(57)【要約】被制御対象の負荷（機械負荷）を駆動する電動機の制御装置であって、フィードフォワード制御部と、フィードバック制御部と、加減算器と、を備える。フィードフォワード制御部は、被制御対象の負荷目標位置を指定する位置指令信号を入力し、電動機の目標位置を示すフィードフォワード位置指令信号と、電動機の目標速度を示すフィードフォワード速度指令信号と、電動機で目標位置または目標速度が示す動作を為すために必要なトルクを示すフィードフォワードトルク指令信号と、を出力する。フィードバック制御部は、フィードフォワード位置指令信号と、フィードフォワード速度指令信号と、電動機の位置を示す電動機位置信号と、電動機の速度を示す電動機速度信号とを入力し、電動機位置信号とフィードフォワード位置指令信号が一致するようフィードバック制御するためのトルク指令を示すフィードバックトルク指令信号を出力する。加減算器は、フィードフォワードトルク指令信号とフィードバックトルク指令信号を加算したトルク指令信号から、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算し、トルク指令補正信号として出力する。フィードフォワード制御部は、加減速動作時にトルク指令信号から減算される負荷加速度フィードバックトルク信号の影響を予め補償するようにフィードフォワードトルク指令信号を生成する。
2019138825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被制御対象の負荷を駆動する電動機の制御装置であって、
前記被制御対象の負荷目標位置を指定する位置指令信号を入力し、前記電動機の目標位置を示すフィードフォワード位置指令信号と、前記電動機の目標速度を示すフィードフォワード速度指令信号と、前記電動機で前記目標位置または前記目標速度が示す動作を為すために必要なトルクを示すフィードフォワードトルク指令信号と、を出力するフィードフォワード制御部と、
前記フィードフォワード位置指令信号と、前記フィードフォワード速度指令信号と、前記電動機の位置を示す電動機位置信号と、前記電動機の速度を示す電動機速度信号とを入力し、前記電動機位置信号と前記フィードフォワード位置指令信号が一致するようにフィードバック制御するためのトルク指令を示すフィードバックトルク指令信号を出力するフィードバック制御部と、
前記フィードフォワードトルク指令信号と前記フィードバックトルク指令信号を加算したトルク指令信号から、前記被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算し、トルク指令補正信号として出力する加減算器と、
を備え、
前記フィードフォワード制御部は、加減速動作時に前記トルク指令信号から減算される前記負荷加速度フィードバックトルク信号の影響を予め補償するように前記フィードフォワードトルク指令信号を生成する、電動機の制御装置。
【請求項２】
前記フィードフォワード制御部は、前記フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に対し、前記電動機のイナーシャと前記被制御対象の負荷のイナーシャと前記負荷加速度フィードバックゲインの加算値を乗じることによって、前記フィードフォワードトルク指令信号を生成する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記加減算器は、前記トルク指令信号から、前記被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号にフィルタ処理を施した信号に前記負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算することで、トルク指令補正信号を生成し、
前記フィードフォワード制御部は、前記フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に前記電動機のイナーシャと前記被制御対象の負荷のイナーシャの加算値を乗じた信号と、前記フィードフォワード加速度指令信号に前記フィルタ処理と等価なフィルタ処理を施した信号に前記負荷加速度フィードバックゲインを乗じた信号と、を加算することによって、前記フィードフォワードトルク指令信号を生成する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機および電動機で駆動される機械負荷に対し、電動機の速度または位置などの駆動動作を制御する電動機の制御装置に関する。特に、駆動時などに発生する機械負荷の反共振に起因する振動を抑制する制御構成を備えた電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電動機の制御装置は、上位コントローラから入力された位置指令と電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置が一致するように、内部に少なくともフィードフォワード制御系とフィードバック制御系の一つを有している。このような電動機の制御装置は、位置指令と電動機の位置検出値から、位置指令と電動機位置を一致させるためのトルク指令値を算出し、電動機でトルク指令値と同じトルクが生じるよう電動機の固定子巻線に通電する電流を制御することで、電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置を制御している。しかしながら、電動機と被制御対象の負荷（機械負荷）との接合部の機械剛性が低い場合は、加減速時または外乱印加時において、被制御対象の負荷（機械負荷）に反共振に起因する振動が生じやすく、整定性および外乱抑圧性を従来よりも更に高めることが課題として認識されていた。【０００３】
この課題に対し、従来の送り制御装置は、被制御対象の負荷（機械負荷）であるスライダに加速度センサを設置し、被制御対象の負荷（機械負荷）の加速度検出値に重み係数である加速度フィードバックゲインを乗じたものを、トルク指令値から減算する加速度フィードバックループを備えることで、加減速時または外乱印加時に被制御対象の負荷（機械負荷）に生じる振動を抑制するように構成されている（例えば、特許文献１を参照）。【０００４】
特許文献１等で代表される構成では、加速度フィードバックゲインを大きくするほど機械剛性に起因する振動が小さくなる。一方、本構成をフィードフォワード制御系を有する電動機の制御装置に適用した場合に、負荷の加減速動作に必要なトルクがトルク指令値から減算される。このため、指令追従性能が劣化し、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが生じてしまい、整定性と振動抑制が両立できない、という問題を有していた。換言すると、加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間には、トレードオフの関係があり、整定性と振動抑制の両立については、更なる改良が希求されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−９１４８２号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、従来の課題を解決する。本発明は、フィードフォワード制御系と負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置において、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を得ることで、整定性と振動抑制の両立が可能となる電動機の制御装置を提供することを目的とする。即ち、本発明は、負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間の、トレードオフの関係を、緩和、或いは回避を図り、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた電動機の制御装置を提供する。
【０００７】
上述の課題を解決するために、本出願の発明者らは、試行錯誤を重ね且つ鋭意検討を行った。そして、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた新規な電動機の制御装置を見出した。その詳細を下記に述べる。
【０００８】
課題を解決するための第１の態様は、被制御対象の負荷（機械負荷）を駆動する電動機の制御装置であって、フィードフォワード制御部と、フィードバック制御部と、加減算器と、を備える。
【０００９】
フィードフォワード制御部は、被制御対象の負荷目標位置を指定する位置指令信号を入力し、電動機の目標位置を示すフィードフォワード位置指令信号と、電動機の目標速度を示すフィードフォワード速度指令信号と、電動機で目標位置または目標速度が示す動作を為すために必要なトルクを示すフィードフォワードトルク指令信号と、を出力する。
【００１０】
フィードバック制御部は、フィードフォワード位置指令信号と、フィードフォワード速度指令信号と、電動機の位置を示す電動機位置信号と、電動機の速度を示す電動機速度信号とを入力し、電動機位置信号とフィードフォワード位置指令信号が一致するようにフィードバック制御するためのトルク指令を示すフィードバックトルク指令信号を出力する。
【００１１】
加減算器は、フィードフォワードトルク指令信号とフィードバックトルク指令信号を加算したトルク指令信号から、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算し、トルク指令補正信号として出力する。
【００１２】
フィードフォワード制御部は、加減速動作時にトルク指令信号から減算される負荷加速度フィードバックトルク信号の影響を予め補償するようにフィードフォワードトルク指令信号を生成する。
【００１３】
また、第２の態様は、第１の態様の電動機の制御装置において、フィードフォワード制御部は、フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に対し、電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャと負荷加速度フィードバックゲインの加算値を乗じることによって、フィードフォワードトルク指令信号を生成する。
【００１４】
また、第３の態様は、第１の態様の電動機の制御装置において、加減算器は、トルク指令信号から、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号にフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算することで、トルク指令補正信号を生成する。
