KR20130079570A - 모터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

가급적 폭넓은 특성의 기계계에 대해서 고속 고정밀의 제어를 실현하기 위해서, 모터 제어 장치는, 필터 차단 주파수 이하의 주파수에서는 주파수 응답 이득이 대략 1이고, 필터 차단 주파수 ωfL로부터 필터 차단 주파수 ωfL보다 큰 필터 상한 주파수 ωfH까지는 주파수의 증대에 대해서 주파수 응답 이득이 저하하고, 필터 상한 주파수 ωfH 이상의 주파수에서는 주파수 응답 이득이 대략 일정한 필터 특성을 구비하며, 귀환 전달 함수에 상기 필터 특성을 작용시키는 연산을 행하는 귀환 필터를 구비하고 있고, 제어 정수 설정부는, 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비가 작아지도록 속도 이득 Kv와, 필터 차단 주파수 ωfL 및 필터 상한 주파수 ωfH 중 적어도 한쪽을 설정한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROLLING DEVICE}

본 발명은, 모터의 속도나 위치를 제어하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

모터의 속도나 위치를 제어하는 모터 제어 장치에서는, 일반적으로 속도 PI(비례 적분) 제어나 필터 등을 이용하여 귀환 루프를 구성한 제어를 행하지만, 이러한 특성을 결정하는 제어 정수를, 구동하는 기계계의 특성에 따라 설정할 필요가 있고, 고속 고정밀의 제어를, 가능한 한 간단한 설정이나 조정으로 실현하는 것이 바람직하다.

이러한 요망에 대해서, 예를 들면, 특허 문헌 1에는, PI 제어를 행하는 속도 제어부나, 통상은 로우 패스 필터가 넓게 이용되는 토크 필터부 등을 구비하며, 이들 각 부의 특성을 설정하는 각종의 제어 정수를, 외부로부터 입력하는 하나의 파라미터에 근거하여 특정의 관계식에 의해 설정하는 모터 제어 장치에 따른 기술이 개시되어 있다.

한편, 상기와 같은 로우 패스 필터를 이용하면, 구동하는 기계계가 저강성이고 또한 관성이 모터에 비해 큰 경우에 안정적인 제어가 곤란하게 된다고 하는 문제가 있다. 이 문제를 개선하는 기술로서, 부하가 큰 2 관성계로서의 기계계를 상정한 기술이 특허 문헌 2에 개시되어 있다.

특허 문헌 2의 기술에 의하면, 설정한 제 1 필터 주파수와 제 2 필터 주파수를 경계로, 저주파수 영역과 고주파수 영역에서는 주파수 응답 이득이 일정하고, 중간의 주파수 영역에서는 위상의 지연이 생기는 것과 아울러 주파수의 증대에 대해서 주파수 응답 이득이 저하하는 특성을 갖는 위상 지연 필터를 이용하여, 안정하게 속도 제어 수단의 비례 이득(속도 이득)을 증대시키는 것을 가능하게 하고 있다. 이후, 혼동되지 않는 경우에는 「주파수 응답 이득」을 단지 「이득」이라고 기재한다. 또한, 파라미터 설정 수단을 구비하며, 상술한 제 1 필터 주파수와 제 2 필터 주파수를 자동적으로 설정하는 기술이 개시되어 있다. 그 설정의 방법으로서는, 속도 제어 수단의 비례 이득(속도 이득)과 기계계 전체의 관성치와 모터 자체의 관성치에 근거하여, 기계계 전체의 관성으로 고려한 제 1 교차 주파수 ωC1과, 모터만의 관성으로 고려한 제 2 교차 주파수 ωC2를 기준으로 설정하는 방법이 개시되어 있다. 혹은 기계계의 반공진 주파수나 공진 주파수를 기준으로 설정하는 방법이 개시되어 있다.

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

특허 문헌 1 : 일본 특개 제2002－027772호 공보

특허 문헌 2 : 국제 공개 제2005/064781호

(비특허 문헌)

비특허 문헌 1 : 오다이 및 호리에 의해 저술된 「비정수차 제어계에 의한 비선형 요소에 강한 제어기의 설계법」 전기 학회 논문잡지 D, 2000년, 제120권, 제1호, pp.11－18

그러나, 특허 문헌 1의 기술에 이용되는 바와 같은 통상의 로우 패스 필터를 사용하면, 해당 로우 패스 필터에 기인한 위상 지연이 발생한다. 구동하는 기계계의 관성이 모터에 대해서 극단적으로 큰 경우에는, 제어 대상의 주파수 응답 이득이 고주파수에서 크게 되어 제어계가 불안정하게 된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 복수의 기계 공진을 갖는 복잡한 특성의 기계계의 경우에도 발진을 일으키기 쉽고, 안정하게 제어하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.

또한, 특허 문헌 2에서는, 위상 지연 필터를 이용하여, 저강성인 기계계를 안정하게 제어하도록 구성되어 있지만, 그 설정 방법은, 제어 대상을 2 관성계로서만 고려하고 있고, 상술한 제 1 교차 주파수 ωC1와 제 2 교차 주파수 ωC2를 기준으로 설정하는 방법에서는, 제 1 필터 주파수와 제 2 필터 주파수의 관계가, 구동하는 기계계의 관성과 모터의 관성의 비율만으로 결정된다. 그 결과, 부하의 관성이 그다지 크지 않은 경우에는 제 1 교차 주파수 ωC1와 제 2 교차 주파수 ωC2의 차이가 작기 때문에 필터로 고주파수의 이득을 저감하는 효과가 작다. 또한, 실제의 기계계는, 많은 경우에는 상기의 이상적인 2 관성계와 달리, 복수의 공진을 갖는 복잡한 특성을 갖고, 또한 귀환 루프에는 낭비 시간 등의 요소가 포함되지만, 특허 문헌 2에 있어서의 파라미터 설정 수단에서는 이들을 고려하고 있지 않기 때문에, 경우에 따라서는 속도 제어기의 속도 이득을 충분히 증대시키지 못하고, 고정밀의 제어를 실현하는 것이 곤란하게 된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 가급적 폭넓은 특성의 기계계에 대해서 고속 고정밀의 제어를 실현할 수 있는 모터 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 제어 대상이 구비하는 모터를 구동하는 모터 제어 장치로서, 상기 모터의 동작 속도를 검출하여, 검출 속도를 출력하는 속도 검출부와, 상기 검출 속도가 속도 지령에 추종하도록 상기 모터에 대한 구동력 지령을 연산하는 제어 연산부와, 상기 제어 연산부의 내부에 있어서, 상기 검출 속도로부터 상기 구동력 지령까지의 전달 함수인 귀환 전달 함수에 속도 이득 Kv를 곱하는 연산을 행하는 증폭 보상부와, 필터 차단 주파수 이하의 주파수에서는 주파수 응답 이득이 대략 1이고, 상기 필터 차단 주파수로부터 상기 필터 차단 주파수보다 큰 필터 상한 주파수까지는 주파수의 증대에 대해서 주파수 응답 이득이 저하하고, 상기 필터 상한 주파수 이상의 주파수에서는 주파수 응답 이득이 대략 일정한 필터 특성을 구비하며, 상기 제어 연산부의 내부에 있어서, 상기 귀환 전달 함수에 상기 필터 특성을 작용시키는 연산을 행하는 귀환 필터와, 외부로부터의 입력에 근거하여 상기 속도 이득 Kv와, 상기 필터 차단 주파수 및 상기 필터 상한 주파수 중 적어도 한쪽을 설정하는 제어 정수 설정부와, 상기 모터의 구동력이 상기 구동력 지령에 일치하도록 상기 모터를 구동하는 구동력 제어부를 구비하며, 상기 제어 정수 설정부는, 상기 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 상기 필터 상한 주파수의 상기 필터 차단 주파수에 대한 비가 작아지도록, 상기 속도 이득 Kv와, 상기 필터 차단 주파수 및 상기 필터 상한 주파수 중 적어도 한쪽을 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 속도 이득 Kv의 증대에 따라 귀환 필터의 위상이 늦는 주파수 범위를 좁게 변경하면서 고주파수의 이득을 저감할 수 있으므로, 가급적 폭넓은 특성의 기계계에 대해서 고속 고정밀의 제어를 실현할 수 있다고 하는 효과를 얻는다.

도 1은, 실시 형태 1에 따른 모터 제어 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는, 모터 제어 장치의 제어 대상의 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 3은, 실시 형태 1에 따른 귀환 필터의 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 4는, 실시 형태 1에 따른 개루프 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 5는, 실시 형태 1의 효과를 개루프 주파수 응답의 비교로 나타내는 도면이다.
도 6은, 실시 형태 2에 따른 모터 제어 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 7은, 실시 형태 2에 따른 귀환 필터의 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 8은, 실시 형태 2에 따른 개루프 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 9는, 실시 형태 3에 따른 모터 제어 장치를 나타내는 블럭도이다.

