JP2008228446A - モータ制御装置と速度信号生成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低分解能の位置検出器を使用しても速度検出精度を向上させたモータ制御装置と速度信号生成方法を提供する。
【解決手段】位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部(1)と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部(2)と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部(3)と、モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部(4)と、位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部(5)と、を備えたモータ制御装置において、前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部(51)と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部(52)とを備え、フィルタ部(52)は、位置検出器の分解能に応じて時定数を決定する。
【選択図】図1
【解決手段】位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部(1)と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部(2)と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部(3)と、モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部(4)と、位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部(5)と、を備えたモータ制御装置において、前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部(51)と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部(52)とを備え、フィルタ部(52)は、位置検出器の分解能に応じて時定数を決定する。
【選択図】図1
Description
本発明は、モータ制御装置と、速度信号生成方法に関する。
従来のモータ制御装置は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、モータに結合された位置検出器のモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、位置信号を制御時間ごとに差分をとり速度信号を生成する速度信号生成部と、で構成されている。また、従来の速度信号生成方法は特許文献1に速度演算方法として開示されている。図4は速度演算方法のパルスチャートであり、速度検出の際に検出精度を上げるために、エンコーダからの出力パルスを指定パルスP4(nー1)〜P4(n)として設定する。これは、例えば、図5のように4分周してP4(n)、P4(n―1)として設定するもので、この指定パルスP4(n)〜P4(n−1)の間隔を速度検出のサンプリング区間として、クロックでカウントし、カウント数T(4n)〜T(4n−1)を移動平均フィルタ処理をする。その際、カウント数に対してa0〜a5の重み付け処理を行い、例えばa0=6/21、a1=5/21、a2=4/21、a3=3/21、a4=2/21、a5=1/21とするものである。
特開平8−146023号公報
しかしながら、従来例の特許文献1の場合は、エンコーダのパルス間隔をクロックで数え、かつ、移動平均フィルタに重み付けをするという複雑な処理をしなければならず、ハードウエアで実現する場合は回路が複雑になり、また、フィルタは制御系の遅れ要素となり、フィルタ時定数を必要以上に大きくすることはサーボ性能の著しい劣化をまねく。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、エンコーダなどの位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定することで、速度分解能を向上させつつ、移動平均フィルタの遅れ要素による遅れ時間の増加も最小限にして制御精度を上げ、高速化に対応して発生するトルク振動を抑止できるモータ制御装置と速度信号生成方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、次のように構成した。
請求項1に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えたモータ制御装置において、前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部と、を備え、前記フィルタ部は、前記位置検出器の分解能に応じて時定数を決定することを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定することを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能と前記制御時間と、前記速度制御部の速度制御ゲインに応じて移動平均回数を決定することを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記速度指令は、上位コントローラから与えられることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えたモータ制御装置の速度信号生成法において、前記モータ位置検出信号から前記位置信号を生成するステップと、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成するステップと、前記位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定するステップと、前記速度信号を前記フィルタを通して新たな速度信号を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、請求項5記載の速度信号生成方法において、前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能によって決定することを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、請求項5記載の速度信号生成方法において、前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能と、制御時間と、前記速度制御部の制御ゲインによって決定することを特徴とするものである。
