(57)【要約】【課題】２自由度系のサーボ制御においてパラメータ調整を容易に行うことができるとともに安定したモータの動作制御を実現することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】フィードバック部２０とフィードフォワード部１０とを備えた２自由度系のモータ制御装置において、擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする比例アンプ１１、擬似速度信号を入力してモデル速度信号ωｓを出力する制御対象モデル回路１２と、擬似速度信号を微分する微分部１３と、モデル速度信号を積分する積分部１４とでフィードフォワード部１０を構成し、フィードフォワード信号（ｒｆ、ωｆ、Ｔｒｆ）をフィードバック部２０に出力する。フィードフォワード部１０を１次遅れ系で構成することができ、パラメータ調整を容易に行うことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷機構を駆動するモータを指令信号発生手段が発生する位置指令信号に従って制御するモータ制御装置であって、
前記モータの回転角および回転速度を検出して回転角信号および回転速度信号を出力する検出手段と、
前記位置指令信号を入力してフィードフォワードトルク信号、フィードフォワード速度信号およびフィードフォワード位置信号を出力することにより前記モータをフィードフォワード制御するフィードフォワード部と、
前記フィードフォワード位置信号を正の要素として含み前記回転角信号を負の要素として含む補償位置指令信号を入力して仮補償速度指令信号を出力する位置制御手段と、前記フィードフォワード速度信号および前記仮補償速度指令信号を正の要素として含み前記回転速度信号を負の要素として含む補償速度指令信号を入力して仮補償トルク指令信号を出力する速度制御手段と、前記フィードフォワードトルク信号および前記仮補償トルク指令信号を正の要素として含む補償トルク指令信号に基づいて前記モータの回転トルクを制御するトルク制御手段とで構成され前記モータをフィードバック制御するフィードバック部とを備え、
前記位置指令信号を正の要素として含み前記フィードフォワード位置信号を負の要素として含む擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする定数倍手段と、前記擬似速度信号を入力してモデル速度信号を出力することにより前記モータおよび前記負荷部の動作を模擬する制御対象モデル模擬手段と、前記擬似速度信号を微分する微分手段と、前記モデル速度信号を積分する積分手段とで前記フィードフォワード部を構成し、
前記微分手段の出力を前記フィードフォワードトルク指令信号とし、前記制御対象モデル速度信号を前記フィードフォワード速度信号とし、前記積分手段の出力を前記フィードフォワード位置信号として出力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
負荷機構を駆動するモータを指令信号発生手段が発生する位置指令信号に従って制御するモータ制御方法であって、
前記モータの回転角および回転速度を検出して回転角信号および回転速度信号を出力する検出手段と、前記位置指令信号を入力してフィードフォワードトルク信号、フィードフォワード速度信号およびフィードフォワード位置信号を出力することにより前記モータをフィードフォワード制御するフィードフォワード部と、前記フィードフォワード位置信号を正の要素として含み前記回転角信号を負の要素として含む補償位置指令信号を入力して仮補償速度指令信号を出力する位置制御手段と、前記フィードフォワード速度信号および前記仮補償速度指令信号を正の要素として含み前記回転速度信号を負の要素として含む補償速度指令信号を入力して仮補償トルク指令信号を出力する速度制御手段と、前記フィードフォワードトルク信号および前記仮補償トルク指令信号を正の要素として含む補償トルク指令信号に基づいて前記モータの回転トルクを制御するトルク制御手段とで構成され前記モータをフィードバック制御するフィードバック部とを備え、前記位置指令信号を正の要素として含み前記フィードフォワード位置信号を負の要素として含む擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする定数倍手段と、前記擬似速度信号を入力してモデル速度信号を出力することにより前記モータおよび前記負荷部の動作を模擬する制御対象モデル模擬手段と、前記擬似速度信号を微分する微分手段と、前記モデル速度信号を積分する積分手段とで前記フィードフォワード部を構成したモータ制御装置を用い、
前記微分手段の出力を前記フィードフォワードトルク指令信号とし、前記制御対象モデル速度信号を前記フィードフォワード速度信号とし、前記積分手段の出力を前記フィードフォワード位置信号として出力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】
