JP7358942B2

JP7358942B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法

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Publication number: JP7358942B2
Application number: JP2019213770A
Authority: JP
Inventors: 崇林
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: JP2021087269A

Description

本発明は、摩擦トルクを有する機械負荷を駆動するモータの速度または回転子位置を制御するためのモータ制御装置及びモータ制御方法に関するものである。

モータによって機械負荷を駆動する際に、機械負荷の摩擦トルクによって所望の運動が妨げられる場合がある。特に、モータに対して方向反転を伴って運動させる場合には、運動方向の反転によって摩擦トルクの方向も反転するため、機械負荷の運動が一時的に所望の状態から大きくずれることがしばしばある。この現象を抑制するために、従来から、次のような技術が提供されている。

例えば、特許文献１には、図９に示すごとく、制御装置１００と制御対象（モータ＋機械負荷）２００とからなるシステムにおいて、制御対象２００が有するクーロン摩擦トルクを補償する技術が記載されている。すなわち、図９において、速度制御部１１０はモータの速度検出値を速度指令に追従させるようなトルク指令を生成すると共に、制御対象２００のクーロン摩擦トルクＦとは逆極性の符号関数であるクーロン摩擦補償トルクＦ’を速度検出値に基づき同定してトルク指令に加算することにより、クーロン摩擦トルクを相殺しつつ速度制御を行っている。この方法は、良く知られている摩擦補償方法である。

また、上述した符号関数を用いる摩擦補償に代えて、図１０に示すように、摩擦補償入力（速度指令または速度検出値）に第１の定数を乗算した結果を第２の定数により制限して摩擦補償出力（摩擦補償値）を得るようにした、いわゆる折れ線型関数を用いた補償方法も知られている。図１１は、上記の折れ線型関数を用いて摩擦補償を行った場合の入出力を示しており、摩擦補償出力は、摩擦補償入力の変化に応じて第２の定数により制限されながら折れ線状に変化することになる。

特許第３４６３３５５号公報（［００２３］，［００２４］、図４，図５等）

摩擦トルクを有する機械負荷を駆動する際に、図９に示した符号関数型の摩擦補償トルクを用いて補償する方法では、モータの速度指令を入力として摩擦補償トルクを求めると符号反転が早過ぎてしまい、一時的に過補償となって速度が乱れることがある。速度指令の代わりに速度検出値を入力として摩擦補償トルクを求めれば、符号反転が早過ぎる恐れはなくなるが、方向反転中に摩擦によってモータの回転が止まると摩擦補償トルクを正しく出力できなくなる。

一方、図１０，図１１に示した折れ線型関数を用いて補償する方法では、前述した符号反転時の摩擦補償トルクの乱れは軽減されるが、図１１から明らかなように、理想的な方向反転時刻ｔ_０より前の時刻ｔ_ａから摩擦補償出力が弱められるため、時刻ｔ_０に達する前に速度がゼロになってしまい、折れ線型関数の傾きを調整しても十分な摩擦補償を実現できない恐れがある。
また、折れ線型関数の傾きの最適値は方向反転中の加速度に依存するので、この加速度が一意に与えられない運動を行う場合も満足な摩擦補償を得ることが難しい。

そこで、本発明の解決課題は、摩擦トルクを有する機械負荷を駆動する際に従来技術より良好な摩擦補償を実現可能とした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。

上記課題を解決するため、請求項1に係るモータ制御装置は、摩擦トルクを有する機械負荷を駆動するモータの速度または回転子位置を制御するモータ制御装置であって、前記モータの速度実際値が速度指令に追従するように動作する速度フィードバック制御手段と、前記速度フィードバック制御手段から出力されるトルク指令に基づいて前記モータの電流を制御する電流制御手段と、を有するモータ制御装置において、
前記モータの速度指令から摩擦補償値を演算する摩擦補償手段と、
前記摩擦補償手段から出力された摩擦補償値を前記トルク指令に加算する加算手段と、
を備え、
前記摩擦補償手段は、
前記速度指令に低域通過フィルタ演算を施した値と第１の定数との乗算結果と、一演算周期前の摩擦補償値の前回値と、を加算した値の絶対値を、第２の定数により制限して摩擦補償値の今回値として出力することを特徴とする。

