JP2011176907A - モータの制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータの負荷イナーシャが変わったことを高速に検出し、モータの負荷イナーシャが変わった場合でも高速に定位置停止制御ができるモータの制御装置を提供する。
【解決手段】 モータＭの回転子の回転速度がオリエンテーション速度になった後、制御部１７は、位置ループ速度指令ｖｃにより指令された速度と２乗速度ｖ²との偏差を速度制御器１４に与える。オートチューニング部１８は、オリエンテーション制御の前に、回転子の加速度を算出し、加速度の絶対値の最大値に基づいて位置制御器１５のゲインＣを決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータの回転子を定位置で停止するモータの制御方法及び装置に関するものである。

工作機械の主軸などに用いられるモータに関して、モータの回転子を所望位置に位置決め停止するための公知技術として、一定の速度（オリエンテーション速度）まで速度制御で運転し、制御モードを速度制御から位置制御に切り替えて、指令停止位置に基づいて位置制御を行うものがある。

図１１は、従来のモータの制御装置の構成の一例を示したものである。図１２は、従来のモータの制御装置の動作を示す動作波形図である。モータＭの回転子の位置は、エンコーダ装置等の位置センサＳにより検出する。位置センサＳの出力は速度検出器ＳＤに入力され、速度検出器ＳＤは位置センサＳの出力に基づいて回転子の速度（速度に相当する信号）を検出して出力する。この従来の装置では、モータＭが速度制御で回転している場合は、スイッチＳ１はａ側になっており、回転速度指令と回転子の速度との偏差を速度制御器ＳＣに通してトルク指令ｔｃをトルク制御器ＴＣに出力し、トルク制御器ＴＣはトルク指令に基づいてモータＭのトルクがトルク指令通りになるようにモータＭを制御する電流指令を出力する。なおこの例ではトルク制御器内に電流指令に従ってモータ電流を制御する制御部が実装されているものとする。モータを停止するために、上位コントローラからオリエンテーション速度指令が出力されると、スイッチＳ１をｂ側、スイッチＳ２をａ側にして、オリエンテーション速度指令で速度制御をする。これにより、図１２に示すように、モータ回転速度は徐々に低下してきてオリエンテーション速度で一定回転する。位置制御系は、モータ１回転内のどこの位置で回転子を停止させるかを示す位置指令と位置センサＳにより検出した回転子の位置の位置偏差を取り、位置制御器ＰＣに入力する。位置制御器ＰＣは位置偏差に基づいて、位置ループからの速度指令を算出する。位置ループからの速度指令がオリエンテーション速度指令以下になると、スイッチＳ２をｂ側に切り替えて位置制御を行う。以後は位置制御器ＰＣからの速度指令に基づいて、モータＭは位置制御されて、モータの回転子の位置が指令停止位置になるとモータは停止する。モータＭが停止するとオリエンテーション完了信号を出力し、定位置停止制御が完了する。

なお工作機械の主軸で、各種工具を取り替えて加工を行った場合、工具によりイナーシャが異なるため、主軸モータの定位置停止特性が変わってしまう問題がある。しかし、従来の制御装置では、これを補正する機能はもっていなかった。そのため、従来は、負荷イナーシャが大きな場合を元に、オーバーシュートを生じないように、制御パラメータを調整していた。しかし、このように調整すると負荷イナーシャが小さい場合は、定位置停止までの時間が長くなってしまうという問題が生じる。工作機械では、生産性向上のために加工能率の向上が不可欠であり、定位置停止制御に要する時間の短縮を強く求められている。イナーシャを推定する方法として、特開２００７−１５６６９９号（特願２００５−３４９２６６）公報に示されるような公知技術がある。この公知技術では、トルク指令と加速度フィードバックから、逐次最小２乗法を用いてイナーシャを推定している。

特開２００７−１５６６９９号公報

しかし、この公知技術では、主に加速終了時や減速開始時などの情報を元にイナーシャを推定するため、推定イナーシャ値が収束するまでに数回の加減速が必要であり、イナーシャの推定に要する時間が長いという問題がある。工作機械の主軸などでは、工具を交換して、モータを高速回転させて加工を行い、減速して位置制御する時にはイナーシャ値が推定されている必要がある。しかし、従来のイナーシャ推定方法では、短時間でイナーシャを推定することはできなかった。

本発明の目的は、モータの負荷イナーシャが変わったことを高速に検出し、モータの負荷イナーシャが変わった場合でも高速に定位置停止制御ができるモータの制御方法及び装置を提供することにある。

本発明は、位置制御器、速度制御器及びトルク制御器を備え、回転速度指令により指令された指令速度とモータの回転子の回転速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えて、前記回転子の前記回転速度が前記回転速度指令通りになるように前記モータの速度を速度制御し、位置制御器に入力される位置指令に応じて前記回転子の停止位置を制御するモータの制御方法であって、回転子の加速度を算出し、加速度の絶対値の最大値に基づいて位置制御器のゲインを決定する。本発明によれば、イナーシャの変化及びトルク定数の変化を、加速度の絶対値の最大値に基づいて推定するので、モータの負荷イナーシャが変わったことを高速に検出して、モータの負荷イナーシャが変わった場合でも高速に定位置停止制御ができる。

より具体的な本発明のモータの制御方法は、速度制御とオリエンテーション制御とを行ってモータを制御し且つモータの回転子を定位置に停止させる。速度制御では、回転速度指令により指令された指令速度とモータの回転子の回転速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えて、回転子の回転速度が回転速度指令通りになるようにモータの速度を制御する。オリエンテーション制御では、オリエンテーション速度指令が出力されると、オリエンテーション速度指令により指令されたオリエンテーション速度とモータの速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えて、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になるように回転子の速度を制御する。本発明では、特に、オリエンテーション制御を開始する前に、回転子の加速度を算出し、加速度の絶対値の最大値に基づいて位置制御器のゲインを決定する。

