WO2019138808A1 - 電動機の制御装置 - Google Patents

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弘 藤原
田澤　徹
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/40—Regulating or controlling the amount of current drawn or delivered by the motor for controlling the mechanical load

Definitions

  • the present invention relates to a motor and a control device for a motor that controls driving operation such as speed or position of the motor with respect to a motor and a mechanical load driven by the motor.
  • the present invention relates to a control device of a motor provided with a control configuration that suppresses vibration caused by anti-resonance of a mechanical load generated at the time of driving or the like.
  • the control device of this type of motor has a feedback control system inside so that the position command input from the host controller matches the position of the motor and the load (mechanical load) to be controlled.
  • the controller for such a motor calculates a torque command value for matching the position command and the motor position from the position command and the position detection value of the motor, and fixes the motor so that the same torque as the torque command value is generated in the motor.
  • the positions of the motor and the load to be controlled (mechanical load) are controlled by controlling the current supplied to the secondary winding.
  • the conventional feed control device installs an acceleration sensor on a slider which is a load to be controlled (mechanical load), and an acceleration which is a weighting factor to an acceleration detection value of the load to be controlled (mechanical load)
  • an acceleration feedback loop that subtracts the product of the feedback gain from the torque command value, it is configured to suppress the vibration that occurs in the load to be controlled (machine load) at the time of acceleration / deceleration or at the time of disturbance application.
  • the present invention solves the conventional problems.
  • the present invention relates to a control device for a motor having a load acceleration feedback system, and a control device for a motor capable of achieving both settling and suppression of vibration by obtaining a vibration suppression effect by load acceleration feedback while maintaining command following performance. Intended to provide. That is, the present invention reduces or avoids the trade-off relationship between the load acceleration feedback gain (acceleration feedback amount) and the command tracking performance, and maintains the command tracking performance while maintaining acceleration feedback from the load side.
  • the present invention reduces or avoids the trade-off relationship between the load acceleration feedback gain (acceleration feedback amount) and the command tracking performance, and maintains the command tracking performance while maintaining acceleration feedback from the load side.
  • the inventors of the present application conducted trial and error repeatedly and conducted intensive studies.
  • the inventors have found a novel control device for a motor in which the vibration suppression effect by the acceleration feedback from the load side is enhanced while maintaining the command following performance. The details are described below.
  • a first aspect for solving the problem is a control device of a motor for driving a load (mechanical load), which includes a position control unit, a commanded acceleration calculation unit, a first subtractor, and a second subtraction.
  • the position control unit inputs a position command signal specifying a target position of the load and a motor position signal indicating the position of the motor driving the load, and outputs a torque command signal.
  • the commanded acceleration calculation unit inputs a position command signal, and outputs a commanded acceleration signal indicating the acceleration of the position command signal.
  • the first subtractor subtracts the commanded acceleration signal from the load acceleration signal indicating the acceleration of the load, and outputs a load acceleration correction signal.
  • the second subtractor subtracts a value obtained by multiplying the load acceleration correction signal by a predetermined weighting factor from the torque command signal, and outputs a torque command correction signal.
  • the torque command correction signal controls the current supplied to the stator winding of the motor.
  • the commanded acceleration calculation unit transmits to the commanded acceleration signal a signal obtained by applying a filtering process equivalent to the transfer characteristic of the motor position signal to the position command signal.
  • a loading rate signal is generated by multiplying the weighting factor.
  • the third aspect is the control device for a motor according to the first aspect, wherein the commanded acceleration calculation unit transmits to the command acceleration signal a transfer characteristic of the motor position signal with respect to the position command signal when the load and the motor are rigid bodies.
  • a load speed signal is generated by multiplying the signal that has been subjected to the filter processing equivalent to the weighting factor by a weighting factor.
  • the controller of the motor of the present invention subtracts the commanded acceleration information in advance from the load acceleration information to be fed back.
  • the controller of the motor according to the present invention prevents the subtraction of the acceleration / deceleration torque by the load acceleration feedback, makes it possible to enhance the vibration suppression effect by the load acceleration feedback while maintaining the command following performance, and has a great industrial value. .
  • amendment part in embodiment of this invention The figure which shows another example of a structure of the control apparatus of the motor in embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration of a control device of a motor according to an embodiment of the present invention.
  • a control device 100 of the motor shown in FIG. 1 detects an acceleration of a load 204 which is an object to be driven connected to the motor 201 via the joint portion 203 and a position detector 202 for detecting the positions of the motor 201 and the motor 201. It is connected to the acceleration detector 205.
  • the motor control device 100 receives a position command signal from a host controller (not shown), and controls the current supplied to the stator winding of the motor so that the position command signal matches the positions of the motor and the load machine.
  • Position detector 202 detects the position of the motor, and outputs to the controller 100 of the motor as a motor position signal theta m.
  • Acceleration detector 205 detects an acceleration of the load, and outputs to the controller 100 of the electric motor as a load acceleration signal A L.
