JP2005190153A - フィードフォワード制御装置、フィードフォワード制御方法、サーボ機構、フィードフォワード制御プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】目標指令に対するフィードフォワード補償信号の速応性を向上させるフィードフォワード制御装置を提供する。
【解決手段】制御系にフィードフォワード補償信号θ_FF0を与えるフィードフォワード制御装置１３０であって、制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され制御系の外部から時々刻々入力される原目標指令θ_r0を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令θ_r2を生成する遅延要素１４１を備え、遅延要素１４１にて遅延されないことにより現目標指令θ_r2に対して先行する先行目標指令θ_r1に基づいてフィードフォワード補償信号θ_FF0を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フィードフォワード制御装置、フィードフォワード制御方法、サーボ機構、フィードフォワード制御プログラムおよび記録媒体に関する。

図８に示されるように、モータ１１によって駆動される負荷１２の位置および駆動速度を制御するサーボ機構１が知られている。図８に示されるサーボ機構１は、モータ１１と、モータ１１にて駆動されモータ１１との連結に低剛性部分１３を有する負荷１２と、外部から設定入力される前記負荷１２の目標位置(目標指令)θ_rと負荷１２の実位置θ_Lとの差に基づいてモータ１１を駆動制御する制御装置２と、を備えている。
そして、制御装置２は、位置制御ループL₁と、速度制御ループL₂と、電流制御ループL₃と、を備えている。

位置制御ループL₁は、負荷１２の位置を検出する位置検出器３１と、負荷１２の位置θ_Lを目標位置θ_rと比較する位置比較器３２と、位置信号を特性補償して速度信号s₄を出力する位置特性補償要素３３と、を備える。
速度制御ループL₂は、モータ１１の回転位置を検出するモータ回転位置検出器４１と、モータ１１の回転位置からモータ回転速度を算出するモータ回転速度算出要素４２と、位置特性補償要素３３からの速度信号s₄をモータ回転速度と比較する速度比較器４３と、速度信号を特性補償して電流値信号を出力する速度特性補償要素４４と、を備えている。
電流制御ループL₃は、モータ１１に印加されている電流値を検出するモータトルク電流検出器５１と、速度特性補償要素４４からの電流値信号をモータトルク電流値と比較する電流比較器５２と、電流値信号を特性補償する電流特性補償要素５３と、特性補償された電流値信号に基づいてモータ１１を駆動するモータ駆動アンプ５４と、を備えている。

ここで、一般に、位置制御ループL₁、速度制御ループL₂および電流制御ループL₃の制御周期は互いに異なる。位置制御ループL₁を上位とし電流制御ループL₃を下位とすると、下位の制御ループの方が制御周期を短く設定される。例えば、位置制御ループL₁の制御周期T_CPに比べて速度制御ループL₂の制御周期T_CVは短く設定される。

このようなサーボ機構１において、さらに、フィードフォワード補償要素を備えた構成が知られている(例えば、特許文献１)。図９に、フィードフォワード補償要素７を備えたサーボ機構１を示す。なお、図９においては、速度制御ループ以下(速度制御ループL₂および電流制御ループL₃)を一つの要素(伝達関数G₀)６として表す。

フィードフォワード補償要素７は、目標指令値θ_rの微分信号s₁を生成する微分値算出要素７１と、微分信号s₁のレベル調整を行う定数要素(伝達関数K_FF)７５と、微分信号s₁を異なる制御周期(速度制御ループの制御周期T_CV)に結合する結合要素(伝達関数G_T)７６と、を備えて構成されている。
ここで、定数要素７５の伝達関数K_FFは、０＜K_FF＜１を満たす値に設定される。
また、目標指令値θ_rは、位置制御ループL₁の制御周期T_CPで時々刻々入力されるところ、結合要素７６は、位置制御ループL₁の制御周期T_CPと速度制御ループL₂の制御周期T_CV(＜T_CP)とを結合する。このような結合要素７６としては、零次ホールド回路が例として挙げられる。

微分値算出要素７１は、目標指令θ_rの遅延信号s₂を生成する遅延要素(伝達関数z^-1)７２と、目標指令θ_rから遅延信号s₂を減算してその差s₃を求める比較器７３と、比較器７３からの信号s₃を制御周期T_CPに相当する時間で除算する除算要素７４と、を備える。

このような構成において、微分値算出要素７１で生成された微分信号s₁が定数要素７５で調整されたのち、結合要素７６で次の入力までホールドされつつ出力される。そして、結合要素７６から出力されるフィードフォワード補償信号θ_FF0は、位置特性補償要素３３からの速度指令s₄に対し加算器８により加算される。
すると、目標指令θ_rの変化に対するフィードバック制御の遅れをフィードフォワード補償信号θ_FF0により補償することができ、目標指令θ_rに対する速応性が向上される。

