JP2010093961A

JP2010093961A - モータ制御装置

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Publication number: JP2010093961A
Application number: JP2008262325A
Authority: JP
Inventors: Taro Ogiso; 太郎小木曽
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2010-04-22

Abstract

【課題】モータを駆動する場合に機械系に発生する機械共振の抑制機能を向上させる。
【解決手段】モータ１の速度を検出する検出器２と、該検出器からの速度検出値とモータの速度指令値ω_ｓとの差を演算する演算器５と、前記差に基づいてモータのトルク指令値を生成する速度制御手段６と、前記トルク指令値に応じてモータを制御するトルク制御手段８を含む閉ループ制御系を備えたモータ制御装置に適用される。更に、モータを加振させる信号を発生するための信号発生器１２と、前記信号を前記トルク指令値に重畳する加算器１３と、第１、第２のノッチフィルタ７、１０とこれらの係数を修正してノッチ周波数を更新する調整器１１を含む適応ノッチフィルタとを備え、前記調整器は、前記ノッチ周波数の更新結果に応じてスイッチ１４をオン、オフして前記加算器への前記信号の供給をオン、オフする。
【選択図】図１

Description

本発明はモータ制御装置に関し、特にモータを駆動する場合に機械系に発生する機械共振を抑制する機能を有するモータ制御装置に関する。

モータを駆動する場合に機械系に発生する機械共振を抑制する第１の従来技術として特許文献１に記載された制御装置が知られている。この制御装置は、第１、第２のノッチフィルタを含みこれらのノッチフィルタの係数を逐次修正することで機械共振を抑制する適応ノッチフィルタを用いてモータの速度又は位置制御を行う。

また、特許文献１に関連する第２の従来技術として、特許文献２にはノッチフィルタの係数設定方法が記載されている。この第２の従来技術ではモータの速度をフィードバック制御する閉ループ制御系を備え、モータを閉ループ制御系から切り離した状態で、乱数発生回路によって生成した信号によりモータを駆動して機械系を加振し、そのときのモータの速度検出値を記憶して、周波数解析により共振周波数を求めて、ノッチフィルタの係数を設定する。

特開２００４−２７４９７６特開平６−２５３５６４「周波数追従型ピークフィルタを使った適応ノッチフィルタ」（木坂正志、電気学会産業計測制御研究会資料、IIC-06-136, 2006）

ところが、上記第１の従来技術では、適応ノッチフィルタが制御系を構成している閉ループ内部に配置されているため、ノッチフィルタの中心周波数はモータと負荷からなる機械系の共振周波数ではなく、制御装置の速度又は位置指令値から速度又は位置検出値までの周波数伝達特性のピーク周波数に収束するという問題と、速度又は位置検出値に抑制したい振動周波数成分が十分に含まれない可能性があるという問題とを有していた。

一方、第２の従来技術では、ノッチフィルタの係数を修正する度にモータを閉ループ制御系から切り離さねばならないという問題と、機械系の特性によってはモータを閉ループ制御系から切り離した状態で駆動させることができないという問題とを有していた。

本発明は、上記のような問題点を解消しようとするものであり、モータを駆動する場合に機械系に発生する機械共振の抑制機能を向上させることにある。

本発明は、モータの速度又は位置を検出する検出器と、該検出器からの速度又は位置検出値とモータの速度又は位置指令値との差を演算する演算器と、前記差に基づいてモータのトルク指令値を生成する第１の制御手段と、前記トルク指令値に応じてモータを駆動する駆動手段を含む閉ループ制御系を備えたモータ制御装置に適用され得る。

本発明の態様によれば、更に、モータを加振させる信号を発生するための信号発生器と、前記信号を前記トルク又は速度指令値に重畳する加算器と、モータの出力に基づいて、前記加算器への前記信号の供給のオン、オフを決める制御部を有する。前記制御部は、第１、第２のノッチフィルタとこれらの係数を修正してノッチ周波数を更新する調整器を含む適応ノッチフィルタを備えることで構成することができ、この場合、前記調整器は、前記ノッチ周波数の更新結果に応じて前記加算器への前記信号の供給をオン、オフする。

