JP5481860B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、停止時における１パルスの振動を、確実に簡単かつ安定に低減することができるモータ制御装置に関する。

モータは、位置検出値が位置指令と一致するようにモータ制御装置で動作制御されていて、停止状態において位置検出値の±１パルスで振動するという一般的な技術課題がある。
この一般的な技術課題を解決するために、従来のモータ制御装置は、モータ停止状態で±１パルスに対応するトルク指令の変動を相殺するようにトルク指令に不感帯を設けることで停止時振動を低減していた（例えば、特許文献１参照）。
また、位置検出器の２相アナログ信号から速度を算出して制御装置に伝送し、制御装置内で速度算出値を用いて位置検出値のパルス間を補間することで±１パルス間の位置を求めることで停止時振動を低減しているものもある（例えば、特許文献２参照）。

図８は、従来の第１のモータ制御装置の構成を示す図である。図において、８１はモータ、８２はエンコーダ、８３は速度検出回路、８４は位置偏差演算回路、８５は速度偏差演算回路、８６はトルク指令生成回路、８７はモータ停止判定回路、８８は不感帯形成回路を表す。
速度検出回路８３は、エンコーダ８２からの現在位置情報から現在速度を算出する。位置偏差演算回路８４は、上位からの位置指令データとエンコーダ８２からの現在位置データから位置偏差を算出する。速度偏差演算回路８５は、位置偏差と現在速度から速度偏差を算出する。トルク指令生成回路８６は、速度偏差をもとにトルク指令を出力する。モータ停止判定回路８７は、位置指令と位置偏差からモータ停止判定信号を出力する。不感帯形成回路８８は、モータ停止判定信号からトルク指令を調整して出力する。

モータが位置決め点付近に到達すると、位置指令が０となり、位置偏差が徐々に０に収束していく。モータ停止判定回路８７は、位置指令が０であり、位置偏差が±１パルス以内の場合にモータ停止と判定し、モータ停止判定信号を不感帯形成回路８８に出力する。
不感帯形成回路８８は、トルク指令生成回路８６のトルク指令の変動を観測し、モータ回転状態ではトルク指令生成回路８６からのトルク指令をそのままモータに出力するが、モータ停止状態では、エンコーダの±１パルス変動に対するトルク指令生成回路８６のトルク指令変化分を相殺するようにトルク指令を調整してモータに出力する。

よって、位置指令が０であり、位置偏差が０近傍でモータが位置決め点±１パルス以内ではトルク指令が一定となる不感帯が形成されることになり、エンコーダの±１パルス変動に対するモータの微振動を抑制することができる。
このように、従来の第１のモータ制御装置は、モータ停止状態で、エンコーダの±１パルス変動に対するトルク指令の不感帯を設けることでエンコーダの±１パルス変動に対するモータの微振動を抑制していた。

図９は、従来の第２のモータ制御装置の構成を示す図である。図において、９１は制御装置、９２は検出器、９３はサーボモータ、９４は位置検出器、９５は方形波発生器、９６はカウンタ、９７は速度信号生成部、９８は位置信号補正部である。
図９において、速度信号生成部の原理について説明する。 第１アナログ信号をＶａ、第２アナログ信号をＶｂとする。ここで、式（１）に示すように、Ｖａの２乗とＶｂの２乗の和の平方根を計算する。
√（（ｄＶａ／ｄｔ）＾２＋（ｄＶｂ／ｄｔ）＾２） ・・・ （１）
Ｖａ＝ａ・ｓｉｎ（２πｘ／ｌ）、Ｖｂ＝ａ・ｃｏｓ（２πｘ／ｌ）
ここで、ａはアナログ信号の電圧振幅値、ｘは位置または角度、ｌはアナログ信号の周期であり、
（ｄＶａ／ｄｔ）＝２π・ａ・ｃｏｓ（２πｘ／ｌ）・（ｄｘ・ｄｔ）
（ｄＶｂ／ｄｔ）＝２π・ａ・ｓｉｎ（２πｘ／ｌ）・（ｄｘ／ｄｔ）
ｃｏｓ＾２（２πｘ／ｌ）＋ｓｉｎ＾２（２πｘ／ｌ）＝１
であるので、式（１）は式（２）で表すことができる。
√（（ｄＶａ／ｄｔ）＾２＋（ｄＶｂ／ｄｔ）＾２）
＝ √（（ｄｘ／ｄｔ）＾２・（２πｘ／ｌ）＾２）
＝ （２πａ／ｌ）・（ｄｘ／ｄｔ） ・・・ （２）

