(57)【要約】【課題】  特別なセンサなどを用いずに、モデル制御系を用いて、機台振動を抑制し、高速な位置決めを実現するモータ制御装置を提供する。【解決手段】  第１のフィードバック部１３１は、モデル機台位置情報に基づいて機台の少なくとも位置情報を含む第１のフィードバック指令を出力する。第２のフィードバック部１３３は、フィルタ処理モデルトルク指令を含む第２のフィードバック指令を出力する。第２の加算部ＳＰ１５で求めた第１のフィードバック指令と第２のフィードバック指令の合算とモデルトルク指令との差分を求め、この差分をモデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の入力部とトルク指令ローパスフィルタ１１５の入力部に与える。モデル制御系１０５は、モデル位置指令を位置制御器１１１に位置指令として与え、モデル位置指令に基づいて作成したモデル機台位置情報を位置制御器１１１から速度制御器１１３に入力される速度指令に加算する。【選択図】  図１
2010041734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機台に装着されたモータの可動部の位置を検出する位置センサと、前記位置センサで検出された位置情報と位置指令とに基づいて速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と前記位置センサの出力から得た速度情報とに基づいてトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令から高周波成分を抑制するトルク指令ローパスフィルタと、前記トルク指令ローパスフィルタによりフィルタ処理したトルク指令に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御器とを備えたフィードバック制御系と、
前記モータの前記可動部の動きをモデル化して前記可動部のモデル可動部位置情報を出力する可動部モデルと、前記機台の動きをモデル化して前記機台のモデル機台位置情報を出力する機台モデルと、前記位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力するモデル位置制御器と、前記速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力するモデル速度制御器と、前記トルク指令ローパスフィルタをモデル化して、前記モデルトルク指令をローパスフィルタ処理して得たフィルタ処理モデルトルク指令を前記可動部モデルと前記機台モデルとに与えるモデルトルク指令ローパスフィルタと、前記モデル可動部位置情報と前記モデル機台位置情報とを合算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置指令として前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれフィードバックする主フィードバック部と、前記モデル機台位置情報に基づいて少なくとも前記モデル機台位置情報を含む第１のフィードバック指令を出力する第１のフィードバック部と、前記フィルタ処理モデルトルク指令の情報を含む第２のフィードバック指令を出力する第２のフィードバック部と、前記第１のフィードバック指令と前記第２のフィードバック指令との合算と前記モデルトルク指令との差分を求め、前記差分を差分モデルトルク指令として前記モデルトルク指令ローパスフィルタの入力部と前記トルク指令ローパスフィルタの入力部に出力する減算部とを備え、前記フィードバック系へのモデル位置指令を前記位置制御器に前記位置指令として与え、前記フィードバック系へのモデル位置指令に基づいて作成したフィードバック系へのモデル速度指令を前記速度制御器に入力される前記速度指令に加算するように構成されたモデル制御系とからなるモータ制御装置。
【請求項２】
機台に装着されたモータの可動部の位置を検出する位置センサと、前記位置センサで検出された位置情報と位置指令とに基づいて速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と前記位置センサの出力から得た速度情報とに基づいてトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令から高周波成分を抑制するトルク指令ローパスフィルタと、前記トルク指令ローパスフィルタによりフィルタ処理したトルク指令に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御器とを備えたフィードバック制御系と、
前記モータの前記可動部の動きをモデル化して前記可動部のモデル可動部位置情報を出力する可動部モデルと、前記機台の動きをモデル化して前記機台のモデル機台位置情報を出力する機台モデルと、前記位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力するモデル位置制御器と、前記速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力するモデル速度制御器と、前記トルク指令ローパスフィルタをモデル化して、前記モデルトルク指令をローパスフィルタ処理して得たフィルタ処理モデルトルク指令を前記可動部モデルと前記機台モデルとに与えるモデルトルク指令ローパスフィルタと、前記モデル可動部位置情報と前記モデル機台位置情報とを合算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置指令として前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれフィードバックする主フィードバック部と、前記モデル機台位置情報に基づいて少なくとも前記モデル機台位置情報を含む第１のフィードバック指令を出力する第１のフィードバック部と、前記フィルタ処理モデルトルク指令の情報を含む第２のフィードバック指令を出力する第２のフィードバック部と、前記第１のフィードバック指令と前記第２のフィードバック指令の合算と前記モデルトルク指令との差分を求め、前記差分を差分モデルトルク指令として前記モデルトルク指令ローパスフィルタの入力部に出力する減算部とを備え、前記フィードバック系へのモデル位置指令を前記位置制御器に前記位置指令として与え、前記フィードバック系へのモデル位置指令に基づいて作成したフィードバック系へのモデル速度指令を前記速度制御器に入力される前記速度指令に加算し、前記フィルタ処理モデルトルク指令を前記トルク制御器に入力される前記フィルタ処理したトルク指令に加算するように構成されたモデル制御系とからなるモータ制御装置。
【請求項３】
前記第１のフィードバック部は、前記モデル機台位置情報に加えて前記機台のモデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報を前記第１のフィードバック指令に含めるように構成されている請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記モデル位置制御器及び前記モデル速度制御器にそれぞれ設定されるゲインは、前記位置制御器及び前記速度制御器にそれぞれ設定されるゲインと同じに設定されており、前記第１のフィードバック部に設定される第１のフィードバックゲインと、前記第２のフィードバック部に設定される第２のフィードバックゲインとは、前記機台の振動を抑制するように定められている請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記モデル制御系に含まれる複数のパラメータは、前記モデル制御系の状態方程式の特性方程式が５重根を持ち且つ前記フィードバック制御系が安定するように定められている請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モデル制御系を備えて、モデル追従制御を行うモータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チップマウンタなどの機械を駆動して、高速に位置決めを行う場合に、モータ制御装置により機械を高速位置決めする方法の一つとして、モデル追従制御法がある。モデル追従制御では、実際のフィードバック制御系を模擬したモデル制御系を構築する。そして、このモデル制御系に追従するようにフィードバック制御系を駆動する。図２は、特開昭６２−２１７３０４号公報［特許文献１］に示された従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示したものである。この制御装置では、位置指令とモデル位置との偏差をとり、モデル位置制御器を通してモデル速度指令を得る。そしてモデル速度指令とモデル速度との偏差をとり、モデル速度制御器を通してモデルトルク指令を得る。またモデルトルク指令をモータ機械モデルに通してモデル速度を算出する。更にモデル速度を積分器に通してモデル位置を算出する。モデル位置とエンコーダで検出したモータ位置との差をとり、位置制御器を通して速度指令を出力する。さらに速度指令とモデル速度を加算したものと速度検出値との偏差をとり、この偏差を速度制御器を通してトルク指令を得る。トルク指令とモデルトルク指令を加算し、トルク制御器を通してモータを駆動し、モータのトルクを制御する。ここで、モータ機械モデルは、モータイナーシャをＪＭ、負荷イナーシャをＪＬとして、モータ機械モデル＝１／｛（ＪＭ＋ＪＬ）Ｓ｝と表される。このように、モデル追従制御を構成することにより、指令応答特性と外乱抑圧特性とを独立に制御できる。外乱抑圧特性は機械系の高周波共振などにより制約を受ける。そのため外乱抑圧特性は、ある程度以上に高くすることができない。モデル応答特性は、機械系の高周波共振などにより制約を受けないため、高めることができる。これにより、指令応答特性を高めて、機械の高速位置決めが実現できる。
