JPWO2009087813A1 - モータ制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図5において、501は位置指令発生器、502は位置制御手段、503は速度制御手段、504は電流制御手段、505は制御対象、506は検出器、507は速度FF作成手段、508はトルクFF作成手段、509はフィルタ処理手段、510は切替手段である。
位置指令発生器501は位置指令を出力する。
位置制御手段502は前記位置指令から位置を減算した位置追従偏差を入力し速度指令を出力する。
速度制御手段503は前記速度指令に速度フィードフォワード信号を加算し速度を減算した速度追従偏差を入力しトルク指令を出力する。
電流制御手段504は前記トルク指令に第1のトルクフィードフォワード信号または第2のフィードフォワード信号を加算した調整トルク指令を入力し電流により制御対象505を駆動する。
検出器506は制御対象505の前記位置を検出し出力する。
速度FF作成手段507は前記位置指令を入力しその入力信号を1階微分した前記速度フィードフォワード信号を出力する。
トルクFF作成手段508は前記速度フィードフォワード信号を入力し、既知の制御対象505の機械定数に基づいて第1のトルクフィードフォワード信号を出力する。
フィルタ処理手段509は前記第1のトルクフィードフォワード信号を入力しその入力信号にローパスフィルタ、移動平均フィルタなどのフィルタ処理を施した第2のトルクフィードフォワード信号を出力する。
切替手段510は前記第1のフィードフォワード信号と前記第2のフィードフォワード信号を入力し、前記第1のフィードフォワード信号の変化量が設定した閾値より大きい場合には前記第1のフィードフォワード信号を出力し、それ以外の場合には前記第2のフィードフォワード信号を出力する。
このように、従来のフィードフォワード制御装置は、制御対象の逆モデルに基づいて算出したトルクフィードフォワード信号である第1のトルクフィードフォワード信号の変化が緩やかな場合には前記第1のトルクフィードフォワード信号にフィルタ処理を施した第2のトルクフィードフォワード信号をトルク指令に加算し、前記第1のトルクフィードフォワード信号の変化が急な場合には前記第1のトルクフィードフォワード信号を前記トルク指令に加算して制御対象を駆動するのである。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、制御対象の周波数応答の情報のみを用いて、使用しようとしているフィードフォワード制御が有効であるか判断でき、得られるべき最高の制御性能を実現する制御ゲイン設定をすることができるモータ制御装置を提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、位置あるいは速度の指令と、制御対象の制御応答、ならびにフィードフォワード信号とを入力し、前記指令と前記制御応答とが一致するように制御演算してトルク指令を算出するフィードバック制御器と、前記トルク指令を入力し、前記トルク指令に基づいて前記制御対象に電力を供給するトルク制御器と、前記指令を入力し、前記指令に基づいて前記フィードフォワード信号を算出するフィードフォワード制御器と、周波数応答計測時に周波数応答計測用信号を出力する信号発生器と、を備えたモータ制御装置において、前記指令および周波数応答計測時における前記制御応答を入力し、前記指令のスペクトルである指令スペクトルと、前記制御対象の周波数応答である制御対象周波数応答と、前記指令スペクトルと前記制御対象周波数応答とに基づいて、前記制御対象を構成する負荷の負荷応答の前記指令に対する追従偏差である負荷応答追従偏差スペクトルとを算出し、フィードフォワード制御設定信号を出力するフィードフォワード制御設定装置を備え、前記フィードフォワード制御設定信号に基づいて、前記フィードフォワード制御器の制御ゲイン、および前記フィードフォワード制御器を使用する、あるいは使用しないことを設定することを特徴とするものである。
