JPH0386091A - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明（よ　目標値に追随すべくサーボモータへ供給す
る励磁電流をフィードバック制御するサーボモータ制御
装置に関する。

［従来の技術］ 各種のＮＣ工作機微　ロボット、測定装置等においてサ
ーボ系が多用されている。これらのサーボ系］上　サー
ボモータの駆動状態を検出し、この駆動状態が目標状態
に追随するようにサーボモータに供給する電力量をフィ
ードバック制御する基本構成を採っている。

ここで電力量の制御とＩｔ、　　実際にはインバータ回
路をＰＷＭ制御するなどの電力制御回路により構成さ札
　サーボモータの励磁電流を適宜調整することで達成さ
れる。

一般的に（友　入力された目標とする回転位置と現実の
サーボモータの回転位置との偏差とから速度目標値を算
出する位置制御ループ、この位置制御ループで算出され
た速度目標値と現実のサーボモータの回転速度との偏差
から電流目標値を算出する速度制御ループ、更にこうし
て算出された電流目標値と現実のサーボモータの励磁電
流との偏差を最小とすべく前記電力制御回路の制御を実
行する電流制御ループ、以上の３重フィードバックルー
プを形成して目的とするサーボ系が構築され上記構成の
サーボモータ制御装置によりサーボモータ１上　目標と
する回転位置、回転速度に追随して駆動されることとな
る。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のサーボモータ制御装置によりサーボモタを駆動す
る場合、目標とする回転位置、回転速度に現実のサーボ
モータの回転位置、回転速度が追随するためには相当の
遅れ時間が介在する。すなわち、回転位置や回転速度の
制御偏差（よ　サーボモータの制御系に存在する積分要
素により補償されて最終的には目標値に落ち着くのであ
るが、その状態に移行するまでの時ｄ　いわゆる整定時
間が存在する。

サーボモータの回転位置または回転速度を制御量とする
位置サーボ系または速度サーボ系において上記整定時間
の問題（九　制御量が位置あるいはその一階微分の速度
であることから整定時間内の制御偏差が大きくなく、単
純な応答性の問題に帰結する。従って、サーボモータの
制御対象が要求するほどの応答性が達成されるように　
サーボモータの慣性を小さくしたり、制御系の特性を補
償するなどの改善策により対処することが行われている
。

しかし、サーボモータの出力トルクを制御量とする、い
わゆるトルクサーボ系において（、ｔ、サーボモータ出
力軸の回転位置の二階微分である角加速度を制御するこ
と表目的としていることから、僅かな制御の遅れによっ
ても目標値と実際の出力トルクとの制御偏差が大きく相
違する現象が発生する。この場合、その制御偏差は力の
大きさの差であることから、サーボモータが制御対象に
対して過大な力を加えて負荷を破壊したり、過小な力に
より負荷に必要な変形や変位を与えることができないと
いう問題が発生する。

このため、従来のトルクサーボ系（友　制御遅れが問題
とならない程度の低速のトルク制御が限界とされており
、高速応答性を犠牲にしてシステムを構築している。従
って、この様なトルクサーボ系を用いた機器（上　即応
性に欠けるために適用分野が限定さね　また、緩慢な動
作により一連の処理を実行するため稼動効率が低いとい
う課題が残されている。

なお、制御理論によれ（ヱ　微分補償をすることにより
上記制御遅れを解消できることは知られているが、同様
に制御理論が教示するごとく微分補償には制御システム
固有の最適値が存在し、これを上回る微分補償手段行す
ると制御系は無定位となり、制御不能となる。このため
、従来のサーボモータ制御装置で（よ　微分補償を行う
ことなく通常の比例補償及び積分補償のみを採用してお
り、前述のごとく応答性を犠牲にしたシステム構築がな
されているのみである。

本発明（社　上記課題を解決するためになされたもので
、　トルクサーボ系に対しての適合性に優札出力トルク
の高速応答性を実現し、サーボモータの出力トルクを目
標値に瞬時に追随させることのできるサーボモータ制御
装置を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためになされた本発明のサーボモー
タ制御装置の構成した手段（よ　第１図に例示するごと
く、 サーボモータＳｖの励磁回路ＦＣへ供給する励磁電流１
「をフィードバック制御することにより、前記サーボモ
ータＳＶの駆動状態を目標値１に追随制御するサーボモ
ータ制御装置ＣＣにおいて、前記サーボモータＳＶの励
磁回路ＦＣの時定数を検出する検出手段Ｃ１と、 該検出手段Ｃ１により検出された時定数に応じた微分要
素により前記サーボモータＳｖへ供給する励磁電流を補
償する微分補償手段Ｃ２と、を備えることを特徴とする
。

