JPS6224302A - 位置決めサ−ボ系の制御方法 - Google Patents

位置決めサ−ボ系の制御方法

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JPS6224302A
JPS6224302A JP16352185A JP16352185A JPS6224302A JP S6224302 A JPS6224302 A JP S6224302A JP 16352185 A JP16352185 A JP 16352185A JP 16352185 A JP16352185 A JP 16352185A JP S6224302 A JPS6224302 A JP S6224302A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、磁気記憶装置のヘッドやDCモータを使った
ロボット、ボイスコイル・モータで直接駆動される直動
型サーボ弁等の位置決めサーボ系の制御方法に関するも
のである。
[従来の技術] DCモータやリニア・モータ、ボイスコイル・モータ等
で駆動される位置決めサーボ系は、磁気記憶装置のヘッ
ドの位置決め、多関節ロボットのアームの位置制御、直
動型電気・流体圧サーボ弁のスプールの開度制御、その
他多くの情報機器、産業機械の駆動部に使用されている
第15図はその一例でバルブ・ボディ1に固定された永
久磁石6とスプール3に固定された可動型コイル5 (
これをボイスコイル・モータと称する)により、スプー
ル3を直接駆動する直動型電気・流体圧サーボ弁の例で
ある。バルブ・ボディ1内に嵌装したスリーブ2内にス
プール3が摺動自在に収められ、その一端には可動型コ
イル5の巻かれたボビン4が固着されている。
又、バルブ・ボディ1には前記可動型コイル5に対して
磁気回路を形成するように永久磁石6が取付けられてお
り、可動型コイル5に通電することにより、永久磁石6
の作る磁場と可動型コイル5に発生する磁場との関係に
より、スプール3は駆動され、バルブ・ボディ1内に設
けられた流体路を所望の状態に連通ずるようになってい
る。
更に、スリーブ2に対するスプール3の位置決めを行う
ため、スプール3の他端にはスプール3の位置を検出す
る変位計7が設けられ、該変位計7からの位置信号8は
、可動型コイル5に駆動電流を供給するサーボアンプ9
の入力側に負帰還され、スプール3の定位性を保つよう
にフィードバック制御系が構成されている。位置信号8
以外にも、速度計10を設けて速度信号11もサーボア
ンプ9へ負帰還しているのは、後述のように制御対象(
ここではスプール3)にダンピングをかけるためで゛あ
る。゛図中12は設定値、13は指令信号、Psは供給
ボート、PTは戻りボート、PA、Paは制御ボートで
ある。
このようなボイスコイル・モータは磁気ディスクのヘッ
ドの駆動部にも使用されている。
第15図の装置をモデル化すると第16図のようになり
、可動部であるスプール3をボイスコイル・モータの駆
動力Fで動かし、ばね14で位置決めをするものとなる
。釣合い位置からのずれがあると、ばね14の復元力が
釣合いの方向に働ぎ、その大きさはずれ量に比例する。
第15図の直動型電気・流体圧サーボ弁では、ばね−の
代りに変位を変位検出器7で測定し、それを電気的に力
に変換している。
ところで、制御対象、つまりスプール3の位置決めの応
答性及び位置決めの制度を上げるためには次のことが重
要となる。
■ 可動部の重量を小さくすること。
■ フィードバックのゲインを高くすること。
■、■は制御対象の固有振動数を高くすることを意味す
る。
■ 適当な制動(ダンピング)が働くこと。
すなわち、経世になれば同じモータでも対象を速く動か
すことができるし、位置帰還のゲインを高くすれば、先
に述べたばねの復元力が大きくなり、目標値からずれて
も速く元に戻すことができる。又、制動を働かせれば、
振動の持続を防止し、スプール3の位置を速く目標値に
落着かせることができる。
上記■、■、■の要求に応えるには次のことが必要とな
る。
■′駆動される制御対象(例えば、第15図のスプール
3や磁気ディスクのヘッド等)の重量を軽くしたうえで
、剛性を落とさないこと。
