(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力する位置指令と、負荷位置検出器で検出した負荷位置信号との差である位置偏差信号に、位置制御ゲインを乗じて速度指令を生成し、電動機位置検出器で検出した電動機位置信号を微分処理して生成した電動機速度信号と、前記速度指令との差である速度偏差信号に基づいてトルク指令を生成し、前記トルク指令に応じて電動機を制御して前記電動機に結合された負荷を駆動する電動機の位置制御装置であって、
前記速度指令と速度指令補正信号とを加算して新たな速度指令を出力する加算器と、
前記新たな速度指令から前記負荷位置信号を微分処理した信号を減算した差信号に、ローパスフィルタを介して補償ゲインを乗じて前記速度指令補正信号を生成する位置ループ安定化補償部と、を備え、
前記新たな速度指令と前記電動機速度信号との差を前記速度偏差信号とすることを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項２】
前記位置ループ安定化補償部が、前記差信号にバンドパスフィルタを介して補償ゲインを乗じて前記速度指令補正信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の電動機の位置制御装置。
【請求項３】
前記位置ループ安定化補償部が、前記新たな速度指令を積分処理した信号から前記負荷位置信号を減算した差信号に、バンドパスフィルタを介して補償ゲインを乗じて前記速度指令補正信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の電動機の位置制御装置。
【請求項４】
入力する位置指令と、直動位置検出器で検出した直動位置信号とを減算して位置偏差信号を出力する第１の減算手段と、前記位置偏差信号に位置ループゲインを乗じた第１の速度指令と制振信号とを加算して第２の速度指令を出力する加算手段と、前記第２の速度指令から前記直動位置信号を微分処理した信号を減算する第２の減算手段と、前記第２の減算手段の出力信号を積分処理した信号に比例ゲインを乗じて前記制振信号を出力する比例ゲイン手段と、を備えた電動機の位置制御装置であって、
前記第２の速度指令に応じて電動機を制御して前記電動機に結合された負荷を駆動することを特徴とする電動機の位置制御装置。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータで駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う電動機の位置制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ボールネジ（ハイリードネジ）等による直動機構を駆動するモータ制御装置では、通常、モータの角速度をフィードバックして速度制御ループを構成し、モータの角度をフィードバックして位置制御ループを構成している。この場合、モータがロータリエンコーダ等の角度検出器のみを備えている場合は、検出器の位置信号を差分演算して角速度信号とする。以下、このような制御系をセミクローズ制御系と呼ぶ。
一方、直動機構を高精度に制御するため、機構の可動テーブルにリニアスケール等の直動位置検出手段を取り付け、検出手段の出力を用いて位置制御系を構成することがある。以下、このような制御系をフルクローズ制御系と呼ぶ。
このようなフルクローズ制御系のブロック線図は図１３に示す通りである。
図１３において、７０１は位置制御部で位置制御ゲインはＫP である。７０２は速度制御部、７０３はモータ、７０４は負荷（機械可動部、可動テーブル等）である。ここでは位置指令Ｙr から負荷位置信号ＹL を減じて位置偏差ｅP を求め、この位置偏差ｅP から位置制御部７０１で位置制御ゲインＫP を乗じて、速度指令Ｖr が求められる。この速度指令Ｖr から速度フィードバック信号Ｖf を減じて速度偏差ｅv を求め、速度偏差ｅv に基づいて速度制御部７０２でトルク指令（電流指令）Ｔr を求め、このトルク指令Ｔr に基づいてモータ７０３、負荷７０４が駆動される。
近年、産業用機械においては、高精度化および高速化の要求が高くなり、そのためにはフルクローズ制御系において位置制御ゲインＫP を上げることが必要不可欠である。位置制御ゲイン（又は、位置ループゲイン）の向上には、先ず速度ループゲインを上げる必要があるが、直動機構のボールネジ、ナット等の機械共振特性の影響でゲインを上げることが難しい。
但し、セミクローズ制御系の場合は、公知の等価剛体オブザーバによる制振制御法（例えば、特願平９−５６１８３号の機械振動の制振制御装置）等の適用によって、等価剛体モデルオブザーバにより検出した機械振動信号を、速度指令に加算して新たに速度指令とすることにより、振動を抑えて速度ループゲインを向上させ、これに見合う値まで位置ループゲインを簡単に上げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、フルクローズ制御系において位置制御ゲインを上げるために各種の試みがなされている。
