JP2658976B2 - モータの速度制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＮＣ工作機械やロボッ
ト等のモータ応用システムに用いるモータの速度制御方
式に関し、特にデジタル制御の量子化誤差の影響を低減
し速度制御特性を広帯域化するフィードバック型のモー
タの速度制御方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、サーボモータを利用したＮＣ工作
機械、ロボット等の制御装置に、マイクロコンピュータ
を用いたデジタルサーボ制御装置が広く用いられてい
る。デジタルサーボ制御装置では、デジタル指令と、速
度等のアナログ量をサンプリングしたデジタルフィード
バックデータが用いられる。

【０００３】このようなサンプル値制御系では、制御処
理周期が短いほど制御帯域を広くすることができるた
め、デジタルサーボ制御装置は、最近のマイクロコンピ
ュータの高速化にともない制御処理周期を短くするよう
にしている。

【０００４】また、速度制御に用いるモータの回転速度
情報は、処理周期毎のエンコーダパルス数から求めるの
が一般的であり、回転速度の検出計算値ωｅ（ｒｐｍ）
は（１）式で示される。

【０００５】 ωｅ＝Ｖｐ×（６０／Ｔｓ）×１／Ｅ （１）

【０００６】（１）式において、Ｖｐ：回転速度情報
（処理周期での差分パルス数、Ｅ：１回転当たりのエン
コーダパルス数、Ｔｓ：処理周期（ｓ）である。

【０００７】ところで、エンコーダの分解能は有限であ
るから、制御処理周期で取得するエこの量子化誤差の影
響は、モータの回転速度が低い程顕著になり、回転速度
情報に大きなノイズを伴う。そして、最低検出回転速度
より低い場合には処理周期内で回転速度情報が得られな
い場合も生ずる。

【０００８】また、デジタルサーボ制御装置における最
低検出回転速度ωｅｍは（１）式でＶｐ＝１の場合であ
るから、下記（２）式となる。

【０００９】 ωｅｍ＝１×（６０／Ｔｓ）×１／Ｅ （２）

【００１０】従って、モータが最低検出回転速度ωｅｍ
程度のごく低速で回転する場合、フィードバック情報の
精度が悪くなり、速度の変動が顕著に生じたり、ビビリ
振動等好ましくない現象が起きる。

【００１１】また、（２）式は制御処理周期が短くなる
にしたがって最低検出回転速度ωｅｍが大きくなること
を意味するから、量子化誤差の制御への影響が大きくな
り、最近問題となってきている。このような量子化誤差
の影響を回避するためには、エンコーダの分解能を高く
すればよいが、この場合にはエンコーダが高価格となり
実用性に欠ける。

【００１２】そこで、一般的には速度オブザーバを用い
た補償法が用いられる。図２に一般的な速度オブザーバ
を応用した従来のモータの速度制御方式のブロック図を
示し（例えば特開平１−３０４５０１号参照）、図３に
一般的な速度オブザーバの伝達関数を考慮した原理図を
示す。

【００１３】図２に示す従来のモータの速度制御方式
は、モータ２１の回転速度を制御するための駆動回路２
２と、この駆動回路２２に駆動指令（トルク電流指令）
Ｉｃを送る速度補償器２３と、モータ２１の回転速度を
検出するエンコーダ２４と、駆動指令Ｉｃとエンコーダ
２４の速度検出値ωｅ等から高周波数領域の回転速度を
推定する速度オブザーバ２５と、速度オブザーバ２５が
出力する速度推定値ωｈと速度指令ωｃとを加算して速
度補償器２３に送出する加算器２７とを備えている。速
度補償器２３、速度オブザーバ２５、加算器２７の各動
作は、図示しないマイクロコンピュータで制御するよう
になっている。

