JP3656745B2 - 電動機位置制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工作機械におけるテーブルやロボットのアームのような負荷機械を駆動する電動機（直流電動機、誘導電動機、同期電動機、リニアモータなど）の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械におけるテーブル、ロボットのアームなどの負荷機械と、前記負荷機械を駆動する直流電動機、誘導電動機、同期電動機、電磁石、リニアモータなどの駆動装置と、前記負荷機械と駆動装置とを連結する伝達機構とから構成された機械系を制御するのに、出力指令値および制御対象の出力実際値が入力されるフィードバック制御系と、出力指令値が入力されるフィードフォワード制御系とを持った２自由度制御装置が多く使用されている。
例えば、参考文献１）：（「電動機の位置制御装置」：特許第3084928号）、参考文献２）：（「サーボモータの適応制御」：計測と制御、第32巻第12号、pp.1010〜1013（1993））などがある。図６は従来の２自由度制御装置の例を示すブロック線図である。
図６において、１は負荷機械、２は伝達機構、３は電動機、４は動力変換回路、２３は位置信号θと速度信号ωを提供する実観測器、２４は１〜４及び２３から構成された電動機駆動装置、７は位置指令θrefを生成する指令発生器、２０は位置指令θrefを用いて模擬位置θｍと模擬速度ωｍと模擬トルクTｍとを提供するフィードフォワード信号演算回路、２１は位置信号θと速度信号ωと模擬位置θｍと模擬速度ωｍとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバック制御回路、２２はフィードバックトルク指令Ｔｂと模擬トルクTｍとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク制御回路である。
参考文献１）、２）に示すように、連続系の場合、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致すれば、位置信号θは模擬位置θｍと一致し、速度信号ωは模擬速度ωｍと一致する。その時、
Ｔｂ＝０ （１）
となる。すなわち、図６に示される従来の制御装置によれば、フィードフォワード信号演算回路２０の導入により、フィードバック制御回路２１の制御ゲインを高く設定しなくても、フィードフォワード信号演算回路２０の応答特性を調整することで、高速な実応答特性を得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述従来の技術をデジタル制御装置で実現する場合、通常、速度信号ωが直接観測されず、エンコーダやリニアスケールのような位置センサにより得られた位置信号θを利用し、次のように生成されている。ただし、Tsはサンプル時間、（ｋ）は現時点での時間順位ｋ*Tsを表す。
ω（ｋ）＝（θ（ｋ）−θ（ｋ−１））／Ts （２）
すなわち、ω（ｋ）は実速度よりも遅れていることが分かる。
また、フィードフォワード信号演算回路２０模擬演算で実現されるので、現時点の値をそのまま提供される。従って、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致しても、
θ（ｋ）＝θｍ（ｋ） （３）
ω（ｋ）≠ωｍ（ｋ） （４）
となる。よって、
Ｔｂ（ｋ）≠０ （５）
となる。また、一般に、トルク指令Ｔは
T（ｋ）＝Ｔｂ（ｋ）＋Tｍ（ｋ） （６）
のように生成されているので、
Ｔ（ｋ）≠Tｍ（ｋ） （７）
となり、
θ（ｋ+1）≠θｍ（ｋ+1） （８）
となる。よって、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合にもかかわらず、オーバーシュートなどが生じ、電動機の実整定時間が長くなるなどの問題がある。また、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致しない場合、電動機駆動装置６の応答特性を改善するために、フィードバック制御回路２１の制御ゲインを高く設定する必要がある。しかしながら、実観測器２３に含まれているノイズなどの影響で、フィードバック制御回路２１の制御ゲインの上限を制限しているので、フィードバック制御回路２１の制御ゲインを高く設定することができない。よって、オーバーシュートなどが生じ、電動機の実整定時間が更に長くなるなどの問題がある。
また、フィードフォワード信号演算回路２０から模擬位置θｍと模擬速度ωｍと模擬トルクTｍとを同時にフィードバック制御回路２１に提供する必要があるので、信号の通信量が多いので、コストが高くなるという問題もある。
この発明の目的は、信号の通信量を減らすと共に、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致するか否かにかかわらず、オーバーシュートなどを生じないことを実現する電動機位置制御装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第1の発明の電動機位置制御装置は、位置指令θrefを提供する指令発生器７と、トルク指令Ｔに従って電力Vを提供する動力変換回路４と、伝達機構２を介して、負荷機械１を駆動する電動機３と、前記電動機の位置信号θを提供する実観測器５とから構成されている電動機駆動装置６に対して、前記位置指令θrefと前記位置信号θとに基づいて所望なトルク指令Ｔを提供する電動機位置制御装置において、前記トルク指令Ｔから前記負荷機械１の位置までの伝達特性をすくなくとも４回の積分演算を含む所定の関数演算で近似し、前記トルク指令Ｔに基づいてすくなくとも模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとを含む模擬状態量Xと、模擬電動機位置θmとを提供する前記負荷機械１と前記伝達機構２と前記電動機３の模擬モデル１０と、前記位置指令θrefと前記模擬状態量Xとに基づいて、模擬トルクTｍを提供する模擬コントローラ８と、前記模擬トルクTｍと前記位置信号θと前記模擬電動機位置θmとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供する実制御部９とを備えたことを特徴とするものである。第１の発明の電動機位置制御装置によれば、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、オーバーシュートなどを生じないことを実現できる。また、従来技術で存在していた速度信号ωの時間遅れによる制御ゲインの限界の低下という問題が解決されている。更に、模擬コントローラ８と模擬モデル１０とからなるフィードフォワード制御系からは、模擬位置θｍ及び模擬トルクTｍのみを実制御部９に提供すればよいので、信号の通信量を減らした。よって、より少ない配線で実現でき、コスト削減につながるような効果もある。また、模擬コントローラ８は、模擬モデル１０の模擬負荷位置θLが指令通りに動作するように設計されたものであるので、模擬負荷位置θLには振動やオーバーシュートなどを生じないことを実現できる。よって、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、負荷機械１は位置指令θrefと同様な応答特性が得られる。また、模擬モデル１０は、負荷機械１と伝達機構２と電動機３を考慮しているため、伝達機構の剛性に依る所望の応答が得られないという問題を解決できる。
【０００５】
第２の発明の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂとを提供する実オブザーバ９ｂと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｄとを備えたことを特徴とするものである。第２の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第１の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、より滑らかなトルク指令Ｔを得ることができる。よって、負荷機械１をより滑らかに動作させることができる。
【０００６】
第３の発明の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと前記実推定外乱ｄｂとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｆとを備えたことを特徴とするものである。第３の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第２の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、実推定位置θｂの応答が位置信号θにより一致することができる。よって、フィードバックコントローラの制御ゲインｋｐ、ｋｉ、ｋｖをより高く設定することができるので、より強いフィードバック特性が得られる。すなわち、多少のモデリング誤差が存在しても、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。また、実推定外乱ｄｂを直接補償することによって、電動機駆動装置に存在している外乱に対して、より効率的に抑制することができるので、負荷機械１応答をより高速化することができる。
