特許 7261755 モータ制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-12

(45)【発行日】2023-04-20

(54)【発明の名称】モータ制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/05 20060101AFI20230413BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20230413BHJP

【ＦＩ】

H02P21/05

G05B11/36 505A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020016818

(22)【出願日】2020-02-04

(65)【公開番号】P2021125934

(43)【公開日】2021-08-30

【審査請求日】2022-04-25

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】松原 満

(72)【発明者】

【氏名】戸張 和明

(72)【発明者】

【氏名】高野 裕理

(72)【発明者】

【氏名】上井 雄介

(72)【発明者】

【氏名】梁田 哲男

(72)【発明者】

【氏名】大橋 敬典

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１３３４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９６２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０３１２１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００６７０８６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２１／０５

Ｇ０５Ｂ １１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、
前記推定値に基づいて、モータに接続された機械の端部が振動しないような実速度指令を生成する速度指令生成器とを有し、
前記速度指令生成器から速度制御器に前記実速度指令を出力するモータ制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記速度指令生成器は、
前記機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出する振動周波数成分抽出器と、
前記機械の端部の振動を励起する周波数成分を含まない位置指令を受け、前記実速度指令を生成する実位置制御器とを有するモータ制御装置。

【請求項3】

位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、
前記推定値に基づいて、前記速度指令に含まれる、モータに接続された機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出し、抽出した前記周波数成分を出力する並列型制振制御器と、
前記速度指令から前記並列型制振制御器の出力を減算する加減算器と、
を有し、前記加減算器の出力を実速度指令として速度制御器の指令とするモータ制御装置。

【請求項4】

請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記推定値とモータ軸位置応答と基づいて、前記端部の振動成分の逆相成分を算出し、前記逆相成分を、前記加減算器に出力するモータ制御装置。

【請求項5】

請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記位置指令推定器は、
前記速度指令を入力し、前記位置制御器の逆特性に一致する推定フィルタと、
前記推定フィルタの出力と前記モータ軸位置応答とを加算する加算器を有する
モータ制御装置。

【請求項6】

請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記推定値から前記速度指令に含まれる前記機械の端部の振動を励起する前記周波数成分を位相遅れなく抽出する振動励起成分抽出フィルタと、
前記振動励起成分抽出フィルタで抽出された前記周波数成分の単位を速度の次元に変換する単位変換器とを有し、
前記単位変換器の出力を前記並列型制振制御器の出力とするモータ制御装置。

【請求項7】

請求項４に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記位置指令に対して振動的でなく所望の応答となることを規定する規範応答モデルと、
モータ軸から機械端までの伝達特性を意味する機械端振動特性モデルと、
第３の加減算器と、
入力された信号の単位を速度の次元に変換する単位変換器とを有し、
前記位置指令推定器の出力を前記規範応答モデルで処理した信号から、前記モータ軸位置応答を前記機械端振動特性モデルで処理した信号を、前記第３の加減算器で除去し、
前記第３の加減算器の出力信号を前記単位変換器で処理した信号を、前記端部の振動成分の前記逆相成分として前記並列型制振制御器の出力とするモータ制御装置。

【請求項8】

請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記位置指令推定器は、
前記位置指令を所定のフィルタで写像した信号を推定対象とし、
前記位置指令を所定のフィルタで写像した信号の前記推定値を出力するモータ制御装置。

【請求項9】

請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記速度指令に含まれる機械端の振動を励起する前記周波数成分を抽出した抽出信号を出力し、
第４の加減算器と、スカラな調整ゲインおよび微分器とを有し、
前記位置指令の前記推定値から前記抽出信号を前記第４の加減算器で減じ、
前記第４の加減算器の出力信号を前記調整ゲインおよび前記微分器で処理した
フィードフォワード制御信号を出力するものであって、
前記速度指令に対して前記フィードフォワード制御信号を第５の加減算器で加算するとともに、前記速度指令から前記抽出信号を前記第５の加減算器で除去し、前記第５の加減算器の出力を前記実速度指令とするモータ制御装置。

【請求項10】

請求項３に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記速度指令に含まれる前記機械の端部の振動を励起する前記周波数成分を抽出する振動励起成分抽出器と、
前記位置指令に対して振動的でなく所望の応答となることを規定する規範応答モデルと、
モータ軸から前記端部までの伝達特性を意味する機械端振動特性モデルと、
第３の加減算器と、
入力された信号の単位を速度の次元に変換する単位変換器とを有し、
前記位置指令推定器の出力を前記規範応答モデルで処理した信号から前記モータ軸位置応答を前記機械端振動特性モデルで処理した信号を、前記第３の加減算器で除去し、
前記第３の加減算器の出力信号を前記単位変換器で処理した信号を、前記端部の振動成分の逆相成分として出力し、
前記速度指令に含まれる前記端部の振動を励起する前記周波数成分を抽出した信号を第６の加減算器で除去するとともに、前記速度指令から前記逆相成分を前記第６の加減算器で除去し、前記第６の加減算器の出力を前記実速度指令とするモータ制御装置。

