JP5263143B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械の振動抑制と位置指令に対する電動機位置の高速応答を同時に実現し、且つ、実機を動作させること無く予めトルク指令の飽和を判定することができる電動機制御装置に関する。

電動機は機械と接続され、機械の位置決めに用いられており、機械の生産能力を上げるために、できるだけ機械を早く位置決めしたいという要望があった。

このために、電動機制御装置は電動機を動作制御し、入力した位置指令に機械ができるだけ早く追従するように制御しているが、加減速時に機械の振動が発生したり、トルク指令の飽和が起こるというような一般的な技術課題がある。
また、トルク指令の飽和が起こると、位置指令に対する電動機位置の追従性が悪くなり、応答性の向上を図ることができない。

この一般的な技術課題を解決するために、第１の従来の電動機制御装置は、振動しない指令を生成し、この指令を位置決め指令として使用している（例えば、特許文献１参照）。また、第２の従来の電動機制御装置は、前置フィルタを使用してその前置フィルタのパラメータを調整し、その前置フィルタに通した指令を用いることで、機械の振動抑制しつつトルク指令の飽和も抑えているものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−０３１１１１号公報（第６−８頁、図１） 特開２００４−００５４６９号公報（第１０−１４頁、図５）

しかしながら、第１の従来の電動機制御装置は、機械の振動は抑制されるが、トルク指令の飽和に関しては一切記載されておらず考慮されていない。そのため、実機を動作させてトルク指令が飽和しないようにトルク指令の波形を確認しながら、位置指令の払い出し時間を調整するか、制御ゲインを調整して位置指令に対する電動機位置の応答を調整するか、位置指令払い出し後にフィルタ処理を施してフィルタの係数を調整するか等が必要である。いずれの場合であっても、実機を動作させながら何らかの調整が必要であり、調整作業の時間が必要であるという問題があった。

また、第２の従来の電動機制御装置は、トルク指令の飽和に関しては、実機を動作させてトルク指令の波形を確認しながら、前置フィルタのパラメータを調整することが必要であり、第１の従来の電動機制御装置同様、調整作業の時間が必要であるという問題があった。また、前置フィルタによって位置指令が遅れるため、位置指令に対する電動機位置の高速応答が実現できないという問題もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機械の振動抑制と位置指令に対する電動機位置の高速応答を同時に実現し、且つ、実機を動作させること無く予めトルク指令の飽和を判定することができる電動機制御装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したのである。
本発明の一の観点による電動機制御装置は、位置指令を生成して出力する指令生成部と、前記位置指令に基づいてトルクフィードフォワード信号を演算して出力するトルクフィードフォワード演算部と、前記トルクフィードフォワード信号のみで電動機を動作させた場合の前記位置指令から電動機位置検出値までの伝達特性モデルを用いて、前記位置指令を新たな位置指令に変換する位置指令変換部と、前記新たな位置指令と前記電動機位置検出値とを入力してトルク指令を制御演算して出力する制御演算部と、を備え、前記トルク指令に前記トルクフィードフォワード信号を加算して得られた新たなトルク指令に基づいて前記電動機を駆動する電動機制御装置が適用される。

本願の代表的な発明によると、トルクフィードフォワードのみで動作するように位置指令変換部で位置指令を変換でき、電動機は指令トルクどおりのトルク指令で動作するため、実機を動作させること無く予めトルク指令の飽和を判定することができる。また、前置フィルタ等を用いないで、制御対象の共振を励起しない位置指令を生成し、且つ、トルクフィードフォワード演算部を有するため、機械の振動抑制と位置指令に対する電動機制御位置の高速応答を同時に実現できる。
更に、実機動作前に予めトルク指令が飽和しないように指令を作り変えることができるため、実機を動作させながらのトルク飽和の調整が不要になり、実機を動かす際には、一回目の動作から全くトルク飽和を気にせずに機械を稼動することができる。また、自動的な演算で、現在の位置指令ではどの程度トルク指令が飽和するかを算出して位置指令を修正することができるため、指令トルクの波形を見ながら、位置指令を調整する必要が無くなり、自動的にトルク飽和しない位置指令を生成することができ、実機を動作せながらの調整作業が不要なだけでなく、位置指令の調整作業も不要になる。
また更に、制御対象を剛体系とした最も簡単な演算で位置指令からトルクフィードフォワード信号を作成できるため、演算量が最小で制御系を構成できる。また、加速、一定速、減速に場合分けされた指令の加速時間や減速時間を、制御対象の共振を励起しないように設定した位置指令を用いるため、指令演算部の処理が簡単に構成できる。

