JP6979330B2 - Feedback control method and motor control device - Google Patents
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Description
本発明は、フィードバック制御方法、及びその制御方法を備えたモータ制御装置に関する。 The present invention relates to a feedback control method and a motor control device including the control method.
近年、FA分野では生産性向上のためにモータの益々の高速・高精度化制御が求められている。 In recent years, in the FA field, more and more high-speed and high-precision control of motors is required to improve productivity.
モータをフィードバック制御する際、外乱を抑制し制御量を目標値に高速・高精度に追従させるには制御ゲインを高めればよい。しかしながらフィードバックループ内に遅れ要素(例えばローパスフィルタやディジタル制御装置の演算遅れ)が存在する場合、これが原因でフィードバック制御系の制御ゲインの設定上限は制約を受け、高速・高精度な目標値追従の妨げになることが一般に知られている。 When feedback-controlling the motor, the control gain should be increased in order to suppress disturbance and make the controlled variable follow the target value at high speed and with high accuracy. However, if there is a delay element (for example, calculation delay of a low-pass filter or digital control device) in the feedback loop, the upper limit of the control gain setting of the feedback control system is restricted due to this, and high-speed and highly accurate target value tracking can be performed. It is generally known to be an obstacle.
制御対象が原点に極を有する場合においても、フィードバック制御系の閉ループ内に存在する遅れ要素を補償でき、制御対象の入力端に加わるステップ外乱を定常偏差無く抑制できる遅れ補償器の設計方法として、特許文献1が提案されている。
As a design method of a delay compensator that can compensate for the delay element existing in the closed loop of the feedback control system and suppress the step disturbance applied to the input end of the control target without steady deviation even when the control target has a pole at the origin.
特許文献1では、図6に示すように、従来技術であるSmith法に、フィルタ61を追加した遅れ補償器62(N=1で従来のSmith法に一致)において、制御対象が原点に極を有する場合であっても制御対象の入力端に加わるステップ外乱を定常偏差無く抑制でき、かつフィルタ61の設計パラメータの物理的意味が理解しやすいという特徴を有するフィルタ61の設計方法が示されている。この設計方法により設計された様々な構成のフィルタ61を遅れ補償器62に採用することで、上述の特徴を有する様々な遅れ補償器62を設計できる。
In
特許文献1では、図6に示すフィルタ61の設計例として、以下に示す式(1)、式(2)の構成を挙げている。
In
但し、Pmは制御対象のノミナルプラントモデル14、Cb(θ1)はθ1を調整パラメータとして有し目標値と制御対象応答との偏差を抑制可能なフィードバック制御器16、τmは制御対象12に含まれる遅れ時間τfとフィードバック遅れ要素13に含まれる遅れ時間τbの総和のモデル値、exp(−τm・s)は遅れ時間τmによるノミナルな遅れ要素モデル15である。
However, Pm is a controlled
また、Caは制御対象に対して有効に機能する任意のフィードバック制御器であり、Caをフィードバック制御器Cbと同構造にする場合は、Caは式(3)のように定められるものである。 Further, Ca is an arbitrary feedback controller that functions effectively with respect to the controlled object, and when Ca has the same structure as the feedback controller Cb, Ca is defined as in the equation (3).
しかしながら、式(1)、式(2)で示されたフィルタ61は分母にexp(−τm・s)を含んでおり、exp(−τm・s)を厳密に演算する場合は勿論、これをPade近似法等を用いて低次の伝達関数で近似する場合においても、式(1)、式(2)で示されるフィルタの伝達関数の次数は高くなる傾向にある。
However, the
したがって、例えば、式(1)、式(2)で示される特許文献1で設計された、図6に示す遅れ補償器62のフィルタ61をディジタル演算装置等のハードウェアへ実装する場合、ハードウェア上でのフィルタ処理にかかる演算コストが高くなるという課題があった。
Therefore, for example, when the
本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、特許文献1の設計方法で設計された、例えば、式(1)、式(2)で示したフィルタ61を含む遅れ補償器62をディジタル演算装置等のハードウェアへ実装する際、遅れ補償器62のフィルタ61にかかるハードウェアの演算コストを低減できる、実装に好適な制御方式、およびそれを備えた制御装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such a problem, and a
本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、制御対象のモデルと任意のフィルタ1と任意のフィードバック制御器1とから構成される遅れ補償器1を含むフィードバック制御方法であって、制御対象のモデルは、制御対象のダイナミクスを模擬するノミナルプラントモデルとフィードバック制御系の閉ループ内に内包される遅れ要素を模擬するノミナルな遅れモデルとからなり、遅れ補償器1は、制御対象に対してフィードバック制御を行うフィードバック制御器2が出力する操作量と制御対象の出力信号とを入力信号とし、操作量と、遅れ補償器1が含む任意のフィードバック制御器1の出力とを加減算器で加算した信号に対するノミナルプラントモデルの出力信号を理想フィードバック信号とし、操作量と、遅れ補償器1が含む任意のフィードバック制御器1の出力とを加減算器で加算した信号に対する制御対象のモデルの出力信号と、制御対象の出力信号とを加減算器で減じて得た信号をモデル誤差信号とし、モデル誤差信号を任意のフィードバック制御器1の入力とするとともに、モデル誤差信号を任意のフィルタ1で処理した信号と理想フィードバック信号とを加減算器で加算した信号を出力信号とするものであって、フィードバック制御器2は、遅れ補償器1の出力信号と目標値信号との偏差を加減算器で算出し、該偏差を基に制御対象に対してフィードバック補償を行う。
The present invention is a feedback control method including a
本発明によれば、ハードウェア実装において演算コストを低減できる、実装に好適なフィードバック制御方法、及びそれを備えたモータ制御装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a feedback control method suitable for mounting, which can reduce the calculation cost in hardware mounting, and a motor control device including the feedback control method.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、各図において、共通な機能を有する構成要素には同一の番号を付与し、その説明を省略する。また、以降、「フィードバック」は「FB」と略記する。例えば「フィードバック制御器は「FB制御器」と略記する。また「フィードフォワード」は「FF」と略記する。例えば「フィードフォワード制御器は「FF制御器」と略記する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the same numbers are assigned to the components having a common function, and the description thereof will be omitted. Hereinafter, "feedback" is abbreviated as "FB". For example, "Feedback controller is abbreviated as" FB controller ". Further, "feed forward" is abbreviated as "FF". For example, "feedforward controller is abbreviated as" FF controller ".
