JP2010004689A - 電動機の位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】速度制御から位置制御に切り換える際に電動機で位置決めされる制御対象の機械共振によって生ずる振動を抑制できる電動機の位置決め制御装置を得ること。
【解決手段】速度制御部１３の入力段に、切換器１１の出力信号に含まれる機械共振による振動成分を除去する帯域遮断フィルタ１２が設けられ、位置制御部１０に電動機位置ｃをフィードバックする経路に、帯域遮断フィルタ１２の逆特性を有する逆帯域遮断フィルタ１６が設けられている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、搬送機や実装機などの可動部を駆動する電動機を制御して該可動部の位置決め制御を行う電動機の位置決め制御装置に関するものである。

可動部を電動機で駆動する搬送機や実装機などでは、生産性向上のために可動部の高速な位置決めが要求されている。この搬送機などの高速な位置決めを実現する電動機の位置決め制御装置としては、例えば、特許文献１に示されたものがある。

すなわち、特許文献１では、搬送機などの高速な位置決めを実現するため、目標値近傍の手前までは、外部からの速度指令によって駆動（速度制御）し、目標値近傍から位置制御系で作成した速度指令による駆動（位置制御）に切り換える電動機の位置決め制御装置において、位置制御系で作成した速度指令値に所定値を掛け合わせたものが、速度制御系での速度指令値あるいは、電動機の実速度以下になったときに速度制御系から位置制御系に切り換える技術が開示されている。

特開２００５−１１００４号公報

しかし、上記従来の技術では、電動機で位置決めされる制御対象の機械共振が低い場合に、速度制御から位置制御に切り換える際に振動が発生するという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、速度制御から位置制御に切り換える際に電動機で位置決めされる制御対象の機械共振によって生ずる振動を抑制できる電動機の位置決め制御装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明は、外部からの位置指令とフィードバック信号である電動機位置とに基づき内部速度指令を生成する位置制御部と、前記位置制御部が生成する内部速度指令が、外部からの速度指令よりも大きい場合は該外部からの速度指令を出力し、外部からの速度指令よりも小さい場合は前記内部速度指令を出力する切換器と、前記切換器の出力と前記電動機位置を差分して得られた電動機速度もしくはオブザーバで推定した電動機速度に基づき電流指令を生成する速度制御部とを備える電動機の位置決め制御装置において、前記速度制御部の入力段に、前記切換器の出力信号に含まれる機械共振による振動成分を除去する帯域遮断フィルタが設けられ、前記位置制御部に前記電動機位置をフィードバックする経路に、前記帯域遮断フィルタの逆特性を有する逆帯域遮断フィルタが設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、速度制御から位置制御に切り換える際に電動機で位置決めされる制御対象の機械共振によって生ずる振動を抑制できるので、電動機の位置決め時間を短縮することができるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる電動機の位置決め制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、電動機の位置決め制御装置１ａは、位置制御部１０と、切換器１１と、この実施の形態１にて設けた帯域遮断フィルタ１２と、速度制御部１３と、電流制限部１４と、差分器１５と、この実施の形態１にて設けた逆帯域遮断フィルタ１６とを備えている。

外部の指令生成装置２は、通常、制御周期毎に、時々刻々の位置の目標値である位置指令ａを位置制御部１０に送信する。また、外部の指令生成装置２は、目標位置までの時々刻々の速度の目標値である速度指令ｂを切換器１１に送信する。但し、この実施の形態１では、指令生成装置２が位置制御部１０に送信する位置指令ａは、制御周期毎の最終目標位置であるとしている。なお、指令生成装置２は、速度指令ｂを積分した結果に対して最終目的位置を越えない範囲で、速度指令ｂに先行させて位置指令ａを時々刻々送信するようにしてもよい。

電流制限部１４の出力を受ける電動機３は、図示しない搬送機や実装機などの可動部（制御対象）を駆動する電動機である。この電動機３にて測定された電動機位置ｃが、フィードバック信号として、直接差分器１５に入力され、また、逆帯域遮断フィルタ１６を介して位置制御部１０に入力される。

位置制御部１０は、指令生成装置２からの位置指令ａと電動機位置ｃとの差に定数を乗じて内部速度指令を算出する比例制御を行い、算出した内部速度指令を切換器１１に出力する。

