JP2006187191A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】演算したトルク指令に応じたモータのトルクでモータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、制御仕様に応じた調整を簡易に行い、短時間で用途に応じた最適な調整をすることが課題である。
【解決手段】位置指令信号または速度指令信号とモータ回転信号とを入力し、モータ回転信号からトルク指令までの帰還ループの伝達関数が極あるいは零点を含む演算によってトルク指令の演算を行う帰還演算部、応答パラメータ入力部、および比率パラメータ入力部を備え、応答パラメータに基づいて帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、応答パラメータと比率パラメータとに基づいてループゲインを制御対象のイナーシャ値で除した値である応答周波数と帰還ループの極または零点に対応した周波数との比が比率パラメータで設定した値になるように帰還ループの極または零点を設定することで、調整を短時間で容易にすることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械、半導体製造装置、各種搬送装置等の駆動装置として用いられるモータ制御装置に関するものである。

モータ制御装置では、モータ速度またはモータ角度に基づいてトルク指令を演算する帰還ループの演算によってトルク指令を生成し、そのループゲイン、速度ＰＩ制御における零点周波数、フィルタ周波数、帰還ループの伝達関数の極および零点などを適切に設定する必要がある。また、これらを個別に設定するのは手間がかかり、また、適切に設定するための知識も必要なため、初心者には調整が難しい。

これを改善する従来の技術として、例えば、外部から一つの入力パラメータを入力し、その入力パラメータから特定の関係式を用いて、帰還ループの伝達関数のループゲイン、極および零点を全て設定することによって、一つのパラメータによる調整を簡単に行えるように構成している（特許文献１参照）。

特開２００２−２７７８４号公報

帰還ループのループゲイン、極周波数、零点周波数などを個別に設定する場合は、良好な調整を行うには手間と時間とがかかり、また専門的な知識が無いと難しいといった問題点があった。

また、特許文献１に記載されているような一つの入力パラメータで調整する方式の場合には、通常、最も一般的な慣性体（剛体）に近似されるような簡単な制御対象のモデルを考慮し、また、なるべく一般的な用途および制御仕様に適するように、上記の一つの入力パラメータに基づく関係式が決定されることになる。

ところが、実際の制御対象には様々な周波数の機械共振などの特性があり、その特性は様々である。また、モータ制御装置を適用する用途によって、収束速度と応答の滑らかさとのどちらを重視するかなど、制御仕様も画一的ではない。

その結果、従来のモータ制御装置では一つの入力パラメータによる調整だけでは適切な調整に到達できず、場合によっては適切な調整から大きく離れた状態しか達成できないといった問題点があった。

この発明に係るモータ制御装置は、演算したトルク指令に応じたモータのトルクでモータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、位置指令信号または速度指令信号とモータの角度検出値または速度検出値であるモータ回転信号とを入力し、モータ回転信号からトルク指令までの帰還ループの伝達関数が極あるいは零点を含む演算によってトルク指令の演算を行う帰還演算部、応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、および比率パラメータを入力する比率パラメータ入力部を備え、応答パラメータに基づいて帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、応答パラメータと比率パラメータとに基づいてループゲインを制御対象のイナーシャ値で除した値である応答周波数と帰還ループの極または零点に対応した周波数との比が比率パラメータで設定した値になるように帰還ループの極または零点を設定したことを特徴とするものである。

また、この発明に係るモータ制御装置は、演算したトルク指令に応じたモータのトルクでモータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、位置指令信号または速度指令信号とモータの角度検出値または速度検出値であるモータ回転信号とを入力し、モータ回転信号からトルク指令までの帰還ループの伝達関数が極または零点を含む演算により前記トルク指令の演算を行う帰還演算部、応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、絶対値パラメータを入力する絶対値パラメータ入力部、比率パラメータを入力する比率パラメータ入力部、および絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する切り替え信号を入力する切り替え信号入力部を備え、応答パラメータに基づいて帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、切り替え信号が絶対値設定の場合には絶対値パラメータに基づいて応答パラメータとは独立に帰還ループの零点あるいは極を設定し、切り替え信号が比率設定の場合には応答パラメータと比率パラメータとに基づいてループゲインを制御対象のイナーシャ値で除した値である応答周波数と帰還ループの零点または極に対応した周波数との比を比率パラメータで設定した値になるように帰還ループの零点または極を設定したことを特徴とするものである。

さらに、この発明に係るモータ制御装置は、演算したトルク指令に応じたモータのトルクでモータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、位置指令信号または速度指令信号と前記モータの角度検出値または速度検出値であるモータ回転信号とを入力し、モータ回転信号から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が極または零点を複数個含む演算によりトルク指令の演算を行う帰還演算部、応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、帰還ループの複数個の零点または極に対応して絶対値パラメータを入力する複数の絶対値パラメータ入力部、および帰還ループの複数個の零点または極に対応して絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する切り替え信号を入力する複数の切り替え信号入力部を備え、応答パラメータに基づいて帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、切り替え信号が絶対値設定の場合には絶対値パラメータに基づいて応答パラメータとは独立に帰還ループの零点または極を設定し、切り替え信号が比率設定の場合には前記応答パラメータに基づいてループゲインを制御対象のイナーシャ値で除した値である応答周波数と零点または極に対応した周波数との比が所定の値になるように帰還ループの複数個の零点または極を設定したことを特徴とするものである。

