JP4420158B2 - 電動機速度制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエレベータや産業用機械などに用いる電動機の速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は例えば「サーボモータの適応制御」、計測と制御、Vol.32，No.12，pp.1010〜pp.1013に記載の従来のこの種の電動機の速度制御装置の構成を示す図である。前記の文献においては位置制御装置で記載しているが、内部に速度制御装置を含んでいるため、図５には速度制御の部分のみ抽出して記載している。図において１は電動機のトルク制御器と電動機および負荷の機械系と速度検出器(共に図示せず)を含む制御対象、２はモデル演算部、２４は比例制御器、２５は積分制御器である。
【０００３】
次に動作を説明する。まず、制御対象１はトルク指令ｑｒを入力し、制御対象１は内部においてトルク制御器によってトルク指令ｑｒに一致するように電動機のトルクを制御することにより電動機および負荷となる機械系を駆動し、また速度検出器により電動機の速度である実速度ｖｍを検出するものである。またトルク指令ｑｒから実速度ｖｍまでの伝達特性をＧ(ｓ)と記述する。
【０００４】
次にモデル演算部２の動作について説明する。モデル演算部２は外部から速度指令ｖｒを入力する。また制御対象１のモデルを予め想定しておき、モデルの速度であるモデル速度ｖａとモデルのトルクであるモデルトルクｑａを、モデル速度ｖａが速度指令ｖｒに追従するように演算する。
【０００５】
例えばモデル演算部２において想定する制御対象１のモデルをイナーシャがＪａの剛体機械と想定すると、モデルトルクｑａはモデル速度ｖａの微分、すなわちモデルの加速度にモデルイナーシャＪａを乗じることにより演算されるため、モデル演算部２では例えば次の式(１)および式(２)によりモデル速度ｖａおよびモデルトルクｑａを演算する。ただし以降ではｓはラプラス演算子を表す。
【０００６】
ｖａ＝Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(１)
ｑａ＝Ｊａ・ｓ・Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(２)
【０００７】
ただし上式においてＦ(ｓ)は速度指令ｖｒに対してモデル速度ｖａを追従させる所望の伝達特性であり、例えばローパス特性の伝達特性として設定するものである。
【０００８】
次に、トルク指令ｑｒの演算方法について説明する。比例制御器２４はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの偏差に予め設定した比例ゲインＫｐを乗じた信号を出力し、また積分制御器２５はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの偏差に予め設定した積分ゲインＫｉを乗じて積分した信号を出力し、比例制御器２４の出力と積分制御器２５の出力の和を誤差補償トルクｑｃとする。すなわちＰＩ(比例積分)演算を行う。更にモデル演算部２で演算したモデルトルクｑａと誤差補償トルクｑｃの和をトルク指令ｑｒとして出力し、トルク指令ｑｒを制御対象１に入力することにより制御対象１の機械系を駆動する。
【０００９】
この従来技術は上記のように構成することにより、制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)がモデル演算部２で想定したモデルの特性と一致した場合、すなわち制御対象１の特性がイナーシャがＪａの剛体と一致する場合には、速度指令ｖｒの入力に対してトルク指令ｑｒはモデルトルクｑａと一致し、また実速度ｖｍはモデル速度ｖａに完全に一致するように制御される。
【００１０】
また、実際には制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)はモデル演算部２の特性とは誤差を生じ、また制御対象１には外乱トルクが加わるため、実速度ｖｍはモデル速度ｖａと完全には一致せず、その誤差が比例制御器２４および積分制御器２５を介してフィードバックされ、誤差補償トルクｑｃとしてモデルトルクｑａに加算されてトルク指令ｑｒとなり、実速度ｖｍのモデル速度ｖｒに対する誤差が小さくなるように制御を行う。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のこの種の装置では、ＰＩ演算により外乱に対して誤差の補償をする制御を行うが、制御対象が機械共振を持つような場合、特に電動機に対して負荷機械のイナーシャが大きい場合には、電動機が大きく振動を起こすため、比例ゲインＫｐや積分ゲインＫｉを十分に大きくすることができないという問題が生じ、その結果、外乱に対して電動機の実速度ｖｍを精度良く制御することができないという問題が有った。
【００１２】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、特に、機械系の剛性が低くかつ電動機に比べて大きなイナーシャの機械負荷を駆動するような場合にも、簡単な調整で安定に外乱に対する制御精度を向上させるような制御を実現する電動機速度制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、電動機の回転速度である実速度を和の要素に含む信号を入力して低周波数成分をろ過した信号を出力する第１のローパスフィルタと、少なくとも前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号と電動機速度制御のための速度指令に基づく信号との和または差に基づき低域トルク指令を演算する第１の制御演算部と、前記低域トルク指令と実速度を入力し、少なくとも前記実速度の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和または差に基づき前記トルク指令を演算する第２の制御演算部を備えることを特徴とする電動機速度制御装置にある。
【００１４】
また、前記第２の制御演算部は、前記実速度を和の要素に含む信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを備え、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和または差に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする請求項１に記載の電動機速度制御装置にある。
【００１５】
また、前記速度指令を入力し、想定した制御対象のモデルの速度であるモデル速度と前記モデルのトルクであるモデルトルクを前記モデル速度が前記速度指令に追従するように演算して出力するモデル演算部をさらに備え、前記第１のローパスフィルタが、前記モデル速度と前記実速度の差信号を入力して低周波数成分をろ波した信号を出力し、前記第１の制御演算部が、前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号とモデルトルクの和に基づき低域トルク指令を演算し、前記第２の制御演算部が、前記低域トルク指令と前記モデル速度と前記実速度を入力し、前記モデル速度と前記実速度の差信号の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和により前記トルク指令を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の電動機速度制御装置にある。
【００１６】
また、前記第２の制御演算部は、前記モデル速度と前記実速度の差信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを含み、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする請求項３に記載の電動機速度制御装置にある。
【００１７】