また、請求項2または3に記載の発明によると、周波数応答の測定が、速くなるので、短時間にフィードフォワード制御の効果を予測でき、使用しようとしている制御器により得られるべき最高の制御性能を実現する制御ゲイン設定ができる。
102 フィードバック制御器
103 トルク制御器
104 制御対象
105 エンコーダ
106 フィードフォワード制御器
107 周波数応答計測用信号発生器
108 フィードフォワード制御設定装置
109 指令スペクトル演算器
110 制御対象周波数応答検出器
111 負荷応答スペクトル演算器
112 負荷応答追従偏差スペクトル演算器
113 フィードフォワード制御設定器
501 位置指令発生器
502 位置制御手段
503 速度制御手段
504 電流制御手段
505 制御対象
506 検出器
507 速度FF作成手段
508 トルクFF作成手段
509 フィルタ処理手段
510 切替手段
実際のモータ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
図1において、101は指令発生器、102はフィードバック制御器、103はトルク制御器、104は制御対象、105はエンコーダ、106はフィードフォワード制御器、107は周波数応答計測用信号発生器、108はフィードフォワード制御設定装置である。また、109は指令スペクトル演算器、110は制御対象周波数応答検出器、111は負荷応答スペクトル演算器、112は負荷応答追従偏差スペクトル演算器、113はフィードフォワード制御設定器である。
フィードバック制御器102は、前記指令とフィードフォワード信号と制御対象104の応答を入力し、前記応答が前記指令に一致するように制御演算を行いトルク指令を算出し、トルク制御器103へ出力する。
制御対象104は、負荷を連結したモータである。
トルク制御器103は、前記トルク指令と周波数応答計測用信号を入力し、通常動作時には前記トルク指令に基づいて、周波数応答計測時には周波数応答用信号発生器より出力される周波数応答計測用信号に基づいて、前記モータにモータ電流を流す。
エンコーダ105は、制御対象104の前記応答を検出し出力する。
フィードフォワード制御器106は、前記指令とフィードフォワード制御設定信号を入力し、前記フィードフォワード制御設定信号に基づいて前記フィードフォワード信号を算出し、フィードバック制御器102に出力する。
周波数応答計測用信号発生器107は、前記周波数応答計測用信号をトルク制御器103へ出力する。
前記フィードフォワード制御設定信号は、フィードフォワード制御器106の制御ゲインおよびフィードフォワード制御の使用/不使用の設定値を含んでいる。
また、フィードフォワード制御設定装置108は、指令スペクトル演算器109、制御対象周波数応答検出器110、負荷応答スペクトル演算器111、負荷応答追従偏差スペクトル演算器112、およびフィードフォワード制御設定器113で構成される。
指令スペクトル演算器109は、前記指令を入力し、指令スペクトルを算出し、負荷応答スペクトル演算器111および負荷応答追従偏差スペクトル演算器112へ出力する。
指令スペクトル演算器109は、FFTを用いて前記指令スペクトルを算出することが望ましい。また、周波数帯域の連続した複数のバンドパスフィルタを用いて前記指令スペクトルを算出してもよい。
制御対象周波数応答検出器110は、前記応答を入力し、制御対象周波数応答を算出し、負荷応答スペクトル演算器111へ出力する。
負荷応答スペクトル演算器111は、前記制御対象周波数応答より前記制御対象の反共振周波数を算出し、前記反共振周波数に基づいて前記制御対象の負荷応答までの周波数応答である負荷周波数応答を算出し、前記指令スペクトルと前記フィードフォワード制御器の制御ゲインから算出したフィードフォワード制御器周波数応答と前記負荷周波数応答を乗算した負荷応答スペクトルを算出することが望ましい。
負荷応答追従偏差スペクトル演算器112は、前記指令スペクトルと前記負荷応答スペクトルを入力し、負荷応答追従偏差スペクトルを算出し、フィードフォワード制御設定器113へ出力する。
負荷応答追従偏差スペクトル演算器112は、前記負荷応答スペクトルから指令スペクトルを減算して前記負荷応答追従偏差スペクトルを算出することが望ましい。
