JP3229926B2 - 電動機の位置制御装置 - Google Patents
電動機の位置制御装置Info
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Description
械におけるテーブルや産業ロボットのアームのような負
荷機械を駆動する電動機の位置制御装置に関するもので
ある。
例として、「計測と制御」vol.32,No12 D
ec.1993、p1010〜1013に記載された二
自由度制御装置のブロック図である。図において、1は
電動機トルクτMで負荷機械を駆動する電動機、2は電
動機で駆動される制御対象の負荷機械、3は電動機1の
回転角θM及び回転速度ωMを検出する回転検出器、4
は電動機1、負荷機械2、回転検出器3で構成される制
御対象、5は回転角指令信号θrを発生する回転角指令
信号発生回路、6はトルク指令信号τrに電動機トルク
τMを一致させるトルク制御回路、7は速度制御回路、
8は位置制御回路、9は回転角指令信号θrを入力し、
フィードフォワードトルク信号τfと応答目標角度信号
θfと応答目標速度信号ωfを出力するフィードフォワ
ード信号演算回路、10は電動機1の動作を模擬する制
御対象モデル回路、11は制御対象モデル回路10のモ
デル速度ωsを模擬的に制御するモデル速度制御回路、
12は制御対象モデル回路10のモデル回転角θsを模
擬的に制御するモデル位置制御回路である。
すブロック図である。図7において、13は入力端子、
14は出力端子、15は係数器、16は積分器である。
ードフォワード信号演算回路9の、制御対象モデル回路
10は、モデルトルクτsを入力し、例えば次の(式
1)、(式2)の演算によってモデル速度ωsをモデル
速度制御回路11に、モデル回転角θsをモデル位置制
御回路12に出力することにより電動機の動きを模擬す
る。
し、J0は電動機と負荷機械を合わせた制御対象4の慣
性モーメントの推定値である。
号θrとモデル回転角θsとを入力し、演算によりモデ
ル速度指令信号ωsrをモデル速度制御回路11に出力
する。モデル速度制御回路11は速度指令信号ωsr、
モデル速度ωsを入力し、適切な演算によりモデルトル
クτsを制御対象モデル回路10およびトルク制御回路
6に出力する。ここで、制御対象モデル回路10は慣性
だけの理想的なモデルとなっているため、モデル速度制
御回路11およびモデル位置制御回路12を適切に構成
することにより、制御対象モデル回路10は回転角指令
信号θrに対し、理想的な応答を行わせることが可能で
ある。したがって、フィードフォワード信号演算回路9
は制御対象4の伝達特性が制御対象モデル回路10の伝
達特性と一致する場合に電動機回転角θMが回転角指令
信号θrに対して理想的な応答を行うためのフィードフ
ォワードトルク信号τfとしてモデルトルクτsを、ま
たそのときの理想的な応答の信号として、モデル回転角
θsおよびモデル速度ωsをそれぞれ応答目標角度信号
θfおよび応答目標速度信号ωfとして出力する。
る。フィードフォワード信号演算回路9は回転角指令信
号θrを入力し、フィードフォワードトルク信号τfと
応答目標角度信号θfと応答目標速度信号ωfを出力す
る。次に、位置制御回路8に、応答目標角度信号θfと
電動機回転角θMとの差信号を補償角度信号θcとして
入力し、位置制御回路8は、P(比例)演算を行い補償
速度指令信号ωcrを出力する。次に、電動機速度ωM
と応答目標速度信号ωfとの差信号を補償速度信号ωc
とし、補償速度指令信号ωcrと補償速度信号ωcとの
差信号を速度制御回路7に入力し、速度制御回路7は、
PI(比例・積分)演算を行い補償トルク信号τcを出
力する。次に、トルク制御回路6に、補償トルク信号τ
cとフィードフォワードトルク信号τfとの和信号をト
ルク指令信号τrとして入力し、トルク制御回路6は電
動機1を駆動する電動機トルクτMがトルク指令信号τ
fに一致するように制御することにより電動機回転角θ
Mは回転角指令信号θrに追従する。補償トルク信号τ
cは、負荷機械に作用するトルクなどの外乱に対する補
償と回転角指令信号θrが入力した場合の制御対象モデ
ル回路10の制御対象4とのモデル誤差に対する補償の
みを行うトルク信号である。
速度制御回路7に入力するような、制御ループの入れ子
になっている構造はカスケード構造と呼ばれ、古くから
広く用いられており、位置制御回路8は、マイナールー
プで速度制御回路7により速度制御された制御対象4に
