JP4471091B2 - 回転体制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転体制御装置及び方法にかかり、特に、フィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、フィード・バック制御に切り替えて、回転体の回転状態を目標回転状態に制御する回転体制御装置及び方法に関する。

近年、ハイブリッド自動車(HV)のさらなる高効率化達成のため、様々な検討がなされている。例えば、動力の伝達要素の接続・開放には一般にクラッチが用いられるが、摩擦材や油圧を用いた従来のクラッチ機構は燃費低下の要因ともなり得策ではない。

そこで、クラッチ機構として、ドグクラッチ(噛み合いクラッチ)の導入が考えられる。ドグクラッチはドク歯同士が噛み合って結合するため、油圧による押しつけ力を必要とせず、また、滑べりによる損失がないという特長をもつ。この一方、入出力軸の状態をうまく同期させないと、係合時に衝撃トルクが発生したり、ドク歯を破損したり、する虞がある。

そこで、例えば、変速機構における噛み合いの対象となるドク歯の一方のドク歯の回転速度が、他方のドク歯の回転速度まで近づくように、フィードフォワード制御し、その後、ドク歯の噛み合い位置が正確に係合するように、フィードバック制御することを試みる。

図１２に簡単な例として、速度同期後に位置制御を行なった例を示す。ここでは、参照モータ(モータA)の速度を12rad／sとし、制御の対象となるモータ（モータB）を180rad／s(1720rpm)の速度から急減速して、なるべく早い時間で同期させる例を示した。

すなわち、180rad／s(1720rpm)の速度のモータBに、図１２（Ｃ）に示すように、逆トルク（−12Ｎｍ）をかけて、図１２（Ａ）に示すように、モータBの回転速度を、モータAの速度（12rad／s）に近づけ、モータBの速度がモータAの速度に一致したところで、フィードフォワード制御からフィードバック制御に切り替えている。このように、フィードバック制御に切り替えているので、図１２（Ｂ）に示すように、位置誤差は位置制御開始（フィードバック制御への切替時）後、滑らかに収束している。

しかし、モータBの速度がモータAの速度に一致してもドク歯の噛み合い位置に位置誤差があると、この位置誤差を減少させる必要があるため、モータBの速度を一旦上昇させなければならない。すなわち、図１２（Ｃ）に示すように、位置制御開始（フィードバック制御への切替時）後に、それまでのトルクの符号を反転（−から＋）させて、モータBの速度を上昇させて、位置誤差を収束させるように、モータＢを制御している。

このように、モータＡ、Ｂの速度が一致した後、モータＢの速度を再加速するのは無駄な動作であり、結果的に同期時間を延ばすことになる。また、トルクの符号を反転させる大きなトルク変動も、音、振動の発生要因となる。

そこで、速度の一致前において位置誤差が所定量となったときに、フィードフォワード制御からフィードバック制御に切り替える制御システムが提案されている（非特許文献１参照。）。
電学論Ｄ、１１８巻７／８号、平成１０年、「モード切り替え制御による高速、高精度位置決め制御システム」

しかしながら、上記制御システムでは、モータＢの回転状態が、モータＢの回転位置がモータＡの回転位置に正確に制御できる状態がどうか判断していないので、切り替え後のフィードバック制御が複雑である。すなわち、フィードフォワード制御からフィードバック制御に切り替えたときの制御モデルのパラメータを種々用意しておかなければならない。

本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、フィード・バック制御において回転体の回転状態を目標回転状態に容易に制御することの可能な回転体制御装置及び方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、第１の回転体の回転状態を検出する第１の検出手段と、第２の回転体の回転状態を検出する第２の検出手段と、前記第１の回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転状態、前記第２の検出手段により検出された前記第２の回転体の回転状態から定まる目標回転状態、及び前記第１の回転体に発生するトルクと回転状態とにより予め定まるフィード・バック制御モデルに基づいて前記第１の回転体に発生するトルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記第１の回転体の回転状態を該目標回転状態に制御する制御手段と、を備えた回転体制御装置であって、前記制御手段は、前記フィード・フォワード制御中に、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えることを特徴とする。

すなわち、本発明は、第１の回転体の回転状態を検出する第１の検出手段と、第２の回転体の回転状態を検出する第２の検出手段と、前記第１の回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転状態、前記第２の検出手段により検出された前記第２の回転体の回転状態から定まる目標回転状態、及び前記第１の回転体に発生するトルクと回転状態とにより予め定まるフィード・バック制御モデルに基づいて前記第１の回転体に発生するトルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記第１の回転体の回転状態を該目標回転状態に制御する制御手段と、を備えた回転体制御装置である。

