JP4577107B2 - 機械位置制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械や部品実装機など、電動機等のアクチュエータを用いて駆動することにより機械系の位置を制御する、機械位置制御装置に関するものである。

従来の機械位置制御装置は、負荷の位置の検出値である負荷位置信号にローパスフィルタを作用させた信号と、電動機の位置の検出値である電動機位置信号にハイパスフィルタを作用させた信号とを加算した信号、すなわち、電動機による負荷の駆動系が有限剛性であることにより、負荷位置信号の位相遅れが顕著となる共振周波数以上の周波数帯域については、位相遅れの無い電動機位置信号を用いた信号を位置制御器へのフィードバック信号とすることにより、制御系の安定を図るように構成されている（例えば特許文献１）。

また、前置補償部を設けて、位置指令信号に基づく入力変数の２階微分値にゲインを乗じた信号をフィードフォワード補償値として入力変数に加算することにより、機械系における移動方向の変形誤差を補償して、高精度の制御を可能とするように構成されている（例えば特許文献２）。

特開２００４−３３４７７２号公報（図１） 特開平１１−１８４５２９号公報（図３、図４）

負荷位置信号にローパスフィルタを作用させた信号と、電動機位置信号にハイパスフィルタを作用させた信号とを加算して位置制御器へのフィードバック信号とする構成では、負荷の位置制御の精度を高くするためにはハイパスフィルタ及びローパスフィルタのフィルタ周波数を大きく上げる必要がある。しかし、電動機による負荷の駆動系の剛性が低い場合は、フィルタ周波数を大きくすると制御系が不安定になるため、フィルタ周波数を十分大きくすることができずに負荷の位置を高精度に制御するのが困難であるという問題があった。

また、前置補償部を設ける構成では、位置指令信号に基づく入力変数の２階微分値に基づいてフィードフォワード補償値を演算して加算するため、位置指令信号の変化に対してトルク指令信号の変化が急峻になり、制御対象に与える衝撃が大きくなるため、十分に位置制御器のゲインを大きくすることができない。その結果、高精度な負荷の位置制御を実現するのが困難であり、また、制御対象に外乱が入力したときに生じる振動を抑制することができないという問題があった。

この発明の機械位置制御装置は、位置速度制御回路において、負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、電動機の現在位置を示す電動機位置信号及び電動機の現在速度を示す電動機速度信号に加えて、更に電動機及び負荷の現在位置に関する参照情報である制御対象位置信号をフィードバックして、電動機が負荷を駆動するトルクの目標値を示すトルク指令信号を演算するものであって、制御対象位置信号は、負荷の現在位置の測定値である負荷位置信号を、位相を進ませる伝達関数に基づいて、安定化補償回路において位相遅れを補償した補償負荷位置信号の低周波成分からなる信号と、電動機位置信号の高周波成分からなる信号とを位置信号合成回路において合成するように構成したものである。

この発明によれば、電動機による負荷の駆動系の剛性が低い場合でも、負荷位置信号をフィードバックして行う負荷の位置制御を、電動機位置信号だけをフィードバックするセミクローズ制御と同等の安定性で行えるようにすることで、高精度の負荷の位置制御が可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による機械位置制御装置を示すブロック図である。
制御対象１０は、負荷２０を駆動する電動機３０等から構成され、電動機３０はタイミングベルトやボールネジといったトルク伝達機構４０を介して負荷２０を駆動し、その電動機３０のトルクτ_mは、トルク制御回路５０によりトルク指令信号τ_rに一致するように制御される。
また、電動機３０に取り付けられたエンコーダなどの電動機位置検出器６０により、電動機３０の現在位置を検出して電動機位置信号ｘ_mとして出力し、負荷２０に取り付けられたリニアスケールなどの負荷位置検出器７０により、負荷２０の現在位置を検出して負荷位置信号ｘ_lとして出力する。

