(57)【要約】      （修正有）【課題】２慣性系において、慣性比の大きなモータを駆動する場合においても、安定して動作させる。【解決手段】２慣性系のモータ１ａを制御するモータ制御装置Ｂであって、速度指令値と速度フィードバック値との偏差が零になる方向にモータを制御する速度制御器３を含むモータ制御装置Ｂにおいて、制御対象１の前記２慣性系のモータ１ａの少なくとも一組の反共振特性と共振特性とに関して、反共振周波数及び共振周波数に対して緩やかにゲインを補償するとともに、反共振周波数、共振周波数での位相遅れを位相余裕以下とする慣性比補償フィルタ５を前記速度制御器３の出力側に設けることを特徴とするモータ制御装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２慣性系のモータを制御するモータ制御装置であって、速度指令値と速度フィードバック値との偏差が零になる方向にモータを制御する速度制御器を含むモータ制御装置において、
制御対象の前記２慣性系のモータの少なくとも一組の反共振特性と共振特性とに関して、反共振周波数及び共振周波数に対して緩やかにゲインを補償するとともに、反共振周波数、共振周波数での位相遅れを位相余裕以下とする慣性比補償フィルタを前記速度制御器の出力側に設けることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記慣性比補償フィルタは、
双二次フィルタと位相進みフィルタとを含む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】
前記双二次フィルタは、
制御対象の前記２慣性系のモータの少なくとも一組の反共振特性と共振特性とに関して、反共振周波数及び共振周波数に対して緩やかにゲインを補償することを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記位相余裕は、４０°〜６０°である請求項２又は３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記位相進みフィルタは、
さらに、共振周波数より１．５〜５倍高い周波数における位相を進めてい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】
前記位相進みフィルタは、
反共振周波数より少し低い周波数の補償フィルタの位相遅れをなくす、もしくは進めて閉ループ周波数特性のハンプを生じないようにするとともに、共振周波数より少し高い周波数の補償フィルタの位相を進めることを特徴とする請求項４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、モータ制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械では、ボールねじを用いてモータの回転運動を直線運動に変換し、テーブルを駆動することが行われている。このような動力伝達機構では、ボールねじなどの剛性の低い部分により、２慣性系が構成されている。
【０００３】
２慣性系では、例えば図６に示すように１００Ｈｚ付近の反共振周波数と１４０Ｈｚ付近の共振周波数とがあり、反共振周波数から共振周波数までの位相が１８０°進んだ特性になる。
【０００４】
このような２慣性系において、モータ慣性を小さくすると、負荷側慣性とモータ側慣性との比が大きくなる。速度ループを構成した場合のトルク指令から速度までの周波数特性は図７のように、慣性比が小さい場合（図７（ａ））と比較し、反共振周波数以下のゲインと共振周波数以上のゲインとの差が大きくなる（図７（ｂ））。
【０００５】
反共振周波数以下のゲインが同じになるように速度制御ゲインを調整すると、共振周波数以上のゲインが大きくなり、反共振周波数以下の周波数でのゲイン余裕、位相余裕に加えて、共振周波数以上の周波数でのゲイン余裕、位相余裕が確保されないと、制御系が不安定になり、発振してしまう。
【０００６】
このため、従来は、慣性比の大きなモータを駆動する場合に安定性が確保できるよう、速度制御ゲインを下げて使用せざるを得なかった。
【０００７】
しかしながら、速度制御ゲインが低いと加工精度が低下してしまうという問題がある。同じモータトルクであれば、全慣性が小さい方が加減速に要する時間が短くなるため、機械のサイクルタイム短縮のためにはモータ慣性を小さくする必要がある。
【０００８】
２慣性系の特性の改善を行った技術例が特許文献１に開示されている。特許文献１では、速度指令値と速度フィードバック値との偏差が零になるようにサーボモータを制御する速度制御器を含むサーボ制御装置において、制御対象の少なくとも一組の反共振、共振特性の逆の特性あるいはこれを近似する特性のフィルタを速度制御器に組み込んでいる。これにより、低域の位相遅れの増加を極力抑えながら、共振ピークのゲインを抑えることにより安定化させて速度制御系の速度制御ゲインを上げることができる。
