JP2005045956A

JP2005045956A - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP2005045956A
Application number: JP2003279064A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Ikeda; 英俊池田; Tomohiro Miyazaki; 友宏宮崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: JP4283056B2

Abstract

【課題】複数のパラメータを設定し、簡単な調整により安定で速い制御系の応答を得る制御装置を得ること。
【解決手段】速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じて遮断周波数がωｆのローパスフィルタを作用させた信号成分を指令信号τｒに加算する速度比例フィードバック部と、速度検出信号ωｍを積分した信号に速度積分ゲインＫｖｉと負の符号を乗じた信号成分を駆動力指令τｒに加算する速度積分フィードバック部と、入力した応答設定パラメータωｓと電動機慣性値Ｊｍと総慣性値Ｊ0に基づいて速度ゲインＫｖと速度積分ゲインＫｖｉと遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、パラメータ設定部は、遮断周波数ωｆの速度積分ゲインＫｖｉを速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｖｉに対する比が、Ｊ0／Ｊｍに対する比が大きければ大きくなるように速度ゲインＫｖ、速度積分ゲインＫｖｉ、遮断周波数ωｆを設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械やロボットなどの産業用機械に用いられる電動機の制御装置に関するものである。

従来の電動機の制御装置を特許文献１によって説明する。速度PI（比例積分）制御などの速度制御系に、検出ノイズや高い周波数領域における減衰の悪い機械共振などに対して安定性を確保するためにローパスフィルタが用いられる。また、応答速度を設定するための応答設定パラメータの入力と機械系の慣性の公称値に基づいて、簡単な調整で制御系が安定でなるべく速やかに制御誤差の補正を行うよう、速度ゲイン、速度積分ゲイン、位置ゲイン、ローパスフィルタの遮断周波数など複数の制御パラメータを計算して設定する。またその決定方法は、前記の応答設定パラメータや制御系の帯域すなわち開ループの交差周波数を基準に、速度PI制御の折れ点周波数やローパスフィルタの遮断周波数が適切な比率になるように決定している。
特開２００２−２７７８４号公報

従来の電動機制御装置では、機械系の剛性が低い場合に、設定したローパスフィルタによる位相遅れが一因となって、制御系が不安定に成りやすく、十分に速い応答の制御特性を得るのが難しいといった問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、機械系の剛性が低い場合でも不安定になりにくく、入力した応答速度を設定する応答設定パラメータに応じて複数の制御パラメータを設定し、安定かつ速やかに制御誤差の補正を行うような制御装置を提供することを目的とするものである。

第１の発明に係る電動機の制御装置は、電動機慣性値Ｊｍを有する電動機に結合した負荷からなる機械系を成し、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じて遮断周波数がωｆのローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、前記速度検出信号ωｍを積分した信号又はその低周波数成分に速度積分ゲインＫｖｉと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度積分フィードバック部と、外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記速度積分ゲインＫｖｉと前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、前記パラメータ設定部は、前記遮断周波数ωｆの前記速度積分ゲインＫｖｉを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｖｉに対する比が、前記総慣性値Ｊ0の電動機慣性値Ｊｍに対する比が大きければ大きくなるように前記速度ゲインＫｖと前記速度積分ゲインＫｖｉと前記遮断周波数ωｆを設定する、ことを特徴とするものである。

第２の発明に係る電動機の制御装置は、前記電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じて遮断周波数がωｆのローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、前記速度検出信号ωｍを積分した信号又はその低周波数成分に積分ゲインＫｖｉと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度積分フィードバック部と、外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機の慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記速度積分ゲインＫｖｉと前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、前記パラメータ設定部は、前記速度積分ゲインＫｖｉを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｖｉの前記速度ゲインＫｖを前記総慣性値Ｊ0で割った値である交差周波数ωｃに対する比が予め設定した定数ｒ２になるとともに、前記遮断周波数ωｆの前記速度ゲインＫｖを前記電動機慣性値Ｊｍで割った値である前記電動機単体の交差周波数ωｃｍ対する比が予め設定した定数ｒ３になるように設定する、ことを特徴とするものである。

第３の発明に係る電動機の制御装置は、電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じてローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号に加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、前記電動機の位置検出信号ｘｍ又はその低周波数成分に位置ゲインＫｘと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う位置比例フィードバック部と、外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記位置ゲインＫｘと前記ローパスフィルタの遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、前記パラメータ設定部は、前記遮断周波数ωｆの前記位置ゲインＫｘを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｘに対する比が、前記総慣性値Ｊ0の電動機慣性値Ｊｍに対する比が大きければ大きくなるように前記速度ゲインＫｖと位置ゲインＫｘと前記遮断周波数ωｆを設定する、ことを特徴とするものである。

第４の発明に係る電動機の制御装置は、前記電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じてローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、前記電動機の位置検出信号ｘｍ又はその低周波数成分に位置ゲインＫｘと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う位置比例フィードバック部と、外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記位置ゲインＫｘと前記ローパスフィルタの遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、前記パラメータ設定部は、前記位置ゲインＫｘを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｘの前記速度ゲインＫｖを前記総慣性値Ｊ0で割った値である交差周波数ωｃに対する比が予め設定した定数ｒ２になるとともに、前記遮断周波数ωｆの前記速度ゲインＫｖを前記電動機慣性値Ｊｍで割った値である電動機単体の交差周波数ωｃｍ対する比が予め設定した定数ｒ３になるように設定することを特徴とするものである。