■′制御系の前向きループ内の応答遅れを小さくするこ
と、具体的には、駆動モータのインダクタンスを小さく
すること。
■′積極的にダンパー等の制動機構を設けること。
ところが、■′■′については、計画、設計段階の綿密
な検討で最大限の努力をしても、剛性やモータの性能限
界から意のままにならないことが多く、又■′について
は取付はスペースの確保が難しいことや、コストアップ
を招く等の問題点があった。
以上述べたことは、第15図の直動型電気・流体圧サー
ボ弁以外にも、DCモータやリニア・モータ、ボイスコ
イル・モータ等で位置決めをする磁気ディスク、プリン
タ、XYプロッタ等の情報機器、NC工作機械や産業用
ロボット等の産業機械の位置決めサーボ系では一般的に
言えることであり、このため従来からいくつかの制御的
な解決策が提案されて来た。
斯かる制御的な解決策を説明するために、先ず、位置決
めサーボ系の一般的な構成を第17図に示す。これは、
先に述べた磁気ディスク等の情報機器、直動型電気・流
体圧サーボ弁等の産業機械一般に共通である。
第17図において制御対Φの位置決めの目標値Vrは変
位計15によって測定された制御対象の実際の位置を示
す変位信号Vxと比較演算器16で比較減算され、偏差
信号Ve’Vr=Vxが作られる。この偏差信号Veは
演算増幅器11で適正に増幅されて信号VA’ となり
、速度計18による速度交の検出信号Vcと比較演算器
19で比較減算されて信号VAとなり、更に電力増幅器
20で増幅されてモータ21を駆動する指令電流iとな
る。モータ21はこの指令電流iに゛比例した駆動力F
を発生し、質量mの制御対象は動きはじめる。そのとき
の制御対象の変位Xは図中に示したように、加速度Xを
2回積分したものとして表され、変位計15によって検
出され、先に述べたように目標値Vrと比較される。目
標値■「と制御対象22の変位信号■×が一致すると、
偏差Veは零となり、モータ21の指令電流1が零とな
るので制御対象は静止し、位置決めが完了する。
又、制御対象の速度交を速度計18で検出して負帰還し
ているのは、制動(ダンピング)をかけるためである。
なお、第17図中の23は制御対象の特性を表している
しかし、このような制御対象23を高速で動かそうとす
ると、機械系の固有振動により限界を持ち、第18図に
示すように残留振動が発生しやすくなることが知られて
いる。これに対して、一般的に行われている速度を検出
して制御対象にダンピングをかける方法は、モータの、
応答遅れ等により限界を持ち、より簡単な解決策が望ま
れている。
今、ステップ状の目標値に制御対象を追従させる場合を
考えると、より簡単な方法として、第19図(イ)(ロ
)Q\)に示すように、目標値であるステップ入力を2
つに分け、1つ目のステップ入力印加後2つ目を振動波
形の半波長相当だけ時間を遅らせて加えて逆位相の振動
を発生させ、もとの振動と互いに打消し合わせる方法が
すでに知られている。
第19図(イ) <U) (/\)では、先ず目標値r
より小さいステップ人力r1を目標値Vr  (第17
図参照)として印加し、1時間後に更にrlなるステッ
プ入力を印加する(第19図(イ))。ここでr=rl
 +r2である。そうすると、rl 、rlによる個々
の応答は第19図(ロ)に示すように振動性のものとな
るが、ステップ入力r、とrlの印加時点が振動周期の
半波長相当の時間Tだけずれているため、互いの振動は
逆位相となり、結果的に第19図(7k>のようにステ
ップ応答の振動は消える。
ところで、このような方法は本発明者の検討によると、
ステップ人力Ji r + とrlの割合及び印加時点
の王の決め方が難しいうえ、制御対象が第16図のモデ
ルのような線形の二次振動系(質量、ばね系)の場合以
外は理想的な防振効果を得ることができない、等の問題
があることが判明した。実際の位置決めサーボ系では、
第17図に示したようにモータ21による伝達遅れの特
性が機械の動きに重なるうえ又ディスクのへラドやサー
ボ弁のスプール等の摺動部に非線形要素である固体摩擦
が存在すること、等により第19図(イ)(ロ)QOに
示す方法は予想以上にその効果が低いのである。
[発明が解決しようとする問題点] 本発明は上述の実情に鑑み、特に速度信号をフィードバ
