(57)【要約】【課題】バックラッシュ区間において適切なトルクを出力することにより、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善する。【解決手段】インバータに接続された電動機によってギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系のバックラッシュ制御装置であって、トルク指令Ｔ*に対して、バックラッシュ区間内でトルクを加速させるための加速トルクを加算する加速トルクスイッチ２３と、バックラッシュ区間を抜ける方向と逆方向のトルク成分を打ち消すための摩擦補償トルクを加算する摩擦補償スイッチ２６を設け、演算部２４の、前記電動機駆動系を表現した内部モデルで推定演算した推定ねじり角θBL＾、推定ねじり角速度ωBL＾、トルク指令Ｔ*に基いて、判定部２２のスイッチ用フローチャートに沿ってバックラッシュ区間を判定し、前記スイッチ２３、２６のＯＮ，ＯＦＦを決定してバックラッシュ考慮トルク指令Ｔ**を出力する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータに接続された電動機によって、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置であって、
バックラッシュ区間を判定する手段を有し、設定された速度指令に対応するトルク指令が入力され、バックラッシュ区間内でトルクを加速させるための加速トルクを生成する処理、又はバックラッシュ区間を抜ける方向と逆方向のトルク成分を打ち消すための摩擦補償トルク加算処理の、少なくともいずれか一方を実施してバックラッシュ考慮トルク指令を演算するバックラッシュ制御部を備え、
前記演算されたバックラッシュ考慮トルク指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴とする電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項２】
前記バックラッシュ制御部は、
前記加速トルクを生成する処理の実施が決定されたときに加速トルクを生成する加速トルク生成部と、
バックラッシュ区間における電動機−ギア間のモータ軸とギア−負荷間の負荷軸とのねじり角に対する負荷トルクの関係を、不感帯を備えて設定したバックラッシュブロックを境とし、電動機側ブロック、バックラッシュブロック、負荷側ブロックに分けて前記電動機駆動系を表現した内部モデルを有し、前記内部モデルによって、前記加速トルク生成部の出力トルクから、推定モータ角速度を演算し、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角又は推定負荷トルクを演算して出力する演算部と、
前記摩擦補償トルク加算処理の実施が決定されたときに、前記加速トルク生成部の出力トルクに対して摩擦補償トルクを加算する摩擦補償トルク加算部と、
前記演算部で演算されたモータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角または推定負荷トルクと、モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記速度指令に対応するトルク指令とを入力とし、バックラッシュ区間であるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて、前記加速トルク生成部における加速トルクを生成する処理の実施、不実施の決定、前記摩擦補償トルク加算部における摩擦補償トルク加算処理の実施、不実施の決定を行う判定部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項３】
前記加速トルク生成部は、入力されたトルク指令に対して上限、下限の制限をかけるリミッタを有していることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項４】
前記加速トルク生成部は、前記内部モデルで演算された推定ねじり角速度が、設定した速度指令となるように速度制御するバックラッシュ速度制御部を有していることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項５】
前記内部モデルは、前記電動機の角速度を検出した検出モータ角速度と前記演算された推定モータ角速度との偏差をとり、その偏差分が零となるように内部モデルにフィードバックする外乱補償系を有していることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項６】
前記判定部は、
前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角が前記ギアのバックラッシュ位相範囲内であるか、又は推定負荷トルクが零付近であるとき、バックラッシュ区間であると判定し、それ以外はバックラッシュ区間でないと判定する第１の判定処理と、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間であると判定された場合に、前記速度指令に対応するトルク指令が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第２の判定処理と、
前記第２の判定処理により不感帯内でないと判定された場合に、推定ねじり角速度が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第３の判定処理とを行い、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間でないと判定された場合と、第２の判定処理によりトルク指令が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の不実施および摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施を決定し、摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内でないと判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施および摩擦補償トルク加算処理の実施を決定することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置を実行することを特徴とする電動機駆動系におけるバックラッシュ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機がギアを介して負荷を駆動するシステムにおける、応答性及び衝撃抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリもしくは交流電源とレクティファイア（ダイオード整流器、ＰＷＭコンバータ、１２０°通流コンバータなど）の組み合わせからなる直流電圧を生じる機構、直流電圧を交流電圧に変換しモータ（電動機）に印加するインバータ、ギアを介して負荷を回転させるモータ、などから構成される駆動系を考える。ここでインバータは、アクセルや操作盤の操作によって生成されるトルク指令に基づいて、モータが適正なトルクで運転できるような振幅・周波数の交流電圧を生成してモータへ印加するものとする。このような駆動系をもつシステムには例えばエレベータ、工作機械といったものがある。
【０００３】
ところで、ギアをもつ駆動系にはバックラッシュが存在し、バックラッシュ区間内では駆動系の負荷側にモータ側のトルクが伝達されないため、制御の応答性低下や不安定化などの影響を及ぼすことがある。またその影響を避けるためにバックラッシュ区間で高速に歯車を回しバックラッシュ区間を短く終えようとすると、バックラッシュ終了時、つまり歯車が当たるときに歯車同士の相対速度によっては衝撃が大きくなり、音を生じる恐れがある。このような衝撃音は、システムの使用者に不快感、不安感を与える恐れがあり、好ましくない。
【０００４】
これらのようなバックラッシュのもたらす影響に関して、従来、例えば特許文献１の舵取装置、特許文献２の作業機械では、バックラッシュ区間のみフィードバック制御のゲインを下げることでバックラッシュ区間の制御安定性に関して対策している。
【０００５】
他にも、特許文献３のエレベータにおける歯が接触しない歯車、特許文献４の車両における複数の加速度センサのように特別な構造を用いて衝撃や制御応答性の対策をする場合もある。
【０００６】
また、特許文献５の工作機械ではバックラッシュ区間における不安定なトルク成分を吸収する運転を行い、制御安定性を向上している。
【０００７】
さらに、特許文献６の車両、特許文献７の成形機、特許文献８のエレベータ、の制御のように、バックラッシュに入ることが既知の運転について、バックラッシュ区間内の制御をあらかじめ決められたパターンに沿って行い、制御応答性と衝撃の緩和の両者への対策を行う方法も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３５８９８５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１０４６２号公報
