JP6041075B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機制御装置に関する。

特許文献１には、外乱オブザーバと位相進めフィルタによる位相補償部を設けた電動機制御装置が記載されている。同文献には、電動機制御装置が用いる慣性モーメントの値とその真値の比である慣性モーメント比が０〜３０倍までを補償し、制御系を安定化するとともに応答を負荷によらず一定とできることが示されている。

国際公開２００５／９３９３９号

本発明の解決しようとする課題は、慣性モーメント比にかかわらず、電動機制御における制御系を安定化するとともに、応答を負荷によらず一定とすることである。

本発明の一側面に係る電動機制御装置は、電動機に対する加速度指令を演算する加速度指令演算部と、前記加速度指令と所定の慣性モーメント値に基いて前記電動機に対するトルク指令を演算するトルク指令演算部と、電動機位置及び電動機速度の少なくともいずれか、並びに前記トルク指令に基いて前記電動機の外乱を推定し前記トルク指令に対するトルク補正値を演算するトルク補正値演算部と、前記トルク指令と前記トルク補正値の比である推定慣性モーメント比に基いて前記慣性モーメント値を変更する慣性モーメント値変更部と、を有する。

さらに、本発明の一側面に係る電動機制御装置は、前記慣性モーメント値変更部は、前記推定慣性モーメント比に基いて、前記慣性モーメント値を段階的に変更してよい。

さらに、本発明の一側面に係る電動機制御装置は、前記慣性モーメント値変更部が前記慣性モーメント値を増加させる際の前記推定慣性モーメント比の閾値である増加時閾比と、前記慣性モーメント値を減少させる際の前記推定慣性モーメント比の閾値である減少時閾比が異なってよい。

さらに、本発明の一側面に係る電動機制御装置は、前記慣性モーメント値変更部は、前記推定慣性モーメント比にローパスフィルタを作用させた値に基いて前記慣性モーメント値を変更してよい。

さらに、本発明の一側面に係る電動機制御装置は、前記電動機に対する速度指令を演算する速度指令演算部と、前記トルク指令と電動機位置に基いて前記加速度指令演算部に入力する推定電動機速度を推定する電動機速度推定部と、を有してよい。

さらに、本発明の別の一側面に係る電動機制御方法は、電動機に対する加速度指令を演算し、前記加速度指令と所定の慣性モーメント値に基いて前記電動機に対するトルク指令を演算し、電動機位置及び電動機速度の少なくともいずれか、並びに前記トルク指令に基いて前記電動機の外乱を推定し前記トルク指令に対するトルク補正値を演算し、前記トルク指令と前記トルク補正値の比である推定慣性モーメント比に基いて前記慣性モーメント値を変更する。

本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置の制御ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置の制御ブロックをより詳細に示した図である。 慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値が１５である場合の本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置による動作の例を示すグラフである。 慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値が３５である場合の従来の電動機制御装置による動作の例を示すグラフである。 慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値が３５である場合の本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置による動作の例を示すグラフである。 慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値が５０である場合の本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置による動作の例を示すグラフである。 慣性モーメント値変更部８の動作を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る電動機制御装置の制御ブロック図である。

本発明の発明者の見地によれば、一般に、電動機制御において、加速度指令値を電動機のトルク指令値に変換するためには、電動機自身及び電動機に接続される負荷の慣性モーメントの値が必要である。そして、この慣性モーメントの値が真値と大きく異なる場合には、制御系が不安定となってしまう。しかしながら、この慣性モーメントの値を正確に求めるのは一般に困難であり、また電動機の駆動中に変動することもある。

これに対して、慣性モーメントの値を自動的に求める動作を行う制御がいわゆる慣性モーメント同定としてよく知られているが、この技術では同定のための特別の動作が必要であり、また、運転中の慣性モーメントの変動への対応が難しい。そこで、上に示したように、慣性モーメントの値が相当程度真値と異なっていても制御系が安定するよう、制御系にロバスト性を付与する技術が提案されているものの、かかる技術においても補償できる慣性モーメント比の範囲には上限がある。

