JP2008043132A - 機械制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】剛性が低い機械負荷の場合でも、機械負荷に外乱が加わる場合でも、機械負荷を所望に動作させるようにモータを正確に制御する機械制御装置を提供する。
【解決手段】機械制御装置は、外部から入力される指令信号に基づいて、機械負荷の想定した動作を負荷動作信号と同じ次元で表す第１の負荷動作参照信号を出力する負荷動作参照信号生成部と、負荷動作信号が第１の負荷動作参照信号に追従するように機械負荷の低剛性を考慮した演算によりモータ動作参照信号を出力するモータ動作参照信号生成部と、第１の負荷動作参照信号と負荷動作信号の偏差がゼロに近づくように算出する負荷動作補償力信号と、モータ動作参照信号とモータ動作信号の偏差がゼロに近づくように算出するモータ動作補償力信号とを加算するのと同等な演算により駆動力指令を出力する駆動力指令生成部と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、産業用ロボットや工作機械など各種産業用機械を駆動する機械制御装置に関するものである。

従来の位置制御を行なう機械制御装置では、位置参照信号とモータ位置との偏差が小さくなるように位置偏差補償器と呼ぶモータ動作補償部により補償を行うとともに、上記の位置参照信号に対して２階微分の関係にある負荷加速度参照信号を生成し、負荷加速度参照信号と、検出した機械負荷の加速度との偏差が小さくなるように、振動抑制補償器と呼ぶ負荷動作補償部により補償を行うことにより、機械負荷の動作の制御を行なっていた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の速度制御を行なう機械制御装置では、速度指令すなわち速度参照信号と、通常はモータに設置される速度検出手段で検出した検出速度との偏差が小さくなるようにモータ動作の補償を行うとともに、上記の速度参照信号の微分信号を加速度参照信号として生成し、その加速度参照信号と、通常は機械負荷に設置される加速度検出手段で検出した検出加速度との偏差が小さくなるように負荷動作の補償を行うことにより、機械負荷の動作の制御を行なっていた（例えば、特許文献２参照）。

また、モータの動作と別に機械負荷の動作を検出するような負荷動作検出部を備えていない従来の機械制御装置では、位置指令に基づいて機械負荷の理想的な応答である負荷位置参照信号を内部的に生成するとともに、機械負荷の位置が負荷位置参照信号に一致するよう、機械負荷の低剛性を考慮して演算したモータ位置参照信号を生成し、モータ位置参照信号とモータの位置との偏差に基づいて補償を行うことにより、機械負荷が所望の動作を行なうように制御を行なっていた（例えば、特許文献３参照）。

特開昭５８−３００１号公報 特開２００６−１５８０２６号公報 特開平１０−５６７９０号公報

従来の特許文献１または特許文献２に記載の機械制御装置において、機械負荷の動作に対する参照信号とモータの動作に対する参照信号が、加速度、速度、位置の次元は異なるものの同じ動作を表す信号であったが、機械負荷の剛性が低い場合に機械負荷に所望な動作をさせようとすると、機械負荷とモータとが異なる応答を行なうため、結果的に機械負荷を正確に制御することが困難であるという問題がある。

また、従来の特許文献３に記載の機械制御装置において、機械負荷の動作を所望な応答にするために、機械負荷の低剛性を考慮したモータ位置参照信号を生成し、モータ位置参照信号と検出したモータ位置との偏差が小さくなるよう補償を行っていたが、モータの動作と別に機械負荷の動作を検出して補償を行うことをしていないため、考慮した機械負荷のモデル誤差や、機械負荷に加わる外乱に起因して、制御精度を向上させることが困難であるという問題がある。

この発明の目的は、剛性が低い機械負荷の場合でも、機械負荷に外乱が加わる場合でも、機械負荷を所望に動作させるようにモータを正確に制御する機械制御装置を提供することである。

この発明に係る機械制御装置は、回転または直動するモータに駆動力指令を入力することにより上記モータおよび上記モータに機械的に結合された機械負荷の動作を制御する機械制御装置において、上記モータの動作に伴って変化するモータ位置、モータ速度またはモータ加速度の少なくともいずれか一つを検出しモータ動作信号として出力するモータ動作検出部と、上記機械負荷の動作に伴って変化する負荷位置、負荷速度または負荷加速度の少なくともいずれか一つを検出し負荷動作信号として出力する負荷動作検出部と、外部から入力される指令信号に基づいて、上記機械負荷の想定した動作を上記負荷動作信号と同じ次元で表す第１の負荷動作参照信号を出力する負荷動作参照信号生成部と、上記負荷動作信号が上記第１の負荷動作参照信号に追従するように上記機械負荷の低剛性を考慮した演算によりモータ動作参照信号を出力するモータ動作参照信号生成部と、上記第１の負荷動作参照信号と負荷動作信号の偏差がゼロに近づくように算出する負荷動作補償力信号と、上記モータ動作参照信号と上記モータ動作信号の偏差がゼロに近づくように算出するモータ動作補償力信号とを加算するのと同等な演算により上記駆動力指令を出力する駆動力指令生成部と、を備える。

この発明に係わる機械制御装置の効果は、機械負荷が低剛性な場合でも、機械負荷に外乱が加わる場合でも、モータを正確に制御することにより機械負荷を所望の動作させることができることである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる機械制御装置のブロック図である。
この発明の実施の形態１に係わる機械制御装置は、モータ１と、モータ１に機械的に結合された機械負荷２を制御対象として制御を行う。モータ１は、駆動力指令τ_ｒに応じた駆動力を発生する。機械負荷２は例えば、モータ１に結合されたボールネジと、ボールネジが回転することにより直線運動を行う直動部とから構成されている。尚、機械要素としてボールネジに限るものではなく、例えばギア、シャフト、アームなどであっても良い。

