JP2004264979A

JP2004264979A - サーボ制御装置

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Publication number: JP2004264979A
Application number: JP2003052804A
Authority: JP
Inventors: Yuji Nakamura; 裕司中村; Nobuhiro Umeda; 信弘梅田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24
Also published as: WO2004077179A1

Abstract

【課題】オーバーシュートや持続振動を伴わすに高い追従精度を得られるサーボ制御装置を提供する。
【解決手段】補償信号演算器１０は、指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値を入力として、制御対象１が追従可能な成分である目標指令増分値を生成して制御器２０に送る。また、補償信号演算器１０は、指令増分値と目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して制御対象１に送る。制御器２０は、目標指令増分値と制御対象１の出力とを入力として、指令と制御対象１の出力とを一致させるように制御入力を制御対象１に送る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い指令追従精度を必要とする工作機、半導体製造装置、実装機などを駆動するサーボ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
制御対象の出力を目標指令に一致させるように、制御対象に制御入力を与えるサーボ制御装置として、従来から様々な構成が提案されている（例えば、本出願人による特許文献１、２を参照）。
【０００３】
図７は、特許文献１に記載された従来のサーボ制御装置に用いられる予測制御器の構成を示すブロック図である。
【０００４】
予測制御器６１は、メモリ６２〜６５、演算器６６、減算器６７、および積算器６８を有している。そして、予測制御器６１は、制御対象の出力を目標指令に一致させるよう、現在時刻ｉ・Ｔｓ（以下、便宜上、時刻ｉと称す。Ｔｓ：サンプリング周期）において、Ｍサンプリング未来の目標指令増分値Δｒ（ｉ＋Ｍ）と、Ｋ（Ｋ≧０）サンプリング過去の制御対象の出力の増分値（以下、出力増分値と称する）Δｙ（ｉ−Ｋ）を入力として、制御入力ｕ（ｉ）を制御対象に与える。
【０００５】
メモリ６２は、複数サンプリング分の目標指令増分値を記憶する。メモリ６３は、制御用の定数Ｅ，ｖ_−Ｋ＋１，…，ｖ_Ｍ，ｐ_０，…，ｐ_Ｎａ−１，ｇ_１，…，ｇ_{Ｎｂ＋Ｋ−１}を記憶する。メモリ６４は、複数サンプリング分の出力増分値を記憶する。メモリ６５は、複数サンプリング分の制御入力を記憶する。
【０００６】
減算器６７は、Ｋサンプリング過去の目標指令増分値Δｒ（ｉ−Ｋ）と出力増分値Δｙ（ｉ−Ｋ）との差を求める。積算器６８は、減算器６７の出力を積算することにより、偏差ｅ（ｉ−Ｋ）を求める。
【０００７】
演算器６６は、制御対象の制御入力から出力までの伝達関数モデルを用いて求めた未来偏差予測値と、偏差と、制御入力に関する評価関数が最小となるように、制御入力ｕ（ｉ）を、
【０００８】
【数１】

