JP4925056B2 - Motor position control device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体製造装置、工作機械およびロボット等を駆動するモータ位置制御装置において、制御対象の応答特性の変動を補償し、きわめて高速、高精度の位置決め応答、きわめて追従性の高い軌跡追従応答を実現できるモータ位置制御装置に関する。 The present invention compensates for fluctuations in response characteristics of a controlled object in a motor position control device for driving a semiconductor manufacturing apparatus, a machine tool, a robot, etc., and provides a very high speed, high accuracy positioning response, and an extremely high tracking follow-up response. It is related with the motor position control apparatus which can implement | achieve.
従来のモータ位置制御装置の構成を説明すると、第1のモータ位置制御装置として図7に示すように、11は位置指令xdを発生する指令発生部、12は入力された位置指令xdにモータ位置検出信号xが一致するように比例制御(以下P制御と言う)を行って速度指令vdを出力する位置制御部、13は指令に対する応答性を上げるために位置指令xdを時間微分した信号を速度指令vdに加える速度フィードフォワード補償部、14は加算器、15は速度指令vdにモータ速度が一致するようにP制御及び積分制御をパラレルに行う比例積分制御(以下PI制御と言う)をしてトルク指令uを出力する速度制御部である。 The configuration of a conventional motor position control device will be described. As shown in FIG. 7, as a first motor position control device, 11 is a command generation unit that generates a position command xd , and 12 is an input position command xd . A position control unit that outputs a speed command v d by performing proportional control (hereinafter referred to as P control) so that the motor position detection signals x coincide with each other, and 13 is a time derivative of the position command x d in order to improve the response to the command. A feed-forward compensation unit for adding the processed signal to the speed command v d , 14 an adder, and 15 a proportional-integral control (hereinafter referred to as PI control) that performs P control and integration control in parallel so that the motor speed matches the speed command v d. And a speed control unit that outputs a torque command u.
また、16はトルク指令uを入力しPWM(pulse width modulation)、インバータ等で出力電流を制御する電流制御部、17はDCブラシレスモータ等のモータ、18は半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部であってモータ17に対する負荷であり、多くは加減速の変化が激しいものである。19はモータ位置を検出してモータ位置検出信号xをフィードバックする検出器、20はモータ位置検出信号xを時間微分した信号を速度制御部15に対して出力する速度信号作成部である。
このモータ位置制御装置の制御ブロック図の説明を行う。図8において、21は位置指令xdとモータ位置検出信号xの偏差e1を出力するための減算器、22は位置ループゲインKpを乗算する乗算器、23はラプラス演算子sから構成され時間微分を行う微分器、24は微分器23からの出力に対して速度フィードフォワードゲインαを乗算する乗算器である。なお、デジタル制御の場合などは微分器23は差分器となる。25は速度フィードフォワード補償部13からの出力と乗算器22からの出力を加算する加算器、26は加算器25で加算された信号とモータ速度検出信号
(外字1;xの1階微分値でありxの1ドット)の偏差を求める減算器である。また、27はP制御のほかに速度ループ積分ゲインKiで積分を行うPI制御の比例積分器、28は比例積分器27からの出力とモータ速度検出信号
(外字1)との偏差e2を求める減算器、29は速度ループゲインKvを乗じる乗算器である。
A control block diagram of the motor position control device will be described. 8, 21 a subtractor for outputting a difference e 1 position command x d and the motor position detection signal x, 22 is a multiplier for multiplying the position
It is a subtractor for obtaining a deviation of (
(EUDC 1) the deviation e 2 between obtaining subtractor, 29 is a multiplier for multiplying the speed loop gain K v.
従って、第1のモータ位置制御装置のトルク指令uは以下の式(数9)(数10)(数11)で決定される。 Accordingly, the torque command u of the first motor position control device is determined by the following equations (Equation 9) (Equation 10) (Equation 11).
(外字1)を減じた値に速度ループゲインKvを乗じる積分比例制御(以下I−P制御と言う)を行ってトルク指令uを出力する第2のモータ位置制御装置も提案されている。これは図8において加算器25で加算された信号をフィードフォワードできるように結線すると共に、第1のモータ位置制御装置の減算器28を加減算器に変更し、この加減算器で比例積分器27からの出力とモータ速度検出信号
(外字1)との偏差に追加的に減算するものである。このとき(数9)に代えて、以下に示す(数12)に従ったトルク指令uとなる。(数10)(数11)は第1のモータ位置制御装置と変わらない。この第2のモータ位置制御装置の制御ブロック図は図示しないが、後述する図2においてβ=1の場合となる。
It has also been proposed a second motor position control device that outputs an integration proportional control (hereinafter I-P say control) performed a torque command u multiplied by the speed loop gain K v to a value obtained by subtracting (EUDC 1). In FIG. 8, the signal added by the
This is additionally subtracted from the deviation from (external character 1). At this time, instead of (Equation 9), a torque command u according to (Equation 12) shown below is obtained. (Equation 10) (Equation 11) is the same as that of the first motor position control device. Although the control block diagram of the second motor position control device is not shown, it is the case where β = 1 in FIG.
ところで、以上説明した第1及び第2のモータ位置制御装置のほかに、第3のモータ位置制御装置も提案されている。これは、入力された位置指令xdにモータ位置検出信号xが一致するように比例・積分・微分制御(以下PID制御と言う)を行ってトルク指令uを出力する位置制御部が設けられたものである。 Incidentally, in addition to the first and second motor position control devices described above, a third motor position control device has also been proposed. This is provided with a position control unit that outputs a torque command u by performing proportional / integral / differential control (hereinafter referred to as PID control) so that the motor position detection signal x matches the input position command xd . Is.
図9において、31は位置指令xdを発生する指令発生部、32は入力された位置指令xdにモータ位置検出信号xが一致するようにPID制御を行って速度指令vdを出力する位置制御部、33はトルク指令uを入力しPWM、インバータ等で出力電流を制御する電流制御部、34はDCブラシレスモータ等のモータ、35は半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部であってモータ34に対する負荷であり、36はモータ位置を検出してモータ位置検出信号xをフィードバックする検出器である。
9, 31 is commanded generator for generating a position command x d, 32 a position for outputting by performing the PID control so that the motor position detection signal x coincides with the position command x d input velocity command v d
この第3のモータ位置制御装置においては、トルク指令uは図10に示す制御ブロック図で決定される。図10において、41は位置指令xdとモータ位置検出信号xの偏差e1を出力するための減算器、42は比例ゲインλ1を有して偏差e1に比例した出力を行う乗算器、43は積分ゲインλ2で偏差e1を積分する積分乗算器、44はラプラス演算子sから構成される微分器、45は加算器である。 In the third motor position control device, the torque command u is determined by the control block diagram shown in FIG. In FIG. 10, 41 is a subtractor for outputting a deviation e 1 between the position command x d and the motor position detection signal x, 42 is a multiplier having a proportional gain λ 1 and outputting in proportion to the deviation e 1 , 43 is an integral multiplier that integrates the deviation e 1 with an integral gain λ 2 , 44 is a differentiator composed of a Laplace operator s, and 45 is an adder.
