(57)【要約】【課題】３慣性の機械共振系に対しても速度ループゲインを高ゲイン化する。【解決手段】モータを制御するためのモータ制御装置１００であって、モータモデル４に入力するトルク指令に基づいてモータの等価剛体速度である等価剛体速度を出力する速度推定器６と、モータ速度と等価剛体速度との間の第１差速度を入力する第１フィードバックゲインＫｄ１と、速度指令と、モータ速度と第１フィードバックゲインＫｄ１の出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいてトルク指令を生成するトルク指令生成部２と、第１フィードバックゲインＫｄ１と並列に第１差速度を入力してその周波数特性を変更し、第１フィードバックゲインＫｄ１の出力に加算する安定化補償器９と、を有する。
2015063842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを制御するためのモータ制御装置であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力する速度推定器と、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を取得する第１フィードバックゲインと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記第１フィードバックゲインと並列に前記第１差速度を取得してその周波数特性を変更し、前記第１フィードバックゲインの出力に加算する安定化補償器と、を有する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記安定化補償器は、
前記第１差速度における前記速度推定器の遮断周波数以上の周波数成分のゲインを大きくし、かつ、前記第１差速度の周波数特性において前記周波数成分の位相変化を小さくするよう周波数特性を変更する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】
前記安定化補償器は、
前記第１差速度の生成点から前記第１フィードバックゲインの出力と前記安定化補償器の出力との加算点までの周波数特性において振動抑制に関する周波数帯域での位相変化を小さくするよう周波数特性を変更す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】
前記安定化補償器は、微分器と第２フィードバックゲインの直列結合を有していることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記微分器は、近似微分器を有してい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】
前記安定化補償器は、その伝達関数が、
前記トルク指令生成部、前記速度推定器、前記第１フィードバックゲイン、前記モータ、及び前記モータが駆動する３慣性共振系機械を含む系の前記速度偏差からモータ速度までの閉ループの伝達関数における各次数の微分の係数を、１又は前記第２フィードバックゲインが入る値とするよう設定されていることを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
【請求項７】
モータを制御するためのモータ制御装置であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力する速度推定器と、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を取得する第１フィードバックゲインと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記第１フィードバックゲインと並列に前記第１差速度を入力して、その出力を前記第１フィードバックゲインの出力に加算する近似微分器と第２フィードバックゲインの直列結合からなり、前記第１差速度における前記速度推定器の遮断周波数以上の周波数成分のゲインを大きくし、かつ、前記第１差速度の生成点から前記第１フィードバックゲインの出力と前記安定化補償器の出力との加算点までの周波数特性において振動抑制に関する周波数帯域での位相変化を小さくするよう周波数特性を変更する安定化補償器と、を有する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項８】
前記第１フィードバックゲインへ入力する前の前記第１差速度の位相を調整するための位相調整用ハイパスフィルタと位相調整用ローパスフィルタを設けていることを特徴とする請求項７記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記速度推定器の遮断周波数、及び前記位相調整用ハイパスフィルタと前記位相調整用ローパスフィルタの遮断周波数が制振対象の周波数の略１／２から略１／３に調整可能であることを特徴とする請求項８記載のモータ制御装置。
【請求項１０】
モータを制御するためのモータ制御装置であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力する速度推定器と、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を入力する第１フィードバックゲインと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記第１フィードバックゲインと並列に前記第１差速度を入力してその周波数特性を変更し、前記第１ゲインの出力に加算する手段と、を有する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項１１】
モータを制御するためのモータ制御装置が備える演算装置に実行させるモータ制御方法であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力することと、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を取得して第１フィードバックゲインを乗算することと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの乗算出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成することと、
