JP2009042985A - Motor control unit and motor control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motor control unit capable of achieving feedforward control following an operation command at high responsiveness without generating vibration or the like when a motor performs the position-controlling of a mechanism regarded as a multi-inertia system. <P>SOLUTION: The motor control unit is provided with: a first filter means VFF2 for applying filter processing based on transfer characteristics from a load speed up to a motor speed to a command output given through a position feedback controller and outputting the processing result as a speed command value to the speed feedback controller; and a second filter means VFF1 for applying filter processing based on the reverse characteristics of the transfer characteristics from motor torque up to the load speed to the command output. Consequently, the speed command value is added to the speed feedback value to the speed feedback controller, the processing result of the second filter means is added to a motor torque command value given through the speed feedback controller. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はモータ制御装置及びモータ制御方法に関し、特に、減速機構、送りネジ機構等の動力伝達機構と組み合わされるモータに適した制御装置及び制御方法に関する。   The present invention relates to a motor control device and a motor control method, and more particularly to a control device and a control method suitable for a motor combined with a power transmission mechanism such as a speed reduction mechanism and a feed screw mechanism.

この種の制御装置の一例として、特許文献1には、第1アームと第2アームを有し、第2アームが駆動ベルトを介して駆動される2慣性共振系の構成を持つロボットに適用されるサーボ制御装置が開示されている。このサーボ制御装置は、フィードバック制御器とフィードフォワード制御器とオブザーバとを備え、指令追従性と外乱抑圧特性の両方を少ない演算量で同時に向上させることを企図しているものの、以下のような問題点を有している。   As an example of this type of control device, Patent Document 1 is applied to a robot having a configuration of a two-inertia resonance system having a first arm and a second arm, and the second arm is driven via a drive belt. A servo control device is disclosed. This servo controller is equipped with a feedback controller, a feed-forward controller, and an observer, and is intended to improve both the command followability and disturbance suppression characteristics simultaneously with a small amount of computation. Has a point.

1.位置制御系へのフィードフォワード補償は、慣性共振系における摩擦等の非線形特性の補償を行う必要があるが、慣性共振系の伝達特性によるフィードフォワード制御では十分な性能を得られない。   1. The feedforward compensation to the position control system needs to compensate for nonlinear characteristics such as friction in the inertial resonance system, but sufficient performance cannot be obtained by feedforward control based on the transfer characteristic of the inertial resonance system.

2.制御対象の伝達特性を用いたフィルタによりフィードフォワード制御器が構成されており、共振を低減するような動作が実現されているが、共振や外乱を抑制するフィードバック補償はオブザーバのみに依存しており、十分な効果が得難い。   2. The feedforward controller is configured with a filter that uses the transfer characteristics of the controlled object, and operation that reduces resonance is realized, but feedback compensation that suppresses resonance and disturbance depends only on the observer. It is difficult to obtain a sufficient effect.

特開2006−195566号公報JP 2006-195566 A

本発明の課題は、多慣性共振系と見なされる機構をモータによって位置制御する時に、動作指令に対して、振動等を生じずに応答性高く追従するフィードフォワード制御を実現するモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a motor control device and a motor that realize feed-forward control that follows an operation command with high responsiveness without causing vibration or the like when the position of a mechanism regarded as a multi-inertia resonance system is controlled by a motor It is to provide a control method.

以下に、本発明を幾つかの態様について記載する。   In the following, the invention is described in terms of several embodiments.

(第1の態様)
モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御装置において、前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、負荷速度からモータ速度までの伝達特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力する第1のフィルタ手段と、前記指令出力に対して、モータトルクから負荷速度までの伝達特性の逆特性に基づくフィルタ処理を行う第2のフィルタ手段とを前記位置制御ループ内に設け、前記速度指令値を前記速度フィードバックコントローラへの速度フィードバック値に加算すると共に、前記第2のフィルタ手段の処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算する構成としたことを特徴とするモータ制御装置。
(First aspect)
A position control loop including a motor position feedback controller and a speed control loop including a motor speed feedback controller and configured in the position control loop are configured to transmit the driving force of the motor to a load via a power transmission mechanism. In a motor control apparatus for a multi-inertia resonance system, a filter process based on a transfer characteristic from a load speed to a motor speed is performed on a command output given through the position feedback controller, and a processing result is sent to the speed feedback controller. A first filter means for outputting as a speed command value, and a second filter means for performing a filtering process on the command output based on a reverse characteristic of a transfer characteristic from a motor torque to a load speed in the position control loop. And providing the speed command value with the speed feedback While adding to the speed feedback value to controller, the processing result of the second filter means, a motor control device characterized by being configured to be added to the motor torque command value given through the speed feedback controller.

(第2の態様)
前記第1の態様において、更に、前記位置フィードバックコントローラに与えられる位置指令を時間微分して得た速度指令に係数を乗じて第1の値を生成する速度フィードフォワードコントローラと、前記位置指令を2階時間微分して得た加速度指令に係数を乗じて第2の値を生成する加速度フィードフォワードコントローラと、前記第1、第2の値を前記位置フィードバックコントローラの出力に加算して前記指令出力として出力する加算手段とを有するモータ制御装置。
(Second aspect)
In the first aspect, a speed feedforward controller that generates a first value by multiplying a speed command obtained by time-differentiating a position command given to the position feedback controller and a coefficient; An acceleration feedforward controller that generates a second value by multiplying an acceleration command obtained by differentiating the floor time by a coefficient, and adds the first and second values to the output of the position feedback controller as the command output. A motor control device having an adding means for outputting.

(第3の態様)
前記第1又は第2の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、モータトルクとモータの速度フィードバック値から前記動力伝達機構のねじりトルクを推定してゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正することにより前記速度制御ループの位相補償を行う第1の共振比制御手段を有するモータ制御装置。
(Third aspect)
In the first or second aspect, a gain unit that multiplies the output of the speed feedback controller by a gain and outputs the gain as a motor torque command value; and the torsion of the power transmission mechanism from the motor torque and the motor speed feedback value. Motor control having first resonance ratio control means for correcting the phase of the speed control loop by correcting an addition value between the processing result and the motor torque command value by a value obtained by estimating a torque and multiplying by a gain. apparatus.

(第4の態様)
前記第1又は第2の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、前記動力伝達機構のねじりトルクを計測する計測手段と、計測されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第2の共振比制御手段を有するモータ制御装置。
(Fourth aspect)
In the first or second aspect, a gain unit that multiplies an output of the speed feedback controller by a gain and outputs the gain as a motor torque command value, a measuring unit that measures torsion torque of the power transmission mechanism, and a measurement A motor control apparatus comprising second resonance ratio control means for correcting an added value of the processing result and the motor torque command value by a value obtained by multiplying the torsional torque by a gain.

(第5の態様)
前記第1又は第2の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷加速度を検出する検出手段と、検出した負荷加速度から前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第3の共振比制御手段を有するモータ制御装置。
(5th aspect)
In the first or second aspect, a gain unit that multiplies an output of the speed feedback controller by a gain and outputs the gain as a motor torque command value, a detection unit that detects a load acceleration, and the detected load acceleration Motor control having third resonance ratio control means for converting torsional torque of the power transmission mechanism and correcting an addition value between the processing result and the motor torque command value by a value obtained by multiplying the converted torsional torque by a gain. apparatus.

