KR20060072136A - 모터 제어 장치 - Google Patents

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KR20060072136A
KR20060072136A KR1020067004557A KR20067004557A KR20060072136A KR 20060072136 A KR20060072136 A KR 20060072136A KR 1020067004557 A KR1020067004557 A KR 1020067004557A KR 20067004557 A KR20067004557 A KR 20067004557A KR 20060072136 A KR20060072136 A KR 20060072136A
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ref
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KR1020067004557A
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가즈히로 츠루타
탈만 길롬므
Original Assignee
가부시키가이샤 야스카와덴키
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    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

제어 파라미터의 조정을 용이하고 정확하게 실시할 수 있고, 모터 제어 장치의 응답을 고속, 고정밀화하여, 진동을 낮게 억제하는 것을 가능하게 한다. 토크 지령 Tref 및 모터 속도 Vfb 에 근거해 산출하는 제어 정수 동정부(18)에 의해, 동작중에 관성이 변동하는 경우나 점성 마찰이 큰 경우에도 정확하게 관성 및 점성 마찰 계수를 동정할 수 있다. 또, 그 결과, 제어 파라미터의 조정을 용이하고 정확하게 행하고, 모터 제어 장치의 응답을 고속, 고정밀화하여 진동을 낮게 억제할 수 있다.

Description

모터 제어 장치{Motor controller}
본 발명은, 로봇이나 공작 기계 등을 구동하는 모터 제어 장치에 있어서, 동작중에 관성 변동이 있는 경우의 관성의 동정(identification) 및 점성 마찰 계수를 동정하는 기술에 관한 것이다.
종래의 모터 제어 장치의 모터 제어에 있어서의 장치로서, 관성을 동정하는 기능을 갖는 것이 있다 (예컨대, 특허 문헌 1 참조).
본 출원인이 제안한 이 장치는, 입력된 속도 지령과 실제 모터 속도가 일치하도록 토크 지령을 결정하여 모터 속도를 제어하는 속도 제어부와, 상기 모터 속도에 모델의 속도가 일치하도록 상기 속도 제어부를 시뮬레이트하는 추정부와, 상기 속도 제어부의 속도 편차에 소정의 필터를 통과한 값의 절대치를 소정의 구간에서 시간 적분한 값과, 상기 추정부의 속도 편차의 절대치를 동일한 구간에서 시간 적분한 값의 비로부터 관성을 동정하는 동정부를 구비하고, 상기 추정부의 속도 편차가 제로이며 상기 추정부내의 속도가 제로가 아닌 경우에만, 상기 동정부내에서 관성을 동정하는 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이 장치에서는, 임의의 속도 지령에 대해 리얼타임으로 동정할 수 있기 때문에, 시시각각 관성이 변화하는 경우에도 관성의 동정이 가능하다.
특허 문헌 1：특허 제3185857호 공보 (제3페이지, 도 1)
그러나, 상기 종래 기술에서는, 점성 마찰이 큰 경우에는 그 영향으로 관성 동정치가 크게 산출되는 경우가 있다. 그 때문에, 그 동정된 관성치를 이용하여 제어 파라미터를 조정하면 진동적으로 되는 경우가 있다는 문제가 있다. 따라서 본 발명은, 점성 마찰이 큰 경우에도 관성 동정 오차를 작게 하도록 하여, 점성 마찰 계수도 동정함으로써, 제어 파라미터의 조정을 용이하고 정확하게 실시할 수 있고, 모터 제어 장치의 응답을 고속, 고정밀화하여, 진동을 낮게 억제하는 것을 가능하게 하는 모터 제어 장치의 제공을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 다음과 같이 구성했다.
