JP5582425B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

例えば特許文献１及び２には、モータ制御装置内部の速度制御ループにおいて、位相補償速度オブザーバを備えて振動成分の位相遅れを補償することで速度制御ループの制御ゲインを上げることを可能にする構成が記載されている。この位相補償速度オブザーバは、制御対象を剛体と想定した等価剛体モデルを前段側に、ＰＩ制御器より後段の制御器あるいは制御対象に存在する遅れ要素を模した遅れ要素モデルを後段側に配置して直列接続して備えている。この位相補償速度オブザーバでは、ＰＩ制御器の出力を等価剛体モデルに入力するとともに、制御対象の速度を遅れ要素モデルの出力で減算した信号を安定化ゲインを介してオブザーバ内の積分要素にフィードバックするとともに、遅れ要素モデルへの入力を速度制御ループの速度フィードバック信号として出力する。

特許第３８５６２１５号公報（図１） 特開２００８−２９９５７３号公報

上記特許文献１に記載されている位相補償速度オブザーバでは、積分要素（１／ｓ）を１つだけ備える遅れ要素モデル、すなわち次数が１である１次遅れ要素モデルを備えている。また上記特許文献２に記載されている位相補償速度オブザーバでは、制御対象に存在する遅れ要素を厳密に模して積分要素（１／ｓ）の次数を多く見積もった４次遅れ要素モデルを備えている。

上記特許文献１のように遅れ要素モデルにおける積分要素の次数が低すぎると、速度指令に対してフィードバック速度の位相が進みすぎる問題が生じる。他方で、上記特許文献２のように遅れ要素モデルにおける積分要素の次数が高すぎると、実際にソフトウェアとして実装する場合に処理時間の冗長化や制御ゲインの設定可能範囲が狭く限定されるなどの問題から現実的でない。

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、実際に具現化可能な範囲でより広い周波数範囲での位相遅れを補償することで制御ゲインの設定性能を向上でき、それにより速度指令に対する制御対象速度の追従性能を高精度化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、本発明の一の観点によれば、速度指令を速度フィードバック信号で減算して速度偏差を得る第１の減算器と、前記速度偏差を入力し第１のトルク指令を出力する速度制御部と、前記第１のトルク指令と、モータを含む制御対象の速度とを入力して前記速度フィードバック信号を出力する位相補償速度オブザーバとを備え、前記位相補償速度オブザーバは、前記制御対象を剛体としてモデル化した制御対象モデルと、次数２の積分要素を有して制御系の遅れ要素をモデル化した遅れ要素モデルとを直列に接続して備え、前記第１のトルク指令を前記制御対象モデルに入力し、前記遅れ要素モデルへの入力に基づいた前記速度フィードバック信号を出力するオブザーバ対象器と、前記制御対象の速度から前記遅れ要素モデルの出力を減算する第２の減算器と、複数のゲインを有し、前記第２ の減算器の出力に前記複数のゲインのいずれかを乗算して前記制御対象モデルまたは前記遅れ要素モデルに加算するオブザーバ補償器と、を備えるモータ制御装置が適用される。

また、上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、速度指令を速度フィードバック信号で減算して速度偏差を得る第１の減算器と、前記速度偏差を入力し第１のトルク指令を出力する速度制御部と、前記第１のトルク指令と、モータを含む制御対象の速度とを入力して前記速度フィードバック信号を出力する位相補償速度オブザーバと、第２のトルク指令と、前記制御対象の速度とを入力して推定外乱トルクを出力する慣性モーメント補償部と、前記第１のトルク指令と前記推定外乱トルクとを加算して前記第２のトルク指令を出力するトルク指令加算器とを備え、前記位相補償速度オブザーバは、前記制御対象を剛体としてモデル化した制御対象モデルと、次数２の積分要素を有して制御系の遅れ要素をモデル化した遅れ要素モデルとを直列に接続して備え、前記第１のトルク指令を前記制御対象モデルに入力し、前記遅れ要素モデルへの入力に基づいた前記速度フィードバック信号を出力するオブザーバ対象器と、前記制御対象の速度から前記遅れ要素モデルの出力を減算する第２の減算器と、複数のゲインを有し、前記第２ の減算器の出力に前記複数のゲインのいずれかを乗算して前記制御対象モデルまたは前記遅れ要素モデルに加算するオブザーバ補償器と、を備えるモータ制御装置が適用される。

