JP4300384B2 - 位置決めサーボコントローラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の位置決めを行う位置決めサーボコントローラ、特に、モータの位置決めを行う位置決めサーボコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の位置決めサーボコントローラの構成を示す制御ブロック線図である。図５に示すように、従来の位置決めサーボコントローラは、位置制御器１と、速度制御器２と、トルクアンプ３と、モータ４と、微分器５とから構成されている。この位置決めサーボコントローラは、イナーシャがＪ［Ｎ・ｍ・ｓ²］であるモータ４の位置θ［ｒａｄ］を制御するものである。
【０００３】
モータ４にはエンコーダ（不図示）が備え付けれており、エンコーダによってモータ４の位置θが検出できるようになっている。上位装置（不図示）から発せられる位置指令θ_rとモータ４の位置θとの位置偏差は、位置制御器１に入力される。位置制御器１は、位置ループゲインＫ_p［１／ｓ］によって、その偏差をＫ_p倍した値を、モータ４への速度指令ω_r［ｒａｄ／ｓ］として出力する比例制御器である。微分器５は、モータ４の位置θ［ｒａｄ］を微分してモータ４の速度ω［ｒａｄ／ｓ］を出力する。速度制御器２は、速度指令ω_r［ｒａｄ／ｓ］とモータ４の速度ω［ｒａｄ／ｓ］との速度偏差を入力し、速度ループゲインＫ_v［１／ｓ］によってその偏差をＫ_v倍した値をモータ４へのトルク指令Ｔ_ref［Ｎ・ｍ］として出力する比例制御器である。トルクアンプ３は、トルク指令Ｔ_refを入力してトルクＴ_rを発生させてモータ４を駆動する。つまり、この位置決めサーボコントローラは、位置指令θ_rにモータ４の位置θを追従させるためのものであり、モータ４の位置θは、位置指令θ_rに対する位置応答である。
【０００４】
このような従来の位置決めサーボコントローラには、フィードバックされたモータ４の位置応答θを元に位置決め制御を行うフィードバック制御方式が用いられている。上述のように、位置決めサーボコントローラは、通常、位置ループ処理の中に、マイナーループとして速度ループ処理を有している。
【０００５】
しかし、このようなフィードバック制御方式の位置決めサーボコントローラでは、位置ループゲインＫ_p、速度ループゲインＫ_vの値は有限の値であり上限値を有している。そのため、モータ４の位置応答θは、位置指令θ_rとは完全には一致せず、いわゆるサーボ遅れが発生する。
【０００６】
図６は、従来の位置決めサーボコントローラの動作を示すグラフである。図６（ａ）には、位置指令θ_rと位置応答θとが示され、図６（ｂ）には、位置指令θ_rおよび位置応答θの微分ｄθ_r／ｄｔ、ｄθ／ｄｔが示されている。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ｄθ_r／ｄｔは、モータ４が一定の加速度で加速して速度が定常速度Ｖ［ｒａｄ／ｓ］に達し、所定の時間だけ定常速度Ｖで移動した後、一定の加速度で減速するような指令となっている。このような場合には、位置偏差は最大でＶ／Ｋｐ［ｒａｄ］となり、ｄθ_r／ｄｔの値が０になってから位置応答θが実際に位置指令θ_rの値に達するまでの時間は、１／Ｋ_p［ｓ］に比例して長くなる。
【０００７】
なお、図６では、加減速時間＝０．１［ｓ］、定常速度Ｖ＝１００［ｒａｄ／ｓ］、所定の時間＝０．２［ｓ］、位置ループゲインＫ_p＝２５［１／ｓ］、速度ループゲインＫ_v＝２００［１／ｓ］、イナーシャＪ＝１［Ｎ・ｍ・ｓ²］の場合の指令θ_r、ｄθ_r／ｄｔおよび応答θ、ｄθ／ｄｔの変動の様子が示されている。図６では、定常偏差は、Ｖ／Ｋ_p＝１００／２５＝４［ｒａｄ］となり、ｄθ_r／ｄｔが０になってから位置応答θの値が実際に位置指令θ_rの値に達するまでの時間は０．１［ｓ］となっている。
【０００８】
このような位置決めサーボコントローラでは、上述のサーボ遅れを解消するために、フィードバック制御方式とともにフィードフォワード制御方式が用いられることがある。図７は、フィードバック制御方式とともにフィードフォワード制御方式を用いた位置決めサーボコントローラの構成を示す制御ブロック線図である。この位置決めサーボコントローラでは、図２の位置決めサーボコントローラの構成要素の他に、フィードフォワード制御器６、７を備えている。フィードフォワード制御器６は位置指令θ_rを入力して位置指令θ_rを微分し、その微分値を第１のフィードフォワードゲインＫ_ff1［１／ｓ］によりＫ_ff1倍した値を出力する。この値は、位置制御器１から出力される速度指令ω_r［１／ｓ］に加算される第１のフィードフォワード制御量である。
【０００９】
このようにすることによって、図７の位置決めサーボコントローラでは、位置指令θ_rから直接生成されたサーボ遅れ要素を含まない速度指令に基づいて速度ループ処理が行われるので、フィードバック制御のみのときよりも、サーボ遅れを解消することができる。また、フィードフォワード制御器７はフィードフォワード制御器６から出力された第１のフィードフォワード補償量を入力して微分し、その微分を第２のフィードフォワードゲインＫ_ff2によってＫ_ff2倍した値を第２のフィードフォワード補償量として出力する。この第２のフィードフォワード補償量は、速度制御器２から出力された値に加算され、その加算された値がトルク指令Ｔｒとしてトルクアンプ３に入力される。このようにすることによって、トルクアンプ３は、サーボ遅れ要素を含まないトルク指令Ｔｒに基づいてモータ４を駆動することができる。