(第6の態様)
前記第1又は第2の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷の回転角を計測する負荷回転角計測手段と、モータの回転角を計測するモータ回転角計測手段と、計測された負荷の回転角とモータの回転角との差に前記動力伝達機構の結合剛性Kを乗じて前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第4の共振比制御手段を有するモータ制御装置。
(Sixth aspect)
In the first or second aspect, a gain unit that multiplies an output of the speed feedback controller by a gain and outputs the gain as a motor torque command value, a load rotation angle measuring unit that measures a rotation angle of a load, and a motor A motor rotation angle measuring means for measuring the rotation angle of the power transmission mechanism, and by multiplying the difference between the measured rotation angle of the load and the rotation angle of the motor by the coupling rigidity K of the power transmission mechanism, the torsional torque of the power transmission mechanism is converted. A motor control device comprising fourth resonance ratio control means for correcting an added value of the processing result and the motor torque command value by a value obtained by multiplying the converted torsional torque by a gain.

(第7の態様)
前記第1〜第6の態様のいずれかにおいて、負荷回転角計測手段により計測された負荷の回転角とモータ回転角計測手段により計測されたモータの回転角とにより前記位置フィードバックコントローラへのフィードバック信号を生成する位置フィードバック手段を有するモータ制御装置。
(Seventh aspect)
In any one of the first to sixth aspects, a feedback signal to the position feedback controller based on the rotation angle of the load measured by the load rotation angle measurement unit and the rotation angle of the motor measured by the motor rotation angle measurement unit. Motor control device having position feedback means for generating

(第8の態様)
前記第1〜第7の態様のいずれかにおいて、更に、前記速度制御ループから与えられるトルク指令出力τ’をあらかじめ定められた制限値τに制限する制限手段、(τ−τ’)の演算を行う演算手段と、該演算手段の演算結果に対してローパスフィルタ処理を行うと共に、ゲインを乗じて前記速度指令値から減算して前記速度フィードバックコントローラへ与えるアンチワインドアップ制御手段を有するモータ制御装置。
(Eighth aspect)
In any one of the first to seventh aspects, further, limiting means for limiting a torque command output τ M ′ given from the speed control loop to a predetermined limit value τ M , (τ M −τ M ′ ) And an anti-windup control means for performing low-pass filter processing on the calculation result of the calculation means and multiplying by a gain and subtracting from the speed command value to be supplied to the speed feedback controller. Motor control device.

(第9の態様)
モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御方法において、前記位置制御ループ内において、前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、負荷速度からモータ速度までの伝達特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力すると共に、前記指令出力に対して、モータトルクから負荷速度までの伝達特性の逆特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算することを特徴とするモータ制御方法。
(Ninth aspect)
A position control loop including a motor position feedback controller and a speed control loop including a motor speed feedback controller and configured in the position control loop are configured to transmit the driving force of the motor to a load via a power transmission mechanism. In a motor control method for a multi-inertia resonance system, a filter process based on a transfer characteristic from a load speed to a motor speed is performed on a command output given through the position feedback controller in the position control loop, and a processing result Is output as a speed command value to the speed feedback controller, and a filtering process is performed on the command output based on a reverse characteristic of a transfer characteristic from a motor torque to a load speed, and the processing result is passed through the speed feedback controller. Motor given The motor control method characterized by adding to the torque command value.

本発明によれば、速度制御ループを含むと共に、位置フィードバックコントローラを有する位置制御ループ内に、制御対象における伝達特性、その逆特性に基づくフィルタ処理をそれぞれ行う第1、第2のフィルタ手段を備えることにより、多慣性共振系の制御対象の共振特性を抑制しつつ、高い応答性で追従可能なモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することができる。また、位置制御ループの位相補償がなされ、位置制御ループの高い制御帯域が実現できる。   According to the present invention, the position control loop including the speed control loop and the position feedback loop includes the first and second filter means for performing the filtering process based on the transfer characteristic in the controlled object and the inverse characteristic thereof, respectively. Accordingly, it is possible to provide a motor control device and a motor control method capable of following with high responsiveness while suppressing the resonance characteristics of the controlled object of the multi-inertia resonance system. Further, the phase compensation of the position control loop is performed, and a high control band of the position control loop can be realized.

一般的に、機械装置は多数の部材で構成されており、厳密には多慣性共振系を構成しているが、装置動作において問題となる振動成分は、多くの場合、1次共振モードである。よって、以下では多慣性共振系の1次共振モデルとして、図5に示すような2慣性共振モデルを想定するものとする。本モデルでは、モータの出力軸と慣性負荷とがギヤによる減速機構(動力伝達機構)で連結されている。   In general, a mechanical device is composed of a large number of members, and strictly speaking, a multi-inertia resonance system is configured. However, in many cases, a vibration component that is a problem in the operation of the device is a primary resonance mode. . Therefore, a two-inertia resonance model as shown in FIG. 5 is assumed below as a primary resonance model of a multi-inertia resonance system. In this model, the output shaft of the motor and the inertia load are connected by a gear reduction mechanism (power transmission mechanism).

(第1の実施例)
本発明による第1の位置制御手法を実現するためのモータ制御装置のブロック図を図1に示す。図1は、本発明によるモータ制御装置と、その制御対象である2慣性共振系モデルをブロック図で表したものである。本モータ制御装置における各ブロックは、ハードウェアによって実現されても良いが、ソフトウェアで実現することができる。つまり、図1に示す制御対象以外の構成は、モータ制御装置におけるCPUで実現することができる。この場合、CPUは記憶装置に格納されている制御プログラムに基づいて制御動作を実行することで、図1の各ブロックを実現し、図1のブロック図はCPUの機能ブロック図と見ることができる。これは、後述される図2〜図4でも同様である。なお、図1において、制御対象ブロックに示されたJはモータイナーシャ、Jは負荷イナーシャ、Kはギヤの結合剛性、Cは粘性、sはラプラス演算子をそれぞれ表している。
(First embodiment)
A block diagram of a motor control device for realizing the first position control method according to the present invention is shown in FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a motor control apparatus according to the present invention and a two-inertia resonance system model to be controlled. Each block in the motor control apparatus may be realized by hardware, but can be realized by software. That is, the configuration other than the control target shown in FIG. 1 can be realized by the CPU in the motor control device. In this case, the CPU executes the control operation based on the control program stored in the storage device, thereby realizing each block in FIG. 1, and the block diagram in FIG. 1 can be seen as a functional block diagram of the CPU. . The same applies to FIGS. 2 to 4 described later. In FIG. 1, J M shown in the control target block represents motor inertia, J L represents load inertia, K represents gear coupling rigidity, C represents viscosity, and s represents a Laplace operator.

以下に、モータ制御装置の各ブロックについて構成、機能を説明する。なお、図1のブロックの内、リミットブロック(Limit:制限手段)は、モータや動力伝達機構のトルク容量などにあわせて設定する制御装置の出力制限、ここでは速度制御ループから与えられるトルク指令出力τ’をモータトルクτに制限することを表している。また、ブロック(s)はエンコーダ等により計測したモータの回転角(モータ位置、角度)θからモータの角速度ω’を算出する処理を表しており、疑似微分や差分、角速度オブザーバなどの微分に相当する処理を表している。 Below, a structure and a function are demonstrated about each block of a motor control apparatus. Of the blocks shown in FIG. 1, a limit block (limit means) is an output limit of the control device set in accordance with the torque capacity of the motor and the power transmission mechanism, in this case, a torque command output given from the speed control loop. It represents that τ M ′ is limited to the motor torque τ M. The block (s) represents a process of calculating the motor angular velocity ω M ′ from the motor rotation angle (motor position, angle) θ M measured by an encoder or the like. The differential such as pseudo differentiation, difference, angular velocity observer, etc. Represents a process corresponding to.

