JP7532207B2 - モータ制御装置及びモータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、トルク指令と速度制限指令に基づいてモータ速度を制限しながらモータのトルクを制御するモータ制御装置及び制御方法に関するものである。

紙やフィルムなどの製造では、しわやたるみなどを防止して品質を向上させるために、張力制御装置を用いて製造を行っている。このような張力制御装置の巻出し用モータの制御では、巻径に応じた一定のトルクで巻出し用モータを駆動して、張力を一定に保っている。

そして、被加工物が切断した場合の、巻出し用モータの速度上昇を抑制するため、速度制限機能を備えたトルク制御を実施している。また、スポット溶接用サーボガンの場合、溶接ガンの電極部の溶接チップでワークを挟んでモータのトルクを制御して加圧し、電極チップ間を通電しワークを溶着させている。

このような溶接ガンでも、位置制御や速度制御で加圧対象に接触する手前まで移動し、トルク制御に切替えた時に過大な速度が発生して加圧対象に衝突することがないように、速度制限機能を備えたトルク制御を実施している。

こういった速度制限機能を備えたトルク制御を実施した例として特許文献１がある。

特許文献１では、外部からの入力に基づいてモータの制御をするモータ制御装置であって、印加電圧に基づいて回転するモータと、モータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、磁極位置センサが出力する位置信号に基づいてモータの回転速度を演算する速度演算部と、外部からの入力をトルク電流指令へと変換する変換部と、モータの制限回転速度と速度演算部が演算したモータの回転速度とに基づいてトルク電流指令を補正するトルク電流補正部と、補正されたトルク電流指令を用いて電圧指令を演算するベクトル演算部と、電圧指令に基づいてモータへの印加電圧を作成する印加電圧作成部と、を有するモータ制御装置が記載されている。

しかし、このようなトルク指令をトルク電流補正部の出力で補正する方式では、速度制限時にトルク指令を打ち消すトルク電流補正を出力する必要があり、トルク指令が大きな場合、打消し信号も大きくなり、応答が遅く、速度のオーバーシュートが大きいといった問題や、速度制限付近で動作させた時に、速度制限制御のオンオフが行われ、大きなオーバーシュートが繰り返されるため挙動が不安定になるという問題や、一つの速度制限指令しか入力できないため、トルク指令の方向にしか速度を制限できないといった問題や、トルク指令が０の時は方向が定まらないので速度を制限することができないといった問題があった。

前記のようなトルク指令の方向にしか速度を制限できないといった問題や、トルク指令が０の時は方向が定まらないので速度を制限することができないといった問題を解消した例として特許文献２がある。

特許文献２では、駆動対象を駆動するモータを制御して駆動対象を目標トルクに対応する圧力で加圧対象に押し付けるモータ制御装置であって、モータの速度検出値に基づいてモータに対するトルク指令およびトルク指令を補償するための回帰トルクを算出する速度制御器と、目標トルクと速度制御器が算出した回帰トルクとの偏差に応じた第１速度指令を算出する回帰トルク制御器とを備え、回帰トルク制御器は、算出した第１速度指令を駆動対象と加圧対象との接触速度に基づいて定められる所望の速度制限値で制限して出力し、速度制御器は、回帰トルク制御器が出力した第１速度指令に速度検出値が追従するようにトルク指令を算出することを特徴とするモータ制御装置が記載されている。

特許文献２の手法では、速度制限値をモータの正回転側と逆回転側の両方とも設定でき、トルク指令の極性とは関係なく速度を制限することができるため、トルク指令の方向にしか速度を制限できないといった問題や、トルク指令が０の時は方向が定まらないので速度を制限することができないといった問題は解消される。しかし、このようなトルク指令を回帰トルクと比較して回帰トルク制御器で速度指令を算出してモータに対するトルク指令（モータトルク指令）を補償する方式では、回帰トルク制御器のゲインをかなり高くしないと、トルク指令通りのモータトルク指令が生成されない。