なお、最短時間で同期するには所定トルクを第１の回転体の許容される最大トルクにすることが望ましいが、これに限定されるものではない。

上記第１の検出手段は第１の回転体の回転状態を検出し、第２の検出手段は第２の回転体の回転状態を検出する。

制御手段は、前記第１の回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記第１の回転体に発生するトルクと回転状態とにより予め定まる制御モデル、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転状態、及び前記第２の検出手段により検出された前記第２の回転体の回転状態から定まる目標回転状態に基づいて前記第１の回転体に発生するトルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記第１の回転体の回転状態を該目標回転状態に制御する
この場合、フィード・フォワード制御からフィード・バック制御にむやみに切り替えると、第１の回転体の回転状態を該目標回転状態に制御することができないおそれがある。また、フィード・フォワード制御中に第１の回転体に発生するトルクの符号が、フィード・バック制御に切り替えて、反転すると、第１の回転体に音、振動が発生するおそれもある。

そこで、本発明では、前記制御手段は、前記フィード・フォワード制御中に、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えるようにしている。

このように、フィード・フォワード制御中に、前記第１の回転体の回転状態が前記制御モデルに基づいて前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えているので、切り替え後は、制御モデルに基づいて第１の回転体を制御すればよく、フィード・バック制御において第１の回転体の回転状態を目標回転状態に容易に制御することができる。

なお、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えても、フィード・フォワード制御中のトルクが大きく反転しないので、トルクの反転に伴って第１の回転体に生ずる音や振動も防止することができる。

ここで、請求項２のように、前記第１の検出手段は、前記第１の回転体の回転位置を検出し、前記制御手段は、前記検出された回転位置及び該回転位置に基づいて定まる回転速度の少なくとも一方と、前記目標回転状態と、に基づいて、前記回転状態態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断するようにしてもよい。

すなわち、例えば、制御手段は、前記検出された回転位置と目標回転状態に基づいて定まる目標回転位置との関係、例えば、位置誤差、回転速度と目標回転状態に基づいて定まる目標回転速度との関係、例えば、速度誤差、及び、位置誤差と速度誤差との関係、例えば、比に基づいて、前記回転状態態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断するようにしてもよい。

なお、上記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲は、前記制御モデルの制御パラメータに基づいて定められる。

ところで、フィード・バック制御に切り替え後、制御モデルに基づいて無制限にトルクを変化できるわけではなく、第１の回転体等から定まる許容範囲内である必要がある。

そこで、請求項５のように、前記制御手段は、前記前記フィード・バック制御に切り替え後に必要となるトルクの最大値を推定し、前記推定されたトルクの最大値が予め定まる許容範囲内であるか否かを判断し、前記推定されたトルクの最大値が前記予め定まる許容範囲内であると判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えるようにしてもよい。

この場合、第１の回転体に負荷トルクがかかっているとき、これも無視すると、トルクが許容範囲を超えることにもなる。

そこで、請求項６のように、前記制御手段は、前記第１の回転体に負荷トルクがかかっている場合には、前記推定されたトルクの最大値と前記負荷トルクとの和が予め定まる許容範囲内であるか否かを判断し、前記和が前記予め定まる許容範囲内であると判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えるようにしてもよい。

なお、請求項７のように、前記制御手段は、前記フィード・フォワード制御において、前記第１の回転体の回転速度を、前記目標回転状態に基づいて定まる目標回転速度に近づけ、前記フィード・バック制御において、前記第１の回転体の回転位置を、前記目標回転状態に基づいて定まる目標回転位置に近づける。

請求項８記載の発明の回転体制御方法は、第１の回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記第１の回転体に発生するトルクを制御モデルに基づいて変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記第１の回転体の回転状態を、第２の回転体の回転状態から定まる目標回転状態に制御する回転体制御方法であって、前記フィード・フォワード制御中に、前記第１の回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を反転せずに前記回転状態を前記制御モデルに基づいて前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えるものである。

なお、第２の回転体の回転状態を考慮しないで、第１の回転状態を予め定められる目標回転状態に制御する場合、つまり、回転体１を速やかに停止させ、所定の回転位置で固定するような場合は、回転体２の回転速度が零の状態と同等とみなすことができ、回転体２の状態を考慮することなく、回転体１の回転情報のみで制御することができる場合には、請求項９に記載の以下の発明が提案される。

