(57)【要約】【課題】  オーバーシュートや振動が少なく、外乱の影響を受けにくいモータ制御装置を得ること。【解決手段】  速度指令信号とモータ1の速度検出信号との偏差信号に応じてモータ1を駆動すると共に、偏差信号を比例制御演算と積分制御演算とを行ってモータ駆動指令を生成して出力する速度制御手段７と、速度ループに速度制御手段７と直列に挿入された補償制御手段１２とを備え、補償制御手段１２は、慣性モーメントの最小値となる時の速度ループを開放した速度開ループの第1交差周波数と 慣性モーメントの最大値となる時の速度開ループの第２交差周波数との間の周波数における速度開ループの位相が−１４０度以上となるように設定するモータ制御装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性モーメントが最小値から最大値まで変動する機械負荷にモータが結合され、前記モータを速度指令信号に基づいて駆動制御すると共に、速度ループを有するモータ制御装置において、
前記速度指令信号と前記モータの速度検出信号との偏差信号に応じて前記モータを駆動すると共に、前記偏差信号を比例制御演算と積分制御演算とを行ってモータ駆動指令を生成して出力する速度制御手段と、
前記速度ループに前記速度制御手段と直列に挿入された補償制御手段とを備え、
該補償制御手段は、前記慣性モーメントの最小値となる時の前記速度ループを開放した速度開ループの交差周波数である第1交差周波数と 前記慣性モーメントの最大値となる時の前記速度開ループの交差周波数である第２交差周波数との間の周波数における前記速度開ループの位相が−１４０度以上となるように設定する、
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記補償制御手段は、中間周波数領域で位相が進み、低周波数領域と高周波数領域で位相がほぼゼロとなる位相進み特性を有する位相進みフィルタである、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記慣性モーメントが最小値で制御系が所望の応答特性を有するように前記比例制御演算に用いる比例ゲインと前記積分制御演算に用いる積分ゲインとが設定され、
前記位相進みフィルタは、前記第２交差周波数又は、前記第２交差周波数よりも低い周波数で位相進みが最大となるように設定する、
ことを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記補償制御手段は、前記中間周波数領域での位相が遅れ、前記低周波数領域と前記高周波数領域での位相がほぼゼロとなる位相遅れ特性を持つ位相遅れフィルタである、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記速度制御手段は、前記慣性モーメントが最小値の時に制御系が所望の応答特性を持つように前記比例ゲインが設定され、前記慣性モーメントが最大値の時に制御系が所望の応答特性を有するように前記積分ゲインが設定され、
前記位相遅れフィルタは前記第1交差周波数と前記第２交差周波数との中央付近の周波数で前記位相遅れフィルタの位相遅れが最大となるように設定する、
ことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの制御装置に関し、特にロボットや搬送装置など、モータで駆動する機械負荷の慣性モーメントが動作中に変動するような機械系を駆動制御する場合に好適な制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は従来から一般に用いられているモータ制御装置に用いられる速度制御部の構成を概念的に示したものである。図中、１はモータ、２はモータによって駆動される機械負荷、３はモータ１と機械負荷２を接続する軸である。機械負荷２はモータ１で駆動される機械の可動部分をひとつの慣性負荷としてモデル化したものであり、軸３はモータ１が発生するトルクを機械に伝達する機構をモデル化したものである。４はモータ１に取り付けられ、モータ１の位置を検出する位置検出手段、５は位置検出手段４で検出されたモータ位置を微分することでモータ速度、つまり速度検出信号を生成する速度検出手段である。７は速度制御手段であり、図示しない上位コントローラまたは位置制御部から与えられる速度指令信号と速度検出手段５の出力である速度検出信号(モータ速度)とを入力し、モータ１の駆動指令である電流指令を出力する。８は電流制御手段であり、速度制御手段７の出力である電流指令に基づいてモータ電流を制御することによりモータ１にトルクを発生させ、モータ１を回転させる。
【０００３】
速度制御手段７は比較器６、比例制御器９、積分制御器１０、および、加算器１１から構成される。比較器６は速度制御手段７の入力である速度指令信号とモータ速度とを比較し、両者の差である速度誤差、つまり偏差信号を出力する。比例制御器９は速度誤差に比例ゲインＫＰを乗じて出力し、積分制御器１０は速度誤差の積分値に積分ゲインＫＩを乗じて出力する。加算器１１は比例制御器９の出力と積分制御器１０の出力を加算して、電流指令として出力する。また、１５は機械系であり、モータ１と機械負荷２および軸３から構成される。
【０００４】
従来の速度制御系は上記のように、速度検出手段５、速度制御手段７、電流制御手段８などから速度ループを構成し、モータ速度が速度指令信号に追従するようにモータ１を制御している。
