(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を構成するモータを、速度指令信号に基いて駆動すると共に、前記モータの検出速度を速度制御ループにフィードバックするモータの制御装置において、
前記速度指令信号と前記モータの検出速度信号との差信号に比例ゲインＫＰを乗じて出力する比例制御部、または、前記差信号に比例ゲインＫＰを乗じた値と前記差信号の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出カする積分制御部を有し、前記モータの速度を前記速度指令信号に追従させるための前記モータの駆動指令信号を出力する速度制御手段と、
前記速度制御ループ内において前記速度制御手段の後ろに直列に挿入され、前記速度制御手段から入力した前記駆動指令信号に対しフィルタ演算を行い、演算後の電流指令を前記モータの電流を制御するための信号として出力するフィルタと、
を備え、
前記フィルタは、共振周波数以上の高周波数領域と、反共振周波数以下の低周波数領域と、高周波数領域と低周波数領域との間にある中間周波数領域とから成り、前記高周波数領域のゲインＫＨよりも低周波数領域のゲインＫＬが大きいと共に、前記中間周波数領域の位相が遅れる位相遅れ特性を有すること、
を特徴とするモータの制御装置。
【請求項２】
共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を構成するモータを、速度指令信号に基いて駆動すると共に、前記モータの検出速度を速度制御ループにフィードバックするモータの制御装置において、
前記速度指令信号と前記モータの検出速度信号との差信号に比例ゲインＫＰを乗じて出力する比例制御部、または、前記差信号に比例ゲインＫＰを乗じた値と前記差信号の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出カする積分制御部を有し、前記モータの速度を前記速度指令信号に追従させるための前記モータの駆動指令信号を出力する速度制御手段と、
前記速度制御ループ内において前記速度制御手段の後ろに直列に挿入され、前記速度制御手段から入力した前記駆動指令信号に対しフィルタ演算を行い、演算後の電流指令を前記モータの電流を制御するための信号として出力するフィルタと、
を備え、
前記フィルタは、共振周波数以上の高周波数領域と、反共振周波数以下の低周波数領域と、高周波数領域と低周波数領域との間にある中間周波数領域とから成り、前記高周波数領域のゲインＫＨよりも低周波数領域のゲインＫＬが大きいと共に、前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＬとの積を前記機械系の慣性モーメントＪで除した値である第一の交差周波数ωＣ１と前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＨとの積を前記モータの慣性モーメントＪＭで除した値である第二の交差周波数ωＣ２との間で位相が遅れるように設定されたことを特徴とするモータの制御装置。
【請求項３】
共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を有する機械負荷に結合されたモータを速度指令信号に基いて駆動すると共に、前記モータの検出速度を速度制御ループに有するモータの制御装置において、
前記速度指令信号と前記モータの検出速度の差信号に基いて前記モータの速度を前記速度指令信号に追従させるための前記モータの駆動指令信号を出力する速度制御手段と、
前記速度制御ループに前記速度制御手段と直列に挿入すると共に、第一のフィルタ周波数ωＦ１より低い周波数領域でほぼ一定のゲインＫＬとなり、第二のフィルタ周波数ωＦ２より高い周波数領域で前記ゲインＫＬよりも小さいほぼ一定のゲインＫＨを有し、前記第一のフィルタ周波数ωＦ１と前記第二のフィルタ周波数ωＦ２との間で位相が遅れる位相遅れ特性を有するフィルタとを備え、
前記速度制御手段は入力に比例ゲインＫＰを乗じて出力する比例制御演算、または、入力に比例ゲインＫＰを乗じた値と入力の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出力する比例積分制御演算を有しており、
前記フィルタは、前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＬとの積を前記機械系の慣性モーメントＪで除した値である交差周波数ωＣ１と前記第一のフィルタ周波数ωＦ１との比が概ね一定となるように設定する、
ことを特徴とするモータの制御装置。
【請求項４】
モータに結合された機械負荷からなる共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を、速度指令信号に基づいて前記モータの検出速度を速度制御ループにより駆動制御するモータの制御装置において、
前記速度制御ループに速度制御手段と直列に挿入するとともに、第一のフィルタ周波数ωＦ１より低い周波数領域ではほぼ一定のゲインＫＬとなり、第二のフィルタ周波数ωＦ２より高い周波数領域では前記ゲインＫＬより小さいほぼ一定のゲインＫＨとなり、前記低い周波数領域と前記高い周波数領域との間の中間周波数領域で、位相遅れ特性を有するフィルタと、
前記フィルタの特性と前記速度制御手段のパラメータを設定するパラメータ設定手段とを備え、
前記速度制御手段は、入力に比例ゲインＫＰを乗じた値と入力の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出力する積分制御部を有しており、
