モータ制御装置及びその設計方法
【課題】 モータ駆動等による多慣性共振特性を持つ機械装置の運動制御において、機械装置の振動を抑制しつつ、適切な指令応答特性を得ることのできる制御装置を提供する。
【解決手段】 モータ制御装置は、モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むほか、前記状態量に応じて振動を抑制する制振制御器１０を備える。前記第１の制御手段の第１のゲイン、前記制振制御器の第２のゲインを、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳを調整パラメータとして決定する。
【解決手段】 モータ制御装置は、モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むほか、前記状態量に応じて振動を抑制する制振制御器１０を備える。前記第１の制御手段の第１のゲイン、前記制振制御器の第２のゲインを、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳを調整パラメータとして決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ制御装置及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多慣性共振特性を有する機械装置をモータによって駆動する場合の速度制御器は、従来のＰＩ（比例積分）制御器を用いるだけでは機械装置の反共振特性や共振特性による振動が発生するという問題や、高周波数領域においてトルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れによって制御系が不安定になり易いという問題がある。
【０００３】
このような問題を解消すべく、特許文献１にはＦＢ（フィードバック）制御器による振動抑制装置が提案されている。また、特許文献２には振動抑制器を備えたＦＢ制御器によるモータ制御装置が提案されている。
【０００４】
目標動作に対する追従特性を独立して調整することが可能なＦＦ（フィードフォワード）制御器に関しても、装置の振動特性を考慮することによって、目標動作によって振動を励起しない駆動が実現出来る。この様な振動特性を考慮したＦＦ制御器の調整方法に関しては、特許文献３に提案されている。但し、ＦＢ制御器において振動抑制補償を行っている場合とそうでない場合には、振動抑制補償器の特性に見合った補償入力をＦＦ制御器にて生成する必要があり、ＦＦ制御器とＦＢ制御器を互いに関連させた調整方法が必要となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２５４７３号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５６８６号公報
【特許文献３】特許第３４０４３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１〜３に記載された発明には下記の様な問題点が存在する。
【０００７】
（特許文献１）
１．トルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れに起因する高周波数領域における不安定化が考慮された制御系になっていない。
２．ＦＢ制御器の調整方法が不明である。
３．ＦＦ制御器の調整方法が不明である。
【０００８】
（特許文献２）
１．トルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れに起因する高周波数領域における不安定化が考慮された制御系になっていない。
２．ＦＦ制御器の調整方法が不明である。
【０００９】
（特許文献３）
１．ＦＦ制御器、ＦＢ制御器共に、機械装置の共振特性を考慮した制御器及びその調整方法となっておらず、共振特性を考慮した制御系のような高い性能が得られない。
２．トルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れに起因する高周波数領域における不安定化が考慮された制御系になっていない。
【００１０】
以上のような従来の問題点を鑑み、本発明は、機械装置の共振特性、高周波数領域における不安定化を考慮した制御装置及びその調整方法を提供しようとするものである。
【００１１】
具体的には、モータ駆動による多慣性共振特性を持つ機械装置の運動制御において、機械装置の振動を抑制しつつ、適切な指令応答特性を得ることのできる制御装置及びその設計方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の態様によるモータ制御装置は、モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含む。
【００１３】
本モータ制御装置においては、更に、前記状態量に応じて振動を抑制する制振制御手段を備え、前記第１の制御手段の第１のゲイン、前記制振制御手段の第２のゲインを、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳを調整パラメータとして決定するようにされる。
【００１４】
なお、前記閉ループ制御系の感度特性がωＳ＞ωの低周波領域でｓ／ωＳに漸近し、閉ループ制御系の相補感度特性がωＣＳ＜ωの高周波領域でωＣＳ／ｓに漸近するように調整される（但し、ｓはラプラス演算子）ことが望ましい。
【００１５】
更に、前記制振制御手段のもう一つの第３のゲインを、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄで決定するようにしても良い。
【００１６】
なお、前記第１〜第３のゲインをそれぞれ、ｋωＭ、ｋθＴ、ｋωＴとした場合、これら第１〜第３のゲインは以下数１、
【数１】
（但し、ＪＭはモータのロータ部のイナーシャ、ＪＬは負荷のイナーシャ、ωａは１次の共振特性の反共振周波数）
で表される。
【００１７】
更に、前記制振制御手段は、負荷位置とモータ位置との差を負荷とモータの相対変位として演算する演算手段と、前記相対変位から負荷とモータの相対速度を算出する手段と、前記相対変位が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、前記相対速度が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むもので良い。
【００１８】
前記制振制御手段はまた、モータ位置からモータ速度を算出する手段と、算出されたモータ速度と前記モータトルク指令とを用いて負荷とモータの相対変位の推定値と、負荷とモータの相対速度の推定値を求める状態オブザーバと、前記相対変位の推定値が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、前記相対速度の推定値が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むものでも良い。
【００１９】
前記カットオフ周波数ωＳと前記カットオフ周波数ωＣＳの比率を固定値として設定し、前記カットオフ周波数ωＳ、前記カットオフ周波数ωＣＳの一方を調整パラメータとして用いるようにしても良い。また、前記制御指令値と前記制御対象からフィードバックされる状態量との差を演算する演算手段の前段に、フィードフォワード制御器を備えるようにしても良い。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むモータ制御装置の設計方法が提供される。
【００２１】
