JP2008253088A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアスケールのみを用いて精度の高いフルクローズド制御を実現することができるモータ制御装置を得る。
【解決手段】機械位置を出力する機械位置入力手段２０と、差速度推定値と機械速度の和を速度フィードバック信号として入力し速度フィードバック信号が速度指令に追従するようなトルク指令を出力する速度制御手段８と、磁極位置に基づいてモータのトルクを制御するトルク制御手段９と、機械位置を微分して機械速度を出力する速度検出手段１０と、トルク指令を入力してモータ速度と機械速度との差の推定値である差速度推定値を出力する差速度推定手段１１とを有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、フルクローズド制御を行うモータ制御装置に関し、特に機械共振の大きい機械をフルクローズド制御するモータ制御装置に関するものである。

機械の可動部の位置を高精度に制御するための制御方法として、可動部の位置を検出してフィードバック制御するフルクローズド制御が知られている。図３は、従来のフルクローズド制御を行うモータ制御装置の制御ブロック図を示したものである（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。図３において、モータ１には、エンコーダ２が取り付けられている。このエンコーダ２は、モータ１の速度と位置を検出する。モータ１の駆動軸には、カップリング４を介してボールネジ３が連結されている。モータ１は、ボールネジ３を回転させることにより、機械の可動部であるテーブル５を直線運動させる。リニアスケール６は、機械位置検出手段として働き、この直線運動するテーブル５の位置を検出する。

位置制御手段７は、図示しない上位コントローラから与えられる位置指令を入力し、また、リニアスケール６によって検出された機械位置を位置フィードバック信号として入力し、テーブル５の位置が当該位置指令に追従するような速度指令を出力する。速度制御手段８は、位置制御手段７の出力である速度指令を入力すると共に、エンコーダ２で検出されたモータ速度を速度フィードバック信号として入力し、モータ１の速度が当該速度指令に追従するようにトルク指令を出力する。トルク制御手段９は、速度制御手段８の出力であるトルク指令を入力して、エンコーダ２で検出されるモータの磁極位置に基づいてモータのトルクを制御し、モータを駆動する。

従来のフルクローズド制御装置はこのように構成され、位置制御手段８にリニアスケール６で検出される機械可動部の位置をフィードバックして、位置制御ループが構成される。機械の可動部であるテーブル５の位置をリニアスケール６で直接検出して、可動部の位置が位置指令に一致するようにフィードバック制御するので、機械に狂いや熱変形などの誤差がある場合でも、テーブル５の位置を高精度に位置決めすることが可能となる。

特開平０７−２２５６１５号公報（第３頁、第１図） 特開２００１−３０９６７６号公報（第２頁、第１３図）

上記のように、従来のフルクローズド制御を行うモータ制御装置では、リニアスケール６で検出される機械可動部の位置を用いて位置制御を行い、エンコーダ２で検出されるモータ１の速度と磁極位置を用いて速度制御とトルク制御が行われていた。このため、エンコーダ２とリニアスケール６の２つの検出器を用いる必要があり、制御システムが高価になると言う問題があった。

かかる問題を解決し、１つの検出器のみでフルクローズド制御を行う方法として、エンコーダを用いずに、リニアスケールの信号だけで制御系を構成する方式が考えられる。機械の剛性が高く、機械誤差が無い場合は、エンコーダで検出されるモータ位置とリニアスケールとで検出される機械可動部の位置が一致する。このような場合にはリニアスケールのみでフルクローズド制御を実現することも可能である。しかしながら、機械の剛性が低く機械に狂いが有る場合には、エンコーダで検出されるモータ位置とリニアスケールで検出される機械可動部の位置が一致しなくなるので、精度の高いフルクローズド制御が困難となる。

まず、トルク制御においてリニアスケールで検出される位置情報を磁極位置として用いると、該磁極位置は実際のモータの磁極位置とは一致しないので、磁極位置の精度が悪くなり、精度の良いトルク制御ができなくなってしまう。

