JPH08289580A

JPH08289580A - モータの速度制御装置

Info

Publication number: JPH08289580A
Application number: JP7092178A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kubo; 謙二久保
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【構成】モータ１に取付け軸２を介して速度検出器３を
取付け、速度検出器より検出される速度検出値と、モー
タ電流検出値とからモータ速度推定値を演算する手段を
設け、モータ速度推定値と速度検出器からの速度検出値
とを用いて速度制御を実行する。モータ速度推定器は、
モータ速度に対する検出器速度の簡易推動モデルに基づ
いて状態オブザーバの手法により検出速度の実際値と推
定値が一致するように状態推定値を補正する。【効果】モータと速度検出器との間に、取付け軸を介し
た共振特性を持つ系であっても、速度検出器取付け軸の
振動を励起することなく、安定で応答の良好な速度制御
を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はモータの速度制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】速度制御機能を有するモータドライブシ
ステムでは、モータの回転軸に速度検出器を取付けら
れ、その検出信号を用いてモータの速度を演算し、この
モータ速度検出値を用いてモータの速度制御を実行す
る。速度検出器は、モータの回転角に応じてインクリメ
ンタルパルス信号が出力されるインクリメンタルエンコ
ーダやモータの回転角に応じた位相角変化を検出するレ
ゾルバなどが用いられる。

【０００３】圧延機やエレベータなどの大容量モータド
ライブ系では、モータのトルク出力軸と反対側に取付け
軸を介して速度検出器が設置される。モータの回転は取
付け軸を経由して速度検出器の回転へと伝達される。こ
の速度検出器の回転速度として、モータの回転速度が検
出される。このとき、特に大容量モータでは、構造上の
問題から、速度検出器の取付け軸の剛性を十分に大きく
できないため、モータと速度検出器との間で、取付け軸
の軸ねじれによる共振現象が励起される場合がある。

【０００４】通常、その共振周波数は、モータの速度制
御応答に比べ十分高く設定し、取付け軸の共振特性が顕
在化しないように構成する。しかし、モータの速度制御
応答の向上のニーズに伴い、速度検出器の取付け軸の振
動が励起される限界まで制御応答を高くした用途が増加
している。速度検出器の取付け軸が振動すると、実際の
モータ速度は振動していないにもかかわらず、振動した
速度検出値を用いて速度制御を実行するため、速度制御
系が不安定になる場合がある。

【０００５】また、モータによる機械負荷駆動系では、
モータと機械負荷との軸ねじりトルクを外乱オブザーバ
により推定し、これをモータ速度検出値とともにフィー
ドバックして速度制御することで軸ねじり振動を抑制す
る方式が知られている。このような系でも、モータ速度
検出値に速度検出器取付け軸の共振が重畳された場合、
軸振動を抑制するための軸ねじりトルク推定値を正しく
推定できない。すなわち、外乱オブザーバにより演算さ
れる負荷トルク推定値には、軸ねじりトルク成分に加え
て速度検出器取付け軸の共振成分が混在する。

【０００６】そこで、従来、このように速度検出値に重
畳される振動成分を低減する方法として、共振周波数で
ゲインの低下する帯域除去フィルタを設け、これにより
速度検出器の取付け軸の共振ピークを抑制する方法が用
いられてきた。帯域除去フィルタを用いることで、取付
け軸の共振周波数でのゲインを低減して速度制御系を安
定化する。また、外乱オブザーバを構成してモータと機
械負荷との軸ねじりトルクを推定する場合にも、帯域除
去フィルタによる取付け軸共振の除去により外乱成分の
推定を安定化していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、帯域除去
フィルタを用いて速度検出器取付け軸の共振成分を除去
する方式では、共振周波数領域でゲインが抑制される
が、これに加えて、帯域除去周波数の近くで位相遅れが
発生する。このため、帯域除去フィルタにより共振特性
を抑制する方式では、これに伴う位相遅れにより、速度
制御系が不安定になる場合があり、所望の速度制御応答
を達成することが難しかった。

