JPH06165549A

JPH06165549A - 電動機制御方法および電動機制御装置

Info

Publication number: JPH06165549A
Application number: JP4311742A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Dojiro; 行広堂城; Shuichi Yoshida; 修一吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-11-20
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1994-06-10

Abstract

(57)【要約】【目的】電動機に接続する負荷にバックラッシュが存
在する為に発生する負荷イナーシャ変動によって電動機
の制御能力が劣化することを防ぐ。【構成】第一に初期状態時に、電動機に入力するトル
ク指令と実際の加速度からバックラッシュの発生する前
と後の負荷イナーシャ値の平均値と制御ゲインを求め
る。第二に通常動作時に、上記と同様の方法で負荷イナ
ーシャ値を求める。第三に求めた負荷イナーシャ値と初
期状態時に求めた負荷イナーシャ値の平均値を比較す
る。第四に比較結果により制御ゲインをバックラッシュ
発生前の値か、発生後の値かに切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電動機を制御する駆動装
置において、バックラッシュ等の影響で発生する負荷イ
ナーシャ変動による制御特性劣化を防止する電動機制御
方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は制御系の構成を示すブロック図で
ある。電動機を制御する駆動装置の制御系は、一般に電
動機の速度情報をフィードバックする速度ループと、電
動機の位置情報をフィードバックする位置ループで構成
されている。また速度ループには、速度追従定常偏差を
除去する為の積分器が挿入されている。電動機の回転位
置はエンコーダによって検出される。検出された位置信
号は位置ループにフィードバックされる。位置フィード
バック量の大きさは位置ループ内に配置された位置比例
ゲイン（Ｋｐ）により決まる。位置比例ゲインは、位置
指令と電動機の実際の位置の誤差が最小になるように調
整される。またエンコーダによって検出された位置信号
は、微分器により速度信号に変換され、速度ループにフ
ィードバックされる。速度フィードバック量の大きさは
速度ループ内に配置された速度比例ゲイン（Ｋｖｐ）に
より決まる。速度比例ゲインは、電動機と接続する負荷
が振動しない範囲で、位置ループから入力される速度指
令と電動機の実際の速度との誤差が最小になるように調
整される。速度ループ内の積分器のゲインは速度積分ゲ
イン（Ｋｖｉ）により決まる。速度積分ゲインは速度指
令と電動機の実速度の定常偏差が最小になり、かつ振動
の起きない値に調整される。

【０００３】電動機に歯車を接続した場合、図４に示す
様にその歯車と噛み合う負荷側の歯車との連結部にすき
間ができることがある。このすき間の為に、電動機側の
歯車の動きにかかわらず、負荷側の歯車が停止している
状態が現れる。この特性を歯車のバックラッシュとい
う。バックラッシュが発生すると、歯車が噛み合ってい
るときと、噛み合っていないときで電動機にかかる負荷
荷重（負荷イナーシャ値）が変動する。ゆえに、歯車の
噛み合っていない状態で制御ゲインを調整すると、歯車
の噛み合っている状態では制御ゲインが低くなり制御能
力が劣化する。また歯車の噛み合っている状態で制御ゲ
インを調整すると、歯車の噛み合っていない状態では制
御ゲインが高すぎて制御系が振動的になる。通常は安全
性を考慮して、制御系が振動することのない歯車の噛み
合っていない状態で制御ゲインを調整する。

【０００４】図５は、従来の電動機駆動装置の構成図を
示している。図５において、１は位置指令発生手段、３
は位置比例ゲイン、４は速度比例ゲイン、５は速度積分
ゲイン、６は積分器、７は微分器、８はＤ／Ａコンバー
タ、９は駆動手段、１０は電動機、１１は負荷。１２は
エンコーダである。

【０００５】以上のように構成された電動機駆動装置に
ついて、従来の電動機制御方法を示す。

【０００６】電動機１０の駆動指令は位置指令発生手段
１から送られる。位置指令発生手段１から発生した位置
指令は、エンコーダ１２から出力された電動機１０の位
置を示す位置信号と差分が取られる。差分を取られた位
置誤差信号には位置比例ゲイン３が乗算される。位置比
例ゲイン３が乗算された位置誤差信号は、位置信号を微
分器７により微分して求めた速度信号と差分が取られ
る。差分を取られた速度誤差信号には、比例補償、積分
補償が行われる。比例補償では速度比例ゲイン４が乗算
される。積分補償では速度積分ゲイン５が乗算され、積
分器６により積分演算が行われる。それぞれの演算結果
は加算され、Ｄ／Ａコンバータ８によりアナログ信号に
変換される。Ｄ／Ａコンバータ８の出力は、駆動手段９
内部で３相の電流指令に変換され電動機１０を駆動し、
電動機１０に接続する負荷１１を任意の位置に移動させ
る。

