JP2004288012A

JP2004288012A - Position controller for motor

Info

Publication number: JP2004288012A
Application number: JP2003081055A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ide; 勇治井出
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP3892824B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position controller for a motor, allowing increase of a feedforward gain to 100% to improve followability. <P>SOLUTION: In this position controller, by executing proportional differential control (117, 118) to feedforward multiplication output of a position control part 11A, delay compensation for a speed instruction is executed. A speed control part 13 includes a speed control side delay compensation low-pass filter 133 having a transfer function corresponding to a delay of a speed control system. The speed control part 13 comprises: an integral control system including a speed integrator integrating a speed deviation between a speed and a delay speed instruction obtained by inputting the speed instruction to the low-pass filter 133; a proportional control system outputting an instruction proportional to the speed instruction; and a multiplication means multiplying a value obtained by adding output of the integral control system and output of the proportional control system by a speed proportional gain, and outputting it as a torque instruction. The position controller is provided with a speed feedback low-pass filter having a transfer function blocking that ripple caused by a quantization error and/or a position error of the position detection part appears in the torque instruction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの位置制御装置に関するものであり、特に工作機械や半導体製造装置などに使用される高速位置決め用モータの位置を制御するのに適したモータの位置制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモータの位置制御装置としては、図１５に示すような制御装置がある［特開平１０−２５４５５０号公報（特許文献１）の図１参照］。この装置では位置指令と位置フィードバックの偏差が位置制御部に含まれる減算器で算出され、この偏差が位置制御部で処理されて速度指令として出力される。そしてエンコーダＥから出力された位置フィードバックを速度算出部２で変換して得た速度フィードバックと速度指令との偏差を、速度制御部３に含まれる減算器で算出する。この偏差は、速度制御部３内で処理され、速度制御部３はトルク制御部４にトルク指令を出力する。トルク制御部４は、トルク指令通りのトルクがモータＭから出力されるようにモータＭに流れる電流を制御する。
【０００３】
通常、この装置における位置制御部１は比例制御（Ｐ制御）部として構成されており、速度制御部３は比例積分制御（ＰＩ制御）部で構成されている。従来の速度制御部３を構成するＰＩ制御部は、図１６に示す構成を有している。このＰＩ制御部では、速度指令と速度フィードバックとの偏差を減算器ＳＢで算出し、その偏差をゲイン１の比例制御系を通して加算器ＡＤに入力する。積分制御系では、乗算器３１で偏差に積分ゲインを乗算した後、この偏差を速度積分器３２で積分して加算器ＡＤに入力する。加算器ＡＤは、比例制御系の出力と積分制御系の出力とを加算して、乗算器３３へと出力し、乗算器３３は加算器ＡＤの出力に比例ゲインを乗算してトルク指令として出力する。このように、速度制御部３をＰＩ制御部で構成することにより、速度の過渡偏差のみならず、定常偏差も抑制できる。
【０００４】
また特開平３−１５９１１号公報（特許文献２）には、位置指令を微分して位置のフィードフォーワード量を求め、位置ループ制御で得られた制御量に上記フィードフォーワード制御量を加算して速度指令とし、位置のフィードフォーワード制御量を微分して得られる速度のフィードフォーワード制御量を速度ループ制御によって得られる値に加算して電流指令とすることにより、応答性を高めて安定したサーボ系を得るサーボモータの制御方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２５４５５０号公報（図１）
【０００６】
【特許文献２】特開平３−１５９１１号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御装置では、フィードフォーワード・ゲインを上げることにより追従性は改善されるが、フィードフォーワード・ゲインを１００％まで上げるとオーバーシュートが大きくなるという問題があった。オーバーシュートは加工品質を劣化させるので、できるだけ抑制する必要がある。図７は従来の制御装置において、フィードフォーワード・ゲインを０％とした時の位置制御動作をシミュレーションしたものである。このように、フィードフォーワード・ゲインが小さいと、オーバーシュートは小さいが、図９のようにフィードフォーワード・ゲインを１００％にすると、オーバーシュートが大きくなる。このため、従来は図８のように、５０％程度のフィードフォーワード・ゲインにし、オーバーシュートが大きくならない範囲で、追従性を改善していた。
【０００８】
制御理論的には、フィードフォーワード制御では、御御対象の特性がわかっているときに、制御量が目標値に一致するよう操作量を逆算するのが良い。従来の制御系おいて、位置制御を行う場合の制御対象を速度制御系と見ると、操作量は速度指令であり、制御量は位置である。速度制御系を最も簡単なモデルで近似すると、一次遅れ系で表すことができ、制御対象の逆関数をとると一次進みとなる。従来はこれを一定の保証で行っていたため、高次の遅れ分に対する補償ができずオーバーシュートを生じていた。
【０００９】
また、もう一つの要因として、位置制御器から出力される速度指令の問題がある。一般的に、制御系の応答は有限であり、速度フィードフォーワード指令を出力しても速度フィードバックが応答するには時間がかかる。速度フィードフォーワード指令が出力されてモータは駆動を開始するが、速度フィードフォーワード指令が出力されてから速度フィードバックが応答するまでの間に生ずる位置偏差により、位置制御器から速度指令を出力してしまう。そして、モータが一定速で回転している間はこの位置偏差は減少するが、モータ減速時にまた位置偏差を生じ速度指令が出力される。
【００１０】
このように、位置偏差により生じた速度指令が速度フィードフォーワード指令に加算されるため、本来必要とする速度指令以上の速度指令が与えられ、オーバーシュートを生じていた。
【００１１】
更に別の要因として速度制御器の問題がある。速度制御器は、通常、ＰＩ制御で構成されており、図１６に示すような構成になっている。図７乃至図９は従来の速度制御器を用いた場合のシミュレーション結果である。制御系の応答が有限であるため、速度指令が与えられても、速度フィードバックが応答するまでには時間がかかり、この間に速度積分器は積算を行っている。この積分器の充放電により速度制御器の時間応答が低下しており、これによってもオーバーシュートが生じていた。以上のように、従来の制御装置では、フィードフォーワード系の関数を比例系で構成していたこと、また、速度系の応答遅れを考慮せずに位置制御系が組まれていたこと、速度制御器が速度制御系の応答を考慮せずに組まれていたことにより、オーバーシュートを生じてしまい、フィードフォーワード・ゲインを１００％まで上昇させることができなかった。このため、追従性の向上には限度があるという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、従来の問題を改善しフィードフォーワード・ゲインを１００％まで上昇させることを可能にし、追従性を高めたモータ位置制御装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、モータの速度を算出する速度算出部と、位置検出部からフィードバックされたモータの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御をする位置制御部と、比例積分制御により、速度算出部からフィードバックされた速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを備えたモータの位置制御装置を改良の対象とする。
【００１４】
