JPH0152998B2

JPH0152998B2 -

Info

Publication number: JPH0152998B2
Application number: JP56138487A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Takahashi; Kunio Myashita; Hiroshi Hayashida; Shigeki Morinaga; Junshiro Inamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-09-04
Filing date: 1981-09-04
Publication date: 1989-11-10
Also published as: JPS5843194A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は動作軸の回転を測定する指速発電機を
有し、かつ電動機を所定の速度で駆動するための
インバータ回路を有するモータの速度制御方法に
関する。

〔従来の技術〕

直流電動機の速度制御を精度良く行なうために
電動機又は駆動軸にエンコーダのような指速発電
機を取付け、この出力をフイードバツクして速度
を一定にする比例制御の方法が従来から知られて
いる。しかし、この方法は速度指令値とエンコー
ダ又は指速発電機で検出した実速度の偏差成分を
フイードバツクするため、どうしても偏差成分を
零にできず、指令値とモータ速度の間に誤差が生
じていた。これを解決する方法としては速度指令
値とモータ速度との偏差に比例したフイードバツ
クを行なう比例制御に、上記偏差成分を積分して
得られる量をフイードバツクする積分制御を併用
して制御する方法も知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

一方モータの負荷はモータ軸の慣性モーメント
あるいは負荷トルクによつて大きく変動する。そ
のため従来装置ではその都度モータを負荷装置と
直結して、制御ループゲインや積分項の定数等を
調整して起動時のオーバシユート又はアンダーシ
ユートを減じ、できるだけスムーズに速度が立上
るようにしていた。また、モータの電源電圧が変
化した場合、制御ループのゲインが変化したと等
価となり、その都度ゲインを再調整するか、ある
いは電圧を検出してゲインを自動調整する回路を
付加する必要があつた。

本発明の目的は負荷あるいは負荷の慣性又はモ
ータに印加する電圧等が変化しても、最短時間で
定速まで起動できると共に起動時のオーバシユー
ト又は振動等のない速度制御方法を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

前記に着目し、本発明は、前記モータの起動初
期に速度変化量と時間の関係に基づいて加速度α₁
を測定すると共に、この加速度検出後の起動領域
内において減速度を検出するのに充分な一定時間
モータの駆動を停止してそのときの速度変化量か
ら減速度α₂を測定し、このように測定された加速
度をα₁、減速度をα₂、およびモータトルクをT_M
とするとき、負荷トルクTlを、 Tl＝α₂／α₂−α₁・T_M によつて求め、この負荷トルクTlとモータの発
電常数Knとに比例させて積分項を起動終了時に
定常時の積分項の値に合わせるように補正するよ
うにしたモータの速度制御方法にある。

〔実施例〕まず、速度制御に関する要素を考える。最初に
速度指令値Ncがある。これはモータの速度をあ
る値に制御する目標値である。次にモータ軸の速
度を検出するエンコーダ又は指速発電機から得ら
れるモータの速度Ｎがある。さらに負荷トルク、
モータの逆起電力に対応する電圧成分とがあり、
この成分をΣk_eとする。これらによるモータに加
わる回路の出力電圧Voutは(1)式で表わされる。

V_put＝G₁（Nc−Ｎ）＋Σk_e ……(1) (1)式の右辺第１項は比例項と言つて、速度Ｎが
速度指令値Ncとの差が大きい場合、すなわち加
速度はモータ出力Voutの中の支配的な値である
が、速度Ｎが指令値Ncと等しくなるとこの項は
零となる。G₁はこの項の定数でゲインである。
したがつて起動時にはこの項が支配的に大きな値
となつてモータを加速する。デジタル制御を行な
う場合を含め第２項は負荷トルクと、モータの速
度起電力に対応する前回の積分項の値をΣk_eo-1と
すると現在のΣk_eoは次式で与えられる。

Σk_eo＝Σk_eo-1＋K_d ……(2) K_dは指令値Ncと速度Ｎによつて与えられる値
である。

このような制御では(1)式の右辺第１項は加速ト
ルクを発生させる働きを行ない、定常状態では零
となる。また、第２項は負荷トルク及びモータの
逆起電力に対応する項で加速時に積分され、定常
状態ではある一定値Σk_e1となる。この結果より、
加速終了時点でΣk_eの値が定常状態の値Σk_e1に等
しければ速度はすぐに安定する。

また、DCモータの発電定数をK_o（Ｖ／rpm）
として、モータの定常状態の速度をN₁（rpm）、
モータの電機子抵抗をＲ（Ω）、負荷トルクをTl
（Kg・ｍ）、トルク定数をK_T（Kg・ｍ／Ａ）とする
と定常状態でモータに必要な電圧Vtは次式で与
えられる。

