JP2005215842A - サーボ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】指令信号は直接目標指令増分値として制御器20に送られる。また、補償信号演算器10は目標指令増分値を入力し、任意のローパスフィルタの逆伝達関数特性をもつ逆伝達関数器に通した信号から目標指令増分値を減算し、調整ゲインを乗算して生成した補償信号を制御対象1に送る。制御器20は目標指令増分値と制御対象1の出力増分値とを入力して、目標指令と制御対象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
図11は特許文献1に開示されたサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。そのモータ制御装置は予測制御器61と制御対象1から構成されており、制御対象1はモータ制御器3とモータ2からなっている。そして予測制御器61の出力とモータ2の出力がモータ制御器3に入力され、目標指令増分値とモータの出力が予測制御器61に入力される。モータ制御器3はモータ2を駆動し、制御入力に応じてモータ2の動作が制御される。
図10はそのサーボ制御装置に用いられている予測制御器61の構成を示すブロック図である。
予測制御器61は、メモリ62〜65と、演算器66、減算器67、積算器68を備えており、その前段に差分器69が接続されている。そして、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、K(K≧0)サンプリング過去の制御対象の出力y(i−K)を入力した差分器69の出力と、Mサンプリング未来の目標指令増分値Δr(i+M)とを予測制御器61が入力すると、制御対象の出力を目標指令に一致させるよう働いて制御入力u(i)を出力する。
減算器67がKサンプリング過去の目標指令増分値Δr(i−K)から差分器69の出力である出力増分値Δy(i−K)を差し引くと、積算器68がその出力を積算して偏差e(i−K)を求める。
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、式(1)によって制御入力u(i)を求めている。
また、特許文献3には、フィードフォーワード信号作成指令フィルタを含むサーボ制御装置が提案されており、フィードフォーワード制御が施されても、予測精度が劣化せず追従精度を高くできることが示されている。
図12は本出願人がすでに提案したサーボ制御装置に用いられている補償信号演算器の構成を示すブロック図である。
補償信号演算器100は、フィルタ101と乗算器102、減算器103、位相調整器104、105を備えており、指令増分値を入力すると加減速時の目標指令と制御対象の出力の偏差が小さくなるよう働いて補償信号と目標指令増分値を出力する。このとき補償信号演算器100が指令増分値を入力すると位相調整器105が位相調整し、フィルタ101がフィルタリングして目標指令増分値を出力する。また同時に位相調整器104が指令増分値を位相調整した信号から目標指令増分値を減算器103により減算し、その出力に乗算器102が調整ゲインを乗じて補償信号を出力する。
フィルタ101は、巡回型フィルタか非巡回型フィルタのいずれかの任意のローパスフィルタである。
位相調整器104、105はローパスフィルタとハイパスフィルタのいずれか、または位相調整用パラメータで設定されて所定の時間だけ遅延させる遅延器である。
そこで本発明は、速度や加速度が大きく変動しても、追従誤差を小さくし、さらに指令に対する目標指令の遅れを小さくすることによって指令と制御対象出力間の偏差を小さくすることができるサーボ制御装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、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、目標指令増分値を入力とする基準ローパスフィルタの逆伝達関数の特性をもつ逆伝達関数器の出力から目標指令増分値を減算し、該減算器の出力に調整ゲインを乗算した信号を、補償信号演算器が制御対象に対するフィードフォーワードの補償信号により補償する。
また、前記補償信号演算器は、前記乗算器の出力の位相調整を行う位相調整器を有してもよい。
また、前記補償信号演算器は、前記減算器の入力のいずれか、または両方の位相調整を行う位相調整器を有してもよい。
また、前記サーボ制御装置は前記制御器に入力する目標指令増分値の位相調整を行い、前記制御器に入力するような位相調整器を有してもよい。
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記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。
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ーワード信号を与えることとしてもよい。
また、前記モータが直進型モータであってもよい。
また、前記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。
また、前記基準ローパス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。
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。
請求項2に記載の本発明によれば、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器が、目標指令増分値を入力し、前記目標指令増分値と、任意に決められたローパスフィルタの逆伝達関数特性をもつ逆伝達関数器の出力とを減算し、調整ゲインを乗算した信号を補償信号として制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項3に記載の本発明によれば、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器が、目標指令増分値を微分した信号に調整ゲインを乗じた信号を補償信号として制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項4に記載の本発明によれば、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器の出力に位相調整器を備え、位相調整を行って補償信号を制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項5に記載の本発明によれば、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器が、目標指令増分値を入力し、前記目標指令増分値と、任意に決められたローパスフィルタの逆伝達関数特性をもつ逆伝達関数器の出力とのいずれかの