JP6750707B1 - Motor drive device and method of controlling motor drive device - Google Patents
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Abstract
【課題】モータ駆動装置において、定常状態で上位制御から入力されるトルク指令に収束でき、低次のモデルが簡易に実装でき、電流制御の安定性を向上させる。【解決手段】速度制御部1において、検出モータ角速度ωMと速度指令ω*に基づいて、トルク指令T*を出力する。振動抑制制御部2において、推定モータ角速度ωestから検出モータ角速度ωMを減じて振動成分を抽出し、前記振動成分を低周波成分および高周波成分を補償しないフィルタ22を通して補償トルクTFBをフィードバックし、前記補償トルクTFBを前記トルク指令T*に加算して振動抑制トルク指令T**を算出する。電流制御部3は、検出モータ位相と検出電流と前記振動抑制トルク指令とに基づいて、ゲート信号を出力する。インバータ4において、ゲート信号に基づいてスイッチング素子を制御し、モータMに電圧を出力する。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the stability of current control in a motor drive device by being able to converge on a torque command input from a higher-level control in a steady state, easily mounting a low-order model. SOLUTION: A speed control unit 1 outputs a torque command T * based on a detected motor angular velocity ωM and a speed command ω *. The vibration suppression control unit 2 extracts the vibration component by subtracting the detected motor angular velocity ωM from the estimated motor angular velocity ωest, feeds back the compensation torque TFB through the filter 22 that does not compensate the low frequency component and the high frequency component, and compensates the vibration component. The torque TFB is added to the torque command T * to calculate the vibration suppression torque command T **. The current control unit 3 outputs a gate signal based on the detection motor phase, the detection current, and the vibration suppression torque command. In the inverter 4, the switching element is controlled based on the gate signal, and the voltage is output to the motor M. [Selection diagram] Figure 2
Description
本発明は、モータが2慣性系,もしくはそれ以上の多慣性系を駆動するシステムに係り、特に、振動抑制に関する。 The present invention relates to a system in which a motor drives a two-inertia system or a multi-inertia system having two or more inertia systems, and particularly relates to vibration suppression.
バッテリもしくは交流電源とレクティファイア(交流−直流変換器)の組み合わせからなる直流電圧を生じさせる機構と、直流電圧を交流電圧に変換しモータ(電動機)に印加するインバータと、印加された電気エネルギーを力学的エネルギーに変換して回転するモータと、モータとシャフト等で連結された1つの負荷と、などから構成される2慣性駆動系、あるいは負荷が複数連結された多慣性駆動系を考える。 A mechanism that generates a DC voltage composed of a battery or an AC power supply and a rectifier (AC-DC converter), an inverter that converts the DC voltage into an AC voltage and applies it to a motor (electric motor), and the applied electrical energy. Consider a two-inertia drive system composed of a motor that is converted into mechanical energy and rotates, one load connected to the motor by a shaft or the like, or a multi-inertia drive system in which a plurality of loads are connected.
ここでインバータは、アクセルや操作盤の操作によって生成されるトルク指令に基づいて、モータが適正なトルクで運転できるような振幅・周波数の交流電圧を生成してモータへ印加するものとする。このような駆動系をもつシステムには例えばエレベータ,工作機械といったものがある。 Here, it is assumed that the inverter generates an AC voltage having an amplitude and a frequency that allows the motor to operate with an appropriate torque based on a torque command generated by operating the accelerator or the operation panel and applies the AC voltage to the motor. Systems having such a drive system include, for example, elevators and machine tools.
このようなシャフトを介する駆動系においては負荷を駆動させた際、シャフトにねじりに対する反力が生じ、共振を励起することがある。また、負荷に加わる外乱成分により慣性系が振動することがある。この慣性系の振動に対して、制御上の改善で対策を行う方法が知られている。 In a drive system via such a shaft, when a load is driven, a reaction force against torsion may be generated in the shaft, and resonance may be excited. Further, the inertial system may vibrate due to the disturbance component applied to the load. There is known a method of improving the control to take measures against the vibration of the inertial system.
