(57)【要約】【課題】外乱オブザーバを２つ用いて、二慣性共振系の負荷側に印加された外乱トルクを推定し、外乱トルクを補償して所望の制御を行なう。【解決手段】本発明のモータ制御装置は、モータ１の外乱トルクであるねじりトルクの推定値＾τreacを出力する第１外乱オブザーバ４３およびギア比変換手段４４と、ギア比変換手段４４からの推定値＾τreacを入力することにより、ねじりトルクと分離して負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを出力する第２外乱オブザーバ４５と、この外乱トルクの推定値＾τdisを入力することにより、外乱抑制のための補償電流Ｉcmpを算出し、この補償電流Ｉcmpを反映した電流指令値Ｉcmdをモータ１に出力する補償電流算出手段４６および演算器４７と、を備えている。【選択図】図１
2008228484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの駆動力を負荷に機械的に伝達してなるモータ制御装置において、
前記モータに取付けられ、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力するモータ側外乱オブザーバと、
前記負荷に取付けられ、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力する負荷側外乱オブザーバと、
前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力する外乱抑制制御手段と、を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記モータの速度応答値を検出するモータ速度検出手段を備え、
前記モータ側外乱オブザーバは、前記モータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記ねじりトルクの推定値を算出するものであ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】
前記負荷の速度応答値を検出する負荷速度検出手段を備え、
前記負荷側外乱オブザーバは、前記負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷の外乱トルクの推定値を算出するものであ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】
前記モータの速度応答値と、前記負荷の速度応答値と、これらの各速度応答値から得られる前記モータのねじり角とを入力して、前記モータおよび前記負荷の状態フィードバック制御を行なう状態フィードバック制御手段をさらに備えた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】
前記モータのトルク定数をＫｔとし、前記モータと前記負荷との間の機械共振振動によるばね定数をＫｓとし、前記モータの慣性モーメントＪＭとし、前記モータの粘性摩擦をＤＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記モータの速度応答値に乗算されるゲインをＦＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記負荷の速度応答値に乗算されるゲインをＦｌとし、前記モータのねじり角に乗算されるゲインをＦθとし、前記負荷と前記モータとのギア比をＲｇとし、ラプラス演算子をｓとしたときに、
前記外乱抑制制御手段は、負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムＴｍ（ｓ）を乗算し、
【数１】
2008228484.tif 000012
（但し、ｇは次の式で表わされる二次のローパスフィルタＬＰＦ（ｓ）を通したときのカットオフ周波数である。）
【数２】
2008228484.tif 000013
前記外乱抑制のための補償電流を算出するものであることを特徴とする請求項４記載のモータの制御装置。
【請求項６】
モータの駆動力を負荷に機械的に伝達してなるモータ制御方法において、
前記モータに取付けられたモータ側外乱オブザーバにより、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力し、
前記負荷に取付けられた負荷側外乱オブザーバが、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力し、
前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を外乱抑制制御手段が入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力することを特徴とするモータ制御方法。
【請求項７】
前記モータの速度応答値をモータ速度検出手段で検出し、
このモータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記モータ側外乱オブザーバが前記ねじりトルクの推定値を算出することを特徴とする請求項６記載のモータ制御方法。
【請求項８】
前記負荷の速度応答値を負荷速度検出手段で検出し、