請求項２に係るモータ制御装置は、請求項１に記載したモータ制御装置において、前記低域通過フィルタは、慣性以外の負荷トルクを持たない前記機械負荷に対して速度フィードバック制御を行った場合の前記速度指令に対する速度実際値に等しい伝達特性を有することを特徴とする。

請求項３に係るモータ制御装置は、請求項１または２に記載したモータ制御装置において、前記第１の定数を、前記モータの方向反転時近傍における速度指令変化率の絶対値に対して単調増加するように設定したことを特徴とする。

請求項４に係るモータ制御装置は、請求項１～３の何れか１項に記載したモータ制御装置において、前記第２の定数を、前記機械負荷を駆動したときの負荷トルクが前記モータの速度に対してヒステリシスを持たずに直線的に変化する範囲において負荷トルクを前記モータの速度に対する一次関数により近似した直線の切片として設定したことを特徴とする。

請求項５に係るモータ制御方法は、摩擦トルクを有する機械負荷を駆動するモータの速度または回転子位置を制御するモータ制御方法であって、速度実際値が速度指令に追従するように速度フィードバック制御を行ってトルク指令を生成すると共に、前記速度指令から演算した摩擦補償値と前記トルク指令との加算結果に基づいて前記モータの電流を制御するようにしたモータ制御方法において、
前記速度指令に低域通過フィルタ演算を施した値と第１の定数との乗算結果と、一演算周期前の摩擦補償値の前回値と、を加算した値の絶対値を、第２の定数により制限して摩擦補償値の今回値とすることを特徴とする。

本発明によれば、摩擦トルクを有する機械負荷をモータによって駆動する場合、特にモータの方向反転時における摩擦補償を適切に行って良好な速度制御や位置制御を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。図１における摩擦補償手段の構成図である。図２における低域通過フィルタの構成図である。摩擦補償入力の変化に対する低域通過フィルタ出力及び摩擦補償出力のそれぞれの変化を説明するための図である。第２の定数の設定方法を説明する図である。本発明の第２実施形態における摩擦補償手段の構成図である。本発明の第３実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。摩擦補償効果を比較した実験結果の波形図であり、（ａ）は補償なしの場合、（ｂ）は従来技術による場合、（ｃ）は本発明による場合である。特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。折れ線型関数を用いて摩擦補償を行う従来技術のブロック図である。折れ線型関数を用いて摩擦補償を行った場合の摩擦補償入力及び摩擦補償出力の説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。この実施形態は、摩擦トルクを有する機械負荷を駆動するモータの速度制御に関するものである。

図１において、モータの速度指令と速度実際値との偏差が減算手段５１により求められ、この偏差をなくすように速度フィードバック制御手段２０が動作してトルク指令が生成されると共に、速度指令を入力とする摩擦補償手段１０により摩擦補償値が演算される。
摩擦補償値は、加算手段５２により、速度フィードバック制御手段２０から出力されたトルク指令に加算される。そして、このトルク指令にモータの出力トルクが追従するように、ドライバ及びモータからなる電流制御手段３０が電流制御を行って機械負荷４０を駆動する。

次に、本実施形態の主要部である摩擦補償手段１０の構成及び作用について説明する。
図２は、摩擦補償手段１０の構成を示すブロック図である。
図２において、摩擦補償入力としてのモータの速度指令に低域通過フィルタ１１による演算を施した値を第１の変数とし、この変数に第１の定数を乗算して得た第２の変数が加算手段１２に入力される。
一方、加算手段１２の出力の絶対値を制限手段１３にて第２の定数により制限した値を、一周期前に演算した摩擦補償値の前回値として前記第２の変数に加算することにより、摩擦補償値の今回値を得る。この摩擦補償値の今回値は、前述した図１の加算手段５２に入力される。

図３は、図２における低域通過フィルタ１１の具体例を示している。ここでは、図１の速度フィードバック制御手段２０が比例積分制御を行うものとして、その比例ゲインをｋ_ｖｐ、積分ゲインをｋ_ｖｉとしている。なお、ｓはラプラス演算子である。
仮に、機械負荷４０が慣性以外の負荷トルクを持たないと仮定した場合、上記比例積分制御を行うと、図３のフィルタ演算を行った時と等しい理想的な応答速度が実現される。実際に駆動する機械負荷４０には摩擦トルクが存在するが、本実施形態では、摩擦補償手段１０が速度指令に応じて演算した摩擦補償値をトルク指令に加算することにより、理想的な応答速度を実現できる。

