JP4685071B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明はモータ制御装置及びモータ制御方法に関し、特に、減速機構、送りネジ機構等の動力伝達機構と組み合わされるモータに適した制御装置及び制御方法に関する。

この種の制御装置の一例として、特許文献１には、第１アームと第２アームを有し、第２アームが駆動ベルトを介して駆動される２慣性共振系の構成を持つロボットに適用されるサーボ制御装置が開示されている。このサーボ制御装置は、フィードバック制御器とフィードフォワード制御器とオブザーバとを備え、指令追従性と外乱抑圧特性の両方を少ない演算量で同時に向上させることを企図しているものの、以下のような問題点を有している。

１．位置制御系へのフィードフォワード補償は、慣性共振系における摩擦等の非線形特性の補償を行う必要があるが、慣性共振系の伝達特性によるフィードフォワード制御では十分な性能を得られない。

２．制御対象の伝達特性を用いたフィルタによりフィードフォワード制御器が構成されており、共振を低減するような動作が実現されているが、共振や外乱を抑制するフィードバック補償はオブザーバのみに依存しており、十分な効果が得難い。

特開２００６−１９５５６６号公報

本発明の課題は、多慣性共振系と見なされる機構をモータによって位置制御する時に、動作指令に対して、振動等を生じずに応答性高く追従するフィードフォワード制御を実現するモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。

以下に、本発明を幾つかの態様について記載する。

（第１の態様）
モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御装置において、前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、負荷速度からモータ速度までの伝達特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力する第１のフィルタ手段と、前記指令出力に対して、モータトルクから負荷速度までの伝達特性の逆特性に基づくフィルタ処理を行う第２のフィルタ手段とを前記位置制御ループ内に設け、前記速度指令値を前記速度フィードバックコントローラへの速度フィードバック値に加算すると共に、前記第２のフィルタ手段の処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算する構成としたことを特徴とするモータ制御装置。

（第２の態様）
前記第１の態様において、更に、前記位置フィードバックコントローラに与えられる位置指令を時間微分して得た速度指令に係数を乗じて第１の値を生成する速度フィードフォワードコントローラと、前記位置指令を２階時間微分して得た加速度指令に係数を乗じて第２の値を生成する加速度フィードフォワードコントローラと、前記第１、第２の値を前記位置フィードバックコントローラの出力に加算して前記指令出力として出力する加算手段とを有するモータ制御装置。

（第３の態様）
前記第１又は第２の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、モータトルクとモータの速度フィードバック値から前記動力伝達機構のねじりトルクを推定してゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正することにより前記速度制御ループの位相補償を行う第１の共振比制御手段を有するモータ制御装置。

（第４の態様）
前記第１又は第２の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、前記動力伝達機構のねじりトルクを計測する計測手段と、計測されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第２の共振比制御手段を有するモータ制御装置。

（第５の態様）
前記第１又は第２の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷加速度を検出する検出手段と、検出した負荷加速度から前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第３の共振比制御手段を有するモータ制御装置。

（第６の態様）
前記第１又は第２の態様において、更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷の回転角を計測する負荷回転角計測手段と、モータの回転角を計測するモータ回転角計測手段と、計測された負荷の回転角とモータの回転角との差に前記動力伝達機構の結合剛性Ｋを乗じて前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正する第４の共振比制御手段を有するモータ制御装置。

（第７の態様）
前記第１〜第６の態様のいずれかにおいて、負荷回転角計測手段により計測された負荷の回転角とモータ回転角計測手段により計測されたモータの回転角とにより前記位置フィードバックコントローラへのフィードバック信号を生成する位置フィードバック手段を有するモータ制御装置。

（第８の態様）
前記第１〜第７の態様のいずれかにおいて、更に、前記速度制御ループから与えられるトルク指令出力τ_Ｍ’をあらかじめ定められた制限値τ_Ｍに制限する制限手段、（τ_Ｍ−τ_Ｍ’）の演算を行う演算手段と、該演算手段の演算結果に対してローパスフィルタ処理を行うと共に、ゲインを乗じて前記速度指令値から減算して前記速度フィードバックコントローラへ与えるアンチワインドアップ制御手段を有するモータ制御装置。

（第９の態様）
モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御方法において、前記位置制御ループ内において、前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、負荷速度からモータ速度までの伝達特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力すると共に、前記指令出力に対して、モータトルクから負荷速度までの伝達特性の逆特性に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算することを特徴とするモータ制御方法。

