JP2005182427A

JP2005182427A - 制御演算装置

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Publication number: JP2005182427A
Application number: JP2003421799A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Hagiwara; 萩原　　淳; Yuji Nakamura; 裕司中村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07
Also published as: US7463938B2; US20070219648A1; TW200523702A; WO2005062138A1

Abstract

【課題】フィードフォワードで考慮したモデルと実機に誤差がある場合に、モデル誤差の軽減を目的として予測制御のようなフィードフォワードを有する制御を問題なく適用できるようにし、さらにパラメータαとβのバランスを調整して実機の応答をより細かく調整できるようにする。
【解決手段】位置フィードフォワード信号と位置検出値をもとに誤差指令と誤差フィードバック値を出力する誤差信号算出部と、誤差指令と誤差フィードバック値が一致するように制御する誤差補償演算部とを演算器１６０に備え、この演算器１６０を制御演算装置１００に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御対象の位置を指令通りに動作させ得る制御演算装置に関する。すなわち、入力される位置指令と検出された電動機の位置・速度検出値に基づいて電動機に対する電流（トルク）指令を生成することにより、電動機と結合された負荷機械の位置決め制御をするサーボ制御装置の制御演算装置に関する。

従来のフィードフォワード信号を用いる制御演算装置は、位置フィードフォワード信号と位置検出値が一致するようにPID制御を行い、且つ、速度フィードフォワード信号と速度検出値が一致するようにPID制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。
図７はモータの位置等を制御する従来のモータ制御系の構成を示すブロック図である。図において、１は負荷となる機械類を駆動する電動機、２はこの電動機１に接続されたトルク伝達機構、３はトルク伝達機構２に接続された電動機１によって駆動される負荷機械、１９は電動機１の実速度及び実位置を検出して実速度信号ω_M及び実位置信号θ_Mを出力する位置速度検出器、５はトルク制御回路を表す。

減算器２４は位置指令信号θ_M ^*から第１の模擬位置信号θ_A1を差し引き、得られた偏差信号（θ_M ^*−θ_A1）を第１の位置制御回路２５へ出力する。第１の位置制御回路２５はその偏差信号（θ_M ^*−θ_A1）が減少するように第１の速度信号ω₁ ^*を減算器２６へ出力してθ_A1がθ_M ^*に追従するように制御する。減算器２６は第１の位置制御回路２５の出力である第１の速度信号ω₁ ^*から第１の模擬速度信号ω_A1を差し引き、得られた偏差信号（ω₁ ^*−ω_A1）を第1の速度制御回路１６へ出力する。第1の速度制御回路１６は偏差信号（ω₁ ^*−ω_A1）を入力してその偏差信号（ω₁ ^*−ω_A1）が減少するように制御を行い、第1のトルク信号Ｔ₁ ^*を減算器１５へ出力する。減算器１５はその第１のトルク信号Ｔ₁ ^*から補償トルク演算回路１４の出力Ｔ_Cを差し引き、得られた第３のトルク信号Ｔ₃ ^*を加算器６と減算器１８へ出力する。減算器１８は第３のトルク信号Ｔ₃ ^*からトルク伝達機構模擬回路１０の出力である模擬伝達トルク信号Ｔ_Fを差し引き、得られた偏差信号（Ｔ₃ ^*−Ｔ_F）を電動機模擬回路２７へ出力する。電動機模擬回路２７は電動機１の伝達関数を模擬するとともに（Ｔ₃ ^*−Ｔ_F ）を入力して第１の模擬位置信号θ_A1を減算器２０と減算器２４へ出力し、また、第１の模擬速度信号ω_A1を減算器１１と減算器１２、減算器２２へ出力する。減算器１１は第１の模擬速度信号ω_A1から第２の模擬速度信号ω_A2を差し引き、得られた偏差信号（ω_A1−ω_A2）をトルク伝達機構模擬回路１０へ出力する。トルク伝達機構模擬回路１０はトルク伝達機構２の伝達関数を模擬するとともに、偏差信号（ω_A1−ω_A2）を入力して模擬伝達トルク信号Ｔ_Fを負荷機械模擬回路９と減算器１８へ出力する。負荷機械模擬回路９は負荷機械３の伝達関数を模擬するとともに、トルク信号Ｔ_F を入力して第２の模擬速度信号ω_A2を減算器１１と減算機２へ出力する。減算器１２は第１の模擬速度信号ω_A1から第２の模擬速度信号ω_A2を差し引き、得られた偏差信号（ω_A1−ω_A2）を補償トルク演算回路１４へ出力する。補償トルク演算回路１４は偏差信号（ω_A1−ω_A2）を入力して負荷機械が速度指令信号ω_M ^*に追従するように補償トルク信号Ｔ_Cを減算器１５へ出力する。減算器２０は第１の位置信号θ_A1から実位置信号θ_M を差し引き、得られた偏差信号（θ_A1−θ_M ）を第２の位置制御回路２１へ出力する。第２の位置制御回路２１は偏差信号（θ_A1−θ_M）が減少するように第２の速度信号ω₂ ^*を加算器２２へ出力し、θ_M がθ_A1に追従するように制御する。加算器２２は第１の速度信号ω_A1と第２の速度信号ω₂ ^*を合算して減算器２３へ出力する。減算器２３は加算器２２の出力から実速度信号ω_M を差し引き、得られた偏差信号(ω₂ ^*＋ω_A1−ω_M)を第２の速度制御回路８へ出力する。第２の速度制御回路８は速度偏差（ω_A1−ω_M）が減少するように第２のトルク信号Ｔ₂ ^*を加算器６へ出力して実速度信号ω_M が第１の模擬速度信号ω_A1に追従するように制御する。加算器６は第３のトルク信号Ｔ₃ ^*と第２のトルク信号Ｔ₂ ^*を合算し、得られたトルク指令信号Ｔ_M ^*をトルク制御回路５へ出力する。トルク制御回路５はトルク指令信号Ｔ_M ^*を入力して電動機１を駆動する。電動機１はトルク伝達機構２を介して負荷機械３を駆動する。また、電動機１には位置速度検出器１９が搭載されており、電動機１の実速度と実位置を検出して実速度信号ω_M と実位置信号θ_M を出力する。