この実施形態では、摩擦補償値を速度指令に対する一価関数として与えるのではなく、図２に示したように、摩擦補償値の前回値を第２の変数に加算して摩擦補償値を更新するようにしている。
これにより、例えば速度指令が図４（ａ）のごとく時刻ｔ_０でゼロとなるように変化する場合、速度指令に対して一次遅れとなる低域通過フィルタ１１の出力、言い換えれば速度実際値は図４（ｂ）のように変化し、摩擦補償値は図４（ｃ）のように変化する。ここで、制限手段１３に与える第２の定数を、機械負荷４０の摩擦トルクの実測値に合わせて設定すれば、速度実際値が時刻ｔ_０’でゼロになるまで実際の摩擦トルクに等しい摩擦補償値を出力させることができ、期待するタイミングである時刻ｔ_０’より前にモータが停止してしまうのを防ぐことができる。そして、モータの速度実際値がゼロになった時刻ｔ_０’から摩擦補償値の変化が開始され、その後の時刻ｔ_０”においてそれまでとは逆極性の値（第２の定数の正値）に到達することにより、理想に近い摩擦補償を実現することができる。

第２の定数の具体的な与え方、すなわち摩擦トルクの実測方法については、機械負荷４０を駆動したときの負荷トルクをモータ速度に対して描画した時にヒステリシスを持たずに直線的に変化する範囲において、負荷トルクをモータ速度に対する一次関数により近似した直線の切片として与えれば良い。例えば、モータ速度に対する負荷トルクが図５（ａ）のように描かれた場合には、ヒステリシス範囲より外側の直線的に変化する範囲において図５（ｂ）のように直線近似し、この直線が負荷トルク軸と交わる値を摩擦トルクとみなして、この値を第２の定数に設定すれば良い。

なお、第１実施形態に係る図１～図３に示した機能は、モータの速度指令を入力とする単一の速度制御装置により実現しても良いし、速度指令及びフィードフォワードトルクを出力する上位コントローラと、速度指令及びフィードフォワードトルクを入力とする速度制御装置と、を組み合わせたシステムとして実現しても良い。

また、図２における第１の定数は、低域通過フィルタ１１の出力（第１の変数）に対する摩擦補償値の変化の比に相当するが、方向反転時の速度変化率が一意に与えられている場合、実際にその速度変化率によって方向を反転させたときの速度波形の乱れが最も小さくなるように第１の定数を調整すれば良い。
方向反転時の速度変化率が一意に与えられない場合、第１の定数は速度変化率の絶対値に対して単調増加するように設定すれば良い。この場合の摩擦補償手段の一例を、第２実施形態として図６に示す。

図６に示す摩擦補償手段１０Ａでは、摩擦補償入力（速度指令）を変化率絶対値演算手段１４に入力して速度変化率の絶対値を求め、この絶対値に第３の定数を乗算した結果を図２の第１の定数に相当する値とし、この乗算結果を乗算手段１５により低域通過フィルタ１１の出力に乗算して加算手段１２に入力している。この場合、第３の定数は、ある速度変化率でモータの回転方向を反転させたときの速度波形の乱れが最も小さくなるように調整すると良い。

次に、図７は本発明の第３実施形態の主要部を示すブロック図である。この第３実施形態は、モータの回転子位置を制御する位置制御に本発明を適用した場合のものである。
図７において、モータの位置指令と実際の位置とが入力される減算手段５３と、比例ゲインＫ_ｐと、速度実際値を演算する微分手段６０とを含む位置制御ループに、前記同様の速度フィードバック制御手段２０、摩擦補償手段１０（または１０Ａ）、及びブロック７０（電流制御手段３０及び機械負荷４０）を内包しており、第１または第２実施形態と同様の動作によって機械負荷４０の摩擦トルクを補償しながら所望の位置制御を行うことができる。

