(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するようにトルク指令を決定する位置制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部とを備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、
制御パラメータ選定信号を受けると前記位置制御部と前記トルクフィルタ部と前記電流制御部に制御パラメータを出力して調節するワンパラメータチューニング部が設けられていると共に、
前記位置制御部には、前記位置指令と前記モータ位置の差にメインパラメータkgの２乗をかけて補助ゲインkp倍した値を出力する第１トルク指令発生手段と、前記位置指令と前記モータ位置の差を積分してメインパラメータkgの３乗をかけて補助ゲインki倍した値を出力する第２トルク指令発生手段と、前記位置指令と前記モータ位置の差を微分して時定数tvのローパスフィルタを通した後メインパラメータkgをかけて補助ゲインkd倍した値を出力する第３トルク指令発生手段と，前記第１トルク指令発生手段から前記第３トルク指令発生手段までのトルク指令を加算し，前記トルクフィルタ部に出力する加算手段とを備えており、
前記ワンパラメータチューニング部が前記メインパラメータkgと、前記補助ゲインkp、ki、kd、トルクフィルタ部の時定数tf、前記時定数tv、前記電流制御部内の電流ループゲインka、電流積分時定数taを自動的に決定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記ワンパラメータチューニング部は、目標応答周波数から決定する手段と、負荷イナーシャ値と目標応答周波数から決定する手段と、メカ特性と目標応答周波数から決定する手段と、これら３つの手段を選択する判定器を備えた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】
前記目標応答周波数から決定する手段は、前記目標応答周波数ωfを入力すると、前記メインパラメータkgをkg=ωf、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4、前記電流積分時定数taをta=1/ωf、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)、と設定され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】
前記負荷イナーシャ値と目標応答周波数から決定する手段は、前記負荷イナーシャ値JLと前記目標応答周波数ωfを入力すると、モータイナーシャJMとの比から求めたイナーシャ補正ゲインJCOM=((JL+JM)/JM)0.5 を用いて、前記メインパラメータkgをkg=ωf/JCOM、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)*JCOM、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4/JCOM，前記電流積分時定数taをta=1/ωf*JCOM、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)*JCOM、と設定され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５】
前記メカ特性と目標応答周波数から決定する手段は、前記メカの共振周波数ωH及び反共振周波数ωLと前記目標応答周波数ωfを入力すると、モータ側イナーシャJ1をJ1-=(JM+JL)*(ωL/ωH)２/JMと表し、前記メインパラメータkgをkg=ωf/J1、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)*J1、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4/J1、前記電流積分時定数taをta=1/ωf*J1、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)*J1、と設定されることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ、ロボット及び工作機械等のモータ制御装置に関するものであり、特に制御パラメータのチューニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御ゲインをチューニングする装置として、例えば、特開平１０−７６４４４号公報に開示されたものがある。そこに開示されている装置は、負荷イナーシャの大きさを測定して制御ゲインを自動的に決定するオートチューニング部と、決定したゲインを格納するゲイン記憶部と、指令値と出力により決定されるゲインを読み出すゲイン読み出し部と、フィードバックループで構成されるコントローラを備えており、初期的にチューニング作業をしておくことによって、実用的に負荷の変動に応じてリアルタイムなゲイン変更を安価に実現することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記従来例では、実際の運転に入る前に、実動作をいくつかのパターンに分けて指令に対する操作量と出力からゲインを決定し、ゲイン修正量をコントローラに与えるサイクルを繰り返すという手順によって制御ゲインをチューニングしている。しかし、この方法によると、複数個ある制御ゲインのどれをどのくらい変更すれば良いかということは、熟練者の経験に頼らなければならず、チューニングする技術者によっては、最適なゲインを得るまでに多大な時間を要すばかりでなく、振動を誘発する恐れがあるという問題がある。