JPH10257789A - モータ制御装置 - Google Patents

モータ制御装置

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Publication number
JPH10257789A
JPH10257789A JP9061228A JP6122897A JPH10257789A JP H10257789 A JPH10257789 A JP H10257789A JP 9061228 A JP9061228 A JP 9061228A JP 6122897 A JP6122897 A JP 6122897A JP H10257789 A JPH10257789 A JP H10257789A
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JP
Japan
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motor
signal
torque
current
steering
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JP9061228A
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Inventor
Tatsuo Suzuki
達雄 鈴木
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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  • Feedback Control In General (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】モータの駆動電流のフィードバックを行う必要
がなく、外乱による制御系の特性変動に対しても適切な
補償を行うモータ制御装置を提供する。 【解決手段】舵角指令信号δcと舵角信号δおよび舵角
速度信号δ′とを入力して舵角誤差信号および舵角速度
誤差信号を順次求めた結果に基づいてモータを駆動制御
するモータ制御装置において、舵角速度信号δ′に基づ
いて舵角制御器1の出力信号におけるモータの特性変動
および外乱の影響を補償する舵角速度制御器5と、舵角
速度信号δ′に基づいてモータに流れる電流値を推定す
るオブザーバ6と、オブザーバ6で推定された電流値が
モータに応じて予め設定された許容値以上のときは推定
された電流値に応じた駆動電圧を出力し、そうでないと
きは減算器11の出力信号に応じた駆動電圧を出力する
可変電圧リミッタ2とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば飛翔体の操
舵装置に対して適用されるモータ制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、飛翔体を小型化する要求が高まっ
てきている。一般に、飛翔体を構成する部品は全て限ら
れた実装スペースに配置されるが、その中でも操舵装置
は推進装置の後端部のノズルまわりなどの非常に狭い実
装スペースに配置されるため、小型化の要求が飛翔体の
他の部品に比べて特に厳しくなっている。
【0003】ここで、従来の飛翔体の操舵装置は大別し
てモータとその制御装置とからなり、例えば図2に示さ
れるようなシステム構成となっていることが多い。飛翔
体の誘導制御を行う場合、まず図示されていない操舵翼
の角度を示す舵角指令信号δcが入力され、この舵角指
令信号δcと加算部39から出力される操舵翼の舵角フ
ィードバック信号との舵角誤差信号が減算部38から出
力される。なお、舵角フィードバック信号は適当な手段
で操舵翼の舵角および舵角速度を計測して得られる舵角
信号δおよび舵角速度信号δ′を舵角フィードバックゲ
インK4および舵角速度フィードバックゲインKpfで
それぞれ増幅した後、加算器39で加算することによっ
て得られる。
【0004】減算部38から出力された舵角誤差信号
は、舵角制御ゲインK1に応じて増幅されてから減算部
40に入力される。減算部40は、この信号と電流リミ
ッタ33からのフィードバック電流信号を電流フィード
