(57)【要約】【課題】パラメータの数が少なく調整が容易であり、また停止位置での振動のないモータ速度制御方法および装置を提供する。【解決手段】速度指令８から積分要素９および比例要素１０を有する速度制御手段を通してトルク指令を生成し、このトルク指令に基づいて駆動されるモータ１４の回転位置をエンコーダ１６により検出し、このエンコーダ１６の出力に基づいてモータ１４の実速度を演算してトルク指令８にフィードバックするモータ速度制御方法において、モータ１６の実速度信号と、トルク指令をエンコーダパルス換算してモータモデル２に入力したモータの推定速度信号との差を外乱推定速度信号とし、この外乱推定速度信号にゲイン５を掛けた出力信号を速度制御手段の積分要素９と比例要素１０の間に入力する。この速度制御方法では、パラメータは調整ゲインのみであり、これを調整するだけで最適なモータ速度制御が可能となる。【選択図】          図１
2004201383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令から積分要素および比例要素を有する速度制御手段を通してトルク指令を生成し、このトルク指令に基づいて駆動されるモータの回転位置をエンコーダにより検出し、このエンコーダの出力に基づいて前記モータの実速度を演算して前記トルク指令にフィードバックするモータ速度制御方法において、
前記モータの実速度信号とトルク指令をエンコーダパルス換算してモータモデルに入力したモータの推定速度信号との差を外乱推定速度信号とし、この外乱推定速度信号にゲインを掛けた出力信号を前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間に入力することを特徴とするモータ速度制御方法。
【請求項２】
速度指令からトルク指令を生成する積分要素および比例要素を有する速度制御手段と、前記トルク指令に基づいて駆動されるモータの回転位置を検出するエンコーダと、このエンコーダの出力に基づいて前記モータの実速度を演算して前記トルク指令にフィードバックする速度演算手段とを備えたモータ速度制御装置において、
前記トルク指令を前記エンコーダのパルスに換算するエンコーダパルス換算手段と、このエンコーダパルス換算手段の出力よりモータ速度を推定するモータモデルと、前記速度演算手段で演算されたモータの実速度と前記モータモデルで推定されたモータ推定速度の差である外乱推定速度信号に調整ゲインを乗じるゲイン調整器とを備え、このゲイン調整器の出力と前記モータの実速度とを、前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間にフィードバックする速度外乱推定手段を設けたことを特徴とするモータ速度制御装置。
【請求項３】
前記ゲイン調整器において調整されるゲインを、前記モータモデルと実速度の差の０から１００％まで調整可能とした請求項２記載のモータ速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械振動、モータとギアで発生する回転リップル、あるいはモータ自体が発生する回転速度リップルが存在するような機械系を有するモータ速度制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような機械振動等が発生するモータ速度制御装置においては、従来は、例えば特開平１１−３４１８５２号公報（特許文献１）に開示されているように外乱オブザーバ（負荷トルク推定器）を設け、トルク指令に負荷外乱トルクをフィードバックするような構成のものがほとんどであった。この場合、外乱オブザーバによるモータトルクに加わる負荷外乱トルクの推定が可能となり、従来の速度制御装置で発生していた軸ねじり振動などの機械振動を抑制することができる。
【０００３】
しかし、前掲の特許文献１に開示された従来技術では、以下に示すような周期的な外乱であるリップルについては外乱オブザーバ等では対処しきれないという問題がある。
１．モータとギアで発生する回転リップル
２．モータとカップリングの結合のずれによる偏芯などによる回転リップル
３．モータのコギングなどトルクリップル成分による回転速度リップル
【０００４】
また、外乱オブザーバを構成した場合、推定値が合わないために、外乱抑制が不十分である。
さらに、外乱オブザーバは、微分器を必要とするため、ノイズ成分をトルクにフィードバックするという悪影響があり、この対策としては、フィルタを使うなどの方法で対処できるが、複数のパラメータ調整が必要であり、容易に調整ができないという問題がある。
【０００５】
一方、特開平９−５６１８３号公報（特許文献２）には、モータの機械振動を検出して、トルク指令にフィードバックすることで機械振動の抑制を図った制振制御装置が開示されている。その構成をアレンジしたものを図９に示す。
