JP6453576B2

JP6453576B2 - モータシステム

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Publication number: JP6453576B2
Application number: JP2014158481A
Authority: JP
Inventors: 義秋桃澤; 彰啓伊藤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2034-08-04
Also published as: CN105337558A; KR102470722B1; JP2016035677A; CN105337558B; KR20160016707A

Description

本発明は、動作対象物を動作させるモータと、モータを制御するモータ制御装置とを備えるモータシステムに関する。

従来、ロボットを動作させるモータの制御装置として、Ｐ−ＰＩ制御（比例・比例積分制御）でモータを制御するモータ制御装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。Ｐ−ＰＩ制御を行うモータ制御装置では、モータの回転位置と回転速度とがフィードバックされるとともに、回転位置の偏差に対して比例制御が行われ、回転速度の偏差に対して比例積分制御（ＰＩ制御）が行われている。

Ｐ−ＰＩ制御を行うモータ制御装置と、このモータ制御装置によって制御されるモータとを備えるモータシステムにおいて、モータの回転位置指令を入力としモータの回転位置を出力とする閉ループ系をブロック線図で表わすと、たとえば、図５のようになる。図５において、Ｋｐは、位置ループゲインであり、Ｋｖは、速度ループゲインであり、Ｋｉは、積分ゲインである。また、Ｋは、モータに電力を供給するアンプの固定ゲインとモータのトルク定数とを含む固定値をロボットおよびモータのイナーシャで割った値であるゲインであり、ｐは、ロボットおよびモータの粘性に関わる項をロボットおよびモータのイナーシャで割った値であるゲインであり、ｓは、ラプラス演算子である。さらに、ω_Ｆは、フィルタのカットオフ周波数であり、フィルタによって回転位置が回転速度に変換されている。

特開２００６−２４４３００号公報

モータを安定させた状態で適切に制御するためには、ロボットおよびモータのイナーシャ等が変動しても、図５に示す閉ループ系の特性（すなわち、回転位置指令に対するモータの応答特性）を、制御するロボットおよびモータの特性に合わせて設定し、その特性を一定に保つことが好ましい。図５に示す閉ループ系においても、ロボットおよびモータのイナーシャ等が変動したときに、速度ループゲインＫｖを適切に調整すれば、ロボットおよびモータのイナーシャ等が変動しても、この閉ループ系の特性を一定に保つことが可能であるかもしれない。しかしながら、この閉ループ系の特性そのものを、制御するロボットおよびモータの特性に合わせて設定するために、位置ループゲインＫｐ、速度ループゲインＫｖおよび積分ゲインＫｉをバランス良く自動で調整することは困難である。

そこで、本発明の課題は、モータの回転位置指令を入力としモータの回転位置を出力とする閉ループ系の特性を動作対象物やモータの特性に応じて設定することが可能で、かつ、動作対象物やモータのイナーシャ等が変動しても、この閉ループ系の特性を自動的に一定に保つことが可能なモータシステムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のモータシステムは、動作対象物を動作させるモータと、モータを制御するモータ制御装置とを備えるモータシステムにおいて、モータの回転位置指令を入力としモータの回転位置を出力とする閉ループ系をブロック線図で表わすと、閉ループ系は、伝達要素として、比例ゲイン要素と、積分フィルタ要素と、モータゲイン要素と、モータ要素と、微分フィルタ要素とを備えるとともに、閉ループ系の入力部から出力部へ向かう前向き経路と、閉ループ系の出力部から入力側に向かう第１帰還経路および第２帰還経路とを備え、前向き経路では、信号の伝達方向において、回転位置指令が入力される第１の加え合わせ点と、比例ゲイン要素と、第２の加え合わせ点と、積分フィルタ要素と、モータゲイン要素と、モータ要素とがこの順番に配置され、第１帰還経路は、第１の加え合わせ点に負帰還接続され、第２帰還経路は、第２の加え合わせ点に負帰還接続されるとともに、微分フィルタ要素は、第２帰還経路の中に配置され、モータに電力を供給するアンプの固定ゲインとモータのトルク定数とを含む固定値を動作対象物およびモータのイナーシャで割った値であるゲインをＫとし、動作対象物およびモータの粘性に関わる項を動作対象物およびモータのイナーシャで割った値であるゲインをｐとし、ラプラス演算子をｓとすると、動作対象物に応じてモータを適切に制御するための閉ループ系の希望特性を有する伝達関数である希望伝達関数は、ｍ_０／（ｓ^２＋ｍ_１ｓ＋ｍ_０）で規定され、比例ゲイン要素は、ｍ_０であり、積分フィルタ要素は、（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）／（ｓ^２＋ａ_１ｓ）で表わされる伝達関数であり、モータゲイン要素は、１／Ｋであり、モータ要素は、Ｋ／（ｓ^２＋ｐｓ）で表わされる伝達関数であり、微分フィルタ要素は、（ｂ_２ｓ^２＋ｂ_１ｓ）／（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）で表わされる伝達関数であり、ａ_１、ｂ_１、ｂ_２は以下の関係を満足し、
ａ_１＝ｑ_１＋ｍ_１−ｐ
ｂ_１＝ｑ_０ｍ_１
ｂ_２＝（ｑ_１−ｐ）（ｍ_１−ｐ）＋ｑ_０
モータ制御装置は、モータ要素への入力とモータ要素からの出力とに基づいてゲインＫを推定する適応同定手段を備え、適応同定手段で推定されたゲインＫに基づいてモータゲイン要素を更新することによって、閉ループ系の特性を希望伝達関数に一致させることを特徴とする。

