(57)【要約】【課題】機械の振動を抑制すると共に、機械の位置決めの際のオーバーシュートの発生を抑制する。【解決手段】位置指令Ｐｒｅｆとモータ位置Ｐｆｂに基づいて速度指令Ｖｒｅｆを生成する位置ループゲインＫｐと、速度指令Ｖｒｅｆとモータ速度Ｖｆｂに基づいてトルク指令Ｔｒｅｆを生成する速度ループゲインＫｖと、トルク指令Ｔｒｅｆに基づいてリニアモータ１１を駆動するモータ駆動部と、を備え、リニアモータ１１で加速度センサ１４が取り付けられた機械３を駆動するモータ制御装置２であって、加速度センサ１４の検出信号である加速度検出信号に基づく、速度指令Ｖｒｅｆへの第２加速度フィードバック信号を生成する１次ローパスフィルタ２８及び第２加速度フィードバックゲインＫｆ２と、位置指令Ｐｒｅｆが入力され、機械３の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタ２１と、を備える。【選択図】図２
2014135790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、
前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、
前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで加速度センサが取り付けられた機械を駆動するモータ制御装置であって、
前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、
前記位置指令が入力され、前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記加速度フィードバック信号生成部は、
１次ローパスフィルタとゲインとを有し、前記加速度検出信号を前記１次ローパスフィルタおよび前記ゲインを介して前記フィードバック信号を生成し、
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、前記１次ローパスフィルタの時定数と同一の時定数をもつ、
ことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、分母に第１時定数と分子に第２時定数とをもつ第１ダイポール消去フィルタを備え、
前記第１時定数は前記１次ローパスフィルタの時定数と同一であり、前記第２時定数は前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の極を消去可能な時定数である、
ことを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記加速度フィードバック信号生成部は、前記１次ローパスフィルタに直列に配置した１次ハイパスフィルタを更に有し、
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、前記１次ハイパスフィルタの時定数と同一の時定数をもつ
ことを特徴とする請求項２又は３記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、分母に第３時定数と分子に第４時定数とをもつ第２ダイポール消去フィルタを更に備え、
前記第３時定数は前記１次ハイパスフィルタの時定数と同一であり、前記第４時定数は前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の極を消去可能な時定数である、
ことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記機械は、
直列に接続されて複数次の振動モードをもつＮ個（ただしＮは２以上の整数）のリンクからなり、
前記加速度フィードバック信号生成部は、
前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の前記加速度センサからの加速度検出信号にそれぞれ対応してＮ個並列に備え、
前記位置指令フィルタは、
前記Ｎ個の加速度フィードバック信号生成部にそれぞれ対応してＮ個直列に備える
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで機械を駆動するモータ制御装置で実行されるモータ制御方法であって、
前記機械に取り付けられた加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づいて、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成ステップと、
前記位置指令に対して、前記機械の低周波数振動を抑制するようフィルタリングする位置指令フィルタステップと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
【請求項８】
位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備えるモータ制御装置と、
前記モータ制御装置に駆動されるモータと、
加速度センサが取り付けられて前記モータで駆動される機械と、
を備える機械システムであって、
前記モータ制御装置は、
前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、
前記位置指令が入力され、前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、
を備えることを特徴とする機械システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、モータ制御装置、モータ制御方法及び機械システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、位置フィードバック制御と速度フィードバック制御を行うモータ制御装置でモータを駆動し、それに連結する機械の位置決め制御を行う構成において、当該機械に取り付けた加速度センサの加速度信号をモータ制御装置の速度指令にフィードバックすることにより機械の振動抑制機能を得る構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１５９７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術において、機械の振動は抑制されるものの、機械の位置決めの際にオーバーシュートが発生するため、モータ制御装置の用途に応じては改善の余地があった。
