JP6934863B2 - 電気モータ制御システム、ドライバ、インバータおよび制御方法ならびにコンピュータソフトウェアおよび記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は制御システムに関し、特に電気モータ制御システムに関する。本発明は電気モータ制御方法にも関し、さらに上記の電気モータ制御システムを有する電気モータ用のドライバおよびインバータ、上記の制御方法を実行することができるコンピュータソフトウェアならびにコンピュータソフトウェアを記憶することができる記憶媒体にも関する。

背景技術
電気モータによって主シャフトを駆動させるための、既存の電気モータ制御システムでは、一般的に２つのエンコーダが必要である。一方のエンコーダは、電気モータの回転速度のフィードバック用に電気モータに配置され、他方のエンコーダは、主シャフトの回転位置のフィードバック用に、電気モータと伝達接続されて主シャフトに配置される。電気モータ制御システムは、上記の電気モータの回転速度および主シャフトの回転位置にしたがって電気モータを制御することができる。

一部の動作環境では、主シャフトについて比較的高い制御精度が必要であり、また多くの場合に高分解能エンコーダが上記の２つのエンコーダに必要である。

発明の概要
本発明の課題は、電気モータに関する回転速度情報の正確なフィードバックを保証しながら、エンコーダの使用コストを削減することができる電気モータ制御システムを提供することである。

本発明の他の課題は、上記の電気モータ制御システムを有する、電気モータ用のドライバまたはインバータを提供することである。

本発明のさらに他の課題は、制御方法を提供することである。

本発明のまたさらに他の課題は、上記の制御方法を実行可能なコンピュータソフトウェアを提供することである。

本発明の別の課題は、上記のコンピュータソフトウェアを記憶することができる記憶媒体を提供することである。

本発明は、電気モータによるシャフトの駆動を制御することができる電気モータ制御システムであって、シャフトは、電気モータと伝達接続されており、電気モータには第１のエンコーダが設けられており、そのサンプリング間隔時間は、第１の間隔時間ΔＴであり、シャフトには第２のエンコーダが設けられており、そのサンプリング間隔時間は第２の間隔時間Δｔであり、第１の間隔時間ΔＴは、第２の間隔時間Δｔよりも長く、また電気モータ制御システムが、電気モータ動作信号検出部、シャフト動作信号検出部および主制御装置を含んでいる、電気モータ制御システムを提供する。電気モータ動作信号検出部は、第１のエンコーダから送信されて受信した第１のエンコーダ信号に基づいて、電気モータの電気モータ動作信号を供給することができる。シャフト動作信号検出部は、第２のエンコーダから送信されて受信した第２のエンコーダ信号に基づいて、シャフトのシャフト動作信号を供給することができる。主制御装置は、電気モータ動作信号およびシャフト動作信号を受信して、それらにしたがって、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの電気モータ動作パラメータを計算し、電気モータ動作パラメータと、取得された電気モータ制御信号と、に基づいて電気モータを制御することができる。

本発明のシャフトは、特に主シャフトである。本発明のこの実施の形態では、電気モータの第１のエンコーダの精度は、が高いことで、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔において、正確な電気モータ動作パラメータを供給できるにすぎないが、しかしながら、本発明に係る電気モータ制御システムを用いることによって、より高い分解能を有する第２のエンコーダの分解能にしたがって電気モータの動作パラメータを供給することができる。

電気モータ制御システムの１つの実施例では、第１のエンコーダによって検出され、角度位置変化時刻Ｔに得られた、受信した電気モータ動作信号と、受信したシャフト動作信号と、にしたがって、主制御装置は、第１のエンコーダが次の角度位置変化時刻Ｔ’を検出するまで、角度位置変化時刻Ｔから、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータ動作パラメータを計算する。角度位置変化時刻Ｔは、第１のエンコーダ自体が第１のエンコーダ信号を送出する時刻であり、角度位置変化時刻Ｔ’は、第１のエンコーダが第１のエンコーダ信号を介して電気モータ動作信号を直接フィードバックすることができる時刻、すなわち、第１のエンコーダが電気モータの回転速度および位置を直接フィードバックすることができる時刻である。ただし、第１のエンコーダは、時刻Ｔと時刻Ｔ’との間の期間中、第１のエンコーダ信号を送出せず、時刻Ｔと時刻Ｔ’との間の特定の時刻における電気モータの回転速度および位置などの情報をフィードバックすることができない。第１のエンコーダよりも高い分解能を有するエンコーダの信号によって、時刻Ｔと時刻Ｔ’との間の特定の時刻における回転速度および位置などの情報、すなわち、時刻Ｔの特定の時刻における電気モータの回転速度および位置などの情報を供給することができる。これが、サンプリング周波数を高くするほど、エンコーダの精度がより高くなる理由である。本発明に係る電気モータ制御システムは、第２のエンコーダの第２のエンコーダ信号から直接フィードバックされたシャフト動作信号を利用して、時刻Ｔと時刻Ｔ’との間の期間内での第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータ動作パラメータを計算することができ、それによって、第１のエンコーダが低い分解能を有しながらも、電気モータがより正確に制御され、したがって、２つの高精度のエンコーダを用いるシステムよりも費用対効果が高い。