特開平４−１３５２１５号

しかしながら、前述のフィードフォワード補償要素７によるフィードフォワード補償信号θ_FF0は、必ずしも目標指令θ_rの変化に速応しないという問題がある。図１０に、目標指令θ_rに対するフィードフォワード補償信号θ_FF0の変化をシミュレーションした結果を示す。なお、シミュレーションに際しては、速度制御ループL₂の制御周期T_CVを位置制御ループL₁の制御周期T_CPの１０分の１とし、また、結合要素７６を零次ホールド回路とした。

図１０(Ａ)は、目標指令θ_rを一次関数状に変化させた場合(図１０(Ａ)中のW₁)と、目標指令θ_rを二次関数状に変化させた場合(図１０(Ａ)中のW₂)と、についてフィードフォワード補償信号θ_FF0と、その理想値と、を示す図である。また、図１０(Ｂ)は、図１０(Ａ)の拡大図である。
フィードフォワード補償信号θ_FF0の理想値に示されるように、目標指令θ_rの変化に対して時間遅れなく追従すべきであるが、実際に出力されるフィードフォワード補償信号θ_FF0は、位置制御ループL₁の制御周期T_CPの分だけ遅れを生じる。
例えば、W₁の領域で、目標指令θ_rが変化を始めた時刻t₁に対して、フィードフォワード補償信号θ_FF0が応答を開始するのは、およそT_CP遅れた時刻t₂であることが示されている。
また、W₂の領域では、フィードフォワード補償信号θ_FF0が応答を始めたのちも、目標指令θ_rの二次関数的な滑らかな変化に対応せず、制御周期T_CPにわたって同じ値が保持されている。すると、速度制御ループL₂の制御周期T_CVで見れば、離散化誤差が生じることとなる。

このようなフィードフォワード補償信号θ_FF0の時間遅れや離散化誤差により、目標指令θ_rに対する速応性の改善効果が限定されているという問題が生じる。

本発明の目的は、従来の問題を解消して、目標指令に対するフィードフォワード補償信号の速応性を向上させるフィードフォワード制御装置、フィードフォワード制御方法、サーボ機構、フィードフォワード制御プログラムおよび記録媒体を提供することにある。

本発明は、制御系にフィードフォワード補償信号を与えるフィードフォワード制御装置であって、前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延要素を備え、前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令に基づいて前記フィードフォワード補償信号を生成することを主たる構成とする。

このような構成によれば、現目標指令に対して先行する先行目標指令に基づいてフィードフォワード補償信号が生成される。すると、現目標指令に対して遅れの無いフィードフォワード補償信号を得ることができる。
なお、前記制御系とは、制御装置の組み合せにより制御対象を目標指令に従って制御する制御システムを意味し、ここでは主として閉ループ制御系を意味する。

請求項１に記載のフィードフォワード制御装置は、制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えるフィードフォワード制御装置であって、前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延要素と、前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令を微分して先行目標微分信号を生成する先行目標微分要素と、前記現目標指令を微分して現目標微分信号を生成する現目標微分要素と、前記先行目標微分信号と前記現目標微分信号とに基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合要素と、を備え、前記内挿値に基づいて前記フィードフォワード補償信号を生成することを特徴とする。

このような構成において、原目標指令が制御周期T₁(相対的に長い方の制御周期)で外部から時々刻々入力される。原目標指令は、遅延要素で所定時間遅延される。そして、原目標指令が遅延された指令値が制御系の現時刻での制御目標値(現目標指令)となり、制御系に指令される。すると、現目標指令に従って第１制御ループと第２制御ループとにより制御対象の制御が行われる。

原目標指令が遅延されて現目標指令になる一方、原目標指令から遅延されないか、あるいは遅延時間が短い指令値は、現目標指令に対して先行した指令値(先行目標指令)となる。そして、フィードフォワード制御装置において、先行目標指令が先行目標微分要素によって微分され、先行目標微分信号が生成される。
また、現目標指令は制御系(第１制御ループ、第２制御ループ)に目標値として与えられる一方、フィードフォワード制御装置において現目標微分要素で微分され、現目標微分信号が生成される。

このように生成された先行目標微分信号および現目標微分信号は、結合要素によって制御周期T₂で補間されて、補間された信号が結合要素から制御周期T₂で出力され、フィードフォワード補償信号として制御系に与えられる。すると、制御系は、現目標指令と、フィードフォワード補償信号と、により制御対象(モータや負荷)の制御を行う。