本発明によれば、イナーシャの変化及びトルク定数の変化をモータの加速度との関連で推定できるという発明者の知見に基づいている。そこで、本発明では、イナーシャの変化及びトルク定数の変化を、加速度の絶対値の最大値に基づいて推定し、オリエンテーション毎にモータの加速度を基にして位置制御器のゲインを決定してオリエンテーションを行う。また本発明によれば、スライディングモード制御を用いる場合は、モータの加速度を元にスライディングカーブを求め、このスライディングカーブに従ってモータを定位置停止制御することができる。これにより、ツールが変わって負荷イナーシャが変わった場合や、モータのトルク定数が変化した場合でも、それぞれの負荷イナーシャやモータのトルク定数に応じた安定で高速な定位置停止制御が実現できる。

なおゲインをＣとしたときに、ゲインＣはＣ＝２×ＡＣＣＰ×Ｇ_０の式に基づいて算出することができる。但し上記式においてＡＣＣＰは、加速度の絶対値の最大値ＡＣＣＰであり、Ｇ_０は制御が安定するように使用する定数である。この式によれば、モータが出力できるトルクと負荷イナーシャで決まる加速度の絶対値の最大値に基づいて位置制御器のゲインＣを簡単に演算で求めることができる。

なお加速度を示す加速度信号をローパスフィルタに通してノイズを除去し、ノイズが除去された加速度信号を絶対値化して絶対値化された加速度を求め、絶対値化された加速度から最大値ＡＣＣＰを算出するのが好ましい。ローパスフィルタを用いてノイズを除去すれば、エンコーダの量子化誤差の影響を抑制することができる。

なおゲインＣとして初期値Ｃ１を位置制御器に設定し、モータが加速を開始すると、ゲインＣを上記式に基づいて算出し続け、更に加速度の絶対値の最大値が得られたときのゲインを位置制御器のゲインＣとして設定する。そして、オリエンテーション制御が終了した後に、位置制御器のゲインの値を初期値Ｃ１に戻すのが好ましい。このようにすると、モータの負荷イナーシャが変わっても、オリエンテーション制御が行われるたびに、負荷イナーシャに応じたゲインＣを位置制御器に設定することができる。また、減速トルク−Ｔ１を得るためのトルク指令を与えたときのモータのトルク定数のばらつきも補償される。

なおオリエンテーション制御に用いる物理変数を用いてスライディングカーブを定め、このスライディングカーブに沿って回転子の位置及び速度を制御することにより回転子を目標位置に停止させるスライディングモード制御を実施するようにトルク制御器の入力を調整してもよい。このようにするとモータが出力できるトルクと負荷イナーシャで決まる最大加速度に基づく位置制御ゲインＣを用いて、スムーズで且つ最速のスライディング制御を行うことができる。

本発明のスライディングモード制御を行わないモータの制御装置は、速度検出器と、選択手段と、位置検出器と、位置ループと、選択手段と、速度制御器と、加算部と、トルク制御器と、制御部と、オートチューニング部とを備えている。速度検出器は、モータの回転子の回転速度を検出して回転速度を出力する。位置検出器は、回転子の回転位置を検出する。位置ループは、回転子の１回転内のどこの位置で回転子を停止させるかを示す位置指令によって指令された位置と回転位置との位置偏差を求める位置偏差演算部及び位置偏差を入力として位置ループ速度指令を出力する位置制御器を含んでいる。選択手段は、上位コントローラが出力する回転速度指令、オリエンテーション速度を指令するオリエンテーション速度指令及び位置ループ速度指令から一つの速度指令を選択する。速度偏差演算部は、選択手段が選択した一つの速度指令により指令された指令速度と回転速度との速度偏差を求める。速度制御器は、速度偏差演算部の出力を入力としてトルク指令を発生する。トルク制御器は、トルク指令を入力として電流指令を出力する。制御器は、定常制御運転時には、選択手段が回転速度指令を選択し、停止時には選択手段がオリエンテーション速度指令を選択してオリエンテーション速度指令と回転速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令を前記トルク制御器に与えて、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になるように回転子の速度をオリエンテーション制御し、その後、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になった後、選択手段が位置ループ速度指令を選択するように制御する。オートチューニング部は、オリエンテーション制御の前に、回転子の加速度を算出し、加速度の絶対値の最大値に基づいて位置制御器のゲインＣを決定する。

また本発明のスライディングモード制御を用いるモータの制御方法を実施するモータの制御装置は、速度検出器と、第１の選択手段と、位置検出器と、位置ループと、第２の選択手段と、速度制御器と、加算部と、トルク制御器と、制御部と、オートチューニング部とを備えている。速度検出器は、モータの回転子の回転速度を検出して回転速度及び回転速度を２乗して符号化した２乗速度を出力する。第１の選択手段は、速度検出器の出力を選択する。位置検出器は、回転子の回転位置を検出する。なお速度検出器と位置検出器の検出部（センサ部）は、共通に使用できるものを用いても良い。位置ループは、回転子の１回転内のどこの位置で回転子を停止させるかを示す位置指令によって指令された位置と回転位置との位置偏差を求める位置偏差演算部及び位置偏差を入力として位置ループ速度指令を出力する位置制御器を含んで構成される。第２の選択手段は、上位コントローラが出力する回転速度指令、オリエンテーション速度を指令するオリエンテーション速度指令及び位置ループ速度指令から一つの速度指令を選択する。速度偏差演算部は、第２の選択手段が選択した一つの速度指令により指令された指令速度と第１の選択手段が選択した回転速度または２乗速度との速度偏差を求める。速度制御器は、速度偏差演算部の出力を入力としてトルク指令を発生する。加算部は、トルク指令にトルク加算指令を加算して加算トルク指令を出力する。トルク制御器は、加算トルク指令を入力として電流指令を出力する。そして制御部は、定常制御運転時には、第１の選択手段が回転速度を選択し且つ第２の選択手段が回転速度指令を選択する。そして制御部は、オリエンテーション指令が入力された時には、第１の選択手段が回転速度を選択し且つ第２の選択手段がオリエンテーション速度指令を選択してオリエンテーション速度指令と回転速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えて、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になるように回転子の速度を制御する。その後、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になった後、制御部は、第１の選択手段が２乗速度を選択し且つ第２の選択手段が位置ループ速度指令を選択し、位置ループ速度指令により指令された速度と２乗速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与える。オートチューニング部は、スライディングモード制御の前に、回転子の加速度を算出し、加速度の絶対値の最大値に基づいて位置制御器のゲインＣを決定する。

