CN100543625C - 控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制装置，所述控制装置包括：第1切换器(第1切换装置)(400)，使对电机速度控制环(910)的输入信号在位置控制环(300)的信号和速度控制环(200)的信号之间切换，和切换控制部(500)，进行第1切换器(400)的切换控制；所述控制装置，按照过渡状态和稳定装置，利用该第1切换器(400)，对包括速度控制环(200)的4层环(电流控制环、电机速度控制环、速度控制环(200)、以及位置控制环(300))，和不包括速度控制环(200)的3层环(电流控制环、电机速度控制环、位置控制环(300))进行切换。

Description

控制装置

技术领域

本发明涉及控制装置，例如，涉及对由电机等所驱动的负载的位置或速度进行控制的伺服(servo)机构。

背景技术

以往，已知有按照目标指令对由电机等所驱动的负载的位置或速度进行控制的伺服机构，例如，用于数值控制工作设备或数值控制坐标测量机等。

并且，已知有以下这样的伺服机构，即：在对低刚性负载进行驱动控制的情况下，由除电流控制环、电机速度控制环、位置控制环之外、还具有负载速度控制环的4层环控制系统所构成的伺服机构，其中，所述低刚性负载因与电机的连接部具有低刚性部分等，而在位移、速度、加速度方面产生振荡性响应(例如，文献1：日本特开2004-118635号公报)。

图9表示这样的伺服机构。

在图9中，将包含有电流控制环的电机速度控制环910的传递特性用G_M表示，将负载110的特性用G_F表示。

省略详细的介绍，电流控制环包括电机、电机驱动功率放大器、电机转矩(torque)电流检测器、以及电流特性补偿器；电机速度控制环包括检测电机的转动位置的电机转动位置检测器、对电机转动位置进行微分计算电机的转动速度的微分器、以及电机速度特性补偿器。

负载速度控制环920包括对负载110的位置进行微分来计算负载速度的微分器921、和速度特性补偿装置922；速度特性补偿装置922包括比例补偿器(增益K_p)923和积分补偿器924(增益K_i)。

位置控制环930包括检测负载110的位置的位置检测器931和位置补偿器932。

通过象这样具备负载速度控制环920，即使在负载110的刚性低的情况下，也能够提高控制系统的减振性，使负载110的位置或速度稳定，从而高精度地进行控制。

但是，由于在位置控制环930的内侧，具有比位置控制环930响应慢的负载速度控制环920，因此，就出现利用补偿器的设定值(例如，比例补偿器923和积分补偿器924的增益)容易产生负载速度过冲(overshoot)这样的问题。

图11表示在输入了例如图10所示那样的斜坡状的位置目标指令pr的情况下的负载速度的仿真结果。从图11可知，在过渡状态下，将产生负载速度过冲。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种控制装置，在稳定状态下提高控制系统的减振性能，并且在过渡状态下也实现稳定的控制。

本发明提供一种对控制对象进行预定控制的控制装置，包括第1控制环，具有抑制振荡性动作的减振性能补偿元件；和第2控制环，构成在上述第1控制环的外侧，且其响应快于上述第1控制环，所述控制装置的特征在于，包括：第1切换装置，设置在上述控制对象的前段，通过切换对上述控制对象的输入，使得在稳定状态下选择流经上述第1控制环和上述第2控制环的信号，在过渡状态下选择不流经上述第1控制环的、仅流经上述第2控制环的信号。

根据这样的结构，通过第1切换装置进行切换，使对控制对象的输入在来自第1控制环的信号和第2控制环的信号之间进行选择切换。于是，例如按照控制对象的状态来切换给控制对象的信号，总是能够对控制对象进行最佳的控制。

例如，有以下的情况，即：第1控制环虽然具有抑制振荡性的动作的减振功能，但为了减振补偿，需要一定的时间，响应较慢。这样，如果包含响应上有延迟的第1控制环，则在目标值进行较大变化的情况下，存在引起过冲这样的问题。

对于该问题，在本发明中，因为由第1切换装置对第1控制环和第2控制环进行切换，所以，在例如目标值进行较大变化时，能够通过不包括第1控制环的第2控制环的信号快速地进行控制的响应，并且，能够防止例如过冲。并且，在目标值的变化较小的情况下，则包含第1控制环地进行控制对象的减振补偿，能够提高减振性能。

这样，因为对第1控制环和第2控制环进行切换，所以能够根据控制对象的状态由第1控制环和第2控制环进行最佳的控制。

进而，第1控制环，在例如目标值进行较大变化的状态下被从控制环中除去，在目标值稳定时被包含进控制环中，因此，在第1控制环的控制设计中，不必有例如抑制过渡状态下的过冲等顾忌，仅关注于稳定状态下的减振性能即可。由此，第1控制环，在控制增益等的设定等中也能够为了抑制干扰等而设定较高的增益等，能够自由地提高稳定状态中的减振性能等控制性能。

其结果，例如，能够在过渡状态下以第2控制环的快速的响应，迅速接近目标值并防止过冲，在稳定状态下由第1控制环进行充分的减振性能补偿等，使控制性能提高。

在本发明中，优选的是，上述第2控制环包括进行比例补偿的第2比例补偿元件；上述第1切换装置设置在上述控制对象的前段侧，从来自上述减振性能补偿元件的输出和来自上述第2比例补偿元件的输出中，选择并切换对上述控制对象的输入。