遅延要素により、原目標指令から遅延された指令である現目標指令が得られるとともに、遅延要素を介さなければ、現目標指令に対して先行する先行目標指令が得られる。そして、フィードフォワード制御装置により先行目標指令に基づいたフィードフォワード補償信号が生成され、現目標指令に対して遅れの無いフィードフォワード補償信号が得られる。その結果、この遅れの無いフィードフォワード補償信号によって制御性能が向上される。

フィードフォワード制御装置は、先行目標微分要素により先行目標指令に基づく先行目標微分信号を得る一方、現目標微分要素により現目標指令に基づく現目標微分信号を得る。ここで、先行目標微分信号は、現目標指令に対して進みを有する場合があり、現目標微分信号は、現目標指令に対して遅れを有する場合があるが、結合要素において先行目標微分信号と現目標微分信号との補間を行うことにより現目標指令に対して最適なフィードフォワード補償信号を得ることができる。

結合要素において、先行目標微分信号と現目標微分信号とを制御周期T₂で補間することにより、離散化誤差を低減させることができる。

ここで、本発明では、前記原目標指令、および、前記原目標指令を前記遅延要素で遅延させた遅延値を順次記憶する記憶手段を備え、前記先行目標指令、前記現目標指令、および、すでに制御系に与えた過去の目標指令の少なくともいずれかを用いてフィードバック補償信号を生成してもよい。このとき、用いられる先行目標指令および過去の目標指令は一つに限らず、前記記憶装置に記憶されている複数が適宜用いられてもよい。

請求項２に記載のフィードフォワード制御装置は、請求項１に記載のフィードフォワード制御装置において、前記遅延要素は、前記制御周期T₁に相当する時間だけ前記原目標指令θ_r0(k)を遅延させて前記現目標指令θ_r2(k+1)を生成し、前記先行目標微分要素は、前記現目標指令に対して前記制御周期T₁に相当する時間だけ先行した先行目標指令θ_r1(k)に基づく微分によって前記先行目標微分信号P₁(k)を生成し、前記現目標微分要素は、前記現目標指令θ_r2(k+1)に基づく微分によって前記現目標微分信号P₂(k+1)を生成し、前記結合要素は、前記先行目標微分信号P₁(k)および前記現目標微分信号P₂(k+1)を用いた次の式(１)で表される線形補間によって前記制御周期T₂に相当する時間間隔で内挿値F(m)を得ることを特徴とする。

ここで、式(１)は、F(m)=P₁(k)+{ P₂(k+1) − P₁(k) }・m/Nで表される。ただし、m=1、2、3・・・、N=T₁/T₂とする。

請求項３に記載のフィードフォワード制御装置は、前記結合要素が、請求項２の前記式(１)に代えて、スプライン補間によって前記内挿値を得ることを特徴とする。

このような構成において、結合要素により線形補間あるいはスプライン補間によって先行目標微分信号と現目標微分信号との内挿値が求められる。すると、目標値(原目標指令、先行目標指令、現目標指令)は制御周期T₁に相当する時間間隔で離散化されているが、フィードフォワード補償信号は、制御周期T₂に相当する時間間隔に補間される。そして、線形補間あるいはスプライン補間によれば、零次ホールドする場合に比べて離散化誤差が低減される。

なお、結合要素は、線形補間やスプライン補間に限らず、種々の補間法によって、先行目標微分信号と現目標微分信号との内挿値を求めてもよいのはもちろんである。

請求項４に記載のフィードフォワード制御装置は、制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えるフィードフォワード制御装置であって、前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延要素と、前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令が少なくとも含まれた信号を微分した先行目標微分信号を生成する先行目標微分要素と、前記先行目標微分信号に基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合要素と、を備え、前記結合要素は、零次ホールド回路を備えて構成されていることを特徴とする。

請求項５に記載のフィードフォワード制御装置は、前記結合要素が、請求項４に記載の零次ホールド回路に代えて、ローパスフィルタを備えて構成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、現目標指令に対して先行する先行目標指令に基づいた先行目標微分信号を得ることができるので、遅れの無いフィードフォワード補償信号を得ることができる。そして、零次ホールド回路あるいはローパスフィルタによって、時間間隔T₁の先行目標微分信号を時間間隔T₂の信号に補間することができる。

請求項６に記載のフィードフォワード制御方法は、制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えてフィードフォワード制御するフィードフォワード制御方法であって、前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延工程と、前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令が少なくとも含まれた信号を微分した先行目標微分信号を生成する先行目標微分工程と、前記現目標指令を含んだ信号を微分した現目標微分信号を生成する現目標微分工程と、前記先行目標微分信号と前記現目標微分信号とに基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合工程と、を備え、前記内挿値に基づいて前記フィードフォワード補償信号を生成することを特徴とする。

