JPH04140086A - 電動機の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電動機の制御方法および制御装置に係り、特
に電動機と負荷間の機械軸系にねじり振動を伴う低剛性
な負荷機械を駆動する電動機の速度制御方法および制御
装置に関する。

〔従来の技術〕

低剛性な負荷機械を駆動する電動機の速度制御方法とし
て、文献（電気学会論文誌Ｄ　産業応用部問語１０７巻
８号第１０１０頁〜第１０１７頁、昭和６２年８月）に
、状態推定オブザーバや規範モデルを用いた３方式を挙
げ、同−設計基準で設計した場合の各方式の振動抑制効
果と応答性の特性比較を行った記載がある。

例えば、速度制御系を積分比例制御（以下、ＩＰ制御と
いう）と比例制御（以下、Ｐ制御とし１う）について、
状態オブザーバを用いた状態フィードバック方式とモデ
ル追従制御方式とを同−設計基準に沿って設計し、それ
らの特性について比較した記載がある。これによれば、
軸のねしり振動を抑制するとともに、外乱に対する速度
変動を低減するには、電動機イナーシャＪＭと負荷イナ
ーシャＪＬとの比をとり、ＪＬ／ＪＭ＜１の機械系では
Ｐ制御＋モデル追従制御方式が、一方ＪＬ／ＪＭ＞１の
機械系ではＩＰ制制御状状態フィードバック方式効果的
であることが記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記文献では、軸のねじり振動抑制制御（以下
、単に軸振助動抑制制御とし１う）と、速度応答性との
それぞれを個別に最適化することについては配慮されて
いない。

つまり、一般に、ＩＰ制御に比べて比例積分制御（以下
、ＰＩ制御という）の方が、高速化し易いとされている
。しかし、軸振動抑制制御の補償条件によって、速度制
御系の応答速度が制限を受ける。そのため、高速応答化
が妨げられるので、目標とする速度制御特性を満たすこ
とができないという問題がある。

また、電動機速度の検出値から、比例要素を含む補償伝
達関数を介してトルク制御回路へ加える振動抑制制御方
式では、Ｐ制御に適用すると、速度指令に対してオフセ
ットが発生するという問題がある。この点は、Ｐ１制御
においても、定常状態では速度指令値と一敵するが、速
度の立上り時に一時的にオフセットが発生するため、滑
らかな目標応答特性が得られないという問題、及びオー
バシュートが発生するという問題がある。

本発明の目的は、ねじり振動性負荷を駆動する電動機の
速度制御において、振動抑制制御により系の安定化を図
るとともに、速度の応答性に関し振動抑制制御の影響を
受けずに高速な制御特性を得ることができる電動機の制
御方法および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〕

上記目的を達成するため、本発明の制御方法は、制御対
象電動機の速度検出値と速度指令値の偏差を少なくとも
積分処理して、その偏差を零にするトルク指令値を生成
し、このトルク指令値に基づいて前記電動機のトルクを
制御する電動機の制御方法において、前記速度検出値に
含まれる振動成分を打ち消す振動抑制トルク指令値を生
成し、この振動抑制トルク指令値により前記電動機のト
ルク指令値咎補正するとともに、目標速度応答特性を表
す伝達関数の比例値と微分値の少なくとも一方に前記速
度指令値を乗じ、この乗じて得られる値の加算値に基づ
いて前記電動機のトルク指令値を補正することを特徴と
する。

また、本発明の制御装置は、制御対象電動機の速度検出
値と速度指令値の偏差を入力し、その偏差を零にすべく
少なくとも積分処理を含む制御処理によりトルク指令値
を生成する速度制御回路と、この速度制御回路から出力
されるトルク指令値に基づいて前記電動機の発生トルク
を制御するトルク制御回路とを含んでなる電動機の制御
装置において、前記速度検出値に含まれる振動成分を打
ち消す振動抑制トルク指令値を生成して前記電動機のト
ルク指令値を補正する振動抑制回路と、前記速度指令値
を入力し、この速度指令値と目標速度応答特性を表す伝
達関数の比例値と微分値の少なくとも一方とを乗じ、こ
の乗じて得られる値の加算値に基づいて補償トルク指令
値を生成して、前記電動機のトルク指令値を補正する補
償回路とを設けたことを特徴とする。