なお、前記適応ノッチフィルタは更に、前記速度又は位置検出値から低周波成分を除去した信号を出力するハイパスフィルタを含むことが好ましい。この場合、前記第２のノッチフィルタは前記ハイパスフィルタの出力信号からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力し、前記調整器は該第２のノッチフィルタの出力信号について振動成分のレベルが所定値以上であるかどうかを前記ノッチ周波数の更新結果として判別し、所定値以上の場合に前記加算器への前記信号発生器からの前記信号の供給をオン、所定値未満になると前記信号の供給をオフとする。

前記調整器は、例えば、前記ノッチ周波数を前記ハイパスフィルタの信号の最大のパワーを持つ周波数に一致させるように前記係数の修正を行う。

上記の態様によるモータ制御装置においては、以下の第１〜第３のいずれかの形態を取り得る。

（第１の形態）
前記加算器を前記第１の制御手段と前記駆動手段との間に設け、前記加算器と前記駆動手段との間に前記第１のノッチフィルタを設け、該第１のノッチフィルタは前記加算器の信号からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力する。

（第２の形態）
前記加算器を前記第１の制御手段と前記駆動手段との間に設け、前記第１の制御手段と前記加算器との間に前記第１のノッチフィルタを設け、該第１のノッチフィルタは前記第１の制御手段の信号からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力する。

（第３の形態）
前記加算器を前記第１の制御手段と前記駆動手段との間に設け、前記検出器と前記演算器との間に前記第１のノッチフィルタを設け、該第１のノッチフィルタは前記検出器の速度又は位置検出値からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力する。

本発明によるモータ制御装置は、信号発生器と加算器によってトルク指令値にモータを加振させる信号を、モータを閉ループ制御系から切り離すことなく重畳させることができるようにし、制御部へ入力される信号に機械系の共振周波数における振動成分が十分含まれるように構成している。これにより、モータは閉ループ制御系によって制御された状態で加振され、モータを駆動する場合に機械系に発生する機械共振の抑制機能を向上させることができる。

本発明の実施形態について説明する前に、前述した問題点を、ボード線図を用いて説明する。以下の説明では、便宜上、本発明の実施形態を示す図面である図１を参照することがあるが、これはあくまでも説明を理解し易くするための援用である。図１には、機械系として、モータ１の出力軸に連結手段３を介して負荷４を連結した構成が示されている。

図３は機械系（２慣性系）の開ループ特性を示すボード線図である。ここではモータのトルク指令値からモータの速度指令値（図１において速度検出器２から演算器５へのループを開いたときのトルク指令値τ_３から速度検出値ω_ｓ）までの伝達特性を機械系の開ループ特性と称する。実線で示したある機械特性１において例えばモータと負荷の結合剛性が高くなかった場合、機械系の開ループ特性は点線で示した機械特性２へと変化する。

図４は機械特性１の機械系の共振周波数２６５Hzをノッチ周波数とするノッチフィルタの特性を示すボード線図である。

図５は図３の機械系に図４のノッチフィルタを使用した場合の機械系の開ループ特性（図１において速度検出器２から演算器５へのループを開いたときのトルク指令値τ_２から速度検出値ω_sまでの伝達特性）を示すボード線図である。ノッチ周波数と共振周波数が一致していない機械特性２では機械系の共振周波数３７５Hzにおけるゲインのピークが残っている。

図６は図３の機械系に比例制御器と図４のノッチフィルタとを使用した場合の閉ループ特性を示すボード線図である。ここでは速度指令値からモータ速度検出値（図１における速度指令値ω_rから速度検出値ω_s）までの伝達特性を機械系の閉ループ特性と称する。ノッチ周波数と共振周波数が一致していない機械特性２では５１０Hz付近にゲインのピークが現れるので、前述した第１の従来技術によるモータの駆動中はハイパスフィルタの出力信号に５１０Hzの振動成分が含まれ、適応ノッチフィルタのはたらきにより、ノッチフィルタの係数が修正され、ノッチ周波数は５１０Hzになる。ところが、これは機械特性２における機械系の共振周波数３７５Hzとは異なる。

図７は機械特性２の機械系のノッチフィルタを使用した場合の開ループ特性と比例制御系とノッチフィルタを使用した場合の閉ループ特性を同じボード線図にプロットしたものである。共振周波数と閉ループのゲインのピーク周波数は一致していないことが分かる。

