JPH0667251B2

JPH0667251B2 - 電動機の速度制御装置

Info

Publication number: JPH0667251B2
Application number: JP59149513A
Authority: JP
Inventors: 力大前; 龍太郎吉野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1984-07-20
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPS6130984A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明はデイジタル式位置検出器を用いて電動機の位
置、速度を制御する制御装置に係り、特に低速時の安定
性を向上するのに好適な電動機の速度制御装置に関す
る。

〔発明の背景〕

ロボツト、NC工作機械などの位置制御装置では、単位移
動量に対して数値が１だけ変化するデイジタル式位置検
出器、例えばエンコーダなどが位置信号のフイードバツ
ク用に使われている。更に、最近では位置信号を速度フ
イードバツク信号としても用いられ始めている。即ち、
一定時間の位置検出器の出力信号の変化量から速度を計
算するようにしている。しかし、デイジタル式位置検出
器では単位移動量分の変化がないと出力が変化しないの
で、速度を検出する一定時間内で単位移動量以下しか動
かないような低い速度で制御する場合には速度が検出で
きなくなる。

このことを解決する方法として、例えば雑誌「安川電
機」第47巻No.4の第239〜246頁に記載されているものが
知られている。

上記文献に記載されている方法は以前の速度検出値を用
いて補間演算することで低速での速度検出を行ない電動
機の速度制御を行うようにするものである。この方法は
非常に簡単で、有効な方法ではあるが、現時点以前の検
出値のみを用いて推定しており、極めて低速で加減速す
るような速度制御性能を必要とする用途に対する考慮が
なされていないという問題点がある。

また、速度制御系をマイナーループとして備えた位置制
御系で、１単位移動量だけの位置決めを行う場合は速度
制御系のフイードバツク信号が得られないことになり、
応答性をあげることが難かしいという問題点を有する。

〔発明の目的〕

本発明の目的はデイジタル式位置検出器の出力が単位移
動量変化するのに要する時間が長くなる低速度において
も、安定かつ精度よく制御できる電動機の速度制御装置
を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、デイジタル式位置検出器
の出力信号が変化しない間は電動機の発生トルク及び負
荷トルクの推定値から電動機の速度を推定し、その値を
速度フイードバツク信号として用いるとともに、出力信
号が変化した時点では速度推定値と、位置検出器の出力
信号変化から得られた速度検出値とを比較することによ
つて、負荷トルクを推定するようにしたことにある。こ
のようにすると、デイジタル式位置検出器の出力信号が
長い時間変化しない低速度でも、速度フイードバツク信
号が得られるので安定な速度制御が可能となる。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明を実施する上で参考にした直流電動機の
速度制御装置の構成図を示す。

第１図において速度制御回路１は速度指令信号Nrと速度
推定回路９から得られた速度フイードバツクNfとを用い
て速度制御演算を行い電流指令信号Irを求める。電流制
御回路２は電流指令信号Irと電流検出器７で得られた電
流フイードバツク信号Ifとを用いて電流制御演算を行
い、その結果がベース信号発生回路３を介して電力変換
回路５に与えられる。電力変換回路５のトランジスタの
スイツチング動作により直流電源４の電圧が制御されて
直流電動機６へ印加され、トルク及び回転数を変化させ
る。直流電動機６に流れる電流は電流検出器７によつて
検出され、電流フイードバツク信号Ifとして用いられ
る。特流電動機６が回転し回転位置の変化量が定められ
た値になるとインクリメンルエンコーダ（以下、エンコ
ーダと略称する）８がパルスPeを生じる。パルスPeと電
流フイードバツク信号Ifが速度推定回路９に入力され
る。

第２図に速度推定回路９の一例構成を示す。

第２図において電流フイードバツク信号Ifは加減算回路
10に図示の極性で加えられる。加減算回路10の出力は積
分回路11を介して速度フイードバツク信号Nfとなる。エ
ンコーダ８の出力パルスPeは単安定回路12にトリガー信
号として加えられる。単安定回路12は速度フイードバツ
ク信号Nfに反比例した時間幅をもつパルス信号P₀を発生
する。信号変換回路13はパルス信号P₀が“1"レベルのと
きが−Ｅボルトの信号を出力し、また、“0"レベルのと
き＋Ｅボルトの信号を出力する。信号変換回路13の出力
信号はフイルタ14によつて平滑される。フイルタ14の出
力は比例回路15あるいは積分回路16を介して加減算回路
10へ戻される。なお、第２図において、ｓはラプラス演
算子、K₁,K₂K₃は定数である。