【０００５】
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、機械の振動を抑制すると共に、機械の位置決めの際のオーバーシュートの発生を抑制できるモータ制御装置、モータ制御方法、及び機械システム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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで加速度センサが取り付けられた機械を駆動するモータ制御装置であって、前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、前記位置指令が入力され、前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、を備えるモータ制御装置が適用される。
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで機械を駆動するモータ制御装置で実行されるモータ制御方法であって、前記機械に取り付けられた加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づいて、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成ステップと、前記位置指令に対して、前記機械の低周波数振動を抑制するようフィルタリングする位置指令フィルタステップと、を実行するモータ制御方法が適用される。
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備えるモータ制御装置と、前記モータ制御装置に駆動されるモータと、加速度センサが取り付けられて前記モータで駆動される機械と、を備える機械システムであって、前記モータ制御装置は、前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、前記位置指令が入力され、前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、を備える機械システムが適用される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のモータ制御装置、モータ制御方法、及び機械システムによれば、機械の振動を抑制すると共に、機械の位置決めの際のオーバーシュートの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施の形態に係るモータ制御装置を備えた機械システムの概略的な構成を表す図である。
【図２】機械システムの制御系モデルを伝達関数形式で表す図である。
【図３】加速度フィードバック制御を最も理想的に行う場合の制御系モデルを表す図である。
【図４】加速度フィードバック制御を無効とした場合のステップ応答を表す図である。
【図５】加速度フィードバック制御を有効とした場合のステップ応答を表す図である。
【図６】位置ループゲインを変化させた場合のステップ応答を表す図である。
【図７】加速度フィードバック制御に１次ローパスフィルタを用いた場合の制御系モデルを表す図である。
【図８】積分器と１次ローパスフィルタの周波数特性を表すボード線図である。
【図９】積分器と１次ローパスフィルタをそれぞれ用いた場合のステップ応答を表す図である。
【図１０】図７に示した制御系モデルを別の構成に置き換えた図である。
【図１１】図１０の伝達関数の極配置を表す図である。
【図１２】図１１中のＡ部を拡大して表す図である。
【図１３】伝達関数のゼロ点のみ消去する位置指令フィルタを設けた場合の制御系モデルを表す図である。
【図１４】ゼロ点のみ消去する位置指令フィルタを用いた場合のステップ応答を表す図である。
【図１５】時定数を変化させた場合のステップ応答を表す図である。
【図１６】ゼロ点と極の両方でダイポール全体を消去するダイポール消去フィルタを設けた場合のステップ応答を表す図である。
【図１７】ダイポール消去フィルタを用いた場合のステップ応答を表す図である。
【図１８】ダイポール消去フィルタを用いた場合の原点付近の極配置を表す図である。
【図１９】ダイポール消去フィルタを用いた場合のステップ応答の速さを表す図である。
【図２０】加速度フィードバック制御にハイパスフィルタを用いた場合の制御系モデルの表す図である。
【図２１】機械における２次振動モードを表す図である。
【図２２】２次振動モータに対応する場合の制御系モデルを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
＜機械システムの構成＞
まず、図１を用いて、一実施の形態に係るモータ制御装置を備えた機械システムの概略的な構成について説明する。図１に示すように、本実施形態の例の機械システムＳは、リニアモータ１１の可動テーブル１１ｂに連結したリンクを当該リニアモータ１１の直動方向における所定の位置に位置決め制御するものであり、上位制御装置１、モータ制御装置２、及び機械３で構成される。上位制御装置１は、後述する機械のエンドエフェクタに対して所定の位置に位置決めさせるための位置指令をモータ制御装置２に出力する。モータ制御装置２は上位制御装置１から入力された位置指令に基づいて接続するリニアモータ１１の駆動を制御する。
【００１３】
