JP2023136660A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御器内における制御対象のパラメータ等に誤差がある場合でも、軸ねじり振動を抑制しつつ良好な速度・位置制御を可能にしたモータ制御装置及びモータ制御方法を提供する。【解決手段】二慣性系とみなせる制御対象２００を制御する制御器１００Ａが、モータ速度ｖｍをモータ速度指令ｖｍ＊に一致させるようにトルク（トルク指令）Ｔを生成するＰＩ制御部１０２と、速度指令ｖ＊に基づいてＦＦトルクＴｆｆを演算するＦＦトルク生成部１０４と、ＦＦトルクＴｆｆをモータに与えた時の理想的なねじりトルク目標値Ｔｔоｒ＊を演算するねじりトルク目標値生成部１０５と、ねじりトルク目標値Ｔｔоｒ＊と制御対象２００からのねじりトルク実際値Ｔｔоｒとの偏差にＦＢゲインＧを乗算し、その結果とＦＦトルクＴｆｆとをＰＩ制御部１０２の出力に加算してトルクＴを演算する加減算手段１２３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータと機械負荷とが結合された、二慣性系とみなせる制御対象に対し、モータの速度または位置がそれぞれの指令に一致するようにモータのトルクを制御するモータ制御装置及びモータ制御方法に関し、詳しくは、制御対象におけるねじり振動等を抑制して所望の目標値応答を得るための技術に関する。

この種の従来技術として、例えば図９に示すモータ制御装置が知られている。
図９において、１００Ｘは制御器であり、モータ速度ｖ_ｍがモータ速度指令ｖ_ｍ ^＊に一致するように制御する速度制御部としてのＩ－Ｐ（積分－比例）制御部１０１を備えている。このＩ－Ｐ制御部１０１の出力と、制御対象２００から出力されるねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒにゲインＧを乗算して得た値との加減算により、モータのトルク（トルク指令）Ｔが生成される。
なお、図１０はＩ－Ｐ制御部１０１の構成例であり、ｋ_ｖｉは積分ゲイン、ｋ_ｖｐは比例ゲインである。
以下では、Ｉ－Ｐ制御部１０１または後述のＰＩ（比例・積分）制御部１０２における積分ゲインｋ_ｖｉ，比例ゲインｋ_ｖｐを速度制御部のフィードバック（ＦＢ）ゲイン、前記ねじりトルクに対するゲインＧをねじりトルクのＦＢゲインとも言うこととする。

制御対象２００は、回転型のモータ２０１、軸２０２及び機械負荷２０３（ｖ_ｌは負荷速度）からなり、それぞれに対応する伝達関数１／Ｊ_１ｓ，Ｋ／ｓ，１／Ｊ_２ｓにおいて、Ｊ_１はモータ２０１の慣性、Ｊ_２は機械負荷２０３の慣性（全慣性Ｊ＝Ｊ_１＋Ｊ_２）、Ｋは軸２０２の弾性定数、ｓはラプラス演算子である。
上記のようにＩ－Ｐ制御部やＰＩ制御部等を備えた速度制御系にねじりトルクをフィードバックする従来技術は、非特許文献１にも開示されている。

他の従来技術として、例えば特許文献１，２に記載された制御方法が知られている。
図１１は、特許文献１の図１１に相当するモータ制御装置である。このモータ制御装置において、制御器１００Ｙは、速度制御部としてのＰＩ（比例・積分）制御部１０２と、第１の速度指令ｖ^＊にフィルタ演算を施して二慣性系の理想的なモータ速度指令ｖ_ｍ ^＊を生成する速度指令生成部１０３と、速度指令ｖ^＊にフィルタ演算を施してフィードフォワード（以下、ＦＦともいう）トルクＴ_ｆｆを生成するＦＦ回路としてのＦＦトルク生成部１０４と、を備えている。

