JP6104466B2 - モータ制御定数計算装置 - Google Patents

Description

本発明は、所望の応答特性を得るために、モータ制御装置に設定する適切なモータ制御定数を計算するモータ制御定数計算装置に関するものである。

モータ速度制御において、速度応答性および負荷変動に伴う速度変動を抑制するロバスト性を向上させるためには、制御ゲインを大きくする必要がある。しかしながら、エンコーダまたはレゾルバから得られるモータ速度信号にはノイズが含まれるので、制御ゲインを大きくするとノイズが増幅されてしまい、モータ速度の安定性が低下する。したがって、制御ゲインを大きくするだけでは、達成可能な制御性能には限界がある。

このような事態を回避するため、一般的には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を挿入することでモータ速度信号のノイズを低減する手段がとられる。しかしながら、ＬＰＦのカットオフ周波数を低くすることでノイズ低減効果を高めるほど、モータ速度信号の位相が遅れて速度応答性が劣化する。

以上から、制御性能を向上させるためには、制御ゲインと、ＬＰＦのカットオフ周波数とのトレードオフを考慮し、モータ制御装置に設定するのに適切なモータ制御定数を決定しなければならない。

ここで、従来では、このようなトレードオフに起因して、モータ制御定数を試行錯誤して決定することにならないように、所望の応答速度を規定するパラメータを１つ与えるだけで、モータ制御定数を自動的に計算して決定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、特許文献１に記載の従来技術では、所望の応答速度を規定するパラメータとして目標応答周波数ω_fを与えれば、モータ制御定数を自動的に決定する。なお、当該従来技術が対象としているモータ制御定数は、モータ制御装置の位置制御部内の位置ループゲインと、速度制御部内の速度ループゲインおよび速度積分時定数と、トルクフィルタ部内のフィルタ定数と、電流制御部内の電流ループゲインおよび電流積分時定数と、速度信号作成部（すなわち、ＬＰＦ）内のフィルタ時定数である。

また、特許文献１では、速度制御ループが速度ループゲインおよびモータ負荷慣性のみで表される２次系として考え、目標速度（速度指令）からモータ速度（実速度）までに至る範囲の伝達関数の特性方程式が重根になるように、速度ループゲインを決定している。さらに、フィルタ時定数を決定するための計算式は、制御系の安定条件および繰り返し行った実験に基づいて試行錯誤して規定されている。

特許第３５６１９１１号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
特許文献１に記載の従来技術では、モータ速度信号のノイズを低減するＬＰＦを無視して、速度ループゲインを決定する。したがって、決定した速度ループゲインを用いて、最終的にＬＰＦを挿入してモータを制御した場合には、実際上、決定時に与えた目標応答周波数ω_fよりも速度応答性が劣化する。すなわち、決定した速度ループゲインは、必ずしも適切なモータ制御定数とはいえないという問題がある。

また、特許文献１に記載の従来技術では、フィルタ時定数を決定するための計算式は、試行錯誤して規定される。この結果、ユーザ（作業者）の能力差によって、最適なモータ制御定数にばらつきが生じたり、適切なフィルタ時定数を決定するのに要する工数が増大したりするという問題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ユーザの能力差によって、ばらつきを生じさせるたり工数を増大させたりすることなく、所望の応答特性を得るための適切なモータ制御定数を自動的に計算して決定することのできるモータ制御定数計算装置を得ることを目的とする。

本発明におけるモータ制御定数計算装置は、モータに対する速度指令として、目標速度を発生させる目標速度指令発生部と、目標速度指令発生部から入力された目標速度の信号波形をフィルタリング処理する第１ＬＰＦと、モータから検出されるモータ速度の信号波形のノイズを低減する第２ＬＰＦと、第１ＬＰＦを通過した目標速度と第２ＬＰＦを通過したモータ速度との偏差を計算する速度偏差計算部と、偏差に基づいてモータが発生する目標トルクを計算するモータ目標トルク計算部と、目標トルクに基づいてモータに印加する電圧を計算してモータに出力するモータ印加電圧計算部と、を備えたモータ制御装置に対して、モータが所望の応答特性を得るためのモータ制御定数を計算するモータ制御定数計算装置であって、所望の応答特性となるように応答速度を規定する目標応答時定数を入力して設定するための目標応答時定数入力部と、所望の応答特性となるように応答波形を規定する波形パラメータを入力して設定するための波形パラメータ入力部と、モータのモータ負荷慣性を入力して設定するためのモータ負荷慣性入力部と、波形パラメータ入力部から取得した波形パラメータに基づいて、正規化時定数を計算する正規化時定数計算部と、目標応答時定数入力部から取得した目標応答時定数と、波形パラメータ入力部から取得した波形パラメータと、正規化時定数計算部から取得した正規化時定数と、モータ負荷慣性入力部から取得したモータ負荷慣性とに基づいて、第１ＬＰＦ、第２ＬＰＦおよびモータ目標トルク計算部に対して設定するためのモータ制御定数として、フィルタ時定数、比例ゲインおよび積分ゲインを計算するモータ制御定数計算部と、を備えたものである。

本発明によれば、目標応答時定数入力部から取得した目標応答時定数と、波形パラメータ入力部から取得した波形パラメータと、正規化時定数計算部から取得した正規化時定数と、モータ負荷慣性入力部から取得したモータ負荷慣性とに基づいて、モータ制御装置に設定するモータ制御定数が自動的に計算される構成を備えている。これにより、ユーザの能力差によって、ばらつきを生じさせたり工数を増大させたりすることなく、所望の応答特性を得るための適切なモータ制御定数を自動的に計算して決定することのできるモータ制御定数計算装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置を含むモータ制御システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２におけるモータ制御定数計算装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３におけるモータ制御定数計算装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４におけるモータ制御定数計算装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４におけるモータ制御定数計算装置の正規化波形表示部によって表示される応答波形の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態５におけるモータ制御定数計算装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６におけるモータ制御定数計算装置を含むモータ制御システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明によるモータ制御定数計算装置を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００を含むモータ制御システムの全体構成を示すブロック図である。