本設計方法は、閉ループ制御系の感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第１のステップと、閉ループ制御系の相補感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第２のステップを有することを特徴とする。なお、更に、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄを設定する第３のステップを有していても良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、状態フィードバックを用いる閉ループ制御系の設計を、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳ、振動減衰特性の調整パラメータｋｄのうち、少なくともカットオフ周波数ωＳ、カットオフ周波数ωＣＳの調整パラメータによって行うことにより、感度特性、相補感度特性、減衰性という制御上重要な特性のうち、少なくとも感度特性、相補感度特性を互いに干渉せずに調整することが可能となる。
【００２３】
これにより、モータ駆動による多慣性共振特性を持つ機械装置の運動制御において、機械装置の振動を抑制しつつ、適切な指令応答特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
はじめに、本発明を理解し易くするために、本発明の基礎となる構成について説明する。
【００２５】
図４は、モデル追従制御法によるＦＦ制御器と、位置Ｐ（比例）速度ＰＩ（比例積分）制御器とを組み合せた制御装置の一般的な構成を示すブロック図である。ここでは、負荷を、結合部（動力伝達機構等）を介してモータで駆動する機械装置を想定し、制御対象を２慣性共振モデルとして考えることを前提としている。
【００２６】
図４において、制御対象としてのプラント（ｐｌａｎｔ）１００に、モータトルク（制御入力）τＭが入力され、検出器（図示省略）によりモータ位置θＭが検出される。τｄはモータ外乱トルクであり、θＬは負荷位置を示す。位置指令θＲは追従特性モデルＭを経由して負荷位置指令θＬＲとなる。ＰＬ２Ｍは負荷位置θＬからモータトルクτＭへの開ループ伝達特性を示し、ＰＬ２τは負荷位置θＬからモータ位置θＭへの開ループ伝達特性を示す。ｋθＭはモータ位置ＦＢ制御器（Ｐ又はＰＩ）のゲイン（パラメータ）、ｋωＭはモータ速度ＦＢ制御器（Ｐ又はＰＩ）のゲイン（パラメータ）をそれぞれ示す。
【００２７】
図４では、開ループ伝達特性ＰＬ２τを経て得られるモータ位置指令θＭＲとモータ位置θＭとの差を演算器１０１で演算してゲインｋθＭのモータ位置ＦＢ制御器へ入力することによりモータ速度を得るようにし、このモータ速度とモータ位置θＭを微分して得られるモータ速度ωＭとの差を演算器１０２で演算してモータ速度ＦＢ制御器へ入力することによりモータトルクを得るようにしている。以上のような構成は、ＦＢ制御器と呼ぶことができる。なお、ｓはラプラス演算子である。
【００２８】
一方、開ループ伝達特性ＰＬ２Ｍを経て得られるトルクτＦＦとモータ速度ＦＢ制御器からのモータトルクを、モータ速度ＦＢ制御器とプラント１００との間に設けた加算器１０３で加算してモータトルク指令τＭを得るようにしている。追従特性モデルＭ、開ループ伝達特性ＰＬ２τ、ＰＬ２Ｍを持つ要素を含む構成はＦＦ制御器と呼ぶことができる。なお、このＦＦ制御器は、モータ位置指令θＭＲを微分してモータ速度指令ωＭＲを得、演算器１０２に与える要素をも含む。
【００２９】
ところで、機械装置は一般的には複数の共振特性を有するが、本発明では最も支配的な特性である１次の共振特性を対象にした制御装置について考える。
【００３０】
２慣性共振系の制御対象を１次の共振特性のみで近似した運動特性は以下の数２のような状態空間表現により表すことができ、ブロック線図で表すと図５の様になる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
ここで、式（２）中の変数は制御対象の特性を表すパラメータであり、ＪＭはモータのロータ部のイナーシャ、ＪＬは負荷のイナーシャ、ＫＧは１次の共振特性を表すモータと負荷の結合部（動力伝達機構等）の等価結合剛性、ＢＧはその減衰特性を表す結合部の等価粘性をそれぞれ表している。
【００３３】
また、図５において図４で説明した要素と同じ要素には同じ符号を付しており、それら以外の要素であるωＬは負荷速度、θＴは負荷とモータの相対変位（負荷位置とモータ位置の差）、ωＴは負荷とモータの相対速度（負荷速度とモータ速度の差）、τＴは負荷とモータの相互作用トルク、τｄＬは負荷外乱トルクである。
【００３４】
以上のような一般的な構成に対し、図１、図２は、それぞれ本発明による制御装置の実施形態の構成を示す。
【００３５】
図１は、図４で説明した構成に制振制御器１０を追加した構成となっている。制振制御器１０は制御対象における状態量のフィードバック値として負荷位置θＬ、モータ位置θＭを受け、これらの状態量から演算器１４により負荷とモータの相対変位θＴを演算する。制振制御器１０はまた、相対変位θＴを微分して負荷とモータの相対速度ωＴを算出する。制振制御器１０は、相対速度ωＴについてはゲインｋωＴの制御器（第３の制御手段）１２を通し、相対変位θＴについてはゲインｋθＴの制御器（第２の制御手段）１３を通したうえで両者を加算器１１で加算して加算器１０３’に与える。
【００３６】
なお、図１では、制振制御器１０を新たに備えることにより、ＦＦ制御器２０においては負荷位置θＬからモータトルクτＭへの開ループ伝達特性をＰ’Ｌ２Ｍで示し、これを経て得られるトルクをτ’ＦＦで示している。そして、加算器１０３’が、ゲインｋωｍのモータ速度ＦＢ制御器（第１の制御手段）からのモータトルクと、ＦＦ制御器２０からのトルクτ’ＦＦと、制振制御器１０の出力を加算してモータトルク指令τＭをモータに与える。
【００３７】
以上の構成は、状態量としての負荷位置θＬ、モータ位置θＭをそのまま用いる、状態ＦＢ速度制御装置と呼ぶことができる。
【００３８】
一方、図２は、図１の制振制御器１０に代えて、状態オブザーバ（ｓｔａｔｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ）１５を持つ制振制御器１０’を備えている。状態オブザーバ１５は、状態量としてのモータ位置θＭを微分して算出したモータ速度ωＭとモータトルク指令τＭとを用いて負荷とモータの相対速度の推定値ωＴ＾と、負荷とモータの相対変位の推定値θＴ＾を推定する。制振制御器１０’は、相対速度の推定値ωＴ＾についてはゲインｋωＴの制御器を通し、相対変位の推定値θＴ＾についてはゲインｋθＴの制御器を通したうえで両者を加算器１１’で加算して加算器１０３’に与える。この構成も、状態ＦＢ速度制御装置と呼ぶことができる。
【００３９】
いずれにしても、本実施形態では、図１のように状態量を直接計測するか、あるいは図２のように状態オブザーバ１２を用いて推定値を得るなどして、モータ速度（ωＭ）のほか、モータと負荷の相対速度（ωＴ）、モータと負荷の相対変位（θＴ）、あるいはそれらの推定値を得て、フィードバック制御を行う。
【００４０】
本実施形態では、上記の信号、つまりモータ速度（ωＭ）、相対速度（ωＴ）、相対変位（θＴ）、相対速度の推定値（ωＴ＾）、相対変位の推定値（θＴ＾）に対して乗じるＦＢゲインｋωＭ、ｋθＴ、ｋωＴを上記式（１）の様に決定する。
【００４１】
ここで、上記式（１）中のωＳは感度関数（感度特性）のカットオフ周波数、ωＣＳは相補感度特性（相補感度関数）のカットオフ周波数、ｋｄは振動減衰特性の調整パラメータを表しており、制御特性を調整するパラメータである。また、ωａ（＝√ＫＧ／ＪＬ）は１次の共振特性の内の反共振周波数を表している。なお、感度関数のカットオフ周波数というのは、感度関数の利得が０ｄＢ以下または−３ｄＢ以下となる低周波領域側の周波数を示し、相補感度関数のカットオフ周波数というのは、相補感度関数の利得が０ｄＢ以下または−３ｄＢ以下となる高周波領域側の周波数を示す。