上述した各生成部１０３，１０４におけるＦ_ＦＢ，Ｆ_ＦＦはフィルタの伝達関数であり、これらは目標値応答フィルタＦ_０、制御対象２００の共振周波数ω_μ及び反共振周波数ω_ｚに基づいて、Ｆ_ＦＢ＝Ｆ_０{１＋（ｓ／ω_ｚ）^２}，Ｆ_ＦＦ＝Ｆ_０{１＋（ｓ／ω_μ）^２}により設定される。ここで、共振周波数ω_μ＝√（Ｋ／Ｊ_μ）；Ｊ_μ＝Ｊ_１Ｊ_２／Ｊであり、反共振周波数ω_ｚ＝√（Ｋ／Ｊ_２）であり、目標値応答フィルタＦ_０は、例えば制御対象２００の共振周波数ω_μに基づいて与えられる。
なお、図１２は、ＰＩ制御部１０２の構成例である。

上述した特許文献１や特許文献２に係るモータ制御装置は、ＦＦ回路（ＦＦトルク生成部１０４）及び速度制御部（ＰＩ制御部１０２）の動作により、軸ねじり振動の抑制と理想的な目標値応答を課題としている。

特許第３２７４０７０号公報（［００９３］～［０１１２］、図１１～図１４等） 特許第５４５９６０４号公報（［００１５］～［００２４］、図３～図５等）

堀洋一，「共振比制御と真鍋多項式による２慣性系の制御」，電気学会論文集Ｄ，１１４巻１０号，ｐ.１０３８～１０４５，平成６年

図９に記載した従来技術では、速度制御部のＦＢゲインと共にねじりトルクに対するＦＢゲインＧを適切に調整すれば、軸ねじり振動を抑制しつつモータ２０１を駆動することができるが、ＦＢゲインは制御対象２００のパラメータに左右され、これによって速度・位置の目標値応答が決まってしまい、目標値応答を任意に設定することができない。
また、図１１に記載した従来技術では、ＰＩ制御部１０２に設定される各種のパラメータが正確であれば、良好な特性を保てる範囲で任意の目標値応答に基づいてねじり振動を抑制することができるが、上記パラメータの設定値と真値との間に誤差があると振動抑制効果が低下する。特に、経時的な使用により弾性定数Ｋが変化する制御対象２００や、ロボットアームのように姿勢によって慣性が変化する制御対象２００に対しては、良好な制御を行うことが困難であった。

そこで、本発明の解決課題は、制御器内に設定した各種のパラメータと実際値との間に誤差がある場合でも、制御対象の振動を抑制しつつ良好な速度制御や位置制御を行うようにしたモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るモータ制御装置は、モータと機械負荷とが結合された、二慣性系とみなせる制御対象の速度を制御するためのモータ制御装置において、
第１の速度指令に基づくモータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行う速度制御部と、
前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成するフィードフォワードトルク生成部と、
前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成するねじりトルク目標値生成部と、
を備え、
前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算した結果と前記フィードフォワードトルクとを前記速度制御部の出力に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成するものである。

請求項２に係るモータ制御装置は、モータと機械負荷とが結合された、二慣性系とみなせる制御対象の位置を制御するためのモータ制御装置において、
第１の位置指令に基づくモータ位置指令とモータ位置との偏差をなくすようにモータ速度指令を生成する位置制御部と、
前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成するフィードフォワードトルク生成部と、
前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワード速度を生成するフィードフォワード速度生成部と、
前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成するねじりトルク目標値生成部と、
前記フィードフォワード速度が加算された前記モータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行う速度制御部と、
を備え、
前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算し、その乗算結果と前記フィードフォワードトルクとを前記速度制御部の出力に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成するものである。

請求項３に係るモータ制御装置は、請求項１に記載したモータ制御装置において、
前記フィードフォワードトルク、前記ねじりトルク目標値、及び前記モータ速度指令を、目標値応答フィルタを含むフィルタ演算によって生成するものである。

請求項４に係るモータ制御装置は、請求項２に記載したモータ制御装置において、
前記フィードフォワードトルク、前記ねじりトルク目標値、前記フィードフォワード速度、及び前記モータ位置指令を、目標値応答フィルタを含むフィルタ演算によって生成するものである。

請求項５に係るモータ制御装置は、請求項１～４の何れか１項に記載したモータ制御装置において、
前記ねじりトルク相当値が、前記制御対象から検出したねじりトルク実際値であることを特徴とする。

