JP2003259674A - サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィードフォワード制御演算部を備える従来
のサーボ制御装置は、フィードフォワード制御演算部か
らのトルク指令に加え、フィードバック制御演算部から
のトルク指令が実機（制御対象）へのトルク指令として
重畳されるため、過補償となり、制御対象が振動し、オ
ーバシュートする課題がある。 【解決手段】 フィードバック制御演算部６からのトル
ク指令を、フィードフォワード制御演算部１の出力であ
るＦＢ速度偏差verr＿ffから第１ＦＢ速度偏差verr＿fb
1を減じて得た第２ＦＢ速度偏差verr＿fb2をＦＢ速度制
御手段１０への入力とし、その出力であるＦＢトルク指
令uref＿fbとすることを特徴とする。これにより第２Ｆ
Ｂ速度偏差verr＿fb2がゼロ、いいかえればＦＢトルク
指令uref＿fbがゼロとなる為、ＦＦトルク指令uref＿ff
のみで制御対象が動作できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば工作機械に
おけるテーブルや産業用ロボットにおけるアームなどの
ような負荷機械を駆動する電動機を制御するサーボ制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、フィードフォワード制御演算部
とフィードバック制御演算部からなる従来のサーボ制御
装置としては、特許第３０８４９２８の「電動機の位置
制御装置」がある。この特許発明は、単純に位置指令を
微分して速度フォードフォワード信号とし、さらに微分
したものをトルクフィードフォワード信号にする方法で
は、低剛性な負荷機械の振動を誘発するという問題を指
摘し、高速応答性を有し、かつ機械振動を生じない電動
機の位置制御装置として、図５に示す方法を開示してい
る。図５において、５１がフィードフォワード制御演算
部であり、位置指令xrefを入力し、ＦＦ速度指令vref＿
ffとＦＦトルク指令uref＿ffを計算し、フィードバック
制御演算部５６に出力する。５１内部には、制御対象６
２を近似した数学的モデル５５を有しており、数学的モ
デル５５は、ＦＦトルク指令uref＿ffを入力として位置
x＿ffと速度v＿ffを出力する。ＦＦ位置制御手段５２は
位置指令xrefと数学的モデル５５の位置x＿ffを入力と
し、ＦＦ速度指令vref＿ffを計算する。ＦＦ速度制御手
段５４はＦＦ速度指令vref＿ffと数学的モデル５５の速
度v＿ffを入力とし、ＦＦトルク指令uref＿ffを計算す
る。フィードバック制御演算部５６では、制御対象６２
の位置と速度を検出器６３で検出する。ＦＢ位置制御手
段５７では、位置指令xrefと検出位置x＿fbを入力と
し、ＦＢ速度指令１であるvref1を計算する。求められ
たvref1にフィードフォワード制御演算部５１より出力
されたＦＦ速度指令vref＿ffを加算器５８で加算し、Ｆ
Ｂ速度指令vref＿fbを計算する。ＦＢ速度制御手段５９
はvref＿fbと制御対象の速度v＿fbを入力とし、ＦＢト
ルク指令uref＿fbを計算する。また、第３の速度制御手
段６４では、v＿ffとv＿fbを減算器６５で減算し、減算
値から速度制御手段６６にて第３のトルク指令uref3を
計算する。最後に、トルク制御手段６０でuref＿ffとur
ef＿fbとuref3を加算器６１で足し合わせて、最終的な
トルク指令urefを計算する。本来は、トルク制御手段６
０と制御対象６２の間には、電流ループやPWMを含む電
力変換回路が存在するが、その応答は非常に早く、一般
的に無視できるものであり、また、本発明とは直接関係
がないため、ここでは省略する。以上が従来のサーボ制