本発明の第１実施例を示す電動機制御装置のブロック図 制御演算部の一構成を示すブロック図 位置生成部で生成される指令波形を示す図 図３Ａに示す指令波形のＦＦＴ結果を示す図 位置生成部で生成される他の指令波形を示す図 図４Ａに示す指令波形のＦＦＴ結果を示す図 本発明の第２実施例を示す電動機制御装置の指令生成部のブロック図

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、本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置のブロック図である。図において、電動機制御装置は、指令生成部１、位置指令変換部２、トルクフィードフォワード演算部３、制御演算部４、加算器２１、電流制御部を含む電力変換器（図示しない）で構成され、位置検出器８で検出した電動機位置ｘｍに基づいて、電動機５と負荷６とから成る制御対象７を駆動する。

指令生成部１は、制御対象７の共振を励起しない位置指令ｘｒを生成する。トルクフィードフォワード演算部３は、指令に対する位置決め応答を早くする目的で位置指令ｘｒからトルクフィードフォワード信号ｔｆｆを演算する。位置指令変換部２は、トルクフィードフォワード信号ｔｆｆのみで電動機５を動作させたときの、位置指令ｘｒから電動機位置ｘｍまでの伝達特性をモデル化した特性の演算を行い位置指令ｘｒを新たな位置指令ｘｒ’に変換する。制御演算部４は、新たな位置指令ｘｒ’と電動機位置ｘｍとが一致するように制御演算を行い、フィードバックトルク指令ｔｆｂを出力する。ここで、制御演算部４は、安定であればどのような制御演算を行っても良い。例えば、ＰＩＤ制御、位置・速度制御が挙げられる。
電動機制御装置は、最終的に、フィードバックトルク指令ｔｆｂとトルクフィードフォワード信号ｔｆｆを加算して新たなトルク指令ｔｒｅｆを算出し（加算器２１）、新たなトルク指令ｔｒｅｆに基づいて電動機５に電力を供給して駆動する（電流制御部を含む電力変換器）。

後述のように、電動機制御装置は、新たなトルク指令ｔｒｅｆが電動機５の容量などから決まるトルク指令飽和のリミット値ｔｌｉｍを越えるかどうかを、位置指令生成時に判断できる構成となっているものである。

図２は、制御演算部の一構成を示すブロック図であり、位置・速度制御とした一例である。図において、制御演算部４は、位置制御部９、速度制御部１０、微分演算器１１，１２、加減算器２２、減算器２３で構成される。

位置制御部９は、新たな位置指令ｘｒ’と電動機位置ｘｍとの位置偏差ｘｅを入力して比例制御し速度指令ｖｒを算出する。微分演算器１２は、新たな位置指令ｘｒ’を微分し、速度フィードフォワード信号ｖｆｆを算出する。微分演算器１１は、電動機位置ｘｍを微分し、速度フィードバック信号ｖｍを算出する。ここで、デジタル演算の場合、微分演算器１１，１２で行う微分は差分近似で演算しても良い。速度制御部１０は、速度指令ｖｒと速度フィードフォワード信号ｖｆｆとを加算し、速度フィードバック信号ｖｍを減じた速度偏差ｖｅを入力し、比例積分制御しフィードバックトルク指令ｔｆｂを算出する。

以下に、本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置の各構成要素について詳細を説明する。

指令生成部１は、制御対象７の共振を励起しない位置指令ｘｒを生成する。ここで、生成する位置指令ｘｒはどのようなものでも良いが、以下に、２つの例を示す。

例１は、指令生成部１が、加速、一定速、減速に分けられた指令の加速時間や減速時間を、制御対象の共振を励起しないように設定した位置指令ｘｒを生成する場合である。
この場合、加速時間ｔａ［秒］、一定速度時間ｔｃ［秒］、減速時間ｔｄ［秒］とし、制御対象の共振周波数をωｎ［Ｈｚ］とする時、その振動が発生しないようにするためには、加速時間ｔａ、減速時間ｔｄをそれぞれｎ／ωｎ［秒］（ｎは自然数）に設定すればよい。ここで、一定速時間ｔｃは０でも良い。
加速開始時に発生する振動を、加速終了時に発生する振動で打ち消すことにより、その周波数成分を持たない指令を生成できる。加速開始時と加速終了時は、逆向きに振動が発生するため、加速開始時に発生した振動に対して、振動の一周期＝１／ωｎ［秒］の自然数倍のときに加速終了し、逆向きの振動を発生することにより振動を打ち消すことができるのである。

