JPH01227675A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、モータの制御装置に関する。

［従来の技術］ 一般に、モータのトルクをＴ、慣性モーメントをＪ、粘
性摩擦係数（機械抵抗）をＤ、回転角をθとすると、ブ
ロック線図は第４図のようになり、回転角とトルクの関
係は と表わされる。

モータのような機械系では、トルクＴは（ｒは入力） で与えられるから、 （Ｊ　ｓ２　＋Ｄｓ）θ＝Ａ　ｒ＋Ｂ　ｓθと書くこと
ができる。これをブロック線図で示すと第５図のように
なり、入力ｒから出力θまでの伝達関数Ｇ　（ｓ）は となる。慣性モーメント及び機械抵抗が変化しない機械
系（それらの変化が無視できる場合を含む）では、Ａ＝
Ｊ、Ｂ＝Ｄであるから、 となる。

従って、このような機械系では、制御対象の伝讐関数Ｇ
（ｓ）　ｌｔ　１／　ｓ　２と考えてよいことになる。

よって以後、伝達関数Ｇ　（ｓ）を１／Ｓ２とする。

従来、モータの回転位置制御としてはフィードバック制
御が知られている。しかし、単なるフィードバック制御
では、モータの指令値に対する偏差が検出されてからそ
の偏差を小さくするように制御するものであるから、応
答性が悪く、高応答が要求される用途には使用できない
という欠点があった。また、機械系の制御においては外
乱がつきものであるから、外乱に強い制御手段が望まれ
る。

上記のような欠点を改良するものとして、例えば第７図
に示すように、位置指令Ｕと位置出力θの偏差ｅを比例
及び積分（ＰＩ）制御器４に通して得た出力と、位置出
力θを比例及び微分（ＦＤ）制御器５に通して得た出力
との偏差を制御対象３への入力ｒとするＰＩ−ＰＤ制御
が知られている。

ここで、ＰＩ制御器４及びＦＤ制御器５の伝達関数Ｇ２
　（Ｓ）及びＧ３　（Ｓ）は、それぞれ次式で表わされ
る。

Ｇ２　（Ｓ）　＝に１　、（１−Ｑ）　＋−，−Ｇ３　
（ｓ）　＝に１　α＋に３　ｓ　　”但し、αはＯくα
≦１の範囲で任意に定められる数値、Ｋ１は比例ゲイン
、Ｋ２は積分ゲイン、Ｋ３は微分ゲインである。

また、実開昭５ｏ−Ｌ’ｔａ３ｅｏａ号公報に示されて
いるようなフィードフォワード制御を行うことも提案さ
れている。これは、第゛６図に示すように、位置指令Ｕ
と位置出力θの偏差ｅを比例、積分及び微分（Ｐ　Ｉ　
Ｄ）制御器゛１に通して得た耐力と；位置指令Ｕをフィ
ードフォワード器２に通して得た出力との和を制御対象
３への入力ｒとするものである。ここで、ＰＩＤＩＤ制
御器体達関数Ｇｚ　（ｓ）は次式で表わされる。

但し、Ｋ１は比例ゲイン、Ｋ２は積分ゲイン、Ｋ３は微
分ゲインである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のＰＩ−ＦＤ制御（第７図）にあっ
ては、外乱には強いが、連応性に劣るという欠点がある
。また、従来のＰＩＤ制御にフィードフォワード制御を
付加した制御装置゛（第６図）にあっては、一般に速応
硅′□：′＆ヨ□は優れて′いるが、外乱に弱いという
欠点がある。

