(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令とモータ位置を入力し位置指令にモ−タ位置が一致するようにトルク指令Aを決定する位置制御部と、
前記トルク指令Aを入力しフィルタを通してトルク指令Bを決定するトルクフィルタ部と、
前記トルク指令Bを入力してノッチフィルタを通しトルク指令Cを出力するノッチフィルタ部と、
前記トルク指令Cを入力し電流指令に変換してモ−タ電流が電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、
モータとモータの位置を検出する検出器と、
モータで駆動されるメカ部とを備え、
前記位置制御部内の制御ゲインを1つのパラメータkgに基づいて自動的に決定する制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置において、
同じ位置指令パタンを繰り返し前記位置制御部に入力し、前記位置制御部内の位置偏差を変数とする所定の評価関数Eの値を試行ごとにモニタし、前記ノッチフィルタを使用しない状態で、試行ごとに前記パラメータkgを上げていき、現試行ｉでの評価関数Eiが1試行前の値Ei-1より大きくなった場合は1試行前のパラメータkgの値を基に前記位置制御部内の制御ゲインを決定する第１ステップと、
第１ステップで決定された制御ゲインを用いて、ノッチフィルタを使用する状態で試行ごとにノッチフィルタのノッチ周波数fcを高周波から下げていき、現試行時の評価関数Eiが1試行前の値Ei-1より大きくなった場合は1試行前のノッチ周波数fcをノッチフィルタの設定値とし，再び第１ステップと同様に、評価関数を基に前記パラメータkgを決定することによりノッチ周波数fcと、前記パラメータkg値と、kg値を基に前記位置制御部内の制御ゲインを決定するする第２ステップと、
第２ステップで設定されたノッチフィルタを使用した状態で、前記ノッチフィルタの帯域幅を設定する変数Ｑ値を現在のＱ値よりも大きくすることにより帯域幅を狭くし、再び第１ステップと同様に評価関数を基に前記パラメータkgを上げ、現試行時の評価関数Eiが1試行前の値Ei-1より大きくなった場合は、前記変数Ｑ値を現在のＱ値よりもさらに大きくし、前記パラメータkgを上げることにより，評価関数Eiが最小でパラメータkgが最大となるような変数Ｑとパラメータkgを探すサイクルを繰り返すことにより、ノッチフィルタの変数Ｑ値と、前記パラメータkg値と、kg値を基に前記位置制御部内の制御ゲインを決定する第３ステップと、
を備えることを特徴とする制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置。
【請求項２】
前記評価関数Ｅに関しては、現試行における所定の区間[a,b]内で、サンプリング周期tsのα倍（αは自然数）の間隔で位置偏差を取得し、位置偏差の符号が反転するまでの最大値MAX1とその時刻を記憶し、位置偏差の符号が反転した場合は、次に反転するまでの最大値MAX2とその時刻を記憶し、それぞれの時刻の差であるΔｔを算出し、次に位置偏差の符号が反転した場合は、次に反転するまでの最大値MAX1とその時刻を記憶し、それぞれの時刻の差であるΔｔを算出するという過程を繰り返し行い、現試行における以下の評価関数Ｅ
【数１】
0004696406.tif 000005
（ここで、Ｗｎは予め設定した重み関数である）
とすることを特徴とする請求項１記載の制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置。
【請求項３】
前記ノッチフィルタのノッチ周波数から低い方のノッチフィルタのゲインの-3dBダウンの周波数が、前記トルクフィルタのゲインが-3dBダウンするカットオフ周波数より大きい値になるように、前記ノッチフィルタの帯域幅を表すＱ値を決定することを特徴とする請求項１記載の制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置。
【請求項４】
