JP3292951B2 - 位置制御装置 - Google Patents
位置制御装置Info
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- Feedback Control In General (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、対象物を移動及び
位置決めする装置の速度制御及び位置制御に適した位置
制御装置に関する。
位置決めする装置の速度制御及び位置制御に適した位置
制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的な位置制御装置について、図３を
参照して説明する。この位置制御装置は、位置制御器
１、速度制御器２、モータドライバ３、制御対象である
負荷５を駆動するためのモータ４、パルスエンコーダの
ような位置検出器６、速度演算器７、減算器８及び９を
含んでいる。負荷５は、例えば被加工物をＸ−Ｙ方向に
移動させるためのＸ−Ｙテーブルであり、この場合、モ
ータ４はサーボモータが適している。
参照して説明する。この位置制御装置は、位置制御器
１、速度制御器２、モータドライバ３、制御対象である
負荷５を駆動するためのモータ４、パルスエンコーダの
ような位置検出器６、速度演算器７、減算器８及び９を
含んでいる。負荷５は、例えば被加工物をＸ−Ｙ方向に
移動させるためのＸ−Ｙテーブルであり、この場合、モ
ータ４はサーボモータが適している。
【０００３】作用について説明すると、制御対象の変位
が位置検出器６で計測される。速度演算器７は位置検出
値から速度検出値を演算する。減算器８は位置指令値か
ら位置検出値を減じ位置偏差を演算する。位置制御器１
は、位置偏差を増幅し速度指令値を算出する。減算器９
は速度指令値から速度検出値を減じ速度偏差を演算す
る。速度制御器２は、速度偏差を増幅しトルク指令値を
算出する。算出されたトルク指令値は、モータドライバ
３へ入力されモータ４を駆動する。
が位置検出器６で計測される。速度演算器７は位置検出
値から速度検出値を演算する。減算器８は位置指令値か
ら位置検出値を減じ位置偏差を演算する。位置制御器１
は、位置偏差を増幅し速度指令値を算出する。減算器９
は速度指令値から速度検出値を減じ速度偏差を演算す
る。速度制御器２は、速度偏差を増幅しトルク指令値を
算出する。算出されたトルク指令値は、モータドライバ
３へ入力されモータ４を駆動する。
【０００４】図４は、図３のブロック線図を示す。図４
中の記号ＧP （ｚ）は位置制御器１の伝達関数であり、
Ｇv （ｚ）は速度制御器２の伝達関数、Ｋt はモータ４
のトルク定数、（１／Ｊs 2 ）は制御対象の伝達関数、
（１−ｚ-1）は速度演算器７の伝達関数である。
中の記号ＧP （ｚ）は位置制御器１の伝達関数であり、
Ｇv （ｚ）は速度制御器２の伝達関数、Ｋt はモータ４
のトルク定数、（１／Ｊs 2 ）は制御対象の伝達関数、
（１−ｚ-1）は速度演算器７の伝達関数である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】制御対象はモータトル
クτm と外乱トルクｄの和によって駆動されるため、位
置決め時に誤差を生じる原因となる。このような外乱に
よる誤差を低減するには、位置制御器１及び速度制御器
２を調整する以外の手段がない。このため、目的とする
外乱抑制効果を得るため位置制御器１及び速度制御器２
のゲインを高くすると、制御対象の持つ機械的振動ある
いは位置制御器１及び速度制御器２の演算時間による位
相遅れにより制御システムが不安定になりやすい。
クτm と外乱トルクｄの和によって駆動されるため、位
置決め時に誤差を生じる原因となる。このような外乱に
よる誤差を低減するには、位置制御器１及び速度制御器
２を調整する以外の手段がない。このため、目的とする
外乱抑制効果を得るため位置制御器１及び速度制御器２
のゲインを高くすると、制御対象の持つ機械的振動ある
いは位置制御器１及び速度制御器２の演算時間による位
相遅れにより制御システムが不安定になりやすい。
