JP4231848B2

JP4231848B2 - モータ駆動制御装置

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Publication number: JP4231848B2
Application number: JP2005011429A
Authority: JP
Inventors: 紘幸折尾; 幸彦小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: JP2006201925A

Description

この発明はモータ駆動制御装置に関し、特に、速度フィードバック信号から成る速度ループを形成し、自動ドア等を駆動するためのモータの制御を行うモータ駆動制御装置に関するものである。

建物などに設けられ、人の出入りを感知して、自動でドアを開閉する自動ドアシステムが構築されている。そのような自動ドアは通常モータにより駆動されており、当該モータの駆動制御方法が従来より提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

特許文献１に記載の従来の自動ドアシステムにおいては、減速機の出力軸に取り付けられた駆動プーリと従動プーリとに駆動ベルトが巻掛けてあり、駆動ベルトにはドアが連結金具を介して連結され、モータを正逆回転することで、ドアが開閉動作するように構成されている。なお、マットスイッチまたは人体検知スイッチからのドア開指令により、ドアの開閉が行われる。

特許文献２に記載の従来の自動ドアシステムにおいては、感知板等により人の接近を感知し、インバータ電源を駆動して、モータの可逆回転を制御してドアの自動開閉を行う。インバータ電源周波数パターンとインバータ電圧パターンとを独立に制御する。

特開平９−１００６７８号公報特開平９−２１５３８７号公報

上記の特許文献１および２に記載の従来の自動ドア制御装置は、速度フィードバック信号の応答周波数が一定値に固定されているので、速度フィードバックを読み込むサンプリング時間当りの速度情報が１ＬＳＢ以下となるような低分解能検出器を用いた場合、速度制御電圧指令の制御範囲が１ＬＳＢ以下となる。従って、安定したモータ速度検出が困難となるとともにモータに対する外乱検出が困難となり、同時に不安定な電流が流れ、モータ軸より回転ムラが発生してしまうという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、速度フィードバック信号の応答周波数を任意に可変できるＦＩＲフィルタを設けることにより、常に安定した電流が流れ、モータ軸の回転ムラの発生を防止できるモータ駆動制御装置を得ることを目的とする。

この発明は、モータ軸端に取り付けられた検出器より出力されたフィードバックパルス信号と速度指令信号とに基づいてモータの速度制御を行うスライド式自動ドア用のモータ駆動制御装置であって、上記モータが速度指令で回転することにより発生する誘起電圧を補償し、予め設定されているモータ固有の誘起電圧定数により算出し、モータ回転速度に比例した誘起電圧補償としての電圧と、ドアを開閉駆動するときに加速、減速に必要なモータ出力電圧を補償し、予め設定されているドア加速時間、ドア減速時間と負荷慣性モーメントにより算出した加減速トルク補償としての電圧と、モータの回転速度に比例した摩擦負荷を補償し、予め設定した動摩擦係数より算出される動摩擦トルク補償としての電圧と、モータ停止時から動き始めの静摩擦を補償し、予め設定した静摩擦トルクより算出される静摩擦トルク補償としての電圧と、カウンターウエイトなどのドア開放とドア閉鎖でのアンバランス分を補償し、予め設定したアンバランストルクより算出されるアンバランス補償としての電圧とからなる上記各補償の全ての電圧を加算したフィードフォワード電圧指令信号を出力するフィードフォワード制御手段と、上記検出器から得られたフィードバックパルス信号をパルス−速度変換部を介して入力し、速度フィードバック信号を得るＦＩＲフィルタ手段と、上記速度指令信号と上記ＦＩＲフィルタ手段から出力される上記速度フィードバック信号との偏差に速度ゲインを乗じたフィードバック電圧指令信号に、上記フィードフォワード制御手段から出力されるフィードフォワード電圧指令信号を重畳して、上記モータにモータ電圧指令信号として出力する速度制御手段とを備えたことを特徴とするスライド式自動ドア用のモータ駆動制御装置である。

