JPH07327382A - 交流モータの制御方式 - Google Patents

交流モータの制御方式

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JPH07327382A
JPH07327382A JP6137867A JP13786794A JPH07327382A JP H07327382 A JPH07327382 A JP H07327382A JP 6137867 A JP6137867 A JP 6137867A JP 13786794 A JP13786794 A JP 13786794A JP H07327382 A JPH07327382 A JP H07327382A
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JP
Japan
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motor
current
loop
feedback
speed
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JP6137867A
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Tetsuro Kato
哲朗 加藤
Shin Hatanaka
心 畑中
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Fanuc Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電流ループへの状態フィードバックゲインを
改善した交流モータの制御方式を提供する。 【構成】 交流モータの電流ループへの電流指令に対し
て、交流モータに接続される負荷の状態量をフィードバ
ックを行う交流モータの制御において、フィードバック
を行う状態量として交流モータに流れる有効電流を用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、交流モータの制御方式
に関し、特に工作機械やロボット等の駆動源として使用
される交流モータの制御方式に関する。
【0002】
【従来の技術】工作機械の送り軸やロボットのアーム等
はサーボ機構により制御されている。このサーボ機構に
おける制御では、交流モータの速度ループ制御や位置ル
ープ制御が行われており、例えば、速度ループのゲイン
を一定に保ち、機械的な共振を引き起こすゲインレベル
に対してある程度のマージンを持った値に設定し、ま
た、位置指令から位置検出器等で検出される位置を減じ
て位置偏差を求め、該位置偏差に位置ループゲインを乗
じて速度指令を求め、該速度指令から速度検出器等で検
出される実速度を減じて速度偏差を求め、その速度偏差
に速度ループゲインを乗じトルク指令(電流指令)を求
め、このトルク指令に基づいて交流モータを駆動するこ
とが、一般に行われている。また、この位置ループ制御
や速度ループに加えて、トルク指令に何らかの状態量を
フィードバックすることによって、モータに接続される
機械系の制御に状態フィードバック制御を用いて外乱抑
制性や振動抑制性を向上させることも行われている。こ
のトルク指令への状態フィードバック制御としては、例
えば、速度検出器によって検出したモータ速度を微分し
て機械系のイナーシャ項を乗ずることによってアーム等
の機械系に加えられたトルクを求め、そのトルク値とト
ルク指令との差を外乱としてトルク指令に戻す制御方式
や、オブザーバによってアーム等の機械系における速度
成分を求め、その値とモータ速度との差を捩れ量として
トルク指令に戻す制御方式が知られている。
【0003】図5は、サーボモータの制御系の構成図で
あり、電流ループ、及び速度ループを示している。図5
において、K1は速度制御部における積分ゲイン、K2
は比例ゲイン、Ktはモータのトルク定数、Jmはモー
タのイナーシャ、Jlはバネ・ダンパを介してモータに
接続される負荷のイナーシャ、Dmはダンピング定数、
Kmはバネ定数であり、モータと負荷の間の捩れ量,捩
れ速度を状態フィードバック量とし電流ループのトルク
指令(電流指令)にフィードバックしている。この状態
フィードバック量としては、オブザーバにより求めた捩
れ量及び捩れ速度にそれぞれ係数K3,K4を乗算した
ものを用いている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
