JP4463584B2

JP4463584B2 - 追従制御装置及びこれを用いた制御システム

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Publication number: JP4463584B2
Application number: JP2004043002A
Authority: JP
Inventors: 悟史溝上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005237111A

Description

本発明は第1の制御対象の位置を検出して第１の制御対象に追従して第２の制御対象を制御する追従制御装置に関するものである。

従来の追従制御装置として下記特許文献１の記載の技術が知られている。かかる技術は、基準となる回転軸とこれに同期して追従させる回転軸とにそれぞれ設けられた各エンコーダの出力信号から基準軸と追従軸との角度偏差を検出し、この角度偏差を増幅して追従軸の速度補正値とし、これを基準側エンコーダから検出される基準側速度に加算し、追従軸駆動用インバータへ速度指令として与えて同期制御するに当たり、角度偏差と追従軸駆動用インバータの加減速時間と最高速度との関数で表わされる速度補正値の制限値を算出し、この制限値により速度補正値を制限して制御するものである。

かかる追従制御装置によれば、追従側インバータへの速度補正量の制限値を２軸の角度偏差と追従軸駆動用インバータの加減速時間と最高速度との関数で変化させることにより、同期の応答性を高める。短時間で基準速度へ到達すると同時に、同期が完了できるものである。
特開平５−１３０７９３号公報

しかしながら、上記追従制御装置は、追従側のモータ速度を基準側のモータ速度に速やかに追従して同期することを目的としている。よって、何らかの原因により追従側のモータ加速度が急変すると、基準側のモータ加速度も急変して振動等が生じ得るという問題点があった。

しかも、上記追従制御装置は、基準側モータとこれに同期する追従側モータとにそれぞれ設けられた基準側エンコーダと追従側エンコーダとの角度偏差を一致させる制御システムに対して有効な技術である。すなわち、追従側モータを基準側モータに追従・同期制御する技術を対象にした改良である。
このため、基準位置エンコーダと追従側エンコーダとが所定の角度偏差を有することが必然的な制御システム、例えば追従側モータが基準側モータに対して所定の比率で移動する比率同期制御や、基準側エンコーダが検出した角度位置に応じて速度信号を発生させる位置パターン(カムパターン)を持たせた電子的なカム制御を、追従軸側モータで成す制御には適用できないという問題があった。

さらに、上記追従制御装置は基準側エンコーダと追従側エンコーダとの角度偏差に基いて速度指令を追従軸駆動用インバータに与えるまでの遅れ時間を要する。このため、該遅れ時間に基いて追従側モータが基準側モータに対して遅れるので、追従動作の精度が低下し得るという問題点があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、第一に、基準側の制御対象に起因する急激な加速度の振動成分を除去すると共に、基準側の制御対象と追従側の制御対象とが比率同期制御等ができたり、第二に、第一の目的に加え、制御装置の一定時間毎に演算される処理に起因する遅れ成分を補正したりし得る追従制御装置及びこれを用いたモータ制御システムを提供することを目的とするものである。

第１の発明に係る追従制御装置は、第１の制御対象の位置を検出して位置検出信号に基いて位置指令信号を生成し、該位置指令信号に基いて第２の制御対象を前記第１の制御対象に追従制御する追従制御装置であって、時間的変化分より前記位置検出信号の加速度成分を抽出して加速度抽出信号を発生する抽出手段と、入力された前記加速度抽出信号が所定値に達したことにより該加速度抽出信号を制限して加速度制限信号を発生する加速度リミッタ手段と、前記加速度制限信号に基いて前記位置指令信号を生成する位置指令生成手段と、を備えたことを特徴とするものである。

第２の発明に係る追従制御装置における位置指令生成手段は、加速度制限信号に基いて速度制限信号を生成する第１の生成手段と、速度制限信号に基いて前記位置指令信号を生成する第２の生成手段とを有しており、抽出手段は、前記位置検出信号と前記位置指令信号との第1の差を求めると共に、該第１の差に基いて速度抽出信号を生成する速度抽出手段と、前記速度制限信号と前記速度抽出信号との第２の差を求めると共に、該第２の差に基いて前記加速度抽出信号を発生する加速度抽出手段とを有している、ことを特徴とするものである。

