JP4503267B2 - Method and apparatus for high-speed positioning of electric motor - Google Patents
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Description
本発明は、クーロン摩擦による負荷および慣性モーメントの変動による負荷が作用する電動機を高速で位置決めする方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a method and an apparatus for positioning a motor on which a load caused by a Coulomb friction and a load caused by a change in moment of inertia act at high speed.
図4は、電動機を位置決めするための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。
FIG. 4 illustrates the configuration of a conventional apparatus for positioning an electric motor. In FIG. 4, a
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。
The
The
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からの指示電圧を交流電源105の出力に基づいて形成して電動機に印加する(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。
The
According to this control device, the rotor of the
図5(a),(b)および(c)は、上記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ωmおよび該電動機108の位置θm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itorque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ωmがその限界値(電動機108の定格最大速度)ωmax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θm refに達する前のある時点までは、最大速度ωmax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−itorqueを該電動機108に流して、該電動機108を減速させる。
FIGS. 5A, 5B and 5C show the ideal torque current i, the speed ω m of the
As shown in FIG. 5, in order to position the
Thereafter, until a certain point before reaching the target position θ m ref , the
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、この偏差カウンタ102におけるたまりパルスによって形成される。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θm ref、速度限界値ωmax、電流制限値itorque,−itorque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。
しかしながら、上記装置を用いた高速位置決め方法は、目標位置が変更された場合や、電動機108にクーロン負荷や慣性モーメントの変動による負荷が作用した場合、もしくは、このクーロン負荷や慣性モーメントの変動による負荷が変更された場合に、再度、目標位置指令を速度指令パターンに基づいて算出し直す必要がある。
また、上記方法では、速度指令パターンを生成するためのパルス発振器等が必要になり、しかも、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。
However, in the high-speed positioning method using the above-described device, when the target position is changed, when a load due to a change in the Coulomb load or moment of inertia acts on the
Further, in the above method, a pulse oscillator or the like for generating a speed command pattern is required, and since the accumulated pulse of the
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高速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高速位置決め方法および装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a high-speed positioning method for an electric motor capable of self-generating a high-speed positioning speed command adapted to the target position and load of the electric motor. To provide an apparatus.
上記の目的を達成するため、本発明に係る電動機の高速位置決め方法は、位置偏差を検出するステップと、前記位置偏差を第1基準値および該基準値よりも小さい第2基準値と比較して、前記位置偏差が前記第1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基準値以上でかつ前記第1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、を含み、前記第1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している。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷
In order to achieve the above object, a high-speed positioning method for an electric motor according to the present invention includes a step of detecting a position deviation, and comparing the position deviation with a first reference value and a second reference value smaller than the reference value. A speed command for instructing an allowable maximum speed of the motor when the position deviation is greater than or equal to the first reference value, and when the position deviation is greater than or equal to the second reference value and smaller than the first reference value. Generating a speed command for instructing zero speed, a speed command for instructing a speed corresponding to the position deviation when the position deviation is smaller than the second reference value, and a speed of the motor being the speed command And driving the electric motor so as to achieve a speed corresponding to the first reference value. The first reference value is set based on the following equation.
k t : Torque coefficient of the motor
J M : Moment of inertia of the motor
J L : Moment of inertia
i torque : The torque component current of the motor to output the maximum torque
T LC : Coulomb friction load on the motor
この位置決め制御方法によれば、電動機の目標位置、クーロン摩擦負荷および慣性モーメントの変動による負荷に適応した高速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。 According to this positioning control method, the speed command for high-speed positioning adapted to the target position of the motor, the Coulomb friction load, and the load due to the variation of the moment of inertia is self-generated, and the motor is driven based on this speed command.
前記電動機の負荷となる慣性モーメントは、該電動機の駆動電流、速度および加速度に基づいて推定することができる。また、前記速度指令には、アンチワインドアップ補償を施すようにしても良い。 The moment of inertia that becomes the load of the motor can be estimated based on the drive current, speed, and acceleration of the motor. The speed command may be subjected to anti-windup compensation.
