JP3864283B2

JP3864283B2 - Position control device

Info

Publication number: JP3864283B2
Application number: JP2001306659A
Authority: JP
Inventors: 文農張; 靖彦加来
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: JP2003111463A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、速度信号に基づき速度制御を行うとともに、位置信号に基づき位置制御を行う位置制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、通常の位置制御系は位置メインループ（以下では位置ループと称す）と速度マイナーループ（以下では速度ループと称す）で構成されている。図３はこのような通常の位置制御系のブロック線図である。
図３において、２は位置制御器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６は積分要素である。このような制御系では、制御系を安定とするため、速度ループの遮断周波数が位置ループの遮断周波数の数倍以上であるように制御器を構成する必要がある。
近年、産業用機械においては、高精度化および高速化の要求が高くなり、そのためには位置ループの周波数特性を向上させ、すなわち位置制御器および速度制御器のゲインを上げることが不可欠である。
しかし、速度ループには遅れ要素やアンプの非線形性などが存在するため速度制御器のゲインが十分に上げられない。また、位置ループでは速度ループの遅れの影響で位置ループの遮断周波数が速度ループの遮断周波数の１／４〜１／２位までしか位置制御器のゲインを上げられない。
また、速度指令とモータ側の位置信号を入力して構成したオブザーバを用いて、負荷側の位置を含む状態量を推定する方法が提案された（特開平６−２９２３８１）。この制御方法のオブザーバを用いて推定した位置信号をのみフィードバックするように構成した制御系は図４のようなものとなる。図４において、２は位置制御器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６，９は積分要素、７はオブザーバ、１０は速度ループのモデル、１２はオブザーバの補償器である。オブザーバループが安定となるようにオブザーバの補償器C_o（ｓ）を構成すれば、位置推定信号ｙ_oは位置信号ｙと一致するので、図４の制御系の安定性は図３の制御系の安定性と同じである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、前記従来技術では、速度ループの遅れの影響で位置制御器のゲインを大きく上げられないので、高精度かつ高速な位置制御ができない。
そこで、本発明は、前記従来技術の有する問題点を解消するため、速度ループの位相遅れを補償し、位置制御器のゲインを十分に上げられ、位置信号を位置指令に精度良く追従できる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】
前記の目的を達成するために、本発明は、速度マイナーループを備え、位置のフィードバック制御を行う位置制御装置において、制御出力である位置信号とオブザーバ７による位置推定信号の差をオブザーバ７の補償器１２に入力し、前記補償器１２の出力と位置制御器２の出力を加算して積分要素９に入力し、前記積分要素９の出力を速度ループのモデル１０に通した信号を前記位置推定信号とするように前記オブザーバ７を構成し、位置指令と前記積分要素９の出力との差を位置制御器２に入力し、前記位置制御器２の出力を速度指令とし、制御対象を制御することを特徴とする位置制御装置である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図において説明する。図１は本発明の制御系の構成原理を示すブロック線図である。図１において、２は位置制御器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６，９は積分要素、７はオブザーバ、１０は速度ループのモデル、１２はオブザーバの補償器である。図１に示すように、本発明の制御系は、図４に示した従来の制御系において、積分要素９と速度ループのモデル１０を置き換え、そして位置推定信号ｙ_oの代わりに位置先行信号ｙ_preを位置フィードバック信号ｙ_fとするものである。具体的に、制御出力である位置信号ｙとオブザーバ７による位置推定信号ｙ_oの差をオブザーバの補償器１２に入力し、オブザーバの補償器１２の出力と位置制御器２の出力ｖ_rを加算して積分要素９に入力する。積分要素９の出力ｙ_preは、一方では、速度ループのモデル１０に入力し、速度ループのモデル１０の出力ｙ_oを位置推定信号とするようにオブザーバ７を構成し、他方では、位置フィードバック信号ｙ_fとし、位置指令ｙ_rから位置フィードバック信号ｙ_fを減じて位置制御器２に入力し、位置制御器２の出力ｖ_rを速度指令とし、制御対象を制御する。
図１より、位置開ループにおいて、位置制御器２の出力である速度指令ｖ_rから位置信号ｙおよび位置フィードバック信号ｙ_fまでの伝達関数は
【０００６】
【数１】