そこで、第８図に示すように従来のＰ　Ｉ−ＦＤ制御の
外乱に強いループにフィードフォワード要素ｓ２を加え
る、ことが考えられるが、この制御系では、定加速度の
入力指令に対して、一定の遅れを生ずるという問題点が
あった。　　　　　　、本発明は、上述のような問題点
を解、決し、入力指令に対して位置出力が遅れなく追従
するモータ制御装置であって、外乱に対して強いモータ
制御装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、慣性モーメント及び機械抵抗が一定とみなせ
る制御対象機器に与える位置指令と前記制御対象機器の
位置出力との偏差を比例積分制御器に通して得た出力か
ら、前記位置出力を比例微分制御器に通して得た出力を
差しφ１くと共に、前記位置指令をフィードフォワード
器、に通して得た出力を加えて制御対象機器への入力と
するモーター御、装蝉にして、前記フィードフォワード
制御の伝達関数、を前記制御対象の伝達関数の、分母Ｓ
２と前部、比例営分１制御器の伝達量、舞の和となるよ
うに選定−したものである。　　、、　　　・１１　　
　箇　　　　　１ 、、［切用］、。

１５．本発明の制御装置において、制御御対、ＰＬへの
入力ｒは１．フィ−ドフォワード器の出力Ｆ−（ｓ）　
ｕと比例積分制御、！器（ＰＩ制御器）、９出力Ｇ　２
　（ｓ、）　ｅを々ｌえてヰ例、微分制御幸（ＦＤ制御
１器）の出力Ｇ　３　（ｓ）θを、差し、、’ｐ＋　、
、＜ことで、得られるが、ＰＩ開制御　・器への入力（
位置指令Ｕと位置中力θとの郷差ｅ）は追従状態ではＯ
となるか、Ｆ？、 ｒ　＝　Ｆ　（ｓ、）　、、ｕ−（Ｋ１　、ａ　＋−に
３　ｓ　）θ０＝去−１ 従って、位置指令Ｕから位置出力θまでの伝達関数は となる。本発明によれば、フィードフォワード制御器の
伝達関数Ｆ　（ｓ）を、制御対象の伝達関数１１５２（
７）分母Ｓ２とＦＤ制御器の伝達関数Ｇ　３　（ｓ）−
に１　α十に３ｓとの和、すなわち Ｆ（ｓ）＝　ｓ２　＋に１α＋に３　ｓとなるように選
定したので、θ／ｕ＝１となる。

このことから、位置指令Ｕに対して位置出力θが遅れな
く追従する。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図により説明する。

制御対象３はモータ等の機械系の被制御物で、その伝達
関数Ｇ　（ｓ）は１／ｓ２である。

この制御対象３には、指令値Ｕと制御対象３の出力θと
の偏差ｅを比例積分制御器（ＰＩ制御器）４に加えて得
られるＰＩ制御器４の出力から、制御対象３の出力θを
比例微分制御器（ＰＤ制御器）５に加えて得られるＦＤ
制御器５の出力を差し引き、更に、この差し引かれた出
力に、指令値Ｕをフィードフォワード器２に通して得た
出力を加えて制御対象３に対する入力ｒとしている。

ここで、ＰＩ制御器４への入力はｅ＝ｕ−θとされ、Ｐ
Ｉ制御器４の伝達関数は に１　　（１−・）＋リ− であるから、ＰＩ制御器４からの出力は（Ｋ、（１−・
）十肛）ｅ となるが、追従した状態ではＵ＝θ、従ってｅ＝０とな
るから、ＰＩ制御器４からの出力は０となる。

また、ＰＤ制御器５の伝達関数は に１α十に３　ｓ であり、フィードフォワード器５の伝達関数はＦ（ｓ）
＝ｓ２＋に１　ｃｘ＋に３　ｓであるから、 ｒ＝　（ｓ２　＋に１　ａ＋に３５）ｕ−（Ｋ１α十に
３ｓ）θ となる。そして、θ＝丁／ｓ２であるから、ｓ２　θ＝
　（ｓ２　＋に１　ａ＋に３５）ｕ−（Ｋ１α十に３　
ｓ）　θ 従って、 となり、指令値Ｕに対して位置出力θは遅れなく追従す
る。

