JPS6389905A - 加速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、加速度制御装置に係り、特に、加速度指令値
と加速度実際値とを直接比較して加速度制御を行うもの
である。

〔背景技術とその問題点〕

工作機械のツール送り制御等では、ぞの機械的衝撃を軽
減しかつ高精度位置決めをするために加速度制御が行わ
れている。

従来、かかる加速度制御を行うための加速度制御装置は
第８図に示す構成とされていた。第８図において、加速
度制御装置は加速度指令器１０と、この加速度指令器１
０とモータ５０に１１°１結された位置検出器６１との
再出力信号を比１校し７て電圧指令値を求める電流指令
算出回路２と、Ｄ／、Ａ変換器１と、電流マイナールー
プを形成する駆動制御回路４０′と、制御対象゛である
モータ５０とから構成されていた。なお、電流指令算出
回路２は加速度指令器１０から出力された加速度指令値
αゎに比例した振幅の電流指令相当信号に変換するもの
である（第８図において、Ｉ（αｌは加速度／電流振幅
変換定数である）。従って、加速度指令器ＩＯからの加
速度指令値αＣとモータ５０の位置（回転角度）信号θ
を以てモータ５０の加速度を制御するものとされていた
。すなわち、従来の加速度制御装置は、加速度制御とい
いながら加速度ループを直接形成するのでなく加速度指
令値αＣを電流指令に変換し駆動制御回路４０に設けた
電流マイナーループで代替していたのである。主に歴史
的背景に基づくものである。

しかして、上記従来の加速度制御装置には次のような問
題点を有していた。

第１に、代替する電流マイナーループは、速度制御ルー
プの内側に組み込まれるのが一般的である。従って、摩
擦による負荷の変動があったり、想定した電流振幅とモ
ータ５０の発ノ１．　ｌ−ルクとの相関量゛係（いわゆ
るトルク定数）が実際のＩ・ルク定数と相違ある場合、
さらにはモータ５ｏに連結された負荷のイナーシャが実
際のイナーシャと相違した場合等にあっては加速度指令
値αＣにＷづいた正確な制御ができず実際の加速度との
間に人きな誤差を生しさせていた。かかる誤差が発生ず
ると前記速度ループのゲイン（カットオフ周波数）の誤
差としても現れ、さらにこの誤差によって速度ループの
ゲインが小さくなった場合には、結果としてオーバーシ
ュートや振動等が発生ずることになるので精密な工作機
械等には採用不適という問題が認識されてき°Ｃいる。

第２に、代替する電流マイナーループは、通常アナログ
回路より構成されているから、オフセット、ドリフト等
が生じ易く、ごれらはモータ５０のトルク変動を誘発さ
ゼる。例えば、１１作ｍ械のツール送り軸制御に用いる
ときには送り速度が−・定とすることができないから加
工面に縞模様を発タトさせる等としで現れる。

この問題は、１−作機械等の設置環境等その使用者側の
任、は的事情を勘案すると非常に重大である。

これに対しては、電流マイナーループをデジタル処理化
することが考えられる。しかしながら、制御系全体を前
記第８図に示す如く形成し、その中にあって電流指令値
やフィードバック電流値をデジタル化するには高速、高
精度のＡ／Ｄ変換器を取り入れなければならない。しか
し、主に経済的理由から現実的でない。さらに、Ａ／Ｄ
変換器自体にもオフセントやドリフトが存在するので本
質的な解決策といえない。しかも、その電流マイナール
ープゲインの演算等はＣ’ＰＵによるソフト処理としな
ければならず、例えばモータ５０が三相交流型としたと
きに各相毎に補償要素を取り込まれること等を考えれば
そのソフト処理量は膨大とならざるを得ない。従って、
サンプリング時間を長く−４るか、高速なＣＰＵを採用
しなければならなくなる。しかし前者の場合には電流ル
ープゲインが低下するので電流応答が劣悪化し制御性が
悪くなる。また、後者の場合には前記と同様に経済的運
用の実際から許しテ１１いという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は、負荷変動、モータトルク特性の不均一等外乱
に影響されず、かつ」−バシュートや振動を発生させな
いで正確な加速度制御を達成する加速度制御装置を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は、
上記従来の問題点が電流マイナーループで代替する制御
系とされているごとに起因し、その制御系自体の本質的
特性１−、デジタル処理此等一部の改良では解決できな
いとの分析認識にたって、実際の加速度を直接フィード
バックずろごとによって加速度制御ループを形成しぞの
問題を除去するものである。

