JP5113862B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットなどの機械を駆動して、高速に位置決めを行う、モータ制御装置に関するものである。

モータ制御装置により機械を高速位置決めする方法の一つとして、モデル追従制御がある。モデル追従制御は、実際の制御系を模擬したモデル制御系を構築し、このモデル制御系に追従するようにフィードバック制御系を駆動する制御方式である。図３は、特開昭６２−２１７３０４号公報（特許文献１）に示された従来のモデル追従制御を利用したモータ制御装置の構成を示している。従来の装置では、位置指令とモデル位置との偏差をとり、モデル位置制御器を通してモデル速度指令を出力する。モデル速度指令とモデル速度との偏差をとり、モデル速度制御器を通してモデルトルク指令を出力する。モデルトルク指令をモータ機械モデルに通してモデル速度を算出する。モデル速度を積分器に通してモデル位置を算出する。モデル位置とエンコーダで検出したモータ位置との差をとり、位置制御器を通して速度指令を出力する。速度指令とモデル速度を加算したものと速度検出値との偏差をとり、速度制御器を通してトルク指令を出力する。トルク指令とモデルトルク指令を加算し、トルク制御器を通してモータを駆動し、モータのトルクを制御する。

ここで、モータ機械モデルは、モータ側イナーシャをＪＭ、負荷側イナーシャをＪＬとして、
モータ機械モデル＝１／｛（ＪＭ＋ＪＬ）Ｓ｝
と表される。このように、モデル追従制御を構成することにより、指令応答特性と外乱応答特性を独立に制御できる。外乱応答は機械系の高周波共振などにより制約を受け、ある程度以上に高くすることができない。モデル応答は、その影響を受けないため、モデル応答を高めることができる。これにより、指令応答を高め、機械の高速位置決めが実現できる。

以上のように、機械系が剛体である場合は、モータ機械モデルを剛体としたモデル追従制御を行うことにより、高速位置決めが実現できる。しかし、実際の機械系には剛性の低い部分が存在し、それにより振動を生ずる。ロボットなどの機械は図４のように、近似的にモータ側の慣性と負荷側の慣性が低いねじり剛性により結合された機械系と見ることができる。このような機械では、モータを駆動した時にモータ側慣性と負荷側慣性とその間の剛性に起因した振動を生ずる。

こういった２慣性系の振動を抑制する方法として、位置指令の入力部にプレフィルタを挿入する方法がある。図５は、プレフィルタにより２慣性系の振動を抑制するブロック図である。例えば、プレフィルタとしてノッチフィルタを挿入し、そのノッチ周波数を振動周波数に設定することにより、振動を抑制することができる。しかし、プレフィルタを用いた場合は、フィルタの遅れにより、位置決め整定時間を十分に短くできないという問題があった。

別の２慣性系の振動を抑制する方法として、モデル追従制御を用いた、モータ制御装置が特開平８−１６８２８０号公報（特許文献２）に示されている。特許文献２の図１には、モデル追従制御を行うモータ制御装置の構成が示されている。このモータ制御装置では、第１の制御系（モデル制御系）の中に、電動機模擬回路と負荷機械模擬回路とトルク伝達機構模擬回路を搭載している。またモータ制御装置は、電動機モデルからの模擬速度指令と負荷機械モデルからの模擬速度指令の偏差指令を入力として補償トルク信号を出力する補償トルク演算手段を備えている。この補償トルク演算手段からの補償トルク信号を第１の速度制御手段からの第１のトルク信号から差し引いた偏差指令によって電動機モデル又はトルク制御手段を制御している。そして、この補償トルク演算回路は比例積分制御器で構成されている。

特開昭６２−２１７３０４号公報 特開平８−１６８２８０号公報

特許文献２に示された従来のモータ制御装置では、モデル制御系の特性方程式を立てている。しかしながら、高速に位置決めを行い、かつ、振動を生じないようにするために、どのようにその式を解いて制御パラメータを設定するのかは、特許文献２には明確に示されていない。そのため特許文献２を利用して制御パラメータを設定することは現実に実施できていない。このため、実際には、特許文献２に示される構成を使用する場合には、カットアンドトライで各パラメータを調整していく必要があり、調整に時間がかかるという問題があった。また、特許文献２に示される構成を使用して、カットアンドトライで各パラメータを調整し、高速に位置決めを行い、かつ、振動を生じないようにすることができるか否かのシミュレーション試験を発明者が行った結果からは、モデル速度制御器（第１の速度制御回路）から出力されるモデルトルク指令が、図６（Ｂ）のようにモータが出力できるトルク［図６（Ｂ）の縦軸のスケールで±２以下の値］より大きな値［図６（Ｂ）の縦軸のスケールで±７以上の値］になることが判った。そのため従来のモータ制御装置で高速で位置決めを行うためには、モデル速度制御器（第１の速度制御回路）を過大なトルクに対応したものにする必要がある。しかしながら過大なトルクへの対応は、演算精度の低下や演算時間の増加につながるため、できるだけ過大なトルクへの対応は抑制することが望まれる。なお図６（Ａ）は位置指令（微分値）であり、図６（Ｃ）は位置偏差である。