請求項６に係るモータ制御装置は、請求項１～４の何れか１項に記載したモータ制御装置において、
前記ねじりトルク相当値が、前記モータの速度または位置と前記トルク指令とを用いて推定したねじりトルク推定値であることを特徴とする。

請求項７に係るモータ制御装置は、請求項６に記載したモータ制御装置において、
前記ねじりトルク目標値生成部が、前記ねじりトルク推定値の推定遅れと等価なフィルタを有することを特徴とする。

請求項８に係るモータ制御装置は、請求項１～４の何れか１項に記載したモータ制御装置において、
前記制御対象のパラメータ及び係数図法に基づいて、前記ねじりトルクフィードバックゲイン及び前記速度制御部におけるフィードバックゲインを演算して設定する機能を有することを特徴とする。

請求項９に係るモータ制御方法は、モータと機械負荷とが結合された、二慣性系と見なせる制御対象における前記モータの速度制御方法であって、
第１の速度指令に基づくモータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行ってトルク指令を生成し、
前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成し、
前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成し、
前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算し、その乗算結果と前記フィードフォワードトルクとを前記トルク指令に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成するものである。

請求項１０に係るモータ制御方法は、モータと機械負荷とが結合された、二慣性系と見なせる制御対象における前記モータの位置制御方法であって、
第１の位置指令に基づくモータ位置指令とモータ位置との偏差をなくすようにモータ速度指令を生成し、
前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成し、
前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワード速度を生成し、
前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成し、
前記フィードフォワード速度が加算された前記モータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行ってトルク指令を生成し、
前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算し、その乗算結果と前記フィードフォワードトルクとを前記トルク指令に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成するものである。

本発明によれば、制御器に設定される弾性定数や速度制御部のＦＢゲイン等の各種パラメータが誤差を有する場合でも、制御対象の振動を抑制しつつ良好な速度制御または位置制御を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 本発明の第３実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 本発明の第４実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 従来例１，２を対象としたシミュレーションの結果を示す図である。 本発明の第２実施形態を対象としたシミュレーションの結果を示す図である。 従来例２及び本発明の第２実施形態を対象としたシミュレーションの結果を示す図である。 従来例２及び本発明の第２実施形態を対象としたシミュレーションの結果を示す図である。 従来のモータ制御装置を示すブロック図である。 図９におけるＩ－Ｐ制御部１０１の構成例を示すブロック図である。 特許文献１に記載された発明に相当するモータ制御装置のブロック図である。 図１１におけるＰＩ制御部１０２の構成例を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。
図１において、２００は前述したようにモータ２０１、軸２０２及び機械負荷２０３からなる制御対象であり、２０４，２０５は加減算手段である。この制御対象２００から検出されたねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒは、制御器１００Ａに入力されている。

制御器１００Ａは、ＣＰＵやメモリ等を備えた演算処理装置と所定のプログラムとによって実現される。このことは、後述する第２～第４実施形態の制御器１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄについても同様である。
制御器１００Ａにおいて、外部から入力される第１の速度指令ｖ^＊は、図１１と同様にフィルタＦ_ＦＢによる演算を行う速度指令生成部１０３により理想的なモータ速度指令ｖ_ｍ ^＊に変換され、このモータ速度指令ｖ_ｍ ^＊が加減算手段１２１に入力されてモータ速度ｖ_ｍとの偏差が演算される。速度制御部としてのＰＩ制御部１０２は、上記偏差をなくすように比例・積分演算を行い、その出力が加減算手段１２３に入力される。
ＰＩ制御部１０２の構成は、例えば前記図１２と同様である。

また、図１１と同様に、第１の速度指令ｖ^＊が入力されるＦＦトルク生成部１０４のフィルタ演算により、ＦＦトルクＴ_ｆｆが生成されて加減算手段１２３に入力される。
更に、本実施形態では、第１の速度指令ｖ^＊がねじりトルク目標値生成部１０５に入力されてフィルタＦ_Ｋ（ｓ）による演算が行われ、ＦＦトルクＴ_ｆｆを印加する際の目標となる理想的なねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊が生成されて加減算手段１２２に入力される。加減算手段１２２では、ねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊と制御対象２００から検出したねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒとの偏差が算出され、この偏差にＦＢゲインＧを乗算した値が加減算手段１２３に入力される。
上記ＦＢゲインＧは、ＰＩ制御部１０２におけるＦＢゲイン（比例ゲインｋ_ｖｐ、積分ゲインｋ_ｖｉ）と共に、軸ねじり振動が迅速に減衰するような値に設定される。これらのＦＢゲイン（Ｇ，ｋ_ｖｐ，ｋ_ｖｉ）の求め方については、後述する。

