JPH09238489A - モータ速度制御方法及びモータ速度制御装置 - Google Patents

モータ速度制御方法及びモータ速度制御装置

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JPH09238489A
JPH09238489A JP8046484A JP4648496A JPH09238489A JP H09238489 A JPH09238489 A JP H09238489A JP 8046484 A JP8046484 A JP 8046484A JP 4648496 A JP4648496 A JP 4648496A JP H09238489 A JPH09238489 A JP H09238489A
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motor
value
current
torque
amplifier
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JP8046484A
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Yuugo Imai
裕五 今井
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、電流増幅器のゲイン値によらず、
モータ速度への外乱の影響を回避できる電流補償手段を
備えたモータ速度制御方法を提供する。 【解決手段】 モータ速度を制御する速度制御ループに
対し、電機子電流ＩMを制御する電流制御ループをマイ
ナーループとしてとして持つモータの制御装置を用いた
モータの速度制御方法で、モータの電機子電流ＩMと、
トルク定数ＫTの公称値ＫTnとを乗じて得られたモータ
トルクの推定値から、モータの回転子１４の慣性モーメ
ントＪMの積分特性の逆モデルを模擬してなる微分器２
３によりモータ速度検出値を微分して得られた、モータ
トルクの推定値を減じて、外乱トルクの推定値Ｔd0を求
め、電流ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器４
と、モータトルク定数の公称値の逆数のゲインを持つ増
幅器３とにより、外乱トルクの推定値Ｔd0に所定の演算
を施した値を、電流指令値の補償値ΔＩCとするもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明は、モータに加わる
外乱トルクを推定し、この推定値に基づきモータへの指
令値を補償するモータの速度制御方法及びモータ速度制
御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】工作機械や、ロボットシステムの高精度
な位置決め制御や力制御を実現するために、重力、慣性
力、摩擦力等の外力の影響を考慮し、サーボ系のロバス
トネスを向上させる方法として、外乱オブザーバを使用
した加速度制御系が提案されている「ロバスト高速サー
ボ制御技術」トリケップス社（平成３年９月２７日）：
１５４頁乃至１６３頁：「モーションコントロール」コ
ロナ社（１９９３年３月２５日）５７頁乃至５９頁。
【０００３】図７に示すブロック線図を用いて従来例を
説明する。図示しない制御装置より出力された速度指令
値ωref は、加算器７によリモータ速度帰還出力ωfbと
加算された後、比例積分器５に入力される。比例積分器
５は、比例ゲインＫp と、積分ゲインＫI とを持ってい
る。
【０００４】比例積分器５の出力は、モータ１に対する
電流指令値Ｉref であり、加算器８で電流補償値ΔＩc
と加算され、新たな電流指令値Ｉc となる。
【０００５】電流指令値Ｉc は加算器９により、モータ
１の電機子電流検出値の符号を反転した値と加算された
後、低速増幅器１０に入力され、所定の電力に増幅さ
れ、増幅器１０の出力でモータ１を駆動する。
【０００６】モータ１は、電機子部１３の電機子インダ
クタンスＬ、電機子抵抗値Ｒ、トルク定数部１１のトル
ク定数ＫT 、逆起電力定数部１２の逆起電力定数ＫE 、
回転子１４の慣性モーメントＪM として図７のブロック
線図に示している。尚、モータ１の粘性定数は小さいも
のとして省略してある。
【０００７】前記モータ１からは、検出出力として電機
子電流ＩM 、モータ速度ωM が出力され、また入力とし
て外乱トルクＴd が存在する。モータ１のモータ速度ω
M は、速度帰還増幅器６で所定の値に増幅され加算器７
により速度指令値ωref から減算される。
【０００８】図７に示す外乱トルクオブザーバ２では、
検出された電機子電流ＩM をトルク定数ＫT の公称値Ｋ
Tn（添字のｎは公称値ｎｏｍｉｎａ１を表す、以下同
じ）に乗じて得たモータ１の発生トルクの推定値と、検
出されたモータ速度ωM をモータ回転子１４の慣性モー
メントＪM の積分特性の逆モデルを模擬してなる微分器
２３により、モータ速度ωM を微分して得られたモータ
１の発生トルクの推定値とを加算器２２に入力し、二つ
のトルクの推定値の差を外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0
として下記数１の式で求める。微分器２３ではモータ１
の回転子１４の慣性モーメントＪM の公称値ＪMnとす
る。尚、数１において、ｓはラプラス演算子である。
【０００９】
【数１】
【００１０】そして、求めた外乱トルクＴd の推定値Ｔ
d 0 を打ち消すように、この外乱トルクＴd の推定値Ｔ
d 0 に、増幅器３によりトルク定数ＫT の公称値ＫTnの
逆数１／ＫTnを乗じ、増幅器３の出力である電流補償値
ΔＩc を加算器８により電流指令値Ｉref と加算するこ
とにより、電流指令値Ｉref を補償し、補償された新た
な電流指令値Ｉc として出力する。
【００１１】外乱トルクオブザーバ２と増幅器３とによ
り求めた電流補償値Ｉc により、電流指令値Ｉref を補
償しない場合の電流指令値Ｉref 、及び外乱トルクＴd
からモータ１のモータ速度ωM までの伝達関数ω
M （ｓ）は、下記数２となる。
【００１２】
【数２】
【００１３】電流補償値ΔＩc により補償した場合の電
流指令値Ｉref 及び外乱トルクＴdからモータ１のモー
タ速度ωM までの伝達関数ωM （ｓ）は、下記数３とな
る。
【００１４】
【数３】
【００１５】電流補償値ΔＩc により電流指令値Ｉref
を補償しない場合の電流指令値Ｉre f からモータ速度ω
M までの伝達関数は、数２の第１項である。
【００１６】また、電流補償値ΔＩc により電流指令値
Ｉref を補償した場合の電流指令値Ｉref からモータ速
度ωM までの伝達関数は、数３の第１項である。
【００１７】数２、数３において、前記トルク定数ＫT
とその公称値ＫTn、前記慣性モーメントＪM とその公称
値ＪMnとを各々略等しく設定すれば、数３におけるδは
略１となり、数２と数３の分母も略等しくなり、電流指
令値Ｉref からモータ速度ω M までの伝達関数ω
M （ｓ）も略等しい考えてよい。
【００１８】同様に、電流補償値ΔＩc により電流指令
値Ｉref を補償しない場合の外乱トルクＴd からモータ
１の速度出力ωM までの伝達関数は、数２第２項であ
り、補償した場合の外乱トルクＴd からモータ１のモー
タ速度ωM までの伝達関数は数３第２項であり、分母は
略等しいと考えてよい。
【００１９】電流補償値ΔＩc により補償しない場合に
は、制御系の安定性を高くするために導入した電流増幅
器１０のゲインＫA が数２第２項の分子にあるので、外
乱トルクＴd の影響がＫA 倍されてモータ速度ωM に現
れている。
