WO1996004708A1

WO1996004708A1 - Dispositif de commande de la vitesse d'un moteur

Info

Publication number: WO1996004708A1
Application number: PCT/JP1995/001534
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Nakamura; Kazuhiro Tsuruta
Original assignee: Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 1996-02-15
Also published as: DE69507340D1; DE69507340T2; CN1158675A; EP0803968A1; JPH0851788A; CN1047700C; JP3296527B2; KR100352024B1; EP0803968A4; KR970705223A; EP0803968B1; US5834912A

Description

明細耆

モータ速度制御装 S

〔技術分野〕

本発明は、モータの速度制御装置に関する。

〔背景技術〕

モータの速度フィードバック制御において、従来はタコメータジヱネレータ等の速度検出器が多く用いられていたが、近年は、エンコーダ等で検出した位置情報からフィードノくック速度信号を算出する方式が主流となってきている。この際の、速度フィードバック信号の算出方法としては、位置信号のサンプリング周期

Ts間の増分値 A yより、 V - A y /Ts として求めるのが最も一般的である。

し力、し、この方法では、算出した速度信号の位相が実際の速度よりも遅れてしまい、さらに低速域での精度が大きく劣化するという問題がある。過去複数点での移動平均をとることにより、低速域での精度劣化の問題は改善されるが、位相の遅れはさらに大きくなつてしまう。また，サンプリング周期か長し、場合や、位置検出遅れがある場合には、その位相はさらに遅れる。このように位相の遅れた信号によりフィードハ'ック制御を行うと、フィードバックゲインを高く設定することができず、応答速度が遅くなつてしまう。

一方、特開平 4-9767号公報のように、演算時点での速度を予測検出するものも知られているが、モータの特性やトルク指令を考慮せず、エンコーダ等で検出した位置情報のみに頼って予測するものであり、予測が実際の値と合わなくなる恐れがある。

〔発明の開示〕

そこで本発明は，エンコーダ等で検出した位置情報、モータの特性、及びトルク指令に基づいて速度を予測し、その重み付き移動平均をとることにより、低速域での精度劣化が小さく、さらに、位相遅れの無い速度フィードバック信号を用し、たモー夕速度制御装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するため本発明では、現在時刻 iにおいて K · Ts(K≥0, Ts: サンプリング周期）前のモータ位置 y (i- K) を検出し、この検出信号を基に算出したモータ速度フィードパ'ック信号 v _{f b}によりフィードバック制御を行うモータ速度制御装置において、

速度指令と前記モータ速度フィードバック信号 v _fbからトルク指令 u〔i) を算出する手段と、

前記位置 y (i-K) から速度 v (i-K) を算出する手段と、

M' サンプリング前から時刻 i-K までの前記速度 v (i-m) (ただし、 π-Κ, … . Μ' ) を記憶する手段と、

モー夕の動特性モデル、前記トルク指令 u(i), 前記位置 y (i-K) より、 Mサンプリング先までの速度予測値 V * (i+n) (ただし、 m=- ···, M) を求める予測器と、

前記速度フィ一ドパ'ック信号を、 V fb(a) ' _Λν ι-π)

なる計算によって求める手段と、

を備えたことをとするものである。

上記手段により、精度劣化が小さく、位相遅れの無い速度フィ一ドバック信号が得られるため、フィードバックループゲインを高く設定でき、速度制御系の応答周波数が高くなる。

〔図面の簡単な説明〕

図 1は本発明の具体的実施例を示す図、図 2は本発明の予測の一例を示す内部ブロック図、図 3は本発明の予測器の他の例を示す内部ブロック図、図 4は本発明の制御演算器の一例を示す内部プロック図、図 5は本発明の他の実施例を示す図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

本発明の第 1の発明のモータ速度制御装 Sの実施例を示す。

図中 5は速度指令と速度フィ一ドバック信号 V ,_kを入力し、トルク指令 uを出力する制御演算器である。 6は、トルク制御群、モータ、および位 S検出器を含んだものを表しており、現在時刻 iにおいて、トルク措令 u (i) を入力し、 K · TsCK≥0. Ts: サンプリング周期）前のモータ位置検出値 y(i- K) を出力する。 1 は、モータの動特性モデル、トゾレク措令 u、および位置 yより、 Mサンプリング先までの速度予測値 V* (i+m) ( ただし、 m=- K , ···, M)を求める予測器である。 4は， v(i-K)=Ay(i-K)/Ts (Δはサンプリング周期 Ts間の増分値を表す）等の演算により、位置 y(i- K)から速度 v(i-K)を算出する演算器であり、 3は