安定化補償回路８０は、負荷位置信号ｘ_lを入力として、負荷位置信号ｘ_lの位相遅れを補償した補償負荷位置信号ｘ_lcを出力し、位置信号合成回路９０は、補償負荷位置信号ｘ_lcと電動機位置信号ｘ_mとを入力として、電動機及び負荷の位置に関するフィードバック信号である制御対象位置信号ｘ_fbを出力する。
速度演算回路１００は、電動機位置信号ｘ_mを入力として、電動機の速度の現在値を示す電動機速度信号ｖ_mを出力する。
位置速度制御回路１１０は、位置指令信号ｘ_rと制御対象位置信号ｘ_fbとを入力として、速度の目標値である速度指令ｖ_rを出力する位置ゲイン回路１２０と、速度指令ｖ_rと電動機速度信号ｖ_mとを入力として、トルク指令信号τ_rの算出の基礎となる基礎制御トルク信号τ_bを出力する速度ＰＩ制御回路１３０とからなる。
減衰補償回路１４０は、位置指令信号ｘ_rと電動機位置信号ｘ_mと負荷位置信号ｘ_lを入力として、外部から設定する減衰調整パラメータαに基づいて、基礎制御トルク信号τ_bを補正する減衰補償トルク信号τ_cを出力する。この減衰補償トルク信号τ_cを基礎制御トルク信号τ_bに加算した信号がトルク指令信号τ_rとなる。

次に動作について説明する。
位置ゲイン回路１２０は、位置指令信号ｘ_rと制御対象位置信号ｘ_fbとの偏差に位置ゲインｋ_pを乗じた信号を速度指令ｖ_rとして出力する。すなわち次式の演算を行う。

次に、速度演算回路１００は次式で表されるように、電動機位置信号ｘ_mを微分することにより電動機速度信号ｖ_mを出力する。

次に、速度ＰＩ制御回路１３０は、速度指令ｖ_rと電動機速度信号ｖ_mを入力とし、速度ゲインｋ_vと速度積分ゲインω_viとを用いて、次式で表されるＰＩ（比例積分）演算によって基礎制御トルク信号τ_bを出力する。

次に、制御対象１０の特性について説明する。
制御対象１０の機械剛性が低い場合、制御対象１０は低い周波数（数Ｈｚ〜数１０Ｈｚ）の機械共振を持つ特性となる。最も低い周波数の機械共振特性に着目すると、制御対象１０は、電動機３０と負荷２０とがバネであるトルク伝達機構４０で結合された二慣性系として近似され、トルク制御回路５０の応答が十分に速いとすると、トルク指令信号τ_rから電動機位置信号ｘ_mまでの伝達関数Ｇ_p（ｓ）及び負荷位置信号ｘ_lまでの伝達関数Ｇ_l（ｓ）はそれぞれ以下で表される。

ここで、Ｊは制御対象１０の全体の慣性を表し、ω_zは反共振周波数、ω_pは共振周波数を表す。
このとき、トルク指令信号τ_rから電動機位置信号ｘ_mまでの伝達関数Ｇ_p（ｓ）は、反共振周波数ω_zに対応した複素零点（反共振点）ｚ₀を有する。

また、（４）式及び（５）式に示した、制御対象１０の伝達関数の周波数応答を図２に示す。図２より、トルク指令信号τ_rから電動機位置信号ｘ_mまでの伝達関数Ｇ_p（ｓ）は、位相が−１８０度より遅れることはないが、負荷位置信号ｘ_lまでの伝達関数Ｇ_l（ｓ）は、共振周波数ω_pで位相が大きく遅れることがわかる。

次に、安定化補償回路８０及び位置信号合成回路９０の動作を説明するために、電動機を用いて機械系を駆動する場合に最も広く用いられる制御系であって、負荷２０の位置に関するフィードバックを利用しないセミクローズ制御系について説明する。
図３は、セミクローズ制御系の構成を示すブロック図であって、図１の構成に比べて、負荷位置検出器７０及び負荷位置信号ｘ_lがなく、また、位置信号合成回路９０、安定化補償回路８０及び減衰補償回路１４０を備えておらず、電動機位置信号ｘ_mをそのまま制御対象位置信号ｘ_fbとして位置ゲイン回路１２０に入力するものである。

この図３のセミクローズ制御系は、負荷位置信号ｘ_lをフィードバックしないため、トルク伝達機構４０の変形などがあると負荷２０の位置を正確に制御することができない。しかしながら制御系の安定を保ったまま位置ゲイン回路の位置ゲインｋ_pを比較的大きくすることができ、電動機位置信号ｘ_mを制御する応答は高くできるという特徴がある。
またこのセミクローズ制御系では、全体の制御ループをトルク指令信号τ_rの箇所で切り開いた開ループ伝達関数Ｌ（ｓ）（一巡伝達関数とも呼ぶ、以下では単に開ループ伝達関数と呼ぶ）は、速度ゲインｋ_vと速度積分ゲインω_viを用いて次式で表される。