また、振動抑制回路は、比例要素と微分要素の少なくと
も一方の要素を有し、その要素に前記検出速度を入力し
てその出力を加算して振動抑制トルク指令値を生成し、
この振動抑制トルク指令値により前記電動機のトルク指
令値を補正するものとするのが望ましい。

また、前記補償回路は、目標速度応答特性の微分値を伝
達関数とする第１の要素と、目標速度応答特性を伝達関
数とする第２の要素との少なくとも一方の要素を有し、
その要素に前記速度指令を入力して補償トルク指令値を
生成し、その補償トルク指令値または加算値に基づいて
前記電動機のトルク指令値を補正するものとするのが望
ましい。

〔作用〕

このように構成されることから、本発明によれば、次の
作用により上記目的が達成される。

すなわち、振動抑制トルク指令値は、速度検出値に含ま
れる振動成分を打ち消すトルク指令値であることから、
これで電動機のトルク指令値を補正することにより、負
荷のねじり軸振動の反対１−ルクが加わることになり、
振動が抑制される９また、振動抑制回路を比例要素と微
分要素の少なくとも一方の要素を有して構成したものに
よれば、速度検出値から電動機の発生トルクに至る伝達
関数を考慮して、振動抑制に適した比例ゲインまたは微
分ゲインを決定する。

一方、目標速度応答特性を表す伝達関数の比例値に速度
指令値を乗じ、この乗して得られる値に基づいて前記電
動機のトルク指令値を補正することにより、速度制御系
の積分処理、および振動抑制制御系の処理によるオフセ
ットとオーバシュートが打ち消される。また、目標速度
応答特性を表す伝達関数の微分値に速度指令値を乗じ、
この乗じて得られる値に基づいて前記電動機のトルク指
令値を補正することにより、速度制御系の積分処理によ
り遅れるトルクパターンを補償して所望の加速トルクを
与えることができ、目標の速度応答が得られる。なお、
この補償系は、速度指令に基づいて作動するため、制御
系の内部状態を変えることがないので、上記振動抑制効
果も最適に保持できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図に、本発明の一実施例の電動機制御装置が適用さ
れた電動機制御システムの主要部を、機能ブロック図で
示す。図示のように、速度制御回路１は入力される速度
指令ωＲと電動機の速度検出値ωＮの偏差を零にするよ
うに、電動機が発生すべきトルクを計算して、基本トル
ク指令τＲ３を出力する。この基本トルク指令τＲ５に
対し、振動抑制回路１１と、補償回路１２からそれぞれ
出方される振動抑制トルク指令τＲＣと補償トルク指令
τＲＦとが、加算回路２と３において、それぞれ加算さ
れて最終的なトルク指令τＲとされる。このトルク指令
τＲに基づいてトルク制御回路４は、インバータ５を介
して電動機６の電動機電流を制御することによって、電
動機の発生トルクτＨを制御する。この電動機６には低
剛性のねしり要素７を有する軸を介して、圧延機やロボ
ッ°トアーム等の負荷８が連結されている。一方、電動
機６の速度ωＨ′は速度検出器９により検出され、速度
検出回路１０で処理された速度検出値ωＨが前記速度制
御回路１と振動抑制回路１１に入力される。

振動抑制回路１１は入力される速度検出値ωＨに含まれ
る軸のねじり振動成分に応じた振動抑制補償トルク指令
τＲＣを算出して、前述したように基本トルク指令τｌ
（Ｓに加算する。言い換えれば、振動抑制回路１１は、
負荷８の振動を抑制するように、電動機６に逆の振動を
与える。一方、補償回路１２は入力される速度指令ωＲ
に基づいて、速度制御回路１や振動抑制回路１１のオフ
セット、オーバーシュート、応答性等を補償する補償ト
ルク指令τＲＦを算出し、前述したように、基本トルク
指令τＲ３に加算する。この補償回路１２が本発明の特
徴部である。