【特許文献３】特開平１−１２０４５７号公報
【特許文献４】特開２０１２−３０７４５号公報
【特許文献５】特開平１０−２５４５４８号公報
【特許文献６】特開２０１３−１８３５０４号公報
【特許文献７】特開２００３−７１８９５号公報
【特許文献８】特開平１１−１１６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１、特許文献２のようにゲインを下げる方法では、速度センサを必要としている。また、バックラッシュ区間内では、例えば始めのうちはよく加速し、そののちに歯車の当たる衝撃を抑制するために適度に減速する運転法が応答性と衝撃抑制の両立の観点から優れるが、これらの制御では安定性を重視しており、バックラッシュ区間内の細かな応答性、衝撃を調整するような運転は考慮していない。
【００１０】
また、特許文献３、特許文献４のように特別な構造を用いる方法は駆動系に構造上の工夫をなす必要があり、設計コストの上昇をもたらす。
【００１１】
また、特許文献５のように振動成分を考慮する方式は振動成分を得るための繰り返しのテスト運転を必要とし、応答性、歯車が当たる衝撃の議論もなされていない。
【００１２】
また、特許文献６、特許文献７、特許文献８のようにあらかじめ決められた制御を行う方式は、上記のように始めのうちによく加速し、のちに適切に減速するという衝撃を抑制しつつ応答性も高い運転を表現可能であるが、テーブルの作成コストが生じるという問題をもつ。また、テーブルであるがゆえに個体ごとのパラメータ誤差、及び外乱への対応が難しいという問題を持つ。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、バックラッシュ区間において適切なトルクを出力することにより、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善することができる電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置、制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するための請求項１に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、
インバータに接続された電動機によって、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置であって、
バックラッシュ区間を判定する手段を有し、設定された速度指令に対応するトルク指令が入力され、バックラッシュ区間内でトルクを加速させるための加速トルクを生成する処理、又はバックラッシュ区間を抜ける方向と逆方向のトルク成分を打ち消すための摩擦補償トルク加算処理の、少なくともいずれか一方を実施してバックラッシュ考慮トルク指令を演算するバックラッシュ制御部を備え、
前記演算されたバックラッシュ考慮トルク指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴としている。
【００１５】
請求項２に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項１において、
前記バックラッシュ制御部は、
前記加速トルクを生成する処理の実施が決定されたときに加速トルクを生成する加速トルク生成部と、
バックラッシュ区間における電動機−ギア間のモータ軸とギア−負荷間の負荷軸とのねじり角に対する負荷トルクの関係を、不感帯を備えて設定したバックラッシュブロックを境とし、電動機側ブロック、バックラッシュブロック、負荷側ブロックに分けて前記電動機駆動系を表現した内部モデルを有し、前記内部モデルによって、前記加速トルク生成部の出力トルクから、推定モータ角速度を演算し、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角又は推定負荷トルクを演算して出力する演算部と、
前記摩擦補償トルク加算処理の実施が決定されたときに、前記加速トルク生成部の出力トルクに対して摩擦補償トルクを加算する摩擦補償トルク加算部と、
前記演算部で演算されたモータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角または推定負荷トルクと、モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記速度指令に対応するトルク指令とを入力とし、バックラッシュ区間であるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて、前記加速トルク生成部における加速トルクを生成する処理の実施、不実施の決定、前記摩擦補償トルク加算部における摩擦補償トルク加算処理の実施、不実施の決定を行う判定部と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項２において、
前記加速トルク生成部は、入力されたトルク指令に対して上限、下限の制限をかけるリミッタを有していることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項２において、
前記加速トルク生成部は、前記内部モデルで演算された推定ねじり角速度が、設定した速度指令となるように速度制御するバックラッシュ速度制御部を有していることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項２から４のいずれか１項において、
前記内部モデルは、前記電動機の角速度を検出した検出モータ角速度と前記演算された推定モータ角速度との偏差をとり、その偏差分が零となるように内部モデルにフィードバックする外乱補償系を有していることを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項２から５のいずれか１項において、
前記判定部は、
前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角が前記ギアのバックラッシュ位相範囲内であるか、又は推定負荷トルクが零付近であるとき、バックラッシュ区間であると判定し、それ以外はバックラッシュ区間でないと判定する第１の判定処理と、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間であると判定された場合に、前記速度指令に対応するトルク指令が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第２の判定処理と、
前記第２の判定処理により不感帯内でないと判定された場合に、推定ねじり角速度が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第３の判定処理とを行い、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間でないと判定された場合と、第２の判定処理によりトルク指令が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の不実施および摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施を決定し、摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内でないと判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施および摩擦補償トルク加算処理の実施を決定することを特徴としている。
【００２０】
請求項７に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御方法は、
請求項１から６のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置を実行することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
（１）請求項１〜７に記載の発明によれば、バックラッシュ区間において適切なトルクを出力することにより、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善することができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、バックラッシュを抜けた際のギアの衝突音の発生を抑制しつつ、応答性の低下を防ぐことができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、トルク上限を超えることのないバックラッシュ考慮トルク指令に基いて制御を行うことができる。