【００１０】
上述のように、図７の位置決めサーボコントローラでは、速度フィードフォワード制御とトルクフィードフォワード制御とを行うことによって、フィードバック制御によって発生するサーボ遅れを補償することができる。
【００１１】
図８は、図７の位置決めサーボコントローラの各ブロックを簡略化した制御ブロック線図である。図８に示すように、この位置決めサーボコントローラの制御性能は、フィードフォワードゲインＫ_ff1、Ｋ_ff2の値で決まる。したがって、図７の位置決めサーボコントローラでは、フィードフォワードゲインＫ_ff1、Ｋ_ff2を最適な値に設定し、サーボ遅れができるだけ少なくなるような状態でモータ４の制御が行われている。
【００１２】
なお、フィードフォワードゲインＫ_ff1＝１とすると、この位置決めサーボコントローラの制御ブロック線図は、図９のようになる。さらに、フィードフォワードゲインＫ_ff2＝Ｊとすると、位置指令θ_rから位置応答θまでの伝達関数Ｇの値は１となり、理想的には、位置指令θ_rと位置応答θとの間に遅れはなくなり、位置決めサーボコントローラのサーボ遅れは０となる。
【００１３】
しかし、実際には、制御対象であるモータ４のイナーシャＪ等の物理量は完全に把握されてない場合が多く、フィードフォワードゲインＫ_ff1、Ｋ_ff2の値を最適な値に設定するのは困難である。このような場合では、モータ４の位置決めを行うときに、オーバシュートやアンダーシュートなどの現象が発生する。例えば、Ｋ_ff2＝Ｊとすれば、位置決めサーボコントローラのサーボ遅れは０となるが、Ｊの値が未知である場合には、フィードフォワードゲインＫ_ff2の値をＪの値に設定することができないので、応答にオーバシュートやアンダーシュートが発生する。図１０は、フィードフォワードゲインＫ_ff2の値が最適に設定されていない場合の位置決めサーボコントローラ位置応答θの微分である速度応答ｄθ／ｄｔの変動の様子が示されている。なお、図１０では、Ｋ_ff2＝０．５＝Ｊ／２としている。そして、図１０（ａ）のＡの部分を拡大したものが図１０（ｂ）である。
【００１４】
図１０（ｂ）に示すように、速度応答ｄθ／ｄｔには、オーバーシュートが発生している。このようなオーバシュートを無くすためには、フィードフォワードゲインＫ_ff1の値を下げたり、フィードフォワード制御器７の出力にフィルタを設けたりするなどの対策をとっていたが、従来の位置決めサーボコントローラでは、そのような対策によって再びサーボ遅れが生じてしまうという問題があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の位置決めサーボコントローラでは、制御に影響を与えるモータの物理量が未知である場合には、フィードフォワードゲイン等の制御パラメータの値を最適な値に設定することができないため、制御応答にオーバシュートやアンダーシュートが発生し、良好な制御応答を得られないという問題があった。
【００１６】
本発明は、モータの物理量が未知であっても、良好な制御応答が得られる位置決めサーボコントローラを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の位置決めサーボコントローラは、
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
前記位置指令を微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅することによって得られる第１のフィードフォワード補償量を前記位置制御手段から出力された値に加算した値を速度指令とする速度フィードフォワード制御手段と、
前記速度指令と前記制御対象の速度との速度偏差を速度ループゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
前記第１のフィードフォワード補償量を微分した値を第２のフィードフォワードゲインにより増幅して得られる第２のフィードフォワード補償量を前記速度制御手段から出力された値に加算した値を加速度指令とする加速度フィードフォワード手段と、
前記加速度指令と前記制御対象の加速度との加速度偏差を加速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する加速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルクアンプと、
を備え、
前記第２のフィードフォワードゲインが１に設定されている。
本発明の他の位置決めサーボコントローラは、
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
前記位置指令を微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅することによって得られる第１のフィードフォワード補償量を前記位置制御手段から出力された値に加算した値を速度指令とする速度フィードフォワード制御手段と、
前記速度指令と前記制御対象の速度との速度偏差を速度ループゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