第３図に電動機６が一定速度で回転している場合の各部
の動作波形を示す。一定速度で回転している場合にはエ
ンコーダ６の出力パルスPeは第３図のように等間隔で発
生する。積分回路11の出力Nfは単安定回路12の出力パル
スP₀のパルス幅がエンコーダ８の出力Peの１／２周期と
なるような値となつている。この結果、信号変換回路13
の出力P₁を平滑したフイルタ14の出力F₀は僅かに脈動し
ているが、その平均値は零となる。このために、比例回
路15の出力は零となり、積分回路16の出力I_Lは一定値と
なつており、その値は電流フイードバツク信号Ifと同じ
になる。

このような一定回転数の状態から、負荷が大きくない速
度が減少した場合の動作波形を第４図に示す。Ａ点から
エンコーダ８の出力パルスPeの周期が長くなつたとす
る。Ａ点においてはIf＝I_Lでありフイルタ14の出力F₀も
零になつている。Ｂ点を過ぎるとフイルタ14に加わる入
力パルスP₁の＋Ｅが長くなる。この結果、Ｃ点ではフイ
ルタ14の出力F₀が正の値になり、積分回路16、比例回路
15の出力も正の値で大きくなる。このために、加減算回
路10の出力は減少し、積分回路11の出力、即ち速度フイ
ードバツク信号Nfが減少する。このような動作が繰返し
行われ、速度フイードバツク信号Nfの値が減少する。こ
の現象はエンコーダ８の出力パルスPeの周期の１／２に
単安定回路12の出力パルス幅がなるまで続けられ、１／
２となつた時点で速度フイードバツク信号Nfは一定とな
る。

このようにすると、エンコーダ８の出力パルスPeを用い
ても第４図のNfのような連続した速度検出値が得られ
る。即ち、エンコーダ８の出力パルス周期が長くなる低
速においても速度フイードバツク信号Nfが連続的に得ら
れることになる。したがつて、第１図においては安定し
た速度制御性能が極めて低速まで可能となる。

第５図に本発明の一実施例を示す。第１図と異なるとこ
ろは速度推定回路９にあり、それは単安定回路等価等か
ら構成されるアナログ回路に代えてマイクロコンピュー
タを用いたソフトウエア処理により発明を実施する点に
ある。

第５図において第１図と同一番号は相当物を示す。第５
図において、17はマイクロコンピユータ（以下、マイコ
ン17と略称する）、18はデイジタル式ベース信号発生回
路、19は電流検出器７の出力をアナログ値に変換するＡ
／Ｄ変換器、20は一定周波数のクロツクパルスを発生す
るクロツクパルス発生器、21はカウンタである。

マイコン17はエンコーダ８の出力パルスPeが発生した時
点で第６図に示したフローチヤートに従い速度推定（OB
S）の演算を行う。また、一定時間T_S毎に第７図のフロ
ーチヤートに従い速度制御（ASR）の演算を行い、一定
時間Tc毎に第８図のフローチヤートに従い電流制御（AC
R）の演算を行う。これらの処理の優先順位は速度推定O
BS、電流制御ACR、速度制御ASRの順としており、第９図
のようなタイムチヤートで実行される。

エンコーダ８がパルスPeを発生すると、マイコン17はパ
ルスPeを割込み端子INTに入力し第６図の処理を実行す
る。最初にステツプ30,31の処理を行い、カウンタ21の
値Tpを入力するとともに、カウンタ21をリセツトする。
ステツプ32でカウンタ値のTpの逆数Npを計算する。カウ
ンタ21のカウント値Tpは２個のエンコーダパルスPeの時
間間隔であり、その逆数Npはエンコーダ出力パルスPeの
周波数、即ち直流電動機６がエンコーダ８の１パルス分
だけ移動したときの平均速度を意味する。

次に、ステツプ33で▲▼の計算式で行う。

ここで、Nfmは第２図のブロック10,11と同様な演算を行
い得らえる速度推定値Nfのｍ次点の速度フイードバツク
信号の値であり、▲▼はエンコーダ８の出力パルス
間の平均速度の予測値である。ステツプ34でｍを０に設
定する。ステツプ35では予測した値▲▼と実際に検
出した速度Npとの差ΔＮを計算する。編差ΔＮは負荷ト
ルクが実際値と予測値で異なつていることから生じるの
で負荷トルク相当の電流値I_L及び第２図比例回路15の出
力と積分回路16の出力I_Lの加算値I_Nをステツプ36で求め
て修正する。ステツプ36の演算におけk_I,k_Pは定数であ
る。このようにして得られた信号I_L,I_Nは次にエンコー
ダパルスが発生して修正されるまで保持される。

