JP4231544B1 - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィードバック制御系のサンプリング速度とモデル制御系のサンプリング速度との差に起因する影響を、従来よりも少ない演算量で抑制して、モデル追従制御を実施できるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】 速度制御器１１５は、モデル制御系１０５のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数を有するローパスフィルタ１１３と、速度積分器１１７を含む積分制御系１１６と、比例制御系１１８と、速度比例ゲイン乗算部１１９とを含んでいる。積分制御系１１６は、加算部ＳＰ２によって加算された速度指令とモデル速度指令とを合算した指令から、ローパスフィルタ１１３から出力された遅延速度情報を減算部ＳＰ４で減算した指令を、速度積分器１１７に入力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モデル制御系を備えて、モデル追従制御を行うモータ制御装置に関するものである。

チップマウンタなどの機械を駆動して、高速に位置決めを行う場合に、モータ制御装置により機械を高速位置決めする方法の一つとして、モデル追従制御法がある。モデル追従制御では、実際のフィードバック制御系を模擬したモデル制御系を構築する。そして、このモデル制御系に追従するようにフィードバック制御系を駆動する。図６は、特開昭６２−２１７３０４号公報［特許文献１］に示された従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示したものである。この制御装置では、位置指令とモデル位置との偏差をとり、モデル位置制御器を通してモデル速度指令を得る。そしてモデル速度指令とモデル速度との偏差をとり、モデル速度制御器を通してモデルトルク指令を得る。またモデルトルク指令をモータ機械モデルに通してモデル速度を算出する。更にモデル速度を積分器に通してモデル位置を算出する。モデル位置とエンコーダで検出したモータ位置との差をとり、位置制御器を通して速度指令を出力する。さらに速度指令とモデル速度を加算したものと速度検出値との偏差をとり、この偏差を速度制御器を通してトルク指令を得る。トルク指令とモデルトルク指令を加算し、トルク制御器を通してモータを駆動し、モータのトルクを制御する。ここで、モータ機械モデルは、モータイナーシャをＪＭ、負荷イナーシャをＪＬとして、モータ機械モデル＝１／｛（ＪＭ＋ＪＬ）Ｓ｝と表される。このように、モデル追従制御を構成することにより、指令応答特性と外乱抑圧特性とを独立に制御できる。外乱抑圧特性は機械系の高周波共振などにより制約を受ける。そのため外乱抑圧特性は、ある程度以上に高くすることができない。モデル応答特性は、機械系の高周波共振などにより制約を受けないため、高めることができる。これにより、指令応答特性を高めて、機械の高速位置決めが実現できる。

しかしモデル追従制御は、従来のフィードバック制御系のみの場合と比較して、モデル制御系が必要になる。そのため、ソフトウェアで実現する場合の演算量が多く、高速なＣＰＵが必要になってしまう。このＣＰＵの負担を軽減する方法として、モデル制御系の制御サンプリングをフィードバック制御系のサンプリングより遅くする方法がある。しかし、モデル制御系のサンプリングをフィードバック制御系のサンプリングより遅くすると、制御サンプリングに起因した誤差により、オーバーシュートを生じ、位置決め整定時間が延びてしまうという問題があった。
これを改善したモータ制御装置が、特開２００２ −５８２７０号公報［特許文献２］に示されている。このモータ制御装置では、モデル制御系で使用するサンプリング周期を、フィードバック制御系で使用するサンプリング周期よりも長くして、演算により補償を行うことにより、モデル制御系のサンプリング速度とフィードバック制御系のサンプリング速度の相違に起因する誤差を抑制している。
特開昭６２−２１７３０４号公報 特開２００２−５８２７０号公報

しかし、特許文献２に示されるような従来技術で採用されている演算は、演算量が多く、演算装置の負担が増えてしまうという問題があった。

本発明の目的は、フィードバック制御系よりもモデル制御系のサンプリング速度を遅くした場合において、フィードバック制御系のサンプリング速度とモデル制御系のサンプリング速度との差に起因する影響を、従来よりも少ない演算量で抑制して、モデル追従制御を実施できるモータ制御装置を提供することにある。

