JP5018410B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機制御装置とその制御方法に関し、特に多軸軌跡制御の象限切替わり時に生ずる象限突起を軽減するものである。

特許文献１に開示されている第１の従来技術は、移動方向反転時の象限突起を補償するモータ制御装置に関するものであり、移動方向反転を検出後、移動量が所定値に達するまで速度制御ループの積分制御ゲインを時間の関数で増加させるとともに、外乱トルク推定器の出力に係数を乗じた補償トルクをトルク指令から減算するものである。図７は、第１の従来技術のブロック図で、補償切替器１１９で移動方向反転を検出し、移動量が所定値に達するまで速度制御ループの積分制御ゲインを時間の関数で増加させるとともに、外乱トルク推定器１２０で外乱トルク推定器の出力に係数を乗じた補償トルクをトルク指令から減算している。

特許文献２に開示されている第２の従来技術は、指令系のオートチューニング機能を有する数値制御装置に関するものであり、モータ回転方向反転時に発生する突起に対して反転時の加速を早めて、突起を除去する象限突起補償量が入力され、モータ回転方向反転時に象限突起補償量を加算する数値制御装置を提供している。図８は、第２の従来技術のブロック図で、速度生成部２１１でモータ回転方向反転時に発生する突起に対して反転時の加速を早めて、パラメータ２０１の突起を除去する象限突起補償量が入力され、モータ回転方向反転時に象限突起補償量を加算している。
特開２００５−３０４１５５号公報（第７頁、図７） 特開２００４−９４９６２号公報（第１９頁、図１）

第１の従来技術は、移動量と速度制御ループの積分制御ゲインを時間の関数で増加させるための機械毎の制御ゲインや時間等の調整が必要なのと外乱トルク推定器の出力に係数を乗じた補償トルクも調整する必要があるというような問題があった。
第２の従来技術は、モータ回転方向反転時、象限突起補償量を加算するために機械毎に象限突起補償量を調整する必要があるというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機械ごとの調整が不要で象限切替え時の象限突起を少なくした電動機制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の代表的な構成は、次のように構成したのである。
電動機制御装置が、位置指令から電動機位置を減算した位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、電動機位置の時間差分により電動機速度を生成する電動機速度生成部と、速度指令から電動機速度を減算した速度偏差に基づいて第１トルク指令を生成し、速度指令を時間遅延させた遅延速度指令から電動機速度を減算した遅延速度偏差に基づいて第２トルク指令を生成し、第１トルク指令と第２トルク指令とを加算して第３トルク指令を生成する速度制御部と、電動機速度と新たなトルク指令とに基づいて推定トルクを生成するトルクオブザーバ部と、第３トルク指令と推定トルクとを加算した新たなトルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、を備える。

本発明の代表的な構成によると、機械ごとの調整が不要で象限切替え時の象限突起が少ない電動機制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は位置制御部、２は速度制御部、３は電動機駆動部、４は電動機速度生成部、５はトルクオブザーバ、１１は電動機、１２は位置検出器である。また２１は速度制御比例制御部、２２は速度指令遅延部、２３は速度制御積分制御部、２４は加算部である。
位置制御部１は位置指令と電動機位置の位置偏差に位置制御比例ゲインＫｐを乗じて速度指令を生成し、速度制御部２は速度制御比例制御部２１で速度指令と電動機速度の速度偏差に速度制御比例ゲインを乗じて第１トルク指令を生成し、速度指令遅延部２２で速度指令を設定可能な時間遅延させた遅延速度指令を生成し、加算部２４で第１トルク指令と第２トルク指令を加算してトルク指令を生成する。電動機駆動部３はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流の電流偏差に基づいて電圧指令を生成し、電圧指令をＰＷＭ信号に変換して電力変換器を駆動して電動機に電流指令どおりの電流を流す。位置検出器１２は電動機１１に結合され、電動機の位置を検出する。電動機速度生成部４は、電動機位置の時間差分をとって電動機速度を生成する。
本発明の特徴的な部分は、速度指令遅延部２２を設けた点である。

