(57)【要約】【課題】  低回転速度でも十分な速度分解能が得られ、制御系のゲインを上げることができ、高応答性のモータ制御装置とその制御方法を提供する。【解決手段】  速度指令と速度信号の差をＰＩＤ処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成手段と、電流指令と電流信号の差をＰＩＤ処理して電圧指令を生成する電流制御手段と、電圧指令から電力増幅してモータを駆動するモータ駆動手段と、位置信号から第１速度信号を生成する速度信号生成手段と、モータの電流を検出する電流検出手段と、を備えたモータ制御装置において、電流制御手段の積分制御の生成する積分電圧指令をモータ誘起電圧定数で除して第２速度信号とし、速度信号とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令と速度信号の差をＰＩＤ処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成手段と、前記電流指令と電流信号の差をＰＩＤ処理して電圧指令を生成する電流制御手段と、前記電圧指令から電力増幅してモータを駆動するモータ駆動手段と、位置信号から第１速度信号を生成する速度信号生成手段と、モータの電流を検出する電流検出手段と、を備えたモータ制御装置において、
前記電流制御手段の積分制御の生成する積分電圧指令をモータ誘起電圧定数で除して第２速度信号とし、前記速度信号とすることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記第１速度信号は、位置信号の時間差分信号を任意回数の移動平均をとることにより算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記速度信号は、和が１に等しい第１係数と第２係数を所定の値に設定し、前記第１係数と前記第１速度信号の積と、前記第２係数と前記第２速度信号の積との和にすることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記速度信号は、速度信号が所定速度以上であれば前記第１速度信号を選択し、所定速度以下であれば前記第２速度信号を選択する速度信号選択手段を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項５】
速度指令と速度信号の差をＰＩＤ処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令からｑ軸電流指令を生成する電流指令生成手段と、ｄｑ軸電流指令とｄｑ軸電流信号の差をＰＩＤ処理してｄｑ軸電圧指令を生成する電流制御手段と、前記ｄｑ軸電圧指令から３相電圧指令を生成する３相電圧指令生成手段と、位置信号から第１速度信号を生成する速度信号生成手段と、モータの電流を検出する電流検出手段と、３相電流をｄｑ軸電流に変換するｄｑ軸電流生成手段とを有するモータ制御装置において、
前記ｑ軸電流制御の積分制御手段の生成する積分電圧指令を第２速度信号とし、速度信号とすることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項６】
前記第１速度信号は、位置信号の時間差分信号を任意回数の移動平均をとることにより算出することを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記速度信号は、和が１に等しい第１係数と第２係数を任意に設定し、前記第１係数と前記第１速度信号の積と、前記第２係数と前記第２速度信号の積との和にすることを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記速度信号は、速度信号が所定速度以上であれば前記第１速度信号を選択し、所定速度以下であれば前記第２速度信号を選択する速度信号選択手段を備えることを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
【請求項９】