本発明によれば、速度制御ループを含むと共に、位置フィードバックコントローラを有する位置制御ループ内に、制御対象における伝達特性、その逆特性に基づくフィルタ処理をそれぞれ行う第１、第２のフィルタ手段を備えることにより、多慣性共振系の制御対象の共振特性を抑制しつつ、高い応答性で追従可能なモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することができる。また、位置制御ループの位相補償がなされ、位置制御ループの高い制御帯域が実現できる。

一般的に、機械装置は多数の部材で構成されており、厳密には多慣性共振系を構成しているが、装置動作において問題となる振動成分は、多くの場合、１次共振モードである。よって、以下では多慣性共振系の１次共振モデルとして、図５に示すような２慣性共振モデルを想定するものとする。本モデルでは、モータの出力軸と慣性負荷とがギヤによる減速機構（動力伝達機構）で連結されている。

（第１の実施例）
本発明による第１の位置制御手法を実現するためのモータ制御装置のブロック図を図１に示す。図１は、本発明によるモータ制御装置と、その制御対象である２慣性共振系モデルをブロック図で表したものである。本モータ制御装置における各ブロックは、ハードウェアによって実現されても良いが、ソフトウェアで実現することができる。つまり、図１に示す制御対象以外の構成は、モータ制御装置におけるＣＰＵで実現することができる。この場合、ＣＰＵは記憶装置に格納されている制御プログラムに基づいて制御動作を実行することで、図１の各ブロックを実現し、図１のブロック図はＣＰＵの機能ブロック図と見ることができる。これは、後述される図２〜図４でも同様である。なお、図１において、制御対象ブロックに示されたＪ_Ｍはモータイナーシャ、Ｊ_Ｌは負荷イナーシャ、Ｋはギヤの結合剛性、Ｃは粘性、sはラプラス演算子をそれぞれ表している。

以下に、モータ制御装置の各ブロックについて構成、機能を説明する。なお、図１のブロックの内、リミットブロック（Ｌｉｍｉｔ：制限手段）は、モータや動力伝達機構のトルク容量などにあわせて設定する制御装置の出力制限、ここでは速度制御ループから与えられるトルク指令出力τ_Ｍ’をモータトルクτ_Ｍに制限することを表している。また、ブロック（ｓ）はエンコーダ等により計測したモータの回転角（モータ位置、角度）θ_Ｍからモータの角速度ω_Ｍ’を算出する処理を表しており、疑似微分や差分、角速度オブザーバなどの微分に相当する処理を表している。

［位置制御ループの速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ１］
位置制御ループの速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ１は、位置指令θ_Ｒの時間微分である速度指令に係数を乗じて、加算部ＡＤＤ１、ＡＤＤ２により、後述する位置制御ループのフィードバックコントローラＰＣからの動作指令出力ω_Ｒに加算する。このように、速度指令が直接得られず、位置指令θ_Ｒだけが与えられる場合は、差分処理や疑似微分処理等を施して速度指令の近似値を求め、その近似速度指令に対して係数を乗じて、速度ループヘの指令値ω_Ｒに加算する。一連の処理の中でローパスフィルタ処理を行う場合もある。

この様に構成される速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ１によって、位置制御系の応答性によって位置指令への追従偏差に生じる速度指令に比例する成分を低減することが可能となる。位置指令への追従偏差に生じる指令速度に比例する成分は、制御系の応答性と共に、制御対象の粘性特性にも関連している。一般に、制御対象の粘性特性は、温度などの運転条件によっても変動するため、精度良く特性を知ることは困難である。つまり、前記した係数を精度良く設定することは非常に困難であり、良く調整する必要がある。しかるに、本発明の様なフィードフォワードの構成とすることで、位置指令に対する応答を観察しながら、直感的に分かりやすく調整することが可能である。

［位置制御ループの加速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ２］
位置制御ループの加速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ２は、位置指令θ_Ｒの２階時間微分である加速度指令に係数を乗じて、加算部ＡＤＤ１、ＡＤＤ２により、フィードバックコントローラＰＣからの動作指令出力ω_Ｒに加算する。このように、加速度指令が直接得られず、位置指令θ_Ｒだけが与えられる場合は、上記のようにして得られる疑似速度指令に更に差分処理や疑似微分処理等を施して加速度指令の近似値を求め、その近似加速度指令に対して係数を乗じて、速度制御ループへの指令値ω_Ｒに加算する。一連の処理の中でローパスフィルタ処理を行う場合もある。

