JP3611738B2 - 電流制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流制御装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えばUVW相を制御する同期モータやdq軸変換制御を行う同期モータなどにおける電流制御装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
サーボモータなどの電動モータを制御するには、モータのコイルのL分による遅れやPWMインバータに起因する非線形性を補償する必要があり、このため、図5に示すように、電流フィードバックによる電流制御をかけ、PWMにまつわる非線形性を補償し、電流の応答性を向上させることが一般的に行われる。この場合、電流制御の方法としては、PI制御(比例・積分制御)を用いて遅れの補償と非線形性の補償とを行っている。例えば、図5に示すようにUVW相を制御する同期モータの場合、あるいは図6に示すようにdq軸変換制御を行う同期モータの場合(図6)は、このような電流制御によって電流指令から電流に至る特性が改善されて速い応答特性が得られる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような電流制御においては、電流の検出遅れや閉ループ内部の非線形性、さらには寄生要素(ダイナミクス)などによって電流ループそのもののハイゲイン化が難しく、電流帯域を広げる限界が低いという問題がある。つまり、現実には、電流制御部の応答性は種々の原因により阻害され、応答性を上げすぎるとサーボハンチングが生じたり、ハイゲイン化に起因した発振が生じたりする。
【0004】
また、単一のフィードフォワードゲインを試行錯誤的に調整しなければならなく調整作業に手間がかかることに加え、実構造に基づいたものでないことから補償効果もそれほど上がらないという問題もある。
【0005】
さらに、特開平4−4782号公報(発明の名称「モータ駆動装置」)や特開平5−207767号公報(発明の名称「モータ駆動制御装置」)では、いずれもフィードフォワード信号をフィードバック電流補償値と加算する構造になっており、モータのインピーダンスモデルを基に応答特性を補償するが、実際にはドライバ部等に強い非線形性を含んでおり、またPI制御系の構造から、補償の程度もあまり強くできないため補償効果がそれほど上がらない。
【0006】
本発明は、トータルの電流帯域を広げることができるとともに、補償効果を上げることにより電流ループの広帯域化など応答特性の改善を図ることができる電流制御装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項1記載の発明の電流制御装置は、電動機の電圧指令信号u(k)から電流出力y(k)までの伝達関数をKpwm/(Ls+R)と近似し、これを離散値変換して制御対象N(δ)をN(δ)=r0/(δ+p0)とした時(ただしδ=z−1、zを進み演算とする)、この系にd(t)=d0+d1t+…+diti(iは0以上の適当な整数)というような近似誤差分を含む外乱が印加されているものとしてi+1次モニック安定多項式q(δ)を選んで、多項式方程式(δ+p0){qiδi+…+q0}+r0{hi+1δi+1+…+h0}=q(δ)(p0−m0)を満たすh0〜hi+1を求め、K(δ)={qiδi+…+q0}/q(δ),H(δ)={hi+1δi+1+…+h0}/q(δ),g=m0/r0として、制御法則u(k)=K(δ)u(k)+H(δ)y(k)+gv(k),{ただしv(k)は電流指令}によってフィードバック補償することで、外乱d(t)の影響を除去しつつ電流制御系全体をM(δ)=m0/(δ+m0)という極配置系としたフィードバック補償器に対し、さらに電流指令部に{zM(δ)}−1というフィードフォワード補償器を挿入し、電流制御系全体の電流応答特性をz−1としたものである。
【0008】
ここでは、まずモータの電圧−電流特性を1次で表し、外乱補償機能を含んだ極配置制御を行い、ドライバ部やモータにまつわる非線形性を補償し、系全体を無理なく適当に大きく設定した極をもつ1次の線形モデルに補償する。この系は、制御構造に含まれた外乱補償機能と、状態フィードバック効果によりPWMインバータ等で発生する外乱やミスマッチに対してロバストである。このようにして構成したフィードバック制御系に対して、1次離散系フィードフォワード補償をかけることで、任意の応答特性を得ることができる。そして、1次有限整定応答することができる。
【0009】
したがって、電流の検出遅れや、寄生要素(ダイナミクス)によって電流ループそのもののハイゲイン化が難しい場合でも、指令信号のみにフィードフォワード補償することだけで、トータル電流帯域を自由に広げられる。また、やみくもにフィードフォワードゲインを調整する必要なく応答特性の改善が自由にできるようになる。
【0010】
またトータル電流帯域を調整するため、極の配置だけでなく、フィードフォワード補償の度合いを調整するために、フィードフォワード補償器を、請求項2記載の電流制御装置のように、ゲインαを持った、{αδ+m0}/{m0z}とすることができる。
