JP5549351B2 - モータの制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、モータにより駆動される機械系の慣性モーメントや負荷トルク等の機械定数を推定する機能を備えたモータの制御装置に関するものである。
インバータ等の電力変換器により駆動されるモータの速度制御を高応答化するためには、慣性モーメントを始めとする機械定数の情報が必要である。このため、モータを駆動するインバータを用いて機械定数を測定する技術が開発されている。
例えば、特許文献１には、モータを加減速運転し、このときのトルク指令微分値、加速度、及び、加速度の微分値である躍度の情報を使い、逐次形最小二乗法によって機械系の慣性モーメントや粘性摩擦係数等の機械定数を推定する技術が開示されている。
例えば、特許文献１には、モータを加減速運転し、このときのトルク指令微分値、加速度、及び、加速度の微分値である躍度の情報を使い、逐次形最小二乗法によって機械系の慣性モーメントや粘性摩擦係数等の機械定数を推定する技術が開示されている。
特許文献１のように複数の機械定数を推定する場合、加速度検出値が小さいほど慣性モーメントの推定値の応答が遅くなる。このため、モータの加減速時間を短くして加速度を大きくできない場合は、機械定数の推定に要する時間が長くなるという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、機械定数の推定に要する時間を短縮し、また、加減速時間に左右されることなく一定にしたモータの制御装置を提供することにある。
そこで、本発明の解決課題は、機械定数の推定に要する時間を短縮し、また、加減速時間に左右されることなく一定にしたモータの制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、モータの機械系を模擬した機械系モデルを構成する機械定数を、機械系の速度相当値及びトルク相当値から推定する機械定数推定手段を備えた制御装置において、
前記機械定数推定手段は、
機械系の加速度相当値に第１のゲインを乗算して第２の加速度相当値を演算する加速度演算手段と、
前記第２の加速度相当値、前記速度相当値及び前記トルク相当値から、前記第２の加速度相当値の比例係数である第２の慣性モーメント推定値を含む機械定数を演算する機械定数演算手段と、
前記第２の慣性モーメント推定値に第２のゲインを乗算して慣性モーメントを推定する手段と、を備え、
前記第１のゲイン及び前記第２のゲインが、１よりも大きい同じ値であることを特徴とする。
前記機械定数推定手段は、
機械系の加速度相当値に第１のゲインを乗算して第２の加速度相当値を演算する加速度演算手段と、
前記第２の加速度相当値、前記速度相当値及び前記トルク相当値から、前記第２の加速度相当値の比例係数である第２の慣性モーメント推定値を含む機械定数を演算する機械定数演算手段と、
前記第２の慣性モーメント推定値に第２のゲインを乗算して慣性モーメントを推定する手段と、を備え、
前記第１のゲイン及び前記第２のゲインが、１よりも大きい同じ値であることを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載した制御装置において、モータの加減速時間に比例させて第１及び第２のゲインを演算するものである。
請求項１に係る発明によれば、第１及び第２のゲインを１よりも大きい値に設定することにより、モータの加減速時間が長く加速度が小さい場合にも機械定数の推定に要する時間を短縮することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、加減速時間に左右されずに機械定数の推定に要する時間を一定にすることができる。
また、請求項２に係る発明によれば、加減速時間に左右されずに機械定数の推定に要する時間を一定にすることができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る制御装置の全体的な構成を示すブロック図であり、例えば、モータを駆動するインバータの制御装置として実現されるものである。
