JP7225621B2 - サーボ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダにより回転子位置を検出しながらモータを駆動するサーボ制御装置に関し、特にモータの低速回転時にも高精度に位置制御を行うための技術に関する。

駆動対象物の位置や速度を制御するサーボ制御装置では、モータの回転子位置の検出にエンコーダが用いられており、この種のエンコーダでは、物理的な目盛間隔を更に内挿することで高い分解能を実現している。
しかし、内挿には誤差が存在するため、エンコーダによる位置検出値には、前述した物理的な目盛間隔を周期とした周期的誤差が含まれる。このような周期的誤差を含む位置検出値またはこれを微分した速度検出値を用いて位置制御や速度制御を行う場合、モータやモータに結合された駆動対象物に振動が発生する。

上述した位置検出値の内挿誤差に起因する振動の抑制手段として、例えば特許文献１には、位置検出値をノッチフィルタ処理する位置検出器が記載されている。
図７は、この位置検出器５０のブロック図であり、６０はモータ（図示せず）により駆動される位置検出対象物、５０ａは位置検出部、５０ｂは検出位置に応じた位置誤差を補正量として出力する位置検出補正データ部、５０ｃは補正前位置検出値と補正量とを加算して補正後位置検出値を演算する加算器、５０ｄは補正後位置検出値を微分して速度を算出する速度算出部、５０ｅは算出速度に応じたノッチ周波数を設定するノッチフィルタ周波数設定部、５０ｆは補正後位置検出値からノッチ周波数成分を除去するノッチフィルタ部である。
この従来技術は、位置検出値の内挿誤差に起因する振動の周波数がモータ速度に依存する点に着目したものであり、算出速度に応じてノッチ周波数を変化させることにより上記の振動を抑制している。

また、特許文献２には、モータの回転周波数と位置検出器の物理的な目盛数によって決まる基本周波数の整数倍周波数を有する正弦波を複数合成して補正量を生成し、この補正量を用いて、位置検出部の内挿誤差に起因した速度検出誤差を低減するモータ制御装置が記載されている。
図８は、このモータ制御装置のブロック図であり、５１はモータＭの回転子位置を検出するエンコーダ等の位置検出部、５２は位置検出値を微分して速度を求める速度検出部、５３は位置検出値に基づいて補正量を求める補正量算出部、５４は速度検出値を補正する減算器、５５は速度指令生成部、５６は補正後の速度検出値が速度指令に一致するようにトルク指令を生成するトルク指令生成部、５７はトルク指令に従い半導体スイッチング素子をオン・オフさせてモータＭを駆動する電力変換器である。

図９は、特許文献２における速度検出値の補正原理を示している。
図８の速度検出部５２から出力される速度検出値には、位置検出部５１に固有の内挿誤差に起因して周期λで繰り返し発生する速度検出誤差が含まれる。補正量算出部５３は、位置検出値に基づき生成した複数の正弦波を重ね合わせて補正量を算出し、この補正量を速度検出値（速度検出誤差）から減算して速度検出誤差を低減している。

特開平１１－２５９１１０号公報（［０００９］～［００１２］、図１等） 特許第５８５０９６０号公報（［００１８］～［００２６］、図１，図２等）

特許文献１に記載された従来技術では、位置制御や速度制御の応答速度に対してノッチ周波数が十分高い場合には問題ないが、モータを非常に低速で運転する場合には、ノッチフィルタ部５０ｆに設定されるノッチ周波数が低くなり、位置制御や速度制御に悪影響を及ぼす恐れがある。

