JP6106582B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、指令に対する追従性を向上させたモータ制御装置に関する。

モータ制御装置によって制御される工作機械やロボットは、加工の生産性を向上させるために、加工の高速化及び加工品質の向上が要求される。加工を高速化したり、加工品質を向上させたりするためには、モータ制御装置の指令に対する追従性を向上させる必要がある。

指令に対する追従性を向上させる制御方式は下記特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている制御方式は、位置制御系及び速度制御系に対して、位置のフィードフォワード補償及び速度のフィードフォワード補償をする。これらの補償により、指令に対する追従性を向上させる。

実際の機械はカップリング、ボールねじなどの剛性の低い部分を持っている。このため、実際の機械の制御は、それらの部分の機械共振やエンコーダの量子リップルの存在を考慮する必要がある。しかし、特許文献１に記載されている制御方式はこれらを抑制する機能はない。したがって、特許文献１に記載されている制御方式を、機械共振及びエンコーダの量子化リップルが存在する機械に適用しても、指令に対する追従性を向上させることはできない。

機械共振が存在する系に対して、指令に対する追従性を向上させようとする発明として、特許文献２に記載されているモータ制御装置がある。特許文献２に記載されているモータ制御装置は、位置制御及び速度制御に対して、速度フィードフォワード補償及びトルクフィードフォワード補償をする。これらの補償により、指令に対する追従性を向上させる。また、補償後の出力をトルクフィルタに通し、トルクフィルタによって機械共振やエンコーダの量子化リップルの影響を抑制する。

特開平３−１５９１１号公報 ２００３−８４８３９号公報

しかし、機械系の剛性が低い場合には、引用文献２に記載されているモータ制御装置を適用したとしても、トルクフィルタのカットオフ周波数を高くすることができず、速度フィードフォワード補償及びトルクフィードフォワード補償をしたとしても、十分な追従性を得ることはできない。

本発明は、上記のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、機械共振及びエンコーダの量子化リップルが存在しても、指令に対する追従性を向上させることができるモータ制御装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るモータ制御装置は、トルクフィードフォワード部、トルク指令フィルタ及びトルク制御部を有する。

トルクフィードフォワード部は、速度指令からフィードフォワード系のトルク指令を出力する。トルク指令フィルタは、フィードバック系の速度指令と速度フィードバックとの偏差から機械共振及び量子化リップルが抑制されたトルク指令を出力する。トルク制御部は、前記トルクフィードフォワード部が出力するトルク指令と前記トルク指令フィルタが出力するトルク指令とを加算点で加算し、加算されたトルク指令を用いてモータの動作を制御する。

本発明に係るモータ制御装置によれば、トルクフィードフォワード部のトルク指令をトルク指令フィルタを通過したトルク指令に加算するようにしたので、機械共振及びエンコーダの量子リップルが存在しても、位置指令及び速度指令に対する追従性を向上させることができる。

実施形態１に係るモータ制御装置のブロック図である。 実施形態１に係るモータ制御装置の特性線図である。 実施形態２に係るモータ制御装置のブロック図である。 実施形態２に係るモータ制御装置の特性線図である。 実施形態３に係るモータ制御装置のブロック図である。 実施形態４に係るモータ制御装置のブロック図である。

以下に、本発明に係るモータ制御装置を、［実施形態１］から［実施形態４］に分けて詳細に説明する。

［実施形態１］
＜モータ制御装置の構成＞
図１は、実施形態１に係るモータ制御装置のブロック図である。本実施形態に係るモータ制御装置１００は、微分器１１０、トルクフィードフォワード部１１２、速度制御部１１４、トルク指令フィルタ１１６、トルク制御部１１８、速度算出部１２０を有する。

微分器１１０は速度指令を微分する。

トルクフィードフォワード部１１２は、微分された速度指令からフィードフォワード系のトルク指令を算出する。微分器１１０とトルクフィードフォワード部１１２とでフィードフォワード系を構成する。フィードフォワード系のトルク指令は、速度指令から直接算出するため、機械共振及びエンコーダの量子化リップルは全く含んでいない。