また、リニアスケールで検出される機械可動部の速度をフィードバックして速度制御ループを構成すると、速度ゲインを大きく出来なくなり、速度制御の性能が劣化してしまうと言う問題がある。この理由について図を用いて説明する。

図４に機械の剛性が低い場合のモータトルクから速度フィードバック信号までの周波数応答を示す。図４−１はモータトルクからエンコーダで検出されるモータ速度までの周波数応答であり、モータ速度を速度フィードバック信号とした場合の周波数応答である。また、図４−２はモータトルクからリニアスケールで検出される機械可動部の速度までの周波数応答であり、機械可動部の速度を速度フィードバック信号とした場合の周波数応答である。

機械の剛性が低い場合、モータトルクからエンコーダで検出されるモータ速度までの周波数応答は、図４−１のように、***振と共振を持つ特性となる。すなわち、ゲイン特性は***振周波数でゲインが小さくなるノッチ特性を持ち、共振周波数でゲインが大きくなり共振ピークを持つ。位相特性は、***振周波数で位相が１８０度進んで９０度となり、共振周波数で１８０度遅れて−９０度となる。位相が−１８０度となる周波数でゲインが０ｄｂ以上になると、制御系が不安定になることが知られているが、図４−１では、位相が−９０度より小さくなることがないので、速度制御ゲインを大きく設定しても制御系が不安定になることがない。したがって、モータ速度をフィードバックして速度制御ループを構成する場合は、速度制御のゲインを大きく設定することが可能となり、精度の高い速度制御を行うことが出来る。

一方、モータトルクからリニアスケールで検出される機械可動部の速度までの周波数応答は、図４−２のように、共振だけを持つ特性となる。この場合、共振周波数で位相が−１８０度となるので、共振ピークでのゲインが０ｄｂ以上になると制御系が不安定になることがわかる。つまり、可動部の速度をフィードバックして速度制御ループを構成する場合は、共振ピークのゲインが０ｄｂ以下になるように速度制御のゲインを設定する必要があり、速度ゲインを大きくすることが出来なくなる。

このように、リニアスケールで検出される速度をフィードバックして速度制御ループを構成すると、モータ速度を用いる場合よりも速度制御ゲインを小さくしなければならなくなるので、速度制御の性能が劣化してしまう。

さらに、位置制御ループにおいても同様のことが言え、リニアスケールで検出される機械可動部の位置をフィードバックして位置制御ループを構成すると、モータ位置を用いる場合よりも位置制御ゲインを小さく設定しなければならなくなり、位置制御の性能が悪くなってしまう。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、エンコーダを用いることなく、リニアスケールのみを用いて精度の高いフルクローズド制御を実現することができるモータ制御装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のモータ制御装置は、機械位置検出器の検出信号を入力して機械位置を出力する機械位置入力手段と、後述の差速度推定値と後述の機械速度の和を速度フィードバック信号として入力するとともに、速度指令を入力して、速度フィードバック信号が速度指令に追従するようなトルク指令を出力する速度制御手段と、トルク指令とモータの磁極位置とを入力して磁極位置に基づいてモータのトルクを制御するトルク制御手段と、機械位置を入力して該機械位置を微分して機械速度を出力する速度検出手段と、トルク指令を入力してモータ速度と機械速度との差の推定値である差速度推定値を出力する差速度推定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の他のモータ制御装置は、機械位置検出器の検出信号を入力して機械位置を出力する機械位置入力手段と、後述のモータ速度推定値を速度フィードバック信号として入力するとともに、速度指令を入力して、速度フィードバック信号が速度指令に追従するようなトルク指令を出力する速度制御手段と、トルク指令とモータの磁極位置とを入力して磁極位置に基づいてモータのトルクを制御するトルク制御手段と、機械位置を入力して該機械位置を微分して機械速度を出力する速度検出手段と、機械速度を入力して該機械速度からモータ速度の推定値であるモータ速度推定値を出力するモータ速度推定手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、モータのトルク指令、および、機械可動部の位置に基づいて、モータの速度とモータの位置を推定して、この推定値を使って、速度制御、位置制御、および、トルク制御を行っているので、エンコーダを用いることなく、リニアスケールのみを用いて精度の高いフルクローズド制御を実現することができるという効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るモータ制御装置のブロック図である。図１において、モータ１には、さらにカップリング４を介してボールネジ３が接続されている。モータ１は、ボールネジ３を回転させることにより、機械の可動部であるテーブル５を直線運動させる。リニアスケール６は、機械位置検出手段として働きテーブル５の位置を検出する。

