(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動する電力変換器と、位置指令値と前記電動機の位置検出値との偏差を入力して速度指令値を出力する位置制御器と、該速度指令値と電動機の速度検出値の偏差を入力してトルク電流指令値を出力する速度制御器と、該トルク電流指令値に従って、前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御器とを備えた位置制御装置において、
前記位置指令値の少なくとも２回以上のｎ回の不完全微分値を演算し該演算値に定数を乗じて速度指令推定値を求め、該速度指令推定値を前記位置制御器が出力する前記速度指令値に加えて修正し、該修正した速度指令値と前記電動機の速度検出値との偏差を前記速度制御器に入力することを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項２】
電動機を駆動する電力変換器と、位置指令値と前記電動機の位置検出値との偏差を入力して速度指令値を出力する位置制御器と、該速度指令値と電動機の速度検出値との偏差を入力してトルク電流指令値を出力する速度制御器と、該トルク電流指令値に従って前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御器とを備えた位置制御装置において、
前記位置指令値の少なくとも２回以上のｎ回の不完全微分値を前記位置指令値に加えて位置指令値を修正し、該修正した位置指令値と前記電動機の位置検出値との偏差を求め、該偏差を前記位置制御器に入力することを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の何れかに記載の電動機の位置制御装置において、前記不完全微分値の演算に用いる微分時定数と、一次遅れフィルタ時定数とが、同一の時定数であることを特徴とする電動機の位置制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電動機の位置制御装置において、前記同一の時定数が前記位置制御器ゲインの逆数であ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、電動機の位置制御装置において、加減速運転時に発生する位置偏差（位置指令値と位置検出値との差分）を略零に抑制する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動機の位置制御方法としては、プログラマブル・ロジック・コントローラ（以下、ＰＬＣ）などの上位装置から与えられる位置指令値とモータ軸に取り付けられた位置検出器から得られる検出値との偏差（以下、位置偏差）に基づき、比例制御演算により速度指令値を演算するフィード・バック方法が一般的である。このようなフィード・バック方法が特開昭６１−５９５０９号公報や、特開平５−１０８１６４号公報に開示されている。
【０００３】
また別の従来技術として、位置制御の出力値である速度指令値の変化分を予め、位置指令値の一階の不完全微分演算により推定し、その推定値を位置制御器の出力値に加算して、新たな速度指令値を演算するフィード・フォワード法がある。このようなフィード・フォワード法が、特開平７−２９５６５２号公報や特開２００１−２４９７２０号公報，特開２００１−３５６８２２号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記フィード・バック方法は安定した位置制御を行うことができるが、加減速運転中において位置偏差が発生し、位置の全経路を指定するような用途、例えば、工作機械，プロセスロボット等に適用すると、機械の加工精度が劣化する問題があった。
【０００５】
また、前記フィード・フォワード法でも加減速運転時における位置偏差を完全には零にすることができず、位置指令値の微調整を行って加工精度の合わせ込みが必要となっていた。
【０００６】
本発明の目的は、加減速運転時に発生する位置偏差を略零に抑制し、無調整で高精度な機械加工を実現する位置制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動機の位置制御装置は、電動機を駆動する電力変換器と、位置指令値と前記電動機の位置検出値との偏差を入力して速度指令値を出力する位置制御器と、該速度指令値と電動機の速度検出値の偏差を入力してトルク電流指令値を出力する速度制御器と、該トルク電流指令値に従って、前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御器とを備え、前記位置指令値の少なくても２回以上のｎ回の不完全微分値を演算し該演算値に定数を乗じて速度指令推定値を求め、該速度指令推定値を前記位置制御器が出力する前記速度指令値に加えて修正し、該修正した速度指令値と前記電動機の速度検出値との偏差を前記速度制御器に入力する。