【００１５】
フィードフォワード制御部は、フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャの加算値を乗じた信号と、フィードフォワード加速度指令信号にフィルタ処理と等価なフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた信号と、を加算することによってフィードフォワードトルク指令信号を生成する。
【００１６】
上述の課題解決によって、フィードフォワード制御系と負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置は、負荷加速度フィードバックによる指令追従性能の低下を招くことも無く、指令追従性能を保ったまま、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高められる。したがって、整定性と振動抑制の両立が実現可能である。
【００１７】
本発明の電動機の制御装置は、フィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償する。本発明の電動機の制御装置は、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めることを可能にし、産業的価値の大いなるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における電動機の制御装置の構成の一例を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における負荷加速度補正部の構成の一例を示す図
【図３】本発明の実施の形態１におけるフィードフォワードトルク指令生成部の構成の一例を示す図
【図４】本発明の実施の形態２における電動機の制御装置の構成の一例を示す図
【図５】本発明の実施の形態２におけるフィードフォワードトルク指令生成部の構成の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電動機の制御装置の構成の一例を示す図である。図１に示す電動機の制御装置１００は、電動機２０１と電動機２０１の位置を検出する位置検出器２０２と、接合部２０３を介して電動機２０１に繋がれた駆動対象である負荷２０４の加速度を検出する加速度検出器２０５に接続されている。電動機の制御装置１００は、図示しない上位コントローラから位置指令信号が入力され、位置指令信号と電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置が一致するように電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。位置検出器２０２は電動機の位置を検出し、電動機位置信号θｍとして、電動機の制御装置１００へ出力する。加速度検出器２０５は負荷の加速度を検出し、負荷加速度信号ＡＬとして電動機の制御装置１００へ出力する。
【００２１】
電動機の制御装置１００の構成を説明する。電動機の制御装置１００は、内部にフィードフォワード制御部１００１、フィードバック制御部１００２、トルク制御部１０３、速度変換部１０４、負荷加速度補正部１０５、加減算器１０８を有している。フィードフォワード制御部１００１においては、位置指令信号θｓが入力され、電動機の目標動作を示すフィードフォワード位置指令信号θｆｆ、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆ、および、電動機が目標動作を為すために必用なトルクであるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆが出力される。
【００２２】
フィードバック制御部１００２は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、電動機位置信号θｍと、電動機位置信号θｍから速度変換部１０４によって算出された電動機速度信号ωｍとを入力し、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと電動機位置信号θｍの位置ずれ、およびフィードフォワード速度指令信号ωｆｆと電動機速度信号ωｍの速度ずれを小さくするためのトルクを示すフィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。
【００２３】
加減算器１０８は、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとフィードバックトルク指令信号τｆｂの加算値であるトルク指令信号τｓから後述する負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減じたトルク指令補正信号τｉｎを出力する。トルク制御部１０３は、トルク指令補正信号τｉｎを入力し、電動機でトルク指令補正信号τｉｎと同じトルクが生じるように、電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。
【００２４】
負荷加速度補正部１０５には、負荷加速度信号ＡＬから指令加速度信号Ａｓを減じた負荷加速度補正信号Ａ’Ｌが入力され、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが出力される。
【００２５】
このようにして、電動機の制御装置１００は、位置指令と電動機および負荷の位置が一致するにように、内部に、フィードフォワード制御系と、電動機位置と電動機速度と負荷速度をフィードバックしたカスケード型のフィードバック制御系を有している。
【００２６】
次に、電動機の制御装置の構成の詳細を説明する。
【００２７】
フィードフォワード制御部１００１は、内部に、フィードフォワード動作指令生成部１０６とフィードフォワードトルク指令生成部１０７を有している。
【００２８】
フィードフォワード動作指令生成部１０６は、位置指令信号θｓを入力し、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆとを出力する。例えば、位置指令信号θｓをそのままフィードフォワード位置指令信号θｆｆとして出力し、フィードフォワード位置指令信号θｆｆに一階微分演算処理を施すことでフィードフォワード速度指令信号ωｆｆを、フィードフォワード位置指令信号θｆｆに二階微分演算処理を施すことでフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆを算出する。
【００２９】
フィードフォワードトルク指令生成部１０７は、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆを入力し、電動機２０１または負荷２０４の加速度がフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆと一致するために必用なトルクであるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを出力する。
【００３０】
例えば、フィードフォワード加速度指令Ａｆｆに電動機または負荷などの総イナーシャを示す重み係数を乗じ、フィードフォワードトルク指令τｆｆを算出する。なお、フィードフォワードトルク指令生成部１０７におけるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを演算する構成の詳細は後述する。
【００３１】
このようにして、フィードフォワード制御部１００１は、フィードフォワード動作指令生成部１０６とフィードフォワードトルク指令生成部１０７の作用により、入力された位置指令信号θｓから、フィードフォワード位置指令信号θｆｆとフィードフォワード速度指令信号ωｆｆとフィードフォワードトルク指令信号τｆｆとを出力する。フィードバック制御部１００２は、内部に、位置制御部１０１と速度制御部１０２を有している。位置制御部１０１は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと電動機位置信号θｍを入力し、両者の差異を小さくするための速度指令信号ωｓを出力する。位置制御部１０１は、例えば、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと電動機位置信号θｍに重み係数を乗じたものを速度指令信号ωｓとして出力する比例制御演算を行う。
【００３２】
速度制御部１０２は、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓと電動機速度信号ωｍを入力する。速度制御部１０２は、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓとの加算値と、電動機速度信号ωｍの差異を小さくするためのフィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。速度制御部１０２は、例えば、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓとの加算値から電動機速度信号ωｍを減じた値に重み係数を乗じたものと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓの加算値から電動機速度信号ωｍを減じたものの積分値に重み係数を乗じたものとの加算値を、フィードバックトルク指令信号τｆｂとして出力する比例積分演算を行う。
【００３３】
このようにして、フィードバック制御部１００２は、入力されたフィードフォワード位置指令信号θｆｆとフィードフォワード速度指令信号ωｆｆと電動機位置信号θｍと電動機速度信号ωｍから、フィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。
【００３４】
速度変換部１０４は、電動機位置信号θｍを入力し、電動機速度を示す電動機速度信号ωｍを出力する。速度変換部１０４では、例えば、電動機位置信号θｍに対して微分演算を行い、その算出結果を電動機速度信号ωｍとして出力する。
【００３５】
負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度信号ＡＬを入力し、負荷加速度信号ＡＬに重み係数を乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力する。そして、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとフィードバックトルク指令信号τｆｂの加算値であるトルク指令信号τｓから、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減じた値が、トルク指令補正信号τｉｎとしてトルク制御部１０３に入力される。