電気モータ制御システムの１つの実施例では、電気モータ動作信号は、少なくとも、電気モータの位置信号と、電気モータの回転速度信号と、を含んでおり、シャフト動作信号は、少なくとも、シャフトの位置信号と、シャフトの回転速度信号と、を含んでおり、電気モータ動作パラメータは、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの角変位、回転速度および加速度を含んでいる。

電気モータ制御システムの１つの実施例では、主制御装置は、電気モータ速度計算部、位置コントローラおよび速度コントローラを含んでいる。電気モータ速度計算部は、電気モータ動作信号およびシャフト動作信号を受信し、第１のエンコーダが次の角度位置変化時刻Ｔ’を検出するまで、角度位置変化時刻Ｔから、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの電気モータ動作パラメータを計算して、電気モータ動作パラメータを出力する。位置コントローラは、シャフト動作信号を受信し、それによって回転速度制御信号を出力することができる。速度コントローラは、電気モータ動作パラメータおよび回転速度制御信号を受信し、それによって電気モータを制御することができる制御信号を出力することができる。上記の構成でもって、電気モータ制御システムは、角度位置変化時刻Ｔと角度位置変化時刻Ｔ’との間のΔｔの各時間間隔において、電気モータの回転速度をより正確に制御することができる。

本発明は、電気モータ用のドライバも提供する。ドライバは、上記のような電気モータ制御システムを含んでいる。

本発明は、上記のような電気モータ制御システムを含んでいる、電気モータ用のインバータも提供する。

本発明は、電気モータによるシャフトの駆動を制御するための制御方法も提供し、この方法では、電気モータには第１のエンコーダが設けられており、第１のエンコーダのサンプリング間隔時間は、第１の間隔時間ΔＴであり、シャフトは、電気モータと伝達接続されており、そのシャフトには、第２のエンコーダが配置されており、第２のエンコーダのサンプリング間隔時間は、第２の間隔時間Δｔであり、第１の間隔時間ΔＴは、第２の間隔時間Δｔよりも長い。制御方法は、第１のエンコーダから送信された第１のエンコーダ信号を取得して、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔における電気モータの電気モータ動作信号を取得すること、第２のエンコーダから送信された第２のエンコーダ信号を取得して、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔におけるシャフトのシャフト動作信号を取得すること、電気モータ動作信号およびシャフト動作信号にしたがって、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔の時点における電気モータの電気モータ動作パラメータを計算し、電気モータ動作パラメータと、取得された電気モータ制御信号と、に基づいて電気モータを制御すること、を含んでいる。

制御方法の１つの実施例では、計算ステップは、第１のエンコーダによって検出された、角度位置変化時刻Ｔに得られた電気モータ動作信号と、シャフト動作信号と、にしたがって、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータ動作パラメータを計算するステップＳ１０と、第１のエンコーダが次の角度位置変化時刻Ｔ’を検出するまで、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータ動作パラメータにしたがって、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータ動作パラメータを計算するステップＳ２０と、をさらに含んでいる。

制御方法の１つの実施例では、電気モータ動作信号は、少なくとも、電気モータの位置信号と、電気モータの回転速度信号と、を含んでおり、シャフト動作信号は、少なくとも、シャフトの位置信号と、シャフトの回転速度信号と、を含んでおり、電気モータ動作パラメータは、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの角変位、回転速度および加速度を含んでいる。

制御方法の１つの実施例では、ステップＳ１０は、さらに、角度位置変化時刻Ｔにおいて取得された電気モータ動作信号にしたがって、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの角変位θ_mおよび電気モータの回転速度ω_mを取得し、角度位置変化時刻Ｔにおいて取得されたシャフト動作信号にしたがって、角度位置変化時刻Ｔにおけるシャフトの角変位θ_Lを取得し、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの回転速度ω_mおよび電気モータ制御信号にしたがって、電気モータの回転を制御するステップＳ１１と、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの角変位θ_mおよびシャフトの角変位θ_Lにしたがって、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの角加速度α_mを計算するステップＳ１２と、を含んでおり、またステップＳ２０は、さらに、時刻Ｔ＋Δｔにおいて取得されたシャフト動作信号にしたがって、時刻Ｔ＋Δｔにおけるシャフトの角変位θ_L+1を取得するステップＳ２１と、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの角加速度α_mおよび電気モータの回転速度ω_mならびに時刻Ｔ＋Δｔにおけるシャフトの角変位θ_L+1にしたがって、時刻Ｔ＋Δｔにおける電気モータの回転速度ω_m+1、電気モータの角変位θ_m+1、および電気モータの角加速度α_ma+1を計算し、時刻Ｔ＋Δｔにおける電気モータの回転速度ω_m+1および電気モータ制御信号にしたがって、電気モータの回転を制御するステップＳ２２と、Ｔ＝Ｔ＋Δｔとし、この時刻Ｔ＋Δｔが、第１のエンコーダの次の角度位置変化時刻Ｔ’未満の場合には、θ_m＝θ_m+1、ω_m＝ω_m+1、α_m＝α_m+1として、ステップＳ２１に戻り、前述の時刻Ｔ＋Δｔが、第１のエンコーダの次の角度位置変化時刻Ｔ’に等しい場合には、Ｔ＝Ｔ’として、ステップＳ１０に戻る、ステップＳ２３と、を含んでいる。