図９において、速度制御装置は、速度指令８に速度ゲインＫｖを乗じてトルク指令とする比例器１０と、トルク指令から高周波成分を除去するトルクフィルタ１１と、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１２と、慣性モーメントＪmをもつモータ１４と、モータ１４で駆動される負荷装置１３と、モータ１４の回転速度を積分する積分器１５と、積分されたモータ１４の回転位置を検出するエンコーダ１６と、エンコーダ１６で検出されたモータ回転位置フィードバック信号４の差分をとって速度指令８へのモータ速度フィードバック信号７として減算器３７に出力する差分演算器１７とを有している。さらに、以上の構成に、制振制御装置２４が付加されている。
【０００６】
制振制御装置２４では、トルク指令に制振制御イナーシャ１８を乗じた値と、差分演算器１７で演算されたモータ速度フィードバック信号に制振制御周波数２０を乗じた値とを加算器３５で加算し、積分器１９で積分して減算器３６でモータ速度フィードバック信号と減算する。減算器３６の出力はハイパスフィルタ２１、ローパスフィルタ２２を通し、制振ゲイン２３を乗じて減算器３７によりモータ速度フィードバック信号から減算され、その値が減算器３１で速度指令８から減算される。
このような制振制御装置２４を設けることで、機械振動を抑制することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３４１８５２号公報（段落００２６〜００２９、図１，図２）
【特許文献２】
特開平９−５６１８３号公報（段落００１７〜００１８、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献２に記載された制振制御装置においては、パラメータの設定はハイパスフィルタ２１，ローパスフィルタ２２，制振ゲイン２３，制振制御周波数２０，制振制御イナーシャ１８の５つあり、調整が容易ではない上に、ある位置から目標位置までモータを駆動した後、その目標位置でモータを停止させるとその停止位置での１ビット分の振動が残り、その振動は抑制できないという問題があった。
そこで本発明は、パラメータの数が少なく調整が容易であり、また停止位置での振動のないモータ速度制御方法および装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、速度指令から積分要素および比例要素を有する速度制御手段を通してトルク指令を生成し、このトルク指令に基づいて駆動されるモータの回転位置をエンコーダにより検出し、このエンコーダの出力に基づいて前記モータの実速度を演算して前記トルク指令にフィードバックするモータ速度制御方法において、前記モータの実速度信号とトルク指令をエンコーダパルス換算してモータモデルに入力したモータの推定速度信号との差を外乱推定速度信号とし、この外乱推定速度信号にゲインを掛けた出力信号を前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間に入力することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、速度指令からトルク指令を生成する積分要素および比例要素を有する速度制御手段と、前記トルク指令に基づいて駆動されるモータの回転位置を検出するエンコーダと、このエンコーダの出力に基づいて前記モータの実速度を演算して前記トルク指令にフィードバックする速度演算手段とを備えたモータ速度制御装置において、前記トルク指令を前記エンコーダのパルスに換算するエンコーダパルス換算手段と、このエンコーダパルス換算手段の出力よりモータ速度を推定するモータモデルと、前記速度演算手段で演算されたモータの実速度と前記モータモデルで推定されたモータ推定速度の差である外乱推定速度信号に調整ゲインを乗じるゲイン調整器とを備え、このゲイン調整器の出力と前記モータの実速度とを、前記速度制御手段の積分要素と比例要素の間にフィードバックする速度外乱推定手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項１および２に係る本発明のモータ速度制御方法および装置においては、モータのトルク指令とモータモデルからモータの推定速度を演算し、この推定速度とモータの実速度との差を外乱推定速度信号として調整ゲインを乗じて速度制御手段の積分要素と比例要素との間にフィードバックすることにより、モータ制御を行うようにしている。このため、パラメータは調整ゲインのみであり、これを調整するだけで最適なモータ速度制御が可能となる。また、振動成分だけを除去するという従来の制振制御とは異なり、実際のモータとモータモデルとの差として現れる振動および外乱等を推定できるため、運転状態から停止状態になったときに最後の１パルスでモータが振動することを抑制することができる。
