JP2009189177A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクフィードフォワード出力に重畳するノイズ成分を除去するための遅れ時間を最小限にし、トルクフィードフォワード機能の性能を最大限引き出すモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】速度指令１１とモータ速度１８との速度偏差１５を０にするよう制御する速度制御手段４と、速度指令１１を入力してトルクフィードフォワード出力１２とするトルクフィードフォワード算出手段１と、トルクフィードフォワード出力１２にフィルタ処理をして、フィルタ出力１３とするフィルタ手段２と、フィルタ出力１３を入力し、補正出力１４を出力する補正手段３を備え、補正手段３は、フィルタ出力１３の絶対値があらかじめ設定された閾値よりも小さい場合には補正出力１４を０とし、大きい場合にはフィルタ出力１３をそのまま補正出力１４とする補正処理をおこない、速度制御手段４の出力と補正手段３の出力を加算したものをトルク指令とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルクフィードフォワードを用いてモータを制御するモータ制御装置に関する。

部品実装機や工作機械など位置制御や速度制御の高速応答性が求められる場合、通常行われているフィードバック制御だけでは応答性に限界がある。そこでフィードフォワード制御とフィードバック制御の併用により上記課題を解決している。

例えば、位置指令を１回微分したものを速度指令に加える速度フィードフォワード制御や速度指令を１回微分したものをトルク指令に加えるトルクフィードフォワード制御により、応答性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１７１４１０号公報

しかしながら、上述した技術では、速度フィードフォワードで１回微分、トルクフィードフォワードでは位置の一回微分に相当する速度をさらに１回微分していることになり、ノイズの影響を受けやすい。そのノイズ成分を除去するために一次遅れフィルタが用いられるが、これにより応答性を犠牲にしなくてはならず、本来の目的である高速応答性の性能を十分に発揮することができないという課題がある。

特に、速度制御におけるトルクフィードフォワードは、速度指令が外部からのアナログ入力となることが多く、ノイズ成分が極めて大きくなり、トルクフィードフォワード制御が正常に機能しなくなる場合も考えられる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、トルクフィードフォワード出力に重畳するノイズ成分を除去するための遅れ時間を最小限にし、トルクフィードフォワード機能の性能を最大限引き出すモータ制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載のモータ制御装置は、モータの速度を速度指令値に一致させるよう制御するモータ制御装置において、モータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段にて検出した位置からモータ速度を算出する速度算出手段と、速度指令と前記速度算出手段にて検出したモータ速度との差分を０にするよう制御する速度制御手段と、前記速度指令を入力して１回微分し、トルクフィードフォワードゲインをかけて、トルクフィードフォワード出力とするトルクフィードフォワード算出手段と、前記トルクフィードフォワード出力にフィルタ処理をして、フィルタ出力とするフィルタ手段と、前記フィルタ出力を入力し、補正値を出力する補正手段を備え、前記補正手段は、前記フィルタ出力の絶対値があらかじめ設定された閾値よりも小さい場合には０を補正出力とし、大きい場合には前記フィルタ出力をそのまま出力する処理をおこない、前記速度制御手段の出力と前記補正手段の出力を加算したものをトルク指令とする。

また、請求項２に記載のモータ制御装置は、前記閾値は、加速度が０における前記フィルタ出力の最大値（ノイズ成分）をパラメータにて設定する。

請求項１，２に記載のモータ制御装置によれば、補正処理によって一次遅れフィルタの時定数を最小限にすることができ、トルクフィードフォワード機能の性能を最大限引き出すことができる。

また、請求項２に記載のモータ制御装置によれば、閾値の設定は、パラメータによって容易に調整することができる。

モータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段にて検出した位置からモータ速度を算出する速度算出手段と、速度指令と前記速度算出手段にて検出したモータ速度との差分を０にするよう制御する速度制御手段と、前記速度指令を入力して１回微分し、トルクフィードフォワードゲインをかけて、トルクフィードフォワード出力とするトルクフィードフォワード算出手段と、前記トルクフィードフォワード出力にフィルタ処理をして、フィルタ出力とするフィルタ手段と、前記フィルタ出力を入力し、補正値を出力する補正手段を備え、前記補正手段は、前記フィルタ出力の絶対値があらかじめ設定された閾値よりも小さい場合には０を補正出力とし、大きい場合には前記フィルタ出力をそのまま出力する処理をおこない、前記速度制御手段の出力と前記補正手段の出力を加算したものをトルク指令とする。
（実施の形態１）
以下、実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明のモータ駆動装置における制御要部のブロック構成図である。

図１において、トルクフィードフォワード算出手段１には、速度指令１１が入力され、１回微分して加速度指令を算出し、その加速度指令に（モータイナーシャ＋負荷イナーシャ）を乗ずることでトルク単位に換算し、それをトルクフィードフォワード出力１２として出力する。フィルタ手段２には、トルクフィードフォワード出力１２が入力され、１次遅れフィルタなどのフィルタ処理を行い、フィルタ出力１３を補正手段３に出力する。補正手段３では、入力されたフィルタ出力１３に対して、後述する閾値によって補正出力１４を出力する。

速度制御手段４は、速度指令１１とモータ速度１８との差分である速度偏差１５を０に制御するための速度制御出力１６を出力する。位置検出手段５は、エンコーダやレゾルバなどの位置検出器よりモータ位置１７を検出する。速度算出手段６では、モータ位置１７の差分によりモータ速度１８を検出する。