本発明は、上記の制御方法を実行することができるコンピュータソフトウェアも提供する。

本発明は、上記のコンピュータソフトウェアを記憶することができる記憶媒体も提供する。

電気モータ制御システム、ドライバ、インバータならびに制御方法、コンピュータソフトウェアおよび記憶媒体の上記の特性、技術的特徴、利点および実施を、理解するのに明確かつ容易であるように、添付の図面および好ましい実施の形態に関連して以下にさらに説明する。

以下の添付の図面は、本発明を例示的に示して説明するものにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

電気モータ制御システムの１つの実施例を説明するための概略構成図である。 電気モータ制御システムの１つの別の実施例を説明するための概略構成図である。 電気モータ制御方法の計算ステップの１つの実施例を説明するためのフローチャートである。 第１のエンコーダおよび第２のエンコーダによる信号取得のプロセスを説明するために用いられる図である。 電気モータとシャフトとの間の２質量系を説明するために用いられる図である。 図３に示した計算ステップの特定の実施例を説明するためのフローチャートである。

実施の形態の詳細な説明
本発明の技術的な特徴、課題および効果をより明確に理解するために、本発明の特定の実施の形態を、添付の図面を参照しながら説明する。図中、同じ番号は、同じ構成の構成要素、または類似の構成であるが、しかしながら同じ機能の構成要素を表わしている。

本明細書において、「例示的」という語は、「事例、実施例または説明として実施されていること」を表わしており、また本明細書において、「例示的」に説明されているいずれの実例および実施の形態も、より好ましい技術的解決手段またはより有利な技術的解決手段として解釈されるべきではない。

各図を簡潔にするために、本発明に関連する部分は、各図において例示的に示されているにすぎず、それらの製品としての実際の構造を表しているのではない。さらに、各図が簡潔かつ容易に理解されるよう、一部の図では、同じ構成または同じ機能の構成要素が複数存在するにもかかわらず、その１つのみが図面に例示的に描かれているか、またはその１つのみが図面にマーキングされている。

本明細書において、「第１」、「第２」などの語は、重要度およびその順序などを表しているのではなく、部分を相互に区別するために用いられているにすぎない。

図１は、電気モータ制御システムの実施例を説明するための概略構成図である。図１に示されているように、電気モータ制御システム１０は、電気モータ４０によるシャフト５０の駆動を制御することができ、特に、主シャフトの回転を制御することができる。シャフト５０は、電気モータ４０と伝達接続されており、特に、電気モータ４０は、シャフト５０にトルクを伝達するように接続されている。電気モータ４０には第１のエンコーダ４２が設けられており、またシャフト５０には第２のエンコーダ５２が設けられている。エンコーダの測定精度はその分解能によって決まっており、この分解能は、分解能割り付け（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘｉｎｇ）とも称され、通常、分解能が高くなるほど、エンコーダが１回転する間の等間隔のサンプリングポイントの数、すなわちラインの数も多くなる。これに対し、隣接するサンプリングポイント、すなわち隣接するラインの間隔をサンプリング間隔と称することもできる。また、エンコーダの１つのサンプリング間隔にわたる経過時間、すなわち、隣接するライン間で経過した時間をサンプリング間隔時間と称することができる。この実施の形態では、第１のエンコーダ４２の１つのサンプリング間隔のサンプリング間隔時間は第１の間隔時間ΔＴである。すなわち、第１のエンコーダ４２は、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔で第１のエンコーダ信号を送出する。第１のエンコーダ信号はパルスであってよく、ΔＴの各時間間隔における第１のエンコーダの変位の大きさを、パルスを用いて得ることができ、また電気モータの動作パラメータをこれから得ることができる。動作パラメータは、電気モータの角度位置（角変位）、回転速度および加速度を含んでもよい。第２のエンコーダ５２の１つのサンプリング間隔のサンプリング間隔時間は第２の間隔時間Δｔである。同様に、第２のエンコーダ５２は、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔で第２のエンコーダ信号を送出することで、シャフト、特に主シャフト５０の動作パラメータを取得する。

ここで、本発明によれば、第１の間隔時間ΔＴが第２の間隔時間Δｔよりも長いこと、すなわち、本発明による第１のエンコーダの分解能が第２のエンコーダの分解能を下回ることを言及しておく。

さらに、電気モータ制御の分野では、ドライバまたはインバータは典型的には電気モータの駆動を制御するように配置されている。したがって、電気モータに入力される信号を増幅する信号増幅器２４と、電気モータに入力される電流信号を制御する電流コントローラ２２とは、典型的にはドライバまたはインバータに配置されている。信号増幅器２４および電流コントローラ２２は、電気モータの電流ループ制御を実現するために使用される。