【０００５】
ここで、比例制御器９の比例ゲインＫＰおよび積分制御器１０の積分ゲインＫＩは、機械負荷の慣性モーメントに基づいて、制御系が適切な応答特性を持つように決めるのが一般的である。しかし、動作中に機械負荷の慣性モーメントが変動する場合には、比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩを適切に設定することができない。これにより、オーバーシュートが増加したり、外乱の影響を受け易くなったりするなど、制御性能の低下を招いていた。
【０００６】
機械負荷の慣性モーメントが変動する機械系に対して、動作中に慣性モーメントを推定し、推定した慣性モーメントに基づいて制御ゲインを修正することで高性能な制御を実現する技術が下記の特許文献に開示されている。しかしながら、慣性モーメントを正確に推定するには所定の条件を満たす加速動作あるいは減速動作が必要となるので、ロボットなどで一定速動作中に慣性モーメントが変化する場合には対応できず、期待する制御性能が得られない場合がある。さらに、慣性モーメントの推定は瞬時に行うことができず、ある程度の時間を必要とするので、搬送装置などでワークの有無によって慣性モーメントが不連続に変動する場合には一時的に振動が大きくなるなど制御性能が低下してしまう。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３５２７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記にように、機械負荷の慣性モーメントが動作中に変動するような機械系を駆動制御する場合には、従来の制御装置では比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫＩを適切に設定することができず、オーバーシュートや振動が大きくなり、外乱の影響を受け易くなり制御性能の低下を招くという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、オーバーシュートや振動が少なく、外乱の影響を受けにくいモータ制御装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はこのような問題を解決するため、慣性モーメントが最小値から最大値まで変動する機械負荷にモータが結合され、前記モータを速度指令信号に基づいて駆動制御すると共に、速度ループを有するモータ制御装置において、前記速度指令信号と前記モータの速度検出信号との偏差信号に応じて前記モータを駆動すると共に、前記偏差信号を比例制御演算と積分制御演算とを行ってモータ駆動指令を生成して出力する速度制御手段と、前記速度ループに前記速度制御手段と直列に挿入される補償制御手段とを備え、該補償制御手段は、前記慣性モーメントの最小値となる時の前記速度ループを開放した速度開ループの交差周波数である第1交差周波数と 前記慣性モーメントの最大値となる時の前記速度開ループの交差周波数である第２交差周波数との間の周波数における前記速度開ループの位相が−１４０度以上となるように設定する、ことを特徴とするものである。
【００１１】
好ましくは、補償制御手段は、中間周波数領域で位相が進み、低周波数領域と高周波数領域で位相がほぼゼロとなる位相進み特性を持つ位相進みフィルタである、ことを特徴とするものである。
【００１２】
好ましくは、慣性モーメントが最小値で制御系が所望の応答特性を有するように比例制御演算に用いる比例ゲインと積分制御演算に用いる積分ゲインとが設定され、位相進みフィルタは、第２交差周波数又は、第２交差周波数よりも低い周波数で位相進みが最大となるように設定する、ことを特徴とするものである。
【００１３】
好ましくは、補償制御手段は、中間周波数領域での位相が遅れ、低周波数領域と高周波数領域での位相がほぼゼロとなる位相遅れ特性を持つ位相遅れフィルタである、ことを特徴とするものである。
【００１４】
好ましくは、速度制御手段は、慣性モーメントが最小値の時に制御系が所望の応答特性を持つように比例ゲインが設定され、慣性モーメントが最大値の時に制御系が所望の応答特性を有するように前記積分ゲインが設定され、位相遅れフィルタは第1交差周波数と第２交差周波数との中央付近の周波数で位相遅れフィルタの位相遅れが最大となるように設定する、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、モータ制御装置の速度制御ループに補償制御手段を挿入し、機械負荷の慣性モーメントが最小となる時の速度開ループの第1交差周波数と機械負荷の慣性モーメントが最大となる時の速度開ループの第２交差周波数との間の周波数における速度開ループの位相が望ましくは−１４０度以上となるように補償制御手段の特性を設定した。これにより、機械負荷の慣性モーメントが変動しても位相余裕が４０度以上となり望ましい制御特性が得られるという効果がある。
【００１６】
また、本発明によるモータ制御装置では、位相進みフィルタを用いて、機械負荷の慣性モーメントが変動しても位相余裕が４０度以上となり望ましい制御特性が得られるという効果がある。
【００１７】
さらに、本発明によれば、位相進みフィルタの特性を上記のように特定の周波数領域で位相余裕を確保できるように設定したので、低周波数領域のゲインが必要以上に小さくなることはなく、外乱の影響を受けにくい制御系を実現できるという効果がある。