【０００８】
本発明の電動機の位置制御装置は、前記位置指令値の少なくても２回以上のｎ回の不完全微分値を前記位置指令値に加えて位置指令値を修正し、該修正した位置指令値と前記電動機の位置検出値との偏差を求め、該偏差を前記位置制御器に入力する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１０】
（実施例１）
図１に本実施例の電動機の位置制御装置の構成例を示す。図１において、１は電動機、２は該電動機の回転位置θを検出する位置検出器、３は位置指令θ* と回転位置θとの偏差信号を入力し位置制御出力値Ｎfb* を算出する位置制御器、４は速度指令推定器、５は加算器、６は速度演算器、７は速度制御器、８は電流制御器、９は電力変換器、１０は電流検出器を示す。
【００１１】
ここで、速度指令推定器４は、位置指令θ*を入力して、速度指令推定値Ｎff*を演算し出力する。速度指令推定器４に入力した位置指令θ* は、まず、微分時定数および一次遅れフィルタ時定数が共に定数Ｔａである不完全微分演算器４ａに入り、信号Δθ1*を出力する。該信号Δθ1*は不完全微分演算器４ａと同等の不完全微分演算器４ｂにも入力され、不完全微分演算器４ｂで演算した信号Δθ2*と前記信号Δθ1*とが加算器４ｃに入力される。加算器４ｃの出力を用いて前記不完全微分演算器４ｂと同様に不完全微分演算を繰り返し、この不完全微分演算を２回以上、ｎ回行い、各演算毎にΔθn*とΔθn-1*とを加えて加算値Δθ* を求める。さらに、該加算値Δθ* に定数（１／Ｔａ）を乗じて、速度指令推定値Ｎff* を算出する。
【００１２】
この速度指令推定値Ｎff* と位置制御出力値Ｎfb* とを加算器５に入力し、速度指令Ｎ* を得る。速度演算器６は回転位置θを入力し、回転速度Ｎを出力する。速度制御器７には前記速度指令Ｎ* と該回転速度Ｎとの偏差信号を入力し、トルク電流指令Ｉｑ* を出力する。電流制御器８はトルク電流指令Ｉｑ* とトルク電流検出値Ｉｑの偏差に応じて電圧指令Ｖ* を演算し、電力変換器９は電圧指令Ｖ* に比例した電圧Ｖを出力し電動機１を駆動する。電流検出器１０は該電力変換器９のトルク電流値Ｉｑを検出する。
【００１３】
次に図２を用いて、前記従来技術のフィード・バック法を用いた比例制御演算時の動作を比較例として示す。本比較例は、図１の速度指令推定値Ｎff* を零（＝０）とした場合に相当する。速度指令Ｎ* が台形型となるような位置指令θ* を設定し、図２（ａ）中のａ点からｂ点を加速区間、ｂ点からｃ点を一定速区間、ｃ点からｄ点を減速区間として、運転時に発生する位置偏差（θ* −θ）を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）を見ると、位置偏差は、加速区間（ａ点からｂ点）において増加し、一定速区間（ｂ点からｃ点）で最大となり、減速区間（ｃ点からｄ点）では減少する。
【００１４】
ここで位置制御系の伝達関数を用いて、位置指令θ* と位置偏差Δθ(＝θ*−θ）の関係を説明する。図１の位置制御器３の比例ゲインの大きさをＫppとすると、位置指令θ* から回転位置θまでの閉ループ伝達関数θ／θ* は（数１）式に示すようになる。
【００１５】
θ／θ* ＝１／(１＋Ｔａ・ｓ）                             …（数１）
（数１）式で、ｓはラプラス演算子、Ｔａは位置制御応答時定数［ｓ］（１／Ｋpp）である。
【００１６】
次に発生する位置偏差Δθを考えると、（数２）式に示すようになる。
【００１７】
Δθ＝θ*−θ                                             …（数２）
（数１）式を（数２）式に代入し、Δθについて整理すると次の（数３）式が得られる。
【００１８】
Δθ＝（Ｔａ・ｓ）／（１＋Ｔａ・ｓ）・θ*                 …（数３）
つまり、フィード・バック法では、位置偏差Δθが位置指令θ* の「一階の不完全微分値」になる。
【００１９】
次に、前記従来技術のフィード・フォワード法を説明する。フィード・フォワード法では、（数３）式を基にして、位置偏差の推定値Δθ* を次の（数４）式で求める。
【００２０】
Δθ*＝（Ｔａ・ｓ）／（１＋Ｔａ・ｓ）・θ*                …（数４）
さらにΔθ* に定数（１／Ｔａ）を乗じて、速度指令推定値Ｎff* を（数５）式で演算する。
【００２１】
Ｎff*＝ｓ／（１＋Ｔａ・ｓ）・θ*                          …（数５）
（数５）式で求めた信号Ｎff*を、図１中の加算器５に入力すると、新たに発生する位置偏差Δθ′は（数６）式に示すようになる。
【００２２】
Δθ′＝［（Ｔａ・ｓ）／（１＋Ｔａ・ｓ）］2・θ*          …（数６）
