JP2023059577A - モータの制御装置及びモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発生する外乱の影響を大幅に低減して所望の動作特性を実現できる。【解決手段】外乱補正が行われるリニアモータ１の制御装置１０において、リニアモータ１に入力される外乱補正済の電流指令ｕを用いて、リニアモータ１のフィードフォワード制御を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、モータの制御装置及びモータの制御方法に関する。

モータは、固定子と可動子とを備えており、固定子と可動子との間で磁気的に推力を発生させることによって、固定子に対して可動子を移動させる構成である。モータの代表的な例として、磁性が交互に変わるように複数の永久磁石を配列させた可動子と、複数の磁極歯それぞれにコイルを巻回させた固定子とを、所定の距離だけ離隔して対応配置させた構成をなし、固定子のコイルに交流電流を流すことにより、永久磁石との吸引反発力によって推力を発生させて、固定子に対して可動子を直線移動させるリニアモータがある。

例えば、特許文献１では、ステージ駆動用のリニアモータが、外乱オブザーバを用いた外乱補償器を備え、ステージの位置で変動するリニアガイド機構の案内摩擦の変動等の外乱要因を補償することについて開示されている。

特開２００１－２１８４９７号公報

しかしながら、ステージの駆動における外乱要因は、上述した摩擦以外にも、通電ケーブルの張力の影響、リニアモータが保持される架台の振動、コギングなどが存在しており、特許文献１に記載された外乱オブザーバを用いる所謂外乱オブザーバ制御だけでは、発生する外乱の十分な補正ができない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、発生する外乱の影響を大幅に低減して所望の動作特性を実現できるモータの制御装置及びモータの制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ制御装置は、外乱補正が行われるモータの制御装置において、前記モータに入力される前記外乱補正済の入力値を用いて、前記モータのフィードフォワード制御を行う。

本発明にあっては、前記モータのフィードフォワード制御に前記モータに入力される前記外乱補正済の入力値が用いられる。既に外乱補正が施された入力値をフィードフォワード制御に用いるので、モータの外乱抑制効果を高めることができる。

本発明に係るモータの制御装置は、前記入力値の実測値を予め記憶する記憶部と、前記入力値の実測値を用いて前記フィードフォワード制御を行う第１制御器と、前記モータによって駆動される対象物の位置と、前記モータ用の位置指令値との差に基づいて前記モータのフィードバック制御を行う第２制御器と、前記第１制御器の出力値と、前記第２制御器の出力値とを加算して前記モータに出力する加算器とを備える。

本発明にあっては、予め記憶している、外乱補正済みの入力値の実測値を用いた前記フィードフォワード制御と、対象物の位置及び前記位置指令値の差に基づく前記フィードバック制御とがあわせて行われるので、モータの外乱抑制効果を高めることができる。

本発明に係るモータの制御装置は、前記外乱補正に用いられる外乱の推定値を定める外乱オブザーバ制御系と、前記加算器の出力値と前記外乱の推定値との差を求める減算器とを備え、前記減算器は前記差を前記モータに出力する。

本発明にあっては、前記フィードフォワード制御及び前記フィードバック制御に加えて、前記外乱の推定値を減算する外乱オブザーバ制御が行われる。よって、モータの外乱抑制効果をより高めることができる。

本発明に係るモータの制御装置は、前記外乱オブザーバ制御系は定常カルマンフィルタを有する。

本発明にあっては、前記外乱オブザーバ制御系は前記外乱オブザーバ制御に前記定常カルマンフィルタを用いる。

本発明に係るモータの制御方法は、外乱補正を行ってモータを制御するモータの制御方法において、前記モータに入力される前記外乱補正済の入力値を用いて、前記モータのフィードフォワード制御を行う。

本発明にあっては、前記モータのフィードフォワード制御に前記モータに入力される前記外乱補正済の入力値が用いられる。既に外乱補正が施された入力値をフィードフォワード制御に用いるので、モータの外乱抑制効果を高めることができる。

