WO2000075739A1

WO2000075739A1 - Unite de commande de position pour moteur

Info

Publication number: WO2000075739A1
Application number: PCT/JP2000/003580
Authority: WO
Inventors: Wennong Zhang; Yasuhiko Kaku; Tadashi Okubo; Masaru Nakano
Original assignee: Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2000-12-14
Also published as: CN1149457C; EP1184766A4; DE60006666T2; EP1184766B1; KR20020011430A; TW429336B; DE60006666D1; US6566837B1; CN1367887A; EP1184766A1; KR100645496B1

Description

明細書電動機の位置制御装置技術分野

本発明は、モータで駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う電動機の位置制御装置に関する。背景技術

従来より、ボールネジ（ハイリードネジ）等による直動機構を駆動するモータ制御装置では、通常、モータの角速度をフィードバックして速度制御ループを構成し、モータの角度をフィードバックして位置制御ループを構成している。この場合、モータが口一タリエンコーダ等の角度検出器のみを備えている場合は、検出器の位置信号を差分演算して角速度信号とする。以下、このような制御系をセミクロ一ズ制御系と呼ぶ。

一方、直動機構を高精度に制御するため、機構の可動テーブルにリニアスケール等の直動位置検出手段を取り付け、検出手段の出力を用いて位置制御系を構成することがある。以下、このような制御系をフルクローズ制御系と呼ぶ。このようなフルク口一ズ制御系のブロック線図は図 1 3に示す通りである。図 1 3において、 7 0 1は位置制御部で位置制御ゲインは Kpである。 7 0 2 は速度制御部、 7 0 3はモータ、 7 0 4は負荷（機械可動部、可動テ一ブル等）である。ここでは位置指令 Y_R から負荷位置信号 YL を減じて位置偏差 e _P を求め、この位置偏差 e _P力 ^位置制御部 7 0 1で位置制御ゲイン Kpを乗じて、速度指令 V_r が求められる。この速度指令 V_r から速度フィードバック信号 Vf を減じて速度偏差 e vを求め、速度偏差 e vに基づいて速度制御部 7◦ 2でトルク指令（電流指令） T_rを求め、このトノレク指令 T_rに基づいてモータ 7 0 3、負荷 7 0 4が駆動される。

近年、産業用機械においては、高精度化および高速化の要求が高くなり、そのためにはフルクローズ制御系において位置制御ゲイン Κ_Ρ を上げることが必要不可欠である。位置制御ゲイン（又は、位置ループゲイン）の向上には、先ず速度ループゲインを上げる必要があるが、直動機構のボールネジ、ナット等の機械共振特性の影響でゲインを上げることが難しい。

但し、セミクローズ制御系の場合は、公知の等価剛体オブザーバによる制振制御法（例えば、特願平 9一 5 6 1 8 3号の機械振動の制振制御装置）等の適用によって、等価剛体モデルオブザーバにより検出した機械振動信号を、速度指令に加算して新たに速度指令とすることにより、振動を抑えて速度ル一プゲインを向上させ、これに見合う値まで位置ループゲインを簡単に上げることができる。

従来技術では、フルクローズ制御系において位置制御ゲインを上げるために各種の試みがなされている。

フルクローズ制御系の速度ループについては前記制振制御の適用によって、セミクローズ系と同等の速度ゲインにできるが、位置ループでは位置制御ゲインをあげると、制御系の振動が再発するため、このままでは位置制御ゲインの上限がセミクローズ制の上限値の 1ノ 2〜 2 / 3程度しか取れない。再発した振動の周波数は速度ループで発生する振動の周波数よりも低いため、単純に制御ループ全体のゲイン上昇が原因とは考えられず、振動再発の原因が解明できなかった（課題 1 )。