本発明の目的は、モデル制御系のパラメータを簡単に調整でき、しかも、モデル速度制御器から出力されるトルク指令が過大になることがなく、より高速で振動のない位置決めを実現できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的に加えた、本発明の他の目的は、モデル制御系のパラメータを一つのパラメータで簡単に調整できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、実際のモータの制御系を模擬したモデル位置制御器、モデル速度指令部、モデル速度制御器及びモデルトルク指令部を含んで構成されたモデル制御系と、位置制御器、速度制御器及びトルク制御器を備えて、モデル制御系に追従するように構成され、実際のモータをフィードバック制御するフィードバック制御系とを備えている。

モデル制御系は、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４及びモデルモータ側速度指令Ｓ７を生成する、モータについての第１の慣性系の機械モデルと、モデル負荷側加速度指令Ｓ１５及びモデル負荷側速度指令Ｓ１６を生成する、負荷についての第２の慣性系の機械モデルと、モータと負荷との間のねじりトルクについてのねじりトルクモデルと、モデル負荷側加速度指令Ｓ１５とモデルモータ側加速度指令Ｓ１４との偏差であるモデル側加速度偏差指令Ｓ１８をゲインＫ_AB倍して得たフィードバック加速度指令Ｓ１０を、モデルトルク偏差指令Ｓ１１を生成するモデルトルク指令部にフィードバックする第１の状態フィードバック系と、モデル負荷側速度指令Ｓ１６とモデルモータ側速度指令Ｓ７との偏差からなるモデル側速度偏差指令Ｓ１９をゲインＫ_VB倍して得られるフィードバック速度指令Ｓ５を、モデル速度指令部に状態フィードバックする第２の状態フィードバック系とを備えている。そして本発明のモータ制御装置では、モデル制御系の状態方程式から得られる特性方程式が４重根を持つように演算して得たパラメータの関係式に基づいて、モデル制御系のパラメータが定められている。

本発明では、２慣性系の機械モデルを用いて、現代制御理論を適用してモデル制御系の特性方程式の根が重根になるようにモデル制御系の各パラメータを定めている。そのため制御パラメータの設定において、モデル位置制御器のゲインにより特性方程式における極が決まり、フィードバック系の位置制御器のゲインを高く取れる場合は、従来と比較して、非常に高速で機械振動を生じない位置決めが実現できる。

本発明のより具体的なモータ制御装置は、モデル制御系が、第１の偏差演算部と、モデル位置制御器と、第２の偏差演算部と、第３の偏差演算部と、モデル速度制御器と、第４の偏差演算部と、第５の偏差演算部と、第１の慣性系の機械モデルと、第２の慣性系の機械モデルと、第６の偏差演算部と、モデル負荷加速度指令生成部と、第７の偏差演算部と、モデル速度指令発生部と、第８の偏差演算部と、ねじりトルク指令発生部とを備えている。

第１の偏差演算部は、位置指令Ｓ１とモデルモータ側位置指令Ｓ２との偏差を演算し、この偏差をモデル位置偏差指令Ｓ３として出力する。モデル位置制御器は、モデル位置偏差指令Ｓ３を入力としてモデル速度指令Ｓ４を出力する。

第２の偏差演算部は、モデル速度指令Ｓ４とフィードバック速度指令Ｓ５との偏差を演算して、この偏差を第１のモデル速度偏差指令Ｓ６として出力する。第２の偏差演算部が、モデル速度指令部を構成する。

第３の偏差演算部は、第１のモデル速度偏差指令Ｓ６とモデルモータ側速度指令Ｓ７との偏差を演算して、この偏差を第２のモデル速度偏差指令Ｓ８として出力する。モデル速度制御器は、第２のモデル速度偏差指令Ｓ８を入力としてモデルトルク指令Ｓ９を出力する。

第４の偏差演算部は、モデルトルク指令Ｓ９と第１の状態フィードバック系Ｆ１から入力されるフィードバック加速度指令Ｓ１０との偏差を演算して、この偏差を第１のモデルトルク偏差指令Ｓ１１として出力する。第４の偏差演算部がモデルトルク指令部を構成する。