前記フィルタは、前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＬとの積を前記機械系の慣性モーメントＪで除した値である交差周波数ωＣ１と前記第一のフィルタ周波数ωＦ１との比が概ね一定となるようにすると共に、前記積分ゲインＫＩを前記比例ゲインＫＰで除した値である零点周波数ωＰＩと前記交差周波数ωＣ１との比が概ね一定とする、
ことを特徴とするモータの制御装置。
【請求項５】
前記フィルタと前記速度制御手段のパラメータを設定するパラメータ設定手段を備え、
前記パラメータ設定手段は、前記機械系の慣性モーメントＪを前記モータの慣性モーメントＪＭで除した値である慣性比が大きくなれば、前記第一のフィルタ周波数ωＦ１に対する前記第二のフィルタ周波数ωＦ２の比が大きくなるように設定する、
ことを特徴とする請求項３または４に記載のモータの制御装置。
【請求項６】
前記フィルタと前記速度制御手段のパラメータを設定するパラメータ設定手段を備え、
前記パラメータ設定手段は前記ゲインＫＬと前記ゲインＫＨの比であるゲイン比、または、前記第二のフィルタ周波数ωＦ２と前記第一のフィルタ周波数ωＦ１の比である周波数比を入力し、前記ゲイン比、または、前記周波数比に基づいて前記フィルタの特性を設定する、
ことを特徴とする請求項３または４に記載のモータの制御装置。
【請求項７】
前記機械系の周波数特性を取得する周波数特性取得手段と、
取得した前記機械系の周波数特性に基づいて前記フィルタの位相遅れ特性を設定するパラメータ設定手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を有する機械負荷に結合されたモータを、安定かつ高精度に制御するモータの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は従来から一般に用いられているモータの速度制御装置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負荷、３はモータ１と負荷２を接続する軸である。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の位置を検出するエンコーダ、５はエンコーダ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を計算する速度検出手段である。６は比較器であり、図示しない上位コントローラから与えられる速度指令信号と速度検出手段５の出力であるモータ速度とを比較し、両者の差である速度誤差を出力する。７は速度制御手段であり、比較器６の出力である速度誤差を入力してモータ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にトルクを発生させ、モータを回転させる。
【０００３】
速度制御手段７は比例制御器９、積分制御器１０、および、加算器１１から構成される。比例制御器９は入力した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構成され、速度指令信号とモータ速度の差である速度誤差が小さくなるようにモータ１を加速あるいは減速するトルクを発生させ、これにより、モータ速度が上位コントローラから与えられる速度指令信号に追従するようにモータ１と負荷２が回転する。機械系に外乱トルクが作用した場合には、この外乱トルクによってモータ速度が変動するが、この速度変動はエンコーダ４と速度検出手段５で検出され、速度制御手段７にフィードバックされて速度変動を修正するような電流指令が生成される。このように、外乱トルクが作用した場合でも速度制御ループによって速度変動が抑制され、速度指令信号に追従するようにモータが制御される。
【０００５】
図７は従来の速度制御装置を用いて速度制御系を構成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。速度開ループ周波数特性とは、速度制御手段７の入力から速度検出手段５で検出されるモータ速度までの周波数特性であり、図７上図はゲイン特性、下図は位相特性を示す。図の破線はモータ１と負荷２を接続する軸３の剛性が高い場合、すなわち、機械剛性が高い場合の周波数特性を示す。また、実線は軸３の剛性が低いために機械剛性が低く、機械共振を持つ場合の周波数特性を示している。
【０００６】
機械剛性が高い（軸３の剛性が高い）場合のゲイン特性は図７上図に破線で示すように、全周波数にわたって右下がりとなる。位相特性は図７下図に破線で示すように、高周波数では電流制御手段８や制御装置のサンプル周期に起因する位相遅れのために位相遅れが大きくなり、低周波数でも速度制御手段７で積分制御器１０を用いているために位相遅れが大きくなる。
【０００７】
一方、機械剛性が低い（軸３の剛性が低い）場合、機械系は機械共振を持つようになり、そのゲイン特性は図７上図に実線で示すように共振と呼ばれるピークと反共振と呼ばれる谷の部分を持つようになる。共振と反共振の間でゲインが左下がりとなるため、低周波数でのゲインは軸３の剛性が高い場合（破線）に比べて小さくなる。モータ１の慣性モーメントと負荷２の慣性モーメントの和である機械系全体の慣性モーメントＪがモータの慣性モーメントＪＭに比べて大きくなるほど、共振と反共振の距離が離れ、反共振の周波数が低くなるため、低周波数のゲインはより小さくなる。
【０００８】
