(57)【要約】【課題】機械にあわせてフィードフォワード量を調整して指令に追従させ、制御演算を簡易にして、加減速時のオーバシュートを減らし、一定速度時の追従性を高めた電動機制御装置と予測制御方法を提供する。【解決手段】位置指令をサンプリング時間毎に保存する位置指令差分バッファ部（２１）と、位置指令差分バッファ部の位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する予測演算部（２２）とを備え、位置指令差分バッファ部は、速度フィードフォワードのみ使用する場合は２段し、トルクフィードフォワードを使用する場合は４段とした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令をサンプリング時間毎に保存する位置指令差分バッファ部と、前記位置指令差分バッファ部の位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する予測演算部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えた電動機制御装置において、  
速度フィードフォワードのみ使用する場合は前記位置指令差分バッファを２段とする位置指令差分バッファ部を備えることを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記位置指令差分バッファ部は、トルクフィードフォワードを使用する場合、位置指令差分バッファを４段とすることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記位置指令差分バッファ部は、フィードフォワードを使用しない場合は、位置指令差分バッファを使用せずに、位置指令の差分が同一とすることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項４】
位置指令をサンプリング時間毎に保存する位置指令差分バッファ部と、前記位置指令差分バッファ部の位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する予測演算部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えた電動機制御装置の予測制御方法において、
速度フィードフォワードのみ使用する場合、前記位置指令差分バッファを２段として位置指令差分を保存するステップと、を備えることを特徴とする電動機制御装置の予測制御方法。
【請求項５】
トルクフィードフォワードを使用する場合は、位置指令差分バッファを４段として位置指令差分を保存するステップを備えることを特徴とする請求項４記載の電動機制御装置の予測制御方法。
【請求項６】
フィードフォワードを使用しない場合は、位置指令差分バッファを使用せずに、位置指令差分が同一として予測制御を行うステップを備えることを特徴とする請求項４記載の電動機制御装置の予測制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予測制御方法とそれを含む電動機制御装置に関するもので、現在の位置指令から未来の位置指令を予測し、位置フィードバックが位置指令に追従するように制御するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の予測制御方法は、移動を開始するサンプリング時刻に現在時刻からＭステップ先までの目標指令値を発生し、次のサンプリング時刻以降は現在時刻からＭステップ先の目標指令値のみを発生させて予見（予測と同義）制御演算をしている（例えば、特許文献１参照）。
図８において、２１は指令発生器、２２は指令増分値を記憶するメモリ、２３は予見制御パラメータを記憶するメモリ、２４は出力増分値を記憶するメモリ、２５は過去の制御入力を記憶するメモリ、２８は演算器であり、指令増分値を記憶するメモリ２２で目標指令切り替え信号により、予見制御を行う最初のサンプリング時刻には、現在時刻からＭステップ先までの目標指令増分値をメモリに記憶し、次のサンプリング時刻からは現在時刻からはメモリの内容を１サンプリング過去にシフトした後、新たに未来指令増分値を記憶する。  演算器２８は（１）式により制御入力ｖ（ｉ）を算出する。算出されたｖ（ｉ）はメモリ２５に記憶されるとともに、モータ制御器に出力され制御される。
このように、従来の制御方法は、移動を開始するサンプリング時刻に現在時刻からＭステップ先までの目標指令値を発生し、次のサンプリング時刻以降は現在時刻からＭステップ先の目標指令値のみを発生させて予見制御演算するものである。
【特許文献１】特開平８−１２３５３７号公報（第４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の位置が指令に追従するように制御する方法は、予見（予測）制御でＭステップ先の目標指令値とＮ−１ステップ前の補正指令値が必要で、制御演算が複雑であり、指令への追従はＭステップ先の目標指令値とＮ−１ステップ前の補正指令値で決まり、またフィードフォワード量の調整がないので指令への追従を機械に合わせることができないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機械にあわせてフィードフォワード量を調整して指令に追従させ、制御演算を簡易にして、加減速時のオーバシュートを減らし、一定速度時の追従性を高めた電動機制御装置と予測制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、位置指令をサンプリング時間毎に保存する位置指令差分バッファ部と、前記位置指令差分バッファ部の位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する予測演算部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えた電動機制御装置において、速度フィードフォワードのみ使用する場合、前記位置指令差分バッファを２段とする位置指令差分バッファ部を備えるとするものである。
