JP4053529B2 - モータ速度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置、工作機械及びロボット等のモータ速度制御装置、特に高速、高精度でモータを駆動させる速度制御方法に関する。

高速、高精度でモータを駆動させる速度制御装置として、特許第3296527号 （モータ速度制御装置：（株）安川電機）などがある。この従来装置は、エンコーダ等で検出した位置情報、モータの特性、及びトルク指令に基づいて速度を予測し、その重み付き移動平均をとることにより、低速域での精度劣化が小さく、さらに、位相遅れの無い速度フィードバック信号を用いることができるため、制御ゲインを大きくすることができ、高速、高精度応答性を備えたモータ速度制御装置が提供できる（特許文献１参照）。
特許第３２９６５２７号公報

しかしながら、上記従来技術では、予測された速度信号の重み付き移動平均値を速度フィードバック信号に置き換えて速度制御器を構成するため、予測された速度信号が誤差を含む場合、定常状態においても速度誤差を生じてしまい、高精度応答が実現できないという問題がある。
この問題を解決するために従来技術では、トルク指令にフィルタを通すなどの対処をしているが、予測された速度信号の誤差は完全には取りきれず、この誤差が速度制御器の積分器で積分されるために、どんなに小さな誤差であっても速度誤差が残ってしまう。
そこで、本発明は、速度制御器内の積分器で利用される速度フィードバック信号が現在時刻の位置検出値と1サンプリング前の位置検出値の差分値から算出した値とし、比例器で利用される速度フィードバック信号を予測された速度信号の重み付き移動平均値とすることにより、制御ゲインを大きくし、高速、高精度応答性を備えたモータ速度制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、現在時刻iにおいてK・Ts(K≧0,Ts:サンプリング周期)前のモータ位置Pfb(i-K)を検出し、この検出信号を基に算出したモータ速度フィードバック信号Vfbによりフィードバック制御を行うモータ速度制御装置において、速度指令Vrefから前記速度Vfbを減じて速度偏差Veを求める減算器と、前記速度偏差Veを時定数Tiで時間積分し速度偏差積分値SVeを求める積分器と、前記速度Vfbを補償して速度補償値CVfbを求める速度補償器と、前記速度指令Vrefにα(0.0≦α≦1.0)を乗じて比例信号αVrefを求める乗算器と、前記比例信号αVrefと前記速度偏差積分値SVeを加えるとともに前記速度補償値CVfbを減じる加減算器と、前記加減算器の出力に速度ル−プゲインKvを乗じて加速度指令Arefを算出する乗算器と、前記加速度指令Arefにイナーシャ補償値Jを乗じてトルク指令Trefを算出する乗算器と，前記トルク指令をフィルタリング（ロ−パスフィルタ）して新たにトルク指令Trefとするトルクフィルタとを備える構成とすることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記速度補償器は、前記位置Pfb(i-K)から速度Vfb(i-K)を算出する手段と、M'サンプリング前から時刻i-Kまでの前記速度Vfb(i-m)（ただし、m=K,…,M'）を記憶する手段と、モータの動特性モデル、前記トルク指令Tref(i)，前記位置Pfb(i-K)より、Mサンプリング先までの速度予測値Vfb*(i+m)（ただし、m=-K+1,…,M）を求める予測器と、前記速度補償値CVfb(i)を、

なる計算によって求める手段と、を備えるとともに、
前記予測器は、位置Pfbより位置増分値ΔPfb（Δはサンプリング周期Ts間の増分値を表す）を求める手段と、トルク指令Trefから位置増分値ΔPfbまでの伝達関数モデル

より、予測係数Amn、Bmnを決定し記憶する手段と、現在に至るまでの過去のトルク指令および位置増分値を記憶する手段と、これらの予測係数、トルク指令、位置増分値より、前記速度予測値を次式

で求める手段と、からなることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記予測係数Amn、Bmnを、

で決定することを特徴としている。

本発明によれば、積分器で利用される速度フィードバック信号には予測された速度信号を元に算出した速度を使わないようにすることで、摩擦外乱などで予測した速度信号に誤差を含む場合においても、定常状態で速度誤差を生じず、高速、高精度応答性を備えたモータ速度制御装置が提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明のモータ速度制御装置の制御ブロック図である。
図２は一般的な位置制御システムの制御ブロック図である。
図３は図２に示す速度制御システムにおけるムダ時間を含む制御ブロック図である。
図４は図３に示す速度制御システムに従来技術の速度制御装置を適用した場合の制御ブロック図である。
図１において、本発明では、速度ループ積分器１４には速度Ｖｆｂを用い、比例項１６の演算に補償速度ＣＶｆｂを用いて速度誤差を低減している。