第５の発明に係る電動機の制御装置は、電動機の速度指令信号と前記電動機の速度検出信号との差となる速度偏差信号を、速度ゲインＫvを介して第１の補償信号を発生する速度制御部と、前記速度偏差信号を積分すると共に、速度積分ゲインＫviを介して第２の補償トルク信号を発生する速度積分制御部と、前記第１の補償信号と前記第２の補償信号を加算して第１の全補償信号を発生する第１の加算手段と、前記第１の全補償信号を入力すると共に、遮断周波数ωｆのローパスの特性を有して前記駆動力指令信号を発生するフィルタ手段と、前記電動機慣性値Ｊｍ、前記総慣性値Ｊ0を入力すると共に、前記遮断周波数ωｆと比例・積分制御部の折れ点周波数ωｖｉとの比ωｆ／ωｖｉを、前記電動機慣性値Ｊｍと前記総慣性値Ｊ0との比が大きくなると、大きくするように前記速度ゲインＫv、前記速度積分ゲインＫvi、前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とするものである。

第６の発明に係る電動機の制御装置は、位置偏差信号を微分すると共に、微分ゲインＫvを介して第３の補償信号を発生する第１の速度制御部と、前記電動機の位置指令信号と前記電動機の位置検出信号との差となる位置偏差信号を、位置ゲインＫxを介して第４の補償信号を発生する位置制御部と、前記第３の補償信号と前記第４の補償信号を加算して第２の全補償信号を発生する第２の加算手段と、前記第２の全補償信号を入力すると共に、遮断周波数ωｆのローパスの特性を有して前記駆動力指令信号を発生するフィルタ手段と、前記電動機慣性値Ｊｍ、前記総慣性値Ｊ0を入力すると共に、前記遮断周波数ωｆと比例・積分制御部の折れ点周波数ωｖｉとの比ωｆ／ωｖｉを、前記電動機慣性値Ｊｍと前記総慣性値Ｊ0との比が大きくなると、大きくするように前記速度ゲインＫv、前記速度積分ゲインＫvi、前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とするものである。

第７の発明に係る電動機の制御装置は、位置検出信号を微分すると共に、微分ゲインＫvを介して第５の補償信号を発生する第２の速度制御部と、前記電動機の位置指令信号と前記電動機の位置検出信号との差となる位置偏差信号を、位置ゲインＫxを介して第４の補償信号を発生する位置制御部と、前記第４の補償信号との前記第５の補償トルク信号との差となる第３の全補償信号を求める演算手段と、第３の全補償信号を入力すると共に、遮断周波数ωｆ、ローパスの特性を有して前記駆動力指令信号を発生するフィルタ手段と、前記電動機慣性値Ｊｍ、前記総慣性値Ｊ0を入力すると共に、前記遮断周波数ωｆと比例・積分制御部の折れ点周波数ωｖｉとの比ωｆ／ωｖｉを、前記電動機慣性値Ｊｍと前記総慣性値Ｊ0との比が大きくなると、大きくするように前記速度ゲインＫv、前記速度積分ゲインＫvi、前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とするものである。

第８の発明に係る電動機の制御装置は、定数をｋとすると、下式を満たす
ωｆ／ωｖｉ＝ｋ・Ｊ0／Ｊm
ことを特徴とするものである。

第９の発明に係る電動機の制御装置は、入力された第１のパラメータｒ1と第２のパラメータωsとの積に基づいて前記速度ゲインＫvを設定し、交差周波数をωcとすると、前記遮断周波数ωfは、下式を満たす
ωf＝ｒ3・ｒ1・ωs・(Ｊ0／Ｊm)
ここに、ｒ3・ωc＝ｒ3・ｒ1・ωs
ことを特徴とするものである。

以上のように、第１の発明によれば、制御対象の剛性が低く、また総慣性比が大きい場合でも制御系が不安定になりにくく、より速い制御系の応答を簡単に得ることが可能になる効果がある。

第２の発明によれば、パラメータ設定部は、速度積分ゲインＫｖｉを速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｖｉの速度ゲインＫｖを総慣性値Ｊ0で割った値である交差周波数ωｃに対する比が予め設定した定数ｒ２になるとともに、遮断周波数ωｆの速度ゲインＫｖを電動機慣性値Ｊｍで割った値である電動機単体の交差周波数ωｃｍ対する比が予め設定した定数ｒ３になるように設定するようにしたため、制御対象の剛性が低くても開ループゲインが０ｄＢより大きくなりにくく、制御系が不安定になり難い。そのため、より速い制御系の応答を簡単に得ることが可能になる効果がある。

第３の発明によれば、電動機の位置信号である電動機位置ｘｍあるいはその低周波数成分に位置ゲインＫｘと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令τｒに加算するように演算を行う位置比例フィードバック部を備え、パラメータ設定部は、遮断周波数ωｆの位置ゲインＫｘを速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｘに対する比が、総慣性値Ｊ0の電動機慣性値Ｊｍに対する比が大きければ大きくなるように速度ゲインＫｖと位置ゲインＫｘと遮断周波数ωｆを設定するようにしたため、位置制御を行う場合においても、制御対象の剛性が低く、また総慣性比が大きい場合でも制御系が不安定になりにくく、より速い制御系の応答を簡単に得ることができるという効果がある。