加減算手段１２３では、ねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊とねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒとの偏差にＦＢゲインＧを乗算した値と、ＰＩ制御部１０２の出力と、ＦＦトルクＴ_ｆｆと、を加算し、その加算結果をモータ２０１のトルク（トルク指令）Ｔとして制御対象２００に与える。

上記のように、本実施形態では、ＦＦトルクＴ_ｆｆを印加した場合の理想的なねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊とねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒとの偏差をＧ倍した値をトルクＴにフィードバックしてモータ２０１を制御する。これにより、理想的にＦＦ制御を行っている際には、Ｔ_ｔｏｒ＝Ｔ_ｔｏｒ ^＊となって両者の偏差に比例するねじりトルクのＦＢ出力がゼロになり、ねじりトルクのＦＢ制御を行わない図１１の制御系と同様に、ＦＦトルクＴ_ｆｆによるＦＦ制御とねじりトルクのＦＢ制御とが互いに干渉しないように制御することができる。
また、制御器１００Ａにおいて弾性定数Ｋ等の設定値が真値から多少ずれており、その結果、制御対象２００の共振周波数ω_μや反共振周波数ω_ｚに設定誤差が生じたとしても、ねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊とねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒとの偏差をトルクＴに反映させるようにねじりトルクのＦＢ制御系が働いて軸ねじり振動を抑制できるため、パラメータの設定誤差による影響を低減することができる。

次に、図２は本発明の第２実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。
この実施形態は、図１の速度指令生成部１０３、ＦＦトルク生成部１０４、及びねじりトルク目標値生成部１０５におけるフィルタを具体化したものである。

図２に示す制御器１００Ｂ内の速度指令生成部１１３では、図１の速度指令生成部１０３におけるフィルタＦ_ＦＢを、図１１と同様に、目標値応答フィルタＦ_０と制御対象２００の反共振周波数ω_ｚとに基づいて、Ｆ_ＦＢ＝Ｆ_０{１＋（ｓ／ω_ｚ）^２}と設定する。なお、前述したように、目標値応答フィルタＦ_０は、例えば制御対象２００の共振周波数ω_μに基づいて与えられる。
図２のＦＦトルク生成部１１４では、図１のＦＦトルク生成部１０４におけるフィルタＦ_ＦＦを、図１１と同様にＦ_ＦＦ＝Ｆ_０{１＋（ｓ／ω_μ）^２}と設定する。
ここで、共振周波数ω_μ＝√（Ｋ／Ｊ_μ）、反共振周波数ω_ｚ＝√（Ｋ／Ｊ_２）であり、Ｊ_μ＝（Ｊ_１Ｊ_２）／Ｊである。

更に、図２のねじりトルク目標値生成部１１５では、図１のねじりトルク目標値生成部１０５におけるフィルタＦ_Ｋ（ｓ）をＦ_Ｋ（ｓ）＝Ｊ_２ｓＦ_０と設定して、ねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊＝Ｊ_２ｓＦ_０ｖ^＊を生成する。
上記のようにしてねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊を生成できる理由は、以下の通りである。