高精度の速度制御を実現するには、速度誤差の要因のひとつである外乱トルクの影響を抑制して、外乱トルクが作用したときの速度変動を小さくしなければならない。一般に、外乱トルクは低周波数の信号成分を持つので、外乱トルクによる速度変動を小さくするには、低周波数でのゲインを大きくする必要がある。ところが、剛性が低い機械では上記のように低周波数でのゲインが小さくなるため、外乱トルクによる速度変動が大きくなり、高精度の制御が困難であった。
【０００９】
図６に示した従来の速度制御装置で低周波数でのゲインを大きくするには、速度制御手段７の比例ゲインＫＰや積分ゲインＫＩを大きくする必要がある。しかし、これには限界があり、結果的に高精度の制御ができなかった。その理由を以下に説明する。図７において、低剛性の場合のゲイン特性（実線）が反共振周波数より低い周波数でゲイン０ｄｂの線と交差する周波数を第一の交差周波数ωＣ１、共振周波数より高い周波数でゲイン０ｄｂの線と交差する周波数を第二の交差周波数ωＣ２とする。制御系が振動を起こしたり発振したりせずに安定に動作するには、第一の交差周波数ωＣ１や第二の交差周波数ωＣ２において速度開ループ周波数特性の位相遅れが小さいことが必要となる。ところが、比例ゲインＫＰを大きくすると、第二の交差周波数ωＣ２が高周波側に移動するため、第二の交差周波数ωＣ２における位相遅れが大きくなり、制御系が振動的になったり、発振したりするようになってしまう。また、積分ゲインＫＩを大きくすると、積分制御器１０による低周波数での位相遅れが大きくなるため、第一の交差周波数ωＣ１での位相遅れが大きくなり、やはり制御系が振動的になったり、発振したりするようになってしまう。このように、従来の速度制御装置では、比例ゲインＫＰや積分ゲインＫＩをある程度以上には大きくすることができないため、低周波数のゲインを大きくすることが出来ず、結果として高精度の制御が困難となっていたのである。
【００１０】
機械共振を持つ機械系を対象としたサーボ制御技術が日本国特開２０００−３２２１０５号公報に開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−３２２１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとしている課題】
【００１２】
この技術を用いた速度制御装置の構成を図８に示す。図６と同一部分には同一の符号を付してある。図８において、１２は速度制御ループに直列に挿入されたフィルタであり、機械系の反共振・共振特性の逆の特性あるいは近似する特性を持つ。このフィルタ１２は式（１）に示されるような特性を示すように調整される。
Ｇ（ｓ）＝ω12（ｓ＋２ζ2ω2ｓ＋ω22）／｛ω22（ｓ＋２ζ1ω1ｓ＋ω12）｝
・・・・・（１）
ここで、ω１、ω２、ζ１、ζ２は各々パラメータであり、ω１は反共振周波数に近い値とし、ω２は共振周波数に近い値とする。また、ζ１、ζ２は反共振、共振のピークに応じて小さめに設定する。この技術によれば、機械系の共振ピークのゲインをフィルタ１２によって抑えることができるので、従来よりもゲインを上げられるようになり、高精度の制御が実現できるというものである。
【００１３】
しかしながら、この技術が主に対象としているのは図７に示す共振ピークよりももっと高い周波数にある不安定な共振ピークを抑えることであり、図７のような安定な共振ピークに対してこの技術を適用すると不都合が生じる。以下、この不都合を説明する。
【００１４】
図７の実線に示す周波数特性を持つ機械系にこの技術を適用した場合のフィルタ１２の周波数特性を図９に示す。フィルタ１２は上記のように機械系の反共振・共振特性と逆の特性を持つように調整されるので、そのゲイン特性は機械系の反共振でピークを持ち、機械系の共振で谷を持つ特性となる。このようなフィルタを用いて制御されている機械系に外乱トルクが作用した場合を考える。共振周波数は機械系が振動しやすい周波数であり、外乱トルクが作用すると機械系が共振周波数で振動することがある。この振動は速度検出手段５で検出され、速度制御手段７にフィードバックされ、速度制御手段７はこの振動を止めるための電流指令を生成して出力する。この電流指令には当然ながら共振周波数の信号成分が含まれている。ところが、図９に示すようにフィルタ１２のゲインは共振周波数で小さくなっているので、フィルタ１２を通ることにより電流指令から共振周波数の信号成分が除去されてしまう。つまり、フィルタ１２により、振動を止めるための信号成分が電流指令から除去されてしまうのである。このため、機械系が共振周波数で振動しても、速度制御系はこの振動を止めることができないと言う不都合が生じるのである。
【００１５】
上記のように、低剛性で、かつ、機械系の慣性モーメントＪがモータの慣性モーメントＪＭに比べて大きい機械系を制御する場合、従来一般に用いられていた速度制御装置では低周波数でのゲインを大きくすることが困難で、外乱トルクによる速度変動が大きくなるため高精度の制御が困難であると言う問題があった。
また、特開２０００−３２２１０５号公報に開示されている技術は、低周波数でのゲインを大きくすることは出来るが機械振動を止めることが出来なくなるため、低い周波数で機械共振を持つ機械系に適用できなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を有する機械負荷に結合されたモータを、安定かつ高精度に制御するモータの制御装置を提供することを目的とするものである。
