JP7269120B2

JP7269120B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP7269120B2
Application number: JP2019128296A
Authority: JP
Inventors: 亮太郎恒木; 聡史猪飼; 瑶梁
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2023-05-08
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: US11531316B2; US20210008678A1; DE102020208408A1; CN112217438A; JP2021016213A

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

従来、産業機械等の被駆動部を駆動するモータを制御するモータ制御装置において、モータから機械までの伝達特性の逆特性フィルタ等を用いて、指令値を補正する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－１７５８９０号公報

このようなモータ制御装置においては、補正フィルタが、例えば特定の周波数領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合、その特定の周波数領域において、離散化処理等によって生じる指令値の微小変動が増幅され、その結果、指令値により制御される機械の被駆動部において振動や異音が発生する場合がある。産業機械等においては、このような振動や異音の発生を防止することが望まれている。

本開示のモータ制御装置の一態様は、被駆動部を駆動するモータを制御するための指令値を出力する指令部と、前記指令値に基づいてモータを制御するモータ制御部と、前記指令値を補正する補正フィルタと、前記補正フィルタの前段に設けられた前処理部と、を備え、前記補正フィルタは、ゲインが１よりも大きい周波数領域を有し、前記前処理部は、前記補正フィルタで補正される前の前記指令値の変動が所定の値以下の場合に、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行するように構成される。

一態様のモータ制御装置によれば、指令値を補正する補正フィルタが特定の周波領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合であっても、指令値の微小変動の増幅を防止し、被駆動部の振動や異音の発生を防止することができる。

モータ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。サーボモータから機械までの伝達特性を表すグラフである。逆特性フィルタのフィルタ特性を表すグラフである。指令部から出力される指令値を示すグラフである。前処理をしていない指令値を、逆特性フィルタで補正したときの補正後指令値を示すグラフである。前処理をした後、逆特性フィルタによって処理された補正後指令値を示すグラフである。モータ制御装置の一実施形態の処理を示すフローチャートである。

以下、本開示のモータ制御装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、モータ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。

図１に示すように、モータ制御装置１００は、指令部１１０と、モータ制御部１２０と、補正フィルタ１５０と、前処理部１６０を備えている。また、図１には、モータ制御装置１００により駆動される被駆動部としての機械２００が示されている。
モータ制御装置１００の制御対象としての機械２００としては、例えば工作機械が挙げられる。但し、モータ制御装置１００の制御対象は、これに限定されず、例えば、工作機械以外の産業機械等であってもよい。産業機械は、工作機械、産業用ロボット、その他の機械（サービス用ロボット、鍛圧機械、射出成形機といった様々な機械を含む）を含む。また、モータ制御装置１００は、産業機械などの一部として設けられていてもよい。

指令部１１０は、機械２００を駆動するモータとしてのサーボモータ１２７を制御するための指令値として、位置指令値を出力する。指令部１１０は、図示しない上位コントローラとしての上位制御装置や外部入力装置等から入力されるプログラムや命令に従って、位置指令を生成する。位置指令は、上位コントローラとしての上位制御装置や外部入力装置等で生成されてもよい。位置指令は、サーボモータ１２７の速度を変化させるためにパルス周波数を変えるように生成される。位置指令は制御指令となる。指令部１１０から出力された位置指令値は、後述の前処理部１６０、補正フィルタ１５０を通過した後、モータ制御部１２０に入力する。

モータ制御部１２０は、指令部１１０が出力する指令に基づいて、サーボモータ１２７を制御する。モータ制御部１２０は、減算器１２１、位置制御部１２２、加算器１２３、減算器１２４、速度制御部１２５、加算器１２６、サーボモータ１２７、積分器１２９、位置フィードフォワード部１３０、及び速度フィードフォワード部１３１を備えている。減算器１２１、位置制御部１２２、加算器１２３、減算器１２４、速度制御部１２５、加算器１２６、サーボモータ１２７、及び積分器１２９は位置フィードバックループを構成する。また、減算器１２４、速度制御部１２５、加算器１２６、及びサーボモータ１２７は速度フィードバックループを構成する。モータとなるサーボモータ１２７には、ロータリーエンコーダ１２８が取り付けられている。ロータリーエンコーダ１２８及び積分器１２９は検出器となり、積分器１２９は位置検出値を位置フィードバック情報として減算器１２１に出力する。サーボモータ１２７は、以下の説明では回転運動をするモータとして説明するが、直線運動をするリニアモータであってもよい。