一方、本発明に係る電動機の高速位置決め装置は、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基準値および該基準値よりも小さい第2基準値と比較して、前記位置偏差が前記第1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基準値以上でかつ前記第1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、を備え、前記第1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している。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷
On the other hand, the high-speed positioning device for an electric motor according to the present invention includes a deviation detecting unit that detects a positional deviation of the electric motor, and compares the positional deviation with a first reference value and a second reference value smaller than the reference value, A speed command for instructing an allowable maximum speed of the electric motor when the position deviation is equal to or greater than the first reference value is zero when the position deviation is equal to or greater than the second reference value and smaller than the first reference value. A speed command generating means for generating a speed command for instructing a speed corresponding to the position deviation when the position deviation is smaller than the second reference value, and a speed of the motor is the speed Drive means for driving the electric motor so that the speed corresponds to the command, and the first reference value is set based on the following equation.
k t : Torque coefficient of the motor
J M : Moment of inertia of the motor
J L : Moment of inertia
i torque : The torque component current of the motor to output the maximum torque
T LC : Coulomb friction load on the motor
電動機の駆動電流、速度および加速度を検出する手段と、前記駆動電流、速度および加速度に基づいて、前記電動機の負荷となる慣性モーメントを推定する手段とを備えることができる。また、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。 Means for detecting the drive current, speed, and acceleration of the electric motor, and means for estimating the moment of inertia that becomes the load of the electric motor based on the drive current, speed, and acceleration can be provided. Further, a compensation means for performing antiwindup compensation on the speed command can be further provided.
本発明に係る電動機の高速位置決め方法および装置によれば、目標位置、クーロン摩擦負荷トルクおよび慣性モーメントの変動による負荷トルクに適応した高速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高速で位置決めされる。したがって、目標位置やクーロン摩擦負荷、慣性モーメントの変動による負荷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。
According to the high-speed positioning method and apparatus for an electric motor according to the present invention, the high-speed positioning speed command adapted to the target position, the coulomb friction load torque, and the load torque due to the variation of the inertia moment is self-generated, so the target position is set. Therefore, the electric motor is positioned at the target position at high speed. Therefore, it is possible to easily and quickly cope with a change in load due to fluctuations in the target position, coulomb friction load, and moment of inertia.
Further, since a pulse oscillator and a deviation counter are not used as means for generating a speed command, there is an advantage that positioning control response is improved.
以下、図面を参照して本発明に係る電動機の高速位置決め方法および装置の実施形態について説明する。
図2の(a)、(b)および(c)は、高速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の(a)、(b)および(c)は、それぞれ図5の(c)、(b)および(a)に対応している。
Embodiments of a high-speed positioning method and apparatus for an electric motor according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(A), (b) and (c) of FIG. 2 illustrate the ideal position, speed, and torque variation pattern of the motor when the motor is positioned at high speed, respectively. Note that (a), (b), and (c) in FIG. 2 correspond to (c), (b), and (a) in FIG. 5, respectively.
前述したように、電動機を高速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)itorqueを流して、該電動機を最大速度ωmaxまで加速した後(領域t0<t≦t1)、この最大速度ωmaxを維持する電流を電動機に流し(領域t1<t≦t2)、ついで、許容最大電流−itorqueを電動機に流して該電動機を減速(領域t2<t≦t3)させれば良い。
換言すれば、電動機を高速で位置決めするためには、この電動機の速度が図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。
As described above, in order to position the motor at high speed, an allowable maximum current (maximum torque component current) i torque is passed through the motor to accelerate the motor to the maximum speed ω max (region t 0 < t ≦ t 1 ), a current that maintains the maximum speed ω max is supplied to the motor (region t 1 <t ≦ t 2 ), and then an allowable maximum current −i torque is supplied to the motor to decelerate the motor (region t 2 <t ≦ t 3 ).