本発明は、駆動対象の負荷機構に連結されたモータの駆動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ものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品実装用装置などにおいて、各種の作業動作を行う負荷機構の駆動手段としてサーボモータが多用されている。これらのサーボモータの動作を制御するモータ制御装置には、モータの回転をフィードバック制御するフィードバック部に加えて、負荷機構系の特性に起因する不正規動作をうち消すためのフィードフォワード制御を行うフィードフォワード部を付加した２自由度系の制御装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−４６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の２自由度系のモータ制御装置においては、フィードバック部、フィードフォワード部のいずれについても調整すべきゲイン等のパラメータが複数存在し、良好な制御状態を実現するためにはこれらのパラメータの組み合わせを適切に設定する必要があった。そしてパラメータ調整が適切に行われていない場合には制御信号が振動的になり、安定したモータの動作制御が困難であった。
【０００４】
そこで本発明は、２自由度系のサーボ制御においてパラメータ調整を容易に行うことができるとともに安定したモータの動作制御を実現することができるモータ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】
【０００５】
本発明のモータ制御装置は、負荷機構を駆動するモータを指令信号発生手段が発生する位置指令信号に従って制御するモータ制御装置であって、前記モータの回転角および回転速度を検出して回転角信号および回転速度信号を出力する検出手段と、前記位置指令信号を入力してフィードフォワードトルク信号、フィードフォワード速度信号およびフィードフォワード位置信号を出力することにより前記モータをフィードフォワード制御するフィードフォワード部と、前記フィードフォワード位置信号を正の要素として含み前記回転角信号を負の要素として含む補償位置指令信号を入力して仮補償速度指令信号を出力する位置制御手段と、前記フィードフォワード速度信号および前記仮補償速度指令信号を正の要素として含み前記回転速度信号を負の要素として含む補償速度指令信号を入力して仮補償トルク指令信号を出力する速度制御手段と、前記フィードフォワードトルク信号および前記仮補償トルク指令信号を正の要素として含む補償トルク指令信号に基づいて前記モータの回転トルクを制御するトルク制御手段とで構成され前記モータをフィードバック制御するフィードバック部とを備え、前記位置指令信号を正の要素として含み前記フィードフォワード位置信号を負の要素として含む擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする定数倍手段と、前記擬似速度信号を入力してモデル速度信号を出力することにより前記モータおよび前記負荷部の動作を模擬する制御対象モデル模擬手段と、前記擬似速度信号を微分する微分手段と、前記モデル速度信号を積分する積分手段とで前記フィードフォワード部を構成し、前記微分手段の出力を前記フィードフォワードトルク指令信号とし、前記制御対象モデル速度信号を前記フィードフォワード速度信号とし、前記積分手段の出力を前記フィードフォワード位置信号として出力する。
【０００６】
本発明のモータ制御方法は、負荷機構を駆動するモータを指令信号発生手段が発生する
位置指令信号に従って制御するモータ制御方法であって、前記モータの回転角および回転速度を検出して回転角信号および回転速度信号を出力する検出手段と、前記位置指令信号を入力してフィードフォワードトルク信号、フィードフォワード速度信号およびフィードフォワード位置信号を出力することにより前記モータをフィードフォワード制御するフィードフォワード部と、前記フィードフォワード位置信号を正の要素として含み前記回転角信号を負の要素として含む補償位置指令信号を入力して仮補償速度指令信号を出力する位置制御手段と、前記フィードフォワード速度信号および前記仮補償速度指令信号を正の要素として含み前記回転速度信号を負の要素として含む補償速度指令信号を入力して仮補償トルク指令信号を出力する速度制御手段と、前記フィードフォワードトルク信号および前記仮補償トルク指令信号を正の要素として含む補償トルク指令信号に基づいて前記モータの回転トルクを制御するトルク制御手段とで構成され前記モータをフィードバック制御するフィードバック部とを備え、前記位置指令信号を正の要素として