御装置である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来例のように、
フィードフォワード信号（ＦＦ速度指令vref＿ffおよび
ＦＦトルク指令tref＿ff）を前向きに足し込む方法で
は、フィードバック制御のみ用いた場合と比較し、応答
は早くなる。しかし数学的モデル５５として制御対象６
２を完全に模擬でき、フィードフォワード制御演算部５
１で、その数学的モデル５５が所望の動作を実現するよ
うなＦＦトルク指令uref＿ffを計算できたとしても、実
機（制御対象）を動作させるトルク指令urefにはフィー
ドバック制御演算部５６におけるフィードバックループ
により得られたトルク指令uref＿fbも余計に加算（第３
のトルク指令uref3に関しては、数学的モデルと実機制
御対象が完全に一致した場合、v＿ffとv＿fbが一致する
ためその値は零となり問題は無いが）されてしまうこと
になる。このため過補償となり、制御対象６２が振動し
たりオーバシュートしたりするという問題があった。そ
こで本発明は、上記課題を解決し、高速応答性を有し、
位置決め時に負荷振動を発生しないサーボ制御装置の提
供を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のサーボ制
御装置は、フィードフォワード制御演算部とフィードバ
ック制御演算部とにより構成され、位置指令xrefと制御
対象の動作状態検出器による検出値とを入力として制御
対象を制御するサーボ制御装置において、前記フィード
フォワード制御演算部は、前記位置指令xrefと前記制御
対象を近似した数学的モデルの位置x＿ffとを入力とし
てＦＦ速度指令vref＿ffを出力するＦＦ位置制御手段
と、前記ＦＦ速度指令vref＿ffから前記数学的モデルに
おける速度v＿ffを減算しＦＦ速度偏差verr＿ffを出力
するＦＦ減算器と、前記ＦＦ速度偏差verr＿ffと数学的
モデルにおける状態量ベクトルxcompとを入力として前
記数学的モデルへのＦＦトルク指令uref＿ffを出力する
ＦＦ速度・安定化制御手段とにより構成されるととも
に、前記フィードバック制御演算部は、前記位置指令xr
efと前記検出器により検出された位置x＿fbとを入力と
してＦＢ速度指令vref＿fbを出力するＦＢ位置制御手段
と、前記ＦＢ速度指令vref＿fbから前記検出器により検
出された速度v＿fbを減算し第１ＦＢ速度偏差verr＿fb1
を出力する第１ＦＢ減算器と、前記第１ＦＢ速度偏差ve
rr＿fb1から前記ＦＦ速度偏差verr＿ffを減算し第２Ｆ
Ｂ速度偏差verr＿fb2を出力する第２ＦＢ減算器と、前
記第２ＦＢ速度偏差verr＿fb2を入力としＦＢトルク指
令uref＿fbを出力するＦＢ速度制御手段と、前記ＦＢト
ルク指令uref＿fbと前記ＦＦトルク指令uref＿ffとを加
算して前記制御対象へのトルク指令urefを出力するＦＢ
加算器とにより構成されること特徴としたものである。
請求項２記載のサーボ制御装置は、請求項１記載のサー
ボ制御装置において、前記ＦＦ位置制御手段と前記ＦＢ
位置制御手段とは、入力から出力を得るまでの演算式、
処理手順等、その制御機能が互いに等しいことを特徴と
したものである。請求項３記載のサーボ制御装置は、請
求項１ないし請求項２記載のサーボ制御装置において、
前記ＦＦ速度・安定化制御手段内部には、前記数学的モ
デルにおける状態量ベクトルxcompを入力として安定化
補償信号ucompを出力する安定化信号作成手段を有する
ことを特徴としたものである。請求項４記載のサーボ制
御装置は、請求項１または請求項３記載のサーボ制御装
置において、前記ＦＦ位置制御手段もしくは前記ＦＢ位
置制御手段のうち、どちらか一方に、またはその両方に
予測制御機能を備えることを特徴としたものである。