（４）請求項４に記載の発明によれば、モータ軸の負荷軸に対するねじり角速度を適切に制御するトルクを加速トルクとしたので、パラメータ誤差の影響を受けにくく、バックラッシュ区間の制御性能が向上する。
（５）請求項５に記載の発明によれば、外乱により、電動機駆動系を表現した内部モデルと実際の電動機駆動系との間で誤差が生じても、その誤差による影響を抑制することができる。
（６）請求項６に記載の発明によれば、バックラッシュ制御部の出力（バックラッシュ考慮トルク指令）のチャタリング発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態例における電動機駆動系の構成を表し、（ａ）はモータと負荷の接続構成図、（ｂ）は制御の構成図。
【図２】本発明の実施例１におけるバックラッシュ制御のシステム構成図。
【図３】本発明の実施例１における内部モデルのシステム構成図。
【図４】本発明の実施形態例における要部のフローチャート。
【図５】本発明の実施例２におけるバックラッシュ制御のシステム構成図。
【図６】本発明の実施例２における内部モデルのシステム構成図。
【図７】本発明の実施例３におけるバックラッシュ制御のシステム構成図。
【図８】本発明の実施例３におけるバックラッシュ速度制御のシステム構成図。
【図９】本発明の実施例４におけるバックラッシュ制御のシステム構成図。
【図１０】バックラッシュ区間における摩擦補償の効果を表し、（ａ）はねじり角θBLのグラフ、（ｂ）はねじり角速度ωBLのグラフ。
【図１１】バックラッシュ区間における加速トルクの効果を表し、（ａ）はねじり角θBLのグラフ、（ｂ）はねじり角速度ωBLのグラフ。
【図１２】バックラッシュ区間における外乱補償の効果を表し、（ａ）はねじり角θBLのグラフ、（ｂ）はねじり角速度ωBLのグラフ、（ｃ）は外乱補償無しのねじり角比較のグラフ、（ｄ）は外乱補償有りのねじり角比較のグラフ。
【図１３】バックラッシュ区間におけるバックラッシュ速度制御の効果を表し、（ａ）はねじり角θBLのグラフ、（ｂ）はねじり角速度ωBLのグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。
【００２４】
以下では、「バックラッシュ」を「ＢＬ」と略記することがある。  
【実施例１】
【００２５】
図１に実施例１における駆動系のシステム構成図を示す。図１（ａ）の接続構成図は、モータ（電動機）１がギア３を介して負荷５を回転させる駆動系を表し、２はモータ１−ギア３間のモータ軸、４はギア３−負荷５間の負荷軸を示している。負荷軸４に対するモータ軸２の相対的な角速度（ねじり角速度）をωBL（この際２軸の角速度にギア比を考慮する）とし、２つの軸のねじり角をθBLとしている。バックラッシュ区間内ではωBLはバックラッシュを歯車（ギア３）が通過する角速度である。図１（ａ）を以降では「プラント」と称することもある。
【００２６】
図１（ｂ）の制御システムではアクセル踏込量や操作盤操作量など駆動系の形態に応じて発生、調節される速度指令ω*が入力される。速度指令ω*は速度制御部１１へと入力され、速度制御部１１からは適切に目標の速度へ到達するためのトルク指令Ｔ*が出力される。速度制御について、図１（ｂ）では速度に関するセンサを設けていないが速度センサレスであることは必須事項ではなく、センサで検出したモータ位相、ひいては位相を用いて計算されるモータ速度に基づいてトルク指令Ｔ*を決めてもよい。
【００２７】
速度制御部１１から出力されたトルク指令Ｔ*はバックラッシュ制御部１２に入力され、バックラッシュ制御部１２ではバックラッシュの存在を考慮したＢＬ考慮トルク指令Ｔ**を演算する。バックラッシュ制御部１２から出力されたＢＬ考慮トルク指令Ｔ**は、電流制御部１３に入力される。電流制御部１３はモータ１の電流を検出した検出電流に基づいて目標のトルクを出力するための電圧指令を演算し、その電圧を実現するためのゲート信号を出力してインバータ１４を適切に制御する。インバータ１４は三相交流電圧をモータ１に印加し、モータ１では電磁誘導によってモータトルクＴMが生じる。
【００２８】
図２に実施例１におけるバックラッシュ制御部１２のシステム構成図を示す。バックラッシュ制御部１２には速度制御部１１からのトルク指令Ｔ*が入力される。入力されたトルク指令Ｔ*は３つに分岐し、一方では特に演算はせず、もう一方ではリミッタ２１を経てリミットトルク指令Ｔlimとなり、残りの一つは、後述の図４に示す、加速トルクスイッチと摩擦補償スイッチのＯＮ／ＯＦＦを決めるためのスイッチ用フローチャートを備え、バックラッシュ区間の判定を行い、加速トルクを生成する処理又は摩擦補償トルク加算処理のいずれを実施するかを決定する判定部２２へ入力される。
【００２９】
２３は、判定部２２で決定されたＯＮ／ＯＦＦ制御信号により制御される加速トルクスイッチであり、ＯＮ制御時はリミットトルク指令Ｔlimが、ＯＦＦ制御時はトルク指令Ｔ*が各々選択され、その出力は制御内モータトルクＴMcとして以降の処理に用いられる。これらリミッタ２１および加速トルクスイッチ２３によって本発明の加速トルク生成部を構成している。
【００３０】
２４は、図１（ａ）の駆動系を表現した後述の図３の内部モデルを有した演算部であり、加速トルクスイッチ２３の出力である制御内モータトルクＴMcを入力とし、推定ねじり角θBL＾、推定ねじり角速度ωBL＾を演算して判定部２２に出力する。
【００３１】
前記制御内モータトルクＴMcは加算器２５および摩擦補償スイッチ２６にも分岐して入力され、加算器２５は、摩擦補償トルク設定部２７の摩擦補償トルクと制御内モータトルクＴMcを加算して摩擦考慮トルク指令Ｔfを出力する。
【００３２】
摩擦補償スイッチ２６は、判定部２２で決定されたＯＮ／ＯＦＦ制御信号により制御され、ＯＮ制御時は摩擦考慮トルク指令Ｔfが選択され、ＯＦＦ制御時は制御内モータトルクＴMcが選択され、その出力はバックラッシュ制御部１２の出力であるＢＬ考慮トルク指令Ｔ**となる。これら加算器２５、摩擦補償スイッチ２６、摩擦補償トルク設定部２７によって、本発明の摩擦補償トルク加算部を構成している。
【００３３】
尚、図２、図４、図５、図７、図９では、「加速トルクスイッチ」を「加速スイッチ」に、「摩擦補償スイッチ」を「摩擦スイッチ」に各々略して表記している。
【００３４】
図３に実施例１における演算部２４が有する内部モデルのシステム構成図を示す。各ブロックは図１（ａ）の駆動系の運動方程式、剛性、摩擦等に基づいて配置されている。
【００３５】
図３において減算器３１は、入力された制御内モータトルクＴMcから、後述の推定負荷トルクＴL＾を除算器３３ｂのギア比ｇｒで除算したトルクを減算する。
【００３６】
減算器３１の減算出力には、関数乗算器３２のモータトルクからモータ角速度までの伝達関数ＧωM（ｓ）が乗算されて推定モータ角速度ωM＾が演算される。
【００３７】
推定モータ角速度ωM＾は除算器３３ａのギア比ｇｒで除算されて減算器３４に入力される。減算器３４は、除算器３３ａの出力（モータ側の角速度成分）から、推定負荷トルクＴL＾に関数乗算器３５の負荷トルクから負荷角速度までの伝達関数ＧωL（ｓ）を乗算した乗算出力（負荷側の角速度成分）を減算する。
【００３８】
減算器３４の出力には推定ねじり角速度ωBL＾が得られ、該ωBL＾を積分器３６の積分項１／ｓにより積分することで推定ねじり角θBL＾が得られる。
【００３９】
３７は、推定ねじり角θBL＾に対する負荷トルクの関係を、不感帯を備えて設定したバックラッシュブロックである。
【００４０】
バックラッシュブロック３７の出力トルクには、関数乗算器３８のバックラッシュブロックの出力から負荷トルクまでの伝達関数ＧTL（ｓ）が乗算され、その乗算出力は推定負荷トルクＴL＾として前記除算器３３ｂおよび関数乗算器３５に入力される。
【００４１】
前記得られた推定ねじり角速度ωBL＾と推定ねじり角θBL＾は、図２の判定部２２に出力される。
【００４２】
図３のように構成された内部モデルにおいて、通常はモータ軸２の負荷軸４に対するねじり角にもとづいて負荷トルクが決まるのであるが、歯車（ギア３）がかみ合わない位相では負荷トルクは０か、（機械的な摩擦等考慮した）０に近い値となる。バックラッシュブロック３７ではこのねじり角と負荷トルクの関係が表現できるように推定ねじり角θBL＾に変更を加えて関数乗算器３８の伝達関数ＧTL（ｓ）への入力を生成する。
【００４３】
図３の内部モデルでは駆動系をモータ側、バックラッシュ、負荷側に分け、負荷側からモータ側に相互作用をフィードバックしている。このバックラッシュを境に分けた駆動系が表現されれば必ずしも図３の形にこだわらずともよい。
【００４４】
伝達関数ＧωM（ｓ）、ＧωL（ｓ）、ＧTL（ｓ）についてはモータ、負荷の単一の運動方程式に限らず駆動系全体について、推定ねじり角θBL＾に有意な影響を与える範囲内で全ての運動方程式、摩擦、剛性を考慮するものとする。
【００４５】