速度制御部１１４は、速度指令と速度フィードバックとの差分からトルク指令を算出する。

トルク指令フィルタ１１６はローパスフィルタまたはノッチフィルタを用いる。トルク指令フィルタ１１６は、位置制御または速度制御のフィードバック系を構成するループに挿入して、機械共振及びエンコーダの量子化リップルを抑制する。本実施形態では速度制御のフィードバック系を構成するループ（速度制御部１１４、トルク指令フィルタ１１６、トルク制御部１１８及び速度算出部１２０で形成されるループ）に挿入している。

トルク指令フィルタ１１６を通過して機械共振及びエンコーダの量子化リップルの影響が取り除かれたトルク指令と、トルクフィードフォワード部１１２から出力されたフィードフォワード系のトルク指令とが、加算点１１７で加算される。

トルク制御部１１８は、加算点１１７で加算されたトルク指令を用いてモータ１４０の動作を制御する。モータ１４０は機械１５０を駆動する。

エンコーダ１６０はモータ１４０に取り付けられ、モータ１４０の回転位置を出力する。速度算出部１２０はエンコーダ１６０が出力するモータ１４０の回転位置（位置フィードバック）を用いて速度フィードバックを算出する。

＜モータ制御装置の動作＞
次に、本実施形態に係るモータ制御装置１００の動作を説明する。本実施形態に係るモータ制御装置１００は速度制御装置に適用している。

速度指令と速度フィードバックとの差分を取り、速度制御部１１４を通してトルク指令を算出する。トルク指令をトルク指令フィルタ１１６に通したものと、速度指令を微分してトルクフィードフォワード部１１２に通したものとを加算点１１７で加算する。

加算点１１７での加算結果をトルク制御器１１８に通してモータ１４０を駆動する。

本実施形態では、トルクフォードフォワード部１１２から出力されるトルク指令の加算点をトルク指令フィルタ１１６の出力側にし、フィードフォワード系にはトルク指令フィルタ１１６が入らないようにしている。

フィードフォワード系は、速度指令から算出されるトルクのフィードフォワード量を与えるのみであり、フィードバックループを構成しないため、エンコーダ１６０によって検出される機械系の共振成分は増幅されない。このため、トルクフィードフォワード部１１２の出力をトルク指令フィルタ１１６の後で加算しても、機械系の共振が悪化することはない。

図２は、本実施形態に係るモータ制御装置１００の特性線図である。図中の（ａ）は、モータ制御装置１００の速度制御系の周波数応答特性（速度指令に対する速度フィードバックの応答）を示し、（ｂ）は、トルクフィードフォワード出力をトルク指令フィルタの入力側で加算する従来のモータ制御装置の速度制御系の周波数応答特性を示す。

これらの周波数応答特性を比較すると明らかなように、従来のモータ制御装置は機械共振を抑制するためのノッチフィルタの影響で、特定の複数の周波数付近でゲインが大きく落ち込むが、本実施形態に係るモータ制御装置１００は、周波数が高いところまでゲインは落ち込まない。したがって、本実施形態に係るモータ制御装置１００は、速度指令に対する周波数応答を高くでき、追従性を高める効果が得られていることがわかる。

［実施形態２］
＜モータ制御装置の構成＞
図３は、実施形態２に係るモータ制御装置のブロック図である。本実施形態に係るモータ制御装置２００は、実施形態１に係るモータ制御装置１００と比較して、微分器２２２、速度フィードフォワード部２２４、位置制御部２２６が加わっていることが相違する。
本実施形態に係るモータ制御装置２００の微分器２１０、トルクフィードフォワード部２１２、速度制御部２１４、トルク指令フィルタ２１６、トルク制御部２１８、速度算出部２２０の機能は実施形態１に係るモータ制御装置１００の微分器１１０、トルクフィードフォワード部１１２、速度制御部１１４、トルク指令フィルタ１１６、トルク制御部１１８、速度算出部１２０と同一である。なお、本実施形態では、トルクフィードフォワードは速度フィードフォワードから算出している。

