JP2008228484A - Motor controller and motor control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、産業機器などの高速モーション制御において、モータと負荷との間で機械共振が発生する状況下で、モータへの外乱抑圧制御を制御するモータ制御装置およびモータ制御方法に関する。 The present invention relates to a motor control device and a motor control method for controlling disturbance suppression control to a motor in a situation where mechanical resonance occurs between the motor and a load in high-speed motion control of industrial equipment or the like.
近年、例えばベルト駆動などのモータと機械系とを組み合わせた高速モーション制御において、モータと負荷との間の機械共振が問題となっている。機械共振は二慣性共振系として近似されることが知られており、こうした近似化モデルに基づく種々の制御手法が提案されている。その一つとして、状態フィードバックによる制御手法が、例えば特許文献1などに開示されている。
In recent years, for example, in high-speed motion control in which a motor such as a belt drive is combined with a mechanical system, mechanical resonance between the motor and a load has become a problem. It is known that mechanical resonance is approximated as a two-inertia resonance system, and various control methods based on such approximate models have been proposed. As one of them, a control method based on state feedback is disclosed in, for example,
ここで、前記二慣性共振系の近似化モデルを、図5に基づき説明する。同図において、1は目標となるトルク電流指令値Icmdを入力として回転駆動するモータであり、このモータ1は等価的に、電流−トルク変換手段2により前記トルク電流指令値Icmdにトルク定数Ktを乗算してトルク値に変換したものと、後述する機械共振振動によるねじりトルクτreac/Rgとの偏差が、減算器3により算出されて、実際の出力トルク値となり、この出力トルク値をトルク−速度変換手段4で変換したものが、モータ1の回転するモータ軸における(角)速度応答値ωMとなる。なお、速度応答値ωMは、図5に示すトルク−速度変換手段4内の項と、前記減算器3からの出力トルク値を乗算することで算出できる。ここで、モータ1の慣性モーメントであり、また、DMはモータ1の粘性摩擦であり、sはラプラス演算子である。
Here, an approximation model of the two-inertia resonance system will be described with reference to FIG. In the figure,
一方、11は前記モータ1の回転駆動力を機械的に受ける負荷である。この負荷11は等価的に、慣性変動や摩擦などを包括的に含む負荷トルクとしての外乱トルクτdisと、後述する機械共振振動によるねじりトルクτreacとの偏差が、減算器13により算出され、実際の出力トルク値として発生し、この出力トルク値をトルク−速度変換手段14で変換したものが、負荷11の(角)速度応答値ωLとなる。なお、速度応答値ωMは、図5に示すトルク−速度変換手段14内の項と、前記減算器13からの出力トルク値を乗算することで算出できる。ここで、JLは負荷11の慣性モーメントであり、また、DLは負荷11の粘性摩擦である。
On the other hand, 11 is a load that mechanically receives the rotational driving force of the
モータ1と負荷11との間の機械共振成分は、モータ1および負荷11の速度差により生じるねじり角θsと、振動に依存するばね定数Ksとの積により算出されるねじりトルクτreacとして、図5のようにモデル化することができる。ここでは、モータ1の速度応答値ωMを、ギア比逆変換手段21におけるギア比Rgの逆数で乗算して得た値と、負荷11の速度応答値ωMとの偏差を減算器22で算出し、この減算器22からの値を積分器23で積分したものが、ねじり角θsとなる。そして、モータ1と負荷11との間に機械共振が生じているシステムでは、ねじり角θsを角度−トルク変換手段24のばね定数Ksで乗算したねじりトルクτreacが、前記負荷11の減算器13に加わり、またこのねじりトルクをギア比逆変換手段25におけるギア比Rgの逆数で乗算した値τreac/Rgが、モータ1の減算器3に加わることになる。
The mechanical resonance component between the
一般的に、図5で示すような二慣性共振系の制御は、モータ1の位置および速度を用いて行われる。トルク電流(トルク電流指令値Icmd)を入力とし,モータ軸の速度(速度応答値ωM)を出力とする伝達関数PM(s)は次の式で与えられる。
In general, the control of the two-inertia resonance system as shown in FIG. 5 is performed using the position and speed of the
数5に示す伝達関数PM(s)の分母および分子多項式には、振動的な特性が含まれており、その振動周波数はそれぞれ共振周波数,反共振周波数と呼ばれている。このため、二慣性共振系の制御においては、共振,反共振に対する振動特性の改善が必要となる。 The denominator and numerator polynomial of the transfer function P M (s) shown in Equation 5 include vibration characteristics, and the vibration frequencies are called a resonance frequency and an anti-resonance frequency, respectively. For this reason, in the control of the two-inertia resonance system, it is necessary to improve the vibration characteristics with respect to resonance and antiresonance.
振動特性の改善には、上述したようにシステムの極を任意に設計できる状態フィードバックなどが用いられる。状態フィードバック制御を行なう際には、状態変数を知る必要があり、状態オブザーバを用いて、状態変数の推定を行っている。しかし、慣性などのパラメータに変動を生じた場合、状態変数の推定値やゲインにずれが生じ、所望の制御が行なえない。また、外乱オブザーバを用いた制御の様に、外乱抑圧応答を積極的にあげることができないなどの欠点があった。
このように、従来の二慣性共振系の制御では、負荷11側に位置センサ又は速度センサが無いことを条件に、状態オブザーバで状態変数を推定し、その推定値を用いて状態フィードバックを行うなどが一般的であった。しかしながら、負荷11側の高精度な位置決め制御を求めるときには、負荷11側に位置センサ又は速度センサを装着して、負荷11側の位置をモータ制御装置にフィードバックする。その場合は、状態オブザーバを使わずに状態フィードバックを行うことができる。しかしながら、状態フィードバックには、負荷11側に印加された外乱トルクは含まれていないので、外乱トルクが印加されたときの外乱抑圧性能と制振制御は、満足な性能を実現できていなかった。
As described above, in the conventional control of the two-inertia resonance system, the state variable is estimated by the state observer on the condition that there is no position sensor or speed sensor on the
そこで本発明は、負荷側に印加された外乱トルクを推定し、外乱トルクを補償して所望の制御を行なうことができるモータ制御装置およびモータ制御方法を提供することにある。 Therefore, the present invention provides a motor control device and a motor control method that can estimate disturbance torque applied to a load side and compensate for the disturbance torque to perform desired control.
