JP5316424B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御ゲインを調整し負荷の連結したモータの動作を制御するモータ制御装置に関する。

従来のモータ制御装置は、過渡時の位置追従偏差の誤差自乗面積である位置偏差評価関数を最小にし、且つ、定常時のトルク指令の誤差自乗面積が閾値を超えないような位置比例制御ゲインと速度比例制御ゲインを設定している（例えば、特許文献１参照）。
図５は、従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。図５において、５０１はゲイン自動調整時目標値指令部、５０２は位置比例制御ゲイン、５０３は速度比例制御ゲイン、５０４はトルク制御部、５０５はエンコーダ、５０６はモータ、５０７はボールねじ機構、５０８は位置偏差評価関数演算部、５０９は位置偏差評価関数記憶部、５１０は評価関数最小ゲイン決定部、５１１はトルク指令評価関数演算部、５１２はトルク指令評価関数記憶部、５１３はトルク指令判定部である。
ゲイン自動調整時目標値指令部５０１は位置指令Ｘ_ｒを出力する。位置比例制御ゲイン５０２は位置指令Ｘ_ｒから位置データＸ_ｆを減算した位置追従偏差Ｅ_ｘと位置比例制御ゲイン設定値Ｋ_ｐを入力し、位置追従偏差Ｅ_ｘを位置比例制御ゲイン設定値Ｋ_ｐ倍に増幅した信号である速度指令Ｖ_ｒを出力する。
速度比例制御ゲイン５０３は速度指令Ｖ_ｒから速度データＶ_ｆを減算した速度追従偏差Ｅ_ｖと速度比例制御ゲイン設定値Ｋ_ｖを入力しトルク指令Ｔ_ｒｅｆを計算し、トルク制御部５０４およびトルク指令評価関数演算部５１１へ出力する。
トルク制御部５０４はトルク指令Ｔ_ｒｅｆとエンコーダパルスを入力し、位置データＸ_ｆと速度データＶ_ｆとを計算してフィードバックし、モータ電流Ｉｍをモータ５０６に出力する。
エンコーダ５０５はモータ５０６の位置を検出し前記エンコーダパルスとしてトルク制御部５０４へ出力する。
モータ５０６はモータ電流Ｉ_ｍを入力し連結したボールねじ機構５０７を駆動する。
位置偏差評価関数演算部５０８は位置追従偏差Ｅ_ｘを入力し過渡時の位置追従偏差Ｅ_ｘの誤差自乗面積である位置偏差評価関数を位置偏差評価関数記憶部５０９へ出力する。
位置偏差評価関数記憶部５０９は前記位置偏差評価関数を入力しその入力信号を記憶し位置偏差評価関数記憶値として評価関数最小ゲイン決定部５１０へ出力する。
評価関数最小ゲイン決定部５１０は前記位置偏差評価関数記憶値を入力しその入力信号を最小とする制御ゲインの組合せである評価関数最小ゲインをトルク指令判定部５１３へ出力する。
トルク指令評価関数演算部５１１はトルク指令Ｔ_ｒｅｆを入力し定常時のトルク指令Ｔ_ｒｅｆの誤差自乗面積であるトルク指令評価関数をトルク指令評価関数記憶部５１２へ出力する。
トルク指令評価関数記憶部５１２は前記トルク指令評価関数を入力しその入力信号を記憶しトルク指令評価関数記憶値としてトルク指令判定部５１３へ出力する。
トルク指令判定部５１３は前記評価関数最小ゲインと前記トルク指令評価関数記憶値を入力し前記トルク指令評価関数記憶値が閾値を超えない場合、前記評価関数最小ゲインを位置比例制御ゲイン設定値Ｋｐとして位置比例制御ゲイン５０２へ出力し、速度比例制御ゲイン設定値Ｋｖとして速度比例制御ゲイン５０３へ出力する。

このように、従来のモータ制御装置は、過渡時の位置偏差の誤差自乗面積である位置偏差評価関数を最小にし、且つ、定常時のトルク指令の誤差自乗面積が閾値を超えないような位置比例制御ゲインと速度比例制御ゲインを設定するのである。
特開平６−２０８４０４号公報（第７頁、第１図）