本発明のモータ制御装置は、フィードバック制御系とモデル制御系とから構成される。フィードバック制御系は、位置センサと、位置制御器と、速度制御器と、トルク制御器とからされる。位置センサは、機台に装着されたモータの可動部の位置を検出する。位置制御器は、位置センサで検出されたモータの位置情報と位置指令とに基づいて速度指令を出力する。速度制御器は、速度指令と位置センサの出力から得た速度情報とに基づいてトルク指令を出力する。トルク制御器は、トルク指令に基づいてモータのトルクを制御する。

本発明においては、速度制御器が、モデル制御系のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数を有するローパスフィルタと、積分制御系と、比例制御系とを含んでいる。積分制御系は、速度情報をローパスフィルタに入力して得た遅延速度情報と速度指令との速度偏差を積分する速度積分器を含んで構成されている。また比例制御系は、速度指令とモ一夕の速度情報との差に比例した指令を出力する。さらに速度制御器は加算部を備えており、加算部は積分制御系の出力と比例制御系の出力とを加算する。また速度制御器は速度比例ゲイン乗算部を備えており、乗算手段は加算部の出力に速度比例ゲインを乗じてトルク指令を得る。

またモデル制御系は、モデル位置制御器と、モデル速度制御器と、モータ機械モデルと、モデル積分器と、第１及び第２のフィーバック制御部とを備えている。モデル位置制御器は、位置制御器をモデル化して構成されて、モデル速度指令を出力する。モデル速度制御器は、速度制御器をモデル化して構成されて、モデルトルク指令を出力する。またモータ機械モデルは、モデルトルク指令を入力としモータをモデル化してモータのモデル速度情報を出力する。モデル積分器は、モデル速度情報を積分してモータのモデル位置情報を出力する。第１のフィードバック部は、モデル位置情報をフィードバック制御系へのモデル位置指令として、モデル位置制御器にフィードバックする。また第２のフィードバック部は、モデル速度情報をフィードバック制御系へのモデル速度指令として、モデル速度制御器にフィードバックする。モデル制御系では、モデルトルク指令をトルク制御器に入力されるトルク指令に加算し、フィードバック制御系へのモデル位置指令を位置制御器に位置指令として与え、フィードバック制御系へのモデル速度指令を速度制御器に入力される速度指令に加算する。そしてモデル制御系のサンプリング速度は、フィードバック制御系のサンプリング速度よりも遅い。

なおフィードバック制御系の速度制御器として、前述の積分制御系と、モデル速度指令が加算された速度指令とモ一夕の速度情報との差に速度比例ゲインを乗じた指令を出力する比例制御系と、積分制御系の出力と比例制御系の出力とを加算する加算部とから構成したものを用いてもよい。

本発明のように、モデル制御系のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数を有するローパスフィルタから得た遅延速度情報と速度指令との速度偏差を速度積分器で積分すると、モデル制御系の遅れに相当する遅れを持った速度指令と速度フィードバックの速度情報をローパスフィルタで遅らせて得た遅延速度情報との速度偏差に含まれる、速度積分器の溜まり量を大きくする成分を小さくすることができる。その結果、簡単な構成で、モデル制御系のサンプリング速度を遅くした場合でも、モデル制御系のサンプリング速度とフィードバック制御系のサンプリング速度との差に起因する影響を抑制することができる。よって本発明によれば、実際に演算を実行するＣＰＵ等の演算装置の負担を少なくして、モデル追従制御を実現することができる。