この負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷側外乱オブザーバが前記負荷の外乱トルクの推定値を算出することを特徴とする請求項７記載のモータ制御方法。
【請求項９】
前記モータの速度応答値と、前記負荷の速度応答値と、これらの各速度応答値から得られる前記モータのねじり角とを入力して、状態フィードバック制御手段が前記モータおよび前記負荷の状態フィードバック制御を行なうことを特徴とする請求項８記載のモータ制御方法。
【請求項１０】
前記モータのトルク定数をＫｔとし、前記モータと前記負荷との間の機械共振振動によるばね定数をＫｓとし、前記モータの慣性モーメントＪＭとし、前記モータの粘性摩擦をＤＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記モータの速度応答値に乗算されるゲインをＦＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記負荷の速度応答値に乗算されるゲインをＦｌとし、前記モータのねじり角に乗算されるゲインをＦθとし、前記負荷と前記モータとのギア比をＲｇとし、ラプラス演算子をｓとしたときに、
負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムＴｍ（ｓ）を乗算して、
【数３】
2008228484.tif 000014
（但し、ｇは次の式で表わされる二次のローパスフィルタＬＰＦ（ｓ）を通したときのカットオフ周波数である。）
【数４】
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前記外乱抑制制御手段が前記外乱抑制のための補償電流を算出することを特徴とする請求項９記載のモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業機器などの高速モーション制御において、モータと負荷との間で機械共振が発生する状況下で、モータへの外乱抑圧制御を制御するモータ制御装置およびモータ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばベルト駆動などのモータと機械系とを組み合わせた高速モーション制御において、モータと負荷との間の機械共振が問題となっている。機械共振は二慣性共振系として近似されることが知られており、こうした近似化モデルに基づく種々の制御手法が提案されている。その一つとして、状態フィードバックによる制御手法が、例えば特許文献１などに開示されている。
【０００３】
ここで、前記二慣性共振系の近似化モデルを、図５に基づき説明する。同図において、１は目標となるトルク電流指令値Ｉcmdを入力として回転駆動するモータであり、このモータ１は等価的に、電流−トルク変換手段２により前記トルク電流指令値Ｉcmdにトルク定数Ｋｔを乗算してトルク値に変換したものと、後述する機械共振振動によるねじりトルクτreac／Ｒｇとの偏差が、減算器３により算出されて、実際の出力トルク値となり、この出力トルク値をトルク−速度変換手段４で変換したものが、モータ１の回転するモータ軸における（角）速度応答値ωＭとなる。なお、速度応答値ωＭは、図５に示すトルク−速度変換手段４内の項と、前記減算器３からの出力トルク値を乗算することで算出できる。ここで、モータ１の慣性モーメントであり、また、ＤＭはモータ１の粘性摩擦であり、ｓはラプラス演算子である。
【０００４】
一方、１１は前記モータ１の回転駆動力を機械的に受ける負荷である。この負荷１１は等価的に、慣性変動や摩擦などを包括的に含む負荷トルクとしての外乱トルクτdisと、後述する機械共振振動によるねじりトルクτreacとの偏差が、減算器１３により算出され、実際の出力トルク値として発生し、この出力トルク値をトルク−速度変換手段１４で変換したものが、負荷１１の（角）速度応答値ωＬとなる。なお、速度応答値ωＭは、図５に示すトルク−速度変換手段１４内の項と、前記減算器１３からの出力トルク値を乗算することで算出できる。ここで、ＪＬは負荷１１の慣性モーメントであり、また、ＤＬは負荷１１の粘性摩擦である。
【０００５】
モータ１と負荷１１との間の機械共振成分は、モータ１および負荷１１の速度差により生じるねじり角θｓと、振動に依存するばね定数Ｋｓとの積により算出されるねじりトルクτreacとして、図５のようにモデル化することができる。ここでは、モータ１の速度応答値ωＭを、ギア比逆変換手段２１におけるギア比Ｒｇの逆数で乗算して得た値と、負荷１１の速度応答値ωＭとの偏差を減算器２２で算出し、この減算器２２からの値を積分器２３で積分したものが、ねじり角θｓとなる。そして、モータ１と負荷１１との間に機械共振が生じているシステムでは、ねじり角θｓを角度−トルク変換手段２４のばね定数Ｋｓで乗算したねじりトルクτreacが、前記負荷１１の減算器１３に加わり、またこのねじりトルクをギア比逆変換手段２５におけるギア比Ｒｇの逆数で乗算した値τreac／Ｒｇが、モータ１の減算器３に加わることになる。
【０００６】
一般的に、図５で示すような二慣性共振系の制御は、モータ１の位置および速度を用いて行われる。トルク電流（トルク電流指令値Ｉcmd）を入力とし，モータ軸の速度（速度応答値ωＭ）を出力とする伝達関数ＰＭ（ｓ）は次の式で与えられる。
【０００７】
【数５】
2008228484.tif 000003
【０００８】