第４の発明によれば、パラメータ設定部は、位置ゲインＫｘを速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｘの速度ゲインＫｖを総慣性値Ｊ0で割った値である交差周波数ωｃに対する比が予め設定した定数ｒ２になるとともに、遮断周波数ωｆの速度ゲインＫｖを電動機慣性値Ｊｍで割った値である電動機単体の交差周波数ωｃｍ対する比が予め設定した定数ｒ３になるように設定するようにしたため、位置制御の場合にも、制御対象の剛性が低くても開ループゲインが０ｄＢより大きくなりにくく、制御系が不安定になり難い。そのため、より速い制御系の応答を簡単にできるという効果がある。

第５の発明によれば、制御対象の剛性が低く、また総慣性比が大きい場合でも制御系が不安定になりにくく、より速い速度制御系の応答を簡単に得ることが可能になる効果がある。

第６又は第７の発明によれば、制御対象の剛性が低く、また総慣性比が大きい場合でも制御系が不安定になりにくく、速い位置制御系の応答を簡単に得ることが可能になる効果がある。

第８又は第９の発明によれば、より制御対象の剛性が低く、また総慣性比が大きい場合でも制御系が不安定になりにくく、より速い位置制御系又は速度制御系の応答を簡単に得ることが可能になる効果がある。

実施の形態１
本発明の実施の形態を図１に示す電動機の制御装置のブロック図によって説明する。
電動機の制御装置は、制御対象１０１は電動機２１とそれに結合された機械負荷２３、電動機２１の速度を検出して出力する検出器（図示せず）から構成され、電動機２１が駆動力指令信号τｒに応じた駆動力(回転系の場合はトルク、直動系の場合は推進力)を発生することにより電動機２１と機械負荷２３とからなる機械系を駆動し、電動機２１の速度検出信号ｖｍを出力する。次にＰＩ(比例積分)制御器１２は外部から入力した速度指令信号ｖｒと速度検出信号ｖmの差である速度偏差信号ｖｅを減算器３により求め、速度偏差信号ｖｅをＰＩ制御器１２に入力してＰＩ演算を行ってＰＩ補償信号τｃを出力する。

ＰＩ制御器１２は、速度偏差信号ｖｅに速度ゲインＫｖを乗じて第１の補償信号を発生する速度制御部としての速度増幅器７と、速度偏差ｖｅを積分して速度積分ゲインＫｖｉを乗じて第２の補償信号を発生する速度積分制御部としての速度積分増幅器９と、速度増幅器７の出力と速度積分増幅器９の出力の和を求めて第１の全補償信号としてのＰＩ補償信号τｃを出力する第１の加算手段としての加算器１０とから成っている。
フィルタ手段としてのローパスフィルタ１５は入力されたＰＩ補償信号τｃを、伝達関数Ｆ(ｓ)で表す遮断周波数がωｆのローパスフィルタの演算を成す。ＰＩ制御器１２は、駆動力指令信号としてのトルク指令信号τｒを下式のように出力する。
τｒ＝Ｆ(ｓ)・(Ｋｖ＋Ｋｖｉ／ｓ)・(ｖｒ−ｖｍ) ・・・(１)
ここに、ｓ：ラプラス演算子
上記(１)式を展開すると下式となる。
τr＝Ｆ(ｓ)・Ａ・ｖr−Ｆ(ｓ)・Ｋv・ｖm−Ｆ(ｓ)・(Ｋvi／ｓ)・ｖｍ・・(２)
ここに、Ａ：Ｋｖ＋Ｋｖｉ／ｓ
したがって、上記(２)式のトルク指令信号τｒに速度検出信号ｖｍを−Kｖ倍してローパスフィルタ１５を作用させた信号成分を加算し、また速度検出信号ｖｍを積分して−Kｖｉ倍した信号の低周波数成分を加算するように演算している。すなわち(２)式の右辺第２項で表される速度比例フィードバック部と第３項で表される速度積分フィードバック部を備えている。

次に、パラメータ設定部１３は、予め設定した定数ｒ１，ｒ２，ｒ３、外部から応答速度を設定するためのパラメータである応答設定パラメータωｓ(rad/sec)を入力し、電動機２１の慣性値Ｊｍ、制御対象１０１における機械系全体の総慣性値Ｊ0を外部(自動推定などの方法)から入力する。

パラメータ設定部１３は、入力されたｒ1，ｒ2，ｒ3、応答設定パラメータωｓと電動機慣性値Ｊｍおよび総慣性値Ｊ0に基づいて速度増幅器７の速度ゲインＫｖ、速度積分増幅器９の速度積分ゲインＫｖｉ、ローパスフィルタ１０５の遮断周波数ωｆを演算して設定する。
Ｋｖ＝ωｃ・Ｊ0＝ｒ１・ωｓ・Ｊ0 ・・・・・(３)
Ｋｖｉ＝ｒ２・ωｃ・Kｖ＝ｒ２・（ｒ１・ωｓ）^２・Ｊ0 ・・・(４)

