JP7271266B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの駆動制御を行う制御装置に関する。

モータの駆動を行う制御装置では、モータの駆動電流に振動成分が含まれていると不要な振動が発生してしまうため、モータの駆動電流から振動成分を除去することが望ましい。振動を抑制するために、モータの駆動電流の制御に非干渉制御が用いられることがある。

また、モータの駆動制御では、モータ、インバータ等の保護のため、トルク指令値が上限トルク値を超えないように制限するリミッタを設けている場合がある。このため、トルク指令値によっては、非干渉制御によりトルク指令値に加えられる振動抑制の信号がリミッタによって制限され、振動抑制の効果が低下する場合がある。例えば、特許文献１に開示された技術では、トルク指令値を制限した場合に、車両の振動を効果的に抑制するために、トルク指令値を制限するリミッタの特性を車両特性に応じて変化させている。

特開２００５－２６９８３６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、車両毎にリミッタの特性を変化させているため、計算が複雑になって処理負荷が増加する問題があった。また、単純なリミッタによって、トルク指令を制限した場合、制振抑制の効果が低下する問題があった。

上述の課題に鑑み、本発明は、単純な構成のリミッタを用いたモータの駆動制御における振動抑制の効果の低下を防止することができる制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置のある態様によれば、制御装置は、角度検出部と、フィードバック部と、トルク指令演算部と、制限部と、駆動制御部と、補正部と、を備える。前記角速度検出部は、モータの角速度を検出する。前記フィードバック部、前記角速度検出部が検出した角速度からフィードバック値を求める。前記トルク指令演算部は、上位装置から供給される上位トルク指令値と前記フィードバック部が求めたフィードバック値に応じてトルク指令値を求める。前記制限部は、前記トルク指令演算部が求めたトルク指令値が所定のトルク上限値を超えないように制限する。前記駆動制御部は、前記制限部により制限されたトルク指令値に応じてモータの駆動制御を行う。前記補正部は、前記フィードバック部が求めたフィードバック値と前記上位トルク指令値に応じて、前記上位トルク指令値又は前記トルク指令値を補正する。

以上の構成を有する本発明によれば、単純な構成のリミッタを用いたモータの駆動制御における振動抑制の効果の低下を防止することができる。

実施形態１のモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 モータ制御システムを構成するモータ制御部の構成例を示すブロック図である。 モータ制御部を構成する補正部の構成例を示すブロック図である。 補正部におけるオーバートルクであるか否かの演算処理の例を示すフローチャートである。 補正部が生成する補正量の例を示す図である。 補正部により補正されたトルク指令値の例を示す図である。 リミッタによりトルク指令値が制限された状態の例を示す図である。 振動によるモータによって駆動される負荷の加速度の例を示す図である。 振動によるモータによって駆動される負荷の加速度の例を示す図である。 実施形態２のモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 補正部が生成する補正量の他の例を示す図である。 補正部が生成する補正量の他の例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための実施形態について詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る制御装置を用いたモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。
このモータ制御システムは、負荷１を駆動する制御対象のモータ２と、モータ２に対する上位トルク指令値を生成する上位装置３と、上位装置３からの上位トルク指令値Ｔ_ｍとモータ２の状態に応じてモータの駆動を制御するモータ制御部４と、モータ制御部４の制御に応じた駆動電流をモータ２に供給する電力変換部５とを備えている。

モータ２は、例えば電気自動車の駆動を行うものであり、例えば３相のブラシレスモータから構成される。また、上位装置３は、例えば電気自動車の場合では、アクセル開度や現在の車両速度等に応じた上位トルク指令値を生成するＶＣＵ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：車両制御装置）等から構成される。なお、モータ２は、ロボットのアーム等の駆動を行うモータ等であってもよい。また、モータ２は、ブラシ付きＤＣモータ等の他のモータで構成してもよい。また、電力変換部５は、例えばインバータで構成され、モータ制御部４からの電流制御に応じて、電源電圧のスイッチングを行なってモータ２に供給する。

