JP2008253088A - モータ制御装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
(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
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007093474A JP2008253088A (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | モータ制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015521836A (ja) * | 2012-06-25 | 2015-07-30 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | 電子転流式電気機械を有する位置検出システムのアクチュエータの位置を妥当性検査するための方法および装置 |
-
2007
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015521836A (ja) * | 2012-06-25 | 2015-07-30 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | 電子転流式電気機械を有する位置検出システムのアクチュエータの位置を妥当性検査するための方法および装置 |
US9454138B2 (en) | 2012-06-25 | 2016-09-27 | Robert Bosch Gmbh | Method and apparatus for conducting a plausibility check on a position of an actuating element of a position encoder system with an electronically commutated electric machine |
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