【００１４】次に、図３を参照してモータ２１、速度オ
ブザーバ２５の各伝達関数を考慮した原理説明を行う。

【００１５】図３で、２１ａはモータ２１の特性を示す
伝達関数を示すブロックであり、モータ２１の伝達関数
は、Ｋt／Ｊm・ｓで表すことができる。

【００１６】また、図３で速度オブザーバ２５は、モー
タ２１の理論モデルである内部モデルを、ＫthとＪmhと
積分項１／ｓとから構成する。即ち、速度オブザーバ２
５は、伝達関数Ｋthの乗算器３１、伝達関数１／Ｊmhの
乗算器３２、伝達関数（１／ｓ）の積分器３３、加算器
３４、加算器３５及びエラー補正関数Ｇ（ｓ）の帰還要
素３６で表すことができる。

【００１７】ここに、Ｋtはモータ２１のトルク定数、
Ｊmはモータ２１のロータイナーシャ、Ｋthはモータ２
１のトルク定数の理論値、Ｊmhはモータ２１のロータイ
ナーシャの理論値である。また、ωはモータ回転速度の
真値、ωｅは既述のエンコーダによる速度検出値、ωｈ
は速度オブザーバ２５による速度推定値である。

【００１８】ところで、速度オブザーバ２５による補償
法では、その収束特性を考慮しなければならない。即
ち、速度オブザーバ２５は、駆動指令Ｉｃから内部モデ
ルにより速度推定値ωｈを推定し、処理周期でのエンコ
ーダパルス数から求める速度検出値ωｅと、速度推定値
ωｈとを比較し、速度検出値ωｅに近づくようにエラー
補正関数Ｇ（ｓ）により速度推定値ωｈを補正する。速
度検出値ωｅは、理想的には速度の真値ωに等しいが、
実際は量子化誤差が含まれる値である。

【００１９】速度オブザーバ２５を最低検出回転速度ω
ｅｍ以下のごく低速回転の補償に用いる場合、速度検出
値ωｅは周期を隔ててインパルス状に入力するので、ω
ｈにもインパルス状のノイズが生ずることになる。

【００２０】図４に、極低速回転中のモータ速度の真値
ω、その時のエンコーダパルスによる速度検出値ωe1、
その時の速度オブザーバ２５による速度推定値ωh1をそ
れぞれ示す。また、ωem1はその時の最低検出回転速度
である。

【００２１】図４の下段に示す速度推定値ωh1は、速度
オブザーバ２５のエラー補正関数Ｇ（ｓ）により、イン
パルス状の速度検出値ωｅのノイズを低減しているが十
分ではない。これに対して、（２）式により、速度オブ
ザーバ２５の処理周期を長くして最低検出回転速度ωem
1をωem2に下げることで、速度検出値ωｅを周期間で平
滑化する方式がある。

【００２２】図４の中段に示すごく低速回転中のモータ
速度の処理周期を長くした時のエンコーダパルスによる
速度検出値ωe2、図４の下段に示すその時の処理周期を
長くした速度オブザーバ２５による速度推定値ωh2を示
す。またωem2はその時の最低検出回転速度である。

【００２３】図４の下段に示す速度推定値ωh2から、速
度オブザーバ２５の処理周期を長くした方が滑らかな速
度推定が可能なことがわかる。

【００２４】ところで、速度オブザーバ２５の周波数特
性は、その処理周期によって制限され、一般的には、処
理周期の逆数の５分の１程度とされ、この方式では処理
周期間に生じる高い周波数での速度変化を検出できない
という問題が生じる。従って、速度オブザーバ２５の処
理周期が長くなるほど、速度ループの帯域を高くできな
いことになる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
モータの速度制御方式では、速度検出の量子化誤差の低
減と、速度制御特性の広帯域化という相反する問題を有
している。

【００２６】即ち、第１の問題点は、従来の技術では、
速度オブザーバ２５を用いた速度ループの制御帯域を高
くとれないことである。その理由は、速度オブザーバ２
５の処理周期を量子化誤差の補償に合せると、速度制御
特性の帯域を広く取れないからである。

【００２７】第２の問題点は、従来の技術では、高い周
波数帯域の速度オブザーバ２５を用いて速度制御を行う
と、特に極低速回転で速度の変動を顕著に生ずることで
ある。

