JP2009240074A - モータ制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外乱推定値およびモータ速度推定値の遅れを低減し周波数の高い外乱を抑制するモータ制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】 位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部（４）と、速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部（５）と、トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部（６）と、モータ位置とトルク指令によりモータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバ（２）と、で構成されるモータ制御装置において、モータ位置からモータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成する第１減算器（２３）と、位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算しサンプリング時間で除算して第１補正値を生成する第１係数器（２１）と、第１補正値を外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成する第１加算器（１６）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットや工作機械等の制御装置において、特に高精度な応答を必要とするモータ制御装置とその制御方法に関する。

従来技術では、オブザーバへの入力が現在位置θｍの過去の値である遅れ位置θｎである場合において、現在位置θｍを高速に応答させることができる遅れ補償電動機制御装置を提供している（例えば、特許文献１参照）。

図４は従来技術のブロック線図である。図において、３１は指令発生部、３２は第1制御装置、３３は遅れ補償オブザーバ、３４は電動機駆動装置、３５は観測装置、３６は負荷機械となっている。またＴｓはサンプリング時間、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４はオブザーバゲイン、θｒｅｆは位置指令、Ｔｒｅｆはトルク指令、θｍはモータの現在位置、θｎは遅れたモータの位置、ｈθｍはモータの推定位置、ｈωｍはモータの推定速度、ｈｄｍはモータの外乱推定値となっている。遅れ補償オブザーバは、モータの遅れ位置θｎとトルク指令Ｔｒｅｆに基づいて、次式からモータの推定位置θｍを計算する。

特開２００３−１８９６５８号公報（第４−５頁、図１）

従来のモータ制御装置は、モータ位置推定値ｈθｍを現在位置θｍの位相に合わせることができても，モータ速度推定値ｈωｍや外乱推定値ｈｄは実際の位相より遅れていた。そのため、周波数の高い外乱等が存在する場合に、モータ位置推定値ｈθｍだけでは外乱を抑制できないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、外乱推定値およびモータ速度推定値の遅れを低減し周波数の高い外乱を抑制するモータ制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置において、前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成する第１減算器と、前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第１補正値を生成する第１係数器と、前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成する第１加算器と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置において、前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成する第１減算器と、前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成する第２係数器と、前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成する第２加算器と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載のモータ制御装置において、前記モータ速度推定値を算出する際に１サンプリング前の値を用いるようにしたものである。
請求項４に記載の発明は、位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置において、前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成する第１減算器と、前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第１補正値を生成する第１係数器と、前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成する第１加算器と、前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成する第２係数器と、前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成する第２加算器と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置の制御方法において、前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成するステップと、前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、ンプリング時間で除算して第１補正値を生成するステップと、前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置の制御方法において、前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成するステップと、前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成するステップと、前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成するステップと、を備えたことを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置において、前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成するステップと、前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第１補正値を生成するステップと、前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成するステップと、前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成するステップと、前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成するステップと、を備えたことを特徴とするものである。

請求項１記載の本発明は、外乱推定に加算器１を備えることによって、外乱推定値の位相を実際の外乱に合わせることができる。
請求項２記載の本発明は、モータ速度推定に加算器２を備えることによって、モータ速度推定値の位相を実際のモータ速度に合わせることができる。
請求項３記載の本発明は、モータ速度推定値に前回値を用いるため、請求項２記載の発明よりも出力が大きくなり、より実際の値に近いモータ速度推定値が得られる。
請求項４記載の発明は、外乱推定値および速度推定値の遅れを低減することにより周波数の高い外乱を抑制するモータ制御装置を提供することができる。
請求項５乃至７記載の発明は、外乱推定値および速度推定値の遅れを低減することにより周波数の高い外乱を抑制するモータ制御装置の制御方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１はモータ制御装置、２はオブザーバ、３は指令生成部、４は位置制御部、５は速度制御部、６はモータ駆動部、７はイナーシャの逆数、８は第１オブザーバゲインＬ１、９は第２オブザーバゲインＬ２、１０は第３オブザーバゲインＬ３、１１はサンプリング時間の逆数、１２は離散化の遅れ要素、１３はサンプリング時間、１４は外乱推定値、１５は補正出力a、１６は提案する加算器１、４０は制御対象、４１はモータ、４２はエンコーダ、４３は負荷となっている。またＰｒｅｆは位置指令、Ｖｒｅｆは速度指令、Ｔｒｅｆはトルク指令、Ｘｒｅｓはモータ位置、Ｆｒｅｆは加速度、Ｄｈａｔは加速度推定値、Ｖｈａｔはモータ速度推定値となっている。また、２１は第１係数器で第２オブザーバゲインをサンプリング時間で除したものであり、２２は第２係数器で第３オブザーバゲインをサンプリング時間で除したものである。
本発明が従来技術と異なる部分は、外乱推定値１４に第１補正値を加える第１加算器を備えた部分である。