フィードフォワード制御設定器113は、前記指令スペクトルの含む周波数範囲とそれ以上の周波数範囲のそれぞれについて閾値を設定し、前記負荷応答追従偏差スペクトルがすくなくとも一方の前記閾値以上の場合、前記フィードフォワード制御器106を使用しないというフィードフォワード制御設定信号を出力し、それ以外の場合は、前記フィードフォワード制御器106を使用するというフィードフォワード制御設定信号を出力することが望ましい。
また、フィードフォワード制御設定器113は、フィードバック制御器102とフィードフォワード制御器106の複数の制御ゲイン組み合わせのそれぞれに対して前記負荷応答追従偏差スペクトルを算出し、前記負荷応答追従偏差スペクトルの大きさが最小である場合の前記制御ゲイン組み合わせに基づいて、フィードフォワード制御器106の制御ゲイン設定値を前記フィードフォワード制御設定信号として出力することが望ましい。
指令を位置指令とし、フィードバック制御器102を位置速度制御器とし、制御対象104は負荷を連結したモータであり2慣性系で近似できるものとし、応答をモータ位置とすると、制御対象周波数応答検出器110の出力する制御対象周波数応答はトルク指令からモータ位置までの周波数応答となる。
前記制御対象の周波数応答Gp1(s)の振幅が極小値をとる周波数を反共振周波数ωa、極大値をとる周波数を共振周波数ωrとし、反共振周波数ωaの近傍における制御対象周波数応答Gp1(s)の振幅の溝のQ値をQaとすると、反共振の減衰係数ζaは式(1)で表される。
ζa=1/(2・Qa) (1)
同様に、共振周波数ωrの近傍における制御対象の周波数応答Gp1(s)の振幅のピークのQ値をQrとすると、共振の減衰係数ζrは式(2)で表される。
ζr=1/(2・Qr) (2)
反共振周波数ωaより十分に低い周波数ωにおける制御対象の周波数応答Gp1(s)の振幅をM1とすると、制御対象104の総慣性モーメントJは、式(3)で表される。
J=1/(M1・ω2) (3)
制御対象周波数応答Gp1(s)および式(1)から(3)を用いて算出した反共振周波数ωa、反共振の減衰係数ζaを用いて式(4)により前記モータ位置から負荷位置までの周波数応答Gp2(s)を算出する。
Gp2(s)=ωa2/(s2+2・ζa・ωa・s+ωa2) (4)
前記速度フィードフォワード信号は前記位置指令に速度フィードフォワードフィルタGrv(s)を乗算して求める。
前記トルクフィードフォワード信号は前記位置指令にトルクフィードフォワードフィルタGrt(s)を乗算して求める。
制御対象周波数応答Gp1(s)、式(4)、トルクフィードフォワードフィルタGrt(s)を用いて前記位置指令から負荷位置までの周波数応答である負荷周波数応答Grt(s)・Gp1(s)・Gp2(s)が求められる。
sl(ω)=‖Grt(jω)・Gp1(jω)・Gp2(jω)‖・sr(ω) (5)
ただし、‖・‖はノルム、jは虚数単位を表す。
負荷応答追従偏差スペクトル演算器112は負荷位置の前記位置指令に対する追従偏差である負荷位置追従偏差のスペクトルである負荷応答追従偏差スペクトルを式(6)により算出する。
sld(ω)=sr(ω)−sl(ω) (6)
負荷応答追従偏差スペクトルsld(ω)が全てのスペクトル周波数ωにおいて0である場合、前記負荷位置が前記位置指令に完全に追従していることを示す。一方、ある周波数ωにおいてピークを持つ場合、前記負荷位置がその周波数ωの振動を含むことを示す。
J=0.116×10−3[kg・m2]、ωa=80・2・π[rad/s]、
ζa=0.1、ωr=100・2・π[rad/s]、ζr=0.1
ただし、Jは制御対象104の総慣性モーメント、ωaは反共振周波数、ζaは反共振の減衰係数、ωrは共振周波数、ζrは共振の減衰係数である。フィードバック制御則はモータ位置を比例制御しモータ速度を比例積分制御する位置P速度PI制御とした。
図2(a)は等価速度指令、図2(b)は位置指令波形である。
図2(a)の等価速度指令は、図2(b)の位置指令を1階時間積分して求めた。