第５の偏差演算部は、第１のモデルトルク偏差指令Ｓ１１とねじりトルクを表すねじりトルク指令Ｓ１２との偏差を演算して、この偏差を第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３として出力する。

第１の慣性系の機械モデルは、第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３を入力として、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４、モデルモータ側速度指令Ｓ７及びモデルモータ側位置指令Ｓ２を生成する。

第２の慣性系の機械モデルは、ねじりトルク指令を入力として、モデル負荷側加速度指令Ｓ１５、モデル負荷側速度指令Ｓ１６及びモデル負荷側位置指令Ｓ１７を生成する。 第６の偏差演算部は、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４とモデル負荷側加速度指令Ｓ１５との偏差を演算して、この偏差をデル側加速度偏差指令Ｓ１８として出力する。モデル加速度指令発生部は、モデル側加速度偏差指令Ｓ１８に第１のゲインＫ_ABを乗算してフィードバック加速度指令Ｓ１０を生成する。第６の偏差演算部とモデル加速度指令発生部とにより、第１の状態フィードバック系が構成されている。

第７の偏差演算部は、モデルモータ側速度指令Ｓ７とモデル負荷側速度指令Ｓ１６の偏差を演算して、この偏差をモデル側速度偏差指令Ｓ１９として出力する。モデル速度指令発生部は、モデル側速度偏差指令Ｓ１９に第２のゲインＫ_VBを乗算してフィードバック速度指令Ｓ５を生成する。第７の偏差演算部とモデル速度指令発生部とにより、第２の状態フィードバック系が構成される。

第８の偏差演算部は、モデル負荷側位置指令Ｓ１７とモデルモータ側位置指令Ｓ２との偏差を演算して、この偏差をモデル側位置偏差指令Ｓ２０として出力する。ねじりトルク指令発生部は、モデル側位置偏差指令Ｓ２０に第３のゲインＫ_Bを乗算してねじりトルク指令Ｓ１２を生成する。

本発明においては、モデル位置制御器のゲインをＫ_P、モデル速度制御器のゲインをＫ_V、モータ側イナーシャをＪ_M、負荷側イナーシャをＪ_Lとし、さらにモデル制御系の状態方程式から得られる特性方程式の極をＫとしたときに、特性方程式が４重根を持つように演算して得た関係式、
Ｋ＝−４Ｋ_P
Ｋ_V＝−Ｋ_B（Ｊ_M＋Ｊ_L）／［1.5Ｋ_B／Ｋ＋Ｋ_PＪ_L］
Ｋ_AB＝Ｋ_VＫ_B／（−４Ｋ³Ｊ_L）−Ｊ_M
Ｋ_VB＝−４Ｋ（Ｊ_M＋Ｋ_AB）／Ｋ_V−１
に基づいて、モデル制御系のパラメータが定められている。

具体的な本発明のモータ制御装置では、第１及び第２の慣性系の機械モデルを用いる場合に、モデル負荷側加速度指令Ｓ１５とモデルモータ側加速度指令Ｓ１４との偏差であるモデル側加速度偏差指令Ｓ１８をモデルトルク偏差指令Ｓ１１を生成するモデルトルク指令部を構成する第４の偏差演算部に状態フィードバックする。また、モデルモータ側速度指令Ｓ７とモデル負荷側速度指令Ｓ１６との偏差からなるモデル側速度偏差指令Ｓ１９を、モデル速度指令部を構成する第２の偏差演算部に状態フィードバックする。そして現代制御理論を適用してモデル制御系の特性方程式の根が４重根を持つように演算して得た関係式に基づいて、モデル制御系の各パラメータを定める。これにより、モデル制御系の位置制御器のゲインＫ_P一つのパラメータでモデル側のパラメータをすべて決めることができ、モデル制御系のパラメータの調整が簡単にできる。しかも、モデル速度制御器から出力されるトルク指令はモータが出力できるトルクに収まるようになる。さらにパラメータの設定において、上記関係式を用いると、モデル位置制御器のゲインＫ_Pにより極が決まるため、フィードバック系の位置制御器のゲインを高く取れる場合は、従来と比較し、非常に高速で機械振動を生じない位置決めが実現できる。

特に、Ｋ_Pをフィードバック制御系の位置制御器のゲインと同じ値とし、モータ側イナーシャＪ_M、負荷側イナーシャＪ_L、ねじり剛性を示すゲインＫ_Bを実際の機械系のそれぞれの値と同じにして、上記関係式に基づいて第１のゲインＫ_AB、第２のゲインＫ_VB、及びモデル速度制御器のゲインＫ_Vを定めると、最も効果的な制御効果を得ることができる。