【００４２】
これまでは、ｋωＭ、ｋωＴ、ｋθＴは、単にゲインとして決めるという考えしかなく、これらのゲインを決定した後、出力を見て、再度、ゲイン調整を行なうという考え方しかなかった。
【００４３】
これに対し、本実施形態では、ゲインｋωＭ、ｋωＴ、ｋθＴを式（１）に基づいて感度特性のカットオフ周波数ωＳ、相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳで決定できるようにしている。これを以下に説明する。
【００４４】
図１、図２に示されるようなフィードバックを施すと、上記式（２）で表される機械装置の速度制御系の特性方程式Ｃは以下の数３で表すことができる。
【００４５】
【数３】
【００４６】
また、モータの速度指令と実際のモータ速度との偏差をモータ速度偏差とすると、モータ速度指令からモータ速度偏差までの伝達特性Ｓは、感度特性と呼ばれ、以下の数４で表される。
【００４７】
【数４】
【００４８】
一方、モータの速度指令から実際のモータ速度までの伝達特性Ｔは、相補感度特性と呼ばれ、以下の数５で表される。
【００４９】
【数５】
【００５０】
上記式から、感度特性Ｓは、分子多項式のｓのゼロ次項が無いことから、低周波領域では周波数に比例してゲインが低下する。その時のゲイン曲線は周波数ωに対してω／ωＳに漸近する。
【００５１】
一方、相補感度特性Ｔは、分子多項式のｓ３の項が無いことから、分母多項式と分子多項式のｓの次数差が１となっており、高周波領域では周波数に反比例してゲインが低下する。その時のゲイン曲線は周波数ωに対してωＣＳ／ωに漸近する。
【００５２】
上記の様子を図３（ａ）に示す。図３（ａ）では、ゲイン特性をラプラス演算子ｓを用いて表しており、感度特性Ｓの低域特性がｓ／ωＳに、相補感度特性Ｔの高域特性がωＣＳ／ｓに、それぞれ漸近している様子が見て取れる。これをボード線図で示すと、図３（ｂ）のようになる。
【００５３】
ところで、図１、図２に示すような制御装置の閉ループ制御系を簡略化して示すと、図６のようになる。そして、このような閉ループ制御系における感度特性Ｓ、相補感度特性Ｔについて考えると以下のようになる。
【００５４】
感度特性Ｓ＝Ｅ／Ｒ＝１／（１＋ＣＰ）
相補感度特性Ｔ＝Ｙ／Ｅ＝ＣＰ／（１＋ＣＰ）
【００５５】
ここで、感度特性Ｓ＝Ｅ／Ｒなので図３（ｂ）のボード線図において感度特性Ｓのゲインが低いところの周波数領域（ωＳ＞ω）では、誤差のゲインが低いので応答性が良い。一方、相補感度特性Ｔ＝Ｙ／Ｅなので、図３（ｂ）のボード線図において相補感度特性Ｔのゲインが低いところの周波数領域（ωＴ＜ω）では、ノイズ感度が低く、ノイズ特性、安定性が向上する。
【００５６】
以上の様に、式（１）の様なゲインの設定方法を採用することによって、応答性と安定性を独立させた制御特性の設計を容易に実現することが出来る。
【００５７】
本実施形態による状態ＦＢ速度制御装置では、感度関数や、相補感度関数を設定するわけではなく、低周波領域で感度特性Ｓに漸近する関数ｓ／ωＳを設定し、高周波領域で相補感度特性Ｔに漸近する関数ωＣＳ／ｓを設定するようにしている。よって、制御装置に入力する数値はカットオフ周波数ωＳとωＣＳだけでよく、入力すると、制御系の感度特性ＳがωＳ＞ωの領域でｓ／ωＳに漸近し、相補感度特性ＴがωＣＳ＜ωの領域でωＣＳ／ｓに漸近するような制御装置が設計される。
【００５８】
なお、相補感度特性Ｔのカットオフ周波数ωＣＳと感度特性Ｓのカットオフ周波数ωＳの比率を固定的に設定することによって、調整パラメータをどちらか一方のみにし、調整を容易にすることも可能である。この場合、ωＣＳ／ωＳ＝１．５〜６程度が望ましい。
【００５９】
同時に、式（１）に見られるように、ゲインｋωＴによって、応答性と安定性とは独立させて、振動の減衰特性を調整することが可能となる。式（１）における第３式の振動減衰特性の調整パラメータｋｄは、ねじり角速度のフィードバックゲインを決定するパラメータ、言い換えればねじり振動の減衰を調整するパラメータと考えることができ、概ね±６の範囲で調整することで良好な応答を得ることが可能である。
【００６０】
また、一般的に積分補償により定常偏差を補償したりするが、速度ループ積分補償ゲインの調整は感度特性のカットオフ周波数ωｓの１／３以下程度の帯域に設定すれば、その他の特性との大きな干渉を起こさずに容易に導入することが可能である。同様に、上記では速度制御系の設計方法を説明しているが、その外部ループとして位置制御系を構成する場合も、位置ループゲインを感度特性のカットオフ周波数ωｓの１／３以下程度の帯域に設定すれば、その他の特性との大きな干渉を起こさずに容易に導入することが可能である。
【００６１】
なお、上記実施形態とは別の構成として、モータ速度の比例補償のみを施した場合には、感度特性はω／［ｋωＭ／（ＪＬ＋ＪＭ）］、相補感度特性は（ｋωＭ／ＪＭ）／ωにそれぞれ漸近する。よって、感度特性を変化させると同時に相補感度特性も変化してしまい、特に負荷のイナーシャＪＬがモータのイナーシャＪＭに対して非常に大きい場合（例えば、１０倍以上）には、感度特性と相補感度特性の漸近する周波数特性が大きく離れてしまい、応答性の向上と安定余裕の確保の両立が困難になる。
【００６２】
次に、ＦＦ制御器２０の設計（調整）方法を説明する。
【００６３】
本実施形態では、前述したように、ＦＦ制御器２０にはモデル追従制御手法を用いる。
【００６４】
モデル追従制御手法では、最終的に制御したい負荷の先端部などに対して与える運動特性をモデル特性として設定する。このモデル特性は、１次遅れや高次遅れであったり、遅れ特性に対して積分補償をしたものであったりする。そして、制御対象の制御入力であるモータトルクからフィードバックする各状態量に対する伝達特性の逆特性とモデル特性とを掛け合わせたものを各状態量への動作指令として入力すると同時に、この運動に見合うモータトルクを入力する。この様な指令入力を行うことにより、各状態量を所望の運動状態であるモデル特性に追従させることが可能となる。
【００６５】
ここで、多慣性共振系のもっとも簡単な制御系の一つである、モータ速度のＰＩ（比例積分）制御の外部ループに位置のＰ（比例）制御を行う場合（Ｐ−ＰＩ制御系）の構成を考える。
【００６６】
この時、モデル追従制御系を構成するには、前述したように、ＦＦ制御器においてモータ位置指令θＭＲ、モータ速度指令ωＭＲ、モータトルクτＦＦをそれぞれ算出する。この時の各入力の算出式は下記の数６のようになる。
【００６７】
【数６】
【００６８】
ここで、前述したように、θＬＲは負荷位置指令であり負荷の動作に対する指令値であるものとする。また、Ｍはモデル特性、ＰＬ２τは負荷位置θＬからモータ位置θＭまでの伝達特性、ＰＬ２Ｍは負荷位置θＬからモータトルクτＭまでの伝達特性の逆関数であり、それぞれ下記の数７で表される。
【００６９】
【数７】
【００７０】
上記のような状態フィードバックを施している場合、フィードバックしている各状態量に対しても動作指令が必要となる。しかし、これに対して各々の動作指令を生成する演算を行うと、演算量が非常に増加する為、好ましくない。これに対して、上記式（６）における伝達特性ＰＬ２τを、上記のＰ−ＰＩ制御系に対して付加しているフィードバック量のみに着目して変形すると以下の数８となる。
【００７１】
【数８】
【００７２】
よって、上記式（６）で表されていたＰ−ＰＩ制御系に対するモデル追従制御系の各入力の内、モータトルクのみを以下の数９で表されるトルクτ’ＦＦに変更するだけで、上記のような状態フィードバックに対応したモデル追従制御系の入力を得ることが可能となる。
【００７３】
【数９】
【００７４】