이하에, 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 실시 형태를 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시 형태 1)

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 모터 제어 장치의 전체 구성을 나타내는 블럭도이다. 모터 제어 장치(101)는 외부로부터 입력된 동작 지령인 속도 지령 vr과, 인코더 등의 동작 검출기(도시하지 않음)를 이용하여 검출한 모터(1)의 동작(속도) vm과, 외부로부터의 입력에 의해 설정된 응답 파라미터 Pr에 근거하여, 모터(1)의 동작이 동작 지령에 추종하도록 모터(1)에 토크(구동력)τm를 발생시킨다. 또한, 모터(1)는 토크 τm를 발생함으로써, 모터(1)와 모터(1)에 결합된 기계 부하(2)로 구성되는 기계계(3)를 구동한다. 또한, 이후에서는 모터(1)를 회전형 모터로 하여 토크 등의 회전계의 용어를 사용하지만, 특히 모터(1)를 회전형으로 한정하는 것은 아니며, 추진력(구동력)을 발생하는 선형 모터이어도 좋다.

모터 제어 장치(101)는, 토크 제어부(구동력 제어부)(4)와, 속도 검출부(5)와, 제어 연산부(102)와, 제어 정수 설정부(105)를 구비하고 있다.

속도 검출부(5)는 검출한 모터(1)의 동작 vm에 근거하여 모터(1)가 동작하는 속도를 연산하고, 검출 속도 vb로서 출력한다. 제어 연산부(102)는 보상 증폭 연산을 행하는 증폭 보상부(103)와 필터 연산을 행하는 귀환 필터(104)로 구성되고, 동작 지령인 속도 지령 vr과, 상기의 검출 속도 vb에 근거하여, 검출 속도 vb가 속도 지령 vr에 추종하도록 귀환 제어의 연산을 행한 토크 지령 τr을 출력한다. 토크 제어부(4)는 모터(1)의 전류를 제어함으로써, 토크 지령 τr에 모터(1)가 발생하는 토크 τm가 일치하도록 제어를 행한다.

또한, 제어 정수 설정부(105)는 외부로부터 설정한 응답 파라미터 Pr에 근거하여, 후술하는 바와 같이 증폭 보상부(103) 및 귀환 필터(104)를 포함하는 제어 연산부(102)의 연산 동작의 특성, 즉, 연산에 이용하는 정수를 설정한다.

［제어 연산부(102)의 연산］

다음에, 증폭 보상부(103)와 귀환 필터(104)로 구성되는 제어 연산부(102)의 연산 처리 내용에 대해 설명한다.

제어 연산부(102)는 속도 지령 vr과, 검출 속도 vb를 입력으로 한다. 제어 연산부(102)의 내부에 있어서 증폭 보상부(103)는 속도 지령 vr과, 검출 속도 vb에 근거하여, 검출 속도 vb가 속도 지령 vr에 추종하도록, 통상적인 비례 적분 제어의 연산을 행한다. 즉, 속도 지령 vr과, 검출 속도 vb의 편차인 속도 편차에 대해서 속도 이득 Kv를 곱하는 비례 보상과, 적분 시정수의 역수를 ωi로 한 적분 보상에 의한 다음 식의 연산을 행하고, 제어 연산부(102)에 있어서의 중간 변수인 보상 토크 τc를 출력한다. 여기서, 다음 식 및 이후에 있어서, s는 라플라스 연산자를 나타내고, 1/s는 적분을 의미한다.

귀환 필터(104)는, 증폭 보상부(103)가 출력한 보상 토크 τc를 입력으로 하고, 소정의 필터 차단 주파수 ωfL보다 고주파수에 있어서 주파수 응답 이득을 상대적으로 저감하도록 하는 전달 함수 F(s)의 연산에 의해 토크 지령 τr을 출력한다. 또한, 귀환 필터(104)는, 그 주파수 응답 특성이, 상기의 필터 차단 주파수 ωfL보다 낮은 저주파수 영역에서는 이득이 대략 1이고, 필터 차단 주파수 ωfL로부터, 그보다 높은 주파수인 필터 상한 주파수 ωfH까지의 중간 주파수 영역에서는 주파수의 증대에 대해서 이득이 저하하고, 상기의 필터 상한 주파수 ωfH보다 높은 고주파수 영역에서는 이득이 대략 일정한 필터 특성을 갖는 것이다. 귀환 필터(104)의 연산 처리 내용에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.

또한, 상기에서는 귀환 필터(104)의 위상 특성에는 언급하고 있지 않지만, 귀환 제어에 이용되는 필터는, 실용적으로는 최소 위상 추이계로 불리는 범주의 것이기 때문에, 주파수 응답 이득의 특성을 결정하면 위상의 특성은 일의로 정해지는 것이다. 구체적으로는 귀환 필터(104)에 상기와 같은 이득 특성을 갖게 함으로써, 그 위상 특성은 결과적으로 중간 주파수 영역에서 상대적으로 늦어지는 특성을 갖는 것이다.

이러한 연산에 의해, 제어 연산부(102)는, 검출 속도 vb로부터 토크 지령 τr까지의 전달 함수(귀환 전달 함수로 기술함)가 다음 (식 2)로 되는 연산을 행하고 있다. 즉, 증폭 보상부(103)의 연산에 의해 귀환 전달 함수에 속도 이득 Kv를 곱하도록, 또한, 귀환 필터(104)의 연산에 의해, 귀환 전달 함수에 상술한 필터 특성을 작용시키도록, 연산을 행한다.

［제어 대상의 특성］

다음에, 본 발명에 따른 모터 제어 장치(101)가 구동하는 기계계(3)와, 토크 제어부(4) 및 속도 검출부(5)의 일반적인 특성에 대해 설명한다. 여기서, 검출 속도 vb에 근거하여 토크 지령 τr의 연산을 행하는 제어 연산부(102)는, 구동하는 기계계(3)의 특성에 따라 연산 특성이 설정되지만, 토크 제어부(4) 및 속도 검출부(5)의 특성은, 통상은 기계계(3)의 특성에 의존하지 않는 일정한 특성으로서 구성된다. 그래서, 토크 지령 τr로부터 검출 속도 vb까지의 특성, 즉, 토크 제어부(4)와 기계계(3)와 속도 검출부(5)를 합한 부분을 제어 대상이라고 부른다.

우선, 기계계(3)가 이상적인 강체라고 가정한 경우의 특성에 대해 설명한다. 그 경우, 모터(1)가 발생하는 토크 τm로부터 기계계(3), 즉, 모터(1)의 실제의 동작 속도까지의 전달 함수는 순수한 적분 특성이 된다. 즉, 그 주파수 응답은, 주파수의 증대에 대해서 이득이 -20［dB/dec］의 기울기로 감소하고, 위상이 -90［deg］로 일정한 특성이 된다. 한편, 토크 제어부(4)의 특성, 즉, 토크 지령 τr에 대한 모터(1)가 발생하는 토크 τm의 전달 특성에는 지연이 포함된다. 또한, 속도 검출부(5)는 위에서 설명한 바와 같이, 예를 들면, 모터(1)의 동작을 검출한 인코더 출력의 차분 연산에 의해 검출 속도 vb의 연산을 행하지만, 신호의 전송이나 연산 처리에 시간을 필요로 하기 때문에, 모터(1)가 실제로 동작하는 속도에 비해 검출 속도 vb는 늦은 신호가 된다.

도 2에, 토크 제어부(4)와 기계계(3)와 속도 검출부(5)로 이루어지는 제어 대상의, 즉, 토크 지령 τr로부터 검출 속도 vb까지의 특성의 주파수 응답을 나타낸다. 도 2의 실선으로, 기계계(3)가 상술한 이상적인 강체인 경우의 특성을 나타낸다. 제어 대상의 이득은 기계계(3)와 마찬가지로 주파수의 증대에 대해서 대략 -20［dB/dec］로 감소한다. 또한, 위상에 관해서는, 상기와 같이 토크 제어부(4) 및 속도 검출부(5)에는 낭비 시간에 근사되는 지연이 있기 때문에, 주파수가 높아짐에 따라 위상 지연이 증대하는 특성으로 된다.

여기서, 토크 제어부(4)와 속도 검출부(5)에서 생기는 위상 지연의 합계가 -90［deg］로 되는 주파수를, 위상 기준 주파수 ωq라고 부르는 것으로 한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상술한 제어 대상의 위상 특성은 위상 기준 주파수 ωq에서 -180［deg］로 된다.

이 위상 기준 주파수 ωq는, 토크 제어부(4) 및 속도 검출부(5)의 위상 지연 특성만으로 정해지므로, 모터(1)만을 모터 제어 장치(101)로 구동하는 상태에서, 토크 지령 τr로부터 검출 속도 vb까지의 주파수 응답을 측정함으로써 측정할 수 있다. 혹은 마찬가지로 모터(1)만을 구동하는 상태에서, 제어 연산부(102)를 단순한 속도 비례 제어의 특성으로 하여 그 제어 이득을 크게 한 때에 발생하는 발진의 주파수로서 측정할 수 있다. 즉, 실제로 기계 부하(2)를 모터(1)에 접속하여 구동하는 일 없이, 사전에 결정하는 것이 가능한 것이다. 본 실시 형태에서는 예로서 위상 기준 주파수를 10000［rad/s］로서 나타낸다.