すなわち、回転体の回転状態を検出する検出手段と、前記回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記検出手段により検出された前記回転体の回転状態、予め定められる目標回転状態、及び前記回転体に発生するトルクと回転状態とにより予め定まるフィード・バック制御モデルに基づいて前記回転体に発生するトルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記回転体の回転状態を該目標回転状態に制御する制御手段と、を備えた回転体制御装置であって、前記制御手段は、前記フィード・フォワード制御中に、前記検出手段により検出された前記回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクが大きく反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えることを特徴とする回転体制御装置である。

なお、本発明も、上記発明と同様に最短時間で同期するには所定トルクを回転体の許容される最大トルクにすることが望ましいが、これに限定されるものではない。

上記検出手段は回転体の回転状態を検出する。制御手段は、前記回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記検出手段により検出された前記回転体の回転状態、予め定められる目標回転状態、及び前記回転体に発生するトルクと回転状態とにより予め定まるフィード・バック制御モデルに基づいて前記回転体に発生するトルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記回転体の回転状態を該目標回転状態に制御する。

そして、本発明の制御手段は、前記フィード・フォワード制御中に、前記検出手段により検出された前記回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクが大きく反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替える。

このように、フィード・フォワード制御中に、前記回転体の回転状態が前記制御モデルに基づいて前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えているので、切り替え後は、制御モデルに基づいて回転体を制御すればよく、フィード・バック制御において回転体の回転状態を目標回転状態に容易に制御することができる。

なお、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えても、フィード・フォワード制御中のトルクが大きく反転しないので、トルクの反転に伴って回転体に生ずる音や振動も防止することができる。

なお、請求項１０から請求項１５のように、請求項２から請求項７の発明も同様に、本発明に適用することができる。

なお、本出願では次の回転体制御方法も提案される。すなわち、回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記回転体に発生するトルクをフィード・バック制御モデルに基づいて変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記回転体の回転状態を、目標回転状態に制御する回転体制御方法であって、前記フィード・フォワード制御中に、前記回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクが大きく反転せずに前記回転状態を前記フィード・バック制御モデルに基づいて前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えることを特徴とする回転体制御方法である。

以上説明したように本発明によれば、フィード・フォワード制御中に、前記第１の回転体の回転状態が前記制御モデルに基づいて前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えているので、切り替え後は、制御モデルに基づいて第１の回転体を制御すればよく、フィード・バック制御において第１の回転体の回転状態を目標回転状態に容易に制御することができる、という効果が得られる。

また、本発明によれば、フィード・フォワード制御中に、前記回転体の回転状態が前記制御モデルに基づいて前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、前記回転状態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えているので、切り替え後は、制御モデルに基づいて回転体を制御すればよく、フィード・バック制御において回転体の回転状態を目標回転状態に容易に制御することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に示すように、本実施の形態にかかる回転体制御装置は、第１の回転体としてのモータＢの回転状態としての回転位置を検出する第１の検出手段としてのエンコーダ２０と、第２の回転体としてのモータＡの回転状態としての回転位置を検出する第２の検出手段としてのエンコーダ１８と、を備えている。なお、エンコーダ１８、１９は、レゾルバなどにより構成することができる。

また、回転体制御装置は、モータＢに所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、フィード・バック制御に切り替えて、モータＢの回転位置を、モータＡの回転状態から定まる目標回転状態としての目標回転位置に制御する制御手段としての電流制御回路２２及び計算器２４を備えている。なお、フィード・バック制御は、モータＢに発生するトルクと回転状態とにより予め定まるフィード・バック制御モデル（詳細は後述する）、エンコーダ２０により検出されたモータＢの回転位置、及びモータＡの回転位置に基づいて、モータＢの回転位置がモータＡの目標回転位置に一致するように、モータＢに発生するトルクを変化させる制御である。

モータＡには歯車１２が、モータＢには慣性負荷１４を介して歯車１６が取り付けられている。図２に示すように、歯車１２、１６は、ドグ歯２６を備えている。上記のモータＢの回転位置がモータＡの目標回転位置に一致するとは、モータＡの歯車１２のドグ歯２６と、モータＢの歯車１６のドグ歯２６と、が噛み合い可能な状態のことである。