図２は、モータ制御部４の構成例を示すブロック図である。
モータ２は、電力変換部５から供給される駆動電流に応じて磁界を発生する界磁コイル、ロータに取り付けられた永久磁石等を備え、界磁コイルが発生する磁界に応じた駆動力を発生する。また、モータ２は、ロータの位置（角度）を検出する位置検出部２Ａ等を備えている。

モータ制御部４は、上位装置３からの上位トルク指令値Ｔ_ｍに応じたフィードフォワードトルク指令値Ｔ_ｍＦＦを求めるフィードフォワード部１０と、位置検出部２Ａの検出出力からモータ２の角速度ω_ｍを求める速度演算部２０と、モータ２の角速度ω_ｍに応じたフィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢを求めるフィードバック部３０と、トルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓを求める演算部４０とを備えている。また、モータ制御部４は、演算部４０からのトルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓが所定の閾値を超えないように制限するリミッタ５０と、トルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓ等に応じてモータ２に供給する駆動電流の制御を行う電流制御部６０と、上位装置３からの上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正する補正部７０とを備えている。

このモータ制御システムでは、フィードフォワード部１０からのフィードフォワードトルク指令値（フィードフォワード値）Ｔ_ｍＦＦとフィードバック部３０からのフィードバックトルク指令値（フィードバック値）Ｔ_ｍＦＢから求めたトルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓに基づいて電流制御部６０による制御を行うことにより、モータ２の振動を抑制する非干渉化制御を行っている。

リミッタ５０は、演算部４０からのトルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓが所定の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えないように制限して電流指令演算部６１に供給する。この閾値Ｔ_ｌｉｍは、例えばモータ２の上限トルク値とする。あるいは、閾値Ｔ_ｌｉｍは、例えばモータ２の上限トルク値と上限電流値等を用いて設定してもよい。

電流制御部６０は、リミッタ５０を介して供給されるトルク指令値Ｔ_{ｍｒｅｓ＿ｌｉｍｉｔ}と速度演算部２０が求めたモータ２の角速度ω_ｍに応じて電流指令値ｉ_ｇを求める電流指令演算部６１と、電流指令値ｉ_ｇと速度演算部２０が求めたモータ２の角速度ω_ｍに応じてモータ２を駆動する駆動電流の制御を行う電流制御演算部６２とを備えている。電流制御演算部６２は、例えば電流指令値ｉ_ｇに応じて電力変換部５を制御することにより、駆動電流のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）制御を行っている。

上述のように構成されたモータ制御システムでは、上位装置３から上位トルク指令値Ｔ_ｍが供給されると、モータ制御部４は、上位トルク指令値Ｔ_ｍとモータ２の角速度ω_ｍに応じてモータ２の駆動を制御する。具体的には、補正部７０は、所定の時間間隔毎に上位装置３から供給される上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正し、補正後の上位トルク指令値Ｔ_ｍ´をフィードフォワード部１０に供給する。なお、この補正は、後述のように、トルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓリミッタ５０の閾値を超えないように必要に応じて行われる。フィードフォワード部１０は、上位トルク指令値Ｔ_ｍ´に応じたフィードフォワードトルク指令値Ｔ_ｍＦＦを求め、演算部４０に供給する。速度演算部２０は、位置検出部２Ａの検出出力からモータ２の角速度ω_ｍを求め、フィードバック部３０等に供給する。フィードバック部３０は、モータ２の角速度ω_ｍからフィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢを求め、演算部４０に供給する。演算部４０は、フィードフォワードトルク指令値Ｔ_ｍＦＦとフィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢの和をトルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓとしてリミッタ５０に供給する。リミッタ５０は、トルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓが所定の閾値を超えないように制限し、トルク指令値Ｔ_{ｍｒｅｓ＿ｌｉｍｉｔ}として電流指令演算部６１に供給する。