本発明の制御装置によれば、実際に具現化可能な範囲でより広い周波数範囲での位相遅れを補償することで制御ゲインの設定性能を向上でき、それにより速度指令に対する制御対象速度の追従性能を高精度化できる。

実施形態のモータ制御装置全体のシステム構成を表すブロック図である。 位相制御の観点で置き換えた速度制御系ループのブロック図である。 位相補償速度オブザーバの詳細ブロック図である。 単純化した速度制御系ループのブロック図である。 単純化した速度制御系ループをシミュレーションした結果のボード線図である。 単純化した速度制御系ループをシミュレーションした結果のステップ応答図である。 位相補償に対する有用度と実装容易度の次数別の評価値と、それら合計評価値を表した図である。 ＰＩ制御と実施形態の２次の遅れ要素モデルによる位相補償速度オブザーバを備えた場合のステップ応答データを表す図である。 ＰＩ制御と従来型の１次の遅れ要素モデルによる位相補償速度オブザーバを備えた場合のステップ応答データを表す図である。 ＰＩ制御のみで位相補償速度オブザーバを備えていない場合のステップ応答データを表す図である。 調整レス機能を有する場合のモータ制御装置全体のシステム構成を表すブロック図である。 調整レス機能を無効としてＰＩ制御のみで位相補償速度オブザーバを備えていない場合のステップ応答データを表す図である。 調整レス機能を有効としてＰＩ制御のみで位相補償速度オブザーバを備えていない場合のステップ応答データを表す図である。 調整レス機能を有効としてＰＩ制御と変形例の２次の遅れ要素モデルによる位相補償速度オブザーバを備えた場合のステップ応答データを表す図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、図１を用いて、本実施形態に係るモータ制御装置の概略的な構成について説明する。図１に示すように、モータ制御装置１は、特に図示しない上位制御装置から入力される位置指令に基づいて、モータＭの回転位置（回転角度）を制御する。なお、以下における図示及び説明は、全て伝達関数形式での説明とする。図１において、本実施形態のモータ制御装置１００は、位置制御部１と、速度制御部２と、１次ローパスフィルタ（以下、１次ＬＰＦと略記する）３と、電流制御部４と、速度換算部６と、位相補償速度オブザーバ７とを有している。

位置制御部１は、入力された上記位置指令と、後述のエンコーダ５が検出したモータＭの回転位置との差である位置偏差（上記図１中のＡ参照）に基づき、この位置偏差を少なくするように速度指令を出力する。

速度制御部２は、上記位置制御部１からの速度指令と、後述の位相補償速度オブザーバ７から位相補償されたオブザーバ推定速度との差である速度偏差に基づき、この速度偏差を少なくするようにトルク指令を出力する。なお、上記速度偏差は、減算器９が出力する。

１次ＬＰＦ３は、特に図示しないが、例えば内部に積分要素（１／ｓ）を１つ備えた１次の遅れ要素で構成される。この１次ＬＰＦ３は、速度制御部２から入力されたトルク指令からそれに含まれている高周波帯域成分を除去し、低周波帯域成分だけを抽出して出力する。これにより１次ＬＰＦ３は、トルク指令のサンプリング周波数に起因する振動を抑制するトルク指令フィルタとして機能する。

電流制御部４は、上記１次ＬＰＦ３からのトルク指令に基づき、例えばＰＷＭ制御による駆動電流をモータＭに出力する。

モータＭは、電流制御部４からの駆動電流によりトルクを発生し、特に図示しない負荷機械を駆動する。

エンコーダ５は、例えばモータＭの回転子に機械的に連結されたロータリエンコーダで構成されている。このエンコーダ５は、モータＭの回転位置を検出する。

速度換算部６は、エンコーダ５が検出したモータＭの回転位置の変化をモータＭのモータ速度に換算する。具体的に、この速度換算部６には微分器（ｓ）を用いればよい。

位相補償速度オブザーバ７は、速度制御部２が出力したトルク指令と、速度換算部６が出力したモータＭのモータ速度とに基づき、モータ速度に対して位相を進めるよう位相補償したオブザーバ推定速度を出力する。なお、この位相補償速度オブザーバ７の構成については後に詳述する。

