JP4952902B2

JP4952902B2 - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP4952902B2
Application number: JP2006270361A
Authority: JP
Inventors: 一男佐藤
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-10-02
Also published as: JP2008092659A

Description

本発明は、サーボモータで機械等を駆動する電動機制御装置とそのトルク定数補正方法に関する。

第１の従来技術は、工作機械や産業機械の送り軸、あるいはロボットのアーム等の駆動源として用いられるサーボモータの制御装置に関するものであり、サーボモータの速度制御において、トルク定数を一定に保ち、トルク定数の低下による速度ループゲインの低下を防止することができるサーボモータの制御装置を提供している（例えば、特許文献１参照）。
第２の従来技術は、特に機械系やサーボモータのパラメータが未知あるいは変化しても常に良好な制御性能を維持するオートチューニングサーボ装置に関するものであり、機械系やサーボモータのパラメータが不明の場合であっても、パラメータを推定して自動的に調整できると共に、機械系の特性が変動しても自動的に再調整することができるオートチューニングサーボ装置を提供している（例えば、特許文献２参照）。

図６は、第１の従来技術であるサーボモータの制御装置を説明するための概略ブロック図である。図において、サーボモータの制御装置は、少なくとも速度制御ループ１００を含むサーボモータの制御を行う制御装置であって、サーボモータの制御状態に応じたトルク定数の低下分を補償した補正トルク指令を形成し、速度制御におけるトルク定数を一定に保持するトルク補正手段１０１を備えた構成とし、速度制御を行うサーボモータの制御において、トルク定数の低下をサーボ制御回路で推定し、このトルク定数の低下分を補償した補正トルク指令を求め、この補正トルク指令によって、電流制御ループ１０２により電流制御を行い、制御ループから見たトルク定数を等価的に一定に保つことによって、サーボモータのトルク定数を一定に保持していた。
このように、第１の従来技術は、トルク指令に対する実電流振幅値に基づいてトルク定数の低下判断し、トルク補正値を算出していた。

図７は、第２の従来技術であるオートチューニングサーボ装置の構成を示すブロック図である。図において、オートチューニングサーボ装置は、位置及び速度を制御するサーボ装置であって、機械系２２０の慣性項、粘性項、クーロン摩擦、定常外乱力、サーボモータのトルク定数を推定するパラメータ推定部２３０、及びこのパラメータ推定部２３０で推定されたパラメータの数値を基に制御系のパラメータを変更する制御演算部２１０を設け、機械系２２０のパラメータやサーボモータのトルク定数が未知であっても、これらのパラメータをパラメータ推定部２３０で推定し、制御系を適応的に変更して常に良好な制御性能を維持していた。
このように、第２の従来技術は、制御演算部２１０から出力されるトルク指令Ｉｃと、機械系２２０で計測された角速度ωに基づいてパラメータ推定演算を行ない、サーボモータのトルク定数Ｋｔ等のパラメータ推定値を算出していた。
このように、従来の装置では、実電流振幅値やパラメータを演算して補償するという手順がとられていた。
特開平１１−１９１９９０号公報（第３−６頁、図１）特開平１１−０６５６０８号公報（第２−７頁、図１）

第１の従来技術は、トルク指令に対する実電流振幅値に基づいてトルク補正値を算出しているため、モータを駆動することで生じるモータの温度変化（巻線温度上昇）によりトルク指令に対する実トルクが変化する場合（トルク定数が変化する場合）、実トルクの変化に伴い実電流振幅値が変化し、また、実電流振幅値が変化することでサーボ制御ループによりトルク指令も変化するため、すなわち、トルク指令も実電流振幅値も変化するため、トルク指令に対する実電流振幅値に基づいてトルク補正値を算出することができないという問題があった。
第２の従来技術は、オートチューニングをするために、推定したパラメータと状態変数より外乱を算出、補正するので、推定したパラメータは頻繁には変えられないという問題があった。また、推定するパラメータは、それぞれ関連があり、その数が多いため、推定するパラメータを求めるためには、異なった条件が幾つか必要であり、条件が合わないと正確には求められないといった問題もあった。