これがため、加速度指令器と、千−夕に連結されモー、
夕の回転情報信号を発生する信η発／、ｌ：器と、前記
加速度指令器から入力された加速度指令値と前記信号発
生器から入力された加速度実際（直とを比較して加速度
誤差を求める比較回路と、＋ｉｉｉ記比較回路から出力
された加速度誤差信号にノＮづいて電圧指令値を求める
電圧指令算出回路と、前記電圧指令算出回路からの出力
信号に基づいて前記モータを駆動制御するために適当な
電気信号を４１：成する駆動制御回路とを備え、加速度
指令値と加速度実際値を比較して加速度制御を行うよう
構成し前記目的を達成するのである。

従って、加速度指令器の加速度指令値と信号発ｌＩ器か
らの制御対象であるモータから検出した加速度実際値と
を比較回路で比較しつつ、その加速度偏差に基づいて電
圧指令算出回路、駆動制御回１／３を介しモータの加速
度を制御することができる。

〔実施例〕

本発明に係る加速度制御装置の実施例について図面を参
照しながら詳細に説明する。なお、前出第８図に示す従
来の加速度制御装置と同一または相当部分については同
一の符号を付するものとする。

（第１実施例） 第１実施例は、三相非突極永久界磁型の同期モータを制
御対象とし、信号発生器とし−（４１”ｉ置検出器を用
いた場合であり、第１図ないし第２図に示される。

この第１実施例の加速度制御装置ζ、１、加速度指令器
１０、比較回路２０、電圧指令算出回路３ｏ、駆動制御
回路４０、モータ５ｏおよび信号発生器６０とを備え、
デジタルサーボを構成したものである。

まず、加速度指令器１０は、サンプリング時間毎に次の
目標とする加速度をデジタル信号である加速度指令値α
Ｃとして出力するものである。

また、信号発生器６０は、制御対象であるτ相交流非突
極永久界磁型の同期モータ５ｏに直結された位置検出器
６１とこの位置検出器６１がらの位置信号θをフィード
ハック処理する微分回路６４．６５とから構成されてい
る。位置検出２ｉｉ　（ｉ　Ｉはパルスエンコーダから
形成され、モータ５ｏの位置（回転角度）に相当する位
置信号θを出力する。微分回路６４は位置信号θを一回
ｉｎｋ分して速度信号θを、微分回路６５はこの速度イ
ト１号δを一凹微分して加速度信号θにそれぞれ変換す
るものである。ここに信号θが加速度実際値である。

比較回路２０は、加速度指令器１ｏがらの加速度指令値
αＣと信号発生器６ｏからの加速度実際（１ｆｔ、であ
る加速度信号θとを比較し加速度偏差信号αｅを出力す
るもので、変更可能なサンプリング時間毎に比較する。

電圧指令算出回路３０は、比較回路２ｏがらの加速度偏
差信号αｅに基づいて後記の駆動制御回路４０へ所定の
指令電圧Ｖｕａ、　　ＶνＢ、　　ＶＨａを出力するた
めのもので、指令電圧は加速度偏差信号α（！を零とす
るご吉ができるようなイ直であり、モータ５０の端子に
印荷する端子電圧となる。

点ころで、この実施例におけるモータ５ｏは前記の通り
二イ目非突極永久界磁型であるから電圧術マ１算出ｔｒ
ｒ＋路３０は指令電圧を式（１）によって算出するよう
構成されている。