微分器２２２は位置指令を微分する。

速度フィードフォワード部２２４は、微分された位置指令からフィードフォワード系の速度指令を算出する。微分器２２２、速度フィードフォワード部２２４、微分器２１０及びトルクフィードフォワード部２１２でフィードフォワード系を構成する。フィードフォワード系の速度指令は、位置指令から直接算出するため、機械共振及びエンコーダの量子化リップルは全く含んでいない。また、フィードフォワード系のトルク指令も、フィードフォワード系の速度指令から直接算出するため、機械共振及びエンコーダの量子化リップルは全く含んでいない。

位置制御部２２６は、位置指令と位置フィードバックとの差分から速度指令を算出する。

微分器２１０は速度フィードフォワード部２２４が出力する速度指令を微分する。

速度制御部２１４は、速度フィードフォワード部２２４が出力する速度指令と位置制御部２２６が出力する速度指令との和から、速度算出部２２０が算出する速度フィードバックを差し引いた速度指令からトルク指令を算出する。

トルク指令フィルタ２１６を通過して機械共振及びエンコーダの量子化リップルの影響が取り除かれたトルク指令と、トルクフィードフォワード部２１２から出力されたフィードフォワード系のトルク指令とが、加算点２１７で加算される。

なお、トルクフィードフォワード部２１２、トルク指令フィルタ２１６、トルク制御部２１８、速度算出部２２０の動作は、実施形態１のトルクフィードフォワード部１１２、トルク指令フィルタ１１６、トルク制御部１１８、速度算出部１２０と同一である。

エンコーダ２６０が出力するモータ２４０の回転位置は、位置フィードバックとして位置指令から差し引かれる。位置指令と位置フィードバックとの差分は位置制御部２２６に入力される。

＜モータ制御装置の動作＞
次に、本実施形態に係るモータ制御装置２００の動作を説明する。本実施形態に係るモータ制御装置２００は位置制御装置に適用している。

位置指令と位置フィードバックとの差分を取り、位置制御部２２６を通して速度指令を算出する。位置指令を微分して速度フィードフォワード部２２４に通し位置制御部２２６が出力する速度指令と加算する。

速度指令の加算結果と速度フィードバックとの差分を取り、速度制御部２１４を通してトルク指令を算出する。トルク指令をトルク指令フィルタ２１６に通したものと、速度フィードフォワード部２２４が出力する速度指令を微分してトルクフィードフォワード部２１２に通したものとを加算点２１７で加算する。

加算点２１７での加算結果をトルク制御器２１８に通してモータ２４０を駆動する。

トルクフォードフォワード部２１２から出力されるトルク指令の加算点をトルク指令フィルタ２１６の出力側にし、フィードフォワード系にはトルク指令フィルタ２１６が入らないようにしている。

フィードフォワード系は、速度フィードフォワード部２２４で算出されるトルクのフィードフォワード量を与えるのみであり、フィードバックループを構成しないため、エンコーダ２６０によって検出される機械系の共振成分は増幅されない。このため、トルクフィードフォワード部２１２の出力をトルク指令フィルタ２１６の後で加算しても、機械系の共振が悪化することはない。

図４は、本実施形態に係るモータ制御装置２００の特性線図である。図中の（ａ）は、モータ制御装置２００の位置制御系の周波数応答特性を示し、（ｂ）は、トルクフィードフォワード出力をトルク指令フィルタの入力側で加算する従来のモータ制御装置の位置制御系の周波数応答特性を示す。

これらの周波数応答特性を比較すると明らかなように、従来のモータ制御装置は機械共振を抑制するためのノッチフィルタの影響で、特定の複数の周波数付近でゲインが大きく落ち込むが、本実施形態に係るモータ制御装置２００は、周波数が高いところまでゲインは落ち込まない。したがって、本実施形態に係るモータ制御装置２００は、位置指令に対する周波数応答を高くでき、追従性を高める効果が得られていることがわかる。