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、モータの温度変化（巻線温度上昇）等でトルク指令に対する実トルクが変化する場合（トルク定数が変化する場合）、トルク定数の変化を簡単に算出してトルク定数を補正することにより、常にトルク指令を正確に補正することができる電動機制御装置とそのトルク定数補正方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
本発明の一の観点による電動機制御装置は、位置または速度指令と、位置検出器の検出値である電動機の現在位置とに基づいて制御演算したトルク指令に応じて、前記電動機を駆動する電動機制御装置であって、前記電動機の駆動中、所定時間間隔における加減速度の移動平均値を算出すると共に、前記加減速度の移動平均値と現在の加減速度値とが所定範囲内の場合、前記電動機の駆動が一定の加減速度での駆動であると判断する加減速度検出部と、前記加減速度検出部が前記電動機の駆動が一定の加減速度での駆動であると判断した場合、加速時および減速時の前記トルク指令の移動平均値である加速時および減速時平均トルク指令をそれぞれ検出すると共に、前記加速時平均トルク指令と前記減速時平均トルク指令との絶対値の差を１／２して摩擦トルクを算出し、前記加速時もしくは減速時平均トルク指令から前記摩擦トルクを減算して加速もしくは減速トルクを算出するトルク指令検出部と、前記電動機の慣性モーメント値の逆数に、前記現在の加減速度値と基準トルク定数とを乗算し、前記加速もしくは減速トルクで除算してトルク定数補正値を算出する前記トルク定数補正部と、を備え、前記制御演算で用いるトルク定数を前記トルク定数補正値に更新する電動機制御装置が適用される。

本発明の一の観点による電動機制御装置によると、モータの温度変化（巻線温度上昇）等でトルク指令に対する実トルクが変化する場合（トルク定数が変化する場合）、正確なトルク定数の変化を簡単に算出してトルク定数を補正することにより、常にトルク指令を正確に補正することができる。
また、加減速時の過渡状態での多少細かく変化するトルク指令の使用を避けることができ、平均化することにより検出誤差が小さく、安定したトルク指令を得ることができる。また、加速時の低速度付近では摩擦の影響とゲイン等の依存による過渡状態である加速時の低速度付近の加減速度およびトルク指令の使用を避けることができる。
また、摩擦トルクの影響を無視することができ、正確なトルク定数の補正をすることができる。

以下、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、本発明の電動機制御装置のの構成を示す概略ブロック図である。図において、１は電動機制御装置、２は電動機（モータ）、３はエンコーダ等の位置検出器、１１は位置または速度制御部、１２は電流制御部、１３はパワー変換部、１４はエンコーダ信号入出力部、１５はトルク定数補正部、１６はトルク指令検出部、１７は加減速度検出部である。
なお、位置指令または速度指令を入力し、その指令とエンコーダ信号入出力部１４の出力である位置検出信号または速度検出信号に応じて電動機２を駆動する構成（電動機２、位置検出器３、位置または速度制御部１１、電流制御部１２、パワー変換部１３、エンコーダ信号入出力部１４）は、周知技術で得られる構成であるため詳細な説明は省略する。
本発明が従来技術と異なる部分は、加減速度検出部１７とトルク指令検出部１６とを備え、加減速度検出部１７とトルク指令検出部１６、トルク指令補正部１５で実施するトルク定数補正方法の部分である。
トルク定数補正部１５は、一定の加減速中の加速度とその平均トルク指令より、トルク定数を算出して、そのトルク定数でトルク指令を補正する。また、トルク検出部１６は、一定の加減速中、その加減速の最終の平均トルク指令を検出する。また、加減速検出部１７は一定の加減速を検出し、その加減速の最終の平均加減速度を検出する。

図２は、本発明のトルク定数補正方法の処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
（ステップ１：Ｓ１）
加減速度検出部１７において、現在の電動機２の駆動が一定の加減速度での駆動であるかどうかを判断する。一定の加減速度であればステップ２へ進み、一定の加減速度でなければ一連の処理を終了する。
図３は、本発明の電動機制御装置における加減速度とトルク指令を検出するタイミングを説明するための波形図である。
一定加減速度の算出は、例えば、１０ｍｓ間の加減速度の移動平均値と現在の加減速度とが一定範囲内であれば、一定の加減速度であると判断する。また、算出において、図３のＡ点およびＢ点で示すように、加減速時の最後付近の加減速度の移動平均値を使用する。これは、加速時の低速度付近では摩擦の影響とゲイン等の依存による過渡状態を検出しないようにするためである。また、検出方法は、例えば、加速度または減速度が最後付近に一定の加速度から０に変化する前の加減速度の移動平均値を使用する。従って、加減速度を検出するまでは加速度を常に平均化処理を行う。