図３に示すように、電流制御回路２２は、エンコーダ２０により検出されたモータＢの回転位置から、モータＢのドグ歯２６の歯位置を演算する歯位置演算器３０、エンコーダ１８により検出されたモータＡの回転位置から、モータＡのドグ歯２６の歯位置を演算する歯位置演算器３１、及び、歯位置演算器３０により演算されたモータＢのドグ歯２６の歯位置と、歯位置演算器３１により演算されたモータＡのドグ歯２６の歯位置と、の位置誤差Δθ_pを求める減算器３２を備えている。

また、電流制御回路２２は、エンコーダ１８に検出されたモータＡの回転位置から、モータＡの回転速度を演算する速度演算器３６、エンコーダ２０に検出されたモータＢの回転位置から、モータＢの回転速度を演算する速度演算器３８、及び、速度演算器３６により演算されたモータＡの回転速度と、速度演算器３８により演算されたモータＢの回転速度と、の速度誤差Δωを演算する減算器４０を備えている。

減算器３２には、位置制御器であり、上記位置誤差Δθ_pに該位置制御器の所定の伝達関数（Ｋ_p）を乗算するＰ制御器３４が接続されている。Ｐ制御器３４には、Ｐ制御器３４により演算された値（伝達関数（Ｋ_p）×位置誤差Δθ_p）から、上記速度誤差Δωを減算する減算器３５が接続されている。減算器３５には、減算器３５により演算された値Ｗ_err（＝Ｋ_p×Δθ_p−Δω）からトルク指令値を演算する速度制御器であるＰＩ制御器４２が接続されている。

また、電流制御回路２２は、速度演算器３８により演算されたモータＢの回転速度と、後述するトルク指令値と、から、モータＢにかかる外乱トルクを演算する外乱オブザーバ４８、及び、ＰＩ制御器４２により演算されたトルク指令値と、外乱オブザーバ４８により演算された外乱トルクと、を加算してトルク指令値を求める加算器４４を備えている。

ところで、本実施の形態では、詳細には後述するが、最短時間で制御するため最大トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、トルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、モータＢを制御する。電流制御回路２２は、計算器２４からの指令に基づいて、フィード・フォワード制御とフィード・バック制御とを切り替えるスイッチ４５を備えている。このスイッチ４５には、上記トルク指令に基づいてモータＢへの電流を制御する図示しない電流制御器（ＰＷＭ）を備えたモータＢが接続されている。

上記切り替えるスイッチ４５は、計算器２４からの制御信号に応じて、フィード・フォワード制御の際は、計算器２４からの最大トルク指令がモータＢの上記電流制御器に出力されるように切り替え、フィード・バック制御の際は、加算器４４からのトルク指令がモータＢの上記電流制御器に出力されるように切り替える。

図４に示すように、外乱オブザーバ４８は、モータＢの速度に所定値（Ｊ／τ−Ｄ）を乗算する乗算器５０、上記トルク指令と乗算器５０により演算された値とを加算する加算器５２、加算器５２により演算された値に所定値（１／（τs＋１））を乗算するローパスフィルタ５４、モータＢの速度に所定値（Ｊ／τ）を乗算する乗算器５６、及び、ローパスフィルタ５４からの出力から、乗算器５６により演算された値を減算して、外乱トルク（推定外乱）を求める減算器５８）を備えている。なお、Ｊは、後述するようにモータＢの回転子側の慣性モーメント、τは、フィルタ時定数、Ｄは摩擦係数である。

図５に示すように、ＰＩ制御器４２は、減算器３５に接続されかつ計算機２４により初期値Ｉ₀が設定されて、以後、減算器３５により演算された値Ｗ_errを積分する積分器６０と、積分器６０により演算された値に所定のパラメータ（1／Ｔω）を乗算する乗算器６２と、を備えている。また、ＰＩ制御器４２は、減算器３５により演算された値Ｗ_errと、乗算器６２により演算された値と、を加算する加算器６４と、加算器６４により加算された値にＫωを乗算して、トルク指令値を演算する乗算器６６と、を備えている。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態では、モータＢの回転状態を、モータＡの目標回転状態に制御するものであり、図６に示すように、モータＢの回転速度と目標となるモータＡの回転速度との速度差が大きい場合は、モータＢの許容最大トルクで加速(あるいは減速)するフィード・フォワード制御（最大トルク区間Ｔ１参照）する。すなわち、計算器２４は、スイッチ４５を制御し、計算器２４からの許容最大トルクがモータＢの電流制御器に指令されるようにする。

このように、フィード・フォワード制御しているときに、モータＢの回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を大きく反転せずに該回転状態を上記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内となったと判断された時点で、フィードバック制御モデルを用いてフィードバック制御による位置制御（位置制御区間Ｔ２参照）に切り替える。