本発明において、たとえば、適応同定手段は、ゲインＫの推定を所定時間間隔で逐次実行し、モータ制御装置は、適応同定手段で推定されたゲインＫに基づいてモータゲイン要素を所定時間間隔で逐次更新する。

本発明のモータシステムでは、モータの回転位置指令を入力としモータの回転位置を出力とする閉ループ系をブロック線図で表わすと、閉ループ系は、上述のように構成されている。また、本発明では、モータ要素への入力とモータ要素からの出力とに基づいて、適応同定手段でゲインＫが推定されるとともに、適応同定手段で推定されたゲインＫに基づいてモータゲイン要素を更新させているため、イナーシャ要素を打ち消すことが可能になる。さらに、本発明では、適応同定手段で推定されたゲインＫに基づいてモータゲイン要素を更新させることで、閉ループ系の特性を希望伝達関数に一致させている。そのため、本発明では、閉ループ系の特性を動作対象物やモータの特性に応じて設定することが可能になるとともに、動作対象物やモータのイナーシャ等が変動しても、閉ループ系の伝達関数を希望伝達関数に自動的に一致させることが可能になる。したがって、本発明では、閉ループ系の特性を動作対象物やモータの特性に応じて設定することが可能になるとともに、動作対象物やモータのイナーシャ等が変動しても、閉ループ系の特性を自動的に一定に保つことが可能になる。

本発明において、適応同定手段は、モータ要素への入力とモータ要素からの出力とに基づいて、ゲインｐ（すなわち、粘性に関わる成分を含んだゲインｐ）の推定を所定時間間隔で逐次実行し、モータ制御装置は、適応同定手段で推定されたゲインｐに基づいて積分フィルタ要素および微分フィルタ要素を所定時間間隔で逐次更新することが好ましい。このように構成すると、ゲインｐの値が大きくても、推定されたゲインｐに基づいて、積分フィルタ要素および微分フィルタ要素を適切な伝達関数とすることが可能になる。

以上のように、本発明のモータシステムでは、モータの回転位置指令を入力としモータの回転位置を出力とする閉ループ系の特性を動作対象物やモータの特性に応じて設定することが可能になるとともに、動作対象物やモータのイナーシャ等が変動しても、この閉ループ系の特性を自動的に一定に保つことが可能になる。

本発明の実施の形態にかかるモータシステムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すモータシステムにおいてモータの回転位置指令を入力としモータの回転位置を出力としたときの閉ループ系のブロック線図である。図２に示す閉ループ系の伝達関数が、閉ループ系の希望特性を有する伝達関数である希望伝達関数と等しくなることを説明するための図である。本発明の他の実施の形態にかかる微分フィルタ要素を示すブロック線図である。従来技術にかかるモータシステムにおいてモータの回転位置指令を入力としモータの回転位置を出力としたときの閉ループ系のブロック線図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（モータシステムの構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるモータシステム１の概略構成を示すブロック図である。図２は、図１に示すモータシステム１においてモータ３の回転位置指令を入力としモータ３の回転位置を出力としたときの閉ループ系８のブロック線図である。