モータに対する外乱を推定する外乱オブザーバは、従来から知られている。また、この外乱オブザーバを負荷側に用いることも、外乱オブザーバの構造から容易に考えられる。しかし、外乱オブザーバをモータ側と負荷側の両方に取付けて、これらの外乱オブザーバを直列に結合させ、モータ側外乱オブザーバにより得られる機械共振振動に相当するねじりトルクの推定値を、負荷側外乱オブザーバに入力して、機械共振振動と分離して負荷の外乱トルクを推定することで、モータおよび負荷を含むシステムへの外乱抑圧制御を行なうことは、従来にはない新規な独自性のある手法である。 Conventionally, a disturbance observer for estimating a disturbance to a motor is known. Also, the use of this disturbance observer on the load side can be easily considered from the structure of the disturbance observer. However, a disturbance observer is attached to both the motor side and the load side, these disturbance observers are connected in series, and an estimated value of torsional torque corresponding to the mechanical resonance vibration obtained by the motor side disturbance observer is obtained. To suppress disturbance to the system including the motor and the load by estimating the disturbance torque of the load separately from the mechanical resonance vibration is a new and unique method is there.
この点に着目し、本発明のモータ制御装置は、モータの駆動力を負荷に機械的に伝達してなるモータ制御装置において、前記モータに取付けられ、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力するモータ側外乱オブザーバと、前記負荷に取付けられ、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力する負荷側外乱オブザーバと、前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力する外乱抑制制御手段と、を備えている。 Focusing on this point, the motor control device of the present invention is a motor control device in which the driving force of the motor is mechanically transmitted to a load. The motor control device is attached to the motor and estimates a torsion torque that is a disturbance torque of the motor. A motor-side disturbance observer that outputs a value, and a load that is attached to the load and that outputs an estimated value of the disturbance torque of the load separated from the torsional torque by inputting an estimated value from the motor-side disturbance observer Disturbance suppression control means for calculating a compensation current for disturbance suppression by inputting an estimated value from the side disturbance observer and the load side disturbance observer and outputting a current command value to which the compensation current is added to the motor And.
上記モータ制御装置は、前記モータの速度応答値を検出するモータ速度検出手段を備え、前記モータ側外乱オブザーバは、前記モータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記ねじりトルクの推定値を算出する構成となっている。 The motor control device includes motor speed detection means for detecting a speed response value of the motor, and the motor-side disturbance observer inputs the motor speed response value and a current command value to the motor, The estimated value of the torsion torque is calculated.
また、前記負荷の速度応答値を検出する負荷速度検出手段を備え、前記負荷側外乱オブザーバは、前記負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷の外乱トルクの推定値を算出する構成となっている。 The load-side disturbance observer includes a load speed detection unit that detects a speed response value of the load, and the load-side disturbance observer inputs the load speed response value and the estimated value of the torsional torque to obtain the load disturbance torque. The estimated value is calculated.
この場合、前記モータの速度応答値と、前記負荷の速度応答値と、これらの各速度応答値から得られる前記モータのねじり角とを入力して、前記モータおよび前記負荷の状態フィードバック制御を行なう状態フィードバック制御手段をさらに備えるのが好ましい。 In this case, the speed response value of the motor, the speed response value of the load, and the torsion angle of the motor obtained from these speed response values are input, and the state feedback control of the motor and the load is performed. It is preferable to further include state feedback control means.
さらに、前記モータのトルク定数をKtとし、前記モータと前記負荷との間の機械共振振動によるばね定数をKsとし、前記モータの慣性モーメントJMとし、前記モータの粘性摩擦をDMとし、前記状態フィードバック制御手段において前記モータの速度応答値に乗算されるゲインをFMとし、前記状態フィードバック制御手段において前記負荷の速度応答値に乗算されるゲインをFlとし、前記モータのねじり角に乗算されるゲインをFθとし、前記負荷と前記モータとのギア比をRgとし、ラプラス演算子をsとしたときに、
前記外乱抑制制御手段は、負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムTm(s)を乗算し、
Furthermore, the torque constant of the motor and K t, the spring constant due to mechanical resonance between the motor and the load and K s, and the moment of inertia J M of the motor, the viscous friction of the motor and D M , the gain to be multiplied to the speed response values of the motor and F M in the state feedback control means, the gain to be multiplied to the velocity response value of the load in the state feedback controller and F l, torsion angle of said motor Is a gain multiplied by F θ , a gear ratio between the load and the motor is R g , and a Laplace operator is s,
The disturbance suppression control unit multiplies the estimated value from the load-side disturbance observer by an inverse system T m (s) expressed by the following equation:
(但し、gは次の式で表わされる二次のローパスフィルタLPF(s)を通したときのカットオフ周波数である。) (Where g is a cutoff frequency when passing through a secondary low-pass filter LPF (s) represented by the following equation.)