この発明は、モータ軸端に取り付けられた検出器より出力されたフィードバックパルス信号と速度指令信号とに基づいてモータの速度制御を行うスライド式自動ドア用のモータ駆動制御装置であって、上記モータが速度指令で回転することにより発生する誘起電圧を補償し、予め設定されているモータ固有の誘起電圧定数により算出し、モータ回転速度に比例した誘起電圧補償としての電圧と、ドアを開閉駆動するときに加速、減速に必要なモータ出力電圧を補償し、予め設定されているドア加速時間、ドア減速時間と負荷慣性モーメントにより算出した加減速トルク補償としての電圧と、モータの回転速度に比例した摩擦負荷を補償し、予め設定した動摩擦係数より算出される動摩擦トルク補償としての電圧と、モータ停止時から動き始めの静摩擦を補償し、予め設定した静摩擦トルクより算出される静摩擦トルク補償としての電圧と、カウンターウエイトなどのドア開放とドア閉鎖でのアンバランス分を補償し、予め設定したアンバランストルクより算出されるアンバランス補償としての電圧とからなる上記各補償の全ての電圧を加算したフィードフォワード電圧指令信号を出力するフィードフォワード制御手段と、上記検出器から得られたフィードバックパルス信号をパルス−速度変換部を介して入力し、速度フィードバック信号を得るＦＩＲフィルタ手段と、上記速度指令信号と上記ＦＩＲフィルタ手段から出力される上記速度フィードバック信号との偏差に速度ゲインを乗じたフィードバック電圧指令信号に、上記フィードフォワード制御手段から出力されるフィードフォワード電圧指令信号を重畳して、上記モータにモータ電圧指令信号として出力する速度制御手段とを備えたことを特徴とするスライド式自動ドア用のモータ駆動制御装置であるので、速度フィードバック信号の応答周波数を任意に可変し遅延できるＦＩＲフィルタを設けることにより、常に安定した電流が流れ、モータ軸の回転ムラの発生を防止することができる。

実施の形態１．
以下、この発明に係るモータ駆動制御装置について説明する。以下の実施の形態においては、本発明のモータ駆動制御装置として、自動ドアを駆動するための自動ドア制御装置を例に挙げて説明する。図４はこの発明の実施の形態１に係る自動ドア制御装置をドア機構に組み込んだ自動ドア構成図である。図４（ａ）が平面図、図４（ｂ）が正面図である。自動ドア制御装置４００においては、自動ドアの位置や速度の指令を作成する自動ドア制御部１と例えば、コンバータ回路の出力に電解コンデンサを設置し、直流電源を形成して、その直流電源を使用し、インバータ回路をＰＷＭ制御し、ＤＣブラシレスモータ６に電力を出力し、その出力とＤＣブラシレスモータ６に組み込んである、パルス発生器の信号により、ＤＣブラシレスモータ６が速度制御されて回転するように形成されている。そのような自動ドア制御装置４００を、図４の例では、引き戸形の自動ドア開閉機構として組み込んでいる。図４は、減速ギア機構を持たない、自動ドア引戸形の開閉機構である。建物の出入り口の上方に配設された取付台１９と無目２０の内部に自動ドア制御装置４００を格納してある。ＤＣブラシレスモータ６のシャフトには駆動プーリ２１が設けられている。また、取付台１９の壁面には、駆動プーリ２１、自動ドア制御装置４００、従動プーリ２３およびスライドレール２７が取付けられている。駆動プーリ２１と従動プーリ２３との間には、無端のドア開閉用の駆動タイミングベルト２４が掛け回されている。図示の例では自動ドアは２枚のドア１７および１８を備えており、これらドア１７および１８は、それぞれ一対の戸車２２によってスライドレール２７から吊り下げられていて、スライドレール２７上を走行して建物の出入り口を開閉できるようにしてある。