信号を位相調整し、減算した信号を、調整ゲインを乗算した信号を補償信号として制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項6に記載の本発明によれば、目標指令増分値を位相調整した信号が、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器の入力信号として入力されるので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項7に記載の本発明によれば、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制御入力を決定する予測制御器と、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号器との出力を制御対象に入力し、制御対象を制御するので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項8に記載の本発明によれば、目標指令と、制御対象の出力を一致させるように制御入力を決定する位置制御器と、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号器との出力を制御対象に入力し、制御対象を制御するので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項9に記載の本発明によれば、制御対象がモータ及びその速度を制御する速度制御器を含むような制御対象であっても、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成して、制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項10に記載の本発明によれば、制御対象がモータ及びそのトルクを制御するトルク制御器を含むような制御対象であっても、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成して、制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項11に記載の本発明によれば、モータが直進型モータであっても、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成して、制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項12に記載の本発明によれば、補償信号の位相を調整する位相調整器がローパスフィルタであっても、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成して、制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項13に記載の本発明によれば、補償信号の位相を調整する位相調整器がハイパスフィルタであっても、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成して、制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項14に記載の本発明によれば、補償信号の位相を調整する位相調整器が、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っても、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成して、制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項15に記載の本発明によれば、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器が、目標指令増分値を入力し、前記目標指令増分値と、巡回型フィルタであるように決められたローパスフィルタの逆伝達関数特性をもつ逆伝達関数器の出力とを減算し、調整ゲインを乗算した信号を補償信号として制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項16に記載の本発明によれば、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器が、目標指令増分値を入力し、前記目標指令増分値と、非巡回型フィルタであるように決められたローパスフィルタの逆伝達関数特性をもつ逆伝達関数器の出力とを減算し、調整ゲインを乗算した信号を補償信号として制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
請求項17に記載の本発明によれば、目標指令と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PID制御器であっても、加減速度変化時の目標指令と制御対象の出力との偏差が、小さくなるように補償する補償信号を生成する補償信号演算器が、目標指令増分値を入力し、前記目標指令増分値と、任意に決められたローパスフィルタの逆伝達関数特性をもつ逆伝達関数器の出力とを減算し、調整ゲインを乗算した信号を補償信号として制御対象に送るので、速度や加速度が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができるという効果がある。
補償信号演算器10は、図示しない上位指令器より与えられた目標指令値増分値、すなわち目標指令のサンプリング周期間の増分値を基に、補償信号を生成する。
予測制御器20は、目標指令増分値と制御対象1の出力とを入力して所定の演算を行い、制御入力を生成して制御対象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、偏差と、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。
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11に示したものを用いる場合について説明する。
図11の例では制御対象1の伝達関数モデルが、Gp(z)=(b1z−1+・・・+bNbz−Nb)/{( 1−z−1)(1−a1z−1−・・・−aNaz−Na)}の離散時間系で与えられているとすると、その出力増分値モデルは式(2)となる。
また、u(j)=u(i)(j>i)とすると、式(6b)のBm0は式(6b’)となる。
逆伝達関数器11は目標指令増分値を入力すると予め設定した基準ローパスフィルタの逆伝達関数特性に従って演算して信号S1を出力する。減算器13が信号S1から目標指令増分値を減算すると、乗算器12がゲインKを乗じて補償信号を生成して出力する。
図3は、第2の補償信号演算器の構成を示すブロック図である。図3の補償演算器10aが図2の補償信号演算器10と異なるのは、乗算器12の出力の位相調整をしてから補償信号としている点である。