本発明に係るモータの制御方法は、前記入力値の実測値を予め記憶し、前記入力値の実測値を用いて前記フィードフォワード制御を行い、前記モータによって駆動される対象物の位置と、前記モータ用の位置指令値との差に基づいて前記モータのフィードバック制御を行い、前記フィードフォワード制御で得られた値と、前記フィードバック制御で得られた値とを加算した加算値を前記モータに出力する。

本発明にあっては、予め記憶している、外乱補正済みの入力値の実測値を用いて前記フィードフォワード制御が行われ、且つ対象物の位置及び前記位置指令値の差に基づいて前記フィードバック制御が共に行われるので、モータの外乱抑制効果を高めることができる。

本発明に係るモータの制御方法は、前記外乱補正に用いられる外乱の推定値を定め、前記加算値と前記外乱の推定値との差を求めて、前記モータに入力する。

本発明にあっては、前記フィードフォワード制御及び前記フィードバック制御に加えて、前記外乱の推定値を減算する外乱オブザーバ制御が行われる。よって、モータの外乱抑制効果をより高めることができる。

本発明に係るモータの制御方法は、前記外乱の推定値の定めは定常カルマンフィルタを使用する。

本発明にあっては、前記定常カルマンフィルタを用いて前記外乱オブザーバ制御が行われる。

本発明によれば、発生する外乱の影響を大幅に低減して所望の動作特性を実現できるモータの制御装置及びモータの制御方法を提供することができる。

リニアモータの構成を示す斜視図である。 リニアモータの構成を示す側面図である。 実施形態１に係る制御装置の一実施形態の構成を示すブロック線図である。 リニアモータに入力される電流指令の一例を示す例示図である。 フィードフォワード制御に用いられるフィードフォワード値の一例を示す例示図である。 制御装置の外乱オブザーバの内部構成を示すブロック線図である。 フィードフォワード制御に用いられるフィードフォワード値の一例を示す例示図である。

（実施形態１）
本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。なお、以下では、モータの一例としてのリニアモータが採用された、位置決め用のステージに本発明を適用する場合について説明する。

図１及び図２は、リニアモータ１の構成を示す斜視図及び側面図である。リニアモータ１は、所定距離だけ隔てて対向させた可動子２と固定子３とを有している。

可動子２は、例えば１４個の矩形状の永久磁石２１を、等ピッチで薄板状のバックヨーク２２に支持固定して可動方向（図２の左右方向）に並置させて構成される。各永久磁石２１は厚さ方向（図２の上下方向）に磁化されており、隣り合う永久磁石２１，２１同士でその磁化方向は逆向きである。即ち、可動子２側から固定子３側に向かう方向（図２の上から下に向かう方向）に磁化された永久磁石２１と、固定子３側から可動子２側に向かう方向（図２の下から上に向かう方向）に磁化された永久磁石２１とが交互に配置されている。

一方、固定子３は、薄板状のコア３１に可動方向に等ピッチにて例えば３０個の矩形状の磁極歯３２を一体的に設け、各磁極歯３２にコイル３３を巻いて構成される。図２におけるＵ、Ｖ、Ｗは夫々３相交流電源のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を示し、３相平行通電を行うために、正逆２スロット３対を１セットとしている。そして、リニアモータ１は、７個の永久磁石２１と６個の磁極歯３２及びコイル３３とを有する７極６スロット構成を基本ユニットとしている。

固定子３のコイル３３に３相交流を通電して磁極歯３２に磁界を発生させると、この磁界に可動子２の永久磁石２１が順次磁気吸引反発することによって可動子２に推力が発生して、可動子２は固定子３に対して直線運動を行う。

以下、このような構成をなすリニアモータ１に不可避的に発生するコギングを含む外乱の影響を低減するための方法及び装置について詳述する。

本発明にあっては、予め記憶しているフィードフォワード値を用いるフィードフォワード制御と、外乱に対する外乱オブサーバ制御とを組み合わせる。即ち、フィードフォワード制御によって外乱の影響を大まかに除去するとともに、斯かるフィードフォワード制御で除去しきれない外乱による影響を外乱オブサーバ制御にて低減する。よって、外乱の影響を大幅に低減し得る。