しかし、回帰トルク制御ループは、比例積分制御器で構成される速度制御器と、同じく比例積分制御器で構成される回帰トルク制御器の２つの制御器で構成され、積分要素が2重に入るため制御系が不安定になり易く、制御ゲインを上げると回帰トルクに振動が生じてくる。回帰トルクに振動が生ずると、モータトルク指令にも振動が生じてくる。このため、ゲインを高くして使用することができず、トルク指令より少し小さなモータトルクしか出力できないという問題があった。

特に回帰トルク制御器の比例ゲインを上げると振動しやすく、比例ゲインを上げて使用することができないため、制御パラメータによっては、速度制限状態からの復帰が適切に動作しない場合があり、調整が大変で、安定に動作するパラメータ範囲が狭いという問題があった。

また、速度制御器の積分器は、回帰トルク制御器の積分器としても動作するため、トルク指令が急変した場合は、速度制御器の積分器も動作してしまい、この結果、速度のオーバーシュートが大きいといった問題や、速度制限付近で動作させた時に、速度制限制御のオンオフが行われ、大きなオーバーシュートが繰り返されるため、挙動が不安定になるという問題があった。

特開２００３－３３０６８号公報 国際公開２０１１／１４５３６６号

本発明は、前記問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、制御パラメータの調整が容易で、トルク指令の極性やモータの回転方向によらずトルク制御中の速度を制限でき、速度制限時のオーバーシュートが小さく、速度制限にかからない場合にトルク指令通りのモータトルクを出力できるモータの制御装置及びモータの制御方法を提供することにある。

本発明は、次のとおりの、モータ制御装置である。

トルク指令と速度制限指令に基づいて速度を制限しながらモータのトルクを制御するモータ制御装置であって、
前記モータ制御装置は、
前記モータの速度を検出する速度検出部と、
前記トルク指令に基づいてトルク指令に基づく速度指令を算出し、前記トルク指令に基づく速度指令に制限を加えたモータ速度指令を出力する速度制限部を有し、
前記速度制限部は、前記トルク指令から前記トルク指令に基づく速度指令を算出する速度指令算出部と、前記トルク指令に基づく速度指令に前記速度制限指令に基づく速度制限を加えて前記モータ速度指令を出力する速度制限器と、を備え、
前記トルク指令に基づく速度指令算出部は、前記トルク指令に基づき速度偏差を算出する速度偏差算出器と、前記速度偏差に前記速度を加算して前記トルク指令に基づく速度指令を出力する加算器と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。

また、本発明は、次のとおりの、モータ制御方法でもある。

トルク指令と速度制限指令に基づいて速度を制限しながらモータのトルクを制御するモータ制御方法であって、
前記トルク指令に基づき速度偏差を算出し、
前記速度偏差に前記モータの前記速度を加算することによってトルク指令に基づく速度指令を出力し、
前記トルク指令に基づく速度指令に前記速度制限指令に基づく速度制限を加えてモータ速度指令を出力する、
ことを特徴とするモータ制御方法。

このような本発明のモータ制御装置及びモータ制御方法の実施の態様は、特許請求の範囲の従属項に示すように種々の態様において実施することができ、それらやその他の詳細及び利点については、後述の発明を実施するための形態の項において詳細に説明する。

前記構成により、本発明では、速度制御ループでのモータ速度指令からモータトルク指令を算出する計算の逆算を行う方法で、トルク指令を基に、トルク指令に基づく速度指令を算出し、速度制限を行ってモータ速度指令を求め、モータ速度指令に基づきモータを速度制御するという簡単な構成でトルク制御中の速度制限を実現している。このため、特別なパラメータの調整が不要で、トルク指令の極性やモータの回転方向によらず速度を制限でき、速度制限時のオーバーシュートが小さく、速度制限にかからない場合は、トルク指令通りのモータトルクを出力できるモータの制御装置を実現することができる。

図１は、モータ制御装置及び方法の一態様を示すブロック図である。 図２は、モータ制御装置及び方法の別の態様を示すブロック図である。 図３は、モータ制御装置及び方法の一態様（速度比例制御）の速度変化シミュレーション結果を示すグラフである。 図４は、モータ制御及びその方法の別の態様（速度比例積分制御）の速度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 図５は、トルク指令を補正する方式の動作例の速度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下に、本発明に係るモータ制御装置及び方法の実施の態様を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の態様の説明如何により本発明の範囲が限定されるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の技術的範囲に属する限り、如何なる態様であっても本発明の範囲に含まれるものである。

