JP2006087250A - モータ制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ただ一つのゲインを調整するだけで共振を抑えることのできるモータ制御装置と制御方法を提供する。
【解決手段】位置制御手段と、速度制御手段と、モータ駆動手段を備えたモータ制御装置において、実際速度と仮想負荷速度の差の仮想差速度を生成する加算器と、仮想差速度に第１の係数を乗じ補償トルク指令を発生する第１係数器と、トルク指令から補償トルク指令を減算する減算器と、補償トルク指令で加減速される仮想負荷とで構成される補償トルク生成手段を備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットや工作機械等の機械共振を抑制することができるモータ制御装置に関する。

従来の機械共振を抑制するモータ制御装置には、特許文献１がある。
図６は特許文献１の機械共振信号を得る原理を示す図である。図５において、１０１は等価剛体系、１０２は共振系、１０３は等価剛体モデル手段、１０４は比例補償手段、１０５は積分補償手段である。トルクｕ（ｔ）は外乱トルクｄ（ｔ）が減算されてモータと機械を加減速する。モータと機械は２慣性系で近似されており、等価剛体系１０１と共振系１０２に分離して構成している。モータ速度（電動機角速度）から等価剛体モデル手段で得た剛体の場合の速度を減算し、共振成分だけの機械共振信号を得る。状態オブザーバの帯域ωfとＱf 、およびモータを含む機構のパラメータとしてγとＤ0 のパラメータを設定しなければならないが、ωf とＱf は必要に応じて、自由に設定できるパラメータであり、パラメータγとＤ0 は容易に計算あるいは測定できる電動機と負荷（伝達機構）の慣性モーメントと粘性摩擦係数とから計算できる。または、機械共振系の共振周波数と反共振周波数とを測定して、γを計算することも容易である。つまり、容易にパラメータの調整が行なえる。図６は図６で得られた機械共振信号を用いて振動抑制を可能にしたモータ制御装置である。図６において２０１は電動機駆動装置、２０２は電動機と機械、２０３は機械共振検出装置、２０４、２０５は積分器、２０６は制振フィードフォワードゲイン、２０７は符号反転器である。機械共振検出装置２０３で得られた機械共振信号は、２個の積分器２０４、２０５を通した後、制振フィードフォワードゲインｋｆを乗じてトルク指令にフィードフォワードされ、共振を抑制する。
特開平７−３３７０５７号公報

しかしながら、従来のモータ制御装置は、状態オブザーバの帯域ωfとＱf 、およびモータを含む機構のパラメータのγとＤ0を設定しなければならす、特にγは共振周波数と反共振周波数を測定して設定する必要があるので、調整に多大な時間と技術を要していた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ただ一つのゲインを調整するだけで共振を抑えることのできるモータ制御装置と制御方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明は、位置指令と実際位置の差を制御処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と実際速度の差を制御処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令からモータに流す電流を生成するモータ駆動手段を備えたモータ制御装置において、実際速度と仮想負荷速度の差の仮想差速度を生成する加算器と、仮想差速度に第１の係数を乗じ補償トルク指令を発生する第１係数器と、トルク指令から補償トルク指令を減算する減算器と、補償トルク指令で加減速される仮想負荷とで構成される補償トルク生成手段を備えるようにしたものである。
請求項２に記載の本発明は、位置指令と実際位置の差を制御処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と実際速度の差を制御処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令からモータに流す電流を生成するモータ駆動手段を備えたモータ制御装置の制御方法において、実際速度と仮想負荷速度の差をとり仮想差速度を生成するステップと、仮想速度に第１の係数を乗じ補償トルク指令を生成するステップと、トルク指令から補償トルク指令を減算するステップと、補償トルク指令により加減速される仮想負荷の速度を演算するステップという手順で補償トルク指令を生成するようにしたものである。

本発明によると、ただ一つのゲインを調整するだけで共振を抑えることのできるモータ制御装置と制御方法が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の構成を示すブロック図である。図１において、１は位置制御手段、２は速度制御手段、３はモータ駆動手段、４はモータ、５は位置検出手段、６は機械、７は位置速度変換手段、８は補償トルク指令生成手段である。位置制御手段１は位置指令θｒｅｆから実際位置θｆｂを減算し、位置偏差Δθをもとめ、さらに制御処理をして速度指令ωｒｅｆを生成する。速度制御手段２は速度指令ωｒｅｆから実際速度ωｆｂを減算して速度偏差Δωをもとめ、さらに制御処理してトルク指令Ｔｒｅｆを生成する。モータ駆動手段３はトルク指令Ｔｒｅｆを電流指令Ｉｒｅｆに変換し、次に電流指令Ｉｒｅｆから実際電流Ｉｆｂを減算し、電流偏差ΔＩをもとめ、制御処理をして電圧指令Ｅｒｅｆを生成し、さらに、ＰＷＭなどにより電力増幅をしてモータに印加する。モータに電圧が印加されると実際電流Ｉｆｂが流れ、トルクを発生する。モータは摩擦負荷や粘性負荷や慣性モーメントに応じた加速度を発生する。位置検出手段５はモータの実際位置θｆｂを検出し、位置制御手段１にフィードバックする。位置速度変換手段７は実際位置θｆｂを微分して実際速度ωｆｂを生成する。補償トルク指令生成手段８はモータの実際速度ωｆｂと仮想負荷速度ωｖｅｒを減算し、係数ｋｎを乗算して、補償トルク指令Ｔｒｅｆｃを生成する。仮想負荷速度ωｖｅｒは補償トルク指令を仮想慣性モーメントＪｎで除し、積分して得られる。