次に、ローパスフィルタ１５の遮断周波数ωｆを設定するに当たり制御対象１０１の特性を考慮する。制御対象１０１は、電動機２１の軸とカップリングやボールネジ、ベルトなどの駆動力の伝達機構を介して機械負荷２３を駆動するように構成されている。図２において、電動機２１と剛体の機械負荷２３がバネのような弾性体で結合されている場合の制御対象１０１における駆動力指令τｒから速度検出信号ｖｍまでの周波数応答ゲインの例を折れ線近似で示す。ここで、制御対象１０１において駆動力指令τｒに対する電動機２１の駆動力の制御は十分に応答が速いとする。図２の(ａ)は剛性が低い場合、(ｂ)は剛性が比較的高い場合を示している。

制御対象１０１の特性は、共振ピークが複数個存在する場合もあり、複数の慣性が複数のバネで結合されたような特性に近似される。図２の(ｃ)は共振ピークが２つある場合の周波数応答を示す。

上記のように剛性が低い場合の制御対象１０１の特性は、駆動力指令τｒが低い周波数で変化する場合には、電動機２１と機械負荷２３とが一体となって動作するので、慣性が総慣性値Ｊ0である剛体の特性と同様になり、下式の特性に近似できる。
Ｐ(ｓ)＝１／(Ｊ0・Ｓ) ・・・(5)
一方、駆動力指令τｒが高い周波数で変化する場合には、電動機の軸や駆動力伝達機構の弾性に起因して、機械負荷は動作せずに電動機だけが高い周波数で動作する。したがって制御対象１０１の周波数応答は、高い周波数では慣性が電動機慣性Ｊｍである電動機２１単体の特性に近づき、周波数応答ゲインが高くなり、下式の特性で近似できる。
Ｐ(s)＝１／(Ｊｍ・ｓ) ・・・・(6)

また、上記の低い周波数領域と高い周波数領域の中間に、図３に上向きのピーク線で示される共振特性と、図３に下向きのノッチ（下向き切れ込み）で示される反共振特性が表れる。
制御対象１０１の特性は、高い周波数でゲインが高くなり、高い周波数領域におけるゲインは、共振のピーク特性を無視すれば、慣性が電動機慣性値Ｊｍの特性に近似される。その結果、総慣性Ｊ0の電動機慣性Ｊｍに対する比(以下、総慣性比Ｊ0／Ｊｍという)が大きい方が、高い周波数領域における制御対象１０１のゲインが相対的に高くなる。

次に、本実施の形態におけるパラメータ設定部１３の動作を図３に基づいて説明する。図３は本実施の形態によるパラメータ設定部１３を用いた場合の、制御系の開ループ周波数応答ゲイン(以下では単に開ループゲインと記述する)の例を示し、(ａ)は剛性が低い場合、(ｂ)は剛性が相対的に高い場合を示す。本実施の形態では、低い周波数領域では、制御対象１０１の伝達関数Ｐ(ｓ)が上記の(5)式で近似されると考えて制御パラメータの設定を行う。したがって、外部から入力する応答設定パラメータωｓに応じて開ループゲインの全体的な大きさを調整すると共に、なるべく速く制御誤差を収束させるよう、ＰＩ制御器１２の折れ点周波数ωｖｉが下記交差周波数ωｃの数分の１程度になるように設定する。
ωｃ＝Ｋｖ／Ｊ0 ・・・・(7)

一方、上記のように、高い周波数領域では共振ピークを無視すれば、制御対象１０１の周波数応答ゲインは上記(6)式で示す慣性が電動機慣性値Ｊｍである電動機単体の特性に近づく。また開ループゲインにおける電動機２１単体での交差周波数ωｃｍは下式で表される。
ωｃｍ＝Ｋｖ／Ｊｍ＝ωｃ・Ｊ0／Ｊｍ・・・(8)
したがって、安定を保つために、剛性が低い場合でも開ループゲインが０ｄＢより大きい周波数領域で位相を遅らさないよう、かつ、高い周波数領域におけるモデル誤差や、観測ノイズの影響を低減するために、電動機２１単体の交差周波数ωｃｍより高い周波数成分はフィードバックループから除去するようにローパスフィルタ１５の設定を行う。
すなわち、電動機２１単体の交差周波数ωｃｍを基準に、その数倍から１０倍程度にローパスフィルタ１５の遮断周波数ωｆを設定する。具体的には、例えば、入力された定数ｒ１、ｒ３と総慣性値Ｊ0、電動機慣性値Ｊｍ、応答設定パラメータωｓを用いて、ローパスフィルタ１５の遮断周波数ωｆを下式のように設定する。
ωｆ＝ｒ３・ωcm＝ｒ3・ｒ1・(Ｊ0／Ｊｍ)・ωｓ・・・(9)
また、 ωｆ／ωｖｉと総慣性比Ｊ0／Ｊmとの関係を求めると下式となる。
ωｆ／ωｖｉ＝ｒ3／ｒ2・(Ｊ0／Ｊｍ)＝ｋ・(Ｊ0／Ｊｍ) ・・・(10)
上記のように設定することにより、ローパスフィルタ１０５の遮断周波数ωｆの折れ点周波数ωｖｉに対する比は、総慣性比Ｊ0／Ｊｍが大きくなるほど大きくするように設定すれば良い。
本実施の形態ではパラメータ設定部１３が上記のように動作することにより、図３に示すように、位相が遅れるωｆより高い周波数領域では、減衰が非常に小さいために高い共振ピークが存在する場合以外は、制御対象１０１の剛性が低くても開ループゲインが０ｄＢより大きくならず、その結果、従来に比べて制御系が不安定になり難い。そのため、従来技術に比べて制御系の安定を保ちながら、交差周波数ωｃおよび折れ点周波数ωｖｉを大きくすることが可能になり、より速い制御系の応答を簡単に得ることができる。

