JP7135483B2

JP7135483B2 - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP7135483B2
Application number: JP2018115282A
Authority: JP
Inventors: 貴之金子
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2018-06-18
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2038-06-18
Also published as: JP2019221032A

Description

本発明は電動機の制御装置に関し、例えば、電動機により工作機械等を駆動する場合において、軌跡制御の象限が切替わる際の制御遅れによる応答誤差を低減するための技術に関するものである。

電動機により駆動される工作機械では、負荷の機械系に存在する摩擦やロストモーション等の外乱要因により、応答誤差が発生する。
例えば、互いに直交する２台のボールネジを電動機により駆動してＸ－Ｙ軸に沿ってテーブルを駆動するＸＹテーブルにおいて、テーブルの動作として円弧軌跡を指令した場合に、送り軸の移動方向が反転する際、すなわち円弧軌跡の象限が切替わる際に、応答誤差が発生する。この応答誤差は、半径方向に沿って誤差量を拡大すると軌跡が外側に突起状に飛び出た形状になることから、象限突起またはスティックモーションと呼ばれている。
工作機械において象限突起が発生すると、金属加工等の対象であるワークに傷や筋を付けてしまい、不良品発生の原因となる。

このような応答誤差を低減する従来技術として、例えば、特許文献１に記載された摩擦補償システムや特許文献２に記載された位置決め制御装置が知られている。
図４は、特許文献１に係る摩擦補償システムの全体構成図である。図４において、１０１はモータ、１０２はテーブル、１０３，１０４はテーブル１０２を駆動するためのボールねじ及びナットである。
テーブル１０２の位置検出信号は位置制御器１１１に入力され、上位コントローラから送られた位置指令信号との偏差をなくすような速度指令信号が生成される。この速度指令信号は速度制御器１１２に入力され、モータ１０１の速度検出信号との偏差をなくすようなトルク指令が生成されて加算器１１４に入力される。

一方、位置指令信号は摩擦補償器１１３に入力され、モータ１０１の回転方向が反転する際に発生する摩擦力を補償するための摩擦補償信号が生成されて前記加算器１１４に入力される。加算器１１４では、速度制御器１１２から入力された元のトルク指令を摩擦補償信号により補正してトルク指令信号を生成し、このトルク指令信号をサーボアンプ１１５に与えてモータ１０１を駆動する。

摩擦補償器１１３の構成は、図５に示す通りである。
実位置推定部１１３ａは位置指令信号に対応する移動体（テーブル１０２）の実位置を推定し、微分器１１３ｂは実位置推定信号を微分してテーブル１０２の速度信号を演算する。符号反転検出部１１３ｆは、速度信号の符号（モータ１０１の回転方向、ひいてはテーブル１０２の移動方向）が反転したことに基づいてリセット信号を出力する。積分器１１３ｃは、速度信号を積分して実位置推定信号を復元すると共に、上記リセット信号により実位置推定信号をリセットしてテーブル１０２の移動方向が反転する位置からの変位を生成し、その絶対値を絶対値算出部１１３ｄが算出する。

摩擦特性推定部１１３ｅは、上記の絶対値の関数として変位に対する摩擦トルクの変化率を求め、これを摩擦特性として推定する。乗算器１１３ｇでは、微分器１１３ｂから出力される速度信号に上記の摩擦トルクの変化率を乗算して、摩擦トルク推定値の微分値を演算する。また、乗算器１１３ｇの出力を積分器１１３ｈにより積分して摩擦トルクの推定値を求め、応答遅れ補償部１１３ｉに入力する。

応答遅れ補償部１１３ｉでは、図４のサーボアンプ１１５に入力されるトルク指令信号から実際に出力されるモータトルクまでの特性をモデル化し、そのモデルの伝達関数の逆関数を摩擦トルクの推定値に乗算することにより、摩擦補償信号を生成する。
このように、特許文献１に記載された摩擦補償器１１３では、モータ１０１の回転方向、言い換えればテーブル１０２の移動方向が反転した際の摩擦トルクの推定値から摩擦補償信号を生成し、この補償信号をトルク指令に加算することで、摩擦トルクの変動による制御遅れや応答誤差を低減している。