【０００８】また、帯域除去フィルタによる方法では、
速度検出器取付け軸の共振周波数に合せて帯域除去フィ
ルタのフィルク特性を設定するため、経年変化により取
付け軸の共振周波数が変動したとき、所望のゲインピー
ク抑制効果が得られない。これをなくすため、広い周波
数領域に渡りゲイン抑制効果を持たした場合には、位相
遅れの影響が増加し、この速度検出値を用いた速度制御
特性が劣下する。

【０００９】本発明の目的は、速度検出器の取付け軸に
共振特性がある場合でも、取付け軸の共振による速度検
出値の変動の影響を除去し、位相遅れなく、モータの瞬
時速度を検出できる速度検出装置を提供することにあ
る。また、その検出された速度検出値を用いて、モータ
を良好な速度応答で制御する速度制御装置を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ため、本発明はモータの実速度に対する速度検出器より
検出される速度の伝達特性を二次振動特性で近似し、こ
の振動モデルに基づいて、検出できる速度検出器側の速
度とモータ電流検出値とからモータ速度を演算するモー
タ速度および負荷トルク推定器を構成する。ここで、こ
のような推定器は、モータと機械負荷との軸ねじり振動
状態を推定する方式として、例えば、特願平5−8080 号
明細書のような方式が広く知られている。本発明では、
これと同様な推定原理を用いて、機械負荷側の速度や軸
ねじりトルクを推定するのではなく、モータの真の速度
を推定することで、速度検出器の取付け軸共振を含まな
いモータ速度検出値を推定する。

【００１１】また、速度検出器の慣性モーメント値はモ
ータの慣性モーメント値に比べ十分小さく、速度検出器
の取付け軸の軸ねじりにより速度検出器からモータ側に
作用するトルク成分は十分小さい。そこで、モータ速度
に対する検出器速度の伝達特性を、共振角周波数ω_rと
減衰係数ζ_rのみをパラメータとする２次特性で表わ
し、これに基づきモータ速度を推定する。

【００１２】更に、モータ軸に作用する負荷トルクも同
時に推定できるので、この取付け軸共振成分を含まない
負荷トルク推定値を速度制御系にフィードバックするこ
とにより、負荷トルクの影響を補償した速度制御を達成
できる。

【００１３】また、演算により求めたモータ速度推定値
と、速度検出器から直接検出した速度検出値とを速度制
御部において使い分け、精度の要求される用途には速度
検出器から直接検出した結果を用い、速応性が要求され
る用途には、モータ速度推定値を用いた瞬時値制御を実
行する。

【００１４】

【作用】モータ速度に対する速度検出器速度の振動モデ
ルと、モータ電流に対するモータ速度の特性モデルと、
速度検出器速度の検出値とモータ電流検出値とを用いる
ことで、振動モデルに含まれるモータ速度を推定するこ
とができる。振動モデルの出力である速度検出器速度の
演算値と、速度検出器速度の実際値との誤差がゼロにな
るように振動モデルの状態量を修正するので、多少のパ
ラメータ誤差や演算誤差があっても、検出できないモー
タ速度瞬時値を演算できる。

【００１５】また、速度検出器の慣性モーメント値がモ
ータの慣性モーメント値より十分小さいことを利用して
速度検出器側の振動がモータ速度に及ぼす影響を無視す
ることにより、モータ速度に対する速度検出器速度の特
性を簡単な２次特性で近似できる。これにより振動モデ
ルのパラメータを低減でき、振動モデルの変動の影響の
少ないモータ速度推定を達成できる。

【００１６】また、速度推定値と同時に推定される負荷
トルク推定値を速度制御に用いることで負荷トルクの影
響を補償した制御を実行する。

【００１７】更に、演算により求めたモータ速度推定値
と、速度検出器からの速度検出値を速度制御演算の用途
に応じて使い分けることにより、モータ速度推定値の持
つ瞬時値性と、速度検出器からの速度検出値の正確さと
を使い分けた制御を達成できる。

【００１８】

【実施例】本発明の実施例を図１により述べる。モータ
１には取付け軸２を介して速度検出器３が取付けられて
いる。一方、モータの出力軸には機械負荷４が連結され
ており、モータ１を速度制御することにより機械負荷の
速度を制御する。モータ１にはパワー変換器５が接続さ
れており、電流検出器６の検出値を用いて電流制御部７
によりモータの電流を制御する。