さらに、本発明にしたがって電気モータによる主シャフトの駆動の制御を実現するために、電気モータ用のドライバまたはインバータは、本発明に係る電気モータ制御システム１０をさらに含んでいる。電気モータ制御システム１０は、電気モータ動作信号検出部１４、シャフト動作信号検出部１５および主制御装置１６を含んでいる。電気モータ動作信号検出部１４は、第１のエンコーダと通信することができ、第１のエンコーダ４２から送信されて受信した第１のエンコーダ信号に基づいて、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔に、電気モータ４０の電気モータ動作信号を計算して出力することができる。電気モータ動作信号は、電気モータの位置信号（特に、角度位置信号、すなわち角変位信号）と、電気モータの回転速度信号と、を含んでよい。シャフト動作信号検出部１５は、第２のエンコーダ５２と通信することができ、第２のエンコーダ５２から送信された第２のエンコーダ信号を受信し、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔に、シャフト５０のシャフト動作信号を計算して出力する。シャフト動作信号は、シャフトの位置信号（特に、角度位置信号、すなわち角変位信号）、シャフトの回転速度信号などを含んでよい。主制御装置１６は、電気モータ動作信号検出部１４から供給される電気モータ動作信号と、シャフト動作信号検出部１５から供給されるシャフト動作信号とを受信し、それらに基づいて、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔の時点での電気モータの動作パラメータを計算し、これから電気モータ制御信号が取得されることに基づいて電気モータを制御する。換言すれば、電気モータ４０の第１のエンコーダ４２の精度は、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔において、正確な電気モータ動作パラメータを供給できるにすぎないが、しかしながら、本発明に係る電気モータ制御システムを用いることによって、より高い分解能を有する第２のエンコーダ５２の分解能にしたがって電気モータの動作パラメータを提供することができる。さらに上記の電気モータ制御システムは、一方のエンコーダの分解能を下げつつ比較的高い精度で電気モータを制御することができ、これにより、エンコーダのコストが削減される。本発明においては、電気モータ動作信号検出部１４、シャフト動作信号検出部１５および主制御装置１６を、それぞれソフトウェアまたはハードウェアとして実施することができ、この場合、電気モータ動作信号検出部１４、シャフト動作信号検出部１５および主制御装置１６は、別個のハードウェアまたはソフトウェアであってもよいし、一体的なソフトウェアまたは一体的なハードウェアであってもよいし、たとえば、処理装置であってもよい。

一実施の形態では、主制御装置１６は、第１のエンコーダ４２によって検出された、角度位置変化時刻Ｔに得られた電気モータ動作信号を受信し、主シャフト動作信号を受信し、かつ受信した電気モータ動作信号およびシャフト動作信号に基づいて、第１のエンコーダ４２が次の角度位置変化時刻Ｔ’を検出するまで、角度位置変化時刻Ｔから、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータ動作パラメータを計算することができる。動作パラメータは、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの位置および回転速度を含んでいる。角度位置変化時刻Ｔは、第１のエンコーダ自体が第１のエンコーダ信号を送出する時刻であり、角度位置変化時刻Ｔ’は、第１のエンコーダが第１のエンコーダ信号を介して電気モータ動作信号を直接フィードバックすることができる時刻、すなわち、第１のエンコーダが電気モータの回転速度および位置を直接フィードバックすることができる時刻である。ただし、第１のエンコーダは、時刻Ｔと時刻Ｔ’との間の期間中、第１のエンコーダ信号を送出せず、電気モータの回転速度および位置をフィードバックすることができない。上記の実施の形態では、電気モータをより高い精度で制御するために、電気モータ動作パラメータが、時刻Ｔと時刻Ｔ’との間の期間内の第２の間隔時間Δｔの各時間間隔において、角度位置変化時刻Ｔに検出された電気モータ動作信号に基づいて、また第２のエンコーダ５２の第２のエンコーダ信号から直接フィードバックされるシャフト動作信号を用いて計算される。

図２に示されている実施の形態では、電気モータ制御システムの主制御装置１６は、電気モータ速度計算部１６２、位置コントローラ１６４および速度コントローラ１６６をさらに含むことができる。電気モータ速度計算部１６２は、電気モータ動作信号検出部１４およびシャフト動作信号検出部１５とそれぞれ通信することができ、電気モータ動作信号検出部１４から電気モータ動作信号を、またシャフト動作信号検出部１５からシャフト動作信号をそれぞれ受信することで、角度位置変化時刻Ｔから、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの電気モータ動作パラメータを計算し、電気モータ動作パラメータを出力することができる。電気モータ動作パラメータは、第１のエンコーダ４２が次の角度位置変化時刻Ｔ’を検出するまで、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの位置および回転速度を含むことができる。位置コントローラ１６４は、シャフト動作信号検出部１５から出力されたシャフト動作信号を受信することができ、シャフト動作信号にしたがって回転速度制御信号を出力することができる。速度コントローラ１６６を、位置コントローラ１６４および電気モータ速度計算部１６２にそれぞれ接続することができ、また速度コントローラ１６６は、電気モータ動作パラメータおよび回転速度制御信号を受信することができ、それによって電気モータ４０を制御することができる制御信号を出力する。位置コントローラ１６４は、受信したシャフト動作信号にしたがってシャフトの目下の位置を取得し、また速度コントローラ１６６を用いて電気モータの回転速度を制御することよる主シャフトの位置の制御のために、シャフトの目下の位置にしたがって回転速度制御信号を出力することができ、この結果、電気モータの位置ループの制御が実現される。速度コントローラ１６６は、電気モータ動作パラメータにしたがって電気モータを制御し、この結果、電気モータの速度ループの制御が実現される。

さらに、上記のように電気モータ制御システム１０を、ソフトウェアまたはハードウェアで実施することができる。ハードウェアで実施される場合、上記の機能モジュールを実現することができる、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、または処理機能を備えている他の類似のチップによって、制御ユニットを実施することができる。制御ユニットの上記の機能を、上記の機能を実現することができる命令を含むプログラムコードとして実現することもできる。機械可読記憶媒体、たとえば可読メモリモジュールにプログラムコードを記録することができ、それらのプログラムコードを、たとえば、上記の機能を達成するために、ＣＰＵまたはＭＣＵによって実行することができる。プログラムコードを提供する記憶媒体の実施の形態には、フロッピーディスク、ハードディスク、磁気光ディスク、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷおよびＤＶＤ＋ＲＷなど）、磁気テープ、不揮発性メモリカードおよびＲＯＭが含まれる。これとは別に、プログラムコードを、通信ネットワークを介してサーバコンピュータからダウンロードしてもよい。