【０００７】
第４の発明の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒと模擬推定外乱ｄｒとを提供する模擬オブザーバ９ｇと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと前記実推定外乱ｄｂと前記模擬推定外乱ｄｒとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｈとを備えたことを特徴とするものである。第４の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第３の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、模擬オブザーバと実オブザーバと存在しているモデリング誤差による実推定外乱ｄｂの過推定成分を引き取りこととなる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、現れやすい振動などをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。
【０００８】
第５の発明の電動機位置制御装置は、前記フィードバックコントローラ９ｃが前記模擬推定位置θｒと前記実推定位置θｂとに基づいて位置誤差ｅｐを提供する減算器９ｃ１と、前記模擬推定速度ωｒと前記実推定速度ωｂとに基づいて速度誤差ｅｖを提供する減算器９ｃ２と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置比例制御トルク指令Ｔｂｐを提供する位置比例制御器９ｃ３と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置積分制御トルク指令Ｔｂiを提供する位置積分制御器９ｃ４と、前記速度誤差ｅｖに基づいて速度比例制御トルク指令Ｔｂｖを提供する速度比例制御器９ｃ５と、前記位置比例制御トルク指令Ｔｂｐと前記位置積分制御トルク指令Ｔｂiと前記速度比例制御トルク指令Ｔｂｖとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供する加算器９ｃ６とを備えたことを特徴とするものである。
第５の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第２〜４の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、模擬モデル１０に多少のモデリング誤差が存在する場合も、θｂ（ｋ）を常にθｒ（ｋ）に一致させることができる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、負荷機械１の応答に現れやすい遅れなどをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより高精度で一致させることができる。
【０００９】
第６の発明の電動機位置制御装置は、前記模擬コントローラ８と、前記模擬モデル１０と、前記実制御部９とが複数のプロセッサで構成される手段を備えたことを特徴とするものである。第６の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第１〜５の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とでより複雑な演算ができ、電動機駆動装置６の特性に合わせて模擬モデル１０をより精密に構築することができる。また、模擬コントローラ８、模擬モデル１０との動作を高速で行うことにより、実指令θrefに対して、より高速な模擬位置θｍを得ることができるので、より高速な位置信号θの応答が得られる。すなわち、負荷機械１をより高速、より高精度で駆動することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の第1の実施の形態の電動機位置制御装置について図１に基づいて説明する。
図１に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、位置指令θrefを提供する指令発生器７と、トルク指令Ｔに従って電力Vを提供する動力変換回路４と、伝達機構２を介して、負荷機械１を駆動する電動機３と、電動機の位置信号θを提供する実観測５とから構成されている電動機駆動装置６に対して、前記位置指令θrefと前記位置信号θとに基づいて所望なトルク指令Tを提供する電動機位置制御装置であって、前記トルク指令Ｔから前記負荷機械１の位置までの伝達特性をすくなくとも４回の積分演算を含む所定の関数演算で近似し、前記トルク指令Ｔに基づいてすくなくとも模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとを含む模擬状態量Xと、模擬電動機位置θmと、を提供する模擬モデル１０と、前記位置指令θrefと前記模擬状態量Xとに基づいて、模擬トルクTｍを提供する模擬コントローラ８と、前記模擬トルクTｍと前記位置信号θと前記模擬電動機位置θmとに基づいてトルク指令Tを提供する実制御部９とから構成されている。
電動機駆動装置６は、負荷機械１と、伝達機構２と、電動機３と、動力変換回路４と、実観測器５とから構成されている。また、負荷機械１はテーブルやリニアスライダなどのようなアクチュエータである。伝達機構２はボールネジなどのような固定装置や減速機構である。電動機３は回転モータやリニアモータである。動力変換回路４はPWMインバータなどのような動力電圧または電流制御装置である。実観測器５はエンコーダやリニアスケールのような位置センサである。
指令発生器７は従来装置のものと同一に構成される。
模擬モデル１０は、模擬トルクTｍに基づいて、次のように、模擬位置θｍと模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとを提供する。ただし、Jmは第１等価慣性モーメントであり、JLは第２等価慣性モーメントであり、Kcは電動機駆動装置６の等価ばね常数であり、ωｍは模擬速度である。
【００１１】
θL（ｋ+1）＝θL（ｋ）+ωL（ｋ）*Ts+ Tｋ（ｋ）*Ts*Ts*0.5／JL （９）
ωL（ｋ+1）＝ωｍ（ｋ）+ Tｋ（ｋ）*Ts／JL （１０）
θｍ（ｋ+1）＝θｍ（ｋ）+ω（ｋ）*Ts
+（Tｍ（ｋ）−Tｋ（ｋ））*Ts*Ts*0.5／Jm （１１）
ωｍ（ｋ+1）＝ωｍ（ｋ）+（Tｍ（ｋ）−Tｋ（ｋ））*Ts／Jm （１２）
θｓ（ｋ）＝θｍ（ｋ）−θL（ｋ） （１３）
ωｓ（ｋ）＝ωｍ（ｋ）−ωL（ｋ） （１４）
Tｋ（ｋ）＝Kc*θｓ（ｋ） （１５）
【００１２】
模擬コントローラ８は、位置指令θrefと模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとに基づいて、次のように、模擬トルクTｍを提供する。ただし、ｋｐｆ、ｋｖｆ、ｋｐｓ、ｋｖｓは制御ゲインである。また、ｋｐｆ、ｋｖｆ、ｋｐｓ、ｋｖｓの設定は、極配置で設計すればよい。
Tｍ（ｋ）＝（ｋｐｆ*（θref（ｋ）−θL（ｋ））−ωL（ｋ））*ｋｖｆ
−ｋｐｓ*θｓ（ｋ）−ｋｖｓ*ωｓ（ｋ） （１６）
【００１３】
実制御部９は、位置信号θと前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍとに基づいて、次のように、トルク指令Tを提供する。ただし、ｋｐ、ｋｉ、ｋｖは制御ゲインであり、ｓ微分演算子である。ｋｐ、ｋｖ、ｋｉをフィードバックループが安定となるように、極配置で設定すればよい。
よって、電動機駆動装置６の応答特性が（９）〜（１５）式と等価的なものであれば、
θ（ｋ）＝θｍ（ｋ） （１９）
θ（ｋ−１）＝θｍ（ｋ−１） （２０）
となる。よって、Tb（ｋ）は電動機駆動装置６の一定外乱に相当する定数となるので、Ｔ（ｋ）の動特性はTｍ（ｋ+1）と同一となる。従って、
θ（ｋ+1）＝θｍ（ｋ+1） （２１）
が成立する。
【００１４】