前記外乱抑制のための補償電流を算出する構成とするのが好ましい。 It is preferable that a compensation current for suppressing the disturbance is calculated.
また、上記の点に着目した本発明のモータ制御方法は、モータの駆動力を負荷に機械的に伝達してなるモータ制御方法において、前記モータに取付けられたモータ側外乱オブザーバにより、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力し、前記負荷に取付けられた負荷側外乱オブザーバが、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力し、前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を外乱抑制制御手段が入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力することを特徴とする。 Further, the motor control method of the present invention paying attention to the above point is a motor control method in which the driving force of the motor is mechanically transmitted to a load, and the motor side disturbance observer attached to the motor is used to An estimated value of a torsional torque that is a disturbance torque is output, and a load-side disturbance observer attached to the load inputs an estimated value from the motor-side disturbance observer to separate the torsional torque from the load. An estimated value of disturbance torque is output, and the disturbance suppression control means inputs the estimated value from the load-side disturbance observer, thereby calculating a compensation current for disturbance suppression, and a current command value obtained by adding this compensation current is calculated. It outputs to the motor.
上記モータ制御方法では、前記モータの速度応答値をモータ速度検出手段で検出し、このモータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記モータ側外乱オブザーバが前記ねじりトルクの推定値を算出する。 In the motor control method, the speed response value of the motor is detected by the motor speed detecting means, the speed response value of the motor and a current command value to the motor are input, and the motor-side disturbance observer is Calculate the estimated torque value.
また、前記負荷の速度応答値を負荷速度検出手段で検出し、この負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷側外乱オブザーバが前記負荷の外乱トルクの推定値を算出する。 Further, the load speed detection value is detected by a load speed detection means, and the load speed response value and the estimated value of the torsion torque are inputted, and the load side disturbance observer estimates the load disturbance torque. Calculate the value.
この場合、前記モータの速度応答値と、前記負荷の速度応答値と、これらの各速度応答値から得られる前記モータのねじり角とを入力して、状態フィードバック制御手段が前記モータおよび前記負荷の状態フィードバック制御を行なうのが好ましい。 In this case, the speed response value of the motor, the speed response value of the load, and the torsion angle of the motor obtained from each of these speed response values are input, and the state feedback control means inputs the motor and the load. State feedback control is preferably performed.
さらに、前記モータのトルク定数をKtとし、前記モータと前記負荷との間の機械共振振動によるばね定数をKsとし、前記モータの慣性モーメントJMとし、前記モータの粘性摩擦をDMとし、前記状態フィードバック制御手段において前記モータの速度応答値に乗算されるゲインをFMとし、前記状態フィードバック制御手段において前記負荷の速度応答値に乗算されるゲインをFlとし、前記モータのねじり角に乗算されるゲインをFθとし、前記負荷と前記モータとのギア比をRgとし、ラプラス演算子をsとしたときに、
負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムTm(s)を乗算して、
Furthermore, the torque constant of the motor and K t, the spring constant due to mechanical resonance between the motor and the load and K s, and the moment of inertia J M of the motor, the viscous friction of the motor and D M , the gain to be multiplied to the speed response values of the motor and F M in the state feedback control means, the gain to be multiplied to the velocity response value of the load in the state feedback controller and F l, torsion angle of said motor Is a gain multiplied by F θ , a gear ratio between the load and the motor is R g , and a Laplace operator is s,
The estimated value from the load-side disturbance observer is multiplied by the inverse system T m (s) expressed by the following equation:
(但し、gは次の式で表わされる二次のローパスフィルタLPF(s)を通したときのカットオフ周波数である。) (Where g is a cutoff frequency when passing through a secondary low-pass filter LPF (s) represented by the following equation.)
前記外乱抑制制御手段が前記外乱抑制のための補償電流を算出するのが好ましい。 It is preferable that the disturbance suppression control unit calculates a compensation current for suppressing the disturbance.
上記請求項1の装置および請求項6の方法によれば、モータ側外乱オブザーバにより得られる機械共振振動に相当するねじりトルクの推定値を、このモータ側外乱オブザーバと直列的に結合した負荷側外乱オブザーバに入力すると、機械共振振動と分離して負荷の外乱トルクを推定することができる。この負荷の外乱トルクの推定値を利用して、モータへの電流指令値を補償することで、外乱トルクを補償した所望の制御を行なうことが可能になる。
According to the apparatus of
上記請求項2の装置および請求項7の方法によれば、モータ速度検出手段でモータの速度応答値を検出すれば、この速度応答値とモータへの電流指令値とを利用して、モータ側外乱オブザーバがねじりトルクの推定値を正しく算出できる。
According to the apparatus of
上記請求項3の装置および請求項8の方法によれば、負荷速度検出手段で負荷の速度応答値を検出すれば、この負荷応答値と、モータ側外乱オブザーバで算出されたねじりトルクの推定値とを利用して、負荷の外乱トルクの推定値を正しく算出できる。
According to the apparatus of
上記請求項4の装置および請求項9の方法によれば、モータ速度検出手段からのモータの速度応答値と、負荷速度検出手段からの負荷の速度応答値を、状態オブザーバ等を用いることなく知ることができ、これらの各速度応答値から得たモータのねじり角を共に利用して、容易に状態フィードバック制御を行なうことができる。
According to the apparatus of
上記請求項5の装置および請求項10の方法によれば、負荷の位置振動を効果的に抑制することができる。 According to the device of the fifth aspect and the method of the tenth aspect, the positional vibration of the load can be effectively suppressed.