청구항 1에 기재된 발명은, 속도 지령 Vref 를 출력하는 속도 지령 발생부와, 상기 속도 지령 Vref 및 모터 속도 검출 신호 Vfb 를 입력하여 상기 모터 속도 검출 신호 Vfb 가 상기 속도 지령 Vref 에 일치하도록 토크 지령 Tref 를 출력하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령 Tref 를 입력하여 토크 제어를 행하여 모터에 모터 구동 전류를 출력하는 토크 제어부와, 상기 모터의 위치 또는 속도를 검출하여 상기 모터 속도 검출 신호 Vfb 를 출력하는 검출기를 구비한 모터 제어 장치에 있어서,
상기 모터의 회전자 관성의 값 및 상기 모터에 의해 구동되는 부하 기계의 관성의 값을 상기 모터의 회전축으로 환산한 값을 합계한 관성 합계치 J 와, 점성 마찰 계수 D 를, 적어도 상기 토크 지령 Tref 및 상기 모터 속도 검출 신호 Vfb 에 근거해 산출하는 제어 정수 동정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 청구항 2에 기재된 발명은, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 토크 지령 Tref 를 구간 [a,b], 즉 시각 a 에서 시각 b 까지 적분한 값을 STref, 즉,
[수학식 1]
Figure 112006015654012-PCT00001
로 하면, 상기 모터의 회전자 관성의 값 및 상기 모터에 의해 구동되는 부하 기계의 관성의 값을 상기 모터의 회전축으로 환산한 값을 합계한 관성 합계치 J 와, 점성 마찰 계수 D 를,
[수학식 2]
Figure 112006015654012-PCT00002
[수학식 3]
Figure 112006015654012-PCT00003
에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 청구항 3에 기재된 발명은, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 관성 합계치 J 를 산출하기 위한 구간 [a,b] 를, 시각 a 에서의 모터 위치 Pfb(a) 와 시각 b 에서의 모터 위치 Pfb(b) 가 일치하는 구간으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 청구항 4에 기재된 발명은, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 점성 마찰 계수 D 가 기지인 경우는 상기 관성 합계치 J 를,
[수학식 4]
Figure 112006015654012-PCT00004
에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 청구항 5에 기재된 발명은, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 관성 합계치 J 가 기지인 경우는, Vfb(a) 를 시각 a 에서의 모터 속도, 또 Vfb(b) 를 시각 b 에서의 모터 속도로 하면, 상기 점성 마찰 계수 D 를,
[수학식 5]
Figure 112006015654012-PCT00005
에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 청구항 6에 기재된 발명은, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 속도 지령 Vref 가 0 이 아니며 일정하지 않은 경우에만, 상기 관성 합계치 J 를, 상기 식 (2)
[수학식 6]
Figure 112006015654012-PCT00006
또는 상기 식(4)
[수학식 7]
Figure 112006015654012-PCT00007
에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 청구항 7에 기재된 발명은, 동정된 상기 관성 합계치 J 와 동정된 상기 점성 마찰 계수 D 를, 제어 파라미터의 조정, 피드포워드 신호의 작성, 또는 진동 억제 보상기의 조정에 이용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 동작중에 관성이 변동하는 경우나 점성 마찰이 큰 경우에도 정확하게 관성 동정을 할 수 있는 동시에, 점성 마찰 계수도 동정할 수 있다. 또, 청구항 7에 의하면, 제어 파라미터의 조정을 용이하고 정확하게 실시할 수 있고, 모터 제어 장치의 응답을 고속, 고정밀화하여, 진동을 낮게 억제할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명을 적용하는 제 1 실시예를 설명하는 모터 제어 장치의 블럭 도.
도 2는 실시예 1의 검증 실험 결과 (속도 지령 Vref 및 속도 신호 Vfb).
도 3은 실시예 1의 검증 실험 결과 (토크 지령 Tref).
도 4는 실시예 1의 검증 실험 결과 (동정된 점성 마찰 계수 및 참값).
도 5는 실시예 1의 검증 실험 결과 (동정된 관성 합계치 J 및 참값).
도 6은 본 발명을 적용하는 제 2 실시예를 설명하는 모터 제어 장치의 블럭도.
부호의 설명
11. 위치 제어부 12. 속도 제어부
13. 토크 제어부 14. 모터
15. 검출기 16. 차분기
17. 강체 부하 18. 제어 정수 동정기
61. 피드포워드 작성기
이하, 본 발명의 실시 형태에 관해 도면을 참조하여 설명한다.
실시예 1
실제 모터 제어 장치에는 다양한 기능이나 수단이 내장되어 있지만, 도면에는 본 발명에 관계된 기능이나 수단만을 기재하여 설명하기로 한다. 또, 이하 동일 명칭에는 최대한 동일 부호를 붙여 중복 설명을 생략한다.
도 1은, 본 발명을 모터에 강체 부하를 가한 구동 장치에 적용한 경우의 블럭도이다. 도 1에 있어서, 11은 위치 제어부, 12는 속도 제어부, 13은 토크 제어부, 14는 모터, 15는 검출기, 16은 차분기, 17은 강체 부하, 18은 제어 정수 동정부이다.