例えば、特許文献1に示される自動車用の振動抑制制御では、モータ軸換算した総合イナーシャによる目標応答と検出モータ角速度を比較し、振動成分をフィードバックして振動抑制を行っている。
For example, in the vibration suppression control for automobiles disclosed in
特許文献2のトランスミッション等試験装置用の振動抑制制御では、出力トルクを検出しフィードバックすることでモータ回転速度に依存しない振動抑制を行っている。
In the vibration suppression control for a test device such as a transmission of
特許文献3の工作機械用の振動抑制制御では、モータと被駆動部の速度を比較し、振動成分をフィードバックすることで振動抑制を行っている。
In the vibration suppression control for machine tools of
特許文献4の多慣性系の振動抑制制御では、外乱オブザーバと共振比制御を両立させて簡易な振動抑制制御を達成している。
In the vibration suppression control of the multi-inertia system of
特許文献1の振動抑制制御では、適用対象を自動車に限定した議論となっており、慣性系に高周波外乱が入力された場合の振動抑制制御が電流制御系へ与える影響が考慮されていない。
In the vibration suppression control of
特許文献2の振動抑制制御では、出力トルク検出手段を必要とする。電動機駆動系には出力トルク検出手段をもたないものも多く、一般の電動機駆動系への適用に当たっては設計変更,部品調達コストが生じる恐れがある。
The vibration suppression control of
特許文献3の振動抑制制御では、モータと被駆動部の両者に速度検出器が必要となる。検出器が2つの場合、1つの場合に比べて部品コスト増大,故障リスク増大といった問題が生じる。
The vibration suppression control of
特許文献4の振動抑制制御では、低周波成分をフィードバックするため、定常時に振動抑制補償後のトルク指令が速度制御からのトルク指令に収束しない。指令値の大小,外乱の有無にかかわらずモータトルクを具体的な値へと制御したい場合に不向きである。
In the vibration suppression control of
以上示したようなことから、モータ駆動装置において、定常状態で上位制御から入力されるトルク指令に収束でき、低次のモデルが簡易に実装でき、電流制御の安定性を向上させることが課題となる。 From the above, in the motor drive device, it is possible to converge to the torque command input from the upper-level control in a steady state, a low-order model can be easily implemented, and it is necessary to improve the stability of current control. Become.
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、インバータに接続されたモータによって、1つ、または、複数の負荷を駆動するモータ駆動装置であって、検出モータ角速度と速度指令に基づいて、トルク指令を出力する速度制御部と、推定モータ角速度から前記検出モータ角速度を減じて振動成分を抽出し、前記振動成分を低周波成分および高周波成分を補償しないフィルタに通して補償トルクをフィードバックし、前記補償トルクを前記トルク指令に加算して振動抑制トルク指令を算出する振動抑制制御部と、検出モータ位相と検出電流と前記振動抑制トルク指令とに基づいて、ゲート信号を出力する電流制御部と、前記ゲート信号に基づいてスイッチング素子を制御し、前記モータに電圧を出力するインバータと、を備えたことを特徴とする。 The present invention has been devised in view of the above conventional problems, and one aspect thereof is a motor drive device that drives one or a plurality of loads by a motor connected to an inverter, A speed control unit that outputs a torque command based on the motor angular speed and the speed command, and a filter that does not compensate the low-frequency component and the high-frequency component for the vibration component by subtracting the detected motor angular speed from the estimated motor angular speed to extract the vibration component. Based on the vibration suppression control unit that feeds back the compensation torque through and calculates the vibration suppression torque command by adding the compensation torque to the torque command, based on the detected motor phase, the detected current, and the vibration suppression torque command. A current control unit that outputs a gate signal, and an inverter that controls a switching element based on the gate signal and outputs a voltage to the motor are provided.
また、その一態様として、前記振動抑制制御部は、前記振動抑制トルク指令に慣性系モデルを乗算して前記推定モータ角速度を算出する慣性系モデルブロックと、前記推定モータ角速度から前記検出モータ角速度を減算する減算部と、前記減算部の出力を入力して前記補償トルクを出力する前記フィルタと、前記トルク指令に前記補償トルクを加算して前記振動抑制トルク指令として出力する加算部と、を備えたことを特徴とする。 In addition, as one mode thereof, the vibration suppression control unit calculates the estimated motor angular velocity from an inertial system model block that calculates the estimated motor angular velocity by multiplying the vibration suppression torque command by an inertial system model, and the detected motor angular velocity from the estimated motor angular velocity. A subtraction unit that subtracts, a filter that inputs the output of the subtraction unit and outputs the compensation torque, and an addition unit that adds the compensation torque to the torque command and outputs the addition as the vibration suppression torque command. It is characterized by that.
また、その一態様として、前記フィルタの伝達係数は、以下の(9)式とすることを特徴とする。 Further, as one mode thereof, the transfer coefficient of the filter is expressed by the following equation (9).
GFB:伝達関数
Jr:内部モデルイナーシャ
ζH:抑制補償の強さ
ωH:周波数帯域
s:ラプラス演算子。
G FB : Transfer function Jr: Internal model inertia ζ H : Suppression compensation strength ω H : Frequency band s: Laplace operator.
本発明によれば、モータ駆動装置において、定常状態で上位制御から入力されるトルク指令に収束でき、低次のモデルが簡易に実装でき、電流制御の安定性を向上させることが可能となる。 According to the present invention, in the motor drive device, the torque command input from the upper control can be converged in a steady state, a low-order model can be easily mounted, and the stability of current control can be improved.
以下、本願発明におけるモータ駆動装置の実施形態を図1〜図6に基づいて詳述する。 Hereinafter, an embodiment of a motor drive device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[実施形態]
図1に本実施形態におけるモータと負荷の接続構成図を示す。図1はモータMがシャフトを介して3つの負荷A,B,Cを駆動する4慣性駆動系を示している。4慣性駆動系としたのは多慣性系制御の例として説明するためであり、実施形態が対象とするのは4慣性系だけではない。つまり、負荷の個数は3つに限定されず、1個以上の任意の個数でよい。モータトルクTMはモータMに流れる電流をインバータで制御することにより発生させたトルクであり、モータトルクTMによってモータM及び負荷A,B,Cを駆動する。以下では図1の駆動系をプラントと称する。
[Embodiment]
FIG. 1 shows a connection configuration diagram of a motor and a load in this embodiment. FIG. 1 shows a four-inertia drive system in which a motor M drives three loads A, B, C via a shaft. The 4-inertia drive system is used for the purpose of explanation as an example of multi-inertia system control, and the embodiment is not limited to the 4-inertia system. That is, the number of loads is not limited to three, and may be any number of one or more. The motor torque T M is a torque generated by controlling the current flowing through the motor M with an inverter, and drives the motor M and the loads A, B, C by the motor torque T M. Below, the drive system of FIG. 1 is called a plant.
