JPH02228285A - 電動機の速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、電動機の機械定数の変動に応じて制御装置
の制御定数を調整する電動機の速度制御装置に関する。

（従来の技術） 従来、電動機の機械時定数（慣性モーメント）を求め、
この機械時定数に基づき電動機の速度制御を行う装置或
いは方法として、 （１）速度制御装置の回転速度指令信号を一定振幅で正
弦波状に振動させ、その振動の周波数を可変とした場合
の回転速度実際値の振幅或いは位相の追従性から慣性モ
ーメントを測定し、この慣性モーメントに基づき速度制
御を行う電動機の速度制御系のゲイン自動補正方法（特
開昭６０−８２０７８号公報）。

（２）電動機の回転速度を一定レートで変化させた場合
の回転速度の変化量とその時の時間の経過から慣性モー
メントを測定し、この慣性モーメントに基づき速度制御
を行う電動機速度制御の自動調整装置（特開昭６０−１
６２４９２号公報）。

（３）電動機の回転速度を一定レートで変化させた場合
の加速トルクの積分量と回転速度の変化量から慣性モー
メントを測定し、この慣性モーメントに基づき速度制御
を行う速度制御装置の制御定数設定方法（特開昭６１−
８８７８０号公報）。

等が知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記の従来装置或いは方法では、いずれも実運
転前に慣性モーメントを測定するための運転が必要であ
り、しかも特定の運転パターンが必要であるため運転中
に慣性モーメントが変化する電動機系には適用できない
という問題があった。

そこで５発明者は、この問題を解決するために、同日付
の出願にかかる「電動機の機械定数同定方法」を別途提
案した。この「電動機の機械定数同定方法」にかかる発
明は適応制御理論を応用するものであり、電動機の速度
制御装置にパラメータ同定回路、制御定数変更回路を設
け、電動機電流と回転速度とから電動機のパラメータ（
機械時定数）を同定するものである。

この同定方法の実施には、例えば第３図で示す制御装置
が用いられる。すなわち、制御対象である電動機１等の
速度制御装置にパラメータ同定回路４、制御定数変更回
路５を設け、電流（トルク電流）　Ｉ　ｉｓｔと回転速
度から電動機１の機械時定数（慣性モーメント）を同定
し、その値に基づき制御定数変更回路５は速度制御回路
３のゲインを変更修正する。速度制御回路３は速度指令
値ｎ８と速度検出値ｎとの偏差に基づく電流指令Ｉ”を
演算し、電流制御回路２はこの電流指令Ｉ”と電流検出
値Ｉ　ｉｓｔとの偏差に基づき所望の制御信号を出力す
る。

以下、この同定方法の原理について簡単に説明する。

一般に電動機の機械系の運動方程式は１次式でｔ 但し、ＴＭは慣性モーメント（機械系の時定数）。

ｎＮは電動機の回転速度、Ｄには粘性摩擦係数、τには
電動機の発生トルク、てｄは外乱トルクである。

式（１）において、粘性摩擦係数ＤＮは小さいとして無
視し、更に外乱トルクがない（τｄ＝０）と仮定すると
、式（２）が得られる。

ｔ 前記「電動機の機械定数同定方法」にかかる発明では、
この式（２）の運動方程式に相当するモデルから電動機
発生トルクと回転速度とを用いてパラメータＴＭを同定
している。また、変更する制御装置の定数（ゲイン）は
、同定したパラメータから容易に求めることができる。

なお、適応制御理論については１文献「適応制御システ
ムの理論と実際Ｊ　（Ｉ、Ｄ、Ｌａｎｄａｕ・富塚誠義
共著、オーム社発行）に詳細に述べられている。

このように、上記同定方法を応用すれば、その同定値に
基づき制御装置のゲインを変更修正し。

即応性に優れた電動機の速度制御を行うことができる。

しかし、上記同定方法を採用する装置による制御は、外
乱トルクが存在しないとの仮定のもとに負荷機械のパラ
メータを同定しているため、外乱トルクが存在したり変
動すると間違った値に同定されるという不都合も生じ得
る。しかも、定数変更を常時行っているため、制御装置
のゲインがパラメータ同定中の値に変更されることによ
り、速度変動が発生するという問題も生じる場合がある
。

