JP2000148249A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サーボモータにより制御対象の位置を制御す
る装置であって、位置検出信号に重畳するノイズに対し
て高いノイズ除去性能を保持しながら、位置指令追従性
能の劣化や振動現象の発生を抑制できる位置制御装置を
提供する。 【解決手段】 位置検出信号ｙに重畳するノイズを除去
した位置検出値ｐｏを出力するオブザーバ部２と、位置
偏差の発生条件に応じて数値可変する補間定数Ｇｎｒを
用いて位置検出信号ｙと位置検出値ｐｏとを補間演算
し、最終的な位置フィードバックとなる位置帰還ｘを出
力する位置検出補間部３とを備えたノイズリジェクタ１
を搭載する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置制御装置、特
に数値制御機械のテーブル等の可動部材の位置制御に用
いられる位置制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、サーボモータ（図示しない）に
ギヤ等で結合されて移動可能に形成されたテーブル等の
可動部材からなる対象システム５７の位置を制御する従
来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。以
下、この位置制御装置の構成と動作について説明する。
位置制御装置には、上位装置（図示しない）より位置指
令値Ｘが入力される。減算器５０は、位置指令値Ｘから
位置帰還ｘを減算し位置偏差Ｘ−ｘを算出する。位置検
出信号ｐは、最終的な制御対象である対象システム５７
から出力され、その位置を間接的に示すサーボモータの
回転角位置信号、あるいは対象システム５７の位置を直
接検出した位置検出信号である。図５では、位置制御装
置が位置検出信号ｐを受け取る途中の信号伝送路でノイ
ズｗが重畳する場合を示しており、位置検出信号ｐにノ
イズｗが重畳したものが、位置制御装置が実際に受け取
る位置検出信号ｙになる。加算器５８はノイズｗの重畳
を示すために仮想的に記載したもので、現実には存在し
ない。本位置制御装置では、位置検出信号ｙからノイズ
ｗを除去する目的で設けられたローパスフィルタ（以降
ＬＰＦと称す）５９を介して位置帰還ｘを作成する。

【０００３】増幅器５１は位置偏差Ｘ−ｘを位置ループ
ゲインＫｖ倍に増幅するものであり、この増幅器５１の
出力は、位置指令値Ｘを微分器５２で微分して算出した
速度指令値Ｖと加算器５３で加算され、速度指令入力Ｖ
ｍとなる。この速度指令入力Ｖｍは速度制御ループ６０
の減算器５４に入力される。減算器５４では、速度指令
入力Ｖｍからモータ速度ｖｍを減算し、速度偏差Ｖｍ−
ｖｍを算出する。この速度偏差Ｖｍ−ｖｍは速度ＡＭＰ
部５５によりＰＩ（比例積分）増幅され、トルク指令値
τｃとなる。パワー増幅部５６は、電力増幅器とサーボ
モータで構成されており、前記トルク指令値τｃを増幅
してモータ出力トルクτを出力するもので、その増幅率
はトルク変換定数Ｃｔで表される。モータ出力トルクτ
は対象システム５７に供給され、これを駆動する。微分
器５２，加算器５３は速度指令値Ｖのフィードフォワー
ド系を構成しており、位置制御応答の高応答化を指向し
ている。尚、図５中の微分器５２の符号Ｓは微分動作を
示すラプラス変換の演算子である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来の位置
制御装置において、ノイズｗが微小な場合、ＬＰＦ５９
は不要になる。ＬＰＦ５９を除去した構成によれば、モ
ータ出力トルクτの急激な変化が求められる加々速度指
令値ΔＡ（位置指令値Ｘの３階時間微分値）が大きい時
や、摩擦トルクが急変する移動方向反転時を除いては、
フィードフォワード効果により位置偏差Ｘ−ｘは殆ど発
生しない。しかしながら、ノイズｗが大きく、これを除
去する目的でＬＰＦ５９を付加した場合、フィルタ効果
が位置検出信号ｐに対しても作用するため、ＬＰＦ５９
のカットオフ角周波数を低くとる程、位置指令への追従
遅れの増大や振動現象が広い動作条件下で生ずるという
問題点があった。このため、除去できるノイズｗの下限
周波数をある程度高く設定しなければならないという制
約があり、結果的に十分なノイズ除去性能が得られなか
った。