  • the configuration of the motor control device 100 will be described.
  • the motor control device 100 has a position control unit 101, a speed control unit 102, a torque control unit 103, a speed conversion unit 104, a load acceleration correction unit 105, a command acceleration calculation unit 106, a subtractor 107, and a subtractor 108 inside. doing.
  • Position control unit 101 receives a position command signal theta S and the motor position signal theta m, and outputs a speed command signal omega S.
  • the speed control unit 102 receives the speed command signal ⁇ S and the motor speed signal ⁇ m calculated by the speed conversion unit 104 from the motor position signal ⁇ m and outputs a torque command signal ⁇ S.
  • the torque control unit 103 inputs a torque command correction signal ⁇ in obtained by subtracting a load acceleration feedback torque signal ⁇ acc to be described later from the torque command signal ⁇ S so that the same torque as the torque command correction signal ⁇ in is generated by the motor. Control the current supplied to the stator winding of the motor.
  • Command acceleration calculation unit 106 inputs the position command signal theta S, and outputs a command acceleration signal A S indicating the acceleration of the position command.
  • Load acceleration correcting unit 105 inputs the load acceleration correction signal A 'L from the load acceleration signal A L by subtracting the commanded acceleration signal A S, and outputs the load acceleration feedback torque signal tau acc.
  • the controller 100 of the motor internally has a cascaded feedback control system in which the motor position, the motor speed and the load speed are fed back so that the position command and the position of the motor and the load coincide with each other. There is.
  • Position control unit 101 receives a position command signal theta S and the motor position signal theta m, and outputs a speed command signal omega S to reduce the difference between them.
  • Position control unit 101 for example, are multiplied by weighting factors to the position command signal theta S and the motor position signal theta m, performs proportional control operation for outputting a speed command signal omega S.
  • Position control unit 101 for example, are multiplied by weighting factor to the difference value of the position command signal theta S and the motor position signal theta m, performs proportional control operation for outputting a speed command signal omega S.
  • Speed controller 102 receives the speed command signal omega S and the motor speed signal omega m, and outputs a torque command signal tau S to reduce the difference between them.
  • Speed control unit 102 for example, and multiplied by a weighting factor to the difference value of the speed command signal omega S and the motor speed signal omega m, weighted integral value of the difference value of the speed command signal omega S and the motor speed signal omega m
  • the proportional integration operation which outputs the addition value with what multiplied the coefficient as torque command signal (tau) S is performed.
  • Speed conversion section 104 receives the motor position signal theta m, and outputs a motor speed signal omega m indicating the motor speed. Speed conversion section 104, for example, performs a differential operation on the motor position signal theta m, and outputs the calculation result as a motor speed signal omega m.
  • Command acceleration calculation unit 106 inputs the position command signal theta S, and outputs a command acceleration signal A S indicating the acceleration of the position command signal theta S.
  • Commanded acceleration calculation unit 106 for example, by performing double differential processing on the position command signal theta S, calculates a command acceleration signal A S.
  • Subtractor 107 subtracts the commanded acceleration signal A S from the load acceleration signal A L, and outputs the load acceleration correction signal A 'L.
  • the load acceleration correction unit 105 receives the load acceleration correction signal A ′ L, and outputs a value obtained by multiplying the load acceleration correction signal A ′ L by the weighting factor as a load acceleration feedback torque signal ⁇ acc .
  • the subtractor 108 outputs a value obtained by subtracting the load acceleration feedback torque signal ⁇ acc from the torque command signal ⁇ S to the torque control unit 103 as a torque command correction signal ⁇ in .
  • the load acceleration correction unit 105 is configured to output, as a load acceleration feedback torque signal ⁇ acc , a value obtained by multiplying a load acceleration correction signal A ′ L obtained by subtracting the command acceleration signal A S from the load acceleration signal A L by a weighting factor. If a value obtained by multiplying the load acceleration signal A L by a weighting factor is output as the load acceleration feedback torque signal ⁇ acc , the motor or load is used to make the motor position signal ⁇ m or the load position ⁇ L follow the position command signal ⁇ S When the acceleration / deceleration operation is performed, the load acceleration feedback torque signal ⁇ acc is subtracted from the torque command signal ⁇ S.
  • the load acceleration feedback torque signal ⁇ acc is subtracted from the torque required for the acceleration / deceleration operation included in the torque command signal ⁇ S.
  • the operation when the load acceleration feedback torque signal ⁇ acc is subtracted from the torque command signal ⁇ S will be described together with the operation principle of the load acceleration correction unit 105.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a configuration of the load acceleration correction unit 105 in the embodiment of the present invention.
  • the load acceleration correction unit 105 receives the load acceleration correction signal A ′ L, and outputs a value obtained by multiplying the load acceleration correction signal A ′ L by the load acceleration feedback gain K acc that is a weighting factor as a load acceleration feedback torque signal ⁇ acc Do.