よって、ａおよびｌは既知の定数なので、上述の演算を実行することにより、速度または角速度を計算することができる。
この速度信号はカウンタのパルス間にも出力されるので、この速度信号を用いて位置信号補正部によるパルス間の位置補正（例：速度信号の時間積分など）を実施すれば、精度の高いパルス間位置を算出できるので、停止時の1パルス振動を抑制することができる。
このように、従来の第２のモータ制御装置は、アナログ電圧信号を用いて、速度を推定し、パルス間の位置を補正することで、停止時の１パルス振動を抑制するのである。

特開２００７−２５２０９３号公報（第２−３頁、図１） 特開２００８−１１７２６２号公報（第３−４頁、図１）

従来の第１のモータ制御装置は、モータが±１パルス以内におさまっているが、ある速度で惰走している場合や、停止状態でも外乱が作用することにより、停止状態で実際に１パルス偏差が生じた場合にも不感帯があるために制御演算が作用しないため、結果として、２パルス以上の偏差が出てしまうという問題があった。
また、従来の第２のモータ制御装置は、通常の制御装置に対し、新しく位置検出器の２相アナログ信号から速度を算出し、算出した速度を伝送するためには、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、増幅器、伝送ケーブル等の新しいハードウェアを追加する必要があり、コストアップにつながるという問題があった。

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、±１パルス以内になった場合に、電流検出値から速度の符号を推定し、速度の符号に応じてあるパターンの電流補償信号を電流指令値に補償することで、停止時の振動を、確実に簡単かつ安定に低減することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したのである。
本発明の一の観点によるモータ制御装置は、位置検出器を有するモータに供給する電流を検出する電流検出器と、位置指令と位置検出値とを入力し前記位置指令と前記位置検出値とが一致するように制御演算を行い電流指令を出力する位置速度制御部と、前記電流指令と電流検出値とを入力し前記電流指令と前記電流検出値とが一致するように電圧指令を出力する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、前記電流検出値に基づいて速度の符号を検出して出力する速度方向検出部と、前記モータが±１パルス以内で停止していることを判別し停止状態とする停止判別部と、前記停止判別部が停止状態とする時のみ、前記電流指令を補償する電流補償信号を前記速度の符号に応じて演算して出力する補償信号演算部と、を備えたモータ制御装置が適用される。

請求項１乃至９に記載の発明によると、通常なら制御がかからない状態であるモータが±１パルス以内にある時に、速度の符号のみを算出し、モータの動作を押さえ込むように特定の電流指令パターンを速度の符号とは逆向きに補償することで、モータが１パルス以上動いてしまう現象を回避することができ、結果的に停止時の１パルスの振動を抑えることができる。
また、請求項１に記載の発明によると、電流検出値のみを用いてモータの数学的モデルから速度を算出し符号を算出できるため、少しの演算量で停止時の１パルスの振動を抑えることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、電流検出値がトルクや加速度に比例する特性を利用して、電流検出値をフィルタ処理し積分演算するだけで速度の符号を算出できるため、より少ない演算量で停止時の１パルスの振動を抑えることができる。
また、請求項３乃至５または７乃至９に記載の発明によると、速度の符号に応じて予め決められた電流パターンを電流指令値に補償することで、簡単かつ安定に停止時の１パルスの振動を抑えることができる。
また、請求項６に記載の発明によると、電圧指令と電流検出値からオブザーバにて誘起電圧を推定し、誘起電圧が速度に比例した値である特性を利用して、符号を判別するため、モータの数学的モデルが実機とずれていた場合もオブザーバにより補正がかかるため精度良く速度の符号を算出することができ、より停止時振動の抑制効果を高めることができる。