交流モータの制御方式では、電流ループの位相特性等に
問題点がある。従来の交流モータの制御方式は、電流ル
ープの帯域を充分に高いものと見なし、電流ループへの
電流指令Ir’の分だけモータへ電流が流れるものと仮
定して状態フィードバックを行っているが、実際にはこ
の電流ループの帯域には限度があり、電流ループを経て
出力される電流Iyは電流指令Ir’に対して電流ルー
プの遅れの分だけ状態量の位相も遅れる。そのため状態
フィードバックゲインを大きく取るほど狙った極配置か
らのずれも大きくなるのでその大きさにも限度があり、
制御対象の帯域向上が制限されることにもなる。
【0005】例えば、電流ループへの電流指令をI
r’、出力をIyとおき、電流ループの伝達関数Iy/
Ir’をほぼ1と見なせる場合には、電流指令Ir’か
らモータの加速度ayまでの伝達関数ay/Ir’は、 ay/Ir’≒ay/Iy ={Kt/(Jm+Jl)}・ 〔(Jls2 +Dms+Km)/{(Jm・Jl)s2 / (Jm+J)+Dms+Km}〕 …(1) で表される。これに対して、実際の電流ループの伝達関
数Iy/Ir’は、例えば、 Iy/Ir’=B/(s2 +As+B) …(2) により表され、このときには電流指令Ir’からモータ
の加速度ayまでの伝達関数ay/Irは、 ay/Ir’={Kt/(Jm+Jl)}・ {B/(s2 +As+B)}・ 〔(Jls2 +Dms+Km)/{(Jm・Jl)s2 / (Jm+J)+Dms+Km}〕 …(3) となり、電流ループによる1/(s2 +As+B)の項
によって位相遅れが生じる。そこで、本発明は前記した
従来の問題点を解決して、電流指令への状態フィードバ
ックゲインを改善した交流モータの制御方式を提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、交流モータの
電流ループへの電流指令に対して交流モータに接続され
る負荷の状態量をフィードバックを行うことにより交流
モータを制御する制御方式において、フィードバックを
行う状態量として交流モータに流れる有効電流を付加す
ることにより、前記目的を達成するものである。本発明
の制御方式において、交流モータの電流ループへの電流
指令に対してフィードバックする負荷の状態量として、
例えばモータと負荷の間の捩れ量,捩れ速度を用いるこ
とができる。この場合には、電流とモータ速度からオブ
ザーバを介して捩れ量,捩れ速度等を求め、この値をフ
ィードバック量として電流ループの電流指令に戻すフィ
ードバック制御を行う交流モータにを適用することがで
きるものである。そして、本発明の特徴はこの電流ルー
プにおいて、電流ループの電流指令へのフィードバック
量として、前記した状態量に加えて交流モータに流れる
有効電流を付加するものであり、該有効電流は、交流モ
ータの各相の実電流及びロータの位相からd−q変換し
て求められるq相電流を用いることができる。
【0007】
【作用】本発明によれば、交流モータのフィードバック
制御方式において、交流モータの負荷側の速度を検出
し、その速度と電流指令とからオブザーバを介して得ら
れる捩れ量,捩れ速度等の状態量をフィードバックする
とともに、交流モータの各相の実電流及びロータの位相
からd−q変換して求められるq相電流を交流モータの
有効電流成分として電流ループへの電流指令にフィード
バックすることにより、電流ループによる状態フィード
バックの位相遅れを減少させ、これによって、状態フィ
ードバックのゲインを向上させる。この、状態フィード
バックのゲイン向上は、交流モータによる制御対象にお
ける周波数応答の帯域を延ばすことができる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものでは
ない。 (本発明を適用する交流モータの構成例)はじめに、本
発明を適用する交流モータの構成例を図3を用いて説明
する。図3は、本発明の一実施例を実施する交流モータ
のデジタルサーボ系の要部ブロック図であり、符号10
はコンピータ内蔵の数値制御装置(CNC)、符号11
はRAMで構成され、CNC10及びデジタルサーボ回
路12のプロセッサから共にアクセスできる共有メモリ
である。符号12はプロセッサ、RAM,ROM等で構
成されサーボ処理を行うデジタルサーボ回路である。ま
た、符号13はサーボモータを構成する交流モータで、
符号14は該交流モータに取り付けられ速度等の状態量
を検出するパルスコーダ等の検出器である。なお、この
図3に示すデジタルサーボ系の構成は、従来から周知で