また、この発明に係るモータ制御装置は、演算したトルク指令に応じたモータのトルクでモータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、速度指令信号とモータの速度検出値であるモータ速度とを入力し前記モータ速度から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が比例積分演算とローパスフィルタ演算とを含む演算によってトルク指令の演算を行う帰還演算部、応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、第１の絶対値パラメータを入力する第１の絶対値パラメータ入力部、第１の比率パラメータを入力する第１の比率パラメータ入力部、絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第１の切り替え信号を入力する第１の切り替え信号入力部、第２の絶対値パラメータを入力する第２の絶対値パラメータ入力部、第２の比率パラメータを入力する第２の比率パラメータ入力部、および絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第２の切り替え信号を入力する第２の切り替え信号入力部を備え、応答パラメータに基づいて帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、第１の切り替え信号が絶対値設定の場合には第１の絶対値パラメータに基づいて応答パラメータとは独立に前記比例積分演算の零点周波数であるＰＩ零点周波数を設定し、第１の切り替え信号が比率設定の場合には前記応答パラメータと第１の比率パラメータとに基づいて応答周波数とＰＩ零点周波数との比が第１の比率パラメータで設定した値になるようにＰＩ零点周波数を設定し、第２の切り替え信号が絶対値設定の場合には第２の絶対値パラメータに基づいて応答パラメータとは独立にローパスフィルタ演算の極周波数であるローパスフィルタ周波数を設定し、第２の切り替え信号が比率設定の場合には応答周波数とローパスフィルタ周波数との比が第２の比率パラメータで設定した値になるようにローパスフィルタ周波数を設定したことを特徴とするものである。

さらに、この発明に係るモータ制御装置は、演算したトルク指令に応じたモータのトルクで前記モータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、
速度指令信号と前記モータの速度検出値であるモータ速度とを入力し前記モータ速度から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が比例積分演算とローパスフィルタ演算とを含む演算によって前記トルク指令の演算を行う帰還演算部、応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、第１の絶対値パラメータを入力する第１の絶対値パラメータ入力部、絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第１の切り替え信号を入力する第１の切り替え信号入力部、第２の絶対値パラメータを入力する第２の絶対値パラメータ入力部、
および絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第２の切り替え信号を入力する第２の切り替え信号入力部を備え、応答パラメータに基づいて帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、第１の切り替え信号が絶対値設定の場合には第１の絶対値パラメータに基づいて応答パラメータとは独立に比例積分演算の零点周波数であるＰＩ零点周波数を設定し、第１の切り替え信号が比率設定の場合には応答パラメータに基づいて応答周波数とＰＩ零点周波数との比が所定の値になるようにＰＩ零点周波数を設定し、第２の切り替え信号が絶対値設定の場合には第２の絶対値パラメータに基づいて応答パラメータとは独立にローパスフィルタ演算の極周波数であるローパスフィルタ周波数を設定し、第２の切り替え信号が比率設定の場合には応答周波数とローパスフィルタ周波数との比が所定の値になるようにローパスフィルタ周波数を設定したことを特徴とするものである。

この発明に係るモータ制御装置は、制御仕様に応じた調整が簡単になり、短時間で用途に応じた適切な調整が可能になる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるモータ制御装置のブロック図である。モータ１はトルク指令τｒに応じたトルクを発生することによって、モータ１およびそれに合した機械負荷２からなる制御対象３を駆動する。また、モータ１の回転角度であるモータ角度θｍをエンコーダ４で検出し、速度演算器５によってモータ角度θｍを微分することによって、モータ１の回転速度であるモータ速度ｖｍを検出する。

次に、帰還演算部６は速度指令ｖｒとモータ速度ｖｍとを入力して、次に述べる動作によってトルク指令τｒを演算する。

帰還演算部６はその内部において、速度指令ｖｒとモータ速度ｖｍとの差信号を速度比例増幅器７に入力し、速度比例増幅器７はその入力に速度ゲインＫｖを乗じた信号を出力する。次に、速度比例増幅器７の出力を積分増幅器８に入力し、積分増幅器８はその入力に積分ゲインωｉを乗じて積分した信号を出力する。次に、速度比例増幅器７の出力と積分増幅器８の出力との和信号をローパスフィルタ９に入力し、ローパスフィルタ９はその入力に、例えば以下の式１で表される極周波数がωｆのローパスフィルタ演算ＬＰＦ（ｓ）を施した信号を出力し、帰還演算部６はローパスフィルタ９の出力をトルク指令τｒとして出力する。ここで、ｓはラプラス演算子を表している。

ＬＰＦ（ｓ）＝ωｆ／（ｓ＋ωｆ） ・・・・・・ （式１）
帰還演算部６は以上のように動作することによって、モータ速度ｖｍからトルク指令τｒまでの帰還ループの伝達関数ＦＢ（ｓ）が以下の式２で表される演算を行っている。

ＦＢ（ｓ）＝ＰＩ（ｓ）・ＬＰＦ（ｓ） ・・・・・・ （式２）
ただし、上記式２のＰＩ（ｓ）は、次の式３で表されるような比例積分演算（ＰＩ演算）と呼ばれる演算である。

ＰＩ（ｓ）＝Ｋｖ（ｓ＋ωｉ）／ｓ ・・・・・・ （式３）
ここで、上記の帰還演算部６においては、帰還ループの伝達関数ＦＢ（ｓ）の全体にかかるゲインすなわちループゲインＫｖ、および比例積分演算における零点周波数ωｉ（帰還ループの零点に対応した周波数であり、以下ではＰＩ零点周波数ωｉと記す。）およびローパスフィルタＬＰＦ（ｓ）の極周波数ωｆ（帰還ループの極に対応した周波数であり、以下ではフィルタ周波数ωｆと記す。）が帰還ループの演算に用いるパラメータとなっている。

次に、上記の演算パラメータの設定方法について、図１に基づいて説明する。まず、応答パラメータ入力部１０から応答パラメータω０を入力し、それに基づいて速度比例増幅器７の速度ゲインＫｖすなわちループゲインＫｖを設定する。その設定方法は、例えば、応答パラメータω０とループゲインＫｖとが同じ値にするような方法、制御対象３の慣性モーメント値Ｊを測定あるいは設定して、応答パラメータω０と慣性モーメント値Ｊとの積をループゲインＫｖに設定するような方法などがある。

