JP4483314B2

JP4483314B2 - サーボ制御装置

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Publication number: JP4483314B2
Application number: JP2004019652A
Authority: JP
Inventors: 清太郎大田; 裕司中村; 篤志今津
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: WO2005073818A1; US20080111514A1; TW200530777A; JP2005215842A

Description

本発明は、高い指令追従精度を必要とする工作機、半導体製造装置、実装機などを駆動するサーボ制御装置に関する。

制御対象に制御入力を与えて制御対象の出力を制御入力の目標値に一致させるサーボ制御装置として、従来から様々な構成が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
図１１は特許文献１に開示されたサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。そのモータ制御装置は予測制御器６１と制御対象１から構成されており、制御対象１はモータ制御器３とモータ２からなっている。そして予測制御器６１の出力とモータ２の出力がモータ制御器３に入力され、目標指令増分値とモータの出力が予測制御器６１に入力される。モータ制御器３はモータ２を駆動し、制御入力に応じてモータ２の動作が制御される。
図１０はそのサーボ制御装置に用いられている予測制御器６１の構成を示すブロック図である。
予測制御器６１は、メモリ６２〜６５と、演算器６６、減算器６７、積算器６８を備えており、その前段に差分器６９が接続されている。そして、現在時刻ｉ・Ｔｓ（以下、便宜上、時刻ｉと称す。Ｔｓ：サンプリング周期）において、Ｋ（Ｋ≧０）サンプリング過去の制御対象の出力ｙ（ｉ−Ｋ）を入力した差分器６９の出力と、Ｍサンプリング未来の目標指令増分値Δｒ（ｉ＋Ｍ）とを予測制御器６１が入力すると、制御対象の出力を目標指令に一致させるよう働いて制御入力ｕ（ｉ）を出力する。

メモリ６２はサンプリングした複数の目標指令増分値を記憶しており、メモリ６３は制御用の定数Ｅ、ｖ_−Ｋ＋１, ・・・, ｖ_Ｍ, ｐ_０, ・・・, ｐ_Ｎａ−１, ｇ_１, ・・・, ｇ_{Ｎｂ＋Ｋ−１}を記憶している。またメモリ６４はサンプリングした複数の出力増分値を記憶しており、メモリ６５はサンプリングした複数の制御入力を記憶している。
減算器６７がＫサンプリング過去の目標指令増分値Δｒ（ｉ−Ｋ）から差分器６９の出力である出力増分値Δｙ（ｉ−Ｋ）を差し引くと、積算器６８がその出力を積算して偏差ｅ（ｉ−Ｋ）を求める。
演算器６６は、制御対象の制御入力から出力までの伝達関数モデルを用いて求めた未来偏差予測値と、偏差と、制御入力に関する評価関数が最小となるように、式（１）によって制御入力ｕ（ｉ）を求めている。

本構成によれば、未来の偏差予測値が最小となるように制御入力が決定されるため、追従精度のよいサーボ制御装置が実現される。
また、特許文献３には、フィードフォーワード信号作成指令フィルタを含むサーボ制御装置が提案されており、フィードフォーワード制御が施されても、予測精度が劣化せず追従精度を高くできることが示されている。

さらに、本出願人は速度や加速度が変化する時の追従精度をさらに向上する補償信号演算器を含むサーボ制御装置を提案している。
図１２は本出願人がすでに提案したサーボ制御装置に用いられている補償信号演算器の構成を示すブロック図である。
補償信号演算器１００は、フィルタ１０１と乗算器１０２、減算器１０３、位相調整器１０４、１０５を備えており、指令増分値を入力すると加減速時の目標指令と制御対象の出力の偏差が小さくなるよう働いて補償信号と目標指令増分値を出力する。このとき補償信号演算器１００が指令増分値を入力すると位相調整器１０５が位相調整し、フィルタ１０１がフィルタリングして目標指令増分値を出力する。また同時に位相調整器１０４が指令増分値を位相調整した信号から目標指令増分値を減算器１０３により減算し、その出力に乗算器１０２が調整ゲインを乗じて補償信号を出力する。
フィルタ１０１は、巡回型フィルタか非巡回型フィルタのいずれかの任意のローパスフィルタである。
位相調整器１０４、１０５はローパスフィルタとハイパスフィルタのいずれか、または位相調整用パラメータで設定されて所定の時間だけ遅延させる遅延器である。

