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公開番号2021125934
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210830
出願番号2020016818
出願日20200204
発明の名称モータ制御装置
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜特許業務法人
主分類H02P 21/05 20060101AFI20210802BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】
機械の端部の制振を目的とした位置指令の加工を上位系制御装置内で行うことなく、速度制御系を担うモータサーボ制御装置内で制振制御を実現するモータ制御装置を提供することにある。
【解決手段】
位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、速度指令とモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、推定値に基づいて、モータに接続された機械の端部が振動しないような実速度指令を生成する速度指令生成器とを有し、速度指令生成器から速度制御器に実速度指令を出力するモータ制御装置。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、
前記推定値に基づいて、モータに接続された機械の端部が振動しないような実速度指令を生成する速度指令生成器とを有し、
前記速度指令生成器から速度制御器に前記実速度指令を出力するモータ制御装置。
続きを表示(約 2,800 文字)【請求項2】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記速度指令生成器は、
前記機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出する振動周波数成分抽出器と、
前記機械の端部の振動を励起する周波数成分を含まない位置指令を受け、前記実速度指令を生成する実位置制御器とを有するモータ制御装置。
【請求項3】
位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、
前記推定値に基づいて、前記速度指令に含まれる、モータに接続された機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出し、抽出した前記周波数成分を出力する並列型制振制御器と、
前記速度指令から前記並列型制振制御器の出力を減算する加減算器と、
を有し、前記加減算器の出力を実速度指令として速度制御器の指令とするモータ制御装置。
【請求項4】
請求項3に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記推定値とモータ軸位置応答と基づいて、前記端部の振動成分の逆相成分を算出し、前記逆相成分を、前記加減算器に出力するモータ制御装置。
【請求項5】
請求項3に記載のモータ制御装置において、
前記位置指令推定器は、
前記速度指令を入力し、前記位置制御器の逆特性に一致する推定フィルタと、
前記推定フィルタの出力と前記モータ軸位置応答とを加算する加算器を有する
モータ制御装置。
【請求項6】
請求項3に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記推定値から前記速度指令に含まれる前記機械の端部の振動を励起する前記周波数成分を位相遅れなく抽出する振動励起成分抽出フィルタと、
前記振動励起成分抽出フィルタで抽出された前記周波数成分の単位を速度の次元に変換する単位変換器とを有し、
前記単位変換器の出力を前記並列型制振制御器の出力とするモータ制御装置。
【請求項7】
請求項4に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記位置指令に対して振動的でなく所望の応答となることを規定する規範応答モデルと、
モータ軸から機械端までの伝達特性を意味する機械端振動特性モデルと、
第3の加減算器と、
入力された信号の単位を速度の次元に変換する単位変換器とを有し、
前記位置指令推定器の出力を前記規範応答モデルで処理した信号から、前記モータ軸位置応答を前記機械端振動特性モデルで処理した信号を、前記第3の加減算器で除去し、
前記第3の加減算器の出力信号を前記単位変換器で処理した信号を、前記端部の振動成分の前記逆相成分として前記並列型制振制御器の出力とするモータ制御装置。
【請求項8】
請求項3に記載のモータ制御装置において、
前記位置指令推定器は、