バックゲインK3で増幅して得られる信号との誤差信号
を出力する。この電流フィードバックループは、モータ
のモータコイル抵抗Ra[Ω]の温度変化による制御系
の特性変動を補償するためのもので、フィードバック電
流信号は抵抗器やホール素子等を用いた電流センサによ
り計測されている。
【0005】減算部40の出力信号は、まず電圧制御ゲ
インK2により増幅され、必要に応じて電圧リミッタ3
1で電圧調節が行われた後、減算部41に入力される。
電圧リミッタ31は、モータコイル32に過電流が流れ
ることを防止するため、モータコイル32に印加する電
圧を制御している。減算部41は、電圧リミッタ31の
出力信号と舵角速度信号δ′を誘起電圧定数Ke[V/
(rad/s)]で増幅して得られる誘起電圧信号との
誤差信号を出力する。
【0006】この減算部40の出力信号がモータコイル
32に印加されることによりモータが駆動される。な
お、モータコイル32はモータコイル抵抗をRa
[Ω]、モータコイルインダクタンスをLa[mH]、
ラプラス演算子をsしたとき、アドミタンス関数=1/
(Ra+Las)で示される特性を有している。
【0007】ここで、モータコイル32に過電流が流れ
ることによる減磁等のモータ特性の劣化やモータの破損
等を防ぐために、モータコイル32に流れる電流は電流
リミッタ33で制御されている。この場合、モータの駆
動によって発生するトルクは電流リミッタ33の出力信
号とトルク定数Ktとで示すことができる。また、電流
リミッタ33の出力信号すなわちモータの駆動電流信号
は、フィードバック電流信号として減算部40に向けて
フィードバックされる。
【0008】また、モータの駆動により発生したトルク
は所定のトルクリミッタ34を介して操舵翼に伝えら
れ、このトルクリミッタ34を介して伝えられたトルク
と空力負荷トルク37などの外乱トルクとの誤差トルク
に応じて実際に操舵翼が回転する。
【0009】このとき、操舵翼の舵角速度信号δ′は、
上述した誤差トルクと制御ブロック35とで求めること
ができ、さらに舵角速度信号δ′と制御ブロック36と
で操舵翼の舵角信号δを求めることができる。これら舵
角速度信号δ′および舵角信号δは、上述した制御系の
所定箇所にフィードバックされる。なお、モータ定数と
して負荷バネ定数をKL、減速比をR、伝達効率をηと
すると、空力負荷トルク37はKL/R、制御ブロック
35は1/(Js),制御ブロック36はη/(Rs)
の伝達関数で示される。
【0010】また、舵角制御ゲインK1、電圧制御ゲイ
ンK2、電流フィードバックゲインK3、舵角速度フィ
ードバックゲインK4、舵角フィードバックゲインKp
fはそれぞれ定数として予め設定され、電圧リミッタ3
1および電流リミッタ33のリミット値も同様に定数と
して予め設定される。
【0011】これら制御系の各定数は、例えば根軌跡法
やボード線図法などによる解析結果に基づいて、モータ
コイル抵抗Raの温度変化などの制御系内部のパラメー
タ変動に対してロバスト(頑健)となるように設定され
る。一方、空力負荷トルクなどの外乱による影響を積極
的に低減するようにはなっていないことが多い。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の操舵装
置では、モータコイル抵抗の温度変化に伴う制御特性変
動の補償や、モータに過電流が流れることによる性能劣
化または破損などを防ぐために、抵抗器やホール素子な
どを用いた電流センサによって制御系に電流フィードバ
ックループを形成し、コイルの駆動電流を直接計測して
いた。
【0013】この場合、飛翔体内部に電流センサの実装
スペースが必要となり、特に三相モータを用いるとき
は、各相に電流センサが必要となって飛翔体中で割かれ
る実装スペースはより大きくなる。
【0014】ところが、上述したように操舵装置は小型
化の要求が飛翔体の他の部品に比べて特に厳しく、操舵
装置自体を非常に狭い実装スペースに配置しなければな
らないため、このように電流センサに多くの実装スペー
スが必要になると、操舵装置の小型化が妨げられるだけ
ではなく、飛翔体自体の小型化も妨げられてしまうとい
う問題があった。
【0015】また、従来の操舵装置では制御系内部に応
じた特性変動は補償できるものの、空力負荷トルクなど