前記第１フィードバックゲインの乗算とは別に前記第１差速度を取得してその周波数特性を変更し、前記第１フィードバックゲインの乗算出力に加算することと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、モータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、機械共振系の影響を抑制するために、トルク指令に基づいて負荷機械のうち機械共振系を除いた等価剛体系だけを駆動した場合のモータの出力速度である等価剛体速度を推定し、この等価剛体速度とモータ速度との間の差速度を求め、さらにこの差速度とモータ速度との間の差速度を帰還させる速度フィードバックループが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３１８９８６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、負荷機械が２慣性の共振系である場合にしか対応できず、３慣性の共振系に対しては速度ループゲインが制限されてしまう。これは、上記制振制御が１つの共振系に対応する狭い帯域の振動成分だけしか抑制できないためであり、２つの共振系（２つの共振帯域）を有する３慣性系に対しては低い方の共振系の振動成分は抑制できても速度ループゲインの設定範囲が高い方の共振系で制限されてしまう。【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、本発明の目的とするところは、３慣性の機械共振系に対しても速度ループゲインを高ゲイン化でき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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、モータを制御するためのモータ制御装置であって、前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力する速度推定器と、モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を取得する第１フィードバックゲインと、速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成するトルク指令生成部と、前記第１フィードバックゲインと並列に前記第１差速度を取得してその周波数特性を変更し、前記第１フィードバックゲインの出力に加算する安定化補償器と、を有するモータ制御装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、３慣性の機械共振系に対して速度ループゲインを高ゲイン化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態のモータ制御装置全体の制御系モデルを表す制御ブロック図である。
【図２】従来型のモータ制御装置全体の制御系モデルを表す制御ブロック図である。
【図３】従来型の制振制御を２重に備えたモータ制御装置全体の制御系モデルを表す制御ブロック図である。
【図４】本実施形態の制振制御の原理を説明するために総慣性モーメントを１とした場合の制御ブロック図である。
【図５】図４の制御ブロック図に微分パスを設けた場合の制御ブロック図である。
【図６】図５の微分器を近似微分器に変更した場合の制御ブロック図である。
【図７】図６の制御ブロック図を実際に適用可能に書き直した制御ブロック図である。
【図８】本実施形態において速度指令を入力とし、第１加算器の算出結果を出力とした周波数特性のボード線図である。
【図９】図８のボード線図における各パラメータの影響を説明する図である。
【図１０】３慣性共振系を有する制御対象１の周波数特性の一例である。
【図１１】制御対象１に対して制振制御を行わない場合のトルク指令の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】制御対象１に対して従来型制振制御を行った場合のトルク指令の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】制御対象１に対して３慣性制振制御を行った場合のトルク指令の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】制御対象１に対して制振制御を行わない場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】制御対象１に対して従来型制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】制御対象１に対して３慣性制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１７】３慣性共振系を有する制御対象２の周波数特性の一例である。
【図１８】制御対象２に対して制振制御を行わない場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１９】制御対象２に対して従来型制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２０】制御対象２に対して従来型制振制御を２重で行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】制御対象２に対して３慣性制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】３慣性共振系を有する制御対象３の周波数特性の一例である。
【図２３】制御対象３に対して制振制御を行わない場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２４】制御対象３に対して従来型制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２５】制御対象３に対して３慣性制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２６】３慣性共振系を有する制御対象４の周波数特性の一例である。
【図２７】制御対象４に対して制振制御を行わない場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２８】制御対象４に対して従来型制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図２９】制御対象４に対して従来型制振制御を２重で行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３０】制御対象４に対して３慣性制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３１】４慣性共振系を有する制御対象５の周波数特性の一例である。
