JP2011147267A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】速度に依存して負荷トルクが変化する負荷をモータにより駆動する場合にも、機械定数を正確に推定可能としたモータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータにより駆動される負荷を含む機械系を模擬した機械系モデルを、本文中の前記数式１により表し、前記機械系モデルの慣性モーメントＪ_ｍ，速度係数Ｄ_ｍｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｐであり、Ｐは正の整数）、及び、速度に依存しない負荷トルクτ_Ｌ０を、前記機械系のトルク相当値、加速度相当値及び速度相当値を用いて逐次形最小二乗近似法により推定する手段を備える。また、トルク相当値をローパスフィルタに通して第２のトルク相当値を演算する手段と、機械定数Ｊ_ｍ，Ｄ_ｍｋ及びτ_Ｌ０を第２のトルク相当値、加速度相当値及び速度相当値を用いて逐次形最小二乗近似法により推定する手段と、を備え、ローパスフィルタの時定数を速度相当値としての速度検出値の遅れに相当する値とする。
【選択図】図１

Description

本発明はモータ制御装置に関し、詳しくは、モータ及び負荷を含む機械系の慣性モーメント等の機械定数を推定する技術に関するものである。

モータの速度制御を高応答化するためには、慣性モーメントを始めとする機械定数の情報が必要である。このため、従来より、モータを駆動するインバータを用いて機械定数を推定する技術が種々提供されている。
例えば、特許文献１には、加減速を行うための電流指令値、機械系の速度及び加速度を用い、最小二乗近似法によって慣性モーメントや摩擦トルクを推定する技術が開示されている。
また、特許文献２には、トルク指令微分値、加速度、及び加速度の微分値である躍度を用い、逐次形最小二乗近似法によって慣性モーメントや粘性摩擦係数を推定する技術が開示されている。

特許第３５４５４８７号公報（段落［０００８］〜［００１６］、図１等） 特開２００６−２１７７２９号公報（段落［００３６］〜［００５０］，［００６０］〜［００６４］、図１等）

モータの負荷がファンやポンプ等の流体機械である場合、負荷トルクが速度の二乗に比例する二乗低減負荷特性を持つことが多い。ところが、特許文献１や特許文献２に開示された技術は、機械系モデルとして二乗低減負荷を考慮していないため、これらの従来技術を流体機械の駆動に適用した場合には機械定数推定値に誤差が発生する恐れがある。

一方、モータ制御装置では、モータの電流及び電圧からモータの速度を推定し、この速度推定値を用いてモータを運転するセンサレスベクトル制御が採用されることがある。この場合、モータの制御原理によって速度検出に遅れが生じるので、この遅れに起因した誤差が機械定数推定値に含まれる場合がある。
更に、特許文献２に記載されているような逐次形最小二乗近似法は、運転条件や制御定数の設定値によっては、制御装置内部の変数がオーバーフローする恐れがある。

そこで、本発明の解決課題は、負荷の特性に関わらず高精度に機械定数を推定可能とし、更に、オーバーフロー等の演算上の不都合を解消することが可能なモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るモータ制御装置は、速度に依存して負荷トルクが変化する負荷をモータにより駆動するためのモータ制御装置において、
前記負荷を含む機械系を模擬した機械系モデルを後述の数式１により表し、
前記機械系モデルの機械定数としての慣性モーメントＪ_ｍ，速度係数Ｄ_ｍｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｐであり、Ｐは正の整数）、及び、速度に依存しない負荷トルクτ_Ｌ０を、前記機械系のトルク相当値、加速度相当値及び速度相当値を用いて逐次形最小二乗近似法により推定する手段を備えたものである。

請求項２に係るモータ制御装置は、請求項１において、数式１におけるＰ＝２としたものである。

請求項３に係るモータ制御装置は、請求項１または２において、前記トルク相当値をローパスフィルタに通して第２のトルク相当値を演算する手段と、
前記Ｊ_ｍ，Ｄ_ｍｋ及びτ_Ｌ０を前記第２のトルク相当値、前記加速度相当値及び前記速度相当値を用いて逐次形最小二乗近似法により推定する手段と、を備え、
前記ローパスフィルタの時定数を、前記速度相当値としての速度検出値の遅れに相当する値としたものである。

請求項４に係るモータ制御装置は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記逐次形最小二乗近似法における推定ゲイン行列を、前記モータの加減速運転の１周期に１回、初期化する手段を備えたものである。

請求項１に係る発明によれば、二乗低減負荷をはじめとする、速度に依存して負荷トルクが変化する負荷を対象として、慣性モーメント等の機械定数を正確に推定することができる。
請求項２に係る発明によれば、請求項１よりも更に簡単な演算によって二乗低減負荷の機械定数を推定可能である。
請求項３に係る発明によれば、センサレスベクトル制御のように速度検出に大きな遅れがある場合にも、機械定数を正確に推定することができる。
請求項４に係る発明によれば、制御装置内部の変数のオーバーフローを防止し、更に機械定数推定値の収束を速くすることができる。

