JP2001222324A - 位置決め制御装置および位置決め制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セミクローズド方式およびフルクローズド方
式の双方の長所を積極的に生かした位置決め制御装置お
よび方法を提供する。 【解決手段】 サーボモータ２に接続されることもよっ
て駆動される機械駆動系４の従動部の位置決め制御を行
う方法において、サーボモータ２における観測に基づい
て得られる第１の位置情報を検出する第１検出器と、従
動部における観測に基づいて得られる第２の位置情報を
検出する第２検出器と、第１位置情報と第２位置情報と
を位置決め制御に反映する割合を無段階に設定するゲイ
ン設定器とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、切削加工装置等の
送り軸を位置決め制御するための位置決め制御装置およ
び位置決め制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から機械駆動系の従動部である送り
軸等をサーボモータ等（駆動部）によって駆動する加工
機システムが広く用いられている。このような加工機シ
ステムにおいて、加工される製品の精度は、送り軸等の
位置決めの精度に依存するので、高精度に製品の加工を
行うためには、より高精度に送り軸の位置決め制御を行
う必要がある。

【０００３】一般に、サーボモータの制御方式として、
セミクローズド・ループ方式およびフルクローズド・ル
ープ方式が知られている。図１０は、このセミクローズ
ド・ループ方式およびフルクローズド・ループ方式によ
るサーボモータの制御を説明するためのブロック図であ
る。図１０に示すように、セミクローズド・ループ方式
とは、サーボモータ１０２に内蔵されたロータリエンコ
ーダ等の第１位置検出器１０６における観測に基づいて
得られた第１位置情報（ｒｓ，セミクローズド位置情報
という。）をフィードバックする方式である。一方、フ
ルクローズド・ループ方式とは、工作機械のテーブル等
の機械駆動系１０４に実際に位置決めされる従動部の位
置を検出するための光学スケール等の第２位置検出器１
０８を取り付け、当該第２位置検出器１１２における観
測によって得られた第２位置情報（ｒｍ，フルクローズ
ド位置情報という。）をフィードバックする方式であ
る。図１０には、セミクローズド・ループ方式の場合が
点線で示され、フルクローズド・ループ方式の場合が実
線で示されている。なお、図１０には、コントローラ１
１９からの信号を増幅するとともに速度指令に変換する
ためのサーボモータ１２０が示されている。

【０００４】セミクローズド・ループ方式は、サーボモ
ータ１０２を直接制御するため制御性がよく、比較的高
いゲインを設定しても安定しやすい反面、最終的に定常
偏差が残存する。したがって、定常偏差が問題となるよ
うな高精度の加工機等の制御に用いることが難しいとい
う短所を有する。一方、フルクローズド・ループ方式
は、従動部の位置を直接検出して制御することによっ
て、定常偏差等が存在しない高精度の位置決め制御を行
うことができる。しかしながら、機械駆動系の剛性不足
やバックラッシュ等の非線形ヒステリシス特性の影響を
受けやすく、送り軸等が目標位置に静止せず、微小に振
動してしまう等の不具合が発生しやすい。

【０００５】以上のように、各々長所と短所があるセミ
クローズド・ループ方式およびフルクローズド・ループ
方式を修正するために、フルクローズド・ループ方式を
採用しつつ、バックラッシュ等の影響を補正する技術
（特開平８−１７９８３１号）や、制御対象が整定領域
の近傍に達するまではセミクローズド・ループ制御を行
い、制御対象が整定領域の近傍に達した後はフルクロー
ズド・ループ制御を行う技術（特開平１１−２７２３３
５号）が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来の技術は、フルクローズド・ループ方式においてバ
ックラッシュの影響を補正するものであるか、または、
単にフルクローズド・ループ方式とセミクローズド・ル
ープ方式とを整定条件にしたがって二者択一的に切替え
るものにすぎず、一定の効果はあるものの、積極的にセ
ミクローズド・ループ方式の長所およびフルクローズド
・ループ方式の長所を共に利用するものとはいえない。

【０００７】本発明は、このような問題点を解決するた
めに成されたものである。したがって、本発明の目的
は、フルクローズド・ループ方式による位置決め制御に
よる場合と同様に、定常偏差を低減した高精度の制御を
行いつつ、セミクローズド・ループ方式による位置決め
制御による場合と同様に、バッククラッシュなど非線形
ヒステリシス特性がある場合における振動を防止し、安
定性のある制御を実現することにある。

【０００８】さらに、本発明の目的は、単にセミクロー
ズド・ループ方式とフルクローズド・ループ方式とを二
者択一的に切替えるのではなく、セミクローズド・ルー
プ方式とフルクローズド・ループ方式とを同時に使用
し、セミクローズド位置情報とフルクローズド位置情報
とをフィードバックに反映させる割合を無段階に切替え
ることができる位置決め制御装置および方法を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、以下のように構成される。

【００１０】（１）駆動部によって駆動される従動部の
位置決め制御を行う装置において、駆動部における観測
に基づいて得られる第１の位置情報を検出する第１の検
出手段と、従動部における観測に基づいて得られる第２
の位置情報を検出する第２の検出手段と、前記第１検出
手段によって検出される第１位置情報と前記第２検出手
段によって検出される第２位置情報とを位置決め制御に
反映する割合を設定する設定手段とを有することを特徴
とする。

【００１１】（２）前記設定手段は、第１位置情報と第
２位置情報とを位置決め制御に反映する割合を無段階に
設定することができることを特徴とする。

【００１２】（３）前記設定手段は、第１検出手段によ
って検出された第１位置情報を目標位置から減じること
によって第１の位置偏差を算出する第１算出手段と、第
２検出手段によって検出された第２位置情報を目標位置
から減じることによって第２の位置偏差を算出する第２
算出手段と、算出された第１位置偏差と第２位置偏差と
に基づいて、第１位置偏差についての第１利得と第２位
置偏差についての第２利得との割合を設定する利得設定
手段と、第１位置偏差に第１利得を乗じた結果と第２位
置偏差に第２利得とを乗じた結果とを加算する加算手段
とを有し、前記加算手段によって加算された結果に基づ
いてフィードバック制御を行うことを特徴とする。