【０００９】
として求める。
【００１０】
図８は、図７に示した予測制御器を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。予測制御器６１からの制御入力は、制御対象の出力と共に、モータ制御器３に与えられる。そして、モータ制御器３の制御によってモータ２が駆動される。差分器６９は、制御対象の出力から出力増分値を生成して予測制御器６１に送る。
【００１１】
本構成によれば、未来の偏差予測値が最小となるように制御入力が決定されるため、追従精度の良いサーボ制御装置が実現される。
【００１２】
また、本出願による特許文献３には、フィードフォワード制御が施されても、予測精度を劣化させないフィードフォワード信号作成指令フィルタを含む追従精度の高いサーボ制御装置が提案されている。
【００１３】
【特許文献１】
特許第３１７５８７７号公報
【特許文献２】
国際公開ＷＯ９３／２０４８９
【特許文献３】
特開２００２−６２９０６号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ制御装置は、動特性による制御の遅れや、負荷の変動や摩擦などに起因する駆動トルクの不足を補償することができないので、速度や加速度の大きな変動に対して追従誤差を生じるという問題があった。
【００１５】
また、このような追従誤差を改善するために、指令応答を改善するようにパラメータを調整すると、オーバーシュートや持続振動を伴ってしまうという問題もあった。
【００１６】
本発明の目的は、オーバーシュートや持続振動を伴わずに高い追従精度を得られるサーボ制御装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のサーボ制御装置は、指令に応じて制御対象を制御するサーボ制御装置であって、前記指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値の、前記制御対象が追従可能な成分である目標指令増分値と、前記制御対象の出力とを入力として、前記目標指令増分値の積算値である目標指令と前記制御対象の出力とを一致させるように制御入力を前記制御対象に送る制御器と、前記指令増分値を入力として前記目標指令増分値を生成して前記制御器に送ると共に、前記指令増分値と前記目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して前記制御対象に送る補償信号演算器とを有している。
【００１８】
したがって、本発明によれば、補償信号演算器により指令増分値から生成された、制御器にて追従可能な目標指令増分値に従って、制御器が制御対象を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために制御器が追従できないときのみ、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器が制御対象に対するフィードフォワードの補償信号により補償する。
【００１９】
また、前記補償信号演算器は、前記指令増分値をフィルタリングして前記目標指令増分値を抽出する第１のフィルタと、前記補償信号を得るために前記指令増分値から前記目標指令増分値を減算する減算器とを有していてもよい。
【００２０】
また、前記補償信号演算器は、前記補償信号に調整ゲインを乗算して前記制御対象に送る乗算器をさらに有していてもよい。
【００２１】
また、前記補償信号演算器は、前記指令増分値を位相調整して前記減算器に送る第１の位相調整器と、該指令増分値を位相調整して前記第１のフィルタに送る第２の位相調整器とをさらに有していてもよい。あるいは、前記補償信号演算器は、前記減算器の出力を位相調整して前記乗算器に送る第１の位相調整器と、前記第１のフィルタで抽出された前記目標増分値を位相調整して前記制御器に送る第２の位相調整器とをさらに有していてもよい。
【００２２】
また、前記補償信号演算器は、入力の前記指令増分値を予めフィルタリングする第２のフィルタをさらに有していてもよい。
【００２３】
また、前記制御器は、前記制御対象における、未来時刻の偏差予測値と制御入力と制御入力増分値とに関する評価関数を最小とするように前期制御入力を決定する予測制御器であってもよい。あるいは、前記制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記制御対象の出力とを一致させるように前記制御入力を調整する位置制御器であってもよい。
【００２４】
また、前記制御対象がモータおよびその速度制御器を含み、前記制御器は、前記速度制御器に前記制御入力として速度指令を与え、前記補償信号演算器は、前記速度制御器に前記補償信号として、速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号を与えることとしてもよい。
【００２５】
あるいは、前記制御対象がモータおよびそのトルク制御器を含み、前記制御器は、前記トルク制御器に前記制御入力としてトルク指令を与え、前記補償信号演算器は、前記トルク制御器に前記補償信号として、トルクを補償するフィードフォワード信号を与えることとしてもよい。
【００２６】
また、前記モータが直進型モータであってもよい。
【００２７】
また、前記第１または第２の位相調整器がローパスフィルタであってもよく、ハイパスフィルタであってもよく、さらに、信号を位相調整用パラメータで指定された時間分だけ遅延させる遅延器であってもよい。
【００２８】
また、前記第１のフィルタが巡回型フィルタであってもよく、非巡回型フィルタであってもよい。前記第２のフィルタが巡回型フィルタであってもよく、非巡回型フィルタであってもよい。
【００２９】
また、前記位置制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記モータの位置との偏差の比例、積分、あるいは微分演算のいずれか、またはそれらの組み合わせによって制御入力を決定することとしてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図１を参照すると、サーボ制御装置は、補償信号演算器１０および予測制御器２０を有しており、制御対象１を制御する。
【００３２】
補償信号演算器１０は、上位指令器（不図示）より与えられた指令のサンプリング周期間の増分値（指令増分値）を基に、補償信号と目標指令増分値を生成する。
【００３３】
目標指令増分値は、指令増分値の、制御対象が追従可能な成分である。補償信号は、指令増分値と目標指令増分値の差分を補償する信号である。
【００３４】
予測制御器２０は、目標指令増分値と制御対象１の出力とを入力として所定の演算を行うことにより制御入力を生成し、制御対象１に与える。このとき、予測制御器２０は、未来時刻の偏差予測値と、制御入力と、制御入力増分値に関する評価関数を最小にするように制御入力を決定する。
【００３５】
予測制御器２０は、特許文献１〜３などに記載された、既存のものであってよく、ここでは、例えば図７に示した例を用いる。
【００３６】
図７の例で、制御対象１の伝達関数モデルが、Ｇｐ（ｚ）＝（ｂ_１ｚ^−１＋…＋ｂ_Ｎｂｚ^−Ｎｂ）／｛（１−ｚ^−１）（１−ａ_１ｚ^−１−…−ａ_Ｎａｚ^−Ｎａ）｝の離散時間系で得られているとすると、その入出力増分値モデルは式（２）となる。
【００３７】
【数２】