図５は従来のオブザーバを用いた外乱推定のシミュレーション結果、図６は本発明のオブザーバを用いた外乱推定のシミュレーション結果を示す。従来のオブザーバに比べ、外乱推定値の位相が実際の外乱に近づいていることがわかる。このように、外乱推定値の応答を改善することができる。

図２は、本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１はモータ制御装置、２はオブザーバ、３は指令生成部、４は位置制御部、５は速度制御部、６はモータ駆動部、７はイナーシャの逆数、８は第１オブザーバゲインＬ１、９は第２オブザーバゲインＬ２、１０は第３オブザーバゲインＬ３、１１はサンプリング時間の逆数、１２は離散化の遅れ要素、１３はサンプリング時間、１７はモータ速度推定値、１８は補正出力ｂ、１９は提案する加算器２、４０は制御対象、４１はモータ、４２はエンコーダ、４３は負荷となっている。またＰｒｅｆは位置指令、Ｖｒｅｆは速度指令、Ｔｒｅｆはトルク指令、Ｘｒｅｓはモータ位置、Ｆｒｅｆは加速度指令、Ｄｈａｔは加速度推定値、Ｖｈａｔはモータ速度推定値となっている。
本発明が従来技術と異なる部分は、モータ速度推定値１７に第２補正値を加える第２加算器を備えた部分である。

図７は従来のオブザーバを用いた速度推定のシミュレーション結果、図８は本発明のオブザーバを用いたシミュレーション結果を示す。第２加算器を備えているため、従来法より実際のモータ速度の位相に近いモータ速度推定値を得ることができる。

図３は、本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１はモータ制御装置、２はオブザーバ、３は指令生成部、４は位置制御部、５は速度制御部、６はモータ駆動部、７はイナーシャの逆数、８は第１オブザーバゲインＬ１、９は第２オブザーバゲインＬ２、１０は第３オブザーバゲインＬ３、１１はサンプリング時間の逆数、１２は離散化の遅れ要素、１３はサンプリング時間、１７はモータ速度推定値、１８は補正出力ｂ、１９は提案する加算器２、２０はモータ速度推定値の１サンプリング前の値、４０は制御対象、４１はモータ、４２はエンコーダ、４３は負荷となっている。またＰｒｅｆは位置指令、Ｖｒｅｆは速度指令、Ｔｒｅｆはトルク指令、Ｘｒｅｓはモータ位置、Ｆｒｅｆは加速度指令、Ｄｈａｔは加速度推定値、Ｖｈａｔはモータ速度推定値となっている。
本発明が従来技術と異なる部分は、モータ速度推定値の前回値２０に第２補正値を加える第２加算器を備えた部分である。また、実施例２で使用したモータ速度推定値１７の１サンプリング前の値２０を使用しているため、実施例２よりも出力がより実際の値に近いモータ速度推定値を得ることができる。

