(57)【要約】【課題】一定加速中にも回転角指令信号と実回転角信号との偏差を小さくする電動機の位置制御装置を得る。【解決手段】速度フィードフォワード信号演算回路７は、回転角指令信号θmsから速度フィードフォワード信号ωffを算出。機械系模擬回路４は、トルク伝達機構、負荷機械及び直流電動機１１を近似し、トルク信号τ2から模擬速度信号ωa及び模擬回転角信号θaを出力。第２の位置制御回路５は、θms及びθaから速度信号ω2を出力。第１の速度制御回路９は、速度信号ω3及び実速度信号ωmからトルク信号τ1を出力。第２の速度制御回路６は、ω2、ωa及びωffからτ2を出力。制御手段は、τ1とτ2に基づいて電動機１１のトルクを制御する。【選択図】        図１
2008109781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷機械を駆動する電動機を、該電動機に対して指令される位置指令信号と、前記電動機から検出された実位置信号及び実速度信号とに基づいて制御する電動機の位置制御装置であって、
前記位置指令信号及び前記実位置信号に基づいて第１の速度信号を出力する第１の位置制御回路と、
前記位置指令信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算により速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード信号演算回路と、
前記負荷機械及び前記電動機を二つの積分要素として近似するとともに後述の第２のトルク信号に基づいて模擬速度信号及び模擬位置指令信号を出力する機械系模擬回路と、
前記位置指令信号及び前記模擬位置指令信号に基づいて第２の速度信号を出力する第２の位置制御回路と、
前記第１の速度信号と前記模擬速度信号とを加算して第３の速度信号を出力する加算器と、
前記第３の速度信号及び前記実速度信号に基づいて第１のトルク信号を出力する第１の速度制御回路と、
前記第２の速度信号、前記模擬速度信号及び前記速度フィードフォワード信号に基づいて第２のトルク信号を出力する第２の速度制御回路と、
前記第１のトルク信号及び前記第２のトルク信号に基づいて前記電動機のトルクを制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項２】
負荷機械を駆動する電動機を、該電動機に対して指令される位置指令信号と、前記電動機から検出された実位置信号及び実速度信号とに基づいて制御する電動機の位置制御装置であって、
前記位置指令信号及び前記実位置信号に基づいて第１の速度信号を出力する第１の位置制御回路と、
前記位置指令信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算により速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード信号演算回路と、
前記負荷機械及び前記電動機を二つの積分要素として近似するとともに後述の第２のトルク信号に基づいて模擬速度信号及び模擬位置指令信号を出力する機械系模擬回路と、
前記位置指令信号及び前記模擬位置指令信号に基づいて第２の速度信号を出力する第２の位置制御回路と、
前記第１の速度信号と後述の模擬速度変換信号とを加算して第３の速度信号を出力する加算器と、
前記位置指令信号に基づいて位置指令判定信号を出力する位置指令状態判定器と、
前記模擬速度信号と前記位置指令判定信号とを乗算して模擬速度変換信号を出力する第１の乗算器と、
前記第２のトルク信号と前記位置指令判定信号とを乗算してトルク変換信号を出力する第２の乗算器と、
前記第３の速度信号及び前記実速度信号とに基づいて第１のトルク信号を出力する第１の速度制御回路と、
前記第２の速度信号、前記模擬速度信号及び前記速度フィードフォワード信号に基づいて第２のトルク信号を出力する第２の速度制御回路と、
前記第１のトルク信号及び前記トルク変換信号に基づいて前記電動機のトルクを制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項３】
負荷機械を駆動する電動機を、該電動機に対して指令される位置指令信号と、前記電動機から検出された実位置信号及び実速度信号とに基づいて制御する電動機の位置制御装置であって、
前記位置指令信号及び前記実位置信号に基づいて第１の速度信号を出力する第１の位置制御回路と、
前記位置指令信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算により速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード信号演算回路と、
前記速度フィードフォワード信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算によりトルクフィードフォワード信号を出力するトルクフィードフォワード信号演算回路と、
前記負荷機械及び前記電動機を二つの積分要素として近似するとともに後述の第３のトルク信号に基づいて模擬速度信号及び模擬位置指令信号を出力する機械系模擬回路と、
前記位置指令信号及び模擬位置指令信号に基づいて第２の速度信号を出力する第２の位置制御回路と、
前記第１の速度信号と前記模擬速度信号とを加算して第３の速度信号を出力する第１の加算器と、