【０００７】図３において、速度ループにおける制御系
の開ループ伝達関数Ｇ１（Ｓ）は、次のように記述する
ことができる。

【０００８】

【数１】

【０００９】速度比例ゲイン４（Ｋｖｐ）は、速度ルー
プの比例項であり、速度ループの帰還ゲイン、ゲイン交
点を決める。速度積分ゲイン５（Ｋｖｉ）は、速度ルー
プの積分項であり、速度ループの定常偏差を除去する役
割がある。Ｋｖｉの値が大きい程定常偏差は小さくなる
が、Ｋｖｉが大きくなると１／Ｓ項が大きくなりゲイン
交点での制御系が２次になるので不安定になる。Ｋｖｉ
の値は制御系が不安定にならない範囲で最も大きな値に
設定される。

【００１０】位置ループから見ると、位置を微分したも
のが速度なので、速度比例ゲイン４（Ｋｖｐ）は微分
項、速度積分ゲイン５（Ｋｖｉ）は比例項を意味するよ
うになる。また位置比例ゲイン３（Ｋｐ）は積分項を意
味する。位置比例ゲイン３（Ｋｐ）は位置ループの低周
波数領域の帰還ゲインの大きさを決定する。Ｋｐゲイン
３は、Ｋｖｉゲイン５と同様に、制御系が不安定になら
ない範囲で最も大きな値に設定される。これらのゲイン
値により、制御系の外乱抑制率と安定性が決まる。

【００１１】電動機１０に接続する負荷１１が歯車であ
ってバックラッシュが存在する場合は、電動機１０が静
止時に振動しないように、電動機１０に接続する歯車
と、その歯車に連結する負荷側の歯車が接触していない
状態で各制御ゲインを設定する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来で
は、電動機に接続する負荷にバックラッシュが存在する
場合、電動機に接続する歯車と、その歯車に連結する負
荷側の歯車が接触していない状態で各制御ゲインを設定
する為に、歯車が接触した状態では制御ゲインが低くな
ってしまう。制御ゲインが低くなると、制御能力が劣化
し、指令に対する追従残差が大きくなる。また指令に対
する応答も遅くなるという欠点を有していた。

【００１３】本発明はこのような従来の問題を解決する
ものであり、電動機に接続する負荷にバックラッシュが
存在しても、負荷イナーシャ値を監視し、負荷イナーシ
ャ値が変動すればバックラッシュが発生したとして、制
御ゲインを最適の値に変更することにより、常に制御系
を適正な状態に保ちバックラッシュによる制御能力の低
下を防ぐことができる優れた方法を提供することを目的
とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の電動機制御方法は、電動機の加速度を求める
ステップと、前記電動機に入力するトルク指令を検出す
るステップと、前記加速度と前記トルク指令の値から前
記電動機に接続する負荷のイナーシャを求めるステップ
と、前記負荷のイナーシャの値に従って前記電動機の制
御ゲインを設定するステップを有するか、あるいは、電
動機と、前記電動機を駆動する駆動手段と、前記電動機
の加速度を検出する加速度検出手段と、前記電動機のト
ルク指令入力と前記電動機の加速度から、前記電動機に
接続する負荷のイナーシャの値を推定するイナーシャ推
定手段と、前記イナーシャ値の変動を検出するイナーシ
ャ変動検出手段と、前記イナーシャ値の変動過程を予め
記録するメモリと、前記メモリから読み出した変動過程
に従って制御ゲインを設定するゲイン設定手段とを有す
る電動機制御装置を含んで構成される。

【００１５】

【作用】本発明は上記のような方法により次のような作
用を有する。すなわち電動機の加速度と電動機に入力す
るトルク指令の大きさから、負荷イナーシャの変動を検
知することによって、電動機に接続する歯車と、その歯
車に連結する負荷側の歯車が接触しているのかどうかを
推定することができる。

【００１６】したがって、本発明によれば、電動機に接
続する歯車と、その歯車に連結する負荷側の歯車が接触
しているかどうかを検知し、制御ゲインの設定変更を行
うことにより、バックラッシュの発生に伴う負荷イナー
シャ変動による電動機の制御能力の劣化を防ぐことがで
きる。