原因の解明は別にして、従来、フルクローズ制御系において位置制御ゲインを上げるために各種の試みがなされている。

例えば、モータ位置の信号 Xmと負荷位置 XLの信号を、

k X XL + ( 1— k ) X Xm (但し、 0 < k < 1 )〕

のように加え合わせて位置フィードバック信号とする手法（特開平 0 3— 1 1 0 6 0 7 ) の適用が考えられる。 kを 0に近づけると、負荷位置のフィ一ドバック成分が減るので振動は減少するが、駆動系のパネ特性により、モータ位置と負荷位置信号が一致しないので、フルクローズ制御の効果が薄れてしまい意味がなくなる。結局、フルクローズ効果を出すためには、下げた kに見合うまで位置制御ゲインをあげるため、実質的な位置ループゲインは k = 1と変わらず振動が解決できない（課題 2 )。

そこで、負荷の速度とモータ速度の差であるねじり角速度を速度指令（特開平 1 _ 2 5 1 2 1 0 ) あるいはトルク指令にフィードバックすることで機械振動を速度ループ内で低減する手法がある。この手法で、位置ループに再発した振動を低減しようとすると、ねじり角速度にモータ速度の高周波成分が含まれるため、今度は高い周波数の振動が速度ループで発生することになり（低い振動にあわせることで高い振動がでる可能性がある）、結局、これを単純に適用するだけでは前記の位置ループで再発した振動の対策とはならない（課題 3 )。このため、従来の手法を使うだけでは、フルクローズ制御系においては位置制御ゲインを上げることが殆ど不可能と考えられていた。本課題を本質的に解決するには、位置ループで低い振動が再発する原因を解析することが必要である。

そこで、本発明は（この原因を解析し、新たな制御手法を提案することで、）フルクローズ制御系における位置制御ゲイン K _P を、振動の再発無しにセミクローズ制御系と同等な値まで上げることが可能で、位置制御ゲインを上げることによって短時間に高精度な位置決めができる電動機の位置制御装置を提供することを目的としている。発明の開示

上記目的を達成するため、請求項 1記載の発明は、直動機構に取り付けた直動位置検出手段が出力する可動テーブルの位置信号を、位置フィードバック信号とする電動機の位置制御装置において、前記直動位置信号を微分演算し直動速度信号を出力する微分演算手段と、速度指令信号と前記直動速度信号の差を演算する減算手段と、前記減算手段が出力する差信号を積分する積分手段と、前記積分手段の出力信号を入力する比例ゲイン手段と、前記比例ゲイン手段の出力信号と前記速度指令信号を加算し新たな速度指令を出力する加算手段とを備えている。

また、請求項 2記載の発明は、電動機の回転位置信号を微分演算した速度信号に基づき速度制御を行うと共に、電動機で駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う電動機の位置制御装置において、前記負荷位置信号を微分演算し負荷速度信号を出力する微分演算手段と、前記負荷速度信号と速度指令信号の差を演算する減算手段と、前記減算手段が出力する差信号を口一パスフィルタに入力することにより位相調節を行う位相調節手段と、前記位相調節手段の出力信号を入力する比例ゲイン手段と、前記比例ゲイン手段の出力信号と前記速度指令信号を加算し新たな速度指令信号を出力する加算手段とを備えている。

また、請求項 3記載の発明は、前記位相調節手段は、前記減算手段がが出力する差信号をバンドバスフィルタに入力することにより位相調節を行うことを特徴としている。

また、請求項 4に記載の発明は、電動機の回転位置信号を微分演算した速度信号に基づき速度制御を行うと共に、電動機で駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う電動機の位置制御装置において、速度指令信号を積分演算する積分演算手段と、前記負荷位置信号と前記積分演算手段が出力する積分信号との差を演算する減算手段と、前記減算手段が出力する差信号をバンドバスフィルタに入力することにより位相調節を行う位相調節手段と、前記位相調節手段の出力信号を入力する比例ゲイン手段と、前記比例ゲイン手段の出力信号と前記速度指令信号を加算し新たな速度指令信号を出力する加算手段とを備えている。