本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る制御装置のブロック図である。 各実施形態において、推定ゲイン行列を初期化するタイミングの説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図を示している。図１において、速度指令値ω_ｍ ^＊と速度検出回路１４により検出した機械系モデル２０の速度検出値ω_ｍｄｅｔとの偏差を減算器１１により演算し、この偏差を速度調節器１２により増幅してトルク指令値τ_ｍ ^＊を演算する。なお、機械系モデル２０は、モータと負荷の機械系の伝達関数である。
トルク制御手段１３は、モータトルクτ_ｍがトルク指令値τ_ｍ ^＊に一致するように制御するものであり、図示されていないインバータによってモータの電流を制御し、結果として出力トルクを所望の値に制御するように機能する。
上記のような制御により、モータ（機械系モデル２０）の速度ω_ｍを速度指令値ω_ｍ ^＊に制御することができる。

また、機械定数推定部３０は、速度検出値ω_ｍｄｅｔ及びトルク指令値τ_ｍ ^＊から、機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔを求める。
以下、この機械定数推定部３０の実施例１，２について説明する。

まず、実施例１における機械定数推定部３０の演算について説明する。なお、この実施例１は請求項１に係る発明に相当している。
負荷トルクの大きさが速度に依存する場合、機械系モデル２０は、数式１のような数式モデルによって表現することができる。

機械定数推定部３０は、数式１における機械定数としての慣性モーメントＪ_ｍ，速度係数Ｄ_ｍｋ、及び、速度に依存しない負荷トルクτ_Ｌ０を、トルク検出値τ_ｍｄｅｔ、加速度検出値ａ_ｍｄｅｔ及び速度検出値ω_ｍｄｅｔから逐次形最小二乗近似法によって推定する。
まず、機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔ、信号ベクトルｚ、出力ｙを、数式２により定義する。なお、以下の数式におけるＴは転置を示す。

数式２におけるトルク検出値τ_ｍｄｅｔは、図１のトルク制御手段１３によるトルク制御が正確に実施できているという前提のもとで、トルク指令値τ_ｍ ^＊により代用する。なお、トルク検出値τ_ｍｄｅｔは、トルク指令値τ_ｍ ^＊をローパスフィルタに通して得た出力から求め、トルク制御手段１３の制御遅れを模擬して演算してもよい。また、モータの電流検出値とモータの電気定数とを用いて演算してもよい。

数式２における加速度検出値ａ_ｍｄｅｔは、速度検出値ω_ｍｄｅｔを微分して演算する。
次に、数式２における信号ベクトルｚ及び出力ｙを、数式３により正規化する。

また、数式２における機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔは、正規化した信号ベクトルｚ_Ｎと正規化した出力ｙ_Ｎとを用いて、例えば「アダプティブコントロール」（鈴木隆 著，現代制御シリーズ７，ｐ.８７〜ｐ.９０，２００１年８月，コロナ社発行）に記載されている逐次形最小二乗近似法の演算式（ｐ.８９の（４．８９）〜（４．９１）式など）に基づいて、数式４により演算することができる。

あるいは、数式２における機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔを、「カルマンフィルタと適応信号処理」（谷萩隆嗣 著，ディジタル信号処理ライブラリー５，ｐ.８１〜ｐ.８５，２００５年１２月，コロナ社発行）に記載されている逐次形最小二乗近似法の演算式（ｐ.８３の（２．７３）〜（２．７６ｂ）式など）に基づいて、数式５により演算してもよい。

以上に説明した演算処理によって、二乗低減負荷を始めとする、あらゆる負荷に対して機械定数を正確に推定することができる。

この実施例２は、実施例１よりも簡単な演算によって二乗低減負荷の機械定数を推定するようにしたものであり、請求項２に係る発明に相当している。
二乗低減負荷の場合の機械系モデル２０は、数式１におけるＰ＝２とすることで数式６によって表現可能である。

この場合、機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔ、信号ベクトルｚ、出力ｙを数式７のように定義し、実施例１と同様に、数式３，４、または、数式３，５を用いて、機械定数推定値ベクトルΘ_ｅｓｔを推定する。

次に、図２は本発明の第２実施形態に係る制御装置のブロック図を示している。
この実施形態は、請求項３に係る発明に相当しており、センサレスベクトル制御のように速度検出に大きな遅れがある場合にも機械定数を正確に推定できるようにしたものである。