【０００６】また、制御対象の位置検出値には観測ノイ
ズが含まれる。この観測ノイズ自体によって位置決め時
に誤差を生じる原因となる。更に、位置制御器１及び速
度制御器２のゲインを高くした場合のシステム不安定化
の原因になる。特に、ディジタル制御系ではサンプリン
グ周波数帯の量子化ノイズ、速度演算器７の発生する微
分ノイズが大きい。
ズが含まれる。この観測ノイズ自体によって位置決め時
に誤差を生じる原因となる。更に、位置制御器１及び速
度制御器２のゲインを高くした場合のシステム不安定化
の原因になる。特に、ディジタル制御系ではサンプリン
グ周波数帯の量子化ノイズ、速度演算器７の発生する微
分ノイズが大きい。
【０００７】そこで、本発明の課題は、位置制御装置に
おいて機構に働く外乱トルクを推定し補償することで、
機構の速度変動及び位置変動を抑制できるようにするこ
とにある。
おいて機構に働く外乱トルクを推定し補償することで、
機構の速度変動及び位置変動を抑制できるようにするこ
とにある。
【０００８】本発明の他の課題は、位置検出時の観測ノ
イズを除去し、高い周波数領域での外乱抑制特性の劣化
を防止することにある。
イズを除去し、高い周波数領域での外乱抑制特性の劣化
を防止することにある。
【０００９】本発明の更に他の課題は、特に、ディジタ
ル制御系におけるサンプリング周波数帯の観測ノイズ、
微分ノイズの影響を低減することにある。
ル制御系におけるサンプリング周波数帯の観測ノイズ、
微分ノイズの影響を低減することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、モータにより
駆動される被駆動体の位置を検出するための位置検出器
を備え、該位置検出器の位置検出値と該位置検出値から
算出される速度値とをそれぞれ位置制御器と速度制御器
にフィードバックして、前記被駆動体の移動、位置決め
を行うように、前記モータのフィードバック制御を行う
フィードバック制御系を備えた位置制御装置において、
前記位置検出値のフィードバックループに離散系カルマ
ンフィルタと外乱推定器とを付加し、前記離散系カルマ
ンフィルタは、以下の数２に基づいて前記位置検出値の
みから前記被駆動体の位置及び速度を推定して位置推定
値及び速度推定値を出力し、
駆動される被駆動体の位置を検出するための位置検出器
を備え、該位置検出器の位置検出値と該位置検出値から
算出される速度値とをそれぞれ位置制御器と速度制御器
にフィードバックして、前記被駆動体の移動、位置決め
を行うように、前記モータのフィードバック制御を行う
フィードバック制御系を備えた位置制御装置において、
前記位置検出値のフィードバックループに離散系カルマ
ンフィルタと外乱推定器とを付加し、前記離散系カルマ
ンフィルタは、以下の数２に基づいて前記位置検出値の
みから前記被駆動体の位置及び速度を推定して位置推定
値及び速度推定値を出力し、
【数２】 但し、ｘ m （ｋ）はサンプリングｋ番目の検出位置、ｘ
ep （ｋ）はサンプリングｋ番目の位置推定値、ｘ
ev （ｋ）はサンプリングｋ番目の速度推定値であり、 前
記外乱推定器は、［Ｋ t ｚ -1 Ｎ 0 （１＋ｚ -1 ）／（Ｄ 0
−Ｄ 1 ｚ -1 ）］で規定されるモータトルクモデルのフィ
ルタと、［Ｊ n Ｔ s Ｎ 0 （１−ｚ -1 ）／２（Ｄ 0 −Ｄ 1
ｚ -1 ）］で規定される制御対象逆モデルのフィルタと、
（１／Ｋ t ）で規定されるモータトルク逆モデルと、減
算器とを含んで、前記速度推定値ｘ ev に前記制御対象逆
モデルを乗算することにより制御対象に加わる推定外力
を算出すると共に、モータトルク指令値に前記モータト
ルクモデルを乗算することによりモータトルク推定値を
算出し、続いて前記減算器により前記推定外力と前記モ
ータトルク推定値との差を算出して推定外乱トルクを算
出した後、該推定外乱トルクに前記モータトルク逆モデ
ルを乗算して推定トルクを算出し、前記位置推定値を前
記位置制御器にフィードバックすると共に、前記速度推
定値を前記速度制御器にフィードバックし、更に前記速
度制御器からのトルク目標値と前記推定トルクとの偏差
を前記トルク指令値として出力するようにしたことを特