前記第３の速度信号及び前記実速度信号とに基づいて第１のトルク信号を出力する第１の速度制御回路と、
前記第２の速度信号、前記模擬速度信号及び前記速度フィードフォワード信号に基づいて第２のトルク信号を出力する第２の速度制御回路と、
前記第２のトルク信号と前記トルクフィードフォワード信号とを加算して第３のトルク信号を出力する第２の加算器と、
前記第１のトルク信号及び前記第３のトルク信号に基づいて前記電動機のトルクを制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項４】
負荷機械を駆動する電動機を、該電動機に対して指令される位置指令信号と、前記電動機から検出された実位置信号及び実速度信号とに基づいて制御する電動機の位置制御装置であって、
前記位置指令信号及び前記実位置信号に基づいて第１の速度信号を出力する第１の位置制御回路と、
前記位置指令信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算により速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード信号演算回路と、
前記速度フィードフォワード信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算によりトルクフィードフォワード信号を出力するトルクフィードフォワード信号演算回路と、
前記負荷機械及び前記電動機を二つの積分要素として近似するとともに後述の第３のトルク信号に基づいて模擬速度信号及び模擬位置指令信号を出力する機械系模擬回路と、
前記位置指令信号及び模擬位置指令信号に基づいて第２の速度信号を出力する第２の位置制御回路と、
前記位置指令信号に基づいて位置指令判定信号を出力する位置指令状態判定器と、
前記模擬速度信号と前記位置指令判定信号とを乗算して模擬速度変換信号を出力する第１の乗算器と、
後述の第３のトルク信号と前記位置指令判定信号とを乗算してトルク変換信号を出力する第２の乗算器と、
前記第１の速度信号と前記模擬速度信号とを加算して第３の速度信号を出力する第１の加算器と、
前記第３の速度信号及び前記実速度信号とに基づいて第１のトルク信号を出力する第１の速度制御回路と、
前記第２の速度信号、前記模擬速度信号及び前記速度フィードフォワード信号に基づいて第２のトルク信号を出力する第２の速度制御回路と、
前記第２のトルク信号と前記トルクフィードフォワード信号とを加算して第３のトルク信号を出力する第２の加算器と、
前記第１のトルク信号及び前記トルク変換信号に基づいて前記電動機のトルクを制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項５】
前記位置指令状態判定器は、前記位置指令信号の変化量が０以外のときは「１」の位置指令判定信号を出力し、位置指令信号の変化量が０となるときは「０」の位置指令判定信号を出力する
ことを特徴とする請求項２または４に記載の電動機の位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、工作機械におけるテーブルや電動式産業用ロボットのアームのような負荷機械を駆動する電動機（直流電動機、誘導電動機、同期電動機、リニアモータなど）の位置制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の位置制御装置の構成を図１３を参照しながら説明する。図１３は例えば特許文献１に示された従来の位置制御装置を示すブロック図である。図１３において、位置制御装置は、直流電動機１１の回転角指令信号を発生する回転角指令信号発生回路１と、トルク伝達機構（図示せず）を介して負荷機械（図示せず）を駆動する直流電動機１１と、直流電動機１１の回転速度及び回転角を検出する回転検出器２と、第１の位置制御回路３と、機械系模擬回路４と、第２の位置制御回路５と、第２の速度制御回路６と、加算器８と、第１の速度制御回路９と、加算器１０と、電力変換回路１２と、トルク制御回路１３とから構成されている。
【０００３】
次に上述した従来の位置制御装置の動作については、まず、第１の位置制御回路３によって、第１の速度信号が得られ、さらに、機械系模擬回路を制御対象とする第２の位置制御回路５によって、第２の速度制御信号が得られる。つづいて、上記第１の速度信号と第２の速度信号の和である第３の速度信号が加算器８によって求められ、第１の速度制御回路９に供給され、第１の速度制御回路によって、第１のトルク信号が得られる。同様に、第２の速度信号を第２の速度制御回路６に入力すると、第２のトルク信号が得られる。さらに、第３の速度制御回路から第３のトルク信号が出力される。又、制御手段によって、上記第１のトルク信号と第２のトルク信号と第３のトルク信号とを加算した最終トルク信号に、電動機の発生トルクが追随するように制御される。
【０００４】