［実施形態３］
＜モータ制御装置の構成＞
図５は、実施形態３に係るモータ制御装置のブロック図である。本実施形態に係るモータ制御装置３００は、実施形態１に係るモータ制御装置１００と比較して、フィードフォワード系がモデル制御器３７０で構成されていることが異なる。速度制御部３１４、トルク指令フィルタ３１６、トルク制御部３１８、速度算出部３２０の機能は実施形態１に係るモータ制御装置１００の速度制御部１１４、トルク指令フィルタ１１６、トルク制御部１１８、速度算出部１２０と同一である。

本実施形態に係るモータ制御装置３００は、モデルを用いた速度制御装置に適用している。モデル制御器３７０は、実施形態１に係るモータ制御装置１００、モータ１４０、機械１５０及びエンコーダ１６０をモデリングした速度制御系を構成し、モデル制御器３７０の動作に従うモデル追従制御を構築している。

モデル制御器３７０は、速度指令を入力し、モデル制御の結果得られた速度指令とトルク指令とを出力する。モデル制御器３７０が出力する速度指令とトルク指令とは、速度指令から直接算出するため、機械３５０やエンコーダ３６０に起因する機械共振及びエンコーダの量子化リップルは全く含んでいない。

速度制御部３１４は、モデル制御器３７０からの速度指令と速度フィードバックとの差分からトルク指令を算出する。

トルク指令フィルタ３１６はローパスフィルタまたはノッチフィルタを用いる。トルク指令フィルタ３１６は、位置制御または速度制御のフィードバック系を構成するループに挿入して、機械共振及びエンコーダの量子化リップルを抑制する。本実施形態では速度制御のフィードバック系を構成するループ（速度制御部３１４、トルク指令フィルタ３１６、トルク制御部３１８及び速度算出部３２０で形成されるループ）に挿入している。

トルク指令フィルタ３１６を通過して機械共振及びエンコーダの量子化リップルの影響が取り除かれたトルク指令と、モデル制御器３７０からのトルク指令とが、加算点３１７で加算される。

トルク制御部３１８は、加算点３１７で加算されたトルク指令を用いてモータ３４０の動作を制御する。モータ３４０は機械３５０を駆動する。

エンコーダ３６０はモータ３４０に取り付けられ、モータ３４０の回転位置を出力する。速度算出部３２０はエンコーダ３６０が出力するモータ３４０の回転位置（位置フィードバック）を用いて速度フィードバックを算出する。

＜モータ制御装置の動作＞
次に、本実施形態に係るモータ制御装置３００の動作を説明する。

モデル制御器３７０は、速度指令から実際の制御系に与える速度指令とトルク指令とを算出する。

モデル制御器３７０からの速度指令と速度フィードバックとの差分を取り、速度制御部３１４を通してトルク指令を算出する。トルク指令をトルク指令フィルタ３１６に通したものと、モデル制御器３７０からのトルク指令とを加算点３１７で加算する。

加算点３１７での加算結果をトルク制御器３１８に通してモータ３４０を駆動する。

本実施形態では、モデル制御器３７０から出力されるトルク指令の加算点をトルク指令フィルタ３１６の出力側にしている。

モデル制御器３７０は、速度指令から算出される速度及びトルクのフィードフォワード量を与えるのみであり、機械３５０やエンコーダ３６０に対するフィードバックループを構成しないため、エンコーダ３６０によって検出される機械系の共振成分は増幅されない。このため、モデル制御器３７０からのトルク指令をトルク指令フィルタ３１６の後で加算しても、機械系の共振が悪化することはない。

本実施形態に係るモータ制御装置３００は、実施形態１及び２のモータ制御装置と同様に、その周波数応答特性は周波数が高いところまでゲインは落ち込まない。したがって、本実施形態に係るモータ制御装置３００は、速度指令に対する周波数応答を高くでき、追従性を高める効果が得られる。

