JP5904865B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械、特に剛性の低い機械を駆動する電動機を制御する電動機制御装置に関するものである。

位置決め駆動した時に残留振動やオーバーシュートが発生するような機械を駆動する電動機制御装置では、そのパラメータの調整方法として、ある所定の駆動パターンで制御対象を駆動させながら、その時の挙動に基づいて調整する方法がある。

第１の従来技術として、残留振動からその振動の周波数などの特性を推定し、残留振動を抑制する制振制御機能を調整する技術がある(例えば、特許文献１)。

また、調整過程または調整後の電動機制御装置のパラメータを評価する方法として、ある所定の駆動パターンで駆動させたときの整定時間やオーバーシュート、残留振動などにより調整結果を評価する方法がある。第２の従来技術としては、連続的に変化する調整運転用の指令パターンを生成し、パラメータを調整する(例えば、特許文献２)。このようにすることで、位置決め時の性能に影響を与える反共振周波数で十分加振できるようになる。そして、反共振周波数でほとんど加振しないような特異な指令で駆動させたときのオーバーシュートや残留振動などに基づいて制御性能の評価を行い、特異的な制御パラメータの自動調整結果を得てしまうことを防ぐことができる。

特開２００４−５４６９号公報 特開２００７−１３５３４４号公報

しかしながら、上記従来の技術、例えば、特許文献１に代表される従来の電動機制御装置では、振動しやすい周波数の信号成分をほとんど含まないような駆動指令で制御対象を駆動させた場合、制御対象で残留振動がほとんど発生しないため、残留振動の特性を精度よく推定できず、制振制御の調整が行えないという問題があった。

また、特許文献２に開示されている方法では、連続的に変化する調整運転用の指令パターンを生成し、それらの指令パターンを用いて制御対象を駆動し制御器の制御パラメータを自動調整するため、調整時間が長くなるという問題があった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、位置指令に対する制御対象の位置の追従特性を決定する制御パラメータの適正な調整を行う電動機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、時間的に変化する位置指令信号に対して、設定した制御パラメータに応じた追従特性で電動機または電動機に連結された機械系の位置検出信号が追従するように、当該電動機への駆動力指令を生成する位置制御部と、前記制御パラメータの調整を自動的に行う調整モードにおいて調整用位置指令信号を生成する調整用指令生成部と、前記調整モードにおいて、前記調整用位置指令信号に対して前記電動機を駆動したときの前記調整用位置指令信号に対する当該位置検出信号の追従特性と、その時の前記駆動力指令が、所望の特性となるように前記制御パラメータを自動的に変更する追従特性調整部と、前記電動機及び前記機械系で構成される制御対象に固有の振動周期を求める振動周期設定部と、前記調整用位置指令信号の指令継続時間が前記振動周期の奇数倍となるよう決定する調整用指令決定部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、制御対象で発生する振動を励起するような調整用位置指令信号で位置決め駆動することにより、位置決め時に制御対象の振動が大きく励起し、その時の位置検出信号や駆動力指令の波形から指令に対する制御対象の追従特性を評価し、適正な制御パラメータの調整を行うことができるという効果を奏する。

図１は、本発明の電動機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２は、本発明の電動機制御装置の実施の形態１の自動調整モード時の動作を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の電動機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。 図４は、本発明の電動機制御装置の実施の形態２の自動調整モード時の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の電動機制御装置の自動調整モード時の調整用位置指令信号の効果を説明するグラフである。 図６は、本発明の電動機制御装置の自動調整モード時の調整用位置指令信号の効果を説明するグラフである。 図７は、本発明の電動機制御装置の自動調整モード時の調整用位置指令信号の効果を説明するグラフである。

以下に、本発明にかかる電動機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．
以下、本発明の実施の形態１による電動機制御装置について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１による電動機制御装置を適用した機械駆動システムを示すブロック図である。