上記説明で理解できるように、機械共振を抑制するために用いられるノッチフィルタのノッチ周波数（ゲインの谷）は機械系の共振周波数に一致させる必要があるが、制御帯域内あるいは制御帯域に近い共振周波数は閉ループ特性には現れないので、このような共振周波数にノッチ周波数を自動的に一致させる動作の実現は困難であった。

以下に、このような問題点を解消する本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明によるモータ制御装置の実施形態のブロック構成を示す。ここでは、出力軸に連結手段３を介して負荷４を接続したモータ１の速度制御を行なう場合について説明するが、後述するように位置制御にも適用可能であることは言うまでもない。速度制御の場合、モータ１の速度を速度検出器２で速度検出値ω_sとして検出し、速度検出値ω_sと速度指令値ω_rの差を演算器５で演算する。速度制御手段６はこの差分に基づいてトルク指令値を出力し、トルク制御手段８がこのトルク指令値に基づいてモータ１を駆動する。以上の構成は速度フィードバック制御系（閉ループ制御系）として知られている。

本実施形態では、上記の閉ループ制御系における速度制御手段（第１の制御手段）６とトルク制御手段（駆動手段）８の間に加算器１３と第１のノッチフィルタ７を配置している。そして、加算器１３には速度制御手段６からのトルク指令値τ_１を与えると共に、信号発生器１２からの信号τ_dをスイッチ１４を介して与えるようにしている。また、速度検出値ω_sをハイパスフィルタ９を通して第２のノッチフィルタ１０に与え、第２のノッチフィルタ１０の出力に基づいてスイッチ１４のオン、オフ制御、及びノッチフィルタの係数修正を行なう調整器１１を備えている。

本モータ制御装置の構成、動作を順を追って説明する。特に、以降の項目３〜５が本発明の特徴となる点である。

１．減算器５は速度指令値ω_rと速度検出値ω_sとの偏差eを演算する。

２．速度制御手段６は偏差eに基づいて、負荷４の速度を速度指令値ω_rに一致させるためのトルク指令値τ_１を出力する。

３．信号発生器１２は例えば擬似白色２値信号のように広範で一様な周波数成分を含む信号τ_dを出力する。

４．加算器１３は、トルク指令値τ_１をそのままあるいはトルク指令値τ_１に信号τ_dを加算しトルク指令値τ_２として出力する。つまり、以下で説明するノッチフィルタの係数修正動作が有効である場合、スイッチ１４は閉じており、加算器１３に信号τ_dが入力されるので、
トルク指令値τ_２＝τ_１＋τ_d
となる。

一方、ノッチフィルタの係数修正動作が無効である場合、スイッチ１４は開いており、加算器１３に信号τ_dは入力されないので、
トルク指令値τ_２＝τ_１
となる。

ここで、上記のトルク指令値τ_１、τ_２、τ_３及び信号τ_dを、あえて前述した第１、第２の従来技術に当てはめてみると、以下のようになる。

前述した第１の従来技術では信号発生器１２及びスイッチ１４に相当する構成要素は存在せず、常にトルク指令値τ_３＝τ_２である。

一方、前述した第２の従来技術では、信号発生器１２に相当する構成要素を備えているものの、モータの制御中は常にτ_３＝τ_２であり、ノッチフィルタの係数修正動作中は、トルク指令値τ_２は閉ループ制御系から切り離されるので、τ_３＝τ_dである。

５．第１のノッチフィルタ７はトルク指令値τ_２からノッチ周波数ｆ近傍の周波数成分を除去したトルク指令値τ_３を出力する。

６．トルク制御手段８はトルク指令値τ_３に一致するトルクがモータ１から出力されるようにモータ１に電力を供給する。

７．モータ１はトルクを出力し、負荷４を駆動する。

８．速度検出器２はモータ１または負荷４の速度として速度検出値ω_sを出力する。

９．ハイパスフィルタ９は速度検出値ω_sから低周波成分を除去した信号ω_ｓ１を出力する。

１０．第２のノッチフィルタ１０は速度検出値ω_ｓ１からノッチ周波数ｆ近傍の周波数成分を除去した信号ω_s２を出力する。

１１．調整器１１は信号ω_s２の振動成分のレベルを調べ、振動成分のレベルが所定値以上である場合はノッチ周波数ｆが機械系の共振周波数に一致していないものと判断し、ノッチフィルタの係数修正動作を有効にするとの判断を行なう。ノッチフィルタの係数修正動作を有効にするとの判断を行なうと、調整器１１はスイッチ１４を閉（オン）とし第１、第２のノッチフィルタ７、１０のノッチ周波数ｆを更新する。