[位置制御ループの速度フィードフォワードコントローラPFF1]
位置制御ループの速度フィードフォワードコントローラPFF1は、位置指令θの時間微分である速度指令に係数を乗じて、加算部ADD1、ADD2により、後述する位置制御ループのフィードバックコントローラPCからの動作指令出力ωに加算する。このように、速度指令が直接得られず、位置指令θだけが与えられる場合は、差分処理や疑似微分処理等を施して速度指令の近似値を求め、その近似速度指令に対して係数を乗じて、速度ループヘの指令値ωに加算する。一連の処理の中でローパスフィルタ処理を行う場合もある。
[Speed feedforward controller PFF1 for position control loop]
Speed feed forward controller PFF1 the position control loop is multiplied by a factor to the speed command is the time derivative of the position command theta R, the addition unit ADD1, ADD2, the operation command output from the feedback controller PC of the position control loop which will be described later ω Add to R. Thus, the speed command can not be obtained directly, if only the position command theta R is given, obtains the approximate value of the speed command by performing difference processing and pseudo-differential processing, etc., the coefficients for the approximated speed command multiplied by, is added to the command value omega R the speed Rupuhe. In some cases, low-pass filter processing is performed in a series of processing.

この様に構成される速度フィードフォワードコントローラPFF1によって、位置制御系の応答性によって位置指令への追従偏差に生じる速度指令に比例する成分を低減することが可能となる。位置指令への追従偏差に生じる指令速度に比例する成分は、制御系の応答性と共に、制御対象の粘性特性にも関連している。一般に、制御対象の粘性特性は、温度などの運転条件によっても変動するため、精度良く特性を知ることは困難である。つまり、前記した係数を精度良く設定することは非常に困難であり、良く調整する必要がある。しかるに、本発明の様なフィードフォワードの構成とすることで、位置指令に対する応答を観察しながら、直感的に分かりやすく調整することが可能である。   With the speed feedforward controller PFF1 configured in this way, it is possible to reduce a component proportional to the speed command generated in the tracking deviation to the position command due to the responsiveness of the position control system. The component proportional to the command speed generated in the tracking error with respect to the position command is related to the viscosity characteristic of the controlled object as well as the response of the control system. In general, the viscosity characteristics of the controlled object vary depending on operating conditions such as temperature, so it is difficult to know the characteristics with high accuracy. That is, it is very difficult to set the above-described coefficients with high accuracy, and it is necessary to adjust them well. However, by adopting the feedforward configuration as in the present invention, it is possible to adjust intuitively and easily while observing the response to the position command.

[位置制御ループの加速度フィードフォワードコントローラPFF2]
位置制御ループの加速度フィードフォワードコントローラPFF2は、位置指令θの2階時間微分である加速度指令に係数を乗じて、加算部ADD1、ADD2により、フィードバックコントローラPCからの動作指令出力ωに加算する。このように、加速度指令が直接得られず、位置指令θだけが与えられる場合は、上記のようにして得られる疑似速度指令に更に差分処理や疑似微分処理等を施して加速度指令の近似値を求め、その近似加速度指令に対して係数を乗じて、速度制御ループへの指令値ωに加算する。一連の処理の中でローパスフィルタ処理を行う場合もある。
[Acceleration feedforward controller PFF2 of position control loop]
Acceleration feedforward controller PFF2 the position control loop is multiplied by a coefficient to acceleration command is a second-order time derivative of the position command theta R, the addition unit ADD1, ADD2, adds to an operation command output omega R from the feedback controller PC . Thus, not obtained acceleration command directly, when only the position command theta R is given, the acceleration command approximations of further subjected to differential processing or pseudo-differentiation process or the like to the pseudo speed command obtained as described above the determined, multiplied by the coefficient for the approximation acceleration command is added to the command value omega R to the speed control loop. In some cases, low-pass filter processing is performed in a series of processing.

この様に構成される加速度フィードフォワードコントローラPFF2によって、位置制御系の応答性によって位置指令への追従偏差に生じる加速度指令に比例する成分を低減することが可能となる。位置指令への追従偏差に生じる加速度指令に比例する成分は、制御系の応答性と共に、制御対象の慣性特性にも関連している。一般に、制御対象の慣性特性は、機構設計等で得られるが、機構の動作などによって変動する場合もあり、最適な条件を知ることは困難である。つまり、前記した係数を精度良く設定することは非常に困難であり、良く調整する必要がある。しかるに、本発明の様なフィードフォワードの構成とすることで、指令に対する応答を観察しながら、直感的に分かりやすく調整することが可能である。   With the acceleration feedforward controller PFF2 configured in this way, it is possible to reduce a component proportional to the acceleration command generated in the tracking error to the position command due to the responsiveness of the position control system. The component proportional to the acceleration command generated in the deviation following the position command is related to the inertial characteristic of the controlled object as well as the response of the control system. In general, the inertial characteristic of the controlled object is obtained by mechanism design or the like, but may vary depending on the operation of the mechanism, and it is difficult to know the optimum condition. That is, it is very difficult to set the above-described coefficients with high accuracy, and it is necessary to adjust them well. However, by adopting the feedforward configuration as in the present invention, it is possible to adjust intuitively and easily while observing the response to the command.

[位置制御ループのフィードバックコントローラPC]
位置制御ループのフィードバックコントローラPCは、位置指令θとモータ位置(角度)θとの差(位置追従偏差)に応じて、速度制御ループへの動作指令出力ωを発生させる。構成としては、比例補償成分か積分補償成分の何れかを有していれば、特にその他の構成に係わらない。
[Feedback controller PC for position control loop]
The feedback controller PC of the position control loop generates an operation command output ω R to the speed control loop according to the difference (position tracking deviation) between the position command θ R and the motor position (angle) θ M. As long as the configuration has either a proportional compensation component or an integral compensation component, the configuration is not particularly concerned.

位置追従偏差が生じた場合にはこのフィードバックコントローラPCによって、速度制御ループへ動作指令出力ωが発生し、位置追従偏差を漸減させる効果が得られる。 When a position tracking deviation occurs, the feedback controller PC generates an operation command output ω R to the speed control loop, and the effect of gradually decreasing the position tracking deviation is obtained.

[速度制御ループのフィードフォワードコントローラVFF1]
速度制御ループのフィードフォワードコントローラVFF1は、加算部ADD1、ADD2により、フィードバックコントローラPCからの動作指令出力ωに速度フィードフォワードコントローラPFF1、加速度フィードフォワードコントローラPFF2の出力を足し合わせた指令出力ω’に対して、モータトルクτから負荷速度ωまでの伝達特性FLτの逆特性FLτ −1に基づくフィルタ処理を行い、加算部ADD3により、後述するフィードバックコントローラVCを通して与えられるモータトルク指令値へ加算する。これにより、フィードフォワードコントローラVFF1は第2のフィルタ手段として機能する。具体的には、伝達特性の逆特性FLτ −1は下式(1)で表される。
[Feed forward controller VFF1 of speed control loop]
The feedforward controller VFF1 of the speed control loop uses the adders ADD1 and ADD2 to add a command output ω R ′ obtained by adding the operation command output ω R from the feedback controller PC to the outputs of the speed feed forward controller PFF1 and the acceleration feed forward controller PFF2. Is subjected to filter processing based on the reverse characteristic F −1 of the transfer characteristic F from the motor torque τ M to the load speed ω L, and the motor torque command value given through the feedback controller VC described later by the adder ADD3 Add to Thereby, the feedforward controller VFF1 functions as a second filter means. Specifically, the inverse characteristic F −1 of the transfer characteristic is expressed by the following expression (1).

式(1)において、ζは減衰係数であり、ωは反共振周波数であり、ωは共振周波数である。 In Equation (1), ζ is a damping coefficient, ω a is an anti-resonance frequency, and ω n is a resonance frequency.