【００３８】
なお、ここで、Δは、サンプリング周期間の増分値であることを示す。時刻ｉにおいては、時刻ｉ−Ｋまでの出力増分値の実測値Δｙ（ｉ−ｎ）（ｎ≧Ｋ）が得られているため、それ以降の出力増分値を、実測値を用いて、
【００３９】
【数３】

【００４０】
で予測すると、出力増分値予測値Δｙ^＊（ｉ＋ｍ）は式（４）となる。
【００４１】
【数４】

【００４２】
ここで係数Ａ_ｍｎ，Ｂ_ｍｎは、未来の制御入力をｕ（ｊ）＝０（ｊ＞ｉ）とすると、
【００４３】
【数５】

【００４４】
で与えられる。ただし、ａ_ｎ＝０（ｎ＞Ｎ_ａ），ｂ_ｎ＝０（ｎ＜１およびｎ＞Ｎ_ｂ）とする。
【００４５】
またｕ（ｊ）＝ｕ（ｉ）（ｊ＞ｉ）とすると、式（６ｂ）のＢ_ｍ０は式（６ｂ′）となる。
【００４６】
【数６】

【００４７】
そこで、未来偏差予測値ｅ^＊（ｉ＋ｍ）を、
【００４８】
【数７】

【００４９】
で与え、評価関数
【００５０】
【数８】

【００５１】
が最小となるように制御入力ｕ（ｉ）を決定すると、∂Ｊ／∂ｕ（ｉ）＝０より、式（１）が得られる。ただし各定数、ｖ_ｍ，ｐ_ｎ，Ｅ，ｇ_ｎは式（９）で与えられる。
【００５２】
【数９】