次に、第１の切り替え信号入力部１３から第１の切り替え信号ｓｗ１を入力する。ここで第１の切り替え信号ｓｗ１は、絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択するパラメータであり、第１の切り替え信号ｓｗ１が絶対値設定か比率設定かに応じて、第１の切り替えスイッチ１４の入力を左側か右側かに切り替える。

次に、第１の切り替え信号ｓｗ１が絶対値設定を選択している場合には、第１の絶対値パラメータ入力部１１から第１の絶対値パラメータω１を入力し、その値に対応して積分増幅器８の積分ゲインωｉすなわちＰＩ零点周波数ωｉを設定する。

次に、第１の切り替え信号ｓｗ１が比率設定を選択している場合には、第１の比率パラメータ入力部１２から第１の比率パラメータｒ１を入力する。また、応答パラメータω０に対応するループゲインＫｖを制御対象３のイナーシャ値である慣性モーメント値Ｊで割った値である応答周波数ωｃと記述すると、積分ゲイン比率設定部１５は応答パラメータω０と第１の比率パラメータｒ１とに基づき、ＰＩ零点周波数ωｉの応答周波数ωｃに対する比が第１の比率パラメータｒ１で設定した値になるようにＰＩ零点周波数ωｉを設定する。

次に、第２の切り替え信号入力部１８から第２の切り替え信号ｓｗ２を入力する。ここで、第２の切り替え信号ｓｗ２は、絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択するパラメータであり、第２の切り替え信号ｓｗ２が絶対値設定か比率設定かに応じて、第２の切り替えスイッチ１９の入力を左側か右側かに切り替える。

次に、第２の切り替え信号ｓｗ２が絶対値設定を選択している場合には、第２の絶対値パラメータ入力部１６から第２の絶対値パラメータω２を入力し、その値に対応してローパスフィルタ９のフィルタ周波数ωｆを設定する。

次に、第２の切り替え信号ｓｗ２が比率設定を選択している場合には、第２の比率パラメータ入力部１７から第２の比率パラメータｒ２を入力する。また、フィルタ周波数比率設定部２０は応答パラメータω０と第２の比率パラメータｒ２とに基づき、フィルタ周波数ωｆと、応答パラメータω０で設定した応答周波数ωｃとの比が第２の比率パラメータｒ２で設定した値になるようにフィルタ周波数ωｆを設定する。

ここで、第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２の性質について説明する。上述のように第１の比率パラメータｒ１は、ＰＩ零点周波数ωｉの応答周波数ωｃに対する比率である第１の比率ωｉ／ωｃを設定する。また、第２の比率パラメータｒ２は、フィルタ周波数ωｆの応答周波数ωｃに対する比率である第２の比率ωｆ／ωｃを設定する。ループゲインＫｖを固定、すなわち応答周波数ωｃを固定で考えると、第１の比率が大きい方が外乱に対してモータ速度ｖｍが速度指令ｖｒと同じ値に速く収束し、より高精度な制御が可能になる。しかしながら、第１の比率を大きくしすぎると、応答周波数ωｃ付近の周波数で制御系が振動的になる。したがって、第１の比率は応答周波数ωｃの大小に関わらずに一定となる目安の値があり、通常は０.２〜０.４程度に設定されることが多い。また、第２の比率を小さくすると、エンコーダ４における量子化の影響など、高い周波数のノイズの影響を小さくすることができるが、小さくしすぎると応答周波数ωｃ付近の周波数で制御系が振動的になる。したがって、第２の比率にも応答周波数ωｃの大小に関わらない一定の目安の値があり、通常は数倍〜１０倍程度に選ばれることが多い。

次に、本発明のモータ制御装置の調整動作について説明する。まず、最も標準的な場合について説明する。本発明のモータ制御装置の調整を開始する起動時の初期設定として、第１の切り替え信号ｓｗ１および第２の切り替え信号ｓｗ２は比率設定が選択されている。また、第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２には、上述のようになるべく多くの用途について適切になるような値が予め設定されている。また、応答パラメータω０には、様々な用途においてなるべく不安定にならないような小さめの値が設定されている。このように初期値が設定されていることによって、多くの場合には、起動した後に応答パラメータω０を徐々に大きくしていく調整をするだけで、高速高精度な応答を実現することができる。すなわち特許文献１に示される従来の技術のような１パラメータによる調整が実現できる。

一方、上記のように初期値として定めた第１の比率および第２の比率は、なるべく多くの場合において良好なように定められているが、モータ制御装置を適用する用途によっては、必ずしも適切な値でない場合もある。図２に第１の比率を変えた場合におけるモータに加わるステップ上の外乱に対するモータ速度の応答を示す。図２において（ａ）は第１の比率が初期値のままの場合、（ｂ）は初期値より大きくした場合、（ｃ）は初期値より小さくした場合の応答である。ここで、用途に応じた制御仕様として、多少は振動的になっても外乱に対してモータ速度が変動する振幅を小さくしたい場合もあり、このような場合は図２からわかるように、第１の比率を初期値より大きくした方が良いことがわかる。

一方で、用途に応じた制御仕様として、モータ速度ｖｍが急峻に収束するように制御するよりも、なるべく加速度が滑らかになるよう制御したい場合もあり、このような場合には図２からわかるように、第１の比率を初期値より小さくした方がよいことがわかる。また、用途に応じた制御仕様として、上述したノイズの影響による高い周波数の微小振動をなるべく小さくしながら外乱の影響をなるべく低減したい場合には、応答周波数付近で多少振動的になる可能性はあっても第２の比率を１〜２倍程度まで小さくした方が良い結果が得られやすい。

