JP4973665B2 - 電動機制御装置と出力フィルタ調整方法および出力フィルタ調整装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体製造装置や工作機械などの位置決め装置あるいは産業用ロボットに用いられる電動機制御装置と出力フィルタ調整方法および出力フィルタ調整装置に関するものである。
従来、例えば、半導体製造装置や工作機械などの位置決め装置あるいは産業用ロボットに用いられる電動機制御装置のパラメータ調整、特に出力フィルタの調整においては、制御部の特性を含まない機械の開ループ周波数応答特性を計測し、この結果を基に検出した共振周波数および減衰を推定（特許文献１）し、この推定値を基に出力フィルタの調整する手法が用いられてきた。
また、計測した機械の開ループ特性と使用する制御部の制御部モデルから閉ループ周波数特性を予測し、制御パラメータを調整する手法（特許文献２）もあった。
さらに、出力フィルタを含んで機械の開ループ周波数特性を計測し、その効果を確認しながら調整する手法（特許文献３）もあった。
特開２００５−２０９４９号公報
特開２００５−２７５５８８号公報
特開２００６−２２１４０４号公報
さらに、出力フィルタを含んで機械の開ループ周波数特性を計測し、その効果を確認しながら調整する手法（特許文献３）もあった。
従来の制御パラメータ調整方法では、特許文献１の場合、推定したモデルに推定誤差が生じた場合やモデルの低次元化によるモデル化誤差が大きい場合には、最適な調整が出来ない場合があった。また、特許文献２の例では、使用する制御則や制御対象により、モデルを変更する必要があるうえ、前者同様モデルの低次元化に伴うモデル化誤差が大きく生じた場合、最適な調整が出来ない場合があった。さらに特許文献３の例では、少なくとも数回の特性計測が必要であり、機械によっては、可動部に多大な負荷がかかる場合があった。
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、一度の計測動作と簡便な計算方法により、所望の周波数応答特性が得られる電動機制御装置と出力フィルタ方法および出力フィルタ調整装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置において、前記制御部の特性を含まない開ループ周波数応答特性を取得する開ループ周波数応答特性計測部と、前記制御部の出力フィルタの周波数応答特性を現すモデル演算部と、前記開ループ周波数応答特性計測部により計測した周波数応答の振幅特性と前記モデル演算部により算出された出力フィルタの周波数応答の振幅特性の和を表示する表示部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、前記モデル演算部は、１次遅れフィルタモデルを使用することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、前記モデル演算部は、ノッチフィルタモデルを使用することを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、前記モデル演算部は、複数の出力フィルタモデルの和を使用することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置の出力フィルタ調整方法において、機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置の出力フィルタ調整方法において、トルク指令を入力し速度応答を計測するステップと、前記機械の開ループ応答特性を演算するステップと、周波数応答特性演算の結果を表示して確認するステップと、前記開ループ周波数応答特性に応じて前記出力フィルタを調整するステップと、出力フィルタのパラメータに応じて、周波数応答特性モデルを作成するステップと、前記開ループ応答特性と前記出力フィルタの周波数応答特性を合成するステップと、出力フィルタを介した開ループ周波数応答波形を表示し、出力フィルタの効果を確認するステップと、出力フィルタの効果により所望の効果が得られた場合は出力フィルタのパラメータを制御部に反映するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、出力フィルタ調整装置であり、請求項１記載の開ループ周波数応答特性計測部とモデル演算部と表示部を電動機制御装置から分離してまとめたことを特徴とするものである。
請求項１記載の発明は、機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置において、前記制御部の特性を含まない開ループ周波数応答特性を取得する開ループ周波数応答特性計測部と、前記制御部の出力フィルタの周波数応答特性を現すモデル演算部と、前記開ループ周波数応答特性計測部により計測した周波数応答の振幅特性と前記モデル演算部により算出された出力フィルタの周波数応答の振幅特性の和を表示する表示部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、前記モデル演算部は、１次遅れフィルタモデルを使用することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、前記モデル演算部は、ノッチフィルタモデルを使用することを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、前記モデル演算部は、複数の出力フィルタモデルの和を使用することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置の出力フィルタ調整方法において、機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置の出力フィルタ調整方法において、トルク指令を入力し速度応答を計測するステップと、前記機械の開ループ応答特性を演算するステップと、周波数応答特性演算の結果を表示して確認するステップと、前記開ループ周波数応答特性に応じて前記出力フィルタを調整するステップと、出力フィルタのパラメータに応じて、周波数応答特性モデルを作成するステップと、前記開ループ応答特性と前記出力フィルタの周波数応答特性を合成するステップと、出力フィルタを介した開ループ周波数応答波形を表示し、出力フィルタの効果を確認するステップと、出力フィルタの効果により所望の効果が得られた場合は出力フィルタのパラメータを制御部に反映するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、出力フィルタ調整装置であり、請求項１記載の開ループ周波数応答特性計測部とモデル演算部と表示部を電動機制御装置から分離してまとめたことを特徴とするものである。
請求項１乃至４に記載の発明によると、機械の複数状態の特性に対する出力フィルタの効果を確認できるため、一度の計測動作と簡便な計算方法により、所望の周波数応答特性が得られる電動機制御装置を提供できる。
また、請求項５に記載の発明によると、機械の複数状態の特性に対する出力フィルタの効果を確認できるため、一度の計測動作と簡便な計算方法により、所望の周波数応答特性が得られる電動機制御装置の出力フィルタ調整方法を提供できる。
また、請求項６に記載の発明によると、機械の複数状態の特性に対する出力フィルタの効果を確認できるため、一度の計測動作と簡便な計算方法により、所望の周波数応答特性が得られる電動機制御装置の出力フィルタ調整装置を提供できる。
また、請求項５に記載の発明によると、機械の複数状態の特性に対する出力フィルタの効果を確認できるため、一度の計測動作と簡便な計算方法により、所望の周波数応答特性が得られる電動機制御装置の出力フィルタ調整方法を提供できる。
また、請求項６に記載の発明によると、機械の複数状態の特性に対する出力フィルタの効果を確認できるため、一度の計測動作と簡便な計算方法により、所望の周波数応答特性が得られる電動機制御装置の出力フィルタ調整装置を提供できる。
１ 指令部
２ 制御部
３ 動作量検出部
４ モデル演算部
５ 周波数特性計測部
６ 表示部
７ 制御対象
８ 出力フィルタ調整装置
９ 電動機制御装置
１０ 出力フィルタ
２ 制御部
３ 動作量検出部
４ モデル演算部
５ 周波数特性計測部
６ 表示部
７ 制御対象
８ 出力フィルタ調整装置
９ 電動機制御装置
１０ 出力フィルタ
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は指令部、２は制御部、３は動作量検出部、４はモデル演算部、５は周波数特性計測部、６は表示部である。動作量検出部３は、制御対象である機械の動作量を検出し、指令部１は上位システムまたはマニュアルにより指令信号を発生する。制御部２は、指令信号を受けて電動機を駆動し、機械を動作させる。周波数特性計測部５は、動作量と指令信号から制御部の特性を含まない開ループ周波数応答特性を生成する。モデル演算部４は、制御部の出力フィルタ１０の周波数特性を模擬する。表示部６は、開ループ周波数応答特性計測部により計測した周波数応答の振幅特性とモデル演算部で生成した出力フィルタの周波数応答の振幅特性の和を表示する。
図２は本発明の方法の処理手順を示すフローチャートである。図２に示すように、本発明の電動機制御装置の出力フィルタ調整方法は、ステップ１〜８の８つのステップで構成される。ステップ１では、多くの周波数成分を含むトルク指令を制御部に入力し、速度応答を計測する。ステップ２では、入力したトルク指令および計測した速度応答を基に機械の開ループ応答特性を演算する。ステップ３では、周波数応答特性演算の結果を表示して確認し、ステップ４では、機械の開ループ周波数応答特性に応じた出力フィルタの調整を行う。例えば、ひとつの特徴的な共振ピークが存在する場合、ピークの周波数に合わせノッチフィルタを設定する。ステップ５では、設定した出力フィルタのパラメータに応じて、周波数応答特性モデルを作成する。ステップ６では、ステップ２で求めた機械の開ループ応答特性と出力フィルタの周波数応答特性を合成し、ステップ７で、出力フィルタを介した開ループ周波数応答波形を表示し、出力フィルタの効果を確認する。出力フィルタの効果により所望の効果が得られた場合は、ステップ８により、出力フィルタのパラメータを制御部に反映する。所望の応答が得られない場合は、再度ステップ４からの作業を繰り返し、フィルタを最適に調整する。
図２は本発明の方法の処理手順を示すフローチャートである。図２に示すように、本発明の電動機制御装置の出力フィルタ調整方法は、ステップ１〜８の８つのステップで構成される。ステップ１では、多くの周波数成分を含むトルク指令を制御部に入力し、速度応答を計測する。ステップ２では、入力したトルク指令および計測した速度応答を基に機械の開ループ応答特性を演算する。ステップ３では、周波数応答特性演算の結果を表示して確認し、ステップ４では、機械の開ループ周波数応答特性に応じた出力フィルタの調整を行う。例えば、ひとつの特徴的な共振ピークが存在する場合、ピークの周波数に合わせノッチフィルタを設定する。ステップ５では、設定した出力フィルタのパラメータに応じて、周波数応答特性モデルを作成する。ステップ６では、ステップ２で求めた機械の開ループ応答特性と出力フィルタの周波数応答特性を合成し、ステップ７で、出力フィルタを介した開ループ周波数応答波形を表示し、出力フィルタの効果を確認する。出力フィルタの効果により所望の効果が得られた場合は、ステップ８により、出力フィルタのパラメータを制御部に反映する。所望の応答が得られない場合は、再度ステップ４からの作業を繰り返し、フィルタを最適に調整する。