また、前記第２の制御演算部は前記第１の制御演算部よりも高速のサンプル周期で演算を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機速度制御装置にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電動機速度制御装置の構成を示す図である。図において１は電動機のトルク制御器と電動機および負荷の機械系と速度検出器(共に図示せず)を含む制御対象である。２はモデル演算部である。３は第１のローパスフィルタ、４は第１の比例制御器、５は積分制御器、６は第２のローパスフィルタ、７は第２の比例制御器である。８は低速演算部、９は高速演算部である。なお、第１の比例制御器４および積分制御器５が第１の制御演算部を構成し、第２のローパスフィルタ６および第２の比例制御器７が第２の制御演算部を構成する。
【００１９】
次に動作を説明する。まず、制御対象１はトルク指令ｑｒを入力し、制御対象１は内部においてトルク制御器によってトルク指令ｑｒに一致するように電動機のトルクを制御することにより電動機および負荷となる機械系を駆動し、また速度検出器により電動機の速度である実速度ｖｍを検出するものである。またトルク指令ｑｒから実速度ｖｍまでの伝達特性をＧ(ｓ)と記述する。
【００２０】
次に低速演算部８の動作について説明する。低速演算部８は外部から入力した速度指令ｖｒと制御対象１で検出した実速度ｖｍを入力する。また低速演算部８はモデル演算部２、第１のローパスフィルタ３、第１の比例制御器４および積分制御器５から構成され、以下で説明する動作を行う。
【００２１】
次に低速演算部８におけるモデル演算部２の動作について説明する。モデル演算部２は外部から速度指令ｖｒを入力する。また制御対象１のモデルを予め想定しておき、モデルの速度であるモデル速度ｖａとモデルのトルクであるモデルトルクｑａを、モデル速度ｖａが速度指令ｖｒに追従するように演算する。例えばモデル演算部２において想定する制御対象１のモデルをイナーシャがＪａの剛体機械だとすると、モデルトルクｑａはモデル速度ｖａの微分、すなわちモデルの加速度にモデルイナーシャＪａを乗じるとモデルトルクｑａとなるため、モデル演算部２では例えば次の式(１)および式(２)によりモデル速度ｖａおよびモデルトルクｑａを演算する。ただし以降ではｓはラプラス演算子を表す。
【００２２】
ｖａ＝Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(１)
ｑａ＝Ｊａ・ｓ・Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(２)
【００２３】
ただし上式においてＦ(ｓ)は速度指令ｖｒに対してモデル速度ｖａを追従させる所望の伝達特性であり、例えばローパス特性の伝達特性として設定するものである。
【００２４】
次に、第１のローパスフィルタ３はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの差信号を入力し、予め設定したローパス特性(低周波数成分を抽出する)の伝達関数演算を行った信号を出力する。ここで、第１のローパスフィルタ３の遮断周波数をωｆ１と記述する。
【００２５】
次に第１の比例制御器４は第１のローパスフィルタ３の出力を入力し、予め設定した第１の比例ゲインＫｐ１を乗じた信号を出力し、積分制御器５は第１のローパスフィルタ３の出力を入力して予め設定した積分ゲインＫｉを乗じて積分した信号を出力し、低速演算部８は前記の第１の比例制御器４の出力と積分制御器５の出力の和信号を第１の誤差補償トルクｑｃ１として演算する。すなわちＰＩ(比例積分)演算により第１の誤差補償トルクｑｃ１の演算を行う。また低速演算部８はモデル演算部２で演算したモデルトルクｑａおよびモデル速度ｖａと第１の誤差補償トルクｑｃ１の和信号を低域トルク指令ｑｒｌとして出力する。
【００２６】
次に高速演算部９の動作について説明する。高速演算部９は低域トルク指令ｑｒｌとモデル速度ｖａと制御対象１で検出した実速度ｖｍを入力する。また高速演算部９の内部において、第２のローパスフィルタ６はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの差信号を入力し、予め設定した遮断周波数ωｆ２のローパス特性の伝達関数演算を行った信号を出力する。ここで、第２のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ２は第１のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ１よりも大きく(高く)設定するものとする。
【００２７】
次に第２の比例制御器７は第２のローパスフィルタ６の出力に予め設定した第２の比例ゲインＫｐ２を乗じた信号を第２の誤差補償トルクｑｃ２として出力し、高速演算部９は低域トルク指令ｑｒｌと第２の誤差補償トルクｑｃ２の和信号をトルク指令ｑｒとして出力し、トルク指令ｑｒを制御対象１に入力することにより制御対象１の機械系を駆動する。
【００２８】
ここで、高速演算部９は低速演算部８に比べて高速のサンプル周期で演算を行う。すなわち、実速度ｖｍおよびトルク指令ｑｒの値の更新周期は、モデル演算部２の出力であるモデル速度ｖａ、モデルトルクｑａの更新周期より高速の周期で更新されるように演算を行う。
【００２９】
この実施の形態１は以上のように構成することにより、モデル速度ｖａと実速度ｖｍの誤差を第１の誤差補償トルクｑｃ１と第２の誤差補償トルクｑｃ２により補償することにより誤差が小さくなるように制御を行う。
【００３０】
次に、この発明によって得られる効果の原理について図２に基づいて説明する。図２において(ａ)は従来技術を用いた後述の一巡伝達関数の周波数応答を示す。(ｂ)はこの発明の電動機速度制御装置の後述するフィードバック部の伝達特性の周波数応答を示す。(ｃ)はこの発明の電動機速度制御装置の一巡伝達関数の周波数応答を示す。なお、これらの周波数応答は全てゲインを折れ線近似した図で示す。
【００３１】
制御対象１の機械系の剛性が低い場合は機械共振が生じ、制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)は反共振と共振を持つ特性となる。また、説明の簡単化のため電動機と機械負荷の２つの慣性が低剛性のバネで結合されているような２慣性系で考えると、電動機の慣性に対する機械負荷の慣性の比が大きい程、反共振周波数と共振周波数が離れるという特性を持つ。ここで、制御対象１に対して従来技術のようなＰＩ演算によるフィードバックのみを行い、制御ゲインをある値に設定した場合を考える。
【００３２】
すなわち、この実施の形態１の構成において、第２の比例制御器７の第２の比例ゲインＫｐ２を０にし、第１のローパスフィルタ３の遮断周波数ωｆ１を無限大に大きくした場合を考えると、この場合の一巡伝達関数のゲインの周波数応答を折れ線近似で表すと図２の(ａ)となる。ただし、一巡伝達関数とは制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)と、制御装置のフィードバック部の伝達特性(制御装置の演算における実速度ｖｍからトルク指令ｑｒまでの伝達特性)を直列に接続した特性である。また図２における表示では、説明の簡単化のため積分制御器５の積分ゲインＫｉは小さく設定しているとして、無視して表示する。
【００３３】
図２の(ａ)に示したように、電動機の慣性に対する機械負荷の慣性の比が大きい場合には反共振周波数と共振周波数が離れるため、一巡伝達関数のゲインは高周波数で大きくなる特性を持つ。また、制御器のゲイン設定を適切に行った場合、図２の(ａ)に示したように、一巡伝達関数のゲインが０［ｄＢ］と交差する交差周波数が複数表れる。
【００３４】
この複数の交差周波数のうち、反共振周波数より低周波数側の交差周波数を第１の交差周波数ωｃ１、共振周波数より高周波数側の交差周波数を第２の交差周波数ωｃ２と表すと、第１の交差周波数ωｃ１は制御対象１に加わる外乱に対して実速度ｖｍが収束する応答の速さ(外乱応答速度)を表し、制御器のゲインをなるべく大きくして、この第１の交差周波数ωｃ１を大きくすることにより、外乱抑制効果を大きくすることができる。一方で、制御系が振動を起こして発散しないように制御するためには、第２の交差周波数ωｃ２において、一巡伝達関数の位相遅れが小さい必要がある。