速度制御ASRは第７図のフローチヤートで処理される。
第５図には示していないが、マイコン17はステツプ37の
速度指令Nrmを入力する。次に、ステツプ38で現時点の
速度フイードバツク信号Nfmとの差Neを計算する。ステ
ツプ39で速度偏差Neに比例ゲインk_Sを乗算し、電流指令
Irmを計算する。

電流制御ACRでは、速度制御ASRより短かい周期Tc毎に第
８図の処理を行う。マイコン17はステツプ40において電
流検出器７、Ａ／Ｄ変換器19を介して電流フイードバツ
クIfmを入力する。次に、ステツプ41の処理で電流制御
演算を行い、デイジタル式ベース信号発生回路18に設定
する値αを求める。ステツプ41における演算のkaは定数
である。この結果は、ベース信号発生回路18へ設定さ
れ、電力変換回路５のトランジスタを動作させ、所望の
電流を直流電動機６へ供給する。次に、ステツプ43で速
度フイードバツクNfmを次式で求める。

Nfm＝Nfm＋k₀（Ifm−I_N） …（２） k₀は定数即ち、第２図で示した加減算回路10と積分回路11相当の
演算を（２）式で実行する。このようにして得られた速
度フイードバツク値Nfmを前回の速度フイードバツク値N
fmにステツプ44を加算する。これは、（１）式で示した
ΣNfmで計算を行うことに相当する。最後に、ステツプ4
5でｍの値を１だけ増加する。

これらの処理を、第９図に示すタイムチヤートのように
して演算し直流電動機６の電流、速度をデイジタル制御
する。

このように、第５図の実施例では第９図のようにエンコ
ーダ８の出力パルス列の間隔が極めて長くなる低速の場
合でも、速度制御を行う時点で必らず最新の速度フイー
ドバツク信号が得られるので安定な制御が可能となる。
また、速度フイードバツク信号を求めるのに特別なハー
ドウエアの追加を必要とせずに、制御演算に用いるマイ
コンを共用できるので回路構成が簡単となる。また、エ
ンコーダパルスが発生した時点に実際の速度の予測した
速度とを比例し、その差をなくすようにし予測値を修正
しているので、その予測した速度フイードバツクは比較
的正確なものとなる。更に、負荷トルクの推定は、正確
に計算できるエンコーダにパルスが発生した時点のみに
行つているので、正確な負荷トルク推定も可能となる。

第10図に本発明の他の実施例を示す。第10図において第
１図と異なているのは電流制御回路50である。

電流制御回路50は速度制御回路１から得られる電流指定
信号Ir、電流検出器７の出力である電流フイードバツク
信号If及び速度推定回路９から得られる負荷トルク相当
電流I_Lを入力し、その結果としてベース信号発生回路３
への出力信号を発生する。例えば、電流指令信号Irと負
荷トルク相当電流I_Lを加算し、その加算値から電流フイ
ードバツクIfを減算し、その結果に何らかの補償演算、
例えば比例＋積分補償などを行つて、ベース信号発生回
路３を動作させる信号を発生する。このようにすると、
直流電動機６へ負荷が急に加わつた場合に、その負荷の
大きさを負荷トルク相当電流I_Lとして検出でき、その値
に比例した電流を流すので、負荷変化時の速度変化量が
極めて小さな制御が可能となる。また、負荷相当電流I_L
の検出には速度フイードバツク信号Nfを得る回路を共用
できるので回路構成も簡単となる。

第11図に本発明他の実施例を示す。第11図は第５図の実
施例にエンコーダ８の出力パルスPeを計数するカウンタ
51を設けて位置制御を行うようにしたものである。マイ
コン17は位置指令からカウンタ51で検出された位置フイ
ードバツク値を減算し、その結果から速度指令信号Nrを
計算する。マイコン17はこのようにして得られた速度指
令信号Nrを用いて、第５図の実施例で述べたような速度
制御、電流制御演算を行い、直流電動機６の回転位値を
指令されたように制御する。

今、回転位置の指令として１パルス分が与えられたとす
ると第12図のような動作波形となる。マイコン17では位
置偏差として１を計算し、その値に位置制御系のゲイン
kvをかけて速度指令信号Nrとする。一方、速度フイード
バツク信号Nfは電流フイードバツク信号Ifと推定されて
いる負荷トルクとで前述したような速度推定計算を行つ
て得る。このような速度指令信号Nrと速度フイードバツ
ク信号Nfを用いて速度偏差を算出し、その値に比例＋積
分補償などの演算を施し電流指令信号Irとする。電流指
令信号IrとＡ／Ｄ変換器19で検出された電流フイードバ
ツクIfとにより補償演算を行い直流電動機６に供給する
電流を制御する。

