JP5386859B2 - モータのトルクリップル抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＭ／ＩＰＭモータの磁束分布の空間高調波に起因するモータのトルクリップルを抑制する装置に関する。

ＰＭモータの構造上発生するトルクリップルとして、界磁磁束の高調波により発生する６ｆ成分（インバータなどの電源周波数の６倍の周波数）とステータの溝に起因するコギングトルクがある。モータを他の慣性に接続して回転数、トルクを制御する場合、モータの回転数と機械系の剛性と慣性モーメントによっては、このトルクリップルの周波数が機械系の共振周波数と一致して、軸ねじれトルクが大きくなり、場合によっては軸の破損につながる。

これを避ける方法として、トルク指令に出力のトルクリップルを打ち消す補償信号を加えることで、トルクリップルを抑制する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−２６７４６５

従来のトルクリップル抑制方式では、トルク指令とロータの回転角からテーブルを参照して補償信号を得ており、テーブルデータを調整する必要がある。トルクリップルの調整は、精度の良いトルク検出が必要であり、特に共振トルクを抑制しようとすると微妙な調整が必要となる。

本発明の目的は、トルクリップル抑制の装置構成および調整を簡易にしたモータのトルクリップル抑制装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、モータのトルク制御系に、機械系の共振により発生するトルクリップル分をフィードバック制御で抑制する共振抑制制御器を付加してトルク制御を行い、このフィードバック制御で発生するトルク分をトルクリップル抑制の補償トルクとして取り出すようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）インバータにより制御されるＰＭ／ＩＰＭモータに機械負荷を連結し、トルク指令に基づいてインバータを介して機械負荷を制御するものであって、トルク指令に応じてＰＭ／ＩＰＭモータの出力トルクを制御するトルク制御系に、前記トルク制御でモータに発生するトルクリップルを打ち消す補償トルクを前記トルク指令に重畳させるトルクリップル補償テーブルを備えたモータのトルクリップル抑制装置において、
前記トルク指令Ｔrefと、トルクリップル補償テーブルで補償されたトルクリップル補償Ｔrcとの加算値Ｔ_MRに基づいてモータを制御し、その時に検出されたモータの軸トルク（負荷トルク）値の微分にゲインを乗じてトルクリップル補償Ｔrcに対する補償値Ｔcを生成する共振抑制制御器を設け、
前記機械負荷を一定にし、補償値調整前のトルクリプル補償テーブルによりトルクリプル補償したトルク制御状態において、トルクメータの出力を共振抑制制御器に入力してフィードバックトルク値を生成し、このフィードバックトルク値をトルク指令Ｔrefに重畳させるフィードバック制御を、回転角毎およびトルク指令値毎に行って補償した結果のフィードバック値の良好状態時の補償値を記憶し、
記憶した良好状態時の補償値Ｔcを前記トルクリップル補償Ｔrcに加算調整してトルクリップル補償テーブルでの補正されたトルクリップル補償値Ｔrcとし、この補正されたトルクリップル補償値Ｔrcと前記トルク指令Ｔrefの加算値Ｔ_MRを、前記共振抑制制御器をトルク制御系より切り離した後の通常のモータに対するトルク指令とするよう構成したことを特徴とする。

（２）前記共振抑制制御器は、前記検出されたモータの軸トルク値を２慣性系の共振抑制制御の等価回路に入力し、２慣性系の共振抑制制御の等価回路で、モータの軸トルク検出値の微分にゲインを乗じてトルク指令に対する補償値Ｔc（フィードバック値）を生成するよう構成したことを特徴とする。

（３）前記トルクリップル補償テーブルは、
検出された回転角度θ _R を入力して速度６ｆ（ｆはインバータの周波数）の次数Ｎ _6f とコギングトルクの次数Ｎ _cogging をそれぞれ求める演算器と、
各演算器の出力を各別に入力してそれぞれのｓｉｎθとｃｏｓθを求める正弦波発生器と、
前記トルク指令Ｔrefをそれぞれ入力してインバータ周波数の６倍のモータの軸トルクのｓｉｎ成分（振幅Ｓ _6f ）とインバータ周波数の６倍のモータの軸トルクのｃｏｓ成分（振幅Ｃ _6f ）をそれぞれ発生する６ｆテーブルと、
前記トルク指令Ｔrefをそれぞれ入力してcoggingトルクのｓｉｎ成分の振幅Ｓ _cogging とｃｏｓ成分の振幅Ｃ _cogging を発生するcoggingテーブルと、
前記回転角度θ _R に基づいて各正弦波発生器で生成された各ｓｉｎθと各ｃｏｓθと前記トルク指令Ｔrefに基づいて生成された振幅Ｓ _6f ，Ｃ _6f 、及びＳ _cogging 、Ｃ _cogging の各ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分同士を乗算し、各乗算値を加算する加算器とで構成したことを特徴とする。