図１に、モータ制御装置及び方法の一態様を示す。

本発明のモータＭのモータトルクＴを制御するモータ制御装置Ａは、概略、モータ速度Ｓを求めるためのエンコーダＥＮ、微分器Ｄｉｆ、速度偏差算出器１、加算器２、減算器３、速度制限器４、速度制御器５、モータトルク制御器６などから構成されている。

ここで、モータ速度Ｓを求めるためのエンコーダＥＮと微分器Ｄｉｆは、両者でモータ速度Ｓを検出する速度検出部Ｂを構成している。なお、速度検出部Ｂの構成要素は、エンコーダＥＮと微分器Ｄｉｆからなるものだけではなく、速度を検出できればどのようなものであっても良い。

また、速度偏差算出器１と加算器２は、トルク指令に基づく速度指令算出部Ｃを、かかるトルク指令に基づく速度指令算出部Ｃと速度制限器４は、速度制限部Ｄを構成している。

このように構成されるモータ制御装置Ａには、モータＭのモータトルクＴを制御するためのトルク指令Ｔｃと、モータＭのモータ速度Ｓを制限するための速度制限指令Ｓｕｃが、外部から与えられ、所望のトルクと一定の速度制限の下でモータＭの運転が行われる。

外部から与えられた所望のトルク指令Ｔｃは、速度偏差算出器１に入力され、トルク指令Ｔｃに基づく速度偏差Ｓｄ１を算出して出力する。

トルク指令Ｔｃに基づく速度偏差Ｓｄ１には、速度検出部Ｂから出力されたモータ速度Ｓが加算器２において加算され、トルク指令に基づく速度指令Ｓｃを出力する。このトルク指令に基づく速度指令Ｓｃは、速度制限器４に入力され、そこで外部から与えられた所望の速度制限指令Ｓｕｃに基づいて速度制限が行われて、モータ速度指令Ｓｍｃを算出する。このモータ速度指令Ｓｍｃに基づき、モータＭを速度制御することとなる。

具体的には、モータＭに付けられているエンコーダＥＮの発する位置信号を微分器Ｄｉｆで微分してモータ速度Ｓが求められる。モータ速度指令Ｓｍｃとモータ速度Ｓを減算器３において減算出力した速度偏差Ｓｄ２信号を、速度制御器５に入力し、速度制御器５はモータトルク指令Ｔｍｃを算出する。モータトルク指令Ｔｍｃに基づき、モータトルク制御器６によりモータトルク指令ＴｍｃどおりのモータトルクＴがモータＭから出力される。モータＭから出力されたモータトルクＴにより回転した位置はエンコーダＥＮで検出され、モータ速度指令Ｓｍｃと一致するように速度制御ループが構成されている。

