JP2008217405A - アクチュエータ制御装置およびアクチュエータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロバスト加速度制御系のモーション制御システムに適したリミット（飽和）対策を実現可能にしたアクチュエータ制御装置や制御方法を提供する。
【解決手段】本発明のアクチュエータ制御装置は、アクチュエータ２をロバスト加速度制御する加速度制御システム１と、フィードバックおよびフィードフォワード構成を備え、アクチュエータ２を軌跡追従制御させるための加速度参照値θ^・・refを算出する軌跡追従制御システム２０と、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refを、予め設定した最大加速度値以下に制限する加速度リミッタ５１と、を備えている。
【選択図】図６

Description

本発明は、トルク飽和などの対策に有効なアクチュエータ制御装置およびアクチュエータ制御方法に関する。

近年、産業界における各種工作機械や半導体製造装置、またはロボット等の位置決め制御に代表されるモーションコントロール装置では、生産性向上を目的とした高速で高精度な制御が求められている。従来のモーション制御システムの代表例は、例えば図１０に示すように、トルク制御を行なう電流制御系をマイナーループに持って、その外側に速度制御系と位置制御系を構成している。

図１０は、一般的なサーボ系のシステム構成を示したものであるが、ここでは制御対象となるサーボモータ５０１が、制御装置５０２から与えられる電流値Ｉによって駆動される。制御装置５０２は、減算器５０３〜５０５と、位置コントローラ５０６と、速度コントローラ５０７と、電流コントローラ５０８と、電流リミッタ５０９とからなり、前述のようにサーボモータ５０１への電流値Ｉを監視する局部的な電流制御ループ５１１の外側に、サーボモータ５０１の位置θ_ｍを監視する位置制御ループ５１２と、サーボモータ５０１の応答速度（角速度）ω_ｍを監視する速度制御ループ５１３とを各々備えて構成される。

そして、ここでの制御装置５０２は、サーボモータ５０１の実際の位置θ_ｍと、目標となる位置参照値θ_refとの位置偏差を減算器５０３で算出して、この位置偏差を位置コントローラ５０６で速度参照値ω_refに変換する。速度参照値ω_refとサーボモータ５０１の実際の応答速度ω_ｍとの偏差は、位置コントローラ５０６の後段に接続した減算器５０４で算出され、速度コントローラ５０７で電流参照値Ｉ_refに変換される。さらに、この電流参照値Ｉ_refと、サーボモータ５０１に与えられる実際の電流値Ｉとの偏差が、後述する電流リミッタ５０９の後段に接続した減算器５０５で算出され、これがサーボモータ５０１への制御信号すなわち電流値Ｉとして電流コントローラ５０８から出力される。これによって、サーボモータ５０１の実際の位置θ_ｍが、制御装置５０２に与えられる位置参照値θ_refに追従するように、サーボモータ５０１への制御が行なわれる。

また、この一連の制御で、速度コントローラ５０７で変換された電流参照値Ｉ_refが一定の範囲を超えないように、この速度コントローラ５０７と減算器５０５との間には電流リミッタ５０９が接続される。これにより、サーボモータ５０１がトルク飽和を起こしそうな電流参照値Ｉ_refが速度コントローラ５０７から出力された場合でも、電流リミッタ５０９によってサーボモータ５０１への電流値Ｉは一定の範囲内に抑制され、サーボモータ５０１のトルク飽和を防ぐことができる。

一方、本願出願人などは、モータを代表とするアクチュエータを加速度指令で駆動させる加速度制御系（加速度コントローラ）を実現し、これによる高速高性能モーション制御系の実装を提案してきた。加速度制御系は高速なモーション制御を可能にするが、その反面、モータへの操作量の電流指令や電圧指令が制限される（飽和する）ことがよくある。特にモータの始動時と制動時には、加速度次元での制限（飽和）を発生して、振動または不安定な応答により、目標軌跡を追従できないという問題があった。

このような問題に対して、所望のモーション制御性能を満足させるためのリミッタ（飽和）対策技術の開発が多く行なわれてきており、また特許文献１などにも提案されている。しかし、こうした特許文献１や上記図１０に提示されるような手法は、全て位置サーボや速度サーボを前提とした技術であり、加速度制御系に対する対策としては不十分なものであった。
特開平７−６２０５２号公報

このように、従来のトルク飽和対策は、速度ＰＩ制御系に基づく手法であったため、ロバスト加速度制御系を前提としたモーション制御システムには必ずしも適さない場合が多い。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、ロバスト加速度制御系のモーション制御システムに適したリミット（飽和）対策を実現可能にしたアクチュエータ制御装置およびアクチュエータ制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のアクチュエータ制御装置は、アクチュエータへの外乱を推定する外乱オブザーバを備え、この外乱オブザーバで得た外乱推定値を外乱補償電流に変換し、前記アクチュエータへの加速度参照値を変換して得た電流参照値を前記外乱補償電流でフィードバック補償して、当該アクチュエータをロバスト加速度制御する加速度制御部と、前記アクチュエータを軌跡追従制御させるための前記加速度参照値を算出する軌跡追従制御部と、前記アクチュエータへの加速度参照値を、予め設定した最大加速度値以下に制限する加速度リミッタと、を備えている。