式（７）の第２式と式（８）は同じ次数の伝達方程式であるので、式（６）の第３式と式（９）のモータトルク入力の伝達特性も同じ次数の伝達方程式となる。よって、上記の様にモデル追従制御系の各入力を算出することにより、演算量の増加は全く生じずに上記状態フィードバックに対応したＦＦ制御器２０を得ることが出来る。
【００７５】
以上説明した２つの実施形態による、多慣性共振系の１次共振特性を対象にした制御装置の設計方法を用いることにより、以下の効果が得られる。
【００７６】
１．状態フィードバックを用いる制御系の調整を、感度特性のカットオフ周波数ωＳ、相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳ、振動減衰特性の調整パラメータｋｄの各調整パラメータによって行うことにより、感度特性、相補感度特性、減衰性という制御上重要な特性を互いに干渉せずに調整することが可能となる。
【００７７】
２．ωＣＳ／ωＳを固定とすることにより、調整パラメータを更に減じ、容易に調整を行うことが可能となる。
【００７８】
３．上記の様な速度制御系は、速度ループ積分補償、位置制御ループを容易に追加することが可能であり、高性能な速度サーボ制御、位置サーボ制御を容易に実現し、且つ、容易に調整することが可能である。
【００７９】
４．上記の様な、速度又は位置制御系に対して、モデル追従制御手法によるＦＦ制御器を調整する場合、本実施形態によるモータトルク入力演算式を用いることで、演算量を増加させずに適切なモータトルク入力を算出することが可能となる。
【００８０】
５．上記の様な、ＦＢ制御器、ＦＦ制御器の設計（調整）方法は、制御器の調整則と制御対象の特性同定部が独立しているセルフチューニング制御手法によるオートチューニングに用いることが可能であり、オートチューニングによる調整と、ユーザによる微調整などの介入を容易に両立することが可能である。
【００８１】
６．上記の様な、ＦＢ制御器、ＦＦ制御器の設計（調整）方法は、制御に用いるフィードバック信号を全て実際に計測する場合にも適用可能であり、例えばモータ速度の様に式（２）の状態量の可観測性が得られるだけの計測量から状態観測器によって得た信号をフィードバックする場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、本発明による制御装置の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明による制御装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態における感度特性、相補感度特性を周波数とゲインとの関係で示すと共に、各特性と漸近線との関係を説明するための図である。
【図４】図４は、モデル追従制御法によるＦＦ制御器と、位置Ｐ（比例）速度ＰＩ（比例積分）制御器とを組み合せた制御装置の一般的な構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、２慣性共振系の制御対象を１次の共振特性のみで近似した運動特性のブロック線図を示す。
【図６】図６は、図１、図２に示すような制御装置の閉ループ制御系を簡略化して示した図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０、１０’ 制振制御器
１１、１１’、１０３、１０３’ 加算器
１２ 状態オブザーバ
２０ ＦＦ制御器
１００ 制御対象としてのプラント
１０１、１０２ 演算器
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ制御装置及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多慣性共振特性を有する機械装置をモータによって駆動する場合の速度制御器は、従来のＰＩ（比例積分）制御器を用いるだけでは機械装置の反共振特性や共振特性による振動が発生するという問題や、高周波数領域においてトルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れによって制御系が不安定になり易いという問題がある。
【０００３】
このような問題を解消すべく、特許文献１にはＦＢ（フィードバック）制御器による振動抑制装置が提案されている。また、特許文献２には振動抑制器を備えたＦＢ制御器によるモータ制御装置が提案されている。
【０００４】
目標動作に対する追従特性を独立して調整することが可能なＦＦ（フィードフォワード）制御器に関しても、装置の振動特性を考慮することによって、目標動作によって振動を励起しない駆動が実現出来る。この様な振動特性を考慮したＦＦ制御器の調整方法に関しては、特許文献３に提案されている。但し、ＦＢ制御器において振動抑制補償を行っている場合とそうでない場合には、振動抑制補償器の特性に見合った補償入力をＦＦ制御器にて生成する必要があり、ＦＦ制御器とＦＢ制御器を互いに関連させた調整方法が必要となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２５４７３号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５６８６号公報
【特許文献３】特許第３４０４３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１〜３に記載された発明には下記の様な問題点が存在する。
【０００７】
（特許文献１）
１．トルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れに起因する高周波数領域における不安定化が考慮された制御系になっていない。
２．ＦＢ制御器の調整方法が不明である。
３．ＦＦ制御器の調整方法が不明である。
【０００８】
（特許文献２）
１．トルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れに起因する高周波数領域における不安定化が考慮された制御系になっていない。
２．ＦＦ制御器の調整方法が不明である。
【０００９】
（特許文献３）
１．ＦＦ制御器、ＦＢ制御器共に、機械装置の共振特性を考慮した制御器及びその調整方法となっておらず、共振特性を考慮した制御系のような高い性能が得られない。
２．トルク制御系やモータ位置又は速度検出器における遅れに起因する高周波数領域における不安定化が考慮された制御系になっていない。
【００１０】
以上のような従来の問題点を鑑み、本発明は、機械装置の共振特性、高周波数領域における不安定化を考慮した制御装置及びその調整方法を提供しようとするものである。
【００１１】
具体的には、モータ駆動による多慣性共振特性を持つ機械装置の運動制御において、機械装置の振動を抑制しつつ、適切な指令応答特性を得ることのできる制御装置及びその設計方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の態様によるモータ制御装置は、モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含む。
【００１３】
本モータ制御装置においては、更に、前記状態量に応じて振動を抑制する制振制御手段を備え、前記第１の制御手段の第１のゲイン、前記制振制御手段の第２のゲインを、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳを調整パラメータとして決定するようにされる。
【００１４】
なお、前記閉ループ制御系の感度特性がωＳ＞ωの低周波領域でｓ／ωＳに漸近し、閉ループ制御系の相補感度特性がωＣＳ＜ωの高周波領域でωＣＳ／ｓに漸近するように調整される（但し、ｓはラプラス演算子）ことが望ましい。
【００１５】
更に、前記制振制御手段のもう一つの第３のゲインを、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄで決定するようにしても良い。
【００１６】