さらに、上記のようなデバッギングシステムの構成は例示的なものである。実際の要求に応じて、電気モータ制御システムに含まれる様々なユニットおよびモジュールを組み合わせることができるか、または異なるモジュールに分割することができるか、もしくは１つのモジュールに統合することもできる。これは当業者にとっては自明である。

本発明は、図１に示されているように、上記のような電気モータ制御システム１０を含んでいる、電気モータ用のドライバまたはインバータにも関する。ドライバまたはインバータも、典型的には電流制御装置２２および信号増幅器２４を含んでおり、この場合、電気モータ制御システムは、電流制御装置２２に電気モータ制御命令を出力する。信号増幅器２４は、電流制御装置２２から制御命令を受信し、その制御命令を電気モータ４０に出力し、また電流制御装置２２および信号増幅器２４は、電気モータの電流ループ制御を形成することができる。

本発明は、電気モータ４０によるシャフト５０の駆動を制御するための制御方法も提供する。この場合でも図１を参照することができる。電気モータ４０には、第１のエンコーダ４２が設けられており、第１のエンコーダ４２の１つのサンプリング間隔のサンプリング間隔時間は第１の間隔時間ΔＴである。シャフト５０は、電気モータ４０と伝達接続されており、またシャフト上には第２のエンコーダ５２が設けられており、この第２のエンコーダ５２の１つのサンプリング間隔のサンプリング間隔時間は、第２の間隔時間Δｔである。ここで、第１の間隔時間ΔＴは第２の間隔時間Δｔよりも長い。電気モータ制御方法は、第１のエンコーダ４２から送信された第１のエンコーダ信号を取得して、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔における、少なくとも電気モータの位置信号と電気モータの回転速度信号とを含んでいる、電気モータ４０の電気モータ動作信号を取得すること、第２のエンコーダ５２から送信された第２のエンコーダ信号を取得して、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における、少なくともシャフトの位置信号とシャフトの回転速度信号とを含んでいる、シャフト５０のシャフト動作信号を取得すること、電気モータ動作信号およびシャフト動作信号にしたがって、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔の時点における電気モータの電気モータ動作パラメータを計算し、電気モータ動作パラメータと、取得された電気モータ制御信号と、に基づいて電気モータを制御すること、を含んでいる。

図３を参照すると、上記の制御方法における計算ステップは、第１のエンコーダ４２によって検出された、角度位置変化時刻Ｔに得られた電気モータ動作信号と、シャフト動作信号と、にしたがって、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータ動作パラメータを計算するステップＳ１０と、第１のエンコーダ４２が次の角度位置変化時刻Ｔ’を検出するまで、ステップＳ１０で計算された角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータ動作パラメータにしたがって、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータ動作パラメータを計算するステップＳ２０と、をさらに含んでいる。動作パラメータは、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの位置および回転速度を含んでいる。

上記の計算ステップの特定の実施の形態を以下に示す。まず図４を参照する。図４は、第１のエンコーダおよび第２のエンコーダによる信号取得のプロセスを説明するために用いる。図４における上の図は、第１のエンコーダ４２の第１のエンコーダ信号の波形図Ｌ１であり、波形図Ｌ１の変点位置は、第１のエンコーダ４２の角度位置変化時刻、たとえば、図４に示されているＴおよびＴ’における位置であり、これらの位置において、電気モータ動作信号を取得することができる。すなわち、電気モータの動作信号を、第１の間隔時間ΔＴの各時間間隔において取得することができる。同様に説明して、図４中の下の図は、第２のエンコーダ５２の第２のエンコーダ信号の波形図Ｌ２であり、波形グラフＬ２の変点位置は、第２のエンコーダの角度位置変化時刻、たとえば、図４において参照符号ｍおよびｎが付されている位置であり、これらの位置において、シャフトの動作信号を取得することができる。すなわち、電気モータの動作信号を、第２の間隔時間Δｔの各時間間隔において取得することができる（図中の位置ａから位置ｂまでの距離は、位置ｍから位置ｎまでの距離に等しい）。図４から、第１の間隔時間ΔＴは、第２の間隔時間Δｔよりも長いことを見て取ることができる。つまり、第１のエンコーダ４２自体は、第１の間隔時間ΔＴの比較的長い各時間間隔において、電気モータの動作信号をフィードバックできるにすぎず、第２のエンコーダ５２のように第２の間隔時間Δｔの比較的短い各時間間隔において、電気モータの動作信号をフィードバックできない。したがって、第１のエンコーダ４２自体は、図４における位置ｂ，ｃおよびｄにおいて、電気モータの動作信号をフィードバックすることができない。本出願の制御方法は、計算によって位置ｂ，ｃおよびｄにおける基本フレーム（ｕｎｄｅｒｆｒａｍｅ）の動作信号を取得し、それによって、電気モータをより高い精度で制御する。