［作用１ 本発明のサーボモータ制御装置における微分補償手段Ｃ
２１；Ｌ　　検出手段Ｃ１により検出されたサーボモー
タＳＶの励磁回路「Ｃの時定数に応じた微分要素により
サーボモータＳｖへ供給する励磁電流ＩＦを微分補償す
る。

すなわち、微分補償手段Ｃ２ｆｉ　　サーボモータＳｖ
の励磁回路ＦＣの現実の時定数により励磁電流ＩＦに発
生する位相の遅れ量を推定し、これに見合った微分補償
により励磁電流ＩＦの位相を進めるのである。従って、
サーボモータＳｖの励磁電流ＩＦの位相遅れ　すなわち
出力トルクの遅れが解消される。

以下、本発明のサーボモータ制御装置をより具体的に説
明するために　実施例を挙げて詳述する。

［実施例］ 第２図（志　実施例のサーボモータ制御装置のハード構
成図である。なお、本実施例において制御対象であるサ
ーボモータ２０　＋＆　　回転子である界磁に永久磁石
を利用した交流同期電動機である。

従って、その励磁巻線と界磁との鎖交磁束φ（よ回転子
の回転角度に無関係に略一定の値である。

コントローラ１ｏ（１構成の簡略イし　汎用性を考慮し
て図示するようにマイクロコンピュータを中心としたデ
ィジタル回路により構成されている。

すなわち、論理演算を実行するＣＰＵ１０ａ、該ＣＰＵ
　１０ａの実行する各種制御プログラム及び制御に必要
となる各種パラメータを不揮発的に記憶しているＲＯＭ
　１０　ｂ、情報の一時的記憶を実行してＣＰＵ１０ａ
の演算を補助するＲＡＭ１０Ｃおよびこれら論理回路と
他の機器との情報の授受先受は持つ入出力ポート１０ｄ
を主要な構成部としている。

コントローラ１０のその他の機器として（友　サーボモ
ータ２０を駆動するための電気回路として、入出力ポー
ト１０ｄより入力する制御信号に従ったＰＷＭ信号を出
力するＰＷＭ回路１０ｅ、そのＰＷＭ信号に基づきパワ
ートランジスタにより構成されたパワーアンプ１０ｆを
駆動するプリドライバー１０ｇが設けられている。この
パワーアンプ１０ｆによってＰＷＭ制御された三相交流
がサーボモータ２０の励磁電流として供給されるため、
サーボモータ２０の駆動状況は入出力ポート１０ｄから
出力される制御信号により、すなわちＣＰＵ１０ａを中
心とした論理回路により制御されることになる。

また、コントローラ１０はサーボモータ２０をより高精
度に安定して制御するため、フィードバック制御方式を
採用している。帰還されるサーボモータ２０の情報（よ
　サーボモータ２００発生するトルクを検出するために
励磁電流値を検出する電流検出コイル２２、２４の検出
出力およびサーボモータ２０の出力軸の回転状況を検出
するエンコーダ２６の検出出力である。

以上のように構成されるシステムにおいて、コントロー
ラ１０のＲＯＭ　１０　ｂに（よ　サーボ系を構成する
ために以下に説明する制御プログラムが記憶されている
。ＲＯＭ　１０　ｂｌ二記憶されるプログラムのフロー
チャートを第３＠　第４図および第５図に示している。

これらのプログラム（表　コントローラ１０を含むサー
ボシステムの起動がなされたときから繰り返し実行され
るものであり、第３図の２ｍ５ｅｃ割込みルーチンは２
ｍ５ｅｃ毎１：、第４図の２００μｓｅｃ割込みルーチ
ンは２００μＳｅｃ毎１：、第５図の６０μＳｅｃ割込
みルーチンは６０μＳｅＣ毎にＣＰＵ　１０ａに割込む
ことで繰り返し実行される。以下、各側込みルーチンの
処理について説明する。

第３図の２　ｍ　Ｓ　ｅ　ｃ割込みルーチンの処理が開
始されると、まず現在のサーボモータ２０の駆動状態を
検出するため、エンコーダ２６の検出結果より回転位置
Ｘｎ（添え字のｎ（上　経過時間を表している）の検出
（ステップ１００）が実行される。そして、この状態の
サーボモータ２０を次にどの様に駆動すればよいかを指
示する制御目標データＤｎを図示しない外部ＮＣ４１ｌ
器等から読み込み（ステップ１１０）、これらのデータ
Ｘｎ、Ｄｎに基づきサーボモータ２００回転位置×のフ
ィードバック制御系の演算が次式により実行される（ス
テップ１２０）。