従って、第3のモータ位置制御装置においては、トルク指令uは以下の(数13)で決定される。 Therefore, in the third motor position control device, the torque command u is determined by the following (Equation 13).
そこで、外乱抑圧性を向上させて追従性のよいサーボモータを得ることが提案された。これはサーボモータ制御にスライディングモード制御(非線形制御)を利用するものである。しかし、この従来のスライディングモード制御は、既存のモータ位置制御(位置ループによるP制御、速度ループ制御によるPI制御等の線形制御)と関係を有さず、独自性が強いスライディングモード制御であった。このため、使い慣れた線形制御の技術を生かすことができないものであった。 Therefore, it has been proposed to obtain a servo motor with good followability by improving disturbance suppression. This uses sliding mode control (nonlinear control) for servo motor control. However, this conventional sliding mode control is not related to the existing motor position control (linear control such as P control by position loop and PI control by speed loop control), and is a sliding mode control with strong originality. . For this reason, it has been impossible to make use of the linear control technology that is familiar to us.
そこで、こうした既存のサーボモータのPI制御技術を利用しつつ、スライディングモード制御を導入する、いわばハイブリッドのサーボモータの制御方式が提案された(特許文献1参照)。従来の第1のモータ位置制御装置に対応するものである。 Thus, a so-called hybrid servo motor control system has been proposed that uses the existing servo motor PI control technology and introduces sliding mode control (see Patent Document 1). This corresponds to a conventional first motor position control device.
この制御方式は、スライディングモード制御の切換面(位相面)Sufを既存の線形制御で求められるトルク指令の導き出す形と同等のものとするものである。すなわち、(1)を位置偏差εの微分、(2)をP制御のゲインKpと位置偏差εの積Kpε、(3)を{(1)+(2)}の積分とゲイン比K1/K2との積と定義したとき、切換面SufをSuf={(1+(2)+(3))とするものである。そして、これにより線形制御で求められるトルク指令に面倒な演算を行って得られた切換入力を加算して、補正されたトルク指令とすることができる。 In this control method, the switching surface (phase surface) Suf of the sliding mode control is equivalent to the form derived from the torque command obtained by the existing linear control. That is, (1) is the derivative of the positional deviation ε, (2) is the product K p ε of the P control gain K p and the positional deviation ε, and (3) is the integral and gain ratio of {(1) + (2)}. When defined as a product of K1 / K2, the switching surface S uf is S uf = {(1+ (2) + (3)). As a result, it is possible to obtain a corrected torque command by adding a switching input obtained by performing a troublesome calculation to the torque command obtained by linear control.
しかしながら、この演算による切換入力は補正されたトルク指令を与えるが、制御対象であるシステムの状態方程式と物理的(直接的)な関係が乏しく、直感的に理解できない面倒且つ煩雑な演算を行わなければならないものであった。しかも、この演算ではチャタリングを抑えることが難しく、チャタリング抑制機能を導入するのは難しいものであった。そして、この技術は従来の第1のモータ位置制御装置に対応するものであるからP制御、PI制御には対応できるが、PI制御とI−P制御の切り換え、あるいは両方の組合せによる制御の場合には利用できないものであった。 However, the switching input by this calculation gives a corrected torque command, but the physical (direct) relationship with the state equation of the system to be controlled is poor, and the cumbersome and complicated calculation that cannot be intuitively understood must be performed. It was a must. In addition, it is difficult to suppress chattering in this calculation, and it is difficult to introduce a chattering suppression function. Since this technology is compatible with the conventional first motor position control device, it can cope with P control and PI control, but in the case of control by switching between PI control and IP control, or a combination of both. Was not available.
以上説明したように従来の線形制御を行うモータ位置制御装置は、利用環境が大きく変化し、外乱抑圧機能が十分とは言えなくなってきている。最近のサーボモータは制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力等が変化するところで使用されることが多く、位置決め特性や軌跡追従特性が変化し、フィードバックループの安定性が崩れて振動を起こしてしまう。サーボモータ制御にスライディングモード制御(非線形制御)を適用することも考えられるが、これは本来的に既存の線形のモータ制御技術(ラプラス変換、Z変換などを使った制御技術)とは関係をもたない技術であって、従来技術に慣れ親しんだ者にとっては利用し辛い技術であった。 As described above, in the conventional motor position control device that performs linear control, the usage environment has changed greatly, and it cannot be said that the disturbance suppression function is sufficient. Recent servo motors are often used where the load inertia or viscous frictional force to be controlled changes, and the positioning characteristics and the trajectory tracking characteristics change, causing the stability of the feedback loop to be lost and causing vibration. Although it is conceivable to apply sliding mode control (non-linear control) to servo motor control, this is inherently related to existing linear motor control technology (control technology using Laplace transform, Z transform, etc.). However, it was difficult to use for those who were familiar with the conventional technology.
これに対し、特許文献1のサーボモータの制御方式は既存の線形のモータ制御をそのまま利用しつつ、スライディングモード制御を導入するものである。すなわち、線形のモータ制御技術で求められるトルク指令に複雑な演算を行って得られる切換入力を加算して、補正されたトルク指令を新しいトルク指令とするものである。
On the other hand, the servo motor control method of
しかし、特許文献1の切換入力は補正されたトルク指令を与えるが、制御対象であるシステムの状態方程式と関係が乏しく、直感的に理解できない煩雑な演算を行わなければならないものであった。また、チャタリング抑止機能を導入することが難しいものであった。
However, although the switching input of
そこで本発明は、負荷イナーシャ、粘性摩擦力及びその他の非線形外乱力が変化した場合でも位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、制御対象の関数形態に則した処理が複雑な演算なしに行え、安定性がきわめて高いモータ位置制御装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention does not change the positioning characteristics and the trajectory tracking characteristics even when the load inertia, viscous frictional force and other nonlinear disturbance forces are changed, and the process according to the function form of the control target can be performed without complicated calculation. An object of the present invention is to provide a motor position control device having extremely high stability.