【００３６】
しかしながら、電動機位置信号θｍまたは負荷位置θＬを位置指令信号θｓに追従させるために電動機または負荷を加減速動作させる際、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃをトルク指令信号τｓから減じると、加減速動作に必用なトルクとして算出されたフィードフォワードトルク指令信号τｆｆから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが減じられる。フィードフォワードトルク指令信号τｆｆから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが減じられる場合の作用について、負荷加速度補正部１０５の動作原理と合わせて説明する。
【００３７】
図２は、本発明の実施の形態１における負荷加速度補正部１０５の構成の一例を示す図である。負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度信号ＡＬを入力し、負荷加速度信号ＡＬに重み係数である負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力する。このとき、指令加速度信号Ａｓ＝０とすると、トルク指令信号τｓに対する電動機位置信号θｍの伝達関数Ｇτｓ→θｍ（ｓ）、およびトルク指令信号に対する負荷位置θＬの伝達関数Ｇτｓ→θＬ（ｓ）は、次の式（１）、式（２）で示される。
【００３８】
【数１】
2019138825.tif 000003
【００３９】
【数２】
2019138825.tif 000004
【００４０】
【数３】
2019138825.tif 000005
【００４１】
【数４】
2019138825.tif 000006
【００４２】
式（１）および式（２）において、ｓはラプラス演算子、Ｊｍは電動機２０１のイナーシャ、ＪＬは負荷２０４のイナーシャ、ω’ｐはトルク指令信号τｓから電動機位置信号θｍへの伝達特性における共振周波数、ωｚはトルク指令信号τｓから電動機位置信号θｍへの伝達特性における反共振周波数である。電動機イナーシャＪｍ、負荷イナーシャＪＬ、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃと共振周波数ω’ｐとの関係は式（３）、反共振周波数ωｚとの関係は式（４）の式で示される。式（３）および式（４）において、Ｋｓは接合部２０３の弾性係数を示している。電動機の制御装置１００で電動機２０１を介して負荷２０４を駆動する場合、加減速動作によって負荷２０４に反共振周波数ωｚの振動が励起され、停止時の整定性の悪化要因となる。
【００４３】
式（１）に着目すると、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを大きくすると、共振周波数ω’ｐは大きくなり、反共振周波数ωｚは変化しないことが分かる。共振周波数と反共振周波数の差異が大きくなるほど、反共振周波数におけるゲインは小さくなるので、反共振の影響は小さくなる。一方、式（１）と式（２）より、トルク指令信号τｓに対する、電動機位置信号θｍと負荷位置θＬとの関係は、次の式（５）の関係にあることが分かる。
【００４４】
【数５】
2019138825.tif 000007
【００４５】
式（５）より、電動機位置信号θｍと負荷位置θＬとの関係は、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃに関わらず、常に一定である。よって、式（１）において、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを上げることで、トルク指令信号τｓに対する電動機位置信号θｍの伝達特性の反共振周波数ωｚにおけるゲインが小さくなると、トルク指令信号τｓに対する負荷位置θＬの伝達特性の反共振周波数ωｚにおけるゲインも同様に小さくなる。よって、加減速動作によって生じる負荷２０４の反共振周波数ωｚの振動も小さくなる。
【００４６】
よって、負荷加速度補正部１０５によって負荷加速度をフィードバックすることで、上記の原理により、反共振周波数におけるゲイン、つまり感度を下げる作用がある。これによって、電動機の制御装置１００によって電動機２０１または負荷２０４を駆動する際に、加減速動作時や外乱印加時に負荷２０４に生じる反共振振動を減じることができる。
【００４７】
以上に示した通り、負荷加速度補正部１０５による負荷加速度信号ＡＬをフィードバックすることで、反共振に起因する振動を抑制する効果が得られる。
【００４８】
一方で、式（１）および式（２）より、トルク指令信号τｓに対する電動機位置信号θｍおよび負荷位置θＬの伝達関数から、その総イナーシャは電動機イナーシャＪｍ、負荷イナーシャＪＬ、および負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃの加算値であることが分かる。つまり、トルク指令信号τｓから見た、電動機２０１と負荷２０４で構成される被制御対象の総イナーシャが、負荷加速度補正部１０５による負荷加速度フィードバックを行うことで、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃだけ増加していることを示している。
【００４９】
これは、トルク指令信号τｓから負荷加速度フィードバックトルク指令τａｃｃを減じることが、トルク指令信号τｓから見た被制御対象の総イナーシャが負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃだけ増加することと等価である。
【００５０】
フィードフォワードトルク指令生成部１０７において、トルク指令信号τｓから見た被制御対象の負荷加速度フィードバックによる総イナーシャ変化が考慮されていない場合、加減速動作時にフィードフォワードトルク指令信号τｆｆのみを電動機に印加しても、フィードフォワード動作指令生成部から出力された動作指令と電動機動作とは一致しなくなる。つまり、フィードフォワード制御による指令追従性能が劣化する。
【００５１】
動作指令と電動機動作との差異は、位置制御部１０１および速度制御部１０２によって補償され、動作指令と電動機動作が一致するように制御されるが、位置制御部１０１および速度制御部１０２は、動作指令と電動機動作の不一致による両者の偏差に応じて制御が為される。このため、制御に遅れが生じ、この制御遅れが原因で、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが発生してしまう。
【００５２】
つまり、フィードフォワード制御系と負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置において、負荷加速度フィードバックゲインを大きくするほど、指令追従性能が劣化し、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが発生してしまう。換言すると、加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間には、トレードオフの関係があり、整定性と振動抑制を両立することができない、という問題がある。
【００５３】
停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートを防ぎ、整定性と振動抑制を両立するには、フィードフォワードトルク指令生成部１０７によるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆの演算において、負荷加速度フィードバックによるトルク指令信号τｓからの減算量である負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを考慮する必要がある。すなわち、負荷加速度フィードバックによって生じるトルク指令信号τｓから見た被制御対象の総イナーシャ変化を考慮する必要がある。
【００５４】
図３は、本発明の実施の形態１におけるフィードフォワードトルク指令生成部１０７の構成の一例を示す図である。フィードフォワードトルク指令生成部１０７では、入力されたフィードフォワード加速度指令Ａｆｆに、電動機イナーシャＪｍと、負荷イナーシャＪＬと、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃの加算値を乗じることで、フィードフォワードトルク指令信号を算出する。
【００５５】
このように、電動機の制御装置１００では、フィードフォワードトルク指令生成部１０７において、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆからフィードフォワードトルク指令τｆｆを算出する際に、電動機と負荷のイナーシャに加え、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃも考慮することで、トルク指令τｓから見た被制御対象の総イナーシャの負荷加速度フィードバックによる変化による影響を加味したフィードフォワードトルク指令τｆｆが算出される。これによって、加減速動作時の動作指令と電動機動作との差異が小さくなるので、指令追従性が向上し、停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどを改善することができる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態においてはフィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償することで、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高める得ることができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られるので、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
【００５７】
