JP5644409B2 - 電動機の位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の位置制御装置に係り、特に電流制御、速度制御をマイナループに持ち、位置制御をメジャーループとした電動機の位置を制御する制御系に関するものである。

図１０は位置制御装置の概略構成図を示したもので、１は位置制御部、２は速度制御部、３は電流制御部、４は被制御物（電動機）である回転体の機械特性部を示したものである。位置制御部１には、位置制御装置の設定入力である角度指令θrefと角度検出θdyとの偏差信号が入力され、この位置制御部１において角速度指令ωrefが算出される。算出された角速度指令ωrefは、減算部６において角速度検出ωdyとの差信号が求められ、速度制御部２に入力されてトルク電流指令Ｔdyを演算する。このトルク電流指令Ｔdyにより電流制御部３を介して回転体の機械特性部４が制御され、その時における回転体の機械特性部４の角速度検出ωdyが減算部６へフィードバックされて角速度指令ωrefとの差演算が実行される。また、機械特性部４の角度検出θdyは減算部５へフィードバックされて角度指令θrefとの差演算が実行される。

上記のような位置制御を行うものとしては、特許文献１などが公知となっている。この特許文献１には、機械系の共振・反共振周波数のパラメータが不明の場合でも、機械系の振動を抑制するために振動抑制補償器を設け、演算により求めた速度指令と速度検出信号との偏差分を振動抑制補償器に入力して速度指令補償信号を生成し、この補償信号と速度指令基本信号との和を速度信号とすることが記載されている。

特開２００３−３２５４７３

図１０で示すように、電動機による位置制御では速度制御系をマイナループに持ち、位置制御をメジャーループに持つ構成となっており、マイナループの速度制御では、Ｐ（比例）Ｉ（積分）制御にて速度を制御している。また、メジャーループの位置制御ではＰ制御にて位置制御している。

図１１は、図１０で示す従来の位置制御装置における指令値とその応答特性図を示したもので、（ａ）は角度指令値に対する角度検出値特性、（ｂ）は回転数特性、（ｃ）はトルク特性をそれぞれ示したものである。被制御体である電動機には出力可能なトルクトルク範囲があることから、図１０で示すように電流制御部２にはトルクリミッタを設けてトルク制限している。このため、図１１（ｃ）で示すように、トルク電流指令Ｔdyが±１００％のトルク電流リミッタに制限されるような角度指令θref（（ａ）図の線ア参照）が入力されると、線イで示す角度検出θdyがオーバーシュートし、これにより（ｂ）で示す回転数及びトルクが大きく変動して、所謂ワインドアップと呼ばれる振動や行き過ぎ現象が生じる。

近年、例えば、ダイナモメータシステムなどでは加振等の目的により、より安定で高応答な周波数特性を有する位置制御装置が望まれている。しかし、前述のように電動機には出力可能なトルク範囲があることから、従来では速度制御部２でトルク制限にかかるような場合にはワインドアップ対策を施し、また、位置制御もワインアップ対策が必要となっている。このため、フィードバック制御では高応答にするための調整が困難となっていると共に、ワインドアップ対策として位置制御応答を低応答化にて対応すると、位置制御応答の高応答化が困難となっている。

そこで、本発明が目的とするとこは、指令値に対する高応答な位置制御を可能とした位置制御装置を提供することにある。

本発明は、角度指令と角度検出値による偏差信号を位置制御部に入力して角速度指令を算出し、この角速度指令と角速度検出値の偏差信号を速度制御部に入力してトルク電流指令を算出し、このトルク電流指令を基に電流制御部を介して制御対象物を制御するものにおいて、
前記トルク電流指令と角速度検出値を入力して外乱トルク相当の信号を推定する外乱オブザーバ部と、この外乱オブザーバ部による外乱オブザーバ出力値を入力して前記角度指令に対して上下限値の変化率制限を行うリミッタを有する変化率制限部と、前記速度制御部と等価な制御ゲインにて構成されて前記位置制御部からの角速度指令を通過させる目標値フィルタ部を設けたことを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、変化率制限部の変化率リミッタ上限値は、電動機の定格最大駆動トルクから前記外乱オブザーバ部の出力絶対値を減算してサンプリング周期を乗算し、この乗算値を電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値とすると共に、前記変化率制限部の変化率リミッタ下限値は、電動機の定格最大回生トルクと前記外乱オブザーバ部の出力絶対値を加算してサンプリング周期を乗算し、この乗算値を電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値としたことを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、変化率制限部のリミッタの出力側にローパスフィルタを設けたことを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、前記外乱オブザーバ部は、前記角速度検出値と前記トルク電流指令との差信号を外乱トルク相当として推定することを特徴としたものである。