図３Ａは、位置生成部で生成される指令波形を示す図、図３Ｂは図３Ａに示す指令波形のＦＦＴ結果を示す図である。図において、横軸は時間（図３Ａ）、周波数（図３Ｂ）であり、縦軸は指令速度の振幅値（図３Ａ）、ゲイン（図３Ｂ）である。これらの図は、制御対象の共振周波数ωｎ：１０Ｈｚにし、加速時間ｔａ＝減速時間ｔｄ＝１／１０＝０．１［秒］に設定した場合の指令速度波形とそのＦＦＴ結果である。ここでは、目標移動距離（指令速度の積分値）が１になるように一定速時間ｔｃと一定速度の値とを設計している。
図３Ｂから分かるように、位置生成部は、１０Ｈｚの周波数成分を持たない，すなわち１０Ｈｚの振動を励起しない指令を生成し、この指令速度を積分したものを位置指令ｘｒとして出力する。

例２は、位置指令に時間関数を用い、この時間関数の次数を、制御対象の共振を励起しないように設定した位置指令ｘｒを生成する。
この場合、例えば式（１）の時間関数を用いて、制御対象の共振を励起しないように、次数に関わるパラメータｋを調整する。

ここで、ｔｂは移動時間であり、変数ａは、式（１）の速度の時間関数ｖ（ｔ）を時刻ｔ＝０からｔ＝ｔｂまで積分した位置が、目標移動距離になるように設定する。

図４Ａは、位置生成部で生成される他の指令波形を示す図、図４Ｂは図４Ａに示す指令波形のＦＦＴ結果を示す図である。図において、横軸は時間（図４Ａ）、周波数（図４Ｂ）であり、縦軸は指令速度の振幅値（図４Ａ）、ゲイン（図４Ｂ）である。これらの図は、制御対象の共振周波数ωｎ：１０Ｈｚにし、変数ａ＝1.96ｅ9、移動時間ｔｂ＝0.3秒、時間関数の次数ｋ＝5.0587に設定した場合の指令速度波形とそのＦＦＴ結果である。ここでは、目標移動距離（指令速度の積分値）が１になるようにパラメータａを設計している。
ここで、移動時間ｔｂは、機械を何秒で目標位置まで移動させたいかによって決定される。次に、パラメータａを１にして指令波形のＦＦＴ結果を見ながら、制御対象の共振周波数である１０Ｈｚの周波数成分を持たないようにパラメータｋを調整する。最後に、式（１）のｖ（ｔ）をｔ＝０からｔ＝ｔｂまで積分した位置が、目標移動距離になるようにａを逆算すればよい。

図４Ｂから分かるように、位置生成部は、１０Ｈｚの周波数成分を持たない，すなわち１０Hzの振動を励起しない指令を生成し、この指令速度を積分したものを位置指令ｘｒとして出力する。

次に、位置指令変換部２の処理を説明する。
電動機と負荷を合わせた制御対象の一次側慣性モーメントをＪ１、二次側慣性モーメントをＪ２、ばね定数をＫとする２慣性系とするとき、新たなトルク指令ｔｒｅｆから電動機位置ｘｍまでの伝達特性モデルは、式（２）のように表現できる。

ここで、ｓはラプラス演算子とする。また、トルクフィードフォワード演算部３の処理を、位置指令ｘｒを２階微分して総慣性モーメントＪ１＋Ｊ２を乗じたものとするとき、トルクフィードフォワード信号ｔｆｆは、式（３）にようになる。尚、トルクフィードフォワード演算部３の処理はこれに限らず、トルクフィードフォワード信号ｔｆｆを算出できるものであればどのような演算をしても良い。

式（２）の新たなトルク指令ｔｒｅｆとして、式（３）のトルクフィードフォワード信号ｔｆｆだけで動作させた時の電動機位置ｘｍは、式（４）にように計算される。すなわち、式（２）の新たなトルク指令ｔｒｅｆに、式（３）のトルクフィードフォワード信号ｔｆｆを代入することで、式（４）が得られる。

このように、トルクフィードフォワード信号ｔｆｆのみで電動機を動作させたときの、位置指令ｘｒから電動機位置ｘｍまでの伝達特性は式（４）のようになるため、位置指令変換部２では、式（５）の演算を行なう。

なお、本実施形態では制御対象が２慣性系の場合に関して説明したが、制御対象のモデルはどのようなものでも良く、別の制御対象の場合も位置指令ｘｒと新たな位置指令ｘｒ’の変換式を同様の演算を行って求め、位置指令変換部２で使用すればよい。