切換器１１は、位置制御部１０の出力が指令生成装置２からの速度指令ｂよりも大きい場合は、速度指令ｂを選択して出力する。そして、切換器１１は、位置制御部１０の出力が速度指令ｂよりも小さくなった時点から、選択対象を位置制御部１０の出力に切り換える。

速度制御部１３には、切換器１１の出力が帯域遮断フィルタ１２を介して入力され、また、差分器１５にて電動機位置ｃの今回値と前回値との差分から算出した電動機速度が入力される。なお、差分器１５では、今回値と前回値との差分から算出した電動機速度をさらに制御周期で除算して出力するようにしてもよい。また、電動機位置ｃと電動機３の駆動電流とからオブザーバを用いて電動機速度を推定してもよい。

速度制御部１３は、帯域遮断フィルタ１２の出力を速度目標値とし、その速度目標値から差分器１５が算出した電動機速度を減算し、比例積分制御を行って電流指令を算出し、その算出した電流指令を電流制限部１４に出力する。

電流制限部１４は、速度制御部１３の出力値に基づき、電動機３に供給する駆動電流を上限値及び下限値の範囲に制限する。すなわち、電流制限部１４は、速度制御部１３の出力値が下限値以上で上限値以下の範囲内にある場合は、速度制御部１３の出力値をそのまま駆動電流値として電動機３に供給する。一方、電流制限部１４は、速度制御部１３の出力値が上限値以上の場合は速度制御部１３の出力値を上限値に書き換えた値の駆動電流を電動機３に供給し、下限値以下の場合は速度制御部１３の出力値を下限値に書き換えた値の駆動電流を電動機３に供給する。

ここで、指令生成装置２が生成する速度指令ｂについて説明する。図２は、図１に示す指令生成装置が出力する速度指令の一例を示す波形図である。図３は、図１に示す指令生成装置が出力する速度指令の他の一例を示す波形図である。なお、図２、図３において、横軸は時間、縦軸は速度である。

指令生成装置２は、この実施の形態１では、図２に示すように、停止位置直前１７までは台形状に変化する速度指令を生成し、停止位置直前１７からは一定かつ低速の速度指令を生成する。なお、位置指令ａと速度指令ｂの大きさに注意すれば、図３に示すように、停止まで台形状に変化する速度指令を生成することも可能である。

上記したように、指令生成装置２が位置指令ａとして最終目標位置を送信している場合は、最終目標位置近傍に電動機位置ｃが近づくまでは、位置制御部１０の出力の方が大きいので、切換器１１から速度指令ｂが出力され、電動機３は速度指令ｂによって速度制御される。そして、最終目標位置近傍に電動機位置ｃが近づくと、位置制御部１０の出力内部速度指令）が速度指令ｂよりも小さくなり、切換器１１は、位置制御部１０の出力を選択するので、電動機３の制御は位置制御部１０が生成する内部速度指令による位置制御に切り換わる。

さて、この実施の形態１による帯域遮断フィルタ１２と逆帯域遮断フィルタ１６について説明する。図４は、図１に示す帯域遮断フィルタの一例を示す構成図である。また、図５は、図１に示す逆帯域遮断フィルタの一例を示す構成図である。

この実施の形態１にて切換器１１と速度制御部１３との間に設けてある帯域遮断フィルタ１２は、例えば図４に示す構成のノッチフィルタである。ｂｆｂ２は、ｂｆａ２と同一に設定されることが多いが、ノッチフィルタの高域での応答を高くしたい場合は、ｂｆｂ２＜ｂｆａ２に設定する。また、ｂｆｂ１は、ノッチフィルタの応答が振動的にならずオーバーシュートもないように決定する。

図４に示す構成のノッチフィルタでは、電動機３が駆動する搬送機などの可動部の機械共振による振動周波数がｗｎ［ｒａｄ／ｓ］であるとき、ｂｆａ２＝１／ｗｎ^２とし、ｂｆａ１を振動の減衰にあわせて設定すれば、ｗｎ［ｒａｄ／ｓ］での機械振動を抑制できる。

このように、切換器１１と速度制御部１３との間に、帯域遮断フィルタ１２としてノッチフィルタを設けた場合、切換器１１から速度指令ｂが出力されている期間は、速度制御部１３の入力段にノッチフィルタが設定されているので、速度指令ｂに含まれる機械共振による振動周波数の成分に起因する機械振動を抑制できる。