本発明の位置制御部は、位置指令と位置検出部により検出した位置との位置偏差を求める減算手段と、位置偏差に位置比例ゲインを乗算する位置ループ乗算手段と、位置指令を微分する微分器と、微分器の出力にフィードフォーワード・ゲインを乗算するフィードフォーワード・ゲイン乗算手段と、フィードフォーワード・ゲイン乗算手段の出力を比例微分制御して速度制御系の遅れを補償する比例微分手段と、位置指令の量子化誤差によるリップルを除去する伝達関数を有して、比例微分手段の出力と前記フィードフォーワード・ゲイン乗算手段の出力との加算値をフィルタ処理するフィードフォーワード・ローパスフィルタと、フィードフォーワード・ローパスフィルタの出力と位置ループ乗算手段の出力とを加算して速度指令を出力する加算手段とを備えている。
【００１５】
本発明のように位置制御部でフィードフォーワード乗算出力を比例微分制御すると、一次進みの特性を得ることができて、速度制御系の遅れを補償し、位置指令に対する追従性を改善できる。また、速度制御側遅れ補償ローパスフィルタを用いると、速度制御系の遅れに相当する遅れを持った速度指令と実際に遅れている速度フィードバックの速度との偏差をゼロに近いものとすることができて、速度積分器の溜まり量をほぼゼロにできる。またフィードフォーワード・ゲインを１００％に上昇させた場合でもオーバーシュートの小さい制御系を構成することができ、より追従性を高めた位置制御が実現できる。またフィードフォーワード・ローパスフィルタを用いれば、位置指令部が原因となって発生する量子化誤差に基づくリップルが速度指令それ自体に含まれるのを阻止することができる。
【００１６】
また速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを更に設け、この位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを通った位置指令と位置フィードバックの位置との位置偏差を位置ループ乗算手段に入力するようにしてもよい。また位置指令を微分する微分器の出力と位置の微分値の偏差を積分器で積分して位置偏差を求める場合には、速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを微分器と積分器との間に配置し、位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを通った微分器の出力と位置の微分値との偏差を積分器に入力するようにしてもよい。
【００１７】
このような位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを設けることにより、加速時において位置制御部に入力される位置指令と位置フィードバックとがほぼ同時期に立ち上がるようにする。その結果、位置制御部からの速度指令はかなり小さい値になる。このような構成を採用すると、速度フィードフォーワード・ゲインを１または１に近い値にすることができ、位置指令に対する追従性を改善することができる。
【００１８】
また本発明においては、速度制御部を、速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する速度制御側遅れ補償ローパスフィルタと、速度指令を速度制御側遅れ補償ローパスフィルタに入力して得た遅延速度指令と速度との速度偏差を積分する速度積分器を含んで構成された積分制御系と、速度指令と速度との差に比例した指令を出力する比例制御系と、積分制御系の出力と比例制御系の出力とを加算する加算手段と、この加算手段の出力に速度比例ゲインを乗じてトルク指令として出力する乗算手段とから構成する。なお比例制御系において速度比例ゲインを速度偏差に乗算し、積分制御系において制御中の演算値に速度比例ゲインを乗じて出力するようにしてもよい。本発明のように速度制御側遅れ補償ローパスフィルタを用いれば、速度制御系の遅れに相当する遅れを持った速度指令と実際に遅れている速度フィードバックの速度との偏差はゼロに近いものとなる。そのため速度積分器の溜まり量をほぼゼロにして、位置指令に対する追従性を改善できる。
【００１９】
位置検出部（例えばエンコーダ）の精度が悪い場合には、量子化誤差や位置誤差が原因になったリップルが速度フィードバックに含まれることがある。そこでこのような場合に対処するためには、位置検出部の量子化誤差及び／または位置誤差が原因となって発生するリップルが、トルク指令に現れるのを阻止する伝達関数を有する速度フィードバック・ローパスフィルタを設けるのが好ましい。この場合には、速度を速度フィードバック・ローパスフィルタに入力して得たフィルタ処理後の速度と速度指令との偏差を求める減算手段を含んで比例制御系を構成する。なお位置検出部として、精度及び分解能の高いものを用いれば、位置誤差も小さくなるため、このような構成を採用する必要はない。
【００２０】
位置制御部は、位置指令と位置検出部により検出した位置との位置偏差を求める減算手段と、この位置偏差に位置比例ゲインを乗算する位置ループ乗算手段とから構成するのが好ましい。この場合において、位置制御部は、位置指令を微分する微分器と、微分器の出力にフィードフォーワード・ゲインを乗算する乗算手段と、位置指令の量子化誤差によるリップルを除去する伝達関数を有するフィードフォーワード・ローパスフィルタとを更に備えているのが好ましい。また、位置制御部は、位置指令を微分する微分器とこの微分器の出力にフィードフォーワード・ゲインを乗算した出力を、更に比例微分制御して速度制御系の遅れを補償する微分手段の出力と、前記フィードフォーワード・ゲインの乗算手段の出力とを加算した出力をフィードフォーワード・ローパスフィルタによりフィルタ処理するように構成してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のモータの位置制御装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。このシステムは、制御対象であるモータＭの位置を検出する位置検出部としてエンコーダＥを備えている。エンコーダＥの出力が、モータの出力軸の位置を示す位置フィードバックである。速度算出部２は、エンコーダＥの出力に基づいてモータの速度を算出するように構成されており、速度算出部２の出力が速度フィードバックとなっている。速度フィードバックが、モータＭの出力軸の回転速度を示している。位置制御部１１Ａは、位置検出部としてのエンコーダＥからフィードバックされたモータＭの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御を行うように構成されている。この実施の形態では、位置制御部１１Ａが、位置指令を微分する微分器１１２と、微分器１１２の出力にフィードフォーワード・ゲインＶＦＦを乗算するフィードフォーワード・ゲイン乗算手段１１３と、この乗算手段１１３からの出力を更に微分する微分器１１７と、微分器１１７からの出力に微分ゲイン（Ｋｓ）を乗算する乗算器１１８と、乗算器１１８の出力とフィードフォーワード・ゲイン乗算手段１１３の出力と加算する加算手段ＡＤ３と、位置指令の量子化誤差によるリップルを除去する伝達関数（１／（１＋ＳＴ_ＦＦ））を有するフィードフォーワード・ローパスフィルタ１１４とを備えている。この例では、微分器１１７と乗算器１１８とにより、速度制御系の遅れを補償する比例微分手段が構成されている。なお通常、フィードフォーワード・ゲインＶＦＦは４０〜６０％（０．４〜０．６）程度に設定される。そして位置指令と位置フィードバックの偏差は、減算手段ＳＢ３で求められ、この偏差を位置ループ乗算手段１１１で位置比例ゲインＫＰ倍する。
【００２２】
位置制御部１１Ａからは、位置ループ乗算手段１１１から出力された指令とフィードフォーワード・ローパスフィルタ１１４から出力された速度フィードフォーワード指令（速度ＦＦ指令）とが加算手段ＡＤ２で加算された指令が速度指令として出力される。このようなフィードフォーワード乗算出力を比例微分制御することにより、一次進みの特性が得られ速度制御系の遅れを補償し、位置指令に対する追従性を改善できる。更にフィードフォーワード・ローパスフィルタ１１４により、位置指令に含まれる量子化誤差に基づくリップルが速度指令それ自体に含まれるのを阻止することができる。
【００２３】
速度指令は、速度制御部１３を通ってトルク指令となる。トルク制御部４は、トルク指令通りのトルクが出力されるよう電流を制御する。本実施の形態の装置では、フィードフォーワードを追加することにより、位置決め整定時間を従来よりも短縮させることができる。
【００２４】
図２は、本発明で用いる図１の速度制御部１３の具体的な構成の一例を示すブロック図である。速度制御部１３は、比例積分制御により、図１の速度算出部２からフィードバックされた速度と速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う。図２に示すように、本実施の形態で用いる速度制御部１３は、速度制御系の遅れに相当する伝達関数（１／（１＋ＳＴｃ））を有する速度制御側遅れ補償ローパスフィルタ１３３を備えている。また速度制御部１３は、速度指令を速度制御側遅れ補償ローパスフィルタ１３３に入力して得た遅延速度指令と速度との速度偏差を減算手段ＳＢ２で求め、この速度偏差に積分ゲイン（１／Ｔｖｉ）を乗算する乗算手段１３１と、乗算手段１３１の出力を積分する速度積分器１３２を含んで構成された積分制御系と、速度指令に比例した指令を出力する比例制御系とを含んでいる。そして速度制御部１３は、積分制御系の出力と比例制御系の出力とを加算手段ＡＤ１で加算したものに速度比例ゲインＫＶＰを乗じてトルク指令として出力する乗算手段１３４を更に備えている。以上の構成が基本構成であるが、この例では、エンコーダ（位置検出部）の量子化誤差及び／または位置誤差が原因となって発生するリップルが、トルク指令に現れるのを阻止する伝達関数（１／（１＋ＳＴ_ＦＢ））を有する速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５を更に備えている。またこの場合、比例制御系は、速度を速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５に入力して得たフィルタ処理後の速度と速度指令との偏差を求める減算手段ＳＢ１を含んでいる。
【００２５】
この例では、速度指令を速度制御側遅れ補償ローパスフィルタ１３３に通したものと速度フィードバックの差を減算手段ＳＢ２でとり、速度積分ゲイン（１／Ｔｖｉ）を乗算して速度積分器１３２に通す。また速度指令と、速度フィードバックを速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５に通したものとの差を減算手段ＳＢ１でとり、速度積分器１３２の出力と加算手段ＡＤ１により加算する。そして最後に、速度比例ゲイン（ＫＶＰ）を乗算してトルク指令を出力する。