前記位置指令を所定のフィルタで写像した信号を推定対象とし、
前記位置指令を所定のフィルタで写像した信号の前記推定値を出力するモータ制御装置。
【請求項9】
請求項3に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記速度指令に含まれる機械端の振動を励起する前記周波数成分を抽出した抽出信号を出力し、
第4の加減算器と、スカラな調整ゲインおよび微分器とを有し、
前記位置指令の前記推定値から前記抽出信号を前記第4の加減算器で減じ、
前記第4の加減算器の出力信号を前記調整ゲインおよび前記微分器で処理した
フィードフォワード制御信号を出力するものであって、
前記速度指令に対して前記フィードフォワード制御信号を第5の加減算器で加算するとともに、前記速度指令から前記抽出信号を前記第5の加減算器で除去し、前記第5の加減算器の出力を前記実速度指令とするモータ制御装置。
【請求項10】
請求項3に記載のモータ制御装置において、
前記並列型制振制御器は、
前記速度指令に含まれる前記機械の端部の振動を励起する前記周波数成分を抽出する振動励起成分抽出器と、
前記位置指令に対して振動的でなく所望の応答となることを規定する規範応答モデルと、
モータ軸から前記端部までの伝達特性を意味する機械端振動特性モデルと、
第3の加減算器と、
入力された信号の単位を速度の次元に変換する単位変換器とを有し、
前記位置指令推定器の出力を前記規範応答モデルで処理した信号から前記モータ軸位置応答を前記機械端振動特性モデルで処理した信号を、前記第3の加減算器で除去し、
前記第3の加減算器の出力信号を前記単位変換器で処理した信号を、前記端部の振動成分の逆相成分として出力し、
前記速度指令に含まれる前記端部の振動を励起する前記周波数成分を抽出した信号を第6の加減算器で除去するとともに、前記速度指令から前記逆相成分を前記第6の加減算器で除去し、前記第6の加減算器の出力を前記実速度指令とするモータ制御装置。
【請求項11】
請求項8に記載のモータ制御装置において、
前記位置指令推定器は、
前記所定のフィルタと、
加算器とを有し、
前記モータ軸位置応答を前記所定のフィルタで処理した信号と、前記速度指令とを前記加算器で加算し、
前記加算器の出力信号を前記位置指令推定器の出力とし、
前記並列型制振制御器は、
前記位置指令推定器の出力から前記機械の端部の振動を励起する前記周波数成分を抽出し、出力信号とするモータ制御装置。
【請求項12】
位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータからのモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、
前記位置指令の推定値に基づき、前記速度指令に含まれる機械の端部の振動を励起する周波数成分を抽出し、
抽出した周波数成分を所定のフィルタで処理した信号を出力する並列型制振制御器と、
加算器とを有し、
前記モータ軸位置応答と前記並列型制振制御器の出力とを、前記加算器で加算し、
前記加算器の出力信号を実モータ軸位置応答とし、前記実モータ軸位置応答を前記位置制御器に出力とするモータ制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、モータの制御装置に関する。
続きを表示(約 5,000 文字)【背景技術】
【0002】
制御対象の機械を制御する目的のセミクローズド構成のモータ制御系において、モータに取り付けられた機械の剛性が低い場合一般に、機械の共振・反共振特性が原因で機械の端部が振動し所望の応答特性を実現できない場合がある。
【0003】
FA分野では、タクトタイム向上のために制御系の応答を高めたい。
セミクローズド構成のモータ制御系において、しかしながら機械の剛性が低い場合は機械の端部が数Hz〜100Hzの低周波数で振動し位置決めに時間がかかる等が理由で、制御系の応答を高めることが難しい。
【0004】
このような場合、一般的に制振制御が用いられる。モータ制御系が位置制御系である場合、制振制御は一般に位置指令の加工により成される。
具体的には、位置指令に対してローパスフィルタやノッチフィルタを作用させ、機械の端部の振動を励起する周波数成分を位置指令から除去することで、機械の端部の制振が実現される。
【0005】
特許文献1は、位置指令に対して2つの制振フィルタを切り替えて用いることで機械の共振・反共振特性が変化する場合であっても機械の端部を制振可能とするもので、制振フィルタの一例としてはノッチフィルタが挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2005−168225
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