根据这样的结构，通过用第1切换装置进行切换，使对控制对象的输入在来自减振性能补偿元件(第1控制环)的输出和来自第2比例补偿元件(第2控制环)的输出中进行选择并切换。于是，例如能够在过渡状态下，以第2控制环的快速的响应，迅速接近目标值并防止过冲，在稳定状态下，由第1控制环进行充分的减振性能补偿等，使控制性能提高。

在本发明中，优选的是，具有控制上述第1切换装置的切换动作的第1切换控制装置；上述第1切换装置包括：第1端子，将来自上述第2比例补偿元件的输出作为对上述控制对象的输入，和第2端子，将来自上述减振性能补偿元件的输出作为对上述控制对象的输入；上述第1切换控制装置，在上述控制对象的驱动状态处于稳定状态的情况下，使上述第1切换装置选择上述第2端子，在上述控制对象的驱动状态处于过渡状态的情况下，使上述第1切换装置选择上述第1端子。

根据这样的结构，在第1切换装置选择了第1端子的情况下，来自第2比例补偿元件(第2控制环)的信号成为对控制对象的输入，在第1切换装置选择了第2端子的情况下，来自减振性能补偿元件(第1控制环)的信号成为对控制对象的输入。并且，由第1切换控制装置根据控制对象的过渡状态和稳定状态来使第1切换装置切换第1端子和第2端子。这时，因为在控制对象处于稳定状态时选择第2端子，所以由减振补偿元件抑制干扰等，由此进行稳定的控制。另一方面，因为在控制对象处于过渡状态时选择第1端子，所以能够利用第2控制环(第2比例补偿元件)进行快速响应的控制。

这样，根据控制对象的状态(过渡状态、稳定状态)由第1切换控制装置进行第1切换装置的切换动作，从而根据控制对象的状态，总是对控制对象进行最佳的控制。

在本发明中，优选的是，上述第1切换控制装置根据负载的加速度对上述第1切换装置的切换动作进行控制。

在本发明中，优选的是，在上述第1切换控制装置中，设定作为用于判断上述第1切换装置的切换定时的阈值的加速度阈值；上述第1切换控制装置，在负载加速度的绝对值大于上述加速度阈值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第1端子，在负载加速度的绝对值小于上述加速度阈值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第2端子。

在这样的结构中，当负载的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间转变时，在通过第1切换装置的切换动作切换第1控制环和第2控制环的情况下，根据加速度来判断负载的驱动状态是过渡状态还是稳定状态。此时，在稳定状态下加速度几乎为零，因此，在第1切换控制装置中，通过判断负载的加速度相对于预定的加速度阈值的大小，判断负载的驱动状态是过渡状态还是稳定状态。

在本发明中，优选的是，上述第1切换控制装置根据负载的速度的大小，控制上述第1切换装置的切换动作。

在本发明中，优选的是，在上述第1切换控制装置中设定有上述负载的目标速度；上述第1切换控制装置，在上述负载速度与上述目标速度的差的大小大于或等于预定值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第1端子；在上述负载速度与上述目标速度的差的大小小于预定值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第2端子。

在这样的结构中，当负载的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间进行转变时，在通过第1切换装置的切换动作切换第1控制环和第2控制环的情况下，根据负载的速度来判断负载的驱动状态是过渡状态还是稳定状态。

此时，在由外部指示负载的目标位置时，在速度目标预先已知的情况下，在第1切换控制装置中根据该负载的目标速度与负载速度的偏差的大小，判断出负载的驱动状态是过渡状态还是稳定状态。

在本发明中，优选的是，预先设定由外部所指示的上述负载的目标位置；在上述第1切换控制装置中，预先设定有时刻信息，该时刻信息是上述负载的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间切换的时刻信息，上述第1切换控制装置，根据上述负载的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间进行切换的时刻信息，控制上述第1切换装置的切换动作。

在这样的结构中，当负载的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间进行转变时，在通过第1切换装置的切换动作切换第1控制环和第2控制环的情况下，在预先设定的切换时刻执行第1切换装置的切换动作。

即，在目标位置和目标速度的模式预先已知、过渡状态和稳定状态进行切换的时刻预先已知的情况下，预先设定输入过渡状态和稳定状态进行切换的时刻信息。

并且，第1切换控制装置按照该时刻信息，使第1切换装置执行切换动作。

在本发明中，优选的是，上述第1控制环包括：调整装置，对上述减振性能补偿元件的功能进行抵消；第2切换装置，设置在上述减振性能补偿元件和上述调整装置之间，对上述减振性能补偿元件与上述调整装置的连接和断开进行切换。

在此，所谓调整装置抵消减振性能补偿元件的功能，是指例如调整装置的传递函数为减振性能补偿元件的传递函数的倒数，减振性能补偿元件与调整装置连接时的传递函数变成“1”。

在本发明中，优选的是，包括第2切换控制装置，对上述第2切换装置的切换动作进行控制；上述减振性能补偿元件，具有第1比例补偿元件和相对于该第1比例补偿元件并联设置的积分补偿元件，输出上述第1比例补偿元件的输出值与上述积分补偿元件的输出值的和；上述第2切换装置，设置在上述积分补偿元件和上述调整装置之间，并且，具有将上述调整装置的输出作为对上述积分补偿元件的输入的第3端子，和将对上述第1比例补偿元件的输入作为对上述积分补偿元件的输入的第4端子；上述第2切换控制装置，在上述第1切换装置从上述第1端子切换为上述第2端子时，使上述第2切换装置执行从上述第3端子切换到上述第4端子的切换动作。