V_t＝K_o・N₁＋R_x・Tl／K_t ……(3) いま簡単のため(2)式のK_dを一定値としてK_d1と
おく。加速時間をt₁とすると、(1)式の積分項は加
速終了時に次の式で示される。

Σk_e＝K_d1・t₁ ……(4) 理想的に加速を行なうとすると(3)式と(4)式が等
しくなることが条件である。すなわち K_o・N₁＋R_x・Tl／K_t＝K_d1・t₁ ……(5) 加速度をα₁とすると K_o・N₁＋Ｒ・Tl／K_t＝K_d1・Ｎ／α₁ ……(6) (6)式よりK_d1を求めると(7)式が得られる。

K_d1＝α₁（K_o＋Ｒ・Tl／N₁K_t） ……(7) すなわち、もとに戻り(1)式の積分項Σk_eに関す
るK_d1は(7)式のように加速度α₁と負荷Tlがわかれ
ば決定される。これは負荷対応として負荷慣性は
加速度α₁で測定し、これに見合つたK_d1を計算す
れば負荷慣性の変化に対応可能である。慣性に比
べて負荷Tlが小さいような場合は定常状態では
逆起電力に対する項、すなわち(6)式左辺第１項の
みを考えれば良くK_d1は(8)式のようになる。

K_d1＝α₁・K_o ……(8) 負荷適応を速度制御に取り入れる最も簡単な考
え方は(8)式のように加速度α₁を測定することによ
り(1)式の積分項に関するK_dを補正して起動すれ
ば最短時間で安定な起動が終了し、この時の積分
項の値Σk_eが定常状態での逆起電力に対する値
Σk_e1と等しくなり、モータ速度Ｎが短時間で定
常速度N₁になる。

慣性に対するモータトルクに比べて負荷トルク
が大きな場合は上記の方法でも最短時間の安定な
起動は難しい。そこで負荷トルクTlを測定し、
安定して最短時間で起動できる方法を次に説明す
る。この方法は、起動領域内で短時間モータを減
速する方法である。モータがある速度で回転して
いる場合にモータの駆動を中止すると、モータは
負荷トルクTlに応じて減速する。負荷慣性をＪ
とすると減速度α₂は(9)式で求められる。

α₂＝−Tl／Ｊ ……(9) 同様に加速度α₁はモータのトルクをT_Mとする
と(10)式で表わされる。

α₁＝T_M−Tl／Ｊ ……(10) (9)式と(10)式より(11)式が導かれる。

Tl＝α₂／α₂−α₁・T_M ……(11) モータのトルクT_Mはモータ電流をＩとすると
(12)式で表わされ、この関係を(7)式に代入すると、 T_M＝K_T・Ｉ ……(12) （13）式のようになる。

K_d1＝α₁（K_o＋α₂／α₂−α₁×Ｒ・Ｉ／N₁）……（1
3）これは負荷慣性および負荷トルクが変動しても
加速度α₁と減速度α₂を測定し、これに見合つた
K_d1を計算すれば負荷変動に対応可能である。負
荷に適応した速度制御によつて最短時間で設定速
度に加速するためには（13）式のように加減速
α₁、減速度α₂を測定することにより(1)式の積分項
に関するK_dを補正して起動すれば安定な起動が
終了し、この時の積分項の値Σk_eが定常状態での
逆起動電力に対する値（定常値）Σk_e1と等しく
なり、モータ速度Ｎが短時間で定常速度N₁にな
る。このようすを第１図と第２図で説明する。第
１図は(8)式の補正のみの場合を示したもので、破
線は積分項に関するK_dを補正しない場合で、実
線は補正を行つた場合を示す。第１図の例は負荷
慣性および負荷が小さくなつた場合でモータ速度
の立上りが早くなつた例である。K_dの補正を行
なわない破線の場合ではモータの速度Ｎが定常値
に近づいて比例項G₁（N₁−Ｎ）が小さくなつて
も、積分項Σk_eの値が定常値Σk_e1に達しないため
モータ速度Ｎも定常値にならず、積分項Σk_eが定
常値になる時間t₂までモータ速度が安定しない。
これに対して実線で示した積分項に関するK_dを
(8)式に従つて補正する方法では、モータの速度Ｎ
がある時間ts₁内にNs₁になつていれば加速度α₁は
Ns₁／ts₁で求めることができ時間ts₁を十分小さ
い値に選べばts₁時点で積分項に関する値K_dをK_d1
に修正してΣk_eの傾きを実線のようにする。この
ようにするとモータの速度Ｎが定常値N₁に近づ
くと積分項Σk_eも定常値Σk_e1に近づく。したがつ
て加速（起動）時間t₁はt₂より相当小さくでき
る。

