JP7346920B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦を有する負荷をモータによって駆動する場合に、モータの回転方向が反転する際の負荷トルクの摩擦補償を行う技術に関する。

負荷をモータによって駆動する場合、モータの出力トルクと負荷トルクとの差によって負荷の速度が変化する。モータが出力するトルクは、モータの制御装置がトルク指令に応じた電流をモータに通電して得ることができ、上記トルク指令は、制御装置内の速度制御部により、モータの速度実際値が速度指令に追従するように生成される。
負荷トルクが定常的である場合には、モータの速度制御をＰＩ（比例・積分）制御にするなど、速度制御部に積分項を持たせる方法により、負荷トルクを前記積分項により相殺して良好な速度制御を行うことができる。

負荷トルクが定常的である場合には上記のような方法が有効であるが、負荷の摩擦トルクを無視できない場合、モータの回転方向を反転させようとすると、回転方向を反転した時点で摩擦トルクの符号が反転し、負荷トルクが急変する。この場合、ＰＩ制御等による速度制御だけでは、負荷トルクの急変に対応したトルクをモータが速やかに出力することができず、一時的に大きな速度偏差や位置偏差が発生する。

上記の問題の解決策として、例えば、図１２に示すように速度の符号に応じて極性を反転させた摩擦補償トルクや、図１３に示すように速度に対する変化率を設定した摩擦補償トルクを速度制御部の出力に重畳してトルク指令を生成する方法が従来から知られている。
例えば、特許文献１には、上記図１２に示した補償原理に基づくクーロン摩擦の補償方法が開示されている。すなわち、図１５の上段に示すように、モータ及び負荷からなる制御対象９０のクーロン摩擦トルクとは逆極性のクーロン摩擦補償トルク８２を制御装置８０により生成し、図１５の下段に示す如く上記クーロン摩擦補償トルク８２を速度制御部８１からのトルク指令に加算して制御対象９０に与えることにより、制御対象９０に発生するクーロン摩擦トルクを相殺して方向反転時における速度偏差や位置偏差を抑制している。

なお、クーロン摩擦補償及び粘性摩擦補償を目的としたモータ制御装置として、特許文献２に係る従来技術も知られている。
図１６は、このモータ制御装置のブロック図である。同図において、モデル位置制御部１０１、モデル速度制御部１０２、メカモデル１０３を備えたモデル演算部１００は、位置制御部３０１、速度制御部３０２、制御対象３０３を有するフィードバック制御部３００の応答を同一の位置指令に基づいて模擬し、摩擦補償部２００は、モデル演算部１００の出力信号が入力されるクーロン摩擦補償部２０１及び粘性摩擦補償部２０２により演算したクーロン摩擦及び粘性摩擦の合成補償トルクを一次遅れフィルタ２０３に入力し、平滑化して得た摩擦補償トルクをフィードバック制御部３００内のトルク指令に加算している。

特許第３４６３３５５号公報（段落［００２３］，［００２４］、図５，図６等） 特開２００６－１２１８０６号公報（段落［００１２］，［００１４］、図１等）

モータの回転方向を反転させる際の負荷トルクは、実際には、図１４に示すようにモータ速度（回転方向）を反転した時点から遅れ時間Δｔをもって符号が変化する。
このため、図１２や特許文献１のようにモータ速度に対する符号関数のみによって摩擦補償を行うと、一時的に過補償となってモータ速度に乱れが生じる。また、図１３のように、ゼロ速度近傍における補償トルクの急変部分に傾きを与えれば上述した過補償を回避することができるが、この場合には方向反転時点の前後の補償トルクが不十分になる時間を生じ、これによって速度偏差や位置偏差を十分に抑制できないという問題がある。

なお、図１６に示した特許文献２では、合成補償トルクを単に平滑化して摩擦補償トルクを得るために一次遅れフィルタ２０３を用いており、その時定数の与え方などについては特に言及されていない。