図１３は、図１１の予測制御器と図１２の補償信号演算器を用いたサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。補償信号演算器１００の目標指令増分値は予測制御器６１に入力される。補償信号演算器１００が出力する補償信号と、予測制御器６１が出力する制御入力と、制御対象の出力は、モータ制御器３に入力され、モータ２の出力は予測制御器６１にも入力される。そして、モータ制御器３がモータ２を駆動し、制御入力に応じてモータ２の動作が制御される。

本構成によれば、未来の偏差予測値が最小となるように制御対象１の制御入力が決定されるため、追従制度の良いサーボ制御装置が実現され、速度や加速度の変化が大きいために制御器だけでは追従できないときであっても、補償信号演算器がフィードフォーワード補償信号によって制御対象の補償をするので、速度や加速度が大きく変動する指令を受けてもオーバーシュートや持続振動を生じることなく、高い追従精度で制御対象１を制御することができる。
特許第３１７５８７７号公報国際公開ＷＯ９３／２０４８９特開２００２−６２９０６号公報

ところが従来のサーボ制御装置は、目標指令と制御対象出力の偏差を小さくできるが、指令増分値をフィルタリングした信号を目標指令増分値として使用するため、指令増分値と目標指令増分値の間に遅れが生じ、指令と制御対象出力との間に偏差が生じるという問題があった。また、指令増分値をフィルタリングしないで目標指令増分値として使用すると、指令と目標指令間の遅れはないが、速度や加速度に大きな変動があれば追従誤差を生じるという問題があった。
そこで本発明は、速度や加速度が大きく変動しても、追従誤差を小さくし、さらに指令に対する目標指令の遅れを小さくすることによって指令と制御対象出力間の偏差を小さくすることができるサーボ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、指令に応じて制御対象を制御するサーボ制御装置であって、目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値を入力し、その目標指令増分値の積算値である目標指令と、前記制御対象の出力とを一致させるように制御入力を前記制御対象に送る制御器と、前記目標指令増分値を入力として加減速時の前記目標指令と前記制御対象の出力の偏差が小さくなるよう補償する補償信号を生成して前記制御対象に送る補償信号演算器と、を備えたサーボ制御装置において、前記補償信号演算器は、任意に決められた基準ローパスフィルタの逆伝達関数特性を備えて前記目標指令増分値を入力する逆伝達関数器と、その逆伝達関数器の出力から前記目標指令増分値を減算する減算器と、その減算器の出力に調整ゲインを乗じる乗算器とを有するものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記補償信号演算器は、さらに、前記乗算器の出力を位相調整する位相調整器を備えたものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記補償信号演算器は、さらに、前記減算器に入力される信号のうち、少なくとも１つの信号に位相調整をする位相調整器を備えたものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記サーボ制御装置は、さらに、前記目標指令増分値を位相調整した信号を前記制御器に送る位相調整器を有するものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記制御器は、前記制御対象における、未来時刻の偏差予測値と偏差と制御入力と制御入力増分値とに関する評価関数を最小とするように前記制御入力を決定する予測制御器で構成されたものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記制御対象の出力との偏差の比例、積分、あるいは微分演算のいずれか、またはそれらの組み合わせによって、制御入力を決定する位置制御器で構成されたものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記制御対象は、モータおよびその速度を制御する速度制御器を含み、前記制御器は、前記速度制御器に前記制御入力として速度指令を与え、前記補償信号演算器は、前記速度制御器に前記補償信号として、速度あるいはトルクを補償するフィードフォーワード信号を与えるものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記制御対象は、モータおよびそのトルクを制御するトルク制御器を含み、前記制御器は、前記トルク制御器に前記制御入力としてトルク指令を与え、前記補償信号演算器は、前記トルク制御器に前記補償信号として、トルクを補償するフィードフォーワード信号を与えるものである。

さらに、請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の発明であって、前記モータは、直進型モータである。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項２乃至４の何れかに記載の発明であって、前記位相調整器は、ローパスフィルタである。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項２乃至４の何れかに記載の発明であって、前記位相調整器は、ハイパスフィルタである。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項２乃至４の何れかに記載の発明であって、前記位相調整器は、信号を位相調整用パラメータで指定された時間分だけ遅延させる遅延器である。
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記基準ローパスフィルタは、巡回型フィルタである。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記基準ローパスフィルタは、非巡回型フィルタである。