【０００３】
機械系が剛体である場合は、モータ機械モデルを剛体としたモデル追従制御を行うことにより、高速位置決めが実現できる。しかし、実際の機械系には剛性の低い部分が存在し、それにより振動を生ずる。チップマウンタなどの機械は、図３に示すように、機台の上にモータが固定され、ボールねじなどを通してテーブルを駆動する。機台はレベリングボルトなどにより支持される。このような機械で、モータを駆動してテーブルを高速駆動させると、レベリングボルトの剛性により機台が揺れ、機台振動を生ずる。
【０００４】
こういった機台振動を抑制する方法として、位置指令の入力部にプレフィルタを挿入する方法がある。図４は、プレフィルタにより機台振動を抑制するモータ制御装置のブロック図である。プレフィルタとしては、例えばノッチフィルタを用いることができる。そして、ノッチフィルタのノッチ周波数を機台振動周波数と同じ値に設定することにより、機台振動を抑制することができる。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、プレフィルタを用いない場合の差分位置指令と位置偏差とを示している。そして図６（Ａ）及び（Ｂ）は、プレフィルタを用いた場合の差分位置指令と位置偏差とを示している。図５（Ｂ）と図６（Ｂ）とを比較すると、プレフィルタにより機台振動を抑制することができて、位置決め整定特性が改善されることが判る。しかし、図６（Ｂ）を見ると判るように、プレフィルタを用いた場合は、フィルタの遅れにより、位置決め整定時間Ｔｓを十分に短くできないという問題があった。
【０００５】
別の機台振動を抑制する方法として、特開２００２−１６３００６号公報（特許文献２）に示されるモデル追従制御を用いた方法がある。図７は、特許文献２の図２をそのまま表示したものである。この従来のモデル追従制御法を用いるモータ制御装置では、モデル制御系の中に、ねじり角補償器２５を設けることにより、振動を抑制している。しかし、特許文献２には、電動機及び機械の設備１０の具体的な数学モデル１７は開示されていない。しかしながら機械系の振動抑制には、適切なモデル化を行わないと、振動は抑制することができない。また特許文献２の方法では、振動抑制制御用の補償として用いる、ねじり角、ねじり角速度のフィードバック量を、ねじり角及びねじり速度の値を用いて適応的に制御している。模擬速度制御器のパラメータも、模擬速度偏差に応じて適応的に制御している。しかし、特許文献２には、模擬適応ねじり角補償器２５と模擬適応速度制御器１５の間のパラメータの定め方は示されていない。機台振動の抑制には、模擬適応速度制御器１５とねじり角補償器２５のゲインを共に、制御系が安定し、しかも振動を生じない様な値に収束させる必要がある。しかし、模擬適応ねじり角補償器２５と模擬適応速度制御器１５は、それぞれの偏差が小さくなるように独立して動くように設計されている。その結果、たとえば、ねじり角、及び、ねじり角速度フィードバックにより振動が抑制されたとしても、模擬速度偏差を抑制するように模擬適応速度制御器１５のパラメータが変わってしまえば、振動抑制効果が低減してしまうという問題があった。このように、特許文献２に示された手法では、機械モデルが明確に示されておらず、本当に機台振動が抑制されるかどうかわからない。また、模擬適応速度制御器１５とねじり角、ねじり速度フィードバックとの間の制御則が示されていないため、振動が抑制されるように模擬適応ねじり角補償器２５と模擬適応速度制御器１５が収束しない可能性があった。
【０００６】
これに対し、特開２００４ −２１４１３号公報（特許文献３）は、機械モデルを明確にした従来の技術を開示している。特許文献３に記載の技術では、機台モデルを図８のように表している。この従来技術では、機台の位置情報とモデル機台位置情報をフィードバックして振動を抑制している。またこの従来の技術では、モデルの位置情報、モデル機台位置情報、推力指令をフィードバック制御系の位置情報とモデル機台位置情報に付加している。このように、特許文献３に示された技術では、モデルの推力指令を変換器を通してフィードバック制御系の速度指令に付加している。そのため、モデル制御系とフィードバック制御系の誤差がない場合でも、変換器の構成や遅れにより、フィードバック制御系の推力指令がモデル制御系の推力指令通りにならず、十分なモデル追従制御特性が得られないという問題があった。また、特許文献３の記載を見ても、振動を抑制するためにどのようにパラメータを設定するのかが不明確であった。そのため、振動を抑制して、しかも、高速な位置決めを実現できない可能性があった。
【０００７】
たとえば、ここで、図８のモデル制御系を、減衰項Ｃｂ、粘性抵抗Ｃｔを省略して図９に示す記号を用いて表し、そのパラメータを、現代制御理論から算出すると次のようになる。
【０００８】
まず、モデル制御系の状態方程式は、下記式のように示される。
【数１】
2010041734.tif 000003
【０００９】
現代制御理論によると、すべての極がマイナスの実根を持てば、制御系は安定になるため、特性方程式が、４重根を持つように各パラメータを算出すると、下記のようになる。
【数２】
2010041734.tif 000004
【００１０】
従って、位置ループゲインＫPを決めると、根Ｋが決まり、速度ループゲインＫｖ、機台速度フィードバックゲインＫＶＢ、機台位置フィードバックゲインＫＰＢが決まる。例えば、ＪＭ＝８．４７×１０−４（Ｋｇ・ｍ２）、ＪＬ＝ＪＭ×３．６６、Ｊ＝ＪＭ＋ＪＬ、ＪＢ＝ＪＭ×７０．５、ＫＢ＝１５９５（Ｎｍ／ｒａｄ）の機械系において、ＫＰ＝１２５rad/Sとすると、Ｋv＝３０３０Ｈz、ＫＶＢ＝９４２（Nm/（rad/ｓ））、ＫＰＢ＝４．４５×１０４（Nm/rad）となる。これから、特許文献３の構成で、振動が抑制されて、しかも、高速位置決めができるようにパラメータを算出すると、モデル速度制御器のゲインは、通常設定できないような大きな値になってしまう。モデル追従制御を用いた制振制御では、モデル系のパラメータとフィードバック制御系のパラメータを同じ値に設定することにより振動を抑制する。そのため、フィードバック制御系の速度制御器のゲインも大きな値に設定する必要がある。しかし、フィードバック制御系の速度制御器のゲインは、機械系の剛性などによりその上限が制限される。その結果、極端に高い値には設定できない。従って、図８のモデル制御系に対し、状態フィードバック理論を適用してそのパラメータを算出し、振動抑制と高速位置決めを実現するパラメータを算出して、算出した値にパラメータを設定しても、発振などを生じてしまい、算出結果を利用してモータを制御することは実現が不可能であるという問題があった。
【特許文献１】特開昭６２−２１７３０４号公報
【特許文献２】特開２００２ −１６３００６号公報  図２
【特許文献３】特開２００４ −２１４１３号公報  図２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
機台振動を抑制する別の方法として、機台振動を検出するセンサを設けることも考えられる。しかしながら、センサ故障などが発生するため、信頼性が低下し、また、コストアップの問題が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、さらに、特別なセンサなどを用いずに、モデル制御系を用いて、機台振動を抑制し、高速な位置決め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】
【００１３】
本発明のモータ制御装置は、フィードバック制御系とモデル制御系とから構成される。フィードバック制御系は、位置センサと、位置制御器と、速度制御器とトルク指令ローパスフィルタと、トルク制御器とからされる。位置センサは、機台に装着されたモータの可動部の位置を検出する。位置制御器は、位置センサで検出された位置情報と位置指令とに基づいて速度指令を出力する。速度制御器は、速度指令と位置センサの出力から得た速度情報とに基づいてトルク指令を出力する。トルク指令ローパスフィルタは、トルク指令から高周波成分を抑制する。トルク制御器は、トルク指令ローパスフィルタによりフィルタ処理したトルク指令に基づいてモータのトルクを制御する。
【００１４】
またモデル制御系は、可動部モデルと、機台モデルと、モデル位置制御器と、モデル速度制御器と、モデルトルク指令ローパスフィルタと、主フィードバック部と、第１のフィードバック部と、第２のフィードバック部と、減算部とを備えている。可動部モデルは、可動部の動きをモデル化して可動部のモデル可動部位置情報を出力する。機台モデルは、機台の動きをモデル化して機台のモデル機台位置情報を出力する。モデル位置制御器は、位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力する。モデル速度制御器は、速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力する。モデルトルク指令ローパスフィルタは、トルク指令ローパスフィルタをモデル化してモデルトルク指令をフィルタ処理した後のモデルトルク指令（以後フィルタ処理モデルトルク指令と言う）を可動部モデルと機台モデルとに与える。主フィードバック部は、モデル可動部位置情報とモデル機台位置情報とを合算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置指令としてモデル位置制御器及びモデル速度制御器にそれぞれフィードバックする。第１のフィードバック部は、モデル機台位置情報に基づいて機台の少なくともモデル機台位置情報を含む第１のフィードバック指令を出力する。第２のフィードバック部は、フィルタ処理モデルトルク指令の情報を含む第２のフィードバック指令を出力する。そして減算部は、第１のフィードバック指令と第２のフィードバック指令の合算とモデルトルク指令との差分を求め、この差分を差分モデルトルク指令としてモデルトルク指令ローパスフィルタの入力部とトルク指令ローパスフィルタの入力部に出力する。そしてモデル制御系は、フィードバック系へのモデル位置指令を位置制御器に位置指令として与え、フィードバック系へのモデル位置指令に基づいて作成したフィードバック系へのモデル速度指令を位置制御器から速度制御器に入力される速度指令に加算するように構成されている。