この逆特性FLτ −1を構成するには2次の微分器が必要となるため、2次以上のローパスフィルタ(特性LP1とする)などと組み合わせて実現する。逆特性FLτ −1に基づくフィルタ処理を行ってモータトルク指令値へ加算することによって、指令出力ω’から負荷速度ωまでの伝達特性は、FLτ −1・FLτ=1となり、遅れや振動を生じずに、負荷速度ωは指令出力ω’に従って動作することが可能となる、但し、逆特性FLτ −1には2次の微分器が含まれているため、高周波成分のノイズが増幅される可能性が高く、これを抑制する意味においても、ローパスフィルタなどと組み合わせる必要がある。また、このローパスフィルタによって、指令出力ω’から負荷速度ωまでの伝達特性は、FLτ −1・LP1・FLτ=LP1となり、特性LP1となって遅れが生じるため、ノイズ特性と追従特性を鑑みてローパスフィルタのカットオフ周波数などを設定する必要がある。 In order to construct the inverse characteristic F −1 , a second-order differentiator is required, and therefore, it is realized in combination with a second-order or higher-order low-pass filter (characterized as LP1). By performing a filtering process based on the reverse characteristic F −1 and adding it to the motor torque command value, the transfer characteristic from the command output ω R ′ to the load speed ω L becomes F −1 · F = 1, The load speed ω L can be operated in accordance with the command output ω R ′ without causing any delay or vibration. However, since the inverse characteristic F −1 includes a second-order differentiator, There is a high possibility that component noise is amplified, and it is necessary to combine it with a low-pass filter or the like in order to suppress this. Further, with this low-pass filter, the transfer characteristic from the command output ω R ′ to the load speed ω L becomes F −1 · LP1 · F = LP1, and the characteristic LP1 causes a delay. In view of the characteristics, it is necessary to set a cutoff frequency of the low-pass filter.

ローパスフィルタ(特性LP1)のカットオフ周波数は、反共振周波数程度から10倍程度まで、ノイズの影響を考慮しながら調整することが可能である。   The cut-off frequency of the low-pass filter (characteristic LP1) can be adjusted from about anti-resonance frequency to about 10 times while considering the influence of noise.

[速度制御ループのプリフィルタVFF2]
速度制御ループのプリフィルタVFF2(第1のフィルタ手段)は、指令出力ω’に対して、負荷速度ωからモータ速度ωまでの伝達特性FMLに基づくフィルタ処理を行い、速度制御ループへの速度指令値ω”を生成する。具体的に、伝達特性の逆特性FML −1は下式(2)で表される。
[Speed control loop pre-filter VFF2]
The pre-filter VFF2 (first filter means) of the speed control loop performs a filtering process on the command output ω R ′ based on the transfer characteristic F ML from the load speed ω L to the motor speed ω M , and the speed control loop A speed command value ω R ″ is generated. Specifically, the inverse characteristic F ML −1 of the transfer characteristic is expressed by the following equation (2).

この伝達特性FMLを構成するには一次の微分器が必要となるため、一次以上のローパスフィルタ(特性LP2とする)などと組み合わせて実現する。 Since the first order differentiator to configure this transfer characteristic F ML is required to achieve it in conjunction with a primary or low-pass filter (referred to as characteristic LP2).

伝達特性FMLに基づくフィルタ処理を行ったものを速度制御ループヘの速度指令値ω”とすることによって、フィードフォワードコントローラVFF1が生成するモータトルクの作用で指令出力ω’に対してローパスフィルタの特性LP1で負荷速度ωが動作する時のモータ速度ωが速度指令値ω”となる(厳密にはLP1=LP2の場合)。これによって、指令出力ω’に従う、フィードフォワードコントローラVFF1が生成したモータトルクによる制御対象の動作を、速度フィードバックコントローラVCが阻害することが無くなり、指令出力ω’に従った動作が行われる。 By the transfer characteristic F speed command value of the speed control Rupuhe those subjected to filtering processing based on the ML omega R ", a low-pass filter to the command output omega R 'by the action of the motor torque generated by the feed-forward controller VFF1 motor speed omega M when operating load speed omega L is the characteristic LP1 is the speed command value omega R "of (strictly for LP1 = LP2). Thus, the command output omega R 'according to the operation of the object of control by the motor torque feedforward controller VFF1 is generated, it is not the speed feedback controller VC inhibits, command output omega R' operations in accordance with is performed.

特性LP2を持つローパスフィルタのカットオフ周波数も、反共振周波数程度から10倍程度まで、ノイズの影響を考慮しながら調整することが可能である。   The cut-off frequency of the low-pass filter having the characteristic LP2 can also be adjusted from the antiresonance frequency to about 10 times while considering the influence of noise.

フィードバックコントローラPCのマイナーループにプリフィルタVFF2、フィードフォワードコントローラVFF1のフィードフォワード制御器を有することにより、制御対象の出力が外乱やノイズ等により変動した場合でも制御系は安定性を保つことが可能である。これは、フィードフォワード制御器の外に位置制御ループを有するため、フィードフォワード制御器への指令値は制御対象の出力を考慮したものであることによる。   By having the feed-forward controller of the pre-filter VFF2 and the feed-forward controller VFF1 in the minor loop of the feedback controller PC, the control system can maintain stability even when the output of the controlled object fluctuates due to disturbance or noise. is there. This is because the position control loop is provided outside the feedforward controller, so that the command value to the feedforward controller takes into account the output of the controlled object.

[速度制御ループのフィードバックコントローラVC]
速度制御ループのフィードバックコントローラVCは、フィードフォワードコントローラVFF2からの速度指令値ω”とブロック(s)からのモータ速度(角速度)ω’との差(速度追従偏差)に応じたモータトルク指令値τMRを発生させる。
[Feedback controller VC of speed control loop]
The feedback controller VC of the speed control loop is a motor torque command corresponding to the difference (speed tracking deviation) between the speed command value ω R ″ from the feedforward controller VFF2 and the motor speed (angular speed) ω M ′ from the block (s). The value τ MR is generated.

構成としては、共振比制御を含んだ全体構成の場合には、比例補償成分と積分補償成分の両者を有していれば、特にその他の構成にこだわらない。共振比制御を含まない全体構成の場合には、比例補償成分と積分補償成分に加えて、位相補償成分を有していれば、特にその他の構成にはこだわらない。   As the configuration, in the case of the overall configuration including the resonance ratio control, if the proportional compensation component and the integral compensation component are both included, other configurations are not particularly limited. In the case of the entire configuration not including the resonance ratio control, other configurations are not particularly limited as long as the phase compensation component is included in addition to the proportional compensation component and the integral compensation component.

外乱や制御対象の特性の変動等が原因となって、フィードフォワードコントローラVFF1が生成したモータトルクによる制御対象の動作に生じる誤差に対して、モータ軸における速度指令値ω”からの誤差を低減するように、フィードバックコントローラVCが作用する。これによって、外乱や制御対象の特性の変動等が存在する場合においても、指令出力ω’に従った制御対象の動作へと漸近する。つまり、フィードバックコントローラVCの作用によって、フィードフォワードコントローラVFF1の出力による低振動且つ高応答な制御対象の動作が維持される。 The error from the speed command value ω R ″ on the motor shaft is reduced with respect to the error that occurs in the operation of the controlled object due to the motor torque generated by the feedforward controller VFF1 due to disturbances, fluctuations in the characteristics of the controlled object, etc. As a result, the feedback controller VC operates, and as a result, even in the presence of disturbances, fluctuations in the characteristics of the controlled object, etc., the operation of the controlled object according to the command output ω R ′ is asymptotic. By the action of the controller VC, the operation of the controlled object with low vibration and high response by the output of the feedforward controller VFF1 is maintained.

[RRC1:共振比制御係数]
RRC1は、速度制御ループのフィードバックコントローラVCの出力であるモータトルク指令値τMRにゲインを乗じて出力するゲイン部を表す。このゲイン部を設けることにより、共振比制御部と制御対象を含めた系が、仮想的にモータイナーシャJのみが変化したような伝達特性となり、フィードバックコントローラVCのゲイン調整を一様な方法で行うことが可能となる。
[RRC1: Resonance ratio control coefficient]
RRC1 represents a gain section for outputting by multiplying a gain to the motor torque command tau MR is the output of the feedback controller VC of the speed control loop. By providing the gain section, a system including a controlled object and the resonance ratio control unit is virtually only the motor inertia J M is the transfer characteristic as changed, the gain adjustment of a feedback controller VC in a uniform way Can be done.