【００２０】一方、電流補償値ΔＩc により補償した場
合の外乱トルクＴd からモータ１のモータ速度ωM まで
の伝達関数である数３第２項の分子には、電流増幅器１
０のゲインＫA が現れないので、外乱トルクＴd のモー
タ速度ωM に与える影響が小さくなっている。
【００２１】従って、外乱トルクオブザーバ２により求
めた電流補償値ΔＩc により電流指令値Ｉref を補償す
ることにより、電流制御で制御系の安定性を高くするこ
とと、同時に外乱トルクＴd がモータ速度ωM に与える
影響を小さくすることとの２つの効果を得ることができ
る。
【００２２】しかし、モータ１のモータ速度ωM を純粋
に微分すると、高域においてノイズが大きくなるので、
現実には、図８に示すように積分動作を持つ低域通過フ
ィルタ２６を使用して微分機能を持たせ、外乱トルクＴ
d を推定し推定値Ｔd 0 を求める。
【００２３】外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0 を求める方
法を図８をも参照して説明する。検出されたモータ１の
電機子電流ＩM を、トルク定数ＫT の公称値ＫTnのゲイ
ンを持つ増幅器２１に入力し、ＫTn倍して得た値と、検
出されたモータ速度ωM とを、回転子１４の慣性モーメ
ントＪM の公称値ＪMnと、低域通過フィルタ２６の遮断
周波数ωF1とを乗じて得た値のゲインを持つ増幅器２５
に入力して、ωF1・Ｊ Mn倍して得た値を加算器２４によ
り加算し、加算器２４の出力を、遮断周波数ωF1を持つ
低域通過フィルタ２６に入力し、低域通過フィルタ２６
の出力と、増幅器２５の出力との差を加算器２７で演算
し、その出力を外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0 として推
定する。推定した推定値Ｔd 0 は、数４で表すことがで
きる。
【００２４】
【数４】
【００２５】数４に示すように、積分動作を持つ低域通
過フィルタ２６で構成した外乱トルクオブザーバ２は、
微分器２３を用いて求めた外乱トルクＴd である数１に
示す推定値Ｔd 0 を低域通過フィルタ２６を通したもの
と等価となる。
【００２６】この外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0 を、ト
ルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnをゲインに増
幅器３により１／ＫTn倍し電流補償値ΔＩc を算出す
る。そして、電流補償値ΔＩc を加算器８により電流指
令値Ｉref と加算することにより、電流指令値Ｉref を
補償し、補償された新たな電流指令値Ｉc として出力す
る。低域通過フィルタ２６の遮断周波数ωF1は制御対象
の固有周波数よりも大きく、また、ノイズの影響を受け
ないように、できるだけ大きく設定すれば、外乱トルク
Ｔd の推定値Ｔd 0 の遅れは非常に小さくなり、事実上
遅れを無視しても差し支えなく、かつ微分器を使用しな
いのでノイズの影響を受けない外乱トルクオブザーバ２
を構成できる。
【００２７】図９に実際にシミュレーションを行った時
の、速度制御系のモータ１等の諸定数を代入したブロッ
ク線図を示す。図９に示すブロック線図において、定数
はそれぞれ、Ｌ＝５．７ｍＨ、Ｒ＝１８Ω、ＫT ＝０．
１８３Ｎｍ／Ａ、ＫE ＝０．１８３Ｖｓ／ｒａｄ、ＪM
＝３．０６×１０-5ｋｇｍ2 、ωF1＝１×１０4 ｒａｄ
／ｓ、ＫA ＝３２、ＫF ＝６０、ＫP ＝３、ＫV ＝１．
７２×１０-2とした。
【００２８】図１０は前記ブロック図に基づいて行った
シミュレーションの結果であり、横軸に各々時間（ｓｅ
ｃ）、縦軸にモータ１の回転速度（ｒｐｍ）及びモータ
電流値をアンペア（Ａ）で併せて示してある。モータ起
動後０、２秒で０．３Ｎｍの大きさの外乱トルクＴd を
モータ軸に与え、モータ起動後０．５秒に外乱トルクＴ
d を取り去った場合のシミュレーションである。
【００２９】図１１は前記定数で表されるモータ１を２
台連結し、一台を被制御モータ、他方を負荷用モータと
して実験したときの被制御モータの実測値である。モー
タ１の回転速度をｒｐｍで、モータ電流値をアンペア
（Ａ）で併せて示してあることは図１０に示すシミュレ
ーションの場合と同しである。
【００３０】但し、モータ１は１０００ｒｐｍで定常回
転しており、図１１は外乱トルクＴ d を印加、除去した
ときのみを示している。両データとも外乱トルクＴd 印
加時に約１５０ｒｐｍの回転速度低下、外乱トルクＴd
除去時に約１５０ｒｐｍの回転速度増加が読み取られ
る。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】従来例に示されるよう
に、外乱トルクオブザーバ２により求めた、外乱トルク
Ｔd の推定値Ｔd 0 により電流指令値Ｉref 補償した制
御系は、特性の優れたものであるが、次のような課題が
ある。即ち、数２、数３の外乱トルクＴd からモータ速
度ωM までの伝達関数ωM （ｓ）を比較すると解るよう
に、電流指令値Ｉ ref を補償すると、外乱トルクＴd の
影響は補償しない場合の（Ｌｓ＋Ｒ）／（Ｌｓ＋Ｒ＋Ｋ
A ）倍となり、電流増幅器１０のゲインＫA の値を大き
くすれば外乱トルクＴd の影響は限りなく小さくするこ
とができる。
【００３２】しかしながら、ゲインＫA を大きくすれば
制御系が不安定になることは理論的に明らかであって、
現実にも飽和等の問題があってゲインのおおきさには限
界があり、従って、外乱トルクＴd の影響の抑圧にも限
界がある。
【００３３】本発明は上記課題に鑑みて、電流増幅器の
ゲイン値によらず、モータ速度への外乱の影響を回避で
きる電流補償手段を備えたモータ速度制御方法及びモー
タ速度制御装置を提供することを目的とする。
【００３４】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
モータ速度を制御する速度制御ループに対し、モータ電
機子電流を制御する電流制御ループをマイナーループと
してとして持つモータの制御装置を用いたモータの速度
制御方法において、モータの電機子電流検出値と、モー
タトルク定数の公称値とを乗じて得られたモータトルク
の推定値から、モータの回転子の慣性モーメントの積分
特性の逆モデルを模擬してなる微分器によりモータ速度
検出値を微分して得られた、モータトルクの推定値を減
じて、外乱トルクの推定値を求め、電流ループの逆モデ
ルを模擬してなる比例微分器と、モータトルク定数の公
称値の逆数のゲインを持つ増幅器とにより、前記外乱ト
ルクの推定値に所定の演算を施した値を電流指令信号の
補償値とすることを特徴とするものである。
【００３５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の発明における前記電流ループの逆モデルを模擬して
なる比例微分器を、低域通過フィルタと増幅器と加算器
とにより比例微分機能を有するように構成し、この比例
微分機能とモータトルク定数の公称値の逆数のゲインを
持つ増幅器とにより、前記外乱トルクの推定値に所定の
演算を施した値を電流指令信号の補償値とすることを特
徴とするものである。
【００３６】請求項３記載の発明は、モータ速度を制御
する速度制御ループに対し、モータ電機子電流を制御す
る電流制御ループをマイナーループとして持つ制御装置
を備えたモータの速度制御装置において、前記制御装置
は、外乱トルクの推定手段と、前記マイナーループの逆
モデルを模擬してなる比例微分器とからなる電流指令値
の補償手段を有することを特徴とするものである。
【００３７】請求項１記載の発明の作用は以下の通りで