  • the command acceleration signal A S 0
  • the transfer function G ⁇ S ⁇ ⁇ m (s) of the motor position signal ⁇ m with respect to the torque command signal ⁇ S is expressed by the equation (1).
  • the transfer function G ⁇ S ⁇ ⁇ L (s) of the load position ⁇ L with respect to the torque command signal is expressed by equation (2).
  • s is the Laplace operator.
  • J m is an inertia of the motor 201.
  • J L is the inertia of the load 204.
  • ⁇ ′ P is a resonant frequency in the transfer characteristic from the torque command signal ⁇ S to the motor position signal ⁇ m .
  • ⁇ Z is an antiresonance frequency in the transfer characteristic from the torque command signal ⁇ S to the motor position signal ⁇ m .
  • Equation (3) The relationship between the load acceleration feedback gain K acc and the resonance frequency ⁇ ′ P is shown as Equation (3).
  • the relationship between the elastic coefficient K S and the inertia J L of the load 204 and the antiresonance frequency ⁇ Z is expressed by the equation (4).
  • K S indicates the elastic modulus of the joint portion 203.
  • feedback of the load acceleration by the load acceleration correction unit 105 has an effect of reducing the gain at the antiresonance frequency, that is, the sensitivity, as shown by the above equations.
  • the load acceleration signal when operating acceleration and deceleration in order to follow the motor position signal theta m and load acceleration signals A L to a position command signal theta S, without reducing the commanded acceleration signal A S from the load acceleration signal A L, the load acceleration signal
  • a L is directly input to the load acceleration correction unit 105 and the load acceleration feedback torque signal ⁇ acc is calculated, the load acceleration feedback causes a problem that the settling property is deteriorated.
  • the torque required for acceleration and deceleration operation calculated by the position controller 101 and the speed control unit 102, and outputs the torque command signal tau S.
  • the load acceleration signals A L and directly input to the load acceleration correcting unit 105 when calculating the load acceleration feedback torque signal tau acc, torque command signal
  • the torque required for the acceleration / deceleration operation is also reduced, and the command follow-up performance is degraded.
  • the shortage of torque necessary for acceleration / deceleration operation is compensated again by the position control unit 101 and the speed control unit 102 so that the motor position signal ⁇ m and the load position ⁇ L coincide with the position command signal ⁇ S. It is controlled.
  • the position control unit 101 and the speed control unit 102 are feedback control, a delay occurs in control. Due to this control delay, operation delay, overshoot, or undershoot or the like occurs near the stop and the settling property is reduced. That is, as the load acceleration feedback gain (acceleration feedback amount) is increased, the command follow-up performance is degraded. There is a trade-off between the load acceleration feedback gain (acceleration feedback amount) and the command tracking performance.
  • a load acceleration correction signal A ′ L obtained by subtracting in advance a command acceleration signal A S indicating acceleration at the time of acceleration / deceleration operation from the load acceleration signal A L to be fed back is input to the load acceleration correction unit 105 to load acceleration feedback torque signal ⁇
  • the torque required for the acceleration / deceleration operation of the motor 201 and the load 204 is not reduced by the load acceleration feedback. Therefore, the effect of improving the operation delay, overshoot, or undershoot at the time of stopping can be obtained.
  • the acceleration / deceleration torque can be reduced by the load acceleration feedback. It can prevent subtraction.
  • the vibration suppression effect by the load acceleration feedback can be obtained while maintaining the command following performance. Therefore, both stability and vibration suppression can be achieved.
  • FIG. 3 is a diagram showing another example of the configuration of the control device of the motor in the embodiment of the present invention.
  • the filter processing unit 109 of the motor control device 100 shown in FIG. 3 performs filter processing equivalent to the transfer characteristic of the motor position signal with respect to the position command signal, and outputs acceleration information.
  • the acceleration when the acceleration / deceleration operation is actually performed can be reduced in advance from the load acceleration information to be fed back, and the subtraction of the acceleration / deceleration torque by the load acceleration feedback can be prevented. Therefore, the vibration suppression effect by the load acceleration feedback can be obtained while maintaining the command following performance more. Therefore, both stability and vibration suppression can be achieved.
  • the load acceleration to which the commanded acceleration is subtracted is fed back.
  • the rigidity of the junction between the motor and the load is high for the commanded acceleration, that is, the acceleration information subjected to the filter processing equivalent to the transfer characteristic of the motor position with respect to the position command signal when the motor and the load are rigid It may be configured to reduce from the acceleration.
  • the rigidity of the junction between the motor and the load is high, that is, the transfer characteristic of the motor position with respect to the position command signal when the motor and the load are rigid bodies. Filter processing equivalent to and output acceleration information.
  • the acceleration when the acceleration / deceleration operation is actually performed can be reduced in advance from the load acceleration information to be fed back, and the subtraction of the acceleration / deceleration torque by the load acceleration feedback can be prevented. Therefore, the vibration suppression effect by the load acceleration feedback can be obtained while maintaining the command following performance more. Therefore, both stability and vibration suppression can be achieved.
