JP6304947B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

従来、モータ制御装置では、目標値と現在値の偏差をなくすために、モータの回転数（速度）等を計測し、モータ駆動制御にフィードバックを行うＰＩ制御等が行われている。この制御方法は、ゲイン設定値を高くしてモータの応答性を高くすることで、偏差を早くなくし高精度な制御を実現できる。しかし、ゲイン設定値を高くしすぎた場合やモータの特性変化および負荷変動が起こった場合、制御系が発振するという欠点がある。

特許文献１では、このような欠点を解決するために、速度ループゲインを故意に上げて制御系を振動させた後、速度ループゲインを下げていき、振動の収まるゲイン値を最大値とするゲイン設定を行っている。

特許４３８０２５４号公報

しかしながら、特許文献１では、ゲイン値を故意に上げて制御系に発振を起こしゲインを調整する場合、発振が起きてからでしかゲイン自動調整を行うことができないため、ゲイン自動調整のリアルタイム性に欠ける。

このような課題を鑑みて、本発明は、発振が起きたときのみでなく発振系に近づいている場合でもゲイン調整を行うことで、よりゲイン自動調整のリアルタイム性を向上させることが可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのモータ制御装置は、モータを駆動する制御部と、第１の時刻における前記モータの第１の速度と、前記第１の時刻から所定時間後の第２の時刻における前記モータの第２の速度を検出する検出部と、を有し、前記制御部は、前記第１および第２の速度から算出される速度変化量と、前記第１および第２の時刻から算出される時間変化量と、を用いて前記モータの加速度を算出し、前記加速度が加速度許容値より大きい場合および加速度許容値以下である場合、速度ループゲインを調整し、前記加速度が前記加速度許容値より大きい場合に速度ループゲインを下げ、前記加速度が前記加速度許容値以下である場合、前記第１および第２の速度から算出される前記第２の時刻から前記所定時間後の第３の時刻における第３の速度、前記第２の速度および目標速度を用いて速度ループゲインを調整することを特徴とする。

また、本発明の他の側面としてのモータ制御装置は、モータを駆動する制御部と、第１の時刻における前記モータの第１の速度と、前記第１の時刻から所定時間後の第２の時刻における前記モータの第２の速度を検出する検出部と、を有し、前記制御部は、前記第１の速度と前記第１および第２の時刻とを用いて算出される前記モータの第１の移動量と、前記第２の速度と前記第１および第２の時刻とを用いて算出される前記モータの第２の移動量と、を用いて第１の差分値を算出し、前記第１の差分値が目標移動量誤差許容値より大きい場合に速度ループゲインを下げることを特徴とする。

本発明によれば、発振が起きたときのみでなく発振系に近づいている場合でもゲイン調整を行うことで、よりゲイン自動調整のリアルタイム性を向上させることが可能なモータ制御装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 実施例１のゲイン自動調整のフローチャートである。 実施例２のゲイン自動調整のフローチャートである。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。本実施形態では、制御方法や使用する制御情報に応じて、図１（ａ）から図１（ｄ）に示すような構成を採用している。

ＣＰＵ１は、外部からの目標速度や目標位置の指令値に対する速度制御や位置制御を演算する。インバータ部２は、ドライバ部３をスイッチングさせ、モータ４を駆動する。ドライバ部３は、モータ４に電源供給する。検出部５は、モータ４の出力から速度情報や位置情報を読み取り、それらの情報をＣＰＵ１にフィードバックする。

ＣＰＵ１は、図１（ａ）から図１（ｄ）に示すように、ゲイン調整部７と速度制御部８を共通に備えている。ただし、制御方法や使用する制御情報に応じて、積分器や微分器などの構成を加えることや、位置比例ゲインを考慮する必要がある。

なお、本実施形態では、モータ４から検出部５に信号を入力しているが、モータ４に接続された駆動装置（不図示）から検出部５に信号を入力してもよい。

例えば、図１（ａ）に示すような速度制御を行う場合、まず、指令信号として目標速度ｖ_ｏｂｊがＣＰＵ１に入力され、モータ４はＣＰＵ１によって駆動制御される。検出部５は、モータ４から出力された速度情報をＣＰＵ１に出力する。入力された速度情報はＣＰＵ１内の減算器に入力された後、ゲイン調整部７でゲインが調整される。単純なＰＩ制御では、ゲインは速度ループゲインＫ、積分時定数Ｔｉを用いて以下の式で求められる。

Ｋ／（１＋Ｔｉｓ）・・・（１）
式（１）は、ＰＩ制御以外の制御方法についても適用可能である。速度制御部８によってゲイン調整部７で調整されたゲインを用いて駆動速度が決定される。このような速度制御を行うことで、速度偏差をなくすことが可能となる。

本実施例のゲイン自動調整について図２を用いて説明する。図２は、本実施例のゲイン自動調整のフローチャートであり、「Ｓ」はステップの略である。

ゲイン調整は、サンプリング時刻ｔ１におけるモータ４の速度（以下、前回認識速度という）と、サンプリング時刻ｔ１から所定時間後のサンプリング時刻ｔ２におけるモータ４の速度（以下、現在認識速度という）を用いて行われる。サンプリング間隔は、ＣＰＵ１の制御クロックによって定められている。