図２の構成において、第１の速度指令ｖ^＊及び目標値応答フィルタＦ_０のもとで、トルクＴに対するモータ速度ｖ_ｍ及び負荷速度ｖ_ｌは、数式１のようになる。

また、ねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒは数式２となる。

モータ２０１を理想的に制御できている場合、ｖ_ｍ ^＊＝ｖ_ｍ，Ｔ_ｔｏｒ ^＊＝Ｔ_ｔｏｒであるから、トルクＴはＦＦトルクＴ_ｆｆに等しくなり、Ｔ_ｆｆは速度指令ｖ^＊が入力されるＦＦトルク生成部１１４の出力であるため、数式３が得られる。
［数３］
Ｔ＝Ｔ_ｆｆ＝ＪｓＦ_０{１＋（ｓ／ω_μ）^２}ｖ^＊＝（Ｊ_１＋Ｊ_２）ｓＦ_０{１＋（ｓ／ω_μ）^２}ｖ^＊
この数式３を数式２に代入すると、数式４が得られる。
［数４］
Ｔ_ｔｏｒ＝Ｊ_２ｓＦ_０ｖ^＊
従って、ねじりトルク目標値生成部１１５におけるフィルタをＪ_２ｓＦ_０とし、その時の出力Ｔ_ｔｏｒをねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊とすれば良いことになる。

次に、ＰＩ制御部１０２におけるＦＢゲイン（比例ゲインｋ_ｖｐ、積分ゲインｋ_ｖｉ）、及び、ねじりトルクのＦＢゲインＧの設定方法について説明する。
これらのＦＢゲインについては、前述した非特許文献１における「６．真鍋多項式による速度制御器の設計」に開示されている方法（いわゆる真鍋の係数図法）を用いて設定することができる。

真鍋の係数図法によれば、図２に示すような二慣性系を対象として速度制御を行う場合、ＰＩ制御部１０２を含む速度制御系の特性方程式（閉ループ伝達関数の分母）を数式５のように表現した場合、数式６を満たすように各係数ａ_０～ａ_ｎを決定すると、良好な特性を得ることができる。

図２において、制御対象２００については数式７が成り立ち、数式７をラプラス変換して数式８が得られる。

数式８から、ｖ_ｍ，ｖ_ｌに関する数式９、Ｔ_ｔｏｒに関する数式１０をそれぞれ得ることができる。これらの数式９，数式１０は、前述した数式１，数式２とそれぞれ実質的に同一である。

一方、図２において第１の速度指令ｖ^＊＝０とした時、トルクＴは、数式９，数式１０を用いると数式１１のように表される。

この数式１１から、数式１２が得られる。

ここで、数式１３に示すようにｑ，Ｘを定義し、これらのｑ，Ｘを用いて数式１２の左辺を変形すると、数式１４が得られる。

数式１４の［ ］内を特性多項式とすると、数式５に準じて数式１５を得る。

数式１５を前述した数式５に当てはめると、
ａ_４＝ｑ， ａ_３＝ｋ_ｖｐ， ａ_２＝Ｘ， ａ_１＝ｋ_ｖｐω_ｚ ^２， ａ_０＝ｋ_ｖｐｋ_ｖｉω_ｚ ^２
である。従って、これらの関係を数式６に代入することにより数式１６を得る。

この数式１６から、数式１７を得ることができる。すなわち、ＰＩ制御部１０２における比例ゲインｋ_ｖｐ、積分ゲインｋ_ｖｉを決定することができる。

更に、以下の数式１８、数式１９に基づき、ねじりトルクのＦＢゲインＧを数式２０によって決定することができる。前述したように、数式１９においてＪ_μ＝（Ｊ_１Ｊ_２）／Ｊである。

以上のようにして、ＰＩ制御部１０２におけるＦＢゲイン（比例ゲインｋ_ｖｐ、積分ゲインｋ_ｖｉ）及びねじりトルクのＦＢゲインＧが決定される。
上述したように、ＰＩ制御部１０２等の速度制御部におけるＦＢゲイン及びねじりトルクのＦＢゲインＧを演算してこれらを自動的に設定する機能を備えたモータ制御装置が、請求項８に係る発明に相当する。

次に、本発明の第３実施形態について図３を参照しつつ説明する。
図３（ａ）は第３実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。この実施形態の制御器１００Ｃでは、制御対象２００のねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒの代わりにねじりトルク推定部１０６によりねじりトルク推定値Ｔ_ｔｏｒ＾を演算し、このねじりトルク推定値Ｔ_ｔｏｒ＾を加減算手段１２２に入力してねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊との偏差を求める。