このように、従来の位置制御装置では、機械系模擬回路を制御対象とする第２の位置制御回路と第２の速度制御回路と第３の速度制御回路と機械系模擬回路からの信号を、フィードフォワード的に、第１の位置制御回路、第１の速度制御回路及びトルク制御回路からなる実制御ループに取り入れている。そうすることで、回転角指令信号の変化が急峻な場合においても機械に衝撃を与えることなく高応答のゲイン調整可能な制御装置を実現している。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３０５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の位置制御装置では、一定速中の回転角位置偏差を抑えることはできても、一定加速中の回転角位置偏差を抑えることができない。
【０００７】
そのため、例えば、複数軸の電動機から構成されて、所定軸の電動機実際位置を監視しながら他軸の電動機の起動をかけることにより装置全体の駆動高速化を図るような機械装置や、精度の高い位置軌跡制御が要求されるような機械装置に対して所望の性能を得ることが難しい場合がある。
【０００８】
本発明は上述のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、高速応答性を有しかつ機械振動を生じない特性を有すると共に、一定加速中にも回転角指令信号と実回転角信号の偏差を最小に抑える電動機の位置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】
【０００９】
上記課題を解決し目的を達成するために、第１の発明に係る電動機の位置制御装置は、以下のものを備えている。
（１）回転角指令信号及び電動機の実回転角信号に基づいて、第１の速度信号を出力する第１の位置制御回路。
（２）上記回転角指令信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算により速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード信号演算回路。
（３）電動機、トルク伝達機構及び負荷機械を二つの積分要素として近似し模擬速度信号及び模擬回転角信号を出力する機械系模擬回路。
（４）上記回転角指令信号及び上記模擬回転角信号に基づいて第２の速度信号を出力する第２の位置制御回路。
（５）上記第１の速度信号と上記模擬速度信号を加算して第３の速度信号を出力する加算器。
（６）上記第３の速度信号及び上記電動機の上記実速度信号に基づいて第１のトルク信号を出力する第１の速度制御回路。
（７）上記第２の速度信号、上記模擬速度信号及び上記速度フィードフォワード信号に基づいて第２のトルク信号を出力する第２の速度制御回路。
（８）上記第１のトルク信号及び上記第２のトルク信号に基づいて上記電動機の発生トルクを制御する制御手段。
【００１０】
また、第２の発明に係る電動機の位置制御装置は、第１の発明に係る電動機の位置制御装置に加えて、上記回転角指令信号の状態から回転角判定信号を出力する回転角指令状態判定器と、上記模擬速度信号と上記回転角判定信号とから模擬速度変換信号を出力する第１の乗算器と、上記第２のトルク信号と上記回転角判定信号とからトルク変換信号を出力する第２の乗算器を備えている。
【００１１】
さらに、第３の発明に係る電動機の位置制御装置は、以下のものを備えている。
（１）回転角指令信号及び電動機の実回転角信号に基づいて、第１の速度信号を出力する第１の位置制御回路。
（２）上記回転角指令信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算により速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード信号演算回路。
（３）上記速度フィードフォワード信号を入力して少なくとも１回の微分演算を含む所定の関数演算によりトルクフィードフォワード信号を出力するトルクフィードフォワード信号演算回路。
（４）電動機、トルク伝達機構及び負荷機械を二つの積分要素として近似し模擬速度信号及び模擬回転角信号を出力する機械系模擬回路。
（５）上記回転角指令信号及び上記模擬回転角信号に基づいて第２の速度信号を出力する第２の位置制御回路。
（６）上記第１の速度信号と上記模擬速度信号とを加算して第３の速度信号を出力する第１の加算器。
（７）上記第３の速度信号及び上記電動機の上記実速度信号に基づいて第１のトルク信号を出力する第１の速度制御回路。
（８）上記第２の速度信号、上記模擬速度信号及び上記速度フィードフォワード信号に基づいて第２のトルク信号を出力する第２の速度制御回路。
（９）上記第２のトルク信号と上記トルクフィードフォワード信号とを加算して第３のトルク信号を出力する第２の加算器。
（１０）上記第１のトルク信号と上記第３のトルク信号に基づいて上記電動機の発生トルクを制御する制御手段。
【００１２】
さらにまた、第４の発明に係る電動機の位置制御装置は、第３の発明に係る電動機の位置制御装置に加えて、上記回転角指令信号の状態から回転角判定信号を出力する回転角指令状態判定器と、上記模擬速度信号と上記回転角判定信号とから模擬速度変換信号を出力する第１の乗算器と、上記第２のトルク信号と上記回転角判定信号とからトルク変換信号を出力する第２の乗算器を備えている。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係る電動機の位置制御装置においては、まず、第１の位置制御回路によって、第１の速度信号が得られる。さらに、機械系模擬回路によって、模擬速度信号が得られる。つづいて、上記第１の速度信号と模擬速度信号の和である第３の速度信号が加算器によって求められ、第１の速度制御回路に供給され、第１の速度制御回路によって第１のトルク信号が得られる。