第２図に、第１図実施例を具体化した実施例を示して詳
しく説明する。第２図実施例は、第１図実施例をＩＰ制
御系に適用した場合のブロック線図を、ラプラス演算子
Ｓを用いて表わしたものである。なお、第１図と対応す
るブロックに同一符号を付している。各ブロックの伝達
関数はそれぞれ図中に示したとおりである。なお、速度
検出回路１０は遅れがないものとして、変換ゲインＦｎ
で表わしている。

ここで、問題とした振動抑制効果と速度応答限界との関
係について説明する。振動抑制効果は、速度検出値ωＨ
から発生トルクでＨに至る伝達関数を（比例十微分）要
素にすればよいことが判っているので、次式（１）で表
わせる。

＝に工’　　＋に２’　　ｓ　　　　　　　　　・・・
・・　（１）また、トルク制御回路４は制御遅れの影響
が小さく、はとんどがゲインであること、さらに速度制
御回路１がＩＰ制御系であることを考えると、ブロック
Ｉ　／　ｓ　１３がフィルタ作用をするので、変動周波
数が高いωＨの変動が吸収されることを加味すると、振
動補償回路１１の比例要素にユ２１と微分要素に２ｓ２
２は、上記（１）式と第２図から、次式（２）、（３）
になる。

ｋ工’　＝Ｐ十に、　　　　　　　　　　・・・・・（
２）ｋ２′二に２　　　　　　　　　　　　・・・・・
・（３）ただし、ｋ□′、に２′は振動抑制効果に応じ
て決定されるゲインであり、Ｐはブロック１４のゲイン
である。

したがって、補償回路１２が無いものとしたときの速度
応答ωＭ／ωＲは、次式（４）で表わす２次系のものと
なる。なお、式（４）では式を簡単にするためトルク制
御回路４の応答が十分に速いものとして、伝達関数を１
　／　ｓに近似したものとなっている。

（４）式より、制御特性を表わす応答性ωｎ（振動周波
数）と振動減衰定数ζはそれぞれ次式（５）％式％） 式（５）と（６）から、応答性の限界について、次のこ
とがいえる。すなわち、圧延機などのように、速度のオ
ーバシュートを数％以下にすることが要求されるシステ
ムでは、通常ζを約０．７以上に設定するが、式（６）
のＰ＋によとに２は振動抑制の条件により決まってしま
うので、ζを大きくしようとすると速度制御回路１の積
分ゲイン■を大きくできなくなる。したがって、式（５
）で表わされる応答性ω。が制限を受け、高速応答化に
限界が生しる。

本発明は、上記の応答性の改善および積分要素ノｆ＝　
Ｔｏ　ニオ−バーシュート側に出る速度のオフセットの
問題を改善するために、補償回路１２を付加したのであ
る。ここで、補償口ＦＩ＆１２の具体的な構成と動作を
説明する。第２図に示すように、補償回路１２は速度指
令ωＲに基づいて所望の目標速度応答を達成するための
所要の補償トルク指令τＲＦのパターンを演算するもの
であり、ブロック２３〜２６を含んで構成されている。