【００１７】また、歯車の接触状況を予め学習し、通常
動作時には学習しておいた値を使用して制御ゲインの設
定変更を行うことにより、歯車の接触状況を検知する時
間を省くことができ、制御ゲイン変更の応答性を向上さ
せ、制御特性を改善することができる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施例の電動機駆動装置
の構成図を示すものである。図１において、１は位置指
令発生手段、２はゲイン設定手段、３は位置比例ゲイ
ン、４は速度比例ゲイン、５は速度積分ゲイン、６は積
分器、７は微分器、８はＤ／Ａコンバータ、９は駆動手
段、１０は電動機、１１は負荷、１２はエンコーダ、１
３はトルク指令検出手段、１４は加速度検出手段、１５
はイナーシャ推定手段、１６はイナーシャ変動検出手
段、１７はメモリである。

【００２０】電動機駆動装置の動作については、従来例
と同じなので省略する。以上のように構成された電動機
駆動装置について、以下その動作を図１および図２のフ
ロチャートにもとづき説明する。

【００２１】第一にバックラッシュ発生前後の負荷イナ
ーシャ変動率を求める。位置指令発生手段１から任意の
周波数の正弦波信号を入力する（ステップ１）。正弦波
振幅の初期値は０にする。その時に電動機１０に流れる
電流信号の振幅をトルク指令検出手段１３で検出する。
トルク指令検出手段１３では、検出した電流信号にトル
ク定数を乗算しトルク指令値を求める。電動機１０の移
動量（位置信号）はエンコーダ１２で検出される。エン
コーダ１２で検出された位置信号は微分器７で微分演算
され速度信号に変換される。速度信号は、さらに加速度
検出手段１４で微分演算され加速度信号に変換される。

【００２２】図３において、負荷１１のイナーシャをＪ
Ｌ、電動機１０のイナーシャをＪＭ、トルク指令をＴ
Ｍ、電動機１０の加速度をＡＭとすれば次式が成り立
つ。

【００２３】

【数２】

【００２４】つまり、求めたトルク指令を電動機１０の
加速度で除算することにより、電動機１０＋負荷１１の
イナーシャを求めることができる。電動機１０のイナー
シャは、あらかじめわかっているので、負荷１１のイナ
ーシャを求めることができる。このことは本発明の一実
施例においても同様に成り立つ。負荷１１のイナーシャ
は、イナーシャ推定手段１５で求められる（ステップ
２）。入力正弦波の振幅を少し上げ（ステップ３）、さ
らにステップ２と同様の方法で負荷１１のイナーシャを
求める（ステップ４）。イナーシャ変動検出手段１６で
は、入力正弦波の振幅を上げる前の負荷１１のイナーシ
ャ値と上げた後の負荷１１のイナーシャ値とを比較し変
動の有無を調べる（ステップ５）。変動が検出されなけ
ればステップ３、４、５の操作を繰り返す。変動が検出
されたならば、電動機１０に接続する歯車と、その歯車
に連結する負荷側の歯車が接触して負荷イナーシャが増
加したと判断して、変動検出前の負荷１１のイナーシャ
値を変動検出後の負荷１１のイナーシャ値で除算し負荷
イナーシャの変動率を求める（ステップ６）。また変動
検出前の負荷１１のイナーシャ値と変動検出後の負荷１
１のイナーシャ値の平均値を求める（ステップ７）。あ
る程度入力正弦波振幅の値を上げても負荷イナーシャ値
の変動がなければ、負荷１１にバックラッシュが存在し
ないと見なして測定を終了する。負荷１１にバックラッ
シュが存在しない場合は、従来どうりの方法で制御動作
を行う。

【００２５】第二にバックラッシュ発生前後の制御ゲイ
ン値を求める。電動機１０が回転していない通常制御動
作時における速度比例ゲイン４、速度積分ゲイン５、位
置比例ゲイン３の適正値を従来例で記述した方法により
設定する。ここで設定した各制御ゲインは、電動機１０
が回転していない状態での値なので、電動機１０に接続
する歯車と、その歯車に連結する負荷側の歯車が接触し
ていない状態でのゲインである。これらの各制御ゲイン
値をバックラッシュ発生前の制御ゲイン値として記録す
る（ステップ８）。またステップ８で設定した制御ゲイ
ン値にステップ６で求めた負荷イナーシャの変動率を乗
算し、電動機１０に接続する歯車と、その歯車に連結す
る負荷側の歯車が接触している状態での制御ゲイン値を
求め、ステップ８と同様に、バックラッシュ発生後の制
御ゲイン値として記録する（ステップ９）。記録が終了
すれば、通常の制御動作を開始する。