数５に示す伝達関数ＰＭ（s）の分母および分子多項式には、振動的な特性が含まれており、その振動周波数はそれぞれ共振周波数，反共振周波数と呼ばれている。このため、二慣性共振系の制御においては、共振，反共振に対する振動特性の改善が必要となる。
【０００９】
振動特性の改善には、上述したようにシステムの極を任意に設計できる状態フィードバックなどが用いられる。状態フィードバック制御を行なう際には、状態変数を知る必要があり、状態オブザーバを用いて、状態変数の推定を行っている。しかし、慣性などのパラメータに変動を生じた場合、状態変数の推定値やゲインにずれが生じ、所望の制御が行なえない。また、外乱オブザーバを用いた制御の様に、外乱抑圧応答を積極的にあげることができないなどの欠点があった。
【特許文献１】特開平１０−１８０６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、従来の二慣性共振系の制御では、負荷１１側に位置センサ又は速度センサが無いことを条件に、状態オブザーバで状態変数を推定し、その推定値を用いて状態フィードバックを行うなどが一般的であった。しかしながら、負荷１１側の高精度な位置決め制御を求めるときには、負荷１１側に位置センサ又は速度センサを装着して、負荷１１側の位置をモータ制御装置にフィードバックする。その場合は、状態オブザーバを使わずに状態フィードバックを行うことができる。しかしながら、状態フィードバックには、負荷１１側に印加された外乱トルクは含まれていないので、外乱トルクが印加されたときの外乱抑圧性能と制振制御は、満足な性能を実現できていなかった。
【００１１】
そこで本発明は、負荷側に印加された外乱トルクを推定し、外乱トルクを補償して所望の制御を行なうことができるモータ制御装置およびモータ制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
モータに対する外乱を推定する外乱オブザーバは、従来から知られている。また、この外乱オブザーバを負荷側に用いることも、外乱オブザーバの構造から容易に考えられる。しかし、外乱オブザーバをモータ側と負荷側の両方に取付けて、これらの外乱オブザーバを直列に結合させ、モータ側外乱オブザーバにより得られる機械共振振動に相当するねじりトルクの推定値を、負荷側外乱オブザーバに入力して、機械共振振動と分離して負荷の外乱トルクを推定することで、モータおよび負荷を含むシステムへの外乱抑圧制御を行なうことは、従来にはない新規な独自性のある手法である。
【００１３】
この点に着目し、本発明のモータ制御装置は、モータの駆動力を負荷に機械的に伝達してなるモータ制御装置において、前記モータに取付けられ、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力するモータ側外乱オブザーバと、前記負荷に取付けられ、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力する負荷側外乱オブザーバと、前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力する外乱抑制制御手段と、を備えている。
【００１４】
上記モータ制御装置は、前記モータの速度応答値を検出するモータ速度検出手段を備え、前記モータ側外乱オブザーバは、前記モータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記ねじりトルクの推定値を算出する構成となっている。
【００１５】
また、前記負荷の速度応答値を検出する負荷速度検出手段を備え、前記負荷側外乱オブザーバは、前記負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷の外乱トルクの推定値を算出する構成となっている。
【００１６】
この場合、前記モータの速度応答値と、前記負荷の速度応答値と、これらの各速度応答値から得られる前記モータのねじり角とを入力して、前記モータおよび前記負荷の状態フィードバック制御を行なう状態フィードバック制御手段をさらに備えるのが好ましい。
【００１７】
さらに、前記モータのトルク定数をＫｔとし、前記モータと前記負荷との間の機械共振振動によるばね定数をＫｓとし、前記モータの慣性モーメントＪＭとし、前記モータの粘性摩擦をＤＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記モータの速度応答値に乗算されるゲインをＦＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記負荷の速度応答値に乗算されるゲインをＦｌとし、前記モータのねじり角に乗算されるゲインをＦθとし、前記負荷と前記モータとのギア比をＲｇとし、ラプラス演算子をｓとしたときに、
前記外乱抑制制御手段は、負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムＴｍ（ｓ）を乗算し、
【００１８】
【数６】
2008228484.tif 000004
【００１９】
（但し、ｇは次の式で表わされる二次のローパスフィルタＬＰＦ（ｓ）を通したときのカットオフ周波数である。）
【００２０】
【数７】
2008228484.tif 000005
【００２１】
前記外乱抑制のための補償電流を算出する構成とするのが好ましい。