次に第２図は第１図にさらに（13）式の補正を
行つた場合である。破線は(8)式の補正を行つた場
合を示し、実線は（13）式の補正を行つた例であ
る。（13）式の例ではts₁ではモータ速度Ns₁を測
定し、ts₂〜ts₃までの時間Δtの間だけモータの駆
動を切り、モータの速度が低下するΔNを測定す
ることにより減速度α₂を測定し（13）式の計算を
行つて実線のように積分項に関するK_d1の補正を
行なう。このようにすればモータ速度Ｎが定常値
N₁に達すると積分項Σk_eも定常値Σk_e1に達し比例
項G₁（Nc−Ｎ）は零となるためモータの速度は
スムーズに定常状態に移る。したがつてモータの
起動時間はt₃で破線のt₁より短縮できる。

次に最短時間で起動を行なわせる別の例を説明
する。(11)式と(12)式を(3)式に代入すると（14）式に
なる。

V_t＝K_o・N₁＋α₂／α₂−α₁Ｉ・Ｒ ……（14）この式はモータが定常状態での必要な電圧を与
える式である。したがつて、積分項Σk_e1の値そ
のものが（14）式で与えられることになるので、
モータ速度Ｎが定常時N₁に達した時に（14）式
の値をΣk_e1として入れてやれば起動時に積分項
に関するK_dの補正を実行しながら積分する手間
もはぶける。この様子を第３図に示す。第３図で
起動時に最大出力V_putnで起動させ、時間ts₁にお
ける加速度α₁を測定し、次に出力V_putを短い時間
Δtだけオフしその時の減速度α₂を測定し、この
値により（14）式を計算し定常時必要な電圧V_t
を求める。モータ回転数（速度）Ｎが定常回転数
（速度）N₁になつた時点で出力V_putをオフして、
積分項Σk_eに（14）式で求めた値を入れる。この
値がΣk_e1に等しい値で、起動が最短時間で完了
する。

第４図は本発明の構成の１例を示すもので、電
源１に４個のトランジスタ２０〜２３をＨ形ブリ
ツジ状に接続したトランジスタインバータ回路
INVおよびダイオード２４〜２７のブリツジ回
路を接続している。トランジスタはサイリスタあ
るいはGTO等の半導体素子でもよい。電源１の
正極側にはトランジスタ２０，２２のコレクタお
よびダイオード２４，２６のカソードを接続し、
負極側にはトランジスタ２１，２３のエミツタお
よびダイオード２５，２７のアノードを接続して
いる。トランジスタ２０のエミツタはトランジス
タ２１のコレクタおよびダイオード２４のアノー
ド、２５のカソードと共にモータ２の１端子に接
続し、モータ２の他端はトランジスタ２２のエミ
ツタ、２３のコレクタおよびダイオード２６のア
ノード、２７のカソードに接続している。

モータ２の軸には負荷３およびエンコーダが取
付けられ、エンコーダ４の出力である回転信号１
０は速度検出回路５に入力されている。速度検出
回路５の出力であるモータの速度（信号）Ｎはマ
イクロコンピユータ回路６に入力される。さらに
マイクロコンピユータ回路６には外部装置より、
速度指令値Ncおよび正逆転指令値１６、スター
ト指令値１７が入力される。マイクロコンピユー
タ回路からはトランジスタ２０〜２３をチヨツピ
ング制御する場合のデユーテイを決めるデユーテ
イ信号１２とモータに正転トルク、逆転トルクを
発生させる正逆転信号１３が出力され、ドライブ
回路７に入力されている。ドライブ回路７の出力
である正転出力１４はトランジスタ２０，２３の
ベースに、逆転出力１５はトランジスタ２１，２
２のベースにそれぞれ接続されている。

以上のような構成における動作は次のようにな
る。マイクロコンピユータ回路６に速度指令値
Ncおよび逆転指令値１６、スタート指令値１７
を与えると、モータの速度Ｎを速度検出回路５か
ら取込んで指令値Ncと比較し、その差に応じた
誤差値（比例項）を計算する。また、誤差値によ
り、積分項を計算し、これらをもとにモータに加
える電圧を決定し、チヨツピングのデユーテイと
してデユーテイ信号１２を出力すると共にモータ
の回転方向を決定して正逆転信号１３を出力す
る。これにより、ドライブ回路７が動作し、正転
の場合はトランジスタ２０，２３をデユーテイ信
号１２に応じてオンしモータ２を回転させる。