同様に、第２の位置制御回路によって、第２の速度信号が得られる。また、第１のフィードフォワード信号演算回路により、速度フィードフォワード信号が得られる。第２の速度信号と速度フィードフォワード信号と模擬速度信号を第２の速度制御回路に入力することにより、第２のトルク信号が得られる。又、制御手段によって、上記第１のトルク信号と第２のトルク信号を加算した最終トルク信号に、電動機の発生トルクが追随するように制御されることで電動機の実回転角信号と回転角指令信号の偏差を最小にするように作用する。これにより、高速応答性を有しかつ機械振動を生じない特性を有すると共に、一定加速中の回転角指令信号に対する実回転角指令信号の偏差が０に抑えることができることから、機械装置において精度の高い位置軌道追従制御を実現することができる。
【００１４】
また、第２の発明に係る電動機の位置制御装置は、第１の発明に係る電動機の位置制御装置において、回転角指令の状態に応じた回転角判定信号を出力し、この信号を模擬速度信号ならびに第２のトルク信号に乗算することで、回転角指令信号が０になる間際に電動機の実回転角信号と回転角指令信号の偏差が発生しないように作用する。これにより、第１の発明に係る電動機の位置制御装置の効果に加え指令停止時のオーバーシュートが０となることで高速位置決め整定性を実現することができ、装置全体として高速化を実現することが可能となる。
【００１５】
さらに、第３の発明に係る電動機の位置制御装置においては、まず、第１の位置制御回路によって、第１の速度信号が得られる。さらに、機械系模擬回路によって、模擬速度信号が得られる。つづいて、上記第１の速度信号と模擬速度信号の和である第３の速度信号が加算器によって求められ、第１の速度制御回路に供給され、第１の速度制御回路によって第１のトルク信号が得られる。同様に、第２の位置制御回路によって、第２の速度信号が得られる。また、第１のフィードフォワード信号演算回路により、速度フィードフォワード信号が得られる。第２の速度信号と速度フィードフォワード信号と模擬速度信号を第２の速度制御回路に入力することにより、第２のトルク信号が得られる。さらにトルクフィードフォワード信号演算回路によりトルクフィードフォワード信号が得られ、この信号と第２のトルク信号が加算器により加算されて第３のトルク信号が得られる。又、制御手段によって、第１のトルク信号と第３のトルク信号を加算した最終トルク信号に、電動機の発生トルクが追随するように制御されることで、加速度が変化する際に発生する偏差をさらに小さく抑えるように作用する。これにより、加速変化時に生じていた偏差量をさらに減少させることが可能になり、機械装置においてさらに精度の高い位置軌道追従制御を実現することができる。
【００１６】
さらにまた、第４の発明に係る電動機の位置制御装置は、第３の発明に係る電動機の位置制御装置において、回転角指令の状態に応じた回転角判定信号を出力し、この信号を模擬速度信号ならびに第２のトルク信号に乗算することで、回転角指令信号が０になる間際に電動機の実回転角信号と回転角指令信号の偏差が発生しないように作用する。これにより、第３の発明に係る電動機の位置制御装置に加え指令停止時のオーバーシュートが０となることで高速位置決め整定性を実現することができ、装置全体として高速化を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明にかかる電動機の位置制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１の構成を、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図であり、直流電動機１１と電力変換回路１２は上記の位置制御装置と全く同一である。
【００１９】
図１において、本実施の形態の位置制御装置は、トルク伝達機構（図示せず）を介して負荷機械（図示せず）を駆動する直流電動機１１を、この直流電動機１１に対して回転角指令信号発生回路１が発生する回転角指令信号θmsと、直流電動機１１に接続された回転検出器２が直流電動機１１から検出して出力する実回転角信号θm及び実速度信号ωmとに基づいて制御する位置制御装置であって、第１の位置制御回路３と、機械系模擬回路４と、第２の位置制御回路５と、第２の速度制御回路６と、速度フィードフォワード信号演算回路７、加算器８と、第１の速度制御回路９と、加算器１０と、電力変換回路１２と、トルク制御回路１３とから構成されている。つまり、図１３に示す従来の位置制御装置に加えて、速度フィードフォワード信号演算回路７が設けられている。そして、加算器８は、第１の速度信号ω1と模擬速度信号ωaとを加算して第３の速度信号ω3を出力するようにされ、第１の速度制御回路９は、この第３の速度信号ω3と実速度信号ωmとに基づいて第１のトルク信号τ1を出力するようにされている。
【００２０】
回転検出器２は、例えばタコジェネレータのような速度検出器とエンコーダのような位置検出器（電動機がリニアモータの場合はリニアスケール）とから構成されている。また、直流電動機１１のトルクの制御手段は、トルク制御回路１３と、電力変換回路１２とから構成されている。
【００２１】