第１の発明に係るモータの制御装置は、共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を構成するモータを、速度指令信号に基いて駆動すると共に、前記モータの検出速度を速度制御ループにフィードバックするモータの制御装置において、前記速度指令信号と前記モータの検出速度信号との差信号に比例ゲインＫＰを乗じて出力する比例制御部、または、前記差信号に比例ゲインＫＰを乗じた値と前記差信号の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出カする積分制御部を有し、前記モータの速度を前記速度指令信号に追従させるための前記モータの駆動指令信号を出力する速度制御手段と、前記速度制御ループ内において前記速度制御手段の後ろに直列に挿入され、前記速度制御手段から入力した前記駆動指令信号に対しフィルタ演算を行い、演算後の電流指令を前記モータの電流を制御するための信号として出力するフィルタと、を備え、前記フィルタは、共振周波数以上の高周波数領域と、反共振周波数以下の低周波数領域と、高周波数領域と低周波数領域との間にある中間周波数領域とから成り、前記高周波数領域のゲインＫＨよりも低周波数領域のゲインＫＬが大きいと共に、前記中間周波数領域の位相が遅れる位相遅れ特性を有することを特徴とするものである。
【００１７】
第２の発明に係るモータの制御装置は、共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を構成するモータを、速度指令信号に基いて駆動すると共に、前記モータの検出速度を速度制御ループにフィードバックするモータの制御装置において、前記速度指令信号と前記モータの検出速度信号との差信号に比例ゲインＫＰを乗じて出力する比例制御部、または、前記差信号に比例ゲインＫＰを乗じた値と前記差信号の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出カする積分制御部を有し、前記モータの速度を前記速度指令信号に追従させるための前記モータの駆動指令信号を出力する速度制御手段と、前記速度制御ループ内において前記速度制御手段の後ろに直列に挿入され、前記速度制御手段から入力した前記駆動指令信号に対しフィルタ演算を行い、演算後の電流指令を前記モータの電流を制御するための信号として出力するフィルタと、を備え、前記フィルタは、共振周波数以上の高周波数領域と、反共振周波数以下の低周波数領域と、高周波数領域と低周波数領域との間にある中間周波数領域とから成り、前記高周波数領域のゲインＫＨよりも低周波数領域のゲインＫＬが大きいと共に、前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＬとの積を前記機械系の慣性モーメントＪで除した値である第一の交差周波数ωＣ１と前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＨとの積を前記モータの慣性モーメントＪＭで除した値である第二の交差周波数ωＣ２との間で位相が遅れるように設定されたことを特徴とするものである。
【００１８】
第３の発明に係るモータの制御装置は、共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を有する機械負荷に結合されたモータを速度指令信号に基いて駆動すると共に、前記モータの検出速度を速度制御ループに有するモータの制御装置において、前記速度指令信号と前記モータの検出速度の差信号に基いて前記モータの速度を前記速度指令信号に追従させるための前記モータの駆動指令信号を出力する速度制御手段と、前記速度制御ループに前記速度制御手段と直列に挿入すると共に、第一のフィルタ周波数ωＦ１より低い周波数領域でほぼ一定のゲインＫＬとなり、第二のフィルタ周波数ωＦ２より高い周波数領域で前記ゲインＫＬよりも小さいほぼ一定のゲインＫＨを有し、前記第一のフィルタ周波数ωＦ１と前記第二のフィルタ周波数ωＦ２との間で位相が遅れる位相遅れ特性を有するフィルタとを備え、前記速度制御手段は入力に比例ゲインＫＰを乗じて出力する比例制御演算、または、入力に比例ゲインＫＰを乗じた値と入力の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出力する比例積分制御演算を有しており、前記フィルタは、前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＬとの積を前記機械系の慣性モーメントＪで除した値である交差周波数ωＣ１と前記第一のフィルタ周波数ωＦ１との比が概ね一定となるように設定する、ことを特徴とするものである。
【００１９】
第４の発明に係るモータの制御装置は、モータに結合された機械負荷からなる共振周波数と反共振周波数とを有する機械系を、速度指令信号に基づいて前記モータの検出速度を速度制御ループにより駆動制御するモータの制御装置において、前記速度制御ループに速度制御手段と直列に挿入するとともに、第一のフィルタ周波数ωＦ１より低い周波数領域ではほぼ一定のゲインＫＬとなり、第二のフィルタ周波数ωＦ２より高い周波数領域では前記ゲインＫＬより小さいほぼ一定のゲインＫＨとなり、前記低い周波数領域と前記高い周波数領域との間の中間周波数領域で、位相遅れ特性を有するフィルタと、前記フィルタの特性と前記速度制御手段のパラメータを設定するパラメータ設定手段とを備え、前記速度制御手段は、入力に比例ゲインＫＰを乗じた値と入力の積分値に積分ゲインＫＩを乗じた値を加算して出力する積分制御部を有しており、前記フィルタは、前記比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＬとの積を前記機械系の慣性モーメントＪで除した値である交差周波数ωＣ１と前記第一のフィルタ周波数ωＦ１との比が概ね一定となるようにすると共に、前記積分ゲインＫＩを前記比例ゲインＫＰで除した値である零点周波数ωＰＩと前記交差周波数ωＣ１との比が概ね一定とする、ことを特徴とするものである。