【図３２】制御対象５に対して制振制御を行わない場合のトルク指令の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図３３】制御対象５に対して従来型制振制御を行った場合のトルク指令の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図３４】制御対象５に対して従来型制振制御を２重で行った場合のトルク指令の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図３５】制御対象５に対して３慣性制振制御を行った場合のトルク指令の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図３６】制御対象５に対して制振制御を行わない場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３７】制御対象５に対して従来型制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３８】制御対象５に対して従来型制振制御を２重で行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３９】制御対象５に対して３慣性制振制御を行った場合の出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
＜本実施形態の制御系モデル＞
まず、図１を用いて、一実施の形態に係るモータ制御装置の制御系モデルの概略的な構成について説明する。なお、この図１の制御ブロック図は、後述する３慣性共振系の制御対象モデル（負荷機械モデル）も含めて伝達関数形式で表しており、当該モータ制御装置が備えるＣＰＵ（演算装置；特に図示せず）がそれぞれソフトウェア処理の実行により実現する機能ブロックの集合で示している。またこの図１は、図示の煩雑を避けるために、上位制御装置や位置制御用フィードバックループや電流制御用フィードバック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。
【００１１】
この図１において、本実施形態のモータ制御装置１００は、第１減算器１と、トルク指令生成部２と、トルク指令フィルタ３と、モータモデル４と、負荷機械モデル５と、速度推定器６と、第２減算器７と、位相補償器８と、第１フィードバックゲインＫｄ１と、安定化補償器９と、第１加算器１０と、第３減算器１１とを有している。なお、上記第１フィードバックゲインＫｄ１における「ゲイン」とは、入力信号を一定の増幅率で単純に増幅して出力する増幅器としての機能を意味し、また伝達関数としての数学的意味合いでは上記増幅率に相当する係数（乗算係数）として扱われる（他のフィードバックゲイン、ループゲイン、及び調整ゲイン等の「ゲイン」についても同様）。
【００１２】
第１減算器１は、特に図示しない位置制御ループまたは指令器から入力された速度指令から、後述する第２差速度を減算してその偏差を求める。この偏差は速度ループゲインＫｖを含むトルク指令生成部２に乗算され、さらにサンプリング等による高周波のノイズ成分を除去するためのトルク指令フィルタ３に通した値をトルク指令として出力される。
【００１３】
このトルク指令は、モータモデル４に入力され、さらにその出力が負荷機械モデル５に入力されてモータ速度を出力する。負荷機械モデル５は、モータに連結された３慣性共振系の負荷機械の数学的モデルである。具体的にこの負荷機械モデル５は、第１共振点モデル５１と、第１反共振点モデル５２と、第２共振点モデル５３と、第２反共振点モデル５４を直列に乗算したモデルである。モータ速度は、この負荷機械モデル５の影響を受けた共振特性を有して出力される。
【００１４】
また上記トルク指令は、他方で速度推定器６にも入力される。この速度推定器６は、等価剛体系であるモータ回転子の慣性モーメントＪ′の逆数を含む等価剛体特性器６１と、速度加算器６２と、積分器６３と、調整ゲインＫｓとを有している。速度推定器６に入力されたトルク指令が等価剛体特性器６１に入力され、後述する第１差速度が調整ゲインＫｓに入力される。速度加算器６２が等価剛体特性器６１と調整ゲインＫｓの出力を加算し、これを積分器６３が積分して等価剛体速度を出力する。このように出力された等価剛体速度は、上記トルク指令を入力されたモータだけを駆動する場合（負荷機械モデル５を連結しない場合）に出力すると推定される仮想のモータ速度に相当する。
【００１５】
第２減算器７は、モータ速度から等価剛体速度を減算してそれらの間の第１差速度を算出する。この第１差速度は、上記速度推定器６の調整ゲインＫｓに入力されるとともに、位相補償器８にも入力される。この位相補償器８は、１組のハイパスフィルタ８１とローパスフィルタ８２の直列結合を有しており、第１差速度は当該位相補償器８によって位相が調整される。
【００１６】
位相補償器８から出力された第１差速度は、第１フィードバックゲインＫｄ１と、安定化補償器９にそれぞれ入力（取得）される。安定化補償器９は、近似微分器９１と第２フィードバックゲインＫｄ２の直列結合を有している。この安定化補償器９の機能については、後に詳述する。
【００１７】
第１加算器１０は、第１フィードバックゲインＫｄ１の出力と安定化補償器９の出力を加算する。第３減算器１１は、モータ速度から第１加算器１０の出力を減算してそれらの間の第２差速度を算出する。そして上記第１減算器１は、速度指令からこの第２差速度を減算して偏差を求める。
【００１８】
＜従来型の制御系モデルとその作動＞
次に、従来型の制振制御を行う制御系モデルの制御ブロック図を図２に示す。この従来型の制御モデルは、上記本実施形態の制御モデルから安定化補償器９と第１加算器１０を除いたものである。つまり、位相補償器８から出力された第１差速度が第１フィードバックゲインＫｄ１だけに入力され、第３減算器１１がモータ速度と第１フィードバックゲインＫｄ１の出力との間の第２差速度を算出する。
【００１９】