この電動機の位置制御装置によれば、微分演算手段により求めた負荷速度と、速度指令との差速度を検出し、積分手段により差速度を積分し、積分値に比例ゲイン手段でゲイン Kf を掛けて速度指令に加算する、この微分演算手段と差速度を検出する減算手段と積分手段および比例ゲイン手段が、丁度、電動機の角速度と等価剛体モデルの角速度推定値との差速度として機械振動信号を検出し出力するセミクローズ制御系の制振制御装置に相当し、比例ゲイン手段のゲイン Kf 値が振動再発無しに位置ループゲイン K_P の上限を引き上げる。

あるいは、速度指令と負荷速度の差速度を、ローパスフィルタあるいはバンドバスフィルタ等の位相調節手段により位相調節して振動周波数を打消し、比例ゲイン手段によりゲイン Kf 'をかけて速度指令に加算するので、位置ループゲイン K_P を上げることができる。図面の簡単な説明

図 1は本発明の第 1の実施の形態に係る電動機の位置制御装置のプロック線図である：

図 2は図 1に示した電動機の加速度から負荷の直動速度までのブロック線図でめ。。

図 3は図 2に示すモデルによって構成したフルクローズ制御系のブロック線図である：

図 4は図 3に示す位置制御系内での速度制御系を簡略化した図である。

図 5は図 4に示す位置制御系の振動現象を示す図である。

図 6は図 5に示す位置制御系の簡略化した図である _c

図 7は図 6に示す速度指令と負荷速度の差速度を示す図である。

図 8は図 1に示す比例ゲイン手段による速度指令の補正を示す図である。図 9は本発明の第 2の実施の形態に係る電動機の位置制御装置のプロック図である。

図 10は図 9に示す位置ループ安定化補償部のプロック図である:

図 1 1は本発明の第 3の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部のプロック図である：

図 12は本発明の第 4の実施の形態に係る位置ループ安定化補廣部のプロック図である.：図 13は従来のフルクローズ制御系のブロック線図である。発明を実施するための最良の形態

本発明では、前述のフルクローズ制御系の問題を根本的に解決するには、従来技術の説明で述べた「速度ループで発生していた振動よりも低い周波数の振動が再発する現象」の解明が不可欠と考える。解析のため、まず機械共振特性について詳細に説明する：

機械共振特性を持つボールネジとナツト等の機械駆動系のモデルを図 2に示す：

図 2 (a) は電動機加速度から電動機の角速度までのブロック線図であり、図 1の速度フィードバック系をまとめて速度制御系で表すと、以上のようなブロック線図が得られる。この場合、電動機の軸へ機械の共振の反力が加わるので、電動機の角速度にも共振特性が現れる。これを表現するため、図 2 (a) には加速度と角速度間に 2慣性共振特性のプロックが入っている。この 2慣性共振特性のプロック線図の伝達関数には、分母多項式が機械の共振特性を示し、分子多項式が反共振特性を示している。図中、は反共振角周波数、 ω_Γは共振角周波である

図 2 (b) は、電動機加速度から機構の可動テーブルの直動速度までのプロック線図であり、振動部分の 2慣性共振特性を 2次の伝達関数で表記している。図 2 (c) は図 2 (a)、 (b) のブロック線図をまとめたものであり、電動機加速度から電動機の角速度までと同時に可動テーブルの直動速度までのプロック線図である：

図 3は、図 2 (c ) のモデルにおいて、フルクローズ制御系を構成した例であり、図中、速度制御系は電動機の角速度信号をフィードバックして構成し、位置制御系は直動位置信号をフィ一ドバックして構成する。図 4は図 3の簡略化である: 先述の等価剛体オブザーバ等による制振制御等により速度制御系 1 0の 2慣性共振系を安定化した場合、位置制御系から見ると速度制御系 1 0は高応答なので、速度制御系の伝達関数を 1 と近似すると図 5のブロック線図が得られる。図 5では、位置制御ループに、 CO aの共振特性が入っているために、位置ループゲインを大きくすると、 0)a付近の周波数で制御系が振動することが分かる ₌