以下、添付図面に基づいて、本発明における好適な実施例を詳細に説明する。図1は、本実施例で適用するモータ制御装置のブロック構成図であり、ここでは前記図5における二慣性共振系の近似化モデルで表わされるプラント31のモータ1および負荷11を、例えばコンピュータなどの制御装置32で制御する構成となっている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram of a motor control apparatus applied in this embodiment. Here, the
プラント31の詳細は、前記図5で説明した通りであり、ここでは改めて説明しない。但し、便宜的には、モータ1の速度応答値ωMを積分器33で積分(1/s)した値が、モータ1の位置応答値θMとして示され、負荷11の速度応答値ωLを積分器34で積分(1/s)したものが、負荷11の位置応答値θLとして示されている。
The details of the
また、このプラント31には、モータ1の速度応答値ωMを検出するモータ速度検出手段35と、負荷11の速度応答値ωLを検出する負荷速度検出手段36と、負荷11の位置応答値θLを検出する負荷位置検出手段37が設けられる。これらの各検出手段35〜37は、周知のエンコーダなどで構成でき、また速度を積分したものが位置であるという関係から、負荷速度検出手段36と負荷位置検出手段37とを共通のセンサ(検出器)で構成してもよい。
Further, the
制御装置32は、従来から知られている速度PI制御系を含む位置・速度フィードバック制御部41と、機械共振振動を抑制する状態フィードバック制御部42の他に、状態フィードバック制御部42よりも高速で且つ低コストな機械共振振動抑制手段として、モータ1へのトルク電流指令値Icmdと、前記モータ速度検出手段35で検出した速度応答値ωMを入力とすることで、このモータ1への外乱トルクであるねじりトルクτreac/Rgを推定する第1外乱オブザーバ43と、この第1外乱オブザーバ43で得たねじりトルクの推定値τreac/Rgを、負荷11とのギア比Rgに応じた推定値^τreac(以下、図や数式以外では、この推定値をあらわす「^」を、対応する記号の前に併記する)に逆変換するギア比変換手段44と、負荷11の速度応答値ωLおよびギア比変換手段44で得たねじりトルク推定値^τreacを入力とすることで、負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを算出する第2外乱オブザーバ45と、第2外乱オブザーバ45で得た外乱トルクの推定値^τdisを入力することにより、外乱トルクを高速で抑制するための補償電流Icmpを算出する補償電流算出手段46と、前記位置・速度フィードバック制御部41で得た電流参照値Irefに、補償電流算出手段46で得た補償電流Icmpを加え、さらに状態フィードバック制御部42で得た補償値を減算して、前記モータ1への電流指令値Icmdを算出する演算器47と、を備えている。
The
位置・速度フィードバック制御部41は、前記負荷速度検出手段36からの負荷11の速度応答値ωLと、負荷位置検出手段37からの負荷11の位置応答値θLを利用して、モータ1の位置応答値θMが位置参照値θrefに従うように、モータ1への電流参照値Irefを制御するものである。具体的には、位置参照値θrefと負荷11の位置応答値θLとの偏差を算出する減算器51と、減算器51の算出結果にゲインKPPを乗算する位置−速度変換手段52と、位置−速度変換手段52で得た速度の参照値と負荷11の速度応答値ωLとの偏差を算出する減算器53と、減算器53の算出結果に速度PI制御系のゲインPI(s)を乗算して電流参照値Irefを算出する速度−電流変換手段54と、により位置・速度フィードバック制御部41を構成する。
The position / speed
また、状態フィードバック制御部42は、前記モータ速度検出手段35からのモータ1の速度応答値ωMにゲインFmを乗算した値と、前記負荷速度検出手段36からの負荷11の速度応答値ωLにゲインFlを乗算した値とを加算器56で加算し、さらにこの加算器56で加算した値と、各速度応答値ωM,ωLを基に算出できるモータ1のねじり角θsにゲインFθを乗算した値とを、別な加算器57で加算して得た補償値を、前記演算器47に出力するようになっている。
The state
図2は、第1外乱オブザーバ43の内部構造を示したものである。ここでは便宜上、モータ1のトルク−速度変換手段4’は粘性摩擦DMがないものとして考えている。第1外乱オブザーバ43は、モータ1への操作量であるトルク電流指令値Icmdを入力すると共に、モータ速度検出手段35からのモータ1の速度応答値ωMを入力し、これらの各値からモータ1への外乱トルクであるねじりトルクの推定値^τreac/Rgを算出して出力する速度情報型の外乱オブザーバで構成される。因みに、ここではモータ1と負荷11とのギア比Rgを考慮して、第1外乱オブザーバ43で得たねじりトルクの推定値^τreac/Rgに、ギア比変換手段44によるギア比Rgを乗算した値を、最終的なねじりトルクの推定値^τreacとして第2外乱オブザーバ45に出力しているが、ギア比Rgが1であれば、ギア比変換手段44や、前述したギア比逆変換手段21,25は不要になる。
FIG. 2 shows the internal structure of the
第1外乱オブザーバ43は、上述した速度情報型の他に、トルク電流指令値Icmdと、モータ位置検出手段(図示せず)で検出したモータ1の位置応答値とに基づいて、ねじりトルクの推定値^τreac/Rgを算出する位置情報型の外乱オブザーバで構成してもよい。これらの型の外乱オブザーバは、内部構成が簡単であるという利点がある。また、多少内部構成が複雑になるが、加速度と位置を統合した加速度・位置統合型の外乱オブザーバを、第1外乱オブザーバ43として用いてもよい。
In addition to the speed information type described above, the
図2に示すように、第1外乱オブザーバ43は、前記モータ1と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記トルク電流指令値Icmdにトルク定数のノミナル(公称)値を乗算することで、トルク(力)単位の信号に変換し、この変換した信号と、モータ速度検出手段35で得たモータ1の速度応答値ωMを微分して得た値との比較信号を生成する逆モデル部61と、この逆モデル部61での微分の際にカットオフ周波数gdを設定することにより形成され、前記逆モデル部61からノイズを除去した低周波帯域の成分の比較信号を取り出し、これをねじりトルクの推定値^τreac/Rgとして出力するローパスフィルタ62と、により構成される。なお、図中JMnは、モータ1の慣性モーメントのノミナル値であり、gdは第1外乱オブザーバ43のカットオフ周波数である。
As shown in FIG. 2, the
図3は、第2外乱オブザーバ45の内部構造を示したものである。ここでは便宜上、負荷11のトルク−速度変換手段14’は粘性摩擦DLがないものとして考えている。第2外乱オブザーバ45は、前記ギア比変換手段44で得たねじりトルクの推定値^τreacを入力すると共に、負荷速度検出手段36からの負荷11の速度応答値ωLを入力し、これらの各値から負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを算出して出力する。