機械３は、固定子１１ａと可動テーブル１１ｂを備えた直動型モータであるリニアモータ１１と、その可動テーブル１１ｂ上に垂直に設置した弾性ロッド１２と、この弾性ロッド１２の上端に固定したエンドエフェクタ１３と、このエンドエフェクタ１３に設置した加速度センサ１４とを備えている。弾性ロッド１２は弾性材料からなる十分な長さの角柱部材であり、エンドエフェクタ１３は所定の質量を有する部材である。これら弾性ロッド１２とエンドエフェクタ１３の結合体はその全体の剛性が低いため、リニアモータ１１の可動テーブル１１ｂがその移動中に急停止することで弾性ロッド１２の設置部分を中心に揺動するよう機械的な振動を発生しやすい。
【００１４】
本実施形態の例では、上記加速度センサ１４がエンドエフェクタ１３の揺動方向、つまりリニアモータ１１における可動テーブル１１ｂの移動方向での一方側の端面に取り付けられ、当該エンドエフェクタ１３の揺動方向の加速度を検出する。この加速度センサ１４の検出信号である加速度検出信号は、モータ制御装置２に入力される。また、リニアモータ１１の可動テーブル１１ｂには特に図示しない位置検出器が設けられており、この位置検出器から位置検出信号が検出されてモータ制御装置に入力される（速度は位置をモータ制御装置で近似微分して作成する）。モータ制御装置２は、上位制御装置１から入力される位置指令に基づいて可動テーブル１１ｂを位置決め移動させるようリニアモータ１１に駆動電力を供給するとともに、可動テーブル１１ｂからの速度検出信号と、加速度センサ１４からの加速度検出信号を参照して上記エンドエフェクタ１３の振動を抑えるよう上記駆動電流を制御する。
【００１５】
＜本実施形態の例の機械システムの制御系モデル＞
図２は、本実施形態の例の機械システムＳの制御系モデルを伝達関数形式で表している。なお、図示の煩雑を避けるために、上位制御装置１や電流制御ループなどをできるだけ省略して簡略化したモデルで表している。この図２において、機械システムＳは、位置指令フィルタ２１と、第１加減算部２２と、位置ループゲインＫｐと、第２加減算部２３と、第３加減算部２４と、速度ループゲインＫｖと、モータモデル２５と、積分器２６と、機械モデル２７と、第１加速度フィードバックゲインＫｆ１と、１次ローパスフィルタ２８と、第２加速度フィードバックゲインＫｆ２とを有している。
【００１６】
本実施形態において、位置指令フィルタ２１は、第１時定数Ｔ１を分母に有し、第２時定数Ｔ２を分子に有する伝達関数（（Ｔ２・ｓ＋１）／（Ｔ１・ｓ＋１））のフィルタで構成されており、上位制御装置１からの位置指令を当該位置指令フィルタ２１に入力し、その出力を第１加減算部２２に出力する。なお、この位置指令フィルタ２１の機能と同等に実行するソフトウェア的手順が、各請求項記載の位置指令フィルタステップに相当する。
【００１７】
第１加減算部２２は、位置指令フィルタ２１から入力された位置指令から後述するモータ位置Ｐｆｂを減算してその偏差を求める。この偏差に位置ループゲインＫｐを乗算した値を速度指令Ｖｒｅｆとして第２加減算部２３へ出力する。なお、この位置ループゲインＫｐが、各請求項記載の位置制御部に相当する。
【００１８】
第２加減算部２３は、位置ループゲインＫｐから出力された速度指令Ｖｒｅｆから、後述する第１加速度フィードバック信号と第２加速度フィードバック信号を減算してその偏差を求める。
【００１９】
第３加減算部２４は、第２加減算部２３から出力された偏差から後述するモータ速度Ｖｆｂを減算してその偏差を求める。この偏差に速度ループゲインＫｖを乗算した値をトルク指令Ｔｒｅｆとしてモータモデル２５へ出力する。なお、この速度ループゲインＫｖが、各請求項記載の速度制御部に相当する。
【００２０】
モータモデル２５は、本実施形態の例における上記リニアモータ１１を模したモデル（簡単のためにイナーシャＪ＝１）であり、速度ループゲインＫｖから入力されたトルク指令Ｔｒｅｆに対して積分を行う積分器（１／ｓ）で構成される。これにより、モータモデル２５はモータ速度Ｖｆｂ（上記可動テーブル１１ｂの移動速度）を出力する。このモータ速度Ｖｆｂは、上記第３加減算部２４と機械モデル２７にそれぞれ入力される。
【００２１】
本実施形態において、機械モデル２７は、上記図１で示した可動テーブル１１ｂ、弾性ロッド１２、エンドエフェクタ１３、及び加速度センサ１４の結合体に相当する伝達関数（（ｗｒ２ｓ）／（ｓ２＋ｗｒ２））で表される。この機械モデル２７に上記モータ速度Ｖｆｂを入力することで、加速度センサ１４から検出される加速度検出信号に相当する信号が出力される。
【００２２】
上記機械モデル２７が出力した加速度検出信号に第１加速度フィードバックゲインＫｆ１を乗算し、この値を第１加速度フィードバック信号として上記第２加減算部２３に入力する。
【００２３】
本実施形態において、１次ローパスフィルタ２８は、分母と分子に第１時定数Ｔ１を有する伝達関数（Ｔ１／（Ｔ１・ｓ＋１））で表される。上記機械モデル２７が出力した加速度検出信号をこの１次ローパスフィルタ２８に入力し、その出力に第２加速度フィードバックゲインＫｆ２を乗算した値を第２加速度フィードバック信号として上記第２加減算部２３に入力する。なお、第２加速度フィードバックゲインＫｆ２が各請求項記載のゲインに相当し、第２加速度フィードバック信号が各請求項記載のフィードバック信号に相当し、１次ローパスフィルタ２８と第２加速度フィードバックゲインＫｆ２が各請求項記載の加速度フィードバック信号生成部に相当する。また、１次ローパスフィルタ２８と第２加速度フィードバックゲインＫｆ２の機能と同等に実行するソフトウェア的手順が、各請求項記載の加速度フィードバック信号生成ステップに相当する。
【００２４】
また、上記モータモデル２５が出力したモータ速度Ｖｆｂを積分器２６に入力すると、その出力はリニアモータ１１の可動テーブル１１ｂの位置、つまりモータ位置Ｐｆｂとなり、このモータ位置Ｐｆｂを上記第１加減算部２２に入力する。
【００２５】