なお、上記説明では、遮断周波数ωｆと電動機２１単体の交差周波数ωｃｍとの比は固定の値ｒ３として説明したが、完全に固定の値でなくてもよく、総慣性比Ｊ0／Ｊｍが大きいほど遮断周波数ωｆの交差周波数ωｃに対する比が大きくなれば、不安定に成り難い、同様な効果を得ることができる。
また、同時に、低い周波数の制御誤差を安定になるべく速く収束させためには、折れ点周波数ωｖｉと交差周波数ωｃとの比は一定に近い値が良好であるため、安定を保ちながらなるべく速い応答と速い収束特性を得るためには、総慣性比Ｊ0／Ｊｍが大きいほど遮断周波数ωｆの折れ点周波数ωｖｉに対する比が大きくなるように設定することになる。
これにより、制御対象１０１の剛性が低く、総慣性比が大きい場合でも不安定になりにくく、その結果、より速い制御系の応答を簡単に得ることが可能になる。

また、電動機２１と機械負荷２３との結合部にバックラッシが存在するような場合にも、小振幅動作においては機械負荷が動作せずに、電動機だけが動作するため、制御対象１０１の特性は同様に上記の式９になる。また通常、バックラッシが問題になるような制御系の小振幅動作は高い周波数領域で生じるため、剛性が低い場合と同様な特性であると考えられる。したがって、バックラッシが存在する場合でも、上記の設定によって、不安定になりにくく、かつ、より速い制御系の応答を簡単に得ることが可能になる。

また、上記説明では、ローパスフィルタ１５の出力をそのまま駆動力指令τｒにするように構成したが、駆動力指令τｒには、例えば速度指令ｖｒから適切な伝達関数演算を行ったフィードフォワード信号などを、更に加算しても良いことは言うまでもない。
また、上記説明では、応答設定パラメータωｓと交差周波数ωｃの比はｒ１で固定として記述したが、総慣性比Ｊ0／Ｊｍに応じて変更してもよい。
また、上記説明では、ローパスフィルタ１５をＰＩ制御器１２の出力に作用させるように挿入したが、ローパスフィルタ１５を挿入する箇所は制御ループ内の他の箇所でも良く、例えばＰＩ制御器１２の入力側や、電動機２１から検出した速度検出信号ｖｍに直接ローパスフィルタを作用させるような構成にしても良いのは言うまでもない。

＜比較例＞
パラメータ設定部１３の動作を図４によって説明する。図４は比較例によるパラメータ設定部１３を用いて設定した場合の、制御系の開ループゲインを折れ線近似で示したものである。比較例では、制御対象１０１の伝達関数Ｐ（ｓ）を、基本的に下式で表される剛体の機械系のモデルであると仮定して制御パラメータの設定を行う。
P（ｓ）＝１／（Ｊ0・s）・・・・(11)

また、外部から入力する応答設定パラメータωｓの調整により、制御系が安定な範囲でなるべく速い応答を得られるよう、すなわち開ループゲインが全体的に大きくなるように調整し、また、低い周波数の制御誤差を安定になるべく速く収束させるよう、下記(11)式で表されるＰＩ制御器１２の折れ点周波数ωｖｉが、下式で表される交差周波数ωｃの数分の１程度になるように設定する。
ωｖｉ＝Ｋｖｉ／Ｋｖ・・・・(12)
ここで、上記の交差周波数ωｃは制御帯域と呼ばれる指標とほぼ同一なもので、交差周波数ωｃより低い周波数領域にて制御誤差を低減するように制御系が動作する。
また、制御対象１０１における、減衰の悪い機械共振などの高い周波数領域におけるモデル誤差や、検出ノイズの影響を低減する目的から、交差周波数ωｃより高い周波数成分はフィードバックループから除去するようにローパスフィルタ１５の設定をする。すなわち、交差周波数ωｃを基準に、その数倍から１０倍程度にローパスフィルタ１０５の遮断周波数ωｆを設定する。具体的には、遮断周波数ωｆを下式のように設定する。
ωｆ＝ｒ３・ωｃ＝ｒ３・ｒ１・ωｓ・・・・(13)
上記のように設定することにより、比較例では、遮断周波数ωｆの折れ点周波数ωｖｉに対する比は、総慣性Ｊ0の電動機慣性Ｊｍに対する比（以下では総慣性比と呼ぶ）によらず、常にｒ３／ｒ２の一定値になる。
図４の実線に、制御対象１０１が式５で表される場合、すなわち剛性が十分に高い場合の開ループゲインを示す。また図中に交差周波数ωｃ、折れ点周波数ωｖｉ、遮断周波数ωｆと開ループゲインの関係も示す。

次に、比較例が実施の形態１よりも性能的に劣る点を説明する。制御対象１０１の剛性が低い場合における制御系の開ループゲインの一例を図２に破線で示す。図に示すように、制御対象１０１の剛性が低い場合には、剛体の場合に比べて高い周波数領域で開ループゲインが高くなる。
また、低剛性に起因した機械共振の減衰が小さい場合には共振ピーク（上向きのゲインピーク線）が現れる。ここで、遮断周波数ωｆより高い周波数領域では、ローパスフィルタ１５の作用により位相が遅れる。これらの結果、図４に示すように位相が遅れる遮断周波数ωｆより高い周波数領域で開ループゲインが０ｄBより高くなると、制御系が不安定になる。したがってこのような場合は、開ループゲイン全体が小さくなるように、応答設定パラメータωｓを小さくせざるを得ず、その結果、制御系の応答が遅くなるという問題がある。また、上記するように、総慣性比が大きい方が高周波数領域で開ループゲインが大きくなる効果が大きく、その結果、制御系が不安定になりやすく、制御系の応答がより遅くなる。
実施の形態２．

