JP6277428B2

JP6277428B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP6277428B2
Application number: JP2015511097A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　健一; 健一鈴木; 西園　勝; 勝西園; 弘藤原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2034-04-03
Also published as: EP2985907A4; JPWO2014167808A1; CN105191116B; EP2985907A1; KR20150139519A; KR102183548B1; EP2985907B1; CN105191116A; WO2014167808A1

Description

本発明は、サーボモータを制御駆動するモータ駆動装置に関し、特に、粘性摩擦補償の機能を備えたモータ駆動装置に関する。

サーボモータの制御において、モータや負荷の動作に伴い発生する摩擦トルクを適切に補償することは、位置決め整定時間の短縮や軌跡追従精度の向上に対し、重要な役割を持つ。この摩擦トルクのうち、偏荷重や動摩擦トルクなど一定値を持つものについては、フィードバック制御系の積分項で補償できる。しかし、粘性摩擦はモータ速度に比例して変化するため積分補償が間に合わず、位置決め整定時にはオーバーシュートの発生、軌跡制御時には追従精度の悪化を引き起こす。

この粘性摩擦トルクに対する補償手法としては、例えば特許文献１で提案されている。この補償手法は、モータ速度と粘性摩擦トルクの比である粘性摩擦係数を推定する手段を備える。そして、この補償手法は、実際のモータ速度に粘性摩擦係数推定値を乗じた結果の粘性摩擦トルク補償値を、トルク指令に加算するように構成している。また、特許文献２では、摩擦係数推定値に基づき速度積分項フィードフォワードゲインを決定し、これにモデル速度を乗じた結果を積分補償手段の入力から減算することで、摩擦補償を実現している。

しかしながら、特許文献１の技術では、実際のモータ速度を基準としているため、速度の符号に応じて粘性補償トルク推定値の符号が反転する速度零近傍で制御が不安定となりやすい。また、特許文献２の技術では、フィードフォワード処理が生成すべきトルク指令が、等価的に減少することとなる。トルク指令は、位置指令へ追従するために必要であるが、このように等価的に減少するため、位置決め整定時間が長くなり、軌跡追従精度も悪化する。

さらに、いずれの従来例でも粘性摩擦係数の推定値を使用しているが、制御目的によってはこの推定値が最適値とは限らない。例えば、位置決め制御を目的とする場合、この推定値をそのまま使用しても、位置決め整定時間は最短とはならない。この課題に対して従来の技術は、なんら解決の手段を提供してはいない。

特開平７−３３３０８４号公報国際公開第２００６／０１１２０３号

本発明のモータ駆動装置は、位置指令と位置情報とを入力され、前記位置指令と前記位置情報とから位置偏差を導出し前記位置偏差を含む評価指標を出力する評価指標測定部と、前記位置偏差の範囲と測定回数とを前記評価指標測定部に設定し、前記測定回数ごとに粘性摩擦係数を変更して前記粘性摩擦係数ごとの評価指標を取得し、前記位置指令が停止してから生じる前記位置偏差のオーバーシュート量が前記範囲内に収まる前記粘性摩擦係数を決定するサーボ調整部とを備える。

本発明のモータ駆動装置によれば、このような構成としているため、モータ速度を用いた従来の粘性摩擦補償よりも遅れが少なく、外乱の影響を受けない安定した補償が可能となる。さらに、位置決め制御において、粘性摩擦推定値をそのまま適用する場合にくらべて、整定時間を短縮することができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における粘性摩擦算出部の構成例を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態２におけるモータ駆動装置のブロック図である。図３は、本発明の実施の形態２における評価指標測定部の概念を示す図である。図４は、本発明の実施の形態２におけるサーボ調整部が実行する粘性摩擦の補償処理のフローチャートである。図５は、本発明の実施の形態２における位置決め整定時波形の図である。図６は、本発明の実施の形態２における位置決め整定時波形（縦軸を拡大）の図である。図７は、本発明の実施の形態２における位置決め整定時波形（さらに縦軸を拡大）の図である。図８は、本発明の実施の形態３におけるサーボ調整部のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置１２を含むブロック図である。