本実施の形態のモータ制御装置１０１は、位置制御手段７、速度制御手段８、トルク制御手段９、速度検出手段１０、差速度推定手段１１、差位置推定手段１２および機械位置入力手段２０を有している。

位置制御手段７は、図示しない上位コントローラから与えられる位置指令を入力し、また、リニアスケール６によって検出された機械位置と後述する差位置推定値との和を位置フィードバック信号として入力し、テーブル５の位置が当該位置指令に追従するような速度指令を出力する。

速度制御手段８は、位置制御手段７の出力である速度指令を入力すると共に、エンコーダ２で検出される機械速度と後述する差速度推定値との和を速度フィードバック信号として入力し、モータ１の速度が当該速度指令に追従するようにトルク指令を出力する。

トルク制御手段９は、速度制御手段８の出力であるトルク指令を入力して、上記位置フィードバック信号から求めた磁極位置に基づいてモータのトルクを制御し、モータを駆動する。

機械位置入力手段２０は、リニアスケール６で検出された検出信号を入力して機械可動部の位置（機械位置）として出力する。速度検出手段１０は、機械位置入力手段２０から入力される機械可動部の位置（機械位置）を微分して機械可動部の速度（機械速度）を出力する。

差速度推定手段１１は、トルク指令を入力して、モータ速度と機械可動部の速度（機械速度）との差を推定して差速度推定値として出力する。差速度推定手段１１の伝達関数は、モータを含む機械の慣性モーメントをＪａ、機械の共振角周波数をωｒ、共振減衰係数をζｒ、***振角周波数をωａ、***振減衰係数をζａとしたとき、

で与えられる。

差位置推定手段１２は、トルク指令を入力して、モータ位置と機械可動部の位置（機械位置）との差を推定して差位置推定値として出力する。その伝達関数は、

である。

次に作用について説明する。差速度推定手段１１は、トルク指令を入力し、モータ速度ｖｍと機械可動部の速度ｖｌの差Δｖ＝ｖｍ−ｖｌを出力する。機械の剛性が低く機械共振が大きい場合、モータトルクτｍからモータ速度ｖｍ、および、機械可動部の速度ｖｌまでの伝達関数は、上記の記号を用いて、次式のように書くことが出来る。

（３）式と（４）式から、モータ速度ｖｍと機械可動部の速度ｖｌの差Δｖは

で得られる。差速度推定手段１１の伝達関数は（１）式であるから、差速度推定手段１１は、トルク指令を用いてモータ速度ｖｍと機械可動部の速度ｖｌの差Δｖ＝ｖｍ−ｖｌを推定して出力していることになる。

差速度推定手段１１の出力は、速度検出手段１０の出力である機械可動部の速度ｖｌと加算されて速度フィードバック信号として速度制御手段８に入力される。差速度推定手段１１の出力は、モータ速度ｖｍと機械可動部の速度ｖｌの差Δｖ＝ｖｍ−ｖｌの推定値であり、これと機械可動部の速度ｖｌを加算すると、モータ速度ｖｍの推定値が得られる。このようにして得られたモータ速度ｖｍの推定値は速度制御手段８に入力され、速度制御ループが構成される。