以下、本発明の内容を具体的に説明するために、図２の半導体製造装置や工作機械などで一般的に利用される位置制御システムの概略を位置比例制御、速度比例積分制御の構成により示した制御ブロック図と、図３に示した図２における速度制御システムにおける信号伝達の遅れ時間（以下，むだ時間と呼ぶ）を含めた制御ブロック図と、図４に示した図３に従来技術である特許第3296527号の制御装置を適用した場合の制御ブロック図と、を用いて、本発明に到達するまでの技術改善の軌跡を説明することで、本発明の内容をより明確に説明する。

以下、図２から順に詳細を説明する。
図２中、１１は減算器であり、入力された位置指令Prefからモータ位置Pfbを減じて位置偏差Peを出力する減算器である。１２は位置偏差Peに位置ループゲインKpを乗じて速度指令Vrefを出力する乗算器である。１３は速度指令Vre fからモータ速度Vfbを減じて速度偏差Veを出力する減算器、１４は速度偏差Veを速度ループ積分時定数で時間積分する積分器、１５は速度偏差Veと前記積分器の出力を加える加算器、１６は加算器１５の出力に速度ループゲインKvを乗じて加速度指令Arefを作成する乗算器である。１７は乗算器１６の出力である加速度指令Arefにイナーシャ補償値Jを乗じてトルク指令Trefを出力する乗算器、１８は乗算器１７の出力であるトルク指令Trefに時定数ｔｆのローパスフィルタ処理をするトルクフィルタ、１９はモータ、１aは積分器である。
実際にはこの他、電流アンプや位置検出器などが必要であるが、説明を簡略化するため割愛している。
以上のような構成にして、入力された位置指令にモータ位置が一致するように位置制御および速度制御をしており、位置ループゲインと速度ループゲインをできるだけ大きく、速度ループ積分時定数をできるだけ小さくすることで、高速、高精度応答が実現できる。

次に、図３について説明する。
図３は図２の速度指令Vrefからモータ速度Vfbまでにおいて、一般的に存在するムダ時間を考慮した制御ブロック図である。図中、減算器１３からモータ１９までは図２と同じである。２１は速度ループの出力であるトルク指令が実際に電流に変換されるまでのむだ時間１であり、ここではｔｄ１時間遅れるとしている。２２はモータ位置が実際にエンコーダなどで検出され、信号処理されてモータ速度Vfbとなるまでのむだ時間２であり、ここではｔｄ２時間遅れるとしている。以上２つのむだ時間の影響で、速度ループゲインなどの制御ゲインが大きくできず、高速、高精度応答実現の妨げとなっている。

次に、図４について説明する。
図４は実際のロボット、工作機械等の図３に示すようなシステムに従来技術である特許文献１の速度予測モデルを適用した場合の制御ブロック図である（以下、これを従来方法と呼ぶ）。図中、減算器１３からむだ時間２２までは図３と同じである。３１は速度補償器であり、トルク指令Trefおよびモータ速度Vfbを入力し、低速度域での速度分解能が高く位相遅れのない補償速度CVfbを出力する。
ここからはデジタル制御で実現されるサーボ製品を想定して離散時間系で説明する。
ここで、図４におけるむだ時間ｔｄ２は遅れ時間Kに相当し、速度Vfb(i-K)はKサンプリング周期遅れたモータ位置Pfb(i-K)から差分演算により算出した位置増分値ΔPfb(i-K)に相当する。ただし、Δはサンプリング周期ｔｓ間の増分値を表す。速度補償器３１はエンコーダなどで検出されたKサンプリング周期遅れたモータ位置から差分演算により算出した速度Vfb(i-K)を入力し、M'サンプリング前から時刻i-Kまでの前記速度Vfb(i-m)（ただし、m=K,…,M'）を記憶する手段と、モータの動特性モデルとしてトルク指令uから速度Vfb（＝位置増分値ΔPfb）までの伝達関数モデル

より、予測係数Amn、Bmnを、

で決定し記憶する手段と、これらの予測係数、前記トルク指令Tref(i)，前記位置Pfb(i-K)より、Mサンプリング先までの速度予測値Vfb*(i+m)（ただし、m=-K+1,…,M）を、