１２．ノッチフィルタの係数修正はノッチ周波数ｆを信号ω_s１の最大のパワーを持つ周波数に一致させるように行われる。信号ω_s１の最大のパワーを持つ周波数は、機械系の共振周波数となる。ノッチ周波数ｆを信号ω_s１の最大のパワーを持つ周波数に一致させるには、例えば非特許文献１に記載されている方法を用いることができる。

非特許文献１の方法によれば、ピークフィルタによってノッチフィルタを構成し、ピークフィルタの出力ｐとノッチフィルタの出力ω_s２の積とピークフィルタの出力ｐの自己相関との商によってノッチ周波数ｆを逐次更新する。

１３．調整器１１はノッチ周波数の更新結果に基づいて第１のノッチフィルタ７及び第２のノッチフィルタ１０の係数を修正する。

１４．ノッチ周波数の更新動作が繰り返されるとノッチ周波数ｆは機械系の共振周波数に一致する。このとき信号ω_s２の振動成分のレベルは上記所定値より低くなり、調整器１１はノッチフィルタの係数修正動作を停止する。調整器１１はまた、スイッチ１４を開（オフ）とする。このように、調整器１１は、ノッチ周波数の更新結果に応じて係数修正を行なう機能と、スイッチ１４をオン、オフして加振用の信号τ_ｄの加算器１３への供給をオン、オフする機能を有する。

１５．負荷慣性の変動や、時間の経過による機械系の粘性の変化などによって機械系の共振周波数が変化すると信号ω_s２の振動成分のレベルが上昇する。この場合、調整器１１は再度、スイッチ１４をオンとし、ノッチフィルタの係数修正動作を有効とする。

第１、第２のノッチフィルタ７、１０、ハイパスフィルタ９、調整器１１からなる構成は、通常、適応ノッチフィルタと呼ばれるが、制御部と呼ばれても良い。

なお、第１のノッチフィルタ７と加算器１３は入れ替えてもよい。この場合、入れ替えた第１のノッチフィルタの入力は速度制御手段６からのトルク指令値τ_１となり、入れ替えた加算器の入力は入れ替えた第１のノッチフィルタの出力τ_２となる。その結果、入れ替えた加算器からの出力がτ_３となる。そして、係数修正動作を有効とする場合、トルク指令値τ_３＝τ_２＋τ_ｄであり、係数修正動作を無効とする場合、トルク指令値τ_３＝τ_２である。

図２は、本発明によるモータ制御装置の他の実施形態のブロック構成を示す。

図１の実施形態では第１のノッチフィルタ７を速度制御手段６とトルク制御手段８の間に配置しているが、本実施形態では速度検出器２と減算器５の間に配置している。この場合、速度制御手段６と加算器１３は直結されるので、トルク指令値τ_２＝τ_１となる。そして、係数修正動作を有効（スイッチ１４オン）とする場合、トルク指令値τ_３＝τ_２＋τ_ｄであり、係数修正動作を無効（スイッチ１４オフ）とする場合、トルク指令値τ_３＝τ_２である。

図１、図２のいずれの実施形態においても、スイッチ１４のオン、オフによる信号τ_ｄの供給オン、オフに代えて、信号発生器１２自体のオン、オフを制御することで信号τ_ｄの供給オン、オフを行なうようにしても良い。

上記説明はモータの速度制御の場合であるが、本発明はモータの位置制御にも適用可能である。この場合は上記説明において速度を位置に、トルクを速度にそれぞれ読み換える。例えば、速度検出器２に代えて位置検出器を用いるかあるいは速度検出値ω_sから位置が算出され、速度指令値ω_rに代えて位置指令値が与えられる。演算器５はこれらの差を演算して次段の位置制御手段に与える。

