JP2015033183A

JP2015033183A - モータの制御装置

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Publication number: JP2015033183A
Application number: JP2013160083A
Authority: JP
Inventors: 弘藤原; Hiroshi Fujiwara
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-16

Abstract

【課題】電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】電動機の制御装置１０１は、上位コントローラ（図示なし）より入力される位置指令信号ｘ＊に応じて、駆動対象となる機械１０２を駆動制御する。位置指令補正部１０３は、位置指令ｘ＊を補正して位置指令補正信号ｘｍ＊として出力する。フィードフォワード制御部１０４は、位置指令補正信号ｘｍ＊が入力され、フィードフォワード位置信号ｘｓ＊、フィードフォワード速度信号ｗｓ＊、フィードフォワードトルク信号τｓ＊を出力する。フィードフォワードトルク補正部１０５は、フィードフォワードトルク信号τｓ＊が入力され、フィードフォワードトルク補正信号τｃ＊を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品実装機や半導体製造装置の駆動部のような負荷機械を電動機によって駆動する電動機の制御装置に関する。

従来の電動機の制御装置として、機械が電動機と負荷の二慣性系と見なせる場合に、機械の特性値を用いて位置、速度、及びトルクのフィードフォワード信号を求めることで、機械に生じる振動を低減できるものがあった（例えば、特許文献１参照）。

（従来例１）
図８は、特許文献１などに記載された従来の電動機の制御装置であるサーボ制御装置の構成の一例を示すものである。図８において、サーボ制御装置８０１があり、制御対象の機械８０２は機械構成要素であり、電動機８１７に負荷８１８が取り付けられている。電動機には位置及び速度の検出器（図示していない）が取り付けられている。

ＦＩＲフィルタ部８０３及びＦＩＲフィルタ８０６は、目標とする応答が得られるよう、位置指令信号ｘ^＊を補正する。機械特性補償部８０４は、補正された位置指令信号ｘＦＩＲ^＊から、機械８０２の特性に対応した所定の周波数成分を減衰して、位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算する。機械特性補償部８０４において、位置指令演算器８０７は、補正された位置指令信号ｘＦＩＲ^＊から機械８０２の反共振周波数成分を減衰して、位置のフィードフォワード信号ｘＦ^＊を演算する。

微分器８０８は、補正された位置指令信号ｘＦＩＲ^＊を微分する。速度指令演算器８０９は、微分器８０８による演算値から機械８０２の反共振周波数成分を減衰して、速度のフィードフォワード信号ｗＦ^＊を演算する。演算器８１０は、微分器８０８による演算値を微分すると共に機械８０２の電動機８１７のイナーシャと負荷８１８の合計イナーシャである総イナーシャを乗算する。トルク指令演算器８１１は、演算器８１０による演算値から機械８０２の共振周波数成分を減衰して、トルクのフィードフォワード信号τＦ^＊を演算するものである。

フィードバック制御部８０５は、演算された位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号に応じて機械８０２を駆動する。

機械８０２が、電動機８１７と負荷８１８の間の剛性が低い場合に、機械特性補償部８０４において、機械８０２の特性値（共振周波数、反共振周波数、総イナーシャ）を用いて位置、速度、及びトルクのフィードフォワード信号を求めることで、機械８０２の特性に起因する振動を低減することができる。なお、ここではＦＩＲフィルタ８０６と、減算器８１２、位置制御器８１３と、加減算器８１４と、速度制御器８１５と、加算器８１６と、を構成要素として有する。

また、別の従来の電動機の制御装置として、機械が電動機と負荷の間の剛性が高く、電動機と電動機設置台の間の剛性が低い場合に、機械の特性値を用いて位置、速度、及びトルクのフィードフォワード信号を求めることで、機械に生じる振動を低減できるものがあった（例えば、特許文献２参照）。

（従来例２）
図９は、特許文献２などに記載された従来の電動機の制御装置であるサーボ制御装置の構成の一例を示すものである。図９の機械特性補償部９０４では、位置指令信号ｘ^＊が機械特性補償部９０４に直接に入力され、位置のフィードフォワード信号ｘＦ^＊としている。