リニアモータ１を例にした場合、外乱としては、通電ケーブルの張力の影響（張力によってリニアモータ１の前進方向と後退方向とで推力に差が生じる現象）、摩擦、リニアモータ１が保持される架台の振動などが存在する。本発明では、このようなリニアモータ１における外乱の影響を、フィードフォワード制御及び外乱オブサーバ制御によって抑制する。

図３は、実施形態１に係る制御装置１０の一実施形態の構成を示すブロック線図である。制御装置１０はステージ１１（対象物）に装着され、ステージ１１を駆動するリニアモータ１を適宜制御する。

制御装置１０は、位置指令部８０と、制御コントローラ５０（第２制御器）と、ＦＦ補正器（フィードフォワード補正器）４０（第１制御器）と、記憶部４１と、外乱オブザーバ６１と、微分器６２と、第１減算器８１と、第２減算器７１と、加算器５１とを備えている。そして、外乱オブザーバ６１及び微分器６２にて外乱オブザーバ制御系６０が構成されている。

制御対象となるリニアモータ１の入力端は、第２減算器７１の出力端子に接続されている。リニアモータ１の出力端は微分器６２の入力端及び第１減算器８１の減算入力端子に接続されている。微分器６２の出力端と外乱オブザーバ６１の入力端とが接続されており、外乱オブザーバ６１の出力端は第２減算器７１の減算入力端子に接続されている。第２減算器７１の加算入力端子には加算器５１の出力端子が接続されている。加算器５１の一方の加算入力端子にはＦＦ補正器４０の出力端が接続され、加算器５１の他方の加算入力端子には制御コントローラ５０の出力端が接続されている。制御コントローラ５０の入力端は第１減算器８１の出力端子に接続されている。第１減算器８１の加算入力端子及びＦＦ補正器４０の入力端は位置指令部８０の出力端に接続されている。なお、ＦＦ補正器４０には記憶部４１が接続されている。

第１減算器８１の加算入力端子には位置指令部８０から入力指令ｕ１（位置指令値）が入力され、加算器５１の一方の加算入力端子には制御コントローラ５０から電流指令ｕ３が入力され、加算器５１の他方の加算入力端子にはＦＦ補正器４０から電流指令ｕ２が入力される。第２減算器７１の加算入力端子には加算器５１から電流指令ｕ４（加算値）が入力され、第２減算器７１の減算入力端子には外乱オブザーバ６１から制御出力^ｄ（外乱の推定値）が入力される。なお、「^」の記号は推定値を表している。

リニアモータ１には電流指令ｕが入力される。電流指令ｕは、第２減算器７１からリニアモータ１側に出力される電流指令であるが、実際は、ドライバ、サーボアンプ（図示せず）を介して、リニアモータ１に出力される。

図４は、リニアモータ１に入力される電流指令ｕの一例を示す例示図である。図４中、指令速度は、入力指令ｕ１に対応する速度である。図４から分かるように、電流指令ｕは、時間の経過と共に、また速度に応じて変化している。

また、ステージ１１に設けられた位置検出部（図示せず）によってステージ１１の位置が検出され、ステージ１１の位置を表す位置情報ｘが第１減算器８１の減算入力端子、微分器６２及び外部へ出力される。

位置指令部８０は、所定のプログラムによって、ステージ１１の位置を制御するために入力指令ｕ１をリニアモータ１側に出力する。入力指令ｕ１は、ＦＦ補正器４０に入力され、また、第１減算器８１を介して制御コントローラ５０に入力される。

制御コントローラ５０は入力指令ｕ１に対してフィードバック制御を行う。
即ち、第１減算器８１は、加算入力端子に入力される入力指令ｕ１と、減算入力端子に入力される位置情報ｘの差分を求め、斯かる差分を表す差分信号が制御コントローラ５０に入力される。制御コントローラ５０は、入力指令ｕ１と位置情報ｘとを一致させるように斯かる差分に対し、比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）処理を加え、電流指令ｕ３を演算して加算器５１に出力する。