図2に本実施形態における制御システム構成図を示す。制御システムにはアクセル,操作盤などの操作量に応じた速度指令ω*が入力される。速度指令ω*の前に位置制御があり、そこで速度指令ω*が生成される構成でもよい。速度制御部1は入力された速度指令ω*と検出モータ角速度ωMに基づき速度指令ω*に追従するためのトルク指令T*を出力する。
FIG. 2 shows a block diagram of the control system in this embodiment. A speed command ω * is input to the control system according to the amount of operation of the accelerator or operation panel. There may be a configuration in which there is position control before the speed command ω * and the speed command ω * is generated there. The
振動抑制制御部2は本実施形態の対象とする制御部であり、入力されたトルク指令T*と検出モータ角速度ωMから振動を抑制するためのトルク指令(以下、振動抑制トルク指令と称する)T**を出力する。
The vibration
電流制御部3には振動抑制トルク指令T**と検出モータ位相,検出電流が入力され、振動抑制トルク指令T**を実現するための電流制御演算を行い、ゲート信号をインバータ4に与える。
The vibration control torque command T ** , the detected motor phase, and the detected current are input to the
インバータ4ではゲート信号の通りにスイッチングが行われ、電圧をモータMに印加する。モータMに電圧が印加されると電流が流れ、速度,電流に応じたモータトルクTMが生じる。
In the
ここで、図2では検出モータ角速度ωMおよび検出モータ位相を用いているが、電流制御などで推定モータ位相を演算する、つまり速度センサレスとしてもよい。その場合、速度制御部1,振動抑制制御部2には検出モータ角速度ωMの代わりに推定したモータ角速度を入力するものとする。本明細書では、検出モータ角速度ωMは推定したモータ角速度を含むものとし、検出モータ位相は推定モータ位相を含むものとする。
Here, although the detected motor angular velocity ω M and the detected motor phase are used in FIG. 2, the estimated motor phase may be calculated by current control or the like, that is, the speed sensor may be omitted. In that case, the estimated motor angular velocity is input to the
また、以下の振動抑制制御の検討に関して電流制御は十分正確であると仮定し、電流制御応答と同じ時定数の一次遅れ伝達関数とみなす。 Further, regarding the following vibration suppression control, it is assumed that the current control is sufficiently accurate and is regarded as a first-order lag transfer function with the same time constant as the current control response.
図3は図1をブロック図の形で表したものである。JM,JA,JB,JCはそれぞれモータM,負荷A,負荷B,負荷Cのイナーシャである。また、DMA,DAB,DBCはモータMと負荷A,負荷Aと負荷B,負荷Bと負荷Cを接続するシャフトの損失を表現する減衰定数,KMA,KAB,KBCはモータMと負荷A,負荷Aと負荷B,負荷Bと負荷Cを接続するシャフトの剛性である。シャフトの損失とはシャフトがねじれる角速度に応じて発生する摩擦などの成分を示す。 FIG. 3 is a block diagram of FIG. J M , J A , J B , and J C are inertias of the motor M, the load A, the load B, and the load C, respectively. Further, D MA , D AB , and D BC are damping constants expressing the loss of the shaft connecting the motor M and the load A, the load A and the load B, and the load B and the load C, and K MA , K AB , and K BC are the motors. It is the rigidity of the shaft that connects M and load A, load A and load B, and load B and load C. The shaft loss indicates a component such as friction generated according to the angular velocity of the shaft twist.
