JP5847338B2 - 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。

モータと該モータに連結された機械系を備える制御対象を駆動するモータ制御装置において、制御対象の慣性モーメントや摩擦といった負荷が変化すると、負荷の大きさに基づいて目標位置指令を算出し直さねばならない。そのため、目標位置や負荷の大きさに自動的に適応し、最大トルクによる位置決め指令を自動で生成することが可能な技術開発が進められている。

このような従来技術として、例えば、特許文献１には、位置偏差と基準値との大小関係によって、最大速度指令、零速度指令及び位置偏差に比例した速度指令を切り替える速度指令発生手段と、アンチワインドアップ機能付き速度制御器と、を備える制御装置が開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、前記基準値は、モータの実速度の二乗をモータの最大トルク、制御対象の慣性モーメント及び摩擦から求まる加速度を２倍した値で割った値とし、目標位置を与えるだけで、最大トルクを用いた理想的な速度パターンに従って、高速に位置決めすることが可能であるとされている。

特開２００５−１６０１５２号公報

しかしながら、モータと該モータに連結された機械系からなる制御対象を駆動するモータ制御装置において、制御対象の負荷が未知である場合には、制御対象の慣性モーメントがモータの慣性モーメントの１倍から数十倍程度まで対応可能とすることが要求されるところ、上記従来の技術によれば、制御対象の負荷の大きさによって応答特性が変化してしまい、制御対象の負荷の大きさがノミナル値と大きく異なる場合には良好な応答を得ることができないという問題があった。また、速度指令値が最大速度から零速度に切り替わるため、切り替えに伴う過渡変化により応答が悪化する恐れがあるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、制御対象の慣性モーメントや摩擦といった負荷が未知である、または、負荷の大きさが大きく変化する場合においても、目標位置及び制限速度並びに負荷の大きさに適応した位置指令及び速度指令を自動で生成することが可能な、高速且つ良好な応答特性を実現するモータ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、速度指令に基づき、モータと該モータに連結された機械系を備える制御対象を駆動するモータ制御装置であって、１つ以上の変数である第１の状態変数と前記速度指令とに基づいて前記第１の状態変数の変化分を算出して前記第１の状態変数を更新し、更新後の前記第１の状態変数に基づいて速度フィードフォワード及び電流フィードフォワードを算出して出力する速度モデルと、前記モータの実速度と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードとに基づいて１つ以上の変数である第２の状態変数の変化分を算出して前記第２の状態変数を更新し、前記モータの前記実速度と、前記速度フィードフォワードと、前記電流フィードフォワードと、更新後の前記第２の状態変数とに基づいて電流指令を算出して出力する速度制御器と、前記電流指令を入力とし、制限電流値以下の制限後電流指令を出力する電流制限器と、前記電流指令と前記制限後電流指令とに基づき、前記第１の状態変数と前記第２の状態変数の変化分の補正係数である変化分係数を算出する変化分係数算出部と、を備え、前記速度モデルは、前記第１の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、前記速度制御器は、前記第２の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行うことを特徴とする。

本発明によれば、制御対象の慣性モーメントや摩擦といった負荷が未知である、または、負荷の大きさが大きく変化する場合であっても、目標位置及び速度並びに負荷の大きさに自動で適応した位置指令及び速度指令を自動で生成することが可能な、高速且つ良好な応答特性を実現するモータ制御装置を得ることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１にかかる非線形関数で表される電流−トルク特性を示す図である。 図３は、実施の形態１にかかる制御対象の負荷慣性比を変化させた場合の仮想時間τ軸上における速度応答を示す図である。 図４は、実施の形態１にかかる実時間ｔ軸と仮想時間τ軸における速度応答を示す図である。 図５は、実施の形態１にかかる制御対象の負荷慣性比を変化させた場合における速度応答とトルクの応答を示す図である。 図６は、実施の形態２にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図７は、実施の形態２にかかる制御対象の負荷慣性比を変化させた場合における速度応答とトルクの応答を示す図である。 図８は、実施の形態１にかかる速度モデルの構成の一例を示すブロック図である。 図９は、実施の形態３にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態１の構成を示すブロック図である。図１に示すモータ制御装置は、制御対象１と、速度モデル２１と、速度制御器３３と、電流制限器３４と、電流制御器３５と、変化分係数算出部３６と、を備える。

制御対象１は、モータ１１と、モータ１１に連結された機械系１２と、モータ１１の速度を検出する速度検出器１３と、を備える。または、速度検出器１３に代えて、位置検出器（例えば、エンコーダまたはレゾルバ）が備えられ、位置検出器の出力を微分してモータ１１の速度を算出してもよい。または、速度検出器１３に代えて、電流検出器が備えられ、電流検出器の出力からモータ１１の速度を推定してもよい。速度検出器１３は、検出した実速度Ｖを出力する。

速度モデル２１は、外部より入力される速度指令Ｖ_ｒから、下記の式（１）に示される状態方程式を用いて、速度フィードフォワードＶ_ｆｆ及び電流フィードフォワードＵ_ｆｆを算出して出力するモデルである。

なお、式（１）における行列Ａ_ｆｆ，Ｂ_ｆｆ，Ｃ_ｆｆ，Ｄ_ｆｆは、予め設定された行列であり、変化分係数αは、後述するように変化分係数算出部３６によって算出されるものであり、１つ以上の変数である状態変数ξは、速度モデル２１の状態変数を表すベクトルである。式（１）の第１式は、状態変数ξの更新演算であり、式（１）の第１式によって状態変数ξの変化分が算出され、これを逐次積分することで、状態変数ξのそれぞれを算出する。

