(57)【要約】  負荷の連結したモータを振動的とすることなく静かに、安全に制御ゲイン調整できるようにする。  周波数応答計測時に応答Ｖを入力し機械定数を出力する機械定数同定器（１２１）と、ゲイン調整時に前記機械定数を入力し安定境界線を出力する安定境界線演算器（１２２）と、前記安定境界線を入力し調整曲線を出力する調整曲線演算器（１２３）と、前記調整曲線を入力し制御ゲイン初期値Ｋｉｎを出力する初期値設定器（１２４）と、前記調整曲線と制御ゲイン初期値Ｋｉｎを入力し補償量Ｋｆとフィードバック制御ゲインＫｖｊを出力する制御ゲイン調整器（１２５）と、を備える。
2009084258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指令（Ｖｒ）と制御対象の応答（Ｖ）とが一致するように制御演算を行い外乱補償前トルク指令（Ｔα）を算出するフィードバック制御器と、
前記外乱補償前トルク指令（Ｔα）から外乱推定値（Ｔｄ）を減算した値であるトルク指令（Ｔｒｅｆ）と前記応答（Ｖ）とに基づいて前記外乱推定値（Ｔｄ）を算出する外乱オブザーバと、
周波数応答測定用信号（Ｆｒ）とトルク指令（Ｔｒｅｆ）とを入力し周波数応答測定時には前記周波数応答測定用信号（Ｆｒ）を、ゲイン調整時には前記トルク指令（Ｔｒｅｆ）を電流指令（Ｉｒ）として出力する入力信号切替器と、
前記電流指令（Ｉｒ）に基づいて前記制御対象のモータにモータ電流（Ｉｍ）を流して駆動するトルク制御器と、
前記応答（Ｖ）とトルク指令（Ｔｒｅｆ）とに基づいて振動抑制信号（Ｖｓ）を算出する振動抑制部とを備え、前記指令（Ｖｒ）に前記振動抑制信号（Ｖｓ）を加算するモータ制御装置において、
前記応答（Ｖ）に基づいて前記フィードバック制御器のフィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補正量（Ｋｆ）とを算出する制御ゲイン調整部を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記周波数応答測定用信号（Ｆｒ）は、掃引正弦波信号であることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記周波数応答測定用信号（Ｆｒ）は、複数の周波数の正弦波で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記制御ゲイン調整部は、周波数応答測定時に前記応答（Ｖ）に基づいて前記制御対象の機械定数を同定する機械定数同定器と、
前記機械定数に基づいて前記フィードバック制御器と前記制御対象を含む閉ループ系を安定とする前記フィードバック制御ゲインと前記補償量（Ｋｆ）の安定領域の外形線である安定境界線とを算出する安定境界線演算器と、
前記安定境界線に基づいて前記制御対象の安定性を保ったまま前記閉ループ系の応答性と外乱抑制特性を高めるように前記フィードバック制御ゲインと前記補償量（Ｋｆ）を調整できる調整曲線を算出する調整曲線演算器と、
前記調整曲線に基づいて制御ゲイン調整における前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）の初期値である制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）を算出する初期値設定器と、
前記調整曲線と前記制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）に基づいて前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）とを調整する制御ゲイン調整器とで構成されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記機械定数同定器は、前記制御対象の周波数応答を算出し前記周波数応答に基づいて前記機械定数を算出することを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記安定境界線演算器は、前記機械定数に基づいて前記閉ループ系の等価単位フィードバック系を算出し、前記等価単位フィードバック系の位相余裕が正数の位相余裕設定値となるように前記安定境界線を算出することを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記位相余裕設定値は、前記機械定数に不確定性がある場合前記不確定性を許容し前記閉ループ系が安定となるような値に設定することを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記調整曲線演算器は、前記安定曲線が１つの場合、前記補償量（Ｋｆ）が零で、前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）が前記安定曲線の前記補償量（Ｋｆ）が零となる点である制御ゲイン最適値に向かって増加するような直線を前記調整曲線として出力し、前記安定曲線が２つの場合、２つの前記安定曲線の中間を通り２つの前記安定曲線の交点である制御ゲイン最適値に向かう曲線を前記調整曲線として出力することを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記初期値設定器は、前記調整曲線の上の点で前記制御ゲイン最適値から設定値分離れた点における前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）を前記制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）として出力することを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