【０００７】
となる。よって、オブザーバ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により、位置閉ループには速度ループのモデルがないので、遅れ要素が積分要素だけで、位置制御器２のゲインを大きく上げることができる。また、位置指令ｙ_rから位置信号ｙまでの伝達関数は
【０００８】
【数２】

【０００９】
となる。すなわち、位置ループの周波数特性が速度ループの周波数特性に近づき、位置ループの遮断周波数は従来と比べてかなり高くなる。従って、位置信号を位置指令に精度よく追従することができる。
なお、オブザーバのループには速度ループのモデルがあるが、式３により、入出力特性はオブザーバの補償器１２と関係しないため、オブザーバの補償器１２のゲインを低く設定しても構わない。従って、安定なオブザーバを容易に構成できる。
次に、この実施の形態における発明の効果について、シミュレーションしたので説明する。
イナーシャがＪである剛体系制御対象に対して、速度制御器を下記のようなＰＩ制御器
【００１０】
【数３】

【００１１】
とし、位置制御器をゲインがＫｐである比例制御器とする。そして、Ｋｖ＝２π×２００ｒａｄ／ｓ，Ｔ_i＝３．１８３ｍｓ，Ｋｐ＝２π×７０Ｈｚとすると、本発明の実施形態および従来技術の一巡伝達関数の周波数特性は図５に示すものとなる。図５より、本発明の実施形態の一巡伝達関数の位相は全周波域にわたって−９０°であるが、従来技術の一巡伝達関数の位相は周波数が大きくなると共に遅れが大きくなる。６０°以上の位相余裕を保つために、従来技術ではＫｐを２π×７０Ｈｚまでしか上げられないが、本発明ではＫｐをいくらでも大きく上げられる。Ｋｐ＝２π×１０００Ｈｚとする本発明の実施形態の入出力特性およびＫｐ＝２π×７０Ｈｚとする従来技術の入出力特性を図６に示す。図６より、本発明の実施形態の入出力特性は速度ループの入出力特性に近いが、従来技術の入出力特性の遮断周波数は速度ループの遮断周波数の約１／３である。また、速度パターンが三角形である位置指令に対して、本発明の実施形態および従来技術の位置偏差の時間カーブを図７に示す。図７より、従来技術と比べて、本発明の位置偏差の最大値は約１／９となった。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、速度指令と位置信号に基づき、速度ループのモデルと積分要素に対しオブザーバを構成し、速度ループのモデルを通る前の位置先行信号を位置フィードバック信号とすることにより、位置制御系がフィードバック制御部分とオブザーバ部分に分離できる。位置フィードバックループには速度ループの遅れが入ってこないので、位置制御器のゲインを大きく上げられるため、制御系の応答性能をアップすることができる。一方、オブザーバのループには速度ループのモデルがあるが、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御系の構成原理を示すブロック線図
【図２】図１の等価ブロック線図
【図３】通常の位置制御系のブロック線図
【図４】従来技術の位置制御系のブロック線図
【図５】本発明実施例の一巡伝達関数の周波数特性と従来技術の一巡伝達関数の周波数特性との比較
【図６】本発明実施例の入出力特性と従来技術の入出力特性との比較
【図７】本発明実施例の位置偏差と従来技術の位置偏差との比較
【符号の説明】
１、１１減算器
２位置制御器
３速度ループ
４速度制御器
５制御対象
６、９積分要素
７オブザーバ
８加算器
１０速度ループのモデル
１２オブザーバの補償器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position control device that performs speed control based on a speed signal and performs position control based on a position signal.
[0002]
[Prior art]
As is well known, a normal position control system is composed of a position main loop (hereinafter referred to as a position loop) and a speed minor loop (hereinafter referred to as a speed loop). FIG. 3 is a block diagram of such a normal position control system.
In FIG. 3, 2 is a position controller, 3 is a speed loop, 4 is a speed controller, 5 is an object to be controlled, and 6 is an integral element. In such a control system, in order to stabilize the control system, it is necessary to configure the controller so that the cutoff frequency of the speed loop is several times the cutoff frequency of the position loop.
In recent years, demands for high precision and high speed have increased in industrial machines, and for this purpose, it is essential to improve the frequency characteristics of the position loop, that is, increase the gains of the position controller and the speed controller.
However, since the speed loop includes delay elements and amplifier nonlinearity, the gain of the speed controller cannot be increased sufficiently. Further, in the position loop, the gain of the position controller can be increased only up to 1/4 to 1/2 of the cut-off frequency of the speed loop due to the delay of the speed loop.
Further, there has been proposed a method for estimating a state quantity including a load-side position using an observer configured by inputting a speed command and a motor-side position signal (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-29281). A control system configured to feed back only a position signal estimated using an observer of this control method is as shown in FIG. In FIG. 4, 2 is a position controller, 3 is a speed loop, 4 is a speed controller, 5 is an object to be controlled, 6 and 9 are integral elements, 7 is an observer, 10 is a model of a speed loop, and 12 is an observer compensator. It is. By configuring the observer of the compensator C _o (s) so that the observer loop becomes stable, since the position estimation signal y _o coincides with the position signal y, stability of the control system of Figure 4 the control system of FIG. 3 It is the same as the stability.