・・・　・・・　（１） さて、各符号については、テい１）の導出根拠とともに
第３図を参照しながら明らかとする。

まず、第３図は、モータ５ｏのモデルであって、各要素
を θ：ロータの回転角 Ｒａ：電機子抵抗 Ｌａ：電機子有効インダクタンス １ａ　：電機子漏れインダクタンス Ｍａａ：電機子巻線相互インダクタンスなお、■、＝Ｌ
ａ＋ｌ！ａ　＋Ｍａａと定義する。また、Ｉｕａ：ＩＪ
相電機子電流 Ｉｖａ：Ｖ相電機子電流 Ｔｗａ：Ｗ相電機子電流 Ｖｕ、：Ｕ相・電機子電圧 Ｖｖ、：Ｖ相電機子電圧 Ｖ□：Ｗ相電機子電圧 φｕＢａ：Ｕ相電機子に作用するギヤツブ磁束φｖＢａ
：Ｖ相電機子に作用するギヤツブ磁束φｗｇａ：Ｗ相電
機子に作用するギヤツブ磁束φｕｒ：ロータ座標Ｕ軸方
向ロータ磁束φｖｒ：ロータ座標Ｖ軸方向ロータ磁束φ
−ｒ：ロータ座標Ｗ軸方向ロータ磁束■　：モータ電流
振幅 とする。

ごごに、三相非突極永久界〜磁型の同期モータの電圧電
流磁束方程式は、 】１ （Ｉｔ ここで、 Ｉｕａ＝　−Ｉ　ｓｉｎ　θ Ｉｖａ＝　−Ｉ　ｓｉｎ　（θ−１２０°）Ｉｗａ＝　
−Ｉ　ｓｉｎ　（θ−２４０６）φｕｒ”φｆ φｖｒ＝０ φ−ｒ＝０ となり、各相電圧Ｖ　ｕｍ　＋　　Ｖ　Ｖａ　＋　　Ｖ
　Ｗａは、■ｕ、− −Ｒａ　　Ｉ　　ｓｉｎθ−（Ｌａ＋　１　ａ）（（ｓ
　　Ｉ　）ｓｉｎθ＋　Ｉｃｏｓθ（Ｓθ））＋ｓＭａ
ａ　　Ｉ　　（ｓｉｎ（θ−１２０°）＋５ｉｎ（θ−
２４０°））−φｒｓｉｎθ（Ｓθ） 一−Ｒａ　　Ｉ　　ｓｉｎθ−（Ｌａ＋　Ｉｔ　ａｌａ
ａ）ｓｉｎθ（ｓ　　Ｉ　　）（（Ｌａ＋　７！ａ＋Ｍ
ａａ）　　Ｉ　ｃｏｓθ（φ「ｓｉｎ　　θ）（Ｓθ） Ｖ□− Ｍａａｓ　　Ｉ　　（ｓｉｎθ＋５ｉｎ（θ　２４０°
））−Ｒａ　　Ｉ　５ｉｎ（θ−１２０６）（Ｌａ＋　
Ｉｔ　ａ）　（（ｓ　　Ｉ　）ｓｉｎ（θ−１２０°）
＋　　Ｉ　　ｃｏｓ（θ−１２０°）（ｓθ））−ｓｉ
ｎ（θ−１２０°）（ｓθ）φ。