ここで、α＝１とすると、式（１）は、一般的なモデルフォロイング制御と呼ばれる制御方式における速度モデルの状態方程式である。一般的なモデルフォロイング制御と呼ばれる制御方式では、速度モデルによって、外部から入力される速度指令Ｖ_ｒから、速度フィードフォワードＶ_ｆｆ及び電流フィードフォワードＵ_ｆｆが算出される。この速度フィードフォワードＶ_ｆｆとしては、速度指令Ｖ_ｒに対する理想的な応答波形となる信号が出力される。また、電流フィードフォワードＵ_ｆｆとしては、速度フィードフォワードＶ_ｆｆを微分し、制御対象１の慣性モーメントのノミナル値Ｊ_ｎを乗じた信号が出力される。このとき、電流フィードフォワードＵ_ｆｆと速度フィードフォワードＶ_ｆｆの特性は、制御対象１のノミナルモデルの入出力特性と一致する。行列Ａ_ｆｆ，Ｂ_ｆｆ，Ｃ_ｆｆ，Ｄ_ｆｆは、速度モデル２１が上述した特性となるように設定される。

このような特性が得られる速度モデル２１の構成の一例を示すブロック図を図８に示す。図８に示す速度モデル２１は、積分器２１１，２１２と、乗算器２１３，２１４，２１５と、減算器２１６，２１７と、を備える。図８において、α＝１とすると、速度指令Ｖ_ｒから速度フィードフォワードＶ_ｆｆまでの入出力特性は線形のローパス特性となり、電流フィードフォワードＵ_ｆｆには速度フィードフォワードＶ_ｆｆの微分に相当する信号に制御対象１の慣性モーメントのノミナル値Ｊ_ｎを乗じた信号が出力される。また、積分器２１１，２１２は、積分器への入力信号と変化分係数αとの積を積分変数の変化分とし、前記変化分を各時刻において積分することにより、積分変数の値を計算する。積分器２１１，２１２の値をそれぞれξ_１，ξ_２とすると、図８に示すブロック図の状態方程式は下記の式(２)で表すことができる。よって、行列Ａ_ｆｆ，Ｂ_ｆｆ，Ｃ_ｆｆ，Ｄ_ｆｆ及び状態変数ベクトルξを下記の式(３)のように設定することで、図８のブロック図の計算式を式（１）で表すことができる。

なお、本実施の形態では、速度モデル２１が２つの積分器を備える場合、すなわち、速度モデル２１の次数が２次の場合について説明したが、これに限定されるものではない。速度モデルの次数は、自然数であればよい。

速度制御器３３は、速度フィードフォワードＶ_ｆｆと実速度Ｖの差及び電流フィードフォワードＵ_ｆｆと、予め設定された定数Ｋ_ｖ（速度比例ゲイン），Ｋ_ｉ（速度積分ゲイン）と、変化分係数αと、から下記の式（４）に示される状態方程式を用いて、電流指令Ｕを算出して出力する。

ここで、α＝１とすると、式（４）は、一般的な速度比例積分（ＰＩ）制御を表すことになる。なお、積分変数η（第２の状態変数）は、速度制御器３３の積分変数を表すスカラー値である。ただし、本実施の形態のモータ制御装置では、実際の積分変数ηの変化分は、式（１）と同様に、一般的な比例積分演算によって得られた積分変数の変化分に、変化分係数αを乗じて得られた値とする。なお、速度制御器３３に例えばローパスフィルタを追加すると、積分変数ηは、比例積分演算の積分変数と、追加したローパスフィルタの演算の状態変数からなるベクトルとなる。

電流制限器３４は、電流指令Ｕを入力とし、入力された電流指令Ｕの絶対値が予め設定された最大電流指令値Ｕ_ｍａｘ以下となるように制限後電流指令Ｕ_ｓａｔを出力する。すなわち、入力された電流指令Ｕの絶対値が最大電流指令値Ｕ_ｍａｘ以下である場合には制限後電流指令Ｕ_ｓａｔは入力された電流指令Ｕに等しく、入力された電流指令Ｕの絶対値が最大電流指令値Ｕ_ｍａｘを超えている場合には制限後電流指令Ｕ_ｓａｔは最大電流指令値Ｕ_ｍａｘとなる。

電流制御器３５は、制限後電流指令Ｕ_ｓａｔを入力とし、モータ１１の電流ｉを出力する。

変化分係数算出部３６は、トルク定数乗算器３６１と、非線形トルクモデル３６２と、比率演算器３６３と、を備え、電流指令Ｕと制限後電流指令Ｕ_ｓａｔとの比率により変化分係数αを算出する。トルク定数乗算器３６１は、電流指令Ｕを入力とし、予め設定されたトルク定数Ｋ_ｔを乗じてトルク指令Ｔ_ｃｍｄを算出して出力する。非線形トルクモデル３６２は、入力される制限後電流指令Ｕ_ｓａｔから、予め設定されたモータ１１の電流−トルク特性を用いて、モータ１１の実トルクＴを算出して出力するモデルである。なお、ここで、非線形トルクモデル３６２に用いられる電流−トルク特性は、モータ１１の磁気飽和及び電圧飽和を考慮した非線形関数で表される。図２は、このような非線形関数（実線）で表される電流−トルク特性を示す図である。比率演算器３６３は、実トルクＴにトルク指令Ｔ_ｃｍｄの逆数を乗じて変化分係数αを算出して出力する。なお、トルク指令Ｔ_ｃｍｄが０であるときには、比率演算器３６３が出力する変化分係数αは１とされる。