、 ' サンプリング前から時刻 i-Kまでの速度 v(i-m) ( ただし、 πι--Κ,···, Μ') を記憶するメモリである。 2は演算器であり、

'

v,_b(i) = ∑w_nv*(i+m) + ∑w'_nv(i-B) (1) n=-K+l m=

なる計算により速度フィードバック信号 v_fkを求め、制御演算器 5へ出力する。重み w_m と w' _m は， w_m = w' _m =1/(M+ M'+l)として，各速度の平均をとつても良いし、各速度に異なる重みを付け、全体で 1となるように設定しても良い

。 Mと M' はその差 M- Μ' によって速度フィードバック信号の位相を、和

Μ' によって速度分解能を調整でき、 Μ≥Μ' とすることにより位相遅れのないフィードバック信号が得られる。

次に予測器 1の具体的実施例を図 2および図 3に示す。まず図 2において、 1 1は予測器、 13は予測係数 A _ηη, Β _Ληを記憶するメモリ、 14. 15は現在に至るまでの過去のトルク指令 uおよび位置增 ^ΕΔγを記 ttするメモリ、 16は位置 yより位置増分値 Δ yを求める差分器である。

12は演算器であり、

v^i+m) = 厶 y-(i+m)/Ts (2a) △ y*(i+ra) = u(i-n) m- il, ···, M (2b)

なる演算により速度予測値 v- (i+m) を算出し出力する。

図 3において、 21は予測器、 23は予測係数 A _ΛΛ. Β _Ληを記憶するメモリ、 24, 25は、現在に至るまでの過去のトルク指令増分値 Δ uおよび位置増分値厶 yを記憶するメモリ、 26, 27は増分値を求める差分器である。

22は演算器であり、 v*(i+m) = Δ y *(i+m)/Ts (3a)

N_a+ -1 N_b+K-1

Δ y*(i+oi) = ∑ A_mn厶 y(i-n) + ∑ B_mn厶 u(i-n) m=-K+l.■··, M (3b) n=K n=0

なる演算により速度予測値 v* (i+ni) を算出し出力する。

ここで (2b)式および (3b)式における予測係数について述べる。いまトルク指令 uから位置増分値厶 yまでの伝達関数モデルが、

Gv(z) = (b,z —+b_Nbz "^Nb ) I (l-a,z-¹- …- a_N,z "^N> )

の離散時間系で得られているとすると、その入出力モデルは次式となる。

Δ y (i) = ∑ a_nAy(i-n) + ∑ b_ftu(i-n) (4) n=l n=l

時刻 iにおいては、時刻 i-K までの位置増分値の実測値厶 y(i-n) (n≥K)が得られているため、それ以降の位 S増分値を実測値を用いて.

ffl+K-1 N, N_b

Δ y-(i+m)=∑a_nA y*(i+m-n)+∑a_nA y(i+ni-n)+∑b_nu(i+m-n) n>- +l (5b) n=l n=m+ n=l

で予測すると、位置増分値予測値 Ay* (i+m) は (2b)式となり、予測係数 A _Λη,Β は、未来のトルク指令を u(j)-0 (j>i) とすると、

Α(-κ₊ΐ)„ = a_{n-K_{+ l)}

≤η≤Ν»+Κ-1 (6a) π+Κ-1

a (n+m) m>-K+l, K≤n≤N_a+K-l (6b) j =l

B (- ( (ni»-- +n m=- +l, 0≤n≤ b+K-l C7a)

Π+Κ-1

B_mn = ∑ ajB _t„._i)n + b_(A+m) m>-K+l, 0≤n≤N_b+K-l (7b) j =l

ただし， a_ft=0 (n>N_a), b„=0 (n<lおよび n〉N_b) で与えられる。また u(】 u(i) (j>i) とすると，（7b)式の Β _Λ0 は次式となる