【００２２】
また、上記の点に着目した本発明のモータ制御方法は、モータの駆動力を負荷に機械的に伝達してなるモータ制御方法において、前記モータに取付けられたモータ側外乱オブザーバにより、このモータの外乱トルクであるねじりトルクの推定値を出力し、前記負荷に取付けられた負荷側外乱オブザーバが、前記モータ側外乱オブザーバからの推定値を入力することにより、前記ねじりトルクと分離して前記負荷の外乱トルクの推定値を出力し、前記負荷側外乱オブザーバからの推定値を外乱抑制制御手段が入力することにより、外乱抑制のための補償電流を算出し、この補償電流を加えた電流指令値を前記モータに出力することを特徴とする。
【００２３】
上記モータ制御方法では、前記モータの速度応答値をモータ速度検出手段で検出し、このモータの速度応答値と、前記モータへの電流指令値とを入力して、前記モータ側外乱オブザーバが前記ねじりトルクの推定値を算出する。
【００２４】
また、前記負荷の速度応答値を負荷速度検出手段で検出し、この負荷の速度応答値と、前記ねじりトルクの推定値とを入力して、前記負荷側外乱オブザーバが前記負荷の外乱トルクの推定値を算出する。
【００２５】
この場合、前記モータの速度応答値と、前記負荷の速度応答値と、これらの各速度応答値から得られる前記モータのねじり角とを入力して、状態フィードバック制御手段が前記モータおよび前記負荷の状態フィードバック制御を行なうのが好ましい。
【００２６】
さらに、前記モータのトルク定数をＫｔとし、前記モータと前記負荷との間の機械共振振動によるばね定数をＫｓとし、前記モータの慣性モーメントＪＭとし、前記モータの粘性摩擦をＤＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記モータの速度応答値に乗算されるゲインをＦＭとし、前記状態フィードバック制御手段において前記負荷の速度応答値に乗算されるゲインをＦｌとし、前記モータのねじり角に乗算されるゲインをＦθとし、前記負荷と前記モータとのギア比をＲｇとし、ラプラス演算子をｓとしたときに、
負荷側外乱オブザーバからの推定値に、次の式で示す逆システムＴｍ（ｓ）を乗算して、
【００２７】
【数８】
2008228484.tif 000006
【００２８】
（但し、ｇは次の式で表わされる二次のローパスフィルタＬＰＦ（ｓ）を通したときのカットオフ周波数である。）
【００２９】
【数９】
2008228484.tif 000007
【００３０】
前記外乱抑制制御手段が前記外乱抑制のための補償電流を算出するのが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
上記請求項１の装置および請求項６の方法によれば、モータ側外乱オブザーバにより得られる機械共振振動に相当するねじりトルクの推定値を、このモータ側外乱オブザーバと直列的に結合した負荷側外乱オブザーバに入力すると、機械共振振動と分離して負荷の外乱トルクを推定することができる。この負荷の外乱トルクの推定値を利用して、モータへの電流指令値を補償することで、外乱トルクを補償した所望の制御を行なうことが可能になる。
【００３２】
上記請求項２の装置および請求項７の方法によれば、モータ速度検出手段でモータの速度応答値を検出すれば、この速度応答値とモータへの電流指令値とを利用して、モータ側外乱オブザーバがねじりトルクの推定値を正しく算出できる。
【００３３】
上記請求項３の装置および請求項８の方法によれば、負荷速度検出手段で負荷の速度応答値を検出すれば、この負荷応答値と、モータ側外乱オブザーバで算出されたねじりトルクの推定値とを利用して、負荷の外乱トルクの推定値を正しく算出できる。
【００３４】
上記請求項４の装置および請求項９の方法によれば、モータ速度検出手段からのモータの速度応答値と、負荷速度検出手段からの負荷の速度応答値を、状態オブザーバ等を用いることなく知ることができ、これらの各速度応答値から得たモータのねじり角を共に利用して、容易に状態フィードバック制御を行なうことができる。
【００３５】
上記請求項５の装置および請求項１０の方法によれば、負荷の位置振動を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、添付図面に基づいて、本発明における好適な実施例を詳細に説明する。図１は、本実施例で適用するモータ制御装置のブロック構成図であり、ここでは前記図５における二慣性共振系の近似化モデルで表わされるプラント３１のモータ１および負荷１１を、例えばコンピュータなどの制御装置３２で制御する構成となっている。
【００３７】
プラント３１の詳細は、前記図５で説明した通りであり、ここでは改めて説明しない。但し、便宜的には、モータ１の速度応答値ωＭを積分器３３で積分（１／ｓ）した値が、モータ１の位置応答値θＭとして示され、負荷１１の速度応答値ωＬを積分器３４で積分（１／ｓ）したものが、負荷１１の位置応答値θＬとして示されている。
【００３８】
また、このプラント３１には、モータ１の速度応答値ωＭを検出するモータ速度検出手段３５と、負荷１１の速度応答値ωＬを検出する負荷速度検出手段３６と、負荷１１の位置応答値θＬを検出する負荷位置検出手段３７が設けられる。これらの各検出手段３５〜３７は、周知のエンコーダなどで構成でき、また速度を積分したものが位置であるという関係から、負荷速度検出手段３６と負荷位置検出手段３７とを共通のセンサ（検出器）で構成してもよい。