다음에, 기계계(3)가 이상적인 강체가 아닌 현실적인 특성의 경우에 대해 설명한다. 기계계(3)는, 모터와 기계 부하(2)를 접속하는 커플링이나 샤프트(도시하지 않음), 혹은 기계 부하(2) 본체의 저강성에 기인하여, 일반적으로 복수의 기계 공진을 갖는다. 또한, 많은 산업용도의 모터에서는, 모터(1)와 인코더 등의 동작 검출기(도시하지 않음)는 일체로 되어 구성되고, 구동력 발생부와 동작 검출부가 충분히 근접하고 있는 코로케이션(collocation)으로 불리는 조건이 성립하고 있다. 이 경우, 모터(1)의 발생 토크로부터 모터(1)의 실제의 속도까지의 전달 함수는, 주파수의 증대에 따라 반공진과 공진이 교대로 나타나고, 위상이 -90［deg］보다 늦지 않는 것이 이론적으로 알려져 있다. 즉, 기계계(3)가 이상적인 강체인 경우와 비교하여, 전체 주파수에 있어서, 위상 지연이 커지지 않는다.

도 2의 파선으로, 기계계(3)가 이상적인 강체가 아닌 경우, 즉, 강성이 낮아서 기계 공진이 있는 경우의 토크 지령 τr로부터 검출 속도 vb까지의 주파수 응답의 일례를 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 주파수의 증대에 따라, 이득의 노치 특성이 되는 반공진과 피크 특성이 되는 공진이 교대로 나타난다. 또한, 반공진 주파수와 공진 주파수의 사이에 주파수의 증대에 따라 이득이 증대하는 특성을 갖는다. 그 결과, 실선으로 나타낸 기계계(3)가 이상적인 강체의 경우에 비해, 고주파수로 됨에 따라서 전체적으로 이득이 증대하는 특성을 나타낸다. 이 고주파수에서의 이득 증대는, 일반적으로, 기계계(3) 전체의 관성에 비해 모터(1)의 관성이 작은 쪽이 커진다. 한편 위상 특성은, 주파수의 증대에 따라 반공진 주파수의 부근에서 위상이 180［deg］선행하는 방향으로 변화하고, 공진 주파수의 부근에서 위상이 180［deg］늦은 방향으로 변화하지만, 기계계(3)가 이상적인 강체의 경우에 비해 위상이 늦지 않는다. 그 결과, 상술한 위상 기준 주파수 ωq보다 낮은 주파수에서 위상이 -180［deg］보다 늦지 않는다.

［귀환 필터(104)의 상세］

다음에 본 실시 형태 1에 따른 귀환 필터(104)의 구성의 상세에 대하여 설명한다. 귀환 필터(104)는 분모와 분자가 소정의 동일한 차수 n(n은 1 이상의 정수)의 전달 함수를 갖게 한 것이다. 즉, 각각 n차의 s의 다항식으로 나타내어지는 분모 다항식 Df(s)와 분자 다항식 Nf(s)를 이용하여 다음 식의 전달 함수로 나타내어지는 연산을 행한다.

여기서, 본 실시 형태에 있어서의 귀환 필터(104)는, 상기의 분모 다항식 Df(s) 및 분자 다항식 Nf(s)가, n개의 극의 주파수(이하에서는 단지 극이라고 기재함) ωp＿i［rad/s］와 n개의 영점의 주파수(이하에서는 단지 영점이라고 기재함) ωz＿i［rad/s］를 이용하여, 다음 식과 같이 n개의 다항식의 곱으로 나타내어지는 연산을 행한다. 여기서, 첨자를 나타내는 ＿i의 i는 1~n의 정수이다.

(식 4) 및 (식 5)에 있어서, n개의 극 ωp＿i는 작은 순서대로 첨자 i를 부여하고, 마찬가지로 n개의 영점 ωz＿i도 작은 순서대로 첨자 i를 부여하여 나타낸다. 또한, 상술한 필터 차단 주파수 ωfL에 제 1 번째, 즉, 최소의 극 ωp＿1을, 필터 상한 주파수 ωfH에 제 n 번째, 즉, 최대의 영점 ωz＿n을 대응시킴과 아울러, 제 1 번째로부터 제 n 번째의 극 ωp＿i 및 영점 ωz＿i를, 그 절대치가 작은 순서대로 극과 영점이 교대로 되도록 설정한다. 즉, 각각의 극 ωp＿i 및 영점 ωz＿i가 다음 식의 관계로 되도록 설정한다.

상기 설정의 결과, (식 3)∼(식 5)로 나타내어지는 귀환 필터 F(s)의 주파수 응답 특성은, 이후에 상세를 설명하는 도 3에 나타낸 바와 같이, 필터 차단 주파수 ωfL, 즉, 최소의 극 ωp＿1보다 낮은 저주파수 영역에서 이득이 대략 1이고, 또한, 필터 차단 주파수 ωfL로부터 필터 상한 주파수 ωfH의 중간 주파수 영역에 있어서는, 주파수의 증대에 대해서 이득이 저하하고, 또한, 필터 상한 주파수 ωfH, 즉, 최대의 영점 ωz＿n보다 고주파수 영역에서 이득이 대략 일정하게 다음 (식 7)의 Gh에 수렴하는 특성을 갖는다.

또한, 상기의 귀환 필터(104)의 전달 함수 F(s)의 위상 특성은, 필터 차단 주파수 ωfL와 필터 상한 주파수 ωfH의 사이의 중간 주파수 영역에서는 -90［deg］와 0［deg］의 사이에 있고, 필터 차단 주파수 ωfL보다 낮은 저주파수 영역에서는 주파수가 낮아짐에 따라 위상이 0에 가까워지고, 필터 상한 주파수보다 높은 고주파수 영역에서는 주파수가 높아짐에 따라 위상이 0에 가까워지는 특성을 갖는다. 따라서 귀환 필터 F(s)는 전체 주파수에 있어서 위상이 -90［deg］보다 큰 특성을 갖고 있다.

［제어 정수 설정부의 동작］

다음에, 제어 정수 설정부(105)의 동작의 개략에 대해 설명한다. 제어 정수 설정부(105)는 외부로부터 응답 파라미터 Pr가 입력된다. 이 응답 파라미터 Pr는, 속도 지령 vr에 대해서 검출 속도 vb를 일치시키도록 동작하는 모터 제어 장치(101)의 응답 속도를 설정하는 파라미터이며, 응답 속도를 나타내는 주파수나 그 역수의 시정수이라고 하는 연속적인 수치나, 대/중/소라고 하는 단계적인 파라미터 중 어느 쪽이더라도 좋다. 이 응답 파라미터 Pr는, 모터 제어 장치(101)를 이용하는 용도나 구동하는 기계계(3)의 특성에 따라 제어계의 안정성이나 소망하는 응답 속도를 고려하여 결정되는 것이다. 또한, 속도 이득 Kv 그 자체가 응답 파라미터 Pr로서 입력되도록 해도 좋다.

모터 제어 장치(101)의 응답 속도를 보다 빠르게 설정하는 경우, 제어 정수 설정부(105)는 응답 파라미터 Pr의 입력에 의해, 제어 연산부(102)의 증폭 보상부(103)에 있어서의(식 1)의 연산의 속도 이득 Kv를 보다 크게 설정한다. 또한, 적분 시정수의 역수 ωi를, 속도 이득 Kv를 기계계(3)의 관성치 J로 나눈 이득 교차 주파수 ωc를 기준으로, 그 0.1∼0.5배 정도의 크기로 설정한다. 제어 정수 설정부(105)는 이러한 증폭 보상부(103)의 설정과 동시에, 귀환 필터(104)의 특성을 이하와 같이 설정한다. 여기서, 관성치 J는 외부로부터 설정치로서 입력하거나, 혹은 토크 지령 τr과 검출 속도 vb에 근거한 추정에 의해 정해도 좋다.

또한, 제어 정수 설정부(105)는 이득 교차 주파수 ωc를 기준으로, 그와 동일한 정도로부터 약간 큰 값, 통상은 ωc의 1∼5배 정도의 값으로 해서 필터 차단 주파수 ωfL을 설정한다. 또한, 상술한 위상 기준 주파수 ωq 보다 약간 작은 값, 통상은 0.2~1배 정도의 값으로 해서 필터 상한 주파수 ωfH를 설정한다. 또한, 설명의 간단화를 위해서, 이득 교차 주파수 ωc는 위상 기준 주파수 ωq보다 충분히 작은 경우에 대해 기술하고, 그 결과, 상기와 같은 설정에 의해 필터 차단 주파수 ωfL는 필터 상한 주파수 ωfH보다 작게 설정되는 것으로 한다.

