200944970 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明，係有關於驅動已連結負載的馬達之馬達控制 裝置。 _ 【先前技術】 以往的馬達控制裝置，係根據控制對象的逆解模式所 0 算出的轉矩前饋訊號之第1轉矩前饋訊號的變化較爲和緩 的情況下，把施以濾波處理到前述第1轉矩前饋訊號之第 2轉矩前饋訊號加算到轉矩指令，在前述第1轉矩前饋訊 號的變化較爲急遽的情況下，把前述第1轉矩前饋訊號加 算到前述轉矩指令後驅動控制對象（例如，參閱專利文獻 1 ) ° 在圖5中，5〇1爲位置指令產生器、502爲位置控制 手段、5 03爲速度控制手段、5 04爲電流控制手段、5 05爲 〇 控制對象、5 0 6爲檢測器、5 0 7爲速度F F作成手段、5 0 8 * 爲轉矩F F作成手段、5 0 9爲濾波處理手段、5 1 0爲切換手 - 段。 位置指令產生器501爲輸出位置指令。 位置控制手段5 02爲輸入對前述位置指令進行減法運 算後的位置追蹤偏差，輸出速度指令。 速度控制手段503爲把速度前饋訊號加法運算到前述 速度指令’輸入已對速度進行過減法運算的速度追蹤偏差 ，輸出轉矩指令。 -5- 200944970 電流控制手段504爲輸入加法運算第1轉矩前饋訊號 或是第2前饋訊號到前述轉矩指令後的調整轉矩指令’利 用電流來驅動控制對象5 05。 檢測器5 06爲檢測控制對象505的前述位置並進行輸 出。 速度FF作成手段5 07爲輸入前述位置指令，輸出把 該輸入訊號予以1階微分後的前述速度前饋訊號。 轉矩FF作成手段508係輸入前述速度前饋訊號，根 據已知的控制對象5 05的機械常數來輸出第1轉矩前饋訊 號。 濾波處理手段5 09係輸入前述第1轉矩前饋訊號，輸 出對該輸入訊號施以低通濾波、移動平均濾波等的濾波處 理之第2轉矩前饋訊號。 切換手段510係輸入前述第1前饋訊號與前述第2前 饋訊號，在前述第1前饋訊號的變化量比已設定的臨限値 還要大的情況下，輸出前述第1前饋訊號，在其它的情況 下則輸出前述第2前饋訊號。 如此，以往的前饋控制裝置，係根據控制對象的逆解 模式所算出的轉矩前饋訊號之第1轉矩前饋訊號的變化較 爲和緩的情況下’把施以濾波處理到前述第1轉矩前饋訊 號之第2轉矩前饋訊號加算到轉矩指令，在前述第1轉矩 前饋訊號的變化較爲急遽的情況下，把前述第1轉矩前饋 訊號加算到前述轉矩指令後驅動控制對象。 〔專利文獻1〕日本特開2007-34729號專利公報（第 -6 - 200944970 10頁、第1圖） 【發明內容】 〔發明欲解決之課題〕 以往的馬達控制裝置，係在控制增益的設定値 _ 對象的組合爲某種情況下，針對正在使用的前饋控 應改善是否有效一事，有著提高控制增益後沒去計 Φ 波形是沒辦法判斷出來之問題。又，也有著實現利 使用的前饋控制所應得到之最好的控制性能之控制 定之問題。 本發明係有鑑於這樣的問題點，其目的是在於 僅使用控制對象之頻率響應的資訊，可以判斷正在 前饋控制是否有效，可以去實現理應得到之最好的 能的控制增益設定之馬達控制裝置。 Q 〔解決課題之手段〕 ' 爲解決上述問題，本發明爲如下之構成。 - 請求項1所記載之發明，爲一種馬達控制裝置 備了 ：回饋控制器，爲輸入位置或是速度的指令與 象的控制響應以及前饋訊號，以使前述指令與前述 應一致的方式來進行控制演算後算出轉矩指令、和 制器，爲輸入前述轉矩指令，根據前述轉矩指令供 至前述控制對象、和前饋控制器，爲輸入前述指令 前述指令來算出前述前饋訊號、和訊號產生器，爲 與控制 制之響 測響應 用正在 增益設 提供有 使用的 控制性 ，係具 控制對 控制響 轉矩控 給電力 ，根據 在頻率 200944970 響應計測時輸出頻率響應計測用訊號；其特徵爲：具備前 饋控制設定裝置，爲算出：指令頻譜，是爲輸入前述指令 以及頻率響應計測時之前述控制響應，是爲前述指令的頻 譜、和控制對象頻率響應，是爲前述控制對象的頻率響應 、和負載響應追蹤偏差頻譜，是爲根據前述指令頻譜與前 述控制對象頻率響應，構成前述控制對象的負載之負載響 應之前述指令的追蹤偏差；輸出前饋控制設定訊號；根據 前述前饋控制設定訊號，來設定是否使用前述前饋控制器 _ 的控制增益、以及前述前饋控制器。 又，請求項2所記載的發明，爲在請求項1所記載的 發明中的前述前饋控制設定裝置，爲在有關於各個前述指 令頻譜包含的頻率範圍與其以上的頻率範圍中去設定臨限 値，在前述負載響應追蹤偏差頻譜爲至少其中一方的臨限 値以上之情況下，輸出所謂不使用前述前饋控制器之前述 前饋控制設定訊號。 又，請求項3所記載的發明，爲在請求項1所記載的 Q 發明中的前述前饋控制設定裝置，爲針對各個前述回饋控 — 制器與前述前饋控制器之複數個控制增益組合來算出前述 . 負載響應追蹤偏差頻譜，根據前述負載響應追蹤偏差頻譜 的大小爲最小的情況之前述控制增益組合，把前述控制增 益的設定値當作前述前饋控制設定訊號來輸出。 〔發明之效果〕 由本發明，因爲可以僅使用控制對象的頻率響應的資 -8- 200944970 訊來判斷正在使用的前饋控制是否有效的緣故，並沒有必 要提高控制增益來計測響應波形，可以在初期狀態下預測 前饋控制的效果，可以實現經由正在利用的控制器所應得 到最好的控制性能之增益設定。 又，由請求項2或3所記載的發明，頻率響應的測定 變得比較快的緣故，短時間內可以預測前饋控制的效果， 可以實現經由正在使用的控制器所應得到最好的控制性能 Q 之控制增益設定。 【實施方式】 以下，有關本發明的實施形態，參閱圖來說明之。 於實際的馬達控制裝置內建有各式各樣的功能或手段 ’但是於圖中僅記載與本發明有關係之功能或手段來進行 說明。又’有關以下同一之名稱盡可能賦予同一之符號並 省略重複說明。 〔實施例1〕 圖1係說明表示本發明之第1實施例之馬達控制裝置 之方塊圖。 圖1中’ 101爲指令產生器、丨02爲回饋控制器、103 爲轉矩控制器、104爲控制對象、1〇5爲編碼器、1〇6爲前 饋控制器、107爲頻率響應計測用訊號產生器、1〇8爲前 饋控制設定裝置。又，109爲指令頻譜演算器、n〇爲控 制對象頻率響應檢測器、U1爲負載響應頻譜演算器、n2 -9- 200944970 爲負載響應追蹤偏差頻譜演算器、113爲前饋控制設定器 〇 位置指令產生器1 〇 1，爲輸出位置指令。 回饋控制器102，係輸入前述指令與前饋訊號與控制 對象104的響應，前述響應以使前述指令一致的方式來進 行控制演算，算出轉矩指令，輸出到轉矩控制器1 03。 控制對象1 04，係連結負載之馬達。 轉矩控制器1 03，係輸入前述轉矩指令與頻率響應計 測用訊號，於通常動作時根據前述轉矩指令，於頻率響應 計測時根據由頻率響應計測用訊號產生器所輸出的頻率響 應計測用訊號，讓馬達電流流動到前述馬達。 編碼器1 05，爲檢測控制對象1 04的前述位置並進行 輸出。 前饋控制器106，係輸入前述指令與前饋控制設定訊 號，根據前述前饋控制設定訊號算出前述前饋訊號，輸出 到回饋控制器102。 頻率響應計測用訊號產生器107，爲把前述頻率響應 計測用訊號書出道轉矩控制器1 03。 