このように、モータ制御装置の用途に応じた制御仕様に違いに対応する場合、第１の絶対値入力および第２の絶対値入力によって、ＰＩ零点周波数およびフィルタ周波数の絶対値を設定するのではなく、第１の比率入力および第２の比率入力を用いてＰＩ零点周波数およびフィルタ周波数を設定することによって、応答周波数ωｃの大小に関係なく、初期値として設定した所定の値を基準にした所定の範囲で調整を行えばよいため、調整が直観的で簡単であるという利点がある。

さらに、通常はなるべく速い応答が得られるように応答周波数ωｃ、すなわちループゲインＫｖを安定限界付近までなるべく大きくするように調整を行う。しかしながら、ループゲインＫｖを安定限界付近まで上げた状態では、ＰＩ零点周波数ωｉおよびフィルタ周波数ωｆの変更に対して安定性が敏感に変化するため、上記のような制御仕様に応じて第１の比率および第２の比率を設定することが困難になる。したがって、上記のように制御仕様が標準的な場合と異なる場合には、応答周波数ωｃが小さい調整の初期段階で、第１の比率および第２の比率を制御仕様に応じて初期値から変更しておき、その後に応答周波数ωｃを安定限界付近まで徐々に大きくしていくことによって、短い調整時間で制御仕様に応じた最適な調整へ到達することが可能になる。

また、一方で制御対象３が、所望とする応答周波数よりある程度高い周波数に減衰の小さな機械共振を持つような場合には、上記のように一般的な初期値として定められた第１の比率および第２の比率を固定したまま応答周波数ωｃを大きくしていくと、フィルタ周波数ωｆも小さい値から徐々に大きくなり、またローパスフィルタ９はフィルタ周波数ωｆ付近より高い周波数の位相を遅らせることになる。その結果、トルク指令τｒに対して機械共振によって共振周波数で大きく増幅されたモータ速度ｖｍが、帰還ループで位相を遅らされてトルク指令τｒへと帰還されるため、応答周波数ωｃがかなり低い状態でも機械共振周波数で発振を生じてしまう。したがって、上記の問題が生じるような周波数に、制御対象３の機械共振があるとわかっている場合、あるいは上記のように応答周波数ωｃがかなり低い状態で機械共振に起因した発振が生じた場合には、フィルタ周波数ωｆを機械共振周波数より大きい値にすることによって、上記のような発振現象を引き起こすことなく、応答周波数ωｃを大きくすることができる。したがって、このような場合には、調整の初期段階で第２の切り替え信号を絶対値設定とするとともにフィルタ周波数ωｆが機械共振周波数より高い値になるように第２の絶対値信号を設定し、かつ第１の切り替え信号は比率設定のままにしておくと、その後は応答周波数ωｃを徐々に大きくしていくだけで、機械共振があっても高速高精度な制御を行うような調整を簡単に実現することができる。

本実施の形態は上記のように構成され、第１の比率パラメータ入力部と第２の比率パラメータ入力部とを備えることによって、応答周波数の設定によらずに一定の値を基準に調整することができ、直観的で簡単な調整を行うことが可能になる。また調整の初期段階で制御仕様に応じて第１の比率と第２の比率とを設定した後に応答周波数を大きくするような調整ができるため、用途に応じた制御仕様に対応して適切な調整を短時間で行うことができる。

また、比率設定と絶対値設定とを選択する第１の切り替え信号入力部および第２の切り替え信号入力部を備えることによって、制御仕様および制御対象の特性に応じて調整の初期段階で比率設定か絶対値設定かを設定することで、適切な調整を短時間で行うことが可能になる。特に、第１の切り替え信号入力部と第２の切り替え信号入力部とを別個に備えることによって、制御対象に機械共振があっても発振を生じずに速い応答を得るような調整を短時間で行うことができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２によるモータ制御装置のブロック図である。図１と同一符号は同一部分を表しその説明を省略する。本実施の形態は実施の形態１に機械特性推定部５１およびその入出力を追加しただけの構成であり、その部分についての説明を行う。

機械特性推定部５１は検出したモータ速度ｖｍに基づき、例えば、モータ速度ｖｍが発振しているときの振動周波数を測定するなどの方法によって、制御対象３の機械共振周波数を推定する。また、推定した機械共振周波数に基づいて、第２の切り替え信号ｓｗ２を絶対値設定と比率設定のどちらにした方が良いか判断を行ない、その結果を第２の切り替え信号入力部１８に設定する。その判断方法としては、実施の形態１で説明をしたように、機械共振周波数が、ローパスフィルタ周波数ωｆが小さい場合に発振を生じやすくなるような領域にある場合には、第２の切り替え信号ｓｗ２として絶対値設定を選択して設定する。

また、同時に、ローパスフィルタ周波数ωｆが機械共振周波数より大きくなるように第２の絶対値パラメータ入力部ω２を第２の絶対値パラメータ入力部１６に設定する。この結果、制御対象３に上記のような機械共振があっても、調整者は応答パラメータω０を変更するだけで応答周波数ωｃを限界付近まで大きくして速い応答の制御系を実現することができる。

なお、第２の絶対値パラメータω２の設定方法は機械共振周波数に基づかずにローパスフィルタ周波数ωｆが十分に大きい値となるように設定してもよい。

本実施の形態では上記のように動作するため、制御対象３の特性に応じて自動的に切り替え信号を設定することによって、応答パラメータを変更するだけで制御対象３の特性に応じて適切な制御系の調整を短時間で行うことが可能になる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３によるモータ制御装置のブロック図である。実施の形態１および実施の形態２では速度制御を行うものであったが、本実施の形態は位置制御を行うモータ制御装置である。図１と同一符号は同一部分を表し説明を省略する。