本発明の発明者は、電動機制御において慣性モーメント比にかかわらず簡易に制御系を安定化させ、負荷によらない応答を得ることについて鋭意研究開発を行った結果、新規かつ独創的な電動機制御装置を想到するにいたった。以下、かかる電動機制御装置をその実施形態を通じ詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置１００の制御ブロック図である。ここで、電動機制御装置は、サーボモータやインバータを作動させるための電力を供給するアンプや、アンプから出力される電流や電圧その他を制御するための制御回路が一体となった機器である。現代においては、電動機制御装置における制御は多くの場合デジタルプロセッサによる離散制御（いわゆるデジタル制御）であるため、図１に示した制御ブロックは必ずしも物理的に存在する電気回路を示すものではなく、デジタルプロセッサ上で実行されるソフトウェアによりその機能を実現されているものを含んでいる。

第１の実施形態では、電動機制御装置１００は、位置指令ｕを制御入力として入力され、制御対象の位置Ｘを制御出力として出力するものである。

電動機制御装置１００では、位置指令ｕはノード１において負荷５、すなわち電動機と、電動機に取り付けられた機械部品類の現在位置Ｘが減算され偏差ｅとなり、続く速度指令演算部２により速度指令ｖに、さらに加速度指令演算部３により加速度指令ａへと変換される。さらに、加速度指令ａは、トルク指令演算部４において、設定された慣性モーメント値Ｊ_０と乗算されトルク指令Ｔへと変換される。

一般的な電動機制御では、このトルク指令Ｔを電動機・負荷５に入力し、インバータ等による電流・電圧制御を行い、電動機を駆動することとなるが、本実施形態では、トルク指令Ｔに対してトルク補正値演算部６からのトルク補正値Ｔ_ｃを加算することにより補正後トルク指令Ｔ_ｒを得ており、この補正後トルク指令Ｔ_ｒが電動機・負荷５に入力される。

トルク補正値演算部６は、擾乱を受けるモデル（ノミナルモデル）を組み込んだ状態オブザーバとして設計される外乱オブザーバである。後述する例では、トルク補正値演算部６は、電流ループモデルと、ノミナルモデルの逆システムと、ローパスフィルタからなっている。

また、電動機速度推定部７は、電動機速度を推定する速度オブザーバとして機能すると同時に位相を進める位相補償器としての働きを持っている。得られる推定電動機速度ｖ_ｅは加速度指令演算部３に入力され速度フィードバックループを構成し、また当該ループにおける位相を進めることによる位相余裕が改善され、応答が安定化する。

そして、本実施形態に係る電動機制御装置１００では、トルク補正値演算部６と電動機速度推定部７の働きにより、電動機・負荷５における実際の慣性モーメントＪ_Ｐと、トルク指令演算部４において用いられる慣性モーメント値Ｊ_０とが正確に一致していなくとも制御系を安定化し、位置指令ｕに対する所望の追従性能を得ることができる。このとき、制御系が安定であり、所望の追従性能が得られる慣性モーメント値Ｊ_０と実際の慣性モーメントＪ_Ｐの比である慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値の範囲は、背景技術に示したように、０〜３０以下である。

なお、本実施形態に係る電動機制御装置１００では、速度フィードバックループにおいて電動機速度推定部７を用いることにより電動機速度を推定するとともに位相補償を行っているが、必ずしも位相補償を行わなくともよいし、電動機速度を推定する代わりに電動機・負荷５の出力である現在位置Ｘを微分することにより電動機速度を直接求めてもよい。この場合には、慣性モーメント値Ｊ_０と実際の慣性モーメントＪ_Ｐの不一致を含む擾乱の影響を受けやすく、また、位相余裕が得られなくなるため、制御系が安定であり、所望の追従性能が得られる慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値の範囲はより小さくなる。

そして、さらに慣性モーメント値変更部８が設けられ、トルク指令Ｔとトルク補正値Ｔ_ｃの比に基いて、トルク指令演算部４にて用いられる慣性モーメント値Ｊ_０の値を変更することにより、実際の慣性モーメントＪ_Ｐの値によらずに制御系を安定化し、所望の追従性能を得るようになっている。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置１００の制御ブロックをより詳細に示した図である。なお、ここで示した制御ブロックは図１で示した制御ブロックを具体化する一例であり、図１に示した制御ブロックが図２で示したものに限定される意ではない。

図示のように、トルク指令演算部４は慣性モーメント値Ｊ_０を加速度指令ａに乗算する構成となっている。また、トルク指令演算部４の後段にはローパスフィルタ４１が挿入されている。

