JP5125283B2 - 電動機の制御装置および電動機の制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は電動機の制御装置および電動機の制御プログラムに関し、特に、電動機を含む制御対象の制振制御方法に適用して好適なものである。

従来の電動機の制御装置では、制御対象の機械共振などによって制御対象の位置や速度などの制御応答が振動的になる場合、電動機の指令信号に加算するように演算するフィードフォーワード制御器を構成し、指令信号の入力に対して動作信号の振動を抑制しながら制御する制振制御が行われている。
具体的には、フィードフォーワード制御器において、任意の指令信号に対し、制御系の共振周波数を制振周波数とし、制御系の共振周波数における周波数成分が極小になるようにフィルタを作用させ、その出力に基づいて制御対象を駆動する方法がある。
ここで、特許文献１には、制振周波数を共振周波数としたフィルタの特性に高域の利得を抑える特性を併せ持たせることにより、制御対象の振動を抑制するとともに、指令パターンおよび制御対象の特性に依存することなく、トルク指令が過大となってリミットがかけられるのを防止する方法が開示されている。

図４は、従来の電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
図４において、サーボコントローラ１０６には、位置指令入力部１０７、前置フィルタ部１０８および指令追従制御部１１２が設けられ、前置フィルタ部１０８には、フィルタ部１０９およびパラメータ自動設定部１１０が設けられ、指令追従制御部１１２には、位置偏差演算部１１３、位置制御部１１４、速度演算部１１５、速度偏差演算部１１６、速度制御部１１７および電流制御部１１８が設けられている。
そして、サーボコントローラ１０６は電動機１０２を介して制御対象１０３に接続され、電動機１０２には、電動機１０２の位置を検出する位置検出部１０４が設けられ、制御対象１０３には、制御対象１０３の振動を検出する振動検出部１０５が設けられ、位置指令入力部１０７には、位置指令を作成する位置指令作成部１が接続されている。

そして、位置指令作成部１０１は位置指令を作成し、サーボコントローラ１０６の位置指令入力部１０７に入力する。位置指令入力部１０７は前置フィルタ部１０８を介して位置指令θ^*を指令追従制御部１１２に送る。ここで、前置フィルタ部１０８は、位置指令θ^*のパターンを入力し、制御対象位置θ_Lの振動を励起しないパターンθ_M ^*に変化させる。この場合、パラメータ自動設定部１１０は、振動検出部１０５の出力信号を入力し、その中に含まれる制御対象１０３の振動周波数を抽出し、抽出した振動周波数に基づいて、フィルタ部１０９の特性（伝達関数）を決定する。そして、指令追従制御部１１２は、電動機１０２に連結された制御対象１０３の位置θ_Mが位置指令θ_M ^*に一致するように電動機１０２を制御する。

図５は、図４のフィルタ部１０９の構成を伝達関数で示すブロック図である。
図５において、フィルタ部１０９の伝達関数には、ブロックＢ１、Ｂ２が設けられ、ブロックＢ１は、位置指令θ^*から制御対象位置θ_Lの振動を励起する周波数成分を除去することで、制御対象位置θ_Lの振動を低減する。ブロックＢ２は２次フィルタを構成し、位置指令θ^*の加速度（２階微分）変動時点でトルク指令Ｔ^*が過大な値となることを防止する。なお、ｓはラプラス演算子である。
特開２００４−５４６９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、トルク指令Ｔ^*が過大であることを自動的に検知することができないため、フィルタの特性（高域を遮断する特性分）に関して、トルク指令Ｔ^*を何らかの形で確認しながら調整する必要があるだけでなく、実際の作業においては、振動を低減させることを目的としたフィルタの特性（特定の成分を低減させる特性分）をも調整する必要があることがら、フィルタの調整作業が煩雑化するという問題があった。