以下、ステップ５およびステップ６について詳細に説明する。
図３に示すように機械の開ループ特性が１のようなひとつの特徴的な共振ピークを持ちその共振周波数ωＨとすると、出力フィルタとして、図４に示す２のようなノッチフィルタを用いて、共振ピークのゲインを下げるのが適当である。
このときノッチフィルタの伝達関数は、式（１）で表される。
図３に示すように機械の開ループ特性が１のようなひとつの特徴的な共振ピークを持ちその共振周波数ωＨとすると、出力フィルタとして、図４に示す２のようなノッチフィルタを用いて、共振ピークのゲインを下げるのが適当である。
このときノッチフィルタの伝達関数は、式（１）で表される。
ここでＱはノッチフィルタのバンド幅、Ａは深さを表すパラメータであり、機械の共振周波数に対応した反共振周波数、減衰に合わせて調整する。
この伝達関数を周波数領域での振幅（ゲイン）として表わすと周波数ωの関数として次式（２）で表わされる。
この伝達関数を周波数領域での振幅（ゲイン）として表わすと周波数ωの関数として次式（２）で表わされる。
したがって、式（２）にノッチフィルタのパラメータωＨ、Ｑ、Ａおよび周波数軸の数値を入力することで用意にフィルタの周波数領域での振幅を求めることが出来る。
また、機械の開ループ伝達関数をＧｍ（ｓ）、周波数領域での振幅をＨｍ（ω）とすると、ノッチフィルタを介した開ループの周波数領域での振幅は次式で表されること公知である。
また、機械の開ループ伝達関数をＧｍ（ｓ）、周波数領域での振幅をＨｍ（ω）とすると、ノッチフィルタを介した開ループの周波数領域での振幅は次式で表されること公知である。
つまり、ノッチフィルタの周波数領域での振幅と機械の周波数領域での振幅を単純に足し合わせることでノッチフィルタを介した開ループの周波数領域での振幅を求めることが出来、ノッチフィルタの効果を容易に確認することが出来る。
図４は、前述の手法を用いて、ノッチフィルタ適用により開ループ周波数応答特性を改善した例である。
１は測定により得られた開ループ周波数応答特性、２はノッチフィルタの周波数応答特性、３はノッチフィルタ適用により改善された開ループ周波数応答特性を示しており、ノッチフィルタにより機械が持つ共振ピークを抑制し、開ループの応答特性が改善されていることがわかる。
同様に出力フィルタとして使用する各種フィルタの特性をモデル化しておけば、その周波数領域での振幅の足し合わせにより、用意に出力フィルタの効果を確認できる。
図５は、図１の開ループ周波数応答特性計測部とモデル演算部と表示部を電動機制御装置から分離し出力フィルタ調整装置としてまとめたものである。図５の８は出力フィルタ調整装置、９は電動機制御装置である。
本発明によると、一度の計測動作と簡便な計算方法により、所望の周波数応答特性が得られるので半導体製造装置や工作機械などの位置決め装置あるいは産業用ロボットへの適用はもちろんのこと一般産業用機械への適用も期待できる。
Claims (6)
- 機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置において、
前記動作量と前記指令信号から前記制御部の特性を含まない開ループ周波数応答特性を生成する開ループ周波数応答特性計測部と、
前記制御部の出力フィルタの周波数特性を現すモデル演算部と、
前記開ループ周波数応答特性計測部により計測した周波数応答の振幅特性と前記モデル演算部により算出された出力フィルタの周波数応答の振幅特性の和を表示する表示部と、
を備えることを特徴とする電動機制御装置。 - 前記モデル演算部は、１次遅れフィルタモデルを使用することを特徴とする請求項1記載の電動機制御装置。
- 前記モデル演算部は、ノッチフィルタモデルを使用することを特徴とする請求項1記載の電動機制御装置。
- 前記モデル演算部は、複数の出力フィルタモデルの和を使用することを特徴とする請求項1記載の電動機制御装置。
- 機械の動作量を検出する検出部と、指令信号を発生する指令部と、指令信号を受けて電動機を駆動する制御部とからなる電動機制御装置の出力フィルタ調整方法において、
トルク指令を入力し速度応答を計測するステップと、
前記機械の開ループ応答特性を演算するステップと、
周波数応答特性演算の結果を表示して確認するステップと、
前記開ループ周波数応答特性に応じて前記出力フィルタを調整するステップと、
出力フィルタのパラメータに応じて、周波数応答特性モデルを作成するステップと、
前記開ループ応答特性と前記出力フィルタの周波数応答特性を合成するステップと
出力フィルタを介した開ループ周波数応答波形を表示し、出力フィルタの効果を確認するステップと、
出力フィルタの効果により所望の効果が得られた場合は、出力フィルタのパラメータを制御部に反映するステップと、
を備えることを特徴とする電動機制御装置の出力フィルタ調整方法。 - 請求項１記載の開ループ周波数応答特性計測部とモデル演算部と表示部を電動機制御装置から分離してまとめたことを特徴とする出力フィルタ調整装置。
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