JP7209173B2 - モーター制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モーター制御装置に関するものである。

あるモーター制御装置は、フィードバック制御でモーターの速度を制御するとともに、フィードフォワード制御を行っており、目標指令とモーター速度との偏差絶対値の最大値を最小にするようにフィードフォワードゲインを調整している（例えば特許文献１参照）。

特開２００６－１８４３１号公報

しかしながら、上述のモーター制御装置のように、目標指令とモーター速度との偏差絶対値の最大値を最小にするようにフィードフォワードゲインを調整しても、モーターの始動時や停止時はモーター速度を急激に変化させるため、制御に遅延が生じ、所望の速度パターンでモーターの始動や停止を行うことは困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、所望の速度パターンでモーターの始動や停止を行うモーター制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係るモーター制御装置は、モーターの始動または停止のための速度入力信号を生成する入力信号生成部と、フィードバック制御で前記モーターの実測速度を、前記速度入力信号により示される目標速度に近づけるように、前記実測速度と前記目標速度との差分に対応するフィードバック制御信号を生成するフィードバック制御部と、前記モーターの始動または停止での前記目標速度の変化に対応する目標加速度に対応するフィードフォワード制御信号を生成するフィードフォワード制御部と、前記フィードバック制御信号および前記フィードフォワード制御信号に基づいて前記モーターを駆動するモーター駆動回路とを備える。そして、前記フィードフォワード制御部は、ローパスフィルターを備え、前記モーターの実測加速度と前記目標加速度との差分のうち、前記ローパスフィルターを通過した成分に対応する加速度補正信号で、前記目標加速度を補正し、補正後の前記目標加速度に対応する前記フィードフォワード制御信号を生成する。

本発明によれば、所望の速度パターンでモーターの始動や停止を行うモーター制御装置が得られる。

本発明の上記又は他の目的、特徴および優位性は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から更に明らかになる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るモーター制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、速度入力信号について説明する図である。 図３は、図１におけるローパスフィルター２６の一例を示す回路図である。 図４は、図１におけるローパスフィルター２６のゲイン特性について説明する図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態１に係るモーター制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すモーター制御装置は、入力信号生成部１、記憶装置２、減算回路３、フィードバック制御部４、フィードフォワード制御部５、加算回路６、モーター駆動回路７、モーター８、および速度検出部９を備える。

入力信号生成部１は、モーター８の始動または停止のための速度入力信号を生成する。記憶装置２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリーなどといった不揮発性の記憶装置であって、１または複数の速度テーブル２ａを記憶している。速度テーブル２ａは、モーター８の始動または停止のための、一連の時点での目標速度（つまり、速度パターン）を示すデータである。なお、速度テーブル２ａは、ルックアップテーブルでもよい。この実施の形態では、入力信号生成部１は、この速度テーブル２ａを参照して、モーター８の始動または停止における各時点での目標速度を特定する。

図２は、速度入力信号について説明する図である。例えば、図２に示すように、始動時、一定加速度で所定速度までモーター８を加速させ、停止時、一定加速度で速度ゼロまでモーター８を減速させるように、目標速度が設定される。そして、この実施の形態では、図２に示すように、入力信号生成部１は、目標速度に対応する周波数（周期）を有する矩形波信号を速度入力信号として生成する。例えば図２に示すように、時刻Ｔｉでの目標速度Ｖｉに対応する周期Ｘｉで速度入力信号が生成される。

減算回路３は、速度検出信号と速度入力信号との差分（つまり、誤差）を示す速度誤差信号を生成しフィードバック制御部４に供給する。

フィードバック制御部４は、フィードバック制御（例えばＰＩＤ制御）でモーター８の実測速度を、速度入力信号により示される目標速度に近づけるように、その実測速度と目標速度との差分（つまり、速度検出信号と速度入力信号との誤差）に対応するフィードバック制御信号を生成する。

フィードフォワード制御部５は、モーター８の始動または停止での目標速度の変化に対応する目標加速度に対応するフィードフォワード制御信号を生成する。

図１に示すように、フィードフォワード制御部５は、目標加速度設定部２１、係数回路２２、加算回路２３、実測加速度特定部２４、減算回路２５、ローパスフィルター２６、および係数回路２７を備える。