前述頻率響應計測用訊號，只要是可以測定馬達控制 裝置的頻率響應的話任何一種都可以，掃瞄正弦波者爲佳 。又，以複數個頻率之正弦波來構成者也爲佳。以把前述 頻率響應測定用訊號當作掃瞄正弦波訊號的方式，可以在 短時間正確地計測控制對象1 0 4的頻率響應。又，以把前 述頻率響應測定用訊號當作複數個頻率的正弦波來構成的 -10- 200944970 方式，可以利用短時間正確地計測控制對象104的頻率響 應。 前饋控制設定裝置108，係於頻率響應檢測時’輸入 前述指令與前述響應，算出前述前饋控制設定訊號’輸出 到前饋控制器106。 .前述前饋控制設定訊號，係包含有前饋控制器106之 控制增益以及使用/不使用前饋控制的設定値。 〇 又，前饋控制設定裝置1 08，係以指令頻譜演算器 109、控制對象頻率響應檢測器11〇、負載響應頻譜演算器 111、負載響應追蹤偏差頻譜演算器112、以及前饋控制設 定器1 1 3來構成。 指令頻譜演算器1 〇 9，係輸入前述指令，算出指令頻 譜’輸出到負載響應頻譜演算器111以及負載響應追蹤偏 差頻譜演算器1 1 2。 指令頻譜演算器109,係期望有使用FFT來算出前述 © 指令頻譜。又，使用連續的頻率帶域之複數個帶通濾波器 — 來算出前述指令頻譜者爲佳。 * 控制對象頻率響應檢測器11 〇，係輸入前述響應，算 出控制對象頻率響應，輸出到負載響應頻譜演算器n i。 負載響應頻譜演算器111，係輸入前述指令與前述控 制對象頻率響應，算出負載響應頻譜，輸出到負載響應追 蹤偏差頻譜演算器丨i 2。 負載響應頻譜演算器111，係期望有：由前述控制對 象頻率響應來算出前述控制對象的***振頻率，根據前述 -11 - 200944970 ***振頻率算出所謂直至前述控制對象的負載響應之頻率 響應的負載頻率響應，算出把由前述指令頻譜與前述前饋 控制器的控制增益所算出的前饋控制器頻率響應與前述負 載頻率響應予以進行乘法運算所得出的負載響應頻譜。 負載響應追蹤偏差頻譜演算器112，係輸入前述指令 頻譜與前述負載響應頻譜，算出負載響應追蹤偏差頻譜， 輸出到前饋控制設定器1 1 3。 負載響應追蹤偏差頻譜演算器Π2，係期望有從前述 負載響應頻譜對指令頻譜進行減法運算，來算出前述負載 響應追蹤偏差頻譜。 前饋控制設定器113，係輸入前述負載響應追蹤偏差 頻譜，算出前述前饋控制設定訊號，輸出到前饋控制器 106° 前饋控制設定器113，係在有關於各個前述指令頻譜 包含的頻率範圍與其以上的頻率範圍中去設定臨限値，在 前述負載響應追蹤偏差頻譜爲至少其中一方的臨限値以上 之情況下，輸出所謂不使用前述前饋控制器106之前饋控 制設定訊號；在其它的情況下，輸出所謂使用前述前饋控 制器1 06之前饋控制設定訊號。 又，前饋控制設定器113，係期望有針對各個回饋控 制器102與前饋控制器106之複數個控制增益組合來算出 前述負載響應追蹤偏差頻譜，根據前述負載響應追蹤偏差 頻譜的大小爲最小的情況之前述控制增益組合，把前饋控 制器1 06的控制增益設定値當作前述前饋控制設定訊號來 -12- 200944970 輸出。 本發明與先前技術不同的部分，係具備有以指令頻譜 演算器109、控制對象頻率響應檢測器110、負載響應頻 譜演算器111、負載響應追蹤偏差頻譜演算器112、以及 前饋控制設定器1 1 3所構成之前饋控制設定裝置1 〇8 ;特 _ 別是具備有，根據指令頻譜與控制對象頻率響應來算出負 載響應頻譜之負載響應頻譜演算器111、根據前$ f旨令頻 〇 譜與前述負載響應頻譜來算出負載響應追蹤偏差頻譜之負 載響應追蹤偏差頻譜演算器Π2、以及根據前述負載響應 追蹤偏差頻譜算出前饋控制設定訊號之前饋控制設定器 1 13的部分。 