このような構成によれば、請求項1に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。

請求項７に記載のサーボ機構は、制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系と、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のフィードフォワード制御装置と、を備える。

ここで、前記制御系は、前記第１制御ループとして、駆動手段で駆動される負荷の位置決め制御を行う位置フィードバックループを有し、前記第２制御ループとして、前記負荷の駆動速度制御を行う速度制御ループを有していてもよい。

このような構成によれば、遅れの無いフィードフォワード補償信号によって、速応性や安定性を向上させたサーボ機構を得ることができる。そして、駆動手段としてのモータやこのモータで駆動される負荷を最適に制御する駆動装置を得ることができる。

請求項８に記載のフィードフォワード制御プログラムは、制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えるフィードフォワード制御装置に組み込まれたコンピュータを、前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延要素と、前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令を微分した先行目標微分信号を生成する先行目標微分要素と、前記現目標指令を微分した現目標微分信号を生成する現目標微分要素と、前記先行目標微分信号と前記現目標微分信号とに基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合要素と、して機能させ、前記内挿値に基づいて前記フィードフォワード補償信号を生成することを特徴とする。

請求項９に記載の記録媒体は、請求項８に記載のフィードフォワード制御プログラムを記録したことを特徴とする。

このような構成によれば、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。さらに、ＣＰＵ(中央処理装置)やメモリ(記憶装置)を有するコンピュータを組み込んでこのコンピュータに各機能を実現させるようにプログラムを構成すれば、各機能におけるパラメータを容易に変更することができる。そして、このプログラムを記録した記録媒体をコンピュータに直接差し込んでプログラムをコンピュータにインストールしてもよく、記録媒体の情報を読み取る読取装置をコンピュータに外付けし、この読取装置からコンピュータにプログラムをインストールしてもよい。なお、プログラムは、インターネット、ＬＡＮケーブル、電話回線等の通信回線や無線によってコンピュータに供給されてインストールされてもよい。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
(第１実施形態)
本発明のサーボ機構に係る第１実施形態について図１を参照して説明する。
サーボ機構１００は、基本的には背景技術で説明した構成に同様であり、速度制御ループ(第２制御ループ)以下を表す要素(伝達関数G₀)１１０と、位置制御ループ(第１制御ループ)L₁と、フィードフォワード補償要素(フィードフォワード制御装置)１３０と、を備えている。
速度制御ループの制御周期T_CV(T₂)は、位置制御ループL₁の制御周期T_CP(T₁)に比べて短く設定されている。そして、位置制御ループL₁が、位置検出器１２１、位置比較器１２２および位置特性補償要素１２３を備えている点は、背景技術(図９に対応)に同様である。
なお、位置制御ループL₁と速度制御ループ以下の要素１１０とにより、フィードフォワード補償要素１３０でフィードフォワード補償される制御系が構成されている。

ここで、外部から設定入力される目標位置は、原目標指令θ_r0として制御周期T_CPで時々刻々入力される。そして、フィードフォワード補償要素１３０の一部を介して、原目標指令θ_r0を所定時間(ここでは一周期T_CP)遅延させた信号が現目標指令θ_r2として位置比較器１２２に入力され、位置制御ループL₁に入力される。現目標指令θ_r2は、位置比較器１２２において位置検出器１２１からのフィードバック信号θ_Lと比較されて、その差s₅が演算される。この差s₅は、位置特性補償要素１２３による特性補償を経て速度制御ループ以下(G₀)１１０に入力される。

フィードフォワード補償要素１３０は、現目標指令θ_r2に対して先行する先行目標θ_r1の微分信号となる先行目標微分信号s₆を生成する先行目標微分要素１４０と、現目標指令θ_r2の微分信号となる現目標微分信号s₇を生成する現目標微分要素１５０と、先行目標微分信号s₆と現目標微分信号s₇とを制御周期T_CVで線形補間する結合要素１６０と、結合要素１６０からの出力信号s₈のレベル調整を行ってフィードフォワード補償信号θ_FF0を出力する定数要素１７０と、を備える。

先行目標微分要素１４０は、遅延要素１４１と、比較器１４２と、除算要素１４３と、を備えて構成されている。
遅延要素(伝達関数z^-1)１４１は、位置制御ループL₁の前段に配置され、原目標指令θ_r0が入力される。遅延要素１４１は、入力された原目標指令θ_r0を遅延させることにより、原目標指令θ_r0に対して遅延した現目標指令θ_r2を出力する。遅延要素１４１にて遅延される時間は、制御周期T_CP(位置制御ループL₁の制御周期)の一周期分である。そして、遅延要素１４１から出力される現目標指令θ_r2は分岐１４１ａされて、一方は位置制御ループL₁の位置比較器１２２に入力され、他方は比較器１４２に入力される。