【０００５】加えて、位置偏差Ｘ−ｘが発生する加々速
度指令値ΔＡが大きい時や移動方向反転時には、位置の
追従誤差分に対しても同様にフィルタ効果が作用するた
め、追従誤差を減少させるという位置制御装置本来の制
御動作が遅れ、結果的に追従誤差が増大するという問題
点があった。本発明は、これらの問題点を解消するため
になされたもので、本発明の目的は、高いノイズ除去性
能を保持しながら、位置指令への追従遅れ等の追従誤差
の増大を招く追従性能の劣化や振動現象の発生を抑制で
きる位置制御装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、サーボモータ
により制御対象である対象システムの位置を制御する位
置制御装置に関するもので、本発明の上記目的は、位置
検出信号ｙに重畳するノイズを除去した位置検出値ｐｏ
を出力するオブザーバ部と、Ｇｎｒ決定部と、該Ｇｎｒ
決定部で決定された補間定数Ｇｎｒを用いて位置検出信
号ｙと位置検出値ｐｏとを補間演算し位置帰還ｘを出力
する位置検出補間部とにより構成されるノイズリジェク
タを備えることによって達成される。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る位置制御装
置の構成例のブロック図である。図１において、前述し
た図５と同一の部分については同一の名称及び番号を付
し、その部分についての説明を省略する。ノイズリジェ
クタ１は、オブザーバ部２と位置検出補間部３及びＧｎ
ｒ決定部４で構成されている。オブザーバ部２は、位置
検出信号ｙと、Ｇｎｒ決定部４から出力される加速度指
令値Ａとに基づいてオブザーバ演算を行い、位置検出値
ｐｏを出力する。位置検出補間部３は、Ｇｎｒ決定部４
から与えられる補間定数Ｇｎｒによって位置検出値ｐｏ
と位置検出信号ｙとを補間演算し、位置帰還ｘを出力す
る。Ｇｎｒ決定部４は、予め初期設定された加々速度定
数ΔＡ１とΔＡ２、補間定数Ｇｎｒの時間低減定数ΔＧ
ｎｒの各パラメータと、速度指令値Ｖ及び速度指令入力
Ｖｍに基づき、内部演算により算出される前記加速度指
令値Ａと補間定数Ｇｎｒとを出力する。

【０００８】図２は、ノイズリジェクタ１内のオブザー
バ部２と位置検出補間部３の内部構成の一例を示すブロ
ック図である。位置検出信号ｐが位置指令値Ｘに一致す
ると想定した時の対象システム５７の動作を示すモデル
式は、

【数１】ｄｐ／ｄｔ＝Ｖ ｄＶ／ｄｔ＝Ａ となる。また、位置検出信号ｙは、

【数２】ｙ＝ｐ＋ｗ であるから、これらの関係から公知の方法により同一次
元オブザーバを構成したものがオブザーバ部２である。

【０００９】減算器２０は、位置検出信号ｙからオブザ
ーバ出力となる位置検出値ｐｏを減算し、推定位置偏差
ｙ−ｐｏを算出する。推定位置偏差ｙ−ｐｏは増幅器２
１によりｋ２倍され、Ｇｎｒ決定部４から出力される加
速度指令値Ａと加算器２２において加算されてｄｖｏ／
ｄｔとなる。ここでｄｖｏ／ｄｔはオブザーバ内部で推
定される推定加速度である。このｄｖｏ／ｄｔは積分器
２３で積分され推定速度ｖｏになる。また、推定位置偏
差ｙ−ｐｏは増幅器２４でｋ１倍され、推定速度ｖｏと
加算器２５で加算され、ｄｐｏ／ｄｔとなる。このｄｐ
ｏ／ｄｔは積分器２６で積分され、オブザーバ出力とな
る前記位置検出値ｐｏになる。ここでｋ１及びｋ２はオ
ブザーバの極を与える定数である。