電流指令演算部６１は、リミッタ５０を介して供給されるトルク指令値Ｔ_{ｍｒｅｓ＿ｌｉｍｉｔ}と速度演算部２０からの角速度ω_ｍと電源電圧値Ｖ_ＤＣから電流指令値ｉ_ｇを求め、電流制御演算部６２に供給する。電流制御演算部６２は、電流指令演算部６１から供給された電流指令値ｉ_ｇに応じて電力変換部５を制御する。具体的には、電流制御演算部６２は、電力変換部５に供給される電流の電流値ｉ_ｒと電流指令演算部６１からの電流指令値ｉ_ｇと速度演算部２０からの角速度ω_ｍに応じて電力変換部５によるスイッチングを行うタイミングを制御する。これにより、上位装置３からの上位トルク指令値Ｔ_ｍとモータ２の角速度ω_ｍに応じた駆動制御が実行される。

図３は、補正部７０の構成例を示すブロック図である。
補正部７０は、上位装置３からの上位トルク指令値Ｔ_ｍとフィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢに応じた演算を行う演算部７１と、オーバートルクであるか否かの演算を行うオーバートルク演算部７２と、オーバートルク演算部７２の演算結果に含まれるノイズのゲインを低減させるノイズ低減部７３と、補正量ΔＴを選択するための最大値を演算する最大値演算部７４とを備えている。ノイズ低減部７３は、例えばローパスフィルタ等で構成される。また、補正部７０は、前回の処理時の補正値を保持する前回値保持部７５と、前回値保持部７５に保持されている値を保持させる減衰部７６と、補正量の符号を判定する符号判定部７７と、補正量ΔＴに応じて上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正する演算部７８とを備えている。なお、演算部７８は、上位トルク指令値Ｔ_ｍに補正量ΔＴを加算する加算部として構成してもよい。

図４は、補正部７０のオーバートルク演算部７２によるオーバートルクであるか否かの演算処理の例を示すフローチャートである。
オーバートルク演算部７２は、所定の時間間隔毎に図４の処理を実行する。処理を介しすると、オーバートルク演算部７２は、Ｓ１において、演算部７１から供給される上位トルク指令値Ｔ_ｍとフィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢの和Ｔ_ｃの絶対値とリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍの絶対値の比較演算を行い、和Ｔ_ｃの絶対値がリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えているか否かを判定する。

和Ｔ_ｃの絶対値がリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍの絶対値を超えている場合には、オーバートルク演算部７２は、ステップＳ２において、和Ｔ_ｃの絶対値とリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍの絶対値の差をノイズ低減部７３を介して最大値演算部７４に供給する。一方、ステップＳ１において、和Ｔ_ｃの絶対値がリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えていなければ、オーバートルク演算部７２は、ステップＳ３において、値０をノイズ低減部７３を介して最大値演算部７４に供給する。以上の処理は、所定の時間間隔毎に繰り返される。

ノイズ低減部７３は、所定の時間間隔毎にオーバートルク演算部７２から供給される値のノイズのゲインを低減させて最大値演算部７４に供給する。前回値保持部７５には、前回の処理の際の最大値演算部７４の出力が保持されている。減衰部７６は、前回の処理の際の最大値演算部７４の出力を減衰させて最大値演算部７４に供給する。この減衰部７６による処理は、前回値保持部７５に格納されている値から一定値を引いてもよい。あるいは、１次遅れ系等の他の方法によって減衰させてもよい。

最大値演算部７４は、ノイズ低減部７３を介してオーバートルク演算部７２から供給される値と、減衰部７６により減衰された前回の処理の際の最大値演算部７４の出力のうち、値が大きい方を出力する。この出力は、符号判定部７７と前回値保持部７５に供給される。符号判定部７７は、入力信号の符号に基づいて補正量ΔＴの符号を決め、求めた符号を含む補正量ΔＴを演算部７８に供給する。演算部７８は、供給された補正量ΔＴに基づいて上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正し、補正したトルク指令値Ｔ_ｍ´をフィードフォワード部１０に供給する。