なお本発明によれば、モデル制御系のサンプリング速度を、フィードバック制御系のサンプリング速度の１／２倍以下にすることができる。

本発明によれば、モデル制御系の遅れに相当する遅れを持った速度指令と速度フィードバックの速度情報をローパスフィルタで遅らせて得た遅延速度情報との速度偏差に含まれる、速度積分器の溜まり量を大きくする成分を小さくすることができるので、ローパスフィルタを設けるだけの簡単な構成で、モデル制御系のサンプリング速度を遅くした場合でも、モデル制御系のサンプリング速度とフィードバック制御系のサンプリング速度との差に起因する影響を抑制することができる利点が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、フィードバック制御系１０３の主要部の具体的な構成を示す図である。本実施の形態のモータ制御装置１０１は、フィードバック制御系１０３とモデル制御系１０５とから構成される。フィードバック制御系１０３は、モータＭのシャフトの回転位置を検出するエンコーダからなる位置センサ１０９と、位置制御器１１１と、ローパスフィルタ１１３と、速度制御器１１５と、トルク制御器１２１とを備えている。位置センサ１０９の出力（位置情報）は位置制御器１１１にフィードバックされ、また位置センサ１０９の出力（位置情報）は速度検出部１１０で微分されて速度情報として、ローパスフィルタ１１３でフィルタ処理された後に、速度制御器１１５にフィードバックされる。位置制御器１１１には、位置センサ１０９で検出された位置情報とモデル制御系１０５からの位置指令との差分を減算部ＳＰ１で算出した結果が入力される。本実施の形態では、位置制御器１１１に入力される位置指令は、モデル制御系１０５から出力されるフィードバック制御系へのモデル位置指令である。そして位置制御器１１１は、フィードバック制御系へのモデル位置指令と位置センサ１０９からの位置情報との差分に基づいて速度制御器１１５に速度指令を出力する。速度指令とモデル制御系１０５から出力されるフィードバック制御系へのモデル速度指令とを加算部ＳＰ２で合算したものから、位置センサ１０９の出力を速度検出部１１０で微分して得た速度情報との差分を減算部ＳＰ３で求める。

本実施の形態の速度制御器１１５は、図２に示すように、モデル制御系１０５のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数を有するローパスフィルタ１１３と、速度積分器１１７を含む積分制御系１１６と、比例制御系１１８と、速度比例ゲイン乗算部１１９とを含んでいる。積分制御系１１６は、加算部ＳＰ２によって加算された速度指令とモデル速度指令とを合算した指令から、ローパスフィルタ１１３から出力された遅延速度情報を減算部ＳＰ４で減算した指令を、速度積分器１１７に入力する。速度積分器１１７は、積分ゲイン乗算部１１７Ａと速度積分手段１１７Ｂとを備えている。速度ゲイン乗算部１１７Ａは、加算部ＳＰ２によって加算された速度指令とモデル速度指令とを合算した指令からローパスフィルタ１１３から出力された遅延速度情報を減算部ＳＰ４で減算した指令に、積分ゲイン（１／Ｔvi）を乗算する。そして速度積分手段１１７Ｂは、速度ゲイン乗算部１１７Ａの出力を積分する。また比例制御系１１８は、速度指令と速度検出部１１０から出力されるモ一夕Ｍの速度情報との差を減算部ＳＰ３で得て、この差に比例した指令を出力する。さらに速度制御器１１５は加算部ＳＰ５を備えており、加算部ＳＰ５は速度積分器１１７（速度積分手段１１７Ｂ）の出力と比例制御系１１８の出力とを加算する。また速度制御器１１５は速度比例ゲイン乗算部１１９を備えており、速度比例ゲイン乗算部１１９は加算部ＳＰ５の出力に速度比例ゲインＫＶＰを乗じてトルク指令を得る。

トルク指令は、加算部ＳＰ６でモデルトルク指令と加算されてトルク制御器１２１に入力される。トルク制御器１２１は、モデルトルク指令が加算されたトルク指令に基づいてモータＭのトルクを制御する。

図１に示すように、モデル制御系１０５は、モデル位置制御器１２３と、モデル速度制御器１２５と、モータ機械モデル１２７と、モデル積分器１２９と、第１及び第２の減算部ＳＰ１１及びＳＰ１２と、第１及び第２のフィードバック制御部１３１及び１３３を備えている。モータ機械モデル１２７は、モータＭの動きをモデル化してモデル速度情報を出力する。ここで、モータ機械モデル１２７は、モータイナーシャをＪＭ、負荷イナーシャをＪＬとして、モータ機械モデル＝１／｛（ＪＭ＋ＪＬ）Ｓ｝と表される。モデル積分器１２９は、モデル速度情報を積分してモータのモデル位置情報を出力する。第１のフィードバック部１３１は、モデル積分器１２９から出力されたモデル位置情報を、“フィードバック制御系へのモデル位置指令”として、第１の減算部ＳＰ１１を介してモデル位置制御器１２３にフィードバックする。また第２のフィードバック部１３３は、モデル速度情報を“フィードバック制御系へのモデル速度指令”として、第２の減算部ＳＰ１２を介してモデル速度制御器１２５にフィードバックする。モデル位置制御器１２３は、位置制御器１１１をモデル化してモデル速度指令を出力する。モデル速度制御器１２５は、速度制御器１１５をモデル化してモデルトルク指令を出力する。なお、モデルには外乱が加わらないため、モデル速度制御器は比例制御器で構成する。