図９は本発明のオブザーバを用いた速度推定のシミュレーション結果を示す。加算器２を備えているため、従来法より実際のモータ速度の位相に近いモータ速度推定値を得ることができる。また、実施例２のシミュレーション結果の拡大図１０と実施例３のシミュレーション結果の拡大図１１を比較すると，実施例３は実施例２よりモータ速度推定値がより実際の値に近くなる。このため、実際の速度の大きさに近づけたいときは実施例３を、より位相を早めたいときは実施例２を使用するなど、用途によって手法を使い分けることができる。

図１２は本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。図２において、ステップＳＴ１でモータ位置からモータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成し、ステップＳＴ２で位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第１補正値を生成し、ステップＳＴ３で第１補正値を外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成し、ステップＳＴ４で位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成し、ステップＳＴ５で第２補正値をモータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成する。

本発明の第１実施例を示すモータ制御装置のブロック図 本発明の第２実施例を示すモータ制御装置のブロック図 本発明の第３実施例を示すモータ制御装置のブロック図 従来のモータ制御装置のブロック図 従来のモータ制御装置を用いたシミュレーション結果 本発明の第１実施例を用いたシミュレーション結果 従来のモータ制御装置を用いたシミュレーション結果 本発明の第２実施例を用いたシミュレーション結果 本発明の第３実施例を用いたシミュレーション結果 本発明の第２実施例を用いたシミュレーション結果の拡大図 本発明の第３実施例を用いたシミュレーション結果の拡大図 本発明の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１ モータ制御装置
２ オブザーバ
３ 指令生成部
４ 位置制御部
５ 速度制御部
６ モータ駆動部
７ イナーシャの逆数
８ 第１オブザーバゲイン
９ 第２オブザーバゲイン
１０ 第３オブザーバゲイン
１１ サンプリング時間の逆数
１２ 離散化の遅れ要素
１３ サンプリング時間
１４ 外乱推定値
１５ 外乱推定値に加える補正出力a
１６ 提案する加算器１
１７ モータ速度推定値
１８ モータ速度推定値に加える補正出力ｂ
１９ 提案する加算器２
２０ モータ速度推定値の１サンプリング前の値
２１ 第１係数器
２２ 第２係数器
２３ 第１減算器
４０ 制御対象
４１ モータ
４２ エンコーダ
４３ 負荷
３１ 指令発生部
３２ 第1制御装置
３３ 遅れ補償オブザーバ
３４ 電動機駆動装置
３５ 観測装置
３６ 負荷機械

Claims (7)

1. 位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置において、
   前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成する第１減算器と、
   前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第１補正値を生成する第１係数器と、
   前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成する第１加算器と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置において、
   前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成する第１減算器と、
   前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成する第２係数器と、
   前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成する第２加算器と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
3. 前記モータ速度推定値に、１サンプリング前に生成した値を用いることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
4. 位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置において、
   前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成する第１減算器と、
   前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第１補正値を生成する第１係数器と、
   前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成する第１加算器と、
   前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成する第２係数器と、
   前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成する第２加算器と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
5. 位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置の制御方法において、
   前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成するステップと、
   前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、ンプリング時間で除算して第１補正値を生成するステップと、
   前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成するステップと、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
6. 位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置の制御方法において、
   前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成するステップと、
   前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成するステップと、
   前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成するステップと、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
7. 位置指令とモータ位置により速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモ−タ速度によりトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令からモータ電流を生成するモータ駆動部と、前記モータ位置と前記トルク指令により、モータ位置推定値とモータ速度推定値と外乱推定値を演算するオブザーバと、で構成されるモータ制御装置の制御方法において、
   前記モータ位置から前記モータ位置推定値を減算し位置推定誤差を生成するステップと、
   前記位置推定誤差値に第２オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第１補正値を生成するステップと、
   前記第１補正値を前記外乱推定値に加え新たな外乱推定値を生成するステップと、
   前記位置推定誤差値に第３オブザーバゲインを乗算し、サンプリング時間で除算して第２補正値を生成するステップと、
   前記第２補正値を前記モータ速度推定値に加え新たな速度推定値を生成するステップと、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置の制御方法。