また、特許文献２には、摩擦推定遅れによる制御性能の低下を防止するようにした位置決め制御装置が記載されている。図６は、この位置決め制御装置の構成図である。

図６において、位置決め機構Ｅの共振振動に対して既約分解表現に基づいた補償をフィードフォワード補償器Ｎ，Ｄにて行うと共に、位置決め機構Ｅのむだ時間及び非線形摩擦に対して、外乱オブザーバＤＯＢによるフィードバック補償を行う。外乱オブザーバＤＯＢが推定遅れを生じる位置決め機構Ｅの始動時には、ボールねじやリニアガイド等の転がり摩擦モデルＲＦＭから得られる摩擦推定値（推定外乱）τ_{ａｄｉｓｔ}を外乱オブザーバＤＯＢの出力とする。なお、Ｚ^－８はむだ時間補償要素（８サンプル遅れ）、Ｃは位相補償器、ｒは位置指令、ｘ_ｉｖｃは初期値補償量、τ_Ｍはモータのトルク指令、θ_Ｌは負荷の位置、θ_Ｍはモータ位置、θ_Ｍ０はモータ位置の目標軌道、θ_ＭＷはフィードフォワード補償器Ｎの出力波形である。

この従来技術では、外乱オブザーバＤＯＢがトルク指令τ_Ｍ及びモータ位置θ_Ｍに基づいて摩擦トルクを推定外乱τ_{ａｄｉｓｔ}として求め、位相補償器Ｃ及びフィードフォワード補償器Ｄの出力に推定外乱τ_{ａｄｉｓｔ}を加算してトルク指令τ_Ｍを求めることにより、摩擦トルクの変動に起因した制御遅れを補償して応答誤差を低減している。

特開２００８－２１０２７３号公報（段落［００２１］，［００２２］，［００３０］，［００３１］、図１，図５等）国際公開第２００７／１０５５２７号公報（段落［００１５］～［００１７］、図３等）

特許文献１に記載された摩擦補償システムでは、摩擦補償信号をフィードフォワード制御してトルク指令信号を得る際に、図５の摩擦特性推定部１１３ｅによって摩擦トルクを推定するために負荷変位と摩擦トルクとの関係を正確に得る必要がある。更に、テーブルの位置やモータの速度等の条件が変化するたびにモデルが変動することに対してロバスト性がないため、全ての条件において要求する性能が得られないという問題がある。

また、特許文献２に記載された位置決め制御装置では、基本的に外乱オブザーバＤＯＢの応答帯域に起因する過渡特性が摩擦トルクの推定遅れを招くために制御性能が劣化し、要求される制御性能を満足することができない。更に、外乱オブザーバＤＯＢの初期値補償量ｘ_ｉｖｃを転がり摩擦モデルＲＦＭによって決定するプロセスを有しているが、初期動作以外は外乱オブザーバＤＯＢの応答周波数によってモータの推定トルクが安定しない恐れがある。また、実際に摩擦トルクが未知である場合には、調整を行うのが難しい。

そこで、本発明の解決課題は、特許文献１，２に係る従来技術の問題点を解消し、外乱オブザーバによる摩擦トルクの推定遅れを適切に補償して象限突起等の応答誤差を低減可能とした電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電動機の位置指令と位置検出値との偏差に基づいて前記電動機の速度指令を生成する位置制御器と、
前記速度指令と前記電動機の速度演算値との偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御器と、
前記トルク指令に基づいて、負荷機械を駆動する前記電動機に電力を供給する電力変換部と、
前記トルク指令と前記速度演算値とに基づいて、前記負荷機械から与えられる外乱トルクを推定し、かつ安定性を確保するためのフィルタを介して出力する外乱オブザーバと、
前記位置指令が入力され、前記電動機の速度の符号反転時の摩擦力を補償するような摩擦トルクを推定して出力する摩擦トルク推定部と、
前記速度制御器により生成された前記トルク指令と、前記外乱オブザーバにより推定した前記外乱トルクと、前記摩擦トルク推定部により推定した前記摩擦トルクと、を加算して、前記電力変換部に与える補正トルク指令を生成する加算器と、
を備えた電動機の制御装置において、
前記摩擦トルク推定部は、前記摩擦トルクを推定する摩擦推定器と、前記摩擦推定器の出力側に設けられ、かつ前記フィルタと同じ帯域の入力を遮断して前記外乱オブザーバによる推定遅れ分を補償するような前記摩擦トルクを抽出するハイパスフィルタと、を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電動機の制御装置において、前記摩擦トルク推定部の出力が零または十分に小さい状態で前記外乱オブザーバを調整し、その後に前記摩擦トルク推定部を調整することを特徴とする。