また、請求項２に記載の発明は、位置指令差分バッファ部は、トルクフィードフォワードを使用する場合、位置指令差分バッファを４段とするものである。
【０００５】
また、請求項３に記載の発明は、位置指令差分バッファ部は、フィードフォワードを使用しない場合位置指令差分バッファを使用せずに、位置指令の差分が同一とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、位置指令をサンプリング時間毎に保存する位置指令差分バッファ部と、前記位置指令差分バッファ部の位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する予測演算部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えた電動機制御装置の制御方法において、速度フィードフォワードのみ使用する場合、前記位置指令差分バッファを２段として位置指令差分を保存するステップとするものである。
【０００６】
また、請求項５に記載の発明は、トルクフィードフォワードを使用する場合は、位置指令差分バッファを４段として位置指令差分を保存するステップとするものである。
また、請求項６に記載の発明は、フィードフォワードを使用しない場合は、位置指令差分バッファを使用せずに、位置指令差分が同一として予測制御を行うステップとするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、位置指令差分バッファを減らして演算を簡易にし、加減速時のオーバシュートを減らし、一定速度時の追従性を高めた電動機制御装置と予測制御方法を提供することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図である。  図において、１は電動機制御装置、２は電動機、３は位置検出器、１１は予測制御部、１２は速度制御部、１３は電流制御部、１４はパワー変換部、１５は速度生成部、１６はエンコーダ信号入出力部である。
予測制御部１１は位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成し、速度制御部１２は速度指令と電動機速度の速度偏差に比例積分制御を行い、トルク指令を生成する。電流制御部１３はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流の電流偏差に基づいて電圧指令を生成する。パワー変換部１４は電圧指令をＰＷＭ信号に変換して電力変換器を駆動して電動機に電流指令どおりの電流を流す。位置検出器３は電動機２に結合され、電動機の位置を検出する。速度生成部１５は、電動機位置の時間差分をとって電動機速度を生成する。  
本発明の特徴的な部分は、予測制御部１１の位置指令差分バッファを速度フィードフォワードのみ使用する場合は、２段或いはトルクフィードフォワードを使用する場合は、４段とした点である。
【００１０】
図２は予測制御部１１の構成を示すブロック図である。図において、２１は指令バッファ部、２２は予測演算部、２３はフィードフォワード演算部である。
ここで、本発明の予測制御について説明する。
本発明の予測制御は位置と位置指令を一致させるよう、現在時刻 ｉ・Ｔｓ（時刻ｉ、サンプリング周期Ｔｓ）において、Ｍサンプリング未来の目標指令増分値Δｒ（ｉ＋Ｍ）と、位置の増分値ｙ（ｉ）を入力として、制御入力である速度指令ｖｒｅｆに以下のように与える。  速度フィードフォワードのみ使用する場合は（１）式で、トルクフィードフォワードを使用する場合は（２）式となる。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
【数２】
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ここで、Δｒ（ｉ）は位置指令差分、Δｙ（ｉ）は位置の差分、ｅ（ｉ）は位置偏差、ｖＦＦ（ｉ）は速度フィードフォワードでｖＦＦ＝ｆｆｖ×Δｒ（ｉ＋１）、ｔＦＦ（ｉ）はトルクフィードフォワードでｔＦＦ（ｉ）＝ｆｆａ×Δｒ（ｉ＋４）である。  ｆｆｖ、ｆｆａはそれぞれフィードフォワードゲインであり、ｖｍ、Ｅ、ｐ０、ｇ１、ｘｎ、ｔｎはあらかじめ計算した定数である。
指令バッファ２１は、速度フィードフォワードのみ使用する場合は（３）式の演算をするため位置指令差分の２段バッファ処理を行う。
【００１３】
【数３】
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また、トルクフィードフォワードを使用する場合は（４）式の演算をするため位置指令差分の４段バッファ処理を行う。
【００１４】
【数４】
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また、予測演算部２２は、（１）式の演算処理を行う。フィードフォワード演算部２３は、速度フィードフォワードｖＦＦ（ｉ）及びトルクフィードフォワードｔＦＦ（ｉ）のフィードフォワード演算を行う。
【００１５】
図３は予測制御部１１を更に（１）式または、（２）式の演算を実行するための詳細な構成を示すブロック図である。  図において、２１は指令バッファ部、２２は予測演算部、  ２３はフィードフォワード演算部である。  その処理は前述と同様である。
予測制御は、制御対象の入力である速度指令から出力である位置までの伝達関数モデルを用いて求めた未来偏差予測値と、偏差と、制御入力に関する評価関数が最小となるように、制御入力である速度指令を求めたものである。
位置指令増分値Δｒ（ｉ）を用いて、未来偏差予測値ｅ＊（ｉ＋Ｍ）を、（５）式で与え、評価関数を（６）式で与える。
【００１６】
【数５】
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ここでＭは予測区関数、ｅ＊（ｉ＋Ｍ）は制御周期ｉからＭサンプル先の未来予測偏差、ｅは偏差、Ｃ、Ｃｄ、αは調整係数である。
（６）式の評価関数が最小となるような制御入力ｖｒｅｆ（ｉ）を求めて制御する。
速度指令ｖｒｅｆは（７）式の予測制御式で与えられる。
【００１７】
【数６】
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【００１８】