また、微分器８０８は、位置指令信号ｘ^＊を微分して速度のフィードフォワード信号ｗＦ^＊を演算する。演算器８１０は微分器８０８による演算値を微分すると共に機械８０２の電動機８１７と負荷８１８の合計イナーシャである総イナーシャを乗算し、振動抑制フィルタ９０１は、演算器８１０の演算値から機械８０２の共振周波数成分を減衰し、反共振周波数成分を増幅して、トルクのフィードフォワード信号τＦ^＊を演算する。その他の構成は、図８と同等である。

機械８０２が、電動機８１７と負荷８１８の間の剛性は高いが、電動機８１７と電動機設置台（不図示）の間の剛性が低い場合に、振動抑制フィルタ９０１において、機械８０２の特性値（共振周波数、反共振周波数、総イナーシャ）を用いてトルクのフィードフォワード信号を演算することで、機械８０２の特性に起因する振動を低減することができる。

特開２００４−２７２８８３号公報特開２００９−７０３９６号公報

しかしながら、前記従来の構成は、以上のように構成されているので、特許文献１記載のサーボ制御装置にあっては、電動機と負荷の間の剛性が低い場合は、機械の特性に起因する振動を低減することができるが、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合は、図１０に示すように、機械の特性に起因する振動を低減することができなかった。

また、特許文献２記載のサーボ制御装置にあっては、電動機と負荷の間の剛性が高く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性が低い場合は、機械の特性に起因する振動を低減することができるが、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合は、図１１に示すように、機械の特性に起因する振動を低減することができなかった。

本発明は、これらの課題を解決するもので、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明の電動機の制御装置は、位置指令信号が入力され、駆動対象機械の特性に応じて前記位置指令信号を補正し、位置指令補正信号として出力する位置指令補正部と、前記位置指令補正信号が入力され、位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算し、フィードフォワード位置信号、フィードフォワード速度信号、フィードフォワードトルク信号として出力するフィードフォワード制御部と、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、前記駆動対象機械の特性に応じて前記フィードフォワードトルク信号を補正し、フィードフォワードトルク補正信号を出力するフィードフォワードトルク補正部と、前記フィードフォワード位置信号と、前記フィードフォワード速度信号と、前記フィードフォワードトルク補正信号が入力され、前記駆動対象機械を駆動するためのトルク指令信号を出力するフィードバック制御部と、から構成されることを特徴とすることにより、機械の特性に起因する振動を生じさせない位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算することができるので、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の電動機の制御装置を、前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷の反共振周波数成分を減衰させて、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記負荷特性指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との共振周波数成分以下の、ある特定の周波数成分を増幅させて、位置指令補正信号として出力する機台特性位置指令補正部と、から構成され、前記フィードフォワードトルク補正部は、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、負荷と電動機の共振周波数成分を減衰させ、負荷と電動機との反共振周波数成分を増幅させて、負荷特性トルク指令補正信号として出力する負荷特性トルク指令補正部と、前記負荷特性トルク指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅させて、フィードフォワードトルク補正信号として出力する機台特性トルク指令補正部と、から構成されることにより、負荷と電動機、そして電動機と電動機設置台との間で、それぞれ振動を生じさせない位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算することができるので、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の電動機の制御装置を、前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷の反共振周波数成分を減衰させて、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記負荷特性指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を増幅させて、位置指令補正信号として出力する機台特性位置指令補正部と、から構成されることを特徴とすることにより、負荷と電動機、そして電動機と電動機設置台との間で、それぞれ振動を生じさせない位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算することができるので、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる。

第４の発明は、特に、第２の発明の電動機の制御装置を、前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷の反共振周波数成分を減衰させて、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記負荷特性指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との共振周波数ωｐＢ、電動機のイナーシャと負荷のイナーシャの合計イナーシャＪａｌｌ、電動機設置台のイナーシャＪＢを用いた、以下の（１Ａ）式で表される周波数ω、

の周波数成分を増幅させて、位置指令補正信号として出力する機台特性位置指令補正部と、から構成されることを特徴とすることにより、負荷と電動機、そして電動機と電動機設置台との間で、それぞれ振動を生じさせない位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算することができるので、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる。