次に、フィードバック制御モデルについて説明する。

速度制御器はPI制御４２、位置制御器はP制御３４とし、それぞれの制御器の伝達関数を次式のように設計する。

このとき、T_w＞＞j/Kωと仮定(一般に成り立つ仮定)すると、速度ループの周波数応答は、

で近似でき、位置ループの周波数応答は、

となる。

さらに簡単のために、Ｋ_p=γ²h/τ_rとおくと、位置ループの周波数応答特性は、

となる。ここに、hは歯車のピッチ角であり、ｈ=２π／Ｎ（Ｎ：歯数（例えば６０））である。また、γがこの特性を決定するパラメータとなる。

図７にγ²を種々設定した時のステップ応答の位置誤差(単位:ピッチ)を示す。ここではステップ入力の値(位置誤差の初期値〕を1としている。γ²の値は、Binominal:0.25、Butterworth、O.5、CDM:O.4となる。γ²が大きくなるほど応答は振動的に、小さくなるほど非振動的になる。Binominalはγ=0.25は臨界制動と呼ばれる。CDM〔Coefficient Diagram Method〕は係数図法を意味している。なお、Binominal、Butterworth、及びCDMは、フィードバック制御モデルである。

これらの波形の整定時間αを見ると、図７に示すように、正規化時間でBinominakでは5.O、Butterworthでは3.3、CDMでは4.1となる。Binominalの整定時間が最も長いが、他は振動的なためオーバシュートが若干存在する。どのような応答波形を採用するかは実システムの要求と照らし合わせて決定することになる。

一般に、位置制御のステップ応答では、初期のトルク変動が最も大きく、その後、誤差の収束に伴いトルクも減少する傾向にあるため、初期のトルクの最大値から制御パラメータの拘束条件を求めてみる。初期の発生トルクは、PI制御器４２の積分器６０の値が零であることから次式で与えられる。

ここで、速度誤差がある程度収束してから位置制御に切替えることを考え、上式右辺第2項を無視すると、最大トルクとの関係式が次式のように導出される。

上式を整理して

となる。これは、トルクの制限がある場合は、位置制御のゲインを上げると速度制御のゲインを下げなければならないという直感に合う関係式となっている。

設計時には、まず望ましい応答波形からγを決め、ついで(9)式に基づいてＫωを決定することになる。そして、τγが求められる（（３）式参照）。

また、そのときの同期時間の最大見積もりは、

となる。ω_diffは最大トルク制御開始時点での速度差である。

本実施の形態では、解析のし易さや応答波形が非振動的であることを考慮し、Bimmia1モデルで制御系を採用した。

次に、フィード・フォワード制御からフィードバック制御によるに切り替える切り替え点の決定方法を説明する。

最大トルク制御時は、速度誤差と位置誤差の因果関係がないため、フィード・フォワード制御からフィードバック制御に途中からむやみに切替えても制御器の内部状態との整合性がとれず、誤差が収束しないことがある。

そこで、最大トルク制御時に時々刻々変化する速度、位置誤差の関係と制御器の時間応答が一致するポイントを探索することを考える。

Binominalモデルでの位置誤差および速度誤差の時間応答は次式となる。

ここに、Δθ₀はt=0のときの位置誤差(初期誤差〕である。

また、トルクは加速度に慣性モーメントを乗じて

で与えられる。

さらに、速度誤差と位置誤差の比を

と定義すると、(11)式、(12)式から

という関係が導出される。T_nは正規化時間であり、δは、０≦δ＜γの範囲を取ることがわかる。

これらの関係を図８に示す。この図８では便宜上、初期誤差△θoを1としている。この波形は図5の実験結果と同じ応答となっていることがわかる。すなわち、速度同期後に位置制御を行なうことは、図８の時間T_n＝０から制御が開始されていることと等しい。

仮に正規化時間T_n＝1から制御が切替わったとすると、速度は再加速することなく速やかに収束し、トルクも零から滑らかに変化することになる。こうした考え方から、図８のT_n=＝１の領域(緑線より右側の領域)から制御が始まるように切替え時点を決めれぱよいことがわかる。該当領域では、δは、

の範囲を取る。したがって、最大トルク制御中、δがこの範囲に入った時点で位置制御を開始すれば、トルクの符号が大きく反転することなく制御を行うことができることになる。