そこで本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、複数個ある制御パラメータを１つパラメータで自動的にチューニングするモータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の本発明は、位置指令とモータ位置を入力し、前記位置指令に前記モータ位置が一致するようにトルク指令を決定する位置制御部と、前記トルク指令を入力しフィルタを通して新たなトルク指令を決定するトルクフィルタ部と、前記トルクフィルタ部の出力である前記トルク指令を入力し電流指令に変換してモータ電流が電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部とを備え、負荷となるメカ部と位置を検出する検出器が連結されたモータを駆動するモータ制御装置において、制御パラメータ選定信号を受けると前記位置制御部と前記トルクフィルタ部と前記電流制御部に制御パラメータを出力して調節するワンパラメータチューニング部が設けられていると共に、前記位置制御部は、前記位置指令と前記モータ位置の差にメインパラメータkgの２乗をかけて補助ゲインkp倍した値を出力する第１トルク指令発生手段と、前記位置指令と前記モータ位置の差を積分してメインパラメータkgの３乗をかけて補助ゲインki倍した値を出力する第２トルク指令発生手段と、前記位置指令と前記モータ位置の差を微分して時定数tvのローパスフィルタを通した後メインパラメータkgをかけて補助ゲインkd倍した値を出力する第３トルク指令発生手段と，前記第１トルク指令発生手段から前記第３トルク指令発生手段までのトルク指令を加算し，前記トルクフィルタ部に出力する加算手段とを備えており、前記ワンパラメータチューニング部が前記メインパラメータkgと、前記補助ゲインkp、ki、kd、トルクフィルタ部の時定数tf、前記時定数tv、前記電流制御部内の電流ループゲインka、電流積分時定数taを自動的に決定することを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、前記ワンパラメータチューニング部は、目標応答周波数から決定する手段と、負荷イナーシャ値と目標応答周波数から決定する手段と、メカ特性と目標応答周波数から決定する手段と、これら３つの手段を選択する判定器を備えたことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、前記目標応答周波数から決定する手段は、目標応答周波数ωfを入力すると、前記メインパラメータkgをkg=ωf、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4、前記電流積分時定数taをta=1/ωf、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)、と設定されることを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、前記負荷イナーシャ値と目標応答周波数から決定する手段は、前記負荷イナーシャ値JLと前記目標応答周波数ωfを入力すると、モータイナーシャJMとの比から求めたイナーシャ補正ゲインJCOM=((JL+JM)/JM)0.5 を用いて、前記メインパラメータkgをkg=ωf/JCOM、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)*JCOM、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4/JCOM，前記電流積分時定数taをta=1/ωf*JCOM、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)*JCOM、と設定されることを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、前記メカ特性と目標応答周波数から決定する手段は、前記メカの共振周波数ωH及び反共振周波数ωLと前記目標応答周波数ωfを入力すると、モータ側イナーシャJ1をJ1-=(JM+JL)*(ωL/ωH)２/JMと表し、前記メインパラメータkgをkg=ωf/J1、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)*J1、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4/J1、前記電流積分時定数taをta=1/ωf*J1、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)*J1、と設定されることを特徴としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下，本発明を具体的実施例に基づいて説明する。図１は本発明のモータ制御装置を適用したモータ制御システムのブロック図である。図において、１１は位置指令Prefを出力する指令発生部、１２は位置指令Prefと検出されたモータの位置信号Pfbを入力してトルク指令Trefを出力し、前記２つの入力信号が一致するようにモータ１４の位置制御をする位置制御部、１３はトルク指令Trefを受けてフィルタをかけるトルクフィルタ部、１４はトルクフィルタ部の出力であるトルク指令Trefを受けて電流指令Irに変換し、検出されたモータ電流Ifbが電流指令Trに一致するように電流制御を行いモータ１５に電流を供給する電流制御部、１６はモータ１５の回転軸に接続されて回転軸の回転位置を検出する検出器、１７はモータで駆動されるメカ部、１８は制御パラメータ選定信号を入力し、前記位置制御部１２とトルクフィルタ部１３と電流制御部１４に最適な制御パラメータを供給するワンパラメータチューニング部である。
【０００６】
