JP3835528B2 - 速度制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電動機の速度制御装置に関し、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素やむだ時間遅れ要素が存在する速度制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素やむだ時間遅れ要素が存在する速度制御系は図3のようになっている。図3は一般的な速度制御系のブロック線図である。
図3において、1は減算器、2はPI制御器、3はフィルタ遅れ要素、4はむだ時間遅れ要素、5はモータを含む機械系、Vrは目標速度、Vfは速度フィードバック信号、VMは速度である。
一般の速度制御装置では、速度センサー(不図示)から得た速度信号あるいは位置センサー(不図示)の位置信号を微分計算して得た速度信号のいずれも高周波リップル成分が載る。このため、図3に示した制御系においても、速度フィードバック信号Vfに高周波リップル成分が載り、またフィルタ遅れ要素3あるいはむだ時間遅れ要素4の位相が遅れるため、PI制御器2のゲインが上げられず、十分な応答特性が得られないといった問題がある。このような制御性の問題を改善するために以下の従来技術が提案されている。
図4は第1の従来技術を示す制御系のブロック線図である。第1の従来技術の構成要素が図3と同じものについては同一符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。図4において、7は加算器、8はモータを含む機械系のモデル、9は減算器、10は速度オブザーバ補償器、14は速度オブザーバである。図4に示すように機械系のオブザーバを構成し、滑らかなオブザーバの速度推定値を速度フィードバック信号Vfとすることによって、トルク波形が乱れないため、PI制御器2のゲインを上げることができる(例えば、特開平11−136983号公報)。
また、図5は第2の従来技術を示す制御系のブロック線図である、第2の従来技術の構成要素が図3と異なる点は、位相進み補償器13を制御系に直列に加えた点である。位相進み補償器13において、Ta>TbのようにTa、Tbを適当に設定すれば、位相進み補償器13の位相が進むことになるので、PI制御器2のゲインを上げることができると共に、制御性能を向上することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、第1の従来技術では、速度フィードバック信号Vfの高周波成分が除去されるものの、制御ループの位相遅れ問題を全く解決していないため、PI制御器2のゲインが十分高く上げられないという問題があった。
また、第2の従来技術では、位相進み補償器13の高周波数域でのゲインが大きくなるので、高周波数の振動を起こしやすいという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、速度フィードバック信号の高周波成分を除去し、高周波数の振動を起こさないように遅れ要素の位相遅れを補償し、機械系の速度を目標速度に精度よく追従することが可能な速度制御装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の速度制御装置は、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素(3)やむだ時間遅れ要素(4)が存在し、目標速度Vrとなる速度指令に追従するようにPI制御を行う速度制御系であって、機械系(5)の速度VMと速度オブザーバ(6)による機械系(5)の速度の推定値VMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差VM―VMOを出力する速度オブザーバ補償器(10)と、前記速度オブザーバ補償器(10)の出力と前記PI制御器(2)の出力Troとの和を入力する機械系のモデル(8)と、を備え、前記速度オブザーバ(6)は、前記機械系のモデル(8)の出力がフィルタ遅れ要素のモデル(11)およびむだ時間遅れ要素のモデル(12)を通った信号VMOが前記機械系(5)の速度VMと等しくなるように構成すると共に、前記機械系のモデル(8)の出力が前記速度制御系の速度フィードバック信号Vfとなるようにしたことを特徴とするものである。
【0005】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図1は本発明の実施例を示す制御系の構成原理を示すブロック線図である。本発明の構成要素が従来技術と同じものについては同一符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図1において、11はフィルタ遅れ要素のモデル、12はむだ時間遅れ要素のモデル、6は速度オブザーバである。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素3あるいはむだ時間遅れ要素4が存在し、目標速度Vrとなる速度指令に追従するようにPI制御を行う速度制御系であって、機械系5の速度VMと速度オブザーバ6による機械系5の速度の推定値VMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差VM―VMOを出力する速度オブザーバ補償器10と、速度オブザーバ補償器10の出力と前記PI制御器2の出力Troとの和を入力する機械系のモデル8と、を備え、速度オブザーバ6は、機械系のモデル8の出力がフィルタ遅れ要素のモデル11およびむだ時間遅れ要素のモデル12を通った信号VMOが機械系5の速度VMと等しくなるように構成すると共に、機械系のモデル8の出力が速度制御系の速度フィードバック信号Vfとなるようにした点である。
【0006】
次に動作について説明する。
図1において、PI制御器2の出力Tr0と速度オブザーバ補償器10の出力を加算し、機械系(モータを含む)のモデル8に入力する。機械系(モータを含む)のモデル8の出力は、一方では制御系の速度フィードバック信号Vfとし、目標速度Vrから速度フィードバック信号Vfを減算した信号をPI制御器2に入力し、PI制御器2の出力Tr0をフィルタ遅れ要素3とむだ時間遅れ要素4に通してから機械系(モータを含む)に入力し、機械系(モータを含む)を制御し、他方ではフィルタ遅れ要素のモデル11とむだ時間遅れ要素のモデル12を通してから減算器9に入力し、機械系(モータを含む)の速度VMから減算された信号を速度オブザーバの補償器10に入力する。
図1より、開ループにおいて、PI制御器2の出力Tr0から速度フィードバック信号Vfまでの伝達関数は次式(1)で表される。