図１において、モータ制御システムは、モータ１０と、モータ１０に接続されるとともにモータ１０からモータ速度信号を取得する検出器２０と、モータ１０の駆動を制御するモータ制御装置１００と、モータ制御装置１００に設定するための最適なモータ制御定数を計算するモータ制御定数計算装置２００とを備える。

モータ制御装置１００は、目標速度指令発生部１０１、第１ＬＰＦ１０２、速度偏差計算部１０３、モータ目標トルク計算部１０４、モータ印加電圧計算部１０５、第２ＬＰＦ１０６、モータ制御定数格納部１０７および第１通信Ｉ／Ｆ１０８を有する。

目標速度指令発生部１０１は、モータ１０に対する速度指令として、目標速度ω_refを発生させ、第１ＬＰＦ１０２を介して、速度偏差計算部１０３に出力する。したがって、速度偏差計算部１０３には、第１ＬＰＦ１０２を通過することで信号波形がフィルタ時定数にフィルタリング処理され、目標速度ω_refが入力されることとなる。なお、以降では、第１ＬＰＦ１０２を通過した目標速度ω_refを、特に目標速度ω_ref’と表記することとする。

ここで、第１ＬＰＦ１０２の伝達関数Ｆ_ref（ｓ）は、比例ゲインＫ_vp、積分ゲインＫ_viおよび第１ＬＰＦ１０２の時定数（フィルタ時定数）τ_LPFを用いて、例えば、下式（Ａ）のように表されるとする。

検出器２０は、モータ１０の位置を検出するとともに、検出結果に基づいてモータ１０のモータ速度ω（実速度）をモータ速度信号として出力する。また、検出器２０から出力されたモータ速度ωは、第２ＬＰＦ１０６を介して、速度偏差計算部１０３に入力される。したがって、速度偏差計算部１０３には、第２ＬＰＦを通過することで信号波形のノイズが除去されたモータ速度ωが入力されることとなる。なお、以降では、第２ＬＰＦ１０６を通過したモータ速度ωを、特にモータ速度ω’と表記することとする。このように、検出器２０が出力するモータ速度ωは、第２ＬＰＦ１０６に入力され、モータ速度ω’の形で、速度偏差計算部１０３にフィードバックされることとなる。

ここで、第２ＬＰＦ１０６の伝達関数Ｆ_LPF（ｓ）は、第２ＬＰＦ１０６の時定数（フィルタ時定数）τ_LPFを用いて、例えば、下式（Ｂ）のように表されるとする。

速度偏差計算部１０３は、入力された目標速度ω_ref’と、モータ速度ω’との偏差、すなわち、速度偏差ｅ_ω（＝ω_ref’−ω’）を計算し、モータ目標トルク計算部１０４に出力する。

モータ目標トルク計算部１０４は、入力された速度偏差ｅ_ωを用いて、モータ１０の目標トルクＴ_refを計算する。また、モータ目標トルク計算部１０４は、計算した目標トルクＴ_refをモータ印加電圧計算部１０５に出力する。

ここで、モータ目標トルク計算部１０４の伝達関数Ｃ_FB（ｓ）は、比例ゲインＫ_vpおよび積分ゲインＫ_viを用いて、例えば、下式（Ｃ）のように表されるとする。

モータ印加電圧計算部１０５は、入力された目標トルクＴ_refにモータ１０が発生するトルクＴが追従するように、モータ１０に対して印加すべき電圧を計算し、モータ１０に出力する。

モータ制御定数格納部１０７には、所望の応答特性を得るためにモータ制御定数計算装置２００が自動的に計算した適切なモータ制御定数として、比例ゲインＫ_vp、積分ゲインＫ_viおよびフィルタ時定数τ_LPFが格納される。

第１ＬＰＦ１０２、モータ目標トルク計算部１０４および第２ＬＰＦ１０６は、モータ制御定数格納部１０７に格納されているモータ制御定数を取得する。このように、モータ制御定数計算装置２００が自動的に計算した適切なモータ制御定数が、第１ＬＰＦ１０２、モータ目標トルク計算部１０４および第２ＬＰＦ１０６に設定されることとなる。

モータ制御定数計算装置２００は、目標応答時定数入力部２０１、モータ制御定数計算部２０２、波形パラメータ入力部２０３、正規化時定数計算部２０４、モータ制御定数表示部２０５、モータ負荷慣性入力部２０６および第２通信Ｉ／Ｆ２０７を有する。また、モータ制御定数計算部２０２は、フィルタ時定数計算部２０２ａおよび速度制御定数計算部２０２ｂを含む。

目標応答時定数入力部２０１は、モータ１０が所望の応答特性となるように、応答速度を規定する目標応答時定数τ_dを入力して設定するためのものである。また、波形パラメータ入力部２０３は、モータ１０が所望の応答特性となるように、応答波形を規定する波形パラメータγ₁，γ₂を入力して設定するためのものである。

さらに、モータ負荷慣性入力部２０６は、モータ１０の負荷特性に応じたモータ負荷慣性Ｊを入力して設定するためのものである。このように目標応答時定数入力部２０１、波形パラメータ入力部２０３およびモータ負荷慣性入力部２０６を備えて構成することで、ユーザは、所望の目標応答時定数τ_d、波形パラメータγ₁，γ₂、およびモータ負荷慣性Ｊを、モータ制御定数計算部２０２に自由自在に設定することができる。