バックラッシュブロック３７に関して、バックラッシュは不感帯処理と等価とみなしてもよいが不感帯の上限下限が常に一定である必要はない。つまり、負荷との接続変更や熱、摩耗などの考慮で不感帯の上限下限を可変にしてもよい。さらに、必ずしも不感帯で０を出力しなくともよく、実際の物理現象を考慮して不感帯内外で連続的な出力を持つようにしてもよい。
【００４６】
また、この内部モデル全体に関して、各推定量は、入力の制御内モータトルクＴMcがそのまま駆動系に与えられたと仮定して求めているものである。
【００４７】
バックラッシュ制御部１２の構成を示す図２には、加速トルクスイッチ２３、摩擦補償スイッチ２６という２つのスイッチが存在するが、これら両スイッチが常にＯＦＦならば図２のバックラッシュ制御部は入力トルク指令Ｔ*をそのままトルク指令Ｔ**として出力することになる。これはバックラッシュに関係のない通常走行時の動作を示している。つまりバックラッシュ制御部１２は、バックラッシュ区間外ではスイッチ２３，２６を共にＯＦＦにして通常走行に対応し、バックラッシュ区間内では前記スイッチ２３，２６をそれぞれ適切なタイミングでＯＮにすることでバックラッシュ区間内の特別な制御を可能にしている。
【００４８】
判定部２２が行う、加速トルクスイッチ２３および摩擦補償スイッチ２６のＯＮ、ＯＦＦ判定についてはスイッチ用フローチャートに沿って実行されるものであり、後で図４とともに詳述する。
【００４９】
ここではバックラッシュ内で出力するトルクについて、その役割に応じて摩擦補償トルクと加速トルクの２種類に分けて説明する。
【００５０】
まず、摩擦補償トルクについて説明する。バックラッシュ内では歯車がかみ合うまでの間にギア内に摩擦が発生するが、この分を考慮して補償トルクを出力することでバックラッシュを抜けるまでの時間が長くなるのを防ぐことができる。
【００５１】
摩擦補償スイッチ２６がＯＮになったとき、図２に示したようにＢＬ制御の演算における最終段にて摩擦補償トルク設定部２７の摩擦補償トルクを加算する。最終段としたのは、仮に入力トルク指令Ｔ*に対して初めの処理で加算すると、摩擦補償トルクが演算部２４の内部モデルに加算されてしまい、内部モデルが摩擦を考慮していないため、摩擦補償トルクが内部モデルの推定量に意図しない影響をもたらしてしまうためである。それゆえ、直接加算の形ではなく内部モデルで摩擦を考慮したモデルを用いて摩擦補償トルクを生じてもよい。
【００５２】
図１（ａ）のギア３内の摩擦はモータ軸２と負荷軸４の相対角速度であるねじり角速度ωBLと逆方向に発生するため、その補償である摩擦補償トルクの正負は、内部モデルで演算した推定ねじり角速度ωBL＾の正負と同じにする。また、摩擦補償トルクの絶対値については負荷に応じて適切な値を定めることとする。
【００５３】
図１０に摩擦補償に関するシミュレーションを示す。ここではモータでギアを介して負荷を回転させる駆動系を考えている。また、各シミュレーションでモータ定数、負荷定数は同一のものを用いている。ＢＬ制御部１２への入力トルク指令Ｔ*は−５０Ｎｍから５０Ｎｍに向かって毎秒２００Ｎｍの変化率で与えた。図１０（ａ）は図１（ａ）のプラントのギア３におけるねじり角θBLの推移を表し、線１０１はＢＬ制御無しの場合のシミュレーション結果、線１０２はＢＬ区間でのトルクを零に抑えた場合のシミュレーション結果、線１０３は摩擦補償トルクだけ有りとし加速トルクは考慮無しとした場合のシミュレーション結果を各々示している。
【００５４】
図１０（ｂ）は図１（ａ）のプラントのねじり角速度ωBLの推移を表し、線１０４はＢＬ制御無しの場合のシミュレーション結果、線１０５はＢＬ区間でのトルクを零に抑えた場合のシミュレーション結果、線１０６は摩擦補償トルクだけ有りとし加速トルクは考慮無しとした場合のシミュレーション結果を各々示している。
【００５５】
このシミュレーションにおけるバックラッシュ区間は−１＜θBL＜１の区間である。
【００５６】
図１０（ａ）を見ると、線１０１で示す「ＢＬ（バックラッシュ）制御なし」では３つの結果のうち最も早くバックラッシュを抜けているが、その時間における図１０（ｂ）を見ると、線１０４のようにねじり角速度ωBLが大きく、実際の運転では歯車（ギア３）の衝突時に音を生じてしまう。これを防ぐためにバックラッシュ区間でトルクを０に抑えると図１０（ａ）の線１０２のようにバックラッシュにいる期間が長くなる。これが応答性の低下を招く恐れがある。
【００５７】
それに対して、図１０（ａ）の線１０３に示す「摩擦補償有  加速無」では、ＢＬで摩擦分の補償だけ追加し（後述の加速トルクは考慮無し）、線１０２の「ＢＬでトルク０」よりも速くバックラッシュを抜けており、応答性を改善していることがわかる。バックラッシュを抜けた後、急峻にωBLが変化しているが、これは上位の速度制御が働くためであり、ＢＬ制御によるものではない。そして、以降のシミュレーションでもバックラッシュを抜けた後の急峻なωBLの解釈は同様とする。
【００５８】
次に、加速トルクについて説明する。前述の摩擦補償トルクはバックラッシュを抜ける方向と逆方向のトルク成分を打ち消す補償であり、それはとりもなおさず、かみ合っていく速度の減速を防ぐための補償である。ここでは摩擦分が正確に打ち消されたと仮定して、さらに加速するためのトルクを考える。
【００５９】
加速トルクを設けるにあたって注意すべき点は大きく分けて３つある。  
【００６０】
１つ目は、適切な加算位置についてである。内部モデルは摩擦を考慮していないため、摩擦補償トルクについては内部モデルに入力されないようにしたが、加速トルクは内部モデルが考慮している成分であるため、内部モデルに入力されなければならない。
【００６１】
２つ目は、トルク指令の上限についてである。バックラッシュを抜ける際、つまり歯車が当たる際にモータトルクが大きいと音を生じて快適なドライビングを阻害する。そのため、バックラッシュ区間内でのトルクは摩擦補償トルクと加速トルクを合わせて音を生じない程度に調節する必要がある。
【００６２】
３つ目は、入力トルク指令の扱いである。例えば上位からの入力トルク指令Ｔ*に加速トルクを加算する方式にすると、音を生じない程度に調節したトルク指令にＴ*が加算され、２つ目で述べたトルク上限を守れない。また他の方法例として、バックラッシュ区間内で単に固定値のトルクにするとバックラッシュ進入後は必ず一定トルクでバックラッシュを抜けてしまい、極低速や停止時の動作に不都合を生じる。
【００６３】
以上３つの注意点を踏まえて、図２のようにトルク指令Ｔ*をリミットして、加速トルクを実現する。このとき、リミッタを内部モデルより前とし（１つ目の注意点への対応）、歯車（ギア）の噛み合わせ時に音を生じないトルク値を上下限として（２つ目の注意点への対応）、リミット処理する（３つ目の注意点への対応）ことで対応する。
【００６４】
加速トルク用のリミッタ２１はバックラッシュ区間内でのみ有効にしたいため、加速トルクスイッチ２３がＯＮ制御されたときのみトルク指令Ｔ*がリミッタ２１を通るように構成している。
【００６５】
図１１に加速トルクを設けた場合と設けなかった場合の違いを示す。図１１（ａ）は図１（ａ）のプラントのねじり角θBLの推移を表し、線１０１はＢＬ制御無しの場合のシミュレーション結果、線１０３は摩擦補償トルクだけ有りとし加速トルクは考慮無しとした場合のシミュレーション結果、線１０７は摩擦補償トルクおよび加速トルクを有りとした場合のシミュレーション結果を各々示している。
【００６６】
図１１（ｂ）は図１（ａ）のプラントのねじり角速度ωBLの推移を表し、線１０４はＢＬ制御無しの場合のシミュレーション結果、線１０６は摩擦補償トルクだけ有りとし加速トルクは考慮無しとした場合のシミュレーション結果、線１０８は摩擦補償トルクおよび加速トルクを有りとした場合のシミュレーション結果を各々示している。
【００６７】
図１１では、「ＢＬ制御なし」の場合を除いた２つの場合で、共に摩擦補償を適切に行っている。
【００６８】
図１１（ａ）からわかるように、加速トルクによりバックラッシュにいる期間（−１＜θBL＜１にいる期間）に違いが出ており、線１０３の「摩擦補償有  加速無」よりも線１０７の「摩擦補償有  加速有」の方が速くバックラッシュを抜けている。
【００６９】
また、図１１（ｂ）に示されるとおり、線１０８の「摩擦補償有  加速有」のωBLは線１０４の「ＢＬ制御なし」に比べて低く、音の発生を考慮した適切な値にリミットされていることもわかる。したがって線１０７、線１０８の「摩擦補償有  加速有」、つまり摩擦補償トルクと加速トルクの２つを設けた場合では歯車（ギア）の衝突音の発生を抑制しつつ、応答性の低下をできるだけ防ぐことができている。
【００７０】
以上がバックラッシュ内での補償トルクについての説明である。
【００７１】
次に、加速トルクスイッチ２３、摩擦補償スイッチ２６のＯＮ、ＯＦＦの判定方法を図４とともに説明する。
【００７２】
図４は、図２の判定部２２が行う処理（スイッチ用フローチャート）の一例を示し、ステップＳ１では速度制御部１１からのトルク指令Ｔ*、図３の内部モデルで演算された推定ねじり角θBL＾、推定ねじり角速度ωBL＾を入力する。