第５の発明は、特に、第１の発明の電動機の制御装置を、前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷との反共振周波数成分を減衰させ、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記位置指令信号が入力され、特定の周波数帯域の成分を抽出して、位置指令抽出信号として出力するバンドパスフィルタ部と、前記位置指令抽出信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅して、機台特性位置指令抽出信号として出力する機台特性抽出部と、前記負荷特性位置指令補正信号と、前記機台特性位置指令抽出信号とを加算して、位置指令補正信号として出力する加算器と、から構成され、前記フィードフォワードトルク補正部は、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、負荷と電動機の共振周波数成分を減衰させ、負荷と電動機の反共振周波数成分を増幅させて、負荷特性トルク指令補正信号として出力する負荷特性トルク指令フィルタ部と、前記負荷特性トルク指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅させて、フィードフォワードトルク補正信号として出力する機台特性トルク指令補正部と、から構成されることを特徴とすることにより、負荷と電動機、そして電動機と電動機設置台との間で、それぞれ振動を生じさせない位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算することができるので、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる。

第６の発明は、特に、第１の発明の電動機の制御装置を、前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷との反共振周波数成分を減衰させ、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記位置指令信号が入力され、特定の周波数帯域の成分を抽出して、位置指令抽出信号として出力するバンドパスフィルタ部と、前記位置指令抽出信号が入力され、遅延させて、位置指令抽出遅延信号として出力する遅延器と、前記位置指令抽出遅延信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅して、機台特性位置指令抽出信号として出力する機台特性抽出部と、
前記負荷特性位置指令補正信号と、前記機台特性位置指令抽出信号とを加算して、位置指令補正信号として出力する加算器と、から構成され、前記フィードフォワードトルク補正部は、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、負荷と電動機の共振周波数成分を減衰させ、負荷と電動機の反共振周波数成分を増幅させて、負荷特性トルク指令補正信号として出力する負荷特性トルク指令フィルタ部と、前記負荷特性トルク指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅させて、フィードフォワードトルク補正信号として出力する機台特性トルク指令補正部と、から構成されることを特徴とすることにより、負荷と電動機、そして電動機と電動機設置台との間で、それぞれ振動を生じさせない位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算することができるので、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる。

本発明の電動機の制御装置は、電動機と負荷の間の剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台の間の剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができる。

本発明の実施例１における電動機の制御装置の構成を示すブロック図本発明の実施例１における位置指令補正部の構成を示すブロック図本発明の実施例１におけるフィードフォワードトルク補正部の構成を示すブロック図本発明の実施例１による電動機の制御装置の位置決め応答を示す特性図本発明の実施例２における電動機の制御装置の構成を示すブロック図本発明の実施例２における位置指令補正部の構成を示すブロック図本発明の実施例２による電動機の制御装置の位置決め応答を示す特性図従来例１のサーボ制御装置の構成を示すブロック図従来例２のサーボ制御装置の構成を示すブロック図従来例１のサーボ制御装置の位置決め応答を示す特性図従来例２のサーボ制御装置の位置決め応答を示す特性図

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施例によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施例における電動機の制御装置の構成の一例を示すものである。図１において、電動機の制御装置１０１は、上位コントローラ（図示なし）より入力される位置指令信号ｘ^＊に応じて、駆動対象となる機械１０２を駆動制御するものである。

位置指令補正部１０３は、位置指令ｘ^＊を補正して位置指令補正信号ｘｍ^＊として出力する。

フィードフォワード制御部１０４は、位置指令補正信号ｘｍ^＊が入力され、フィードフォワード位置信号ｘｓ^＊、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊、フィードフォワードトルク信号τｓ^＊を出力する。

フィードフォワードトルク補正部１０５は、フィードフォワードトルク信号τｓ^＊が入力され、フィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊を出力する。フィードバック制御部１０６は、フィードフォワード位置信号ｘｓ^＊、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊、フィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊、電動機位置信号ｘｍが入力され、電動機を駆動するためのトルク指令信号τｉｎ^＊を出力する。

フィードフォワード制御部１０４においては、入力された位置指令補正信号ｘｍ^＊が、そのままフィードフォワード位置信号ｘｓ^＊として出力される。また、微分器１０７は、入力された位置指令補正信号ｘｍ^＊を微分し、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊として出力する。

演算器１０８は、入力された微分器１０７の演算値を微分して、電動機１１４のイナーシャと負荷１１５のイナーシャの合計イナーシャを乗算し、フィードフォワードトルク信号τｓ^＊として出力する。

フィードバック制御部１０６の構成においては、減算器１０９は、フィードフォワード位置信号ｘｓ^＊から電動機位置信号ｘｍを減算して、位置制御器１１０に出力する。そして位置制御器１１０は、速度制御出力ｗｃを演算して出力する。微分器１１８は、入力された電動機位置信号ｘｍを微分して、電動機速度信号ｗｍを出力する。