【請求項11】

請求項８に記載のモータ制御装置において、
前記位置指令推定器は、
前記所定のフィルタと、
加算器とを有し、
前記モータ軸位置応答を前記所定のフィルタで処理した信号と、前記速度指令とを前記加算器で加算し、
前記加算器の出力信号を前記位置指令推定器の出力とし、
前記並列型制振制御器は、
前記位置指令推定器の出力から前記機械の端部の振動を励起する前記周波数成分を抽出し、出力信号とするモータ制御装置。

【請求項12】

位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータからのモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、
前記位置指令の推定値に基づき、前記速度指令に含まれる機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出し、
抽出した周波数成分を所定のフィルタで処理した信号を出力する並列型制振制御器と、
加算器とを有し、
前記モータ軸位置応答と前記並列型制振制御器の出力とを、前記加算器で加算し、
前記加算器の出力信号を実モータ軸位置応答とし、前記実モータ軸位置応答を前記位置制御器に出力とするモータ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

制御対象の機械を制御する目的のセミクローズド構成のモータ制御系において、モータに取り付けられた機械の剛性が低い場合一般に、機械の共振・反共振特性が原因で機械の端部が振動し所望の応答特性を実現できない場合がある。

【0003】

ＦＡ分野では、タクトタイム向上のために制御系の応答を高めたい。
セミクローズド構成のモータ制御系において、しかしながら機械の剛性が低い場合は機械の端部が数Ｈｚ～１００Ｈｚの低周波数で振動し位置決めに時間がかかる等が理由で、制御系の応答を高めることが難しい。

【0004】

このような場合、一般的に制振制御が用いられる。モータ制御系が位置制御系である場合、制振制御は一般に位置指令の加工により成される。
具体的には、位置指令に対してローパスフィルタやノッチフィルタを作用させ、機械の端部の振動を励起する周波数成分を位置指令から除去することで、機械の端部の制振が実現される。

【0005】

特許文献１は、位置指令に対して２つの制振フィルタを切り替えて用いることで機械の共振・反共振特性が変化する場合であっても機械の端部を制振可能とするもので、制振フィルタの一例としてはノッチフィルタが挙げられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００５－１６８２２５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＦＡ分野のセミクローズド構成のモータ制御系において、図１５に示すように、機器のリプレースなどの産業上の都合により、位置指令を生成する上位系制御装置が位置制御器を有し、マイナーループである速度制御系をサーボモータ制御装置が担うような装置構成となる場合がある。

【0008】

さらにメンテナンス性や各装置のスペックなどの都合により、位置制御器で制振制御を実現せず、マイナーループである速度制御系を担うサーボモータ制御装置内で制振制御を実現したい場合がある。

【0009】

特許文献１では、制振制御に寄与する制振フィルタ３、フィルタ切替え手段９、指令方向検出手段４は、図１５における上位系制御装置で制振制御を実現する構成である。そのため、特許文献１では、速度制御系を担うサーボモータ制御装置内で制振制御を実現してはいない。

【0010】

本発明の目的は、機械の端部の制振を目的とした位置指令の加工を上位系制御装置内で行うことなく、速度制御系を担うモータサーボ制御装置内で制振制御を実現するモータ制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の好ましい一例としては、位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、前記推定値に基づいて、モータに接続された機械の端部が振動しないような実速度指令を生成する速度指令生成器とを有し、前記速度指令生成器から速度制御器に前記実速度指令を出力するモータ制御装置である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、機械の端部の制振を目的とした位置指令の加工を上位系制御装置内で行うことなく、速度制御系を担うモータサーボ制御装置内で制振制御を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例１の第１の基本構成を示す図。

【図2】実施例１の第２の基本構成を示す図。

【図3】図１の具体的な構成を示す図。

【図4】振動励起成分抽出器の周波数特性を示す図。

【図5】図２に対応するＦＦ型の制振制御の構成を示す図。

【図6】図２に対応するＦＦ制御器を含む構成を示す図。

【図7】図６のＦＦ制御器の具体的構成を示す図。

【図8】ＦＢ型の制振制御を実行する場合の構成を示す図。

【図9】図８の並列型制振制御器の具体的構成を示す図。

【図10】所定フィルタを有する場合の構成図。

【図11】モータ軸位置応答を加工する並列型制振制御の構成図。

【図12】図５の構成における制振制御の効果を示す図。

【図13】一般的なＡＣサーボモータ制御系を示す図。

【図14】速度制御系内制振制御器を有するＡＣサーボモータ制御系を示す図。

【図15】上位系制御装置とサーボモータ制御装置とからなる構成を示す図。

【図16】比較例についての速度制御系内での制振制御を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明で実現したい、位置指令を生成する上位系制御装置が位置制御器を有し、マイナーループである速度制御系をサーボモータ制御装置が担うような装置構成について、まずは、比較例の説明をする。