여기서, 임의의 기계계(3)를 구동하는 경우, 속도 이득 Kv를 증대시키면 이득 교차 주파수 ωc는 속도 이득 Kv에 비례하여 증대한다. 한편 위상 기준 주파수 ωq는 속도 이득 Kv에는 의존하지 않는 값이다. 따라서 제어 정수 설정부(105)는 응답 파라미터 Pr의 입력에 따라 속도 이득 Kv를 크게 한 경우에, 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비율이 작아지도록 설정하게 된다. 결과적으로, 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 상기에서 설명한 중간 주파수 영역, 즉, 귀환 필터(104)의 위상 지연이 큰 주파수 범위가 대수축상에 있어서 좁아진다.

제어 정수 설정부(105)가 상기와 같이 동작함으로써, 귀환 필터(104)는, 이득 교차 주파수 ωc 부근에서의 위상 지연을 너무 크게 하는 일 없이, 이득 교차 주파수 ωc보다 어느 정도 높은 주파수에서는 이득을 저감함과 아울러, 위상 기준 주파수 ωq 부근에 있어서도 위상 지연을 작게 하는 주파수 응답 특성을 갖는다.

［귀환 필터 설정의 상세］

다음에, 상기에서 개략 동작을 기술한 제어 정수 설정부(105)에 따른 귀환 필터(104)의 설정에 관한 상세를 설명한다. 제어 정수 설정부(105)는 상술한 위상 기준 주파수 ωq에 소정의 정수 rH를 곱한 상측 기준 주파수 ωH를 계산한다. 여기서 정수 rH는 대략 0.2∼1의 범위의 정수이다. 또한, 위상 기준 주파수 ωq 및 정수 rH는 미리 정해 두면 좋기 때문에, 상측 기준 주파수 ωH 자체를 미리 정해 두어도 좋다. 또한, 제어 정수 설정부(105)는 입력된 응답 파라미터 Pr에 따라 정해지는 이득 교차 주파수 ωc에, 미리 정한 정수 rL을 곱한 하측 기준 주파수 ωL을 계산한다. 정수 rL는 대략 1∼5의 범위로 한다. 즉, 이하의 식에서 상측 기준 주파수 ωH와 하측 기준 주파수 ωL을 계산한다.

또한, 제어 정수 설정부(105)에는, 상술한 귀환 필터(104)의 차수 n와 동일한 개수의 필터의 극 ωp＿i에 대응한 n개의 정수 αp＿i, 및 n개의 영점 ωz＿i에 대응한 n개의 정수 αz＿i(i는 1 내지 n의 정수)가, 다음 식 10의 관계를 만족하도록 미리 설정되어 있다.

또한, 제어 정수 설정부(105)는, 상기의 상측 기준 주파수 ωH, 하측 기준 주파수 ωL과, 상기 미리 설정된 각각 n개의 정수 αp＿i, αz＿i를 이용하여, 귀환 필터(104)에 있어서의 각각 n개의 극 ωp＿i와 영점 ωz＿i를 다음 식으로 계산하여 설정한다.

상기 식과 같이 설정함으로써, 제 i 번째의 극 ωp＿i는, 주파수를 대수로 나타낸 축에 있어서, 상측 기준 주파수 ωH와 하측 기준 주파수 ωL을 αp＿i： (1－αp＿i)로 분할한 주파수로 설정된다. 마찬가지로, 제 i 번째의 영점 ωz＿i는, ωH와 ωL을 대수축에 있어서 αz＿i： (1－αz＿i)로 분할한 주파수로 설정된다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이 ωp＿1은 필터 차단 주파수 ωfL이며, ωz＿n은 필터 상한 주파수 ωfH이기 때문에, 정수 αp＿i, αz＿i를 (식 10)과 같이 설정함으로써, 귀환 필터(104)의 극 및 영점은 (식 6)을 만족하도록 설정된다.

여기서, 상기 (식 11) 및 (식 12)의 계산에 있어서, 정수 αp＿i, αz＿i를 이용한 0 이상 1 이하의 정수에 한정되지 않는 유리수를 지수로 갖는 계산을 행하지만, 그 실현 시에는, 각각 n개의 정수 αp＿i, αz＿i를, (식 10)를 만족하면서, (1/2)를 소정의 정수 a의 회수만큼 곱한 값과 소정의 정수 b의 곱으로 나타내는 바와 같이 선택해 두면 좋다. 또한, (1/2)를 곱하는 회수 a의 값은, i에 따라, 또는 αp＿i와 αz＿i로, 상이한 값을 취할 수 있다. 마찬가지로, 정수 b도, i에 따라, 또는 αp＿i와 αz＿i로, 상이한 값을 취할 수 있다. 이와 같이 함으로써, (식 11) 및 (식 12)에 있어서, 정수가 아닌 αp＿i나 αz＿i를 지수로 가져야 할 승산 연산을, 예를 들면, ωH에 대한 a회의 평방근 연산과 b회의 곱셈으로 실행할 수 있고, 고가의 연산 장치가 아니어도 실장 가능한 연산으로 실현되는 것이 가능하게 된다.

여기서, 상술한 제어 정수 설정부(105)에 따른 귀환 필터(104)의 설정에 관한 이론적 배경을 보충해 둔다. 여기에서는 이론상의 설명의 간단화를 위해서, ωfL＜＜ωfH이고, 또한 귀환 필터(104)의 차수 n을 충분히 큰 정수로 한다. 귀환 필터(104)의 극 ωp＿i와 영점 ωz＿i에, 상기 (식 6)의 대소 관계와 함께, 비특허 문헌 1의 5장에 기재되어 있는 비정수차 적분의 근사 실현 방법과 마찬가지의 관계를 갖게 하는 것을 생각한다.

이를 위해, 각각 n개의 αp＿i 및 αz＿i를, 각각이 간격을 Δα로 한 등차 수열이 되도록 설정하고, 또한 αz＿i와 αp＿i의 차이가 Δα에 대해서 k배(단 0＜k＜1)로 되도록 설정한다. 이 경우, 귀환 필터(104)의 전달 함수 F(s)는 ωfL와 ωfH의 사이의 주파수에 있어서, 다음 식에서 나타내어지는 비정수차 적분의 특성으로 근사된다. 단, 다음 식에 있어서의 정수 k는 0＜k＜1의 유리수이다.

상기 (식 13)에서 나타내어지는 k차의 비정수차 적분의 위상은, －90 k［deg］로 일정하다. 따라서 본 실시 형태와 같이 제어 정수 설정부(105) 및 귀환 필터(104)를 구성하고, 상기의 이론적 배경에 근거하는 비정수의 차수 k를 소망하는 값으로 하도록 ωp＿i 및 ωz＿i를 설정함으로써, ωfL로부터 ωfH까지의 주파수 범위가 넓은 경우에도, 그 주파수 범위에 있어서 위상이 -90［deg］∼0［deg］의 사이의 소망하는 크기가 되도록 설정하는 것이 가능하게 된다.

［구체적인 예］

다음에, 본 실시 형태의 모터 제어 장치(101)에 따른 제어를, 수치를 이용하여 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 실시 형태에 따른 귀환 필터(104)의 전달 함수 F(s)의 주파수 응답을 나타낸다. 본 구체적인 예에서는 귀환 필터(104)의 차수 n을 2로 하고 있다. 도면에서는, 임의의 기계 부하(2)를 모터(1)에 접속한 상태에 있어서, 응답 파라미터 Pr의 변경에 근거하는 제어 정수 설정부(105)의 동작에 의해, 증폭 보상부(103)에 있어서의 속도 이득 Kv가 상이한 값으로 설정된 3 종류의 경우를 나타낸다. 속도 이득 Kv가 작은 경우를 실선으로, 속도 이득 Kv가 중간 정도의 경우를 긴 점선으로, 속도 이득 Kv가 큰 경우를 점선으로 도시하고 있다. 도면의 상단에 이득을, 하단에 위상을 나타내고 있고, 또한, 각 조건의 이득선도, 위상선도에 겹쳐서, 귀환 필터(104)의 극 ωp＿i를 삼각점으로, 영점 ωz＿i를 원점으로 도시하고 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 최소의 극 ωz＿1이 필터 차단 주파수 ωfL이고, 최대의 영점 ωz＿2가 필터 상한 주파수 ωfH이다.