徴とする。
ep （ｋ）はサンプリングｋ番目の位置推定値、ｘ
ev （ｋ）はサンプリングｋ番目の速度推定値であり、 前
記外乱推定器は、［Ｋ t ｚ -1 Ｎ 0 （１＋ｚ -1 ）／（Ｄ 0
−Ｄ 1 ｚ -1 ）］で規定されるモータトルクモデルのフィ
ルタと、［Ｊ n Ｔ s Ｎ 0 （１−ｚ -1 ）／２（Ｄ 0 −Ｄ 1
ｚ -1 ）］で規定される制御対象逆モデルのフィルタと、
（１／Ｋ t ）で規定されるモータトルク逆モデルと、減
算器とを含んで、前記速度推定値ｘ ev に前記制御対象逆
モデルを乗算することにより制御対象に加わる推定外力
を算出すると共に、モータトルク指令値に前記モータト
ルクモデルを乗算することによりモータトルク推定値を
算出し、続いて前記減算器により前記推定外力と前記モ
ータトルク推定値との差を算出して推定外乱トルクを算
出した後、該推定外乱トルクに前記モータトルク逆モデ
ルを乗算して推定トルクを算出し、前記位置推定値を前
記位置制御器にフィードバックすると共に、前記速度推
定値を前記速度制御器にフィードバックし、更に前記速
度制御器からのトルク目標値と前記推定トルクとの偏差
を前記トルク指令値として出力するようにしたことを特
徴とする。
【００１１】なお、前記位置制御器は、位置指令値と前
記位置推定値との偏差を受けて速度指令値を出力し、前
記速度制御器は、前記速度指令値と前記速度推定値との
偏差を受けて前記トルク目標値を出力する。
記位置推定値との偏差を受けて速度指令値を出力し、前
記速度制御器は、前記速度指令値と前記速度推定値との
偏差を受けて前記トルク目標値を出力する。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１、図２を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図１において、図３と同じ部分
には同一番号を付して説明は省略する。本形態において
は、位置検出値のフィードバックラインに離散系カルマ
ンフィルタ１２と外乱推定器１３及び減算器１４を設け
た点に特徴を有する。
実施の形態を説明する。図１において、図３と同じ部分
には同一番号を付して説明は省略する。本形態において
は、位置検出値のフィードバックラインに離散系カルマ
ンフィルタ１２と外乱推定器１３及び減算器１４を設け
た点に特徴を有する。
【００１３】カルマンフィルタ１２は、位置検出値より
位置推定値ｘep及び速度推定値ｘevを算出する。減算器
８は、位置指令値から位置推定値を減じ位置偏差を演算
する。位置制御器１は、位置偏差を増幅し速度指令値を
算出する。減算器９は速度指令値から速度推定値を減じ
速度偏差を演算する。速度制御器２は、速度偏差を増幅
しトルク目標値を算出する。
位置推定値ｘep及び速度推定値ｘevを算出する。減算器
８は、位置指令値から位置推定値を減じ位置偏差を演算
する。位置制御器１は、位置偏差を増幅し速度指令値を
算出する。減算器９は速度指令値から速度推定値を減じ
速度偏差を演算する。速度制御器２は、速度偏差を増幅
しトルク目標値を算出する。
【００１４】外乱推定器１３は、トルク指令値と速度推
定値ｘevより制御対象へ加わる外乱を推定する。減算器
１４はトルク目標値から外乱推定値ｉedを減じトルク指
令値を算出する。算出されたトルク指令値τc はモータ
ドライバ３へ入力され、モータ４を駆動する。
定値ｘevより制御対象へ加わる外乱を推定する。減算器
１４はトルク目標値から外乱推定値ｉedを減じトルク指
令値を算出する。算出されたトルク指令値τc はモータ
ドライバ３へ入力され、モータ４を駆動する。
【００１５】図２は、図１のブロック線図を示す。図２
において、カルマンフィルタ１２は、ｚ-1で規定される
１サンプル遅れ要素１５、１６、Ｔs で規定されるサン
プル時間１７、加算器１８、１９、Ｋ1 、Ｋ2 で規定さ
れるカルマンフィルタゲイン２０、２１で表される。
において、カルマンフィルタ１２は、ｚ-1で規定される
１サンプル遅れ要素１５、１６、Ｔs で規定されるサン
プル時間１７、加算器１８、１９、Ｋ1 、Ｋ2 で規定さ