この従来型の制御系モデルは、速度指令とモータ速度との速度偏差に基づいてトルク指令生成部２がトルク指令を生成してモータモデル４に入力する速度制御用フィードバックループを備えている。もしモータが駆動する負荷機械において、駆動力の伝達経路中に弾性要素（この例の３慣性共振系）が存在する場合には、当該負荷機械の機械共振による振動成分がモータ速度に重畳してしまう。制御系全体の応答速度を向上させるにはトルク指令生成部２中の速度ループゲインＫｖを上げる必要があるが、これを上記の機械共振（反共振点、共振点）の周波数以上に上げると当該機械共振の振動成分がモータ速度に顕著に出現してしまう。この振動成分は、機械共振の周波数成分だけを特に増幅したもの（つまりゲインを大きくしたもの）であり、また機械共振部分の位相は大きく変化するため、これを速度フィードバックループに帰還させると制御系全体の動作が不安定となる（発振などが生じる）。これを回避するため、機械共振の周波数で速度ループゲインＫｖの設定範囲が制限されてしまう。
【００２０】
そこで図示する従来型の制御系モデルでは、速度ループゲインＫｖの設定範囲を向上するために速度フィードバックループに対して負荷機械の機械共振を抑制するための制振制御を行っていた。この制振制御では、まず速度推定器６が上記のトルク指令に基づいてモータの等価剛体速度を推定し出力する。この等価剛体速度は、同じトルク指令に対して負荷機械の機械共振系を除いたモータモデル４の等価剛体系だけを駆動した場合のモータの出力速度に相当する。この等価剛体速度と実際に検出されたモータ速度との間の第１差速度は負荷機械の機械共振による振動成分そのものに相当する。これに第１フィードバックゲインＫｄ１を乗算してモータ速度から減算した第２差速度は機械共振の振動特性の減衰を増加する帰還信号となり、これと速度指令との速度偏差に基づいてトルク指令生成部２がトルク指令を生成することで速度フィードバックループを安定化できる。すなわち、制御系において負荷機械の機械共振の影響を抑制できるため、速度ループゲインＫｖを大きく設定でき、応答速度を向上できる。
【００２１】
しかしながら、上記従来の制振制御では、負荷機械において弾性要素が１カ所だけ備える２慣性の共振系にしか対応できず、弾性要素を２カ所備える３慣性の共振系、つまり反共振点と共振点を２組有する共振系に対しては速度ループゲインＫｖが制限されてしまう。これは、上記制振制御が１つの共振系に対応する帯域の振動成分だけしか抑制できないためであり、２つの共振系（２つの共振帯域）を有する３慣性系に対しては一方の共振系の振動成分は抑制できても速度ループゲインＫｖの設定範囲がもう一方の共振系で制限されてしまう。
【００２２】
この対策として、図３に示すように第２差速度を出力する経路部分、つまり速度推定器６、第２減算器７、位相補償器８、及び第１フィードバックゲインＫｄ１からなる経路部分を２重に並列化して備え、各経路部分で個別に共振系の振動成分を抑制する構成が考えられる。しかしながら、この構成によっても振動成分の抑制効果が十分に得られない。
【００２３】
＜本実施形態の制御原理＞
以下に、３慣性共振系に対する本実施形態の制振制御（図１参照）の原理について説明する。２慣性系に対して従来型制振制御（図２参照）を適用すると、従来型型制振制御によって形成される閉ループは、共振部の減衰係数を増やすように振る舞う。まず最初に、３慣性系に対して従来型制振制御を適用した場合に、どのように振る舞いが変化するかについて示す。
【００２４】
原理を簡潔に説明するため、仮想的な信号である等価剛体速度が検出可能と仮定している。検討を行うために、図４のような３慣性系を含む速度Ｐ制御（速度比例制御）を考える。図４では、簡単のためにモータモデル４′の総慣性モーメント（Ｊ）を「１」としている。また図４中において、図１に示す部位と同等のものには同じ符号を付している。速度偏差から制振制御部の出力（第１差速度にフィードバックゲインＫｄをかけた出力）までの開ループの伝達関数は、次式のようになる。
2015063842.tif 000003
2015063842.tif 000004
・・・（１）
【００２５】
したがって、速度偏差からモータ速度までの閉ループの伝達関数は、次式のようになる。
2015063842.tif 000005
2015063842.tif 000006
・・・（２）
ここで、
2015063842.tif 000007
・・・（３）
2015063842.tif 000008
・・・（４）
2015063842.tif 000009
・・・（５）
2015063842.tif 000010
・・・（６）
である。式（４）から分かるように、式（２）の右辺第４項の特性多項式中の２次項は従来型制振制御によって変化しない。このことから、従来型制振制御では、３慣性共振系に完全な減衰を付与することはできない（安定化できない機械系が存在する。）
【００２６】
以上の結果より、式（２）の右辺第４項の特性多項式中の１〜３次項全てにダンピングゲインＫｄが入れば３慣性共振系に完全な減衰を付与することができる。考えうる最も簡単な方法は、従来型制振制御の出力を微分または積分した信号を従来型制振制御の出力に並列に入力することである。微分した信号は、式（２）の右辺第４項の特性多項式に対して２次と４次の係数に影響を与え、積分した信号は、式（２）の右辺第４項の特性多項式に対して０次（定数項）と２次の係数に影響する。いずれの場合も２次の係数に影響するが、定数項に影響を与えることは避けたいため、本実施形態では微分信号を採用することにする。すなわち、図４から図５のように微分のパスを追加する。
【００２７】
図５において、速度偏差から制振制御部の出力（第１差速度に第１フィードバックゲインＫｄ１と第２フィードバックゲインＫｄ２をかけた各々の出力の和）までの開ループの伝達関数は、次式のようになる。
2015063842.tif 000011
2015063842.tif 000012
・・・（７）
したがって、速度偏差からモータ速度までの閉ループの伝達関数は、次式のようになる。
2015063842.tif 000013
2015063842.tif 000014
・・・（８）
2015063842.tif 000015
・・・（８′）
ここで、
2015063842.tif 000016
・・・（９）
2015063842.tif 000017
・・・（１０）
2015063842.tif 000018
・・・（１１）
2015063842.tif 000019
・・・（１２）
2015063842.tif 000020
・・・（１３）
である。
【００２８】