図２において、速度検出遅れ補償器３１はローパスフィルタによって構成されており、そのフィルタ時定数は速度検出回路１４の遅れに相当する値に設定されている。これにより、速度ω_ｍから速度検出値ω_ｍｄｅｔまでの遅延時間と、トルクτ_ｍからトルク検出値τ_ｍｄｅｔまでの遅延時間とを等しくでき、機械定数を正確に推定できるようになる。
なお、機械定数推定部３０による演算内容は第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を割愛する。

次いで、本発明の第３実施形態は、前述した第１，第２実施形態において、制御装置内部の変数のオーバーフローを防止し、かつ、機械定数推定値の収束を速くするためのものである。この第３実施形態は、請求項４に係る発明に相当している。

まず、逐次形最小二乗近似法を前述の数式４により実現する場合について説明する。
数式４において、忘却係数σには、通常、零以上の値（例えば０〜０．０１など）を設定する。
忘却係数σを正の値に設定した場合、数式４における推定ゲイン（適応ゲイン）行列Γの式から明らかなように、正規化した信号ベクトルｚ_Ｎのある要素が零になると推定ゲイン行列Γは増加関数となる。このため、この演算を制御装置によって実現する場合には、推定ゲイン行列Γがオーバーフローする恐れがある。

一方、忘却係数σを零に設定した場合、推定ゲイン行列Γは減少関数になるので、推定ゲインがオーバーフローする恐れはない。そこで、この実施形態では、忘却係数σを零に設定することとした。
しかし、忘却係数σを零に設定した場合、推定ゲイン行列Γが時間と共に小さくなるので機械定数推定値の収束が遅くなる。そこで、本実施形態では、以下に説明するように推定ゲイン行列Γを一定周期ごとに初期化して推定ゲイン行列Γが小さくなるのを防ぎ、機械定数推定値の収束を速くするものである。

図３は、推定ゲイン行列Γを初期化するタイミングを示す。
前述した各実施形態においては、機械定数を推定するために、モータの加減速運転を繰り返す。機械定数を正確に推定するためには、加減速運転１周期の期間が必要であることから、図３に示すごとく加減速運転の１周期ごとに初期化指令を“１”とし、推定ゲイン行列Γを初期化する。

この第３実施形態の他の適用例として、逐次形最小二乗近似法を前述した数式５により実現する場合について説明する。
数式５において、忘却係数λには、通常、１以下の正の値（例えば０．９５〜１．０など）を設定する。
忘却係数λを１よりも小さく設定した場合、数式５から明らかなように、正規化した信号ベクトルｚ_Ｎのある要素が零になると推定ゲイン行列Ｑは増加関数となり、オーバーフローの恐れがある。
一方、忘却係数λを１に設定した場合、推定ゲイン行列Ｑは減少関数になるのでオーバーフローの恐れはない。そこで、本実施形態では、忘却係数λを１に設定することとした。更に、推定ゲイン行列Γの場合と同様に、推定ゲイン行列Ｑを一定周期ごとに初期化することによって推定ゲイン行列Ｑが小さくなるのを防ぎ、機械定数推定値の収束を速くすることが望ましい。

なお、本発明においては、各実施形態により説明したトルク，速度，加速度の各検出値ばかりでなく、これらの演算値（推定値）や指令値を用いて逐次形最小二乗近似法により機械定数を推定してもよい。

１１ 減算器
１２ 速度調節器
１３ トルク制御手段
１４ 速度検出回路
２０ 機械系モデル
３０ 機械定数推定部
３１ 速度検出遅れ補償器

Claims (4)

1. 速度に依存して負荷トルクが変化する負荷をモータにより駆動するためのモータ制御装置において、
   前記負荷を含む機械系を模擬した機械系モデルを下記の数式１により表し、
   前記機械系モデルの機械定数としての下記Ｊ_ｍ，Ｄ_ｍｋ及びτ_Ｌ０を、前記機械系のトルク相当値、加速度相当値及び速度相当値を用いて逐次形最小二乗近似法により推定する手段を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
   

   
2. 請求項１に記載したモータ制御装置において、
   前記数式１におけるＰ＝２であることを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１または２に記載したモータ制御装置において、
   前記トルク相当値をローパスフィルタに通して第２のトルク相当値を演算する手段と、
   前記Ｊ_ｍ，Ｄ_ｍｋ及びτ_Ｌ０を前記第２のトルク相当値、前記加速度相当値及び前記速度相当値から逐次形最小二乗近似法によって推定する手段と、
   を備え、
   前記ローパスフィルタの時定数を、前記速度相当値としての速度検出値の遅れに相当する値としたことを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載したモータ制御装置において、
   前記逐次形最小二乗近似法における推定ゲイン行列を、前記モータの加減速運転の１周期に１回、初期化する手段を備えたことを特徴とするモータ制御装置。

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