1/JMsなどといったイナーシャを用いたブロック7,11,15,18はトルクから角速度への伝達関数を示す。DMAs+KMA/sなどといったシャフト係数を用いたブロック9,13,17は角速度からトルクへの伝達関数を示す。
シャフト係数の伝達関数を用いたブロック9,13,17手前のフィードバックによる減算器8,12,16は2つの角速度の差からシャフトがねじれる角速度を導出するためのものである。モータMまたは負荷A,B,Cのイナーシャの伝達関数を用いたブロック7,11,15,18手前のフィードバックによる減算器6,10,14はシャフトからの反力を表現したものである。
図3に基づいて、具体的に説明する。減算部5において、モータトルクTMから外乱トルクTdisを減算する。減算部6において、減算部5の出力から第1シャフトブロック9の出力を減算する。
A specific description will be given based on FIG. The
モータイナーシャブロック7において、減算部6の出力にモータイナーシャ伝達関数1/JMsを乗算して検出モータ角速度ωMを算出する。減算部8において、検出モータ角速度ωMから第1負荷イナーシャブロック11の出力を減算する。第1シャフトブロック9において、減算部8の出力に第1シャフト伝達関数DMAs+KMA/sを乗算する。
In the motor inertia block 7, the output of the subtraction unit 6 is multiplied by the motor
減算部10において、第1シャフトブロック9の出力から第2シャフトブロック13の出力を減算する。第1負荷イナーシャブロック11において、減算部10の出力に第1負荷伝達関数1/JAsを乗算する。減算部12において、第1負荷イナーシャブロック11の出力から第2負荷イナーシャブロック15の出力を減算する。
The
第2シャフトブロック13において、減算部12の出力に第2シャフト伝達関数DABs+KAB/sを乗算する。減算部14において、第2シャフトブロック13の出力から第3シャフトブロック17の出力を減算する。第2負荷イナーシャブロック15において、減算部14の出力に第2負荷伝達関数1/JBsを乗算する。減算部16において、第2負荷イナーシャブロック15の出力から第3負荷イナーシャブロック18の出力を減算する。
In the
第3シャフトブロック17において、減算部16の出力に第3シャフト伝達関数DBCs+KBC/sを乗算する。第3負荷イナーシャブロック18において、第3シャフトブロック17の出力に第3負荷伝達関数1/JCsを乗算する。
In the third shaft block 17, the output of the
図3では、負荷が3つの場合について示しているが、負荷は1つ以上であればよい。負荷が1つの場合、プラント伝達関数GPは、減算部6〜第1負荷イナーシャブロック11までのブロックとなる(ただし、減算部10はない)。負荷が2つの場合は、減算部6〜第2負荷イナーシャブロック15までのブロックとなる(ただし、減算部14はない)。負荷が4つ以上の場合は、図3に対して必要なブロックを追加すればよい。 Although FIG. 3 shows the case where there are three loads, the number of loads may be one or more. When the load is one, the plant transfer function G P is a block from the subtracting unit 6 to the first load inertia block 11 (however, there is no subtracting unit 10). When there are two loads, the blocks are the subtraction unit 6 to the second load inertia block 15 (however, there is no subtraction unit 14). When the load is four or more, necessary blocks may be added to FIG.
モータトルクTM、及び、外乱トルクTdisを入力すると、図3に基づいてモータM,負荷A,B,Cが駆動される。モータ角速度が検出され、検出モータ角速度ωMとして図2の制御システムで用いられる。モータトルクTM,外乱トルクTdisの減算以降を、プラント入力トルクから検出モータ角速度ωMまでのプラント伝達関数GPと称する。ただし、プラントは図3のように線形な伝達関数の組み合わせ、つまり1つのプラント伝達関数GPにまとめられるような構成である必要はなく、ギアのバックラッシュなど非線形な要素を有するプラントである場合も本実施形態は適用可能である。 When the motor torque T M and the disturbance torque T dis are input, the motor M and the loads A, B and C are driven based on FIG. The motor angular velocity is detected and used as the detected motor angular velocity ω M in the control system of FIG. The subtraction of the motor torque T M and the disturbance torque T dis is called the plant transfer function G P from the plant input torque to the detected motor angular velocity ω M. However, the plant does not need to have a combination of linear transfer functions as shown in FIG. 3, that is, a configuration in which one plant transfer function G P is put together, and a plant having nonlinear elements such as gear backlash. Also, this embodiment is applicable.
図4に振動抑制制御部2の構成図を示す。GPは図3に示すプラント伝達関数である。プラント伝達関数GPは図2の振動抑制制御部2の外部の項であるが、振動抑制制御全体のわかりやすさのために記した。
FIG. 4 shows a configuration diagram of the vibration
本実施形態は、共振するモデルに対し検出手段を設け、共振以外の成分をもった制御内演算結果と比較して出力にフィードバックする。これが制御の基本的な考え方となる。共振以外の成分を表現するモデルとは、おおまかに慣性系全体を表すモデルということであり、これは慣性系の全てのイナーシャの和を時定数とする一次遅れである。 In the present embodiment, detection means is provided for a resonating model, and the result is compared with an in-control calculation result having a component other than resonance and is fed back to the output. This is the basic idea of control. A model that expresses components other than resonance is a model that roughly represents the entire inertial system, and this is a first-order lag whose time constant is the sum of all inertias of the inertial system.
振動抑制制御部2にはトルク指令T*が入力される。加算器19により、トルク指令T*とフィードバックされた補償トルクTFBを加算して振動抑制トルク指令T**を算出する。
A torque command T * is input to the vibration
慣性系モデルブロック20は、振動抑制トルク指令T**に制御内部の慣性系モデル(1/Jrs)を乗算して推定モータ角速度ωestを算出する。ここで、Jrは内部モデルイナーシャである。また、振動抑制トルク指令T**は電流制御系(ここでは時定数の小さい一次遅れとみなし省略する)を介してモータトルクTMとなる。減算器5において、モータトルクTMから外乱トルクTdisを減算し、プラント伝達関数GPに入力される。プラント伝達関数GPの出力は検出モータ角速度ωMとなる。
The inertial
減算部21において、推定モータ角速度ωestから検出モータ角速度ωMが減算される。つまり、内部モデルとプラントからの検出値を比較している。減算した結果はフィルタ22(伝達関数GFB)を介して振動抑制用の補償トルクTFBとしてトルク指令T*に加算される。
The
ここでは、図2の速度制御,電流制御は特別の問題なく動作するものとして、振動抑制制御のみを考える。 Here, only the vibration suppression control is considered, assuming that the speed control and the current control in FIG. 2 operate without any special problem.