本実施例に係るモータ制御方式、およびそれを備えたモータ制御装置では、図3に示すように、遅れを含む制御対象12に対して、遅れ補償器2とFB制御器16とでFB制御系が構成されているものとする。
In the motor control method according to the present embodiment and the motor control device provided with the motor control system, as shown in FIG. 3, the FB control system is used by the delay compensator 2 and the
図3において、CAおよびA(s)は、各々制御対象に対して有効に機能する任意のFB制御器3およびフィルタ1である。本実施例において、これらは特許文献1で設計されたフィルタ61(例えば前述の式(1)、式(2))を有する図6に示した遅れ補償器62と等価な補償性能を導くために好適に構成されるものである。
In FIG. 3, CA and A (s) are
遅れ補償器2は、FB制御器3、フィルタ1、および制御対象のモデルから構成される。本実施例において制御対象のモデルは、ノミナルプラントモデル14およびノミナルな遅れ要素モデル15からなるものとし、これは実際の制御対象である制御対象12とFB遅れ要素13とによる動特性を模擬したものである。すなわち、制御対象のモデルは、制御対象のダイナミクスを模擬するノミナルプラントモデルとフィードバック制御系の閉ループ内に内包される遅れ要素を模擬するノミナルな遅れモデルとからなる。
The delay compensator 2 is composed of an
なお、フィルタやマイナーループ制御系等、遅れを発生させる要素が閉ループ系内に含まれる場合は、制御対象のモデルは、それらの遅れ要素のノミナルなモデルを含むものとしてもよい。 When elements that cause delays such as a filter and a minor loop control system are included in the closed loop system, the model to be controlled may include a nominal model of those delay elements.
以降、制御対象12とFB遅れ要素13とを直列に接続した伝達特性を単に制御対象と称する場合がある。
Hereinafter, the transmission characteristic in which the control target 12 and the
遅れ補償器2は、FB制御器16が出力する操作量と、FB制御器16が出力する操作量に対する制御対象の出力とを入力に持ち、目標値rに対するFB信号を出力する。
The delay compensator 2 has an operation amount output by the
遅れ補償器2の動作を図3に基づき説明する。遅れ補償器2は、任意のFB制御器3の出力とFB制御器16が出力する操作量とを加減算器4で加算した信号に対する制御対象のモデルの応答を、FB制御器16が出力する操作量に対する制御対象の応答出力から、加減算器39で減じることでモデル誤差信号を算出する。
The operation of the delay compensator 2 will be described with reference to FIG. The delay compensator 2 is an operation in which the
また、遅れ補償器2は、任意のFB制御器3の出力とFB制御器16が出力する操作量とを加減算器4で加算した信号に対するプラントノミナルモデル14の応答を予測FB信号として算出し、モデル誤差信号をフィルタ1で処理した信号と予測FB信号とを加減算器35で加算して、目標値rに対するFB信号として出力する。
Further, the delay compensator 2 calculates the response of the plant
FB制御器16は、目標値rから遅れ補償器2の出力したFB信号を加減算器37で減じた偏差信号を入力に受けて、制御対象に対する操作量を生成する。
The
図3に示す遅れ補償器2を含むFB制御系において、加減算器18は制御対象の入力端に位置し、制御対象の入力端に外乱dが加わることが想定されている。
In the FB control system including the delay compensator 2 shown in FIG. 3, the adder /
一般に知られたSmith法で遅れ補償器を構成する場合(図6でN=1とする遅れ補償器62の場合)、制御対象が原点に極を有する場合において、制御対象の入力端に加わるステップ外乱を定常偏差なく抑制できないという問題があった。これに対し、特許文献1で設計された、例えば、式(1)、(2)のフィルタNを採用した遅れ補償器62であれば、制御対象入力端に加わるステップ外乱を定常偏差なく抑制することができる。
When the delay compensator is configured by the generally known Smith method (in the case of the
本実施例における図3に示す遅れ補償器2は、特許文献1で設計された、例えば式(1)、(2)のフィルタNを採用した遅れ補償器62と等価な補償性能を持つように設計されるものである。
The delay compensator 2 shown in FIG. 3 in this embodiment has compensation performance equivalent to that of the
このために、遅れ補償器2のCAおよびA(s)を、例えば以下の式(4)、(5)のように設計する。 For this purpose, the CA and A (s) of the delay compensator 2 are designed, for example, as the following equations (4) and (5).