【００１０】次に、オブザーバ部２の動作をラプラス変
換を用いて表現すると、ｄｐｏ／ｄｔ→Ｓｐｏは次式で
表せる。

【数３】Ｓｐｏ＝｛Ａ＋ｋ２（ｙ−ｐｏ）｝／Ｓ＋ｋ１
（ｙ−ｐｏ） 両辺にＳを乗じ、Ａ＝（Ｓ＾２）ｐ，ｙ＝ｐ＋ｗを代入
してｐｏについて表現すると、次式となる。

【数４】ｐｏ＝ｐ＋｛（ｋ１Ｓ＋ｋ２）／（Ｓ＾２＋ｋ
１Ｓ＋ｋ２）｝ｗ （但し、Ｓ＾２はＳの２乗を示す） ここで、オブザーバ部２の特性方程式を、

【数５】Ｓ＾２＋ｋ１Ｓ＋ｋ２＝（Ｓ＋ωｃ）＾２ を満たすように、オブザーバの極ｋ１，ｋ２を決定すれ
ば、ｋ１＝２ωｃ，ｋ２＝ωｃ＾２となり、数４式は、

【数６】ｐｏ＝ｐ＋｛（２ωｃＳ＋ωｃ＾２）／（Ｓ＾
２＋２ωｃＳ＋ωｃ＾２）｝ｗ と表現でき、ωｃをオブザーバの帯域角周波数と見做す
ことができる。

【００１１】また、オブザーバ部２によるノイズ除去特
性を、ノイズｗ＝Ｗｓｉｎωtと定義した時の（ｐｏ−
ｐ）／ｗの周波数特性により表現すると、

【数７】ゲイン特性 ｜（ｐｏ−ｐ）／ｗ｜＝［｛１＋４（ω／ωｃ）＾２｝
＾（１／２）］／｛１＋（ω／ωｃ）＾２｝ （但し、｛ ｝＾（１／２）は、｛ ｝の１／２乗を示
す） 位相特性 ∠｛ｐｏ−ｐ）／ｗ｝＝ａｒｃ ｔａｎ［−｛２（ω／
ωｃ）＾３｝／｛１＋３（ω／ωｃ）＾２｝］ となる。数７式より、オブザーバ部２によるノイズ除去
特性は、オブザーバ帯域角周波数ωｃで制御でき、（ω
／ωｃ）が大きい程高くなる。且つ、数６式より、オブ
ザーバによるフィルタ効果は位置検出信号ｐについては
作用しない。

【００１２】以上説明したように、上記オブザーバ部２
の構成によれば、位置指令値Ｘに一致した位置検出信号
ｐに対しては、オブザーバによるフィルタ効果が作用し
ない。このため、フィードフォワード効果により位置偏
差Ｘ−ｘが殆ど発生しない。つまり、位置検出信号ｐが
位置指令値Ｘに一致する状況下では、十分なノイズ除去
性能を得るためにオブザーバ帯域角周波数ωｃを低く設
定した場合であっても、位置の追従遅れの増大や振動現
象の発生を十分抑制できる。

【００１３】一方、加々速度指令値ΔＡが大きい時や、
摩擦トルクが急変する移動方向反転時は、位置偏差Ｘ−
ｘが発生するため、位置検出信号ｐが位置指令値Ｘに一
致しない。このような状況下では、単にオブザーバ部２
の構成のみによれば、位置検出信号ｐに含まれる指令追
従誤差分についてフィルタ効果が作用し、位置制御に悪
影響を与えてしまう。そこでノイズリジェクタ１内に、
図２に示す構成を有する位置検出補間部３と、図３に示
す構成を有するＧｎｒ決定部４とを設け、位置検出信号
ｐに含まれる指令追従誤差分をより正確且つ位相遅れの
少ない状態で位置帰還ｘに反映させることにより、位置
制御に与える悪影響を軽減する機能を持たせている。

【００１４】以下、図２の位置検出補間部３の動作につ
いて説明する。位置検出補間部３では、減算器３０で位
置検出信号ｙからオブザーバ出力である位置検出値ｐｏ
を減算し、その結果を増幅器３１で補間定数Ｇｎｒ倍に
増幅し、次いで加算器３２で位置検出値ｐｏと加算し、
最終的に位置帰還ｘを作成している。補間定数Ｇｎｒ
は、０≦Ｇｎｒ≦１の数値範囲で時間変化する定数であ
り、Ｇｎｒ決定部４により与えられる。以上のように、
位置検出補間部３は、位置帰還ｘを位置検出信号ｙと位
置検出値ｐｏの補間値で与えるものであり、その動作を
数式で示せば次式のようになる。