あるのでその詳細は省略する。CNC10は位置、速度
処理周期毎、移動指令を共有RAM11に出力し、デジ
タルサーボ回路12のプロセッサは、共有RAM11か
らこの移動指令を読み取り、読み取った移動指令とパル
スコーダ14からのフィードバックパルスに基づいて位
置、速度制御周期毎にサーボ制御処理を行う。
【0009】(本発明の構成例)次に、前記構成の交流
モータの制御系において、本発明の電流ループを主とす
る制御系の構成について、図1及び図2を用いて説明す
る。図1は電流ループを主とする制御系の概略図であ
り、図2は該制御系のブロック構成図である。図1は、
電流指令Irを受ける電流ループ1から交流モータ2
(以下、モータという)及び機械系3までの構成を示し
ている。電流ループ1は電流指令Ir’を受け、モータ
2に供給する電流指令Iyを出力するループであり、モ
ータ2から電流ループ1に対して3相電流のフィードバ
ックが行われている。モータ2はトルク定数Ktを持
ち、電流指令Iyによるトルクτを機械系3に供給す
る。機械系3は、例えばバネ要素・ダンパ要素を含む振
動系により構成することができる。上記構成の機械系に
接続された交流モータにおいて、機械系3からの状態フ
ィードバックは、その速度vyを状態フィードバックブ
ロック4を介して電流指令Irに戻すことによってフィ
ードバック制御を行っている。この状態フィードバック
ブロック4における状態量の検出ではオブザーバ4−1
を用いている。このオブザーバは、有効電流Iqと機械
系3からの速度vyを入力とする従来と同様のオブザー
バにより構成することができる。状態フィードバックブ
ロック4においては、このオブザーバ4−1から求めた
捩れ量、及び捩れ速度にそれぞれゲイン項4−2,4−
3の係数K3,及びK4を乗じ、電流指令Irに符号を
逆転して戻すことによりフィードバックを行っている。
【0010】本発明の制御においては、前記状態フィー
ドバックとともに補償フィードバックブロック5を有し
ている。この補償フィードバックブロック5は、電流1
の持つ遅れ特性による状態フィードバックに生じる遅れ
特性を補償するものであり、図1に示す実施例の構成で
はd−q変換を用いた有効電流Iqの電流ループへのフ
ィードバックを行うものである。補償フィードバックブ
ロック5は、モータ2から電流ループ1への3相電流の
フィードバック値を入力とし有効電流Iqを出力するd
−q変換5−1と、この有効電流Iqに係数K5を乗ず
るゲイン項5−2と、有効電流Iqを微分する微分項5
−4と、該微分項5−4の出力に係数K6を乗ずるゲイ
ン項5−3とを備え、ゲイン項5−2,及び5−3から
の出力の加算値を電流指令Irに符号を逆転して戻すこ
とにより補償フィードバックを行っている。
【0011】前記補償フィードバックにおけるd−q変
換は、3相交流座標系から2相交流座標系を経て回転座
標系に変換するものであり、一般にd軸を磁界の作る磁
束の方向にとっている。ここで、例えば、θをロータの
電気角とし交流モータの各相の電流の内の2相の電流を
Iu,Ivとすると、d−q変換5−1は、以下に示す
式(4)により有効電流Iqを出力する。
【0012】 Iq=Iu・cos(θ+π/3)+Iv・cosθ …(4) このd−q変換による有効電流Iqの演算,ゲイン項5
−2による該有効電流Iqに対する係数K5の乗算,微
分項5−4による該有効電流Iqの微分,及びゲイン項
5−3による該微分値に対する係数K6の乗算は図示し
ない演算処理回路により行うことができ、該演算処理回
路は交流モータを制御するデジタル制御回路12中のC
PUあるいは専用の処理回路により行うことができる。
【0013】図1に示す制御系の概略図に従って該制御
系のブロック構成図を図2に示す。図2においては、速
度ループ及び電流ループについて示し、位置ループにつ
いては省略して示している。図2において、符号1は電
流ループ、符号2はトルク係数Ktのモータ、符号3−
1及び符号3−2は機械系3のイナーシャ,及び積分項
であり、符号6は速度ループの積分ゲインK1、符号7
は速度ループの比例ゲインである。そして、図1と同様
にオブザーバ4,係数K3のゲイン項4−2,係数K4
のゲイン項4−3により状態フィードバックブロック4
を構成し、d−q変換5−1,係数K5のゲイン項5−
2,係数K6のゲイン項5−3,及び微分項5−4によ
り補償フィードバックブロック5を構成している。図2
のブロック構成図において、電流ループの伝達関数Iy
/Ir’が前記式(2)に示すようにIy/Ir’=B