このモータの制御装置では、制御部が、制御に利用される物理変数を用いて定めたスライディングカーブに沿って回転子の位置及び速度を制御することにより回転子を目標位置に停止させるスライディングモード制御が実施されるようにトルク制御器の入力を調整するように構成することができる。このようにするとモータが出力できるトルクと負荷イナーシャで決まる最大加速度に基づく位置制御ゲインＣを用いて、さらにスムーズで且つ最速のスライディング制御を行うことができる。

モータの負荷イナーシャが変わったことを高速に検出し、モータの負荷イナーシャが変わった場合でも高速に定位置停止制御ができる本発明の実施の形態の構成を示すブロックである。 図１の実施の形態の動作状態を説明するために用いる動作波形を示す図である。 負荷イナーシャに応じて変わるスライディングカーブの例を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｇ）は、本実施の形態において、負荷イナーシャが小さい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果である。 （Ａ）乃至（Ｇ）は、負荷イナーシャが大きい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果である。 本発明のモータの制御装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。 図６の実施の形態の動作状態を説明するために用いる動作波形を示す図である。 加速度と位置制御ゲインの関係の一例を示す図である。 図６の実施の形態において、負荷イナーシャが小さい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果を示す図である。 図６の実施の形態において、負荷イナーシャが大きい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果を示す図である。 従来のモータの制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 従来のモータの制御装置の動作を示す動作波形図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のモータの制御方法を実施するモータの制御装置１１の構成を示すブロック図である。図２は、図１の実施の形態の動作状態を説明するために用いる動作波形を示す図である。図３は、スライディングモード制御を説明するための図であり、図４（Ａ）乃至（Ｇ）は、負荷イナーシャが小さい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果である。図５（Ａ）乃至（Ｇ）は、負荷イナーシャが大きい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果である。本実施の形態のモータの制御装置１１は、速度検出器１２と、位置検出器を構成するエンコーダ１３と、速度制御器１４と、位置制御器１５と、トルク制御器１６と、制御部１７と、第１の選択手段ＳＷ１と、第２の選択手段ＳＷ２と、位置偏差演算部ＳＢ１及び速度偏差演算部ＳＢ２と、加算部ＡＤとを備えている。速度検出器１２は、エンコーダ１３からの出力に基づいてモータＭの回転子の回転速度を検出して回転速度ｖ及び回転速度を２乗して符号化した２乗速度ｖ²［図４（Ｄ）、図５（Ｄ）参照］を出力する。第１の選択手段ＳＷ１は、後述する制御部１７からの指令に基づいて速度検出器１２の出力を選択する。位置検出器を構成するエンコーダ１３は、モータＭの回転子の回転位置を検出する。本実施の形態では、エンコーダ１３が速度検出器１２の検出部（センサ部）として利用されている。位置偏差演算部ＳＢ１は、回転子の１回転内のどこの位置で回転子を停止させるかを示す位置指令ｐｃ［図４（Ｂ）、図５（Ｂ）参照］によって指令された位置とエンコーダ１３が出力する回転位置との位置ｐ［図４（Ｃ）、図５（Ｃ）参照］との位置偏差ｄ１［図４（Ｇ）、図５（Ｇ）参照］を求める。この位置指令ｐｃは、図示しない上位コントローラから出力されている。位置制御器１５は、この位置偏差ｄ１を入力として位置ループ速度指令ｖｃを出力する。本実施の形態では、位置偏差演算部ＳＢ１と位置制御器１５とを含むループが位置ループを構成している。

第２の選択手段ＳＷ２は、制御部１７からの切換指令に応じて接点ｓ１及びｓ２を切り換えて、図示しない上位コントローラが出力する回転速度指令ｒｓｃ［図４（Ｅ）、図５（Ｅ）参照］、オリエンテーション速度を指令するオリエンテーション速度指令ｏｃ［図４（Ａ）、図５（Ａ）参照］及び位置ループ速度指令ｖｃから一つの速度指令を選択する。速度偏差演算部ＳＢ２は、第２の選択手段ＳＷ２が選択した一つの速度指令により指令された指令速度と第１の選択手段ＳＷ１が選択した回転速度または２乗速度ｖ²[図４（Ｄ）、図５（Ｄ）参照］との速度偏差ｄ２を求める。

速度制御器１４は、速度偏差演算部ＳＢ２の出力（ｄ２）を入力としてトルク指令ｔｃを発生する。加算部ＡＤは、トルク指令ｔｃにトルク加算指令ａｃ［図４（Ｆ）、図５（Ｆ）参照］を加算して加算トルク指令ａｔｃを出力する。トルク制御器１６は、加算トルク指令ａｔｃを入力として電流指令ｉｃを出力する。電流指令ｉｃは、モータＭに内蔵されたモータ駆動部に入力されて、モータＭは駆動制御される。