図１に示すように、制御対象４の電動機４ａや機械系４ｂの位置が、時間的に変化する位置指令信号に対して追従するように、位置制御部２は入力された位置指令信号と制御対象４の検出器４ｃが出力した位置検出信号Ｘに応じて比例や積分等の演算に基づいて計算した駆動力指令Ｆ^*をスイッチ１２を通過して電力変換器３に出力する。電力変換器３は駆動力指令Ｆ^*に応じた駆動力を電動機４ａに供給し、電動機４ａは駆動力をトルクや推力に変換して機械系４ｂを駆動させ、検出器４ｃは電動機４ａの位置を検出し位置検出信号Ｘとして出力する。

位置制御部２は、その制御パラメータにより位置指令信号に対する制御対象４の電動機４ａや機械系４ｂの位置の追従性が決まり、この制御パラメータの調整を自動的に行う自動調整モードにおいて、調整用指令生成部１は調整用位置指令信号Ｘ^*を位置制御部２に出力する。

加振信号生成部６は、制御対象４の周波数特性同定用の加振信号としてＭ系列波形の信号を生成し、スイッチ１２をｂ)側に切り替えることでＭ系列波形を駆動力指令Ｆ^*として電動機４ａを駆動できる。機械特性演算部５は、Ｍ系列波形を駆動力指令Ｆ^*として電動機４ａを駆動させたときの駆動力指令Ｆ^*や位置検出信号Ｘから、即ち、加振信号で制御対象４を駆動した時の制御対象４の位置の値に相当する動作検出信号と加振信号に基づいて、制御対象４の機械特性（周波数特性）を演算する。

振動周期設定部７は、機械特性演算部５が演算した制御対象４の機械特性（周波数特性）から整定に影響するような低い周波数の反共振特性を抽出し、その反共振特性の周波数から求めた制御対象４に固有の振動周期を記憶する。

調整用指令決定部８は、振動周期設定部７に記憶された振動周期の奇数倍が指令継続時間となるように、調整用指令生成部１が出力する調整用位置指令信号Ｘ^*の形状を決定する。調整用位置指令信号Ｘ^*は、設定された最大加減速度で加速と減速を行い、加速時間と減速時間が等しく、加速時間と減速時間の和が指令継続時間となる速度三角パターンであり、調整用位置指令信号Ｘ^*の最大速度と移動距離が、設定された許容最大速度と許容移動範囲を超える場合は、速度三角パターンで最大速度と移動距離が許容範囲内となるように加減速度を制限する。

追従特性調整部９は、自動調整モードにおいて、調整用指令生成部１が生成した調整用位置指令信号Ｘ^*で電動機４ａを駆動したときの駆動力指令Ｆ^*や位置検出信号Ｘに応じて、制御対象４の電動機４ａの位置が、調整用位置指令信号Ｘ^*に対して所望の追従特性となるように位置制御部２の制御パラメータを自動的に調整する。

次に、本発明の実施の形態１にかかる電動機制御装置の自動調整モード時の動作について説明する。図２は、実施の形態１にかかる電動機制御装置による自動調整モード時の動作を示すフローチャートである。このフローチャートに従い、図１の機械駆動システムの各部の動作を以下に説明する。

まず、追従特性調整部９に機械駆動システムの目標整定時間と位置決め時の許容整定幅・駆動力の最大値といった目標追従特性、また調整用指令決定部８に調整用位置指令信号Ｘ^*の最大加減速度、許容最高速度、許容移動範囲といった駆動条件をそれぞれ設定する(図２：ステップＳ００１)。

次に、機械特性演算部５は、スイッチ１２をｂ)側に切り替えて、加振信号生成部６で生成した信号に基づく駆動力指令Ｆ^*で電動機４ａを駆動したときの駆動力指令Ｆ^*と位置検出信号Ｘから、制御対象４の機械特性を演算する(ステップＳ００２)。