帰還演算部１０６は位置指令θｒとモータ角度θｍとを入力して、次に述べる動作によってトルク指令τｒを演算する。

帰還演算部１０６はその内部において、位置指令θｒとモータ角度θｍとの差信号を位置比例増幅器１３１に入力し、位置比例増幅器１３１はその入力に位置ゲインＫｐを乗じた信号を速度指令ｖｒとして出力する。次に、速度指令ｖｒと、速度演算器１０５によってモータ角度θｍを微分した信号であるモータ速度ｖｍとの差信号を速度比例増幅器１０７に入力し、速度比例増幅器１０７はその入力に速度ゲインＫｖを乗じた信号を出力する。次に、速度比例増幅器１０７の出力を積分増幅器１０８に入力し、積分増幅器１０８はその入力に積分ゲインωｉを乗じて積分した信号を出力する。次に、速度比例増幅器１０７の出力と積分増幅器１０８の出力との和信号をローパスフィルタ１０９に入力し、ローパスフィルタ１０９は実施の形態１にて説明した式１で表される極周波数がωｆのローパスフィルタ演算ＬＰＦ（ｓ）を施した信号を出力し、帰還演算部１０６はローパスフィルタ１０９の出力をトルク指令τｒとして出力する。

帰還演算部１０６は以上のように動作することによって、モータ角度θｍからトルク指令τｒまでの帰還ループの伝達関数ＦＢ（ｓ）が以下の式４で表される演算を行っている。

ＦＢ（ｓ）＝（ｓ＋Ｋｐ）・ＰＩ（ｓ）・ＬＰＦ（ｓ） ・・・・ （式４）
ただし、上記式４のＰＩ（ｓ）は、実施の形態１の説明における式３で表されるような比例積分演算（ＰＩ演算）と呼ばれる演算である。

ここで、上記の帰還演算部１０６においては、帰還ループの伝達関数ＦＢ（ｓ）の全体にかかるゲインすなわちループゲインＫｖ、および比例積分演算における零点周波数ωｉであるＰＩ零点周波数ωｉ、およびローパスフィルタＬＰＦ（ｓ）の極周波数ωｆであるフィルタ周波数ωｆと、位置ゲインＫｐで表される零点周波数（以下、位置ゲイン零点周波数と記す。）が帰還ループの演算に用いるパラメータとなっている。

次に、上記の演算パラメータの設定方法について図４に基づいて説明する。まず、応答パラメータ入力部１１０から応答パラメータω０を入力し、それに基づいて速度比例増幅器１０７における速度ゲインＫｖすなわちループゲインＫｖを設定する。

次に、第１の切り替え信号入力部１１３から第１の切り替え信号ｓｗ１を入力する。ここで、第１の切り替え信号ｓｗ１は、絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択するパラメータであり、第１の切り替え信号ｓｗ１が絶対値設定か比率設定かに応じて、第１の切り替えスイッチ１１４および第３の切り替えスイッチ１４４の入力を同時に左側か右側かに切り替える。

次に、第１の切り替え信号ｓｗ１が絶対値設定を選択している場合には、第１の絶対値パラメータ入力部１１１から第１の絶対値パラメータω１を入力し、その値に対応して積分増幅器１０８の積分ゲインωｉすなわちＰＩ零点周波数ωｉを設定する。また、第３の絶対値パラメータ入力部１４１から第３の絶対値パラメータω３を入力し、その値に対応して位置比例増幅器１３１の位置ゲインＫｐすなわち位置ゲイン零点周波数Ｋｐを設定する。

次に、第１の切り替え信号ｓｗ１が比率設定を選択している場合には、第１の比率パラメータ入力部１１２から第１の比率パラメータｒ１を入力する。また、応答パラメータω０に対応するループゲインＫｖを慣性モーメント値Ｊで割った値である応答周波数ωｃと記述すると、積分ゲイン比率設定部１５は応答パラメータω０と第１の比率パラメータｒ１とに基づき、ＰＩ零点周波数ωｉの応答周波数ωｃに対する比が第１の比率パラメータｒ１で設定した値になるようにＰＩ零点周波数ωｉを設定する。

また、第１の切り替え信号ｓｗ１が比率設定を選択している場合には、上記と同時に、第３の比率パラメータ入力部１４２から第３の比率パラメータｒ３を入力する。また、位置ゲイン比率設定部１４５は応答パラメータω０と第３の比率パラメータｒ３とに基づき、位置ゲイン零点周波数Ｋｐの応答周波数ωｃに対する比が第３の比率パラメータｒ３で設定した値になるように位置ゲイン零点周波数Ｋｐを設定する。

次に、第２の切り替え信号入力部１１８から第２の切り替え信号ｓｗ２を入力する。ここで、第２の切り替え信号ｓｗ２は、絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択するパラメータであり、第２の切り替え信号ｓｗ２が絶対値設定か比率設定かに応じて、第２の切り替えスイッチ１１９の入力を左側か右側かに切り替える。

次に、第２の切り替え信号ｓｗ２が絶対値設定を選択している場合には、第２の絶対値パラメータ入力部１１６から第２の絶対値パラメータω２を入力し、その値に対応してローパスフィルタ１０９のフィルタ周波数ωｆを設定する。

次に、第２の切り替え信号ｓｗ２が比率設定を選択している場合には、第２の比率パラメータ入力部１１７から第２の比率パラメータｒ２を入力する。また、フィルタ周波数比率設定部１２０は応答パラメータω０と第２の比率パラメータｒ２とに基づき、フィルタ周波数ωｆと、応答パラメータω０で設定した応答周波数ωｃとの比が第２の比率パラメータｒ２で設定した値になるようにフィルタ周波数ωｆを設定する。