以上の構成の本実施形態のモータ制御装置１００は、位置制御系のフィードバックループと、速度制御系のフィードバックループ、電流制御系のフィードバックループの３重ループ構成となっている。つまり、図示しない上位制御装置から位置指令が入力されてから、位置制御部１、速度制御部２、１次ＬＰＦ３、電流制御部４、モータＭ、エンコーダ５の順で、制御信号及び検出信号が伝達されてフィードバックを行う位置制御系のフィードバックループ（以下、位置制御系ループという）を備えている。また、速度制御部２、１次ＬＰＦ３、電流制御部４、モータＭ、エンコーダ５、速度換算部６、位相補償速度オブザーバ７の順で、制御信号及び検出信号が伝達されてフィードバックする速度制御系のフィードバックループ（以下、速度制御系ループという）も備えている。なお本実施形態では、電流制御部４の内部に備えられる電流制御系のフィードバックループについては説明を簡略化するために省略している。

このうち速度制御系ループにおいては、モータＭの特性パラメータ（例えば、モータ巻線抵抗値、モータ巻線インダクタンス値、モータ慣性モーメント値等）に変動が生じたり、デジタルサーボによる無駄時間の影響が無視できない場合でも、その影響により生じた速度フィードバック信号（モータ速度）の位相遅れを上記の位相補償速度オブザーバ７が補償してモータＭの応答特性に対するロバスト性を確保する。以下においては、このように機能する位相補償速度オブザーバ７の構成について詳細に説明する。

まず、上記図１のうちの速度制御系ループに相当する部分については、図２のように置き換えることができる。この図２において、速度制御系ループは、ＰＩ制御部２１と、遅れ要素２２と、制御対象２３と、速度換算部６と、位相補償速度オブザーバ７とを有している。

ＰＩ制御部２１は、上記図１中の速度制御部２の機能要素に相当し、速度指令と位相補償速度オブザーバ７からのオブザーバ推定速度との差である速度偏差に対して比例演算（Ｐ演算）と積分演算（Ｉ演算）を並列して行ういわゆるＰＩ演算を行ってトルク指令を出力する。このうち、比例演算におけるゲインが速度ループゲインに相当する（特に図示せず）。

遅れ要素２２は、上記図１中の１次ＬＰＦ３と電流制御部４に含まれる遅れ要素に相当し、入力されるトルク指令の変化に対して、後に続く制御対象の出力応答の速度換算、つまりこの例のモータ速度の応答に遅れを生じさせる要素である。

制御対象２３は、上記図１中のモータＭ及びそれに連結する負荷機械の機能要素に相当し、モータＭの回転子と負荷機械の慣性モーメント比が既知である。

制御対象の出力（モータ位置）の速度換算である制御対象速度（モータ速度）は、入力される速度指令の変化に対して遅れを生じた応答となるが、これをそのままフィードバックした場合には、速度制御系ループ全体が発振しやすくなる。特に速度ループゲインを大きく設定した場合には、トルク指令における高周波成分の位相遅れが顕著となるため容易に発振してしまう。

この発振を防ぐために、位相補償速度オブザーバ７は、制御器及び制御対象に入力したトルク指令の変化に対して位相の遅れなく応答した場合に出力されると推定される仮想の制御対象速度を、オブザーバ推定速度として出力する。つまり、位相補償速度オブザーバ７は、実際のトルク指令の変化を参照し、実際に検出された制御対象速度の位相を適宜進めたオブザーバ推定速度を出力する。このオブザーバ推定速度をフィードバックすることで、速度制御系ループにおける発振を防ぐことができる。

本実施形態における位相補償速度オブザーバ７の詳細ブロック図を図３に示す。この図３において、位相補償速度オブザーバ７は、主に等価剛体モデル３１と、遅れ要素モデル３２と、オブザーバ補償器３３とを有している。