In other words, in order to position the motor at a high speed, it is only necessary to give a speed command to the control system so that the speed of the motor changes according to the pattern of FIG.
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ている。
(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ている。
(4)領域(t3>t) :速度を零に近づける速度指令を出し続ける。
The velocity pattern of FIG. 2 (b) is analyzed as follows.
(1) Region (t 0 <t ≦ t 1 ): The acceleration is fixed by the maximum allowable current of the motor.
(2) Region (t 1 <t ≦ t 2 ): The electric motor is operated at the maximum speed.
(3) Region (t 2 <t ≦ t 3 ): The deceleration is fixed by the allowable maximum current of the motor.
(4) Region (t 3 > t): Continue to issue a speed command to bring the speed close to zero.
上記分析結果は、速度指令を図2(d)のように設定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。 The above analysis results show that the ideal speed pattern shown in FIG. 2B can be obtained by setting the speed command as shown in FIG.
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、電動機に作用するクーロン摩擦負荷および慣性モーメントの変動による負荷の変動によって変化する。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。 By the way, the ideal speed pattern for positioning the electric motor in the shortest time changes depending on the target position, and the load fluctuation caused by the fluctuation of the Coulomb friction load and the moment of inertia acting on the electric motor. Therefore, the ideal speed pattern shown in FIG. 2B is only an example.
図1は、電動機を高速で位置決めするための本発明に係る位置決め装置の実施の形態を示したものである。この位置決め装置では、図2(d)に例示したような高速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)θm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θmの時間変化に基づいて電動機8の実速度ωm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。
FIG. 1 shows an embodiment of a positioning device according to the present invention for positioning an electric motor at high speed. In this positioning device, a high-speed positioning speed command as illustrated in FIG. 2D is self-generated.
In FIG. 1, a
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θm refと電動機8の実位置θmとの偏差を演算し、この位置偏差に対応する速度指令を出力する。また、速度制御器3は、速度指令によって指示される目標速度ωm refと上記電動機8の実速度ωm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。
The
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から入力された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。
The current controller 4 gives the inverter 6 an appropriate instruction voltage corresponding to the difference between the current indicated by the current command output from the
負荷推定器11は、上記電動機8の実速度ωm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TL(クーロン摩擦負荷トルクTLCと慣性モーメントの変動JLによる負荷トルクとを足したもの)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。
なお、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。
The load estimator 11 is based on the actual speed ω m of the motor 8 and the current i detected by the
Since the principle and configuration of the disturbance observer are well known, description thereof is omitted here.
速度・加速度変換器12は、位置・速度変換器10によって得られる電動機8の実速度ωmの時間変化に基づいて該電動機8の加速度αを検出する。
負荷分離器13は、負荷推定器11によって推定される電動機8の負荷TLを、速度・加速度変換器12によって検出された加速度αに基づいてクーロン摩擦負荷TLCと負荷となる慣性モーメント(慣性モーメントの変動による負荷トルクであり、以下、負荷慣性モーメントという)JLに分離する。
The speed / acceleration converter 12 detects the acceleration α of the electric motor 8 based on the time change of the actual speed ω m of the electric motor 8 obtained by the position / speed converter 10.
ところで、電動機8の負荷がクーロン摩擦負荷TLCと負荷慣性モーメントJLである場合、該電動機8の速度ωおよび負荷トルクTLは、それぞれ図3(a)および(b)に示すような態様で変化する。同図から明らかなように、電動機8の負荷トルクTLは、加速中および定常状態においてそれぞれTL1およびTL2になる。そして、定常状態における負荷トルクTL2は、クーロン摩擦負荷TLCを意味する。
そこで、負荷分離器13は、電動機8の加速終了時点tr以後における負荷トルクTL(=TL2)をクーロン摩擦負荷TLCとして得る。
Incidentally, when the load of the electric motor 8 is the Coulomb friction load T LC and the load inertia moment J L , the speed ω and the load torque T L of the electric motor 8 are as shown in FIGS. 3A and 3B, respectively. It changes with. As is apparent from the figure, the load torque T L of the electric motor 8 becomes T L1 and T L2 in acceleration and steady state, respectively. The load torque T L2 in the steady state means the Coulomb friction load T LC .