【0015】

図１６は比較例を示す図である。図１６に示すように、ノッチフィルタ１６０１を速度制御系内に介在させることで、速度指令から機械端の振動を励起する周波数成分を除去することは可能である。なおノッチフィルタ１６０１のノッチ周波数１６０２は、機械端振動の周波数に一致するように設定する。

【0016】

比較例の場合、ノッチフィルタ１６０１のノッチ周波数周辺の位相遅れ特性が位置制御系の安定余裕を減少させ、機械の共振・反共振特性とは別の周波数で機械端の応答が振動的になってしまう。この現象は機械の共振・反共振特性が低域である程、またタクトタイム向上を狙い位置制御器のゲインを高める程、発生不可避となる。

【0017】

すなわち、セミクローズド構成のモータ制御系において、速度制御系を担うサーボモータ制御装置内で制振制御を行う場合、比較例では、数Ｈｚ～１００Ｈｚ程度の低域での機械端の制振は困難であるという課題がある。

【0018】

以下、実施例について図面を参照しながら説明する。なお各図において、共通な機能を有する構成要素には同一の番号を付与し、その説明を省略する。また、以降「フィードバック」は「ＦＢ」と、「フィードフォワード」は「ＦＦ」と略記する場合がある。略記する場合がある。

【実施例1】

【0019】

図１及び図２は、実施例１の速度制御系内制振制御器４及び速度制御系内制振制御器２１を含んだセミクローズド構成のカスケードフィードバック型モータ制御系を示す図である。

【0020】

図１および図２に示すサーボモータ制御装置３は、上位系制御装置２から速度指令を受取り、上位系制御装置２に対してモータ軸位置応答１５を出力するよう位置制御系に組込まれている。上位系制御装置２は、位置制御系に組み込まれ、位置制御器７を有して、位置指令を生成し、位置指令とサーボモータ制御装置３から受け取ったモータ軸位置応答１５とから、位置制御器７を用いて速度指令を生成する。位置制御器は、位置指令１３とモータ軸位置応答１５を入力し位置操作量（速度指令１４）を出力する。

【0021】

図１のサーボモータ制御装置３は、モータの速度制御系を担い、速度制御器８を有するとともに、速度指令１４とモータ軸位置応答１５とに基づいて位置指令の推定値３４を算出する位置指令推定器５と、位置指令の推定値３４に基づき機械の端部１７が振動しないような実速度指令１６を生成する速度指令生成器６とを有する速度制御系内制振制御器４を有し、実速度指令１６を速度制御器８の指令とする。速度制御器８は実速度指令１６とモータ軸速度応答１５を入力し速度操作量を電流指令として電流制御系９に出力する。
なお以降説明の便宜上、位置・速度算出器１０の出力はモータ軸位置応答１５を意味する場合もあれば、モータ軸速度応答１５を意味する場合もある。

【0022】

図２のサーボモータ制御装置３は、モータの速度制御系を担い、速度制御器８を有するとともに、速度指令１４とモータ軸位置応答１５とに基づいて位置指令の推定値３４を算出する位置指令推定器５と、位置指令の推定値３４に基づき速度指令に含まれる機械の端部１７の振動を励起する周波数成分を抽出し、抽出した周波数成分を出力する並列型制振制御器２３と、加減算器２４とを有する速度制御系内制振制御器２１を有し、加減算器２４は、速度指令１４から並列型制振制御器２３の出力を減算し、機械の端部１７の振動を励起する周波数成分を速度指令１４から除去し、加減算器２４の出力を実速度指令２７として速度制御系内制振制御器２１の出力とし、実速度指令２７を速度制御器８の指令とする。

【0023】

モータ軸に取り付けられた機械の剛性が低い場合、例えば位置決め時間短縮を目的に位置制御器７、速度制御器８の各制御ゲインを高めると、モータに接続された機械の端部(以下、機械端という)１７が、数Ｈｚ～１００Ｈｚの低周波数で振動し、逆に位置決めに時間がかかってしまい、高応答化が難しい場合がある。この際、制振制御を適用することで一般に機械端１７の振動を抑制し、位置決め時間の短縮を図ることが可能である。

【0024】

本実施例は図１及び図２に示すように、モータ制御系が上位系制御装置２とサーボモータ制御装置３とで構成される場合を想定したものである。

【0025】

上位系制御装置２は位置指令１３を生成し、位置制御器７を含み、サーボモータ制御装置３からモータ軸位置応答（モータの回転子の位置を表す応答）１５を受け取り、位置指令１３とモータ軸位置応答１５とに基づき位置制御器７で速度指令１４を生成し、これをサーボモータ制御装置３に出力する。