本実施形態の振動抑制制御(図4)における基本的な考え方を説明する。プラントからの検出モータ角速度ωMはプラントの剛性により振動する。これに対し内部モデルはイナーシャを考慮した積分だけで表現され、そこから得られる推定モータ角速度ωestは振動成分を持たない。つまり内部モデルが適切であれば、検出モータ角速度ωMと推定モータ角速度ωestを比較することで、検出モータ角速度ωMの振動成分のみを取り出せる。そして得られた振動成分を適切なフィルタ(伝達関数GFB)に通し、トルク指令T*にフィードバックすることで検出モータ角速度ωMの振動を抑制することができる。以上が基本的な振動抑制の考え方となる。 The basic idea of the vibration suppression control (FIG. 4) of this embodiment will be described. The detected motor angular velocity ω M from the plant oscillates due to the rigidity of the plant. On the other hand, the internal model is expressed only by integration considering the inertia, and the estimated motor angular velocity ω est obtained from it has no vibration component. That is, if the internal model is appropriate, only the vibration component of the detected motor angular velocity ω M can be extracted by comparing the detected motor angular velocity ω M and the estimated motor angular velocity ω est . Then, the obtained vibration component is passed through an appropriate filter (transfer function G FB ) and fed back to the torque command T * , whereby the vibration of the detected motor angular velocity ω M can be suppressed. The above is the basic idea of vibration suppression.
数式を用いて、図4の構成による振動抑制制御を説明する。ここでは、電流制御系が時定数の小さい一次遅れとみなせ、振動抑制トルク指令T**とモータトルクTMが等しいものと仮定する。また、プラントのモータ角速度は遅れなく正確に検出されるものとみなす。 Vibration suppression control by the configuration of FIG. 4 will be described using mathematical expressions. Here, the current control system can be regarded as a first-order lag with a small time constant, and it is assumed that the vibration suppression torque command T ** and the motor torque T M are equal. In addition, the motor angular velocity of the plant is assumed to be accurately detected without delay.
まず、制御内部の慣性系モデルについて述べる。上記のように検出モータ角速度ωMと推定モータ角速度ωestを比較して振動成分を取り出したいため、推定モータ角速度ωestはモータ角速度の大まかな動きを模擬したものであればよい。 First, the inertial system model inside the control will be described. Since it is desired to compare the detected motor angular velocity ω M and the estimated motor angular velocity ω est to extract the vibration component as described above, the estimated motor angular velocity ω est may be a simulation of a rough movement of the motor angular velocity.
よって、モータMに負荷A,B,Cが連結されたことを模擬するため、内部モデルイナーシャJrをイナーシャJM以上の値として振動抑制しやすいよう調整することになる。イナーシャの情報が事前に分かっている場合の望ましい値としては、以下の(1)式のように内部モデルイナーシャJrをモータM、及び全負荷A,B,Cのイナーシャの総和とする。 Therefore, in order to simulate that the loads A, B, and C are connected to the motor M, the internal model inertia J r is adjusted to a value equal to or greater than the inertia J M so that vibration can be easily suppressed. When the information on the inertia is known in advance, the internal model inertia Jr is the sum of the inertias of the motor M and the full loads A, B, C as shown in the following equation (1).
ここで注意点として、ギアなどを介して力を伝達する場合、車輪など回転力を前後運動に変換する場合はモータMから見る各負荷A,B,Cのイナーシャは単一で測定するイナーシャとは違って見えるため、(1)式のままでは推定モータ角速度ωestは検出モータ角速度ωMから乖離してしまう。このような場合は、ギア比,回転半径を用いて各負荷のイナーシャをモータ軸に換算し、総和を取ればよい。 It should be noted here that when transmitting a force through a gear or the like, and when converting a rotational force such as a wheel into a back-and-forth motion, the inertia of each load A, B, C seen from the motor M is the inertia measured by a single measurement. Therefore, the estimated motor angular velocity ω est deviates from the detected motor angular velocity ω M with the equation (1) as it is. In such a case, the inertia of each load may be converted to the motor shaft using the gear ratio and the radius of gyration, and the sum may be calculated.
次に、フィルタ(伝達関数GFB)の設計について述べる。トルク指令T*及び外乱トルクTdisからモータトルクTMへの伝達関数は以下の(2)式となる。トルク指令T*及び外乱トルクTdisから検出モータ角速度ωMまでの伝達関数は以下の(3)式のようになる。 Next, the design of the filter (transfer function G FB ) will be described. The transfer function from the torque command T * and the disturbance torque T dis to the motor torque T M is given by the following expression (2). The transfer function from the torque command T * and the disturbance torque T dis to the detected motor angular velocity ω M is given by the following expression (3).