（４）前記トルクリップル補償テーブルは、
演算器により１００／Ｔ _Rate により求められたトルク指令値の比率と、ロータ回転角度とによる二次元配列データの設定可能とし、トルクリプルが共振周波数となる回転数で一定な負荷の下で、共振抑制制御が行われている定常状態での共振抑制制御器の出力Ｔcに対してハイパスフィルタによりリップル成分を抽出し、抽出したリップル成分に係数αを掛け、そのときの回転角度とトルク指令に対応するトルクリップル補償テーブルにおけるテーブル値に、補正値δを加算することを特徴とする。

（５）前記トルクリップル補償テーブルのテーブル値に補正値δを加算する手段は、前記共振抑制制御器の出力Ｔcに係数αを掛けた値を一周期分一度に加算する構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、モータのトルク制御系に、機械系の共振により発生するトルクリップル分をフィードバック制御で抑制する共振抑制制御器を付加してトルク制御を行い、このフィードバック制御で発生するトルク分をトルクリップル抑制の補償トルクとして取り出すようにしたため、トルクリップル抑制の装置構成および調整を簡易にする効果がある。具体的には、
（１）テーブルを利用して、トルクの指令値に補償信号を加えることでトルクリップルを抑制する方式で、機械系の共振を利用して補償テーブルを作成するため、感度の限られたトルク検出でも、精度の良いテーブルが作成できる。

（２）共振抑制制御を行った状態でテーブルの作成を行うので、調整中に軸ねじれ共振が起きず、機械の破損に至らない。

（３）共振抑制制御は調整のためだけであり、設計が比較的容易に行える。

（４）検出にはトルク検出が無い場合でも、回転検出で行える。

（５）テーブルを利用して、トルクの指令値に補償信号を加えることでトルクリップルを抑制するとき、共振を利用してテーブルを作成する方式で、テーブルを自動的に作成できる。

（６）一周期分のテーブルデータを一度に更新するため、テーブル変更途中での波形の乱れが少なく、結果的に、係数αを大きくでき、調整時間が短くできる。

（実施形態１）
図１は、本実施形態を示すトルクリップル抑制装置の要部構成図である。ＰＭモータ１はベクトル制御等によるインバータ装置２によってトルク制御され、機械負荷３を駆動する。トルクメータ４はＰＭモータ１の駆動トルクを検出し、エンコーダ５は機械負荷３の回転角（ロータ回転角）を検出する。

トルクリップル補償テーブル６は、機械負荷３の回転角別で、トルク指令Ｔｒｅｆの大きさ別にしたトルクリップル補償値Ｔｒｃを発生し、この補償値Ｔｒｃをトルク指令Ｔｒｅｆに重畳させることで、トルクリップルを抑制する。

以上までの構成は、トルク指令Ｔｒｅｆを直接にインバータ装置２の指令とする場合に機械系の共振により発生するトルクリップルを抑制する従来方式に相当するもので、トルクリップルセンサー感度によって抑制効果が決まるため、微少なトルクリップルが残り、機械共振系に適用した場合、僅かに残ったリップルにより共振が起きるおそれがある。

そこで、本実施形態では、共振抑制制御器７をトルク制御系に介挿し、トルクリップル補償した制御系に残存するトルクリップル分も補償できる補償トルク値を求め、これをテーブル６の調整値とする。

共振抑制制御器７は、機械負荷３を一定にし、補償値調整前のテーブル６によりトルクリップル補償したトルク制御状態において、トルクメータ４の出力をフィードバック信号Ｔｃとしてインバータ装置２のトルク指令に重畳させる。このフィードバック制御により、トルクリップルをほぼ完全に補償した制御状態を得ることができ、このときのフィードバック信号Ｔｃをテーブル６の補償値に加算するデータとして記録しておく。この一連の処理は回転角毎およびトルク指令値毎に行い、記録しておいた補償値でテーブル６を加算調整し、共振抑制制御器７を制御系から切り離して、通常のトルク制御を行い、いずれの制御状態にもテーブル６によるトルク補償でトルクリップルをほぼ完全に抑制する。