また、図５のフィルタでは、ブロックＢ１において特定の成分を減衰させるために２階微分の演算が必要となることから、マイクロコンピュータにてフィルタを構成すると、位置指令θ^*が急激に変化する場合や、制振周波数ωａが低い場合には、マイクロコンピュータ内部の変数が飽和することがあるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、トルク指令などの駆動力信号の飽和を抑制しつつ、制振制御と高速応答の両立を図ることが可能な電動機の制御装置および電動機の制御プログラムを提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の電動機の制御装置によれば、電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を出力するフィードバック制御手段と、前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定する飽和判定手段と、前記飽和判定手段で前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させる指令修正手段と、設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正する制振フィルタとを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の電動機の制御装置によれば、電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を出力するフィードバック制御手段と、前記電動機または電動機を含む制御対象の状態量に基づいて、前記電動機または電動機を含む制御対象の共振特性を推定する共振推定手段と、前記共振推定手段にて推定された共振特性に基づいて、目標量に達するまでの指令信号を生成する指令生成手段と、前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定する飽和判定手段と、前記飽和判定手段で前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させる指令修正手段と、設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正する制振フィルタとを備えることを特徴とする。

また、請求項３記載の電動機の制御プログラムによれば、電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を算出するステップと、前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定するステップと、前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させるステップと、設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

また、請求項４記載の電動機の制御プログラムによれば、電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を算出するステップと、前記電動機または電動機を含む制御対象の状態量に基づいて、前記電動機または電動機を含む制御対象の共振特性を推定するステップと、前記推定された共振特性に基づいて、目標量に達するまでの指令信号を生成するステップと、前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定するステップと、前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させるステップと、設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、トルク指令などの駆動力信号が過大であることを自動的に検知し、駆動力信号が過大にならないように指令信号の急峻な変化を滑らかに修正しながら、設定された制振周波数における信号成分が低減されるように指令信号を修正することができる。このため、高域成分を減衰させる特性分についてフィルタの特別な調整作業を不要としつつ、駆動力信号にリミッタがかかるのを防止することが可能となるとともに、制御対象の振動を抑制しつつ、制御対象の状態量を指令信号に速やかに追従させることが可能となり、制振制御と高速応答の両立を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る電動機の制御装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、制御対象１は、電動機１ａと電動機１ａにて駆動される機械系および回転角や回転角速度などの検出器にて構成され、駆動力信号τ_rに従って駆動力を発生して機械系を駆動し、検出器にて検出した電動機１ａまたは機械系の速度や位置や加速度などの状態量Ｘ_mを出力することができる。

指令生成手段８は、制御対象１の状態量Ｘ_mに対する指令である指令信号Ｘ_r ^*を生成し、電動機の制御装置２に出力することができ、例えば、状態量Ｘ_mが速度であれば、一般的には、台形状の速度パターンで構成することができる。
電動機の制御装置２は、指令信号Ｘ_r ^*を入力として、指令信号Ｘ_r ^*に応じた駆動力信号τ_rにて電動機１ａを駆動することにより、電動機１ａまたは電動機１ａを含む制御対象１の状態量Ｘ_mが指令信号Ｘ_r ^*に追従するように制御することができる。

すなわち、電動機の制御装置２には、制振指令信号Ｘ_r2 ^*と状態量Ｘ_mとの偏差を算出する偏差演算手段３、制振指令信号Ｘ_r2 ^*と状態量Ｘ_mとの偏差がゼロになるように駆動力信号τ_rを制御するフィードバック制御手段４、駆動力信号τ_rの大きさを判定する飽和判定手段６、駆動力信号τ_rの大きさに基づいて、指令生成手段８から出力された指令信号Ｘ_r ^*を高域成分が減衰された修正指令信号Ｘ_r1 ^*に修正する指令修正手段７、設定された制振周波数における信号成分が極小化されるように修正指令信号Ｘ_r1 ^*を制振指令信号Ｘ_r2 ^*に修正する制振フィルタ５が設けられている。