上記のセミクローズ制御の開ループ伝達関数Ｌ（ｓ）には、トルク指令信号τ_rから電動機位置信号ｘ_mまでの制御対象１０の伝達関数Ｇ_p（ｓ）が要素として含まれる。そのため、Ｇ_p（ｓ）に含まれる反共振点ｚ₀が、そのまま開ループ伝達関数の零点として含まれる。また開ループ伝達関数における反共振点以外の零点は、速度ＰＩ制御回路１３０及び位置ゲイン回路１２０で設定した−ω_vi及び−ｋ_pの実数零点である。

一方、上記のセミクローズ制御系に対して、負荷位置信号ｘ_lをフィードバックすることで、トルク伝達機構４０の変形などにかかわらず負荷２０の位置を正確に制御することも考えられる。しかし、負荷位置信号ｘ_lをそのまま使用すると、一定の周波数以上の領域では、制御対象１０の機械剛性が低いことによる位相遅れの影響を受けて制御が不安定となるため、特許文献１に記載のような、所定の周波数以上の領域については電動機位置信号ｘ_mをフィードバックする構成が考えられている。
その構成は、図１の構成において、減衰補償回路１４０を取り除いて減衰補償トルク信号τ_cを０とし、また安定化補償回路８０を取り除いて、補償負荷位置信号ｘ_lcの代わりに負荷位置信号ｘ_lをそのまま位置信号合成回路９０に入力した構成に相当し、負荷位置信号ｘ_lと電動機位置ｘ_mを位置信号合成回路９０で合成して位置ゲイン回路１２０にフィードバックするものである。

図４は、位置信号合成回路９０の内部構成を示すブロック図である。
電動機位置フィルタ９１は、電動機位置信号ｘ_mを入力として、フィルタ周波数をω_fとするハイパスフィルタＦ_m（ｓ）を作用させた信号を出力する。また、負荷位置フィルタ９２は、補償負荷位置信号ｘ_lcを入力として、フィルタ周波数を電動機位置フィルタ９１と同じω_fとする、ローパスフィルタＦ_l（ｓ）を作用させた信号を出力する。
そして、電動機位置フィルタ９１の出力と負荷位置フィルタ９２の出力との和信号が、位置信号合成回路９０により制御対象位置信号ｘ_fbとして出力される。
すなわち、位置信号合成回路９０は次式で表される演算を行う。

つまり、位置信号合成回路９０は、負荷位置信号ｘ_lcの低周波数成分と電動機位置信号ｘ_mの高周波数成分とから、制御対象位置信号ｘ_fbを合成するものであって、フィルタ周波数ω_fを大きくするほど、電動機位置信号ｘ_mより負荷位置信号ｘ_lcを利用する度合いが大きくなるように構成される。

ところが、制御対象位置信号ｘ_fbは、電動機位置信号ｘ_mと負荷位置信号ｘ_lとの周波数成分を合成して生成しており、フィルタ周波数ω_fより低い周波数では、制御対象位置信号ｘ_fbには負荷位置信号ｘ_lが多く含まれる。したがって、負荷位置信号ｘ_lの制御精度を向上させるためには、位置ゲイン回路１２０における位置ゲインｋ_pを十分に大きくするとともに、位置信号合成回路９０のフィルタ周波数ω_fを大きくして負荷位置信号ｘ_lを利用する度合いを大きくする必要がある。
しかしながら、図２に示したとおり、トルク指令信号τ_rに対する負荷位置信号ｘ_lの応答Ｇ_l（ｓ）は、トルク指令信号τ_rに対する電動機位置信号ｘ_mの応答Ｇ_p（ｓ）よりも位相が遅れるため、開ループ伝達関数Ｌ（ｓ）は（７）式に示したセミクローズ制御のものよりも位相が遅れる。その結果、制御系が不安定になりやすく、振動も大きくなるため、フィルタ周波数ω_fと位置ゲインｋ_pを十分に大きくすることができなかった。

そこで以下のように、安定化補償回路８０において、負荷位置信号ｘ_lの位相遅れに対する補償を行った補償負荷位置信号ｘ_lcを出力するように構成する。
図５は、安定化補償回路８０の内部構成を示すブロック図である。
２階微分回路８１は、負荷位置信号ｘ_lを２階微分した信号を出力する。また、安定化補償ゲイン回路８２は、２階微分回路８１の出力に、外部から設定する安定化補償ゲインＫ_stを乗じた信号を出力する。また、安定化補償回路８０は、安定化補償ゲイン回路８２の出力と負荷位置信号ｘ_lとの和信号を、補償負荷位置信号ｘ_lcとして出力する。
すなわち、安定化補償回路８０は次式の伝達関数Ｃ_st（ｓ）で表される演算を行う。