減算器１２１は後述の補正フィルタ１５０から出力される整形後の位置指令値と位置フィードバックされた検出位置との差を求め、その差を位置偏差として位置制御部１２２に出力する。

位置制御部１２２は、位置偏差にポジションゲインＫｐを乗じた値を、速度指令値として加算器１２３に出力する。

加算器１２３は、速度指令値と位置フィードフォワード部１３０の出力値（位置フィードフォワード項）とを加算して、フィードフォワード制御された速度指令値として減算器１２４に出力する。減算器１２４は加算器１２３の出力と速度フィードバックされた速度検出値との差を求め、その差を速度偏差として速度制御部１２５に出力する。

速度制御部１２５は、速度偏差に積分ゲインＫ１ｖを乗じて積分した値と、速度偏差に比例ゲインＫ２ｖを乗じた値とを加算して、トルク指令値として加算器１２６に出力する。
加算器１２６は、トルク指令値と速度フィードフォワード部１３１の出力値（速度フィードフォワード項）とを加算して、フィードフォワード制御されたトルク指令値としてサーボモータ１２７に出力する。
トルク指令値に基づいて制御されるサーボモータ１２７の回転は、伝達機構３００を介して、機械２００に伝達される。伝達機構３００としては、例えばボールねじが用いられる。

ロータリーエンコーダ１２８は、サーボモータ１２７の回転角度位置を検出する。検出された回転角度位置に基づく速度検出値は、速度フィードバック情報（速度ＦＢ情報）として減算器１２４に入力される。

積分器１２９はロータリーエンコーダ１２８から出力される速度検出値を積分して位置検出値を出力する。位置検出値は位置フィードバック情報（位置ＦＢ情報）として減算器１２１に入力される。

位置フィードフォワード部１３０は、補正フィルタ１５０から出力される位置指令値を微分して定数を掛けた値に、式（１）で示す伝達関数Ｇ（ｓ）で示された位置フィードフォワード処理を行い、その処理結果を位置フィードフォワード項として、加算器１２３に出力する。式（１）の係数ａ_ｉ、ｂ_ｊ（ｍ、ｎ≧ｉ，ｊ≧０、ｍ、ｎは自然数）は伝達関数Ｇ（ｓ）の各係数である。

速度フィードフォワード部１３１は、位置指令値を２回微分して定数を掛けた値に、式（２）で示す伝達関数Ｈ（ｓ）で示された速度フィードフォワード処理を行い、その処理結果を速度フィードフォワード項として、加算器１２６に出力する。式（２）の係数ｃ_ｉ、ｄ_ｊ（ｍ、ｎ≧ｉ，ｊ≧０、ｍ、ｎは自然数）は伝達関数Ｈ（ｓ）の各係数である。係数ｃ_ｉ、ｄ_ｊは第２の係数となる。自然数ｍ、ｎは数式２の自然数ｍ、ｎと同じ値でも別の値でもよい。

以上のように、モータ制御部１２０は構成される。

補正フィルタ１５０は、モータ制御部１２０の前段に設けられており、位置指令値が入力される。補正フィルタ１５０は、入力された位置指令値の整形を行う位置指令値整形器である。
補正フィルタ１５０としては、例えば、サーボモータ１２７から機械２００までの二慣性モデルに基づく伝達特性の逆特性のフィルタ特性を有する逆特性フィルタを用いる。

ここで、サーボモータ１２７から機械２００までの伝達特性を示す伝達関数Ｇ（ｓ）は、二慣性モデルに基づき、式（３）で表される。

ただし、ω_０は機械共振周波数、ζはダンピングファクターである。

伝達関数Ｇ（ｓ）は、機械の共振周波数ω_０をカットオフ周波数とする２次ローパスフィルタで表される。例として、ω_０＝１［Ｈｚ］、ζ＝０．１の場合の伝達特性を図２に示す。図２において、横軸は周波数［Ｈｚ］であり、縦軸はゲイン［ｄＢ］である。
図２より、サーボモータ１２７から機械２００までの伝達特性は、共振周波数ω_０付近において０［ｄＢ］以上のゲインを有することが確認できる。よって、共振周波数ω_０付近において機械系の振動が生じやすい。また、図２より、この伝達特性は、共振周波数ω_０よりも高い周波数領域において、ゲインが下がる特徴を有することも確認できる。よって、共振周波数ω_０よりもある程度高い周波数領域においては、機械系が応答しない。