また、ＦＦ補正器４０は入力指令ｕ１に対してフィードフォワード制御を行う。以下、詳しく説明する。
ＦＦ補正器４０には、記憶部４１が接続されている。記憶部４１には、速度に応じて複数パターンのフィードフォワード値が記憶されている。記憶部４１に記憶されているフィードフォワード値は、実測された電流指令ｕである。即ち、斯かるフィードフォワード値は、制御コントローラ５０によるフィードバック制御と、外乱オブザーバ制御系６０による後述の外乱オブザーバ制御とが施された状態の電流指令であり、既に外乱に対する補正が行われ、外乱が抑制された状態の補正済みの電流指令である。
本発明では、事前にステージ１１を動作させて、この際にリニアモータ１に入力される、外乱が抑制された電流指令ｕを測定し、測定された電流指令ｕがフィードフォワード値として記憶部４１に記憶されている。

図５は、フィードフォワード制御に用いられるフィードフォワード値の一例を示す例示図である。図５中、指令速度は、入力指令ｕ１に対応する速度である。図５から分かるように、フィードフォワード値は、リニアモータ１の動作開始から停止まで時間の経過と共に、また速度に応じて変化しており、フィードフォワード値は、図４の電流指令ｕと略同じである。

ＦＦ補正器４０は、記憶部４１に記憶されているフィードフォワード値を用いてフィードフォワード制御を行う。詳しくは、ＦＦ補正器４０は、位置指令部８０からの入力指令ｕ１に所定の処理を施し、入力指令ｕ１に応じて記憶部４１に記憶された何れかのフィードフォワード値を適宜選択し、入力指令ｕ１に乗じて電流指令ｕ２を加算器５１に出力する。

このように、ＦＦ補正器４０が、フィードフォワード制御に、既に外乱補正が行われた状態の補正済みの電流指令ｕをフィードフォワード値として用いるので、効果的に外乱を抑制することが出来る。

加算器５１は、一方の加算入力端子に入力される電流指令ｕ２に、他方の加算入力端子に入力される電流指令ｕ３を加算して電流指令ｕ４を出力する。電流指令ｕ４は、第２減算器７１及び外乱オブザーバ６１に出力される。

図６は、制御装置１０の外乱オブザーバ６１の内部構成を示すブロック線図である。なお、図６において、図３と同一部分には同一の番号及び符号を付している。
外乱オブザーバ６１は、定常カルマンフィルタ１００を有している。定常カルマンフィルタ１００は、誤差が含まれる実測値を用いて、ある動的システムの状態を推定または制御するために用いる無限インパルス応答フィルタの一種である。定常カルマンフィルタ１００は、離散的な誤差が存在する実測結果から、経時的に変化する量（例えばある物体の位置と速度）を推定するために広く用いられる。

外乱オブザーバ６１は、第１パラメータ部８６と、第２パラメータ部８７と、第３パラメータ部８８と、第４パラメータ部８９と、第５パラメータ部９０と、第１加算器９１と、第２加算器９２と、減算器９３と、第１積分器９４と、第２積分器９５とを有している。これらの構成要素にあって、第１パラメータ部８６、第２パラメータ部８７、第３パラメータ部８８、第４パラメータ部８９、第１加算器９１、第２加算器９２、減算器９３、及び第１積分器９４にて、定常カルマンフィルタ１００が構成されている。