ある。即ち、モータの電機子電流検出値と、モータのト
ルク定数の公称値とを乗じて得たモータトルクの推定値
から、モータ回転子の慣性モーメントの積分特性の逆モ
デルを模擬してなる微分器によりモータの速度検出値を
微分して得たモータトルクの推定値を減じ、減じて求め
た外乱トルクの推定値を、電流ループの逆モデルを模擬
してなる比例微分器により比例微分して電流補償値を求
め、この電流補償値により電流指令値を補償することに
より、外乱トルクのモータ速度への影響を抑圧するもの
である。
【００３８】請求項２の作用は以下の通りである。即
ち、モータの電機子電流検出値と、モータのトルク定数
の公称値とを乗じて得たモータトルクの推定値から、モ
ータ回転子の慣性モーメントの積分特性の逆モデルを模
擬してなる微分器によりモータの速度検出値を微分して
得たモータトルクの推定値を減じ、減じて求めた外乱ト
ルクの推定値を、低域通過フィルタと、加算器により構
成した電流ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器
により比例微分して電流補償値を求め、この電流補償値
により電流指令値を補償することにより、外乱トルクの
モータ速度への影響を抑圧するものである。
【００３９】請求項３の作用は以下の通りである。即
ち、制御装置は外乱トルクの推定手段と、前記マイナー
ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器とからなる
電流指令値の補償手段を備えているので、この補償手段
により、電流指令値を補償することにより、外乱トルク
のモータ速度への影響を抑圧することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。
【００４１】［実施の形態１］ （構成）図１は本発明の実施の形態１のモータ１の速度
制御装置のブロック図を示すものである。図１におい
て、比例微分器４以外の各制御要素は、図７に示す従来
例と同一の構成であるため同一の符号を付して示しい
る。
【００４２】図１に示す実施の形態１のモータ１の速度
制御装置は、図７に示す従来例の構成に加えて、前記増
幅器３と加算器８との間のマイナーループに、比例微分
器４を付加したことが特徴である。
【００４３】実施の形態１のモータ１の速度制御装置に
おいて、検出されたモータ１の電気子電流ＩM はトルク
定数ＫT の公称値ＫTnのゲインを持つ増幅器２１に入力
される。また、検出されたモータ速度ωM は、回転子１
４の慣性モーメントＪMnの積分特性の逆モデルを模擬し
てなる微分器２３に入力される。そして、増幅器２１の
出力と、微分器２３の出力とは、加算器２２に入力され
加算される。
【００４４】前記加算器２２の出力である推定値Ｔd 0
は、トルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲイ
ンを持つ増幅器３に入力される。増幅器３の出力は、電
流ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器４に入力
され、その出力は電流補償値ΔＩc として前記加算器８
に入力される。加算器８のもう一方の入力としては比例
積分器５からの出力が入力され、さらに、加算器８の出
力は加算器９へ送られる。
【００４５】（作用）実施の形態１のモータ１の速度制
御装置によれば、モータ１の電機子電流ＩMと、トルク
定数ＫT の公称値ＫTnとを乗じて得たモータトルクの推
定値と、回転子１４の慣性モーメントＪM の積分特性の
逆モデルを模擬してなる微分器２３により、モータ速度
ωM を微分して得たモータトルクの推定値とを用いて演
算し、外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0 を求めることは、
従来例と同じでありその値は前記数１で求めた値と同様
となる。
【００４６】推定された外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0
は、トルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数値のゲイン１／
ＫTnを持つ増幅器３により増幅することにより、増幅器
３の出力は、Ｔd 0 ／ＫTn＝（ＫTn・ＩM −ＪMn・ωM
・ｓ）／ＫTnとなり、電流ループの逆モデルを模擬して
なる比例微分器４に入力される。
【００４７】そして、比例微分器４の出力である電流補
償値ΔＩc は下記数５となる。但し、電気子部１のイン
ダクタンスＬの公称値をＬn 、電気子抵抗Ｒの公称値を
Ｒnとする。
【００４８】
【数５】
【００４９】前記電流補償値ΔＩc は加算器８に入力さ
れ、電流指令値Ｉref と加算され新たな電流指令値Ｉc
として加算器９に入力される。
【００５０】前記数５で表される電流補償値ΔＩc を考
慮し、図１の構成に基づいて求めた電流指令値Ｉref 及
び外乱トルクＴd からモータ速度ωM までの伝達関数ω
M （ｓ）は下記数６となる。
【００５１】
【数６】
【００５２】前記トルク定数ＫT とその公称値ＫTn、前
記慣性モーメントＪM とその公称値ＪMnとを各々略等し
く設定すれば、数６におけるδは略１となり、また、Ｌ
−Ｌn 及びＲ−Ｒn も各々略０となり、電流指令値Ｉ
ref からモータ速度ωM までの伝達関数ωM （ｓ）は下
記数７となる。
【００５３】
【数７】
【００５４】数７は、前記数３において、δを略１とし
た場合の第１項と等価であり、外乱トルクＴd からモー
タ速度ωM までの伝達関数である数３の第２項に相当す
る項は消えることになる。
【００５５】（効果）本実施の形態１によれば、推定し
求めた外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0 を、電流ループの
逆モデルを模擬してなる比例微分器４と、トルク定数の
公称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲインを持つ増幅器３によ
り、比例微分して求めた値を、電流補償値ΔＩc として
電流指令値Ｉref に加え、新たな電流指令値Ｉc とする
ことにより、数７に示すように、電流指令値Ｉref に対
するモータ１の応答特性を高くするための電流増幅器１
０のゲインを飽和等の問題のない最適値にすることがで
き、また外乱からモータ速度への影響を殆ど抑圧するこ
とができ、特性の優れたモータ１の速度制御装置を提供
できる。
【００５６】［実施の形態２］ （構成）図２は実施の形態２の速度制御装置のブロック
図を示す。比例微分器４２以外の各制御要素は図８に示
す従来例と同一の構成である。
【００５７】実施の形態２において、検出された電機子
電流ＩM はトルク定数の公称値ＫTnのゲインを持つ増幅
器２１に入力される。モータ１のモータ速度ωM は、モ
ータ回転子の慣性モーメントＪMnと低域通過フィルタ２
６の遮断周波数ωF1との積をゲインに持つ増幅器２５に
入力される。そして、増幅器２１の出力と増幅器２５の
出力とは、加算器２４に入力され、加算器２４の出力は
遮断周波数ωF1の低域通過フィルタ２６に入力される。
【００５８】さらに、低域通過フィルタ２６の出力と増
幅器２５の出力とは加算器２７により加算され、この加
算器２７の出力である推定値Ｔd 0 は、トルク定数の公
称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲインを持つ増幅器３に入力
される。この増幅器３の出力は、電流ループの逆モデル
を模擬してなる比例微分器４２に入力され、その出力は
電流補償値ΔＩc として加算器８に入力される。