도 3에 나타낸 귀환 필터(104)의 극 ωp＿i 및 영점 ωz＿i는, 상술한 제어 정수 설정부(105)의 동작에 의해, 다음과 같이 정해져 있다. 우선, 도 2에 나타낸 바와 같은, 본 구체적인 예에서는, 토크 제어부(4) 및 속도 검출부(5)에서 생기는 위상 지연이 -90［deg］로 되는 주파수인 위상 기준 주파수 ωq가 10000［rad/s］이며, 소정의 정수 rH를 0.5로 한 (식 8) 계산에 의해 상측 기준 주파수 ωH가 정해져 있다. 다음에 제어 정수 설정부(105)는, 외부로부터의 응답 파라미터 Pr의 입력에 따라 증폭 보상부(103)에 있어서의 속도 이득 Kv를 결정하고, 속도 이득 Kv를 기계계(3)의 관성치 J로 나눈 값인 이득 교차 주파수 ωc를 구한다. 그 이득 교차 주파수 ωc에 근거하여 소정의 정수 rL을 2.0으로 한 (식 9) 계산에 의해 하측 기준 주파수 ωL을 정한다. 다음에, 제어 정수 설정부(105)는 다음 식의 관계를 만족하도록 미리 정한 정수 αp＿i 및 αz＿i(i=1, 2)를 이용하여, (식 11) 및 (식 12)에 따라, 귀환 필터(104)의 극 ωp＿i 및 영점 ωz＿i를 설정하고 있다.

본 구체적인 예에서는, 상기 식과 같이 αp＿1을 0으로 설정하고 있으므로, ωp＿1, 즉, 필터 차단 주파수 ωfL는, 이득 교차 주파수 ωc를 정수배로 한 하측 기준 주파수 ωL와 동일하게 정해져 있다.

상기와 같이 제어 정수 설정부(105)가 귀환 필터(104)의 특성을 설정함으로써, 도 3의 이득선도에 나타낸 바와 같이, 귀환 필터(104)의 전달 함수 F(s)는, 필터 차단 주파수 ωfL보다 고주파수에서 이득을 저감하고, 필터 차단 주파수 ωfL보다 저주파수 영역에서 이득이 대략 1이고, 필터 차단 주파수 ωfL와 필터 상한 주파수 ωfH의 사이의 중간 주파수 영역에 있어서 주파수의 증대에 대해서 이득을 저감하고, 필터 상한 주파수 ωfH보다 고주파수 영역에서 이득을 대략 일정하게 하는 주파수 응답 특성을 갖게 된다. 또한, 제어 정수 설정부(105)는 응답 파라미터 Pr에 근거하여, 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비율이 작아지도록 설정하게 된다.

또한, 도 3의 위상선도에 나타낸 바와 같이, 귀환 필터(104)의 위상 특성은, 전체 주파수 영역에 있어서 -90［deg］보다 커지도록 구성되어 있고, 특히, 속도 이득 Kv가 작은 경우에는, 상기와 같이 귀환 필터(104)의 극 ωp＿i와 영점 ωz＿i를 교대로 배치한 효과에 의해, 필터 차단 주파수 ωfL와 필터 상한 주파수 ωfH의 사이의 넓은 주파수 범위에 있어서, －90［deg］보다 약 30［deg］큰 값으로 일정하게 가까운 위상 특성을 갖고, 귀환 필터(104)의 차수 n을 1로 한 경우에서는 실현할 수 없는 특징을 갖고 있다. 또한, 속도 이득 Kv의 증대에 대해서, 상기와 같이 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비율이 작아지기 때문에, 그들의 중간에서 위상이 늦는 주파수 범위가, 대수축에 있어서 좁아지는 특성을 갖고 있다.

다음에, 본 실시 형태에서 얻어지는 효과를 설명하기 위해서, 도 4에, 본 구체적인 예에 있어서 기계계(3)가 이상적인 강체라 가정한 경우의 제어계의 개루프 전달 함수의 주파수 응답을 나타낸다.

도 4에는, 도 3과 마찬가지로, 외부로부터 입력하는 응답 파라미터 Pr의 변경에 의해, 제어 정수 설정부(105)가 증폭 보상부(103)의 속도 이득 Kv를, 3 종류의 상이한 값으로 설정한 경우를 나타낸다. 제어 정수 설정부(105)는, 적분 시정수의 역수 ωi가 이득 교차 주파수 ωc의 0.3배로 되도록 설정하고 있다. 도 3과 마찬가지로, 속도 이득 Kv가 작은 경우를 실선으로, 속도 이득 Kv가 중간 정도의 경우를 긴 점선으로, 속도 이득 Kv가 큰 경우를 점선으로 도시하고 있다. 도 4로부터, 개루프 전달 함수의 위상이 -180［deg］로 되는 위상 교차 주파수는, 속도 이득 Kv를 변경해도 대부분 변하지 않고, 도 3에 나타낸 위상 기준 주파수 ωq인 10000［rad/s］에 비해, 약간 작아질 뿐이다. 또한, 어느 경우에도 이득 교차 주파수 ωc에서의 위상 여유는 45［deg］이상의 충분한 크기가 있고, 이득 교차 주파수 ωc보다 높은 주파수에서는, 상기의 위상 교차 주파수보다 조금 낮은 주파수까지, －180［deg］에 대해서 약 30［deg］정도 이상의 여유를 유지한 특성으로 되어 있다. 특히, 속도 이득 Kv가 작은 경우에는, 넓은 주파수 범위에 있어서, 위상이 -180［deg］보다 약 30［deg］큰 값으로 일정하게 가까운 특성을 갖고, 귀환 필터(104)의 차수 n을 1로 한 경우에는 실현할 수 없는 특징을 갖고 있다.

여기서, 도 4에는 기계계(3)가 이상적인 강체인 경우의 개루프 전달 함수의 주파수 응답을 나타냈지만, 상술한 바와 같이, 기계계(3)가 이상적인 강체가 아닌 경우의 이득 특성은, 공진 피크가 나타나거나, 주파수가 높아짐에 따라 이득이 보다 커진다고 하는 차이가 발생한다. 한편 위상 특성은, 도 4에 나타낸 기계계(3)가 이상적인 강체인 경우에 비해 위상 지연이 커지지 않는다. 따라서 개루프 전달 함수의 이득이, 도 4에 나타낸 위상 교차 주파수보다 낮은 주파수에 있어서 기계 공진 등에 기인하여 0［dB］보다 커졌다고 해도, 위상 교차 주파수보다 높은 주파수에서 0［dB］를 넘지 않으면 불안정하게 되지 않는다. 따라서, 위상 교차 주파수를 높게 유지하면, 그것보다 낮은 주파수의 기계 공진이 불안정하게 되지 않고, 가능한 한 안정성을 높게 할 수 있다.

이와 같이 본 실시 형태는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 귀환 필터(104)에 의해 개루프 전달 함수에 있어서의 고주파수의 이득을 저감하면서도, 도 4에 나타낸 바와 같이 위상 교차 주파수가 위상 기준 주파수 ωq보다 가능한 한 작지 않도록, 속도 이득 Kv의 증대에 의해 위상 지연이 큰 주파수 범위가 대수축상에서 좁아지도록 구성하고 있다. 그 때문에 기계계(3)가 강체와 달리, 예를 들면, 기계 공진이 많이 있는 경우에도, 코로케이션이 성립하는 기계계의 특성을 이용하여, 속도 이득 Kv의 설정에 따라 불안정화가 가능한 한 생기지 않도록 귀환 필터(104)의 설정을 행하고 있다. 또한, 이에 의해, 응답 파라미터 Pr의 입력에 따라 속도 이득 Kv를 서서히 증대시킨다고 하는 간단한 조정으로, 강성으로 고속 고정밀의 제어계를 실현할 수 있다.

도 5에, 상술한 본 실시 형태에 따른 모터 제어 장치를 이용한 경우와, 귀환 필터(104)를 본 실시 형태와 상이한 것으로 변경한 경우의 개루프 전달 함수 주파수 응답의 비교를 나타낸다. 실선으로 본 실시 형태의 모터 제어 장치를 이용한 경우의 개루프 주파수 응답을 나타낸다. 비교 대상으로서, 긴 점선으로 본 실시 형태에 있어서의 귀환 필터(104)의 부분을 필터 동작을 행하지 않는 직접 전송 상태로 한 경우를, 점선으로 귀환 필터(104)의 부분을 1차 로우 패스 필터로 변경하여 고주파수 영역의 이득을 가능한 한 저감한 경우를 나타낸다. 도면 중에, 각 경우에 있어서의 위상 교차 주파수를 원으로 도시하고, 일반적인 강성의 지표로 되는 이득 여유를 양방향 화살표로 도시하고 있다. 도면으로부터, 본 실시 형태에 따른 위상 교차 주파수는, 필터가 없는 경우에 비해 약간 저하할 뿐이며, 로우 패스 필터의 경우와 같이 대폭적인 저하는 하지 않는다. 또한, 본 실시 형태, 필터가 없는 경우, 로우 패스 필터의 경우의 각각에 대해서, 이득 여유는 약 60［dB］, 약 40 「dB」, 약 35［dB］이며, 본 실시 형태의 경우에는 다른 경우에 비해 20［dB］이상, 이득 여유가 큰 것이 밝혀진다. 즉, 그 만큼 기계계(3)가 이상적인 강체와 달리 기계 공진을 갖고 있는 경우나, 모터의 저관성에 기인하여 고역 이득이 커지는 경우에도 안정이 유지되는 것을 알 수 있다. 또한, 이와 같이 안정적인 제어 특성을 응답 파라미터 Pr의 입력만으로 간단하게 실현할 수 있다.