また、原目標指令θ_r0は、遅延要素１４１の前段で分岐１４１ｂされて、一方は、遅延要素１４１に入力され、他方は比較器１４２に入力される。
ここで、図２に示されるように、遅延要素１４１によって原目標指令θ_r0が遅延されて現目標指令θ_r2が生成されるところ、現目標指令θ_r2から見ると、原目標指令θ_r0は先行した目標位置指令といえる。
そこで、原目標指令θ_r0のうち遅延要素１４１を介さずに直接に比較器１４２に入力される目標位置指令を先行目標指令θ_r1と称する。先行目標指令θ_r1の位相は、原目標指令θ_r0に等しいことはもちろんである。

比較器１４２は、先行目標指令θ_r1から現目標指令θ_r2を減算してその差s₉を出力する。除算要素１４３は、比較器１４２からの信号s₉を制御周期T_CPに相当する時間で除算する。除算要素１４３によって信号s₉の単位時間当たりの変化量が求められ、先行目標指令θ_r1の微分信号(先行目標微分信号)s₆が求められる。

現目標微分要素１５０は、遅延要素１５１と、比較器１５２と、除算要素１５３と、を備える。
現目標指令θ_r2が分岐１５１ｂされて遅延要素１５１に入力されるところ、遅延要素(伝達関数z^-1)１５１は、現目標指令θ_r2から一周期(制御周期T_CP)に相当する時間だけ遅延された遅延信号s₁₀を出力する。
比較器１５２は、現目標指令θ_r2から遅延信号s₁₀を減算してその差s₁₁を出力する。除算要素１５３は、比較器１５２からの信号s₁₁を制御周期T_CPに相当する時間で除算する。除算要素１５３によって信号s₁₁の単位時間当たりの変化量が求められ、現目標指令θ_r2の微分信号(現目標微分信号)s₇が求められる。

結合要素１６０は、先行目標微分要素１４０から出力される先行目標微分信号s₆と現目標微分信号s₇とを制御周期T_CV(速度制御ループの制御周期)で線形補間し、結果を定数要素１７０に出力s₈する。
ここで、時刻t_kにおける先行目標微分信号s₆をP₁(t_k)として表し、時刻t_k+1における現目標微分信号s₇をP₂(t_k+1)として表すと、図３に表される関係から、線形補間による内挿値F(m)は、次の式で表される。

F(m) = P₁(t_k) + { P₂(t_k+1) − P₁(t_k) }・m/N
ただし、m = 1, 2, 3,・・・、N = T_CP / T_CV

なお、図３中で、先行目標微分信号s₆(P₁)と現目標微分信号s₇(P₂)とはレベルを変えて表されているが、信号レベルは説明の都合上ずらして描写してあるだけで、実際は同じレベルになるはずである。

定数要素(伝達関数K_FF)１７０は、結合要素１６０からの出力s₈をレベル調整してフィードフォワード補償信号θ_FF0として出力する。定数要素１７０の伝達関数K_FFは、０＜K_FF＜１の範囲で設定される。フィードフォワード補償信号θ_FF0は、位置特性補償要素１２３からの速度指令s₁₂に対し加算器１８０により加算される。

このような構成を備える第１実施形態の動作について説明する。
原目標指令θ_r0が制御周期T_CP(位置制御ループの制御周期)で外部から時々刻々入力される。原目標指令θ_r0は、遅延要素１４１の手前で分岐１４１ｂされて先行目標指令θ_r1となる。そして、先行目標微分要素１４０によって先行目標指令θ_r1が微分され、先行目標微分信号s₆が生成される(先行目標微分工程)。
また、原目標指令θ_r0は、遅延要素１４１で一周期(制御周期T_CP)分遅延された現目標指令θ_r2とされる(遅延工程)。遅延要素１４１で生成された現目標指令θ_r2は、位置制御ループL₁の前段で分岐１５１ａされ、現目標微分要素１５０によって微分されて現目標微分信号s₇が生成される(現目標微分工程)。

このように生成された先行目標微分信号s₆および現目標微分信号s₇は、結合要素１６０によって制御周期T_CVで線形補間されて、補間された信号s₈が結合要素１６０から制御周期T_CVで出力される(結合工程)。
結合要素１６０からの出力s₈は、定数要素１７０で調整されてフィードフォワード補償信号θ_FF0として出力される。フィードフォワード補償信号θ_FF0は、加算器１８０により位置特性補償要素１２３からの速度指令s₁₂に加算される。