起動初期はモータ速度Ｎが低いので、指令値
Ncとの差が大きく、積分項の値Σk_eも十分小さ
いのでモータをオンするデユーテイ信号１２が(1)
式のG₁（Nc−Ｎ）によつて決まり、大きなデユ
ーテイ信号となつてモータを加速する。モータが
速度指令値Ncに近づくとゲイン（比例項）G₁
（Nc−Ｎ）が小さくなり、積分項Σk_eが増加し、
起動が完了した時点では速度指令値Ncとモータ
速度Ｎが等しくなる。丁度この時点で積分項の値
Σk_eが定常値Σk_e1になるように積分項を補正する
のでモータはスムーズに定常速度N₁におちつく。

第４図の各ブロツクをさらに詳しく説明する。
速度検出回路５は、例えば第５図のようなカウン
タ５１とラツチ５２によつて構成される。第５図
においてカウンタ５１のクロツク入力にはエンコ
ーダ４からの回転信号１０が入力され、カウンタ
５１のイネーブル端子には一定時間のイネーブル
信号５３およびリセツト端子にはリセツト信号５
４が入力されている。カウンタ５１の出力S₀〜S_o
はラツチ５２の入力に入つており、ラツチ５２の
出力が速度信号Ｎとしてマイクロコンピユータに
取り出される。ラツチ５２にはストローブ信号５
５が入力されている。この動作は第６図のタイム
チヤートに示すようにカウンタ５１はイネーブル
信号５３がある間動作し回転信号１０をカウント
し、出力S₀〜S_oに信号を出力する。次にラツチ５
２のストローブ信号５５により、S₀〜S_oの内容を
ラツチ５２でラツチし、次の瞬間リセツト信号５
４によりカウンタ５１をリセツトし次の計数にそ
なえる。したがつてある一定時間のイネーブル信
号５３の間の回転信号１０を計数しており、モー
タ速度に比例した値が速度信号Ｎとして得られ
る。

次にドライブ回路７は第７図のようにインバー
タゲート７１とアンドゲート７２，７３により構
成されている。デユーテイ信号１２はアンドゲー
ト７２，７３の一方の入力に接続し、アンドゲー
ト７２の他方の入力には正逆転信号１３を、アン
ドゲート７３の他方の入力にはインバータゲート
７１を通して接続してある。このように構成する
と第８図に示すようにアンドゲート７２の出力は
正逆転信号１３が「１」レベル時のみデユーテイ
信号１２が表われ、正回転出力１４となる。また
アンドゲート７３の出力は正逆転信号１３が
「０」レベル時のみデユーテイ信号１２が表われ、
逆転出力１５となる。

マイクロコンピユータ回路６は中央処理装置、
RAM、ROM、入出力等から構成され、ROM内
に記録されたプログラムによつて動作する。第９
図にこの動作ブロツクを示す。外部装置から速度
指令Ncおよびスタート指令１７、正逆転指令１
６を受けて、モータ速度Ｎを読込んで速度比較を
行ない、指令値Ncとモータ速度Ｎの差から(1)式
の右辺第１項の比例項G₁（Nc−Ｎ）を計算し、
ある一定時間での速度より加速度を計算して積分
項の計算を行ない、デユーテイを計算すると共に
正逆転を決定して、デユーテイ信号１２と正逆転
信号１３を出力する。

本発明の動作を第１０図のフローチヤートで説
明する。第４図のスタート指令値１７が入るとフ
ローチヤートがスタートする。まず、加速度α₁を
測定するための基準時間ts₁と(1)式の積分項に関
するK_dの値を設定する。次に速度指令値Nc、モ
ータの速度Ｎ、正逆転指令R_wを読込み、(1)式の
比例項の計算を行なう。そして速度指令Ncとモ
ータ速度Ｎの差が零かどうか、すなわちモータ速
度Ｎが定常速度N₁に達したかどうかを調べ、定
常速度N₁であれば積分項のΣk_eは前のままで、こ
れに見合つたデユーテイD_tと正逆転信号Ro１３
を出力し、ふたたび速度指令Nc、モータ速度Ｎ、
正逆転指令R_wを読込んで同じ動作をくり返す。
モータ速度Ｎが指令値Ncと等しくない場合に起
動開始からの時間が始めに設定したts₁に等しい
かどうか調べて等しければこの時のモータ速度
Ns₁から加速度α₁を計算する。もし、起動開始か
らの時間が設定値以外であれば加速度α₁の計算と
K_dの補正は行なわない。次にΣk_eの計算を(2)式の
ように行つて積分項の値を得て、この値をメモリ
し、次のくり返し計算に用いる。