そこで、本発明の解決課題は、モータの回転方向反転時における負荷トルクの挙動を考慮しつつ所定の時定数が設定されたローパスフィルタの演算を介して最適な摩擦補償トルクを生成し、この摩擦補償トルクをモータに対するトルク指令に重畳することにより、速度偏差や位置偏差を抑制可能としたモータ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、摩擦を有する負荷を駆動するモータの速度または位置を制御するモータ制御装置において、
モータ速度相当値がモータ速度指令に追従するようにトルク指令を生成する速度制御部と、
モータ速度指令またはモータ速度相当値が入力される符号関数の出力に補償トルク設定値を乗じた値を、モータの回転方向反転時における負荷トルクの変化の遅れと同程度の時定数を有する低域通過フィルタに入力し、その出力を摩擦補償トルクとする摩擦補償部と、
を備え、
前記速度制御部から出力されるトルク指令に前記摩擦補償トルクを加算した値を最終的なトルク指令として前記モータに与え、
前記モータのゼロ速度近傍を除外して、前記モータ及び前記負荷を含む制御対象の負荷トルクをモータ速度相当値に対する関数として近似した近似関数における、モータ速度相当値を正からゼロに近付けた時の関数値を、前記補償トルク設定値の上限値とし、モータ速度相当値を負からゼロに近付けた時の関数値を、前記補償トルク設定値の下限値とすることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したモータ制御装置において、前記負荷を駆動したときのモータ速度相当値及び負荷トルクの回転方向反転前後を含む時系列データに基づいて、前記モータ速度相当値の時系列データを前記摩擦補償部に入力したときの前記摩擦補償部の出力と、前記負荷トルクから速度比例項を減算した値との偏差が最小となるように、前記低域通過フィルタの時定数を設定することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載したモータ制御装置において、所定の加速度で前記モータの回転方向を反転した際の速度偏差または位置偏差から無負荷の場合に原理的に生じる偏差を減じた値の絶対値のピーク値が最小となるように、前記低域通過フィルタの時定数を設定することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、ローパスフィルタの時定数を適切に設定することにより、モータの回転方向の反転タイミングに対して遅れをもって摩擦補償トルクが与えられるため、前記反転タイミングに対して遅れて発生する負荷トルクの急変を相殺することができ、負荷の摩擦に起因する速度偏差や位置偏差を適切に抑制することが可能である。
また、請求項２に係る発明によれば、摩擦補償が一時的に過補償となるのを回避することができる。
請求項３または４に係る発明によれば、モータの回転方向の反転タイミングに対する摩擦補償の遅れを最適化し、負荷の摩擦に起因する速度偏差や位置偏差を適切に抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。 モータの回転方向反転前後における負荷トルクを示す図である。 負荷トルクを速度の関数として近似した近似関数を示す図である。 ＬＰＦの時定数を設定する第１の方法の説明図である。 ＬＰＦの時定数を設定する第２の方法の説明図である。 実験例において、摩擦補償なしの場合の回転方向反転前後の位置偏差を示す図である。 実験例において、ＬＰＦなしで摩擦補償を与えた場合の回転方向反転前後の位置偏差を示す図である。 実験例において、本発明によりＬＰＦの時定数を設定して摩擦補償を与えた場合の回転方向反転前後の位置偏差を示す図である。 摩擦補償を行う従来の補償トルクの説明図である。 摩擦補償を行う従来の補償トルクの説明図である。 摩擦を有する負荷を駆動した場合の、モータの回転方向反転時におけるモータ速度及び負荷トルクの説明図である。 特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。 特許文献２に記載された従来技術を示すブロック図である。

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実施形態に係るモータ制御装置の主要部を示すブロック図である。
図１において、モータ速度指令は速度制御部２０と摩擦補償部１０内の符号関数１１とに入力されている。速度制御部２０では、制御対象３０のモータ速度がモータ速度指令に追従するようにトルク指令を生成して出力する。ここで、図１におけるモータ速度としては、モータの速度検出値または速度推定値等のモータ速度相当値を用いることができる。

摩擦補償部１０内の符号関数１１は、前述した図１２のように、モータ速度の符号に応じて極性を反転させた補償トルクを生成する手段である。符号関数１１の出力である補償トルクには乗算手段１２により補償トルク設定値が乗算され、乗算手段１２の出力に対しては、所定の時定数設定値が与えられたローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという）１３による演算が施されて摩擦補償トルクが生成される。
そして、ＬＰＦ１３から出力された摩擦補償トルクは加算手段２５により速度制御部２０からのトルク指令に加算され、その加算値が最終的なトルク指令として制御対象３０を構成するモータに与えられる。

前記乗算手段１２に与えられる補償トルク設定値は、モータのゼロ速度近傍を除外して制御対象３０の負荷トルクをモータ速度に対する関数として近似した近似式（以下、近似関数という）において、モータ速度を正，負から減少させていってゼロに近付けた時の上記近似関数の値を制限値とすると良い。
具体的には、トルク指令に基づいて求められるトルク、または計測したトルクから、制御対象３０の全慣性モーメントに加速度を乗じて得られる加速トルクを減算して負荷トルクを求め、モータのゼロ速度近傍を除いて前記負荷トルクをモータ速度に対する関数として近似した近似関数を求める。この近似関数は、モータ速度がゼロの時に不連続となる関数で良い。