本発明のモータ制御装置における特徴は、フィルタ手段２の出力を補正手段３の閾値によって処理した補正出力１４と、速度制御手段４の速度制御出力１６とを加算して、トルク指令１９とした点である。補正手段３を除けば、一般的なトルクフィードフォワード機能を備えた速度制御の構成となっている。

一般的なトルクフィードフォワードの構成では、速度指令の１回微分により算出されるトルクフィードフォワード出力１２に含まれるノイズ成分の除去は、１次遅れフィルタなどのフィルタ手段２でのみ行われる。ノイズ成分の大きさによりこの１次遅れフィルタの時定数の調整を行うことになるが、特に速度指令が外部からのアナログ入力などノイズ成分が重畳しやすい構成の場合、この１次遅れフィルタの時定数はかなり大きくする必要がある。フィルタ時定数を大きくするということは、トルクフィードフォワードの本来の目的である速度応答性向上の効果を大きく損なうことを意味する。

本発明のモータ制御装置は、補正手段３を従来の構成に対し付加することで、ノイズ除去によるフィルタの遅れを最小限に抑えることができ、その結果、トルクフィードフォワ
ードによる速度応答性向上の効果を最大限発揮させることができる。

以下、補正手段３について詳細に説明する。補正手段３は、フィルタ出力１３が閾値以下の場合には、補正出力１４を０とし、閾値より大きい場合には、フィルタ出力１３の値をそのまま補正出力１４として出力する（図２参照）。つまり、フィルタ出力１３が閾値より小さいときのみ、トルクフィードフォワード機能を無効にする点が特徴である。この補正処理によって、なぜトルクフィードフォワード機能による速度応答性向上の効果が損なわれないかを次に説明する。

トルクフィードフォワード機能は、加速度に応じたトルク値を速度フィードバック制御処理の出力に加算しているが、そもそも速度フィードバック制御自体でも速度応答性はある程度向上させることができる。

図３は、速度フィードバック制御のみの場合と、トルクフィードフォワード機能を付加した場合の応答性（縦軸）と加速度（横軸）の関係を説明するグラフである。

図３において、応答性が１とは遅れなしで応答していることを意味している。トルクフィードフォワード機能を付加することで、加速度が大きい領域まで応答性を向上させることができる。つまり、加速度が小さいときはトルクフィードフォワード機能がなくても速度フィードバック制御により速度応答は可能となる。

トルクフィードフォワードの必要性の有無は、加速度の大きさ、すなわちフィルタ出力１３の大きさにより切替えることが可能だと考えることができる。また、加速度が小さいときはノイズ成分による影響が大きいが、加速度が大きくなるほど、基本成分に対するノイズ成分の比率が下がるため、ノイズの影響を受け難くなる。

以上のことより、補正手段３は、フィルタ出力１３の大きさによって補正出力を０とするか、フィルタ出力値をそのまま出力するかを切替え、ノイズによる影響を受け難くすることができる。

これにより、フィルタ手段２による一次遅れフィルタの時定数を最小限にすることができ、その結果、真にトルクフィードフォワード機能の効果が必要な領域での速度応答性の劣化を最小限に抑えることができる。

また、補正手段３で用いる閾値に関しては、加速度が０のときのフィルタ出力１３がノイズによる成分であるため、そのときの最大値を閾値として設定することでノイズ成分による影響をなくすことができる。また、閾値の設定方法は、パラメータとして持たせることで調整ができるようにするのが望ましい。

本発明のモータ駆動装置は、速度指令が外部からのアナログ入力でノイズ成分が重畳しやすい装置などに有用である。

本発明の実施の形態１における制御要部のブロック構成図 本発明の補正手段におけるフィルタ出力（閾値）と補正出力の説明図 速度フィードバックとトルクフィードフォワード機能付加の比較説明図

符号の説明

１ トルクフィードフォワード算出手段
２ フィルタ手段
３ 補正手段
４ 速度制御手段
５ 位置検出手段
６ 速度算出手段
１１ 速度指令
１２ トルクフィードフォワード出力
１３ フィルタ出力
１４ 補正出力
１５ 速度偏差
１６ 速度制御出力
１７ モータ位置
１８ モータ速度
１９ トルク指令

Claims (2)

1. モータの速度を速度指令値に一致させるよう制御するモータ制御装置において、
   モータの位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段にて検出した位置からモータ速度を算出する速度算出手段と、
   速度指令と前記速度算出手段にて検出したモータ速度との差分を０にするよう制御する速度制御手段と、
   前記速度指令を入力して１回微分し、トルクフィードフォワードゲインをかけて、トルクフィードフォワード出力とするトルクフィードフォワード算出手段と、
   前記トルクフィードフォワード出力にフィルタ処理をして、フィルタ出力とするフィルタ手段と、
   前記フィルタ出力を入力し、補正値を出力する補正手段を備え、
   前記補正手段は、前記フィルタ出力の絶対値があらかじめ設定された閾値よりも小さい場合には０を補正出力とし、大きい場合には前記フィルタ出力をそのまま出力する処理をおこない、
   前記速度制御手段の出力と前記補正手段の出力を加算したものをトルク指令とすることを特徴としたモータ制御装置。
2. 前記閾値は、加速度が０における前記フィルタ出力の最大値（ノイズ成分）をパラメータにて設定する請求項１に記載のモータ制御装置。

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