【００１３】（４）前記利得設定手段は、第１位置偏差
と第２位置偏差との差分を求めて、当該差分の時間変化
量に応じて前記第１利得と第２利得との割合を設定する
ことを特徴とする。

【００１４】（５）前記利得設定手段は、第１位置偏差
の時間変化量と第２位置偏差の時間変化量との差分を求
めて、当該差分に応じて第１利得と第２利得との割合を
設定することを特徴とする。

【００１５】（６）前記利得設定手段は、第１位置偏差
と第２位置偏差との差分の時間変化量が小さい場合は、
第１利得を０とし、第２利得を１とする一方、該時間変
化量が大きい場合は、第１利得を１とし、第２利得を０
とすることを特徴とする。

【００１６】（７）前記利得設定手段は、第１位置偏差
と第２位置偏差との差分の時間変化量が第１の設定値よ
り小さい場合には、第１利得を０とするとともに第２利
得を１とし、該時間変化量が第２の設定値より大きい場
合には、第１利得を１とするとともに第２利得を０と
し、該時間変化量が第１設定値以上かつ第２設定値以下
の場合には、該時間変化量の増加に伴って第１利得の第
２利得に対する比率を高くすることを特徴とする。

【００１７】（８）前記時間変化量は、前記第１位置偏
差と前記第２位置偏差との差分を時間微分およびノイズ
除去処理を行うことによって算出されることを特徴とす
る。

【００１８】（９）駆動部によって駆動される従動部の
位置決め制御を行う方法において、駆動部における観測
に基づいて得られる第１の位置情報を検出する第１の検
出段階と、従動部における観測に基づいて得られる第２
の位置情報を検出する第２の検出段階と、前記第１検出
段階によって検出される第１位置情報と前記第２検出段
階によって検出される第２位置情報とを位置決め制御に
反映する割合を設定する段階とを有することを特徴とす
る。

【００１９】

【発明の効果】請求項１、請求項９に記載の発明によれ
ば、第１位置情報と第２位置情報とを位置決め制御に反
映する割合を設定するので、従動部の位置決め制御の方
式として、第１位置情報によって従動部の位置決め制御
を行う方式と第２位置情報によって従動部の位置決め制
御を行う方式とを二者択一的に選択するのではなく、第
１位置情報と第２位置情報とを位置決め制御に反映させ
る割合を調節することができ、第１位置情報によって従
動部の位置決め制御を行う方式と第２位置情報によって
従動部の位置決め制御を行う方式の各長所を積極的に生
かした位置決め制御を実現できる。すなわち、セミクロ
ーズド・ループ方式による安定的な制御とフルクローズ
ド・ループ方式による高精度の制御とを共に生かした位
置決め制御を実現できる。

【００２０】請求項２に記載の発明によれば、第１位置
情報と第２位置情報とを位置決め制御に反映する割合を
無段階に設定できるので、単に、第１位置情報によって
従動部の位置決め制御を行う方式と第２位置情報によっ
て従動部の位置決め制御を行う方式を二者択一的に切替
えるのではなく、第１位置情報と第２位置情報とを共に
位置決め制御に反映させ、かつ、制御系の状態に応じ
て、第１位置情報と第２位置情報とを位置決め制御に反
映させる割合を連続的に変化させることができ、より一
層、制御系の状態に適した位置決め制御を行うことがで
きる。すなわち、セミクローズド・ループ方式による安
定的な制御とフルクローズド・ループ方式による高精度
の制御とを二者択一的に切替えるのではなく、セミクロ
ーズド側の位置情報とフルクローズド側の位置情報とを
位置決め制御に反映させる割合を連続的に変化させるこ
とができ、セミクローズド・ループ方式の利点とフルク
ローズド・ループ方式の利点とを共に生かし、制御系の
状態に合わせた適切な位置決め制御を行うことができ
る。

【００２１】請求項３に記載の発明によれば、算出され
た第１位置偏差と第２位置偏差とに基づいて、第１位置
偏差についての第１利得と第２位置偏差についての第２
利得との割合を設定する利得設定手段と、第１位置偏差
に第１利得を乗じた結果と第２位置偏差に第２利得とを
乗じた結果とを加算する加算手段とを有し、その加算結
果に基づいてフィードバック制御を行うので、比較的簡
便な構成で、第１位置情報と第２位置情報とをフィード
バックに反映させる割合を調節することができる。すな
わち、セミクローズド側の位置情報とフルクローズド側
の位置情報とをフィードバックに反映させる割合を簡便
に調整することができる。

【００２２】請求項４または５に記載の発明によれば、
第１位置偏差と第２位置偏差との差分の時間変化量、ま
たは第１位置偏差の時間変化量と第２位置偏差の時間変
化量との差分という基準を用いて、制御系の非線形ヒス
テリシス成分の影響が大きいかどうかを判断し、その判
断に基づいて第１位置情報と第２位置情報とをフィード
バックに反映させる割合を適切に調節することができ
る。すなわち、順次変化する、制御系の状態を前記基準
を媒介として位置決め制御に反映させ、セミクローズド
側の位置情報とフルクローズド側の位置情報とをフィー
ドバックに反映させる割合を制御系の状態に最適になる
ように調整することができる。