【００３５】
しかしながら、制御器にはサンプル周期に起因した位相遅れが生じるため第２の交差周波数ωｃ２をあまり大きくすることはできず、その結果、図２の(ａ)に示したような単純なＰＩ制御を用いると、第１の交差周波数ωｃ１も小さく設定しなければならなくなる。
【００３６】
また、一巡伝達関数の高周波数領域のゲインを低減させるために従来技術で説明したＰＩ演算によるフィードバックにローパスフィルタを付加することを考えた場合、すなわち、この実施の形態１において第２の比例制御器の第２の比例ゲインＫｐ２を０にし、第１のローパスフィルタ３の遮断周波数ωｆ１を、一巡伝達関数の高周波数領域のゲインを低減するために図２の(ａ)における第１の交差周波数ωｃ１より高周波数領域を遮断するように設定したとすると、第１のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ１より高周波数領域ではゲインを低減するものの、位相も遅れてしまう。
【００３７】
その結果、共振周波数における一巡伝達関数のゲインのピークが０［ｄＢ］を超えれば共振周波数で制御系が振動的に発散して不安定になる現象が生じる。したがって、やはり一巡伝達関数のゲインのピークが０［ｄＢ］を超えないように一巡伝達関数のゲインを小さく設定する必要が生じ、第１の交差周波数ωｃ１を小さくせざるを得なくなる。
【００３８】
したがって、安定な制御系で第１の交差周波数ωｃ１をなるべく大きく設定するためには、共振周波数における一巡伝達関数の位相遅れを大きくせずに、第１の交差周波数ωｃ１より高周波数領域の一巡伝達関数のゲインを小さくすることが必要とされる。
【００３９】
一方、このような制御対象１に対して、この発明の電動機速度制御装置でゲインを適切に設定した場合の、フィードバック部の伝達特性(実速度ｖｍからトルク指令ｑｒまでの伝達特性)の周波数応答(ゲイン折れ線図)を図２の(ｂ)に示す。また、この場合の一巡伝達関数の周波数応答(ゲイン折れ線図)を図２の(ｃ)に示す。なお、積分ゲインＫｉは小さいとして無視して示している。図２の(ｂ)に示すように、フィードバック部の伝達特性は全体的に高周波数側が小さくなるようにするとともに、単なるローパス特性でなく、共振周波数付近ではゲインがフラットに近くなるように設定することによって、共振周波数付近の位相の遅れを小さくすることが可能になり、一巡伝達関数の共振周波数付近でゲインが０［ｄＢ］より大きくなっても、安定に制御することが可能になる。
【００４０】
また、第１の交差周波数ωｃ１と第２の交差周波数ωｃ２の差を小さくすることができ、サンプル周期による位相遅れが原因となって第２の交差周波数ωｃ２をあまり大きくできなくても、第１の交差周波数ωｃ１を大きくし、外乱に対する応答を速くすることが可能になる。
【００４１】
更に、実際の機械系には図２に示した主要な共振周波数より更に高い周波数領域にも共振モードが存在する場合があるため、第２の交差周波数ωｃ２より高い周波数領域のゲインは、第２のローパスフィルタ６によって高周波数成分を低減することにより、このような高い機械共振に対する安定性を向上させることが可能である。なお、主要な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在しない場合には、第２のローパスフィルタ６を用いずにモデル速度ｖａと実速度ｖｍとの差信号をそのまま第２の比例制御器７に入力しても良い。
【００４２】
また、制御系の調整の手順としては、まず最初に第２のローパスフィルタの遮断周波数を共振周波数より高く設定した後、第２の比例ゲインＫｐ２を制御系が安定な範囲でなるべく大きくした後、外乱に対する応答が十分に速くなければ、すなわち第１の交差周波数ωｃ１が小さければ、目標とする第１の交差周波数ωｃ１より少し大きな値に第１のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ１を設定し、第１の比例ゲインＫｐ１を大きくしていくという簡単な手順で、良好な制御系の調整を実現できる。なお、積分ゲインＫｉは適宜設定すればよい。
【００４３】
さらに、上記で説明したようにフィードバック部の伝達特性の位相遅れは小さくする必要があるため、制御装置のサンプル周期に起因する位相遅れを小さくした方が、より広い周波数範囲の機械共振に対応することが可能になるが、上記で説明した制御系の演算を全て単一のサンプル周期で演算すると演算量が多いためサンプル周期を短くすることが難しくなる。
【００４４】
しかしながら、図２の(ｂ)に示したゲイン折れ線図における零点周波数ωｚより高周波数領域のフィードバック部の伝達特性は、第２のローパスフィルタおよび第２の比例制御器によって演算する特性が支配的になるため、第２のローパスフィルタおよび第２の比例制御器を含む高速演算部９の演算のみ高速のサンプル周期で演算することによって、高周波数領域におけるサンプル周期に起因した位相遅れを小さくすることが可能になる。
【００４５】
この発明の実施の形態１は上記のように構成し、第１のローパスフィルタ３と第１の比例制御器４とから構成する低速演算部８と第２のローパスフィルタ６と第２の比例制御器７とから構成する高速演算部９とから構成され、上述したように一巡伝達関数のゲインを高周波数領域を低減しながら、共振周波数で位相をなるべく遅らさないようにするため、簡単な調整で、安定性を損なうことなく外乱の抑制効果を向上させることが可能である。また、主要な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在する場合にも安定に制御することが可能である。
【００４６】
更に第２のローパスフィルタ６と第２の比例制御器７とから構成する高速演算部９の演算を低速演算部８よりも高速のサンプル周期で演算することにより、より広い範囲の機械共振に対して安定に外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【００４７】
更にモデル演算部２を備え、モデル演算部で演算したモデル速度ｖａとモデルトルクｑａとを演算し、モデル速度ｖａと実速度ｖｍとの差信号に基づいて演算した第１の誤差補償トルクｑｃ１とモデルトルクｑａとの和信号を低域トルク指令ｑｒｌとし、モデル速度ｖａと実速度ｖｍとの差信号に基づいて演算した第２の誤差補償トルクｑｃ２と低域トルク指令ｑｒｌとの和信号をトルク指令ｑｒとする構成としているので、制御対象１が剛体に近似されるような低周波数領域では速度指令ｖｒに対してモデル速度ｖａと実速度ｖｍとの誤差を小さく制御することが可能である。
【００４８】
実施の形態２．
図３にこの発明の実施の形態２による電動機速度制御装置の構成を示す。図において、１３は第１のローパスフィルタ、１４は第１の比例制御器、１５は積分制御器、１６は第２のローパスフィルタ、１７は第２の比例制御器、１８は低速演算部、１９は高速演算部である。なお、第１の比例制御器１４および積分制御器１５が第１の制御演算部を構成し、第２のローパスフィルタ１６および第２の比例制御器１７が第２の制御演算部を構成する。
【００４９】
次に動作を説明する。まず、第１のローパスフィルタ１３、第１の比例制御器１４、積分制御器１５からなる低速演算部１８の動作について説明する。低速演算部１８は速度指令ｖｒと実速度ｖｍを入力する。次に低速演算部１８の内部において第１のローパスフィルタ１３は実速度ｖｍを入力し、予め設定したローパス特性の伝達関数演算を行った信号を出力する。
【００５０】
次に第１の比例制御器１４は第１のローパスフィルタ１３の出力を入力し、予め設定した第１の比例ゲインＫｐ１を乗じた信号を出力する。次に積分制御器１５は速度指令ｖｒと第１のローパスフィルタ１３の出力との差信号を入力して予め設定した積分ゲインＫｉを乗じて積分した信号を出力し、低速演算部１８は第１の比例制御器１４の出力と積分制御器１５の出力との差信号を低域トルク指令ｑｒｌとして出力する。
【００５１】
ここで、低速演算部１８は実速度ｖｍに第１のローパスフィルタ１３を介した信号を用い、Ｉ−Ｐ制御と一般的に呼ばれる制御を行っていることになる。
【００５２】
