JPS63208105A - 位置制御装置 - 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〕 本発明は、位置制御装置に係り、フィードバック制御系
のループゲインを調整することによって制御対象を位置
指令信号に同期的に制御できるようした位置制御装置の
改良に関する。

〔背景技術上その問題点〕

位置指令信号とフィードバック信号とを比較しつつモー
タ等の制御対象を駆動して制４１１すなわち機械的位置
を制御する位置制御装置、いわゆるサーボ機構が工作機
械のテーブル送り、飛行制御板あるいはレーダアンテナ
等の制御に広く利用されている。

従来、かかる位置制御装置は第３図に示すように構成さ
れていた。

第３図において、位置制御装置１００は、位置指令信号
■、を設定する設定器１１とパルス整形器１２とからな
る目標設定部１０と、この目標設定部１０からの位置指
令信号Ｉｔ　　（Ｐ／ｓｅｅ　］とフィードバック信号
ｆｂ（Ｐ／ｓｅｃ　）とを比較して誤差信号すなわち偏
差εを出力する比較部２゜と、偏差εを後段用に信号変
換する信号変換器（Ｄ／Ａ変換器）３１と速度制御器３
３とから形成された制御部３０と、ボールスクリュー（
図示省略）に連結された制御対象としてのサーボモータ
１と、このサーボモータ１に連結されフィードバック信
号ｒｂを生成するパルスジェネレータ４゜５から形成さ
れた検出部４０とから構成されていた。なお４５は、タ
コジェネレータであって速度制御器３３へ速度フォード
バックを行うものである。

ここに、制御部３０の信号変換器３１、速度制御器３３
および検出部４０のゲインはそれぞれＧ１　〔Ｖ／　Ｐ
）　、　Ｇ２　（ｒｅＶ　／ｓｅｅ　　・’Ｖ）　、　
Ｇ３（Ｐ／ｒｅＶ）である、従って、この従来例では、
目標設定部１０において位置制御量に相当する位置指令
信号！、を設定出力すれば、制御対象たるサーボモータ
１が駆動制御され、上記ボールスクリュー等介し制御量
としての位置を制御することができた。

しかしながら、上記従来の位置制御装置には次のような
問題点があった。

すなわち、上記第３図の位置制御装置をブロック線図で
表示すれば第４図の通りである。なお、第４図中、Ｓは
ラプラス演算子、Ｖ　ｒｅｆは速度指令値〔■〕、■は
速度（ｒｅＶ　／ｓｅｃ　）　、θはサーボモータ１の
回転角度（ｒｅＶ　）である、ここに、前記各ゲインＧ
１とＧ２とＧ３の積をループゲイン（Ｇ、）とすれば、
位置の偏差ε（Ｐ）は、弐（１）で表される。

ε＝Ｉ　ｒ　／　ＣＰ　　　　　・・・・・・　（１）
従って、位置の偏差ε［Ｐ）は、指令信号ｒｒに比例し
ループゲインＧ、に反比例するから、偏差εを小さくす
るには指令信号Ｉｐの指令パルス列の定常速度を低くす
るか、ループゲインＧ、を高くしなければならない、し
かし、指令信号■。

の定常速度を低くすることは連応性に欠ける。一方ルー
プゲインＧＰを高くすることば外乱の影響が大きく安定
性した精度保障が難しいという欠点があり、相反二面性
を有する。

しかして、従来は、両者を比較考量して当該工作機械等
の使用Ｂ様等に許容される範囲内で妥協していたのであ
る。

しかしながら、高精度、高速化の現今にあっては、その
妥協点が厳格となり、高速化はもとより定常偏差と呼ば
れる上記偏差εが十分な時間経過後の定常状態となって
も残存してしまうということは精度保障上許し難くなっ
てきた。

〔発明の目的］ 本発明は、偏差極小化可能にして高速で高精度の位置付
けができる位置制御装置を堤供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は、
指令信号■、と制御量である位置の同期性つまり位相改
善機能を設け、伝達関数を調整することによって偏差ε
を限り無く極小化できるようにして上記従来の問題点を
除去しようとするものである。

これがため、比較部が目標設定部から形成された位置指
令信号ＩＰ　とゲインＧ３の検出部から出力されるフィ
ードバック信号（ｂを比較して偏差εをもとめるよう形
成され、かつ制御部がゲインＧ１の信号変換器とゲイン
Ｇ２の速度制御器から形成された位置制御装置において
、 前記目標設定部と前記速度制御器との間であって前記信
号変換器と並列接続されたゲインＧ４の位相改善器を設
け、前記偏差εが、 として求められるよう構成し前記目的を達成するのであ
る。

従って、この発明によれば、偏差εが 定されるから、Ｇ２・Ｇ３・Ｇ４崎１となるようにゲイ
ンＧ２・Ｇ３・Ｇ４の少なくとも１つを調整することに
よって、偏差εを限り無く零に近い値に調整することが
でき高精度化が達成される。