次に、ＰＩ制御器４２の積分器６０に与える初期値Ｉ₀を説明する。本実施の形態では、最初からＰＩ制御器４２の積分器６０を稼動させるわけではなく、上記のように、フィード・フォワード制御からフィードバック制御によるに切り替えた時点から、ＰＩ制御器４２の積分器６０を稼動させるので、このときの初期値Ｉ₀が必要となる。

上記のように、最大トルク制御中にδが(16)式で定められる範囲に入った時点でとったδの値をδ_o、その時点での正規化時間T_nqをとすると、正規化時間T_nqは次式で求められ、

さらに初期誤差(仮想値)が、

と求められる。すなわち、速度誤差と位置誤差の関係が、あたかも上記の初期誤差Δθ。から時間T_n0だけ経過したときの値として関連付けられることになる。

一方、トルクの制限に関しても考慮する必要がある。時間T_n0以降のトルクは次式となる。

この時間以降、取り得るトルクの最大値は、

で与えられる。

また、モータBに負荷トルクがかかっている場合には、外乱オブザーバ４８で推定した外乱トルクの推定値を上式の右辺に加えてやれぱよい。

以上の検討より、δの条件式(16)式が成立した時に上式に基づいて最大トルクを見積もり、これがモータの許容範囲内のときに位置制御に切り替えれば良いことになる。

切替え時点で必要なトルクT_q0は(13)式および(18)式より、

で与えられる。そこで、切替え時点での位置誤差△θ_pを用いて上式でトルクを計算し、PI制御器の積分器の初期値T₀を次式で逆算して与えればよい。

図９には、計算器２４が実行する、フィード・フォワード制御からフィード・バック制御に切り替える切替制御プログラムを示すフローチャートが示されている。

モータＡとモータＢとを噛み合わせるため、モータＢの回転速度を減速する。このとき、モータＢに最大トルクを発生させるため、スイッチ４５を、フィードフォワード側に切り替え、計算器２４から最大トルクを、スイッチ４５を介してモータＢの電流制御器に指令する。これにより、モータＢの回転速度が徐々に減速して、モータＡの回転速度に近づく。

本切替制御プログラムは、このようなフィード・フォワード制御中に開始し、ステップ７２で、エンコーダ１８、２０の信号から、モータＡ、Ｂの回転位置を検出し、検出した回転位置から回転速度を検出する。

ステップ７４で、モータＡ、Ｂの回転位置から位置誤差Δθ_pを検出し、モータＡ、Ｂの回転速度から速度誤差Δωを検出する。

ステップ７６で、位置誤差Δθ_pと速度誤差Δωとの関係、例えば、比δ（（１４）式参照）を演算する。

ステップ７８で、δが、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内、すなわち、例えば、（１６）式により定まる所定範囲内か否かを判断する。δが、（１６）式により定まる所定範囲内と判断された場合に、ステップ８０で、（２０）式、（２１）式を用いて、最大トルクを推定し、ステップ８２で、推定した最大トルクが許容範囲内か否かを判断する。

推定した最大トルクが許容範囲内と判断した場合、ステップ８４で、上記初期値（（１４）式から定まる）を、積分回路６０に設定し、ステップ８６で、スイッチ４５を制御して、フィードバック制御に切り替える。

フィードバック制御では、減算器３２は、歯位置演算器３０により演算されたモータＢのドグ歯２６の歯位置と、歯位置演算器３１により演算されたモータＡのドグ歯２６の歯位置と、の位置誤差Δθ_pを求める。Ｐ制御器３４は、上記位置誤差Δθ_pに該位置制御器の所定の伝達関数（Ｋ_p）を乗算する。

減算器４０は、速度演算器３６により演算されたモータＡの回転速度と、速度演算器３８により演算されたモータＢの回転速度と、の速度誤差Δωを演算する。

減算器３５は、Ｐ制御器３４により演算された値（伝達関数（Ｋ_p）×位置誤差Δθ_p）から、減算器４０により求められた上記速度誤差Δωを減算する。

ところで、フィードバック制御に切り切り替わったとき、計算器２４は、上記(24)式から初期値I₀を計算して、ＰＩ制御器４２の積分器６０に与える。ＰＩ制御器４２は、初期値I₀を用いてトルク指令値を求めて、加算器４４に出力する。

加算器４４は、このＰＩ制御器４２により演算されたトルク指令値と、外乱オブザーバ４８により演算された外乱トルクと、を加算して最終的なトルク指令値を求めて、モータＢの電流制御器に出力して、モータＢを制御する。