【００２６】バックラッシュ発生前後の制御ゲインを求
める方法は、電動機１０を回転させながら、位置指令発
生手段１から発生する位置指令と、エンコーダ１２から
発生する位置信号の誤差が最小になり、かつ振動の起き
ない値になるように、また位置比例ゲイン３から出力す
る信号と、微分器７から出力する速度信号の誤差が最小
になり、かつ振動の起きない値になるように速度比例ゲ
イン４、速度積分ゲイン５、位置比例ゲイン３の適正値
を求め、バックラッシュ発生後の制御ゲイン値として記
録し、バックラッシュ発生後の制御ゲイン値をステップ
６で求めた負荷イナーシャの変動率で除算し、バックラ
ッシュ発生前の制御ゲイン値として記録する方法でも良
い。

【００２７】第三に通常制御動作時における制御ゲイン
切り換え方法の説明を行う。イナーシャ推定手段１５に
おいて、ステップ２と同一の方法で負荷１１のイナーシ
ャ値の測定を行う（ステップ１０）。イナーシャ変動検
出手段１６では、測定した負荷１１のイナーシャ値とス
テップ７で求めた負荷１１のイナーシャ値の平均値を比
較する（ステップ１１）。測定した負荷１１のイナーシ
ャ値が負荷１１のイナーシャ値の平均値より小さけれ
ば、電動機１０に接続する歯車と、その歯車に連結する
負荷側の歯車が接触していない状態だと判断して、ゲイ
ン設定手段２に負荷イナーシャ変動検出信号を送る。ゲ
イン設定手段２では、ステップ８で記録したバックラッ
シュ発生前の各制御ゲイン値を制御ループに設定する
（ステップ１２）。測定した負荷１１のイナーシャ値が
負荷１１のイナーシャ値の平均値より大きければ、電動
機１０に接続する歯車と、その歯車に連結する負荷側の
歯車が接触している状態だと判断して、ステップ９で記
録したバックラッシュ発生後の各制御ゲイン値を制御ル
ープに設定する（ステップ１３）。

【００２８】一方、通常動作が常に決まった動作をする
ときは、予めバックラッシュの発生する位置を学習する
為に、基準となる動作指令を位置指令発生手段１から発
生させ電動機１０を動かす。この時にイナーシャ変動検
出手段１６でバックラッシュの発生が検出されたなら
ば、その時のエンコーダ１２の出力と、測定した負荷１
１のイナーシャ値が負荷１１のイナーシャ値の平均値よ
り小さいか、大きいかを示す比較結果信号を逐次、メモ
リ１７に記録する。通常制御動作時には、エンコーダ１
２の出力とメモリ１７から読み出したエンコーダ値を比
較し、値が一致すれば比較結果信号に従ってゲイン設定
手段２に負荷イナーシャ変動検出信号を送る。ゲイン設
定手段２では、比較結果信号が、測定した負荷１１のイ
ナーシャ値が負荷１１のイナーシャ値の平均値より小さ
いことを示していたならば、ステップ８で記録したバッ
クラッシュ発生前の各制御ゲイン値を制御ループに設定
する。比較結果信号が、測定した負荷１１のイナーシャ
値が負荷１１のイナーシャ値の平均値より大きいことを
示していたならば、ステップ９で記録したバックラッシ
ュ発生後の各制御ゲイン値を制御ループに設定する。こ
のように、１７という手段を追加することによって、通
常動作時において、予め学習しておいた歯車の接触状況
を使用して制御ゲインの設定変更を行うことにより、歯
車の接触状況を検知する時間を省くことができ、制御ゲ
イン変更の応答性を向上させ、制御特性を改善すること
ができるという効果が得られる。

【００２９】このように上記実施例によれば、電動機１
０の加速度と電動機１０に入力するトルク指令の値から
負荷１１のイナーシャを求め、負荷１１のイナーシャ値
が変動すればバックラッシュが発生したと判断して、制
御ゲインを適正な値に切り換えることにより、電動機の
制御系を常に一定の状態に保つことができる。ゆえにバ
ックラッシュの発生による電動機の制御能力の劣化を防
ぐことができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明は上記実施例より明らかなよう
に、電動機に接続する歯車と、その歯車に連結する負荷
側の歯車が接触しているかどうかを、負荷のイナーシャ
変動を監視することにより検知し、制御ゲインを最適な
値に切り換えることにより、常に制御系を適正な状態に
保つことができる。したがってバックラッシュの発生に
より制御能力が劣化し、指令に対する追従残差が大きく
なることや、指令に対する応答が遅くなることを防ぐこ
とができるという効果を有する。