本形態のモータシステム１は、動作対象物２を動作させるモータ３と、モータ３を制御するモータ制御装置４とを備えている。モータ３は、ＡＣサーボモータまたはＤＣサーボモータであり、たとえば、動作対象物２である産業用ロボットのアームを動作させる。また、モータ３は、モータ３の回転位置を検出するための検出機構（エンコーダ）５を備えている。検出機構５の出力信号は、モータ制御装置４に入力されている。モータシステム１において、モータ３の回転位置指令を入力としモータ３の回転位置を出力とする閉ループ系８をブロック線図で表すと、図２のようになる。なお、本形態では、モータ制御装置４のモータ制御回路は、アナログ回路（連続時間系の回路）であるが、モータ制御回路は、デジタル回路（離散時間系の回路）であっても良いし、ソフトウエアによって構成されても良い。

図２に示すように、閉ループ系８は、伝達要素として、比例ゲイン要素９と、積分フィルタ要素１０と、モータゲイン要素１１と、モータ要素１２と、微分フィルタ要素１３とを備えている。また、閉ループ系８は、閉ループ系８の入力部から出力部へ向かう前向き経路１５と、閉ループ系８の出力部から入力側に向かう第１帰還経路（第１フィードバック経路）１６および第２帰還経路（第２フィードバック経路）１７とによって構成されている。

前向き経路１５では、信号の伝達方向において、回転位置指令が入力される第１の加え合わせ点１８と、比例ゲイン要素９と、第２の加え合わせ点１９と、積分フィルタ要素１０と、モータゲイン要素１１と、モータ要素１２とがこの順番に配置されている。第１帰還経路１６は、第１の加え合わせ点１８に負帰還接続されている。第２帰還経路１７は、第２の加え合わせ点１９に負帰還接続されている。また、微分フィルタ要素１３は、第２帰還経路１７の中に配置されている。

ラプラス演算子をｓとすると、動作対象物２に応じてモータ３を適切に制御するための閉ループ系８の希望特性を有する伝達関数である希望伝達関数は、ｍ_０／（ｓ^２＋ｍ_１ｓ＋ｍ_０）で規定される。この希望伝達関数は、たとえば、下記のように変形することができる。
ｍ_０／（ｓ^２＋ｍ_１ｓ＋ｍ_０）＝ω_１ω_２／（ｓ＋ω_１）（ｓ＋ω_２）
ここで、ω_１、ω_２は、遮断周波数（カットオフ周波数）であり、以下の関係が成立する。
ｍ_０＝ω_１ω_２、ｍ_１＝ω_１＋ω_２
なお、動作対象物２およびモータ３の特性に応じてω_１、ω_２を設定することで、所望の制御応答特性を得ることができる。

また、モータ３に電力を供給するアンプ（図示省略）の固定ゲインとモータ３のトルク定数とを含む固定値を動作対象物２およびモータ３のイナーシャで割った値であるゲインをＫとし、動作対象物２およびモータ３の粘性に関わる項を動作対象物２およびモータ３のイナーシャで割った値であるゲインをｐとすると、比例ゲイン要素９は、ｍ_０であり、積分フィルタ要素１０は、（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）／（ｓ^２＋ａ_１ｓ）で表わされる伝達関数であり、モータゲイン要素１１は、１／Ｋであり、モータ要素１２は、Ｋ／（ｓ^２＋ｐｓ）で表わされる伝達関数であり、微分フィルタ要素１３は、（ｂ_２ｓ^２＋ｂ_１ｓ）／（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）で表わされる伝達関数である。また、ａ_１、ｂ_１、ｂ_２は以下の関係を満足する。
ａ_１＝ｑ_１＋ｍ_１−ｐ・・・式（１）
ｂ_１＝ｑ_０ｍ_１・・・式（２）
ｂ_２＝（ｑ_１−ｐ）（ｍ_１−ｐ）＋ｑ_０・・・式（３）
なお、ｑ_０、ｑ_１は、動作対象物２およびモータ３を適切に制御するために任意に設定される値である。