式（１０）〜式（１２）より、式（８）の右辺第４項の特性多項式中の１〜３次項にＫｄ１またはＫｄ２が含まれていることが分かる。このことから、図５の制御ブロックは３慣性共振系に対して完全な減衰を付与できる可能性がある。しかし、式（９）より分かるように、図５の制御ブロックでは、式（８）の右辺第４項の特性多項式中の４次項（最高次の項）にも係数が含まれる。その影響を検討するために、式（８）を式（８）′のように変形する。
【００２９】
式（８）′の右辺第４項の特性多項式中の２次項に着目する。
2015063842.tif 000021
であるので、ａ２′／ａ４′は次式のように近似的に変形することができる。
2015063842.tif 000022
・・・（１４）
【００３０】
式（１４）より分かるように、Ｋｄ２Ｋｖが1より大きくなると（１／Ｋｄ２Ｋｖ）−１が負となるので、式（１４）の分子の項が小さくなる。すなわち、式（８′）の右辺第４項の特性多項式中の２次項は小さくなる。通常、Ｋｖ＞＞１なので、このままではＫｄ２の調整が非常に難しくなる。
【００３１】
そのため、更なる変形を考える。式（１４）の関係は、式の展開上、最高次の項であるａ４′にＫｖとＫｄ２を含むため生じたと考えられる。ここまでの検討により、式（８）の右辺第４項の特性多項式中の最高次の項の係数が「１」になれば上記の不都合はなくなると考えられる。実現手段として、微分器９１′を１次の近似微分器９１に変更することを考える。すなわち、図５を図６のように変更する。
【００３２】
図６において、速度偏差から制振制御部の出力（第１差速度にＫｄ１とＫｄ２をかけた各々の出力の和）までの開ループの伝達関数は、次式のようになる。
2015063842.tif 000023
2015063842.tif 000024
・・・（１５）
したがって、速度偏差からモータ速度までの閉ループの伝達関数は、次式のようになる。
2015063842.tif 000025
2015063842.tif 000026
・・・（１６）
ここで、
2015063842.tif 000027
・・・（１７）
2015063842.tif 000028
・・・（１８）
2015063842.tif 000029
・・・（１９）
2015063842.tif 000030
・・・（２０）
2015063842.tif 000031
・・・（２１）
である。式（１６）において、右辺第４項の分母の５次の係数は１となっているので、前述の問題は発生しない。
【００３３】
式（１７）〜式（２０）より、式（１６）の右辺第４項の特性多項式中の１〜４次項にＫｄ１またはＫｄ２が含まれていることが分かる。このことから、図６の制御ブロックは３慣性共振系に対して完全な減衰を付与できる可能性がある（「可能性がある」としているのは、厳密には、４つの次数に対しては、４つの係数が独立に設定できる必要があるため）。
【００３４】
以上の検討結果に基づいて、実際に適用可能な制御ブロックは上記図１に示した本実施形態の制御系モデルとなる。すなわち図中に示すように、等価剛体速度は速度推定器６で推定される。また図１から分かるように、本実施形態の制御系モデルは、従来型制振制御の位相補償器８の出力から信号を分岐し、近似微分器９１を通して第１フィードバックゲインＫｄ２を乗じた信号を従来型制振制御の出力に加算している。これにより、図１に示した本実施形態の制御ブロックの構成が３慣性共振系に対して適正な制振制御を行える。なお、図１は速度Ｐ制御としているが、速度制御用フィードバックループに積分器が追加された場合や位置制御になった場合でも同様の効果を得ることができる（図示省略）。
【００３５】
＜シミュレーションによる効果の確認＞
本実施形態による効果を、図８〜図３９のシミュレーション結果で示す。まず図１の制御系モデルにおいて、速度推定器６と第２減算器７を一体としたものは、トルク指令とモータ速度を入力として第１差速度を出力する速度オブザーバ１２と見なすことができる。この速度オブザーバ１２内の制御ブロックを変形すると、図１は図７のように書き直すことができる。この図７から分かるように、速度オブザーバ１２が出力する第１差速度は、制振原理で必要な差速度（図中の第２減算器７の出力信号ｕ）に１次ハイパスフィルタ１３を通した信号とみなせる。この制振原理の差速度ｕから第１加算器１０の出力信号ｙまでの経路における周波数特性（第１差速度の生成点から第１フィードバックゲインの出力と安定化補償器の出力との加算点までの周波数特性に相当）のボード線図を、図８、図９に示す。なお、図８、図９のボード線図における「ゲイン」とは、対象としてる開ループの入力信号ｕと出力信号ｙとの間の振幅比（ｄＢ準拠）に相当する。
【００３６】
図８中において第２フィードバックゲインＫｄ２＝０に対応する曲線が、従来型制振制御の周波数特性に相当する。この従来型制振制御の周波数特性は、ゲインで見て左右対称の山型の曲線となり、位相で見てゆるやかな曲線で減少する曲線となっている。これに対し、第２フィードバックゲインＫｄ２を上げて本実施形態の安定化補償器９を有効化することで、ゲインは山型の頂点より右側、つまり高周波側の広い帯域に渡って従来型制振制御よりもゲインが高くなり、位相の遅れが小さくなる。
【００３７】
同じ周波数特性のボード線図である図９において、位相のゆるやかな曲線において、位相０゜付近が最も振動を抑制できる周波数である。位相特性は速度推定器６の遮断周波数で変化する。遮断周波数は調整ゲインＫｓで位相特性が可変できる。なお、位相０゜付近ではゲインが高いほうが望ましいので、位相０゜付近でゲイン特性が丘状となるように位相調整器を調整している。なお、図中では調整ゲインＫｓをおよそ２００Ｈｚに固定して示している。
【００３８】
また、ゲインの山型曲線の高さは、第１フィードバックゲインＫｄ１で調整設定できる。そして、ゲインの山型曲線の頂点から高周波側においてゲインが大きくなる度合い、及び位相のゆるやかな曲線の位相０付近から高周波側において位相の変化が小さくなる度合いは、第２フィードバックゲインＫｄ２で調整設定できる。これにより、第２フィードバックゲインＫｄ２を適度に大きく設定することで、従来型制振制御の場合（Ｋｄ２＝０の場合）よりも十分大きなゲインと十分小さな位相を確保し、モータ速度から共振振動成分を除去可能な有効帯域を広く設定できる（位相は経験的に約±２０°以内を許容）。この有効帯域を３慣性共振系の各反共振点、共振点の帯域に合わせて広く設定することで、振動成分を適切に抑制することができ、すなわちそれだけ速度フィードバックゲインＫｖを大きく設定して応答を高めることができる。なお、位相調整器８における位相調整用ハイパスフィルタ８１の遮断周波数は調整ゲインＫｓより低く設定し、位相調整用ローパスフィルタ８２の遮断周波数は調整ゲインＫｓよりも高く設定する。