図4は、第3の補償信号演算器の構成を示すブロック図である。図4の補償演算器10bが図2の補償信号演算器10と異なるのは、減算器13の入力の両方を位相調整器15,16で位相調整した点である。2つの位相調整器15、16のいずれか一方だけを設けるという構成でもよく、より効果的な構成を選択すればよい。
図5は第4の補償信号演算器の構成を示すブロック図であり、乗算器12の前段に微分器17を設けただけの構成をしている。
補償信号演算器10cに入力された目標指令増分値は微分器17で微分して乗算器12でゲインKが乗じられ、補償信号としている。
制御対象1のモータ制御器3が速度制御器であれば、モータ制御器3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ーワード信号である。
制御対象1のモータ制御器3がトルク制御器であればモータ制御器3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ーワード信号である。
補償信号演算器10a、10b、10dに含まれる各位相調整器14〜16は、ローパスフィルタとハイパスフィルタのいずれか、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でありこの中から効果的なものを自由に選択することができる。
逆伝達関数器11を構成する基準ローパスフィルタは、巡回型フィルタと非巡回型フィルタのうち効果の高いものを選択すればよい。
各位相調整器14〜16の位相調整値と乗算器12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、調整ゲインKを、一定加速度で加速している時に偏差が小さくなるように調整し、各位相調整器14〜16の位相調整値を、加速度が変化している時に偏差が小さくなるように調整すればよい。
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。
位置制御器30が出力した制御対象1の制御入力は、制御対象1のモータ制御器3に入力される。
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。
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。
また、第1ないし第4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。
10、10a、10b、10c、10d 補償信号演算器、
11 逆伝達関数器、 12、102 乗算器、 13、103 減算器、
14〜16、40、104、105 位相調整器、
17 微分器、 20、61 予測制御器、 30 位置制御器、
62〜65 メモリ、 66 演算器、 67 減算器、
68 積算器、 69 差分器、 100 従来の補償信号演算器、
101 フィルタ、 S1 信号
Claims (17)
- 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、
目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値を入力し、その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、
前記目標指令増分値を入力として加減速時の前記目標指令と前記制御対象の出力の偏差が小さくなるよう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、
を有することを特徴とするサーボ制御装置。 - 前記補償信号演算器は、任意に決められた基準ローパスフィルタの逆伝達関数特性を備えて前記目標指令増分値を入力する逆伝達関数器と、その逆伝達関数器の出力から前記目標指令増分値を減算する減算器と、その減算器の出力に調整ゲインを乗じる乗算器とを有することを特徴とする請求項1に記載のサーボ制御装置。
- 前記補償信号演算器は、前記目標指令増分値を微分する微分器と、その微分器の出力に調整ゲインを乗じる乗算器とを有することを特徴とする請求項1に記載のサーボ制御装置。
- 前記補償信号演算器は、前記乗算器の出力を位相調整する位相調整器を備えたことを特徴とする請求項2、3の何れかに記載のサーボ制御装置。
- 前記補償信号演算器は、前記減算器の入力のうち少なくとも1つには位相調整をする位相調整器を備えたことを特徴とする請求項2に記載のサーボ制御装置。
- 前記目標指令増分値を位相調整した信号を前記制御器に送る位相調整器を有することを特徴とする請求項1に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偏差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記制御入力を決定する予測制御器であることを特徴とする請求項1に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ことを特徴とする請求項1に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を制御する速度制御器を含み、
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ーワード信号を与えることを特徴とする請求項1に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を制御する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ーワード信号を与えることを特徴とする請求項1に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ことを特徴とする請求項9または10の何れかに記載のサーボ制御装置。
- 前記位相調整器がローパスフィルタであることを特徴とする請求項4ないし6の何れかに記載のサーボ制御装置。
- 前記位相調整器がハイパスフィルタであることを特徴とする請求項4ないし6の何れかに記載のサーボ制御装置。
- 前記位相調整器が、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ことを特徴とする請求項4ないし6の何れかに記載のサーボ制御装置。
- 前記基準ローパスフィルタが巡回型フィルタであることを特徴とする請求項2に記載のサーボ制御装置。
- 前記基準ローパスフィルタが非巡回型フィルタであることを特徴とする請求項2に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ことを特徴とする請求項8に記載のサーボ制御装置。
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