(57)【要約】【課題】モータの運転中でもトルクを急変させず、機械定数の正確な推定及びトルクフィードフォワード補償を可能にする。【解決手段】機械系モデル２０の機械定数を推定する機械定数推定部３０と、モータの速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器により増幅する速度調節器１２と、機械定数推定値と速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算する補償部４０と、速度調節器１２の出力とトルクフィードフォワード補償値とを加算してトルク指令値を演算する加算器４１と、モータのトルクを指令値に制御するトルク制御手段１３とを備え、機械定数の推定演算を開始する前はトルクフィードフォワード補償値を零とし、機械定数の推定演算を開始して所定時間経過後にトルクフィードフォワード補償値の演算を開始し、前記補償値の演算開始時にトルク指令値が急変しないように速度調節器１２の出力を初期化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの速度が速度指令値に一致するように制御するモータ制御装置において、
前記モータにより駆動される負荷をモデル化した機械系モデルの機械定数を推定する手段と、
前記モータの速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器により増幅する速度調節手段と、
前記機械定数の推定値と前記速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算する手段と、
前記速度調節手段の出力と前記トルクフィードフォワード補償値とを加算してトルク指令値を演算する手段と、
前記モータのトルクが前記トルク指令値に一致するように制御する手段と、を備え、
前記機械定数の推定演算を開始する前は前記トルクフィードフォワード補償値を零に制御し、前記機械定数の推定演算を開始してから所定時間が経過した後に前記トルクフィードフォワード補償値の演算を開始し、前記トルクフィードフォワード補償値の演算開始時に前記トルク指令値が急変しないように前記速度調節手段の出力を初期化することを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ制御装置に関し、詳しくは、モータの運転中に機械系の慣性モーメント等の機械定数を正確に推定し、その推定値を用いてトルクフィードフォワード補償を行うことによりモータの速度制御を行う技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータの速度制御を高応答化するためには、慣性モーメントを始めとする機械定数の情報が必要である。このため、従来より、モータを駆動するインバータを用いて機械定数を推定する技術が種々提供されている。
例えば、特許文献１には、加減速を行うための電流指令値、機械系の速度及び加速度を用い、最小二乗近似法によって慣性モーメントや摩擦トルクを推定する技術が開示されている。
また、特許文献２には、トルク指令微分値、加速度、及び加速度の微分値である躍度を用い、逐次形最小二乗近似法によって慣性モーメントや粘性摩擦係数を推定する技術が開示されている。
【０００３】
機械定数の中で慣性モーメントを推定するためには、加速度の情報が必要になり、加速度が大きいほど慣性モーメントを正確かつ高応答に推定することができる。加速度を大きくするには、モータの加減速時間を長くする必要があり、そのためには、モータの速度を指令値に速やかに追従させることが必要である。
【０００４】
一般に、モータの速度制御は、速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器からなる速度調節器により増幅してトルク指令値を演算し、実際のトルクがトルク指令値に一致するようにモータの電流を制御する方法が採られている。ここで、速度調節器の最適調整は、慣性モーメントの値に基づいて実施される。
しかしながら、機械定数の推定が完了するまでの間は慣性モーメントの値が未知であるため、速度調節器を最適調整することができず、速度の指令値に対する追従性が悪くなる。このような場合に速度の追従性を改善する現実的な方法としては、誤差が大きくても暫定的に求めた機械定数の推定値と速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算し、これを速度調節器の出力に加算してトルク指令値を演算する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５４５４８７号公報（段落［０００８］〜［００１６］、図１等）