本発明の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、図１の実施の形態で位置決めを行った場合の位置指令、モデル速度制御器からのモデルトルク指令及びモデル側位置偏差指令のシミュレーション結果である。 特許文献１に示された従来のモデル追従制御を利用したモータ制御装置の構成を示す図である。 近似的にモータ側の慣性と負荷側の慣性が低いねじり剛性により結合された機械系と見ることができることを説明するために用いる図である。 プレフィルタにより２慣性系の振動を抑制する従来の装置のブロック図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、特許文献２の装置において、位置決めを行った場合の位置指令、モデル速度制御器からのモデルトルク指令及びモデル側位置偏差指令のシミュレーション結果である。

図面を参照して、本発明のモータ制御装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１に示した本実施の形態では、モデル制御系１とフィードバック制御系２とを用いるモータ制御装置においては、第１及び第２の慣性系の機械モデルを用いて、モータ側モデル加速度指令Ｓ１４と機械側モデル加速度指令Ｓ１５の偏差、即ちモデル側加速度偏差指令Ｓ１８及び、モデルモータ側速度信号Ｓ７とモデル負荷側速度指令Ｓ１６の偏差、即ちモデル側速度偏差指令Ｓ１９を、状態フィードバックする。そして現代制御理論を適用して、制御系が安定で振動を生じないようにモデル制御系のパラメータを決定する。

具体的に、モータ制御装置は、モデル制御系１が、第１の偏差演算部３と、モデル位置制御器４と、モデル速度指令部を構成する第２の偏差演算部５と、第３の偏差演算部６と、モデル速度制御器７と、モデルトルク指令部を構成する第４の偏差演算部８と、第５の偏差演算部９と、モータ側モデル１０、積分器１１及び１２からなる第１の慣性系の機械モデルと、負荷側モデル１３、積分器１４及び１５からなる第２の慣性系の機械モデルと、第６の偏差演算部１６と、モデル加速度指令発生部１７と、第７の偏差演算部１８と、モデル速度指令発生部１９と、第８の偏差演算部２０と、ねじりトルク指令発生部２１とを備えている。フィードバック制御系２は、第９の偏差演算部２２と、位置制御器２３と、第１０の偏差演算部２４と、微分器２５と、速度制御器２６と、加算演算部２７と、トルク制御器２８とを備えている。図１において、符号Ｍはモータを示し、符号Ｌは負荷としての機械を示し、符号ＰＳはモータＭの回転子の回転位置を検出するエンコーダ等からなる回転位置センサを示している。

第１の偏差演算部３は、上位コントローラから出力される位置指令Ｓ１と積分器１２から出力されるモデルモータ側位置指令Ｓ２との偏差を演算して、この偏差をモデル位置偏差指令Ｓ３としてモデル位置制御器４に出力する。モデル位置制御器４は、モデル位置偏差指令Ｓ３を入力としてモデル速度指令Ｓ４を出力する。第２の偏差演算部５は、モデル速度指令Ｓ４と第２の状態フィードバック系Ｆ２からフィードバックされるフィードバック速度指令Ｓ５との偏差を演算して、この偏差を第１のモデル速度偏差指令Ｓ６として第３の偏差演算部６に出力する。本実施の形態では、第２の偏差演算部５が、モデル速度指令部を構成している。第３の偏差演算部６は、第１のモデル速度偏差指令Ｓ６と積分器１１から出力されるモデルモータ側速度指令Ｓ７との偏差を演算して、この偏差をモデル速度制御器７に第２のモデル速度偏差指令Ｓ８として出力する。モデル速度制御器７は、第２のモデル速度偏差指令Ｓ８を入力としてモデルトルク指令Ｓ９を出力する。

第４の偏差演算部８は、モデルトルク指令Ｓ９とフィードバック加速度指令Ｓ１０との偏差を演算して、この偏差を第１のモデルトルク偏差指令Ｓ１１として出力する。本実施の形態では、第４の偏差演算部８がモデルトルク指令部を構成する。第５の偏差演算部９は、第１のモデルトルク偏差指令Ｓ１１と、ねじりトルク指令発生部２１から出力されるねじりトルクを表すねじりトルク指令Ｓ１２との偏差を演算してこの偏差を第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３として出力する。第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３は、モータ側モデル１０と加算演算部２７に与えられる。