このような伝達特性に起因する問題を解消するため、補正フィルタ１５０として、サーボモータ１２７から機械２００までの伝達特性の逆特性フィルタを用いる。
サーボモータ１２７から機械２００までの二慣性モデルに基づく伝達特性の逆特性のフィルタの特性Ｆ（ｓ）は、下記の式（４）で表される。

この逆特性フィルタのフィルタ特性を、図３に示す。図３において、横軸は周波数［Ｈｚ］であり、縦軸はゲイン［ｄＢ］である。
補正フィルタ１５０として、このような逆特性フィルタを用いることにより、共振周波数ω_０付近における残留振動が少ない位置制御を実現することができる。また、共振周波数ω_０よりも高い周波数領域であっても機械系が応答する位置制御を実現することができる。

ここで、図３に示される補正フィルタ１５０は、ゲインが１よりも大きい周波数領域を有している。具体的には、共振周波数ω_０よりも高い周波数領域において、ゲインが１よりも大きい周波数領域が存在する。
一方、補正フィルタ１５０に入力される指令値は、このような周波数領域においても、離散化処理等により微小変動が生じることがある。
このような場合、指令値が補正フィルタ１５０で補正されることによって、指令値の微小変動が増幅され、その結果、機械の被駆動部において振動や異音が発生する場合がある。
そこで、このような状況を解消するために、補正フィルタ１５０の前段には、後述の前処理部１６０を設ける。

なお、補正フィルタ１５０は、モータ制御部１２０の外、すなわち、位置フィードバックループ及び速度フィードバックループの外に設けられているが、モータ制御部１２０の位置フィードバックループ又は速度フィードバックループの中に設けて、モータを制御するための各種の指令値を補正する態様としてもよい。例えば、位置指令、速度指令、トルク指令といった指令の後、具体的には、位置制御部１２２の出力側、速度制御部１２５の出力側、加算器１２３の出力側、又は加算器１２６の出力側に補正フィルタ１５０を接続してもよい。また、フィードフォワード部の前、具体的には、位置フィードフォワード部１３０の入力側、速度フィードフォワード部１３１の入力側に補正フィルタ１５０を設けてもよい。
ただし、モータ制御部１２０のフィードバックループ（位置フィードバックループ、速度フィードバックループ）の外における振動要因を抑えるため、補正フィルタ１５０は位置フィードバックループ又は速度フィードバックループの外に設けることが好ましい。図１では補正フィルタ１５０は位置偏差を求める減算器１２１の前に配置され、補正フィルタ１５０の出力は、減算器１２１及び位置フィードフォワード部１３０に出力される。

なお、補正フィルタ１５０は、ゲインが１よりも大きい周波数領域を有するその他のフィルタ、例えば、ノッチフィルタや、加減速時定数を設定するフィルタ等であってもよい。

次に、前処理部１６０について説明する。
前処理部１６０は、補正フィルタ１５０の前段に設けられている。前処理部１６０は、補正フィルタ１５０で補正される前の指令値（位置指令値）の変動が所定の値以下の場合に、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行する。

図４は、指令部１１０から出力される指令値、すなわち、補正フィルタ１５０で補正される前の指令値の一例を示すグラフである。図４の領域Ａに示されるように、指令値は、離散化処理等によって微小変動が生じることがある。

ここで、補正フィルタ１５０が特定の周波数領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合、補正フィルタ１５０で補正されることによって、指令値の微小変動が増幅し、その結果、機械の被駆動部において振動や異音が発生する場合がある。

図５は、前処理をしていない指令値を、補正フィルタ１５０で補正したときの補正後指令値の一例を示すグラフである。図４と図５を比較すると分かるように、図４の領域Ａに示される指令値の微小変動（変動量Ｃ）が、図５の領域Ａに示される補正後指令値において増幅されている（変動量Ｃ’）。このように、補正フィルタ１５０が特定の周波数領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合、指令値の周波数帯域がその特定の周波数領域に含まれている場合は、離散化処理等によって生じた無用な微小変動が、補正フィルタ１５０によって増幅する可能性がある。