[RRC2:共振比制御 外乱オブザーバ]
RRC2は、第1の共振比制御手段と呼ばれてもよく、外乱オブザーバ手段及びその出力にかかるゲイン部を表している。
[RRC2: Resonance ratio control disturbance observer]
RRC2 may be referred to as a first resonance ratio control means, and represents a disturbance observer means and a gain section related to its output.

第2の共振比制御手段は、モータトルクτとモータ速度(角速度)ω’から外乱オブザーバ手段により動力伝達機構などにおけるねじりトルクを推定してゲインを乗じ、この値により、加算部ADD3で加算されたモータトルクを補正することによって、速度制御ループを位相補償し、制御対象の共振の抑制や、制御系の安定性の向上に寄与している。また、ゲイン部が負のゲインになっていて、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルが存在する場合には、外乱オブザーバ手段により推定したねじりトルク推定値に対して反共振周波数域よりも低いカットオフ周波数のハイパスフィルタ処理を施してから、ゲインを乗じてモータトルクを補正することにより、ハイパスフィルタのカットオフ周波数よりも低い周波数帯域におけるモータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能が向上する。 The second resonance ratio control means estimates the torsion torque in the power transmission mechanism or the like by the disturbance observer means from the motor torque τ M and the motor speed (angular speed) ω M ′, and multiplies the gain by this value. By correcting the added motor torque, the speed control loop is phase-compensated to contribute to suppression of resonance of the control target and improvement of stability of the control system. Also, when the gain part is a negative gain and there is motor shaft friction or motor torque ripple, the estimated torsion torque estimated by the disturbance observer means is lower than the anti-resonance frequency range. By applying high-pass filter processing of the cut-off frequency and then multiplying the gain to correct the motor torque, the compensation performance for motor shaft friction and motor torque ripple in the frequency band lower than the cut-off frequency of the high-pass filter can be obtained. improves.

[アンチワインドアップコントローラAWC]
ワインドアップ現象は、制御装置内部に積分特性を有しており、且つトルク出力や速度等に制限があるにもかかわらず、制御装置内部及び出力においてその制限を越えるような値が生じる場合などに起こる現象である。実際には制限手段(Limitブロック)での制限により制限値以上の値を持つことが出来ないにもかかわらず、制御偏差が低減しないために、積分特性の部分において大きな積分値が生じ、制限内に値が復帰した時には積分部に保持されている大きな積分値によって逆方向に大きく振れる。このため、目標値に対するオーバーシュート、アンダーシュートが大きくなったり、不安定な状態に至ったりする。アンチワインドアップコントローラAWCは、この様なワインドアップ現象を抑制するための補償器である。
[Anti-windup controller AWC]
The windup phenomenon has an integral characteristic inside the control device, and there is a limit in torque output or speed, etc., but there is a value that exceeds the limit in the control device or output. It is a phenomenon that occurs. Actually, the control deviation does not decrease even though it cannot have a value greater than the limit value due to the limit by the limit means (Limit block). When the value is restored to, the large fluctuation in the reverse direction is caused by the large integral value held in the integral part. For this reason, overshoot and undershoot with respect to the target value become large, or an unstable state is reached. The anti-windup controller AWC is a compensator for suppressing such a windup phenomenon.

実現方法は、フィードバックコントローラPC、VCの少なくとも一方が積分特性を有している場合に、トルク指令出力τ’があらかじめ定められた制限値τを超える時、上記フィードバックコントローラPC、VCの少なくとも一方の積分演算を停止させる方法がある。他の実現方法として、フィードバックコントローラPC、VCの少なくとも一方が積分特性を有している場合に、トルク指令出力τ’が制限値τを超える時、リミット処理によって排除されてしまった出力(τ−τ’)に対して、前記フィードバックコントローラPC、VCの少なくとも一方の積分時定数と同じ程度のローパスフィルタ処理を施し、適当なゲインを乗じて、前記フィードバックコントローラPC、VCの少なくとも一方への入力から差し引く方法がある。図1では、フィードバックコントローラVCのみに積分特性が有った場合に、演算部CAL1により、リミット処理によって排除されてしまった出力(τ−τ’)を算出し、この算出結果に対してアンチワインドアップコントローラAWCにてローパスフィルタ処理を行うと共に、ゲインを乗じて演算部CAL2に入力することにより、フィードバックコントローラVCへの入力である速度指令値ω”から差し引いてフィードバックコントローラVCに与える、アンチワインドアップを実現している状態を示している。この場合、アンチワインドアップコントローラAWCと演算手段CAL2は、アンチワインドアップ制御手段と呼ばれても良い。 The realization method is that when at least one of the feedback controllers PC and VC has an integral characteristic, when the torque command output τ M ′ exceeds a predetermined limit value τ M , at least one of the feedback controllers PC and VC There is a method of stopping one integral calculation. As another implementation method, when at least one of the feedback controllers PC and VC has an integral characteristic, when the torque command output τ M ′ exceeds the limit value τ M , the output that has been excluded by the limit processing ( τ M −τ M ′) is subjected to low-pass filter processing equivalent to at least one of the integration time constants of the feedback controllers PC and VC, multiplied by an appropriate gain, and at least one of the feedback controllers PC and VC. There is a way to subtract from the input. In FIG. 1, when only the feedback controller VC has an integral characteristic, the calculation unit CAL1 calculates an output (τ M −τ M ′) that has been excluded by the limit processing, and the calculation result is The low-pass filter processing is performed by the anti-windup controller AWC, and the gain is multiplied and input to the calculation unit CAL2, so that it is subtracted from the speed command value ω R ″ that is an input to the feedback controller VC and given to the feedback controller VC. In this case, the anti-windup controller AWC and the calculation means CAL2 may be called anti-windup control means.

[外乱オブザーバDOB]
外乱オブザーバDOBは、前述した共振比制御におけるRRC2内部の外乱オブザーバ手段と同様の処理を行うが、ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数は、RRC2のものと異なるものを使うことが可能である。
[Disturbance Observer DOB]
The disturbance observer DOB performs the same process as the disturbance observer means inside the RRC2 in the above-described resonance ratio control, but the cutoff frequency of the low-pass filter process can be different from that of the RRC2.

RRC2による共振比制御と外乱オブザーバDOBを併用することによって、外乱オブザーバDOBのこれまでの目的である、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等のモータ軸に直接入力される外乱成分による、制御対象の運動誤差を低減することが可能となる。   By using both the resonance ratio control by RRC2 and the disturbance observer DOB, control by the disturbance components input to the motor shaft such as the friction of the motor shaft and the torque ripple of the motor, which is the purpose of the disturbance observer DOB so far It becomes possible to reduce the motion error of the object.

(第2の実施例)
本発明の第2の位置制御手法を実現するモータ制御装置のブロック図を図2に示す。図2は、モータ回転角θだけでなく、モータと負荷を結合し駆動力を伝達する動力伝達機構の伝達力(伝達トルク)τを計測する場合の構成を示している。つまり、図1に示したRRC2に代えてRRC3を有し、その他の構成は図1と同じであるので、図1と相違するブロックについて説明する。なお、図2には示していないが、図1と同様に、外乱オブザーバDOBを設置することで、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能を向上させることができる。
(Second embodiment)
FIG. 2 shows a block diagram of a motor control device that realizes the second position control method of the present invention. FIG. 2 shows a configuration for measuring not only the motor rotation angle θ M but also the transmission force (transmission torque) τ T of the power transmission mechanism that couples the motor and the load and transmits the driving force. That is, the RRC 3 is provided instead of the RRC 2 shown in FIG. 1, and the other configurations are the same as those in FIG. 1. Therefore, the blocks different from those in FIG. 1 will be described. Although not shown in FIG. 2, as in FIG. 1, by installing the disturbance observer DOB, it is possible to improve the compensation performance for motor shaft friction and motor torque ripple.