次に高速演算部１９は実速度ｖｍと低域トルク指令ｑｒｌを入力し、高速演算部１９の内部において第２のローパスフィルタ１６は実速度ｖｍを入力してローパス特性の伝達関数演算を行った信号を出力し、第２の比例制御器１７は第２のローパスフィルタ１６の出力に予め設定した第２の比例ゲインＫｐ２を乗じた信号を出力し、高速演算部１９は第２の比例制御器１７の出力と低域トルク指令ｑｒｌとの差信号をトルク指令ｑｒとして出力する。そして高速演算部１９はトルク令ｑｒを制御対象１に入力することにより、制御対象１の機械系を駆動する。
【００５３】
また、高速演算部１９の演算のサンプル周期は低速演算部１８の演算のサンプル周期よりも高速に演算を行う。
【００５４】
なお、速度指令ｖｒを積分制御器１５の入力側に加える代わりに図４に示すように、第１のローパスフィルタ１３の入力を速度指令ｖｒと実速度ｖｍの差信号としてもよい。これは低速演算部１８においてローパスフィルタを付加したＰＩ制御を行うことに相当する。この場合には、低速演算部１８では第１の比例制御器１４の出力と積分制御器１５の出力との和信号が求められ、これを低域トルク指令ｑｒｌとして出力し、高速演算部１９では第２の比例制御器１７の出力と低域トルク指令ｑｒｌとの和信号をトルク指令ｑｒとして出力する。
【００５５】
この実施の形態２は以上のように構成しているため、実施の形態１におけるモデル演算部２を備えておらず、Ｉ−Ｐ制御に基づいた簡単な構成としているため、速度指令ｖｒに対する実速度ｖｍの応答をあまり速く設定することはできない。しかしながらフィードバック部の伝達特性(制御装置の演算における実速度ｖｍからトルク指令ｑｒまでの伝達特性)は実施の形態１と全く同様であるため、実施の形態１と全く同様に外乱抑制効果を向上させる効果がある。
【００５６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の第１の発明によれば、電動機の回転速度である実速度を和の要素に含む信号を入力して低周波数成分をろ過した信号を出力する第１のローパスフィルタと、少なくとも前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号と電動機速度制御のための速度指令に基づく信号との和または差に基づき低域トルク指令を演算する第１の制御演算部と、前記低域トルク指令と実速度を入力し、少なくとも前記実速度の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和または差に基づき前記トルク指令を演算する第２の制御演算部を備えることを特徴とする電動機速度制御装置としたので、一巡伝達関数の周波数応答を制御対象の共振周波数付近の位相遅れが小さいまま高周波数のゲインを低減でき、簡単な調整で、外乱に対する応答を速く設定して外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【００５７】
また第２の発明によれば第１の発明において、前記第２の制御演算部は、前記実速度を和の要素に含む信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを備え、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和または差に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする電動機速度制御装置としたので、主な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在しても安定に外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【００５８】
また第３の発明によれば第１の発明において、前記速度指令を入力し、想定した制御対象のモデルの速度であるモデル速度と前記モデルのトルクであるモデルトルクを前記モデル速度が前記速度指令に追従するように演算して出力するモデル演算部をさらに備え、前記第１のローパスフィルタが、前記モデル速度と前記実速度の差信号を入力して低周波数成分をろ波した信号を出力し、前記第１の制御演算部が、前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号とモデルトルクの和に基づき低域トルク指令を演算し、前記第２の制御演算部が、前記低域トルク指令と前記モデル速度と前記実速度を入力し、前記モデル速度と前記実速度の差信号の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和により前記トルク指令を演算する、ことを特徴とする電動機速度制御装置としたので、一巡伝達関数の周波数応答を制御対象の共振周波数付近の位相遅れが小さいまま高周波数のゲインを低減でき、外乱に対する応答を速く設定して外乱抑制効果を向上させることが可能であるとともに、速度指令に対する実速度の応答を速く、高精度に制御することが可能である。
【００５９】
また第４の発明によれば第３の発明において、前記第２の制御演算部は、前記モデル速度と前記実速度の差信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを含み、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする電動機速度制御装置としたので、主な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在しても安定に外乱抑制効果を向上させることが可能であるとともに、速度指令に対する実速度の応答を速く、高精度に制御することが可能である。
【００６０】
また第５の発明によれば第１ないし４のいずれかの発明において、前記第２の制御演算部は前記第１の制御演算部よりも高速のサンプル周期で演算を行うことを特徴とする電動機速度制御装置としたので、高周波数領域においてサンプル周期に起因した位相遅れを小さくすることができ、より広い周波数範囲の機械共振に対して安定に外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明および従来技術の制御系の周波数応答を説明するための図である。
【図３】 この発明の実施の形態２による電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態２による他の電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【図５】 従来の電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 制御対象、２ モデル演算部、３ 第１のローパスフィルタ、４ 第１の比例制御器、５ 積分制御器、６ 第２のローパスフィルタ、７ 第２の比例制御器、８ 低速演算部、９ 高速演算部、１３ 第１のローパスフィルタ、１４第１の比例制御器、１５ 積分制御器、１６ 第２のローパスフィルタ、１７第２の比例制御器、１８ 低速演算部、１９ 高速演算部。
【発明の属する技術分野】
この発明はエレベータや産業用機械などに用いる電動機の速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は例えば「サーボモータの適応制御」、計測と制御、Vol.32，No.12，pp.1010〜pp.1013に記載の従来のこの種の電動機の速度制御装置の構成を示す図である。前記の文献においては位置制御装置で記載しているが、内部に速度制御装置を含んでいるため、図５には速度制御の部分のみ抽出して記載している。図において１は電動機のトルク制御器と電動機および負荷の機械系と速度検出器(共に図示せず)を含む制御対象、２はモデル演算部、２４は比例制御器、２５は積分制御器である。
【０００３】
次に動作を説明する。まず、制御対象１はトルク指令ｑｒを入力し、制御対象１は内部においてトルク制御器によってトルク指令ｑｒに一致するように電動機のトルクを制御することにより電動機および負荷となる機械系を駆動し、また速度検出器により電動機の速度である実速度ｖｍを検出するものである。またトルク指令ｑｒから実速度ｖｍまでの伝達特性をＧ(ｓ)と記述する。