【請求項１０】
前記制御ゲイン調整器は、前記調整曲線に沿って前記制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）から前記制御ゲイン最適値に向かって前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）を増加させ出力することを特徴とする請求項９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、制御ゲインを調整し負荷の連結したモータの動作を制御するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータ制御装置は、過渡時の位置追従偏差の誤差自乗面積である位置偏差評価関数を最小にし、且つ、定常時のトルク指令の誤差自乗面積が閾値を超えないような位置比例制御ゲインと速度比例制御ゲインを設定している（例えば、特許文献１参照）。
図５は、従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。図５において、５０１はゲイン自動調整時目標値指令部、５０２は位置比例制御ゲイン、５０３は速度比例制御ゲイン、５０４はトルク制御部、５０５はエンコーダ、５０６はモータ、５０７はボールねじ機構、５０８は位置偏差評価関数演算部、５０９は位置偏差評価関数記憶部、５１０は評価関数最小ゲイン決定部、５１１はトルク指令評価関数演算部、５１２はトルク指令評価関数記憶部、５１３はトルク指令判定部である。
ゲイン自動調整時目標値指令部５０１は位置指令Ｘｒを出力する。位置比例制御ゲイン５０２は位置指令Ｘｒから位置データＸｆを減算した位置追従偏差Ｅｘと位置比例制御ゲイン設定値Ｋｐを入力し、位置追従偏差Ｅｘを位置比例制御ゲイン設定値Ｋｐ倍に増幅した信号である速度指令Ｖｒを出力する。
速度比例制御ゲイン５０３は速度指令Ｖｒから速度データＶｆを減算した速度追従偏差Ｅｖと速度比例制御ゲイン設定値Ｋｖを入力しトルク指令Ｔｒｅｆを計算し、トルク制御部５０４およびトルク指令評価関数演算部５１１へ出力する。
トルク制御部５０４はトルク指令Ｔｒｅｆとエンコーダパルスを入力し、位置データＸｆと速度データＶｆとを計算してフィードバックし、モータ電流Ｉｍをモータ５０６に出力する。
エンコーダ５０５はモータ５０６の位置を検出し前記エンコーダパルスとしてトルク制御部５０４へ出力する。
モータ５０６はモータ電流Ｉｍを入力し連結したボールねじ機構５０７を駆動する。
位置偏差評価関数演算部５０８は位置追従偏差Ｅｘを入力し過渡時の位置追従偏差Ｅｘの誤差自乗面積である位置偏差評価関数を位置偏差評価関数記憶部５０９へ出力する。
位置偏差評価関数記憶部５０９は前記位置偏差評価関数を入力しその入力信号を記憶し位置偏差評価関数記憶値として評価関数最小ゲイン決定部５１０へ出力する。
評価関数最小ゲイン決定部５１０は前記位置偏差評価関数記憶値を入力しその入力信号を最小とする制御ゲインの組合せである評価関数最小ゲインをトルク指令判定部５１３へ出力する。
トルク指令評価関数演算部５１１はトルク指令Ｔｒｅｆを入力し定常時のトルク指令Ｔｒｅｆの誤差自乗面積であるトルク指令評価関数をトルク指令評価関数記憶部５１２へ出力する。
トルク指令評価関数記憶部５１２は前記トルク指令評価関数を入力しその入力信号を記憶しトルク指令評価関数記憶値としてトルク指令判定部５１３へ出力する。
トルク指令判定部５１３は前記評価関数最小ゲインと前記トルク指令評価関数記憶値を入力し前記トルク指令評価関数記憶値が閾値を超えない場合、前記評価関数最小ゲインを位置比例制御ゲイン設定値Ｋｐとして位置比例制御ゲイン５０２へ出力し、速度比例制御ゲイン設定値Ｋｖとして速度比例制御ゲイン５０３へ出力する。【０００３】
このように、従来のモータ制御装置は、過渡時の位置偏差の誤差自乗面積である位置偏差評価関数を最小にし、且つ、定常時のトルク指令の誤差自乗面積が閾値を超えないような位置比例制御ゲインと速度比例制御ゲインを設定するのである。
【特許文献１】特開平６−２０８４０４号公報（第７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のモータ制御装置は、過渡時の位置偏差の誤差自乗面積である位置偏差評価関数を最小にし、且つ、定常時のトルク指令の誤差自乗面積が閾値を超えないような位置比例制御ゲインと速度比例制御ゲインを設定するため、制御系がオブザーバ、フィルタ、むだ時間などを含み、制御対象を含む制御系が安定とする制御ゲインの安定領域が複雑な形状である場合に、モータに連結した負荷の動作が振動的となったり不安定となったりして、制御ゲイン調整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、制御ゲインの安定領域を算出するとともに制御ゲインを前記安定領域内で調整し、モータに連結した負荷の動作が振動的となったり不安定となったりすることなく、静かに、短時間に制御ゲイン調整することができるモータ制御装置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】