いま、目標とする速度応答性を１次遅れ系で模擬すると
し、その応答性をωｃ（しゃ断固波数）で表わすと、補
償回路１２の伝達関数ＧＦ（Ｓ）は次式で表わされる。

１＋　　　ｓｌ＋　　　　ｓ ω　Ｃω　に の補償回路１２の動作と各定数ｋ　Ｆｏ、　ｋＦ２の設
定法について、第３図と第４図を参照して説明する。第
３図は、第２図のブロック図において制御対象を１　／
　ｓと近似し、微分補償定数に２を○″としたときの等
価変換ブロック線図であり、第４図は速度のステップ応
答時の各部の波形を示している、ブロック３０は、速度
指令ωＢのステップ変化に合わせて高速応答させるため
、第４図（ｃ）に示す波形の加速トルクパターンτＦ、
を生成して出力する。これによって、電動機速度が補償
されて目標の応答性が得られる。なお、このときの検出
速度ωＨがロック２９を介してフィードバックされ、基
本トルク指令でＲＳ’から振動抑制等を含む補償トルク
指令τＲｅ’が減算されるため、速度応答に一時的にオ
フセットが発生するが、ブロック１３の積分時定数にし
たがって回復してゆく。一方、ブロック３１は上記フィ
ードバンクされるトルク指令τＲＣ’　　を打消してオ
フセントを除去するとともに、ブロック１３の積分によ
りωＨとωＲとの差が積分（第４図（ａ）の斜線部）さ
れることによるオーバシュートの発生を未然に防ぐ機能
をもち、第４図（ｃ）に示すパターンの補償トルク指令
τＦ２を生成して出力する。ここで、ゲインｋＦ２の設
定法について説明する。定常状態における各要素の出力
状態と、その関係は、次式％式％ （１］） ここで、ブロック３０の出力τＦユは定常状態でＬＬ　
Ｑ　７＋であること、またτＲ８’は目標応答ω２と積
分ゲインエが決まれば計算できる（第４図斜線部）こと
を考慮すると、オーバシュートをｔｒ　Ｏｕとするため
には次式（１２）が成り立ち、ｋＦ２は（１３）式で求
まるわ ωＲ（ｋｒ２＋　Ｉ　ｆ″′（ωＲ−ωＨ）ｄ（ｔ）−
（Ｐ＋にユ）０■ ＝ωＲ（ｋｒ２＋−−（Ｐ＋に□））二〇　・・・・・
・（１２）ωｃ ■ ｋｐ２＝　（Ｐ＋に□）−一　　　　　　　　・・・・
・・（１３）ωｃ また、ゲインｋＦ、を変えることによって、オーバシュ
ート量を操作することができる。例えば、オーバーシュ
ート量を０〜２０％とし、イナーシャ等のパラメータ変
動を±２０％程度と仮定すると、ｋｒ２の範囲は次式（
１４）となる。

（Ｐ＋によ−−）０．８≦ｋＦ２ ■ ≦（Ｐ＋に□−−□）１．５　　　　　・・・・・・（
１４）上述したように、本実施例によれば、振動抑制制
御により系の安定化を図ることができることに加え、こ
の振動抑制制御の影響を受けずに速度応答性を高速化す
ることができるという効果がある。

この効果について、第５図に上記実施例を用いて行なっ
たステップ速度応答のシミュレーション結果を示す。な
お、機械系の共振周波数は約２０８２、トルク制御系の
応答は約２５０ｒａｄ／　ｓとした。また、比較のため
、第６図に補償回路１２を取り外した場合のステップ応
答を示す。これによれば、軸振動を抑制できるが、オー
バシュートが発生している。また、第７図は振動抑制回
路１１と補償回路１２の両方とも取り外した従来技術に
よるステップ応答である。図から判るように、２０Ｈｚ
の軸振動を起しているうえに、オーバシュートをも生じ
ている。

第８図と第９図に、補償回路１２の変形例を示す。

第８図は、補償回路１２のＧＦ（Ｓ）において、速度応
答特性とその微分の両出力を、速度指令と速応答出力と
の差分て構成した場合の一実施例である。ここで、ブロ
ック３２は、目標の速度応答性を示す伝達関数Ｇω（ｓ
）を有する。いま、Ｇω（ｓ）を次のように１次遅れで
表わすと、τＦよ、τＦ２は次式となる。

ω　Ｃ （１６）　、　（１７）式より、第３図のブロック３０
゜３１と同一の作用となることが分る。したがって、こ
のような構成でも速度応答特性τＦ２、及び、その微分
値τＦ□を得ることができる。

第９図は、補償回路１２のＧＦ（Ｓ）を、速度制御回路
のモデル３４と電動機モデル３５を用いて構成した場合
の一実施例である。第８図の構成と同様にブロック３４
と３５の伝達関数を次式のように設定すれば、目標の速
度応答特性τＦ２とその微分値τＦ、が得られる。

速度制御回路モデルＬ　（ｓ）＝ωｃ・・・（１８）電
動機モデル＝１ ・・・・・　（１９） なお、第２図の実施例ではＩＰ制御系について説明した
が、ＰＩ制御系、あるいは速度制御のマイナーループに
速度モデルを備えた制御系（ＭＲＡＣ５）においても、
ＩＰ制御の場合と同様の設計手法で適用できる。さらに
、目標の速度応答特性は１次遅れ系を例に説明している
が、特にＰＩ制御系への適用では、次のように２次遅れ
系で設計するとよりオーバシュートの少ない制御特性が
得られる。