上記アクチュエータ制御装置においては、前記外乱オブザーバの極を無限大にするのが好ましい。

また、前記加速度リミッタは、前記外乱オブザーバからの外乱推定値により得られた外乱補償加速度と、前記軌跡追従制御部のフィードバック系の加速度参照値と、前記軌跡追従制御部のフィードフォワード系の加速度参照値とを合計した第１の値が、前記最大加速度を越えたときに、前記アクチュエータへの加速度参照値を当該最大加速度に制限するのが好ましい。

この場合の加速度リミッタは、前記第１の値が前記最大加速度を越えないときに、前記第１の値を前記アクチュエータへの加速度参照値とする一方で、前記第１の値が前記最大加速度を越えたときに、前記外乱補償加速度に第１の調整率を乗算した値と、前記フィードバック系の加速度参照値に第２の調整率を乗算した値と、前記フィードフォワード系の加速度参照値に第３の調整率を乗算した値とを合計した第２の値が、前記最大加速度となるように、前記第１，第２および第３の各調整率を調整するように構成する。

さらに、前記第１の値の大小に拘らず、前記第１の調整率の値を１に固定するように、前記加速度リミッタを構成するのが好ましい。

本発明におけるアクチュエータ制御方法は、アクチュエータへの外乱を推定する外乱オブザーバを備え、この外乱オブザーバで得た外乱推定値を外乱補償電流に変換し、前記アクチュエータへの加速度参照値を変換して得た電流参照値を前記外乱補償電流でフィードバック補償して、当該アクチュエータをロバスト加速度制御する加速度制御ステップと、前記アクチュエータを軌跡追従制御させるための前記加速度参照値を算出する追跡制御ステップと、前記アクチュエータへの加速度参照値を、予め設定した最大加速度値以下に制限する加速度制限ステップと、を備えている。

上記アクチュエータ制御方法においては、前記外乱オブザーバの極を無限大にするのが好ましい。

また、前記加速度制限ステップは、前記外乱オブザーバからの外乱推定値により得られた外乱補償加速度と、前記軌跡追従ステップのフィードバック系の加速度参照値と、前記軌跡追従ステップのフィードフォワード系の加速度参照値とを合計した第１の値が、前記最大加速度を越えたときに、前記アクチュエータへの加速度参照値を当該最大加速度に制限するのが好ましい。

この場合の前記加速度制限ステップは、前記第１の値が前記最大加速度を越えないときに、前記第１の値を前記アクチュエータへの加速度参照値とする一方で、前記第１の値が前記最大加速度を越えたときに、前記外乱補償加速度に第１の調整率を乗算した値と、前記フィードバック系の加速度参照値に第２の調整率を乗算した値と、前記フィードフォワード系の加速度参照値に第３の調整率を乗算した値とを合計した第２の値が、前記最大加速度となるように、前記第１，第２および第３の各調整率を調整する。

さらに前記加速度制限ステップは、前記第１の値の大小に拘らず、前記第１の調整率の値を１に固定するのが好ましい。

上記請求項１の装置および請求項６の方法によれば、アクチュエータに対する外乱を補償したロバストな加速度制御を実現しつつ、アクチュエータを目標値に軌跡追従させることで、ロバスト加速度制御に基づく高速モーションの軌跡追従制御が可能になる。しかも、このような制御の下で、アクチュエータの加速度飽和時に、アクチュエータへの加速度参照値を最大加速度値以下に制限することができる。そのため、ロバスト加速度制御系のモーション制御システムに適したリミット（飽和）対策を実現可能にできる。

上記請求項２の装置および請求項７の方法によれば、アクチュエータへの加速度参照値から加速度応答値までの伝達関数を１とみなすことができ、目標指令値に対しアクチュエータがほぼ遅れなく追従して応答するので、ロバストな軌跡追従制御をより完全に実現できる。

上記請求項３の装置および請求項８の方法によれば、外乱補償の加速度と、フォードフォワード系の加速度指令と、フィードバック系の加速度指令を合計した第１の値に基づいて、ロバスト加速度制御系の飽和時に、アクチュエータへの加速度参照値を最大加速度値に制限することが可能になる。

上記請求項４の装置および請求項９の方法によれば、第１の値が最大加速度値を越えない限り、外乱補償加速度と、フィードバック系の加速度参照値と、フィードフォワード系の加速度参照値をそのまま用いて、アクチュエータに対してロバストな加速度制御に基づく軌跡追従制御を行なうことができる。また、第１の値が最大加速度値を越えた加速度飽和時には、アクチュエータへの加速度参照値が最大加速度値を越えないように、第１，第２および第３の各調整率を調整するので、加速度飽和の状態から最適なモーション指令の調整を行なって、加速度飽和時においても軌跡誤差の発生しない軌跡追従制御を実現できる。

上記請求項５の装置および請求項１０の方法によれば、加速度飽和の状態でも第１の調整率の値が１に維持されていれば、外乱推定値により得られた外乱補償加速度の値そのもので、アクチュエータの外乱補償を行なうことができ、アクチュエータに対するロバスト加速度制御を確実に行なうことができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明における好適な実施例を詳細に説明する。先ず図１に基づき、本発明のアクチュエータ制御装置が適用する外乱オブザーバを用いたロバスト加速度制御系の一例を説明する。