従って、この実施の形態によれば、（１６）式に示すフィードバック演算を行う際に、現在の時刻の物理量θ（ｋ）、θｍ（ｋ）と前時刻の物理量θ（ｋ−1）、θｍ（ｋ−1）を利用しているので、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、オーバーシュートなどを生じないことを実現できる。また、従来技術で存在していた速度信号ωの時間遅れによる制御ゲインの限界の低下という問題が解決されている。更に、模擬コントローラ８と模擬モデル１０とからなるフィードフォワード制御系からは、模擬位置θｍ及び模擬トルクTｍのみを実制御部９に提供すればよいので、信号の通信量を減らした。よって、より少ない配線で実現でき、コスト削減につながるような効果もある。また、模擬コントローラ８は、模擬モデル１０の模擬負荷位置θLが指令通りに動作するように設計されたものであるので、模擬負荷位置θLには振動やオーバーシュートなどを生じないことを実現できる。よって、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、負荷機械１は位置指令θrefと同様な応答特性が得られる。
【００１５】
この発明の第２の実施の形態の電動機位置制御装置について図２に基づいて説明する。
図２に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θとトルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂとを提供する実オブザーバ９ｂと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｄとから構成されている。
模擬オブザーバ９ａは、模擬位置θｍと模擬トルクTｍとに基づいて、次のように、模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する。ただし、L1、L2はオブザーバゲインであり、極配置設計すればよい。
【００１６】
実オブザーバ９ｂは、トルク指令Ｔと位置信号θとに基づいて、次のように、実推定位置θｂと実推定速度ωｂとを提供する。
【００１７】
フィードバックコントローラ９ｃは、実推定位置θｂと実推定速度ωｂと模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとに基づいて、次のように、フィードバックトルク指令Ｔｂを提供する。
トルク指令合成器９ｄは、フィードバックトルク指令Ｔｂと模擬トルクTｍとに基づいて、次のように、トルク指令Ｔを提供する。
Ｔ（ｋ）＝Tｂ（ｋ）+ Tm（ｋ+１） （２７）
従って、この実施の形態によれば、上述第１の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。フィードバックトルク指令Ｔｂを生成する際に、差分演算を利用していないので、より滑らかなトルク指令Ｔを得ることができる。よって、負荷機械１をより滑らかに動作させることができる。
【００１８】
この発明の第３の実施の形態の電動機位置制御装置について図３に基づいて説明する。
図３に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θとトルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと実推定外乱ｄｂとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｆとから構成されている。
実オブザーバ９ｅは、トルク指令Ｔと位置信号θとに基づいて、次のように、実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する。ただし、L３はオブザーバゲインであり、実オブザーバ９ｅが安定するように設計すればよい。
【００１９】
トルク指令合成器９ｆは、フィードバックトルク指令Ｔｂと模擬トルクTｍと実推定外乱ｄｂとに基づいて、次のように、トルク指令Ｔを提供する。
Ｔ（ｋ）＝Tｂ（ｋ）+ Tm（ｋ+１）−ｄｂ（ｋ） （３１）
【００２０】
従って、この実施の形態によれば、上述第２の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。
実オブザーバ９ｅに実推定外乱ｄｂを導入することによって、実推定位置θｂの応答が位置信号θにより一致することができる。よって、フィードバックコントローラの制御ゲインｋｐ、ｋｉ、ｋｖをより高く設定することができるので、より強いフィードバック特性が得られる。すなわち、多少のモデリング誤差が存在しても、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。
また、実推定外乱ｄｂを直接補償することによって、電動機駆動装置に存在している外乱に対して、より効率的に抑制することができるので、負荷機械１応答をより高速化することができる。
【００２１】
この発明の第４の実施の形態の電動機位置制御装置について図４に基づいて説明する。
図４に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒと模擬推定外乱ｄｒとを提供する模擬オブザーバ９ｇと、前記位置信号θとトルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと実推定外乱ｄｂと模擬推定外乱ｄｒとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｈとから構成されている。
模擬オブザーバ９ｇは、模擬トルクTｍと模擬位置θｍとに基づいて、次のように、模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒと模擬推定外乱ｄｒとを提供する。
【００２２】
トルク指令合成器９ｈは、フィードバックトルク指令Ｔｂと模擬トルクTｍと実推定外乱ｄｂとに基づいて、次のように、トルク指令Ｔを提供する。
Ｔ（ｋ）＝Tｂ（ｋ）+ Tm（ｋ+１）−ｄｂ（ｋ）+ｄｒ（ｋ） （３５）
【００２３】
従って、この実施の形態によれば、上述第３の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。
実推定外乱ｄｂから模擬推定外乱ｄｒを減算することによって、模擬オブザーバと実オブザーバと存在しているモデリング誤差による実推定外乱ｄｂの過推定成分を引き取りこととなる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、現れやすい振動などをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。
【００２４】
この発明の第５の実施の形態の電動機位置制御装置について図５に基づいて説明する。
図５に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記フィードバックコントローラ９ｃが、前記模擬推定位置θｒと前記実推定位置θｂとに基づいて位置誤差ｅｐを提供する減算器９ｃ１と、前記模擬推定速度ωｒと前記実推定速度ωｂとに基づいて速度誤差ｅｖを提供する減算器９ｃ２と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置比例制御トルク指令Ｔｂｐを提供する位置比例制御器９ｃ３と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置積分制御トルク指令Ｔｂiを提供する位置積分制御器９ｃ４と、前記速度誤差ｅｖに基づいて速度比例制御トルク指令Ｔｂｖを提供する速度比例制御器９ｃ５と、前記位置比例制御トルク指令Ｔｂｐと前記位置積分制御トルク指令Ｔｂiと前記速度比例制御トルク指令Ｔｂｖとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供する加算器９ｃ６とから構成されている。
【００２５】
減算器９ｃ１で、位置誤差ｅｐを次のように生成する。
ｅｐ（ｋ）＝θｒ（ｋ）−θｂ（ｋ） （３６）
減算器９ｃ２で、速度誤差ｅｖを次のように生成する。
ｅｖ（ｋ）＝ωｒ（ｋ）−ωｂ（ｋ） （３７）
位置比例制御器９ｃ３は、位置誤差ｅｐに基づいて、次のように、位置比例制御トルク指令Ｔｂｐを提供する。
Ｔｂｐ（ｋ）＝ｋｐ*ｅｐ（ｋ） （３８）
速度比例制御器９ｃ５は、速度誤差ｅｖに基づいて、次のように、速度比例制御トルク指令Ｔｂｖを提供する。
Ｔｂｖ（ｋ）＝ｋｖ*ｅｖ（ｋ） （３９）
位置積分制御器９ｃ４は、位置誤差ｅｐに基づいて、次のように、位置積分制御トルク指令Ｔｂiを提供する。
Ｔｂi（ｋ）＝Ｔｂi（ｋ−１）+ｋｉ*（θｒ（ｋ）−θｂ（ｋ））(４０）
加算器９ｃ６で、次のように、フィードバックトルク指令Ｔｂを生成する。
Ｔｂ（ｋ）＝Ｔｂi（ｋ）+Ｔｂｖ（ｋ）+Ｔｂｐ（ｋ） （４１）
【００２６】
従って、この実施の形態によれば、上述第２〜４の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。