トルクリップル補償テーブル６は、図２に例を示すように、絶対値演算回路６Ａに得るトルク指令（トルク電流）をパラメータとして、エンコーダ５からｒａｄ／角度変換器６Ｂと３６０度変調器６Ｃによって得るロータ回転角度に対してトルクリップルテーブル６Ｄから補償トルクを出力する構成とし、複数の回転数でトルクリップルが生じる場合は、それぞれの回転数での共振抑制出力を角度ごとに発生する。

上記の共振抑制制御器７による共振抑制制御状態は、定トルク状態にして補償値Ｔｃを求めるため、安定応答性・誤差などを考慮することなく、比較的容易に設計することができる。例えば、図３に等価回路を示すように、モータに慣性負荷を取り付けた２慣性系の場合、共振抑制制御は軸トルクＴｘの微分にゲインＫ_Fを乗じてトルク指令Ｔ_MRにフィードバックすることで、共振抑制が実現できる。なお、Ｊ_MはＰＭモータ１の慣性分、Ｊ_Dは負荷の慣性分であり、トルクリップルから軸トルクまでの伝達特性は以下のようになる。

したがって、本実施形態によれば、補償テーブルを利用して、トルク指令値に補償テーブルによってトルク補償信号を加えることでトルクリップルを抑制する方式で、機械系の共振現象を利用して補償テーブルの補償値を得るため、感度の限られたトルク検出でも、精度の良いテーブルを作成できる。

また、共振抑制制御を行った状態で補償テーブルの調整値を得るため、調整中に軸ねじれ共振が起きず、機械の破損に至らない。さらに、共振抑制制御器は調整のためだけであり、設計が比較的簡単になる。

（実施形態２）
図４は、本実施形態を示すトルクリップル抑制装置の要部構成図である。同図が図１と異なる部分は、トルク検出の代わりに速度検出を使用して共振抑制制御系を構成する点にあり、共振抑制制御器７はエンコーダ５の検出速度を入力とし、各速度状態でのテーブル補償値Ｔｃを得る。

本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果をえることができ、さらに検出にはトルク検出器をもたない制御系の場合でも、速度検出でトルクリップル補償・調整を行うことができる。

（実施形態３）
実施形態１や実施形態２は角度に対する波形を補償テーブルとする場合を示すが、本実施形態では、図６で示すように、６ｆとコギングトルクの様な回転に同期した特定の周波数を対象として、補償テーブル６に代えて、周波数毎に正弦波ｓｉｎと余弦波ｃｏｓの大きさ（振幅）をトルク指令に対するテーブルデータとして、補償トルクＴＲＣを求める。

この場合の補償トルク指令発生器を図５に示す。検出されるロータ角度θ_Rから演算器１１では速度６ｆの次数Ｎ_6fを、演算器１２ではコギングトルクの次数Ｎ_coggingを求め、正弦波発生器１３では次数Ｎ_6fのｓｉｎ成分とｃｏｓ成分を求め、正弦波発生器１４ではコギングトルクＮ_coggingのｓｉｎ成分とｃｏｓ成分を求める。一方、与えられるトルク指令Ｔ_Refから６ｆテーブル１５では６ｆトルクのｓｉｎ成分の振幅Ｓ_6fを発生し、６ｆテーブル１６では６ｆトルクのｃｏｓ成分の振幅Ｃ_6fを発生する。また、トルク指令Ｔ_RefからＣｏｇｇｉｎｇテーブル１７ではＣｏｇｇｉｎｇトルクのｓｉｎ成分の振幅Ｃ_Coggingを発生し、Ｃｏｇｇｉｎｇテーブル１８ではＣｏｇｇｉｎｇトルクのｃｏｓ成分の振幅Ｃ_Coggingを発生する。これらテーブル１５〜１８の値は、予め測定された値または関数特性から求められる。

乗算器１９〜２２では、テーブル１５〜１８からの振幅を、正弦波発生器１３，１４からのｓｉｎ成分とｃｏｓ成分に乗じてそれぞれの回転角度毎の正弦波信号と余弦波信号を求め、これらの合成を加算器２３に得ることで、回転角度毎およびトルク指令毎の補償トルク指令Ｔ_RCを得る。

この補償トルク指令Ｔ_RCは、６ｆとコギングトルクを対象として、正弦波ｓｉｎと余弦波ｃｏｓの大きさ（振幅）を補償テーブル６に代えた補償値とすることで、これらのリップル分を抑制した制御ができる。