【００２０】
第５の発明に係るモータの制御装置は、フィルタと速度制御手段のパラメータを設定するパラメータ設定手段を備えており、パラメータ設定手段は、機械系の慣性モーメントＪをモータの慣性モーメントＪＭで除した値である慣性比が大きくなれば、第一のフィルタ周波数ωＦ１に対する第二のフィルタ周波数ωＦ２の比が大きくなるように設定する、ことを特徴とするものである。
【００２１】
第６の発明に係るモータの制御装置は、フィルタと速度制御手段のパラメータを設定するパラメータ設定手段を備えており、パラメータ設定手段はゲインＫＬとゲインＫＨの比であるゲイン比、または、第二のフィルタ周波数ωＦ２と第一のフィルタ周波数ωＦ１の比である周波数比を入力し、ゲイン比、または、周波数比に基づいてフィルタの特性を設定する、ことを特徴とするものである。
【００２２】
第７の発明に係るモータの制御装置は、第１の発明に係るモータの制御装置に、前記機械系の周波数特性を取得する周波数特性取得手段と、取得した前記機械系の周波数特性に基づいて前記フィルタの位相遅れ特性を設定するパラメータ設定手段と、をさらに備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、第１の発明によれば、フィルタは、機械系の共振周波数と反共振周波数との間で、位相が遅れるように設定したので、制御系の安定性を保ちながら低周波数でのゲインを大きくすることができる。これによって外乱トルクによる速度変動が小さくなり、高精度の制御が実現できるという効果がある。
【００２４】
第２の発明によれば、比例ゲインＫＰとゲインＫＬとの積を機械系の慣性モーメントＪで除した値である第一の交差周波数ωＣ１と比例ゲインＫＰと前記ゲインＫＨとの積を前記モータの慣性モーメントＪＭで除した値である第二の交差周波数ωＣ２との間で、位相が遅れるように設定した。これにより第一の交差周波数ωＣ１及び第二の交差周波数ωＣ２での位相遅れの増加分が小さくなるので、制御系の安定性を保ちながら低周波数でのゲインを大きくすることができる。これによって外乱トルクによる速度変動が小さくなり、高精度の制御が実現できるという効果がある。
【００２５】
第３の発明によれば、フィルタは、比例ゲインＫＰとゲインＫＬとの積を機械系の慣性モーメントＪで除した値である交差周波数ωＣ１と第一のフィルタ周波数ωＦ１との比が概ね一定となるように設定したので、第一の交差周波数ωＣ１での位相遅れの増加分も小さくなり、安定性を損ねることがなくなり、制御系が振動的になったり、発振したりすることがないという効果がある。
【００２６】
第４の発明によれば、フィルタは、比例ゲインＫＰとゲインＫＬとの積を機械系の慣性モーメントＪで除した値である交差周波数ωＣ１と第一のフィルタ周波数ωＦ１との比が概ね一定となるようにすると共に、積分ゲインＫＩを比例ゲインＫＰで除した値である零点周波数ωＰＩと交差周波数ωＣ１との比を概ね一定としたので、第一の交差周波数ωＣ１における位相遅れが大きくなり過ぎず、制御系の安定性を確保することができるという効果がある。
【００２７】
第５の発明によれば、パラメータ設定手段は、機械系の慣性モーメントＪをモータの慣性モーメントＪＭで除した値である慣性比が大きくなれば、第一のフィルタ周波数ωＦ１に対する第二のフィルタ周波数ωＦ２の比が大きくなるように設定したので、第二の交差周波数ωＣ２での位相遅れの増加分も小さくなり、安定性を損ねることがなくなり、制御系が振動的になったり、発振したりすることがないという効果がある。
【００２８】
第６の発明によれば、パラメータ設定手段はゲインＫＬとゲインＫＨの比であるゲイン比、または、第二のフィルタ周波数ωＦ２と第一のフィルタ周波数ωＦ１の比である周波数比を入力し、ゲイン比、または、周波数比に基づいてフィルタの特性を設定したので、機械系が複数の機械共振を持つ場合でも、第一の交差周波数ωＣ１及び第二の交差周波数ωＣ２における位相遅れが大きくなり過ぎることはなく、安定性を保ちながら低周波数のゲインを増大させることができるという効果がある。
【００２９】
第７の発明によれば、パラメータ設定手段は、周波数特性取得手段で取得した機械系の周波数特性に基づいて機械系の反共振周波数と共振周波数の間でフィルタの位相が遅れるように設定したので、フィルタの位相遅れが機械系の位相進みによってキャンセルされる。このため、第一の交差周波数ωＣ１、および、第二の交差周波数ωＣ２での位相遅れが大きくなることがなく、フィルタを挿入しても安定性を損なうことがなくなるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００３０】
本発明の一実施例を図１に示す制御装置の構成ブロック図によって説明する。図１中、図６と同一又は相当部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。図１において、１はモータ、２はモータによって駆動される負荷、３はモータ１と負荷２を接続する軸である。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としてのエンコーダ、５はエンコーダ４で検出されたモータ位置を微分することでモータ１の速度を計算する速度検出手段である。６は比較器であり、図示しない上位コントローラから与えられる速度指令信号と速度検出手段５の出力であるモータ１の検出速度（検出速度信号）とを比較し、両者の差である速度誤差（速度偏差信号）を出力する。７は速度制御手段であり、比較器６の出力である速度誤差を入力してモータ１の駆動指令信号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、モータを回転させる。