加速度α₁の計算が終わると、次に減速度α₂を測
定するためデユーテイD_tを零にする。この一定
時間Δtの間だけ経過すると一定時間Δtの間の減
速度α₂を計算し、積分項に関するK_dの補正を行
つて、Σk_eの計算を行なつてデユーテイD_tの計算
に入る。起動が完了すると速度Ｎが指令速度Nc
と等しくなり、加速度α₂、減速度α₂の計算は行な
わない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、モータの
動作軸に取付けたエンコーダ、このエンコーダか
らの信号を基にモータの速度を検出する速度検出
回路を具備し、この速度検出回路から得られたモ
ータ速度の出力信号とモータに与えられる速度指
令値を比較し、後者の速度指令に合せた速度でモ
ータを運転するためのトランジスタインバータか
らなるドライバを有し、前記速度指令値とモータ
速度の出力信号の差に基づいた比例項と、同じく
この差を時間積分して得られた積分項の和によつ
て前記インバータを構成するトランジスタのデユ
ーテイ（通流率）を制御し、前記モータを指令さ
れた速度に速度制御するものにおいて、前記モータの起動初期に速度変化量と時間の関
係に基づいて加速度α₁を測定すると共に、この加
速度検出後の起動領域内において減速度を検出す
るのに充分な一定時間モータの駆動を停止してそ
のときの速度変化量から減速度α₂を測定し、この
ように測定された加速度をα₁、減速度をα₂、およ
びモータトルクをT_Mとして、負荷トルクTlを、 Tl＝α₂／α₂−α₁・T_M によつて求め、この負荷トルクTlとモータの発
電常数K_oとに比例させて積分項を起動終了時に
定常時の積分項の値に合わせるように補正するよ
うにしたので、定常運転までの立上り時間が最短
で、かつ安定な規動が可能となる。特に減速度α₂
の検出により負荷トルクTlを測定することがで
きるので負荷トルクが大幅に変化した場合も最短
時間で安定な起動が可能になり、更には負荷慣性
が変化した場合にも同様に対応可能であるという
効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の起動特性の１例である。第２図
は本発明の起動特性の１例である。第３図は本発
明の起動特性の他の例である。第４図は本発明の
ハード構成の１例である。第５図は本発明の速度
検出構成の１例である。第６図は本発明の速度検
出回路の動作説明図、第７図は本発明のドライブ
回路の１例である。第８図は本発明のドライブ回
路の動作説明図、第９図は本発明のマイクロコン
ピユータの動作ブロツク図である。第１０図は本
発明の１例を示すフローチヤートである。 Nc……速度指令値、Nc₂……仮起動の速度指
令値、Ｎ……モータ速度、N₁……モータ定常速
度、G₁……ゲイン等で決まる定数、K_d……積分
項に関する被積分値、Σk_e……積分項の値、Σk_e1
……モータ定常速度時の積分項の値、Σk_e0……
仮起動の積分項の最終値、１……電源、２……モ
ータ、３……負荷慣性および負荷、４……エンコ
ーダ、５……速度検出回路、６……マイクロコン
ピユータ、７……ドライブ回路、２０〜２３……
トランジスタ、２４〜２７……ダイオード、D_t
……チヨツピングのデユーテイ、R_w……正逆転
指令、R₀……正逆転信号。

Claims

【特許請求の範囲】１モータの動作軸に取付けたエンコーダ、この
エンコーダからの信号を基にモータの速度を検出
する速度検出回路を具備し、この速度検出回路か
ら得られたモータ速度の出力信号とモータに与え
られる速度指令値を比較し、後者の速度指令に合
わせた速度でモータを運転するためのトランジス
タ等の半導体素子のインバータからなるドライバ
を有し、前記速度指令値とモータ速度の出力信号
の差に基づいた比例項と、同じくこの差を時間積
分して得られた積分項の和によつて前記インバー
タを構成する半導体素子のデユーテイ（通流率）
を制御し、前記モータを指令された速度に速度制
御するものにおいて、前記モータの起動初期に速度変化量と時間の関
係に基づいて加速度α₁を測定すると共に、この加
速度検出後の起動領域内において減速度を検出す
るのに充分な一定時間モータの駆動を停止してそ
のときの速度変化量から減速度α₂を測定し、この
ように測定された加速度をα₁、減速度をα₂、およ
びモータトルクをT_Mとするとき、負荷トルクTl
を、 Tl＝α₂／α₂−α₁・T_M によつて求め、この負荷トルクTlとモータの発
電常数Knとに比例させて積分項を起動終了時に
定常時の積分項の値に合わせるように補正するよ
うにしたことを特徴とするモータの速度制御方
法。