従来のモータ制御装置は、過渡時の位置偏差の誤差自乗面積である位置偏差評価関数を最小にし、且つ、定常時のトルク指令の誤差自乗面積が閾値を超えないような位置比例制御ゲインと速度比例制御ゲインを設定するため、制御系がオブザーバ、フィルタ、むだ時間などを含み、制御対象を含む制御系が安定とする制御ゲインの安定領域が複雑な形状である場合に、モータに連結した負荷の動作が振動的となったり不安定となったりして、制御ゲイン調整ができないという問題があった。
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、制御ゲインの安定領域を算出するとともに制御ゲインを前記安定領域内で調整し、モータに連結した負荷の動作が振動的となったり不安定となったりすることなく、静かに、短時間に制御ゲイン調整することが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モータ制御装置は、指令（Ｖ_ｒ）と制御対象の応答（Ｖ）とが一致するように制御演算を行い外乱補償前トルク指令（Ｔ_α）を算出するフィードバック制御器と、前記外乱補償前トルク指令（Ｔ_α）から外乱推定値（Ｔ_ｄ）を減算した値であるトルク指令（Ｔ_ｒｅｆ）と前記応答（Ｖ）とに基づいて前記外乱推定値（Ｔ_ｄ）を算出する外乱オブザーバと、前記トルク指令（Ｔ_ｒｅｆ）に基づいて前記制御対象にモータ電流（Ｉ_ｍ）を流して駆動するトルク制御器と、周波数応答測定用信号（Ｆｒ）で前記制御対象を駆動した際の前記応答（Ｖ）に基づいて、前記フィードバック制御器のフィードバック制御ゲイン（Ｋ_ｖｊ）と、前記制御対象の振動成分の位相を変化させた位相調整振動成分に乗算する補償量（Ｋ_ｆ）とを算出する制御ゲイン調整部と、前記応答（Ｖ）と前記トルク指令（Ｔ_ｒｅｆ）とに基づいて前記位相調整振動成分に前記補償量（Ｋ_ｆ）を乗算した振動抑制信号（Ｖ_ｓ）を算出する振動抑制部と、を備えるモータ制御装置が適用される。

本発明の一の観点によるモータ制御装置によると、制御ゲインの安定領域を算出し、制御ゲインをその安定領域内で調整できるので、制御対象を振動的とすることなく静かに、安全に、制御ゲイン調整でき、また自動で高い制御性能を実現できる。
また、制御ゲインは安定領域内で最も振動が起きにくい調整曲線上を、制御ゲイン最適値に近い制御ゲイン初期値から調整するので、制御対象を振動的とすることなく静かに、安全に、短時間に制御ゲイン調整でき、また自動で高い制御性能を実現できる。

本発明の第１実施例のモータ制御装置の概要を示すブロック図 本発明の第１実施例を示す図１のモータ制御装置の等価単位フィードバック系を示す図 本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける開ループ系のボード線図とナイキスト線図を表す図 本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける安定境界線、調整曲線および制御ゲイン初期値を表す図 従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図

符号の説明

１０１ 指令発生器
１０２ フィードバック制御器
１０３ 入力信号切替器
１０４ トルク制御器
１０５ 制御対象
１０６ 応答検出器
１０７ 外乱オブザーバ
１０８ 周波数応答測定用信号発生器
１１０ 振動抑制部
１１１ 振動成分演算器
１１２ 位相調整器
１１３ 補償量調整器
１２０ 制御ゲイン調整部
１２１ 機械定数同定器
１２２ 安定境界線演算器
１２３ 調整曲線演算器
１２４ 初期値設定器
１２５ 制御ゲイン調整器
２０１ 開ループ伝達関数
５０１ ゲイン自動調整時目標値指令部
５０２ 位置比例制御ゲイン
５０３ 速度比例制御ゲイン
５０４ トルク制御部
５０５ エンコーダ
５０６ モータ
５０７ ボールねじ機構
５０８ 位置偏差評価関数演算部
５０９ 位置偏差評価関数記憶部
５１０ 評価関数最小ゲイン決定部
５１１ トルク指令評価関数演算部
５１２ トルク指令評価関数記憶部
５１３ トルク指令判定部

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。
実際のモータ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施例のモータ制御装置の概要を示すブロック図である。図１において、１０１は指令発生器、１０２はフィードバック制御器、１０３は入力信号切替器、１０４はトルク制御器、１０５は制御対象、１０６は応答検出器、１０７は外乱オブザーバ、１０８は周波数応答測定用信号発生器、１１０は振動抑制部、１２０は制御ゲイン調整部であり、１１１は振動成分演算器、１１２は位相調整器、１１３は補償量調整器、１２１は機械定数同定器、１２２は安定境界線演算器、１２３は調整曲線演算器、１２４は初期値設定器、１２５は制御ゲイン調整器である。