正規化時定数計算部２０４は、波形パラメータ入力部２０３から取得した波形パラメータγ₁，γ₂に基づいて、正規化時定数τ_sを計算し、モータ制御定数計算部２０２に出力する。ここで、正規化時定数τ_sの計算方法を述べる。モータ制御装置１００において、目標速度ω_refからモータ速度ωに至るまでの伝達関数Ｇ（ｓ）は下式となる。

さらに、波形パラメータγ₁，γ₂およびτ_eを下式で定義する。

これらを用いることで、伝達関数Ｇ（ｓ）は下式に書き換えることができる。

したがって、τ_eｓを新たな変数とみなして伝達関数Ｇ（ｓ）をＧ（τ_eｓ）として考えることができる。伝達関数Ｇ（τ_eｓ）の応答波形は分母多項式の係数により決定され、これは波形パラメータγ₁，γ₂の値により一意に定まる。また、応答波形の時間方向の尺度は変数τ_eｓに依存することから、応答速度はτ_eにより決定される。以上に基づき、変数τ_eｓをｓ’に置き換えて時間軸をτ_eで正規化した伝達関数をＧ_n（ｓ’）とし、そのステップ応答の時定数を計算したものを正規化時定数τ_sとする。なお、正規化時定数τ_sは、波形パラメータγ₁，γ₂の組み合わせに対して１対１で対応する。

伝達関数Ｇ_n（ｓ’）は、波形パラメータγ₁，γ₂を用いて、下式（Ｄ）のように表される。

モータ制御定数計算部２０２は、モータ制御装置１００に設定するためのモータ制御定数として、比例ゲインＫ_vp、積分ゲインＫ_viおよびフィルタ時定数τ_LPFを計算し、モータ制御装置１００に出力する。なお、本実施の形態１では、例示した上式（Ａ）〜（Ｃ）で表された各伝達関数から分かるように、第１ＬＰＦ１０２に設定するための比例ゲインＫ_vp、積分ゲインＫ_viおよびフィルタ時定数τ_LPFと、第２ＬＰＦ１０６に設定するための時定数τ_LPFと、モータ目標トルク計算部１０４に設定するための比例ゲインＫ_vpおよび積分ゲインＫ_viとを計算する場合を例示している。

フィルタ時定数計算部２０２ａは、目標応答時定数入力部２０１から取得した目標応答時定数τ_dと、波形パラメータ入力部２０３から取得した波形パラメータγ₁，γ₂と、正規化時定数計算部２０４から取得した正規化時定数τ_sとに基づいて、下式（Ｅ）を満たすように、フィルタ時定数τ_LPFを計算する。

ここで、上式（Ｅ）の導出方法を述べる。正規化時定数τ_sに対して、実時間の応答を表す伝達関数Ｇ（ｓ）の時定数はτ_eτ_sとなる。したがって、目標応答時定数τ_dを達成するためにフィルタ時定数τ_LPFに課される条件は下式となる。

上式を式変形することで、上式（Ｅ）が得られる。

また、フィルタ時定数計算部２０２ａは、計算したフィルタ時定数τ_LPFに基づいて、下式（Ｆ）にしたがって、カットオフ周波数ｆ_LPFもモータ制御定数として併せて計算する。

速度制御定数計算部２０２ｂは、波形パラメータ入力部２０３から取得した波形パラメータγ₁，γ₂と、モータ負荷慣性入力部２０６から取得したモータ負荷慣性Ｊと、フィルタ時定数計算部２０２ａから取得したフィルタ時定数τ_LPFとに基づいて、下式（Ｇ）、（Ｈ）にしたがって、比例ゲインＫ_vpおよび積分ゲインＫ_viを計算する。

このように、モータ制御定数計算部２０２が計算した比例ゲインＫ_vp、積分ゲインＫ_viおよびフィルタ時定数τ_LPFは、第２通信Ｉ／Ｆ２０７および第１通信Ｉ／Ｆ１０８を介して、モータ制御定数格納部１０７に入力される。これにより、モータ制御定数計算部２０２が自動的に計算したこれらのモータ制御定数は、モータ制御定数格納部１０７によって、第１ＬＰＦ１０２、モータ目標トルク計算部１０４および第２ＬＰＦ１０６に設定されることとなる。

モータ制御定数表示部２０５は、モータ制御定数計算部２０２が計算したモータ制御定数を表示する。これにより、ユーザは、モータ制御定数計算部２０２が計算したモータ制御定数の具体的な数値を、直ちに目視で確認することができる。

以上、本実施の形態１によれば、目標応答時定数入力部から取得した目標応答時定数と、波形パラメータ入力部から取得した波形パラメータと、正規化時定数計算部から取得した正規化時定数と、モータ負荷慣性入力部から取得したモータ負荷慣性とに基づいて、モータ制御装置に設定するモータ制御定数が自動的に計算される構成を備えている。

加えて、伝達関数Ｇ（ｓ）の安定性は、理論的には、γ₁≧１．５、γ₂≧１．５とすることで保証される。振動およびオーバーシュートの観点からは、経験則として、γ₁＝２．５、γ₂＝２とすることで、良好な応答波形が得られる。一般的に、応答速度と異なり応答波形は、モータ速度制御の目的に依らず所望の形状はある程度限定されることから、ユーザは波形パラメータ入力部２０３にデフォルト値として、γ₁＝２．５、γ₂＝２付近を予め設定しておくことが好適である。さらに、モータ負荷慣性Ｊが固定であれば、モータ負荷慣性入力部２０６にデフォルト値として、この固定されたモータ負荷慣性Ｊを予め設定しておくことが好適である。本発明によれば、応答速度は目標応答時定数τ_dにより、応答波形は波形パラメータγ₁，γ₂により独立に調整できることから、波形パラメータγ₁，γ₂、モータ負荷慣性Ｊのデフォルト値を設定しておけば、ユーザは目標応答時定数τ_dだけを与えるだけで、所望の応答特性を実現するモータ制御定数が得られる。