制御部１７は、図示しない上位コントローラから出力される回転速度指令ｒｓｃに基づいてモータＭが運転される定常制御運転時には、第１の選択手段ＳＷ１の接点ｓ３が回転速度ｖを選択し且つ第２の選択手段ＳＷ２の接点ｓ１が回転速度指令ｒｓｃを選択するように、第１の選択手段ＳＷ１及び第２の選択手段ＳＷ２に切換指令を出力する。速度偏差演算部ＳＢ２は、回転速度指令ｒｓｃによって指令された回転速度と速度検出器２から出力された回転速度ｖとの速度偏差ｄ２を速度制御器１４に出力する。このとき加算部ＡＤは、特に何も加算せず、速度制御器１４から出力されたトルク指令ｔｃをそのままトルク制御器６に出力する。したがって定常制御運転時には、上位コントローラからの回転速度指令ｒｓｃに従って速度制御が実施される。

そして制御部１７は、モータＭを定位置に停止させるときには、第１の選択手段ＳＷ１の接点ｓ３が回転速度ｖを選択し且つ第２の選択手段ＳＷ２の接点ｓ１及びｓ２がオリエンテーション速度指令ｏｃを選択する切換指令を第１の選択手段ＳＷ１及び第２の選択手段ＳＷ２に出力する。速度偏差演算部ＳＢ２は、オリエンテーション速度指令ｏｃによって指令されたオリエンテーション速度と速度検出器１２から出力された回転速度ｖとの速度偏差ｄ２を速度制御器１４に出力する。このとき加算部ＡＤは、特に何も加算せず、速度制御器４から出力されたトルク指令ｔｃをそのままトルク制御器１６に出力する。したがってオリエンテーション制御時には、上位コントローラからのオリエンテーション速度指令ｏｃによって指令されたオリエンテーション速度まで速度を徐々に減少させる。

その後、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になった後、制御部１７は、第１の選択手段ＳＷ１の接点ｓ３が２乗速度ｖ²を選択し且つ第２の選択手段ＳＷ２の接点ｓ１及びｓ２が位置ループ速度指令ｖｃを選択し、位置ループ速度指令ｖｃにより指令された速度と２乗速度ｖ²との偏差を速度制御器１４に与える。速度制御器１４から出力されたトルク指令ｔｃに、制御部１７が決定したトルク加算指令ａｃを加算部ＡＤで加算して得た加算トルク指令ａｔｃをトルク制御器１６に与える。

本実施の形態では、オリエンテーション制御に用いる物理変数を用いて定めたスライディングカーブに沿って回転子の位置及び速度を制御することにより回転子を目標位置に停止させるスライディングモード制御が実施されるようにトルク制御器の入力を調整する。ここでスライディングカーブは、トルク制御器に入力されるトルク指令を作るために使用されるもので、制御に利用される物理変数を用いて定められ、且つ物理変数のいずれかを表す関数内に使用されて、スライディングモード制御を可能にする。

本実施の形態では、速度制御器４から出力されるトルク指令ｔｃに加算されるトルク加算指令ａｃを得るための関数内にスライディングカーブを用いている。この場合のスライディングカーブは、次の２つの条件を満たすように定める。第１の条件は、位置偏差ｄ１が予め定めた値より大きいときには、位置制御器１５のゲインＣを減速トルクＴに比例し且つモータのイナーシャＪに反比例する値とした上で、モータＭの最大トルクから制御余裕分を差し引いた値のトルクを得るためのトルク加算指令ａｃをトルク指令ｔｃに加算した加算トルク指令ａｔｃをトルク制御器１６に与えることである。そして第２の条件は、位置偏差ｄ１が予め定めた値以下になると、トルク加算指令ａｃをゼロまたはゼロに近い値［図４（Ｆ）参照］とし、位置制御器１５のゲインＣを、定常偏差を補償する値とすることである。本実施の形態では、トルク加算指令ａｃは制御部１７から出力される。したがって制御部１７では、前述の２つの条件を満たすスライディングカーブが制御部１７内に制御用カーブとして内蔵されており、この制御用カーブに従ってトルク加算指令ａｃが出力されている。

本実施の形態で用いた具体的なスライディングモード制御について、詳細に説明する。本実施の形態で用いるスライディングモード制御では、減速トルクを一定としてスライディングカーブを設定し、このカーブに追従するようにモータの位置と速度を制御する。一定の減速トルクを−Ｔ１としたときに、減速しているモータの運動方程式は、以下のように表すことができる。

Ｊ・ｄΔｖ／ｄｔ−Ｔ１＝０ ・・・・・・・（１）
ただし上記式（１）において、Ｊはモータのイナーシャであり、Δｖは速度偏差である。位置偏差をΔｘとすると、Δｖ＝ｄΔｘ／ｄｔゆえ、上記（１）式は、以下のようになる。

Ｃ１Δｘ−Δｖ²＝０ ・・・・・・（２）
ただし、上記式（２）において、Ｃ１＝２（Ｔ１／Ｊ）である。

従って、スライディングカーブＳは以下のように表すことができる。

Ｓ＝ＣΔｘ±ｖ² ・・・・・・（３）
上記式（３）において、「＋」はｖ＜０の場合であり、「−」はｖ≧０の場合である。

また上記式（３）において、Δｘ＞ｘ_０の場合には、Ｃ＝２（Ｔ１／Ｊ）であり、Δｘ≦ｘ_０の場合には、Ｃ＝Ｃ_０である。ここでｘ_０［図４（Ａ）参照］は目標位置に近い位置に対応する予め定めた値である。Ｃ_０は定常偏差の補償のための微小値である。目標位置に近い予め定めた位置に対応する値ｘ_０近傍までは、減速トルク−Ｔ１を中心に制御し、予め定めた値ｘ_０以降では減速トルク＝０となるため、計算上のＣの値は０になるが、本実施の形態では、定常偏差の補償として微小値Ｃ_０にＣを設定する。従って加算トルク指令は、以下のように表すことができる。