本発明の第１実施例を示すモータ制御装置の構成図 本発明の第２実施例を示すモータ制御装置の構成図 本発明の実施例の位置・速度制御部の一例を示すブロック図 本発明の実施例の電流制御部の一例を示すブロック図 本発明のモータの数学的モデル示すブロック図 （ａ）本発明の電流補償信号ｃｏｍｐの第１のパターンを示す図（ｂ）本発明の電流補償信号ｃｏｍｐの第２のパターンを示す図（ｃ）本発明の電流補償信号ｃｏｍｐの第３のパターンを示す図 （ａ）本発明を適用しない場合の波形図（ｂ）本発明を適用した場合の波形図 従来の第１のモータ制御装置の構成図 従来の第２のモータ制御装置の構成図

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、本発明の第１実施例を示すモータ制御装置の構成図である。図において、１はモータ、２は電流検出器、３は位置検出器、４は電流制御部、５は位置速度制御部、６は速度方向検出部、７は補償信号演算部、８は停止判別部を表す。
電流制御部４は、電流指令Ｉｒと電流検出値Ｉが一致するように制御演算を行い電圧指令Ｖを出力する。位置速度制御部５は、位置指令ｒｅｆおよび位置検出値ｘが一致するように制御演算を行い電流指令値Ｉｒｅｆを出力する。速度方向検出部６は、モータが±１パルス間にある時の速度の符合を算出する。停止判別部８は、モータが±１パルス間にある停止状態かどうかを判断する。補償信号演算部７は、停止状態と判断されているときのみ、速度の符号に応じて予め決められたパターンの電流補償信号ｃｏｍｐを出力する。電流補償信号ｃｏｍｐは電流指令Ｉｒから減算され、補償後の電流指令Ｉｒが電流制御部４へ入力される。
本発明が従来技術と異なる部分は、速度方向検出部６と補償信号演算部７と停止判別部８とを備えた部分である。

以下、図１に示す各構成要素毎の詳細を図を用いて説明する。
図３は、位置速度制御部５の詳細を示すブロック図である。Ｋｐは位置制御比例ゲイン、Ｋｖは速度制御比例ゲイン、Ｋｉは速度制御積分ゲイン、Ｊｎは慣性モーメントノミナル値Ｋｔはトルク定数、ｓはラプラス演算子で微分を表す。
位置速度制御部５では指令ｒｅｆと位置検出値ｘを入力し、式（３）から式（８）を演算し、最終的に電流指令値Ｉｒｅｆを計算する。
ｖｒｅｆ ＝ Ｋｐ・（ｒｅｆ − ｘ） ・・・ （３）
ｖｆｂ ＝ ｘ・ｓ ・・・ （４）
ａｒｅｆ ＝ Ｋｖ・（ｖｒｅｆ − ｖｆｂ） ・・・ （５）
ｓｒｅｆ ＝ Ｋｉ・ａｒｅｆ／ｓ ・・・ （６）
ｔｒｅｆ ＝ Ｊｎ・（ａｒｅｆ＋ｓｒｅｆ） ・・・ （７）
Ｉｒｅｆ ＝ ｔｒｅｆ／Ｋｔ ・・・ （８）
次に、式（９）にて、位置速度制御部５で算出されたＩｒｅｆから、後述する電流補償信号ｃｏｍｐを減じて、電流制御部４へ入力される電流指令値Ｉｒを求める。
Ｉｒ ＝ Ｉｒｅｆ −ｃｏｍｐ ・・・ （９）