次に、位置制御部１２とトルクフィルタ部１３と電流制御部１４とモータ１５と検出器１６の詳細について図２を用いて説明する。図中、２１は位置指令Prefからモータ位置Pfbを減じて位置偏差を出力する減算器、２２は前記位置偏差にメインパラメータkgの2乗をかける乗算器、２３は乗算器２２の出力に補助ゲインkpをかける乗算器、２４は前記位置偏差を積分する積分器、２５は積分器２４の出力にメインパラメータkgの3乗をかける乗算器、２６は乗算器２５の出力に補助ゲインkiをかける乗算器、２７は前記位置偏差に時定数tvのフィルタをかける速度フィルタ、２６は速度フィルタ２７の出力を微分する微分器、２９は微分器２８の出力にメインパラメータkgをかける乗算器、２ａは乗算器２９の出力に補助ゲインkdをかける乗算器、２ｂは前記乗算器２３、２６、２ａの出力を加える加算器である。２ｃは加算器２ｂの出力であるトルク指令に時定数tfのフィルタをかけるトルクフィルタ、２ｄはトルク指令を電流指令Irに変換する電流変換定数である。２ｅは電流指令Irとモータ電流Ifbを減じて電流偏差を出力する減算器、２ｆは電流ループゲインkaと電流積分時定数taで構成されるPI制御器であり電流をモータ１５に出力する。モータ２ｇは抵抗RとインダクタンスLとトルク定数ktと誘起電圧定数keでモデル化している。以上に示したように、モータモデルに表した抵抗R、インダクタンスL、トルク定数kt、誘起電圧定数ke、および電流変換定数ka以外の８つの制御パラメータはユーザが設定しなければならず、それぞれのパラメータの整合を取らなければ振動を誘発し、要求仕様を満たせない場合がある。本発明は、この点に鑑みてなされており、ワンパラメータで全ての制御パラメータを自動的に設定する方法を提案するものである。なお、抵抗RとインダクタンスL、トルク定数kt、誘起電圧定数keはモータ固有の値であり、チューニングする必要はない。
【０００７】
次に図３を用いてワンパラメータチューニング部１８の詳細を説明する。ワンパラメータチューニング部１８では制御パラメータ選定信号を入力し、判定器３１で、ユーザが希望する目標応答周波数ωfから決定する手段３２と、負荷イナーシャ値JLと目標応答周波数ωfから決定する手段３３と、メカ特性である共振周波数ωH及び反共振周波数ωLと目標応答周波数ωfから決定する手段３４の選択を行う。
【０００８】
ユーザが希望する目標応答周波数ωfから決定する手段が選ばれた場合は、前記目標応答周波数ωfを入力し、前記メインパラメータkgをkg=ωf、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4、前記電流積分時定数taをta=1/ωf、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)、と設定し、上記演算により算出された制御パラメータを出力する。
【０００９】
負荷イナーシャ値JLと目標応答周波数ωfから決定する手段が選ばれた場合は、モータイナーシャJMとの比から求めたイナーシャ補正ゲインJCOM=((JL+JM)/JM)0.5 を用いて、前記メインパラメータkgをkg=ωf/JCOM、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)*JCOM、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4/JCOM、前記電流積分時定数taをta=1/ωf*JCOM、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)*JCOM、と設定し、上記演算により算出された制御パラメータを出力する。
【００１０】
メカ特性である共振周波数ωH及び反共振周波数ωLと目標応答周波数ωfから決定する手段が選ばれた場合は、前記メカの共振周波数ωH及び反共振周波数ωLと前記目標応答周波数ωfを入力し、モータ側イナーシャJ1をJ1-=(JM+JL)*(ωL/ωH)２/JMと表し、前記メインパラメータkgをkg=ωf/J1、前記補助ゲインkpをkp=3、前記補助ゲインkdをkd=3、前記補助ゲインkiをki=1、前記トルクフィルタ定数tfをtf=1/(ωf*4)*J1、前記電流ループゲインkaをka=ωf*4/J1、前記電流積分時定数taをta=1/ωf*J1、前記時定数tvのローパスフィルタをtv=20.5/(ωf*4)*J1、と設定し、上記演算により算出された制御パラメータを出力する。
【００１１】
以上の制御パラメータは安定条件と実験を繰り返すことにより決定される。例えば、メインパラメータと補助ゲインkp、ki、kdは、速度フィルタとトルクフィルタを適用せず、電流制御部とモータを１/JS２とおき、位置指令からモータ位置までの伝達関数の分母を３重根条件で解いて決定される。なお、本発明ではそれぞれの制御パラメータの整合を重根条件で解かれているが、安定条件を満たす範囲で解いて制御パラメータを設定すれば良い。また、本発明は、１つのパラメータで８つの制御パラメータを自動的に決定できることに加えて、負荷のイナーシャの大きさや、メカ特性である反共振周波数と共振周波数を用いて、制御パラメータの設定指針を自動的に変更し、最適な制御パラメータを得る事ができる．
【００１２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、位置制御部、電流制御部、トルクフィルタ部などの制御パラメータを１つのパラメータで振動することなく自動的に決定することができ、さらに、負荷イナーシャの大きさや、メカ特性を用いて、制御パラメータの設定指針を自動的に変更し、負荷イナーシャの大きさやメカ特性に応じた最適な制御パラメータを得る事ができる位置制御装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用するモータ制御システムのブロック図
【図２】図１の詳細を示すブロック図
【図３】ワンパラメータチューニング部の詳細を示す図
【符号の説明】
１１  指令発生器、 １２  位置制御部、   １３  トルクフィルタ部、
１４  電流制御部、 １５  モータ、１６  検出器、
１７  メカ部、     １８  ワンパラメータチューニング部、
２１、２ｅ  減算器、      ２２、２３、２５、２６、２９、２ａ  乗算器、
２４  積分器、     ２７  速度フィルタ、 ２８  微分器、
２ｃ  トルクフィルタ、    ２ｄ  電流変換定数、 ２ｆ  電流PI制御器、
２ｇ  モータモデル、      ３１  判定器、
３２  目標応答周波数から決定する手段、
３３  負荷イナーシャ値と目標応答周波数から決定する手段、
３４  メカ特性と目標応答周波数から決定する手段
【図１】
0003550657.tif 000002
【図２】
0003550657.tif 000003
【図３】
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