モータ制御装置４は、モータ要素１２への入力とモータ要素１２からの出力とに基づいて、ゲインＫを推定する適応同定手段２１を備えている（図２参照）。適応同定手段２１は、最小二乗法等の同定法によってゲインＫを推定する。また、適応同定手段２１は、ゲインＫの推定を所定時間間隔で逐次実行する。モータ制御装置４は、適応同定手段２１で推定されたゲインＫに基づいて、モータゲイン要素１１を更新する。すなわち、モータ制御装置４は、適応同定手段２１によって所定時間間隔で逐次推定されたゲインＫに基づいて、モータゲイン要素１１を所定時間間隔で逐次更新する。また、モータ制御装置４は、適応同定手段２１で推定されたゲインＫに基づいてモータゲイン要素１１を更新することによって、後述のように、閉ループ系８の特性（すなわち、閉ループ系８の伝達関数）を希望伝達関数に一致させている。

また、適応同定手段２１は、モータ要素１２への入力とモータ要素１２からの出力とに基づいて、ゲインｐを推定する。適応同定手段２１は、最小二乗法等の同定法によってゲインｐを推定するとともに、ゲインｐの推定を所定時間間隔で逐次実行する。モータ制御装置４は、適応同定手段２１で推定されたゲインｐに基づいて、積分フィルタ要素１０および微分フィルタ要素１３を更新する。すなわち、モータ制御装置４は、適応同定手段２１によって所定時間間隔で逐次推定されたゲインｐに基づいて、積分フィルタ要素１０および微分フィルタ要素１３を所定時間間隔で逐次更新する。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、閉ループ系８をブロック線図で表わすと、閉ループ系８は、図２に示すように構成されている。また、本形態では、モータ要素１２への入力とモータ要素１２からの出力とに基づいて、適応同定手段２１でゲインＫが推定されるとともに、適応同定手段２１で推定されたゲインＫに基づいてモータゲイン要素１１が更新されており、イナーシャ要素が打ち消されている。

そのため、本形態では、閉ループ系８の特性を動作対象物２やモータ３の特性に応じて設定することが可能になるとともに、動作対象物２やモータ３のイナーシャ等が変動しても、閉ループ系８の伝達関数を希望伝達関数に自動的に一致させることができる。動作対象物２やモータ３のイナーシャ等が変動しても、閉ループ系８の伝達関数を希望伝達関数に自動的に一致させることができることを図３等を用いて具体的に説明すると、まず、図２に示す閉ループ系８は、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、順次、等価変換することができる。また、図３（Ｄ）の伝達関数の分母は、
ｓ^４＋（ａ_１＋ｐ）ｓ^３＋（ａ_１ｐ＋ｂ_２）ｓ^２＋ｂ_１ｓ＋ｍ_０（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）
と変形することができ、変形後の分母に上述の式（１）〜（３）を代入して整理すると、
ｓ^２（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）＋ｍ_１ｓ（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）＋ｍ_０（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）
となり、図３（Ｄ）の伝達関数は、希望伝達関数ｍ_０／（ｓ^２＋ｍ_１ｓ＋ｍ_０）と一致する。

このように、本形態では、閉ループ系８の特性を動作対象物２やモータ３の特性に応じて設定することが可能になるとともに、動作対象物２やモータ３のイナーシャ等が変動しても、閉ループ系８の伝達関数を希望伝達関数に自動的に一致させることができるため、動作対象物２やモータ３のイナーシャ等が変動しても、閉ループ系８の特性を自動的に一定に保つことが可能になる。また、本形態では、適応同定手段２１がゲインｐを推定しているため、ゲインｐの値が大きくても、推定されたゲインｐに基づいて、積分フィルタ要素１０および微分フィルタ要素１３を適切な伝達関数とすることが可能になる。

（他の実施の形態）
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形実施が可能である。

上述した形態では、微分フィルタ要素１３は、１個の伝達要素によって構成されているが、微分フィルタ要素１３は、２個以上の伝達要素によって構成されても良い。たとえば、微分フィルタ要素１３は、図４に示す２個の伝達要素１３ａ、１３ｂによって構成されても良い。同様に、上述した形態では、積分フィルタ要素１０は、１個の伝達要素によって構成されているが、積分フィルタ要素１０は、２個以上の伝達要素によって構成されても良い。また、上述した形態では、適応同定手段２１は、ゲインｐを推定しているが、ゲインｐが小さい場合には、適応同定手段２１は、ゲインｐを推定しなくても良い。