目標加速度設定部２１は、速度テーブル２ａに対応する各時点の目標加速度を設定する。目標加速度設定部２１は、速度入力信号の少なくとも２時点の目標速度に基づいて目標加速度を計算してもよいし、速度テーブル２ａに対応して予め設定されている目標加速度を特定する。

係数回路２２は、目標加速度に対して所定の係数ｋ１を乗じて、フィードフォワード制御信号を生成する。

加算回路２３は、フィードフォワード制御信号に加速度補正信号を加算してフィードフォワード制御信号を補正する。

実測加速度特定部２４は、モーター８の実際の加速度を特定する。例えば、実測加速度特定部２４は、速度検出信号から各時点の速度の値を特定し、その速度の値から、速度の微分値である実測加速度を計算する。

減算回路２５は、各時点での目標加速度と実測加速度との差分（つまり、誤差）を演算し、その差分を示す加速度誤差信号をローパスフィルター２６に出力する。

ローパスフィルター２６は、所定のカットオフ周波数ｆｃのゲイン特性を有し、加速度誤差信号におけるカットオフ周波数ｆｃ以上の周波数成分を減衰させる。

係数回路２７は、ローパスフィルター２６の出力信号に対して所定の係数ｋ２を乗じて、加速度補正信号を生成する。

図３は、図１におけるローパスフィルター２６の一例を示す回路図である。図３に示すローパスフィルター２６は、１次ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルターであり、係数回路４１、加算器４２、遅延回路４３、および係数回路４４を備える。係数回路４１は、係数（ａ－１）を乗ずる回路であり、係数回路４４は、係数ａを乗ずる回路である。例えば、定数ａは、時定数をｔとし、サンプリング時間をＴとすると、ａ＝ｔ／（ｔ＋Ｔ）で導出される。

図４は、図１におけるローパスフィルター２６のゲイン特性について説明する図である。例えば、図４に示すように、始動時、定加速度で所定速度までモーター８を加速させ、停止時、定加速度で速度ゼロまでモーター８を減速させるように、目標速度が設定される。しかしながら、モーター８の慣性などに起因して、始動時や停止時にモーター８の実測速度にオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。その際の目標速度と実測速度との誤差の周波数成分は、図４に示すように、特定の周波数成分を有する。したがって、ローパスフィルター２６は、目標速度と実測速度との誤差の周波数成分を減衰させるようなカットオフ周波数ｆｃを有する。

図１に戻り、加算回路６は、フィードバック制御信号にフィードフォワード制御信号を加算してモーター制御信号を生成し、モーター駆動回路７に供給する。

モーター駆動回路７は、フィードバック制御信号およびフィードフォワード制御信号に基づいてモーター８を駆動する。ここでは、モーター駆動回路７は、フィードバック制御信号およびフィードフォワード制御信号から生成されたモーター制御信号に基づいてモーター８を駆動する。モーター８は、例えば、ＤＣモーターである。

例えば、モーター駆動回路７は、モーター制御信号に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御でモーター８を駆動する。

速度検出部９は、例えばロータリーエンコーダーなどで、モーター８の速度を検出し、速度検出信号を出力する。

さらに、図１に示すモーター制御装置は、フィルター設定部３１を備える。フィルター設定部３１は、上述の目標加速度に基づいてローパスフィルター２６のゲイン特性を調整する。具体的には、フィルター設定部３１は、目標加速度が低いほどローパスフィルター２６のカットオフ周波数ｆｃを低くする。

ここで、目標加速度は、例えば、２時点での速度入力信号の周期Ｘｎ－１，Ｘｎに基づいて、次式に従って計算される。

（目標加速度）＝｛（１／Ｘｎ）－（１／Ｘｎ－１）｝／Ｔ

ここで、Ｔは、２時点間の時間である。

次に、実施の形態１に係るモーター制御装置の動作について説明する。

入力信号生成部１は、速度テーブル２ａに従って速度入力信号を生成する。

フィードバック制御部４は、速度入力信号と速度検出信号との間の速度誤差信号に対して例えばＰＩＤ値をフィードバック制御信号として演算する。

他方、フィードフォワード制御部５は、目標加速度に対応するフィードフォワード制御信号を生成し、目標加速度と実測加速度との誤差（差分）のうち、ローパスフィルター２６を通過した周波数成分に対応する加速度補正信号でフィードフォワード制御信号を補正し、補正後のフィードフォワード制御信号を出力する。