等価剛体モデル３１は、上記図２における制御対象（負荷機械）２３を最も単純な剛体と想定したモデル（伝達関数で表現した数式モデル）である。

遅れ要素モデル３２は、上記図２における遅れ要素２２を模したモデル（伝達関数で表現した数式モデル）である。

この位相補償速度オブザーバ７は、上記ＰＩ制御器２１から入力されるトルク指令に対して等価剛体モデル３１を前段側に、遅れ要素モデル３２を後段側に配置して直列接続している。この接続構成で、遅れ要素モデル３２の出力は、実際の制御対象速度を模したものであり位相遅れも近いものと想定できる。この遅れ要素モデル３２の出力と実際の制御対象速度との偏差を、オブザーバ補償器３３により適宜補償した後に等価剛体モデル３１への入力トルク指令にフィードバックして巡回させることで、遅れ要素モデル３２の出力をさらに実際の制御対象速度に近似させることができる。その状態において等価剛体モデル３１の出力は、位相遅れを排除した制御対象速度に近似しているとみなすことができる。これを実際の制御対象速度よりも位相を進めたオブザーバ推定速度として、位相補償速度オブザーバ７が出力する。なお、上記偏差は、減算器１０が出力する。

等価剛体モデル３１及び遅れ要素モデル３２は、それぞれ積分要素（１／ｓ）を備えて構成される。当該位相補償速度オブザーバ７を安定して作動させるためには、遅れ要素モデル３２の出力と実際の制御対象速度との偏差に適宜のオブザーバ安定化ゲインをかけて、等価剛体モデル３１及び遅れ要素モデル３２中の各積分要素への入力にそれぞれ加算する必要がある。オブザーバ補償器３３は、上記偏差に対してそれぞれ対応するオブザーバ安定化ゲインをかけた後に各積分要素の入力に分配するよう構成されている。

このように機能する位相補償速度オブザーバ７においては、遅れ要素モデル３２を、１次ＬＰＦ３及び電流制御部４あるいはモータＭを含む制御対象２３に存在する遅れ要素２２に厳密に模すことが望ましい。遅れ要素だけ見た場合でも、１次ＬＰＦ３が備える積分要素に加えて電流制御部４に内在する積分要素の次数も加算する必要があるため、遅れ要素モデル３２においても少なくとも１次以上の次数とする必要がある。しかしながら、このように１つの処理信号に対して積算する積分要素の総数、つまり積分要素の次数は、それを１つ上げる度にデジタル回路及びソフトウェアとしての実装が加重的に困難となる。

そこで本実施形態では、以下の検討に基づいて遅れ要素モデル３２における次数を設定した。例えば、上記図２に示した速度制御系ループを、図４に示すような最も単純化したモデルに置き換える。このモデルでは、入力される速度指令に対して制御ゲイン４１と遅れ要素４２と制御対象４３とを乗算して、その出力（速度）を単純にフィードバックしている。制御ゲイン４１をＫとし、遅れ要素４２を１次遅れで近似した１／（１＋Ｔｓ）とし、制御対象４３を１／ｓとしている。このモデルにおいて、制御ゲイン４１をＫ＝４０Ｈｚに設定し、遅れ要素４２の時定数Ｔを適宜調整して位相遅れがない場合、位相遅れが８０Ｈｚ（Ｔ＝２ｍｓ）、２００Ｈｚ（Ｔ＝０．８ｍｓ）、４００Ｈｚ（Ｔ＝０．４ｍｓ）である場合のそれぞれでシミュレーションした結果のボード線図が図５（ゲイン特性：図５（ａ）、位相特性：図５（ｂ））となり、ステップ応答図が図６となった。

図５（ｂ）の位相特性を見ると、制御ゲインＫ以下の周波数範囲で遅れ周波数が大きくなるにつれて遅れなしの場合に近づいており、遅れ４００Ｈｚではほぼ一致している。この関係は、図５（ａ）のゲイン特性と図６のステップ応答においても同様に見られる。この関係から、制御ループ中の遅れ要素は、制御ゲインＫによって規定される制御系の応答周波数に対して十分高い周波数（図示する例では１０倍程度）であれば、無視しても大きな影響がないということができる。