以上は、制御対象をアナログ制御する連続系の場合であ
る。

次に、第２図はディジタル制御する場合の離散系を示す
もので、サンプリング変数をＺとし、第１図の各制御器
をＺ変換して求めたものである。

すなわち、ラプラス変換のＳを１−　Ｚ−１に置き換え
たものとなっている。図中点線で囲まれた部分はディジ
タル部であり、指令値Ｕ、フィードバック出力θ及び制
御対象３への入力ｒをそれぞれタイミングをとってオン
・オフするスイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３が設けられる。

機能としては、第１図に示したものと同様である。

但し、微分はｌサンプリング前のデータの差分で行って
おり、サンプリング周期を短く設定することにより、実
用上は問題とならないようにすることができる。

なお、第２図の離散系ではＤ／Ａ変換、Ａ／Ｄ変換、サ
ンプルホールド等が必要であるが、いずれも周知の手段
であるから、説明は省略する。

第２図に示した離散系を用いて、従来の制御方式と本発
明によるモータ制御を実施した結果を第３図及び第９図
に示す。第３図において、■は入力（位置指令）、■は
ＰＩ−ＰＤ量制御オーバーシュートなし、■°はＰＩ−
ＦＤ副制御オーバーシュートが生じたもの、■はＰＩＤ
＋ＩＤ−ドフォワード制御、■は本発明のＰＩ−ＰＤ＋
フィードフォワード制御の場合の結果を示すにれらの結
果において、従来方式の■は立上がりが遅く、■”は係
数αを少し大きくして立上がりを速くしたが、オーバー
シュートのため安定するまでの時間が長い。■、■では
入力Ｕに対する位置出力θの遅れが殆どない。しかし、
第３図は外乱のない場合である。

外乱のある場合の実験結果では、第９図に示すように、
■のＰＩＤ＋ＩＤ−ドフォワード制御では急激に加わる
力に対しての変位が大きく、静止するまでの時間も長く
なるのに対し、本発明の■では変位が小さく、静止する
までの時間も短い。

以上の実施例は回転形モータに対する例であるが、本発
明は直線形モータを含む機械系にも使用できることは勿
論である。また、慣性モーメントと機械抵抗の時間に対
する変化状態が既知であれば、第５図におけるＡ、Ｂを
一整し、伝達関数Ｇ（ｓ）＝　ｌ／ｓ２という関係を満
たすようにすることで、本発明を実施することができる
。

［発明の効果］ 本発明は、ＰＩ−ＰＤ制御にフィードフォワード制御を
組み合わせた制御系において、フィードフォワード項を
制御対象の伝達関数の分母Ｓ２と比例微分制御器の伝達
関数との和になるように選定したので、モータ指令に対
して遅れがなく、高応答の制御ができると共に、外乱に
対しても強いモータの制御装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のモータ制御装置のブロック線図、第２
図はディジタル制御する場合の離散系のブロック線図、
第３図及び第９図は本発明と従来例の実験結果を示すグ
ラフ、第４図及び第５図は制御対象のブロック線図、第
６図乃至第８図は従来技術による制御装置のブロック線
図である。 １−−一−Ｐ　Ｉ　Ｄ制御器、 ２−一一〜フィードフォワード器、 ３−一一一制御対象、 ４−一−−Ｐ　Ｉ制御器、 ５−−−−　Ｐ　Ｄ制御器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）慣性モーメント及び機械抵抗が一定とみなせる制
   御対象機器に与える位置指令と前記制御対象機器の位置
   出力との偏差を比例積分制御器に通して得た出力から、
   前記位置出力を比例微分制御器に通して得た出力を差し
   引くと共に、前記位置指令をフィードフォワード器に通
   して得た出力を加えて前記制御対象機器への入力とする
   モータ制御装置にして、前記フィードフォワード制御の
   伝達関数を前記制御対象の伝達関数の分母ｓ＾２と前記
   比例微分制御器の伝達関数の和となるように選定したこ
   とを特徴とするモータ制御装置。