先に述べたように、機械可動部の速度をフィードバックして速度制御ループを構成すると、モータ速度を用いる場合に比べて速度制御のゲインを大きくできないと言う問題があった。しかし、本実施の形態によれば、モータ速度を推定してフィードバックしているので、モータ速度を検出してフィードバックする場合と同程度に速度制御のゲインを大きくすることができ、精度の高い速度制御を行うことができる。

次に、位置制御ループについて説明する。モータトルクτｍからモータ位置θｍ、および、機械可動部の位置θｌまでの伝達関数は、

となる。
（６）式と（７）式から、モータ位置θｍと機械可動部の位置θｌの差Δθ＝θｍ−θｌは

となる。差位置推定手段１２の伝達関数は（２）式であるから、差位置推定手段１２はトルク指令を用いてモータ位置θｍと機械可動部の位置θｌの差Δθ＝θｍ−θｌを推定して出力していることになる。

差位置推定手段１２の出力はリニアスケール６の出力である機械可動部の位置θｌと加算されて位置フィードバック信号として位置制御手段７に入力される。差位置推定手段１２の出力はモータ位置θｍと機械可動部の位置θｌの差Δθ＝θｍ−θｌの推定値であり、これと機械可動部の位置θｌを加算すると、モータ位置θｍの推定値が得られる。すなわち、リニアスケール６の出力と差位置推定手段１２の出力を加算することにより、モータ位置θｍの推定値が得られ、これを位置フィードバック信号として位置制御手段７に入力して、位置制御ループを構成している。

位置制御においても、機械可動部の位置をフィードバックして位置制御ループを構成すると、モータ位置をフィードバックする場合に比べて位置制御のゲインを大きくできないと言う問題があった。しかし、本実施の形態によれば、モータ位置を推定してフィードバックしているので、モータ位置を検出してフィードバックする場合と同程度に位置制御のゲインを大きくすることができ、精度の高い位置制御を行うことができる。

さらに、上記のようにして得られたモータ位置の推定値は、トルク制御手段９におけるモータの磁極位置として用いられる。これにより、リニアスケール６で検出される機械可動部の位置を磁極位置として用いるよりも磁極位置の精度が向上するので、高精度のトルク制御が可能となる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るモータ制御装置のブロック図である。図２において、本実施の形態のモータ制御装置１０２は、位置制御手段７、速度制御手段８、トルク制御手段９、速度検出手段１０、モータ度推定手段１３、モータ位置推定手段１４および機械位置入力手段２０を有している。

モータ度推定手段１３は、速度検出手段１０の出力である機械可動部の速度（機械速度）に基づいてモータ速度を推定して、モータ速度推定値として出力する。モータ位置推定手段１４は、機械位置入力手段２０から入力される機械可動部の位置（機械位置）に基づいてモータ位置を推定して、モータ位置推定値として出力する。ただし、モータを含む機械の***振角周波数をωａ、***振減衰係数をζａとしたとき、モータ速度推定手段１３の伝達関数、および、モータ位置推定手段１４の伝達関数は、共に

である。

（３）式と（４）式より、機械可動部の速度ｖｌからモータ速度ｖｍまでの伝達関数を求めると

を得る。さらに、ζａが十分小さいとすると、上式は、

と近似できる。これは、モータ速度推定手段１３の伝達関数であるので、モータ速度推定手段１３の出力はモータ速度ｖｍの推定値となる。モータ速度推定手段１３の出力であるモータ速度ｖｍの推定値は速度制御手段８に入力され、速度制御ループが構成される。

本実施の形態２によれば、モータ速度推定手段１３によってモータ速度ｖｍを推定してフィードバックするので、モータ速度ｖｍを検出してフィードバックする場合と同様に速度制御のゲインを大きくすることができ、精度の高い速度制御を行うことができる。