制御対象１０５は負荷を連結したモータである。
指令発生器１０１は指令Ｖ_ｒを出力する。
応答検出器１０６は、制御対象１０５の応答を検出し、応答Ｖを出力する。
周波数応答測定用信号発生器１０８は、周波数応答測定用信号Ｆｒを出力する。
フィードバック制御器１０２は、前記指令Ｖ_ｒから応答Ｖを減算し振動抑制信号Ｖ_ｓを加算した振動抑制追従偏差と、フィードバック制御ゲインＫ_ｖｊを入力し外乱補償前トルク指令Ｔ_αを算出する。
入力信号切替器１０３は、前記外乱補償前トルク指令Ｔ_αから外乱推定値Ｔ_ｄを減算したトルク指令Ｔ_ｒｅｆと周波数応答測定用信号Ｆ_ｒを入力し、ゲイン調整時にはトルク指令Ｔ_ｒｅｆを電流指令Ｉ_ｒとして、周波数応答計測時には周波数応答用入力信号Ｆｒを電流指令Ｉ_ｒとして、トルク制御器１０４に出力する。
トルク制御器１０４は、電流指令Ｉ_ｒを入力して、制御対象１０５のモータにモータ電流Ｉ_ｍを流して駆動する。
外乱オブザーバ１０７は、ゲイン調整時にトルク指令Ｔ_ｒｅｆと応答Ｖを入力し外乱推定値Ｔ_ｄを算出する。

振動抑制部１１０は、振動成分演算器１１１、位相調整器１１２、および補償量調整器１１３とで構成されており、ゲイン調整時に、トルク指令Ｔ_ｒｅｆと応答Ｖと補償量Ｋ_ｆを入力し振動抑制信号Ｖ_ｓを算出する。
振動成分演算器１１１は、トルク指令Ｔ_ｒｅｆと応答Ｖを入力し応答Ｖの振動成分を算出し、位相調整器１１２に出力する。
位相調整器１１２は、前記振動成分を入力しその入力信号の位相を調整して得られた位相調整振動成分を算出し、補償量調整器１１３に出力する。
補償量調整器１１３は前記位相調整振動成分と補償量Ｋ_ｆを入力し前記位相調整振動成分に補償量Ｋ_ｆを乗算した振動抑制信号Ｖ_ｓを算出する。

制御ゲイン調整部１２０は、機械定数同定器１２１、安定境界線演算器１２２、調整曲線演算器１２３、初期値設定器１２４、および制御ゲイン調整器１２５とで構成されており、周波数応答計測時に、応答Ｖを入力し、ゲイン調整時に、補償量Ｋ_ｆと前記フィードバック制御ゲインを算出する。
機械定数同定器１２１は、周波数応答計測時に、応答Ｖを入力し、制御対象１０５の機械定数を算出し、安定境界線演算器１２２に出力する。
具体的には、機械定数同定器１２１は応答Ｖに基づいて周波数応答（ボード線図）を算出し、その振幅図の溝とピークの起こる周波数より反共振周波数、共振周波数を算出し、前記溝と前記ピークのＱ値より反共振の減衰係数と共振の減衰係数を算出し、前記反共振周波数のなかで最も低いものより十分低い周波数における前記振幅図の値に基づいて制御対象１０５の慣性モーメントを算出し、前記反共振周波数、前記共振周波数、前記減衰係数、前記慣性モーメントを前記機械定数とする。

安定境界線演算器１２２は、ゲイン調整時に、前記機械定数を入力し、フィードバック制御器１０２、制御対象１０５、応答検出器１０６、外乱オブザーバ１０７を含む閉ループ系を臨界安定とするフィードバック制御ゲインＫ_ｖｊと補償量Ｋ_ｆの組み合わせの曲線である安定境界線を算出し、調整曲線演算器１２３に出力する。
調整曲線演算器１２３は、ゲイン調整時に、前記安定境界線を入力し、前記安定境界線により囲まれた安定領域内で応答Ｖが振動的とならないようなフィードバック制御ゲインＫ_ｖｊと補償量Ｋ_ｆの組み合わせからなる調整曲線を算出し、初期値設定器１２４および制御ゲイン調整器１２５に出力する。
初期値設定器１２４は、ゲイン調整時に前記調整曲線を入力し、前記調整曲線の上にあり通常動作時に応答Ｖが最適となる点である最適制御ゲイン点に十分近い点を制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎとして算出し、制御ゲイン調整器１２５に出力する。
制御ゲイン調整器１２５は、ゲイン調整時に、前記調整曲線と制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎを入力し、制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎから前記調整曲線に沿って前記最適制御ゲイン点に向かって補償量Ｋ_ｆとフィードバック制御ゲインＫ_ｖｊを変化させ、補償量Ｋ_ｆを補償量調整器１１３に、フィードバック制御ゲインＫ_ｖｊをフィードバック制御器１０２に、出力する。