【００２６】
前述の速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５は、エンコーダＥの量子化誤差や位置誤差によるリップルを抑制するフィルタである。このフィルタは、比例制御系のフィードバックにのみ挿入し、リップル分がトルク指令に現れないようにする機能を果す。積分制御系では、速度積分器１３２が平滑作用を行うため、このようなフィルタは不要である。
【００２７】
速度制御側遅れ補償ローパスフィルタ１３３は、速度制御系の遅れに相当する時間を設定し、遅れ補償出力と速度フィードバックとがほぼ同等の立ち上がりになるようにし、速度指令変化時の速度積分器１３２の溜り量を低減する。このように速度制御部１３を構成することにより、速度フィードバックに含まれるリップルの抑制と、速度指令変化時の速度積分器１３２の溜り量の低減を同時に達成することができる。
【００２８】
なお、エンコーダＥの量子化誤差が小さい場合は、速度フィードバック・ローパスフィルタ１３５は不要である。また、速度制御側遅れ補償ローパスフィルタ１３３は、速度制御系の遅れを模擬する伝達関数であれば、どのようなものでもよく、本実施の形態の伝達関数に限定されるものではない。
【００２９】
図３は、速度制御部１３´の変形例を示すブロック図である。図２の速度制御部１３と速度制御部１３´とを対比すると、図３の速度制御部１３´では速度比例ゲインＫＶＰの乗算手段１３４´が比例制御系の内部にある点（加算手段ＡＤ１の前に挿入されている点）と、積分制御系において速度比例ゲインＫＶＰを演算値に乗算するために、乗算手段１３１´の伝達関数を変更している点で前者の速度制御部１３とは構成が相違する。このようにしても図２の速度制御部１３と同様の作用効果を得ることができる。
【００３０】
図４は、図１の実施の形態の変形例を示すブロック図である。図４の実施の形態は、位置制御部１１Ｂの構成が図１の実施の形態とは異なっており、図４においては、図１の実施の形態の構成要素と同様の要素には図１に付した符号と同様の部分に、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。図１の実施の形態と図４の実施の形態とを対比すると、微分器１１２の位置が異なる点と、積分器１１６と微分器５とが新たに追加された点で両者は相違する。すなわちこの位置制御部１１Ｂでは、位置指令を微分する微分器１１２が減算手段ＳＢ３の前に入り、位置検出器で検出した位置を微分する微分器５が減算手段ＳＢ３の前にに入り、微分器１１２の出力（位置指令を微分したもの）と微分器５の出力（位置を微分したもの）との偏差（位置微分偏差）を積分する積分器１１６が、位置比例ゲインを乗算する位置ループ乗算手段１１１の前段に入っている。この実施の形態によっても、図１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
図５は、本発明のモータの位置制御装置の更に他の実施の形態の構成を示すブロック図である。図１に示した実施の形態の構成要素と同様の構成要素には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この実施の形態では、図１の実施の形態の構成要件に加えて、速度制御系の遅れに相当する伝達関数（１／（１＋ＳＴｄ））を有する位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５を位置制御部１１Ｃが更に備えている。この実施の形態では、位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５を通った位置指令と位置フィードバックとの位置偏差が減算手段ＳＢ３により求められ、位置偏差が位置ループ乗算手段１１１に入力されている。この例では、フィードフォーワード・ゲインＶＦＦが１または１に近い値に設定されている。
【００３２】
位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５には、速度制御系の遅れを伝達関数として設定してある。位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５の出力と位置フィードバックとが同程度に立ち上がるように位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５の伝達関数が定められている。位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５を追加すると、位置制御部１１Ｃの位置ループ乗算手段１１１の出力はかなり小さな値になる。この装置では、位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５の追加により、フィードフォーワード・ゲインＶＦＦを１００％または１００％に近い値まで（１または１に近い値まで）上げることができ、図１の実施の形態の場合と同程度、もしくは、それよりは若干短く、位置決め整定時間を短縮できる。
【００３３】
図６は、図４の実施の形態において、位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５を追加した場合の構成を示すものである。その他の点は、図４の実施の形態と同様であるので説明は省略する。
【００３４】
図１０には、図１及び図２の実施の形態において、速度制御側遅れ補償ローパスフィルタ１３３を挿入し且つフィードフォーワード・ゲインを０にしたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す。図７の従来例と比較すると、速度積分器の溜まり量が０に近くなっていることが分かる。また図１１には、図１０の条件において微分ゲインは０とし、フィードフォーワード・ゲインを１００％としたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す。このようにすると位置のオーバーシュート量が大きくなることが分かる。そして図１２には、図１１の条件において微分ゲインを入れたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す。図１１と比較すると、図１２からは、フィードフォーワード・ゲインを１００％にした場合でもオーバーシュート量が減ることが分かる。図１３には、図１１の条件において、図５の構成のように、位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ１１５を挿入したときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す。図１３の場合においても、図１１と比較すると、オーバーシュート量が減少しているのが分かる。さらに図１４には、図１３の条件で微分ゲインを入れたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す。図１４では、加減速時の位置制御器からの速度指令がほぼ０になっており、フィードフォーワード・ゲインを１００％にしても、オーバーシュートが小さく、追従性が大きく改善されていることが分かる。最終的に、一定速時の位置偏差は、図８に示す従来例のフィードフォーワード・ゲインを５０％にしたときの約１／２程度まで減少しており、従来と比較すると追従性が約２倍に向上することが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、位置制御部でフィードフォーワード乗算出力を比例微分制御することにより、一次進みの特性を得て、速度制御系の遅れを補償し、位置指令に対する追従性を改善できる利点がある。また、速度制御側遅れ補償ローパスフィルタを用いていると、速度制御系の遅れに相当する遅れを持った速度指令と実際に遅れている速度フィードバックの速度との偏差をゼロに近いものとすることができ、速度積分器の溜まり量をほぼゼロにできる。またフィードフォーワード・ゲインを１００％に上昇させた場合でもオーバーシュートの小さい制御系を構成でき、より追従性を高めた位置制御が実現でき、より高速な追従性が実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータの位置制御装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明で用いる速度制御部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明で用いる他の速度制御部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図４】本発明のモータの位置制御装置の他の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明のモータの位置制御装置の更に他の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明のモータの位置制御装置の更に他の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の位置制御装置におけるフィードフォーワード・ゲインを０％としたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【図８】従来の位置制御装置におけるフィードフォーワード・ゲインを５０％としたときの位置制御動作のシミュレーションした結果を示す図である。
【図９】従来の位置制御装置におけるフィードフォーワード・ゲインを１００％としたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１０】図１及び図２の実施の形態において、速度制御側遅れ補償ローパスフィルタを挿入し且つフィードフォーワード・ゲインを０にしたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１１】図１０の条件において微分ゲインは０とし、フィードフォーワード・ゲインを１００％としたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１２】図１１の条件において微分ゲインを入れたときの位置制御動作のシミュレーションした結果を示す図である。
