JP2016163370A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの速度リップル及びトルクリップルを減少することのできるモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ制御装置１は、モータ２のコギングトルクによるトルク変動に対応するデータとして、モータ２の位置に応じたコギングトルクのデータを記憶した補償データ記憶部１１と、補償データ記憶部１１に基づいて入力したモータ２の位置からコギングトルク推定値を算出し、算出したコギングトルク推定値に基づいて外乱抑圧補償を行う外乱オブザーバ１０とを備えている。【選択図】 図３

Description

本発明は、モータの外乱の推定と抑圧を行うモータ制御装置に関する。

工作機械では、微細加工などの要求から、さらに加工品質を高める必要があり、モータ駆動の高精度化が求められている。また、サイクルタイムの短縮のために、位置決め時間の短縮が求められている。

一方、モータの小型化も求められており、モータを小型化した場合に、モータの構造の制約からコギングトルクが大きくなる場合がある。こういったコギングトルクによるトルクリップルは、工作加工時に外乱として働き、被加工物の表面精度を低下させたり、位置決め時に外乱として働き、位置偏差の変動を生じさせたりしてしまう。この位置偏差の変動は、位置決め時間を遅らせ、機械のサイクルタイムを長くしてしまう。また、機械系には摩擦が存在し、こういった摩擦も加工精度を低下させたり、位置決めを遅らせたりする要因になる。

図５は、こうした外乱を抑制する従来の外乱オブザーバの構成図である。従来の外乱オブザーバでは、トルク指令と、モータ速度を元にローパスフィルタを通して負荷トルクを推定している。しかしながら、微分演算によるノイズ除去のために挿入されているローパスフィルタにより推定値の減衰及び位相ずれが生じ、トルクリップルに対する適切な補償が行えないという問題がある。

このような外乱オブザーバの高応答化を行った例として特許文献１がある。特許文献１には、外乱トルクを推定するオブザーバと、トルクコマンドを推定した外乱トルクで補正する補正手段とを備えたサーボモータ制御装置であって、上記オブザーバは、時間的に一定な外乱トルクがローパスフィルタを通じてサーボモータに与えられるとして構成され、上記補正手段は上記オブザーバで求められた推定外乱トルクでトルクコマンドを補正することを特徴としたオブザーバによるサーボモータ制御装置が記載されている。

特開平４−６９０８２号公報

ここで、実際のエンコーダには分解能の制約があり、量子化誤差が存在している。このため、特許文献１の手法では、オブザーバで推定する外乱トルクの高域のゲインが上がるため、エンコーダの量子化誤差によるリップルが推定外乱トルクに現れ、特にエンコーダの分解能が低い場合に、推定外乱トルクのノイズが大きくなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、上記事情を鑑みて発明されたものであり、エンコーダの量子化誤差の影響を受けずにモータのコギングトルクを含めた外乱トルクを推定し、外乱抑圧補償を行うことにより、摩擦の影響を抑制し、モータの速度リップル及びトルクリップルを減少することのできるモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係るモータ制御装置は、モータのコギングトルクによるトルク変動に対応するデータを記憶した補償データ記憶部と、補償データ記憶部からコギングトルク推定値を算出し、算出したコギングトルク推定値に基づいて外乱抑圧補償を行う外乱オブザーバを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、エンコーダの量子化誤差の影響を受けずにモータのコギングトルクやトルクリップルを含めた外乱トルクを推定することができ、この外乱オブザーバを用いて外乱抑圧補償を行うことにより、摩擦等の影響を抑制し、モータの速度リップル及びトルクリップルを減少することのできるモータ制御装置を提供することができる。

本発明のモータ制御装置の構成図の一例を示す図である。 本発明のモータ制御装置が備える外乱オブザーバの構成図の一例を示す図である。 本発明のモータ制御装置が備える外乱オブザーバを適用した速度制御系の構成図の一例を示す図である。 外乱抑圧補償を行った場合のシミュレーション結果を示す図である。 従来の外乱オブザーバの構成図である。