戸車２２によって吊り下げられたドア１７および１８のうちの一方のドア１７（以下、左側のドア１７とする。）は、連結金具２５によって駆動タイミングベルト２４の上部走行部に連結され、他方のドア１８（以下、右側のドア１８とする。）は、連結金具２６によって駆動タイミングベルト２４の下部走行部に連結されている。ＤＣブラシレスモータ６が駆動されて駆動プーリ２１が駆動タイミングベルト２４を図で反時計方向（矢印Ａ方向）に駆動させると、左側のドア１７は左方向に移動し、右側のドア１８は右方向に移動して出入り口が開放される。逆に、駆動タイミングベルト２４を時計方向に駆動させると、左側のドア１７は右方向に移動し、右側のドア１８は左方向に移動して出入り口が閉鎖される。ドア開放時は開放端手前の位置で停止し、閉鎖時は左右２枚のドアに隙間が開かない位置で停止させている。

以下、この発明について図１，２，３を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る自動ドア制御装置における制御のブロック線図である。図１において、自動ドアを構成しているドア１７および１８のコントロールは、自動ドア制御部１にて行なわれている。自動ドア制御部１には、速度制御を行うための速度制御部２が接続されている。速度制御部２は、電力変換回路５を介して、駆動対象のＤＣブラシレスモータ６に接続されている。また、ＤＣブラシレスモータ６のモータ軸端には、ＤＣブラシレスモータ６の実速度を検出して、フィードバック制御に用いるためのフィードバックパルス１０４を出力するための検出器７が取り付けられている。検出器７の出力は、速度制御部２および自動ドア制御部１のそれぞれに入力される。

詳細に説明する。自動ドア制御部１からの出力である速度指令１００と、ＤＣブラシレスモータ６に接続された検出器７からの出力であるフィードバックパルス１０４とにより、速度制御部２にて速度制御され、モータ電圧指令１０３が出力される。出力されたモータ電圧指令１０３は、電力変換回路５にて変換されＤＣブラシレスモータ６を駆動する。自動ドア制御部１は、フィードバックパルス１０４から現在位置を算出する現在位置作成部１２と、作成された現在位置を基にＤＣブラシレスモータ６の速度を決定する速度指令作成部１１とから構成されている。

速度制御部２は、フィードバック制御部３とフィードフォワード制御部４にて構成されている。

フィードバック制御部３は、ＦＩＲフィルタ３１、速度比例制御部３２、速度積分制御部３３、および、パルス−速度変換部３４から構成されている。
パルス−速度変換部３４は、検出器７から出力されるフィードバックパルス１０４を速度フィードバック１０５に変換する。また、ＦＩＲフィルタ３１は、速度フィードバック１０５の応答周波数を任意に可変でき、応答周波数を変えた速度フィードバック１０６を出力する。速度成分制御部３３と速度比例制御部３２とは、速度指令１００と速度フィードバック１０６との偏差に速度ゲインを乗じたフィードバック電圧指令１０２を出力する。

また、フィードフォワード制御部４は、誘起電圧補償部４１、加減速トルク補償部４２、動摩擦補償部４３、静摩擦補償部４４およびアンバランス補償部４５で構成されている。フィードフォワード制御部４では、速度指令１００より、事前に予測される動摩擦負荷、静摩擦負荷、加減速トルク、誘起電圧、アンバランス負荷を補償している。
誘起電圧補償部４１は、速度指令１００でＤＣブラシレスモータ６が回転したとき、モータが回転することにより発生する誘起電圧を補償するものであり、予め設定されているモータ固有の誘起電圧定数により算出し、モータ回転速度に比例した誘起電圧補償３０２を出力する。
加減速トルク補償部４２は、自動ドア１７，１８を駆動するときに加速、減速に必要なモータ出力電圧を補償し、予め設定されているドア加速時間、ドア減速時と負荷慣性モーメントにより算出した加減速トルク補償３０３を出力する。
動摩擦補償部４３は、ＤＣブラシレスモータ６の回転速度に比例した摩擦負荷を補償し、予め設定した動摩擦係数よりに算出される動摩擦トルク補償３０４を出力する。
静摩擦補償部４４は、モータ停止時から動き始めの静摩擦を補償するものであり、予め設定した静摩擦トルクより算出される静摩擦トルク補償３０５を出力する。
アンバランス補償部４５は、カウンターウェイトなどのドア開放とドア閉鎖でのアンバランストルク分の補償であり、予め設定したアンバランストルクより算出されるアンバランス補償３０６を出力する。
フィードフォワード制御部４の誘起電圧補償３０２、加減速トルク補償３０３、動摩擦トルク補償３０４、静摩擦トルク補償３０５、アンバランス補償３０６を全て加算したものが、フィードフォワード電圧指令１０１となる。
このように、フィードフォワード制御部４のアンバランス補償部４５と、静摩擦補償部４４と、動摩擦補償部４３と、加減速トルク補償部４２と、誘起電圧補償部４１とは、事前に予測されるアンバランス負荷と、静摩擦負荷と、動摩擦負荷と、加減速トルクと、誘起電圧等の設定ができるフィードフォワード電圧指令設定手段を構成している。