そして、指令生成手段８は指令信号Ｘ_r ^*を生成し、指令修正手段７に出力するとともに、飽和判定手段６は駆動力信号τ_rがリミット値τ_LIMを超えたかどうかを判定し、その判定結果を指令修正手段７に出力する。
ここで、指令修正手段７は、例えば、台形状の速度パターンで構成される指令信号Ｘ_r ^*の高域成分を減衰させるフィルタにて構成することができ、駆動力信号τ_rがリミット値τ_LIMを超えていないと判定された場合、以下の（１）式の伝達関数Ｆ_sの演算処理を行うことにより、高域成分が減衰された修正指令信号Ｘ_r1 ^*に指令信号Ｘ_r ^*を修正し、制振フィルタ５に出力することができる。
Ｆ_s＝１／（Ｔ_F・ｓ＋１） ・・・（１）
ただし、Ｔ_Fは修正時定数である。

一方、飽和判定手段６は、駆動力信号τ_rがリミット値τ_LIMを超えた場合、その偏差ｅ_Tを以下の（２）式にて算出することができる。
ｅ_T＝τ_r−τ_LIM ・・・（２）
そして、指令修正手段７は、偏差ｅ_Tを用いることで、以下の（３）式にて修正時定数Ｔ_F´を算出し、この修正時定数Ｔ_F´を（１）式に適用して演算処理を行うことにより、指令信号Ｘ_r ^*を修正指令信号Ｘ_r1 ^*に修正し、制振フィルタ５に出力することができる。
Ｔ_F´＝Ｔ_F・ｅ_T・Ｋ_T ・・・（３）
ただし、Ｋ_Tは修正時定数である。

そして、制振フィルタ５は、修正指令信号Ｘ_r1 ^*を指令修正手段７から受け取ると、以下の（４）式の伝達関数Ｆ_rの演算処理を行うことにより、制振周波数における信号成分が極小化された制振指令信号Ｘ_r2 ^*に修正指令信号Ｘ_r1 ^*を修正し、偏差演算手段３に出力することができる。
Ｆ_r＝ω_n ^-2ｓ²＋１ ・・・（４）
ただし、ω_nは制振周波数であり、制振周波数ω_nを制御対象１の共振周波数に設定することにより、制振制御を実現することができる。
そして、偏差演算手段３は、制振指令信号Ｘ_r2 ^*が制振フィルタ５から入力されると、状態量Ｘ_mとの偏差を算出し、フィードバック制御手段４に出力する。
そして、フィードバック制御手段４は、制振指令信号Ｘ_r2 ^*と状態量Ｘ_mとの偏差が偏差演算手段３から入力されると、その偏差がゼロになるようにＰＩ（比例積分）演算などによって駆動力信号τ_rを制御しながら制御対象１を駆動することができる。

これにより、トルク指令などの駆動力信号が過大であることを飽和判定手段６にて自動的に検知し、駆動力信号τ_rが過大にならないように指令信号Ｘ_r ^*の急峻な変化を滑らかに修正しながら、設定された制振周波数ω_nにおける信号成分が低減されるように指令信号Ｘ_r ^*を修正することができる。このため、高域成分を減衰させる特性分についてフィルタの特別な調整作業を不要としつつ、駆動力信号τ_rにリミッタがかかるのを防止することが可能となるとともに、制御対象１の振動を抑制しつつ、制御対象１の状態量Ｘ_mを指令信号Ｘ_r ^*に速やかに追従させることが可能となり、制振制御と高速応答の両立を図ることが可能となる。

なお、上述した第１実施形態では、指令修正手段７の後段に制振フィルタ５を設ける方法について説明したが、指令修正手段７の前段に制振フィルタ５を設けるようにしてもよい。
また、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６および指令修正手段７は、これらの手段で行われる処理を遂行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータに実行させることにより実現することができる。

そして、このプログラムをＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記憶しておけば、電動機の制御装置２のコンピュータに記憶媒体を装着し、そのプログラムをコンピュータにインストールすることにより、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６および指令修正手段７で行われる処理を実現することができる。
ここで、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６および指令修正手段７を実現するプログラムは、単体のパーソナルコンピュータに実行させるようにしてもよいが、電動機の制御装置２に設けられているメモリに予めインストールしておき、電動機の制御装置２に組み込まれているマイクロプロセッサに実行させるようにしてもよい。

また、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６および指令修正手段７で行われる処理を遂行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータに実行させる場合、スタンドアロン型コンピュータで実行させるようにしてもよく、ネットワークに接続された複数のコンピュータに分散処理させるようにしてもよい。