○Ｘ＝ＡＸ　（Ｄｎ−β１−Ｘｎ） すなわち、今回の制御データＤｎに現在の回転位置ｘｎ
の情報を負帰還するのであり、回転位置の偏差を算出す
るため、制御データＤｎから回転位置Ｘｎｌニフィード
バックゲインβ１を乗算した値（β］・Ｘｎ）が減算さ
ね　これに増幅度ＡＸを乗算して変数ＯＸとしている。

ここで増幅度Ａ×と（よ　比例定数Ｐ］および積分定数
１１を含むものであり、いわゆるＰＩ副制御実行する。

そして、この最新の算出データ○ＸをＲＡＭｌ０ｃに格
納して（ステップ１３０）、本プログラムを終了する。

この様にして算出さｔＬ、ＲＡＭ１０ｃに格納された変
数ｏ　ｘ　＋ｉ　　第４図に示す２００μＳｅｃ割込み
ルーチンにて次のように利用される。まず、２００μＳ
ｅｃ割込みルーチンで（よ　サーボモータ２０の駆動状
態を検出するためエンコーダ２６の検出結果より回転位
置Ｘｎの検出を行い（ステップ２００）、その結果を微
分演算して回転速度Ｖｎを算出する（ステップ２１０）
。そして、上記２　ｍ　Ｓ　ｅ　ｃ割込みルーチンにて
算出された最新の変数ＯＸの読み込みを実行しくステッ
プ２２０）これらのデータに基づき次式により回転速度
に対する負帰還の演算が実行される（ステップ２３０）
。

○Ｖ＝ＡＶ　　（ＯＸ−β２−Ｖｎ） ここで、β２はフィードバックゲインを表している。ま
た、ＡＶは比例定数Ｐ２および積分定数２を含む増幅度
であり、前記同様にＰ１制御を実行する。そして、この
ようにして算出されたデータＯｖをＲＡＭ１０ｃの所定
アドレスに格納して（ステップ２４０）、本プログラム
を終了する。

この２００μｓｅｃ割込みルーチンにて算出される変数
Ｏｖは第５図の６０μＳｅｃ割込みルーチンにより利用
さ札　最終的に目的としているＰＷＭ回路１０ｅに出力
する制御信号○Ｔの決定がなされる。すなわち、初めに
アナログ情報である電流検出コ、イル２２．２４の検出
結果をディジタル情報に変換したトルクＴｎを算出して
（ステップ３００）以下の処理に備える。そして、上記
２００μＳｅｃ割込みルーチンにて算出された最新の変
数○Ｖの読み込みが実行され（ステップ３１０）、変数
Ｏｖにステップ３００にて検出したトルクＴｎを負帰還
するため、次式による演算が実行さ札　最終的な制御信
号○Ｔの算出がなされる（ステラ３２０）。

０Ｔ＝ＡＴ　（ＯＶ−β３−Ｔｎ） 二二で、β３はフィードバックゲインを表している。ま
た１、ＡＴは後述するごとく比例定数Ｐ３および積分定
数１３の他に微分定数ＤＤを含む、いわゆるＰＩＤ補償
伝達関数である。

そして、最終的な制御信号○Ｔが算出されると、この制
御信号○Ｔを入出力ポート１０ｄからＰＷＭ回路１０ｅ
に出力しくステップ３３０）、一連の処理を完了する。

次に、上記ステップ３２０の処理にて利用されるＰＩＤ
補償伝達関数ＡＴについて詳述し、微分定数ＤＤの意義
について説明する。

例え（戴トルク指令ＯＶが第６図（Ａ）に示すごとき時
間変化を示すものであるとき、これに対して現実に発生
する回転トルク、すなわちフィードバック変数β３・Ｔ
ｎはサーボモータ２０の有する時定数に基づき僅かに遅
れて変化する。従って、このときの制御偏差（Ｏｖ−β
３・Ｔｎ）ＬＬ同図（Ｂ）に示すようにトルク指令Ｏｖ
が変化した時刻ｔ１から発生し、その大きさは前記した
３重のフィードバックループの負帰還作用により徐々に
収束に向かう。