フルクローズ制御系の速度ループについては前記制振制御の適用によって、セミクローズ系と同等の速度ゲインにできるが、位置ループでは位置制御ゲインをあげると、制御系の振動が再発するため、このままでは位置制御ゲインの上限がセミクローズ制の上限値の１／２〜２／３程度しか取れない。再発した振動の周波数は速度ループで発生する振動の周波数よりも低いため、単純に制御ループ全体のゲイン上昇が原因とは考えられず、振動再発の原因が解明できなかった（課題１）。
原因の解明は別にして、従来、フルクローズ制御系において位置制御ゲインを上げるために各種の試みがなされている。
例えば、モータ位置の信号Ｘmと負荷位置ＸLの信号を、
k  ＊ ＸL  ＋（ １−k  ）＊ Ｘm        （但し、０＜Ｋ＜１）〕
のように加え合わせて位置フィードバック信号とする手法（特開平０３−１１０６０７）の適用が考えられる。ｋを０に近づけると、負荷位置のフィードバック成分が減るので振動は減少するが、駆動系のバネ特性により、モータ位置と負荷位置信号が一致しないので、フルクローズ制御の効果が薄れてしまい意味がなくなる。結局、フルクローズ効果を出すためには、下げたｋに見合うまで位置制御ゲインをあげるため、実質的な位置ループゲインはｋ＝１と変わらず振動が解決できない（課題２）。
そこで、負荷の速度とモータ速度の差であるねじり角速度を速度指令（特開平１−２５１２１０）あるいはトルク指令にフィードバックすることで機械振動を速度ループ内で低減する手法がある。この手法で、位置ループに再発した振動を低減しようとすると、ねじり角速度にモータ速度の高周波成分が含まれるため、今度は高い周波数の振動が速度ループで発生することになり（低い振動にあわせることで高い振動がでる可能性がある）、結局、これを単純に適用するだけでは前記の位置ループで再発した振動の対策とはならない（課題３）。
このため、従来の手法を使うだけでは、フルクローズ制御系においては位置制御ゲインを上げることが殆ど不可能と考えられていた。本課題を本質的に解決するには、位置ループで低い振動が再発する原因を解析することが必要である。
そこで、本発明は（この原因を解析し、新たな制御手法を提案することで、）フルクローズ制御系における位置制御ゲインＫP を、振動の再発無しにセミクローズ制御系と同等な値まで上げることが可能で、位置制御ゲインを上げることによって短時間に高精度な位置決めができる電動機の位置制御装置を提供することを目的としている。
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１ 記載の発明は、入力する位置指令と、負荷位置検出器で検出した負荷位置信号との差である位置偏差信号に、位置制御ゲインを乗じて速度指令を生成し、電動機位置検出器で検出した電動機位置信号を微分処理して生成した電動機速度信号と、前記速度指令との差である速度偏差信号に基づいてトルク指令を生成し、前記トルク指令に応じて電動機を制御して前記電動機に結合された負荷を駆動する電動機の位置制御装置であって、前記速度指令と速度指令補正信号とを加算して新たな速度指令を出力する加算器と、前記新たな速度指令から前記負荷位置信号を微分処理した信号を減算した差信号に、ローパスフィルタを介して補償ゲインを乗じて前記速度指令補正信号を生成する位置ループ安定化補償部と、を備え、前記新たな速度指令と前記電動機速度信号との差を前記速度偏差信号とすることを特徴とするものである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置ループ安定化補償部が、前記差信号にバンドパスフィルタを介して補償ゲインを乗じて前記速度指令補正信号を生成することを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置ループ安定化補償部が、前記新たな速度指令を積分処理した信号から前記負荷位置信号を減算した差信号に、バンドパスフィルタを介して補償ゲインを乗じて前記速度指令補正信号を生成することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、入力する位置指令と、直動位置検出器で検出した直動位置信号とを減算して位置偏差信号を出力する第１の減算手段と、前記位置偏差信号に位置ループゲインを乗じた第１の速度指令と制振信号とを加算して第２の速度指令を出力する加算手段と、前記第２の速度指令から前記直動位置信号を微分処理した信号を減算する第２の減算手段と、前記第２の減算手段の出力信号を積分処理した信号に比例ゲインを乗じて前記制振信号を出力する比例ゲイン手段と、を備えた電動機の位置制御装置であって、前記第２の速度指令に応じて電動機を制御して前記電動機に結合された前記負荷を駆動することを特徴とするものである。
【０００５】