回転角指令信号発生回路１は、直流電動機１１を駆動する指令として回転角指令信号θmsを発生する。回転検出器２は、直流電動機１１の回転速度及び回転角を検出して、実速度信号ωm及び実回転角信号θmを出力する。第１の位置制御回路３は、直流電動機１１の回転角指令信号θms及び回転検出器２から出力された実回転角信号θmに基づいて第１の速度信号ω1を出力する。第２の位置制御回路５は、回転角指令信号θms及び模擬回転角信号θaに基づいて第２の速度信号ω2を出力する。速度フィードフォワード信号演算回路７は、直流電動機１１の回転角指令信号θmsを入力して、微分演算を含む所定の関数演算を実行することにより、回転角指令信号θmsから速度フィードフォワード信号ωffを算出する。そして、速度フィードフォワード信号演算回路７は、この速度フィードフォワード信号ωffを出力する。加算器１０は、第２の速度信号ω2と速度フィードフォワード信号ωffとを加算してこれを第２の速度制御回路６に出力する。
【００２２】
機械系模擬回路４は、トルク伝達機構、負荷機械及び直流電動機１１を二つの積分要素として近似するとともに後述の第２のトルク信号τ2に基づいて模擬速度信号ωa及び模擬回転角信号θaを出力する。
【００２３】
上述のように、加算器８は、第１の速度信号ω1と模擬速度信号ωaとを加算して第３の速度信号ω3を出力する。第１の速度制御回路９は、第３の速度信号ω3及び回転検出器２から出力された実速度信号ωmとに基づいて第１のトルク信号τ1を出力する。第２の速度制御回路６は、第２の速度信号ω2及び模擬速度信号ωaと速度フィードフォワード信号ωffに基づいて第２のトルク信号τ2を出力する。トルク制御回路１３および電力変換回路１２からなる制御手段は、第１のトルク信号τ1と第２のトルク信号τ2に基づいて直流電動機１１のトルクを制御する。
【００２４】
図２は本実施の形態の位置制御装置をモデル化して示す図である。図２において、回路３ａは図１の第１の位置制御回路３のモデルを示し、回路９ａは第１の速度制御回路９のモデルを示す。回路４ａは機械系模擬回路４のモデルを示し、回路５ａは第２の位置制御回路５を示す。回路６ａは第２の速度制御回路６のモデルを示し、回路７ａは速度フィードフォワード信号演算回路７のモデルを示す。回路１５ａは図１の直流電動機１１、回転検出器２、トルク制御回路１３および電力変換回路１２を合わせたもののモデルを示す。そして回路１ａは回転角指令信号発生回路１のモデルを示す。速度フィードフォワード信号演算回路７は、回路７ａに示されるように、微分演算を含む関数演算を実行して、回転角指令信号θmsから速度フィードフォワード信号ωffを算出する。
【００２５】
図１４は同じように図１３に示す従来の位置制御装置をモデル化して示す図である。図２及び図１４において、Ｋp1（ｓ）、Ｋv1（ｓ）、Ｋp2（ｓ）、Ｋv2（ｓ）、θms（ｓ）は一般的な意味での伝達関数を示している。図２及び図１４を用いて本実施の形態の位置制御装置の制御方式の原理ついて説明する。ここで簡単のため各伝達関数を次式とおく。
【数１】
2008109781.tif 000003
ここで、Ｋp1、Ｋu、Ｋｉ、Ｋp2、Ｋv2、ωvは適当な定数である。
【００２６】
まず、従来の制御方式における偏差Δθms（ｓ）（＝θms（ｓ）−θm（ｓ））は、θms（ｓ）を用いて次式の形になる。
【数２】
2008109781.tif 000004
αk、βkは、それぞれ図１４のブロック図を解くことによりＫp1、Ｋu、Ｋi、Ｋp2、Ｋv2を用いて表される適当な定数であり、少なくともα1、β3は０以外の定数である。このような従来の位置制御装置に、一定速回転角指令信号としてθms（ｓ）を次式（６）で与えたとする。
【数３】
2008109781.tif 000005
偏差Δθms（ｓ）を逆ラプラス変換して求められる偏差Δθms（ｓ）の時間領域表現をΔθms（ｔ）とおくと、Δθms（ｔ）の定常状態は、最終値の定理により式（５）を用いて、
【数４】
2008109781.tif 000006
となる。このことから、図１４（図１３）に示す従来の位置制御装置が、一定速回転角指令信号に対して実回転角信号を偏差なく追従させることができると分かる。
【００２７】
同様にして、従来の位置制御装置に、一定加速回転角指令信号を次式（７）で与えたとする。
【数５】
2008109781.tif 000007
このときの定常状態におけるΔθms（ｔ）は上記と同様にして最終値の定理を用いると、
【数６】
2008109781.tif 000008
となる。このことから、従来の位置制御装置においては、一定速回転角指令信号に対しては、偏差Δθms（ｔ）を０にすることができても、一定加速回転角指令信号に対しては偏差Δθms（ｔ）を０にできないと分かる。
【００２８】
一方、図２（図１）に示す本実施の形態の位置制御装置を用いたとき、偏差Δθms（ｓ）はθms（ｓ）を用いて次式の形として求められる。
【数７】
2008109781.tif 000009
γk、εkはそれぞれ図２のブロック図を解くことによりＫp1、Ｋu、Ｋi、Ｋp2、Ｋv2、ωvを用いて表される適当な定数であり、少なくともε6は０以外の定数である。このような本実施の形態の位置制御装置に対して、回転角指令信号を上記の式（７）で与えたとき、このときの定常状態におけるΔθms（ｔ）は最終値の定理により式（８）を用いて、
【数８】
2008109781.tif 000010