図２は、本発明の第２実施形態に係る電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図、図３は、図２の指令生成手段にて生成される指令信号の波形を示す図である。
図２において、電動機の制御装置１２には、図１の電動機の制御装置２の構成に加え、共振推定手段９および指令生成手段１８が設けられている。
ここで、共振推定手段９は、制御対象１の状態量Ｘ_mに基づいて、制御対象１の共振特性を推定することができる。すなわち、共振推定手段９は、制御対象１の状態量Ｘ_mを入力とし、例えば、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）などの周波数解析や最小二乗法などのシステム同定手法を用いることにより、制御対象１を含む制御系の共振特性ω_P ^*を推定し、その推定結果を指令生成手段１８に出力することができる。

指令生成手段１８は、共振推定手段９にて推定された制御対象１の共振特性ω_P ^*に基づいて、目標量に達するまでの指令信号Ｘ_rを生成することができる。例えば、指令生成手段１８は、送り速度ω_max ^*と加減速時間Ｔ_nが外部より与えられると、図３に示すような台形状の速度パターンを指令信号Ｘ_rとして生成することができる。
ここで、指令生成手段１８の入力された加減速時間Ｔ_nと、制御対象１の共振周波数ω_Pが以下の（５）式の関係にあると、制御対象１は指令信号Ｘ_rの急激な変化によって励振される
Ｔ_n＜２・π／ω_P ・・・（５）

このため、共振推定手段９は、制御対象１の状態量Ｘ_mに基づいて、制御対象１の共振特性ω_P ^*を推定し、その共振特性ω_P ^*を指令生成手段１８に出力する。
そして、指令生成手段１８は、制御対象１の共振特性ω_P ^*を共振推定手段から受け取ると、以下の（６）式の条件を満たすかどうかを判断する。
Ｔ_n＜２・π／ω_P ^* ・・・（６）
そして、指令生成手段１８は、（６）式の条件を満たす場合、指令信号Ｘ_rの急激な変化によって制御対象１が振動していると判断し、以下の（７）式に示すように、加減速時間Ｔ_nをＴ_n´に修正する。
Ｔ_n´＝２・π／ω_P ・・・（７）

そして、指令生成手段１８は、送り速度ω_max ^*と修正した加減速時間Ｔ_n´を用いて指令信号Ｘ_rを生成し、指令修正手段７に出力するとともに、飽和判定手段６は駆動力信号τ_rがリミット値τ_LIMを超えたかどうかを判定し、その判定結果を指令修正手段７に出力する。
そして、指令修正手段７は、駆動力信号τ_rがリミット値τ_LIMを超えていないと判定された場合、（１）式の伝達関数Ｆ_sの演算処理を行うことにより、高域成分が減衰された修正指令信号Ｘ_r1 ^*に指令信号Ｘ_r ^*を修正し、制振フィルタ５に出力することができる。
一方、指令修正手段７は、駆動力信号τ_rがリミット値τ_LIMを超えたと判定された場合、（３）式にて修正時定数Ｔ_F´を算出し、この修正時定数Ｔ_F´を（１）式に適用して演算処理を行うことにより、指令信号Ｘ_r ^*を修正指令信号Ｘ_r1 ^*に修正し、制振フィルタ５に出力することができる。

そして、制振フィルタ５は、修正指令信号Ｘ_r1 ^*を指令修正手段７から受け取ると、（４）式の伝達関数Ｆ_rの演算処理を行うことにより、制振周波数における信号成分が極小化された制振指令信号Ｘ_r2 ^*に修正指令信号Ｘ_r1 ^*を修正し、偏差演算手段３に出力することができる。
そして、偏差演算手段３は、制振指令信号Ｘ_r2 ^*が制振フィルタ５から入力されると、状態量Ｘ_mとの偏差を算出し、フィードバック制御手段４に出力する。