本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置は、指令生成部１が制御対象の共振を励起しない位置指令ｘｒを生成するため、機械の振動抑制を実現することができる。また、トルクフィードフォワード演算部３がこの位置指令ｘｒに基づいてトルクフィードフォワード信号を算出するため、位置指令ｘｒに対して電動機位置が遅れることなく動作し、高速応答が実現できる。更に、位置指令ｘｒが振動抑制指令であるため、トルクフィードフォワード演算部３は最も簡単な位置指令ｘｒを２階微分して総慣性モーメントを乗じた演算をものでよく、トルクフィードフォワード内に振動抑制の仕組みは必要ないため演算量も少なくてよい。

また、本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置は、位置指令変換部２が、トルクフィードフォワード信号ｔｆｆのみで電動機を動作させたときの、位置指令から電動機位置までの伝達特性をモデル化した特性により、位置指令ｘｒを新たな位置指令ｘｒ’に変換するため、モデルに誤差が無い場合、新たな位置指令ｘｒ’と電動機位置ｘｍは一致するため、制御演算部４の出力であるフィードバックトルク指令ｔｆｂは０となる。一方、モデル誤差がある場合も、トルクフィードフォワードｔｆｆと比較して、その誤差は十分小さいため、フィードバックトルク指令ｔｆｂ＜＜トルクフィードフォワード信号ｔｆｆとなり、やはり、フィードバックトルク指令ｔｆｂは０とみなせる。
このように、フィードバックトルク指令ｔｆｂがほぼ０であるため、新たなトルク指令ｔｒｅｆ＝トルクフィードフォワード信号ｔｆｆとなる。従って、位置指令ｘｒを２階微分し総慣性モーメントを乗じた信号を、トルクフィードフォワード信号ｔｆｆとして予め位置指令ｘｒから算出すれば、実機を動作させた場合のトルク指令が飽和するかどうかが、実機を動作させること無く分かる。

総じて、本発明の第１の実施形態に係る電動機制御装置は、新たなトルク指令ｔｒｅｆが電動機の容量などから決まるトルク指令飽和のリミット値ｔｌｉｍを越えるかどうかを、位置指令生成時に判断できる。また、実機を動作させながらのトルク指令飽和の調整が不要になり、実機を動かす際には、一回目の動作から全くトルク指令飽和を気にせずに機械を稼動することができる。更に、前置フィルタを用いず、機械の振動を抑制できる位置指令を生成するため、機械の振動抑制と位置指令に対する電動機位置の高速応答を同時に実現できる。

図５は、本発明の第２実施例を示す電動機制御装置の指令生成部のブロック図である。図において、第１実施例と異なる部分は、トルク指令が飽和しないように自動的に位置指令を修正する構成（指令トルク演算部３１、トルク飽和度演算部３２、指令修正部３３）を追加した点である。なお、指令生成部以外の構成は実施例１と同じであるため、詳細な説明は省略する。

指令トルク演算部３１は、第１実施例におけるトルクフィードフォワード演算部３と同じ処理をして指令トルクｔｒを算出する。トルク飽和度演算部３２は、指令トルクｔｒと予め設定されている電動機のトルク指令飽和のリミット値ｔｌｉｍとの差を求めてその偏差ｅｔを算出する。指令修正部３３は、偏差ｅｔの値に応じて指令を修正する。

指令修正部３３が行なう指令の修正方法はどのような方法でも良いが、例えば偏差ｅｔに応じて、指令の払い出し時間を延ばす時間を予めテーブルもしくは関数として決めておき、それにしたがって、指令払い出し時間を延ばすことでトルク指令飽和しないような位置指令を作成しても良い。また、位置指令を修正しつつトルク指令の飽和度を算出する処理を繰り返し、偏差ｅｔが０になるまでその繰返し処理を実行しても良い。また、加速、一定速、減速に場合分けされた指令に対して、偏差ｅｔの値に応じて速度を小さくして一定速時間を延ばしても良い。
ここで、実際には摩擦や機械の他の部分の干渉力などにより、指令トルクｔｒと実際のトルク指令ｔｒｅｆに誤差が生じる可能性があるため、トルク指令飽和のリミット値ｔｌｉｍの値に若干マージンを見込んで指令を修正しても良い。

このように、本発明の第２の実施形態に係る電動機制御装置は、現在の位置指令ｘｒでどの程度新たなトルク指令ｔｒｅｆが飽和するかを算出し、自動的に位置指令ｘｒを修正することができるため、指令トルクｔｒの波形を見ながら、位置指令ｘｒを調整する必要が無くなる。また、自動的にトルク飽和しない指令を生成することができ、指令の調整作業も不要になる。