図２において、図１と同一の信号には同一符号を付して示し、対応関係がわかりやすいようにしている。図２において、上から順に説明すると、モータ速度２０１はＤＣブラシレスモータ６のモータ速度（回転速度）であり、フィードバックパルス１０４は図１のフィードバックパルス１０４と同一であり、ＦＩＲフィルタ３１前の速度フィードバック１０５は図１の速度フィードバック１０５と同一であり、ＦＩＲフィルタ３１後の速度フィードバック１０６は図１の速度フィードバック１０６と同一である。符号２０５は、サンプリング５回のパルス数である。

また、図３において、図１および図２と同一の信号には同一符号を付して示し、対応関係がわかりやすいようにしている。図３において、上から順に説明すると、速度指令１００は図１の速度指令１００と同一であり、誘起電圧補償３０２は図１の誘起電圧補償３０２と同一であり、加減速トルク補償３０３は図１の加減速トルク補償３０３と同一であり、動摩擦補償３０４は図１の動摩擦トルク補償３０４と同一であり、静摩擦補償３０５は図１の静摩擦トルク補償３０５と同一であり、アンバランストルク補償３０６は図１のアンバランストルク補償３０６と同一であり、フィードフォワード電圧指令１０１は図１のフィードフォワード電圧指令１０１と同一であり、モータトルク３０８はＤＣブラシレスモータ６の発生トルク、モータ速度２０１は図２のＤＣブラシレスモータ６のモータ速度（回転速度）２０１と同一である。なお、ＦＩＲフィルタ３１は、例えば、Ｆ．Ｒ．コナー著フィルタ回路入門（森北出版）等に記載されているものを用いればよい。

次にこの実施の形態１の動作について説明する。
まず、自動ドア制御部１の現在位置作成部１２にてフィードバックパルス１０４より現在位置を確認し、速度指令作成部１１にてその現在位置を基に速度指令１００を決定する。

速度指令１００は、速度制御部２にて、フィードバック制御部３とフィードフォワード制御部４に送られる。

フィードバック制御部３では、検出器７からの出力であるフィードバックパルス１０４をパルス−速度変換部３４により速度フィードバック１０５に変換した後に、ＦＩＲフィルタ３１により、応答周波数を変化させて、安定したモータ速度の検出が可能で、かつ、ＤＣブラシレスモータ６に対する外乱検出が可能な速度フィードバック１０６に変換する。この速度フィードバック１０６と速度指令１００との偏差を求め、当該偏差を速度比例制御部３２によって制御した値と、当該偏差を速度積分制御部３３によって制御した値とを加算して、フィードバック電圧指令１０２を得る。

ここで、サンプリング時間当りの速度情報が１ＬＳＢ以下となるような低分解能検出器では、図２のモータ速度２０１でＤＣブラシレスモータ６が回転していると、検出器７からの出力は、図２のフィードバックパルス１０４となる。ＦＩＲフィルタ３１を使用しないとＦＩＲフィルタ３１前の速度フィードバック１０５を使用することとなり、フィードバックパルス１０４が有るときが高速回転、無いときがモータ停止中となり、安定したモータ回転速度を検出できない、また、ＤＣブラシレスモータ６に対する外乱の検出もできないことになる。そこで、本実施の形態においては、ＦＩＲフィルタ３１を移動平均５回として設けると、ＦＩＲフィルタ前の速度フィードバック１０５はＦＩＲフィルタ後の速度フィードバック１０６となり安定させることができる。ＦＩＲフィルタ３１を使用するため、モータ速度２０１に対してＦＩＲフィルタ後の速度フィードバック１０６は遅れが発生する。この遅れにより通常では、速度比例制御部３２および速度積分制御部３３の応答性を上げることができなくなるが、サンプリング時間当りの速度情報が１ＬＳＢ以下となるような低分解能検出器では、安定したモータ速度検出可能とすることを優先する必要がある。