但し、Caは特許文献1で図6に示す遅れ補償器62のフィルタ61の設計の際に用いた、制御対象に対して有効に機能する任意のフィードバック制御器を示す。
However, Ca indicates an arbitrary feedback controller that functions effectively with respect to the controlled object, which was used in designing the
式(4)、(5)のように設計された遅れ補償器は図4の遅れ補償器42に相当し、遅れ補償器42の入出力特性は、簡単な計算から、式(1)で示したフィルタNを内包する図6の遅れ補償器62と、入出力特性が等価になる。これを以下に説明する。
The delay compensator designed as in the equations (4) and (5) corresponds to the delay compensator 42 in FIG. 4, and the input / output characteristics of the delay compensator 42 are shown by the equation (1) from a simple calculation. The input / output characteristics are equivalent to the
図6の遅れ補償器62の入出力特性は次式で書ける。
The input / output characteristics of the
他方、図3の遅れ補償器42の入出力特性は、図3から導かれる次式(7)、(8)を入出力に関して整理して、式(9)のように書ける。 On the other hand, the input / output characteristics of the delay compensator 42 in FIG. 3 can be written as the equation (9) by arranging the following equations (7) and (8) derived from FIG. 3 with respect to the input and output.
式(9)は、式(4)、(5)とすることで、式(6)と等しくなる。したがって、図3の遅れ補償器2に対して、式(4)、(5)のように設計された遅れ補償器42は、式(1)で示したフィルタNを内包する図6の遅れ補償器62と入出力特性と等価になることがわかる。
Equation (9) becomes equal to equation (6) by making equations (4) and (5). Therefore, with respect to the delay compensator 2 of FIG. 3, the delay compensator 42 designed as shown in the equations (4) and (5) includes the filter N represented by the equation (1) in the delay compensator of FIG. It can be seen that the input / output characteristics are equivalent to those of the
また、遅れ補償器2のCAおよびA(s)を、例えば以下の式(10)、(11)のように設計する。 Further, the CA and A (s) of the delay compensator 2 are designed, for example, as the following equations (10) and (11).
式(10)、(11)のように設計された遅れ補償器2は、式(6)〜式(9)と同様の式展開により、式(2)で示したフィルタNを内包する図6の遅れ補償器62と、入出力特性が等価になることが確認できる。
The delay compensator 2 designed as shown in the equations (10) and (11) includes the filter N represented by the equation (2) by the same equation expansion as the equations (6) to (9). It can be confirmed that the input / output characteristics are equivalent to those of the
式(4)〜(5)、式(10)〜(11)はいずれも、式(1)、(2)が含んでいたノミナルプラントモデル14の伝達特性Pmや、ノミナルな遅れ要素モデル15の伝達特性exp(−τm・s)を含まない、簡素な伝達関数になっていることがわかる。
Equations (4) to (5) and equations (10) to (11) all include the transfer characteristic Pm of the
このようにCAおよびA(s)の伝達関数が、式(1)、(2)に比較して簡素化される理由は、式(1)、(2)が含んでいたPmやexp(−τm・s)の演算を、図中のノミナルプラントモデル14とノミナルな遅れ要素モデル15の演算と共通化できるようなブロック構成として遅れ補償器2を構成したためである。
The reason why the transfer functions of CA and A (s) are simplified as compared with the equations (1) and (2) is that Pm and exp (-) included in the equations (1) and (2). This is because the delay compensator 2 is configured as a block configuration so that the calculation of τm · s) can be shared with the calculation of the
次に、図3で示した遅れ補償器2の特性について、図1、2を用いて説明する。図1および図2の指令値応答r→yおよび外乱応答d→yは、各々図4、図3に示す指令値応答r→yおよび外乱応答d→yと等価であり、すなわち、図1、図2は各々図4、図3と応答が等価な制御系である。また、図1は図2でA(s)=1とした場合である。 Next, the characteristics of the delay compensator 2 shown in FIG. 3 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The command value response r → y and the disturbance response d → y in FIGS. 1 and 2 are equivalent to the command value response r → y and the disturbance response d → y shown in FIGS. 4 and 3, respectively, that is, FIG. FIG. 2 is a control system whose response is equivalent to that of FIGS. 4 and 3, respectively. Further, FIG. 1 is a case where A (s) = 1 in FIG.
まず、図1に基づき遅れ補償器2の特性について説明する。図1において、rs→yの伝達特性は、規範モデル型実FB制御系7によって与えられている。以降説明の簡単化のために、外乱は無いものとしd=0とみなす。但しd≠0であった場合でも、以降の説明は成立することに注意する。
First, the characteristics of the delay compensator 2 will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the transmission characteristic of rs → y is given by the normative model type real
ノミナルプラントモデル14とノミナルな遅れ要素モデル15、およびFB制御器CA3を用いて、図1に示すようにモデルFB制御系8を構成する。モデルFB制御系8において、yは指令に相当し、uは応答rs→ymにおけるFF操作量とみなせる。したがって、モデルFB制御系8はrs→yの伝達特性を有する規範モデル型実FB制御系7の応答yに追従するように構成された、モデル追従型2自由度制御の構成になっている。したがってFB制御器Cbは、モデル応答ymを実応答yに高応答に一致させる理想的なゲイン設定とすることでFF制御器の役割を担い、FB制御器CAは、モデル応答ymと実応答yとの偏差を補償する役割を担う。FB制御器CAは、2自由度制御の観点から、FB制御器Cbとは独立に、偏差y−ymを安定かつロバストに抑制できるよう、設計することができる。
The model FB control system 8 is configured as shown in FIG. 1 by using the
結果として図1の制御器構成は、モデル応答ym−実応答y→0を高応答かつ、安定、ロバストに実現可能である。 As a result, the controller configuration of FIG. 1 can realize the model response ym-actual response y → 0 with high response, stability, and robustness.