本発明の請求項５は、角度指令と角度検出値による偏差信号を位置制御部に入力して角速度指令を算出し、この角速度指令と角速度検出値の偏差信号を速度制御部に入力してトルク電流指令を算出し、このトルク電流指令を基に電流制御部を介して制御対象物を制御するものにおいて、
前記位置制御部の出力側に速度制限用の速度リミッタと、前記速度制御部と等価な制御ゲインにて構成されて前記速度リミッタを通過した角速度指令を通過させる目標値フィルタ部を設けたことを特徴としたものである。

本発明の請求項６は、速度リミッタの角速度リミッタ上限値は、電動機の定格最大駆動トルクを電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値とし、前記速度リミッタの角速度リミッタ下限値は、電動機の定格最大回生トルクを電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値としたことを特徴としたものである。

本発明の請求項７は、前記速度リミッタに、角速度リミッタの上限値及び角速度リミッタの下限値可変用の角速度リミッタ上下限判定部を設けたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、目標値応答に対しては位置指令値と位置検出値のオーバーシュート量の低減が可能となって、安定で、且つ高応答の位置制御が可能となるものである。

本発明の第1の実施例を示す位置制御装置の構成図。 変化率制限部の構成図。 外乱オブザーバ部の構成図。 第1の実施例による指令値ステップ応答図。 本発明の第2の実施例を示す位置制御装置の構成図。 第２の実施例による指令値ステップ応答図。 本発明の第３の実施例を示す位置制御装置の構成図。 変化率制限部の構成図。 第３の実施例による指令値ステップ応答図。 従来の位置制御装置の構成図。 従来の指令値ステップ応答図。

本発明は、位置制御装置においてリミッタを設け、リミッタの上限値と下限値を適正に設定することで急変する角速度指令に対し位置検出値のオーバーシュート量を低減するようにしたもので、以下各実施例に基づいて詳述する。

図１は本発明の実施例を示す構成図で、図１０と同一部分、若しくは相当部分に同一符号を付してその説明を省略する。７は変化率制限部で、角度指令θref［rad/s］と外乱オブザーバ出力値Ｔobsを入力して変化率制限位置指令θcmdを減算部５に出力する。８は目標値フィルタ部、９は外乱オブザーバ部で、この外乱オブザーバ部９はトルク電流指令Ｔdyと角速度検出ωdy［rad/s］から外乱オブザーバ出力値Ｔobsを算出する。

図１で示す本発明の実施例に先立って、位置制御をＰ制御、速度制御をＩ−Ｐ制御とした場合について説明する。
電流制御部３は、位置制御部1及び速度制御部２の周波数帯域に影響を与えない高応答とするためには次式のようにすればよい。
ωref＝ＫＰθ＊（θref−θdy） …（１）
ωdy＝θdy＊ｓ …（２）
Ｔdy＝｛（ＫＩω／ｓ）＊（ωref−ωdy）｝−（ＫＰω＊ωdy） …（３）
（Ｊｓ＋Ｄ）ωdy＝Ｔdy …（４）
ここで、Ｊはモータ慣性［kgm²］、Ｄは回転損失［Ｎms/rad］、ＫＰθは位置制御部の比例ゲイン、ＫＩωは速度制御部の積分ゲイン、ＫＰωは速度制御部の比例ゲイン、ｓはラプラス演算子である。