[RRC3:共振比制御におけるねじりトルクフィルタ]
この処理は、図1で説明したRRC2において推定したねじりトルク推定値の代わりにねじりトルク(伝達力、伝達トルクτ)計測手段により計測されたねじりトルクの計測値を用いる処理である。RRC3は第2の共振比制御手段と呼ばれても良く、RRC2と同様、共振比制御ゲインを乗じるなどの手法で制御対象の振動を抑制することなどが可能となる。ねじりトルク計測手段は、ねじり変形の場合、2つの位置センサの差をとるもの、歪みの場合、歪みゲージ、磁歪素子、磁気抵抗等で実現することができる。
[RRC3: Torsional torque filter in resonance ratio control]
This process is a process using the measured value of the torsion torque measured by the torsion torque (transmission force, transmission torque τ T ) measuring means instead of the estimated torsion torque estimated in the RRC 2 described in FIG. RRC3 may be referred to as second resonance ratio control means, and similarly to RRC2, it is possible to suppress vibration of the controlled object by a technique such as multiplication by a resonance ratio control gain. The torsion torque measuring means can be realized by a difference between two position sensors in the case of torsional deformation, or by a strain gauge, a magnetostrictive element, a magnetic resistance, or the like in the case of distortion.

またRRC3では、ねじりトルク計測値を、PDコントローラを介した後に、共振比制御ゲインを乗じて出力することも可能である。この処理によって、制御対象の振動を抑制する性能がより向上する。   In RRC3, it is also possible to output the torsion torque measurement value via the PD controller and then multiply by the resonance ratio control gain. By this processing, the performance of suppressing the vibration of the controlled object is further improved.

なお、RRC2に示したハイパス処理は、RRC3では、モータ軸の摩擦やモータのトルクリップルに対する補償性能が向上することはない。   In the high-pass processing shown in RRC2, the compensation performance for motor shaft friction and motor torque ripple is not improved in RRC3.

(第3の実施例)
本発明の第3の位置制御手法を実現するためのモータ制御装置のブロック図を図3に示す。図3は、モータ回転角θだけでなく、負荷の加速度(以下では、便宜上、sθで表すものとする)を計測する場合の構成を示している。つまり、図2に示したRRC3に代えてRRC4を有し、その他の構成は図1あるいは図2と同じであるので、図2と相違するブロックについて説明する。なお、図3には示していないが、図1と同様に、外乱オブザーバDOBを設置することで、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能を向上させることができる。
(Third embodiment)
FIG. 3 shows a block diagram of a motor control device for realizing the third position control method of the present invention. FIG. 3 shows a configuration for measuring not only the motor rotation angle θ M but also the acceleration of the load (hereinafter, expressed as s 2 θ L for convenience). That is, the RRC 4 is provided instead of the RRC 3 shown in FIG. 2, and the other configurations are the same as those in FIG. 1 or FIG. Although not shown in FIG. 3, similarly to FIG. 1, by installing the disturbance observer DOB, it is possible to improve the compensation performance for motor shaft friction and motor torque ripple.

[RRC4:共振比制御における負荷加速度フィルタ]
この処理は、計測された負荷の加速度sθに負荷側のイナーシャJを乗じてねじりトルク相当の値に換算した後は、図2のRRC3と全く同様の処理によって、制御対象の振動を抑制することなどが可能となる。それゆえ、RRC4は、第3の共振比制御手段と呼ばれても良い。PDコントローラを用いる処理についても同様の効果が得られる。
[RRC4: Load acceleration filter in resonance ratio control]
This process was converted to the measured value of the torsional torque equivalent by multiplying the inertia J L of the load on the acceleration s 2 theta L loads, with exactly the same processing as RRC3 in FIG 2, the vibration of the control object Can be suppressed. Therefore, the RRC 4 may be referred to as third resonance ratio control means. Similar effects can be obtained for processing using a PD controller.

但し、負荷の加速度sθには、モータから印加されるねじりトルク(伝達力、伝達トルクτ)と同時に、負荷に直接印加される外乱トルクが含まれたトルクが検出されるため、制御対象の振動を抑制すると同時に、負荷に直接印加される外乱トルクに起因する運動誤差の変動を良く補正することが可能となる。 However, since the load acceleration s 2 θ L is detected as the torsional torque (transmission force, transmission torque τ T ) applied from the motor, the torque including the disturbance torque directly applied to the load is detected. At the same time as suppressing the vibration of the controlled object, it is possible to well correct the fluctuation of the movement error caused by the disturbance torque directly applied to the load.

なお、負荷の加速度sθの計測方法としては、負荷に加速度センサを設置したり、角速度センサを設置して計測値を1階微分相当の処理をして用いたり、角度センサを設置して計測値を2階微分相当の処理をして用いたりすることが可能である。加速度センサや角速度センサを用いる場合には、絶対加速度や絶対角速度が検出されることにより、例えば装置のベース部分における振動までも検出して適当な補償が行えない場合がある。しかし、角度センサを用いる場合には、装置内の基準部位に対する相対値のみが計測されるため、加速度センサや角速度センサを用いる場合に生じる不具合を回避することが可能である。加速度センサを用いた場合にも、基準部位と負荷の両者の加速度を計測し、その差分のみを補償に用いることで上記のような不具合を回避することが可能である。 As a method of measuring the load acceleration s 2 θ L , an acceleration sensor is installed in the load, an angular velocity sensor is installed and the measured value is used after being processed corresponding to the first-order differential, or an angle sensor is installed. Thus, it is possible to use the measured value after performing processing equivalent to second-order differentiation. In the case of using an acceleration sensor or an angular velocity sensor, there are cases where, for example, even vibrations in the base portion of the apparatus are detected and appropriate compensation cannot be performed by detecting absolute acceleration or absolute angular velocity. However, when the angle sensor is used, only a relative value with respect to the reference portion in the apparatus is measured, so that it is possible to avoid problems that occur when using an acceleration sensor or an angular velocity sensor. Even when an acceleration sensor is used, it is possible to avoid the above problems by measuring the acceleration of both the reference region and the load and using only the difference for compensation.

(第4の実施例)
本発明の第4の位置制御手法を実現するための制御装置のブロック図を図4に示す。図4は、モータ回転角θだけでなく、負荷側の回転角θも計測する場合の構成を示している。図1に示されたRRC2、外乱オブザーバDOBに代えてRRC5、PFBを備える点以外は、図1と同じであるので、図1と相違するRRC5、PFBについて説明する。なお、図4には示していないが、図1と同様に、外乱オブザーバDOBを設置することで、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能が向上する。また、後述するPFBは、図1〜図3の実施例に組み合わされても良い。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 shows a block diagram of a control apparatus for realizing the fourth position control method of the present invention. 4, not only the motor rotation angle theta M, the rotation angle theta L of the load side shows the configuration when measuring. Since it is the same as FIG. 1 except that RRC2 and disturbance observer DOB shown in FIG. 1 are provided instead of RRC5 and PFB, RRC5 and PFB different from FIG. 1 will be described. Although not shown in FIG. 4, as in FIG. 1, by installing the disturbance observer DOB, the compensation performance for motor shaft friction and motor torque ripple is improved. Also, the PFB described later may be combined with the embodiments of FIGS.