【００７３】
次にステップＳ２において、基本的には内部モデルの出力である推定ねじり角θBL＾が歯車（ギア３）のバックラッシュ位相範囲内であるか否かを判定し、範囲内であればバックラッシュ区間と判定する（第１の判定処理）。また、バックラッシュ判定基準はθBL＾に限らず、例えば図３の推定負荷トルクＴL＾を用いてもよい。ＴL＾はバックラッシュブロック３７の出力を伝達関数ＧTL（ｓ）に通したものであり、内部モデルがバックラッシュ区間内にあるときにはＴL＾は０付近となる（そうでないと、バックラッシュ動作が表現できていないことになってしまう）。
【００７４】
以上のように、バックラッシュ判定の最初の分岐（ステップＳ２）ではバックラッシュ区間内かどうかを判定し、バックラッシュ区間外ならば加速トルクスイッチ２３、摩擦補償スイッチ２６は共にＯＦＦとなる（加速トルクを生成する処理の不実施および摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定する）（通常走行時の処理）。
【００７５】
ステップＳ２の判定結果がバックラッシュ区間内であるならば次の分岐（ステップＳ３）へ向かう。以降の分岐（ステップＳ３、Ｓ４）はチャタリング対策のための処理である。
【００７６】
入力されたトルク指令Ｔ*は上位にてアクセルや操作盤の操作量に基づいて演算されたトルク指令であり、停止時などは０に近くなると考えられる。このときゼロクロス付近で上下することが考えられ、バックラッシュを抜けるためのトルクの極性が高速で変わる可能性がある。
【００７７】
このような場合ＢＬ制御出力（ＢＬ考慮トルク指令Ｔ**）がチャタリングを起こすので、これを防ぐためＴ*に不感帯を設定しておき、不感帯外であればバックラッシュ用のトルクを発生させる（加速トルクスイッチ２３のＯＮが確定）。前記不感帯内では適切な補償方向、つまりバックラッシュを抜けたい方向が不明とみなし補償は行わない。すなわち加速トルクスイッチ２３、摩擦補償スイッチ２６をＯＦＦする（加速トルクを生成する処理の不実施および摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定する）。
【００７８】
そして摩擦補償トルクにはもう一つのチャタリング要因があるためトルク指令Ｔ*が不感帯外のときには次の分岐（ステップＳ４）へ向かうことになる。
【００７９】
摩擦補償トルクの正負は推定ねじり角速度ωBL＾の正負と同じにすると前述した。この推定方法ではωBL＾がゼロクロス付近の時、摩擦の推定発生方向が高速に切り替わる可能性がある。このとき、摩擦補償トルクの極性が高速で変わり、ＢＬ制御出力（Ｔ**）がチャタリングを起こす。この対策として推定ねじり角速度ωBL＾に不感帯を設定しておき、ステップＳ４の判定結果が不感帯外であれば摩擦補償トルクを発生させる（摩擦補償スイッチ２６のＯＮが確定）（加速トルクを生成する処理の実施および摩擦補償トルク加算処理の実施を決定する）。
【００８０】
推定ねじり角速度ωBL＾の不感帯内では摩擦補償の方向は不明だが前段のＴ*の不感帯判定（ステップＳ３）でバックラッシュを抜けたい方向はわかったものとみなし加速トルクスイッチ２３のみＯＮとする（加速トルクを生成する処理の実施および摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定する）。
【００８１】
また、別の方法で摩擦の方向を推定する場合はその方法に応じて不感帯を設け、チャタリング処理を行うものとする。
【００８２】
ステップＳ３でのトルク指令Ｔ*とステップＳ４での推定ねじり角速度ωBL＾の各不感帯について不感帯幅を定める必要があるが、これはディジタル演算の有効桁数の分解能や誤差、適応補正など検出値への間接的な影響を考慮して、通常は定格の１％以下に設定する。実際のプラントで確認しつつ０．１％程度に設定しても良い。
【００８３】
以上が加速トルクスイッチ２３、摩擦補償スイッチ２６のＯＮ／ＯＦＦ判定のフローチャートの説明であり、このフローチャートに基づいた制御を行うことによってチャタリングを起こさずにバックラッシュ区間の制御が可能となる。
【００８４】
以上のように本実施例１によれば、バックラッシュ区間を判定し適切なトルクを出力することで、バックラッシュを抜けた際の歯車の衝突音を抑制できる、応答性を必要以上に下げない、制御出力のチャタリングを起こさない、というバックラッシュ区間内の制御を行うことが可能となり、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善できる。
【００８５】
また、先行技術文献に対しては、速度センサを用いる必要がない、応答性、及び衝撃について考慮している、特別な構造を要さず制御上の変更のみで実現できる、振動成分を得るための繰り返しのテスト運転を必要としない、テーブル作成の必要がない、等の利点を持つ。
【実施例２】
【００８６】
実施例１では、速度センサを用いることなくバックラッシュ区間を予測し、適切なモータトルクを指令する方法を考えた。しかし駆動系によっては多大な外乱が生じる場合があり、これが内部モデルと実際の駆動系との誤差を生み、バックラッシュに入るタイミングの予測ミスをもたらす。このような駆動系には例えば自動車がある。自動車の運転時には坂道にて自重が外乱として作用する。
【００８７】
この対策として、速度センサを用いることで外乱を補償できるようにしたのが実施例２である。図５は、実施例２における、図１（ｂ）のバックラッシュ制御部１２のシステム構成を示している。
【００８８】
図５において、実施例１の図２と異なる点は、例えばモータ１に取り付けた速度センサからの検出モータ角速度ωｄｅｔを演算部５４に構成した内部モデルに入力し、該検出モータ角速度ωｄｅｔと内部モデルで演算された推定角速度ωBL＾とを比較してその差分が零となるように、例えばＰＩ制御によって内部モデルにフィードバックすることにあり、その他の部分は図２と同様に構成されている。
【００８９】
判定部２２のスイッチ用フローチャート（図４のフロー）によってバックラッシュ区間か否かを考慮して、加速トルクスイッチ２３および摩擦補償スイッチ２６のＯＮ／ＯＦＦを決める動作は実施例１の動作と同様に行われる。
【００９０】
本実施例２の演算部５４における内部モデルは図６のように構成され、図３と同一部分は同一符号をもって示している。
【００９１】
４１は、関数乗算器３２で演算された推定モータ角速度ωM＾と、入力された検出モータ角速度ωｄｅｔの偏差をとる減算器であり、その偏差出力には、ゲイン乗算器４２の正の比例ゲインＫＰおよびゲイン乗算器４３の正の積分ゲインＫＩが各々乗算される。ゲイン乗算器４３の出力は積分器４４によって積分される。
【００９２】
ゲイン乗算器４２の出力（Ｐ制御成分）と積分器４４の出力（Ｉ制御成分）は加算器４５で加算され、その加算出力は関数乗算器３５の手前にフィードバックされる。
【００９３】
４６は、関数乗算器３８の出力である推定負荷トルクＴL＾から加算器４５の出力を減算する減算器であり、その減算出力は関数乗算器３５に入力される。
【００９４】
図６の内部モデルは、前記減算器４１の偏差に対してＰＩ制御を施して、加算器４５の出力を減算器４６にフィードバックする外乱補償系を備えており、その他の部分は図３と同様に構成されている。
【００９５】
前記ＰＩ制御の正の比例ゲインＫＰと正の積分ゲインＫＩは、正常な制御の中で外乱補償が行えるよう適切に調整した値を用いるものとする。それ以外のシステム構成、変数名については図３と同じものとする。
【００９６】
前記ＰＩ制御のフィードバック位置について、図６では関数乗算器３５の伝達関数ＧωL（ｓ）の手前としているが、推定モータ角速度ωM＾と検出モータ角速度ωｄｅｔの差分を０にすることは別の位置へフィードバックしても達成出来るため、別の位置、例えば関数乗算器３２の伝達関数ＧωM（ｓ）の手前などにフィードバックしてもよい。その際、フィードバック位置によってはバックラッシュ区間の判定に用いる推定ねじり角θBL＾や推定ねじり角速度ωBL＾が外乱に対して敏感に変化するため注意する必要がある。そして、外乱が発生した分バックラッシュ区間での加速トルクに対して外乱が加わってしまうため、バックラッシュ区間の制御に影響が出る可能性がある。その場合の補償方法については、まずＰＩ制御の出力、もしくはＩ項のみをフィードバック位置に応じたゲイン（ギア比等）とかけて推定外乱をモータ軸に換算し、モータトルク外乱とする。そして、モータトルク外乱の分だけ加速トルクの上下リミット値（リミッタ２１のリミット値）や摩擦補償トルク設定部２７の摩擦補償トルクの値を増減させるなどして補償を行う。
【００９７】
図１２にバックラッシュ区間における外乱補償の効果を示す。実施例１とシミュレーション条件は基本的に同じだが、シミュレーション期間中は常に負荷側に一定の定常外乱が印加されているという点が違っている。
【００９８】