【0007】
【数1】
【0008】
このため、速度オブザーバの閉ループが安定であれば、図1の制御系を等価的に図2のように書き直すことができる。図2は図1の等価ブロック線図である、図2により、フィードバック制御系の安定性は遅れがない系と同様になり、PI制御器のゲインを大きく上げても制御系が不安定にならない。また、目標速度Vrから機械系の速度VMまでの伝達関数は次式(2)で表される。
【0009】
【数2】
【0010】
このように、PI制御器2のゲインKpとKiを上げることにより機械系の速度VMを目標速度Vrに精度よく追従することができる。また、速度オブザーバのループには遅れ要素があるが、式(2)より、入出力特性は速度オブザーバの補償器Co(s)と関係しないため、速度オブザーバの補償器Co(s)のゲインを低く設定しても構わない。従って、安定な速度オブザーバを容易に構成できる。
【0011】
したがって、本発明は、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素3あるいはむだ時間遅れ要素4が存在し、目標速度Vrとなる速度指令に追従するようにPI制御を行う速度制御系において、機械系(5)の速度VMと速度オブザーバ6による機械系5の速度の推定値VMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差VM―VMOを出力する速度オブザーバ補償器10と、速度オブザーバ補償器10の出力と前記PI制御器2の出力Troとの和を入力する機械系のモデル8と、を備え、速度オブザーバ6は、機械系のモデル8の出力がフィルタ遅れ要素のモデル11およびむだ時間遅れ要素のモデル12を通った信号VMOが機械系5の速度VMと等しくなるように構成すると共に、機械系のモデル8の出力が速度制御系の速度フィードバック信号Vfとなるようにしたので、制御系の遅れ要素を含む速度オブザーバを構成し、速度オブザーバの遅れない速度の推定値を速度フィードバック信号とすることにより、速度フィードバック信号の高周波成分を除去することができる。
また、制御系がフィードバック制御部分と速度オブザーバ部分に分離されるため、フィードバックループの安定性は遅れがない系と同様となり、PI制御器のゲインを大きく上げることができることから、制御系の応答性能を一段アップすることができる。
さらに、速度オブザーバのループには遅れ要素があるが、速度オブザーバの補償器が入出力特性に影響しないため、オブザーバの補償器のゲインを低く設定しても構わないので、安定なオブザーバを容易に構成できる。すなわち、速度フィードバック信号の高周波成分を除去し、高周波数の振動を起こさないように遅れ要素の位相遅れを補償するため、PI制御器のゲインを上げられ、機械系の速度を目標速度に精度よく追従することができる。
【0012】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素あるいはむだ時間遅れ要素が存在し、目標速度Vrとなる速度指令に追従するようにPI制御を行う速度制御系において、機械系の速度VMと速度オブザーバによる機械系の速度の推定値VMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差VM―VMOを出力する速度オブザーバ補償器と、速度オブザーバ補償器の出力と前記PI制御器の出力Troとの和を入力する機械系のモデルと、を備え、速度オブザーバは、機械系のモデルの出力がフィルタ遅れ要素のモデルおよびむだ時間遅れ要素のモデルにを通った信号VMOが機械系5の速度VMの推定値と等しくなるように構成すると共に、機械系のモデルの出力が速度制御系の速度フィードバック信号Vfとなるようにしたので、制御系の遅れ要素を含む速度オブザーバを構成し、速度オブザーバの遅れない速度の推定値を速度フィードバック信号とすることにより、速度フィードバック信号の高周波成分を除去することができる。
また、制御系がフィードバック制御部分と速度オブザーバ部分に分離されるため、フィードバックループの安定性は遅れがない系と同様となり、PI制御器のゲインを大きく上げることができることから、制御系の応答性能を一段アップすることができる。
さらに、速度オブザーバのループには遅れ要素があるが、速度オブザーバの補償器が入出力特性に影響しないため、オブザーバの補償器のゲインを低く設定しても構わないので、安定なオブザーバを容易に構成できる。すなわち、速度フィードバック信号の高周波成分を除去し、高周波数の振動を起こさないように遅れ要素の位相遅れを補償するため、PI制御器のゲインを上げられ、機械系の速度を目標速度に精度よく追従することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例における制御系の構成原理を表したブロック線図
【図2】 図1の等価ブロック線図
【図3】 通常のフィードバック制御系のブロック線図
【図4】 第1の従来技術を示す制御系のブロック線図
【図5】 第2の従来技術を示す制御系のブロック線図
【符号の説明】
1、9 減算器
2 PI制御器
3 フィルタ遅れ要素
4 むだ時間遅れ要素
5 モータを含む機械系
6 速度オブザーバ
7 加算器
8 モータを含む機械系のモデル
10 速度オブザーバ補償器
11 フィルタ遅れ要素のモデル
12 むだ時間遅れ要素のモデル
13 位相進み補償器
14 速度オブザーバ
Claims (1)
- 制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素(3)やむだ時間遅れ要素(4)が存在し、目標速度Vrとなる速度指令に追従するようにPI制御を行う速度制御系であって、
機械系(5)の速度VMと速度オブザーバ(6)による機械系(5)の速度の推定値VMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差VM―VMOを出力する速度オブザーバ補償器(10)と、前記速度オブザーバ補償器(10)の出力と前記PI制御器(2)の出力Troとの和を入力する機械系のモデル(8)と、を備え、前記速度オブザーバ(6)は、前記機械系のモデル(8)の出力がフィルタ遅れ要素のモデル(11)およびむだ時間遅れ要素のモデル(12)を通った信号VMOが前記機械系(5)の速度VMと等しくなるように構成すると共に、前記機械系のモデル(8)の出力が前記速度制御系の速度フィードバック信号Vfとなるようにしたことを特徴とする速度制御装置。
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