＝　−Ｒａ　　Ｉ　　５ｉｎ（θ−１２０°）−（Ｌａ
＋　　ｊ！　ａ＋Ｍａａ）ｓｉｎ（θ　−１２０°　）
（ｓ　　　Ｉ　　）（（Ｌａ＋　　ｉｔ　　ａ＋Ｍａａ
）　　　Ｉ　　　ｃ、ｏｓ　（θ　−１２０°　）＋φ
、ｓ　ｉｎ　（θ−１２０°））（Ｓθ）ｏ− ｓＭａａ　　Ｔ　　　（ｓｉｎθ＋５ｉｎ（θ−１２０
６））−Ｒａ　　Ｉ　　５ｉｎ（θ−２４０°）−（Ｌ
ａ（Ｉｔ　ａ）ｓ　　Ｉ　　５ｉｎ（θ−２４０°）−
φ　、５ｉｎ（θ−２４０°）（ｓθ）＝　　−Ｒａ　
　Ｉ　　５ｉｎ（θ−２４０°）−（Ｌａ＋　１　ａ＋
Ｍａａ）ｓｉｎ（θ−２４０°）（ｓ　　Ｉ　　）−［
（１，ａ＋Ｉａ＋Ｍａａ）　　　Ｉ　　ｃｏｓ（θ　−
２４０°）十φ、５ｉｎ（θ−２４（１’）　）　（ｓ
θ）として求められる。従って、各相電圧は、・・・　
・・・　（４） と理解することができる。

よって、式（４）をさらに書き改めると式（１）となる
。

ここに、式（１）に立ちかえって、各相電圧（電圧指令
値）ｖｕ、、ｖｖ、、ｖ、、は、３行１列の行列式なる
式（１）の右辺の各項を求めることによって、結果とし
て求まる。すなわぢ、式（１）の右辺における電機子抵
抗Ｒ１電機子有効インダクタンス１．２１と電機子漏れ
インダクタンスｐａと電機子巻線相互インダクタンスＭ
ａａ　の和■２およびロータ磁束φ。

はモータ定数として一義的に定まっている。また、正弦
（ｓｉｎ）および余弦（ｃｏｓ）に係る項は固定的な三
角関数テーブルとモータ５０の固定子と回転子との相対
的位置関係すなわちロータの回転角θより求められる。

さらに、右辺第３項お６；−び第４項ｉ と等しいから位置フィードバック信号である回転角θを
１回微分することにより求められ、同様に・［−少電流
　■　は加速度フィードバック信号Ｊに比例するので上
記位置フィードハック信号θを２回微分または速度フィ
ードバンク信号ルを１回微分するごとによって求められ
る。

従って、この実施例における電圧指令算出回路３０は、
第２図に示したように信号発生器６０からの加速度フィ
ードハック信号θに定数に１を乗算してモータ電流増幅
　Ｉ　を出力する演算器３１と、比較回路２０から出力
される加速度誤差信号αｅにより指令すべきものはサン
プリング時間毎の加速度の変化量でありかつこの加速度
変化量はえ一ヶ電流、）。化量（−ｉ　Ｉ　　）　４：
□１１□よいうｔ 根拠に基づいて加速度誤差信号αｅに定数に２（ただし
、Ｋ２＝Ｋｌ　　・Ｇ−Ｌとする。Ｇは加速度ループの
ゲインとする）を乗算して弐（１１の右辺□２　、ＭＬ
’Ｃ係おニーケミ流度化量（−ｉ、）、＝ようｄす るための演算器３２と、同じく右辺第１項のＰ、１１を
求めるために電機子抵抗Ｒａにモータ電流　■　をを求
める演算器３５と、右辺第３項のＬｌ（’ｆｆ１−／７
）ｔ −ＬＩδを求める演算器３．６と、三角関数項を求めつ
つ右辺各項を求めるに供される三角関数テーブルを含み
形成された演算器３７と、右辺各項を加算して各相電圧
Ｖ　ｔｌｌｌ　ｒ　　Ｖ　Ｖａ　ｒ　　Ｖ　Ｗａを求め
る演１１器３８等から構成されている。

また、駆動制御回路４０・は、電圧指令算出回路３０か
ら出力される各相電圧指令値Ｖ　ｕａ＋　　Ｖｖａ＋Ｖ
　ｗａをＰＷＭ（パルス幅変調）パターン変換するため
の変調器４１とＰＷＭアンプ４２とから形成されている
。従って、数十ＫＷのモータ５０にも適用できるととも
に電圧指令算出回路３０での信号レヘル等の選択自由度
を高められる。