在这样的结构中，在通过第1切换装置的切换动作，使对控制对象的输入从第2控制环(的信号)切换到第1控制环(的信号)时，由第2切换装置使调整装置和减振性能补偿装置从连接状态切换成断开状态。即，在对控制对象的输入从第2控制环的信号变为第1控制环的信号时，通过第2切换控制装置的控制，第2切换装置执行从第3端子切换为第4端子的切换动作。

在此，在第1切换装置的切换动作中，从第2控制环切换为第1控制环时，最初，在第1控制环中，以调整装置与减振性能补偿元件连接的状态抵消减振性能补偿元件的功能，因此，即使对控制对象的输入从第2控制环的信号切换为第1控制环的信号，信号值也不会发生大的变化。并且，之后通过第2切换装置使调整装置与减振性能补偿元件断开，从而使由减振性能补偿元件进行了特性补偿的信号向控制对象输出。

这样，在由第1切换装置将第2端子(第2控制环)切换为第1端子(第1控制环)时，在第2切换装置中将调整装置与减振性能补偿元件从连接状态转变为断开状态，从而使对控制对象的输入不会进行台阶状的变化，而是平滑地从第2控制环的信号向第1控制环的信号转变。

在本发明中，优选的是，上述第2控制环，包括进行比例补偿的第2比例补偿元件；上述控制对象是由电机驱动的负载；上述第2控制环，包括检测上述负载的位置的位置检测装置，和位置比较器，对由上述位置检测装置检测出的负载位置与由外部所指示的目标位置进行比较，将其位置偏差向上述的2比例补偿元件输出；上述第2比例补偿元件根据上述位置偏差输出上述负载的速度指令；上述第1控制环，包括检测上述负载的速度的速度检测装置，和速度比较器，对由上述速度检测装置检测出的负载速度与来自上述第2比例补偿元件的负载速度指令进行比较，输出其负载速度偏差。

根据这样的结构，能够实现按照由外部所指示的目标位置对负载的位置进行控制的伺服机构。

特别地，在负载的刚性低或者负载与电机的连接具有低刚性部分的情况下，能够在稳定状态中通过第1控制环的减振性能补偿而稳定地控制负载，并且，能够在过渡状态中由不包括第1控制环的第2控制环进行迅速的控制，抑制过冲等的产生。

在本发明中，优选的是，上述第1控制环具有次数差补偿元件，该次数差补偿元件与上述负载产生的共振模式对应且具有相对次数为零的特性。

在这样的结构中，通过包括具有相对次数为零的传递特性的次数差补偿元件，能够在某种程度下自由地设定第1控制环的传递特性，通过将减振性能补偿元件的增益设定得较高等，能够提高抑制干扰的性能。

附图说明

图1是表示本发明的控制装置的伺服机构的第1实施方式的框图。

图2是说明在上述第1实施方式中第1切换器、第2切换器的切换动作的图。

图3是说明在上述第1实施方式中第1切换器、第2切换器的切换动作的图。

图4是在上述第1实施方式中对负载的速度变化进行了仿真的图。

图5是表示本发明的控制装置的伺服机构的第2实施方式的框图。

图6是在上述第2实施方式中对负载的速度变化进行了仿真的图。

图7是表示本发明的控制装置的伺服机构的变形例1的框图。

图8是表示本发明的控制装置的伺服机构的变形例2的框图。

图9是表示以往的伺服机构的框图。

图10是表示输入给伺服机构的位置目标指令的例子的图。

图11是在以往的伺服机构中对负载的速度变化进行了仿真的图。

具体实施方式

以下，用附图表示本发明的实施方式，并参照对图中各要素所添加的标号来说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

对作为本发明的控制装置的伺服机构的第1实施方式进行说明。

图1是表示第1实施方式的结构的框图。图2和图3是说明第1切换器400和第2切换器250的切换动作的图，图4是在第1实施方式中输入了位置目标指令p_r的情况下的负载速度变化的仿真结果。

该伺服机构100，作为整体，按照从外部时时刻刻输入的位置目标指令p_r，利用电机(未图示)使作为控制对象的负载110进行位移，并且，伺服机构100按从内到外的顺序包括施加电流控制环(该路经未图示)、电机速度控制环(该路径未图示)、作为第1控制环的速度控制环200、作为第2控制环的位置控制环300，来控制负载110的位置和速度。

将电机速度控制环910的传递特性用G_M表示，将负载110的特性用G_F表示，在以下的说明中，电机速度控制环910也可以包含施加电流控制环。

并且，该伺服机构100包括第1切换器(第1切换装置)400和进行第1切换器400的切换控制的切换控制部500，该第1切换器400使对电机速度控制环910的输入信号在位置控制环300的信号和速度控制环200的信号之间切换。由该第1切换器400根据过渡状态和稳定状态来切换包括速度控制环200的4层环(电流控制环、电机速度控制环、速度控制环200、位置控制环300)，和不包括速度控制环200的3层环(电流控制环、电机速度控制环、位置控制环300)。