【0026】

なお位置指令１３は、上位系制御装置２の外部から別の上位装置等から与えられるものであってもよい。

【0027】

サーボモータ制御装置３は速度制御器８、電流制御系９、位置・速度算出器１０、および速度制御系内制振制御器４（もしくは２１）を含み、上位系制御装置２から速度指令１４を受け取り、モータに対して速度制御を行うとともに、モータに取り付けられた位置・速度を把握可能なセンサ（例えばロータリーエンコーダ）からの計測信号に基づき位置・速度算出器１０でモータ軸の位置及び速度を算出し、これをモータ軸位置応答１５、及びモータ軸速度応答１５として、モータ軸位置応答１５を上位系制御装置２に出力する。

【0028】

サーボモータ制御装置３は、図示は省略したがＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する。位置指令推定器５、速度指令生成器６、並列型制振制御器などの各処理部を含む速度制御系内制振制御器２１、速度制御器８、位置・速度算出器１０などは、ＣＰＵがプログラムを読み出してプログラムを実行することで、各処理部の処理が実行される。ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで、各処理部の全部もしくは一部を構成することもできる。また上位系制御装置２はＣＰＵを有し、位置制御器７に対応したプログラムをＣＰＵが実行する。

【0029】

位置指令１３に対してローパスフィルタやノッチフィルタを作用させ、機械端１７の振動を励起する周波数成分を位置指令１３から除去する等により制振制御が実施される。

【0030】

しかしながら機器のリプレースやメンテナンス性、各装置のスペックなどの都合により、位置制御器７で制振制御を実現せず、マイナーループである速度制御系を担うサーボモータ制御装置３内で制振制御を実現したい場合がある。

【0031】

実施例１では、上位系制御装置２の位置制御器７が制振制御を含まず、サーボモータ制御装置３の内部で制振制御を実現することを課題とする。本実施例では速度制御系内制振制御器４（もしくは２１）は、その課題を解決するための制振制御器である。

【0032】

フォードフォワード型の制振制御は位置指令１３から機械端の振動を励起する周波数成分を除去することで成される。

【0033】

これを速度制御系内で実施するには、原理的には以下のステップの処理を行えればよい。
Ｓ１：位置指令の把握・推定。
Ｓ２：把握・推定した位置指令から機械端振動を励起する周波数成分を抽出。
Ｓ３：Ｓ２で抽出した周波数成分を含まない速度指令を生成し、速度制御器の速度指令とする。

【0034】

図３は、図１に対応する速度制御系内制振制御器４の構成例を示す図である。

【0035】

速度制御系内制振制御器３１は、機械端振動を励起する周波数成分を抽出する振動励起成分抽出器３３、位置指令１３の推定する位置指令推定器５、実位置制御器３２、および加減算器３５で構成される。

【0036】

なお説明の簡単のために、位置指令推定器５は位置指令１３を正しく推定できるものとしておく。

【0037】

位置指令推定器５で算出した位置指令推定値３４（Ｓ１を実施）から振動励起成分抽出器３３の出力（Ｓ２を実施）を加減算器３５で除して得られた、機械端振動を励起する周波数成分を含まない位置指令３６とモータ軸位置応答１５に基づき、実位置制御器３２は速度指令３７を生成する（Ｓ３を実施）。

【0038】

これにより図３に示す速度制御系内制振制御器３１は、上記のＳ１～Ｓ３を実施でき、機械端を制振することができる。

【0039】

なお振動励起成分抽出器３３は、位置指令推定値３４から機械端振動を励起する周波数成分を位相遅れなく抽出できるフィルタであり、その一例としてはラインエンハンサ（ＬＥ）に相当する次式が挙げられる。

【0040】

【数1】

【0041】

但し、Ｗは抽出幅、Ｌは抽出パワーレベルを担うパラメータで、ωｎは抽出する周波数［ｒａｄ／ｓ］である。Ｗ＝１、Ｌ＝０．１、ωｎ＝２π×１０とした際の式（１）の周波数特性を図４に示す。周波数ωｎにおいて振幅がピークを迎え、位相遅れが０となる点が特徴である。

【0042】

速度制御系内制振制御器３１においては、実位置制御器３２が位置制御を行い、上位系制御装置２に含まれる位置制御器７は本質的には位置制御を担わない。したがって、位置制御器７の制御ゲインと実位置制御器３２の制御ゲインは必ずしも一致している必要はない。

【0043】

さらには、実位置制御器３２は位置制御器７と異なる構成の制御器であっても構わない。例えば、位置制御器７がＰＩＤ制御器で、実位置制御器３２はＰ制御器、というような場合である。