となる。このことから、本実施の形態の位置制御装置が、一定加速回転角指令に対しても実回転角信号を偏差なく追従させることができると分かる。
【００２９】
この実施の形態１を用いた時の偏差Δθms（ｔ）の波形を図３に示す。ただし、回転角指令信号θmsは図１５のように与えたとすると、その１回微分である速度指令信号は図３のグラフのように台形波形になる。図３から分かるように、一定加速中の偏差Δθms（ｔ）は０となっている。
【００３０】
このような本実施の形態の位置制御装置においては、第１の位置制御回路３によって、第１の速度信号ω1が得られる。さらに、機械系模擬回路４によって、模擬速度信号ωaが得られる。次いで、上記第１の速度信号ω1と模擬速度信号ωaの和である第３の速度信号ω3が加算器８によって求められ、第１の速度制御回路９に供給され、第１の速度制御回路９によって第１のトルク信号τ1が得られる。
【００３１】
同様に、第２の位置制御回路５によって、第２の速度信号ω2が得られる。また、第1のフィードフォワード信号演算回路７により、速度フィードフォワード信号ωffが得られる。第２の速度信号ω2と速度フィードフォワード信号ωffと模擬速度信号ωaを第２の速度制御回路６に入力することにより、第２のトルク信号τ2が得られる。
【００３２】
そして、トルク制御回路１３および電力変換回路１２からなる制御手段によって、上記第１のトルク信号τ1と第２のトルク信号τ2を加算した最終トルク信号に、直流電動機１１の発生トルクが追随するように制御されることで直流電動機１１の実回転角信号θmと回転角指令信号θmsとの偏差が最小になるように動作する。
【００３３】
このようなことから、本実施の形態の位置制御装置は、高速応答性を有しかつ機械振動を生じない特性を有すると共に、一定加速中の回転角指令信号θmsに対する実回転角指令信号の偏差が０に抑えることができ、機械装置において精度の高い位置軌道追従制御を実現することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態の位置制御装置が制御する電動機は、直流電動機に限らず、誘導電動機、同期電動機、リニアモータなどの電動機であれば制御することができる。
【００３５】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２の構成を、図４〜図６を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。本実施の形態の位置制御装置においては、実施の形態１の位置制御装置に加えて、回転角指令信号θmsの状態から回転角判定信号を出力する回転角指令状態判定器１００と、模擬速度信号ωaと回転角判定信号から模擬速度変換信号ωatを出力する第１の乗算器１０１と、第２のトルク信号τ2と回転角判定信号からトルク変換信号τ2tを出力する第２の乗算器１０２が設けられている。
【００３６】
図５は本実施の形態の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。図５において、回路１０１ａ、１０２ａはそれぞれ図４の第１の乗算器１０１と第２の乗算器１０２のモデルである。回転角指令状態判定器１００は、回転角指令信号θmsを入力して、回転角指令信号θmsの変化量が０以外のときは「１」の判定信号（回転角判定信号）を出力し、回転角指令信号θmsの変化量が０となるときは「０」の判定信号（回転角判定信号）を出力する。
【００３７】
第１の乗算器１０１は、模擬速度信号ωaと回転角判定信号とを乗算して模擬速度変換信号ωatを出力する。第２の乗算器１０２は、第２のトルク信号τ2と回転角判定信号とを乗算してトルク変換信号τ2tを出力する。加算器８は、第１の速度信号ω1と模擬速度変換信号ωatとを加算して第３の速度信号ω3を出力する。第１の速度制御回路９は、第３の速度信号ω3及び回転検出器２から出力された実速度信号ωmとに基づいて第１のトルク信号τ1を出力する。トルク制御回路１３および電力変換回路１２からなる制御手段は、第１のトルク信号τ1とトルク変換信号τ2tに基づいて直流電動機１１のトルクを制御する。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３８】
この実施の形態２を用いた時の偏差Δθms（ｔ）の波形を図６に示す。ただし、回転角指令信号θmsは図１５のように与えたとすると、その１回微分である速度指令信号は図６のグラフのように台形波形になる。図６から分かるように、一定加速中の偏差Δθms（ｔ）は０となっているのに加え、速度指令信号が０すなわち回転角指令信号の変化量が０となる間際のオーバーシュートが発生していないことが分かる。
【００３９】
このように、本実施の形態の電動機の位置制御装置おいては、回転角指令状態判定器１００は、回転角指令信号θmsの状態に応じた回転角判定信号を出力し、この信号を模擬速度信号ωaならびに第２のトルク信号τ2に乗算することで、回転角指令信号θmsが０になる間際に直流電動機１１の実回転角信号θmと回転角指令信号θmsの偏差が発生しないように動作する。そのため、実施の形態１の効果に加え、指令停止時のオーバーシュートが０となることで高速位置決め整定性を実現することができ、装置全体として高速化を実現することが可能となる。
【００４０】