在此，作为负载110，并没有特别的限定，例如，可以具有低刚性部分，也可以在与电机的连接部分具有低刚性部分。这是因为对于这样的低刚性负载也能够利用本发明的结构来抑制振荡、进行稳定的控制。

以下，参照图1的框图说明第1实施方式的结构。

位置控制环300是构成在最外侧的反馈环，包括积分元件310、位置比较器320、以及位置补偿器(第2比例补偿元件)330，其中，所述积分元件310作为位置检测装置，将来自检测负载速度v_e的速度检测器(速度检测装置)210的速度信息做成位置信息；所述位置比较器320，将来自上述积分元件310的负载位置信息pe与从外部输入的位置目标指令p_r进行比较并进行减法运算；所述位置补偿器330对来自位置比较器320的输出进行特性补偿。

位置补偿器330输出负载110的速度指令v_r。

并且，来自位置补偿器330的速度指令v_r在点340分支，一支通过第1切换器400直接输出到电机速度控制环910，另一支输入到速度控制环200。.

速度控制环200构成在位置控制环300的内侧。

速度控制环200包括：速度检测器210，检测负载速度v_e；速度比较器220，对从位置补偿器330输出的速度指令v_r与来自速度检测器210的负载速度v_e进行比较；速度特性补偿装置(减振性能补偿元件)230，对来自速度比较器220的输出进行负载速度v_e的特性补偿；调整装置240，取消(抵消)速度特性补偿装置230的功能；第2切换器(第2切换装置)250，从速度比较器220的输出和调整装置240的输出中选择并切换对速度特性补偿装置230的输入。

速度比较器220，从位置比较器320的速度指令v_r减去由速度检测器210检测出的负载速度v_e，输出速度偏差e_v。

速度特性补偿装置230包括：增益为K_p的比例补偿器(第1比例补偿元件)231，对来自速度比较器220的输出进行比例补偿；增益为K_i的积分补偿器(积分补偿元件)232，在与速度比较器220之间夹有第2切换器250，且与比例补偿器231并联地设置；加法器233，对比例补偿器231的输出与积分补偿器232的输出进行加法运算。

调整装置240设置在速度比较器220的前段与第2切换器250之间，具有对来自位置比较器320的速度指令进行微分的微分器241，和使积分补偿器232的增益K_i的倒数乘以该微分器241的输出的乘法器242。

即，将调整装置240和积分补偿器232合并在一起后的传递函数为“1”。

来自乘法器242的输出，通过第2切换器被输出到积分补偿器232。

第2切换器250，设置在积分补偿器232的前段，包括与调整装置240连接的第3端子b₁、与速度比较器220连接的第4端子b₂。通过切换第3端子b₁和第4端子b₂，从来自调整装置240的输出和来自速度比较器的输出中选择并切换对积分补偿器232的输入。

第1切换器400，设置在电机速度控制环910的前段，包括与位置补偿器330直接连接的第1端子a₁和与加法器233(速度控制环200)连接的第2端子a₂。

通过切换第1端子a₁和第2端子a₂，从来自位置补偿器330的速度指令v_r和来自加法器233的输出中选择并切换对电机速度控制环910的输入。

切换控制部(第1切换控制装置、第2切换控制装置)500包括：加速度检测部510，对来自速度检测器210的速度信息v_e进行微分，检测负载110的加速度g_e；切换定时判断部520，根据负载的加速度g_e判断第1切换器400和第2切换器250的切换时刻；以及切换驱动部530，根据来自切换定时判断部520的指令，使第1切换器400和第2切换器250执行切换动作。

切换定时判断部520，包括：加速度阈值设定部521，设定作为用于判断第1切换器400和第2切换器250的切换动作定时的阈值的加速度阈值(G)；和加速度判断部522，比较加速度阈值G与负载的加速度g_e来进行判断。

加速度阈值G为用于判断负载110的驱动状态是过渡状态还是稳定状态的阈值，在稳定状态中由于负载110的加速度几乎为零，所以加速度阈值G被设定为接近0的预定值。

加速度判断部522，判断负载110的加速度g_e的绝对值是否大于加速度阈值G，将其结果输出到切换驱动部530。

驱动部530，在加速度判断部522判断为负载加速度g_e的绝对值|g_e|大于或等于加速度阈值G的情况下，使第1切换器400选择第1端子a₁，使第2切换器250选择第3端子b₁。另外，切换驱动部530，在加速度判断部522判断为负载加速度g_e的绝对值|g_e|小于加速度阈值G的情况下，使第1切换器400选择第2端子a₂，使第2切换器250选择第4端子b₂。

下面，对具有这样的结构的第1实施方式的动作进行说明。

在输入了图10所示的斜坡状的位置目标指令p_r的情况下，开始(t<T₁)，负载110的驱动状态为稳定状态，成为第1切换器400选择第2端子a₂、第2切换器250选择了第4端子b₂的状态。

并且，以从稳定状态(t<T₁)开始、之后转变到过渡状态(T₂>t≥T₁)、然后再转变到稳定状态(t≥T₂)的情况作为例子来进行说明。

首先，对从稳定状态(t<T₁)转变到过渡状态(T₂>t≥T₁)的情况进行说明。

接收到位置目标指令p_r后，在位置比较器320中对目标位置指令p_r和负载位置p_e进行比较，输出位置偏差e_p。该位置偏差e_p由位置补偿器330进行比例补偿后，从该位置补偿器330输出速度指令v_r。