【0044】

速度制御系内制振制御器３１は実位置制御器３２の設計自由度がある一方で位置制御器７に加えて別途実位置制御器３２が必要となる点に注意する。

【0045】

図５は、図２に対応するＦＦ型の制振制御の構成を示す図である。

【0046】

図５の速度制御系内制振制御器５１は、機械端振動を励起する周波数成分を抽出する振動励起成分抽出器５２、位置指令１３を推定する位置指令推定器５、単位変換器５３、および加減算器５４で構成される。

【0047】

なお説明の簡単のために、位置指令推定器５は位置指令１３を正しく推定できるものとしておく。

【0048】

速度制御系内制振制御器５１は、位置指令推定器５で算出した位置指令推定値５５（Ｓ１に対応）に基づき振動励起成分抽出器５２で機械端振動を励起する周波数成分を位相遅れなく抽出し（Ｓ２に対応）、単位変換器５３で振動励起成分抽出器３３から得た信号を速度の単位に変換し、単位変換器５３の出力５６を速度指令１４から加減算器５４で除去した信号を速度制御器８の速度指令として実速度指令５７とする（Ｓ３に対応）。

【0049】

これにより、図５に示す速度制御系内制振制御器５１は、前述のＳ１～Ｓ３を実施でき、機械端を制振することができる。

【0050】

振動励起成分抽出器５２の一例は、式（１）に示したＬＥである。単位変換器５３の一例は、上位系制御装置２に含まれる位置制御器７である。
位置制御器７は位置指令１３や、位置指令１３とモータ軸位置応答１５との偏差に基づき速度指令を生成する役割を担う。したがって速度制御系内制振制御器５１においては、位置制御器７は単位変換器５３の役割を担うことが可能である。
位置指令推定器５の一例は、次式である。

【0051】

【数2】

【0052】

但し、ｒｅは位置指令推定値５５を示し、ｓｒは速度指令１４を示し、ｙｐはモータ軸位置応答１５を示す。Ｆｐは、位置制御器７の逆特性に一致する推定フィルタである。例えば位置制御器７がＰ制御器ならば、ＦｐはＰ制御器の逆特性、すなわちＰゲインの逆数となる。

【0053】

図５に示した速度制御系内制振制御器５１は、モータ端位置応答に基づくＦＢ型の制振制御ではなく、指令をＦＦ的に加工するＦＦ型の制振制御であり、位置指令１３にノッチフィルタを適用し制振制御を行う役割を担うものである。

【0054】

したがって、ノッチフィルタで制振制御を行う場合と同様に、実速度指令５７は速度指令１４と比較して、立ち上がりが遅れる傾向となり、モータ軸位置応答１５は、実速度指令５７に対して更に遅れたものとなる。このような応答遅れを位置制御器７の制御ゲインを高める以外の方法で改善する手段を備えた構成を図６に示す。

【0055】

図６は、図２に示す基本構成に対応するＦＦ制御器を含む構成例を示す図である。

【0056】

図６に記載の振動励起成分抽出器５２および単位変換器５３は、図５に記載のものと同機能とする。図６の構成は図５と比較して、並列型制振制御器２３に対して加減算器６４、加減算器６５及びＦＦ制御器６２が追加されたものである。

【0057】

並列型制振制御器２３は、位置指令推定値５５から振動励起成分抽出器５２が機械端振動を励起する周波数成分を抽出し、その抽出した機械端振動を励起する周波数成分を加減算器６５に出力する。加減算器６５は、位置指令推定値５５から振動励起成分抽出器５２の出力を減算する。加減算器６５からの信号６７は、スカラな調整ゲインを有する微分要素であるＦＦ制御器６２で処理され、ＦＦ制御器６２の出力６８を単位変換器５３の出力から加減算器６４で減算することで、出力信号６３を算出する。出力信号６３は加減算器５４にて速度指令１４から減算され、加減算器５４の出力信号６６は、速度制御系内制振制御器６１の出力であるとともに、速度制御器８の速度指令として速度制御器８に出力される。

【0058】

モータ制御における位置制御系の制御対象は、理想的には積分器である。したがってＦＦ制御器６２は基本的にはスカラな調整ゲインを有する微分要素、とすればよい。

【0059】

図６の構成において、信号６７は位置指令推定値５５から機械端の振動を励起する周波数成分を除去した位置指令を意味し、これに対してＦＦ制御器６２を用いることで、制振効果を伴いつつＦＦ制御で応答特性を早める効果を得ることができる。

【0060】

なお、ＦＦ制御器６２の構成には自由度があり、例えば図７に示すような一般的なモデルマッチング２自由度制御構成となるようにＦＦ制御器６２を構成することも可能である。

【0061】

なお図７に示す一般的なモデルマッチング２自由度制御では、制御対象の応答７６が、指令７４を規範モデル７１で処理し得られた規範応答７５となるようにＦＦ制御器７３が構成され、ＦＢ制御器７２は規範応答７５と制御対象の応答７６との偏差を抑制するように構成される。この場合のＦＦ制御器７３は基本的には規範モデル７１×制御対象の伝達関数の逆特性、で構成すればよい。