以下，詳細說明前饋控制設定裝置1 〇 8算出前饋控制 設定訊號的結構。 把指令當作位置指令，把回饋控制器1 〇 2當作位置速 度控制器’控制對象1 04爲連結負載之馬達，當作可以近 © 似在二慣性系統（two-inertia system)，把響應當作馬達 ' 位置的話’控制對象頻率響應檢測器1 1 〇所輸出的控制對 • 象頻率響應變成從轉矩指令至馬達位置的頻率響應。 把前述控制對象的頻率響應Gpl(s)的振幅爲當作極小 値的頻率做爲***振頻率wa，把當作極大値的頻率當作 共振頻率ωι·’***振頻率wa之附近的控制對象頻率響應 Gpl(s)的振幅的溝的Q値當作Qa的話，***振的衰減係 數ta以式（1)來表示。 ζ a=l/(2*Qa) (l) -13- 200944970 同樣地，把共振頻率wr附近的控制對象的頻率響應 Gpl(s)的振幅的峰之Q値當作Qr的話，共振的衰減係數 Γ r以式（2 )來表示。
Cr=l/(2-Qr) (2) 把比***振頻率ω a還要非常低頻率ω之控制對象的 頻率響應Gpl(s)的振幅當作Ml的話，控制對象104的總 慣性矩以式（3 )來表示。 Ι=1/(Μ1·ω2) (3) 使用控制對象頻率響應Gpl(s)以及式（1 )至（3 )所 算出的***振頻率6〇a、使用***振的衰減係數（a經由式 (4)算出從前述馬達位置至負載位置的頻率響應Gp2(s) 〇
Gp2(s) = coa2/(s2+2· ζ a. coa-s+ coa2) 前饋控制器106係當作輸出包含有位置前饋訊號、速 度前饋訊號、轉矩前饋訊號之前饋訊號，於回饋控制器 102內，根據由前述位置前饋訊號對前述馬達位置進行減 法運算後的馬達位置追蹤偏差來算出速度指令，根據於前 述速度指令對前述速度前饋訊號進行加法運算並對是爲前 述馬達位置的1階微分値的馬達速度進行減法運算後的馬 達速度追蹤偏差來算出回饋轉矩指令，於前述回饋轉矩指 令對前述轉矩前饋訊號進行加法運算後算出轉矩指令。前 述位置前饋訊號係於前述位置指令對位置前饋濾波器 Grp(s)進行乘法運算後而求出的。 200944970 器Grv(s)進行乘法運算後而求出的。 前述轉矩前饋訊號係於前述位置指令對轉矩前饋濾波 器Grt(s)進行乘法運算後而求出的。 使用控制對象頻率響應Gpl(s)、式（4 )、轉矩前饋 濾波器Grt(s)，來求出是爲從前述位置指令至負載位置的 _ 頻率響應之負載頻率響應Grt(s). Gpl(s)· Gp2(s)。 指令頻譜演算器109，係使用FFT來算出是爲前述位 0 置指令的頻譜之指令頻譜sr( ω )。但是，把ω當作頻譜頻 率〇 負載響應頻譜演算器111，係根據式（5)算出是爲負 載響應的頻譜之負載響應頻譜sl(«)。 slU)= || Grt(jco).GplGco) Αρ2〇ω) IhsrU)⑸ 但是’ II · II爲範數，j表示爲虛數單位。 負載響應追蹤偏差頻譜演算器112係把相對於負載位 置的前述位置指令之是爲追蹤偏差的負載位置追蹤偏差的 G 頻譜之負載響應追蹤偏差頻譜，經由式（6)來算出。 " sld (ω) = sr (ω) — si (ω ) (6) ， 負載響應追蹤偏差頻譜sld( ω)，爲在全部的頻譜頻 率ω中是爲0的情況下，表示前述負載位置爲完全地追蹤 於前述位置指令。