在此，因为第1切换器400选择了第2端子a₂，所以来自位置补偿器330的速度指令v_r经由速度控制环200，通过第1切换器400输入到电机速度控制环910，对负载110进行驱动控制。

另外，因为第2切换器250选择了第4端子b₂，所以来自位置补偿器330的信号(速度指令v_r)不通过调整装置240。

来自位置补偿器330的速度指令v_r，在点340分支，输入到速度比较器220，在速度比较器220中，速度指令v_r与来自速度检测器210的速度信息v_e进行比较后，输出速度偏差e_v。

该速度偏差e_v，在速度特性补偿装置230中由比例补偿器231和积分补偿器232进行信号补偿，之后由加法器233对来自比例补偿器231的信号和来自积分补偿器232的信号进行加法运算。来自加法器233的信号，通过第1切换器400(第2端子a₂)输入到电机速度控制环910，对负载110进行驱动控制。

按照位置目标指令p_r驱动控制负载110，对负载的位移进行微分，由速度检测器210进行检测。

来自速度检测器210的速度信息v_e，被转到对速度控制200的反馈和对通过了积分元件310的位置控制环300的反馈中，并输出到切换控制部500。

在切换控制部500中，来自速度检测器210的速度信息v_e在加速度检测部510进行微分，负载110的加速度信息g_e从加速度检测部510输出到切换定时判断部520。

在切换定时判断部520中，在加速度阈值设定部521中设定有用于判断负载110的驱动状态是过渡状态还是稳定状态的阈值G时，在加速度判断部522中对负载的加速度g_e的大小(绝对值)与加速度阈值G进行比较，判断这两者的大小。

在此，如图10所示，在t<T₁和T₂>t≥T₁的情况下用斜率不同的位置目标指令p_r进行指示，负载110的加速度g_e变大，在加速度判断部522中，判断为负载的加速度g_e的绝对值大于加速度阈值G。

加速度判断部522的判断结果被输出到切换驱动部530。

根据加速度判断部522的判断结果，由切换驱动部530进行第1切换器400和第2切换器250的切换动作。

在此，因为在加速度判断部522判断为负载的加速度ge的绝对值|g_e|大于加速度阈值G，所以切换驱动部530使第1切换器400选择第1端子a₁，使第2切换器250选择第3端子b₁，使第1切换器400和第2切换器250如此执行切换动作。

通过这样进行切换器(第1切换器400、第2切换器250)的切换动作，从包括速度控制环200的控制系统转变为不包括速度控制环200的控制系统。

下面，对过渡状态中的动作进行说明。

将第1切换器400选择了第1端子a₁、第2切换器250选择了第3端子b₁的状态表示在图2中。

在过渡状态中，负载110的加速度g_e(的大小)变大，只要在加速度判断部522中判断为负载的加速度g_e的绝对值|g_e|大于加速度阈值G，就通过切换控制部500的控制，使第1切换器400选择第1端子a₁，使第2切换器250选择第3端子b₁。

并且，在第1切换器400中，由于当初是第1端子a₁被选择，所以来自位置补偿器330的速度指令v_r通过第1切换器400输入到电机速度控制环910，对负载110进行驱动控制。

下面，对从过渡状态转变到稳定状态的情况进行说明。

在负载110的位置逐渐接近位置目标指令p_r，负载110的驱动状态开始向稳定状态转变，加速度检测部510所检测出的加速度g_e逐渐接近零。

然后，在加速度判断部522中，判断为负载的加速度g_e的大小|g_e|小于加速度阈值G。此时，切换驱动部530使第1切换器400选择第2端子a₂，使第2切换器250选择第4端子b₂。

在图3中表示在切换动作的过程中，使第1切换器400选择第2端子a₂，第2切换器250连接于第3端子b₁的状态。

如图3所示，由第1切换器400选择第2端子a₂后，来自位置补偿器330的速度指令v_r，经由速度控制环200输入到电机速度控制环910。

来自位置补偿器330的速度指令v_r，在点340分支，进入到速度控制环200之后，又在点260分支。

在点260分支的一支信号，从速度比较器220开始，由速度特性补偿装置230的比例补偿器231进行信号补偿后，输入到加法器233。此时，因为负载110的驱动状态接近稳定状态、负载速度接近速度指令v_r，所以来自速度比较器220的速度偏差e_v接近于零，来自比例补偿器231的输出信号也几乎为零。

在点260分支的另一支信号，从调整装置240开始，通过第2切换器250和积分补偿器232，输入到加法器233。

此时，调整装置240的传递函数是积分补偿器232的传递函数的倒数，将调整装置240和积分补偿器232合并后的传递函数为“1”，所以在点260分支的信号实质上原样地输入到加法器233。

来自比例补偿器231的信号几乎为零，通过了调整装置240和积分补偿器232的信号，与来自位置补偿器330的信号(速度指令v_r)一样，所以从加法器233输出的信号几乎等于来自位置补偿器330的速度指令v_r。