次に、実施の形態１のモータ制御装置の動作原理を説明する。

制御対象１が備える機械系１２の剛性が制御対象１を慣性モーメントＪの剛体とみなすことが可能な程度に高く、また、電流制御器３５による遅れが無視できると仮定すると、制御対象１の電流指令Ｕから実速度Ｖまでの動特性は、下記の式（５）の状態方程式で表される。

なお、ここで、ｇ（Ｕ）は、電流指令Ｕの関数であり、電流制限器３４による非線形特性及びモータ１１の電流−トルク特性を表す。すなわち、ｇ（Ｕ）は、実トルクＴを表す。

また、トルク定数乗算器３６１において用いられるトルク定数Ｋ_ｔは、下記の式（６）で表される。

また、変化分係数αは、実トルクＴ＝ｇ（Ｕ）にトルク指令Ｔ_ｃｍｄ＝Ｋ_ｔ＊Ｕの逆数を乗じて算出された値であることから、変化分係数αは、下記の式（７）で表される。

ここで、仮想時間τを下記の式（８）で定義する。

仮想時間τは、その変化率が実時間ｔの変化率に対して式（８）の逆数を乗じたように、実時間ｔを伸縮させたものである。仮想時間τ軸上における制御対象１の状態方程式（実時間ｔ軸上では式（５））は、仮想時間τ軸上では、下記の式（９）で表される。

慣性モーメントＪ及びトルク定数Ｋ_ｔは定数であるため、式（９）は線形である。

同様に、仮想時間τ軸上における速度モデル２１の状態方程式は、式（８）の右辺が式（５）の右辺の逆数であるため、仮想時間τ軸上では、下記の式（１０）で表される。

また、同様に、仮想時間τ軸上における速度制御器３３の状態方程式は、仮想時間τ軸上では、下記の式（１１）で表される。

上記の式（９），（１０），（１１）はすべて線形であり、且つ電流指令Ｕには制限がない。そのため、仮想時間τ軸上での制御対象１の応答は、電流制限器３４における電流制限の影響を受けない。また、仮想時間τ軸上での制御対象１の応答は、モータ１１の電流−トルク特性が非線形であることにも影響を受けない。

また、上記説明したように、図１に示すモータ制御装置の制御系は、速度モデル２１で所望の応答を生成し、この応答に制御対象１が追従するようにフィードバック制御を行うモデルフォロイング制御を基本としているため、速度制御系の応答特性は、速度モデル２１における行列Ａ_ｆｆ，Ｂ_ｆｆ，Ｃ_ｆｆ，Ｄ_ｆｆにより、速度制御器３３の特性とは独立に設定することが可能である。

図３は、速度制御器３３の誤差抑圧性能が速度モデル２１の応答特性と比べて十分に高くなるように（すなわち、速度モデル２１の応答特性に対して誤差が抑圧されているといえる程度に）設定した場合における、制御対象１の負荷慣性比（慣性モーメント）を変化させたときの仮想時間τ軸上における速度応答を示す図である。速度制御器３３の誤差抑圧性能が速度モデル２１の応答特性と比べて十分に高くなるように行列Ａ_ｆｆ，Ｂ_ｆｆ，Ｃ_ｆｆ，Ｄ_ｆｆ及び定数Ｋ_ｖ，Ｋ_ｉを設定すると、制御対象１の慣性モーメントが変化しても応答特性の変化が小さい制御系を実現することができる。

すなわち、制御対象１における慣性モーメントのノミナル値Ｊ_ｎと制御対象１の慣性モーメントＪとの間に誤差が存在しても、良好な応答が可能である。

図４は、実時間ｔ軸と仮想時間τ軸における制御対象１の速度応答を示す図である。実時間ｔ軸上における制御対象１の速度応答は、線形の状態方程式である式（９）と式（１０）と式（１１）と、から求まる仮想時間τ軸上の速度応答を、式（８）で求まる実時間ｔと仮想時間τとの関係に応じて、時間軸方向に伸張した応答となる。そのため、実時間ｔ軸上での速度応答をオーバーシュートさせないようにするためには、仮想時間τ軸上で速度応答がオーバーシュートしないように速度モデル２１及び速度制御器３３の動特性を設定すればよい。これは、上記説明した本実施の形態の制御系がアンチワインドアップ効果を含んでいるということであり、速度指令Ｖ_ｒにステップ信号として大きな値が入力され、Ｕ≧Ｕ_ｍａｘとなる場合であっても、実速度Ｖをオーバーシュートさせずに制御することができる。従って、上記のように構成することで、制御対象１の慣性モーメントＪが未知である場合（Ｕ_ｍａｘにおける最大加速度が未知である場合）であっても、速度指令Ｖ_ｒに目標速度をステップ信号として入力するだけで、最大加速度による高速な速度応答を実現することができる。

図５は、制御対象１の負荷慣性比（慣性モーメントＪ）を変化させた場合における速度応答（図５（Ａ））とトルクの応答（図５（Ｂ））を示す図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）によると、いずれの場合も、最大トルク（最大加速度）で加速を行っても、実速度Ｖはオーバーシュートしていない。

以上説明したように、本実施の形態のモータ制御装置では、制御対象の慣性モーメントが未知である、または、負荷の大きさが大きく変化する場合であっても、目標速度が与えられれば、自動的に目標速度及び慣性モーメントに適応した高速且つ良好な速度応答を実現することができる。また、本実施の形態のモータ制御装置では、モータの電流−トルク特性（非線形トルクモデルの特性）の非線形性を補償し、モータの電流−トルク特性が非線形であることによる応答の劣化を防ぐことができる。