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional technique, the gain of the position controller cannot be greatly increased due to the influence of the delay of the speed loop, and therefore high-precision and high-speed position control cannot be performed.
Therefore, the present invention eliminates the problems of the prior art and compensates for the phase delay of the speed loop, sufficiently increases the gain of the position controller, and can accurately follow the position signal to the position command. The purpose is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the present invention provides a position control device that includes a velocity minor loop and performs position feedback control, and compensates for the difference between the position signal as a control output and the position estimation signal from the observer 7 by the observer 7. The output of the compensator 12 and the output of the position controller 2 are added to the integration element 9 and input to the integration element 9, and the signal obtained by passing the output of the integration element 9 through the model 10 of the speed loop is estimated. The observer 7 is configured to be a signal, the difference between the position command and the output of the integration element 9 is input to the position controller 2, and the output of the position controller 2 is used as the speed command to control the controlled object. This is a position control device.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration principle of the control system of the present invention. In FIG. 1, 2 is a position controller, 3 is a speed loop, 4 is a speed controller, 5 is an object to be controlled, 6 and 9 are integration elements, 7 is an observer, 10 is a model of a speed loop, and 12 is an observer compensator. It is. As shown in FIG. 1, the control system of the present invention, in the conventional control system shown in FIG. 4, replacing the model 10 of the integral element 9 and the speed loop, and the position preceding signal y instead of the position estimation signal y _o _pre and is for the position feedback signal y _f. Specifically, enter the difference between the position estimation signal y _o by the position signal y and the observer 7 is a control output to the compensator 12 of the observer, adds the output v _r of the compensator 12 outputs the position controller 2 of the observer And input to the integration element 9. The output y _pre integral element 9, on the one hand, the input to the model 10 of the speed loop, constitutes the observer 7 to the output y _o model 10 of the speed loop and the position estimation signal, on the other hand, the position feedback signal and y _f, by subtracting the position feedback signal y _f from the position command y _r is input to the position controller 2, the output v _r of the position controller 2 to the speed command, controls the controlled object.
From FIG. 1, in the position open loop, the transfer function from the speed command v _r which is the output of the position controller 2 to the position signal y and the position feedback signal y _f is
[Expression 1]