于是，在由第1切换器400从第1端子a₁切换成第2端子a₂时，从加法器233(速度控制环200)通过第2端子a₂输入到电机速度控制环910的信号，与来自位置补偿器330的速度指令v_r相同，即，与第1切换器400进行切换前的信号几乎相同。

之后，在第2切换器250中，从第3端子b₁切换到第4端子b₂后(该状态表示在图1中)，来自速度比较器220的速度偏差e_v，在速度特性补偿装置230中由比例补偿器231和积分补偿器232进行信号补偿。来自比例补偿器231的信号和来自积分补偿器232的信号在加法器233中相加，来自加法器233的信号通过第1切换器400(第2端子a₂)输入到电机速度控制环910，对负载110进行驱动控制。

在稳定状态中，由速度控制环200的速度特性补偿装置230使控制系统的减振性能提高，抑制干扰等影响，稳定地控制负载110。

根据具有这样的结构的第1实施方式，能够实现以下的效果。

(1)通过由第1切换器400进行切换，使对电机速度控制环910的输入在来自位置控制环300的信号和来自速度控制环200的信号之间切换。并且，如图4所示，在负载110的驱动状态为稳定状态时，能够由速度控制环200的速度特性补偿装置230提高减振性能，稳定地控制负载110，另外，在负载110的驱动状态为过渡状态时，由不包括速度控制环200的位置控制环300，以快速的响应将负载110的位置控制在目标位置，从而能够防止例如过冲。

(2)速度控制环200，在目标值进行较大变化的状态下从控制系统除去，仅在目标值稳定时被加入控制系统，因此，在速度控制环200的控制设计中，不必有抑制过渡状态下的过冲等顾忌，可以只关注于稳定状态中的减振性能。其结果，即使在速度控制环200的控制增益等的设定等中，也能为了抑制干扰等而设定较高的增益等，自由地提高稳定状态中的减振性能等控制性能。

(3)设置有调整装置240，在第1切换器400的切换动作中从位置控制环300切换到速度控制环200时，在速度控制环200中，以调整装置240与积分补偿器232连接的状态使积分补偿器232的功能被抵消。于是，即使对电机速度控制环910的输入从位置控制环300的信号切换为速度控制环200的信号，也能够使得信号值不发生大的变化。其结果，在由第1切换器400从第1端子a₁切换为第2端子a₂时，对电机速度控制环910的输入并不会台阶状地变化，而是能够平滑地从位置控制环300的信号向速度控制环200的信号转变，在进行切换时也能够稳定地控制负载110。

(4)负载110的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间转变时，通过第1切换器400的切换动作，在对速度控制环200和位置控制环200进行切换时，根据加速度g_e判断负载110的驱动状态是过渡状态还是稳定状态。根据实时检测出的负载110的加速度g_e来判断负载110的状态(过渡状态、稳定状态)，因此即使在突发地产生干扰等导致负载110的状态变成过渡状态的情况下，也能够采取切换这样的方式来应对。

(第2实施方式)

下面，对本发明的第2实施方式进行说明。

第2实施方式的基本结构与第1实施方式相同，但是，第2实施方式具有以下的特征：速度控制环具有次数差补偿器(次数差补偿元件)。

在图5中，速度控制环200在第1切换器400的第2端子a₂和加法器233之间具有次数差补偿器270。在图5中，切换控制部500与第1实施方式(图1)相同，所以省略其说明。

次数差补偿器270的传递函数的相对次数为零，该传递函数由负载110的传递特性、和具有与负载110的传递特性相同次数的速度控制环200的支配特性来表现。

在此，所谓传递函数的相对次数，指的是在表示控制系统的特性的传递函数中，(分子多项式中s的次数)-(分母多项式中s的次数)。其中，s是拉普拉斯算子。

下面，举出一个次数差补偿器270的传递函数的具体例子。

以ω_z表示负载的振荡的固有角频率，以ξ_z表示衰减系数(0<ξ_z<1)，以s表示拉普拉斯算子，并设定角频率ω_p使ω_p>ω_z，设定衰减系数ξ_p使ξ_p≥1。

并且，负载的特性G_F用下式表示。

$G_F=\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_z}^2}{S^2+{2\mathrm{\&zeta;}}_z{\mathrm{\&omega;}}_z+{{\mathrm{\&omega;}}_z}^2}$        …(式1)

对应于该负载的特性，速度控制环要实现的支配特性G_n作为与负载110相同次数的特性，用下式表示。

$\mathrm{Gn}=\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_p}^2}{s^2+{2\mathrm{\&zeta;}}_p{\mathrm{\&omega;}}_p+{{\mathrm{\&omega;}}_p}^2}$         …(式2)

这时，次数差补偿器270的传递函数G用下式表示。

$G=\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_p}^2}{{{\mathrm{\&omega;}}_z}^2}\&CenterDot;\frac{s^2+{2\mathrm{\&zeta;}}_z{\mathrm{\&omega;}}_z+{{\mathrm{\&omega;}}_z}^2}{s^2+{2\mathrm{\&zeta;}}_p{\mathrm{\&omega;}}_p+{{\mathrm{\&omega;}}_p}^2}$                …(式3)