れるカルマンフィルタゲイン２０、２１で表される。
【００１６】また、外乱推定器１３は、［Ｋt ｚ -1 Ｎ0
( １＋ｚ-1) ］／（Ｄ0 −Ｄ1 ｚ-1）で規定されるモー
タトルクモデルフィルタ２３、［Ｊn Ｔs Ｎ0 ( １−ｚ
-1) ］／２（Ｄ0 −Ｄ1 ｚ-1）で規定される制御対象逆
モデルフィルタ２４、（１／Ｋt ）で規定されるモータ
トルク逆モデル２５、減算器２６で表される。
( １＋ｚ-1) ］／（Ｄ0 −Ｄ1 ｚ-1）で規定されるモー
タトルクモデルフィルタ２３、［Ｊn Ｔs Ｎ0 ( １−ｚ
-1) ］／２（Ｄ0 −Ｄ1 ｚ-1）で規定される制御対象逆
モデルフィルタ２４、（１／Ｋt ）で規定されるモータ
トルク逆モデル２５、減算器２６で表される。
【００１７】制御対象に加わる外乱力と位置検出値に含
まれる観測ノイズは、互いに独立な正規分布に従う白色
ノイズであると考えられる。このような場合の制御対象
の状態量（位置及び速度）は、カルマンフィルタ１２に
よって推定できる。カルマンフィルタ１２は次の数３で
表される。
まれる観測ノイズは、互いに独立な正規分布に従う白色
ノイズであると考えられる。このような場合の制御対象
の状態量（位置及び速度）は、カルマンフィルタ１２に
よって推定できる。カルマンフィルタ１２は次の数３で
表される。
【００１８】
【数３】
【００１９】ここで、ｘm （ｋ）はサンプリングｋ番目
の検出位置、ｘep（ｋ）はサンプリングｋ番目の推定位
置、ｘev（ｋ）はサンプリングｋ番目の推定速度、Ｔs
はサンプリング時間である。カルマンフィルタ１２は検
出位置と推定位置を比較し、その結果である推定誤差を
フィードバックすることで、制御対象の真の位置と推定
位置との誤差を小さくするように働く。カルマンフィル
タゲインＫ1 （２０）及びカルマンフィルタゲインＫ2
（２１）は、制御対象の真の位置と推定位置との誤差の
２乗平均値が最小になるように決定する。ディジタル制
御系における量子化ノイズ及び微分ノイズはサンプリン
グ周波数及びその高調波で生じるが、カルマンフィルタ
１２はこれら観測ノイズを除去し制御対象の位置及び速
度を推定する。
の検出位置、ｘep（ｋ）はサンプリングｋ番目の推定位
置、ｘev（ｋ）はサンプリングｋ番目の推定速度、Ｔs
はサンプリング時間である。カルマンフィルタ１２は検
出位置と推定位置を比較し、その結果である推定誤差を
フィードバックすることで、制御対象の真の位置と推定
位置との誤差を小さくするように働く。カルマンフィル
タゲインＫ1 （２０）及びカルマンフィルタゲインＫ2
（２１）は、制御対象の真の位置と推定位置との誤差の
２乗平均値が最小になるように決定する。ディジタル制
御系における量子化ノイズ及び微分ノイズはサンプリン
グ周波数及びその高調波で生じるが、カルマンフィルタ
１２はこれら観測ノイズを除去し制御対象の位置及び速
度を推定する。
【００２０】次に、外乱推定器１３は次のように機能す
る。カルマンフィルタ１２によって推定された制御対象
速度推定値ｘevは、制御対象にモータトルクτm と外乱
トルクｄが加わった場合の推定状態量である。この速度
推定値ｘevに制御対象逆モデル（２４）を乗じると、制
御対象に加わる推定外力（τem＋ｄe ）が算出される。
また、モータトルク指令値ｉc にモータトルクモデル
（２３）を乗じるとモータトルク推定値τemが推定され
る。減算器２６によって両者の差分をとり、外乱トルク
ｄe を推定する。このとき、外乱力推定帯域を制限する
ため、制御対象逆モデル（２４）及びモータトルクモデ
ル（２３）には、ローパスフィルタ特性を持たせる。推
定外乱トルクｄe にモータトルク逆モデル（２５）を乗
じて推定トルクｉedを算出し、この値を減算器１４にお
いてモータトルク目標値ｉr から減じて外乱トルク分を
キャンセルし、モータトルク指令値ｉc とする。
る。カルマンフィルタ１２によって推定された制御対象
速度推定値ｘevは、制御対象にモータトルクτm と外乱
トルクｄが加わった場合の推定状態量である。この速度
推定値ｘevに制御対象逆モデル（２４）を乗じると、制
御対象に加わる推定外力（τem＋ｄe ）が算出される。