【００２３】請求項６〜８に記載の発明によれば、前記
時間変化量に着目した簡便な切替え則を用いることによ
って、第１位置偏差と第２位置偏差との差分の時間変化
量が小さい場合には、第２位置情報をフィードバックに
反映させる割合を高くして、定常偏差を軽減した高精度
の位置決め制御を行い、第１位置偏差と第２位置偏差と
の差分の時間変化量が大きい場合には、第１位置情報を
フィードバックに反映させる割合を高くして、制御系に
おけるバックラッシュなどの非線形成ヒステリシス特性
がある場合の振動を防止した安定的な制御を実現し、特
に、その中間状態では、時間変化量の増加に伴って、第
１位置情報をフィードバックに反映させる割合を無段階
に切替えることができるため、第１位置情報をフィード
バックに反映させる制御方式と第２位置情報をフィード
バックに反映させる制御方式の双方の長所を積極的に利
用した位置決め制御をより端的に実施することができ、
定常偏差を軽減しつつ、かつ、制御系におけるバックラ
ッシュなどの非線形成ヒステリシス特性がある場合の振
動を防止した安定的な位置決め制御を行うことができ
る。すなわち、セミクローズド・ループ方式とフルクロ
ーズド・ループ方式の双方の長所を積極的に利用した位
置決め制御を実施することができ、定常偏差を低減しつ
つ、かつ制御系におけるバックラッシュなどの非線形ヒ
ステリシスて特性がある場合の振動を防止した安定的な
位置決め制御を行うことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面にしたがって、本発明
の一実施形態を詳細に説明する。

【００２５】本実施形態における位置決め制御装置は、
フルクローズド位置情報ｒｆおよびセミクローズド位置
情報ｒｓとを共に使用し、かつ、そのフィードバックに
反映させる使用割合を設定することができるものであ
る。特に、そのフルクローズド位置情報ｒｆおよびセミ
クローズド位置情報ｒｓをフィードバックに反映させる
割合を、無段階に設定することができる。本実施形態に
おける位置決め制御装置によれば、例えば、フルクロー
ズド位置情報ｒｆのみをフィードバックとして使用する
段階、フルクローズド位置情報ｒｆとセミクローズド位
置情報ｒｓとを同じ割合でフィードバックに反映させる
段階、およびセミクローズド位置情報ｒｓのみをフィー
ドバックとして使用する段階といったように、自由に使
用割合を設定することができる。

【００２６】図１は、本実施形態の位置決め制御装置の
概略構成図である。

【００２７】サーボモータ２は、ボールねじ等の結合部
を介して機械駆動系４に接続され、機械駆動系４におけ
る従動部の位置を移動させる。機械駆動系４の従動部と
しては、例えば、送り軸等がある。最終的には、この従
動部の位置が位置決め制御される。

【００２８】第１位置検出器６は、サーボモータ２に取
り付けられた位置検出器であり、具体的には、ロータリ
エンコーダ等で構成される。第１位置検出器６は、サー
ボモータ２における観測に基づいて得られる第１位置情
報、すなわちセミクローズド位置情報ｒｓを検出し、そ
の結果をフィードバックする。より具体的には、第１位
置検出器６は、サーボモータ２の回転速度を検出し、回
転速度の検出結果を積分処理することによって第１位置
情報を得るように構成することができる。

【００２９】第２位置検出器８は、機械駆動系４に取り
付けられた位置検出器であり、具体的には、リニアスケ
ール等の位置検出器で構成される。第２位置検出器８
は、機械駆動系４における従動部における観測に基づい
て得られる当該従動部の第２位置情報、すなわちフルク
ローズド位置情報ｒｆを検出し、その結果をフィードバ
ックする。

【００３０】第１の位置偏差算出部１０は、第１の位置
検出器６において得られたセミクローズド位置情報ｒｓ
を目標位置（位置指令ともいう）ｒから減算し、セミク
ローズド位置偏差Ｅｓを算出する。一方、第２の位置偏
差算出部１２は、第２の位置検出器８において得られた
フルクローズド位置情報ｒｆを目標位置ｒから減算し、
フルクローズド側の位置偏差Ｅｆを算出する。

【００３１】セミクローズド側ゲイン１４は、セミクロ
ーズド側の位置偏差Ｅｓに乗算されるゲイン（利得）で
あり、その値がＫｓで表されている。一方、フルクロー
ズド側ゲイン１６は、フルクローズド側の位置偏差Ｅｆ
に乗算されるゲインであり、その値がＫｆで表されてい
る。最終的には、セミクローズド側ゲイン１４（Ｋｓ）
をセミクローズド側の位置偏差Ｅｓに乗算した値とフル
クローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）をフルクローズド側の
位置偏差Ｅｆに乗算した値とが加算部１８において加算
されて、フィードバックゲインとして位置決め制御に用
いたれる。したがって、セミクローズド側ゲイン１４
（Ｋｓ）およびフルクローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）
は、セミクローズド位置情報ｒｓとフルクローズド位置
情報ｒｆとをフィードバックに反映させる割合を決定す
る要素といえる。なお、加算部１８からの出力は、通常
の制御装置と同様に処理され、ポジションゲイン２０
（Ｋｐ）によって増幅されるとともに速度指令（Ｖｃｍ
ｄ）に変換されて、サーボモータ２に出力される。

【００３２】また、本実施形態の位置決め制御装置は、
セミクローズド側ゲイン１４（Ｋｓ）とフルクローズド
側ゲイン１６（Ｋｆ）との割合を設定するための構成を
有する。

【００３３】差分算出部２２は、セミクローズド位置偏
差Ｅｓとフルクローズド位置偏差Ｅｆとの差分εを求め
るものである。微分器２４は、差分算出部２２によって
求められた差分εを時間微分するものである。ノイズ除
去部２６は、この差分εを時間微分して得られたデータ
に含まれるノイズを除去するものであり、好適には、ロ
ーパスフィルタが用いられる。

【００３４】このセミクローズド側の位置偏差Ｅｓとフ
ルクローズド側の位置偏差Ｅｆとの差分εを時間微分し
た値（以下、「時間変化量」という）ｕを算出し、この
時間変化量ｕに応じて、セミクローズド側ゲイン１４
（Ｋｓ）およびフルクローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）が
設定される。なお、時間変化量ｕとしては、上述のよう
に、さらに、ノイズ除去部２６によってノイズを除去し
た後のデータを用いることができる。