第３の発明に係る追従制御装置は、前回と今回の位置検出信号の差に基いて、抽出手段、加速度リミッタ手段、位置指令生成手段の各動作時間の遅れを推定して現在の予測位置検出信号を発生する位置推定手段を備え、前記位置検出信号の代わりに、前記予測位置検出信号を用いる、ことを特徴とするものである。

第４の発明に係る追従制御装置は、加速度抽出信号の所定値を予め定められた第1の制御対象の加減速度パターンに基いて変更するリミット値変更手段を、備えたことを特徴とするものである。

第５の発明に係る制御システムは、第１及び第２の制御対象、追従制御装置と、位置指令信号に基いて前記第２の制御対象を駆動制御する制御手段とを、を備えたことを特徴とするものである。

以上のように、第１の発明によれば、位置検出信号の時間的変化分より加速度成分を抽出して加速度抽出信号を発生する抽出手段と、入力された前記加速度抽出信号が所定値に達したことにより該加速度抽出信号を制限して加速度制限信号を発生する加速度リミッタ手段と、前記加速度制限信号に基いて前記位置指令信号を生成する位置指令生成手段とを備えたので、第１の制御対象に振動が発生しても、位置検出信号の時間的変化分より抽出された加速度抽出信号を、加速度リミッタ手段が該加速度抽出信号を制限することで振動成分を抑制する。したがって、第１の制御対象が異常な加速度を発生しても、該異常な加速度に第２の制御対象が追従することなく追従制御できると共に、第１の制御対象と第２の制御対象とが比率同期制御等ができるという効果がある。

第２の発明によれば、位置指令生成手段、抽出手段とを簡易に構成できるという効果がある。

第３の発明によれば、追従制御装置の遅れ時間を補正するようにしたので、第２の制御対象を第１の制御対象に精度良く追従できるという効果がある。

第４の発明によれば、所定値を予め定められた第1の制御対象の加減速度パターンに基いて変更するリミット値変更手段を備えたので、第１の制御対象が加減速中であれば、一定速中に比較してリミット値を高くすることにより誤動作を防ぎつつ、第１の制御対象が異常な加速度を発生しても、該異常な加速度に第２の制御対象が追従することなく追従制御できるという効果がある。

第５の発明によれば、第１及び第２の制御対象、追従制御装置と、位置指令信号に基いて前記第２の制御対象を駆動制御する制御手段と、を備えた制御システムを構築でき、上記の第１から第４の何れかの発明の効果がある。

実施の形態１
本発明の一実施の形態を図１及び図２によって説明する。図１は一実施の形態を示す追従制御装置を用いたモータ制御システムのブロック図、図２は図１に示す追従制御装置のブロック図である。
図１において、モータ制御システムは、第１の制御対象としての基準側モータＭａ２と、基準側モータＭａ２の位置を検出して位置検出信号Ｐsを発生するエンコーダ４と、位置検出信号Ｐsを入力して加速度成分を抽出して、所定の加速度以上になると、制限した加速度制限信号に基いて位置指令信号Ｐrを発生する追従制御装置１０と、該位置指令信号Ｐrに基いて第２の制御対象としてのモータＭb１０３を駆動・制御する制御手段としてのサーボ制御装置１００とを備え、基準側モータＭａ２の駆動に伴い、所定の関係を有しつつ追従側モータＭb１０３が駆動する追従制御をするように形成されている。
サーボ制御装置１００には予め記憶されたテーブル１００tから位置指令信号Ｐrに対応する速度指令信号Ｖrを読み出して追従側モータＭb１０３を駆動制御する所謂電子化カム制御を形成している。ここで、追従制御とは、追従側モータＭb１０３を基準側モータＭａ２に同期して追従するばかりでなく、基準側モータＭａ２に対して追従側モータＭb１０３が所定の比率を有して移動すること、基準側モータＭａ２の移動に対して追従側モータＭb１０３が所定の速度にて回転する電子カムなどを含む意である。