【０００４】
次にモデル演算部２の動作について説明する。モデル演算部２は外部から速度指令ｖｒを入力する。また制御対象１のモデルを予め想定しておき、モデルの速度であるモデル速度ｖａとモデルのトルクであるモデルトルクｑａを、モデル速度ｖａが速度指令ｖｒに追従するように演算する。
【０００５】
例えばモデル演算部２において想定する制御対象１のモデルをイナーシャがＪａの剛体機械と想定すると、モデルトルクｑａはモデル速度ｖａの微分、すなわちモデルの加速度にモデルイナーシャＪａを乗じることにより演算されるため、モデル演算部２では例えば次の式(１)および式(２)によりモデル速度ｖａおよびモデルトルクｑａを演算する。ただし以降ではｓはラプラス演算子を表す。
【０００６】
ｖａ＝Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(１)
ｑａ＝Ｊａ・ｓ・Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(２)
【０００７】
ただし上式においてＦ(ｓ)は速度指令ｖｒに対してモデル速度ｖａを追従させる所望の伝達特性であり、例えばローパス特性の伝達特性として設定するものである。
【０００８】
次に、トルク指令ｑｒの演算方法について説明する。比例制御器２４はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの偏差に予め設定した比例ゲインＫｐを乗じた信号を出力し、また積分制御器２５はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの偏差に予め設定した積分ゲインＫｉを乗じて積分した信号を出力し、比例制御器２４の出力と積分制御器２５の出力の和を誤差補償トルクｑｃとする。すなわちＰＩ(比例積分)演算を行う。更にモデル演算部２で演算したモデルトルクｑａと誤差補償トルクｑｃの和をトルク指令ｑｒとして出力し、トルク指令ｑｒを制御対象１に入力することにより制御対象１の機械系を駆動する。
【０００９】
この従来技術は上記のように構成することにより、制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)がモデル演算部２で想定したモデルの特性と一致した場合、すなわち制御対象１の特性がイナーシャがＪａの剛体と一致する場合には、速度指令ｖｒの入力に対してトルク指令ｑｒはモデルトルクｑａと一致し、また実速度ｖｍはモデル速度ｖａに完全に一致するように制御される。
【００１０】
また、実際には制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)はモデル演算部２の特性とは誤差を生じ、また制御対象１には外乱トルクが加わるため、実速度ｖｍはモデル速度ｖａと完全には一致せず、その誤差が比例制御器２４および積分制御器２５を介してフィードバックされ、誤差補償トルクｑｃとしてモデルトルクｑａに加算されてトルク指令ｑｒとなり、実速度ｖｍのモデル速度ｖｒに対する誤差が小さくなるように制御を行う。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のこの種の装置では、ＰＩ演算により外乱に対して誤差の補償をする制御を行うが、制御対象が機械共振を持つような場合、特に電動機に対して負荷機械のイナーシャが大きい場合には、電動機が大きく振動を起こすため、比例ゲインＫｐや積分ゲインＫｉを十分に大きくすることができないという問題が生じ、その結果、外乱に対して電動機の実速度ｖｍを精度良く制御することができないという問題が有った。
【００１２】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、特に、機械系の剛性が低くかつ電動機に比べて大きなイナーシャの機械負荷を駆動するような場合にも、簡単な調整で安定に外乱に対する制御精度を向上させるような制御を実現する電動機速度制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、電動機の回転速度である実速度を和の要素に含む信号を入力して低周波数成分をろ過した信号を出力する第１のローパスフィルタと、少なくとも前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号と電動機速度制御のための速度指令に基づく信号との和または差に基づき低域トルク指令を演算する第１の制御演算部と、前記低域トルク指令と実速度を入力し、少なくとも前記実速度の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和または差に基づき前記トルク指令を演算する第２の制御演算部を備えることを特徴とする電動機速度制御装置にある。
【００１４】
また、前記第２の制御演算部は、前記実速度を和の要素に含む信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを備え、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和または差に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする請求項１に記載の電動機速度制御装置にある。
【００１５】
また、前記速度指令を入力し、想定した制御対象のモデルの速度であるモデル速度と前記モデルのトルクであるモデルトルクを前記モデル速度が前記速度指令に追従するように演算して出力するモデル演算部をさらに備え、前記第１のローパスフィルタが、前記モデル速度と前記実速度の差信号を入力して低周波数成分をろ波した信号を出力し、前記第１の制御演算部が、前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号とモデルトルクの和に基づき低域トルク指令を演算し、前記第２の制御演算部が、前記低域トルク指令と前記モデル速度と前記実速度を入力し、前記モデル速度と前記実速度の差信号の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和により前記トルク指令を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の電動機速度制御装置にある。
【００１６】
また、前記第２の制御演算部は、前記モデル速度と前記実速度の差信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを含み、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする請求項３に記載の電動機速度制御装置にある。
【００１７】
また、前記第２の制御演算部は前記第１の制御演算部よりも高速のサンプル周期で演算を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機速度制御装置にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電動機速度制御装置の構成を示す図である。図において１は電動機のトルク制御器と電動機および負荷の機械系と速度検出器(共に図示せず)を含む制御対象である。２はモデル演算部である。３は第１のローパスフィルタ、４は第１の比例制御器、５は積分制御器、６は第２のローパスフィルタ、７は第２の比例制御器である。８は低速演算部、９は高速演算部である。なお、第１の比例制御器４および積分制御器５が第１の制御演算部を構成し、第２のローパスフィルタ６および第２の比例制御器７が第２の制御演算部を構成する。
【００１９】
次に動作を説明する。まず、制御対象１はトルク指令ｑｒを入力し、制御対象１は内部においてトルク制御器によってトルク指令ｑｒに一致するように電動機のトルクを制御することにより電動機および負荷となる機械系を駆動し、また速度検出器により電動機の速度である実速度ｖｍを検出するものである。またトルク指令ｑｒから実速度ｖｍまでの伝達特性をＧ(ｓ)と記述する。
【００２０】