【００３５】ゲイン設定部２８は、前記時間変化量ｕに
応じて、セミクローズド側ゲイン１４（Ｋｓ）およびフ
ルクローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）を設定する。したが
って、時間変化量ｕに基づいて、セミクローズド位置情
報ｒｓとフルクローズド位置情報ｒｆとをフィードバッ
クに反映する割合が設定される。

【００３６】具体的には、時間変化量ｕが所定の値より
も小さい場合には、セミクローズド側ゲイン１４（Ｋ
ｓ）を０とし、フルクローズド側ゲイン（Ｋｆ）を１と
する。時間変化量ｕが大きくなるにしたがって、セミク
ローズド側ゲイン（Ｋｓ）のフルクロード側ゲイン（Ｋ
ｆ）に対する割合を高める。そして、時間変化量ｕが所
定の値よりも大きい場合には、セミクローズド側ゲイン
１４（Ｋｓ）を１とし、フルクローズド側ゲイン（Ｋ
ｆ）を０とする。なお、セミクローズ側ゲイン（Ｋｓ）
とフルクローズ側ゲイン（Ｋｆ）とを加えた値を一定値
とし、好ましくは、Ｋｓ＋Ｋｆ＝１の条件を満たすよう
に、ＫｆおよびＫｓを設定することができる。

【００３７】以上のように、時間変化量ｕに基づいてセ
ミクローズド側ゲイン１４（Ｋｓ）とフルクローズド側
ゲイン１６（Ｋｆ）を設定することによって、状況に応
じて、セミクローズド位置情報およびフルクローズド位
置情報をフィードバックに反映する割合を調整すること
が可能となる。

【００３８】例えば、サーボモータ２および機械駆動系
４の従動部が安定的に動作している場合、セミクローズ
ド位置情報ｒｓの時間的変化（目標位置ｒを基準にとれ
ば、セミクローズド側位置偏差Ｅｓの時間的変化に相当
する。）とフルクローズド位置情報ｒｆの時間的変化
（目標位置を基準にとれば、フルクローズド側位置偏差
Ｅｆの時間的変化に相当する。）とは、一致する。すな
わち、セミクローズド側位置偏差Ｅｓが時間的に変化す
ることによって、同様にフルクローズド側位置偏差Ｅｆ
も時間的に変化するので、セミクローズド側位置偏差Ｅ
ｓとフルクローズド側位置偏差Ｅｆとの差分εの値は、
時間に依存しづらい状態となる。したがって、差分εを
時間微分した時間変化量ｕの値は０に近くなる。

【００３９】このようにサーボモータ２および機械駆動
系４における従動部が安定的に動作している場合には、
フルクローズド・ループ方式を採用しても、バックラッ
シュ等の非線形ヒステリシスの影響は少ないので、セミ
クローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）の割合を低める一方、フ
ルクローズ側ゲイン１６（Ｋｆ）の割合を高め、高精度
の位置決め制御を行う。さらに、時間変化量ｕの値が所
定値よりも小さい場合は、セミクローズ側ゲイン１４
（Ｋｓ）を０として、完全にフルクローズド位置情報ｒ
ｆのみをフィードバックに反映させるようにすることが
できる。すなわち、制御方式をフルクローズド・ループ
方式に切り替えることが可能である。

【００４０】一方、バックラッシュ、ガタ、および機械
駆動系４の剛性不足などに基づく非線形ヒステリシスが
顕著となる場合には、セミクローズド位置情報ｒｓの時
間的変化とフルクローズド位置情報の時間的変化ｒｆと
は一致しない。例えば、サーボモータ２の回転によっ
て、セミクローズド位置情報ｒｓが変化しても、直ちに
機械駆動系４の従動部に関するフルクローズド位置情報
ｒｆが変化しない場合があり、逆に、セミクローズド位
置情報ｒｓの変化が停止した後に、遅れて、機械駆動系
４の従動部に関するフルクローズド位置情報ｒｆが変化
する場合がある。

【００４１】目標位置ｒを基準にとって説明すれば、セ
ミクローズド側の位置偏差Ｅｓが時間的に変化しても、
フルクローズド側の位置偏差Ｅｆが時間的に変化すると
は限らず、セミクローズド側の位置偏差Ｅｓが時間的に
変化しない状態であっても、フルクローズド側の位置偏
差Ｅｆが時間的に変化する場合が生じる。したがって、
セミクローズド側の位置偏差Ｅｓとフルクローズド側の
位置偏差Ｅｆとの差分εの値は、時間に依存しやすい。
したがって、差分εを時間微分した時間変化量ｕは、比
較的大きい値をとる。

【００４２】このように非線形ヒステリシスの影響が顕
著になる場合には、制御方式としてフルクローズド・ル
ープ方式を採用すると悪影響をうけやすいので、セミク
ローズド側ゲイン１４（Ｋｓ）の割合を高める一方、フ
ルクローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）の割合を低める。さ
らに、時間変化量ｕの値が所定値よりも大きい場合に
は、フルクローズ側ゲイン１６（Ｋｆ）を０として、完
全にセミクローズド位置情報ｒｓのみをフィードバック
に反映させるようにすることができる。すなわち、制御
方式をセミクローズド・ループ方式に切り替えることが
可能である。 図２は、時間変化量ｕに基づいて、セミ
クローズド側ゲイン１４（Ｋｓ）とフルクローズド側ゲ
イン１６（Ｋｆ）を設定する基準、すなわち、切替え則
の一例を説明するための図である。図２に示した横軸
は、前記時間変化量ｕを示し、縦軸はセミクローズド側
ゲイン１４の値Ｋｓを示している。

【００４３】ユーザによって設定される自由パラメータ
Ｄ１とＤ２（但し、Ｄ１＜Ｄ２）を用いて、｜ｕ｜＜Ｄ
１の領域、Ｄ１≦｜ｕ｜≦Ｄ２の領域、｜ｕ｜＞Ｄ２の
領域とに分けて、切替え則を説明する。なお、｜ｕ｜
は、時間変化量ｕの絶対値である。