ここで、第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２の性質は第１の実施の形態にて説明したのと同様である。また、第３の比率パラメータｒ３の性質は第１の比率パラメータｒ１と同様である。すなわち、上述のように第３の比率パラメータｒ３は位置ゲイン零点周波数Ｋｐの応答周波数ωｃに対する比率である第３の比率Ｋｐ／ωｃを設定する。第３の比率が大きい方が外乱に対してモータ角度θｍが位置指令θｒと同じ値に速く収束し、より高精度な制御が可能になる。しかしながら、第３の比率を大きくしすぎると、応答周波数ωｃ付近の周波数で制御系が振動的になる。したがって、第３の比率は応答周波数ωｃの大小に関わらずに一定となる目安の値があり、通常は０.２〜０.４程度に設定されることが多い。

次に、本発明のモータ制御装置の調整動作についても実施の形態１と同様である。すなわち、本発明のモータ制御装置の調整を開始する起動時の初期設定として、第１の切り替え信号ｓｗ１、第２の切り替え信号ｓｗ２は比率設定が選択されている。また、第１の比率パラメータｒ１、第２の比率パラメータｒ２および第３の比率パラメータｒ３には、適切な初期値が設定されていることによって、多くの場合には、起動した後に応答パラメータω０を徐々に大きくしていく調整をするだけで、高速高精度な応答を実現することができる。すなわち、特許文献１に示される従来の技術のような１パラメータによる調整が実現できる。

一方、モータ制御装置の用途に応じた制御仕様の違いに対応する場合、第１の絶対値入力および第２の絶対値入力によってＰＩ零点周波数およびフィルタ周波数の絶対値を設定するのではなく、第１の比率入力および第２の比率入力を用いて設定することによって、応答周波数ωｃの大小に関係なく、初期値として設定した一定の値を基準にした一定の範囲で調整を行えばよいため、調整が直観的で簡単であるという利点がある。

さらに、応答周波数ωｃが小さい調整の初期段階で、第１の比率、第２の比率、第３の比率を制御仕様に応じて初期値から変更しておき、その後に応答周波数ωｃを安定限界付近まで徐々に大きくしていくことによって、短い調整時間で制御仕様に応じた適切な調整へ到達することが可能になる。

また、応答周波数ωｃがかなり低い状態で発振が生じるような周波数に制御対象３の機械共振があるとわかっている場合、あるいは応答周波数ωｃがかなり低い状態で機械共振に起因した発振が生じた場合には、調整の初期段階で第２の切り替え信号を絶対値設定とするとともにフィルタ周波数ωｆが機械共振周波数より高い値になるように第２の絶対値信号を設定し、かつ第１の切り替え信号は比率設定のままにしておくと、その後は応答周波数ωｃを徐々に大きくしていくことによって、機械共振があっても高速高精度な制御を行うような調整を簡単に実現することができる。

本実施の形態は上記のように構成され、第１の比率パラメータ入力部と第２の比率パラメータ入力部とを備えることによって、応答周波数の設定によらずに一定の値を基準に調整することができ、直観的で簡単な調整を行うことが可能になる。また、調整の初期段階で制御仕様に応じて第１の比率と第２の比率と第３の比率とを設定した後に、応答周波数を大きくするような調整ができるため、用途に応じた制御仕様に対応して適切な調整を短時間で行うことができる。

また、比率設定と絶対値設定とを選択する第１の切り替え信号入力部および第２の切り替え信号入力部を備えることによって、制御仕様および制御対象の特性に応じて、適切な調整を短時間で行うことが可能になる。

なお、本実施の形態３においては、第１の切り替え信号入力部１１３を用いて、ＰＩ零点周波数ωｉおよび位置ゲイン零点周波数Ｋｐの両方について、絶対値設定するか比率設定かを切り替えた。ＰＩ零点周波数ωｉと位置ゲイン零点周波数Ｋｐとのそれぞれについて別個に切り替え信号入力部を設け、別個に絶対値設定するか比率設定かを切り替えてもよい。

帰還ループの伝達関数が極または零点を複数含む場合に、複数個の極または零点に対応して絶対値パラメータ入力部と比率パラメータ入力部と切り替え信号入力部をそれぞれ複数個備えたことによって、より高精度の制御を行うような調整を簡単に実現することができる。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４によるモータ制御装置のブロック図である。図１と同一符号は同一部分を表しその説明を省略する。実施の形態１では第１の比率パラメータｒ１として第１の比率パラメータ入力部１２から入力した値を、第２の比率パラメータｒ２として第２の比率パラメータ入力部１７から入力した値を用いた。本実施の形態４では第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２を外部から入力することなく、所定の値とするものである。

次に、本実施の形態の動作を説明する。第１の切り替え信号入力部１３から入力した第１の切り替え信号ｓｗ１が絶対値設定を選択している場合、および第２の切り替え信号入力部１８から入力した第２の切り替え信号ｓｗ２が絶対値設定を選択している場合の動作は実施の形態１と全く同様である。

第１の切り替え信号ｓｗ１が比率設定を選択している場合には、第１の切り替えスイッチ１４は入力を右側に切り替え、積分ゲイン比率設定部２１５は応答パラメータω０と所定の値である第１の比率パラメータｒ１とに基づき、ＰＩ零点周波数ωｉの応答周波数ωｃに対する比が第１の比率パラメータｒ１になるようにＰＩ零点周波数ωｉを設定する。

次に、第２の切り替え信号ｓｗ２が比率設定を選択している場合には、第２の切り替えスイッチ１９は入力を右側に切り替え、フィルタ周波数比率設定部２２０は応答パラメータω０と所定の値である第２の比率パラメータｒ２とに基づき、フィルタ周波数ωｆと、応答パラメータω０で設定した応答周波数ωｃとの比が第２の比率パラメータｒ２になるようにフィルタ周波数ωｆを設定する。

ここで、所定の値である第１の比率パラメータｒ１は、実施の形態１にて説明したように、応答周波数ωｃの大小に関わらず比較的多くの用途において良好に動作する一定の目安の値があり、０．２〜０．４の一定の値に設定しておけばよい。また、所定の値である第２の比率パラメータｒ２にも応答周波数ωｃの大小に関わらず一定の目安の値があり、数倍〜数１０倍程度の一定の値に設定しておけばよい。このように設定すれば、多くの場合には、応答パラメータω０を徐々に大きくしていくことによって、高速高精度な応答を実現することができる。