本発明は、上記同定方法を一歩進めたものであリ、前記
従来の技術及び上記同定方法に生じることのある不都合
を解決するために、運転開始直後あるいは運転中に実際
の機械時定数（慣性モーメント）の値を瞬時に求め、速
度制御装置等の制御定数の自動設定を行うと共に、これ
により滑らかな制御を行うことができる電動機の速度制
御装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明は、上記の問題点及び不都合を解決するために
、トルクτＮ及び回転速度ｎＮの変化量に比例した信号
で、　（ｉ）−τｘ（ｉ−１）及びｎＨ（ｉ）−ｎｓ（
ｉ　　１）から機械時定数Ｔｘ（ｉ）を同定するパラメ
ータ同定回路と、外乱トルクτｄの推定（推定値ｆｆ１
ｄ（ｉ））を行う状態観測回路と、パラメータ同定回路
の機械時定数Ｔ　ｓ　（ｉ）から速度制御装置の比例定
数Ｋｏを変更する変更回路と、状態観測回路の外乱トル
ク推定値ｆｆ１ｄ（ｉ）の変化量ｔ　ｄ（ｉ）　−ｔ　
ｄ（ｉ−１）に基づきパラメータ同定回路を動作させる
第１の制御回路とを設けたことを特徴とする。

更に、上記変更回路を、一次遅れ又は二次遅れと同等で
あるフィルタから構成し、上記変更回路に、パラメータ
同定回路の同定値ＴＭ（ｉ）に基づき上記状態観測回路
の定数を変更する機能を持たせ。

また、速度指令値ｎ　Ｍ”　（ｉ）と速度実際値ｎ−（
ｉ）の偏差及び同定したパラメータの値Ｔｇ（ｉ）がそ
れぞれ予め設定した値以内のときに変更回路を動作させ
る第２の制御回路を設け、更に、状態観測回路の演算結
果から電動機のトルク電流分を演算してその演算結果を
電流指令値に加算する回路を付加することが望ましい。

（作用） トルクτＮや回転速度ｎＭが変動すると、パラメータ同
定回路は外乱トルクτｄを除去し、予め設定された同定
則に基づきトルクτ阿及び回転速度ｎＭの変化量に比例
した信号　１Ｍ　（ｉ）−１Ｍ（ｉ　　１）及びｎＭ（
ｉ）　　ｎｘ（ｉ−１）から電動機の機械定数Ｔ、　（
ｉ）を同定する。

一方、状態観測回路により外乱トルクτｄが推定（推定
値ｆｆ１ｄ（ｉ））されており、この外乱トルク推定値
の変化量　ｔ　ｄ（ｉ）　−２ｄ（ｉ−１）が予め設定
した値以内のときに第１の制御回路は上記パラメータ同
定回路を動作させる。したがって、一定或いは一定値以
下の変動を有する外乱トルクτｄが存在しても、パラメ
ータ同定回路はその影響を除去した同定を行う。

そして、変更回路によりパラメータ同定回路の同定値Ｔ
に（ｉ）に基づく速度制御装置の定数の変更が行われる
。

ここで、上記変更回路を一次遅れ又は二次遅れ動作を行
うフィルタにより構成してフィルタ定数ＫＦに適度な値
を採用し、更に、上記変更回路にパラメータ同定回路の
同定値に基づき上記状態観測回路の定数をも変更する機
能を持たせた場合には、より円滑な速度制御が行われる
。

また、第２の制御回路により上記変更回路が動作するよ
うにした場合には、速度指令値ｎＩＩ″と速度実際値ｎ
Ｎの偏差ｎＭ”　　ｎＮ及び前記同定値Ｔ、　（ｉ）が
それぞれ予め設定した値以内のときに速度制御装置の定
数（ゲイン）Ｋａがゆっくりと変更されるため、該定数
Ｋａの変更に起因する速度変動のない制御が行われる。

更に、トルク電流分演算回路が付加されているときには
、電動機のトルク分電流を考慮した電流指令が行われて
誤差のない制御が行われる。

（実施例） 第１図は、本発明の一実施例を示す制御装置の機能ブロ
ック図であり、番号１〜３の各要素は第３図において同
一番号を付した各要素と同一である。この制御装置は、
電流制御回路２、速度制御回路３及び第３図の４，５に
相当するパラメータ同定回路１１．制御定数変更回路１
３に加え、新たな要素である状態観測回路１２、第１の
制御回路１４及び第２の制御回路１５とから構成されて
いる。なお、これら全ての回路はプログラムで作成する
ことが可能であり、マイクロプロセッサの実行により回
路動作が実現される。