の外乱などの影響は考慮されていないため、例えば制御
系に非常に大きな外乱が加わったとき、外乱による特性
変動を補償しきれずにモータに過電流が流れる恐れがあ
った。
【0016】本発明は、このような問題を解決するため
に、モータの駆動電流のフィードバックを行う必要がな
く、しかも外乱による制御系の特性変動に対しても適切
な補償を行うモータ制御装置を提供することを目的とす
る。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は目標角度信号と角度フィードバック信号お
よび速度フィードバック信号とを入力して角度誤差信号
および速度誤差信号を順次求めた結果に基づいてモータ
を駆動制御するモータ制御装置において、速度フィード
バック信号に基づいて速度誤差信号におけるモータの特
性変動および外乱の影響を補償する補償手段と、速度フ
ィードバック信号に基づいてモータに流れる電流値を推
定する推定手段と、この推定手段によって推定された電
流値がモータに応じて予め設定された許容値以上のとき
は推定された電流値に応じた駆動電圧により前記モータ
を駆動し、そうでないときは補償手段から出力される前
記速度誤差信号に応じた駆動電圧により前記モータを駆
動する駆動手段とを備えている。
【0018】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施形態に係
る飛翔体の操舵装置の構成を示すブロック図である。こ
の操舵装置は飛翔体に搭載され、図示されていない操舵
翼の舵角および舵角速度の制御を行うためのものであ
り、大別して制御系としてのサーボアンプおよび駆動系
としての操舵部により構成されている。
【0019】サーボアンプは、舵角制御器1、可変電圧
リミッタ2、舵角速度制御器5、電流推定オブザーバ6
および減算部10,11,12からなる。また、制御系
定数としてモータコイル抵抗Ram、オブザーバゲイン
g1,g2、舵角速度制御器ゲインK、近似微分時定数
τ、舵角速度制御器係数μ1,μ2,τ1,τ2、舵角
制御器比例定数Kaおよび舵角制御器積分定数Kbが設
定されている。なお、このサーボアンプによる操舵部の
制御は、実際にはDSP(デジタル・シグナル・プロセ
ッサ)のROM内などのソフトウェアを実行することに
より行われる。
【0020】一方、操舵部としてはモータのモータコイ
ル3およびトルクリミッタ4のみが示されており、これ
以外のモータ各部やモータで発生したトルクを伝達する
ギアなどの伝達機構は省略されている。なお、以下では
モータの特性を示すモータ定数として、モータコイル抵
抗Ra[Ω]、モータコイルインダクタンスLa[m
H]、トルク定数Kt[kgfm/A]、誘導電圧定数
Ke[V/(rad/s)]、モータイナーシャJ[k
gfmss]、負荷バネ定数[kgfm/rad]、減
速比Rおよび伝達効率ηを用いる。また、モータコイル
3はアドミタンス関数=1/(Ra+Las)の制御特
性を持っているものとする。
【0021】ところで、図中には伝達関数=1/(J
s)の制御ブロック7、伝達関数=η/(Rs)の制御
ブロック8が示されている。これら制御ブロック7,8
は、モータによって発生したトルクが実際に操舵翼に伝
わるまでの状態を解析するための仮想制御ブロックであ
る。また、図中にはモータに印加される外乱を伝達関数
=KL/Rの空力負荷トルク9の負帰還として示してい
る。
【0022】次に、この操舵装置の主な構成要素につい
て説明する。舵角制御器1は、外部から入力される舵角
指令信号δに対して実際の操舵翼の舵角を所定の周波数
応答特性に応じて追従させる機能を有し、この機能を付
加するために、PI(比例+積分)型の制御器が用いら
れている。また、閉ループ系の応答周波数が22Hz以
上で、かつ減衰率が約0.7以上となるように、舵角制
御器1の伝達関数はKa(s+Kb)/s(s:ラプラ
ス演算子、以下同じ)と設定されている。
【0023】可変電圧リミッタ2は、モータコイル3に
過電流が流れないようにモータコイル3に印可される電
圧を制御するためのものである。このとき、可変電圧リ
ミッタ2は後述する電流推定オブザーバ6で推定された
推定電流がモータに許容される最大電流以下の場合は予
め設定された固定電圧リミッタとして働き、推定電流が