請求項３に係る発明は、前記ゲイン調整器において調整されるゲインを、前記モータモデルと実速度の差の０から１００％まで調整可能としたものである。これにより、調整ゲインはその範囲の値を設定すればよく、調整の範囲を限定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るモータの速度制御装置を示すブロック図である。この図において、ＩＰ（積分比例）速度制御装置は、速度指令８を積分する積分器９と、その積分値に速度ゲインＫｖを乗じてトルク指令とする比例器１０と、トルク指令から高周波成分を除去するトルクフィルタ１１と、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１２と、慣性モーメントＪmをもつモータ１４と、モータ１４で駆動される負荷装置１３と、モータ１４の回転速度を積分する積分器１５と、積分されたモータ１４の回転位置を検出するエンコーダ１６と、エンコーダ１６で検出されたモータ回転位置フィードバック信号４の差分をとって速度指令８へのモータ速度フィードバック信号７として減算器３１および３２に出力する差分演算器１７とを有している。さらに、以上の構成に、本発明の特徴である速度外乱推定装置１が付加されている。
【００１３】
この速度外乱推定装置１は、トルク指令をエンコーダのパルス数に換算するエンコーダパルス換算器３と、モータモデル２と、差分演算器１７の出力からモータモデル２の出力を減算して比例器１０の入力側にフィードバックするゲイン調整器５とからなっている。
この構成の速度外乱推定装置１においては、トルクフィルタ１１の出力であるトルク指令はエンコーダパルス換算器３でエンコーダパルス数に換算され、その出力はモータモデル２で速度換算値に変換される。この速度換算値と、差分演算器１７で演算されたモータ回転速度フィードバック信号７との差が減算器３４で演算されてゲイン調整器５に入力され、得られた速度外乱推定値６は減算器３２に入力される。これにより、モータ回転速度フィードバック信号７と速度指令８の差が減算器３１により演算され、その差が積分器９に入力され、積分器９の出力から速度外乱推定値６とモータ速度フィードバック信号７が減算器３２により減算され、その出力が比例器１０に入力され、トルクフィルタ１１を通過してトルク指令が生成される。
【００１４】
トルク指令は、デジタル信号であるのでそれをＤ／Ａ変換器１２によりアナログの電流値に変換してモータ１４に供給する。モータ１４の軸端には負荷装置１３がカップリングなどで結合されて駆動される。
なお、図１において、Ｔiは積分時定数、Ｔsはサンプリング時間、ｚ-1はむだ時間モデル、Ｊmはモータ１４の慣性モーメント、Ｊm'はモータモデル２の慣性モーメント、αはゲイン調整器５の調整ゲインである。
【００１５】
次に、従来技術と本発明の実施の形態におけるシミュレーション実施結果を、図２〜図５に示す。このシミュレーションにおいては、モータ１４と負荷装置１３による２慣性モデルを用いて、共振周波数は２００Ｈｚの設定とした。共振周波数を２００Ｈｚとしたのは、ノッチフィルタで構成されるトルクフィルタ１１が設定できる領域が２００Ｈｚよりも大きい周波数であり、２００Ｈｚ以下に設定すると発振するなどの問題があるからである。従来の技術では、２００Ｈｚ以下の振動に対しては制振制御などを使わないと振動を抑えられない。
【００１６】
図２は、従来の速度ＩＰ（積分比例）位置Ｐ（比例）制御でのシミュレーション結果である。図３は、文献２に示した制振制御を適用した場合のシミュレーション結果である。図４は、本発明を適用した場合のシミュレーション結果である。図２〜図４において、（ａ）はモータ位置のタイムチャート、（ｂ）はモータトルクのタイムチャート、（ｃ）は回転数偏差のタイムチャート、（ｄ）は負荷の位置のタイムチャートを示している。これらの図の（ａ）および（ｄ）からわかるように、モータ位置および負荷の位置はそれぞれほぼ同じく約０．５ｓｅｃで目標位置に達しているが、速度ＩＰ位置Ｐ制御では図２（ｂ），（ｃ）に表されているように、トルク変動が大きく、停止位置での回転数偏差も大きく振動している。制振制御では、図３（ｂ）に示すようにモータトルクの振動は抑制されているが、同図（ｃ）に示すように停止位置での１ｒｐｍ分の振動が残存している。これに対し、本発明の速度外乱推定装置を設けたものでは、図４（ｃ）に表されているように、停止状態でのパルスの振動が少なくなる。
【００１７】
図５は、本発明で設定するイナーシャをモータイナーシャのみとした場含のシミュレーション結果である。通常、速度ＩＰ位置Ｐ制御でゲインを上げていくと発振するが、図９の制振制御及び本発明装置でのシミュレーションでは、（ｂ）のトルク波形に振動が載らず、（ｃ）の偏差信号にも振動が載らないという利点がある。このようなシミュレーション結果になる理由について周波数特性を使って説明する。