【００４４】｜ｕ｜＜Ｄ１の領域、すなわち、時間変化
量ｕがＤ１よりも小さい領域において、セミクローズド
側ゲイン１４（Ｋｓ）は、０と設定される。また、｜ｕ
｜＞Ｄ２の領域、すなわち、時間変化量ｕがＤ２よりも
大きい領域において、セミクローズド側ゲイン１４（Ｋ
ｓ）は、１と設定される。さらに、Ｄ１≦｜ｕ｜≦Ｄ２
の領域、すなわち、時間変化量ｕがＤ１以上Ｄ２以下の
領域において、セミクローズド側ゲイン１４（Ｋｓ）
は、０から１までの間で設定され、時間変化量ｕが増加
するのにしたがってセミクローズド側ゲイン１４（Ｋ
ｓ）が増加するように設定される。図２では、Ｄ１≦｜
ｕ｜≦Ｄ２の領域において、セミクローズド側ゲイン１
４（Ｋｓ）が一次関数的に増加する場合が示されてい
る。

【００４５】一方、フルクローズド側ゲイン１６（Ｋ
ｆ）は、１−Ｋｓで表される。したがって、時間変化量
ｕに応じてＫｓが定めれれた場合、１からＫｓを引くこ
とによって、フルクローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）が算
出される。

【００４６】したがって、例えば、時間変化量ｕの値が
Ｄ１とＤ２の中間の値である場合、Ｋｓ＝Ｋｆ＝０．５
となり、セミクローズド位置情報ｒｓとフルクローズド
位置情報ｒｆとが各々フィードバックに反映される割合
は、等しくなる。

【００４７】このように、Ｄ１≦｜ｕ｜≦Ｄ２の領域で
は、セミクローズド・ループ方式とフルクローズド・ル
ープ方式とが同時に制御方式として使用され、セミクロ
ーズド側およびフルクローズド側の各位置情報をフィー
ドバックにどの程度の割合で反映させるかを無段階に切
替えることができる。

【００４８】なお、Ｄ１およびＤ２は、自由パラメータ
として、制御系に合わせて自由に設定できる。例えば、
Ｄ１およびＤ２は、機械駆動系４の剛性、材質、および
構造に基づいて変更することができ、一台ごとに設定す
ることができる。なお、剛性が高いと、フルクローズド
側ゲインＫｆを反映させる割合が高くなる。

【００４９】また、図２におけるＤ１≦｜ｕ｜≦Ｄ２の
領域でのグラフの傾きを大きくするすると、セミクロー
ズド側とフルクローズド側とのスイッチングが狭い領域
でおこる。なお、例えば、非線形成分としてバックラッ
シュ等が問題となる場合には、前記グラフの傾きを大き
くするように設定することができ、剛性が低い場合に
は、グラフの傾きを小さく設定することができる。以上
のように、本実施形態の位置決め制御装置において、自
由パラメータを自在に設定できることは、本実施形態の
位置決め制御装置を種々の装置に応用することができ、
その適用範囲が広がるという長所となる。

【００５０】なお、図１および図２では、セミクローズ
ド側の位置偏差Ｅｓとフルクローズ側の位置偏差Ｅｆと
の差分εを求めて、この差分εの時間変化量、すなわ
ち、微分値に応じてセミクローズ側ゲインＫｓおよびフ
ルクローズ側ゲインＫｆとを設定する場合を説明した
が、逆にセミクローズ側の位置偏差Ｅｓの時間変化量お
よびフルクローズ側の位置偏差Ｅｆの時間変化量をまず
算出し、算出された時間変化量間の差分を求めて、この
差分に応じてセミクローズ側ゲインＫｓおよびフルクロ
ーズ側ゲインＫｆとを設定することができる。

【００５１】また、図２では、Ｄ１≦｜ｕ｜≦Ｄ２の領
域で、時間変化量ｕの増加にしたがってセミクローズ側
ゲイン１４の値Ｋｓが一次関数的に増加する場合を説明
した、二次関数、指数関数等のように他の関数にしたが
って、セミクローズ側ゲインＫｓが増加してもよい。ま
た、連続的（アナログ的）にセミクローズ側ゲインＫｓ
が増加することが望ましいが、最初、０であったセミク
ローズ側ゲインＫｓが０が、最終的に１に増加するもの
であれば、適用可能である。

【００５２】以上のように構成される位置決め制御装置
を実際にサーボモータ２および機械駆動系４の制御に用
いた場合の具体例を説明する。

【００５３】図３は、位置決め制御装置を実際にサーボ
モータ２および機械駆動系の制御に適用した場合のブロ
ック図である。なお、図３における各要素の符号は、図
１において説明した位置決め制御装置の構成と同じ符号
を用いている。なお、説明の都合上、サーボモータ２の
要素には、サーボモータ２とともにポジションゲイン２
０も含めて表している。

【００５４】図３において、サーボモータ２の要素の出
力は、セミクローズド位置情報ｒｓとしてフィードバッ
クされる。また、機械駆動系４の要素の出力は、フルク
ローズド位置情報ｒｆとしてフィードバックされる。第
１の位置偏差算出部１０に対応する足し合わせ点におい
て、目標位置ｒからセミクローズ側の位置情報ｒｓが差
し引かれて位置偏差Ｅｓが算出される。同様に第２の位
置偏差算出部１２に対応する足し合せ点において、目標
位置ｒからフルクローズ側の位置情報ｒｆが差し引かれ
て位置偏差Ｅｆが算出される。なお、機械駆動系４の要
素に示されたａ，ｂ，ｃ，およびｄは定数である。

【００５５】さらに、差分算出器２２に対応する足し合
わせ点において、セミクローズ側の位置偏差Ｅｓとフル
クローズ側の位置偏差Ｅｆとの差分εが求められる。こ
の差分εが、微分器２４およびノイズ除去部２６を有す
る要素２９に入力されることによって、時間変化量ｕが
算出される。