【０００９】
慣性モーメントの変動に対して、その安定性を確保した技術例が特許文献２に開示されている。特許文献２のモータ制御装置においては、慣性モーメントが最小値から最大値まで変動する機械負荷にモータが結合され、モータを速度指令信号に基づいて駆動制御すると共に速度ループを有する。モータ制御装置は、速度指令信号とモータの速度検出信号との偏差信号に応じてモータを駆動すると共に、偏差信号を比例制御演算と積分制御演算とを行ってモータ駆動指令を生成して出力する速度制御手段と、速度ループに速度制御手段と直列に挿入された補償制御手段とを備えている。該補償制御手段は、慣性モーメントの最小値となる時の速度ループを開放した速度開ループの交差周波数である第１交差周波数と慣性モーメントの最大値となる時の速度開ループの交差周波数である第２交差周波数との間の周波数における速度開ループの位相が−１４０°以上となるように設定される。補償制御手段は、中間周波数領域で位相が進み、低周波数領域と高周波数領域で位相がほぼゼロとなる位相進み特性を有する位相進みフィルタである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−３２２１０５号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１では、２慣性系で構成される機械系の反共振周波数と共振周波数を相殺するフィルタを制御系に搭載し、これにより特性の改善を行っている。
【００１２】
しかしながら、特許文献１において用いられている制御対象（２慣性系）の一組の反共振、共振特性の逆の特性のフィルタは、図８（ａ）に示すように反共振周波数や共振周波数での位相の変化が急峻な特性を有するものであり、反共振周波数から共振周波数までの間の位相遅れは１８０°になる。
【００１３】
２慣性系の特性として反共振周波数から共振周波数までの位相が１８０°進んでいるため、機械系の反共振周波数や共振周波数と補償フィルタに設定した反共振周波数や共振周波数が完全に一致していれば発振する事なく特性が改善される。しかしながら、補償フィルタに設定した反共振周波数と機械系の反共振周波数に少しでもずれが生ずると、急激で大きな補償フィルタの位相遅れにより発振してしまうという問題がある。
【００１４】
位相が１８０°遅れると、信号が反転して出てくるため、制御ループを構成した場合は発振してしまう。また、共振周波数においても同様に、補償フィルタに設定した共振周波数と機械系の共振周波数に少しでもずれが生ずると、急激で大きな補償フィルタの位相遅れにより発振してしまうという問題がある。
【００１５】
ボールねじを用いた機械系では、テーブルの位置によりボールねじのねじり剛性が少し変動するため、テーブルの位置によっては反共振周波数や共振周波数が少し変化して発振してしまうと、補償フィルタを入れることができず、速度制御ゲインを上げられないという問題があった。
【００１６】
また、例えば図８（ｂ）に示すように、反共振周波数及び共振周波数における位相の遅れを低減したフィルタを挿入しようとした場合、反共振周波数より少し低い周波数での位相遅れにより、閉ループ周波数特性のハンプが増大したり、共振周波数より少し高い周波数での位相遅れにより、位相余裕がなくなり発振してしまうという問題があった。ハンプの増大や発振は、加工精度を低下させるため、抑制する必要がある。
【００１７】
特許文献２では、位相進みフィルタを用いて機械負荷の慣性モーメントが最大の時の交差周波数付近での位相遅れを小さくし、機械負荷の慣性モーメントが変動しても位相余裕が４０°以上となる望ましい制御特性が得られるようにしている。
【００１８】
しかしながら、特許文献２は、機械負荷の慣性モーメントが最大の時の交差周波数付近での位相遅れを小さくしているのみで、機械負荷に剛性が低い部分のある２慣性系の特性改善を行ったものではない。
【００１９】
また、特許文献２では、位相進みフィルタとして、低周波数領域の速度制御ゲインを低減する特性のフィルタを用いているため、特許文献２の手法を剛性の低い部分が存在する慣性比の大きな機械に適用して共振周波数付近の位相を進めようとすると、制御帯域の速度制御ゲインが低下し、制御特性が悪化してしまうという問題があった。
【００２０】
本発明は、２慣性系において、慣性比の大きなモータを駆動する場合において、より安定した動作をさせることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、以下の構成を有する。
【００２２】
１）反共振周波数より少し低い周波数の補償フィルタの位相遅れをなくす、もしくは進めて閉ループ周波数特性のハンプを生じないようにする。
【００２３】
２）同時に共振周波数より少し高い周波数の補償フィルタの位相を進める。これにより、共振周波数での発振が生じないようにすることができる。
【００２４】