FA分野のセミクローズド構成のモータ制御系において、図15に示すように、機器のリプレースなどの産業上の都合により、位置指令を生成する上位系制御装置が位置制御器を有し、マイナーループである速度制御系をサーボモータ制御装置が担うような装置構成となる場合がある。
【0008】
さらにメンテナンス性や各装置のスペックなどの都合により、位置制御器で制振制御を実現せず、マイナーループである速度制御系を担うサーボモータ制御装置内で制振制御を実現したい場合がある。
【0009】
特許文献1では、制振制御に寄与する制振フィルタ3、フィルタ切替え手段9、指令方向検出手段4は、図15における上位系制御装置で制振制御を実現する構成である。そのため、特許文献1では、速度制御系を担うサーボモータ制御装置内で制振制御を実現してはいない。
【0010】
本発明の目的は、機械の端部の制振を目的とした位置指令の加工を上位系制御装置内で行うことなく、速度制御系を担うモータサーボ制御装置内で制振制御を実現するモータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の好ましい一例としては、位置制御器を有する上位系制御装置からの速度指令を受けとるモータ制御装置であって、
前記速度指令とモータ軸位置応答とに基づいて、位置指令の推定値を算出する位置指令推定器と、前記推定値に基づいて、モータに接続された機械の端部が振動しないような実速度指令を生成する速度指令生成器とを有し、前記速度指令生成器から速度制御器に前記実速度指令を出力するモータ制御装置である。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、機械の端部の制振を目的とした位置指令の加工を上位系制御装置内で行うことなく、速度制御系を担うモータサーボ制御装置内で制振制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
実施例1の第1の基本構成を示す図。
実施例1の第2の基本構成を示す図。
図1の具体的な構成を示す図。
振動励起成分抽出器の周波数特性を示す図。
図2に対応するFF型の制振制御の構成を示す図。
図2に対応するFF制御器を含む構成を示す図。
図6のFF制御器の具体的構成を示す図。
FB型の制振制御を実行する場合の構成を示す図。
図8の並列型制振制御器の具体的構成を示す図。
所定フィルタを有する場合の構成図。
モータ軸位置応答を加工する並列型制振制御の構成図。
図5の構成における制振制御の効果を示す図。
一般的なACサーボモータ制御系を示す図。
速度制御系内制振制御器を有するACサーボモータ制御系を示す図。
上位系制御装置とサーボモータ制御装置とからなる構成を示す図。
比較例についての速度制御系内での制振制御を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明で実現したい、位置指令を生成する上位系制御装置が位置制御器を有し、マイナーループである速度制御系をサーボモータ制御装置が担うような装置構成について、まずは、比較例の説明をする。
【0015】
図16は比較例を示す図である。図16に示すように、ノッチフィルタ1601を速度制御系内に介在させることで、速度指令から機械端の振動を励起する周波数成分を除去することは可能である。なおノッチフィルタ1601のノッチ周波数1602は、機械端振動の周波数に一致するように設定する。
【0016】
比較例の場合、ノッチフィルタ1601のノッチ周波数周辺の位相遅れ特性が位置制御系の安定余裕を減少させ、機械の共振・反共振特性とは別の周波数で機械端の応答が振動的になってしまう。この現象は機械の共振・反共振特性が低域である程、またタクトタイム向上を狙い位置制御器のゲインを高める程、発生不可避となる。
【0017】
すなわち、セミクローズド構成のモータ制御系において、速度制御系を担うサーボモータ制御装置内で制振制御を行う場合、比較例では、数Hz〜100Hz程度の低域での機械端の制振は困難であるという課題がある。
【0018】
以下、実施例について図面を参照しながら説明する。なお各図において、共通な機能を有する構成要素には同一の番号を付与し、その説明を省略する。また、以降「フィードバック」は「FB」と、「フィードフォワード」は「FF」と略記する場合がある。略記する場合がある。
【実施例】
【0019】
図1及び図2は、実施例1の速度制御系内制振制御器4及び速度制御系内制振制御器21を含んだセミクローズド構成のカスケードフィードバック型モータ制御系を示す図である。
【0020】