図１Ａに示すように、上位コントローラ１１で位置を指令するために生成された位置指令Ｐｒｃは、モータ駆動装置１２に入力される。モータ駆動装置１２は、位置指令Ｐｒｃに応じて駆動信号Ｄｄを生成し、駆動信号Ｄｄによってモータ１３を駆動する。これにより、モータ１３の可動部の位置が制御される。エンコーダ１４は、このように制御された可動部の位置を検出し、モータ位置情報Ｐｄとしてモータ駆動装置１２に通知する。

また、モータ駆動装置１２において、指令応答フィルタ部２１は、入力された位置指令Ｐｒｃを平滑化し、フィルタ後の位置指令であるフィルタ後位置指令Ｐｒｆを出力する。この平滑化は、高周波数帯域を減衰させる一次遅れフィルタや２次フィルタ、あるいは移動平均フィルタなどを用いて実現している。なお、位置指令Ｐｒｃの差分に対して指令応答フィルタ処理を行い、必要に応じて積和処理で位置の次元に戻すような構成としてもよい。このような構成とすることで、計算量を低減できる。

フィルタ後位置指令Ｐｒｆは、エンコーダ１４からのモータ位置情報Ｐｄと比較され、これらの差である位置偏差ｄＰをもとにフィードバック制御部２２でトルク指令Ｔｒが生成される。このフィードバック制御部２２は、ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御に代表されるさまざまな制御構成が考えられる。また、位置偏差ｄＰだけでなく、位置指令Ｐｒｃまたはモータ位置情報Ｐｄ、およびその微分である速度・加速度の情報に基づいて、位置・速度のカスケードループ構成や、指令応答と外乱応答を個別に設定する２自由度構成など、さまざまなバリエーションが存在する。しかし、いずれも目的として、フィードバック制御部２２が、位置偏差を０に近づけるようなトルク指令Ｔｒを生成する、という点で共通しており、モータ駆動装置１２は、実動作が指令に追従するようにフィードバック制御しながらモータを駆動している。なお、エンコーダ１４からのモータ位置情報Ｐｄの代わりに、モータ１３に接続した負荷の位置を検出する図示しない外部スケールを備えたフルクローズ構成としてもよい。これにより、外部スケールと位置指令との差である位置偏差をより高精度に計算できる。

次に、粘性摩擦算出部２３は、入力のフィルタ後位置指令Ｐｒｆを用いて、粘性摩擦トルク補償値ｔｗを生成し、出力する。図１Ｂは、粘性摩擦算出部２３の構成例を示すブロック図である。図１Ｂに示すように、粘性摩擦算出部２３は、速度指令算出部２３１によって、まず、位置指令Ｐｒｆの時間的な差分を算出することで、位置指令Ｐｒｆを速度指令Ｓｒに変換している。すなわち、速度指令算出部２３１は、位置指令Ｐｒｆに対する微分などにより、位置指令Ｐｒｆの時間的な変化量から速度指令Ｓｒを算出している。その後、乗算器２３２によって、速度指令Ｓｒに対し、別途手段で推定した粘性摩擦係数Ｋｗを乗じることで、粘性摩擦トルク補償値ｔｗを生成し、出力する。なお、速度指令算出部２３１は粘性摩擦算出部２３に備えてもよいが、前述のように、指令応答フィルタ部２１を差分で計算した場合はこの差分が利用でき、速度指令算出部２３１を省くことができる。

本実施の形態では、粘性摩擦トルク補償値ｔｗは、実際のモータ速度ではなく、指令のための速度指令Ｓｒに基づき生成される。しかも、指令応答フィルタ部２１の出力である位置指令Ｐｒｆを用いて、粘性摩擦トルク補償値ｔｗを生成している。このように、本実施の形態では、平滑化された速度指令Ｓｒを用いているため、外乱トルクや負荷の共振特性で乱されるモータ速度と比べて、粘性摩擦トルク補償値ｔｗが安定する。なお、速度指令Ｓｒに対して不感帯を設ける、さらに粘性摩擦算出部２３でフィルタ処理を施して平滑化するなどで、さらなる安定化を図ることもできる。