【０００５】

【発明の実施形態】本発明の実施例を図に基づいて説明
する。図１は本発明の実施構成を示すブロック図であ
る。図１において、フィードフォワード制御演算部１に
は位置指令xrefが入力されており、フィードフォワード
制御演算部１からは、ＦＦ速度偏差verr＿ffとＦＦトル
ク指令uref＿ffとがフィードバック制御演算部６へ出力
される。まず、フィードフォワード制御演算部１の処理
を説明する。制御対象１２を模擬した数学的モデル５は
ＦＦトルク指令uref＿ffを入力とし、各状態量〔数学的
モデルの位置x＿ff、速度v＿ff、その他の状態量xcomp
を意味する。なおxcompはベクトル量である為、n（自然
数）個の要素からなるベクトル量xcomp[n]として表現し
ている。〕を出力する。ＦＦ位置制御手段２は、位置指
令xrefと数学的モデル５の位置x＿ffを入力とし、ＦＦ
速度指令vref＿ffを出力する。ＦＦ減算器３ではvref＿
ffから数学的モデルの速度v＿ffを減算し、ＦＦ速度偏
差verr＿ffを求める。ＦＦ速度・安定化制御手段４で
は、verr＿ffと数学的モデル５の状態量ベクトルxcomp
[n]を入力とし、数学的モデル５へのＦＦトルク指令ure
f＿ffを出力する。次にフィードバック制御演算部６の
処理を説明する。ＦＢ位置制御手段７は、位置指令xref
と、制御対象１２の位置と速度を検出する検出器１３の
出力である制御対象１２の位置x＿fbを入力とし、ＦＢ
速度指令値vref＿fbを出力する。第１ＦＢ減算器８で
は、vref＿fbから検出器１３で検出された制御対象１２
の速度v＿fbを減算し、第１ＦＢ速度偏差verr＿fb1を出
力する。一般的には、制御対象１２の速度v＿fbは、検
出された制御対象１２の位置信号x＿fbを差分し、制御
サンプリング時間で除算して求めることが多い。第２Ｆ
Ｂ減算器９では、verr＿fb1からＦＦ速度偏差verr＿ff
を減算し、第２ＦＢ速度偏差verr＿fb2を出力する。Ｆ
Ｂ速度制御手段１０は、verr＿fb2を入力とし、ＦＢト
ルク指令uref＿fbを出力する。ＦＢ加算器１１では、ur
ef＿fbとＦＦトルク指令uref＿ffとを加算し最終のトル
ク指令urefを求め、制御対象１２へ出力する。本来は、
ＦＢ加算器１１と制御対象１２の間には、電流ループや
PWMを含む電力変換回路が存在するが、その応答は非常
に早く、一般的に無視できるものであり、また、本発明
とは直接関係がないため、ここでは省略する。

【０００６】次に各手段の処理内容を詳細に説明する。
まず、ＦＦ速度・安定化制御手段４の処理の一例を図２
に示す。図２に示すように入力されたＦＦ速度偏差verr
＿ffから、ＦＦトルク指令uref＿ffまでは、式（１）の
ような演算を行う。 uref＿ff = Jn＊｛Kv＿ff＊（１＋Ki＿ff／ｓ）＊verr＿ff ＋ ucomp｝… （１） Jnはイナーシャ、Kv＿ffは比例ゲイン、Ki＿ffは積分ゲ
イン、ucompは安定化信号作成手段１６から出力される
安定化補償信号を表す。また、1/sは積分を表す記号で
ある。ここで説明したものは、処理の一例であり、速度
偏差をもとに、数学的モデル５が安定にかつ所望の動作
を実現するようなトルク指令uref＿ffを算出する処理で
あれば、これに限定されるものではない。

【０００７】次に安定化補償信号ucompを出力する、安
定化信号作成手段１６の処理を説明する。安定化信号作
成手段１６では、数学的モデル５で計算される状態量ベ
クトルxcomp[n]を用いて、図３に示すような処理を行
う。この処理を式で表すと式（２）に示すようになる。