FIG. 3 shows the internal structure of the
図3に示すように、第2外乱オブザーバ45は、前記負荷11と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記ねじりトルクの推定値^τreacと、負荷速度検出手段36で得た負荷11の速度応答値ωLを微分して得た値との比較信号を生成する逆モデル部71と、この逆モデル部71での微分の際にカットオフ周波数gdを設定することにより形成され、前記逆モデル部71からノイズを除去した低周波帯域の成分の比較信号を取り出し、これを負荷11の外乱トルクの推定値^τdisとして出力するローパスフィルタ72と、により構成される。なお、図中JLnは、負荷11の慣性モーメントのノミナル値であり、gdは第2外乱オブザーバ45のカットオフ周波数である。
As shown in FIG. 3, the
そして、上記実施例の構成では、負荷11にそれぞれ取付けた負荷速度検出手段36からの速度応答値ωLと、負荷位置検出手段37からの位置応答値θLとを用いて、モータ1の位置応答値θMが所望の位置参照値θrefに従うように、位置・速度フィードバック制御部41がモータ1への電流参照値Irefを調整する。それと共に、状態フィードバック制御部42は、前記負荷速度検出手段36からの負荷11の速度応答値ωLの他に、モータ速度検出手段35からのモータ1の速度応答値ωMと、これらの速度応答値ωM,ωLを基に算出できるモータ1のねじり角θsとを利用して、負荷11の速度応答値ωLが機械共振振動なく追従できるような補償値を、演算器47に出力する。このように、モータ1側に取付けたモータ速度検出手段35だけでなく、負荷11に取付けた負荷速度検出手段36によって、状態フィードバック制御部42は、モータ1および負荷11の位置応答値θM,θL並びに速度応答値ωM,ωLや、モータ1と負荷11との間のねじり角θsを、既存の状態オブザーバなどを用いずに知ることができ、容易に状態フィードバック制御を行なえる。
In the configuration of the above embodiment, the position of the
また、トルク電流指令値Icmdから負荷11の速度応答値ωLまでの伝達関数PL(s)は次の式で与えられる。
The transfer function P L (s) from the torque current command value I cmd to the speed response value ω L of the
上記数10の式は、前述した数5の式と比較して、分子多項式が簡略になっていることが注目される。そのため反共振の影響を抑えて、制御を行なうことが可能になる。 It is noted that the numerator polynomial is simplified in the equation (10) as compared with the equation (5) described above. Therefore, it becomes possible to perform control while suppressing the influence of anti-resonance.
ところで、制御装置32としての最終的な目標は、プラント31のモータ1ではなく負荷11を高速且つ正確に制御させることにあるので、必然的に負荷速度検出手段36や負荷位置検出手段37は、モータ速度検出手段35よりも分解能の高い高価なものが使用される。このとき、状態フィードバック制御部42の制御特性は、上述した分解能の違いによる影響を受けて、分解能の低いモータ速度検出手段35の特性に依存してしまう。
By the way, since the final goal as the
一方、本実施例では、上記位置・速度フィードバック制御部41や状態フィードバック制御部42の他に、直列に結合した2つの第1および第2外乱オブザーバ43,45による外乱抑圧制御を実現している。第1外乱オブザーバ43は、モータ速度検出手段35で検出した速度応答値ωMを入力とし、また第2外乱オブザーバ45は、負荷速度検出手段36で検出した負荷11の速度応答値ωLを入力としているが、これらの外乱オブザーバ43,45はそれぞれ別々に制御を行なっているので、最終的な補償電流Icmpを算出する上で、モータ速度検出手段35と負荷速度検出手段36との分解能の違いによる影響は発生せず、より安価なセンサ構成とすることができる。
On the other hand, in this embodiment, disturbance suppression control is realized by two first and
図1に示すシステムでは、先ず、モータ1へのトルク電流指令値Icmdと、モータ速度検出手段35で検出した速度応答値ωMとを、第1外乱オブザーバ43に入力し、モータ1への外乱トルク、すなわち角度−トルク変換手段24のばね定数Ksとねじり角θsとの積(Ksθs)を、ギア比Rgで除算したねじりトルクτreac/Rgを、第1外乱オブザーバ43で推定する。次に、この第1外乱オブザーバ43で得た値^τreac/Rgから、別な第2外乱オブザーバ45に入力するねじりトルクの推定値^τreacをギア比変換手段44で算出し、第2外乱オブザーバ45は、このねじりトルクの推定値^τreacと、負荷速度検出手段36で検出した負荷11の速度応答値ωLとを入力として、負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを算出する。
In the system shown in FIG. 1, first, the torque current command value I cmd to the
ここで、慣性変動などが生じた場合、第2外乱オブザーバ45により推定した外乱トルク^τdisには、実際の外乱トルクτdisの値に対して誤差が生じる。この誤差をパラメータの変動による外乱トルクと考えると、推定した外乱トルク^τdisを用いてパラメータ変動に対する補償を行なうことができる。補償電流算出手段46は、こうした外乱トルクの補償を行なうために、外乱トルクの推定値^τdisを用いて補償電流Icmpを算出する。
Here, when an inertia change or the like occurs, an error occurs in the disturbance torque ^ τ dis estimated by the
ここで、補償電流Icmpから実際の外乱トルクτdisの値までの伝達関数を求め、その逆システムTm(s)を次の式のように導出する。前記補償電流算出手段46は、この逆システムTm(s)に第2外乱オブザーバ45からの推定した外乱トルク^τdisを乗算し、補償電流Icmpを算出している。