【００１８】
また、本発明によるモータ制御装置では、位相遅れフィルタを用いて、機械負荷の慣性モーメントが変動しても位相余裕が４０度以上となり望ましい制御特性が得られるという効果がある。
【００１９】
本発明によれば、機械負荷の慣性モーメントが変動しても、第１交差周波数と第２の交差周波数との間で、位相が−１４０度以上となるので、位相余裕が４０度以上となり望ましい制御特性が得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１であるモータ制御装置の構成をブロック図で示したものである。図１０と同一部分には同一の符号を付してある。図１において、２は変動する慣性モーメントを有する機械負荷、１２は補償手段としての位相進みフィルタで、位相進みフィルタ１２は速度ループに速度制御手段７と直列に挿入すると共に、速度指令信号と速度検出信号との偏差を比較器６により求めた偏差信号に基く信号が入力される。但し、位相進みフィルタ１２は単に速度ループに挿入されておれば足りる。
【００２１】
図２は、図１において位相進みフィルタがない場合の速度開ループ周波数特性を示したものであり、図２上図はゲイン特性、下図は位相特性を示す。図２上図で、実線は機械負荷の慣性モーメントが最小の時のゲイン線図、破線は機械負荷の慣性モーメントが最大の時のゲイン線図である。位相特性は、慣性モーメントが最小の時も最大の時も同じ位相線図となり、図２下図に実線で示している。ωC1は機械負荷２の慣性モーメントが最小の時の交差周波数である第1交差周波数、ωC2は機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の交差周波数である第２交差周波数である。また、速度制御手段７における比例制御器９の比例ゲインＫＰと積分制御器１０の積分ゲインＫＩは、機械負荷２の慣性モーメントが最小の時に所望の応答特性を持つように設定している。ここで、所望の応答特性とは、以下のように位相余裕が４０〜６０度となることをいう。なお、図２の速度開ループ周波数特性は、例えば比較器６において速度ループを開放し、比較器６の出力にランダムな信号を加えて、速度検出手段５の出力である速度検出信号を測定し、これをＦＦＴアナライザにて周波数解析することによって得られる他の速度開ループ周波数特性についても測定することによって得られる。他の速度開ループ周波数特性についても同様である。
【００２２】
図２から、機械負荷２の慣性モーメントが最小の時の位相余裕は６０度であることがわかる。文献(S53-3-5、共立出版株式会社発行「制御工学」第135頁)によるとサーボ系では位相余裕が４０度以上となることが望ましく、一般には速応性を考慮して位相余裕が４０〜６０度に設定されている。
機械負荷２の慣性モーメントが最小の時には望ましい特性となっている。しかし、機械負荷２の慣性モーメントが最大となる時の位相余裕は２０度しかないので、オーバーシュートが大きく振動的な応答となる。
【００２３】
図３は、図１の位相進みフィルタを挿入した場合の速度開ループ周波数特性を示したものである。位相進みフィルタ１２の周波数特性は図４に示すように、中間周波数領域で位相が進み、低周波数領域と高周波数領域での位相がほぼゼロとなる位相進み特性を持つ。そして、周波数がゼロで位相がゼロとなり、周波数が無限大で位相がゼロとなる。
また、機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の交差周波数ωC2より少し低い周波数で位相が最も進むようにフィルタ特性を設定している。
図２と図３を比較すると、位相進みフィルタ１２を挿入したことにより、機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の交差周波数ωC2付近での位相遅れが小さくなっていることがわかる。この結果、機械負荷２の慣性モーメントが最小となる時の位相余裕は６０度、機械負荷２の慣性モーメントが最大となる時の位相余裕は４５度となり、いずれの場合も望ましい値の範囲内に入っている。さらに、速度開ループの位相遅れは、機械負荷２の慣性モーメントが最小の時の交差周波数ωC1と機械負荷の慣性モーメントが最大の時の交差周波数ωC2の間のすべての周波数で−１４０度以上となっているので、機械負荷２の慣性モーメントがどのように変動しても位相余裕は４０度以上となり、良好な応答特性が得られる。
【００２４】
また、位相進みフィルタは図４のように低周波数領域でゲインが小さくなる特性を持っており、位相進み量が大きくなるほど低周波数領域でのゲインが小さくなる特性がある。このため、不必要に位相を進ませると速度ループの低周波数領域のゲインが小さくなり、外乱に弱くなってしまう。本実施形態による位相進みフィルタでは、機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の交差周波数ωC2付近あるいは、交差周波数ωC2より少し低い周波数、例えば交差周波数ωC2の１〜０.５倍の周波数で位相進み量が最大となるように設定している。