１モータシステム
２動作対象物
３モータ
４モータ制御装置
８閉ループ系
９比例ゲイン要素
１０積分フィルタ要素
１１モータゲイン要素
１２モータ要素
１３微分フィルタ要素
１５前向き経路
１６第１帰還経路
１７第２帰還経路
１８第１の加え合わせ点
１９第２の加え合わせ点
２１適応同定手段

Claims

動作対象物を動作させるモータと、前記モータを制御するモータ制御装置とを備えるモータシステムにおいて、
前記モータの回転位置指令を入力とし前記モータの回転位置を出力とする閉ループ系をブロック線図で表わすと、前記閉ループ系は、伝達要素として、比例ゲイン要素と、積分フィルタ要素と、モータゲイン要素と、モータ要素と、微分フィルタ要素とを備えるとともに、前記閉ループ系の入力部から出力部へ向かう前向き経路と、前記閉ループ系の出力部から入力側に向かう第１帰還経路および第２帰還経路とを備え、
前記前向き経路では、信号の伝達方向において、前記回転位置指令が入力される第１の加え合わせ点と、前記比例ゲイン要素と、第２の加え合わせ点と、前記積分フィルタ要素と、前記モータゲイン要素と、前記モータ要素とがこの順番に配置され、
前記第１帰還経路は、前記第１の加え合わせ点に負帰還接続され、
前記第２帰還経路は、前記第２の加え合わせ点に負帰還接続されるとともに、前記微分フィルタ要素は、前記第２帰還経路の中に配置され、
前記モータに電力を供給するアンプの固定ゲインと前記モータのトルク定数とを含む固定値を前記動作対象物および前記モータのイナーシャで割った値であるゲインをＫとし、前記動作対象物および前記モータの粘性に関わる項を前記動作対象物および前記モータのイナーシャで割った値であるゲインをｐとし、ラプラス演算子をｓとすると、
前記動作対象物に応じて前記モータを適切に制御するための前記閉ループ系の希望特性を有する伝達関数である希望伝達関数は、
ｍ_０／（ｓ^２＋ｍ_１ｓ＋ｍ_０）
で規定され、
前記比例ゲイン要素は、ｍ_０であり、
前記積分フィルタ要素は、（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）／（ｓ^２＋ａ_１ｓ）で表わされる伝達関数であり、
前記モータゲイン要素は、１／Ｋであり、
前記モータ要素は、Ｋ／（ｓ^２＋ｐｓ）で表わされる伝達関数であり、
前記微分フィルタ要素は、（ｂ_２ｓ^２＋ｂ_１ｓ）／（ｓ^２＋ｑ_１ｓ＋ｑ_０）で表わされる伝達関数であり、
ａ_１、ｂ_１、ｂ_２は以下の関係を満足し、
ａ_１＝ｑ_１＋ｍ_１−ｐ
ｂ_１＝ｑ_０ｍ_１
ｂ_２＝（ｑ_１−ｐ）（ｍ_１−ｐ）＋ｑ_０
前記モータ制御装置は、前記モータ要素への入力と前記モータ要素からの出力とに基づいて前記ゲインＫを推定する適応同定手段を備え、前記適応同定手段で推定された前記ゲインＫに基づいて前記モータゲイン要素を更新することによって、前記閉ループ系の特性を前記希望伝達関数に一致させることを特徴とするモータシステム。
前記適応同定手段は、前記ゲインＫの推定を所定時間間隔で逐次実行し、
前記モータ制御装置は、前記適応同定手段で推定された前記ゲインＫに基づいて前記モータゲイン要素を所定時間間隔で逐次更新することを特徴とする請求項１記載のモータシステム。
前記適応同定手段は、前記モータ要素への入力と前記モータ要素からの出力とに基づいて、前記ゲインｐの推定を所定時間間隔で逐次実行し、
前記モータ制御装置は、前記適応同定手段で推定された前記ゲインｐに基づいて前記積分フィルタ要素および前記微分フィルタ要素を所定時間間隔で逐次更新することを特徴とする請求項１または２記載のモータシステム。