モデル制御系１０５は、モデル積分器１２９から出力されたモデル位置情報からなる、“フィードバック制御系へのモデル位置指令”を第１のフィーバック部１３１を介して位置制御器１１１に位置指令として与える。またモータ機械モデル１２７から出力された“フィードバック制御系へのモデル速度指令”を、第２のフィードバック部１３３及び加算部ＳＰ２を介して位置制御器１１１から速度制御器１１５に入力される速度指令に加算する。

本実施の形態では、モデル制御系１０５が、フィードバック制御系１０３の２倍のサンプリング周期（フィードバック制御系１０３の１／２倍のサンプリング速度）で動作している。そして、フィードバック制御系１０３の速度積分器１１７のフィードバック入力として、ローパスフィルタ１１３の出力を用いている。このローパスフィルタ１１３は、モデル制御系１０５のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数［１／（１＋ＳＴFB）］を有している。本実施の形態では、モデル制御系１０５のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数を有するローパスフィルタ１１３から得た遅延速度情報とモデル速度指令が加算された速度指令との速度偏差を速度積分器１１７で積分する。このようにするとモデル速度指令が加算されてモデル制御系１０５の遅れに相当する遅れを持った速度指令と、速度検出部１１０から出力された速度フィードバックの速度情報をローパスフィルタ１１３で遅らせて得た遅延速度情報との速度偏差に含まれる、速度積分器１１７の溜まり量を大きくする成分を小さくすることができる。その結果、ローパスフィルタ１１３を設けるという簡単な構成で、モデル制御系１０５のサンプリング速度を遅くした場合でも、モデル制御系１０５のサンプリング速度とフィードバック制御系のサンプリング速度との差に起因する影響を抑制することができる。すなわち本発明によれば、速度積分器１１７の溜まり量を適切な量まで減少させて、速度積分器１１７の溜まり量により生ずるオーバーシュートを抑制することにより、高速位置決めを実現している。図３は、速度積分器１１７のフィードバックのためにローパスフィルタ１１３を設けなかった場合の位置決めシミュレーション結果である。また図４は、速度積分器１１７のフィードバックのためにローパスフィルタ１１３を設けた場合の位置決めシミュレーション結果である。図３及び図４においては、「差分位置指令」は、減算部ＳＰ１の出力である。また「速度積分補償量」とは、速度積分器１１７の出力である。さらに「位置偏差」とは、モータＭによって駆動される負荷の位置の目標位置に対する偏差である。図３及び図４を比較すると判るように、ローパスフィルタ１１３を設けることにより、速度積分器１１７の溜まり量が適切な量となり、オーバーシュートが抑制されていることが確認できる。よって、本実施の形態によれば、モデル追従制御において、演算装置としてＣＰＵを用いる場合には、ＣＰＵの負担を減らすことができる。またモデル制御系１０５のサンプリングをフィードバック制御系１０３のサンプリングより遅くしても、このサンプリング速度の相違に起因した速度積分器１１７の溜まり量の増加を、ローパスフィルタ１１３を設けることにより、抑制することができる。

図５は、フィードバック制御系１０３の速度制御器１１５′の他の構成例を示している。この速度制御器１１５′では、前述の積分制御系１１６と同じ積分制御系を用いる。そして比例制御系１１８′としては、加算部ＳＰ２から出力されるモデル速度指令が加算された速度指令と速度検出部１１０から出力されるモ一夕Ｍの速度情報との差に、速度比例ゲインＫＶＰを乗じた指令を出力する構成を採用する。また速度制御器１１５′は、積分制御系１１６の出力と比例制御系１１８′の出力とを加算する加算部ＳＰ５を用いる。このような速度制御器１１５′を用いても、上記実施の形態と同様の効果が得られる。