安定化補償回路８０が以上のように動作することから、トルク指令信号τ_rから補償負荷位置信号ｘ_lcまでの伝達関数は次式で表される。

ここで、安定化補償ゲインＫ_stは、制御対象１０の反共振周波数ω_zを用いて次式のように設定する。

なお、反共振周波数ω_zは、制御対象１０の周波数応答を測定したり、速度ＰＩ制御回路１３０の速度ゲインｋ_vを大きくしたときの制御対象１０の振動周波数を測定したりするなどの方法で推定することができる。

（１１）式のように安定化補償ゲインＫ_stを設定すると、トルク指令信号τ_rから補償負荷位置信号ｘ_lcまでの伝達関数は（４）式のＧ_p（ｓ）に一致し、またトルク指令信号τ_rから補償負荷位置信号ｘ_lcまでの伝達関数も同じくＧ_p（ｓ）に一致する。
すなわち次式が成り立つ。

したがって、トルク指令信号τ_rから基礎制御トルク信号τ_bまでの伝達関数は、次式に示すように（７）式に示したセミクローズ制御の場合の開ループ伝達関数に一致する。

上記の結果、安定化補償回路８０を用いることによりセミクローズ制御と同等な安定性を確保することができ、位置ゲイン回路１２０における位置ゲインｋ_pや、位置信号合成回路９０におけるフィルタ周波数ω_fを十分に大きくすることが可能になる。
その結果、負荷位置信号ｘ_lの制御精度を向上させることが可能になる。
また、セミクローズ制御と同様に、開ループ伝達関数の零点に（６）式に示した制御対象１０の反共振点ｚ₀が含まれる。

ここで、安定化補償回路８０と高周波数ノイズの関係について説明する。
安定化補償回路８０は、負荷位置信号ｘ_lの２階微分を含む演算により補償負荷位置信号ｘ_lcを出力するように構成するが、負荷位置フィルタ９２を介して制御対象位置信号ｘ_fbを求めること、また、一般に位置制御系の応答は速度ＰＩ制御回路１３０の応答よりは遅いため位置信号合成回路９０のフィルタ周波数ω_fを極端に大きくする必要はないことから、制御対象位置信号ｘ_fbは極端にノイズ的にはならない。
また、位置指令信号ｘ_rの入力に対するトルク指令信号τ_rの動作は通常のセミクローズ制御と同様であるため、位置指令信号ｘ_rが急峻に変化してもトルク指令信号τ_rの変化が急峻に変化するような問題を生じることもない。

更に、減衰補償回路１４０により、位置指令信号ｘ_rと電動機位置信号ｘ_mと負荷位置信号ｘ_lとから、外部から設定する減衰調整パラメータαに基づいて演算される減衰補償トルク信号τ_cを基礎制御トルク信号τ_bに加算して、トルク指令信号τ_rを得るように構成する。

図６は、減衰補償回路１４０の内部構成を示すブロック図である。
第１の減衰ゲイン回路１４１は、負荷位置信号ｘ_lと電動機位置信号ｘ_mとの差信号を入力とし、第１の減衰ゲインＫ_z1を乗じた信号を、第１の減衰補償信号ｘ_z1として出力する。負荷位置微分回路１４２は、位置指令信号ｘ_rと負荷位置信号ｘ_lとの差信号を微分した信号を出力し、第２の減衰ゲイン回路１４３は、負荷位置微分回路１４２の出力に第２の減衰ゲインＫ_z2を乗じた信号を、第２の減衰補償信号ｘ_z2として出力する。第３の減衰ゲイン回路１４４は、位置指令信号ｘ_rと負荷位置信号ｘ_lとの差信号に第３の減衰ゲインＫ_z3を乗じた信号を、第３の減衰補償信号ｘ_z3として出力する。減衰調整回路１４５は、第１の減衰補償信号ｘ_z1と第２の減衰補償信号ｘ_z2と第３の減衰補償信号ｘ_z3とを加算した信号に、減衰調整パラメータαを乗じた信号を出力する。
すなわち、減衰補償回路１４０は以下の演算を行う。

次に、減衰補償回路１４０の定数設定方法について説明する。減衰補償回路１４０は上述のように動作することにより、トルク指令信号τ_rから減衰補償トルク信号τ_cまでの伝達関数は（６）式、（７）式、（８）式より次式で表される。

減衰補償回路１４０における、第１の減衰ゲインＫ_z1と第２の減衰ゲインＫ_z2と第３の減衰ゲインＫ_z3とを、速度ＰＩ制御回路１３０及び位置ゲイン回路１２０で設定した定数である速度ゲインｋ_v、積分ゲインω_vi、位置ゲインｋ_pを用いて以下のように設定する。