これにより、ユーザの能力差によって、ばらつきを生じさせたり、工数を増大させたりすることなく、所望の応答特性を得るための適切なモータ制御定数を自動的に計算して決定することができる。また、熟練者でなくとも、誰でも容易に、試行錯誤することなく、モータ制御装置に対して適切なモータ制御定数を設定することができる。この結果、ユーザの能力差によって生じる制御性能のばらつきを防ぐことができるとともに、設定作業に要する開発工数を大幅に削減することができる。

なお、上式（Ｅ）の等号が成立するように計算されたフィルタ時定数τ_LPFに基づいて、上式（Ｆ）にしたがってカットオフ周波数ｆ_LPFが計算された場合（すなわち、ｆ_LPF＝τ_sγ₁γ₂／２πτ_dの場合）には、以下のような効果が得られる。

すなわち、第２ＬＰＦ１０６のカットオフ周波数ｆ_LPFは、モータ１０の応答特性が目標応答時定数τ_dを達成できる範囲内では、理論的に最小となる。したがって、所望の応答特性を達成しつつ、可能な限りノイズを低減することのできるモータ速度制御系が得られる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２におけるモータ制御定数計算装置２００は、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００の構成（図１）と比べて以下の点が異なる。すなわち、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００と同様の構成に加えて、ランプ応答仕様入力部２０８をさらに有する。そこで、このような相違点を中心に、以下に説明する。

図２は、本発明の実施の形態２におけるモータ制御定数計算装置２００の構成を示すブロック図である。

ランプ応答仕様入力部２０８は、モータ１０が所望のランプ応答特性となるように、ランプ応答仕様として、ランプ応答の目標加速度ａ_refと、ランプ応答の目標加速度に対する定常偏差の絶対値ｅ_ssの許容値ｅ_rampを入力して設定するためのものである。このように、ランプ応答仕様入力部２０８をさらに備えて構成することで、ユーザは、所望の目標応答時定数τ_d、波形パラメータγ₁，γ₂、およびモータ負荷慣性Ｊに加えて、さらに所望のランプ応答仕様を、モータ制御定数計算部２０２に自由自在に設定することができる。そして、ランプ応答仕様をさらに加味した上で、所望の応答特性を得るための適切なモータ制御定数を自動的に計算して決定することができる。

すなわち、フィルタ時定数計算部２０２ａは、目標応答時定数入力部２０１から取得した目標応答時定数τ_dと、波形パラメータ入力部２０３から取得した波形パラメータγ₁，γ₂と、正規化時定数計算部２０４から取得した正規化時定数τ_sと、ランプ応答仕様入力部２０８から取得した目標加速度ａ_refおよび許容値ｅ_rampとに基づいて、下式（Ｉ）を満たすように、フィルタ時定数τ_LPFを計算する。

なお、上式（Ｉ）の右辺について補足説明すると、ｍｉｎ（τ_d／τ_sγ₁γ₂，ｅ_ramp／｜ａ_ref｜γ₁γ₂）という表記は、τ_d／τ_sγ₁γ₂およびｅ_ramp／｜ａ_ref｜γ₁γ₂のそれぞれの値を比較し、小さい方の値をとることを意味している。

なお、上式（Ｉ）の導出方法は次のようなものである。目標速度ω_refからモータ速度ωに至るまでの伝達関数Ｇ（ｓ）において、目標加速度をａ_refとした場合のランプ応答の定常偏差の絶対値ｅ_ssは下式となる。

上式から、ランプ応答の定常偏差の絶対値ｅ_ssを許容値ｅ_ramp以下に抑えるためにフィルタ時定数τ_LPFに課される条件が得られ、さらに目標応答時定数τ_dに関する条件式（Ｅ）と組み合わせることで、上式（Ｉ）が得られる。

フィルタ時定数計算部２０２ａは、このように計算したフィルタ時定数τ_LPFに基づいて、上式（Ｆ）にしたがって、カットオフ周波数ｆ_LPFを計算する。

また、速度制御定数計算部２０２ｂは、このように計算したフィルタ時定数τ_LPFに基づいて、上式（Ｇ）、（Ｈ）にしたがって、比例ゲインＫ_vpおよび積分ゲインＫ_viを計算する。このように、本実施の形態２では、目標応答速度とランプ応答仕様の両方を加味して適切なモータ制御定数を計算することができる。

以上、本実施の形態２によれば、先の実施の形態１に対して、モータが所望のランプ応答特性となるようにランプ応答仕様として、ランプ応答の目標加速度と、目標加速度に対する定常偏差の許容値とを入力して設定するためのランプ応答仕様入力部をさらに備え、ランプ応答仕様入力部から取得したランプ応答仕様に基づいて、モータ制御定数を計算する構成を備えている。

これにより、目標応答速度とランプ応答仕様両方を加味して計算された適切なモータ制御定数をモータ制御装置に設定することができる。

なお、上式（Ｉ）の等号が成立するように計算されたフィルタ時定数τ_LPFに基づいて、上式（Ｆ）にしたがってカットオフ周波数ｆ_LPFが計算された場合には、以下のような効果が得られる。

すなわち、第２ＬＰＦ１０６のカットオフ周波数ｆ_LPFは、モータ１０の応答特性が目標応答時定数τ_dを考慮するとともにランプ応答の目標加速度に対する定常偏差の絶対値ｅ_ssの許容値ｅ_rampを考慮した範囲内では、理論的に最小である。したがって、所望の応答特性として所望の速度応答性およびランプ応答仕様を考慮しつつ、可能な限りノイズを低減することのできるモータ速度制御系が得られる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３におけるモータ制御定数計算装置２００は、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００の構成（図１）と比べて以下の点が異なる。すなわち、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００と比べて、目標応答時定数入力部２０１の代わりにフィルタ時定数入力部２０９を有し、フィルタ時定数計算部２０２ａの代わりに目標応答時定数計算部２０２ｃを有する。そこで、このような相違点を中心に、以下に説明する。