なお、前記第１〜第３のゲインをそれぞれ、ｋωＭ、ｋθＴ、ｋωＴとした場合、これら第１〜第３のゲインは以下数１、
【数１】
（但し、ＪＭはモータのロータ部のイナーシャ、ＪＬは負荷のイナーシャ、ωａは１次の共振特性の反共振周波数）
で表される。
【００１７】
更に、前記制振制御手段は、負荷位置とモータ位置との差を負荷とモータの相対変位として演算する演算手段と、前記相対変位から負荷とモータの相対速度を算出する手段と、前記相対変位が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、前記相対速度が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むもので良い。
【００１８】
前記制振制御手段はまた、モータ位置からモータ速度を算出する手段と、算出されたモータ速度と前記モータトルク指令とを用いて負荷とモータの相対変位の推定値と、負荷とモータの相対速度の推定値を求める状態オブザーバと、前記相対変位の推定値が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、前記相対速度の推定値が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むものでも良い。
【００１９】
前記カットオフ周波数ωＳと前記カットオフ周波数ωＣＳの比率を固定値として設定し、前記カットオフ周波数ωＳ、前記カットオフ周波数ωＣＳの一方を調整パラメータとして用いるようにしても良い。また、前記制御指令値と前記制御対象からフィードバックされる状態量との差を演算する演算手段の前段に、フィードフォワード制御器を備えるようにしても良い。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むモータ制御装置の設計方法が提供される。
【００２１】
本設計方法は、閉ループ制御系の感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第１のステップと、閉ループ制御系の相補感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第２のステップを有することを特徴とする。なお、更に、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄを設定する第３のステップを有していても良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、状態フィードバックを用いる閉ループ制御系の設計を、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳ、振動減衰特性の調整パラメータｋｄのうち、少なくともカットオフ周波数ωＳ、カットオフ周波数ωＣＳの調整パラメータによって行うことにより、感度特性、相補感度特性、減衰性という制御上重要な特性のうち、少なくとも感度特性、相補感度特性を互いに干渉せずに調整することが可能となる。
【００２３】
これにより、モータ駆動による多慣性共振特性を持つ機械装置の運動制御において、機械装置の振動を抑制しつつ、適切な指令応答特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
はじめに、本発明を理解し易くするために、本発明の基礎となる構成について説明する。
【００２５】
図４は、モデル追従制御法によるＦＦ制御器と、位置Ｐ（比例）速度ＰＩ（比例積分）制御器とを組み合せた制御装置の一般的な構成を示すブロック図である。ここでは、負荷を、結合部（動力伝達機構等）を介してモータで駆動する機械装置を想定し、制御対象を２慣性共振モデルとして考えることを前提としている。
【００２６】
図４において、制御対象としてのプラント（ｐｌａｎｔ）１００に、モータトルク（制御入力）τＭが入力され、検出器（図示省略）によりモータ位置θＭが検出される。τｄはモータ外乱トルクであり、θＬは負荷位置を示す。位置指令θＲは追従特性モデルＭを経由して負荷位置指令θＬＲとなる。ＰＬ２Ｍは負荷位置θＬからモータトルクτＭへの開ループ伝達特性を示し、ＰＬ２τは負荷位置θＬからモータ位置θＭへの開ループ伝達特性を示す。ｋθＭはモータ位置ＦＢ制御器（Ｐ又はＰＩ）のゲイン（パラメータ）、ｋωＭはモータ速度ＦＢ制御器（Ｐ又はＰＩ）のゲイン（パラメータ）をそれぞれ示す。
【００２７】
図４では、開ループ伝達特性ＰＬ２τを経て得られるモータ位置指令θＭＲとモータ位置θＭとの差を演算器１０１で演算してゲインｋθＭのモータ位置ＦＢ制御器へ入力することによりモータ速度を得るようにし、このモータ速度とモータ位置θＭを微分して得られるモータ速度ωＭとの差を演算器１０２で演算してモータ速度ＦＢ制御器へ入力することによりモータトルクを得るようにしている。以上のような構成は、ＦＢ制御器と呼ぶことができる。なお、ｓはラプラス演算子である。
【００２８】
一方、開ループ伝達特性ＰＬ２Ｍを経て得られるトルクτＦＦとモータ速度ＦＢ制御器からのモータトルクを、モータ速度ＦＢ制御器とプラント１００との間に設けた加算器１０３で加算してモータトルク指令τＭを得るようにしている。追従特性モデルＭ、開ループ伝達特性ＰＬ２τ、ＰＬ２Ｍを持つ要素を含む構成はＦＦ制御器と呼ぶことができる。なお、このＦＦ制御器は、モータ位置指令θＭＲを微分してモータ速度指令ωＭＲを得、演算器１０２に与える要素をも含む。
【００２９】
ところで、機械装置は一般的には複数の共振特性を有するが、本発明では最も支配的な特性である１次の共振特性を対象にした制御装置について考える。
【００３０】
２慣性共振系の制御対象を１次の共振特性のみで近似した運動特性は以下の数２のような状態空間表現により表すことができ、ブロック線図で表すと図５の様になる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
ここで、式（２）中の変数は制御対象の特性を表すパラメータであり、ＪＭはモータのロータ部のイナーシャ、ＪＬは負荷のイナーシャ、ＫＧは１次の共振特性を表すモータと負荷の結合部（動力伝達機構等）の等価結合剛性、ＢＧはその減衰特性を表す結合部の等価粘性をそれぞれ表している。
【００３３】
また、図５において図４で説明した要素と同じ要素には同じ符号を付しており、それら以外の要素であるωＬは負荷速度、θＴは負荷とモータの相対変位（負荷位置とモータ位置の差）、ωＴは負荷とモータの相対速度（負荷速度とモータ速度の差）、τＴは負荷とモータの相互作用トルク、τｄＬは負荷外乱トルクである。
【００３４】
以上のような一般的な構成に対し、図１、図２は、それぞれ本発明による制御装置の実施形態の構成を示す。
【００３５】
図１は、図４で説明した構成に制振制御器１０を追加した構成となっている。制振制御器１０は制御対象における状態量のフィードバック値として負荷位置θＬ、モータ位置θＭを受け、これらの状態量から演算器１４により負荷とモータの相対変位θＴを演算する。制振制御器１０はまた、相対変位θＴを微分して負荷とモータの相対速度ωＴを算出する。制振制御器１０は、相対速度ωＴについてはゲインｋωＴの制御器（第３の制御手段）１２を通し、相対変位θＴについてはゲインｋθＴの制御器（第２の制御手段）１３を通したうえで両者を加算器１１で加算して加算器１０３’に与える。
【００３６】
なお、図１では、制振制御器１０を新たに備えることにより、ＦＦ制御器２０においては負荷位置θＬからモータトルクτＭへの開ループ伝達特性をＰ’Ｌ２Ｍで示し、これを経て得られるトルクをτ’ＦＦで示している。そして、加算器１０３’が、ゲインｋωｍのモータ速度ＦＢ制御器（第１の制御手段）からのモータトルクと、ＦＦ制御器２０からのトルクτ’ＦＦと、制振制御器１０の出力を加算してモータトルク指令τＭをモータに与える。
