JPWO2014010020A1

JPWO2014010020A1 - モータ制御装置及びモータシステム

Info

Publication number: JPWO2014010020A1
Application number: JP2014524515A
Authority: JP
Inventors: ノールアーメルバローチュ; 井手　耕三; 耕三井手; 森本　進也; 進也森本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2016-06-20
Also published as: US20150115862A1; WO2014010020A1

Abstract

ロバストな制御系を構成できるモータ制御装置１００及びモータシステム１０を提供する。モータ制御装置１００は、モータ１２のモータ位置とモータ推定位置との差である位置推定偏差に基づいて、モータ推定位置及びモータ推定速度を出力する位置速度推定部１２０と、モータ推定位置、モータ推定速度及び位置指令に基づいて、モータ１２を制御するトルク指令を出力する制御部１１０と、を備え、位置速度推定部１２０は、位置推定偏差に基づいて補償トルクを出力し、モータ１２のモデル１２８の誤差を補償する非線形補償器１２４を有する。

Description

本発明は、モータ制御装置及びモータシステムに関する。

特許文献１には、制御トルク検出手段により検出された値の制御トルク及び推定された値の外乱トルクが作用する回転体のモデルに基づいて、与えられた回転速度及び回転位置の各初期値とから回転体の回転速度及び回転位置を推定する状態推定手段を備えることが記載されている。

特開平１０−２６２３８７号公報

ここで回転体のモデル、すなわち制御対象にモデル化誤差、例えば制御対象の慣性モーメントパラメータの設定誤差、制御対象の負荷変動などが存在すると、状態推定手段が推定する回転体の回転速度及び回転位置の推定誤差が増加する場合がある。更にその結果、制御系の制御性能が劣化する場合がある。
本発明は、ロバストな制御系を構成できるモータ制御装置及びモータシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、モータのモータ位置とモータ推定位置との差である位置推定偏差に基づいて、前記モータ推定位置及びモータ推定速度を出力する位置速度推定部と、前記モータ推定位置、前記モータ推定速度、及び位置指令に基づいて、前記モータを制御するトルク指令を出力する制御部と、を備え、前記位置速度推定部は、前記位置推定偏差に基づいて補償トルクを出力し、前記モータ推定位置及び前記モータ推定速度を出力する前記モータのモータモデルの誤差を補償する非線形補償器を有するモータ制御装置が適用される。

また、他の観点によれば、前記モータ制御装置と、
前記モータ制御装置が出力するトルク指令に応じて制御されるモータと、
前記モータのモータ位置を取得する位置取得部と、を備えるモータシステムが適用される。

本発明によれば、ロバストな制御系を構成できる。

本発明の一実施例に係るモータシステムのブロック図である。同モータシステムが有するモータ制御装置の位置速度推定部のブロック図である。オブザーバ修正器のオブザーバゲインの設定方法を説明するためのオブザーバのブロック図である。同モータシステムが有するモータ制御装置の非線形補償器のブロック図である。（Ａ）は従来のモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフ、（Ｂ）は同モータシステムが有するモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフであって、負荷イナーシャをモータイナーシャの０．１倍とした場合のグラフである。（Ａ）は従来のモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフ、（Ｂ）は同モータシステムが有するモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフであって、負荷イナーシャをモータイナーシャの３倍とした場合のグラフである。（Ａ）は従来のモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフ、（Ｂ）は同モータシステムが有するモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフであって、負荷イナーシャをモータイナーシャの１５倍とした場合のグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。

本発明の一実施例に係るモータシステム１０は、図１に示すように、モータ１２と、モータ制御装置１００と、エンコーダ２２とを有している。
モータ１２は、例えば、回転型のモータである。

モータ制御装置１００は、モータ１２に接続され、ユーザによって設定された位置指令θｒｅｆに基づいて、モータ１２を制御するためのトルク指令Ｔｍを出力できる。

エンコーダ（位置取得部の一例）２２は、モータ１２の回転位置（モータ位置）を取得できる。エンコーダ２２は、例えば、モータ１２のシャフトに設けられている。
位置取得部は、エンコーダに限定されるものではなく、位置センサレス制御（エンコーダレス制御といわれる場合もある）に基づいてモータの推定位置を出力する位置推定装置とすることもできる。