上述したように、フィードフォワード制御部４では、速度指令１００より、事前に予測される動摩擦負荷、静摩擦負荷、加減速トルク、誘起電圧、アンバランス負荷を補償している。フィードフォワード制御部４の誘起電圧補償３０２、加減速トルク補償３０３、動摩擦補償３０４、静摩擦補償３０５、アンバランス補償３０６を全て加算したものが、フィードフォワード電圧指令１０１となる。フィードフォワード電圧指令１０１を事前に予測可能な負荷以外の外乱負荷の無い状態で電力変換し、ＤＣブラシレスモータ６を駆動するとモータトルク３０８となり、ＤＣブラシレスモータ６はモータ速度２０１で回転する。

つまり、フィードフォワード制御部４では事前に予測可能な誘起電圧、加減速トルク、動摩擦、静摩擦、アンバランストルク負荷を算出し、速度指令１００に対して追従するようなトルクを発生させ、速度指令１００に対する応答性を向上させる。
フィードバック制御部３では、ＦＩＲフィルタ３１により安定したモータ速度検出、およびモータに対する外乱検出を行える速度フィードバック１０６としており、事前に予測不可能な外乱に対する抑制制御として動作するため、ＤＣブラシレスモータ６の回転ムラ、振動を抑制する効果がある。

このように理想的なフィードフォワード電圧指令１０１とフィードバック電圧指令１０２を加算したものをモータ電圧指令１０３とし、電力変換回路５にてＤＣブラシレスモータ６を駆動する電力に変換する。

以上のように、本実施の形態に係る自動ドア制御装置においては、ＤＣブラシレスモータ６のモータ軸端に取り付けられた検出器７より出力されるフィードバックパルスに基づく速度フィードバック１０６と速度指令１００とにより速度制御を行うものであって、ＦＩＲフィルタ３１により速度フィードバック１０６の応答周波数を任意に可変できるようにしたので、自動ドアを駆動するモータ軸端に取り付けられた検出器７の分解能が、速度フィードバックを読み込むサンプリング時間当りの速度情報が１ＬＳＢ以下となるような低分解能検出器を用いた場合においても、エンコーダパルスのばらつきを減少させるとともにパルス不足を補うので、安定したモータ速度検出およびモータに対する外乱検出が可能となり、また、この信号により速度フィードバックループを形成することにより安定したモータ駆動ができ回転ムラの発生を抑える効果がある。

さらに、本実施の形態においては、ＤＣブラシレスモータ６のモータ軸端に取り付けられた検出器７によって得られる速度フィードバック１０５の応答周波数を任意に可変するＦＩＲフィルタ３１から出力される速度フィードバック１０６と速度指令１００との偏差に速度ゲインを乗じたフィードバック電圧指令１０２を出力するフィードバック制御部３と、摩擦負荷、加減速トルク、誘起電圧、アンバランス負荷を補償するためのフィードフォワード電圧指令１０１を出力するフィードフォワード制御部４とを備え、フィードバック制御部３から出力されるフィードバック電圧指令１０２に、フィードフォワード制御部４から出力されるフィードフォワード電圧指令１０１を重畳して、ＤＣブラシレスモータ６にモータ電圧指令１０３を出力するようにしたので、速度フィードバックにＦＩＲフィルタ３１を設けた速度フィードバックループを形成して、事前に予測される動摩擦負荷、静摩擦負荷、加減速トルク、誘起電圧、アンバランス負荷を設定して応答遅れを補償できるため、ＦＩＲフィルタ３１による応答遅れを解消し、速度指令に対する追従性を高める効果がある。