【数１】 nは数学的モデル５の状態量ベクトルxcomp[n]の状態変
数の数を表す。G[k]の値は所望の特性が得られるように
適当に選べばよく、必要としない状態変数に対しては零
とすればよい。ここで、xcomp[n]として用いる変数とし
ては、例えば、ねじれ角、ねじれ角速度、負荷速度、機
械が設置されている台の位置、機械が設置されている台
の速度などがあるが、制御対象を安定化するための状態
量であれば、これらに限定されるものではない。

【０００８】次にＦＦ位置制御手段２およびＦＢ位置制
御手段７について説明する。ＦＦ位置制御手段２および
ＦＢ位置制御手段７は、位置指令と検出位置を用いて位
置制御を行うものである。ここに代表例として比例制御
を用いた場合と、予測制御を用いた場合について説明す
る。まず、比例制御を用いた場合は、ＦＢ速度指令vref
＿fbおよびＦＦ速度指令vref＿ffは式（３）、式（４）
に示すように計算する。 vref＿fb = Kp＿fb＊（xref − x＿fb） …（３） vref＿ff = Kp＿ff＊（xref − x＿ff） …（４） Kp＿fb、Kp＿ffは比例ゲインを表す。次に、予測制御を
用いた場合は、以下のようになる。予測制御は、制御対
象の出力が目標指令に一致するように、今回のサンプリ
ングをi番目とした時、先読み区間をM1からMまでとし、
検出遅れKと、重み係数ｗmと、重み係数αと、重み係数
Cと、重み係数Cdと、今回の位置偏差e(i-K)と、ｍ個先
の偏差の予測値e＊(i+m)と、今回の制御入力v（i）と、
v（i）の制御周期Ts毎の増分値Δv（i）とから構成され
る評価関数Jについて、

【数２】 が最小になるように、制御入力v(i)を決定するものであ
る。例えば、特許３１７５８７７「予見制御装置」に記
載されている実施例１の方法を用いると、位置指令r(i)
の制御周期Ts毎の増分値Δr(i)と、制御対象の出力y(k)
の制御周期Ts毎の増分値Δy(i)を用いた次式

【数３】 によりv(i)を算出することになる。ここで、Na、Nb、v
m, pn、gn、E は予測モデルと各重み係数の値から計
算される変数であり、計算方法は特許３１７５８７７
「予見制御装置」や特許３１５８４３９「予見制御装
置」の中で詳しく説明されている。式（６）において、
rが位置指令xrefであり、yが制御対象１２の位置x＿fb
（ＦＢ位置制御手段７の場合）または数学的モデル５の
位置x＿ff（ＦＦ位置制御手段２の場合）であり、vが予
測制御手段からの出力である速度指令vref＿fbまたはvr
ef＿ffに相当する。このように式（６）を計算すること
によりＦＢ速度指令vref＿fbおよびＦＦ速度指令vref＿
ffを求めることができる。

【０００９】次にＦＢ速度制御手段１０の処理の一例を
図４により説明する。入力である第２ＦＢ速度偏差verr
＿fb2から、出力であるＦＢトルク指令uref＿fbまで
は、式（７）のように演算を行う。 uref＿fb = Kv＿fb＊（１＋Ki＿fb／ｓ）＊Jn＊verr＿fb2 …（７） Jnはイナーシャ、Kv＿fbは比例ゲイン、Ki＿fbは積分ゲ
インを表す。また、1/sは積分を表す記号である。ここ
で説明したものは、処理の一例であり、速度偏差をもと
に、制御対象１２に所望の動作をさせるためのＦＢトル
ク指令uref＿fbを算出する処理であれば、これに限定さ
れるものではない。