以上のように、本実施の形態の電動機の制御装置１００は、被制御対象の負荷を駆動する電動機の制御装置であって、フィードフォワード制御部１００１と、フィードバック制御部１００２と、加減算器１０８と、を備える。フィードフォワード制御部１００１は、被制御対象の負荷目標位置を指定する位置指令信号θｓを入力し、電動機の目標位置を示すフィードフォワード位置指令信号θｆｆと、電動機の目標速度を示すフィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、電動機で目標位置または目標速度が示す動作を為すために必要なトルクを示すフィードフォワードトルク指令信号τｆｆと、を出力する。フィードバック制御部１００２は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、電動機の位置を示す電動機位置信号θｍと、電動機の速度を示す電動機速度信号ωｍとを入力し、電動機位置信号θｍとフィードフォワード位置指令信号θｆｆが一致するようフィードバック制御するためのトルク指令を示すフィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。加減算器１０８は、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとフィードバックトルク指令信号τｆｂを加算したトルク指令信号τｓから、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号ＡＬに負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減算し、トルク指令補正信号τｉｎとして出力する。フィードフォワード制御部１００１は、加減速動作時にトルク指令信号τｓから減算される負荷加速度フィードバックトルクの影響を予め補償するようにフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを生成する。
【００５８】
これにより、フィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償することで、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高める得ることができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られるので、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
【００５９】
また、フィードフォワード制御部１００１は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆの二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆに対し、電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャと負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃの加算値を乗じることによって、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆを生成してもよい。
【００６０】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の電動機の制御装置の構成の一例を示す図である。図４は、図１に対し、加速度検出器２０６とフィードフォワードトルク指令生成部３０７が異なる。これ以外の構成要素の働きは図１に示した本発明の実施の形態１の電動機の制御装置と同じであるため、説明を省略する。
【００６１】
加速度検出器２０６では、負荷２０４の加速度に対し、検出雑音成分を除去することなどを目的に、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタ処理を施したものを負荷加速度信号ＡＬとして出力する。加速度検出器２０６でフィルタ処理が施される場合、負荷加速度フィードバックによる見かけ上のイナーシャ変化は、フィルタ処理の影響を受けることになる。このため、フィードフォワードトルク指令生成部３０７におけるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆの算出処理上で、加速度検出器２０６におけるフィルタ処理を考慮する必要がある。
【００６２】
次に、フィードフォワードトルク指令生成部３０７の構成について説明する。図５は、本発明の実施の形態２におけるフィードフォワードトルク指令生成部３０７の構成の一例を示すものである。
【００６３】
フィードフォワードトルク指令生成部３０７は、内部に、イナーシャ乗算部３０７１と、フィルタ部３０７２と、負荷加速度フィードバックゲイン乗算部３０７３とを有している。
【００６４】
イナーシャ乗算部３０７１は、フィードフォワード加速度信号Ａｆｆを入力する。イナーシャ乗算部３０７１は、電動機イナーシャＪｍと負荷イナーシャＪＬの加算値を重み係数としてフィードフォワード加速度信号Ａｆｆに乗じたものを、第１フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ１として出力する。
【００６５】
フィルタ部３０７２は、同様にフィードフォワード加速度信号Ａｆｆを入力する。フィルタ部３０７２は、入力されたフィードフォワード加速度信号Ａｆｆに対し、加速度検出器２０６において負荷の加速度に為されたフィルタ処理と等価なフィルタ処理を施し、フィードフォワード加速度指令補正信号Ａｆｆｃを出力する。
【００６６】
負荷加速度フィードバックゲイン乗算部３０７３は、フィードフォワード加速度指令補正信号Ａｆｆｃを入力し、これに負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じたものを第２フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ２として出力する。
【００６７】
第１フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ１と、第２フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ２との加算値が、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとして、フィードフォワードトルク指令生成部３０７から出力される。
【００６８】
このように、フィードフォワードトルク指令生成部３０７において、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆからフィードフォワードトルク指令τｆｆを算出する際に、電動機と負荷のイナーシャに加え、負荷加速度フィードバックゲインを考慮し、更に負荷加速度に対して為されるフィルタ処理もする。これにより、トルク指令信号τｓから見た被制御対象の、負荷加速度フィードバックによる総イナーシャ変化を加味したフィードフォワードトルク指令が算出される。よって、加減速動作時の動作指令と電動機動作との差異が小さくなり、停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどを改善することができる。
【００６９】
以上のように、本実施の形態においてはフィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、加速度検出器内部の負荷加速度に対するフィルタ処理を踏まえて、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償することで、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高める得ることができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られるので、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
【００７０】
以上のように、本実施の形態の電動機の制御装置１００において、加減算器１０８は、トルク指令信号τｓから、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号ＡＬにフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた負荷加速度フィードバックトルクを減算することで、トルク指令補正信号τｉｎを生成する。また、フィードフォワード制御部１００１は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆの二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆに電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャの加算値を乗じた信号と、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆにフィルタ処理と等価なフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた信号と、を加算することによってフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを生成する。
【００７１】
これにより、加減速動作時の動作指令と電動機動作との差異が小さくなり、停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどを改善することができる。
【００７２】
また、本実施の形態では、加速度検出器において負荷加速度にフィルタ処理を施す構成としたが、電動機の制御装置内で負荷加速度にフィルタ処理を施す構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明にかかる電動機の制御装置は、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られる。よって、整定性と振動抑制の両立が可能となる。負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間の、トレードオフの関係を、緩和、或いは回避を図ることで、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた電動機の制御装置を提供可能である。したがって、半導体製造装置や電子部品実装機等で使用される電動機の制御装置等の用途に好適である。
【符号の説明】
【００７４】