本発明のモータ制御装置１は、図１に示すように、モータのコギングトルクによるトルク変動を抑制するためのデータとして、モータ２の位置に応じたコギングトルクのデータを記憶した補償データ記憶部１１と、モータ２の位置を入力し、補償データ記憶部１１に基づいて入力したモータの位置からコギングトルク推定値を算出し、算出したコギングトルク推定値に基づいて外乱抑圧補償を行う外乱オブザーバ１０とを備えている。また、モータ制御装置１は、速度制御器４、トルク制御器５、速度算出器１３を備えて構成されているが、かかる構成については、図３を用いて後述する。

外乱オブザーバ１０は、コギングトルク推定値を算出するコギングトルク推定値算出部１００と、ノミナルイナーシャにより第１速度を算出する第１速度算出部２００と、コギングトルク推定値を除いた第２速度を算出する第２速度算出部３００と、コギングトルク推定値を除いた外乱トルク推定値を算出する外乱トルク推定値算出部４００と、全外乱トルクを算出する全外乱トルク算出部５００とを備えている。

コギングトルク推定値算出部１００は、補償データ記憶部１１を有しており、エンコーダ３で検出したモータ位置を入力し、補償データ記憶部１１に基づいて入力したモータ位置からコギングトルク推定値を算出して、算出したコギングトルク推定値を第１速度算出部２００及び全外乱トルク算出部５００に出力する。

第１速度算出部２００は、コギングトルク推定値算出部１００により算出されたコギングトルク推定値を入力し、入力したコギングトルク推定値をノミナルイナーシャにより第１速度を算出して、算出した第１速度を第２速度算出部３００に出力する。

第２速度算出部３００は、速度算出器１３により算出されたモータ速度と第１速度算出部２００により算出された第１速度とを入力し、モータ速度から第１速度を減算して、コギングトルク推定値を除いた第２速度を算出し、算出した第２速度を外乱トルク推定値算出部４００に出力する。

外乱トルク推定値算出部４００は、トルク指令と第２速度算出部３００により算出された第２速度とを入力し、トルク指令と第２速度に基づいて、コギングトルク推定値を除いた外乱トルク推定値を算出して、算出した外乱トルク推定値を全外乱トルク算出部５００に出力する。

全外乱トルク算出部５００は、外乱トルク推定値算出部４００により算出された外乱トルク推定値とコギングトルク推定値算出部１００により算出されたコギングトルク推定値とを入力し、外乱トルク推定値とコギングトルク推定値とを加算することにより全外乱トルクを算出して、算出した全外乱トルクをフィードバックしている。

なお、本実施形態においては、補償データ記憶部１１を外乱オブザーバ１０側に配置したが、外乱オブザーバ１０がコギングトルク推定値算出部１００を備えて構成すればよく、補償データ記憶部１１をエンコーダ３側に配置してもよい。

次に、補償データ記憶部１１と外乱オブザーバ１０との具体的な構成の一例について説明していく。

まず、モータ制御装置１においては、モータの運動方程式より、
Ｊｎωm・ｓ＝Ｔcmd−ＴＤ＝Ｔcmd−ＴＬ−ＴＲ ・・・（１）
ＴＬ＝Ｔcmd−Jｎ｛ωm＋ＴＲ／（Ｊｎ・ｓ）｝・ｓ ・・・（２）
である。このため、（２）式において、コギングトルク成分推定値をＴＲ＾、その他成分推定値をＴＬ＾とすると、全外乱トルク推定値ＴＤ＾は次式で推定できる。
ＴＤ＾＝ＴＬ＾＋ＴＲ＾
＝ｇｄ/（ｓ＋ｇｄ）｛Ｔcmd−Ｊｎ（ωm＋ＴＲ＾/（Ｊｎ・ｓ）・ｓ｝＋ＴＲ＾ ・・（３）
ただし、Ｊｎ：イナーシャノミナル値、ωm：モータ速度、Ｔcmd：トルク指令、ｇｄ：ローパスフィルタのカットオフ周波数

上記（３）式を用いることにより、補償データ記憶部１１と瞬時の外乱推定との両者を補償する外乱オブザーバ１０を構成することができることになる。

図２は、上記（３）式に基づく、本発明のモータ制御装置１が備える外乱オブザーバ
１０の構成図の一例を示す図である。

ここで、上述した補償データ記憶部１１が記憶しているコギングトルクのデータは、モータ位置に応じたコギングトルクのデータをあらかじめ計測して記憶したものである。

図２に示すように、外乱オブザーバ１０は、エンコーダ３で検出したモータ位置に基づき、補償データ記憶部１１を用いてコギングトルク推定値ａ１を求め、第１速度算出器１２で、ノミナルイナーシャを用いてコギングトルク推定値に基づく第１速度ａ２を算出する。