【図１３】図１１の条件において、図５の構成のように、位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを挿入したときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１４】図１３の条件において微分ゲインを入れたときの位置制御動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１５】従来のモータの位置制御装置の構成を示す図である。
【図１６】従来の速度制御部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１３，１３´ 速度制御部
２速度算出部
４トルク制御部
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ位置制御部
ＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３減算手段
ＫＰ位置比例ゲイン
ＫＳ微分ゲイン
ＫＶＰ速度比例ゲイン
ＶＦＦフィードフォーワード・ゲイン
１１１位置ループ乗算手段
５，１１２，１１７微分器
１１３，１３１，１３４，１３１´，１３４´ 乗算手段
１１４フィードフォーワード・ローパスフィルタ
１１５位置制御側遅れ補償ローパスフィルタ
１１０，１１６積分器
１３２速度積分器
１３３速度制御側遅れ補償ローパスフィルタ
１３５速度フィードバック・ローパスフィルタ
ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３加算手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a motor position control apparatus, and more particularly to a motor position control apparatus suitable for controlling the position of a high-speed positioning motor used in a machine tool, a semiconductor manufacturing apparatus, or the like.
[0002]
[Prior art]
As a conventional motor position control device, there is a control device as shown in FIG. 15 [see FIG. 1 of JP-A-10-254550 (Patent Document 1)]. In this apparatus, a deviation between the position command and the position feedback is calculated by a subtracter included in the position control unit, and this deviation is processed by the position control unit and output as a speed command. Then, a deviation between the speed feedback obtained by converting the position feedback output from the encoder E by the speed calculation unit 2 and the speed command is calculated by a subtracter included in the speed control unit 3. This deviation is processed in the speed control unit 3, and the speed control unit 3 outputs a torque command to the torque control unit 4. The torque control unit 4 controls the current flowing through the motor M so that torque according to the torque command is output from the motor M.
[0003]
Normally, the position control unit 1 in this apparatus is configured as a proportional control (P control) unit, and the speed control unit 3 is configured as a proportional integral control (PI control) unit. The PI control unit constituting the conventional speed control unit 3 has the configuration shown in FIG. In this PI control unit, the deviation between the speed command and the speed feedback is calculated by the subtractor SB, and the deviation is input to the adder AD through the proportional control system of gain 1. In the integral control system, after the multiplier 31 multiplies the deviation by the integral gain, the deviation is integrated by the speed integrator 32 and input to the adder AD. The adder AD adds the output of the proportional control system and the output of the integral control system and outputs the result to the multiplier 33. The multiplier 33 multiplies the output of the adder AD by the proportional gain and outputs it as a torque command. To do. In this manner, by configuring the speed control unit 3 with the PI control unit, not only the transient deviation of the speed but also the steady deviation can be suppressed.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 3-15911 (Patent Document 2) obtains a position feedforward amount by differentiating a position command, and adds the feedforward control amount to a control amount obtained by position loop control. By adding the speed feedforward control amount obtained by differentiating the position feedforward control amount to the value obtained by the speed loop control and making it a current command, the responsiveness is improved and stable. A servo motor control method for obtaining a servo system is disclosed.
[0005]
[Patent Document 1] JP-A-10-254550 (FIG. 1)
[0006]
[Patent Document 2] Japanese Patent Laid-Open No. 3-15911 (FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional control device, the followability is improved by increasing the feedforward gain, but there is a problem that the overshoot increases when the feedforward gain is increased to 100%. Since overshoot deteriorates the machining quality, it must be suppressed as much as possible. FIG. 7 shows a simulation of the position control operation when the feedforward gain is 0% in the conventional control apparatus. As described above, when the feedforward gain is small, the overshoot is small, but when the feedforward gain is set to 100% as shown in FIG. 9, the overshoot becomes large. For this reason, conventionally, as shown in FIG. 8, the feedforward gain is set to about 50%, and the followability is improved within a range where the overshoot does not become large.