上記のように設定した結果、トルク指令信号τ_rから減衰補償トルク信号τ_cまでの伝達関数は次式となる。

また、トルク指令信号τ_rの点で開いた開ループ伝達関数は、（１５）式と（１９）式から次式となる。

したがって、開ループ伝達関数における反共振点が（６）式で表されるｚ₀から、次式のｚ_cへと変化する。

ただし、上記で用いた反共振点の減衰係数ζ_zは次式で表される。

また、減衰定数αの変更によって、（２０）式の開ループ伝達関数の極及び零点は、（２１）式及び（２２）式に示した反共振点以外は変化しない。また反共振点の絶対値である反共振周波数ω_zも変化せず、反共振点の減衰係数だけが変化する。
このように、減衰補償回路１４０を上記のとおり構成することで、外部から設定する減衰パラメータαによって、図１の制御系の開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数だけを変更するように構成している。

この、外部から設定する減衰パラメータαによって、開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数だけを変更する構成の利点を以下に説明する。
速度ゲインｋ_vを十分に大きくすると、制御系の閉ループ極は開ループ伝達関数の零点へと漸近することが知られている。すなわち、（７）式に示した開ループ伝達関数を持つセミクローズ制御系や、図１の制御系で減衰パラメータαを０とした場合、速度制御ゲインｋ_vを大きくすると、閉ループ極の一部が（６）式に示した制御対象１０の反共振点に近づく。このため、閉ループ極が減衰係数の小さいものになり、制御対象１０の応答が振動的になる。

一方、反共振点の減衰係数が、（２２）式に示したように減衰パラメータαを大きくすれば大きくなる。また、開ループ伝達関数Ｌ（ｓ）におけるそれ以外の零点は、実数である−ω_vi及び−ｋ_pである。
その結果、速度制御ゲインｋ_vを大きくすると、閉ループ極が、減衰係数の大きな反共振点と実数の零点に近づき、制御対象１０に外乱が加わっても制御系の振動が抑制される。
なお、減衰調整パラメータαは、（２２）式で表される減衰係数ζ_zが０．５程度になる程度まで大きな値に設定すれば十分であり、調整の見通しも良い。また、外乱抑制効果を大きくするためには、通常のセミクローズ制御における調整方法と全く同様に速度ゲインｋ_v、速度積分ゲインω_vi、位置ゲインｋ_pを大きくすればよい。

なお、減衰補償回路１４０において、負荷位置信号ｘ_lを２階微分して得られる負荷加速度信号に、速度ゲインｋ_vと−１を乗じて第１の減衰補償信号ｘ_z1を演算しても、開ループ伝達関数は上記と同一の（２０）式になるため同様の効果が得られるが、負荷位置信号ｘ_lの２階微分信号を用いることにより高周波数のノイズ成分が大きくなる。したがって上述のように、電動機位置信号ｘ_mと負荷位置信号ｘ_lとの差信号に、第１の減衰ゲインＫ_z1を乗じて第１の減衰補償信号ｘ_z1を演算することにより、ノイズの問題が発生しないように構成している。

以上により、安定化補償回路８０及び減衰補償回路１４０の効果により、セミクローズ制御と全く同様な調整方法で調整するとともに、外部から調整するパラメータである減衰調整パラメータαを適切な大きさまで大きくするだけの簡単な調整で、負荷位置信号ｘ_lの制御精度を向上させ、制御対象１０に加わる外乱に対しても振動を抑制するような制御系を実現することが可能になる。

なお、上記では、減衰補償回路１４０では、図６に記載したブロック図の演算、すなわち（１４）式に示した演算を行うとしたが、これは、次式で表すような減衰補償回路１４０への入力信号から直接的に減衰補償トルク信号τ_cを得る演算を行っても同様の効果が得られる。

また、減衰補償回路１４０により得られる効果の原理は、開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数を（２２）式に示したように大きくすることにより、閉ループ極の減衰係数を大きくして振動を抑制するものである。したがって、減衰補償回路１４０における位置指令信号ｘ_rに対する演算動作は、開ループ伝達関数が同じならば前述の（１４）式や（２３）式のものと異なるように構成しても良い。