１００  電動機の制御装置
１００１  フィードフォワード制御部
１００２  フィードバック制御部
１０１  位置制御部
１０２  速度制御部
１０３  トルク制御部
１０４  速度変換部
１０５  負荷加速度補正部
１０６  フィードフォワード動作指令生成部
１０７  フィードフォワードトルク指令生成部
１０８  加減算器
２０１  電動機
２０２  位置検出器
２０３  接合部
２０４  負荷
２０５  加速度検出器
２０６  加速度検出器
３０７  フィードフォワードトルク指令生成部
３０７１  イナーシャ乗算部
３０７２  フィルタ部
３０７３  負荷加速度フィードバックゲイン乗算部
【図１】
2019138825.tif 000008
【図２】
2019138825.tif 000009
【図３】
2019138825.tif 000010
【図４】
2019138825.tif 000011
【図５】
2019138825.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月28日(2020.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機および電動機で駆動される機械負荷に対し、電動機の速度または位置などの駆動動作を制御する電動機の制御装置に関する。特に、駆動時などに発生する機械負荷の反共振に起因する振動を抑制する制御構成を備えた電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電動機の制御装置は、上位コントローラから入力された位置指令と電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置が一致するように、内部に少なくともフィードフォワード制御系とフィードバック制御系の一つを有している。このような電動機の制御装置は、位置指令と電動機の位置検出値から、位置指令と電動機位置を一致させるためのトルク指令値を算出し、電動機でトルク指令値と同じトルクが生じるよう電動機の固定子巻線に通電する電流を制御することで、電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置を制御している。しかしながら、電動機と被制御対象の負荷（機械負荷）との接合部の機械剛性が低い場合は、加減速時または外乱印加時において、被制御対象の負荷（機械負荷）に反共振に起因する振動が生じやすく、整定性および外乱抑圧性を従来よりも更に高めることが課題として認識されていた。
【０００３】
この課題に対し、従来の送り制御装置は、被制御対象の負荷（機械負荷）であるスライダに加速度センサを設置し、被制御対象の負荷（機械負荷）の加速度検出値に重み係数である加速度フィードバックゲインを乗じたものを、トルク指令値から減算する加速度フィードバックループを備えることで、加減速時または外乱印加時に被制御対象の負荷（機械負荷）に生じる振動を抑制するように構成されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１等で代表される構成では、加速度フィードバックゲインを大きくするほど機械剛性に起因する振動が小さくなる。一方、本構成をフィードフォワード制御系を有する電動機の制御装置に適用した場合に、負荷の加減速動作に必要なトルクがトルク指令値から減算される。このため、指令追従性能が劣化し、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが生じてしまい、整定性と振動抑制が両立できない、という問題を有していた。換言すると、加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間には、トレードオフの関係があり、整定性と振動抑制の両立については、更なる改良が希求されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−９１４８２号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、従来の課題を解決する。本発明は、フィードフォワード制御系と負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置において、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を得ることで、整定性と振動抑制の両立が可能となる電動機の制御装置を提供することを目的とする。即ち、本発明は、負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間の、トレードオフの関係を、緩和、或いは回避を図り、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた電動機の制御装置を提供する。
【０００７】
上述の課題を解決するために、本出願の発明者らは、試行錯誤を重ね且つ鋭意検討を行った。そして、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた新規な電動機の制御装置を見出した。その詳細を下記に述べる。
【０００８】
課題を解決するための第１の態様は、被制御対象の負荷（機械負荷）を駆動する電動機の制御装置であって、フィードフォワード制御部と、フィードバック制御部と、加減算器と、を備える。
【０００９】
フィードフォワード制御部は、被制御対象の負荷目標位置を指定する位置指令信号を入力し、電動機の目標位置を示すフィードフォワード位置指令信号と、電動機の目標速度を示すフィードフォワード速度指令信号と、電動機で目標位置または目標速度が示す動作を為すために必要なトルクを示すフィードフォワードトルク指令信号と、を出力する。
【００１０】
フィードバック制御部は、フィードフォワード位置指令信号と、フィードフォワード速度指令信号と、電動機の位置を示す電動機位置信号と、電動機の速度を示す電動機速度信号とを入力し、電動機位置信号とフィードフォワード位置指令信号が一致するようにフィードバック制御するためのトルク指令を示すフィードバックトルク指令信号を出力する。
【００１１】
加減算器は、フィードフォワードトルク指令信号とフィードバックトルク指令信号を加算したトルク指令信号から、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算し、トルク指令補正信号として出力する。
【００１２】
フィードフォワード制御部は、加減速動作時にトルク指令信号から減算される負荷加速度フィードバックトルク信号の影響を予め補償するようにフィードフォワードトルク指令信号を生成する。
【００１３】
また、第２の態様は、第１の態様の電動機の制御装置において、フィードフォワード制御部は、フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に対し、電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャと負荷加速度フィードバックゲインの加算値を乗じることによって、フィードフォワードトルク指令信号を生成する。
【００１４】
また、第３の態様は、第１の態様の電動機の制御装置において、加減算器は、トルク指令信号から、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号にフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算することで、トルク指令補正信号を生成する。
【００１５】
フィードフォワード制御部は、フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャの加算値を乗じた信号と、フィードフォワード加速度指令信号にフィルタ処理と等価なフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた信号と、を加算することによってフィードフォワードトルク指令信号を生成する。
【００１６】
上述の課題解決によって、フィードフォワード制御系と負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置は、負荷加速度フィードバックによる指令追従性能の低下を招くことも無く、指令追従性能を保ったまま、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高められる。したがって、整定性と振動抑制の両立が実現可能である。
【００１７】
本発明の電動機の制御装置は、フィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償する。本発明の電動機の制御装置は、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めることを可能にし、産業的価値の大いなるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における電動機の制御装置の構成の一例を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における負荷加速度補正部の構成の一例を示す図
【図３】本発明の実施の形態１におけるフィードフォワードトルク指令生成部の構成の一例を示す図
【図４】本発明の実施の形態２における電動機の制御装置の構成の一例を示す図
【図５】本発明の実施の形態２におけるフィードフォワードトルク指令生成部の構成の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電動機の制御装置の構成の一例を示す図である。図１に示す電動機の制御装置１００は、電動機２０１と電動機２０１の位置を検出する位置検出器２０２と、接合部２０３を介して電動機２０１に繋がれた駆動対象である負荷２０４の加速度を検出する加速度検出器２０５に接続されている。電動機の制御装置１００は、図示しない上位コントローラから位置指令信号が入力され、位置指令信号と電動機および被制御対象の負荷（機械負荷）の位置が一致するように電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。位置検出器２０２は電動機の位置を検出し、電動機位置信号θｍとして、電動機の制御装置１００へ出力する。加速度検出器２０５は負荷の加速度を検出し、負荷加速度信号ＡＬとして電動機の制御装置１００へ出力する。
【００２１】