図３は、本発明の実施の形態３におけるモータ制御定数計算装置２００の構成を示すブロック図である。また、先の実施の形態２のようにランプ応答仕様を設定しないことを前提として、目標応答時定数τ_dと、フィルタ時定数τ_LPFとは、上式（Ｅ）から分かるように、１対１の関係がある。したがって、モータ制御定数計算装置２００を図３に示すような構成にすることができる。

フィルタ時定数入力部２０９は、モータ１０が所望の応答特性となるように、フィルタ時定数τ_LPFを入力して設定するためのものである。このように、目標応答時定数入力部２０１の代わりにフィルタ時定数入力部２０９を備えて構成することで、ユーザは、所望のフィルタ時定数τ_LPFを、モータ制御定数計算部２０２に自由自在に設定することができる。

目標応答時定数計算部２０２ｃは、フィルタ時定数入力部２０９から取得したフィルタ時定数τ_LPFと、波形パラメータ入力部２０３から取得した波形パラメータγ₁，γ₂と、正規化時定数計算部２０４から取得した時定数τ_sとに基づいて、下式（Ｊ）を満たすように、目標応答時定数τ_dを計算する。

また、速度制御定数計算部２０２ｂは、フィルタ時定数入力部２０９から取得したフィルタ時定数τ_LPFに基づいて、上式（Ｇ）、（Ｈ）にしたがって、比例ゲインＫ_vpおよび積分ゲインＫ_viを計算する。

以上、本実施の形態３によれば、先の実施の形態１に対して、フィルタ時定数入力部から取得したフィルタ時定数と、波形パラメータ入力部から取得した波形パラメータと、正規化時定数計算部から取得した正規化時定数と、モータ負荷慣性入力部から取得したモータ負荷慣性とに基づいて、モータ制御装置に設定するモータ制御定数が自動的に計算される構成を備えている。

これにより、ノイズ低減を優先的に考慮してフィルタ時定数τ_LPFを入力して設定することができ、先の実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、上式（Ｊ）の等号が成立するようにτ_dが計算された場合（すなわち、τ_d＝τ_LPFτ_sγ₁γ₂の場合）には、以下のような効果が得られる。

すなわち、目標応答時定数τ_dは、フィルタ時定数入力部２０９から取得したフィルタ時定数τ_LPFを第２ＬＰＦ１０６の時定数として設定した場合に達成可能な範囲内で、理論的に最小となる。したがって、応答速度よりもノイズ低減を優先してモータ制御定数を設定したい場合には、本実施の形態３が有効である。

例えば、車両の推進装置としてモータを使用する場合、一般的にモータ回転角度の検出器としてレゾルバが用いられる。しかし、レゾルバの取り付け誤差または電気回路の特性に起因して、モータ回転角度に同期した脈動（レゾルバ脈動）がレゾルバ出力に重畳する問題がある。また、レゾルバ脈動は、モータ回転角度に同期した周波数で発生する。そこで、この周波数を考慮して、フィルタ時定数入力部２０９にフィルタ時定数τ_LPFを入力して設定することで、脈動の影響を優先的に低減した上で、達成可能な最速の速度応答性を有するモータ速度制御系が得られる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４におけるモータ制御定数計算装置２００は、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００の構成（図１）と比べて以下の点が異なる。すなわち、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００と同様の構成に加えて、正規化波形表示部２１０をさらに有する。そこで、このような相違点を中心に、以下に説明する。

図４は、本発明の実施の形態４におけるモータ制御定数計算装置２００の構成を示すブロック図である。

本発明によれば、応答速度は目標応答時定数τ_dにより、応答波形は波形パラメータγ₁，γ₂により独立に調整できる。

したがって、波形パラメータ入力部２０３に入力して設定する波形パラメータγ₁，γ₂を変化させることで、目標応答速度を満たしたまま、ステップ応答における振動の程度およびオーバーシュートの程度を独立に設定することができる。

正規化波形表示部２１０は、波形パラメータ入力部２０３から取得した波形パラメータγ₁，γ₂に基づいて、目標速度ω_refからモータ速度ωに至るまでの伝達関数Ｇ（ｓ）の時間軸をτ_eで正規化したＧ_n（ｓ’）に対する応答波形を表示する。

したがって、ユーザは、波形パラメータ入力部２０３に入力して設定する波形パラメータγ₁，γ₂を変化させながら、正規化波形表示部２１０の表示を確認することで、望ましい応答波形を実現する波形パラメータγ₁，γ₂を視覚的に選択することができる。また、このように波形パラメータγ₁，γ₂を視覚的に選択することができるので、所望の応答特性（目標応答速度、ランプ応答仕様）を満たしたまま、振動およびオーバーシュートの程度を容易に調整することができる。

ここで、正規化波形表示部２１０によって表示される応答波形の一例について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態４におけるモータ制御定数計算装置２００の正規化波形表示部２１０によって表示される応答波形の一例を示す説明図である。なお、図５では、伝達関数Ｇ_n（ｓ’）に対する応答波形の具体例として、この伝達関数に対するステップ応答の応答波形を例示している。

なお、図５（ａ）においては、ユーザが波形パラメータ入力部２０３に対して、波形パラメータγ₂をγ₂＝２に固定した状態で、波形パラメータγ₁を変化させながら入力した場合に表示されるそれぞれの応答波形を示している。また、図５（ｂ）においては、図５（ａ）の応答波形における目標値付近を拡大したものである。

