JP6436067B2 - 制御装置、制御方法、情報処理プログラム、および記録媒体 - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施形態1について、図1から図23に基づいて詳細に説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。なお、詳細は図5を用いて後述するが、制御装置10は、実際のサーボモータである実サーボモータ20R(サーボモータ)を制御する制御装置として利用可能であるだけでなく、実サーボモータ20Rについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ20Mを制御する制御装置としても利用可能である。図5では、制御装置10を、実サーボモータ20Rについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ20Mを制御する制御装置として、つまり、フィードフォワード制御装置として利用する例について説明する。ただし、制御装置10は実サーボモータ20Rを直接制御する制御装置としても利用可能である。
図24は、従来の制御装置の一例である従来のスライディングモード制御装置90の概要を示す図である。また、図24には、従来のスライディングモード制御装置90によって制御されるサーボモータ20と、サーボモータ20の位置を検出するエンコーダ30と、サーボモータ20によって駆動される負荷機械40と、が描かれている。
図1は、制御装置10の要部構成を示すブロック図である。制御装置10は、サーボモータ20を制御する制御装置であり、位置制御部101、速度指令生成部102、速度制御部103、スライディングモード制御部104、切替部105、トルクリミッタ106、および速度検出部107を備えている。
次に、これまでに構成の詳細を説明してきた制御装置10について、実際に制御装置10がサーボモータ20を制御した場合の制御結果を、PID制御のみによってサーボモータ20を制御した場合、およびスライディングモード制御のみによってサーボモータ20を制御した場合と比較して説明していく。
図4は、制御装置10のスライディングモード制御部104が実行するスライディングモード制御を説明する図である。図4に示すように、スライディングモード制御部104は、速度偏差verrと位置偏差θerrを入力とし、入力された速度偏差verrおよび位置偏差θerrにより決まる点が、図4に示した切替線SL(切替面)のどちら側にいるかで、サーボモータ20のトルクを決定する。
前述の通り、制御装置10は、実際のサーボモータである実サーボモータ20Rを制御する制御装置として利用可能であるだけでなく、実サーボモータ20Rについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ20Mを制御する制御装置としても利用可能である。制御装置10を、モデルサーボモータ20Mを制御する制御装置として、つまり、フィードフォワード制御装置として利用する例について、図5を用いて説明する。
制御装置10のスライディングモード制御部104が受け付ける速度偏差verrは、外部から(例えば、ユーザから)与えられる位置指令値θRに基づいて速度指令生成部102が生成する速度指令値vRと、エンコーダ30によって検出されたサーボモータ20の位置(フィードバック位置θfb)から速度検出部107により算出されたフィードバック速度vfbとの偏差である。
制御装置10は、PID制御とスライディングモード制御とを、状態(位置偏差θerrおよび速度偏差verr)によって切り換えることにより、以下の効果を奏する。すなわち、制御装置10は、PID制御の「ユーザが特性を把握しやすい」という利点と、スライディングモード制御の「トルクが制限される場合でもオーバーシュートおよびハンチング等の問題が発生しない軌道を生成できる」という利点を併せ持つ。
図8は、制御装置10について、提案手法1に係る切替線SLについて説明するための図である。図8に示す提案手法1は、切替部105が、「操作量飽和が起きない限りはPID制御を維持する」という方針の下でPID制御とスライディングモード制御とを切り替えるものである。
図12は、制御装置10について、提案手法2に係る切替線SLについて説明するための図である。図12に示す提案手法2は、切替部105が、「滑らかにPID領域とスライディングモード領域とを切り換える」という方針の下でPID制御とスライディングモード制御とを切り替えるものである。
図16は、制御装置10について、提案手法3に係る切替線SLについて説明するための図である。図16に示す提案手法3は、切替部105が、「操作量が飽和した時の挙動が最速の軌道となるようにする」という方針の下でPID制御とスライディングモード制御とを切り替えるものである。
図20は、操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、制御装置10が実行する制御の利用する切替線SLが、提案手法1、提案手法2、提案手法3に係る切替線SLである場合の各々を対比して示すグラフである。
サーボモータ20の(つまり、実サーボモータ20Rの)最大出力速度は決まっているため、スライディングモード制御部104、または前記PID制御部(すなわち、位置制御部101および速度制御部103)の制御するサーボモータ20の速度が、当該最大出力速度よりも大きくなることは望ましくない。すなわち、制御装置10において、スライディングモード制御部104または前記PID制御部により制御されるサーボモータ20の速度は、サーボモータ20(つまり、実サーボモータ20Rの)の最大出力速度未満である。
制御装置10の制御ブロック(特に、位置制御部101、速度指令生成部102、速度制御部103、スライディングモード制御部104、切替部105、トルクリミッタ106、および速度検出部107)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
20 サーボモータ
20M モデルサーボモータ(規範モデルとしてのサーボモータ)
20R 実サーボモータ(サーボモータ)
30 エンコーダ
40 負荷機械
70 フィードバック制御部
101 位置制御部(PID制御部)
103 速度制御部(PID制御部)
104 スライディングモード制御部
105 切替部(選択部)
PP 位相平面
SL 切替線
vb 速度制限値(サーボモータの最大出力速度)
verr 速度偏差
vR 速度指令値
θerr 位置偏差
θR 位置指令値
τmax 最大トルク
τmin 負の最大トルク(最小トルク)
Claims (12)
- サーボモータ、または、サーボモータについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのサーボモータを制御する制御装置であって、