そして、この発明の実施の形態１に係わる機械制御装置は、モータ１の回転位置または移動位置であるモータ位置を検出し、モータ動作信号としてモータ位置信号ｐ_ｍを出力するモータ動作検出部３、モータ１により動作される機械負荷２に設置され、その箇所の動作方向の加速度である負荷加速度を検出し、負荷動作信号として負荷加速度信号ａ_ｌを出力する負荷動作検出部４、このモータ位置信号ｐ_ｍ、負荷加速度信号ａ_ｌおよび指令信号としての位置指令ｐ_ｃｍｄが入力され、モータ１に対する駆動力指令τ_ｒを出力する制御手段１０を備える。
制御手段１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース回路を有するコンピュータから構成されている。

制御手段１０は、指令信号としての位置指令ｐ_ｃｍｄが入力され、想定した機械負荷２の動作をそれぞれ加速度および位置の次元で表す負荷加速度参照信号ａ_ｌｒおよび負荷位置参照信号ｐ_ｌｒを出力する負荷動作参照信号生成部５、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒが入力され、所定の伝達特性を有する演算によりモータ動作参照信号としてのモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを出力するモータ動作参照信号生成部６、モータ位置参照信号ｐ_ｍｒとモータ位置信号ｐ_ｍの差であるモータ位置偏差Δｐ_ｍを算出する減算器１１、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒと負荷加速度信号ａ_ｌの差である負荷加速度偏差Δａ_ｌを算出する減算器１２を有する。

また、制御手段１０は、駆動力指令生成部１３を有し、駆動力指令生成部１３は、モータ位置偏差Δｐ_ｍがゼロに近づくように、例えばＰＩＤ（比例積分微分）演算によりモータ動作補償力信号τ_ｍＣを算出するモータ動作補償部７、負荷加速度偏差Δａ_ｌがゼロに近づくように演算して負荷動作補償力信号τ_ｌＣを算出する負荷動作補償部８、モータ動作補償力信号τ_ｍＣと負荷動作補償力信号τ_ｌＣを加算して駆動力指令τ_ｒを算出する加算器１４を有する。そして、この駆動力指令τ_ｒは、モータ１に入力される。

負荷動作参照信号生成部５は、機械負荷２の負荷動作検出部４が設置された箇所が正確に追従すべき動作、すなわち機械負荷２の想定した動作を加速度の次元で表す負荷加速度参照信号ａ_ｌｒを第１の負荷動作参照信号として、また上記と同じ機械負荷２の想定した動作を位置の次元で表す負荷位置参照信号ｐ_ｌｒを第２の負荷動作参照信号として出力する。負荷加速度参照信号ａ_ｌｒは負荷位置参照信号ｐ_ｌｒの２階微分の関係にあるものである。
なお、負荷動作参照信号生成部５に位置指令ｐ_ｃｍｄが与えられると、通常、位置指令ｐ_ｃｍｄに負荷位置信号ｐ_ｌが追従するような動作として機械負荷２を制御するので、位置指令ｐ_ｃｍｄをそのまま負荷位置参照信号ｐ_ｌｒとしても良いが、位置指令ｐ_ｃｍｄが急峻に変化するような高周波数成分を含んでいる場合は、機械負荷２に衝撃を与えないように高周波数成分を除去するような演算を行っても良い。

モータ動作参照信号生成部６は、モータ位置信号ｐ_ｍが正確に追従すべき信号をモータ位置参照信号ｐ_ｍｒとして出力するものであり、入力される負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに対して、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒの２階微分信号に反共振ゲインを乗じた信号と負荷位置参照信号ｐ_ｌｒとの加算によりモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを求める。そして、この反共振ゲインは、駆動力指令τ_ｒからモータ位置信号ｐ_ｍまでの伝達特性における反共振周波数ω_Ｚの逆数を２乗した値を設定する。

ここでモータ動作参照信号生成部６の機能について詳しく説明する。
もし、機械負荷２におけるモータ１と負荷動作検出部４との間の機械剛性が高い場合、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒと同じ信号をモータ位置参照信号ｐ_ｍｒとして出力すれば問題ない。
しかし、機械負荷２におけるモータ１と負荷動作検出部４との間の機械剛性が低い場合、機械負荷２が負荷動作参照信号生成部５で生成した負荷位置参照信号ｐ_ｌｒおよび負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに正確に追従するためには、モータ位置参照信号ｐ_ｍｒを、機械剛性が低いことに起因した機械負荷２の過渡的変形を考慮して求めることが必要である。

図２は、図示しない機械負荷位置検出部により検出した機械負荷２の負荷位置信号ｐ_ｌとモータ動作検出部３により検出したモータ位置信号ｐ_ｍが変化する様子を示すグラフである。図３は、図２のようにモータ１を動作したときの駆動力指令τ_ｒの変化の様子を示すグラフである。
図２に示した負荷位置信号ｐ_ｌの位置に機械負荷２を動作させる場合、図２に示したモータ位置信号ｐ_ｍの位置にモータ１を動作させる必要がある。また、その場合にモータ１に図３に示した駆動力指令τ_ｒを入力しなければならない。
したがって、このように低剛性を考慮したモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを生成しなければ、仮に負荷位置信号ｐ_ｌが負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに完全に追従している状態でも、モータ位置参照信号ｐ_ｍｒとモータ位置信号ｐ_ｍとの間に低剛性に起因した誤差を生じ、その誤差に起因したモータ動作補償力信号τ_ｍＣが駆動力指令τ_ｒの中に含まれるので、負荷位置信号ｐ_ｌを負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに正確に追従させることができなくなる。