このとき、収束の速度を向上させるため１：、微分定数
ＤＤによる微分補償が大きく貢献する。

すなわち、微分定数ＤＤと（上　制御偏差である（○Ｖ
−７３３・Ｔｎ）（７）時間変化率ｄ　（ＯＶ−β３・
Ｔｎ）／ｄｔを補償するゲインである。従って、第６図
（Ｂ）に示すトルクの制御偏差（○Ｖ−β３・Ｔｎ）の
微分値に比例して制御信号○Ｔを大きくするように作用
し、その結果は同図（Ｃ）に示すごとく制御偏差が発生
した時点で最大の値となり、直ちに制御信号ＯＴを大き
くするように作用する。従って、制御信号ＯＴに基づく
励磁電流の値は瞬時に大きな値となり発生した制御偏差
を小さくするように高速応答性を示す。

しかし、微分補償は制御偏差の時間変化分に比例した補
償を実行するものであるから、そのゲインである微分定
数ＤＤの値を過大に決定するならば制御系が不安定とな
りハンチングが発生する。

方、微分定数ＤＤの値を過小に決定するならば応答性の
改善が充分でなくなることは定性的にも明らかであり、
その値の選択には最適値が存在する。

そこで本実施例における上記微分定数ＤＤの値（↓　サ
ーボモータ２０の励磁回路の時定数に基づいて決定され
ている。公知のごとく、サーボモータ２０の励磁回路と
は励磁電流が通じられるサーボモータ２０の励磁巻線を
中心とした電気回路であり、その時定数は励磁回路のイ
ンダクタンス値を「Ｌ」、電気抵抗を「Ｒ」とするとき
、Ｒ／Ｌで与えられるものである。この様に決定される
時定数（よ　同期電動機により構成されるサーボモータ
２０では略一定値であり、モータの特性より計算により
あるいは実験的に容易に算出することができる。

すなわち、励磁回路の時定数Ｒ／Ｌにより、励磁回路に
印加する電圧に対して励磁電流は遅れ位相となる。この
励磁電流の遅れ分を正確に微分定数ＤＤにより補償する
のである。

なお、ＰＩＤ補償伝達関数ＡＴに含まれる比例定数Ｐ３
及び積分定数１３（よ　制御偏差（○Ｖ−β３・Ｔｎ）
の１３倍に比例した比例補償（第６図（Ｄ）参照）及び
制御偏差積分値の１３倍に比例した積分補償（第６図（
Ｅ）参照）を行うものである。従って、比例補償により
サーボモータ２０の応答性を更に改善し、積分補償によ
り定常偏差を改善することができる。

上記３つの割込みルーチンによる処理を要約するなら（
′Ｌ　制御目標データＤｎと現実のサーボモータ２０の
回転位置Ｘｎとの偏差が２　ｍ　Ｓ　ｅ　ｃ毎に検出さ
札　速度の偏差が２００μＳｅｃ毎におよび電流（トル
ク）の偏差が６０μＳｅｃ毎に検出さ札　これらを最小
とするべくサーボモー、夕２０の励磁電流がＰＷＭ制御
されるのである。

以上のような各種プログラムによりコントローラ１０と
して構成される疑似的な電子回路を、視覚的に示した図
が第７図である。上記各種プログラムの実行により、Ｃ
ＰＵ１０ａないし入出力ポート１０ｄにより構成される
論理回路（上　図示するように３重のフィードバックル
ープを有するサーボ回路を構成している。

簡単に説明すると、図示しない外部機器よりこのサーボ
系に与えられた制御目標データＤｎを段階的に増幅する
位置アンプ５０ａ、速度アンプ５ｏｂおよび電流アンプ
５０ｃの増幅度（伝達係数）ＬＬＣＰＵ１０ａ内で実行
される論理演算の際の係数に相当する。すなわち、位置
アンプ５０ａの増幅度は前述ステップ１２０の係数Ａ　
Ｘ　Ｉ、　　速度アンプ５０ｂの増幅度は前述ステップ
２３０の係数Ａ　Ｖ　ＩＱ　　電流アンプ５０ｃの増幅
度は前述ステップ３２０の係数ＡＴに相当する。また、
このサボ系の帰還情報（よ　前述したごとく電流検出コ
イル２２．２４およびエンコーダ２６の検出出力である
が、電流検出コイル２２、２４の検出出力はアナログ出
力であるためＡ／Ｄ変換器５０ｃｌによりディジタル情
報に変換された後（ミ　所定のフィードバックゲインβ
３を経て電流アンプ５０ｃの入力に帰還される。またエ
ンコーダ２６の検出出力はディジタル信号であるため、
直接フィードバックゲインβ１を経て位置アンプ５０ａ
の入力に帰還さ札　また微分因子Ｓおよびフィードバッ
クゲインβ２を経て速度アンプ５０ｂの入力に帰還され
る。