Therefore, a
一方、上記負荷トルクTLがTL1である加速中においては、
TL1=JLα+TL2=JLα+TLC (1)
の関係が成立するので、負荷慣性モーメントJLは
JL=(TL1−TLC)/α (2)
と表される。
したがって、負荷分離器13は、加速中の負荷トルクTL(=TL1)と、上記のようにして得られたクーロン摩擦負荷TLCと、加速中の加速度αとに基づいて上記(2)式の演算を実行して、負荷慣性モーメントJLを得る。
クーロン摩擦負荷TLCと負荷慣性モーメントJLは、負荷推定器11で推定される負荷トルクTLから上記のようにして分離される。なお、負荷分離器13は、例えば電動機8の所定の最大速度ωmaxと実速度ωmの偏差Δωm err(図3参照)を演算し、この偏差Δωm errが所定の微小範囲になった時点trを加速の終了、つまり定常状態の開始として判断する。
On the other hand, during acceleration in which the load torque T L is T L1 ,
T L1 = J L α + T L2 = J L α + T LC (1)
Therefore, the load inertia moment J L is
J L = (T L1 −T LC ) / α (2)
It is expressed.
Therefore, the
The coulomb friction load T LC and the load inertia moment J L are separated from the load torque T L estimated by the load estimator 11 as described above. The
速度指令切換器15は、上記目標位置θm ref、上記電動機8の実位置θmおよび後述の第2基準値Δθm2 err-sに基づいて切換スイッチ素子16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16を切換える。スイッチ素子16は、位置制御器2の出力と速度指令生成器14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。
The speed
ここで、図2(a)に示す第1基準値Δθm1 err-sおよび第2基準値Δθm2 err-sについて説明する。
図2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θm ref、該電動機8に作用するクーロン摩擦負荷および慣性モーメントの変動によって変化するので、予測することは不可能である。
そこで、この実施の形態では、上記第1基準値Δθm1 err-sを演算し、電動機8の位置偏差をこの第1基準値Δθm1 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。
Here, description will be given first reference value [Delta] [theta] m1 err-s and the second reference value Δθ m2 err-s shown in FIG. 2 (a).
Speed command change time t 2 in FIG. 2, which means the time of starting the deceleration of the motor 8. Since this deceleration start time varies depending on the target position θ m ref of the electric motor 8, the Coulomb friction load acting on the electric motor 8, and the moment of inertia, it cannot be predicted.
Therefore, in this embodiment, the first reference value [Delta] [theta] m1 err-s calculated, the speed command change point position deviation by comparing the first reference value [Delta] [theta] m1 err-s of the electric motor 8 t 2 That is, the deceleration start timing of the electric motor 8 is determined.
上記第1基準値Δθm1 err-sは、図2(b)に示す速度パターンの領域t2〜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。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷
The first reference value Δθ m1 err-s corresponds to the area of the velocity pattern shown in FIG. 2B in the areas t 2 to t 3 and can be calculated based on the following equation.
k t : Torque coefficient of the motor
J M : Moment of inertia of the motor
J L : Moment of inertia
i torque : The torque component current of the motor to output the maximum torque
T LC : Coulomb friction load on the motor
一方、上記第2基準値Δθm2 err-sは、電動機8がほぼ目標位置θm 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Δθm2 err-sは、第1基準値Δθm1 err-sよりも小さくなる。 On the other hand, the second reference value Δθ m2 err-s is fixedly set to a minute position deviation value that can be considered that the electric motor 8 has almost reached the target position θ m ref . The second reference value Δθ m2 err-s is smaller than the first reference value Δθ m1 err-s .