図８は第２の速度制御回路８を説明するブロック図である。図において、速度制御回路８は比例ゲインＫ_V2の係数器１０８と積分ゲインＫ_I2の積分器１０９で構成されており、速度偏差信号（ω_A1−ω_M）を入力すると比例積分制御をしてトルク信号Ｔ₂ ^*を出力するので、外乱トルクが加わった場合でも電動機１の速度ω_M が第１の模擬速度信号ω_A1に追従するように制御できる。前述のように第１の速度制御回路１６によってω_A1はω_M ^*に追従するように制御されるから、最終的に電動機１の速度ω_M は速度指令信号ω_M ^*に追従するように制御される。
図９は第２の位置制御回路２１を説明するブロック図である。図において、ゲインＫ_P2の係数器２０２は位置偏差（θ_A1−θ_M ）を比例増幅して第２の速度信号ω₂ ^*を出力する。θ_A1はθ_M ^*に追従するように制御されるから、最終的に電動機１の位置θ_M は位置指令信号θ_M ^*に追従するように制御される。

このように、従来の制御演算装置は、フィードフォワード信号θ_A1およびω_A1と検出値θ_Mおよびω_Mの偏差信号に基づいてPID制御を行い、フィードフォワードモデルの誤差や未知外乱トルクによる影響を小さくしている。
特許第３２１４２７０号公報（第１０頁、図９）

従来の制御演算装置はPID制御をしており、フィードバック位置ループの比例ゲインKp（従来例ではＫ_P2）と速度ループの比例ゲインKv（従来例ではＫ_V2）と積分ゲインKi（従来例ではＫ_I2）の３つの制御パラメータ値のみで調整していたため、モデル化誤差や外乱の影響を小さくするような外乱特性をきめ細く調整できないという問題があった。
また、外乱特性を向上させるために、例えば予測制御などのようなフィードフォワード制御とフィードバック制御のバランスで効果を発揮する制御則を用いようとした場合、逆に制御性が悪化するという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、フィードフォワードモデルが実際の制御対象に対して誤差を有している場合や、モデルで考慮されていないような未知の外乱があった場合などでも、モデル化誤差や外乱の影響を小さくする外乱特性をきめ細かく調整することができ、また、外乱特性の向上のために、予測制御などのような指令追従性を向上させることを目的とし、フィードバック制御のバランスで効果を発揮する制御則を適用することができる制御演算装置を提供することを目的とする。