第１の慣性系の機械モデルは、モータ側モデル１０、積分器１１及び１２から構成されている。モータ側モデル１０は、第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３を、モータ側イナーシャＪ_Mを考慮した１／Ｊ_Mのゲインと乗算して、その結果をモデルモータ側加速度指令Ｓ１４として出力する。積分器１１は、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４を積分して、その結果をモデルモータ側速度指令Ｓ７として積分器１２、第３の偏差演算部６及び第１０の偏差演算部２４に出力する。積分器１２はモデルモータ側速度指令Ｓ７を積分してモデルモータ側位置指令Ｓ２を出力する。モデルモータ側速度指令Ｓ７は、第１の偏差演算部３と第９の偏差演算部２２とに与えられる。

第２の慣性系の機械モデルは、負荷側モデル１３、積分器１４及び１５から構成される。負荷側モデル１３は、後述するねじりトルク指令Ｓ１２を入力として、負荷側イナーシャＪ_Lを考慮した１／Ｊ_Lをねじりトルク指令Ｓ１２に乗算してモデル負荷側加速度指令Ｓ１５を生成する。積分器１４はモデル負荷側加速度指令Ｓ１５を積分して、モデル負荷側速度指令Ｓ１６を出力し、積分器１５はモデル負荷側速度指令Ｓ１６を積分してモデル負荷側位置指令Ｓ１７を生成する。

第６の偏差演算部１６は、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４とモデル負荷側加速度指令Ｓ１５との偏差を演算して、この偏差をモデル側加速度偏差指令Ｓ１８として出力する。モデル加速度指令発生部１７は、モデル側加速度偏差指令Ｓ１８に第１のゲインＫ_ABを乗算してフィードバック加速度指令Ｓ１０を生成する。本実施の形態では、第６の偏差演算部１６とモデル加速度指令発生部１７とにより、第１の状態フィードバック系Ｆ１が構成されている。

第７の偏差演算部１８は、モデルモータ側速度指令Ｓ７とモデル負荷側速度指令Ｓ１６の偏差を演算して、この偏差をモデル側速度偏差指令Ｓ１９として出力する。モデル速度指令発生部１９は、モデル側速度偏差指令Ｓ１９に第２のゲインＫ_VBを乗算してフィードバック速度指令Ｓ５を生成する。本実施の形態では、第７の偏差演算部１８とモデル速度指令発生部１９とにより、第２の状態フィードバック系Ｆ２が構成される。

第８の偏差演算部２０は、モデル負荷側位置指令Ｓ１７とモデルモータ側位置指令Ｓ２との偏差を演算して、この偏差をモデル側位置偏差指令Ｓ２０として出力する。ねじりトルク指令発生部２１は、モデル側位置偏差指令Ｓ２０にねじり剛性を示す第３のゲインＫ_Bを乗算してねじりトルク指令Ｓ１２を生成する。

本実施の形態では、第９の偏差演算部２２が、モデルモータ側位置指令Ｓ２とエンコーダからなる位置センサＰＳで検出したモータ位置との偏差を取り、この偏差Ｓ２２を位置制御器２３に与える。位置制御器２３は速度指令Ｓ２２を算出する。また第１０の偏差演算部２４は、モデルモータ側速度指令Ｓ７と位置制御器２３からの速度指令Ｓ２２を加算し、この加算した指令に位置検出器ＰＳで検出したモータ位置を微分器２５で微分した速度Ｓ２３との偏差を取り、この偏差Ｓ２４を速度制御器２６に与える。速度制御器２６は、トルク指令Ｓ２５を算出する。加算演算部２７は、速度制御器２６からのトルク指令Ｓ２５とモータ側モデルトルク指令となる第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３を加算し、加算結果はトルク制御器２８に与えられ、トルク制御器２８からの出力Ｓ２７に基づいてモータＭが駆動される。

本実施の形態においては、モデル位置制御器のゲインをＫ_P、モデル速度制御器のゲインをＫ_V、モータ側イナーシャをＪ_M、負荷側イナーシャをＪ_Lとしたときに、モデル制御系の状態方程式は次のようになる。

そしてモデル制御系の状態方程式から得られる特性方程式の極をＫとしたときに、特性方程式が４重根を持つように演算して得た関係式、
Ｋ＝−４Ｋ_P
Ｋ_V＝−Ｋ_B（Ｊ_M＋Ｊ_L）／［1.5Ｋ_B／Ｋ＋Ｋ_PＪ_L］
Ｋ_AB＝Ｋ_VＫ_B／（−４Ｋ³Ｊ_L）−Ｊ_M
Ｋ_VB＝−４Ｋ（Ｊ_M＋Ｋ_AB）／Ｋ_V−１
に基づいて、モデル制御系１のパラメータが定められている。