Ｔｃｍｄ＝Ｔ＋ＫＳ ・・・・・・・（４）
すなわちＴｃｍｄ＝Ｔ＋ＫＳ＝Ｔ＋Ｋ（ＣΔｘ±ｖ²）となる。

上記（４）式において、Δｘ＞ｘ_０の場合には、Ｔ＝−Ｔ１であり、Δｘ≦ｘ_０の場合には、Ｔ＝０である。そしてＫは定数である。

図３に、本実施の形態の制御で用いたスライディングカーブを示す。図３には、負荷イナーシャを変えたときに、本実施の形態で定められる２種類のスライディングカーブを示す。負荷イナーシャが小さくなると、スライディングカーブの傾斜は大きくなり、負荷イナーシャが大きくなると、スライディングカーブの傾斜は小さくなる。また図３に示されるように、スライディングモード制御を実施すると、モータの回転子はスライディングカーブに沿って停止位置へとスライドする。制御部１７は、回転子が目標位置に停止した後は、上位制御装置にオリエンテーション完了信号を出力する。

本実施の形態では、スライディングモード制御システムと従来のモータ制御システムとを比較し、次のように両者の物理変数を対応させることにより、既存のモータ制御システムの構成を大きく変えることなく、既存のモータ制御システムにスライディングモード制御を適用することを可能にした。

・変数Ｔをトルク加算とする。

・変数Ｃを位置制御器１５のゲインとする。

・変数Δｘを位置偏差とする。

・変数Ｋを速度制御器１４のゲインとする。

・変数±ｖ²を速度の２乗速度とする。

これにより、スライディングモード制御のための変数を、位置制御器１５のゲイン、位置偏差、トルク加算などの従来の制御装置で使用している物理変数に対応させて制御を行うことができる。

なおモータの可動子の位置が目標位置近傍にない場合は、トルク加算量Ｔ１をＴ１＝モータの最大トルク×９０％とし、位置制御器１４のゲインＣをＣ＝２（Ｔ１／Ｊ）とするのが好ましい。

ただし、Ｊはモータ及び機械系のイナーシャであり、Ｋは速度制御器のゲインである。トルク加算量Ｔ１は、制御余裕１０％を確保した上で、できるだけ大きなトルクで運転できるように、最大トルクの９０％とする。また、速度制御器１４は比例制御で構成し、スライディングカーブに沿った運転ができるようにする。この速度制御ゲインＫは、実験などにより最適な値を求める。

また位置偏差が小さくなり、目標位置近傍の値ｘ_０になった場合は、
トルク加算量をＴ＝０とし、
位置制御器１５のゲインＣをＣ＝Ｃ_０とし、
速度制御器１４のゲインＫをＫ＝Ｋ_０とする。

ただし、Ｃ_０及びＫ_０は、定常偏差を抑制し、位置決め誤差がでないようにするために必要な値を実験により事前に定めたものである。なおこの場合には、速度制御器１４を比例積分制御で構成するのが好ましい。この変更は制御部１７からの指令に基づいて行えるように、速度制御器１４の構成を予め定めておけばよい。なお制御系をソフトウエアで実現する場合には、プログラムでこの変更は容易に実現可能である。このようにすると定常偏差を抑制し、位置決め誤差がでないようにして、定位置停止制御をすることができる。

また、図２に示すように、スライディングモード制御に切り換わった後は、速度指令を上位コントローラからの速度制限指令値以下に制限し、また、トルク指令を、オリエンテーション速度に至る少し前からスライディングモード制御に切り換わるまで９０％に制限する。このとき速度制御器１４は比例積分制御を行うものとする。そして、スライディングモード制御に切り換わった後の目標値近傍までは、加速方向のトルク指令を０％に制限し、減速方向のトルク指令を１００％として、モータ速度がオリエンテーション速度より上昇しないようにする。このとき速度制御器１４は、比例制御を行うものとする。また停止の少し前からはトルク制限を１００％に戻し、速度制御器１４は比例積分制御を行うものとする。このように速度指令やトルク指令を制限することにより、スライディングモード制御の動作をスムーズにすることができる。停止した後は、制御部１７がオリエンテーション完了信号を上位装置に出力する。

なおスライディングモード制御に切り替わった時の位置指令ｐｃは以下のように算出する。

まず、次の２式を満足する最小のｎを求める。

ｎ≧（（二乗速度）/（位置制御器のゲイン）＋位置フィードバック−位置のシフト量）/（２π×a）
ｎ＜（（二乗速度）/（位置制御器のゲイン）＋位置フィードバック−位置のシフト量）/（２π×a）＋１
ただし、aは回転子一回転当たりのエンコーダパルス分解能である。そして、位置指令ｐｃを以下のように定める。

位置指令＝ｎ×２π＋位置のシフト量
このように位置指令を与えることにより、モータ１回転内の位置に最短に位置決めすることができるようになる。上記式に従って、位置指令ｐｃが図示しない上位コントローラから出力される。