【００３９】
図１０〜図３９は、それぞれ共振系を有する具体的な５つの例の制御対象に対して、制振制御を行わない場合、従来型制振制御を行った場合、従来型制振制御を２重に行った場合、及び本実施形態の制振制御を行った場合でシミュレーション結果の比較を示している。
【００４０】
図１０は、３慣性共振系を有する制御対象１（負荷機械モデル５）の周波数特性の一例を示している。図１７は、図１０に示した制御対象１の周波数特性に対して第１共振点モデル５１と第２反共振点モデル５４と第２共振点モデル５３のそれぞれの減衰係数を０に変更した制御対象２の周波数特性を示している。図２２は、図１０に示した制御対象１の周波数特性に対して第２反共振点ωａ２を２３０Ｈｚに、第２共振点ωｒ２を２６０Ｈｚに、第１共振点モデル５１と第２反共振点モデル５４と第２共振点モデル５３のそれぞれの減衰係数を０に変更した制御対象３の周波数特性を示している。図２６は、図１０に示した制御対象１の周波数特性に対して第１共振点モデル５１と第２共振点モデル５３のそれぞれの減衰係数を０．００５に、第２反共振点モデル５４の減衰係数を０に変更した制御対象４の周波数特性を示している。図３１は、図１０に示した制御対象１の周波数特性に対して第２反共振点ωａ２を２３０Ｈｚに、第２共振点ωｒ２を２６０Ｈｚに、第１共振点モデル５１と第２共振点モデル５３のそれぞれの減衰係数を０．００１に、第２反共振点モデル５４の減衰係数を０に変更し、さらに反共振点が７２９Ｈｚである第３反共振点モデルと共振点が７７８Ｈｚである第３共振点モデルを追加した制御対象５の周波数特性を示している（第３反共振点モデルと第３共振点モデルは図示省略）。
【００４１】
図１１〜図１６は、図１０の周波数特性の制御対象１に対して、制振制御を行わない場合（図１１、図１４）、従来型制振制御を行った場合（図１２、図１５）、及び本実施形態の３慣性制振制御を行った場合（図１３、図１６）の、それぞれのトルク指令の時間応答、及び出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示している。
【００４２】
図１８〜図２１は、図１７の周波数特性の制御対象２に対して、制振制御を行わない場合（図１８）、従来型制振制御を行った場合（図１９）、従来型制振制御を２重で行った場合（図２０）、及び本実施形態の３慣性制振制御を行った場合（図２１）の、それぞれの出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示している。
【００４３】
図２３〜図２５は、図２２の周波数特性の制御対象３に対して、制振制御を行わない場合（図２３）、従来型制振制御を行った場合（図２４）、及び本実施形態の３慣性制振制御を行った場合（図２５）の、それぞれの出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示している。
【００４４】
図２７〜図３０は、図２６の周波数特性の制御対象４に対して、制振制御を行わない場合（図２７）、従来型制振制御を行った場合（図２８）、従来型制振制御を２重で行った場合（図２９）、及び本実施形態の３慣性制振制御を行った場合（図３０）の、それぞれの出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示している。
【００４５】
図３２〜図３９は、図３１の周波数特性の制御対象５に対して、制振制御を行わない場合（図３２、図３６）、従来型制振制御を行った場合（図３３、図３７）、従来型制振制御を２重で行った場合（図３４、図３８）、及び本実施形態の３慣性制振制御を行った場合（図３５、図３９）の、それぞれのトルク指令の時間応答、及び出力トルクの周波数特性のシミュレーション結果を示している。
【００４６】
なお、各制振制御を行った場合（行わなかった場合）における使用パラメータの詳細については、それぞれの出力トルクの周波数特性とともに示している。
【００４７】
図１０の制御対象１に対しては、従来型制振制御と本実施形態の３慣性制振制御のいずれもある程度の制振効果が得られているが、それらの間ではあまり効果の差が見られない。しかし、図１７の制御対象２に対しては、従来型制振制御と２重の従来型制振制御とで十分な制振効果が得られないところ、３慣性制振制御では高い制振効果が得られており、それらの間の効果の差が明確に見られる。また、図２２の制御対象３に対しては、モータトルクの周波数特性で若干の効果の差が見られる（図２４と図２５の楕円内箇所を参照）。また、図２６の制御対象４に対しては、図２７〜図３０に示した使用パラメータの比較から分かるように、本実施形態の３慣性制振制御を適用することで振動を抑制しつつ従来型制振制御及び２重の従来型制振制御よりも位置ループゲインＫｐ、速度ループゲインＫｖを大きく設定できることがわかる（ゲイン８５からゲイン１２０になった）。また、図３１で示した４慣性共振系を有する制御対象５に対しては、従来型制振制御と２重の従来型制振制御のいずれも制振しきれていない（特に図３７と図３８の出力トルクの周波数特性を参照）ところ、本実施形態の３慣性制振制御は十分な制振効果が得られており有効に機能することが分かる。本実施形態の原理は３慣性系を例にして理論的に説明してきたが、図３７、図３８のシミュレーション結果からわかるように４慣性系（共振のピークが３個）に対しても本実施形態の手法は有効である。すなわち、図９に例示するようにＫｓ、Ｋｄ１、Ｋｄ２を調整することで、共振ピークが３つ以上ある多慣性系に対しても制振効果を得ることができる。具体的には、制振したい振動周波数を図９の制振制御の有効範囲（±２０゜程度以内）になるようにＫｓ、Ｋｄ１、Ｋｄ２を調整する。
【００４８】
＜本実施形態の効果＞
以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、本実施形態のモータ制御装置１００では、従来型制振制御に対してさらに第１フィードバックゲインＫｄ１と並列に第１差速度を入力してその周波数特性を変更し、第１フィードバックゲインＫｄ１の出力に加算する安定化補償器９を有していることで、制振制御が抑制できる振動成分の帯域を広げることができる（図８、図９参照）。これにより、帯域が近い２つの共振系の振動成分を抑制でき、つまり３慣性系に対してもその機械共振の影響を抑制できるため、さらなる速度ループゲインＫｖの高ゲイン化が可能となる。なお、図９に示すような適切な調整により、３慣性以上の多慣性系に対しても複数の共振系の振動成分を抑制でき、さらなる速度ループゲインＫｖの高ゲイン化が可能となる。