上記（１）〜（４）式からθdy／θrefで解くことにより
θdy／θref＝（ＫＩω＊ＫＰθ）／｛Ｊｓ³＋（ＫＰω＋Ｄ）ｓ²＋ＫＩωｓ＋（ＫＩω＊ＫＰθ）｝ …（５）
となる。
（５）式の分母多項式は３次式であり、定数項ＫＩω＊ＫＰθで分母式を割って定数項を１とした式の1次から３次の係数は、ＫＩω、ＫＰθ、ＫＰωに関しては独立になっている。したがって、（５）式の分母多項式が1＋ｃ１＊ｓ＋ｃ２＊ｓ²＋ｃ３＊ｓ³になるよう係数比較を行うと、
ＫＰθ＝１／ｃ１ …（６）
ＫＰω＝（ｃ２＊Ｊ／ｃ３）−Ｄ …（７）
ＫＩω＝ｃ１＊Ｊ／ｃ３ …（８）
となるようパラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩωを決定すればよい。
例えば、全ての極がダンピング係数１となる二項計数型
（ｓ＋１）３＝１＋３＊ｓ＋３＊ｓ²＋１＊ｓ³を求め、ｓをｓ／ｗｓで置き換え、その係数をｃ１，ｃ２，ｃ３とすると、二項計数型では、ｃ１＝３／ｗｃ，ｃ２＝３／ｗｃ²，ｃ３＝１／ｗｃ³となる。このｃ１〜ｃ３に対して、（６）〜（８）式で示される位置制御部１及び速度制御部２の各パラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩωを決定する。目標値フィルタ部８は、ＫＩω／(ＫＰωｓ+ＫＰθ)のゲイン特性を有し、速度制御が図１で示すＰＩ制御構造にすると、各パラメータは（６）式〜（８）式により決定されて速度制御部２のＩ−Ｐ制御構造と等価にされている。

図１で示す実施例では、上記のように３つのパラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩωが一意に算出できることから、パラメータ調整が不要となることを前提として位置制御装置が構成される。図１で示す変化率制限部７は図２のように構成されて変化率リミッタ上限値（θ_-Rate_-Lim_-H）は（９）式とされ、変化率リミッタ下限値（θ_-Rate_-Lim_-L）は（１０）式とされている。

外乱オブザーバ部９で算出された外乱オブザーバ出力値Ｔobsは、トルクリミッタ７０、ローパスフィルタ７１を経て絶対値変換部７２で絶対値に変換される。その絶対値は、一方で電動機の定格最大駆動トルクＴmax［Ｎm］との差演算が実行され、予め設定されたサンプリング周期Ｔs［sec］で乗算（乗算部７３で）され、比例要素７５でモータ慣性Ｊ及び位置制御部１の比例ゲインＫＰθで除算する。除算により得られた信号はリミッタ７７に入力されて変化率リミッタの上限値となる。

他方、絶対値は設定された電動機の定格最大回生トルクＴmin［Ｎm］とも加算され、乗算部７４でサンプリング周期と乗算される。乗算値は比例要素７６で
モータ慣性Ｊ及び位置制御部１の比例ゲインＫＰθで除算され、得られた信号は
リミッタ７７に出力されて変化率リミッタの下限値となる。
すなわち、変化率制限部７は外乱オブザーバを優先とした変化率制限とされており、速度制御がトルクリミッタにかからないよう制御される。

変化率制限部７に入力された角度指令θrefは、減算部７８において遅延回路７９により1サンプリング遅延された前回サンプルの変化率制限位置指令θcmdが減算され、リミッタ７７に入力される。リミッタ７７では設定された上下限値間の入力信号に比例した信号を出力し、その信号は加算部において遅延回路７９によって1サンプル遅延された前回サンプル値と加算されて変化率制限位置指令θcmdとなって減算部５に出力される。減算部５では、フィードバックされた機械特性部４の角度検出θdyとの偏差信号が求められ、位置制御部１を介して目標値フィルタ部８に入力される。
目標値フィルタ部８を通過した角速度指令ωrefは、減算部６においてフィードバックされた機械特性部４の角速度検出ωdyと減算されて速度制御部２に入力され、トルク電流指令Ｔdyが算出されて電流制御部３と外乱オブザーバ部９に出力される。

外乱オブザーバ部９は、図３のように構成されている。すなわち、要素９１に
角速度検出ωdyを入力し、要素９２にトルク電流指令Ｔdyを入力して減算部９３で両者の差信号を得ることで外乱トルク相当の信号を推定している。ここで、
Ｇ（ｓ）は相対次数1次以上の任意の伝達関数とされ、ｓは微分演算をラプラス演算子ｓにより表現したものである。