この様に構成される加速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ２によって、位置制御系の応答性によって位置指令への追従偏差に生じる加速度指令に比例する成分を低減することが可能となる。位置指令への追従偏差に生じる加速度指令に比例する成分は、制御系の応答性と共に、制御対象の慣性特性にも関連している。一般に、制御対象の慣性特性は、機構設計等で得られるが、機構の動作などによって変動する場合もあり、最適な条件を知ることは困難である。つまり、前記した係数を精度良く設定することは非常に困難であり、良く調整する必要がある。しかるに、本発明の様なフィードフォワードの構成とすることで、指令に対する応答を観察しながら、直感的に分かりやすく調整することが可能である。

［位置制御ループのフィードバックコントローラＰＣ］
位置制御ループのフィードバックコントローラＰＣは、位置指令θ_Ｒとモータ位置（角度）θ_Ｍとの差（位置追従偏差）に応じて、速度制御ループへの動作指令出力ω_Ｒを発生させる。構成としては、比例補償成分か積分補償成分の何れかを有していれば、特にその他の構成に係わらない。

位置追従偏差が生じた場合にはこのフィードバックコントローラＰＣによって、速度制御ループへ動作指令出力ω_Ｒが発生し、位置追従偏差を漸減させる効果が得られる。

［速度制御ループのフィードフォワードコントローラＶＦＦ１］
速度制御ループのフィードフォワードコントローラＶＦＦ１は、加算部ＡＤＤ１、ＡＤＤ２により、フィードバックコントローラＰＣからの動作指令出力ω_Ｒに速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ１、加速度フィードフォワードコントローラＰＦＦ２の出力を足し合わせた指令出力ω_Ｒ’に対して、モータトルクτ_Ｍから負荷速度ω_Ｌまでの伝達特性Ｆ_Ｌτの逆特性Ｆ_Ｌτ ^−１に基づくフィルタ処理を行い、加算部ＡＤＤ３により、後述するフィードバックコントローラＶＣを通して与えられるモータトルク指令値へ加算する。これにより、フィードフォワードコントローラＶＦＦ１は第２のフィルタ手段として機能する。具体的には、伝達特性の逆特性Ｆ_Ｌτ ^−１は下式（１）で表される。

式（１）において、ζは減衰係数であり、ω_ａは反共振周波数であり、ω_ｎは共振周波数である。

この逆特性Ｆ_Ｌτ ^−１を構成するには２次の微分器が必要となるため、２次以上のローパスフィルタ（特性ＬＰ１とする）などと組み合わせて実現する。逆特性Ｆ_Ｌτ ^−１に基づくフィルタ処理を行ってモータトルク指令値へ加算することによって、指令出力ω_Ｒ’から負荷速度ω_Ｌまでの伝達特性は、Ｆ_Ｌτ ^−１・Ｆ_Ｌτ＝１となり、遅れや振動を生じずに、負荷速度ω_Ｌは指令出力ω_Ｒ’に従って動作することが可能となる、但し、逆特性Ｆ_Ｌτ ^−１には２次の微分器が含まれているため、高周波成分のノイズが増幅される可能性が高く、これを抑制する意味においても、ローパスフィルタなどと組み合わせる必要がある。また、このローパスフィルタによって、指令出力ω_Ｒ’から負荷速度ω_Ｌまでの伝達特性は、Ｆ_Ｌτ ^−１・ＬＰ１・Ｆ_Ｌτ＝ＬＰ１となり、特性ＬＰ１となって遅れが生じるため、ノイズ特性と追従特性を鑑みてローパスフィルタのカットオフ周波数などを設定する必要がある。

ローパスフィルタ（特性ＬＰ１）のカットオフ周波数は、反共振周波数程度から１０倍程度まで、ノイズの影響を考慮しながら調整することが可能である。

［速度制御ループのプリフィルタＶＦＦ２］
速度制御ループのプリフィルタＶＦＦ２（第１のフィルタ手段）は、指令出力ω_Ｒ’に対して、負荷速度ω_Ｌからモータ速度ω_Ｍまでの伝達特性Ｆ_ＭＬ の逆特性Ｆ _ＭＬ ^−１ に基づくフィルタ処理を行い、速度制御ループへの速度指令値ω_Ｒ”を生成する。具体的に、伝達特性の逆特性Ｆ_ＭＬ ^−１は下式（２）で表される。

この伝達特性Ｆ_ＭＬ の逆特性Ｆ _ＭＬ ^−１ を構成するには一次の微分器が必要となるため、一次以上のローパスフィルタ（特性ＬＰ２とする）などと組み合わせて実現する。