【００３７】
以上の構成は、状態量としての負荷位置θＬ、モータ位置θＭをそのまま用いる、状態ＦＢ速度制御装置と呼ぶことができる。
【００３８】
一方、図２は、図１の制振制御器１０に代えて、状態オブザーバ（ｓｔａｔｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ）１５を持つ制振制御器１０’を備えている。状態オブザーバ１５は、状態量としてのモータ位置θＭを微分して算出したモータ速度ωＭとモータトルク指令τＭとを用いて負荷とモータの相対速度の推定値ωＴ＾と、負荷とモータの相対変位の推定値θＴ＾を推定する。制振制御器１０’は、相対速度の推定値ωＴ＾についてはゲインｋωＴの制御器を通し、相対変位の推定値θＴ＾についてはゲインｋθＴの制御器を通したうえで両者を加算器１１’で加算して加算器１０３’に与える。この構成も、状態ＦＢ速度制御装置と呼ぶことができる。
【００３９】
いずれにしても、本実施形態では、図１のように状態量を直接計測するか、あるいは図２のように状態オブザーバ１２を用いて推定値を得るなどして、モータ速度（ωＭ）のほか、モータと負荷の相対速度（ωＴ）、モータと負荷の相対変位（θＴ）、あるいはそれらの推定値を得て、フィードバック制御を行う。
【００４０】
本実施形態では、上記の信号、つまりモータ速度（ωＭ）、相対速度（ωＴ）、相対変位（θＴ）、相対速度の推定値（ωＴ＾）、相対変位の推定値（θＴ＾）に対して乗じるＦＢゲインｋωＭ、ｋθＴ、ｋωＴを上記式（１）の様に決定する。
【００４１】
ここで、上記式（１）中のωＳは感度関数（感度特性）のカットオフ周波数、ωＣＳは相補感度特性（相補感度関数）のカットオフ周波数、ｋｄは振動減衰特性の調整パラメータを表しており、制御特性を調整するパラメータである。また、ωａ（＝√ＫＧ／ＪＬ）は１次の共振特性の内の反共振周波数を表している。なお、感度関数のカットオフ周波数というのは、感度関数の利得が０ｄＢ以下または−３ｄＢ以下となる低周波領域側の周波数を示し、相補感度関数のカットオフ周波数というのは、相補感度関数の利得が０ｄＢ以下または−３ｄＢ以下となる高周波領域側の周波数を示す。
【００４２】
これまでは、ｋωＭ、ｋωＴ、ｋθＴは、単にゲインとして決めるという考えしかなく、これらのゲインを決定した後、出力を見て、再度、ゲイン調整を行なうという考え方しかなかった。
【００４３】
これに対し、本実施形態では、ゲインｋωＭ、ｋωＴ、ｋθＴを式（１）に基づいて感度特性のカットオフ周波数ωＳ、相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳで決定できるようにしている。これを以下に説明する。
【００４４】
図１、図２に示されるようなフィードバックを施すと、上記式（２）で表される機械装置の速度制御系の特性方程式Ｃは以下の数３で表すことができる。
【００４５】
【数３】
【００４６】
また、モータの速度指令と実際のモータ速度との偏差をモータ速度偏差とすると、モータ速度指令からモータ速度偏差までの伝達特性Ｓは、感度特性と呼ばれ、以下の数４で表される。
【００４７】
【数４】
【００４８】
一方、モータの速度指令から実際のモータ速度までの伝達特性Ｔは、相補感度特性と呼ばれ、以下の数５で表される。
【００４９】
【数５】
【００５０】
上記式から、感度特性Ｓは、分子多項式のｓのゼロ次項が無いことから、低周波領域では周波数に比例してゲインが低下する。その時のゲイン曲線は周波数ωに対してω／ωＳに漸近する。
【００５１】
一方、相補感度特性Ｔは、分子多項式のｓ３の項が無いことから、分母多項式と分子多項式のｓの次数差が１となっており、高周波領域では周波数に反比例してゲインが低下する。その時のゲイン曲線は周波数ωに対してωＣＳ／ωに漸近する。
【００５２】
上記の様子を図３（ａ）に示す。図３（ａ）では、ゲイン特性をラプラス演算子ｓを用いて表しており、感度特性Ｓの低域特性がｓ／ωＳに、相補感度特性Ｔの高域特性がωＣＳ／ｓに、それぞれ漸近している様子が見て取れる。これをボード線図で示すと、図３（ｂ）のようになる。
【００５３】
ところで、図１、図２に示すような制御装置の閉ループ制御系を簡略化して示すと、図６のようになる。そして、このような閉ループ制御系における感度特性Ｓ、相補感度特性Ｔについて考えると以下のようになる。
【００５４】
感度特性Ｓ＝Ｅ／Ｒ＝１／（１＋ＣＰ）
相補感度特性Ｔ＝Ｙ／Ｅ＝ＣＰ／（１＋ＣＰ）
【００５５】
ここで、感度特性Ｓ＝Ｅ／Ｒなので図３（ｂ）のボード線図において感度特性Ｓのゲインが低いところの周波数領域（ωＳ＞ω）では、誤差のゲインが低いので応答性が良い。一方、相補感度特性Ｔ＝Ｙ／Ｅなので、図３（ｂ）のボード線図において相補感度特性Ｔのゲインが低いところの周波数領域（ωＴ＜ω）では、ノイズ感度が低く、ノイズ特性、安定性が向上する。
【００５６】
以上の様に、式（１）の様なゲインの設定方法を採用することによって、応答性と安定性を独立させた制御特性の設計を容易に実現することが出来る。
【００５７】
本実施形態による状態ＦＢ速度制御装置では、感度関数や、相補感度関数を設定するわけではなく、低周波領域で感度特性Ｓに漸近する関数ｓ／ωＳを設定し、高周波領域で相補感度特性Ｔに漸近する関数ωＣＳ／ｓを設定するようにしている。よって、制御装置に入力する数値はカットオフ周波数ωＳとωＣＳだけでよく、入力すると、制御系の感度特性ＳがωＳ＞ωの領域でｓ／ωＳに漸近し、相補感度特性ＴがωＣＳ＜ωの領域でωＣＳ／ｓに漸近するような制御装置が設計される。
【００５８】
なお、相補感度特性Ｔのカットオフ周波数ωＣＳと感度特性Ｓのカットオフ周波数ωＳの比率を固定的に設定することによって、調整パラメータをどちらか一方のみにし、調整を容易にすることも可能である。この場合、ωＣＳ／ωＳ＝１．５〜６程度が望ましい。
【００５９】
同時に、式（１）に見られるように、ゲインｋωＴによって、応答性と安定性とは独立させて、振動の減衰特性を調整することが可能となる。式（１）における第３式の振動減衰特性の調整パラメータｋｄは、ねじり角速度のフィードバックゲインを決定するパラメータ、言い換えればねじり振動の減衰を調整するパラメータと考えることができ、概ね±６の範囲で調整することで良好な応答を得ることが可能である。
【００６０】
また、一般的に積分補償により定常偏差を補償したりするが、速度ループ積分補償ゲインの調整は感度特性のカットオフ周波数ωｓの１／３以下程度の帯域に設定すれば、その他の特性との大きな干渉を起こさずに容易に導入することが可能である。同様に、上記では速度制御系の設計方法を説明しているが、その外部ループとして位置制御系を構成する場合も、位置ループゲインを感度特性のカットオフ周波数ωｓの１／３以下程度の帯域に設定すれば、その他の特性との大きな干渉を起こさずに容易に導入することが可能である。
【００６１】
なお、上記実施形態とは別の構成として、モータ速度の比例補償のみを施した場合には、感度特性はω／［ｋωＭ／（ＪＬ＋ＪＭ）］、相補感度特性は（ｋωＭ／ＪＭ）／ωにそれぞれ漸近する。よって、感度特性を変化させると同時に相補感度特性も変化してしまい、特に負荷のイナーシャＪＬがモータのイナーシャＪＭに対して非常に大きい場合（例えば、１０倍以上）には、感度特性と相補感度特性の漸近する周波数特性が大きく離れてしまい、応答性の向上と安定余裕の確保の両立が困難になる。
【００６２】
次に、ＦＦ制御器２０の設計（調整）方法を説明する。
【００６３】
本実施形態では、前述したように、ＦＦ制御器２０にはモデル追従制御手法を用いる。
【００６４】