周波数応答測定用信号Ｆ_ｒは、モータ制御装置の周波数応答を測定できるもであればどのようなものでもよいが、掃引正弦波信号であることが好ましい。また、複数の周波数の正弦波で構成されたものであってもよい。周波数応答測定用信号Ｆ_ｒを掃引正弦波信号とすることで、短時間で正確に制御対象１０５の周波数応答を測定することができる。また、周波数応答測定用信号Ｆ_ｒを複数の周波数の正弦波で構成されたものとすることで、短時間により正確に制御対象１０５の周波数応答を測定することができる。

本発明が従来技術と異なる部分は、周波数応答計測時に応答を入力し機械定数を出力する機械定数同定器１２１と、ゲイン調整時に前記機械定数を入力し安定境界線を出力する安定境界線演算器１２２と、前記安定境界線を入力し調整曲線を出力する調整曲線演算器１２３と、前記調整曲線を入力し制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎを出力する初期値設定器１２４と、前記調整曲線と制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎを入力し補償量Ｋ_ｆとフィードバック制御ゲインＫ_ｖｊを出力する制御ゲイン調整器１２５と、を備える部分である。

以下、制御ゲイン調整部１２０が補償量Ｋ_ｆとフィードバック制御ゲインＫ_ｖｊを算出する仕組みの詳細を示す。
本実施例では、フィードバック制御器１０２を速度ＰＩ制御器と１次のローパスフィルタであるトルク指令フィルタの直列に結合したものとし、制御対象１０５はノッチフィルタ、むだ時間、および３慣性メカを含むものとする。
また、指令Ｖ_ｒを速度指令、応答Ｖをモータ速度（以下、「モータ速度Ｖ」とする。）とする。
速度ＰＩ制御器の伝達関数Ｇ_ｃ（ｓ）、トルク指令フィルタの伝達関数Ｇ_ｔ（ｓ）、ノッチフィルタの伝達関数Ｇ_ｎ（ｓ）、３慣性メカの伝達関数Ｇ_ｐ（ｓ）、および、バンドパスフィルタである位相調整器１１２の伝達関数Ｇ_ｂ（ｓ）は、それぞれ式（１）から式（５）で表される。

ただし、Ｋ_ｖｊは速度比例制御ゲイン、Ｔ_ｉは速度制御積分時定数である。

速度比例制御ゲインＫ_ｖｊおよび速度制御積分時定数Ｔ_ｉが、フィードバック制御ゲインであるが、速度比例制御ゲインＫ_ｖｊを決定すると速度制御積分時定数Ｔ_ｉは従属的に決定されることは周知であるので、本実施例ではフィードバック制御ゲインとして、速度比例制御ゲインＫ_ｖｊを求める方法についてのみ説明している。

ただし、τ_ｆはトルク指令フィルタ時定数である。

ただし、ω_ｎはノッチフィルタ周波数、ζ_ｎはノッチフィルタの減衰係数である。

ただし、Ｊは３慣性メカの総慣性モーメント、ω_ｒ１は第１共振周波数、ζ_ｒ１は第１共振の減衰係数、ω_ａ１は第１反共振周波数、ζ_ａ１は第１反共振の減衰係数、ω_ｒ２は第２共振周波数、ζ_ｒ２は第２共振の減衰係数、ω_ａ２は第２反共振周波数、ζ_ａ２は第２反共振の減衰係数である。

ただし、τはバンドパスフィルタ時定数である。

外乱オブザーバ１０７は制御対象１０５の定数の正確に分からない部分と、重力外乱やノイズなどによる外乱を推定する。外乱オブザーバ１０７の伝達関数は式（６）で表される。

ただし、Ｔ_ｄ ^＊は外乱推定値Ｔ_ｄのラプラス変換、Ｊ_０は公称慣性モーメント、Ｄ^＊は正規化推定外乱Ｄのラプラス変換、Ｖ^＊はモータ速度Ｖのラプラス変換、Ｔ_ｒｅｆ ^＊は制御対象１０５を構成するモータを駆動するトルクを発生させるためのトルク指令Ｔ_ｒｅｆのラプラス変換、Ｇ_ｖｄ（ｓ）はモータ速度Ｖ^＊から外乱推定値Ｔ_ｄ ^＊までの伝達関数、ｌ_１とｌ_２は外乱オブザーバゲイン、Ｇ_ｔｄ（ｓ）はトルク指令Ｔ_ｒｅｆ ^＊から外乱推定値Ｔ_ｄ ^＊までの伝達関数である。

振動成分演算器１１１は、式（７）で表される速度オブザーバにより振動成分の取り除かれたモータ速度を算出し、モータ速度Ｖから振動成分の取り除かれたモータ速度を減算することによりモータ速度Ｖに含まれる振動成分を算出する。