本シミュレーションでは一般産業用機械の動作制御に一般的に使われる指令の一例として、図2(b)の位置指令を用いる。
また、図3は、本発明の第1実施例における指令スペクトルおよびGrt(s)・Gp1(s)・Gp2(s)のボード線図であり、図3(a)は指令スペクトル、図3(b)はGrt(s)・Gp1(s)・Gp2(s)のボード線図である。
図3(a)より、位置指令は主に8Hz以下に周波数成分を持つことを示している。すなわち、指令周波数成分上限値は8Hzである。図3(b)より、8Hz以下では位置指令から負荷位置までのボード線図は0dBでほぼ一定であり、負荷位置は位置指令に良く追従することが推測できる。
図4(a)の負荷応答スペクトルは、図3(a)の指令スペクトルと同じ傾向であるが、その振幅は前記指令スペクトルと比べて小さい。
図4(b)の負荷応答追従偏差スペクトルは、前記負荷応答スペクトルから前記指令スペクトルを減算して求めた。
図4(b)からも前記負荷応答スペクトルが前記指令スペクトルより小さいことが分かる。図4(c)の負荷応答追従偏差スペクトルの指令振幅比は、前記負荷応答追従偏差スペクトルの前記指令スペクトルの最大値に対する%比である。図4(c)より前記負荷位置は周波数が4Hz、振幅が指令振幅の13%の振動を含むことが分かる。たとえば、周波数が8Hz以下において位置指令振幅の20%までの振幅の振動が許容され、周波数が8Hzより大きい領域で前記位置指令振幅の10%までの振幅の振動が許容される産業用機械の動作制御では、図4(c)より、フィードフォワード制御設定器113はフィードフォワード制御を使用するというフィードフォワード制御設定信号を出力する。
Claims (3)
- 位置あるいは速度の指令と、制御対象の制御応答、ならびにフィードフォワード信号とを入力し、前記指令と前記制御応答とが一致するように制御演算してトルク指令を算出するフィードバック制御器と、前記トルク指令を入力し、前記トルク指令に基づいて前記制御対象に電力を供給するトルク制御器と、前記指令を入力し、前記指令に基づいて前記フィードフォワード信号を算出するフィードフォワード制御器と、周波数応答計測時に周波数応答計測用信号を出力する信号発生器と、を備えたモータ制御装置において、
前記指令および周波数応答計測時における前記制御応答を入力し、前記指令のスペクトルである指令スペクトルと、前記制御対象の周波数応答である制御対象周波数応答と、前記指令スペクトルと前記制御対象周波数応答とに基づいて、前記制御対象を構成する負荷の負荷応答の前記指令に対する追従偏差である負荷応答追従偏差スペクトルとを算出し、フィードフォワード制御設定信号を出力するフィードフォワード制御設定装置を備え、
前記フィードフォワード制御設定信号に基づいて、前記フィードフォワード制御器の制御ゲイン、および前記フィードフォワード制御器を使用する、あるいは使用しないことを設定することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記フィードフォワード制御設定装置が、前記指令スペクトルの含む周波数範囲とそれ以上の周波数範囲とのそれぞれについて閾値を設定し、前記負荷応答追従偏差スペクトルが少なくとも一方の前記閾値以上の場合、前記フィードフォワード制御器を使用しないという前記フィードフォワード制御設定信号を出力することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
- 前記フィードフォワード制御設定装置が、前記フィードバック制御器と前記フィードフォワード制御器の複数の制御ゲイン組み合わせのそれぞれに対して前記負荷応答追従偏差スペクトルを算出し、前記負荷応答追従偏差スペクトルの大きさが最小である場合の前記制御ゲイン組み合わせに基づいて、前記制御ゲインの設定値を前記フィードフォワード制御設定信号として出力することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
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