通过具有这样的次数差补偿器270，能够使速度控制环200的一周传递特性的相对次数降低，抑制振荡性的动作，稳定地控制负载110。

通过包括这样的具有相对次数为零的传递特性的次数差补偿器270，能够在某种程度下自由地设定速度控制环200的传递特性，通过恢复ω_p和ω_z之间的相位，将速度特性补偿装置230的比例补偿器231的增益K_p和积分补偿器232的增益K_i设定得较高等，从而能够提高抑制干扰的性能。

另外，在负载110的特性G_F不能以(式1)的形式正确表现的情况下，将次数差补偿器270的传递特性设为(式3)，使ω_z和ω_p之间的频率所产生的相位延迟恢复，能够改善控制特性。

在第2实施方式中，由切换控制部根据负载110的加速度，在过渡状态和稳定状态下对第1切换器400和第2切换器250的切换动作进行控制，这样的处理与第1实施方式是相同的。

图6表示对第2实施方式的伺服机构输入了图10所示的斜坡状的位置目标指令p_r时的负载速度v_e的仿真结果。根据图6可知，在加速时和减速时的过渡状态下，抑制过冲，实现了稳定的控制。

(变形例1)

下面，参照图7说明本发明的控制装置的伺服机构的变形例1。

变形例1的基本结构与第1实施方式相同，但是，变形例1具有以下的特征：切换控制部600根据预先设定的切换时刻信息，控制第1切换器400和第2切换器250的切换动作。

在图7中，切换控制部600包括切换定时判断部610和切换驱动部620，切换定时判断部610包括切换时刻设定部611、时刻判断部612、以及时刻计数器613。

在位置目标指令p_r所指示的位置(或速度)是预先已知的情况下，在切换时刻设定部611中预先设定负载110的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间转变的时刻。

例如，在输入图10所示的位置目标指令p_r的情况下，在t<T₁时为稳定状态，在T₁≤t<T₂时为过渡状态，在T₂≤t<T₃时为稳定状态，因此，将T₁、T₂、T₃作为切换时刻设定在切换时刻设定部611中。

时刻判断部612，根据来自时刻计数器613的时刻信息，判断是否到达切换时刻(T₁、T₂、T₃)，并将判断结果输出到切换驱动部620。

切换驱动部620，根据来自时刻判断部612的判断结果，使第1切换器400和第2切换器250执行切换动作。

例如，在t<T₁时，因为处于稳定状态，所以第1切换器400选择第2端子a₂，第2切换器250选择第4端子b₂，在由时刻判断部612指示到达t＝T₁时，切换驱动部620指示第1切换器400向第1端子a₁切换，指示第2切换器250向第3端子b₁切换。

另外，在T₁≤t<T₂时，因为处于过渡状态，所以第1切换器400选择第1端子a₁，第2切换器250选择第3端子b₁，在由时刻判断部612指示到达t＝T₂时，切换驱动部620指示第1切换器400向第2端子a₂切换，指示第2切换器250向第4端子b₂切换。

根据这样的实施例1，因为根据预先设定的时刻信息指示第1切换器400和第2切换器250的切换动作，所以能够不偏离定时地在最佳时刻进行第1切换器400和第2切换器250的切换动作。其结果，能够依照预先计划的设定平滑地驱动负载。

(变形例2)

下面，参照图8说明本发明的控制装置的伺服机构的变形例2。

变形例2的基本结构与第1实施方式相同，但是，变形例2具有以下特征：切换控制部500根据负载的速度，控制第1切换器400和第2切换器250的切换动作。

在图8中，切换控制部700包括切换定时判断部710和切换驱动部720；切换定时判断部710包括目标速度设定部711、速度阈值设定部712、以及速度判断部713。

在位置目标指令p_r所指示的模式(pattern)预先已知，作为目标的速度已被预先设定的情况下，在目标速度设定部711中设定有作为目标的目标速度。也可以是，目标速度设定部711对位置目标指令p_r进行微分，算出速度指令的模式，将该速度指令v_r的模式设定为目标速度。

在速度阈值设定部712中设定有速度阈值ε，该速度阈值ε用于根据负载110的速度v_e来判断从过渡状态转变到稳定状态的时刻。

速度阈值ε作为用于判断负载110的速度与目标速度的差的大小(绝对值)是否落入预定范围内的阈值ε而被设定，例如，设定为目标速度的5％。在这种情况下，在负载110的速度v_e与目标速度vr的差的大小(绝对值)在目标速度的5％以内时(|v_r-v_e|≤ε)，能判断为稳定状态，在负载110的速度与目标速度的差的大小(绝对值)超过目标速度的5％时(|v_r-v_e|>ε)，能判断为处于过渡状态。

速度判断部713，判断速度检测器210所检测出的负载110的速度v_e与目标速度v_r的差的绝对值(|v_r-v_e|)是否大于速度阈值ε。将该判断结果输出到切换驱动部720。

切换驱动部720，在速度判断部713判断为负载110的速度v_e与目标速度v_r的差的绝对值(|v_r-v_e|)大于速度阈值ε的情况下，因为处于过渡状态，所以使第1切换器400选择第1端子a₁，使第2切换器250选择第3端子b₁。

另外，切换驱动部720，在速度判断部713判断为负载110的速度v_e与目标速度v_r的差的绝对值(|v_r-v_e|)小于速度阈值的情况下，因为处于稳定状态，所以使第1切换器400选择第2端子a₂，使第2切换器250选择第4端子b₂。