また、切換器１１にて位置制御に切り換える際、切換器１１の出力は連続に切り換わるが滑らかではないので、切換器１１にて切り換えた位置制御部１０の出力をそのまま速度制御部１３に入力すると、大きな振動が発生する。しかし、速度制御部１３の入力段に設けた上記ノッチフィルタにより機械振動の周波数成分を遮断するため、振動を大幅に低減できる。

ところが、切換器１１の出力が位置制御部１０の出力に切り換えられた後は、電動機３の制御系は位置制御になるので、電動機位置ｃをそのまま位置制御部１０にフィードバックしては制御ループ内部にノッチフィルタが入るため、安定性を損ねる虞がある。

そこで、電動機位置ｃをフィードバック値として位置制御部１０に入力する前に、逆帯域遮断フィルタ１６として、図５に示すような逆ノッチフィルタを挿入する。図５に示す逆ノッチフィルタの伝達関数は、図４に示すノッチフィルタの逆特性で表現される。

この構成によれば、電動機位置ｃのフィードバック信号はノッチフィルタ、逆ノッチフィルタでキャンセルされるので、安定性を損ねることはない。また、電動機位置ｃの位置制御部１０へのフィードバック経路に逆ノッチフィルタを挿入しても、速度指令ｂ及び位置制御部１０の出力は上記逆ノッチフィルタを通らないので、振動抑制効果を妨げない。

なお、帯域遮断フィルタ１２として図４に示す構成のノッチフィルタを例に挙げて説明したが、１−バンドパスフィルタなど帯域遮断効果を持つ他のフィルタでもかまわない。また、ノッチフィルタとして２次のノッチフィルタを用いる例を示したが、抑制したい機械共振による振動周波数が２個、３個ある場合は、ノッチフィルタの次数を４次、６次に変更してもかまわない。

以上のように、この実施の形態１によれば、目標位置近傍で速度制御から位置制御に切り換える際に発生する振動を抑制できるので、電動機の位置決め時間を短縮できる効果が得られる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図６では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図６に示すように、この実施の形態２による電動機の位置決め制御装置１ｂでは、図１（実施の形態１）に示した構成において、モデル速度トルク生成部１９が追加され、それに伴い加算器２０が追加されている。

モデル速度トルク生成部１９は、例えば図７や図８に示す構成によって、指令生成装置２が出力する速度指令ｂから、モデルトルクｄとモデル速度ｅとを生成する。切換器１１は、指令生成装置２が出力する速度指令ｂに代えて、モデル速度トルク生成部１９が生成するモデル速度ｅを受け取るようになっている。以下、モデル速度トルク生成部１９の構成例を示す。

（１）図７は、図６に示すモデル速度トルク生成部の構成例（その１）を示すブロック図である。図７に示すモデル速度トルク生成部１９では、指令生成装置２が出力する速度指令ｂが減算器２１の一方の入力端（＋）に入力される。乗算器２２は、減算器２１の出力に比例ゲインｋｖ１を乗算する。乗算器２３は、乗算器２２の出力に電動機３と機械装置の可動部を合わせた場合の慣性モーメントＪを乗算し、加速度から摩擦を無視した場合のモデルトルクｄを出力する。積分器２４は、乗算器２２の出力を積分してモデル速度ｅを算出する。この積分器２４が算出するモデル速度ｅが減算器２１の他方の入力端（−）に入力される構成である。

（２）図８は、図６に示すモデル速度トルク生成部の構成例（その２）を示すブロック図である。図８に示すモデル速度トルク生成部１９では、指令生成装置２が出力する速度指令ｂが減算器２６の一方の入力端（＋）に入力される。乗算器２７は、減算器２６の出力に比例ゲインｋｐ１を乗算し、それを減算器２８の一方の入力端（＋）に出力する。乗算器２９は、減算器２８の出力に比例ゲインｋｖ１を乗算する。積分器３０は、乗算器２９の出力を積分する。乗算器３１は、積分器３０の出力に電動機３と機械装置の可動部を合わせた場合の慣性モーメントＪを乗算し、加速度から摩擦を無視した場合のモデルトルクｄを出力する。積分器３２は、積分器３０の出力を積分してモデル速度ｅを算出する。この積分器３２が算出するモデル速度ｅが減算器２６の他方の入力端（−）に入力される。また、積分器３０の出力が減算器２８の他方の入力端（−）に入力される構成である。