ただし、Ｖ_ｅ ^＊は推定モータ速度Ｖ_ｅのラプラス変換、Ｇ_ｔｖ（ｓ）はトルク指令Ｔ_ｒｅｆ ^＊から推定モータ速度Ｖ_ｅ ^＊までの伝達関数、ｌは速度オブザーバゲイン、Ｇ_ｖｖ（ｓ）はモータ速度Ｖ^＊から推定モータ速度Ｖ_ｅ ^＊までの伝達関数である。

位相調整器１１２は、式（５）で表されるバンドパスフィルタで構成され、入力した前記振動成分の位相が指令Ｖ_ｒの位相と合うように変化させた前記位相調整振動成分を算出する。

図２は、本発明の第１実施例を示す図１のモータ制御装置の等価単位フィードバック系を示す図である。図２において、２０１は開ループ伝達関数である。
図２は、図１から制御ゲイン調整部１２０を除いた部分を単位フィードバック系に等価変換して得たものである。
開ループ伝達関数２０１は、むだ時間Ｔ_Ｌ、式（８）に示す第１有理伝達関数Ｇ_１（ｓ）、および式（９）に示す第２有理伝達関数Ｇ_２（ｓ）を用いて式（１０）で表される。

ただし、Ｋ_ｆは図１における補償量である。

安定境界線演算器１２２により前記安定境界線を算出するため、図２の開ループ伝達関数２０１を式（１０）のように近似する。

ただし、Ｎ_ｏｌｖ、Ｄ_ｏｌ０、およびＤ_ｏｌｖは速度比例制御ゲインＫ_ｖｊと補償量Ｋ_ｆに独立なラプラス変数ｓの多項式であり、無理伝達関数から有理伝達関数への近似はパデ近似を用いる。

（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）平面における前記閉ループ系が安定となる安定領域は、前記単位フィードバック系において開ループ伝達関数２０１の位相余裕が正となる条件から求められる。
位相余裕の条件を求めるため式（１０）にｓ＝ｊωを代入すると式（１１）を得る。ただし、ｊは虚数単位である。

ただし、Ｎ_ｒ、Ｎ_ｉ、Ｄ_０ｒ、Ｄ_ｖｒ、Ｄ_０ｉ、およびＤ_ｖｉは速度比例制御ゲインＫ_ｖｊと補償量Ｋ_ｆに独立なｓに関する多項式である。

ゲイン交差周波数ω_ｃにおいて開ループ伝達関数２０１の振幅が１となるので式（１２）が成り立つ。

式（１２）を変形して式（１３）を得る。

Ｋ_ｖｊ・Ｋ_ｆの値が決定されると式（１３）を用いてＫ_ｖｊを求めることができる。

次に、開ループ伝達関数２０１の位相余裕がδとなる条件は式（１４）で表される。

ゲイン交差周波数ω_ｃにおける開ループ伝達関数２０１の位相は式（１５）で表される。

式（１５）を式（１４）に代入しＫ_ｆ・Ｋ_ｖｊに関して解くと式（１６）を得る。

ゲイン交差周波数ω_ｃを決定すると式（１６）よりＫ_ｆ・Ｋ_ｖｊが求められる。
Ｋ_ｆ・Ｋ_ｖｊの値を式（１３）に代入するとＫ_ｖｊが求められ、Ｋ_ｆ・Ｋ_ｖｊをＫ_ｖｊで除算することによりＫ_ｆが求められる。
このように、図１の閉ループ系を位相余裕δで安定とする（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）である前記安定境界線が求められる。
前記安定境界線が２つの曲線より成る場合、図１の閉ループ系が安定でかつバンド幅が大きくなる（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）の最適ゲイン組は前記２つの曲線の交点となる。
一方、前記安定境界線が１つの曲線より成る場合、前記最適ゲイン組は前記１つの曲線でＫ_ｆ＝０である点となる。

調整曲線演算器１２３は、前記安定曲線が１つの場合、補償量Ｋ_ｆが零で、前記フィードバック制御ゲインが前記安定曲線の補償量Ｋ_ｆが零となる点である制御ゲイン最適値に向かって増加するような直線を前記調整曲線として出力し、前記安定曲線が２つの場合、２つの前記安定曲線の中間を通り２つの前記安定曲線の交点である制御ゲイン最適値に向かう曲線を前記調整曲線として出力する。
初期値設定器１２４は、前記調整曲線の上の点で前記制御ゲイン最適値から設定値分離れた点における前記フィードバック制御ゲインと補償量Ｋ_ｆを制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎとして出力する。
このように、前記調整曲線を設定することにより、図１の閉ループ系を振動的にさせることなく、静かに安全に（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）を前記最適ゲイン組に調整することができる。
制御ゲイン調整器１２５は、制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎより前記調整曲線に沿って前記安定境界線の交点である前記最適ゲイン組に向かって制御ゲイン組（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）を調整する。制御ゲイン組（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）を前記調整曲線に沿って前記最適ゲイン組に近づけ、応答Ｖが発振しない範囲でＫ_ｖｊが最も高い値となる制御ゲイン組（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）をその最適値とする。
補償量調整器１１３は、前記位相調整振動成分に補償量Ｋ_ｆを乗算し振動抑制信号Ｖ_ｓを算出する。
本発明のゲイン調整において、前記制御ゲイン初期値より前記最適ゲイン組に向かって前記調整曲線に沿って（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）を調整することにより、前記閉ループ系を振動的とすることなく短時間に、静かに、安全に前記最適ゲイン組に調整できる。