モータに許容される最大電流に達すると、リミット値を
下げてモータに過電流が印加されるのを防ぐ。このリミ
ット値の切り替えは、電流推定オブザーバ9の動作と連
動して自動的に行われる。
【0024】なお、予め設定された固定リミット値をV
max、電流推定オブザーバ6による電流推定値を
i′、モータに許容される最大電流値をimaxとする
と、可変電圧リミッタ2のリミット値Vlimは次式の
ように示される。
【0025】 Vlim=Vmax (i′≦imax) Vlim=Ram×i′ (i′>imax) 舵角速度制御器5は、モータコイル抵抗Raの温度変化
などの制御系内部のパラメータ変動および空力負荷トル
ク9などの外乱に対して制御系全体をロバストにするた
めのものである。具体的には、舵角速度制御器5には、
モータコイル3の駆動電流の変化が最も直接的に現れる
舵角速度信号δ′がフィードバック信号として入力さ
れ、この舵角速度信号δ′に基づいた信号を減算部11
に出力する。
【0026】ここで、舵角速度制御器5はロバスト制御
系の有力な設計方式の一つとして知られているH∞制御
理論(A.Stoorvogel;The H∞ Co
ntrol Problem−A State Spa
ce Approach,Prentice−Hal
l,1992)を適用して設計されており、伝達関数は
次式のように示されるものとする。
【0027】K{(s+μ1)(s+μ2)}/{(s
+τ1)(s+τ2)} 電流推定オブザーバ6は、舵角速度信号δ′に基づい
て、モータコイル3の駆動電流を推定し、その推定結果
に応じて可変電圧リミッタ2を制御してモータコイル3
に過大電流が流れないようにするためのものである。こ
の電流推定オブザーバ6は、基本的には実際のモータの
数学モデルに基づいて、制御系の各要素と対応づけて定
義されており、モータコイルモデル21、空力負荷推定
器22、トルクリミッタモデル23、モータイナーシャ
モデル24、オブザーバゲインg1,g2、トルク定数
Kt、誘起電圧定数Ke、モータコイル抵抗モデルRm
が設定されている。なお、モータコイル抵抗モデルRa
に関しては、常温での抵抗値をRm(Ω)としたとき、
低温で0.8Rm(Ω)、高温で1.6Rm(Ω)程度
に変動することを想定している。
【0028】また、オブザーバゲインg1,g2は、一
般的な線形オブザーバ理論(Basile and M
arro;Controlled and Condi
tioned Invariant Subspace
in Linear System Theory,
Prentice−Hall,1990)に基づいて、
電流推定オブザーバ6のダイナミクスが制御系全体の特
性に影響を与えないように、舵角速度制御系のダイナミ
クスの約5倍となるように設定される。例えば、舵角速
度制御系のダイナミクスを約80Hzとすると、電流推
定オブザーバ6のダイナミクスが約400Hz(80H
z×5)となるようにオブザーバゲインg1,g2を設
定する。
【0029】さらに、モータに空力負荷等の外乱トルク
がかかっている場合、上述した線形オブザーバ理論のみ
では正しい推定がなされないことから、ここではモータ
に印可されている空力負荷トルク9を推定するための空
力負荷推定器22が設けられる。
【0030】この空力負荷推定器22は、入力される舵
角速度信号δ′で示される舵角速度値と自身で推定した
舵角速度推定値との誤差、すなわち舵角速度推定誤差が
空力負荷に起因するものとして、舵角速度推定誤差の微
分値にモータのイナーシャJを乗ずることにより空力負
荷トルク9を推定するものである。
【0031】ここで、舵角速度推定誤差の微分値算出に
あたっては、制御系の因果率(causality)を
満足させるため、純粋微分器ではなく近似微分器が用い
られており、その結果として空力負荷推定部22の伝達
関数はJs/(1+τs)となる。なお、近似微分時定
数τはディジタル演算の周期すなわちサンプリング周期
と同じ値に設定される。これは、サンプリング周波数以
上の周波数成分は無意味となるためである。
【0032】以下、この操舵装置の動作について説明す
る。操舵翼の角度を示す舵角指令信号δcが入力される
と、この舵角指令信号δcとその時点の操舵翼の舵角を
適当な手段によって測定して得られる舵角信号δとの舵