従って、この実施例によれば、機械系に応じたＥｔ　Ｊ
のサンプリング時間毎に加速度指令器１０からの加速度
指令値αＣと信号発生器６０からの加速度フ、イートバ
ソク信号としての加速度実際値θとを直接比較しつつ電
圧指令算出回路３０で各相毎の電圧指令値Ｖ　’ｌｌ１
ｍ＋　　■Ｖａ＋　　ｖｗａを演算し駆動制御回路４０
を介しモータ５０を駆動制御することができるから、負
荷の変動や負荷イナーシャあるｂｔ　ｃ；ｔ　ｌ・ルク
定数が想定値と異なる場合があったとしてもそれら外乱
により誤差が生ずるということがなく正確な加速度制御
を達成することができる。

もとより前出第８図に示したアナログ回路を含む電流マ
イナーループで代替する加速度制御系と異なりデジタル
処理によって実行できるからオフセット、ドリフトのす
き入る余地がなくなりトルクリップルが発生せず、振動
等を誘発することがないという優れた効果を奏する。

また、−■二記の通りサンプリング時間毎のデジタル処
理によって加速度制御できるから・、そのサンプリング
時間を適宜選択して実行すれば、例えば、工作機械のツ
ール送り制御に採用する場合には、当該工作機械の機械
系の特性に一層好適な加速度制御をすることができると
いう運用面の利益が大きく、生産能率と工作精度を飛躍
的に向上させることができるという効果もある。

また、電圧指令算出回路３０等はマイクロブ１」セッサ
等により形成できるから従来の如く高速なＡ／Ｄ変換器
等を利用しなくともよく極めて経済的であるとともに小
型軽量化できるので工作機械への取り付は等その取り扱
いが容易である。

さらに、信号発生器６０は、パルスエンコーダからなる
位置検出器６１を含み形成しているので前記デジタル処
理化を一層容易化できるとともに微分回路６４．６５に
よって簡単かつ精度良く速度フィードバック信号θ、加
速度フィードバック信号θを創成することができる。

さらにまた、駆動制御回路４０は、ＰＷＭパターン変換
する変調器４１含み形成しているので電圧指令算出回路
３０とモータ５０との整合を容易化するとともに制御対
象の適応性を著しく拡大できる。

（第２実施例） 第２実施例は、第４図に示される如く第１実施例の場合
と異なるところは、式（１）の右辺第１．２および４項
がベクトルの方向が同じであるからその第１および第４
項を省略したものとして構成されている。従って、電圧
指令算出回路３０には第１実施例に示す演算器３３．３
５に相当する演算器が含まれない。なお、加速度指令器
１０、比較回路２０、駆動制御回路４０、モータ５０お
よび信号発生器６０は第１実施例の場合と異なるところ
がないのでその詳細説明は省略する。

従って、第２実施例も第１実施例と同じく加速度指令器
をフィードバックしているので正確な加速度制御等第１
実施例の作用効果と同様な作用効果を奏する。さらに、
式（１）の第１項および第４項を省略構成しているので
電圧指令算出回路３０の構成が容易であり、より小型か
つ経済的である。

（第３実・施例） 第３実施例は、第５図に示した通り、第１実施例の場合
と異なるところは、信号発生器６０を位置検出器６１と
微分回路６４．６５とから形成するのでなく、位置フィ
ードバック信号すなわちモータ５０の回転角θ、速度フ
ィードハック信号θおよび加速度フィードバンク信号θ
をそれぞれに発生する位置検出器６１、速度検出器６２
および加速度検出器６３を設は構成したことである。な
お、加速度指令器ｌＯ１比較回路２０、駆動回路４０、
モータ５０および信号発生器６０は第１実施例の場合と
異なるところがないのでその詳細説明は省略する。

従って、第３実施例も第１実施例と同しく加速度信号を
フィードバックしているので正確な加速度制御等第１実
施例の作用効果と同様な作用効果を奏する。ここに、信
号発生器６０は、モータ５０に関与し結果として加速度
フィードハック信号θを発生できればよいからその型種
、形態を限定しないものであることが理解される。