【００２８】その理由は、エンコーダ２４の分解能に起
因して速度検出に量子化誤差が生じ、特に極低速回転で
速度オブザーバ２５による速度推定値にノイズが大きく
のるからである。

【００２９】そこで本発明は、速度検出の量子化誤差の
低減と、速度制御特性の改善を図ることができるモータ
の速度制御方式を提供することを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
駆動回路により回転駆動されるとともに、回転速度を検
出する回転速度検出手段を備えたモータの速度制御方式
において、速度指令に基づき前記駆動回路を駆動する駆
動指令を生成する速度補償器と、この速度補償器からの
駆動指令と前記回転速度検出手段の回転速度検出値とを
基に低域から高域に亘る周波数帯域を推定した２以上の
速度推定値を出力する速度推定手段と、この速度推定手
段からの２以上の速度推定値を任意の周波数領域でフィ
ルタ処理して合成して速度計算値として出力する実速度
算出手段とによりフィ−ドバック制御系を構成し、前記
速度補償器により前記速度指令と実速度算出手段からの
速度計算値とに基づくフィードバック制御による駆動指
令を生成して前記モータを駆動制御することを特徴とす
るものである。

【００３１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記速度推定手段は、速度補償器からの駆
動指令と前記エンコーダの回転速度検出値とを基に速度
補償器と同程度の周期による処理により速度推定値を出
力する処理周期の短い短周期速度オブザーバと、速度補
償器からの駆動指令と前記エンコーダの回転速度検出値
とを基に速度補償器の処理周期よりも数十倍長い周期に
よる処理により速度推定値を出力する処理周期が長い長
周期速度オブザーバとからなり、前記実速度算出手段
は、長周期速度オブザーバからの速度推定値に対してこ
の長周期速度オブザーバが推定可能な周波数帯域までの
フィルタ処理を行うローパスフィルタと、短周期速度オ
ブザーバからの速度推定値に対して前記ローパスフィル
タの周波数帯域を下限とするフィルタ処理を行うハイパ
スフィルタと、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタ
の出力を合成して速度計算値として出力する加算器とか
らなることを特徴とするものである。

【００３２】

【作用】以下に本発明の作用を説明する。請求項１記載
の発明に係るモータの速度制御方式は、速度補償器は速
度指令に基づきモータを回転駆動する駆動回路に対する
駆動指令を生成し、また、回転速度検出手段はモータの
回転速度を検出するが、このとき、速度推定手段は、速
度補償器からの駆動指令と前記回転速度検出手段の回転
速度検出値とを基に低域から高域に亘る周波数帯域を推
定した２以上の速度推定値を出力する。実速度算出手段
は、速度推定手段からの２以上の速度推定値を任意の周
波数領域でフィルタ処理して合成して速度計算値として
出力する。

【００３３】前記速度補償器は、前記速度指令と実速度
算出手段からの速度計算値とに基づきフィードバック制
御による駆動指令を生成して駆動回路に送り前記モータ
を駆動制御する。

【００３４】このような動作により、モータの速度検出
の量子化誤差の低減を図り、かつ、速度制御特性を改善
することができる。

【００３５】請求項２記載の発明においては、請求項１
記載の発明における前記速度推定手段を構成する短周期
速度オブザーバが速度補償器からの駆動指令と前記エン
コーダの回転速度検出値とを基に速度補償器と同程度の
周期による処理により速度推定値を出力し、また、長周
期速度オブザーバが速度補償器からの駆動指令と前記エ
ンコーダの回転速度検出値とを基に速度補償器の処理周
期よりも数十倍長い周期による処理により速度推定値を
出力する。これにより、短周期速度オブザーバから、モ
ータの回転速度変動のうち高周波成分まで考慮した速度
推定値を出力でき、また、長周期速度オブザーバから、
速度検出精度の劣化を補償した速度推定値を出力でき
る。