【０００５】
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記載の発明は、指令（Ｖｒ）と制御対象の応答（Ｖ）とが一致するように制御演算を行い外乱補償前トルク指令（Ｔα）を算出するフィードバック制御器と、前記外乱補償前トルク指令（Ｔα）から外乱推定値（Ｔｄ）を減算した値であるトルク指令（Ｔｒｅｆ）と前記応答（Ｖ）とに基づいて前記外乱推定値（Ｔｄ）を算出する外乱オブザーバと、周波数応答測定用信号（Ｆｒ）とトルク指令（Ｔｒｅｆ）とを入力し周波数応答測定時には前記周波数応答測定用信号（Ｆｒ）を、ゲイン調整時には前記トルク指令（Ｔｒｅｆ）を電流指令（Ｉｒ）として出力する入力信号切替器と、前記電流指令（Ｉｒ）に基づいて前記制御対象のモータにモータ電流（Ｉｍ）を流して駆動するトルク制御器と、前記応答（Ｖ）とトルク指令（Ｔｒｅｆ）とに基づいて振動抑制信号（Ｖｓ）を算出する振動抑制部とを備え、前記指令（Ｖｒ）に前記振動抑制信号（Ｖｓ）を加算するモータ制御装置において、前記応答（Ｖ）に基づいて前記フィードバック制御器のフィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補正量（Ｋｆ）とを算出する制御ゲイン調整部を備えることを特徴とするものである。【０００６】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記周波数応答測定用信号（Ｆｒ）は、掃引正弦波信号であることを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記周波数応答測定用信号（Ｆｒ）は、複数の周波数の正弦波で構成されていることを特徴とするものである。【０００７】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御ゲイン調整部は、周波数応答測定時に前記応答（Ｖ）に基づいて前記制御対象の機械定数を同定する機械定数同定器と、前記機械定数に基づいて前記フィードバック制御器と前記制御対象を含む閉ループ系を安定とする前記フィードバック制御ゲインと前記補償量（Ｋｆ）の安定領域の外形線である安定境界線とを算出する安定境界線演算器と、前記安定境界線に基づいて前記制御対象の安定性を保ったまま前記閉ループ系の応答性と外乱抑制特性を高めるように前記フィードバック制御ゲインと前記補償量（Ｋｆ）を調整できる調整曲線を算出する調整曲線演算器と、前記調整曲線に基づいて制御ゲイン調整における前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）の初期値である制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）を算出する初期値設定器と、前記調整曲線と前記制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）に基づいて前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）とを調整する制御ゲイン調整器とで構成されることを特徴とするものである。【０００８】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記機械定数同定器は、前記制御対象の周波数応答を算出し前記周波数応答に基づいて前記機械定数を算出することを特徴とするものである。【０００９】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記安定境界線演算器は、前記機械定数に基づいて前記閉ループ系の等価単位フィードバック系を算出し、前記等価単位フィードバック系の位相余裕が正数の位相余裕設定値となるように前記安定境界線を算出することを特徴とするものである。
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記位相余裕設定値は、前記機械定数に不確定性がある場合前記不確定性を許容し前記閉ループ系が安定となるような値に設定することを特徴とするものである。【００１０】
また、請求項８記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記調整曲線演算器は、前記安定曲線が１つの場合、前記補償量（Ｋｆ）が零で、前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）が前記安定曲線の前記補償量（Ｋｆ）が零となる点である制御ゲイン最適値に向かって増加するような直線を前記調整曲線として出力し、前記安定曲線が２つの場合、２つの前記安定曲線の中間を通り２つの前記安定曲線の交点である制御ゲイン最適値に向かう曲線を前記調整曲線として出力することを特徴とするものである。【００１１】
また、請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記初期値設定器は、前記調整曲線の上の点で前記制御ゲイン最適値から設定値分離れた点における前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）を前記制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）として出力することを特徴とするものである。