なお、本実施の形態においては、本発明のモータ駆動制御装置を自動ドアを開閉させるためのモータの駆動制御に用いる場合を例に挙げたが、その場合に限らず、種々のモータの駆動制御に適用できることは言うまでもなく、例えば、本発明を縫製機械やツールチェンジャー等の回転体の定位置停止機能付きの駆動制御やベルトコンベア等の定位置停止機能付きの駆動制御や工作機械の自動カバー開閉装置の駆動制御等の工場内で使用されている産業機械等を駆動させるためのモータの駆動制御に用いた場合にも、同様の効果を奏することは明らかである。

この発明の実施の形態１における自動ドア制御装置の構成を示したブロック図である。この発明の実施の形態１における自動ドア制御装置のＦＩＲフィルタの動作を示した説明図である。この発明の実施の形態１における自動ドア制御装置のフィードフォワード制御部の動作を示した説明図である。この発明の実施の形態１における自動ドア制御装置を自動ドア機構に組み込んだ状態を示した説明図である。

符号の説明

１自動ドア制御部、２速度制御部、３フィードバック制御部、４フィードフォワード制御部、５電力変換回路、６ＤＣブラシレスモータ、７検出器、１１速度指令作成部、１２現在位置作成部、３１ＦＩＲフィルタ、３２速度比例制御部、３３速度積分制御部、３４パルス−速度変換部、４１誘起電圧補償部、４２加減速トルク補償部、４３動摩擦補償部、４４静摩擦補償部、４５アンバランス補償部、１００速度指令、１０１フィードフォワード電圧指令、１０２フィードバック電圧指令、１０３モータ電圧指令、１０４フィードバックパルス、１０５速度フィードバック、１０６速度フィードバック、２０１モータ速度、２０５サンプリング５回のパルス数、３０２誘起電圧補償、３０３加減速トルク補償、３０４動摩擦トルク補償、３０５静摩擦トルク補償、３０６アンバランストルク補償、３０７フィードフォワード電圧指令、３０８モータトルク。

Claims

モータ軸端に取り付けられた検出器より出力されたフィードバックパルス信号と速度指令信号とに基づいてモータの速度制御を行うスライド式自動ドア用のモータ駆動制御装置であって、
上記モータが速度指令で回転することにより発生する誘起電圧を補償し、予め設定されているモータ固有の誘起電圧定数により算出し、モータ回転速度に比例した誘起電圧補償としての電圧と、
ドアを開閉駆動するときに加速、減速に必要なモータ出力電圧を補償し、予め設定されているドア加速時間、ドア減速時間と負荷慣性モーメントにより算出した加減速トルク補償としての電圧と、
モータの回転速度に比例した摩擦負荷を補償し、予め設定した動摩擦係数より算出される動摩擦トルク補償としての電圧と、
モータ停止時から動き始めの静摩擦を補償し、予め設定した静摩擦トルクより算出される静摩擦トルク補償としての電圧と、
カウンターウエイトなどのドア開放とドア閉鎖でのアンバランス分を補償し、予め設定したアンバランストルクより算出されるアンバランス補償としての電圧と
からなる上記各補償の全ての電圧を加算したフィードフォワード電圧指令信号を出力するフィードフォワード制御手段と、
上記検出器から得られたフィードバックパルス信号をパルス−速度変換部を介して入力し、速度フィードバック信号を得るＦＩＲフィルタ手段と、
上記速度指令信号と上記ＦＩＲフィルタ手段から出力される上記速度フィードバック信号との偏差に速度ゲインを乗じたフィードバック電圧指令信号に、上記フィードフォワード制御手段から出力されるフィードフォワード電圧指令信号を重畳して、上記モータにモータ電圧指令信号として出力する速度制御手段と
を備えたことを特徴とするスライド式自動ドア用のモータ駆動制御装置。
上記検出器は、サンプリング時間当たりの速度情報が１ＬＳＢ以下となる低分解能であることを特徴とする請求項１記載のスライド式自動ドア用のモータ駆動制御装置。