本実施例ではフィードバック制御器１０２が速度ＰＩ制御器である場合を示したが、速度Ｐ制御器、速度Ｉ−Ｐ制御器、位置Ｐ速度ＰＩ制御器、位置Ｐ速度Ｉ−Ｐ制御器、位置ＰＩＤ制御器など任意の制御器の場合にも同様に適用可能である。
また、前記トルク指令フィルタ、ノッチフィルタ、外乱オブザーバ、むだ時間の有無や数などによらず同様に適用可能である。

また、本発明は制御対象１０５が剛体メカと任意の多慣性メカに対して本実施例と同様に適用可能である。

また、式（１３）と式（１６）の次数を下げるため、Ｇ_ｎ（ｓ）・Ｇ_ｐ（ｓ）を式（１７）のように近似し、同様に前記安定境界線を求め、それに基づいて（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）を自動調整することができる。

以下、本実施例のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた数値は次のとおりである。
Ｊ＝１．５１×１０^−４［ｋｇ・ｍ^２］、
ω_ｒ１＝２９５×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζ_ｒ１＝０．１６、
ω_ａ１＝１２８×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζ_ａ１＝０．１６、
ω_ｒ２＝１３４０×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζ_ｒ２＝０．０５、
ω_ａ２＝９０６×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζ_ａ２＝０．０５、ｎ_ｄ＝１０、
ｓ_０＝５０×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ｌ_１＝６．２８×１０^２、
ｌ_２＝９．８７×１０^４、Ｋｖ＝６０×２×π［ｓ^−１］、
Ｊ_０＝１．５１×１０^−４［ｋｇ・ｍ^２］、
Ｋ_ｖｊ＝Ｋｖ×Ｊ＝０．０５６９［Ｎ・ｍ・ｓ/ｒａｄ］、Ｔ_ｉ＝４/Ｋｖ＝０．００８５［ｓ］、τ_ｆ＝１/（４×Ｋｖ）＝０．４４×１０^−３［ｓ］、
ω_ｎ＝ω_ｒ２＝１３４０×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζ_ｎ＝０．７、
Ｔｒａｔ＝０．６３７［Ｎ・ｍ］、Ｔ＝１２５×１０^−６［ｓ］、
Ｔ_ｔ＝２５０×１０^−６［ｓ］
ただし、ｎ_ｄは式（１０）で用いるパデ近似の次数、ｓ_０は速度オブザーバの極、ｌ_１、ｌ_２は極がｓ_０となるような外乱オブザーバゲイン、Ｋ_ｖは正規化速度比例制御ゲイン、Ｔ_ｒａｔは定格トルク、Ｔは制御周期、Ｔ_Ｌはむだ時間である。公称慣性モーメントＪ_０は外乱オブザーバ１０７と振動成分演算器１１１に用いる慣性モーメント値である。

速度比例制御ゲインＫ_ｖｊ、速度制御積分時定数Ｔ_ｉおよびトルク指令フィルタ時定数τ_ｆは、上記のように正規化速度比例制御ゲインＫ_ｖを用いて従属的に設定する。
本シミュレーションに用いたモデルは前述のように図１において、フィードバック制御器１０２を式（１）に示す速度ＰＩ制御器と式（２）のトルク指令フィルタとし、トルク制御器１０４は式（３）のノッチフィルタとし、制御対象１０５は式（４）とし、振動成分演算器１１１は式（７）の速度オブザーバにより算出した速度推定値Ｖ^＊を応答Ｖより減算して前記振動成分を算出する構成とし、位相調整器１１２は式（５）のバンドパスフィルタとし、外乱オブザーバ１０７は式（６）とした。ただし、制御対象１０５を表す式（４）以外は制御周期Ｔの離散時間表現とし、トルク指令Ｔ_ｒｅｆは定格トルクＴ_ｒａｔで飽和するようにした。