まず、ゲイン調整部７は、サンプリング時刻ｔ１とサンプリング時刻ｔ２で減算を行い、時間変化量Δｔを算出する（Ｓ１０１）。次に、現在認識速度ｖ_ｎｏｗと前回認識速度ｖ_{ｎｏｗ−１}で減算を行い、速度変化量Δｖを算出する（Ｓ１０２）。Ｓ１０３において、時間変化量Δｔと速度変化量Δｖから加速度αを算出する。Ｓ１０４において、速度変化量Δｖと現在認識速度ｖ_ｎｏｗで加算を行い、サンプリング時刻ｔ２から所定時間後のサンプリング時刻ｔ３におけるモータ４の速度（以下、次回認識予定速度ｖ_ｎｅｘｔという）を算出する。

Ｓ１０５において、加速度αを用いて発振が起きているか判定する。すなわち、加速度αが加速度許容値αｌｉｍ以下であるか、つまり異常な加速度になっていないかの判定を行う。

判定が偽である場合、発振が起きていると判断し、速度ループゲインを下げる（Ｓ１１０）。そして、Ｓ１１１にて速度ループゲインを決定した後、ゲイン調整部７の処理を終了し、速度制御部８に処理を移す。判定が真である場合、Ｓ１０６に進む。

Ｓ１０６において、次回認識予定速度ｖ_ｎｅｘｔと目標速度ｖ_ｏｂｊの誤差が目標速度許容値ｖｌｉｍ以下であるか判定を行う。

判定が真である場合、現在のゲインを適正ゲインと判断し、速度ループゲインの値を保持する（Ｓ１０８）。そして、Ｓ１１１にて速度ループゲインを決定した後、ゲイン調整部７の処理を終了し、速度制御部８に処理を移す。判定が偽である場合、Ｓ１０７に進む。

Ｓ１０７において、現在認識速度ｖ_ｎｏｗと目標速度ｖ_ｏｂｊとの誤差が目標速度許容値ｖｌｉｍ以下であるか判定を行う。

判定が真である場合、応答性が過敏だと判断して速度ループゲインを下げる（Ｓ１１０）。判定が偽である場合、応答性が悪いと判断して速度ループゲインを上げる（Ｓ１０９）。そして、Ｓ１１１にて速度ループゲインを決定した後、ゲイン調整部７の処理を終了し、速度制御部８に処理を移す。

以上説明したように、本実施例では、機械の負荷がポイントで変化した場合やモータの特性変化が起こった場合であっても、速度ループゲインをリアルタイムで自動調整することにより発振を抑制することが可能である。

本実施例のゲイン自動調整について図３を用いて説明する。図３は、本実施例のゲイン自動調整のフローチャートであり、「Ｓ」はステップの略である。

実施例１と同様に、ゲイン調整は、サンプリング時刻ｔ１におけるモータ４の速度（以下、前回認識速度という）と、サンプリング時刻ｔ１から所定時間後のサンプリング時刻ｔ２におけるモータ４の速度（以下、現在認識速度という）を用いて行われる。サンプリング間隔は、ＣＰＵ１の制御クロックによって定められている。

まず、ゲイン調整部７は、前回認識速度を、サンプリング時刻ｔ１からサンプリング時刻ｔ２までの区間で積分を行い、単位時間当たりの前回移動量ΔＰ_{ｎｏｗ−１}を算出する（Ｓ２０１）。同様に、Ｓ２０２とＳ２０３において、現在認識速度ｖ_ｎｏｗおよび目標速度ｖ_ｏｂｊを、サンプリング時刻ｔ１からサンプリング時刻ｔ２までの区間で積分を行い、単位時間当りの現在移動量ΔＰ_ｎｏｗ、目標移動量ΔＰ_ｏｂｊを算出する。サンプリング間隔は、ＣＰＵ１内の制御クロックによって定められており、その値は一定となっている。そのため、単位時間当たりの目標移動量ΔＰ_ｏｂｊを算出する際に、サンプリング時刻ｔ１とサンプリング時刻ｔ２は使用可能な数値である。

Ｓ２０４において、ΔＰ_ｎｏｗとΔＰ_{ｎｏｗ−１}の減算を行うことで差分値｜ΔＰ１｜を算出する。同様に、Ｓ２０５において、ΔＰ_ｏｂｊとΔＰ_ｎｏｗの減算を行うことで差分値｜ΔＰ２｜を算出し、Ｓ２０６において、ΔＰ_ｏｂｊとΔＰ_{ｎｏｗ−１}の減算を行うことで差分値｜ΔＰ３｜を算出する。