そして、機械剛性が低い場合には、モータ１が発生する駆動力が駆動力指令τ_ｒに一致すると考えると、駆動力指令τ_ｒからモータ位置信号ｐ_ｍまでの伝達関数および駆動力指令τ_ｒから負荷位置信号ｐ_ｌまでの伝達関数は、２つの慣性がバネで結合された２慣性系としてモデル化されることが知られている。そして、駆動力指令τ_ｒからモータ位置信号ｐ_ｍまでの伝達関数および駆動力指令τ_ｒから負荷位置信号ｐ_ｌまでの伝達関数は、それぞれ式（１）および式（２）で表される。但し、式（１）および式（２）において、Ｊはモータ１と機械負荷２を併せた可動部全体の慣性、ω_Ｚは反共振周波数、ω_Ｐは共振周波数、ζ_Ｚは反共振周波数ω_Ｚでの減衰係数、ζ_Ｐは共振周波数ω_Ｐでの減衰係数、ｓはラプラス演算子である。この減衰係数ζ_Ｚおよび減衰係数ζ_Ｐは摩擦等の粘性で決まる減衰係数であり、通常は相対的に小さい値を持つことが多い。
また、式（１）および式（２）より、駆動力指令τ_ｒに応じた駆動力でモータ１および機械負荷２を駆動した場合、モータ位置信号ｐ_ｍと負荷位置信号ｐ_ｌの間に式（３）の関係が成り立つ。

したがって、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに負荷位置信号ｐ_ｌが追従するよう、すなわち第１の負荷動作参照信号である負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに負荷動作信号である負荷加速度信号ａ_ｌが正確に追従するようにした場合、機械負荷２の低剛性を考慮すると、モータ動作信号であるモータ位置信号ｐ_ｍは第２の負荷動作参照信号である負荷位置信号ｐ_ｌに対して式（３）の逆特性を持つ必要がある。したがって、モータ動作参照信号生成部６は負荷位置参照信号ｐ_ｌｒを入力し、モータ位置が正確に追従すべきモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを、式（４）の伝達関数となる演算を行って出力する。

なお、式（４）は、式（３）の減衰係数ζ_Ｚがその影響が小さいことが多いため、０として無視している。
式（４）の伝達関数の演算は、反共振周波数ω_Ｚの逆数の２乗を求めて反共振ゲインとし、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに対して、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒを２階微分した信号に反共振ゲインを乗じた信号と負荷位置参照信号ｐ_ｌｒとを加算することにより行える。
なお、反共振周波数ω_Ｚは、例えば、駆動力指令τ_ｒからモータ位置信号ｐ_ｍまでの周波数応答の測定結果から求めることができる。
また、一般に、モータ動作補償部７のゲインを大きくすると制御系が反共振周波数ω_Ｚで振動するようになることから、制御系の振動周波数を測定することにより決定することもできる。

このような機械制御装置は、負荷動作参照信号生成部５において、想定した機械負荷２の動作を加速度の次元で表す負荷加速度参照信号ａ_ｌｒを生成し、モータ動作参照信号生成部６において、負荷加速度信号ａ_ｌが負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに追従するためにモータ１が追従すべきモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを機械負荷２の低剛性を考慮した演算により生成し、負荷動作補償部８が負荷加速度参照信号ａ_ｌｒと負荷加速度信号ａ_ｌの偏差が小さくなるように制御し、モータ動作補償部７がモータ位置参照信号ｐ_ｍｒとモータ位置信号ｐ_ｍの偏差が小さくなるように制御するので、機械負荷２の剛性が低い場合でも、機械負荷２に外乱が加わる場合でも、モータ１を正確に制御することにより機械負荷２を所望の動作させることができる。

なお、実施の形態１において、負荷動作検出部４が機械負荷２の負荷加速度を検出しているが、機械負荷２の機械負荷位置を検出する検出器に比べて、動作する機械負荷２に設置することが簡単であるから適用している。
また、このように機械負荷２の負荷加速度を検出すると、機械負荷２の絶対位置を制御することは難しいが、例えば機械負荷２に発生する振動など、過渡的な変動を抑制したい場合には十分に効果的な制御効果を得ることが可能になる。

なお、実施の形態１において、モータ動作参照信号生成部６の動作として式（４）に示したように減衰係数ζ_Ｚを無視しているが、より厳密に動作させる場合はこれを考慮しても良いことは言うまでもない。この場合、式（３）の分母におけるｓの１次の係数に対応した数値を減衰ゲインとして設定し、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに対して、並列に減衰ゲインを乗じた微分演算、反共振ゲインを乗じた２階微分演算を行った結果と、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒとを加算することによりモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを求める。

また、実施の形態１において、負荷位置信号ｐ_ｌとモータ位置信号ｐ_ｍとの単位が１対１の関係にあるとして記述したが、例えばギアによる減速や、回転・直動変換などの機構が機械負荷２に含まれている場合は当然ながら単位変換が必要であり、その場合は負荷動作参照信号生成部５またはモータ動作参照信号生成部６において単位変換のゲインを乗じてもよいことは言うまでもない。

また、実施の形態１の説明では、物理モデルを用いた厳密な特性に基づいて説明したが、機械負荷２の動作にあまり関係しない信号の高周波数成分などに対しては、例えばモータ動作参照信号生成部６の演算などにおいて、高周波数成分を除去するフィルタなどが追加されても良いことは言うまでもない。

また、実施の形態１において、モータ動作参照信号生成部６に負荷位置参照信号ｐ_ｌｒが入力されているが、モータ位置参照信号ｐ_ｍｒが負荷位置参照信号ｐ_ｌｒと式（４）の関係を満たすように構成すればよく、例えばモータ動作参照信号生成部６に位置指令ｐ_ｃｍｄを入力して直接モータ位置参照信号ｐ_ｍｒを求めてもよい。