また、図1において、CA=0とした場合、一般に知られるSmith法(図6でN=1とした場合)と等価になる。 Further, in FIG. 1, when CA = 0, it is equivalent to the generally known Smith method (when N = 1 in FIG. 6).
図1に示すyiは、図3で説明した予測FB信号であり、CA=0としたSmith法においてもその役割は変わらない。Smith法は、遅れを含む実応答yをモデル応答ymで相殺し、遅れを含まない予測FB信号yiに基づいてFB制御器Cbを駆動することで、遅れを補償するものである。このとき、制御対象が原点に極を有する場合や制御対象が不安定な場合、実応答yをモデル応答ymで相殺することが困難となることが理由で、Smith法は一般に、制御対象が原点に極を有する場合や制御対象が不安定な場合には適用困難とされた。 The yi shown in FIG. 1 is the predicted FB signal described in FIG. 3, and its role does not change even in the Smith method in which CA = 0. In the Smith method, the actual response y including the delay is offset by the model response ym, and the FB controller Cb is driven based on the predicted FB signal yi not including the delay to compensate for the delay. At this time, when the controlled object has a pole at the origin or the controlled object is unstable, it is difficult to cancel the actual response y with the model response ym. Therefore, in the Smith method, the controlled object is generally the origin. It was considered difficult to apply when there was a pole in the body or when the control target was unstable.
本実施例の制御器構成においても、加減算器5および加減算器6によってym−yが成され、FB制御器Cbは指令値r−予測FB信号yiに基づいてFB制御を行う点で、遅れ補償の考え方はSmith法と同じである。但し本実施例の制御器構成は、前述のように、モデル応答ym−実応答y→0を高応答かつ、安定、ロバストに実現可能である。したがって本実施例の制御器構成はモデル追従型2自由度制御の構成とすることによって、Smith法の欠点であったモデル応答ymによる実応答yの相殺性を改善したものとみなすことができる。 Also in the controller configuration of this embodiment, ym-y is formed by the adder / subtractor 5 and the adder / subtractor 6, and the FB controller Cb performs FB control based on the command value r-predicted FB signal yi. The idea of is the same as the Smith method. However, as described above, the controller configuration of this embodiment can realize the model response ym-actual response y → 0 with high response, stability, and robustness. Therefore, it can be considered that the controller configuration of this embodiment improves the canceling property of the actual response y by the model response ym, which is a drawback of the Smith method, by adopting the configuration of the model-following two-degree-of-freedom control.
図3と等価な制御系である図2は、任意のフィルタA(s)が規範モデル型実FB制御系27のFB信号を処理するとともに、任意のフィルタA(s)がモデル応答を処理し、処理結果を加減算器6に渡す構成となっている。すなわちモデル応答ym−実応答yを任意のフィルタA(s)で処理する構成となっており、実応答yをモデル応答ymで相殺する相殺特性を任意のフィルタA(s)で調整できる構成である。但し、A(s)≠1である場合は、図2の構成ではモデル応答ymと実応答yを別々にA(s)でフィルタ処理する必要があり、演算コストの面で有利でない。この場合は図2と等価な伝達特性である図3に示す構成を採用する。図3の構成では、フィルタA(s)はモデル応答ym−実応答yに対して一度のみ演算され、A(s)にかかる演算コストの重複を避けることができる。したがってA(s)≠1である場合は図3の構成を採用することで、演算コスト面で図2の構成より有利になる。
In FIG. 2, which is a control system equivalent to FIG. 3, an arbitrary filter A (s) processes the FB signal of the normative model type real
上記のことから、特許文献1で設計されたフィルタNに関して、例えば式(1)、式(2)で示されたNを採用した場合、図1もしくは図3の構成で実装することで、特許文献1に記載の図6に示す構成で実装するよりも演算コストを低減することができる。また図1もしくは図3はモデル追従型2自由度制御の構成を成しモデル応答ym−実応答y→0を高応答かつ、安定、ロバストに実現できることから、図1もしくは図3の構成によれば、Smith法の欠点であったモデル応答ymによる実応答yの相殺性を改善でき、制御対象が原点に極を有する場合であっても、高応答かつ安定的に遅れを補償することが可能である。
From the above, regarding the filter N designed in
次に、図3記載の本実施例の遅れ補償器2が、従来の遅れ補償器62と比較して演算コストをどの程度低減できるかを、簡単な例を用いて説明する。
Next, how much the delay compensator 2 of the present embodiment shown in FIG. 3 can reduce the calculation cost as compared with the
図6で示すFB制御系において、フィルタ61は式(1)で示すものを採用したとする。これに等価なFB制御系は、前述のように図4で示す遅れ補償器42を含むFB制御系である。FB制御器CbはPI制御器とし、以下の式(12)に示すようにFB制御器Cbは応答周波数ωbで制御応答性を調整できるものとする。
In the FB control system shown in FIG. 6, it is assumed that the
但し、Nは任意の正の実数である。 However, N is an arbitrary positive real number.