一方、実施の形態１で説明したように、制御対象３が減衰の小さな機械共振を持つような場合には、上記のように一般的に適切な値として決められた第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２を固定したまま応答パラメータω０を徐々に大きくしていくと、応答パラメータω０が比較的低い状態でも機械共振周波数で発振を生じてしまう。したがって、このような場合には、調整の初期段階で第２の切り替え信号ｓｗ２を絶対値設定とするとともにフィルタ周波数ωｆが機械共振周波数より高い値になるように第２の絶対値パラメータω２を設定し、かつ第１の切り替え信号ｓｗ１は比率設定のままにしておくと、その後は応答パラメータω０を徐々に大きくしていくだけで、機械共振があっても高速高精度な制御を行うような調整を簡単に実現することができる（実際に入力するのは「応答パラメータω０」なので、「応答周波数ωｃ」となっているところを「応答パラメータω０」に変更しました。）。

なお、上記において第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２を一定の値として記述したが、応答パラメータω０や制御対象３の慣性モーメント値Ｊ等の特性に応じて多少変更してもよい。

また、第１の切り替え信号ｓｗ１および第２の切り替え信号ｓｗ２が絶対値設定を選択していた場合の最後の応答周波数ωｃ、ＰＩ零点周波数ωｉおよびフィルタ周波数ωｆの値に基づいて、第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２を演算し、これら第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２が保持されるように設定しもよい。このようにすることにより、第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２を変更することが可能になり、第１の実施の形態のような目安となる一定の値に基づいた直感的な調整はできないが、調整の初期段階で第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２を変更しておくといった面では同様な効果を得ることも可能になる。

本実施の形態は上記のように構成され、比率設定と絶対値設定とを選択する第１の切り替え信号入力部および第２の切り替え信号入力部を備えることによって、制御仕様および制御対象の特性に応じて調整の初期段階で比率設定か絶対値設定かを設定することで、適切な調整を短時間で行うことが可能になる。特に、第１の切り替え信号入力部と第２の切り替え信号入力部とを別個に備えることによって、制御対象に機械共振があっても発振を生じずに速い応答を得るような調整を短時間で行うことができる。

また、第１の比率パラメータｒ１および第２の比率パラメータｒ２を所定の値としているので、第１の比率パラメータ入力部および第２の比率パラメータ入力部が不要となり、ユーザインタフェースを簡潔に構成できる。

本発明の実施の形態１によるモータ制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１によるモータ制御装置を用いたステップ外乱応答を示す時間応答グラフの図である。 本発明の実施の形態２によるモータ制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３によるモータ制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４によるモータ制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ モータ、２ 機械負荷、３ 制御対象、４ エンコーダ、５ 速度演算器、６ 帰還演算部、７ 速度比例増幅器、８ 積分増幅器、９ ローパスフィルタ、１０ 応答パラメータ入力部、１１ 第１の絶対値パラメータ入力部、１２ 第１の比率パラメータ入力部、１３ 第１の切り替え信号入力部、１４ 第１の切り替えスイッチ、１５ 積分ゲイン比率設定部、１６ 第２の絶対値パラメータ入力部、１７ 第２の比率パラメータ入力部、１８ 第２の切り替え信号入力部、１９ 第２の切り替えスイッチ、２０ フィルタ周波数比率設定部、５１ 機械特性推定部、１０５ 速度演算器、１０６ 帰還演算部、１０７ 速度比例増幅器、１０８ 積分増幅器、１０９ ローパスフィルタ、１１０ 応答パラメータ入力部、１１１ 第１の絶対値パラメータ入力部、１１２ 第１の比率パラメータ入力部、１１３ 第１の切り替え信号入力部、１１４ 第１の切り替えスイッチ、１１５ 積分ゲイン比率設定部、１１６ 第２の絶対値パラメータ入力部、１１７ 第２の比率パラメータ入力部、１１８ 第２の切り替え信号入力部、１１９ 第２の切り替えスイッチ、１２０ フィルタ周波数比率設定部、１３１ 位置比例増幅器、１４１ 第３の絶対値パラメータ入力部、１４２ 第３の比率パラメータ入力部、１４４ 第３の切り替えスイッチ、１４５ 位置ゲイン比率設定部、２１５ 積分ゲイン比率設定部、２２０ フィルタ周波数比率設定部。

Claims (7)