加減算器１１１は、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊と速度制御信号ｗｃを加算し、電動機速度信号ｗｍを減算して、速度制御器１１２に出力する。速度制御器１１２は、トルク制御信号τｃを演算して出力する。加算器１１３はであり、フィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊とトルク制御信号τｃを加算し、電動機を駆動するためのトルク指令信号τｉｎ^＊として出力する。

機械１０２は、電動機１１４と負荷１１５、そして電動機設置台１１６から構成されている。電動機１１４は電動機設置台１１６の上に設置されており、トルク指令信号τｉｎ^＊に応じて負荷１１５を駆動する。また電動機１１４には、位置検出器１１７が接続されている。位置検出器１１７は、電動機１１４の位置を検出して電動機位置信号ｘｍとして出力する。

図２は、位置指令補正部１０３の構成の詳細を示すものである。負荷特性位置指令補正部２０１は、位置指令信号ｘ^＊が入力され、負荷特性位置指令補正信号ｘＬ^＊として出力する。機台特性位置指令補正部２０２は、負荷特性指令補正信号ｘＬ^＊が入力され、位置指令補正信号ｘｍ^＊を出力する。

図３は、フィードフォワードトルク補正部１０５の構成の詳細を示すものである。負荷特性トルク指令補正部３０１は、フィードフォワードトルク信号τｓ^＊が入力され、負荷特性トルク指令補正信号τＬ^＊として出力する。機台特性トルク指令補正部３０２は、負荷特性トルク指令補正信号τＬ^＊が入力され、フィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊として出力する。

以上のように構成された電動機の制御装置について、以下その動作、作用を説明する。
位置指令補正部１０３では、位置指令信号ｘ^＊が負荷特性位置指令補正部２０１に入力されて、負荷特性位置指令補正信号ｘＬ^＊が演算される。そして、負荷特性位置指令信号ｘＬ^＊は、機台特性位置指令補正部２０２に入力され、位置指令補正信号ｘｍ^＊が演算される。

負荷特性位置指令補正部２０１は、入力信号ｘ^＊中の、電動機１１４と負荷１１５との反共振周波数ωｚの成分を減衰して出力する。入力信号ｘ^＊と出力信号ｘＬ^＊との間の関係は、次の（１）式で表される。ｓはラプラス演算子である。

また、機台特性位置指令補正部２０２は、入力信号ｘＬ^＊中の、電動機と電動機設置台との共振周波数ωｐＢの成分を増幅し、電動機と電動機設置台との反共振周波数ωｚＢの成分を減衰して出力する。入力信号ｘＬ^＊と出力信号ｘｍ^＊との間の関係は、次の（２）式で表される。

式と（２）式から、位置指令補正部１０３の入力信号ｘ^＊と出力信号ｘｍ^＊との間の関係は、次の（３）式で表される。

次に、フィードフォワード制御部１０４では、位置指令補正信号ｘｍ^＊が入力され、フィードフォワード位置信号ｘｓ^＊として出力される。ｘｍ^＊は微分器１０７に入力され、微分されてフィードフォワード速度信号ｗｓ^＊として出力される。そして、ｗｓ^＊は演算器１０８に入力され、微分された後、電動機１１４のイナーシャと負荷１１５のイナーシャの合計イナーシャＪａｌｌが乗算された後、フィードフォワードトルク信号τｓ^＊として出力される。

フィードフォワードトルク補正部１０５では、フィードフォワードトルク信号τｓ^＊が負荷特性トルク指令補正部３０１に入力され、負荷特性トルク指令補正信号τＬ^＊として出力される。そして負荷特性トルク指令補正信号τＬ^＊は、機台特性トルク指令補正部３０２に入力され、フィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊として出力される。

負荷特性トルク指令補正部３０１は、入力信号τｓ^＊中の、電動機１１４と負荷１１５との共振周波数ωｐの成分を減衰し、電動機１１４と負荷１１５との反共振周波数ωｚの成分を増幅して出力する。入力信号τｓ^＊と出力信号τＬ^＊との間の関係は、次の（４）式で表される。

そして、機台特性トルク指令補正部３０２は、入力信号τＬ^＊中の、電動機と電動機設置台１１６との共振周波数ωｐＢの成分を減衰し、電動機１１４と電動機設置台１１６との反共振周波数ωｚＢの成分を増幅して出力する。入力信号τＬ^＊と出力信号τｃ^＊との間の関係は、次の（５）式で表される。