図１において、加速度制限器（ＨＬＲ）１０にはモータの速度指令値ωｍ ＊及び加減速時間Ｔａｃｃが入力されており、この加速度制限器１０は、加減速時間Ｔａｃｃ以下の時間で所定の傾きを有するような速度指令値ωｍＨＬＲ ＊を演算する。ここで、加減速時間Ｔａｃｃは、モータの速度を零から基底速度まで加速するのに要する時間として定義する。
図１において、加速度制限器（ＨＬＲ）１０にはモータの速度指令値ωｍ ＊及び加減速時間Ｔａｃｃが入力されており、この加速度制限器１０は、加減速時間Ｔａｃｃ以下の時間で所定の傾きを有するような速度指令値ωｍＨＬＲ ＊を演算する。ここで、加減速時間Ｔａｃｃは、モータの速度を零から基底速度まで加速するのに要する時間として定義する。
速度指令値ωｍＨＬＲ ＊と速度検出回路１４により検出した速度検出値ωｍｄｅｔとの偏差が減算器１１により演算され、この偏差を速度調節器１２により増幅してトルク指令値τｍ ＊を演算する。
トルク制御手段１３は、モータのトルクτｍを前記トルク指令値τｍ ＊に制御する。このトルク制御手段１３は、インバータによりモータ電流をトルク指令値τｍ ＊に応じた値に制御することによって実現される。これらの制御により、機械系２０としてのモータの速度ωｍを速度指令値ωｍＨＬＲ ＊に制御することができる。
トルク制御手段１３は、モータのトルクτｍを前記トルク指令値τｍ ＊に制御する。このトルク制御手段１３は、インバータによりモータ電流をトルク指令値τｍ ＊に応じた値に制御することによって実現される。これらの制御により、機械系２０としてのモータの速度ωｍを速度指令値ωｍＨＬＲ ＊に制御することができる。
機械定数推定部３０は、速度検出値ωｍｄｅｔ及びトルク指令値τｍ ＊に基づいて、複数の機械定数推定値を求める。
ファンやポンプ等の二乗低減負荷の場合、モータの機械系２０は、数式１のような数式モデルによって表現することができる。
ファンやポンプ等の二乗低減負荷の場合、モータの機械系２０は、数式１のような数式モデルによって表現することができる。
機械定数推定部３０では、機械定数として、数式１における慣性モーメントＪｍ，粘性摩擦係数Ｄｍ１，二乗低減負荷係数Ｄｍ２，速度に依存しない負荷トルクτＬ０を推定する。なお、図１では、これらの機械定数に推定値を示す添字estを付してある。
機械定数は、数式１の機械系モデルに基づいて、逐次形最小二乗法によって推定することができる。しかしながら、加速度が小さい場合は、慣性モーメントＪｍの推定値の応答が遅くなる。そこで、数式１に示した機械系モデルを数式２のように変形したモデルを用いて、機械定数を推定する。
数式２において、第２の加速度演算ゲインＫａｍを１よりも大きく設定すれば、第２の加速度ａｍ’は加速度ａｍよりも大きくなる。これにより、数式２に示した機械系モデルに基づいて機械定数を推定することで、慣性モーメントＪｍの推定値の応答を速くすることができる。
図２は、図１における機械定数推定部３０の構成を示すブロック図である。
速度検出値ωｍｄｅｔは微分器３１にて微分され、加速度検出値ａｍｄｅｔが求められる。ゲイン乗算器３２において、加速度検出値ａｍｄｅｔに第２の加速度演算ゲインＫａｍが乗算され、第２の加速度検出値ａｍｄｅｔ’が算出される。ここで、微分器３１及びゲイン乗算器３２は、請求項における加速度演算手段を構成している。
速度検出値ωｍｄｅｔは微分器３１にて微分され、加速度検出値ａｍｄｅｔが求められる。ゲイン乗算器３２において、加速度検出値ａｍｄｅｔに第２の加速度演算ゲインＫａｍが乗算され、第２の加速度検出値ａｍｄｅｔ’が算出される。ここで、微分器３１及びゲイン乗算器３２は、請求項における加速度演算手段を構成している。
一方、図１のトルク制御手段１３によるトルク制御が正確に実施できていると近似し、図２に示すようにトルク検出値τｍｄｅｔをトルク指令値τｍ ＊により代用する。なお、トルク制御手段１３の制御遅れを考慮する場合には、トルク指令値τｍ ＊をローパスフィルタ（図示せず）に通してその出力からトルク検出値τｍｄｅｔを求めてもよい。また、電流検出値及びモータの電気定数から演算してもよい。
ここで、トルク検出値τｍｄｅｔ及びトルク指令値τｍ ＊は、請求項におけるトルク相当値に対応する。