以上、本実施の形態４によれば、先の実施の形態１〜３に対して、波形パラメータ入力部から取得した波形パラメータに基づいて、伝達関数Ｇ_n（ｓ’）に対する応答波形を表示する正規化波形表示部をさらに備えて構成されている。

これにより、正規化波形表示部の表示を確認しながら視覚的に波形パラメータを選定することできるとともに、実時間の応答速度とは無関係に、速度制御時の振動およびオーバーシュートの程度を容易に調整することができる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５におけるモータ制御定数計算装置２００は、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００の構成（図１）と比べて以下の点が異なる。すなわち、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００と同様の構成に加えて、応答波形表示部２１１および数値解析条件入力部２１２をさらに有する。そこで、このような相違点を中心に、以下に説明する。

図６は、本発明の実施の形態５におけるモータ制御定数計算装置２００の構成を示すブロック図である。

応答波形表示部２１１は、モータ制御定数計算部２０２が計算したモータ制御定数と、モータ負荷慣性入力部２０６から取得したモータ負荷慣性Ｊとを用いて、数値解析条件入力部２１２に入力された数値解析条件の下で数値解析を実行し、シミュレーション結果として、モータ１０の応答波形を表示する。

数値解析条件入力部２１２は、解析条件を入力して設定するためのものである。このように、数値解析条件入力部２１２を備えて構成することで、ユーザは、所望の数値解析条件を、応答波形表示部２１１に自由自在に設定することができる。

なお、数値解析条件として、例えば、ステップ応答の初期速度および目標速度と、ランプ応答の初期速度、目標速度および目標加速度と、定速応答の目標速度と、モータ速度信号に重畳させるノイズの振幅、位相および周波数とが入力される。

このように、応答波形表示部２１１によって数値解析が実行されることで得られるシミュレーション結果が表示される。これにより、ユーザは、モータ制御定数計算部２０２が計算したモータ制御定数がモータ制御装置１００に設定された場合に、所望の制御性能を達成できるかを、数値解析により直ちに確認することができる。

ここで、例えば次のような形で応答波形表示部２１１を活用することができる。すなわち、車両の推進装置としてモータを使用する場合、一般的にモータ回転角度の検出器としてレゾルバが用いられる。

しかし、レゾルバの取り付け誤差または電気回路の特性に起因して、モータ回転角度に同期した脈動がレゾルバ出力に重畳する問題がある。また、レゾルバ出力信号は、微分により速度信号に変換して速度制御に用いられるが、速度信号に重畳した脈動の影響により、モータへのトルク指令が振動的になる。その結果として、モータ速度が変動する問題が発生し、その大きさは、モータ制御装置１００に設定するモータ制御定数に依存する。

そこで、数値解析条件入力部２１２にノイズとして、レゾルバ脈動の振幅、位相および周波数を入力し、応答波形表示部２１１の表示によって制御性能を確認することで、モータ１０を実環境に近い条件で直ちに事前検証することができるので、開発工数を削減することができる。

以上、本実施の形態５によれば、先の実施の形態１〜４に対して、数値解析条件を入力して設定するための数値解析条件入力部と、モータ制御定数計算部が計算したモータ制御定数と、モータ負荷慣性部から取得したモータ負荷慣性とを用いて、数値解析条件部から取得した数値解析条件の下で数値解析を実行し、モータの応答波形を表示する応答波形表示部と、をさらに備えて構成されている。

これにより、数値解析条件入力部に入力して設定した数値解析条件下でモータが所望の制御性能を達成することができるか否かを、直ちに視覚的に検証することができる。この結果、開発工数を削減することができる。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６におけるモータ制御定数計算装置２００は、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００の構成（図１）と比べて以下の点が異なる。すなわち、先の実施の形態１におけるモータ制御定数計算装置２００と同様の構成に加えて、モータ負荷慣性計算部２１３をさらに有する。そこで、このような相違点を中心に、以下に説明する。

図７は、本発明の実施の形態６におけるモータ制御定数計算装置２００を含むモータ制御システムの構成を示すブロック図である。

本実施の形態６では、検出器２０は、モータ１０から取得したモータ速度ωを第１通信Ｉ／Ｆ１０８を介して、モータ負荷慣性計算部２１３に出力する。また、モータ目標トルク計算部１０４は、計算した目標トルクＴ_refを第１通信Ｉ／Ｆ１０８を介して、モータ負荷慣性計算部２１３に出力する。

モータ負荷慣性計算部２１３は、第２通信Ｉ／Ｆ２０７を介して取得したモータ速度ωおよび目標トルクＴ_refに基づいて、モータ負荷慣性Ｊを計算し、モータ負荷慣性入力部２０６に出力する。なお、モータ負荷慣性計算部２１３によるモータ負荷慣性Ｊの計算方法としては、様々な方法が考えられるが、例えば、モータ速度ωを数値的に微分することで得られる角加速度をａとすると、モータ負荷慣性Ｊは、下式（Ｋ）にしたがって計算される。なお、以降では、モータ負荷慣性計算部２１３が計算したモータ負荷慣性Ｊを特に、モータ負荷慣性Ｊ’と表記する。

モータ負荷慣性入力部２０６は、モータ負荷慣性計算部２１３から入力されたモータ負荷慣性Ｊ’が新たに設定され、このモータ負荷慣性Ｊ’をモータ制御定数計算部２０２に出力する。このように、モータ負荷慣性入力部２０６には、これまでに入力して設定されたモータ負荷慣性Ｊが逐次更新され、モータ負荷計算部２１３が計算したモータ負荷慣性Ｊ’が新たに設定され、更新後のモータ負荷慣性Ｊ’がモータ制御定数計算部２０２に出力される。

また、モータ制御定数計算部２０２は、モータ負荷慣性入力部２０６が更新したモータ負荷慣性Ｊ’を用いて、モータ制御定数を計算する。したがって、モータ１０の負荷変動が発生した場合であっても、モータ制御定数計算部２０２は、このような負荷変動に対応したモータ制御定数を計算することができる。