【００１９】モータ１に対し取付け軸２を介して取付け
られた速度検出器３の共振特性は図２（ａ）のブロック
線図で表わせる。ここで、Ｋ_t(１０１）はモータのトル
ク定数、Ｊ_m(１０４）はモータ１の慣性モーメント、Ｊ
_e(１０９）は速度検出器３の慣性モーメントを表わし、
Ｋ_e(１０６）が取付け軸２の剛性を示す。モータ１と速
度検出器３とは、取付け軸の軸ねじりによる二慣性系の
共振特性を示すが、ここで、速度検出器３は、モータの
速度制御上、影響を与えないよう十分小さな値が選定さ
れる。したがって、速度検出器３の軸ねじりによるモー
タ軸への反力τ_eは無視できる。図２（ａ）において、
τ_eの経路を無視すると、モータ速度ω_mに対する速度
検出器速度ω_eの伝達特性は図２（ｂ）のように簡略化
できる。ここで、ω_rは取付け軸の共振角周波数、ζ_r
はその減衰係数で、速度検出器の慣性モーメントＪ_e，
取付け軸の剛性Ｋ_e，粘性係数Ｃ_eと次の関係がある。

【００２０】

【数２】

【００２１】このように、速度検出器取付け軸の共振特
性を、図２（ｂ）のように近似化することにより、モー
タ速度ω_mに対する速度検出器速度ω_eの振動モデルを
ω_rとζ_rを用いて、また、モータ電流Ｉ_tに対するモ
ータ速度ω_mの特性モデルをＫ_t，Ｊ_m，τ_dを用いて
表わすことができる。このとき、ω_mに対するω_eの伝
達関数は、

【００２２】

【数３】

【００２３】のように表わすことができる。所定の共振
角周波数ω_r、減衰係数ζ_rでの伝達関数のボード線図
を図３に示す。（ａ）がゲイン特性，（ｂ）が位相特性
を表わす。ω_rの角周波数でゲイン特性にピークがあ
り、この周波数で速度検出器側の速度が共振し、モータ
速度を正しく検出できないことがわかる。また、図２
(ｂ)よりω_rより低い周波数では位相遅れは少ないのに
対し、ω_rより高い周波数では位相遅れが急激に増加す
ることがわかる。

【００２４】そこで、図２（ｂ）の共振特性の近似化モ
デルを用いて、速度検出器速度ω_ｅとモータ電流Ｉ_ｔ
とからモータ速度の瞬時値ω_mを推定するモータ速度推
定器を構成する。

【００２５】よく知られているように、現代制御理論の
手法によれば、制御システムのモデルと検出できる状態
変数とから、検出できない状態変数を推定できることが
知られている。この手段は状態オブザーバと呼ばれてい
る。本発明の実施例では、図２（ｂ）の制御システムモ
デルと検出できるω_e，Ｉ_tとから、モータ速度ω_mを
推定する状態オブザーバを構成する。まず、制御システ
ムのモデルを伝達関数で表わすと次式となる。

【００２６】

【数４】

【００２７】このとき、状態空間でのモデルは次式で表
わせる。

【００２８】

【数５】

【００２９】

【数６】

【００３０】数５，数６において、検出できる状態変数
は速度検出器の速度ω_e，モータ電流Ｉ_tであり、推定
したい状態変数はモータ速度ω_mである。このとき、状
態変数を推定する状態オブザーバを同一次元オブザーバ
の手法により構成すれば、次式となる。

【００３１】

【数７】

【００３２】ここで、ω_ee，ω_me，τ_ee，τ_deは、それ
ぞれω_e，ω_m，τ_e，τ_dの状態推定値であり、
Ｋ_f1，Ｋ_f2，Ｋ_f3，Ｋ_f4は、速度検出器速度の実際値ω
_eとその推定値ω_eeとの誤差がゼロになるよう推定値を
補正するゲインであり、Ｋ_f1，Ｋ_f2，Ｋ_f3，Ｋ_f4は、状
態推定が安定で所望の応答で実行されるよう一義に決定
できる。