本来は遅れ要素モデル３２を１次ＬＰＦ３及び電流制御部４あるいはモータＭを含む制御対象に存在する遅れ要素２２に厳密に模すために遅れ要素２２に存在する積分要素の次数まで正確に見積もるべきである。しかし、上記図５、図６で示された関係から、速度ループの応答周波数に対して十分高い周波数に対しては見積もりを省略しても性能的にあまり影響がないことが分かり、すなわち遅れ要素モデル３２において次数を所定値以上に上げても位相遅れ補償に対する有用度があまり変化しないことが本願発明者によって今回新しく知見された。

本実施形態では、このように位相遅れ補償の機能的観点で見た積分要素の次数の影響をその次数の位相補償に対する有用度とし、上記図３で示した遅れ要素モデル３２におけるその評価値を次数別の分布で表したのが図７（ａ）である。この図７（ａ）において、次数の増加に対し有用度が常に単調増加しているものの、その増加変化率は３以上の次数ではわずかにしか増加せず、ほぼ一定値に収束する。

また一方、上述したように１つの処理信号に対して積算する積分要素の次数は、それを１つ上げる度にデジタル回路及びソフトウェアとしての実装が加重的に困難となる。本実施形態では、このようにデジタル回路及びソフトウェアでの具現的観点で見た積分要素の次数の影響をその次数の実装容易度とし、上記図３で示した遅れ要素モデル３２におけるその評価値を次数別の分布で表したのが図７（ｂ）である。この図７（ｂ）において、次数の増加に対し実装容易度は略反比例的に単調減少しており、次数が２の場合までは十分実現可能な値を維持するものの、３以降の次数からは急激に下がってそれ以降ほぼ０に漸近する。なお、図７（ａ）と図７（ｂ）は、それぞれ同じ縮尺で評価値を示している。

本実施形態では、これら位相補償に対する有用度と実装容易度の２つの評価値の和が所定値以上であることを条件とし、この設定条件を満たす次数で遅れ要素モデル３２に積分要素を備えるのが望ましい。つまり、図７（ａ）の分布と図７（ｂ）の分布を合計した図７（ｃ）の分布において、所定値以上にある次数で遅れ要素モデル３２に積分要素を備える。特に本実施形態では、２つの評価値の和が最も高い次数が２であることから、遅れ要素モデル３２は２つの積分要素を備え、位相補償速度オブザーバ７全体では４次の次数となる（図３参照）。なお、後述のように外乱補償のパスにも積分要素が１つあるので、全体で４次系となる。

図３に戻り、オブザーバ補償器３３は、等価剛体モデル３１が備える１つの積分要素と、遅れ要素モデル３２が備える２つの積分要素のそれぞれの入力に対して、遅れ要素モデル３２の出力と実際の制御対象速度（モータ速度）との偏差に適宜のオブザーバ安定化ゲインをかけた信号（図中のＤ、Ｅ、Ｆ参照）分配している。さらにこのオブザーバ補償器３３は、上記の分配信号とまた別に、偏差に対して１つの積分要素とオブザーバ安定化ゲインをかけた信号（図中のＣ参照）を等価剛体モデル３１の積分要素の入力に加算させている。このパスは、制御対象２３の負荷機械内の摩擦要素等の外乱によるズレ量を考慮した外乱補償のためのパスである。以上から、オブザーバ補償器３３は全部で４つのオブザーバ安定化ゲインを介したパスで出力している。

以下、本実施形態のモータ制御装置１００の有効性を、図８〜図１０の具体的なステップ応答データを参照して示す。なお、各図（ａ）中の「Ｐｏｓｉｔｉｏｎ」は、図示しない上位制御装置からの位置指令、及びエンコーダ５からのモータ回転位置である（以下同様）。なお、いずれの図（ａ）においても、位置指令に対するモータ回転位置の応答がよいためほぼ一致して示されている。また、各図（ｂ）中の「Ｓｐｅｅｄ」は、速度制御系ループに入力される速度指令、およびモータ速度である（以下同様）。なお、いずれの図（ｂ）においても、速度指令に対するモータ速度の応答がよいためほぼ一致して示されている。また、各図（ｃ）の「Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｅｒｒｏｒ」は、位置指令とエンコーダ５からのモータ回転位置との差である位置偏差であり、位置制御部１に直接入力される信号である（上記図１中のＡ参照；以下同様）。また、各図（ｄ）中の「Ｔｏｒｑｕｅ」は、電流制御部４に入力される直前のトルク指令である（上記図１中のＢ参照；以下同様）。

