JP2007334614A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外乱抑圧特性を下げることなくオーバシュートを小さくすることができる位置制御装置を提供する。
【解決手段】 位置指令とモータ位置の位置偏差を比例演算し第１トルク指令を生成する比例演算器（２０）と、位置偏差を積分演算し第２トルク指令を生成する積分演算器（４０）と、位置偏差を微分演算し第３トルク指令を生成する微分演算器（３０）と、第１トルク指令と第２トルク指令と第３トルク指令を加算してトルク指令を生成する加算器（２）とを備えた位置制御装置において、位置指令からフィードフォワード信号を生成するフィードフォワード制御器（１００）と、トルク指令からフィードフォワード信号を減算し新たなトルク指令を生成する差分器（４）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットや工作機械などの制御装置、特に位置指令に対してオーバシュートを小さくする必要がある位置制御装置に関する。

従来から、位置制御装置には、比例演算、積分演算、および微分演算を組み合わせてモータを制御するＰＩＤ制御が用いられている。例えば、図７は特許文献１に開示されたサーボ機構制御装置である。図７において１１２は命令位置発生器、１１４はエラー検出器、１１６はコントローラ、１１８はアクチュエータ、１２０はシステムと位置フィードバック装置である。コントローラの利得（ゲイン）を変更可能にすることによりサーボ特性の性能改善をするというものである。
図３は従来の位置制御装置のブロック図である。図において、１０はモータ、１はモータ制御器、２は加算器、３は差分器、２０は比例演算器、２１は比例ゲインＫｐ、３０は微分演算器、３１は微分ゲインＫｄ、３２は微分器、４０は積分演算器、４１は積分ゲインＫｉ、４２は積分器である。図３において、差分器３は位置指令とモータ１０のモータ位置とを入力して位置偏差を出力する。比例演算器２０は差分器３の出力である位置偏差を入力し、比例ゲインＫｐを乗じた信号を出力する。微分演算器３０は差分器３の出力である位置偏差を入力し、微分器３２で微分演算を行い、微分ゲインＫｄを乗じた信号を出力する。積分演算器４０は差分器３の出力である位置偏差を入力し、積分器４２で積分演算を行い、積分ゲインＫｉを乗じた信号を出力する。そして、比例演算器２０の出力と微分演算器３０の出力と積分演算器４０の出力を加算器２で加算してトルク指令を算出し、モータ制御器１の制御入力信号を生成するというものである。
このように従来の位置制御装置は位置偏差の比例演算、微分演算、積分演算を行い、モータ１の制御入力を生成してモータ１を制御する。
特表２００２−５３１８８５号公報

図４は従来の位置制御装置を用いた時のステップ応答である。従来のＰＩＤ制御装置は、比例ゲインＫｐ、微分ゲインＫｄ、積分ゲインＫｉを調整することでシステムの極を配置することができるのでモータ位置が振動しないゲインを設定することができる。しかしながら、従来の位置制御装置を用いたシステムは零点を持つためにオーバシュートが発生する。オーバシュートを小さくするためには、比例ゲインＫｐ、微分ゲインＫｄ、積分ゲインＫｉを小さく設定する必要があるが、外乱抑圧特性が下がるという問題があった。
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、外乱抑圧特性を下げることなくオーバシュートを小さくすることができる位置制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、位置指令とモータ位置の位置偏差を比例演算し第１トルク指令を生成する比例演算器と、前記位置偏差を積分演算し第２トルク指令を生成する積分演算器と、前記位置偏差を微分演算し第３トルク指令を生成する微分演算器と、前記第１トルク指令と前記第２トルク指令と前記第３トルク指令を加算してトルク指令を生成する加算器とを備えた位置制御装置において、前記位置指令からフィードフォワード信号を生成するフィードフォワード制御器と、前記トルク指令から前記フィードフォワード信号を減算し新たなトルク指令を生成する差分器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記フィードフォワード制御器は、前記位置指令を比例演算し第１ＦＦ信号を生成するＦＦ比例演算器と、前記位置指令を微分演算し第２ＦＦ信号を生成するＦＦ微分演算器と、前記トルク指令から前記第１ＦＦ信号と前記第２ＦＦ信号の少なくとも一方を減算し新たなトルク指令を生成する差分器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の位置制御装置において、前記第２ＦＦ信号から新たな第２ＦＦ信号を生成するローパスフィルタを備えることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記フィードフォワード制御器は、前記位置制御装置の伝達関数の零点を打ち消すように設定することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項２記載の位置制御装置において、前記ＦＦ微分演算器のゲインは、位置偏差を微分演算し第３トルク指令を生成する微分演算器のゲインと略同じに設定することを特徴とするものである
請求項６に記載の発明は、請求項２記載の位置制御装置において、前記ＦＦ比例演算器のゲインは、位置偏差を比例演算し第１トルク指令を生成する比例演算器のゲインと略同じに設定することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項２記載の位置制御装置において、前記ＦＦ比例演算器のゲインは、任意の値を設定することを特徴とするものである。