図２において、追従制御装置１０は、前回と今回の位置検出信号Ｐsの差に基いて、追従装置１０の遅れ時間を補正するための遅延位置検出信号Ｐtを発生する遅れ補正手段としての遅れ補正部１１と、遅延位置検出信号Ｐtと位置検出信号Ｐｓとの和を求めることにより基準側モータＭa２の現在の位置、すなわち、現在の位置検出信号Ｐsを推定した予測位置検出信号Ｐａを発生する加算器１８と、予測位置検出信号Ｐaと位置指令信号Ｐrとの第1の差によりサンプリング時間毎の時間的変化分より基準側モータＭa２の速度検出信号Ｖaを抽出する速度抽出手段としての第1減算器から成る速度抽出部２０と、速度抽出信号Ｖaと速度制限信号ＶLとの第２の差によりサンプリング時間ごとの時間的変化より基準側モータＭa２の加速度成分を抽出して加速度抽出信号αaを発生する加速度抽出手段としての第２減算器から成る加速度抽出部２２とを有している。なお、位置推定手段は、遅れ補正部１１、加算器１８から成っている。また、抽出手段は、速度抽出部２０と加速度抽出部２２とから成っている。

さらに、追従制御装置１０は、加速度抽出信号αaが予め定められた所定値に達したことにより加速度抽出信号αaを制限して加速度制限信号αLを発生する加速度リミッタ手段としてのリミッタ部２４と、加速度制限信号αLに基いて位置指令信号Ｐrを発生する位置指令生成部２５を備え、位置指令生成部２５は、加速度制限信号αLに基いて速度制限信号ＶLを生成する第1の生成手段としての第1積分器２６と、速度制限信号ＶLに基いて位置指令信号Ｐrを生成する第２の生成手段としての第２積分器２８とを有している。
そして、位置指令信号Ｐrを予測位置検出信号(位置検出信号) Ｐａにフィードバックし、すなわち、速度抽出部２０が予測位置検出信号(位置検出信号) Ｐａから位置指令信号Ｐrをサンプリング時間毎に減算して速度抽出信号Ｖaを発生している。また、追従制御装置１０は、速度制限信号ＶLを速度抽出信号Ｖaにフィードバックし、すなわち、加速度抽出部２２が速度抽出信号Ｖaから速度制限信号ＶLをサンプリング時間毎に減算して加速度抽出信号αaを発生するマイナーループを有している。

遅れ補正部１１は、基準側モータＭａ２の今回の位置検出信号Ｐsと前回位置検出部１２により前回の位置検出信号Ｐsとの差をサンプリング時間毎に求めて速度検出信号Ｖｒを求める速度減算器１４を備えている。
速度検出信号Ｖｒに、追従制御装置１０の入力に対する出力の遅れ時間を考慮した遅れ補正係数Ｋff（＞1）を有すると共に、遅延位置検出信号Ｐtを発生する遅れ補正部１６と、遅延位置検出信号Ｐtと位置検出信号Ｐsとを加算すると共に、予測位置検出信号Ｐaを発生する位置加算部１８を有している。

上記のように構成された追従制御装置を用いたシステムの動作を図１及び図２によって説明する。まず、基準側モータＭａ２が動作しているとすると、エンコーダ４が位置検出信号Ｐsを発生して、位置検出信号Ｐsを追従制御装置１０の前回位置検出部１２と速度減算器１４に入力する。前回位置検出部１２は、前回の位置検出信号Ｐsを求めて速度減算器１４に入力し、速度減算器１４はサンプリング時間毎に前回の位置検出信号Ｐsと今回の位置検出信号Ｐsとの差により速度検出信号Ｖsを求め、その速度検出信号Ｖsを遅れ補正部１６に入力する。遅れ補正部１６は、速度検出信号Ｖsに基いて遅延位置検出信号Ｐtを求めて、その遅延位置検出信号Ｐtを位置加算部１８に入力し、位置加算部１８は、遅延位置検出信号Ｐtと位置検出信号Ｐrとを加算して予測位置検出信号Ｐaをサンプリング時間毎に加算して速度抽出器２０に入力する。

速度抽出器２０は、位置指令信号Ｐrと予測位置検出信号Ｐaとの第1の差をサンプリング時間ごとに求めた速度抽出信号Ｖaを加速度減算器２２に入力する。加速度減算器２２は、速度抽出信号Ｖaと速度制限信号ＶLとの第２の差をサンプリング時間ごとに求めた加速度抽出信号αaをリミッタ部２４に入力する。リミッタ部２４は加速度抽出信号αaが予め定められた所定値に達すると、加速度抽出信号αaを制限して加速度制限信号ＶLを第1積分器２６に入力する。第1積分器２６は加速度制限信号αLを積分して速度制限信号ＶLを第２積分器２８に入力し、第２積分器２８は速度制限信号ＶLを積分して位置指令信号Ｐrをサーボ制御装置１００に入力する。サーボ制御装置１００は追従側モータＭｂ１０３を基準側モータＭａに追従しながら電子カム制御をする。