ここで、プラント伝達関数GPを分子GPN,分母GPDで表現する。さらに、検出モータ角速度ωMの振動を抑制することを考え、(3)式におけるトルク指令T*の係数部分をGXとおく。すると以下の(4)式,(5)式のようになる。 Here, the plant transfer function G P is represented by the numerator G PN and the denominator G PD . Further, considering the suppression of the vibration of the detected motor angular velocity ω M , the coefficient part of the torque command T * in the equation (3) is set as G X. Then, the following expressions (4) and (5) are obtained.
設計可能な伝達関数1/Jrs,GFBに注目し、以下の(6)式で置き換えを行い、(5)式を整理しなおすと以下の(7)式が得られる。
Paying attention to the designable
(7)式の分母に注目すると、プラント伝達関数GPの分母GPDが引き起こす共振をGHによって抑制できる形になっていることがわかる。 Focusing on the denominator of equation (7), it can be seen that the resonance caused by the denominator G PD of the plant transfer function G P can be suppressed by G H.
ここで、本実施形態の振動抑制では、以下の2点を重視し、低周波成分,高周波成分の補償は行わない設計とする。
・振動がない場合はトルク指令T*の値を変化させない、つまり定常的な補償は行わない。
・電流制御応答との兼ね合いを考慮する必要がある補償は行わない。
Here, in the vibration suppression of the present embodiment, the following two points are emphasized, and the low frequency component and the high frequency component are not compensated.
-If there is no vibration, the value of the torque command T * is not changed, that is, steady compensation is not performed.
-No compensation is required, which requires consideration of the balance with the current control response.
(3)式,(6)式から外乱トルクTdisに対する検出モータ角速度ωMの応答はGX・GHであることをふまえて、GHを(8)式のようなノッチフィルタに設定する。ωHは周波数帯域,ζHは抑制補償の強さを決めている。 Based on the expressions (3) and (6) that the response of the detected motor angular velocity ω M to the disturbance torque T dis is G X ·G H , G H is set to the notch filter as shown in the expression (8). .. ω H determines the frequency band and ζ H determines the strength of suppression compensation.
プラントに合わせて振動を抑制できるように周波数帯域ωH,抑制補償の強さζHを調節することになるが、一般的には、周波数帯域ωHはプラント伝達関数GPの反共振点より低く設定し、抑制補償の強さζHは小さければ振動抑制性能が弱く、大きければ急峻な補償トルクTFBを発生させるため0.2<ζH<0.8程度に設定するのが良い。 The frequency band ω H and the suppression compensation strength ζ H are adjusted so that the vibration can be suppressed in accordance with the plant. Generally, the frequency band ω H is from the anti-resonance point of the plant transfer function G P. If the suppression compensation strength ζ H is set low, the vibration suppression performance is weak if it is small, and if it is large, a steep compensation torque T FB is generated. Therefore, it is preferable to set 0.2<ζ H <0.8.
振動抑制制御に用いるフィルタ(伝達関数GFB)については(8)式から以下の(9)式が導かれる。 Regarding the filter (transfer function G FB ) used for the vibration suppression control, the following expression (9) is derived from the expression (8).
以上が本実施形態の振動抑制制御の説明となる。本実施形態の効果をシミュレーションにより確認した。図5にステップ応答に対するシミュレーション結果を示す。図5の左側がトルク指令T*を変化させた場合、右側が外乱トルクTdisを変化させた場合を示している。トルク指令T*,外乱トルクTdisのどちらを変化させた場合でも、検出モータ角速度ωMの振動が抑制されていることがわかる。どちらの結果でもトルク指令T*と振動抑制トルク指令T**,ここではつまりモータトルクTMは最終的に同じ値に収束していることがわかる。 The above is the description of the vibration suppression control of the present embodiment. The effect of this embodiment was confirmed by simulation. FIG. 5 shows the simulation result for the step response. The left side of FIG. 5 shows the case where the torque command T * is changed, and the right side shows the case where the disturbance torque T dis is changed. It can be seen that the vibration of the detected motor angular velocity ω M is suppressed regardless of whether the torque command T * or the disturbance torque T dis is changed. Both results show that the torque command T * and the vibration suppression torque command T ** , that is, the motor torque T M here finally converge to the same value.
よって、本実施形態の振動抑制が目的とする「振動がない場合はトルク指令T*の値を変化させない」を達成しつつ多慣性系の振動が抑制できていることがわかる。外乱トルク応答における角速度の上昇度合いのずれは、制御ありの場合のみ振動抑制の分だけ外乱を打ち消すトルクを生じたことに由来する。 Therefore, it can be seen that the vibration of the multi-inertia system can be suppressed while achieving the target "to suppress the value of the torque command T * when there is no vibration", which is the object of the vibration suppression of the present embodiment. The deviation in the degree of increase in the angular velocity in the disturbance torque response results from the fact that the torque that cancels the disturbance is generated by the amount of vibration suppression only when control is performed.