この電動機の位置制御装置によれば、微分演算手段により求めた負荷速度と、速度指令との差速度を検出し、積分手段により差速度を積分し、積分値に比例ゲイン手段でゲインＫf を掛けて速度指令に加算する、この微分演算手段と差速度を検出する減算手段と積分手段および比例ゲイン手段が、丁度、電動機の角速度と等価剛体モデルの角速度推定値との差速度として機械振動信号を検出し出力するセミクローズ制御系の制振制御装置に相当し、比例ゲイン手段のゲインＫf 値が振動再発無しに位置ループゲインＫP の上限を引き上げる。
あるいは、速度指令と負荷速度の差速度を、ローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタ等の位相調節手段により位相調節して振動周波数を打消し、比例ゲイン手段によりゲインＫf ´をかけて速度指令に加算するので、位置ループゲインＫP を上げることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る電動機の位置制御装置のブロック線図である。
図２は図１に示した電動機の加速度から負荷の直動速度までのブロック線図である。
図３は図２に示すモデルによって構成したフルクローズ制御系のブロック線図である。
図４は図３に示す位置制御系内での速度制御系を簡略化した図である。
図５は図４に示す位置制御系の振動現象を示す図である。
図６は図５に示す位置制御系の簡略化した図である。
図７は図６に示す速度指令と負荷速度の差速度を示す図である。
図８は図１に示す比例ゲイン手段による速度指令の補正を示す図である。
図１において、１はゲインＫf の比例ゲイン手段、２は微分演算手段、３は積分手段、４は減算手段、１０は速度制御系、１１はゲインＫP の位置ループゲイン（位置制御ゲイン）である。
【０００７】
本発明では、前述のフルクローズ制御系の問題を根本的に解決するには、従来技術の説明で述べた「速度ループで発生していた振動よりも低い周波数の振動が再発する現象」の解明が不可欠と考える。解析のため、まず機械共振特性について詳細に説明する。
機械共振特性を持つボールネジとナット等の機械駆動系のモデルを図２に示す。
図２（ａ）は電動機加速度から電動機の角速度までのブロック線図であり、図１の速度フィードバック系をまとめて速度制御系で表すと、以上のようなブロック線図が得られる。この場合、電動機の軸へ機械の共振の反力が加わるので、電動機の角速度にも共振特性が現れる。これを表現するため、図２（ａ）には加速度と角速度間に２慣性共振特性のブロックが入っている。この２慣性共振特性のブロック線図の伝達関数には、分母多項式が機械の共振特性を示し、分子多項式が反共振特性を示している。図中、ωs  は反共振角周波数、ωrは共振角周波である。
図２（ｂ）は、電動機加速度から機構の可動テーブルの直動速度までのブロック線図であり、振動部分の２慣性共振特性を２次の伝達関数で表記している。
図２（ｃ）は図２（ａ）、（ｂ）のブロック線図をまとめたものであり、電動機加速度から電動機の角速度までと同時に可動テーブルの直動速度までのブロック線図である。
【０００８】
図３は、図２（ｃ）のモデルにおいて、フルクローズ制御系を構成した例であり、図中、速度制御系は電動機の角速度信号をフィードバックして構成し、位置制御系は直動位置信号をフィードバックして構成する。図４は図３の簡略化である。先述の等価剛体オブザーバ等による制振制御等により速度制御系１０の２慣性共振系を安定化した場合、位置制御系から見ると速度制御系１０は高応答なので、速度制御系の伝達関数を１と近似すると図５のブロック線図が得られる。図５では、位置制御ループに、ωa の共振特性が入っているために、位置ループゲインを大きくすると、ωa 付近の周波数で制御系が振動することが分かる。
【０００９】
図５中の駆動機構の特性を示す伝達関数において、ωr＞ωs、ζr≪１であるので、
【数１】
0004491904.tif 000002
であるから、ωa の振動周波数付近では、
【数２】
0004491904.tif 000003
と近似できるので、図５の位置制御系は、図６のブロック線図に簡略化できる。位置指令から負荷位置までの伝達関数を計算すると、
【数３】
0004491904.tif 000004
となる。
（３）式において、ラウスフルビッツの安定条件を計算すると、
【数４】
0004491904.tif 000005
となる。
ζa 、は０．１程度であるから、（４）式より速度ループゲインＫV に関わらず、位置ループゲインＫP 値が制限を受ける。このことから、フルクローズ制御系の場合、そのままではセミクローズ制御系に比べて位置ループゲインが上がらないことの説明がつく。
以上のことから、本発明の解析により、「速度ループで発生する振動の周波数よりも低い振動が再発する原因」が明確になった（従来技術の課題１が解決できた）。
次に数式により本発明の原理を説明する。図７に示すように速度指令から差速度（速度指令と負荷速度の差）までの伝達関数を計算すると、
【数５】
0004491904.tif 000006
となる。
【００１０】
ζa は０．１程度であるから、（５）式の分子において、ωa 付近の周波数では、
【数６】
0004491904.tif 000007
と近似できる。
【００１１】
（６）式より（５）式は、
【数７】