速度制御器５を比例制御器で構成し、そのゲインをＧとしたとき、速度制御ループの演算は、次式（１）、（２）に基づいて行われる。

モータ速度指令Ｓｍｃ－モータ速度Ｓ＝速度偏差Ｓｄ２ ・・・（１）
速度偏差Ｓｄ２×比例制御器のゲインＧ＝モータトルク指令Ｔｍｃ ・・・（２）

両式より、モータトルク指令Ｔｍｃからモータ速度指令Ｓｍｃを次のように逆算して求めることができる。

速度偏差Ｓｄ２＝モータトルク指令Ｔｍｃ／比例制御器のゲインＧ ・・・（３）
モータ速度指令Ｓｍｃ＝速度偏差Ｓｄ２＋モータ速度Ｓ ・・・（４）

本発明では、外部から与えられるトルク指令Ｔｃに対して、上式（３）、（４）の関係を用いて、まず、トルク指令に基づく速度指令Ｓｃを算出する。

トルク指令に基づく速度偏差Ｓｄ１＝トルク指令Ｔｃ／Ｇ ・・・（５）
トルク指令に基づく速度指令Ｓｃ＝トルク指令に基づく速度偏差Ｓｄ１＋モータ速度Ｓ ・・・（６）

そして、求められたトルク指令に基づく速度指令Ｓｃに対して、速度制限器４において速度制限指令Ｓｕｃに基づいて速度制限を行い、モータ速度指令Ｓｍｃを求める。

このモータ速度指令Ｓｍｃに基づいてモータの速度制御を行うと、

モータトルク指令Ｔｍｃ＝速度偏差Ｓｄ２×Ｇ
＝（モータ速度指令Ｓｍｃ－モータ速度Ｓ）×Ｇ

ここで、速度制限にかからない、すなわち、トルク指令に基づく速度指令Ｓｃが速度制限指令Ｓｕｃより小さい場合は、モータ速度指令Ｓｍｃ＝トルク指令に基づく速度指令Ｓｃとなるため、

モータトルク指令Ｔｍｃ＝（トルク指令に基づく速度指令Ｓｃ－モータ速度Ｓ）×Ｇ
＝｛（トルク指令に基づく速度偏差Ｓｄ１＋モータ速度Ｓ）
－モータ速度Ｓ｝×Ｇ
＝（トルク指令に基づく速度偏差Ｓｄ１）×Ｇ
＝トルク指令Ｔｃ／Ｇ×Ｇ
＝トルク指令Ｔｃ

となり、モータトルク指令Ｔｍｃはトルク指令Ｔｃと一致し、このモータトルク指令Ｔｍｃに基づきモータＭがトルク制御され、モータトルク指令Ｔｍｃ、すなわちトルク指令ＴｃどおりのモータトルクＴがモータＭから出力される。

速度制限にかかった場合、すなわち、トルク指令に基づく速度指令Ｓｃが速度制限指令Ｓｕｃ以上の場合には、モータ速度指令Ｓｍｃは速度制限指令Ｓｕｃになり、速度制限指令Ｓｕｃに基づくモータＭの速度制御が行われる。トルク指令に基づく速度偏差Ｓｄ１にモータ速度Ｓを加算して速度制限するだけなので、速度制御ループの上位に速度制限を実現するためのトルク制御ループがなく、制御ループを構成する特別な制御パラメータは必要がない。

なお、速度制限指令Ｓｕｃは一つの入力でＣＷ（時計回転方向）側とＣＣＷ（反時計回転方向）側の両方を制限してもよいし、速度制限指令を２つ設けてＣＷ側とＣＣＷ側を独立に制限してもよい。

また、速度制限指令Ｓｕｃは、モータ速度Ｓの上限を、所定の閾値、所定のテーブル値、所定の関数値等に基づいて定めることもできる。この場合、「所定の」とは、任意に定めることができることを含むことはいうまでもなく、さらに、モータ制御装置Ａ等の製造時、試験時、出荷時、使用時等いずれの時点においても任意に設定することが可能であることをも包含するものである。

以上のように、本発明では、速度制御系でのモータ速度指令Ｓｍｃからモータトルク指令Ｔｍｃを算出する計算の逆算により、トルク指令Ｔｃを基にトルク指令に基づく速度指令Ｓｃを算出し、速度制限を行ってモータ速度指令Ｓｍｃを求め、モータ速度指令Ｓｍｃを基にモータトルク指令Ｔｍｃを算出する。

また、速度制御器５のゲインＧが低い場合にも、速度制限にかかっていない時はトルク指令Ｔｃどおりのモータトルク指令Ｔｍｃが算出され、速度制御器５の比例制御器のゲインＧの影響を受けない。速度制御器５のゲインＧは、通常の運転状態でモータＭを速度制御する時に、速度ループが安定するように常法に従って調整しておけばよい。

図２に、モータ制御装置及び方法の別の態様を示す。

この態様においては、図１に示しモータ制御装置及び方法において、モータＭやそこに接続される軸や巻取り装置等の機械系に共振が生じるなど所定の場合には、ノッチフィルタＮＦやローパスフィルタＬＰＦなどのフィルタを速度制御器５の出力側に設けることが可能である。その場合には、トルク指令Ｔｃに対する応答がローパスフィルタＬＰＦ等のフィルタを追加した分低下することになる。その余の構成は、前記の一の態様と同じである。