【0011】
またさらに電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計るため、請求項3記載の電流制御装置のように、本発明を例えばPWMドライバや同期モータの制御用として用いることができる。
【0012】
またさらに電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計るため、さらにトータル電流帯域を調整するのに、極の配置だけでなくフィードフォワード補償の度合いを調整するようにして、種々の特性のドライバやモータに対応してより柔軟な調節を可能にするため、請求項4記載の電流制御装置のように、本発明を例えばPWMドライバや同期モータの制御用として用いることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【0014】
図1〜図2に、本発明の電流制御装置1の一実施形態を示す。本実施形態での電流制御装置1は、外乱補償機能をもった極配置系にフィードフォワード補償による応答特性の改善を図ることにより、電流制御系に対して外乱dが例えば図1に想像線で示すように印加されている場合においても電流帯域を広げるとともに補償効果を上げるようにしたものである。なお、以下に説明する実施形態は、PWMドライバと同期モータとの組み合わせからなる制御対象N(δ)に本発明の電流制御装置1を適用したものである。また本実施形態では、PWM等に関わる非線形性等は、この系に外乱dとして印加されるものとしている。また、本実施形態では、外乱dは0次外乱、つまり請求項1におけるi=0としているが、もちろんi=1以上のより高次の外乱dとしてもかまわない。
【0015】
まず、系の入力信号である各相電圧指令信号u(k)から出力である電流出力y(k)までの伝達関数は、近似式である以下の数式1により
【数1】
Kpwm/(Ls+R)
と表すことができる。この数式1で表される関数を離散値変換し、制御対象であるN(δ)を以下の数式2のように表す。
【0016】
【数2】
N(δ)=r0/(δ+p0)
ただし、この数式2中におけるδは、zを進み演算子として
【数3】
δ=z−1
によって示されるものである。
【0017】
また、系の極配置モデルを
【数4】
M(δ)=m0/(δ+m0)
としたフィードバック補償器2に対し、図2に示すように、電流指令部にz−1M(δ)−1で表されるフィードフォワード補償器3を挿入する。そして、数式5で表される安定多項式
【数5】
q(δ)=δ+q0
を選び、数式6で表される多項式方程式
【数6】
(δ+p0)q0+r0(h1δ+h0)=(δ+q0)(p0−m0)
を満たすh0、h1を求める。
【0018】
次に、上述の数式6に関し、
【数7】
K(δ)=q0(δ+q0)−1
【数8】
H(δ)=(h1δ+h0)(δ+q0)−1
【数9】
g=m0/r0
で表される各式をつくり、これら数式7〜9を利用して数式10に示す制御法則を得る。
【0019】
【数10】
u(k)=K(δ)u(k)+H(δ)y(k)+gv(k)
ただし u(k):各相電圧指令
y(k):各相電流
v(k):各相電流指令
この場合、v(k)→y(k)特性は、M(δ)となる。このことは、制御法則をN(δ)の式に代入して、多項式方程式の関係をつかうことで簡単に証明することができる。またこの制御系は、入力外乱やミスマッチの影響にもロバストな構造をしておりモータやPWMにまつわる非線形性やミスマッチ、外乱を抑制し、1次モデルに補償している。
【0020】
さて、電流指令部分にz−1M(δ)−1というフィードフォワード補償器3を挿入することで、電流制御部全体の電流応答特性z−1となる。なお、このフィードフォワード補償器3はプロパーであるから、実現可能な補償器である。また、本実施形態では、数式10に示すフィードバック制御を施すことにより、制御系の極を適当な位置に配置するだけでなく、モデル化誤差や非線形性を含んだ外乱dも補償することができる。
【0021】
以上説明したように、本発明の電流制御装置1によれば、非線形要素を含んだモデル化誤差も外乱dとして補償し、制御系を極配置して1次系に補償しておいてから、フィードフォワードをかけることにより補償効果を上げ、反応速度を向上させることができる。これにより、電流制御部の応答性が向上し、電流ループそのもののハイゲイン化や、トータルの電流帯域を広げることが可能となる。また、本発明の電流制御装置1を例えばUVW相を制御する同期モータ、あるいはdq軸変換制御を行う同期モータに応用した場合、図3及び図4に示すようになり、電流制御系を無理なく適当な位置に配置した極をもつ1次系に補償することができることから、それぞれにおいて、電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を図ることができる。
【0022】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、制御対象がPWMドライバ及び同期モータの組み合わせであるとして本発明の電流制御装置1を説明したが、この電流制御装置1の用途は特にこれらに限られないことは勿論であり、各種モータをはじめとした他の機器において実施可能である。