次にトルクオブザーバについて説明する。図５はトルクオブザーバ５の構成を示すブロック図である。図において、５１はオブザーバ第１係数部、５２はオブザーバＰＩ制御部、５３はオブザーバ比例制御部、５４はオブザーバ積分制御部、５５、５６は加算部、５７はオブザーバ積分部、５８は１サンプリング制御時間遅延部、５９はオブザーバ第２係数部である。減算部は、電動機速度と推定速度の差をとりオブザーバ速度偏差を生成し、オブザーバＰＩ制御部５２は、オブザーバ速度偏差をＰＩ制御処理をして第１オブザーバ加速度指令を生成する。オブザーバ第１係数部５１は、慣性モーメントに反比例する係数部で、トルク指令に係数ｋｏ１を乗じて第２オブザーバ加速度指令を生成する。加算部５６は、第１オブザーバ加速度指令と第２オブザーバ加速度指令を加算してオブザーバ加速度指令を生成する。オブザーバ積分部５７はオブザーバ加速度指令を積分して推定速度を生成する。オブザーバ第２係数部は、慣性モーメントに比例する係数部で、オブザーバＰＩ制御部の積分制御部５４の生成する加速度指令に係数ｋｏ２を乗じて推定トルクを生成する。推定トルクに高周波数の振動が重畳する場合はローパスフィルタを入れる。また、オブザーバＰＩ制御部のゲインは速度制御部２のゲインに合わせておくと特に効果が期待できる。また、トルクオブザーバの構成はこれに限らない。

図２は図１のトルクオブザーバの代わりに負荷モデル部７を使用した例である。負荷モデル部７は、電源投入時などのならし運転時に電動機速度に対する第２トルク指令を補償トルクとして補償トルク記憶部に記憶し、定常運転時は、電動機に対応して補償トルク記憶部から制御時間ごとに補償トルクを読み出す。加算部６は、トルク指令と補償トルクを加算して新たなトルク指令を生成する。補償トルクに高周波数の振動が重畳する場合はローパスフィルタを入れる。

速度制御部の動作について説明する。位置制御部１の生成する速度指令は速度制御比例制御部２１にはそのまま指令されるが、速度制御積分制御部２３には速度指令遅延部２２で速度フィードバック信号である電動機速度の遅れ時間相当分遅れて指令される。これは電動機速度は速度指令に対して遅れるので遅れ分を補償するためである。速度制御比例制御部２１が生成するトルク指令にトルクオブザーバ部からの推定トルクを加算する。トルク指令に負荷トルクが加算されると、速度制御積分制御部２３が生成するトルク指令はほぼ０になる。

次に象限切替りである移動方向反転時の動作を図６を用いて説明する。図６（ａ）は速度積分制御部の速度指令入力に速度指令遅延がなく、負荷トルクの補償もない場合である。速度指令が負から正方向にある加速度で指令されると、負荷トルクの極性は電動機の移動方向によるので、電動機速度はトルク指令が反転する迄、つまり速度積分量が反転する迄図のように０付近となり、速度積分量が負荷トルクと一致すると電動機速度は速度指令に追従するようになる。ここで、速度制御積分制御部２３の速度指令を遅延して速度制御積分制御部に速度偏差が溜まらないようにし、負荷トルクをトルクオブザーバで推定し、図６（ｂ）のように速度制御積分制御部の積分量は殆ど蓄積されなくする。結果として速度指令が負から正方向にある加速度で指令されても、電動機速度は速度指令に追従する。

図３、４は速度フィードフォワードを加えたときのブロック図である。図において８が速度フィードフォワード部で、速度フィードフォワード部８以外は図１、２のブロック図と同じである。 速度フィードフォワード８は、位置指令を制御時間ごとに時間差分をとり制御時間で除して擬似微分をし、設定可能な係数を乗じてフィードフォワード速度指令とし、速度指令に加算して新たな速度指令を生成する。 これにより速度指令は位置指令に追従させることができる。また速度フィードフォワード７の後にローパスフィルタを入れてフィードフォワード速度指令とし、速度指令に加算すれば急峻な加速度を抑えることができる。図６（ｃ）は、速度フィードフォワードを加えたときの動作タイムチャートである。速度指令は位置指令の速度成分（位置指令の時間微分値）に追従するので、遅れをなくすことができる。

このように速度制御積分制御部２３の入力の速度指令をローパスフィルタで遅延させ、速度積分制御部１４の積分量が蓄積しないように負荷トルクを推定して補償することにより、移動方向反転でも速度フィードバックは速度指令に追従することができる。また、ローパスフィルタの代わりに速度指令を制御時間ごとにＦＩＦＯに蓄積し所定時間、遅延させでもよい。