図６に戻って、加算器２０は、速度制御部１３と電流制御器１４との間に設けられている。加算器２０は、速度制御部１３の出力とモデル速度トルク生成部１９が生成するモデルトルクｄとを加算して電流制御器１４に出力する構成である。これによって、電動機３の駆動制御をモデル速度ｅに追従させることができる。

この実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果に加えて、電動機の駆動制御をモデル速度に追従させることができるので、速度指令が台形状であっても滑らかな駆動制御が実現できる効果も得られる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図９では、図６（実施の形態２）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。

図９に示すように、この実施の形態３による電動機の位置決め制御装置１ｃでは、図６（実施の形態２）に示した構成において、モデル速度トルク生成部１９のモデルトルク出力端と加算器２０の対応する入力端との間に、帯域遮断フィルタ３４が設けられている。このモデルトルクｄに対して使用する帯域遮断フィルタ３４の帯域遮断特性は、切換器１１の出力に対して使用する帯域遮断フィルタ１２の帯域遮断特性と同一になっている。これによって、モデルトルクｄに生ずるフィードフォワードに起因する振動が抑制される。

この実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果に加えて、モデルトルクに生ずるフィードフォワードに起因する振動を抑制できる効果も得られる。

実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１０では、図９（実施の形態３）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。

図１０に示すように、この実施の形態４による電動機の位置決め制御装置１ｄでは、図９（実施の形態３）に示した構成において、飽和対策部３６が追加され、それに伴い減算器３７が追加されている。

減算器３７の一方の入力端（＋）には切換器１１の出力が入力され、減算器３７の他方の入力端（−）には飽和対策部３６の出力が入力され、減算器３７の出力は帯域遮断フィルタ１２に入力される。飽和対策部３６の一方の入力は、電流制限部１４の入力信号であり、飽和対策部３６の他方の入力は、電流制限部１４の出力信号である。

図１１は、図１０示す飽和対策部の構成例を示すブロック図である。例えば図１１に示すように、飽和対策部３６は、減算器３９にて、電流制御器１４の入力から電流制御器１４の出力を減算し、その減算した結果を低域通過フィルタ４０に通してから乗算器４１にて比例ゲインｋｆを乗算し、その乗算した結果を減算器３７の他方の入力端（−）に出力する構成である。なお、低域通過フィルタ４０には、１次遅れフィルタなどのいわゆるローパスフィルタの他に、１−ハイパスフィルタも使用することができる。

すなわち、減算器３７は、切換器１１の出力から飽和対策部３６の出力を減算し、それを帯域遮断フィルタ１２に出力する。これによって、帯域遮断フィルタ１２への入力が、電流制御部１４の入力と出力との関係に応じて補正される。

この実施の形態４によれば、実施の形態３と同様の効果に加えて、加減速時に、その加減速が急激であるために電流制限にかかりながら動作する場合に発生する振動を防止できる効果も得られる。

なお、この実施の形態４では、実施の形態２（図６）への適用例を示したが、実施の形態３（図９）や実施の形態１（図１）にも同様に適用することができる。

実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１０では、図２（実施の形態６）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態５に関わる部分を中心に説明する。この実施の形態５では、帯域遮断フィルタの配置位置を速度制御部の出力側に変更した例が示されている。

図１２に示すように、この実施の形態５による電動機の位置決め制御装置１ｅでは、図６（実施の形態２）に示した構成において、電流制御器１４に代えて帯域遮断フィルタ１２を配置して切換器１１の出力が直接速度制御部１３に入力されている。また、帯域遮断フィルタ１６も、差分器１５の入力端と位置制御部１０の入力端との間から、差分器１５の入力端と当該位置決め制御装置１ｅに電動機位置ｃを取り込む入力端との間に移動して配置され、帯域遮断フィルタ１６を通った電動機位置ｃが位置制御部１０だけでなく差分器１５にも入力するようになっている。

この実施の形態５によれば、実施の形態２と同様に、目標位置近傍で速度制御から位置制御に切り換える際に発生する振動を抑制できるので、電動機の位置決め時間を短縮できる効果が得られる。また、モデル速度に追従させることにより速度指令が台形状であっても滑らかな動作が実現できる効果も得られる。