上記の近似関数を用いてモータ速度を正，負から減少させていってゼロに近付けた時の近似関数の出力を、補償トルク設定値の制限値（上限値，下限値）とする。
すなわち、図５に示すようなモータ速度と負荷トルクとの関係が得られたら、破線ａで示すゼロ速度近傍の負荷トルク急変部分を除外し、負荷トルクをモータ速度に対する関数として近似した近似関数を求める。そして、図６の矢印ｂ，ｃに示すように、モータ速度を正，負から減少させてゼロに近付けた時の近似関数の値を補償トルク設定値の制限値（上限値，下限値）とする。
上記の制限値内で図１の乗算手段１２に補償トルク設定値を与えると共に、ＬＰＦ１３の時定数をモータの回転方向反転時における負荷トルクの変化の遅れと同程度の値に調整して摩擦補償トルクが変化するタイミングを適切に調整すれば、回転方向反転時に一時的に過補償となるおそれもなく、摩擦トルクを適切に補償することができる。

ここで、ＬＰＦ１３の時定数を設定する第１の方法は、以下の通りである。
すなわち、モータにより負荷を駆動した状態でモータ速度（回転方向）の反転前後を含むモータ速度及び負荷トルクの時系列データに基づいて、負荷トルクから速度比例項（図６において傾きを有する部分）を減算した時系列データを得る（この時系列データを、負荷トルク’として図７の実線ｄにより示す）。
一方、モータ速度の時系列データを摩擦補償部１０に入力して前記近似関数の出力の時系列データを生成し（この時系列データを、図７の破線ｅにより示す）、この破線ｅと実線ｄ（負荷トルク’）との差の大きさ（例えば、差の二乗の時間積分値や差の絶対値の時間積分値）が最小となるように、ＬＰＦ１３の時定数を設定する。
上記の演算はモータ制御装置の内部に実装しても良いし、モータ速度及び負荷トルクの時系列データをＰＣ等の外部装置に出力してその外部装置にて演算しても良い。ここで、時系列データとして用いるモータ速度は、速度指令、速度検出値、速度推定値の何れでも良い。

上述した第１の方法によってＬＰＦ１３の時定数を設定すれば、モータの回転方向反転時に発生する負荷トルクの急変に対して大きさもタイミングも近い形で摩擦補償トルクが与えられるため、回転方向反転時の摩擦に起因した速度偏差や位置偏差を適切に制御することができる。

次に、ＬＰＦ時定数を設定する第２の方法について説明する。
第２の方法では、前記近似関数を用いて補償トルク設定値を求めた上で、所定の加速度でモータの回転方向を反転した際のモータの速度偏差または位置偏差の絶対値のピーク値が最小となるように、ＬＰＦ１３の時定数を設定する。

例えば、位置制御を行う場合には、モータの回転方向反転時に図８の実線ｆに示すような位置偏差が発生するため、この実線ｆの値から、破線ｇで示す値（モータが無負荷であっても原理的に生じる位置偏差）を減算した値の絶対値のピーク値が最小となるように、ＬＰＦ１３の時定数を設定する。
この場合、方向反転前後の速度偏差や位置偏差の時系列データをＰＣ等の外部装置に出力して外部装置が上記ピーク値を求め、その結果に基づいて外部装置からモータ制御装置に時定数の変更を指示しても良いし、モータ制御装置内で上記ピーク値を求めて外部装置に送信し、外部装置が当該ピーク値に基づいてモータ制御装置に時定数の変更を指示しても良い。あるいは、モータ制御装置内で上記ピーク値を求め、その結果に基づいてＬＰＦ１３の時定数を自動調整するアルゴリズムをモータ制御装置に実装しても良い。

次に、本発明の第２実施形態を図２に示す。この第２実施形態が第１実施形態（図１）と異なるのは、摩擦補償部１０への入力を図１のモータ速度指令からモータ速度相当値（速度検出値または速度推定値）に変更した点にある。
なお、図２及び後述の図３，図４では、図１と同一部分に同一の番号を付してあり、摩擦補償部１０の動作は何れも基本的に同一である。