そこで、補正フィルタ１５０で補正される前の指令値の変動が所定の値以下の場合に、前処理部１６０は、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行する。
具体的には、変動の大きさを判定するための所定の閾値Ｂ（不図示）を定め、指令値の変動量Ｃが、所定の閾値Ｂ以下の場合に、今回の指令値として、過去の指令値を用いる。この場合、変動の大きさを判定するための所定の閾値Ｂは不感帯を形成し、指令値の変動量Ｃが不感帯の範囲内にあれば、指令値を更新せず、過去の指令値（例えば、前回の指令値）をそのまま用いる。

ここで、指令値の変動量Ｃは、種々の方法により求めることが可能である。例えば、直前の指令値と、今回の指令値の差分に基づいて求めてもよい。また、所定時間前の指令値と、今回の指令値の差分に基づいて求めてもよい。あるいは、過去の所定期間内の指令値の平均値と、今回の指令値の差分に基づいて求めてもよい。

また、指令値の変動が所定の値以下の場合に、今回の指令値として用いる過去の指令値としては、直前に前処理部１６０が出力した指令値（前回の指令値）や、過去の所定期間内の指令値の平均値などを用いることができる。

図６は、図４に示す指令値を前処理部１６０で前処理し、さらに補正フィルタ１５０で補正したときの補正後指令値の一例を示すグラフである。このように、補正フィルタ１５０による補正を行う前に、前処理部１６０による前処理を実行することで、補正フィルタ１５０が特定の周波数領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合であっても、離散化処理等によって生じた指令値の微小変動が増幅されることがない。

なお、補正フィルタ１５０で補正される前の指令値の変動が、所定の期間、所定の値以下の場合に、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行してもよい。
例えば、指令値の変動が、過去の所定期間、所定の値以下の場合に、今回の指令値として、過去の所定期間内の指令値の平均値を用いてもよい。
これにより、無用な微小変動であることを、より確実に判定し、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行することができる。

なお、補正フィルタ１５０の前段に、このような前処理部１６０を設けることにより、補正フィルタ１５０が、高周波領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合であっても、あるいは低周波領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合であっても、指令値の微小変動の増幅を防ぐことができる。すなわち、補正フィルタ１５０のフィルタ特性（ゲインを持ち上げる周波数帯域）によらず、指令値の微小変動の増幅を防ぐことができる。
また、指令値の信号の周波数帯域が高周波帯域であっても、あるいは低周波帯域であっても、指令値の微小変動の増幅を防ぐことができる。すなわち、微小変動を有する信号の周波数に関係なく、指令値の微小変動の増幅を防ぐことができる。
すなわち、本実施形態によれば、補正フィルタ１５０の前段にローパスフィルタ等のバンドパスフィルタを設ける場合に比べて、幅広い状況下において、指令値の微小変動の増幅を防ぐことができる。
また、補正フィルタ１５０の前段に単にローパスフィルタ等のバンドパスフィルタを設けた場合、指令値の変動状態によらず、指令値を一律に整形してしまう状況となるが、このような処理を防ぐこともできる。

なお、この構成は、機械学習等により補正フィルタ１５０のフィルタ特性を最適化する態様のモータ制御装置に対しても、好適に適用することができる。例えば、補正フィルタ１５０のフィルタ特性を変更可能なモータ制御装置において、補正フィルタ１５０のフィルタ特性が変更され、ゲインを持ち上げる周波数領域が変化する場合においても、指令値の微小変動の増幅を防ぐことが可能である。

なお、指令値の変動が所定の値以下であるか否かの判定は、モータ制御部１２０のフィードバックループ（位置フィードバックループ、速度フィードバックループ）に入る前の指令値に基づいて行うことが好ましい。具体的には、指令値を生成する指令部１１０又はその上位コントローラ（上位制御装置、外部入力装置等）が、モータ制御部１２０のフィードバックループの外であって、フィードバックループに入る前の指令値に基づいて、指令値の変動が所定の値以下であるか否かの判定を行うことが好ましい。この判定結果に基づき、指令部１１０等は、前処理部１６０による前処理を実行するか否かを決定する。
これにより、モータ制御部１２０のフィードバックループ（位置フィードバックループ、速度フィードバックループ）の外における振動要因を抑えることができる。