により求める予測器と、前記速度補償値CVfb(i)を、

なる計算によって求める。
以上より、図４に示したシステムを用いれば、低速度域での速度分解能が高く位相遅れのない補償速度CVfb(i)を作ることができるため、制御ゲインを大きくすることができ、高速・高精度応答が実現できる。
しかし、式（３）が示すように、例えば重力などの一定方向の外乱入力があった場合、その補償トルクがトルク指令Tref (i-K)に含まれるため、予測速度Vfb*(i+m)に誤差を含んでしまう。
図４の場合はこの問題を解決するために式（３）で利用するトルク指令にハイパスフィルタを通す、トルク指令の比例項（速度比例積分制御の場合）のみ利用する、という対策をしているが、実際にはメカ振動、クーロン摩擦、粘性摩擦などの影響をハイパスフィルタで取りきれず、さらにハイパスフィルタの時定数によっても誤差が変わってしまう。この誤差がどんなに小さくとも、速度ループの積分器で補償速度CVfbを利用しているため誤差が蓄積し、定常状態においても速度誤差を生じていた。

そこで本発明では、図１に示したように速度補償器３１により得られた補償速度CVfbを積分器１４には利用せず、比例器１６側にのみ利用する構成とした。
以下、図１に基づいて説明する。
図１中、減算器１３から速度補償器３１までは図３と同じである。従来技術では減算器１３の出力である速度偏差Veとそれを速度ループ積分器１４で積分した値を加算器１５で足し合わせていたが、図１では速度ループ積分器１４には補償速度CVfbではなくエンコーダから検出された位置の差分で求めた速度Vfbを利用し、比例項１６側の演算を図１のように等価ブロック変換し、この比例項の演算には補償速度CVfbを利用するように変更した。

なお、４１は比例積分制御（以下PI制御と呼ぶ）と積分比例制御（以下I-P制御と呼ぶ）を切り替えるための切り替え定数であり、この定数（以下αと呼ぶ）が１の場合はPI制御となり、０の場合はI-P制御になる。なお，一般的な速度制御方式としては、PI制御が応答も速く制御パラメータの設計も容易なために多用されているが，工作機械などのオーバーシュートを嫌うメカなどではオーバーシュートし難く、外乱に強いI-P制御が使われる場合が多い。したがって，PI制御とI-P制御をパラメータによって容易に切り替えられることは産業上有効である。
図２から図４までの速度制御方法はPI制御方式であり、本発明のように等価変換すればPI制御とI-P制御を切り替えることができるばかりでなく、
α=1.0,0.9,0.8,…,0.2,0.1,0.0
のように設定すればPI制御とI-P制御を連続的に切り替えることが可能となる。
図１の構成とすることで、摩擦などの影響で補償速度に誤差を含んでいても、積分器がその誤差を補償してくれるため、速度誤差を生じない、高速、高精度応答が実現できる。

次に、１軸スライダを用いた検証実験結果について説明する。
図５は図１の本発明に位置制御ループを加え、位置決め応答させた結果である。図中、r[rad/s]は位置指令で最高速度305mm/sまで30msで加速して30msで減速して速度ゼロとなる三角速度パタンとし、加減速度は１Gである。なお、ボールネジリードは20mmであり、ref_endは指令払い出し終了時刻60msを意味する。y[rad/s]は実際に動いたモータ位置、tr[Nm]はトルク指令、v[rad/s]はモータ速度、2000Pe[rad]は位置偏差であり2000倍に拡大している。図から明らかなように、位置決め停止時にオーバーシュートすることもなく停止時の誤差も生じず安定した応答をしている。なお、制御パラメータは、位置ループゲインKp=480[1/s],速度ループゲインKv=3014[rad/s],速度ループ積分時定数Ti=0.66[ms]、トルクフィルタ定数Tf=0.1[ms]と設定し、速度制御方法はI-P制御としている。
同様に、補償速度を利用しない一般的な方法と従来方法の位置決め応答を評価した。
一般的な方法では振動発生のため、Kp=320[1/s],速度ループゲインKv=2010[rad/s],速度ループ積分時定数Ti=0.99[ms]、トルクフィルタ定数Tf=0.1[ms]と設定した。従来方法では本発明と同様の制御ゲインを設定することができた。