  • the motor control device 100 is the motor control device 100 that drives a load (mechanical load), and includes the position control unit 101, the command acceleration calculation unit 106, and the first control unit. It includes a subtractor 107 corresponding to a subtractor and a subtractor 108 corresponding to a second subtractor.
  • Position control unit 101 the position of the motor for driving the load position command signal theta S to specify a target position of the load and enter the motor position signal theta m shown, and outputs a torque command signal tau S.
  • Command acceleration calculation unit 106 inputs the position command signal theta S, and outputs a command acceleration signal A S indicating the acceleration of the position command signal theta S.
  • the first subtractor subtracts the commanded acceleration signal A S from the load acceleration signal A L indicating the acceleration of the load, and outputs a load acceleration correction signal A ′ L.
  • Second subtractor subtracts a value obtained by multiplying a predetermined weight coefficient on the load acceleration correction signal A 'L from the torque command signal tau S, and outputs a torque command correction signal tau in.
  • the torque command correction signal ⁇ in controls the current supplied to the stator winding of the motor.
  • FIG. 4 is a diagram showing still another example of the configuration of a control device of a motor according to the embodiment of the present invention.
  • the same components as the components shown in FIG. 3 will be assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
  • weighting factor multiplication section 110 of motor control device 100 shown in FIG. 4 the signal subjected to filter processing in filter processing section 109 is multiplied by the weighting factor.
  • the commanded acceleration calculation unit 106 may include the filter processing unit 109 and the weighting factor multiplication unit 110.
  • the command acceleration calculation unit 106 a commanded acceleration signal A S, the load and the motor and the signal subjected to transmission characteristics equivalent to filtering the motor position signal theta m with respect to the position command signal theta S in the case of a rigid
  • the loading rate signal may be generated by multiplying the weighting factor.
  • the rigidity of the junction between the motor and the load is high, that is, equivalent to the transfer characteristic of the motor position with respect to the position command signal when the motor and the load are rigid bodies. Apply filter processing and output a signal.
  • weighting factor multiplication section 110 of motor control device 100 shown in FIG. 4 the signal subjected to filter processing in filter processing section 109 is multiplied by the weighting factor.
  • the commanded acceleration calculation unit 106 may include the filter processing unit 109 and the weighting factor multiplication unit 110.
  • the motor control device can obtain the vibration suppression effect by the load acceleration feedback while maintaining the command following performance.
  • load acceleration feedback gain acceleration feedback amount