さらに、補償トルク指令発生器のテーブル１５〜１８は、実施形態１や２の場合での残存するトルクリップルの完全な補償ができない。このため、実施形態１や２の場合と同様に、共振抑制制御器によるトルクリップル補償値を求める。これには図６に示す構成で運転することで、共振抑制制御器７による補償テーブル６の調整値を求める。この調整は、６ｆとコギングトルクに的を絞ったトルクリップル抑制制御になる。

図６中、演算器３１，３２、正弦波発生器３３，３４、乗算器３５〜３８は図５の演算器１１，１２、正弦波発生器１３，１４、乗算器１９〜２２と同等のものである。これら乗算器３５〜３８の６ｆとコギング周波数別の係数成分は、共振抑制制御器７による共振抑制をした状態での補償トルク値Ｔｃで与える。乗算器３５〜３８の出力は、それぞれ低域通過フィルタ３９〜４２を通して６ｆとコギング周波数別のトルクリップル制御出力成分を求め、これらの値で補償テーブル６の値を自動調整する。

（実施形態４）
実施形態１，２では共振抑制制御器７の出力Ｔｃを記録しておき、この値で補償テーブルの値を人が調節するため、調整時間が長く掛かる。

本実施形態では、実施形態１または２の構成で、トルクフィードバックにより、共振抑制を行った状態で補償テーブル６の値を自動調整可能にする。

図７は補償テーブルの自動調整回路構成を示す。補償テーブル６はロータ回転角度［ｄｅｇ］とトルク［％］の二次元配列データを設定可能とし、これらデータからの補償値出力は角度とトルクから内挿補間で求める。補償テーブル６に与えるトルク指令は演算器５１で％として求め、回転角度は演算器５２による極対数ｐによる正規化と、範囲制限器５３による角度範囲切換えと、変換器５４によるｒａｄ−角度変換を行う。共振抑制制御器７からの出力Ｔｃに対しては、ハイパスフィルタ５５によるリップル成分の抽出と、係数演算器５６による係数αの乗算で１回分の調整量を制限し、切換回路５７による回転角度１°変化の期間の値を加算値δとして取り出す。

この構成により、トルクリップルが共振周波数となる回転数で一定な負荷の下で、共振抑制が行われている定常状態での共振抑制制御器出力Ｔｃに係数αを掛けて、そのときの回転角度とトルク指令の対応するテーブル値に加算する。αはテーブルの変化が共振抑制制御の応答に比較して緩やかになるように決める。

したがって、本実施形態によれば、トルクの指令値に補償信号を加えることでトルクリップルを抑制するとき、共振を利用してテーブルを作成する方式で、１周期分のテーブルデータを一度に自動更新できる。

（実施形態５）
実施形態４では、一周期分のテーブルデータを回転角度変化に従って順次更新するため、テーブルデータ変更途中での波形の乱れが少なくなるよう、データ変更を小刻みにするために係数αを小さく制限することを必要とし、調整時間が長くなる。

本実施形態では、抑制制御器出力Ｔｃにαを掛けた値を一周期記憶しておき、補償テーブルの値の更新を一周期分同時に実行する。図８は補償テーブルの自動調整回路構成を示す。同図が図７と異なる部分は、切換回路５７に代えて、記憶回路５８と読出回路５９を設け、記憶回路５８では一周期のデータを記憶し、読出回路５９では回転角度０°のときに記憶回路５８から一周期分のデータを一括で読み出し、補償テーブルの値に一括加算させる。

したがって、本実施形態では、一周期分のテーブルデータを一括更新するため、テーブル変更途中での波形の乱れが少なく、結果的に、係数αを大きくでき、調整時間が短くなる。

本発明の実施形態１を示すトルクリップル抑制装置の要部構成図。 トルクリップル補償テーブルの構成例。 ２慣性系の共振抑制制御の等価回路。 本発明の実施形態２を示すトルクリップル抑制装置の要部構成図。 実施形態３の補償トルク指令発生器の回路構成図。 本発明の実施形態３を示すトルクリップル抑制装置の要部構成図。 実施形態４の補償テーブルの自動調整回路構成図。 実施形態５の補償テーブルの自動調整回路構成図。

符号の説明

１ ＰＭモータ
２ インバータ装置
３ 負荷
４ トルクメータ
５ エンコーダ
６ トルクリップル補償テーブル
７ 共振抑制制御器

Claims (5)