しかも、Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３で規定されるループゲインＧ
、および指令信号１．に無関係にその調整ができるから
高速、安定性も保障される。

〔実施例〕

本発明に係る位置制御装置の好適な一実施例を図面を参
照しながら詳細に説明する。なお、前出第３図に示した
従来の位置制御装置１００の構成部分と同一の部分につ
いては同一の符号を付するものとする。

この実施例の位置制御装置１００は、目標設定部１０と
、比較部２０と、制御部３０と、サーボモータ１と、検
出部４０とから構成され、さらに、本発明の特徴的部分
である位相改善器５０が設けられている。

目標設定部１０は、制御対象であるサーボモータ１を駆
動制御して制御量たる位置の所定目標値に相当する信号
を設定するもので、連続的制御のために位置指令信号Ｉ
Ｐ　　ＣＰ／ｓｅｅ　）はパルス列とされている。

一方、サーボモータ１に連結された検出部４０はパルス
ジェネレータ４１とパルス整形器４２とから形成された
位置フィードバンク信号ｆｂ　（Ｐ／５ｅｃ）を生成す
る。比較部２０は、指令信号１２とフィードバック信号
ｆｂとを比較し誤差信号すなわち偏差ε（Ｐ）を求める
ものでカウント機能をも有する。また、制御部３０の信
号変換器３１はデジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換
器）から形成され偏差εに対応する速度指令信号Ｖｒｅ
ｆ（Ｖ）に変換作動し、サーボモータｌに連結された速
度検出器たるタコジェネレータ４５の信号をフィードバ
ックして速度制御系を構成する速度制御器３３に速度指
令信号Ｖｒｅｆを出力する。ここに、Ｄ／Ａ変換器から
形成された信号変換器３１のＤ／Ａ変換ゲインはＧｌ　
（Ｖ／Ｐ）であり、速度制御器３３の速度制御ゲインは
Ｇ　２　〔ｒｅＶ　／　ｓｅｃ　　・■〕である。また
、検出部４０の位置検出ゲインはＧ　３　　（Ｐ／ｒｅ
Ｖ）であ、る。

サーボモータｌは、ブラシレス型であり図示省略のボー
ルスクリューを介し制御量たる位置を回動規定するもの
である。

次に、目標設定１０と速度制御器３３との間であって、
比較部２０、信号変換器３１と並列的に位相改善器５０
が設けられている。この位相改善器５０は、指令信号■
、と移動量θの位相づれの極小化を目的とするもので周
波数・電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換器）から形成され、Ｆ／
Ｖ変換ゲインはＧ　４　（Ｖ　−５ｅｅ／Ｐ　）である
。具体的には、信号変換器３１の出力と加算して速度指
令信号Ｖｒｅｆを求めようとするものである。これがた
め加算器５１が速度制御器３３に前置されるよう設けら
れている。

従って、速度制御器３３の出力信号をＶ　（ｒｅＶ／５
ｅｃ）、移動量すなわちサーボモータ１の回転数をθ（
ｒｅＶ　）とすれば、ブロック線は第２図の如く示され
る。なお、Ｓはラプラス演算子である。

第２図において、位置の偏差εとフィードバック信号ｆ
ｂ　とを、εＴｇ）　　＋　　ｆｒｏｍ＋の如くラプラ
ス変換演算子Ｓを用いた関数として示せば、式（２）。

（３）のようになる。

ｒ　Ｐ（−）　＝　（Ｇ　１・ε（、）＋Ｇ４・Ｉｒ＋
ｓ＋）　　・Ｇ２・１／５−０３・Ｓ　・・・・・・　
（３）そして、式（２）を変形して求めたｆｐ＋−＋（
＝ＩｒＩｓ）−εｉ）　　・Ｓ〕を式（３）に代入し整
理すると、１、。、−ε、、、・Ｓ＝ε、。・Ｇ１・Ｇ
２・Ｇ３＋ＩＰＴＩｌ・Ｇ２・Ｇ３・Ｇ４　　　・・・
・・・　（４）となる。

ここで、Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３＝ＧＰ、Ｇ２・Ｇ３・Ｇ４−
ＧＶ　とおけば偏差ε（、、は式（５）として表される
。

ここで、Ｉｚｍ＋は、指令信号１．が時間とともに高速
となるランプ関数で入力されたものに等しいから、 ■□−＋＝ｒｒ／Ｓ　　　　　　　　　・・・・・・　
（６）である。

従って、式（６）を式（５）に代入すると偏差君。、は
弐（７）で表される。

さらに、式（７）を逆ラプラス変換すると、となる。

式（８）において、定常速度すなわち定常状態（ｔ→■
）では、 となる。ゆえに定常状態における偏差εは、として表す
ことができる。

このように、本発明では、弐〇〇から明らかのように、
ＧｖζｌとなるようＧ２・Ｇ３・Ｇ４のいずれか特に、
Ｆ／Ｖ変換ゲインＧ４のゲイン設定をすれば、ループゲ
インＧ、及び指令信号■、と無関係に位置の偏差εを限
りなく小さくすることができるい、因みに、従来の位置
制御系では式（１）から明らかの通り、ループゲインＣ
Ｆ　　（＝Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３）を無限大としなければな
らにので偏差εを零に近づけることは不可能である。