  • command tracking performance vibration suppression effect by acceleration feedback from the load side while maintaining command tracking performance It is possible to provide a motor control device with enhanced Therefore, it is suitable for applications such as a control device of a motor used in a semiconductor manufacturing apparatus or an electronic component mounter.
  • Reference Signs List 100 motor control device 101 position control unit 102 speed control unit 103 torque control unit 104 speed conversion unit 105 load acceleration correction unit 106 command acceleration calculation unit 107 subtracter 108 subtractor 109 filter processing unit 110 weight coefficient multiplication unit 201 motor 202 position Detector 203 Junction 204 Load 205 Acceleration Detector

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Abstract

電動機の制御装置は、位置制御部と、指令加速度算出部と、第１の減算器と、第２の減算器と、を含む。位置制御部は、負荷の目標位置を指定する位置指令信号と負荷を駆動する電動機の位置を示す電動機位置信号を入力し、トルク指令信号を出力する。指令加速度算出部は、位置指令信号を入力し、位置指令信号の加速度を示す指令加速度信号を出力する。第１の減算器は、負荷の加速度を示す負荷加速度信号から指令加速度信号を減算し、負荷加速度補正信号を出力する。第２の減算器は、トルク指令信号から負荷加速度補正信号に所定の重み係数を乗じた値を減算し、トルク指令補正信号を出力する。トルク指令補正信号は、電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。

Description

電動機の制御装置
　本発明は、電動機および電動機で駆動される機械負荷に対し、電動機の速度または位置などの駆動動作を制御する電動機の制御装置に関する。特に、駆動時などに発生する機械負荷の反共振に起因する振動を抑制する制御構成を備えた電動機の制御装置に関する。
　この種の電動機の制御装置は、上位コントローラから入力された位置指令と電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置が一致するように、内部にフィードバック制御系を有している。このような電動機の制御装置は、位置指令と電動機の位置検出値から、位置指令と電動機位置を一致させるためのトルク指令値を算出し、電動機でトルク指令値と同じトルクが生じるよう電動機の固定子巻線に通電する電流を制御することで、電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置を制御している。しかしながら、電動機と被制御対象の負荷（機械負荷）との接合部の機械剛性が低い場合は、加減速時または外乱印加時において、被制御対象の負荷（機械負荷）に反共振に起因する振動が生じやすく、整定性および外乱抑圧性を従来よりも更に高めることが課題として認識されていた。
　この課題に対し、従来の送り制御装置は、被制御対象の負荷（機械負荷）であるスライダに加速度センサを設置し、被制御対象の負荷（機械負荷）の加速度検出値に重み係数である加速度フィードバックゲインを乗じたものを、トルク指令値から減算する加速度フィードバックループを備えることで、加減速時または外乱印加時に被制御対象の負荷（機械負荷）に生じる振動を抑制するように構成されている（例えば、特許文献１を参照）。
　特許文献１等で代表される構成では、加速度フィードバックゲインを大きくするほど機械剛性に起因する振動が小さくなる。一方、負荷の加減速動作に必要なトルクがトルク指令値から減算される。このため、指令追従性能が劣化し、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが生じてしまい、整定性と振動抑制が両立できない、という問題を有していた。換言すると、加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間には、トレードオフの関係があり、整定性と振動抑制の両立については、更なる改良が希求されていた。
特開平６－９１４８２号公報
　本発明は、従来の課題を解決する。本発明は、負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置において、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を得ることで、整定性と振動抑制の両立が可能となる電動機の制御装置を提供することを目的とする。即ち、本発明は、負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間の、トレードオフの関係を、緩和、或いは回避を図り、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた電動機の制御装置を提供する。
　上述の課題を解決するために、本出願の発明者らは、試行錯誤を重ね且つ鋭意検討を行った。そして、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた新規な電動機の制御装置を見出した。その詳細を下記に述べる。
　課題を解決するための第１の態様は、負荷（機械負荷）を駆動する電動機の制御装置であって、位置制御部と、指令加速度算出部と、第１の減算器と、第２の減算器と、を含む。位置制御部は、負荷の目標位置を指定する位置指令信号と負荷を駆動する電動機の位置を示す電動機位置信号を入力し、トルク指令信号を出力する。指令加速度算出部は、位置指令信号を入力し、位置指令信号の加速度を示す指令加速度信号を出力する。第１の減算器は、負荷の加速度を示す負荷加速度信号から指令加速度信号を減算し、負荷加速度補正信号を出力する。第２の減算器は、トルク指令信号から負荷加速度補正信号に所定の重み係数を乗じた値を減算し、トルク指令補正信号を出力する。トルク指令補正信号は、電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。
　また、第２の態様は、第１の態様の電動機の制御装置において、指令加速度算出部は、指令加速度信号に、位置指令信号に対する電動機位置信号の伝達特性と等価なフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じることによって、負荷速度信号を生成する。
　また、第３の態様は、第１の態様の電動機の制御装置において、指令加速度算出部は、指令加速度信号に、負荷と電動機とを剛体とした場合の位置指令信号に対する電動機位置信号の伝達特性と等価なフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じることによって、負荷速度信号を生成する。