制御方法の本発明に係る特定のステップを説明する前に、まず図５を参照する。電気モータ４０およびシャフト５０を２質量系としてモデル化し、これにしたがって、電気モータの加速度α_mを計算するために次式を使用することができる。
α_m＝（Ｔ_m−Ｋ_s（θ_m−θ_L））／Ｊ_m
ここで、Ｊ_mは、電気モータの慣性モーメントであり、Ｔ_mは、従来のセンサによって得ることができる、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの負荷トルクであり、θ_mは、電気モータの角変位であり、θ_Lはシャフトの角変位である。このモデルは典型的なモデルにすぎず、当業者は、実際の状況および取得可能なパラメータを利用して第２の間隔時間Δｔの各時間間隔における電気モータの位置および回転速度を計算するために、異なるモデルを確立できることに留意すべきである。

上記のモデルでは、電気モータとシャフトとの間の等価剛性Ｋ_sを、設置段階の間に求めることができ、また１つの実施の形態では電気モータと主シャフトとの間に周波数応答にしたがい、すなわち、電気モータと主シャフトとの間の固有ねじり振動数ｆ_NTF、および電気モータと主シャフトとの間の反共振周波数ｆ_ARFにしたがい得ることができる。Ｋ_s、すなわちＫ_s＝４π²（ｆ_NTF ²−ｆ_ARF ²）Ｊ_mは、ｆ_NTFおよびｆ_ARFを用いて計算される。ここで、Ｊ_mは、電気モータの慣性モーメントである。

図６は、図３に示した計算ステップの特定の例示的な実施の形態を説明するためのフローチャートである。まず、図３のステップＳ１０は、さらに以下のステップを含んでいる。

ステップＳ１１：第１のエンコーダ４２が角度位置変化時刻Ｔを検出すると、第１のエンコーダ信号から取得された電気モータ動作信号を用いて、その時刻（たとえば、図３中の点ａの位置）における電気モータの回転速度ω_mおよび電気モータの精度のよい角度位置θ_mを取得し、またそれと同時に、角度位置変化時刻Ｔにおいて取得されたシャフト動作信号（実際は、分解能に起因して、図３中の点ｍにおいて取得されたシャフト動作信号である）に基づいて、点ｍにおけるシャフトの角変位θ_Lを取得する。この時点において、電気モータの回転は、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの回転速度ω_mにしたがって制御される。

ステップＳ１２：角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの角変位θ_mおよび角度位置変化時刻Ｔに取得されたシャフトの角変位θ_Lにしたがって、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータのリアルタイムの角加速度α_mを計算する。つまり、角加速度α_m＝（Ｔ_m−Ｋ_S（θ_m−θ_L））／Ｊ_m、ただし、Ｊ_mは、電気モータの慣性モーメントであり、Ｔ_mは、角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの負荷トルクである。負荷トルクＴ_mは、従来のセンサから取得することができるか、または電気モータのリアルタイムフィードバックによって取得することができる。これについての、繰り返しの説明は省略する。

続いて、ステップＳ２０が実行される。ステップＳ２０は、さらに以下のステップを含んでいる。

ステップＳ２１：時刻Ｔ＋Δｔ（図３中の点ｂ）において取得されたシャフト動作信号（すなわち、図３中の点ｎにおいて第２のエンコーダ５２によって取得されたシャフト動作信号）にしたがって、点ｂにおけるシャフトの測定角変位θ_L+1を取得する。

ステップＳ２２：角度位置変化時刻Ｔにおける電気モータの角加速度α_mおよび回転速度ω_mならびにＴ＋Δｔ（点ｂ）におけるシャフトの測定角変位θ_L+1にしたがって、Ｔ＋Δｔにおける、電気モータの回転速度ω_ma+1＝ω_m＋α_mΔｔ、電気モータの角変位θ_m+1＝θ_m＋α_mΔｔ²／２、および電気モータの角加速度α_ma+1＝（Ｔ_m+1−Ｋ_s（θ_m+1−θ_L+1））／Ｊ_m、を計算する。ただし、Ｊ_mは、電気モータの慣性モーメントであり、Ｔ_m+1は、角度位置変化時刻Ｔ＋Δｔにおける電気モータの負荷トルクであり、従来のセンサから取得することができるか、または電気モータのリアルタイムフィードバックによって取得することができる。この結果、Ｔ＋Δｔにおける電気モータ動作パラメータは、第２のエンコーダの分解能でもって得られ、またこの時点において計算された電気モータ動作パラメータは、時間Ｔ＋Δｔにおいて第１のエンコーダから直接供給されたデータよりも正確である。したがって、電気モータは、Ｔ＋Δｔにおける電気モータの回転速度ω_m+1、位置および加速度にしたがって、その回転が制御される。

以下の複数のステップを含んでいるステップＳ２３：Ｔ＝Ｔ＋Δｔにし、つまりＴ＋ΔｔをＴに代入し、後続の計算で用いられるＴの実際値をＴ＋Δｔにする代入ステップＳ２３１；Ｔ＋Δｔを次の角度位置変化時刻Ｔ’と比較する比較ステップＳ２３２；ここで、Ｔ＋Δｔが、第１のエンコーダ４２の次の角度位置変化時刻Ｔ’未満の場合には、すなわち図２中の点ｃおよびｄの位置にある場合には、再代入が要求されて、ステップＳ２３３に進み、θ_m＝θ_m+1、ω_m＝ω_m+1およびα_m＝α_m+1とする代入が実行されて、ステップＳ１４に戻り、またＴ＋Δｔが、第１のエンコーダ４２の次の角度位置変化時刻Ｔ’に等しい場合には、ステップＳ２３４に進み、Ｔ＝Ｔ’とする代入が実行されて、ステップＳ１０のステップＳ１１に戻り、電気モータの角変位θ_m、電気モータの回転速度ω_mおよびシャフトの角変位θ_Lが再び取得されて、それらに基づいて計算の新しいラウンドが実行される。