角誤差信号が減算部10から出力される。
【0033】減算部10から出力された舵角誤差信号は
舵角制御器1で処理され、減算部11に入力される。減
算部11は舵角制御器1の出力信号と舵角速度制御器5
の出力信号との誤差信号を可変電圧リミッタ2に出力す
る。
【0034】可変電圧リミッタ2は、電流推定オブザー
バ6の推定結果に基づいて、モータが正常に動作してい
るときは予め設定されているリミット値に従って、モー
タコイル3に過電流が流れていると推定されるときは電
流推定オブザーバ6から出力されるリミット値に従っ
て、減算部11の出力信号について電圧調節を行い、そ
の結果得られた信号を減算部12および電流推定オブザ
ーバ6に出力する。
【0035】減算部12は、可変電圧リミッタ2の出力
信号と舵角速度信号δ′に誘起電圧定数Keを乗じて得
られる誘起電圧信号との誤差信号を出力する。そして、
この減算部12の出力信号によりモータが駆動され、ト
ルク定数Ktに応じたトルクが発生する。このモータの
駆動によるトルクは所定のトルクリミッタ4を介して操
舵翼に伝えられており、このトルクリミッタ4を介して
伝えられたトルクと空力負荷トルク9との誤差トルクに
応じて実際に操舵翼が回転する。
【0036】このとき、誤差トルクに制御ブロック7の
伝達関数1/(Js)を乗じたものとして示される舵角
速度信号δ′が適当な手段により求められ、減算部1
2、舵角速度制御器5および電流推定オブザーバ6にそ
れぞれフィードバックされる。
【0037】また、舵角速度信号δ′に制御ブロック8
の伝達関数η/(Rs)を乗じたものとして示される舵
角信号δも同様に適当な手段で求められ、減算部10に
フィードバックされる。
【0038】一方、電流推定オブザーバ6においては、
入力される舵角速度信号δ′とその時点の舵角速度推定
値に基づいて舵角速度推定誤差が求められ、この舵角速
度制御誤差に基づいて空力負荷推定器22でモータに加
えられている空力負荷トルク9が推定される。
【0039】また、舵角速度推定誤差をオブザーバゲイ
ンg2で増幅して得られる信号と、可変電圧リミッタ2
の出力信号と、その時点の舵角速度推定値を誘起電圧定
数Keで増幅して得られる信号とがそれぞれ加算され、
この加算結果とモータコイルモデル21のアドミタンス
関数=1/(Ram+Las)とに基づいて、モータコ
イル3を流れる電流推定値が求められる。そして、この
電流推定値に応じて、モータコイル3に過電流が流れて
いるか否かを示すデータと共に、電流推定値にモータコ
イルモデル抵抗Ramを乗じた過電流時の最適なリミッ
ト値を示す信号が可変電圧リミッタ2に出力される。
【0040】さらに、このようにして得られた電流推定
値と舵角速度推定誤差をオブザーバゲインg1で乗じた
値とが加算され、この加算結果をトルク定数Ktで乗じ
ることによりモータ自体で発生するトルクが推定され、
このトルクがトルクリミッタモデル23を介して実際に
操舵翼に伝わるときのトルクが推定される。そして、こ
のトルクと空力負荷推定器22で推定された空力負荷ト
ルクとの誤差トルクおよびモータイナーシャモデル24
に基づいて、舵角速度推定値が求められる。
【0041】このように、本実施形態の操舵装置では、
モータの駆動電流の変化の影響が最も直接的に現れる舵
角速度信号をフィードバック信号として用いて、制御系
全体がロバストとなるような制御を行っている。
【0042】この結果、従来のようにモータの駆動電流
を直接フィードバックさせる場合とは異なり、電流計測
のための電流センサを設ける必要がなくなる。例えば、
従来の飛翔体では操舵装置一つに対して通常4個から8
個の電流センサが設けられていたので、これらのモータ
が全て必要でなくなることから、操舵装置を大幅に小型
化できると共に、飛翔体そのものを小型化することも可
能となる。
【0043】舵角速度信号は、制御系内部の変動の影響
だけではなく、空力負荷トルクなどの外乱の影響も受け
ているので、従来のようにモータコイル抵抗の温度変化
などの制御系内部のパラメータ変動を補償するだけでは
なく、空力負荷トルクなどの外乱の影響も適切に補償す
ることができる。
【0044】また、モータの駆動電流を直接計測しない
代わりに、電流推定オブザーバを用いてモータの駆動電
流の推定を行い、この推定電流に応じて可変電圧リミッ