次に、モータ制御装置１００について、詳細に説明する。
モータ制御装置１００は、制御部１１０と、位置速度推定部１２０と、を有している。

制御部１１０は、位置制御部１１２と、速度制御部１１４を有し、

及び位置指令θｒｅｆに基づいて、モータ１２を制御するトルク指令Ｔｍを出力できる。

位置制御部１１２は、位置指令θｒｅｆ及び位置速度推定部１２０が出力したモータ推定位置θｅｓｔに基づいて、例えばＰ制御演算（比例制御演算）に従い、速度指令ωｒｅｆを出力できる。
速度制御部１１４は、位置制御部１１２が出力した速度指令ωｒｅｆ及び位置速度推定部１２０が出力したモータ推定速度θｄ１ｅｓｔに基づいて、例えばＰＩ制御演算（比例積分制御演算）に従い、トルク指令Ｔｍを生成できる。

位置速度推定部１２０は、図２に示すように、エンコーダ２２が出力したモータ位置θと位置速度推定部１２０が出力したモータ推定位置θｅｓｔとの差である位置推定偏差ｅに基づいて、モータ推定位置θｅｓｔ及びモータ推定速度θｄ１ｅｓｔを出力できる。
位置速度推定部１２０は、オブザーバ修正器１２２と、非線形補償器１２４と、演算器１２６と、モータ１２のモデルであるモータモデル１２８とを有している。

オブザーバ修正器１２２は、位置推定偏差ｅに基づいて、オブザーバ修正値ｒａを出力できる。具体的には、オブザーバ修正器１２２は、位置推定偏差ｅを低減してゼロにするようにオブザーバ修正値ｒａを出力できる。
オブザーバ修正器１２２は、次式で示すように、位置推定偏差ｅに、オブザーバカットオフ周波数ｆで決定されるオブザーバゲインＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３をそれぞれ乗じ、ＰＩＤ制御演算によりオブザーバ修正値ｒａを演算できる。なお、ｓはラプラス演算子である。

ｒａ＝Ｌ_３・ｅ／ｓ＋Ｌ_２・ｅ＋Ｌ_１・ｓ・ｅ式（１）

ここで、オブザーバゲインＬ_１〜Ｌ_３の設定方法の一例について説明する。
オブザーバゲインＬ_１〜Ｌ_３は、例えば図３に示すような、モータ位置θ及びトルク指令Ｔｍに基づいてモータ位置を推定する、オブザーバＯＢに基づいて設定できる。
オブザーバＯＢの状態方程式は次式で表される。

ここで、行列Ａ、Ｌ、Ｃを次式のように定義する。

特性方程式は、次式で表される。

特性方程式の極を3重極ωにすると、次式が得られる。

式（ＯＢ６）に、式（ＯＢ２）〜式（ＯＢ４）を入れて整理すると、式（ＯＢ７）〜式（ＯＢ１１）を経て、式（ＯＢ１２）が得られる。

式（ＯＢ１２）において、ラプラス演算子sの係数を比較すると、オブザーバゲインＬ_１〜Ｌ_３は、以下のように設定できる。

Ｌ_１＝３ω 式（ＯＢ１３）

Ｌ_２＝３ω^２式（ＯＢ１４）

Ｌ_３＝ ω^３式（ＯＢ１５）

ただし、極ωは次式で表される。

ω ＝２πｆ式（ＯＢ１６）

なお、ｆは前述のオブザーバのカットオフ周波数である。

非線形補償器１２４は、例えば、エンコーダ２２が低分解能である場合の位置又は速度を補償して、制御系のロバスト性を向上できる。また、非線形補償器１２４は、例えば、低速度域にて速度検出誤差を補償するオブザーバにおける制御対象モデル誤差（変動誤差）を補償して、制御系のロバスト性を向上できる。
非線形補償器１２４は、図２に示すように、位置推定偏差ｅに基づいて、補償トルクＴｓｍａを出力できる。
詳細には、非線形補償器１２４は、モータ位置θ、位置推定偏差ｅ、トルク指令Ｔｍ、及びオブザーバ修正値ｒａに第１の重み定数ｗ_１を乗じた乗算値ｒが入力され、少なくとも乗算値ｒの極性変化に応じて補償トルクＴｓｍａを演算できる。
この非線形補償器１２４の設計方法及び補償トルクＴｓｍａを出力するための演算内容については、後述する。