速度制御器５を比例制御器で構成している場合には、オーバーシュートが無い。モータＭによる張力制御中に被加工物が切断された場合などは、巻出し部の回転摩擦のみのため、負荷トルクは小さく、比例制御であっても制限されるモータ速度に生じる誤差は僅かである。

以上、２つの態様を示してきたが、本発明の用途によっては、負荷が持つ負荷トルクＴｂが大きく、速度制限指令Ｓｕｃに対して負荷トルクＴｂを速度制御のゲインＧで除算した分の速度誤差が生じることがある。

その場合には、速度制御器５を比例積分制御器で構成し、速度制限にかからない場合は比例制御器として動作させ、速度制限にかかった場合に、積分制御器を有効にする。速度制限にかかった場合は、積分制御器により、負荷トルクＴｂの影響が抑制される。しかし、積分制御器から出力される値は負荷トルクＴｂを補償する分の値が出力されるのみのため、積分制御器の補償量は僅かであり、モータ速度のオーバーシュートは僅かとなる。

また、負荷トルクＴｂが大きくて回生動作も行う場合には、回生中に速度制限にかかった時に比例積分制御器の積分制御器をオフにする。速度誤差は生ずるものの、回生中に積分制御器がオンオフを繰り返してモータトルクＴの脈動を生ずるのを防止する作用が生じる。

図３及び図４に、モータ制御及びその方法の複数の態様の速度変化のシミュレーション、また、図５に、トルク指令を補正する方式の動作例の速度変化の、シミュレーション結果を示す。それぞれ、縦軸に速度の大きさを、横軸に時間の経過を示す。いずれも同じ速度制限指令Ｓｕｃの下でのグラフである。

図３では、モータ制御及びその方法の一態様において、時間Ｔが０≦Ｔ≦０．２５であるときに、負荷トルクを無とした場合の結果を示している。この時間範囲では、速度制限指令Ｓｕｃの設定どおりに速度が制限されている様子が現れている。また、０.２５≦Ｔの範囲においては、負荷トルクを有とした場合の結果を示している。この時間範囲では、後述するとおり、速度制限指令Ｓｕｃに対して負荷トルクＴｂを速度制御のゲインＧで除算した分の速度誤差が生じている。ここでの例は、あくまでも一例であるが、２９．４ｍｉｎ^-1の誤差を示している。力行時においては、かかる誤差の分だけ低く制限され、回生時においては、かかる誤差の分だけ高く制限されることとなる。

一図飛んで図５には、前記モータ制御及び方法との比較のため、特許文献１のトルク指令を補正する方式の動作例を示している。時間Ｔが０≦Ｔ≦０．２５であるときに、負荷トルクを無とした場合の結果を示している。また、０.２５≦Ｔの範囲においては、負荷トルクを有とした場合の結果を示している。何れの力行時においても、速度の立ち上がり時に、２９０ｍｉｎ^-1、２６５ｍｉｎ^-1などの大きなオーバーシュートが生じており、また、回生時でトルク指令が０になると、速度の制限が行われない状況が生じている。オーバーシュートが大きいのは、トルク指令を打消すだけの大きさの速度ループからのトルク指令が出力されて速度が制限される仕組みであることから、大きな打消しトルク指令が出るまでの時間遅れの存在によるものである。

図４には、モータ制御及びその方法の別の態様の速度変化のシミュレーション結果を示している。この態様は、速度制御器を比例積分制御（ＰＩ制御）が行えるように構成し、速度制限値に至らない場合には比例制御（Ｐ制御）として作動させることを可能としたもので、速度制限に至った場合には、積分制御器を有効にして速度比例積分制御（ＰＩ制御）を行わせるようにしたものの動作例を示している。時間Ｔが０≦Ｔ≦０．２５であるときに、負荷トルクを無とした場合の結果を示している。この時間範囲では、速度制限にかかった時に、積分制御器が作動するが、トルクの打消しを行っていないため、３０ｍｉｎ^-1のオーバーシュートにとどまっている。また、０.２５≦Ｔの範囲においては、負荷トルクを有とした場合の結果を示している。この時間範囲でも速度制限にかかった時に積分制御器が動作するためオーバーシュートを生ずるが、図５に示すトルク指令を補正する方式の動作例と比べると、オーバーシュートの量は相当少ない。