1. 演算したトルク指令に応じたモータのトルクで前記モータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、
   位置指令信号または速度指令信号と前記モータの角度検出値または速度検出値であるモータ回転信号とを入力し、前記モータ回転信号から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が極あるいは零点を含む演算によって前記トルク指令の演算を行う帰還演算部、
   応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、
   および比率パラメータを入力する比率パラメータ入力部を備え、
   前記応答パラメータに基づいて前記帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、
   前記応答パラメータと前記比率パラメータとに基づいて前記ループゲインを制御対象のイナーシャ値で除した値である応答周波数と前記帰還ループの極または零点に対応した周波数との比が前記比率パラメータで設定した値になるように前記帰還ループの極または零点を設定したことを特徴とするモータ制御装置。
2. 演算したトルク指令に応じたモータのトルクで前記モータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、
   位置指令信号または速度指令信号と前記モータの角度検出値または速度検出値であるモータ回転信号とを入力し、前記モータ回転信号から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が極または零点を含む演算により前記トルク指令の演算を行う帰還演算部、
   応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、
   絶対値パラメータを入力する絶対値パラメータ入力部、
   比率パラメータを入力する比率パラメータ入力部、
   および絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する切り替え信号を入力する切り替え信号入力部を備え、
   前記応答パラメータに基づいて前記帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、
   前記切り替え信号が絶対値設定の場合には前記絶対値パラメータに基づいて前記応答パラメータとは独立に前記帰還ループの零点あるいは極を設定し、
   前記切り替え信号が比率設定の場合には前記応答パラメータと前記比率パラメータとに基づいて前記ループゲインを制御対象のイナーシャ値で除した値である応答周波数と前記帰還ループの零点または極に対応した周波数との比を前記比率パラメータで設定した値になるように前記帰還ループの零点または極を設定したことを特徴とするモータ制御装置。
3. 帰還演算部は、モータ回転信号からトルク指令までの帰還ループの伝達関数が極または零点を複数含む演算によって前記トルク指令の演算を行い、
   絶対値パラメータ入力部と比率パラメータ入力部と切り替え信号入力部とは、前記帰還ループの前記複数個の零点または極に対応して複数個備えたことを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
4. 演算したトルク指令に応じたモータのトルクで前記モータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、
   位置指令信号または速度指令信号と前記モータの角度検出値または速度検出値であるモータ回転信号とを入力し、前記モータ回転信号から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が極または零点を複数個含む演算により前記トルク指令の演算を行う帰還演算部、
   応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、
   前記帰還ループの複数個の零点または極に対応して絶対値パラメータを入力する複数の絶対値パラメータ入力部、
   および前記帰還ループの複数個の零点または極に対応して絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する切り替え信号を入力する複数の切り替え信号入力部を備え、
   前記応答パラメータに基づいて前記帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、
   前記切り替え信号が絶対値設定の場合には前記絶対値パラメータに基づいて前記応答パラメータとは独立に前記帰還ループの零点または極を設定し、
   前記切り替え信号が比率設定の場合には前記応答パラメータに基づいて前記ループゲインを制御対象のイナーシャ値で除した値である応答周波数と零点または極に対応した周波数との比が所定の値になるように前記帰還ループの複数個の零点または極を設定したことを特徴とするモータ制御装置。
5. モータの角度検出値または速度検出値に基づいて制御対象の特性を少なくとも部分的に推定する制御対象特性推定部を備え、
   前記制御対象特性推定部の推定結果に応じて切り替え信号を自動的に設定したことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載のモータ制御装置。
6. 演算したトルク指令に応じたモータのトルクで前記モータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、
   速度指令信号と前記モータの速度検出値であるモータ速度とを入力し前記モータ速度から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が比例積分演算とローパスフィルタ演算とを含む演算によって前記トルク指令の演算を行う帰還演算部、
   応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、
   第１の絶対値パラメータを入力する第１の絶対値パラメータ入力部、
   第１の比率パラメータを入力する第１の比率パラメータ入力部、
   絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第１の切り替え信号を入力する第１の切り替え信号入力部、
   第２の絶対値パラメータを入力する第２の絶対値パラメータ入力部、
   第２の比率パラメータを入力する第２の比率パラメータ入力部、
   および絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第２の切り替え信号を入力する第２の切り替え信号入力部を備え、
   前記応答パラメータに基づいて前記帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、
   前記第１の切り替え信号が絶対値設定の場合には前記第１の絶対値パラメータに基づいて前記応答パラメータとは独立に前記比例積分演算の零点周波数であるＰＩ零点周波数を設定し、
   前記第１の切り替え信号が比率設定の場合には前記応答パラメータと前記第１の比率パラメータとに基づいて前記応答周波数と前記ＰＩ零点周波数との比が前記第１の比率パラメータで設定した値になるように前記ＰＩ零点周波数を設定し、
   前記第２の切り替え信号が絶対値設定の場合には前記第２の絶対値パラメータに基づいて前記応答パラメータとは独立に前記ローパスフィルタ演算の極周波数であるローパスフィルタ周波数を設定し、
   前記第２の切り替え信号が比率設定の場合には前記応答周波数と前記ローパスフィルタ周波数との比が前記第２の比率パラメータで設定した値になるように前記ローパスフィルタ周波数を設定したことを特徴とするモータ制御装置。
7. 演算したトルク指令に応じたモータのトルクで前記モータと機械負荷とを備えた制御対象を駆動するモータ制御装置において、
   速度指令信号と前記モータの速度検出値であるモータ速度とを入力し前記モータ速度から前記トルク指令までの帰還ループの伝達関数が比例積分演算とローパスフィルタ演算とを含む演算によって前記トルク指令の演算を行う帰還演算部、
   応答パラメータを入力する応答パラメータ入力部、
   第１の絶対値パラメータを入力する第１の絶対値パラメータ入力部、
   絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第１の切り替え信号を入力する第１の切り替え信号入力部、
   第２の絶対値パラメータを入力する第２の絶対値パラメータ入力部、
   および絶対値設定か比率設定かのいずれかを選択する第２の切り替え信号を入力する第２の切り替え信号入力部を備え、
   前記応答パラメータに基づいて前記帰還ループのゲインであるループゲインを設定し、
   前記第１の切り替え信号が絶対値設定の場合には前記第１の絶対値パラメータに基づいて前記応答パラメータとは独立に前記比例積分演算の零点周波数であるＰＩ零点周波数を設定し、
   前記第１の切り替え信号が比率設定の場合には前記応答パラメータに基づいて前記応答周波数と前記ＰＩ零点周波数との比が所定の値になるように前記ＰＩ零点周波数を設定し、
   前記第２の切り替え信号が絶対値設定の場合には前記第２の絶対値パラメータに基づいて前記応答パラメータとは独立に前記ローパスフィルタ演算の極周波数であるローパスフィルタ周波数を設定し、
   前記第２の切り替え信号が比率設定の場合には前記応答周波数と前記ローパスフィルタ周波数との比が所定の値になるように前記ローパスフィルタ周波数を設定したことを特徴とするモータ制御装置。
   

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