図１２（ａ）は図１（ａ）のプラントのねじり角θBLの推移を表し、線１１１は外乱補償無し（実施例１）の場合のシミュレーション結果、線１１２は外乱補償有り（実施例２）の場合のシミュレーション結果を各々示している。
【００９９】
図１２（ｂ）は図１（ａ）のプラントのねじり角速度ωBLの推移を表し、線１１３は外乱補償無し（実施例１）の場合のシミュレーション結果、線１１４は外乱補償有り（実施例２）の場合のシミュレーション結果を各々示している。
【０１００】
図１２（ｃ）は外乱補償無し（実施例１）の場合のねじり角θBLの推移を表し、線１１５は内部モデルで推定演算したねじり角のシミュレーション結果、線１１６は図１（ａ）のプラントのねじり角のシミュレーション結果を各々示している。
【０１０１】
図１２（ｄ）は外乱補償有り（実施例２）の場合のねじり角θBLの推移を表し、線１１７は内部モデルで推定演算したねじり角のシミュレーション結果、線１１８は図１（ａ）のプラントのねじり角のシミュレーション結果を各々示している。
【０１０２】
尚、図１２（ｃ）、（ｄ）では、外乱によるバックラッシュ区間推定への影響をより詳しく見るためにプラントと内部モデルのねじり角を比較しており、図１２（ａ）、（ｂ）よりもバックラッシュ付近を拡大している。
【０１０３】
図１２（ａ）、（ｂ）を見ると外乱補償を行っている実施例２（線１１２、１１４）の方がバックラッシュを速く抜けており、外乱補償によって応答性が改善していることがわかる。
【０１０４】
図１２（ｃ）の外乱補償無の場合では、プラントのθBL（線１１６）と内部モデルで推定したθBL＾（線１１５）との誤差が大きく、プラントのθBLはバックラッシュを抜けているにもかかわらず推定したθBL＾がバックラッシュ区間にいる（バックラッシュ区間外でバックラッシュ区間用のトルクを出してしまう）期間が、図１２（ｄ）の外乱補償有りの場合より長くなってしまっている。この推定誤差が応答性に影響して図１２（ａ）、（ｂ）における外乱補償有、無の結果の違いを生じている。
【０１０５】
今回の外乱の極性では応答性の低下を補償により改善した形だが、逆の極性の場合を考えてみる。この場合推定誤差によって実際より早くバックラッシュを抜けたと判断するため応答性が低下することはないが、トルクが通常走行扱いとなりリミットされないため衝撃で音を生じてしまう。よって、外乱の極性が違ったとしても応答性以外の問題から外乱補償は必要となると言える。
【０１０６】
以上のように実施例２では実施例１の内容に加えて、検出モータ角速度に基づいてフィードバックを行うことで外乱を補償することができる。
【０１０７】
これによって、バックラッシュを抜けた際の歯車の衝突音を抑制できる、応答性を必要以上に下げない、制御出力のチャタリングを起こさない、外乱による推定誤差がもたらす制御性能低下を防げる、というバックラッシュ区間内の制御を行うことができ、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善できる。
【０１０８】
また、先行技術文献に対しては、応答性、及び衝撃について考慮している、特別な構造を要さず制御上の変更のみで実現できる、振動成分を得るための繰り返しのテスト運転を必要としない、テーブル作成の必要がない、外乱の影響を考慮している、等の利点を持つ。
【実施例３】
【０１０９】
実施例１ではバックラッシュ区間内の応答性、衝撃について両立できるトルク値を設定することにしていた。しかし、歯車（ギア３）がかみ合うまでの時間、そして衝撃に寄与する運動量については速度が問題となる。また、実施例１の場合はバックラッシュ区間内にて一定トルクで加速し続けるためバックラッシュの角度に関するモデルデータに対してプラントのバックラッシュが大きいと加速しすぎてしまい、音を生じてしまうというパラメータ誤差に起因する問題も存在する。これらの対策として、実施例３では速度を基準に制御を行うことでバックラッシュ区間の制御性能を向上させた。
【０１１０】
このとき重要な点は、摩擦補償トルクについては摩擦として発生しているトルク成分への補償のため、これについては実施例１と同様に補償を行う必要があるという点である。よって、加速トルクについて速度を基準にした制御を行う。
【０１１１】
図７は、実施例３における図１（ｂ）のバックラッシュ制御部１２のシステム構成を示している。図７において、実施例１の図２と異なる点は、加速トルク生成部として前記リミッタ２１に代えて、バックラッシュ速度制御部８０を設け、演算部２４の内部モデルで演算された推定ねじり角速度ωBL＾をバックラッシュ速度制御部８０に入力し、バックラッシュ速度制御部８０からトルク指令Ｔsを出力することにあり、その他の部分は図２と同様に構成されている。
【０１１２】
また、判定部２２のスイッチ用フローチャート（図４のフロー）によってバックラッシュ区間か否かを考慮して、加速トルクスイッチ２３および摩擦補償スイッチ２６のＯＮ／ＯＦＦを決める動作は実施例１の動作と同様に行われる。
【０１１３】
バックラッシュ速度制御部８０は、演算部２４の内部モデルで演算された推定ねじり角速度ωBL＾を取り込み、該推定ねじり角速度ωBL＾が、設定した速度指令ωBL*となるように速度制御（例えばＰＩ制御）するものであり、例えば図８のように構成されている。
【０１１４】
図８において、８１は速度指令ωBL*が設定される速度指令設定部であり、この速度指令ωBL*は減算器８２において、演算部２４の内部モデルで演算された推定ねじり角速度ωBL＾との偏差がとられる。
【０１１５】
減算器８２の偏差出力には、ゲイン乗算器８３の正の比例ゲインＫＰBLおよびゲイン乗算器８４の正の積分ゲインＫＩBLが各々乗算される。ゲイン乗算器８４の出力は積分器８５によって積分される。
【０１１６】
ゲイン乗算器８３の出力（Ｐ制御成分）と積分器８５の出力（Ｉ制御成分）は加算器８６で加算され、その加算出力はトルク指令Ｔsとして、加速トルクスイッチ２３のトルク指令Ｔs選択側接点に入力される。
【０１１７】
上記のように実施例３では、負荷軸４に対するモータ軸２のねじり角速度ωBLについて速度制御を行うことで加速トルクを決めている。推定ねじり角速度ωBL＾に対する速度指令ωBL*はバックラッシュを抜けようとする方向の正負を考えて設定する。
【０１１８】
ここで、バックラッシュ速度制御の注意点について述べる。速度指令ωBL*に関して、バックラッシュ区間内の始めのうちは高速に制御し、のちに歯車（ギア３）の当たる衝撃が音を発生しないよう減速するようなωBL*が望ましいが、バックラッシュの角度に関するモデルデータとプラントの誤差などが原因で高速のまま歯車をぶつけてしまう危険もあるため、バックラッシュ区間内では衝撃が音を発生しないωBL*で一定にしてもよい。
【０１１９】
ＰＩ制御の積分ゲインＫＩBLについて、バックラッシュ区間内にいる期間は一般に１ｓ以下であることから積分項による十分な速度追従は望みにくいこと、及びバックラッシュ区間に入ったときに積分器８５が異常な値を持っていないよう適切にリセットする機構が実装上必要となり制御システムが複雑化することを考慮し、ＫＩBLを０に設定、つまり比例制御のみの形に簡略化してもよい。
【０１２０】
出力トルク指令Ｔsについて、ＰＩ制御が大きなトルク指令を演算する可能性があるためリミッタを通して出力してもよいが、その際リミッタの上限下限の絶対値を実施例１で設置されていたリミッタ２１の絶対値以下にすると実施例１より加速性能が劣ってしまうため、リミッタの上限下限は注意して定める必要がある。
【０１２１】
図１３にバックラッシュ区間におけるＢＬ速度制御の効果を示す。図１３では、リミッタのみの実施例１とＢＬ速度制御を用いた実施例３を比較している。シミュレーションでは応答性よりも過大な加速による音の発生を考慮してバックラッシュ速度制御部８０の速度指令ωBL*は一定に保った。また、ＰＩ制御は前述の理由からＰ制御のみに簡略化している。
【０１２２】
図１３（ａ）は図１（ａ）のプラントのねじり角θBLの推移を表し、線１２１はリミッタのみ（実施例１）の場合のシミュレーション結果、線１２２はＢＬ速度制御を用いた実施例３の場合のシミュレーション結果を各々示している。
【０１２３】
図１３（ｂ）は図１（ａ）のプラントのねじり角速度ωBLの推移を表し、線１２３はリミッタのみ（実施例１）の場合のシミュレーション結果、線１２４はＢＬ速度制御を用いた実施例３の場合のシミュレーション結果を各々示している。
【０１２４】
図１３（ａ）のねじり角θBLのグラフでは実施例１（線１２１）の方がわずかに早くバックラッシュを抜けているが、あまり大きな違いは見られない。そして、図１３（ｂ）のグラフを見て速度制御性能を確認したい。実施例１（線１２３）ではトルクが一定のためねじり角速度ωBLは一定の加速度で加速している。それに対し実施例３（線１２４）では速度制御によってねじり角速度ωBLは一定速に保たれている。
【０１２５】
このことから、仮に実際のプラントのバックラッシュ角度θBLがモデルデータよりも大きかった際、実施例１では過大な加速で音を生じてしまうのに対し、実施例３では速度を保っているためその問題が生じないことが言える。