請求項１乃至３の発明によると、外乱抑圧特性を下げることなくモータ位置のオーバシュートを小さくすることができる。
請求項４乃至７の発明によると、外乱抑圧特性を下げることなくモータ位置のオーバシュートを０とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の位置制御装置のブロック図である。図において１０はモータ、１はモータ制御器、２は加算器、３は差分器、２０は比例演算器、２１は比例ゲインＫｐ、３０は微分演算器、３１は微分ゲインＫｄ、３２は微分器、４０は積分演算器、４１は積分ゲインＫｉ、４２は積分器、１００はフィードフォワード制御器、１０１は加算器、１１０はＦＦ微分演算器、１１１はＦＦ微分ゲインＫｆｆ１、１１２は微分器、１２０はＦＦ比例演算器、１２１はＦＦ比例ゲインＫｆｆ２である。図１において、差分器３は位置指令とモータ１０のモータ位置から位置偏差を生成する。比例演算器２０は差分器３の生成した位置偏差に比例ゲインＫｐを乗じて第１トルク指令を生成する。微分演算器３０は差分器３の生成した位置偏差を微分器３２で微分演算を行い、さらに微分ゲインＫｄを乗じて第３トルク指令を生成する。積分演算器４０は差分器３の生成した位置偏差を積分器４２で積分演算を行い、さらに積分ゲインＫｉを乗じて第２トルク指令を生成する。次に加算器２で第１トルク指令と第２トルク指令と第３トルク指令とを加算してトルク指令を生成する。
フィードフォワード制御器１００はＦＦ微分演算器１１０、ＦＦ比例演算器１２０のどちらか一方または両方を有している。ＦＦ微分演算器１１０は位置指令にＦＦ微分ゲイン１１１を乗じ、微分器１１２で微分演算して第２ＦＦ信号を生成する。ＦＦ比例演算器１２０は位置指令にＦＦ比例ゲイン１２１を乗じて第１ＦＦ信号を生成する。加算器１０１は第１ＦＦ信号と第２ＦＦ信号を加算してトルクフィードフォワード信号を生成する。フィードフォワード制御器１００がＦＦ微分演算器１１０またはＦＦ比例演算器１２０のどちらか一方のみを有している場合は、トルクフィードフォワード信号は第１ＦＦ信号か、第２ＦＦ信号かのいずれかだけになる。差分器４は、トルク指令からフィードフォワード信号を減算してモータ１０の駆動信号を生成する。
ＦＦ微分ゲイン１１１、ＦＦ比例ゲイン１２１を調整することでシステムの零点を操作できるためモータ位置のオーバシュートを小さくすることができる。
本発明が従来技術と異なる点は、フィードフォワード制御器１００を用いてフィードフォワード信号を生成し、従来のトルク指令からトルクフィードフォワード信号を減算してモータ制御器１の駆動信号とする点である。
図５は本発明における位置制御装置を用いた時のステップ応答である。
また、本発明における位置制御装置においてフィードフォワード制御器１００がＦＦ微分演算器１１０のみを有している場合には、ＦＦ微分ゲインＫｆｆ１に微分ゲインＫｄを設定する。また、フィードフォワード制御器１００がＦＦ微分演算器１１０とＦＦ比例演算器１２０とを有している場合には、ＦＦ微分ゲインＫｆｆ１に微分ゲインＫｄを設定し、ＦＦ比例ゲインＫｆｆ２に比例ゲインＫｐまたは任意の値を設定する。
このようにフィードフォワード制御器１００のＦＦ微分ゲインＫｆｆ１とＦＦ比例ゲインＫｆｆ２を設定することで、システムの伝達関数の零点の数を少なくするもしくは消去することができるのでオーバシュートを０とすることができる。
図６は本発明における位置制御装置を用いて、フィードフォワード制御器１００がＦＦ微分ゲイン１１０とＦＦ比例ゲイン１２０とを有していて、Ｋｆｆ１＝Ｋｄ、Ｋｆｆ２＝Ｋｐとした時のステップ応答である。