最後に、粘性摩擦トルク補償値ｔｗをトルク指令Ｔｒに加算して駆動信号Ｄｄとしている。上述したように、粘性摩擦はモータ速度に比例して変化する。このような粘性摩擦に対し、本実施の形態では、速度指令Ｓｒに基づく粘性摩擦トルク補償値ｔｗを駆動信号Ｄｄに含ませた構成とすることで、実際のモータ１３および接続される負荷に存在する粘性摩擦トルク分を補償している。このような補償の機能を設けることで、モータ速度を用いた粘性摩擦補償と比較して遅れが少なく、外乱の影響を受けない安定した補償が可能となる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるモータ駆動装置３２を含むブロック図である。

図２において、図１Ａと同じ構成要素については同じ符号を付しており詳細な説明は省略する。図２に示す実施の形態２のモータ駆動装置３２は、図１Ａの構成に加えて、さらに、評価指標測定部２４と、サーボ調整部１５とを備えている。

評価指標測定部２４は、位置指令Ｐｒｃおよびモータ位置情報Ｐｄを入力として評価指標を出力する。

また、サーボ調整部１５は、粘性摩擦算出部２３の粘性摩擦係数Ｋｗを変更し、位置決め動作を行うたびに評価指標測定部２４から得られる評価指標を取得して、粘性摩擦係数Ｋｗの最適値を決定する。

図３は、本実施の形態における評価指標測定部２４の概念を示す図である。

評価指標測定部２４は、サーボ調整部１５から、オーバーシュート量および位置決め整定時間の２つの評価指標を測定するのに必要な制御信号Ｃｎｔと測定閾値Ｔｈとを受け取る。評価指標の定義や計算方法は多岐にわたるが、ここでは下記で定義する。

位置決め整定時間は、上位コントローラ１１からの位置指令Ｐｒｃが停止したあと、位置指令Ｐｒｆとモータ位置情報Ｐｄとの差である位置偏差ｄＰが、サーボ調整部１５から与えられる位置決め完了範囲以内となるまでの時間として測定している。位置決め完了範囲に一旦入ったあと、範囲から外れてしまう場合には、最後に位置決め完了範囲に入るまでの時間を位置決め整定時間と定義する。

また、オーバーシュート量は、位置偏差ｄＰの最大・最小のうち、位置指令Ｐｒｃの方向と逆向きのものを選び、その絶対値で定義する。したがって、この定義ではオーバーシュート量は必ず０以上の値となる。また、複数のオーバーシュートが発生している場合は、最も絶対値の大きなピークがオーバーシュート量となる。

図４は、本実施の形態におけるサーボ調整部１５が実行する粘性摩擦の補償処理のフローチャートである。

サーボ調整部１５は、ステップ１で粘性摩擦算出部２３に粘性摩擦係数Ｋｗの初期値を設定する。その後、ステップ２で位置決め動作を実行する。位置決め動作が終わると、ステップ３で評価指標測定部２４がオーバーシュート量を算出する。ステップ４では必要な試行回数だけ位置決め動作が行われたかを判定する。必要な試行回数だけ位置決め動作が行われていない（ＮＯ）の場合は、ステップ４−１で粘性摩擦係数Ｋｗを変更してステップ２に戻る。ステップ４で、必要な試行回数だけ位置決め動作が行われた（ＹＥＳ）の場合は、ステップ５に移行する。そして、サーボ調整部１５は、ステップ５において、各試行におけるオーバーシュート量を指定値と比較し、粘性摩擦係数Ｋｗをオーバーシュート量が指定値以下で最も近い値であった試行時のものに決定する。

このように、本実施の形態では、サーボ調整部１５は、オーバーシュート量が指定値以下で最も近い値であった試行時のものとなるような粘性摩擦係数Ｋｗの最適値を決定する。そして、サーボ調整部１５は、このように決定した最適な粘性摩擦係数Ｋｗを粘性摩擦算出部２３に設定する。

図５から図７は、本実施の形態における位置決め整定時波形を示す波形図である。

この例では、最高速度３０００［回転／分］＝５０［回転／ｓ］の速度指令を、時定数が２［ｍｓ］の指令応答フィルタ部２１で平滑化し、さらに、フィードバック制御部２２において、速度応答周波数５０［Ｈｚ］で代表される位置比例・速度比例積分制御にフィードフォワード制御を併用した構成による制御結果を示している。図５と図６では粘性摩擦算出部２３の粘性摩擦係数Ｋｗは０とし、粘性摩擦補償が無効の場合の波形を表している。