次に、外乱オブザーバ１０は、速度算出器１３を用いてモータ位置からモータ速度ａ３を求め、モータ速度ａ３からコギングトルク推定値に基づく速度ａ２を減算し、このコギングトルク推定値を除いた第２速度ａ４を算出する。

そして、外乱オブザーバ１０は、トルク指令Ｔcmdと、コギングトルク推定値を除いた第２速度ａ４に第１乗算器１４を用いてｇｄ・Ｊｎ倍した値ａ５とを加算し、ｇｄ／（ｓ＋ｇｄ）のローパスフィルタ１５を通した値ａ６を算出する。外乱オブザーバ１０は、そのローパスフィルタ１５を通した値ａ６から、コギングトルク推定値を除いた第２速度ａ４に第２乗算器１６を用いてｇｄ・Ｊｎ倍した値ａ７を減算することにより、コギングトルク推定値を除いた外乱トルク推定値ａ８を算出する。

最後に、外乱オブザーバ１０は、このコギングトルク推定値を除いた外乱トルク推定値ａ８とコギングトルク推定値ａ１を加算して全外乱トルクＴＤ＾を推定することになる。

なお、外乱オブザーバ１０の構成は、上記（３）式に基づいた等価回路によって構成されていればよく、ローパスフィルタを２次などの１次以外のフィルタに構成してもよい。

図３は、本発明のモータ制御装置１が備える外乱オブザーバを適用した速度制御系の構成図の一例を示す図である。

モータ制御装置１は、エンコーダ３によりモータ位置を検出して、速度算出器１３によりモータ位置を微分することによりモータ速度を算出する。

次に、モータ制御装置１は、速度指令とモータ速度を比較し（速度指令からモータ速度を減算し）、速度制御器４により速度制御に基づくトルク指令を算出する。

そして、モータ制御装置１は、算出した速度制御に基づくトルク指令に、外乱オブザーバ１０により推定した全外乱トルクＴＤ＾を加算することにより外乱抑圧補償後のトルク指令Ｔcmdを算出して、トルク制御器５によりモータ２を駆動する。

これにより、モータ２のモータ速度を元に、図２に示した外乱オブザーバ１０により全外乱トルクＴＤ＾を推定し、その出力を用いて外乱抑圧補償を行うことができる。

なお、位置制御の場合は、エンコーダ３で検出した位置を元に位置指令と比較して、位置制御器により速度指令を算出し、図３の速度指令として与えることによりモータの位置を制御すればよい。

図４は、外乱抑圧補償を行った場合のシミュレーション結果を示す図である。

図４の上段がモータの速度における応答を示し、図４の下段がモータのトルクにおける応答を示している。また、０〜０．５sec は、外乱オブザーバを適用せずに補償なしの場合の応答を示しており、０．５〜１．０sec は、図５に示した従来の外乱オブザーバを適用した場合の応答、１．０〜１．５sec は本発明の外乱オブザーバ１０を適用した場合の応答である。

図４に示すように、本発明の外乱オブザーバ１０を適用することにより、速度リップルやトルクリップルを大幅に低減できることがわかる。

このように、本発明のモータ制御装置１は、トルクリップルを補償するための補償データ記憶部１１と、瞬時の外乱推定を行う外乱オブザーバ１０との両者を組み合わせることにより、適切な瞬時の外乱推定が行われ、その推定値を用いた外乱抑圧補償を適切に行うことができるのである。

なお、本実施形態においては、補償データ記憶部１１には、モータのコギングトルクによるトルク変動に対応するデータとして、モータ位置に応じたコギングトルクのデータをあらかじめ計測して記憶したが、モータのコギングトルクによるトルク変動に対応するデータとして、ｍ個（ｍは２以上の自然数）の正弦波の周波数、振幅、位相のデータを記憶して構成してもよい。かかる構成を採用した場合には、外乱オブザーバ１０は、補償データ記憶部１１に記憶されたｍ個の周波数、振幅、位相に基づき正弦波をｍ個作成し、それらを加算して合成正弦波信号を生成することにより、モータ位置に応じたコギングトルク推定値を求めればよい。