また、実施の形態１において、負荷動作参照信号生成部５に指令信号としての位置指令ｐ_ｃｍｄが入力されているが、例えば、指令信号として動作開始のトリガー信号だけを入力し、負荷動作参照信号生成部５において負荷位置参照信号ｐ_ｌｒを関数発生器により生成してもよい。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係わる機械制御装置のブロック図である。
この発明の実施の形態２に係わる機械制御装置は、図４に示すように、実施の形態１に係わる機械制御装置と駆動力指令生成部１３Ｂが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わる駆動力指令生成部１３Ｂは、式（５）に示すように、負荷加速度偏差Δａ_ｌに対して伝達関数Ｃ_ｌＰ（ｓ）を用いて演算を行い負荷動作補償位置信号ｐ_ｌＣを算出する負荷動作補償指令生成部９、負荷動作補償位置信号ｐ_ｌＣとモータ位置偏差Δｐ_ｍを加算する加算器１５、式（６）に示すように、モータ位置偏差Δｐ_ｍと負荷動作補償位置信号ｐ_ｌＣの和に対して伝達関数Ｃ_ｍ（ｓ）を用いて演算を行い駆動力指令τ_ｒを算出するモータ動作補償部１６を有する。なお、モータ位置偏差Δｐ_ｍと負荷動作補償位置信号ｐ_ｌＣの和に対して演算しているが、それぞれに演算して加算するのと同等である。

ここで用いられる伝達関数Ｃ_ｌＰ（ｓ）およびＣ_ｍ（ｓ）は、以下の関係から求められたものである。式（６）に式（５）を代入すると、式（７）が得られる。この式（７）の右辺の第１項は、モータ位置偏差Δｐ_ｍに関する項であり、右辺の第２項は、負荷加速度偏差Δａ_ｌに関する項である。そして、右辺の第１項のＣ_ｍ（ｓ）・Δｐ_ｍが実施の形態１におけるモータ動作補償力信号τ_ｍＣと等しくなるような伝達関数Ｃ_ｍ（ｓ）を求める。また、右辺の第２項のＣ_ｍ（ｓ）・Ｃ_ｌＰ（ｓ）・Δａ_ｌが実施の形態１における負荷動作補償力信号τ_ｌＣと等しくなるような伝達関数Ｃ_ｌＰ（ｓ）を求める。
このような伝達関数Ｃ_ｌＰ（ｓ）およびＣ_ｍ（ｓ）を用いて演算すると、モータ動作補償部１６の出力が、実施の形態１と同様に駆動力指令τ_ととなる。

このような実施の形態２に係わる機械制御装置は、駆動力指令生成部１３Ｂにおいて負荷加速度偏差Δａ_ｌをゼロに近づける負荷動作補償位置信号ｐ_ｌＣを求め、その負荷動作補償位置信号ｐ_ｌＣにモータ位置偏差Δｐ_ｍを加算し、加算した値に対して所定の伝達関数を用いた演算を施すことにより、実施の形態１のモータ動作補償力信号τ_ｍＣと負荷動作補償力信号τ_ｌＣが加算された駆動力指令τ_ｒと同様な駆動力指令τ_ｒが算出されるので、計算機への実装や調整が簡単になるという効果がある。

また、モータ動作参照信号生成部６において、負荷加速度信号ａ_ｌが負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに追従する追従するためにモータ１が追従すべきモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを機械負荷２の低剛性を考慮した演算により生成するので、機械負荷２の剛性が低くても、また機械負荷２に外乱が加わる場合においても、機械負荷２が所望の動作を行うように正確に制御することが可能になる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係わる機械制御装置のブロック図である。
この発明の実施の形態３に係わる機械制御装置は、実施の形態１に係わる機械制御装置のモータ動作信号としてのモータ位置信号ｐ_ｍの代わりにモータ速度信号ｖ_ｍを用いている。そして、モータ速度信号ｖ_ｍを用いていることに係わり、図５に示すように、モータ動作検出部３Ｃ、負荷動作参照信号生成部５Ｃ、モータ動作参照信号生成部６Ｃ、減算器１１および駆動力指令生成部１３Ｃが実施の形態１と異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
そして、実施の形態１では指令信号、モータ動作参照信号、モータ動作信号が位置の次元であったものが、実施の形態３では速度の次元であり、モータ１の速度制御を行っているものである。

モータ動作検出部３Ｃは、モータ１の回転速度または移動速度を検出し、モータ速度信号ｖ_ｍとして出力する。
負荷動作参照信号生成部５Ｃは、指令信号として速度指令ｖ_ｃｍｄが入力され、想定した機械負荷２の動作を加速度の次元で表す負荷加速度参照信号ａ_ｌｒを第１の負荷動作参照信号として出力し、また想定した機械負荷２の動作を速度の次元で表す負荷速度参照信号ｖ_ｌｒを第２の負荷動作参照信号として出力する。負荷加速度参照信号ａ_ｌｒは負荷速度参照信号ｖ_ｌｒの微分の関係にあるものである。
モータ動作参照信号生成部６Ｃは、入力される負荷速度参照信号ｖ_ｌｒに対して負荷速度参照信号ｖ_ｌｒの微分信号に反共振ゲインを乗じた信号と負荷速度参照信号ｖ_ｌｒとを加算してモータ速度参照信号ｖ_ｍｒを求める。そして、この反共振ゲインは、駆動力指令τ_ｒからモータ速度信号ｖ_ｍまでの伝達特性における反共振周波数ω_Ｚの逆数を２乗した値を設定する。
減算器１１Ｃは、モータ速度参照信号ｖ_ｍｒからモータ速度信号ｖ_ｍを減算してモータ速度偏差Δｖ_ｍを出力する。

駆動力指令生成部１３Ｃは、実施の形態１に係わる駆動力指令生成部１３とモータ動作補償部７Ｃが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
モータ動作補償部７Ｃは、モータ速度偏差Δｖ_ｍに対してモータ速度偏差Δｖ_ｍがゼロに近づくような演算を行い、モータ動作補償力信号τ_ｍＣを出力する。