0004491904.tif 000008
と近似できる。
（７）式の分子はｓの２次式であるから、本第１の実施の形態では、図８に示すように差速度信号を積分手段３により積分して、比例ゲイン手段１によりフィードバックゲインＫf を掛けて速度指令に加算し新たな速度指令とする。
図８において、速度指令から負荷速度までの伝達関数を計算すると、
【数８】
0004491904.tif 000009
となる。
（８）式で、フィードバックゲインＫf により分母の多項式のｓの１次の項の係数が大きくなるので、共振特性がダンピングされることが証明できる。
図８において、速度指令から負荷速度までの速度制御系の外側にフルクローズの位置制御系を構成すると（図示せず）、位置指令から負荷位置までの伝達関数は、
【数９】
0004491904.tif 000010
となる。
（９）式において、ラウスフルビッツの安定条件を求めると、
【数１０】
0004491904.tif 000011
となるので、本実施の形態によれば、フィードバックゲインＫf によって、位置ループゲインＫP の上限が回復し、これにより振動の再発無しに位置ループゲインＫP を上げられることが実証される。
これにより、フルクローズで実質的な位置ループゲインが上げられない問題（課題２）が解決できる。
また、上述のようにモータ速度から直動位置信号までは、機構の積分特性により、モータ速度の高周波成分が十分に減衰する。速度指令は位置指令と直動位置信号との差から作られ、さらに積分処理後に速度指令にフィードバックするので、本発明の構成は速度ループの安定性に殆ど影響しないと考えられ、速度ループとは独立して位置ループゲインを上げることができる。
このような考察に基づいているため、本発明では、位置ループの振動を低減したときに速度ループの振動が発生する従来技術の問題（課題３）が解決できる。
【００１２】
次に、全体の制御系の構成について図１を参照して説明する。
先ず、リニアスケール（図示していない）が出力する直動位置信号をフィードバックして位置制御系を構成し、位置指令と直動位置信号の差に位置ループゲイン（Ｋp ）１１を掛けて、第１の速度指令とする。速度制御系１０の安定化補償器１２は、後述の第２の速度指令と電動機（図示していない）の角速度信号との差を入力し、電動機と電動機のトルクを制御する手段（図示していない）からなるトルク制御装置（図示していない）にトルク指令信号を出力する。破線で示す電動機の制御部により制御が行われる。
第１の速度指令信号と、比例ゲイン手段（Ｋf ）１からの制振信号を入力する加算手段の出力を第２の速度指令とする。微分演算手段２は直動位置信号を微分演算して直動速度信号を出力する。直動速度信号と第２の速度指令との差信号を積分手段３により積分した後、比例ゲイン手段１に入力する。比例ゲイン手段１は適切なゲインＫf を掛けて制振信号を出力する。これによって安定な状態で位置ループゲインを上げることができる。
【００１３】
次に、本発明の第２の実施の形態について図を参照して説明する。
図９は本発明の第２の実施の形態に係る電動機の位置制御装置のブロック図である。
図１０は図９に示す位置ループ安定化補償部のブロック図である。
図９に示す第２の実施の形態は、図１３の従来例に、新たに位置ループ安定化補償部１８を組合わせたフルクローズ制御系であり、構成上で図１３と異なる点は速度指令補正信号Ｖr h を出力する位置ループ安定化補償部１８と、速度指令基本信号Ｖr b と速度指令補正信号Ｖr h を合成する加算手段１９が追加されたことである。その他の図１３と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
図１０は図９に示す位置ループ安定化補償部１８の詳細ブロック図であり、３０は位相調節手段の２次ローパスフィルタである。速度指令Ｖr と負荷位置信号ＹL を微分回路３０１で微分演算した負荷速度ＶL との差を減算回路３０８で取り、それをローパスフィルタ３０に入力する。発振周波数においてローパスフィルタ３０の出力信号が入力信号より９０°位相遅れとなるようにローパスフィルタ３０のパラメータを設定し、ローパスフィルタ３０の出力信号を適切な補償ゲインＫf ´を掛けて速度指令補正信号Ｖr h とし、加算器１９により速度指令基本信号Ｖr b に加算する。
このような、第２の実施の形態によれば、速度指令基本信号Ｖr b に含まれる位置ループの共振信号に対して、速度指令補正信号Ｖr h で打ち消すため、位置ループゲインＫP を上げられる。また、積分項も含まないため定常偏差が残らなので、高精度位置決めが可能になる。
【００１４】
次に、本発明の第３の実施の形態について図を参照して説明する。
図１１は本発明の第３の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部のブロック図である。
図１１が、図１０と異なる点はローパスフルタ３０の替わりに、２次ローパスフィルタと１次ハイパスフィルタで構成するバンドパスフィルタ４０に代えたことである。その他の図１０と同一構成には同一符号を付し重複する説明は省略する。なお、図９は共通に使用する。