（第４実施例） この第４実施例は、直流モータを用い、かつ（Ａ号発生
器に位置検出器を用いた場合である。

第６図において、加速度制御装置は、加速度指令器１０
、比較回路２０、電圧指令算出回路３０、駆動制御回路
４０、モータ５０および信号発生器６０から構成されて
いる。

ここに、モータ５０が直流モータとされているから、電
圧指令算出回路３０は、電機子抵抗Ｒａ等各要素を第１
実施例の場合と相応させた符号とすれば、 ｄｔ　　　　　　ｄｔ ・・・・・・（５） に基づいて、電圧指令値Ｖａを求めればよい。

この場合、式（５）の右辺の各項は第１実施例の場合と
同様にして求めることができる。

比較回路２０、信号発生器６０等は第１実施例の場合と
基本的に異なるところがないので詳細説明を省略する。

従って、この実施例は制御対象を直流型のモータ５０と
しているが、比較回路２０において加速度指令値αＣと
加速度実際値θとを直１ｇ比較しζいるから、負荷の変
動等外乱に影響されずにｉｌＥ　Ｔｉ（ｔな加速度制御
が保障される。

なお、第１実施例に対する第２実施例と同様にこの実施
例に対し式（５）の右辺各項のベクトルの方向が同一で
あることに着目して第７回に示す如〈実施することも可
能である。

以上の実施例では、加速度指令器１０、比較回路２０、
電圧指令算出回路３０等と区分した構成としたが、要は
モータ５０の実際の加速度を求めてフィードバック制御
部できればよい力）らそれらはコンピュータで一体的に
形成してもよい。

もとより、モータ５０は、上記開示の型種に限らず他の
型種、例えば誘導型、でも本発明は適用される。

〔発明の効果〕

本発明は、負荷変動、十−タトルク特性の不均一等外乱
に影響されず、かつオーバシ、Ｌ−）や振動を発生させ
ないで正確な加速度制御を達成する加速度制御装置を提
供できるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る加速度制御装置の第１実施例（三
相交流モータを用いた場合）を示す概略ブＣｌツク図、
第２図は同じく詳細ブロック図、第３図は同じくモータ
のモデル説明間、第４図は三相交流モータを用いた簡易
型の第２実施例を示す詳細ブロック図、第５図は異なる
信号発生器を用いた第３実施例を示す概略ブロック図、
第６図、第７図は直流モータを用いた第４実施例を示し
、第６図は詳細ブロック図、第７図は第６図に対応させ
た簡易型の概略ブロック図および第８図は従来の加速度
制御装置の詳細ブロック図である。 １０・・・加速度指令器、２０・・・比較回路、３０・
・・電圧指令算出回路、４０・・・駆動制御回路、５０
・・・モータ、６０・・・信号発生器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）加速度指令器と、モータに連結されモータの回転
   情報信号を発生する信号発生器と、 前記加速度指令器から入力された加速度指令値と前記信
   号発生器から入力された加速度実際値とを比較して加速
   度誤差を求める比較回路と、前記比較回路から出力され
   た加速度誤差信号に基づいて電圧指令値を求める電圧指
   令算出回路と、前記電圧指令算出回路からの出力信号に
   基づいて前記モータを駆動制御するために適当な電気信
   号を生成する駆動制御回路とを備え、加速度指令値と加
   速度実際値を比較して加速度制御を行うよう構成したこ
   とを特徴とする加速度制御装置。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、前記信号発
   生器が前記モータに直接された位置検出器と微分回路と
   から形成されている加速度制御装置。
3. （３）前記特許請求の範囲第２項において、前記信号発
   生器が、速度フィードバック及び位置フィードバック信
   号をも前記電圧指令算出回路へ出力できるよう形成され
   ている加速度制御装置。
4. （４）前記特許請求の範囲第１項において、前記信号発
   生器が前記モータに直接された加速度検出器から形成さ
   れている加速度制御装置。