そこで本発明は、位置フィードフォワード信号xffとトルクフィードフォワード信号tffと制御対象の位置検出値xfbとを入力し、前記位置検出値xfbが前記位置フィードフォワード信号xffと一致するように操作量を計算して出力する制御演算装置において、誤差信号算出部と誤差補償演算部とを備え、前記誤差信号算出部は、前記位置フィードフォワード信号xffから前記位置検出値xfbを減じた偏差errにゲインαを乗じた信号を誤差指令err#refとして出力し、且つ、前記偏差errの符号を変えてゲインβを乗じた信号を誤差フィードバック値err#fbとして出力し、前記誤差補償演算部では、前記誤差指令err#refと前記誤差フィードバック値err#fbが一致するように制御して誤差トルク指令値err#trefを出力し、前記トルクフィードフォワード信号tffと前記誤差トルク指令値err#trefを加算して前記操作量trefとすることを特徴としている。

請求項１〜４に記載の本発明によれば、フィードフォワードモデルが実際の制御対象に対して誤差を有している場合や、モデルで考慮されていないような未知の外乱がある場合に、従来の制御演算装置で調整していた３つ制御パラメータ値に加えて、ゲインαとゲインβの調整により、外乱特性をきめ細かく調節することができるという効果がある。また、外乱特性を向上させるために、例えば予測制御などのような指令追従性を向上させることを目的とし、フィードバック制御のバランスで効果を発揮する制御則を用いようとした場合でも、制御性を良好に保つことができ、結果として全体の制御性能が向上するという効果がある。

また、請求項５に記載の発明によると、もともとのフィードフォワード制御とは別に、誤差軽減用に、フィードフォワードを有する制御を問題なく適用することができ、結果として制御性能を向上させることができるという効果がある。
また、請求項６に記載の発明によると、もともとのフィードフォワード制御とは別に、誤差軽減用に予測制御を問題なく適用することができ、結果として制御性能を向上させることができるという効果がある。
また、請求項７に記載の発明によると、二つのパラメータを関係付ける関数を予め決めておくので、調整用のパラメータが一つとなって調整時間を短縮することができるという効果がある。

以下、本発明の制御演算装置について図を用いて説明する。なお、以下で説明する本発明の制御演算装置は、図７に示した従来の制御系において、破線で示した（Ａ）の部分の改良である。

図１は、本発明の制御演算装置の第１の実施例の構成を示すブロック図である。図において、１００は本発明の制御演算装置、１０１は加算器、１６０は演算器である。図２は演算器１６０の構成を示すブロック図である。図中、１２０は誤差信号算出部、１３０は誤差補償演算部であり、１２１は減算器、１２２は符号反転器、１２３は係数がαの計数器、１２４は係数がβの計数器である。
このような制御演算装置１００の構成において、トルクフィードフォワード信号tffが加算器１０１に入力され、位置フィードフォワード信号xffと位置検出信号xfbが誤差信号算出部１２０に入力されると、加算器１０１はトルクフィードフォワード信号tffと演算機１６０が演算する誤差トルク指令err#trefを入力して加算し、トルク指令trefを出力する。誤差信号算出部１２０の減算器１２１が位置フィードフォワード信号xffと位置検出信号xfbを入力すると、減算して位置偏差errを求め、符号反転器１２２と係数がαの計数器１２３へ出力する。符号反転器１２２は入力した位置偏差errの符号を反転して係数がβの計数器１２４へ出力する。そして計数器１２３は演算結果の誤差指令err#refを誤差補償演算部１３０へ出力し、計数器１２４は演算結果の誤差フィードバック値err#fbを誤差補償演算部１３０へ出力する。この誤差信号算出部１２０の入出力の関係を数式で表すと次のようになる。
err#ref=α・(xff-xfb) （１）
err#fb =β・(xfb-xff) （２）
この式において、２つの係数α、βはゲインのことであり、任意に設定可能である。このとき、αとβの和が固定値１となるように関係付けておけば（α＋β＝１）、どちらか一方のパラメータを調整すれば他方が決まるため、調整を簡単にすることが可能になる。αとβの関係付けは、そのような式に限定されることは無く、任意に設定することができる。
誤差補償演算部１３０は、誤差指令err#refと誤差フィードバック値err#fbを入力すると、これらが一致するように誤差補正演算をして誤差トルク指令err#trefを求め、加算器１０１へ出力する。