　上述の課題解決によって、負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置において、フィードバックされる負荷加速度情報から予め指令加速度情報を減じることで、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算を防ぐことができる。よって、負荷加速度フィードバックによる指令追従性能の低下を招くことも無く、指令追従性能を保ったまま、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めることができる。したがて、整定性と振動抑制の両立が実現可能である。
　本発明の電動機の制御装置は、フィードバックされる負荷加速度情報から予め指令加速度情報を減じる。本発明の電動機の制御装置は、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算を防ぎ、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めることを可能にし、産業的価値の大いなるものである。
本発明の実施の形態における電動機の制御装置の構成の一例を示す図 本発明の実施の形態における負荷加速度補正部の構成の一例を示す図 本発明の実施の形態における電動機の制御装置の構成の別の例を示す図 本発明の実施の形態における電動機の制御装置の構成のまた別の例を示す図
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
　（実施の形態）
　図１は、本発明の実施の形態における電動機の制御装置の構成の一例を示す図である。図１に示す電動機の制御装置１００は、電動機２０１と電動機２０１の位置を検出する位置検出器２０２と、接合部２０３を介して電動機２０１に繋がれた駆動対象である負荷２０４の加速度を検出する加速度検出器２０５に接続されている。電動機の制御装置１００は、図示しない上位コントローラから位置指令信号が入力され、位置指令信号と電動機および負荷機械の位置が一致するように電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。
　位置検出器２０２は電動機の位置を検出し、電動機位置信号θｍとして電動機の制御装置１００へ出力する。加速度検出器２０５は負荷の加速度を検出し、負荷加速度信号ＡLとして電動機の制御装置１００へ出力する。
　電動機の制御装置１００の構成を説明する。電動機の制御装置１００は、内部に位置制御部１０１、速度制御部１０２、トルク制御部１０３、速度変換部１０４、負荷加速度補正部１０５、指令加速度算出部１０６、減算器１０７、減算器１０８を有している。
　位置制御部１０１は、位置指令信号θＳと電動機位置信号θｍを入力し、速度指令信号ωＳを出力する。速度制御部１０２は、速度指令信号ωＳと、電動機位置信号θｍから速度変換部１０４によって算出された電動機速度信号ωｍを入力し、トルク指令信号τＳを出力する。トルク制御部１０３は、トルク指令信号τＳから後述する負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減じたトルク指令補正信号τｉｎを入力し、電動機でトルク指令補正信号τｉｎと同じトルクが生じるように、電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。
　指令加速度算出部１０６は、位置指令信号θＳを入力し、位置指令の加速度を示す指令加速度信号ＡＳを出力する。
　負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度信号ＡLから指令加速度信号ＡＳを減じた負荷加速度補正信号Ａ’Lを入力し、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを出力する。
　このようにして、電動機の制御装置１００は内部に、位置指令と電動機および負荷の位置が一致するにように、電動機位置と電動機速度と負荷速度をフィードバックしたカスケード型のフィードバック制御系を有している。
　次に、電動機の制御装置の構成の詳細を説明する。位置制御部１０１は、位置指令信号θＳと電動機位置信号θｍを入力し、両者の差異を小さくするための速度指令信号ωＳを出力する。位置制御部１０１は、例えば、位置指令信号θＳと電動機位置信号θｍに重み係数を乗じたものを、速度指令信号ωＳとして出力する比例制御演算を行う。位置制御部１０１は、例えば、位置指令信号θＳと電動機位置信号θｍの差分値に重み係数を乗じたものを、速度指令信号ωＳとして出力する比例制御演算を行う。
　速度制御部１０２は、速度指令信号ωＳと電動機速度信号ωｍを入力し、両者の差異を小さくするためのトルク指令信号τＳを出力する。速度制御部１０２は、例えば、速度指令信号ωＳと電動機速度信号ωｍの差分値に重み係数を乗じたものと、速度指令信号ωＳと電動機速度信号ωｍの差分値の積分値に重み係数を乗じたものとの加算値をトルク指令信号τＳとして出力する比例積分演算を行う。
　速度変換部１０４は、電動機位置信号θｍを入力し、電動機速度を示す電動機速度信号ωｍを出力する。速度変換部１０４は、例えば、電動機位置信号θｍに対して微分演算を行い、その算出結果を電動機速度信号ωｍとして出力する。
　指令加速度算出部１０６は、位置指令信号θＳを入力し、位置指令信号θＳの加速度を示す指令加速度信号ＡＳを出力する。指令加速度算出部１０６は、例えば、位置指令信号θＳに二階微分演算処理を施すことで、指令加速度信号ＡＳを算出する。
　減算器１０７は、負荷加速度信号ＡLから指令加速度信号ＡＳを減じて、負荷加速度補正信号Ａ’Lを出力する。負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度補正信号Ａ’Lを入力し、負荷加速度補正信号Ａ’Lに重み係数を乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力する。
　減算器１０８は、トルク指令信号τＳから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減じた値をトルク指令補正信号τｉｎとしてトルク制御部１０３に出力する。
　負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度信号ＡLから指令加速度信号ＡＳを減じた負荷加速度補正信号Ａ’Lに重み係数を乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力する構成としている。仮に負荷加速度信号ＡLに重み係数を乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力した場合、電動機位置信号θｍまたは負荷位置θLを位置指令信号θＳに追従させるために電動機または負荷を加減速動作させる際に、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃをトルク指令信号τＳから減じるとする。この場合、トルク指令信号τＳに含まれる、加減速動作に必用なトルクから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが減じられてしまう。トルク指令信号τＳから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが減じられた場合の作用について、負荷加速度補正部１０５の動作原理と合わせて説明する。