演算器１２６は、オブザーバ修正値ｒａ、補償トルクＴｓｍａ、及び後述する除算値ｕｂに基づいて、モータ１２のモータモデル１２８への入力値ｕを演算値として出力できる。
演算器１２６は、加算分配部１２６ｂ及び加算部１２６ａを有している。

加算分配部１２６ｂは、重み定数ｗ_１、ｗ_２を用いて決定した加算配分に基づいて、オブザーバ修正値ｒａと補償トルクＴｓｍａとを加算し、加算値ｕａとして出力できる。重み定数ｗ_１、ｗ_２は、例えば、オブザーバ修正値ｒａに対する第１の重み定数ｗ_１及び補償トルクＴｓｍａに対する第２の重み定数ｗ_２である。
加算部１２６ａは、加算値ｕａとトルク指令Ｔｍをモータ１２のイナーシャノミナル値Ｊ_０で除算した除算値ｕｂとを加算し、演算値として、入力値ｕを出力できる。
すなわち、入力値ｕは、次式（３ａ）、次式（３ｂ）及び次式（３ｃ）により求められる。

ｕ＝ｕａ＋ｕｂ式（３ａ）
ただし、
ｕａ＝ｗ_１・ｒａ＋ｗ_２・Ｔｓｍａ式（３ｂ）
ｕｂ＝Ｔｍ／Ｊ_０式（３ｃ）

ここで、第１の重み定数ｗ_１は、第２の重み定数ｗ_２よりも大きいことが好ましい。具体的には、第１の重み定数ｗ_１の値を、第２の重み定数ｗ_２の値の２〜３倍程度の値とすることが好ましい。例えば（Ｗ_１，Ｗ_２）＝（０．６，０．２）、（Ｗ_１，Ｗ_２）＝（０．５，０．２）、又は（Ｗ_１，Ｗ_２）＝（０．６，０．３）とすることができる。なお、第１の重み定数ｗ_１及び第２の重み定数ｗ_２の値は、０以上かつ１以下の範囲の値である。
なお、以下、乗算値ｒ（＝ｗ_１・ｒａ）は、補償トルクＴｓｍによって補償される前のモータモデル１２８への入力値を表すので、乗算値ｒを補償前モータモデル入力という場合がある。

モータモデル１２８は、シリーズに接続された２つの積分器１２８ａ、１２８ｂを有している。
積分器１２８ａは、入力値ｕを積分して、モータ推定速度θｄ１ｅｓｔを出力できる。
積分器１２８ｂは、モータ推定速度θｄ１ｅｓｔを積分して、モータ推定位置θｅｓｔを出力できる。
即ち、モータモデル１２８は、演算器１２６が出力した入力値ｕに基づいて、モータ推定位置θｅｓｔ及びモータ推定速度θｄ１ｅｓｔを出力できる。

次に、非線形補償器１２４の設計方法について説明する。
前述のモータモデル１２８は、摩擦が考慮されていないモデルである。従って、モータ１２のイナーシャノミナル値Ｊ_０と実際のモータ１２及び負荷システムがもつイナーシャとが大きく異なる場合や摩擦が大きい場合には、オブザーバ修正器１２２によるモータモデル１２８の入力値ｕの修正が十分でなくなり、位置推定偏差ｅが過渡状態でハンチングしたり、収束が遅くなったりする場合がある。
そこで、補償前モータモデル入力ｒを漸近安定化するため、評価関数Ｖを次式のように定義する。