또한, 상기 설명에서는, 제어 정수 설정부(105)에 있어서의 귀환 필터(104)의 설정 동작을, 속도 이득 Kv를 기계계(3)의 관성 값으로 나눈 이득 교차 주파수 ωc에 근거하여 행하는 것으로 하여 설명했지만, 예를 들면, 기계계(3)의 상정되는 관성치의 범위가 좁은 경우에는, 정확한 관성치 J를 이용하지 않아도 개략 연산에 의해 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다. 또한, 제어 정수 설정부(105)에 있어서의 귀환 필터(104)의 설정 동작을, 사전에 측정한 위상 기준 주파수 ωq에 근거하는 것으로 하여 설명했지만, 위상 기준 주파수 ωq를 사전에 정확하게 구하는 것을 행하지 않아도, 예를 들면, 경험적인 값으로서 설정함으로써, 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다. 즉, 제어 정수 설정부(105)가, 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 필터 차단 주파수 ωfL의 필터 상한 주파수 ωfH에 대한 비율이 1 이하의 범위에서 커지도록, 환언하면 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비율이 작아지도록 귀환 필터(104)의 특성을 설정하면, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기의 설명에 있어서의 제어 연산부(102)의 구성은, 속도 지령 vr과 검출 속도 vb의 편차에 근거하여 증폭 보상부(103)에서 연산한 결과에 대해서 귀환 필터(104)를 작용시키는 순서의 구성으로 했지만, 이 순서는 특히 제한되는 것이 아니다. 즉, 속도 지령 vr과 검출 속도 vb의 편차에 대해서 (식 3)로 나타내어지는 전달 함수의 귀환 필터(104)를 작용시키고, 그 출력에 대해서 (식 1)와 마찬가지의 입출력 관계에 의한 비례 적분 제어의 연산을 함으로써, 제어 연산부(102)는, 검출 속도 vb로부터 토크 지령 τr까지의 전달 함수(귀환 전달 함수)가 (식 2)와 완전히 동일한 연산을 하도록 구성해도 좋다.

또한, 상기의 설명에서는, 모터 제어 장치(101)를 속도 지령 vr에 검출 속도 vb를 추종시키는 속도 제어계로서 도시했지만, 상기의 속도 제어계를 마이너 루프로서 포함하도록 하는 위치 제어계로서 구성할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 상기의 설명에서는, 증폭 보상부(103)가 비례 적분 연산을 행하는 것으로 하여 설명했지만, 검출 속도 vb로부터 토크 지령 τr까지의 귀환 전달 함수에 속도 이득 Kv를 곱하는 연산을 행하면 좋고, 정상 편차를 허용하는 경우나 위치 제어계의 마이너 루프로서 이용하는 경우 등, 필요하면 적분 보상을 행하지 않아도 좋음은 말할 필요도 없다. 또한, 증폭 연산부(103)에, 필터 상한 주파수 ωfH보다 충분히 높은 주파수 성분을 제거하도록 하는 로우 패스 특성을 추가해도, 본 발명의 실시 형태 1의 특징이 전혀 손실되지 않음은 말할 필요도 없다.

이와 같이, 본 발명의 실시 형태 1에 의하면, 제어 연산부(102)는, 귀환 전달 함수에 속도 이득 Kv를 곱하는 연산을 행하는 증폭 보상부(103)와, 필터 차단 주파수로부터 저주파측에서는 이득이 대략 1이고, 필터 차단 주파수 ωfL로부터 필터 차단 주파수 ωfL보다 큰 필터 상한 주파수 ωfH까지는 주파수의 증대에 대해서 이득이 저하하고, 필터 상한 주파수 ωfH보다 고주파측에서는 이득이 대략 일정한 주파수 응답 특성을 구비하며, 귀환 전달 함수의 주파수 응답 이득을 필터 차단 주파수 ωfL보다 고주파수로 저감하는 연산을 행하는 귀환 필터(104)를 구비하며, 제어 정수 설정부(105)는, 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비가 작아지도록 속도 이득 Kv, 필터 차단 주파수 ωfL 및 필터 상한 주파수 ωfH를 설정하도록 구성했으므로, 속도 이득 Kv의 증대에 따라 귀환 필터(104)의 위상이 늦는 주파수 범위를 좁게 변경함으로써, 위상 교차 주파수를 저하시키지 않고, 속도 이득 Kv의 대소에 따라 개루프 전달 함수의 고주파수의 이득을 가능한 한 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 기계 부하(2)의 관성이 모터(1)에 대해서 큰 경우에도, 그렇지 않은 경우에도, 또한, 복수의 기계 공진이 있는 경우에도, 속도 이득 Kv에 따라 안정성을 가능한 한 향상시키는 효과가 얻어지고, 속도 이득 Kv를 가능한 한 크게 설정할 수 있도록 되기 때문에, 가급적 폭넓은 특성의 기계계에 대해서 고속 고정밀의 제어를 실현할 수 있다. 또한, 속도 이득 Kv에 근거하여 필터 차단 주파수 ωfL 및 필터 상한 주파수 ωfH가 설정되므로, 설정이 필요한 가변 파라미터로서 속도 이득 Kv를 정하기 위한 응답 파라미터 Pr을 입력하는 것만으로 좋기 때문에, 고속 고정밀의 제어를 간단한 설정으로 실현할 수 있다.

(실시 형태 2)

실시 형태 1에서는, 귀환 필터(104)를 2차의 구성으로 했지만, 보다 간단하게 1차로 해도, 유사한 효과를 얻는 모터 제어 장치로서 실현 가능하다. 도 6은 실시 형태 2에 따른 모터 제어 장치의 구성도이다. 또한, 실시 형태 2의 모터 제어 장치(201)의 구성은, 제어 정수 설정부(205) 및 제어 연산부(202)를 제외하고 실시 형태 1과 마찬가지이다. 실시 형태 1과 마찬가지의 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

제어 연산부(202)는, 증폭 보상부(103)와 귀환 필터(204)를 구비한다. 귀환 필터(204)는, 실시 형태 1에 있어서의 2차의 귀환 필터(104)를 1차의 필터로 변경한 것이다. 제어 정수 설정부(205)는, 귀환 필터(204)가 실시 형태 1과 상이한 것에 따라, 그 특성 설정 방법이 실시 형태 1의 제어 정수 설정부(105)와 상이한 것이다.

［귀환 필터(204)］

다음에, 귀환 필터(204)의 연산 처리 내용에 대해 설명한다. 귀환 필터(204)는, 실시 형태 1과 마찬가지의 증폭 보상부(103가 출력한 보상 토크 τc를 입력으로 한다. 그리고 제어 정수 설정부(205)에서 설정하는 필터 차단 주파수 ωfL 및 필터 상한 주파수 ωfH를 이용하여 필터 차단 주파수 ωfL보다 고주파수의 이득을 상대적으로 저감하도록, 다음 식에서 나타내는 1차 필터의 연산 F(s)를 행한 결과를 토크 지령 τr로서 출력한다. 즉, 귀환 필터(204)는 필터 차단 주파수 ωfL을 극, 필터 상한 주파수 ωfH를 영점으로 하는 1차 필터이다.

상기의 필터 상한 주파수 ωfH는 필터 차단 주파수 ωfL 이상의 크기로 설정된다. 귀환 필터(204)는 필터 차단 주파수 ωfL보다 낮은 저주파수 영역에서 이득이 대략 1이고, 또한, 필터 차단 주파수 ωfL로부터 필터 상한 주파수 ωfH의 사이의 중간 주파수 영역에 있어서는, 주파수의 증대에 대해서 이득이 저하하고, 필터 상한 주파수 ωfH보다 높은 고주파수에서 이득이 상기의 저주파수 영역보다 작은 값으로 대략 일정한 값의 특성을 갖는다.

상기의 귀환 필터(204)의 전달 함수 F(s)의 위상 특성은, 필터 상한 주파수 ωfH와 필터 차단 주파수 ωfL의 비율이 임의의 정도의 범위 내이면, 그 사이의 중간 주파수 영역에서는 -90［deg］와 0［deg］의 사이에 있고, 필터 차단 주파수 ωfL보다 낮은 주파수에서는 주파수가 낮아짐에 따라 위상이 0에 가까워지고, 필터 상한 주파수보다 높은 주파수에서는 주파수가 높아짐에 따라 위상이 0에 가까워지는 특성을 갖는다. 그러나 실시 형태 1에 있어서의 귀환 필터(104)와 달리, 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비가 극단적으로 커지면, 중간 주파수 영역의 중심에 있어서 위상이 -90［deg］에 점차 근사하는 특성을 갖는다.