一方、遅延要素１４１で生成された現目標指令θ_r2は、位置制御ループL₁に入力される。現目標指令θ_r2は、比較器１２２により位置検出器１２１からのフィードバック信号θ_Lと比較されて、その偏差s₅が位置特性補償要素１２３に入力される。位置特性補償要素１２３により特性補償されて生成された速度指令s₁₂は、加算器１８０によりフィードフォワード補償信号θ_FF0と加算される。加算された信号s₁₃が速度制御ループ以下１１０に印加され、例えば、モータの駆動制御や負荷の駆動制御が行われる。

このような構成を備える第１実施形態において、現目標指令θ_r2の変化に対するフィードフォワード補償信号θ_FF0のシミュレーション結果を図４に示す。図４は、現目標指令θ_r2が一次関数状に変化する場合(W₁)と、現目標指令θ_r2が二次関数状に変化する場合(W₂)と、についてフィードフォワード補償信号θ_FF0と、その理想値と、を示す図である。
図４では、現目標指令θ_r2の変化に対して、フィードフォワード補償信号θ_FF0が時間遅れなく速応しているのが示されている。また、フィードフォワード補償信号θ_FF0の応答精度は理想値に略一致している。
例えば、W₁の領域において、現目標指令θ_r2が変化を始めた時刻t₁において、略同時刻にフィードフォワード補償信号θ_FF0も追従して変化を始めている。また、W₂の領域において、現目標指令θ_r2が二次関数状に滑らかに変化する場合でも、離散化誤差をほとんど生じることなく、刻々と追従していることが示されている。
そして、このように時間遅れや離散化誤差がわずかであるフィードフォワード補償信号θ_FF0によって、現目標指令θ_r2からモータや負荷の駆動値(θ_L)までの伝達特性はほぼ理想的に補償される。つまり、ゲイン低下や位相遅れが解消され、速応性や安定性を有する制御特性を得る。

このような第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
(１)遅延要素１４１により、原目標指令θ_r0から遅延した指令が生成される。すると、この遅延された指令である現目標指令θ_r2が得られるとともに、遅延要素１４１を介さなければ、現目標指令θ_r2に対して先行する先行目標指令θ_r1が得られる。そして、現目標指令θ_r2によって位置制御ループL₁以下に目標値を与えるとともに、フィードフォワード補償要素１３０により先行目標指令θ_r1に基づいたフィードフォワード補償信号θ_FF0を生成すれば、現目標指令θ_r2に対して遅れの無いフィードフォワード補償信号θ_FF0を得ることができる。その結果、この遅れの無いフィードフォワード補償信号θ_FF0によってサーボ機構１００の制御性能を向上させることができる。

(２)フィードフォワード補償要素１３０は、先行目標微分要素１４０により先行目標指令θ_r1に基づく先行目標微分信号s₆を得る一方、現目標微分要素１５０により現目標指令θ_r2に基づく現目標微分信号s₇を得る。ここで、先行目標微分信号s₆は、現目標指令θ_r2に対して進みを有する場合があり、現目標微分信号s₇は、現目標指令θ_r2に対して遅れを有する場合があるが、結合要素１６０において先行目標微分信号s₆と現目標微分信号s₇との線形補間を行うことにより現目標指令θ_r2に対して最適なフィードフォワード補償信号を得ることができる。

(３)結合要素１６０において、先行目標微分信号s₆と現目標微分信号s₇とを制御周期T_CV(速度制御ループの制御周期)で線形補間することにより、離散化誤差を低減させることができる。

なお、このような構成において、遅延要素１４１を備えるところ、外部から入力される原目標指令θ_r0と現目標指令θ_r2との間には遅延時間が生じることになる。しかしながら、一般に、目標値は予め計画されているので、原目標指令θ_r0として遅延時間を加味しておけば、サーボ機構１００の特性に無駄時間の影響はほとんどない。

（第２実施形態）
次に、本発明のサーボ機構に係る第２実施形態について図５を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、第２実施形態はフィードフォワード補償要素２１０が微分要素を一つのみ有する点に特徴を有する。
図５において、フィードフォワード補償要素２１０は、先行目標微分要素１４０と、定数要素７５と、結合要素７６と、を備えている。
先行目標微分要素１４０は、第１実施形態において説明した先行目標微分要素に同様であり、遅延要素１４１と、比較器１４２と、除算要素１４３とを備え、先行目標微分信号s₆を生成する。
定数要素７５および結合要素７６は、背景技術(図９)において説明した構成に同様であり、結合要素７６は、零次ホールド回路あるいはローパスフィルタで構成される。

このような構成において、先行目標微分要素１４０によって先行目標微分信号s₆が生成される。この先行目標微分信号s₆は、定数要素７５によってレベル調整されて、さらに、結合要素７６によって制御周期T_CVに結合される。結合要素７６からの出力がフィードフォワード補償信号θ_FF0として加算器１８０によって速度指令s₁₂に加算される。