実際のメカを接続した状態で、トルク指令からモータ速度までの周波数応答関数を予め測定し、１デカード-20dBダウンするゲイン線図の直線から、実際に求められたゲイン線図の値が大きい方にずれている周波数を目安にして、前記ノッチフィルタのノッチ周波数を設定することを特徴とする請求項１記載の制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モ−タ、ロボット、工作機械および半導体製造装置等のモータ制御装置、特に制御パラメータのチューニング方法に関する．
【０００２】
【従来の技術】
制御ゲインをチューニングする装置として、例えば、特願2000-209152において本出願人が提案したモータ制御装置がある。この装置は、図５に示すように、ワンパラメータチューニング部１１８より制御パラメータを出力するように構成されているが、目標応答周波数ωｆ＝メインパラメータＫｇとして、補助ゲインＫｐ、Ｋｄ、Ｋｉ、トルクフィルタ定数ｔｆ、電流ループゲインＫａ、電流積分時定数ｔａ、ローパスフィルタｔｖを設定する第１の方法と、イナーシャ補正ゲインＪＣＯＭを用いてメインパラメータＫｇ＝ωｆ／ＪＣＯＭより求める第２の方法と、モータ側イナーシャＪ１を用いてメインパラメータＫｇ＝ωｆ／Ｊ１より求める第３の方法などによって、１つの制御パラメータを基準にして、位置制御部、トルクフィルタ部、電流制御部などの複数の制御パラメータをバランスよく簡単に調整できて、安定性を確保した上で位置応答を向上できるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記従来例では，基準となる1つの制御パラメータを変えた場合、変えた後の応答が変える前に比べて良くなったか、悪くなったかを判断する機能がないため、その判断を人が行うことによって最適な制御ゲインを探索しなければならないという問題があった。
そこで、本発明は、制御ゲインを変えた場合の応答を自動的に判断する機能と最適な制御ゲインを探索する機能を備えることにより、まったく人の手を煩わせることのない制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、位置指令とモータ位置を入力し位置指令にモ−タ位置が一致するようにトルク指令Aを決定する位置制御部と、前記トルク指令Aを入力しフィルタを通してトルク指令Bを決定するトルクフィルタ部と、前記トルク指令Bを入力してノッチフィルタを通しトルク指令Cを出力するノッチフィルタ部と、前記トルク指令Cを入力し電流指令に変換してモ−タ電流が電流指令に一致するように電流制御を行いモータを駆動する電流制御部と、モータとモータの位置を検出する検出器と、モータで駆動されるメカ部とを備え、前記位置制御部内の制御ゲインを1つのパラメータkgに基づいて自動的に決定する制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置において、同じ位置指令パタンを繰り返し前記位置制御部に入力し、前記位置制御部内の位置偏差を変数とする所定の評価関数Eの値を試行ごとにモニタし、前記ノッチフィルタを使用しない状態で、試行ごとに前記パラメータkgを上げていき、現試行ｉでの評価関数Eiが1試行前の値Ei-1より大きくなった場合は1試行前のパラメータkgの値を基に前記位置制御部内の制御ゲインを決定する第１ステップと、第１ステップで決定された制御ゲインを用いて、ノッチフィルタを使用する状態で試行ごとにノッチフィルタのノッチ周波数fcを高周波から下げていき、現試行時の評価関数Eiが1試行前の値Ei-1より大きくなった場合は1試行前のノッチ周波数fcをノッチフィルタの設定値とし，再び第１ステップと同様に、評価関数を基に前記パラメータkgを決定することによりノッチ周波数fcと、前記パラメータkg値と、kg値を基に前記位置制御部内の制御ゲインを決定するする第２ステップと、第２ステップで設定されたノッチフィルタを使用した状態で、前記ノッチフィルタの帯域幅を設定する変数Ｑ値を現在のＱ値よりも大きくすることにより帯域幅を狭くし、再び第１ステップと同様に評価関数を基に前記パラメータkgを上げ、現試行時の評価関数Eiが1試行前の値Ei-1より大きくなった場合は、前記変数Ｑ値を現在のＱ値よりもさらに大きくし、前記パラメータkgを上げることにより，評価関数Eiが最小でパラメータkgが最大となるような変数Ｑとパラメータkgを探すサイクルを繰り返すことにより、ノッチフィルタの変数Ｑ値と、前記パラメータkg値と、kg値を基に前記位置制御部内の制御ゲインを決定する第３ステップと、を備えることを特徴としている。