また、（６）式と（７）式より、機械可動部の位置θｌからモータ位置θｍまでの伝達関数を求めると、（１１）式と同様に

と近似できる。これは、モータ位置推定手段１４の伝達関数と同じであり、モータ位置推定手段１４は、モータ位置θｍの推定値を出力する。モータ位置推定手段１４の出力であるモータ位置θｍの推定値は位置制御手段７に入力され、位置制御ループが構成される。

このように、本実施の形態２によれば、モータ位置推定手段１４によってモータ位置を推定してフィードバックするので、エンコーダでモータ位置を検出してフィードバックする場合と同様に位置制御のゲインを大きくすることができ、精度の高い位置制御を行うことができる。

さらに、上記のようにして得られたモータ位置推定値は、トルク制御手段９におけるモータの磁極位置として用いられる。これにより、リニアスケール６で検出される機械可動部の位置を磁極位置として用いるよりも磁極位置の精度が向上するので、高精度のトルク制御が可能となる。

また、モータ速度推定手段１３、および、モータ位置推定手段１４の伝達関数には、（９）式に示すようにｓの２次の項が含まれる。このため、その出力には入力信号の二階微分が含まれ、入力信号のノイズ成分が増幅されて出力される。これが問題となる場合には、その入力信号、あるいは、出力信号にローパスフィルタを通してノイズ成分を除去するように構成しても良い。

なお、上記のように実施の形態１および実施の形態２においては、ωａを機械の***振角周波数としたが、機械の***振角周波数が正確には分からない場合は、ωａを共振角周波数ωｒよりも小さい値に設定しておけばよい。図４−１と図４−２に、モータ速度をフィードバックした場合と機械可動部の速度をフィードバックした場合の周波数応答を比較して示したが、両者の本質的な違いは、***振の有無であり、これによって速度制御ゲイン、位置制御ゲインを大きく出来るかどうかが決まる。つまり、モータトルクから速度フィードバック信号までの伝達関数において、共振周波数よりも低い周波数に***振特性を持つようにすれば、制御ゲインを大きくできる。このようなことから、実施の形態１および実施の形態２において、ωａを共振周波数よりも低い周波数に設定すれば、モータトルクから速度フィードバックまでの周波数特性が図４−１と同様の周波数特性となり、モータ速度やモータ位置をフィードバックする場合と同程度まで制御ゲインを大きくすることができ、精度の高い制御を実現することができる。

この発明に係るモータ制御装置は、機械剛性が低く、機械共振の大きい機械をフルクローズド制御するモータ制御装置として用いられて好適なものである。

この発明の実施の形態１のモータ制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態２のモータ制御装置のブロック図である。 従来のフルクローズド制御のブロック図である。 モータトルクからエンコーダで検出されるモータ速度までの周波数応答であり、モータ速度を速度フィードバック信号とした場合の周波数応答を示す図である。 モータトルクからリニアスケールで検出される機械可動部の速度までの周波数応答であり、機械可動部の速度を速度フィードバック信号とした場合の周波数応答を示す図である。

符号の説明

１ モータ
２ エンコーダ
３ ボールネジ
４ カップリング
５ テーブル
６ リニアスケール
７ 位置制御手段
８ 速度制御手段
９ トルク制御手段
１０ 速度検出手段
１１ 差速度推定手段
１２ 差位置推定手段
１３ モータ速度推定手段
１４ モータ位置推定手段
２０ 機械位置入力手段
１０１，１０２ モータ制御装置

Claims (13)

1. 機械位置検出器の検出信号を入力して機械位置を出力する機械位置入力手段と、
   後述の差速度推定値と後述の機械速度の和を速度フィードバック信号として入力するとともに、速度指令を入力して、前記速度フィードバック信号が前記速度指令に追従するようなトルク指令を出力する速度制御手段と、
   前記トルク指令とモータの磁極位置とを入力して前記磁極位置に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御手段と、
   前記機械位置を入力して該機械位置を微分して前記機械速度を出力する速度検出手段と、
   前記トルク指令を入力してモータ速度と前記機械速度との差の推定値である差速度推定値を出力する差速度推定手段と
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記差速度推定手段の伝達関数が、
   