/(s2 +As+B)で表されるとすると、このときの
電流指令Irから負荷の加速度awまでの伝達関数aw
/Irは以下の式(5)により表される。
【0014】 aw/Ir={Kt/(Jm+Jl)}・ [B・(Dms+Km)/ 〔{s2 +(A+K6・B)s+(B+K5・B)}・ {Jm・Jls2 /(Jm+Jl)+Dms+Km} +Jl・(K4・Kt・Bs+K3・Kt・B)/(Jm+Jl) …(5) (本発明の作用例1)次に、本発明の実施例の作用例1
について説明する。本発明の実施例においては、制御系
の構成上においてこの補償フィードバックブロック5を
付加することにより、フィードバックする状態量に有効
電流を付加し、この有効電流の付加によって伝達関数中
の分母を補正して電流ループの持つ伝達関数の遅れ分を
補償するものである。この補償フィードバックブロック
5による電流ループの持つ伝達関数の遅れ分の補償は、
例えば、補償フィードバックブロック5中のフィードバ
ックゲインK5及びK6の値を定めることにより行うこ
とができる。以下、図4のフローチャートに従って、式
(5)で表される伝達関数中のフィードバックゲインK
5,K6を求める手順について説明する。なお、図4フ
ローチャートにおいては、ステップSの符号を用いて説
明する。
【0015】ステップS1:はじめに、図1,図2に示
す交流モータの制御系において、電流ループ、ブロック
5を無視して決めたゲインを用いて周波数応答を求め、
その周波数特性及び系の安定性を検討する。周波数特性
及び系の安定性が電流ループの遅れにもかかわらず許容
範囲にある場合には、本発明による補償フィードバック
ブロック5中のフィードバックゲインK5及びK6の値
を定める必要がない。一方、周波数特性及び系の安定性
が電流ループの遅れにより許容範囲を満足しない場合に
は、以下に示す工程によってフィードバックゲインK5
及びK6の値を定める。 ステップS2:実際の電流ループの伝達関数Iy/I
r’を求め、その伝達関数が前記式(2)によって表さ
れる場合の各係数A,Bを求める。 ステップS3:交流モータ及び機械系を含む系におい
て、電流指令Irから加速度awまでの伝達関数aw/
Irにおいて、所望の特性のものを定める。 ステップS4:周波数特性において、特にその系の安定
性は伝達関数の分母により定められる。そこで、所望と
する周波数特性を表す伝達関数の分母をあらかじめ求め
ておき、その分母と電流ループ・ブロック5を考慮に入
れた場合の伝達関数の分母とを比較する。この分母の比
較によって係数K3,K4,K5,及びK6の値を定め
ることになる。
【0016】ステップS4:前記工程における伝達関数
の分母の比較によって、補償フィードバックゲインの係
数K3,K4,K5,及びK6の値を求める。ここで、
電流指令から加速度までの所望とする伝達関数の分母と
して、例えば、時定数δ=4.55×10-3として、電
流ループへの電流指令から制御対象の作業端の分母を
(1+δs+0.5δ2 2 +0.15δ3 3 +0.
03δ44 ・・・)を用いると、この分母と式(5)
の分母{s2 +(A+K6・B)s+(B+K5・
B)}・{Jm・Jls2 +(Jm+Jl)・(Dms
+Km)}+Jl・Kt・B・(K4s+K3)との係
数を比較して得られる。 1/0.03δ4 ={(Jm+Jl)・Km・(B+K5・B)+ Jl・Kt・B・K3}/(Jm・Jl) …(6) 1/0.03δ3 ={(Jm+Jl)・Km・(A+K6・B)+ (Jm+Jl)・Dm・(B+K5・B)+ Jl・Kt・B・K4}/(Jm・Jl)…(7) 1/0.06δ2 ={(Jm+Jl)・Km+(Jm+Jl)・Dm・ (A+K6・B)+Jm・Jl・(B+K5・B)/ (Jm・Jl) …(8) 5/δ={(Jm+Jl)・Dm+Jm・Jl・A+ Jm・Jl・B・K6/(Jm・Jl) …(9) 等の連立方程式を解くことにより、K3,K4,K5,
及びK6の値を求めることができる。
【0017】そして、この求めた補償フィードバックゲ
インの係数K5及びK6の値を、補償フィードバックブ
ロック5中に設定する。これにより、有効電流をフィー
ドバックする状態量として電流ループによる位相遅れの
分を補償することができる。
【0018】図6の(a),(b)は本発明の制御方式
である交流モータに流れる有効電流を付加した状態フィ
ードバックを行わない場合における、電流指令から状態
フィードバックまでの開回路でのゲインと位相を示す図
であり、また、図7の(a),(b)は本発明の制御方