同図において、１はロバスト加速度制御系の制御システムで、この加速度制御部たる加速度制御システム１は、制御対象であるアクチュエータ２に対して、外乱補償手段である外乱オブザーバ３による加速度次元での外乱トルク補償を行なうように構成される。エネルギーを動力に変換する可動可能なアクチュエータ２は、当該アクチュエータ２への外乱トルクＴ_disを推定する対象として設けられ、これはサーボモータなどの駆動源に電流値ｉを入力することにより動作するものである。アクチュエータ２には、実際の速度応答値θ^・ _res（以下、図や数式以外では、１階の微分を「^・」，２階の微分を「^・・」として便宜上あらわし、対応する記号の後に併記する。）を電気的な速度応答信号に変換して検出出力するために、速度検出手段としての速度センサ４が装着される。なお、アクチュエータ２の実際の位置を検出して電気信号に変換する位置センサと、この位置センサからの検出信号を擬似微分して、推定した速度応答信号を得る擬似微分器とを、速度センサ４の代わりに用いてもよい。

一方、外乱オブザーバ３は、アクチュエータ２への外乱を除去するための指令値として、外乱トルクの推定値＾Ｔ_dis（以下、図や数式以外では、この推定値をあらわす「＾」を、対応する記号の前に併記する）を算出する機能を有し、特にここでの推定値＾Ｔ_disは、外乱トルクＴ_disだけでなく、慣性変動トルクなどのパラメータ変動誤差も共に推定できる。具体的には、アクチュエータ２への操作量である電流値ｉを入力すると共に、速度センサ４からの速度応答値θ^・ _ｍを入力して、これらの各値から外乱トルクの推定値＾Ｔ_disを算出し出力するもので、実際にはコンピュータのソフトウェアなどで構成される。外乱オブザーバ３は、前記アクチュエータ２と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記電流値ｉをトルク（力）単位の第１信号に変換し、この第１信号と速度センサ４で検出した速度応答値θ^・reｓを微分して得た第２信号とを比較した第３信号を出力する逆モデル部６と、この逆モデル部６での微分の際にカットオフ周波数を設定することにより形成され、前記逆モデル部６から低周波帯域の成分の第３信号を取り出し、これを外乱トルク推定値＾Ｔ_disとして出力するローパスフィルタ７と、により構成される。また８は、前記外乱トルク推定値＾Ｔ_disを、目標となる電流参照値Ｉ^refと同じ単位の外乱補償電流値Ｉ^cmpに逆変換するトルク−電流変換手段であり、この外乱補償電流値Ｉ^cmpと、基準となる加速度参照値θ^・・refを加速度−電流変換手段９で変換して得た電流参照値Ｉ^refとを、加算器１０で加算することで、アクチュエータ２に入力する前記電流値ｉを算出するようにしている。これにより、図１の各構成からなる加速度制御システム１では、外部からアクチュエータ２に加わる外乱トルクＴ_disの影響を除去することができる。

なお、アクチュエータ２は、入力した電流値ｉとトルク定数Ｋｔとの積で算出されるトルク値と、外乱トルクＴ_disとの偏差が、実際の出力トルク値となり、この出力トルク値を慣性モーメントＪで除算したものが、実際に出力する（角）加速度応答値θ^・・resとなる。また、アクチュエータ２からの前記速度応答値θ^・resは、積分器１１によって加速度応答値θ^・・resを積分（１／ｓ）した値となる。図１では、こうしたアクチュエータ２の動作が、前記積分器１１を含む各構成要素で便宜的に示されている。

ここで、図１に記載されている各構成要素内の記号を説明すると、Ｊはモータの慣性モーメントであり、Ｋ_ｔはトルク定数であり、記号の後にある添え字_ｎは公称（ノミナル）値を意味する。また、外乱オブザーバ３のカットオフ周波数をｇとすると、外乱トルク推定値＾Ｔ_disは、次の式で算出される。

こうして、図１に示す加速度制御システム１では、外乱オブザーバ３で算出された外乱トルクの推定値＾Ｔ^disを、トルク−電流変換手段８で外乱補償Ｉ^cmpに変換してフィードバック補償することにより、従来の電流制御系を基にして、簡単にロバストな加速度制御系を実現できる。

図１における加速度制御システム１は、外乱オブザーバ３の極（カットオフ周波数）ｇが無限大（ｇ＝∞）のときに、加速度参照値θ^・・refから加速度応答値θ^・・resに至る伝達関数を１とみなすことができる。図２は、図１のロバスト加速度制御系に基づく軌跡追従制御系のブロック線図を示しているが、ここでの軌跡追従制御部たる軌跡追従制御システム２０は、目標（位置）指令値であるθ^cmdが時間関数であるので、一階微分器２１によって速度指令値θ^・cmdを目標指令値θ^cmdの関数の微分で求め、二階微分器２２によって加速度指令値θ^・・cmdを目標指令値θ^cmdの関数の２階微分で求めたフィードフォワード系の構成を有している。なお、前記図１における加速度制御システム１は、その主制御システム部２３と積分器１１とにより構成される。