以下各回路の動作を説明する。

まず、パラメータ同定回路１１の動作を説明する。

前述の式（１）を離散時間方程式で表現し、粘性摩擦係
数ＤＨを無視すると。

ｎｘ（ｉ）＝　ｎＭ（ｉ　　１） 十に五・（τｘ（ｉ−１）−ｔｄ（ｉ−１）　）・・・
（３）ｎｘ（ｉ−１）＝　ｎｘ（ｉ−２） ＋Ｋｘ・（τｘ（ｉ−２）−ｔｄ（ｉ−２）　）・・・
（４）となる、但し。

Ｋｔ＝□　　　　　　　　　　　　　・・・（５）１Ｍ Ｔ：サンプル時間 である。

ここで、隣接するサンプル点間では外乱トルクが一定、
すなわち、式（３）、（４）ではｔｄ（ｉ−１）＝τｄ
（ｉ−２） とし、（３）−（４）を計算して整理すると、ｎｗ（ｉ
）＝２・ｎｍ（ｉ−１）−ｎｘ（ｉ−２）＋に１・（τ
ｘ（ｉ　　１）−τｘ（ｉ２））・・・（６）となる。

次にτＮ”　（ｉ）をトルクの変化量とすると、τｘ”
（ｉ　　１）＝τｘ（ｉ−１）−τ阿（ｉ　−２）　　
　　・・・（７）となり、モデルの回転数ｎ　Ｍｌｌ’
　（ｉ）は１式（６）から、ｎＮｍ”（ｉ）＝　２　・
ｎｘ（ｉ−１）　−ｎｍ（ｉ−２）＋Ｋｘ（ｉ　　１）
・７Ｍ”（ｉ　　１）　　・・・（８）で表される。

ここで、電動機の回転速度ｎ　Ｎ（ｉ）とモデルの回転
速度ｎ　Ｈａ”　（ｉ）との偏差をｅ　（ｉ）とすると
。

ｅ　（ｉ）−ｎＭ（ｉ）　−ｎＭ♂（ｉ）　　　　　　
・（９）である。したがって、適応誤差信号ｅ　”　（
ｉ）及び同定則は、 Ｋｔ（ｉ）＝　Ｋｘ（ｉ−１）＋　Ｋ＾・ｅ”（ｉ）・
７Ｍ”（ｉ　　１）・・・（１１） となる。

但し、 Ｋ＾：定数 である。

上記式（７）〜（１１）と式（１２）をサンプル点ごと
に繰返し実行することにより、機械時定数ＴＴ４（ｉ）
を同定することができる。

次に、状態観測回路１２の動作を説明する。

まず、式（１）の粘性摩擦係数Ｄｓを無視した運動方程
式。

ｖ　（ｉ）　：　ｉ　ｄ（ｉ）とｎＭ（ｉ）とを結び付
けるために導入された推定量 ｔ と外乱トルクの微分値を零とおいた次式。

ｔ において、状態変数を速度ｎｘ（ｉ）、外乱トルクτｄ
（ｉ）、入力変数を電動機の発生トルクτＮ　（ｉ）、
出力変数を速度ｎｘ（ｉ）とおいて離散化する。状態観
測回路１２は、この離散化した状態方程式に基づくゴピ
ナス（Ｇ　ｏｐｉｎａｔｈ）の最小次元オブザーバ（文
献「基礎ディジタル制御」コロナ社、ｐ７６〜ｐ７９参
照）を構成する次の各式。

ｖ　（ｉ）　＝　ｖ　（ｉ−１） ＋に本・（ｆｆ１ｄ（ｉ−１）−τｘ（ｉｌ））・・・
（１４）ｔｄ（ｉ）＝Ｋａｂ・（ｖ（ｉ）＋ｎｘ（ｉ）
　）　　　　−（１５）を実行して、外乱トルクの推定
値を得ている。

ここで。

である。

次に、制御定数変更回路１３の動作について説明する。

速度制御回路３のゲインＫａはパラメータ同定回路１１
で同定したパラメータＴｘ（ｉ）と次の関係にある。

ＫＧ＝に−ＴＮ（ｉ）　　　　　　　　　　　・・・（
１６）但し、　ｋ：比例定数である。しかも、状態観測
回路１２の定数に２がパラメータ同定回路１１で同定し
たパラメータと等しいことから、制御定数変更回路１３
はパラメータＫ　、　（ｉ）　、　Ｔ　Ｍ　（ｉ）から
速度制御回路３のゲインと定数に２を演算し、例えば次
式で表されるフィルタ回路を介して演算結果を出力する
。