また、簡単のためにノミナルな遅れ要素モデル15の伝達特性をPade近似(1次)で以下の式(13)のように近似した場合を考える。
Further, for the sake of simplicity, consider a case where the transmission characteristics of the nominal
さらに、式(1)に含まれる任意のFB制御CaはFB制御器Cbと同構造を有すると仮定する。すなわち、式(3)の仮定を設け、FB制御器Caは応答周波数ωaでωbとは独立に制御性を調整できるものとする。 Further, it is assumed that any FB control Ca included in the equation (1) has the same structure as the FB controller Cb. That is, the assumption of Eq. (3) is provided, and the FB controller Ca can adjust the controllability independently of ωb at the response frequency ωa.
上記の仮定の下、式(1)のフィルタは次式(14)、(15)、(16)となる。 Under the above assumption, the filter of the equation (1) becomes the following equations (14), (15), and (16).
図6において、FB制御器16の操作量uと制御対象の出力からモデル誤差信号yeが得られている場合、遅れ補償器62の出力ybは次式(17)で算出される。
In FIG. 6, when the model error signal ye is obtained from the operation amount u of the
他方、図4において、FB制御器3の出力が以前の状態量として既に算出されている前提に立って、FB制御器16の操作量uと制御対象の出力からモデル誤差信号yeが得られている場合、遅れ補償器2の出力ybは次式(18)で算出される。
On the other hand, in FIG. 4, based on the premise that the output of the
式(17)、(18)を比較すると、右辺第2項が異なっており、式(18)の右辺第2項のほうが伝達関数の次数が低い。したがって、本実施例の遅れ補償器42のほうが、従来の遅れ補償器62に比べて、出力信号ybの算出にかかる演算コストが低いことがわかる。
Comparing Eqs. (17) and (18), the second term on the right side is different, and the second term on the right side of Eq. (18) has a lower degree of transfer function. Therefore, it can be seen that the delay compensator 42 of this embodiment has a lower calculation cost for calculating the output signal yb than the
この例ではPade近似を1次としたが、より高次のPade近似とする場合は、式(17)右辺第2項の伝達関数の次数が増大するため、本実施例の遅れ補償器42による演算コストの低減がより効果的となることがわかる。 In this example, the Padé approximation is set to the first order, but in the case of a higher-order Pade approximation, the order of the transfer function of the second term on the right side of Eq. (17) increases, so the delay compensator 42 of this embodiment is used. It can be seen that the reduction of the calculation cost becomes more effective.
特許文献1で設計された式(1)、式(2)以外のフィルタNであっても、フィルタNが次式(19)のように表現できるものとして設計された場合は、図3に示す遅れ補償器2の構成で、図6に示す遅れ補償器62と等価な補償特性を実現でき、かつ図6に示す遅れ補償器62よりも演算コストを低減できる。
A filter N other than the equations (1) and (2) designed in
例えば、図3の遅れ補償器2のフィルタA(s)を式(20)のように、 For example, the filter A (s) of the delay compensator 2 in FIG. 3 is set as shown in the equation (20).
と定数γで定義した場合は、図5に示す遅れ補償器52となる。証明は省略するが、この構成であっても、制御対象が原点に極を有する場合において制御対象の入力端に加わるステップ外乱を定常偏差なく抑制することが可能である。
When defined by the constant γ, the
上記説明したように、本実施例によれば、図3に示す遅れ補償器2は、従来技術で設計した様々なフィルタNを採用した遅れ補償器62と等価な補償性能を示すことができる包括性を有し、かつ従来技術の遅れ補償器62に比べて演算コストを低減できる構成であることがわかる。
As described above, according to the present embodiment, the delay compensator 2 shown in FIG. 3 can exhibit compensation performance equivalent to that of the
すなわち、図3に示す遅れ補償器2は、ディジタル演算装置等のハードウェアへ実装する際、従来技術と比較して制御性能の劣化なく、遅れ補償器62のフィルタ61にかかるハードウェアの演算コストを低減できる、実装に好適な制御方式である。
That is, when the delay compensator 2 shown in FIG. 3 is mounted on hardware such as a digital arithmetic unit, the calculation cost of the hardware applied to the
また、この制御方式によれば、より安価で低演算性能なハードウェアによる制御装置の提供が可能になる。 Further, according to this control method, it becomes possible to provide a control device using hardware that is cheaper and has lower calculation performance.
なお、実装対象であるディジタル演算装置等のハードウェアに演算リソースが十分ある場合は、本実施例で示した遅れ補償器2と等価な補償性能を示す遅れ補償器として、特許文献1に記載の技術で設計したフィルタ61を用いて、FB制御系を図6のように実装してもよい。
If the hardware such as the digital arithmetic unit to be mounted has sufficient arithmetic resources, it is described in
以上のように、本実施例によれば、特許文献1で設計された遅れ補償器62のフィルタ61の処理が、フィルタ61の分母に含まれるexp(−τm・s)と、フィルタ61の分子・分母に含まれるノミナルプラントモデルPmの演算とを、Smith法で必要とされるノミナルな遅れ要素モデル15とノミナルプラントモデル14との演算処理で共通化した簡易な制御ブロック構成で実現できるため、特許文献1で設計された遅れ補償器62の特徴・優位性を保持しつつ、ハードウェア実装において演算コストを低減できる、実装に好適なフィードバック制御方法、及びそれを備えたモータ制御装置を提供できる。
As described above, according to the present embodiment, the processing of the
本実施例に係るモータ制御方式、およびモータ制御装置は、図7に示すACサーボモータのカスケードFB制御系における速度制御系71を想定し、制御対象のモデルは具体的に次式(21)、(22)、(23)に示すものとする。
The motor control method and the motor control device according to this embodiment assume the
Psmは速度制御系におけるノミナルプラントモデル、Miは速度制御系におけるマイナーループ制御系である電流制御系を理想化したモデルであり、τsmは、電流制御系、及び速度制御系の閉ループに内包される全ての遅れの総和である。また、J、Ka、Ppは各々、イナーシャ、モータ定数、極対数であり、ωiは電流制御系の応答周波数である。 Psm is a model that idealizes a nominal plant model in a speed control system, Mi is a model that idealizes a current control system that is a minor loop control system in a speed control system, and τsm is included in a closed loop of a current control system and a speed control system. The sum of all delays. Further, J, Ka, and Pp are inertia, motor constant, and pole logarithm, respectively, and ωi is the response frequency of the current control system.