この様に構成される本実施例のサーボモータ制御装置に
よれ（ヱ　次のような効果が明らかである。

第７図の模式的なブロック図において、その電流アンプ
５０ｃの伝達関数には前述したごとくサーボモータ２０
の励磁回路の時定数に応じて最適に決定される微分補償
のための微分定数ＤＤが含まれている。

このため、電流ループの応答性は従来に比較して格段に
向上し、サーボモータ２０の発生するトルクは制御目標
データＤｎに瞬時に追随する即応性を示す。すなわち、
本実施例のサーボモータ制御装置によれｆｉ　　サーボ
モータ２０を高速　かつ、高精度にトルク制御すること
ができ、厳格な作動を要求する分野にも適用すること可
能となり、高速応答により一連のトルク制御を迅速に処
理することで稼動効率を大幅に改善することができる。

また、制御目標データＤｎと現実の出力トルクとの間の
偏差である制御偏差（上　この電流ループに新たに追加
された微分補償のため、きわめで小さなものとなり、サ
ーボモータ２０の出力トルクは制御目標データＤｎに正
確に一致する。従って、サーボモータ２０１上　　負荷
に対して適正な力を発生し、予定された仕事を確実に完
了することができる。

なお、本発明のサーボモータ制御装置は上記実施例に何
ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない種々
なる態様により具現化されるものである。

例え（ヱ　サーボモータ２０として本実施例では励磁回
路の時定数が略一定である同期電動機を使用した例を示
しているが、その他の直流電動微誘導電動微　可変リラ
クタンスモータなどを利用してもよい。この場合におい
て、特に可変リラクタンスモータは回転子の回転角度に
応じて励磁巻線の磁気抵抗が大きく変動し、その時定数
が広範囲に変化する。従って、この様な電動機をサーボ
モータとして利用する場合に（よ　その時定数に応じて
前記微分定数ＤＤを最適値に補正する必要がある。すな
わち、エンコーダ２６の出力からサーボモータの時定数
をリアルタイムに検出し、その検出結果に応じて前記微
分定数ＤＤを演算したり、あるいは最適微分定数ＤＤを
記憶したテーブルを予め用意しておきこれをエンコーダ
２６の検出結果に応じて検索するなどの技術を採用する
。

また、前記実施例では微分定数ＤＤを一定不変の値とし
て説明したが、サーボモータ２０に印加される電圧と電
流検出コイル２２、２４の検出結果である励磁電流との
位相関係を比較することにより励磁回路の実際の時定数
を算出することが可能である。従って、所定期間毎に実
際に時定数を実測してより最適の微分定数ＤＤを決定し
、サーボモータ２０の経時変化に対応するシステムを構
築してもよい。

更１：、厳密にはサーボモータ２０の励磁回路の時定数
にも周波数特性が存在する。従って、サーボモータ２０
の回転速度に従って微分定数ＤＤを補正し、より厳密に
微分補償を行う構成としてもよい。。

発明の効果 以上実施例を挙げて詳述したように本発明のす〜ポモー
タ制御装置（よ　サーボモータの励磁回路の時定数に応
じた微分補償を電流ループに介在させることにより、サ
ーボモータの応答性を向上させるものである。

従って、本発明のサーボモータ制御装置は高速応答性が
要求されるトルクサーボ系に対しての適合性に優ね　出
力トルクの即応性を達成できる。

このため、サーボモータの出力トルクは目標値に正確に
一致することとなり、サーボモータの負荷に所望の力を
与え、また、サーボシステムの稼動効率を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサーボモータ制御装置の基本的構成を
示す基本構成は　第２図は実施例のサーボモータ制御装
置のブロック図、第３は　第４図および第５図は同実施
例のコントローラにて処理されるプログラムのフローチ
ャート、第６図（Ａ）〜（Ｅ）は同実施例の電流制御ル
ープでのＰＩＤ補償の説明は　第７図はそのプログラム
の実行により作動するコントローラの疑似的な電気回路
のブロックは　を示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　サーボモータの励磁回路へ供給する励磁電流をフィ
   ードバック制御することにより、前記サーボモータの駆
   動状態を目標値に追随制御するサーボモータ制御装置に
   おいて、 前記サーボモータの励磁回路の時定数を検出する検出手
   段と、 該検出手段により検出された時定数に応じた微分要素に
   より前記サーボモータへ供給する励磁電流を微分補償す
   る微分補償手段と、 を備えることを特徴とするサーボモータ制御装置