また、軌跡追従制御システム２０はフィードバック系の構成として、位置と速度の各制御ループを有しており、減算器２４により得られる目標指令値θ^cmdと位置応答値θ^resとの偏差が、位置−速度変換手段２５により位置制御系のゲインＫｐと乗算されて速度偏差値となり、この速度偏差値と一階微分器２１によって得られた速度指令値θ^・cmdが加算器２６で加算され、さらに減算器２７により、この加算した値と速度応答値θ^・resとの偏差が算出される。そして、減算器２７で得た偏差値は、速度−加速度変換手段２８により速度制御系のゲインＫｖと乗算され、それにより求めた加速度偏差値と、二階微分器２２によって得られた加速度指令値θ^・・cmdが、加算器２９で加算されることにより、加速度制御システム１への加速度参照値θ^・・refが算出される。

なお、この加速度制御システム１を組み込んだ軌跡追従制御システム２０では、速度制御ループの他に位置制御ループが設けられている関係で、アクチュエータ２には便宜的に速度応答値θ^・resから位置応答値θ^resへの変換手段として積分器３０が設けられていると共に、このアクチュエータ２の位置応答値θ^resを検出する位置検出手段として、位置センサ３１が設けられる。

図２では、位置指令値θ^cmdから位置応答値θ^resまでの伝達関数が、次の式で表わせる。

上記数２より、アクチュエータ２の位置応答値θ^res，速度応答値θ^・res，加速度応答値θ^・・resは、それぞれ目標となる位置指令値θ^cmd，速度指令値θ^・cmd，加速度指令値θ^・・cmdにほとんど遅れなく追従する。したがって、この図２に示すシステムでは、ロバストな軌跡追従制御系を実現することができる。

次に、上述した図１や図２に示す加速度制御システム１に、モータの電流リミット（飽和）を考慮して、電流リミッタ４１を組み込んだ場合の構成を図３に示す。従来の加速度制御系を基にして、外乱オブザーバ３を用いてロバスト加速度制御系の加速度制御システム１を構築した場合、アクチュエータ２に組み込まれたモータのトルク飽和を回避するために、加算器１０で得られた電流参照値Ｉ^refと外乱補償電流値Ｉ^cmpとを加算した電流値ｉを、一定の範囲内に制限する電流リミッタ４１が設けられる。これにより、例えば高速な軌跡指令値や負荷条件によって、モータの最大トルクを超えるような電流値ｉが生じた場合には、電流リミッタ４１で当該電流値ｉを一定の範囲内の値に制限してアクチュエータ２に出力することで、モータのトルク飽和を回避する。しかし、これまで通り電流次元でリミッタを考慮した場合には、電流飽和時においてアクチュエータ２に対しロバストな加速度制御を維持することが困難になる。

そこで、図４から図５に示すように、図３における外乱オブザーバ３を等価変換する。図４に示す等価変換図では、加速度−電流変換手段９によって、加速度参照値θ^・・refをトルク定数のノミナル値Ｋ_tnで除算し、これを慣性モーメントのノミナル値Ｊ_nで乗算することで、電流参照値Ｉ^refを得る。電流リミッタ４１は、この電流参照値Ｉ^refに対し作用する。電流リミッタ４１を通過した電流参照値Ｉ^refは、電流−トルク変換手段４２によってトルク定数のノミナル値Ｋ_tnと乗算され、この乗算した結果のトルク参照値と、外乱トルクＴ_disと等価的な要素４３に示された数式の感度関数とを乗算した推定トルク値とを、等価的な減算器４４により減算したものが、トルク−速度変換手段４５に入力するアクチュエータ２のトルク応答値となる。トルク応答値は、トルク−速度変換手段４５によって速度応答値θ^・resに変換され、さらにこの速度応答値θ^・resは、速度−位置変換手段である積分器３０によって位置応答値θ^resに変換される。

なお、図４および図５の要素４３に示されるｇ’は、次の式で表せる。

一方、図５では、電流リミッタ４１により電流を制限するのを、等価的に加速度リミッタ５１による加速度制限に置き換えたものである。図５によれば、ロバスト加速度制御系では、図３に示す電流リミッタ４１が加速度リミッタ５１として表現できることがわかる。そこで本実施例では、アクチュエータ２の制御装置を構成するコンピュータに、加速度次元でリミッタを考慮する手法として、加速度制限アルゴリズム（Acceleration Limitation Algorithm）を組み込む。

加速度リミッタ５１は、モータの最大トルクを超えるような加速度参照値θ^・・refが生じた場合に、当該加速度参照値θ^・・refを一定の範囲内の値に制限して、アクチュエータ２を構成するモータの飽和を加速度次元で回避するものである。この加速度リミッタ５１を通して得られた加速度参照値θ^・・refと、外乱トルクＴ_disと要素５２に示された数式の感度関数とを乗算することで算出された外乱に見合う推定の加速度値とを、等価的な減算器５３により減算したものが、加速度−速度変換手段である積分器５４に入力するアクチュエータ２の加速度応答値となる。加速度応答値は、積分器５４によって速度応答値θ^・resに変換され、さらにこの速度応答値θ^・resは、速度−位置変換手段である積分器３０によって位置応答値θ^resに変換される。