図６に位置決め整定時の位置偏差の比較結果を示す。
図６中、Pe1は本発明を用いた場合、Pe2従来方法を用いた場合、Pe3は一般的な方法を用いた場合の応答結果である。本発明Pe1と従来方法Pe2は制御ゲインを同じく設定できたため、位置偏差がゼロに近づくまではほぼ同じ応答をしているが、従来方法では補償速度に含まれた誤差の影響で位置決め停止時に誤差を生じている。一方、本発明では誤差を生じていない。
また、一般的な方法ではむだ時間の影響で制御ゲインを大きくできなかったため、位置決め時間が本発明より遅くなっている。整定時間は本発明では8msであり一般的な方法では13msかかったため、本発明を利用することで5ms位置決め時間を短縮できた。なお、本実験では、K=0としてトルク指令から位置までの連続系の伝達関数モデルを1/JS^2とおき、零次ホールドとサンプラを考慮して離散化した。この場合、式（２）のモデルGv(z)の係数は、Na=1，a1=1，Nb=2，b1=b2=b=Ts^2/2Jとなり、さらに、M=2とし、W2=0.5,W1=0.25,W'1=0.25と重み付けし、式（３）と式（１）を合わせた形に簡略化すると、

となり、非常に簡単な演算で補償速度を得る事ができる。

以上に説明したように、本発明によれば、制御ゲインを大きくでき、摩擦などの外乱が大きい場合でも定常状態において速度誤差および位置誤差を生じず、高速、高精度応答を容易に実現できる。

本発明のモータ速度制御装置の制御ブロック図である。 一般的な位置制御のブロック図である。 図２においてむだ時間を考慮した速度制御のブロック図である。 図３のシステムに従来方法を適用した場合の制御ブロック図である。 図１に示す速度制御装置で１軸スライダを用いた位置決め応答結果を示す図である 図５での位置決め整定時の位置偏差の比較を示す図である。

符号の説明

１１ 減算器
１２ 位置ループゲイン乗算器
１３ 減算器
１４ 速度制御ループ積分器
１５ 加算器
１６ 速度ループゲイン乗算器
１７ イナーシャ補償乗算器
１８ トルクフィルタ
１９ モータ
１ａ 積分器
２１ むだ時間１
２２ むだ時間２
３１ 速度補償器
４１ PI/I-P切り替えゲイン

Claims (3)

1. 現在時刻iにおいてK・Ts(K≧0,Ts:サンプリング周期)前のモータ位置Pfb(i-K)を検出し、この検出信号を基に算出したモータ速度フィードバック信号Vfbによりフィードバック制御を行うモータ速度制御装置において、
   速度指令Vrefから前記速度Vfbを減じて速度偏差Veを求める減算器と、前記速度偏差Veを時定数Tiで時間積分し速度偏差積分値SVeを求める積分器と、前記速度Vfbを補償して速度補償値CVfbを求める速度補償器と、前記速度指令Vrefにα(0.0≦α≦1.0)を乗じて比例信号αVrefを求める乗算器と、前記比例信号αVrefと前記速度偏差積分値SVeを加えるとともに前記速度補償値CVfbを減じる加減算器と、前記加減算器の出力に速度ル−プゲインKvを乗じて加速度指令Arefを算出する乗算器と、前記加速度指令Arefにイナーシャ補償値Jを乗じてトルク指令Trefを算出する乗算器と、前記トルク指令をフィルタリング（ロ−パスフィルタ）して新たにトルク指令Trefとするトルクフィルタとを備える構成とすることを特徴とするモータ速度制御装置。
2. 前記速度補償器は、前記位置Pfb(i-K)から速度Vfb(i-K)を算出する手段と、M'サンプリング前から時刻i-Kまでの前記速度Vfb(i-m)（ただし、m=K,…,M'）を記憶する手段と、モータの動特性モデル、前記トルク指令Tref(i)，前記位置Pfb(i-K)より、Mサンプリング先までの速度予測値Vfb*(i+m)（ただし、m=-K+1,…,M）を求める予測器と、前記速度補償値CVfb(i)を、
   

   

   なる計算によって求める手段と、を備えるとともに、
   前記予測器は、位置Pfbより位置増分値ΔPfb（Δはサンプリング周期Ts間の増分値を表す）を求める手段と、トルク指令Trefから位置増分値ΔPfbまでの伝達関数モデル
   

   

   より、予測係数Amn、Bmnを決定し記憶する手段と、現在に至るまでの過去のトルク指令および位置増分値を記憶する手段と、これらの予測係数、トルク指令、位置増分値より、前記速度予測値を次式
   

   

   で求める手段と、からなることを特徴とする請求項１記載のモータ速度制御装置。
3. 前記予測係数Amn、Bmnを、
   

   

   で決定することを特徴とする請求項２記載のモータ速度制御装置。

Images