フィードフォワード制御器１００は他の構成でもよい。図２は本発明のフィードフォワード制御器１００における別の構成のブロック図である。図において１００はフィードフォワード制御器、１０１は加算器、１１０はＦＦ微分演算器、１１１はＦＦ微分ゲインＫｆｆ１、１１２は微分器、１１３は任意のローパスフィルタ、１２０はＦＦ比例演算器、１２１はＦＦ比例ゲインＫｆｆ２である。図２においてフィードフォワード制御器１００はＦＦ微分演算器１１０、およびＦＦ比例演算器１２０を有しているがＦＦ比例演算器１２０は有していなくてもよい。ＦＦ微分演算器１１０は位置指令にＦＦ微分ゲイン１１１を乗じ、微分器１１２で微分演算し、フィルタ１１３でフィルタ処理をし、第２ＦＦ信号を生成する。加算器１０１は第１ＦＦ信号と第２ＦＦ信号を加算してトルクフィードフォワード信号を生成する。フィードフォワード制御器１００がＦＦ比例演算器１２０を有していない場合、第２ＦＦ信号をトルクフィードフォワード信号とする。

本発明の第１実施例を示す位置制御装置のブロック図 本発明の第２実施例を示す位置制御装置におけるフィードフォワード制御器のブロック図 従来の位置制御装置のブロック図 従来の位置制御装置を用いた場合のステップ応答波形 本発明の第１実施例の位置制御装置を用いた場合のステップ応答波形 本発明の第１実施例の位置制御装置を用いた場合でＫｆｆ１＝Ｋｄ、Ｋｆｆ２＝Ｋｐとした場合のステップ応答波形 従来例のブロック図

符号の説明

１ モータ制御器
２ 加算器
３、４ 差分器
１０ モータ
２０ 比例演算器
２１ 比例ゲイン
３０ 微分演算器
３１ 微分ゲイン
３２ 微分器
４０ 積分演算器
４１ 積分ゲイン
４２ 積分器
１００ フィードフォワード制御器
１０１ 加算器
１１０ ＦＦ微分演算器
１１１ ＦＦ微分ゲイン
１１２ 微分器
１１３ フィルタ
１２０ ＦＦ比例演算器
１２１ ＦＦ比例ゲイン

Claims (7)

1. 位置指令とモータ位置の位置偏差を比例演算し第１トルク指令を生成する比例演算器と、前記位置偏差を積分演算し第２トルク指令を生成する積分演算器と、前記位置偏差を微分演算し第３トルク指令を生成する微分演算器と、前記第１トルク指令と前記第２トルク指令と前記第３トルク指令を加算してトルク指令を生成する加算器とを備えた位置制御装置において、
   前記位置指令からフィードフォワード信号を生成するフィードフォワード制御器と、
   前記トルク指令から前記フィードフォワード信号を減算し新たなトルク指令を生成する差分器と、
   を備えることを特徴とする位置制御装置。
2. 前記フィードフォワード制御器は、前記位置指令を比例演算し第１ＦＦ信号を生成するＦＦ比例演算器と、前記位置指令を微分演算し第２ＦＦ信号を生成するＦＦ微分演算器と、前記トルク指令から前記第１ＦＦ信号と前記第２ＦＦ信号の少なくとも一方を減算し新たなトルク指令を生成する差分器と、を備えることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
3. 前記第２ＦＦ信号から新たな第２ＦＦ信号を生成するローパルフィルタを備えることを特徴とする請求項２記載の位置制御装置。
4. 前記フィードフォワード制御器は、前記位置制御装置の伝達関数の零点を打ち消すように設定することを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
5. 前記ＦＦ微分演算器のゲインは、位置偏差を微分演算し第３トルク指令を生成する微分演算器のゲインと略同じに設定することを特徴とする請求項２記載の位置制御装置。
6. 前記ＦＦ比例演算器のゲインは、位置偏差を比例演算し第１トルク指令を生成する比例演算器のゲインと略同じに設定することを特徴とする請求項２記載の位置制御装置。
7. 前記ＦＦ比例演算器のゲインは、任意の値を設定することを特徴とする請求項２記載の位置制御装置。

Images