[0008]
In terms of control theory, in feedforward control, when the characteristics of the object to be controlled are known, it is preferable to reversely calculate the operation amount so that the control amount matches the target value. In a conventional control system, when a control target in performing position control is viewed as a speed control system, the operation amount is a speed command, and the control amount is a position. When the speed control system is approximated by the simplest model, it can be expressed by a first-order lag system, and when the inverse function of the control object is taken, the first-order advance is obtained. In the past, this was done with a certain guarantee, so compensation for higher-order delays could not be made, resulting in overshoot.
[0009]
Another factor is the problem of the speed command output from the position controller. Generally, the response of the control system is finite, and it takes time for the speed feedback to respond even if the speed feed forward command is output. The speed feed forward command is output and the motor starts driving, but the position controller outputs the speed command due to the position deviation that occurs between the speed feed forward command and the speed feedback response. End up. While the motor is rotating at a constant speed, this positional deviation decreases, but when the motor is decelerated, the positional deviation is generated again and a speed command is output.
[0010]
Thus, since the speed command generated by the position deviation is added to the speed feedforward command, a speed command higher than the originally required speed command is given, resulting in overshoot.
[0011]
Yet another factor is the speed controller problem. The speed controller is normally configured by PI control, and has a configuration as shown in FIG. 7 to 9 show simulation results when a conventional speed controller is used. Since the response of the control system is finite, even if a speed command is given, it takes time until the speed feedback responds, and the speed integrator performs integration during this time. The time response of the speed controller is reduced due to the charging / discharging of the integrator, which also causes overshoot. As described above, in the conventional control device, the feedforward function was configured by a proportional system, and the position control system was built without considering the response delay of the speed system. Since the controller was built without considering the response of the speed control system, an overshoot occurred, and the feedforward gain could not be increased to 100%. For this reason, there is a problem that there is a limit in improving the followability.
[0012]
An object of the present invention is to provide a motor position control device that improves the conventional problems, makes it possible to increase the feedforward gain to 100%, and enhances the followability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a position detection unit that detects the position of a motor that is a control target, a speed calculation unit that calculates the speed of the motor, and a speed so that the position of the motor fed back from the position detection unit matches the position command. A position control unit that outputs a command to perform position control, and a speed control unit that performs speed control by outputting a torque command so that the speed command fed back from the speed calculation unit matches the speed command by proportional integral control. An object of the improvement is a motor position control device including a torque control unit that performs torque control based on a torque command.
[0014]
The position control unit of the present invention includes a subtracting unit for obtaining a position deviation between the position command and the position detected by the position detecting unit, a position loop multiplying unit for multiplying the position deviation by a position proportional gain, and a differentiator for differentiating the position command. Feedforward gain multiplication means for multiplying the output of the differentiator by feedforward gain, and proportional differentiation means for compensating the delay of the speed control system by proportionally differentially controlling the output of the feedforward gain multiplication means And a feedforward low pass filter that filters the sum of the output of the proportional differentiation means and the output of the feedforward / gain multiplication means Is added to the output of the feedforward low-pass filter and the output of the position loop multiplication means to output a speed command. And an adding means.
[0015]
When the feedforward multiplication output is proportionally differential controlled by the position control unit as in the present invention, the first-order advance characteristic can be obtained, the delay of the speed control system can be compensated, and the followability to the position command can be improved. In addition, if the speed control side delay compensation low-pass filter is used, the deviation between the speed command with a delay equivalent to the speed control system delay and the speed of the actually delayed speed feedback can be made close to zero. Thus, the accumulated amount of the speed integrator can be made almost zero. Even when the feedforward gain is increased to 100%, a control system with a small overshoot can be configured, and position control with higher followability can be realized. If a feedforward low-pass filter is used, it is possible to prevent ripples based on quantization errors caused by the position command unit from being included in the speed command itself.
[0016]
In addition, a position control side delay compensation low-pass filter having a transfer function corresponding to the delay of the speed control system is further provided, and a position loop multiplication is performed by the position deviation between the position command passing through the position control side delay compensation low-pass filter and the position of the position feedback. You may make it input into a means. Also, when the position deviation is obtained by integrating the output of the differentiator that differentiates the position command and the position differential value with an integrator, the position control side delay compensation low-pass with a transfer function equivalent to the delay of the speed control system A filter may be disposed between the differentiator and the integrator, and the deviation between the output of the differentiator that has passed through the position control side delay compensation low-pass filter and the differential value of the position may be input to the integrator.
[0017]
By providing such a position control side delay compensation low-pass filter, the position command and the position feedback input to the position control unit at the time of acceleration are caused to rise almost simultaneously. As a result, the speed command from the position controller becomes a considerably small value. By adopting such a configuration, the speed feedforward gain can be set to 1 or a value close to 1, and the followability to the position command can be improved.
[0018]
In the present invention, the speed control unit is obtained by inputting a speed control side delay compensation low-pass filter having a transfer function corresponding to a speed control system delay and a speed command to the speed control side delay compensation low-pass filter. An integral control system that includes a speed integrator that integrates the speed deviation between the command and speed, a proportional control system that outputs a command proportional to the difference between the speed command and speed, and a proportional to the output of the integral control system An adding means for adding the output of the control system and a multiplying means for multiplying the output of the adding means by a speed proportional gain and outputting it as a torque command. In the proportional control system, the speed proportional gain may be multiplied by the speed deviation, and the calculation value being controlled in the integral control system may be multiplied by the speed proportional gain for output. If the speed control side delay compensation low pass filter is used as in the present invention, the deviation between the speed command having a delay corresponding to the delay of the speed control system and the speed of the actually delayed speed feedback is close to zero. . Therefore, the amount of accumulation in the speed integrator can be made almost zero, and the followability to the position command can be improved.
[0019]
When the accuracy of the position detection unit (for example, encoder) is poor, a ripple caused by a quantization error or a position error may be included in the speed feedback. Therefore, in order to cope with such a case, a speed feedback low-pass having a transfer function for preventing the occurrence of a ripple caused by the quantization error and / or the position error of the position detection unit in the torque command. A filter is preferably provided. In this case, a proportional control system is configured including subtracting means for obtaining a deviation between the speed after filtering and the speed command obtained by inputting the speed to the speed feedback / low pass filter. If a position detection unit having high accuracy and resolution is used, the position error is also reduced, and it is not necessary to employ such a configuration.