ねじりトルク推定部１０６では、図３（ｂ）に示すように、トルクＴ及びモータ速度ｖ_ｍに基づいてねじりトルク推定値Ｔ_ｔｏｒ＾を演算する。図３（ｂ）におけるＦ_１はねじりトルク推定時に生じる遅れと等価なフィルタであり、制御器１００Ｃ内のねじりトルク目標値生成部１１５ａには上記フィルタＦ_１が追加されている。
本実施形態の基本的な動作は、ねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒの代わりにねじりトルク推定値Ｔ_ｔｏｒ＾を用いる点を除いて第２実施形態と同一であるため、重複を避けるために説明を省略する。

次いで、本発明の第４実施形態について図４を参照しつつ説明する。
前述した第１～第３実施形態は、本発明をモータの速度制御に適用した例であるが、第４実施形態は、本発明をモータの位置制御に適用した場合のものである。

図４の制御器１００Ｄにおいて、第１の位置指令θ^＊は位置指令生成部１３３により理想的なモータ位置指令θ_ｍ ^＊に変換され、加減算手段１２４によりモータ位置θ_ｍとの偏差が演算される。モータ位置指令θ_ｍ ^＊とモータ位置θ_ｍとの偏差は定数ｋ_ｐ倍されてモータ速度指令に変換されたうえで加減算手段１２１に入力され、モータ速度ｖ_ｍ及び後述のＦＦ速度ｖ_ｆｆと加減算されてその結果がＰＩ制御部１０２に入力されている。ここで、モータ速度ｖ_ｍは、制御対象２００Ａから出力されたモータ位置θ_ｍを微分手段１２５により微分して得る。

また、第１の位置指令θ^＊はＦＦトルク生成部１３４に入力されてＦＦトルクＴ_ｆｆが演算され、かつ、ねじりトルク目標値生成部１３５に入力されてねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊が演算されると共に、ＦＦ速度生成部１３６に入力されてＦＦ速度ｖ_ｆｆが演算される。
ねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊と制御対象２００Ａから検出したねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒとの偏差が加減算手段１２２により演算され、上記偏差をゲインＧ倍した値が、ＦＦトルクＴ_ｆｆ及びＰＩ制御部１０２の出力と共に加減算手段１２３に入力される。この加減算手段１２３の出力がトルクＴとして制御対象２００Ａに与えられている。
なお、制御対象２００Ａにおいて、２０２Ａは軸、２０６，２０７は積分手段を示す。

本実施形態の基本的な動作は、モータの位置制御を目的とする点を除けば第２実施形態と同一であるため、重複を避けるために説明を省略する。なお、本実施形態における位置制御には、回転型モータの回転位置の制御だけでなく、弾性変形する部分を含む機械負荷の位置をリニアモータにより直線的に移動させる際の位置制御も含む。
図４では、制御器１００Ｄにねじりトルク実際値Ｔ_ｔｏｒを入力してねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊との偏差を求めているが、図３に示した第３実施形態と同様に、トルクＴとモータ位置θ_ｍまたはモータ速度ｖ_ｍとに基づいてねじりトルク推定値Ｔ_ｔｏｒ＾を求め、このねじりトルク推定値Ｔ_ｔｏｒ＾とねじりトルク目標値Ｔ_ｔｏｒ ^＊との偏差を求めても良い。その場合、ねじりトルクの推定時に生じる遅れと等価なフィルタＦ_１を、ねじりトルク目標値生成部１３５に追加すれば良い。