【００５３】
ここで、Ｋ＝０とすると、式（８）の評価関数は、
【００５４】
【数１０】

【００５５】
となる。
【００５６】
そして、式（１０）の評価関数を最小にする制御入力ｕ（ｉ）は、
【００５７】
【数１１】

【００５８】
で得られる。
【００５９】
予測制御器２０からの制御入力は、補償信号演算器１０からの補償信号、および制御対象の出力と共に、モータ制御器３に与えられる。そして、モータ制御器３の制御によってモータ２が駆動される。
【００６０】
図２は、補償信号演算器の構成の一例を示すブロック図である。図２を参照すると、補償信号演算器１０は、フィルタ１１，１２、位相調整器１３，１４、減算器１５、および乗算器１６を有している。
【００６１】
フィルタ１１は、与えられた指令増分値をフィルタリングする。位相調整器１３は、フィルタ１１の出力を位相調整して信号Ｓ１を生成し、減算器１５に送る。位相調整器１４は、フィルタ１１の出力を位相調整し、フィルタ１４に送る。フィルタ１４は、位相調整器１４の出力をフィルタリングして信号Ｓ２を生成する。信号Ｓ２は、目標指令増分値として予測制御器２０に与えられる。減算器１５は、位相調整器１３からの信号Ｓ１から、フィルタ１４からの信号Ｓ２を減算し、乗算器１６に送る。乗算器１６は、減算器１５の出力にゲインＫを乗算して補償信号を生成し、モータ制御器３に与える。
【００６２】
以上説明したように、第１の実施例によれば、補償信号演算器１０により指令増分値から生成された目標指令増分値に従って、予測制御器２０が制御対象１を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために予測制御器２０の制御のみでは生じてしまう追従偏差を小さくするように、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器１０が制御対象１に対するフィードフォワードの補償信号により補償するので、速度や加速度の変化が大きく変動する指令に対してオーバーシュートや持続振動を生じることなく、高い追従精度で制御対象１を制御することができる。
【００６３】
ここでは補償信号演算器の構成の一例を図２に示したが、その他の構成も可能である。
【００６４】
図３は、補償信号演算器の他の構成例を示すブロック図である。
【００６５】
図３に示された補償信号演算器１０’に入力された指令増分値はフィルタ１１を介して信号Ｓ３となる。また、信号Ｓ３はフィルタ１２を介して信号Ｓ４となる。減算器１５は、信号Ｓ３から信号Ｓ４を減算して位相調整器１３に送る。信号Ｓ４は、位相調整器１４で位相調整されて目標指令増分値として予測制御器２０に送られる。減算器１５の出力は、位相調整器１３で位相調整され、乗算器１６でゲインＫを乗算され、補償信号となってモータ制御器３に送られる。
【００６６】
図４は、補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。図４の補償信号演算器１０’’は、図２に示した補償信号演算器１０からフィルタ１１を削除した構成である。図５は、補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。図５の補償信号演算器１０’’’は、図３に示した補償信号演算器１０’からフィルタ１１を削除した構成である。図４、５の構成は、制御対象１の剛性が極めて高い場合に有効である。
【００６７】
制御対象１のモータ制御器３が速度制御器である場合、モータ制御器３への制御入力は速度指令であり、補償信号は、モータ制御器３内の速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号である。
【００６８】
制御対象１のモータ制御器３がトルク制御器である場合、モータ制御器３への制御入力はトルク指令であり、補償信号はモータ制御器３内のトルクを補償するフィードフォワード信号である。
【００６９】
補償信号演算器１０含まれる各位相調整器１３、１４としては、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、あるいは位相調整用パラメータに設定した時間だけ信号を遅延させる遅延器のうち、より効果的ないずれかを選択すればよい。
【００７０】
フィルタ１１，１２としては、巡回型フィルタ、非巡回型フィルタのうち、いずれか効果の高いものを選択すればよい。
【００７１】
各位相調整器１３、１４の位相調整値、および乗算器１６の調整ゲインＫは、目標指令と制御対象出力との偏差ができる限り小さくなるように調整すればよい。例えば、乗算器１６の調整ゲインＫを、一定加速度で加速しているときに偏差が小さくなるように調整し、各位相調整器１３、１４の位相調整値を、加速度が変化しているときに偏差が小さくなるように調整すればよい。
【００７２】
（第２の実施例）
図６は、本発明の第２の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。第２の実施例において、補償信号演算器１０は第１の実施例と同じであるが、図１に示された第１の実施例における予測制御器２０の代わりに位置制御器３０が設けられている。
【００７３】
位置制御器３０は、目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、制御対象の出力とが一致するように制御入力を調整する。例えば、位置制御器３０は、目標指令とモータ位置の偏差の比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、積分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）、あるいは微分（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）のいずれか、またはそれらの組み合わせの演算によって制御入力を決定するＰＩＤ制御器とすればよい。
【００７４】
位置制御器３０より出力された制御入力は、補償信号演算器１０より出力された補償信号、および制御対象の出力と共に、モータ制御器３に与えられる。そして、モータ制御器３によりモータ２が駆動される。
【００７５】
ここで、位置制御器３０は、モータ制御器３の構成に合わせて自由に構成できる。例えば、モータ制御器３がモータ２の速度制御を行う場合、位置制御器３０は、速度指令を制御入力としてモータ制御器３に送るＰＩＤ制御器として構成すればよい。
【００７６】
また、モータ制御器３がトルク制御のみを行う場合、位置制御器３０は、単純なＰＩＤ制御器や内部に速度制御器を含むものとして構成すればよい。
【００７７】
また、第１および第２の実施例において、モータ２が推力指令により駆動されるリニアモータなどの直進型アクチュエータである場合も、上述したものと同様の構成のサーボ制御装置を適用可能である。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、補償信号演算器により指令増分値から生成された、追従可能な目標指令増分値に従って、制御器が制御対象を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために制御器だけでは追従できないときに、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器が制御対象に対するフィードフォワードの補償信号により補償するので、速度や加速度が大きく変動する指令に対してオーバーシュートや持続振動を生じることなく、高い追従精度で制御対象１を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】補償信号演算器の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】補償信号演算器の他の構成例を示すブロック図である。
【図４】補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図５】補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】従来のサーボ制御装置に用いられる予測制御器の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示した予測制御器を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１制御対象
２モータ
３モータ制御器
１０〜１０’’’ 補償信号演算器
１１，１２フィルタ
１３，１４位相調整器
１５減算器
１６乗算器
２０予測制御器
３０位置制御器
Ｓ１〜Ｓ４信号