【００５９】比例微分器４２では、モータ１の電機子イ
ンダクタンスの公称値Ｌn と低域通過フィルタ３１の遮
断周波数ωF2の積を電流増幅器１０のゲインＫA で除し
た値ωF2・Ｌn ／ＫA をゲインに持つ増幅器２８と、電
流増幅器１０のゲインＫA とモータ１の電機子抵抗の公
称値Ｒn との和を電流増幅器１０のゲインＫA で除した
値をゲインに持つ増幅器２９に、前記増幅器３の出力が
入力される。
【００６０】前記増幅器２８の出力と増幅器２９の出力
とは加算器３０に入力され、加算器３０の出力は遮断周
波数ωF2の低域通過フィルタ３１に入力される。
【００６１】さらに、低域通過フィルタ３１の出力と増
幅器２８の出力とは加算器３２に入力され、この加算器
３２の出力、即ち、比例微分器４２の出力は電流補償値
ΔＩ c として前記加算器８に入力される。また、加算器
８のもう一方の入力には比例積分器５からの電流指令値
Ｉref が入力され、加算器８の出力は加算器９な送られ
る。
【００６２】（作用）本実施の形態２において、モータ
１の電機子電流ＩM と、モータ１のトルク定数ＫT の公
称値ＫTnとを乗じて得たモータトルクの推定値と、モー
タ１のモータ速度ωM と、モータ回転子の慣性モーメン
トの公称値ＪMnと低域通過フィルタ２６の遮断周波数ω
F1とを乗じて得た値とを加算する。
【００６３】そして、この加算して得た値に遮断周波数
ωF1の低域通過フィルタ２６を作用させたて得た値か
ら、検出したモータ速度ωM とモータ回転子の慣性モー
メントの公称値ＪMnと低域通過フィルタ２６の遮断周波
数ωF1とを乗じて得た値を減算して、外乱トルクＴd の
推定値Ｔd 0 を求めることは、図８に示す従来例と同じ
でありこの場合の演算は前記数４となる。
【００６４】推定された外乱トルクＴd の推定値Ｔd 0
は、トルク定数の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲインを
持つ増幅器３により増幅することにより、この増幅器３
の出力は、Ｔd 0 ／ＫTn＝ωF1（ＫTn・ＩM −ＪMn・ω
M ・ｓ）／ＫTn（ｓ＋ωF1）となり、電流ループの逆モ
デルを模擬してなる比例微分器４２に入力される。
【００６５】次に、図２を参照して比例微分器４２の伝
達関数を計算すると、ωF2／（ｓ＋ωF1）・（Ｌn ｓ＋
ＫA ＋Ｒn)／ＫA となり、これは電流ループの逆モデル
を模擬してなる図１に示す比例微分器４と遮断周波数ω
F1の低域通過フィルタ２６の各伝達関数の積になってい
る。従って、前記比例微分器４２の出力である電流補償
値ΔＩc は下記数８で求めることができるただし、電機
子インダクタンスの公称値をＬn 、電機子抵抗の公称値
をＲn とする。
【００６６】
【数８】
【００６７】前記電流補償値ΔＩc は、加算器８に入力
され、電流指令値Ｉref と加算され新たな電流指令値Ｉ
c として加算器９に送られる。
【００６８】前記低域通過フィルタ２６の遮断周波数ω
F1と、低域通過フィルタ３１の遮断周波数ωF2とを制御
対象の固有周波数よりも充分大きく設定すれば、外乱ト
ルクＴd の推定、及び電流補償値ΔＩc の演算の遅れは
非常に小さくなり、事実上その遅れを無視しても差し支
えなく、電流補償値ΔＩc として数５を採用しても合理
性を失わない。
【００６９】また、遮断周波数ωF1、ωF2は、制御対象
の固有周波数よりも充分大きいという条件を満足すれば
同一でも異なっていてもよい。電流補償値ΔＩc を数５
とすれば、電流指令値Ｉref 及び外乱トルクＴd からモ
ータ速度ωM までの伝達関数は数７となり、数３の第１
項と等しいと考えて良く、数３においてΔを略１とした
場合の第１項と等価とであり、外乱トルクＴd からモー
タ速度ωM までの伝達関数である数３の第２項に相当す
る項は消えることは実施の形態１の場合と同様である。
【００７０】図３に実際にシミュレーションを行った時
の、速度制御系のモータ１の諸定数を代入したブロック
線図を示す。諸定数は従来例と同じくそれぞれ、Ｌ＝
５．７ｍＨ、Ｒ＝１８Ω、ＫT ＝０．１８３Ｎｍ／Ａ、
ＫE ＝０．１８３Ｖｓ／ｒａｄ、ＪM ＝３．０６×１０
-5ｋｇｍ2 、ωF1＝１×１０4 ｒａｄ／ｓ、ＫA ＝３
２、ＫF ＝６０、ＫP ＝３、ＫV ＝１．７２×１０-2と
し、また、ωF2＝１×１０4 ｒａｄ／ｓとした。
【００７１】図４は前記ブロック図に基づいて行ったシ
ミュレーションの結果を示すものであり、モータ１の回
転速度をｒｐｍ、モータ電流値をアンペア（Ａ）で併せ
て示してある。モータ１の起動後０．２秒で０．３Ｎｍ
の大きさの外乱トルクＴd をモータ軸に与え、起動後
０．５秒で外乱トルクＴd を取り去った場合のシミュレ
ーションである。
【００７２】図５は前記定数で表されるモータ１を２台
連結し、一台を被制御モータ、他方を負荷用のモータと
して実験したときの被制御モータの実測値である。モー
タ１の回転速度をｒｐｍ、モータ電流値をアンペア
（Ａ）で併せて示してあることは図４の場合と同様であ
る。但し、モータ１は１０００ｒｐｍで定常回転してお
り、図５は外乱トルクＴd を印加、除去したときのみを
示している。
【００７３】図６、図７から明らかなように、シミュレ
ーション結果と実測値とはよく一致しており、また数７
が示すとおり外乱トルクＴd からモータ１の回転出力へ
の影響は極小に抑圧されている。
【００７４】尚、本実施の形態２では、前記比例微分器
４２を図６に示す回路例に示すように合計４個の演算増
幅器５１乃至５５を用いて構成することができる。ま
た、回転速度や電気子電流等の値をアナログ／ディジタ
ル変換した後、ディジタルシグナルプロセッサを用いた
数値演算により前記比例微分器４２と同様な比例微分機
能を実現するようにすることもできる。
【００７５】また、推定して求めた外乱トルクＴd の推
定値Ｔd0を、遮断周波数ωF1の低域通過フィルタ２６の
伝達関数との積を伝達関数として持つ比例微分器４２
と、トルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲイ
ンを持つ増幅器３とにより、比例微分して求めた値を電
流補償値ΔＩc として電流指令値Ｉref に加え、新たな
電流指令値Ｉc とすることにより、数７に示すように、
電流指令値Ｉref に対するモータ１の応答特性を高くす
るための電流増幅器１０のゲインＫA を飽和等の問題の
ない最適値にすることができ、また外乱トルクＴd から
モータ速度ωF1への影響を全て抑圧することができる。
【００７６】このことは、コンピュータによるシミュレ
ーション、及び実験で確認されたとおりである。また、
前記比例微分器４２を低域通過フィルタ３１と増幅器２
８、２９と加算器３２とにより構成したので、ノイズの
影響の少ない特性の優れた速度制御装置を提供できる。
【００７７】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、電流ルー
プの特性を補償し、外乱トルクオブザーバの特性を向上
させ、応答性が良く、外乱抑圧能力が高く、実用性の高
い高性能なモータの速度制御方法及び速度制御装置を提
供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を示すブロック線
図である。
【図２】本発明の実施の形態２のブロック線図である。
【図３】実施の形態２に基づきシミュレーションを行っ
た速度制御系のブロック線図である。
【図４】図３の構成に基づきシミュレーションを行った
場合の速度制御系のシミュレーション結果を示す図であ
る。
【図５】実施の形態２に基づき、同一のモータを２台連
結し、一方を負荷として実験を行った速度制御系の実験
結果を示す図である。