図４は、電流制御部４の詳細を示すブロック図である。ＫｐＩは電流制御比例ゲイン、ＫｉＩ電流制御積分ゲインを表す。
電流制御部４では電流指令Ｉｒと電流検出値Ｉを入力し、式（１０）から式（１２）を演算し、最終的に電圧指令Ｖを出力する。
Ｉａｒｅｆ ＝ ＫｐＩ・（Ｉｒ − Ｉ） ・・・ （１０）
Ｉｓｒｅｆ ＝ ＫｉＩ・Ｉａｒｅｆ／ｓ ・・・ （１１）
Ｖ ＝ Ｉａｒｅｆ ＋ Ｉｓｒｅｆ ・・・ （１２）

図５は、モータのモデルを示すブロック図である。５１は電気回路部、Ｌはインダクタンス、Ｒは抵抗を表す。５２のＫｔはトルク定数を表し、電流とトルクを変換する。５３はモータ機械モデルを表し、Ｊはモータ慣性モーメントを表す。５４は積分器を表し、モータ速度ωを時間積分しモータ位置ｘとなる。５５のＫｅは誘起電圧定数を表し、速度に比例した誘起電圧Ｅを発生する。
図１における速度方向検出部６では、図５のモデルを利用して速度の符号を判別する。図５から分かるように、電流値ＩにＫｔを乗じて１／（Ｊ・ｓ）したものが速度ωである。ここで、ＫｔやＪの値を用いてωを算出してもよいが、実際にはＫｔやＪは定数であるため符号には関係ない。従って、式（１３）のように、速度の符号は電流値Ｉを時間積分した信号の符号を調べれば分かることになる。
ｓｇｎ ＝ ｓｇｎ｛∫Ｉｄｔ｝ ・・・ （１３）

また、一定外乱などがある場合、電流指令Ｉｒに一定外乱分のオフセットが重畳するため、積分すると積分値が増大する。これを回避するために、一定外乱を除去するため電流値Ｉをハイパスフィルタに通した後に、積分した信号の符号を検出することにより速度の符号を導出してもよい。
更に、符号を判別する際に、判別する信号にノイズがあり、信号が小さい値のときに誤検出する場合は、判別する信号に不感帯を設けても良い。
このように、図１における速度方向検出部６の処理は、速度の符号が判別できる方法であればどのように構成しても問題ない。

図６は、補償信号演算部７で発生する電流補償信号ｃｏｍｐのパターンを示す図である。補償信号演算部７では、停止判別部８でモータが±１パルス以内に停止している状態と判別されている間のみ、速度方向検出部６で検出された速度の符号ｓｇｎに応じて、図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）のようなパターンの電流補償信号ｃｏｍｐを発生する。
電流補償信号ｃｏｍｐの最良のパターンは、モータ１や電流制御部４の特性などによって異なるが、予め試行錯誤的にパターンを設定すればよいが、たいていの場合、図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれかで効果がある。（ａ）は速度の符号に応じた大きさＧの矩形パルスである。Ｇの値は調整で求める。（ｂ）と（ｃ）は同じ方向に符号が連続して続いている間は、ある比率で徐々に電流補償信号ｃｏｍｐを大きくあるいは小さくしていくパターンである。比率は０．９や１．２など効果に応じて決定すればよい。また，慣性モーメントやエンコーダビット数に応じて、Ｇや比率の値を変えるようにしてもよい。
また、前述した（ａ）（ｂ）（ｃ）のパターンにある大きさのオフセットを加えてもよい。オフセットの値は調整してもよいし、例えば、停止状態に入った瞬間の電流指令Ｉｒｅｆの値の大きさ分のオフセットを加えてもよい。

停止判別部８の処理は、モータ１が±１パルス以内に停止している状態を判別できればどのような処理を行っても良いが、例えば、位置指令と位置検出値を監視しておき、位置指令が発生していない状態で位置検出値が±１パルス以内にあるかどうかを判別すればよい。