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15は、目標位置θm refと電動機8の実位置θmの偏差をとり、この位置偏差を上記第2基準値Δθm2 err-sと比較する。そして、位置偏差がこの第2基準値Δθm2 err-s以上であれば、電動機8がまだ目標位置θm ref近傍に到達していないと判断して、切換スイッチ素子16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14で発生される速度指令が選択されることになる。
Hereinafter, a positioning control method using the positioning control device according to this embodiment will be described.
The
一方、速度指令生成器14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Δθm1 err-sと比較する。なお、速度指令生成器14は、上記第1基準値Δθm1 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ωmと、負荷分離器13から与えられるクーロン摩擦負荷トルクTLCと負荷となる慣性モーメント(慣性モーメントの変動分)JLとに基づいて上式(3)の演算を実行する。
On the other hand, the
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Δθm2 err-s以上である。そこで、速度指令生成器14は、電動機8の許容最大速度(定格速度)ωmax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16を介して速度制御器3に速度指令ωm refとして入力される。
これにより、電動機8には、停止状態から許容最大速度ωmax に移行すべく急峻な指示が与えられて、無限大の駆動電流が流れようとする。しかし、電動機8は、電流制御器4に設けられた電流リミッタの作用により許容最大電流(最大のトルク分電流)itorqueが流れるように駆動されて、前記許容最大速度ωmaxに向かって加速される。
When the positioning is started, the position deviation is equal to or greater than the second reference value Δθ m2 err-s . Therefore, the
Thereby, a steep instruction is given to the electric motor 8 to shift from the stopped state to the allowable maximum speed ω max , and an infinite driving current tends to flow. However, the electric motor 8 is driven so that the allowable maximum current (maximum torque component current) i torque flows by the action of the current limiter provided in the current controller 4 and is accelerated toward the allowable maximum speed ω max. The
速度指令生成器14は、電動機8の位置偏差が第2基準値Δθm2 err-sに達したと判断するまでの間において、つまり、前記領域(t0<t≦t1)おいて、上記許容最大速度(定格速度)ωmax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ωmaxまで加速され、その後、位置偏差が第1基準値Δθm1 err-sまで低下するまでの間において、つまり、前記領域(t1<t≦t2)の期間において、この最大速度ωmaxが維持される。なお、上記領域(t1<t≦t2)における電流iは、itorqueよりも小さくなる。
Until the
Therefore, in the example of FIG. 2, the electric motor 8 is accelerated to the maximum speed ω max at the time point t 2 , and thereafter, until the position deviation decreases to the first reference value Δθ m1 err-s , that is, the region ( This maximum speed ω max is maintained during the period of t 1 <t ≦ t 2 ). The current i in the region (t 1 <t ≦ t 2 ) is smaller than i torque .
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)に示すようなステップ状に変化する速度指令、つまり、t0時点で零からωmaxまで急激に変化し、t2時点でωmaxから零まで急激に変化する速度指令を速度制御器3に入力すると、t0,t1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。
In general, the
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)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。
Therefore, in this embodiment, the
図2(d)に示すように、速度指令生成器14は、電動機8の位置偏差が第1基準値Δθm1 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ωm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−itorqueによって駆動されながら図2(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。
As shown in FIG. 2D, the
電動機8の位置偏差が前記第2基準値Δθm2 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15が前記スイッチ素子16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、第2基準値Δθm2 err-sよりも小さい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8が目標位置θm refに位置決めされる。
When the positional deviation of the electric motor 8 is lower than the second reference value Δθ m2 err-s , that is, when the time t 3 has elapsed from the start of the control, the speed
As a result, the
なお、上記実施の形態においては、電動機8の実速度ωm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ωm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に作用するクーロン摩擦負荷トルクおよび慣性モーメントの変動による負荷トルク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、これらのトルクを適宜なトルク検出器によって直接検出しても良い。 In the above embodiment, although obtained by converting the output of the position detector 9 actual speed omega m of the electric motor 8, be directly detected by an appropriate speed detector said actual speed omega m good. Further, in the above embodiment, the load torque due to the fluctuation of the Coulomb friction load torque and the moment of inertia acting on the electric motor 8 is estimated by the load estimator using the disturbance observer. May be detected directly.