請求項1に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えたモータ制御装置において、前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部と、を備え、前記フィルタ部は、前記位置検出器の分解能に応じて時定数を決定することを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定することを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能と前記制御時間と、前記速度制御部の速度制御ゲインに応じて移動平均回数を決定することを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1記載のモータ制御装置において、前記速度指令は、上位コントローラから与えられることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、を備えたモータ制御装置の速度信号生成法において、前記モータ位置検出信号から前記位置信号を生成するステップと、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成するステップと、前記位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定するステップと、前記速度信号を前記フィルタを通して新たな速度信号を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、請求項5記載の速度信号生成方法において、前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能によって決定することを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、請求項5記載の速度信号生成方法において、前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能と、制御時間と、前記速度制御部の制御ゲインによって決定することを特徴とするものである。
本発明によると、移動平均フィルタを使用することで速度分解能があがり、移動平均フィルタの遅れ要素に対しても、位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定するので、遅れ時間の増加を最小限に抑えられ、高速化に対応してトルク振動が増加するのを抑止できるモータ制御装置と速度信号生成方法を提供できる。
以下に本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図1において、1は位置制御部、2は速度制御部、3はモータ駆動部、4は位置信号生成部、5は速度信号生成部、6はモータ、7は位置検出器である。位置制御部1は上位コントローラからの位置指令と位置信号の差をPID制御処理をして速度指令を生成する。速度制御部2は、速度指令と速度信号の差をPID制御処理をしてトルク指令を生成する。モータ駆動部3はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電流信号を比較し電圧指令を生成、さらに、電圧指令からPWM信号を生成して電力増幅器を制御し、モータ6に電圧を供給する。位置検出器7はモータに結合されて2相パルス列信号やシリアル通信データを生成する。位置信号生成部4は2相パルス列信号やシリアル通信データを受けて位置信号を生成する。速度信号生成部5は位置信号を制御時間ごとに差分を演算し速度信号を生成する。
図1において、1は位置制御部、2は速度制御部、3はモータ駆動部、4は位置信号生成部、5は速度信号生成部、6はモータ、7は位置検出器である。位置制御部1は上位コントローラからの位置指令と位置信号の差をPID制御処理をして速度指令を生成する。速度制御部2は、速度指令と速度信号の差をPID制御処理をしてトルク指令を生成する。モータ駆動部3はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電流信号を比較し電圧指令を生成、さらに、電圧指令からPWM信号を生成して電力増幅器を制御し、モータ6に電圧を供給する。位置検出器7はモータに結合されて2相パルス列信号やシリアル通信データを生成する。位置信号生成部4は2相パルス列信号やシリアル通信データを受けて位置信号を生成する。速度信号生成部5は位置信号を制御時間ごとに差分を演算し速度信号を生成する。
図2は速度信号生成部を示したものであり、位置差分部51とフィルタ部52とで構成される。位置差分部51は、制御時間ごとに位置信号の時間差分を演算し速度信号を生成し、フィルタ部52は、位置検出器の分解能によって決定された時定数のローパスフィルタであり、速度信号から新たな速度信号を生成する。また、フィルタ部が移動平均フィルタの場合は、位置検出器の分解能に対応した回数の移動平均をして新たな速度信号を生成する。
次に移動平均フィルタの移動平均回数について説明する。移動平均フィルタの移動平均回数は、位置検出器の分解能や、速度制御系のゲイン、制御時間などにより決定される。速度制御系の応答性は通常周波数特性によって表される。周波数特性は速度制御系の比例ゲインkv(Nms/rad)を系のイナーシャJ(kgm2)で除した値ωc=kv/J(r/s)で決定され、kvが大きいほど高応答が実現されるが、余計なノイズを増幅し振動トルクを発生する。トルク指令は、速度指令ωrefと速度信号ωfの差のΔωと比例ゲインkvの積で表されるが、速度信号ωfに位置検出器の分解能や制御時間によるノイズが含まれるのでトルク指令にもノイズが含まれることになる。分解能m(bit)の位置検出器は、1回転あたりのパルス数に換算するとP=2m パルスであり、1パルス間隔の位置を制御時間Tsで除した値が速度信号のノイズになるので、速度ノイズは、ωn=2π/(P・Ts)(r/s)になる。速度ノイズに速度制御の比例ゲインを乗じたものがトルク指令になるのでノイズになるトルク指令は2π・kv/(P・Ts)(Nm)となる。移動平均回数をNとすると、ノイズは1/Nに緩和されて2π・kv/(P・Ts)になる。しかし、移動平均回数は、回数を多くとるほど速度信号の遅延時間を増加させることになる。移動平均回数をNとしたときの遅延時間はN・Ts/2であり、速度制御系の周波数特性ωcの逆数1/ωcよりも大きくすると、制御系が不安定になり制御的振動が発生することになる。従って移動平均回数Nは、位置検出器の分解能mと制御時間Tsと速度制御系の周波数特性ωcからノイズになるトルク指令が許容振動トルクTqr以下になるように決定する。