【0023】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項1記載の電流制御装置によれば、非線形性を補償して任意の応答特性を得ることができるので、電流の検出遅れや、寄生要素(ダイナミクス)によって電流ループそのもののハイゲイン化が難しい場合でも、指令信号のみにフィードフォワード補償することだけでトータルの電流帯域を広げることができる。
【0024】
しかも、非線形性をもつモータやPWMドライバを、外乱補償機能とフィードバック効果による強いロバスト性をもった制御構造により、電流制御系を無理なく適当な位置に配置した極をもつ1次系に補償することができ、さらにこれを基に実現可能な最適な構造でフィードフォワード補償をかけるため、やみくもにフィードフォワードゲインを調整する必要もなく、応答特性の改善(電流ループの広帯域化)が自由にできるようになる。
【0025】
また、請求項2記載の電流制御装置によれば、フィードフォワード補償器を、ゲインαを持った、{αδ+m0}/{m0z}としているため、トータル電流帯域を調整するのに、極の配置だけでなく、フィードフォワード補償の度合いを調整することができるため、種々の特性のドライバやモータに対応してより柔軟な調節を可能である。
【0026】
また、請求項3記載の電流制御装置によれば、電流制御装置を用いてPWMドライバ及び同期モータを制御し、電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計ることができる。
【0027】
また、請求項4記載の電流制御装置によれば、電流制御装置を用いてPWMドライバ及び同期モータを制御し、電流ループの広帯域化や応答特性のさらなる高速化を計ることができるとともに、トータル電流帯域を調整するのに、極の配置だけでなくフィードフォワード補償の度合いを調整することができるため、種々の特性のドライバやモータに対応してより柔軟な調節が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる電流制御装置の一実施形態を示す図であり、電流のフィードバック補償を表す。
【図2】フィードバック補償器とその前段に挿入されたフィードフォワード補償器とを示す図である。
【図3】本発明の電流制御装置をUVW相を制御する同期モータに応用した一例を示す図である。
【図4】本発明の電流制御装置をdq軸変換制御を行う同期モータに応用した一例を示す図である。
【図5】従来の電流制御装置をUVW相を制御する同期モータに応用した一例を示す図である。
【図6】従来の電流制御装置をdq軸変換制御を行う同期モータに応用した一例を示す図である。
【符号の説明】
1 電流制御装置
2 フィードバック補償器
3 フィードフォワード補償器
d 外乱
u(k) 各相電圧指令信号
v(k) 各相電流指令
y(k) 電流出力
N(δ) 制御対象
M(δ) 極配置モデル
Claims (4)
- 電動機の電圧指令信号u(k)から電流出力y(k)までの伝達関数をKpwm/(Ls+R)と近似し、これを離散値変換して制御対象N(δ)をN(δ)=r0/(δ+p0)とした時(ただしδ=z−1、zを進み演算とする)、この系にd(t)=d0+d1t+…+diti(iは0以上の適当な整数)というような近似誤差分を含む外乱が印加されているものとしてi+1次モニック安定多項式q(δ)を選んで、多項式方程式(δ+p0){qiδi+…+q0}+r0{hi+1δi+1+…+h0}=q(δ)(p0−m0)を満たすh0〜hi+1を求め、K(δ)={qiδi+…+q0}/q(δ),H(δ)={hi+1δi+1+…+h0}/q(δ),g=m0/r0として、制御法則u(k)=K(δ)u(k)+H(δ)y(k)+gv(k),{ただしv(k)は電流指令}によってフィードバック補償することで、外乱d(t)の影響を除去しつつ電流制御系全体をM(δ)=m0/(δ+m0)という極配置系としたフィードバック補償器に対し、さらに電流指令部に{zM(δ)}−1というフィードフォワード補償器を挿入し、電流制御系全体の電流応答特性をz−1としたことを特徴とする電流制御装置。
- フィードフォワード補償器が、{zM(δ)}−1の代わりに、フィードフォワード補償の度合いを調整できるようにゲインαを持った、{αδ+m0}/{m0z}としたことを特徴とする請求項1記載の電流制御装置。
- 制御対象は、PWMドライバ及び同期モータであることを特徴とする請求項1記載の電流制御装置。
- 制御対象は、PWMドライバ及び同期モータであることを特徴とする請求項2記載の電流制御装置。
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JP06747399A JP3611738B2 (ja) | 1999-03-12 | 1999-03-12 | 電流制御装置 |
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