含み前記フィードフォワード位置信号を負の要素として含む擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする定数倍手段と、前記擬似速度信号を入力してモデル速度信号を出力することにより前記モータおよび前記負荷部の動作を模擬する制御対象モデル模擬手段と、前記擬似速度信号を微分する微分手段と、前記モデル速度信号を積分する積分手段とで前記フィードフォワード部を構成したモータ制御装置を用い、前記微分手段の出力を前記フィードフォワードトルク指令信号とし、前記制御対象モデル速度信号を前記フィードフォワード速度信号とし、前記積分手段の出力を前記フィードフォワード位置信号として出力する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、位置指令信号を正の要素として含む擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする定数倍手段と、擬似速度信号を入力して制御対象モデル速度信号を出力することによりモータおよび負荷部の動作を模擬する制御対象モデル回路と、擬似速度信号を微分する微分手段と、制御対象モデル速度信号を積分する積分手段とでフィードフォワード部を構成し、微分手段の出力をフィードフォワードトルク指令信号とし、モデル速度信号をフィードフォワード速度信号とし、積分手段の出力をフィードフォワード位置信号として出力する構成を採用することにより、パラメータ調整を容易に行うことができるとともに安定したモータの動作制御を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態のモータ制御装置の負荷機構の構成説明図、図２は本発明の一実施の形態のモータ制御装置の制御システムの構成を示すブロック線図、図３は本発明の一実施の形態のモータ制御装置の制御システムの伝達関数を示すブロック線図である。
【０００９】
まずモータ制御装置の制御対象となる負荷機構について、図１を参照して説明する。図１は、電子部品実装装置などに用いられる直交テーブル機構を示しており、Ｘ軸テーブル１、Ｙ軸テーブル２はそれぞれモータＭＸ、ＭＹを駆動源とするボールねじを用いた直動機構である。Ｘ軸テーブル１はＹ軸テーブル２によってＹ方向に駆動され、作業ヘッド３はＹ軸テーブル２によってＹ方向に駆動される。Ｘ軸テーブル１、Ｙ軸テーブル２を駆動することにより、作業ヘッド３はＸＹ方向に移動し、所定の作業動作を行う。
【００１０】
モータＭＸ、ＭＹはそれぞれ本体制御装置６から出力された制御指令信号に従ってモータコントローラ４のモータドライバ５Ｘ、５Ｙによって駆動され、制御動作時にはモータＭＸ、ＭＹに備えられたエンコーダＥＸ、ＥＹから出力されるフィードバックパルスがモータドライバ５Ｘ、５Ｙに伝達される。
【００１１】
上述の負荷機構においては、Ｘ軸テーブル１はＹ軸テーブル２に片持ち支持状態で駆動されることから、モータＭＹの制御においては加減速時の機械的振動などの影響を受け易
く、安定した高精細の制御動作を実現することが難しい。本実施の形態に示すモータ制御装置においては、このような負荷機構を安定して制御することを目的として、以下に説明するような構成を採用している。
【００１２】
次に図２を参照して、モータ制御装置の構成を説明する。図２において、指令信号発生回路７は、図１に示す本体制御装置６の位置指令機能であり、作業ヘッド３による作業動作におけるモータＭＸ、ＭＹ（以下、モータＭで代表する）に対する位置指令信号ｒを発生する。位置指令信号ｒはフィードフォワード部１０に対して出力され、この位置指令信号ｒに従って制御対象部１５のモータＭが駆動される。
【００１３】
制御対象部１５は、図１に示すモータＭによる駆動系を示しており、エンコーダＥＸ、ＥＹに相当する検出器１６およびＸ軸テーブル１、Ｙ軸テーブル２の機構部に相当する負荷機構１７によって構成される。検出器１６は、モータＭの回転角および回転速度を検出して、回転角信号ｒＭおよび回転速度信号ωＭを出力する検出手段となっている。
【００１４】
フィードフォワード部１０は位置指令信号ｒを入力して、フィードフォワード位置信号ｒｆ、フィードフォワード速度信号ωｆおよびフィードフォワードトルク信号Ｔｒｆを出力することにより、モータＭをフィードフォワード制御する。以下に説明するフィードバック部２０によるモータＭの制御においては、フィードフォワード部１０から出力される上述の各フィードフォワード信号（ｒｆ、ωｆ，ＴＲｆ）に基づいて、モータＭの動作がフィードバック制御される。
【００１５】
フィードバック部２０は、位置制御回路２１、速度制御回路２２、トルク制御回路２３を直列に接続して構成されており、フィードフォワード部１０からのフィードフォワード信号に基づいてモータＭをフィードバック制御する。位置制御回路２１は、フィードフォワード部１０から渡されるフィードフォワード位置信号ｒｆと検出器６からフィードバックされる回転角信号ｒＭとの差信号（矢印ｅ）を入力して、仮補償速度信号（矢印ｆ）を出力する。