このとき、補償前モータモデル入力ｒが漸近安定化する必要十分条件は次式のようになる。

ここで、モータモデルの入力値ｕをモデル出力からの逆モデルとして表すと、次式のようになる。

ここで、新たな変数θ_ｒの２階微分を次式のように定義する。なお、Δθ＝ｅ＝θ−θｅｓｔである。

式（Ｃ４）より、次式が導かれる。

ただし、Ｆはシステム外乱である。
ところで、前述の式（３ａ）、式（３ｂ）、及び式（３ｃ）に示した通り、モータモデルの入力値ｕは、補償前モータモデル入力ｒ（＝ｗ_１・ｒａ）及び補償トルクＴｓｍａに重み定数ｗ_２を乗算した補償トルクＴｓｍ（＝ｗ_２・Ｔｓｍａ）の加算値ｕａと、トルク指令Ｔｍをモータ１２のイナーシャノミナル値Ｊ_０で除算した除算値ｕｂと、の加算値であり、次式で表される。

ｕ＝ｗ_１・ｒａ＋ｗ_２・Ｔｓｍａ＋Ｔｍ／Ｊ_０式（Ｃ５ａ）
式（Ｃ５ａ）にて示した入力値ｕを式（Ｃ５）に代入すると、次式が得られる。

式（Ｃ６）を式（Ｃ２）に代入すると、次式が得られる

式（Ｃ７）の右辺第１項は常に負となるので、次式を満たす条件は右辺第２項が負となればよい。

即ち、次式を得る。

従って、式（Ｃ９）を満たすように補償トルクＴｓｍａを設計すると、次式を得る。

ここで、Ｊｍｍ＝γ・Ｊ_０（γ＞０）、γ：調整パラメータ、Ｆｍａｘ：想定される最大のシステム外乱値、Ｌ_１ａ：調整ゲインである。
式（Ｃ１０ａ）に示した非線形補償器１２４は、入力の絶対値を出力する関数１２４ａを用いて、図４に示す制御ブロック図で表される。なお、図４において、調整ゲインＬ_１ａ〜Ｌ_３ａは、それぞれオブザーバゲインＬ_１〜Ｌ_３と同じ値に設定することが好ましい。ただし、調整ゲインＬ_１ａ〜Ｌ_３ａは、それぞれ同じ大きさに設定することもできる。

ただし、式（Ｃ１０ａ）は補償前モータモデル入力ｒの極性で頻繁に極性が変化し、チャタリング現象を起こす場合がある。そのため、次式に示すようにチャタリング低減オペレータδを含む関数を付加することもできる。

このように、非線形補償器１２４が、式（Ｃ１０ａ）又は式（Ｃ１０ｂ）に基づいて、補償トルクＴｓｍａを出力するように設計することで、次式（Ｃ１１）に示すように、補償トルクＴｓｍａに重み定数ｗ_２を乗算した補償トルクＴｓｍを得ることができる。

Ｔｓｍ＝ｗ_２・Ｔｓｍａ式（Ｃ１１）
以上説明したように、モータ制御装置１００は、位置速度推定部１２０に非線形補償器１２４を有しているので、例えば、所望の制御性能を実現するために必要な分解能よりも低い分解能のエンコーダを使用した場合又は位置センサレス制御による位置速度制御を行った場合であっても、ロバストな制御系を構成できる。また、モータ制御装置１００は、例えば、モータ又は負荷イナーシャを含むパラメータ設定あるいは負荷イナーシャの変動誤差が生じてもロバストな制御系を構成できる。
すなわち、モータ制御装置１００は、位置速度推定部１２０に非線形補償器１２４を有しているので、モータモデル１２８の誤差を補償でき、ロバストな制御系を構成できる。

次に、シミュレーション例を示し、モータ制御装置１００について更に説明する。
モータ１２の負荷イナーシャをモータイナーシャの０．１倍、３倍、１５倍とし、それぞれ、モータの位置及び速度を推定する従来のオブザーバを有するモータ制御装置及び本実施例に係るモータ制御装置１００について、モータ位置及び位置推定誤差を求めた。
図５Ａ〜図５Ｃの（Ａ）は従来のモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフ、（Ｂ）は同モータシステムが有するモータ制御装置による位置推定誤差を示すグラフである。各図の上段のグラフにおいて、横軸は時間（ｓ）、縦軸はモータ位置（ｒａｄ）を示している。各図下段のグラフにおいて、横軸は時間（ｓ）、縦軸は位置推定誤差（ｒａｄ）を示している。
図５Ａ〜図５Ｃから明らかなように、モータ制御装置１００の位置速度推定部１２０によれば、負荷イナーシャが変動した場合であっても、従来よりも位置推定誤差が低減される。