伝達特性Ｆ_ＭＬ の逆特性Ｆ _ＭＬ ^−１ に基づくフィルタ処理を行ったものを速度制御ループヘの速度指令値ω_Ｒ”とすることによって、フィードフォワードコントローラＶＦＦ１が生成するモータトルクの作用で指令出力ω_Ｒ’に対してローパスフィルタの特性ＬＰ１で負荷速度ω_Ｌが動作する時のモータ速度ω_Ｍが速度指令値ω_Ｒ”となる（厳密にはＬＰ１＝ＬＰ２の場合）。これによって、指令出力ω_Ｒ’に従う、フィードフォワードコントローラＶＦＦ１が生成したモータトルクによる制御対象の動作を、速度フィードバックコントローラＶＣが阻害することが無くなり、指令出力ω_Ｒ’に従った動作が行われる。

特性ＬＰ２を持つローパスフィルタのカットオフ周波数も、反共振周波数程度から１０倍程度まで、ノイズの影響を考慮しながら調整することが可能である。

フィードバックコントローラＰＣのマイナーループにプリフィルタＶＦＦ２、フィードフォワードコントローラＶＦＦ１のフィードフォワード制御器を有することにより、制御対象の出力が外乱やノイズ等により変動した場合でも制御系は安定性を保つことが可能である。これは、フィードフォワード制御器の外に位置制御ループを有するため、フィードフォワード制御器への指令値は制御対象の出力を考慮したものであることによる。

［速度制御ループのフィードバックコントローラＶＣ］
速度制御ループのフィードバックコントローラＶＣは、フィードフォワードコントローラＶＦＦ２からの速度指令値ω_Ｒ”とブロック（ｓ）からのモータ速度(角速度）ω_Ｍ’との差（速度追従偏差)に応じたモータトルク指令値τ_ＭＲを発生させる。

構成としては、共振比制御を含んだ全体構成の場合には、比例補償成分と積分補償成分の両者を有していれば、特にその他の構成にこだわらない。共振比制御を含まない全体構成の場合には、比例補償成分と積分補償成分に加えて、位相補償成分を有していれば、特にその他の構成にはこだわらない。

外乱や制御対象の特性の変動等が原因となって、フィードフォワードコントローラＶＦＦ１が生成したモータトルクによる制御対象の動作に生じる誤差に対して、モータ軸における速度指令値ω_Ｒ”からの誤差を低減するように、フィードバックコントローラＶＣが作用する。これによって、外乱や制御対象の特性の変動等が存在する場合においても、指令出力ω_Ｒ’に従った制御対象の動作へと漸近する。つまり、フィードバックコントローラＶＣの作用によって、フィードフォワードコントローラＶＦＦ１の出力による低振動且つ高応答な制御対象の動作が維持される。

［ＲＲＣ１：共振比制御係数］
ＲＲＣ１は、速度制御ループのフィードバックコントローラＶＣの出力であるモータトルク指令値τ_ＭＲにゲインを乗じて出力するゲイン部を表す。このゲイン部を設けることにより、共振比制御部と制御対象を含めた系が、仮想的にモータイナーシャＪ_Ｍのみが変化したような伝達特性となり、フィードバックコントローラＶＣのゲイン調整を一様な方法で行うことが可能となる。

［ＲＲＣ２：共振比制御 外乱オブザーバ］
ＲＲＣ２は、第１の共振比制御手段と呼ばれてもよく、外乱オブザーバ手段及びその出力にかかるゲイン部を表している。

第１の共振比制御手段は、モータトルクτ_Ｍとモータ速度（角速度）ω_Ｍ’から外乱オブザーバ手段により動力伝達機構などにおけるねじりトルクを推定してゲインを乗じ、この値により、加算部ＡＤＤ３で加算されたモータトルクを補正することによって、速度制御ループを位相補償し、制御対象の共振の抑制や、制御系の安定性の向上に寄与している。また、ゲイン部が負のゲインになっていて、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルが存在する場合には、外乱オブザーバ手段により推定したねじりトルク推定値に対して反共振周波数域よりも低いカットオフ周波数のハイパスフィルタ処理を施してから、ゲインを乗じてモータトルクを補正することにより、ハイパスフィルタのカットオフ周波数よりも低い周波数帯域におけるモータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能が向上する。