なお、上記の説明では、制御対象１における摩擦がない場合について説明している。制御対象１に摩擦が生じ、粘性摩擦係数をｃとすると、制御対象１の動特性は、下記の式（１２）の状態方程式で表される。

摩擦が生じる制御対象１に対しても、摩擦がない場合と同様の制御を行うとすると、仮想時間τ軸での制御対象１は、下記の式（１３）の状態方程式で表される。

上記の式（１３）は、粘性摩擦係数ｃが変化分係数αによって変化する線形時変の状態方程式とみることができる。上記説明したように、モデルフォロイング制御における制御系は、制御対象１の誤差と変動の影響を受けにくいため、慣性モーメントＪが変動しても応答特性がほとんど変化しないのと同様、摩擦係数が変化しても応答特性はほとんど変化しない。そのため、本実施の形態のモータ制御装置は、摩擦の影響をほとんど受けず、目標速度を与えるのみで高速且つ良好な速度応答を実現することができる。

なお、慣性モーメントＪ及び粘性摩擦係数ｃが予め設定されている場合には、変化分係数算出部３６において変化分係数αを下記の式（１４）により算出することもできる。

このとき、上記式（８）に代えて仮想時間τを下記の式（１５）で定義する。

すると、仮想時間τ軸上での制御対象１の状態方程式は、下記の式（１６）で表される。

上記の式（１６）は、上記の式（１３）とは異なり、状態方程式を、変化分係数αを含まない線形時不変の状態方程式とみることができる。このように、変化分係数算出部３６において算出される変化分係数αの算出方法は、上記に限定されず、様々な方法を適用することができる。

なお、上記では、連続時間の状態方程式を用いて説明しているが、離散時間の場合でも同様に各サンプリング時刻の状態変数の前サンプリング時刻との変化分を従来の状態変数の更新演算で求めた値のα倍とすることで、上記の特性を実現することができる。

なお、モータ１１の電流−トルク特性の非線形性が無視できるほど小さく、または、そのような非線形性を無視できる範囲においてのみ動作させる場合には、変化分係数算出部３６にトルク定数乗算器３６１及び非線形トルクモデル３６２を設けずに、比率演算器３６３に電流指令Ｕと制限後電流指令Ｕ_ｓａｔとを入力すればよい。このような構成とすることで、電流制限器３４における電流指令の制限値である最大電流指令値Ｕ_ｍａｘによる非線形性のみが考慮されることになる。

なお、速度制御器３３にローパスフィルタや機械の共振を抑制するノッチフィルタが設けられている場合に、電流飽和が発生してもそれらのフィルタには誤差は蓄積されないため、それらフィルタの状態変数の変化分には変化分係数αを乗じなくてよい。特にノッチフィルタでは、状態変数の変化分に変化分係数αを乗じると機械の共振周波数に応じて設定するノッチ周波数が変化するため、変化分係数αを乗じなくてもよい。

以上説明したように、本実施の形態のモータ制御装置は、速度指令に基づき、モータと該モータに連結された機械系を備える制御対象を駆動するモータ制御装置であって、１つ以上の変数である第１の状態変数と前記速度指令とに基づいて前記第１の状態変数の変化分を算出して前記第１の状態変数を更新し、更新後の前記第１の状態変数に基づいて速度フィードフォワード及び電流フィードフォワードを算出して出力する速度モデルと、前記モータの実速度と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードとに基づいて１つ以上の変数である第２の状態変数の変化分を算出して前記第２の状態変数を更新し、前記モータの前記実速度と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードと更新後の前記第２の状態変数とに基づいて電流指令を算出して出力する速度制御器と、前記電流指令を入力とし、制限電流値以下の制限後電流指令を出力する電流制限器と、前記電流指令と前記制限後電流指令とに基づき、前記第１の状態変数と前記第２の状態変数の変化分の補正係数である変化分係数を算出する変化分係数算出部と、を備え、前記速度モデルは、前記第１の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、前記速度制御器は、前記第２の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行うことを特徴とする。

実施の形態２．
図６は、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態２の構成を示すブロック図である。ここで、実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、同一の符号を付して説明を省略する。図６に示すモータ制御装置は、制御対象１ａと、速度モデル２１を含む位置モデル２と、位置制御器３１と、微分器３２と、速度制御器３３と、電流制限器３４と、電流制御器３５と、変化分係数算出部３６と、慣性モーメント推定部３７と、減速度算出部３８と、最大速度設定部３９と、を備える。

制御対象１ａは、モータ１１と、モータ１１に連結された機械系１２と、モータ１１の位置を検出する位置検出器１４と、を備える。位置検出器１４としては、例えば、エンコーダまたはレゾルバを用いればよい。

位置モデル２は、速度モデル２１と、速度指令算出部２２と、積分器２３と、を備える。

速度指令算出部２２には、残距離ｅ（目標位置Ｘ_ｒと位置フィードフォワードＸ_ｆｆとの偏差）、予め設定された最大速度Ｖ_ｍａｘ、及び後述するように減速度算出部３８によって算出された減速度Ａ_ｄｅｃが入力され、速度指令Ｖ_ｒを出力する。なお、最大速度Ｖ_ｍａｘは、最大速度設定部３９によって設定される。

速度モデル２１は、速度指令Ｖ_ｒを入力とし、実施の形態１と同様に、速度フィードフォワードＶ_ｆｆ及び電流フィードフォワードＵ_ｆｆを算出して出力するモデルである。