【００１５】
なお差分モデルトルク指令をトルク指令ローパスフィルタの入力部に与えずに、フィルタ処理モデルトルク指令をトルク制御器に入力されるフィルタ処理したトルク指令に加算するようにモデル制御系を構成する場合も、本発明に含まれる。
【００１６】
本発明によれば、モデル位置制御器やモデル速度制御器に設定するゲイン及びトルク指令ローパスフィルタの値を、フィードバック制御系において物理的に設定可能なゲインの範囲内の任意の値に設定した場合において、第１のフィードバック部及び第２のフィードバック部のゲインを調整することにより、機台の振動を抑制できる。したがって本発明によれば、特別なセンサなどを用いずに、モデル制御系を用いて、機台振動を抑制し、高速な位置決めを実現することができる。
【００１７】
なお第１のフィードバック部は、モデル機台位置情報に加えて機台のモデル機台位置情報及びモデル機台加速度情報を第１のフィードバック指令に含めるように構成するのが好ましい。このようにするとモデル機台位置情報だけをフィードバックする場合と比べてモデル速度ループゲインを一般的に使用できる値にすることが容易になる。
【００１８】
本発明を具体的に実施する場合には、モデル位置制御器及びモデル速度制御器にそれぞれ設定されるゲインは、位置制御器及び速度制御器にそれぞれ設定されるゲインと同じに設定される。そして第１のフィードバック部に設定される第１のフィードバックゲインと、第２のフィードバック部に設定される第２のフィードバックゲインとは、機台の振動を抑制するように定められる。
【００１９】
またモデル制御系に含まれる複数のパラメータは、モデル制御系の状態方程式の特性方程式が５重根を持ち且つフィードバック制御系が安定するように定める。このように複数のパラメータを定めると、振動を抑制して高速に位置決めすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、モデル位置制御器やモデル速度制御器に設定するゲイン及びトルク指令ローパスフィルタの値を、フィードバック制御系において物理的に設定可能なゲインの範囲内の任意の値に設定した場合において、第１のフィードバック部及び第２のフィードバック部のゲイン（パラメータ）を調整することにより、機台の振動を抑制して高速に位置決めできる利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態のモータ制御装置１０１は、フィードバック制御系１０３とモデル制御系１０５とから構成される。フィードバック制御系１０３は、モータ１０７のシャフトの回転位置を検出するエンコーダからなる位置センサ１０９と、位置制御器１１１と、速度制御器１１３とトルク指令ローパスフィルタ１１５と、トルク制御器１１７とを備えている。位置センサ１０９の出力（位置情報）は位置制御器１１１にフィードバックされ、また位置センサ１０９の出力（位置情報）は微分されて速度情報として速度制御器１１３にフィードバックされる。位置制御器１１１には、位置センサ１０９で検出された位置情報と位置指令との差分を減算部ＳＰ１で算出した結果が入力される。本実施の形態では、位置制御器１１１に入力される位置指令は、モデル制御系１０５から出力されるフィードバック系へのモデル位置指令である。そして位置制御器１１１は、フィードバック系へのモデル位置指令と位置センサ１０９からの位置情報との差分に基づいて速度制御器１１３に速度指令を出力する。速度指令とモデル制御系１０５から出力されるフィードバック系へのモデル速度指令との合算から、位置センサ１０９の出力を微分して得た速度情報との差分を減算部ＳＰ２で求める。速度制御器１１３は、減算部ＳＰ２から出力された差分に基づいてトルク指令を出力する。速度制御器１１３から出力されたトルク指令とモデル制御系１０５から与えられる後述する差分モデルトルク指令とが加算部ＳＰ３によって加算されて、加算されたトルク指令がトルク指令ローパスフィルタ１１５に入力される。トルク指令ローパスフィルタ１１５は、加算部ＳＰ３から出力された加算されたトルク指令から高周波成分を抑制する。なおトルク制御器１１７は、トルク指令ローパスフィルタ１１５によりフィルタ処理したトルク指令に基づいてモータ１０７のトルクを制御する。
【００２２】
またモデル制御系１０５は、可動部モデル１１９、機台モデル１２１と、モデル位置制御器１２３と、モデル速度制御器１２５と、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７と、主フィードバック部１２９と、第１のフィードバック部１３１と、第２のフィードバック部１３３と、第１乃至第３の減算部ＳＰ１１〜ＳＰ１３と、第１及び第２の加算部ＳＰ１４及びＳＰ１５とを備えている。可動部モデル１１９は、モータの可動部の動きをモデル化してモデル可動部位置情報を出力する。機台モデル１２１は、機台の動きをモデル化してモデル機台位置情報を出力する。モデル位置制御器１２３は、位置制御器１１１をモデル化してモデル速度指令を出力する。モデル速度制御器１２５は、速度制御器１１３をモデル化してモデルトルク指令を出力する。なお、モデルには外乱が加わらないため、モデル速度制御器は比例制御器で構成する。モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７は、トルク指令ローパスフィルタ１１５を一次のローパスフィルタでモデル化してモデルトルク指令をローパスフィルタ処理した後のフィルタ処理モデルトルク指令を可動部モデル１１９と機台モデル１２１とに与える。主フィードバック部１２９は、モデル可動部位置情報とモデル機台位置情報とを第１の加算部ＳＰ１４で合算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置指令として、モデル位置制御器１２３及びモデル速度制御器１２５にそれぞれフィードバックする。第１の減算部ＳＰ１１は、入力位置指令からフィードバック系へのモデル位置指令を減算してモデル位置制御器１２３に入力する。またフィードバック系へのモデル位置指令は微分器１３５により微分されてフィードバック系へのモデル速度指令に変換される。第２の減算部ＳＰ１２は、モデル位置制御器１２３から出力されたモデル速度指令からフィードバック系へのモデル速度指令を減算して、減算結果をモデル速度制御器１２５に出力する。第１のフィードバック部１３１は、モデル機台位置情報に基づいてモデル機台位置情報だけでなく、モデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報を含む第１のフィードバック指令を出力する。第２のフィードバック部１３３は、フィルタ処理モデルトルク指令に所定のゲインＫＬＰを乗算した指令を第２のフィードバック指令として出力する。そして第３の減算部ＳＰ１３は、第２の加算部ＳＰ１５で求めた第１のフィードバック指令と第２のフィードバック指令の合算とモデルトルク指令との差分を求め、この差分を差分モデルトルク指令として、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の入力部とフィードバック制御系１０３のトルク指令ローパスフィルタ１１５の入力部（加算部ＳＰ３）に出力する。
【００２３】
モデル制御系１０５は、第１の加算部ＳＰ１４から得たモデル位置情報からなるフィードバック系へのモデル位置指令を位置制御器１１１に位置指令として与える。またフィードバック系へのモデル位置指令を微分器１３５により微分して得たフィードバック系へのモデル速度指令を、位置制御器１１１から速度制御器１１３に入力される速度指令に加算する。
【００２４】
本実施の形態では、機台を含んだモータ機械モデル（１１９，１２１）に第１のフィードバック部１３１及び第２のフィードバック部１３３を利用して状態フィードバックを行う。そしてモデル制御系１０５を、安定で且つ機台の振動を生じさせないようにするために、各制御器のパラメータを定めている。
【００２５】
また第１のフィードバック部１３１は、モデル機台位置情報に、機台位置フィードバックゲインＫＰＢと、機台速度フィードバックゲインＫＶＳと、機台加速度フィードバックゲインＫＡＢＳ２とを加算した合算ゲイン（ＫＰＢ＋ＫＶＳ＋ＫＡＢＳ２）を乗算したものを第１のフィードバック指令として出力する。第１のフィードバック指令と第２のフィードバック指令とを合算したものが状態フィードバック量となる。
【００２６】
本実施の形態によれば、以上のように、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の出力、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報、モデル機台加速度情報を状態フィードバックすることにより、機台の振動を抑制しながら、モデル位置ゲインＫＰ、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７のパラメータ［時定数］を自由に設定できるようにしている。そして本実施の形態では、減算部ＳＰ１でモデル制御系１０５から出力されるフィードバック系へのモデル位置指令とエンコーダ１０９で検出した位置情報（位置フィードバック指令）との偏差を取り、位置制御器１１１に通して速度指令を出力する。また減算部ＳＰ２では、この速度指令と微分器１３５から出力されたフィードバック系へのモデル速度指令とを加算したものと、エンコーダからなる位置センサ１０９で検出した位置情報を微分して得た情報（速度フィードバック指令）との偏差を取る。この偏差は、速度制御器１１３を通ってトルク指令として出力される。そして減算部ＳＰ１３では、モデルトルク指令から第１のフィードバック指令と前記第２のフィードバック指令とを合算して得た状態フィードバック量を減算した差分モデルトルク指令を、加算部ＳＰ３でトルク指令に加算する。そしてこの加算した指令をトルク指令ローパスフィルタ１１５に通してフィルタ処理した後、トルク制御器１１７に入力し、トルク制御器１１７の出力でモータ１０７を駆動する。