[0020]
The position control unit preferably comprises subtracting means for obtaining a position deviation between the position command and the position detected by the position detecting part, and position loop multiplying means for multiplying the position deviation by a position proportional gain. In this case, the position control unit has a differentiator that differentiates the position command, a multiplying unit that multiplies the output of the differentiator by a feedforward gain, and a transfer function that removes a ripple due to a quantization error of the position command. It is preferable to further include a feed forward low pass filter. The position control unit also outputs a differentiator that differentiates the position command and an output of the differentiating means that compensates for the delay of the speed control system by further proportionally differentiating the output of the differentiator multiplied by the feedforward gain. And the output of the feed forward gain multiplying means may be filtered by a feed forward low pass filter.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a motor position control apparatus of the present invention. This system includes an encoder E as a position detection unit that detects the position of the motor M to be controlled. The output of the encoder E is position feedback indicating the position of the output shaft of the motor. The speed calculation unit 2 is configured to calculate the motor speed based on the output of the encoder E, and the output of the speed calculation unit 2 is speed feedback. The speed feedback indicates the rotational speed of the output shaft of the motor M. The position control unit 11A is configured to perform position control by outputting a speed command so that the position of the motor M fed back from the encoder E as a position detection unit matches the position command. In this embodiment, the position control unit 11A includes a differentiator 112 that differentiates a position command, a feedforward gain multiplying unit 113 that multiplies the output of the differentiator 112 by a feedforward gain VFF, and this multiplying unit. A differentiator 117 for further differentiating the output from 113, a multiplier 118 for multiplying the output from the differentiator 117 by a differential gain (Ks), an output from the multiplier 118, and an output from the feedforward gain multiplier 113. An adding means AD3 for adding, and a transfer function (1 / (1 + ST) for removing ripples due to quantization error of the position command _FF )) And a feed forward low pass filter 114. In this example, the differentiator 117 and the multiplier 118 constitute a proportional differentiating means for compensating for the delay of the speed control system. Normally, the feedforward gain VFF is set to about 40 to 60% (0.4 to 0.6). The deviation between the position command and the position feedback is obtained by the subtraction means SB3, and this deviation is multiplied by the position proportional gain KP by the position loop multiplication means 111.
[0022]
From the position control unit 11A, a command in which the command output from the position loop multiplication unit 111 and the speed feedforward command (speed FF command) output from the feedforward / low pass filter 114 are added by the adding unit AD2. Output as a speed command. By performing proportional differential control of such feedforward multiplication output, a first-order advance characteristic can be obtained, the delay of the speed control system can be compensated, and the followability to the position command can be improved. Further, the feedforward low-pass filter 114 can prevent the ripple based on the quantization error included in the position command from being included in the speed command itself.
[0023]
The speed command becomes a torque command through the speed control unit 13. The torque control unit 4 controls the current so that torque according to the torque command is output. In the apparatus according to the present embodiment, the positioning settling time can be shortened by adding a feed forward.
[0024]
FIG. 2 is a block diagram showing an example of a specific configuration of the speed control unit 13 of FIG. 1 used in the present invention. The speed control unit 13 performs speed control by outputting a torque command so that the speed fed back from the speed calculation unit 2 in FIG. As shown in FIG. 2, the speed control unit 13 used in the present embodiment includes a speed control-side delay compensation low-pass filter 133 having a transfer function (1 / (1 + STc)) corresponding to the delay of the speed control system. . Further, the speed control unit 13 obtains a speed deviation between the delayed speed command and the speed obtained by inputting the speed command to the speed control side delay compensation low-pass filter 133 by the subtraction means SB2, and an integral gain (1 / Tvi) ), An integral control system configured to include a speed integrator 132 that integrates the output of the multiplier 131, and a proportional control system that outputs a command proportional to the speed command. The speed control unit 13 further includes a multiplying unit 134 that multiplies the output of the integral control system and the output of the proportional control system by the adding unit AD1 and multiplies the speed proportional gain KVP and outputs it as a torque command. Although the above configuration is a basic configuration, in this example, a transfer function (in which a ripple generated due to a quantization error and / or a position error of the encoder (position detection unit) is prevented from appearing in the torque command ( 1 / (1 + ST _FB )) Is further provided. Further, in this case, the proportional control system includes subtracting means SB1 for obtaining a deviation between the speed after filtering and the speed command obtained by inputting the speed to the speed feedback / low pass filter 135.
[0025]
In this example, the subtraction means SB2 takes the difference between the speed command passed through the speed control side delay compensation low-pass filter 133 and the speed feedback, multiplies it by the speed integral gain (1 / Tvi), and passes it through the speed integrator 132. The difference between the speed command and the speed feedback obtained by passing the speed feedback through the speed feedback / low-pass filter 135 is taken by the subtracting means SB1, and added by the output of the speed integrator 132 and the adding means AD1. Finally, a torque command is output by multiplying by the speed proportional gain (KVP).
[0026]
The speed feedback / low pass filter 135 described above is a filter that suppresses ripples caused by the quantization error and position error of the encoder E. This filter is inserted only in the feedback of the proportional control system, and functions to prevent ripples from appearing in the torque command. In the integral control system, such a filter is unnecessary because the speed integrator 132 performs a smoothing action.
[0027]
The speed control-side delay compensation low-pass filter 133 sets a time corresponding to the delay of the speed control system so that the delay compensation output and the speed feedback become substantially the same rise, and the speed integrator 132 of the speed integrator 132 at the time of speed command change. Reduce the amount of accumulation. By configuring the speed control unit 13 in this way, it is possible to simultaneously suppress the ripple included in the speed feedback and reduce the amount of accumulation in the speed integrator 132 when the speed command changes.
[0028]
If the quantization error of the encoder E is small, the speed feedback / low pass filter 135 is not necessary. The speed control side delay compensating low-pass filter 133 may be any transfer function that simulates the delay of the speed control system, and is not limited to the transfer function of the present embodiment.
[0029]
FIG. 3 is a block diagram showing a modification of the speed control unit 13 ′. 2 is compared with the speed control unit 13 ′, the speed control unit 13 ′ of FIG. 3 has a point that the multiplication means 134 ′ of the speed proportional gain KVP is inside the proportional control system (of the addition means AD1). The former speed control unit 13 is configured in that the transfer function of the multiplication means 131 ′ is changed in order to multiply the calculated value by the speed proportional gain KVP in the integral control system. Is different. Even in this case, the same effect as the speed control unit 13 of FIG. 2 can be obtained.
[0030]
FIG. 4 is a block diagram showing a modification of the embodiment of FIG. The embodiment of FIG. 4 differs from the embodiment of FIG. 1 in the configuration of the position control unit 11B. In FIG. 4, the same components as those of the embodiment of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 are attached to the same parts as those in FIG. Comparing the embodiment of FIG. 1 with the embodiment of FIG. 4, they differ from each other in that the position of the differentiator 112 is different and that an integrator 116 and a differentiator 5 are newly added. That is, in the position control unit 11B, the differentiator 112 that differentiates the position command enters before the subtracting means SB3, and the differentiator 5 that differentiates the position detected by the position detector enters before the subtracting means SB3. Position loop multiplication means in which an integrator 116 that integrates a deviation (position differential deviation) between the output of 112 (differentiated position command) and the output of the differentiator 5 (differentiated position) multiplies the position proportional gain. It is in the front stage of 111. According to this embodiment, the same effect as that of the embodiment of FIG. 1 can be obtained.