３）さらに、反共振周波数、共振周波数での補償フィルタの位相遅れを位相余裕（４０°〜６０°）以下にする。
【００２５】
これにより、機械系の反共振周波数や共振周波数が多少変動しても発振することがない。
【００２６】
また、機械系の反共振周波数でのゲイン低下と共振周波数でのゲイン上昇をある程度補償し、慣性比が大きくても速度制御系の応答を高くできる。
【００２７】
従って、モータ慣性を小さくする事による加減速時間の短縮や、同じ加減速時間であればモータ出力トルクを低減する事によるモータコストの低減を実現し、機械のサイクルタイムの短縮と高精度化の両立を図れるモータ制御装置を提供することができる。
【００２８】
本発明の一観点によれば、２慣性系のモータを制御するモータ制御装置であって、速度指令値と速度フィードバック値との偏差が零になる方向にモータを制御する速度制御器を含むモータ制御装置において、制御対象の前記２慣性系のモータの少なくとも一組の反共振特性と共振特性とに関して、反共振周波数及び共振周波数に対して緩やかにゲインを補償するとともに、反共振周波数、共振周波数での位相遅れを位相余裕（４０°〜６０°）以下とする慣性比補償フィルタを前記速度制御器の出力側に設けることを特徴とするモータ制御装置が提供される。
【００２９】
例えば、機械系の反共振周波数の特性のみを打ち消す双二次フィルタと位相進みフィルタとを組合せて使用することができる。
【００３０】
これにより、慣性比の大きなモータを駆動する場合に、安定した動作が可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、慣性比の大きなモータを駆動する場合に、安定した動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（ａ）は、２慣性系で構成される機械系を加工するモータを制御するシステムの一構成例を示す図であり、図１（ｂ）は、モータ制御装置の慣性比補償フィルタの一構成例を示す機能ブロック図である。
【図２】双二次フィルタの周波数特性の一例を示す図である。
【図３】位相進みフィルタの周波数特性の一例を示す図である。
【図４】慣性比補償フィルタの周波数特性の一例を示す図である。
【図５】本実施の形態による補償フィルタを反共振周波数が１００Ｈｚ、共振周波数が１５０Ｈｚの機械系のモータ制御装置に適用（挿入）した場合の効果を示した図であり、図５（ａ）は補償フィルタなし、図５（ｂ）は補償フィルタありの場合の例を示す図である。
【図６】２慣性系における速度制御ゲインと位相との周波数依存性を示す図である。
【図７】２慣性系における速度制御ゲインとの周波数依存性を示す図であり、慣性比が小さい場合（図７（ａ））と、慣性比が高い場合（図７（ｂ））とを示す図である。
【図８】図８（ａ）は特許文献１に記載の２慣性係の逆関数の特性を示す図であり、図８（ｂ）は、反共振周波数及び共振周波数における位相の遅れを低減したフィルタを挿入しようとした場合の特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に、本発明の一実施の形態によるモータ制御装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３４】
図１（ａ）に示すシステムＡは、２慣性系で構成される機械系１ｂを駆動するモータ１ａを制御する本発明の実施の形態によるモータ制御装置Ｂを含む。図１（ｂ）は、モータ制御装置Ｂのうち慣性比補償フィルタ５の一構成例を示す機能ブロック図である。
【００３５】
図１（ａ）に示すように、モータ制御装置Ｂにおいては、速度指令と速度フィードバックとを速度制御器３に通す。速度制御器３の出力は慣性比補償フィルタ５を介して、トルク制御部７にトルク指令として出力される。トルク制御部７から出力された制御指令によりモータ１ａが駆動される。モータ１ａの回転位置はエンコーダ１１によりエンコードされ、速度演算器（ｓ）１５により速度を算出して，速度フィードバックとして速度制御器３に戻る。
【００３６】
本実施の形態においては、慣性比補償フィルタ５は、図１（ｂ）に示すように、機械系１ｂの反共振周波数の特性のみを打ち消す双二次フィルタ５−１と位相進みフィルタ５−２とを組合せて構成することができる。
【００３７】
例えば、慣性比補償フィルタ５の伝達関数Ｇは、以下の伝達関数とすることができる。
【００３８】
Ｇ＝Ｇ１×Ｇ２
Ｇ１＝（ｓ２＋２ζＨωＨｓ＋ωＨ２）／（ｓ２＋２ζLωＬｓ＋ωＬ２）・ωＬ２／ωＨ２
Ｇ2＝｛（１＋ｓＴ１）／（１＋ｓＴ２）｝２
【００３９】
ここで、Ｇ１は双二次フィルタである。ｓはラプラス演算子、ωＬ、ωＨは固有角周波数、ζＬ、ζＨは減衰係数であり、ωＬを機械系の反共振周波数に、ωＨを機械系の共振周波数に、ζＨ＝０．５として機械系の共振周波数でのゲイン低減をなくし、ζＬ＝０．１〜０．０１程度として機械系の反共振周波数でのゲイン低下をある程度補償する。