［実施形態４］
＜モータ制御装置の構成＞
図６は、実施形態４に係るモータ制御装置のブロック図である。本実施形態に係るモータ制御装置４００は、実施形態２に係るモータ制御装置２００と比較して、フィードフォワード系がモデル制御器４７０で構成されていることが異なる。速度制御部４１４、トルク指令フィルタ４１６、トルク制御部４１８、速度算出部４２０、位置制御部４２６の機能は実施形態２に係るモータ制御装置２００の速度制御部２１４、トルク指令フィルタ２１６、トルク制御部２１８、速度算出部２２０、位置制御部２２６と同一である。

本実施形態に係るモータ制御装置４００は、モデルを用いた位置制御装置に適用している。モデル制御器４７０は、実施形態２に係るモータ制御装置２００、モータ２４０、機械２５０及びエンコーダ２６０をモデリングした位置制御系を構成し、モデル制御器４７０の動作に従うモデル追従制御を構築している。

モデル制御器４７０は、位置指令を入力し、モデル制御の結果得られた位置指令、速度指令及びトルク指令を出力する。モデル制御器４７０が出力する位置指令、速度指令及びトルク指令は、位置指令から直接算出するため、機械４５０やエンコーダ４６０に起因する機械共振及びエンコーダの量子化リップルは全く含んでいない。

位置制御部４２６は、モデル制御器４７０からの位置指令と位置フィードバックとの差分から速度指令を算出する。

速度制御部４１４は、モデル制御部４７０からの速度指令と位置制御部４２６が出力する速度指令との和から、速度算出部４２０が算出する速度フィードバックを差し引いた速度指令からトルク指令を算出する。トルク指令をトルク指令フィルタ４１６に通したものと、モデル制御器４７０からのトルク指令とを加算点４１７で加算する。

トルク制御部４１８は、加算点４１７で加算されたトルク指令を用いてモータ４４０の動作を制御する。モータ４４０は機械４５０を駆動する。

エンコーダ４６０はモータ４４０に取り付けられ、モータ４４０の回転位置を出力する。速度算出部４２０はエンコーダ４６０が出力するモータ４４０の回転位置（位置フィードバック）を用いて速度フィードバックを算出する。

エンコーダ４６０が出力するモータ４４０の回転位置は、位置フィードバックとして位置指令から差し引かれる。モデル制御部４７０からの位置指令と位置フィードバックとの差分は位置制御部４２６に入力される。

＜モータ制御装置の動作＞
次に、本実施形態に係るモータ制御装置４００の動作を説明する。

モデル制御部４７０からの位置指令と位置フィードバックとの差分を取り、位置制御部４２６を通して速度指令を算出する。モデル制御部４７０からの速度指令と位置制御部４２６が出力する速度指令とを加算する。

速度指令の加算結果と速度フィードバックとの差分を取り、速度制御部４１４を通してトルク指令を算出する。トルク指令をトルク指令フィルタ４１６に通したものと、モデル制御部４７０からのトルク指令とを加算点４１７で加算する。

加算点４１７での加算結果をトルク制御器４１８に通してモータ４４０を駆動する。

本実施形態では、モデル制御部４７０から出力されるトルク指令の加算点をトルク指令フィルタ４１６の出力側にしている。

モデル制御器４７０は、位置指令から算出される位置、速度及びトルクのフィードフォワード量を与えるのみであり、機械４５０やエンコーダ４６０に対するフィードバックループを構成しないため、エンコーダ４６０によって検出される機械系の共振成分は増幅されない。このため、モデル制御器４７０からのトルク指令をトルク指令フィルタ４１６の後で加算しても、機械系の共振が悪化することはない。

本実施形態に係るモータ制御装置４００は、実施形態１及び２のモータ制御装置と同様に、その周波数応答特性は周波数が高いところまでゲインは落ち込まない。したがって、本実施形態に係るモータ制御装置４００は、速度指令に対する周波数応答を高くでき、追従性を高める効果が得られる。

以上のように、本実施形態に係るモータ制御装置によれば、トルクフィードフォワード出力をトルク指令フィルタの出力に加算することにより、機械系の共振やエンコーダの量子化リップルが存在しても、位置指令または速度指令に対する追従性を高くすることができる。