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、前記制御ゲイン調整器は、前記調整曲線に沿って前記制御ゲイン初期値（Ｋｉｎ）から前記制御ゲイン最適値に向かって前記フィードバック制御ゲイン（Ｋｖｊ）と前記補償量（Ｋｆ）を増加させ出力することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１乃至７記載の発明によると、制御ゲインの安定領域を算出し、制御ゲインをその安定領域内で調整できるので、制御対象を振動的とすることなく静かに、安全に、制御ゲイン調整でき、また自動で高い制御性能を実現できる。
また、請求項８乃至１０記載の発明によると、制御ゲインは安定領域内で最も振動が起きにくい調整曲線上を、制御ゲイン最適値に近い制御ゲイン初期値から調整するので、制御対象を振動的とすることなく静かに、安全に、短時間に制御ゲイン調整でき、また自動で高い制御性能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例のモータ制御装置の概要を示すブロック図
【図２】本発明の第１実施例を示す図１のモータ制御装置の等価単位フィードバック系を示す図
【図３】本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける開ループ系のボード線図とナイキスト線図を表す図
【図４】本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける安定境界線、調整曲線および制御ゲイン初期値を表す図
【図５】従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図
【符号の説明】
【００１４】
１０１  指令発生器
１０２  フィードバック制御器
１０３  入力信号切替器
１０４  トルク制御器
１０５  制御対象
１０６  応答検出器
１０７  外乱オブザーバ
１０８  周波数応答測定用信号発生器
１１０  振動抑制部
１１１  振動成分演算器
１１２  位相調整器
１１３  補償量調整器
１２０  制御ゲイン調整部
１２１  機械定数同定器
１２２  安定境界線演算器
１２３  調整曲線演算器
１２４  初期値設定器
１２５  制御ゲイン調整器
２０１  開ループ伝達関数
５０１  ゲイン自動調整時目標値指令部
５０２  位置比例制御ゲイン
５０３  速度比例制御ゲイン
５０４  トルク制御部
５０５  エンコーダ
５０６  モータ
５０７  ボールねじ機構
５０８  位置偏差評価関数演算部
５０９  位置偏差評価関数記憶部
５１０  評価関数最小ゲイン決定部
５１１  トルク指令評価関数演算部
５１２  トルク指令評価関数記憶部
５１３  トルク指令判定部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
実際のモータ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の第１実施例のモータ制御装置の概要を示すブロック図である。図１において、１０１は指令発生器、１０２はフィードバック制御器、１０３は入力信号切替器、１０４はトルク制御器、１０５は制御対象、１０６は応答検出器、１０７は外乱オブザーバ、１０８は周波数応答測定用信号発生器、１１０は振動抑制部、１２０は制御ゲイン調整部であり、１１１は振動成分演算器、１１２は位相調整器、１１３は補償量調整器、１２１は機械定数同定器、１２２は安定境界線演算器、１２３は調整曲線演算器、１２４は初期値設定器、１２５は制御ゲイン調整器である。【００１７】
制御対象１０５は負荷を連結したモータである。
指令発生器１０１は指令Ｖｒを出力する。
応答検出器１０６は、制御対象１０５の応答を検出し、応答Ｖを出力する。
周波数応答測定用信号発生器１０８は、周波数応答測定用信号Ｆｒを出力する。
フィードバック制御器１０２は、前記指令Ｖｒから応答Ｖを減算し振動抑制信号Ｖｓを加算した振動抑制追従偏差と、フィードバック制御ゲインＫｖｊを入力し外乱補償前トルク指令Ｔαを算出する。
入力信号切替器１０３は、前記外乱補償前トルク指令Ｔαから外乱推定値Ｔｄを減算したトルク指令Ｔｒｅｆと周波数応答測定用信号Ｆｒを入力し、ゲイン調整時にはトルク指令Ｔｒｅｆを電流指令Ｉｒとして、周波数応答計測時には周波数応答用入力信号Ｆｒを電流指令Ｉｒとして、トルク制御器１０４に出力する。
トルク制御器１０４は、電流指令Ｉｒを入力して、制御対象１０５のモータにモータ電流Ｉｍを流して駆動する。
外乱オブザーバ１０７は、ゲイン調整時にトルク指令Ｔｒｅｆと応答Ｖを入力し外乱推定値Ｔｄを算出する。【００１８】
振動抑制部１１０は、振動成分演算器１１１、位相調整器１１２、および補償量調整器１１３とで構成されており、ゲイン調整時に、トルク指令Ｔｒｅｆと応答Ｖと補償量Ｋｆを入力し振動抑制信号Ｖｓを算出する。
振動成分演算器１１１は、トルク指令Ｔｒｅｆと応答Ｖを入力し応答Ｖの振動成分を算出し、位相調整器１１２に出力する。