（ステップ２：Ｓ２）
トルク指令検出部１６において、トルク指令の移動平均値を演算し、ステップ３へ進む。
トルク指令検出部１６は、前述した一定加減速度の算出に使用した時間軸部分である、図３のＣ点およびＤ点で示す部分のトルク指令を、例えば、移動平均で一定時間積算して平均トルク指令を検出する。平均トルク指令とするのは、加減速時は過渡状態でありトルク指令は多少細かく変化するため、平均化することにより検出誤差が小さく、安定したトルク指令を得ることができるためである。
このように、ステップ１およびステップ２における加減速度およびトルク指令の移動平均処理においては、図３中のＡ点乃至Ｄ点に示す加減速の過渡変化が少ない部分の加減速およびトルク指令を検出する。

（ステップ３：Ｓ３）
更に、トルク指令検出部１６において、トルク指令の移動平均値から摩擦トルクを補正し、ステップ４へ進む。
ある速度以上において、加速時のトルク指令は式（１）、減速時のトルク指令は式（２）で表される。
加速時トルク指令＝加速トルク＋摩擦トルク（静止摩擦＋粘性摩擦）・・・（１）
減速時トルク指令＝減速トルク − 摩擦トルク（静止摩擦＋粘性摩擦）・・・（２）
ここで、加速度と減速度が同じとすると式（３）で表され、よって加速時トルク指令と減速時トルク指令の絶対値の差を１／２することで摩擦トルクが得られる。
｜式（１）｜−｜式（２）｜
＝｜加速トルク＋摩擦トルク｜―｜減速トルク−摩擦トルク｜
＝２×摩擦トルク・・・（３）
このように、加速時と減速時の平均トルク指令値に基づいて摩擦トルクを算出し、加速時と減速時の平均トルク指令値から摩擦トルクを差し引く（補正する）ことによりトルクを求めることができる。また摩擦トルクを求めて差し引くのはこの方法に限ったことではなく、別の方法でも構わない。例えば、摩擦トルクは予め設定した値である等でもよい。

（ステップ４：Ｓ４）
トルク定数補正部１５において、トルク定数を演算して補正し、一連の処理を終了する。トルク定数Ｋｔは、式（４）乃至式（６）のように算出する。ここで、τは摩擦トルクを差し引いたトルク、ｉは電流、ｄω／ｄtは加速度、Ｊは慣性モーメント、Ｋｔ_０はある条件（例えば、モータ温度が２０℃でのｔｙｐ．値等）でのトルク定数である。
Ｋｔ＝ τ ／ｉ・・・（４）
τ＝１／J × ｄω／ｄt ・・・（５）
Ｋｔ＝１／J × ｄω／ｄt ×Ｋｔ_０／ τ ・・・（６）
すなわち、加速度ｄω／ｄtが同じ（一定）であれば、トルクの変化がトルク定数の変化となる。

このように、一定加減速中の加減速度とその時の平均トルク指令より、トルク定数を検出し補正することができるのである。補正されたトルク定数は、電動機２を駆動するための位置または速度制御における元のトルク定数を変更して使用される。
図５は、加速度が一定であるモータでの電機子温度に対するトルク指令の変化を示す図である。図において、電機子温度によりトルク指令が変化しているのが分かる。
同期モータのようなマグネットを使用したモータは温度により磁力が変化するので、結果として同じ電流でも得られるトルクが変わりトルク定数が変化する。そのため、温度が変化した状態でモータを制御すると、同じトルク指令でも実際のトルクは変化してしまう。逆に考えると、ある一定の加減速を行おうとすると、実際の加減速トルクは温度等で変化しないが（運動方程式に従うので）、トルク指令が変化する。従って、加減速度と電流（トルク指令）からトルク定数が算出できる。また、実際のトルクと加減速度は式（５）のように比例関係にあり、平均化によりばらつきや検出誤差等を小さくするため、一定の加減速といっても常に同じ加減速度でなくても良い。