このような構成を備える第２実施形態において、現目標指令θ_r2の変化に対するフィードフォワード補償信号θ_FF0のシミュレーション結果を図６および図７に示す。図６および図７は、現目標指令θ_r2が一次関数状に変化する場合(W₁)と、現目標指令θ_r2が二次関数状に変化する場合(W₂)と、についてフィードフォワード補償信号θ_FF0と、その理想値と、を示す図である。
ここで、図６は、結合要素７６を零次ホールド回路で構成した場合であり、図７は、結合要素７６をローパスフィルタで構成した場合である。
図６および図７において、現目標指令θ_r2の変化に対して、フィードフォワード補償信号θ_FF0が時間遅れなく速応しているのが示されている。また、フィードフォワード補償信号θ_FF0の応答精度は理想値に略一致している。
そして、このように時間遅れがわずかであるフィードフォワード補償信号θ_FF0によって、現目標指令θ_r2からモータや負荷の駆動値(θ_L)までの伝達特性はほぼ理想的に補償される。つまり、ゲイン低下や位相遅れが解消され、速応性や安定性を有する制御特性を得る。

このような第２実施形態によれば、従来構成(背景技術の図９)において遅延要素の配置を変更するだけなので、簡便である。

なお、本発明のフィードフォワード制御装置およびサーボ機構は、上記実施形態にのみ限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、遅延要素は、一周期だけ遅延させるのみならず、数周期分遅延させてもよい。さらには、一周期、二周期、三周期、・・・、と遅延させて、遅延させた目標値を記憶しつつ、所定周期遅延させた目標指令を出力するとしてもよい。このような遅延要素として、例えばシフトレジスタを用いることができる。この場合、先行目標指令は、現目標指令よりも先行する限りにおいて、原目標指令から数周期遅延していてもよい。
なお、遅延要素で遅延させる時間は、制御周期の逓倍に基づく場合に限られず、フィードフォワード補償要素の処理時間に略等しい程度であってもよい。

第１実施形態において、先行目標微分信号s₆と現目標微分信号s₇との内挿値を求めるにあたっては、単純均等割でなく重みを考慮してもよい。

以上において、フィードフォワード補償要素は、ＣＰＵや記憶素子等を備えたコンピュータによって構成され、このコンピュータに所定のプログラムを組み込んで遅延要素１４１、先行目標微分要素１４０、現目標微分要素１５０および結合要素１６０等として機能させてもよいことはもちろんである。

本発明は、フィードフォワード制御装置、サーボ機構に利用できる。

本発明のサーボ機構に係る第１実施形態を表すブロック図である。 前記第１実施形態において、原目標指令、先行目標指令、現目標指令の関係を表す図である。 先行目標微分信号と現目標微分信号との線形補間から内挿値を得る様子を表す図である。 前記第１実施形態において、目標指令(現目標指令θr2)に対するフィードフォワード補償信号θ_FF0の変化およびその理想値についてシミュレーションした結果を示す図である。 本発明のサーボ機構に係る第２実施形態を表すブロック図である。 前記第２実施形態において、結合要素を零次フィルタで構成した場合に、目標指令(現目標指令θ_r2)に対するフィードフォワード補償信号θ_FF0の変化およびその理想値についてシミュレーションした結果を示す図である。 前記第２実施形態において、結合要素をローパスフィルタで構成した場合に、目標指令(現目標指令θ_r2)に対するフィードフォワード補償信号θ_FF0の変化およびその理想値についてシミュレーションした結果を示す図である。 従来例として、サーボ機構の一例を示す図である。 従来例として、フィードフォワード補償要素を備えたサーボ機構を示す図である。 従来のフィードフォワード補償要素において、目標指令θ_rに対するフィードフォワード補償信号θ_FF0の変化、および、その理想値についてシミュレーションした結果を示す図である。

符号の説明

１…サーボ機構、２…制御装置、７…フィードフォワード補償要素、８…加算器、１１…モータ、１２…負荷、３１…位置検出器、３２…位置比較器、３３…位置特性補償要素、４１…モータ回転位置検出器、４２…モータ回転速度算出要素、４３…速度比較器、４４…速度特性補償要素、５１…モータトルク電流検出器、５２…電流比較器、５３…電流特性補償要素、５４…モータ駆動アンプ、７１…微分値算出要素、７３…比較器、７４…除算要素、７５…定数要素、７６…結合要素、１００…サーボ機構、１１０…速度制御ループ以下、１２１…位置検出器、１２２…位置比較器、１２２…比較器、１２３…位置特性補償要素、１３０…フィードフォワード補償要素、１４０…先行目標微分要素、１４１ａ…分岐、１４１ｂ…分岐、１４１…遅延要素、１４２…比較器、１４３…除算要素、１５０…現目標微分要素、１５１ａ…分岐、１５１…遅延回路、１５２…比較器、１５３…除算要素、１６０…結合要素、１７０…定数要素、１８０…加算器、２１０…フィードフォワード補償要素、L₁…位置制御ループ、L₂…速度制御ループ、L₃…電流制御ループ。