另一方面，於某頻率㊉中具有峰値的情 況下’表示前述負載位置包含該頻率0的振動。 各自設定：比起是爲指令頻譜sr(w)所包含之主要的 頻率成分的頻率上限値之指令頻率上限値還要低的頻率範 圍中負載響應追蹤偏差頻譜sld(〇))所持有之峰値的容許 -15- 200944970 値、和比起前述指令頻率上限値還要高的頻率範圍中負載 響應追蹤偏差頻譜sld(〇;)所持有之峰値的容許値。前饋 控制設定器1 1 3，係僅在負載響應追蹤偏差頻譜sld( ω )爲 前述容許値以下的情況下，經由把做爲「使用」的前饋控 制之前饋控制訊號輸出到前饋控制器1 〇6，可以實現暫態 響應或高頻振動較少的負載的響應。 又，本發明，係僅使用控制對象1 04的頻率響應就可 以做前饋控制設定的緣故，像先前技術般地爲了前饋控制 的設定而提高回饋控制增益，不會使控制對象104振動變 大，可以爲最適合於設定控制對象104的回饋控制增益之 前饋控制設定。 在本實施例表示出位置速度控制的情況，但是，經由 把前述前饋訊號當作速度前饋訊號與轉矩前饋訊號、把式 (3)分母的ω2當作ω、把前述響應當作馬達速度、把前 述負載響應當作負載速度的話，於速度控制的情況下也同 樣可以適用。 又，本發明，係除了表示在本實施例中的位置控制規 則、速度控制規則、前饋控制規則之外，對其他任意的控 制規則也同樣可以適用。 以下，表示第1實施例之模擬結果。使用在模擬的數 値爲如下。 J=〇. 116X10 3[kg-m2]、c〇a=80.2.Tt[rad/s]、 ζβ=0. lx ωτ=100·2· π [rad/s]N ζτ=0. 1 但是，J爲控制對象104的總慣性矩，ω a爲***振 頻率’ （a爲***振的哀減係數’ 爲共振頻率，爲 -16- 200944970 共振的衰減係數。回饋控制規則係把馬達位置做比例控制 、馬達速度做比例積分控制之位置P速度PI控制。 圖2係表示本發明之第1實施例之等價速度指令與位 置指令的波形之圖。 圖2(a)爲等價速度指令，圖2(b)爲位置指令波 .形。 圖2(a)的等價速度指令，係對圖2(b)的位置指 φ 令波進行1階時間積分後所求出的。 在本模擬，做爲一般使用在一般產業用機械的動作控 制之指令的一個例子，使用圖2 ( b )的位置指令。 又，圖3，係本發明之第1實施例之指令頻譜以及 Grt(s) · Gpl(s) · Gp2(s)之波德圖；圖3 ( a )爲指令頻譜 之波德圖，圖3 ( b )爲Grt(s) . Gpl (s) . Gp2(s)之波德圖 〇 由圖3(a)，位置指令係主要揭示有在8Hz以下持 © 有頻率成分的部分。亦即，指令頻率成分上限値爲8Hz。 ' 由圖3(b)，在8Hz以下從位置指令到負載位置的波德 ' 圖大致一定在OdB左右，負載位置係可以推測在位置指令 中進行良好的追蹤。 - 又，圖4’係表示本發明之第1實施例之負載響應頻 譜、負載響應追蹤偏差頻譜、以及負載響應追蹤偏差頻譜 的位置指令振幅比之圖；圖4(a)爲負載響應頻譜，圖4 (b)爲負載響應追蹤偏差頻譜，圖4(c)爲負載響應追 蹤偏差頻譜的位置指令振幅比。 -17- 200944970 圖4(a)的負載響應頻譜，爲具有跟圖3 (a)的指 令頻譜一樣的傾向，該振幅係與前述指令頻譜相比，是比 較小的。 圖4(b)的負載響應追蹤偏差頻譜，係從前述負載響 應頻譜對前述指令頻譜進行減法運算後求得的。 也從圖4(b)可以瞭解到，前述負載響應頻譜比前述 指令頻譜還要小。圖4(c)的負載響應追蹤偏差頻譜的指 令振幅比，爲對前述負載響應追蹤偏差頻譜的前述指令頻 _ 譜的最大値％之比。