実施例２と実施例１との異なる部分は、トルク定数自体を算出するのではなく、例えば電源投入時等のある基準トルク値からのトルク定数の変化を算出して補正する方法であり、実施例１における（ステップ４：Ｓ４）の代わりに、後述する（ステップ１１：Ｓ１１）の処理をするものである。

（ステップ１１：Ｓ１１）
トルク定数補正部１５において、基準トルク値からトルク定数を算出する。ここで、基準トルク値は、例えば、電源投入時のトルク定数算出値等を用いる。トルク定数Ｋｔの算出は、実施例１における式（６）により算出する。
図５は、本発明の電動機制御装置１における速度制御ブロック図である。図において、２１は速度制御部、２２はトルク定数Ｋｔの逆数、２３はモータ等価回路、２４はトルク定数Ｋｔ、２５はモータおよび負荷である。また、Ｖｒｅｆは速度指令、τｒｅｆはトルク指令、ｉｒｅｆは電流指令、ωは速度である。
モータの温度変化（巻線温度上昇）で変わることによりトルク定数Ｋｔ２４が変わった場合、モータに必要なトルクが出なくなる。すなわち、同期モータのようなマグネットを使用したモータは温度により磁力が変化するため、結果として同じ電流でも得られるトルクが変わりトルク定数が変わる。温度が変化した状態でモータを制御すると、同じトルク指令（電流）でも実際のトルクは変化してしまう。
この場合、トルク定数Ｋｔの逆数２２を、例えば、電流指令＝（１＋α）電流指令として電流指令を補正することにより補正（αは補正の係数）し、トルクを補正するのである。

本発明の電動機制御装置の構成を示す概略ブロック図である。本発明のトルク定数補正方法の処理手順を示すフローチャートである。本発明の電動機制御装置における加減速度とトルク指令を検出するタイミングを説明するための波形図である。加速度が一定であるモータでの電機子温度に対するトルク指令の変化を示す図である。本発明の電動機制御装置１における速度制御ブロック図である。図６は、第１の従来技術であるサーボモータの制御装置を説明するための概略ブロック図である。図７は、第２の従来技術であるオートチューニングサーボ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１電動機制御装置
２電動機（モータ）
３位置検出器
１１位置または速度制御部
１２電流制御部
１３パワー変換部
１４エンコーダ信号入出力部
１５トルク指令補正部
１６トルク指令検出部
１７加減速度検出部
２１速度制御部
２２トルク定数Ｋｔの逆数
２３モータ等価回路
２４トルク定数Ｋｔ
２５モータおよび負荷

Claims

位置または速度指令と、位置検出器の検出値である電動機の現在位置とに基づいて制御演算したトルク指令に応じて、前記電動機を駆動する電動機制御装置であって、
前記電動機の駆動中、所定時間間隔における加減速度の移動平均値を算出すると共に、前記加減速度の移動平均値と現在の加減速度値とが所定範囲内の場合、前記電動機の駆動が一定の加減速度での駆動であると判断する加減速度検出部と、
前記加減速度検出部が前記電動機の駆動が一定の加減速度での駆動であると判断した場合、加速時および減速時の前記トルク指令の移動平均値である加速時および減速時平均トルク指令をそれぞれ検出すると共に、前記加速時平均トルク指令と前記減速時平均トルク指令との絶対値の差を１／２して摩擦トルクを算出し、前記加速時もしくは減速時平均トルク指令から前記摩擦トルクを減算して加速もしくは減速トルクを算出するトルク指令検出部と、
前記電動機の慣性モーメント値の逆数に、前記現在の加減速度値と基準トルク定数とを乗算し、前記加速もしくは減速トルクで除算してトルク定数補正値を算出する前記トルク定数補正部と、を備え、
前記制御演算で用いるトルク定数を前記トルク定数補正値に更新することを特徴とする電動機制御装置。
前記加減速度検出部が、前記電動機の加速および減速終了付近の前記所定時間間隔における前記加減速度の移動平均値を算出し、
前記トルク指令検出部が、前記電動機の加速および減速終了付近の前記加速時および減速時平均トルク指令をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。