実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３の構成を、図７〜図９を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態３の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。本実施の形態の位置制御装置においては、実施の形態１の位置制御装置に加えて、トルクフィードフォワード信号演算回路１７と第２の加算器１６とが設けられている。そして、トルクフィードフォワード信号演算回路１７の出力するトルクフィードフォワード信号τffと第２のトルク信号τ2を加算した第３のトルク信号τ3が機械系模擬回路４とトルク制御回路１３に入力される。
【００４１】
図８は本実施の形態の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。図８において、回路１７ａはトルクフィードフォワード信号演算回路１７のモデルを示す。トルクフィードフォワード信号演算回路１７は、速度フィードフォワード信号ωffを入力して、微分演算を含む所定の関数演算を実行することにより、速度フィードフォワード信号ωffからトルクフィードフォワード信号τffを算出して、このトルクフィードフォワード信号τffを出力する。第２の加算器１６は、第２のトルク信号τ2とトルクフィードフォワード信号τffを加算して第３のトルク信号τ3を出力する。機械系模擬回路４は、第３のトルク信号τ3に基づいて模擬速度信号ωa及び模擬回転角信号θmを出力する。トルク制御回路１３および電力変換回路１２からなる制御手段は、第１のトルク信号τ1と第３のトルク信号τ3に基づいて直流電動機１１のトルクを制御する。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００４２】
この実施の形態３を用いた時の偏差Δθms（ｔ）の波形を図９に示す。ただし、回転角指令信号は図１５のように与えたとすると、その１回微分である速度指令信号は図９のグラフのように台形波形になる。図９から分かるように、一定加速中の偏差Δθms（ｔ）は０となっているのに加え、速度指令信号が切り替わるときに発生しているオーバーシュート量が実施の形態１と比べて減少していることが分かる。
【００４３】
本実施の形態の位置制御装置においては、第１の位置制御回路３によって、第１の速度信号ω1が得られる。さらに、機械系模擬回路４によって、模擬速度信号ωaが得られる。次いで、上記第１の速度信号ω1と模擬速度信号ωaの和である第３の速度信号ω3が加算器８によって求められ、第１の速度制御回路９に供給され、第１の速度制御回路９によって第１のトルク信号τ1が得られる。
【００４４】
同様に、第２の位置制御回路５によって、第２の速度信号ω2が得られる。また、第１のフィードフォワード信号演算回路７により、速度フィードフォワード信号ωffが得られる。第２の速度信号ω2と速度フィードフォワード信号ωffと模擬速度信号ωaを第２の速度制御回路６に入力することにより、第２のトルク信号τ2が得られる。
【００４５】
さらに、トルクフィードフォワード信号演算回路１７によりトルクフィードフォワード信号τffが得られ、この信号と第２のトルク信号τ2とが第２の加算器１６により加算されて第３のトルク信号τ3が得られる。また、トルク制御回路１３および電力変換回路１２からなる制御手段によって、第１のトルク信号τ1と第３のトルク信号τ3を加算した最終トルク信号に、直流電動機１１の発生トルクが追随するように制御されることで、加速度が変化する際に発生する偏差を上記実施の形態１よりもさらに最小に抑えるように動作する。これにより、機械装置においてさらに精度の高い位置軌道追従制御を実現することができる。
【００４６】
実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４の構成を、図１０〜図１２を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施の形態４の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。本実施の形態の位置制御装置においては、実施の形態２の位置制御装置に加えて、実施の形態３のトルクフィードフォワード信号演算回路１７と第２の加算器１６とが設けられている。図１１は本実施の形態の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。
【００４７】
トルクフィードフォワード信号演算回路１７は、速度フィードフォワード信号ωffを入力して微分演算を含む所定の関数演算によりトルクフィードフォワード信号τffを出力する。第２の加算器１６は、第２のトルク信号τ2とトルクフィードフォワード信号τffを加算して第３のトルク信号τ3を出力する。第２の乗算器１０２は、第３のトルク信号τ3と回転角判定信号を乗算してトルク変換信号τ3tを出力する。トルク制御回路１３および電力変換回路１２からなる制御手段は、第１のトルク信号τ1とトルク変換信号τ3tに基づいて直流電動機１１のトルクを制御する。その他の構成は実施の形態２と同様である。
【００４８】