【0062】

図６の構成によれば、位置制御器７の制御ゲインを高める以外に、並列型制振制御器２３に設けられたＦＦ制御器６２により、応答性を改善することが可能である。

【0063】

なお、図５及び図６のモータ制御系においては、速度制御系内制振制御器２１（もしくは５１、６１）の位置指令推定器５を介したＦＢループが存在するが、制御対象に加わる外乱を抑制する、もしくは制御対象に加わる外乱に起因して発生する機械端の振動を抑制するような効果はない点に注意する。これは並列型制振制御器２３がＦＦ型の制振制御として機能するためである。

【0064】

また位置指令推定器５は制御対象に外乱が加わり、モータ軸位置応答１５に外乱の影響が重畳する場合でも、図５及び図６において位置指令推定器５より左側の処理系に外乱が加わらない限りは、モータ軸位置応答１５に重畳する外乱影響の有無によらず位置指令１３を推定できる点に注意する。

【0065】

実用に際しては、上位系制御装置２とサーボモータ制御装置３との通信遅延や、各処理での量子化誤差等が外乱要素として想定されるが、それらが十分微小であれば問題は生じない。

【0066】

上述のように、図５、図６に示したようなＦＦ型の制振制御では、外乱起因で生ずる機械端の振動を抑制できない。

【0067】

図８は、外乱起因で生ずる機械端の振動も抑制可能な、ＦＢ型の制振制御を実行する場合の構成を示す図である。具体的には、並列型制振制御器８２は、モータ軸位置応答１５を介して外乱の影響を把握し、外乱起因の機械端振動を抑制するようにＦＢ型の制振制御を実行する。

【0068】

図８に示す並列型制振制御器８２は、位置指令推定器５の出力とモータ軸位置応答１５とに基づき機械の端部１７の振動成分の逆相成分を算出し、逆相成分を並列型制振制御器８２の出力とする。速度制御系内制振制御器８１の加減算器８３は速度指令１４から逆相成分を減算し、減算結果を、実速度指令８４として速度制御器８へ出力する。

【0069】

図９は、図８に示す並列型制振制御器８２の一例を示す図である。図９は、図５に示した並列型制振制御器２３に対して、規範応答モデル９１、機械端振動特性モデル９２と、加減算器６４、加減算器６５、および加減算器９８、単位変換器９４が追加された構成である。

【0070】

図９に示すように、並列型制振制御器８２は、位置制御系の応答が位置指令に対して振動的でなく所望の応答となることを規定した規範応答モデル９１と、モータ軸から機械端までの伝達特性を意味する機械端振動特性モデル９２と、第３の加減算器９８と、入力された信号の単位を速度の次元に変換する単位変換器９４とを有し、位置指令推定器５の出力を規範応答モデル９１で処理した信号からモータ軸位置応答１５を機械端振動特性モデル９２で処理した信号を、第３の加減算器９８で除去し、第３の加減算器９８の出力信号を単位変換器９４が処理した信号を機械端の振動成分の逆相成分として出力し、速度指令に含まれる機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出した信号を第６の加減算器（６４、５４）で除去するとともに、速度指令１４から逆相成分を第６の加減算器（６４、５４）で除去し、第６の加減算器（６４、５４）の出力を実速度指令９７として速度制御系内制振制御器８１の出力とする。

【0071】

ＦＢ型の制振制御は一般に、機械端の振動の逆相を速度指令１４から減ずることで実現できる。規範応答モデル９１、および機械端振動特性モデル９２は機械端の振動の逆相を算出するためのものである。

【0072】

規範応答モデル９１は、位置制御系の応答が位置指令に対して振動的でなく所望の応答となることを規定したモデルで、例えば次式である。

【0073】

【数3】

【0074】

但し、ωｆは位置制御系の応答周波数［ｒａｄ／ｓ］である。
他方、機械端振動特性モデル９２はモータ軸から機械端までの伝達特性を意味するもので、制御対象機械を２慣性系と見なせる場合は、次式である。

【0075】

【数4】

【0076】

但し、ωａ及びζａは各々２慣性系の反共振周波数［ｒａｄ／ｓ］及び反共振減衰係数である。

【0077】

図９に示すように、機械端振動特性モデル９２により機械端の応答を推定でき、機械端応答の推定値を推定機械端信号９９として得ることができる。他方、規範応答モデル９１により、機械端振動の無い理想的な位置制御系の応答を理想応答信号９３として算出できる。

【0078】

理想応答信号９３から推定機械端信号９９を加減算器９８で減ずることで、機械端の応答に重畳した機械端振動の逆相成分を抽出できる。これに対して、単位変換器９４を作用させ単位を速度の次元に変換し、速度の次元の逆相成分を信号９５として算出する。