次に、本実施例の作用について説明する。

位置相当の指令信号■、を目標設定器１０の設定器１１
に設定するとそのパルス整形器１２から所定の周波数の
パルス列が位相改善器５０たるＦ／■変換器に入力され
、速度制御器３３を介しサーボモータ１を回転制御する
。つまり、後記の如く結果として位相を改善するもので
あるがこの段階においては位相改善器５０は指令信号Ｉ
ｐの変換機能を司る。従って、かかる系では、Ｆ／Ｖ変
換器および速度制御器３３のゲインＧ４・Ｇ２のエラー
等により制御量たる位置は目標設定値に対して位置づれ
を生じてしまう。

一方、指令信号Ｉｐとフィードバック信号ｆｂとを比較
して得た比較器２０からの誤差信号すなわち偏差εは信
号変換器３１としてのＤ／Ａ変換器を介し速度制御器３
３へ入力される。つまり、本発明においては、速度指令
の補正用信号として偏差εを利用するのである。ここに
、位相制御系が形成され、前記式〇〇の新たに創成した
ゲインＧ９を“１′”となるように予め設定しておけば
比較部２０の出力である偏差εは零となる。但し、実際
の運用にあっては限り無く零に近く調整すれば十分であ
る。従って、指令信号！、に位相づれを生じないのでサ
ーボモータ１は追従制御される。

従って、この実施例によれば、式０■におけるゲインＧ
ｖを調整することによって偏差εを限り無く零に近づけ
られるから指令信号■、と制御量とに位相差を生じさせ
ずまたは極小とする同期運転ができるので高精度の位置
制御を達成することができる。また、位相づれを生じさ
せないから指令信号■、の選定によって高速運転をする
ことが保障される。

また、偏差εを極小または零とするのに、速度制御ゲイ
ンＧ２、位置検出ゲインＧ３、Ｆ／Ｖ変換ゲインＧ、の
いずれかあるいは全てを調整すればよいから、制御機械
側に影響を与えないで調整することができる。このこと
は位置制御すべき対象機械の適用性を著しく拡大できる
ことを意味する。特に、新たに導入したＦ／Ｖ変換ゲイ
ンＧ４のみを調整することによって偏差εの極小化を図
れるからそのゲインＧ２・Ｇ３すなわちＤ／Ａ変換器か
ら形成された信号変換器３１および速度制御器３３から
構成された従来の制御部３０に改変を加えずして高速化
と高精度化ができ、かつ経済的である。このことは既存
の位置制御系に容易に適用できるという利点もある。

さらにまた、比較器２０の出力信号である偏差εを監視
してＦ／Ｖ変換器から形成された位相改善器５０のゲイ
ンＧ４を可変（例えば、回路中の抵抗値可変）とすれば
、全体としての位置制御系を最適に調整できるから予め
または運転中にも補正することができ取り扱いがきわめ
て容易である。

また、偏差εを変数入力とした自動位相改善が可能であ
る０例えば、第１図に２点鎖線で示したゲイン調整器５
３を設けることで具現化できる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上の説明から明らかのように偏差εを極小
化できるから高精度で高速な位置制御ができるという優
れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置制御装置の一実施例を示す全
体構成図、第２図は同じく第１図に対応させたブロック
線図、第３図は従来の位置制御装置の全体構成図および
第４図は第３図に対応させたブロック線図である。 １・・・サーボモータ、１０・・・目標設定部、２０・
・・比較部、３０・・・制御部、３１・・・信号変換器
、３３・・・速度制御器、４０・・・検出部、５０・・
・位相改善器、５３・・・ゲイン調整器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）比較部が目標設定部から出力される位置指令信号
   Ｉ＿ｐとゲインＧ３の検出部から出力されるフィードバ
   ック信号ｆ＿ｂを比較して偏差εをもとめるよう形成さ
   れ、かつ制御部がゲインＧ１の信号変換器とゲインＧ２
   の速度制御器から形成された位置制御装置において、 前記目標設定部と前記速度制御器との間であって前記信
   号変換器と並列接続されたゲインＧ４の位相改善器を設
   け、前記偏差εが、 ε＝（１−Ｇ２・Ｇ３・Ｇ４）／（Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３）
   ・Ｉ＿ｐとして求められるよう構成したことを特徴とす
   る位置制御装置。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、前記位相改
   善器が、そのゲインＧ４を設定変更可能に形成されてい
   ることを特徴とする位置制御装置。
3. （３）前記特許請求の範囲第２項において、前記位相改
   善器が、前記偏差εを入力として、偏差εを最小とする
   ためのゲイン調整器を含み形成されていることを特徴と
   する位置制御装置。