電動機の制御装置１００の構成を説明する。電動機の制御装置１００は、内部にフィードフォワード制御部１００１、フィードバック制御部１００２、トルク制御部１０３、速度変換部１０４、負荷加速度補正部１０５、加減算器１０８を有している。フィードフォワード制御部１００１においては、位置指令信号θｓが入力され、電動機の目標動作を示すフィードフォワード位置指令信号θｆｆ、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆ、および、電動機が目標動作を為すために必用なトルクであるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆが出力される。
【００２２】
フィードバック制御部１００２は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、電動機位置信号θｍと、電動機位置信号θｍから速度変換部１０４によって算出された電動機速度信号ωｍとを入力し、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと電動機位置信号θｍの位置ずれ、およびフィードフォワード速度指令信号ωｆｆと電動機速度信号ωｍの速度ずれを小さくするためのトルクを示すフィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。
【００２３】
加減算器１０８は、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとフィードバックトルク指令信号τｆｂの加算値であるトルク指令信号τｓから後述する負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減じたトルク指令補正信号τｉｎを出力する。トルク制御部１０３は、トルク指令補正信号τｉｎを入力し、電動機でトルク指令補正信号τｉｎと同じトルクが生じるように、電動機の固定子巻線に通電する電流を制御する。
【００２４】
負荷加速度補正部１０５には、負荷加速度信号ＡＬから指令加速度信号Ａｓを減じた負荷加速度補正信号Ａ’Ｌが入力され、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが出力される。
【００２５】
このようにして、電動機の制御装置１００は、位置指令と電動機および負荷の位置が一致するにように、内部に、フィードフォワード制御系と、電動機位置と電動機速度と負荷速度をフィードバックしたカスケード型のフィードバック制御系を有している。
【００２６】
次に、電動機の制御装置の構成の詳細を説明する。
【００２７】
フィードフォワード制御部１００１は、内部に、フィードフォワード動作指令生成部１０６とフィードフォワードトルク指令生成部１０７を有している。
【００２８】
フィードフォワード動作指令生成部１０６は、位置指令信号θｓを入力し、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆとを出力する。例えば、位置指令信号θｓをそのままフィードフォワード位置指令信号θｆｆとして出力し、フィードフォワード位置指令信号θｆｆに一階微分演算処理を施すことでフィードフォワード速度指令信号ωｆｆを、フィードフォワード位置指令信号θｆｆに二階微分演算処理を施すことでフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆを算出する。
【００２９】
フィードフォワードトルク指令生成部１０７は、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆを入力し、電動機２０１または負荷２０４の加速度がフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆと一致するために必用なトルクであるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを出力する。
【００３０】
例えば、フィードフォワード加速度指令Ａｆｆに電動機または負荷などの総イナーシャを示す重み係数を乗じ、フィードフォワードトルク指令τｆｆを算出する。なお、フィードフォワードトルク指令生成部１０７におけるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを演算する構成の詳細は後述する。
【００３１】
このようにして、フィードフォワード制御部１００１は、フィードフォワード動作指令生成部１０６とフィードフォワードトルク指令生成部１０７の作用により、入力された位置指令信号θｓから、フィードフォワード位置指令信号θｆｆとフィードフォワード速度指令信号ωｆｆとフィードフォワードトルク指令信号τｆｆとを出力する。フィードバック制御部１００２は、内部に、位置制御部１０１と速度制御部１０２を有している。位置制御部１０１は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと電動機位置信号θｍを入力し、両者の差異を小さくするための速度指令信号ωｓを出力する。位置制御部１０１は、例えば、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと電動機位置信号θｍに重み係数を乗じたものを速度指令信号ωｓとして出力する比例制御演算を行う。
【００３２】
速度制御部１０２は、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓと電動機速度信号ωｍを入力する。速度制御部１０２は、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓとの加算値と、電動機速度信号ωｍの差異を小さくするためのフィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。速度制御部１０２は、例えば、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓとの加算値から電動機速度信号ωｍを減じた値に重み係数を乗じたものと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと速度指令信号ωｓの加算値から電動機速度信号ωｍを減じたものの積分値に重み係数を乗じたものとの加算値を、フィードバックトルク指令信号τｆｂとして出力する比例積分演算を行う。
【００３３】
このようにして、フィードバック制御部１００２は、入力されたフィードフォワード位置指令信号θｆｆとフィードフォワード速度指令信号ωｆｆと電動機位置信号θｍと電動機速度信号ωｍから、フィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。
【００３４】
速度変換部１０４は、電動機位置信号θｍを入力し、電動機速度を示す電動機速度信号ωｍを出力する。速度変換部１０４では、例えば、電動機位置信号θｍに対して微分演算を行い、その算出結果を電動機速度信号ωｍとして出力する。
【００３５】
負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度信号ＡＬを入力し、負荷加速度信号ＡＬに重み係数を乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力する。そして、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとフィードバックトルク指令信号τｆｂの加算値であるトルク指令信号τｓから、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減じた値が、トルク指令補正信号τｉｎとしてトルク制御部１０３に入力される。
【００３６】
しかしながら、電動機位置信号θｍまたは負荷位置θＬを位置指令信号θｓに追従させるために電動機または負荷を加減速動作させる際、負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃをトルク指令信号τｓから減じると、加減速動作に必用なトルクとして算出されたフィードフォワードトルク指令信号τｆｆから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが減じられる。フィードフォワードトルク指令信号τｆｆから負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃが減じられる場合の作用について、負荷加速度補正部１０５の動作原理と合わせて説明する。
【００３７】
図２は、本発明の実施の形態１における負荷加速度補正部１０５の構成の一例を示す図である。負荷加速度補正部１０５は、負荷加速度信号ＡＬを入力し、負荷加速度信号ＡＬに重み係数である負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた値を負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃとして出力する。このとき、指令加速度信号Ａｓ＝０とすると、トルク指令信号τｓに対する電動機位置信号θｍの伝達関数Ｇτｓ→θｍ（ｓ）、およびトルク指令信号に対する負荷位置θＬの伝達関数Ｇτｓ→θＬ（ｓ）は、次の式（１）、式（２）で示される。
【００３８】
【数１】
2019138825.tif 000013
【００３９】
【数２】
2019138825.tif 000014
【００４０】
【数３】
2019138825.tif 000015
【００４１】
【数４】
2019138825.tif 000016
【００４２】
式（１）および式（２）において、ｓはラプラス演算子、Ｊｍは電動機２０１のイナーシャ、ＪＬは負荷２０４のイナーシャ、ω’ｐはトルク指令信号τｓから電動機位置信号θｍへの伝達特性における共振周波数、ωｚはトルク指令信号τｓから電動機位置信号θｍへの伝達特性における反共振周波数である。電動機イナーシャＪｍ、負荷イナーシャＪＬ、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃと共振周波数ω’ｐとの関係は式（３）、反共振周波数ωｚとの関係は式（４）の式で示される。式（３）および式（４）において、Ｋｓは接合部２０３の弾性係数を示している。電動機の制御装置１００で電動機２０１を介して負荷２０４を駆動する場合、加減速動作によって負荷２０４に反共振周波数ωｚの振動が励起され、停止時の整定性の悪化要因となる。
【００４３】