Here, a transfer function from the compensation current I cmp to the actual value of the disturbance torque τ dis is obtained, and its inverse system T m (s) is derived as follows. The compensation current calculation means 46 calculates the compensation current I cmp by multiplying the inverse system T m (s) by the estimated disturbance torque ^ τ dis from the
なお、上記数11の式には微分項が存在するので、これを次の数12の式で表わされる二次のローパスフィルタLPS(s)を通し、最終的に数13に示す逆システムTm(s)を得る。但し、ここでのgは、ローパスフィルタLPS(s)のカットオフ周波数である。 Since the differential term is present in the equation (11), it is passed through a second-order low-pass filter LPS (s) represented by the following equation (12), and finally the inverse system T m shown in the equation (13). (S) is obtained. Here, g is a cutoff frequency of the low-pass filter LPS (s).
逆システムTm(s)は、他にも種々導出できるが、特に図1のシステム構成では、負荷11の位置振動を効果的に抑制するために、上記数13の式に示す逆システムTm(s)を利用して、補償電流算出手段46が補償電流Icmpを算出するのが好ましい。
Various other inverse systems T m (s) can be derived. In particular, in the system configuration of FIG. 1, in order to effectively suppress the positional vibration of the
こうして得られた補償電流Icmpは、演算器47によって前記位置・速度フィードバック制御部41で得た電流参照値Irefに加算される。演算器47は、この加算した値から、前述した状態フィードバック制御部42で得た補償値を減算して得た電流指令値Icmdをモータ1に出力し、これにより制御装置32は、高速な外乱抑圧制御をプラント31に対し行なうことが可能になる。
The compensation current I cmp thus obtained is added to the current reference value I ref obtained by the position / velocity
続いて、本実施例における制御装置の有効性を確認すべく、シミュレーションを行なった結果の一例を、図4のグラフに基づき説明する。ここでは、慣性変動が生じた場合のシミュレーションを行なっており、共振周波数が10Hzのプラントを対象とし、制御装置32で位置指令(位置参照値θref)が与えられてから0.1sec(秒)後に、慣性を200パーセントにステップ状に変化させた。また、位置・速度フィードバック制御部41における速度PI制御系のゲインと、状態フィードバック制御部42のゲインは、何れも極配置法により決定した。
Next, an example of the result of simulation will be described based on the graph of FIG. 4 in order to confirm the effectiveness of the control device in the present embodiment. Here, a simulation is performed in the case where an inertia change occurs, and a plant having a resonance frequency of 10 Hz is targeted. 0.1 sec (seconds) after the position command (position reference value θ ref ) is given by the
図4は、モータ1への電流指令値Icmdに補償電流Icmpを加えた場合(実線)と、補償電流Icmpを加えなかった場合(破線)について、それぞれの位置応答のシミュレーション結果を示している。同図からも明らかなように、本実施例で提案した補償電流Icmpで、モータ1への電流指令値Icmdを補償した場合には、従来のような補償を行なわない場合に比べて、負荷11の位置振動が抑制され、良好な結果が得られていることが確認できる。
4, when added to the compensation current I cmp to the current command value I cmd to the motor 1 (solid line), if not added a compensation current I cmp for (dashed line) shows the simulation result of each position response ing. As is apparent from the figure, in the compensation current I cmp proposed in this embodiment, when compensating the current command value I cmd to the
以上のように本実施例では、モータ1の駆動力を負荷11に機械的に伝達してなるモータ制御装置において、モータ1に取付けられ、このモータ1の外乱トルクであるねじりトルクの推定値^τreacを出力するモータ側外乱オブザーバとしての第1外乱オブザーバ43およびギア比変換手段44と、負荷11に取付けられ、ギア比変換手段44からの推定値^τreacを入力することにより、ねじりトルクと分離して負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを出力する負荷側外乱オブザーバとしての第2外乱オブザーバ45と、この外乱トルクの推定値^τdisを入力することにより、外乱抑制のための補償電流Icmpを算出し、この補償電流Icmpを反映した電流指令値Icmdをモータ1に出力する外乱抑制制御手段としての補償電流算出手段46および演算器47と、を備えている。
As described above, in this embodiment, in the motor control device that mechanically transmits the driving force of the
これにより、第1外乱オブザーバ43とギア比変換手段44で得られる機械共振振動に相当するねじりトルクの推定値^τreacを、第1外乱オブザーバ43と直列的に結合した第2外乱オブザーバ45に入力すると、機械共振振動と分離して負荷11の外乱トルクτdisを推定することができる。この負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを利用して、モータ1への電流指令値Icmdを補償することで、外乱トルクを補償した所望の制御を行なうことが可能になる。