上記の電気モータ制御方法により、第１のエンコーダの分解能に対する要求を下げることができ、その結果、電気モータに接続される第１のエンコーダには、比較的低い分解能のエンコーダを使用することができ、また電気モータに関する回転速度情報の正確なフィードバックを保証しながら、電気モータ制御システムのコストを大幅に削減することができる。

本明細書は、様々な実施の形態にしたがって説明を行ったが、各実施の形態１つの独立した技術的な解決手段だけを含んでいるのではないと解するべきであり、このような注釈的な形の説明は単に明確さのためだけのものであって、当業者であれば、この説明を包括的なものとして捉え、種々の実施の形態における技術的な解決手段を適宜組み合わせて、当業者が理解することができる他の実施の形態を成すこともできる。

上記の一連の詳細な説明は、本発明の実現可能な実施の形態に関する特定の説明にすぎず、本発明の保護範囲を限定するためには用いられない。本発明の技術的精神から逸脱することなく成される、特徴の組み合せ、分割または繰り返しなどの任意の等価の実施の形態または代替形態もすべて、当然本発明の保護範囲内にある。

１０ 電気モータ制御システム
１４ 電気モータ動作信号検出部
１５ シャフト動作信号検出部
１６ 主制御装置
１６２ 電気モータ速度計算部
１６４ 位置コントローラ
１６６ 速度コントローラ
２２ 電流コントローラ
２４ 信号増幅器
４０ 電気モータ
４２ 第１のエンコーダ
５０ シャフト、主シャフト
５２ 第２のエンコーダ

Claims (9)

