度指令を発生する手段としてパルス発振器や偏差カウンタを使用しないので、位置決め制御の応答性が向上するという利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動機の位置決め制御装置の一例を示すブロック図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、最短時間で電動機を位置決めする際の該電動機の理想的な位置、速度およびトルク分電流の変化パターンの一例を示したグラフであり、（ｄ）は（ｂ）の理想速度パターンを得るための速度指令を示すグラフである。
【図３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、最短時間で電動機を位置決めする際の該電動機の理想的な位置、速度およびトルク分電流の変化パターンの他の例を示したグラフであり、（ｄ）は（ｂ）の理想速度パターンを得るための速度指令を示すグラフである。
【図４】従来の電動機の位置決め制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、最短時間で電動機を位置決めする際の該電動機の理想的なトルク分電流、速度および位置の変化パターンの一例を示したグラフである。
【符号の説明】
１目標位置入力器
２位置制御器
３速度制御器
４電流制御器
６インバータ
７電流検出器
８電動機
９位置検出器
１０位置・速度変換器
１１負荷推定器
１３速度指令切換器
１４切換スイッチ

Claims

電動機の位置偏差を検出するステップと、
前記位置偏差を第１の基準値および該基準値よりも小さい第２の基準値と比較して、前記位置偏差が前記第１の基準値以上であるときに前記電動機の許容最大速度を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値よりも小さいときに速度零を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値よりも小さいときに前記位置偏差に対応する速度を指示する速度指令をそれぞれ発生するステップと、
前記電動機の速度が前記速度指令に対応する速度となるように該電動機を駆動するステップと、
前記電動機の負荷トルクを前記電動機の駆動電流および速度に基づいて推定するステップと、を含み、
前記第１の基準値を下記式に基づいて設定するようにしたことを特徴とする電動機の位置決め制御方法。

ただし、ω_ｍ：電動機の実速度
ｋ_ｔ：電動機のトルク係数
Ｊ：電動機の慣性モーメント
ｉ_{ｔｏｒｑｕｅ}：電動機を最大トルクで加速するためのトルク分電流
Ｔ_Ｌ：電動機の負荷トルク
前記速度指令にアンチワインドアップ補償を施すステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の電動機の位置決め制御方法。
電動機の位置偏差を検出する偏差検出手段と、
前記位置偏差を第１の基準値および該基準値よりも小さい第２の基準値と比較して、前記位置偏差が前記第１の基準値以上であるときに前記電動機の許容最大速度を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値よりも小さいときに速度零を指示する速度指令を、前記位置偏差が前記第２の基準値よりも小さいときに前記位置偏差に対応する速度を指示する速度指令をそれぞれ発生する速度指令発生手段と、
前記電動機の速度が前記速度指令に対応する速度となるように該電動機を駆動する駆動手段と、
前記電動機の負荷トルクを前記電動機の駆動電流および速度に基づいて推定する負荷トルク推定手段と、を備え、
前記第１の基準値を下記式に基づいて設定するようにしたことを特徴とする電動機の位置決め制御装置。

ただし、ω _ｍ：電動機の実速度
ｋ _ｔ：電動機のトルク係数
Ｊ：電動機の慣性モーメント
ｉ _{ｔｏｒｑｕｅ} ：電動機を最大トルクで加速するためのトルク分電流
Ｔ _Ｌ：電動機の負荷トルク
前記速度指令にアンチワインドアップ補償を施すための補償手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の電動機の位置決め制御装置。