前記第１のフィードフォワード補償量を微分した値を第２のフィードフォワードゲインにより増幅して得られる第２のフィードフォワード補償量を前記速度制御手段から出力された値に加算した値を加速度指令とする加速度フィードフォワード手段と、
前記加速度指令と前記制御対象の加速度との加速度偏差を加速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する加速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルクアンプと、
を備え、
前記制御対象のイナーシャの値が既知の場合は、前記第２のフィードフォワードゲインが前記イナーシャの値および前記加速度ループゲインに基づいて設定される。
【００１８】
本発明の位置決めサーボコントローラでは、加速度指令と制御対象の加速度との加速度偏差を加速度ループゲインによって増幅した値をトルク指令として出力する加速度制御手段を備えることによって、位置指令を入力とし位置応答を出力とする伝達関数の係数の中に含まれる制御対象の物理量が未知であっても、その係数の中で加速度ループゲインの値がその制御対象の物理量の分母となり、加速度ループゲインの値を適当な値に設定することによって位置応答に対する制御対象の物理量の値の影響を無視することができるようになるため、加速度ループゲインを適当な値に設定することによって良好な制御応答を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態の位置決めサーボコントローラについて図面を参照して詳細に説明する。全図において、同一の符号がつけられている構成要素は、すべて同一のものを示す。
【００２０】
図１は、本実施形態の位置決めサーボコントローラの構成を示す制御ブロック線図である。本実施形態の位置決めサーボコントローラは、加速度制御器８と、微分器９を備えている点が図７の従来の位置決めサーボコントローラと異なっている。微分器９は、モータ４の位置応答θを２階微分してモータ４の加速度を出力する。加速度制御器８は、速度制御器２から出力された値とフィードフォワード制御器７から出力された値とが加算された値と、微分器９から出力されたモータ４の加速度との加速度偏差を入力して、加速度ループゲインＫ_aによって加速度偏差をＫ_a倍した値をトルク指令Ｔ_rとしてトルクアンプ３に出力する比例制御器である。
【００２１】
図１の制御ブロック線図を簡略化したものを図２に示す。図２の制御ブロック線図をさらに簡略化するために、フィードフォワードゲインＫ_ff1＝１とすると、図２の制御ブロック線図は、図３の制御ブロック線図のように簡略化される。図３の制御ブロック線図と、図９の制御ブロック線図とを比較した場合、Ｓ²の項の係数は、図９の制御ブロック線図では、Ｊであるのに対して、図３の制御ブロック線図では、１＋Ｊ／Ｋ_aとなっている。伝達関数Ｇの中で加速度ループゲインＫ_aの値がモータ４のイナーシャＪの分母となっているため、加速度ループゲインＫ_aの値が大きくなればなるほどＪ／Ｋ_aは０に近づく。つまり、イナーシャＪの値が明確でないときでも、加速度ループゲインＫ_aの値を適当な値に設定することによって、位置応答θに対するイナーシャＪの影響を少なくすることができる。また、図３の制御ブロック線図ではフィードフォワードゲインＫ_ff2＝１とすれば、位置指令θ_rと位置応答θとの間の伝達関数Ｇをほぼ１にすることができ、位置応答θの位置指令θ_rに対する遅れを解消することができる。
【００２２】
図４は、Ｋ_p＝２５［１／ｓ］、Ｋ_v＝２００［１／ｓ］、Ｋ_a＝１０、Ｋ_ff1＝１［１／ｓ］、Ｋ_ff2＝１［１／ｓ］としたときの本実施形態の位置決めサーボコントローラの動作を示すグラフである。
【００２３】
図４には、位置指令θ_rおよび位置応答θの微分ｄθ／ｄｔ、ｄθ／ｄｔの変動の様子が示されている。図４のｄθ_r／ｄｔは、図１０のｄθ_r／ｄｔと同じ波形となっている。また、図４では、加減速時間、定常速度、所定の時間、位置ループゲインＫ_p、速度ループゲインＫ_v、イナーシャＪの値も図１０での値と同じであるとし、加速度ループゲインＫ_a＝１０、フィードフォワードゲインＫ_ff1＝１、Ｋ_ff2＝１としている。図４（ａ）のＢの部分を拡大した図４（ｂ）と、図１０（ｂ）と比較した場合、速度応答ｄθ／ｄｔのオーバシュート量が減っているのがわかる。
【００２４】
以上述べたように、本実施形態の位置決めサーボコントローラでは、加速度指令とモータ４の加速度との加速度偏差を加速度ループゲインＫ_aによって増幅した値をトルク指令として出力する加速度制御器８を備える。こうすることによって、本実施形態の位置決めサーボコントローラでは、位置指令θ_rを入力とし位置応答θを出力とする伝達関数Ｇの係数の中に含まれるモータ４のイナーシャＪが未知であっても、伝達関数Ｇの中で加速度ループゲインＫ_aがその係数中におけるモータ４のイナーシャＪの分母となるため、加速度ループゲインＫ_aの値が適当な値に設定されることによってモータ４のイナーシャＪの位置応答θに対する影響を無視することができるようになる。そのため、本実施形態の位置決めサーボコントローラでは、良好な制御応答を得ることができる。
【００２５】
また、本実施形態の位置決めサーボコントローラでは、モータ４のイナーシャＪの値が変化しても、加速度ループゲインＫ_aの値が適当な値に設定されることによって、モータ４のイナーシャＪの位置応答θに対する影響を無視することができるようになるため、良好な制御応答を得ることができる。