図５は、上述の補正処理によって補正部が生成する補正量ΔＴの例を示す図である。
この補正量ΔＴは、補正を行わない場合にトルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓがリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超える期間に値が大きくなり、時間経過にしたがって減衰する値となる。上述のように求められた補正量ΔＴにより、上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正することにより、例えば図６に示すように、トルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓがリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えない状態となる。なお、この例では、符号判定部７７は補正量ΔＴの符号を負とし、演算部７８が上位トルク値Ｔ_ｍに負の値である補正量ΔＴを加算した結果を示している。

これに対し、上位トルク指令値Ｔ_ｍの補正を行わない場合には、上位トルク指令値Ｔ_ｍとフィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢの状態によっては、例えば図７に示すように、トルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓがリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えてしまい、リミッタ５０によってトルク指令値の値が制限されてしまう。この結果、振動抑制の効果が低下してしまう。本実施形態では、上述のように、トルク指令値Ｔ_ｍｒｅｓがリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えないように、上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正することにより、モータの駆動制御における振動抑制の効果の低下を防止することができる。

図８及び図９は、上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正しない場合と、上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正する場合とで、振動によるモータ２によって駆動される負荷１の加速度の例を比較したものである。図８及び図９は、例えば電気自動車の場合には、電気自動車の加速度の例を示している。また、図８の符号８１及び図９の符号８３が上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正しない場合の振動による加速度を示しており、図８の符号８２及び図９の符号８４が上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正する場合の振動による加速度を示している。図８及び図９の比較から明らかなように、補正部７０による上位トルク指令値Ｔ_ｍの補正により、振動抑制の効果の低下を防止することができている。

また、本実施形態では、上述のように上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正することにより、単純な構成のリミッタを用いてトルク指令値を制限したモータの駆動制御における振動抑制の効果の低下を防止することができる。また、本実施形態では、補正部７０による補正量の算出に、車両特性を用いていないため、処理負荷の増加を抑えることができる。したがって、本実施形態によれば、処理負荷の増加を抑えつつ振動抑制の効果の低下を防止することができる。

＜実施形態２＞
図１０は、実施形態２のモータ制御システムを構成するモータ制御部の構成例を示すブロック図である。実施形態１では、補正部７０が上位装置３からの上位トルク指令値Ｔ_ｍを補正する構成としていたが、本実施形態では、補正９０が、フィードフォワード部１０からのフィードフォワードトルク指令値Ｔ_ｍＦＦを補正するようになっている。

補正部９０は、上述の図３に示す補正部７０と同様に構成されており、フィードフォワード部１０からのフィードフォワードトルク指令値Ｔ_ｍＦＦとフィードバック部３０からのフィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢに応じて補正量ΔＴを求め、フィードフォワードトルク指令値Ｔ_ｍＦＦを補正するようになっている。

以上説明したように、本実施形態によれば、上位トルク指令値とフィードバック部が求めたフィードバック値に応じて、トルク指令値を補正することにより、上述の実施形態１と同様に、単純な構成のリミッタを用いたモータの駆動制御における振動抑制の効果の低下を防止することができる。

＜変形例＞
上述の実施形態では、図５に示す補正量ΔＴを用いた例について説明したが、例えば図１１に示すように、減衰時間が早い補正量ΔＴを用いてもよい。振動抑制の効果は、フィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢの値が立ち上がる期間で高いため、フィードバックトルク指令値Ｔ_ｍＦＢの値が立ち上がる期間においてトルク指令値がリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えないように補正することにしてもよい。このような補正量ΔＴを生成するためには、例えば補正部７０の減衰部７６による減衰量を大きくすればよい。