図５では、位置指令Ｐｒｃの差分から計算した速度指令Ｓｒ［回転／ｓ］を実線で、モータ位置情報Ｐｄの差分から計算したモータ速度Ｓｄ［回転／ｓ］を破線で表している。モータ速度Ｓｄは、指令応答フィルタ部２１により平滑化されたフィルタ後速度指令Ｐｒｆに従うため、遅延が生じている。これら速度指令Ｓｒとモータ速度Ｓｄの差を積分したものが位置偏差ｄＰ［回転］となる。

図６は、この位置偏差ｄＰ［回転］が見やすいように、図５の縦軸を拡大したものである。位置偏差ｄＰは速度指令Ｓｒとほぼ比例して発生している。また、実機に存在する粘性摩擦トルクにより、位置決め整定時にモータ速度Ｓｄがオーバーシュートしていることが分かる。これにより、この図ではまだ分かりにくいが、位置偏差ｄＰにもオーバーシュートが発生している。

図７は、図６よりさらに縦軸を拡大するとともに、横軸の時間軸を、０．１０５［ｓ］の位置指令停止時点ｔｓから、位置偏差ｄＰが位置決め完了範囲内に入るまでの挙動を見やすいよう拡大した。また、モータ速度Ｓｄは省略するとともに、粘性摩擦算出部２３の粘性摩擦係数Ｋｗを０から変化させたときの位置偏差波形を重ねがきした。サーボ調整部１５から与えられる位置決め完了範囲は１／１０００［回転］とし、図７ではちょうど１目盛りに相当する。

図６までと同じ粘性摩擦補償が無効時の波形は、一番下の粘性摩擦係数Ｋｗ＝０の波形（点線）である。この設定では、図６に示すように、位置偏差ｄＰが正の値から一旦位置決め完了範囲に入るが、負方向にオーバーシュートして位置決め完了範囲を外れてしまう。そのため、位置決め整定時間は、再び位置決め完了範囲に入るＡ点の時点となり、３８ｍｓと非常に長い時間がかかっている。

粘性摩擦係数Ｋｗ＝５（点線）と大きくすると、オーバーシュート量が小さくなり、位置決め整定時間も短くなる。

粘性摩擦係数Ｋｗ＝８（実線）にて、初めてオーバーシュート量が位置決め完了範囲未満となる。このとき、位置偏差ｄＰが負側では位置決め完了範囲を越えなくなるため、位置決め整定時間は正方向のＢ点に移動し、位置決め整定時間が４ｍｓと急激に短くなる。

粘性摩擦係数Ｋｗ＝１０（破線）は、制御対象の粘性摩擦係数推定値に最も近い値だが、このときの位置決め整定時間はＣ点で６ｍｓとなり、Ｋｗ＝８にくらべて２ｍｓほど遅くなる。さらに、粘性摩擦係数Ｋｗを１２、１５、２０（すべて破線）と大きくしていくと、位置決め整定時間は再び遅くなってしまう。

以上の知見より、図４のステップ５におけるオーバーシュート量の指定値を、位置決め完了範囲とすることで、位置決め動作における整定時間を最短にできることが分かる。実際の運用においては、位置指令の動作パターンや位置決め完了範囲がさまざまに異なり、粘性摩擦係数の最適値も異なったものとなる。これを探索することで、各動作に最適な設定値を見つけることができる。

なお、位置決め動作において、オーバーシュート量が位置決め完了範囲を越えるのは通常望ましくないため、これを考慮するなら上記指定値にマージンを持たせるのがよい。また、同じ粘性摩擦係数による位置決め動作を複数回実行して、オーバーシュート量の平均値をとって測定ばらつきの影響を抑えるのもよい。さらに、オーバーシュート量の最大値をとって、ばらつきを考慮したマージンの代用とするのもよい。