上述したように、各実施例によれば、低剛性の振動的な
負荷を恥動する場合でも、軸振動抑制制御に対して最適
にゲイン設計をして振動を抑制できる効果があると同時
に、速度応答に関してもオーバシュート、オフセットな
く高速な速度応答が可能となる。

なお、上記各実施例では直流機を例に適用しているが、
交流機においても、ベクトル制御を用いれば直流機と同
じように制御できることは周知のとおりであり、電動機
の発生トルクはトルク電流指令１９本に比例して制御で
きるため、補償回路ＧＦ（Ｓ）の出力を１９本に加えれ
ばよく、本発明を交流機にも適用できることは明らかで
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電動機と負荷が振動的な特性を持つ場
合でも、振動を抑制し安定な制御が行なえると同時に、
速度指令の応答性についても、オーバシュート、オフセ
ットがなくなり高速で安定な制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の基本構成図、第２図は第１
図実施例の詳細な一実施例のブロック線図、第３図は第
２図の等価ブロック線図、第４図は各部の動作波形図、
第５図は本発明の詳細な説明するためのシミュレーショ
ンによるステップ速度応答線図、第６図と第７図は比較
のための従来法等によるステップ速度応答線図、第８図
と第９図は補償回路の変形例を示すブロック線図である
。 １・・・速度制御回路、 ４・・・トルク制御回路、 ６・・・電動機、 ８・・・負荷、 １０・・・速度検出回路、 １１・・・振動抑制回路、 １２・・・補償回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御対象電動機の速度検出値と速度指令値の偏差を
   少なくとも積分処理して、その偏差を零にするトルク指
   令値を生成し、このトルク指令値に基づいて前記電動機
   のトルクを制御する電動機の制御方法において、前記速
   度検出値に含まれる振動成分を打ち消す振動抑制トルク
   指令値を生成し、この振動抑制トルク指令値により前記
   電動機のトルク指令値を補正するとともに、目標速度応
   答特性を表す伝達関数の比例値と微分値の少なくとも一
   方に前記速度指令値を乗じ、この乗じて得られる値の加
   算値に基づいて前記電動機のトルク指令値を補正するこ
   とを特徴とする電動機の制御方法。 ２、制御対象電動機の速度検出値と速度指令値の偏差を
   少なくとも積分処理して、その偏差を零にするトルク指
   令値を生成し、このトルク指令値に基づいて前記電動機
   のトルクを制御する電動機の制御方法において、前記速
   度検出値に含まれる振動成分を打ち消す振動抑制トルク
   指令値を生成し、この振動抑制トルク指令値により前記
   電動機のトルク指令値を補正するとともに、前記積分処
   理による応答遅れと、前記振動抑制トルク指令値のトル
   ク補正により生ずる速度のオフセットおよび前記積分処
   理によるオーバシュートとのいずれか一方を補償すべく
   、前記電動機のトルク指令値を補正することを特徴とす
   る電動機の制御方法。 ３、制御対象電動機の速度検出値と速度指令値の偏差を
   入力し、その偏差を零にすべく少なくとも積分処理を含
   む制御処理によりトルク指令値を生成する速度制御回路
   と、 この速度制御回路から出力されるトルク指令値に基づい
   て前記電動機の発生トルクを制御するトルク制御回路と
   を含んでなる電動機の制御装置において、 前記速度検出値に含まれる振動成分を打ち消す振動抑制
   トルク指令値を生成して前記電動機のトルク指令値を補
   正する振動抑制回路と、前記速度指令値を入力し、この
   速度指令値と目標速度応答特性を表す伝達関数の比例値
   と微分値の少なくとも一方とを乗じ、この乗じて得られ
   る値の加算値に基づいて補償トルク指令値を生成して、
   前記電動機のトルク指令値を補正する補償回路とを設け