図6にボード線図を示す。4慣性系のため、振動抑制制御なしでは共振点が3つ存在している。そして、振動抑制を行った場合、トルク指令T*に対する応答、外乱トルクTdisに対する応答の両者について共振点のゲインを抑えることができている。 FIG. 6 shows a Bode diagram. Because of the 4-inertia system, there are three resonance points without vibration suppression control. When vibration is suppressed, the gain at the resonance point can be suppressed for both the response to the torque command T * and the response to the disturbance torque T dis .
本実施形態の特長を考察する。 Consider the features of this embodiment.
1つ目の特長は定常特性である。振動抑制を行った後の定常状態において、振動抑制トルク指令T**はトルク指令T*と等しくなる。これは、外乱の有無にかかわらず特定のモータトルクTMを出力したい場合に有利である。 The first feature is steady characteristics. In the steady state after performing the vibration suppression, the vibration suppression torque command T ** becomes equal to the torque command T * . This is advantageous when it is desired to output a specific motor torque T M regardless of the presence or absence of disturbance.
2つ目の特長は内部モデルの次数である。通常、多慣性系の共振を内部モデルで再現しようとすれば伝達関数の次数が高くなり、その係数も項によって大きく違うため、実装時は小数点位置や演算誤差に気を配る必要がある。しかし、本実施形態の内部モデル1/Jrsは次数が低く実装上の難点を少なくできている。
The second feature is the order of the internal model. Usually, when the resonance of a multi-inertia system is reproduced by an internal model, the order of the transfer function becomes high, and the coefficient also greatly differs depending on the term. Therefore, it is necessary to pay attention to the decimal point position and calculation error at the time of mounting. However, the
3つ目の特長は高周波外乱の考慮である。高周波外乱を補償する振動抑制制御の設計だと補償トルクが高周波数で変動し、電流制御を不安定にする危険性がある。これに対し、本実施形態は外乱応答に寄与するGHを(8)式のように設定し、高周波数に対して補償を行わないようにして安定性を確保している。
以上が本実施形態の特長となる。
The third feature is the consideration of high frequency disturbances. If the vibration suppression control is designed to compensate for high-frequency disturbances, the compensating torque may fluctuate at high frequencies and there is a risk of destabilizing the current control. On the other hand, in the present embodiment, G H that contributes to the disturbance response is set as in equation (8), and compensation is not performed for high frequencies to ensure stability.
The above is the feature of this embodiment.
以下に本実施形態の効果を説明する。 The effects of this embodiment will be described below.
振動する検出モータ角速度ωMから振動成分をもたない推定モータ角速度ωestを減じたのち、低周波数,高周波数を補償しないフィルタを通してフィードバックすることで、定常状態で上位制御から入力されるトルク指令T*に収束でき、
低次のモデルで簡易に実装でき、電流制御を不安定にさせにくい、多慣性系の振動抑制制御を行うことができる。
After subtracting the estimated motor angular velocity ω est that does not have a vibration component from the oscillating detected motor angular velocity ω M , feedback is performed through a filter that does not compensate for low and high frequencies. Can converge to T * ,
It can be easily implemented with a low-order model, and it is possible to perform vibration suppression control of a multi-inertia system that does not make current control unstable.
従来においては、シャフト剛性による共振までモデルで表現して自動車の制振制御が行われている場合がある。これはフィードフォワードでオーバーシュートなく制御を行えるが、代わりにモデル精度が重要となる。 Conventionally, vibration control of an automobile may be performed by expressing a resonance due to shaft rigidity by a model. Although this can be controlled by feedforward without overshoot, model accuracy is important instead.
車両モデルを離散伝達関数にした際の共振(剛性)の表現項はそれ以外の項に比べてかなり微小であり、かといって0とみなして近似すると共振の表現がすべてなくなってしまい、制振が行えなくなってしまう。よって、従来は共振の表現のために制振制御に特化して対策している。 The expression term of resonance (rigidity) when the vehicle model is a discrete transfer function is considerably smaller than the other terms, and if it is regarded as 0 and approximated, the expression of resonance disappears and the damping Cannot be done. Therefore, conventionally, measures are taken specifically for damping control in order to express resonance.
本実施形態の制御は共振の表現を行わず、容易な伝達関数表現で制振制御が行えるようにしている。 In the control of the present embodiment, the resonance is not expressed, and the vibration suppression control can be performed by a simple transfer function expression.
特許文献1〜4に対しては、慣性系に高周波外乱が入力された場合の電流制御系へ与える影響を考慮している、出力トルク検出手段を必要としない、速度検出器は多くともモータに対しての1つのみでよい、定常時に振動抑制後トルク指令は速度制御からのトルク指令に収束する、という利点を持つ。
Regarding
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。 In the above, the present invention has been described in detail only for the specific examples described, but it is obvious to those skilled in the art that various variations and modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention, Of course, such variations and modifications are within the scope of the claims.
1…速度制御部
2…振動抑制制御部
3…電流制御部
4…インバータ
M…モータ
ω*…速度指令
T*…トルク指令
ωM…検出モータ角速度
T**…振動抑制トルク指令
ωest…推定モータ角速度
TFB…補償トルク
1 ...