位置積分制御器９ｃ４を導入することによって、模擬モデル１０に多少のモデリング誤差が存在する場合も、θｂ（ｋ）を常にθｒ（ｋ）に一致させることができる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、負荷機械１の応答に現れやすい遅れなどをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより高精度で一致させることができる。
【００２７】
上述実施例に示す模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とをそれぞれのプロセッサで構成することが容易に実現できる。
この実施の形態によれば、第１〜５の実施の形態の作用と効果があると共に、更に、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とをそれぞれのプロセッサで構成することにより、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とでより複雑な演算ができ、電動機駆動装置６の特性に合わせて模擬モデル１０をより精密に構築することができる。また、模擬コントローラ８、模擬モデル１０との動作を高速で行うことにより、実指令θrefに対して、より高速な模擬位置θｍを得ることができるので、より高速な位置信号θの応答が得られる。すなわち、負荷機械１をより高速、より高精度で駆動することができる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１記載の電動機位置制御方法によれば、（１６）式に示すフィードバック演算を行う際に、現在の時刻の物理量θ（ｋ）、θｍ（ｋ）と前時刻の物理量θ（ｋ−1）、θｍ（ｋ−1）を利用しているので、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、オーバーシュートなどを生じないことを実現できる。また、従来技術で存在していた速度信号ωの時間遅れによる制御ゲインの限界の低下という問題が解決されている。更に、模擬コントローラ８と模擬モデル１０とからなるフィードフォワード制御系からは、模擬位置θｍ及び模擬トルクTｍのみを実制御部９に提供すればよいので、信号の通信量を減らした。よって、より少ない配線で実現でき、コスト削減につながるような効果もある。また、模擬コントローラ８は、模擬モデル１０の模擬負荷位置θLが指令通りに動作するように設計されたものであるので、模擬負荷位置θLには振動やオーバーシュートなどを生じないことを実現できる。よって、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、負荷機械１は位置指令θrefと同様な応答特性が得られる。また、模擬モデル１０は、負荷機械１と伝達機構２と電動機３を考慮しているため、伝達機構の剛性に依る所望の応答が得られないという問題を解決できる。請求項２記載の電動機位置制御方法によれば、請求項１の作用と効果があると共に、更に、フィードバックトルク指令Ｔｂを生成する際に、差分演算を利用していないので、より滑らかなトルク指令Ｔを得ることができる。よって、負荷機械１をより滑らかに動作させることができる。請求項３記載の電動機位置制御方法によれば、請求項２の作用と効果があると共に、更に、実オブザーバ９ｅに実推定外乱ｄｂを導入することによって、実推定位置θｂの応答が位置信号θにより一致することができる。よって、フィードバックコントローラの制御ゲインｋｐ、ｋｉ、ｋｖをより高く設定することができるので、より強いフィードバック特性が得られる。すなわち、多少のモデリング誤差が存在しても、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。また、実推定外乱ｄｂを直接補償することによって、電動機駆動装置に存在している外乱に対して、より効率的に抑制することができるので、負荷機械１応答をより高速化することができる。請求項４記載の電動機位置制御方法によれば、請求項３の作用と効果があると共に、更に、実推定外乱ｄｂから模擬推定外乱ｄｒを減算することによって、模擬オブザーバと実オブザーバと存在しているモデリング誤差による実推定外乱ｄｂの過推定成分を引き取りこととなる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、現れやすい振動などをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。請求項５記載の電動機位置制御方法によれば、請求項２〜４の作用と効果があると共に、更に、位置積分制御器９ｃ４を導入することによって、模擬モデル１０に多少のモデリング誤差が存在する場合も、θｂ（ｋ）を常にθｒ（ｋ）に一致させることができる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、負荷機械１の応答に現れやすい遅れなどをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより高精度で一致させることができる。請求項６記載の電動機位置制御装置によれば、請求項１〜５の作用と効果があると共に、更に、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とをそれぞれのプロセッサで構成することにより、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とでより複雑な演算ができ、電動機駆動装置６の特性に合わせて模擬モデル１０をより精密に構築することができる。また、模擬コントローラ８、模擬モデル１０との動作を高速で行うことにより、実指令θrefに対して、より高速な模擬位置θｍを得ることができるので、より高速な位置信号θの応答が得られる。すなわち、負荷機械１をより高速、より高精度で駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第1の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の第５の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 負荷機械
２ 伝達機構
３ 電動機
４ 動力変換回路
５ 実観測器
６ 電動機駆動装置
７ 指令発生器
８ 模擬コントローラ
９ 実制御部
９ａ 模擬オブザーバ
９ｂ 実オブザーバ
９ｃ フィードバックコントローラ
９ｃ１ 減算器
９ｃ２ 減算器
９ｃ３ 位置比例制御器
９ｃ４ 位置積分制御器
９ｃ５ 速度比例制御部
９ｃ６ 加算器
９ｄ トルク指令合成器
９ｅ 実オブザーバ
９ｆ トルク指令合成器
９ｇ 模擬オブザーバ
９ｈ トルク指令合成器
１０ 模擬モデル
２０ フィードフォワード信号演算回路
２１ フィードバック制御回路
２２ トルク制御回路
２３ 実観測器
２４ 電動機駆動装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工作機械におけるテーブルやロボットのアームのような負荷機械を駆動する電動機（直流電動機、誘導電動機、同期電動機、リニアモータなど）の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械におけるテーブル、ロボットのアームなどの負荷機械と、前記負荷機械を駆動する直流電動機、誘導電動機、同期電動機、電磁石、リニアモータなどの駆動装置と、前記負荷機械と駆動装置とを連結する伝達機構とから構成された機械系を制御するのに、出力指令値および制御対象の出力実際値が入力されるフィードバック制御系と、出力指令値が入力されるフィードフォワード制御系とを持った２自由度制御装置が多く使用されている。
例えば、参考文献１）：（「電動機の位置制御装置」：特許第3084928号）、参考文献２）：（「サーボモータの適応制御」：計測と制御、第32巻第12号、pp.1010〜1013（1993））などがある。図６は従来の２自由度制御装置の例を示すブロック線図である。
図６において、１は負荷機械、２は伝達機構、３は電動機、４は動力変換回路、２３は位置信号θと速度信号ωを提供する実観測器、２４は１〜４及び２３から構成された電動機駆動装置、７は位置指令θrefを生成する指令発生器、２０は位置指令θrefを用いて模擬位置θｍと模擬速度ωｍと模擬トルクTｍとを提供するフィードフォワード信号演算回路、２１は位置信号θと速度信号ωと模擬位置θｍと模擬速度ωｍとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバック制御回路、２２はフィードバックトルク指令Ｔｂと模擬トルクTｍとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク制御回路である。