その後は、ＰＩ制御器４２は、減算器４０により求められた上記速度誤差Δωを加算（積分）してトルク指令値を求めて、加算器４４に出力する。以下、上記と同様に処理される。

このようにフィードバック制御により、図１０（Ａ）に示すように、モータＡの回転速度にモータＢの回転速度が近づき、図１２（Ｂに示すように、モータＡ、Ｂのドグ歯の位置誤差が小さくなる。

ところで、上記のように、δが、（１６）式により定まる所定範囲内と判断された場合には、トルクは未だ−の符号となっており、図１０（Ｃ）に示すように、フィードバック制御に切り替えても、トルクの符号は大きく反転せず、音や振動の発生を防止することができる。

また、モータＡ、Ｂの速度が一致した後、モータＢの速度を再加速するのではなく、モータＡ、Ｂの速度が一致する前に、フィードバック制御に切り替えているので、図１１に示すように、制御時間を短縮することができる。すなわち、モータＡ、Ｂの速度が一致した後、モータＢの速度を再加速する従来の場合には、１９４（ｍｓ）を必要としていた制御時間が、本方式では、１７８(ｍｓ)に、短縮することができた。

以上説明した実施の形態では、δの範囲を、

としたが、最大トルクからよりスムースに移行するには、Tn≧２の領域となる

の範囲に限定した方が望ましい。このとき最大トルクの見積り式は、

となり、指数関数の演算も不要となる。

また、上記δの値を用いてモータＢの回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を大きく反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内かどうか判断しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、次のような値を用いるようにしてもよい。

すなわち、(14)式から(16)式は、以下のように表わせられる。

これを展開すると、例えば、速度誤差が以下の所定範囲内かどうか判断してもよい。

また、位置誤差の所定範囲が以下の所定範囲内かどうか判断してもよい。

なお、フィードバック制御モデルとしては、Binominalに限定されず、ButterworthやCDMを用いても、同様な考え方で切り替えを行うことができる。

なお、モータＡの回転状態を考慮しないで、モータＢの回転状態を予め定められる目標回転状態に制御するようにしてもよい。

本実施の形態にかかる回転体制御装置のブロック図である。 モータＡ、Ｂのドグ歯の噛み合いの様子を示す図である。 主として電流制御器を示すブロック図である。 外乱オブザーバのブロック図である。 ＰＩ制御器のブロック図である。 フィード・フォワード制御からフィード・バック制御に切り替える際の時間とモータＢの速度との関係を示す図である。 フィード・バック制御における３つの制御モデルを、正規化時間と位置誤差との関係で示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、Binominal制御モデルを示す図である。 フィード・フォワード制御からフィード・バック制御に切り替える切替制御プログラムを示すフローチャートである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本実施の形態における制御結果を示す図である。 従来と本実施の形態の各々の制御時間の比較結果を示す図である。 従来における、フィード・フォワード制御からフィード・バック制御に切り替えた際の結果である。

符号の説明

１８ エンコーダ（第２の検出手段）
２０ エンコーダ（第１の検出手段）
２２ 電流制御器（制御手段）
２４ 計算機（制御手段）

Claims (15)