また本実施の形態は、オリエンテーション制御の際に、加速度を算出し、加速度の最大値に基づいて位置制御器１５のゲインＣを決定するオートチューニング部１８を更に備えている。例えば、工具交換が終了した状態では、第２の選択手段ＳＷ２の接点Ｓ１はａ側、第１の選択手段ＳＷ１の接点Ｓ３はａ側になっており、回転速度指令ｒｓｃと速度ｖとの偏差ｄ２が速度制御器１４に与えられ、速度制御器１４からはトルク指令ｔｃがトルク制御器１６に与えられる。モータＭの回転速度は、回転速度指令ｒｓｃ通りになるように制御される。本実施の形態では、モータＭが回転を始めると、エンコーダ１３が出力するモータＭの回転子の位置情報を元に、加速度算出部１９が加速度を算出する。そして加速度算出部１９が算出した加速度信号は、ローパスフィルタ２０に与えられて、ノイズが除去される。ノイズが除去された加速度信号は、絶対値算出部２１に入力されて絶対値化される。絶対値化された絶対加速度は、最大値算出部２２に入力される。最大値算出部２２は、入力される絶対値加速度から最大値を算出して、位置制御ゲイン算出部２３に絶対値加速度の最大値ＡＣＣＰを入力する。位置制御ゲイン算出部２３は、最大値ＡＣＣＰを元に位置制御ゲインを算出する。算出された位置制御ゲインＣは、位置制御器１５にセットされる。

ここで、本実施の形態では、位置制御ゲイン算出部２３は位置制御ゲインＣを下記の式に基づいて算出する。

Ｃ＝２×ＡＣＣＰ×Ｇ_０ ・・・・・・・（５）
上記式（５）において、Ｇ_０は制御が安定するように使用する定数である。この定数Ｇ_０は、シミュレーションもしくは実験によって求めることができる。ちなみに図４に示すタイムチャートをシミュレーションしたときのＧ_０は、０．８であった。この位置制御ゲインＣの初期値Ｃ１は、実験などにより、安定性を維持できる値に設定しておく。そして、モータが加速を開始すると、位置制御ゲインＣを算出し続け、最も加速度の絶対値が大きなときの値に基づいて、そのときの位置制御ゲインＣが設定される。このように、モータが出力できるトルクと負荷イナーシャで決まる最大加速度に基づく位置制御ゲインＣを用いると、スムーズで且つ最速のスライディング制御を行うことができる。そして、オリエンテーション完了指令が終了したら、位置制御ゲインＣの値を初期値Ｃ１に戻す。

このようにして本実施の形態では、減速トルク−Ｔ１で減速するときに、それぞれの負荷イナーシャに応じた位置制御ゲインＣの値を求めることができる。その結果、モータの負荷イナーシャが変わっても、オートチューニング部１８がそれに応じた位置制御ゲインを算出するため、前述のスライディングカーブも負荷イナーシャに応じたものとなる。また、本実施の形態によれば、減速トルク−Ｔ１を得るためのトルク指令を与えたときのモータのトルク定数のばらつきも補償される。 図４及び図５から、負荷イナーシャが変わっても安定した高速な位置決めを実現できることが判る。

なお、速度制御器１４のゲインＫも位置制御器１５のゲインＣに合わせて適宜に変更するようにしてもよい。

本実施の形態によれば、イナーシャの推定をトルクの推定も含めた形でモータの加速度として取り扱い、定位置停止制御毎に、モータの加速度を元にしてスライディングカーブを求め、このスライディングカーブに従ってモータを定位置停止制御する。したがって、モータによって駆動されるツールが変わって負荷イナーシャが変わった場合や、モータのトルク定数が変化した場合でも、それぞれの負荷イナーシャやモータのトルク定数に応じた安定で高速な定位置停止制御が実現できる。

図６は、本発明のモータの制御装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。図６には、図１に示した実施の形態と同様の部分には、図１に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付してある。第２の実施の形態は、図１に示した実施の形態と比べて、スライディングモード制御を行わない点で相違する。そのため第２の実施の形態は、図１に示した実施の形態と比べて、トルク加算指令をトルク指令ｔｃに加算しない点と、速度検出器１１２が回転速度ｖを出力するだけで、２乗速度ｖ²は出力しない点と、第１の選択手段ＳＷ１を備えていない点が構成上相違する。第２の実施の形態では、工具交換が終了した状態では、第２の選択手段ＳＷ２の接点Ｓ１はａ側、第１の選択手段ＳＷ１の接点Ｓ３はａ側になっており、回転速度指令ｒｓｃと速度ｖとの偏差ｄ２が速度制御器１４に与えられ、速度制御器１４からはトルク指令ｔｃがトルク制御器１６に与えられる。モータＭの回転速度は、回転速度指令ｒｓｃ通りになるように制御される。回転速度指令が入力されるとモータＭは図７に示すように、加速して回転速度指令の速度で回転する。モータが回転を開始すると、エンコーダ１１３が出力するモータＭの回転子の位置情報を元に、加速度算出部１１９が加速度を算出する。そして加速度算出部１１９が算出した加速度信号は、ローパスフィルタ１２０に与えられて、ノイズが除去される。ノイズが除去された加速度信号は、絶対値算出部１２１に入力されて絶対値化される。絶対値化された絶対加速度は、最大値算出部１２２に入力される。最大値算出部１２２は、入力される絶対値加速度から最大値を算出して、位置制御ゲイン算出部１２３に絶対値加速度の最大値ＡＣＣＰを入力する。位置制御ゲイン算出部１２３は、最大値ＡＣＣＰを元に位置制御ゲインを算出する。算出された位置制御ゲインＣは、位置制御器１１５にセットされる。