参考文献１）、２）に示すように、連続系の場合、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致すれば、位置信号θは模擬位置θｍと一致し、速度信号ωは模擬速度ωｍと一致する。その時、
Ｔｂ＝０ （１）
となる。すなわち、図６に示される従来の制御装置によれば、フィードフォワード信号演算回路２０の導入により、フィードバック制御回路２１の制御ゲインを高く設定しなくても、フィードフォワード信号演算回路２０の応答特性を調整することで、高速な実応答特性を得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述従来の技術をデジタル制御装置で実現する場合、通常、速度信号ωが直接観測されず、エンコーダやリニアスケールのような位置センサにより得られた位置信号θを利用し、次のように生成されている。ただし、Tsはサンプル時間、（ｋ）は現時点での時間順位ｋ*Tsを表す。
ω（ｋ）＝（θ（ｋ）−θ（ｋ−１））／Ts （２）
すなわち、ω（ｋ）は実速度よりも遅れていることが分かる。
また、フィードフォワード信号演算回路２０模擬演算で実現されるので、現時点の値をそのまま提供される。従って、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致しても、
θ（ｋ）＝θｍ（ｋ） （３）
ω（ｋ）≠ωｍ（ｋ） （４）
となる。よって、
Ｔｂ（ｋ）≠０ （５）
となる。また、一般に、トルク指令Ｔは
T（ｋ）＝Ｔｂ（ｋ）＋Tｍ（ｋ） （６）
のように生成されているので、
Ｔ（ｋ）≠Tｍ（ｋ） （７）
となり、
θ（ｋ+1）≠θｍ（ｋ+1） （８）
となる。よって、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合にもかかわらず、オーバーシュートなどが生じ、電動機の実整定時間が長くなるなどの問題がある。また、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致しない場合、電動機駆動装置６の応答特性を改善するために、フィードバック制御回路２１の制御ゲインを高く設定する必要がある。しかしながら、実観測器２３に含まれているノイズなどの影響で、フィードバック制御回路２１の制御ゲインの上限を制限しているので、フィードバック制御回路２１の制御ゲインを高く設定することができない。よって、オーバーシュートなどが生じ、電動機の実整定時間が更に長くなるなどの問題がある。
また、フィードフォワード信号演算回路２０から模擬位置θｍと模擬速度ωｍと模擬トルクTｍとを同時にフィードバック制御回路２１に提供する必要があるので、信号の通信量が多いので、コストが高くなるという問題もある。
この発明の目的は、信号の通信量を減らすと共に、フィードフォワード信号演算回路２０の機械系模擬回路の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致するか否かにかかわらず、オーバーシュートなどを生じないことを実現する電動機位置制御装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第1の発明の電動機位置制御装置は、位置指令θrefを提供する指令発生器７と、トルク指令Ｔに従って電力Vを提供する動力変換回路４と、伝達機構２を介して、負荷機械１を駆動する電動機３と、前記電動機の位置信号θを提供する実観測器５とから構成されている電動機駆動装置６に対して、前記位置指令θrefと前記位置信号θとに基づいて所望なトルク指令Ｔを提供する電動機位置制御装置において、前記トルク指令Ｔから前記負荷機械１の位置までの伝達特性をすくなくとも４回の積分演算を含む所定の関数演算で近似し、前記トルク指令Ｔに基づいてすくなくとも模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとを含む模擬状態量Xと、模擬電動機位置θmとを提供する前記負荷機械１と前記伝達機構２と前記電動機３の模擬モデル１０と、前記位置指令θrefと前記模擬状態量Xとに基づいて、模擬トルクTｍを提供する模擬コントローラ８と、前記模擬トルクTｍと前記位置信号θと前記模擬電動機位置θmとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供する実制御部９とを備えたことを特徴とするものである。第１の発明の電動機位置制御装置によれば、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、オーバーシュートなどを生じないことを実現できる。また、従来技術で存在していた速度信号ωの時間遅れによる制御ゲインの限界の低下という問題が解決されている。更に、模擬コントローラ８と模擬モデル１０とからなるフィードフォワード制御系からは、模擬位置θｍ及び模擬トルクTｍのみを実制御部９に提供すればよいので、信号の通信量を減らした。よって、より少ない配線で実現でき、コスト削減につながるような効果もある。また、模擬コントローラ８は、模擬モデル１０の模擬負荷位置θLが指令通りに動作するように設計されたものであるので、模擬負荷位置θLには振動やオーバーシュートなどを生じないことを実現できる。よって、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、負荷機械１は位置指令θrefと同様な応答特性が得られる。また、模擬モデル１０は、負荷機械１と伝達機構２と電動機３を考慮しているため、伝達機構の剛性に依る所望の応答が得られないという問題を解決できる。
【０００５】
第２の発明の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂとを提供する実オブザーバ９ｂと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｄとを備えたことを特徴とするものである。第２の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第１の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、より滑らかなトルク指令Ｔを得ることができる。よって、負荷機械１をより滑らかに動作させることができる。
【０００６】
第３の発明の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと前記実推定外乱ｄｂとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｆとを備えたことを特徴とするものである。第３の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第２の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、実推定位置θｂの応答が位置信号θにより一致することができる。よって、フィードバックコントローラの制御ゲインｋｐ、ｋｉ、ｋｖをより高く設定することができるので、より強いフィードバック特性が得られる。すなわち、多少のモデリング誤差が存在しても、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。また、実推定外乱ｄｂを直接補償することによって、電動機駆動装置に存在している外乱に対して、より効率的に抑制することができるので、負荷機械１応答をより高速化することができる。
【０００７】
第４の発明の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒと模擬推定外乱ｄｒとを提供する模擬オブザーバ９ｇと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと前記実推定外乱ｄｂと前記模擬推定外乱ｄｒとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｈとを備えたことを特徴とするものである。第４の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第３の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、模擬オブザーバと実オブザーバと存在しているモデリング誤差による実推定外乱ｄｂの過推定成分を引き取りこととなる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、現れやすい振動などをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。
【０００８】