【図６】実施の形態２の比例微分器の一例を示す回路構
成図である。
【図７】従来例のブロック線図である。
【図８】従来例のブロック線図である。
【図９】従来例に基づきシミュレーションを行った速度
制御系のブロック線図である。
【図１０】図９の構成に基づきシミュレーションを行っ
た速度制御系のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】従来例に基づき、同一のモータを２台連結
し、一方を負荷として実験を行った速度制御系の実験結
果を示す図である。
【符号の説明】
１ モータ ２ 外乱トルクオブザーバ ３ 増幅器 ４ 比例微分器 ５ 比例積分器 ６ 速度帰還増幅器 ７ 加算器 ８ 加算器 ９ 加算器 １０ 電流増幅器 １１ トルク定数部 １２ 逆起電力定数部 １４ 回転子 ２１ 増幅器 ２２ 加算器 ２３ 微分器 ２４ 加算器 ２５ 増幅器 ２６ 低域通過フィルタ ２７ 加算器 ２８ 増幅器 ２９ 増幅器 ３０ 加算器 ３１ 低域通過フィルタ ４１ 外乱トルクオブザーバ ４２ 比例微分器
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年４月４日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明は、モータに加わる
外乱トルクを推定し、この推定値に基づきモータへの指
令値を補償するモータの速度制御方法及びモータ速度制
御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】工作機械や、ロボットシステムの高精度
な位置決め制御や力制御を実現するために、重力、慣性
力、摩擦力等の外力の影響を考慮し、サーボ系のロバス
トネスを向上させる方法として、外乱オブザーバを使用
した加速度制御系が提案されている「ロバスト高速サー
ボ制御技術」トリケップス社（平成３年９月２７日）：
１５４頁乃至１６３頁：「モーションコントロール」コ
ロナ社（１９９３年３月２５日）５７頁乃至５９頁。
【０００３】図７に示すブロック線図を用いて従来例を
説明する。図示しない制御装置より出力された速度指令
値ωref は、加算器７によリモータ速度帰還出力ωfbと
加算された後、比例積分器５に入力される。比例積分器
５は、比例ゲインＫp と、積分ゲインＫI とを持ってい
る。
【０００４】比例積分器５の出力は、モータ１に対する
電流指令値Ｉref であり、加算器８で電流補償値ΔＩc
と加算され、新たな電流指令値Ｉc となる。
【０００５】電流指令値Ｉc は加算器９により、モータ
１の電機子電流検出値の符号を反転した値と加算された
後、低速増幅器１０に入力され、所定の電力に増幅さ
れ、増幅器１０の出力でモータ１を駆動する。
【０００６】モータ１は、電機子部１３の電機子インダ
クタンスＬ、電機子抵抗値Ｒ、トルク定数部１１のトル
ク定数ＫT 、逆起電力定数部１２の逆起電力定数ＫE 、
回転子１４の慣性モーメントＪM として図７のブロック
線図に示している。尚、モータ１の粘性定数は小さいも
のとして省略してある。
【０００７】前記モータ１からは、検出出力として電機
子電流ＩM 、モータ速度ωM が出力され、また入力とし
て外乱トルクＴd が存在する。モータ１のモータ速度ω
M は、速度帰還増幅器６で所定の値に増幅され加算器７
により速度指令値ωref から減算される。
【０００８】図７に示す外乱トルクオブザーバ２では、
検出された電機子電流ＩM をトルク定数ＫT の公称値Ｋ
Tn（添字のｎは公称値ｎｏｍｉｎａ１を表す、以下同
じ）に乗じて得たモータ１の発生トルクの推定値と、検
出されたモータ速度ωM をモータ回転子１４の慣性モー
メントＪM の積分特性の逆モデルを模擬してなる微分器
２３により、モータ速度ωM を微分して得られたモータ
１の発生トルクの推定値とを加算器２２に入力し、二つ
のトルクの推定値の差を外乱トルクＴd の推定値Ｔd0 と
して下記数１の式で求める。微分器２３ではモータ１の
回転子１４の慣性モーメントＪM の公称値ＪMnとする。
尚、数１において、ｓはラプラス演算子である。
【０００９】
【数１】
【００１０】そして、求めた外乱トルクＴd の推定値Ｔ
d0 を打ち消すように、この外乱トルクＴd の推定値Ｔd0
に、増幅器３によりトルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数
１／ＫTnを乗じ、増幅器３の出力である電流補償値ΔＩ
c を加算器８により電流指令値Ｉref と加算することに
より、電流指令値Ｉref を補償し、補償された新たな電
流指令値Ｉc として出力する。
【００１１】外乱トルクオブザーバ２と増幅器３とによ
り求めた電流補償値ΔＩc により、電流指令値Ｉref を
補償しない場合の電流指令値Ｉref 、及び外乱トルクＴ
d からモータ１のモータ速度ωM までの伝達関数ω
M （ｓ）は、下記数２となる。
【００１２】
【数２】
【００１３】電流補償値ΔＩc により補償した場合の電
流指令値Ｉref 及び外乱トルクＴdからモータ１のモー
タ速度ωM までの伝達関数ωM （ｓ）は、下記数３とな
る。
【００１４】
【数３】
【００１５】電流補償値ΔＩc により電流指令値Ｉref
を補償しない場合の電流指令値Ｉre f からモータ速度ω
M までの伝達関数は、数２の第１項である。
【００１６】また、電流補償値ΔＩc により電流指令値
Ｉref を補償した場合の電流指令値Ｉref からモータ速
度ωM までの伝達関数は、数３の第１項である。
【００１７】数２、数３において、前記トルク定数ＫT
とその公称値ＫTn、前記慣性モーメントＪM とその公称
値ＪMnとを各々略等しく設定すれば、数３におけるδは
略１となり、数２と数３の分母も略等しくなり、電流指
令値Ｉref からモータ速度ω M までの伝達関数ω
M （ｓ）も略等しい考えてよい。
【００１８】同様に、電流補償値ΔＩc により電流指令
値Ｉref を補償しない場合の外乱トルクＴd からモータ
１の速度出力ωM までの伝達関数は、数２第２項であ
り、補償した場合の外乱トルクＴd からモータ１のモー
タ速度ωM までの伝達関数は数３第２項であり、分母は
略等しいと考えてよい。
【００１９】電流補償値ΔＩc により補償しない場合に
は、制御系の安定性を高くするために導入した電流増幅
器１０のゲインＫA が数２第２項の分子にあるので、外
乱トルクＴd の影響がＫA 倍されてモータ速度ωM に現
れている。
【００２０】一方、電流補償値ΔＩc により補償した場
合の外乱トルクＴd からモータ１のモータ速度ωM まで
の伝達関数である数３第２項の分子には、電流増幅器１
０のゲインＫA が現れないので、外乱トルクＴd のモー
タ速度ωM に与える影響が小さくなっている。
【００２１】従って、外乱トルクオブザーバ２により求
めた電流補償値ΔＩc により電流指令値Ｉref を補償す
ることにより、電流制御で制御系の安定性を高くするこ
とと、同時に外乱トルクＴd がモータ速度ωM に与える
影響を小さくすることとの２つの効果を得ることができ
る。
【００２２】しかし、モータ１のモータ速度ωM を純粋
に微分すると、高域においてノイズが大きくなるので、
現実には、図８に示すように積分動作を持つ低域通過フ
ィルタ２６を使用して微分機能を持たせ、外乱トルクＴ
d を推定し推定値Ｔd0 を求める。
【００２３】外乱トルクＴd の推定値Ｔd0 を求める方法
を図８をも参照して説明する。検出されたモータ１の電
機子電流ＩM を、トルク定数ＫT の公称値ＫTnのゲイン
を持つ増幅器２１に入力し、ＫTn倍して得た値と、検出
されたモータ速度ωM とを、回転子１４の慣性モーメン