［アンチワインドアップコントローラＡＷＣ］
ワインドアップ現象は、制御装置内部に積分特性を有しており、且つトルク出力や速度等に制限があるにもかかわらず、制御装置内部及び出力においてその制限を越えるような値が生じる場合などに起こる現象である。実際には制限手段（Ｌｉｍｉｔブロック）での制限により制限値以上の値を持つことが出来ないにもかかわらず、制御偏差が低減しないために、積分特性の部分において大きな積分値が生じ、制限内に値が復帰した時には積分部に保持されている大きな積分値によって逆方向に大きく振れる。このため、目標値に対するオーバーシュート、アンダーシュートが大きくなったり、不安定な状態に至ったりする。アンチワインドアップコントローラＡＷＣは、この様なワインドアップ現象を抑制するための補償器である。

実現方法は、フィードバックコントローラＰＣ、ＶＣの少なくとも一方が積分特性を有している場合に、トルク指令出力τ_Ｍ’があらかじめ定められた制限値τ_Ｍを超える時、上記フィードバックコントローラＰＣ、ＶＣの少なくとも一方の積分演算を停止させる方法がある。他の実現方法として、フィードバックコントローラＰＣ、ＶＣの少なくとも一方が積分特性を有している場合に、トルク指令出力τ_Ｍ’が制限値τ_Ｍを超える時、リミット処理によって排除されてしまった出力（τ_Ｍ−τ_Ｍ’）に対して、前記フィードバックコントローラＰＣ、ＶＣの少なくとも一方の積分時定数と同じ程度のローパスフィルタ処理を施し、適当なゲインを乗じて、前記フィードバックコントローラＰＣ、ＶＣの少なくとも一方への入力から差し引く方法がある。図１では、フィードバックコントローラＶＣのみに積分特性が有った場合に、演算部ＣＡＬ１により、リミット処理によって排除されてしまった出力（τ_Ｍ−τ_Ｍ’）を算出し、この算出結果に対してアンチワインドアップコントローラＡＷＣにてローパスフィルタ処理を行うと共に、ゲインを乗じて演算部ＣＡＬ２に入力することにより、フィードバックコントローラＶＣへの入力である速度指令値ω_Ｒ”から差し引いてフィードバックコントローラＶＣに与える、アンチワインドアップを実現している状態を示している。この場合、アンチワインドアップコントローラＡＷＣと演算手段ＣＡＬ２は、アンチワインドアップ制御手段と呼ばれても良い。

［外乱オブザーバＤＯＢ］
外乱オブザーバＤＯＢは、前述した共振比制御におけるＲＲＣ２内部の外乱オブザーバ手段と同様の処理を行うが、ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数は、ＲＲＣ２のものと異なるものを使うことが可能である。

ＲＲＣ２による共振比制御と外乱オブザーバＤＯＢを併用することによって、外乱オブザーバＤＯＢのこれまでの目的である、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等のモータ軸に直接入力される外乱成分による、制御対象の運動誤差を低減することが可能となる。

（第２の実施例）
本発明の第２の位置制御手法を実現するモータ制御装置のブロック図を図２に示す。図２は、モータ回転角θ_Ｍだけでなく、モータと負荷を結合し駆動力を伝達する動力伝達機構の伝達力（伝達トルク）τ_Ｔを計測する場合の構成を示している。つまり、図１に示したＲＲＣ２に代えてＲＲＣ３を有し、その他の構成は図１と同じであるので、図１と相違するブロックについて説明する。なお、図２には示していないが、図１と同様に、外乱オブザーバＤＯＢを設置することで、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能を向上させることができる。

［ＲＲＣ３：共振比制御におけるねじりトルクフィルタ］
この処理は、図１で説明したＲＲＣ２において推定したねじりトルク推定値の代わりにねじりトルク（伝達力、伝達トルクτ_Ｔ）計測手段により計測されたねじりトルクの計測値を用いる処理である。ＲＲＣ３は第２の共振比制御手段と呼ばれても良く、ＲＲＣ２と同様、共振比制御ゲインを乗じるなどの手法で制御対象の振動を抑制することなどが可能となる。ねじりトルク計測手段は、ねじり変形の場合、２つの位置センサの差をとるもの、歪みの場合、歪みゲージ、磁歪素子、磁気抵抗等で実現することができる。

またＲＲＣ３では、ねじりトルク計測値を、ＰＤコントローラを介した後に、共振比制御ゲインを乗じて出力することも可能である。この処理によって、制御対象の振動を抑制する性能がより向上する。