つぎに動作について説明する。
速度指令Ｖr と負荷位置信号ＹL を微分処理部３０１で微分して求めた負荷速度ＶL との差をバンドパスフィルタ４０に入力する。発振周波数においてバンドパスフィルタ４０の出力信号が入力信号より９０°位相遅れとなるようにバンドパスフィルタ４０のパラメータを設定し、バンドパスフィルタ４０の出力信号を適切な補償ゲインを掛けて速度指令補正信号Ｖr h とする。
このように、第３の実施の形態では、この補償方式によれば、図１０の場合に比較して制振効果の他に、ハイパスフィルタが増えた分、ベース揺れなどの負荷位置信号に現れる低周波数の外乱信号の影響を小さくすることができる。
【００１５】
次に、本発明の第４の実施の形態について図を参照して説明する。
図１２は本発明の第４の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部のブロック図である。
図１２と図１０との相違点は、速度指令Ｖr の積分処理部５６を設け、バンドパスフィルタ５７は１次ローパスフィルタ、１次ハイパスフィルタの構成とした点である。その他の図１１と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
速度指令Ｖr を積分処理部５６で積分演算した信号と負荷位置信号ＹL の差をバンドパスフィルタ５７へ入力する。５９は減算手段である。発振周波数においてバンドパスフィルタ５７の出力信号が入力信号と同じ位相となるようにバンドパスフィルタ５７のパラメータを設定し、バンドパスフィルタ５７の出力信号を適切な補償ゲインＫf ´を掛けて速度指令補正信号Ｖr h とする。
このように、第４の実施の形態によれば、この場合は図１１と比較して同じ効果が得られるが、ローパスフィルタが１次であるため補償器の構成とパラメータの調節が簡単になる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フルクローズ制御系の位置制御において、フィードバックゲインＫf の効果によって位置ループゲインＫP を、振動の再発無しにセミクローズ制御系と同等な値まで回復できるという効果がある。
また、速度指令基本信号に含まれる位置ループの共振信号に対して、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ等の位相調整手段を用いて調整した速度補正信号によって打消すことができるので、位置ループゲインを上げることができると共に、積分項を含まないので定常偏差が残るようなことがなく、短時間に高精度な位置決めを行うことが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電動機の位置制御装置のブロック線図である。
【図２】図１に示した電動機の加速度から負荷の直動速度までのブロック線図である。
【図３】図２に示すモデルによって構成したフルクローズ制御系のブロック線図である。
【図４】図３に示す位置制御系内での速度制御系を簡略化した図である。
【図５】図４に示す位置制御系の振動現象を示す図である。
【図６】図５に示す位置制御系の簡略化図である。
【図７】図６に示す速度指令と負荷速度の差速度を示す図である。
【図８】図１に示す比例ゲイン手段による速度指令補正を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る電動機の位置制御装置のブロック図である。
【図１０】図９に示す位置ループ安定化補償部のブロック図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部のブロック図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部のブロック図である。
【図１３】従来のフルクローズ制御系のブロック線図である。
【符号の説明】
１  比例ゲイン手段
２  微分演算手段
３  積分手段
４、５９、３０８  減算手段
１０  速度制御系
１１  位置ループゲイン
１８  位置ループ安定化補償部
１９  加算手段
３０  ローパスフィルタ
４０、５７  バンドパスフィルタ
５６  積分処理部
３０１  微分処理部
３０２  補償ゲイン
【図１】
0004491904.tif 000012
【図２】
0004491904.tif 000013
【図３】
0004491904.tif 000014
【図４】
0004491904.tif 000015
【図５】
0004491904.tif 000016
【図６】
0004491904.tif 000017
【図７】
0004491904.tif 000018
【図８】
0004491904.tif 000019
【図９】
0004491904.tif 000020
【図１０】
0004491904.tif 000021
【図１１】
0004491904.tif 000022
【図１２】
0004491904.tif 000023
【図１３】
0004491904.tif 000024