【００１６】
速度制御回路２２は、フィードフォワード部１０から渡されるフィードフォワード速度信号ｗｆおよび仮補償速度信号を加算した和信号と、検出器６からフィードバックされる回転速度信号ωＭとの差信号（矢印ｇ）を入力して、仮補償トルク指令信号（矢印ｈ）を出力する。トルク制御回路２３は、フィードフォワード部１０から渡されるフィードフォワードトルク信号Ｔｒｆと速度制御回路２２から出力される仮補償トルク指令信号を加算した補償トルク指令信号（矢印ｉ）に基づき、モータトルク信号ＴＭをモータＭに対して出力する。ここでは、トルク制御回路２３としてゲインが１倍の比例アンプが用いられている（図３参照）。
【００１７】
したがって位置制御回路２１は、フィードフォワード位置信号ｒｆを正の要素として含み回転角信号ｒＭを負の要素として含む補償位置指令信号を入力して、仮補償速度指令信号を出力する位置制御手段となっており、また速度制御回路２２は、フィードフォワード速度信号ωｆおよび仮補償速度指令信号を正の要素として含み、回転速度信号ωＭを負の要素として含む補償速度指令信号を入力して仮補償トルク指令信号を出力する速度制御手段に相当する。そしてトルク制御回路２３は、フィードフォワードトルク信号Ｔｒｆおよび仮補償トルク指令信号をいずれも正の要素として含む補償トルク指令信号に基づいて、モータＭの回転トルクを制御するトルク制御手段となっている。
【００１８】
次に、フィードフォワード部１０を構成する各部の機能を説明する。指令信号発生回路７からの位置指令信号ｒは、後述するモデル速度信号を積分した積分信号（矢印ｄ）を負の要素として加算されて、比例アンプ１１に擬似位置指令信号（矢印ａ）として入力され
る。比例アンプ１１は入力された擬似位置指令信号をゲインＫに比例させた定数倍信号（矢印ｂ）として出力する。ここで出力された定数倍信号は擬似速度信号としての意味合いを有しており、制御対象モデル回路１２に入力される。すなわち比例アンプ１１は、位置指令信号ｒを正の要素として含む擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする定数倍手段となっている。
【００１９】
制御対象モデル回路１２はこの擬似速度信号を対象として演算を行うことにより、モータＭおよび負荷機構１７の動作応答をシミュレーションする機能を有している。すなわち制御対象モデル回路１２は、擬似速度信号を入力して制御対象モデル速度信号ωｓを出力することにより、モータＭおよび負荷機構１７の動作を模擬する制御対象モデル模擬手段となっている。ここでは制御対象モデル回路１２としてゲインが１／Ｊｍの比例アンプが用いられており（図３参照）、擬似速度信号を１／Ｊｍ倍した信号がモデル速度信号ωｓとして出力される。
【００２０】
そして制御対象モデル回路１２から出力されたモデル速度信号（矢印ｃ）は、積分部１４（積分手段）によって積分されてモデル位置信号ｒｓとして出力される。そしてモデル位置信号ｒｓがフィードフォワード位置信号ｒｆとしてフィードバック部２０に渡されるとともに、位置指令信号に負の要素として加算される。また比例アンプ１１の出力は、微分部１３（微分手段）によって微分されて、フィードフォワードトルク信号Ｔｒｆとしてフィードバック部２０に渡される。
【００２１】
すなわち上記構成においては、位置指令信号ｒｓを正の要素として含む擬似位置指令信号を定数倍して擬似速度信号とする定数倍手段と、擬似速度信号を微分する微分手段と、モデル速度信号を積分する積分手段とでフィードフォワード部１０を構成するようにしている。そして微分手段の出力をフィードフォワードトルク指令信号Ｔｒｆとし、モデル速度信号ωｓをフィードフォワード速度信号ωｆとし、積分手段の出力をフィードフォワード位置信号ｒｆとして出力するようにしている。
【００２２】
次に制御動作について、図３および制御系の伝達関数を参照して説明する。図３に示すように、フィードフォワード部１０の比例アンプ１１、制御対象モデル回路１２は、比例ゲインがそれぞれＫ，１／Ｊｍの比例要素であり、微分部１３は微分要素、積分部１４は積分要素となっている。フィードバック部２０を構成する位置制御回路２１、トルク制御回路２３および制御対象負荷部１５は、比例ゲインがそれぞれＫｐ２，１，１／ＪＬの比例要素である。ここでＪＬは、制御対象部１５の慣性モーメントである。速度制御回路２２は、Ｋｖ２×（１＋１／ＴｉＳ）として、比例要素と積分要素で示される。ここで、Ｔｉは積分時定数である。
【００２３】