위치 제어부(11)는 위치 지령 Pref 와 모터(14)의 위치 신호 Pfb 를 입력하고, 속도 지령 Vref 를 속도 제어부(12)에 출력한다. 속도 제어부(12)는 상기 속도 지령 Vref 와 모터의 속도 신호 Vfb 를 입력하고, 토크 지령 Tref 를 토크 제어부(13) 및 제어 정수 동정부(18)에 출력한다. 토크 제어부(13)는 상기 토크 지령 Tref 를 입력하고, 모터 구동 전류 Im 를 모터(14)에 출력한다. 모터(14)는 상기 모터 구동 전류 Im 에 의해 구동되어 토크를 발생시킨다. 그 토크로 강체 부하(17)를 구동한다. 또, 모터(14)에는 검출기(15)가 장착되어 있고, 상기 위치 신호 Pfb 를 위치 제어부(11) 및 차분기(16)에 출력한다. 차분기(16)는 상기 위치 신호 Pfb 를 입력하고, 상기 속도 신호 Vfb 를 속도 제어부(12) 및 제어 정수 동정부(18)에 출력한다. 제어 정수 동정부(18)는 상기 속도 신호 Vfb 와 상기 토크 지령 Tref 를 입력한다.
위치 제어부(11)는 상기 위치 신호 Pfb 가 상기 위치 지령 Pref 에 일치하도록 위치 제어 연산을 행한다. 속도 제어부(12)는 상기 속도 신호 Vfb 가 상기 속도 지 령 Vref 에 일치하도록 속도 제어 연산을 행한다. 토크 제어부(13)는 모터(14)가 발생시키는 토크가 상기 토크 지령 Tref 에 일치하도록 토크 제어 연산을 행한다. 검출기(15)는 모터(14)의 위치를 검출한다. 차분기(16)는 상기 위치 신호 Pfb 의 일정 시간마다의 차분을 취하여, 상기 속도 신호 Vfb 를 구한다. 제어 정수 동정부(18)는 상기 속도 신호 Vfb 와 상기 토크 지령 Tref 로부터 모터(14)의 회전자 관성과 모터(14)에 장착된 강체 부하(17)의 관성의 합계치 J 및 점성 마찰 계수 D 를 계산한다.
본 설명에서는 속도 제어부의 출력을 회전형 모터를 상정하여 토크 지령으로 했지만, 리니어 모터의 경우는 속도 제어부의 출력을 추력(推力) 지령으로 하여 동일한 구성으로 실현하면 된다. 따라서, 본 발명을 이용하면, 간단한 수식 연산에 의해, 관성 합계치와 점성 마찰 계수를 리얼타임으로 동정할 수 있다.
본 발명의 특징은, 토크 지령 Tref 및 모터 속도 검출 신호 Vfb 에 근거해 관성 J 와 점성 마찰 계수 D 를 산출하는 제어 정수 동정부(18)를 구비하고 있는 것이다.
이하, 구체적인 산출 방법에 관해 설명한다.
제어 대상이 관성 J 와 점성 마찰 계수 D 로 나타나는 것으로 한 경우, 토크 지령 Tref 와 모터 속도 Vfb 의 관계는 식(6)으로 나타난다.
[수학식 8]
Figure 112006015654012-PCT00008
단, Vfb' 는 Vfb 의 시간 미분치이다.
식(6)의 양변을 구간 [a,b] 로 시간 적분하면 식(7)이 얻어진다. 또한, 식(1)에 있어서, 양변에 속도 Vfb 를 곱하면 식(8)이 된다.
[수학식 9]
Figure 112006015654012-PCT00009
[수학식 10]
Figure 112006015654012-PCT00010
[수학식 11]
Figure 112006015654012-PCT00011
또한, 식(8)을 구간 [a,b] 로 시간 적분하면 식(9)가 된다. 여기서, 식(9)의 우변 제2항은 식(10)이 되므로, 식(9) 및 식(10) 으로부터 식(4)가 얻어진다.
[수학식 12]
Figure 112006015654012-PCT00012
[수학식 13]
Figure 112006015654012-PCT00013
[수학식 14]
Figure 112006015654012-PCT00014
식(4)의 우변 제2항의 분모는 반드시 양이기 때문에, 분모는 시간과 함께 증가한다. 따라서, 구간 [a,b] 를 크게 취하면, 식(4)로부터 식(2)가 얻어진다.