Claims (3)
検出モータ角速度と速度指令に基づいて、トルク指令を出力する速度制御部と、
推定モータ角速度から前記検出モータ角速度を減じて振動成分を抽出し、前記振動成分を低周波成分および高周波成分を補償しないフィルタに通して補償トルクをフィードバックし、前記補償トルクを前記トルク指令に加算して振動抑制トルク指令を算出する振動抑制制御部と、
検出モータ位相と検出電流と前記振動抑制トルク指令とに基づいて、ゲート信号を出力する電流制御部と、
前記ゲート信号に基づいてスイッチング素子を制御し、前記モータに電圧を出力するインバータと、
を備え、
前記振動抑制制御部は、
前記振動抑制トルク指令に、モータのイナーシャと、ギア比,回転半径を用いて各負荷のイナーシャをモータ軸に換算した値と、の総和とした慣性系モデルを乗算して前記推定モータ角速度を算出する慣性系モデルブロックと、
前記推定モータ角速度から前記検出モータ角速度を減算する減算部と、
前記減算部の出力を入力して前記補償トルクを出力する前記フィルタと、
前記トルク指令に前記補償トルクを加算して前記振動抑制トルク指令として出力する加算部と、を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。 A motor drive device for driving a plurality of loads by a motor connected to an inverter,
A speed control unit that outputs a torque command based on the detected motor angular velocity and the speed command;
A vibration component is extracted by subtracting the detected motor angular velocity from the estimated motor angular velocity, the vibration component is passed through a filter that does not compensate for the low frequency component and the high frequency component, and the compensation torque is fed back, and the compensation torque is added to the torque command. And a vibration suppression control unit that calculates a vibration suppression torque command,
A current control unit that outputs a gate signal, based on the detected motor phase, the detected current, and the vibration suppression torque command,
An inverter that controls a switching element based on the gate signal and outputs a voltage to the motor,
Equipped with
The vibration suppression control unit,
The estimated motor angular velocity is calculated by multiplying the vibration suppression torque command by the inertia system model that is the sum of the inertia of the motor and the value obtained by converting the inertia of each load into the motor shaft using the gear ratio and the radius of gyration. Inertial model block to
A subtraction unit that subtracts the detected motor angular velocity from the estimated motor angular velocity,
The filter which inputs the output of the subtraction unit and outputs the compensation torque,
And a compensation unit that adds the compensation torque to the torque command and outputs the vibration suppression torque command.
Jr:内部モデルイナーシャ
ζH:抑制補償の強さ
ωH:周波数帯域
s:ラプラス演算子 The motor drive device according to claim 1 , wherein the transfer coefficient of the filter is expressed by the following equation (9).
速度制御部において、検出モータ角速度と速度指令に基づいて、トルク指令を出力し、
振動抑制制御部において、推定モータ角速度から前記検出モータ角速度を減じて振動成分を抽出し、前記振動成分を低周波成分および高周波成分を補償しないフィルタを通して補償トルクをフィードバックし、前記補償トルクを前記トルク指令に加算して振動抑制トルク指令を算出し、
電流制御部において、検出モータ位相と検出電流と前記振動抑制トルク指令とに基づいて、ゲート信号を出力し、
インバータにおいて、前記ゲート信号に基づいてスイッチング素子を制御し、前記モータに電圧を出力し、
前記振動抑制制御部は、
慣性系モデルブロックにおいて、前記振動抑制トルク指令に、モータのイナーシャと、ギア比,回転半径を用いて各負荷のイナーシャをモータ軸に換算した値と、の総和とした慣性系モデルを乗算して前記推定モータ角速度を算出し、
減算部において、前記推定モータ角速度から前記検出モータ角速度を減算し、
前記フィルタにおいて、前記減算部の出力を入力して前記補償トルクを出力し、
前記加算部において、前記トルク指令に前記補償トルクを加算して前記振動抑制トルク指令として出力することを特徴とするモータ駆動装置の制御方法。 A method for controlling a motor drive device for driving a plurality of loads by a motor connected to an inverter,
In the speed control unit, based on the detected motor angular speed and the speed command, output a torque command,
In the vibration suppression control unit, the detected motor angular velocity is subtracted from the estimated motor angular velocity to extract a vibration component, the compensation torque is fed back through a filter that does not compensate for the low frequency component and the high frequency component, and the compensation torque is set to the torque. Add to the command to calculate the vibration suppression torque command,
In the current control unit, based on the detected motor phase, the detected current and the vibration suppression torque command, outputs a gate signal,
In the inverter, controlling the switching element based on the gate signal, outputs a voltage to the motor,
The vibration suppression control unit,
In the inertial system model block, the vibration suppression torque command is multiplied by the inertial model, which is the sum of the inertia of the motor and the value obtained by converting the inertia of each load into the motor shaft using the gear ratio and the radius of gyration. Calculating the estimated motor angular velocity,
In the subtraction unit, the detected motor angular velocity is subtracted from the estimated motor angular velocity,
In the filter, the output of the subtraction unit is input to output the compensation torque,
A method of controlling a motor drive device, wherein the adding unit adds the compensation torque to the torque command and outputs the addition as the vibration suppression torque command .
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