積分器２３は、速度モデル２１から出力されて入力される速度フィードフォワードＶ_ｆｆを積分して、位置フィードフォワードＸ_ｆｆを出力する。

位置制御器３１は、積分器２３から出力された位置フィードフォワードＸ_ｆｆと位置検出器１４で検出された実位置Ｘとの偏差を入力とし、予め設定された位置ゲインを用いて速度補正量Ｖ_ｃを出力する。

微分器３２は、実位置Ｘを微分して、実速度Ｖを出力する。

速度制御器３３は、速度フィードフォワードＶ_ｆｆと速度補正量Ｖ_ｃの和と実速度Ｖとの差、及び電流フィードフォワードＵ_ｆｆを入力とし、実施の形態１と同様に、電流指令Ｕを出力する。

電流制限器３４、電流制御器３５、及び変化分係数算出部３６は、実施の形態１と同様である。

慣性モーメント推定部３７は、電流制御器３５が出力した電流ｉと実位置Ｘまたは実速度Ｖを入力とし、制御対象１ａの慣性モーメント推定値Ｊ_ｈａｔを出力する。慣性モーメント推定値Ｊ_ｈａｔは、例えば、実位置Ｘを二階微分または実速度Ｖを一階微分して算出した加速度と電流ｉを用いて逐次的に推定を行うことで算出すればよい。

減速度算出部３８は、慣性モーメント推定値Ｊ_ｈａｔを入力とし、予め設定された最大電流Ｕ_ｍａｘから算出される最大トルクＴ_ｍａｘを用いて、減速度Ａ_ｄｅｃを算出して出力する。減速度Ａ_ｄｅｃは下記の式（１７）によって算出される。

ここで、上記の式（１７）における定数γは、予め設定された１以下の正の定数であり、減速時のトルクを最大トルクよりも小さくするために概ね０．８〜０．９とする。また、制御対象１ａの摩擦の大きさが予め設定されている場合には、摩擦を考慮して、減速度Ａ_ｄｅｃを上記の式（１７）によって算出される値よりも大きくすることも可能である。

ここで、速度指令算出部２２の動作について説明する。速度指令算出部２２は、ＰＴＯＳ（Ｐｒｏｘｉｍａｔｅ Ｔｉｍｅ−Ｏｐｔｉｍａｌ Ｓｅｒｖｏｍｅｃｈａｎｉｓｍ）法と呼ばれる制御方式の目標速度関数を用いる。この目標速度関数は、下記の式（１８）〜（２０）で表される。なお、ｅは、目標位置Ｘ_ｒと位置フィードフォワードＸ_ｆｆとの残距離である。

このような目標速度関数を用いると、残距離ｅに応じて目標速度関数が連続的に切り替わるため、過渡応答を悪化させずに速度指令Ｖ_ｒの切り替えを行うことができる。

次に、実施の形態２のモータ制御装置の動作を説明する。

現在の実位置Ｘから十分に離れた目標位置Ｘ_ｒが設定されると、式（１９）より速度指令算出部２２は最大速度Ｖ_ｍａｘを出力し、速度指令Ｖ_ｒは、０からＶ_ｍａｘに切り替わる。すると、この制御系は速度ループに実施の形態１の速度制御系と同等の制御系を含むため、電流制限やモータ１１の電流−トルク特性の非線形性に自動で対応し、高速且つ良好に応答してモータ１１の実速度Ｖは最大速度Ｖ_ｍａｘまで加速される。

このとき、加速中に電流飽和が発生すると、速度フィードフォワードＶ_ｆｆの応答は、変化分係数αによって自動で調整されている。そのため、速度フィードフォワードＶ_ｆｆを積分した位置フィードフォワードＸ_ｆｆも同様に、電流飽和に対して自動で調整された応答となる。また、加速中に慣性モーメント推定部３７が制御対象１ａの慣性モーメントを推定し、速度指令算出部２２に入力される減速度Ａ_ｄｅｃは、上記の式（１７）によって設定される。

残距離ｅが減少すると、速度指令算出部２２の目標速度関数Ｖ_ｒ’が式（１８）の第１の式に切り替わる。そのため、速度指令Ｖ_ｒは減速度Ａ_ｄｅｃで一定減速する。この間、モータ１１の実速度Ｖも減速度Ａ_ｄｅｃで減速される。減速度Ａ_ｄｅｃの値が制御対象１ａの慣性モーメント推定値Ｊ_ｈａｔによって設定されているため、モータ１１で発生可能なトルクを最大まで使用した理想的な減速応答を実現することができる。

最後に、残距離ｅが上記の式（２０）によって算出されるｅ_ｌ以下になると、速度指令算出部２２の目標速度関数Ｖ_ｒ’は上記の式（１８）の第２の式に切り替わり、目標速度関数Ｖ_ｒ’（速度指令Ｖ_ｒ）は、残距離ｅに比例する。このとき、位置モデル２の全体が線形となるため、位置フィードフォワードＸ_ｆｆは目標位置Ｘ_ｒに滑らかに収束する。位置制御器３１により、位置フィードフォワードＸ_ｆｆと実位置Ｘの誤差は抑制されるので、実位置Ｘも目標位置Ｘ_ｒに滑らかに整定される。

以上説明したように、本実施の形態のモータ制御装置では、目標位置Ｘ_ｒの入力のみで、速度応答が理想的な台形波形となるように位置フィードフォワードＸ_ｆｆ、速度フィードフォワードＶ_ｆｆ、及び電流フィードフォワードＵ_ｆｆが自動生成され、高速且つ良好な位置決め応答を実現することができる。