速度指令と速度信号から速度制御をするモータ制御装置の制御方法において、
速度指令と速度信号の速度偏差をＰＩＤ処理しトルク指令を生成するステップと、
前記トルク指令をモータの誘起電圧定数で除し電流指令を生成するステップと、
前記電流指令と電流信号の電流偏差をＰＩＤ処理し電圧指令を生成するステップと、
前記電圧指令を電力増幅してモータを駆動するステップと、
前記モータの電流を検出し前記電流信号を生成するステップと、
前記電流偏差のＰＩＤ処理の積分電圧指令を誘起電圧定数で除して速度信号とするステップと、
を備えることを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを制御するモータ制御装置とその制御方法に関するものであり、特にモータの速度信号生成方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来の速度信号生成方法には特許文献１がある。特許文献１の従来技術について図８に基づいて説明する。図８は、エンコーダの機械精度の悪さを電気的に補正しようとするものであり、速度信号生成方法は従来例とみなすことができる。まずエンコーダからのＡ相、Ｂ相のパルス信号はパルス加工部１２１に入る。このパルス加工部１２１ではパルス数をカウントするためのＵＰ信号、ＤＯＷＮ信号、パルスの変化点を示すパルスエッジ信号を出力する。このうち、パルスエッジ信号により時間カウンタ１２２の値をラッチ１２３でラッチする。また、ＵＰ信号、ＤＯＷＮ信号はパルスカウンタ１２４でカウントされ、現在角度データとなる。ラッチ１２３の時間ラッチデータおよびパルスカウンタ１２４のパルスカウントデータは、それぞれ差分演算する演算器１２５ａ、１２５ｂに入り、ここでサンプリングクロックφs毎の差分データΔＴとΔＰになって出力される。そして除算演算する演算器１２５ｃでΔＰ／ΔＴが演算されて暫定速度検出値Ｎｄ（θ）が得られる。しかし、この暫定速度検出値Ｎｄ（θ）は、機械精度の悪さによる誤差を含むものであり、以下、その補正について説明する。まずθ−δであるが、これはパルスカウンタ１２４をエンコーダの原点信号であるＺ相信号が入力される毎に、メモリ１２６ａにあらかじめ設定されている軸ずれ方向角−δで初期化してやることにより作ることができる。このθ−δのデータはｃｏｓ関数演算器１２５ｄでｃｏｓ（θ−δ）となる。ここでｃｏｓ関数演算器１２５ｄはデータテーブルを用いてもよいし、既知の演算方法を用いてもよい。次に、この結果は、乗算演算する演算器１２５ｅで速度検出値Ｎｄ（θ）とあらかじめ設定されているメモリ１２６ｂの軸ずれ率ｒ／Ｒと乗算されるというものである。従来技術の速度信号はサンプリング時間ごとの位置信号の差分ΔＰ／ΔＴを演算することにより得ている。
【特許文献１】特開平１１−２５２９６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の速度信号生成方法は、位置信号の時間差分をとる手段をとっているので、低回転速度での速度信号の分解能が粗くなり、速度制御ゲインを上げると低回転速度でのリプルが大きくなるという問題があった。このため、速度信号にローパスフィルタを入れたり、速度制御ゲインを低く抑えなければならなくなり、応答性が悪くなるという問題があった。図９は時間差分を用いたときの速度制御のシミュレーションである。条件はエンコーダパルス数４０００パルス／ｒｅｖ、モータ誘起電圧定数ｋｅ＝０．１Ｖ／（ｒ／ｓ）、モータ抵抗Ｒ＝０．１Ω、モータインダクタンスＬ＝１ｍＨ、速度制御比例ゲインＫｖ＝０．５Ｎｍ／（ｒ／ｓ）、速度制御積分時定数Ｔｖｉ＝０．０１ｓ、電流制御比例ゲインｋｃ＝０．５Ｖ／Ａ、電流制御積分時定数Ｔｃｉ＝０．００５ｓ、制御サンプリング時間Ｔｓ＝５０μｓ、加速時間Ｔａｃ＝６０ｍｓ、定速時間Ｔｃｎ＝１２０ｍｓ、減速時間Ｔｄｃ＝６０ｍｓである。速度信号は、エンッコーダの分解能をＤＳ＝２π／４０００（ｒａｄ）、ＰＣＮＴ（ｋ）をｋサンプリング時のパルスカウンタ値としてＤＳ＊（ＰＣＮＴ（ｋ）−ＰＣＮＴ（ｋ−１））／Ｔｓとして位置信号の時間差分をとり２０回の移動平均をとることで得ている。低回転速度ではトルクリプルが大きくなることがわかる。