以上のように、本発明の態様においては、いずれも、特別なパラメータの調整が不要で、トルク指令の極性やモータの回転方向によらず速度を制限でき、速度制限時のオーバーシュートが小さく、速度制限にかからない場合は、トルク指令通りのモータトルクを出力できるモータの制御装置を実現することができる。

上述した各態様は、いずれも本発明の一態様を示すものであって、本発明自体がそれらの態様によって示される具体的な構成に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載された事項に基づき当業者が想定し得るものはすべて含まれるものである。

Ｍ ・・・モータ
Ｓ ・・・モータ速度
Ｔ ・・・モータトルク
Ａ ・・・モータ制御装置
ＥＮ ・・・エンコーダ
Ｄｉｆ ・・・微分器
１ ・・・速度偏差算出器
２ ・・・加算器
３ ・・・減算器
４ ・・・速度制限器
５ ・・・速度制御器
６ ・・・モータトルク制御器
Ｂ ・・・速度検出部
Ｃ ・・・トルク指令に基づく速度指令算出部
Ｄ ・・・速度制限部
Ｔｃ ・・・トルク指令
Ｓｕｃ ・・・速度制限指令
Ｓｄ１、Ｓｄ２ ・・・速度偏差
Ｓｃ ・・・トルク指令に基づく速度指令
Ｓｍｃ ・・・モータ速度指令
Ｇ ・・・速度制御器のゲイン
Ｔｍｃ ・・・モータトルク指令
Ｔｂ ・・・負荷トルク
ＮＦ ・・・ノッチフィルタ
ＬＰＦ ・・・ローパスフィルタ

Claims (6)

1. 外部から与えられた、トルク指令と速度制限指令に基づいて、速度を制限しながらモータのトルクを制御するモータ制御装置であって、
   前記モータ制御装置は、
   前記モータの速度を検出する速度検出部と、
   前記トルク指令に基づいてトルク指令に基づく速度指令を算出し、前記トルク指令に基づく速度指令に制限を加えたモータ速度指令を出力する速度制限部を有し、
   前記速度制限部は、前記トルク指令から前記トルク指令に基づく速度指令を算出する速度指令算出部と、前記トルク指令に基づく速度指令に前記速度制限指令に基づく速度制限を加えて前記モータ速度指令を出力する速度制限器と、を備え、
   前記トルク指令に基づく速度指令算出部は、前記トルク指令に基づき速度偏差を算出する速度偏差算出器と、前記速度偏差に前記速度を加算して前記トルク指令に基づく速度指令を出力する加算器とを有し、
   さらに、前記モータ速度指令と前記モータの前記速度との速度偏差に基づいてモータトルク指令を算出する速度制御器と、
   前記モータトルク指令に基づいてモータトルクを制御するモータトルク制御器と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記速度制限指令は、前記モータの前記速度の上限が、所定の閾値、所定のテーブル値又は所定の関数値に基づいて定められるものである、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記速度制御器は、比例制御器または比例積分制御器の少なくとも一方を有する、請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 外部から与えられた、トルク指令と速度制限指令に基づいて、速度を制限しながらモータのトルクを制御するモータ制御方法であって、
   前記トルク指令に基づき速度偏差を算出し、
   前記速度偏差に前記モータの前記速度を加算することによってトルク指令に基づく速度指令を出力し、
   前記トルク指令に基づく速度指令に前記速度制限指令に基づく速度制限を加えてモータ速度指令を出力し、
   前記モータ速度指令と前記モータの前記速度との速度偏差に基づいて、速度制御器により、モータトルク指令を算出し、
   前記モータトルク指令に基づいてモータトルクを制御する、
   ことを特徴とするモータ制御方法。
5. 前記速度制限指令は、前記モータの前記速度の上限が、所定の閾値、所定のテーブル値又は所定の関数値に基づいて定められるものである、請求項４に記載のモータ制御方法。
6. 前記速度制御器は、トルク制御中は比例制御を、速度制限中は比例積分制御を行うものである、請求項４又は５に記載のモータ制御方法。

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