位相調整器１１２は、前記振動成分を入力しその入力信号の位相を調整して得られた位相調整振動成分を算出し、補償量調整器１１３に出力する。
補償量調整器１１３は前記位相調整振動成分と補償量Ｋｆを入力し前記位相調整振動成分に補償量Ｋｆを乗算した振動抑制信号Ｖｓを算出する。【００１９】
制御ゲイン調整部１２０は、機械定数同定器１２１、安定境界線演算器１２２、調整曲線演算器１２３、初期値設定器１２４、および制御ゲイン調整器１２５とで構成されており、周波数応答計測時に、応答Ｖを入力し、ゲイン調整時に、補償量Ｋｆと前記フィードバック制御ゲインを算出する。
機械定数同定器１２１は、周波数応答計測時に、応答Ｖを入力し、制御対象１０５の機械定数を算出し、安定境界線演算器１２２に出力する。
具体的には、機械定数同定器１２１は応答Ｖに基づいて周波数応答（ボード線図）を算出し、その振幅図の溝とピークの起こる周波数より反共振周波数、共振周波数を算出し、前記溝と前記ピークのＱ値より反共振の減衰係数と共振の減衰係数を算出し、前記反共振周波数のなかで最も低いものより十分低い周波数における前記振幅図の値に基づいて制御対象１０５の慣性モーメントを算出し、前記反共振周波数、前記共振周波数、前記減衰係数、前記慣性モーメントを前記機械定数とする。【００２０】
安定境界線演算器１２２は、ゲイン調整時に、前記機械定数を入力し、フィードバック制御器１０２、制御対象１０５、応答検出器１０６、外乱オブザーバ１０７を含む閉ループ系を臨界安定とするフィードバック制御ゲインＫｖｊと補償量Ｋｆの組み合わせの曲線である安定境界線を算出し、調整曲線演算器１２３に出力する。
調整曲線演算器１２３は、ゲイン調整時に、前記安定境界線を入力し、前記安定境界線により囲まれた安定領域内で応答Ｖが振動的とならないようなフィードバック制御ゲインＫｖｊと補償量Ｋｆの組み合わせからなる調整曲線を算出し、初期値設定器１２４および制御ゲイン調整器１２５に出力する。
初期値設定器１２４は、ゲイン調整時に前記調整曲線を入力し、前記調整曲線の上にあり通常動作時に応答Ｖが最適となる点である最適制御ゲイン点に十分近い点を制御ゲイン初期値Ｋｉｎとして算出し、制御ゲイン調整器１２５に出力する。
制御ゲイン調整器１２５は、ゲイン調整時に、前記調整曲線と制御ゲイン初期値Ｋｉｎを入力し、制御ゲイン初期値Ｋｉｎから前記調整曲線に沿って前記最適制御ゲイン点に向かって補償量Ｋｆとフィードバック制御ゲインＫｖｊを変化させ、補償量Ｋｆを補償量調整器１１３に、フィードバック制御ゲインＫｖｊをフィードバック制御器１０２に、出力する。【００２１】
周波数応答測定用信号Ｆｒは、モータ制御装置の周波数応答を測定できるもであればどのようなものでもよいが、掃引正弦波信号であることが好ましい。また、複数の周波数の正弦波で構成されたものであってもよい。周波数応答測定用信号Ｆｒを掃引正弦波信号とすることで、短時間で正確に制御対象１０５の周波数応答を測定することができる。また、周波数応答測定用信号Ｆｒを複数の周波数の正弦波で構成されたものとすることで、短時間により正確に制御対象１０５の周波数応答を測定することができる。【００２２】
本発明が従来技術と異なる部分は、周波数応答計測時に応答を入力し機械定数を出力する機械定数同定器１２１と、ゲイン調整時に前記機械定数を入力し安定境界線を出力する安定境界線演算器１２２と、前記安定境界線を入力し調整曲線を出力する調整曲線演算器１２３と、前記調整曲線を入力し制御ゲイン初期値Ｋｉｎを出力する初期値設定器１２４と、前記調整曲線と制御ゲイン初期値Ｋｉｎを入力し補償量Ｋｆとフィードバック制御ゲインＫｖｊを出力する制御ゲイン調整器１２５と、を備える部分である。【００２３】
以下、制御ゲイン調整部１２０が補償量Ｋｆとフィードバック制御ゲインＫｖｊを算出する仕組みの詳細を示す。
本実施例では、フィードバック制御器１０２を速度ＰＩ制御器と１次のローパスフィルタであるトルク指令フィルタの直列に結合したものとし、制御対象１０５はノッチフィルタ、むだ時間、および３慣性メカを含むものとする。
また、指令Ｖｒを速度指令、応答Ｖをモータ速度（以下、「モータ速度Ｖ」とする。）とする。
速度ＰＩ制御器の伝達関数Ｇｃ（ｓ）、トルク指令フィルタの伝達関数Ｇｔ（ｓ）、ノッチフィルタの伝達関数Ｇｎ（ｓ）、３慣性メカの伝達関数Ｇｐ（ｓ）、および、バンドパスフィルタである位相調整器１１２の伝達関数Ｇｂ（ｓ）は、それぞれ式（１）から式（５）で表される。【００２４】
2009084258.tif 000003
ただし、Ｋｖｊは速度比例制御ゲイン、Ｔｉは速度制御積分時定数である。【００２５】
速度比例制御ゲインＫｖｊおよび速度制御積分時定数Ｔｉが、フィードバック制御ゲインであるが、速度比例制御ゲインＫｖｊを決定すると速度制御積分時定数Ｔｉは従属的に決定されることは周知であるので、本実施例ではフィードバック制御ゲインとして、速度比例制御ゲインＫｖｊを求める方法についてのみ説明している。【００２６】
2009084258.tif 000004
ただし、τｆはトルク指令フィルタ時定数である。【００２７】
2009084258.tif 000005
ただし、ωｎはノッチフィルタ周波数、ζｎはノッチフィルタの減衰係数である。【００２８】
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ただし、Ｊは３慣性メカの総慣性モーメント、ωｒ１は第１共振周波数、ζｒ１は第１共振の減衰係数、ωａ１は第１反共振周波数、ζａ１は第１反共振の減衰係数、ωｒ２は第２共振周波数、ζｒ２は第２共振の減衰係数、ωａ２は第２反共振周波数、ζａ２は第２反共振の減衰係数である。【００２９】