上記問題を解決するため本発明のモータ位置制御装置は、トルク指令uを決定しモータに電流を出力して目標とする位置指令x d にモータの位置検出信号xが一致するように位置制御するモータ位置制御装置であって、前記位置指令x d を出力する位置指令発生部と、前記位置指令x d 及びモータ位置検出信号xを入力し前記モータ位置検出信号xが前記位置指令x d に一致するように速度指令v d を出力する位置制御部と、前記位置指令x d を時間微分した信号に所定の値αを乗じて前記速度指令v d に加えて該速度指令v d を更新する速度フィードフォワード部と、パラレルに設けられた比例積分制御と積分比例制御の少なくとも何れかの制御を行い、更新された速度指令v d にモータ速度検出信号が一致するようにトルク指令uを決定する速度制御部と、前記トルク指令uを入力し前記モータに電流を出力する電流制御部と、前記モータの位置を検出する検出器と、前記モータの位置から前記モータ速度検出信号を出力する速度作成部と、前記トルク指令uを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備え、非線形外乱補償時には前記非線形外乱補償演算部が(数2)、(数3)、(数4)、(数5)の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値J max 、粘性摩擦係数最大値D max 及び外乱最大値F max をパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、(数3)で表される切換関数r 1 にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令uが(数1)で与えられて非線形外乱補償されることを特徴とする。 In order to solve the above problem, the motor position control device of the present invention determines the torque command u, outputs a current to the motor, and controls the position so that the motor position detection signal x matches the target position command xd. A motor position control device for outputting a position command xd ; a position command generator for outputting the position command xd ; the position command xd and the motor position detection signal x being input; and the motor position detection signal x coincides with the position command xd a position control unit for outputting a speed command v d to the speed of updating the speed command v d in addition to the speed command v d is multiplied by a predetermined value α to the position command x d to the time derivative signal a feedforward module performs at least one of the control of the integration proportional control and proportional-integral control provided in parallel, the rate is updated command v torque command to the motor speed detection signal d coincides u A speed control unit for determination, a current control unit for inputting the torque command u and outputting a current to the motor, a detector for detecting the position of the motor, and outputting the motor speed detection signal from the position of the motor A speed generation unit and a nonlinear disturbance compensation calculation unit that performs nonlinear disturbance compensation when determining the torque command u are provided. When nonlinear disturbance compensation is performed, the nonlinear disturbance compensation calculation unit is represented by (Equation 2), (Equation 3), (Equation 4). ) And (Equation 5), and a function described in the control target format using the load inertia maximum value J max , the viscous friction coefficient maximum value D max and the disturbance maximum value F max as parameters, and (Equation 3) taking the product of the function which has been subjected to chattering suppression processing switching function r 1 represented outputting a nonlinear compensation torque to describing function of this, the torque command u is given by equation (1) non Characterized in that it is Katachigairan compensated.
本発明によれば、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、モータ位置検出信号が位置指令に一致するように既存の位置制御方式を利用して非線形外乱補償演算を行うため、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置が実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、基本(既存)の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かを、チャタリングを抑制するパラメータの大きさを変えることで、チャタリングを抑制しながら簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。 According to the present invention, even when the load inertia or viscous friction force to be controlled changes, the nonlinear disturbance compensation calculation unit compensates for such changes, so that the positioning characteristics and the trajectory tracking characteristics do not change, and the motor position detection Nonlinear disturbance compensation calculation is performed using the existing position control method so that the signal matches the position command, so that not only high-speed and high-accuracy response can be realized, but also high that is not affected by changes in drive conditions or operating environment A motor position control device with stability can be realized. In addition, the product of the function described in the control target format using the load inertia maximum value, viscous friction coefficient maximum value, and disturbance maximum value and the switching function is used as the description function. Control that makes use of the contents and ease of understanding can be performed without complicated calculations. Furthermore, by adding one signal for nonlinear disturbance compensation to existing linear control technology, there is no need to change the basic (existing) control method and control parameters, and whether or not nonlinear disturbance compensation is performed By changing the size of the parameter that suppresses the chattering, it is possible to easily switch while suppressing chattering, so that the motor position control device is very easy to use.
本発明の第1の形態は、トルク指令uを決定しモータに電流を出力して目標とする位置指令x d にモータの位置検出信号xが一致するように位置制御するモータ位置制御装置であって、位置指令x d を出力する位置指令発生部と、位置指令x d 及びモータ位置検出信号xを入力しモータ位置検出信号xが位置指令x d に一致するように速度指令v d を出力する位置制御部と、位置指令x d を時間微分した信号に所定の値αを乗じて速度指令v d に加えて該速度指令v d を更新する速度フィードフォワード部と、パラレルに設けられた比例積分制御と積分比例制御の少なくとも何れかの制御を行い、更新された速度指令v d にモータ速度検出信号が一致するようにトルク指令uを決定する速度制御部と、トルク指令uを入力しモータに電流を出力する電流制御部と、モータの位置を検出する検出器と、モータの位置からモータ速度検出信号を出力する速度作成部と、トルク指令uを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部を備え、非線形外乱補償時には非線形外乱補償演算部が(数2)、(数3)、(数4)、(数5)の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値J max 、粘性摩擦係数最大値D max 及び外乱最大値F max をパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、(数3)で表される切換関数r 1 にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、トルク指令uが(数1)で与えられて非線形外乱補償されることを特徴とするモータ位置制御装置であり、Kpは位置ループゲイン、Kvは速度ループゲイン、Kiは速度ループ積分ゲイン、α(α≧0)は速度フィードフォワードゲイン、β(β≧0)は速度制御部内のPI制御とI−P制御を切り換える切換定数、δはチャタリング防止定数、cは非線形外乱補償の有無を切り換える切換定数、sはラプラス演算子、| |は絶対値を示す。 The first aspect of the present invention is a motor position control device that determines a torque command u, outputs a current to the motor, and controls the position so that the motor position detection signal x matches the target position command xd. Te, outputs the position command generator for outputting the position command x d, the position command x d and the speed command v d to enter the motor position detection signal x motor position detection signal x coincides with the position command x d a position control unit, the speed feedforward section for updating the position command x d in a time differential signal is multiplied by a prescribed value α speed command v in addition to d the speed command v d, the proportional provided in parallel integration A speed control unit that determines at least one of control and integral proportional control and determines the torque command u so that the motor speed detection signal matches the updated speed command v d , and inputs the torque command u to the motor Electric A current control unit that outputs a motor, a detector that detects the position of the motor, a speed generation unit that outputs a motor speed detection signal from the motor position, and a nonlinear disturbance compensation calculation that performs nonlinear disturbance compensation when determining the torque command u The non-linear disturbance compensation calculation unit performs the calculations of (Equation 2), (Equation 3), (Equation 4), and (Equation 5) at the time of nonlinear disturbance compensation, as well as the load inertia maximum value J max and the viscous friction coefficient maximum. The product of the function described in the control target format with the value D max and the disturbance maximum value F max as parameters and the function obtained by subjecting the switching function r 1 represented by (Equation 3) to the chattering suppression process is obtained. A non-linear compensation torque is output as a descriptive function, and a torque command u is given by (Equation 1) to compensate for non-linear disturbances . K p is a position loop gain, K v is a speed loop gain, K i is a speed loop integral gain, α (α ≧ 0) is a speed feedforward gain, β (β ≧ 0) is a switching constant for switching between PI control and IP control in the speed control unit, δ Is a chattering prevention constant, c is a switching constant for switching the presence or absence of nonlinear disturbance compensation, s is a Laplace operator, and || is an absolute value.