次に、本発明の効果を確認するために行ったシミュレーションについて、図５～図８を参照しつつ説明する。
図９の構成によるモータ制御装置を従来例１、図１１の構成によるモータ制御装置を従来例２とし、図２に示した第２実施形態によるモータ制御装置を本発明として、以下の条件のもとでモータを駆動した場合のモータ速度ｖ_ｍ及び負荷速度ｖ_ｌの時間変化をシミュレートした。
・制御対象２００：
Ｊ_１＝５×１０^－４［ｋｇｍ^２］，Ｊ_２＝１×１０^－４［ｋｇｍ^２］，Ｋ＝５.０［Ｎｍ／ｒａｄ］，
（この場合、ω_ｚ＝２２３.６［ｒａｄ／ｓ］，ω_μ＝２４４.９［ｒａｄ／ｓ］）
・ＰＩ制御（従来例２，本発明）及びＩ-Ｐ制御（従来例１）のＦＢゲイン：
ｋ_ｖｐ＝５２７.０［ｒａｄ／ｓ］，ｋ_ｖｉ＝６３.３［ｒａｄ／ｓ］
・ＦＦ制御時（従来例２，本発明）の目標値応答フィルタＦ_０：
Ｆ_０＝｛ω_ｆ／（ｓ＋ω_ｆ）｝^３ ；ω_ｆ＝１.８ω_μ（＝４４０.９［ｒａｄ／ｓ］）
（なお、後述するように、図７ではω_ｆ＝１.０ω_μとし、図８ではω_ｆ＝２.０ω_μとした。）
・ねじりトルクのＦＢゲインＧ（従来例１，本発明）：Ｇ＝１０.０
なお、図９におけるモータ速度指令ｖ_ｍ ^＊、図２及び図１１における第１の速度指令ｖ^＊は、大きさ１のステップ関数とした。

まず、図５（ａ），（ｂ）は従来例１、従来例２を対象として、制御対象２００の弾性定数Ｋについて制御器内の設定値と実際値との誤差がない場合と、Ｋの実際値が設定値の１１０［％］である場合と、Ｋの実際値が設定値の９０［％］である場合とについて、モータ速度ｖ_ｍ（実線）及び負荷速度ｖ_ｌ（破線）の時間変化を示したものである。
図５（ａ）の従来例１では、Ｋの誤差が±１０［％］ある時でも、誤差なしの場合と同様に負荷速度ｖ_ｌがモータ速度ｖ_ｍとほぼ一致しており、軸ねじり振動が抑制されていることがわかる。しかし、従来例１にはＦＦ制御系がなく、ＦＢゲインと独立して立ち上がり速さを制御することができないため、ｖ_ｍ，ｖ_ｌが所定値に達するまでに要する時間が比較的長くなっている。
また、図５（ｂ）の従来例２では、Ｋの誤差なしの場合及び±１０［％］ある場合の何れも、立ち上がり速さが従来例１より改善されている反面、Ｋの誤差がある場合には負荷速度ｖ_ｌが大きく振動しており、軸ねじり振動の抑制が困難になっている。

これに対し、図６は、図２に示した本発明の第２実施形態によるモータ制御装置を対象として、前記同様の条件でモータを駆動した時のモータ速度ｖ_ｍ（実線）及び負荷速度ｖ_ｌ（破線）を示している。
図６によれば、図５（ｂ）の従来例２と同様に、ＦＦ制御によってＦＢゲインと独立して立ち上がり速さを改善することができ、Ｋに誤差がある場合でも軸ねじり振動の抑制が可能になっている。

また、図７及び図８は、従来例２及び本発明の第２実施形態を対象として、ω_ｆ＝１.０ω_μ（図７）、ω_ｆ＝２.０ω_μ（図８）に設定した例であり、これ以外は前記同様の条件のもとでモータを駆動した場合のモータ速度ｖ_ｍ（実線）及び負荷速度ｖ_ｌ（破線）をそれぞれ示している。
図７（ｂ）、図８（ｂ）に示す本発明と図７（ａ）、図８（ａ）に示す従来例２とを比較すると、本発明では、Ｋに±１０［％］の誤差がある場合でも負荷速度ｖ_ｌがモータ速度ｖ_ｍとほぼ一致しており、軸ねじり振動が抑制されていることが分かる。また、図６とほぼ同様の立ち上がり速さが得られている。

なお、本発明は、回転型モータや、弾性変形する部分を含む機械負荷を駆動するリニアモータの速度制御または位置制御に適用することができる。
また、弾性変形する部分を含む機械負荷をリニアモータにより駆動する場合には、上記弾性変形する部分に生じる弾性力を各実施形態における「ねじりトルク」と見なして適用すれば良い。