【００３９】
制御装置３２は、従来から知られている速度ＰＩ制御系を含む位置・速度フィードバック制御部４１と、機械共振振動を抑制する状態フィードバック制御部４２の他に、状態フィードバック制御部４２よりも高速で且つ低コストな機械共振振動抑制手段として、モータ１へのトルク電流指令値Ｉcmdと、前記モータ速度検出手段３５で検出した速度応答値ωＭを入力とすることで、このモータ１への外乱トルクであるねじりトルクτreac／Ｒｇを推定する第１外乱オブザーバ４３と、この第１外乱オブザーバ４３で得たねじりトルクの推定値τreac／Ｒｇを、負荷１１とのギア比Ｒｇに応じた推定値＾τreac（以下、図や数式以外では、この推定値をあらわす「＾」を、対応する記号の前に併記する）に逆変換するギア比変換手段４４と、負荷１１の速度応答値ωＬおよびギア比変換手段４４で得たねじりトルク推定値＾τreacを入力とすることで、負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを算出する第２外乱オブザーバ４５と、第２外乱オブザーバ４５で得た外乱トルクの推定値＾τdisを入力することにより、外乱トルクを高速で抑制するための補償電流Ｉcmpを算出する補償電流算出手段４６と、前記位置・速度フィードバック制御部４１で得た電流参照値Ｉrefに、補償電流算出手段４６で得た補償電流Ｉcmpを加え、さらに状態フィードバック制御部４２で得た補償値を減算して、前記モータ１への電流指令値Ｉcmdを算出する演算器４７と、を備えている。
【００４０】
位置・速度フィードバック制御部４１は、前記負荷速度検出手段３６からの負荷１１の速度応答値ωＬと、負荷位置検出手段３７からの負荷１１の位置応答値θＬを利用して、モータ１の位置応答値θＭが位置参照値θrefに従うように、モータ１への電流参照値Ｉrefを制御するものである。具体的には、位置参照値θrefと負荷１１の位置応答値θＬとの偏差を算出する減算器５１と、減算器５１の算出結果にゲインＫＰＰを乗算する位置−速度変換手段５２と、位置−速度変換手段５２で得た速度の参照値と負荷１１の速度応答値ωＬとの偏差を算出する減算器５３と、減算器５３の算出結果に速度ＰＩ制御系のゲインＰＩ（ｓ）を乗算して電流参照値Ｉrefを算出する速度−電流変換手段５４と、により位置・速度フィードバック制御部４１を構成する。
【００４１】
また、状態フィードバック制御部４２は、前記モータ速度検出手段３５からのモータ１の速度応答値ωＭにゲインＦｍを乗算した値と、前記負荷速度検出手段３６からの負荷１１の速度応答値ωＬにゲインＦｌを乗算した値とを加算器５６で加算し、さらにこの加算器５６で加算した値と、各速度応答値ωＭ，ωＬを基に算出できるモータ１のねじり角θｓにゲインＦθを乗算した値とを、別な加算器５７で加算して得た補償値を、前記演算器４７に出力するようになっている。
【００４２】
図２は、第１外乱オブザーバ４３の内部構造を示したものである。ここでは便宜上、モータ１のトルク−速度変換手段４’は粘性摩擦ＤＭがないものとして考えている。第１外乱オブザーバ４３は、モータ１への操作量であるトルク電流指令値Ｉcmdを入力すると共に、モータ速度検出手段３５からのモータ１の速度応答値ωＭを入力し、これらの各値からモータ１への外乱トルクであるねじりトルクの推定値＾τreac／Ｒｇを算出して出力する速度情報型の外乱オブザーバで構成される。因みに、ここではモータ１と負荷１１とのギア比Ｒｇを考慮して、第１外乱オブザーバ４３で得たねじりトルクの推定値＾τreac／Ｒｇに、ギア比変換手段４４によるギア比Ｒｇを乗算した値を、最終的なねじりトルクの推定値＾τreacとして第２外乱オブザーバ４５に出力しているが、ギア比Ｒｇが１であれば、ギア比変換手段４４や、前述したギア比逆変換手段２１，２５は不要になる。
【００４３】
第１外乱オブザーバ４３は、上述した速度情報型の他に、トルク電流指令値Ｉcmdと、モータ位置検出手段（図示せず）で検出したモータ１の位置応答値とに基づいて、ねじりトルクの推定値＾τreac／Ｒｇを算出する位置情報型の外乱オブザーバで構成してもよい。これらの型の外乱オブザーバは、内部構成が簡単であるという利点がある。また、多少内部構成が複雑になるが、加速度と位置を統合した加速度・位置統合型の外乱オブザーバを、第１外乱オブザーバ４３として用いてもよい。
【００４４】
図２に示すように、第１外乱オブザーバ４３は、前記モータ１と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記トルク電流指令値Ｉcmdにトルク定数のノミナル（公称）値を乗算することで、トルク（力）単位の信号に変換し、この変換した信号と、モータ速度検出手段３５で得たモータ１の速度応答値ωＭを微分して得た値との比較信号を生成する逆モデル部６１と、この逆モデル部６１での微分の際にカットオフ周波数ｇｄを設定することにより形成され、前記逆モデル部６１からノイズを除去した低周波帯域の成分の比較信号を取り出し、これをねじりトルクの推定値＾τreac／Ｒｇとして出力するローパスフィルタ６２と、により構成される。なお、図中ＪＭｎは、モータ１の慣性モーメントのノミナル値であり、ｇｄは第１外乱オブザーバ４３のカットオフ周波数である。
【００４５】