図３は誤差補償演算部１３０の構成を示すブロック図である。図において、１３１、１３４は減算器であり、１３８は加算器である。また１５１、１３３は微分器、１３６は積分器でり、Ｓはラプラス演算子を表している。また１３２、１３５、１３７、１５２はそれぞれ係数Ｋ_P、Ｋ_V、Ｋ_i、Ｋ_fの係数器であり、微分器151と係数器１５２とでＦＦ制御部１５０をなしている。ここに示した誤差指令err#refと誤差フィードバック値err#fbが一致するような制御をするのであれば、図のような構成に限られるのではなく、例えばPID制御を用いてもよいし、制御対象のモデルを用いた２自由度制御などフィードフォワード制御とフィードバック制御からなる制御を用いても良い。また制御対象のモデルを用いた逆伝達関数補償のようなものを用いても良い。

本実施例では、図３に示すようなフィードフォワード制御とフィードバック制御からなる制御を用いる場合を説明する。図中１５０がフィードフォワード制御部であり、誤差補償演算部１３０の出力は式（３）のように計算される。
out=Ｋ_v・(1+Ｋ_i/s)・[Ｋ_p・(err#ref-err#fb)+Ｋ_f・s・err#ref-s・err#fb] （３）
このようになっているため、外乱特性の調整の際は、ゲインＫ_p、Ｋ_v、Ｋ_i、Ｋ_fに加えて、ゲインαとゲインβも調整できるようになるため、より細かく外乱特性を調整でき、結果として制御性能が向上する。

図４は第２実施例の構成を示す図である。図１、図２と同じ記号の要素は、全て同一である。実施例２では、位置とトルクのフィードフォワード信号だけでなく速度フィードフォワード信号vffが入力されていることと、速度制御部１４０が追加されている点が実施例１と異なるところである。速度制御部１４０には一般的に比例積分制御が用いられることが多い。
この場合、速度フィードフォワード信号vffと速度検出値vfbの偏差verrを速度制御部１４０に入力し、速度制御部１４０から出力されたフィードバックトルク指令tfbとトルクフィードフォワード信号tffと演算器１６０の誤差補償演算部１３０より出力された誤差トルク指令err#trefの３つを足し合わせたものを操作量であるトルク指令値trefとする。
このように、位置偏差errを用いて誤差を補償するために誤差補償演算部１３０で計算された誤差トルク指令err#trefとは別に、速度フィードフォワード信号vffと速度検出値vfbとの誤差を補償する通常の速度制御部１４０も有する構成をしているので、さらに、外乱に対する特性を向上させることができる。

図５は第３実施例の構成を示す図である。実施例３は図４に示す実施例２と構成要素は同じであるが、演算器１６０の中の誤差補償演算部１３０の出力が誤差トルク指令err#trefであったのに対し、図５の中の演算器１６０の中の誤差補償演算部１３０の出力は、誤差速度指令err#vrefとなる点が異なる。
この場合、速度フィードフォワードvffと誤差速度指令err#vrefを加算し、速度検出値vfbを減じた信号を速度偏差verrとして速度制御部１４０への入力とし、速度制御部１４０の出力であるフィードバックトルク指令tfbとトルクフィードフォワード信号tffを加算したものを操作量であるトルク指令trefとして出力することになる。