このようにパラメータを定めると、モデル制御系１のモデル位置制御器４のゲインＫ_P一つのパラメータでモデル制御系１側のパラメータをすべて決めることができ、モデル制御系のパラメータの調整が簡単にできる。しかも、モデル速度制御器７から出力されるモデルトルク指令はモータＭが出力できるトルクに収まるようになる。さらにパラメータの設定において、上記関係式を用いると、モデル位置制御器４のゲインＫ_Pにより極が決まるため、フィードバック系の位置制御器２３のゲインを高く取れる場合は、従来と比較し、非常に高速で機械振動を生じない位置決めが実現できる。

特に、モデル位置制御器４のゲインＫ_Pをフィードバック制御系２の位置制御器２３のゲインと同じ値とし、モータ側イナーシャＪ_M、負荷側イナーシャＪ_L、ねじり剛性を示すゲインＫ_Bを実際の機械系Ｌのそれぞれの値と同じにして、上記関係式に基づいて第１のゲインＫ_AB、第２のゲインＫ_VB、及びモデル速度制御器のゲインＫ_Vを定めると、最も効果的な制御効果を得ることができる。

具体的なパラメータの設定は、次のように行う。位置制御器２３のゲイン、速度制御器２４のゲインは、機械系の高調波共振を励振しない範囲で、できるだけ高い値に調整する。モデル制御系１のモデル位置制御器４のゲインＫ_Pは、フィードバック系と同じ値にする。モデル制御系のイナーシャＪ_M、負荷側イナーシャＪ_L、ねじり剛性を示すゲインＫ_Bのパラメータは、実際の機械系の値に合わせる。そして、これらのパラメータを元に、第１及び第２の状態フィードバックＦ１及びＦ２の第１のゲインＫ_AB及び第２のゲインＫ_VBを算出する。このように、フィードバック系のパラメータは、実際の機械系に合わせて調整し、それに合わせてモデル制御系のパラメータを決定する。モデル制御系１側のパラメータはモデル位置制御器４のゲインＫＰを一つ調整するのみでモデル内のパラメータはすべて決まり、モデル制御系のパラメータ即ちゲインＫ_P、Ｋv、Ｋ_AB、Ｋ_VBを個別に調整する必要はない。

図２（Ａ）乃至（Ｃ）は、このようにして算出したパラメータを用いて位置決めを行った場合の位置指令（微分値）、モデル速度制御器７からのモデルトルク指令Ｓ９及びモデル側位置偏差指令Ｓ２０のシミュレーション結果である。図２（Ｂ）に示されるモデル速度制御器７からのモデルトルク指令Ｓ９と図６（Ｂ）の特許文献２の従来の装置のモデルトルク指令を対比すると判るように、負荷側の振動は抑制されており、高速な位置決めが実現できている。

また本実施の形態では、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４とモデル負荷側加速度指令Ｓ１５の差の加速度即ちモデル側加速度偏差指令Ｓ１８をゲインＫ_AB倍したフィードバック加速度指令Ｓ１０をモデルトルク指令算出部となる第４の偏差演算部８に状態フィードバックする。またモデルモータ側速度指令Ｓ７とモデル負荷側速度指令Ｓ１６の差の速度即ちモデル側速度偏差指令Ｓ１９をゲインＫ_VB倍したフィードバック速度指令Ｓ５をモデル速度指令算出部となる第２の偏差演算部５に状態フィードバックする。その結果、モデル速度制御器７から出力されるトルク指令は、モータが出力できるトルクの範囲内に入るようになった。

本発明では、第１及び第２の慣性系の機械モデルを用いる場合に、モデル負荷側加速度指令Ｓ１５とモデルモータ側加速度指令Ｓ１４との偏差であるモデル側加速度偏差指令Ｓ１８をモデルトルク偏差指令Ｓ１１を生成するモデルトルク指令部を構成する第４の偏差演算部に状態フィードバックする。また、モデルモータ側速度指令Ｓ７とモデル負荷側速度指令Ｓ１６との偏差からなるモデル側速度偏差指令Ｓ１９を、モデル速度指令部を構成する第２の偏差演算部に状態フィードバックする。そして現代制御理論を適用してモデル制御系の特性方程式の根が４重根を持つように演算して得た関係式に基づいて、モデル制御系の各パラメータを定める。これにより、モデル制御系の位置制御器のゲインＫ_P一つのパラメータでモデル側のパラメータをすべて決めることができ、モデル制御系のパラメータの調整が簡単にできる利点が得られる。しかも、モデル速度制御器から出力されるトルク指令はモータが出力できるトルクに収まるようになる。さらにパラメータの設定において、モデル位置制御器のゲインＫ_Pにより極が決まるため、フィードバック系の位置制御器のゲインを高く取れる場合は、非常に高速で機械振動を生じない位置決めが実現できる利点が得られる。