図 5中の駆動機構の特性を示す伝達関数において、（^.〉0^、 ζ _Γ《 1であるので、

cur » 2ξτω₃ (1) であるから、 0 a の振動周波数付近では、

(2)

OJr

と近似できるので、図 5の位置制御系は、図 6のブロック線図に簡略化できる。位置指令から負荷位置までの伝達関数を計算すると、

KpCUa2

G(s)= ~~― (3)

S -τ2ζ a JaS +Χϋ a S + pOJa となる-

(3) 式において、ラウスフルビッツの安定条件を計算すると、

となる。

ζ & 、は 0. 1程度であるから、（4) 式より速度ル一プゲイン Κν に関わらず、位置ループゲイン Kp値が制限を受ける。このことから、フルクローズ制御系の場合、そのままではセミクローズ制御系に比べて位置ループゲインが上がらないことの説明がつく.：

以上のこと.から、本発明の解析により、「速度ループで発生する振動の周波数よりも低い振動が再発する原因」が明確になった（従来技術の課題 1が解決できた)。

次に数式により本発明の原理を説明する。図 7に示すように速度指令から差速度（速度指令と負荷速度の差）までの伝達関数を計算すると、

2

S +2 " aCDaS

G(s)= ^—- ,― - ^ (5)

S² + 2 aCUaS + CU a となる。

ζ ₃は 0 . 1程度であるから、（5 ) 式の分子において、 U)a付近の周波数では、

S +2 <^ aOJa = S (6)

と近似できる。

( 6 ) 式より（5 ) 式は、

s ²

G(s)= (7)

2 2

S --2. ζ aO aS + tUa と近似できる.：

(7) 式の分子は sの 2次式であるから、本第 1の実施の形態では、図 8に示すように差速度信号を積分手段 3により積分して、比例ゲイン手段 1によりフイードバックゲイン _Kf を掛けて速度指令に加算し新たな速度指令とする。図 8において、速度指令から負荷速度までの伝達関数を計算すると、

2

G(s)=

7 となる-

( 8 ) 式で、フィ一ドバックゲイン Kf により分母の多項式の sの 1次の項の係数が大きくなるので、共振特性がダンピングされることが証明できる。

図 8において、速度指令から負荷速度までの速度制御系の外側にフルクローズの位置制御系を構成すると（図示せず）、位置指令から負荷位置までの伝達関数は、

rXpCUa

_{G(s) =} _ ~~ -_{2 τ} (9)

S +(2 " aCUa +F\f )S 十 0 a S+ pO>a

となる。

(9) 式において、ラウスフルビッツの安定条件を求めると、

となるので、本実施の形態によれば、フィードバックゲイン Kf によって、位置ル一ブゲイン Κ_Ρの上限が回復し、これにより振動の再発無しに位置ループゲイン Kpを上げられることが実証される _c

これにより、フルクローズで実質的な位置一ブゲインが上げられない問題

(課題 2) が解決できる.：

また、上述のようにモータ速度から直動位置信号までは、機構の積分特性により、モータ速度の高周波成分が十分に減衰する。速度指令は位置指令と直動位置信号との差から作られ、さらに積分処理後に速度指令にフィードバックするので、本発明の構成は速度ルーブの安定性に殆ど影響しないと考えられ、速度ループとは独立して位置ループゲインを上げることができる：

このような考察に基づいているため、本発明では、位置ループの振動を低減したときに速度,レーブの振動が発生する従来技術の問題（課題 3 ) が解決できる,：

次に、全体の制御系の構成にっ、て図 1を参照して説明する：

先ず、リニアスケール（図示していない）が出力する直動位置信号をフィ一ドバックして位置制御系を構成し、位置指令と直動位置信号の差に位置ループゲイン（K_P ) 1 1を掛けて、第 1の速度指令とする。速度制御系 1 0の安定化補償器 1 2は、後述の第 2の速度指令と電動機（図示していない）の角速度信号との差を入力し、電動機と電動機のトルクを制御する手段（図示していない）からなるトルク制御装置（図示していない）にトルク指令信号を出力する破線で示す電動機の制御部により制御が行われる。