図４は、図１で示す実施例の位置制御による指令値ステップ応答を示したもので、（ａ）は角度指令値に対する角度検出値特性、（ｂ）は回転数特性、（ｃ）はトルク特性をそれぞれ示したものである。図４で明らかなように、線アで示すステップ状に入力された角度指令値に対する検出値（線イ）には、従来のようなオーバーシュートの発生は低減され、それに伴って回転数、及びトルク変動は大幅に抑制されている。

したがって、この実施例によれば、位置制御を安定で、且つ高応答の制御が可能となり、目標値応答に対しては位置指令値と位置検出値のオーバーシュート量の低減が可能となるものである。また、定格最大駆動トルクＴmaxから外乱オブザーバ出力値Ｔobsを減算していることで、外乱トルク優先の位置制御が可能となるなどの効果を奏するものである。

図５は第２の実施例を示したもので、図１０で示す位置制御装置に速度リミッタ１０と目標値フィルタ部８を設けたものである。なお、速度リミッタ１０には、角速度リミッタ上限判定部１１と、角速度リミッタ下限判定部１２を備えている。
他は図１０と同様である。
速度リミッタ１０による角速度リミッタ上限値ω_-Lim_-Hは（１１）式とされ、角速度リミッタ下限値ω_-Lim_-Lは（１２）式のように構成される。

角速度リミッタ上限値ω_-Lim_-Hは、定格最大駆動トルクＴmaxをモータ慣性Ｊ、及び位置制御部１の比例ゲインＫＰθで除算することで求めている。
また、角速度リミッタ下限値ω_-Lim_-Lは、定格最大回生トルクＴminをモータ慣性Ｊ、及び位置制御部１の比例ゲインＫＰθで除算することで求めている。
なお、目標値フィルタ部８は、図１と同様に速度制御部２のＩ−Ｐ制御構造と等価にされている。

位置制御部１において、角度指令θrefと角度検出θdyの偏差信号に比例ゲインを乗算して得られた角速度指令ωrefは、速度リミッタ１０に入力されることにより角速度リミッタ上限値ω_-Lim_-Hと角速度リミッタ下限値ω_-Lim_-Lに速度制限された角速度指令値ωcmdが生成される。この角速度指令値ωcmdは目標値フィルタ部８を介して減算部６に出力されて角速度検出ωdyと差演算が実行された後、速度制御部２に入力され、トルク電流指令Ｔdyが算出されて電流制御部３を介して電動機を制御する。

速度リミッタ１０の角速度リミッタの上下限値を任意に設定したい場合で、外部角速度リミッタ上限値Ｅxt_-H、外部角速度リミッタ下限値Ｅxt_-Lがある場合には、角速度リミッタ上下限判定部１１，１２によってそれぞれのリミッタ値を設定する。すなわち、角速度リミッタ上限判定部１１において、Ｅxt_-H＜（Ｔmax／Ｊ・ＫＰθ）と判定された場合には端子ａからｂに切り替り、角速度リミッタ上限値ω_-Lim_-Hを、ω_-Lim_-H＝Ｅxt_-Hに設定する。
角速度リミッタ上限判定部１１において、Ｅxt_-H＞（Ｔmax／Ｊ・ＫＰθ）と判定された場合には端子ｂからａに切り替り、角速度リミッタ上限値ω_-Lim_-Hを、
ω_-Lim_-H＝Ｔmax／Ｊ・ＫＰθに設定する。

また、角速度リミッタ下限判定部１２において、Ｅxt_-L＜（Ｔmin／Ｊ・ＫＰθ）と判定された場合には端子ａ´からｂ´に切り替り、角速度リミッタ下限値ω_-Lim_-Lは、ω_-Lim_-L＝Ｅxt_-Lとなる。
角速度リミッタ下限判定部１２において、Ｅxt_-L＞（Ｔmin／Ｊ・ＫＰθ）と判定された場合には、端子ｂ´からａ´に切り替り、角速度リミッタ下限値ω_-Lim_-Lは、ω_-Lim_-L＝Ｔmin／Ｊ・ＫＰθとなる。

図６は、図５で示す実施例の位置制御による指令値ステップ応答を示したもので、（ａ）は角度指令値に対する角度検出値特性、（ｂ）は回転数特性、（ｃ）はトルク特性をそれぞれ示したものである。図６で明らかなように、線アで示すステップ状に入力された角度指令値に対し、線イで示す検出値には従来のようなオーバーシュートの発生は低減され、それに伴って回転数、及びトルク変動は大幅に抑制されている。