対して制御ループを組むため、位置制御回路8の構造や
ゲインの計算が簡単になる。信号の物理的意味が把握し
易い等の利点がある。図8は、図6において回転角指令
信号θrが常に零で一定とし、外乱トルク応答の伝達特
性のみに関係した部分を抜き出し、制御系を簡単化した
線形ブロック図である。図6の符号と同一符号のものは
同一部分を表し、図6におけるトルク制御回路6の伝達
特性を一次遅れに近似している。17は符号反転器、1
8は負荷機械2に対する外乱トルクτdであり、制御対
象4の伝達特性は次の(3式)、(4式)とする。Jは
制御対象4の慣性モーメント値である。
置8のゲインKpを大きくした場合の数値シミュレーシ
ョンの例を図9に示す。図9は、図8のブロック図にお
いて、ステップ状の外乱トルク18を入力したときの電
動機回転角θMの応答であり、速度制御回路7の調整パ
ラメータKv、KPIはある良好な値に固定し、位置制
御回路8のゲインKpを良好な調整値Kp0から大きく
した場合の応答を示すものである。このように従来の制
御装置では位置制御回路8のゲインKpを大きくすると
応答が振動的になるので、整定時間をあまり短く設定す
ることはできない。この従来例での、安定性を確保した
まま整定時間を十分に短縮できない理由について説明す
る。速度制御回路7は上述のように調整パラメータKv
およびKPIのPI演算を行い、またゲインKpによる
P演算を行う位置制御回路の出力を速度制御回路7の入
力としているため、電動機速度ωMが電動機回転数θM
の微分であることを考慮して図6および図8における電
動機回転角θMからトルク指令信号τrまでの伝達関数
は次式で表される。 τr/θM=Kv(s+KPI)(s+Kp)/s =Kv・s+Kv(KPI+Kp)+Kv・KPI・Kp/s 上式のように、従来の技術では制御装置のパラメータを
どのように設定しても、電動機回転角θMからトルク指
令信号τrまでの伝達関数の零点(分子=0となるs)
は実数しかとりえないという速度制御回路と位置制御回
路のカスケード構造に基づく制約がある。この制約のた
め、安定性確保のために速度制御回路7のゲインを一定
にしたまま位置制御回路8のゲインを上げて整定時間を
短縮しようとすると、図9に示すように整定時間が十分
に短縮される前に振動的になってしまう。
御装置では、外乱に対する位置応答の整定時間を短くす
るために位置制御回路のゲインを大きくすると、電動機
回転角θの応答が振動的になるので、外乱に対する位置
応答をあまり早くすることができないという問題点があ
った。
されたものであり、応答波形の滑らかさは失わず、安定
した状態で外乱に対する整定時間が短縮できる高速高精
度の制御装置を得ることを目的とする。
る電動機の位置制御装置は、速度制御回路を有する速度
制御ループをマイナーループとして内蔵し、位置制御回
路の出力を速度制御ループの指令入力とするカスケード
構造の制御回路に、位置制御回路の入力である補償角度
信号を係数倍して積分した信号をトルク指令信号に直接
加算するパスを加えたものとしたものである。
御装置は、回転角指令信号に対する目標値応答が独立し
て調整する必要がない場合に、フィードフォワード信号
演算回路を用いない構成で、位置制御回路に、その入力
である補償角度信号を係数倍して積分した信号をトルク
指令信号に直接加算するパスを加えたものである。
御装置は、フィードフォワード信号演算回路の応答目標
角度信号を直接的に計算する回路構成として、位置制御
回路に、その入力である補償角度信号を係数倍して積分
した信号をトルク指令信号に直接加算するパスを加えた
ものである。
ック図を図1に示す。図において、1〜12は、上記従
来装置の図7に示すものと同一であり説明は省略する。
19は積分補償器である。速度制御回路7の詳細は図8
に示すものと同一である。
償回路19を付加したものである。フィードフォワード
信号演算回路9は、図6の従来例と同じであり、回転角
指令信号θrを入力し、フィードフォワードトルク信号
τfと応答角度信号θfと応答目標速度信号ωfを出力
するものである。応答目標角度信号θfと電動機回転角
θMとの差信号を補償角度信号θcとして位置制御回路
8に入力し、位置制御回路8はP(比例)演算を行い補
償速度指令信号ωcrを出力する。次に、電動機速度ω
Mと応答目標速度信号ωfとの差信号を補償速度信号ω
cとし、補償速度指令信号ωcrと補償速度信号ωcと
の差信号を速度制御回路7に入力する。次に、速度制御
回路7はPI(比例・積分)演算を行い第一のトルク信