【００５６】ゲイン設定部２８には、セミクローズ側ゲ
イン（Ｋｓ）を設定するための「切替え則」がテーブル
または算出式等の形で設定されている。特に、図２に示
した上述の自由パラメータＤ１およびＤ２は、入力手段
（図示していない）によってユーザが設定しておくこと
ができる。この結果、要素３０（ルックアップ）におい
て、切替え則を示すテーブルや算出式を参照することに
より、セミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）が設定され
る。例えば、設定されたセミクローズ側ゲイン１４（Ｋ
ｓ）の値は、ＲＡＭ等のメモリ３２に書き込まれる。メ
モリ３２から読み出されたセミクローズ側ゲイン１４
（Ｋｓ）は、セミクローズ側位置偏差Ｅｓに乗算され
る。

【００５７】一方、要素３３において、セミクローズ側
ゲイン１４（Ｋｓ）の値を１から差し引く（１の補数を
とる）ことによってフルクローズ側ゲイン１６（Ｋｆ）
が算出される。算出されたフルクローズ側ゲイン１６
（Ｋｆ）は、フルクローズ側位置偏差Ｅｆに乗算され
る。最終的に、加算器１８に対応する足し合わせにおい
て、セミクローズド側ゲイン１４をセミクローズド側の
位置偏差Ｅｓに乗算した値とフルクローズド側ゲイン１
６をフルクローズド側の位置偏差Ｅｆに乗算した値とが
加算される。この加算された結果をフィードバックとし
てコントローラ１９に入力することによって、セミクロ
ーズド位置情報ｒｓとフルクローズド位置情報ｒｆとを
フィードバックに反映させる割合を無段階に切替えるこ
とができる。加算器１８によって加算された出力は、コ
ントローラ１９の要素に入力され、コントローラ１９の
出力がサーボモータ２の要素に入力される。

【００５８】図４（Ａ）は、コントローラ１９の要素の
ブロック図の一例である。コントローラ１９の要素は、
定数倍の要素４２、４６、およびＴ／（Ｚ−ｆ）の要素
４４および足し合せ点４８を有する。なお、Ｔおよびｆ
は定数である。

【００５９】図４（Ｂ）は、要素２９のブロック図の一
例である。要素２９は、微分器２４の要素とノイズ除去
部２６の要素とから構成される。

【００６０】微分器２４には、セミクローズ側の位置偏
差Ｅｓとフルクローズ側の位置偏差Ｅｆとの差分εが入
力される。時間遅れ要素３４は、差分εの時間遅れをと
る。最大値を算出する要素３６は、入力されたεの値と
時間遅れ要素３４の出力値（時間遅れ処理されたεの
値）とを比較して、どちらの値が大きいかを判断する。
要素３８は、この判断結果に基づいて、大きい方の値か
ら小さい方の値を引いて、時間で割ることによって、差
分εの微分を行う。なお、最終的には、要素４０によっ
て、差分εの微分結果の絶対値が算出され、この絶対値
が微分器２４から出力される。

【００６１】ノイズ除去部２６は、ローパスフィルタで
ある。なお、ｇは、定数である。ノイズ除去部２６によ
って、微分器２４からの出力データに含まれるノイズが
除去され、この結果が時間変化量ｕとして、出力され
る。

【００６２】次に図３および図４に示した本実施形態に
おける位置決め制御による制御結果を示す。なお、比較
のために、通常のセミクローズド・ループ方式による位
置決め制御結果、およびセミクローズド・ループ方式に
よる位置決め制御結果を示す。セミクローズド・ループ
方式の場合のブロック図を図５（Ａ）に示し、フルクロ
ーズド・ループ方式の場合のブロック図を図５（Ｂ）に
示す。また、位置決め制御結果は、サーボモータ２にお
ける観測によって得られる位置の出力値（図３および図
５中、モータアウトプットと表示）と機械駆動系４にお
ける観測によって得られる従動部の位置の出力値（図３
および図５中、マシンアウトプットと表示）とに分けて
表示する。なお、マシンアウトプットが最終的に位置決
め制御される値である。

【００６３】図６は、本実施形態の位置決め制御装置に
よる制御結果の一例を示す図である。横軸は、時間軸で
あり、縦軸は、位置情報を示す。図６（Ａ）は、目標位
置を示しており、図６（Ｂ）は、本実施形態の制御シス
テムによるモータアウトプットを示している。図６
（Ｃ）は、本実施形態の制御システムによるマシンアウ
トプット、すなわち、最終的な位置決め制御結果を示し
ている。

【００６４】図７は、セミクローズド方式による位置決
め制御結果の一例を示す図である。図７（Ａ）は、目標
位置を示すものであり、図６（Ａ）と同じである。図７
（Ｂ）は、制御方式としてセミクローズド方式を採用し
た場合におけるモータアウトプットを示している。図７
（Ｃ）は、セミクローズド方式を採用した場合における
マシンアウトプットを示している。

【００６５】図８は、フルクローズド方式による位置決
め制御結果の一例を示す図である。図８（Ａ）は、目標
位置を示すものであり、図６（Ａ）と同じである。図８
（Ｂ）は、フルクローズド方式を採用した場合における
モータアウトプットを示している。図８（Ｃ）は、フル
クローズド方式を採用した場合におけるマシンアウトプ
ットを示している。

【００６６】図７に示すように従来のセミクローズド方
式によれば、モータアウトプットおよびマシンアウトプ
ットの双方ともに安定した制御結果を実現することがで
きる。ただし、図７では明確ではないが、セミクローズ
ド方式を採用した場合のマシンアウトプットには、最終
的に定常偏差が残り、この定常偏差が問題となるような
高精度の制御には適用できない。一方、図８に示すフル
クローズド方式によれば、セミクローズド方式の場合と
異なり、定常偏差の問題を解決できる。しかしながら、
図８からわかるように、機械駆動系４の剛性不足やバッ
クラッシュ等の非線形要素の存在により制御系が不安定
になってしまうことが分かる。