速度制御手段７は比例制御器９、積分制御器１０、および、加算器１１から構成される。比例制御器９は入力した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は共振周波数と反共振周波数とを有する機械系で、モータ１と負荷２および軸３から構成される。１３は、速度ループに速度制御手段７と直列に挿入されると共に、速度制御手段７の出力を入力とし、フィルタ演算を行って電流指令を出力する位相遅れフィルタ、１４は位相遅れフィルタの特性と速度制御手段のパラメータである積分ゲインＫＩを設定するパラメータ設定手段である。
【００３１】
ここで、速度ループとは、速度制御手段７、位相遅れフィルタ１３、電流制御手段８、モータ１、エンコーダ４、速度検出５にて形成されるループをいう。  位相遅れフィルタ１３は図２に示すような位相遅れ特性を持つフィルタである。すなわち、第一のフィルタ周波数ωＦ１以下（低周波領域）、の周波数でほぼ一定のゲインＫＬを持ち、第二のフィルタ周波数ωＦ２以上（高周波領域）ではゲインＫＬより小さいほぼ一定のゲインＫＨをもち、第一のフィルタ周波数ωＦ１と第二のフィルタ周波数ωＦ２の間でゲインが連続的に変化する。図２では、ＫＨ＝１＝０ｄｂとしている。また、位相特性は、第一のフィルタ周波数ωＦ１と第二のフィルタ周波数ωＦ２の間で位相が遅れ、第一のフィルタ周波数ωＦ１以下の周波数と第二のフィルタ周波数ωＦ２以上の周波数では位相遅れがほぼ零もしくは小さい値となる。このような周波数特性を持つフィルタは、たとえば、式（２）のような伝達関数Ｇｆ（ｓ）を持つフィルタで実現できる。
Ｇｆ（ｓ）＝（ｓ＋ω2）／（ｓ＋ω1）  ・・・・・（２）
ここに、ω１＝ωＦ１、  ω２＝ωＦ２
ただし、ω１＜ω２である。
位相遅れフィルタ１３の特性を決める第一のフィルタ周波数ωＦ１と第二のフィルタ周波数ωＦ２はパラメータ設定手段１４で以下のように設定される。まず、第一の交差周波数ωＣ１と第二の交差周波数ωＣ２を以下の式で計算できる。
ωｃ1＝Ｋｐ・ＫＬ／Ｊ      ・・・・・（３）
ωｃ2＝Ｋｐ・ＫＨ／ＪＨ    ・・・・・（４）
ここに、ＫＰ： 速度制御手段７の比例ゲイン
ＫＬ：位相遅れフィルタ１３の低周波数でのゲイン
ＫＨ：位相遅れフィルタ１３の高周波数でのゲイン
Ｊ：機械系１５の慣性モーメント
ＪＭ：モータ１の慣性モーメント
【００３２】
式（３）と式（４）は次のようにして導出できる。反共振周波数以下の低周波数では、機械系１５の伝達関数を１／Ｊｓで近似することができる。また、低周波数での位相遅れフィルタ１３のゲインはＫＬとなるので、速度制御手段７の比例ゲインがＫＰであることを考慮すると、低周波数での速度開ループ伝達関数は近似的にＫＰ・ＫＬ／Ｊｓとなる。ただし、速度制御手段７の積分ゲインＫＩは小さいとしての影響を無視している。この伝達関数のゲインが０ｄｂとなる周波数はＫＰ・ＫＬ／Ｊであり、これが第一の交差周波数ωＣ１となるから式（３）が得られる。
同様に、共振周波数以上の高周波数では機械系１５の伝達関数を１／ＪＭｓで近似することができ、高周波数での位相遅れフィルタ１３のゲインはＫＨとなるので、高周波数での速度開ループ伝達関数は近似的にＫＰ・ＫＨ／ＪＭｓとなる。
この伝達関数のゲインが０ｄｂとなる周波数はＫＰ・ＫＨ／ＪＭとなり、これが第二の交差周波数ωＣ２となるから式（４）が得られる。パラメータ設定手段１４では、式（３）および式（４）で与えられる第一の交差周波数ωＣ１と第二の交差周波数ωＣ２との間で位相遅れフィルタ１３の位相が遅れるように第一のフィルタ周波数ωＦ１と第二のフィルタ周波数ωＦ２とを設定する。
【００３３】
図３はこのような位相遅れフィルタ１３を速度ループに挿入した場合としない場合の速度開ループ周波数特性を比較したものである。図３において、実線は位相遅れフィルタ１３を速度ループに挿入した場合、破線は挿入しない場合の周波数特性である。位相遅れフィルタ１３は低周波数でゲインを大きくする特性を持っているので、位相遅れフィルタ１３を速度ループに挿入することにより、低周波数でのゲインが大きくなっていることがわかる。上記のように、低周波数でのゲインを大きくすると外乱トルクによる速度変動が小さくなるので、位相遅れフィルタ１３を挿入することで精度のよい制御が実現できることになる。
【００３４】
また、制御系が安定に動作するには、上記のように第一の交差周波数ωＣ１と第二の交差周波数ωＣ２での位相遅れが小さいことが必要である。位相遅れフィルタ１３は上記のように、第一の交差周波数ωＣ１と第二の交差周波数ωＣ２で位相遅れが小さくなるように第一のフィルタ周波数ωＦ１と第二のフィルタ周波数ωＦ２を設定しているので、第一の交差周波数ωＣ１と第二の交差周波数ωＣ２での位相遅れの増加分が小さく、制御系の安定性を損なうことがない。すなわち、パラメータ設定手段１４で位相遅れフィルタ１３の第一のフィルタ周波数ωＦ１と第二のフィルタ周波数ωＦ２を上記のように設定すれば、制御系の安定性を損なうことなく、低周波数でのゲインを大きくすることができ、高精度の制御を実現することが可能となる。
【００３５】
なお、図３の第一の交差周波数ωＣ１と第二の交差周波数ωＣ２の正確な値は速度開ループ周波数特性を実際に計測しないと決められないが、近似的には上記式（３）および式（４）で計算することができる。
【００３６】