【００２７】
このように構成したモデル制御系の状態方程式について説明する。最初に、図１０はモデルトルク指令ローパスフィルタ１２７を用いず且つ第２のフィードバック部１３３を用いずに、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報だけをフィードバックする場合の構成を示すブロックである。図１０には、各位置に式で用いる記号を付してある。この場合のパラメータを、現代制御理論から、特性方程式が４重根を持つように各パラメータを算出すると以下のようになる。
【数３】
2010041734.tif 000005
【００２８】
上記結果から判ることは、位置ループゲインＫPを決めると、根Ｋが決まり、速度ループゲインＫｖ、機台加速度フィードバックゲインＫＡＢ、機台速度フィードバックゲインＫＶＢ、機台位置フィードバックゲインＫＰＢが決まる。例えば、ＪＭ＝８．４７×１０−４（Ｋｇ・ｍ２）、ＪＬ＝ＪＭ×３．６６、Ｊ＝ＪＭ＋ＪＬ、ＪＢ＝ＪＭ×７０．５、ＫＢ＝１５９５（Ｎｍ／ｒａｄ）の機械系において、ＫＰ＝１２５rad/Sとすると、ＫＶ＝８０Ｈz、ＫＡＢ＝０．０５８（Nm/（rad/ｓ）2）、ＫＶＢ＝２４．９（Nm/（rad/ｓ））、ＫＰＢ＝２．７２×１０３（Nm/rad）となる。図１０の構成のように状態フィードバックを行って、機台の振動を抑制し、しかも、高速位置決めができるようにパラメータを算出すると、モデル速度制御器１２５の速度ループゲインＫｖは、通常設定できる値になる。フィードバック制御系に、機械系の高周波共振やエンコーダに基づく高周波成分などがなければ、図１０の構成でも、機台の振動を抑制して高速位置決めをする制御系を構築できる。
【００２９】
しかしながらフィードバック制御系に、機械系の高周波共振やエンコーダに基づく高周波成分が含まれる場合には、図１１に示すようにモデルトルク指令ローパスフィルタを追加することになる。図１１に示すように、モデルトルク指令ローパスフィルタを挿入したときのパラメータを現代制御理論から、特性方程式が５重根を持つように算出すると、下記のようになる。
【数４】
2010041734.tif 000006
【００３０】
上記結果から、位置ループゲインＫPを決めると、根Ｋが決まり、速度ループゲインＫｖ、機台加速度フィードバックゲインＫＡＢ、機台速度フィードバックゲインＫＶＢ、機台位置フィードバックゲインＫＰＢ、そしてモデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔが決まる。このため、モデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔの設定自由度がない。通常は、モデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔは、機械系の高周波共振に合わせて調整するため、自由に調整できる必要がある。しかしながら図１１に示す構成だけでは、モデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔを調整することはできない。
【００３１】
これに対して図１に示した本発明の実施の形態では、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の出力をフィードバックするようにしたので、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の時定数Ｔを含めた各パラメータを調整することができる。図１に示した構成の状態方程式は次のようになる。
【００３２】
ｄＸ/ｄｔ＝ＡＸ＋ＢＵ 
ｙ＝ＣＸ 
ｙはモデル位置指令である。
【００３３】
Ａ、Ｂ、Ｃは下記の通りである。
【数５】
2010041734.tif 000007
【００３４】
上記の状態方程式の特性方程式が、５重根を持つように各パラメータを算出すると下記のようになる。なお位置、速度制御系が安定になるように、KV ＝４Ｊ２・ＫＰ とする。
【数６】
2010041734.tif 000008
【００３５】
上記のように各モデル各部のパラメータを設定すると、機台の振動を生じない位置決めを実現できる。
【００３６】
このパラメータの設定は、次の様に行う。まずフィードバック制御系１０３におけるトルク指令ローパスフィルタ１１５の時定数は、エンコーダ等からなる位置センサ１０９の量子化リップルや、機械系の高調波共振を抑制できる高い値に設定する。速度制御器１１３のループゲインは、機械系の高調波共振を励振しない範囲で、できるだけ高い値に調整する。位置制御器１１１の位置ループゲインは、位置、速度制御系の応答が安定になるように、位置ループゲイン＝速度ループゲイン／４を目安に設定する。モデル制御系１０５のモデル位置制御器１２３のループゲインＫＰや、モデル速度制御器１２５のループゲインＫＶ、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の時定数は、フィードバック制御系１０３のトルク指令ローパスフィルタ１１５の時定数と同じ値にする。モデル制御系１０５の可動部モデル１１９のパラメータや、機台モデル１２１のパラメータは、実際の機械系の値に合わせる。そして、これらのパラメータを元に、状態フィードバックゲイン（ＫＰＢ＋ＫＶＳ＋ＫＡＢＳ２）及びＫＬＰを算出する。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、まずフィードバック系１０３のパラメータを、実際の機械系に合わせて調整し、それに合わせてモデル制御系１０５のパラメータを決定する。図１２（Ｂ）は、このようにして算出したパラメータ及び状態フィードバックゲインを用いて位置決めを行った場合の位置偏差のシミュレーション結果である。図１２（Ａ）は使用した差分位置指令を示している。図１２（Ｂ）のシミュレーションは、モデル制御系１０５及びフィードバック制御系１０３のトルク指令ローパスフィルタ及びモデルトルク指令ローパスフィルタ（１１５，１２７）のカットオフ周波数を６００Ｈｚにしている。その他は、図５及び図６と条件を同じにしている。また、図１３（Ｂ）は、モデル制御系１０５及びフィードバック制御系１０３のトルク指令ローパスフィルタ及びモデルトルク指令ローパスフィルタ（１１５，１２７）のカットオフ周波数を６００Ｈｚから１０００Ｈｚに上げたときの位置偏差のシミュレーション結果である。図１３（Ａ）は使用した差分位置指令を示している。図１２（Ｂ）及び図１３（Ｂ）を見ると判るように、位置偏差の振動がなく、機台の振動が抑制されていることが判る。また位置決め時間も図６のプレフィルタを用いた場合の結果よりも早くなっており、高速な位置決めが実現できていることが判る。
【００３８】
以上の様に、本実施の形態によれば、モデル制御系１０５として、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報、モデル機台加速度情報、ローパスフィルタ後のモデルトルク指令（４つの状態）をモデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の入力にフィードバックする。そして、現代制御理論を適用してモデル制御系の特性方程式の根が重根になるようにモデル制御系１０５の各パラメータを算出して、パラメータを決定した。本実施の形態のように、前述の４つの状態をフィードバックしたことにより、モデル位置ゲインＫｐやモデル速度ゲインＫＶ、そして、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の時定数という、フィードバック系１０３で自由に設定するパラメータを、モデル制御系１０５の特性方程式の根が重根になるという制約の下でも自由に設定できるようになる。これにより、機械系の高周波領域での特性上の制約などを考慮して設定するトルク指令ローパスフィルタ１１５の値や、モデル位置ゲインＫｐやモデル速度ゲインＫＶをモデル制御系１０５に設定した後に、振動がなくなるようにモデル制御系１０５のパラメータを設定することができるようになる。そして、この振動がなく、高速駆動できるモデルに追従するようにフィードバック制御系１０３を駆動する。これにより、機台の振動を検出するセンサがなくとも、機台の振動を抑制して高速に位置決めできるモータ制御装置が実現できる。
【００３９】
上記実施の形態では、モデル機台位置情報、モデル機台位置情報及びモデル機台加速度情報の３つを状態フィードバック量としている。しかしながら、ローパスフィルタ後のモデルトルク指令を状態フィードバック量として用いていることを条件にすれば、モデル機台位置情報のみを状態フィードバック量として用いる場合、モデル機台位置情報にモデル機台位置情報及びモデル機台加速度情報の少なくとも一方を組み合わせたものを状態フィードバック量として用いる場合にも本発明を適用することができる。
【００４０】
上記実施の形態では、回転型のモータを制御の対象にしたが、リニアモータの制御にも本発明は当然にして適用することができる。
【００４１】