[0031]
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of still another embodiment of the motor position control apparatus of the present invention. Constituent elements similar to those of the embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. In this embodiment, in addition to the constituent elements of the embodiment of FIG. 1, a position control side delay compensation low-pass filter 115 having a transfer function (1 / (1 + STd)) corresponding to the delay of the speed control system is added to the position control unit. 11C is further provided. In this embodiment, the position deviation between the position command passing through the position control side delay compensation low-pass filter 115 and the position feedback is obtained by the subtracting means SB 3, and the position deviation is input to the position loop multiplying means 111. In this example, the feedforward gain VFF is set to 1 or a value close to 1.
[0032]
In the position control side delay compensation low-pass filter 115, the delay of the speed control system is set as a transfer function. The transfer function of the position control side delay compensation low-pass filter 115 is determined so that the output of the position control side delay compensation low pass filter 115 and the position feedback rise to the same extent. When the position control side delay compensation low-pass filter 115 is added, the output of the position loop multiplication unit 111 of the position control unit 11C becomes a considerably small value. In this apparatus, by adding the position control side delay compensation low-pass filter 115, the feedforward gain VFF can be increased to 100% or a value close to 100% (to a value close to 1 or 1). The positioning settling time can be shortened to the same degree as or slightly shorter than that of the above-described embodiment.
[0033]
FIG. 6 shows a configuration when the position control side delay compensation low-pass filter 115 is added in the embodiment of FIG. The other points are the same as in the embodiment of FIG.
[0034]
FIG. 10 shows the result of simulating the position control operation when the speed control side delay compensation low-pass filter 133 is inserted and the feedforward gain is set to 0 in the embodiment of FIGS. As compared with the conventional example of FIG. 7, it can be seen that the accumulated amount of the speed integrator is close to zero. FIG. 11 shows the result of simulating the position control operation when the differential gain is 0 and the feedforward gain is 100% under the conditions of FIG. In this way, it can be seen that the amount of overshoot of the position increases. FIG. 12 shows the result of simulating the position control operation when the differential gain is added under the conditions of FIG. Compared to FIG. 11, it can be seen from FIG. 12 that the amount of overshoot decreases even when the feedforward gain is set to 100%. FIG. 13 shows the result of simulating the position control operation when the position control side delay compensation low-pass filter 115 is inserted under the conditions of FIG. 11 as in the configuration of FIG. Also in the case of FIG. 13, it can be seen that the amount of overshoot is reduced compared to FIG. 11. Furthermore, FIG. 14 shows the result of simulating the position control operation when the differential gain is added under the conditions of FIG. In FIG. 14, the speed command from the position controller at the time of acceleration / deceleration is almost zero, and even when the feedforward gain is set to 100%, the overshoot is small and the followability is greatly improved. I understand. Finally, the position deviation at a constant speed is reduced to about ½ when the feedforward gain of the conventional example shown in FIG. 8 is set to 50%. It turns out that it improves twice.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, by performing proportional differential control of the feedforward multiplication output by the position control unit, it is possible to obtain a first-order advance characteristic, compensate for the delay of the speed control system, and improve the followability to the position command. is there. If the speed control side delay compensation low-pass filter is used, the deviation between the speed command with a delay equivalent to the speed control system delay and the speed of the actually delayed speed feedback should be close to zero. And the accumulated amount of the speed integrator can be reduced to almost zero. In addition, even when the feedforward gain is increased to 100%, a control system with a small overshoot can be configured, position control with higher followability can be realized, and higher speed followability can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a motor position control apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a speed control unit used in the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing an example of a specific configuration of another speed control unit used in the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of another embodiment of the motor position control apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of still another embodiment of the motor position control apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of still another embodiment of the motor position control apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a result of simulating a position control operation when a feedforward gain is 0% in a conventional position control device.
FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of a position control operation when a feedforward gain is 50% in a conventional position control apparatus.
FIG. 9 is a diagram showing a result of simulating a position control operation when a feedforward gain is 100% in a conventional position control device.
10 is a diagram showing a result of simulating a position control operation when a speed control side delay compensating low-pass filter is inserted and a feedforward gain is set to 0 in the embodiment of FIGS. 1 and 2. FIG.
11 is a diagram showing a result of simulating a position control operation when the differential gain is 0 and the feedforward gain is 100% under the conditions of FIG.
12 is a diagram showing a simulation result of a position control operation when a differential gain is added under the conditions of FIG. 11. FIG.
13 is a diagram showing a result of simulating a position control operation when a position control side delay compensation low-pass filter is inserted as in the configuration of FIG. 5 under the conditions of FIG.
14 is a diagram showing a result of simulating a position control operation when a differential gain is inserted under the conditions of FIG.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a conventional motor position control device.
FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of a conventional speed control unit.
[Explanation of symbols]
13, 13 'speed controller
2 Speed calculator
4 Torque control unit
11A, 11B, 11C, 11D Position control unit
SB1, SB2, SB3 subtracting means
KP Position proportional gain
KS differential gain
KVP Speed proportional gain
VFF feedforward gain
111 Position loop multiplication means
5,112,117 Differentiator
113, 131, 134, 131 ', 134' multiplication means
114 Feedforward Low Pass Filter
115 Position control side delay compensation low pass filter
110, 116 integrator
132 Speed integrator
133 Speed control side delay compensation low pass filter
135 Speed feedback low pass filter
AD1, AD2, AD3 addition means

Claims

制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、
前記モータの速度を算出する速度算出部と、
前記位置検出部からフィードバックされた前記モータの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御をする位置制御部と、
比例積分制御により、前記速度算出部からフィードバックされた前記速度と前記速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、
前記トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを備えたモータの位置制御装置において、
前記位置制御部は、前記位置指令と前記位置検出部により検出した前記位置との位置偏差を求める減算手段と、
前記位置偏差に位置比例ゲインを乗算する位置ループ乗算手段と、
前記位置指令を微分する微分器と、
前記微分器の出力にフィードフォーワード・ゲインを乗算するフィードフォーワード・ゲイン乗算手段と、
前記フィードフォーワード・ゲイン乗算手段の出力を比例微分制御して速度制御系の遅れを補償する比例微分手段と、
前記位置指令の量子化誤差によるリップルを除去する伝達関数を有して、前記比例微分手段の出力と前記フィードフォーワード・ゲイン乗算手段の出力との加算値をフィルタ処理するフィードフォーワード・ローパスフィルタと、
前記フィードフォーワード・ローパスフィルタの出力と前記位置ループ乗算手段の出力とを加算して前記速度指令を出力する加算手段とを備えていることを特徴とするモータの位置制御装置。A position detector for detecting the position of the motor to be controlled;
A speed calculation unit for calculating the speed of the motor;
A position control unit that performs position control by outputting a speed command so that the position command of the motor fed back from the position detection unit matches the position command;
A speed control unit that performs a speed control by outputting a torque command so that the speed fed back from the speed calculation unit and the speed command match by proportional-integral control;
In a motor position control device including a torque control unit that performs torque control based on the torque command,
The position control unit includes a subtracting means for obtaining a position deviation between the position command and the position detected by the position detection unit;
Position loop multiplying means for multiplying the position deviation by a position proportional gain;
A differentiator for differentiating the position command;
Feed forward gain multiplying means for multiplying the output of the differentiator by feed forward gain;
Proportional differential means for compensating for delay of the speed control system by proportional differential control of the output of the feedforward gain multiplying means;
A feedforward low-pass filter having a transfer function for removing a ripple due to a quantization error of the position command and filtering an added value of the output of the proportional differentiation unit and the output of the feedforward / gain multiplication unit When,
A motor position control apparatus comprising: an adding means for adding the output of the feedforward low pass filter and the output of the position loop multiplying means to output the speed command.