ＰＩ制御のみで位相補償速度オブザーバ７を備えていない場合の図１０（ｃ）、（ｄ）や、ＰＩ制御と従来型の１次の遅れ要素モデルによる位相補償速度オブザーバを備えた場合の図９（ｃ）、（ｄ）では、モータ停止時に振動が発生していることが分かる（破線楕円部参照）。これに対して、ＰＩ制御と本実施形態の２次の遅れ要素モデル３２による位相補償速度オブザーバ７を備えた場合の図８（ｃ）、（ｄ）では、モータ停止時における振動の抑制効果が向上していることが確認できる（破線楕円部参照）。つまり、本実施形態の位相補償速度オブザーバ７を備えることで、位相遅れに起因する振動が発生しない。

以上において、速度制御部２が出力するトルク指令が各請求項記載の第１のトルク指令に相当し、等価剛体モデル３１が各請求項記載の制御対象モデルに相当し、等価剛体モデル３１と遅れ要素モデル３２を直列接続した全体が各請求項記載のオブザーバ対象器に相当する。また、減算器９が各請求項記載の第１の減算器に相当し、減算器１０が各請求項記載の第２の減算器に相当する。

以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、本実施形態のモータ制御装置１００では、位相遅れ補償に対する有用度と実装容易度とに基づく設定条件を最適に満たす次数で積分要素を備えて遅れ要素モデル３２を構成することにより、位相遅れ補償についての性能とソフトウェア実装での実現性を比較考量した最適なバランスで位相補償速度オブザーバ７を実現できる。この結果、実際に具現化可能な範囲でより広い周波数範囲での位相遅れを補償することで制御ゲインの設定性能を向上でき、それにより速度指令に対する制御対象速度の追従性能を高精度化できる。

また、本実施形態では特に、位相補償速度オブザーバ７が、速度制御部２から出力されたトルク指令を入力する等価剛体モデル３１を前段側に、制御対象２３を含む制御系に存在する遅れ要素をモデル化した遅れ要素モデル３２を後段側に配置して直列接続している。この遅れ要素モデル３２の出力は、実際の制御対象２３の速度を模したものであり位相遅れも近いものと想定できる。この遅れ要素モデル３２の出力と実際の制御対象２３の速度との偏差を、オブザーバ補償器３３の各オブザーバゲインで乗算して補償した後に等価剛体モデル３１または遅れ要素モデル３２に加算して巡回させることで遅れ要素モデル３２の出力をさらに実際の制御対象の速度に近似させることができる。その状態において等価剛体モデル３１の出力は、遅れ要素を排除した制御対象の速度に近似しているとみなすことができ、これを速度制御系ループの速度フィードバック信号として利用することで当該速度制御系ループにおける位相遅れを補償して排除できる。

また、本実施形態では特に、設定条件を最適に満たす次数は、位相遅れ補償に対する有用度と、実装容易度のそれぞれ次数別での評価値の和が最も高い次数としている。これにより、位相遅れ補償に対する有用度と実装容易度の両方を考慮した最適な次数を設定できる。

また、本実施形態では特に、上記図７（ｃ）から分かるように、次数が２である場合が設定条件を最適に満たすため、遅れ要素モデルにおいては特に積分要素を２つ備えた２次の遅れ要素モデル３２が最も適している。

また、本実施形態では特に、制御対象の負荷機械内の摩擦要素によるズレ量を考慮した外乱補償用パスとして、オブザーバ補償器３３が第１の出力ＣをＰＩ制御器２１の出力に加算している。また上述したように、遅れ要素モデル３２の次数が２である場合に、等価剛体モデル３１内の１つの積分要素と外乱補償のパスの１つの積分要素とを併せて、当該位相補償速度オブザーバ７内には４つの積分要素が存在する。これに対応して、オブザーバ補償器３３が上記第１の出力Ｃの他にも、それぞれ安定化ゲインをかけた第２の出力Ｄ、第３の出力Ｅ、及び第４の出力Ｆを各積分要素の入力に加算させることで、当該位相補償速度オブザーバ７を安定化できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。