【００１８】
図６は、速度ＩＰ制御の速度制御系の周波数特性（（ａ）はゲイン、（ｂ）は位相）であるが、反共振周波数付近で、位相遅れが１８０度となっている。それに対して、図７の制振制御を用いた場合には、１ｋＨｚ付近まで位相遅れが１８０度まで達していない。また、本発明の周波数応答を示す図８でも同様に１ｋＨｚ付近まで、位相遅れが１８０度に達していない。
つまり、図９に示す制振制御と図１に示す本発明の速度制御装置では、位相特性に特徴を持っていることが言える。特に、本発明では特別に位相補償を行う手段を有していないにもかかわらず、位相補償を行ったように設計されていることが特徴となっている。
【００１９】
本発明の実施の形態における周波数特性は、ＩＰ制御以外にはフィルタなどを設けていないが、実機では、フィルタなどを入れてモータ指令を滑らかにすることがあり、これは位相遅れとなるが、本発明では前述の位相補償機能があるので有利に働く。
本実施の形態において、調整するパラメータは、ゲイン調整器５の調整ゲインαとモータモデル２のＪｍ’のみであるが、Ｊｍ’は基本的にモータイナーシャ値であり、これは本来わかっているものなので、調整は調整ゲインα１つだけとなる。この調整ゲインαは、前記モータモデルと実速度の差の０〜１００％までの範囲で、停止時の位置偏差が０となるように調整を行う。調整ゲインが０の場合は実速度を使用し、調整ゲインが１００％の場合はモデル速度を使用することになるので、これらの間の任意の値を設定する。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、モータのトルク指令とモータモデルからモータの推定速度を演算し、この推定速度とモータの実速度との差を外乱推定速度信号として調整ゲインを乗じて速度制御手段の積分要素と比例要素との間にフィードバックすることにより、モータ制御を行うようにしている。このため、パラメータは調整ゲインのみであり、これを調整するだけで最適なモータ速度制御が可能となる。また、振動成分だけを除去するという従来の制振制御とは異なり、実際のモータとモータモデルとの差として現れる振動および外乱等を推定できるため、運転状態から停止状態になったときに最後の１パルスでモータが振動することを抑制することができる。これにより、制振制御に比べてパラメータの数が少なく、振動周波数を調べて、調整するようなことがないので、調整も容易である。
また、調整ゲインは前記モータモデルと実速度の差の０〜１００％までの値を設定すればよく、調整の範囲を限定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るモータの速度制御装置を示すブロック図である。
【図２】従来の速度ＩＰ位置Ｐ制御によるシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図３】従来の制振制御を用いた場合のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図４】本発明のモータ速度制御装置を用いた場合のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図５】本発明のモータ速度制御装置でモータモデルのイナーシャをモータイナーシャのみとした場合のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図６】従来の速度ＩＰ制御の周波数特性を示すグラフである。
【図７】従来の制振制御を付加した場合の周波数特性を示すグラフである。
【図８】本発明のモータ速度制御系における周波数特性を示すグラフである。
【図９】従来の制振制御の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…速度外乱推定装置
２…モータモデル
３…エンコーダパルス換算器
４…モータ回転位置フィードバック信号
５…ゲイン調整器
６…速度外乱推定値
７…モータ速度フィードバック信号
８…速度指令
９…速度制御器の積分器
１０…速度制御器の比例器
１１…トルクフィルタ
１２…Ｄ／Ａ変換器
１３…負荷装置
１４…モータ
１５…積分器
１６…エンコーダ
１７…差分演算器
３１，３２，３３，３４  減算器
【図１】
2004201383.tif 000003
【図２】
2004201383.tif 000004
【図３】
2004201383.tif 000005
【図４】
2004201383.tif 000006
【図５】
2004201383.tif 000007
【図６】
2004201383.tif 000008
【図７】
2004201383.tif 000009
【図８】
2004201383.tif 000010
【図９】
2004201383.tif 000011