B_m0 = 0 -K4l<m≤0

また，トルク指令増分値厶 uから位置増分値 Δ yまでの伝達関数モデルが、

Gp(z) ： (b,z 〜+b_Kbz "^Nk ) I (l-a.z-'-…- a_N*z -N廛である場合、その入出力モデルは次式となり、

- N_a - N_k

厶 y(i) = ∑ a«Ay(i- n) + ∑ b_nAu(i- n) (8) n=l n=l

(5)式と同様にして位置増分値を予測すると (3b)式を得、予測係数 A _ΛΛ，Β_Ληは，未来のトルク指令增分値を Διι(】 0 (j)i) とすると、

Α(-κ₊ΐ) η = a_(n-_K+>) m=-KU, ^n≤N,+K-l (9a) n+ -1

m>- 4l, K≤n≤N_a+K-l (9b)

m=-K+l, 0≤n≤N_b+ -l (10a)

D!+K-l

mn = ∑ 3 j (_n. j) _n + b (_n + m) m>-K+l, 0≤n≤N_b+K-l (10b) j=i ただし， a„=0 (n>N,), b„=0 (nく 1および n>N_k)

で与えられる。

例えば、 K = 0で、トルク指令から位置までの連銃系の伝達関数モデルを 1 J S² として、零次ホールドとサンブラを考慮して離散化すると、図 2の予測器のモデル Gv(z)の係数は、 N， =l， a , -1, N_b =2, b, =b₂ =b=T _s ² /2J となり、図 3の予測器のモデル Gp(z)の係数は、 N_a =2, a, =2 , a_z =- 1, N_b =2, b, =b₂ =b = T_s ¹ /2J となる。図 2の予測器を用い、 M=2とすると、（2b)式の係数は (6)、 (7) 、（7b') 式より、 A₁₀ = A₂₀= 1 , B₁₀=B,, = b, B_zo= 3 b, B_2l = bとなる。

さらに（1)式において、 M' =0, w₂ =0. 5. w, =w" o =0. 25とすると、（1) 、（2) 式より、

v_fb(i) = [Ay(i) +b U.75u(i) +0.75u(i-l) } ] ノ T_s (11) を得る。上式のごとく、図 1の予測器 1と演算器 2， 4とを一体ィヒして v_fk (i ) を求めても、もちろん構わない。

外乱トルク u_a の検出値あるいは推定値が得られる場合には、トルク指令 uから外乱トルク u_d を減じた値をトルク指令と考えて速度予測値を求めても良い。制御演算器 5內で、 P I D制御や I一 P制御等の積分演算を含む演算によりトルク指令を決定する場合には、種分演算値を前記外乱トルク推定値として用いても良い。例えば図 4に示すように、制御演算器 5内部で P ID演算によりトルク指令を算出する場合、トルク措令から積分演算値を滅じたもの、すなわち、 PD ( 比例微分）演算値のみをトルク指令として予測器 1へ入力する。

さらに、 P I演算値を 1次または n次フィルタリングした値を、次のサンプリング周期にトルク指令 u C i ) として出力する制御演算器に対して、（ 11 )式を用いて速度フィ一ドバック信号 V, _b(i) を求めた場合のプロック図を図 5に示す。同図では、 1周期前の養分値を外乱トルク u_d としているが、これをさらにフィルタリングした値を u_d としても良い。また、速度 V ( i ) は、厶 y ( i ) /T_s によって求めているが、これ以外の方法、例えば、速度铢出器の利用、あるいは、エンコーダのパルス間の時間を計測して算出する等、既存の速度算出方法を用いても良い。

以上述べたように本発明によれば、低速域での精度劣化が小さく、さらに、位相遅れの無い速度フィードバック信号を用いるため、フィードバックループゲインが上がり、高速応答可能なモータ速度制御装 Sが実現されるという効果がある o

〔産業上の利用可能性〕

本発明は、モータの速度制御装 Sに適用される。

Claims

請求の範囲

1. 現在時刻 iにおいて K · Ts(K≥0, Ts: サンプリング周期）前のモータ位置 y (i- ) を検出し、この検出信号を基に算出したモータ速度フィードバック信号 V _{f b}によりフィードハ'ック制御を行うモータ速度制御装置にお t、て、