本発明の第2の形態は、トルク指令uを決定しモータに電流を出力して目標とする位置指令x d にモータの位置検出信号xが一致するように位置制御する第1の形態のモータ位置制御装置において、モータ位置検出信号xが位置指令x d に一致するように速度指令v d を出力する位置制御部と、位置指令x d を時間微分した信号に所定の値αを乗じて速度指令v d に加えて該速度指令v d を更新する速度フィードフォワード部と、パラレルに設けられた比例積分制御と積分比例制御の少なくとも何れかの制御を行い、更新された速度指令v d にモータ速度検出信号が一致するようにトルク指令uを決定する速度制御部と、モータの位置からモータ速度検出信号を出力する速度作成部と、を備え、非線形外乱補償演算部が(数2)、(数3)、(数4)、(数5)の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値J max 、粘性摩擦係数最大値D max 及び外乱最大値F max をパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、(数3)で表される切換関数r 1 にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、トルク指令uが(数1)で与えられて非線形外乱補償される、のに代えて、モータ位置検出信号xが位置指令xdに一致するようにトルク指令uを決定する位置制御部を備え、非線形外乱補償演算部が(数4)、(数7)、(数8)の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値Jmax、粘性摩擦係数最大値Dmax及び外乱最大値Fmaxをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、モータ位置検出信号xと位置指令x d の差だけの関数である(数8)で表される切換関数r2にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、トルク指令uが(数6)で与えられて非線形外乱補償される、ことを特徴とするモータ位置制御装置であり、kは比例定数、cは非線形外乱補償の有無を切り換える切換定数、λ1は比例ゲイン、λ2は積分ゲイン、δはチャタリング防止定数、sはラプラス演算子、| |は絶対値を示す。 The second mode of the present invention is a motor according to the first mode in which a torque command u is determined, a current is output to the motor, and position control is performed so that the motor position detection signal x matches the target position command xd. in the position control device, by multiplying a position control unit for outputting a speed command v d to the motor position detection signal x coincides with the position command x d, the predetermined value α position commands x d to the time obtained by differentiating the signal speed a speed feed forward unit that updates the command v in addition to d the speed command v d, performs at least one of the control of the integration proportional control and proportional-integral control provided in parallel, the motor on the updated velocity command v d A speed control unit that determines the torque command u so that the speed detection signals match, and a speed creation unit that outputs a motor speed detection signal from the motor position. (Equation 3) , (Equation 4) and (Equation 5) are calculated, and the function described in the control target format using the load inertia maximum value J max , the viscous friction coefficient maximum value D max and the disturbance maximum value F max as parameters, The product of the switching function r 1 represented by Equation 3) and the function obtained by performing chattering suppression processing is taken to output a nonlinear compensation torque having this as a description function, and the torque command u is given by Equation (1) In place of the nonlinear disturbance compensation, a position control unit that determines the torque command u so that the motor position detection signal x coincides with the position command xd is provided. (7) and (Equation 8) are calculated, the load inertia maximum value J max , the viscous friction coefficient maximum value D max, and the disturbance maximum value F max are used as parameters, and the function described in the control target format and the motor position detection Nonlinear compensation torque using the product of the switching function r 2 represented by ( Equation 8), which is a function of only the difference between the output signal x and the position command xd , and the function obtained by subjecting the chattering suppression process to the product as a description function outputs, is given by a torque command u (6) is non-linear disturbance compensation, it is a motor position control apparatus according to claim, k is a proportional constant, c is the switching換定number for switching the presence or absence of non-linear disturbance compensation , Λ 1 is a proportional gain, λ 2 is an integral gain, δ is a chattering prevention constant, s is a Laplace operator, and || is an absolute value.
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1のモータ位置制御装置について説明する。実施の形態1のモータ位置制御装置は、従来の第1及び第2のモータ位置制御装置を組合せたものであって、どちらか一方の制御あるいは組合せて使用するモードの切り換えが可能で、これに対して非線形外乱補償を行うものである。図1は本発明の実施の形態1におけるモータ位置制御装置の構成図、図2は本発明の実施の形態1におけるモータ位置制御装置の制御ブロック図、図3は本発明の実施の形態1におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果の説明図、図11は従来の第1のモータ位置制御装置における第1の位置決め実験結果の説明図、図12は従来の第1のモータ位置制御装置における第2の位置決め実験結果の説明図である。
(Embodiment 1)
First, the motor position control apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. The motor position control device of the first embodiment is a combination of the conventional first and second motor position control devices, and it is possible to switch either one of the controls or the mode used in combination. On the other hand, nonlinear disturbance compensation is performed. FIG. 1 is a configuration diagram of a motor position control device in
図1において、51は指令発生部、52は位置制御部、53は速度フィードフォワード部、54は加算器、55は速度制御部、56は速度作成部、57は加算器、58は電流制御部、59はモータであり、5aは半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部である負荷、5bはモータ位置を検出する検出器、5cはトルク指令uを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部である。従来技術と同一名称の構成は、基本的に同様の機能を奏するので、以下説明しない詳細な説明は従来技術に譲る。 In FIG. 1, 51 is a command generation unit, 52 is a position control unit, 53 is a speed feedforward unit, 54 is an adder, 55 is a speed control unit, 56 is a speed creation unit, 57 is an adder, and 58 is a current control unit. , 59 is a motor, 5a is a load that is a mechanical part of a semiconductor manufacturing apparatus, a machine tool, a robot or the like, 5b is a detector that detects a motor position, and 5c is a nonlinear that performs nonlinear disturbance compensation when determining a torque command u. A disturbance compensation calculation unit. Since the configuration having the same name as that of the conventional technique basically has the same function, a detailed description that will not be described below is given to the conventional technique.