電動機・負荷５には、電動機の慣性モーメントＪ_Ｍと電動機に接続された負荷の慣性モーメントＪ_Ｌを含む制御対象が含まれる。ここでは、制御対象の例として、機械共振系であるＲ（ｓ）と、機械剛体系である１／（Ｊ_Ｍ＋Ｊ_Ｌ）ｓの積からなるものを例示した。また、電動機・負荷５の前段には、補正後トルク指令Ｔ_ｒを電流に変換する、インバータ等を含む電流制御部が設けられている。そして、電動機・負荷５には外乱トルクＴ_ｄが作用しており、この外乱トルクＴ_ｄは補正後トルク指令Ｔ_ｒに対する外乱として記述される。トルク指令演算部４で使用する慣性モーメント値Ｊ_０は、理想的には、制御対象に含まれる電動機の慣性モーメントＪ_Ｍと電動機に接続された負荷の慣性モーメントＪ_Ｌを合成した慣性モーメント値とすることが望ましいが、これらの慣性モーメント、特に負荷の慣性モーメントＪ_Ｌは事前に得ることが難しいため、本実施形態に係る電動機制御装置１００では、慣性モーメント値Ｊ_０の初期値として電動機の慣性モーメントＪ_Ｍの値か、概ねこれに近い値を用いる。

電動機速度推定部７は、制御対象モデル７１とローパスフィルタ７２を含むループとして構成されており、制御対象モデル７１により電動機速度の推定をするとともに、ローパスフィルタ７２の前段より推定電動機速度ｖ_ｅを取り出すことにより、加速度指令演算部３に位相の進んだ速度フィードバックを行う。この構成により、先に記述したように、速度フィードバックループにおける位相余裕が改善される。

なお、慣性モーメント値変更部８によりトルク指令演算部４の慣性モーメント値Ｊ_０が変更された際に、トルク補正値演算部６のノミナルモデルの逆システム６１や、電動機速度推定部７の制御対象モデル７１がかかる慣性モーメント値Ｊ_０を使用している場合には、これらノミナルモデルの逆システム６１や制御対象モデル７１において使用される慣性モーメント値Ｊ_０もまた変更されることになる。

これに対し、図４は、慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値が３５である場合の従来の電動機制御装置による動作の例を示すグラフである。ここで用いる従来の電動機制御装置は、本実施形態に係る電動機制御装置１００が有する慣性モーメント値変更部８が設けられていない他は、電動機制御装置１００と同一の構成を有するものを想定している。

このとき、同図下段に示すように、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値は電動機の加速開始と同時に速やかに上昇する。ここで、電動機制御装置１００の慣性モーメント値変更部８は、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値をモニターしており、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が所定の値（これを増加時閾比と呼ぶ）を超えると、トルク指令演算部４で用いる慣性モーメント値Ｊ_０の値を段階的に変更する。ここでは、電動機制御装置１００は推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔにより推定される慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値が２５〜３０程度まで安定制御が可能であるから、余裕を見て増加時閾比を２０としている。また、慣性モーメント値Ｊ_０の初期値は電動機慣性モーメントＪ_Ｍである。

この結果、電動機の加速開始時にはＪ_０＝Ｊ_Ｍであるが、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔが２０を超えるとＪ_０にＪ_Ｍを加算し、Ｊ_０＝２Ｊ_Ｍに変更する。これにより、Ｊ_０が２倍に増加し、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔは１／２に減少する。その後推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔは概ね１７．５付近で安定する。これは慣性モーメント値Ｊ_０の値の更新後の慣性モーメント比がＪ_Ｐ／２Ｊ_Ｍ＝１７．５となることと合致する。図５下段のグラフ下部には、慣性モーメント値Ｊ_０の値を併せて示した。

このようにして、電動機制御装置１００は実際の慣性モーメントＪ_Ｐの値のいかんにかかわらず、慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０を２５〜３０以下に常に保ち、制御の安定化と所望の追従性能を得るのである。