Ｙｒ（ｉ）＝　ＫＦｉＹＦ（ｉ−１）＋　ＫＦｚ・ｕ　
（ｉ−１）・・・（１７） 二こで、Ｙｒ（ｉ）：フィルタ出力、ｕ（ｉ）：フィル
タ入力であり、 Ｋｒｔ＝　ｌ！ＩＸＰ（−Ｔ／ＴＦ） （但し、ＴＦはフィルタ時定数） Ｋ１１ｇ　＝１−　ＫＦｘ である、このフィルタを介することにより、　Ｋａ。

Ｋｇをステップ状に変化させることなく、滑らかに変更
できる。

ここで、第１及び第２の制御回路１４．　Ｉｓの動作を
説明すると、第１の制御回路１４は、状態観測回路１２
の演算結果である外乱トルク推定値ｔｄ（ｉ）の変化量
がある一定値以下の時にパラメータ同定回路１１が同定
動作を行うように、また第２の制御回路１５は、速度設
定値と速度実際値との偏差とパラメータ同定回路１１の
同定結果の変化量とが一定値以下の時に、制御定数変更
回路１３がフィルタ動作を含めた変更動作を行うように
それぞれ制御する。

なお、第２図は、第１図に示す実施例の全体動作を表す
フローチャートであり、従来から実施されている速度制
御、電流制御動作に第２図の動作を付加することによっ
て第１図の実施例を実現することかできる。

また、第１図の構成に、状態観測回路１２の出力（外乱
トルクの推定値）からトルク電流相当分を演算して電流
指令値に加えるような回路を付加すると、インパクトな
外乱トルクの急変に対して速度が変動するのを補償する
インパクトドロップ補償制御系が容易に構成されること
が明らかである。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、トルク及び回転速度の変
化量に比例した信号によりパラメータ（機械定数）を同
定するパラメータ同定回路を設け。

第１の制御回路により外乱トルクの変化量がある一定値
のときにパラメータ同定回路が動作するように制御する
ので、一定の或いは一定値以下の変動を有する外乱トル
クが存在しても、その影響を除去して正しい値のパラメ
ータを同定することができる。

また、フィルタから構成される制御定数変更回路及び第
２の制御回路を設け、速度指令値と速度実際値との偏差
及び同定したパラメータの値の変化量がある一定値以下
のときに制御装置及び状態観測回路の定数をゆっくりと
変更するようにしているので、定数変更による速度変動
が発生することもなく、しかも状態観測回路は常に誤差
なく外乱トルクを推定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図はこの実施
例の動作を示すフローチャート、第３図は同日出願にか
かる電動機の機械定数同定方法を実施するための制御装
置を示す説明図である。 第２図 １・・・電動機、２・・・電流制御回路、３・・・速度
制御回路、１１・・・パラメータ同定回路、１２・・・
状態観測回路、１３・・・制御定数変更回路、１４・・
・第１の制御回路、１５・・・第２の制御回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）電動機の発生トルクを制御する電流マイナループ
   付の速度制御装置において、 トルク及び回転速度に比例した信号から電動機の外乱ト
   ルクを除去して機械定数を同定するパラメータ同定回路
   と、 外乱トルクを推定する状態観測回路と、 上記状態観測回路の外乱トルク推定値の変化量が予め設
   定した値以内のときに上記パラメータ同定回路を動作さ
   せる第１の制御回路と、 上記パラメータ同定回路による値から上記速度制御装置
   の比例定数を変更する変更回路と、を備えたことを特徴
   とする電動機の速度制御装置。
2. （２）変更回路を、一次遅れ又は二次遅れと同等である
   フィルタから構成した請求項（１）記載の電動機の速度
   制御装置。
3. （３）変更回路に、パラメータ同定回路の同定値に基づ
   き状態観測回路の定数を変更する機能を持たせた請求項
   （１）又は（２）記載の電動機の速度制御装置。
4. （４）速度指令値と速度実際値の偏差及びパラメータ同
   定回路の同定値がそれぞれ予め設定した値以内のときに
   変更回路を動作させる第２の制御回路を付加した請求項
   （１）、（２）又は（３）記載の電動機の速度制御装置
   。
5. （５）状態観測回路の演算結果から電動機のトルク電流
   分演算回路を付加し、その演算結果を電流指令値に加算
   する請求項（１）、（２）、（３）又は（４）記載の電
   動機の速度制御装置。