JP5200648B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、簡単操作で安定したゲイン調整を可能にするモータ駆動装置に関する。

最近のサーボシステムにおいては、オートゲインチューニングと呼ばれるパラメータ自動調整機能がほぼ標準装備となっている。このオートチューニング機能には、負荷のイナーシャを推定する機能が必要になる。これは制御系全体の応答性を決定し、安定なゲイン調整を行うにあたっての基準となる、速度制御系の応答周波数が、モータおよび負荷のイナーシャを足した総イナーシャの逆数に比例するためである。

一方、ステッピングモータなどと比較したときに、サーボアンプの弱みとなる複雑なゲイン調整を、いかに安定に行えるかが課題となっている。

上記の課題を解決する従来技術として、２つから３つの制御パラメ−タを、振動レベルを考慮しながら制御構成から決まる比で設定する電動機制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、最小二乗法で求めた制御対象パラメータに基づき、制御パラメータを決定するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１８９６５３号公報 特開平６−２８００６号公報

上述した特許文献１は、総イナーシャを補償するものとして、トルク指令計算時にイナーシャ補償ゲインとされる値が乗じてあるが、イナーシャが変動した場合に、この補償ゲインがどうなるかは明記されておらず、速度制御系の応答周波数が変化した場合に、固定の比で設定される速度積分時定数や位置比例ゲインに対して不安定化する可能性がある。

一方、特許文献２は、負荷のイナーシャを最小二乗法で推定し、速度制御系の応答周波数を一定にすることができる。しかしながら、姿勢により負荷イナーシャが変化するロボットや、ピックアンドプレースを目的とするロボットなどでは、一般に前述の最小二乗法の安定な収束条件で上限が決まる推定速度に対して、負荷イナーシャが変化する速度のほうが速い場合が多いため、過渡状態において制御系が不安定化する可能性を無くすことはできない。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、簡単な操作で負荷イナーシャの変動に対しロバストなゲイン調整を可能にするモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のモータ駆動装置は、位置指令とモータ現在位置の差である位置偏差に対し、パラメータで設定される位置比例ゲインを乗じて速度指令を生成する位置制御器と、前記速度指令とモータ現在速度の差である速度偏差に対し、パラメータで設定される速度比例ゲインと、モータと負荷を合わせた総イナーシャの推定値を乗じた比例項トルク指令を計算し、前記比例項トルク指令を積分器に通したあとパラメータで設定される速度積分時定数で除した積分項トルク指令を計算し、前記比例項トルク指令と前記積分項トルク指令を加算することでトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に対しパラメータで設定される時定数で高域周波数成分を遮断するトルクフィルタと、前記トルクフィルタの出力を電流指令に変換してモータを制御する電流制御器と、総イナーシャの最大値と最小値を記憶し、前記速度比例ゲインと位置比例ゲインおよび速度積分時定数のパラメータを設定するゲイン設定器を備え、前記ゲイン設定器により、前記トルクフィルタの応答周波数が、前記速度比例ゲインに総イナーシャ推定値を乗じた結果を総イナーシャ最小値で除した速度制御の最大応答周波数に対し、一定の比以上となるよう速度比例ゲインのパラメータを設定し、変更後の速度比例ゲインに総イナーシャの推定値を乗じた結果を総イナーシャの最大値で除した速度制御の最小応答周波数に対し、位置比例ゲインから計算される位置制御の応答周波数、および速度積分時定数の逆数の周波数が、一定の比以下となるよう位置比例ゲインと速度積分時定数のパラメータを設定する。

また、請求項２に記載のモータ駆動装置は、請求項１に加えて、総イナーシャの推定値をリアルタイムに出力するイナーシャ推定器をさらに備え、その出力値が総イナーシャの最大値（または最小値）を超えたとき、自動的に最大値（または最小値）を更新する。

さらに、請求項３に記載のモータ駆動装置は、請求項１に加えて、前記ゲイン設定器に速度制御の応答周波数の上限を規定する速度応答最大値を設定し、トルクフィルタの代わりに速度比例ゲインを決定し、前記トルクフィルタの応答周波数を、総イナーシャ最小時の速度制御の最大応答周波数から決定する。

本発明の請求項１に記載のモータ駆動装置によれば、速度制御の応答周波数と関連づけられる制御パラメータを、常に安定条件を満たす一定以上の比率で確保できる。これにより、実際の総イナーシャがパラメータで設定した最大値と最小値の間にある限り、ロバストな制御パラメータを決定することができる。