トＪM の公称値ＪMnと、低域通過フィルタ２６の遮断周
波数ωF1 とを乗じて得た値のゲインを持つ増幅器２５に
入力して、ωF1 ・ＪMn倍して得た値を加算器２４により
加算し、加算器２４の出力を、遮断周波数ωF1 を持つ低
域通過フィルタ２６に入力し、低域通過フィルタ２６の
出力と、増幅器２５の出力との差を加算器２７で演算
し、その出力を外乱トルクＴd の推定値Ｔ d0 として推定
する。推定した推定値Ｔd0 は、数４で表すことができ
る。
【００２４】
【数４】
【００２５】数４に示すように、積分動作を持つ低域通
過フィルタ２６で構成した外乱トルクオブザーバ２は、
微分器２３を用いて求めた外乱トルクＴd である数１に
示す推定値Ｔd0を低域通過フィルタ２６を通したものと
等価となる。
【００２６】この外乱トルクＴd の推定値Ｔd0 を、トル
ク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnをゲインに持つ
増幅器３により１／ＫTn倍し電流補償値ΔＩc を算出す
る。そして、電流補償値ΔＩc を加算器８により電流指
令値Ｉref と加算することにより、電流指令値Ｉref を
補償し、補償された新たな電流指令値Ｉc として出力す
る。低域通過フィルタ２６の遮断周波数ωF1 は制御対象
の固有周波数よりも大きく、また、ノイズの影響を受け
ないように、できるだけ大きく設定すれば、外乱トルク
Ｔd の推定値Ｔd0 の遅れは非常に小さくなり、事実上遅
れを無視しても差し支えなく、かつ微分器を使用しない
のでノイズの影響を受けない外乱トルクオブザーバ２を
構成できる。
【００２７】図９に実際にシミュレーションを行った時
の、速度制御系のモータ１等の諸定数を代入したブロッ
ク線図を示す。図９に示すブロック線図において、定数
はそれぞれ、Ｌ＝５．７ｍＨ、Ｒ＝１８Ω、ＫT ＝０．
１８３Ｎｍ／Ａ、ＫE ＝０．１８３Ｖｓ／ｒａｄ、ＪM
＝３．０６×１０-5ｋｇｍ2 、ωF1＝１×１０4 ｒａｄ
／ｓ、ＫA ＝３２、ＫI ＝６０、ＫP ＝３、ＫV ＝１．
７２×１０-2 とした。
【００２８】図１０は前記ブロック図に基づいて行った
シミュレーションの結果であり、横軸に各々時間（ｓｅ
ｃ）、縦軸にモータ１の回転速度（ｒｐｍ）及びモータ
電流値をアンペア（Ａ）で併せて示してある。モータ起
動後０．２秒で０．３Ｎｍの大きさの外乱トルクＴd を
モータ軸に与え、モータ起動後０．５秒に外乱トルクＴ
d を取り去った場合のシミュレーションである。
【００２９】図１１は前記定数で表されるモータ１を２
台連結し、一台を被制御モータ、他方を負荷用モータと
して実験したときの被制御モータの実測値である。モー
タ１の回転速度をｒｐｍで、モータ電流値をアンペア
（Ａ）で併せて示してあることは図１０に示すシミュレ
ーションの場合と同じである。
【００３０】但し、モータ１は１０００ｒｐｍで定常回
転しており、図１１は外乱トルクＴ d を印加、除去した
ときのみを示している。両データとも外乱トルクＴd 印
加時に約１５０ｒｐｍの回転速度低下、外乱トルクＴd
除去時に約１５０ｒｐｍの回転速度増加が読み取られ
る。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】従来例に示されるよう
に、外乱トルクオブザーバ２により求めた、外乱トルク
Ｔd の推定値Ｔd0 により電流指令値Ｉref を補償した制
御系は、特性の優れたものであるが、次のような課題が
ある。即ち、数２、数３の外乱トルクＴd からモータ速
度ωM までの伝達関数ωM （ｓ）を比較すると解るよう
に、電流指令値Ｉ ref を補償すると、外乱トルクＴd の
影響は補償しない場合の（Ｌｓ＋Ｒ）／（Ｌｓ＋Ｒ＋Ｋ
A ）倍となり、電流増幅器１０のゲインＫA の値を大き
くすれば外乱トルクＴd の影響は限りなく小さくするこ
とができる。
【００３２】しかしながら、ゲインＫA を大きくすれば
制御系が不安定になることは理論的に明らかであって、
現実にも飽和等の問題があってゲインのおおきさには限
界があり、従って、外乱トルクＴd の影響の抑圧にも限
界がある。
【００３３】本発明は上記課題に鑑みて、電流増幅器の
ゲイン値によらず、モータ速度への外乱の影響を回避で
きる電流補償手段を備えたモータ速度制御方法及びモー
タ速度制御装置を提供することを目的とする。
【００３４】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
モータ速度を制御する速度制御ループに対し、モータ電
機子電流を制御する電流制御ループをマイナーループと
して持つモータの制御装置を用いたモータの速度制御方
法において、モータの電機子電流検出値と、モータトル
ク定数の公称値とを乗じて得られたモータトルクの推定
値から、モータの回転子の慣性モーメントの積分特性の
逆モデルを模擬してなる微分器によりモータ速度検出値
を微分して得られた、モータトルクの推定値を減じて、
外乱トルクの推定値を求め、電流ループの逆モデルを模
擬してなる比例微分器と、モータトルク定数の公称値の
逆数のゲインを持つ増幅器とにより、前記外乱トルクの
推定値に所定の演算を施した値を電流指令信号の補償値
とすることを特徴とするものである。
【００３５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の発明における前記電流ループの逆モデルを模擬して
なる比例微分器を、低域通過フィルタと増幅器と加算器
とにより比例微分機能を有するように構成し、この比例
微分機能とモータトルク定数の公称値の逆数のゲインを
持つ増幅器とにより、前記外乱トルクの推定値に所定の
演算を施した値を電流指令信号の補償値とすることを特
徴とするものである。
【００３６】請求項３記載の発明は、モータ速度を制御
する速度制御ループに対し、モータ電機子電流を制御す
る電流制御ループをマイナーループとして持つ制御装置
を備えたモータの速度制御装置において、前記制御装置
は、外乱トルクの推定手段と、前記マイナーループの逆
モデルを模擬してなる比例微分器とからなる電流指令値
の補償手段を有することを特徴とするものである。
【００３７】請求項１記載の発明の作用は以下の通りで
ある。即ち、モータの電機子電流検出値と、モータのト
ルク定数の公称値とを乗じて得たモータトルクの推定値
から、モータ回転子の慣性モーメントの積分特性の逆モ
デルを模擬してなる微分器によりモータの速度検出値を
微分して得たモータトルクの推定値を減じ、減じて求め
た外乱トルクの推定値を、電流ループの逆モデルを模擬
してなる比例微分器により比例微分して電流補償値を求
め、この電流補償値により電流指令値を補償することに
より、外乱トルクのモータ速度への影響を抑圧するもの
である。
【００３８】請求項２の作用は以下の通りである。即
ち、モータの電機子電流検出値と、モータのトルク定数
の公称値とを乗じて得たモータトルクの推定値から、モ
ータ回転子の慣性モーメントの積分特性の逆モデルを模
擬してなる微分器によりモータの速度検出値を微分して
得たモータトルクの推定値を減じ、減じて求めた外乱ト
ルクの推定値を、低域通過フィルタと、加算器により構
成した電流ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器
により比例微分して電流補償値を求め、この電流補償値
により電流指令値を補償することにより、外乱トルクの
モータ速度への影響を抑圧するものである。
【００３９】請求項３の作用は以下の通りである。即
ち、制御装置は外乱トルクの推定手段と、前記マイナー
ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器とからなる