（４）式と（５）式から、フィードフォワードトルク補正部１０５の入力信号τｓ^＊と出力信号τｃ^＊との間の関係は、次の（６）式で表される。

次に、フィードフォワード位置信号ｘｓ^＊、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊、フィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊は、フィードバック制御部１０６に入力される。

フィードバック制御部１０６では、減算器１０９において、フィードフォワード位置信号ｘｓ^＊から、位置検出器１１７より出力される電動機位置信号ｘｍを減じて位置制御器１１０に出力し、位置制御器１１０では、速度制御信号ｗｃを求める。

なお、位置制御器１１０はフィードバック制御系が安定になるものであれば、どのような構成でも良いが、通常は比例制御器等が用いられる。

また、加減算器１１１において、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊と速度制御信号ｗｃとを加算した値から、微分器１１８より出力された電動機位置信号ｘｍの微分値である電動機速度信号ｗｍを減じて速度制御器１１２に出力し、速度制御器１１２では、トルク制御信号τｃを求める。なお、速度制御器１１２はフィードバック制御系が安定になるものであれば、どのような構成でも良いが、通常は比例積分制御器等が用いられる。

更に加算器１１３において、トルクフィードフォワード補正信号τｃ^＊とトルク制御信号τｃとを加算した値がトルク指令信号τｉｎ^＊として機械１０２に出力されて電動機１１４が駆動される。電動機１１４が発生するトルクは、トルク指令信号τｉｎ^＊に十分速く追従するものである。

このような構成によれば、機械１０２の振動特性に応じて、機械１０２の負荷位置ｘＬが、位置指令信号ｘ^＊に追従するように適切に演算されたフィードフォワード位置信号ｘｓ^＊、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊、及びフィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊が、フィードバック制御部１０６に入力されるため、負荷位置ｘＬが、位置指令信号ｘ^＊に追従する。

このことを式で表現すると、次のようになる。電動機１１４で発生するトルクτｍと負荷位置ｘＬとの間の関係は、次の（７）式のようになる。

ここで、ＪＢは電動機設置台のイナーシャである。また、電動機で発生するトルクτｍと電動機位置信号ｘｍとの間の関係は、次の（８）式のようになる。

（７）式と（８）式から、電動機位置信号ｘｍと負荷位置ｘＬの間の関係は、次の（９）式のようになる。

ここで、Ｊａｌｌ＞＞ＪＢとし、Ｊａｌｌ／（ＪＢ＋Ｊａｌｌ）＝Ｊａｌｌ／ＪＢ＝Ｊｍ／（ＪＢ＋Ｊａｌｌ）＝０と仮定して、（９）式を以下の（１０）式のように変換する。

（１０）式より、位置指令信号ｘ^＊と負荷位置ｘＬが一致するには、位置指令信号ｘ^＊と、電動機位置信号ｘｍに対する電動機の位置指令ｘｍ^＊の関係が、次の（１１）式を満たさなければならないことが分かる。

（１１）式は、位置指令補正部１０３の伝達特性である（３）式と一致していることが分かる。

また、（８）式を変換すると、次の（１２）式が得られる。

ここで、Ｊａｌｌ＞＞ＪＢとし、Ｊａｌｌ／（ＪＢ＋Ｊａｌｌ）＝Ｊａｌｌ／ＪＢ＝Ｊｍ／（ＪＢ＋Ｊａｌｌ）＝０と仮定して、（１２）式を次の（１３）式のように変換する。

よって、電動機で発生するトルクτｍがトルク指令信号τｉｎ^＊と等しいとすると、電動機の位置指令ｘｍ^＊に対するトルク指令信号τｉｎ^＊の関係は、次の（１４）式で表現できる。

ここで、フィードフォワードトルク信号τｓ^＊を電動機位置指令ｘｍ^＊の二階微分にＪａｌｌを乗じて求めることにすると、（１４）式から、τｓ^＊と、トルク指令信号τｉｎ^＊が発生するために必要となる、電動機に対するフィードフォワードトルク信号τｃ^＊の間の関係は、次の（１５）式で表される。