例えば、減衰補償回路１４０に入力する位置指令信号ｘ_rを、位置指令信号ｘ_rにローパスフィルタを作用させた信号に代え、位置指令信号ｘ_rの変化に対する減衰補償トルク信号τ_cの変化を滑らかにしても良い。また逆に、減衰補償回路１４０の内部において、位置指令信号ｘ_rを２階微分した信号である指令加速度信号ａ_rの演算を行い、この指令加速度信号ａ_rに適切なゲインと減衰パラメータαを乗じた信号を、減衰補償トルク信号τ_cに更に加えることにより、減衰パラメータαを大きくしたときに位置指令信号ｘ_rの変化に対する電動機位置信号ｘ_mの応答がなるべく速くなるように構成しても良い。

実施の形態２．
実施の形態１では、基礎制御トルク信号τ_bの演算を、位置ゲイン回路１２０、速度演算回路１００や速度ＰＩ制御回路１３０を用いて（１）式、（２）式、（３）式を用いた演算により計算する構成について説明したが、異なる構成で演算しても良い。特に、トルク信号指令τ_rから基礎制御トルク信号τ_bまでの伝達関数が、実施の形態１の（１３）式で示したものと等価な場合は、減衰補償回路１４０の演算は上述のままで良い。
一方、トルク指信号令τ_rから基礎制御トルク信号τ_bまでの伝達関数が（１３）式で示したものと異なる場合は、減衰補償回路１４０の演算もそれに応じて変更すれば良く、以下にその内容について説明する。

例えば、電動機位置検出器６０の分解能が極端に低い場合の対策として、速度演算回路１００が（４）式の微分演算の代わりに、（２４）式のように速度フィルタＦ_v（ｓ）を追加した演算により電動機速度信号ｖ_mを演算したとすると、トルク指令信号τ_rから基礎制御トルク信号τ_bまでの伝達関数は（２５）式のものとなる。

この場合、減衰補償回路１４０での減衰補償トルク信号τ_cの演算は、（１６）式で設定される第１の減衰ゲインＫ_z1、（１８）式で設定される第３の減衰ゲインＫ_z3及び減衰パラメータαと、新たに導入する第４の減衰ゲインＫ_z4、第５の減衰ゲインＫ_z5及び（２５）式の速度フィルタと同じ伝達関数Ｆ_v（ｓ）を用いて、次式により行えばよい。

ただし、第４の減衰ゲインＫ_z4及び第５の減衰ゲインＫ_z5は次のように設定する。

そうすると、トルク指令信号τ_rの箇所で開いた開ループ伝達関数Ｌ（ｓ）は次式となる。

すなわち、減衰パラメータαの変更によって、（２９）式の開ループ伝達関数の零点のうち、反共振点の減衰係数だけが変化する構成となる。なお、反共振点以外の零点については、（２９）式を展開すると記述が複雑になるため省略するが、減衰パラメータαの変更で変化しないのは明らかであり、また通常の調整では、反共振点以外の零点は実数、あるいは減衰係数の大きな複素零点になるものである。

以上により、トルク指令信号τ_rから基礎制御トルク信号τ_bまでの伝達関数が、実施の形態１の（１３）式で示したものと異なる場合においても、速度ゲインｋ_vを十分に大きくすると、実施の形態１と同様に、減衰調整パラメータαを適切な値に大きくするだけで、閉ループ極の減衰係数を大きくすることができる。これにより、制御対象１０に外乱が加わるような場合でも振動を抑制することが可能になり、簡単な調整で高精度に電動機３０の位置、あるいは負荷２０の位置、を制御することが可能になる。

実施の形態３．
実施の形態１では、安定化補償回路８０において、負荷位置信号ｘ_lを２階微分して安定化補償ゲインＫ_stを乗じた信号を負荷位置信号ｘ_lに加算することで、負荷位置信号ｘ_lの位相遅れに対する補償を行ったが、制御対象１０の反共振周波数ω_z及び共振周波数ω_pの近辺で位相を進ませる効果があれば、効果の大小はあるものの、他の演算を行っても負荷位置信号ｘ_lの位相遅れに対する補償を行うことができる。
図７は、本発明の実施の形態３による機械位置制御装置を示すブロック図であるが、図１に示した実施の形態１における減衰補償回路１４０を省略し、基礎制御トルク信号τ_bをそのままトルク指令信号τ_rとする構成である。

例えば、安定化補償回路８０ａにおいて、安定化補償ゲインＫ_stとフィルタ時定数ｔ_stを用いて以下の伝達関数で表される演算を行う。

式（３０）は、実施の形態１における安定化補償回路８０の演算に、更に２次のローパスフィルタを追加したものであり、負荷位置検出器７０の分解能が特に粗くて問題を生じる場合などにノイズを低減する効果が大きくなる。
この場合、安定化補償ゲインＫ_stは、実施の形態１にて用いた（１１）式に近い値に設定すればよく、またフィルタ時定数ｔ_stは安定化補償ゲインＫ_stの平方根より小さい値にすれば、（３０）式の演算により位相を進ませる効果が得られる。