式(21)〜(23)は、ACサーボモータのカスケードFB制御系における速度制御系の設計においては、制御対象が原点に極を有する問題を取り扱うことが必要なことを示している。 Equations (21) to (23) indicate that it is necessary to deal with the problem that the controlled object has a pole at the origin in the design of the speed control system in the cascade FB control system of the AC servomotor.
速度制御系の速度FB制御器72はPI制御器とし、次式(24)、(25)、(26)とする。
The
但し、L、ωsは各々折れ点比、速度制御系の応答周波数である。一般に、電流制御系を近似的に1と見なすために、ωiはωsの数〜10倍程度に設定される。 However, L and ωs are the break point ratio and the response frequency of the speed control system, respectively. Generally, in order to regard the current control system as approximately 1, ωi is set to about several to 10 times ωs.
速度制御系の高応答化のためにωsを高めると、ωiを同時に高めない限り、電流制御系が1に近似できなくなり、遅れ要素と見なす必要がある。この場合電流制御系は式(23)に示すように1次遅れ要素であり、これを遅れ要素と見なす必要がある。 If ωs is increased to increase the response of the speed control system, the current control system cannot be approximated to 1 unless ωi is increased at the same time, and it must be regarded as a delay factor. In this case, the current control system is a first-order lag element as shown in the equation (23), and it is necessary to consider this as a lag element.
本実施例では、電流制御系を遅れ要素と見なす。この問題設定において、特許文献1では図8に示す遅れ補償器82が構成され、フィルタ81の設計例として次式(27)が挙げられている。
In this embodiment, the current control system is regarded as a delay element. In this problem setting, in
但し、Csaは、式(28)に示すように、 However, Csa is, as shown in the formula (28), as shown in the formula (28).
速度FB制御器86と同構造を持ちながら、その制御設計パラメータは速度FB制御器86とは独立に定められるものである。
Although it has the same structure as the
従来技術によれば式(27)の分母には、exp(−τm・s)に加えて電流制御系の応答Miも含まれ、式(27)のフィルタの伝達関数の次数は高くなる傾向にある。このため式(27)をディジタル演算装置713で処理する場合は、高い演算コストが必要とされる。
According to the prior art, the denominator of the equation (27) includes the response Mi of the current control system in addition to exp (−τm · s), and the order of the transfer function of the filter of the equation (27) tends to be high. be. Therefore, when the equation (27) is processed by the digital
本実施例におけるACサーボモータのカスケードFB制御系における速度制御系の構成を図9に示す。図9において、本実施例における遅れ補償器92は、速度FB制御器86が出力する操作量uと、速度FB制御器86が出力する操作量uに対する制御対象であるACサーボモータの回転速度のセンサ検出値yとを入力に持ち、目標回転速度rに対する速度FB信号ybを出力する。
FIG. 9 shows the configuration of the speed control system in the cascade FB control system of the AC servomotor in this embodiment. In FIG. 9, the delay compensator 92 in the present embodiment has the operation amount u output by the
遅れ補償器92の動作を図9に基づき説明する。遅れ補償器92は、制御対象であるACサーボモータに対する任意の速度FB制御器93の出力と速度FB制御器86が出力する操作量とを加減算器94で加算した信号に対する制御対象のモデルの回転速度応答を、FB制御器86が出力する操作量に対する制御対象であるACサーボモータの回転速度のセンサ検出値yから、加減算器89で減じることでモデル誤差信号yeを算出する。
The operation of the delay compensator 92 will be described with reference to FIG. The delay compensator 92 rotates the model to be controlled with respect to the signal obtained by adding the output of the arbitrary
また、遅れ補償器92は、任意の速度FB制御器93の出力と速度FB制御器86が出力する操作量とを加減算器94で加算した信号に対するプラントノミナルモデル84の応答を予測FB信号として算出し、モデル誤差信号をフィルタ91で処理した信号と予測FB信号とを加減算器95で加算して、目標回転速度rに対する速度FB信号ybとして出力する。
Further, the delay compensator 92 calculates the response of the plant
速度FB制御器86は、目標回転速度rから遅れ補償器92の出力した速度FB信号ybを加減算器87で減じた偏差信号を入力に受けて、制御対象に対する操作量uを生成する。
The
本実施例における図9に示す遅れ補償器92において、CsAおよびAs(s)は例えば以下の式(29)、(30)のように設計する。 In the delay compensator 92 shown in FIG. 9 in this embodiment, CsA and As (s) are designed as, for example, the following equations (29) and (30).