位置制御部52は位置指令xdとモータ59のモータ位置検出信号xとを入力し、位置指令xdにモータ位置検出信号xが一致するように速度指令を決定し、速度フィードフォワード補償部53内で位置指令xdを時間微分した値に速度フィードフォワードゲインαを乗じて速度フィードフォワード信号vfを作成し、前記位置制御部の出力と前記速度フィードフォワード信号vfを加算器53で加算して速度指令vdを作成して速度制御部55へ出力する。
速度制御部55は前記速度指令vdとモータの速度信号とを入力し、速度指令vdにモータ速度信号
(外字1)が一致するようにトルク指令uを決定し、このトルク指令uとモータ位置から算出された非線形外乱補償値を加算器57で加えて新たにトルク指令uを算出して、電流制御部58へ出力する。電流制御部58は補正されたトルク指令uを入力し、トルク指令を電流指令に換算し、モータ59の発生する電流が前記電流指令に一致するようにPWM等で電流制御演算を行い、モータ59を駆動する。
The torque command u is determined so that (external character 1) matches, and the torque command u and the nonlinear disturbance compensation value calculated from the motor position are added by the
モータ59には負荷5aが接続されており、モータが駆動されることで負荷5aも駆動される。検出器5bはモータ59に装着されており、モータの回転角度であるモータ位置
を出力する。速度信号作成部56はモータ位置を検出したモータ位置検出信号xからモータ速度検出信号
(外字1)を算出する。非線形外乱補償演算部5cはトルク指令uとモータ位置を入力し、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などの変化を補償する非線形外乱補償トルクTcを算出する。
A
(External character 1) is calculated. The nonlinear disturbance
なお、以上の説明は回転型モータを想定して説明しているが、リニアモータの場合もトルク指令を推力指令、回転角度をリニアスケール位置と置き換えれば同様の構成でモータ位置制御装置が実現できる。 The above description is made assuming a rotary motor. However, in the case of a linear motor, a motor position control device can be realized with the same configuration by replacing a torque command with a thrust command and a rotation angle with a linear scale position. .
さて、本発明の実施の形態1のモータ位置制御装置の特徴は、図1に示した位置制御部52、速度制御部55がカスケード制御されてトルク指令を決定するモータ位置制御装置において、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、安定性も確保できる非線形外乱補償機能を備えている点である。さらに、線形制御であるPI制御とI−P制御の一方から他方へ、あるいは両者の組合せの制御に対応してこれを連続的、自在に切り換えることができ、これを更に非線形外乱補償する点である。
The motor position control device according to the first embodiment of the present invention is characterized in that, in the motor position control device in which the
以下、この制御の具体的な実現方法について説明する。制御対象のシステムの状態方程式(関数)がイナーシャJと粘性摩擦係数Dと外乱Fで表されるとした場合、トルク指令uとモータ位置検出信号xの関係は、(数14)のような線形関数で表される。 Hereinafter, a specific method for realizing this control will be described. When the state equation (function) of the system to be controlled is expressed by inertia J, viscous friction coefficient D, and disturbance F, the relationship between the torque command u and the motor position detection signal x is linear as shown in (Equation 14). Expressed as a function.
ここで、xの2ドットはxの2階時間微分値
(外字2)であり、xの1ドットはxの1階時間微分値
(外字1)であり、それぞれ加速度、速度を意味する。
Here, 2 dots of x are second-order time differential values of x
(External character 2), 1 dot of x is the first-order time differential value of x
(External character 1), which means acceleration and speed, respectively.
一方、図8において位置誤差e1、速度誤差e2は、(数15)(数16)と表わされる。ここで、(数16)を変形して両辺を微分し、xの2階時間微分値
(外字2)を(数17)のように求め、これを(数14)に代入して整理すると、(数18)を得ることができる。これを変形すると(数19)となり、新たに(数20)で表わされる信号r1を導入し、(数20)を時間微分して両辺に慣性モーメントJを乗じて整理し、(数21)を得る。このr1が実施の形態1における切換関数となる。
On the other hand, in FIG. 8, the position error e 1 and the speed error e 2 are expressed as (Equation 15) and (Equation 16). Here, (Equation 16) is modified to differentiate both sides, and the second-order time differential value of x
If (External character 2) is obtained as in (Equation 17), and this is substituted into (Equation 14) and arranged, (Equation 18) can be obtained. When this is transformed, (Equation 19) is obtained, a signal r 1 represented by (Equation 20) is newly introduced, (Equation 20) is time-differentiated, and both sides are multiplied by the inertia moment J and rearranged, (Equation 21) Get. This r 1 is the switching function in the first embodiment.
(外字3;Vの1階微分値でありVの1ドット)がゼロ以下であれば(数25)が安定になるというリアプノフ条件を求めると、(数27)がゼロ以下になるためには、(数28)でなければならない。
If the Lyapunov condition that (Equation 25) is stable if (
(外字3)≦0となる。なお、実施の形態1におけるJmax、Dmax、Fmaxをパラメータとして制御対象形式に記述された関数とは、(数14)で表わされる状態方程式においてこれら係数(パラメータ)を備えた線形形式を保って記述された関数のことである。なお、| |は絶対値を示す。
(External character 3) ≦ 0. It should be noted that the function described in the control target format using J max , D max , and F max as parameters in
しかし、右辺第2項は、r1の符号関数になっているため、チャタリングが起きて振動的になる場合が多い。そこで、(数30)のように符号関数に代えて、切換関数r1にチャタリング抑止処理を行うための関数1/(δ+|r1|)を掛けたr1/(δ+|r1|)に置換することでチャタリングを防止する。
However, since the second term on the right side is a sign function of r 1 , chattering often occurs and becomes vibrational in many cases. Therefore, instead of the sign function as (number 30), a function for performing chattering suppression process in the switching function r 1 1 / (δ + | r 1 |) (|
図2のモータ位置制御装置の制御ブロック図の説明を行う。図2において、61は位置指令xdとモータ位置検出信号xの偏差e1を出力するための減算器、62は位置ループゲインKpを乗算する乗算器、63はラプラス演算子sから構成され時間微分を行う微分器、64は微分器63からの出力に対して速度フィードフォワードゲインα(α≧0)を乗算する乗算器である。なお、デジタル制御の場合などは微分器63は差分器となる。65は速度フィードフォワード補償部53からの出力と乗算器62からの出力を加算する加算器、66は加算器25で加算された信号とモータ速度検出信号
(外字1)の偏差を求める減算器である。また、67はP制御のほかに速度ループ積分ゲインKiで積分を行うPI制御の比例積分器、68は加算器65の信号にフィードフォワードゲインβ(β≧0)を乗算する乗算器であり、69は加減算器であって、比例積分器67からの出力とモータ速度検出信号
(外字1)との偏差に追加的に加算するものである。6aは速度ループゲインKvの出力を行う乗算器、6bは(数30)の右辺第2項に示す非線形外乱補償としての記述関数、6cは加算器である。
A control block diagram of the motor position control device of FIG. 2 will be described. 2, 61 a subtractor for outputting a difference e 1 position command x d and the motor position detection signal x, 62 is a multiplier for multiplying the position
This is a subtractor for obtaining a deviation of (external character 1). Further, 67 is proportional integrator PI control for integration at a speed loop integral gain K i in addition to the P control, 68 is a multiplier for multiplying the feed forward gain β (β ≧ 0) to a signal of the
This is additionally added to the deviation from (external character 1). 6a is a multiplier for outputting a speed
次に、モータ19に一軸スライダを取り付けた場合のフルクローズド位置制御システムに対して実施の形態1のモータ位置制御装置を利用した場合の実験結果を説明する。図3は実施の形態1におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果を示し、速度フィードフォワードゲインを0.59とした場合の位置決め応答である。チャタリング防止定数のδは5を採用している。図3中、d_Xdは位置指令サンプリング周期ごとの増分値であり、(数16)などで説明した
(外字4)と表現が異なるだけの同一信号である。また、errorはテーブル位置誤差であり、目標指令d_Xdを時間積分した値からテーブル位置を減じた値である。なお、目標指令d_Xdは、最高速度0.4m/sに達するまでの加速度が1G→1.5G→2G→3G(なお、Gは重力加速度)と変化する指令としている。
Next, an experimental result in the case where the motor position control device of the first embodiment is used for the fully closed position control system when the uniaxial slider is attached to the
It is the same signal that is different in expression from (external character 4). Further, error is a table position error, which is a value obtained by subtracting the table position from a value obtained by integrating the target command d_X d with time. The target command d_X d is a command in which the acceleration until reaching the maximum speed of 0.4 m / s changes from 1G → 1.5G → 2G → 3G (where G is gravitational acceleration).