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、低回転速度でも十分な速度分解能が得られ、制御系のゲインを上げることができ、高応答性のモータ制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
請求項１に記載の発明は、速度指令と速度信号の差をＰＩＤ処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成手段と、前記電流指令と電流信号の差をＰＩＤ処理して電圧指令を生成する電流制御手段と、前記電圧指令から電力増幅してモータを駆動するモータ駆動手段と、位置信号から第１速度信号を生成する速度信号生成手段と、モータの電流を検出する電流検出手段と、を備えたモータ制御装置において、前記電流制御手段の積分制御の生成する積分電圧指令をモータ誘起電圧定数で除して第２速度信号とし、前記速度信号とすることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記第１速度信号は、位置信号の時間差分信号を任意回数の移動平均をとることにより算出することを特徴とするものである。
請求項３に記載の發明は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記速度信号は、和が１に等しい第１係数と第２係数を所定の値に設定し、前記第１係数と前記第１速度信号の積と、前記第２係数と前記第２速度信号の積との和にすることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記速度信号は、速度信号が所定速度以上であれば前記第１速度信号を選択し、所定速度以下であれば前記第２速度信号を選択する速度信号選択手段を備えることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、速度指令と速度信号の差をＰＩＤ処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令からｑ軸電流指令を生成する電流指令生成手段と、ｄｑ軸電流指令とｄｑ軸電流信号の差をＰＩＤ処理してｄｑ軸電圧指令を生成する電流制御手段と、前記ｄｑ軸電圧指令から３相電圧指令を生成する３相電圧指令生成手段と、位置信号から第１速度信号を生成する速度信号生成手段と、モータの電流を検出する電流検出手段と、３相電流をｄｑ軸電流に変換するｄｑ軸電流生成手段とを有するＡＣモータ制御装置において、前記ｑ軸電流制御の積分制御手段の生成する積分電圧指令を第２速度信号とし、速度信号とすることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のモータ制御装置において、前記第１速度信号は、位置信号の時間差分信号を任意回数の移動平均をとることにより算出することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のモータ制御装置において、前記速度信号は、和が１に等しい第１係数と第２係数を任意に設定し、前記第１係数と前記第１速度信号の積と、前記第２係数と前記第２速度信号の積との和にすることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項５に記載のモータ制御装置において、前記速度信号は、速度信号が所定速度以上であれば前記第１速度信号を選択し、所定速度以下であれば前記第２速度信号を選択する速度信号選択手段を備えることを特徴とするものである。  