また、モータトルク指令値ｉc にモータトルクモデル
（２３）を乗じるとモータトルク推定値τemが推定され
る。減算器２６によって両者の差分をとり、外乱トルク
ｄe を推定する。このとき、外乱力推定帯域を制限する
ため、制御対象逆モデル（２４）及びモータトルクモデ
ル（２３）には、ローパスフィルタ特性を持たせる。推
定外乱トルクｄe にモータトルク逆モデル（２５）を乗
じて推定トルクｉedを算出し、この値を減算器１４にお
いてモータトルク目標値ｉr から減じて外乱トルク分を
キャンセルし、モータトルク指令値ｉc とする。
【００２１】以上の動作は、以下の数４で表される。
【００２２】
【数４】
【００２３】なお、本発明は、Ｘ−Ｙテーブルのような
直線運動制御系の位置制御装置に適しているが、回転運
動系の位置制御装置にも適用できることは言うまでもな
い。
直線運動制御系の位置制御装置に適しているが、回転運
動系の位置制御装置にも適用できることは言うまでもな
い。
【００２４】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、カルマン
フィルタにより得られた速度推定値を用いて外乱推定器
による外乱オブザーバによって演算した推定外乱トルク
をトルク目標値から減算することによって外乱をキャン
セルし、トルク指令値を算出する。このトルク指令値に
よって制御対象を駆動するので外乱の影響を小さくでき
る。
フィルタにより得られた速度推定値を用いて外乱推定器
による外乱オブザーバによって演算した推定外乱トルク
をトルク目標値から減算することによって外乱をキャン
セルし、トルク指令値を算出する。このトルク指令値に
よって制御対象を駆動するので外乱の影響を小さくでき
る。
【００２５】また、外乱オブザーバは位置制御器及び速
度制御器と独立に構成されているので、位置制御器及び
速度制御器のゲイン設定を変更せずに外乱抑圧のみが行
え、全体制御系を不安定化しない。
度制御器と独立に構成されているので、位置制御器及び
速度制御器のゲイン設定を変更せずに外乱抑圧のみが行
え、全体制御系を不安定化しない。
【００２６】更に、位置制御器及び速度制御器への各フ
ィードバック量としてカルマンフィルタによって観測ノ
イズを除去した位置推定値及び速度推定値を用いるた
め、位置制御器及び速度制御器のゲインを高くしたり、
あるいは外乱オブザーバの応答帯域を高くしても制御シ
ステムが不安定になりにくい。
ィードバック量としてカルマンフィルタによって観測ノ
イズを除去した位置推定値及び速度推定値を用いるた
め、位置制御器及び速度制御器のゲインを高くしたり、
あるいは外乱オブザーバの応答帯域を高くしても制御シ
ステムが不安定になりにくい。
【図１】本発明による位置制御器の実施の形態の構成を
示したブロック図である。
示したブロック図である。
【図２】図１のブロック線図である。
【図３】従来の位置制御器の実施の形態の構成を示した
ブロック図である。
ブロック図である。
【図４】図３のブロック線図である。
１ 位置制御器 ２ 速度制御器 ３ モータドライバ ４ モータ ５ 負荷 ６ 位置検出器 ７ 速度演算器 ８、９、１４ 減算器 １０ 加算器 １２ 離散系カルマンフィルタ １３ 外乱推定器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−282008（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−315894（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−137305（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05B 13/02 G05D 3/12 305
Claims (2)
- 【請求項１】 モータにより駆動される被駆動体の位置
を検出するための位置検出器を備え、該位置検出器の位
置検出値と該位置検出値から算出される速度値とをそれ
ぞれ位置制御器と速度制御器にフィードバックして、前
記被駆動体の移動、位置決めを行うように、前記モータ