図６は、上記加速度制限アルゴリズムを実行する加速度制限手段６１の構成を示したものである。加速度制限手段６１は、外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpと、加速度制御システム１のフィードバック系の加速度参照値θ^・・ _FB ^refと、加速度制御システム１のフィードフォワード系の加速度参照値θ^・・ _FF ^refとを入力とし、これらの各加速度値の合計である加速度参照値θ^・・ref＝θ^・・ _RB ^cmp＋θ^・・ _FB ^ref＋θ^・・ _FF ^refと、モータの最大加速度θ^・・ _MAXとの比較結果により、加速度飽和を考慮した最終的な加速度参照値θ^・・〜ref（以下、図や数式以外では、最終値を「^〜」として便宜上あらわし、対応する記号の後に併記する。）を算出するものである。

ここで、ロバスト加速度制御を実現するための外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpは、外乱オブザーバ３で算出される外乱トルク推定値＾Ｔ_disに、トルク−加速度変換手段６２により慣性モーメントのノミナル値Ｊ_nを乗算して算出される。また、フィードバック系の加速度参照値θ^・・ _FB ^refは、目標となるフィードバック参照値と、アクチュエータ２の実際の動作から得られた応答値との偏差を減算器６３で算出し、この偏差値に要素６４による適切なフィードバックゲインＧ_FBを乗算して算出される。このフィードバック参照値や応答値は加速度以外であってもよく、それらから要素６４により加速度参照値θ^・・ _FB ^refが算出されるように構成すればよい。

前記加速度リミッタ５１は、加算器６５で算出される合計の加速度参照値θ^・・refが、予め設定された最大加速度θ^・・ _MAXを越えたときに、アクチュエータ２への最終的な加速度参照値θ^・・〜refを最大加速度θ^・・ _MAXに制限するものであるが、これは実際には、外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpを調整するのに、この外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpに乗算されるＲＢ項調整率ｋ１と、フィードバック系の加速度参照値θ^・・ _FB ^refを調整するのに、この加速度参照値θ^・・ _FB ^refに乗算されるＦＢ項調整率ｋ２と、フィードフォワード系の加速度参照値θ^・・ _FF ^refを調整するのに、この加速度参照値θ^・・ _FF ^refに乗算されるＦＦ項調整率ｋ３とを決定し、その調整した各値を加算器６５で合計することで、最終的な加速度参照値θ^・・〜refを算出する機能を有する。なお図６では、ＲＢ項調整率ｋ１，ＦＢ項調整率ｋ２およびＦＦ項調整率ｋ３の各決定手段として、要素６６〜６８が示されている。

上記構成の加速度制限手段６１で実現される加速度制限アルゴリズムは、次のような手順で各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３を決定し、加速度飽和を考慮した最終的に調整された加速度参照値θ^・・〜refを算出する。

先ず、最初の手順では、外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmp，加速度参照値θ^・・ _FB ^ref，および加速度参照値θ^・・ _FF ^refを、加算器６５によりそのまま合計した加速度参照値θ^・・ref（＝θ^・・ _RB ^cmp＋θ^・・ _FB ^ref＋θ^・・ _FF ^ref）が、最大加速度θ^・・ _MAXを越えているか否かを判定する。ここで、加速度参照値θ^・・refが最大加速度θ^・・ _MAXを越えていなければ、すなわちθ^・・ref≦θ^・・ _MAXであれば、各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３は１であるとし（ｋ１＝ｋ２＝ｋ３＝１）、合計の加速度参照値θ^・・refを、そのまま最終的な加速度参照値θ^・・〜refとして出力する。

一方、加速度参照値θ^・・refが最大加速度θ^・・ _MAXを越えていれば、すなわちθ^・・ref＞θ^・・ _MAXであれば、次の式の関係が満たされるように各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３を決定し、最終的な加速度参照値θ^・・〜refが、最大加速度θ^・・ _MAXと等しくなるようにする。

ここで、θ^・・ref＞θ^・・ _MAXのときに、各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３を調整する例を説明すると、次の数式に示すフィードフォワード調整型では、フィードフォワード（ＦＦ）項であるｋ３・θ^・・ _FB ^refを調整することで、他のフィードバック（ＦＢ）項ｋ２・θ^・・ _FB ^refや、ロバスト外乱補償（ＲＢ）項ｋ１・θ^・・ _RB ^cmpの大きさを維持する。

また、別のフィードバック調整型では、ＦＢ項を調整することで、他のＦＦ項やＲＢ項の大きさを維持する。これは、次の数式のように表せる。

さらに、フィードバック＋フィードフォワード調整型では、ＦＢ項＋ＦＦ項を調整することで、ＲＢ項の大きさを維持する。これは、次の数式のように表せる。

軌跡追従制御システム２０は、この調整されたＦＢ項とＦＦ項に基づいて、アクチュエータ２をフィードバックおよびフィードフォワード制御する。

ここで重要なのは、外乱オブザーバ３で算出される外乱トルク推定値＾Ｔ_disに基づき算出された外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpは、アクチュエータ２に対するロバスト加速度制御を行なうのに必須な成分であるため、ＲＢ項の大きさを維持する必要がある。したがって、加速度参照値θ^・・refがどのような値であっても、ＲＢ項調整率ｋ１＝１とする。また、軌跡追従制御を完全に行なう場合には、フィードフォワード系の加速度参照値θ^・・ _FF ^refも必須な成分となるため、同様に加速度参照値θ^・・refがどのような値であっても、ＦＦ項調整率ｋ３＝１とする。さらに、多軸系のシステムにおいて、３つの各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３の値をそれぞれ考慮することで、多軸系への拡張問題への拡張が可能になる。