本発明によれば、外乱オブザーバによる外乱トルク（定常的な摩擦トルク）の推定遅れを、摩擦トルク推定部によって補償することができる。また、摩擦トルク推定部にハイパスフィルタを備えることにより、外乱オブザーバの動作に影響を与えずに摩擦トルクの推定遅れを補償することができる。
更に、軌跡の象限が変わる際に摩擦推定器内の積分出力をリセットするように構成すれば、電動機の回転方向が反転した場合にも制御遅れや応答誤差を生じるおそれがない。

本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図である。図１における外乱オブザーバの構成例を示すブロック図である。本発明をＸＹテーブルの駆動システムに適用した場合のシミュレーション結果を示す軌跡の説明図である。特許文献１に記載された摩擦補償システムの全体構成図である。図４における摩擦補償器の構成図である。特許文献２に記載された位置決め制御装置の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態の全体構成を示すブロック図である。この実施形態は、例えばＸＹテーブル等の負荷機械を電動機によって駆動するための制御装置に関するものである。

図１において、１は電動機、２は電動機１により駆動されるＸＹテーブル等の負荷機械、３は電動機１の回転子位置を検出するエンコーダ等の位置検出器、４は位置検出値ｘ_ｍを位置指令ｘ_ｒに追従させるように速度指令ｎ_ｒを演算する位置制御器、５は位置検出値ｘ_ｍから速度ｎ_ｍを演算する速度演算器、６は速度演算値ｎ_ｍを速度指令ｎ_ｒに追従させるようにトルク指令τ_ｒを演算する速度制御器、７は速度演算値ｎ_ｍと後述の補正トルク指令τ^＊とに基づいて、負荷機械２から与えられる外乱トルクτ_ｄ（定常的な摩擦トルク）を推定する外乱オブザーバである。

次に、図２は、外乱オブザーバ７の構成例を示している。
図２において、Ｐ（ｓ）は、補正トルク指令τ^＊から電動機１の速度演算値ｎ_ｍまで（図１の電力変換部１０、電動機１、位置検出器３、速度演算器５を含む経路）の伝達特性を示しており、Ｐ_ｎ ^－１（ｓ）はＰ（ｓ）の逆システムである。また、Ｌ（ｓ）は安定性を確保するためのフィルタであり、このフィルタの出力が推定外乱トルクτ_ｄとして加算器９に入力されている。

図１に戻って、速度制御器６からのトルク指令τ_ｒと後述の摩擦トルク指令τ_ｆと推定外乱トルクτ_ｄとが加算器８，９により加算されて補正トルク指令τ^＊が生成され、この補正トルク指令τ^＊が電力変換部１０に入力されている。
電力変換部１０は、補正トルク指令τ^＊に対してできるだけ忠実なトルクを電動機１が発生するように、電動機１に所定の電力を供給してその電流を制御する。

また、１１は摩擦トルク推定部である。この摩擦トルク推定部１１は、上位コントローラからの位置指令ｘ_ｒに基づいて、電動機１の回転方向が反転する際に発生する摩擦力を補償するような摩擦トルクτ_ｆを生成するものであり、摩擦推定器１２とハイパスフィルタ１３とを備えている。