次に低速演算部８の動作について説明する。低速演算部８は外部から入力した速度指令ｖｒと制御対象１で検出した実速度ｖｍを入力する。また低速演算部８はモデル演算部２、第１のローパスフィルタ３、第１の比例制御器４および積分制御器５から構成され、以下で説明する動作を行う。
【００２１】
次に低速演算部８におけるモデル演算部２の動作について説明する。モデル演算部２は外部から速度指令ｖｒを入力する。また制御対象１のモデルを予め想定しておき、モデルの速度であるモデル速度ｖａとモデルのトルクであるモデルトルクｑａを、モデル速度ｖａが速度指令ｖｒに追従するように演算する。例えばモデル演算部２において想定する制御対象１のモデルをイナーシャがＪａの剛体機械だとすると、モデルトルクｑａはモデル速度ｖａの微分、すなわちモデルの加速度にモデルイナーシャＪａを乗じるとモデルトルクｑａとなるため、モデル演算部２では例えば次の式(１)および式(２)によりモデル速度ｖａおよびモデルトルクｑａを演算する。ただし以降ではｓはラプラス演算子を表す。
【００２２】
ｖａ＝Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(１)
ｑａ＝Ｊａ・ｓ・Ｆ(ｓ)・ｖｒ ・・・・(２)
【００２３】
ただし上式においてＦ(ｓ)は速度指令ｖｒに対してモデル速度ｖａを追従させる所望の伝達特性であり、例えばローパス特性の伝達特性として設定するものである。
【００２４】
次に、第１のローパスフィルタ３はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの差信号を入力し、予め設定したローパス特性(低周波数成分を抽出する)の伝達関数演算を行った信号を出力する。ここで、第１のローパスフィルタ３の遮断周波数をωｆ１と記述する。
【００２５】
次に第１の比例制御器４は第１のローパスフィルタ３の出力を入力し、予め設定した第１の比例ゲインＫｐ１を乗じた信号を出力し、積分制御器５は第１のローパスフィルタ３の出力を入力して予め設定した積分ゲインＫｉを乗じて積分した信号を出力し、低速演算部８は前記の第１の比例制御器４の出力と積分制御器５の出力の和信号を第１の誤差補償トルクｑｃ１として演算する。すなわちＰＩ(比例積分)演算により第１の誤差補償トルクｑｃ１の演算を行う。また低速演算部８はモデル演算部２で演算したモデルトルクｑａおよびモデル速度ｖａと第１の誤差補償トルクｑｃ１の和信号を低域トルク指令ｑｒｌとして出力する。
【００２６】
次に高速演算部９の動作について説明する。高速演算部９は低域トルク指令ｑｒｌとモデル速度ｖａと制御対象１で検出した実速度ｖｍを入力する。また高速演算部９の内部において、第２のローパスフィルタ６はモデル速度ｖａと実速度ｖｍの差信号を入力し、予め設定した遮断周波数ωｆ２のローパス特性の伝達関数演算を行った信号を出力する。ここで、第２のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ２は第１のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ１よりも大きく(高く)設定するものとする。
【００２７】
次に第２の比例制御器７は第２のローパスフィルタ６の出力に予め設定した第２の比例ゲインＫｐ２を乗じた信号を第２の誤差補償トルクｑｃ２として出力し、高速演算部９は低域トルク指令ｑｒｌと第２の誤差補償トルクｑｃ２の和信号をトルク指令ｑｒとして出力し、トルク指令ｑｒを制御対象１に入力することにより制御対象１の機械系を駆動する。
【００２８】
ここで、高速演算部９は低速演算部８に比べて高速のサンプル周期で演算を行う。すなわち、実速度ｖｍおよびトルク指令ｑｒの値の更新周期は、モデル演算部２の出力であるモデル速度ｖａ、モデルトルクｑａの更新周期より高速の周期で更新されるように演算を行う。
【００２９】
この実施の形態１は以上のように構成することにより、モデル速度ｖａと実速度ｖｍの誤差を第１の誤差補償トルクｑｃ１と第２の誤差補償トルクｑｃ２により補償することにより誤差が小さくなるように制御を行う。
【００３０】
次に、この発明によって得られる効果の原理について図２に基づいて説明する。図２において(ａ)は従来技術を用いた後述の一巡伝達関数の周波数応答を示す。(ｂ)はこの発明の電動機速度制御装置の後述するフィードバック部の伝達特性の周波数応答を示す。(ｃ)はこの発明の電動機速度制御装置の一巡伝達関数の周波数応答を示す。なお、これらの周波数応答は全てゲインを折れ線近似した図で示す。
【００３１】
制御対象１の機械系の剛性が低い場合は機械共振が生じ、制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)は反共振と共振を持つ特性となる。また、説明の簡単化のため電動機と機械負荷の２つの慣性が低剛性のバネで結合されているような２慣性系で考えると、電動機の慣性に対する機械負荷の慣性の比が大きい程、反共振周波数と共振周波数が離れるという特性を持つ。ここで、制御対象１に対して従来技術のようなＰＩ演算によるフィードバックのみを行い、制御ゲインをある値に設定した場合を考える。
【００３２】
すなわち、この実施の形態１の構成において、第２の比例制御器７の第２の比例ゲインＫｐ２を０にし、第１のローパスフィルタ３の遮断周波数ωｆ１を無限大に大きくした場合を考えると、この場合の一巡伝達関数のゲインの周波数応答を折れ線近似で表すと図２の(ａ)となる。ただし、一巡伝達関数とは制御対象１の伝達特性Ｇ(ｓ)と、制御装置のフィードバック部の伝達特性(制御装置の演算における実速度ｖｍからトルク指令ｑｒまでの伝達特性)を直列に接続した特性である。また図２における表示では、説明の簡単化のため積分制御器５の積分ゲインＫｉは小さく設定しているとして、無視して表示する。
【００３３】
図２の(ａ)に示したように、電動機の慣性に対する機械負荷の慣性の比が大きい場合には反共振周波数と共振周波数が離れるため、一巡伝達関数のゲインは高周波数で大きくなる特性を持つ。また、制御器のゲイン設定を適切に行った場合、図２の(ａ)に示したように、一巡伝達関数のゲインが０［ｄＢ］と交差する交差周波数が複数表れる。
【００３４】
この複数の交差周波数のうち、反共振周波数より低周波数側の交差周波数を第１の交差周波数ωｃ１、共振周波数より高周波数側の交差周波数を第２の交差周波数ωｃ２と表すと、第１の交差周波数ωｃ１は制御対象１に加わる外乱に対して実速度ｖｍが収束する応答の速さ(外乱応答速度)を表し、制御器のゲインをなるべく大きくして、この第１の交差周波数ωｃ１を大きくすることにより、外乱抑制効果を大きくすることができる。一方で、制御系が振動を起こして発散しないように制御するためには、第２の交差周波数ωｃ２において、一巡伝達関数の位相遅れが小さい必要がある。
【００３５】
しかしながら、制御器にはサンプル周期に起因した位相遅れが生じるため第２の交差周波数ωｃ２をあまり大きくすることはできず、その結果、図２の(ａ)に示したような単純なＰＩ制御を用いると、第１の交差周波数ωｃ１も小さく設定しなければならなくなる。
【００３６】
また、一巡伝達関数の高周波数領域のゲインを低減させるために従来技術で説明したＰＩ演算によるフィードバックにローパスフィルタを付加することを考えた場合、すなわち、この実施の形態１において第２の比例制御器の第２の比例ゲインＫｐ２を０にし、第１のローパスフィルタ３の遮断周波数ωｆ１を、一巡伝達関数の高周波数領域のゲインを低減するために図２の(ａ)における第１の交差周波数ωｃ１より高周波数領域を遮断するように設定したとすると、第１のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ１より高周波数領域ではゲインを低減するものの、位相も遅れてしまう。
【００３７】
その結果、共振周波数における一巡伝達関数のゲインのピークが０［ｄＢ］を超えれば共振周波数で制御系が振動的に発散して不安定になる現象が生じる。したがって、やはり一巡伝達関数のゲインのピークが０［ｄＢ］を超えないように一巡伝達関数のゲインを小さく設定する必要が生じ、第１の交差周波数ωｃ１を小さくせざるを得なくなる。
【００３８】