この実施の形態４を用いた時の偏差Δθms（ｔ）の波形を図１２に示す。ただし、回転角指令信号は図１５のように与えたとすると、その１回微分である速度指令信号は図１２のグラフのように台形波形になる。図１２から分かるように、一定加速中の偏差Δθms（ｔ）は実施の形態３と同等な効果があるのに加え、速度指令信号が０すなわち回転角指令信号が０となる間際のオーバーシュートが発生していないことが分かる。
【００４９】
本実施の形態の位置制御装置においては、回転角指令状態判定器１００は、回転角指令信号θmsの状態に応じた回転角判定信号を出力し、この信号を模擬速度信号ωaならびに第２のトルク信号τ2に乗算することで、回転角指令信号θmsが０になる間際に直流電動機１１の実回転角信号θmと回転角指令信号θmsの偏差が発生しないように動作する。そのため、実施の形態３の効果に加え、指令停止時のオーバーシュートが０となることで高速位置決め整定性を実現することができ、装置全体として高速化を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
この発明の電動機の位置制御装置は、トルク伝達機構を介して負荷機械を駆動する電動機を、回転角指令信号、電動機から検出された実回転角信号及び実速度信号とに基づいて制御する電動機の位置制御装置に適用されて好適なものであり、例えば、工作機械におけるテーブルや電動式産業用ロボットのアームのような負荷機械を駆動する電動機の位置制御装置に適用されて好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施の形態１の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。
【図３】実施の形態１の電動機の位置制御装置の偏差量と従来装置の偏差量とを比較して示すグラフ図である。
【図４】実施の形態２の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。
【図６】実施の形態２の電動機の位置制御装置の偏差量と従来装置の偏差量とを比較して示すグラフ図である。
【図７】実施の形態３の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。
【図８】実施の形態３の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。
【図９】実施の形態３の電動機の位置制御装置の偏差量と従来装置の偏差量とを比較して示すグラフ図である。
【図１０】実施の形態４の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。
【図１１】実施の形態４の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。
【図１２】実施の形態４の電動機の位置制御装置の偏差量と従来装置の偏差量とを比較して示すグラフ図である。
【図１３】従来の電動機の位置制御装置の全体を示すブロック図である。
【図１４】従来の電動機の位置制御装置をモデル化して示す図である。
【図１５】実施の形態１から４の位置制御装置に与えた回転角指令信号の波形を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  回転角指令信号発生回路
１ａ  回転角指令信号発生回路のモデル
２  回転角検出器
３  第１の位置制御回路
３ａ  第１の位置制御回路のモデル
４  機械系模擬回路
４ａ  機械系模擬回路のモデル
５  第２の位置制御回路
５ａ  第２の位置制御回路のモデル
６  第２の速度制御回路
６ａ  第２の速度制御回路のモデル
７  速度フィードフォワード信号演算回路
７ａ  速度フィードフォワード信号演算回路のモデル
８  加算器（第１の加算器）
９  第１の速度制御回路
９ａ  第１の速度制御回路のモデル
１１  直流電動機（電動機）
１２  電力変換回路（制御手段）
１３  トルク制御回路（制御手段）
１４  第３の速度制御回路
１５ａ  トルク制御回路と電力変換回路と電動機と回転検出器のモデル
１６  加算器（第２の加算器）
１７  トルクフィードフォワード演算回路
１７ａ  トルクフィードフォワード演算回路のモデル
１００  回転角指令状態判定器
１０１  第１の乗算器
１０１ａ  第１の乗算器のモデル
１０２  第２の乗算器
１０２ａ  第２の乗算器のモデル
【図１】
2008109781.tif 000011
【図２】
2008109781.tif 000012
【図３】
2008109781.tif 000013
【図４】
2008109781.tif 000014
【図５】
2008109781.tif 000015
【図６】
2008109781.tif 000016
【図７】
2008109781.tif 000017
【図８】
2008109781.tif 000018
【図９】
2008109781.tif 000019
【図１０】
2008109781.tif 000020
【図１１】
2008109781.tif 000021
【図１２】
2008109781.tif 000022
【図１３】
2008109781.tif 000023
【図１４】
2008109781.tif 000024
【図１５】
2008109781.tif 000025