また上記の実施の形態では、現代制御理論を適用してモデル制御系の特性方程式の根が重根になるようにモデル制御系の各パラメータを算出して、パラメータを決定しているが、必ずしも重根である必要はなく、モデル制御系が安定でかつ振動が抑制されるようにパラメータが決定されればよく、モデル制御系の各パラメータの算出または決定方法は、本実施の形態に限定されるものではない。
【００４２】
また、図１に一点鎖線で示すように、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の入力をトルク指令ローパスフィルタ１１５の入力に加算する構成を採用せずに、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の出力をトルク制御器１１７の入力に加算する構成を採用してもよい。このようにしても、同様の結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示す図である。
【図３】モータと機台との関係を示す図である。
【図４】プレフィルタにより機台振動を抑制するモータ制御装置のブロック図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、使用した差分位置指令とプレフィルタを用いない場合の位置偏差とを示している。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、差分位置指令とプレフィルタを用いた場合の位置偏差とを示している。
【図７】他の従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示す図である。
【図８】更に他の従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示す図である。
【図９】図８に示した制御装置のモデル制御系を、減衰項Ｃｂ、粘性抵抗Ｃｔを省略して表した図である。
【図１０】トルク指令ローパスフィルタを用いず且つ第２のフィードバック部を用いずに、モデル機台位置情報、モデル機台位置情報及びモデル機台加速度情報だけをフィードバックする場合の構成を示すブロックである。
【図１１】トルク指令ローパスフィルタを用い且つ第２のフィードバック部を用いずに、モデル機台位置情報、モデル機台位置情報及びモデル機台加速度情報だけをフィードバックする場合の構成を示すブロックである。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施の形態で使用した差分位置指令及びトルク指令ローパスフィルタのカットオフ周波数を６００Ｈｚ？にした場合における位置偏差を示す図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施の形態で使用した差分位置指令及びトルク指令ローパスフィルタのカットオフ周波数を１０００Ｈｚにした場合における位置偏差を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０１  モータ制御装置
１０３  フィードバック制御系
１０５  モデル制御系
１０７  モータ
１０９  位置センサ
１１１  位置制御器
１１３  速度制御器
１１５  トルク指令ローパスフィルタ
１１７  トルク制御器
１１９  可動部モデル
１２１  機台モデル
１２３  モデル位置制御器
１２５  モデル速度制御器
１２７  モデルトルク指令ローパスフィルタ
１２９  主フィードバック部
１３１  第１のフィードバック部
１３３  第２のフィードバック部
１３５  微分器
【図１】
2010041734.tif 000009
【図２】
2010041734.tif 000010
【図３】
2010041734.tif 000011
【図４】
2010041734.tif 000012
【図５】
2010041734.tif 000013
【図６】
2010041734.tif 000014
【図７】
2010041734.tif 000015
【図８】
2010041734.tif 000016
【図９】
2010041734.tif 000017
【図１０】
2010041734.tif 000018
【図１１】
2010041734.tif 000019
【図１２】
2010041734.tif 000020
【図１３】
2010041734.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月27日(2009.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モデル制御系を備えて、モデル追従制御を行うモータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チップマウンタなどの機械を駆動して、高速に位置決めを行う場合に、モータ制御装置により機械を高速位置決めする方法の一つとして、モデル追従制御法がある。モデル追従制御では、実際のフィードバック制御系を模擬したモデル制御系を構築する。そして、このモデル制御系に追従するようにフィードバック制御系を駆動する。図２は、特開昭６２−２１７３０４号公報［特許文献１］に示された従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示したものである。この制御装置では、位置指令とモデル位置との偏差をとり、モデル位置制御器を通してモデル速度指令を得る。そしてモデル速度指令とモデル速度との偏差をとり、モデル速度制御器を通してモデルトルク指令を得る。またモデルトルク指令をモータ機械モデルに通してモデル速度を算出する。更にモデル速度を積分器に通してモデル位置を算出する。モデル位置とエンコーダで検出したモータ位置との差をとり、位置制御器を通して速度指令を出力する。さらに速度指令とモデル速度を加算したものと速度検出値との偏差をとり、この偏差を速度制御器を通してトルク指令を得る。トルク指令とモデルトルク指令を加算し、トルク制御器を通してモータを駆動し、モータのトルクを制御する。ここで、モータ機械モデルは、モータイナーシャをＪＭ、負荷イナーシャをＪＬとして、モータ機械モデル＝１／｛（ＪＭ＋ＪＬ）Ｓ｝と表される。このように、モデル追従制御を構成することにより、指令応答特性と外乱抑圧特性とを独立に制御できる。外乱抑圧特性は機械系の高周波共振などにより制約を受ける。そのため外乱抑圧特性は、ある程度以上に高くすることができない。モデル応答特性は、機械系の高周波共振などにより制約を受けないため、高めることができる。これにより、指令応答特性を高めて、機械の高速位置決めが実現できる。
【０００３】
機械系が剛体である場合は、モータ機械モデルを剛体としたモデル追従制御を行うことにより、高速位置決めが実現できる。しかし、実際の機械系には剛性の低い部分が存在し、それにより振動を生ずる。チップマウンタなどの機械は、図３に示すように、機台の上にモータが固定され、ボールねじなどを通してテーブルを駆動する。機台はレベリングボルトなどにより支持される。このような機械で、モータを駆動してテーブルを高速駆動させると、レベリングボルトの剛性により機台が揺れ、機台振動を生ずる。
【０００４】
こういった機台振動を抑制する方法として、位置指令の入力部にプレフィルタを挿入する方法がある。図４は、プレフィルタにより機台振動を抑制するモータ制御装置のブロック図である。プレフィルタとしては、例えばノッチフィルタを用いることができる。そして、ノッチフィルタのノッチ周波数を機台振動周波数と同じ値に設定することにより、機台振動を抑制することができる。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、プレフィルタを用いない場合の差分位置指令と位置偏差とを示している。そして図６（Ａ）及び（Ｂ）は、プレフィルタを用いた場合の差分位置指令と位置偏差とを示している。図５（Ｂ）と図６（Ｂ）とを比較すると、プレフィルタにより機台振動を抑制することができて、位置決め整定特性が改善されることが判る。しかし、図６（Ｂ）を見ると判るように、プレフィルタを用いた場合は、フィルタの遅れにより、位置決め整定時間Ｔｓを十分に短くできないという問題があった。
【０００５】
別の機台振動を抑制する方法として、特開２００２−１６３００６号公報（特許文献２）に示されるモデル追従制御を用いた方法がある。図７は、特許文献２の図２をそのまま表示したものである。この従来のモデル追従制御法を用いるモータ制御装置では、モデル制御系の中に、ねじり角補償器２５を設けることにより、振動を抑制している。しかし、特許文献２には、電動機及び機械の設備１０の具体的な数学モデル１７は開示されていない。しかしながら機械系の振動抑制には、適切なモデル化を行わないと、振動は抑制することができない。また特許文献２の方法では、振動抑制制御用の補償として用いる、ねじり角、ねじり角速度のフィードバック量を、ねじり角及びねじり角速度の値を用いて適応的に制御している。模擬速度制御器のパラメータも、模擬速度偏差に応じて適応的に制御している。しかし、特許文献２には、模擬適応ねじり角補償器２５と模擬適応速度制御器１５の間のパラメータの定め方は示されていない。機台振動の抑制には、模擬適応速度制御器１５とねじり角補償器２５のゲインを共に、制御系が安定し、しかも振動を生じない様な値に収束させる必要がある。しかし、模擬適応ねじり角補償器２５と模擬適応速度制御器１５は、それぞれの偏差が小さくなるように独立して動くように設計されている。その結果、たとえば、ねじり角、及び、ねじり角速度フィードバックにより振動が抑制されたとしても、模擬速度偏差を抑制するように模擬適応速度制御器１５のパラメータが変わってしまえば、振動抑制効果が低減してしまうという問題があった。このように、特許文献２に示された手法では、機械モデルが明確に示されておらず、本当に機台振動が抑制されるかどうかわからない。また、模擬適応速度制御器１５とねじり角、ねじり角速度フィードバックとの間の制御則が示されていないため、振動が抑制されるように模擬適応ねじり角補償器２５と模擬適応速度制御器１５が収束しない可能性があった。