本発明の他の実施形態を、電動機の制御装置を示す図５のブロック図によって説明する。実施の形態１では速度制御について説明したが、実施の形態２は位置制御について説明する。図５中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。
実施の形態２では速度検出信号ｖｍのかわりに移動位置を検出器で検出した電動機の位置検出信号（電動機位置）ｘｍを出力する。外部から入力した位置指令信号ｘｒと位置検出信号ｘmの差である位置偏差信号ｘｅを減算器１０３により求め、位置偏差信号ｘｅをＰＩＤ制御器１１２に入力してＰＩＤ（比例積分微分）演算を行い第２の全補償信号としてのＰＩＤ補償信号τｃを出力する。

ＰＩＤ制御器１１２は、位置偏差信号ｘｅを微分した信号に速度ゲインＫｖを乗じて第３の補償信号を発生する速度増幅器(第１の速度制御部)１０５と、位置偏差信号ｘｅに位置ゲインＫｘを乗じて第４の補償信号を発生する位置増幅器(位置制御部)１０７と、位置偏差信号ｘｅを積分した信号に位置積分ゲインＫｘｉを乗じる位置積分増幅器(位置積分制御部)１０９からなり、速度増幅器１０５の出力と位置増幅器１０７の出力と位置積分増幅器１０９の出力の和をＰＩＤ補償信号τｃとして出力する第２の加算手段としての加算器１１０とを備えている。
ローパスフィルタ１５はＰＩＤ補償信号τｃを入力し、伝達関数Ｆ（ｓ）で表す遮断周波数がωｆのローパスフィルタを有している。
ＰＩＤ制御器１１２は、駆動力指令信号としてのトルク指令信号τｒを下式により演算して出力する。
τｒ＝Ｆ(ｓ)・(Ｋｖ・ｓ＋Ｋｘ＋Ｋｘｉ／ｓ)・(ｘｒ−ｘｍ) ・・・(14)
上記の(14)式を展開すると次の(15)式になる。
τｒ＝Ｆ(ｓ)・Ｂ・ｘｒ−Ｆ(ｓ)・Ｋｖ・ｓ・ｘｍ−Ｆ(ｓ)・Ｋｘｉ・ｘｍ
−Ｆ(ｓ)(Ｋｘｉ／ｓ)・ｘｍ・・・(15)
ここに、Ｂ＝Ｋｖ・ｓ＋Ｋｘ＋Ｋｘｉ／ｓ
したがって図５の構成により、トルク指令信号τｒに、位置検出信号ｘｍの微分信号を−Kｖ倍して遮断周波数ωｆのローパスフィルタを作用させた信号を加算し、また電動機２１の位置検出信号ｘｍを−Kｘ倍した信号の低周波数成分を加算するように演算を行っている。すなわち(15)式の右辺第２項で表される速度比例フィードバック部と右辺第３項で表される位置比例フィードバック部を備えている。

パラメータ設定部１３は、外部から応答速度を設定するためのパラメータである応答設定パラメータωｓを入力し、また、電動機慣性値Ｊｍおよび総慣性値Ｊ0を外部から入力する。またパラメータ設定部１３は上記の応答設定パラメータωｓと電動機慣性値Ｊｍおよび総慣性値Ｊ0に基づいて、速度増幅器１０５の速度ゲインＫｖ、位置増幅器１０７の位置ゲインＫｘ、位置積分増幅器１０９の位置積分ゲインＫｘｉ、ローパスフィルタ１５の遮断周波数ωｆを、予め設定した定数ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４を用いて、交差周波数ωｃが応答設定パラメータωｓのｒ１倍になるようにし、各制御パラメータを下記(16)〜(19)式により演算して設定する。
Ｋｖ＝ωｃ・Ｊ0＝ｒ１・ωｓ・Ｊ0 ・・・(16)
Ｋｘ＝ｒ２・ωｃ・Kｖ＝ｒ２・(ｒ１・ωｓ)^２・Ｊ0・・・(17)
Ｋｘｉ＝ｒ４・ωｃ・Ｋｘ＝ｒ４・ｒ２・(ｒ１・ωｓ)^３・Ｊ0・・・(18)
ωｆ＝ｒ３・ωｃｍ＝ｒ３・ｒ１・(Ｊ0／Ｊｍ)・ωｓ・・・(19)
ωｆ／ωｖｉと総慣性比Ｊ0／Ｊmとの関係を求めると上記(9)式となる。上記のように設定することにより、ＰＩＤ制御器１１２の折れ点に相当する次の(20)、(21)式のωｘ、ωｘｉが、それぞれ交差周波数のｒ２倍、ｒ４倍に設定し、ｒ２およびｒ４を予め適切に設定しておけば、低い周波数の制御誤差を速く収束させることが可能になる。
ωｘ＝Ｋｘ／Ｋｖ・・・(20)
ωｘｉ＝Ｋｘｉ／Ｋｘ・・・(21)
以上を図６によって説明すると、図６はパラメータ設定部１３を用いた場合の制御系の開ループゲインの例を示し、(a)は剛性が低い場合、(b)は剛性が相対的に高い場合を示している。