図７は、上記加速度制限手段６１で実現される加速度制限アルゴリズムを組み込んだ実験装置の外観と駆動システムを示したものである。同図において、７１はアクチュエータ制御装置としてのコンピュータで、ここには上述したロバスト加速度制御に基づく軌跡追従制御系を実現するアルゴリズムや、加速度制限アルゴリズムが組み込まれている。このコンピュータ７１の入出力ポートは、接続手段であるＰＣＩバス７２を介して、入出力インターフェースであるＰＣＩバスブリッジ７３に接続される。このＰＣＩバスブリッジ７３は、ＡＤ（アナログ−ディジタル変換）ボードや、カウンタボードや、ＤＩＯ（ディジタル入出力）ボードなどを備えて構成される。

一方、アクチュエータ２は、駆動源であるＡＣモータ７５の回転軸に、継手７６を用いてボールスクリュー７７を連結し、このボールスクリュー７７に可動体であるテーブル７８を螺合して構成される。そして、コンピュータ７１からＰＣＩバスブリッジ７３を通してインバータ７９に出力される制御信号により、インバータ７９がＡＣモータ７５を駆動するに十分な交流電流に変換し、これをＡＣモータ７５に供給することにより、ボールスクリュー７７が正方向または逆方向に回転して、テーブル７８がボールスクリュー７７の軸方向に沿って移動するようになっている。

また、インバータ７９からＡＣモータ７５に供給される電流が、電流センサ８１により検出され、ＰＣＩバスブリッジ７３を通してコンピュータ７１に取り込まれると共に、ＡＣモータ７５の回転速度がエンコーダ８２により検出され、これもＰＣＩバスブリッジ７３を通してコンピュータ７１に取り込まれる。

図７に示す実験システムでは、ＡＣモータ７５の最大トルク電流Ｉ_MAXが決められていて、これに基づく加速度制限手段６１がコンピュータ７１に組み込まれている。すなわちこの実験装置では、図６の加速度制限手段６１において、減算器６３への応答値が電流センサ８１で検出される電流応答値となり、フィードバック参照値もフィードバック電流参照値となる。そのため要素６４は、電流Ｉ_FB ^refから加速度θ^・・ _FB ^ref（添え字の^refは省略する）への変換手段が組み込まれる。同様に、外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpや、フィードフォワード系の加速度参照値θ^・・ _FF ^refも、電流値への変換が可能である。加速度制限手段６１で得られた最終的な加速度参照値θ^・・〜refは、図２に示す加速度参照値θ^・・refとして取り込まれる。

図７に示す実験装置では、例として前記ＦＦ調整型の加速度制限アルゴリズムに基づき実際にリミテーションをかける。ここで、加速度θ^・・と電流Ｉの関係式は、次のよう表せる。

したがって、各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３と、最終的なトルク電流指令値Ｉ^〜refは、次の式のように表せる。

図８は、加速度制限手段６１がコンピュータ７１に組み込まれておらず、加速度飽和を考慮しなかった場合の実験結果を示しており、図９は、加速度制限手段６１がコンピュータ７１に組み込まれており、加速度飽和を考慮した場合の実験結果を示している。これらの各図において、上段から時間経過に伴う位置，速度，加速度の各実験値をそれぞれ示している。また、破線は指令値を示しているのに対し、実線は応答値を示している。

図８において、加速度飽和を考慮していない場合、加速度飽和による振動的な応答になっていることがわかる。一方、図９に示す加速度飽和を考慮した場合には、各応答値において振動や不安定化がなく、良好な軌跡追従が可能になっている。

このように、本実施例では、外乱オブザーバ３を用いたロバスト加速度制御に基づく軌跡追従制御系を用いることで、理論的に目標位置，速度，加速度が遅れなく追従できることを示した。また、図６に示すように、ロバスト加速度制御系の飽和（加速度リミット）を、フィードフォワード加速度指令，フィードバック加速度指令，外乱補償加速度指令の３種類に分けて考慮できるように、新たに導入した加速度リミッタ５１を構成している。その上で、加速度指令のリミット（飽和）時における最適な加速度指令を導出するためのアルゴリズムを提案し、加速度リミット（飽和）の状態から最適なモーション指令の調整を行なっている。これにより、加速度リミット（飽和）時においても軌跡誤差が生じない軌跡追従制御が可能になる。勿論、こうした概念は、図７に示す実験装置以外の、各種メカトロニクス機器の軌跡追従制御（高速モーション制御）にも有効である。