速度指令と前記モータ速度フィードバック信号 v_fbからトルク指令 u(i)を算出する手段と、

前記位置 y (i-K) から速度 v〔i-K) を算出する手段と、

M' サンプリング前から時刻 i-K までの前記速度 v(i-m) (ただし、 ffl=K, … . M' ) を記憶する手段と、

モータの動特性モデル、前記トルク指令 u(i), 前記位置 y (i-K) より、 Mサンプリング先までの速度予測値 V* (i+m) (ただし、 m=- K+1, …， Μ) を求める予測器と、

前記速度フィード、'ック信号を、

Μ Μ'

v_tb(i) = ∑w»v*(i+in) + ∑w'„v(i-Di)

n=-K+l m=

(ただし、 w_n , w'_m は重み係数）

なる計算によって求める手段と、

を備えたことを特徴とするモータ速度制御装置。

2. 前記予測器は、

位 Syより位置増分値 (Δはサンプリング周期 Ts間の増分値を表す）を求める手段と、

トルク指令 uから位置増分値 Δ yまでの伝達関数モデル

Gv(z) = (b,z -' +…+ b_Nbz -^Nb ) I (1-a.z-' -… -a_N,z "^Ν· )

より、予測係数 A _ηΑ. Β _Ληを、

A (-x₊i) n = a,».x_+I) DI=-K+1, ≤n≤N_A+K-l A (n- + a m>- +l. K≤n≤N.+K-l

B(-_K+i) n = b₍„-K*i) πι=-Κ+1, 0≤n≤N_b+K-l m+K-1

B_mA = ∑ aiB_(n._i)n + b_(A+m> m>-K+], 0≤n≤N_b+K-l

ただし， a«=0 (n>N_a)₍ b„=0 (nく 1および n)!^)

で決定し記憶する手段と、

現在に至るまでの過去のトルク指令および位 S増分値を記憶する手段と、これらの予測係数、トルク指令、位置増分値より、前記速度予測値を次式 v*(i+m) = Δ y *(i+m)/Ts

N.+ -l N_fc+ -1

厶 y*(i+B) = ∑ A«_nAy(i- n) i ∑ B_n„u(i-n) m=-K+l,■··, M n=K n=0

で求める手段と、

からなるものであることを特徴とする請求項 1記載のモータ速度制御装 S。

3. 前記 B _Λ。に代えて、

とする手段を備えたことを特徴とする請求項 2記載のモータ速度制御装置。

4. 前記予測器は、

位置 y, トルク指合 uよりその増分値厶 y, 厶 uを求める手段と、トルク措令増分値 Δ uから位置増分値 Δ yまでの伝達関数モデル

Gp(2) = (b,z … _Nkz -^H¾ ) I Cl-a.z-'-…- a_N,z ~^H» ) より. 予測係数 A _mn. B _mnを、

A(-K»j)« = a_(n-_K+j) m=- +l, K n≤N_a+K-l m K-]

Amn = ∑· ajA_(m.j_)n + a_(n+m> m>-K+l, ^n≤N.+K-l

j-1 in=- +l, 0≤n^N_b+ -l m+ -1

m>-K+l. 0≤n≤N_b+K-l

j -1 ただし. a_ft=0 (n>N_a), b_n=0 (nUおよび n〉NJ

で決定し記憶する手段と、

現在に至るまでの過去の卜ルク指令増分値および位置増分値を記憶する手段とこれらの予測係数、トルク指令増分値、位置増分値より、前記速度予測値を次式

N.+K-l N_b+K-1

厶 y *(i+m) = ∑ Α_ηηΔ y (i-n) + ∑ B_nnA u (i-n) m=- +l, ···, M

n= n=0

で求める手段と、

5. 外乱トルクの検出値あるいは推定値を求める手段と、前記トルク措令 u から外乱トルク u _d を減じた値をトルク指令と考えて速度予測値を求める手段とを備えたことを特徴とする請求項 1記載のモータ速度制御装置。

6. P I D制御や I—P制御等の穣分演算を含む演算によりトルク指令を決定する場合に，前記外乱トルクとして，積分演算値を用いることを特徴とする請求項 5記載のモータ速度制御装置。