また、（３０）式では、分母分子が２次の伝達関数により位相進み特性を持つ演算を行ったが、例えば次式に示すような、分母分子が１次の伝達関数でも、反共振周波数ω_z及び共振周波数ω_pの付近で位相を進ませる効果があるため、安定化補償回路８０ａが無い構成に比べて位置ゲインｋ_pとフィルタ周波数ω_fを大きくできる効果がある。

ただし、位相を進ませる効果はｔ₂＜ｔ₁にしたときに得られ、また、ｔ₁は反共振周波数ω_zの逆数付近の値に設定するものとする。

以上のように構成すれば、安定化補償回路８０ａは、負荷位置信号ｘ_lを入力として、（３０）式あるいは（３１）式で表されるような位相を進ませる伝達関数の演算により補償後負荷位置信号ｘ_lcを出力する。また、位置信号合成回路９０は、電動機位置信号ｘ_mにハイパスフィルタを作用させた信号と、補償負荷位置信号ｘ_lにローパスフィルタを作用させた信号との和信号を、制御対象位置信号ｘ_fbとして出力する。したがって、この実施の形態３の構成では、位置指令信号ｘ_rと制御対象位置信号ｘ_fbに基づいてトルク指令信号τ_rの演算を行っている。
その結果、安定化補償回路８０ａが無い構成に比べて位相を進めた制御対象位置信号ｘ_fbをフィードバックすることになり、制御対象１０の機械剛性が低くても、位置信号合成回路９０のフィルタ周波数ω_f及び位置ゲイン回路１２０の位置ゲインｋ_pを安定に大きくすることが可能になり、負荷位置信号ｘ_lの制御精度を向上させることが可能になる。

実施の形態４．
実施の形態１の安定化補償回路８０と位置信号合成回路９０とを省略したときの、減衰補償回路１４０の動作は以下のとおりとなる。
図８は、この実施の形態４による機械位置制御装置を示すブロック図であり、図１の構成から安定化補償回路８０と位置信号合成回路９０を省略し、位置ゲイン回路１２０には、制御対象位置信号ｘ_fbの代わりに電動機位置信号ｘ_mをそのまま入力するものである。

以上のような構成において、開ループ伝達関数は実施の形態１と同じく（２０）式で表され、減衰調整パラメータαの変更により開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数ζ_zだけを変更するように構成する。その結果、速度ゲインｋ_vを十分に大きくすると、減衰調整パラメータαを適切な値に大きくするだけで、閉ループ極の減衰係数を大きくすることができ、制御対象１０に外乱が加わるような場合でも振動を抑制することが可能になる。

なお、この実施の形態４では安定化補償回路８０と位置信号合成回路９０とが無いことにより、位置指令信号ｘ_rに電動機位置信号ｘ_mが一致するように動作し、負荷位置信号ｘ_lと電動機位置信号ｘ_mとの間に生じる定常的誤差を補正する機能は無いが、このような誤差が特に問題にならない用途においては、簡単な制御系の構成で速度ゲインｋ_vや位置ゲインｋ_pを大きくするとともに、減衰補償回路１４０の機能によって開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数を大きして振動を抑制し、電動機３０の位置を高精度に制御することができる。またその結果、負荷２０の位置も問題なく制御される。したがって簡単な調整で高精度に電動機３０の位置及び負荷２０を制御することが可能になる。

なお、実施の形態１から実施の形態４の構成の他、位置速度制御回路１１０に電動機の速度のフィードバックである電動機速度信号ｖ_mを入力しない構成や、速度ＰＩ制御回路１３０に代えて、速度ＩＰ制御を行う回路を用いる構成などの変形例が考えられるが、それらの変更に対応した伝達特性を持つ安定化補償回路８０や減衰補償回路１４０を、上記の実施の形態１から実施の形態４と同様の方法で構成することができる。

本発明の実施の形態１による機械位置制御装置を示すブロック図である。 制御対象の周波数応答を示す図である。 セミクローズ制御による機械位置制御装置を示すブロック図である。 位置信号合成回路の内部構成を示すブロック図である。 安定化補償回路の内部構成を示すブロック図である。 減衰補償回路の内部構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による機械位置制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４による機械位置制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 制御対象
２０ 負荷
３０ 電動機
８０、８０ａ 安定化補償手段である安定化補償回路
１１０ 速度位置制御手段である速度位置制御回路
１４０ 減衰補償手段である減衰補償回路