ック信号として用いず入力にある操作を施すことで持続
振動が発生するのを防止し、高応答、高精度のサーボ系
を実現すること、加えてこれを簡単且つ安価に行うこと
を目的としている。
[問題点を解決するための手段] 本発明では、目標値である入力信号と制御対象の出力信
号である制御されるべき口とを比較演算して偏差を求め
、該偏差を増幅器を通してモータに送り該モータを作動
せしめ、制御対象であるサーボ弁のスプールや磁気ディ
スクのヘッド等の位置を制御する位置決めサーボ系にお
いて、目標値を変化させたとき、ある一定時間後に補正
用の入力を加え、前記位置決めサーボ系に発生する減衰
の悪い振動を防振すると同時に、応答を高めるようにし
ており、更に、そのようにして作った補正用の入力の形
状に着目して、補正用の入力を位置決めサーボ系の中か
ら取り出すようにしている。
[作  用] 従って、゛本発明では、目標値を変化させたとき、所定
の時間経過後に補正用の入力が加えられ、制御対象たる
機械系の持続振動が防出され、安定且つ高速に機械は目
標値に到達する。
[実 施 例] 以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する
先ず、本発明の原理について第1図により説明すると、
目標<6 rを与え、一定時間To後にr3なる小さな
補正用のステップ入力を与える。
こうすれば、制御対象の変位Xの目標値rに対する動き
を見たうえで、ステップ人力 r3を入れるタイミング
Toを決められるので、第19図の(イ)〜Q’=>の
従来の方法に比べて調整が非常に容易になる。更にr3
は種々の目標1iirに対して略同定直でも実用上問題
のないことも確認されているが、更に高成績を得るため
には、r3−0.3r −0,5rとなるようにその印
加量を自動的に変更すれば良い。なお、このままでは制
師対象の変位Xはr+r3になってしまうため、補正用
のステップ人力r3は適当な時間の経過1M零になるよ
うにしている。
このように、実際の制御対象は前述のように非線形要素
を含むため(入力の大きさによって応答の様子が変化す
る)、従来例のようにrより小さいrlを与えるのでは
なく、真の目標値rを与えてIIJ I11対象の動き
を見た後、補正入力を与えるようにすれば、第1図の実
機の制御対象の変位の動きが示すように、応答時間を速
くしたうえで振動を防止することができる。
第2図は第1図の原理を具体化した第15図の位置決め
サーボ系の目標値を与える入力部の第1例であり、図中
31はスイッチ、32は遅延回路、33は関数回路、3
4.35は加減算器である。 第2図において、スイッ
チ31をオンすると、目標値rがサーボアンプ9に入力
され、補正用のステップ人力r3は設定された時間To
だけ遅らされて遅延回路32から加減算器34に送られ
、又同時に関数回路33からは第3図(イ)(ロ)Q\
)の何れかに示すような最大値がr3となる関数rtが
加減算器34に送られてステップ人力r3から減算され
、その信号はr3−rtとして加減算器35に送られ、
加減棒器35で加算されてr+r3−rtが目標1ii
i12としてサーボアンプ9に送られる。関数回路33
の関数が第3図(イ)の場合には補正用の入力r3は第
1図に示すように減衰し、関数が第3図(ロ)?9の場
合でも補正用の入力は減衰し、最後は零になる。
サーボアンプ9からは第15図に示されているサーボ弁
に指令信号が与えられ、該サーボ弁11はr+r3−r
tの信号により制御され、制御対象であるスプール3は
第1図に示すように1111制御される。
第1図のステップ人力rに一定時間To後に上乗せした
補正入力の形状を第4図(イ)(ロ)Q\)に示す。第
3図(イ)(ロ)Q\)に示した関数rjの選び方によ
り、$4図(イ)(ロ)Q()のような補正入力の形状
が決まる(第3図(イ)〜(/k)に示した関数以外に
も、一定時間後に零に減衰する関数であればこれ以外の
ものであっても良いことは言うまでもない)。
ところで、第4図(イ)〜Q\)のような形状をした信
号であれば、どのような信号でも、補正入力として使え
ることに本発明者は気付き、次に示すような4つの方法
のどれもが有効であることを、理論検討及び実機への適