由圖4(c)可以瞭解到前述負載位置 係包含有頻率爲4 Η z、振幅爲指令振幅的1 3 %之振動。例 如，頻率爲8Hz以下的範圍內，容許直至位置指令振幅的 20%的振幅的振動，在頻率比8 Hz還要大的範圍下，在容 許直至前述位置指令振幅的10%的振幅的振動之產業用機 械的動作控制中，由圖4 ( c )，前饋控制設定器1 1 3係輸 出所謂使用前饋控制之前饋控制設定訊號。 又’本發明，除了設定是否使用前饋控制器106之外 φ ，經由以使圖4 ( c )的負載響應追蹤偏差頻譜的位置指令 - 振幅比最小的方式來設定回饋控制器1 0 2與前饋控制器 . 1 06的控制增益，也可以利用在由正在使用的前饋控制器 1 06所應得到最好的控制性能設定。 回饋控制器1 02，係位置P速度P控制、位置P速度 PI控制、位置P速度Ι-P控制、位置PID、速度P控制、 速度PI控制、速度Ι-P控制等的任何回饋控制規則都可以 適用；又’前饋控制器106係輸出速度前饋、轉矩前饋等 -18- 200944970 的任何前饋控制規則都可以適用。 又，控制對象1 04的剛性’爲在比較高的負載響應與 前述響應大致一致的情況下，控制對象頻率響應GPl(s)係 因爲控制對象頻率響應Gpl(s)與直至負載位置的頻率響應 Gp2(s)的乘法運算値大致一致的緣故，在圖3中取代掉 Grt(s)· Gpl(s)· Gp2(s)，使用 Grt(s)· Gpl(s)也同樣可以 適用本發明。 〇 從而，由本發明，因爲可以僅使用控制對象的頻率響 應的資訊來判斷正在使用的前饋控制是否有效的緣故，並 沒有必要提高控制增益來計測響應波形，可以在初期狀態 下預測前饋控制的效果，可以實現經由正在使用的控制器 所應得到最好的控制性能之增益設定。 〔產業上的可利用性〕 僅使用控制對象的頻率響應的資訊來進行前饋控制的 Ο 最佳設定，因爲可以實現經由正在使用的前饋控制器所應 ' 得到最好的控制性能之控制增益設定的緣故，可以廣泛適 • 用在半導體製造裝置、工作機械、液晶面板製造裝置、產 業用機械人等之一般產業用裝置上。 【圖式簡單說明】 圖1說明表示本發明之第1實施例之馬達控制裝置之 方塊圖 圖2表示本發明之第1實施例之等價速度指令與位置 -19- 200944970 指令的波形之圖 圖3本發明之第1實施例之指令頻譜以及Grt(s) · Gpl(s)· Gp2(s)之波德圖（Bode diagram) 圖4表示本發明之第1實施例之負載響應頻譜、負載 響應追蹤偏差頻譜、以及負載響應追蹤頻譜的位置指令振 幅比之圖 圖5以往的前饋控制裝置 【主要元件符號說明】 1 〇 1 :指令產生器 102 :回饋控制器 103 :轉矩控制器 104 :控制對象 1 〇 5 .編碼器 106 :前饋控制器 1 07 :頻率響應計測用訊號產生器 108 :前饋控制設定裝置 109 :指令頻譜演算器 1 1 〇 :控制對象頻率響應檢測器 1Π :負載響應頻譜演算器 112:負載響應追蹤偏差頻譜演算器 1 1 3 :前饋控制設定裝置 5 0 1 :位置指令產生器 502 :位置控制手段 200944970 5 03 :速度控制手段 504 :電流控制手段 5 0 5 :控制對象 5 06 :檢測器 5 07 :速度FF作成手段 5 08 :轉矩FF作成手段 5 09 :濾波處理手段 ❹ 5 1 0 :切換手段
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