図７（ａ）は本発明を適用しない場合、図７（ｂ）は本発明を適用した場合の位置応答と位置偏差の波形図である。本発明を使用しない場合は停止時に±１パルスの振動が持続的に発生するが、本発明を使用することにより停止時の±１パルスの振動抑制されているのが分かる。
このように、通常なら制御がかからない状態であるモータが±１パルス以内にある時に、速度の符号のみを算出し、モータの動作を押さえ込むように特定の電流指令パターンを速度の符号とは逆向きに補償することで、モータが１パルス以上動いてしまう現象を回避することができ、結果的に停止時の１パルスの振動を抑えることができる。

図２は本発明の第２実施例を示すモータ制御装置の構成図である。実施例１と異なる点は、速度方向検出部６への入力が電流検出値Ｉのみでなく、電圧指令Ｖが追加されている点である。本実施例では、速度方向検出部６にて速度の符号ｓｇｎを検出する際に、電圧指令Ｖと電流検出値Ｉからオブザーバを構成し誘起電圧推定値を推定する。誘起電圧は速度に比例する定数であるため、誘起電圧推定値の符号を判別することで速度の符号を調べるのである。
図１における速度方向検出部６で使用する誘起電圧を推定するオブザーバでは、図５のモデルを用いて以下の式（１４）のように誘起電圧Ｅの推定値Ｅｈａｔを算出する。
Ｅｈａｔ ＝ ｇ／（ｓ＋ｇ）・｛Ｉ・（Ｌｓ＋Ｒ）−Ｖ｝ ・・・ （１４）
また、式（１５）にように簡略化した形で構成しても良い。
Ｅｈａｔ ＝ Ｉ−Ｖ／（Ｌｓ＋Ｒ） ・・・ （１５）
ここで、ｇはオブザーバ推定ゲインを表し、誘起電圧推定値の波形がノイズの影響で汚くならない程度の大きな値を設定すればよい。
このように、電圧指令Ｉｒと電流検出値Ｉからオブザーバにて誘起電圧を推定し、誘起電圧が速度に比例した値である特性を利用して、速度の符号ｓｇｎを判別するため、モータの数学的モデルが実機とずれていた場合もオブザーバにより補正がかかるため、精度良く速度の符号ｓｇｎを算出することができ、より停止時振動の抑制効果を高めることができる。

デジタル制御時に、±１パルス以内にモータがある状態で速度の符号を電流検出値から算出し、±１パルス以上動作しないように速度の符号と逆方向に電流補償値を加えることで停止時振動を抑制できるため、回転機のみならず直動のリニアモータという用途にも適用できる。

１ モータ
２ 電流検出器
３ 位置検出器
４ 電流制御部
５ 位置・速度制御部
６ 速度方向検出部
７ 補償信号演算部
８ 停止判別部
３１ 位置制御比例ゲイン
３２ 速度制御比例ゲイン
３３ 積分制御器
３４ 慣性モーメントノミナル値
３５ トルク定数Ktの逆数
４１ 電流制御比例ゲイン
４２ 電流制御積分ゲイン
５１ モータ電気回路
５２ トルク定数
５３ モータ機械
５４ 積分
５５ 誘起電圧定数
８１ モータ
８２ エンコーダ
８３ 速度検出回路
８４ 位置偏差演算回路
８５ 速度偏差演算回路
８６ トルク指令生成回路
８７ モータ停止判定回路
８８ 不感帯形成回路
９１ 制御装置
９２ 検出器
９３ サーボモータ
９４ 位置検出器
９５ 方形波発生器
９６ 位置カウンタ
９８ 位置信号補正部

Claims (9)