（１５）式は、フィードフォワードトルク補正部１０５の伝達特性である（６）式と等価であることが分かる。

以上より、この実施例１において、位置指令信号ｘ^＊と負荷位置ｘＬの間の関係が、ｘ^＊≒ｘＬとなるようにフィードフォワード位置信号ｘｓ^＊、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊、フィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊が演算されることが分かる。

これらのフィードフォワード信号を用いてフィードバック制御を行うことで、負荷位置ｘＬは、位置指令信号ｘ^＊に追従する。従って、動作中に機械の特性に起因する振動を生じない。

次に、この実施例１による効果をシミュレーションによって示す。図４は、この発明の実施例１による電動機の位置決め制御結果を示す特性図である。縦軸に指令位置と負荷位置との位置偏差、横軸は指令完了後の経過時間を示している。

すなわち、横軸の「０」以降は、位置指令が目標位置に到達した後の負荷の変位を示している。機械１０２の電動機と負荷との共振周波数を６６０ｒａｄ／ｓ、電動機と負荷との反共振周波数を４２１ｒａｄ／ｓ、電動機と電動機設置台との共振周波数を１２６ｒａｄ／ｓ、電動機と電動機設置台との反共振周波数を１２４ｒａｄ／ｓとしている
図４に示した例では、従来の電動機の制御装置であるサーボ制御装置による位置決め制御結果と比べ、負荷に生じる振動を低減できていることが分かる。

以上のように、この実施例１によれば、電動機１１４と負荷１１５のイナーシャの合計イナーシャが、電動機設置台１１６のイナーシャより十分低い場合に、機械１０２の特性値を用いて、フィードフォワード位置信号、フィードフォワード速度信号、フィードフォワードトルク補正信号を算出することにより、機械１０２の特性に起因する振動を低減することができる。

図５は、この発明の実施例２による電動機の制御装置のブロック図である。図５においては、位置指令補正部５０３の構成が上記実施例１と異なる。その他の構成は、図１と同等である。

図６は、位置指令補正部５０３の構成の詳細を示すものである。６０１は、負荷特性指令補正部であり、位置指令信号ｘ^＊が入力され、負荷特性位置指令補正信号ｘＬ^＊を出力する。また、６０２はバンドパスフィルタ部であり、位置指令信号ｘ^＊が入力され、位置指令抽出信号ｘＢＰＦ^＊を出力する。遅延器６０３は、位置指令抽出信号ｘＢＰＦ^＊が入力され、位置指令抽出遅延信号ｘＢＰＦＥ^＊が出力される。

そして、機台特性抽出部６０４には、位置指令抽出遅延信号ｘＢＰＦＥ^＊が入力され、機台特性位置指令抽出信号ｘＢ^＊を出力する。負荷特性位置指令補正信号ｘＬ^＊と、機台特性位置指令抽出信号ｘＢ^＊とが、加算器６０５で加算され、位置指令補正信号ｘｍ^＊として出力する。

以上のように構成された電動機の制御装置について、以下その動作、作用を説明する。
負荷特性位置指令補正部６０１は、入力信号ｘ^＊中の、電動機１１４と負荷１１５との反共振周波数ωｚの成分を減衰して出力する。入力信号ｘ^＊と出力信号ｘＬ^＊との間の関係は、（１）式で表される。

バンドパスフィルタ部６０２は、入力信号ｘ^＊中の低周波及び高周波の雑音成分を除去して出力する。例えば、通過する周波数成分の最小周波数をωｌｐｆ、最大周波数をωｈｐｆとすると、入力信号ｘ^＊と出力信号ｘＢＰＦ^＊との間の関係は、次の（１６）式で表される。

遅延器６０３は、入力信号ＸＢＰＦ^＊を時間Ｔｄだけ遅延させて出力する。入力信号ＸＢＰＦ^＊と出力信号ＸＢＰＦＥ^＊との間の関係は、次の（１７）式で表される。

機台特性抽出部６０４は、入力信号ｘＢＰＦＥ^＊中の電動機と電動機設置台との反共振周波数ωｚＢの成分を増幅して出力する。入力信号ｘＢＰＦＥ^＊と出力信号ｘＢ^＊との間の関係は、次の（１８）式で表される。

ここで、ＫＢは、周波数ωｚＢの成分の増幅比率を表す重み係数である。このような構成によれば、機械１０２の振動特性に応じて、機械１０２の負荷位置ｘＬが、位置指令信号ｘ^＊に追従するように演算されたフィードフォワード位置信号ｘｓ^＊、フィードフォワード速度信号ｗｓ^＊、及びフィードフォワードトルク補正信号τｃ^＊が、フィードバック制御部１０６に出力されるため、負荷位置ｘＬが、位置指令信号ｘ^＊に追従する。