根据这样的变形例2，一边根据由速度检测器210检测出的负载110的速度确认负载110的实际的状态，一边进行第1切换器400和第2切换器250的切换动作，因此，能够根据实际的负载110的状态(稳定状态、过渡状态)进行适当的控制。例如，即使在因突发的干扰而转变到过渡状态的情况下，通过第1切换器400和第2切换器250的切换进行最佳的控制，能够迅速地进行应对，稳定地控制负载110。

本发明不限于上述实施方式，能够实现本发明的目的的范围内的变形、改良等也包括在本发明中。

例如，在上述实施方式中，作为由第1控制环进行切换的控制环，是将第1控制环设为速度控制环，将第2控制环设为位置控制环的，但是，不言而喻，作为切换对象的控制环并不特别限定，而是根据控制对象进行各种设计变更。

Claims (12)

1.一种对控制对象进行预定控制的控制装置，包括第1控制环，具有抑制振荡性动作的减振性能补偿元件；和第2控制环，构成在上述第1控制环的外侧，且其响应快于上述第1控制环，所述控制装置的特征在于，包括：

第1切换装置，设置在上述控制对象的前段，通过切换对上述控制对象的输入，使得在稳定状态下选择流经上述第1控制环和上述第2控制环的信号，在过渡状态下选择不流经上述第1控制环的、仅流经上述第2控制环的信号。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：

上述第2控制环，具有进行比例补偿的第2比例补偿元件；

上述第1切换装置，设置在上述控制对象的前段侧，从来自上述减振性能补偿元件的输出和来自上述第2比例补偿元件的输出中，选择并切换对上述控制对象的输入。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于：

包括第1切换控制装置，控制上述第1切换装置的切换动作；

上述第1切换装置，具有将来自上述第2比例补偿元件的输出作为对上述控制对象的输入的第1端子，和将来自上述减振性能补偿元件的输出作为对上述控制对象的输入的第2端子；

上述第1切换控制装置，在上述控制对象的驱动状态处于稳定状态的情况下，使上述第1切换装置选择上述第2端子，在上述控制对象的驱动状态处于过渡状态的情况下，使上述第1切换装置选择上述第1端子。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于：

上述第1切换控制装置，根据负载的加速度对上述第1切换装置的切换动作进行控制。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于：

在上述第1切换控制装置中，设定有作为用于判断上述第1切换装置的切换定时的阈值的加速度阈值；

上述第1切换控制装置，在负载加速度的绝对值大于上述加速度阈值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第1端子，在负载加速度的绝对值小于上述加速度阈值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第2端子。

6.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于：

上述第1切换控制装置，根据负载的速度的大小，控制上述第1切换装置的切换动作。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于：

在上述第1切换控制装置中，设定有上述负载的目标速度；

上述第1切换控制装置，在上述负载速度与上述目标速度的差的大小大于或等于预定值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第1端子；在上述负载速度与上述目标速度的差的大小小于预定值的情况下，使上述第1切换装置选择上述第2端子。

8.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于：

预先设定由外部所指示的上述负载的目标位置；

在上述第1切换控制装置中，预先设定有时刻信息，该时刻信息是上述负载的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间进行切换的时刻信息，

上述第1切换控制装置，根据上述负载的驱动状态在过渡状态和稳定状态之间进行切换的时刻信息，控制上述第1切换装置的切换动作。

9.根据权利要求1至权利要求8的任一项所述的控制装置，其特征在于：

上述第1控制环，包括

调整装置，对上述减振性能补偿元件的功能进行抵消；

第2切换装置，设置在上述减振性能补偿元件和上述调整装置之间，对上述减振性能补偿元件与上述调整装置的连接和断开进行切换。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于：

包括第2切换控制装置，对上述第2切换装置的切换动作进行控制；

上述减振性能补偿元件，具有第1比例补偿元件和相对于该第1比例补偿元件并联设置的积分补偿元件，输出上述第1比例补偿元件的输出值与上述积分补偿元件的输出值的和；

上述第2切换装置，设置在上述积分补偿元件和上述调整装置之间，并且，具有将上述调整装置的输出作为对上述积分补偿元件的输入的第3端子，和将对上述第1比例补偿元件的输入作为对上述积分补偿元件的输入的第4端子；

上述第2切换控制装置，在上述第1切换装置从上述第1端子切换为上述第2端子时，使上述第2切换装置执行从上述第3端子切换到上述第4端子的切换动作。

11.根据权利要求1至权利要求8的任一项所述的控制装置，其特征在于：

上述第2控制环，包括进行比例补偿的第2比例补偿元件；

上述控制对象是由电机驱动的负载；

上述第2控制环，包括检测上述负载的位置的位置检测装置，和位置比较器，对由上述位置检测装置检测出的负载位置与由外部所指示的目标位置进行比较，将其位置偏差向上述第2比例补偿元件输出；

上述第2比例补偿元件根据上述位置偏差输出上述负载的速度指令；

上述第1控制环，包括检测上述负载的速度的速度检测装置，和速度比较器，对由上述速度检测装置检测出的负载速度与来自上述第2比例补偿元件的负载速度指令进行比较，输出其负载速度偏差。

12.根据权利要求11所述的控制装置，其特征在于：

上述第1控制环，具有次数差补偿元件，该次数差补偿元件与上述负载产生的共振模式对应且具有相对次数为零的特性。

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