また、ローパスフィルタ２０５の遮断周波数ωｆは電動機２１単体での交差周波数ωｃｍのｒ３倍に設定し、ｒ３を数倍から１０倍程度にしておけば、実施の形態１にて説明したように、制御対象１０１の剛性が低くても開ループゲインが０ｄＢより大きくなりにくく、その結果、従来例に比べて制御系を不安定にし難い。そのため、交差周波数ωｃおよび折れ点周波数ωｘ、ωｘｉを従来例に比べて安定に大きくすることが可能になり、より速い制御系の応答を簡単に得ることが可能になる。

上記の結果、総慣性比Ｊ0／Ｊｍが大きくなれば、必然的に、ローパスフィルタ１５における遮断周波数ωｆのＰＩＤ制御器１１２における折れ点周波数ωｘ、ωｘｉに対する比が大きくなるため、制御対象１０１の剛性が低く、また総慣性比が大きい場合でも不安定になりにくく、より速い制御系の応答を簡単に得ることができる。

なお、実施の形態２の変形として図７に示す電動機の制御装置のブロック図を説明する。図７中、図５と同一符号は、同一又は相当部分を示し説明を省略する。
図７において、電動機の制御装置は図５の速度制御部１０５の代りに、位置検出信号ｘｍを微分すると共に、微分ゲインＫvを介して第５の補償信号を発生する第２の速度制御部２０５と、図５の加算器１１０の代りに、位置増幅器(位置制御部)１０７の出力となる第４の補償信号と第５の補償信号との差となる第３の全補償信号を求める演算手段としての演算器２１０を備えても図５に示す電動機の制御装置とほぼ同様の作用、効果を奏するものである。
また、上記説明では位置積分増幅器１０９を有する構成により説明したが、制御対象１０１によっては、位置積分増幅器１０９は必ずしも必要ない。

上記のように電動機と機械負荷が結合された電動機の速度制御、位置制御の用途に適用できる。

実施の形態１による電動機の制御装置を示すブロック図である。制御対象の特性を説明するためのゲイン対周波数の特性図である。実施の形態１による制御装置のゲイン対周波数の特性図である。比較例の特性を説明するためのゲイン対周波数の特性図である。実施の形態２による電動機の制御装置を示すブロック図である。実施の形態２の特性を説明するための説明するためのゲイン対周波数の特性図である。実施の形態２の変形例による電動機の制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１２ＰＩ制御器、７速度増幅器、９速度積分増幅器、１５ローパスフィルタ、１３パラメータ設定部、１０１制御対象、１１２ＰＩＤ制御器、１０５速度増幅器、１０７位置増幅器、１０９位置積分増幅器。