、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値は同図下段に示すようになっており、まず慣性モーメント値Ｊ_０が初期値であるＪ_Ｍの状態で推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が上昇していく。推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が増加時閾比２０を超えると慣性モーメント値変更部８により、慣性モーメント値Ｊ_０にＪ_Ｍが加算され２Ｊ_Ｍに変更される。推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値はさらに上昇し、再び増加時閾比２０を超えるが、このときも同様に慣性モーメント値変更部８により、慣性モーメント値Ｊ_０にＪ_Ｍが加算され３Ｊ_Ｍに変更される。この結果、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値は概ね１６．７付近で安定する。これは更新後の慣性モーメント比がＪ_Ｐ／３Ｊ_Ｍ＝１６．７となることと合致する。図６下段のグラフ下部にも、慣性モーメント値Ｊ_０の値を併せて示した。

以上示したように、電動機制御装置１００では、慣性モーメント値変更部８により、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が所定の増加時閾比を超える度に慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に変更する、すなわち、段階的に増加させており、これにより推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔにより推定される慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０を所定の値以下に保ち、制御系を安定化するとともに所望の追従性能を得るのである。このとき、増加時閾比は制御系が安定となる慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の余裕に応じて適宜設定してよく、また、慣性モーメント値Ｊ_０の初期値や、慣性モーメント値Ｊ_０を増加させる際の差分は任意であり、本実施形態で示したように必ずしも電動機慣性モーメントＪ_Ｍを用いなくともよい。慣性モーメント値Ｊ_０を定数倍（例えば、２倍）することにより増加させてもよい。

さらに、慣性モーメント値変更部８は、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔに基いて、慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に変更しているが、これを連続的に変更するようにすることも可能である。ただし、慣性モーメント値Ｊ_０の値が頻繁に変更されることにより制御系の安定性を却って損なってしまう可能性があり、また情報処理の負荷も増大するため、本実施形態で示したように慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に変更する構成の方がより好ましい。また、ノイズの影響を低減するため、慣性モーメント値変更部８は、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値に任意のローパスフィルタ、例えば１次遅れフィルタを作用させた値に基いて慣性モーメント値Ｊ_０を変更する構成とすることが望ましい。このときの時定数は、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値の変化に追従できる程度の値としておく。

さらに、以上の説明では、慣性モーメント値変更部８は、慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に増加するのみであったが、これに加え、慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に減少させるようにしてもよい。この構成は、例えば電動機に接続された負荷が荷物を運搬するアーム等のように負荷変動を伴うものである場合に、荷物を把持した状態から離した状態となった時に実際の慣性モーメントＪ_Ｐの値が大きく減少し、これにより慣性モーメント比Ｊ_Ｐ／Ｊ_０の値が極端に小さくなってしまう場合が想定されるためである。

そこで、慣性モーメント値変更部８は、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が所定の値（これを減少時閾比と呼ぶ）を下回ると、トルク指令演算部４で用いる慣性モーメント値Ｊ_０の値を段階的に減少させるとよい。ここで、減少時閾比は増加時閾比とは異なる値、特に、増加時閾比より十分に小さい値としておくことが望ましい。この理由は、ノイズ等により推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が変動した場合に、慣性モーメント値Ｊ_０の値の増加と減少が頻繁に繰り返されて制御系の安静性を損なうことが無いようにするためである。ここでは、制御系は、実際の慣性モーメントＪ_Ｐが電動機の慣性モーメントＪ_Ｍに等しい状態で（すなわち、無負荷の状態で）安定するように設計されているため、減少時閾比としては例えば１を選択することができる。すなわち、慣性モーメント値変更部８は、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が減少時閾比である１を下回ったならば慣性モーメント値Ｊ_０の値からＪ_Ｍを減算していき、慣性モーメント値Ｊ_０が初期値であるＪ_Ｍに到達するまでこれを繰り返す。

図７は、以上説明した慣性モーメント値変更部８の動作を示すフロー図である。慣性モーメント値変更部８は、電動機制御装置１００の動作開始により、まずステップＳＴ１にてトルク指令演算部４で用いる慣性モーメント値Ｊ_０に所定の初期値、ここでは電動機慣性モーメントＪ_Ｍを設定する。

続いて、ステップＳＴ２にて、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が増加時閾値である２０を超えるか否かを判断する。増加時閾値である２０を超えた場合にはステップＳＴ３へと進み、慣性モーメント値Ｊ_０に所定の値、ここでは電動機慣性モーメントＪ_Ｍを加算することにより、慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に増加する。