請求項９記載の発明は、速度指令と速度信号から速度制御をするモータ制御装置の制御方法において、速度指令と速度信号の速度偏差をＰＩＤ処理しトルク指令を生成するステップと、前記トルク指令をモータの誘起電圧定数で除し電流指令を生成するステップと、  前記電流指令と電流信号の電流偏差をＰＩＤ処理し電圧指令を生成するステップと、前記電圧指令を電力増幅してモータを駆動するステップと、前記モータの電流を検出し前記電流信号を生成するステップと、前記電流偏差のＰＩＤ処理の積分電圧指令を誘起電圧定数で除して速度信号とするステップと、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、低回転速度でも十分な速度分解能が得られ、制御系のゲインを上げることができ、高応答性のモータ制御装置とその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図１に基づいて説明する。
【実施例】
【０００７】
図１は、本発明の第１実施例のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、１と４は加算器、２は速度制御器、３は電流指令生成器、５は電流制御器の比例器、６は積分器、７は加算器、８は電力増幅器、９は電流検出器、１０は第２速度信号を生成する第２速度信号生成器、１１は第１速度信号を生成する第１速度信号生成器である。また５１はモータ、５２は位置信号を生成するエンコーダである。加算器１は速度指令ωｒｅｆと速度信号ωｆｂの差の速度偏差を生成する。速度制御器２は速度偏差をＰＩＤ処理をしてトルク指令Ｔｒｅｆを生成する。電流指令生成器３はトルク指令Ｔｒｅｆをモータ誘起電圧定数ｋｅで除して電流指令Ｉｒｅｆを生成する。加算器４は電流指令Ｉｒｅｆと電流信号Ｉｆｂの電流偏差を生成する。電流制御比例器５は電流偏差を比例ゲインｋｃを乗じて第１電圧指令Ｖｒｅｆ１を生成する。電流制御積分器は第１電圧指令を積分して第２電圧指令を生成する。加算器７は第１電圧指令Ｖｒｅｆ１と第２電圧指令Ｖｒｅｆ２を加算して電圧指令Ｖｒｅｆを生成する。電力増幅器８は電圧指令Ｖｒｅｆを電力増幅してモータ５１を駆動する。電流検出器９はモータ電流を検出して電流信号Ｉｆｂを生成する。エンコーダ５２はモータの回転角度に応じてパルスを生成し位置信号を生成する。第２速度信号生成器は第２電圧指令をモータ誘起電圧定数ｋｅで除して速度信号ωｆｂを生成する。
【０００８】
図１０は、図１をシミュレーションしたときの波形を示しており、条件は、図９と同様であるが、制御に使用するフィードバックとしての速度信号を第１速度信号のかわりに第２速度信号を使用している点が図９と異なる。低回転速度でも、トルクリプルのない滑らかな回転動作が得られていることがわかる。
【０００９】
図２は本発明の第２実施例を示すブロック図である。制御系のフィードバック速度信号として第２速度信号ωｆｂ２だけを使用するのではなく第１速度信号ωｆｂ１も使用する。和が１になる第１係数ｋ１と第２係数ｋ２として、速度信号ωｆｂ＝ｋ１×ωｆｂ１＋ｋ２×ωｆｂ２とする。ｋ１とｋ２の値は低回転速度ではｋ１を大きくｋ２を小さく、高回転速度ではｋ１を小さくｋ２を大きく設定する。
【００１０】
図３は本発明の第３実施例を示すブロック図である。第２実施例と同様に第１速度信号ωｆｂ１と第２速度信号ωｆｂ２を併用するが、速度信号切り替え器１５を用いて低回転速度では第２速度信号ωｆｂ２を使用し、高回転速度では第１速度信号ωｆｂ１を使用する。速度信号切り替えはあらかじめ決めた所定値を使用する。
【００１１】
図４は、本発明の第４実施例を示すブロック図でＡＣモータに適用したものである。図４において、１５はｄｑ軸から３相への座標変換をするｄｑ→ＵＶＷ変換器、１６は３相からｄｑ軸へ座標変換をするＵＶＷ→ｄｑ変換器である。モータの極対数をｐ、モータの機械的回転角度をθｍとし、ｋ１１＝ｓｉｎ（ｐ・θ）、ｋ１２＝ｓｉｎ（ｐ・θ−２π／３）、ｋ１３＝ｓｉｎ（ｐ・θ−４π／３）、ｋ２１＝ｃｏｓ（ｐ・θ）、ｋ２２＝ｃｏｓ（ｐ・θ−２π／３）、ｋ２３＝ｃｏｓ（ｐ・θ−４π／３）とすると、各相の誘起電圧定数は、Ｕ相がｋｅｕ＝ｋｅ・ｋ１１、Ｖ相がｋｅｖ＝ｋｅ・ｋ１２、Ｗ相がｋｅｗ＝ｋｅ・ｋ１３であり、ｄｑ→ＵＶＷ変換は、Ｕ相電圧指令Ｖｕｒｅｆ＝Ｖｑ・ｋ１１＋Ｖｄ・ｋ２１Ｖ相電圧指令Ｖｗｒｅｆ＝Ｖｑ・ｋ１２＋Ｖｄ・ｋ２２、Ｗ相電圧指令Ｖｗｒｅｆ＝Ｖｑ・ｋ１３＋Ｖｄ・ｋ２３となる。また、ＵＶＷ→ｄｑ変換により、ｑ軸電流信号Ｉｑｆｂ＝ｋ１１・Ｉｕｆｂ＋ｋ１２・Ｉｖｆｂ＋ｋ１３・Ｉｗｆｂであり、ｄ軸電流信号Ｉｄｆｂ＝ｋ２１・Ｉｕｆｂ＋ｋ２２・Ｉｖｆｂ＋ｋ２３・Ｉｗｆｂである。第２速度信号はｑ軸の電圧指令Ｖｑｒｅｆをモータ誘起電圧ｋｅで除すことで得ることができる。