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ただし、τはバンドパスフィルタ時定数である。【００３０】
外乱オブザーバ１０７は制御対象１０５の定数の正確に分からない部分と、重力外乱やノイズなどによる外乱を推定する。外乱オブザーバ１０７の伝達関数は式（６）で表される。【００３１】
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ただし、Ｔｄ＊は外乱推定値Ｔｄのラプラス変換、Ｊ０は公称慣性モーメント、Ｄ＊は正規化推定外乱Ｄのラプラス変換、Ｖ＊はモータ速度Ｖのラプラス変換、Ｔｒｅｆ＊は制御対象１０５を構成するモータを駆動するトルクを発生させるためのトルク指令Ｔｒｅｆのラプラス変換、Ｇｖｄ（ｓ）はモータ速度Ｖ＊から外乱推定値Ｔｄ＊までの伝達関数、ｌ１とｌ２は外乱オブザーバゲイン、Ｇｔｄ（ｓ）はトルク指令Ｔｒｅｆ＊から外乱推定値Ｔｄ＊までの伝達関数である。【００３２】
振動成分演算器１１１は、式（７）で表される速度オブザーバにより振動成分の取り除かれたモータ速度を算出し、モータ速度Ｖから振動成分の取り除かれたモータ速度を減算することによりモータ速度Ｖに含まれる振動成分を算出する。【００３３】
2009084258.tif 000009
ただし、Ｖｅ＊は推定モータ速度Ｖｅのラプラス変換、Ｇｔｖ（ｓ）はトルク指令Ｔｒｅｆ＊から推定モータ速度Ｖｅ＊までの伝達関数、ｌは速度オブザーバゲイン、Ｇｖｖ（ｓ）はモータ速度Ｖ＊から推定モータ速度Ｖｅ＊までの伝達関数である。【００３４】
位相調整器１１２は、式（５）で表されるバンドパスフィルタで構成され、入力した前記振動成分の位相が指令Ｖｒの位相と合うように変化させた前記位相調整振動成分を算出する。【００３５】
図２は、本発明の第１実施例を示す図１のモータ制御装置の等価単位フィードバック系を示す図である。図２において、２０１は開ループ伝達関数である。
図２は、図１から制御ゲイン調整部１２０を除いた部分を単位フィードバック系に等価変換して得たものである。
開ループ伝達関数２０１は、むだ時間ＴＬ、式（８）に示す第１有理伝達関数Ｇ１（ｓ）、および式（９）に示す第２有理伝達関数Ｇ２（ｓ）を用いて式（１０）で表される。【００３６】
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ただし、Ｋｆは図１における補償量である。【００３７】
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【００３８】
安定境界線演算器１２２により前記安定境界線を算出するため、図２の開ループ伝達関数２０１を式（１０）のように近似する。【００３９】
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ただし、Ｎｏｌｖ、Ｄｏｌ０、およびＤｏｌｖは速度比例制御ゲインＫｖｊと補償量Ｋｆに独立なラプラス変数ｓの多項式であり、無理伝達関数から有理伝達関数への近似はパデ近似を用いる。【００４０】
（Ｋｖｊ、Ｋｆ）平面における前記閉ループ系が安定となる安定領域は、前記単位フィードバック系において開ループ伝達関数２０１の位相余裕が正となる条件から求められる。
位相余裕の条件を求めるため式（１０）にｓ＝ｊωを代入すると式（１１）を得る。ただし、ｊは虚数単位である。【００４１】
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ただし、Ｎｒ、Ｎｉ、Ｄ０ｒ、Ｄｖｒ、Ｄ０ｉ、およびＤｖｉは速度比例制御ゲインＫｖｊと補償量Ｋｆに独立なｓに関する多項式である。【００４２】
ゲイン交差周波数ωｃにおいて開ループ伝達関数２０１の振幅が１となるので式（１２）が成り立つ。【００４３】
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【００４４】
式（１２）を変形して式（１３）を得る。【００４５】
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Ｋｖｊ・Ｋｆの値が決定されると式（１３）を用いてＫｖｊを求めることができる。【００４６】
次に、開ループ伝達関数２０１の位相余裕がδとなる条件は式（１４）で表される。【００４７】
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【００４８】
ゲイン交差周波数ωｃにおける開ループ伝達関数２０１の位相は式（１５）で表される。【００４９】
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【００５０】
式（１５）を式（１４）に代入しＫｆ・Ｋｖｊに関して解くと式（１６）を得る。【００５１】
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【００５２】
ゲイン交差周波数ωｃを決定すると式（１６）よりＫｆ・Ｋｖｊが求められる。
Ｋｆ・Ｋｖｊの値を式（１３）に代入するとＫｖｊが求められ、Ｋｆ・ＫｖｊをＫｖｊで除算することによりＫｆが求められる。