次に、図７のフローチャートを用いて、モータ制御装置１００の一実施形態の処理を説明する。

まず、ステップＳ１において、指令値の変動量Ｃが閾値Ｂ以下であるか否かを判定する。
指令値の変動量Ｃが閾値Ｂ以下の場合（ステップＳ１ＹＥＳ）、ステップＳ２において、前処理部１６０は、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行する。そして、ステップＳ２の前処理を実行後、ステップＳ３において、補正フィルタ１５０によるフィルタ処理を実行する。
一方、指令値の変動量Ｃが閾値Ｂ以下ではない場合（ステップＳ１ＮＯ）、ステップＳ３に移り、補正フィルタ１５０によるフィルタ処理を実行する。

このような処理を行うことにより、指令値を補正する補正フィルタ１５０が特定の周波領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合であっても、指令値の微小変動の増幅を防止し、被駆動部の振動や異音の発生を防止することができる。

なお、指令値の変動が所定の値以下であるか否かを判定するための閾値は、オペレータにより設定可能に構成されていてよい。また、指令値の変動が、所定の期間、所定の値以下の場合に、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行する場合においては、所定の期間及び所定の値が、オペレータにより設定可能に構成されていてもよい。これにより、装置の状態等に応じて、適切に判定基準を設定することができる。

なお、一実施形態に係るモータ制御装置に含まれる各機能は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせによりそれぞれ実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（Ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は、無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

以上を換言すると、本開示のモータ制御装置は、次のような構成を有する各種各様の実施形態を取ることができる。

（１）本開示のモータ制御装置１００は、被駆動部を駆動するサーボモータ１２７を制御するための指令値を出力する指令部１１０と、指令値に基づいてサーボモータ１２７を制御するモータ制御部１２０と、指令値を補正する補正フィルタ１５０と、補正フィルタ１５０の前段に設けられた前処理部１６０と、を備え、補正フィルタ１５０は、ゲインが１よりも大きい周波数領域を有し、前処理部１６０は、補正フィルタ１５０で補正される前の指令値の変動が所定の値以下の場合に、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行する。
これにより、指令値を補正する補正フィルタ１５０が特定の周波領域でゲインを持ち上げるフィルタ特性を有している場合であっても、指令値の微小変動の増幅を防止し、被駆動部の振動や異音の発生を防止することができる。

（２）本開示のモータ制御装置１００は、補正フィルタ１５０で補正される前の指令値の変動が、所定の期間、所定の値以下の場合に、前処理部１６０が前処理を実行する。
これにより、指令値を変更する必要のない微小変動であることを、より確実に判定した上で、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行することができる。

（３）本開示のモータ制御装置１００は、モータ制御部１２０がフィードバックループを有し、指令部１１０又はその上位コントローラは、フィードバックループに入る前の指令値に基づいて、指令値の変動が所定の値以下であるか否かを判定し、この判定結果に基づき、前処理部１６０による前処理を実行するか否かを決定する。
これにより、フィードバックループの外における振動要因を抑えることができる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に限るものではなく、種々の変更及び変形が可能である。また、本実施形態に記載された効果は、本開示から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１００モータ制御装置
１１０指令部
１２０モータ制御部
１２１減算器
１２２位置制御部
１２３加算器
１２４減算器
１２５速度制御部
１２６加算器
１２７サーボモータ（モータ）
１２８ロータリーエンコーダ
１２９積分器
１３０位置フィードフォワード部
１３１速度フィードフォワード部
１５０補正フィルタ
１６０前処理部
２００機械（被駆動部）
３００伝達機構

Claims

被駆動部を駆動するモータを制御するための指令値を出力する指令部と、
前記指令値に基づいてモータを制御するモータ制御部と、
前記指令値を補正する補正フィルタと、
前記補正フィルタの前段に設けられた前処理部と、を備え、
前記補正フィルタは、ゲインが１よりも大きい周波数領域を有し、
前記前処理部は、前記補正フィルタで補正される前の前記指令値の変動が、所定の期間、所定の値以下の場合に、今回の指令値として、過去の指令値を用いる前処理を実行する、モータ制御装置。
前記モータ制御部は、フィードバックループを有し、
前記指令部又はその上位コントローラは、前記フィードバックループに入る前の指令値に基づいて、前記指令値の変動が所定の値以下であるか否かを判定し、この判定結果に基づき、前記前処理部による前記前処理を実行するか否かを決定する、請求項１に記載のモータ制御装置。