オリエンテーション指令が出力されると、第２の選択手段ＳＷ２のスイッチＳ１をｂ側、第３の選択手段ＳＷ３のスイッチＳ２をａ側にし、オリエンテーション速度指令で速度制御する。これにより、モータ回転速度は徐々に低下してきてオリエンテーション速度で回転する。位置制御器１１５は、モータ１回転内のどこの位置で停止させるかを示す位置指令ｐｃと位置ｐの偏差を取り、位置制御器１１５を通して位置ループからの速度指令ｖｃを算出する。位置ループからの速度指令ｖｃがオリエンテーション速度指令以下になると、第２の選択手段ＳＷ２のスイッチＳ２をｂ側に切り替えて位置制御を行い、モータは指令停止位置で停止する。モータが停止するとオリエンテーション完了信号を出力し、定位置停止制御が完了する。

モータＭの加速度と位置制御ゲインＣの関係は、あらかじめ実験などにより求めておき、任意の関数に近似したデータとして位置制御ゲイン算出部２３に保存しておいて、加速度に応じて読み出すようにしてもよい。図８は、加速度と位置制御ゲインＣの関係の一例を示している。本実施の形態によれば、モータＭの負荷イナーシャが変わってもそれに適した位置制御ゲインＣが自動で選択される。このように、モータが出力できるトルクと負荷イナーシャで決まる最大加速度に基づく位置制御ゲインでオリエンテーションを行う。そして、オリエンテーションが終了したら、位置制御ゲインＣの値を初期値に戻す。

図９は、図６の実施の形態において、負荷イナーシャが小さい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果である。図１０は負荷イナーシャが大きい場合の定位置停止制御のシミュレーション結果である。図９及び図１０から、負荷イナーシャが変わっても安定した高速な位置決めを実現できていることが確認できる。なお、速度制御器１１４のゲインも位置制御器１１５のゲインに合わせて変更するようにしてもよい。

上記実施の形態の主要部は、すべてソフトウエアによって実現できるのは勿論である。

本発明によれば、イナーシャの変化及びトルク定数の変化を、加速度の絶対値の最大値に基づいて推定し、オリエンテーション毎にモータの加速度を基にして位置制御器のゲインを決定してオリエンテーション制御を行う。またスライディングモード制御を用いる場合は、オリエンテーション制御に利用される物理変数を元にスライディングカーブを求め、このスライディングカーブに従ってモータを定位置停止制御することができる。これにより、ツールが変わって負荷イナーシャが変わった場合や、モータのトルク定数が変化した場合でも、それぞれの負荷イナーシャやモータのトルク定数に応じた安定で高速な定位置停止制御が実現できる。

１１ モータの制御装置
１２ 速度検出器
１３ エンコーダ
１４ 速度制御器
１５ 位置制御器
１６ トルク制御器
１７ 制御部
１８ オートチューニング部

Claims (12)