本実施の形態では、実施の形態１にて説明した構成による速度制御系を有しているため、従来のＰＴＯＳ制御法と比較して、例えば制御対象１ａの負荷の変動や電流制限といった非線形性に対してロバストな制御が可能である。また、従来のＰＴＯＳ制御法では減速度Ａ_ｄｅｃが固定されていたが、本実施の形態では制御対象１ａの慣性モーメント推定値Ｊ_ｈａｔによって減速度Ａ_ｄｅｃが動的に設定されるため、制御対象１ａの負荷の大きさが未知の場合でも、加速、減速ともに理想的な応答を得ることができる。

また、移動距離が小さい場合でも、残距離ｅに応じた速度指令Ｖ_ｒが算出され、速度指令Ｖ_ｒと速度フィードフォワードＶ_ｆｆの大小によって、加速と減速の切り替えが自動でなされるため、速度応答が理想的な三角波形となるように位置フィードフォワードＸ_ｆｆ，速度フィードフォワードＶ_ｆｆ，電流フィードフォワードＵ_ｆｆが自動で生成される。

図７は、制御対象１ａの負荷慣性比（慣性モーメントＪ）を変化させた場合における速度応答（図７（Ａ））とトルクの応答（図７（Ｂ））を示す図である。図７によると、いずれの場合も、理想的な速度パターンによる高速な位置決めが可能である。

以上説明したように、本実施の形態のモータ制御装置では、制御対象の負荷の大きさが未知である、または、負荷の大きさが大きく変化する場合であっても、目標位置が与えられれば、自動的に目標位置及び制御対象の負荷の大きさに適応した高速且つ良好な位置決めを実現することができる。

なお、本実施の形態では、目標位置が与えられると自動的に位置決め制御を行うことが可能な制御系について説明しているが、これに限定されず、本実施の形態は、時系列（例えばパルス列）で与えられる位置指令に対して追従制御を行う制御系にも適用することができる。この場合には、速度指令算出部２２は、残距離ｅによらず、残距離ｅに比例した速度指令Ｖ_ｒを出力するように設定する。また、このような制御系では、電流飽和していない状況では、一般的なモデルフォロイング制御と呼ばれる制御方式による位置制御と一致するため、与えられた位置指令Ｘ_ｒに追従するようにモータ１１の実位置Ｘが制御される。一方、電流飽和が発生した場合には、変化分係数αにより速度モデル２１と速度制御器３３の双方が補償されるため、アンチワインドアップ効果を得ることができ、例えばオーバーシュートのように不安定な応答をさせずに制御することができる。

以上説明したように、本実施の形態のモータ制御装置は、位置指令に基づき、モータを備える制御対象を駆動するモータ制御装置であって、前記位置指令と位置フィードフォワードとの偏差に基づき速度指令を出力する速度指令算出部と、１つ以上の変数である第１の状態変数と前記速度指令とに基づいて前記第１の状態変数の変化分を算出して前記第１の状態変数を更新し、更新後の前記第１の状態変数に基づいて速度フィードフォワード及び電流フィードフォワードを算出して出力する速度モデルと、前記速度フィードフォワードを積分し前記位置フィードフォワードを出力する積分器と、前記モータの実位置と前記位置フィードフォワードとの差分に基づき速度補正量を出力する位置制御器と、前記モータの実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードとに基づいて１つ以上の変数である第２の状態変数の変化分を算出して前記第２の状態変数を更新し、前記モータの前記実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードと更新後の前記第２の状態変数とに基づいて電流指令を算出して出力する速度制御器と、前記電流指令を入力とし、制限電流値以下の制限後電流指令を出力する電流制限器と、前記電流指令と前記制限後電流指令とに基づき、前記第１の状態変数と前記第２の状態変数の変化分の補正係数である変化分係数を算出する変化分係数算出部と、を備え、前記速度モデルは、前記第１の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、前記速度制御器は、前記第２の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行うことを特徴とする。

実施の形態３．
図９は、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態３の構成を示すブロック図である。図９において、図１，６と同様の機能を有する構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。

図９に示すモータ制御装置は、制御対象１ａと、位置モデル２ｂと、位置制御器３１と、微分器３２と、速度制御器３３と、電流制限器３４と、電流制御器３５と、変化分係数算出部３６と、慣性モーメント推定部３７と、減速度算出部３８と、最大速度設定部３９と、モデル補正部４０と、切り替えスイッチ４１と、を備える。すなわち、図９に示すモータ制御装置は、図６に示すモータ制御装置にモデル補正部４０及び切り替えスイッチ４１を追加したものである。

なお、本実施の形態では、電流制限器３４は、電流制限の有無を出力する構成を有する。また、積分器２３には、速度モデル２１から出力される速度フィードフォワードＶ_ｆｆと切り替えスイッチ４１の出力信号の偏差が入力される。

モデル補正部４０は、積分器２３から出力された位置フィードフォワードＸ_ｆｆと位置検出器１４で検出された実位置Ｘとの偏差（誤差信号）を位置制御器３１と同様に入力とし、これに対して予め設定されたモデル補正ゲインＷｍを乗じたモデル補正信号を出力する。出力されたモデル補正信号は、切り替えスイッチ４１に入力されている。