【0079】

信号９５を加減算器６４で加算し、加減算器５４で、速度指令１４から機械端１７の振動の逆相を減ずることができ、ＦＢ型の制振制御を実現できる。

【0080】

図２、図５、図６、図８および図９の構成では、位置指令推定器５は式（２）によるもの、としたが、位置指令推定器は位置指令の推定値に対して所定のフィルタで写像した信号としてもよい。

【0081】

例えば、所定のフィルタを単位変換器とする場合、演算処理を簡素化できる優位性がある。単位変換器の一例は前述のように、位置制御器７でありＦｐの逆特性である。したがって、式（２）の両辺をＦｐの逆特性で処理すると、式（５）が得られる。

【0082】

【数5】

【0083】

ただし、ｒｅｐは位置指令の推定値ｒｅに対して所定のフィルタ（Ｆｐの逆特性）を用いて写像した信号、である。位置指令推定器１００１の出力信号１００２は式（５）のｒｅｐである。

【0084】

図１０の構成は、図９の構成に対して、式（５）で示した位置指令推定器１００１を採用した場合である。

【0085】

位置指令推定器１００１は、上位系制御装置２が生成した位置指令を所定のフィルタで写像した信号を推定対象とし、位置指令を所定のフィルタで写像した信号の推定値を出力する。

【0086】

このような位置指令推定器１００１を用いた場合、図１０に示すように、並列型制振制御器２３に単位変換器を有する必要がなくなる。また図１０において、機械端振動特性モデル９２の入力信号１００３は、位置指令推定器１００１内で式（５）に基づき算出される、式（５）の右辺第２項のｙｐ／Ｆｐである。モータ軸位置応答をｙｐ、位置制御器７の逆特性に一致する推定フィルタをＦｐとして、ｙｐ／Ｆｐは位置指令推定器１００１から信号１００３として得られるものとする。

【0087】

図９の構成と図１０を比較すると、図１０は各所に単位変換器を設ける必要がないため、処理を簡素化できる利点を有する。

【0088】

図２、図８の構成では、速度制御系内制振制御器は機械端の制振のために速度指令１４を加工したが、図１１に示すようにモータ軸位置応答１５を加工することでも機械端の制振を実現できる。

【0089】

図１１において、並列型制振制御器１１０１は、速度指令１４に含まれる機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出する振動励起成分抽出器５２と抽出した周波数成分を処理する所定フィルタ１１０２とから成る。並列型制振制御器１１０１の出力信号１１０５は、加減算器１１０７にてモータ軸位置応答１５に対して加算され、加減算器１１０７の出力信号１１０６が速度制御系内制振制御器１１０８の出力であるとともに、実モータ軸位置応答１１０６として、上位系制御装置２に出力される。

【0090】

振動励起成分抽出器５２が式（１）のＬＥである場合、図１１の所定フィルタ１１０２は次式であればよい。

【0091】

【数6】

【0092】

所定フィルタを式（６）とすると、位置ＦＢループを介して、位置指令１３から機械端の振動を励起する周波数成分を除去する、ＦＦ型の制振制御の効果が得られる。したがって、図１１に示すモータ軸位置応答１５を加工するような速度制御系内制振制御器１１０８であっても、機械端の振動を抑制する、制振制御を実現できる。

【0093】

図１２は、図５に記載の構成における、機械端の制振制御の効果を示す。図１２の縦軸は機械端の位置応答（rad）を表し、横軸は時間（ｓ）を表す。
位置指令１２０１に対して、一切の制振制御を適用しない場合の機械端位置応答１２０２は、立ち上がりから振動的であり、整定する０．２［ｓｅｃ］以降も振動が顕著である。

【0094】

他方、図５に記載の本実施例の制振制御における制振機械端位置応答１２０３では、立ち上がりから機械端振動が抑制され、整定する０．２［ｓｅｃ］以降も振動を抑制できている。したがって図１２から本実施例の制振制御は十分に有効であることが把握される。

【0095】

本実施例によれば、セミクローズド構成のモータ制御系において、上位系制御装置が位置制御器を有し、機械端制振を目的とした位置指令の加工を上位系制御装置内で行うことなく、速度制御系を担うモータサーボ制御装置内で制振制御を実現するモータ制御装置を得ることができる。それにより制御系の応答を高めタクトタイム向上できる。

【0096】

なお本実施例では、制御対象機械が２慣性系の場合を想定したが、３慣性系、もしくはそれ以上の多慣性系であってもよい。これには並列型制振制御を拡張することで対応可能である。

【0097】

また並列型制振制御器は、ＦＦ型の制振制御と、ＦＢ型の制振制御とを任意に組み合わせた構成であってもよい。図５、図６、図９に記載の並列型制振制御器を基にＦＦ型の制振制御と、ＦＢ型の制振制御とを組み合わせて実現可能である。