【特許文献２】特開２００６−２１７７２９号公報（段落［００３６］〜［００５０］，［００６０］〜［００６４］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、静止摩擦の影響を受けることなく機械定数を正確に推定できるのは、速度が所定の大きさ以上になってからであり、低速時には機械定数の正確な推定が難しい。
一方、モータの制御方式として、モータの電流及び端子電圧からモータの速度を推定し、この速度推定値を用いてモータを運転するセンサレス制御が知られているが、このセンサレス制御は、安定性の制約から中高速領域で適用されるため、機械定数を推定できるのは中高速運転時のみである。
【０００７】
以上のように、機械定数の推定はモータの速度が所定の大きさ以上になってから開始することが多い。しかし、モータの運転中に機械定数の推定、及び、トルクフィードフォワード補償値の演算を開始すると、トルクフィードフォワード補償値と速度調節器の出力とが干渉してトルク指令値にショックが発生し、トルクを急変させることがあり、特に、モータがファンやポンプのような二重低減負荷を駆動している場合には、この問題が顕在化するという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の解決課題は、モータの運転中であってもトルクを急変させずに、機械定数の推定及びトルクフィードフォワード補償を可能にして速度制御性能を向上させたモータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係るモータ制御装置は、モータの速度が速度指令値に一致するように制御するモータ制御装置において、
前記モータにより駆動される負荷をモデル化した機械系モデルの機械定数を推定する手段と、
前記モータの速度指令値と速度検出値との偏差を比例・積分調節器により増幅する速度調節手段と、
前記機械定数の推定値と前記速度指令値とを用いてトルクフィードフォワード補償値を演算する手段と、
前記速度調節手段の出力と前記トルクフィードフォワード補償値とを加算してトルク指令値を演算する手段と、
前記モータのトルクが前記トルク指令値に一致するように制御する手段と、を備え、
前記機械定数の推定演算を開始する前は前記トルクフィードフォワード補償値を零に制御し、前記機械定数の推定演算を開始してから所定時間が経過した後に前記トルクフィードフォワード補償値の演算を開始し、前記トルクフィードフォワード補償値の演算開始時に前記トルク指令値が急変しないように前記速度調節手段の出力を初期化するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、モータの運転中であってもトルクを急変させることなく、慣性モーメント等の機械定数を正確かつ高応答に推定し、その推定値を用いてトルクフィードフォワード補償を行うことができる。これにより、モータの速度を指令値に速やかに追従させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。
【図２】実施形態における機械定数推定時の動作を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の実施形態に係る制御装置のブロック図を示している。図１において、速度指令値ωｍ＊と速度検出回路１４により検出した機械系モデル２０の速度検出値ωｍｄｅｔとの偏差を減算器１１により演算し、この偏差を比例・積分調節器からなる速度調節器１２により増幅して信号τｍＰＩを得る。なお、機械系モデル２０は、モータと負荷の機械系の伝達関数である。
【００１３】
一方、トルクフィードフォワード補償器４０は、速度指令値ωｍ＊と機械定数推定値ベクトルΘｅｓｔとからトルクフィードフォワード補償値τｍＦＦを演算する。なお、この演算内容については後述する。
加算器４１は、速度調節器１２の出力信号τｍＰＩとトルクフィードフォワード補償値τｍＦＦとを加算してトルク指令値τｍ＊を演算する。
【００１４】
トルク制御手段１３は、モータトルクτｍがトルク指令値τｍ＊に一致するように制御するものであり、図示されていないインバータによってモータの電流を制御し、結果として出力トルクを所望の値に制御するように機能する。
上記のような制御により、モータ（機械系モデル２０）の速度ωｍを速度指令値ωｍ＊に制御することができる。
【００１５】
また、機械定数推定部３０は、速度検出値ωｍｄｅｔ及びトルク指令値τｍ＊から、機械定数推定値ベクトルΘｅｓｔを求める。
以下、この機械定数推定部３０による演算について説明する。
ファンやポンプ等の二乗低減負荷を駆動する場合、機械系モデル２０は、数式１のような数式モデルによって表現することができる。
【００１６】
【数１】
2011147268.tif 000003
【００１７】
機械定数推定部３０は、数式１における機械定数としての慣性モーメントＪｍ，粘性摩擦係数Ｄｍ１，二乗低減負荷係数Ｄｍ２、及び、速度に依存しない負荷トルクτＬ０を、トルク検出値τｍｄｅｔ、加速度検出値ａｍｄｅｔ及び速度検出値ωｍｄｅｔから逐次形最小二乗近似法によって推定する。