【００２６】
また、本実施形態の位置決めサーボコントローラでは、イナーシャＪの値が明確であるときには、Ｋ_ff2＝１＋Ｊ／Ｋ_aとすることによって、伝達関数Ｇ＝１とすることもできる。したがって、本実施形態の位置決めサーボコントローラは、イナーシャＪの値が明確であるかないかに関わらず、モータ４を最適に位置決めすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の位置決めサーボコントローラでは、加速度指令とモータの実際の加速度との加速度偏差を加速度ループゲインによって増幅した値をトルク指令として出力する加速度制御器を備えることによって、位置指令を入力とし位置応答を出力とする伝達関数の係数の中に含まれるモータのイナーシャが未知であっても、伝達関数の中で加速度ループゲインの値がそのモータのイナーシャの分母となる。したがって、加速度ループゲインの値が適当な値に設定されることによってモータのイナーシャの位置応答に対する影響を無視することができるようになる。そのため、本発明の位置決めサーボコントローラでは、良好な制御応答を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の位置決めサーボコントローラの構成を示す制御ブロック線図である。
【図２】図１の制御ブロック線図を簡略化した制御ブロック線図である。
【図３】図２の制御ブロック線図を簡略化した制御ブロック線図である。
【図４】本発明の一実施形態の位置決めサーボコントローラの動作を示すグラフである。
【図５】従来の位置決めサーボコントローラの構成を示す制御ブロック線図である。
【図６】従来の位置決めサーボコントローラの動作を示すグラフである。
【図７】フィードバック制御方式とともにフィードフォワード制御方式を用いた位置決めサーボコントローラの構成を示す制御ブロック線図である。
【図８】図７の制御ブロック線図を簡略化した制御ブロック線図である。
【図９】図８の制御ブロック線図を簡略化した制御ブロック線図である。
【図１０】従来の位置決めサーボコントローラの動作を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 位置制御器
２ 速度制御器
３ トルクアンプ
４ モータ
５、９ 微分器
６、７ フィードフォワード制御器
８ 加速度制御器

Claims (2)

1. 上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
   前記位置指令を微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅することによって得られる第１のフィードフォワード補償量を前記位置制御手段から出力された値に加算した値を速度指令とする速度フィードフォワード制御手段と、
   前記速度指令と前記制御対象の速度との速度偏差を速度ループゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
   前記第１のフィードフォワード補償量を微分した値を第２のフィードフォワードゲインにより増幅して得られる第２のフィードフォワード補償量を前記速度制御手段から出力された値に加算した値を加速度指令とする加速度フィードフォワード手段と、
   前記加速度指令と前記制御対象の加速度との加速度偏差を加速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する加速度制御手段と、
   前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルクアンプと、
   を備え、
   前記第２のフィードフォワードゲインが１に設定されている、
   ことを特徴とする位置決めサーボコントローラ。
2. 上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
   前記位置指令を微分した値を第１のフィードフォワードゲインにより増幅することによって得られる第１のフィードフォワード補償量を前記位置制御手段から出力された値に加算した値を速度指令とする速度フィードフォワード制御手段と、
   前記速度指令と前記制御対象の速度との速度偏差を速度ループゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
   前記第１のフィードフォワード補償量を微分した値を第２のフィードフォワードゲインにより増幅して得られる第２のフィードフォワード補償量を前記速度制御手段から出力された値に加算した値を加速度指令とする加速度フィードフォワード手段と、
   前記加速度指令と前記制御対象の加速度との加速度偏差を加速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する加速度制御手段と、
   前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルクアンプと、
   を備え、
   前記制御対象のイナーシャの値が既知の場合は、前記第２のフィードフォワードゲインが前記イナーシャの値および前記加速度ループゲインに基づいて設定される、
   ことを特徴とする位置決めサーボコントローラ。

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