【０００５】
また、請求項２に記載の発明は、前記評価関数Ｅに関しては，現試行における所定の区間[a,b]内で、サンプリング周期tsのα倍（αは自然数）の間隔で位置偏差を取得し、位置偏差の符号が反転するまでの最大値MAX1とその時刻を記憶し、位置偏差の符号が反転した場合は、次に反転するまでの最大値MAX2とその時刻を記憶し、それぞれの時刻の差であるΔｔを算出し、次に位置偏差の符号が反転した場合は、次に反転するまでの最大値MAX1とその時刻を記憶し、それぞれの時刻の差であるΔｔを算出するという過程を繰り返し行い、現試行における以下の評価関数Ｅ
【数２】
0004696406.tif 000002
（ここで、Ｗｎは予め設定した重み関数である）
とすることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は，前記ノッチフィルタのノッチ周波数から低い方のノッチフィルタのゲインの-3dBダウンの周波数が、前記トルクフィルタのゲインが-3dBダウンするカットオフ周波数より大きい値になるように、前記ノッチフィルタの帯域幅を表すＱ値を決定することを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、実際のメカを接続した状態で、トルク指令からモータ速度までの周波数応答関数を予め測定し、１デカード-20dBダウンするゲイン線図の直線から、実際に求められたゲイン線図の値が大きい方にずれている周波数を目安にして、前記ノッチフィルタのノッチ周波数を設定することを特徴としている。
【０００６】
この制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置によれは、先ず、第１ステップで、ノッチフィルタを使用しない状態で評価関数Ｅにより評価された、位置制御部内の制御ゲインを決定した後、第２ステップとして、メカ振動を抑制するために挿入されるノッチフィルタを追加した状態で、評価関数Ｅにより評価されたノッチフィルタのノッチ周波数ｆｃを求めて、再び、制御ゲインを決定し、更に、第３ステップとして、評価関数Ｅが最小でパラメータＫｇが最大となるような変数ＱとパラメータＫｇを探索する作業を行ってノッチフィルタの帯域幅Ｑを求め、最終的な制御ゲインを決定することで、位置制御部内の制御ゲインを１つのパラメータＫｇに基づいて自動的に決定する機能を備えたモータ制御装置で、メカ振動を抑えるためのノッチフィルタを追加して、制御ゲインを変えたような場合にも、評価関数により応答を自動的に判断して最適な制御ゲインを探索・決定することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置の処理のフローチャートである。
図２は図１に示すモータ制御装置のブロック図である。
図３は図１に示す評価関数の説明図である。
図４は図２に示す位置制御部、トルクフィルタ部、ノッチフィルタ部、電流制御部、モータ、検出器の詳細を示すブロック図である。
図１において、１１は本発明の第１ステップを表しており、第１ステップではノッチフィルタを入れない状態で、位置偏差Peを変数とする以下の評価関数Eが最小となるようなパラメータkgの最大値を探索する。
【数３】
0004696406.tif 000003
ここで、Ｗｎは予め設定した重み関数であり、例えば、位置指令が変化する場合としない場合とで、重みを変えることが可能である。
また、（１）式は図３に示すように、現試行における所定の区間[a,b]内で、サンプリング周期tsのα倍（αは自然数）の間隔で位置偏差を取得し、位置偏差の符号が反転するまでの最大値MAX1とその時刻を記憶し、位置偏差の符号が反転した場合は、次に反転するまでの最大値MAX2とその時刻を記憶し、それぞれの時刻の差であるΔｔを算出し、次に位置偏差の符号が反転した場合は、次に反転するまでの最大値MAX1とその時刻を記憶し、それぞれの時刻の差であるΔｔを算出するという過程を繰り返し行うことにより実現される．