第 1の速度指令信号と、比例ゲイン手段（K f ) 1からの制振信号を入力する加算手段の出力を第 2の速度指令とする：微分演算手段 2は直動位置信号を微分演算して直動速度信号を出力する。直動速度信号と第 2の速度指令との差信号を積分手段 3により積分した後、比例ゲイン手段 1に入力する。比例ゲイン手段 1は適切なゲイン K f を掛けて制振信号を出力する。これによつて安定な状態で位置ループゲインを上げることができる。

次に、本発明の第 2の実施の形態について図を参照して説明する。

図 9は本発明の第 2の実施の形態に係る電動機の位置制御装置のプロック図である- 図 1 0は図 9に示す位置ルーブ安定化補償部のプロック図である- 図 9に示す第 2の実施の形態は、図 1 3の従来例に、新たに位置ループ安定化補償部 1 8を組合わせたフルクローズ制御系であり、構成上で図 1 3と異なる点は速度指合捕正信号 V _R hを出力する位置ループ安定化補償部 1 8と、速度指令基本信号 V_{r b}と速度指令補正信号 Vr hを合成する加算手段 1 9が追加されたことである：その他の図 1 3と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する：

つぎに動作について説明する.：

図 1 0は図 9に示す位置ループ安定化補償部 1 8の詳細プロック図であり、 3 0は位相調節手段の 2次ローバスフィルタである。速度指令 V _Rと負荷位置信号 Y L を微分回路 3 0 1で微分演算した負荷速度 V L との差を减算回路 3 0 8で取り、それをローパスフィルタ 3 0に入力する.：発振周波数において口一パスフィルタ 3 0の出力信号が入力信号より 9 0 ° 位相遅れとなるように口一パスフィレタ 3 0のパラメ一タを設定し、口一パスフィルタ 3 0の出力信号を適切な補償ゲイン K f 'を掛けて速度指令補正信号 V _{r h} とし、加算器 1 9により速度指令基本信号 Vr bに加算する。

このような、第 2の実施の形態によれば、速度指令基本信号 Vr bに含まれる位置ループの共振信号に対して、速度指令補正信号 V r hで打ち消すため、位置ループゲイン K pを上げられる。また、積分項も含まないため定常偏差が残らなので、高精度位置決めが可能になる。

次に、本発明の第 3の実施の形態にっレ、て図を参照して説明する:

図 1 1は本発明の第 3の実施の形態に係る位置ル一ァ安定化補償部のプロック図である..:.

図 1 1が、図 1 0と異なる点はローバスフルタ 3 0の替わりに、 2次口一パスフィルタと 1次ハイバスフィルタで構成するバンドパスフィルタ 4 0に代えたことである：その他の図 1 0と同一構成には同一符号を付し重複する説明は省略する。なお、図 9は共通に使用する:

つぎに動作について説明する。

速度指令 V _R と負荷位置信号 Y L を微分処理部 3 0 1で微分して求めた負荷速度 V Lとの差をバンドバスフィルタ 4 0に入力する。発振周波数においてバンドパスフィルタ 4 0の出力信号が入力信号より 9 0 ° 位相遅れとなるようにバンドパスフィルタ 4 0のバラメータを設定し、ノくンドパスフィルタ 4 0の出力信号を適切な補償ゲインを掛けて速度指令補正信号 Vr h とする。

このように、第 3の実施の形態では、この補償方式によれば、図 1 0の場合に比較して制振効果の他に、ハイパスフィルタが増えた分、ベース揺れなどの負荷位置信号に現れる低周波数の外乱信号の影響を小さくすることができる次に、本発明の第 4の実施の形態について図を参照して説明する：図 1 2は本発明の第 4の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部のプロック図である:，