また、請求項２に記載のモータ駆動装置によれば、イナーシャ推定器の出力値が、総イナーシャの最大値（または最小値）を超えたとき、実際の出力値で補正できるため、より安定なゲイン設定が可能となる。

また、請求項３に記載のモータ駆動装置によれば、機器の共振周波数や、電流制御系の応答周波数、その他演算遅れを含めたゲイン余裕や位相余裕から導かれる限界周波数など、速度制御の応答周波数に速度応答最大値を用いることで、速度比例ゲインをまず決定でき、それに付随する各制御パラメータを自動的に決定することができる。

位置指令とモータ現在位置の差である位置偏差に対し、パラメータで設定される位置比例ゲインを乗じて速度指令を生成する位置制御器と、前記速度指令とモータ現在速度の差である速度偏差に対し、パラメータで設定される速度比例ゲインと、モータと負荷を合わせた総イナーシャの推定値を乗じた比例項トルク指令を計算し、前記比例項トルク指令を積分器に通したあとパラメータで設定される速度積分時定数で除した積分項トルク指令を計算し、前記比例項トルク指令と前記積分項トルク指令を加算することでトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に対しパラメータで設定される時定数で高域周波数成分を遮断するトルクフィルタと、前記トルクフィルタの出力を電流指令に変換してモータを制御する電流制御器と、総イナーシャの最大値と最小値を記憶し、前記速度比例ゲインと位置比例ゲインおよび速度積分時定数のパラメータを設定するゲイン設定器と、総イナーシャの推定値をリアルタイムに出力するイナーシャ推定器をさらに備え、その出力値が総イナーシャの最大値（または最小値）を超えたとき、自動的に最大値（または最小値）を更新する。

前記ゲイン設定器により、前記トルクフィルタの応答周波数が、前記速度比例ゲインに総イナーシャ推定値を乗じた結果を総イナーシャ最小値で除した速度制御の最大応答周波数に対し、一定の比以上となるよう速度比例ゲインのパラメータを設定し、変更後の速度比例ゲインに総イナーシャの推定値を乗じた結果を総イナーシャの最大値で除した速度制御の最小応答周波数に対し、位置比例ゲインから計算される位置制御の応答周波数、および速度積分時定数の逆数の周波数が、一定の比以下となるよう位置比例ゲインと速度積分時定数のパラメータを設定する。以下、実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明のモータ駆動装置における要部ブロック図である。以下、図を参照しながら実施の形態１について具体的に説明する。

図１において、１は位置制御器、２は速度制御器、３はトルクフィルタ、４は電流制御器、５はモータ駆動装置、６はサーボモータ、７は位置検出器、８はゲイン設定器である。

位置制御器１は、位置指令とモータ現在位置を入力とし、その差である位置偏差を計算する。その後内蔵した位置比例ゲインパラメータ１ａを乗じた結果を、速度指令として速度制御器２に出力する。

速度制御器２は、速度指令とモータ現在速度を入力とし、その差である速度偏差を計算後、速度比例ゲインパラメータ２ａと、モータと負荷を合わせた総イナーシャの推定値２ｂを乗じて比例項トルク指令を計算する。さらに、比例項トルク指令を積分器に通したあと速度積分時定数パラメータ２ｃで除して積分項トルク指令を計算し、比例項トルク指令と積分項トルク指令を加算することで、トルク指令をトルクフィルタ３に出力する。

トルクフィルタ３は、このトルク指令を入力し、ローパスフィルタなどで高域周波数成分を遮断した結果をトルク指令として電流制御器４に出力する。

電流制御器４は、トルク指令をモータ６への電流指令に変換してモータを実際に制御する。一方、モータ６に接続された位置検出器７は、モータ現在位置を出力し位置制御器１に、またその微分であるモータ現在速度を速度制御器２に出力する。

ここで、制御ブロック図を用いて位置制御系について説明する。図２（ａ）は、位置制御系の制御ブロック図である。位置比例ゲインをＫｐ、速度比例ゲインをＫｖｐ、総イナーシャ推定値をＪ‘、速度積分時定数をＴｉ、トルクフィルタ時定数をτ、総イナーシャをＪとしている。