また、kvが同一である条件下ではエンコーダ分解能に応じて移動平均回数Nを決定しても良い。
また、kvが同一である条件下ではエンコーダ分解能に応じて移動平均回数Nを決定しても良い。
図3は本発明の速度信号生成方法を示すフローチャートである。
ステップST1で位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定し、ステップST2でモータ位置検出信号から位置信号を生成し、ステップST3で位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成し、ステップST4で速度信号をフィルタを通して新たな速度信号を生成する。フィルタが移動平均フィルタの場合はステップST1は位置検出器の分解能に応じて移動平均フィルタの移動平均回数を決定し、ステップST4で移動平均をして新たな速度信号を生成する。
ステップST1で位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定し、ステップST2でモータ位置検出信号から位置信号を生成し、ステップST3で位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成し、ステップST4で速度信号をフィルタを通して新たな速度信号を生成する。フィルタが移動平均フィルタの場合はステップST1は位置検出器の分解能に応じて移動平均フィルタの移動平均回数を決定し、ステップST4で移動平均をして新たな速度信号を生成する。
図5は本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。実施例1が上位コントローラから位置指令を与えられたのに対し実施例2では、速度指令が与えられる。
図6、図7は実施例2をシミュレーションした図である。条件は、速度制御比例ゲインkv=1Nms/rad、速度制御積分時定数Tvi=10ms、イナーシャJ=0.001kgm2、制御時間Ts=0.1ms、位置検出器分解能m=13bitsであり、移動平均回数は図6が20回、図7が5回である。図6は位置検出器分解能によるノイズは減少したもののTs・N/2=1msで1/ωc=J/kv=1msでおなじになり制御的な振動が見え始めている。図7は制御的な振動は見られないものの位置検出器によるノイズが顕著で、Trn=2π・kv/(2m・Ts・N)=1.53Nmの振動トルクが発生している。ωc=1000r/sではN=10回程度が最適である。
図6、図7は実施例2をシミュレーションした図である。条件は、速度制御比例ゲインkv=1Nms/rad、速度制御積分時定数Tvi=10ms、イナーシャJ=0.001kgm2、制御時間Ts=0.1ms、位置検出器分解能m=13bitsであり、移動平均回数は図6が20回、図7が5回である。図6は位置検出器分解能によるノイズは減少したもののTs・N/2=1msで1/ωc=J/kv=1msでおなじになり制御的な振動が見え始めている。図7は制御的な振動は見られないものの位置検出器によるノイズが顕著で、Trn=2π・kv/(2m・Ts・N)=1.53Nmの振動トルクが発生している。ωc=1000r/sではN=10回程度が最適である。
1 位置制御部
2 速度制御部
3 モータ駆動部
4 位置信号生成部
5 速度信号生成部
6 モータ
7 位置検出器
51 位置差分部
52 フィルタ部
2 速度制御部
3 モータ駆動部
4 位置信号生成部
5 速度信号生成部
6 モータ
7 位置検出器
51 位置差分部
52 フィルタ部
Claims (7)
- 位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、
を備えたモータ制御装置において、
前記速度信号生成部は、前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成する位置差分部と、前記速度信号をフィルタするフィルタ部と、を備え、
前記フィルタ部は、前記位置検出器の分解能に応じて時定数を決定することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能に応じて移動平均回数を決定することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
- 前記フィルタは、移動平均フィルタであり、前記位置検出器の分解能と前記制御時間と、前記速度制御部の速度制御ゲインに応じて移動平均回数を決定することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
- 前記速度指令は、上位コンとローラから与えられることを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
- 位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、前記モータに結合された位置検出器の生成するモータ位置検出信号から位置信号を生成する位置信号生成部と、前記位置信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、
を備えたモータ制御装置の速度信号生成法において、
前記位置検出器の分解能に応じてフィルタの時定数を決定するステップと、
前記モータ位置検出信号から前記位置信号を生成するステップと、
前記位置信号を制御時間ごとに差分をとって速度信号を生成するステップと、
前記速度信号を前記フィルタを通して新たな速度信号を生成するステップと、
を備えることを特徴とするモータ制御装置の位置信号生成方法。 - 前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能によって決定することを特徴とする請求項5記載の速度信号生成方法。
- 前記フィルタは移動平均フィルタであり、前記移動平均フィルタの移動平均回数は、前記位置検出器の分解能と、制御時間と、前記速度制御部の制御ゲインによって決定することを特徴とする請求項5記載の速度信号生成方法。
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CN103765760A (zh) * | 2011-08-26 | 2014-04-30 | 三菱电机株式会社 | 一体型伺服***、电动机***以及电动机的控制方法 |
JP2014110756A (ja) * | 2012-12-03 | 2014-06-12 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | モータ制御装置及びモータ制御方法 |
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2007
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