1. 第１の回転体の回転状態を検出する第１の検出手段と、
   第２の回転体の回転状態を検出する第２の検出手段と、
   前記第１の回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転状態、前記第２の検出手段により検出された前記第２の回転体の回転状態から定まる目標回転状態、及び前記第１の回転体に発生するトルクと回転状態とにより予め定まるフィード・バック制御モデルに基づいて前記第１の回転体に発生するトルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記第１の回転体の回転状態を該目標回転状態に制御する制御手段と、
   を備えた回転体制御装置であって、
   前記制御手段は、
   前記フィード・フォワード制御中に、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、
   前記回転状態が前記予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替える、
   ことを特徴とする回転体制御装置。
2. 前記第１の検出手段は、前記第１の回転体の回転位置を検出し、
   前記制御手段は、前記検出された回転位置及び該回転位置に基づいて定まる回転速度の少なくとも一方と、前記目標回転状態と、に基づいて、前記回転状態態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断する、
   ことを特徴とする請求項１記載の回転体制御装置。
3. 前記制御手段は、前記検出された回転位置と目標回転状態に基づいて定まる目標回転位置との位置誤差と、回転速度と目標回転状態に基づいて定まる目標回転速度との速度誤差と、の関係に基づいて、前記回転状態態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断する請求項２記載の回転体制御装置。
4. 前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲は、前記フィードバック制御モデルの制御パラメータに基づいて定められることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の回転体制御装置。
5. 前記制御手段は、
   前記フィード・バック制御に切り替え後に必要となるトルクの最大値を推定し、
   前記推定されたトルクの最大値が予め定まる許容範囲内であるか否かを判断し、
   前記推定されたトルクの最大値が前記予め定まる許容範囲内であると判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の回転体制御装置。
6. 前記制御手段は、
   前記第１の回転体に負荷トルクがかかっている場合には、前記推定されたトルクの最大値と前記負荷トルクとの和が予め定まる許容範囲内であるか否かを判断し、
   前記和が前記予め定まる許容範囲内であると判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替える、
   ことを特徴とする請求項５記載の回転体制御装置。
7. 前記制御手段は、
   前記フィード・フォワード制御において、前記第１の回転体の回転速度を、前記目標回転状態に基づいて定まる目標回転速度に近づけ、
   前記フィード・バック制御において、前記第１の回転体の回転位置を、前記目標回転状態に基づいて定まる目標回転位置に近づける、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の回転体制御装置。
8. 第１の回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記第１の回転体に発生するトルクをフィード・バック制御モデルに基づいて変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記第１の回転体の回転状態を、第２の回転体の回転状態から定まる目標回転状態に制御する回転体制御方法であって、
   前記フィード・フォワード制御中に、前記第１の回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクの符号を反転せずに前記回転状態を前記フィード・バック制御モデルに基づいて前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、
   前記回転状態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替える、
   ことを特徴とする回転体制御方法。
9. 回転体の回転状態を検出する検出手段と、
   前記回転体に所定トルクを発生させてフィード・フォワード制御し、該フィード・フォワード制御から、前記検出手段により検出された前記回転体の回転状態、予め定められる目標回転状態、及び前記回転体に発生するトルクと回転状態とにより予め定まるフィード・バック制御モデルに基づいて前記回転体に発生するトルクを変化させるフィード・バック制御に切り替えて、前記回転体の回転状態を該目標回転状態に制御する制御手段と、
   を備えた回転体制御装置であって、
   前記制御手段は、前記フィード・フォワード制御中に、前記検出手段により検出された前記回転体の回転状態が、フィード・フォワード制御中のトルクが大きく反転せずに該回転状態を前記目標回転状態にフィード・バック制御できる予め定められた範囲内か否かを判断し、
   前記回転状態が前記予め定められた範囲内と判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替える
   ことを特徴とする回転体制御装置。
10. 前記検出手段は、前記回転体の回転位置を検出し、
    前記制御手段は、前記検出された回転位置及び該回転位置に基づいて定まる回転速度の少なくとも一方と、前記目標回転状態と、に基づいて、前記回転状態態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断する、
    ことを特徴とする請求項９記載の回転体制御装置。
11. 前記制御手段は、前記検出された回転位置と目標回転状態に基づいて定まる目標回転位置との位置誤差と、回転速度と目標回転状態に基づいて定まる目標回転速度との速度誤差と、の関係に基づいて、前記回転状態態が前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲内か否かを判断する請求項１０記載の回転体制御装置。
12. 前記目標回転状態に制御できる予め定められた範囲は、前記フィードバック制御モデルの制御パラメータに基づいて定められることを特徴とする請求項９乃至請求項１１の何れか１項に記載の回転体制御装置。
13. 前記制御手段は、
    前記フィード・バック制御に切り替え後に必要となるトルクの最大値を推定し、
    前記推定されたトルクの最大値が予め定まる許容範囲内であるか否かを判断し、
    前記推定されたトルクの最大値が前記予め定まる許容範囲内であると判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替えることを特徴とする、
    請求項９乃至請求項１２の何れか１項に記載の回転体制御装置。
14. 前記制御手段は、
    前記回転体に負荷トルクがかかっている場合には、前記推定されたトルクの最大値と前記負荷トルクとの和が予め定まる許容範囲内であるか否かを判断し、
    前記和が前記予め定まる許容範囲内であると判断された場合に、前記フィード・フォワード制御から前記フィード・バック制御に切り替える、
    ことを特徴とする請求項１３記載の回転体制御装置。
15. 前記制御手段は、
    前記フィード・フォワード制御において、前記回転体の回転速度を、前記目標回転状態に基づいて定まる目標回転速度に近づけ、
    前記フィード・バック制御において、前記回転体の回転位置を、前記目標回転状態に基づいて定まる目標回転位置に近づける、
    ことを特徴とする請求項９乃至請求項１４の何れか１項に記載の回転体制御装置。

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