速度応答周波数Ｇｖ＝Ｋｖｐ×Ｊ’／Ｊと置くと、制御ブロック図は図２（ｂ）のように変形できる。

また、速度応答周波数Ｇｖと残った３つのパラメータ間で、個々に二次系の応答を考えた場合、図２(ｃ)から図２(ｅ)までを得られ、それぞれの伝達関数は下式となる。

図２（ｃ）：Ｋｐ・Ｇｖ／（ｓ＾２＋Ｇｖ・ｓ＋Ｋｐ・Ｇｖ）
図２（ｄ）：（Ｇｖ・ｓ＋Ｇｖ／Ｔｉ）／（ｓ＾２＋Ｇｖ・ｓ＋Ｇｖ／Ｔｉ）
図２（ｅ）：（Ｇｖ／τ）／（ｓ＾２＋ｓ／τ＋Ｇｖ／τ）
それぞれの分母の特性方程式は、減衰比ζと固有振動数ωで、
ｓ＾２＋２・ζ・ω・ｓ＋ω＾２
と表せるので、これらの２次系が非振動的な応答となる減衰比ζが１以上の条件から、
Ｇｖ≧４・Ｋｐ
Ｇｖ≧４／Ｔｉ
１／τ≧４・Ｇｖ
が得られる。

すなわち、速度応答周波数Ｇｖに対して、位置比例ゲインＫｐと速度積分時定数の逆数（周波数）１／Ｔｉは１／４倍の値に、トルクフィルタ時定数の逆数（周波数）１／τは４倍の値に設定すれば、非振動的でなめらかな応答が得られる。

しかし、速度応答周波数Ｇｖの計算式を見ると、モータに接続された負荷で変動する総イナーシャＪの逆数が乗じてあり、これがばらつく場合には、前述の安定なパラメータ比を維持できなくなる可能性がある。このため、実施の形態１では、総イナーシャの最大値をパラメータ８ａで、総イナーシャの最小値をパラメータ８ｂでそれぞれゲイン設定器８に記憶させている。

このゲイン設定器８の動作を、図３のフローチャートを用いて説明する。図３において、総イナーシャの最大値をＪｍａｘ、総イナーシャの最小値をＪｍｉｎと記している。あとの記号は図２と同じである。

まず、ステップ１で、トルクフィルタ時定数τと速度応答周波数Ｇｖの等式が成り立つ条件と、速度応答周波数Ｇｖ自体の計算式で、総イナーシャＪ＝Ｊｍｉｎと置くことで、速度比例ゲインＫｖｐを得る。

次のステップ２で、総イナーシャＪ＝Ｊｍａｘとおいたときの速度応答周波数Ｇｖの計算式から、速度応答最小値Ｇｖｍｉｎを得る。

最後にステップ３で、この速度応答最小値Ｇｖｍｉｎに対し、前記非振動的な応答が得られる位置比例ゲインＫｐ、速度積分時定数Ｔｉを得る。

このゲイン設定器８にて各パラメータを設定することにより、実際の総イナーシャＪの変動が最大値と最小値の間に入っている限り、非振動的な応答を維持することができる。（実施の形態２）
実施の形態２は、総イナーシャを推定するイナーシャ推定器を追加した点が、実施の形態１と異なる。

図４の要部ブロック図を参照しながら図１との相違点を中心に説明する。図４において、イナーシャ推定器９に、モータへの電流指令とモータ現在速度を入力し、例えば最小二乗法などを用いて総イナーシャをリアルタイムに推定する。

イナーシャ推定器９の出力値は、ゲイン設定器８に入力され、図３で説明したゲイン設定を行う前に、総イナーシャ最大値のパラメータ８ａと総イナーシャ最小値のパラメータ８ｂと比較され、いずれかの値を超えている場合には、イナーシャ推定器９の出力値で更新する。この動作により、事前情報だけではわからないイナーシャ変動を、実際の出力値を用いて更新することができるため、より安定なゲイン調整が可能となる。
（実施の形態３）
図５の要部ブロック図を参照しながら実施の形態３について説明する。実施の形態１との違いは、速度制御の応答周波数の上限を規定する速度応答最大値１０をパラメータでゲイン設定器８に追加した点であり、トルクフィルタ３からゲイン設定器８へのトルクフィルタ時定数入力が出力に変わる点である。

この速度応答最大値の一例として、機器の***振周波数、共振周波数およびそのピークから速度応答上限の比を導き出す、あるいは電流制御器４の応答周波数に対し１／１０程度に設定する、その他演算遅れを含めたゲイン余裕や位相余裕から導かれる限界周波数を設定するなど、さまざまな方法が考えられる。

このときのゲイン設定器８の動作を図６のフローチャートに示す。ここでは、速度応答最大値１０をＧｖｍａｘとしている。

まず、ステップ１では、前述の速度応答計算式で総イナーシャＪ＝Ｊｍｉｎの場合からＫｖｐを算出する。ステップ２では、トルクフィルタ時定数を、速度応答最大値との関係式から設定する。ステップ３とステップ４は、図３のステップ２とステップ３と全く同じ処理で実現できる。