式（１）に着目すると、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを大きくすると、共振周波数ω’ｐは大きくなり、反共振周波数ωｚは変化しないことが分かる。共振周波数と反共振周波数の差異が大きくなるほど、反共振周波数におけるゲインは小さくなるので、反共振の影響は小さくなる。一方、式（１）と式（２）より、トルク指令信号τｓに対する、電動機位置信号θｍと負荷位置θＬとの関係は、次の式（５）の関係にあることが分かる。
【００４４】
【数５】
2019138825.tif 000017
【００４５】
式（５）より、電動機位置信号θｍと負荷位置θＬとの関係は、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃに関わらず、常に一定である。よって、式（１）において、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを上げることで、トルク指令信号τｓに対する電動機位置信号θｍの伝達特性の反共振周波数ωｚにおけるゲインが小さくなると、トルク指令信号τｓに対する負荷位置θＬの伝達特性の反共振周波数ωｚにおけるゲインも同様に小さくなる。よって、加減速動作によって生じる負荷２０４の反共振周波数ωｚの振動も小さくなる。
【００４６】
よって、負荷加速度補正部１０５によって負荷加速度をフィードバックすることで、上記の原理により、反共振周波数におけるゲイン、つまり感度を下げる作用がある。これによって、電動機の制御装置１００によって電動機２０１または負荷２０４を駆動する際に、加減速動作時や外乱印加時に負荷２０４に生じる反共振振動を減じることができる。
【００４７】
以上に示した通り、負荷加速度補正部１０５による負荷加速度信号ＡＬをフィードバックすることで、反共振に起因する振動を抑制する効果が得られる。
【００４８】
一方で、式（１）および式（２）より、トルク指令信号τｓに対する電動機位置信号θｍおよび負荷位置θＬの伝達関数から、その総イナーシャは電動機イナーシャＪｍ、負荷イナーシャＪＬ、および負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃの加算値であることが分かる。つまり、トルク指令信号τｓから見た、電動機２０１と負荷２０４で構成される被制御対象の総イナーシャが、負荷加速度補正部１０５による負荷加速度フィードバックを行うことで、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃだけ増加していることを示している。
【００４９】
これは、トルク指令信号τｓから負荷加速度フィードバックトルク指令τａｃｃを減じることが、トルク指令信号τｓから見た被制御対象の総イナーシャが負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃだけ増加することと等価である。
【００５０】
フィードフォワードトルク指令生成部１０７において、トルク指令信号τｓから見た被制御対象の負荷加速度フィードバックによる総イナーシャ変化が考慮されていない場合、加減速動作時にフィードフォワードトルク指令信号τｆｆのみを電動機に印加しても、フィードフォワード動作指令生成部から出力された動作指令と電動機動作とは一致しなくなる。つまり、フィードフォワード制御による指令追従性能が劣化する。
【００５１】
動作指令と電動機動作との差異は、位置制御部１０１および速度制御部１０２によって補償され、動作指令と電動機動作が一致するように制御されるが、位置制御部１０１および速度制御部１０２は、動作指令と電動機動作の不一致による両者の偏差に応じて制御が為される。このため、制御に遅れが生じ、この制御遅れが原因で、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが発生してしまう。
【００５２】
つまり、フィードフォワード制御系と負荷加速度フィードバック系を有する電動機の制御装置において、負荷加速度フィードバックゲインを大きくするほど、指令追従性能が劣化し、停止間際に動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどが発生してしまう。換言すると、加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間には、トレードオフの関係があり、整定性と振動抑制を両立することができない、という問題がある。
【００５３】
停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートを防ぎ、整定性と振動抑制を両立するには、フィードフォワードトルク指令生成部１０７によるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆの演算において、負荷加速度フィードバックによるトルク指令信号τｓからの減算量である負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを考慮する必要がある。すなわち、負荷加速度フィードバックによって生じるトルク指令信号τｓから見た被制御対象の総イナーシャ変化を考慮する必要がある。
【００５４】
図３は、本発明の実施の形態１におけるフィードフォワードトルク指令生成部１０７の構成の一例を示す図である。フィードフォワードトルク指令生成部１０７では、入力されたフィードフォワード加速度指令Ａｆｆに、電動機イナーシャＪｍと、負荷イナーシャＪＬと、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃの加算値を乗じることで、フィードフォワードトルク指令信号を算出する。
【００５５】
このように、電動機の制御装置１００では、フィードフォワードトルク指令生成部１０７において、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆからフィードフォワードトルク指令τｆｆを算出する際に、電動機と負荷のイナーシャに加え、負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃも考慮することで、トルク指令τｓから見た被制御対象の総イナーシャの負荷加速度フィードバックによる変化による影響を加味したフィードフォワードトルク指令τｆｆが算出される。これによって、加減速動作時の動作指令と電動機動作との差異が小さくなるので、指令追従性が向上し、停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどを改善することができる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態においてはフィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償することで、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高める得ることができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られるので、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
【００５７】
以上のように、本実施の形態の電動機の制御装置１００は、被制御対象の負荷を駆動する電動機の制御装置であって、フィードフォワード制御部１００１と、フィードバック制御部１００２と、加減算器１０８と、を備える。フィードフォワード制御部１００１は、被制御対象の負荷目標位置を指定する位置指令信号θｓを入力し、電動機の目標位置を示すフィードフォワード位置指令信号θｆｆと、電動機の目標速度を示すフィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、電動機で目標位置または目標速度が示す動作を為すために必要なトルクを示すフィードフォワードトルク指令信号τｆｆと、を出力する。フィードバック制御部１００２は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆと、フィードフォワード速度指令信号ωｆｆと、電動機の位置を示す電動機位置信号θｍと、電動機の速度を示す電動機速度信号ωｍとを入力し、電動機位置信号θｍとフィードフォワード位置指令信号θｆｆが一致するようフィードバック制御するためのトルク指令を示すフィードバックトルク指令信号τｆｂを出力する。加減算器１０８は、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとフィードバックトルク指令信号τｆｂを加算したトルク指令信号τｓから、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号ＡＬに負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号τａｃｃを減算し、トルク指令補正信号τｉｎとして出力する。フィードフォワード制御部１００１は、加減速動作時にトルク指令信号τｓから減算される負荷加速度フィードバックトルクの影響を予め補償するようにフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを生成する。
【００５８】
これにより、フィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償することで、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高める得ることができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られるので、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
【００５９】
また、フィードフォワード制御部１００１は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆの二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆに対し、電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャと負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃの加算値を乗じることによって、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆを生成してもよい。