号τc1を出力する。次に、上記の補償角度信号θcを
積分補償回路19に入力し、積分補償回路19は入力θ
cに係数KIを乗じて積分した信号を第二の補償トルク
信号τc2として出力する。次に第一の補償トルク信号
τc1と第二の補償トルク信号τc2の和信号を補償ト
ルク信号τcとし、フィードフォワード信号演算回路9
から出力されたフィードフォワード信号τfと補償トル
ク信号τcとの和信号をトルク指令信号τrとしてトル
ク制御回路6に入力する。次に、トルク制御回路6は電
動機1を駆動する電動機トルクτMがトルク指令信号τ
fに一致するように制御することにより電動機回転角θ
Mは回転角指令信号θrに追従する。
ものに、積分補償回路19を付加して、第二の補償トル
ク信号τc2を、第一の補償トルク信号τc1に付加し
て補償トルク信号τcとしたものであり、従来例では補
償角度信号θcは全て位置制御回路8で係数倍された
後、速度制御回路7によってPI(比例・積分)演算さ
れて補償トルク信号τcの成分となっていたのに対し、
この実施の形態1.では、従来例の補償トルク信号τc
に、積分補償回路19によりI(積分)演算した第2の
補償トルク信号τc2が加えられた値になっている。こ
のことは補償角度信号θcの低周波成分をフィードバッ
クすることとなり、整定時間を短くしても、外乱に対す
る安定性が確保される働きをする。
いて説明する。図2はこの実施の形態1.の図1におい
て、回転角指令信号θcが常に零で一定とし、外乱トル
ク応答の伝達特性のみに関係した部分を抜き出して簡単
化した線形ブロック図である。図1におけるトルク制御
回路6の伝達特性は、従来例と同様に一次遅れに近似し
ている。図において、図1の記号と同一記号は同一部分
を表す。17は符号反転器、18は負荷機械に対する外
乱トルクτdであり、制御対象4の伝達特性は上述の
(式3)、(式4)とする。
分補償回路19のゲインKIを大きくした場合の数値シ
ミュレーションの例を図3に示す。図3は上記図2の線
形ブロック図においてステップ状の外乱トルク18が入
力したときの電動機回転角θMの応答であり、速度制御
回路7の調整パラメータKv、KPIは従来例と同じで
ある良好な値に固定し、また、位置制御回路8のゲイン
Kpは、従来例における良好な調整値Kp0に固定し
て、従来例の応答と積分補償回路19のゲインKIを適
切な値に設定したものであり、図示の通り、電動機回転
角θMの応答は、外乱がある状態で整定時間を短くして
も、滑らかに応答し安定性が確保される。このように安
定性が確保されたまま整定時間を短縮可能な理由につい
て説明する。図1および図2における電動機回転角θM
からトルク指令信号τrまでの伝達関数は次式で表され
る。 τr/θM=Kv(s+KPI)(s+Kp)/s+Ki/s =|Kv・s 2 +Kv(KPI+Kp)s+(Kv・KPI・Kp+Ki)|/s =Kv・s+Kv(KPI+Kp)+(Kv・KPI+Kp+Ki)/s 上式のように積分補償回路19を追加したことにより、
電動機回転角θMからトルク指令信号τrまでの伝達関
数の零点は実数だけでなく、複素数もとることが可能に
なる。このように複素数の零点を持つようにすることに
より、速度制御回路のゲインを上げずに安定性を確保し
たまま図3に示したように整定時間が短縮される最適な
設定をすることが可能となる。また、ゲインKiにより
1/sの係数だけを大きくすることにより、トルク指令
τrの高周波成分は大きくしないまま、即ち安定性をよ
り大きく確保したままこのような最適調整を行うことが
できる。
ードフォワード信号演算回路9を用い回転角指令信号θ
rに対する目標値応答を、外乱に対する応答と独立に調
整できる二自由度制御装置の構成であったが、独立に調
整する必要がない場合にはフィードフォワード信号演算
回路9を用いない構成でもよい。その構成を図4に示
す。図4において、図1と同一符号のものは、同一部分
を表す。
転角θMとの差信号を補償角度信号θcとして位置制御
回路8に入力し、位置制御回路8はP(比例)演算を行
い補償速度指令信号ωcrを出力する。次に補償速度指
令信号ωcrと補償速度信ωcとの差信号を速度制御回
路7に入力する。速度制御回路7はPI(比例・積分)
演算を行い第一のトルク指令信号τc1を出力する。次
に、上記の補償角度信号θcを積分補償回路19に入力
し、積分補償回路19は入力θcに係数KIを乗じて積
分した信号を第二の補償トルク信号τc2として出力す