【００６７】図６に示す本実施形態における位置決め制
御方式によれば、フルクローズド方式の場合と同様に定
常偏差を低く押さえることができるとともに、図６
（Ｃ）に示すように、セミクローズド方式の場合と同様
に安定的な位置決め制御を行うことができる。

【００６８】図９は、以上説明した本実施形態の位置決
め制御の内容を示すフローチャートである。

【００６９】まず、セミクローズド位置情報ｒｓが検出
される。すなわち、サーボモータ２に設けられた第１位
置検出器６によって、サーボモータ２における観測によ
って得られるセミクローズド位置情報ｒｓが検出され
る。具体的には、第１位置検出器６は、サーボモータ２
の回転速度を検出し、この回転速度の検出結果を積分処
理することによってセミクローズド位置情報ｒｓを得る
（Ｓ１００）。また、フルクローズド位置情報ｒｆが検
出される。すなわち、サーボモータ２によって駆動され
る機械駆動系４の従動部の位置を当該機械駆動系４に設
けられた第２位置検出器８によって検出することによっ
てフルクローズド位置情報ｒｆを得る（Ｓ１０１）。

【００７０】次に、セミクローズド位置情報ｒｓを目標
位置ｒから減算し、セミクローズド側の位置偏差Ｅｓが
算出される（Ｓ１０２）。具体的には、第１位置偏差算
出部１０（足し合せ点）によって位置偏差Ｅｓが算出さ
れる。同様に、フルクローズド位置情報ｒｆを目標位置
ｒから減算し、フルクローズド側の位置偏差Ｅｆが算出
される（Ｓ１０３）。

【００７１】さらに、差分算出部２２（足し合せ点）に
よって第１の位置偏差Ｅｓと第２の位置偏差Ｅｆとの差
分εが算出される（Ｓ１０４）。続いて、差分εが微分
される（Ｓ１０５）。例えば、差分εの微分は、差分ε
の入力ε（ｔ）と当該差分の時間遅れε（ｔ＋Δｔ）と
の差分をとり、時間Δｔで除算し、絶対値を取ることに
よって行われる。ステップＳ１０４による差分εの微分
結果は、ローパスフィルタで構成されるノイズ除去部２
６によって、ノイズが除去されて時間変化量ｕが算出さ
れる（Ｓ１０６）。

【００７２】算出された時間変化量ｕに基づいてテーブ
ルが参照（ルックアップ）される（Ｓ１０７）。その結
果、セミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）およびフルクロ
−ズ側ゲイン１６（Ｋｆ）の値が設定される（Ｓ１０
８）。なお、セミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）とフル
クローズ側ゲイン１６（Ｋｆ）を加えた値が常に１に設
定される場合、まず、前記テーブルを参照することによ
ってセミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）の値を設定し、
この設定されたセミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）の値
を１から差し引くことによってフルクローズ側ゲイン１
６（Ｋｆ）の値を導くことも可能である。なお、セミク
ローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）またはフルクローズ側ゲイ
ン１６（Ｋｆ）は、ＲＡＭなどのメモリ３２に逐次書き
込まれるように構成することが可能である。

【００７３】このように設定されたセミクローズ側ゲイ
ン１４（Ｋｓ）は、セミクローズド側の位置偏差Ｅｓに
乗算される。一方、フルクローズ側ゲイン１６（Ｋｆ）
は、フルクローズ側の位置偏差Ｅｆに乗算される（Ｓ１
０９）。また、最終的に加算器１８は、セミクローズド
側ゲイン１４（Ｋｓ）をセミクローズド側の位置偏差Ｅ
ｓに乗算した値とフルクローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）
をフルクローズド側の位置偏差Ｅｆに乗算した値とを加
算する（Ｓ１１０）。この加算した結果をフィードバッ
クとしてコントローラ１９に入力し、速度指令に変換し
（Ｓ１１１）、この速度指令に基づいてサーボモータが
回転される（Ｓ１１２）。そして、機械駆動系４の従動
部である送り軸等の位置が移動する（Ｓ１１３）。

【００７４】以上のように、本発明によれば、セミクロ
ーズド側の位置情報（第１位置情報）とフルクローズド
側の位置情報（第２位置情報）とを位置決め制御に反映
させる割合が無段階に設定できる。また、セミクローズ
ド側の位置情報とフルクローズド側の位置情報とを位置
決め制御に反映させる割合は、セミクローズド側の位置
偏差およびフルクローズド側の位置偏差に基づいて設定
できる。特に、セミクローズド側の位置偏差とフルクロ
ーズド側の位置偏差の差分の時間変化量に応じて前記割
合を設定することができる。実際には、時間変化量が小
さい場合には、セミクローズド側の位置偏差に乗じられ
るセミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）を０とし、フルク
ローズド側の位置偏差に乗じられるフルクローズ側ゲイ
ン１６（Ｋｆ）を１とする一方、時間変化量が大きい場
合には、当該セミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）を１と
し、当該フルクローズド側ゲイン１６（Ｋｆ）を０とす
る。より具体的には、自由パラメータである第１の設定
値Ｄ１と第２の設定値Ｄ２とを設定した上で、前記時間
変化量がＤ１より小さい場合には、セミクローズ側ゲイ
ン１４（Ｋｓ）を０とし、フルクローズ側ゲイン１６
（Ｋｆ）を１とし、前記時間変化量がＤ２より大きい場
合には、セミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）を１とし、
フルクローズ側ゲイン１６（Ｋｆ）を０とし、前記時間
変化量がＤ１以上でＤ２以下の場合には、該時間変化量
の増加に伴ってセミクローズ側ゲイン１４（Ｋｓ）のフ
ルクローズ側ゲイン１６（Ｋｆ）に対する比率を高くす
る。