したがって、安定な制御系で第１の交差周波数ωｃ１をなるべく大きく設定するためには、共振周波数における一巡伝達関数の位相遅れを大きくせずに、第１の交差周波数ωｃ１より高周波数領域の一巡伝達関数のゲインを小さくすることが必要とされる。
【００３９】
一方、このような制御対象１に対して、この発明の電動機速度制御装置でゲインを適切に設定した場合の、フィードバック部の伝達特性(実速度ｖｍからトルク指令ｑｒまでの伝達特性)の周波数応答(ゲイン折れ線図)を図２の(ｂ)に示す。また、この場合の一巡伝達関数の周波数応答(ゲイン折れ線図)を図２の(ｃ)に示す。なお、積分ゲインＫｉは小さいとして無視して示している。図２の(ｂ)に示すように、フィードバック部の伝達特性は全体的に高周波数側が小さくなるようにするとともに、単なるローパス特性でなく、共振周波数付近ではゲインがフラットに近くなるように設定することによって、共振周波数付近の位相の遅れを小さくすることが可能になり、一巡伝達関数の共振周波数付近でゲインが０［ｄＢ］より大きくなっても、安定に制御することが可能になる。
【００４０】
また、第１の交差周波数ωｃ１と第２の交差周波数ωｃ２の差を小さくすることができ、サンプル周期による位相遅れが原因となって第２の交差周波数ωｃ２をあまり大きくできなくても、第１の交差周波数ωｃ１を大きくし、外乱に対する応答を速くすることが可能になる。
【００４１】
更に、実際の機械系には図２に示した主要な共振周波数より更に高い周波数領域にも共振モードが存在する場合があるため、第２の交差周波数ωｃ２より高い周波数領域のゲインは、第２のローパスフィルタ６によって高周波数成分を低減することにより、このような高い機械共振に対する安定性を向上させることが可能である。なお、主要な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在しない場合には、第２のローパスフィルタ６を用いずにモデル速度ｖａと実速度ｖｍとの差信号をそのまま第２の比例制御器７に入力しても良い。
【００４２】
また、制御系の調整の手順としては、まず最初に第２のローパスフィルタの遮断周波数を共振周波数より高く設定した後、第２の比例ゲインＫｐ２を制御系が安定な範囲でなるべく大きくした後、外乱に対する応答が十分に速くなければ、すなわち第１の交差周波数ωｃ１が小さければ、目標とする第１の交差周波数ωｃ１より少し大きな値に第１のローパスフィルタの遮断周波数ωｆ１を設定し、第１の比例ゲインＫｐ１を大きくしていくという簡単な手順で、良好な制御系の調整を実現できる。なお、積分ゲインＫｉは適宜設定すればよい。
【００４３】
さらに、上記で説明したようにフィードバック部の伝達特性の位相遅れは小さくする必要があるため、制御装置のサンプル周期に起因する位相遅れを小さくした方が、より広い周波数範囲の機械共振に対応することが可能になるが、上記で説明した制御系の演算を全て単一のサンプル周期で演算すると演算量が多いためサンプル周期を短くすることが難しくなる。
【００４４】
しかしながら、図２の(ｂ)に示したゲイン折れ線図における零点周波数ωｚより高周波数領域のフィードバック部の伝達特性は、第２のローパスフィルタおよび第２の比例制御器によって演算する特性が支配的になるため、第２のローパスフィルタおよび第２の比例制御器を含む高速演算部９の演算のみ高速のサンプル周期で演算することによって、高周波数領域におけるサンプル周期に起因した位相遅れを小さくすることが可能になる。
【００４５】
この発明の実施の形態１は上記のように構成し、第１のローパスフィルタ３と第１の比例制御器４とから構成する低速演算部８と第２のローパスフィルタ６と第２の比例制御器７とから構成する高速演算部９とから構成され、上述したように一巡伝達関数のゲインを高周波数領域を低減しながら、共振周波数で位相をなるべく遅らさないようにするため、簡単な調整で、安定性を損なうことなく外乱の抑制効果を向上させることが可能である。また、主要な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在する場合にも安定に制御することが可能である。
【００４６】
更に第２のローパスフィルタ６と第２の比例制御器７とから構成する高速演算部９の演算を低速演算部８よりも高速のサンプル周期で演算することにより、より広い範囲の機械共振に対して安定に外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【００４７】
更にモデル演算部２を備え、モデル演算部で演算したモデル速度ｖａとモデルトルクｑａとを演算し、モデル速度ｖａと実速度ｖｍとの差信号に基づいて演算した第１の誤差補償トルクｑｃ１とモデルトルクｑａとの和信号を低域トルク指令ｑｒｌとし、モデル速度ｖａと実速度ｖｍとの差信号に基づいて演算した第２の誤差補償トルクｑｃ２と低域トルク指令ｑｒｌとの和信号をトルク指令ｑｒとする構成としているので、制御対象１が剛体に近似されるような低周波数領域では速度指令ｖｒに対してモデル速度ｖａと実速度ｖｍとの誤差を小さく制御することが可能である。
【００４８】
実施の形態２．
図３にこの発明の実施の形態２による電動機速度制御装置の構成を示す。図において、１３は第１のローパスフィルタ、１４は第１の比例制御器、１５は積分制御器、１６は第２のローパスフィルタ、１７は第２の比例制御器、１８は低速演算部、１９は高速演算部である。なお、第１の比例制御器１４および積分制御器１５が第１の制御演算部を構成し、第２のローパスフィルタ１６および第２の比例制御器１７が第２の制御演算部を構成する。
【００４９】
次に動作を説明する。まず、第１のローパスフィルタ１３、第１の比例制御器１４、積分制御器１５からなる低速演算部１８の動作について説明する。低速演算部１８は速度指令ｖｒと実速度ｖｍを入力する。次に低速演算部１８の内部において第１のローパスフィルタ１３は実速度ｖｍを入力し、予め設定したローパス特性の伝達関数演算を行った信号を出力する。
【００５０】
次に第１の比例制御器１４は第１のローパスフィルタ１３の出力を入力し、予め設定した第１の比例ゲインＫｐ１を乗じた信号を出力する。次に積分制御器１５は速度指令ｖｒと第１のローパスフィルタ１３の出力との差信号を入力して予め設定した積分ゲインＫｉを乗じて積分した信号を出力し、低速演算部１８は第１の比例制御器１４の出力と積分制御器１５の出力との差信号を低域トルク指令ｑｒｌとして出力する。
【００５１】
ここで、低速演算部１８は実速度ｖｍに第１のローパスフィルタ１３を介した信号を用い、Ｉ−Ｐ制御と一般的に呼ばれる制御を行っていることになる。
【００５２】
次に高速演算部１９は実速度ｖｍと低域トルク指令ｑｒｌを入力し、高速演算部１９の内部において第２のローパスフィルタ１６は実速度ｖｍを入力してローパス特性の伝達関数演算を行った信号を出力し、第２の比例制御器１７は第２のローパスフィルタ１６の出力に予め設定した第２の比例ゲインＫｐ２を乗じた信号を出力し、高速演算部１９は第２の比例制御器１７の出力と低域トルク指令ｑｒｌとの差信号をトルク指令ｑｒとして出力する。そして高速演算部１９はトルク令ｑｒを制御対象１に入力することにより、制御対象１の機械系を駆動する。
【００５３】
また、高速演算部１９の演算のサンプル周期は低速演算部１８の演算のサンプル周期よりも高速に演算を行う。
【００５４】
なお、速度指令ｖｒを積分制御器１５の入力側に加える代わりに図４に示すように、第１のローパスフィルタ１３の入力を速度指令ｖｒと実速度ｖｍの差信号としてもよい。これは低速演算部１８においてローパスフィルタを付加したＰＩ制御を行うことに相当する。この場合には、低速演算部１８では第１の比例制御器１４の出力と積分制御器１５の出力との和信号が求められ、これを低域トルク指令ｑｒｌとして出力し、高速演算部１９では第２の比例制御器１７の出力と低域トルク指令ｑｒｌとの和信号をトルク指令ｑｒとして出力する。
【００５５】
この実施の形態２は以上のように構成しているため、実施の形態１におけるモデル演算部２を備えておらず、Ｉ−Ｐ制御に基づいた簡単な構成としているため、速度指令ｖｒに対する実速度ｖｍの応答をあまり速く設定することはできない。しかしながらフィードバック部の伝達特性(制御装置の演算における実速度ｖｍからトルク指令ｑｒまでの伝達特性)は実施の形態１と全く同様であるため、実施の形態１と全く同様に外乱抑制効果を向上させる効果がある。