As a result, the estimated value of the torsion torque ^ τ reac corresponding to the mechanical resonance vibration obtained by the
そしてこれは、モータ1の駆動力を負荷11に機械的に伝達してなるモータ制御方法において、モータ1に取付けられた第1外乱オブザーバ43およびギア比変換手段44により、このモータ1の外乱トルクであるねじりトルクの推定値^τreacを出力し、負荷11に取付けられた第2外乱オブザーバ45が、ギア比変換手段44からのねじりトルクの推定値^τreacを入力することにより、ねじりトルクと分離して負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを出力し、第2外乱オブザーバ45からの推定値^τdisを補償電流算出手段46が入力することにより、外乱抑制のための補償電流Icmpを算出し、演算器47によって補償電流Icmpを加えた電流指令値Icmdをモータ1に出力することでも実現する。
In the motor control method in which the driving force of the
また本実施例では、モータ1の速度応答値ωMを検出するモータ速度検出手段35を備え、第1外乱オブザーバ43は、モータ1の速度応答値ωMと、モータ1への電流指令値Icmdとを入力して、ねじりトルクの推定値^τreacを算出している。
In the present embodiment, a motor
そのため、モータ速度検出手段35でモータ1の速度応答値ωMを検出すれば、この速度応答値ωMとモータ1への電流指令値Icmdとを利用して、第1外乱オブザーバ43がねじりトルクの推定値^τreacを正しく算出できる。
Therefore, when the speed response value ω M of the
そしてこれは、モータ1の速度応答値ωMをモータ速度検出手段35で検出し、このモータ1の速度応答値ωMと、モータ1への電流指令値Icmdとを入力して、第1外乱オブザーバ43がねじりトルクの推定値^τreacを算出することでも実現する。
Then, the speed response value ω M of the
本実施例では、負荷11の速度応答値ωLを検出する負荷速度検出手段36を備え、第2外乱オブザーバ45は、負荷11の速度応答値ωLと、ねじりトルクの推定値^τreacとを入力して、負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを算出している。
In this embodiment, provided with a
これにより、負荷速度検出手段36で負荷11の速度応答値ωLを検出すれば、この負荷11の速度応答値ωLと、第2外乱オブザーバ45で算出されたねじりトルクの推定値^τreacとを利用して、負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを正しく算出できる。
Thus, by detecting the velocity response value omega L of the
そしてこれは、負荷11の速度応答値ωLを負荷速度検出手段36で検出し、この負荷11の速度応答値ωLと、ねじりトルクの推定値^τreacとを入力して、第2外乱オブザーバ45が負荷11の外乱トルクの推定値^τdisを算出することでも実現できる。
Then, the speed response value ω L of the
さらに本実施例では、モータ1の速度応答値ωMと、負荷11の速度応答値ωLと、これらの各速度応答値ωM,ωLから得られるモータ1のねじり角θsとを入力して、モータ1および負荷11の状態フィードバック制御を行なう状態フィードバック制御部42をさらに備えている。
Furthermore, in this embodiment, the speed response value ω M of the
こうすると、モータ速度検出手段35からのモータ1の速度応答値ωMと、負荷速度検出手段36からの負荷1の速度応答値ωLを、状態オブザーバ等を用いることなく知ることができ、これらの各速度応答値ωM,ωLから得たモータのねじり角θsを共に利用して、容易に状態フィードバック制御を行なうことができる。
In this way, the speed response value ω M of the
そしてこれは、モータ1の速度応答値ωMと、負荷11の速度応答値ωLと、これらの各速度応答値ωM,ωLから得られるモータ1のねじり角θsとを入力して、状態フィードバック制御部42がモータ1および負荷11の状態フィードバック制御を行なうことでも実現する。
Then, the speed response value ω M of the
さらに本実施例では、モータ1のトルク定数をKtとし、モータ1と負荷11との間の機械共振振動によるばね定数をKsとし、モータ1の慣性モーメントJMとし、モータ1の粘性摩擦をDMとし、状態フィードバック制御部42においてモータ1の速度応答値ωMに乗算されるゲインをFMとし、状態フィードバック制御部42において負荷11の速度応答値ωLに乗算されるゲインをFlとし、モータ1のねじり角θsに乗算されるゲインをFθとし、負荷11とモータ1とのギア比をRgとし、ラプラス演算子をsとしたときに、補償電流算出手段46は、第2外乱オブザーバ45からの負荷11の外乱トルクの推定値^τdisに、上記数13の式で示す逆システムTm(s)を乗算し、外乱抑制のための補償電流Icmpを算出しており、これにより負荷11の位置振動を効果的に抑制することができる。
Further, in this embodiment, the torque constant of the
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。 In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible in the range of the summary of this invention.
高速な位置決め制御を行なう場合、負荷を高速且つ高精度で位置決め制御するだけでなく、負荷側の振動を抑圧することが期待されている。したがって、本発明は、こうした分野においても産業上の有用性がある。 When performing high-speed positioning control, it is expected not only to control the load at high speed and with high accuracy, but also to suppress vibration on the load side. Therefore, the present invention has industrial utility in these fields.