続いて、振動周期設定部７は、機械特性演算部５が演算した制御対象４の機械特性から整定に影響するような低い周波数の反共振特性を抽出し、その周波数から計算した制御対象４に固有の振動周期を記憶する。そして、調整用指令決定部８は、振動周期設定部７に記憶された振動周期の奇数倍を指令継続時間と設定する。この条件のもと調整用指令決定部８は、設定された最大加減速度、許容最高速度、許容移動範囲を超えない範囲で、最大の加減速度で加速と減速を行い、加速時間と減速時間が等しく、加速時間と減速時間の和が指令継続時間となる速度三角パターンとなる調整用位置指令信号Ｘ^*を決定し、調整用指令生成部１に設定する(ステップＳ００３)。

続いて、調整用指令生成部１は、設定された調整用位置指令信号Ｘ^*を出力し、電動機４ａを駆動する(ステップＳ００４)。なお、このときスイッチ１２はａ)側に切り替えてある。

そして、追従特性調整部９は、調整用位置指令信号Ｘ^*で駆動したときの駆動力指令Ｆ^*と位置検出信号Ｘを取得する(ステップＳ００５)。

追従特性調整部９は、取得した駆動力指令Ｆ^*と位置検出信号Ｘから、位置決め時の残留振動やオーバーシュートが整定幅内に収まっているか、駆動力が最大値以下に収まっているか、整定時間を満たしているか等の位置決め駆動時の特性を評価し、目標追従特性を満たしているか否かを判定する(ステップＳ００６)。目標追従特性を満たしていれば(ステップＳ００６：Ｙｅｓ)、自動調整モードを終了する。一方、目標追従特性を満たしていない場合(ステップＳ００６：Ｎｏ)は、所望の追従特性となるように位置制御部２の制御パラメータを以下のような指針で自動的に調整する(ステップＳ００７)。

１．残留振動やオーバーシュートが整定幅を超えたり、駆動力が最大値以上の場合は応答性を下げるように制御パラメータを調整する。
２．整定時間の目標を満たしていない場合は、残留振動やオーバーシュート、駆動力の制約を満たす限りにおいて応答性を上げるように制御パラメータを調整する。

ステップＳ００７の後は、ステップＳ００４に戻り、そこからのフローを繰り返す。

図５、図６、および図７に、振動周期０.０４８[ｓ]で振動する制御対象を、同じ加減速度の速度三角パターンとなる速度指令で駆動した時の位置偏差信号(位置指令信号Ｘ^*−位置検出信号Ｘ)の波形（各図の下の図）を速度指令の波形（各図の上の図）と共に示す。図５は指令継続時間が振動周期の１倍である０.０４８[ｓ]の場合を示し、図６は指令継続時間が振動周期の１.５倍である０.０７２[ｓ]の場合を示し、図７は指令継続時間が振動周期の２倍である０.０９６[ｓ]の場合を示している。指令継続時間が振動周期の奇数倍である図５では振動が大きく励起している。すなわち、調整用位置指令信号Ｘ^*が値を持つ期間である指令継続時間を制御対象４に固有な振動周期の奇数倍とすることにより制御対象４に固有の振動を効率的に励起することが可能となる。

以上で説明したように、本発明の実施の形態１による電動機制御装置は、その自動調整モード時において、制御対象４の反共振特性から計算した振動周期の奇数倍が指令継続時間となる速度三角パターンの調整用位置指令信号Ｘ^*で電動機４ａを駆動させるため、反共振特性の影響で発生する制御対象４の振動を励起することになる。

そのため、制御対象４の反共振特性による振動をほとんど励起しないような位置指令信号で電動機４ａを駆動させたために、機械駆動システムの追従特性の正確な評価ができず、特異な条件で位置制御部２の制御パラメータを調整してしまうといったことを避けることができる。すなわち、制御対象４の固有の振動を励起する位置指令信号で電動機４ａを駆動させることで、機械駆動システムの追従特性を正確に評価でき、位置制御部２の制御パラメータを適正な値とする調整が行える。