   

   ただし、Ｓはラプラス演算子、Ｊａはモータを含む機械の慣性モーメント、ωｒは機械の共振角周波数、ζｒは共振減衰係数であり、ωａ＜ωｒである
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記トルク指令を入力してモータ位置と前記機械位置との差の推定値である差位置推定値を出力する差位置推定手段と、
   前記機械位置と前記差位置推定値との和を位置フィードバック信号として入力するとともに、位置指令値を入力して、前記位置フィードバック信号が前記位置指令に追従するように前記速度指令を出力する位置制御手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記差位置推定手段の伝達関数が、
   

   

   ただし、Ｓはラプラス演算子、Ｊａはモータを含む機械の慣性モーメント、ωｒは機械の共振角周波数、ζｒは共振減衰係数であり、ωａ＜ωｒである
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記トルク指令を入力してモータ位置と前記機械位置との差の推定値である差位置推定値を出力する差位置推定手段をさらに備え、
   前記トルク制御手段は、前記機械位置と前記差位置推定値との和に基づいて前記モータの磁極位置を求め、該磁極位置に基づいて前記モータのトルクを制御する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
6. 前記差位置推定手段の伝達関数が、
   

   

   ただし、Ｓはラプラス演算子、Ｊａはモータを含む機械の慣性モーメント、ωｒは機械の共振角周波数、ζｒは共振減衰係数、ωａは***振角周波数である
   ことを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 機械位置検出器の検出信号を入力して機械位置を出力する機械位置入力手段と、
   後述のモータ速度推定値を速度フィードバック信号として入力するとともに、速度指令を入力して、前記速度フィードバック信号が前記速度指令に追従するようなトルク指令を出力する速度制御手段と、
   前記トルク指令とモータの磁極位置とを入力して前記磁極位置に基づいて前記モータのトルクを制御するトルク制御手段と、
   前記機械位置を入力して該機械位置を微分して機械速度を出力する速度検出手段と、
   前記機械速度を入力して該機械速度からモータ速度の推定値である前記モータ速度推定値を出力するモータ速度推定手段と
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
8. 前記モータ速度推定手段の伝達関数が、
   

   

   ただし、Ｓはラプラス演算子、ζａは***振減衰係数であり、ωａは機械の共振角周波数よりも小さい値である
   ことを特徴とする請求項７に記載のモータ制御装置。
9. 前記機械位置を入力して該機械位置からモータ位置の推定値であるモータ位置推定値を出力するモータ位置推定手段と
   前記モータ位置推定値を位置フィードバック信号として入力するとともに、位置指令を入力して、前記位置フィードバック信号が前記位置指令に追従するように前記速度指令を出力する位置制御手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のモータ制御装置。
10. 前記モータ位置推定手段の伝達関数が、
    

    

    ただし、Ｓはラプラス演算子、ζａは***振減衰係数であり、ωａは機械の共振角周波数よりも小さい値である
    ことを特徴とする請求項９に記載のモータ制御装置。
11. 前記機械位置を入力して該機械位置からモータ位置の推定値であるモータ位置推定値を出力するモータ位置推定手段をさらに備え、
    前記トルク制御手段は、前記モータ位置推定値に基づいて前記モータの磁極位置を求め、該磁極位置に基づいて前記モータのトルクを制御する
    ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のモータ制御装置。
12. 前記モータ位置推定手段の伝達関数が、
    

    

    ただし、Ｓはラプラス演算子、ωａは***振角周波数、ζａは***振減衰係数である
    ことを特徴とする請求項１１に記載のモータ制御装置。
13. 前記ωａは機械の***振角周波数である
    ことを特徴とする請求項２、４、８および１０のいずれか１項に記載のモータ制御装置。

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