なお、実施の形態５では、実施の形態２（図６）への適用例を示したが、実施の形態３（図９）にも同様に適用することができる。そして、実施の形態１（図１）においては、帯域遮断フィルタ１２を、速度制御部１３と電流制限部１４との間に移動して設け、逆帯域遮断フィルタ１６を、図１２に示す位置に移動して設けることができる。

加えて、実施の形態１（図１）において、帯域遮断フィルタ１２を、速度制御部１３と電流制限部１４との間に移動して設け、逆帯域遮断フィルタ１６を、図１２に示す位置に移動して設ける場合に、速度制御部１３と帯域遮断フィルタ１２の間に図１０に示した減算器３７を設け、図１０に示した飽和対策部３６が電流制限部１４の入力と出力との関係から生成した補正信号を、速度制御部１３と帯域遮断フィルタ１２の間に移動した減算器３７与えて、帯域遮断フィルタ１２の入力を補正する構成を採ることができる。

以上のように、この発明にかかる電動機の位置決め制御装置は、目標位置近傍で速度制御から位置制御に切り換える際に発生する振動を抑制して電動機の位置決め時間を短縮する電動機の位置決め制御装置として有用である。

この発明の実施の形態１による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す指令生成装置が出力する速度指令の一例を示す波形図である。 図１に示す指令生成装置が出力する速度指令の他の一例を示す波形図である。 図１に示す帯域遮断フィルタの一例を示す構成図である。 図１に示す逆帯域遮断フィルタの一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。 図６に示すモデル速度トルク生成部の構成例（その１）を示すブロック図である。 図６に示すモデル速度トルク生成部の構成例（その２）を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。 図１０示す飽和対策部の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５による電動機の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ 電動機の位置決め制御装置
２ 指令生成装置
３ 電動機
１０ 位置制御部
１１ 切換器
１２ 帯域遮断フィルタ
１３ 速度制御部
１４ 電流制限部
１５ 差分器
１６ 逆帯域遮断フィルタ
１９ モデル速度トルク生成部
２０ 加算器
２１，２６，２８，３７，３９ 減算器
２２，２３，２７，２９，３１，４１ 乗算器
２４，３０，３２ 積分器
３４ 帯域遮断フィルタ
４０ 低域通過フィルタ

Claims (3)

1. 外部からの位置指令とフィードバック信号である電動機位置とに基づき内部速度指令を生成する位置制御部と、前記位置制御部が生成する内部速度指令が、外部からの速度指令よりも大きい場合は該外部からの速度指令を出力し、外部からの速度指令よりも小さい場合は前記内部速度指令を出力する切換器と、前記切換器の出力と前記電動機位置を差分して得られた電動機速度もしくはオブザーバで推定した電動機速度に基づき電流指令を生成する速度制御部とを備える電動機の位置決め制御装置において、
   前記速度制御部の入力段に、前記切換器の出力信号に含まれる機械共振による振動成分を除去する帯域遮断フィルタが設けられ、
   前記位置制御部に前記電動機位置をフィードバックする経路に、前記帯域遮断フィルタの逆特性を有する逆帯域遮断フィルタが設けられている、
   ことを特徴とする電動機の位置決め制御装置。
2. 外部からの位置指令とフィードバック信号である電動機位置とに基づき内部速度指令を生成する位置制御部と、前記位置制御部が生成する内部速度指令が、外部からの速度指令よりも大きい場合は該外部からの速度指令を出力し、外部からの速度指令よりも小さい場合は前記内部速度指令を出力する切換器と、前記切換器の出力と前記電動機位置を差分して得られた電動機速度とに基づき電流指令を生成する速度制御部とを備える電動機の位置決め制御装置において、
   前記速度制御部の出力段に、前記電流指令に含まれる機械共振による振動成分を除去する帯域遮断フィルタが設けられ、
   前記電動機位置を当該位置決め制御装置内に取り込む経路に、前記帯域遮断フィルタの逆特性を有する逆帯域遮断フィルタが設けられている、
   ことを特徴とする電動機の位置決め制御装置。
3. 前記電流指令に基づき生成される電動機駆動電流を一定範囲内に制限を加えて電動機に供給する電流制限部の入力信号から該電流制限部の出力信号を減じた信号を補正信号として出力する飽和対策部と、
   前記帯域遮断フィルタの入力段に設けられ、該帯域遮断フィルタへの入力信号から前記補正信号を減じて該帯域遮断フィルタに出力する減算器と、
   を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の位置決め制御装置。

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