この処理により、イナーシャばらつきだけでなく、外部要因や図示されていない制御要因で決まる速度応答の制約を取り込むことができ、さらに安定なゲイン調整を実現できる。

なお、実施の形態１−３に記載されたパラメータの一部で、必ずしも更新速度が高速である必要のないもの、例えば総イナーシャの最大値と最小値、ゲイン設定器、イナーシャ推定器、その他パラメータの表示手段や変更手段などは、すべてをモータ駆動装置内部に備える必要はない。例えば、シリアル通信バスを通じてサーボアンプと接続されたコンソールを用いる、あるいはＵＳＢ通信でサーボアンプと接続されたパーソナルコンピュータ上で動作するソフトウェアを用いる、などでも実現可能であることはいうまでもない。

本発明のモータ駆動装置によれば、イナーシャ変動に対しロバストなゲイン設定を簡単に得ることが可能で、早いイナーシャ変動が生じる機器に対しても有用である。

本発明の実施の形態１のモータ駆動装置における要部ブロック図 （ａ）実施の形態１における位置制御系の制御ブロック図、（ｂ）（ａ）の一部を変形した制御ブロック図、（ｃ）（ｂ）の一部を省略した制御ブロック図、（ｄ）（ｂ）の他の一部を省略した制御ブロック図、（ｅ）（ｂ）の別の一部を省略した制御ブロック図 実施の形態１のゲイン設定器における動作フローチャート 実施の形態２のモータ駆動装置における要部ブロック図 実施の形態３のモータ駆動装置における要部ブロック図 実施の形態３のゲイン設定器における動作フローチャート

符号の説明

１ 位置制御器
１ａ 位置比例ゲイン（パラメータ）
２ 速度制御器
２ａ 速度比例ゲイン（パラメータ）
２ｂ 総イナーシャ推定値（パラメータ）
２ｃ 速度積分時定数（パラメータ）
３ トルクフィルタ
４ 電流制御器
５ モータ駆動装置
６ モータ
７ 位置検出器
８ ゲイン設定器
８ａ 総イナーシャ最大値（パラメータ）
８ｂ 総イナーシャ最小値（パラメータ）
９ イナーシャ推定器
１０ 速度応答最大値（パラメータ）

Claims (3)

1. 位置指令とモータ現在位置の差である位置偏差に対し、パラメータで設定される位置比例ゲインを乗じて速度指令を生成する位置制御器と、
   前記速度指令とモータ現在速度の差である速度偏差に対し、パラメータで設定される速度比例ゲインと、モータと負荷を合わせた総イナーシャの推定値を乗じた比例項トルク指令を計算し、前記比例項トルク指令を積分器に通したあとパラメータで設定される速度積分時定数で除した積分項トルク指令を計算し、前記比例項トルク指令と前記積分項トルク指令を加算することでトルク指令を生成する速度制御器と、
   前記トルク指令に対しパラメータで設定される時定数で高域周波数成分を遮断するトルクフィルタと、
   前記トルクフィルタの出力を電流指令に変換してモータを制御する電流制御器と、
   総イナーシャの最大値と最小値を記憶し、前記速度比例ゲインと位置比例ゲインおよび速度積分時定数のパラメータを設定するゲイン設定器を備え、
   前記ゲイン設定器により、前記トルクフィルタの応答周波数が、前記速度比例ゲインに総イナーシャ推定値を乗じた結果を総イナーシャ最小値で除した速度制御の最大応答周波数に対し、一定の比以上となるよう速度比例ゲインのパラメータを設定し、変更後の速度比例ゲインに総イナーシャの推定値を乗じた結果を総イナーシャの最大値で除した速度制御の最小応答周波数に対し、位置比例ゲインから計算される位置制御の応答周波数、および速度積分時定数の逆数の周波数が、一定の比以下となるよう位置比例ゲインと速度積分時定数のパラメータを設定することを特徴としたモータ駆動装置。
2. 総イナーシャの推定値をリアルタイムに出力するイナーシャ推定器をさらに備え、その出力値が総イナーシャの最大値（または最小値）を超えたとき、自動的に最大値（または最小値）を更新する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記ゲイン設定器に速度制御の応答周波数の上限を規定する速度応答最大値を設定し、トルクフィルタの代わりに速度比例ゲインを決定し、前記トルクフィルタの応答周波数を、総イナーシャ最小時の速度制御の最大応答周波数から決定する請求項１に記載のモータ駆動装置。
   

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