Claims

電動機慣性値Ｊｍを有する電動機に結合した負荷からなる機械系を成し、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、
前記電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じて遮断周波数がωｆのローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、
前記速度検出信号ωｍを積分した信号又はその低周波数成分に速度積分ゲインＫｖｉと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度積分フィードバック部と、
外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記速度積分ゲインＫｖｉと前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、
前記パラメータ設定部は、前記遮断周波数ωｆの前記速度積分ゲインＫｖｉを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｖｉに対する比が、前記総慣性値Ｊ0の電動機慣性値Ｊｍに対する比が大きければ大きくなるように前記速度ゲインＫｖと前記速度積分ゲインＫｖｉと前記遮断周波数ωｆを設定する、
ことを特徴とする電動機の制御装置。
電動機慣性値Ｊｍを有する電動機に結合した負荷からなる機械系を成し、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、
前記電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じて遮断周波数がωｆのローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、
前記速度検出信号ωｍを積分した信号又はその低周波数成分に積分ゲインＫｖｉと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度積分フィードバック部と、
外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機の慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記速度積分ゲインＫｖｉと前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、
前記パラメータ設定部は、前記速度積分ゲインＫｖｉを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｖｉの前記速度ゲインＫｖを前記総慣性値Ｊ0で割った値である交差周波数ωｃに対する比が予め設定した定数ｒ２になるとともに、前記遮断周波数ωｆの前記速度ゲインＫｖを前記電動機慣性値Ｊｍで割った値である前記電動機単体の交差周波数ωｃｍ対する比が予め設定した定数ｒ３になるように設定する、
ことを特徴とする電動機の制御装置。
電動機慣性値Ｊｍを有する電動機に結合した負荷からなる機械系を成し、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、
前記電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じてローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号に加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、
前記電動機の位置検出信号ｘｍ又はその低周波数成分に位置ゲインＫｘと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う位置比例フィードバック部と、
外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記位置ゲインＫｘと前記ローパスフィルタの遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、
前記パラメータ設定部は、前記遮断周波数ωｆの前記位置ゲインＫｘを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｘに対する比が、前記総慣性値Ｊ0の電動機慣性値Ｊｍに対する比が大きければ大きくなるように前記速度ゲインＫｖと位置ゲインＫｘと前記遮断周波数ωｆを設定する、
ことを特徴とする電動機制御装置。
電動機慣性値Ｊｍを有する電動機に結合した負荷からなる機械系を成し、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、
前記電動機の速度検出信号ωｍに速度ゲインＫｖと負の符号を乗じてローパスフィルタを作用させた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う速度比例フィードバック部と、
前記電動機の位置検出信号ｘｍ又はその低周波数成分に位置ゲインＫｘと負の符号を乗じた信号成分を前記駆動力指令信号τｒに加算するように演算を行う位置比例フィードバック部と、
外部から入力した応答設定パラメータωｓと前記電動機慣性値Ｊｍと前記機械系における全体の総慣性値Ｊ0に基づいて前記速度ゲインＫｖと前記位置ゲインＫｘと前記ローパスフィルタの遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定部を備え、
前記パラメータ設定部は、前記位置ゲインＫｘを前記速度ゲインＫｖで割った値である折れ点周波数ωｘの前記速度ゲインＫｖを前記総慣性値Ｊ0で割った値である交差周波数ωｃに対する比が予め設定した定数ｒ２になるとともに、前記遮断周波数ωｆの前記速度ゲインＫｖを前記電動機慣性値Ｊｍで割った値である電動機単体の交差周波数ωｃｍ対する比が予め設定した定数ｒ３になるように設定することを特徴とする電動機の制御装置。
電動機慣性値Ｊｍの電動機に結合される負荷により機械系を成し、該機械系が総慣性値Ｊ0を有すると共に、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、
前記電動機の速度指令信号と前記電動機の速度検出信号との差となる速度偏差信号を、速度ゲインＫvを介して第１の補償信号を発生する速度制御部と、
前記速度偏差信号を積分すると共に、速度積分ゲインＫviを介して第２の補償トルク信号を発生する速度積分制御部と、
前記第１の補償信号と前記第２の補償信号を加算して第１の全補償信号を発生する第１の加算手段と、
前記第１の全補償信号を入力すると共に、遮断周波数ωｆのローパスの特性を有して前記駆動力指令信号を発生するフィルタ手段と、
前記電動機慣性値Ｊｍ、前記総慣性値Ｊ0を入力すると共に、前記遮断周波数ωｆと前記速度積分ゲインＫviを前記速度ゲインＫvで割った値である比例・積分制御部の折れ点周波数ωｖｉとの比ωｆ／ωｖｉを、前記電動機慣性値Ｊｍと前記総慣性値Ｊ0との比が大きくなると、大きくするように前記速度ゲインＫv、前記速度積分ゲインＫvi、前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定手段と、
を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
電動機慣性値Ｊｍの電動機に結合される負荷により機械系を成し、該機械系が総慣性値Ｊ0を有すると共に、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、
前記電動機の位置指令信号と前記電動機の位置検出信号との差となる位置偏差信号を、微分すると共に、微分ゲインＫvを介して第３の補償信号を発生する第１の速度制御部と、
前記位置偏差信号を、位置ゲインＫxを介して第４の補償信号を発生する位置制御部と、
前記第３の補償信号と前記第４の補償信号を加算して第２の全補償信号を発生する第２の加算手段と、
前記第２の全補償信号を入力すると共に、遮断周波数ωｆのローパスの特性を有して前記駆動力指令信号を発生するフィルタ手段と、
前記電動機慣性値Ｊｍ、前記総慣性値Ｊ0を入力すると共に、前記遮断周波数ωｆと比例・積分制御部の折れ点周波数ωｖｉとの比ωｆ／ωｖｉを、前記電動機慣性値Ｊｍと前記総慣性値Ｊ0との比が大きくなると、大きくするように前記速度ゲインＫv、前記速度積分ゲインＫvi、前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定手段と、
を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
電動機慣性値Ｊｍの電動機に結合される負荷により機械系を成し、該機械系が総慣性値Ｊ0を有すると共に、前記電動機に駆動力指令信号τｒに応じた駆動力を発生する電動機の制御装置において、
前記電動機の位置指令信号と前記電動機の位置検出信号との差となる位置偏差信号を、微分すると共に、微分ゲインＫvを介して第５の補償信号を発生する第２の速度制御部と、
前記位置検出信号を、位置ゲインＫxを介して第４の補償信号を発生する位置制御部と、
前記第４の補償信号との前記第５の補償トルク信号との差となる第３の全補償信号を求める演算手段と、
第３の全補償信号を入力すると共に、遮断周波数ωｆのローパスの特性を有して前記駆動力指令信号を発生するフィルタ手段と、
前記電動機慣性値Ｊｍ、前記総慣性値Ｊ0を入力すると共に、前記遮断周波数ωｆと比例・積分制御部の折れ点周波数ωｖｉとの比ωｆ／ωｖｉを、前記電動機慣性値Ｊｍと前記総慣性値Ｊ0との比が大きくなると、大きくするように前記速度ゲインＫv、前記速度積分ゲインＫvi、前記遮断周波数ωｆを設定するパラメータ設定手段と、を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
定数をｋとすると、下式を満たす
ωｆ／ωｖｉ＝ｋ・Ｊ0／Ｊm
ことを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の電動機の制御装置。
入力された第１のパラメータｒ1と第２のパラメータωsとの積に基づいて前記速度ゲインＫvを設定し、交差周波数をωcとすると、
前記遮断周波数ωfは、
ωf＝ｒ3・ｒ1・ωs・(Ｊ0／Ｊm)
ここに、ｒ3・ωc＝ｒ3・ｒ1・ωs
とすることを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の電動機の制御装置。