本発明によると、速度指令や加速度指令が大きく変化するような場合でも高い追従性で制御対象を制御することができる。

本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明のサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。この図においてサーボ制御装置は補償信号演算器１０と予測制御器２０を備えており、制御対象１を制御する。
補償信号演算器１０は、図示しない上位指令器より与えられた目標指令値増分値、すなわち目標指令のサンプリング周期間の増分値を基に、補償信号を生成する。
予測制御器２０は、目標指令増分値と制御対象１の出力とを入力して所定の演算を行い、制御入力を生成して制御対象１に与える。このとき、予測制御器２０は、未来時刻の偏差予測値と、偏差と、制御入力と、制御入力増分値に関する評価関数を最小にするように制御入力を決定する。
予測制御器２０は、特許文献１〜３などに記載された既存のものであってよく、ここでは、例えば図１１に示したものを用いる場合について説明する。
図１１の例では制御対象１の伝達関数モデルが、Ｇｐ（ｚ）＝（ｂ_１ｚ^−１＋・・・＋ｂ_Ｎｂｚ^−Ｎｂ）／｛（１−ｚ^−１）(１−ａ_１ｚ^−１−・・・−ａ_Ｎａｚ^−Ｎａ)｝の離散時間系で与えられているとすると、その出力増分値モデルは式（２）となる。

なお、ここで、Δは、サンプリング周期間の増分値であることを示す。時刻ｉにおいては、時刻ｉ−Ｋまでの出力増分値の実測値Δｙ（ｉ−ｎ）（ｎ≧Ｋ）が得られているため、それ以降の出力増分値を、実測値を用いて、式（３ａ）、（３ｂ）で予測すると、出力増分値予測値Δｙ^＊（ｉ＋ｍ）は式（４）となる。

ここで係数Ａ_ｍｎ、Ｂ_ｍｎは、未来の制御入力をｕ（ｊ）＝０（ｊ＞ｉ）とすると、式（５ａ）、（５ｂ）、（６ａ）、（６ｂ）で与えられる。

ただし、ａ_ｎ＝０（ｎ＞Ｎａ）、ｂ_ｎ＝０（ｎ＜１及びｎ＞Ｎｂ）とする。
また、ｕ（ｊ）＝ｕ（ｉ）（ｊ＞ｉ）とすると、式（６ｂ）のＢ_ｍ０は式（６ｂ’）となる。

そこで、未来偏差ｅ^＊（ｉ＋ｍ）を式（７）で与え、式（８）の評価関数が最小となるように制御入力ｕ（ｉ）を決定すると、∂Ｊ／∂ｕ（ｉ）＝０より、式（１）が得られる。ただし、各定数、ｖ_ｍ、ｐ_ｎ、Ｅ、ｇ_ｎは式（９）で与えられる。

ここで、Ｋ＝０とすると、式（８）の評価関数は式（１０）のようになり、この評価関数を最小にする制御入力ｕ（ｉ）は式（１１）で得られる。

予測制御器２０が出力する制御入力と、補償信号演算器１０の補償信号と、制御対象の出力はモータ制御器３に入力され、モータ２の出力は予測制御器２０にも入力される。そして、モータ制御器３がモータ２を駆動し、制御入力に応じてモータ２の動作が制御される。

図２は補償信号演算器１０の構成を示すブロック図であり、補償信号演算器１０は逆伝達関数器１１と乗算器１２、減算器１３から構成されている。
逆伝達関数器１１は目標指令増分値を入力すると予め設定した基準ローパスフィルタの逆伝達関数特性に従って演算して信号Ｓ１を出力する。減算器１３が信号Ｓ１から目標指令増分値を減算すると、乗算器１２がゲインＫを乗じて補償信号を生成して出力する。

以上説明したように、本発明によれば、目標指令増分値に従って予測制御器２０が制御対象１を制御すると共に、逆伝達関数器の出力と目標指令増分値の差に調整ゲインを乗じて補償信号演算器１０の出力としている。これを制御対象１のフィードフォーワード補償信号とするので、速度や加速度が大きく変動する指令に対してもオーバーシュートや持続振動が生じることなく、高い追従精度で制御対象１を制御することができる。さらに、予測制御器２０に入力する指令には遅れが発生しない。