次いで、本発明の第３実施形態を図３に示す。この第３実施形態が第１実施形態（図１）と異なるのは、第１実施形態１と同様の摩擦補償を位置制御に適用した点にある。図３において、４０はモータ速度を積分してモータ位置（モータの回転子位置）を求める積分手段、５０はモータ位置がモータ位置指令に追従するようにＰ（比例）制御等を行ってモータ速度指令を生成する位置制御部である。

更に、本発明の第４実施形態を図４に示す。この第４実施形態が第３実施形態と異なるのは、第２実施形態と同様の主旨に基づき、摩擦補償部１０への入力を図３のモータ速度指令からモータ速度相当値に変更した点にある。

本発明の効果を確認するための実験例を、以下に示す。
この実験では、モータの慣性モーメントを含む制御対象の全慣性モーメントを約０．０００１［ｋｇｍ^２］とし、摩擦トルクが約０．０３５［Ｎｍ］である負荷を、図３に示した第３実施形態による位置制御を行いつつ駆動している。なお、位置制御は位置偏差×位置制御ゲインを速度指令とするＰ（比例）制御、速度制御は、速度偏差を入力とするＰＩ（比例積分）制御とした。

図９～図１１は、以下の条件でモータの回転方向反転前後の位置偏差を計測した場合の実験結果を示している。ただし、無負荷であっても原理的に生じる位置偏差は除いている。また、縦軸の位置偏差はモータ１回転を２^２０とする数値によって表している。

図９は摩擦補償を行わずに速度制御部から出力されるトルク指令をそのままモータに与えた場合であり、比較的大きな位置偏差が発生している。また、図１０は、摩擦トルクに相当する大きさの摩擦補償トルクを、ＬＰＦによる演算を行わずに速度制御部からのトルク指令に加算した場合の実験結果である。この場合、摩擦補償タイミングが早過ぎたため、図９の摩擦補償なしの場合とは反対側に大きな位置偏差が発生している。

これに対し、図１１は、本発明により、図１０と同じ大きさの補償トルクを所定の時定数のＬＰＦに与えて演算した摩擦補償トルクを速度制御部からのトルク指令に加算した場合の実験結果であり、図９や図１０のような大きい位置偏差は発生していない。すなわち、補償トルク設定値及びＬＰＦの時定数を適切に設定した本発明によれば、位置偏差を良好に抑制可能であることが確認された。

本発明は、摩擦を有する負荷をモータにより駆動して速度または位置を制御するサーボシステム等、様々な装置やシステムとして利用することができる。

１０：摩擦補償部
１１：符号関数
１２：乗算手段
１３：ローパスフィルタ
２０：速度制御部
２５：加算手段
３０：制御対象
４０：積分手段
５０：位置制御部

Claims (3)

1. 摩擦を有する負荷を駆動するモータの速度または位置を制御するモータ制御装置において、
   モータ速度相当値がモータ速度指令に追従するようにトルク指令を生成する速度制御部と、
   モータ速度指令またはモータ速度相当値が入力される符号関数の出力に補償トルク設定値を乗じた値を、モータの回転方向反転時における負荷トルクの変化の遅れと同程度の時定数を有する低域通過フィルタに入力し、その出力を摩擦補償トルクとする摩擦補償部と、
   を備え、
   前記速度制御部から出力されるトルク指令に前記摩擦補償トルクを加算した値を最終的なトルク指令として前記モータに与え、
   前記モータのゼロ速度近傍を除外して、前記モータ及び前記負荷を含む制御対象の負荷トルクをモータ速度相当値に対する関数として近似した近似関数における、モータ速度相当値を正からゼロに近付けた時の関数値を、前記補償トルク設定値の上限値とし、モータ速度相当値を負からゼロに近付けた時の関数値を、前記補償トルク設定値の下限値とする、モータ制御装置。
2. 前記負荷を駆動したときのモータ速度相当値及び負荷トルクの回転方向反転前後を含む時系列データに基づいて、モータ速度指令またはモータ速度相当値の時系列データを前記摩擦補償部に入力したときの前記摩擦補償部の出力と、前記負荷トルクから速度比例項を減算した値との偏差が最小となるように、前記低域通過フィルタの時定数を設定する、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 所定の加速度で前記モータの回転方向を反転した際の速度偏差または位置偏差から無負荷の場合に原理的に生じる偏差を減じた値の絶対値のピーク値が最小となるように、前記低域通過フィルタの時定数を設定する、請求項１に記載のモータ制御装置。

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