摩擦推定器１２は、例えば、前述した図５の摩擦補償器１１３において、位置指令信号が入力される実位置推定部１１３ａから積分器１１３ｈまでの機能を一つにまとめることによって構成される。
すなわち、図１の摩擦推定器１２では、位置指令ｘ_ｒから推定した実位置を微分して電動機速度を推定し、速度の符号（回転方向）が反転するたびに速度の積分値すなわち変位をリセットして変位の絶対値を算出し、変位の絶対値の関数として変位に対する摩擦トルクの変化率を摩擦特性として求める。そして、電動機速度と上記の摩擦トルクの変化率とを乗算して摩擦トルク推定値の微分値を求め、これを積分して摩擦トルクを推定する。そして、推定した摩擦トルクをハイパスフィルタ１３に入力する。

ハイパスフィルタ１３は、定常的な摩擦トルクについては、外乱オブザーバ７による推定外乱トルクτ_ｄによって補償することを考慮し、外乱オブザーバ７のフィルタＬ（ｓ）と同じ帯域で入力をカットする。つまり、ハイパスフィルタ１３は、外乱オブザーバ７による推定遅れ分を補償するような摩擦トルクτ_ｆを抽出するためのものである。

ここで、図３は、本実施形態により電動機１を制御してＸＹテーブルを駆動した場合のシミュレーション結果であり、図３（ａ）は本実施形態の適用前、図３（ｂ）は適用後のＸ－Ｙ平面上の軌跡を示している。
図３（ａ）によれば、円弧軌跡の象限が切替わる際に象限突起が発生しているが、図３（ｂ）では、摩擦トルク推定部１１によって外乱オブザーバ７による推定遅れが適切に補償されるため、象限突起が存在せずに応答誤差も生じていないことが確認できる。

なお、速度演算器５にＰＩ（比例積分）制御などの積分要素が含まれている場合には、回転方向の切替わり時に積分要素の出力が摩擦力と反対方向に出力されるため、積分要素を零にリセットするようにしても良い。
また、図１に示した制御装置を実際の電動機駆動システムにセットして調整する際には、摩擦トルク推定部１１から出力される摩擦トルクτ_ｆを零にして外乱オブザーバ７を調整し、その後に、摩擦トルク推定部１１の摩擦推定器１２やハイパスフィルタ１３の時定数等を調整しても良い。

１：電動機
２：負荷機械
３：位置検出器
４：位置制御器
５：速度演算器
６：速度制御器
７：外乱オブザーバ
８，９：加算器
１０：電力変換部
１１：摩擦トルク推定部
１２：摩擦推定器
１３：ハイパスフィルタ

Claims

電動機の位置指令と位置検出値との偏差に基づいて前記電動機の速度指令を生成する位置制御器と、
前記速度指令と前記電動機の速度演算値との偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御器と、
前記トルク指令に基づいて、負荷機械を駆動する前記電動機に電力を供給する電力変換部と、
前記トルク指令と前記速度演算値とに基づいて、前記負荷機械から与えられる外乱トルクを推定し、かつ安定性を確保するためのフィルタを介して出力する外乱オブザーバと、
前記位置指令が入力され、前記電動機の速度の符号反転時の摩擦力を補償するような摩擦トルクを推定して出力する摩擦トルク推定部と、
前記速度制御器により生成された前記トルク指令と、前記外乱オブザーバにより推定した前記外乱トルクと、前記摩擦トルク推定部により推定した前記摩擦トルクと、を加算して、前記電力変換部に与える補正トルク指令を生成する加算器と、
を備えた電動機の制御装置において、
前記摩擦トルク推定部は、前記摩擦トルクを推定する摩擦推定器と、前記摩擦推定器の出力側に設けられ、かつ前記フィルタと同じ帯域の入力を遮断して前記外乱オブザーバによる推定遅れ分を補償するような前記摩擦トルクを抽出するハイパスフィルタと、を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
請求項１に記載した電動機の制御装置において、
前記摩擦トルク推定部の出力が零または十分に小さい状態で前記外乱オブザーバを調整し、その後に前記摩擦トルク推定部を調整することを特徴とした電動機の制御装置。