【００３６】前記実速度算出手段におけるローパスフィ
ルタは、長周期速度オブザーバからの速度推定値に対し
てこの長周期速度オブザーバが推定可能な周波数帯域ま
でのフィルタ処理を行う。また、ハイパスフィルタは、
短周期速度オブザーバからの速度推定値に対して前記ロ
ーパスフィルタの周波数帯域を下限とするフィルタ処理
を行う。加算器は、前記ローパスフィルタ及びハイパス
フィルタの出力を合成して速度計算値として出力する。

【００３７】このような動作により、実速度算出手段か
ら低い周波数領域の量子化誤差を低減し、高い周波数領
域では速度制御特性の広帯域化に必要な高周波成分を兼
ね備えたフィードバック制御を行うために必要な速度計
算値を出力できる。

【００３８】

【実施例】以下に、本発明の実施例を詳述する。図１に
示す本実施例のモータ１の速度制御方式は、駆動回路２
により回転駆動されるとともに、回転速度を検出する回
転速度検出手段であるエンコーダ４を備えたモータ１を
フィ−ドバック制御系により制御するようにしたもので
ある。

【００３９】即ち、このモータ１の速度制御方式は、速
度指令ωｃに基づき前記駆動回路２を駆動する駆動指令
（トルク電流指令）Ｉｃを生成する速度補償器３と、こ
の速度補償器３からの駆動指令Ｉｃと前記エンコーダ４
からの回転速度検出値とを基に低域から高域に亘る周波
数帯域を推定した２以上の速度推定値ωｈａ、ωｈｂを
出力する速度推定手段５と、この速度推定手段５からの
２以上の速度推定値ωｈａ、ωｈｂを任意の周波数領域
でフィルタ処理して合成して速度計算値ωｆとして出力
する実速度算出手段６と、後述する加算器７とによりフ
ィ−ドバック制御系を構成し、前記速度補償器３により
前記速度指令ωｃと実速度算出手段６からの速度計算値
ωｆとに基づくフィードバック制御による駆動指令Ｉｃ
を生成して前記モータ１を駆動制御するものである。

【００４０】前記速度推定手段５は、速度補償器３から
の駆動指令Ｉｃと前記エンコーダ４の回転速度検出値と
を基に速度補償器３と同程度の周期による処理により速
度推定値ωｈａを出力する処理周期の短い短周期速度オ
ブザーバ５ａと、速度補償器３からの駆動指令Ｉｃと前
記エンコーダ４の回転速度検出値とを基に速度補償器３
の処理周期よりも数十倍長い周期による処理により速度
推定値ωｈｂを出力する処理周期が長い長周期速度オブ
ザーバ５ｂとにより構成している。

【００４１】前記実速度算出手段６は、長周期速度オブ
ザーバ５ｂからの速度推定値ωｈｂに対してこの長周期
速度オブザーバ５ｂが推定可能な周波数帯域までのフィ
ルタ処理を行うローパスフィルタ１２と、短周期速度オ
ブザーバ５ａからの速度推定値ωｈａに対して前記ロー
パスフィルタ１２の周波数帯域を下限とするフィルタ処
理を行うハイパスフィルタ１１と、ローパスフィルタ１
２及びハイパスフィルタ１１の出力を合成して速度計算
値ωｆとして出力する加算器８とにより構成している。

【００４２】また、モータ１の速度制御方式は、前記速
度指令ωｃと、加算器８からの速度計算値ωｆとの偏差
を求めて速度補償器３に送出する加算器７を備えてい
る。

【００４３】前記速度補償器３、短周期速度オブザーバ
５ａ、長周期速度オブザーバ５ｂ、実速度算出手段６、
加算器７は図示しないマイクロコンピュータにより制御
されるようになっている。

【００４４】次に、本実施例の動作について、図１を参
照して説明する。このモータ１の速度制御方式は、速度
偏差を０にするフィードバック制御を行う。即ち、速度
補償器３は速度指令ωｃと実速度算出手段６の速度計算
値ωｆとの偏差を入力し、ＰＩ（比例積分）制御等を行
い駆動回路２に駆動指令Ｉｃを出力する。