また、特許文献２に記載された従来技術については、これをそのまま位置制御系にも適用することができない。すなわち、位置制御系では一般に、位置指令と位置検出値とから速度指令を生成し、この速度指令と速度検出値とを用いてトルク指令を生成する。このため、特許文献２に記載の技術を用いて速度検出値を補正したとしても、位置検出値には内挿誤差による周期的誤差が含まれており、この位置検出値に基づいて生成された速度指令にも誤差が含まれ、結果的にトルク指令にも周期的誤差が含まれる。
従って、特許文献２により速度指令値に対して行う補正と同様の補正を位置検出値に対して行おうとすると、補正のためのパラメータ調整が難しくなるという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、モータを極低速で駆動する場合も含めて、簡単な構成により位置検出値の内挿誤差を補正して高精度な位置制御を可能にしたサーボ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、エンコーダにより得たモータの回転子の位置検出値を補正する位置検出値補正部と、
前記位置検出値補正部により得た補正後位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部と、
前記回転子の位置指令と前記補正後位置検出値とから速度指令を生成する位置制御部と、
前記速度指令と前記速度検出値とからトルク指令を生成する速度制御部と、
前記トルク指令に基づいて前記モータにトルク電流を通電する電流制御部と、
を有するサーボ制御装置において、
前記補正後位置検出値と前記トルク指令またはトルク電流検出値とに基づいて位置推定値を出力する位置推定部であって、前記モータ及びその負荷を含む制御対象の運動方程式に基づく状態推定器を用いて速度推定及び位置推定を行い、これらの推定に要する時間としての推定時定数が、前記モータを所定速度にて運転したときの位置検出値または速度検出値に現れる周期的変動の周期よりも長くなるように、前記状態推定器のゲインベクトルを設計してなる位置推定部と、
前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差を前記位置検出値または前記補正後位置検出値に応じて学習する誤差学習部と、
を備え、
前記位置検出値補正部は、前記誤差学習部による学習結果を用いて前記位置検出値の補正条件を修正しつつ前記位置検出値を補正することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したサーボ制御装置において、前記誤差学習部は、前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差から前記位置検出値または前記補正後位置検出値に対して周期的に変動する成分を抽出して学習結果として出力し、前記位置検出値補正部は、前記学習結果がゼロに近付くように前記補正条件を修正することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載したサーボ制御装置において、前記誤差学習部は、前記エンコーダの物理的目盛間隔を複数かつ等間隔の領域に分割し、これらの領域において、誤差情報である前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差の平均値を記憶するメモリを備え、前記モータの運転時に前記位置検出値または前記補正後位置検出値が複数の前記領域のうちどの領域に含まれるかを判別し、該当する領域の前記平均値の更新を繰り返して前記物理的目盛間隔を等間隔に分割してなる各分割位置における誤差情報を求め、当該誤差情報を前記分割位置に対してフーリエ級数展開することにより、前記物理的目盛間隔を基本周期とするフーリエ級数成分を得て当該成分を学習結果として出力することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載したサーボ制御装置において、前記誤差学習部は、前記補正後位置検出値に基づいて前記エンコーダの物理的目盛内位置を抽出し、物理的目盛間隔を所定の自然数により除算した値を単位周期とし、前記物理的目盛内位置を位相として複数の正弦波状の関数に入力した場合の出力を求め、この出力を前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差に乗算した結果を所定のカットオフ周波数のローパスフィルタに通して前記学習結果を得ることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載したサーボ制御装置において、前記カットオフ周波数を、前記モータを等速運転したときの前記位置検出値または前記速度検出値に現れる周期的変動の周波数よりも低い値に設定したことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１～５の何れか１項に記載したサーボ制御装置において、前記速度指令または前記速度検出値の絶対値が所定値以下になったときに、前記誤差学習部における学習を中断し、かつ、前記位置検出値補正部における前記補正条件の修正を中断することを特徴とする。

本発明においては、補正後位置検出値と位置推定値との誤差の学習結果に応じて位置検出値の補正条件を調整することにより、位置検出値の内挿誤差をほぼ自動的に補正することができ、モータを極低速で運転する場合も含めて、高精度な位置制御を行うことが可能になる。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 図１における位置推定部の具体的な構成を示すブロック図である。 図１における誤差学習部の構成を示すブロック図である。 図１における誤差学習部の機能を説明する図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 本発明の各実施形態における誤差学習部の他の実施例を示すブロック図である。 特許文献１に記載された位置検出器のブロック図である。 特許文献２に記載されたモータ制御装置のブロック図である。 特許文献２における速度検出値の補正原理の説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示すブロック図である。図１において、モータＭの回転子位置はエンコーダ１１により検出され、この位置検出値は位置検出値補正部１２に入力される。位置検出値補正部１２では、後述の誤差学習部１８から出力された学習結果を用いて位置検出値を補正し、補正後の位置検出値が位置制御部１３、微分手段１４、及び誤差学習部１８に送られる。

位置制御部１３は、補正後位置検出値を位置指令に一致させるように演算を行って速度指令を生成し、速度検出部としての微分手段１４は補正後位置検出値を微分して速度検出値を生成する。速度制御部１５は、速度検出値を速度指令に一致させるように演算を行ってトルク指令を生成し、このトルク指令は電流制御部１７に入力される。
電流制御部１７は、トルク指令に従ってモータＭに供給するトルク電流を制御する。