【００５６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の第１の発明によれば、電動機の回転速度である実速度を和の要素に含む信号を入力して低周波数成分をろ過した信号を出力する第１のローパスフィルタと、少なくとも前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号と電動機速度制御のための速度指令に基づく信号との和または差に基づき低域トルク指令を演算する第１の制御演算部と、前記低域トルク指令と実速度を入力し、少なくとも前記実速度の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和または差に基づき前記トルク指令を演算する第２の制御演算部を備えることを特徴とする電動機速度制御装置としたので、一巡伝達関数の周波数応答を制御対象の共振周波数付近の位相遅れが小さいまま高周波数のゲインを低減でき、簡単な調整で、外乱に対する応答を速く設定して外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【００５７】
また第２の発明によれば第１の発明において、前記第２の制御演算部は、前記実速度を和の要素に含む信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを備え、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和または差に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする電動機速度制御装置としたので、主な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在しても安定に外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【００５８】
また第３の発明によれば第１の発明において、前記速度指令を入力し、想定した制御対象のモデルの速度であるモデル速度と前記モデルのトルクであるモデルトルクを前記モデル速度が前記速度指令に追従するように演算して出力するモデル演算部をさらに備え、前記第１のローパスフィルタが、前記モデル速度と前記実速度の差信号を入力して低周波数成分をろ波した信号を出力し、前記第１の制御演算部が、前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号とモデルトルクの和に基づき低域トルク指令を演算し、前記第２の制御演算部が、前記低域トルク指令と前記モデル速度と前記実速度を入力し、前記モデル速度と前記実速度の差信号の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和により前記トルク指令を演算する、ことを特徴とする電動機速度制御装置としたので、一巡伝達関数の周波数応答を制御対象の共振周波数付近の位相遅れが小さいまま高周波数のゲインを低減でき、外乱に対する応答を速く設定して外乱抑制効果を向上させることが可能であるとともに、速度指令に対する実速度の応答を速く、高精度に制御することが可能である。
【００５９】
また第４の発明によれば第３の発明において、前記第２の制御演算部は、前記モデル速度と前記実速度の差信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを含み、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする電動機速度制御装置としたので、主な機械共振より高い周波数領域に機械共振が存在しても安定に外乱抑制効果を向上させることが可能であるとともに、速度指令に対する実速度の応答を速く、高精度に制御することが可能である。
【００６０】
また第５の発明によれば第１ないし４のいずれかの発明において、前記第２の制御演算部は前記第１の制御演算部よりも高速のサンプル周期で演算を行うことを特徴とする電動機速度制御装置としたので、高周波数領域においてサンプル周期に起因した位相遅れを小さくすることができ、より広い周波数範囲の機械共振に対して安定に外乱抑制効果を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明および従来技術の制御系の周波数応答を説明するための図である。
【図３】 この発明の実施の形態２による電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態２による他の電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【図５】 従来の電動機速度制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 制御対象、２ モデル演算部、３ 第１のローパスフィルタ、４ 第１の比例制御器、５ 積分制御器、６ 第２のローパスフィルタ、７ 第２の比例制御器、８ 低速演算部、９ 高速演算部、１３ 第１のローパスフィルタ、１４第１の比例制御器、１５ 積分制御器、１６ 第２のローパスフィルタ、１７第２の比例制御器、１８ 低速演算部、１９ 高速演算部。
Claims (5)
- 電動機の回転速度である実速度を和の要素に含む信号を入力して低周波数成分をろ過した信号を出力する第１のローパスフィルタと、
少なくとも前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号と電動機速度制御のための速度指令に基づく信号との和または差に基づき低域トルク指令を演算する第１の制御演算部と、
前記低域トルク指令と実速度を入力し、少なくとも前記実速度の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和または差に基づき前記トルク指令を演算する第２の制御演算部を備えることを特徴とする電動機速度制御装置。 - 前記第２の制御演算部は、前記実速度を和の要素に含む信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを備え、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和または差に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする請求項１に記載の電動機速度制御装置。
- 前記速度指令を入力し、想定した制御対象のモデルの速度であるモデル速度と前記モデルのトルクであるモデルトルクを前記モデル速度が前記速度指令に追従するように演算して出力するモデル演算部をさらに備え、
前記第１のローパスフィルタが、前記モデル速度と前記実速度の差信号を入力して低周波数成分をろ波した信号を出力し、
前記第１の制御演算部が、前記第１のローパスフィルタの出力を比例倍した信号とモデルトルクの和に基づき低域トルク指令を演算し、
前記第２の制御演算部が、前記低域トルク指令と前記モデル速度と前記実速度を入力し、前記モデル速度と前記実速度の差信号の比例倍に基づく信号と前記低域トルク指令との和により前記トルク指令を演算する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機速度制御装置。 - 前記第２の制御演算部は、前記モデル速度と前記実速度の差信号の低周波数成分をろ過した信号を出力する第２のローパスフィルタを含み、少なくとも前記低域トルク指令と前記第２のローパスフィルタの出力を比例倍した信号との和に基づき前記トルク指令を演算することを特徴とする請求項３に記載の電動機速度制御装置。
- 前記第２の制御演算部は前記第１の制御演算部よりも高速のサンプル周期で演算を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機速度制御装置。
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