【００７５】このように構成される本発明によれば、制
御方式として、単にセミクローズド方式とフルクローズ
ド方式とを二者択一的に切替えるのではなく、セミクロ
ーズド方式とフルクローズド方式とを同時に使用し、セ
ミクローズド位置情報とフルクローズド位置情報とをフ
ィードバックに反映させる割合を無段階に切替えること
ができ、両方式の長所を生かした位置決め制御を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態の位置決め制御装置の概
略図である。

【図２】 ＫｓとＫｆとを設定するための切替え側の一
例を説明するための図である。

【図３】 本発明の位置決め制御装置をサーボモータお
よび機械駆動系の制御に適用した場合のブロック図であ
る。

【図４】 コントローラの要素１９、および要素２９の
ブロック図の一例である。

【図５】 セミクローズド・ループ方式の場合、および
フルクローズド・ループ方式の場合のブロック図であ
る。

【図６】 本実施形態の位置決め制御装置による制御結
果の一例を示す図である。

【図７】 セミクローズド方式による位置決め制御結果
の一例を示す図である。

【図８】 図８は、フルクローズド方式による位置決め
制御結果の一例を示す図である。

【図９】 本実施形態の位置決め制御の内容を示すフロ
ーチャートである。

【図１０】 従来のセミクローズド・ループ方式および
フルクローズド・ループ方式によるサーボモータの制御
を説明するためのブロック図である。

【符号の説明】

２…サーボモータ、 ４…機械駆動系、 ６…第１位置検出器、 ８…第２位置検出器、 １０…第１位置偏差算出部、 １２…第２位置偏差算出部、 １４…セミクローズド側ゲイン、 １６…フルクローズド側ゲイン、 １８…加算部、 ２０…ポジションゲイン、 ２２…差分検出部、 ２４…微分器、 ２６…ノイズ除去部、 ２８…ゲイン設定部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H004 GA05 GA09 GB15 HA07 HB07 JA03 JB08 KB06 KC53 LA02 MA12 5H269 EE03 GG01 GG09 JJ01 5H303 AA01 AA04 BB01 BB06 CC02 DD01 EE03 EE07 FF06 FF20 GG20 HH01 HH05 KK02 KK04 KK24 KK36 KK37 MM05

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動部によって駆動される従動部の位置
   決め制御を行う装置において、 駆動部における観測に基づいて得られる第１の位置情報
   を検出する第１の検出手段と、 従動部における観測に基づいて得られる第２の位置情報
   を検出する第２の検出手段と、 前記第１検出手段によって検出される第１位置情報と前
   記第２検出手段によって検出される第２位置情報とを位
   置決め制御に反映する割合を設定する設定手段とを有す
   ることを特徴とする位置決め制御装置。
2. 【請求項２】 前記設定手段は、第１位置情報と第２位
   置情報とを位置決め制御に反映する割合を無段階に設定
   することができることを特徴とする請求項１に記載の位
   置決め制御装置。
3. 【請求項３】 前記設定手段は、 第１検出手段によって検出された第１位置情報を目標位
   置から減じることによって第１の位置偏差を算出する第
   １算出手段と、 第２検出手段によって検出された第２位置情報を目標位
   置から減じることによって第２の位置偏差を算出する第
   ２算出手段と、 算出された第１位置偏差と第２位置偏差とに基づいて、
   第１位置偏差についての第１利得と第２位置偏差につい
   ての第２利得との割合を設定する利得設定手段と、 第１位置偏差に第１利得を乗じた結果と第２位置偏差に
   第２利得とを乗じた結果とを加算する加算手段とを有
   し、 前記加算手段によって加算された結果に基づいてフィー
   ドバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の
   位置決め制御装置。
4. 【請求項４】 前記利得設定手段は、第１位置偏差と第
   ２位置偏差との差分を求めて、当該差分の時間変化量に
   応じて前記第１利得と第２利得との割合を設定すること
   を特徴とする請求項３に記載の位置決め制御装置。
5. 【請求項５】 前記利得設定手段は、第１位置偏差の時
   間変化量と第２位置偏差の時間変化量との差分を求め
   て、当該差分に応じて第１利得と第２利得との割合を設
   定することを特徴とする請求項３に記載の位置決め制御
   装置。
6. 【請求項６】 前記利得設定手段は、第１位置偏差と第
   ２位置偏差との差分の時間変化量が小さい場合は、第１
   利得を０とし、第２利得を１とする一方、該時間変化量
   が大きい場合は、第１利得を１とし、第２利得を０とす
   ることを特徴とする請求項３に記載の位置決め制御装
   置。
7. 【請求項７】 前記利得設定手段は、第１位置偏差と第
   ２位置偏差との差分の時間変化量が第１の設定値より小
   さい場合には、第１利得を０とするとともに第２利得を
   １とし、 該時間変化量が第２の設定値より大きい場合には、第１
   利得を１とするとともに第２利得を０とし、 該時間変化量が第１設定値以上かつ第２設定値以下の場
   合には、該時間変化量の増加に伴って第１利得の第２利
   得に対する比率を高くすることを特徴とする請求項３に
   記載の位置決め制御装置。
8. 【請求項８】 前記時間変化量は、前記第１位置偏差と
   前記第２位置偏差との差分を時間微分およびノイズ除去
   処理を行うことによって算出されることを特徴とする請
   求項４、６、７のいずれか一つに記載の位置決め制御装
   置。
9. 【請求項９】 駆動部によって駆動される従動部の位置
   決め制御を行う方法において、 駆動部における観測に基づいて得られる第１の位置情報
   を検出する第１の検出段階と、 従動部における観測に基づいて得られる第２の位置情報
   を検出する第２の検出段階と、 前記第１検出段階によって検出される第１位置情報と前
   記第２検出段階によって検出される第２位置情報とを位
   置決め制御に反映する割合を設定する段階とを有するこ
   とを特徴とする位置決め制御方法。