ここで、トルク検出値τｍｄｅｔ及びトルク指令値τｍ ＊は、請求項におけるトルク相当値に対応する。
上述した第２の加速度検出値ａｍｄｅｔ’、速度検出値ωｍｄｅｔ及びトルク検出値τｍｄｅｔ（トルク指令値τｍ ＊）は逐次形最小二乗演算部３３に入力される。ここで、逐次形最小二乗演算部３３は、請求項における機械定数演算手段を構成している。
次に、逐次形最小二乗演算部３３における演算内容について説明する。
次に、逐次形最小二乗演算部３３における演算内容について説明する。
パラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔ、信号ベクトルｚ、出力ｙを数式３により定義する。なお、以下の数式３〜数式５におけるＴは、転置を示す。
次に、信号ベクトルｚ及び出力ｙを、数式４により正規化する。
パラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔは、正規化した信号ベクトルｚＮと正規化した出力ｙＮとを用い、例えば、「アダプティブコントロール」（鈴木隆 著，現代制御シリーズ７，ｐ.８７〜９０，２００１年８月，コロナ社発行）に記載されている逐次形最小二乗法の演算式（ｐ.８９の数式（４.８９）〜（４.９１）など）に基づいて、数式５により演算する。
逐次形最小二乗演算部３３では、第２の慣性モーメント推定値Ｊｍｅｓｔ’、粘性摩擦係数推定値Ｄｍ１ｅｓｔ，二乗低減負荷係数推定値Ｄｍ２ｅｓｔ，速度に依存しない負荷トルク推定値τＬ０ｅｓｔを演算して出力する。このうち、第２の慣性モーメント推定値Ｊｍｅｓｔ’にはゲイン乗算器３４において前記ゲイン乗算器３２と同様に第２の加速度演算ゲインＫａｍが乗算され、慣性モーメント推定値Ｊｍｅｓｔが演算される。
以上に示した制御処理により、慣性モーメント推定値Ｊｍｅｓｔの応答を速くすることができ、機械定数の推定に要する時間を従来よりも短縮することができる。
以上に示した制御処理により、慣性モーメント推定値Ｊｍｅｓｔの応答を速くすることができ、機械定数の推定に要する時間を従来よりも短縮することができる。
次に、本発明の第２実施形態につき説明する。この実施形態は、第１実施形態における加減速時間Ｔａｃｃの設定値を変えても機械定数の推定に要する時間を一定にできるようにしたものである。
加速度ａｍは、モータの加減速時間Ｔａｃｃに反比例する。このため、ゲイン乗算器３２，３４における第２の加速度演算ゲインＫａｍを加減速時間Ｔａｃｃに比例させて設定すれば、第２の加速度検出値ａｍｄｅｔ’を一定にすることができる。これにより、加減速時間Ｔａｃｃに左右されずに機械定数の推定に要する時間を一定にすることが可能である。
１０ 加速度制限器
１１ 減算器
１２ 速度調節器
１３ トルク制御手段
１４ 速度検出回路
２０ 機械系
３０ 機械定数推定部
３１ 微分器
３２ ゲイン乗算器
３３ 逐次形最小二乗演算部
３４ ゲイン乗算器
１１ 減算器
１２ 速度調節器
１３ トルク制御手段
１４ 速度検出回路
２０ 機械系
３０ 機械定数推定部
３１ 微分器
３２ ゲイン乗算器
３３ 逐次形最小二乗演算部
３４ ゲイン乗算器
Claims (2)
- モータの機械系を模擬した機械系モデルを構成する機械定数を、機械系の速度相当値及びトルク相当値から推定する機械定数推定手段を備えた制御装置において、
前記機械定数推定手段は、
機械系の加速度相当値に第１のゲインを乗算して第２の加速度相当値を演算する加速度演算手段と、
前記第２の加速度相当値、前記速度相当値及び前記トルク相当値から、前記第２の加速度相当値の比例係数である第２の慣性モーメント推定値を含む機械定数を演算する機械定数演算手段と、
前記第２の慣性モーメント推定値に第２のゲインを乗算して慣性モーメントを推定する手段と、を備え、
前記第１のゲイン及び前記第２のゲインが、１よりも大きい同じ値であることを特徴とするモータの制御装置。 - 請求項１に記載したモータの制御装置において、
前記モータの加減速時間に比例させて前記第１及び第２のゲインを演算することを特徴とするモータの制御装置。
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