次いで、本発明による効果を確認するために、摩擦トルクを有する機械負荷をモータにより実際に駆動した場合の実験結果を図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。モータの最大速度は何れも１２００［ｒ／ｍｉｎ］であり、２種類（〔速度変化率大〕，〔速度変化率小〕）の台形加減速パターンを用意して、図７に示す構成により位置制御を行いながらモータを往復運転し、方向反転時における速度波形の乱れを観察した。
図８（ａ）は摩擦補償を行わない場合、図８（ｂ）は図７の摩擦補償手段１０を図１１の折れ線型関数により実現した従来技術（摩擦補償値は、第１実施形態と同様に第２の定数により制限した）であり、図８（ｃ）は図７の構成により摩擦補償を行った場合である。
なお、位置制御におけるフィードバック制御ゲインは、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）の何れも同じ値とした。

摩擦補償を行っていない図８（ａ）に対して従来技術による図８（ｂ）では、実線で丸く囲んだａ部とｂ部とを比較すると、方向反転時の速度波形の乱れはある程度低減されているが、若干の乱れが未だ残っている。一方、本発明による摩擦補償を行った図８（ｃ）では、破線で丸く囲んだｃ部から明らかなように、図８（ｂ）に比べて速度波形の乱れが更に低減されることが確認された。

本発明は、工作機械や産業用ロボット等のサーボシステムを始めとして、摩擦トルクを有する各種の機械負荷の位置や速度を制御するモータ制御装置に利用することができる。

１０，１０Ａ：摩擦補償手段
１１：低域通過フィルタ
１２：加算手段
１３：制限手段
１４：変化率絶対値演算手段
１５：乗算手段
２０：速度フィードバック制御手段
３０：電流制御手段（ドライバ及びモータ）
４０：機械負荷
５１，５３：減算手段
５２：加算手段
６０：微分手段
７０：電流制御手段及び機械負荷

Claims

摩擦トルクを有する機械負荷を駆動するモータの速度または回転子位置を制御するモータ制御装置であって、前記モータの速度実際値が速度指令に追従するように動作する速度フィードバック制御手段と、前記速度フィードバック制御手段から出力されるトルク指令に基づいて前記モータの電流を制御する電流制御手段と、を有するモータ制御装置において、
前記モータの速度指令から摩擦補償値を演算する摩擦補償手段と、
前記摩擦補償手段から出力された摩擦補償値を前記トルク指令に加算する加算手段と、
を備え、
前記摩擦補償手段は、
前記速度指令に低域通過フィルタ演算を施した値と第１の定数との乗算結果と、一演算周期前の摩擦補償値の前回値と、を加算した値の絶対値を、第２の定数により制限して摩擦補償値の今回値として出力することを特徴とするモータ制御装置。
請求項１に記載したモータ制御装置において、
前記低域通過フィルタは、慣性以外の負荷トルクを持たない前記機械負荷に対して速度フィードバック制御を行った場合の前記速度指令に対する速度実際値に等しい伝達特性を有することを特徴とするモータ制御装置。
請求項１または２に記載したモータ制御装置において、
前記第１の定数を、前記モータの方向反転時近傍における速度指令変化率の絶対値に対して単調増加するように設定したことを特徴とするモータ制御装置。
請求項１～３の何れか１項に記載したモータ制御装置において、
前記第２の定数を、前記機械負荷を駆動したときの負荷トルクが前記モータの速度に対してヒステリシスを持たずに直線的に変化する範囲において前記負荷トルクを前記モータの速度に対する一次関数により近似した直線の切片として設定したことを特徴とするモータ制御装置。
摩擦トルクを有する機械負荷を駆動するモータの速度または回転子位置を制御するモータ制御方法であって、速度実際値が速度指令に追従するように速度フィードバック制御を行ってトルク指令を生成すると共に、前記速度指令から演算した摩擦補償値と前記トルク指令との加算結果に基づいて前記モータの電流を制御するようにしたモータ制御方法において、
前記速度指令に低域通過フィルタ演算を施した値と第１の定数との乗算結果と、一演算周期前の摩擦補償値の前回値と、を加算した値の絶対値を、第２の定数により制限して摩擦補償値の今回値とすることを特徴とするモータの制御方法。