式である交流モータに流れる有効電流を付加した状態フ
ィードバックを行う場合における、電流指令から状態フ
ィードバックまでの開回路でのゲインと位相を示す図で
ある。図6と図7の比較から、本発明の交流モータの制
御方式によれば、ゲインが1以上のときの位相遅れを1
80°内に収めることができる。つまり、従来の方法に
比べて位相遅れを減少させることができ、また、逆に同
様の位相遅れに対して状態フィードバックゲインを高め
ることもできる。
【0019】なお、有効電流Iq、及びモータの出力ト
ルクτをそれぞれ以下の式により表し、 Iq=C・Iy τ=D・Iq また、バネ・ダンパ系のモータ側のイナーシャをJm、
出力端側のイナーシャをJlとして外乱を考慮しない場
合には、状態フィードバックは以下の式によって系を充
分に表すことができる。
【0020】0=Jl・d2 θl/dt2 +Dm(dθ
l/dt−dθm/dt)+Km(θl−θm) τ=Jm・d2 θm/dt2 +Dm(dθm/dt−d
θl/dt)+Km(θm−θl) 上記式によって状態フィードバックの外側への電流指令
Icを用いて、電流ループへの電流指令Irを表すと以
下の式となる。 Ir=Ic−K3(θm−θl)−K4(dθm/dt
−dθl/dt)−K5・Iq−K6・dIq/dt ここで、Ic’=B・C・D・Ic,K3’=B・C・
D・K3,K4’=B・C・D・K4,K5’=B・C
・K5,K6’=B・C・K6とおくと、Ic’からd
2 θl/dt2 までの伝達関数は以下の式によって表す
ことができる。
【0021】(d2 θl/dt2 )/Ic’=(Dms
+Km)/〔{s2 +(A+K6’)s+B+K5’}
・{JmJls2 +(Jm+Jl)(Dms+Km)}
+Jl(K3’+K4’s)}〕 ここで、上記式の分母のみを示すと、 JmJls4 +{(Jm+Jl)Dm+JmJlA+J
mJlK6’}s3 +{(Jm+Jl)Km+(Jm+
Jl)Dm(A+K6’)+JmJl(B+K5’)}
2 +{(Jm+Jl)Km(A+K6’)+(Jm+
Jl)Dm(B+K5’)+JlK4’)}s+{(J
m+Jl)Km(B+K5’)+JlK3’} となる。したがって、このK3〜K6を操作することに
より、所望の極配置を得ることができる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電流指令への状態フィードバックゲインを改善した交流
モータの制御方式を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の制御方式を実施例する電流ループを主
とする制御系の概略図である。
【図2】本発明の制御方式を実施例する同制御系のブロ
ック構成図である。
【図3】本発明の一実施例を実施する交流モータのデジ
タルサーボ系の要部ブロック図である。
【図4】本発明の制御方式による伝達関数のフィードバ
ックゲインを求めるフローチャートである。
【図5】サーボモータの制御系の構成図である。
【図6】従来の制御方式による電流ループから加速度ま
での伝達関数の大きさと位相を示す図である。
【図7】本発明の制御方式による電流ループから加速度
までの伝達関数の大きさと位相を示す図である。
【符号の説明】
1 電流ループ 2 モータ 3 機械系 4 状態フィードバックブロック 4−1 オブザーバ 5 補償フィードバックブロック 5−1 d−q変換 10 CNC 11 共有メモリ 12 デジタルサーボ回路 13 モータ 14 検出器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流モータの電流ループへの電流指令に
    対して交流モータに接続される負荷の状態量をフィード
    バックを行うことにより交流モータを制御する制御方式
    において、前記状態量として交流モータに流れる有効電
    流を付加することを特徴とする交流モータの制御方式。
  2. 【請求項2】 前記有効電流は、交流モータの各相の実
    電流及びロータの位相からd−q変換して求められるq
    相電流である請求項1記載の交流モータの制御方式。
JP6137867A 1994-05-30 1994-05-30 交流モータの制御方式 Withdrawn JPH07327382A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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