【００１２】
図１１は、第４実施例をシミュレーションしたときの波形である。条件はポール対数ｐ＝４で、他の条件は、他の実施例と同様である。
図５は、本発明の第５実施例で、第４実施例の速度信号ωｆｂ＝ｋ１・ωｆｂ１＋ωｆｂ２とするものである。
【００１３】
図６は、本発明の第６実施例で、第４実施例の速度信号を低回転速度では第２速度信号を使用し、高回転速度では、第１速度信号を使用するものである。
図７は、本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。制御サンプリング周期Ｔｓごとに繰り返される。ステップＳＴ１で速度指令ωｒｅｆと速度信号ωｆｂの速度偏差ΔωをＰＩＤ処理し、トルク指令Ｔｒｅｆを生成する。次にステップＳＴ２でトルク指令Ｔｒｅｆをモータ誘起電圧定数ｋｅで除し電流指令Ｉｒｅｆを生成する。次にステップＳＴ３で電流指令Ｉｒｅｆと電流信号Ｉｆｂの電流偏差ΔＩをＰＩＤ処理して電圧指令Ｖｒｅｆを生成する。次にステップＳＴ４で電圧指令Ｖｒｅｆを電力増幅してモータに電流Ｉを供給し、トルクを発生させる。次にステップＳＴ５でモータの電流を検出して電流信号Ｉｆｂを生成する。次にステップＳＴ６で電流偏差ΔＩのＰＩＤ処理の積分器出力である第２電圧指令Ｖｒｅｆ２をモータ誘起電圧定数ｋｅで除し第２速度信号を生成するという手順でモータの制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のモータ制御装置の第１実施例を示すブロック図
【図２】本発明のモータ制御装置の第２実施例を示すブロック図
【図３】本発明のモータ制御装置の第３実施例を示すブロック図
【図４】本発明のＡＣモータ制御装置の第４実施例を示すブロック図
【図５】本発明のＡＣモータ制御装置の第５実施例を示すブロック図
【図６】本発明のＡＣモータ制御装置の第６実施例を示すブロック図
【図７】本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャート
【図８】従来の速度生成方法を示すブロック図
【図９】従来の速度信号を速度制御系のフィードバックに使用したときのシミュレーション波形
【図１０】本発明の速度信号をモータ制御装置の速度フィードバック信号に使用したときのシミュレーション波形
【図１１】本発明の速度信号をＡＣモータ制御装置の速度フィードバック信号に使用したときのシミュレーション波形
【符号の説明】
【００１５】
１、４、７、１４、１７  加算器
２  速度制御器
３  電流指令生成器
５、５ａ  電流制御比例器
６、６ａ  電流制御積分器
８  電力増幅器
９、９ａ  電流検出器
１０  第２速度信号生成器
１１  第１速度信号生成器
１２  第２係数
１３  第１係数
１５  速度信号切り替え器
１６  ｄｑ→ＵＶＷ変換器
１６ａ  ＵＶＷ→ｄｑ変換器
５１  モータ
５２  エンコーダ
ωｒｅｆ  速度指令
ωｆｂ  速度信号
ωｆｂ１  第１速度信号
ωｆｂ２  第２速度信号
Ｔｒｅｆ  トルク指令
Ｉｒｅｆ  電流指令
Ｉｄｒｅｆ  ｄ軸電流指令
Ｉｑｒｅｆ  ｑ軸電流指令
Ｉｕｒｅｆ  Ｕ相電流指令
Ｉｖｒｅｆ  Ｖ相電流指令
Ｉｗｒｅｆ  Ｗ相電流指令
Ｉｆｂ  電流信号
Ｉｕｆｂ  Ｕ相電流信号
Ｉｖｆｂ  Ｖ相電流信号
Ｉｗｆｂ  Ｗ相電流信号
Ｖｒｅｆ１  第１電圧指令
Ｖｒｅｆ２  第２電圧指令
Ｖｕｒｅｆ  Ｕ相電圧指令
Ｖｖｒｅｆ  Ｖ相電圧指令
Ｖｗｒｅｆ  Ｗ相電圧指令
ｋ１１、ｋ１２、ｋ１３、ｋ２１、ｋ２２、ｋ２３  ｄｑ変換係数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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