速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを更に備え、
前記位置指令が前記位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを通して前記減算手段に入力されることを特徴とする請求項１に記載のモータの位置制御装置。A position control side delay compensation low pass filter having a transfer function corresponding to the delay of the speed control system;
2. The motor position control apparatus according to claim 1, wherein the position command is input to the subtracting means through the position control side delay compensation low pass filter.

前記速度制御部が、
速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する速度制御側遅れ補償ローパスフィルタと、
前記速度指令を前記速度制御側遅れ補償ローパスフィルタに入力して得た遅延速度指令と前記速度との速度偏差を積分する速度積分器を含んで構成された積分制御系と、
前記速度指令と前記速度との差に比例した指令を出力する比例制御系と、
前記積分制御系の出力と前記比例制御系の出力とを加算する加算手段と、
前記加算手段の出力に速度比例ゲインを乗じて前記トルク指令を得る乗算手段とを具備している請求項１または２に記載のモータの位置制御装置。The speed controller is
A speed control side delay compensating low-pass filter having a transfer function corresponding to the delay of the speed control system;
An integration control system configured to include a speed integrator that integrates a speed deviation between the delayed speed command obtained by inputting the speed command to the speed control side delay compensation low-pass filter and the speed;
A proportional control system that outputs a command proportional to the difference between the speed command and the speed;
Adding means for adding the output of the integral control system and the output of the proportional control system;
The motor position control device according to claim 1, further comprising multiplication means for multiplying an output of the addition means by a speed proportional gain to obtain the torque command.

前記速度制御部が、
速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する速度制御側遅れ補償ローパスフィルタと、
前記速度指令を前記速度制御側遅れ補償ローパスフィルタに入力して得た遅延速度指令と前記速度との速度偏差を積分する速度積分器を含み制御系中の演算値に速度比例ゲインを乗じて出力する積分制御系と、
前記速度指令と前記速度との差に速度比例ゲインを乗じた指令を出力する比例制御系と、
前記積分制御系の出力と前記比例制御系の出力とを加算する加算手段とから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータの位置制御装置。The speed controller is
A speed control side delay compensating low-pass filter having a transfer function corresponding to the delay of the speed control system;
It includes a speed integrator that integrates the speed deviation between the delayed speed command obtained by inputting the speed command to the speed control side delay compensation low-pass filter and the speed, and outputs the result obtained by multiplying the operation value in the control system by a speed proportional gain. An integral control system to
A proportional control system that outputs a command obtained by multiplying the difference between the speed command and the speed by a speed proportional gain;
3. The motor position control apparatus according to claim 1, further comprising an adding unit that adds the output of the integral control system and the output of the proportional control system.

制御対象であるモータの位置を検出する位置検出部と、
前記モータの速度を算出する速度算出部と、
前記位置検出部からフィードバックされた前記モータの位置と位置指令とが一致するように速度指令を出力して位置制御をする位置制御部と、
比例積分制御により、前記速度算出部からフィードバックされた前記速度と前記速度指令とが一致するようにトルク指令を出力して速度制御を行う速度制御部と、
前記トルク指令に基づいてトルク制御を行うトルク制御部とを備えたモータの位置制御装置において、
前記位置制御部は、
前記位置指令を微分する微分器と、
前記微分器の出力にフィードフォーワード・ゲインを乗算するフィードフォーワード・ゲイン乗算手段と、
前記フィードフォーワード・ゲイン乗算手段の出力を比例微分制御して速度制御系の遅れを補償する比例微分手段と、
前記位置指令の量子化誤差によるリップルを除去する伝達関数を有して、前記比例微分手段の出力と前記フィードフォーワード・ゲイン乗算手段の出力との加算値をフィルタ処理するフィードフォーワード・ローパスフィルタと、
前記微分器の出力と前記位置検出部により検出した前記位置の微分値との偏差を積分して前記位置偏差を前記位置ループ乗算手段に出力する積分器と、
前記積分器の出力に位置比例ゲインを乗算する位置ループ乗算手段と、
前記位置ループ乗算手段から出力された指令と前記フィードフォーワード・ローパスフィルタから出力された速度フィードフォーワード指令とを加算して前記速度指令として出力する加算手段とを具備することを特徴とする請求項４に記載のモータの位置制御装置。A position detector for detecting the position of the motor to be controlled;
A speed calculation unit for calculating the speed of the motor;
A position control unit that performs position control by outputting a speed command so that the position command of the motor fed back from the position detection unit matches the position command;
A speed control unit that performs a speed control by outputting a torque command so that the speed fed back from the speed calculation unit and the speed command match by proportional-integral control;
In a motor position control device including a torque control unit that performs torque control based on the torque command,
The position controller is
A differentiator for differentiating the position command;
Feed forward gain multiplying means for multiplying the output of the differentiator by feed forward gain;
Proportional differential means for compensating for delay of the speed control system by proportional differential control of the output of the feedforward gain multiplying means;
A feedforward low-pass filter having a transfer function for removing a ripple due to a quantization error of the position command and filtering an added value of the output of the proportional differentiation unit and the output of the feedforward / gain multiplication unit When,
An integrator that integrates the deviation between the output of the differentiator and the differential value of the position detected by the position detector and outputs the position deviation to the position loop multiplication means;
Position loop multiplying means for multiplying the output of the integrator by a position proportional gain;
An addition means for adding the command output from the position loop multiplication means and the speed feedforward command output from the feedforward low-pass filter and outputting the result as the speed command. Item 5. The motor position control device according to Item 4.

速度制御系の遅れに相当する伝達関数を有する位置制御側遅れ補償ローパスフィルタが前記微分器と前記積分器との間に配置され、
前記位置制御側遅れ補償ローパスフィルタを通った前記微分器の出力と前記位置の微分値との偏差が前記積分器に入力されることを特徴とする請求項５に記載のモータの位置制御装置。A position control side delay compensating low pass filter having a transfer function corresponding to the delay of the speed control system is disposed between the differentiator and the integrator;
6. The motor position control apparatus according to claim 5, wherein a deviation between an output of the differentiator passing through the position control side delay compensation low-pass filter and a differential value of the position is input to the integrator.