［제어 정수 설정부(205)］

다음에, 제어 정수 설정부(205)의 동작에 대해 설명한다. 제어 정수 설정부(205)는 실시 형태 1과 마찬가지로, 외부로부터 입력된 응답 파라미터 Pr에 근거하여, 모터 제어 장치(201)의 응답 속도를 보다 빠르게 설정하는 경우에는, 제어 연산부(202)의 증폭 보상부(103)에 있어서의 속도 이득 Kv를 보다 크게 설정한다. 또한, 증폭 보상부(103)에 있어서의 적분 시정수의 역수 ωi를 실시 형태 1과 마찬가지로 설정한다. 그와 동시에, 속도 이득 Kv의 증대에 따라 상기의 귀환 필터(204)의 필터 차단 주파수 ωfL와 필터 상한 주파수 ωfH를 이하와 같이 설정한다.

제어 정수 설정부(205)는, 실시 형태 1과 마찬가지로, 위상 기준 주파수 ωq에 정수 rH를 곱한 상측 기준 주파수 ωH를 계산한다. 여기서 정수 rH는 대략 0.2∼1의 범위의 정수이며, 상측 기준 주파수 ωH 자체를 미리 정해 두어도 좋다. 또한, 제어 정수 설정부(205)는 입력된 응답 파라미터 Pr에 따라 정해지는 속도 이득 Kv를 기계계(3)의 관성치 J로 나눈 이득 교차 주파수 ωc에, 미리 정한 정수 rL을 곱한 하측 기준 주파수 ωL을 계산한다. 정수 rL는 대략 1∼5의 범위로 한다. 즉, 실시 형태 1과 마찬가지로 (식 8) 및 (식 9)으로 상측 기준 주파수 ωH와 하측 기준 주파수 ωL을 계산한다.

여기서, 만일 필터 차단 주파수 ωfL을 하측 기준 주파수 ωL에, 필터 상한 주파수 ωfH를 상측 기준 주파수 ωH에 항상 일치시켰다고 하면, 속도 이득 Kv가 작고, 이득 교차 주파수 ωc와 위상 기준 주파수 ωq가 크게 떨어져 있는 경우, 위에서 설명한 바와 같이 중간 주파수 영역의 중심에서 귀환 필터(204)의 위상이 -90［deg］에 가까워지고, 제어계의 개루프 전달 함수의 위상이 -180［deg］부근이 되기 때문에, 그 부근의 주파수에 기계 부하(2)의 기계 공진이 존재하면 발진을 일으킬 가능성이 있다. 그래서, 필터 상한 주파수 ωfH와 필터 차단 주파수 ωfL의 비율의 상한치 Rmax를 미리 정해 두고, 이하와 같이 필터 차단 주파수 ωfL와 필터 상한 주파수 ωfH를 결정한다.

혹은, 이하와 같이 결정한다.

여기서, 상기에서 이용하고 있는 기호의 min(a, b)는 a와 b 중 작은 쪽의 값의 선택을, max(a, b)는 a와 b 중 큰 쪽의 값의 선택을 나타낸다.

［구체적인 예］

도 7에, 본 실시 형태에 의해 제어 정수 설정부(205)가 상기의 (식 16), (식 17)을 이용하여 귀환 필터(204)의 특성을 설정한 경우의, 귀환 필터(204)의 전달 함수 F(s)의 주파수 응답을 나타낸다. 본 구체적인 예에서는, 귀환 필터(204)의 특성 이외에는 실시 형태 1의 도 3에 나타낸 경우와 완전히 동일한 조건을 이용하고 있다. 증폭 보상부(103)에 있어서의 속도 이득 Kv가 작은 경우를 실선으로, 속도 이득 Kv가 중간 정도의 경우를 긴 점선으로, 속도 이득 Kv가 큰 경우를 점선으로 도시하고 있다. 도면의 상단에 이득을, 하단에 위상을 나타내고 있고, 또한, 각 조건의 이득선도, 위상선도에 겹쳐서, 귀환 필터(204)의 필터 차단 주파수 ωfL, 즉, 극을 삼각점으로, 필터 상한 주파수 ωfH, 즉, 영점을 원점으로 도시하고 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 속도 이득 Kv가 작은 경우의 실선과, 속도 이득 Kv가 중간 정도인 경우의 긴 점선에서 비교하면, 이러한 경우에는 상기 (식 17)에서 상한치 Rmax를 이용한 설정이 선택된 결과, 원으로 나타낸 필터 상한 주파수 ωfH와 삼각형으로 나타낸 필터 차단 주파수 ωfL의 비율에 변화는 없다. 그 결과, 도면에 나타낸 대수축상에서는, 상술한 중간 주파수 영역의 넓이는 변화없고, 위상이 늦은 주파수 영역의 넓이의 변화는 없다. 한편, 속도 이득 Kv가 중간 정도의 경우의 긴 점선과 속도 이득이 큰 경우의 점선을 비교하면, 속도 이득 Kv의 증대에 따라, 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비율이 작아지고 있다. 그 결과, 속도 이득 Kv의 증대에 따라, 도면에 나타낸 대수축상에서, 위상 지연이 큰 중간 주파수 영역이 축소하고 있다.

도 8은, 도 4와 마찬가지로, 이 실시 형태 2에 있어서 기계계(3)가 이상적인 강체인 경우의 제어계의 개루프 전달 함수의 주파수 응답을 나타낸다. 도 7과 마찬가지로, 증폭 보상부(103)에 있어서의 속도 이득 Kv가 작은 경우를 실선으로, 속도 이득 Kv가 중간 정도의 경우를 긴 점선으로, 속도 이득 Kv가 큰 경우를 점선으로 도시하고 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 개루프 전달 함수의 위상이 -180［deg］로 되는 위상 교차 주파수는, 실시 형태 1과 마찬가지로, 속도 이득 Kv를 변경해도 크지는 변하지 않는다. 또한, 어느 경우에도 이득 교차 주파수 ωc보다 높은 주파수에서는, 상기의 위상 교차 주파수보다 조금 낮은 주파수까지, 위상이 -180［deg］에 대해서 약 25［deg］이상의 여유를 유지한 특성으로 되어 있다.

여기서, 본 실시 형태 2의 도 8을 실시 형태 1에 있어서의 도 4와 비교하면, 특히 속도 이득 Kv가 작은 실선의 경우, 위상에 큰 변동이 생기고 있다. 또한, 동일한 실선의 경우의 고주파수 영역에서의 이득은 도 4에 나타낸 실시 형태 1보다 커져 있다. 이러한 것으로부터, 본 실시 형태 2는 실시 형태 1에 비해, 속도 이득 Kv가 작은 경우의 고주파수 이득 저감 효과가 작은 것을 알 수 있다. 이것은, 귀환 필터(204)가 1차이기 때문에, 실시 형태 1에 있어서의 귀환 필터(104)가 2차인 경우에 비해 넓은 주파수 영역에서 바람직한 특성을 갖게 하는 것이 곤란하기 때문이다.

그러나, 실시 형태 1에서 설명한 도 5에 나타낸 바와 같이, 귀환 필터(204)를 필터 동작을 행하지 않는 직접 전송 상태로 한 경우나, 간단한 로우 패스 필터로 치환시킨 경우에 비하면, 실시 형태 1과 마찬가지로 충분히 큰 이득 여유를 확보할 수 있다. 이에 의해, 기계계(3)가 이상적인 강체와 달리 기계 공진을 갖고 있는 경우나, 모터의 저관성에 기인하여 고역 이득이 커지는 경우에도, 다른 방식에 비하면 큰 안정성이 유지되는 것을 알 수 있다. 또한, 이와 같이 안정적인 제어 특성을, 외부로부터 입력하는 응답 파라미터 Pr의 설정만으로 간단하게 실현할 수 있다.

또한, 상기의 본 실시 형태 2의 설명에서는, 계산을 간단하게 행하는 것을 고려하여, (식 16)이나 (식 18)의 계산에 있어서, 필터 차단 주파수 ωfL나 필터 상한 주파수 ωfH가 하측 기준 주파수 ωL 혹은 상측 기준 주파수 ωH와 동일하게 하여 계산했다. 그러나 이러한 계산을, 실시 형태 1에서 기술한 귀환 필터(104)의 설명에 있어서 차수 n가 1인 것으로 하고, 0 혹은 1과는 상이한 정수 αp＿1, αz＿1을 (식 10)의 관계로 설정하고, (식 11) 혹은 (식 12)를 이용하여 필터 차단 주파수 ωfL나 필터 상한 주파수 ωfH를 계산하여도 좋다. 이와 같이 함으로써, 계산이 복잡하게 되지만 상기에서 설명한 도 8의 특성보다는 위상의 변동을 완만하게 할 수 있고, 귀환 필터(204)의 차수가 1의 경우에 있어서도 실시 형태 1에서 설명한 바와 같은 특성에 접근하도록, 약간의 개선을 행할 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태 2에 의하면, 귀환 필터(204)의 차수는 1이지만, 제어 정수 설정부(205)는, 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 필터 상한 주파수 ωfH의 필터 차단 주파수 ωfL에 대한 비가 작아지도록, 속도 이득 Kv와 필터 차단 주파수 ωfL와 필터 상한 주파수 ωfH를 설정하므로, 실시 형태 1과 마찬가지로, 가급적 폭넓은 특성의 기계계에 대해서 고속 고정밀의 제어를 실현할 수 있다. 또한, 설정이 필요한 가변 파라미터로서 속도 이득 Kv를 정하기 위한 응답 파라미터 Pr을 입력하는 것만으로 좋기 때문에, 고속 고정밀의 제어를 간단한 설정으로 실현할 수 있다.