なお、上記の実施形態では、トルク指令フィルタとしてローパスフィルタ及びノッチフィルタを例示したが、機械系の共振や量子化リップルを抑制できるものであれば、これらのフィルタには限定されない。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１００、２００、３００、４００ モータ制御装置、
１１０、２１０、２２２ 微分器、
１１２、２１２ トルクフィードフォワード部、
１１４、２１４、３１４、４１４ 速度制御部、
１１６、２１６、３１６、４１６ トルク指令フィルタ、
１１７、２１７、３１７、４１７ 加算点、
１１８、２１８、３１８、４１８ トルク制御部、
１２０、２２０、３２０、４２０ 速度算出部、
１４０、２４０、３４０、４４０ モータ、
１５０、２５０、３５０，４５０ 機械、
１６０、２６０、３６０、４６０ エンコーダ、
２２４ 速度フィードフォワード部、
２２６、４２６ 位置制御部、
３７０、４７０ モデル制御器。

Claims (4)

1. 速度指令を微分する微分器と、
   微分した速度指令から速度フィードバックを用いずにフィードフォワード系のトルク指令を出力するトルクフィードフォワード部と、
   前記速度指令と速度フィードバックとの偏差からトルク指令を出力する速度制御部と、
   前記トルク指令から機械共振及びエンコーダの量子化リップルが抑制されたトルク指令を出力するトルク指令フィルタと、
   前記トルクフィードフォワード部が出力するトルク指令と前記トルク指令フィルタが出力するトルク指令とを加算点で加算し、加算されたトルク指令を用いてモータの動作を制御するトルク制御部と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 位置指令を微分する微分器と、
   微分した位置指令からフィードフォワード系の速度指令を出力する速度フィードフォワード部と、
   前記速度指令を微分する微分器と、
   微分した速度指令から速度フィードバックと位置フィードバックを用いずにフィードフォワード系のトルク指令を出力するトルクフィードフォワード部と、
   前記位置指令と位置フィードバックとの偏差から速度指令を出力する位置制御部と、
   前記速度フィードフォワード部が出力する速度指令と、前記位置制御部が出力する速度指令とを加算した加算後の速度指令と速度フィードバックとの偏差からトルク指令を出力する速度制御部と、
   前記トルク指令から機械共振及びエンコーダの量子化リップルが抑制されたトルク指令を出力するトルク指令フィルタと、
   前記トルクフィードフォワード部が出力するトルク指令と前記トルク指令フィルタが出力するトルク指令とを加算点で加算し、加算されたトルク指令を用いてモータの動作を制御するトルク制御部と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
3. 速度指令から速度フィードバックを用いずにフィードフォワード系の速度指令とトルク指令とを出力するモデル制御器と、
   前記モデル制御器が出力する速度指令とフィードバック系の速度フィードバックとの偏差からトルク指令を出力する速度制御部と、
   前記トルク指令から機械共振及びエンコーダの量子化リップルが抑制されたトルク指令を出力するトルク指令フィルタと、
   前記モデル制御器が出力するトルク指令と前記トルク指令フィルタが出力するトルク指令とを加算点で加算し、加算されたトルク指令を用いてモータの動作を制御するトルク制御部と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
4. 位置指令から速度フィードバックと位置フィードバックを用いずにフィードフォワード系の位置指令、速度指令及びトルク指令を出力するモデル制御器と、
   前記モデル制御器が出力する位置指令とフィードバック系の位置フィードバックとの偏差から速度指令を出力する位置制御部と、
   前記モデル制御器が出力する速度指令と前記位置制御部が出力する速度指令とを加算した加算後の速度指令と前記フィードバック系の速度フィードバックとの偏差から速度指令を出力する速度制御部と、
   前記速度制御部が出力するトルク指令から機械共振及びエンコーダの量子化リップルが抑制されたトルク指令を出力するトルク指令フィルタと、
   前記モデル制御器が出力するトルク指令と前記トルク指令フィルタが出力するトルク指令とを加算点で加算し、加算されたトルク指令を用いてモータの動作を制御するトルク制御部と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。