以上の制御系の構成においては、位置指令Ｐｒｅｆの入力に追従する位置制御系のＰフィードバックループ（以下、位置制御系ループという）と、速度制御系のＰフィードバックループ（以下、速度制御系ループという）によるＰ−Ｐフィードバック制御と併せて、加速度検出信号に適宜のゲインＫｆ１、Ｋｆ２と１次ローパスフィルタ２８を介した第１加速度フィードバック信号と第２加速度フィードバック信号を速度制御系ループにフィードバックする加速度フィードバック制御も複合的に行う構成となっている。なお、この図２に示す制御系モデルのうちモータモデル２５と機械モデル２７を除いた部分がモータ制御装置２に相当する。また、特に図示していないが、モータ制御装置２においてはトルク指令に対する電流制御系のフィードバックループも備えている。この電流制御系のフィードバックループのモデル（図示せず）が、各請求項記載のモータ駆動部に相当する。
【００２６】
以上の構成の本実施形態による機械システムＳは、第２加速度フィードバック信号を生成するために設けた１次ローパスフィルタ２８に対応して位置指令フィルタ２１を設け、上位制御装置１からの位置指令Ｐｒｅｆをこの位置指令フィルタ２１を介して入力することにより、機械３における低周波数振動の発生を抑制することができる。以下、その理由を順次説明する。
【００２７】
＜機械における低周波数振動の発生原因について＞
まず、機械３における低周波数振動の発生原因について説明する。図３は、加速度フィードバック制御を最も理想的に行う場合の制御系モデルを示している。この図３において、上記図２で示した制御系モデルとの相違点は、第２加速度フィードバック信号を生成するための１次ローパスフィルタ２８の代わりに加速度積分器２９を備え、さらに位置指令フィルタ２１を設けずに上位制御装置１からの位置指令Ｐｒｅｆを第１加減算部２２に直接入力している点である。なお、最終的な制御対象となるエンドエフェクタ１３の位置（以下において、負荷位置という）は、機械モデル２７が出力する信号を２階積分して検出している。また、比較例として第１、第２加速度フィードバック信号をフィードバックしない場合、つまり上記加速度フィードバック制御を無効とした場合も想定し、上記第２加減算部２３への第１、第２加速度フィードバック信号の入力の有無を切り替え可能な２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２も設けている。
【００２８】
この図２に示す制御系モデルにおいて、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を遮断状態とし加速度フィードバック制御を無効とした場合には、上記負荷位置のステップ応答で図４に示すような振動が発生する。これに対し、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を接続状態として加速度フィードバック制御を有効とした場合には、同じステップ応答が図５に示すように速く安定する。これは、機械モデル２７が出力する加速度検出信号を加速度積分器２９で１階積分することで、加速度フィードバック信号（第２加速度フィードバック信号）を速度指令に対応した適切な信号として生成することができ、加速度フィードバック制御が理想的に機能するためである。また、詳細な説明は省力するが、加速度検出信号に加速度積分器２９を介さず第１加速度フィードバックゲインＫｆ１だけ乗算した第１加速度フィードバック信号も併せて加速度フィードバック制御に用いることも、位置制御の制振機能上有効である。
【００２９】
なお、このステップ応答の反応の速さや安定度は、上記の位置ループゲインＫｐや速度ループゲインＫｖにも依存する。例えば、位置ループゲインＫｐを変化させた場合には、図６に示すようにステップ応答の速さが変化し、位置ループゲインＫｐの値によっては振動も発生する。このため、位置ループゲインＫｐ、速度ループゲインＫｖ、第１加速度フィードバックゲインＫｆ１、及び第２加速度フィードバックゲインＫｆ２のそれぞれの値を公知の係数図法などによって適切に設定することで、理想的な加速度フィードバック制御が可能となる。
【００３０】
しかしながら、実装上の都合から実際に加速度積分器２９を用いて加速度フィードバック制御を行うことは困難である。具体的には、加速度積分器２９がＡＤ変換時のＤＣオフセットやドリフトを積算してしまうため、結果的に位置指令に対する位置ズレが生じてしまうためである。そこで、図７に示すように、加速度積分器２９の代わりに周波数特性が似ている１次ローパスフィルタ２８を用いて第２加速度フィードバック信号を生成する構成が考えられる。この１次ローパスフィルタ２８は、上述したように分母と分子に第１時定数Ｔ１を有する伝達関数（Ｔ１／（Ｔ１・ｓ＋１））で表されるフィルタであり、図８のボード線図に示すように周波数ゲイン特性が加速度積分器２９（１／ｓ）に近似しているため代用可能と考えられる。この１次ローパスフィルタ２８を用いて加速度フィードバック制御を行った場合には、ステップ応答が図９に示すように安定する。しかし、加速度積分器２９を用いた場合と比較すると、図示から分かるようにオーバーシュート、すなわち機械３における低周波数振動が発生してしまう。
【００３１】
そこで今回の検討によれば、加速度フィードバック制御に１次ローパスフィルタ２８を用いた場合に低周波数振動が発生する原因が、極配置におけるダイポールの形成によるものであることが新たに知見された。この点について、以下に順次説明する。
【００３２】
＜ダイポールの形成について＞
ここで、上記図７に示した制御系モデルを、図１０の構成の制御系モデルに置き換えてみる。なお、図中のＧｖ（ｓ）は、上記図７における第３加減算部２４、速度ループゲインＫｖ、モータモデル２５を含んだ速度制御系ループ全体の伝達関数に相当し、その出力はモータ速度Ｖｆｂに相当する。また図中のＰ（ｓ）は、機械モデル２７の伝達関数に相当するが、その出力はエンドエフェクタ１３の移動速度、つまり負荷速度に相当する。加速度センサ１４はこの負荷速度を１階微分して加速度検出信号を検出する。また、モータ速度Ｖｆｂを１階積分することでモータ位置Ｐｆｂが得られ、負荷速度を１階積分することで負荷位置が求められる。なお計算の便宜上、この図１０の制御系モデルにおいては、１次ローパスフィルタ２８の伝達関数を（１／（Ｔ・ｓ＋１））で簡略化している。