このように、図１の閉ループ系を位相余裕δで安定とする（Ｋｖｊ、Ｋｆ）である前記安定境界線が求められる。
前記安定境界線が２つの曲線より成る場合、図１の閉ループ系が安定でかつバンド幅が大きくなる（Ｋｖｊ、Ｋｆ）の最適ゲイン組は前記２つの曲線の交点となる。
一方、前記安定境界線が１つの曲線より成る場合、前記最適ゲイン組は前記１つの曲線でＫｆ＝０である点となる。【００５３】
調整曲線演算器１２３は、前記安定曲線が１つの場合、補償量Ｋｆが零で、前記フィードバック制御ゲインが前記安定曲線の補償量Ｋｆが零となる点である制御ゲイン最適値に向かって増加するような直線を前記調整曲線として出力し、前記安定曲線が２つの場合、２つの前記安定曲線の中間を通り２つの前記安定曲線の交点である制御ゲイン最適値に向かう曲線を前記調整曲線として出力する。
初期値設定器１２４は、前記調整曲線の上の点で前記制御ゲイン最適値から設定値分離れた点における前記フィードバック制御ゲインと補償量Ｋｆを制御ゲイン初期値Ｋｉｎとして出力する。
このように、前記調整曲線を設定することにより、図１の閉ループ系を振動的にさせることなく、静かに安全に（Ｋｖｊ、Ｋｆ）を前記最適ゲイン組に調整することができる。
制御ゲイン調整器１２５は、制御ゲイン初期値Ｋｉｎより前記調整曲線に沿って前記安定境界線の交点である前記最適ゲイン組に向かって制御ゲイン組（Ｋｖｊ、Ｋｆ）を調整する。制御ゲイン組（Ｋｖｊ、Ｋｆ）を前記調整曲線に沿って前記最適ゲイン組に近づけ、応答Ｖが発振しない範囲でＫｖｊが最も高い値となる制御ゲイン組（Ｋｖｊ、Ｋｆ）をその最適値とする。
補償量調整器１１３は、前記位相調整振動成分に補償量Ｋｆを乗算し振動抑制信号Ｖｓを算出する。
本発明のゲイン調整において、前記制御ゲイン初期値より前記最適ゲイン組に向かって前記調整曲線に沿って（Ｋｖｊ、Ｋｆ）を調整することにより、前記閉ループ系を振動的とすることなく短時間に、静かに、安全に前記最適ゲイン組に調整できる。【００５４】
本実施例ではフィードバック制御器１０２が速度ＰＩ制御器である場合を示したが、速度Ｐ制御器、速度Ｉ−Ｐ制御器、位置Ｐ速度ＰＩ制御器、位置Ｐ速度Ｉ−Ｐ制御器、位置ＰＩＤ制御器など任意の制御器の場合にも同様に適用可能である。
また、前記トルク指令フィルタ、ノッチフィルタ、外乱オブザーバ、むだ時間の有無や数などによらず同様に適用可能である。【００５５】
また、本発明は制御対象１０５が剛体メカと任意の多慣性メカに対して本実施例と同様に適用可能である。【００５６】
また、式（１３）と式（１６）の次数を下げるため、Ｇｎ（ｓ）・Ｇｐ（ｓ）を式（１７）のように近似し、同様に前記安定境界線を求め、それに基づいて（Ｋｖｊ、Ｋｆ）を自動調整することができる。【００５７】
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【００５８】
以下、本実施例のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた数値は次のとおりである。
Ｊ＝１．５１×１０−４［ｋｇ・ｍ２］、
ωｒ１＝２９５×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζｒ１＝０．１６、
ωａ１＝１２８×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζａ１＝０．１６、
ωｒ２＝１３４０×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζｒ２＝０．０５、
ωａ２＝９０６×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζａ２＝０．０５、ｎｄ＝１０、
ｓ０＝５０×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ｌ１＝６．２８×１０２、
ｌ２＝９．８７×１０４、Ｋｖ＝６０×２×π［ｓ−１］、
Ｊ０＝１．５１×１０−４［ｋｇ・ｍ２］、
Ｋｖｊ＝Ｋｖ×Ｊ＝０．０５６９［Ｎ・ｍ・ｓ/ｒａｄ］、Ｔｉ＝４/Ｋｖ＝０．００８５［ｓ］、τｆ＝１/（４×Ｋｖ）＝０．４４×１０−３［ｓ］、
ωｎ＝ωｒ２＝１３４０×２×π［ｒａｄ/ｓ］、ζｎ＝０．７、
Ｔｒａｔ＝０．６３７［Ｎ・ｍ］、Ｔ＝１２５×１０−６［ｓ］、
Ｔｔ＝２５０×１０−６［ｓ］
ただし、ｎｄは式（１０）で用いるパデ近似の次数、ｓ０は速度オブザーバの極、ｌ１、ｌ２は極がｓ０となるような外乱オブザーバゲイン、Ｋｖは正規化速度比例制御ゲイン、Ｔｒａｔは定格トルク、Ｔは制御周期、ＴＬはむだ時間である。公称慣性モーメントＪ０は外乱オブザーバ１０７と振動成分演算器１１１に用いる慣性モーメント値である。【００５９】
速度比例制御ゲインＫｖｊ、速度制御積分時定数Ｔｉおよびトルク指令フィルタ時定数τｆは、上記のように正規化速度比例制御ゲインＫｖを用いて従属的に設定する。
本シミュレーションに用いたモデルは前述のように図１において、フィードバック制御器１０２を式（１）に示す速度ＰＩ制御器と式（２）のトルク指令フィルタとし、トルク制御器１０４は式（３）のノッチフィルタとし、制御対象１０５は式（４）とし、振動成分演算器１１１は式（７）の速度オブザーバにより算出した速度推定値Ｖ＊を応答Ｖより減算して前記振動成分を算出する構成とし、位相調整器１１２は式（５）のバンドパスフィルタとし、外乱オブザーバ１０７は式（６）とした。ただし、制御対象１０５を表す式（４）以外は制御周期Ｔの離散時間表現とし、トルク指令Ｔｒｅｆは定格トルクＴｒａｔで飽和するようにした。【００６０】