のフィードバック制御を行うフィードバック制御系を備
えた位置制御装置において、 前記位置検出値のフィードバックループに離散系カルマ
ンフィルタと外乱推定器とを付加し、 前記離散系カルマンフィルタは、以下の数１に基づいて
前記位置検出値のみから前記被駆動体の位置及び速度を
推定して位置推定値及び速度推定値を出力し、 【数１】 但し、ｘ m （ｋ）はサンプリングｋ番目の検出位置、ｘ
ep （ｋ）はサンプリングｋ番目の位置推定値、ｘ
ev （ｋ）はサンプリングｋ番目の速度推定値であり、 前記外乱推定器は、［Ｋ t ｚ -1 Ｎ 0 （１＋ｚ -1 ）／（Ｄ
0 −Ｄ 1 ｚ -1 ）］で規定されるモータトルクモデルのフ
ィルタと、［Ｊ n Ｔ s Ｎ 0 （１−ｚ -1 ）／２（Ｄ 0 −Ｄ
1 ｚ -1 ）］で規定される制御対象逆モデルのフィルタ
と、（１／Ｋ t ）で規定されるモータトルク逆モデル
と、減算器とを含んで、前記速度推定値ｘ ev に前記制御
対象逆モデルを乗算することにより制御対象に加わる推
定外力を算出すると共に、モータトルク指令値に前記モ
ータトルクモデルを乗算することによりモータトルク推
定値を算出し、続いて前記減算器により前記推定外力と
前記モータトルク推定値との差を算出して推定外乱トル
クを算出した後、該推定外乱トルクに前記モータトルク
逆モデルを乗算して推定トルクを算出し、 前記位置推定値を前記位置制御器にフィードバックする
と共に、前記速度推定値を前記速度制御器にフィードバ
ックし、更に前記速度制御器からのトルク目標値と前記
推定トルクとの偏差を前記トルク指令値として出力する
ようにしたことを特徴とする位置制御装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の位置制御装置において、
前記位置制御器は、位置指令値と前記位置推定値との偏
差を受けて速度指令値を出力し、前記速度制御器は、前
記速度指令値と前記速度推定値との偏差を受けて前記ト
ルク目標値を出力することを特徴とする位置制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32310398A JP3292951B2 (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 位置制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32310398A JP3292951B2 (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 位置制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000148207A JP2000148207A (ja) | 2000-05-26 |
| JP3292951B2 true JP3292951B2 (ja) | 2002-06-17 |
Family
ID=18151121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32310398A Expired - Fee Related JP3292951B2 (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 位置制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3292951B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109188908A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-01-11 | 浙江工业大学 | 基于指数型无切换吸引律的数字控制器设计方法 |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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