[수학식 15]
Figure 112006015654012-PCT00015
또한, 식(4)에 있어서, 시각 a 에서의 모터 위치 Pfb(a) 와 시각 b 에서의 모터 위치 Pfb(b) 가 일치하는 구간 [a,b] 로 하면, 우변 제2항의 분자가 제로가 되므로, 상기 식(2)가 구간 「a,b] 를 크게 취하지 않아도 성립한다.
다음으로, 점성 마찰 계수 D 의 산출 방법에 관해 설명한다. 관성의 산출 방법과 마찬가지로, 식(6)의 관계를 이용하여, 양변에 속도 Vfb 를 곱하면 식(11)이 얻어지고, 식(11)의 양변을 구간 [a,b] 로 적분하면 식(12)가 된다. 여기서, 식(12)의 우변 제1항은 식(13)이므로, 식(12) 및 식(13)으로부터 식(5)가 얻어진다.
[수학식 16]
Figure 112006015654012-PCT00016
[수학식 17]
Figure 112006015654012-PCT00017
[수학식 18]
Figure 112006015654012-PCT00018
[수학식 19]
Figure 112006015654012-PCT00019
식(5)의 우변 제2항의 분모는 반드시 양이기 때문에, 분모는 시간과 함께 증가한다. 따라서, 구간 [a,b] 를 크게 취하면 식(5)로부터 식(3)이 얻어진다.
[수학식 20]
Figure 112006015654012-PCT00020
또한, 식(5)에 있어서, 시각 a 에서의 모터 속도 Vfb(a) 와 시각 b 에서의 모터 속도 Vfb(b) 가 일치하는 구간 [a,b] 로 하면, 식(5)의 우변 제2항의 분자가 제로가 되므로, 상기 식(3)이 구간 [a,b] 를 크게 취하지 않아도 성립한다.
이상, 관성 J 와 점성 마찰 계수 D 의 산출 방법에 관해 설명했다.
다음으로 모터에 모터 회전자 관성의 2배의 강체 부하를 가한 경우의 검증 실험 결과를 도면을 이용하여 설명한다.
도 2 내지 도 5는 모터(14)에 모터 관성 Jm 의 2배의 관성을 가지는 강체 부하(17)를 가한 경우의 검증 실험 결과이다.
도 2는 속도 지령 Vref(rad/s) 및 속도 신호 Vfb(rad/s)를 나타낸 것이고, 도 3은 토크 지령 Tref(Nm)를 나타낸 것이다.
또, 도 4는 동정된 점성 마찰 계수 D(×10e-3Nms/rad)를 나타낸 것이며, 파선으로 나타낸 선은 점성 마찰 계수의 참값 (계산치=0.04×10e-3Nms/rad) 이다.
또, 도 5는 동정된 관성 합계치 J(×10e-3kgm2)를 나타낸 것이며, 일점쇄선으로 나타낸 선은 관성 합계치의 참값 (계산치=0.025×10e-3kgm2) 이다.
도 4 및 도 5로부터 명확한 바와 같이, 본 방법으로 동정된 점성 마찰 계수와 참값은 거의 일치하고 있고, 또한 동정된 관성 합계치와 참값도 거의 일치하고 있다. 이상의 결과로부터, 본 발명이 유효하다는 것을 알 수 있다.
실시예 2
도 6은, 본 발명에서 동정된 관성 합계치 및 점성 마찰 계수를 피드포워드 신호의 작성에 이용한 예를 설명하는 모터 제어 장치의 블럭도이다.
도 6에 있어서, 61은 피드포워드 신호 작성기이다. 피드포워드 신호 작성기 (61)는 위치 제어부(11)의 위치 지령 Pref 입력을 동시에 입력하여 피드포워드 신호 ff 를 작성하여 출력한다. 속도 제어부(12)의 출력 신호와 이 피드포워드 신호 ff 의 합이 토크 지령 Tref 가 된다.
피드포워드 신호 작성기(61)에 있어서, s는 라플러스 연산자이며, FFa 및 FFb 는 피드포워드 게인이다. Ji 및 Di 는 본 발명의 제어 정수 동정부(18)로 동정된 관성 합계치 J 및 점성 마찰 계수 D 이다.