第２パラメータ部８７の入力端は、加算器５１の出力端子に接続され、第２パラメータ部８７の出力端は、第１加算器９１の一方の加算入力端子に接続されている。第１加算器９１の出力端子に第１積分器９４の入力端が接続され、第１積分器９４の出力端は第１パラメータ部８６の入力端及び第３パラメータ部８８の入力端に接続されている。第３パラメータ部８８の出力端は、減算器９３の減算入力端子に接続されている。減算器９３の加算入力端子は、微分器６２の出力端に接続されている。減算器９３の出力端子は、第４パラメータ部８９の入力端及び第５パラメータ部９０の入力端に接続されている。第１パラメータ部８６の出力端は第２加算器９２の一方の加算入力端子に接続され、第４パラメータ部８９の出力端は第２加算器９２の他方の加算入力端子に接続されている。第２加算器９２の出力端子は、第１加算器９１の他方の加算入力端子に接続されている。第５パラメータ部９０の出力端と第２積分器９５の入力端とが接続され、第２積分器９５の出力端は、減算器７１の減算入力端子に接続されている。

第１パラメータ部８６、第２パラメータ部８７、第３パラメータ部８８はそれぞれ、モデル（入力：電流、出力：速度）の状態変数パラメータＡ、Ｂ、Ｃを格納している。これらのパラメータＡ、Ｂ、Ｃの導出は、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）（マトラバ）のプログラムに従って行われる。

また、第４パラメータ部８９は、モデルの状態推定パラメータＬ_x を格納しており、第５パラメータ部９０は、リニアモータ１の外乱推定パラメータＬ_d を格納している。パラメータＬ_x は、モデルゲインであって、比較したモデルの波形と実機の波形との間に生じる誤差に対する感度を規定するものであり、小さな誤差であっても補正を行いたい場合には、このパラメータＬ_x を大きく設定する。また、パラメータＬ_d もパラメータＬ_x と同様に、補正における感度を規定するためのモデルゲインである。

なお、実際の実装時にあっては、これらの各パラメータとして、離散化したものを使用することが好ましい。

加算器５１からモデルに電流指令ｕ４が入力された際の速度波形の推定値（外乱の影響がない場合の速度波形）を算出する。この算出したモデルの速度波形と、微分器６２によって位置情報ｘを微分して得られる実際のリニアモータ１の速度波形とを比較し、その差分を減算器９３にて求める。このように、モデルからの推定値を用いて、動的システム（制御対象）の動きを推定しており、パラメータＬ_x をモデルゲインとして決まった値を用いるため、定常カルマンフィルタとしての形態をとっている。

減算器９３で得られた差分（誤差）を用いて外乱の推定値^ｄを決定し、決定した外乱の推定値^ｄを減算器７１にて電流指令ｕ４から減算して、外乱の低減を図る。このようにして、外乱オブザーバ制御系６０は、リニアモータ１の動作時の外乱に対する外乱オブザーバ制御を行う。

第２減算器７１は、加算入力端子に、フィードフォワード制御及びフィードバック制御が施された電流指令ｕ４が入力され、減算入力端子に、外乱オブザーバ６１から外乱の推定値^ｄが入力される。第２減算器７１は、電流指令ｕ４と外乱の推定値^ｄとの差分を求めてリニアモータ１に出力する。

上述の如く、本発明に係る制御装置１０においては、制御コントローラ５０によるフィードバック制御と、ＦＦ補正器４０によるフィードフォワード制御と、外乱オブザーバ制御系６０による外乱オブザーバ制御を組み合わせる。

即ち、本発明に係る制御装置１０においては、リニアモータ１の動作時に発生する外乱に対して、制御コントローラ５０がフィードバック制御を行い、且つ、ＦＦ補正器４０が、既に外乱に対する補正が行われ、外乱が抑制された電流指令ｕをフィードフォワード値としてフィードフォワード制御を行い、外乱の影響を大まかに除去する。そして、フィードフォワード制御及びフィードバック制御では低減できない外乱に起因する影響を、外乱オブザーバ制御にて低減する。この結果、外乱に対して十分な補償を行うことができ、外乱抑制効果を高めることが出来る。

（実施形態２）
実施形態１においては、リニアモータ１の動作開始から停止までＦＦ補正器４０によるフィードフォワード制御が行われる場合を例に挙げて説明したが（図５参照）、本発明はこれに限定されるものではない。リニアモータ１の動作中、断続的にフィードフォワード制御を実行しても良い。