なお、本実施の形態においては、加振信号生成部６はＭ系列波形の信号を生成しているとして説明したが、これに限定されず、様々な周波数成分を含んだ信号であれば掃引波形といった波形を生成するようにしても構わない。

また、本実施の形態においては、電動機４ａの位置を検出する検出器４ｃが出力する位置検出信号Ｘに基づいて、機械特性演算部５は制御対象４の機械特性（周波数特性）を演算していたが、機械系４ｂの位置に関する検出器や、電動機４ａの速度に関する検出器や、機械系４ｂの速度に関する検出器や、電動機４ａの加速度に関する検出器や、機械系４ｂの加速度に関する検出器などを備え、その検出器の出力、つまり制御対象４の位置または速度もしくは加速度の値に相当する動作検出信号に基づいて、制御対象４の機械特性（周波数特性）を演算してもよい。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による電動機制御装置について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２による電動機制御装置を適用した機械駆動システムを示すブロック図である。

図３に示すように、実施の形態２は、実施の形態１から加振信号生成部６、スイッチ１２を省略し、機械特性演算部５が振動特性推定部１１に置き換わった構成となっている。また位置制御部２の機能にも変更がある。その他、実施の形態１の図１と同じ符号のブロックは同等の機能を有するため、説明を省略する。

位置制御部２は、設定された制振周波数に対する制振制御の演算を行うフィードフォワード制御部２ａ(以降ではＦＦ制御部２ａとする)とフィードバック制御部２ｂ(以降ではＦＢ制御部２ｂとする)を備え、ＦＦ制御部２ａは位置指令に対して設定された制振周波数の信号成分を小さくするような演算を行ったフィードフォワード信号Ｘr^*(以降ではＦＦ信号Ｘr^*とする)をＦＢ制御部２ｂに出力する。ＦＢ制御部２ｂは、制御対象４の電動機４ａや機械系４ｂの位置が、位置指令信号に対して制振制御を行った上で追従するように、ＦＦ信号Ｘr^*と検出器４ｃが出力した位置検出信号Ｘに応じて比例や積分等の演算に基づいて計算した駆動力指令Ｆ^*を電力変換器３に出力する。

位置制御部２は、その制御パラメータによりＦＦ制御部２ａとＦＢ制御部２ｂの応答特性が変化し、位置指令信号に対する制御対象４の電動機４ａや機械系４ｂの位置の追従性が決まる。

振動特性推定部１１は、位置検出信号Ｘに生じている制御対象４の振動特性を最小二乗法などの同定手法を用いて推定する機能を有し、推定結果に基づいてＦＦ制御部２ａの制振周波数の設定を行う。制御対象４の振動特性は、位置の他に、速度または加速度に基づいて推定してもよい。また、振動周期設定部７は、推定した振動特性から求めた振動周期を記憶する。

次に、本発明の実施の形態２にかかる電動機制御装置の自動調整モード時の動作について説明する。図４は、実施の形態２にかかる電動機制御装置による自動調整モード時の動作を示すフローチャートである。このフローチャートに従い、図３の機械駆動システムの各部の動作を以下に説明する。

まず、追従特性調整部９に機械駆動システムの目標整定時間と位置決め時の許容整定幅・駆動力の最大値といった目標追従特性、また調整用指令決定部８に調整用位置指令信号Ｘ^*の最大加減速度、許容最高速度、許容移動範囲といった駆動条件をそれぞれ設定する(図４：ステップＳ１０１)。