【００４９】
また、本実施形態では特に、安定化補償器９は、第１差速度における速度推定器６の遮断周波数以上の周波数成分のゲインを大きくし、かつ、制振原理の差速度ｕから第１加算器１０の出力信号ｙまでの経路における周波数特性において振動抑制に関する周波数帯域での位相変化を小さく（位相をゼロに近づける）するよう周波数特性を変更する。従来型の制振制御が振動成分を抑制できる主な帯域は、速度推定器６の遮断周波数付近の帯域でしかなかった。このため、安定化補償器９が、第１差速度における速度推定器６の遮断周波数以上の周波数成分のゲイン（ボード線図上のゲイン、つまり振幅比）を大きくし、制振原理の差速度ｕから第１加算器１０の出力信号ｙまでの経路における周波数特性において振動抑制に関する周波数帯域での位相変化を小さくするよう周波数特性を変更することで、制振制御が速度推定器６の遮断周波数以上の広い帯域でも振動成分を抑制可能となる。
【００５０】
また、本実施形態では特に、安定化補償器９は、微分器（つまり１次のｓ）と第２フィードバックゲインＫｄ２の直列結合を有することにより、所定周波数以上の成分のゲインを大きくし、かつ、制振原理の差速度ｕから第１加算器１０の出力信号ｙまでの経路における周波数特性において振動抑制に関する周波数帯域での位相変化を小さくする（位相をゼロに近づける）するよう周波数特性を変更できる。
【００５１】
また、本実施形態では特に、安定化補償器９の微分器が近似微分器９１（＝ｓ／（ｓ＋ω））を有していることにより、第２フィードバックゲインＫｄ２の調整が容易となる。
【００５２】
また、本実施形態では特に、安定化補償器９は、その伝達関数が、トルク指令生成部２、速度推定器６、第１フィードバックゲインＫｄ１、モータモデル４、及びモータが駆動する３慣性共振系機械を含む系の速度偏差からモータ速度までの閉ループの伝達関数における各次数の微分（ｓ）の係数を、１又は第２フィードバックゲインＫｄ２（＝減衰係数；ダンピングゲイン）が入る値とするよう設定されている。これにより、従来型制振制御よりも機能的な制振制御が可能となり、フィードバックループゲインＫｖを大きく設定して高い応答が可能となる。
【００５３】
また、本実施形態では特に、第１フィードバックゲインＫｄ１へ入力する前の第１差速度の位相を調整するための位相調整用ハイパスフィルタ８１と位相調整用ローパスフィルタ８２を設けている。これにより、制振制御が抑制する対象の振動成分の位相を調整して、さらに機能的に機械共振の影響を抑制できる。
【００５４】
また、本実施形態では特に、速度推定器６の遮断周波数、及び位相調整用ハイパスフィルタ８１と位相調整用ローパスフィルタ８２の遮断周波数が制振対象の周波数の略１／２から略１／３に調整可能である。第２フィードバックゲインＫｄ２を大きく調整しすぎた場合には、制振制御で抑制していた振動周波数の位相がずれて制振効果が低減してしまう。しかし、速度推定器６の遮断周波数、及び位相調整用ハイパスフィルタ８１と位相調整用ローパスフィルタ８２の遮断周波数が制振対象の周波数の略１／２から略１／３に調整することで、再び位相を回復し、制振効果を維持できる。
【００５５】
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
【００５６】
その他、一々例示はしないが、本実施形態は、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】
【００５７】
１          第１減算器
２          トルク指令生成部
３          トルク指令フィルタ
４          モータモデル
５          負荷機械モデル
６          速度推定器
７          第２減算器
８          位相補償器
９          安定化補償器
１０        第１加算器
１１        第３減算器
５１        第１共振点モデル
５２        第１反共振点モデル
５３        第２共振点モデル
５４        第２反共振点モデル
６１        等価剛体特性器
６２        速度加算器
６３        積分器
８１        位相調整用ハイパスフィルタ
８２        位相調整用ローパスフィルタ
９１        近似微分器
１００      モータ制御装置
Ｋｄ１        第１フィードバックゲイン
Ｋｄ２        第２フィードバックゲイン
Ｋｓ        調整ゲイン
【図１】
2015063842.tif 000032
【図２】
2015063842.tif 000033
【図３】
2015063842.tif 000034
【図４】
2015063842.tif 000035
【図５】
2015063842.tif 000036
【図６】
2015063842.tif 000037
【図７】
2015063842.tif 000038
【図８】
2015063842.tif 000039
【図９】
2015063842.tif 000040
【図１０】
2015063842.tif 000041
【図１１】
2015063842.tif 000042
【図１２】
2015063842.tif 000043
【図１３】
2015063842.tif 000044
【図１４】
2015063842.tif 000045
【図１５】
2015063842.tif 000046
【図１６】
2015063842.tif 000047
【図１７】
2015063842.tif 000048
【図１８】
2015063842.tif 000049
【図１９】
2015063842.tif 000050
【図２０】
2015063842.tif 000051
【図２１】
2015063842.tif 000052
【図２２】
2015063842.tif 000053
【図２３】
2015063842.tif 000054
【図２４】
2015063842.tif 000055
【図２５】
2015063842.tif 000056
【図２６】
2015063842.tif 000057
【図２７】
2015063842.tif 000058
【図２８】
2015063842.tif 000059
【図２９】
2015063842.tif 000060
【図３０】
2015063842.tif 000061
【図３１】
2015063842.tif 000062
【図３２】
2015063842.tif 000063