モデル追従制御手法では、最終的に制御したい負荷の先端部などに対して与える運動特性をモデル特性として設定する。このモデル特性は、１次遅れや高次遅れであったり、遅れ特性に対して積分補償をしたものであったりする。そして、制御対象の制御入力であるモータトルクからフィードバックする各状態量に対する伝達特性の逆特性とモデル特性とを掛け合わせたものを各状態量への動作指令として入力すると同時に、この運動に見合うモータトルクを入力する。この様な指令入力を行うことにより、各状態量を所望の運動状態であるモデル特性に追従させることが可能となる。
【００６５】
ここで、多慣性共振系のもっとも簡単な制御系の一つである、モータ速度のＰＩ（比例積分）制御の外部ループに位置のＰ（比例）制御を行う場合（Ｐ−ＰＩ制御系）の構成を考える。
【００６６】
この時、モデル追従制御系を構成するには、前述したように、ＦＦ制御器においてモータ位置指令θＭＲ、モータ速度指令ωＭＲ、モータトルクτＦＦをそれぞれ算出する。この時の各入力の算出式は下記の数６のようになる。
【００６７】
【数６】
【００６８】
ここで、前述したように、θＬＲは負荷位置指令であり負荷の動作に対する指令値であるものとする。また、Ｍはモデル特性、ＰＬ２τは負荷位置θＬからモータ位置θＭまでの伝達特性、ＰＬ２Ｍは負荷位置θＬからモータトルクτＭまでの伝達特性の逆関数であり、それぞれ下記の数７で表される。
【００６９】
【数７】
【００７０】
上記のような状態フィードバックを施している場合、フィードバックしている各状態量に対しても動作指令が必要となる。しかし、これに対して各々の動作指令を生成する演算を行うと、演算量が非常に増加する為、好ましくない。これに対して、上記式（６）における伝達特性ＰＬ２τを、上記のＰ−ＰＩ制御系に対して付加しているフィードバック量のみに着目して変形すると以下の数８となる。
【００７１】
【数８】
【００７２】
よって、上記式（６）で表されていたＰ−ＰＩ制御系に対するモデル追従制御系の各入力の内、モータトルクのみを以下の数９で表されるトルクτ’ＦＦに変更するだけで、上記のような状態フィードバックに対応したモデル追従制御系の入力を得ることが可能となる。
【００７３】
【数９】
【００７４】
式（７）の第２式と式（８）は同じ次数の伝達方程式であるので、式（６）の第３式と式（９）のモータトルク入力の伝達特性も同じ次数の伝達方程式となる。よって、上記の様にモデル追従制御系の各入力を算出することにより、演算量の増加は全く生じずに上記状態フィードバックに対応したＦＦ制御器２０を得ることが出来る。
【００７５】
以上説明した２つの実施形態による、多慣性共振系の１次共振特性を対象にした制御装置の設計方法を用いることにより、以下の効果が得られる。
【００７６】
１．状態フィードバックを用いる制御系の調整を、感度特性のカットオフ周波数ωＳ、相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳ、振動減衰特性の調整パラメータｋｄの各調整パラメータによって行うことにより、感度特性、相補感度特性、減衰性という制御上重要な特性を互いに干渉せずに調整することが可能となる。
【００７７】
２．ωＣＳ／ωＳを固定とすることにより、調整パラメータを更に減じ、容易に調整を行うことが可能となる。
【００７８】
３．上記の様な速度制御系は、速度ループ積分補償、位置制御ループを容易に追加することが可能であり、高性能な速度サーボ制御、位置サーボ制御を容易に実現し、且つ、容易に調整することが可能である。
【００７９】
４．上記の様な、速度又は位置制御系に対して、モデル追従制御手法によるＦＦ制御器を調整する場合、本実施形態によるモータトルク入力演算式を用いることで、演算量を増加させずに適切なモータトルク入力を算出することが可能となる。
【００８０】
５．上記の様な、ＦＢ制御器、ＦＦ制御器の設計（調整）方法は、制御器の調整則と制御対象の特性同定部が独立しているセルフチューニング制御手法によるオートチューニングに用いることが可能であり、オートチューニングによる調整と、ユーザによる微調整などの介入を容易に両立することが可能である。
【００８１】
６．上記の様な、ＦＢ制御器、ＦＦ制御器の設計（調整）方法は、制御に用いるフィードバック信号を全て実際に計測する場合にも適用可能であり、例えばモータ速度の様に式（２）の状態量の可観測性が得られるだけの計測量から状態観測器によって得た信号をフィードバックする場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、本発明による制御装置の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明による制御装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態における感度特性、相補感度特性を周波数とゲインとの関係で示すと共に、各特性と漸近線との関係を説明するための図である。
【図４】図４は、モデル追従制御法によるＦＦ制御器と、位置Ｐ（比例）速度ＰＩ（比例積分）制御器とを組み合せた制御装置の一般的な構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、２慣性共振系の制御対象を１次の共振特性のみで近似した運動特性のブロック線図を示す。
【図６】図６は、図１、図２に示すような制御装置の閉ループ制御系を簡略化して示した図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０、１０’ 制振制御器
１１、１１’、１０３、１０３’ 加算器
１２ 状態オブザーバ
２０ ＦＦ制御器
１００ 制御対象としてのプラント
１０１、１０２ 演算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むモータ制御装置において、
更に、前記状態量に応じて振動を抑制する制振制御手段を備え、
前記第１の制御手段の第１のゲイン、前記制振制御手段の第２のゲインを、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳを調整パラメータとして決定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記閉ループ制御系の感度特性がωＳ＞ωの低周波領域でｓ／ωＳに漸近し、閉ループ制御系の相補感度特性がωＣＳ＜ωの高周波領域でωＣＳ／ｓに漸近するように調整される（但し、ｓはラプラス演算子）ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記制振制御手段のもう一つの第３のゲインを、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄで決定することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記第１〜第３のゲインをそれぞれ、ｋωＭ、ｋθＴ、ｋωＴとした場合、これら第１〜第３のゲインは以下数１、
【数１】
（但し、ＪＭはモータのロータ部のイナーシャ、ＪＬは負荷のイナーシャ、ωａは１次の共振特性の反共振周波数）
で表されることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記制振制御手段は、
負荷位置とモータ位置との差を負荷とモータの相対変位として演算する演算手段と、
前記相対変位から負荷とモータの相対速度を算出する手段と、
前記相対変位が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、
前記相対速度が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記制振制御手段は、
モータ位置からモータ速度を算出する手段と、
算出されたモータ速度と前記モータトルク指令とを用いて負荷とモータの相対変位の推定値と、負荷とモータの相対速度の推定値を求める状態オブザーバと、
前記相対変位の推定値が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、