【００３３】このようにして得られたモータ速度推定器
のブロック線図を図４の８に示す。図４のブロック線図
は数７に対応しており、モータ速度に対する簡易化した
振動モデルに基づいた状態オブザーバにより、モータ速
度の推定値ω_meを演算できることがわかる。また、同時
に負荷トルクの推定値τ_deも同様に推定できる。

【００３４】モータ速度推定器８の効果を示すシミュレ
ーション結果を図５に示す。図５（ａ）は、図１の構成
において、軸共振特性を持つ速度検出器速度のみを用い
てモータの速度制御を実施し、モータの速度指令値をス
テップ状に変化させたときのモータ速度実際値と、制御
用の信号として用いた速度検出器により検出された速度
の挙動を示す。モータの速度を高応答で制御したため、
モータと速度検出器との軸間に共振が発生し、検出器速
度に取付け軸の共振が重畳されている。これに対し、モ
ータ速度は検出器速度のように振動はしないが、振動成
分が重畳された速度検出器側の速度を用いて速度制御を
実行するため、モータ速度が振動傾向となり、その結
果、モータおよび速度検出器速度の整定が悪く、速度検
出器側速度の残留振動が持続することがわかる。

【００３５】これに対し、図５（ｂ）のシミュレーショ
ン結果は、図４に示すモータ速度推定器の出力であるモ
ータ速度推定値ω_meを用いて速度制御した結果を示す。
モータ側速度を高応答に推定して制御するため、速度検
出器側に励起された振動成分もすみやかに減衰し、速度
制御系が安定化されていることがわかる。

【００３６】このように、本実施例によれば、モータ速
度に対する速度検出器速度の簡略化モデルに基づいて、
モータ速度の瞬時値を推定するので、取付け軸の剛性や
速度検出器の慣性モーメント値のモデル化精度に依存す
ることなく、共振周波数と減衰係数のみの簡単なパラメ
ータによりモータ速度推定器を構成できる。

【００３７】なお、本実施例では、同一次元オフザーバ
によりモータ速度推定器を構成したが、速度検出器側の
速度は検出できることから、その分だけ次数を低減した
最少次元状態オブザーバでも同様にモータ速度を推定で
きる。その構成第二の実施例として以下に示す。まず、
数５の状態空間モデルにおいて、

【００３８】

【数８】

【００３９】とおく。このとき、ω_e，τ_e，τ_dの推
定値ω_me，τ_ee，τ_deを推定する。最小次元状態オブザ
ーバは次式により構成できる。

【００４０】

【数９】

【００４１】ここで、Ｚ₁，Ｚ₂，Ｚ₃は最小次元オブ
ザーバの変数ベクトル、Ｋ_rはオブザーバゲイン行列で
あり、Ａ_r，Ｂ_r，Ｇ_rは次式で与えられる。

【００４２】

【数１０】

【００４３】このように、数９で表わされる最少次元オ
ブザーバによりω_meを演算することで、オブザーバの次
数を低減できるので、モータ速度推定値の推定演算を余
分な過渡現象をともなうことなく推定できるという利点
がある。また、負荷トルクの推定値τ_deもω_meと同時に
推定される。

【００４４】次に、本発明の方法による負荷トルク推定
の効果を図６に示す。図６では、図５の場合と同様に、
ｔ＝０で速度指令値をステップ状に変化させ、また、ｔ
＝０.１ｓで負荷トルクτ_dを印加した。このとき、従
来の手法により、取付け軸共振を含んだ速度検出値によ
り外乱オブザーバで負荷トルクを推定した結果は、速
度検出器取付け軸の共振により、実際には負荷トルクが
印加されていない（ｔ＝０〜０.１ｓ）間でも負荷トル
クがあるような推定結果となる。更に、負荷トルク印加
後も取付け軸共振を含んだ負荷トルク推定値となる。こ
れに対し、本発明による方法では、モータの速度を推定
するとともに、負荷トルクも推定でき、図５の結果の
ように、実際にモータ軸に印加された負荷トルクのみを
正しく推定できている。