そして、加算回路６は、フィードバック制御信号に補正後のフィードフォワード制御信号を加算してモーター制御信号を生成し、モーター駆動回路７に出力する。

モーター駆動回路７は、そのモーター制御信号に従ってモーター８を駆動する。これにより、モーター８が回転する。速度検出部９は、モーター８の回転速度を検出し、速度検出信号を減算回路３へ出力する。

以上のように、上記実施の形態１によれば、入力信号生成部１は、モーターの始動または停止のための速度入力信号を生成する。フィードバック制御部４は、フィードバック制御でモーター８の実測速度を、速度入力信号により示される目標速度に近づけるように、実測速度と目標速度との差分に対応するフィードバック制御信号を生成するフィードフォワード制御部５は、モーター８の始動または停止での目標速度の変化に対応する目標加速度に対応するフィードフォワード制御信号を生成する。モーター駆動回路７は、フィードバック制御信号およびフィードフォワード制御信号に基づいてモーター８を駆動する。

これにより、実測加速度に応じて適切にフィードフォワード制御信号が補正されるため、所望の速度パターンでモーター８の始動や停止が正確に行われる。

実施の形態２．

実施の形態２に係るモーター制御装置では、記憶装置２に、互いに異なる複数の速度テーブル２ａが予め記憶され、入力信号生成部１は、図示せぬコントローラーなどからの指令に従って、その複数の速度テーブル２ａから１つの速度テーブル２ａを選択し、選択した速度テーブル２ａにより指定された速度パターンで速度入力信号を生成する。その際、フィルター設定部３１は、選択された速度テーブル２ａに対応するゲイン特性をローパスフィルター３１に設定する。

なお、実施の形態２に係るモーター制御装置のその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

例えば、上記実施の形態１，２において、上述のように、目標加速度が目標速度に基づいて計算される場合、計算された目標加速度が記憶装置２に記憶され、次回のモーター８の運転時に、目標加速度を計算せずに、記憶装置２から、記憶装置２に記憶されている目標加速度を読み出して使用するようにしてもよい。

本発明は、例えば、モータードライバーに適用可能である。

１ 入力信号生成部
４ フィードバック制御部
５ フィードフォワード制御部
７ モーター駆動回路
８ モーター
２６ ローパスフィルター
３１ フィルター設定部

Claims (5)

1. モーターの始動または停止のための速度入力信号を生成する入力信号生成部と、
   フィードバック制御で前記モーターの実測速度を、前記速度入力信号により示される目標速度に近づけるように、前記実測速度と前記目標速度との差分に対応するフィードバック制御信号を生成するフィードバック制御部と、
   前記モーターの始動または停止での前記目標速度の変化に対応する目標加速度に対応するフィードフォワード制御信号を生成するフィードフォワード制御部と、
   前記フィードバック制御信号および前記フィードフォワード制御信号に基づいて前記モーターを駆動するモーター駆動回路と、
   を備え、
   前記フィードフォワード制御部は、ローパスフィルターを備え、前記モーターの実測加速度と前記目標加速度との差分のうち、前記ローパスフィルターを通過した成分に対応する加速度補正信号で、前記目標加速度を補正し、補正後の前記目標加速度に対応する前記フィードフォワード制御信号を生成すること、
   を特徴とするモーター制御装置。
2. 前記目標加速度に基づいて前記ローパスフィルターのゲイン特性を調整するフィルター設定部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のモーター制御装置。
3. 前記フィルター設定部は、前記目標加速度が低いほど前記ローパスフィルターのカットオフ周波数を低くすることを特徴とする請求項２記載のモーター制御装置。
4. 前記入力信号生成部は、複数の速度テーブルから１つの速度テーブルを選択し、選択した前記速度テーブルにより指定された速度パターンで速度入力信号を生成し、
   前記フィルター設定部は、選択された前記速度テーブルに対応するゲイン特性を前記ローパスフィルターに設定すること、
   を特徴とする請求項２または請求項３記載のモーター制御装置。
5. 前記目標加速度は、前記目標速度に基づいて計算され、
   計算された前記目標加速度は、不揮発性記憶装置に記憶され、
   前記モーターの次回運転時に、前記目標加速度を計算せずに、前記不揮発性記憶装置から、前記不揮発性記憶装置に記憶されている前記目標加速度を読み出して使用すること、
   を特徴とする請求項１記載のモーター制御装置。

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