【００３３】
以上の制御系モデルにおいて、位置指令Ｐｒｅｆから負荷位置までの全体の伝達関数Ｇ（ｓ）を整理すると以下のようになる。
2014135790.tif 000003
・・・（１）
【００３４】
この式（１）から分かるように、伝達関数Ｇ（ｓ）の分子に１次ローパスフィルタ２８の分母が入っている。すなわち、式（１）は、１次ローパスフィルタ２８のカットオフ周波数（−１／Ｔ（ｒａｄ／ｓ））が当該伝達関数Ｇ（ｓ）のゼロ点となる。また、伝達関数Ｇ（ｓ）の分母にも１次ローパスフィルタ２８の分母が複数入っており、これらのカットオフ周波数が当該伝達関数Ｇ（ｓ）の複数の極に影響を与える。これらの極配置の例を図１１に示す。なおこの図１１では、参考までに加速度フィードバック制御に加速度積分器２９を用いた場合（上記図３の制御系モデルの場合）の極配置も併せて示している。そしてこの図１１の原点付近のＡ部を拡大した図が図１２となる。
【００３５】
この図１２における原点以外の位置で、１次ローパスフィルタ２８によるゼロ点の近傍に極の１つが位置していることが分かる。一般的にこのように極がゼロ点の近傍に位置するダイポールの配置関係が成立している場合で、ゼロ点が極よりも遅い位置（原点に近い配置）にある場合には、ステップ応答で低周波数振動となるオーバーシュートが発生する。以上から、加速度フィードバック制御に１次ローパスフィルタ２８を用いた場合には、制御系全体の伝達関数Ｇ（ｓ）の極配置においてダイポールの配置関係となるゼロ点と極が存在するために、機械３に低周波数振動が発生することが分かった。
【００３６】
＜低周波数振動の抑制対策その１：ダイポールのゼロ点を消去＞
以上の検討のようにダイポールが原因で発生する低周波数振動を抑制するために、最も簡易な手法としては、ダイポールのゼロ点を消去することが考えられる。そのための１つの構成として、１次ローパスフィルタ２８の時定数と同一の時定数を持つ位置指令フィルタ２１を設ける。具体的には、図１３に示すように、１次ローパスフィルタ２８（Ｔ／（Ｔ・ｓ＋１））の分母の時定数Ｔと同一の時定数Ｔを分母に持つ位置指令フィルタ２１ａ（１／（Ｔ・ｓ＋１）を設け、位置指令Ｐｒｅｆをこの位置指令フィルタ２１ａを介して第１加減算部２２に入力すればよい。この構成によれば、図１４に示すように、ステップ応答で低周波数振動であるオーバーシュートを抑制できる。ただし、この位置指令フィルタ２１ａは１次遅れ要素となるため、ステップ応答の速さが遅くなってしまう。しかし、位置指令フィルタ２１ａにおける時定数Ｔを適宜調整することで、図１５に示すようにステップ応答の速さも適宜調整できる。なお、位置指令フィルタ２１ａの時定数の調整次第ではオーバーシュートが発生する場合もあるので、前述した係数図法などで適切に調整する必要がある。
【００３７】
＜低周波数振動の抑制対策その２：ダイポールのゼロ点と極の両方を消去＞
さらに、ゼロ点とダイポールの配置関係にある極も併せて消去することで、ダイポール全体をキャンセルすることができ、機械３の低周波数振動を抑制しつつ、応答を速くすることができる。具体的には、図１６に示すように、１次ローパスフィルタ２８（Ｔ１／（Ｔ１・ｓ＋１））の分母の第１時定数Ｔ１と同一の第１時定数Ｔ１を位置指令フィルタ２１の分母に持たせ、上記伝達関数Ｇ（ｓ）の極を消去可能な第２時定数Ｔ２を位置指令フィルタ２１の分子に持たせればよい。ただし、第２時定数Ｔ２で消去する極は、伝達関数Ｇ（ｓ）が有する複数の極のうちゼロ点に対してダイポールの配置関係にある極である必要がある。この消去対象の極を明確に算出することは容易でないため、第２時定数Ｔ２は第１時定数Ｔ１を固定した上で適宜調整して設定する必要がある。このようにして構成した位置指令フィルタ２１（（Ｔ２・ｓ＋１）／（Ｔ１・ｓ＋１））は、特にダイポール消去フィルタとして機能する。なお、このダイポール消去フィルタが、各請求項記載の第１ダイポール消去フィルタに相当する。
【００３８】
このダイポール消去フィルタ２１を設けた構成によれば、図１７に示すように、加速度積分器２９を用いた場合の理想的な加速度フィードバック制御に近いステップ応答が得られる。また、上記図１２に対応する図１８に示すように、伝達関数Ｇ（ｓ）においてダイポールの配置関係となるゼロ点と極が、それぞれダイポール消去フィルタ２１自体の極とゼロ点によって相殺され、つまり制御系全体のダイポールがキャンセルされる。これにより、機械３における低周波数振動がほぼ完全に抑制される。また、このダイポール消去フィルタ２１自体が、ダイポールの配置関係にあるゼロ点と極を有するフィルタであるため、フィルタ遅れがほとんどない。これにより、図１９に示すように、ステップ応答の速さも理想的に近い速さとなる。したがって、図１６の構成から負荷位置の検出構成を除いた上記図２の制御系モデルは、加速度フィードバック制御に加速度積分器２９を用いることなく、低周波数振動を抑えた遅れの少ないステップ応答が可能となる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態のモータ制御装置２及び機械システムＳによれば、加速度検出信号に基づく第２加速度フィードバック信号を生成し、位置指令Ｐｒｅｆが入力され、機械３の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタ２１を備える。これにより、剛性の低い機械３の振動を抑制すると共に、機械３の位置決めの際のオーバーシュートの発生を抑制できる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、加速度検出信号を１次ローパスフィルタ２８および第２加速度フィードバックゲインＫｆ２を介して加速度フィードバック信号を生成し、位置指令フィルタ２１は、その伝達関数において、１次ローパスフィルタ２８の時定数Ｔ１と同一の時定数Ｔ１をもつ。これにより、位置指令フィルタ２１が伝達関数Ｇ（ｓ）のゼロ点を消去することができ、機械３の位置決めの際のオーバーシュートの発生を抑制できる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、位置指令フィルタ２１は、その伝達関数において、１次ローパスフィルタ２８の時定数Ｔ１と同一の第１時定数Ｔ１を分母に持ち、伝達関数Ｇ（ｓ）の極を消去可能な第２時定数Ｔ２を分子に持つダイポール消去フィルタで構成されている。これにより、伝達関数Ｇ（ｓ）においてダイポールの配置関係となるゼロ点と極が、それぞれダイポール消去フィルタである位置指令フィルタ２１自体の極とゼロ点によって相殺され、すなわち制御系全体のダイポールがキャンセルされる。これにより、機械３における低周波数振動がほぼ完全に抑制される。また、位置指令フィルタ２１自体が、ダイポールの配置関係にあるゼロ点と極を有するフィルタであるため、フィルタ遅れがほとんどなくステップ応答の速さも理想的に近い速さとなる。