第５の発明の電動機位置制御装置は、前記フィードバックコントローラ９ｃが前記模擬推定位置θｒと前記実推定位置θｂとに基づいて位置誤差ｅｐを提供する減算器９ｃ１と、前記模擬推定速度ωｒと前記実推定速度ωｂとに基づいて速度誤差ｅｖを提供する減算器９ｃ２と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置比例制御トルク指令Ｔｂｐを提供する位置比例制御器９ｃ３と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置積分制御トルク指令Ｔｂiを提供する位置積分制御器９ｃ４と、前記速度誤差ｅｖに基づいて速度比例制御トルク指令Ｔｂｖを提供する速度比例制御器９ｃ５と、前記位置比例制御トルク指令Ｔｂｐと前記位置積分制御トルク指令Ｔｂiと前記速度比例制御トルク指令Ｔｂｖとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供する加算器９ｃ６とを備えたことを特徴とするものである。
第５の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第２〜４の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、模擬モデル１０に多少のモデリング誤差が存在する場合も、θｂ（ｋ）を常にθｒ（ｋ）に一致させることができる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、負荷機械１の応答に現れやすい遅れなどをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより高精度で一致させることができる。
【０００９】
第６の発明の電動機位置制御装置は、前記模擬コントローラ８と、前記模擬モデル１０と、前記実制御部９とが複数のプロセッサで構成される手段を備えたことを特徴とするものである。第６の発明の電動機位置制御装置によれば、上述第１〜５の発明の電動機位置制御装置の作用及び効果があると共に、更に、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とでより複雑な演算ができ、電動機駆動装置６の特性に合わせて模擬モデル１０をより精密に構築することができる。また、模擬コントローラ８、模擬モデル１０との動作を高速で行うことにより、実指令θrefに対して、より高速な模擬位置θｍを得ることができるので、より高速な位置信号θの応答が得られる。すなわち、負荷機械１をより高速、より高精度で駆動することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の第1の実施の形態の電動機位置制御装置について図１に基づいて説明する。
図１に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、位置指令θrefを提供する指令発生器７と、トルク指令Ｔに従って電力Vを提供する動力変換回路４と、伝達機構２を介して、負荷機械１を駆動する電動機３と、電動機の位置信号θを提供する実観測５とから構成されている電動機駆動装置６に対して、前記位置指令θrefと前記位置信号θとに基づいて所望なトルク指令Tを提供する電動機位置制御装置であって、前記トルク指令Ｔから前記負荷機械１の位置までの伝達特性をすくなくとも４回の積分演算を含む所定の関数演算で近似し、前記トルク指令Ｔに基づいてすくなくとも模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとを含む模擬状態量Xと、模擬電動機位置θmと、を提供する模擬モデル１０と、前記位置指令θrefと前記模擬状態量Xとに基づいて、模擬トルクTｍを提供する模擬コントローラ８と、前記模擬トルクTｍと前記位置信号θと前記模擬電動機位置θmとに基づいてトルク指令Tを提供する実制御部９とから構成されている。
電動機駆動装置６は、負荷機械１と、伝達機構２と、電動機３と、動力変換回路４と、実観測器５とから構成されている。また、負荷機械１はテーブルやリニアスライダなどのようなアクチュエータである。伝達機構２はボールネジなどのような固定装置や減速機構である。電動機３は回転モータやリニアモータである。動力変換回路４はPWMインバータなどのような動力電圧または電流制御装置である。実観測器５はエンコーダやリニアスケールのような位置センサである。
指令発生器７は従来装置のものと同一に構成される。
模擬モデル１０は、模擬トルクTｍに基づいて、次のように、模擬位置θｍと模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとを提供する。ただし、Jmは第１等価慣性モーメントであり、JLは第２等価慣性モーメントであり、Kcは電動機駆動装置６の等価ばね常数であり、ωｍは模擬速度である。
【００１１】
θL（ｋ+1）＝θL（ｋ）+ωL（ｋ）*Ts+ Tｋ（ｋ）*Ts*Ts*0.5／JL （９）
ωL（ｋ+1）＝ωｍ（ｋ）+ Tｋ（ｋ）*Ts／JL （１０）
θｍ（ｋ+1）＝θｍ（ｋ）+ω（ｋ）*Ts
+（Tｍ（ｋ）−Tｋ（ｋ））*Ts*Ts*0.5／Jm （１１）
ωｍ（ｋ+1）＝ωｍ（ｋ）+（Tｍ（ｋ）−Tｋ（ｋ））*Ts／Jm （１２）
θｓ（ｋ）＝θｍ（ｋ）−θL（ｋ） （１３）
ωｓ（ｋ）＝ωｍ（ｋ）−ωL（ｋ） （１４）
Tｋ（ｋ）＝Kc*θｓ（ｋ） （１５）
【００１２】
模擬コントローラ８は、位置指令θrefと模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとに基づいて、次のように、模擬トルクTｍを提供する。ただし、ｋｐｆ、ｋｖｆ、ｋｐｓ、ｋｖｓは制御ゲインである。また、ｋｐｆ、ｋｖｆ、ｋｐｓ、ｋｖｓの設定は、極配置で設計すればよい。
Tｍ（ｋ）＝（ｋｐｆ*（θref（ｋ）−θL（ｋ））−ωL（ｋ））*ｋｖｆ
−ｋｐｓ*θｓ（ｋ）−ｋｖｓ*ωｓ（ｋ） （１６）
【００１３】
実制御部９は、位置信号θと前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍとに基づいて、次のように、トルク指令Tを提供する。ただし、ｋｐ、ｋｉ、ｋｖは制御ゲインであり、ｓ微分演算子である。ｋｐ、ｋｖ、ｋｉをフィードバックループが安定となるように、極配置で設定すればよい。
θ（ｋ）＝θｍ（ｋ） （１９）
θ（ｋ−１）＝θｍ（ｋ−１） （２０）
となる。よって、Tb（ｋ）は電動機駆動装置６の一定外乱に相当する定数となるので、Ｔ（ｋ）の動特性はTｍ（ｋ+1）と同一となる。従って、
θ（ｋ+1）＝θｍ（ｋ+1） （２１）
が成立する。
【００１４】
従って、この実施の形態によれば、（１６）式に示すフィードバック演算を行う際に、現在の時刻の物理量θ（ｋ）、θｍ（ｋ）と前時刻の物理量θ（ｋ−1）、θｍ（ｋ−1）を利用しているので、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、オーバーシュートなどを生じないことを実現できる。また、従来技術で存在していた速度信号ωの時間遅れによる制御ゲインの限界の低下という問題が解決されている。更に、模擬コントローラ８と模擬モデル１０とからなるフィードフォワード制御系からは、模擬位置θｍ及び模擬トルクTｍのみを実制御部９に提供すればよいので、信号の通信量を減らした。よって、より少ない配線で実現でき、コスト削減につながるような効果もある。また、模擬コントローラ８は、模擬モデル１０の模擬負荷位置θLが指令通りに動作するように設計されたものであるので、模擬負荷位置θLには振動やオーバーシュートなどを生じないことを実現できる。よって、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、負荷機械１は位置指令θrefと同様な応答特性が得られる。
【００１５】
この発明の第２の実施の形態の電動機位置制御装置について図２に基づいて説明する。
図２に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θとトルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂとを提供する実オブザーバ９ｂと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｄとから構成されている。
模擬オブザーバ９ａは、模擬位置θｍと模擬トルクTｍとに基づいて、次のように、模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する。ただし、L1、L2はオブザーバゲインであり、極配置設計すればよい。
【００１６】
フィードバックコントローラ９ｃは、実推定位置θｂと実推定速度ωｂと模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとに基づいて、次のように、フィードバックトルク指令Ｔｂを提供する。