【００１０】数学的モデル５もＦＦトルク指令uref＿ff
を入力とし、各状態量を出力するものであればどのよう
な形でもよいが、ここに、一例を示す。制御対象１２は
一般的に式（８）に示すような状態方程式の形で表すこ
とが可能である。 d/dt・x＝A＊x＋B＊uref …（８） （urefは入力、xは状態量ベクトル 、AとBは行列を表
す） 式（８）を離散化することにより、式（９）のような差
分方程式が得られる。 x（k+1）＝Ad＊x（k）＋Bd＊uref（k） …（９） （uref（k）はｋ番目の入力、x（k）はｋ番目の状態量
ベクトル、Ad、BdはA、Bをオイラー近似や双一次変換な
どの手法を用いて離散化した行列を表す） このように、式（９）を計算することにより、状態量ベ
クトルx（k）を逐次求めることができる。上記場合の状
態量ベクトルxは、数学的モデル５の状態量ベクトルxco
mp[n]に相当するが、このうちの一つが位置x＿ffであ
り、また速度v＿ffでもある。以上のように、上記の各
手段において上記のような処理を行うことで本発明を実
施することができる。

【００１１】

【発明の効果】以上述べたように請求項１または請求項
２記載のサーボ制御装置では、フィードバック制御演算
部で計算された第１ＦＢ速度偏差からフィードフォワー
ド制御演算部で計算されたＦＦ速度偏差を減じて得た第
２ＦＢ速度偏差を入力として、ＦＢ速度制御手段からＦ
Ｂトルク指令が出力されることになる。この為、制御対
象を数学的モデルとして完全に模擬できれば第２ＦＢ速
度偏差がゼロとなり、いいかえればＦＢトルク指令がゼ
ロとなる為、ＦＦトルク指令（フィードフォワードトル
ク指令）のみで制御対象が動作し、完全に、フィードフ
ォワード部で設計した所望の動作を、実機で実現するこ
とができるという効果がある。また、請求項３記載のサ
ーボ制御装置では、安定化信号作成手段を設けること
で、数学的モデルの全ての状態量をフィードバックでき
るため、どのような制御対象でも安定化ができ、制御対
象が振動無く高速に応答するための理想的なＦＦトルク
指令を作成することができ、実機制御対象を振動無く高
速に動作させることが可能になるという効果がある。ま
た、請求項４記載のサーボ制御装置では、ＦＦ位置制御
手段もしくはＦＢ位置制御手段のうち、どちらか一方、
または両方に予測制御機能を備えることで、指令追従性
がさらに向上し、且つ、外乱特性も向上できるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の構成を示すブロック図