本発明は、前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述の実施例や変形例の一部又は全部を組み合わせて発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
モータは、リニアモータとすることも可能である。モータがリニアモータである場合、回転型モータのトルク指令、回転速度、及び回転位置を、それぞれ推力指令、移動速度、及び移動位置に置き換えて考えることで、モータ制御装置を構成できる。

１０：モータシステム、１２：モータ、２２：エンコーダ、１００：モータ制御装置、１１０：制御部、１１２：位置制御部、１１４：速度制御部、１２０：位置速度推定部、１２２：オブザーバ修正器、１２４：非線形補償器、１２４ａ：関数、１２６：演算器、１２６ａ：加算部、１２６ｂ：加算配分部、１２８：モータモデル、１２８ａ、１２８ｂ：積分器

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、モータのモータ位置とモータ推定位置との差である位置推定偏差に基づいて、前記モータ推定位置及びモータ推定速度を出力する位置速度推定部と、前記モータ推定位置、前記モータ推定速度、及び位置指令に基づいて、前記モータを制御するトルク指令を出力する制御部と、を備え、前記位置速度推定部は、前記モータ推定位置及び前記モータ推定速度を出力する、前記モータのモデルであるモータモデルと、前記位置推定偏差が入力され、前記モータモデルの入力値を補償するための補償値を出力する非線形補償器と、を有するモータ制御装置が適用される。

Claims

モータのモータ位置とモータ推定位置との差である位置推定偏差に基づいて、前記モータ推定位置及びモータ推定速度を出力する位置速度推定部と、
前記モータ推定位置、前記モータ推定速度、及び位置指令に基づいて、前記モータを制御するトルク指令を出力する制御部と、を備え、
前記位置速度推定部は、前記位置推定偏差に基づいて補償トルクを出力し、前記モータ推定位置及び前記モータ推定速度を出力する前記モータのモータモデルの誤差を補償する非線形補償器を有するモータ制御装置。
請求項１記載のモータ制御装置において、
前記位置速度推定部は、前記位置推定偏差に基づいてオブザーバ修正値を出力するオブザーバ修正器と、
前記オブザーバ修正値及び前記補償トルクに基づいて、前記モータモデルに入力される演算値を出力する演算器と、を更に有するモータ制御装置。
請求項２記載のモータ制御装置において、
前記演算器は、重み定数を用いて決定した加算配分に基づいて、前記オブザーバ修正値と前記補償トルクとを加算し、加算値として出力する加算分配部と、
前記加算値と、前記トルク指令を前記モータのイナーシャノミナル値で除算した除算値と、を加算し、前記演算値として出力する加算部と、を有するモータ制御装置。
請求項３記載のモータ制御装置において、
前記重み定数は、前記オブザーバ修正値に対する第１の重み定数及び前記補償トルクに対する第２の重み定数であって、
前記第１の重み定数は、前記第２の重み定数よりも大きいモータ制御装置。
請求項４記載のモータ制御装置において、
前記第１の重み定数の値は、前記第２の重み定数の値の２〜３倍であるモータ制御装置。
請求項４又は５記載のモータ制御装置において、
前記オブザーバ修正器は、前記位置推定偏差に、オブザーバカットオフ周波数で決定されるオブザーバゲインを乗じ、ＰＩＤ制御演算により前記オブザーバ修正値を演算するモータ制御装置。
請求項４〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
前記非線形補償器は、前記モータ位置、前記位置推定偏差、前記トルク指令、及び前記オブザーバ修正値に前記第１の重み定数を乗じた乗算値が入力され、少なくとも前記乗算値の極性変化に応じて前記補償トルクを演算するモータ制御装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
前記モータ制御装置が出力するトルク指令に応じて制御されるモータと、
前記モータのモータ位置を取得する位置取得部と、を備えるモータシステム。