【数８】ｘ＝（ｙ−ｐｏ）Ｇｎｒ＋ｐｏ＝Ｇｎｒ・ｙ＋
（１−Ｇｎｒ）ｐｏ つまり、Ｇｎｒが０→１となるに従って位置帰還ｘに占
める位置検出信号ｙの割合が増大し、Ｇｎｒ＝０の場合
はｘ＝ｐｏ、Ｇｎｒ＝１の場合はｘ＝ｙになる。

【００１５】図３は、Ｇｎｒ決定部４の内部構成の一例
を示すブロック図である。以下、図３に示すＧｎｒ決定
部４の動作について説明する。まず、外部から入力され
る速度指令値Ｖを微分器４０で微分することにより加速
度指令値Ａを算出してオブザーバ部２に出力する一方、
微分器４１において加々速度指令値ΔＡを演算する。絶
対値化部４２は加々速度指令値ΔＡの絶対値｜ΔＡ｜を
求め、加々速度係数決定部４３に入力する。加々速度係
数決定部４３は、予め初期設定された加々速度定数ΔＡ
１，ΔＡ２と加々速度指令絶対値｜ΔＡ｜とを用いて、
下式に基づき補間定数Ｇｎｒｏａを出力する。

【数９】 Ｇｎｒｏａ＝０ （｜ΔＡ｜≦ΔＡ１時） Ｇｎｒｏａ＝（｜ΔＡ｜−ΔＡ１）／（ΔＡ２−ΔＡ１） （ΔＡ１＜｜ΔＡ｜≦ΔＡ２時） Ｇｎｒｏａ＝１ （｜ΔＡ｜＞ΔＡ２時）

【００１６】反転検出部４４は速度指令入力Ｖｍの符号
変化により移動方向反転を検出し、次式で与えられる補
間定数Ｇｎｒｏｂを出力する。

【数１０】 Ｇｎｒｏｂ＝０ （移動方向反転非検出時） Ｇｎｒｏｂ＝１ （移動方向反転検出時） 最大値選択部４５は補間定数Ｇｎｒｏａと補間定数Ｇｎ
ｒｏｂとを比較し、その最大値を選択して補間定数Ｇｎ
ｒｏとして出力する。最大値選択部４６は、補間定数Ｇ
ｎｒｏと位置検出補間部３に出力される補間定数Ｇｎｒ
とを比較し、その中の最大値を選択する。減算器４７
は、最大値選択部４６の選択結果に対して時間低減定数
ΔＧｎｒを減算する。時間低減定数ΔＧｎｒは、Ｇｎｒ
＝１→０となる所要時間をＴｎｒとすると、ΔＧｎｒ＝
１／Ｔｎｒで表される定数である。リミッタ部４８は、
減算器４７の出力が負の場合はＧｎｒ＝０に、減算器４
７の出力が１以上の場合はＧｎｒ＝１に制限するリミッ
タ操作を行う。

【００１７】図４は、図３に示すＧｎｒ決定部４の動作
の一例を説明するタイムチャートである。本例では、加
々速度指令絶対値｜ΔＡ｜と加々速度定数ΔＡ２が｜Δ
Ａ｜＞ΔＡ２となる、大きな加々速度指令を含む台形状
の加速度指令による対象システム５７の加速動作が示さ
れている。そして、本例では、移動方向反転非検出、す
なわちＧｎｒｏｂ＝０であるため、最大値選択部４５の
出力ＧｎｒｏはＧｎｒｏ＝Ｇｎｒｏａになる。また、最
大値選択部４６の出力は、Ｇｎｒｏ＝１の期間のみＧｎ
ｒｏとなり、Ｇｎｒｏ＝０の期間はＧｎｒとなる。位置
偏差Ｘ−ｘは、ノイズｗが存在しない場合に発生する位
置偏差を示しており、大きな加々速度指令値ΔＡにより
位置偏差Ｘ−ｘが発生する条件下では、補間定数Ｇｎｒ
≒１となる。よって、位置検出補間部３の出力である位
置帰還ｘはｘ≒ｙとなり、位置検出信号ｐに含まれる指
令追従誤差分がほぼ正確且つ位相遅れの少ない状態で位
置帰還ｘに反映される。