最初にパラメータkgを基準にして、図２に示す位置制御部２２、トルクフィルタ部２３および電流制御部２５内の制御ゲインを仮設定し、評価関数Eの現試行ｉでの値E(i)が1試行前の値E(i-1)より大きくなった場合は1試行前のパラメータkgの値を基に位置制御部、トルクフィルタ部２３および電流制御部２５内の制御ゲインを決定する。
１２は本発明の第２ステップを表しており、第２ステップでは、ノッチフィルタ部２４を入れた状態で、評価関数Eが最小となるようなノッチ周波数fcを探索し、さらに、評価関数Eが最小となるようなパラメータkgの最大値を探索する。ここでは、第１ステップで決定した制御ゲインを用いて、ノッチ周波数fcを最大値（例えば2ｋHz）から下げていき、評価関数Eの現試行ｉでの値E(i)が1試行前の値E(i-1)より大きくなった場合は1試行前のノッチ周波数fcを設定値とし、再び、評価関数Eが最小となるようなパラメータkgの最大値を探索する。
第３ステップは、第２ステップで決定されたノッチフィルタ２４を入れた状態で、ノッチフィルタ２４の帯域幅を設定できるＱ値を変えるとともに、評価関数Eが最小となるようなパラメータkgの最大値を探索する。ここで、ノッチフィルタ２４は以下の（２）式を実現しており、ωｎはノッチ周波数fcである。
【数４】
0004696406.tif 000004
（２）式で表されるノッチフィルタ２４のＱ値を、例えば、0.1づつ大きくして、第１ステップと同様に評価関数が最小になるようなkgの値を探索する。Ｑ値を大きくしても評価関数E値が最小であるkg値が大きくならない場合は第３ステップを終了する。
【０００８】
次に、本発明を適用するモータ制御装置について図２を用いて説明する。図に２おいて、２１は位置指令Prefを出力する指令発生部、２２は位置指令Prefと検出されたモータの位置信号Pfbを入力してトルク指令Trefを出力し、２つの入力信号が一致するようにモータ２４の位置制御をする位置制御部、２３はトルク指令Trefを受けてフィルタをかけるトルクフィルタ部、２４はトルクフィルタ部の出力であるトルク指令のノッチフィルタを通すノッチフィルタ部、２５はノッチフィルタ部の出力であるトルク指令Trefを受けて電流指令Irに変換し、検出されたモ−タ電流Ifbが電流指令Trに一致するように電流制御を行いモータ２６に電流を供給する電流制御部であり、図５の従来例と異なる構成は、評価関数による応答判断部２ａとノッチフィルタ部２４の追加である。
２７はモータ２６の回転軸に接続するなどして回転軸の回転位置を検出する検出器、２８はモ−タで駆動されるメカ部、２９はワンパラメータチューニング部であり、応答判断部２ａから出力される制御パラメ−タkg、ノッチ周波数Nfc、ノッチフィルタ帯域幅Ｑを入力し、位置制御部２２とトルクフィルタ部２３と、電流制御部２５に最適な制御パラメ−タを、図５に示したような、本出願人が特願2000-209152で提案している方法に基づいて設定すればよい。従って、本発明は、１つのパラメ-タで複数の制御パラメ-タを自動的に決定できるばかりでなく、評価関数Ｅを用いて応答を診断し、制御ゲインを最適に設定することで位置制御応答を自動的に向上させることが可能であり、振動がある場合は、ノッチフィルタのノッチ周波数と帯域幅の最適値を自動的に設定することにより、振動を抑えて、最適な制御ゲインを探索できる。
【０００９】
次に、位置制御部２２と、トルクフィルタ部２３と、ノッチフィルタ部２４と電流制御部２５と、モ−タ２６と検出器２７の詳細について図４を用いて説明する。
図４中、４１は位置指令Prefからモ-タ位置Pfbを減じて位置偏差を出力する減算器、４２は位置偏差にメインパラメータkgの2乗をかける乗算器、４３は乗算器４２の出力に補助ゲインkpをかける乗算器、４４は位置偏差を積分する積分器、４５は積分器４４の出力にメインパラメータkgの3乗をかける乗算器、４６は乗算器４５の出力に補助ゲインkiをかける乗算器、４７は位置偏差に時定数tvのフィルタをかける速度フィルタ、４８は速度フィルタ４７の出力を微分する微分器、４９は微分器４８の出力にメインパラメータkgをかける乗算器、４ａは乗算器４９の出力に補助ゲインkdをかける乗算器、４ｂは乗算器４３と４６と４ａの出力を加える加算器である。