図３は、本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける開ループ系のボード線図とナイキスト線図を表す図である。
図３（ａ）は、図２の開ループ伝達関数２０１のボード線図である。図３（ａ）において、実線は式（３）と式（４）の３慣性系モデルに基づいたボード線図であり、一点鎖線は式（１７）の２慣性近似モデルに基づいたボード線図である。
図３（ａ）より、第２反共振周波数ω_ａ２の周辺以外では、前記３慣性系モデルに基づいたボード線図は前記２慣性近似モデルに基づいたボード線図とほぼ一致している。
図３（ａ）中、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ振幅が１となる周波数であり、位相余裕が最も小さい周波数はｃ点であることが位相図より分かる。
図３（ｂ）は前記開ループ系のナイキスト線図である。図３（ｂ）において、実線は前記３慣性系モデルに基づいたナイキスト線図であり、一点鎖線は前記２慣性近似モデルに基づいたナイキスト線図であり、破線は単位円である。
図３（ｂ）中ａ、ｂ、ｃはそれぞれナイキスト線図が前記単位円と交差する点を示し、図３（ａ）のａ、ｂ、ｃにそれぞれ対応している。図３（ｂ）よりｃ点が最も第２象限に近く図２の単位フィードバック系の安定性に最も影響を与えることが分かる。

正規化速度比例制御ゲインＫ_ｖを変化させると、図３（ａ）の位相図はほとんど変化せず、振幅図のみが正規化速度比例制御ゲインＫ_ｖの変化量にほぼ比例して変化する。
正規化速度比例制御ゲインＫ_ｖを増加させたときに発生する振動の周波数は、前記位相図が−１８０度となる周波数である位相交差周波数とほぼ一致する。
安定境界線演算器１２２は、まず、適当な値を速度比例制御ゲインＫ_ｖに設定して図３（ａ）のボード線図を描き、前記位相交差周波数を求め、振動抑制部１１０により抑制する抑制振動周波数ω_ｖとする。
次に、前記位相交差周波数において振幅が１より少し小さい値となるような正規化速度比例制御ゲインＫ_ｖの値を求める。
バンドパスフィルタ時定数τ、外乱オブザーバゲインｌ_１、ｌ_２、およびオブザーバゲインｌをそれぞれ次のように設定する。
ｌ_１＝ω_ｖ／２、ｌ_２＝ω_ｖ／２、ｌ＝ω_ｖ／２、τ＝２／ω_ｖ
以上の設定値に基づいて安定境界線演算器１２２は前記安定境界線を算出する。
安定境界線演算器１２２は、前記機械定数に基づいてフィードバック制御器１０２と制御対象１０５を含む閉ループ系の等価単位フィードバック系を算出し、前記等価単位フィードバック系の位相余裕が正数の位相余裕設定値となるように前記安定境界線を算出する。
前記位相余裕設定値は、前記機械定数に不確定性がある場合前記不確定性を許容し前記閉ループ系が安定となるような値に設定する。

図４は、本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける安定境界線、調整曲線および制御ゲイン初期値を表す図である。図４において、実線は安定境界線、破線は調整曲線、ｘは制御ゲイン初期値、□は安定領域を示す。
本シミュレーションでは位相余裕δを０度とした。
図４に示すように、安定境界線演算器１２２は前記安定境界線を出力し、調整曲線演算器１２３は前記調整曲線を出力し、初期値設定器１２４は制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎを設定し、制御ゲイン調整器１２５は制御ゲイン初期値Ｋ_ｉｎより前記調整曲線に沿って前記安定境界線の交点である前記最適ゲイン組に向かって制御ゲイン組（Ｋ_ｖｊ、Ｋ_ｆ）を調整する。

機械定数同定器１２１の出力する機械定数に不正確さがある場合、位相余裕δを０度より大きな値に設定することで、図４の前記安定領域が狭まり、前記機械定数の不正確さを許容することができ、図１の閉ループ系を振動的とすることなく静かに、安全にゲイン調整できる。

また、制御対象１０５が任意の多慣性系の場合、図１の閉ループ系が外乱オブザーバを含まない場合、ノッチフィルタやローパスフィルタの有無や個数に関わらず、またフィードバック制御器１０２の制御則に関わらず、本発明は本実施例と同様に適用可能である。
すなわち、フィードバック制御器が速度Ｐ制御、速度Ｉ−Ｐ制御、位置Ｐ速度Ｐ制御、位置Ｐ速度ＰＩ制御、位置Ｐ速度Ｉ−Ｐ制御、位置ＰＩＤ制御などの場合にも本発明は本実施例と同様に適用可能である。

このように、制御対象の機械定数に基づいて制御ゲインの安定領域を算出する構成をしているので、制御対象を振動的とすることなく静かに、安全に制御ゲイン調整でき、また自動で高い制御性能を実現できる。