【図２】本発明のＦＦ速度・安定化制御手段の処理を説
明する図

【図３】本発明の安定化信号作成手段の処理を説明する
図

【図４】本発明のＦＢ速度制御手段の処理を説明する図

【図５】従来の構成を示すブロック図

【符号の説明】

１ フィードフォワード制御演算部 ２ ＦＦ位置制御手段 ３ ＦＦ減算器 ４ ＦＦ速度・安定化制御手段 ５ 数学的モデル ６ フィードバック制御演算部 ７ ＦＢ位置制御手段 ８ 第１ＦＢ減算器 ９ 第２ＦＢ減算器 １０ ＦＢ速度制御手段 １１ ＦＢ加算器 １２ 制御対象 １３ 検出器 １４、１５、１８ 加算器 １６ 安定化信号作成手段 １７ 式（２）の演算を実現する加算器 １９、２０、２２、２４，２５ ゲイン設定器 ２１、２３ 積分制御器 ５１ フィードフォワード制御演算部 ５２ ＦＦ位置制御手段 ５４ ＦＦ速度制御手段 ５５ 数学的モデル ５６ フィードバック制御演算部 ５７ ＦＢ位置制御手段 ５８ 加算器 ５９ ＦＢ速度制御手段 ６０ トルク制御手段 ６１ 加算器 ６２ 制御対象 ６３ 検出器 ６４ 第３制御手段 ６５ 減算器 ６６ 速度制御手段 vref＿ff ＦＦ速度指令 verr＿ff ＦＦ速度偏差 uref＿ff ＦＦトルク指令 xcomp[n] 数学的モデル５の状態ベクトル量 v＿ff 数学的モデルの速度 x＿ff 数学的モデルの位置 xref 位置指令 vref＿fb ＦＢ速度指令 verr＿fb1 第１ＦＢ速度偏差 verr＿fb2 第２ＦＢ速度偏差 x＿fb 検出器１３による検出位置 v＿fb 検出器１３による検出速度 uref＿fb ＦＢトルク指令 uref トルク指令 ucomp 安定化補償信号 vref1 ＦＢ速度指令 uref3 第３のトルク指令 verr3 第３の速度偏差 Kv＿ff 比例ゲイン Ki＿ff 積分ゲイン G[1],G[2],…,G[n] 式（２）における定数 xcomp[1],xcomp[2],…,xcomp[n] 数学的モデル５の
各状態変数 Kv＿fb 比例ゲイン Ki＿fb 積分ゲイン Jn イナ−シャ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H550 AA18 BB05 DD01 GG01 GG03 GG05 HB16 LL01 LL34

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィードフォワード制御演算部とフィード
   バック制御演算部とにより構成され、位置指令xrefと制
   御対象の動作状態検出器による検出値とを入力として制
   御対象を制御するサーボ制御装置において、 前記フィードフォワード制御演算部は、前記制御対象を
   近似した数学的モデルと、前記位置指令xrefと前記数学
   的モデルの位置x＿ffとを入力としてＦＦ速度指令vref
   ＿ffを出力するＦＦ位置制御手段と、前記ＦＦ速度指令
   vref＿ffから前記数学的モデルにおける速度v＿ffを減
   算しＦＦ速度偏差verr＿ffを出力するＦＦ減算器と、前
   記ＦＦ速度偏差verr＿ffと数学的モデルにおける状態量
   ベクトルxcompとを入力として前記数学的モデルへのＦ
   Ｆトルク指令uref＿ffを出力するＦＦ速度・安定化制御
   手段とにより構成されるとともに、前記フィードバック
   制御演算部は、前記位置指令xrefと前記検出器により検
   出された位置x＿fbとを入力としてＦＢ速度指令vref＿f
   bを出力するＦＢ位置制御手段と、前記ＦＢ速度指令vre
   f＿fbから前記検出器により検出された速度v＿fbを減算
   し第１ＦＢ速度偏差verr＿fb1を出力する第１ＦＢ減算
   器と、前記第１ＦＢ速度偏差verr＿fb1から前記ＦＦ速
   度偏差verr＿ffを減算し第２ＦＢ速度偏差verr＿fb2を
   出力する第２ＦＢ減算器と、前記第２ＦＢ速度偏差verr
   ＿fb2を入力としＦＢトルク指令uref＿fbを出力するＦ
   Ｂ速度制御手段と、前記ＦＢトルク指令uref＿fbと前記
   ＦＦトルク指令uref＿ffとを加算して前記制御対象への
   トルク指令urefを出力するＦＢ加算器とにより構成され
   ること特徴とするサーボ制御装置。
2. 【請求項２】前記ＦＦ位置制御手段と前記ＦＢ位置制御
   手段とは、制御機能が等しいことを特徴とする請求項１
   記載のサーボ制御装置。
3. 【請求項３】前記ＦＦ速度・安定化制御手段内部には、
   前記数学的モデルにおける状態量ベクトルxcompを入力
   として安定化補償信号ucompを出力する安定化信号作成
   手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項２
   記載のサーボ制御置。
4. 【請求項４】前記ＦＦ位置制御手段もしくは前記ＦＢ位
   置制御手段のうち、どちらか一方に、またはその両方に
   予測制御機能を備えたことを特徴とする請求項１または
   請求項３記載のサーボ制御装置。