1. インバータにより制御されるＰＭ／ＩＰＭモータに機械負荷を連結し、トルク指令に基づいてインバータを介して機械負荷を制御するものであって、トルク指令に応じてＰＭ／ＩＰＭモータの出力トルクを制御するトルク制御系に、前記トルク制御でモータに発生するトルクリップルを打ち消す補償トルクを前記トルク指令に重畳させるトルクリップル補償テーブルを備えたモータのトルクリップル抑制装置において、
   前記トルク指令Ｔrefと、トルクリップル補償テーブルで補償されたトルクリップル補償Ｔrcとの加算値Ｔ_MRに基づいてモータを制御し、その時に検出されたモータの軸トルク（負荷トルク）値の微分にゲインを乗じてトルクリップル補償Ｔrcに対する補償値Ｔcを生成する共振抑制制御器を設け、
   前記機械負荷を一定にし、補償値調整前のトルクリプル補償テーブルによりトルクリプル補償したトルク制御状態において、トルクメータの出力を共振抑制制御器に入力してフィードバックトルク値を生成し、このフィードバックトルク値をトルク指令Ｔrefに重畳させるフィードバック制御を、回転角毎およびトルク指令値毎に行って補償した結果のフィードバック値の良好状態時の補償値を記憶し、
   記憶した良好状態時の補償値Ｔcを前記トルクリップル補償Ｔrcに加算調整してトルクリップル補償テーブルでの補正されたトルクリップル補償値Ｔrcとし、この補正されたトルクリップル補償値Ｔrcと前記トルク指令Ｔrefの加算値Ｔ_MRを、前記共振抑制制御器をトルク制御系より切り離した後の通常のモータに対するトルク指令とするよう構成したことを特徴とするモータのトルクリップル抑制装置。
2. 前記共振抑制制御器は、前記検出されたモータの軸トルク値を２慣性系の共振抑制制御の等価回路に入力し、２慣性系の共振抑制制御の等価回路で、モータの軸トルク検出値の微分にゲインを乗じてトルク指令に対する補償値Ｔc（フィードバック値）を生成するよう構成したことを特徴とする請求項１に記載のモータのトルクリップル抑制装置。
3. 前記トルクリップル補償テーブルは、
   検出された回転角度θ _R を入力して速度６ｆ（ｆはインバータの周波数）の次数Ｎ _6f とコギングトルクの次数Ｎ _cogging をそれぞれ求める演算器と、
   各演算器の出力を各別に入力してそれぞれのｓｉｎθとｃｏｓθを求める正弦波発生器と、
   前記トルク指令Ｔrefをそれぞれ入力してインバータ周波数の６倍のモータの軸トルクのｓｉｎ成分（振幅Ｓ _6f ）とインバータ周波数の６倍のモータの軸トルクのｃｏｓ成分（振幅Ｃ _6f ）をそれぞれ発生する６ｆテーブルと、
   前記トルク指令Ｔrefをそれぞれ入力してcoggingトルクのｓｉｎ成分の振幅Ｓ _cogging とｃｏｓ成分の振幅Ｃ _cogging を発生するcoggingテーブルと、
   前記回転角度θ _R に基づいて各正弦波発生器で生成された各ｓｉｎθと各ｃｏｓθと前記トルク指令Ｔrefに基づいて生成された振幅Ｓ _6f ，Ｃ _6f 、及びＳ _cogging 、Ｃ _cogging の各ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分同士を乗算し、各乗算値を加算する加算器とで構成したことを特徴とする請求項１に記載のモータのトルクリップル抑制装置。
4. 前記トルクリップル補償テーブルは、
   演算器により１００／Ｔ _Rate により求められたトルク指令値の比率と、ロータ回転角度とによる二次元配列データの設定可能とし、 トルクリプルが共振周波数となる回転数で一定な負荷の下で、共振抑制制御が行われている定常状態での共振抑制制御器の出力Ｔcに対してハイパスフィルタによりリップル成分を抽出し、抽出したリップル成分に係数αを掛け、そのときの回転角度とトルク指令に対応するトルクリップル補償テーブルにおけるテーブル値に、補正値δを加算することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータのトルクリップル抑制装置。
5. 前記トルクリップル補償テーブルのテーブル値に補正値δを加算する手段は、
   前記共振抑制制御器の出力Ｔcに係数αを掛けた値を一周期分一度に加算する構成を特徴とする請求項４に記載のモータのトルクリップル抑制装置。

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