図３は、本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける開ループ系のボード線図とナイキスト線図を表す図である。
図３（ａ）は、図２の開ループ伝達関数２０１のボード線図である。図３（ａ）において、実線は式（３）と式（４）の３慣性系モデルに基づいたボード線図であり、一点鎖線は式（１７）の２慣性近似モデルに基づいたボード線図である。
図３（ａ）より、第２反共振周波数ωａ２の周辺以外では、前記３慣性系モデルに基づいたボード線図は前記２慣性近似モデルに基づいたボード線図とほぼ一致している。
図３（ａ）中、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ振幅が１となる周波数であり、位相余裕が最も小さい周波数はｃ点であることが位相図より分かる。
図３（ｂ）は前記開ループ系のナイキスト線図である。図３（ｂ）において、実線は前記３慣性系モデルに基づいたナイキスト線図であり、一点鎖線は前記２慣性近似モデルに基づいたナイキスト線図であり、破線は単位円である。
図３（ｂ）中ａ、ｂ、ｃはそれぞれナイキスト線図が前記単位円と交差する点を示し、図３（ａ）のａ、ｂ、ｃにそれぞれ対応している。図３（ｂ）よりｃ点が最も第２象限に近く図２の単位フィードバック系の安定性に最も影響を与えることが分かる。【００６１】
正規化速度比例制御ゲインＫｖを変化させると、図３（ａ）の位相図はほとんど変化せず、振幅図のみが正規化速度比例制御ゲインＫｖの変化量にほぼ比例して変化する。
正規化速度比例制御ゲインＫｖを増加させたときに発生する振動の周波数は、前記位相図が−１８０度となる周波数である位相交差周波数とほぼ一致する。
安定境界線演算器１２２は、まず、適当な値を速度比例制御ゲインＫｖに設定して図３（ａ）のボード線図を描き、前記位相交差周波数を求め、振動抑制部１１０により抑制する抑制振動周波数ωｖとする。
次に、前記位相交差周波数において振幅が１より少し小さい値となるような正規化速度比例制御ゲインＫｖの値を求める。
バンドパスフィルタ時定数τ、外乱オブザーバゲインｌ１、ｌ２、およびオブザーバゲインｌをそれぞれ次のように設定する。
ｌ１＝ωｖ／２、ｌ２＝ωｖ／２、ｌ＝ωｖ／２、τ＝２／ωｖ
以上の設定値に基づいて安定境界線演算器１２２は前記安定境界線を算出する。
安定境界線演算器１２２は、前記機械定数に基づいてフィードバック制御器１０２と制御対象１０５を含む閉ループ系の等価単位フィードバック系を算出し、前記等価単位フィードバック系の位相余裕が正数の位相余裕設定値となるように前記安定境界線を算出する。
前記位相余裕設定値は、前記機械定数に不確定性がある場合前記不確定性を許容し前記閉ループ系が安定となるような値に設定する。【００６２】
図４は、本発明の第１実施例を示すシミュレーションにおける安定境界線、調整曲線および制御ゲイン初期値を表す図である。図４において、実線は安定境界線、破線は調整曲線、ｘは制御ゲイン初期値、□は安定領域を示す。
本シミュレーションでは位相余裕δを０度とした。
図４に示すように、安定境界線演算器１２２は前記安定境界線を出力し、調整曲線演算器１２３は前記調整曲線を出力し、初期値設定器１２４は制御ゲイン初期値Ｋｉｎを設定し、制御ゲイン調整器１２５は制御ゲイン初期値Ｋｉｎより前記調整曲線に沿って前記安定境界線の交点である前記最適ゲイン組に向かって制御ゲイン組（Ｋｖｊ、Ｋｆ）を調整する。【００６３】
機械定数同定器１２１の出力する機械定数に不正確さがある場合、位相余裕δを０度より大きな値に設定することで、図４の前記安定領域が狭まり、前記機械定数の不正確さを許容することができ、図１の閉ループ系を振動的とすることなく静かに、安全にゲイン調整できる。【００６４】
また、制御対象１０５が任意の多慣性系の場合、図１の閉ループ系が外乱オブザーバを含まない場合、ノッチフィルタやローパスフィルタの有無や個数に関わらず、またフィードバック制御器１０２の制御則に関わらず、本発明は本実施例と同様に適用可能である。
すなわち、フィードバック制御器が速度Ｐ制御、速度Ｉ−Ｐ制御、位置Ｐ速度Ｐ制御、位置Ｐ速度ＰＩ制御、位置Ｐ速度Ｉ−Ｐ制御、位置ＰＩＤ制御などの場合にも本発明は本実施例と同様に適用可能である。【００６５】
このように、制御対象の機械定数に基づいて制御ゲインの安定領域を算出する構成をしているので、制御対象を振動的とすることなく静かに、安全に制御ゲイン調整でき、また自動で高い制御性能を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
負荷の連結したモータを振動的とすることなく静かに、安全に制御ゲイン調整できるので、半導体製造装置、液晶パネル製造装置、工作機械、産業用ロボットなど一般産業用装置に広く適用できる。
【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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【国際調査報告】
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