[RRC5:共振比制御ねじれ角フィルタ]
この処理は、負荷の回転角計測手段で計測された負荷側の回転角θとモータの回転角計測手段で計測されたモータ側の回転角θとの差に、動力伝達機構の結合剛性Kを乗じてねじりトルク相当の値に換算した後は、図2のRRC3と全く同様の処理によって、制御対象の振動を抑制することなどが可能となる。それゆえ、RRC5は、第4の共振比制御手段と呼ばれても良い。PDコントローラを用いる処理についても同様の効果が得られる。
[RRC5: Resonance ratio control torsion angle filter]
This process is based on the difference between the rotation angle θ L on the load side measured by the rotation angle measurement unit of the load and the rotation angle θ M on the motor side measured by the rotation angle measurement unit of the motor. After being multiplied by K and converted to a value corresponding to torsional torque, it is possible to suppress the vibration of the controlled object by the same processing as RRC3 in FIG. Therefore, the RRC 5 may be referred to as fourth resonance ratio control means. Similar effects can be obtained for processing using a PD controller.

[PFB:位置フィードバック手段]
ここでの処理は、負荷の回転角θとモータ側の回転角θにより位置制御ループのフィードバックコントローラPCへのフィードバック信号を生成する処理である。
[PFB: Position feedback means]
Wherein the process is a process for generating a feedback signal to the rotation angle theta L and the motor side of the rotation angle theta M by the feedback controller PC of the position control loop of a load.

一般的なセミクローズド制御では、モータ角度をフィードバックコントローラPCへのフィードバック信号とする。この場合、フィードバック信号の位相遅れが小さいことから、共振周波数を超えるような高い周波数帯域まで制御帯域を設定することが可能である。しかし、補償される位置は、モータ角度なので、動力伝達系の誤差や負荷への外乱トルクが生じる場合には、位置指令θとモータ角度は一致するが、負荷角度θは一致しない場合がある。 In general semi-closed control, the motor angle is used as a feedback signal to the feedback controller PC. In this case, since the phase delay of the feedback signal is small, the control band can be set up to a high frequency band exceeding the resonance frequency. However, the position to be compensated, because the motor angle, if the disturbance torque to the error and the load of the power transmission system occurs, if the position command theta R and motor angle corresponds, the load angle theta L does not coincide is there.

これに対して、負荷角度θをフィードバックコントローラPCへのフィードバック信号とする場合には、動力伝達系の誤差や負荷への外乱トルクが生じる場合にも、位置指令θと負荷角度θは一致するように補償される(但し、この場合、位置指令θとモータ角度は一致しない場合がある)。しかし、フィードバックコントローラPCの出力である速度指令から負荷角度θまでの伝達特性は、反共振周波数で180度を超えて位相が遅れるため、制御帯域を反共振周波数よりも十分に低くまでしか設定できず、動力伝達系の誤差や負荷への外乱トルク及びモータ軸に直接入力されるモータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等の全ての外乱に対して緩慢な補償しか行うことが出来ない。 On the other hand, when the load angle θ L is used as a feedback signal to the feedback controller PC, the position command θ R and the load angle θ L can be obtained even when a power transmission system error or a disturbance torque to the load occurs. it is compensated to match (although, in this case, the position command theta R and motor angle may not match). However, since the phase of the transfer characteristic from the speed command that is the output of the feedback controller PC to the load angle θ L exceeds 180 degrees at the anti-resonance frequency, the control band is set only sufficiently lower than the anti-resonance frequency. It is impossible to compensate for all disturbances such as errors in the power transmission system, disturbance torque to the load, friction of the motor shaft directly inputted to the motor shaft, and torque ripple of the motor.

このため、第4の位置制御手法では、モータ角度フィードバックの位相安定性と、負荷角度フィードバックのDC補償性能の両者を兼ね備えるために、位置フィードバック手段PFBにおいてモータ角度にハイパスフィルタ処理、負荷角度にローパスフィルタ処理をそれぞれ同じカットオフ周波数で行った信号を足し合わせた信号をフィードバックコントローラPCへのフィードバック信号として出力する手法を用いている。これにより、モータ軸に直接入力されるモータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等の外乱成分に対しては十分高い制御帯域を設定出来、且つ、伝達系の誤差や負荷への外乱トルクに対しての補償性能を得ることが可能となる。なお、このフィルタ処理後のフィードバック信号を、演算部CAL3により位置指令θに足し合わせた信号をフィードバックコントローラPCへのフィードバック信号とする手法は、カットオフ周波数の設定によって、完全なセミクローズド制御にもなり、また、完全な負荷角度フィードバックにもなる。 For this reason, in the fourth position control method, both the phase stability of the motor angle feedback and the DC compensation performance of the load angle feedback are combined, so that the position feedback means PFB performs high-pass filtering on the motor angle and low-pass on the load angle. A technique is used in which a signal obtained by adding together signals obtained by performing filtering processes at the same cut-off frequency is output as a feedback signal to the feedback controller PC. As a result, a sufficiently high control band can be set for disturbance components such as motor shaft friction and motor torque ripple that are directly input to the motor shaft, and against transmission system errors and disturbance torque to the load. All of the compensation performance can be obtained. Incidentally, the feedback signal after the filtering process, method a signal obtained by adding the position command theta R by computing unit CAL3 a feedback signal to the feedback controller PC, by setting the cut-off frequency, a complete semi-closed control And full load angle feedback.

フィードバックコントローラPCへのフィードバック信号の生成には位相特性が十分に考慮されるが、特に、本発明のようにフィードフォワードコントローラVFF1、プリフィルタVFF2と併用する場合、VFF1、VFF2によって十分な位相補償が行われるため、完全な負荷角度フィードバックにおいてもローパスフィルタLP1、LP2のカットオフ周波数の付近まで位相余裕が確保される。このため、完全な負荷角度フィードバックにおいても、従来技術よりも遥かに高い周波数帯域まで制御帯域を設定することが可能となり、伝達系の誤差や負荷への外乱トルクへの急峻な補償性能が得られる。   Although the phase characteristics are sufficiently considered in the generation of the feedback signal to the feedback controller PC, particularly when used in combination with the feedforward controller VFF1 and the prefilter VFF2 as in the present invention, sufficient phase compensation is performed by the VFF1 and VFF2. As a result, even in complete load angle feedback, a phase margin is secured up to the vicinity of the cutoff frequency of the low-pass filters LP1 and LP2. For this reason, even in complete load angle feedback, it is possible to set the control band up to a much higher frequency band than in the prior art, and a steep compensation performance to transmission system errors and disturbance torque to the load can be obtained. .

しかし、モータ角度をフィードバックする場合の方が位相余裕が大きいことは変わらないため、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等のモータ軸に直接入力される外乱成分に対するより急峻な補償性能を必要とする場合は、位置フィードバック手段PFBにおけるループフィルタ処理の適当なカットオフ周波数の設定が必要となる。   However, since the phase margin is larger when the motor angle is fed back, sharper compensation performance is required for disturbance components that are directly input to the motor shaft, such as motor shaft friction and motor torque ripple. In this case, it is necessary to set an appropriate cutoff frequency for the loop filter processing in the position feedback means PFB.

以上説明してきた本発明による第1〜第4の位置制御手法によれば、多慣性共振系の制御対象の共振特性を抑制しつつ、且つ、位置(角度)で与えられる目標値に対して、反共振周波数を超える俊敏な応答を得ることが可能である。また、位置制御ループの内部に設置した速度フィードフォワードコントローラVFF1、プリフィルタVFF2により、位置制御ループの位相補償がなされ、位置制御ループの高い制御帯域が実現出来る。   According to the first to fourth position control methods according to the present invention described above, while suppressing the resonance characteristics of the controlled object of the multi-inertia resonance system, and with respect to the target value given by the position (angle), It is possible to obtain an agile response exceeding the anti-resonance frequency. In addition, the velocity feedforward controller VFF1 and the prefilter VFF2 installed inside the position control loop perform phase compensation of the position control loop, and a high control band of the position control loop can be realized.