４ｃは加算器４ｂの出力であるトルク指令Aに時定数tfのフィルタを通して新たにトルク指令Bを作成するトルクフィルタ、４ｄはトルク指令Bにノッチ周波数fcで帯域幅がQであるフィルタを通して新たにトルク指令Cを作成するノッチフィルタ、４ｅはトルク指令Cを電流指令に変換する電流変換定数である。４ｆは電流指令Irとモ-タ電流Ifbを減じて電流偏差を出力する減算器、４ｇは電流ル-プゲインkaと電流積分時定数taで構成されるPI制御器であり、電流をモ-タ４ｈに出力する。モ-タ４ｈは抵抗RとインダクタンスLとトルク定数ktと誘起電圧定数keでモデル化している。
以上に示したように、モ-タモデルに表した抵抗R 、インダクタンスL 、トルク定数kt、誘起電圧定数ke、および電流変換定数ka以外の１０個の制御パラメ-タは、ユ-ザが設定しなければならず、それぞれのパラメ-タの整合を取らなければ振動を誘発して、要求仕様を満たせない場合がある。そこで本発明では、メインパラメータkg、補助ゲインkp、補助ゲインki、速度フィルタ時定数tv、補助ゲインkd、トルクフィルタ時定数tfを、本出願人が特願2000-209152で提案している方法に基づいて設定し、さらにノッチ周波数fc、ノッチフィルタ帯域幅Ｑおよびメインパラメータkgを評価関数に基づいて最適値を探索する。なお、抵抗RとインダクタンスLとトルク定数ktと誘起電圧定数keはモ−タ固有の値であり、チュ−ニングする必要はない。
最後に、ノッチフィルタを設定する指針について説明する。実際のメカを接続した状態で、トルク指令からモータ速度までの周波数応答関数を予め測定し、１デカード-20dBダウンするゲイン線図の直線から、実際に求められたゲイン線図の値が大きい方にずれている周波数を目安にして、ノッチフィルタのノッチ周波数を設定し、ノッチフィルタのノッチ周波数から低い方のノッチフィルタのゲインの-3dBダウンの周波数が、トルクフィルタのゲインが-3dBダウンするカットオフ周波数より大きい値になるように、ノッチフィルタの帯域幅Ｑ値を決定することにより、ノッチフィルタとトルクフィルタが干渉することがなく、ノッチフィルタを設定できる。
【００１０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、位置制御部、電流制御部、トルクフィルタ部などの制御パラメータを１つのパラメータで振動することなく設定できるばかりでなく、ノッチフィルタのノッチ周波数と帯域幅を自動的に探索することにより、さらに最適な制御ゲインを設定可能となり、位置決め時間短縮や軌跡追従特性の改善に効果があるばかりでなく、ユーザーにとって難解な複数の制御パラメータおよびノッチフィルタの設定を人の手を全く煩わせることなく、自動的に設定可能な制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置が実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る制御ゲイン探索機能を備えたモータ制御装置の処理のフローチャートである。
【図２】図１に示すモ−タ制御装置のブロック図である。
【図３】図１に示す評価関数の説明図である。
【図４】図２に示す位置制御部、トルクフィルタ部、ノッチフィルタ部、電流制御部、モ−タ、検出器の詳細を示すブロック図である。
【図５】従来のモータ制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１１  第１ステップ
１２  第２ステップ
１３  第３ステップ
２ａ  応答判断部
２１  位置指令部
２２  位置制御部
２３  トルクフィルタ部
２４  ノッチフィルタ部
２５  電流制御部
２６  モータ
２７  検出器
２８  メカ部
２９  ワンパラメータチューニング部
４１  減算器
４２、４３、４５、４６、４９、４ａ  乗算器
４４  積分器
４７  速度フィルタ
４８  微分器
４ｂ  加算器
４ｃ  トルクフィルタ
４ｄ  ノッチフィルタ
４ｅ  電流変換定数
４ｆ  減算器
４ｇ  ＰＩ制御器
４ｈ  モータ
【図１】
0004696406.tif 000006
【図２】
0004696406.tif 000007
【図３】
0004696406.tif 000008
【図４】
0004696406.tif 000009
【図５】
0004696406.tif 000010