【０１２６】
このため、実施例３では実施例１よりもパラメータ誤差に強いＢＬ制御が可能となる。また、ＢＬ速度制御についてバックラッシュ区間内の始めのうちは高速に制御し、のちに歯車（ギア３）の当たる衝撃が音を発生しないよう減速する方式にすればパラメータ誤差へのロバスト性の代わりに応答性を改善することも可能である。
【０１２７】
以上のように実施例３によれば、バックラッシュ区間を判定し負荷軸に対するモータ軸のねじり角速度を適切に制御するトルクを出力することで、バックラッシュを抜けた際の歯車の衝突音を抑制できる、応答性を必要以上に下げない、制御出力のチャタリングを起こさない、実施例１よりパラメータ誤差の影響を受けにくい、というバックラッシュ区間内の制御を行うことができ、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善できる。
【０１２８】
また、先行技術文献に対しては、速度センサを用いる必要がない、応答性、及び衝撃について考慮している、特別な構造を要さず制御上の変更のみで実現できる、振動成分を得るための繰り返しのテスト運転を必要としない、テーブル作成の必要がない、テーブルに比べパラメータ誤差にロバストな制御にできる、等の利点を持つ。
【実施例４】
【０１２９】
実施例２の外乱補償と実施例３のＢＬ速度制御は、変更位置の違いから相互に悪影響を及ぼすことなく組み合わせて用いることができる。そこで実施例４では、図１（ｂ）のバックラッシュ制御部１２を、実施例２と実施例３を組み合わせて図９の構成とした。
【０１３０】
図９において図５と異なる点は、リミッタ２１がバックラッシュ速度制御部８０に置き換わっていること、演算部５４の内部モデルから出力された推定ねじり角速度ωBL＾がバックラッシュ速度制御部８０に入力されていること、リミッタ出力のリミットトルク指令Ｔlimがバックラッシュ速度制御部８０の出力のトルク指令Ｔsに置き換わっていること、の３点である。それ以外のシステム構成、変数名については図５と同じものである。
【０１３１】
また、バックラッシュ制御以外のシステム構成、変数および動作については図１、図４、図６、図７、図８に基くものとする。
【０１３２】
実施例４によれば、バックラッシュ区間を判定し負荷軸に対するモータ軸のねじり角速度を適切に制御するトルクを出力し、モータ角速度の検出と推定の比較から外乱補償を行うことで、バックラッシュを抜けた際の歯車の衝突音を抑制できる、応答性を必要以上に下げない、制御出力のチャタリングを起こさない、外乱による推定誤差がもたらす制御性能低下を防げる、実施例１よりもパラメータ誤差の影響を受けにくい、というバックラッシュ区間内の制御を行うことができ、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善できる。
【０１３３】
また、先行技術文献に対しては、応答性、及び衝撃について考慮している、特別な構造を要さず制御上の変更のみで実現できる、振動成分を得るための繰り返しのテスト運転を必要としない、テーブル作成の必要がない、外乱の影響を考慮している、テーブルに比べパラメータ誤差にロバストな制御にできる、等の利点を持つ。
【符号の説明】
【０１３４】
１…モータ
２…モータ軸
３…ギア
４…負荷軸
５…負荷
１１…速度制御部
１２…バックラッシュ制御部
１３…電流制御部
１４…インバータ
２１…リミッタ
２２…判定部
２３…加速トルクスイッチ
２４、５４…演算部
２５、４５、８６…加算器
２６…摩擦補償スイッチ
２７…摩擦補償トルク設定部
３１、３４、４１、４６、８２…減算器
３２、３５、３８…関数乗算器
３３ａ、３３ｂ…除算器
３６、８５…積分器
３７…バックラッシュブロック
４２、４３、８３、８４…ゲイン乗算器
８０…バックラッシュ速度制御部
８１…速度指令設定部
【図１】
2020156160.tif 000003
【図２】
2020156160.tif 000004
【図３】
2020156160.tif 000005
【図４】
2020156160.tif 000006
【図５】
2020156160.tif 000007
【図６】
2020156160.tif 000008
【図７】
2020156160.tif 000009
【図８】
2020156160.tif 000010
【図９】
2020156160.tif 000011
【図１０】
2020156160.tif 000012
【図１１】
2020156160.tif 000013
【図１２】
2020156160.tif 000014
【図１３】
2020156160.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月25日(2020.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
上記課題を解決するための請求項１に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、
インバータに接続された電動機によって、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置であって、
バックラッシュ区間を判定する手段を有し、設定された速度指令に対応するトルク指令が入力され、バックラッシュ区間内でトルクを加速させるための、前記トルク指令に対して制限をかけた加速トルクを生成する処理と、バックラッシュ区間を抜ける方向と逆方向のトルク成分を打ち消すための摩擦補償トルクを、前記加速トルクに加算する摩擦補償トルク加算処理とを実施してバックラッシュ考慮トルク指令を演算するバックラッシュ制御部を備え、
前記バックラッシュ制御部は、
前記加速トルクを生成する処理の実施が決定されたときに加速トルクを生成する加速トルク生成部と、
バックラッシュ区間における電動機−ギア間のモータ軸とギア−負荷間の負荷軸とのねじり角に対する負荷トルクの関係を、不感帯を備えて設定したバックラッシュブロックを境とし、電動機側ブロック、バックラッシュブロック、負荷側ブロックに分けて前記電動機駆動系を表現した内部モデルを有し、前記内部モデルによって、前記加速トルク生成部の出力トルクから、推定モータ角速度を演算し、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角又は推定負荷トルクを演算して出力する演算部と、
前記摩擦補償トルク加算処理の実施が決定されたときに、前記加速トルク生成部の出力トルクに対して摩擦補償トルクを加算する摩擦補償トルク加算部と、
前記演算部で演算されたモータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角または推定負荷トルクと、モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記速度指令に対応するトルク指令とを入力とし、バックラッシュ区間であるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて、前記加速トルク生成部における加速トルクを生成する処理の実施、不実施の決定、前記摩擦補償トルク加算部における摩擦補償トルク加算処理の実施、不実施の決定を行う判定部と、を備え、
前記バックラッシュ制御部で演算されたバックラッシュ考慮トルク指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴としている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項２に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項１において、
前記加速トルク生成部は、入力されたトルク指令に対して上限、下限の制限をかけるリミッタを有していることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
請求項３における電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項１又は２において、
前記加速トルク生成部は、前記内部モデルで演算された推定ねじり角速度が、設定した速度指令となるように速度制御するバックラッシュ速度制御部を有していることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
請求項４に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項１から３のいずれか１項において、
前記内部モデルは、前記電動機の角速度を検出した検出モータ角速度と前記演算された推定モータ角速度との偏差をとり、その偏差分が零となるように内部モデルにフィードバックする外乱補償系を有していることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