（１）外乱オブザーバを有するモータ制御装置に適用する場合
上記実施形態では、外乱オブザーバによって負荷慣性モーメントを補償しないモータ制御装置１００に４次の位相補償速度オブザーバ７（遅れ要素モデル３２だけでは２次）を適用した場合を説明したが、本発明はこれに限られない。他にも、外乱オブザーバによって負荷慣性モーメントを補償するモータ制御装置に４次の位相補償速度オブザーバ７を適用しても好適な効果が得られる。

図１１に示すように本変形例のモータ制御装置１００Ａは、上記図１に示した構成に加えてさらに慣性モーメント補償部５１を備えている。この慣性モーメント補償部５１は、内部の図示しない外乱オブザーバによって速度換算部６が出力したモータＭの回転速度と、１次ＬＰＦ３から出力して電流制御部４に入力される直前のトルク指令とに基づいて外乱トルクの推定値を演算する。この外乱のトルク推定値は、推定外乱トルクとして１次ＬＰＦ３から出力された直後のトルク指令に加算器１４で加算される。このように構成された本変形例のモータ制御装置１００Ａでは、上記の慣性モーメント補償部５１が、モータＭの回転子に付加される外乱の影響を低減するようトルク指令を調整する。これにより、負荷機械の慣性モーメント比Ｊ_０が未知である場合や変動する場合に対しても、モータＭの応答特性におけるロバスト性を確保できる。

このように、慣性モーメント補償部５１は、外乱オブザーバによってモータＭの負荷慣性モーメントを補償し、ノミナルモデルに近づけるよう制御している。しかし、慣性モーメント比Ｊ_０が大きくなると、完全に慣性モーメント補償を行うことができない。補償できなかった慣性モーメントは、制御系から見ると遅れ要素として作用すると見ることができる。この遅れ要素のために、速度制御系ループと位置制御系ループのゲインバランスが崩れ、モータ制御装置１００Ａ全体が発振しやすくなる。

これに対し、本変形例のモータ制御装置１００Ａにおいても、位相遅れ補償に対する有用度と実装容易度とに基づく設定条件を最適に満たす次数で積分要素を備えて遅れ要素モデル３２を構成することにより、位相遅れ補償についての性能とソフトウェア実装での実現性を比較考量した最適なバランスで位相補償速度オブザーバ７を実現できる。このようにして構成された位相補償速度オブザーバ７は、上記の慣性モーメント補償部５１にて補償しきれなかった分の慣性モーメントと等価の遅れ要素を補償することができ、制御系をより安定化できる。すなわち、位相補償速度オブザーバ７は、上記の外乱オブザーバによって負荷慣性モーメントを補償するモータ制御装置１００Ａに適用されることで、外乱オブザーバによる負荷慣性モーメントの補償を機能的に補完できるため有用である。

この結果、本変形例においても、実際に具現化可能な範囲でより広い周波数範囲での位相遅れを補償することで制御ゲインの設定性能を向上でき、それにより速度指令に対する制御対象速度の追従性能を高精度化できる。なお、１次ＬＰＦ３から出力された直後のトルク指令が各請求項の第１のトルク指令に相当し、加算器１４が、各請求項記載のトルク指令加算器に相当し、電流制御部４に入力される直前のトルク指令が各請求項記載の第２のトルク指令に相当する。

以下、本変形例のモータ制御装置１００の有効性を、図１２〜図１４の具体的なステップ応答データを参照して示す。なお、これら図１２〜図１４においては、上記図８〜図１０における各図（ａ）〜図（ｃ）に対応する３つだけをそれぞれ示す。