図１１は、本発明の制御方法を示すフローチャートである。図において、ステップＳＴ１で速度偏差に速度制御比例ゲインを乗じて第１トルク指令を生成し、ステップＳＴ２で速度指令を遅延させ遅延速度指令を生成し、ステップＳＴ３で遅延速度指令と電動機速度の遅延速度偏差を積分して第２トルク指令を生成し、ステップＳＴ４で第１トルク指令と第２トルク指令を加算してトルク指令を生成し、ステップＳＴ５で電動機速度と推定速度の推定速度誤差をＰＩ制御処理をして第１オブザーバ加速度指令を生成し、ステップＳＴ６でトルク指令を慣性モーメントに反比例する係数を乗じて第２オブザーバ加速度指令を生成し、ステップＳＴ７で第１オブザーバ加速度指令と第２オブザーバ加速度指令を加算してオブザーバ加速度指令を生成し、ステップＳＴ８でオブザーバ加速度指令を積分して推定速度を生成し、ステップＳＴ９でオブザーバＰＩ制御の積分制御の生成する加速度指令に慣性モーメントに比例する係数を乗じて推定トルクを生成し、ステップＳＴ１０で推定トルクをトルク指令に加算して新たなトルク指令を生成する。

図９は、本発明を適用しないときの電動機制御装置を使用し円軌跡を描かせたときのシミュレーション、図１０は本発明を適用したときのシミュレーションである。シミュレーションの条件は、ボールねじピッチ２０ｍｍ、Ｘ軸、Ｙ軸慣性モーメント０．０２ｋｇｍ^２、負荷トルク３Ｎｍ、位置制御ゲインｋｐ＝５０ｓ^−１、速度制御部比例ゲイン１０Ｎｍｓ／ｒ、速度制御部積分時定数Ｔｖｉ＝５ｍｓで積分ゲイン換算でｋｖｉ＝２０００Ｎｍ／ｒ、送り速度Ｆｄ＝１０００ｍｍ／ｍｉｎ、直径Ｄ＝１００ｍｍである。

本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図 本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図 本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図 本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図 本発明のトルクオブザーバの構成を示すブロック図 本発明の負荷モデル部のタイムチャート 第１の従来技術の電動機制御装置の構成を示すブロック図 第２の従来技術の電動機制御装置の構成を示すブロック図 従来の電動機制御装置を使用したときの円軌跡のシミュレーション 本発明の電動機制御装置を使用したときの円軌跡のシミュレーション 本発明の電動機制御装置の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１ 位置制御部
２ 速度制御部
３ 電動機駆動部
４ 電動機速度生成部
５ トルクオブザーバ
１１ 電動機
１２ 位置検出器
２１ 速度制御比例制御部
２２ 速度指令遅延部
２３ 速度制御積分制御部
２４ 加算部
５１ オブザーバ第１係数部
５２ オブザーバＰＩ制御部
５３ オブザーバ比例制御部
５４ オブザーバ積分制御部
５５、５６ 加算部
５７ オブザーバ積分部
５８ １サンプリング制御時間遅延部
５９ オブザーバ第２係数部

Claims (6)

1. 位置指令から電動機位置を減算した位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、
   前記電動機位置の時間差分により電動機速度を生成する電動機速度生成部と、
   前記速度指令から前記電動機速度を減算した速度偏差に基づいて第１トルク指令を生成し、前記速度指令を時間遅延させた遅延速度指令から前記電動機速度を減算した遅延速度偏差に基づいて第２トルク指令を生成し、前記第１トルク指令と前記第２トルク指令とを加算して第３トルク指令を生成する速度制御部と、
   前記電動機速度と新たなトルク指令とに基づいて推定トルクを生成するトルクオブザーバ部と、
   前記第３トルク指令と前記推定トルクとを加算した前記新たなトルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、を備えることを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記速度制御部が、前記遅延速度指令を生成するローパスフィルタと有することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記速度制御部が、前記速度指令を制御時間毎に格納し、格納した順に前記遅延速度指令を生成することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
4. 前記トルクオブザーバ部が、前記電動機速度から推定速度を減算した推定速度偏差を、比例積分制御演算して第１推定加速度指令を生成すると共に、
   前記新たなトルク指令に、前記電動機の慣性モーメントに反比例する第１係数を乗算して第２推定加速度指令を生成し、
   前記第１推定加速度指令と前記第２推定加速度指令とを加算した値を積分して前記推定速度を生成し、
   前記比例積分制御演算過程における積分値に、第２係数を乗じて前記推定トルクを生成することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
5. 前記トルクオブザーバ部に代えて負荷モデル部を備え、
   前記負荷モデルが、前記第２トルク指令と前記電動機速度とに基づいて補償トルクを生成するものであって、
   前記電動機駆動部が、前記新たなトルク指令に代えて、前記第３トルク指令と前記補償トルクとを加算した他のトルク指令に基づいて電動機を駆動することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
6. 前記位置指令の時間差分値に基づいてフィードフォワード速度指令を生成する速度フィードフォワード部を備え、
   前記位置制御部が生成する速度指令と前記フィードフォワード速度指令とを加算して新たな速度指令を生成し、前記新たな速度指令を前記速度制御部に入力することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
   

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