   たことを特徴とする電動機の制御装置。 ４、制御対象電動機の速度検出値と速度指令値の偏差を
   入力し、その偏差を零にすべく少なくとも積分処理を含
   む制御処理によりトルク指令値を生成する速度制御回路
   と、 この速度制御回路から出力されるトルク指令値に基づい
   て前記電動機の発生トルクを制御するトルク制御回路と
   を含んでなる電動機の制御装置において、 比例要素と微分要素の少なくとも一方の要素を有し、そ
   の要素に前記検出速度を入力してその出力を加算して振
   動抑制トルク指令値を生成し、この振動抑制トルク指令
   値により前記電動機のトルク指令値を補正する振動抑制
   回路と、目標速度応答特性の微分値を伝達関数とする第
   １の要素と、目標速度応答特性を伝達関数とする第２の
   要素との少なくとも一方の要素を有し、その要素に前記
   速度指令を入力して補償トルク指令値を生成し、その補
   償トルク指令値または加算値に基づいて前記電動機のト
   ルク指令値を補正する補償回路とを設けたことを特徴と
   する電動機の制御装置。 ５、前記速度制御回路が、積分比例制御と、比例積分制
   御と、マイナーループに速度モデルを備えた制御系との
   いずれか１つ出あることを特徴とする請求項３、４のい
   ずれかに記載の電動機の制御装置。 ６、制御対象電動機の速度検出値と速度指令値の偏差を
   積分する積分要素と、前記検出速度に比例ゲインを乗す
   る比例要素とを有し、積分要素の出力から比例要素の出
   力を減算して、トルク指令値を生成する速度制御回路と
   、 この速度制御回路から出力されるトルク指令値に基づい
   て前記電動機の発生トルクを制御するトルク制御回路と
   を含んでなる電動機の制御装置において、 比例要素と微分要素の少なくとも一方の要素を有し、そ
   の要素に前記検出速度を入力してその出力を加算して振
   動抑制トルク指令値を生成し、この振動抑制トルク指令
   値により前記電動機のトルク指令値を補正する振動抑制
   回路と、目標速度応答特性の微分値を伝達関数とする第
   １の要素と、目標速度応答特性を伝達関数とする第２の
   要素との少なくとも一方の要素を有し、その要素に前記
   速度指令を入力して補償トルク指令値を生成し、その補
   償トルク指令値または加算値に基づいて前記電動機のト
   ルク指令値を補正する補償回路とを設けたことを特徴と
   する電動機の制御装置。 ７、前記目標速度応答の遮断周波数をω＿ｃとし、前記
   速度制御回路の積分ゲインをＩ、比例ゲインをＰとし、
   前記振動抑制回路の比例ゲインをｋ＿１としたとき、前
   記補償回路の第２の要素のゲインｋＦ＿２を、 ［ｋ＿１＋Ｐ−（Ｉ／ω＿ｃ）］０．８≦ｋＦ＿２≦［
   ｋ＿１＋Ｐ−（Ｉ／ω＿ｃ）］１．５ とすることを特徴とする請求項６に記載の電動機の制御
   装置。 ８、圧延機やロボットなどの低剛性な機械負荷を駆動す
   る電動機と、 この電動機の速度検出値と速度指令値の偏差を入力し、
   その偏差を零にすべく少なくとも積分処理を含む制御処
   理によりトルク指令値を生成する速度制御回路と、 この速度制御回路から出力されるトルク指令値に基づい
   て前記電動機の発生トルクを制御するトルク制御回路と
   を含んでなる電動機制御システムにおいて、 比例要素と微分要素の少なくとも一方の要素を有し、そ
   の要素に前記検出速度を入力してその出力を加算して振
   動抑制トルク指令値を生成し、この振動抑制トルク指令
   値により前記電動機のトルク指令値を補正する振動抑制
   回路と、目標速度応答特性の微分値を伝達関数とする第
   １の要素と、目標速度応答特性を伝達関数とする第２の
   要素との少なくとも一方の要素を有し、その要素に前記
   速度指令を入力して補償トルク指令値を生成し、その補
   償トルク指令値または加算値に基づいて前記電動機のト
   ルク指令値を補正する補償回路とを設けたことを特徴と
   する電動機の制御システム。