タのリミット値を制御しているので、仮にモータに過電
流が流れた場合でも即座に適切な対応をとることが可能
となる。
【0045】また、実際の舵角速度と舵角速度推定値の
誤差に基づいて空力負荷トルクを推定し、この推定結果
を用いて駆動電流の推定を行っているので、モータに空
力負荷トルクが印可されている場合でも適切な推定電流
を求めることができる。
【0046】モータの駆動電圧が制限されるのは、モー
タに過電流が流れていると推定されたときのみであり、
推定電流の値がモータの許容電流以下であってモータが
正常に動作しているときは、電流推定オブザーバおよび
可変電圧リミッタはモータの制御系に対して何の影響も
与えないので、モータを本来の機能通りに駆動させるこ
とができる。一方、モータの駆動電圧を制限する場合
も、推定電流に応じて可変電圧リミッタのリミット値が
自動的に算出されるため、モータの状態に応じた適切な
制御が可能となる。
【0047】舵角制御器、舵角速度制御器、電流推定オ
ブザーバおよび可変電圧リミッタからなる制御系は、実
際にはDSP上のソフトウェアとして実現されるので、
従来の操舵装置から電流センサをはずして適当なDSP
を追加するだけで、それ以外のハードウェア構成を一切
変更することなく、大幅に操舵装置の性能を向上させる
ことができる。
【0048】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、モータ
の駆動電流の変化が最も直接的に現れるモータの回転速
度に着目し、この回転速度を示す速度フィードバック信
号に基づいて速度誤差信号の変動を補償しているため、
従来のように電流センサを用いた電流フィードバックル
ープを設ける必要がなくなり、装置全体を小型化するこ
とができる。
【0049】また、速度フィードバック信号にはモータ
のコイル抵抗値のように制御系内部のパラメータ変動の
影響だけではなく、例えば操舵装置での空力負荷トルク
のように外乱による影響も反映されるので、従来よりも
よりロバスト性の高いモータ制御を行うことができる。
【0050】さらに、モータの駆動電流を直接計測しな
いかわりに、速度フィードバック信号に基づいて駆動電
流の推定を行い、この推定値に基づいてモータの駆動電
圧を制御しているので、仮にモータに過電流が流れた場
合でも即座に適切な対応をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる操舵装置の構成を
示すブロック図
【図2】従来の操舵装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
1…舵角制御器 2…可変電圧リミッタ 3…モータコイル 4…トルクリミッタ 5…舵角速度制御器 6…電流推定オブザーバ 7,8…制御ブロック 9…空力負荷トルク 10,11,12…減算部 21…モータコイルモデル 22…空力負荷推定器 23…トルクリミッタモデル 24…モータイナーシャモデル

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】目標角度信号と角度フィードバック信号お
    よび速度フィードバック信号とを入力して角度誤差信号
    および速度誤差信号を順次求めた結果に基づいてモータ
    を駆動制御するモータ制御装置において、 前記速度フィードバック信号に基づいて前記速度誤差信
    号における前記モータの特性変動および外乱の影響を補
    償する補償手段と、 前記速度フィードバック信号に基づいて前記モータに流
    れる電流値を推定する推定手段と、 この推定手段によって推定された電流値が前記モータに
    応じて予め設定された許容値以上のときは推定された電
    流値に応じた駆動電圧により前記モータを駆動し、そう
    でないときは前記補償手段から出力される前記速度誤差
    信号に応じた駆動電圧により前記モータを駆動する駆動
    手段とを備えたことを特徴とするモータ制御装置。
JP9061228A 1997-03-14 1997-03-14 モータ制御装置 Pending JPH10257789A (ja)

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