前記相対速度の推定値が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記カットオフ周波数ωＳと前記カットオフ周波数ωＣＳの比率を固定値として設定し、前記カットオフ周波数ωＳ、前記カットオフ周波数ωＣＳの一方を調整パラメータとして用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記制御指令値と前記制御対象からフィードバックされる状態量との差を演算する演算手段の前段に、フィードフォワード制御器を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項９】
モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むモータ制御装置の設計方法において、
閉ループ制御系の感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第１のステップと、
閉ループ制御系の相補感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第２のステップを有することを特徴とするモータ制御装置の設計方法。
【請求項１０】
前記第１のステップでは前記閉ループ制御系の感度特性がωＳ＞ωの低周波領域でｓ／ωＳに漸近し、前記第２のステップでは閉ループ制御系の相補感度特性がωＣＳ＜ωの高周波領域でωＣＳ／ｓに漸近するように設定される（但し、ｓはラプラス演算子）ことを特徴とする請求項９に記載のモータ制御装置の設計方法。
【請求項１１】
更に、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄを設定する第３のステップを有することを特徴とする請求項９又は１０に記載のモータ制御装置の設計方法。
【請求項１２】
前記カットオフ周波数ωＳと前記カットオフ周波数ωＣＳの比率を固定値として設定し、前記カットオフ周波数ωＳ、前記カットオフ周波数ωＣＳの一方を調整パラメータとして設定を行なうことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のモータ制御装置の設計方法。
【請求項１】
モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むモータ制御装置において、
更に、前記状態量に応じて振動を抑制する制振制御手段を備え、
前記第１の制御手段の第１のゲイン、前記制振制御手段の第２のゲインを、閉ループ制御系の感度特性のカットオフ周波数ωＳ、閉ループ制御系の相補感度特性のカットオフ周波数ωＣＳを調整パラメータとして決定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記閉ループ制御系の感度特性がωＳ＞ωの低周波領域でｓ／ωＳに漸近し、閉ループ制御系の相補感度特性がωＣＳ＜ωの高周波領域でωＣＳ／ｓに漸近するように調整される（但し、ｓはラプラス演算子）ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記制振制御手段のもう一つの第３のゲインを、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄで決定することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記第１〜第３のゲインをそれぞれ、ｋωＭ、ｋθＴ、ｋωＴとした場合、これら第１〜第３のゲインは以下数１、
【数１】
（但し、ＪＭはモータのロータ部のイナーシャ、ＪＬは負荷のイナーシャ、ωａは１次の共振特性の反共振周波数）
で表されることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記制振制御手段は、
負荷位置とモータ位置との差を負荷とモータの相対変位として演算する演算手段と、
前記相対変位から負荷とモータの相対速度を算出する手段と、
前記相対変位が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、
前記相対速度が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記制振制御手段は、
モータ位置からモータ速度を算出する手段と、
算出されたモータ速度と前記モータトルク指令とを用いて負荷とモータの相対変位の推定値と、負荷とモータの相対速度の推定値を求める状態オブザーバと、
前記相対変位の推定値が入力され前記第２のゲインｋθＴをゲインとする第２の制御手段と、
前記相対速度の推定値が入力され前記第３のゲインｋωＴをゲインとする第３の制御手段とを含むことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記カットオフ周波数ωＳと前記カットオフ周波数ωＣＳの比率を固定値として設定し、前記カットオフ周波数ωＳ、前記カットオフ周波数ωＣＳの一方を調整パラメータとして用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記制御指令値と前記制御対象からフィードバックされる状態量との差を演算する演算手段の前段に、フィードフォワード制御器を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項９】
モータと負荷及びこれらを結合する結合部とを含む多慣性共振系を制御対象とし、制御指令値と制御対象からフィードバックされる状態量との差に基づいてモータを制御する閉ループ制御系を備え、該閉ループ制御系はモータ速度指令からモータトルク指令を決定する第１の制御手段を含むモータ制御装置の設計方法において、
閉ループ制御系の感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第１のステップと、
閉ループ制御系の相補感度特性の利得が０ｄＢ以下になる周波数領域を設定する第２のステップを有することを特徴とするモータ制御装置の設計方法。
【請求項１０】
前記第１のステップでは前記閉ループ制御系の感度特性がωＳ＞ωの低周波領域でｓ／ωＳに漸近し、前記第２のステップでは閉ループ制御系の相補感度特性がωＣＳ＜ωの高周波領域でωＣＳ／ｓに漸近するように設定される（但し、ｓはラプラス演算子）ことを特徴とする請求項９に記載のモータ制御装置の設計方法。
【請求項１１】
更に、前記多慣性共振系の振動減衰特性の調整パラメータｋｄを設定する第３のステップを有することを特徴とする請求項９又は１０に記載のモータ制御装置の設計方法。
【請求項１２】
前記カットオフ周波数ωＳと前記カットオフ周波数ωＣＳの比率を固定値として設定し、前記カットオフ周波数ωＳ、前記カットオフ周波数ωＣＳの一方を調整パラメータとして設定を行なうことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のモータ制御装置の設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１３６５０４（Ｐ２０１０−１３６５０４Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０８７７７（Ｐ２００８−３０８７７７）
【出願日】平成２０年１２月３日（２００８．１２．３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月３日（２００８．１２．３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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