【００４２】
なお、具体的な構成としては、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。
【００４３】
（１）加速度フィードバック制御にハイパスフィルタを備える場合
上記実施形態においては、加速度検出信号に基づいて１次ローパスフィルタ２８と第２加速度フィードバックゲインＫｆ２だけで第２加速度フィードバック信号を生成していた。しかし、加速度センサ１４は定格測定範囲の下限以下の周波数を正確に測定できないため、１次ローパスフィルタ２８に対して直列に１次ハイパスフィルタを設け、正確に測定できない低周波成分の影響を排除する構成が考えられる。この場合には、当該１次ハイパスフィルタにより生じるゼロ点や極を消去可能なハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａをさらに備えてもよい。
【００４４】
例えば、上記図２に対応する図２０に示すように、機械モデル２７が出力する加速度検出信号を１次ハイパスフィルタ３１に入力し、その出力を１次ローパスフィルタ２８に入力する。また、上位制御装置１からの位置指令Ｐｒｅｆをハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａに入力し、その出力を位置指令フィルタ２１に入力する。その他の構成は上記図２と同様であるため、説明を省略する。なお、位置指令フィルタ２１とハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａが、各請求項記載の位置指令フィルタに相当する。
【００４５】
１次ハイパスフィルタ３１は、分母と分子に第１ハイパスフィルタ時定数Ｔｈ１を持つ伝達関数Ｔｈ１・ｓ／（Ｔｈ１・ｓ＋１）で表される。
【００４６】
ハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａは、その分母に１次ハイパスフィルタ３１が分母に持つものと同一の第１ハイパスフィルタ時定数Ｔｈ１を有し、その分子に第２ハイパス時定数Ｔｈ２を有する伝達関数（（Ｔｈ２・ｓ＋１）／（Ｔｈ１・ｓ＋１））のフィルタで構成されている。
【００４７】
このように構成された制御系モデルにおいては、第１加減算部２２に入力される位置指令から機械３の負荷位置までの伝達関数Ｇ（ｓ）に、１次ローパスフィルタ２８の第１時定数に対応するゼロ点と極のダイポールとともに、１次ハイパスフィルタ３１の第１ハイパスフィルタ時定数Ｔｈ１に対応するゼロ点と極のダイポールも併せて生じる。ハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａにおいて、分子の第２ハイパス時定数Ｔｈを適宜調整することにより、当該ハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａで第１ハイパスフィルタ時定数Ｔｈ１に対応するゼロ点と極のダイポールを消去することができる。これにより、位置指令フィルタ２１及びハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａが伝達関数Ｇ（ｓ）のダイポールを全て消去し、制御系全体で低周波数振動を抑制できる。なお、第１ハイパスフィルタ時定数Ｔｈ１が各請求項記載の第３時定数に相当し、第２ハイパスフィルタ時定数Ｔｈ２が各請求項記載の第４時定数に相当し、ハイパスフィルタ用位置指令フィルタ２１Ａが各請求項記載の第２ダイポール消去フィルタに相当する。
【００４８】
（２）機械が複数次の振動モードで振動する場合
上記実施形態においては、図２１の一点鎖線で示すように、機械３のエンドエフェクタ１３が単純に揺動するだけの１次振動モードで振動する場合を前提としていた。しかしながら、機械３のパラメータの設定によっては、図中の実線で示すように、弾性ロッド１２とエンドエフェクタ１３が個別に振動する複数次の振動モードで振動する場合がある。この場合には、機械３を構成する弾性ロッド１２とエンドエフェクタ１３の２つのリンクで、それぞれ最も大きく振幅する部分に加速度センサ１４を設置する。この例では、弾性ロッド１２の振動節部である腹部と、エンドエフェクタ１３の移動方向一方側の端面にそれぞれ加速度センサ１４を設ける。そして各加速度センサ１４からの加速度検出信号にそれぞれ対応して加速度フィードバック制御を並列して行うとよい。
【００４９】
この場合には、上記図２に対応する図２２に示すように、第１機械モデル２７、第１加速度フィードバックゲインＫｆ１、第１ローパスフィルタ２８、及び第２加速度フィードバックゲインＫｆ２を備えた第１加速度フィードバックループと、第２機械モデル２７Ａ、第３加速度フィードバックゲインＫｆ３、第２ローパスフィルタ２８Ａ、及び第４加速度フィードバックゲインＫｆ４を備えた第２加速度フィードバックループとを並列に設ける。また、第１加速度フィードバックループに対応する第１位置指令フィルタ２１と、第２加速度フィードバックループに対応する第２位置指令フィルタ２１Ｂを直列に設ける。
【００５０】