つまり、フィード・フォワード法発生する位置偏差が前記（数３）式ではなく（数６）式に示す二階の不完全微分値になる。
【００２３】
図３に、フィード・フォワード法を用いた動作の比較例を示す。新たに発生する位置偏差（θ* −θ）は、（数６）式で示すように、位置指令θ* の「二階の不完全微分値」である。つまり、加速区間（ａ点からｂ点）および減速区間（ｃ点からｄ点）だけで、位置偏差が発生する。
【００２４】
本実施例では、図１の速度指令推定器４によって位置偏差を略零に抑制することができる。以下、これについて説明する。本実施例では、位置指令値から、少なくても２回以上のｎ回の不完全微分値を算出し、それらのｎ回までの加算値を用いて信号Ｎff*を推定する。
【００２５】
速度指令推定器４に、例えば２回までの不完全微分演算器４ｂを入れた場合、信号Ｎff*は（数７）式に示すようになる。
【００２６】
0003812464.tif 000002
（数７）式の信号Ｎff* を位置制御出力値Ｎfb* に加算して、速度指令Ｎ* を演算すると、新たに発生する位置偏差Δθ″は（数８）式に示すようになる。
【００２７】
Δθ″＝［（Ｔａ・ｓ）／（１＋Ｔａ・ｓ）］3・θ*          …（数８）
（数８）式より、この場合の位置偏差Δθ″は位置指令θ* の「三階の不完全微分値」であることがわかる。
【００２８】
図４に、本実施例の場合を示す。図１の速度指令推定器４に不完全微分演算器４ｂを備えること（ｎ＝２）により、加速区間（ａ点からｂ点）および減速区間（ｃ点からｄ点）においても、図４(ｂ)に示すように位置偏差（θ* −θ）が略零に収束する。さらに、不完全微分演算器の数を４つに増やした場合（ｎ＝４）では、位置指令の変極点である図４（ｂ）のａ点，ｂ点，ｃ点，ｄ点付近においても、さらに位置偏差を抑制できる。
【００２９】
本実施例では、位置指令θ* から、少なくても２回以上のｎ回の不完全微分値を求め、それらのｎ回までの加算値を位置制御器の出力値Ｎfb* に加算して位置偏差を小さくできる。
【００３０】
（実施例２）
図５に本実施例を示す。本実施例では、Δθ*′を信号Ｎfb*に加算する代わりに、Δθ*′を信号θ* に加算して、新たな位置指令θ**を演算する。
【００３１】
図５において、符号１〜３，６〜１０は、図１と同一の構成要素であるので説明を省く。図５で、４′は運転時の位置偏差を推定する位置偏差推定器、５′は位置指令θ* と概位置偏差の推定値を加算し、新たな位置指令θ**を出値する加算器である。
【００３２】
ここで、位置偏差推定器４′の詳細な説明を行う。微分時定数および一次遅れフィルタ時定数が共に定数Ｔａである不完全微分演算器４ａ′に位置指令θ* を入力し、不完全微分演算器４ａ′から信号Δθ1*′が出力される。この信号Δθ1*′は不完全微分演算器４ａ′と同等の不完全微分演算器４ｂ′に入力される。不完全微分演算器４ｂ′で同様に演算した信号Δθ2*′と前記信号Δθ1*′とを加算器４ｃ′に入力する。加算器４ｃ′の出力を用いて前記不完全微分演算器４ｂ′と同様に不完全微分演算を繰り返し、この不完全微分演算を２回以上、ｎ回行い、θn*′とθn-1*′とを加え、加算値Δθ*′を求める。この加算値Δθ*′を、信号θ* に加算し、新たな位置指令θ**を演算する。
【００３３】
本実施例でも実施例１と同様に、ｎ＝２，ｎ＝４の場合について位置指令値θ*と回転位置θとの関係を調べたところ、実施例１と同様に、位置偏差Δθを略零に抑制できた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、位置指令値から、少なくても２回以上のｎ回の不完全微分値を算出し、それらｎ回までの加算値を用いて、速度指令値あるいは位置指令値を修正するので、加減速運転時における位置偏差を略零に抑制し、無調整で高精度な機械加工を実現する位置制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の電動機の位置制御装置の構成図である。
【図２】従来技術のフィード・バック法の運転時の動作の説明図である。
【図３】別の従来技術であるフィード・フォワード法の運転時の動作の説明図である。
【図４】実施例１の運転時の動作の説明図である。
【図５】実施例２の電動機の位置制御装置の構成図である。
【符号の説明】
１…電動機、２…位置検出器、３…位置制御器、４…速度指令推定器、４′…位置偏差推定器、５，５′…加算器、６…速度演算器、７…速度制御器、８…電流制御器、９…電力変換器、１０…電流検出器。
【図１】
0003812464.tif 000003
【図２】
0003812464.tif 000004
【図３】
0003812464.tif 000005
【図４】
0003812464.tif 000006
【図５】
0003812464.tif 000007