Ｔ（ｋ）＝Tｂ（ｋ）+ Tm（ｋ+１） （２７）
従って、この実施の形態によれば、上述第１の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。フィードバックトルク指令Ｔｂを生成する際に、差分演算を利用していないので、より滑らかなトルク指令Ｔを得ることができる。よって、負荷機械１をより滑らかに動作させることができる。
【００１８】
この発明の第３の実施の形態の電動機位置制御装置について図３に基づいて説明する。
図３に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θとトルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと実推定外乱ｄｂとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｆとから構成されている。
実オブザーバ９ｅは、トルク指令Ｔと位置信号θとに基づいて、次のように、実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する。ただし、L３はオブザーバゲインであり、実オブザーバ９ｅが安定するように設計すればよい。
【００１９】
Ｔ（ｋ）＝Tｂ（ｋ）+ Tm（ｋ+１）−ｄｂ（ｋ） （３１）
【００２０】
従って、この実施の形態によれば、上述第２の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。
実オブザーバ９ｅに実推定外乱ｄｂを導入することによって、実推定位置θｂの応答が位置信号θにより一致することができる。よって、フィードバックコントローラの制御ゲインｋｐ、ｋｉ、ｋｖをより高く設定することができるので、より強いフィードバック特性が得られる。すなわち、多少のモデリング誤差が存在しても、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。
また、実推定外乱ｄｂを直接補償することによって、電動機駆動装置に存在している外乱に対して、より効率的に抑制することができるので、負荷機械１応答をより高速化することができる。
【００２１】
この発明の第４の実施の形態の電動機位置制御装置について図４に基づいて説明する。
図４に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒと模擬推定外乱ｄｒとを提供する模擬オブザーバ９ｇと、前記位置信号θとトルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと実推定外乱ｄｂと模擬推定外乱ｄｒとに基づいてトルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｈとから構成されている。
模擬オブザーバ９ｇは、模擬トルクTｍと模擬位置θｍとに基づいて、次のように、模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒと模擬推定外乱ｄｒとを提供する。
【００２２】
Ｔ（ｋ）＝Tｂ（ｋ）+ Tm（ｋ+１）−ｄｂ（ｋ）+ｄｒ（ｋ） （３５）
【００２３】
従って、この実施の形態によれば、上述第３の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。
実推定外乱ｄｂから模擬推定外乱ｄｒを減算することによって、模擬オブザーバと実オブザーバと存在しているモデリング誤差による実推定外乱ｄｂの過推定成分を引き取りこととなる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、現れやすい振動などをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。
【００２４】
この発明の第５の実施の形態の電動機位置制御装置について図５に基づいて説明する。
図５に示すように、この実施の形態の電動機位置制御装置は、前記フィードバックコントローラ９ｃが、前記模擬推定位置θｒと前記実推定位置θｂとに基づいて位置誤差ｅｐを提供する減算器９ｃ１と、前記模擬推定速度ωｒと前記実推定速度ωｂとに基づいて速度誤差ｅｖを提供する減算器９ｃ２と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置比例制御トルク指令Ｔｂｐを提供する位置比例制御器９ｃ３と、前記位置誤差ｅｐに基づいて位置積分制御トルク指令Ｔｂiを提供する位置積分制御器９ｃ４と、前記速度誤差ｅｖに基づいて速度比例制御トルク指令Ｔｂｖを提供する速度比例制御器９ｃ５と、前記位置比例制御トルク指令Ｔｂｐと前記位置積分制御トルク指令Ｔｂiと前記速度比例制御トルク指令Ｔｂｖとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供する加算器９ｃ６とから構成されている。
【００２５】
減算器９ｃ１で、位置誤差ｅｐを次のように生成する。
ｅｐ（ｋ）＝θｒ（ｋ）−θｂ（ｋ） （３６）
減算器９ｃ２で、速度誤差ｅｖを次のように生成する。
ｅｖ（ｋ）＝ωｒ（ｋ）−ωｂ（ｋ） （３７）
位置比例制御器９ｃ３は、位置誤差ｅｐに基づいて、次のように、位置比例制御トルク指令Ｔｂｐを提供する。
Ｔｂｐ（ｋ）＝ｋｐ*ｅｐ（ｋ） （３８）
速度比例制御器９ｃ５は、速度誤差ｅｖに基づいて、次のように、速度比例制御トルク指令Ｔｂｖを提供する。
Ｔｂｖ（ｋ）＝ｋｖ*ｅｖ（ｋ） （３９）
位置積分制御器９ｃ４は、位置誤差ｅｐに基づいて、次のように、位置積分制御トルク指令Ｔｂiを提供する。
Ｔｂi（ｋ）＝Ｔｂi（ｋ−１）+ｋｉ*（θｒ（ｋ）−θｂ（ｋ））(４０）
加算器９ｃ６で、次のように、フィードバックトルク指令Ｔｂを生成する。
Ｔｂ（ｋ）＝Ｔｂi（ｋ）+Ｔｂｖ（ｋ）+Ｔｂｐ（ｋ） （４１）
【００２６】
従って、この実施の形態によれば、上述第２〜４の実施の作用及び効果があると共に、更に、次の作用及び効果もある。
位置積分制御器９ｃ４を導入することによって、模擬モデル１０に多少のモデリング誤差が存在する場合も、θｂ（ｋ）を常にθｒ（ｋ）に一致させることができる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、負荷機械１の応答に現れやすい遅れなどをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより高精度で一致させることができる。
【００２７】
上述実施例に示す模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とをそれぞれのプロセッサで構成することが容易に実現できる。
この実施の形態によれば、第１〜５の実施の形態の作用と効果があると共に、更に、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とをそれぞれのプロセッサで構成することにより、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とでより複雑な演算ができ、電動機駆動装置６の特性に合わせて模擬モデル１０をより精密に構築することができる。また、模擬コントローラ８、模擬モデル１０との動作を高速で行うことにより、実指令θrefに対して、より高速な模擬位置θｍを得ることができるので、より高速な位置信号θの応答が得られる。すなわち、負荷機械１をより高速、より高精度で駆動することができる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１記載の電動機位置制御方法によれば、（１６）式に示すフィードバック演算を行う際に、現在の時刻の物理量θ（ｋ）、θｍ（ｋ）と前時刻の物理量θ（ｋ−1）、θｍ（ｋ−1）を利用しているので、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、オーバーシュートなどを生じないことを実現できる。また、従来技術で存在していた速度信号ωの時間遅れによる制御ゲインの限界の低下という問題が解決されている。更に、模擬コントローラ８と模擬モデル１０とからなるフィードフォワード制御系からは、模擬位置θｍ及び模擬トルクTｍのみを実制御部９に提供すればよいので、信号の通信量を減らした。よって、より少ない配線で実現でき、コスト削減につながるような効果もある。また、模擬コントローラ８は、模擬モデル１０の模擬負荷位置θLが指令通りに動作するように設計されたものであるので、模擬負荷位置θLには振動やオーバーシュートなどを生じないことを実現できる。よって、模擬モデル１０の応答特性が、電動機駆動装置６の応答特性と一致する場合、負荷機械１は位置指令θrefと同様な応答特性が得られる。