図２には補償信号演算器の構成の一例を示したが、その他の構成も可能であり、以下、その変形例について説明する。
図３は、第２の補償信号演算器の構成を示すブロック図である。図３の補償演算器１０ａが図２の補償信号演算器１０と異なるのは、乗算器１２の出力の位相調整をしてから補償信号としている点である。
図４は、第３の補償信号演算器の構成を示すブロック図である。図４の補償演算器１０ｂが図２の補償信号演算器１０と異なるのは、減算器１３の入力の両方を位相調整器１５，１６で位相調整した点である。２つの位相調整器１５、１６のいずれか一方だけを設けるという構成でもよく、より効果的な構成を選択すればよい。
図５は第４の補償信号演算器の構成を示すブロック図であり、乗算器１２の前段に微分器１７を設けただけの構成をしている。
補償信号演算器１０ｃに入力された目標指令増分値は微分器１７で微分して乗算器１２でゲインＫが乗じられ、補償信号としている。

図６は第５の補償信号演算器の構成を示すブロック図であり、図５に示した補償信号演算器１０ｃの乗算器１２の後に位相調整器１４を追加したものである。この構成により乗算器１２の出力を位相調整して補償信号としている。
制御対象１のモータ制御器３が速度制御器であれば、モータ制御器３の制御入力は速度指令であり、補償信号はモータ制御器３内の速度あるいはトルクを補償するフィードフォーワード信号である。
制御対象１のモータ制御器３がトルク制御器であればモータ制御器３の制御入力はトルク指令であり、補償信号はモータ制御器３内のトルクを補償するフィードフォーワード信号である。
補償信号演算器１０ａ、１０ｂ、１０ｄに含まれる各位相調整器１４〜１６は、ローパスフィルタとハイパスフィルタのいずれか、あるいは位相調整用パラメータに設定した時間だけ信号を遅延させる遅延器でありこの中から効果的なものを自由に選択することができる。
逆伝達関数器１１を構成する基準ローパスフィルタは、巡回型フィルタと非巡回型フィルタのうち効果の高いものを選択すればよい。
各位相調整器１４〜１６の位相調整値と乗算器１２の調整ゲインＫは、目標指令と制御対象出力との偏差ができる限り小さくなるように調整すればよい。例えば、調整ゲインＫを、一定加速度で加速している時に偏差が小さくなるように調整し、各位相調整器１４〜１６の位相調整値を、加速度が変化している時に偏差が小さくなるように調整すればよい。

図７は、第２のサーボ制御装置の構成を示したブロック図であり、図１と異なるのは予測制御器２０の前段に位相調整器４０を設けた点である。この位相調整器４０により目標指令増分値を位相調整し、予測制御器２０に入力している。位相調整器４０はローパスフィルタとハイパスフィルタのいずれか、あるいは位相調整用パラメータに設定した時間だけ信号を遅延させる遅延器であり、この中から効果的なものを選択することができる。

図８は、第３のサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、図１と異なるのは予測制御器２０を位置制御器３０に変えた点である。
位置制御器３０は、目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、制御対象の出力とが一致するように制御入力を調整する。例えば、位置制御器３０は、目標指令とモータ位置の偏差の比例（Proportional）、積分（Integral）、あるいは微分（Derivative）のいずれか、またはそれらの組み合わせの演算によって制御入力を決定するＰＩＤ制御器とすればよい。
位置制御器３０が出力した制御対象１の制御入力は、制御対象１のモータ制御器３に入力される。

図９は、第４のサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、図８と異なるのは位置制御器３０の前段に位相調整器４０を加えた点である。この位相調整器４０は目標指令増分値を位相調整してその出力が位置制御器３０に入力される。位相調整器４０はローパスフィルタとハイパスフィルタのいずれか、あるいは位相調整用パラメータに設定した時間だけ信号を遅延させる遅延器であり、この中から効果的なものを選択することができる。
ここで、位置制御器３０は、モータ制御器３の構成に合わせて自由に構成できる。例えば、モータ制御器３がモータ２の速度制御を行う場合、位置制御器３０は、速度指令を制御入力としてモータ制御器３に送るＰＩＤ制御器として構成すればよい。
また、モータ制御器３がトルク制御のみを行う場合、位置制御器３０は、単純なＰＩＤ制御器や内部に速度制御器を含むものとして構成すればよい。
また、第１ないし第４の実施例において、モータ２が推力指令により駆動されるリニアモータなどの直進型アクチュエータである場合も、上述したものと同様の構成のサーボ制御装置を適用可能である。