１ モータ制御装置
２ モータ
３ エンコーダ
４ 速度制御器
５ トルク制御器
１０ 外乱オブザーバ
１１ 補償データ記憶部
１２ 第１速度算出器
１３ 速度算出器
１４ 第１乗算器
１５ ローパスフィルタ
１６ 第２乗算器
１００ コギングトルク推定値算出部
２００ 第１速度算出部
３００ 第２速度算出部
４００ 外乱トルク推定値算出部
５００ 全外乱トルク算出部

まず、モータ制御装置１においては、モータの運動方程式より、
Ｊｎωm・ｓ＝Ｔcmd−ＴＤ＝Ｔcmd−ＴＬ−ＴＲ ・・・（１）
ＴＬ＝Ｔcmd−Jｎ｛ωm＋ＴＲ／（Ｊｎ・ｓ）｝・ｓ ・・・（２）
である。このため、（２）式において、コギングトルク成分推定値をＴＲ＾、その他成分推定値をＴＬ＾とすると、全外乱トルク推定値ＴＤ＾は次式で推定できる。
ＴＤ＾＝ＴＬ＾＋ＴＲ＾
＝ｇｄ/（ｓ＋ｇｄ）[Ｔcmd−Ｊｎ｛ωｍ＋ＴＲ＾/（Ｊｎ・ｓ）・ｓ｝]＋ＴＲ＾ ・・（３）
ただし、Ｊｎ：イナーシャノミナル値、ωm：モータ速度、Ｔcmd：トルク指令、ｇｄ：ローパスフィルタのカットオフ周波数

最後に、外乱オブザーバ１０は、このコギングトルク推定値を除いた外乱トルク推定値ａ８とコギングトルク推定値ａ１を加算して全外乱トルクＴＤを推定することになる。

そして、モータ制御装置１は、算出した速度制御に基づくトルク指令に、外乱オブザーバ１０により推定した全外乱トルク推定値ＴＤ＾を加算することにより外乱抑圧補償後のトルク指令Ｔcmdを算出して、トルク制御器５によりモータ２を駆動する。

これにより、モータ２のモータ速度を元に、図２に示した外乱オブザーバ１０により全外乱トルクＴＤを推定し、その出力を用いて外乱抑圧補償を行うことができる。

Claims (3)

1. モータのコギングトルクによるトルク変動に対応するデータを記憶した補償データ記憶部から、モータの位置に応じたコギングトルク推定値を算出し、算出したコギングトルク推定値に基づいて外乱抑圧補償を行う外乱オブザーバを備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記外乱オブザーバは、
   前記補償データ記憶部からコギングトルク推定値を算出するコギングトルク推定値算出部と、
   前記コギングトルク推定値算出部により算出されたコギングトルク推定値をノミナルイナーシャにより第１速度を算出する第１速度算出部と、
   モータ速度から前記第１速度算出部により算出された前記第１速度を減算して、コギングトルク推定値を除いた第２速度を算出する第２速度算出部と、
   前記第２速度算出部により算出された第２速度に基づいて、コギングトルク推定値を除いた外乱トルク推定値を算出する外乱トルク推定値算出部と、
   前記外乱トルク推定値算出部により算出された外乱トルク推定値と、前記コギングトルク推定値算出部により算出されたコギングトルク推定値とを加算することにより全外乱トルクを算出する全外乱トルク算出部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記外乱オブザーバは、下記の式に基づいた等価回路によって構成されてい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。
   ＴＤ＾＝ｇｄ/（ｓ＋ｇｄ）｛Ｔcmd−Ｊｎ（ωm＋ＴＲ/（Ｊｎ・ｓ）・ｓ｝＋ＴＲ
   ただし、ＴＤ＾：全外乱トルク推定値、ＴＲ：コギングトルク推定値、Ｊｎ：イナーシャノミナル値、ωm：モータ速度、Ｔcmd：トルク指令、ｇｄ：ローパスフィルタのカットオフ周波数