外部から入力された位置指令値および速度指令値と、前記サーボモータの位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差および速度偏差が、前記サーボモータの出力可能な所定のトルクと、前記サーボモータにより駆動される負荷機械の運動特性とにより決定される切替線上に収束するように、前記サーボモータに出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御部と、
前記サーボモータの位置、速度が、前記位置指令値および速度指令値に追従するようPID制御を行うPID制御部と、
前記スライディングモード制御部により制御するか、前記PID制御部により制御するかを、前記位置偏差および前記速度偏差の少なくともいずれか一方に基づいて選択する選択部と、を備え、
前記選択部は、
前記PID制御部の制御するトルクが第一所定値以下である場合、および、前記速度偏差が第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記PID制御部を選択し、
前記PID制御部の制御するトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する
ことを特徴とする制御装置。 - 前記スライディングモード制御部および前記PID制御部は、前記規範モデルとしてのサーボモータを制御するものであるとともに、
前記選択部により選択された前記スライディングモード制御部または前記PID制御部により制御される前記規範モデルとしてのサーボモータの位置、速度に追従するよう、実際のサーボモータの位置、速度についてPID制御を行うフィードバック制御部をさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載の制御装置。 - 前記第一所定値は前記サーボモータが出力する最大トルクであり、
前記選択部は、
前記PID制御部が出力するトルクが前記サーボモータの前記最大トルク以下である場合、前記PID制御部を選択し、
前記PID制御部が出力するトルクが前記最大トルクを超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する
ことを特徴とする請求項1に記載の制御装置。 - 前記選択部は、
前記位置偏差を縦軸、前記速度偏差を横軸にとる位相平面において、前記PID制御部の制御するトルクが前記最大トルクである場合に当該位相平面に描かれる直線に前記切替線が接するように前記切替線を平行移動させ、当該平行移動させた切替線に前記位置偏差および前記速度偏差が収束するよう前記スライディングモード制御部にスライディングモード制御を実行させることを特徴とする請求項3に記載の制御装置。 - 前記選択部は、
前記PID制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値以下である場合、前記PID制御部を選択し、
前記PID制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値を超える場合、
前記位置偏差を縦軸、前記速度偏差を横軸にとる位相平面において、前記切替線が、前記PID制御部の制御するトルクが0である時に当該位相平面に描かれる直線に、前記速度偏差が前記第二所定値であるところで接するように前記切替線を平行移動させ、当該平行移動させた切替線に前記位置偏差および前記速度偏差が収束するよう前記スライディングモード制御部にスライディングモード制御を実行させる
ことを特徴とする請求項1に記載の制御装置。 - 前記位相平面において、前記PID制御部の制御するトルクが前記サーボモータの出力する最小トルクである時に当該位相平面に描かれる直線である最小トルク直線、および、前記PID制御部の制御するトルクが前記サーボモータの出力する最大トルクである時に当該位相平面に描かれる直線である最大トルク直線の各々に、前記速度偏差が前記第二所定値であるところで、前記切替線が接するように、前記切替線を平行移動させた、最小平行移動切替線および最大平行移動切替線によって挟まれた領域を緩衝領域とする
ことを特徴とする請求項5に記載の制御装置。 - 前記選択部は、
前記PID制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値以下である場合、前記PID制御部を選択し、
前記PID制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する
ことを特徴とする請求項1に記載の制御装置。 - 前記速度指令値は0である
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記スライディングモード制御部または前記PID制御部により制御される前記サーボモータの速度は、前記サーボモータの最大出力速度未満である
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の制御装置。 - サーボモータ、または、当該サーボモータについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのサーボモータを制御する制御方法であって、
外部から入力された位置指令値および速度指令値と、前記サーボモータの位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差および速度偏差が、前記サーボモータの出力可能な所定のトルクと、前記サーボモータにより駆動される負荷機械の運動特性とにより決定される切替線上に収束するように、前記サーボモータに出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御ステップと、
前記サーボモータの位置、速度が、前記位置指令値および速度指令値に追従するようPID制御を行うPID制御ステップと、
前記サーボモータのトルクについて、前記スライディングモード制御ステップにて制御するか、前記PID制御ステップにて制御するかを、前記サーボモータの前記位置偏差および前記速度偏差によって選択する選択ステップと、を含み、
前記選択ステップにおいて、
前記PID制御ステップにて制御されるトルクが第一所定値以下である場合、および、前記速度偏差が第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記PID制御ステップにて制御することが選択され、
前記PID制御ステップにて制御されるトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御ステップにて制御することが選択される
ことを特徴とする制御方法。 - 請求項1から9のいずれか一項に記載の制御装置としてコンピュータを機能させるための情報処理プログラムであって、前記各部としてコンピュータを機能させるための情報処理プログラム。
- 請求項11に記載の情報処理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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