こうして本実施例では、アクチュエータ２への外乱すなわち外乱トルクＴ_disを推定する外乱オブザーバ３を備え、この外乱オブザーバ３で得た外乱推定値すなわち外乱トルク推定値＾Ｔ_disを外乱補償電流値Ｉ^cmpに変換し、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refを変換して得た電流参照値Ｉ^refを前記外乱補償電流でフィードバック補償して、アクチュエータ２をロバスト加速度制御する加速度制御ステップを実行する加速度制御システム１と、フィードバックおよびフィードフォワード構成を備え、アクチュエータ２を軌跡追従制御させるための加速度参照値θ^・・refを算出する軌跡追従ステップを実行する軌跡追従制御システム２０と、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refを、予め設定した最大加速度値θ^・・ _MAX以下に制限する加速度リミッタ５１と、を備えている。

この場合、加速度制御システム１によって、アクチュエータ２に対する外乱を補償したロバストな加速度制御が実現され、また軌跡追従制御システム２０によって、アクチュエータ２を目標値に軌跡追従させることで、ロバスト加速度制御に基づく高速モーションの軌跡追従制御が可能になる。しかも、このような制御の下で、アクチュエータ２の加速度飽和時に、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refを最大加速度値θ^・・ _MAX以下に制限することができる。そのため、ロバスト加速度制御系のモーション制御システムに適したリミット（飽和）対策を実現可能にできる。

また、本実施例における外乱オブザーバ３は、上記数１に示すような関係式で外乱トルク推定値＾Ｔ_disを算出するものにおいて、その極ｇが無限大になるように構成されている。このようにすれば、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refから加速度応答値θ^・・resまでの伝達関数を１とみなすことができ、目標指令値に対しアクチュエータ２がほぼ遅れなく追従して応答するので、ロバストな軌跡追従制御をより完全に実現できる。

また、本実施例で提案した加速度制限ステップを実行する加速度リミッタ５１は、外乱オブザーバ３からの外乱トルク推定値＾Ｔ_disにより得られた外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpと、軌跡追従ステップを実行する軌跡追従制御システム２０のフィードバック系の加速度参照値θ^・・ _FB ^refと、軌跡追従制御システム２０のフィードフォワード系の加速度参照値θ^・・ _FF ^refとを合計した第１の値（θ^・・ _RB ^cmp＋θ^・・ _FB ^ref＋θ^・・ _FF ^ref）が、最大加速度値θ^・・ _MAXを越えたときに、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refを最大加速度値θ^・・ _MAXに制限するように構成される。

このようにすると、外乱補償の加速度と、フォードフォワード系の加速度指令と、フィードバック系の加速度指令を合計した第１の値に基づいて、ロバスト加速度制御系の飽和時に、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refを最大加速度値θ^・・ _MAXに制限することが可能になる。

そして、特にこの場合の加速度リミッタ５１は、前記第１の値が最大加速度値θ^・・ _MAXを越えないときに、この第１の値をアクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refとする一方で、第１の値が前記最大加速度値θ^・・ _MAXを越えたときには、外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpに第１の調整率であるＲＢ項調整率ｋ１を乗算した値と、フィードバック系の加速度参照値に第２の調整率であるＦＢ項調整率ｋ２を乗算した値と、フィードフォワード系の加速度参照値θ^・・ _FF ^refに第３の調整率であるＦＦ項調整率ｋ３を乗算した値とを合計した第２の値が、最大加速度値θ^・・ _MAXとなるように、各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３を調整している。

このようにすれば、第１の値が最大加速度値θ^・・ _MAXを越えない限り、外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpと、フィードバック系の加速度参照値θ^・・ _FB ^refと、フィードフォワード系の加速度参照値θ^・・ _FF ^refをそのまま用いて、アクチュエータ２に対してロバストな加速度制御に基づく軌跡追従制御を行なうことができる。また、第１の値が最大加速度値θ^・・ _MAXを越えた加速度飽和時には、アクチュエータ２への加速度参照値θ^・・refが最大加速度値θ^・・ _MAXを越えないように、各調整率ｋ１，ｋ２，ｋ３を調整するので、加速度飽和の状態から最適なモーション指令の調整を行なって、加速度飽和時においても軌跡誤差の発生しない軌跡追従制御を実現することが可能になる。

さらにこの場合には、第１の値が最大加速度値θ^・・ _MAXを越えているか否かに拘らず、第１の調整率であるＲＢ項調整率ｋ１の値を１に固定するように、加速度リミッタ５１を構成するのが好ましい。すなわち、加速度飽和の状態でもＲＢ項調整率ｋ１の値が１に維持されていれば、外乱推定トルク＾Ｔ_disにより得られた外乱補償加速度θ^・・ _RB ^cmpの値そのもので、アクチュエータ２の外乱補償を行なうことができ、アクチュエータ２に対するロバスト加速度制御を確実に行なうことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。

従来のトルク飽和対策は、基本的には速度ＰＩ制御系に基づく手法であったため、ロバスト加速度制御系を前提としたモーション制御には必ずしも適さない場合が多かった。しかし、上記実施例では、ロバスト加速度制御に基づく加速度リミット（飽和）を新たに定義し、最適な加速度指令の修正を行なうため、従来の問題を解決することができる。