なお、実施の形態１におけるモータ位置信号ｐ_ｍと負荷位置信号ｐ_ｌの関係は式（３）で表されているが、式（３）の左辺の分母分子をそれぞれ微分することによって、モータ速度信号ｖ_ｍと負荷速度信号ｖ_ｌの間の関係が求められるが、全く同じ関係が成り立つ。従って、モータ動作参照信号生成部６Ｃは、実施の形態１におけるモータ動作参照信号生成部６と同様な伝達関数を用いて演算を行えば良い。

このように、モータ１の速度制御を行う実施の形態３に係わる機械制御装置においても、負荷動作参照信号生成部５Ｃにおいて、想定した機械負荷２の動作を加速度の次元で表す負荷加速度参照信号ａ_ｌｒを生成し、モータ動作参照信号生成部６Ｃにおいて、負荷加速度信号ａ_ｌが負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに追従するためにモータ１が追従すべきモータ速度参照信号ｖ_ｍｒを機械負荷２の低剛性を考慮した演算により生成し、負荷動作補償部８が負荷加速度参照信号ａ_ｌｒと負荷加速度信号ａ_ｌの偏差が小さくなるように制御し、モータ動作補償部７Ｃがモータ速度参照信号ｖ_ｍｒとモータ速度信号ｖ_ｍの偏差が小さくなるように制御するので、機械負荷２の剛性が低くても、また機械負荷２に外乱が加わる場合においても、機械負荷２が所望の動作を行うように正確に制御することが可能になる。

なお、モータ動作信号として実施の形態１においてモータ位置信号、実施の形態２においてモータ速度信号を用いてモータ１の位置制御、速度制御を行っているが、これに限らずにモータ動作信号としてモータ位置信号、モータ速度信号またはモータ加速度信号の少なくともいずれか１つを用いてモータ１を制御する機械制御装置にこの発明を適用しても良い。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係わる機械制御装置のブロック図である。
この発明の実施の形態４に係わる機械制御装置は、実施の形態１に係わる機械制御装置における負荷動作信号としての負荷加速度信号の代わりに負荷位置信号を用いている。そして、負荷位置信号を用いていることに係わり、図６に示すように、負荷動作検出部４Ｄ、負荷動作参照信号生成部５Ｄ、減算器１２Ｄ、駆動力指令生成部１３Ｄが実施の形態１に係わる機械制御装置と異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
そして、実施の形態１では第１の負荷動作参照信号、負荷動作信号が加速度の次元であったものが、実施の形態４では位置の次元であり、機械負荷２の位置制御を行っているものである。

負荷動作検出部４Ｄは、モータ１により駆動される機械負荷２に設置され、その箇所の動作方向における位置である負荷位置を検出し、負荷位置信号ｐ_ｌとして出力する。
負荷動作参照信号生成部５Ｄは、指令信号として位置指令ｐ_ｃｍｄが入力され、想定した機械負荷２の動作を位置の次元で表す負荷位置参照信号ｐ_ｌｒを第１の負荷動作参照信号として出力する。
減算器１２Ｄは、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒから負荷位置信号ｐ_ｌを減算して負荷位置偏差Δｐ_ｌを出力する。

駆動力指令生成部１３Ｄは、実施の形態１に係わる駆動力指令生成部１３と負荷動作補償部８Ｄが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
負荷動作補償部８Ｄは、負荷位置偏差Δｐ_ｌがゼロになるように積分演算を含む演算により負荷動作補償力信号τ_ｌＣを出力する。

ここで、機械負荷２に定常的に外部から力が加わるような場合は、機械負荷２には低剛性に起因した変形が定常的に生じる。また、モータ動作検出部３と負荷動作検出部４Ｄの間に取り付け誤差が存在する場合もあり、物理的に負荷位置信号ｐ_ｌとモータ位置信号ｐ_ｍとを定常的に一致させることができない場合もある。
したがって、このような場合に位置指令ｐ_ｃｍｄに定常的に一致するように制御を行うのは、負荷位置信号ｐ_ｌまたはモータ位置信号ｐ_ｍのどちらである。また、負荷動作検出部４Ｄで負荷位置信号ｐ_ｌを出力するように構成した場合は、通常、負荷位置信号ｐ_ｌが位置指令ｐ_ｃｍｄまたはそれに基づいて生成される負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに定常的に一致するように制御することが多い。また、定常的に偏差が残らないように制御するためには、フィードバック部に積分特性を持たせる必要があることは広く知られている。
そこで、この実施の形態４では、モータ動作補償部７を実施の形態１のようなＰＩＤ演算でなくＰＤ演算として積分演算を含まない構成にするとともに、負荷動作補償部８Ｄを積分演算を含む構成にしてもよい。これにより、負荷位置信号ｐ_ｌが位置指令ｐ_ｃｍｄおよび負荷位置参照信号ｐ_ｌｒと定常的に偏差を持たないように制御することが可能になる。

このように、機械負荷２の位置制御を行う実施の形態４に係わる機械制御装置においても、負荷動作参照信号生成部５Ｄにおいて、想定した機械負荷２の動作を位置の次元で表す負荷位置参照信号ｐ_ｌｒを生成し、モータ動作参照信号生成部６において、負荷位置信号ｐ_ｌが負荷位置参照信号ｐ_ｌｒに追従するためにモータ１が追従すべきモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを機械負荷２の低剛性を考慮した演算により生成し、負荷動作補償部８Ｄが負荷位置参照信号ｐ_ｌｒと負荷位置信号ｐ_ｌの偏差が小さくなるように制御し、モータ動作補償部７がモータ位置参照信号ｐ_ｍｒとモータ位置信号ｐ_ｍの偏差が小さくなるように制御するので、機械負荷２の剛性が低くても、また機械負荷２に外乱が加わる場合においても、機械負荷２が所望の動作を行うように正確に制御することが可能になる。
また機械負荷２の位置が定常的に所望の位置と偏差を持たないように制御することが可能になる。