【００４０】
また、Ｇ２は位相進みフィルタである。（１/Ｔ１)＜（１/Ｔ２）であり、Ｔ１とＴ２の比は高周波数領域におけるゲイン上昇が、双二次フィルタの高周波数領域におけるゲイン低下と同程度になるようにする。反共振周波数、共振周波数での慣性比補償フィルタの位相遅れを位相余裕以下とする。位相余裕は、例えば、４０°〜６０°である。
【００４１】
これにより、慣性比補償フィルタ５の反共振周波数より少し低い周波数での位相遅れをなくすか、もしくは、少し進める。また、反共振周波数、共振周波数での位相遅れを９０°以下にする。さらに、共振周波数より少し高い周波数での位相を進める。
【００４２】
図２、図３、図４は、それぞれ、上記のように設定した双二次フィルタ（伝達関数Ｇ１）、位相進みフィルタ（伝達関数Ｇ２）、慣性比補償フィルタ（伝達関数Ｇ）のそれぞれの周波数特性の一例を示す図である。
【００４３】
図４に示すように、慣性比補償フィルタ（伝達関数Ｇ）は、例えば、機械系の反共振周波数の１０％低い周波数以下で位相が進み、また、双二次フィルタのゲイン特性は、図６に示すような従来のものと比べて、ゲインの周波数依存がゆるやかになっている（図４の１））。加えて、反共振周波数、共振周波数での位相遅れは４０°弱である（図４の２））。さらに、共振周波数より１．５〜５倍高い周波数での位相を進めている（図４の３））。
【００４４】
これらの特徴を有する本実施の形態による伝達関数Ｇをもつ慣性比補償フィルタにより、モータの慣性比が大きくなり、高周波数域の速度制御ゲインが高くなっても、その部分の位相を進ませることにより、共振周波数より高い周波数での共振を抑制して安定化する。また、反共振周波数、共振周波数での慣性比補償フィルタの位相遅れを位相余裕（４０°〜６０°）以下と小さくしているため、機械系の反共振周波数や共振周波数が５％程度変動しても発振することはない。
【００４５】
図５（ａ）、図５（ｂ）は、本実施の形態による慣性比補償フィルタを反共振周波数が１００Ｈｚ、共振周波数が１５０Ｈｚの機械系のモータ制御装置に適用（挿入）した場合の効果を示した図である。図５（ａ）に示すように、慣性比補償フィルタが無い場合は、機械系のモータ制御装置における例えば５５Ｈｚ付近のハンプ２１が大きく、また、４００Ｈｚにおける共振２３が見られる。このような状態でモータを動作させると、その動作が安定しない。図５（ｂ）に示すように、図４のようなゲイン特性と位相特性を有する慣性比補償フィルタを挿入すると、５５Ｈｚのハンプ２１ａが小さくなる方向に抑制されるとともに、４００Ｈｚの共振２３ａも抑制され、制御帯域のカットオフ周波数を高くすることができる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態では、機械系の反共振周波数の特性のみを打ち消す双二次フィルタと位相進みフィルタとを組合せて慣性比補償フィルタを構成して使用することにより、以下の効果が得られる。
【００４７】
慣性比の大きなモータを駆動する場合に、反共振周波数より少し低い周波数の補償フィルタの位相遅れをなくす、もしくは進めて、閉ループ周波数特性のハンプを生じないようにし、同時に共振周波数より少し高い周波数の補償フィルタの位相を進めることにより、共振周波数での発振が生じないようにする。
【００４８】
さらに、反共振周波数、共振周波数での補償フィルタの位相遅れを位相余裕（４０°〜６０°）以下にして、機械系の反共振周波数や共振周波数が多少変動しても発振することがなく、機械系の反共振周波数での速度制御ゲイン低下と共振周波数での速度制御ゲイン上昇をある程度補償し、慣性比が大きくても速度制御系の応答を高くすることができる。
【００４９】
従って、モータ慣性を小さくすることによる加減速時間の短縮や、同じ加減速時間であればモータ出力トルクを低減することによるモータコストの低減を実現し、機械のサイクルタイムの短縮と高精度化の両立を図れるモータ制御装置を提供することができる。
【００５０】
上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００５１】
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、モータ制御装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ…システム、Ｂ…モータ制御装置、１ａ…モータ、１ｂ…機械系、３…速度制御器、５…慣性比補償フィルタ、５−１…双二次フィルタ、５−２…位相進みフィルタ、７…トルク制御部、１５…速度演算器（ｓ）。
【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】
2018116600.tif 000009
【図８】
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