電流指令値の補償手段を備えているので、この補償手段
により、電流指令値を補償することにより、外乱トルク
のモータ速度への影響を抑圧することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。
【００４１】［実施の形態１］ （構成）図１は本発明の実施の形態１のモータ１の速度
制御装置のブロック図を示すものである。図１におい
て、比例微分器４以外の各制御要素は、図７に示す従来
例と同一の構成であるため同一の符号を付して示してい
る。
【００４２】図１に示す実施の形態１のモータ１の速度
制御装置は、図７に示す従来例の構成に加えて、前記増
幅器３と加算器８との間のマイナーループに、比例微分
器４を付加したことが特徴である。
【００４３】実施の形態１のモータ１の速度制御装置に
おいて、検出されたモータ１の電気子電流ＩM はトルク
定数ＫT の公称値ＫTnのゲインを持つ増幅器２１に入力
される。また、検出されたモータ速度ωM は、回転子１
４の慣性モーメントＪMnの積分特性の逆モデルを模擬し
てなる微分器２３に入力される。そして、増幅器２１の
出力と、微分器２３の出力とは、加算器２２に入力され
加算される。
【００４４】前記加算器２２の出力である推定値Ｔ
d0 は、トルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲ
インを持つ増幅器３に入力される。増幅器３の出力は、
電流ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器４に入
力され、その出力は電流補償値ΔＩc として前記加算器
８に入力される。加算器８のもう一方の入力としては比
例積分器５からの出力が入力され、さらに、加算器８の
出力は加算器９へ送られる。
【００４５】（作用）実施の形態１のモータ１の速度制
御装置によれば、モータ１の電機子電流ＩMと、トルク
定数ＫT の公称値ＫTnとを乗じて得たモータトルクの推
定値と、回転子１４の慣性モーメントＪM の積分特性の
逆モデルを模擬してなる微分器２３により、モータ速度
ωM を微分して得たモータトルクの推定値とを用いて演
算し、外乱トルクＴd の推定値Ｔd0 を求めることは、従
来例と同じでありその値は前記数１で求めた値と同様と
なる。
【００４６】推定された外乱トルクＴd の推定値Ｔ
d0 は、トルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数値のゲイン１
／ＫTnを持つ増幅器３により増幅することにより、増幅
器３の出力は、Ｔd0／ＫTn ＝（ＫTn・ＩM −ＪMn・ωM
・ｓ）／ＫTnとなり、電流ループの逆モデルを模擬して
なる比例微分器４に入力される。
【００４７】そして、比例微分器４の出力である電流補
償値ΔＩc は下記数５となる。但し、モータ１の電機子
インダクタンスＬの公称値をＬn 、電機子抵抗Ｒの公称
値をＲn とする。
【００４８】
【数５】
【００４９】前記電流補償値ΔＩc は加算器８に入力さ
れ、電流指令値Ｉref と加算され新たな電流指令値Ｉc
として加算器９に入力される。
【００５０】前記数５で表される電流補償値ΔＩc を考
慮し、図１の構成に基づいて求めた電流指令値Ｉref 及
び外乱トルクＴd からモータ速度ωM までの伝達関数ω
M （ｓ）は下記数６となる。
【００５１】
【数６】
【００５２】前記トルク定数ＫT とその公称値ＫTn、前
記慣性モーメントＪM とその公称値ＪMnとを各々略等し
く設定すれば、数６におけるδは略１となり、また、Ｌ
−Ｌ n 及びＲ−Ｒn も各々略０となり、電流指令値Ｉ
ref からモータ速度ωM までの伝達関数ωM （ｓ）は下
記数７となる。
【００５３】
【数７】
【００５４】数７は、前記数３において、δを略１とし
た場合の第１項と等価であり、外乱トルクＴd からモー
タ速度ωM までの伝達関数である数３の第２項に相当す
る項は消えることになる。
【００５５】（効果）本実施の形態１によれば、推定し
求めた外乱トルクＴd の推定値Ｔd0 を、電流ループの逆
モデルを模擬してなる比例微分器４と、トルク定数の公
称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲインを持つ増幅器３によ
り、比例微分して求めた値を、電流補償値ΔＩc として
電流指令値Ｉref に加え、新たな電流指令値Ｉc とする
ことにより、数７に示すように、電流指令値Ｉref に対
するモータ１の応答特性を高くするための電流増幅器１
０のゲインを飽和等の問題のない最適値にすることがで
き、また外乱からモータ速度への影響を殆ど抑圧するこ
とができ、特性の優れたモータ１の速度制御装置を提供
できる。
【００５６】［実施の形態２］ （構成）図２は実施の形態２の速度制御装置のブロック
図を示す。比例微分器４２以外の各制御要素は図８に示
す従来例と同一の構成である。
【００５７】実施の形態２において、検出された電機子
電流ＩM はトルク定数の公称値ＫTnのゲインを持つ増幅
器２１に入力される。モータ１のモータ速度ωM は、モ
ータ回転子の慣性モーメントＪMnと低域通過フィルタ２
６の遮断周波数ωF1 との積をゲインに持つ増幅器２５に
入力される。そして、増幅器２１の出力と増幅器２５の
出力とは、加算器２４に入力され、加算器２４の出力は
遮断周波数ωF1 の低域通過フィルタ２６に入力される。
【００５８】さらに、低域通過フィルタ２６の出力と増
幅器２５の出力とは加算器２７により加算され、この加
算器２７の出力である推定値Ｔd0 は、トルク定数の公称
値Ｋ Tnの逆数１／ＫTnのゲインを持つ増幅器３に入力さ
れる。この増幅器３の出力は、電流ループの逆モデルを
模擬してなる比例微分器４２に入力され、その出力は電
流補償値ΔＩc として加算器８に入力される。
【００５９】比例微分器４２では、モータ１の電機子イ
ンダクタンスの公称値Ｌn と低域通過フィルタ３１の遮
断周波数ωF2 の積を電流増幅器１０のゲインＫA で除し
た値ωF2・Ｌn ／ＫA をゲインに持つ増幅器２８と、電
流増幅器１０のゲインＫA とモータ１の電機子抵抗の公
称値Ｒn との和を電流増幅器１０のゲインＫA で除した
値をゲインに持つ増幅器２９に、前記増幅器３の出力が
入力される。
【００６０】前記増幅器２８の出力と増幅器２９の出力
とは加算器３０に入力され、加算器３０の出力は遮断周
波数ωF2 の低域通過フィルタ３１に入力される。
【００６１】さらに、低域通過フィルタ３１の出力と増
幅器２８の出力とは加算器３２に入力され、この加算器
３２の出力、即ち、比例微分器４２の出力は電流補償値
ΔＩ c として前記加算器８に入力される。また、加算器
８のもう一方の入力には比例積分器５からの電流指令値
Ｉref が入力され、加算器８の出力は加算器９に送られ
る。
【００６２】（作用）本実施の形態２において、モータ
１の電機子電流ＩM と、モータ１のトルク定数ＫT の公
称値ＫTnとを乗じて得たモータトルクの推定値と、モー
タ１のモータ速度ωM と、モータ回転子の慣性モーメン
トの公称値ＪMnと低域通過フィルタ２６の遮断周波数ω
F1 とを乗じて得た値とを加算する。
【００６３】そして、この加算して得た値に遮断周波数
ωF1 の低域通過フィルタ２６を作用させて得た値から、
検出したモータ速度ωM とモータ回転子の慣性モーメン
トの公称値ＪMnと低域通過フィルタ２６の遮断周波数ω
F1 とを乗じて得た値を減算して、外乱トルクＴd の推定
値Ｔd0 を求めることは、図８に示す従来例と同じであり
この場合の演算は前記数４となる。
【００６４】推定された外乱トルクＴd の推定値Ｔ