但し、式(29)中のCsaは、式(28)で示したものである。 However, Csa in the formula (29) is represented by the formula (28).
このように設計された遅れ補償器92は、簡単な演算から、特許文献1で設計された式(27)、(28)で示されるフィルタNを内包する遅れ補償器82と等価な入出力特性を示すことが確認できる。すなわち、式(29)、(30)のように設計された遅れ補償器92は、特許文献1で設計された式(27)、(28)のフィルタを内包する遅れ補償器82と等価な補償性能を有する。
The delay compensator 92 designed in this way has input / output characteristics equivalent to those of the
式(29)、(30)はいずれも、式(27)が含んでいたノミナルプラントモデル84の伝達特性Pmや、ノミナルな遅れ要素モデル85の伝達特性Mi・exp(−τm・s)を含まない、簡素な伝達関数になっていることがわかる。
Both equations (29) and (30) include the transfer characteristic Pm of the
このように、CsAおよびAs(s)の伝達関数が、式(27)に比較して簡素化される理由は、式(27)が含んでいたPmやMi・exp(−τm・s)の演算を、ノミナルプラントモデル84とノミナルな遅れ要素モデル85の演算と共通化できるようなブロック構成として遅れ補償器92が構成されているためである。
In this way, the reason why the transfer functions of CsA and As (s) are simplified as compared with the equation (27) is that the Pm and Mi · exp (−τm · s) contained in the equation (27). This is because the delay compensator 92 is configured as a block configuration so that the calculation can be shared with the calculation of the
上記説明したように、本実施例によれば、図9に示すACサーボモータの速度制御系における遅れ補償器92は、従来技術で設計した様々なフィルタNを採用した遅れ補償器82と等価な補償性能を示すことができ、かつ従来技術の遅れ補償器82に比べて演算コストを低減できる構成となっている。
As described above, according to the present embodiment, the delay compensator 92 in the speed control system of the AC servomotor shown in FIG. 9 is equivalent to the
すなわち、図9に示す遅れ補償器92は、ディジタル演算装置713へ実装する際、従来技術と比較して制御性能の劣化なく、遅れ補償器82のフィルタ81にかかるディジタル演算装置713の演算コストを低減できる、実装に好適な制御方式である。
That is, when the delay compensator 92 shown in FIG. 9 is mounted on the digital
また、この制御方式によれば、より安価で低演算性能なディジタル演算装置713による制御装置の提供が可能になる。
Further, according to this control method, it becomes possible to provide a control device by a digital
なお、ACサーボモータの速度制御系において、従来技術を用いて遅れ補償器82のフィルタ81が、下式(31)、
In the speed control system of the AC servomotor, the
のように設計された場合でも、本実施例において、図9に示す遅れ補償器92において、下式(32)、 Even when the design is as follows, in the present embodiment, in the delay compensator 92 shown in FIG. 9, the following equation (32),
のように設計すれば、図9に示す遅れ補償器92と式(31)のフィルタを内包する遅れ補償器82は等価な補償特性となる。
If the design is as follows, the delay compensator 92 shown in FIG. 9 and the
これにおいて、例えば、下式(33)のように、 In this, for example, as in the following equation (33),
定数γで定義した場合であっても、制御対象が原点に極を有する場合において、制御対象の入力端に加わるステップ外乱を定常偏差なく抑制することが可能である。式(33)であれば、式(30)との比較から、特段の演算コストの増加無く、式(28)を採用した遅れ補償器92は実装に好適な制御方式であるといえる。 Even when defined by the constant γ, when the controlled object has a pole at the origin, it is possible to suppress the step disturbance applied to the input end of the controlled object without steady deviation. If it is the equation (33), it can be said that the delay compensator 92 adopting the equation (28) is a suitable control method for mounting without any particular increase in calculation cost from the comparison with the equation (30).
また、この制御方式によれば、より安価で低演算性能なディジタル演算装置713による制御装置の提供が可能になる。
Further, according to this control method, it becomes possible to provide a control device by a digital
1,61,81、91:フィルタ、2、42、52、62、82、92:遅れ補償器、3,16,93:フィードバック制御器、4,5、6、18、35,37,39:加減算器、7、27:規範モデル型実フィードバック制御系、8:モデルフィードバック制御系、12:制御対象、13:フィードバック遅れ要素、14:ノミナルプラントモデル、15:ノミナルな遅れ要素モデル、71:ACサーボモータの速度制御系、77:ACサーボモータ、78:電流検出器、713:ディジタル演算装置
1,61,81,91:
Claims (6)
前記制御対象のモデルは、制御対象のダイナミクスを模擬するノミナルプラントモデルと前記フィードバック制御系の閉ループ内に内包される遅れ要素を模擬するノミナルな遅れモデルとからなり、
前記第1の遅れ補償器は、前記制御対象に対してフィードバック制御を行う第2のフィードバック制御器が出力する操作量と制御対象の出力信号とを入力信号とし、
前記操作量と、前記第1の遅れ補償器が含む前記任意の第1のフィードバック制御器の出力とを加減算器で加算した信号に対する前記ノミナルプラントモデルの出力信号を理想フィードバック信号とし、前記操作量と、前記第1の遅れ補償器が含む前記任意の第1のフィードバック制御器の出力とを加減算器で加算した信号に対する前記制御対象のモデルの出力信号と、前記制御対象の出力信号とを加減算器で減じて得た信号をモデル誤差信号とし、該モデル誤差信号を前記任意の第1のフィードバック制御器の入力とするとともに、前記モデル誤差信号を前記任意の第1のフィルタで処理した信号と前記理想フィードバック信号とを加減算器で加算した信号を出力信号とするものであって、
前記第2のフィードバック制御器は、前記第1の遅れ補償器の前記出力信号と目標値信号との偏差を加減算器で算出し、該偏差を基に前記制御対象に対してフィードバック補償を行うことを特徴とするフィードバック制御方法。 A feedback control method for a feedback control system including a first delay compensator composed of a model to be controlled, an arbitrary first filter, and an arbitrary first feedback controller.