次にパラメータ設定手段１４の具体的な処理内容について説明する。まず、第一のフィルタ周波数ωＦ１と第一の交差周波数ωＣ１の比が概ね一定となるように、第一のフィルタ周波数ωＦ１を設定する。たとえば、第一のフィルタ周波数ωＦ１は第一の交差周波数ωＣ１の１〜２倍程度に設定する。図２に示したように、第一のフィルタ周波数ωＦ１以下の周波数では位相遅れフィルタ１３の位相遅れが小さくなっているので、このように設定すれば第一の交差周波数ωＣ１での位相遅れの増加分も小さくなり、安定性を損ねることがなくなり、制御系が振動的になったり、発振したりすることがない。
【００３７】
次に、機械系１５の慣性モーメントＪをモータ１の慣性モーメントＪＭで除した値である慣性比が大きくなれば、第一のフィルタ周波数ωＦ１に対する第二のフィルタ周波数ωＦ２の比が大きくなるように第二のフィルタ周波数ωＦ２を設定する。たとえば、第二のフィルタ周波数ωＦ２を慣性比の平方根と第一のフィルタ周波数ωＦ１の積に設定する。または、第二のフィルタ周波数ωＦ２を第二の交差周波数ωＣ２の１／２〜１倍程度に設定してもよい。このように設定すれば、第二のフィルタ周波数ωＦ２は第二の交差周波数ωＣ２と同程度かそれよりも小さい値となる。図２に示したように、第二のフィルタ周波数ωＦ２以上の周波数では位相遅れフィルタ１３の位相遅れが小さくなっているので、このように設定すれば第二の交差周波数ωＣ２での位相遅れの増加分も小さくなり、安定性を損ねることがなくなり、制御系が振動的になったり、発振したりすることがない。
【００３８】
さらに、パラメータ設定手段１４は、速度制御手段７における積分ゲインＫＩを比例ゲインＫＰで除した値である零点周波数ωＰＩと第一の交差周波数ωＣ１との比が概ね一定となるように積分ゲインＫＩを設定する。たとえば、零点周波数ωＰＩが第一の交差周波数ωＣ１の１／２になるようにするには、ＫＩ＝ＫＰ・ωＣ１／２とすればよい。積分制御器１０に起因する第一の交差周波数ωＣ１における位相遅れの大きさは概ね零点周波数ωＰＩと第一の交差周波数ωＣ１の比で決まるので、零点周波数ωＰＩと第一の交差周波数ωＣ１の比を適切に設定しておけば第一の交差周波数ωＣ１における位相遅れが大きくなり過ぎず、制御系の安定性を確保することができる。つまり、零点周波数ωＰＩと第一の交差周波数ωＣ１の比が適切な値になるように積分ゲインＫＩを設定すれば、制御系の安定性が確保された範囲内で積分ゲインＫＩを大きくでき、低周波数の外乱に対する抑制効果を増大できる。
【実施例２】
【００３９】
図４は本発明の他の実施例である制御装置の構成をブロック図で示したものである。図１と同一部分には同一の符号を付して適宜説明を省略する。図４において、１６は位相遅れフィルタの特性と速度制御手段のパラメータである積分ゲインＫＩを設定するパラメータ設定手段であり、図１のパラメータ設定手段とほぼ同様の作用をするが、外部からひとつの調整パラメータαを入力するようになっている。
この調整パラメータαは、位相遅れフィルタ１３の高周波数でのゲインＫＨに対する低周波数でのゲインＫＬの比を指定する。パラメータ設定手段１６では、調整パラメータαを用いてＫＬ＝α・ＫＨとし、上式（３）によって第一の交差周波数ωＣ１を計算する。さらに、上記のように、第一の交差周波数ωＣ１と第一のフィルタ周波数ωＦ１の比が概ね一定になるように第一のフィルタ周波数ωＦ１を決める。第二のフィルタ周波数ωＦ２はＫＬ＝α・ＫＨとなるように設定される。
【００４０】
調整パラメータαの与え方は、まず、α＝１とする。そして、機械系を作動させてその応答特性を見ながらαを徐々に大きくして行く。望ましい応答が得られるか、または、機械振動が出始めたら調整パラメータαを大きくするのをやめ、望ましい応答が得られた場合はαをその値で固定し、振動が出はじめた場合はαを少し小さくして固定する。このような手順で調整パラメータαを与えることにより、制御系の安定性を保ちながら低周波数でのゲインを大きくすることができ、外乱に対する抑制効果を増大させることができる。その理由を以下に説明する。
【００４１】
まず、調整パラメータαを大きくすると、ＫＬ＝α・ＫＨによって位相遅れフィルタの低周波数でのゲインＫＬが大きくなるので、低周波数の外乱に対する抑制効果を増大できる。また、このとき、第一の交差周波数ωＣ１と第一のフィルタ周波数ωＦ１の比が概ね一定になるようにしているので、上記のように第一の交差周波数ωＣ１における位相遅れが大きくなり過ぎることはなく、安定性を保ちながら低周波数のゲインを増大させることができる。
【００４２】
また、第二のフィルタ周波数ωＦ２は位相遅れフィルタ１３の低周波数でのゲインＫＬと高周波数でのゲインＫＨの関係がＫＬ＝α・ＫＨとなるように設定される。図２のフィルタ特性を見るとわかるが、高周波数でのゲインＫＨに対する低周波数でのゲインＫＬの比であるαを大きくするには、第一のフィルタ周波数ωＦ１に対する第二のフィルタ周波数ωＦ２の比も大きくする必要がある。αを大きくすると、ＫＬ＝α・ＫＨによりＫＬが大きくなり、これに伴って式（３）により第一の交差周波数ωＣ１が大きくなり、さらに第一の交差周波数ωＣ１と第一のフィルタ周波数ωＦ１の比が概ね一定になるようにしているから第一のフィルタ周波数ωＦ１も大きくなり、したがって、第二のフィルタ周波数ωＦ２も大きくなる。第一のフィルタ周波数ωＦ１と第二のフィルタ周波数ωＦ２が大きくなると、位相遅れフィルタ１３の位相が遅れる周波数範囲が高周波側に移動するため、第二の交差周波数ωＣ２における位相遅れが大きくなる。
【００４３】