上記のように追従制御装置１０は、基準側モータＭａ２の加速に基く位置検出信号の急激な変化を、加速度抽出信号として抽出し、該加速度抽出信号が所定の値を超えると、リミッタ部２４がリミットした加速度制限信号ＶLに基いてモータＭｂ１０３を駆動する。したがって、何らかの原因により基準側モータＭａ２が急加減速しても、追従する追従側モータＭｂ１０３が急激に動作することを防止できるものである。
しかも、追従制御装置１０自体の演算遅れ時間を考慮した予測位置検出信号Ｐaを推定して求め、該予測位置検出信号Ｐaに基いて位置指令信号Ｐrを得たので、追従側モータＭｂ１０３を基準側モータＭａ２に追従させる追従精度が向上するものである。
なお、上記の実施の形態では、予測位置検出信号Ｐaと位置指令信号Ｐrとのとの差により速度抽出信号Ｖaを発生したが、遅れ補正部１１を削減して位置検出信号Ｐsと位置指令信号Ｐrとのとの差により速度抽出信号Ｖaを発生しても良い。

実施の形態２.
本発明の他の実施の形態を図１及び図３によって説明する。図３は他の実施の形態による追従制御装置のブロック図である。図３中、図２と同一符号は同一又は相当部分を示し説明を省略する。
図３において、追従制御装置１１０は、基準側モータＭａ２の位置対速度との曲線に基いて、予定された時間対加速度曲線のテーブル４０が得られる。かかるテーブル４０の時間対加速度曲線に基いてリミッタ部２４のリミット値を変更して加速度制限信号αLL，αLaを得るものである。すなわち、基準側モータＭａ２が加減速中であれば、一定速中の加速度制限信号αLLに比較してリミット値を高くした加速度制限信号αLaとすることにより誤動作を防ぎつつ、より振動を抑制するものである。

上記のように各種産業機器などに用いられる第２の制御対象を第１の制御対象に追従させる追従制御装置に適用できる。

本発明の一実施の形態を示す追従制御装置を用いたモータ制御システムのブロック図である。図１に示す追従制御装置のブロック図である。本発明の他の実施の形態によるブロック図である。

符号の説明

２第１の制御対象、４エンコーダ、１０追従制御装置、２４リミッタ部、１０３第２の制御対象。

Claims

第１の制御対象の位置を検出して位置検出信号に基いて位置指令信号を生成し、該位置指令信号に基いて第２の制御対象を前記第１の制御対象に追従制御する追従制御装置であって、
時間的変化分より前記位置検出信号の加速度成分を抽出して加速度抽出信号を発生する抽出手段と、
入力された前記加速度抽出信号が所定値に達したことにより該加速度抽出信号を制限して加速度制限信号を発生する加速度リミッタ手段と、
前記加速度制限信号に基いて前記位置指令信号を生成する位置指令生成手段と、を備えたことを特徴とする追従制御装置。
前記位置指令生成手段は、前記加速度制限信号に基いて速度制限信号を生成する第１の生成手段と、前記速度制限信号に基いて前記位置指令信号を生成する第２の生成手段とを有しており、
前記抽出手段は、前記位置検出信号と前記位置指令信号との第1の差を求めると共に、該第１の差に基いて速度抽出信号を生成する速度抽出手段と、前記速度制限信号と前記速度抽出信号との第２の差を求めると共に、該第２の差に基いて前記加速度抽出信号を発生する加速度抽出手段とを有している、
ことを特徴とする請求項１に記載の追従制御装置。
前回と今回の前記位置検出信号の差に基いて、前記抽出手段、前記加速度リミッタ手段、前記位置指令生成手段の各動作時間の遅れを推定して現在の予測位置検出信号を発生する位置推定手段を備え、
前記位置検出信号の代わりに、前記予測位置検出信号を用いる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の追従制御装置。
前記加速度抽出信号の前記所定値を予め定められた前記第1の制御対象の加減速度パターンに基いて変更するリミット値変更手段を、
備えたことを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の追従制御装置。
前記第１及び第２の制御対象、前記追従制御装置と、
前記位置指令信号に基いて前記第２の制御対象を駆動制御する制御手段とを、
備えたことを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の制御システム。