Claims (9)

1. 制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えるフィードフォワード制御装置であって、
   前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延要素と、
   前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令を微分して先行目標微分信号を生成する先行目標微分要素と、
   前記現目標指令を微分して現目標微分信号を生成する現目標微分要素と、
   前記先行目標微分信号と前記現目標微分信号とに基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合要素と、を備え、
   前記内挿値に基づいて前記フィードフォワード補償信号を生成する
   ことを特徴とするフィードフォワード制御装置。
2. 請求項１に記載のフィードフォワード制御装置において、
   前記遅延要素は、前記制御周期T₁に相当する時間だけ前記原目標指令θ_r0(k)を遅延させて前記現目標指令θ_r2(k+1)を生成し、
   前記先行目標微分要素は、前記現目標指令に対して前記制御周期T₁に相当する時間だけ先行した先行目標指令θ_r1(k)に基づく微分によって前記先行目標微分信号P₁(k)を生成し、
   前記現目標微分要素は、前記現目標指令θ_r2(k+1)に基づく微分によって前記現目標微分信号P₂(k+1)を生成し、
   前記結合要素は、前記先行目標微分信号P₁(k)および前記現目標微分信号P₂(k+1)を用いた次の式(１)で表される線形補間によって前記制御周期T₂に相当する時間間隔で内挿値F(m)を得る
   ことを特徴とするフィードフォワード制御装置。
   式(１)：F(m)=P₁(k)+{P₂(k+1) − P₁(k)}・m/N
   ただし、m=１、２、３・・・、N=T₁/T₂
3. 前記結合要素は、請求項２の前記式(１)に代えて、スプライン補間によって前記内挿値を得ることを特徴とするフィードフォワード制御装置。
4. 制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えるフィードフォワード制御装置であって、
   前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延要素と、
   前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令が少なくとも含まれた信号を微分した先行目標微分信号を生成する先行目標微分要素と、
   前記先行目標微分信号に基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合要素と、を備え、
   前記結合要素は、零次ホールド回路を備えて構成されている
   ことを特徴とするフィードフォワード制御装置。
5. 前記結合要素は、請求項４に記載の零次ホールド回路に代えて、ローパスフィルタを備えて構成されている
   ことを特徴とするフィードフォワード制御装置。
6. 制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えてフィードフォワード制御するフィードフォワード制御方法であって、
   前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延工程と、
   前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令が少なくとも含まれた信号を微分した先行目標微分信号を生成する先行目標微分工程と、
   前記現目標指令を含んだ信号を微分した現目標微分信号を生成する現目標微分工程と、
   前記先行目標微分信号と前記現目標微分信号とに基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合工程と、を備え、
   前記内挿値に基づいて前記フィードフォワード補償信号を生成する
   ことを特徴とするフィードフォワード制御方法。
7. 制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系と、
   請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のフィードフォワード制御装置と、を備えるサーボ機構。
8. 制御周期T₁の第１制御ループおよび前記第１制御ループよりも相対的に短い制御周期T₂の第２制御ループを備える制御系にフィードフォワード補償信号を与えるフィードフォワード制御装置にコンピュータを組み込んで、このコンピュータを、
   前記制御系の制御目標値として時系列的に予め設定され前記制御系の外部から前記制御周期T₁に相当する時間間隔で時々刻々入力される原目標指令を所定時間遅延させることにより、現時刻における制御目標値である現目標指令を生成する遅延要素と、
   前記遅延要素にて遅延されていないかあるいは前記所定時間より短い時間の遅延処理で生成され前記現目標指令に対して先行する先行目標指令を微分した先行目標微分信号を生成する先行目標微分要素と、
   前記現目標指令を微分した現目標微分信号を生成する現目標微分要素と、
   前記先行目標微分信号と前記現目標微分信号とに基づいて前記制御周期T₂に相当する時間間隔の内挿値を生成する結合要素と、して機能させ、
   前記内挿値に基づいて前記フィードフォワード補償信号を生成する
   ことを特徴とするフィードフォワード制御プログラム。
9. 請求項８に記載のフィードフォワード制御プログラムを記録した記録媒体。

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