なお、ＲＲＣ２に示したハイパス処理は、ＲＲＣ３では、モータ軸の摩擦やモータのトルクリップルに対する補償性能が向上することはない。

（第３の実施例）
本発明の第３の位置制御手法を実現するためのモータ制御装置のブロック図を図３に示す。図３は、モータ回転角θ_Ｍだけでなく、負荷の加速度（以下では、便宜上、ｓ^２θ_Ｌで表すものとする）を計測する場合の構成を示している。つまり、図２に示したＲＲＣ３に代えてＲＲＣ４を有し、その他の構成は図１あるいは図２と同じであるので、図２と相違するブロックについて説明する。なお、図３には示していないが、図１と同様に、外乱オブザーバＤＯＢを設置することで、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能を向上させることができる。

［ＲＲＣ４：共振比制御における負荷加速度フィルタ］
この処理は、計測された負荷の加速度ｓ^２θ_Ｌに負荷側のイナーシャＪ_Ｌを乗じてねじりトルク相当の値に換算した後は、図２のＲＲＣ３と全く同様の処理によって、制御対象の振動を抑制することなどが可能となる。それゆえ、ＲＲＣ４は、第３の共振比制御手段と呼ばれても良い。ＰＤコントローラを用いる処理についても同様の効果が得られる。

但し、負荷の加速度ｓ^２θ_Ｌには、モータから印加されるねじりトルク（伝達力、伝達トルクτ_Ｔ)と同時に、負荷に直接印加される外乱トルクが含まれたトルクが検出されるため、制御対象の振動を抑制すると同時に、負荷に直接印加される外乱トルクに起因する運動誤差の変動を良く補正することが可能となる。

なお、負荷の加速度ｓ^２θ_Ｌの計測方法としては、負荷に加速度センサを設置したり、角速度センサを設置して計測値を１階微分相当の処理をして用いたり、角度センサを設置して計測値を２階微分相当の処理をして用いたりすることが可能である。加速度センサや角速度センサを用いる場合には、絶対加速度や絶対角速度が検出されることにより、例えば装置のベース部分における振動までも検出して適当な補償が行えない場合がある。しかし、角度センサを用いる場合には、装置内の基準部位に対する相対値のみが計測されるため、加速度センサや角速度センサを用いる場合に生じる不具合を回避することが可能である。加速度センサを用いた場合にも、基準部位と負荷の両者の加速度を計測し、その差分のみを補償に用いることで上記のような不具合を回避することが可能である。

（第４の実施例）
本発明の第４の位置制御手法を実現するための制御装置のブロック図を図４に示す。図４は、モータ回転角θ_Ｍだけでなく、負荷側の回転角θ_Ｌも計測する場合の構成を示している。図１に示されたＲＲＣ２、外乱オブザーバＤＯＢに代えてＲＲＣ５、ＰＦＢを備える点以外は、図１と同じであるので、図１と相違するＲＲＣ５、ＰＦＢについて説明する。なお、図４には示していないが、図１と同様に、外乱オブザーバＤＯＢを設置することで、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップルに対する補償性能が向上する。また、後述するＰＦＢは、図１〜図３の実施例に組み合わされても良い。

［ＲＲＣ５：共振比制御ねじれ角フィルタ］
この処理は、負荷の回転角計測手段で計測された負荷側の回転角θ_Ｌとモータの回転角計測手段で計測されたモータ側の回転角θ_Ｍとの差に、動力伝達機構の結合剛性Ｋを乗じてねじりトルク相当の値に換算した後は、図２のＲＲＣ３と全く同様の処理によって、制御対象の振動を抑制することなどが可能となる。それゆえ、ＲＲＣ５は、第４の共振比制御手段と呼ばれても良い。ＰＤコントローラを用いる処理についても同様の効果が得られる。

［ＰＦＢ：位置フィードバック手段］
ここでの処理は、負荷の回転角θ_Ｌとモータ側の回転角θ_Ｍにより位置制御ループのフィードバックコントローラＰＣへのフィードバック信号を生成する処理である。

一般的なセミクローズド制御では、モータ角度をフィードバックコントローラＰＣへのフィードバック信号とする。この場合、フィードバック信号の位相遅れが小さいことから、共振周波数を超えるような高い周波数帯域まで制御帯域を設定することが可能である。しかし、補償される位置は、モータ角度なので、動力伝達系の誤差や負荷への外乱トルクが生じる場合には、位置指令θ_Ｒとモータ角度は一致するが、負荷角度θ_Ｌは一致しない場合がある。