図６は、予測制御部１１を更に（７）式５の演算を実行するための詳細な構成を示すブロック図である。図において、２１は指令バッファ部、２２は予測演算部、２３はフィードフォワード演算部である。
本発明と異なるのは指令バッファ２１が、（８）式の演算をするため位置指令差分のＭ段バッファ処理を行い、予測演算部２２は（７）式の演算処理を行う点である。フィードフォワード演算部２３は、前述と同様の処理を行う。
【００１９】
【数７】
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指令バッファ２１は位置指令差分のＭ段バッファがあるが、バッファの段数が大きいと過渡時に速度指令は緩やかになり、そこでフィードフォワード等で追従させすぎるとオーバシュートやアンダーシュートし易くなる。  
【００２０】
図４は位置指令差分のバッファの大きさと制御周期の違いによる速度指令の関係を示した図である。  図４（ａ）は制御周期として０．５ｍｓ、８段程度の位置指令差分バッファの場合の速度指令であり、加速から一定速度になるところで位置指令から遅れているのが分かる。  これを位置指令に追従させようとすると大きなフィードフォワードが必要になるが、大きなフィードフォワードはオーバシュートに繋がる。図４（ｂ）は制御周期として０．５ｍｓ、２段程度の位置指令差分バッファの場合の速度指令であり、加速から一定速度になるところでも位置指令から追従しているのが分かる。更に追従させようとするには図４（ｃ）のように制御周期として０．２５ｍｓと短縮すると、速度指令は更に位置指令に追従する。これは指令の重み
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が未来の方がｖ１＜ｖ２＜ｖ３・・と大きいからである。つまり指令の重みｖｍと位置指令差分を乗算した部分は （９）式となり、予測区間が短いほど位置指令差分に近づくためである。
また制御周期が短くなると、位置指令差分が一定速度になる点では指令の重みｖｍと位置指令差分を乗算した部分である（１０）式は位置指令差分が一定速度に近くなるので大きくなり位置指令差分に近づくためである。
【００２１】
【数８】
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このように多くの位置指令差分バッファの場合より大きなフィードフォワードを必要としないので、位置指令に追従させてもオーバシュートやアンダーシュートし難くなるのである。
【００２２】
図５は、本発明の制御方法を示すフローチャートである。  図において、ステップＳ１では速度フィードフォワードのみ使用する場合は、（１１）式の指令バッファ分を、トルクフィードフォワードを使用する場合は、（１２）式の指令バッファ分を演算する。
【００２３】
【数９】
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次にステップＳ２では位置偏差分ｅ（ｉ）をｅ（ｉ）＝Δｒ（ｉ）−Δｙ（ｉ）より算出する。ステップＳ３では速度フィードフォワードを（１３）式より演算する。    
【００２４】
【数１０】
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ステップＳ４ではトルクフィードフォワードを使用する場合は、トルクフィードフォワードを式（１４）を使用して演算する。
【００２５】
【数１１】
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ステップＳ５ではステップＳ１〜ステップＳ４の演算結果より（１）式或いは（２）式速度指令を算出する。ステップＳ６では位置指令差分Δｒ（ｉ）を指令バッファ２１に保存する。予測制御の演算はサンプリング周期、つまり制御周期毎に行う。
【００２６】
このようにして２段或いは４段として位置指令差分バッファを用いた予測制御で、位置指令に追従させても位置決め時にはオーバシュートやアンダーシュートを防ぐことができるのである。
【実施例２】
【００２７】
図７は第２実施例の予測制御部１１を以下の（１５）式６の演算を実行するための構成を、詳細に示すブロック図である。図において、２２は予測演算部である。予測演算部２２は（１５）式の演算を実行する。実施例１と異なる部分は、指令バッファ部やフィードフォワード演算部がない部分である。速度指令ｖｒｅｆは（１５）式の予測制御式で与えられる。
【００２８】
【数１２】
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（１５）式の第１項の部分（１６）式は、あらかじめ計算される定数なので、位置指令差分バッファがなく簡易に演算ができる。
【００２９】
【数１３】
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【００３０】
このように位置指令差分バッファを用いない予測制御で、位置指令に追従させても位置決め時にはオーバシュートやアンダーシュートを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の予測制御部の構成を示すブロック図
【図３】本発明の予測制御部の詳細な構成を示すブロック図
【図４】位置指令差分のバッファの大きさ及び制御周期の違いによる位置指令差分と速度指令のタイミング図
【図５】本発明の電動機制御装置の予測制御方法を示すフローチャート
【図６】位置指令差分バッファが多段ある予測制御部の詳細な構成を示すブロック図
【図７】第２実施例の予測制御部の詳細な構成を示すブロック図
【図８】従来技術の制御装置を説明するためのブロック図
【符号の説明】
【００３２】
１  電動機制御装置
２  電動機
３  位置検出器
１１  予測制御部
１２  速度制御部
１３  電流制御部
１４  パワー変換部
１５  電動機速度生成部
１６  エンコーダ信号入出力部
２１  位置指令バッファ部
２２  予測演算部
２３  フィードフォワード演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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