上記の第1〜第4の位置制御手法ではいずれも回転系の表現を用いて記述しているが、リニアモータ駆動やボールネジ駆動の様な直動系の制御対象に対しても同様の手法を適用することが可能である。   In the above first to fourth position control methods, all are described using the expression of the rotating system, but the same method is also applied to a linear motion control target such as a linear motor drive or a ball screw drive. It is possible to apply.

図1は、本発明の第1の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of a motor control device and a controlled object according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第2の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the motor control device and the controlled object according to the second embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第3の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。FIG. 3 is a functional block diagram showing the configuration of the motor control device and the controlled object according to the third embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第4の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。FIG. 4 is a functional block diagram showing the configuration of the motor control device and the controlled object according to the fourth embodiment of the present invention. 図5は、本発明が適用される多慣性共振系モデル例として2慣性共振モデルを示した図である。FIG. 5 is a diagram showing a two-inertia resonance model as an example of a multi-inertia resonance system model to which the present invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

ADD1、ADD2、ADD3 加算部
CAL1、CAL2、CAL3 演算部
ADD1, ADD2, ADD3 adder CAL1, CAL2, CAL3 arithmetic unit

Claims (9)

モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御装置において、
前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、負荷速度からモータ速度までの伝達特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力する第1のフィルタ手段と、前記指令出力に対して、モータトルクから負荷速度までの伝達特性の逆特性に基づくフィルタ処理を行う第2のフィルタ手段とを前記位置制御ループ内に設け、前記速度指令値を前記速度フィードバックコントローラへの速度フィードバック値に加算すると共に、前記第2のフィルタ手段の処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算する構成としたことを特徴とするモータ制御装置。
A position control loop including a motor position feedback controller and a speed control loop including a motor speed feedback controller and configured in the position control loop are configured to transmit the driving force of the motor to a load via a power transmission mechanism. In a motor control device for a multi-inertia resonance system,
First filter means for performing a filter process based on a transfer characteristic from a load speed to a motor speed on a command output given through the position feedback controller, and outputting a processing result as a speed command value to the speed feedback controller; A second filter means for performing a filtering process on the command output based on a reverse characteristic of a transfer characteristic from a motor torque to a load speed in the position control loop, and the speed command value is set to the speed feedback controller. A motor control device characterized by adding to the speed feedback value to the motor and adding the processing result of the second filter means to a motor torque command value given through the speed feedback controller.
更に、前記位置フィードバックコントローラに与えられる位置指令を時間微分して得た速度指令に係数を乗じて第1の値を生成する速度フィードフォワードコントローラと、前記位置指令を2階時間微分して得た加速度指令に係数を乗じて第2の値を生成する加速度フィードフォワードコントローラと、前記第1、第2の値を前記位置フィードバックコントローラの出力に加算して前記指令出力として出力する加算手段とを有することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。   Furthermore, a speed feedforward controller that generates a first value by multiplying a speed command obtained by differentiating the position command given to the position feedback controller with time, and a second-order time derivative of the position command. An acceleration feedforward controller that multiplies an acceleration command by a coefficient to generate a second value; and an adder that adds the first and second values to the output of the position feedback controller and outputs the output as the command output. The motor control device according to claim 1. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、モータトルクとモータの速度フィードバック値から前記動力伝達機構のねじりトルクを推定してゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正することにより前記速度制御ループの位相補償を行う第1の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ制御装置。   A gain unit that multiplies the output of the speed feedback controller by a gain and outputs the result as a motor torque command value; and a value obtained by multiplying the gain by estimating the torsion torque of the power transmission mechanism from the motor torque and the motor speed feedback value. The first resonance ratio control means for performing phase compensation of the speed control loop by correcting an addition value between the processing result and the motor torque command value according to claim 1 or 2. Motor control device. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、前記動力伝達機構のねじりトルクを計測する計測手段と、計測されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第2の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ制御装置。   Furthermore, a gain unit that multiplies the output of the speed feedback controller and outputs it as the motor torque command value, a measuring means that measures torsion torque of the power transmission mechanism, and a value obtained by multiplying the measured torsion torque by gain The motor control device according to claim 1, further comprising: a second resonance ratio control unit that corrects an addition value between the processing result and the motor torque command value. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷加速度を検出する検出手段と、検出した負荷加速度から前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第3の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ制御装置。   Furthermore, the gain unit that multiplies the output of the speed feedback controller and outputs it as the motor torque command value, the detection means that detects the load acceleration, the torsion torque of the power transmission mechanism is converted from the detected load acceleration, The third resonance ratio control means for correcting an addition value between the processing result and the motor torque command value by a value obtained by multiplying the converted torsional torque by a gain. Motor control device. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷の回転角を計測する負荷回転角計測手段と、モータの回転角を計測するモータ回転角計測手段と、計測された負荷の回転角とモータの回転角との差に前記動力伝達機構の結合剛性Kを乗じて前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第4の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ制御装置。   Furthermore, a gain unit that multiplies the output of the speed feedback controller by a gain and outputs it as the motor torque command value, load rotation angle measuring means for measuring the rotation angle of the load, and motor rotation angle measurement for measuring the rotation angle of the motor And the difference between the measured rotation angle of the load and the rotation angle of the motor is multiplied by the coupling rigidity K of the power transmission mechanism to convert the torsion torque of the power transmission mechanism, and the converted torsion torque is multiplied by the gain. 3. The motor control device according to claim 1, further comprising: a fourth resonance ratio control unit that corrects an addition value between the processing result and the motor torque command value based on a measured value. 負荷回転角計測手段により計測された負荷の回転角とモータ回転角計測手段により計測されたモータの回転角とにより前記位置フィードバックコントローラへのフィードバック信号を生成する位置フィードバック手段を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のモータ制御装置。   It has a position feedback means for generating a feedback signal to the position feedback controller based on the rotation angle of the load measured by the load rotation angle measuring means and the rotation angle of the motor measured by the motor rotation angle measuring means. The motor control apparatus of any one of Claims 1-6. 更に、前記速度制御ループから与えられるトルク指令出力τ’をあらかじめ定められた制限値τに制限する制限手段と、(τ−τ’)の演算を行う演算手段と、該演算手段の演算結果に対してローパスフィルタ処理を行うと共に、ゲインを乗じて前記速度指令値から減算して前記速度フィードバックコントローラへ与えるアンチワインドアップ制御手段を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のモータ制御装置。 Further, limiting means for limiting the torque command output τ M ′ given from the speed control loop to a predetermined limit value τ M , calculating means for calculating (τ M −τ M ′), and the calculating means 8. An anti-windup control means for performing low-pass filter processing on the calculation result and subtracting from the speed command value by multiplying by a gain and supplying the result to the speed feedback controller. The motor control apparatus of Claim 1. モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御方法において、
前記位置制御ループ内において、前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、負荷速度からモータ速度までの伝達特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力すると共に、前記指令出力に対して、モータトルクから負荷速度までの伝達特性の逆特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算することを特徴とするモータ制御方法。
A position control loop including a motor position feedback controller and a speed control loop including a motor speed feedback controller and configured in the position control loop are configured to transmit the driving force of the motor to a load via a power transmission mechanism. In a motor control method for a multi-inertia resonance system,
In the position control loop, a filter process based on a transfer characteristic from a load speed to a motor speed is performed on the command output given through the position feedback controller, and the processing result is output as a speed command value to the speed feedback controller. And performing a filtering process on the command output based on a reverse characteristic of a transfer characteristic from a motor torque to a load speed, and adding the processing result to a motor torque command value given through the speed feedback controller. The motor control method.
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