【００１８】以上のように、上記Ｇｎｒ決定部４と位置
検出補間部３とは、位置偏差Ｘ−ｘが発生する加々速度
指令値ΔＡが大きい時や、摩擦トルクが急変する移動方
向反転時においては、補間定数Ｇｎｒを瞬時に大きく決
定して位置帰還ｘ≒ｙとすることにより、指令追従誤差
分の正確且つ迅速なフィードバックを可能にし、位置制
御性能に与える悪影響を軽減する。また、加々速度指令
値ΔＡが減少した後や移動方向反転以後では、時間低減
定数ΔＧｎｒにより補間定数Ｇｎｒを漸減させることに
より、位置帰還ｘの不要の急変を回避しつつ、徐徐に位
置帰還ｘ→ｐｏとしていき、ノイズ除去性能を少しずつ
回復させるように動作する。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による位置
制御装置は、速度指令値Ｖと速度指令入力Ｖｍと位置検
出信号ｙとから位置帰還ｘを演算するノイズリジェクタ
を具備することにより、加々速度指令値ΔＡが大きい時
や移動方向反転時のような、位置偏差Ｘ−ｘの大半が追
従誤差である条件下において、位置指令追従誤差の正確
且つ迅速なフィードバックを実行し、追従誤差の増大を
招く位置指令追従性能の劣化を軽減することができる。
また、定速動作など加々速度指令値ΔＡが小さく且つ移
動方向が不変であり、位置偏差の大半が位置検出信号に
重畳するノイズであるような条件下において、ノイズ成
分についてのみフィルタ効果を作用させ、高いノイズ除
去性能を保持しながら、位置指令追従遅れの増大や振動
現象の発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による位置制御装置の構成例を示すブ
ロック図である。

【図２】 本発明のオブザーバ部２と位置検出補間部３
の構成例を示すブロック図である。

【図３】 本発明のＧｎｒ決定部４の構成例を示すブロ
ック図である。

【図４】 本発明のＧｎｒ決定部４の動作の一例を説明
するタイムチャートである。

【図５】 従来の位置制御装置の一例を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１ ノイズリジェクタ ２ オブザーバ部 ３ 位置検出補間部 ４ Ｇｎｒ決定部 ２０ 減算器 ２１，２４ 増幅器 ２２，２５ 加算器 ２３，２６ 積分器 ３０ 減算器 ３１ 増幅器 ３２ 加算器 ４０，４１ 微分器 ４２ 絶対値化部 ４３ 加々速度係数決定部 ４４ 反転検出部 ４５，４６ 最大値選択部 ４７ 減算器 ４８ リミッタ部 ５０，５４ 減算器 ５１ 増幅器 ５２ 微分器 ５３，５８ 加算器 ５５ 速度ＡＭＰ部 ５６ パワー増幅部 ５７ 対象システム ５９ ＬＰＦ ６０ 速度制御ループ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サーボモータにより制御対象である対象
   システムの位置を制御する位置制御装置において、位置
   指令値を時間微分した速度指令値Ｖと位置制御装置内部
   の速度制御ループ入力となる速度指令入力Ｖｍと位置検
   出信号ｙとから位置帰還ｘを演算するノイズリジェクタ
   を具備したことを特徴とする位置制御装置。
2. 【請求項２】 位置指令値Ｘを時間微分して速度指令値
   Ｖを算出する手段と、前記位置指令値Ｘと制御対象であ
   る対象システムからフィードバックされる位置帰還ｘと
   の位置偏差Ｘ−ｘを算出する手段と、前記速度指令値Ｖ
   と前記位置偏差Ｘ−ｘとに基づき速度指令入力Ｖｍを算
   出する手段と、前記対象システムを動作させるサーボモ
   ータを前記速度指令入力Ｖｍに基づき制御する速度制御
   ループとを備えた位置制御装置において、前記速度指令
   値Ｖと、前記速度指令入力Ｖｍと、対象システムから出
   力される位置検出信号ｙとから前記位置帰還ｘを演算す
   るノイズリジェクタを具備したことを特徴とする位置制
   御装置。
3. 【請求項３】 前記ノイズリジェクタは、位置指令値を
   ２階時間微分した加速度指令値Ａと位置検出信号ｙとか
   らオブザーバ演算により位置検出値ｐｏを演算し、位置
   指令値を３階時間微分した加々速度指令値ΔＡと前記速
   度指令入力Ｖｍとから算出した時間変化する補間定数Ｇ
   ｎｒを用いて前記位置検出信号ｙと前記位置検出値ｐｏ
   とを補間演算し、前記位置帰還ｘを演算する構成を備え
   た請求項１または請求項２のいずれかに記載の位置制御
   装置。