１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ：制御器
１０２：ＰＩ制御部
１０３，１１３：速度指令生成部
１０４，１１４：ＦＦトルク生成部
１０５，１１５，１１５ａ：ねじりトルク目標値生成部
１０６：ねじりトルク推定部
１２１，１２２，１２３，１２４：加減算手段
１２５：微分手段
１３３：位置指令生成部
１３４：ＦＦトルク生成部
１３５：ねじりトルク目標値生成部
１３６：ＦＦ速度生成部
１３７：積分手段
２００，２００Ａ：制御対象
２０１：モータ
２０２，２０２Ａ：軸
２０３：機械負荷
２０４，２０５：加減算手段
２０６，２０７：積分手段

Claims (10)

1. モータと機械負荷とが結合された、二慣性系とみなせる制御対象の速度を制御するためのモータ制御装置において、
   第１の速度指令に基づくモータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行う速度制御部と、
   前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成するフィードフォワードトルク生成部と、
   前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成するねじりトルク目標値生成部と、
   を備え、
   前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算した結果と前記フィードフォワードトルクとを前記速度制御部の出力に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成することを特徴とするモータ制御装置。
2. モータと機械負荷とが結合された、二慣性系とみなせる制御対象の位置を制御するためのモータ制御装置において、
   第１の位置指令に基づくモータ位置指令とモータ位置との偏差をなくすようにモータ速度指令を生成する位置制御部と、
   前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成するフィードフォワードトルク生成部と、
   前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワード速度を生成するフィードフォワード速度生成部と、
   前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成するねじりトルク目標値生成部と、
   前記フィードフォワード速度が加算された前記モータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行う速度制御部と、
   を備え、
   前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算し、その乗算結果と前記フィードフォワードトルクとを前記速度制御部の出力に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１に記載したモータ制御装置において、
   前記フィードフォワードトルク、前記ねじりトルク目標値、及び前記モータ速度指令を、目標値応答フィルタを含むフィルタ演算によって生成することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項２に記載したモータ制御装置において、
   前記フィードフォワードトルク、前記ねじりトルク目標値、前記フィードフォワード速度、及び前記モータ位置指令を、目標値応答フィルタを含むフィルタ演算によって生成することを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載したモータ制御装置において、
   前記ねじりトルク相当値が、前記制御対象から検出したねじりトルク実際値であることを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項１～４の何れか１項に記載したモータ制御装置において、
   前記ねじりトルク相当値が、前記モータの速度または位置と前記トルク指令とを用いて推定したねじりトルク推定値であることを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項６に記載したモータ制御装置において、
   前記ねじりトルク目標値生成部が、前記ねじりトルク推定値の推定遅れと等価なフィルタを有することを特徴とするモータ制御装置。
8. 請求項１～４の何れか１項に記載したモータ制御装置において、
   前記制御対象のパラメータ及び係数図法に基づいて、前記ねじりトルクフィードバックゲイン及び前記速度制御部におけるフィードバックゲインを演算して設定する機能を有することを特徴とするモータ制御装置。
9. モータと機械負荷とが結合された、二慣性系と見なせる制御対象における前記モータの速度制御方法であって、
   第１の速度指令に基づくモータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行ってトルク指令を生成し、
   前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成し、
   前記第１の速度指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成し、
   前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算し、その乗算結果と前記フィードフォワードトルクとを前記トルク指令に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成することを特徴とするモータ制御方法。
10. モータと機械負荷とが結合された、二慣性系と見なせる制御対象における前記モータの位置制御方法であって、
    第１の位置指令に基づくモータ位置指令とモータ位置との偏差をなくすようにモータ速度指令を生成し、
    前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワードトルクを生成し、
    前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算によりフィードフォワード速度を生成し、
    前記第１の位置指令を入力としたフィルタ演算により、前記フィードフォワードトルクに応じて発生する理想的なねじりトルク目標値を生成し、
    前記フィードフォワード速度が加算された前記モータ速度指令とモータ速度との偏差をなくすように制御演算を行ってトルク指令を生成し、
    前記ねじりトルク目標値と前記制御対象から得たねじりトルク相当値との偏差にねじりトルクフィードバックゲインを乗算し、その乗算結果と前記フィードフォワードトルクとを前記トルク指令に加算して前記制御対象に対するトルク指令を生成することを特徴とするモータ制御方法。

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