【００４５】駆動回路２は、駆動指令Ｉｃによりモータ
１に電流を流し回転駆動する。これによりモータ１は回
転するが、このモータ１の回転速度はモータ１に接続し
た回転速度検出手段であるエンコーダ４により計測され
る。

【００４６】短周期速度オブザーバ５ａは、駆動指令Ｉ
ｃとエンコーダ４からの回転速度検出値（パルス）を入
力し、速度補償器３と同周期程度の短い周期でモータ１
の回転速度の推定を行い速度推定値ωｈａを出力する。
この短周期速度オブザーバ５ａによれば、モータ１の回
転速度変動のうちの高周波数成分まで推定でき、高い周
波数帯域で速度ループの補償が可能となる。

【００４７】長周期速度オブザーバ５ｂは、駆動指令Ｉ
ｃとエンコーダ４からの回転速度検出値（パルス）を入
力し、短周期速度オブザーバ５ａの処理周期の数倍から
数十倍（好ましくは５倍から６０倍、例えば３０倍程
度）の長い周期で処理して回転速度推定を行い、速度推
定値ωｈｂを出力する。この長周期速度オブザーバ５ｂ
によれば、速度ループの周波数帯域の低い範囲で量子化
誤差の影響による速度検出精度の劣化を補償できる。

【００４８】また、前記（２）式で示された制御処理周
期が短くなるにしたがって最低検出回転速度が大きくな
る問題は、速度処理周期とは無関係に速度処理周期の数
十倍の遅い周期でエンコーダ４からの回転速度検出値を
処理し、回転速度推定を行う長周期オブザーバ５ｂによ
り補償される。

【００４９】実速度算出手段６は、任意の周波数領域で
短周期速度オブザーバ５ａからの速度推定値ωｈａ、長
周期速度オブザーバ５ｂからの速度推定値ωｈｂを、そ
れぞれフィルタ処理し加算器６３で合成して速度計算値
ωｆとして加算器７に出力する。

【００５０】即ち、長周期速度オブザーバ５ｂからの速
度推定値ωｈｂに対してのフィルタ処理では、ローパス
フィルタ１２により、この長周期速度オブザーバ５ｂが
推定可能な周波数帯域までのフィルタ処理を行う。

【００５１】短周期速度オブザーバ５ａからの速度推定
値ωｈａに対してのフィルタ処理では、ハイパスフィル
タ１１により、上記のローパスフィルタ１２の処理の周
波数帯域を下限としてフィルタ処理を行う。

【００５２】この結果、実速度算出手段６は、低い周波
数領域の量子化誤差を低減し、高い周波数領域では速度
制御特性の広帯域化に必要な高周波数成分を兼ね備えた
モータ１の回転速度の速度計算値ωｆを出力することに
なる。このような速度計算値ωｆは、モータ１の回転速
度の如何を問わず、極低速から最高速に亘って得られる
ものである。

【００５３】前記加算器７は、速度指令ωｃと実速度算
出手段６からの速度計算値ωｆとの偏差を求め、前記速
度補償器３に送る。速度補償器３は、前記偏差を入力
し、ＰＩ（比例積分）制御等を行い駆動回路２に駆動指
令Ｉｃを出力する。この結果、モータ１の回転速度の如
何を問わず、低周波数領域の量子化誤差が少なく、高い
速度制御特性を得ることができるフィードバック制御が
可能となる。

【００５４】上述した本実施例によれば、デジタル制御
において、極低速で回転するモータ１の回転速度を安定
に制御でき、これにより、ＮＣ工作機械やロボットなど
のモータ応用システムで量子化誤差が顕著となる極低速
動作時の円滑な速度制御を行うことができる。これは、
エンコーダ４の分解能が有限であるためにおきる速度検
出精度の限界を低周波数領域で補償することができるか
らである。