次に、この実施例２による効果をシミュレーションによって示す。図７は、この発明の実施例２による電動機の位置決め制御結果を示す特性図である。縦軸に指令位置と負荷位置との位置偏差、横軸は指令完了後の経過時間を示している。

すなわち、横軸の「０」以降は、位置指令が目標位置に到達した後の負荷の変位を示している。機械１０２の電動機と負荷との共振周波数を６６０ｒａｄ／ｓ、電動機と負荷との反共振周波数を４２１ｒａｄ／ｓ、電動機と電動機設置台との共振周波数を１２６ｒａｄ／ｓ、電動機と電動機設置台との反共振周波数を１２４ｒａｄ／ｓとしている。

図７に示した例では、従来の電動機の制御装置であるサーボ制御装置による位置決め制御結果と比べ、負荷に生じる振動を低減できていることが分かる。

以上のように、この実施例２によれば、機械１０２の特性値を用いて、フィードフォワード位置信号、フィードフォワード速度信号、フィードフォワードトルク補正信号を算出することにより、機械１０２の特性に起因する振動を低減することができる。

なお、以上の説明では、電動機は回転型でトルクを発生させるものとして説明したが、リニアモータのように推力を得るものであっても良い。この場合、上記各実施例におけるイナーシャを質量に、トルクを推力にそれぞれ置き換えることで、同様の効果を得ることができる。

また、以上の説明では、電動機に位置検出器が接続されている場合について説明したが、速度検出器が接続されていても良い。この場合は、電動機の速度検出器で得られた電動機速度信号を積分して、電動機位置信号を得ることで、同様の効果を得ることができる。

さらに、以上の説明では位置制御を行う場合について説明したが、速度制御の場合であっても良い。速度制御の場合は、上記各実施例において位置のフィードバックループと位置のフィードフォワード信号を除くことによって同様の効果を得ることができる。
さらに、上記各実施例において、フィードフォワード制御部は、入力から出力までの伝達関数が異ならなければ、構成が異なっていても良い。

例えば、フィードフォワード制御部の内部に電動機のイナーシャと負荷のイナーシャの合計イナーシャをイナーシャ値とする剛体を模擬した模擬モデルを有し、模擬モデルの位置と速度を制御する模擬制御回路を有する構成であっても良い。

さらに、上記各実施例において、微分を疑似微分（今回値と前回値の差にサンプル周期の逆数を乗算して近似的な微分値を演算すること）で置き換えても良い。

さらに、上記実施例において、位置指令補正部の前に高域の周波数成分を除去するローパスフィルタの働きを有するＦＩＲフィルタやＩＩＲフィルタを挿入した構成であっても良い。

以上のように、本発明にかかる電動機の制御装置は、電動機と負荷との剛性が低く、かつ電動機と電動機設置台との剛性も低い場合でも、機械の特性に起因する振動を低減することができるので、高い追従性を実現することが可能であり、電子部品実装機や半導体製造装置の用途に適用できる。

１０１電動機の制御装置
１０２機械
１０３位置指令補正部
１０４フィードフォワード制御部
１０５フィードフォワードトルク補正部
１０６フィードバック制御部
１０７微分器
１０８演算器
１０９減算器
１１０位置制御器
１１１加減算器
１１２速度制御器
１１３加算器
１１４電動機
１１５負荷
１１６電動機設置台
１１７位置検出器
１１８微分器
２０１負荷特性位置指令補正部
２０２機台特性位置指令補正部
３０１負荷特性トルク指令補正部
３０２機台特性トルク指令補正部
５０３位置指令補正部
６０１負荷特性位置指令補正部
６０２バンドパスフィルタ部
６０３遅延器
６０４機台特性抽出部
６０５加算器
８０１サーボ制御装置
８０２機械
８０３ＦＩＲフィルタ部
８０４機械特性補償部
８０５フィードバック制御部
８０６ＦＩＲフィルタ
８０７位置指令演算器
８０８微分器
８０９速度指令演算器
８１０演算器
８１１トルク指令演算器
８１２減算器
８１３位置制御器
８１４加減算器
８１５速度制御器
８１６加算器
８１７電動機
８１８負荷
９０１振動抑制フィルタ
９０４機械特性補償部