[0007]
It becomes. Therefore, if the observer loop is stable, the control system of FIG. 1 can be equivalently rewritten as shown in FIG. According to FIG. 2, since there is no velocity loop model in the position closed loop, the gain of the position controller 2 can be greatly increased by using only an integral element as a delay element. The transfer function from the position command _yr to the position signal y is
[Expression 2]

[0009]
It becomes. That is, the frequency characteristic of the position loop approaches the frequency characteristic of the speed loop, and the cutoff frequency of the position loop is considerably higher than that of the conventional case. Therefore, the position signal can follow the position command with high accuracy.
Although the observer loop has a speed loop model, the gain of the observer compensator 12 may be set low because the input / output characteristics are not related to the observer compensator 12 according to Equation 3. Therefore, a stable observer can be easily configured.
Next, the effect of the invention in this embodiment is simulated and described.
For a rigid system control object whose inertia is J, the speed controller is a PI controller as follows:
[Equation 3]

[0011]
And the position controller is a proportional controller with a gain of Kp. Then, assuming that Kv = 2π × 200 rad / s, T _i = 3.183 ms, and Kp = 2π × 70 Hz, the frequency characteristics of the circular transfer function of the embodiment of the present invention and the prior art are as shown in FIG. From FIG. 5, the phase of the round transfer function of the embodiment of the present invention is −90 ° over the entire frequency range, but the phase of the round trip transfer function of the prior art increases as the frequency increases. In order to maintain a phase margin of 60 ° or more, the conventional technique can only increase Kp to 2π × 70 Hz, but the present invention can increase Kp as much as possible. FIG. 6 shows the input / output characteristics of the embodiment of the present invention in which Kp = 2π × 1000 Hz and the conventional input / output characteristics in which Kp = 2π × 70 Hz. From FIG. 6, the input / output characteristics of the embodiment of the present invention are close to the input / output characteristics of the speed loop, but the cutoff frequency of the input / output characteristics of the prior art is about 1/3 of the cutoff frequency of the speed loop. FIG. 7 shows a time curve of the position deviation of the embodiment of the present invention and the prior art with respect to the position command whose speed pattern is a triangle. From FIG. 7, the maximum value of the positional deviation of the present invention is about 1/9 compared with the prior art.
[0012]
【The invention's effect】
As described above, the present invention configures an observer for the speed loop model and the integral element based on the speed command and the position signal, and uses the position preceding signal before passing through the speed loop model as a position feedback signal. The position control system can be separated into a feedback control part and an observer part. Since there is no speed loop delay in the position feedback loop, the gain of the position controller can be greatly increased, so that the response performance of the control system can be improved. On the other hand, there is a speed loop model in the observer loop, but since the observer compensator does not affect the input / output characteristics, the observer compensator gain may be set low, making it easy to make a stable observer. Can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration principle of a control system of the present invention. FIG. 2 is an equivalent block diagram of FIG. 1. FIG. 3 is a block diagram of a normal position control system. FIG. 5 is a block diagram of the system. FIG. 5 is a comparison of the frequency characteristics of the circuit transfer function of the embodiment of the present invention and the frequency characteristics of the circuit transfer function of the prior art. Comparison with output characteristics [FIG. 7] Comparison between positional deviation of the embodiment of the present invention and positional deviation of the prior art [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF

SYMBOLS

1,11 Subtractor 2 Position controller 3 Speed loop 4 Speed controller 5 Control object 6, 9 Integration element 7 Observer 8 Adder 10 Model of speed loop 12 Compensator of observer

Claims

In a position control device that includes a speed minor loop and performs position feedback control, a compensator 12 of the observer 7 that inputs a difference between a position signal that is a control output and a position estimation signal from the observer 7, and an output of the compensator 12 An integrating element 9 for adding and inputting the output of the position controller 2, and configuring the observer 7 so that a signal obtained by passing the output of the integrating element 9 through a model 10 of a speed loop is used as the position estimation signal; A position control device that controls a control object using an output of a position controller 2 that inputs a difference between a position command and an output of the integration element 9 as a speed command.