これによって、必要な周波数領域でのみ位相余裕を確保するようにしている。このように、位相進み量が不必要に大きくならないようにしているので、低周波数領域でのゲインの低下を必要最小限に抑えることができ、外乱の影響を受けにくくすることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２であるモータ制御装置の構成をブロック図で示したものである。図１０と同一部分には同一の符号を付してある。図５において、１３は位相遅れフィルタである。
【００２６】
図６は、図５において位相遅れフィルタがない場合の速度開ループ周波数特性を示したものである。図２と同じ制御系の周波数応答であるが、図２との違いは速度制御手段７における積分制御器の積分ゲインＫＩを機械負荷の慣性モーメントが最大の時に望ましい応答特性を持つように設定していることである。すなわち、図６では機械負荷２の慣性モーメントが最大の時に望ましい応答特性を持つように図２に比べて積分ゲインＫＩを小さく設定している。なお、比例制御器の比例ゲインＫＰは図２と同様に機械負荷２の慣性モーメントが最小の時に望ましい応答特性を持つように設定している。積分ゲインＫＩを小さく設定したことにより、機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の位相余裕が図２では２０度しかなかったのに対して、図６では６０度になっており望ましい値の範囲内に入っている。
しかしながら、積分ゲインＫＩを小さくすると、低周波数領域のゲインが小さくなり、外乱の影響を受けやすくなる。
【００２７】
図７は、図５の位相遅れフィルタを挿入した場合の速度開ループ周波数特性を示したものである。位相遅れフィルタの周波数特性は図８に示すように、中間周波数領域で位相が遅れ、低周波数領域と高周波数領域での位相がほぼゼロとなる位相進み特性を持つ。本実施形態では、機械負荷２の慣性モーメントが最小の時の交差周波数ωC1と機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の交差周波数ωC2の中央付近で位相が最も遅れるようにフィルタ特性を設定している。
【００２８】
図９は図７と図６の違いを示すために、それぞれのゲイン線図を重ねて描いたものである。図(a)は機械負荷の慣性モーメントが最小の時のゲイン線図、図(b)は機械負荷の慣性モーメントが最大の時のゲイン線図である。各図において、実線は位相遅れフィルタ１３を挿入した場合、破線は位相遅れフィルタ１３がない場合である。図９より、位相遅れフィルタ１３を挿入することにより低周波数領域のゲインが大きくなっており、これによって外乱の影響を受けにくくなっていることがわかる。
【００２９】
また、本実施の形態によれば、機械負荷２の慣性モーメントが最小の時の交差周波数ωC1と機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の交差周波数ωC2の中央付近で位相が最も遅れるようにフィルタ特性を設定しているが、このように設定することによりωC1における位相遅れフィルタ１３の位相遅れとωC2における位相遅れフィルタ１３の位相遅れがほぼ同じになり、速度ループの位相特性をバランスのいい形に整形することができる。図７を見ると、速度開ループの位相遅れは、機械負荷２の慣性モーメントが最小の時の交差周波数ωC1と機械負荷２の慣性モーメントが最大の時の交差周波数ωC2の間のすべての周波数で−１４０度以上となっており、機械負荷２の慣性モーメントがどのように変動しても位相余裕は４０度以上となるので、良好な応答特性が得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
上記のように慣性モーメントが変化する機械負荷を駆動するモータを制御するモータ制御装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態によるモータ制御装置の構成示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態による位相進みフィルタを挿入する前の速度開ループ周波数特性図である。
【図３】本発明の実施の形態による位相進みフィルタを挿入した後の速度開ループ周波数特性図である。
【図４】本発明の実施の形態による位相進みフィルタの周波数特性図である。
【図５】本発明の実施の形態によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態による位相遅れフィルタを挿入する前の速度開ループ周波数特性図である。
【図７】本発明の実施の形態による位相遅れフィルタを挿入する前の速度開ループ周波数特性図である。
【図８】本発明の実施の形態による位相遅れフィルタの周波数特性図である。
【図９】本発明の実施の形態による位相遅れフィルタの効果を示すゲイン線図である。
【図１０】従来の制御装置における速度制御部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ モータ、２ 機械負荷、７ 速度制御手段、１２ 補償手段(位相進みフィルタ)、１３ 位相遅れフィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005328607.tif 000009
【図８】
2005328607.tif 000010
【図９】
2005328607.tif 000011
【図１０】
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