ＰＩ制御のみで位相補償速度オブザーバ７を備えていない場合の図１２（ｃ）における位置偏差（破線楕円部参照）に対して、慣性モーメント補償部５１を有しＰＩ制御のみで位相補償速度オブザーバ７を備えていない場合の図１３（ｃ）における位置偏差は、位相が少し遅れている（破線楕円部参照）。これは、上述したように補償できなかった慣性モーメントが制御系から見て遅れ要素として作用したことを意味する。これと比較して、慣性モーメント補償部５１を有しＰＩ制御と本変形例の２次の遅れ要素モデル３２による位相補償速度オブザーバ７を備えた場合の図１４（ｃ）における位置偏差は、上記図１２（ｃ）の場合と同じくらいの位相を維持しており（破線楕円部参照）、位相遅れの抑制効果が向上していることが確認できる。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 位置制御部
２ 速度制御部
３ １次ローパスフィルタ
４ 電流制御部
５ エンコーダ
６ 速度換算部
７ 位相補償速度オブザーバ
８ 減算器
９ 減算器（第１の減算器）
１０ 減算器（第２の減算器）
１４ 加算器（トルク指令加算器）
２１ ＰＩ制御器
２２ 遅れ要素
２３ 制御対象
３１ 等価剛体モデル（制御対象モデル）
３２ 遅れ要素モデル
３３ オブザーバ補償器
４１ 制御ゲイン
４２ 遅れ要素
４３ 制御対象
５１ 慣性モーメント補償部
１００ モータ制御装置
１００Ａ モータ制御装置
Ｍ モータ

Claims (3)

1. 速度指令を速度フィードバック信号で減算して速度偏差を得る第１の減算器と、
   前記速度偏差を入力し第１のトルク指令を出力する速度制御部と、
   前記第１のトルク指令と、モータを含む制御対象の速度とを入力して前記速度フィードバック信号を出力する位相補償速度オブザーバとを備え、
   前記位相補償速度オブザーバは、
   前記制御対象を剛体としてモデル化した制御対象モデルと、次数２の積分要素を有して制御系の遅れ要素をモデル化した遅れ要素モデルとを直列に接続して備え、前記第１のトルク指令を前記制御対象モデルに入力し、前記遅れ要素モデルへの入力に基づいた前記速度フィードバック信号を出力するオブザーバ対象器と、
   前記制御対象の速度から前記遅れ要素モデルの出力を減算する第２の減算器と、
   複数のゲインを有し、前記第２の減算器の出力に前記複数のゲインのいずれかを乗算して前記制御対象モデルまたは前記遅れ要素モデルに加算するオブザーバ補償器と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記オブザーバ補償器は、
   複数のゲインを有し、前記第２の減算器の出力に前記複数のゲインのいずれかを乗算して前記制御対象モデルと前記遅れ要素モデルのそれぞれの積分要素の入力に加算する第１のオブザーバ補償器と、
   前記第２の減算器の出力にゲインと次数１の積分要素を乗算して前記制御対象モデルの積分要素の入力に加算する第２のオブザーバ補償器と、
   を備え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. 速度指令を速度フィードバック信号で減算して速度偏差を得る第１の減算器と、
   前記速度偏差を入力し第１のトルク指令を出力する速度制御部と、
   前記第１のトルク指令と、モータを含む制御対象の速度とを入力して前記速度フィードバック信号を出力する位相補償速度オブザーバと、
   第２のトルク指令と、前記制御対象の速度とを入力して推定外乱トルクを出力する慣性モーメント補償部と、
   前記第１のトルク指令と前記推定外乱トルクとを加算して前記第２のトルク指令を出力するトルク指令加算器とを備え、
   前記位相補償速度オブザーバは、
   前記制御対象を剛体としてモデル化した制御対象モデルと、次数２の積分要素を有して制御系の遅れ要素をモデル化した遅れ要素モデルとを直列に接続して備え、前記第１のトルク指令を前記制御対象モデルに入力し、前記遅れ要素モデルへの入力に基づいた前記速度フィードバック信号を出力するオブザーバ対象器と、
   前記制御対象の速度から前記遅れ要素モデルの出力を減算する第２の減算器と、
   複数のゲインを有し、前記第２ の減算器の出力に前記複数のゲインのいずれかを乗算して前記制御対象モデルまたは前記遅れ要素モデルに加算するオブザーバ補償器と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
   

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