このようにして直流電動機６を駆動し、１パルスだけ移
動すると位置指令は零となる。この結果、速度偏差は負
になり、直流電動機６に逆の電流を流し、更に１パルス
を発生しない距離で停止させることが可能となる。この
ように、１パルスだけ移動する間にも何回かの速度フイ
ードバツク信号Nfが得られるので１パルスという非常に
短かい距離の位置決めも安定に制御できる。

第５図、第11図で示したマイコンを用いた実施例では第
９図のタイムチヤートに示したように、速度推定計算OB
Sに処理時間が必要である。

このために、エンコーダの出力パルス周波数が高くなる
高速では、推定計算が終了しないうちに次のエンコーダ
パルスが発生する。このような場合の対策として、第11
図の実施例ではマイコン17のソフトウエアを追加して次
の処理を行つている。

速度推定計算が必要なのは低速の場合である。速度制御
のサンプリング周期Ts内に、いくつものエンコーダパル
スが入つてくる場合には、周期Ts内のエンコーダパルス
を計数することで速度が得られる。このようなことか
ら、速度制御のサンプリング周期Ts内のパルス数が変化
しているかどうかをカウンタ51で検出されるパルス計数
値から判定し、その値が一定値以上の場合は速度推定計
算を停止し、カウンタ51の検出値の変化分から速度を求
め、その値を速度フイードバツク信号Nfとする。

このようにすると、直流電動機６が高速運転する場合に
も安定な制御が可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、デイジタル式位置検出器
の出力パルス列の間隔が極めて長くなる低速の場合に特
に効果を有するもので、本発明によれば、負荷トルクの
推定は該パルスが発生した時点のみの正確な推定値を用
いて行ない、低速時ではこの推定値と電動機発生トルク
の検出値とから演算誤差を最少にして連続的に速度の推
定ができるので、それを用いた速度制御は安定化が図れ
るとう効果を奏する。

なお、上述の実施例は直流電動機について説明したが、
交流電動機、油圧モータなどにも適用できることは勿論
である。また、電動機が発生しているトルクを直流電動
機の電流を検出することによつて得ているが、他の方
法、例えばトルクセンサを設けたり、電流指令信号を用
いたり、交流電動機に流れる各相の電流を演算して得る
などして電動機が発生しているトルク相当の信号が得ら
れれば本発明は適用可能である。更に、デイジタル式位
置検出器としてインクリメンタルエンコーダを例にとつ
て説明したが、アブソリユートエンコーダ、レゾルバな
どの位置検出器を用いるものでも、その位置出力がデイ
ジタル量となるものを用いた場合にも本発明を適用可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する上で参考にした直流電動機の
速度制御装置の構成図、第２図は第１図における速度推
定回路の一例ブロツク構成図、第３図，第４図は第１図
の動作を示すタイムチヤート、第５図は本発明の一実施
例を示すブロツク構成図、第６〜８図はそれぞれ第５図
の動作を示すフローチヤート、第９図は第５図の動作を
示すタイムチヤート、第10図第11図はそれぞれ本発明の
他の実施例を示すブロツク構成図、第12図は第11図の動
作波形図である。１……速度制御回路、２……電流制御回路、６……直流
電動機、７……電流検出器、８……エンコーダ、９……
速度推定回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動機の回転位置の変化に応じてパルス信
号Peを出力するデイジタル式位置検出器と、前記電動機が発生するトルクに比例する値を検出して得
られるトルク検出値Ifと、前記電動機に加わる負荷トル
クに比例する値を推定して得られるトルク推定値I_Lに基
づいて前記電動機の回転速度を推定する速度推定手段
と、該速度推定手段からの速度推定値ｆがその速度指令値
に近づくように前記電動機の速度を制御する速度制御手
段とを備えた電動機の速度制御装置において、前記速度推定手段OBSは、前記位置検出器の出力パルス
信号Pe毎に前記パルス信号の周波数N_Pを計測する手段
と、前記位置検出器の出力パルス信号Pe毎に前記トルク
検出値Ifと前回の演算で求めた前記トルク推定値I_Lに基
づいて前記電動機の回転速度を推定し、その推定値▲
▼と前記パルス信号の周波数N_Pとの偏差ΔＮを所定倍
して前回の演算で求めたトルク推定値I_Lに加算して新た
なトルク推定値I_Lを演算する手段からなることを特徴と
する電動機の速度制御装置。