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高速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、目標位置やクーロン摩擦負荷トルク、慣性モーメントの変動による負荷の変動に伴って、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高速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。
As is clear from the above description, according to the positioning control method and apparatus for an electric motor according to this embodiment, the electric motor can be positioned at high speed according to an ideal speed pattern only by giving a target position.
That is, as in the prior art, when trying to achieve the ideal speed pattern by commanding the target position by the output pulse of the oscillator, along with the load fluctuation due to the fluctuation of the target position, the Coulomb friction load torque, and the moment of inertia, Although it takes time to readjust the output form of the command pulse, according to the above embodiment, the speed command for high-speed positioning adapted to the target position and the load is self-generated, so that the above trouble is unnecessary. Become.
Moreover, conventionally, since the speed command is formed based on the output pulse of the oscillator accumulated in the deviation counter, a delay in control occurs due to the time until the pulse accumulates in the deviation counter. According to the embodiment, since the pulse oscillator and the deviation counter are unnecessary, the controllability is improved.
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
12 速度・加速度変換器
13 負荷分離器
14 速度指令生成器
15 速度指令切換器
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記位置偏差を第1基準値および該基準値よりも小さい第2基準値と比較して、前記位置偏差が前記第1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基準値以上でかつ前記第1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、を含み、
前記第1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高速位置決め方法。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷 Detecting a position deviation of the electric motor;
Comparing the position deviation with a first reference value and a second reference value smaller than the reference value, and when the position deviation is greater than or equal to the first reference value, a speed command that indicates an allowable maximum speed of the motor A speed command indicating zero speed when the position deviation is greater than or equal to the second reference value and smaller than the first reference value, and the position deviation when the position deviation is smaller than the second reference value. Each generating a speed command indicating the corresponding speed;
Driving the electric motor so that the speed of the electric motor becomes a speed corresponding to the speed command,
A high-speed positioning method for an electric motor, wherein the first reference value is set based on the following equation.
k t : Torque coefficient of the motor
J M : Moment of inertia of the motor
J L : Moment of inertia
i torque : The torque component current of the motor to output the maximum torque
T LC : Coulomb friction load on the motor
前記位置偏差を第1基準値および該基準値よりも小さい第2基準値と比較して、前記位置偏差が前記第1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基準値以上でかつ前記第1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、を備え、
前記第1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高速位置決め装置。
kt:電動機のトルク係数
JM:電動機の慣性モーメント
JL:負荷となる慣性モーメント
itorque:最大トルクを出力するための電動機のトルク分電流
TLC:電動機に対するクーロン摩擦負荷 Deviation detecting means for detecting the positional deviation of the electric motor;
Comparing the position deviation with a first reference value and a second reference value smaller than the reference value, and when the position deviation is greater than or equal to the first reference value, a speed command that indicates an allowable maximum speed of the motor A speed command indicating zero speed when the position deviation is greater than or equal to the second reference value and smaller than the first reference value, and the position deviation when the position deviation is smaller than the second reference value. Speed command generating means for generating speed commands for instructing corresponding speeds, and
Drive means for driving the electric motor so that the speed of the electric motor becomes a speed corresponding to the speed command;
The high-speed positioning apparatus for an electric motor, wherein the first reference value is set based on the following formula.
k t : Torque coefficient of the motor
J M : Moment of inertia of the motor
J L : Moment of inertia
i torque : The torque component current of the motor to output the maximum torque
T LC : Coulomb friction load on the motor
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