図３は、第２外乱オブザーバ４５の内部構造を示したものである。ここでは便宜上、負荷１１のトルク−速度変換手段１４’は粘性摩擦ＤＬがないものとして考えている。第２外乱オブザーバ４５は、前記ギア比変換手段４４で得たねじりトルクの推定値＾τreacを入力すると共に、負荷速度検出手段３６からの負荷１１の速度応答値ωＬを入力し、これらの各値から負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを算出して出力する。
【００４６】
図３に示すように、第２外乱オブザーバ４５は、前記負荷１１と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記ねじりトルクの推定値＾τreacと、負荷速度検出手段３６で得た負荷１１の速度応答値ωＬを微分して得た値との比較信号を生成する逆モデル部７１と、この逆モデル部７１での微分の際にカットオフ周波数ｇｄを設定することにより形成され、前記逆モデル部７１からノイズを除去した低周波帯域の成分の比較信号を取り出し、これを負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisとして出力するローパスフィルタ７２と、により構成される。なお、図中ＪＬｎは、負荷１１の慣性モーメントのノミナル値であり、ｇｄは第２外乱オブザーバ４５のカットオフ周波数である。
【００４７】
そして、上記実施例の構成では、負荷１１にそれぞれ取付けた負荷速度検出手段３６からの速度応答値ωＬと、負荷位置検出手段３７からの位置応答値θＬとを用いて、モータ１の位置応答値θＭが所望の位置参照値θrefに従うように、位置・速度フィードバック制御部４１がモータ１への電流参照値Ｉrefを調整する。それと共に、状態フィードバック制御部４２は、前記負荷速度検出手段３６からの負荷１１の速度応答値ωＬの他に、モータ速度検出手段３５からのモータ１の速度応答値ωＭと、これらの速度応答値ωＭ，ωＬを基に算出できるモータ１のねじり角θｓとを利用して、負荷１１の速度応答値ωＬが機械共振振動なく追従できるような補償値を、演算器４７に出力する。このように、モータ１側に取付けたモータ速度検出手段３５だけでなく、負荷１１に取付けた負荷速度検出手段３６によって、状態フィードバック制御部４２は、モータ１および負荷１１の位置応答値θＭ，θＬ並びに速度応答値ωＭ，ωＬや、モータ１と負荷１１との間のねじり角θｓを、既存の状態オブザーバなどを用いずに知ることができ、容易に状態フィードバック制御を行なえる。
【００４８】
また、トルク電流指令値Ｉcmdから負荷１１の速度応答値ωＬまでの伝達関数ＰＬ（ｓ）は次の式で与えられる。
【００４９】
【数１０】
2008228484.tif 000008
【００５０】
上記数１０の式は、前述した数５の式と比較して、分子多項式が簡略になっていることが注目される。そのため反共振の影響を抑えて、制御を行なうことが可能になる。
【００５１】
ところで、制御装置３２としての最終的な目標は、プラント３１のモータ１ではなく負荷１１を高速且つ正確に制御させることにあるので、必然的に負荷速度検出手段３６や負荷位置検出手段３７は、モータ速度検出手段３５よりも分解能の高い高価なものが使用される。このとき、状態フィードバック制御部４２の制御特性は、上述した分解能の違いによる影響を受けて、分解能の低いモータ速度検出手段３５の特性に依存してしまう。
【００５２】
一方、本実施例では、上記位置・速度フィードバック制御部４１や状態フィードバック制御部４２の他に、直列に結合した２つの第１および第２外乱オブザーバ４３，４５による外乱抑圧制御を実現している。第１外乱オブザーバ４３は、モータ速度検出手段３５で検出した速度応答値ωＭを入力とし、また第２外乱オブザーバ４５は、負荷速度検出手段３６で検出した負荷１１の速度応答値ωＬを入力としているが、これらの外乱オブザーバ４３，４５はそれぞれ別々に制御を行なっているので、最終的な補償電流Ｉcmpを算出する上で、モータ速度検出手段３５と負荷速度検出手段３６との分解能の違いによる影響は発生せず、より安価なセンサ構成とすることができる。
【００５３】
図１に示すシステムでは、先ず、モータ１へのトルク電流指令値Ｉcmdと、モータ速度検出手段３５で検出した速度応答値ωＭとを、第１外乱オブザーバ４３に入力し、モータ１への外乱トルク、すなわち角度−トルク変換手段２４のばね定数Ｋｓとねじり角θｓとの積（Ｋｓθｓ）を、ギア比Ｒｇで除算したねじりトルクτreac／Ｒｇを、第１外乱オブザーバ４３で推定する。次に、この第１外乱オブザーバ４３で得た値＾τreac／Ｒｇから、別な第２外乱オブザーバ４５に入力するねじりトルクの推定値＾τreacをギア比変換手段４４で算出し、第２外乱オブザーバ４５は、このねじりトルクの推定値＾τreacと、負荷速度検出手段３６で検出した負荷１１の速度応答値ωＬとを入力として、負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを算出する。
【００５４】
ここで、慣性変動などが生じた場合、第２外乱オブザーバ４５により推定した外乱トルク＾τdisには、実際の外乱トルクτdisの値に対して誤差が生じる。この誤差をパラメータの変動による外乱トルクと考えると、推定した外乱トルク＾τdisを用いてパラメータ変動に対する補償を行なうことができる。補償電流算出手段４６は、こうした外乱トルクの補償を行なうために、外乱トルクの推定値＾τdisを用いて補償電流Ｉcmpを算出する。