【００３１】また、歯車の接触状況を予め学習してお
き、通常動作時に学習結果を使用して制御ゲインの設定
変更を行うことにより、歯車の接触状況を検知する時間
を省くことができ、制御ゲイン変更の応答性を向上さ
せ、制御特性を改善することができるという効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における電動機駆動装置の構
成図

【図２】本発明の一実施例における電動機制御方法を示
すフローチャート

【図３】制御系の構成を示すブロック図

【図４】バックラッシュの構造を示す歯車上面図

【図５】従来の電動機駆動装置の構成図

【符号の説明】

１位置指令発生手段２ゲイン設定手段３位置比例ゲイン４速度比例ゲイン５速度積分ゲイン６積分器７微分器８Ｄ／Ａコンバータ９駆動手段１０電動機１１負荷１２エンコーダ１３トルク指令検出手段１４加速度検出手段１５イナーシャ推定手段１６イナーシャ変動検出手段１７メモリ２１トルク定数２２電動機＋負荷モデル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動機の加速度を求めるステップと、前記
電動機に入力するトルク指令を検出するステップと、前
記加速度と前記トルク指令の値から前記電動機に接続す
る負荷のイナーシャを求めるステップと、前記負荷のイ
ナーシャの値に基づいて前記電動機の制御ゲインを設定
するステップを有することを特徴とする電動機制御方
法。
【請求項２】制御ゲインを設定するステップは、電動機
に接続する第一の歯車と前記第一の歯車と噛み合う第二
の歯車とが接触していない状態で調整された前記電動機
の第一の制御ゲインと、前記第一の歯車と前記第二の歯
車とが接触している状態で調整された前記電動機の第二
の制御ゲインを交互に設定するステップを含んでなるこ
とを特徴とする請求項１記載の電動機制御方法。
【請求項３】制御ゲインを設定するステップは、前記求
められたイナーシャの値が、前記電動機に接続する第一
の歯車と前記第一の歯車と噛み合う第二の歯車とが接触
していない状態での第一の負荷イナーシャ値と、前記第
一の歯車と前記第二の歯車とが接触している状態での第
二の負荷イナーシャ値の平均値より小さくなった時に制
御ゲインを設定するステップと、前記求められたイナー
シャの値が、前記平均値より大きくなった時に制御ゲイ
ンを設定するステップを含んでなることを特徴とする請
求項１記載の電動機制御方法。
【請求項４】電動機と、前記電動機を駆動する駆動手段
と、前記電動機の加速度を検出する加速度検出手段と、
前記電動機のトルク指令入力と前記電動機の加速度か
ら、前記電動機に接続する負荷のイナーシャの値を推定
するイナーシャ推定手段と、前記イナーシャ値の変動を
検出するイナーシャ変動検出手段と、前記イナーシャ値
の変動過程を予め記録するメモリと、前記メモリから読
み出した変動過程に従って制御ゲインを設定するゲイン
設定手段とを有することを特徴とする電動機制御装置。
【請求項５】ゲイン設定手段は、前記電動機に接続する
第一の歯車と前記第一の歯車と噛み合う第二の歯車とが
接触していない状態で調整された前記電動機の第一の制
御ゲインと、前記第一の歯車と前記第二の歯車とが接触
している状態で調整された前記電動機の第二の制御ゲイ
ンを交互に設定するスイッチを含んで構成されることを
特徴とする請求項４記載の電動機制御装置。
【請求項６】イナーシャ変動検出手段は、前記イナーシ
ャ推定手段で求めたイナーシャの値が、前記電動機に接
続する第一の歯車と前記第一の歯車と噛み合う第二の歯
車とが接触していない状態での第一の負荷イナーシャ値
と、前記第一の歯車と前記第二の歯車とが接触している
状態での第二の負荷イナーシャ値の平均値より小さくな
った時と、前記イナーシャ推定手段で求めたイナーシャ
の値が、前記平均値より大きくなった時に負荷イナーシ
ャ変動検出信号を出力する負荷イナーシャ変動検出信号
出力手段を含んで構成されることを特徴とする請求項４
記載の電動機制御装置。