d0 は、トルク定数の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲイン
を持つ増幅器３により増幅することにより、この増幅器
３の出力は、Ｔd0／ＫTn＝ωF1（ＫTn・ＩM −ＪMn・ω
M ・ｓ）／ＫTn（ｓ＋ωF1）となり、電流ループの逆モ
デルを模擬してなる比例微分器４２に入力される。
【００６５】次に、図２を参照して比例微分器４２の伝
達関数を計算すると、ωF2／（ｓ＋ωF2）・（Ｌn ・ｓ
＋ＫA ＋Ｒn ）／ＫA となり、これは電流ループの逆モ
デルを模擬してなる図１に示す比例微分器４と遮断周波
数ωF2 の低域通過フィルタ２６の各伝達関数の積になっ
ている。従って、前記比例微分器４２の出力である電流
補償値ΔＩc は下記数８で求めることができる。ただ
し、電機子インダクタンスの公称値をＬn 、電機子抵抗
の公称値をＲn とする。
【００６６】
【数８】
【００６７】前記電流補償値ΔＩc は、加算器８に入力
され、電流指令値Ｉref と加算され新たな電流指令値Ｉ
c として加算器９に送られる。
【００６８】前記低域通過フィルタ２６の遮断周波数ω
F1 と、低域通過フィルタ３１の遮断周波数ωF2とを制御
対象の固有周波数よりも充分大きく設定すれば、外乱ト
ルクＴd の推定、及び電流補償値ΔＩc の演算の遅れは
非常に小さくなり、事実上その遅れを無視しても差し支
えなく、電流補償値ΔＩc として数５を採用しても合理
性を失わない。
【００６９】また、遮断周波数ωF1、ωF2 は、制御対象
の固有周波数よりも充分大きいという条件を満足すれば
同一でも異なっていてもよい。電流補償値ΔＩc を数５
とすれば、電流指令値Ｉref 及び外乱トルクＴd からモ
ータ速度ωM までの伝達関数は数７となり、数３の第１
項と等しいと考えて良く、数３においてδを略１とした
場合の第１項と等価とであり、外乱トルクＴd からモー
タ速度ωM までの伝達関数である数３の第２項に相当す
る項は消えることは実施の形態１の場合と同様である。
【００７０】図３に実際にシミュレーションを行った時
の、速度制御系のモータ１の諸定数を代入したブロック
線図を示す。諸定数は従来例と同じくそれぞれ、Ｌ＝
５．７ｍＨ、Ｒ＝１８Ω、ＫT ＝０．１８３Ｎｍ／Ａ、
ＫE ＝０．１８３Ｖｓ／ｒａｄ、ＪM ＝３．０６×１０
-5ｋｇｍ2 、ωF1＝１×１０4 ｒａｄ／ｓ、ＫA ＝３
２、ＫI ＝６０、ＫP ＝３、ＫV ＝１．７２×１０-2と
し、またωF2＝１×１０4ｒａｄ／ｓとした。
【００７１】図４は前記ブロック図に基づいて行ったシ
ミュレーションの結果を示すものであり、モータ１の回
転速度をｒｐｍ、モータ電流値をアンペア（Ａ）で併せ
て示してある。モータ１の起動後０．２秒で０．３Ｎｍ
の大きさの外乱トルクＴd をモータ軸に与え、起動後
０．５秒で外乱トルクＴd を取り去った場合のシミュレ
ーションである。
【００７２】図５は前記定数で表されるモータ１を２台
連結し、一台を被制御モータ、他方を負荷用のモータと
して実験したときの被制御モータの実測値である。モー
タ１の回転速度をｒｐｍ、モータ電流値をアンペア
（Ａ）で併せて示してあることは図４の場合と同様であ
る。但し、モータ１は１０００ｒｐｍで定常回転してお
り、図５は外乱トルクＴd を印加、除去したときのみを
示している。
【００７３】図４、図５から明らかなように、シミュレ
ーション結果と実測値とはよく一致しており、また数７
が示すとおり外乱トルクＴd からモータ１の回転出力へ
の影響は極小に抑圧されている。
【００７４】尚、本実施の形態２では、前記比例微分器
４２を図６に示す回路例に示すように合計４個の演算増
幅器５１乃至５５を用いて構成することができる。ま
た、回転速度や電機子電流等の値をアナログ／ディジタ
ル変換した後、ディジタルシグナルプロセッサを用いた
数値演算により前記比例微分器４２と同様な比例微分機
能を実現するようにすることもできる。
【００７５】また、推定して求めた外乱トルクＴd の推
定値Ｔd0 を、遮断周波数ωF1 の低域通過フィルタ２６の
伝達関数との積を伝達関数として持つ比例微分器４２
と、トルク定数ＫT の公称値ＫTnの逆数１／ＫTnのゲイ
ンを持つ増幅器３とにより、比例微分して求めた値を電
流補償値ΔＩc として電流指令値Ｉref に加え、新たな
電流指令値Ｉc とすることにより、数７に示すように、
電流指令値Ｉref に対するモータ１の応答特性を高くす
るための電流増幅器１０のゲインＫA を飽和等の問題の
ない最適値にすることができ、また外乱トルクＴd から
モータ速度ωF1 への影響を全て抑圧することができる。
【００７６】このことは、コンピュータによるシミュレ
ーション、及び実験で確認されたとおりである。また、
前記比例微分器４２を低域通過フィルタ３１と増幅器２
８、２９と加算器３２とにより構成したので、ノイズの
影響の少ない特性の優れた速度制御装置を提供できる。
【００７７】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、電流ルー
プの特性を補償し、外乱トルクオブザーバの特性を向上
させ、応答性が良く、外乱抑圧能力が高く、実用性の高
い高性能なモータの速度制御方法及び速度制御装置を提
供できる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 モータ速度を制御する速度制御ループに
    対し、モータ電機子電流を制御する電流制御ループをマ
    イナーループとしてとして持つモータの制御装置を用い
    たモータの速度制御方法において、 モータの電機子電流検出値と、モータトルク定数の公称
    値とを乗じて得られたモータトルクの推定値から、 モータの回転子の慣性モーメントの積分特性の逆モデル
    を模擬してなる微分器によりモータ速度検出値を微分し
    て得られた、モータトルクの推定値を減じて、外乱トル
    クの推定値を求め、 電流ループの逆モデルを模擬してなる比例微分器と、モ
    ータトルク定数の公称値の逆数のゲインを持つ増幅器と
    により、前記外乱トルクの推定値に所定の演算を施した
    値を電流指令信号の補償値とすること、 を特徴とするモータ速度制御方法。
  2. 【請求項２】 前記電流ループの逆モデルを模擬してな
    る比例微分器を、低域通過フィルタと増幅器と加算器と
    により比例微分機能を有するように構成し、この比例微
    分機能とモータトルク定数の公称値の逆数のゲインを持
    つ増幅器とにより、前記外乱トルクの推定値に所定の演
    算を施した値を電流指令信号の補償値とすることを特徴
    とする請求項１記載のモータ速度制御方法。
  3. 【請求項３】 モータ速度を制御する速度制御ループに
    対し、モータ電機子電流を制御する電流制御ループをマ
    イナーループとして持つ制御装置を備えたモータの速度
    制御装置において、 前記制御装置は、外乱トルクの推定手段と、前記マイナ
    ーループの逆モデルを模擬してなる比例微分器とからな
    る電流指令値の補償手段を有することを特徴とするモー
    タ速度制御装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003010880A1 (fr) * 2001-07-19 2003-02-06 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Dispositif de regulation de vitesse
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