また本発明は、モータ機械モデル１２７に振動モデルを搭載し、制振制御を行う場合にも同様に適用できる。

本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 フィードバック制御系の主要部の具体的な構成を示す図である。 速度積分器のフィードバックのためにローパスフィルタを設けなかった場合の位置決めシミュレーション結果を示す図である。 速度積分器のフィードバックのためにローパスフィルタを設けた場合の位置決めシミュレーション結果を示す図である。 使用可能な速度制御器の異なる構成を示す図である。 モデル追従制御を行う従来のモータ制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０１ モータ制御装置
１０３ フィードバック制御系
１０５ モデル制御系
１０９ 位置センサ
１１１ 位置制御器
１１３ ローパスフィルタ
１１５ 速度制御器
１１７ 速度積分器
１１９ 可動部モデル
１２１ トルク制御器
１２３ モデル位置制御器
１２５ モデル速度制御器
１２７ モータ機械モデル
１２９ モデル積分器
１３１ 第１のフィードバック部
１３３ 第２のフィードバック部
Ｍ モータ

Claims (3)

1. モータの位置を検出する位置センサと、前記位置センサで検出された位置情報と位置指令とに基づいて速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と前記位置センサの出力から得た速度情報とに基づいてトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御器とを備え、前記速度制御器が、モデル制御系のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数を有するローパスフィルタと、前記速度情報を前記ローパスフィルタに入力して得た遅延速度情報と前記速度指令との速度偏差を積分する速度積分器を含んで構成された積分制御系と、前記速度指令と前記モ一夕の速度情報との差に比例した指令を出力する比例制御系と、前記積分制御系の出力と前記比例制御系の出力とを加算する加算部と、前記加算部の出力に速度比例ゲインを乗じて前記トルク指令を得る速度比例ゲイン乗算部とから構成されているフィードバック制御系と、
   前記位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力するモデル位置制御器と、前記速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力するモデル速度制御器と、前記モデルトルク指令を入力とし前記モータをモデル化して前記モータのモデル速度情報を出力するモータ機械モデルと、前記モデル速度情報を積分して前記モータのモデル位置情報を出力するモデル積分器と、前記モデル位置情報をフィードバック制御系へのモデル位置指令として前記モデル位置制御器にフィードバックする第１のフィードバック部と、前記モデル速度情報をフィードバック制御系へのモデル速度指令として前記モデル速度制御器にフィードバックする第２のフィードバック部とを備え、前記モデルトルク指令を前記トルク制御器に入力される前記トルク指令に加算し、前記フィードバック制御系へのモデル位置指令を前記位置制御器に前記位置指令として与え、前記フィードバック制御系へのモデル速度指令を前記速度制御器に入力される前記速度指令に加算するように構成され且つ前記フィードバック制御系よりもサンプリング速度が遅いモデル制御系とからなるモータ制御装置。
2. モータの位置を検出する位置センサと、前記位置センサで検出された位置情報と位置指令とに基づいて速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と前記位置センサの出力から得た速度情報とに基づいてトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御器とを備え、前記速度制御器が、モデル制御系のサンプリング速度の遅れに相当する伝達関数を有するローパスフィルタと、前記速度情報を前記ローパスフィルタに入力して得た遅延速度情報と前記速度指令との速度偏差を積分する速度積分器を含んで構成された積分制御系と、前記速度指令と前記モ一夕の速度情報との差に速度比例ゲインを乗じた指令を出力する比例制御系と、前記積分制御系の出力と前記比例制御系の出力とを加算する加算部とから構成されているフィードバック制御系と、
   前記位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力するモデル位置制御器と、前記速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力するモデル速度制御器と、前記モデルトルク指令を入力とし前記モータをモデル化して前記モータのモデル速度情報を出力するモータ機械モデルと、前記モデル速度情報を積分して前記モータのモデル位置情報を出力するモデル積分器と、前記モデル位置情報をフィードバック制御系へのモデル位置指令として前記モデル位置制御器にフィードバックする第１のフィードバック部と、前記モデル速度情報をフィードバック制御系へのモデル速度指令として前記モデル速度制御器にフィードバックする第２のフィードバック部とを備え、前記モデルトルク指令を前記トルク制御器に入力される前記トルク指令に加算し、前記フィードバック制御系へのモデル位置指令を前記位置制御器に前記位置指令として与え、前記フィードバック制御系へのモデル速度指令を前記速度制御器に入力される前記速度指令に加算するように構成され且つ前記フィードバック制御系よりもサンプリング速度が遅いモデル制御系とからなるモータ制御装置。
3. 前記モデル制御系のサンプリング速度が、前記フィードバック制御系のサンプリング速度の１／２倍以下である請求項１または２に記載のモータ制御装置。

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