位置推定部１６では、モータＭ及びその負荷を含む制御対象の運動方程式に基づく状態推定器を用いて、速度及び位置を推定する。
図２は、位置推定部１６の構成例を示しており、ｄｔは演算周期、ＪはモータＭ及びその負荷を合算した慣性、１６ａは電流制御遅れを模擬するフィルタ、１６ｂはゲインベクトル乗算手段、１６ｃ，１６ｄは遅延手段（前回値保持手段）である。

位置推定部１６は、位置及び速度を状態として、トルク指令（またはトルク電流検出値）とモータＭ及びその負荷の慣性Ｊとを用いてモータ速度を推定し、その速度推定値を積分して位置推定値を生成する。また、ゲインベクトル乗算手段１６ｂにより、補正後位置検出値と上記位置推定値との差に所定のゲインを乗じて速度推定値修正量及び位置推定値修正量を得ると共に、これらの修正量を元の速度推定値及び位置推定値にそれぞれ加えて各推定値を修正する。なお、図１の実施形態では位置推定値のみを用いているため、図２における速度推定値は出力しなくても良い。

ここで、速度及び位置の推定に要する時間としての推定時定数は上記ゲインの大きさに依存する。このため、モータＭを所定速度で運転したときに位置検出値または速度検出値に現れる周期的変動の周期よりも上記の推定時定数が長くなるように、ゲインベクトル乗算手段１６ｂのゲインベクトルを設計することが望ましい。

図１に戻って、誤差学習部１８では、補正後位置検出値と位置推定値との誤差を、補正後または補正前の位置検出値に応じて学習していく。図２に示したように、位置推定部１６では、位置推定値の演算過程で補正後位置検出値と位置推定値との誤差を求めているので、この誤差を位置推定部１６の出力として誤差学習部１８に入力する形にしても良い。

通常、検出値と推定値との誤差は、推定誤差とみなされる。しかし、エンコーダ１１の内挿誤差に起因して位置検出値に周期的な誤差が含まれており、前述したごとく検出値の周期的変動の周期より推定時定数が長くなるように状態推定器のゲインベクトルを設計している場合、検出値と推定値との誤差のうち、エンコーダ１１の物理的目盛間隔またはその整数分の１を単位周期として周期的に変動する成分に関しては、内挿誤差に起因する検出誤差を反映したものとなる。
ただし、本発明では補正後位置検出値と位置推定値との誤差を扱っているため、位置検出値または補正後位置検出値に対して周期的に変動する成分がゼロに近付くように、位置検出値補正部１２における補正条件を修正していく。
位置検出値補正部１２の動作を更に具体的に説明すると、補正前の位置検出値には、エンコーダ１１の内挿誤差に起因した、周期的に変動する誤差（周期的変動成分）が含まれている。位置検出値補正部１２は、誤差学習部１８から学習結果として得られる上記の周期的変動成分を打ち消すように、補正前の位置検出値に対して、複数の周期の正弦波を合成して生成される周期関数の出力を加算した値を、補正後位置検出値として出力する。ここで、位置検出値補正部１２における「補正条件」とは、各周期の正弦波の位相オフセット及び振幅に相当しており、補正後位置検出値に残存する周期的変動成分がゼロに近付くように、各周期の正弦波の位相オフセット及び振幅を調整するものである。

図３は、図１における誤差学習部１８の構成を示すブロック図である。誤差学習部１８は、補正後位置検出値と位置推定値との誤差を求める減算手段１８ａと、上記誤差から周期的変動成分を抽出して学習結果として出力する周期的変動成分抽出部１８ｂと、を備えている。なお、補正後位置検出値と位置推定値との誤差を求める演算は、図１の位置推定部１６により行っても良い。
周期的変動成分抽出部１８ｂにおいて、エンコーダ１１の量子化誤差等に起因する高周波ノイズや位置推定遅れに起因する直流成分の除去も行うようにすれば、位置検出値の補正が適切に行われるようになり、結果として高精度な位置制御に寄与することができる。

次に、誤差学習部１８における処理について、図４を参照しつつ具体的に説明する。
図４に示すように、エンコーダ１１の物理的目盛間隔１８１を等間隔のＮ個（Ｎは複数）の領域に分割し、これらＮ個の領域において、誤差情報である補正後位置検出値と位置推定値との誤差の平均値を記憶する誤差平均値格納メモリ１８２を用意する。