以上説明した本発明によるモータ制御装置の実施形態によれば、以下の効果が得られる。

前述した第１の従来技術が有している問題は、信号発生器１２と加算器１３によってトルク指令値にモータ１を加振させる信号を重畳し、調整器１１へ入力される信号に機械系の共振周波数における振動成分が十分含まれるようにすることで解決した。

第２の従来技術が有している問題は、第１のノッチフィルタ７と第２のノッチフィルタ１０と調整器１１によって適応ノッチフィルタを構成することで、モータ１を閉ループ制御系から切り離すことなく、ノッチフィルタの係数を調整できるようにすることで解決した。

以上より、モータは閉ループ制御系によって制御された状態で、ノッチフィルタのノッチ周波数を機械系の共振周波数に一致させることができる。これは適応ノッチフィルタの係数修正が適切かつ高精度に行なわれることを意味する。

本発明によるモータ制御装置は、例えば産業用ロボットにおいて駆動源として備えられるモータに適している。

図１は、本発明によるモータ制御装置の実施形態のブロック構成を示す。図２は、本発明によるモータ制御装置の他の実施形態のブロック構成を示す。図３は機械系（２慣性系）の開ループ特性を示すボード線図である。図４は図３に示す機械特性１の機械系の共振周波数２６５Hzをノッチ周波数とするノッチフィルタの特性を示すボード線図である。図５は図３の機械系に図４のノッチフィルタを使用した場合の機械系の開ループ特性を示すボード線図である。図６は図３の機械系に比例制御器と図４のノッチフィルタとを使用した場合の閉ループ特性を示すボード線図である。図７は図３の機械特性２の機械系の開ループ特性と閉ループ特性を同じボード線図にプロットしたものである。

符号の説明

１モータ
２速度検出器
３連結手段
４負荷
５演算器
７第１のノッチフィルタ
９ハイパスフィルタ
１０第２のノッチフィルタ
１３加算器

Claims

モータの速度又は位置を検出する検出器と、該検出器からの速度又は位置検出値とモータの速度又は位置指令値との差を演算する演算器と、前記差に基づいてモータのトルク指令値を生成する第１の制御手段と、前記トルク指令値に応じてモータを駆動する駆動手段を含む閉ループ制御系を備えたモータ制御装置において、
更に、モータを加振させる信号を発生するための信号発生器と、前記信号を前記トルク又は速度指令値に重畳する加算器と、モータの出力に基づいて、前記加算器への前記信号の供給のオン、オフを決める制御部を有するモータ制御装置。
前記制御部は、第１、第２のノッチフィルタとこれらの係数を修正してノッチ周波数を更新する調整器を含む適応ノッチフィルタを備え、
前記調整器は、前記ノッチ周波数の更新結果に応じて前記加算器への前記信号の供給をオン、オフ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。
前記適応ノッチフィルタは更に、前記速度又は位置検出値から低周波成分を除去した信号を出力するハイパスフィルタを含み、前記第２のノッチフィルタは前記ハイパスフィルタの出力信号からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力し、前記調整器は該第２のノッチフィルタの出力信号について振動成分のレベルが所定値以上であるかどうかを前記ノッチ周波数の更新結果として判別し、所定値以上の場合に前記加算器への前記信号発生器からの前記信号の供給をオン、所定値未満になると前記信号の供給をオフとすることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
前記調整器は、前記ノッチ周波数を前記ハイパスフィルタの信号の最大のパワーを持つ周波数に一致させるように前記係数の修正を行うことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
前記加算器は前記第１の制御手段と前記駆動手段との間に設けられ、前記加算器と前記駆動手段との間に前記第１のノッチフィルタが設けられ、該第１のノッチフィルタは前記加算器の信号からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記加算器は前記第１の制御手段と前記駆動手段との間に設けられ、前記第１の制御手段と前記加算器との間に前記第１のノッチフィルタが設けられ、該第１のノッチフィルタは前記第１の制御手段の信号からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記加算器は前記第１の制御手段と前記駆動手段との間に設けられ、前記検出器と前記演算器との間に前記第１のノッチフィルタが設けられ、該第１のノッチフィルタは前記検出器の速度又は位置検出値からノッチ周波数近傍の周波数成分を除去した信号を出力することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。