また、模擬モデル１０は、負荷機械１と伝達機構２と電動機３を考慮しているため、伝達機構の剛性に依る所望の応答が得られないという問題を解決できる。請求項２記載の電動機位置制御方法によれば、請求項１の作用と効果があると共に、更に、フィードバックトルク指令Ｔｂを生成する際に、差分演算を利用していないので、より滑らかなトルク指令Ｔを得ることができる。よって、負荷機械１をより滑らかに動作させることができる。請求項３記載の電動機位置制御方法によれば、請求項２の作用と効果があると共に、更に、実オブザーバ９ｅに実推定外乱ｄｂを導入することによって、実推定位置θｂの応答が位置信号θにより一致することができる。よって、フィードバックコントローラの制御ゲインｋｐ、ｋｉ、ｋｖをより高く設定することができるので、より強いフィードバック特性が得られる。すなわち、多少のモデリング誤差が存在しても、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。また、実推定外乱ｄｂを直接補償することによって、電動機駆動装置に存在している外乱に対して、より効率的に抑制することができるので、負荷機械１応答をより高速化することができる。請求項４記載の電動機位置制御方法によれば、請求項３の作用と効果があると共に、更に、実推定外乱ｄｂから模擬推定外乱ｄｒを減算することによって、模擬オブザーバと実オブザーバと存在しているモデリング誤差による実推定外乱ｄｂの過推定成分を引き取りこととなる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、現れやすい振動などをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより一致させることができる。請求項５記載の電動機位置制御方法によれば、請求項２〜４の作用と効果があると共に、更に、位置積分制御器９ｃ４を導入することによって、模擬モデル１０に多少のモデリング誤差が存在する場合も、θｂ（ｋ）を常にθｒ（ｋ）に一致させることができる。よって、より高速に負荷機械１を駆動する際に、負荷機械１の応答に現れやすい遅れなどをより効率的に抑制でき、負荷機械１応答を位置指令θrefにより高精度で一致させることができる。請求項６記載の電動機位置制御装置によれば、請求項１〜５の作用と効果があると共に、更に、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とをそれぞれのプロセッサで構成することにより、模擬コントローラ８、模擬モデル１０と、実制御部９とでより複雑な演算ができ、電動機駆動装置６の特性に合わせて模擬モデル１０をより精密に構築することができる。また、模擬コントローラ８、模擬モデル１０との動作を高速で行うことにより、実指令θrefに対して、より高速な模擬位置θｍを得ることができるので、より高速な位置信号θの応答が得られる。すなわち、負荷機械１をより高速、より高精度で駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第1の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の第５の実施の形態の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来の電動機位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 負荷機械
２ 伝達機構
３ 電動機
４ 動力変換回路
５ 実観測器
６ 電動機駆動装置
７ 指令発生器
８ 模擬コントローラ
９ 実制御部
９ａ 模擬オブザーバ
９ｂ 実オブザーバ
９ｃ フィードバックコントローラ
９ｃ１ 減算器
９ｃ２ 減算器
９ｃ３ 位置比例制御器
９ｃ４ 位置積分制御器
９ｃ５ 速度比例制御部
９ｃ６ 加算器
９ｄ トルク指令合成器
９ｅ 実オブザーバ
９ｆ トルク指令合成器
９ｇ 模擬オブザーバ
９ｈ トルク指令合成器
１０ 模擬モデル
２０ フィードフォワード信号演算回路
２１ フィードバック制御回路
２２ トルク制御回路
２３ 実観測器
２４ 電動機駆動装置
Claims (6)
- 位置指令θrefを提供する指令発生器７と、トルク指令Ｔに従って電力Vを提供する動力変換回路４と、伝達機構２を介して、負荷機械１を駆動する電動機３と、前記電動機の位置信号θを提供する実観測器５とから構成されている電動機駆動装置６に対して、前記位置指令θrefと前記位置信号θとに基づいて所望なトルク指令Ｔを提供する電動機位置制御装置において、
前記トルク指令Ｔから前記負荷機械１の位置までの伝達特性をすくなくとも４回の積分演算を含む所定の関数演算で近似し、前記トルク指令Ｔに基づいてすくなくとも模擬負荷位置θLと模擬負荷速度ωLと模擬ねじり位置θｓと模擬ねじり速度ωｓとを含む模擬状態量Xと、模擬電動機位置θmとを提供する前記負荷機械１と前記伝達機構２と前記電動機３の模擬モデル１０と、
前記位置指令θrefと前記模擬状態量Xとに基づいて、模擬トルクTｍを提供する模擬コントローラ８と、
前記模擬トルクTｍと前記位置信号θと前記模擬電動機位置θmとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供する実制御部９とを備えたことを特徴とする電動機位置制御装置。 - 前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂとを提供する実オブザーバ９ｂと、
前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、
前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｄとを備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機位置制御装置。 - 前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒとを提供する模擬オブザーバ９ａと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、
前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、
前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと前記実推定外乱ｄｂとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｆとを備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機位置制御装置。 - 前記実制御部９が、前記模擬位置θｍと前記模擬トルクTｍに基づいて模擬推定位置θｒと模擬推定速度ωｒと模擬推定外乱ｄｒとを提供する模擬オブザーバ９ｇと、前記位置信号θと前記トルク指令Ｔとに基づいて実推定位置θｂと実推定速度ωｂと実推定外乱ｄｂとを提供する実オブザーバ９ｅと、
前記模擬推定位置θｒと前記模擬推定速度ωｒと前記実推定位置θｂと前記実推定速度ωｂとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供するフィードバックコントローラ９ｃと、
前記フィードバックトルク指令Ｔｂと前記模擬トルクTｍと前記実推定外乱ｄｂと前記模擬推定外乱ｄｒとに基づいて前記トルク指令Ｔを提供するトルク指令合成器９ｈとを備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機位置制御装置。 - 前記フィードバックコントローラ９ｃが、前記模擬推定位置θｒと前記実推定位置θｂとに基づいて位置誤差ｅｐを提供する減算器９ｃ１と、前記模擬推定速度ωｒと前記実推定速度ωｂとに基づいて速度誤差ｅｖを提供する減算器９ｃ２と、
前記位置誤差ｅｐに基づいて位置比例制御トルク指令Ｔｂｐを提供する位置比例制御器９ｃ３と、
前記位置誤差ｅｐに基づいて位置積分制御トルク指令Ｔｂiを提供する位置積分制御器９ｃ４と、
前記速度誤差ｅｖに基づいて速度比例制御トルク指令Ｔｂｖを提供する速度比例制御器９ｃ５と、
前記位置比例制御トルク指令Ｔｂｐと前記位置積分制御トルク指令Ｔｂiと前記速度比例制御トルク指令Ｔｂｖとに基づいてフィードバックトルク指令Ｔｂを提供する加算器９ｃ６とを備えたことを特徴とする請求項２から４のうちいずれか１項記載の電動機位置制御装置。 - 前記模擬コントローラ８と、前記模擬モデル１０と、前記実制御部９とが複数のプロセッサで構成される手段を備えたことを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載の電動機位置制御装置。
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