ここで、モータ１０の負荷変動が発生する要因の具体例として、例えば、車両の推進装置としてモータを用いる場合、乗員または荷物による車重の変化、路面摩擦の変化、あるいは登坂時の斜面下方向の重力の影響などがある。しかしながら、本実施の形態６の構成によれば、モータ制御定数計算部２０２が負荷変動に対応したモータ制御定数を計算する。この結果、所望の応答特性を得るための適切なモータ制御定数のもとで、車両の速度制御が可能となる。

以上、本実施の形態６によれば、先の実施の形態１〜５に対して、モータ制御装置から取得した目標速度および目標トルクに基づいて、モータ負荷慣性を計算するモータ負荷慣性計算部をさらに備え、モータ負荷慣性入力部は、入力して設定されているモータ負荷慣性を、モータ負荷慣性計算部が計算したモータ負荷慣性に逐次更新するとともに、更新後のモータ負荷慣性をモータ制御定数計算部に出力する構成を備えている。

これにより、モータ負荷慣性の変動時においても、負荷変動に対応したモータ制御定数を計算することができる。この結果、このモータ制御定数をモータ制御装置に設定し直すことで、所望の応答特性を得るための適切なモータ制御定数のもとで、モータの制御を行うことができる。

なお、本実施の形態６においては、モータ負荷慣性Ｊが変動した場合の値をモータ負荷計算部２０２が事前にわかっている場合、以下のように構成してもよい。すなわち、複数のモータ負荷慣性Ｊに対応するモータ制御定数をあらかじめ計算しておき、モータ負荷慣性Ｊとモータ制御定数との関連付け（例えば、テーブル）をあらかじめ規定し、モータ制御定数計算部２０２の記憶部に記憶しておいてもよい。

この場合、モータ負荷慣性計算部２０２は、モータ制御装置１００からモータ速度ωおよび目標トルクＴ_refをオンラインで取得してモータ負荷慣性Ｊを再計算することなく、事前にわかっているモータ負荷変動に対応したモータ負荷慣性Ｊをモータ負荷慣性入力部２０６へ出力する。

このように構成することで、モータ制御定数計算部２０２は、事前にわかっているモータ負荷変動に対応した適切なモータ制御定数を記憶部（関連付け）の中から直接選択することができる。すなわち、モータ制御定数計算部２０２は、モータ負荷慣性入力部２０６から取得したモータ負荷慣性Ｊに対応した適切なモータ制御定数を記憶部（関連付け）の中から直接選択することとなる。

また、この記憶部の中から直接選択したモータ制御定数をモータ制御装置１００に設定することで、モータ負荷慣性Ｊを再計算してモータ負荷慣性入力部２０６の更新をすることなく、適切なモータ制御定数のもとで、モータ１０の制御が可能となる。さらに、この記憶部の中から直接選択したモータ制御定数をモータ制御装置１００に設定することで、センサノイズまたは外乱などによるモータ速度信号の乱れにより精度の高いモータ負荷慣性Ｊの値の更新が困難な状況であっても、適切なモータ制御定数のもとで、モータ１０の制御が可能となる。

具体的には、例えば、モータ１０を推進装置とする車両において、変速機によるギヤチェンジは、モータ負荷変動となる。また、変速機がとり得る変速比は、事前にわかっていることが多い。そこで、複数の変速比に対応するモータ制御定数をあらかじめ計算しておき、モータ制御定数計算部２０２の記憶部に記憶しておけばよい。

この場合、モータ制御定数計算部２０２は、事前にわかっている変速比に対応した適切なモータ制御定数を記憶部の中から直接選択する。したがって、ギヤチェンジに伴う負荷変動時にも、モータ制御装置１００からモータ速度ωおよび目標トルクＴ_refをオンラインで取得してモータ負荷慣性Ｊを再計算することなく、適切なモータ制御定数のもとで、車両を走行させることができる。

Claims (9)

1. モータに対する速度指令として、目標速度を発生させる目標速度指令発生部と、
   前記目標速度指令発生部から入力された前記目標速度の信号波形をフィルタリング処理する第１ＬＰＦと、
   前記モータから検出されるモータ速度の信号波形のノイズを低減する第２ＬＰＦと、
   前記第１ＬＰＦを通過した前記目標速度と前記第２ＬＰＦを通過した前記モータ速度との偏差を計算する速度偏差計算部と、
   前記偏差に基づいて前記モータが発生する目標トルクを計算するモータ目標トルク計算部と、
   前記目標トルクに基づいて前記モータに印加する電圧を計算して前記モータに出力するモータ印加電圧計算部と、
   を備えたモータ制御装置に対して、前記モータが所望の応答特性を得るためのモータ制御定数を計算するモータ制御定数計算装置であって、
   前記所望の応答特性となるように応答速度を規定する目標応答時定数を入力して設定するための目標応答時定数入力部と、
   前記所望の応答特性となるように応答波形を規定する波形パラメータを入力して設定するための波形パラメータ入力部と、
   前記モータのモータ負荷慣性を入力して設定するためのモータ負荷慣性入力部と、
   前記波形パラメータ入力部から取得した前記波形パラメータに基づいて、正規化時定数を計算する正規化時定数計算部と、
   前記目標応答時定数入力部から取得した前記目標応答時定数と、前記波形パラメータ入力部から取得した前記波形パラメータと、前記正規化時定数計算部から取得した前記正規化時定数と、前記モータ負荷慣性入力部から取得した前記モータ負荷慣性とに基づいて、前記第１ＬＰＦ、前記第２ＬＰＦおよび前記モータ目標トルク計算部に対して設定するためのモータ制御定数として、フィルタ時定数、比例ゲインおよび積分ゲインを計算するモータ制御定数計算部と、
   を備えたモータ制御定数計算装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御定数計算装置において、
   前記モータが所望のランプ応答特性となるようにランプ応答仕様として、ランプ応答の目標加速度と、前記目標加速度に対する定常偏差の許容値とを入力して設定するためのランプ応答仕様入力部をさらに備え、
   前記モータ制御定数計算部は、
   前記ランプ応答仕様入力部から取得した前記ランプ応答仕様にも基づくように前記モータ制御定数を計算する
   モータ制御定数計算装置。
3. 請求項１に記載のモータ制御定数計算装置において、
   前記モータ制御定数計算部は、
   式（Ｌ）、（Ｍ）、（Ｎ）
   