このように構成された制御系モデルにおいては、第１加減算部２２に入力される位置指令Ｐｒｅｆから機械３の負荷位置までの伝達関数Ｇ（ｓ）に、第１ローパスフィルタ２８の第１時定数Ｔ１に対応するゼロ点と極のダイポールとともに、第２ローパスフィルタ２８Ａの第３時定数Ｔ３に対応するゼロ点と極のダイポールも併せて生じる。各位置指令フィルタ２１、２１Ｂのそれぞれの分母に第１時定数Ｔ１、第３時定数Ｔ３を割り当てることで各ゼロ点を消去し、それぞれの分子の第２時定数Ｔ２、第４時定数Ｔ４を適宜調整することで各極を消去する。これにより、各位置指令フィルタ２１、２１Ｂが伝達関数Ｇ（ｓ）のダイポールを全て消去し、制御系全体で低周波数振動を抑制できる。なお、機械３を構成するリンク数が３以上であっても、加速度センサ１４、加速度フィードバックループ及び位置指令フィルタ２１をそれぞれ機械３のリンク数と同数設ければよい。
【００５１】
なお、上記実施形態や各変形例においては、機械３の駆動用アクチュエータに直動型であるリニアモータ１１を用いた場合で説明したが、これに限られない。他にも、特に図示しないが、回転型のモータ及びボールねじなどを用いて可動テーブルを駆動する機械の構成としてもよい。この場合には、機械システムＳの制御系モデルにおいて、機械モデル２７の内容だけを適宜変更すればモータモデル２５をそのまま回転型モータのモデルとして利用できる。
【００５２】
以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００５３】
１            上位制御装置
２            モータ制御装置
３            機械
１１          リニアモータ（モータに相当）
１２          弾性ロッド
１３          エンドエフェクタ
１４          加速度センサ
２１、２１Ｂ  位置指令フィルタ（第１ダイポール消去フィルタに相当）
２１ａ        位置指令フィルタ
２１Ａ        ハイパスフィルタ用位置指令フィルタ（第２ダイポール消去フィルタに相当）
２２          第１加減算部
２３          第２加減算部
２４          第３加減算部
２５          モータモデル
２６          積分器
２７、２７Ａ  機械モデル
２８、２８Ａ  １次ローパスフィルタ
２９          加速度積分器
３１          １次ハイパスフィルタ
Ｋｆ１        第１加速度フィードバックゲイン
Ｋｆ２        第２加速度フィードバックゲイン（ゲインに相当）
Ｋｆ３        第３加速度フィードバックゲイン
Ｋｆ４        第４加速度フィードバックゲイン（ゲインに相当）
Ｋｐ          位置ループゲイン（位置制御部に相当）
Ｋｖ          速度ループゲイン（速度制御部に相当）
Ｓ            機械システム
【図１】
2014135790.tif 000004
【図２】
2014135790.tif 000005
【図３】
2014135790.tif 000006
【図４】
2014135790.tif 000007
【図５】
2014135790.tif 000008
【図６】
2014135790.tif 000009
【図７】
2014135790.tif 000010
【図８】
2014135790.tif 000011
【図９】
2014135790.tif 000012
【図１０】
2014135790.tif 000013
【図１１】
2014135790.tif 000014
【図１２】
2014135790.tif 000015
【図１３】
2014135790.tif 000016
【図１４】
2014135790.tif 000017
【図１５】
2014135790.tif 000018
【図１６】
2014135790.tif 000019
【図１７】
2014135790.tif 000020
【図１８】
2014135790.tif 000021
【図１９】
2014135790.tif 000022
【図２０】
2014135790.tif 000023
【図２１】
2014135790.tif 000024
【図２２】
2014135790.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月25日(2014.4.25)
【手続補正１】
【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】
位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、
前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、
前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで加速度センサが取り付けられた機械を駆動するモータ制御装置であって、
前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、
前記位置指令が入力され、前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の少なくとも零点を消去可能な時定数を用いて前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記加速度フィードバック信号生成部は、
１次ローパスフィルタとゲインとを有し、前記加速度検出信号を前記１次ローパスフィルタおよび前記ゲインを介して前記フィードバック信号を生成し、
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、前記１次ローパスフィルタの時定数と同一の時定数をもつ、
ことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、分母に第１時定数と分子に第２時定数とをもつ第１ダイポール消去フィルタを備え、