【０００６】
これに対し、特開２００４ −２１４１３号公報（特許文献３）は、機械モデルを明確にした従来の技術を開示している。特許文献３に記載の技術では、機台モデルを図８のように表している。この従来技術では、機台の位置情報とモデル機台位置情報をフィードバックして振動を抑制している。またこの従来の技術では、モデルの位置情報、モデル機台位置情報、推力指令をフィードバック制御系の位置情報とモデル機台位置情報に付加している。このように、特許文献３に示された技術では、モデルの推力指令を変換器を通してフィードバック制御系の速度指令に付加している。そのため、モデル制御系とフィードバック制御系の誤差がない場合でも、変換器の構成や遅れにより、フィードバック制御系の推力指令がモデル制御系の推力指令通りにならず、十分なモデル追従制御特性が得られないという問題があった。また、特許文献３の記載を見ても、振動を抑制するためにどのようにパラメータを設定するのかが不明確であった。そのため、振動を抑制して、しかも、高速な位置決めを実現できない可能性があった。
【０００７】
たとえば、ここで、図８のモデル制御系を、減衰項Ｃｂ、粘性抵抗Ｃｔを省略して図９に示す記号を用いて表し、そのパラメータを、現代制御理論から算出すると次のようになる。
【０００８】
まず、モデル制御系の状態方程式は、下記式のように示される。
【数１】
2010041734.tif 000022
【０００９】
現代制御理論によると、すべての極がマイナスの実根を持てば、制御系は安定になるため、特性方程式が、４重根を持つように各パラメータを算出すると、下記のようになる。
【数２】
2010041734.tif 000023
【００１０】
従って、位置ループゲインＫPを決めると、根Ｋが決まり、速度ループゲインＫｖ、機台速度フィードバックゲインＫＶＢ、機台位置フィードバックゲインＫＰＢが決まる。例えば、ＪＭ＝８．４７×１０−４（Ｋｇ・ｍ２）、ＪＬ＝ＪＭ×３．６６、Ｊ＝ＪＭ＋ＪＬ、ＪＢ＝ＪＭ×７０．５、ＫＢ＝１５９５（Ｎｍ／ｒａｄ）の機械系において、ＫＰ＝１２５rad/Sとすると、Ｋv＝３０３０Ｈz、ＫＶＢ＝９４２（Nm/（rad/ｓ））、ＫＰＢ＝４．４５×１０４（Nm/rad）となる。これから、特許文献３の構成で、振動が抑制されて、しかも、高速位置決めができるようにパラメータを算出すると、モデル速度制御器のゲインは、通常設定できないような大きな値になってしまう。モデル追従制御を用いた制振制御では、モデル系のパラメータとフィードバック制御系のパラメータを同じ値に設定することにより振動を抑制する。そのため、フィードバック制御系の速度制御器のゲインも大きな値に設定する必要がある。しかし、フィードバック制御系の速度制御器のゲインは、機械系の剛性などによりその上限が制限される。その結果、極端に高い値には設定できない。従って、図８のモデル制御系に対し、状態フィードバック理論を適用してそのパラメータを算出し、振動抑制と高速位置決めを実現するパラメータを算出して、算出した値にパラメータを設定しても、発振などを生じてしまい、算出結果を利用してモータを制御することは実現が不可能であるという問題があった。
【特許文献１】特開昭６２−２１７３０４号公報
【特許文献２】特開２００２ −１６３００６号公報  図２
【特許文献３】特開２００４ −２１４１３号公報  図２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
機台振動を抑制する別の方法として、機台振動を検出するセンサを設けることも考えられる。しかしながら、センサ故障などが発生するため、信頼性が低下し、また、コストアップの問題が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、さらに、特別なセンサなどを用いずに、モデル制御系を用いて、機台振動を抑制し、高速な位置決め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】
【００１３】
本発明のモータ制御装置は、フィードバック制御系とモデル制御系とから構成される。フィードバック制御系は、位置センサと、位置制御器と、速度制御器とトルク指令ローパスフィルタと、トルク制御器とからされる。位置センサは、機台に装着されたモータの可動部の位置を検出する。位置制御器は、位置センサで検出された位置情報と位置指令とに基づいて速度指令を出力する。速度制御器は、速度指令と位置センサの出力から得た速度情報とに基づいてトルク指令を出力する。トルク指令ローパスフィルタは、トルク指令から高周波成分を抑制する。トルク制御器は、トルク指令ローパスフィルタによりフィルタ処理したトルク指令に基づいてモータのトルクを制御する。
【００１４】
またモデル制御系は、可動部モデルと、機台モデルと、モデル位置制御器と、モデル速度制御器と、モデルトルク指令ローパスフィルタと、主フィードバック部と、第１のフィードバック部と、第２のフィードバック部と、減算部とを備えている。可動部モデルは、可動部の動きをモデル化して可動部のモデル可動部位置情報を出力する。機台モデルは、機台の動きをモデル化して機台のモデル機台位置情報を出力する。モデル位置制御器は、位置制御器をモデル化してモデル速度指令を出力する。モデル速度制御器は、速度制御器をモデル化してモデルトルク指令を出力する。モデルトルク指令ローパスフィルタは、トルク指令ローパスフィルタをモデル化してモデルトルク指令をフィルタ処理した後のモデルトルク指令（以後フィルタ処理モデルトルク指令と言う）を可動部モデルと機台モデルとに与える。主フィードバック部は、モデル可動部位置情報とモデル機台位置情報とを合算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置指令としてモデル位置制御器及びモデル速度制御器にそれぞれフィードバックする。第１のフィードバック部は、モデル機台位置情報に基づいて機台の少なくともモデル機台位置情報を含む第１のフィードバック指令を出力する。第２のフィードバック部は、フィルタ処理モデルトルク指令の情報を含む第２のフィードバック指令を出力する。そして減算部は、第１のフィードバック指令と第２のフィードバック指令の合算とモデルトルク指令との差分を求め、この差分を差分モデルトルク指令としてモデルトルク指令ローパスフィルタの入力部とトルク指令ローパスフィルタの入力部に出力する。そしてモデル制御系は、フィードバック系へのモデル位置指令を位置制御器に位置指令として与え、フィードバック系へのモデル位置指令に基づいて作成したフィードバック系へのモデル速度指令を位置制御器から速度制御器に入力される速度指令に加算するように構成されている。
【００１５】
なお差分モデルトルク指令をトルク指令ローパスフィルタの入力部に与えずに、フィルタ処理モデルトルク指令をトルク制御器に入力されるフィルタ処理したトルク指令に加算するようにモデル制御系を構成する場合も、本発明に含まれる。
【００１６】
本発明によれば、モデル位置制御器やモデル速度制御器に設定するゲイン及びトルク指令ローパスフィルタの値を、フィードバック制御系において物理的に設定可能なゲインの範囲内の任意の値に設定した場合において、第１のフィードバック部及び第２のフィードバック部のゲインを調整することにより、機台の振動を抑制できる。したがって本発明によれば、特別なセンサなどを用いずに、モデル制御系を用いて、機台振動を抑制し、高速な位置決めを実現することができる。
【００１７】
なお第１のフィードバック部は、モデル機台位置情報に加えて機台のモデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報を第１のフィードバック指令に含めるように構成するのが好ましい。このようにするとモデル機台位置情報だけをフィードバックする場合と比べてモデル速度ループゲインを一般的に使用できる値にすることが容易になる。
【００１８】
本発明を具体的に実施する場合には、モデル位置制御器及びモデル速度制御器にそれぞれ設定されるゲインは、位置制御器及び速度制御器にそれぞれ設定されるゲインと同じに設定される。そして第１のフィードバック部に設定される第１のフィードバックゲインと、第２のフィードバック部に設定される第２のフィードバックゲインとは、機台の振動を抑制するように定められる。
【００１９】