る。次に、第一の補償トルク信号τc1と第二の補償ト
ルク信号τc2の和信号をトルク指令信号τcとし、ト
ルク制御回路6は電動機1を駆動する電動機トルクτM
がトルク指令信号τfに一致するように制御することに
より電動機回転角θMは回転角指令信号θrに追従す
る。
目標値応答を独立に調整する必要がない場合にフィード
フォワード信号演算回路を用いなくても実施の形態1.
と同様に、整定時間を短くしても、滑らかに応答し、安
定性が確保される。
ドフォワード信号演算回路9において制御対象モデル回
路10を模擬的に制御する構成としたが、応答目標角度
信号θfを直接的に計算する回路構成でも可能であり、
そのブロック図を図5に示す。図5において、実施の形
態1.の図1と同一符号は同一部分を表す。9bはフィ
ードフォワード信号演算回路、20は応答目標生成フィ
ルタ、21、22は微分演算器、23は制御対象4の慣
性モーメントの推定値J0を係数とした係数器である。
ただし、応答目標生成フィルタ20は相対次数2次以上
のローパスフィルタであり、その伝達特性はF(s)と
記述するとフィードフォワード信号演算回路9bの伝達
特性は(式5)、(式6)、(式7)で表される。
演算回路9b以外の部分は実施の形態1.の図1と同一
である。
回路を制御対象モデル回路を模擬的に制御する構成とせ
ず、応答目標角度信号θfを直接的に計算する回路構成
としても、実施の形態1.と同様に、整定時間を短くし
ても、滑らかに応答し、安定性が確保される。
制御装置は、速度制御回路を有する速度制御ループをマ
イナーループとして内蔵し、位置制御回路の出力を速度
制御ループの指令入力とするカスケード構造の制御回路
に、位置制御回路の入力である補償角度信号を係数倍し
て積分した信号をトルク指令信号に直接加算するパスを
加えたものとしたので、電動機回転角の応答は、外乱が
ある状態で整定時間を短くしても、滑らかに応答し安定
性が確保される。
御装置は、回転角指令信号に対する目標値応答が独立し
て調整する必要がない場合に、フィードフォワード信号
演算回路を用いない構成で、位置制御回路に、その入力
である補償角度信号を係数倍して積分した信号をトルク
指令信号に直接加算するパスを加えたものとしたので、
請求項1と同様に、電動機回転角の応答は、外乱がある
状態で整定時間を短くしても、滑らかに応答し安定性が
確保される。
御装置は、フィードフォワード信号演算回路によりフィ
ードフォワードトルクを演算する二自由度制御装置の回
路構成として、位置制御回路に、その入力である補償角
度信号を係数倍して積分した信号をトルク指令信号に直
接加算するパスを加えたものとしたので、請求項1と同
様に、電動機回転角の応答は、外乱がある状態で整定時
間を短くしても、滑らかに応答し安定性が確保される。
ック図である。
に関係する線形ブロック図である。
る。
ック図である。
ック図である。
ロック図である。
のブロック図である。
答に関係する線形ブロック図である。
である。
対象、5 回転角指令信号発生回路、6 トルク制御回
路、7 速度制御回路、8 位置制御回路、9 フィー
ドフォワード信号演算回路、10 制御対象モデル回
路、11 モデル速度制御回路、12 モデル位置制御
回路、19 積分補償回路、20 応答目標生成フィル
タ、21 微分演算器、22 微分演算器。
Claims (3)
- 【請求項1】 少なくとも、電動機回転角、電動機回転
速度を検出する回転検出器と、電動機回転トルクをトル
ク指令信号に追従させるトルク制御回路と、少なくと
も、電動機回転角の−1倍の信号を和の要素として含む
補償角度信号を入力して補償速度指令信号を出力する位
置制御回路と、上記補償速度指令信号と少なくとも上記
電動機回転速度を和の要素として含む補償速度信号との
差信号を入力して第一の補償トルク信号を出力する速度
制御回路とを備え、上記位置制御回路と速度制御回路と
をカスケード構造に接続して電動機の位置制御装置を形
成し、上記補償角度信号を係数倍して積分した信号を第
二の補償トルク信号として出力する積分補償回路を備
え、少なくとも上記第一の補償トルク信号と第二の補償
トルク信号とを加算した信号を上記トルク指令信号とし
てトルク制御回路に入力して電動機の位置制御を行うこ
とを特徴とする電動機の位置制御装置。 - 【請求項2】 少なくとも、電動機回転角、電動機回転
速度を検出する回転検出器と、電動機回転トルクをトル
ク指令信号に追従させるトルク制御回路と、電動機に対
する回転角指令信号と上記電動機回転角の差信号を補償