【００４５】本発明の第３の実施例として、モータ速度
推定値ω_me、速度検出器速度ω_eとを用いた速度制御演
算の構成を図６に示す。ここで、モータ速度推定値ω_me
はモータの瞬時速度を推定するので、速応性に優れる
が、モデルを用いた推定値のため速度推定誤差の影響が
出やすい。これに対し、速度検出器からの信号ω_eは、
取付け軸の共振の影響を受けやすく速応性にも劣る。こ
れに対し、ω_eは実際値であるため精度に優れる。した
がって、図６に示すように、精度に優れる速度検出値速
度を積分制御（９０２）のフィードバック信号として用
い、速応性に優れるモータ速度推定値を比例制御（９０
３）に用いることにより、取付け軸の共振を励起するこ
となく、速応性と定常性に優れる速度制御系を構成でき
るという利点がある。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、モータに対し速度検出
器の慣性モーメント値が十分小さいという条件を用いて
振動モデルを簡略化し、この振動モデルに基づいて、速
度検出器速度とモータトルク電流とからモータ速度推定
値を演算することにより、振動モデル化誤差の影響が受
けにくいモータ速度推定器を構成できる。このモータ速
度推定値を用いて速度制御することにより、取付け軸の
共振特性があってもより高応答にモータの速度制御を達
成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】モータ速度検出器および速度制御装置のブロッ
ク図。

【図２】速度検出器取付け軸の共振特性図。

【図３】モータ速度に対する速度検出器速度のボード線
図。

【図４】モータ速度推定器の構成を示すブロック図。

【図５】モータ速度推定値フィードバックの効果を示す
シミュレーション結果の特性図。

【図６】負荷トルク推定の効果を示すシミュレーション
結果の特性図。

【図７】速度制御演算部の構成のブロック図。

【符号の説明】

１…モータ、２…速度検出器取付け軸、３…速度検出
器、４…機械負荷、８…モータ速度推定器、９…速度制
御部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータの回転軸に取付け軸を介して速度検
出器が取付けられ、前記速度検出器より検出された速度
を用いてモータの速度制御を実行するもので、前記モー
タに対しパワーを供給するパワー変換器およびモータ電
流Ｉ_tを検出する電流検出器、電流制御部とを備え、前
記速度検出器より検出される速度検出値ω_eと、前記電
流検出器より検出される電流検出値Ｉ_tとを用いてモー
タの瞬時速度および負荷トルクの推定値を演算するモー
タ速度および負荷トルク推定器を設け、前記モータ速度
および負荷トルク推定器によりモータ速度推定値ω_meお
よび負荷トルク推定値τ_deを検出し、前記速度検出器か
らの速度検出値ω_eと前記モータ速度および負荷トルク
推定器からのモータ速度推定値ω_meと負荷トルク推定値
τ_deとを用いて、速度制御部９によりモータの速度制御
を実行することを特徴とするモータの速度制御装置。
【請求項２】請求項１において、前記モータ速度および
負荷トルク推定器は、速度検出器の振動によるモータへ
の反力が十分小さいと見做し、モータ速度ω_mに対する
検出器速度ω_eの伝達関数を次式で与えるモータの速度
制御装置。【数１】ここで、ω_r：速度検出器取付け軸の共振角周波数，ζ
_r：共振特性の減衰係数。
【請求項３】請求項１または２において、前記速度制御
部では、モータ速度指令値ω_refとモータ速度との偏差
の演算には、モータ速度検出値として前記速度検出器よ
り検出される速度検出値ω_eを用い、速度変動を抑制す
る制御には、前記モータ速度および負荷トルク推定器よ
り演算されるモータ速度推定値ω_meを用いて制御演算を
実行し、前記電流制御部に対する電流指令値Ｉ_refを演
算するモータの速度制御装置。
【請求項４】請求項１または２において、前記速度制御
部では、速度検出値として、モータ速度および前記負荷
トルク推定器により演算されるモータ速度推定値ω_meを
用い、また、モータ速度および負荷トルク推定器により
演算された負荷トルク推定値τ_deにより、モータ軸に作
用するモータと機械負荷との軸ねじりトルクや負荷トル
ク成分を補償するモータの速度制御装置。