なお、負荷動作信号として実施の形態１において負荷加速度信号、実施の形態４において負荷位置信号を用いて機械負荷の振動抑制、位置制御を行っているが、これに限らずに負荷動作信号として負荷位置信号、負荷速度信号または負荷加速度信号の少なくともいずれか１つを用いて機械負荷２を制御する機械制御装置にこの発明を適用しても良い。このとき、負荷動作参照信号生成部は負荷動作信号と同じ次元の第１の負荷動作参照信号を生成する。

実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５に係わる機械制御装置のブロック図である。
この実施の形態５に係わる機械制御装置は、実施の形態１に係わる機械制御装置と駆動力指令生成部１３Ｅが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態５に係わる駆動力指令生成部１３Ｅは、図７に示すように、実施の形態１に係わる駆動力指令生成部１３にフィードフォワード補償部１７を追加し、加算器１４Ｅが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態５に係わるフィードフォワード補償部１７は、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒが入力され、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒの２階微分信号に共振ゲインと慣性ゲインを乗じた信号と、上記負荷加速度参照信号に上記慣性ゲインを乗じた信号との和をフィードフォワード力信号τ_ｆｆとして出力する。なお、慣性ゲインはモータ１と機械負荷２を併せた可動部全体の慣性の値Ｊを、共振ゲインは、駆動力指令τ_ｒからモータ位置信号ｐ_ｍまでの伝達関数が有する共振周波数ω_Ｐの逆数を２乗した値を設定する。
加算器１４Ｅは、モータ動作補償力信号τ_ｍＣ、負荷動作補償力信号τ_ｌＣおよびフィードフォワード力信号τ_ｆｆを加算して駆動力指令τ_ｒを算出する

実施の形態１では、モータ位置参照信号ｐ_ｍｒとモータ位置信号ｐ_ｍとの偏差に基づいてモータ動作補償部７で生成したモータ動作補償力信号τ_ｍＣと、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒと負荷加速度信号ａ_ｌとの偏差に基づいて負荷動作補償部８で生成した負荷動作補償力信号τ_ｌＣとの和を駆動力指令τ_ｒとしていた。このような構成でも、モータ動作補償部７のゲインおよび負荷動作補償部８のゲインを十分に大きくすれば、機械負荷２を比較的正確に制御することが可能である。
しかし、モータ動作補償力信号τ_ｍＣおよび負荷動作補償力信号τ_ｌＣは、原理的に、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒと負荷加速度信号ａ_ｌとの偏差、およびモータ位置参照信号ｐ_ｍｒとモータ位置信号ｐ_ｍとの偏差が生じなければ発生せず、その和である駆動力指令τ_ｒも発生しないので、必ず上記の差が参照信号と実際の応答との誤差となる。

一方、想定した動作に機械負荷２の動作が一致するようにモータ１を駆動するために必要な駆動力指令τ_ｒは、実施の形態１における式（２）の関係から、負荷動作参照信号を用いて計算することが可能である。したがって、負荷位置参照信号ｐ_ｌｒから式（２）の逆関数となる演算、またはそれと等価な演算で、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒから式（８）で表される演算によってフィードフォワード力信号τ_ｆｆを演算し、それを駆動力指令τ_ｒに含める。

すなわち、モータ１および機械負荷２の全体の慣性を表す慣性ゲインと、機械負荷２の共振周波数ω_Ｐの逆数の２乗の値を共振ゲインとして設定しておき、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに対し、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒを２階微分した信号に共振ゲインと慣性ゲインを乗じた信号と、負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに上記慣性ゲインを乗じた信号との和をフィードフォワード力信号τ_ｆｆとして算出する。

ここで、慣性ゲインの設定に関しては、モータ１および機械負荷２からなる制御対象の周波数応答を測定する、または、駆動力指令とモータ動作や負荷動作信号の応答から慣性を推定する、または、機械系の定数から机上計算しても良い。
また、共振ゲインに関しては、モータ１および機械負荷２からなる制御対象の周波数応答を測定して共振周波数を推定する、または、近似的に、モータ１および機械負荷２の実際の挙動における振動周波数を測定して用いてもよい。

このように駆動力指令τ_ｒにフィードフォワード力信号τ_ｆｆが含まれることにより、モータ１および機械負荷２からなる制御対象の特性が式（１）と式（２）で表されるモデルと完全に一致すると仮定すると、負荷加速度信号ａ_ｌは負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに、また、モータ位置信号ｐ_ｍはモータ位置参照信号ｐ_ｍｒに完全に一致し、制御対象の特性が持つモデルとの誤差や、モータ１や機械負荷２に加わる外乱に対してのみ、モータ動作補償力信号τ_ｍＣおよび負荷動作補償力信号τ_ｌＣが補償することになる。したがって、機械負荷２が所望の動作を行なうようになり、実施の形態１より更に高精度に制御することが可能になる。

このような実施の形態５に係わる機械制御装置は、実施の形態１に係わる機械制御装置と同様に、モータ動作参照信号生成部６において、負荷加速度信号ａ_ｌが負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに追従するよう機械負荷２の低剛性を考慮した演算によりモータ動作参照信号すなわちモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを生成するので、機械負荷２の剛性が低くても、また機械負荷２に外乱が加わる場合においても、モータ１を正確に制御し機械負荷２を所望の動作するようにできる。
また、機械負荷２が想定した動作を行なうように演算したフィードフォワード力信号τ_ｆｆを駆動力指令τ_ｒに更に加算するので、更に高精度に制御を行なうことが可能になる。

実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６に係わる機械制御装置のブロック図である。
この発明の実施の形態６に係わる機械制御装置は、実施の形態１に係わる機械制御装置の負荷動作参照信号生成部５およびモータ動作参照信号生成部６が一体となった二慣性動作参照信号生成部２１を備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態６に係わる二慣性動作参照信号生成部２１は、指令信号として位置指令信号ｐ_ｃｍｄが入力され、位置指令信号ｐ_ｃｍｄに対して機械負荷２の位置が所望の特性を持って追従するように、モータ１および機械負荷２の動作の模擬を行い、模擬された機械負荷２の加速度およびモータ１の位置を、それぞれ第１の負荷動作参照信号である負荷加速度参照信号ａ_ｌｒと、モータ動作参照信号であるモータ位置参照信号ｐ_ｍｒとして出力する。