【実施例2】

【0098】

実施例２のモータ制御装置は、図１３に示すような、上位系制御装置２とサーボモータ制御装置３で構成されるＡＣサーボモータのカスケード位置ＦＢ制御系への適用を想定した場合である。

【0099】

実施例１に示した速度制御系内制振制御器２１を図１３に適用した場合が図１４である。

【0100】

図１４のＡＣサーボモータのカスケード位置ＦＢ制御系は、加減算器１３１２および加減算器１３１４、位置制御器１３１５、速度制御器１３２、電流制御器１３３、d-q座標系から３相座標系へ座標変換する第１の座標変換器１３４、３相座標系からd-q座標系へ座標変換する第２の座標変換器１３１０、３相電圧指令を入力してＰＷＭパルスを出力するＰＷＭ出力器１３５、スイッチング素子を有するインバータ（電力変換器）１３６、電流検出器１３８、位置・速度算出器１３１１、速度制御系内制振制御器２１、モータの回転数を計測するエンコーダ１３９、モータ１３７、モータに駆動される機械１３１３を備える。

【0101】

速度制御系内制振制御器２１はエンコーダ１３９の出力から位置・速度算出器１３１１で算出されたモータ軸位置応答および位置制御器１３１５からの位置操作量を入力し、位置制御器１３１５にモータ軸位置応答を出力し、速度制御器１３２に速度指令を出力する。

【0102】

モータの電気回路部分を電流制御器１３３が制御し、この制御周期が速度制御器１３２より速い前提においては速度制御系において、電流制御系は近似的に１（速度制御器１３２の操作量がモータ１３７の機械部分（ロータ）に直達される）にみなされる。

【0103】

したがって速度制御器１３２の制御対象は、モータ１３７の機械部分（ロータ）とモータロータに結合された機械１３１３であり、これが図１におけるＦＢ制御器の制御対象に相当する。

【0104】

また速度制御器１３２の制御周期は、位置制御器１３１５の制御周期より早い速い前提においては、位置制御系において、速度制御系は近似的に１に見なされる。

【0105】

速度制御系内制振制御器２１は、速度制御系内のその前段に位置し、上位系制御装置２の出力である速度指令を加工し、速度制御器１３２への指令を生成するものである。

【0106】

機械１３１３の慣性数は１とし、機械１３１３とモータロータが弾性結合されている場合は、制御対象は機械１３１３とモータロータがバネ・ダンパで結合された２慣性系とみなすことができ、制御対象は１組の共振・反共振特性を含む周波数特性を有するものとなる。

【0107】

また、機械１３１３の慣性数が２で各慣性はバネ・ダンパで結合され、その一方がモータロータに対して弾性結合されている場合は、制御対象は各慣性がバネ・ダンパで結合された３慣性系とみなすことができ、２組の共振・反共振特性を含む周波数特性を有するものとなる。

【0108】

機械１３１３は剛性が低く、数Ｈｚ～１００Ｈｚ程度の低域で共振・反共振特性を有するものとする。

【0109】

まず速度制御系内制振制御器２１を含まない状態の図１３を考える。位置制御器１３１５の制御ゲインを高め、位置指令からモータ１３７のモータ軸位置応答までを高応答に制御し、機械１３１３の共振・反共振特性起因の振動を抑制する設定とすると、機械１３１３の剛性が低いため、機械１３１３の端部は振動的になる。

【0110】

他方、図１４のように、速度制御系内制振制御器２１を含む場合は実施例１で説明したように機械端の制振効果を発揮でき、例えば図１２に示したように十分な制振効果を得ることができる。

【0111】

したがって本実施例によれば、セミクローズド構成のＡＣサーボモータ制御系において、上位系制御装置が位置制御器を有し、機械端制振を目的とした位置指令の加工を上位系制御装置内で行うことなく、速度制御系を担うモータサーボ制御装置内で制振制御を実現する手段を備えたモータ制御装置の提供が可能である。

【0112】

なお、ＡＣサーボモータ制御以外にも、ＤＣモータ制御においても速度・位置制御器によるカスケード制御構成となるので、本実施例によれば速度制御系内制振制御器２１を速度制御器の前段に介在させることで、速度制御系内で機械端の制振を実現できる。

【0113】

上記の実施例は、モータ制御装置以外にも、例えば半導体検査装置、電気自動車の主モータ制御装置、電動パワーステアリング等にも適用可能である。

【符号の説明】

【0114】

２…上位系制御装置、３…サーボモータ制御装置、５…位置指令推定器、１０…位置・速度算出器、１３…位置指令、１４…速度指令、１５…モータ軸位置応答、２１…速度制御系内制振制御器、２３…並列型制振制御器、５２…振動励起成分抽出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】