   

   において、
   式（Ｌ）を満たすように前記フィルタ時定数を計算し、式（Ｍ）、（Ｎ）を満たすように、前記比例ゲインおよび前記積分ゲインを計算し、
   ここで、前記フィルタ時定数をτ_LPF、前記目標応答時定数をτ_d、前記波形パラメータをγ₁，γ₂、前記正規化時定数をτ_s、前記比例ゲインをＫ_vp、前記積分ゲインをＫ_vi、前記モータ負荷慣性をＪと表記している
   モータ制御定数計算装置。
4. 請求項２に記載のモータ制御定数装置において、
   前記モータ制御定数計算部は、
   式（Ｏ）、（Ｐ）、（Ｑ）
   

   

   において、
   式（Ｏ）を満たすように前記フィルタ時定数を計算し、式（Ｐ）、（Ｑ）を満たすように、前記比例ゲインおよび前記積分ゲインを計算し、
   ここで、前記フィルタ時定数をτ_LPF、前記ランプ応答の目標加速度をａ_ref、前記ランプ応答の目標加速度に対する定常偏差の許容値をｅ_ramp、前記目標応答時定数をτ_d、前記波形パラメータをγ₁，γ₂、前記正規化時定数をτ_s、前記比例ゲインをＫ_vp、前記積分ゲインをＫ_vi、前記モータ負荷慣性をＪと表記している
   モータ制御定数計算装置。
5. モータに対する速度指令として、目標速度を発生させる目標速度指令発生部と、
   前記目標速度指令発生部から入力された前記目標速度の信号波形をフィルタリング処理する第１ＬＰＦと、
   前記モータから検出されるモータ速度の信号波形のノイズを低減する第２ＬＰＦと、
   前記第１ＬＰＦを通過した前記目標速度と前記第２ＬＰＦを通過した前記モータ速度との偏差を計算する速度偏差計算部と、
   前記偏差に基づいて前記モータが発生する目標トルクを計算するモータ目標トルク計算部と、
   前記目標トルクに基づいて前記モータに印加する電圧を計算して前記モータに出力するモータ印加電圧計算部と、
   を備えたモータ制御装置に対して、前記モータが所望の応答特性を得るためのモータ制御定数を計算するモータ制御定数計算装置であって、
   前記所望の応答特性となるように前記第１ＬＰＦおよび前記第２ＬＰＦにおけるフィルタ時定数を入力して設定するためのフィルタ時定数入力部と、
   前記所望の応答特性となるように応答波形を規定する波形パラメータを入力して設定するための波形パラメータ入力部と、
   前記モータのモータ負荷慣性を入力して設定するためのモータ負荷慣性入力部と、
   前記波形パラメータ入力部から取得した前記波形パラメータに基づいて、正規化時定数を計算する正規化時定数計算部と、
   前記フィルタ時定数入力部から取得した前記フィルタ時定数と、前記波形パラメータ入力部から取得した前記波形パラメータと、前記正規化時定数計算部から取得した前記正規化時定数と、前記モータ負荷慣性入力部から取得した前記モータ負荷慣性とに基づいて、前記第１ＬＰＦ、前記第２ＬＰＦおよび前記モータ目標トルク計算部に対して設定するためのモータ制御定数として、比例ゲインおよび積分ゲインを計算するモータ制御定数計算部と、
   を備えたモータ制御定数計算装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ制御定数計算装置において、
   前記波形パラメータ入力部から取得した前記波形パラメータに基づいて、前記目標速度から前記モータ速度に至るまでの伝達関数の時間軸を正規化した伝達関数に対する応答波形を表示する正規化波形表示部をさらに備える
   モータ制御定数計算装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のモータ制御定数計算装置において、
   数値解析条件を入力して設定するための数値解析条件入力部と、
   前記モータ制御定数計算部が計算した前記モータ制御定数と、前記モータ負荷慣性部から取得した前記モータ負荷慣性とを用いて、前記数値解析条件部から取得した前記数値解析条件の下で数値解析を実行し、前記モータの応答波形を表示する応答波形表示部と、
   をさらに備えるモータ制御定数計算装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のモータ制御定数計算装置において、
   前記モータ制御装置から取得した前記目標速度および前記目標トルクに基づいて、前記モータ負荷慣性を計算するモータ負荷慣性計算部をさらに備え、
   前記モータ負荷慣性入力部は、
   入力して設定されている前記モータ負荷慣性を、前記モータ負荷慣性計算部が計算した前記モータ負荷慣性に逐次更新するとともに、更新後の前記モータ負荷慣性を前記モータ制御定数計算部に出力する
   モータ制御定数計算装置。
9. 請求項１から７のいずれか１項に記載のモータ制御定数計算装置において、
   前記モータ制御定数計算部は、
   あらかじめ計算しておいた、複数のモータ負荷慣性に対応するモータ制御定数を記憶する記憶部を有し、
   事前にわかっているモータ負荷変動に対応した適切なモータ制御定数を前記記憶部の中から直接選択する
   モータ制御定数計算装置。

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