図９は、二慣性動作参照信号生成部２１の内部動作を表すブロック図である。
二慣性動作参照信号生成部２１は、その内部において、模擬モータ駆動力信号τ_ｍａが入力されモータ１および負荷機械２の動作を模擬する二慣性モデル部２２と、二慣性モデル部２２の状態変数に模擬状態ゲインＦ_ｓを乗じた信号を模擬モータ駆動力信号τ_ｍａにフィードバックする模擬状態フィードバック部２３と、二慣性モデル部２２におけるモータ１の位置を模擬する信号である模擬モータ位置信号ｐ_ｍａを位置指令信号ｐ_ｃｍｄから減じた信号に模擬位置ゲインＦ_ｐを乗じた信号を模擬モータ駆動力信号τ_ｍａにフィードバックする模擬位置ゲイン部２４から構成される。

二慣性モデル部２２は、モータ慣性Ｊ_ｍ、負荷慣性Ｊ_ｌおよびバネ定数Ｋ_ｓの値が設定され、その内部において、入力された模擬モータ駆動力信号τ_ｍａと後述の模擬バネ力信号τ_ｓａとの差をモータ慣性Ｊ_ｍで除して模擬モータ加速度信号ａ_ｍａを、模擬モータ加速度信号ａ_ｍａを積分して模擬モータ速度信号ｖ_ｍａを演算する。
また、模擬バネ力信号τ_ｓａを負荷慣性Ｊ_ｌで除して模擬負荷加速度信号を、模擬負荷加速度信号を積分して模擬負荷速度信号ｖ_ｌａを演算する。
また、模擬モータ速度信号ｖ_ｍａと模擬負荷速度信号ｖ_ｌａとの差を積分して模擬バネ変形量信号を、模擬バネ変形量信号にバネ定数Ｋ_ｓを乗じて模擬バネ力信号τ_ｓａを演算する。
また、模擬モータ速度信号ｖ_ｍａを積分することにより模擬モータ位置信号ｐ_ｍａを演算する。このように演算することにより、二慣性モデル部２２でモータ１と機械負荷２の動作を模擬することができる。なお、模擬負荷速度信号ｖ_ｌａを積分することによって模擬負荷位置信号ｐ_ｌａを演算することができるが、この実施の形態６では模擬負荷位置信号ｐ_ｌａを他の演算には利用しないため、模擬負荷位置信号ｐ_ｌａの演算は実際には行わなくても良い。

次に、模擬状態フィードバック部２３は、二慣性モデル部２２で演算された状態変数のうち模擬モータ速度信号ｖ_ｍａ、模擬負荷速度信号ｖ_ｌａ、模擬バネ力信号τ_ｓａが入力され、１×３の行列の状態ゲインＦ_ｓを乗じた信号を模擬モータ駆動力信号τ_ｍａにフィードバックする。
ここで、模擬状態ゲインＦ_ｓおよび模擬位置ゲインＦ_ｐを、一般に知られた極配置などの手法で閉ループ特性が所望の特性になるように設計すると、位置指令信号ｐ_ｃｍｄから模擬負荷位置信号ｐ_ｌａまでの伝達関数は所望の極を持つローパス特性となる。その結果、模擬負荷位置信号ｐ_ｌａが位置指令信号ｐ_ｃｍｄに所望の特性を持って追従するように、二慣性モデル部２２を動作させることが可能になる。

したがって、二慣性動作参照信号生成部２１は、二慣性モデル部２２における模擬負荷加速度信号ａ_ｌａを、想定する負荷機械２の動作を加速度の次元で表す第１の負荷動作参照信号である負荷加速度参照信号ａ_ｌｒとして出力する。また、二慣性動作参照信号生成部２１は、模擬モータ位置信号ｐ_ｍａをモータ位置参照信号ｐ_ｍｒとして出力することにより、負荷加速度信号ａ_ｌが負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに追従するよう機械負荷２の低剛性を考慮して演算したモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを出力する。
ここで、模擬モータ駆動力信号τ_ｍａから模擬モータ位置信号ｐ_ｍａおよび模擬負荷位置信号ｐ_ｌａまでの伝達関数は、それぞれ式（９）、式（１０）で表され、その結果、模擬負荷位置信号ｐ_ｌａと模擬モータ位置信号ｐ_ｍａとの関係は式（１１）で表される。

但し、上記においてＪ、ω_Ｚ、ω_ｐは、それぞれモータ１および機械負荷２の動作を模擬した二慣性モデル部２２の総慣性、反共振周波数、共振周波数であり、それぞれ式（１２）、式（１３）、式（１４）で求まる。

また、上記の想定した機械負荷２の動作を位置の次元で表す模擬負荷位置信号ｐ_ｌａに対し、模擬モータ位置信号ｐ_ｍａすなわちモータ位置参照信号ｐ_ｍｒは式（１１）の逆関数の関係にある。
したがって、反共振周波数ω_Ｚの逆数の２乗を反共振ゲインとし、想定した機械負荷２の動作を位置の次元で表す模擬負荷位置信号ｐ_ｌａ、を第２の負荷動作参照信号とすると、二慣性動作参照信号生成部２１において、第２の負荷動作参照信号の２階微分信号に反共振ゲインを乗じた信号と上記第２の負荷動作参照信号との加算に相当する演算によりモータ位置参照信号ｐ_ｍｒの演算を行っている。