(실시 형태 3)

도 9는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다. 또한, 실시 형태 3의 모터 제어 장치(301)의 구성은, 제어 정수 설정부(305) 및 제어 연산부(302)를 제외하고 실시 형태 1과 마찬가지이다. 실시 형태 1과 마찬가지의 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

실시 형태 1에서는 제어 연산부(102)에 있어서의 귀환 필터(104)가 증폭 보상부(103)의 출력을 입력으로 하여 토크 지령 τr을 출력하는 것으로서, 본 실시 형태 3에서는, 제어 연산부(302)에 있어서의 귀환 필터(304)는 검출 속도 vb를 입력으로 하여 제어 연산부(302)에 있어서의 중간 변수로서 필터 속도 vbf를 출력하는 것이다.

제어 연산부(302)는, 증폭 보상부(303) 및 귀환 필터(304)를 구비하고 있다. 귀환 필터(304)는, 속도 검출부(5)가 출력한 검출 속도 vb를 입력으로 하고, 실시 형태 1에 있어서의 귀환 필터(104)와 완전히 동일한 전달 함수의 연산을 행하여 필터 속도 vbf를 출력한다. 즉, 다음 식의 연산을 행한다.

증폭 보상부(303)는, 속도 지령 vr과, 필터 속도 vbf에 근거하여 필터 속도 vbf가 속도 지령 vr에 추종하도록, 실시 형태 1에서 설명한 비례 적분 제어와 마찬가지로 혹은 유사한 연산을 행한 결과를 토크 지령 τr로서 출력한다.

여기서, 증폭 보상부(303)에 있어서의 연산은, 실시 형태 1에 있어서의 증폭 보상부(103)와 입출력의 차이를 제외하고 완전히 동일한 비례 적분 연산을 행해도 좋지만, 본 실시 형태의 설명에서는 I－P 제어로 불리는 연산을 행하는 것으로 한다. 즉, 속도 지령 vr과, 필터 속도 vbf에 근거하여 다음 (식 21)의 계산에 의해 보상 토크 τr의 계산을 행한다.

이러한 I－P 제어로 불리는 구성의 연산을 행함으로써, 속도 지령 vr에 대한 검출 속도 vb 혹은 필터 속도 vbf의 응답 특성에 있어서의 오버슛(overshoot)을 저감하는 효과가 얻어진다. 한편 기계계(3)에 작용하는 외란에 대한 응답 특성에 관해서는, PI 제어를 행하는 경우와 완전히 동일하다.

본 실시 형태는 상기와 같이 구성함으로써, 실시 형태 1과 구성의 차이가 있지만, 검출 속도 vb로부터 토크 지령 τr까지의 전달 함수인 귀환 전달 함수는, (식 20) 및 (식 21)으로부터 다음 식이 된다.

즉, 실시 형태 1에 있어서의 (식 2)와 완전히 동일한 전달 함수에 의한 귀환 제어를 행하고 있고, 제어 연산부(302)에 있어서의 증폭 보상부(303)는 (식 22)의 연산에 의해 귀환 전달 함수에 속도 이득 Kv를 곱하도록, 또한, 귀환 필터(304)는(식 22)에 나타낸 연산에 의해, 실시 형태 1과 마찬가지로, 귀환 전달 함수의 이득을 필터 차단 주파수 ωfL보다 고주파수로 저감하도록, 연산을 행한다.

따라서, 제어 정수 설정부(305)가 실시 형태 1의 제어 정수 설정부(105)와 완전히 동일한 동작을 행함으로써, 기계계(3)에 작용하는 외란에 대한 응답 특성으로서는, 응답 파라미터 Pr에 따라 실시 형태 1과 완전히 동일하게 설정할 수 있다.

또한, 귀환 필터(304) 및 제어 정수 설정부(305)를, 각각 실시 형태 2에 있어서의 귀환 필터(204) 및 제어 정수 설정부(205)와 마찬가지로 구성하면, 본 실시 형태 3은 실시 형태 2와 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다.

이와 같이, 본 실시 형태 3에 의하면, 귀환 필터(304)를 증폭 보상부(303)의 전단에 배치하도록 해도, 실시 형태 1과 마찬가지로 가급적 폭넓은 특성의 기계계에 대해서 고속 고정밀의 제어를 실현할 수 있다. 또한, 설정이 필요한 가변 파라미터로서 속도 이득 Kv를 정하기 위한 응답 파라미터 Pr을 입력하는 것만으로 좋기 때문에, 고속 고정밀의 제어를 간단한 설정으로 실현할 수 있다.

(산업상의 이용 가능성)

이상과 같이, 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 모터의 속도나 위치를 제어하는 모터 제어 장치에 적용하는데 바람직하다.

1 : 모터 2 : 기계 부하
3 : 기계계 4 : 토크(구동력) 제어부
5 : 속도 검출부 101, 201, 301 : 모터 제어 장치
102, 202, 302 : 제어 연산부 103, 303 : 증폭 보상부
104, 204, 304 : 귀환 필터 105, 205, 305 : 제어 정수 설정부

Claims (7)

1. 제어 대상이 구비하는 모터를 구동하는 모터 제어 장치로서,
   상기 모터의 동작 속도를 검출하여, 검출 속도를 출력하는 속도 검출부와,
   상기 검출 속도가 속도 지령에 추종하도록 상기 모터에 대한 구동력 지령을 연산하는 제어 연산부와,
   상기 제어 연산부의 내부에 있어서, 상기 검출 속도로부터 상기 구동력 지령까지의 전달 함수인 귀환 전달 함수에 속도 이득 Kv를 곱하는 연산을 행하는 증폭 보상부와,
   필터 차단 주파수 이하의 주파수에서는 주파수 응답 이득이 대략 1이고, 상기 필터 차단 주파수로부터 상기 필터 차단 주파수보다 큰 필터 상한 주파수까지는 주파수의 증대에 대해서 주파수 응답 이득이 저하하고, 상기 필터 상한 주파수 이상의 주파수에서는 주파수 응답 이득이 대략 일정한 필터 특성을 구비하며, 상기 제어 연산부의 내부에 있어서, 상기 귀환 전달 함수에 상기 필터 특성을 작용시키는 연산을 행하는 귀환 필터와,
   외부로부터의 입력에 근거하여 상기 속도 이득 Kv와, 상기 필터 차단 주파수 및 상기 필터 상한 주파수 중 적어도 한쪽을 설정하는 제어 정수 설정부와,
   상기 모터의 구동력이 상기 구동력 지령에 일치하도록 상기 모터를 구동하는 구동력 제어부
   를 구비하며,
   상기 제어 정수 설정부는, 상기 속도 이득 Kv의 증대에 대해서 상기 필터 상한 주파수의 상기 필터 차단 주파수에 대한 비가 작아지도록, 상기 속도 이득 Kv와, 상기 필터 차단 주파수 및 상기 필터 상한 주파수 중 적어도 한쪽을 설정하는
   것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 정수 설정부는, 상기 속도 이득 Kv를 상기 제어 대상의 관성치로 나눈 값에 대응하는 이득 교차 주파수 ωc에 근거하여 상기 필터 차단 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어 정수 설정부는, 상기 구동력 제어부와 상기 속도 검출부의 사이에 생기는 위상 지연이 대략 90［deg］로 되는 위상 기준 주파수 ωq에 근거하여 상기 필터 상한 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 귀환 필터는 n개(n≥1)의 극 및 상기 극과 동일한 수의 영점을 구비하며,
   상기 제어 정수 설정부는, 상기 필터 차단 주파수가, 절대치가 최소인 극으로 되고, 상기 필터 상한 주파수가, 절대치가 최대인 영점으로 되도록, 상기 귀환 필터가 구비하는 각각 n개의 극 및 영점을 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   n은 2 이상의 값이며,
   상기 제어 정수 설정부는, 절대치가 작은 쪽으로부터 순서대로 극과 영점이 교대로 되도록 상기 귀환 필터가 구비하는 극 및 영점을 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 제어 정수 설정부는, 하측 기준 주파수 ωL과, 상기 하측 기준 주파수 ωL보다 큰 값인 상측 기준 주파수 ωH와,
   

   

   
   을 만족하는 미리 정의되어 있는 각각 n개의 정수 αp, αz를 이용하여, 절대치가 작은 쪽으로부터 i번째의 극 ωp＿i 및 절대치가 작은 쪽으로부터 i번째의 영점 ωz＿i를,
   

   

   
   의 식에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   αp＿i, αz＿i는, 각각, 소정의 정수에 1/2를 0회 또는 1회 이상 곱하여 얻어지는 값인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.

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