またモデル制御系に含まれる複数のパラメータは、モデル制御系の状態方程式の特性方程式が５重根を持ち且つフィードバック制御系が安定するように定める。このように複数のパラメータを定めると、振動を抑制して高速に位置決めすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、モデル位置制御器やモデル速度制御器に設定するゲイン及びトルク指令ローパスフィルタの値を、フィードバック制御系において物理的に設定可能なゲインの範囲内の任意の値に設定した場合において、第１のフィードバック部及び第２のフィードバック部のゲイン（パラメータ）を調整することにより、機台の振動を抑制して高速に位置決めできる利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態のモータ制御装置１０１は、フィードバック制御系１０３とモデル制御系１０５とから構成される。フィードバック制御系１０３は、モータ１０７のシャフトの回転位置を検出するエンコーダからなる位置センサ１０９と、位置制御器１１１と、速度制御器１１３とトルク指令ローパスフィルタ１１５と、トルク制御器１１７とを備えている。位置センサ１０９の出力（位置情報）は位置制御器１１１にフィードバックされ、また位置センサ１０９の出力（位置情報）は微分されて速度情報として速度制御器１１３にフィードバックされる。位置制御器１１１には、位置センサ１０９で検出された位置情報と位置指令との差分を減算部ＳＰ１で算出した結果が入力される。本実施の形態では、位置制御器１１１に入力される位置指令は、モデル制御系１０５から出力されるフィードバック系へのモデル位置指令である。そして位置制御器１１１は、フィードバック系へのモデル位置指令と位置センサ１０９からの位置情報との差分に基づいて速度制御器１１３に速度指令を出力する。速度指令とモデル制御系１０５から出力されるフィードバック系へのモデル速度指令との合算から、位置センサ１０９の出力を微分して得た速度情報との差分を減算部ＳＰ２で求める。速度制御器１１３は、減算部ＳＰ２から出力された差分に基づいてトルク指令を出力する。速度制御器１１３から出力されたトルク指令とモデル制御系１０５から与えられる後述する差分モデルトルク指令とが加算部ＳＰ３によって加算されて、加算されたトルク指令がトルク指令ローパスフィルタ１１５に入力される。トルク指令ローパスフィルタ１１５は、加算部ＳＰ３から出力された加算されたトルク指令から高周波成分を抑制する。なおトルク制御器１１７は、トルク指令ローパスフィルタ１１５によりフィルタ処理したトルク指令に基づいてモータ１０７のトルクを制御する。
【００２２】
またモデル制御系１０５は、可動部モデル１１９、機台モデル１２１と、モデル位置制御器１２３と、モデル速度制御器１２５と、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７と、主フィードバック部１２９と、第１のフィードバック部１３１と、第２のフィードバック部１３３と、第１乃至第３の減算部ＳＰ１１〜ＳＰ１３と、第１及び第２の加算部ＳＰ１４及びＳＰ１５とを備えている。可動部モデル１１９は、モータの可動部の動きをモデル化してモデル可動部位置情報を出力する。機台モデル１２１は、機台の動きをモデル化してモデル機台位置情報を出力する。モデル位置制御器１２３は、位置制御器１１１をモデル化してモデル速度指令を出力する。モデル速度制御器１２５は、速度制御器１１３をモデル化してモデルトルク指令を出力する。なお、モデルには外乱が加わらないため、モデル速度制御器は比例制御器で構成する。モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７は、トルク指令ローパスフィルタ１１５を一次のローパスフィルタでモデル化してモデルトルク指令をローパスフィルタ処理した後のフィルタ処理モデルトルク指令を可動部モデル１１９と機台モデル１２１とに与える。主フィードバック部１２９は、モデル可動部位置情報とモデル機台位置情報とを第１の加算部ＳＰ１４で合算して得たモデル位置情報をフィードバック系へのモデル位置指令として、モデル位置制御器１２３及びモデル速度制御器１２５にそれぞれフィードバックする。第１の減算部ＳＰ１１は、入力位置指令からフィードバック系へのモデル位置指令を減算してモデル位置制御器１２３に入力する。またフィードバック系へのモデル位置指令は微分器１３５により微分されてフィードバック系へのモデル速度指令に変換される。第２の減算部ＳＰ１２は、モデル位置制御器１２３から出力されたモデル速度指令からフィードバック系へのモデル速度指令を減算して、減算結果をモデル速度制御器１２５に出力する。第１のフィードバック部１３１は、モデル機台位置情報に基づいてモデル機台位置情報だけでなく、モデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報を含む第１のフィードバック指令を出力する。第２のフィードバック部１３３は、フィルタ処理モデルトルク指令に所定のゲインＫＬＰを乗算した指令を第２のフィードバック指令として出力する。そして第３の減算部ＳＰ１３は、第２の加算部ＳＰ１５で求めた第１のフィードバック指令と第２のフィードバック指令の合算とモデルトルク指令との差分を求め、この差分を差分モデルトルク指令として、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の入力部とフィードバック制御系１０３のトルク指令ローパスフィルタ１１５の入力部（加算部ＳＰ３）に出力する。
【００２３】
モデル制御系１０５は、第１の加算部ＳＰ１４から得たモデル位置情報からなるフィードバック系へのモデル位置指令を位置制御器１１１に位置指令として与える。またフィードバック系へのモデル位置指令を微分器１３５により微分して得たフィードバック系へのモデル速度指令を、位置制御器１１１から速度制御器１１３に入力される速度指令に加算する。
【００２４】
本実施の形態では、機台を含んだモータ機械モデル（１１９，１２１）に第１のフィードバック部１３１及び第２のフィードバック部１３３を利用して状態フィードバックを行う。そしてモデル制御系１０５を、安定で且つ機台の振動を生じさせないようにするために、各制御器のパラメータを定めている。
【００２５】
また第１のフィードバック部１３１は、モデル機台位置情報に、機台位置フィードバックゲインＫＰＢと、機台速度フィードバックゲインＫＶＢと、機台加速度フィードバックゲインＫＡＢＳ２とを加算した合算ゲイン（ＫＰＢ＋ＫＶＢ＋ＫＡＢＳ２）を乗算したものを第１のフィードバック指令として出力する。第１のフィードバック指令と第２のフィードバック指令とを合算したものが状態フィードバック量となる。
【００２６】
本実施の形態によれば、以上のように、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の出力、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報、モデル機台加速度情報を状態フィードバックすることにより、機台の振動を抑制しながら、モデル位置ゲインＫＰ、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７のパラメータ［時定数］を自由に設定できるようにしている。そして本実施の形態では、減算部ＳＰ１でモデル制御系１０５から出力されるフィードバック系へのモデル位置指令とエンコーダからなる位置センサ１０９で検出した位置情報（位置フィードバック指令）との偏差を取り、位置制御器１１１に通して速度指令を出力する。また減算部ＳＰ２では、この速度指令と微分器１３５から出力されたフィードバック系へのモデル速度指令とを加算したものと、エンコーダからなる位置センサ１０９で検出した位置情報を微分して得た情報（速度フィードバック指令）との偏差を取る。この偏差は、速度制御器１１３を通ってトルク指令として出力される。そして減算部ＳＰ１３では、モデルトルク指令から第１のフィードバック指令と前記第２のフィードバック指令とを合算して得た状態フィードバック量を減算した差分モデルトルク指令を、加算部ＳＰ３でトルク指令に加算する。そしてこの加算した指令をトルク指令ローパスフィルタ１１５に通してフィルタ処理した後、トルク制御器１１７に入力し、トルク制御器１１７の出力でモータ１０７を駆動する。
【００２７】
このように構成したモデル制御系の状態方程式について説明する。最初に、図１０はモデルトルク指令ローパスフィルタ１２７を用いず且つ第２のフィードバック部１３３を用いずに、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報だけをフィードバックする場合の構成を示すブロックである。図１０には、各位置に式で用いる記号を付してある。この場合のパラメータを、現代制御理論から、特性方程式が４重根を持つように各パラメータを算出すると以下のようになる。
【数３】
2010041734.tif 000024
【００２８】
上記結果から判ることは、位置ループゲインＫPを決めると、根Ｋが決まり、速度ループゲインＫｖ、機台加速度フィードバックゲインＫＡＢ、機台速度フィードバックゲインＫＶＢ、機台位置フィードバックゲインＫＰＢが決まる。例えば、ＪＭ＝８．４７×１０−４（Ｋｇ・ｍ２）、ＪＬ＝ＪＭ×３．６６、Ｊ＝ＪＭ＋ＪＬ、ＪＢ＝ＪＭ×７０．５、ＫＢ＝１５９５（Ｎｍ／ｒａｄ）の機械系において、ＫＰ＝１２５rad/Sとすると、ＫＶ＝８０Ｈz、ＫＡＢ＝０．０５８（Nm/（rad/ｓ）2）、ＫＶＢ＝２４．９（Nm/（rad/ｓ））、ＫＰＢ＝２．７２×１０３（Nm/rad）となる。図１０の構成のように状態フィードバックを行って、機台の振動を抑制し、しかも、高速位置決めができるようにパラメータを算出すると、モデル速度制御器１２５の速度ループゲインＫｖは、通常設定できる値になる。フィードバック制御系に、機械系の高周波共振やエンコーダに基づく高周波成分などがなければ、図１０の構成でも、機台の振動を抑制して高速位置決めをする制御系を構築できる。
【００２９】
しかしながらフィードバック制御系に、機械系の高周波共振やエンコーダに基づく高周波成分が含まれる場合には、図１１に示すようにモデルトルク指令ローパスフィルタを追加することになる。図１１に示すように、モデルトルク指令ローパスフィルタを挿入したときのパラメータを現代制御理論から、特性方程式が５重根を持つように算出すると、下記のようになる。
【数４】
2010041734.tif 000025
【００３０】
上記結果から、位置ループゲインＫPを決めると、根Ｋが決まり、速度ループゲインＫｖ、機台加速度フィードバックゲインＫＡＢ、機台速度フィードバックゲインＫＶＢ、機台位置フィードバックゲインＫＰＢ、そしてモデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔが決まる。このため、モデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔの設定自由度がない。通常は、モデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔは、機械系の高周波共振に合わせて調整するため、自由に調整できる必要がある。しかしながら図１１に示す構成だけでは、モデルトルク指令ローパスフィルタの時定数Ｔを調整することはできない。