Claims (6)

1. 電動機により駆動される負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、前記電動機と前記負荷との現在位置に関する参照情報である制御対象位置信号とを入力として、前記電動機が前記負荷を駆動するトルクの目標値であるトルク指令信号を出力する位置速度制御手段、
   前記負荷の現在位置の測定値である負荷位置信号を入力として、位相を進ませる伝達関数に基づいて、前記負荷位置信号の位相遅れに対する補償を行った補償後負荷位置信号を出力する安定化補償手段、
   及び前記電動機の現在位置の測定値である電動機位置信号の高周波成分からなる信号と、前記補償後負荷位置信号の低周波成分からなる信号とを合成して、前記制御対象位置信号を出力する位置信号合成手段を備えたことを特徴とする機械位置制御装置。
2. 安定化補償手段は、負荷位置信号を２階微分して安定化補償ゲインを乗じた信号と負荷位置信号とを加算するものであることを特徴とする請求項１に記載の機械位置制御装置。
3. 電動機により駆動される負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、前記電動機及び前記負荷の現在位置に関する参照情報である制御対象位置信号とを入力として、前記電動機が前記負荷を駆動するトルクの目標値であるトルク指令信号の算出の基礎となる基礎制御トルク信号を出力する位置速度制御手段、
   前記負荷の現在位置の測定値である負荷位置信号を入力として、位相を進ませる伝達関数に基づいて、前記負荷位置信号の位相遅れに対する補償を行った補償後負荷位置信号を出力する安定化補償手段、
   前記電動機の現在位置の測定値である電動機位置信号の高周波成分からなる信号と、前記補償後負荷位置信号の低周波成分からなる信号とを合成して、前記制御対象位置信号を出力する位置信号合成手段、
   及び前記基礎制御トルク信号に加算することで前記トルク指令信号を得る減衰補償トルク信号を、前記電動機位置信号と前記負荷位置信号とを入力として出力する手段であって、前記電動機による負荷の駆動系を二慣性系としてモデル化したときに、前記トルク指令信号から前記基礎制御トルク信号までの伝達関数である第１の開ループ伝達関数に対して、その第１の開ループ伝達関数と合成して得られる開ループ伝達関数が、前記第１の開ループ伝達関数における前記二慣性系の反共振点の減衰係数だけを変更したものとなるように定めた第２の開ループ伝達関数に基づいて、前記トルク指令信号からの伝達関数が前記第２の開ループ伝達関数となるように前記減衰補償トルク信号の演算を行う減衰補償手段を備えたことを特徴とする機械位置制御装置。
4. 電動機に駆動される負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、前記電動機の現在位置の測定値である電動機位置信号とを入力として、前記電動機が前記負荷を駆動するトルクの目標値であるトルク指令信号の算出の基礎となる基礎制御トルク信号を出力する位置速度制御手段、
   及び前記基礎制御トルク信号に加算することで前記トルク指令信号を得る減衰補償トルク信号を、前記電動機位置信号と前記負荷の現在位置の測定値である負荷位置信号とを入力として出力する手段であって、前記電動機による負荷の駆動系を二慣性系としてモデル化したときに、前記トルク指令信号から前記基礎制御トルク信号までの伝達関数である第１の開ループ伝達関数に対して、その第１の開ループ伝達関数と合成して得られる開ループ伝達関数が、前記第１の開ループ伝達関数における前記二慣性系の反共振点の減衰係数だけを変更したものとなるように定めた第２の開ループ伝達関数に基づいて、前記トルク指令信号からの伝達関数が前記第２の開ループ伝達関数となるように前記減衰補償トルク信号の演算を行う減衰補償手段を備えたことを特徴とする機械位置制御装置。
5. 減衰補償手段が出力する減衰補償トルク信号は、負荷位置信号と電動機位置信号との差に第１の減衰ゲインを乗じた信号、位置指令信号と前記負荷位置信号との差を微分して第２の減衰ゲインを乗じた信号、及び前記位置指令信号と前記負荷位置信号との差に第３の減衰ゲインを乗じた信号を加算した信号に、二慣性系の反共振点の減衰係数を調整する減衰調整パラメータに基づく係数を乗じた信号であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の機械位置制御装置。
6. 位置速度制御回路は、電動機の速度の現在値を示す電動機速度信号を更に入力とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の機械位置制御装置。
   

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