　図２は、本発明の実施の形態における負荷加速度補正部１０５の構成の一例を示す図である。負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度補正信号Ａ’Ｌを入力し、負荷加速度補正信号Ａ’Ｌに重み係数である負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力する。このとき、指令加速度信号ＡＳ＝０とすると、トルク指令信号τＳに対する電動機位置信号θｍの伝達関数ＧτＳ→θｍ（ｓ）は、式（１）で示される。トルク指令信号に対する負荷位置θＬの伝達関数ＧτＳ→θＬ（ｓ）は、式（２）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　各式における変数及び演算子について説明する。ｓはラプラス演算子である。Ｊｍは電動機２０１のイナーシャである。ＪＬは負荷２０４のイナーシャである。ω’Ｐはトルク指令信号τＳから電動機位置信号θｍへの伝達特性における共振周波数である。ωＺはトルク指令信号τＳから電動機位置信号θｍへの伝達特性における反共振周波数である。負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃと共振周波数ω’Ｐとの関係は、式（３）として示される。弾性係数ＫＳおよび負荷２０４のイナーシャＪＬと反共振周波数ωＺとの関係は式（４）の式で示される。式（３）及び式（４）において、ＫＳは接合部２０３の弾性係数を示している。電動機の制御装置１００で電動機２０１を介して負荷２０４を駆動する場合、加減速動作によって負荷２０４に反共振周波数ωＺの振動が励起され、停止時の整定性を妨げる要因となる。
　式（１）に着目すると、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを大きくすると、共振周波数ω’Ｐは大きくなり、反共振周波数ωＺは変化しないことが分かる。共振周波数と反共振周波数の差異が大きくなるほど、反共振周波数におけるゲインは小さくなるので、反共振の影響は小さくなる。一方、式（１）と式（２）とによって、トルク指令信号τＳに対する、電動機位置信号θｍと負荷位置θＬとの関係は、次の式（５）の関係にあることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）によって、電動機位置信号θｍと負荷位置θＬとの関係は、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃに関わらず、常に一定である。よって、式（１）において、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを上げることで、トルク指令信号τＳに対する電動機位置信号θｍの伝達特性の反共振周波数ωＺにおけるゲインが小さくなると、トルク指令信号τＳに対する負荷位置θＬの伝達特性の反共振周波数ωＺにおけるゲインも同様に小さくなる。よって、加減速動作によって生じる負荷２０４の反共振周波数ωＺの振動も小さくなる。
　上述のとおり、負荷加速度補正部１０５によって負荷加速度をフィードバックすることで、上記の各式で示されるように、反共振周波数におけるゲイン、つまり感度を下げる作用がある。これによって、電動機の制御装置１００によって電動機２０１または負荷２０４を駆動する際に、加減速動作時に負荷２０４に生じる反共振振動を減じることができる。
　以上のとおり、負荷加速度補正部１０５による負荷加速度信号ＡＬをフィードバックすることで、反共振に起因する振動を抑制する効果が得られる。
　一方、電動機位置信号θｍおよび負荷加速度信号ＡＬを位置指令信号θＳに追従させるために加減速動作させる際に、負荷加速度信号ＡＬから指令加速度信号ＡＳを減ずることなく、負荷加速度信号ＡＬを直接に負荷加速度補正部１０５に入力し、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを算出した場合、負荷加速度フィードバックによって、整定性が悪化する問題が生じる。
　加減速動作を行うには所望の加速度に比例したトルクが電動機で生じるように制御する必要がある。電動機の制御装置１００では、加減速動作に必要なトルクを位置制御部１０１と速度制御部１０２によって算出し、トルク指令信号τＳとして出力する。しかしながら、負荷加速度信号ＡＬから指令加速度信号ＡＳを減ずることなく、負荷加速度信号ＡＬを直接に負荷加速度補正部１０５に入力し、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを算出した場合、トルク指令信号τＳから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減じることで、加減速動作に必要なトルクも減じられてしまい、指令追従性能が低下する。加減速動作に必用なトルクの不足分は、位置制御部１０１および速度制御部１０２によって再度補償されることで、電動機位置信号θｍおよび負荷位置θＬが位置指令信号θＳと一致するように制御される。しかし、位置制御部１０１および速度制御部１０２はフィードバック制御であるため、制御に遅れが生じる。この制御遅れによって、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが発生し、整定性が低下してしまう。つまり、負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）を大きくするほど、指令追従性能は低下する。負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能とはトレードオフの関係にある。
　フィードバックされる負荷加速度信号ＡＬから、加減速動作時の加速度を示す指令加速度信号ＡＳを予め減じた負荷加速度補正信号Ａ’Ｌを負荷加速度補正部１０５に入力して負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを算出することで、電動機２０１および負荷２０４の加減速動作に必要なトルクが負荷加速度フィードバックによって減じられることが無くなる。よって、停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどを改善する効果が得られる。
　以上のように、本実施の形態においては、負荷加速度フィードバック系を内部に有する電動機の制御装置において、フィードバックされる負荷加速度情報から予め指令加速度情報を減じることで、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算を防ことができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られる。したがって、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
　本実施の形態では、負荷加速度から指令加速度を減じたものをフィードバックする構成とした。しかし、指令加速度に位置指令信号に対する電動機位置信号の伝達特性と等価なフィルタ処理を施した加速度情報を負荷加速度から減じる構成としても良い。図３は、本発明の実施の形態における電動機の制御装置の構成の別の例を示す図である。図３において、図１に示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して、説明を省略する。図３に示す電動機の制御装置１００のフィルタ処理部１０９において、位置指令信号に対する電動機位置信号の伝達特性と等価なフィルタ処理を施して、加速度情報を出力する。このような構成を取ることで、フィードバックされる負荷加速度情報から予め実際に加減速動作が為される時の加速度を減じられ、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算を防ぐことができる。よって、より指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られる。したがって、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