図1および図2に示すサーボモータ制御装置3は、上位系制御装置2から速度指令を受取り、上位系制御装置2に対してモータ軸位置応答15を出力するよう位置制御系に組込まれている。上位系制御装置2は、位置制御系に組み込まれ、位置制御器7を有して、位置指令を生成し、位置指令とサーボモータ制御装置3から受け取ったモータ軸位置応答15とから、位置制御器7を用いて速度指令を生成する。位置制御器は、位置指令13とモータ軸位置応答15を入力し位置操作量(速度指令14)を出力する。
【0021】
図1のサーボモータ制御装置3は、モータの速度制御系を担い、速度制御器8を有するとともに、速度指令14とモータ軸位置応答15とに基づいて位置指令の推定値34を算出する位置指令推定器5と、位置指令の推定値34に基づき機械の端部17が振動しないような実速度指令16を生成する速度指令生成器6とを有する速度制御系内制振制御器4を有し、実速度指令16を速度制御器8の指令とする。速度制御器8は実速度指令16とモータ軸速度応答15を入力し速度操作量を電流指令として電流制御系9に出力する。
なお以降説明の便宜上、位置・速度算出器10の出力はモータ軸位置応答15を意味する場合もあれば、モータ軸速度応答15を意味する場合もある。
【0022】
図2のサーボモータ制御装置3は、モータの速度制御系を担い、速度制御器8を有するとともに、速度指令14とモータ軸位置応答15とに基づいて位置指令の推定値34を算出する位置指令推定器5と、位置指令の推定値34に基づき速度指令に含まれる機械の端部17の振動を励起する周波数成分を抽出し、抽出した周波数成分を出力する並列型制振制御器23と、加減算器24とを有する速度制御系内制振制御器21を有し、加減算器24は、速度指令14から並列型制振制御器23の出力を減算し、機械の端部17の振動を励起する周波数成分を速度指令14から除去し、加減算器24の出力を実速度指令27として速度制御系内制振制御器21の出力とし、実速度指令27を速度制御器8の指令とする。
【0023】
モータ軸に取り付けられた機械の剛性が低い場合、例えば位置決め時間短縮を目的に位置制御器7、速度制御器8の各制御ゲインを高めると、モータに接続された機械の端部(以下、機械端という)17が、数Hz〜100Hzの低周波数で振動し、逆に位置決めに時間がかかってしまい、高応答化が難しい場合がある。この際、制振制御を適用することで一般に機械端17の振動を抑制し、位置決め時間の短縮を図ることが可能である。
【0024】
本実施例は図1及び図2に示すように、モータ制御系が上位系制御装置2とサーボモータ制御装置3とで構成される場合を想定したものである。
【0025】
上位系制御装置2は位置指令13を生成し、位置制御器7を含み、サーボモータ制御装置3からモータ軸位置応答(モータの回転子の位置を表す応答)15を受け取り、位置指令13とモータ軸位置応答15とに基づき位置制御器7で速度指令14を生成し、これをサーボモータ制御装置3に出力する。
【0026】
なお位置指令13は、上位系制御装置2の外部から別の上位装置等から与えられるものであってもよい。
【0027】
サーボモータ制御装置3は速度制御器8、電流制御系9、位置・速度算出器10、および速度制御系内制振制御器4(もしくは21)を含み、上位系制御装置2から速度指令14を受け取り、モータに対して速度制御を行うとともに、モータに取り付けられた位置・速度を把握可能なセンサ(例えばロータリーエンコーダ)からの計測信号に基づき位置・速度算出器10でモータ軸の位置及び速度を算出し、これをモータ軸位置応答15、及びモータ軸速度応答15として、モータ軸位置応答15を上位系制御装置2に出力する。
【0028】
サーボモータ制御装置3は、図示は省略したがCPU(Central Processing Unit)を有する。位置指令推定器5、速度指令生成器6、並列型制振制御器などの各処理部を含む速度制御系内制振制御器21、速度制御器8、位置・速度算出器10などは、CPUがプログラムを読み出してプログラムを実行することで、各処理部の処理が実行される。ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアで、各処理部の全部もしくは一部を構成することもできる。また上位系制御装置2はCPUを有し、位置制御器7に対応したプログラムをCPUが実行する。
【0029】
位置指令13に対してローパスフィルタやノッチフィルタを作用させ、機械端17の振動を励起する周波数成分を位置指令13から除去する等により制振制御が実施される。
【0030】
しかしながら機器のリプレースやメンテナンス性、各装置のスペックなどの都合により、位置制御器7で制振制御を実現せず、マイナーループである速度制御系を担うサーボモータ制御装置3内で制振制御を実現したい場合がある。
(【0031】以降は省略されています)

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