このように、調整パラメータαを１から徐々に大きくしていくと、それに応じて第二の交差周波数ωＣ２におけ位相遅れが少しずつ大きくなって行くことになる。しかし、第二の交差周波数ωＣ２におけ位相遅れが大きくなり過ぎると機械系に振動が出始めるので、機械系の応答を見ているとそれを知ることができる。したがって、機械系の振動が出始めるよりも少し小さい値にαを設定すると、第二の交差周波数ωＣ２においても位相遅れが大きくなり過ぎることがなくなる。このようにして、第一の交差周波数ωＣ１と第二の交差周波数ωＣ２の両方における位相遅れが大きくならないように位相遅れフィルタ１３の特性を設定することができ、制御系の安定性を保つことができる。
【００４４】
図１に示した実施の形態１の速度制御装置におけるパラメータ設定手段１４は、機械系が一組の共振・反共振を持つ場合には有効に作用する。しかし、機械によってはより高い周波数にも別の共振・反共振特性を持つ場合があり、このような機械では第二の交差周波数ωＣ２を計算で正確に求めることが困難となる。このような場合は、第二のフィルタ周波数ωＦ２を計算で自動的に設定するよりは、調整パラメータαを用いて機械の応答をみながら設定した方が結果的に良好な特性が得られる。
【００４５】
なお、上記では、調整パラメータαは、位相遅れフィルタ１３の低周波でのゲインＫＬと高周波でのゲインＫＨの比であるゲイン比を指定するようにしたが、第二のフィルタ周波数ωＦ２と第一のフィルタ周波数ωＦ１の比である周波数比を指定するようにしてもよい。ゲイン比と周波数比の関係は位相遅れフィルタ１３の伝達関数により決まっているから、ゲイン比を指定しても周波数比を指定しても同じ効果が得られる。
【実施例３】
【００４６】
図５は本発明の他の実施例である制御装置の構成をブロック図で示したものである。図１と同一部分には同一の符号を付してある。図５において、１７は機械系の周波数特性を取得する周波数特性取得手段、１８は位相遅れフィルタの特性を設定するパラメータ設定手段であり、周波数特性取得手段１７で取得した機械系の周波数特性に基づいて位相遅れフィルタの特性を設定する。
【００４７】
周波数特性取得手段１７では機械系の周波数特性を取得するが、その方法はいくつか知られている。専用の計測器を用いて計測することも出来るし、モータをランダムなトルクで駆動して、そのときの速度応答を周波数解析して求めることもできる。また、機械の剛性や質量、慣性モーメントなどがわかっている場合はこれらを用いて数式モデルを作り、計算で求めることもできる。その結果、たとえば、図７に実線で示したような周波数特性が得られる。パラメータ設定手段１８では、このようにして取得した機械系の周波数特性に基づいて、機械系の反共振周波数と共振周波数の間で位相遅れフィルタ１３の位相が遅れるように位相遅れフィルタ１３の特性を設定する。このためには、位相遅れフィルタの第一のフィルタ周波数ωＦ１を反共振周波数の付近に設定し、第二のフィルタ周波数ωＦ２を共振周波数付近に設定する。
【００４８】
機械共振を持つ機械系の周波数特性は、図７の実線に示したように、反共振周波数と共振周波数の間で位相が進む特性を持っている。したがって、上記のように反共振周波数と共振周波数の間で位相遅れフィルタ１３の位相が遅れるように設定すれば、位相遅れフィルタの位相遅れが機械系の位相進みによってキャンセルされる。このため、第一の交差周波数ωＣ１、および、第二の交差周波数ωＣ２での位相遅れが大きくなることがなく、位相遅れフィルタ１３を挿入しても安定性を損なうことがなくなる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
上記のようにモータで駆動する機械系の慣性モーメントがモータ自身の慣性モーメントに比して大きい制御システムに適する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例である制御装置の構成示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例である位相遅れフィルタの周波数特性を示す図である。
【図３】一実施例による速度開ループ周波数特性を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例による制御装置の構成示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施例による制御装置の構成示すブロック図である。
【図６】従来の速度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の速度制御装置を適用した場合の速度開ループ周波数特性を示す図である。
【図８】機械共振を持つ機械系を対象とした従来の速度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】従来技術で用いられるフィルタの周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  モータ、２  負荷、７  速度制御手段、９  比例制御器、１０  積分制御器、１３  位相遅れフィルタ、１４、１６、１８  パラメータ設定手段、１５機械系、１７  周波数特性取得手段。
【図１】
0004367411.tif 000002
【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】
0004367411.tif 000008
【図８】
0004367411.tif 000009
【図９】
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