　本実施の形態では、負荷加速度から指令加速度を減じたものをフィードバックする構成とした。しかし、指令加速度に対し、電動機と負荷の接合部の剛性が高い、つまり電動機と負荷とを剛体とした場合の位置指令信号に対する電動機位置の伝達特性と等価なフィルタ処理を施した加速度情報を負荷加速度から減じる構成としても良い。この場合、図３に示す電動機の制御装置１００のフィルタ処理部１０９において、電動機と負荷の接合部の剛性が高い、つまり電動機と負荷とを剛体とした場合の位置指令信号に対する電動機位置の伝達特性と等価なフィルタ処理を施して、加速度情報を出力する。このような構成を取ることで、フィードバックされる負荷加速度情報から予め実際に加減速動作が為される時の加速度を減じられ、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算を防ことができる。よって、より指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られる。したがって、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
　以上のように、本実施の形態の電動機の制御装置１００は、負荷（機械負荷）を駆動する電動機の制御装置１００であって、位置制御部１０１と、指令加速度算出部１０６と、第１の減算器に相当する減算器１０７と、第２の減算器に相当する減算器１０８と、を含む。位置制御部１０１は、負荷の目標位置を指定する位置指令信号θＳと負荷を駆動する電動機の位置を示す電動機位置信号θｍを入力し、トルク指令信号τＳを出力する。指令加速度算出部１０６は、位置指令信号θＳを入力し、位置指令信号θＳの加速度を示す指令加速度信号ＡＳを出力する。第１の減算器は、負荷の加速度を示す負荷加速度信号ＡLから指令加速度信号ＡＳを減算し、負荷加速度補正信号Ａ’Lを出力する。第２の減算器は、トルク指令信号τＳから負荷加速度補正信号Ａ’Lに所定の重み係数を乗じた値を減算し、トルク指令補正信号τｉｎを出力する。トルク指令補正信号τｉｎは、電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。
　これにより、負荷加速度フィードバック系を内部に有する電動機の制御装置１００において、フィードバックされる負荷加速度情報から予め指令加速度情報を減じることで、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算を防ことができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られる。したがって、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
　また、指令加速度算出部１０６は、指令加速度信号ＡＳに、位置指令信号θＳに対する電動機位置信号θｍの伝達特性と等価なフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じることによって、負荷速度信号を生成してもよい。図４は、本発明の実施の形態における電動機の制御装置の構成のまた別の例を示す図である。図４において、図３に示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して、説明を省略する。図４に示す電動機の制御装置１００の重み係数乗算部１１０において、フィルタ処理部１０９にてフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じる。なお、指令加速度算出部１０６は、フィルタ処理部１０９および重み係数乗算部１１０を含んでもよい。
　また、指令加速度算出部１０６は、指令加速度信号ＡＳに、負荷と電動機とを剛体とした場合の位置指令信号θＳに対する電動機位置信号θｍの伝達特性と等価なフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じることによって、負荷速度信号を生成してもよい。図４に示す電動機の制御装置１００のフィルタ処理部１０９において、電動機と負荷の接合部の剛性が高い、つまり電動機と負荷とを剛体とした場合の位置指令信号に対する電動機位置の伝達特性と等価なフィルタ処理を施して、信号を出力する。図４に示す電動機の制御装置１００の重み係数乗算部１１０において、フィルタ処理部１０９にてフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じる。なお、指令加速度算出部１０６は、フィルタ処理部１０９および重み係数乗算部１１０を含んでもよい。
　以上のように、本発明にかかる電動機の制御装置は、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られる。よって、整定性と振動抑制の両立が可能となる。負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間の、トレードオフの関係を、緩和、或いは回避を図ることで、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた電動機の制御装置を提供可能である。したがって、半導体製造装置または電子部品実装機等で使用される電動機の制御装置等の用途に好適である。
　１００　電動機の制御装置
　１０１　位置制御部
　１０２　速度制御部
　１０３　トルク制御部
　１０４　速度変換部
　１０５　負荷加速度補正部
　１０６　指令加速度算出部
　１０７　減算器
　１０８　減算器
　１０９　フィルタ処理部
　１１０　重み係数乗算部
　２０１　電動機
　２０２　位置検出器
　２０３　接合部
　２０４　負荷
　２０５　加速度検出器

Claims (3)

  1. 負荷を駆動する電動機の制御装置であって、
    前記負荷の目標位置を指定する位置指令信号と前記負荷を駆動する前記電動機の位置を示す電動機位置信号を入力し、トルク指令信号を出力する位置制御部と、
    前記位置指令信号を入力し、前記位置指令信号の加速度を示す指令加速度信号を出力する指令加速度算出部と、
    前記負荷の加速度を示す負荷加速度信号から前記指令加速度信号を減算し、負荷加速度補正信号を出力する第１の減算器と、
    前記トルク指令信号から前記負荷加速度補正信号に所定の重み係数を乗じた値を減算し、トルク指令補正信号を出力する第２の減算器と、
    を含み、
    前記トルク指令補正信号は、前記電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する
    電動機の制御装置。
  2. 前記指令加速度算出部は、前記指令加速度信号に、前記位置指令信号に対する前記電動機位置信号の伝達特性と等価なフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じることによって、負荷速度信号を生成する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
  3. 前記指令加速度算出部は、前記指令加速度信号に、前記負荷と前記電動機とを剛体とした場合の前記位置指令信号に対する前記電動機位置信号の伝達特性と等価なフィルタ処理を施した信号に重み係数を乗じることによって、負荷速度信号を生成する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
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