図２は、本発明の制御ブロック図である。図２において、２１は位置制御手段、２２は速度制御手段、２３はモータトルク速度伝達関数、２４は積分器、２５はモータと機械の結合剛性の伝達関数、２６は負荷のトルク速度伝達関数、２７は積分器、２８は微分器、２９は係数ｋｎ、３０は仮想慣性モーメントのトルク速度伝達関数、３１は加算器である。本発明の特徴は補償トルク指令生成手段３２を備えた点である。補償トルク指令生成手段３２は、実際速度ωｆｂから仮想負荷速度ωｖｅｒを減算し、係数ｋｎを乗じて補償トルク指令を生成する。仮想負荷速度ωｖｅｒは補償トルク指令で仮想負荷の慣性モーメントＪｎを加減速することで得られる。

図３は、トルク指令を正弦波を加え、正弦波の周波数を１Ｈｚから１０ｋＨｚまで掃引したときのトルクと速度の位相差、モータの振幅相対値をシミュレーションしたものである。シミュレーションの条件は，モータ慣性モーメントＪｍ＝０．０００１ｋｇｍ^２、機械慣性モーメントＪＬ＝０．００２ｋｇｍ^２、モータ機械結合バネ定数ｋｓ＝１０００Ｎｍ／ｒａｄ、モータ機械結合粘性制動係数Ｄ＝０，００００１Ｎｍｓ／ｒａｄで係数ｋｎを変化させたものである。ｋｎ＝０．０１２５のときは、図３の位相４１、振幅５１、ｋｎ＝０．０２５のときは、位相４２、振幅５２、ｋｎ＝０．０５のときは、位相４３、振幅５３、ｋｎ＝０．１のときは、位相４４、振幅５４、ｋｎ＝０．２のときは、位相４５、振幅５５とｋｎを増加させるにしたがって共振のピーク値は減少する。
さらにｋｎを増加させると共振のピーク値は共振点を下げて増加する。図４は更にｋｎを増加させたときのシミュレーション結果である。ｋｎ＝０．４のときは、位相４６、振幅５６、ｋｎ＝０．８のときは、位相４７、振幅５７、ｋｎ＝１．６のときは、位相４８、振幅５８、ｋｎ＝３．２のときは、位相４９、振幅５９というように共振ピーク値はｋｎを増加させるほど大きくなる。
本発明の特徴はただ一つの係数を変化させて、最も共振ピーク値が小さくなるｋｎに設定することである。シミュレーションの例ではｋｎ＝０．１が最適になる。

図５は、本発明の制御方法を示すフローチャートである。図５において、ステップＳＴ１で実際速度と位相負荷速度の差をとり仮想差速度を生成する。次に、ステップＳＴ２で仮想速度に第１の係数ｋｎを乗算して補償トルク指令を演算する。次にステップＳＴ３でトルク指令から補償トルク指令を減算する。次に、ステップＳＴ４で仮想負荷速度を補償トルク指令を係数１／ｋｎで時間積分するという手順で補償トルク指令を生成するものである。

本発明は、工作機械や産業用ロボットを駆動するモータ制御装置として利用することができる。

本発明の構成を示すブロック図 本発明を制御構成を示すブロック図 本発明の周波数特性を示すシミュレーション結果 本発明の周波数特性を示すシミュレーション結果 本発明の制御方法を示すフローチャート 従来例の原理を示す構成図 従来例のモータ制御図

符号の説明

１ 位置制御手段
２ 速度制御手段
３ モータ駆動手段
４ モータ
５ 位置検出手段
６ 機械
７ 位置速度変換手段
８ 補償トルク指令生成手段
２１ 位置制御手段
２２ 速度制御手段
２３ モータトルク速度伝達関数速度指令発生部
２４ 積分器
２５ モータ機械結合伝達関数
２６ 機械トルク速度伝達関数
２７ 積分器
２８ 微分器
２９ 第１の係数
３０ 仮想負荷トルク速度伝達関数
３１ 加算器
３２ 補償トルク指令生成手段

Claims (2)

1. 位置指令と実際位置の差を制御処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と実際速度の差を制御処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令からモータに電流を流すモータ駆動手段を備えたモータ制御装置において、
   前記実際速度と仮想負荷速度の差の仮想差速度を生成する加算器と、
   前記仮想差速度に第１の係数を乗じ補償トルク指令を生成する第１係数器と、
   前記トルク指令から前記補償トルク指令を減算する減算器と、
   前記補償トルク指令で加減速される仮想負荷とで構成される補償トルク生成手段を備えていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 位置指令と実際位置の差を制御処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と実際速度の差を制御処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令からモータに流す電流を生成するモータ駆動手段を備えたモータ制御装置の制御方法において、
   実際速度と仮想負荷速度の差をとり仮想差速度を生成するステップと、
   前記仮想速度に第１の係数を乗じ補償トルク指令を生成するステップと、
   前記トルク指令から前記補償トルク指令を減算するステップと、
   前記補償トルク指令により加減速される仮想負荷の速度を演算するステップという手順で補償トルク指令を生成することを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
   

Images