角度信号として入力し補償速度指令信号を出力する位置
制御回路と、上記補償速度指令信号と上記電動機回転速
度との差信号を入力して第1の補償トルク信号を出力す
る速度制御回路とを備え、上記位置制御回路と速度制御
回路とをカスケード構造に接続して電動機の位置制御装
置を形成し、上記補償角度信号を係数倍して積分した信
号を第二の補償トルク信号として出力する積分補償回路
を備え、少なくとも上記第一の補償トルク信号と第二の
補償トルク信号とを加算した信号を上記補償トルク指令
信号としてトルク制御回路に入力して電動機の位置制御
を行うことを特徴とする電動機の位置制御装置。 - 【請求項3】 少なくとも、電動機回転角、電動機回転
速度を検出する回転検出器と、電動機回転トルクをトル
ク指令信号に追従させるトルク制御回路と、電動機に対
する回転角指令信号を入力し、少なくともフィードフォ
ワードトルク信号と応答目標角度信号と応答目標速度信
号を出力するフィードフォワード信号演算回路と、上記
応答目標角度信号と上記電動機回転角との差信号を補償
角度信号、上記電動機回転速度と上記応答目標速度信号
との差信号を補償速度信号とすると、上記補償角度信号
を入力して補償速度信号を出力する位置制御回路と、上
記補償速度指令信号と上記補償速度信号との差信号を入
力して第一の補償トルク信号を出力する速度制御回路と
を備え、上記位置制御回路と速度制御回路とをカスケー
ド構造に接続して電動機の二自由度位置制御装置を形成
し、上記補償角度信号を係数倍して積分した信号を第二
の補償トルク信号として出力する積分補償回路を備え、
上記第一の補償トルク信号と上記第二の補償トルク信号
との和信号を上記トルク指令信号としてトルク制御回路
に入力し、電動機の位置制御を行うことを特徴とする電
動機の位置制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15432196A JP3229926B2 (ja) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | 電動機の位置制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15432196A JP3229926B2 (ja) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | 電動機の位置制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH104692A JPH104692A (ja) | 1998-01-06 |
JP3229926B2 true JP3229926B2 (ja) | 2001-11-19 |
Family
ID=15581588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15432196A Expired - Lifetime JP3229926B2 (ja) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | 電動機の位置制御装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3229926B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006006552A1 (ja) * | 2004-07-13 | 2006-01-19 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | 電動機制御装置 |
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CN112398407B (zh) * | 2020-11-09 | 2022-04-15 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种转子的最优转矩补偿角度的确定方法及装置 |
-
1996
- 1996-06-14 JP JP15432196A patent/JP3229926B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH104692A (ja) | 1998-01-06 |
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