1. 回転速度指令により指令された指令速度とモータの回転子の回転速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えて、前記回転子の前記回転速度が前記回転速度指令通りになるように前記モータの速度を速度制御し、
   オリエンテーション速度指令が出力されると、オリエンテーション速度指令により指令されたオリエンテーション速度と前記モータの速度との偏差を前記速度制御器に通して得たトルク指令を前記トルク制御器に与えて、前記回転子の前記回転速度が前記オリエンテーション速度になるように前記回転子の速度をオリエンテーション制御し、
   前記回転子の前記回転速度が前記オリエンテーション速度になった後、前記回転子の１回転内のどこの位置で停止させるかを示す位置指令により指令された指令位置と前記回転子の位置との位置偏差を取り、前記位置偏差を位置制御器に通して得た位置ループ速度指令と前記回転速度を２乗して符号化した２乗速度との偏差を前記速度制御器に出力して得たトルク指令を前記トルク制御器に入力し、
   前記オリエンテーション制御を開始する前に、前記回転子の加速度を算出し、前記加速度の絶対値の最大値に基づいて前記位置制御器のゲインを決定することを特徴とするモータの制御方法。
2. 位置制御器、速度制御器及びトルク制御器を備え、回転速度指令により指令された指令速度とモータの回転子の回転速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えて、前記回転子の前記回転速度が前記回転速度指令通りになるように前記モータの速度を速度制御し、位置制御器に入力される位置指令に応じて前記回転子の停止位置を制御するモータの制御方法であって、前記回転子の加速度を算出し、前記加速度の絶対値の最大値に基づいて前記位置制御器のゲインを決定することを特徴とするモータの制御方法。
3. 前記ゲインをＣとしたときに、ゲインＣをＣ＝２×ＡＣＣＰ×Ｇ_０の式に基づいて算出し、但し上記式においてＡＣＣＰは、前記加速度の絶対値の最大値ＡＣＣＰであり、Ｇ_０は制御が安定するように使用する定数であることを特徴とする請求項１または２に記載のモータの制御方法。
4. 前記加速度を示す加速度信号をローパスフィルタに通してノイズが除去し、ノイズが除去された加速度信号を絶対値化して絶対値化された加速度を求め、前記絶対値化された加速度から前記最大値ＡＣＣＰを算出する請求項３に記載のモータの制御方法。
5. 前記ゲインＣとして初期値Ｃ１を前記位置制御器に設定し、前記モータが加速を開始すると、前記ゲインＣを前記式に基づいて算出し続け、更に前記加速度の絶対値の前記最大値が得られたときの前記ゲインＣを前記位置制御器のゲインとして設定し、オリエンテーション制御が終了した後に、前記位置制御器の前記ゲインの値を前記初期値Ｃ１に戻す請求項４に記載のモータの制御方法。
6. 前記オリエンテーション制御に利用される物理変数を用いて定めたスライディングカーブに沿って前記回転子の位置及び速度を制御することにより前記回転子を目標位置に停止させるスライディングモード制御が実施されるように前記トルク制御器の入力を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータの制御方法。
7. モータの前記回転子の回転速度を検出して前記回転速度及び前記回転速度の２乗に相当する２乗速度を出力する速度検出器と、
   前記速度検出器の出力を選択する第１の選択手段と、
   前記回転子の回転位置を検出する位置検出器と、
   前記回転子の１回転内のどこの位置で前記回転子を停止させるかを示す位置指令によって指令された位置と前記回転位置との位置偏差を求める位置偏差演算部及び前記位置偏差を入力として位置ループ速度指令を出力する位置制御器を含む位置ループと、
   上位コントローラが出力する回転速度指令、オリエンテーション速度を指令するオリエンテーション速度指令及び前記位置ループ速度指令から一つの速度指令を選択する第２の選択手段と、
   前記第２の選択手段が選択した前記一つの速度指令により指令された指令速度と前記第１の選択手段が選択した前記回転速度または前記２乗速度との速度偏差を求める速度偏差演算部と、
   前記速度偏差演算部の出力を入力としてトルク指令を発生する速度制御器と、
   前記トルク指令にトルク加算指令を加算して加算トルク指令を出力する加算部と、
   前記加算トルク指令を入力として電流指令を出力するトルク制御器と、
   定常制御運転時には、前記第１の選択手段が前記回転速度を選択し且つ前記第２の選択手段が前記回転速度指令を選択し、停止時には前記第１の選択手段が前記回転速度を選択し且つ前記第２の選択手段が前記オリエンテーション速度指令を選択して前記オリエンテーション速度指令と前記回転速度との偏差を前記速度制御器に通して得たトルク指令を前記トルク制御器に与えて、前記回転子の前記回転速度が前記オリエンテーション速度になるように前記回転子の速度をオリエンテーション制御し、その後、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になった後、第１の選択手段が２乗速度を選択し且つ第２の選択手段が位置ループ速度指令を選択し、位置ループ速度指令により指令された速度と２乗速度との偏差を速度制御器に通して得たトルク指令をトルク制御器に与えるように制御する制御部と、
   前記オリエンテーション制御の前に、前記回転子の加速度を算出し、前記加速度の絶対値の最大値に基づいて前記位置制御器のゲインＣを決定するオートチューニング部を備えていることを特徴とするモータの制御装置。
8. モータの前記回転子の回転速度を検出して前記回転速度を出力する速度検出器と、
   前記回転子の回転位置を検出する位置検出器と、
   前記回転子の１回転内のどこの位置で前記回転子を停止させるかを示す位置指令によって指令された位置と前記回転位置との位置偏差を求める位置偏差演算部及び前記位置偏差を入力として位置ループ速度指令を出力する位置制御器を含む位置ループと、
   上位コントローラが出力する回転速度指令、オリエンテーション速度を指令するオリエンテーション速度指令及び前記位置ループ速度指令から一つの速度指令を選択する選択手段と、
   前記選択手段が選択した前記一つの速度指令により指令された指令速度と前記回転速度との速度偏差を求める速度偏差演算部と、
   前記速度偏差演算部の出力を入力としてトルク指令を発生する速度制御器と、
   前記加算トルク指令を入力として電流指令を出力するトルク制御器と、
   定常制御運転時には、前記選択手段が前記回転速度指令を選択し、停止時には前記選択手段が前記オリエンテーション速度指令を選択して前記オリエンテーション速度指令と前記回転速度との偏差を前記速度制御器に通して得たトルク指令を前記トルク制御器に与えて、前記回転子の前記回転速度が前記オリエンテーション速度になるように前記回転子の速度をオリエンテーション制御し、その後、回転子の回転速度がオリエンテーション速度になった後、前記選択手段が位置ループ速度指令を選択するように制御する制御部と、
   前記オリエンテーション制御の前に、前記回転子の加速度を算出し、前記加速度の絶対値の最大値に基づいて前記位置制御器のゲインＣを決定するオートチューニング部を備えていることを特徴とするモータの制御装置。
9. 前記オートチューニング部は、前記ゲインをＣとしたときに、ゲインＣをＣ＝２×ＡＣＣＰ×Ｇ_０の式に基づいて算出するように構成され、但し上記式においてＡＣＣＰは、前記加速度の絶対値の最大値ＡＣＣＰであり、Ｇ_０は制御が安定するように使用する定数であることを特徴とする請求項７または８に記載のモータの制御装置。
10. 前記加速度を示す加速度信号からノイズを除去するローパスフィルタと、
    前記ローパスフィルタによりノイズが除去された加速度信号を絶対値化して絶対値化された加速度を求める絶対値算出部と、
    前記絶対値化された加速度から前記最大値ＡＣＣＰを算出する最大値算出部と、
    前記最大値に基づいて前記ゲインを算出する位置制御ゲイン算出部とから前記オートチューニング部が構成されている請求項９に記載のモータの制御装置。
11. 前記位置制御ゲイン算出部は前記モータが加速を開始すると、前記ゲインＣを前記式に基づいて算出し続け、前記位置制御ゲイン算出部は前記ゲインＣとして初期値Ｃ１を前記位置制御器に設定し、前記最大値算出部が前記最大値を算出すると、算出した前記ゲインＣを前記位置制御器のゲインとして設定し、オリエンテーション制御が終了した後に、前記位置制御器の前記ゲインの値を前記初期値Ｃ１に戻すように構成されている請求項１０に記載のモータの制御装置。
12. 前記制御部は、オリエンテーション制御に利用される物理変数に基づいて定めたスライディングカーブに沿って前記回転子の位置及び速度を制御することにより前記回転子を目標位置に停止させるスライディングモード制御が実施されるように前記トルク制御器の入力を調整するように構成されている請求項７に記載のモータの制御装置。

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