したがって、第２の実施例によれば、外乱トルクが定格最大駆動トルクＴmax以上で入力された場合でも、位置制御を安定で、且つ高応答の制御が可能となり、目標値応答に対しては位置指令値と位置検出値のオーバーシュート量の低減が可能となるものである。
また、任意の角速度リミッタ上下限値を設けることにより、過速度防止機能としての動作が可能となるものである。

図７は第３の実施例を示したものである。この実施例で、図１で示す第1の実施例と異なるところは変化率制限部７ａの出力側にローパスフィルタＬＰＦを設けたことである。図８は変化率制限部７ａの構成図を示したもので、リミッタ７７の出力側にローパスフィルタＬＰＦを設け、変化率位置制限指令θcmdをこのローパスフィルタＬＰＦを経てから得るよう構成したものである。他は図１と同様である。

図９は第３の実施例による位置制御による指令値ステップ応答を示したもので、第1の実施例よりも更に位置指令値と位置検出のオーバーシュート量の低減が可能となり、安定で、且つ高応答の位置制御制御が可能となるものである。

１… 位置制御部
２… 速度制御部
３… 電流制御部
４… 回転体の機械特性部
５、６… 減算部
７… 変化率制限部
８… 目標値フィルタ部
９… 外部オブザーバ部
１０… 速度リミッタ

Claims (7)

1. 角度指令と角度検出値による偏差信号を位置制御部に入力して角速度指令を算出し、この角速度指令と角速度検出値の偏差信号を速度制御部に入力してトルク電流指令を算出し、このトルク電流指令を基に電流制御部を介して制御対象物を制御するものにおいて、
   前記トルク電流指令と角速度検出値を入力して外乱トルク相当の信号を推定する外乱オブザーバ部と、この外乱オブザーバ部による外乱オブザーバ出力値を入力して前記角度指令に対して上下限値の変化率制限を行うリミッタを有する変化率制限部と、前記速度制御部と等価な制御ゲインにて構成されて前記位置制御部からの角速度指令を通過させる目標値フィルタ部を設けたことを特徴とした電動機の位置制御装置。
2. 前記変化率制限部の変化率リミッタ上限値は、電動機の定格最大駆動トルクから前記外乱オブザーバ部の出力絶対値を減算してサンプリング周期を乗算し、この乗算値を電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値とすると共に、前記変化率制限部の変化率リミッタ下限値は、電動機の定格最大回生トルクと前記外乱オブザーバ部の出力絶対値を加算してサンプリング周期を乗算し、この乗算値を電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値としたことを特徴とした請求項１記載の電動機の位置制御装置。
3. 前記外乱オブザーバ部は、前記角速度検出値と前記トルク電流指令
   との差信号を外乱トルク相当として推定することを特徴とした請求項１又は２記載の電動機の位置制御装置。
4. 前記変化率制限部のリミッタの出力側にローパスフィルタを設けたことを特徴とした請求項1乃至３の何れかに記載の電動機の位置制御装置。
5. 角度指令と角度検出値による偏差信号を位置制御部に入力して角速度指令を算出し、この角速度指令と角速度検出値の偏差信号を速度制御部に入力してトルク電流指令を算出し、このトルク電流指令を基に電流制御部を介して制御対象物を制御するものにおいて、
   前記位置制御部の出力側に速度制限用の速度リミッタと、前記速度制御部と等価な制御ゲインにて構成されて前記速度リミッタを通過した角速度指令を通過させる目標値フィルタ部を設けたことを特徴とした電動機の位置制御装置。
6. 前記速度リミッタの角速度リミッタ上限値は、電動機の定格最大駆動トルクを電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値とし、前記速度リミッタの角速度リミッタ下限値は、電動機の定格最大回生トルクを電動機慣性及び位置制御部の比例ゲインで除算した値としたことを特徴とした請求項５記載の電動機の位置制御装置。
7. 前記速度リミッタに、角速度リミッタの上限値及び角速度リミッタの下限値可変用の角速度リミッタ上下限判定部を設けたことを特徴とした請求項６記載の電動機の位置制御装置。

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