切り替えスイッチ４１は、電流制限器３４が出力する電流制限の有無によって接続または非接続とする構成である。電流制限器３４において電流制限が発生しているときには切り替えスイッチ４１は接続とし、電流制限が発生していないときには切り替えスイッチ４１は非接続とする。換言すると、切り替えスイッチ４１は、電流指令Ｕの大きさが制限電流値を越えているときに接続とし、電流指令Ｕの大きさが制限電流値以下であるときに非接続とする。

切り替えスイッチ４１が接続状態であるときには、切り替えスイッチ４１の出力はモデル補正信号であり、非接続状態であるときには、切り替えスイッチ４１の出力は０である。

切り替えスイッチ４１の出力により、積分器２３は、速度フィードフォワードＶ_ｆｆとモデル補正信号の偏差を積分して、位置フィードフォワードＸ_ｆｆを出力する。

次に、実施の形態３のモータ制御装置の動作を説明する。

まず、現在の実位置Ｘから十分に離れた目標位置Ｘ_ｒが設定されると、実施の形態２にて式（１９）を参照して説明したように、速度指令算出部２２は最大速度Ｖ_ｍａｘを出力し、速度指令Ｖ_ｒは、０からＶ_ｍａｘに切り替わり、モータ１１の実速度Ｖは最大速度Ｖ_ｍａｘまで加速される。

このとき、加速中に電流飽和が発生すると、切り替えスイッチ４１が接続状態となり、積分器２３、モデル補正部４０及び切り替えスイッチ４１によりフィードバックループが形成される。このフィードバックループの状態方程式は、下記の式（２１）で表される。

モデル補正ゲインＷｍをオブザーバゲインとすると、上記の式（２１）は、状態オブザーバの式と同様になっており、積分器２３、モデル補正部４０及び切り替えスイッチ４１により形成されたフィードバックループは、位置フィードフォワードＸ_ｆｆと実位置Ｘとの誤差が減少するように位置フィードフォワードＸ_ｆｆを補正する。

実施の形態２にて説明したように図６に示すモータ制御装置では、電流飽和が発生しているときに変化分係数αにより速度モデル２１の動作が補正されている。このように速度モデル２１の動作が補正されると、位置モデル２と制御対象１ａとの応答の乖離が抑制され、電流飽和が発生しても良好な応答を得ることができる。

本実施の形態における図９に示すモータ制御装置では、モデル補正部４０により位置フィードフォワードＸ_ｆｆと実位置Ｘとの誤差も補正されるので、電流飽和が発生しているときの位置モデルと制御対象１ａとの応答の乖離はさらに抑制される。従って、電流飽和に対して実施の形態２よりもさらにロバストな制御を実現することができる。

さらには、電流飽和していない状況では、切り替えスイッチ４１が非接続状態となるため、一般的なモデルフォロイング制御と呼ばれる制御方式による位置制御と一致し、制御対象のばらつきや外乱に対してロバストな制御を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態のモータ制御装置は、位置指令に基づき、モータを備える制御対象を駆動するモータ制御装置であって、前記位置指令と位置フィードフォワードとの偏差に基づき速度指令を出力する速度指令算出部と、１つ以上の変数である第１の状態変数と前記速度指令とに基づいて前記第１の状態変数の変化分を算出して前記第１の状態変数を更新し、更新後の前記第１の状態変数に基づいて速度フィードフォワード及び電流フィードフォワードを算出して出力する速度モデルと、前記モータの実位置の前記位置フィードフォワードとの差分に基づきモデル補正信号を出力するモデル補正部と、前記モデル補正信号を入力とし、接続状態では前記モデル補正信号を出力し、非接続状態では零信号を出力する切り替えスイッチと、前記速度フィードフォワードと前記切り替えスイッチの出力信号の偏差を積分し前記位置フィードフォワードを出力する積分器と、前記モータの実位置と前記位置フィードフォワードとの差分に基づき速度補正量を出力する位置制御器と、前記モータの実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードとに基づいて１つ以上の変数である第２の状態変数の変化分を算出して前記第２の状態変数を更新し、前記モータの前記実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードと更新後の前記第２の状態変数とに基づいて電流指令を算出して出力する速度制御器と、前記電流指令を入力とし、前記電流指令の大きさを制限電流値以下に制限した制限後電流指令を出力する電流制限器と、前記電流指令と前記制限後電流指令とに基づき、前記第１の状態変数と前記第２の状態変数の変化分の補正係数である変化分係数を算出する変化分係数算出部と、を備え、前記速度モデルは、前記第１の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、前記速度制御器は、前記第２の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、前記切り替えスイッチは、前記電流指令の大きさが前記制限電流値を越えているときに接続とし、前記電流指令の大きさが前記制限電流値以下であるときに非接続とすることを特徴とする。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、慣性モーメントや摩擦といった負荷が未知である、または、負荷の大きさが大きく変化する制御対象に対して適用するモータ制御装置として有用である。

１，１ａ 制御対象、２，２ｂ 位置モデル、１１ モータ、１２ 機械系、１３ 速度検出器、１４ 位置検出器、２１ 速度モデル、２１１，２１２ 積分器、２１３，２１４，２１５ 乗算器、２１６，２１７ 減算器、２２ 速度指令算出部、２３ 積分器、３１ 位置制御器、３２ 微分器、３３ 速度制御器、３４ 電流制限器、３５ 電流制御器、３６ 変化分係数算出部、３６１ トルク定数乗算器、３６２ 非線形トルクモデル、３６３ 比率演算器、３７ 慣性モーメント推定部、３８ 減速度算出部、３９ 最大速度設定部、４０ モデル補正部、４１ 切り替えスイッチ。

Claims (7)