モータＭの運転時に、補正前位置検出値または補正後位置検出値が含まれる領域（図４の例では、領域ｋ）を求め、この領域ｋにおける補正後位置検出値と位置推定値との誤差を求めてその平均値を誤差平均値格納メモリ１８２の対応アドレスに格納し、所定周期で誤差平均値を更新する。この処理を繰り返すことにより、物理的目盛間隔１８１をＮ個に分割して得た各領域における誤差情報を得ることができる。次に、フーリエ級数展開により物理的目盛間隔１８１を基本周期とするフーリエ級数成分を求め、この成分を学習結果（周期的変動成分）として出力し、その絶対値がゼロに近付くように位置検出値補正部１２における補正条件を修正していく。
上記のように、エンコーダ１１の物理的目盛間隔１８１をＮ個に分割した各領域における誤差情報に基づくフーリエ級数成分を用いることで、補正条件を容易に修正することができる。

次いで、図５は本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
この第２実施形態と図1に示した第１実施形態との相違点は、新たに設けられた誤差学習・補正条件修正可否判定部１９により、速度指令に基づいて誤差学習及び位置検出値の補正条件修正を中断すべきか否かを判定し、その結果を誤差学習部１８及び位置検出値補正部１２に伝える点である。なお、誤差学習・補正条件修正可否判定部１９による判定には、速度指令の代わりに速度検出値を用いても良い。
上記判定の具体的基準としては、例えば、速度指令または速度検出値の絶対値が所定の値以下であった場合に誤差学習及び位置検出値の補正条件修正を中断する、等が考えられる。

この第２実施形態は、以下の課題を解決するためのものである。
例えば、モータＭが著しく低速で回転している場合、位置検出値の誤差の周波数も低くなり、その結果、位置推定値にも検出誤差成分が加わるようになる。また、モータＭ及びその負荷の実際の位置も、位置検出誤差の影響を受けて変動するようになるため、位置検出値と位置推定値との差を検出誤差とみなすことが妥当ではなくなる。そこで、モータＭの回転速度が極めて低い場合には誤差学習及び位置検出値の補正条件修正を中断し、中断前に記憶した補正条件を使用して位置検出値を補正しつつ運転することにより、極低速運転時でも高精度な位置制御を行えるようにしたものである。

なお、適切な補正条件が得られた後は、位置検出値補正部１２における補正条件の修正を無効にして運転しても良い。この場合、調整期間だけ補正条件修正を有効にして等速運転等を行うだけでよく、ごく簡単な調整によって内挿誤差を補正でき、高精度な位置制御を実現することができる。

次に、図６は、誤差学習部の他の実施例を示すブロック図である。
図６において、誤差学習部１８Ａは、補正後位置検出値と位置推定値との誤差を求める減算手段１８ａと、補正後位置検出値からエンコーダ１１の物理的目盛内位置を抽出する物理的目盛内位置抽出手段１８ｃと、その出力のｃｏｓ値、ｓｉｎ値を求めるｃｏｓ関数１８ｄ、ｓｉｎ関数１８ｅと、これらの関数１８ｄ，１８ｅの出力を減算手段１８ａの出力とそれぞれ乗算する乗算手段１８ｆ，１８ｇと、乗算手段１８ｆ，１８ｇの出力がそれぞれ加えられるローパスフィルタ１８ｈ，１８ｉと、を備え、ローパスフィルタ１８ｈ，１８ｉの出力が学習結果として位置検出値補正部１２に送られている。なお、減算手段１８ａを除いた誤差学習部１８Ａの各要素は、図３における周期的変動成分抽出部１８ｂを構成している。
ここで、ローパスフィルタ１８ｈ，１８ｉのカットオフ周波数は、モータＭを等速運転したときの位置検出値または速度検出値に現れる周期的変動の周波数よりも低い値に設定されている。

上記構成において、補正後位置検出値をθとし、補正後位置検出値θと位置推定値との誤差をΔθとすると、このΔθの中には、２π／Ｎ（Ｎはエンコーダの物理的目盛間隔１８１を分割した領域の数）を周期とする周期的信号が含まれる。
誤差学習部１８Ａでは、物理的目盛内位置抽出手段１８ｃが、補正後位置検出値θと上記のＮとに基づいてエンコーダ１１の物理的目盛内位置に相当するＮθを算出する。このＮθのｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分を各関数１８ｄ，１８ｅにより求めて補正後位置検出値と位置推定値との誤差Δθにそれぞれ乗算し、その後、ローパスフィルタ１８ｈ，１８ｉに通すことにより、上述した２π／Ｎを周期とする周期的信号のｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分を周期的変動成分（学習結果）として得ている。
誤差学習部１８Ａによる学習結果は、エンコーダ１１の物理的目盛間隔の内挿誤差に起因する位置検出誤差を複数の正弦波状関数の和により近似する関数パラメータとしての意義を有し、この学習結果を用いて位置検出値補正部１２における補正条件の修正を行う。