Ｓ２０７において、差分値｜ΔＰ１｜を用いて発振が起きているか判定する。すなわち、差分値｜ΔＰ１｜が目標移動量誤差許容値Ｐｌｉｍ以下であるか判定を行う。

判定が偽である場合、発振が起きていると判断し、速度ループゲインを下げる（Ｓ２１２）。そして、Ｓ２１３にて速度ループゲインを決定した後、ゲイン調整部７の処理を終了し、速度制御部８に処理を移す。判定が真の場合、Ｓ２０８に進む。

Ｓ２０８において、差分値｜ΔＰ２｜が目標移動量誤差許容値Ｐｌｉｍ以下であるか判定を行う。

判定が真である場合、現在の速度ループゲインが適正であると判定し、速度ループゲインの値を保持する（Ｓ２１０）。Ｓ２１３にて速度ループゲインを決定した後、ゲイン調整部７の処理を終了し、速度制御部８に処理を移す。判定が偽である場合、Ｓ２０９に進む。

Ｓ２０９において、差分値｜ΔＰ３｜が目標移動量誤差許容値Ｐｌｉｍ以下であるかの判定を行う。

判定が真である場合、応答性が過敏だと判断して速度ループゲインを下げる（Ｓ２１２）。判定が偽の場合、応答性が悪いと判断し速度ループゲインを上げる（Ｓ２１１）。そして、Ｓ２１３にて速度ループゲインを決定した後、ゲイン調整部７の処理を終了し、速度制御部８に処理を移す。

以上説明したように、本実施例では、機械の負荷がポイントで変化した場合やモータの特性変化が起こった場合であっても、速度ループゲインをリアルタイムで自動調整することにより発振を抑制することが可能である。

実施例１、２で説明したように、本実施形態では、発振が起きたときのみでなく発振系に近づいている場合でもゲイン調整を行うことで、よりゲイン自動調整のリアルタイム性を向上させることができる。

また、発振によるモータや駆動装置のダメージを軽減することができるため、長寿命化や振動による騒音抑制も可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ ＣＰＵ（制御部）
５ 検出部

Claims (6)

1. モータを駆動する制御部と、
   第１の時刻における前記モータの第１の速度と、前記第１の時刻から所定時間後の第２の時刻における前記モータの第２の速度を検出する検出部と、を有し、
   前記制御部は、前記第１および第２の速度から算出される速度変化量と、前記第１および第２の時刻から算出される時間変化量と、を用いて前記モータの加速度を算出し、前記加速度が加速度許容値より大きい場合および加速度許容値以下である場合、速度ループゲインを調整し、
   前記加速度が前記加速度許容値より大きい場合に速度ループゲインを下げ、
   前記加速度が前記加速度許容値以下である場合、前記第１および第２の速度から算出される前記第２の時刻から前記所定時間後の第３の時刻における第３の速度、前記第２の速度および目標速度を用いて速度ループゲインを調整することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記加速度が前記加速度許容値以下である場合、前記制御部は、
   前記第３の速度と前記目標速度との誤差が目標速度許容値以下である場合、速度ループゲインを保持し、
   前記第３の速度と前記目標速度との誤差が前記目標速度許容値より大きく、前記第２の速度と前記目標速度との誤差が前記目標速度許容値より大きい場合、速度ループゲインを上げ、
   前記第３の速度と前記目標速度との誤差が前記目標速度許容値より大きく、前記第２の速度と前記目標速度との誤差が前記目標速度許容値以下である場合、速度ループゲインを下げることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. モータを駆動する制御部と、
   第１の時刻における前記モータの第１の速度と、前記第１の時刻から所定時間後の第２の時刻における前記モータの第２の速度を検出する検出部と、を有し、
   前記制御部は、前記第１の速度と前記第１および第２の時刻とを用いて算出される前記モータの第１の移動量と、前記第２の速度と前記第１および第２の時刻とを用いて算出される前記モータの第２の移動量と、を用いて第１の差分値を算出し、前記第１の差分値が目標移動量誤差許容値より大きい場合に速度ループゲインを下げることを特徴とするモータ制御装置。
4. 前記制御部は、前記第１の差分値が前記目標移動量誤差許容値より大きい場合、発振が起きていると判断し、速度ループゲインを決定することを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記第１の差分値が前記目標移動量誤差許容値以下である場合、前記制御部は、前記第２の移動量と目標移動量とを用いて算出される第２の差分値および前記第１の移動量と前記目標移動量とを用いて算出される第３の差分値を用いて速度ループゲインを調整することを特徴とする請求項３または４に記載のモータ制御装置。
6. 前記第１の差分値が前記目標移動量誤差許容値以下である場合、前記制御部は、
   前記第２の差分値が前記目標移動量誤差許容値以下である場合、速度ループゲインを保持し、
   前記第２の差分値が前記目標移動量誤差許容値より大きく、前記第３の差分値が前記目標移動量誤差許容値より大きい場合、速度ループゲインを上げ、
   前記第２の差分値が前記目標移動量誤差許容値より大きく、前記第３の差分値が前記目標移動量誤差許容値以下である場合、速度ループゲインを下げることを特徴とする請求項５に記載のモータの制御装置。