負荷の連結したモータを振動的とすることなく静かに、安全に制御ゲイン調整できるので、半導体製造装置、液晶パネル製造装置、工作機械、産業用ロボットなど一般産業用装置に広く適用できる。

Claims (7)

1. 指令（Ｖ_ｒ）と制御対象の応答（Ｖ）とが一致するように制御演算を行い外乱補償前トルク指令（Ｔ_α）を算出するフィードバック制御器と、
   前記外乱補償前トルク指令（Ｔ_α）から外乱推定値（Ｔ_ｄ）を減算した値であるトルク指令（Ｔ_ｒｅｆ）と前記応答（Ｖ）とに基づいて前記外乱推定値（Ｔ_ｄ）を算出する外乱オブザーバと、
   前記トルク指令（Ｔ_ｒｅｆ）に基づいて前記制御対象にモータ電流（Ｉ_ｍ）を流して駆動するトルク制御器と、
   周波数応答測定用信号（Ｆｒ）で前記制御対象を駆動した際の前記応答（Ｖ）に基づいて、前記フィードバック制御器のフィードバック制御ゲイン（Ｋ_ｖｊ）と、前記制御対象の振動成分の位相を変化させた位相調整振動成分に乗算する補償量（Ｋ_ｆ）とを算出する制御ゲイン調整部と、
   前記応答（Ｖ）と前記トルク指令（Ｔ_ｒｅｆ）とに基づいて前記位相調整振動成分に前記補償量（Ｋ_ｆ）を乗算した振動抑制信号（Ｖ_ｓ）を算出する振動抑制部と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御ゲイン調整部は、周波数応答測定用信号（Ｆｒ）で前記制御対象を駆動した際の前記応答（Ｖ）に基づいて、前記制御対象の機械定数を同定する機械定数同定器と、
   前記機械定数に基づいて前記フィードバック制御器と前記制御対象を含む閉ループ系を安定とする前記フィードバック制御ゲイン（Ｋ _ｖｊ ）と前記補償量（Ｋ_ｆ）の安定領域の外形線である安定境界線とを算出する安定境界線演算器と、
   前記安定境界線に基づいて前記制御対象の安定性を保ったまま前記閉ループ系の応答性と外乱抑制特性とを高めるように前記フィードバック制御ゲイン（Ｋ _ｖｊ ）と前記補償量（Ｋ_ｆ）を調整できる調整曲線を算出する調整曲線演算器と、
   前記調整曲線に基づいて制御ゲイン調整における前記フィードバック制御ゲイン（Ｋ_ｖｊ）と前記補償量（Ｋ_ｆ）との初期値である制御ゲイン初期値（Ｋ_ｉｎ）を算出する初期値設定器と、
   前記調整曲線と前記制御ゲイン初期値（Ｋ_ｉｎ）に基づいて、前記フィードバック制御ゲイン（Ｋ_ｖｊ）と前記補償量（Ｋ_ｆ）とを調整する制御ゲイン調整器とで構成されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記安定境界線演算器は、前記機械定数に基づいて前記閉ループ系の等価単位フィードバック系を算出し、前記等価単位フィードバック系の位相余裕が正数の位相余裕設定値となるように前記安定境界線を算出することを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記位相余裕設定値は、前記機械定数に不確定性がある場合前記不確定性を許容し前記閉ループ系が安定となるような値に設定す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. 前記調整曲線演算器は、前記安定境界線が１つの安定曲線である場合、前記補償量（Ｋ_ｆ）が零で、前記フィードバック制御ゲイン（Ｋ_ｖｊ）が前記安定曲線の前記補償量（Ｋ_ｆ）が零となる点である制御ゲイン最適値に向かって増加するような直線を前記調整曲線として出力し、前記安定境界線が２つの安定曲線である場合、前記２つの安定曲線の中間を通り前記２つの安定曲線の交点である制御ゲイン最適値に向かう曲線を前記調整曲線として出力することを特徴とする請求項２−４いずれか１項に記載のモータ制御装置。
6. 前記初期値設定器は、前記調整曲線の上の点で前記制御ゲイン最適値から設定値分離れた点における前記フィードバック制御ゲイン（Ｋ_ｖｊ）と前記補償量（Ｋ_ｆ）を前記制御ゲイン初期値（Ｋ_ｉｎ）として出力することを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記制御ゲイン調整器は、前記調整曲線に沿って前記制御ゲイン初期値（Ｋ_ｉｎ）から前記制御ゲイン最適値に向かって前記フィードバック制御ゲイン（Ｋ_ｖｊ）と前記補償量（Ｋ_ｆ）を増加させ出力することを特徴とする請求項５または６に記載のモータ制御装置。