フィードフォーワード補償信号を補償信号として補償することによって、追従精度を改善することができるので、同期制御を行うような機械にも適用できる。

本発明のサーボ制御装置の構成を示すブロック図補償信号演算器の構成を示すブロック図第２の補償信号演算器の構成を示すブロック図第３の補償信号演算器の構成を示すブロック図第４の補償信号演算器の構成を示すブロック図第５の補償信号演算器の構成を示すブロック図第２のサーボ制御装置の構成を示すブロック図第３のサーボ制御装置の構成を示すブロック図第４のサーボ制御装置の構成を示すブロック図従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック図従来のサーボ制御装置に適用された予測制御器の構成を示すブロック図補償信号演算器の構成を示すブロック図予測制御器と補償制御器とを適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１制御対象、２モータ、３モータ制御器、
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ補償信号演算器、
１１逆伝達関数器、１２、１０２乗算器、１３、１０３減算器、
１４〜１６、４０、１０４、１０５位相調整器、
１７微分器、２０、６１予測制御器、３０位置制御器、
６２〜６５メモリ、６６演算器、６７減算器、
６８積算器、６９差分器、１００従来の補償信号演算器、
１０１フィルタ、Ｓ１信号

Claims

指令に応じて制御対象を制御するサーボ制御装置であって、
目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値を入力し、その目標指令増分値の積算値である目標指令と、前記制御対象の出力とを一致させるように制御入力を前記制御対象に送る制御器と、
前記目標指令増分値を入力として加減速時の前記目標指令と前記制御対象の出力の偏差が小さくなるよう補償する補償信号を生成して前記制御対象に送る補償信号演算器と、を備えたサーボ制御装置において、
前記補償信号演算器は、任意に決められた基準ローパスフィルタの逆伝達関数特性を備えて前記目標指令増分値を入力する逆伝達関数器と、その逆伝達関数器の出力から前記目標指令増分値を減算する減算器と、その減算器の出力に調整ゲインを乗じる乗算器と、を有することを特徴とするサーボ制御装置。
前記補償信号演算器は、さらに、前記乗算器の出力を位相調整する位相調整器を備えたことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記補償信号演算器は、さらに、前記減算器に入力される信号のうち、少なくとも１つの信号に位相調整をする位相調整器を備えたことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記サーボ制御装置は、さらに、前記目標指令増分値を位相調整した信号を前記制御器に送る位相調整器を有することを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記制御器は、前記制御対象における、未来時刻の偏差予測値と偏差と制御入力と制御入力増分値とに関する評価関数を最小とするように前記制御入力を決定する予測制御器で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記制御対象の出力との偏差の比例、積分、あるいは微分演算のいずれか、またはそれらの組み合わせによって、制御入力を決定する位置制御器で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記制御対象は、モータおよびその速度を制御する速度制御器を含み、
前記制御器は、前記速度制御器に前記制御入力として速度指令を与え、
前記補償信号演算器は、前記速度制御器に前記補償信号として、速度あるいはトルクを補償するフィードフォーワード信号を与えることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記制御対象は、モータおよびそのトルクを制御するトルク制御器を含み、
前記制御器は、前記トルク制御器に前記制御入力としてトルク指令を与え、
前記補償信号演算器は、前記トルク制御器に前記補償信号として、トルクを補償するフィードフォーワード信号を与えることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記モータは、直進型モータであることを特徴とする請求項７又は８に記載のサーボ制御装置。
前記位相調整器は、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載のサーボ制御装置。
前記位相調整器は、ハイパスフィルタであることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載のサーボ制御装置。
前記位相調整器は、信号を位相調整用パラメータで指定された時間分だけ遅延させる遅延器であることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載のサーボ制御装置。
前記基準ローパスフィルタは、巡回型フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
前記基準ローパスフィルタは、非巡回型フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。