そして、フィードバック制御手段４は、制振指令信号Ｘ_r2 ^*と状態量Ｘ_mとの偏差が偏差演算手段３から入力されると、その偏差がゼロになるように駆動力信号τ_rを制御しながら制御対象１を駆動することができる。
これにより、指令信号Ｘ_rの急激な変化によって制御対象１が振動しないように指令信号Ｘ_rを修正しながら、駆動力信号τ_rが過大にならないように指令信号Ｘ_r ^*の急峻な変化を抑えることができ、ユーザが特別な調整を行うことなく、制振制御と高速応答の両立を図ることが可能となる。

なお、上述した第２実施形態では、指令修正手段７の後段に制振フィルタ５を設ける方法について説明したが、指令修正手段７の前段に制振フィルタ５を設けるようにしてもよい。また、上述した第２実施形態では、状態量Ｘ_mとして速度を例にとって説明したが、状態量Ｘ_mとして位置を用いるようにしてもよい。また、電動機１ａは回転型だけでなく、直動型であってもよい。

また、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６、指令修正手段７、指令生成手段１８および共振推定手段９は、これらの手段で行われる処理を遂行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータに実行させることにより実現することができる。
そして、このプログラムをＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記憶しておけば、電動機の制御装置２のコンピュータに記憶媒体を装着し、そのプログラムをコンピュータにインストールすることにより、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６、指令修正手段７、指令生成手段１８および共振推定手段９で行われる処理を実現することができる。

ここで、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６、指令修正手段７、指令生成手段１８および共振推定手段９を実現するプログラムは、単体のパーソナルコンピュータに実行させるようにしてもよいが、電動機の制御装置２に設けられているメモリに予めインストールしておき、電動機の制御装置２に組み込まれているマイクロプロセッサに実行させるようにしてもよい。

また、偏差演算手段３、フィードバック制御手段４、制振フィルタ５、飽和判定手段６および指令修正手段７、指令生成手段１８および共振推定手段９で行われる処理を遂行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータに実行させる場合、スタンドアロン型コンピュータで実行させるようにしてもよく、ネットワークに接続された複数のコンピュータに分散処理させるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図２の指令生成手段にて生成される指令信号の波形を示す図である。 従来の電動機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図４のフィルタ部の構成を伝達関数で示すブロック図である。

符号の説明

１ 制御対象
１ａ 電動機
２、１２ 電動機の制御装置
３ 偏差演算手段
４ フィードバック制御手段
５ 制振フィルタ
６ 飽和判定手段
７ 指令修正手段
８ 指令生成手段
９ 共振推定手段

Claims (4)

1. 電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を出力するフィードバック制御手段と、
   前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定する飽和判定手段と、
   前記飽和判定手段で前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させる指令修正手段と、
   設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正する制振フィルタとを備えることを特徴とする電動機の制御装置。
2. 電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を出力するフィードバック制御手段と、
   前記電動機または電動機を含む制御対象の状態量に基づいて、前記電動機または電動機を含む制御対象の共振特性を推定する共振推定手段と、
   前記共振推定手段にて推定された共振特性に基づいて、目標量に達するまでの指令信号を生成する指令生成手段と、
   前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定する飽和判定手段と、
   前記飽和判定手段で前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させる指令修正手段と、
   設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正する制振フィルタとを備えることを特徴とする電動機の制御装置。
3. 電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を算出するステップと、
   前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定するステップと、
   前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させるステップと、
   設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする電動機の制御プログラム。
4. 電動機または電動機を含む制御対象の状態量が指令信号に追従するように駆動力信号を算出するステップと、
   前記電動機または電動機を含む制御対象の状態量に基づいて、前記電動機または電動機を含む制御対象の共振特性を推定するステップと、
   前記推定された共振特性に基づいて、目標量に達するまでの指令信号を生成するステップと、
   前記駆動力信号の大きさが予め設定されたリミット値を超えているか否かを判定するステップと、
   前記駆動力信号の大きさが前記リミット値を超えていると判定したとき、前記駆動力信号の大きさと前記リミット値との偏差に応じて、前記指令信号の高域成分を減衰させるステップと、
   設定された制振周波数における信号成分が低減されるように前記指令信号を修正するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする電動機の制御プログラム。

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