【００５５】また、デジタル制御において、モータ１の
回転速度の広い周波数領域での変動を制御することがで
き、これにより、ＮＣ工作機械やロボットなどのモータ
応用システムで高速制御が可能となる。これは、モータ
１の回転速度によらず常時高い周波数帯域で速度変動を
推定し補償することによる。

【００５６】さらに、高価格な分解能の高いエンコーダ
４を用いなくても、高い分解能をもってより高い周波数
領域までモータ１の回転速度を検出することができる。

【００５７】尚、本発明を一実施例によって説明した
が、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

【００５８】例えば、図１の実速度算出手段７はそのフ
ィルタ処理の特性の変形が可能であり、また、図１の短
周期速度オブザーバ５ａ及び長周期速度オブザーバ５ｂ
を変形して実速度算出手段６の機能を含ませたり、これ
らの数及び周期を２つ以上、例えば３、４等にして組合
わせる等の種々の変形が可能であるが、これらは本発明
の要旨に従うものであり、これらを本発明の範囲から排
除するものではない。

【００５９】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、以下の効
果を奏する。請求項１記載の発明によれば、モータの速
度検出の量子化誤差の低減を図り、かつ、速度制御特性
を改善することができるモータの速度制御方式を提供す
ることができる。

【００６０】請求項２記載の発明によれば、実速度算出
手段から低い周波数領域の量子化誤差を低減し、高い周
波数領域では速度制御特性の広帯域化に必要な高周波成
分を兼ね備えたフィードバック制御を行うために必要な
速度計算値を出力できるモータの速度制御方式を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すモータの速度制御方式
のブロック図である。

【図２】従来のモータの速度制御方式のブロック図であ
る。

【図３】速度オブザーバの原理を示すブロック図であ
る。

【図４】モータ速度と検出速度と推定速度との関係を示
す波形図である。

【符号の説明】

１ モータ ２ 駆動回路 ３ 速度補償器 ４ エンコーダ ５ 速度オブザーバ ５ａ 短周期速度オブザーバ ５ｂ 長周期速度オブザーバ ６ 実速度算出手段 ７ 加算器 ８ 加算器 １１ ハイパスフィルタ １２ ローパスフィルタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動回路により回転駆動されるととも
   に、回転速度を検出する回転速度検出手段を備えたモー
   タの速度制御方式において、 速度指令に基づき前記駆動回路を駆動する駆動指令を生
   成する速度補償器と、この速度補償器からの駆動指令と
   前記回転速度検出手段の回転速度検出値とを基に低域か
   ら高域に亘る周波数帯域を推定した２以上の速度推定値
   を出力する速度推定手段と、この速度推定手段からの２
   以上の速度推定値を任意の周波数領域でフィルタ処理し
   て合成して速度計算値として出力する実速度算出手段と
   によりフィ−ドバック制御系を構成し、 前記速度補償器により前記速度指令と実速度算出手段か
   らの速度計算値とに基づくフィードバック制御による駆
   動指令を生成して前記モータを駆動制御することを特徴
   とするモータの速度制御方式。
2. 【請求項２】 前記速度推定手段は、速度補償器からの
   駆動指令と前記エンコーダの回転速度検出値とを基に速
   度補償器と同程度の周期による処理により速度推定値を
   出力する処理周期の短い短周期速度オブザーバと、速度
   補償器からの駆動指令と前記エンコーダの回転速度検出
   値とを基に速度補償器の処理周期よりも数十倍長い周期
   による処理により速度推定値を出力する処理周期が長い
   長周期速度オブザーバとからなり、 前記実速度算出手段は、長周期速度オブザーバからの速
   度推定値に対してこの長周期速度オブザーバが推定可能
   な周波数帯域までのフィルタ処理を行うローパスフィル
   タと、短周期速度オブザーバからの速度推定値に対して
   前記ローパスフィルタの周波数帯域を下限とするフィル
   タ処理を行うハイパスフィルタと、ローパスフィルタ及
   びハイパスフィルタの出力を合成して速度計算値として
   出力する加算器とからなること、 を特徴とする請求項１記載のモータの速度制御方式。