【００５５】
ここで、補償電流Ｉcmpから実際の外乱トルクτdisの値までの伝達関数を求め、その逆システムＴｍ（ｓ）を次の式のように導出する。前記補償電流算出手段４６は、この逆システムＴｍ（ｓ）に第２外乱オブザーバ４５からの推定した外乱トルク＾τdisを乗算し、補償電流Ｉcmpを算出している。
【００５６】
【数１１】
2008228484.tif 000009
【００５７】
なお、上記数１１の式には微分項が存在するので、これを次の数１２の式で表わされる二次のローパスフィルタＬＰＳ（ｓ）を通し、最終的に数１３に示す逆システムＴｍ（ｓ）を得る。但し、ここでのｇは、ローパスフィルタＬＰＳ（ｓ）のカットオフ周波数である。
【００５８】
【数１２】
2008228484.tif 000010
【００５９】
【数１３】
2008228484.tif 000011
【００６０】
逆システムＴｍ（ｓ）は、他にも種々導出できるが、特に図１のシステム構成では、負荷１１の位置振動を効果的に抑制するために、上記数１３の式に示す逆システムＴｍ（ｓ）を利用して、補償電流算出手段４６が補償電流Ｉcmpを算出するのが好ましい。
【００６１】
こうして得られた補償電流Ｉcmpは、演算器４７によって前記位置・速度フィードバック制御部４１で得た電流参照値Ｉrefに加算される。演算器４７は、この加算した値から、前述した状態フィードバック制御部４２で得た補償値を減算して得た電流指令値Ｉcmdをモータ１に出力し、これにより制御装置３２は、高速な外乱抑圧制御をプラント３１に対し行なうことが可能になる。
【００６２】
続いて、本実施例における制御装置の有効性を確認すべく、シミュレーションを行なった結果の一例を、図４のグラフに基づき説明する。ここでは、慣性変動が生じた場合のシミュレーションを行なっており、共振周波数が１０Ｈｚのプラントを対象とし、制御装置３２で位置指令（位置参照値θref）が与えられてから０．１sec（秒）後に、慣性を２００パーセントにステップ状に変化させた。また、位置・速度フィードバック制御部４１における速度ＰＩ制御系のゲインと、状態フィードバック制御部４２のゲインは、何れも極配置法により決定した。
【００６３】
図４は、モータ１への電流指令値Ｉcmdに補償電流Ｉcmpを加えた場合（実線）と、補償電流Ｉcmpを加えなかった場合（破線）について、それぞれの位置応答のシミュレーション結果を示している。同図からも明らかなように、本実施例で提案した補償電流Ｉcmpで、モータ１への電流指令値Ｉcmdを補償した場合には、従来のような補償を行なわない場合に比べて、負荷１１の位置振動が抑制され、良好な結果が得られていることが確認できる。
【００６４】
以上のように本実施例では、モータ１の駆動力を負荷１１に機械的に伝達してなるモータ制御装置において、モータ１に取付けられ、このモータ１の外乱トルクであるねじりトルクの推定値＾τreacを出力するモータ側外乱オブザーバとしての第１外乱オブザーバ４３およびギア比変換手段４４と、負荷１１に取付けられ、ギア比変換手段４４からの推定値＾τreacを入力することにより、ねじりトルクと分離して負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを出力する負荷側外乱オブザーバとしての第２外乱オブザーバ４５と、この外乱トルクの推定値＾τdisを入力することにより、外乱抑制のための補償電流Ｉcmpを算出し、この補償電流Ｉcmpを反映した電流指令値Ｉcmdをモータ１に出力する外乱抑制制御手段としての補償電流算出手段４６および演算器４７と、を備えている。
【００６５】
これにより、第１外乱オブザーバ４３とギア比変換手段４４で得られる機械共振振動に相当するねじりトルクの推定値＾τreacを、第１外乱オブザーバ４３と直列的に結合した第２外乱オブザーバ４５に入力すると、機械共振振動と分離して負荷１１の外乱トルクτdisを推定することができる。この負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを利用して、モータ１への電流指令値Ｉcmdを補償することで、外乱トルクを補償した所望の制御を行なうことが可能になる。
【００６６】
そしてこれは、モータ１の駆動力を負荷１１に機械的に伝達してなるモータ制御方法において、モータ１に取付けられた第１外乱オブザーバ４３およびギア比変換手段４４により、このモータ１の外乱トルクであるねじりトルクの推定値＾τreacを出力し、負荷１１に取付けられた第２外乱オブザーバ４５が、ギア比変換手段４４からのねじりトルクの推定値＾τreacを入力することにより、ねじりトルクと分離して負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを出力し、第２外乱オブザーバ４５からの推定値＾τdisを補償電流算出手段４６が入力することにより、外乱抑制のための補償電流Ｉcmpを算出し、演算器４７によって補償電流Ｉcmpを加えた電流指令値Ｉcmdをモータ１に出力することでも実現する。
【００６７】
また本実施例では、モータ１の速度応答値ωＭを検出するモータ速度検出手段３５を備え、第１外乱オブザーバ４３は、モータ１の速度応答値ωＭと、モータ１への電流指令値Ｉcmdとを入力して、ねじりトルクの推定値＾τreacを算出している。