ステップＳＴ２にて推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が増加時閾値を超えない場合には、ステップＳＴ４へと進み、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が減少時閾値である１を下回るか否かを判断する。減少時閾値である１を下回った場合にはさらにステップＳＴ５へと進み、慣性モーメント値Ｊ_０がすでに所定の初期値である電動機慣性モーメントＪ_Ｍに等しいか否かを判断する。慣性モーメント値Ｊ_０が初期値でない場合、すなわち、慣性モーメント値Ｊ_０に何らかの加算がなされている場合にはステップＳＴ６へと進み、慣性モーメント値Ｊ_０から所定の値、ここでは電動機慣性モーメントＪ_Ｍを減算することにより、慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に減少する。

ステップＳＴ３の処理及びステップＳＴ６の処理の終了後、並びに、ステップＳＴ４で推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値が減少時閾値を下回らないと判断された場合及びステップＳＴ５で慣性モーメント値Ｊ_０がすでに所定の初期値であると判断された場合には、いずれもステップＳＴ２へと戻る。慣性モーメント値変更部８は、このステップＳＴ２〜ＳＴ６までの処理を制御周期に合わせて繰り返し実行することにより、推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔの値をモニターする。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る電動機制御装置２００の制御ブロック図である。本実施形態に係る電動機制御装置２００では、位置フィードバックループを持たず速度フィードバックループのみが設けられており、また、電動機速度推定部７が設けられていない点で先の実施形態に係る電動機制御装置１００と相違しているが、その他の点では同様であるから、共通する要素には同一符号番号を付し、その重複する説明は省略することとする。

このような構成においても、先に説明した電動機制御装置１００と同様に、慣性モーメント値変更部８によりトルク指令演算部４にて用いる慣性モーメント値Ｊ_０を段階的に変更することにより、実際の慣性モーメントＪ_Ｐの値のいかんにかかわらず、制御の安定化と所望の追従性能を得ることができる。電動機制御装置２００においても、慣性モーメント値Ｊ_０の変更は推定慣性モーメント比Ｔ_ｃ／Ｔに基いてなされ、その動作に相違はない。

以上説明した実施形態は具体例として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成に限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、物理的構成の形状や数、配置等を変更してもよい。また、実施形態にて示された制御は、同等の機能を有するアルゴリズムであれば、開示されたフロー図に具体化されたものに限定されない。本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

Claims (6)

1. 電動機に対する加速度指令を演算する加速度指令演算部と、
   前記加速度指令と所定の慣性モーメント値に基いて前記電動機に対するトルク指令を演算するトルク指令演算部と、
   電動機位置及び電動機速度の少なくともいずれか、並びに前記トルク指令に基いて前記電動機の外乱を推定し前記トルク指令に対するトルク補正値を演算するトルク補正値演算部と、
   前記トルク指令と前記トルク補正値の比である推定慣性モーメント比に基いて前記慣性モーメント値を変更する慣性モーメント値変更部と、
   を有する電動機制御装置。
2. 前記慣性モーメント値変更部は、前記推定慣性モーメント比に基いて、前記慣性モーメント値を段階的に変更する請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 前記慣性モーメント値変更部が前記慣性モーメント値を増加させる際の前記推定慣性モーメント比の閾値である増加時閾比と、前記慣性モーメント値を減少させる際の前記推定慣性モーメント比の閾値である減少時閾比が異なる請求項２に記載の電動機制御装置。
4. 前記慣性モーメント値変更部は、前記推定慣性モーメント比にローパスフィルタを作用させた値に基いて前記慣性モーメント値を変更する請求項２又は３に記載の電動機制御装置。
5. 前記電動機に対する速度指令を演算する速度指令演算部と、
   前記トルク指令と電動機位置に基いて前記加速度指令演算部に入力する推定電動機速度を推定する電動機速度推定部と、
   を有する請求項１〜４のいずれかに記載の電動機制御装置。
6. 電動機に対する加速度指令を演算し、
   前記加速度指令と所定の慣性モーメント値に基いて前記電動機に対するトルク指令を演算し、
   電動機位置及び電動機速度の少なくともいずれか、並びに前記トルク指令に基いて前記電動機の外乱を推定し前記トルク指令に対するトルク補正値を演算し、
   前記トルク指令と前記トルク補正値の比である推定慣性モーメント比に基いて前記慣性モーメント値を変更する、
   電動機制御方法。

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