まず、機械定数推定値ベクトルΘｅｓｔ、信号ベクトルｚ、出力ｙを、数式２により定義する。なお、以下の数式におけるＴは転置を示す。
【００１８】
【数２】
2011147268.tif 000004
【００１９】
数式２におけるトルク検出値τｍｄｅｔは、図１のトルク制御手段１３によるトルク制御が正確に実施できているという前提のもとで、トルク指令値τｍ＊により代用する。なお、トルク検出値τｍｄｅｔは、トルク指令値τｍ＊をローパスフィルタに通して得た出力から求め、トルク制御手段１３の制御遅れを模擬して演算してもよいし、モータの電流検出値とモータの電気定数とを用いて演算してもよい。なお、加速度検出値ａｍｄｅｔは、速度検出値ωｍｄｅｔを微分して演算する。
【００２０】
次に、数式２における信号ベクトルｚ及び出力ｙを、数式３により正規化する。
【００２１】
【数３】
2011147268.tif 000005
【００２２】
また、数式２における機械定数推定値ベクトルΘｅｓｔは、正規化した信号ベクトルｚＮと正規化した出力ｙＮとを用いて、例えば「アダプティブコントロール」（鈴木隆 著，現代制御シリーズ７，ｐ.８７〜ｐ.９０，２００１年８月，コロナ社発行）に記載されている逐次形最小二乗近似法の演算式（ｐ.８９の（４．８９）〜（４．９１）式など）に基づいて、数式４により演算することができる。
【００２３】
【数４】
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【００２４】
次に、トルクフィードフォワード補償器４０におけるトルクフィードフォワード補償値τｍＦＦの演算は、数式１のモデルに基づいて、速度指令値ωｍ＊、加速度指令値ａｍ＊、及び、数式４により求めた機械定数推定値（機械定数推定値ベクトルΘｅｓｔ）から、数式５により演算する。数式５における加速度指令値ａｍ＊は、速度指令値ωｍ＊を微分して演算すればよい。
【００２５】
【数５】
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【００２６】
次いで、機械定数の推定を開始するときの動作を、図２を参照しつつ説明する。
機械定数の推定及びトルクフィードフォワード補償は、下記の手順により開始する。
（１）機械定数推定部３０の演算を停止し、トルクフィードフォワード補償器４０の演算を停止することでτｍＦＦを零に制御し、速度調節器１２の出力τｍＰＩだけでトルク指令値τｍ＊を演算し、モータを所定速度まで加速する（図２における期間（１））。
（２）機械定数推定部３０の演算を開始する（図２における期間（２））。
（３）所定の時間が経過したら、トルクフィードフォワード補償器４０の演算を開始し、トルク指令値τｍ＊にショックが発生しないように速度調節器１２の出力τｍＰＩを初期化する（図２における期間（３））。これにより、図示するように期間（２）におけるトルク指令値τｍ＊が期間（３）でも維持され、トルクが急変することがない。
（４）次いで、速度調節器１２の演算を再開し、以後は、速度指令値ωｍ＊及び機械定数推定値から演算したトルクフィードフォワード補償値τｍＦＦと速度調節器１２の出力τｍＰＩとを用いてトルク指令値τｍ＊を演算する（図２における期間（４））。
【００２７】
次に、トルクフィードフォワード補償開始時における速度調節器１２の出力τｍＰＩの具体的な初期化方法を説明する。
速度調節器１２における比例・積分調節器の演算は、数式６により実現する。
【００２８】
【数６】
2011147268.tif 000008
【００２９】
トルクフィードフォワード補償の開始時における速度調節器１２の出力τｍＰＩの初期化は、トルク指令値の前回値τｍ（ｎ−１）＊と今回値τｍ（ｎ）＊とが等しくなるように、速度調節器１２の積分調節器出力τｍＩを数式７により初期化する。
【００３０】
【数７】
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【００３１】
以上のように、本実施形態によれば、モータの運転中からでもトルクを急変させることなく、慣性モーメント等の機械定数を正確に推定すると共に、この機械定数推定値を用いたトルクフィードフォワード補償により速度制御性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１１  減算器
１２  速度調節器
１３  トルク制御手段
１４  速度検出回路
２０  機械系モデル
３０  機械定数推定部
４０  トルクフィードフォワード補償器
４１  加算器
【図１】
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【図２】
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