Claims

位置指令信号が入力され、駆動対象機械の特性に応じて前記位置指令信号を補正し、位置指令補正信号として出力する位置指令補正部と、前記位置指令補正信号が入力され、位置、速度、及びトルクの各フィードフォワード信号を演算し、フィードフォワード位置信号、フィードフォワード速度信号、フィードフォワードトルク信号として出力するフィードフォワード制御部と、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、前記駆動対象機械の特性に応じて前記フィードフォワードトルク信号を補正し、フィードフォワードトルク補正信号を出力するフィードフォワードトルク補正部と、前記フィードフォワード位置信号と、前記フィードフォワード速度信号と、前記フィードフォワードトルク補正信号が入力され、前記駆動対象機械を駆動するためのトルク指令信号を出力するフィードバック制御部と、から構成されることを特徴とする電動機の制御装置。
前記位置指令補正部は、
前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷の反共振周波数成分を減衰させて、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記負荷特性指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との共振周波数成分以下の、ある特定の周波数成分を増幅させて、位置指令補正信号として出力する機台特性位置指令補正部と、から構成され、前記フィードフォワードトルク補正部は、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、負荷と電動機の共振周波数成分を減衰させ、負荷と電動機との反共振周波数成分を増幅させて、負荷特性トルク指令補正信号として出力する負荷特性トルク指令補正部と、前記負荷特性トルク指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅させて、フィードフォワードトルク補正信号として出力する機台特性トルク指令補正部と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷の反共振周波数成分を減衰させて、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記負荷特性指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を増幅させて、位置指令補正信号として出力する機台特性位置指令補正部と、から構成されることを特徴とする請求項２に記載の電動機の制御装置。
前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷の反共振周波数成分を減衰させて、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、前記負荷特性指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との共振周波数ωｐＢ、電動機のイナーシャと負荷のイナーシャの合計イナーシャＪａｌｌ、電動機設置台のイナーシャＪＢを用いた、以下の（１Ａ）式で表される周波数ω、

の周波数成分を増幅させて、位置指令補正信号として出力する機台特性位置指令補正部と、
から構成されることを特徴とする請求項２に記載の電動機の制御装置。
前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷との反共振周波数成分を減衰させ、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、
前記位置指令信号が入力され、特定の周波数帯域の成分を抽出して、位置指令抽出信号として出力するバンドパスフィルタ部と、前記位置指令抽出信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅して、機台特性位置指令抽出信号として出力する機台特性抽出部と、前記負荷特性位置指令補正信号と、前記機台特性位置指令抽出信号とを加算して、位置指令補正信号として出力する加算器と、から構成され、前記フィードフォワードトルク補正部は、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、負荷と電動機の共振周波数成分を減衰させ、負荷と電動機の反共振周波数成分を増幅させて、負荷特性トルク指令補正信号として出力する負荷特性トルク指令フィルタ部と、前記負荷特性トルク指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅させて、フィードフォワードトルク補正信号として出力する機台特性トルク指令補正部と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
前記位置指令補正部は、前記位置指令信号が入力され、電動機と負荷との反共振周波数成分を減衰させ、負荷特性位置指令補正信号として出力する負荷特性位置指令補正部と、
前記位置指令信号が入力され、特定の周波数帯域の成分を抽出して、位置指令抽出信号として出力するバンドパスフィルタ部と、前記位置指令抽出信号が入力され、遅延させて、位置指令抽出遅延信号として出力する遅延器と、前記位置指令抽出遅延信号が入力され、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅して、機台特性位置指令抽出信号として出力する機台特性抽出部と、前記負荷特性位置指令補正信号と、前記機台特性位置指令抽出信号とを加算して、位置指令補正信号として出力する加算器と、から構成され、前記フィードフォワードトルク補正部は、前記フィードフォワードトルク信号が入力され、負荷と電動機の共振周波数成分を減衰させ、負荷と電動機の反共振周波数成分を増幅させて、負荷特性トルク指令補正信号として出力する負荷特性トルク指令フィルタ部と、前記負荷特性トルク指令補正信号が入力され、電動機と電動機設置台との共振周波数成分を減衰させ、電動機と電動機設置台との反共振周波数成分を増幅させて、フィードフォワードトルク補正信号として出力する機台特性トルク指令補正部と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。