ここで図３中、矢印ｄで示すモデル位置信号ｒｓの波形は、位置指令信号ｒに従って位置信号の波形となる。そして矢印ｃにおける信号の波形は、モデル位置信号ｒｓを微分した波形であることから、速度に対応した波形となる。さらに、矢印ｂにおける信号の波形は、矢印ｃにおける信号の波形をＪｍ倍した波形であり、この波形を微分部１３によって微分した波形であるＴｒｆは、トルクに対応した波形となる。
【００２４】
すなわちフィードフォワード部１０からフィードバック部２０の位置制御回路２１、速度制御回路２２、トルク制御回路２３に対して渡されるフィードフォワード信号（ｒｆ、ωｆ、ＴＲｆ）としては、上述のように制御対象のモデル位置信号ｒｓ、制御対象のモデル速度信号ωｓ、および比例アンプ１１の出力を微分部１３で微分した信号をそれぞれ用いればよいこととなる。
【００２５】
ここで上述構成の制御系の挙動について、（数１）に示す伝達関数を参照して説明する
。（数１）の（１）式は、モータ回転角信号ｒＭを、位置指令応答の伝達関数Ｇ１（ｓ）、外乱応答の伝達関数Ｇ２（ｓ）、位置指令信号ｒおよび制御対象負荷部１５に作用する外乱ｄを用いて表わしたものである。Ｇ１（ｓ）、Ｇ２（ｓ）はそれぞれ（２）式、（３）式によって表わすことができるので、位置指令応答と外乱応答とを別々に調整できる２自由度系である。なお、位置指令応答は、フィードフォワード部１０で決定され、外乱応答はフィードバック部２０で決定される。
【数１】
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【００２６】
ここで、制御対象部１５の動作特性のシミュレーションを行うフィードフォワード部１０の制御対象モデル回路１２が適正に設定された状態を考えると、Ｊｍ＝ＪＬとみなすことができる。そして（３）式においてＪｍ＝ＪＬとおくことにより、Ｇ１（ｓ）は（４）式で示す簡略な形で表わされる。（４）式から判るように、ここではＧ１（ｓ）は、１次遅れ系のサーボ制御に対応したものとなっている。
【００２７】
したがって、フィードフォワード部１０のパラメータ、すなわち比例アンプ１１のゲインＫの値の如何に拘らず、フィードフォワード部１０によってフィードバック部２０に出力されるフィードフォワードトルク信号Ｔｒｆは振動的にはならず、短い整定時間で速やかに収束する良好な応答特性が得られる。またこの場合、フィードフォワード部１０において調整を必要とするパラメータは上述のゲインＫのみであることから、調整作業を大幅に簡略化することができる。
【００２８】
このように、フィードバック部２０とフィードフォワード部１０を備えた２自由度系のモータ制御装置において、フィードフォワード部１０を上記構成とすることにより、制御系のハード構成を簡略化してコスト削減が可能となるとともに、制御時の計算量を削減して制御負荷を減少させることができる。さらに調整が必要なパラメータの数を減少させ、制御システムの設定時の調整作業を容易に行うことができる。
【００２９】
なお、上述したモータ制御装置が、さらに制御対象モデル回路１２によって得られる状態変数を適正なゲインでフィードフォワード部１０へ状態フィードバックさせる状態フィ
ードバック部（図示せず）を備えてもよい。ここで状態変数とは、実負荷を模擬した制御対象モデル回路１２における各質点の位置、速度、加速度等の変数をいう。これにより、さらに安定したモータの動作制御を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明のモータ制御装置は、パラメータ調整を容易に行うことができるとともに安定したモータの動作制御を実現することができるという効果を有し、電子部品実装用装置などの負荷機構の駆動手段として用いられるサーボモータの動作制御に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態のモータ制御装置の負荷機構の構成説明図
【図２】本発明の一実施の形態のモータ制御装置の制御システムの構成を示すブロック線図
【図３】本発明の一実施の形態のモータ制御装置の制御システムの伝達関数を示すブロック線図
【符号の説明】
【００３２】
４  モータコントローラ
５Ｘ，５Ｙ  モータドライバ
６  本体制御装置
７  指令信号発生回路
１０  フィードフォワード部
１１  比例アンプ
１２  制御対象モデル回路
１３  微分部
１４  積分部
１５  制御対象負荷部
２０  フィードバック部
２１  位置制御回路
２２  速度制御回路
２３  トルク制御回路
ｒ  位置指令信号
ｒｓ  モデル位置信号
ωｓ  モデル速度信号
ｒｆ  フィードフォワード位置信号
ωｆ  フィードフォワード速度信号
Ｔｒｆ  フィードフォワードトルク信号
ｒＭ  回転角信号
ωＭ  回転速度信号
ＴＭ  モータトルク信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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