これに対し、図11、図12は従来の第1のモータ位置制御装置を利用した場合の実験結果を示しており、速度フィードフォワードゲインを0.59、0.60とした場合の位置決め応答であり、図3に示す実施の形態1におけるモータ位置制御装置の位置決め応答に対応するものである。図3、図11、図12から明らかなように、従来の第1のモータ位置制御装置を利用した場合は、図11、図12ともに加減速度が変化した結果、ワインドアップやオーバーシュートが出ており、結果的に位置決め時間が長くなっている。 On the other hand, FIGS. 11 and 12 show the experimental results when the conventional first motor position control device is used, and the positioning response when the speed feedforward gain is 0.59 and 0.60. Yes, this corresponds to the positioning response of the motor position control device in the first embodiment shown in FIG. As apparent from FIGS. 3, 11, and 12, when the conventional first motor position control device is used, windup and overshoot appear as a result of changes in acceleration / deceleration in both FIGS. As a result, the positioning time becomes longer.
しかし、実施の形態1を利用したモータ位置制御装置の応答は、図3に示すように加減速度が変化した場合でもワインドアップやオーバーシュートすることなく、高速で高精度な位置決め応答が実現できており、実施の形態1のモータ位置制御装置においては応答の特性が格段に改善されていることが分かる。 However, the response of the motor position control device using the first embodiment can realize a high-speed and high-accuracy positioning response without winding up or overshooting even when the acceleration / deceleration changes as shown in FIG. Thus, it can be seen that the response characteristics are remarkably improved in the motor position control device of the first embodiment.
このように実施の形態1のモータ位置制御装置は、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、モータ位置検出信号が位置指令に一致するように既存の位置制御方式を利用して非線形外乱補償演算を行うため、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置を実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、従来の基本の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かを、チャタリングを抑制するパラメータ(チャタリング防止定数δ)の大きさを変えることで、チャタリングを抑制しながら簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。つまり、チャタリング防止定数δを大きくすると非線形外乱補償項が小さくなり、結果的に非線形外乱補償を行わない(効果が薄い)ようになる。チャタリング防止定数δが大きくなるとチャタリングも小さくなる。切換定数β(β≧0)を変化させることで、速度フィードフォワードやPI制御(β=0)とI−P制御(β=1)の一方から他方へ、また両者の組合せ(β=β)の制御が可能であるという特徴を含めて、既存の位置制御演算の特徴を保ちながら、非線形外乱補償を連続的に切り換えることができる。 As described above, in the motor position control device of the first embodiment, even when the load inertia or viscous frictional force to be controlled changes, the nonlinear disturbance compensation calculation unit compensates for such changes. Since the non-linear disturbance compensation calculation is performed using the existing position control method so that the motor position detection signal matches the position command , not only can the high-speed and high-accuracy response be realized, but also the driving conditions and A motor position control device having high stability that is not affected by changes in the operating environment can be realized. In addition, the product of the function described in the control target format using the load inertia maximum value, viscous friction coefficient maximum value, and disturbance maximum value and the switching function is used as the description function. Control that makes use of the contents and ease of understanding can be performed without complicated calculations. Further, simply by adding one signal for nonlinear disturbance compensation of the existing linear control technology, it is not necessary to change the control method and control parameters of the conventional basic, whether to perform a non-linear disturbance compensation, chattering By changing the size of the parameter (chattering prevention constant δ) to be suppressed, it is possible to easily switch while suppressing chattering, so that the motor position control device is very easy to use. That is, when the chattering prevention constant δ is increased, the nonlinear disturbance compensation term is decreased, and as a result, nonlinear disturbance compensation is not performed (effect is weak). As the chattering prevention constant δ increases, the chattering also decreases. By changing the switching constant β (β ≧ 0), one of speed feedforward, PI control (β = 0) and IP control (β = 1) or the combination of both (β = β) The nonlinear disturbance compensation can be continuously switched while maintaining the characteristics of the existing position control calculation including the characteristic that the control can be performed.