また、補正量ΔＴは、一定の値としてもよい。これにより、トルク指令値の補正の処理負荷の増加をさらに抑えつつ振動抑制効果を維持するることができる。この場合、補正後のトルク指令値がリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えないように補正してもよいが、例えば図１２に示すように補正後のトルク指令値がリミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超える範囲を所定の閾値以下とするように補正量ΔＴを求めてもよい。補正後のトルク指令値がある程度リミッタ５０の閾値Ｔ_ｌｉｍを超えていても振動抑制の効果はあるため、このような補正量ΔＴを用いることにより、トルク指令値の値を全体的に高く維持することができ、上位トルク指令値に対する応答性を向上させることができる。なお、補正部によりどの程度の補正を行うのかは、例えば要求される振動抑制の効果、処理負荷の大小、要求される応答性等を総合的に考慮して決めてもよい。

また、上述の各実施形態では、トルク指令値を制限するリミッタ５０を設けた例について説明したが、リミッタを設けず、電流制御部に供給されるトルク指令値が所定の閾値を超えないように補正部が上位トルク指令値又はトルク指令値を補正するようにしてもよい。

上記した各実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置やシステムの構成や各種条件によって適宜修正または変更されるべきものであり、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

１…負荷、２…モータ、２Ａ…位置検出部、３…上位装置、４…モータ制御部、５…電力変換部、１０…フィードフォワード部、２０…速度演算部、３０…フィードバック部、４０…演算部、５０…リミッタ、６０…電流制御部、６１…電流指令演算部、６２…電流制御演算部、７０…補正部、８０…補正部

Claims (5)

1. モータの角速度を検出する角速度検出部と、
   前記角速度検出部が検出した角速度からフィードバック値を求めるフィードバック部と、
   上位装置から供給される上位トルク指令値と前記フィードバック部が求めたフィードバック値に応じてトルク指令値を求めるトルク指令演算部と、
   前記トルク指令演算部が求めたトルク指令値が所定のトルク上限値を超えないように制限する制限部と、
   前記制限部により制限されたトルク指令値に応じてモータの駆動制御を行う駆動制御部と、
   前記フィードバック部が求めたフィードバック値と前記上位トルク指令値に応じて、前記上位トルク指令値又は前記トルク指令値に対してモータを駆動する駆動電流の制御周期毎に補正する補正部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記上位トルク指令値に応じてフィードフォワード値を求めるフィードフォワード部を備え、
   前記トルク指令演算部は、前記フィードフォワード部が求めたフィードフォワード値と前記フィードバック部が求めたフィードバック値に応じて前記トルク指令値を求める
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記補正部は、
   補正後の前記トルク指令値が所定の閾値を超えないように補正を行う、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記補正部は、
   前記上位トルク指令値と前記フィードバック部が求めたフィードバック値に基づいて、
   トルク指令値が前記所定の閾値を超えるか否かを検出する検出部と、
   前記検出部がトルク指令値が前記所定の閾値を超えると検出した場合に、トルク指令値の最大値を求める最大値演算部と、
   前記最大値演算部が求めたトルク指令値の最大値に応じて補正量を求める補正量演算部と、
   前記補正量演算部が求めた前記補正量に応じて、前記上位トルク指令値又は前記トルク指令値を補正する補正処理部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. モータの角速度を検出する角速度検出部と、
   前記角速度検出部が検出した角速度からフィードバック値を求めるフィードバック部と、
   上位装置から供給される上位トルク指令値と前記フィードバック部が求めたフィードバック値に応じてトルク指令値を求めるトルク指令演算部と、
   トルク指令値に応じてモータの駆動制御を行う駆動制御部と、
   前記フィードバック部が求めたフィードバック値と前記上位トルク指令値に応じて、前記上位トルク指令値又は前記トルク指令値に対してモータを駆動する駆動電流の制御周期毎に補正する補正部と、を備え、
   前記補正部は、
   補正後の前記トルク指令値が所定の閾値を超えないように補正を行う、
   ことを特徴とする制御装置。

Images