図 1 2と図 1 0との相違点は、速度指令 V _Rの積分処理部 5 6を設け、バンドバスフィ /レタ 5 7は 1次口一パスフィルタ、 1次ハイパスフィルタの構成とした点である:，その他の図 1 1 と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する:

つぎに動作について説明する.：

速度指令 Vr を積分処理部 5 6で積分演算した信号と負荷位置信号 Y L の差をバンドバスフィルタ 5 7へ入力する。 5 9は減算手段である.：発振周波数においてバンドパスフィルタ 5 7の出力信号が入力信号と同じ位相となるようにバンドバスフィルタ 5 7のパラメータを設定し、バンドバスフィルタ 5 7の出力信号を適切な補償ゲイン K f 'を掛けて速度指令補正信号 V r h とする：このように、第 4の実施の形態によれば、この場合は図 1 1と比較して同じ効果が得られるが、ローバスフィルタが 1次であるため補償器の構成とパラメータの調節が簡単になる。

以上説明したように、本発明によれば、フルクローズ制御系の位置制御において、フィードバックゲイン Kf の効果によって位置ループゲイン K_Pを、振動の再発無しにセミクローズ制御系と同等な値まで回復できるという効果がある。また、速度指令基本信号に含まれる位置ループの共振信号に対して、口一パスフィルタ、バンドバスフィルタ等の位相調整手段を用いて調整した速度補正信号によって打消すことができるので、位置ループゲインを上げることができると共に、積分項を含まないので定常偏差が残るようなことがなく、短時間に高精度な位置決めを行うことが可能になるという効果がある _c 産業上の利用可能性

本発明にかかる位置制御装置は、半導体製造装置などの産業用機械の高速、高精度位置制御に用いるのに適している。

Claims

5冃求の範囲

1 . 直動機構に取り付けた直動位置検出手段が出力する可動テ一ブルの位置信号を、位置フィードバック信号とする電動機の位置制御装置において、前記直動位置信号を微分演算し直動速度信号を出力する微分演算手段と、速度指令信号と前記直動速度信号の差を演算する減算手段と、前記减算手段が出力する差信号を積分する積分手段と；前記積分手段の出力信号を入力する比例ゲイン手段と、前記比例ゲイン手段の出力信号と前記速度指令信号を加算し新たな速度指令を出力する加算手段とを備えたことを特徴とする電動機の位置制

2 . 電動機の回転位置信号を微分演算した速度信号に基づき速度制御を行うと共に、電動機で駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う電動機の位置制御装置において、

前記負荷位置信号を微分演算し負荷速度信号を出力する微分演算手段と、前記負荷速度信号と速度指令信号の差を演算する減算手段と、前記減算手段が出力する差信号をローパスフィルタに入力することにより位相調節を行う位相調節手段と、前記位相調節手段の出力信号を入力する比例ゲイン手段と、前記比例ゲイン手段の出力信号と前記速度指令信号を加算し新たな速度指令信号を出力する加算手段とを備えたことを特徴とする電動機の位置制御装置。

3 . 前記位相調節手段は、前記減算手段が出力する差信号をバンドパスフィルタに入力することにより位相調節を行うことを特徴とする請求項 2記載の電動機の位置制御装置。

4 . 電動機の回転位置信号を微分演算した速度信号に基づき速度制御を行うと共に、電動機で駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う電動機の位置制御装置において、

速度指令信号を積分演算する積分演算手段と、前記負荷位置信号と前記積分演算手段が出力する積分信号との差を演算する減算手段と、前記減算手段が出力する差信号をバンドバスフィルタに入力することにより位相調節を行う位相調節手段と、前記位相調節手段の出力信号を入力する比例ゲイン手段と、前記比例ゲイン手段の出力信号と前記速度指令信号を加算し新たな速度指令信号を出力する加算手段とを備えたことを特徴とする電動機の位置制御装置。