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2におけるモータ位置制御装置について図4、図5、図6、図13に基づいて説明する。実施の形態2のモータ位置制御装置における制御のための各構成の機能は実質的に実施の形態1のモータ位置制御装置と変わらないので詳細な説明は省略する。図4は本発明の実施の形態2におけるモータ位置制御装置の構成図、図5は本発明の実施の形態2におけるモータ位置制御装置の制御ブロック図、図6は本発明の実施の形態2におけるモータ位置制御装置の位置決め実験結果の説明図、図13は従来の第3のモータ位置制御装置における第1の位置決め実験結果の説明図である。
(Embodiment 2)
A motor position control apparatus according to
図4はモータに負荷をつけた駆動装置に適用した場合の制御ブロック図である。図4において、71は指令発生部、72は位置制御部、73は加算器、74は電流制御部、75はモータ、76は半導体製造装置、工作機械およびロボット等のメカ部である負荷、77はモータ位置を検出する検出器、78はトルク指令uを決定するとき非線形外乱補償を行う非線形外乱補償演算部である。非線形外乱補償の内容は後述する。 FIG. 4 is a control block diagram when applied to a drive device in which a load is applied to the motor. In FIG. 4, 71 is a command generation unit, 72 is a position control unit, 73 is an adder, 74 is a current control unit, 75 is a motor, 76 is a load that is a mechanical unit such as a semiconductor manufacturing apparatus, a machine tool, and a robot, 77 Is a detector for detecting the motor position, and 78 is a non-linear disturbance compensation calculation unit that performs non-linear disturbance compensation when the torque command u is determined. The content of nonlinear disturbance compensation will be described later.
位置制御部72は位置指令xdとモータ75のモータ位置検出信号xとを入力し、位置指令xdにモータ位置検出信号xが一致するようにトルク指令rを決定し、トルク指令rとモータ位置検出信号xから算出された非線形外乱補償値を加算器73で加えて新たにトルク指令uを算出して、電流制御部74へ出力する。電流制御部74は前記トルク指令uを入力し、トルク指令を電流指令に換算し、モータ19の発生する電流が前記電流指令に一致するようにPWM等で電流制御演算を行い、モータ75を駆動する。
モータ75には負荷76が接続されており、モータ75が駆動されることで負荷76も駆動される。検出器77はモータ75に装着されており、モータの回転角度であるモータ位置検出信号xを出力する。非線形外乱補償演算部78はトルク指令uとモータ位置検出信号xを入力し、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などの変化を補償する非線形外乱補償トルクを算出する。
A
そして、実施の形態2におけるモータ位置制御装置においては、トルク指令uは図5に示す制御ブロック図で決定される。図5において、81は位置指令xdとモータ位置検出信号xの偏差e1を出力するための減算器、82は比例ゲインλ1を有して偏差e1に比例した出力を行う乗算器、83は積分ゲインλ2で偏差e1を積分する積分乗算器、84はラプラス演算子sから構成される微分器、85は加算器、86は比例定数kを乗ずる乗算器である。そして、87は非線形外乱補償としての記述関数、88は加算器である。
And in the motor position control apparatus in
なお、以上の説明は回転型モータを想定して説明したが、リニアモータの場合もトルク指令を推力指令、回転角度をリニアスケール位置と置き換えれば同様の構成でモータ位置制御装置を実現できる。 The above description has been made assuming a rotary motor. However, in the case of a linear motor, a motor position control device can be realized with the same configuration by replacing a torque command with a thrust command and a rotation angle with a linear scale position.
実施の形態2の特徴は、図9に示したPID制御を行う位置制御部がトルク指令を出力する制御装置において、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、安定性も確保できる非線形外乱補償機能を備えていることである。 The feature of the second embodiment is that the position control unit that performs the PID control shown in FIG. 9 outputs a torque command. Even when the load inertia or the viscous frictional force to be controlled changes, the positioning characteristics and locus The tracking characteristic does not change and a nonlinear disturbance compensation function that can secure stability is provided.
以下、具体的な実現方法について説明する。制御対象がイナーシャJと粘性摩擦係数Dと外乱Fで表されるとした場合、トルク指令uとモータ位置検出信号xの関係は、実施の形態1で説明したと同一の(数14)で表される。一方、図9に示した本発明における制御ブロック図で位置誤差e1は、実施の形態1で説明したと同一の(数15)で表わされる。ここで、(数15)の両辺を2階微分し、(数14)に代入して整理すると、(数31)となる。 Hereinafter, a specific implementation method will be described. When the control target is expressed by inertia J, viscous friction coefficient D, and disturbance F, the relationship between the torque command u and the motor position detection signal x is expressed by the same equation (14) as described in the first embodiment. Is done. On the other hand, in the control block diagram of the present invention shown in FIG. 9, the position error e 1 is expressed by the same (Equation 15) as described in the first embodiment. Here, when both sides of (Equation 15) are second-order differentiated and substituted into (Equation 14) and rearranged, (Equation 31) is obtained.
ここで、(数33)で表される新たに信号r2を導入し、(数33)の両辺を時間微分して慣性モーメントJを乗じて整理すると、(数34)が得られる。なお、このr2が実施の形態2における切換関数となる。 Here, when a new signal r 2 represented by (Equation 33) is introduced, both sides of (Equation 33) are time-differentiated and multiplied by the moment of inertia J, (Equation 34) is obtained. This r 2 is the switching function in the second embodiment.
(外字3)≦0となる。なお、実施の形態2におけるJmax、Dmax、Fmaxをパラメータとして制御対象形式に記述された関数とは、(数14)で表わされる状態方程式において物理的意味を有するこれら係数を備えた線形形式を保って記述された関数のことである。| |は絶対値を示す。
(External character 3) ≦ 0. Note that the function described in the control target format using J max , D max , and F max as parameters in
(外字4)と表現が異なるだけの同一信号である。最高速度0.4m/sに達するまでの加速度が1G→1.5G→2G→3G(なお、Gは重力加速度)と変化する指令としている。
It is the same signal that is different in expression from (external character 4). The acceleration is a command that changes from 1G → 1.5G → 2G → 3G (G is gravitational acceleration) until the maximum speed reaches 0.4 m / s.