1. 位置検出器を有するモータに供給する電流を検出する電流検出器と、位置指令と位置検出値とを入力し前記位置指令と前記位置検出値とが一致するように制御演算を行い電流指令を出力する位置速度制御部と、前記電流指令と電流検出値とを入力し前記電流指令と前記電流検出値とが一致するように電圧指令を出力する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記電流検出値を時間積分した信号の符号に基づいて速度の符号を検出して出力する速度方向検出部と、
   前記モータが±１パルス以内で停止していることを判別し停止状態とする停止判別部と、
   前記停止判別部が停止状態とする時のみ、前記電流指令を補償する電流補償信号を前記速度の符号に応じて演算して出力する補償信号演算部と、を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 位置検出器を有するモータに供給する電流を検出する電流検出器と、位置指令と位置検出値とを入力し前記位置指令と前記位置検出値とが一致するように制御演算を行い電流指令を出力する位置速度制御部と、前記電流指令と電流検出値とを入力し前記電流指令と前記電流検出値とが一致するように電圧指令を出力する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記電流検出値に基づいて速度の符号を検出して出力する速度方向検出部と、
   前記モータが±１パルス以内で停止していることを判別し停止状態とする停止判別部と、
   前記停止判別部が停止状態とする時のみ、前記電流指令を補償する電流補償信号を前記速度の符号に応じて演算して出力する補償信号演算部と、
   ハイパスフィルタと、を備え、
   前記速度方向検出部が、前記電流検出値を前記ハイパスフィルタに通した後に積分した信号の符号に基づいて前記速度の符号を検出することを特徴とするモータ制御装置。
3. 位置検出器を有するモータに供給する電流を検出する電流検出器と、位置指令と位置検出値とを入力し前記位置指令と前記位置検出値とが一致するように制御演算を行い電流指令を出力する位置速度制御部と、前記電流指令と電流検出値とを入力し前記電流指令と前記電流検出値とが一致するように電圧指令を出力する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記電流検出値に基づいて速度の符号を検出して出力する速度方向検出部と、
   前記モータが±１パルス以内で停止していることを判別し停止状態とする停止判別部と、
   前記停止判別部が停止状態とする時のみ、前記電流指令を補償する電流補償信号を前記速度の符号に応じて演算して出力する補償信号演算部と、を備え、
   前記電流補償信号が、前記速度の符号に応じた、予め決められた電流パターンであることを特徴とするモータ制御装置。
4. 前記電流パターンは、ある一定の大きさの矩形信号であることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
5. 前記電流パターンは、ある傾きをもって前記電流補償信号を増大あるいは減少させるパターン信号であることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
6. 位置検出器を有するモータに供給する電流を検出する電流検出器と、位置指令と位置検出値とを入力し前記位置指令と前記位置検出値とが一致するように制御演算を行い電流指令を出力する位置速度制御部と、前記電流指令と電流検出値とを入力し前記電流指令と前記電流検出値とが一致するように電圧指令を出力する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記電圧指令と前記電流検出値とに基づいて誘起電圧推定値を演算し、前記誘起電圧推定値の符号に基づいて速度の符号を検出して出力する速度方向検出部と、
   前記モータが±１パルス以内で停止していることを判別し停止状態とする停止判別部と、
   前記停止判別部が停止状態とする時のみ、前記電流指令を補償する電流補償信号を前記速度の符号に応じて演算して出力する補償信号演算部と、を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
7. 位置検出器を有するモータに供給する電流を検出する電流検出器と、位置指令と位置検出値とを入力し前記位置指令と前記位置検出値とが一致するように制御演算を行い電流指令を出力する位置速度制御部と、前記電流指令と電流検出値とを入力し前記電流指令と前記電流検出値とが一致するように電圧指令を出力する電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記電圧指令と前記電流検出値とに基づいて速度の符号を検出して出力する速度方向検出部と、
   前記モータが±１パルス以内で停止していることを判別し停止状態とする停止判別部と、
   前記停止判別部が停止状態とする時のみ、前記電流指令を補償する電流補償信号を前記速度の符号に応じて演算して出力する補償信号演算部と、を備え、
   前記電流補償信号が、前記速度の符号に応じた、予め決められた電流パターンであることを特徴とするモータ制御装置。
8. 前記電流パターンは、ある一定の大きさの矩形信号であることを特徴とする請求項７記載のモータ制御装置。
9. 前記電流パターンは、ある傾きをもって前記電流補償信号を増大あるいは減少させるパターン信号であることを特徴とする請求項７記載のモータ制御装置。

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