【００３１】
これに対して図１に示した本発明の実施の形態では、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の出力をフィードバックするようにしたので、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の時定数Ｔを含めた各パラメータを調整することができる。図１に示した構成の状態方程式は次のようになる。
【００３２】
ｄＸ/ｄｔ＝ＡＸ＋ＢＵ 
ｙ＝ＣＸ 
ｙはモデル位置指令である。
【００３３】
Ａ、Ｂ、Ｃは下記の通りである。
【数５】
2010041734.tif 000026
【００３４】
上記の状態方程式の特性方程式が、５重根を持つように各パラメータを算出すると下記のようになる。なお位置、速度制御系が安定になるように、KV ＝４Ｊ２・ＫＰ とする。
【数６】
2010041734.tif 000027
【００３５】
上記のように各モデル各部のパラメータを設定すると、機台の振動を生じない位置決めを実現できる。
【００３６】
このパラメータの設定は、次の様に行う。まずフィードバック制御系１０３におけるトルク指令ローパスフィルタ１１５の時定数は、エンコーダ等からなる位置センサ１０９の量子化リップルや、機械系の高調波共振を抑制できる高い値に設定する。速度制御器１１３のループゲインは、機械系の高調波共振を励振しない範囲で、できるだけ高い値に調整する。位置制御器１１１の位置ループゲインは、位置、速度制御系の応答が安定になるように、位置ループゲイン＝速度ループゲイン／４を目安に設定する。モデル制御系１０５のモデル位置制御器１２３のループゲインＫＰや、モデル速度制御器１２５のループゲインＫＶ、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の時定数は、フィードバック制御系１０３のトルク指令ローパスフィルタ１１５の時定数と同じ値にする。モデル制御系１０５の可動部モデル１１９のパラメータや、機台モデル１２１のパラメータは、実際の機械系の値に合わせる。そして、これらのパラメータを元に、状態フィードバックゲイン（ＫＰＢ＋ＫＶＢ＋ＫＡＢＳ２）及びＫＬＰを算出する。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、まずフィードバック制御系１０３のパラメータを、実際の機械系に合わせて調整し、それに合わせてモデル制御系１０５のパラメータを決定する。図１２（Ｂ）は、このようにして算出したパラメータ及び状態フィードバックゲインを用いて位置決めを行った場合の位置偏差のシミュレーション結果である。図１２（Ａ）は使用した差分位置指令を示している。図１２（Ｂ）のシミュレーションは、フィードバック制御系１０３及びモデル制御系１０５のトルク指令ローパスフィルタ及びモデルトルク指令ローパスフィルタ（１１５，１２７）のカットオフ周波数を６００Ｈｚにしている。その他は、図５及び図６と条件を同じにしている。また、図１３（Ｂ）は、フィードバック制御系１０３及びモデル制御系１０５のトルク指令ローパスフィルタ及びモデルトルク指令ローパスフィルタ（１１５，１２７）のカットオフ周波数を６００Ｈｚから１０００Ｈｚに上げたときの位置偏差のシミュレーション結果である。図１３（Ａ）は使用した差分位置指令を示している。図１２（Ｂ）及び図１３（Ｂ）を見ると判るように、位置偏差の振動がなく、機台の振動が抑制されていることが判る。また位置決め整定時間も図６のプレフィルタを用いた場合の結果よりも早くなっており、高速な位置決めが実現できていることが判る。
【００３８】
以上の様に、本実施の形態によれば、モデル制御系１０５として、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報、モデル機台加速度情報、ローパスフィルタ後のモデルトルク指令（４つの状態）をモデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の入力にフィードバックする。そして、現代制御理論を適用してモデル制御系の特性方程式の根が重根になるようにモデル制御系１０５の各パラメータを算出して、パラメータを決定した。本実施の形態のように、前述の４つの状態をフィードバックしたことにより、モデル位置ゲインＫｐやモデル速度ゲインＫＶ、そして、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の時定数という、フィードバック制御系１０３で自由に設定するパラメータを、モデル制御系１０５の特性方程式の根が重根になるという制約の下でも自由に設定できるようになる。これにより、機械系の高周波領域での特性上の制約などを考慮して設定するトルク指令ローパスフィルタ１１５の値や、モデル位置ゲインＫｐやモデル速度ゲインＫＶをモデル制御系１０５に設定した後に、振動がなくなるようにフィードバック制御系１０３のパラメータを設定することができるようになる。そして、この振動がなく、高速駆動できるモデルに追従するようにフィードバック制御系１０３を駆動する。これにより、機台の振動を検出するセンサがなくとも、機台の振動を抑制して高速にできるモータ制御装置が実現できる。
【００３９】
上記実施の形態では、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報の３つを状態フィードバック量としている。しかしながら、ローパスフィルタ後のモデルトルク指令を状態フィードバック量として用いていることを条件にすれば、モデル機台位置情報のみを状態フィードバック量として用いる場合、モデル機台位置情報にモデル機台位置情報及びモデル機台加速度情報の少なくとも一方を組み合わせたものを状態フィードバック量として用いる場合にも本発明を適用することができる。
【００４０】
上記実施の形態では、回転型のモータを制御の対象にしたが、リニアモータの制御にも本発明は当然にして適用することができる。
【００４１】
また上記の実施の形態では、現代制御理論を適用してモデル制御系の特性方程式の根が重根になるようにモデル制御系の各パラメータを算出して、パラメータを決定しているが、必ずしも重根である必要はなく、モデル制御系が安定でかつ振動が抑制されるようにパラメータが決定されればよく、モデル制御系の各パラメータの算出または決定方法は、本実施の形態に限定されるものではない。
【００４２】
また、図１に一点鎖線で示すように、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の出力をトルク指令ローパスフィルタ１１５の入力に加算する構成を採用せずに、モデルトルク指令ローパスフィルタ１２７の出力をトルク制御器１１７の入力に加算する構成を採用してもよい。このようにしても、同様の結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示す図である。
【図３】モータと機台との関係を示す図である。
【図４】プレフィルタにより機台振動を抑制するモータ制御装置のブロック図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、使用した差分位置指令とプレフィルタを用いない場合の位置偏差とを示している。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、差分位置指令とプレフィルタを用いた場合の位置偏差とを示している。
【図７】他の従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示す図である。
【図８】更に他の従来のモデル追従制御法を採用したモータ制御装置の構成を示す図である。
【図９】図８に示した制御装置のモデル制御系を、減衰項Ｃｂ、粘性抵抗Ｃｔを省略して表した図である。
【図１０】トルク指令ローパスフィルタを用いず且つ第２のフィードバック部を用いずに、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報だけをフィードバックする場合の構成を示すブロックである。
【図１１】トルク指令ローパスフィルタを用い且つ第２のフィードバック部を用いずに、モデル機台位置情報、モデル機台速度情報及びモデル機台加速度情報だけをフィードバックする場合の構成を示すブロックである。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施の形態で使用した差分位置指令及びトルク指令ローパスフィルタのカットオフ周波数を６００Ｈｚにした場合における位置偏差を示す図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施の形態で使用した差分位置指令及びトルク指令ローパスフィルタのカットオフ周波数を１０００Ｈｚにした場合における位置偏差を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０１  モータ制御装置
１０３  フィードバック制御系
１０５  モデル制御系
１０７  モータ
１０９  位置センサ
１１１  位置制御器
１１３  速度制御器
１１５  トルク指令ローパスフィルタ
１１７  トルク制御器
１１９  可動部モデル
１２１  機台モデル
１２３  モデル位置制御器
１２５  モデル速度制御器
１２７  モデルトルク指令ローパスフィルタ
１２９  主フィードバック部
１３１  第１のフィードバック部
１３３  第２のフィードバック部
１３５  微分器