このように、ロバスト加速度制御に基づいたリミット（飽和）対策を行なうことで、従来技術の壁を大きく越えた高精度な軌跡追従制御が可能となり、現在産業界で実現されている各種工作機械やロボットなどへの導入により、生産技術におけるモーションコントロールを一新することが期待される。

本発明のアクチュエータ制御装置が適用する外乱オブザーバを用いたロバスト加速度制御系のシステムの一例を示すブロック線図である。 図１のロバスト加速度制御系に基づく軌跡追従制御系のブロック線図である。 図１や図２に示す制御システムに、電流リミッタを組み込んだ構成を示すブロック線図である。 図３に示すシステムを等価変換したブロック線図である。 図３に示すシステムをさらに等価変換したブロック線図である。 本発明における加速度制限アルゴリズムを実行する加速度制限手段６１の構成を示すブロック線図である。 図６の加速度制限アルゴリズムを組み込んだ実験装置の外観と駆動システムを示した概略説明図である 加速度飽和を考慮しなかった場合の実験結果を示す波形図である。 加速度飽和を考慮した場合の実験結果を示す波形図である。 一般的なサーボ形のシステム構成を示すブロック線図である。

符号の説明

１ 加速度制御システム（加速度制御部）
２ アクチュエータ
３ 外乱オブザーバ
２０ 軌跡追従制御システム（軌跡追従制御部）
５１ 加速度リミッタ

Claims (10)

1. アクチュエータへの外乱を推定する外乱オブザーバを備え、この外乱オブザーバで得た外乱推定値を外乱補償電流に変換し、前記アクチュエータへの加速度参照値を変換して得た電流参照値を前記外乱補償電流でフィードバック補償して、当該アクチュエータをロバスト加速度制御する加速度制御部と、
   前記アクチュエータを軌跡追従制御させるための前記加速度参照値を算出する軌跡追従制御部と、
   前記アクチュエータへの加速度参照値を、予め設定した最大加速度値以下に制限する加速度リミッタと、を備えたことを特徴とするアクチュエータ制御装置。
2. 前記外乱オブザーバの極を無限大にしたことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ制御装置。
3. 前記加速度リミッタは、前記外乱オブザーバからの外乱推定値により得られた外乱補償加速度と、前記軌跡追従制御部のフィードバック系の加速度参照値と、前記軌跡追従制御部のフィードフォワード系の加速度参照値とを合計した第１の値が、前記最大加速度を越えたときに、前記アクチュエータへの加速度参照値を当該最大加速度に制限するものであることを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ制御装置。
4. 前記加速度リミッタは、前記第１の値が前記最大加速度を越えないときに、前記第１の値を前記アクチュエータへの加速度参照値とする一方で、
   前記第１の値が前記最大加速度を越えたときに、前記外乱補償加速度に第１の調整率を乗算した値と、前記フィードバック系の加速度参照値に第２の調整率を乗算した値と、前記フィードフォワード系の加速度参照値に第３の調整率を乗算した値とを合計した第２の値が、前記最大加速度となるように、前記第１，第２および第３の各調整率を調整するものであることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ制御装置。
5. 前記加速度リミッタは、前記第１の値の大小に拘らず、前記第１の調整率の値を１に固定するものであることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ制御装置。
6. アクチュエータへの外乱を推定する外乱オブザーバを備え、この外乱オブザーバで得た外乱推定値を外乱補償電流に変換し、前記アクチュエータへの加速度参照値を変換して得た電流参照値を前記外乱補償電流でフィードバック補償して、当該アクチュエータをロバスト加速度制御する加速度制御ステップと、
   前記アクチュエータを軌跡追従制御させるための前記加速度参照値を算出する追跡制御ステップと、
   前記アクチュエータへの加速度参照値を、予め設定した最大加速度値以下に制限する加速度制限ステップと、を備えたことを特徴とするアクチュエータ制御方法。
7. 前記外乱オブザーバの極を無限大にしたことを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ制御方法。
8. 前記加速度制限ステップは、前記外乱オブザーバからの外乱推定値により得られた外乱補償加速度と、前記軌跡追従ステップのフィードバック系の加速度参照値と、前記軌跡追従ステップのフィードフォワード系の加速度参照値とを合計した第１の値が、前記最大加速度を越えたときに、前記アクチュエータへの加速度参照値を当該最大加速度に制限することを特徴とする請求項６または７記載のアクチュエータ制御方法。
9. 前記加速度制限ステップは、前記第１の値が前記最大加速度を越えないときに、前記第１の値を前記アクチュエータへの加速度参照値とする一方で、
   前記第１の値が前記最大加速度を越えたときに、前記外乱補償加速度に第１の調整率を乗算した値と、前記フィードバック系の加速度参照値に第２の調整率を乗算した値と、前記フィードフォワード系の加速度参照値に第３の調整率を乗算した値とを合計した第２の値が、前記最大加速度となるように、前記第１，第２および第３の各調整率を調整するものであることを特徴とする請求項８記載のアクチュエータ制御方法。
10. 前記加速度制限ステップは、前記第１の値の大小に拘らず、前記第１の調整率の値を１に固定するものであることを特徴とする請求項９記載のアクチュエータ制御方法。