The controlled model includes a nominal plant model that simulates the dynamics of the controlled object and a nominal delay model that simulates a delay element contained in the closed loop of the feedback control system.
The first delay compensator uses an operation amount output by a second feedback controller that performs feedback control on the controlled object and an output signal of the controlled object as input signals.
The output signal of the nominal plant model with respect to the signal obtained by adding the operation amount and the output of the arbitrary first feedback controller included in the first delay compensator by an adder / subtractor is used as an ideal feedback signal, and the operation amount is used. And the output signal of the model to be controlled with respect to the signal obtained by adding / subtracting the output of the arbitrary first feedback controller included in the first delay compensator, and the output signal of the controlled object are added / subtracted. The signal obtained by subtraction by the device is used as a model error signal, the model error signal is used as an input of the arbitrary first feedback controller, and the model error signal is used as a signal processed by the arbitrary first filter. The signal obtained by adding the ideal feedback signal with the adder / subtractor is used as the output signal.
The second feedback controller calculates the deviation between the output signal of the first delay compensator and the target value signal by an adder / subtractor, and performs feedback compensation to the controlled object based on the deviation. A feedback control method characterized by.
前記任意の第1のフィルタは、その伝達特性が0より大きい任意の実数であることを特徴とするフィードバック制御方法。 The feedback control method according to claim 1.
The feedback control method, wherein the arbitrary first filter is an arbitrary real number whose transfer characteristic is larger than 0.
前記任意の第1のフィルタは、その伝達特性が1であることを特徴とするフィードバック制御方法。 The feedback control method according to claim 1.
The feedback control method, wherein the optional first filter has a transmission characteristic of 1.
前記制御対象のモデルは、制御対象のダイナミクスを模擬するノミナルプラントモデルと前記フィードバック制御系の閉ループ内に内包される遅れ要素を模擬するノミナルな遅れモデルとからなり、
前記第1の遅れ補償器は、前記フィードバック制御系を構成し制御対象に対してフィードバック制御を行う第2のフィードバック制御器が出力する操作量と制御対象の出力信号とを入力信号とし、
前記操作量と、前記第1の遅れ補償器が含む前記任意の第1のフィードバック制御器の出力とを加減算器で加算した信号に対する前記ノミナルプラントモデルの出力信号を理想フィードバック信号とし、前記操作量と、前記第1の遅れ補償器が含む前記任意の第1のフィードバック制御器の出力とを加減算器で加算した信号に対する前記制御対象のモデルの出力信号と、前記制御対象の出力信号とを加減算器で減じて得た信号をモデル誤差信号とし、該モデル誤差信号を前記任意の第1のフィードバック制御器の入力とするとともに、前記モデル誤差信号を前記任意の第1のフィルタで処理した信号と前記理想フィードバック信号とを加減算器で加算した信号を出力信号とするものであって、
前記第2のフィードバック制御器は、前記第1の遅れ補償器の前記出力信号と目標値信号との偏差を加減算器で算出し、該偏差を基に前記制御対象に対してフィードバック補償を行うことを特徴とするモータ制御装置。 A motor control device that employs a feedback control system that includes a first delay compensator composed of a model to be controlled, an arbitrary first filter, and an arbitrary first feedback controller.
The controlled model includes a nominal plant model that simulates the dynamics of the controlled object and a nominal delay model that simulates a delay element contained in the closed loop of the feedback control system.
The first delay compensator uses an operation amount output by a second feedback controller that constitutes the feedback control system and performs feedback control on a controlled object and an output signal of the controlled object as input signals.
The output signal of the nominal plant model with respect to the signal obtained by adding the operation amount and the output of the arbitrary first feedback controller included in the first delay compensator by an adder / subtractor is used as an ideal feedback signal, and the operation amount is used. And the output signal of the model to be controlled with respect to the signal obtained by adding / subtracting the output of the arbitrary first feedback controller included in the first delay compensator, and the output signal of the controlled object are added / subtracted. The signal obtained by subtraction by the device is used as a model error signal, the model error signal is used as an input of the arbitrary first feedback controller, and the model error signal is used as a signal processed by the arbitrary first filter. The signal obtained by adding the ideal feedback signal with the adder / subtractor is used as the output signal.
The second feedback controller calculates the deviation between the output signal of the first delay compensator and the target value signal by an adder / subtractor, and performs feedback compensation to the controlled object based on the deviation. A motor control device characterized by.
前記任意の第1のフィルタは、その伝達特性が0より大きい任意の実数であることを特徴とするモータ制御装置。 The motor control device according to claim 4.
The optional first filter is a motor control device whose transmission characteristic is an arbitrary real number larger than 0.
前記任意の第1のフィルタは、その伝達特性が1であることを特徴とするモータ制御装置。 The motor control device according to claim 4.
The optional first filter is a motor control device having a transmission characteristic of 1.
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