1. 電気モータ（４０）によるシャフト（５０）の駆動を制御することができる電気モータ制御システムであって、
   前記シャフト（５０）は、前記電気モータ（４０）と伝達接続されており、
   前記電気モータ（４０）には第１のエンコーダ（４２）が設けられており、そのサンプリング間隔時間は、第１の間隔時間（ΔＴ）であり、
   前記シャフト（５０）には第２のエンコーダ（５２）が設けられており、そのサンプリング間隔時間は、第２の間隔時間（Δｔ）であり、
   前記第１の間隔時間（ΔＴ）は、前記第２の間隔時間（Δｔ）よりも長い、電気モータ制御システム（１０）において、
   前記電気モータ制御システム（１０）は、
   前記第１のエンコーダ（４２）から送信されて受信した第１のエンコーダ信号に基づいて、前記電気モータ（４０）の電気モータ動作信号を供給する電気モータ動作信号検出部（１４）と、
   前記第２のエンコーダ（５２）から送信されて受信した第２のエンコーダ信号に基づいて、前記シャフト（５０）のシャフト動作信号を供給するシャフト動作信号検出部（１５）と、
   前記電気モータ動作信号および前記シャフト動作信号を受信して、それらにしたがって、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔における前記電気モータの電気モータ動作パラメータを計算し、前記電気モータ動作パラメータから取得された電気モータの回転速度制御信号に基づいて前記電気モータを制御することができる主制御装置（１６）と、
   を含んでおり、
   前記主制御装置（１６）は、前記第１のエンコーダ（４２）によって検出され、角度位置変化時刻（Ｔ）に得られた、前記受信した電気モータ動作信号と、前記受信したシャフト動作信号と、にしたがって、前記第１のエンコーダ（４２）が次の角度位置変化時刻（Ｔ’）を検出するまで、前記角度位置変化時刻（Ｔ）から、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔における前記電気モータ動作パラメータを計算し、
   前記電気モータ動作信号は、前記電気モータの位置信号と、前記電気モータの回転速度信号と、であり、
   前記シャフト動作信号は、前記シャフトの位置信号であり、
   前記電気モータ動作パラメータは、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔における前記電気モータ（４０）の回転速度である、
   電気モータ制御システム。
2. 前記主制御装置（１６）は、前記電気モータ動作信号および前記シャフト動作信号を受信し、前記角度位置変化時刻（Ｔ）から、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔における前記電気モータの前記電気モータ動作パラメータを計算して、前記第１のエンコーダ（４２）が前記次の角度位置変化時刻（Ｔ’）を検出するまで、前記電気モータ動作パラメータを出力する、電気モータ速度計算部（１６２）と、
   前記シャフト動作信号を受信し、それによって前記シャフトの回転速度制御信号を出力することができる、位置コントローラ（１６４）と、
   前記電気モータ動作パラメータおよび前記シャフトの回転速度制御信号を受信し、それによって前記電気モータ（４０）を制御することができる前記電気モータの回転速度制御信号を出力することができる、速度コントローラ（１６６）と、を含んでいる、
   請求項１記載の電気モータ制御システム。
3. 請求項１または２記載の電気モータ制御システム（１０）を含んでいることを特徴とする、
   電気モータ用のドライバ。
4. 請求項１または２記載の電気モータ制御システム（１０）を含んでいることを特徴とする、
   電気モータ用のインバータ。
5. 電気モータ（４０）によるシャフト（５０）の駆動を制御するための制御方法であって、
   前記電気モータ（４０）には第１のエンコーダ（４２）が設けられており、前記第１のエンコーダ（４２）のサンプリング間隔時間は、第１の間隔時間（ΔＴ）であり、
   前記シャフト（５０）は、前記電気モータ（４０）と伝達接続されており、前記シャフトには、第２のエンコーダ（５２）が設けられており、前記第２のエンコーダ（５２）のサンプリング間隔時間は、第２の間隔時間（Δｔ）であり、
   前記第１の間隔時間（ΔＴ）は、前記第２の間隔時間（Δｔ）よりも長い、制御方法において、
   前記制御方法は、
   前記第１のエンコーダ（４２）から送信された第１のエンコーダ信号を取得して、前記第１の間隔時間（ΔＴ）の各時間間隔における前記電気モータ（４０）の電気モータ動作信号を取得すること、
   前記第２のエンコーダ（５２）から送信された第２のエンコーダ信号を取得して、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔における前記シャフト（５０）のシャフト動作信号を取得すること、
   前記電気モータ動作信号および前記シャフト動作信号にしたがって、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔の時刻における前記電気モータの電気モータ動作パラメータを計算し、前記電気モータ動作パラメータから取得された電気モータの回転速度制御信号に基づいて前記電気モータを制御すること、を含んでおり、前記制御方法はさらに、
   前記第１のエンコーダ（４２）によって検出された、角度位置変化時刻Ｔに得られた前記電気モータ動作信号と、前記シャフト動作信号と、にしたがって、前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータ動作パラメータを計算するステップＳ１０と、
   前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータ動作パラメータにしたがって、前記第１のエンコーダ（４２）が次の角度位置変化時刻Ｔ’を検出するまで、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔における前記電気モータ動作パラメータを計算するステップＳ２０とを含み、
   前記電気モータ動作信号は、前記電気モータの位置信号と、前記電気モータの回転速度信号と、であり、
   前記シャフト動作信号は、前記シャフトの位置信号であり、
   前記電気モータ動作パラメータは、前記第２の間隔時間（Δｔ）の各時間間隔における前記電気モータ（４０）の回転速度である、制御方法。
6. ステップＳ１０は、さらに、
   角度位置変化時刻Ｔに取得された前記電気モータ動作信号にしたがって、前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータの角変位θ_mおよび前記電気モータの回転速度ω_mを取得し、
   前記角度位置変化時刻Ｔにおいて取得された前記シャフト動作信号にしたがって、前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記シャフトの角変位θ_Lを取得し、前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータの前記回転速度ω_m から取得された前記電気モータの回転速度制御信号にしたがって、前記電気モータの回転を制御するステップＳ１１と、
   前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータの前記角変位θ_mおよび前記シャフトの前記角変位θ_Lにしたがって、前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータの角加速度α_mを計算するステップＳ１２と、を含んでおり、
   ステップＳ２０は、さらに、
   時刻Ｔ＋Δｔにおいて取得された前記シャフト動作信号にしたがって、前記時刻Ｔ＋Δｔにおける前記シャフトの角変位θ _L+１ を取得するステップＳ２１と、
   前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータの前記回転速度ω_mおよび前記電気モータの前記角加速度α_mならびに前記時刻Ｔ＋Δｔにおける前記シャフトの前記角変位θ _L+１ にしたがって、前記時刻Ｔ＋Δｔにおける電気モータの回転速度ω _m+１ 、電気モータの角変位θ _m+１ 、および前記電気モータの角加速度α _m+１ を計算し、前記時刻Ｔ＋Δｔにおける前記電気モータの前記回転速度ω _m+１ から取得された前記電気モータの回転速度制御信号にしたがって、前記電気モータの回転を制御するステップＳ２２と、
   Ｔ＝Ｔ＋Δｔとし、改められたＴにさらにΔｔを加えた値が、前記第１のエンコーダ（４２）の前記次の角度位置変化時刻Ｔ’未満である場合には、θ_m＝θ _m+１ 、ω_m＝ω _m+１ ，α_m＝α _m+１ として、ステップＳ２１に戻り、前記時刻Ｔ＋Δｔが、前記第１のエンコーダの前記次の角度位置変化時刻Ｔ’に等しい場合には、Ｔ＝Ｔ’として、ステップＳ１０に戻る、ステップＳ２３と、を含んでいる、
   請求項５記載の制御方法。
7. 前記角加速度α _m は以下の式に基づいて算出する、
   角加速度α_m＝（Ｔ_m−Ｋ_s（θ_m−θ_L））／Ｊ_m
   ここで、Ｊ_mは、前記電気モータ（４０）の慣性モーメントであり、Ｔ_mは、前記角度位置変化時刻Ｔにおける前記電気モータ（４０）の負荷トルクであり、θ_mは、前記電気モータ（４０）の角変位であり、θ_Lは、前記シャフト（５０）の角変位であり、Ｋ_sは、前記電気モータ（４０）と前記シャフト（５０）との間の等価剛性である、
   請求項６記載の制御方法。
8. 請求項５から７までのいずれか１項記載の制御方法を実行することができるコンピュータソフトウェア。
9. 請求項８記載のコンピュータソフトウェアが記憶された記憶媒体。

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