Claims

指令に応じて制御対象を制御するサーボ制御装置であって、前記指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値の、前記制御対象が追従可能な成分である目標指令増分値と、前記制御対象の出力とを入力として、前記目標指令増分値の積算値である目標指令と前記制御対象の出力とを一致させるように制御入力を前記制御対象に送る制御器と、
前記指令増分値を入力として前記目標指令増分値を生成して前記制御器に送ると共に、前記指令増分値と前記目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して前記制御対象に送る補償信号演算器とを有するサーボ制御装置。
前記補償信号演算器は、前記指令増分値をフィルタリングして前記目標指令増分値を抽出する第１のフィルタと、前記補償信号を得るために前記指令増分値から前記目標指令増分値を減算する減算器とを有する、請求項１記載のサーボ制御装置。
前記補償信号演算器は、前記補償信号に調整ゲインを乗算して前記制御対象に送る乗算器をさらに有する、請求項２記載のサーボ制御装置。
前記補償信号演算器は、前記指令増分値を位相調整して前記減算器に送る第１の位相調整器と、該指令増分値を位相調整して前記第１のフィルタに送る第２の位相調整器とをさらに有する、請求項３記載のサーボ制御装置。
前記補償信号演算器は、前記減算器の出力を位相調整して前記乗算器に送る第１の位相調整器と、前記第１のフィルタで抽出された前記目標増分値を位相調整して前記制御器に送る第２の位相調整器とをさらに有する、請求項３記載のサーボ制御装置。
前記補償信号演算器は、入力の前記指令増分値を予めフィルタリングする第２のフィルタをさらに有する、請求項３記載のサーボ制御装置。
前記制御器は、前記制御対象における、未来時刻の偏差予測値と制御入力と制御入力増分値とに関する評価関数を最小とするように前期制御入力を決定する予測制御器である、請求項１記載のサーボ制御装置。
前記制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記制御対象の出力とを一致させるように前記制御入力を調整する位置制御器である、請求項１記載のサーボ制御装置。
前記制御対象がモータおよびその速度制御器を含み、
前記制御器は、前記速度制御器に前記制御入力として速度指令を与え、
前記補償信号演算器は、前記速度制御器に前記補償信号として、速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号を与える、請求項１記載のサーボ制御装置。
前記制御対象がモータおよびそのトルク制御器を含み、
前記制御器は、前記トルク制御器に前記制御入力としてトルク指令を与え、
前記補償信号演算器は、前記トルク制御器に前記補償信号として、トルクを補償するフィードフォワード信号を与える、請求項１記載のサーボ制御装置。
前記モータが直進型モータである、請求項９または１０記載のサーボ制御装置。
前記第１または第２の位相調整器がローパスフィルタである、請求項４または５に記載のサーボ制御装置。
前記第１または第２の位相調整器がハイパスフィルタである、請求項４または５に記載のサーボ制御装置。
前記第１または第２の位相調整器が、信号を位相調整用パラメータで指定された時間分だけ遅延させる遅延器である、請求項４または５記載のサーボ制御装置。
前記第１のフィルタが巡回型フィルタである、請求項２記載のサーボ制御装置。
前記第１のフィルタが非巡回型フィルタである、請求項２記載のサーボ制御装置。
前記第２のフィルタが巡回型フィルタである、請求項６記載のサーボ制御装置。
前記第２のフィルタが非巡回型フィルタである、請求項６記載のサーボ制御装置。
前記位置制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記モータの位置との偏差の比例、積分、あるいは微分演算のいずれか、またはそれらの組み合わせによって制御入力を決定する、請求項８記載のサーボ制御装置。