本実施例の誤差補償演算部１３０では特に予測制御を用いた場合を示す。
予測制御には、例えば特開平７−０２８５０８号公報に記載された「予見制御装置」や特開平５−８２０４８９号公報に記載された「予見制御装置」等の装置が知られている。特開平７−０２８５０８号公報に記載された発明を用いた場合は、今回のサンプリングをi番目とした時、予測区間をＭとし、検出遅れＫと、重み係数ｗ_mと、重み係数αと、重み係数ｃと、重み係数ｃ_d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)とからなる式（５）の評価関数Jを最小にする制御入力u(i)を、式（６）で求める。

ここで、Δr(i)は指令r(i)の制御周期毎の増分値であり、Δy(i)は制御対象の出力y(i)の制御周期毎の増分値を表わしている。また、NaとNbはそれぞれ、制御入力uからΔyまでの伝達特性をパルス伝達関数で表した時の分母の次数と分子の次数を表わしている。

式（６）の中のパラメータｖ_m、ｐ_n、ｇ_n、Ｅは制御対象のモデルとそれぞれの重みの値から計算される値であり、計算方法は特開平７−０２８５０８号公報に記載された「予見制御装置」で詳細に記されているのでここでは省略する。
このように、従来の装置の位置制御部の部分のみを本発明の方式に置き換えることで、今まで適用できなかった予測制御なども問題なく適用可能となり、結果として制御性能が向上する。

図６は第４実施例の構成を示す図である。実施例４は図５に示す実施例３とほとんど同一であるが、トルクフィードフォワード信号tffが入力されないところが唯一異なる点である。この構成は、例えばトルクフィードフォワード信号を用いると、応答が振動的になる場合やトルク飽和が起こる場合などに有効である。このようにトルクフィードフォワード信号を用いない構成でも、本発明の効果を発揮することが可能である。

フィードフォワードで考慮したモデルと実機に誤差がある場合に、モデル誤差軽減の目的で予測制御のようなフィードフォワードを有する制御を問題なく適用できる、且つ、パラメータαとβのバランスを調整すれば、実機の応答をより細かく調整できるので、高速応答、高精度の位置決めが要求される半導体製造装置や電子部品実装装置、ロボット、工作機械などの用途にも適用できる。

本発明の制御演算装置の構成を示す第１実施例のブロック図演算器の構成を示すブロック図誤差補償演算部の構成を示すブロック図第２実施例のブロック図第３実施例のブロック図第４実施例のブロック図従来の制御演算装置の構成を示すブロック図第２の速度制御回路の構成を示すブロック図第２の位置制御回路の構成を示すブロック図

符号の説明

１００、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ制御演算装置
１０１、１０２、１２１、１３１、１３４減算器
１２０誤差信号算出部、１３０誤差補償演算部、１３３、１５１微分器
１３６積分器
１２２、１２３、１２４、１３２、１３５、１３７、１５２係数器
１４０速度制御部、１５０フィードフォワード制御部