なお、第２実施例における指令トルク演算部３１、トルク飽和度演算部３２、指令修正部３３の機能を、第１実施例におけるトルクフィードフォワード演算部３に設けてもよい。すなわち、第１実施例におけるトルクフィードフォワード演算部３が、位置指令に基づいてトルクフィードフォワード信号を演算して出力すると共に、トルクフィードフォワード信号と予め設定されたトルク指令飽和リミット値との差を演算し、その差に応じて指令生成部の位置指令の払い出し時間を調整しても、第２実施例の構成と同様な効果を奏することができる。

１ 指令生成部
２ 位置指令変換部
３ トルクフィードフォワード演算部
４ 制御演算部
５ 電動機
６ 負荷
７ 制御対象
８ 位置検出部
９ 位置制御部
１０ 速度制御部
１１、１２ 微分演算部
２１ 加算器
２２ 加減算器
２３ 減算器
３１ 指令トルク演算部
３２ トルク飽和度演算部
３３ 指令修正部

Claims (9)

1. 位置指令を生成して出力する指令生成部と、
   前記位置指令に基づいてトルクフィードフォワード信号を演算して出力するトルクフィードフォワード演算部と、
   前記トルクフィードフォワード信号のみで電動機を動作させた場合の前記位置指令から電動機位置検出値までの伝達特性モデルを用いて、前記位置指令を新たな位置指令に変換する位置指令変換部と、
   前記新たな位置指令と前記電動機位置検出値とを入力してトルク指令を制御演算して出力する制御演算部と、を備え、
   前記トルク指令に前記トルクフィードフォワード信号を加算して得られた新たなトルク指令に基づいて前記電動機を駆動することを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記指令生成部が、前記電動機と前記電動機に結合される負荷で構成される制御対象の共振を励起しない位置指令を生成することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記トルクフィードフォワード演算部が、前記位置指令を２階微分して前記電動機の慣性モーメントと前記電動機に結合される負荷の慣性モーメントとの和である総慣性モーメントを乗じ、前記トルクフィードフォワード信号を演算することを特徴とする請求項１または２記載の電動機制御装置。
4. 前記指令生成部が、加速、一定速、減速に場合分けされた指令速度の加速時間および減速時間を、前記電動機と前記電動機に結合される負荷で構成される制御対象の共振振動周期の自然数倍としたものとし、前記指令速度を積分して前記制御対象の共振を励起しない位置指令を生成することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
5. 前記電動機制御装置が、更に、前記位置指令に基づいて指令トルクを演算して出力する指令トルク演算部と、
   前記指令トルクと予め設定されたトルク指令飽和リミット値との差を演算して出力するトルク飽和度演算部と、
   前記差に応じて前記指令生成部の前記位置指令を修正する、または前記位置指令の払い出し時間を調整する指令修正部と、を備えることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
6. 位置指令を生成して出力する指令生成部と、
   前記位置指令に基づいてトルクフィードフォワード信号を演算して出力すると共に、前記トルクフィードフォワード信号と予め設定されたトルク指令飽和リミット値との差を演算し、前記差に応じて前記指令生成部の前記位置指令を修正する、または前記位置指令の払い出し時間を調整するトルクフィードフォワード演算部と、
   前記トルクフィードフォワード信号のみで電動機を動作させた場合の前記位置指令から電動機位置検出値までの伝達特性モデルを用いて、前記位置指令を新たな位置指令に変換する位置指令変換部と、
   前記新たな位置指令と前記電動機位置検出値とを入力してトルク指令を制御演算して出力する制御演算部と、を備え、
   前記トルク指令に前記トルクフィードフォワード信号を加算して得られた新たなトルク指令に基づいて前記電動機を駆動することを特徴とする電動機制御装置。
7. 前記指令生成部が、前記電動機と前記電動機に結合される負荷で構成される制御対象の共振を励起しない位置指令を生成することを特徴とする請求項６記載の電動機制御装置。
8. 前記トルクフィードフォワード演算部が、前記位置指令を２階微分して前記電動機の慣性モーメントと前記電動機に結合される負荷の慣性モーメントとの和である総慣性モーメントを乗じ、前記トルクフィードフォワード信号を演算することを特徴とする請求項６または７記載の電動機制御装置。
9. 前記指令生成部が、加速、一定速、減速に場合分けされた指令速度の加速時間および減速時間を、前記電動機と前記電動機に結合される負荷で構成される制御対象の共振振動周期の自然数倍としたものとし、前記指令速度を積分して前記制御対象の共振を励起しない位置指令を生成することを特徴とする請求項６−８のいずれか１項に記載の電動機制御装置。

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