1 モータ
11 負荷
35 モータ速度検出手段
36 負荷速度検出手段
42 状態フィードバック制御部(状態フィードバック制御手段)
43 第1外乱オブザーバ(モータ側外乱オブザーバ)
44 ギア比変換手段(モータ側外乱オブザーバ)
45 第2外乱オブザーバ(負荷側外乱オブザーバ)
46 補償電流算出手段(外乱抑制制御手段)
47 演算器(外乱抑制制御手段)
DESCRIPTION OF
43 First disturbance observer (motor-side disturbance observer)
44 Gear ratio conversion means (motor side disturbance observer)
45 Second disturbance observer (load-side disturbance observer)
46 Compensation current calculation means (disturbance suppression control means)
47 arithmetic unit (disturbance suppression control means)
Claims (10)
前記モータに取付けられ、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力するモータ側外乱オブザーバと、
前記負荷に取付けられ、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力する負荷側外乱オブザーバと、
前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力する外乱抑制制御手段と、を備えたことを特徴とするモータ制御装置。 In the motor control device that mechanically transmits the driving force of the motor to the load,
A motor-side disturbance observer attached to the motor and outputting an estimated value of a torsional torque that is a disturbance torque of the motor;
A load-side disturbance observer that is attached to the load and outputs an estimated value of the disturbance torque of the load separated from the torsional torque by inputting an estimated value from the motor-side disturbance observer;
Disturbance suppression control means for calculating a compensation current for disturbance suppression by inputting an estimated value from the load-side disturbance observer and outputting a current command value to which the compensation current is added to the motor. The motor control apparatus characterized by the above-mentioned.
前記モータ側外乱オブザーバは、前記モータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記ねじりトルクの推定値を算出するものであることを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。 Motor speed detecting means for detecting a speed response value of the motor;
The said motor side disturbance observer inputs the speed response value of the said motor, and the electric current command value to the said motor, The estimated value of the said torsion torque is calculated. Motor control device.
前記負荷側外乱オブザーバは、前記負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷の外乱トルクの推定値を算出するものであることを特徴とする請求項2記載のモータ制御装置。 A load speed detecting means for detecting a speed response value of the load;
The load-side disturbance observer receives the load speed response value and the estimated value of the torsion torque, and calculates the estimated value of the disturbance torque of the load. Motor control device.
前記外乱抑制制御手段は、負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムTm(s)を乗算し、
(但し、gは次の式で表わされる二次のローパスフィルタLPF(s)を通したときのカットオフ周波数である。)
前記外乱抑制のための補償電流を算出するものであることを特徴とする請求項4記載のモータの制御装置。 The torque constant of the motor is K t , the spring constant due to mechanical resonance vibration between the motor and the load is K s , the moment of inertia J M of the motor, the viscous friction of the motor is D M , a gain to be multiplied to the speed response values of the motor and F M in the state feedback controller, the gain to be multiplied to the velocity response value of the load and F l in the state feedback controller, multiplied by the twist angle of the motor the gain is the F theta, the gear ratio of the said load motor by a R g, a Laplace operator is taken as s,
The disturbance suppression control unit multiplies the estimated value from the load-side disturbance observer by an inverse system T m (s) expressed by the following equation:
(Where g is a cutoff frequency when passing through a secondary low-pass filter LPF (s) represented by the following equation.)
5. The motor control apparatus according to claim 4, wherein a compensation current for suppressing the disturbance is calculated.
前記モータに取付けられたモータ側外乱オブザーバにより、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力し、
前記負荷に取付けられた負荷側外乱オブザーバが、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力し、
前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を外乱抑制制御手段が入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力することを特徴とするモータ制御方法。 In the motor control method that mechanically transmits the driving force of the motor to the load,
The motor side disturbance observer attached to the motor outputs an estimated value of torsion torque that is disturbance torque of the motor,
A load-side disturbance observer attached to the load inputs an estimated value from the motor-side disturbance observer, and outputs an estimated value of the load disturbance torque separated from the torsional torque.
A disturbance suppression control means inputs an estimated value from the load-side disturbance observer, calculates a compensation current for disturbance suppression, and outputs a current command value to which the compensation current is added to the motor. Motor control method.
このモータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記モータ側外乱オブザーバが前記ねじりトルクの推定値を算出することを特徴とする請求項6記載のモータ制御方法。 The speed response value of the motor is detected by a motor speed detecting means,
7. The motor control method according to claim 6, wherein the speed response value of the motor and a current command value to the motor are inputted, and the motor side disturbance observer calculates the estimated value of the torsion torque.
この負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷側外乱オブザーバが前記負荷の外乱トルクの推定値を算出することを特徴とする請求項7記載のモータ制御方法。 The load speed detection means detects the load speed response value,
8. The motor control method according to claim 7, wherein the load-side disturbance observer calculates the estimated value of the disturbance torque of the load by inputting the speed response value of the load and the estimated value of the torsional torque. .
負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムTm(s)を乗算して、
(但し、gは次の式で表わされる二次のローパスフィルタLPF(s)を通したときのカットオフ周波数である。)
前記外乱抑制制御手段が前記外乱抑制のための補償電流を算出することを特徴とする請求項9記載のモータの制御方法。 The torque constant of the motor is K t , the spring constant due to mechanical resonance vibration between the motor and the load is K s , the moment of inertia J M of the motor, the viscous friction of the motor is D M , a gain to be multiplied to the speed response values of the motor and F M in the state feedback controller, the gain to be multiplied to the velocity response value of the load and F l in the state feedback controller, multiplied by the twist angle of the motor the gain is the F theta, the gear ratio of the said load motor by a R g, a Laplace operator is taken as s,
The estimated value from the load-side disturbance observer is multiplied by the inverse system T m (s) expressed by the following equation:
(Where g is a cutoff frequency when passing through a secondary low-pass filter LPF (s) represented by the following equation.)
The motor control method according to claim 9, wherein the disturbance suppression control unit calculates a compensation current for suppressing the disturbance.
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