実施形態２に係る制御装置１０においては、フィードフォワード値として、補正済みの電流指令ｕの一部分のみが記憶部４１に記憶されている。例えば、補正済みの電流指令ｕにおいて、リニアモータ１の加速区間に対応する部分、リニアモータ１の等速区間に対応する部分、リニアモータ１の減速区間に対応する部分、リニアモータ１の停止区間に対応する部分等が記憶されている。

ＦＦ補正器４０は、リニアモータ１の速度を監視し、リニアモータ１の速度に応じて、フィードフォワード値を適宜選択してフィードフォワード制御を行う。

図７は、フィードフォワード制御に用いられるフィードフォワード値の一例を示す例示図である。図７中、指令速度は、入力指令ｕ１に対応する速度である。図７に示すフィードフォワード値は、図４に示す補正済みの電流指令ｕにおいて指令速度がゼロである区間（図４中、破線の楕円部分）に相当するものである。即ち、リニアモータ１の停止区間に対応するフィードフォワード値である。図７から分かるように、フィードフォワード値は、指令速度がゼロになる前はゼロであるが、指令速度がゼロになってから所定の値を示している。

例えば、ＦＦ補正器４０は、指令速度を監視し、指令速度がゼロになった時、即ち、リニアモータ１の停止間際に、図７に示すフィードフォワード値を用いてフィードフォワード制御を行う。これによって、リニアモータ１の停止に係る外乱が除去され、リニアモータ１の整定時間の短縮、即ち、リニアモータ１を早く停止させることができる。

開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ リニアモータ
１０ 制御装置
１１ ステージ（対象物）
４０ ＦＦ補正器（第１制御器）
４１ 記憶部
５０ 制御コントローラ（第２制御器）
５１ 加算器
６０ 外乱オブザーバ制御系
６１ 外乱オブザーバ
７１ 第２減算器（減算器）
１００ 定常カルマンフィルタ
ｕ 電流指令（入力値）

Claims (8)

1. 外乱補正が行われるモータの制御装置において、
   前記モータに入力される前記外乱補正済の入力値を用いて、前記モータのフィードフォワード制御を行うモータの制御装置。
2. 前記入力値の実測値を予め記憶する記憶部と、
   前記入力値の実測値を用いて前記フィードフォワード制御を行う第１制御器と、
   前記モータによって駆動される対象物の位置と、前記モータ用の位置指令値との差に基づいて前記モータのフィードバック制御を行う第２制御器と、
   前記第１制御器の出力値と、前記第２制御器の出力値とを加算して前記モータに出力する加算器とを備える請求項１に記載のモータの制御装置。
3. 前記外乱補正に用いられる外乱の推定値を定める外乱オブザーバ制御系と、
   前記加算器の出力値と前記外乱の推定値との差を求める減算器とを備え、
   前記減算器は前記差を前記モータに出力する請求項２に記載のモータの制御装置。
4. 前記外乱オブザーバ制御系は定常カルマンフィルタを有する請求項３に記載のモータの制御装置。
5. 外乱補正を行ってモータを制御するモータの制御方法において、
   前記モータに入力される前記外乱補正済の入力値を用いて、前記モータのフィードフォワード制御を行うモータの制御方法。
6. 前記入力値の実測値を予め記憶し、
   前記入力値の実測値を用いて前記フィードフォワード制御を行い、
   前記モータによって駆動される対象物の位置と、前記モータ用の位置指令値との差に基づいて前記モータのフィードバック制御を行い、
   前記フィードフォワード制御で得られた値と、前記フィードバック制御で得られた値とを加算した加算値を前記モータに出力する請求項５に記載のモータの制御方法。
7. 前記外乱補正に用いられる外乱の推定値を定め、
   前記加算値と前記外乱の推定値との差を求めて、前記モータに入力する請求項６に記載のモータの制御方法。
8. 前記外乱の推定値の定めは定常カルマンフィルタを使用する請求項７に記載のモータの制御方法。

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