次に、調整用指令生成部１は適当な調整用位置指令信号Ｘ^*を出力し、電動機４ａを駆動する(ステップＳ１０２)。

振動特性推定部１１は、位置検出信号Ｘを取得し(ステップＳ１０３)、振動特性の推定を行う(ステップＳ１０４)。

続いて、振動周期設定部７は、振動特性推定部１１が推定した振動特性から制御対象４に固有の振動周期を計算し記憶する。そして、調整用指令決定部８は、振動周期設定部７に記憶された振動周期の奇数倍を指令継続時間と設定する。この条件のもと調整用指令決定部８は、設定された最大加減速度、許容最高速度、許容移動範囲を超えない範囲で、最大の加減速度で加速と減速を行い、加速時間と減速時間が等しく、加速時間と減速時間の和が指令継続時間となる速度三角パターンとなる調整用位置指令信号Ｘ^*を決定し、調整用指令生成部１に設定する(ステップＳ１０５)。

続いて、振動特性の推定が収束しているか否かを確認する(ステップＳ１０６)。収束していない場合(ステップＳ１０６：Ｎｏ)は、調整用指令生成部１は調整用位置指令信号Ｘ^*を生成し、位置制御部２および電力変換器３を介して電動機４ａを駆動し(ステップＳ１０７)、ステップＳ１０３からのフローを繰り返す。収束している場合(ステップＳ１０６：Ｙｅｓ)は、所望の追従特性を得られるように位置制御部２の制御パラメータを調整するフロー(ステップＳ１０８以降)に進む。ステップＳ１０６の収束の判定は、例えば今回と前回の振動特性の推定結果の差について閾値判定する等といった方法で行えばよい。

ＦＦ制御部２ａの調整フローでは、まず推定した振動特性からＦＦ制御部２ａに制振周波数を設定する(ステップＳ１０８)。

続いて、調整用指令生成部１は、設定された調整用位置指令信号Ｘ^*を出力し、電動機４ａを駆動する(ステップＳ１０９)。

そして、追従特性調整部９は、調整用位置指令信号Ｘ^*で駆動したときの駆動力指令Ｆ^*と位置検出信号Ｘを取得する(ステップＳ１１０)。

追従特性調整部９は、取得した駆動力指令Ｆ^*と位置検出信号Ｘから、位置決め時の残留振動やオーバーシュートが整定幅内に収まっているか、駆動力が最大値以下に収まっているか、整定時間を満たしているか等の位置決め駆動時の特性を評価し、目標追従特性を満たしているか否かを判定する(ステップＳ１１１)。目標追従特性を満たしていれば(ステップＳ１１１：Ｙｅｓ)、自動調整モードを終了する。一方、駆動条件を満たしていない場合を含め目標追従特性を満たしていない場合(ステップＳ１１１：Ｎｏ)は、所望の追従特性となるように位置制御部２の制御パラメータを以下のような指針で自動的に調整する(ステップＳ１１２)。

１．残留振動やオーバーシュートが整定幅を超えたり、駆動力が最大値以上の場合は応答性を下げるように制御パラメータを調整する。
２．整定時間の目標を満たしていない場合は、残留振動やオーバーシュート、駆動力の制約を満たす限りにおいて応答性を上げるように制御パラメータを調整する。

ステップＳ１１２の後は、ステップＳ１０９に戻り、そこからのフローを繰り返す。

以上で説明したように、本発明の実施の形態２による電動機制御装置は、その自動調整モード時において、制御対象４の振動特性から計算した振動周期の奇数倍が指令継続時間となる速度三角パターンの調整用位置指令信号Ｘ^*で電動機４ａを駆動させるため、制御対象４で発生する固有の振動を励起することになる。

そのため、制御対象４で発生する固有の振動をほとんど励起しないような位置指令信号で電動機４ａを駆動させたために、機械駆動システムの追従特性の正確な評価ができず、特異な条件で位置制御部２の制御パラメータを調整してしまうといったことを避けることができる。すなわち、制御対象４の固有の振動を励起する位置指令信号で電動機４ａを駆動させることで、機械駆動システムの追従特性を正確に評価でき、位置制御部２の制御パラメータを適正な値とする調整が行える。