１ モデル制御系
２ フィードバック制御系
３ 第１の偏差演算部
４ モデル位置制御器
５ 第２の偏差演算部
６ 第３の偏差演算部
７ モデル速度制御器
８ 第４の偏差演算部
９ 第５の偏差演算部
１０ モータ側モデル
１１，１２ 積分器
１３ 負荷側モデル
１４，１５ 積分器
１６ 第６の偏差演算部
１７ モデル加速度指令発生部
１８ 第７の偏差演算部
１９ モデル速度指令発生部
２０ 第８の偏差演算部
２１ ねじりトルク指令発生部
２２ 第９の偏差演算部
２３ 位置制御器
２４ 第１０の偏差演算部
２５ 微分器
２６ 速度制御器
２７ 加算演算部
２８ トルク制御器
Ｍ モータ
ＰＳ 位置センサ

Claims (5)

1. 実際のモータの制御系を模擬したモデル制御系と、
   位置制御器、速度制御器及びトルク制御器を備えて、前記モデル制御系に追従するよう構成され、前記実際のモータをフィードバック制御するフィードバック制御系とを備えたモータ制御装置であって、
   前記モデル制御系は、
   位置指令Ｓ１とモデルモータ側位置を示すモデルモータ側位置指令Ｓ２との偏差を演算して、該偏差をモデル位置偏差指令Ｓ３として出力する第１の偏差演算部と、
   前記モデル位置偏差指令Ｓ３を入力としてモデル速度指令Ｓ４を出力するモデル位置制御器と、
   前記モデル速度指令Ｓ４とフィードバック速度指令Ｓ５との偏差を演算して、該偏差を第１のモデル速度偏差指令Ｓ６として出力する第２の偏差演算部と、
   前記第１のモデル速度偏差指令Ｓ６とモデルモータ側速度指令Ｓ７との偏差を演算して、該偏差を第２のモデル速度偏差指令Ｓ８として出力する第３の偏差演算部と、
   前記第２のモデル速度偏差指令Ｓ８を入力としてモデルトルク指令Ｓ９を出力するモデル速度制御器と、
   前記モデルトルク指令Ｓ９とフィードバック加速度指令Ｓ１０との偏差を演算して、該偏差を第１のモデルトルク偏差指令Ｓ１１として出力する第４の偏差演算部と、
   前記第１のモデルトルク偏差指令Ｓ１１とねじりトルクを表すねじりトルク指令Ｓ１２との偏差を演算して、該偏差を第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３として出力する第５の偏差演算部と、
   前記第２のモデルトルク偏差指令Ｓ１３を入力として、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４、前記モデルモータ側速度指令Ｓ７及び前記モデルモータ側位置指令Ｓ２を生成する第１の慣性系の機械モデルと、
   前記ねじりトルク指令を入力として、モデル負荷側加速度指令Ｓ１５、モデル負荷側速度指令Ｓ１６及びモデル負荷側位置指令Ｓ１７を生成する第２の慣性系の機械モデルと、
   前記モデルモータ側加速度指令Ｓ１４と前記モデル負荷側加速度指令Ｓ１５との偏差を演算して、該偏差をモデル側加速度偏差指令Ｓ１８として出力する第６の偏差演算部と、
   前記モデル側加速度偏差指令Ｓ１８に第１のゲインＫ_ABを乗算して前記フィードバック加速度指令Ｓ１０を生成するモデル加速度指令発生部と、
   前記モデルモータ側速度指令Ｓ７と前記モデル負荷側速度指令Ｓ１６の偏差を演算して、該偏差をモデル側速度偏差指令Ｓ１９として出力する第７の偏差演算部と、
   前記モデル側速度偏差指令Ｓ１９に第２のゲインＫ_VBを乗算して前記フィードバック速度指令Ｓ５を生成するモデル速度指令発生部とを備え、
   前記モデル負荷側位置指令Ｓ１７と前記モデルモータ側位置指令Ｓ２との偏差を演算して、該偏差をモデル側位置偏差指令Ｓ２０として出力する第８の偏差演算部と、
   前記モデル側位置偏差指令Ｓ２０に第３のゲインＫ_Bを乗算して前記ねじりトルク指令Ｓ１２を生成するねじりトルク指令発生部とを備えており、
   前記モデル位置制御器のゲインをＫ_P、前記モデル速度制御器のゲインをＫ_V、モータ側イナーシャをＪ_M、負荷側イナーシャをＪ_Lとし、さらに前記モデル制御系の状態方程式から得られる特性方程式の極をＫとしたときに、前記特性方程式が４重根を持つように演算して得た関係式、