請求項５に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置は、請求項１から４のいずれか１項において、
前記判定部は、
前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角が前記ギアのバックラッシュ位相範囲内であるか、又は推定負荷トルクが零付近であるとき、バックラッシュ区間であると判定し、それ以外はバックラッシュ区間でないと判定する第１の判定処理と、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間であると判定された場合に、前記速度指令に対応するトルク指令が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第２の判定処理と、
前記第２の判定処理により不感帯内でないと判定された場合に、推定ねじり角速度が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第３の判定処理とを行い、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間でないと判定された場合と、第２の判定処理によりトルク指令が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の不実施および摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施を決定し、摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内でないと判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施および摩擦補償トルク加算処理の実施を決定することを特徴としている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
請求項６に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御方法は、
請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置を実行することを特徴としている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
（１）請求項１〜６に記載の発明によれば、バックラッシュ区間において適切なトルクを出力することにより、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系の運転性能を改善することができる。また、バックラッシュを抜けた際のギアの衝突音の発生を抑制しつつ、応答性の低下を防ぐことができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、トルク上限を超えることのないバックラッシュ考慮トルク指令に基いて制御を行うことができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、モータ軸の負荷軸に対するねじり角速度を適切に制御するトルクを加速トルクとしたので、パラメータ誤差の影響を受けにくく、バックラッシュ区間の制御性能が向上する。
（４）請求項４に記載の発明によれば、外乱により、電動機駆動系を表現した内部モデルと実際の電動機駆動系との間で誤差が生じても、その誤差による影響を抑制することができる。
（５）請求項５に記載の発明によれば、バックラッシュ制御部の出力（バックラッシュ考慮トルク指令）のチャタリング発生を防ぐことができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータに接続された電動機によって、ギアを介して負荷を駆動する電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置であって、
バックラッシュ区間を判定する手段を有し、設定された速度指令に対応するトルク指令が入力され、バックラッシュ区間内でトルクを加速させるための、前記トルク指令に対して制限をかけた加速トルクを生成する処理と、バックラッシュ区間を抜ける方向と逆方向のトルク成分を打ち消すための摩擦補償トルクを、前記加速トルクに加算する摩擦補償トルク加算処理とを実施してバックラッシュ考慮トルク指令を演算するバックラッシュ制御部を備え、
前記バックラッシュ制御部は、
前記加速トルクを生成する処理の実施が決定されたときに加速トルクを生成する加速トルク生成部と、
バックラッシュ区間における電動機−ギア間のモータ軸とギア−負荷間の負荷軸とのねじり角に対する負荷トルクの関係を、不感帯を備えて設定したバックラッシュブロックを境とし、電動機側ブロック、バックラッシュブロック、負荷側ブロックに分けて前記電動機駆動系を表現した内部モデルを有し、前記内部モデルによって、前記加速トルク生成部の出力トルクから、推定モータ角速度を演算し、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角又は推定負荷トルクを演算して出力する演算部と、
前記摩擦補償トルク加算処理の実施が決定されたときに、前記加速トルク生成部の出力トルクに対して摩擦補償トルクを加算する摩擦補償トルク加算部と、
前記演算部で演算されたモータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角または推定負荷トルクと、モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角速度と、前記速度指令に対応するトルク指令とを入力とし、バックラッシュ区間であるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて、前記加速トルク生成部における加速トルクを生成する処理の実施、不実施の決定、前記摩擦補償トルク加算部における摩擦補償トルク加算処理の実施、不実施の決定を行う判定部と、を備え、
前記バックラッシュ制御部で演算されたバックラッシュ考慮トルク指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴とする電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項２】
前記加速トルク生成部は、入力されたトルク指令に対して上限、下限の制限をかけるリミッタを有していることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項３】
前記加速トルク生成部は、前記内部モデルで演算された推定ねじり角速度が、設定した速度指令となるように速度制御するバックラッシュ速度制御部を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項４】
前記内部モデルは、前記電動機の角速度を検出した検出モータ角速度と前記演算された推定モータ角速度との偏差をとり、その偏差分が零となるように内部モデルにフィードバックする外乱補償系を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項５】
前記判定部は、
前記モータ軸の負荷軸に対する推定ねじり角が前記ギアのバックラッシュ位相範囲内であるか、又は推定負荷トルクが零付近であるとき、バックラッシュ区間であると判定し、それ以外はバックラッシュ区間でないと判定する第１の判定処理と、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間であると判定された場合に、前記速度指令に対応するトルク指令が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第２の判定処理と、
前記第２の判定処理により不感帯内でないと判定された場合に、推定ねじり角速度が、設定した不感帯内であるか否かを判定する第３の判定処理とを行い、
前記第１の判定処理によりバックラッシュ区間でないと判定された場合と、第２の判定処理によりトルク指令が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の不実施および摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内であると判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施を決定し、摩擦補償トルク加算処理の不実施を決定し、
前記第３の判定処理により推定ねじり角速度が不感帯内でないと判定された場合に、前記加速トルクを生成する処理の実施および摩擦補償トルク加算処理の実施を決定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機駆動系におけるバックラッシュ制御装置を実行することを特徴とする電動機駆動系におけるバックラッシュ制御方法。