【図３３】
2015063842.tif 000064
【図３４】
2015063842.tif 000065
【図３５】
2015063842.tif 000066
【図３６】
2015063842.tif 000067
【図３７】
2015063842.tif 000068
【図３８】
2015063842.tif 000069
【図３９】
2015063842.tif 000070
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月13日(2017.1.13)
【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】
モータを制御するためのモータ制御装置であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力する速度推定器と、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を取得する第１フィードバックゲインと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記第１フィードバックゲインと並列に前記第１差速度を取得してその周波数特性を変更し、前記第１フィードバックゲインの出力に加算する安定化補償器と、を有する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記安定化補償器は、
前記第１差速度における前記速度推定器の遮断周波数以上の周波数成分のゲインを大きくし、かつ、前記第１差速度の周波数特性において前記周波数成分の位相変化を小さくするよう周波数特性を変更する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】
前記安定化補償器は、
前記第１差速度の生成点から前記第１フィードバックゲインの出力と前記安定化補償器の出力との加算点までの周波数特性において振動抑制に関する周波数帯域での位相変化を小さくするよう周波数特性を変更す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】
前記安定化補償器は、微分器と第２フィードバックゲインの直列結合を有していることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記微分器は、近似微分器を有してい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】
前記安定化補償器は、その伝達関数が、
前記トルク指令生成部、前記速度推定器、前記第１フィードバックゲイン、前記モータ、及び前記モータが駆動する３慣性共振系機械を含む系の前記速度偏差からモータ速度までの閉ループの伝達関数における各次数の微分の係数を、１又は前記第２フィードバックゲインが入る値とするよう設定されていることを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
【請求項７】
モータを制御するためのモータ制御装置であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力する速度推定器と、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を取得する第１フィードバックゲインと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記第１フィードバックゲインと並列に前記第１差速度を入力して、その出力を前記第１フィードバックゲインの出力に加算する近似微分器と第２フィードバックゲインの直列結合からなり、前記第１差速度における前記速度推定器の遮断周波数以上の周波数成分のゲインを大きくし、かつ、前記第１差速度の生成点から前記第１フィードバックゲインの出力と安定化補償器の出力との加算点までの周波数特性において振動抑制に関する周波数帯域での位相変化を小さくするよう周波数特性を変更する前記安定化補償器と、を有する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項８】
前記第１フィードバックゲインへ入力する前の前記第１差速度の位相を調整するための位相調整用ハイパスフィルタと位相調整用ローパスフィルタを設けていることを特徴とする請求項７記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記速度推定器の遮断周波数、及び前記位相調整用ハイパスフィルタと前記位相調整用ローパスフィルタの遮断周波数が制振対象の周波数の略１／２から略１／３に調整可能であることを特徴とする請求項８記載のモータ制御装置。
【請求項１０】
モータを制御するためのモータ制御装置であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力する速度推定器と、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を入力する第１フィードバックゲインと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記第１フィードバックゲインと並列に前記第１差速度を入力してその周波数特性を変更し、前記第１フィードバックゲインの出力に加算する手段と、を有する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項１１】
モータを制御するためのモータ制御装置が備える演算装置に実行させるモータ制御方法であって、
前記モータに入力するトルク指令に基づいて前記モータの等価剛体速度を推定し出力することと、
モータ速度と前記等価剛体速度との間の第１差速度を取得して第１フィードバックゲインを乗算することと、
速度指令と、前記モータ速度と前記第１フィードバックゲインの乗算出力との間の第２差速度との速度偏差に基づいて前記トルク指令を生成することと、
前記第１フィードバックゲインの乗算とは別に前記第１差速度を取得してその周波数特性を変更し、前記第１フィードバックゲインの乗算出力に加算することと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
【国際調査報告】
2015063842.tif 000071
2015063842.tif 000072
2015063842.tif 000073
2015063842.tif 000074