ここで、二慣性モデル部２２で設定する定数であるモータ慣性Ｊ_ｍ、負荷慣性Ｊ_ｌおよびバネ定数Ｋ_ｓの値については、物理的な機械定数に基づいて設定してもよいが、例えばモータ１および負荷機械２の特性を、駆動力指令信号τ_ｒからモータ位置信号ｐ_ｍまでの周波数応答を測定し、その結果から推定される総慣性Ｊ、反共振周波数ω_Ｚ、共振周波数ω_ｐから式（１２）〜式（１４）の関係を逆算することにより求めることができる。
このように、実施の形態６に係わる機械制御装置は、実施の形態１と具体的計算手順は異なるものの、全く同様な特性を持つものである。

このような機械制御装置は、二慣性動作参照信号生成部２１において、想定した機械負荷２の動作を加速度の次元で表す負荷加速度参照信号ａ_ｌｒを第１の負荷動作参照信号として生成し、また同じ二慣性動作参照信号生成部２１において、負荷加速度信号ａ_ｌが負荷加速度参照信号ａ_ｌｒに追従するよう機械負荷２の低剛性を考慮した演算によりモータ動作参照信号すなわちモータ位置参照信号ｐ_ｍｒを生成するので、機械負荷２の剛性が低い場合でも、機械負荷２に外乱が加わる場合でも、モータ１を正確に制御し機械負荷２を所望の動作するようにできる。

なお、実施の形態６に係る機械制御装置は実施の形態１と全く同様な特性を持つものとして記述したが、実施の形態６における二慣性モデル部２２の模擬モータ駆動力信号τ_ｍａを、フィードフォワード力信号τ_ｆｆとして駆動力指令信号τ_ｒに更に加算すれば、実施の形態５と全く同様な特性を持つ機械制御装置となることは明白である。またその場合、更に高精度に制御を行なうことが可能になる。

この発明の実施の形態１に係わる機械制御装置のブロック図である。 機械負荷の剛性が低い場合の検出した負荷位置信号と検出したモータ位置信号が変化する様子を示すグラフである。 図２のようにモータを動作したときの駆動力指令の変化の様子を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係わる機械制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態３に係わる機械制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態４に係わる機械制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態５に係わる機械制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態６に係わる機械制御装置のブロック図である。 図８の二慣性動作参照信号生成部の内部動作を表すブロック図である。

符号の説明

１ モータ、２ 機械負荷、３、３Ｃ モータ動作検出部、４、４Ｄ 負荷動作検出部、５、５Ｃ、５Ｄ 負荷動作参照信号生成部、６、６Ｃ モータ動作参照信号生成部、７、７Ｃ、１６ モータ動作補償部、８、８Ｄ 負荷動作補償部、９ 負荷動作補償指令生成部、１０ 制御手段、１１、１１Ｃ、１２、１２Ｄ 減算器、１３、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ 駆動力指令生成部、１４、１４Ｅ、１５ 加算器、１７ フィードフォワード補償部、２１ 二慣性動作参照信号生成部、２２ 二慣性モデル部、２３ 模擬状態フィードバック部、２４ 模擬位置ゲイン部。

Claims (8)

1. 回転または直動するモータに駆動力指令を入力することにより上記モータおよび上記モータに機械的に結合された機械負荷の動作を制御する機械制御装置において、
   上記モータの動作に伴って変化するモータ位置、モータ速度またはモータ加速度の少なくともいずれか一つを検出しモータ動作信号として出力するモータ動作検出部と、
   上記機械負荷の動作に伴って変化する負荷位置、負荷速度または負荷加速度の少なくともいずれか一つを検出し負荷動作信号として出力する負荷動作検出部と、
   外部から入力される指令信号に基づいて、上記機械負荷の想定した動作を上記負荷動作信号と同じ次元で表す第１の負荷動作参照信号を出力する負荷動作参照信号生成部と、
   上記負荷動作信号が上記第１の負荷動作参照信号に追従するように上記機械負荷の低剛性を考慮した演算によりモータ動作参照信号を出力するモータ動作参照信号生成部と、
   上記第１の負荷動作参照信号と負荷動作信号の偏差がゼロに近づくように算出する負荷動作補償力信号と、上記モータ動作参照信号と上記モータ動作信号の偏差がゼロに近づくように算出するモータ動作補償力信号とを加算するのと同等な演算により上記駆動力指令を出力する駆動力指令生成部と、
   を備えることを特徴とする機械制御装置。
2. 上記負荷動作参照信号生成部は、上記機械負荷の想定した動作を上記モータ動作信号と同じ次元で表す第２の負荷動作参照信号に対して、上記第２の負荷動作参照信号の２階微分信号に反共振ゲインを乗じた信号と上記第２の負荷動作参照信号との加算に相当する演算によりモータ動作参照信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の機械制御装置。
3. 上記負荷動作信号は、上記負荷位置を検出したものであり、
   上記負荷動作補償部は、積分演算を含む演算により上記負荷動作補償力信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の機械制御装置。
4. 上記反共振ゲインは、測定した上記駆動力指令から上記モータ動作信号までの伝達特性における反共振周波数の逆数を２乗した値に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の機械制御装置。
5. 上記反共振ゲインは、測定した制御系の振動周波数の逆数を２乗した値に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の機械制御装置。
6. 上記機械負荷の想定した動作を加速度の次元で表す負荷加速度参照信号に対して、上記負荷加速度参照信号の２階微分信号に共振ゲインと慣性ゲインを乗じた信号と、上記負荷加速度参照信号に上記慣性ゲインを乗じた信号との和となる信号を演算することによりフィードフォワード力信号を算出するフィードフォワード補償部を備え、
   上記駆動力指令信号に上記フィードフォワード力信号を更に加算することを特徴とする請求項１に記載の機械制御装置。
7. 上記共振ゲインは、測定した上記モータおよび上記機械負荷からなる制御対象の共振周波数の逆数を２乗した値に基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の機械制御装置。
8. 上記共振ゲインは、測定した制御系の振動周波数の逆数を２乗した値に基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の機械制御装置。

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