ステップ１における粘性摩擦係数Ｋｗの初期値の選択には、粘性摩擦を推定する各種アルゴリズムの推定結果を使用するのがよい。例えば、モータ速度とトルク指令を入力とする最小二乗法を用いれば、粘性摩擦係数は容易に推定できる。また、動作波形を観測することで、加速開始時点から加速終了時点までのトルク指令変化をモータ速度変化で除することでも、粘性摩擦係数の推定は可能である。

ステップ２の位置決め動作実行は、本実施の形態では上位コントローラ１１より与えられる位置指令Ｐｒｃで行われるが、位置指令生成部を内蔵するモータ駆動装置１２であれば、これを自ら作り出したほうが、位置決め動作や評価指標測定の制御を行いやすいことはいうまでもない。

ステップ４−１における粘性摩擦係数の変更では、上記の例によるように、推定値Ｋｗ＝１０を中心に０から推定値の２倍の２０までを振るといった方法のほかにも、最初から一定の刻み値で粘性摩擦係数を０から変えていく、あるいは２分探索を用いて粘性摩擦係数を探索するなど、さまざまな探索方法が考えられる。

（実施の形態３）
図８は実施の形態３におけるサーボ調整部１５が実行する粘性摩擦の補償処理のフローチャートである。

ステップ１、２、４、４−１については図４と同じだが、本実施の形態では、ステップ３で評価指標測定部２４は位置決め整定時間を測定する。また、試行回数実行後に、ステップ５では位置決め整定時間が最小となる粘性摩擦係数Ｋｗを出力する。

このように、本実施の形態では、サーボ調整部１５は、位置決め整定時間が最小となるような粘性摩擦係数Ｋｗの最適値を決定する。そして、サーボ調整部１５は、このように決定した最適な粘性摩擦係数Ｋｗを粘性摩擦算出部２３に設定する。

この方法でも、図７の位置決め整定時間の変化とあわせてみると分かるように、実施の形態２と同じ粘性摩擦係数Ｋｗ＝８が選択される。この方法の利点は、低周波数域の共振点が存在する場合などで位置偏差が振動的となり、オーバーシュート量が位置決め完了範囲内に収まらない場合でも、位置決め整定時間を基準とした最適値を算出できることにある。したがって、実施の形態２の方法と併用するのもよい。

以上、本発明のモータ駆動装置は、平滑化された速度指令を用いた粘性摩擦補償を行うことで、モータ速度を用いた粘性摩擦補償より遅れが少なく、外乱の影響を受けない安定した補償が可能となる。また、位置決め制御においては、粘性摩擦推定値をそのまま適用する場合にくらべて、整定時間を短縮することができる。

なお、本発明で述べたサーボ調整部１５は、各実施の形態でモータ駆動装置の内部に設けた一例を挙げて説明したが、すべての機能をモータ駆動装置の外部に設けてもなんら発明の効果を妨げるものではない。

本発明のモータ駆動装置は、サーボモータの制御において、適切な粘性摩擦補償ができるため、サーボモータを制御するモータ駆動装置として有用である。

１１上位コントローラ
１２，３２モータ駆動装置
１３モータ
１４エンコーダ
１５サーボ調整部
２１指令応答フィルタ部
２２フィードバック制御部
２３粘性摩擦算出部
２４評価指標測定部

Claims

位置指令と位置情報とを入力され、前記位置指令と前記位置情報とから位置偏差を導出し前記位置偏差を含む評価指標を出力する評価指標測定部と、
前記位置偏差の範囲と測定回数とを前記評価指標測定部に設定し、前記測定回数ごとに粘性摩擦係数を変更して前記粘性摩擦係数ごとの前記評価指標を取得し、前記位置指令が停止してから生じる前記位置偏差のオーバーシュート量が前記範囲内に収まる前記粘性摩擦係数を決定するサーボ調整部と、
を備えるモータ駆動装置。
前記粘性摩擦係数は、前記測定回数ごとに測定された前記粘性摩擦係数のなかから決定される、請求項１記載のモータ駆動装置。
前記評価指標測定部は、前記範囲と前記位置偏差とから整定時間を導出し、前記評価指標に前記整定時間をさらに含めて出力し、
前記粘性摩擦係数は、前記測定回数ごとに測定された前記粘性摩擦係数のなかから前記整定時間が短い前記粘性摩擦係数に決定される、
請求項２記載のモータ駆動装置。