これに対して、負荷角度θ_ＬをフィードバックコントローラＰＣへのフィードバック信号とする場合には、動力伝達系の誤差や負荷への外乱トルクが生じる場合にも、位置指令θ_Ｒと負荷角度θ_Ｌは一致するように補償される(但し、この場合、位置指令θ_Ｒとモータ角度は一致しない場合がある)。しかし、フィードバックコントローラＰＣの出力である速度指令から負荷角度θ_Ｌまでの伝達特性は、反共振周波数で１８０度を超えて位相が遅れるため、制御帯域を反共振周波数よりも十分に低くまでしか設定できず、動力伝達系の誤差や負荷への外乱トルク及びモータ軸に直接入力されるモータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等の全ての外乱に対して緩慢な補償しか行うことが出来ない。

このため、第４の位置制御手法では、モータ角度フィードバックの位相安定性と、負荷角度フィードバックのＤＣ補償性能の両者を兼ね備えるために、位置フィードバック手段ＰＦＢにおいてモータ角度にハイパスフィルタ処理、負荷角度にローパスフィルタ処理をそれぞれ同じカットオフ周波数で行った信号を足し合わせた信号をフィードバックコントローラＰＣへのフィードバック信号として出力する手法を用いている。これにより、モータ軸に直接入力されるモータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等の外乱成分に対しては十分高い制御帯域を設定出来、且つ、伝達系の誤差や負荷への外乱トルクに対しての補償性能を得ることが可能となる。なお、このフィルタ処理後のフィードバック信号を、演算部ＣＡＬ３により位置指令θ_Ｒに足し合わせた信号をフィードバックコントローラＰＣへのフィードバック信号とする手法は、カットオフ周波数の設定によって、完全なセミクローズド制御にもなり、また、完全な負荷角度フィードバックにもなる。

フィードバックコントローラＰＣへのフィードバック信号の生成には位相特性が十分に考慮されるが、特に、本発明のようにフィードフォワードコントローラＶＦＦ１、プリフィルタＶＦＦ２と併用する場合、ＶＦＦ１、ＶＦＦ２によって十分な位相補償が行われるため、完全な負荷角度フィードバックにおいてもローパスフィルタＬＰ１、ＬＰ２のカットオフ周波数の付近まで位相余裕が確保される。このため、完全な負荷角度フィードバックにおいても、従来技術よりも遥かに高い周波数帯域まで制御帯域を設定することが可能となり、伝達系の誤差や負荷への外乱トルクへの急峻な補償性能が得られる。

しかし、モータ角度をフィードバックする場合の方が位相余裕が大きいことは変わらないため、モータ軸の摩擦や、モータのトルクリップル等のモータ軸に直接入力される外乱成分に対するより急峻な補償性能を必要とする場合は、位置フィードバック手段ＰＦＢにおけるループフィルタ処理の適当なカットオフ周波数の設定が必要となる。

以上説明してきた本発明による第１〜第４の位置制御手法によれば、多慣性共振系の制御対象の共振特性を抑制しつつ、且つ、位置（角度）で与えられる目標値に対して、反共振周波数を超える俊敏な応答を得ることが可能である。また、位置制御ループの内部に設置した速度フィードフォワードコントローラＶＦＦ１、プリフィルタＶＦＦ２により、位置制御ループの位相補償がなされ、位置制御ループの高い制御帯域が実現出来る。

上記の第１〜第４の位置制御手法ではいずれも回転系の表現を用いて記述しているが、リニアモータ駆動やボールネジ駆動の様な直動系の制御対象に対しても同様の手法を適用することが可能である。

図１は、本発明の第１の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。 図２は、本発明の第２の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。 図３は、本発明の第３の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。 図４は、本発明の第４の実施例によるモータ制御装置と制御対象の構成を機能ブロック図で示す。 図５は、本発明が適用される多慣性共振系モデル例として２慣性共振モデルを示した図である。

符号の説明

ＡＤＤ１、ＡＤＤ２、ＡＤＤ３ 加算部
ＣＡＬ１、ＣＡＬ２、ＣＡＬ３ 演算部

Claims (9)

1. モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御装置において、
   前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、ラプラス演算子ｓ、多慣性共振系の減衰係数ζ、反共振周波数ωａに基づいて決定される、負荷速度からモータ速度までの伝達特性Ｆ _ＭＬ の逆特性である下式（３）による逆特性Ｆ _ＭＬ ^−１ に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力する第１のフィルタ手段と、前記指令出力に対して、ラプラス演算子ｓ、多慣性共振系のモータイナーシャＪ_Ｍ、多慣性共振系の減衰係数ζ、反共振周波数ωａ及び共振周波数ωｎに基づいて決定される、モータトルクから負荷速度までの伝達特性Ｆ _Ｌτ の逆特性である下式（４）による逆特性Ｆ _Ｌτ ^−１ に基づくフィルタ処理を行う第２のフィルタ手段とを前記位置制御ループ内に設け、前記速度指令値を前記速度フィードバックコントローラへの速度フィードバック値に加算すると共に、前記第２のフィルタ手段の処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算する構成としたことを特徴とするモータ制御装置。
   

   

   
2. 更に、前記位置フィードバックコントローラに与えられる位置指令を時間微分して得た速度指令に係数を乗じて第１の値を生成する速度フィードフォワードコントローラと、前記位置指令を２階時間微分して得た加速度指令に係数を乗じて第２の値を生成する加速度フィードフォワードコントローラと、前記第１、第２の値を前記位置フィードバックコントローラの出力に加算して前記指令出力として出力する加算手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、モータトルクとモータの速度フィードバック値から前記動力伝達機構のねじりトルクを推定してゲインを乗じた値によって、前記第２のフィルタ手段の処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正することによりトルク指令出力τ _Ｍ ’が得られるように、前記速度制御ループの位相補償を行う第１の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、前記動力伝達機構のねじりトルクを計測する計測手段と、計測されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記第２のフィルタ手段の処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正することでトルク指令出力τ _Ｍ ’が得られるようにするための第２の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
5. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷加速度を検出する検出手段と、検出した負荷加速度から前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記第２のフィルタ手段の処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正することでトルク指令出力τ _Ｍ ’が得られるようにするための第３の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
6. 更に、前記速度フィードバックコントローラの出力にゲインを乗じて前記モータトルク指令値として出力するゲイン部と、負荷の回転角を計測する負荷回転角計測手段と、モータの回転角を計測するモータ回転角計測手段と、計測された負荷の回転角とモータの回転角との差に前記動力伝達機構の結合剛性Ｋを乗じて前記動力伝達機構のねじりトルクを換算し、換算されたねじりトルクにゲインを乗じた値によって、前記第２のフィルタ手段の処理結果と前記モータトルク指令値との加算値を補正することでトルク指令出力τ _Ｍ ’が得られるようにするための第４の共振比制御手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
7. 負荷回転角計測手段により計測された負荷の回転角とモータ回転角計測手段により計測されたモータの回転角とにより前記位置フィードバックコントローラへのフィードバック信号を生成する位置フィードバック手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
8. 更に、前記トルク指令出力τ_Ｍ’をあらかじめ定められた制限値τ_Ｍに制限する制限手段と、（τ_Ｍ−τ_Ｍ’）の演算を行う演算手段と、該演算手段の演算結果に対してローパスフィルタ処理を行うと共に、ゲインを乗じて前記速度指令値から減算して前記速度フィードバックコントローラへ与えるアンチワインドアップ制御手段を有することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
9. モータの位置フィードバックコントローラを含む位置制御ループと、モータの速度フィードバックコントローラを含み前記位置制御ループ内に構成された速度制御ループとを含み、モータの駆動力を動力伝達機構を介して負荷に伝達する多慣性共振系のためのモータ制御方法において、
   前記位置制御ループ内において、前記位置フィードバックコントローラを通して与えられる指令出力に対して、ラプラス演算子ｓ、多慣性共振系の減衰係数ζ、反共振周波数ωａに基づいて決定される、負荷速度からモータ速度までの伝達特性Ｆ _ＭＬ の逆特性である下式（５）による逆特性Ｆ _ＭＬ ^−１ に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を前記速度フィードバックコントローラへの速度指令値として出力すると共に、前記指令出力に対して、ラプラス演算子ｓ、多慣性共振系のモータイナーシャＪ_Ｍ、多慣性共振系の減衰係数ζ、反共振周波数ωａ及び共振周波数ωｎに基づいて決定される、モータトルクから負荷速度までの伝達特性Ｆ _Ｌτ の逆特性である下式（６）による逆特性Ｆ _Ｌτ ^−１ に基づくフィルタ処理を行い、処理結果を、前記速度フィードバックコントローラを通して与えられるモータトルク指令値に加算することを特徴とするモータ制御方法。
   

   

   

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