なお、本実施の形態においては、振動特性の推定が収束してから、位置制御部２の制御パラメータの調整を行なっているが、振動特性の推定と制御パラメータの調整を同時に行なうようにしても構わない。

また、本実施の形態においては、電動機４ａの位置を検出する検出器４ｃが出力する位置検出信号Ｘに基づいて、振動特性推定部１１は制御対象４の機械特性（周波数特性）を演算していたが、機械系４ｂの位置に関する検出器や、電動機４ａの速度に関する検出器や、機械系４ｂの速度に関する検出器や、電動機４ａの加速度に関する検出器や、機械系４ｂの加速度に関する検出器などを備え、その検出器の出力、つまり制御対象４の位置または速度もしくは加速度の値に相当する動作検出信号に基づいて、制御対象４の機械特性（周波数特性）を演算してもよい。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかる電動機制御装置は、制御対象を駆動する電動機制御装置に有用であり、特に、初期立上時において調整を行うことが必要とされる制御対象を駆動する電動機制御装置に適している。

１ 調整用指令生成部
２ 位置制御部
２ａ ＦＦ制御部
２ｂ ＦＢ制御部
３ 電力変換器
４ 制御対象
４ａ 電動機
４ｂ 機械系
４ｃ 検出器
５ 機械特性演算部
６ 加振信号生成部
７ 振動周期設定部
８ 調整用指令決定部
９ 追従特性調整部
１１ 振動特性推定部
１２ スイッチ
Ｓ００１〜Ｓ１１２ ステップ

Claims (5)

1. 時間とともに変化する位置指令信号に対して、設定した制御パラメータに応じた追従特性で電動機または電動機に連結された機械系の位置検出信号が追従するように、当該電動機への駆動力指令を生成する位置制御部と、
   前記制御パラメータの調整を行う調整モードにおいて調整用位置指令信号を生成する調整用指令生成部と、
   前記調整モードにおいて、前記調整用位置指令信号に対して前記電動機を駆動したときの前記調整用位置指令信号に対する当該位置検出信号の誤差が設定された許容整定幅以下であることと、前記駆動力指令が設定された最大値以下であることを満たし、且つ前記誤差が前記許容整定幅以下となる整定時間が設定された目標整定時間以下になるように前記制御パラメータを変更する追従特性調整部と、
   前記電動機及び前記機械系で構成される制御対象に固有の振動周期を求める振動周期設定部と、
   前記調整用位置指令信号の指令継続時間が前記振動周期の奇数倍となるよう決定する調整用指令決定部と、
   を備えることを特徴とする電動機制御装置。
2. 調整用指令決定部は、前記指令継続時間が、前記調整用位置指令信号による加速時間と、前記加速時間と時間が等しい前記調整用位置指令信号による減速時間とからなるように前記調整用指令生成部に設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 周波数特性同定用の加振信号を生成する加振信号生成部と、
   前記加振信号で前記電動機を駆動した時の前記電動機または前記機械系の位置または速度と前記加振信号とに基づいて、前記制御対象の周波数特性を求める機械特性演算部と、 をさらに備え、
   前記振動周期設定部は、前記周波数特性の反共振特性から前記振動周期を求める
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
4. 前記加振信号は、Ｍ系列波形の信号である
   ことを特徴とする請求項３に記載の電動機制御装置。
5. 前記電動機または前記機械系の位置、速度または加速度に基づいて、前記制御対象の振動特性を逐次的に推定する振動特性推定部と、
   をさらに備え、
   前記振動周期設定部は、推定された前記振動特性から前記振動周期を逐次求め、
   前記調整用指令決定部は、逐次求められた前記振動周期に基づいて、前記指令継続時間を逐次決定し、
   前記調整用指令生成部は、逐次決定された前記指令継続時間に基づいて、前記調整用位置指令信号を生成する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。

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