【００６８】
そのため、モータ速度検出手段３５でモータ１の速度応答値ωＭを検出すれば、この速度応答値ωＭとモータ１への電流指令値Ｉcmdとを利用して、第１外乱オブザーバ４３がねじりトルクの推定値＾τreacを正しく算出できる。
【００６９】
そしてこれは、モータ１の速度応答値ωＭをモータ速度検出手段３５で検出し、このモータ１の速度応答値ωＭと、モータ１への電流指令値Ｉcmdとを入力して、第１外乱オブザーバ４３がねじりトルクの推定値＾τreacを算出することでも実現する。
【００７０】
本実施例では、負荷１１の速度応答値ωＬを検出する負荷速度検出手段３６を備え、第２外乱オブザーバ４５は、負荷１１の速度応答値ωＬと、ねじりトルクの推定値＾τreacとを入力して、負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを算出している。
【００７１】
これにより、負荷速度検出手段３６で負荷１１の速度応答値ωＬを検出すれば、この負荷１１の速度応答値ωＬと、第２外乱オブザーバ４５で算出されたねじりトルクの推定値＾τreacとを利用して、負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを正しく算出できる。
【００７２】
そしてこれは、負荷１１の速度応答値ωＬを負荷速度検出手段３６で検出し、この負荷１１の速度応答値ωＬと、ねじりトルクの推定値＾τreacとを入力して、第２外乱オブザーバ４５が負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisを算出することでも実現できる。
【００７３】
さらに本実施例では、モータ１の速度応答値ωＭと、負荷１１の速度応答値ωＬと、これらの各速度応答値ωＭ，ωＬから得られるモータ１のねじり角θｓとを入力して、モータ１および負荷１１の状態フィードバック制御を行なう状態フィードバック制御部４２をさらに備えている。
【００７４】
こうすると、モータ速度検出手段３５からのモータ１の速度応答値ωＭと、負荷速度検出手段３６からの負荷１の速度応答値ωＬを、状態オブザーバ等を用いることなく知ることができ、これらの各速度応答値ωＭ，ωＬから得たモータのねじり角θｓを共に利用して、容易に状態フィードバック制御を行なうことができる。
【００７５】
そしてこれは、モータ１の速度応答値ωＭと、負荷１１の速度応答値ωＬと、これらの各速度応答値ωＭ，ωＬから得られるモータ１のねじり角θｓとを入力して、状態フィードバック制御部４２がモータ１および負荷１１の状態フィードバック制御を行なうことでも実現する。
【００７６】
さらに本実施例では、モータ１のトルク定数をＫｔとし、モータ１と負荷１１との間の機械共振振動によるばね定数をＫｓとし、モータ１の慣性モーメントＪＭとし、モータ１の粘性摩擦をＤＭとし、状態フィードバック制御部４２においてモータ１の速度応答値ωＭに乗算されるゲインをＦＭとし、状態フィードバック制御部４２において負荷１１の速度応答値ωＬに乗算されるゲインをＦｌとし、モータ１のねじり角θｓに乗算されるゲインをＦθとし、負荷１１とモータ１とのギア比をＲｇとし、ラプラス演算子をｓとしたときに、補償電流算出手段４６は、第２外乱オブザーバ４５からの負荷１１の外乱トルクの推定値＾τdisに、上記数１３の式で示す逆システムＴｍ（ｓ）を乗算し、外乱抑制のための補償電流Ｉcmpを算出しており、これにより負荷１１の位置振動を効果的に抑制することができる。
【００７７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
高速な位置決め制御を行なう場合、負荷を高速且つ高精度で位置決め制御するだけでなく、負荷側の振動を抑圧することが期待されている。したがって、本発明は、こうした分野においても産業上の有用性がある。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明のモータ制御装置におけるシステムの一例を示すブロック線図である。
【図２】同上、第１外乱オブザーバのシステム構造を示すブロック線図である。
【図３】同上、第２外乱オブザーバのシステム構造を示すブロック線図である。
【図４】本発明のモータ制御方法における数値シミュレーションの応答結果を示すグラフである。
【図５】二慣性共振系の近似化モデルを示すブロック線図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  モータ
１１  負荷
３５  モータ速度検出手段
３６  負荷速度検出手段
４２  状態フィードバック制御部（状態フィードバック制御手段）
４３  第１外乱オブザーバ（モータ側外乱オブザーバ）
４４  ギア比変換手段（モータ側外乱オブザーバ）
４５  第２外乱オブザーバ（負荷側外乱オブザーバ）
４６  補償電流算出手段（外乱抑制制御手段）
４７  演算器（外乱抑制制御手段）
【図１】
2008228484.tif 000016
【図２】
2008228484.tif 000017
【図３】
2008228484.tif 000018
【図４】
2008228484.tif 000019
【図５】
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