예컨대, 피드포워드 신호 ff 는, 위치 지령 Pref 를 2회 미분한 것과 피드포워드 게인 FFa 를 곱하고, 다시 동정된 관성 합계치 Ji 를 곱하여 얻어진 것과, 위치 지령 Pref 를 1회 미분한 것과 피드포워드 게인 FFb 를 곱하고, 다시 동정된 점성 마찰 계수 Di 를 곱하여 얻어진 것을 가산한 것으로 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 피드포워드 신호의 작성에 이용할 수 있다.
또, 본 발명에 의해 동정된 관성 합계치 J 및 점성 마찰 계수 D 는 정확하기 때문에, 이들에 근거하여 위치 루프 게인이나 속도 루프 게인 등의 제어 파라미터의 조정을 행할 수 있는 것은 자명하다.
또, 본 발명에 의해 동정된 관성 합계치 J 및 점성 마찰 계수 D 를 외란 옵저버 등의 진동 억제 보상기의 조정에 이용할 수 있는 예로서, 예를 들면 본 출원인 특허의 특허 제3360935호 공보가 있다.
본 특허에 있어서, 본 발명에 의해 동정된 관성 합계치 J 및 점성 마찰 계수 D 를 이용함으로써, 추정 외란 신호가 정확하게 연산되어, 진동 억제를 보다 용이하게 실현할 수 있게 된다.
본 발명은, 공작 기계나 산업용 로봇을 구동하는 모터 제어 장치로서 이용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 속도 지령 Vref 를 출력하는 속도 지령 발생부와, 상기 속도 지령 Vref 및 모터 속도 검출 신호 Vfb 를 입력하여 상기 모터 속도 검출 신호 Vfb 가 상기 속도 지령 Vref 에 일치하도록 토크 지령 Tref 를 출력하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령 Tref 를 입력하여 토크 제어를 행하여 모터에 모터 구동 전류를 출력하는 토크 제어부와, 상기 모터의 위치 또는 속도를 검출하여 상기 모터 속도 검출 신호 Vfb 를 출력하는 검출기를 구비한 모터 제어 장치에 있어서,
    상기 모터의 회전자 관성의 값 및 상기 모터에 의해 구동되는 부하 기계의 관성의 값을 상기 모터의 회전축으로 환산한 값을 합계한 관성 합계치 J 와, 점성 마찰 계수 D 를, 적어도 상기 토크 지령 Tref 및 상기 모터 속도 검출 신호 Vfb 에 근거해 산출하는 제어 정수 동정(identification)부를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 토크 지령 Tref 를 구간 [a,b], 즉 시각 a 에서 시각 b 까지 적분한 값을 STref, 즉,
    [수학식 1]
    Figure 112006015654012-PCT00021
    로 하면, 상기 모터의 회전자 관성의 값 및 상기 모터에 의해 구동되는 부하 기계의 관성의 값을 상기 모터의 회전축으로 환산한 값을 합계한 관성 합계치 J 와, 점성 마찰 계수 D 를,
    [수학식 2]
    Figure 112006015654012-PCT00022
    [수학식 3]
    Figure 112006015654012-PCT00023
    에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 관성 합계치 J 를 산출하기 위한 구간 [a,b] 를, 시각 a 에서의 모터 위치 Pfb(a) 와 시각 b 에서의 모터 위치 Pfb(b) 가 일치하는 구간으로 하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 점성 마찰 계수 D 가 기지(旣知)인 경우는 상기 관성 합계치 J 를,
    [수학식 4]
    Figure 112006015654012-PCT00024
    에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 관성 합계치 J 가 기지인 경우는, Vfb(a) 를 시각 a 에서의 모터 속도, 또 Vfb(b) 를 시각 b 에서의 모터 속도로 하면, 상기 점성 마찰 계수 D 를,
    [수학식 5]
    Figure 112006015654012-PCT00025
    에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 정수 동정부에 있어서, 상기 속도 지령 Vref 가 0 이 아니며 일정하지 않은 경우에만, 상기 관성 합계치 J 를, 상기 식 (2)
    [수학식 6]
    Figure 112006015654012-PCT00026
    또는 상기 식(4)
    [수학식 7]
    Figure 112006015654012-PCT00027
    에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 동정된 상기 관성 합계치 J 와 동정된 상기 점성 마찰 계수 D 를, 제어 파라미터의 조정, 피드포워드 신호의 작성, 또는 진동 억제 보상기의 조정에 이용하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
KR1020067004557A 2003-09-04 2004-08-20 모터 제어 장치 KR20060072136A (ko)

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