【００６０】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の電動機の制御装置の構成の一例を示す図である。図４は、図１に対し、加速度検出器２０６とフィードフォワードトルク指令生成部３０７が異なる。これ以外の構成要素の働きは図１に示した本発明の実施の形態１の電動機の制御装置と同じであるため、説明を省略する。
【００６１】
加速度検出器２０６では、負荷２０４の加速度に対し、検出雑音成分を除去することなどを目的に、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタ処理を施したものを負荷加速度信号ＡＬとして出力する。加速度検出器２０６でフィルタ処理が施される場合、負荷加速度フィードバックによる見かけ上のイナーシャ変化は、フィルタ処理の影響を受けることになる。このため、フィードフォワードトルク指令生成部３０７におけるフィードフォワードトルク指令信号τｆｆの算出処理上で、加速度検出器２０６におけるフィルタ処理を考慮する必要がある。
【００６２】
次に、フィードフォワードトルク指令生成部３０７の構成について説明する。図５は、本発明の実施の形態２におけるフィードフォワードトルク指令生成部３０７の構成の一例を示すものである。
【００６３】
フィードフォワードトルク指令生成部３０７は、内部に、イナーシャ乗算部３０７１と、フィルタ部３０７２と、負荷加速度フィードバックゲイン乗算部３０７３とを有している。
【００６４】
イナーシャ乗算部３０７１は、フィードフォワード加速度信号Ａｆｆを入力する。イナーシャ乗算部３０７１は、電動機イナーシャＪｍと負荷イナーシャＪＬの加算値を重み係数としてフィードフォワード加速度信号Ａｆｆに乗じたものを、第１フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ１として出力する。
【００６５】
フィルタ部３０７２は、同様にフィードフォワード加速度信号Ａｆｆを入力する。フィルタ部３０７２は、入力されたフィードフォワード加速度信号Ａｆｆに対し、加速度検出器２０６において負荷の加速度に為されたフィルタ処理と等価なフィルタ処理を施し、フィードフォワード加速度指令補正信号Ａｆｆｃを出力する。
【００６６】
負荷加速度フィードバックゲイン乗算部３０７３は、フィードフォワード加速度指令補正信号Ａｆｆｃを入力し、これに負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じたものを第２フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ２として出力する。
【００６７】
第１フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ１と、第２フィードフォワードトルク指令信号τｆｆ２との加算値が、フィードフォワードトルク指令信号τｆｆとして、フィードフォワードトルク指令生成部３０７から出力される。
【００６８】
このように、フィードフォワードトルク指令生成部３０７において、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆからフィードフォワードトルク指令τｆｆを算出する際に、電動機と負荷のイナーシャに加え、負荷加速度フィードバックゲインを考慮し、更に負荷加速度に対して為されるフィルタ処理もする。これにより、トルク指令信号τｓから見た被制御対象の、負荷加速度フィードバックによる総イナーシャ変化を加味したフィードフォワードトルク指令が算出される。よって、加減速動作時の動作指令と電動機動作との差異が小さくなり、停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどを改善することができる。
【００６９】
以上のように、本実施の形態においてはフィードフォワード制御系によるフィードフォワードトルク演算において、加速度検出器内部の負荷加速度に対するフィルタ処理を踏まえて、負荷加速度フィードバックによる加減速トルクの減算分を予め補償することで、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果を高める得ることができる。よって、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られるので、整定性と振動抑制の両立が可能となる。
【００７０】
以上のように、本実施の形態の電動機の制御装置１００において、加減算器１０８は、トルク指令信号τｓから、被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号ＡＬにフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた負荷加速度フィードバックトルクを減算することで、トルク指令補正信号τｉｎを生成する。また、フィードフォワード制御部１００１は、フィードフォワード位置指令信号θｆｆの二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆに電動機のイナーシャと被制御対象の負荷のイナーシャの加算値を乗じた信号と、フィードフォワード加速度指令信号Ａｆｆにフィルタ処理と等価なフィルタ処理を施した信号に負荷加速度フィードバックゲインＫａｃｃを乗じた信号と、を加算することによってフィードフォワードトルク指令信号τｆｆを生成する。
【００７１】
これにより、加減速動作時の動作指令と電動機動作との差異が小さくなり、停止間際の動作遅れ、オーバーシュート、またはアンダーシュートなどを改善することができる。
【００７２】
また、本実施の形態では、加速度検出器において負荷加速度にフィルタ処理を施す構成としたが、電動機の制御装置内で負荷加速度にフィルタ処理を施す構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明にかかる電動機の制御装置は、指令追従性能を保ちつつ、負荷加速度フィードバックによる振動抑制効果が得られる。よって、整定性と振動抑制の両立が可能となる。負荷加速度フィードバックゲイン（加速度フィードバック量）と指令追従性能との間の、トレードオフの関係を、緩和、或いは回避を図ることで、指令追従性能を保ちつつ、負荷側からの加速度フィードバックによる振動抑制効果を高めた電動機の制御装置を提供可能である。したがって、半導体製造装置や電子部品実装機等で使用される電動機の制御装置等の用途に好適である。
【符号の説明】
【００７４】
１００    電動機の制御装置
１００１    フィードフォワード制御部
１００２    フィードバック制御部
１０１    位置制御部
１０２    速度制御部
１０３    トルク制御部
１０４    速度変換部
１０５    負荷加速度補正部
１０６    フィードフォワード動作指令生成部
１０７    フィードフォワードトルク指令生成部
１０８    加減算器
２０１    電動機
２０２    位置検出器
２０３    接合部
２０４    負荷
２０５    加速度検出器
２０６    加速度検出器
３０７    フィードフォワードトルク指令生成部
３０７１    イナーシャ乗算部
３０７２    フィルタ部
３０７３    負荷加速度フィードバックゲイン乗算部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被制御対象の負荷を駆動する電動機の制御装置であって、
前記被制御対象の負荷目標位置を指定する位置指令信号を入力し、前記電動機の目標位置を示すフィードフォワード位置指令信号と、前記電動機の目標速度を示すフィードフォワード速度指令信号と、前記電動機で前記目標位置または前記目標速度が示す動作を為すために必要なトルクを示すフィードフォワードトルク指令信号と、を出力するフィードフォワード制御部と、
前記フィードフォワード位置指令信号と、前記フィードフォワード速度指令信号と、前記電動機の位置を示す電動機位置信号と、前記電動機の速度を示す電動機速度信号とを入力し、前記電動機位置信号と前記フィードフォワード位置指令信号が一致するようにフィードバック制御するためのトルク指令を示すフィードバックトルク指令信号を出力するフィードバック制御部と、
前記フィードフォワードトルク指令信号と前記フィードバックトルク指令信号を加算したトルク指令信号から、前記被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号に負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算し、トルク指令補正信号として出力する加減算器と、
を備え、
前記フィードフォワード制御部は、加減速動作時に前記トルク指令信号から減算される前記負荷加速度フィードバックトルク信号の影響を予め補償するように前記フィードフォワードトルク指令信号を生成する、電動機の制御装置。
【請求項２】
前記フィードフォワード制御部は、前記フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に対し、前記電動機のイナーシャと前記被制御対象の負荷のイナーシャと前記負荷加速度フィードバックゲインの加算値を乗じることによって、前記フィードフォワードトルク指令信号を生成する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記加減算器は、前記トルク指令信号から、前記被制御対象の負荷の加速度を示す負荷加速度信号にフィルタ処理を施した信号に前記負荷加速度フィードバックゲインを乗じた負荷加速度フィードバックトルク信号を減算することで、トルク指令補正信号を生成し、
前記フィードフォワード制御部は、前記フィードフォワード位置指令信号の二階微分によって算出されたフィードフォワード加速度指令信号に前記電動機のイナーシャと前記被制御対象の負荷のイナーシャの加算値を乗じた信号と、前記フィードフォワード加速度指令信号に前記フィルタ処理と等価なフィルタ処理を施した信号に前記負荷加速度フィードバックゲインを乗じた信号と、を加算することによって、前記フィードフォワードトルク指令信号を生成する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2019138825.tif 000018
【図２】
2019138825.tif 000019
【図３】
2019138825.tif 000020
【図４】
2019138825.tif 000021
【図５】
2019138825.tif 000022
【国際調査報告】
2019138825.tif 000023
2019138825.tif 000024