これに対し、図13は従来の第3のモータ位置制御装置を利用した場合の位置決め応答の実験結果を示しており、図6に示す実施の形態2におけるモータ位置制御装置の位置決め応答に対応するものである。図13、図6から明らかなように、実施の形態2を利用した場合は、従来の第3のモータ位置制御装置を利用した場合に比べてワインドアップやオーバーシュートが大幅に減少しており、とくに最大位置偏差が従来方法2では495μmだったのに対して実施の形態2では109μmに減少している。以上の結果から実施の形態2が有効であることが分かる。
On the other hand, FIG. 13 shows the experimental result of the positioning response when the conventional third motor position control device is used, and corresponds to the positioning response of the motor position control device in the second embodiment shown in FIG. Is. As apparent from FIGS. 13 and 6, when the second embodiment is used, the windup and overshoot are greatly reduced as compared with the case where the conventional third motor position control device is used. In particular, the maximum position deviation was 495 μm in the
このように実施の形態2のモータ位置制御装置は、制御対象の負荷イナーシャや粘性摩擦力などが変化した場合でも、それらの変化を非線形外乱補償演算部が補償するため、位置決め特性や軌跡追従特性が変化せず、高速で高精度の応答が実現できるばかりでなく、駆動条件や動作環境の変化に影響されない高い安定性を備えたモータ位置制御装置を実現できる。また、負荷イナーシャ最大値、粘性摩擦係数最大値及び外乱最大値を用いた制御対象形式に記述された関数と切換関数との積を記述関数とするので、制御対象の本来の線形性、物理的内容とその理解の容易性をそのまま活かした制御が複雑な演算なしに行える。さらに、既存の線形制御の技術に非線形外乱補償のための一つの信号を加えるだけで、従来の基本の制御方式と制御パラメータを変える必要がなく、非線形外乱補償を行うか否かを簡単に切り換えることができるため、非常に利用し易いモータ位置制御装置となる。PID制御演算式を切換関数として利用して非線形外乱補償演算を行い、1つのパラメータの大きさを変えるだけの簡単な演算で確実にチャタリングを抑制することができる。 As described above, the motor position control apparatus according to the second embodiment compensates for changes in the load inertia and viscous friction force to be controlled by the nonlinear disturbance compensation calculation unit. In addition to realizing a high-speed and high-accuracy response, it is possible to realize a motor position control device having high stability that is not affected by changes in driving conditions or operating environment. In addition, the product of the function described in the control target format using the load inertia maximum value, viscous friction coefficient maximum value, and disturbance maximum value and the switching function is used as the description function. Control that makes use of the contents and ease of understanding can be performed without complicated calculations. Furthermore, by simply adding a single signal for nonlinear disturbance compensation to the existing linear control technology, there is no need to change the conventional basic control method and control parameters, and whether to perform nonlinear disturbance compensation can be switched easily. Therefore, the motor position control device is very easy to use. Non-linear disturbance compensation calculation is performed using the PID control calculation formula as a switching function , and chattering can be reliably suppressed by a simple calculation only by changing the size of one parameter .
本発明は、半導体製造装置、検査装置、工作機械および産業用ロボットを高速・高精度に駆動するモータ位置制御装置として利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a motor position control device that drives a semiconductor manufacturing device, an inspection device, a machine tool, and an industrial robot at high speed and high accuracy.
11 指令発生部
12 位置制御部
13 速度フィードフォワード部
14 加算器
15 速度制御部
16 電流制御部
17 モータ
18 負荷
19 検出器
20 速度信号作成部
21 減算器
22 乗算器
23 微分器
24 乗算器
25 加算器
26 減算器
27 比例積分器
28 減算器
29 乗算器
31 指令発生部
32 位置制御部
33 電流制御部
34 モータ
35 負荷
36 検出器
41 減算器
42 乗算器
43 積分乗算器
44 微分器
45 加算器
46 乗算器
51 指令発生部
52 位置制御部
53 速度フィードフォワード部
54 加算器
55 速度制御部
56 速度信号発生部
57 加算器
58 電流制御部
59 モータ
5a 負荷
5b 検出器
5c 非線形外乱補償演算部
61 減算器
62 乗算器
63 微分器
64 乗算器
65 加算器
66 減算器
67 比例積分器
68 乗算器
69 加減算器
6a 乗算器
6b 記述関数
6c 加算器
71 指令発生部
72 位置制御部
73 加算器
74 電流制御部
75 モータ
76 負荷
77 検出器
78 非線形外乱補償演算部
81 減算器
82 乗算器
83 積分乗算器
84 微分器
85 加算器
86 乗算器
87 記述関数
88 加算器
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記モータ位置検出信号xが前記位置指令x d に一致するように速度指令v d を出力する位置制御部と、前記位置指令x d を時間微分した信号に所定の値αを乗じて前記速度指令v d に加えて該速度指令v d を更新する速度フィードフォワード部と、パラレルに設けられた比例積分制御と積分比例制御の少なくとも何れかの制御を行い、更新された速度指令v d にモータ速度検出信号が一致するようにトルク指令uを決定する速度制御部と、前記モータの位置から前記モータ速度検出信号を出力する速度作成部と、を備え、
前記非線形外乱補償演算部が(数2)、(数3)、(数4)、(数5)の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値J max 、粘性摩擦係数最大値D max 及び外乱最大値F max をパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、(数3)で表される切換関数r 1 にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令uが(数1)で与えられて非線形外乱補償される、のに代えて、
前記モータ位置検出信号xが前記位置指令xdに一致するようにトルク指令uを決定する位置制御部を備え、
前記非線形外乱補償演算部が(数4)、(数7)、(数8)の演算を行うと共に、負荷イナーシャ最大値Jmax、粘性摩擦係数最大値Dmax及び外乱最大値Fmaxをパラメータとして制御対象形式に記述された関数と、前記モータ位置検出信号xと前記位置指令x d の差だけの関数である(数8)で表される切換関数r2にチャタリング抑止処理を施した関数との積をとってこれを記述関数とする非線形補償トルクを出力し、前記トルク指令uが(数6)で与えられて非線形外乱補償される、ことを特徴とするモータ位置制御装置。
The speed command by multiplying the position control unit for outputting a speed command v d to the motor position detection signal x coincides with the position command x d, the predetermined value α to the position command x d to the time derivative signal v perform a speed feedforward section for updating the the speed command v d in addition to d, at least one of the control of the integration proportional control and proportional-integral control provided in parallel, the motor speed to the speed command v d that has been updated A speed control unit that determines the torque command u so that the detection signals match, and a speed creation unit that outputs the motor speed detection signal from the position of the motor,
The nonlinear disturbance compensation calculation unit calculates (Equation 2), (Equation 3), (Equation 4), and (Equation 5), as well as the load inertia maximum value J max , the viscous friction coefficient maximum value D max, and the disturbance maximum value. Nonlinear compensation torque using the product of the function described in the control target format with F max as a parameter and the function obtained by subjecting the switching function r 1 represented by (Equation 3) to the chattering suppression process and using this as the description function And the torque command u is given by (Equation 1) and compensated for non-linear disturbance,
A position control unit that determines a torque command u so that the motor position detection signal x matches the position command xd ;
The non-linear disturbance compensation calculation unit calculates (Equation 4), (Equation 7), and (Equation 8), and uses the load inertia maximum value J max , the viscous friction coefficient maximum value D max, and the disturbance maximum value F max as parameters. A function described in the control target format, and a function obtained by performing chattering suppression processing on the switching function r 2 represented by ( Equation 8) that is a function only of the difference between the motor position detection signal x and the position command xd. A motor position control device characterized in that a nonlinear compensation torque having this function as a description function is output and the torque command u is given by (Equation 6) and nonlinear disturbance compensation is performed.
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