   Ｋ＝−４Ｋ_P
   Ｋ_V＝−Ｋ_B（Ｊ_M＋Ｊ_L）／［1.5Ｋ_B／Ｋ＋Ｋ_PＪ_L］
   Ｋ_AB＝Ｋ_VＫ_B／（−４Ｋ³Ｊ_L）−Ｊ_M
   Ｋ_VB＝−４Ｋ（Ｊ_M＋Ｋ_AB）／Ｋ_V−１
   に基づいて、前記モデル制御系のパラメータが定められていることを特徴とするモータ制御装置。
2. Ｋ_Pを前記フィードバック制御系の前記位置制御器のゲインと同じ値とし、前記モータ側イナーシャＪ_M、前記負荷側イナーシャＪ_L、ねじり剛性を示す前記ゲインＫ_Bを実際の機械系のそれぞれの値と同じにして、前記第１のゲインＫ_AB、前記第２のゲインＫ_VB、及び前記モデル速度制御器のゲインＫ_Vが定められている請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 実際のモータの制御系を模擬したモデル位置制御器、モデル速度指令部、モデル速度制御器及びモデルトルク指令部を含んで構成されたモデル制御系と、
   位置制御器、速度制御器及びトルク制御器を備えて、前記モデル制御系に追従するように構成され、前記実際のモータをフィードバック制御するフィードバック制御系とを備えたモータ制御装置であって、
   前記モデル制御系は、モデルモータ側加速度指令Ｓ１４及びモデルモータ側速度指令Ｓ７を生成する、前記モータについての第１の慣性系の機械モデルと、モデル負荷側加速度指令Ｓ１５及びモデル負荷側速度指令Ｓ１６を生成する、負荷についての第２の慣性系の機械モデルと、前記モータと前記負荷との間のねじりトルクについてのねじりトルクモデルと、前記モデル負荷側加速度指令Ｓ１５と前記モデルモータ側加速度指令Ｓ１４との偏差であるモデル側加速度偏差指令Ｓ１８をゲインＫ_AB倍して得たフィードバック加速度指令Ｓ１０を、モデルトルク偏差指令Ｓ１１を生成する前記モデルトルク指令部にフィードバックする第１の状態フィードバック系と、前記モデル負荷側速度指令Ｓ１６と前記モデルモータ側速度指令Ｓ７との偏差からなるモデル側速度偏差指令Ｓ１９をゲインＫ_VB倍して得られるフィードバック速度指令Ｓ５を、前記モデル速度指令部に状態フィードバックする第２の状態フィードバック系とを備えており、
   前記モデル制御系の状態方程式から得られる特性方程式が４重根を持つように演算して得たパラメータの関係式に基づいて、前記モデル制御系のパラメータが定められていることを特徴とするモータ制御装置。
4. 前記モデル位置制御器のゲインをＫ_P、前記モデル速度制御器のゲインをＫ_V、モータ側イナーシャをＪ_M、負荷側イナーシャをＪ_Lとし、ねじり剛性に係わるゲインをＫ_B、前記モデルモータの加速度情報に係わるゲインをＫ_ABとし、前記モデルモータの速度情報に係わるゲインをＫ_VBとし、前記モデル制御系の状態方程式から得られる特性方程式の極をＫとしたときに、前記特性方程式が４重根を持つように演算して得た関係式、
   Ｋ＝−４Ｋ_P
   Ｋ_V＝−Ｋ_B（Ｊ_M＋Ｊ_L）／［1.5Ｋ_B／Ｋ＋Ｋ_PＪ_L］
   Ｋ_AB＝Ｋ_VＫ_B／（−４Ｋ³Ｊ_L）−Ｊ_M
   Ｋ_VB＝−４Ｋ（Ｊ_M＋Ｋ_AB）／Ｋ_V−１
   に基づいて、前記モデル制御系のパラメータが定められていることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. Ｋ_Pを前記フィードバック制御系の前記位置制御器のゲインと同じ値とし、前記モータ側イナーシャＪ_M、前記負荷側イナーシャＪ_L、ねじり剛性を示す前記ゲインＫ_Bを実際の機械系のそれぞれの値と同じにして、前記ゲインＫ_AB、前記ゲインＫ_VB、及び前記モデル速度制御器のゲインＫ_Vが定められている請求項４に記載のモータ制御装置。

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