Ｍ：モータ
１１：エンコーダ
１２:位置検出値補正部
１３:位置制御部
１４：微分手段
１５：速度制御部
１６：位置推定部
１６ａ：電流制御模擬フィルタ
１６ｂ：ゲインベクトル乗算手段
１６ｃ，１６ｄ：遅延手段
１７：電流制御部
１８，１８Ａ：誤差学習部
１８１：物理的目盛間隔
１８２：誤差平均値格納メモリ
１８ａ：減算手段
１８ｂ：周期的変動成分抽出部
１８ｃ：物理的目盛内位置抽出手段
１８ｄ：ｃｏｓ関数
１８ｅ：ｓｉｎ関数
１８ｆ，１８ｇ：乗算手段
１８ｈ，１８ｉ：ローパスフィルタ
１９：誤差学習・補正条件修正可否判定部

Claims (6)

1. エンコーダにより得たモータの回転子の位置検出値を補正する位置検出値補正部と、
   前記位置検出値補正部により得た補正後位置検出値から速度検出値を算出する速度検出部と、
   前記回転子の位置指令と前記補正後位置検出値とから速度指令を生成する位置制御部と、
   前記速度指令と前記速度検出値とからトルク指令を生成する速度制御部と、
   前記トルク指令に基づいて前記モータにトルク電流を通電する電流制御部と、
   を有するサーボ制御装置において、
   前記補正後位置検出値と前記トルク指令またはトルク電流検出値とに基づいて位置推定値を出力する位置推定部であって、前記モータ及びその負荷を含む制御対象の運動方程式に基づく状態推定器を用いて速度推定及び位置推定を行い、これらの推定に要する時間としての推定時定数が、前記モータを所定速度にて運転したときの位置検出値または速度検出値に現れる周期的変動の周期よりも長くなるように、前記状態推定器のゲインベクトルを設計してなる位置推定部と、
   前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差を前記位置検出値または前記補正後位置検出値に応じて学習する誤差学習部と、
   を備え、
   前記位置検出値補正部は、前記誤差学習部による学習結果を用いて前記位置検出値の補正条件を修正しつつ前記位置検出値を補正することを特徴とするサーボ制御装置。
2. 請求項１に記載したサーボ制御装置において、
   前記誤差学習部は、前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差から前記位置検出値または前記補正後位置検出値に対して周期的に変動する成分を抽出して学習結果として出力し、
   前記位置検出値補正部は、前記学習結果がゼロに近付くように前記補正条件を修正することを特徴とするサーボ制御装置。
3. 請求項２に記載したサーボ制御装置において、
   前記誤差学習部は、前記エンコーダの物理的目盛間隔を複数かつ等間隔の領域に分割し、これらの領域において、誤差情報である前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差の平均値を記憶するメモリを備え、前記モータの運転時に前記位置検出値または前記補正後位置検出値が複数の前記領域のうちどの領域に含まれるかを判別し、該当する領域の前記平均値の更新を繰り返して前記物理的目盛間隔を等間隔に分割してなる各分割位置における誤差情報を求め、当該誤差情報を前記分割位置に対してフーリエ級数展開することにより、前記物理的目盛間隔を基本周期とするフーリエ級数成分を得て当該成分を学習結果として出力することを特徴とするサーボ制御装置。
4. 請求項１または２に記載したサーボ制御装置において、
   前記誤差学習部は、
   前記補正後位置検出値に基づいて前記エンコーダの物理的目盛内位置を抽出し、物理的目盛間隔を所定の自然数により除算した値を単位周期とし、前記物理的目盛内位置を位相として複数の正弦波状の関数に入力した場合の出力を求め、この出力を前記補正後位置検出値と前記位置推定値との誤差に乗算した結果を所定のカットオフ周波数のローパスフィルタに通して前記学習結果を得ることを特徴とするサーボ制御装置。
5. 請求項４に記載したサーボ制御装置において、
   前記カットオフ周波数を、前記モータを等速運転したときの前記位置検出値または前記速度検出値に現れる周期的変動の周波数よりも低い値に設定したことを特徴とするサーボ制御装置。
6. 請求項１～５の何れか１項に記載したサーボ制御装置において、
   前記速度指令または前記速度検出値の絶対値が所定値以下になったときに、前記誤差学習部における学習を中断し、かつ、前記位置検出値補正部における前記補正条件の修正を中断することを特徴とするサーボ制御装置。

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