1. 速度指令に基づき、モータと該モータに連結された機械系を備える制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
   １つ以上の変数である第１の状態変数と前記速度指令とに基づいて前記第１の状態変数の変化分を算出して前記第１の状態変数を更新し、更新後の前記第１の状態変数に基づいて速度フィードフォワード及び電流フィードフォワードを算出して出力する速度モデルと、
   前記モータの実速度と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードとに基づいて１つ以上の変数である第２の状態変数の変化分を算出して前記第２の状態変数を更新し、前記モータの前記実速度と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードと更新後の前記第２の状態変数とに基づいて電流指令を算出して出力する速度制御器と、
   前記電流指令を入力とし、前記電流指令の大きさを制限電流値以下に制限した制限後電流指令を出力する電流制限器と、
   前記電流指令と前記制限後電流指令とに基づき、前記第１の状態変数と前記第２の状態変数の変化分の補正係数である変化分係数を算出する変化分係数算出部と、を備え、
   前記速度モデルは、前記第１の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、
   前記速度制御器は、前記第２の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行うことを特徴とするモータ制御装置。
2. 位置指令に基づき、モータを備える制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
   前記位置指令と位置フィードフォワードとの偏差に基づき速度指令を出力する速度指令算出部と、
   １つ以上の変数である第１の状態変数と前記速度指令とに基づいて前記第１の状態変数の変化分を算出して前記第１の状態変数を更新し、更新後の前記第１の状態変数に基づいて速度フィードフォワード及び電流フィードフォワードを算出して出力する速度モデルと、
   前記速度フィードフォワードを積分し前記位置フィードフォワードを出力する積分器と、
   前記モータの実位置と前記位置フィードフォワードとの差分に基づき速度補正量を出力する位置制御器と、
   前記モータの実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードとに基づいて１つ以上の変数である第２の状態変数の変化分を算出して前記第２の状態変数を更新し、前記モータの前記実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードと更新後の前記第２の状態変数とに基づいて電流指令を算出して出力する速度制御器と、
   前記電流指令を入力とし、前記電流指令の大きさを制限電流値以下に制限した制限後電流指令を出力する電流制限器と、
   前記電流指令と前記制限後電流指令とに基づき、前記第１の状態変数と前記第２の状態変数の変化分の補正係数である変化分係数を算出する変化分係数算出部と、を備え、
   前記速度モデルは、前記第１の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、
   前記速度制御器は、前記第２の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行うことを特徴とするモータ制御装置。
3. 位置指令に基づき、モータを備える制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
   前記位置指令と位置フィードフォワードとの偏差に基づき速度指令を出力する速度指令算出部と、
   １つ以上の変数である第１の状態変数と前記速度指令とに基づいて前記第１の状態変数の変化分を算出して前記第１の状態変数を更新し、更新後の前記第１の状態変数に基づいて速度フィードフォワード及び電流フィードフォワードを算出して出力する速度モデルと、
   前記モータの実位置の前記位置フィードフォワードとの差分に基づきモデル補正信号を出力するモデル補正部と、
   前記モデル補正信号を入力とし、接続状態では前記モデル補正信号を出力し、非接続状態では零信号を出力する切り替えスイッチと、
   前記速度フィードフォワードと前記切り替えスイッチの出力信号の偏差を積分し前記位置フィードフォワードを出力する積分器と、
   前記モータの実位置と前記位置フィードフォワードとの差分に基づき速度補正量を出力する位置制御器と、
   前記モータの実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードとに基づいて１つ以上の変数である第２の状態変数の変化分を算出して前記第２の状態変数を更新し、前記モータの前記実速度と前記速度補正量と前記速度フィードフォワードと前記電流フィードフォワードと更新後の前記第２の状態変数とに基づいて電流指令を算出して出力する速度制御器と、
   前記電流指令を入力とし、前記電流指令の大きさを制限電流値以下に制限した制限後電流指令を出力する電流制限器と、
   前記電流指令と前記制限後電流指令とに基づき、前記第１の状態変数と前記第２の状態変数の変化分の補正係数である変化分係数を算出する変化分係数算出部と、を備え、
   前記速度モデルは、前記第１の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、
   前記速度制御器は、前記第２の状態変数の変化分の算出において、前記変化分係数を乗じる補正を行い、
   前記切り替えスイッチは、前記電流指令の大きさが前記制限電流値を越えているときに接続とし、前記電流指令の大きさが前記制限電流値以下であるときに非接続とすることを特徴とするモータ制御装置。
4. 前記モータの最大速度を設定する最大速度設定部と、
   前記モータの減速停止時の減速度を算出する減速度算出部と、を備え、
   前記速度指令算出部は、前記位置指令と前記位置フィードフォワードとの偏差、前記最大速度及び前記減速度に基づく関数により前記速度指令を算出することを特徴とした請求項２または請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記減速度算出部は、
   前記モータの電流及び実位置または実速度から推定した前記制御対象の慣性モーメント推定値に基づいて前記減速度を算出することを特徴とした請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記変化分係数算出部は、
   前記電流指令と前記制限後電流指令との比率により前記変化分係数を算出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
7. 前記変化分係数算出部は、
   前記電流指令に、予め設定された前記モータのトルク定数を乗じてトルク指令を算出するトルク定数乗算器と、
   前記モータの電流とトルクとの間の非線形特性をモデル化した非線形トルクモデルを備え、
   前記トルク指令と、
   前記制限後電流指令と前記非線形トルクモデルに基づき算出した実トルクと、の比率により前記変化分係数を算出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。

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