前記第１時定数は前記１次ローパスフィルタの時定数と同一であり、前記第２時定数は前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の極を消去可能な時定数である、
ことを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記加速度フィードバック信号生成部は、前記１次ローパスフィルタに直列に配置した１次ハイパスフィルタを更に有し、
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、前記１次ハイパスフィルタの時定数と同一の時定数をもつ
ことを特徴とする請求項２又は３記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記位置指令フィルタは、その伝達関数において、分母に第３時定数と分子に第４時定数とをもつ第２ダイポール消去フィルタを更に備え、
前記第３時定数は前記１次ハイパスフィルタの時定数と同一であり、前記第４時定数は前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の極を消去可能な時定数である、
ことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記機械は、
直列に接続されて複数次の振動モードをもつＮ個（ただしＮは２以上の整数）のリンクからなり、
前記加速度フィードバック信号生成部は、
前記Ｎ個のリンクの先端または振動節部に取り付けられたＮ個の前記加速度センサからの加速度検出信号にそれぞれ対応してＮ個並列に備え、
前記位置指令フィルタは、
前記Ｎ個の加速度フィードバック信号生成部にそれぞれ対応してＮ個直列に備える
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで機械を駆動するモータ制御装置で実行されるモータ制御方法であって、
前記機械に取り付けられた加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づいて、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成ステップと、
前記位置指令に対して、前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の少なくとも零点を消去可能な時定数を用いて前記機械の低周波数振動を抑制するようフィルタリングする位置指令フィルタステップと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
【請求項８】
位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備えるモータ制御装置と、
前記モータ制御装置に駆動されるモータと、
加速度センサが取り付けられて前記モータで駆動される機械と、
を備える機械システムであって、
前記モータ制御装置は、
前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、
前記位置指令が入力され、前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の少なくとも零点を消去可能な時定数を用いて前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、
を備えることを特徴とする機械システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで加速度センサが取り付けられた機械を駆動するモータ制御装置であって、前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、前記位置指令が入力され、前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の少なくとも零点を消去可能な時定数を用いて前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、を備えるモータ制御装置が適用される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備え、前記モータで機械を駆動するモータ制御装置で実行されるモータ制御方法であって、前記機械に取り付けられた加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づいて、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成ステップと、前記位置指令に対して、前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の少なくとも零点を消去可能な時定数を用いて前記機械の低周波数振動を抑制するようフィルタリングする位置指令フィルタステップと、を実行するモータ制御方法が適用される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、位置指令とモータ位置に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とモータ速度に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいてモータを駆動するモータ駆動部と、を備えるモータ制御装置と、前記モータ制御装置に駆動されるモータと、加速度センサが取り付けられて前記モータで駆動される機械と、を備える機械システムであって、前記モータ制御装置は、前記加速度センサの検出信号である加速度検出信号に基づく、前記速度指令へのフィードバック信号を生成する加速度フィードバック信号生成部と、前記位置指令が入力され、前記位置指令から前記機械の位置までの伝達関数の少なくとも零点を消去可能な時定数を用いて前記機械の低周波数振動を抑制可能な位置指令フィルタと、を備える機械システムが適用される。