Claims

位置フィードフォワード信号xffとトルクフィードフォワード信号tffと制御対象の位置検出値xfbとを入力し、前記位置検出値xfbが前記位置フィードフォワード信号xffと一致するように操作量を計算して出力する制御演算装置において、
誤差信号算出部と誤差補償演算部とを備え、前記誤差信号算出部は、前記位置フィードフォワード信号xffから前記位置検出値xfbを減じた偏差errにゲインαを乗じた信号を誤差指令err#refとして出力し、
且つ、前記偏差errの符号を変えてゲインβを乗じた信号を誤差フィードバック値err#fbとして出力し、
前記誤差補償演算部では、前記誤差指令err#refと前記誤差フィードバック値err#fbが一致するように制御して誤差トルク指令値err#trefを出力し、
前記トルクフィードフォワード信号tffと前記誤差トルク指令値err#trefを加算して前記操作量trefとする
ことを特徴とする制御演算装置。
位置フィードフォワード信号xffと速度フィードフォワード信号vffとトルクフィードフォワード信号tffと制御対象の位置検出値xfbと前記制御対象の速度検出値vfbとを入力し、前記制御対象の位置検出値xfbが前記位置フィードフォワード信号xffと一致するように操作量を計算し出て力する速度制御部を有する制御演算装置において、
誤差信号算出部と誤差補償演算部とを備え、前記誤差信号算出部は、前記位置フィードフォワード信号xffから前記位置検出値xfbを減じた偏差errにゲインαを乗じた信号を誤差指令err#refとして出力し、
且つ、前記偏差errの符号を変えてゲインβを乗じた信号を誤差フィードバック値err#fbとして出力し、
前記誤差補償演算部では、前記誤差指令err#refと前記誤差フィードバック値err#fbが一致するように制御して誤差トルク指令値err#trefを出力し、
前記速度フィードフォワード信号vffから速度検出値vfbを減じた信号verrを前記速度制御部へ入力し、
前記トルクフィードフォワード信号tffと前記速度制御部から出力されるフィードバックトルク指令値tfbと前記誤差トルク指令値err#trefを足し合わせたものを前記操作量trefとする
ことを特徴とする制御演算装置。
位置フィードフォワード信号xffと速度フィードフォワード信号vffとトルクフィードフォワード信号tffと制御対象の位置検出値xfbと前記制御対象の速度検出値vfbを入力し、前記制御対象の位置検出値xfbが前記位置フィードフォワード信号xffと一致するように操作量を計算して出力する速度制御部を有する制御演算装置において、
誤差信号算出部と誤差補償演算部とを備え、前記誤差信号算出部は、前記位置フィードフォワード信号xffから前記位置検出値xfbを減じた偏差errにゲインαを乗じた信号を誤差指令err#refとして出力し、
且つ、前記偏差errの符号を変えてゲインβを乗じた信号を誤差フィードバック値err#fbとして出力し、
前記誤差補償演算部では、前記誤差指令err#refと前記誤差フィードバック値err#fbが一致するように制御して誤差速度指令値err#vrefを出力し、
前記速度フィードフォワード信号vffと前記誤差速度指令値err#vrefを足し合わせ、且つ速度検出値vfbを減じた信号verrを前記速度制御部へ入力し、
前記トルクフィードフォワード信号tffと前記速度制御部から出力されるフィードバックトルク指令値tfbを足し合わせたものを前記操作量trefとする
ことを特徴とする制御演算装置。
位置フィードフォワード信号xffと速度フィードフォワード信号vffと制御対象の位置検出値xfbと前記制御対象の速度検出値vfbとを入力し、前記制御対象の位置検出値xfbが前記位置フィードフォワード信号xffと一致するように操作量を計算して出力する速度制御部を有する制御演算装置において、
誤差信号算出部と誤差補償演算部とを備え、前記誤差信号算出部は、前記位置フィードフォワード信号xffから前記位置検出値xfbを減じた偏差errにゲインαを乗じた信号を誤差指令err#refとして出力し、
且つ、前記偏差errの符号を変えてゲインβを乗じた信号を誤差フィードバック値err#fbとして出力し、
前記誤差補償演算部では、前記誤差指令err#refと前記誤差フィードバック値err#fbが一致するように制御して誤差速度指令値err#vrefを出力し、
前記速度フィードフォワード信号vffと前記誤差速度指令値err#vrefを足し合わせ、且つ速度検出値vfbを減じた信号verrを速度制御部へ入力し、
前記速度制御部から出力される信号を前記操作量trefとする
ことを特徴とする制御演算装置。
前記誤差補償演算部ではフィードフォワード制御とフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４に記載のいずれかの制御演算装置。
前記誤差補償演算部では、制御対象のモデルを用いて求めた未来偏差の予測値と制御入力に関する評価関数が最小となるよう制御入力を決定する予測制御を行うものとし、前記未来偏差は前記誤差指令err#refと前記誤差フィードバック値err#fbの差であり、前記制御入力を誤差補償演算部の出力とする
ことを特徴とする請求項１乃至４に記載のいずれかの制御演算装置。
前記ゲインαと前記ゲインβの関係が所定の関数で表され、どちらか一方の値を決めると、もう一方の値が自動的に決定されることを特徴とする請求項１乃至６に記載のいずれかの制御演算装置。