用から確認した。
これらの方法は、どれも位置決めサーボ系が、目標値で
あるステップ人力rを受けて動き出した結果派生する信
号を使うので、ステップ人力rの大きさに応じて自動的
に補正入力の大きさr3 (第4図(イ)〜Qs> >
が変わり、第1図から第3図(イ)〜Q\)までで示し
た本発明の基本実施例よりも、実機への適用が容易であ
るという特徴を持っている。
以下、順次説明する。
第15図のスプール3の変位Xは第5図(イ)に示すよ
うになり、対応する速度Xは第5図(ロ)に示すような
波形となる。これは第4図(イ)〜(/()に示した補
正用の入力に形状が似ているので、これを代用して補正
することができる。第6図はスプール3の速度質を補正
用のステップ入力として使用した場合の入力部の構成例
で、実施例の第2のものである。図中36は速度計、3
7は演算増幅器を示している。
速度計36で検出された速度Xの信号は演算増幅器37
で適正に増幅されて遅延回路32に送られ、目標値rが
サーボアンプ9に入力されてから時間T。たけ遅らされ
て速度文の信号が加減算器35に送られ、該信号は加減
算器35で目標値rに加算され、その信号がサーボアン
プ9へ送られる。以降の作用は第1図で説明したのと同
様である。
第7図は補正用入力を作る第3の方法である。
制御対象の速度Xは第4図(ロ)に示すような形状をし
ているが、これをサンプリング周期Atsによりサンプ
リングすると第7図に示すようなサンプリングホールド
された信号38が得られる。
而してこれを補正用のステップ入力信号として使用する
ことができる。第8図は第7図のサンプリングホールド
された信号38を補正用のステップ入力として使用した
場合の入力部の構成例で、図中39はサンプルホールド
回路である。
制御対象3の速度文は速度計36で検出され、演算増幅
器37で適正に演算増幅された後、設定されたサンプリ
ング周期Jtsごとにサンプルホールド回路39でサン
プルホールドされ、該信号は加減算器35へ送られて目
標値rと加算される。而して1サンプルホ一ルド回路3
9にサンプリングされる信号は最初のサンプリング区間
で零であるので、サンプルホールド回路39からは13
tsだけ遅延した小さなステップ入力列が出力される。
従って1,7fftsを適当に選ぶことによって第6図
の遅延回路32を設けたと同様の機能を果たせることが
できる。
第9図(イ)(ロ)、第10図は補正入力を作る第4の
方法である。ステップ入力に応答したスプール3の変位
Xは第9図(イ)のようになるが、ある一定の時間間隔
lUtでサンプリングして、変動分のJXを求め、該変
動分ΔXを時間間隔Δtで割ると、すなわちAX/At
を求めると、これは時間間隔Δを間の平均速度を表わす
。今、Atは一定だから変動分Jxはスプール3の速度
質に比例する信号となり、この変動分aXを図示すると
第9図(ロ)に示すような形状になる。従ってこれを補
正用のステップ入力信号として使用することができる。
第10図はこの変動分Axを補正用のステップ入力信号
として使用した場合の入力部の実施例で、図中40は変
位計、41は演算器、42は演算増幅器である。
変位計40により検出された制御対象の変位は設定され
た時間間隔Δtごとに変動分 AXが演算器41で演算
され、該変動分Axは適正に演算増幅器42で増幅され
、加減算器35に送られ、目標値rと加算され、サーボ
アンプ9へ送られる。ステップ人力r印加後一定時間は
第9図(イ)の変位Xの波形を見ると分るように変動分
Axは零であるので、演算器41からは一定時間だけ遅
延して信号が出力される。従ってサンプリングする時間
間隔Δtを所定の値に選ぶことにより、遅延回路を設け
たと同様の機能を果たさせることができる。
第11図は、上述の演算速度信号を補正用のステップ入
力として使用した場合のステップ応答の例で、第18図
に見られる撮動が消えていることがわかる。
第12図(イ)〜(/−)、第13図は、補正入力を作
る第5の方法である。第11図に示した位置決めサーボ
系において、目標値Vrど制御対象の実際の位置を示す
信号V×との偏差信号Ve  (或いは比較演算器19
の出力V^、電力増幅器20の出力iでも同様である。
)をよ、第12図Q\)に示す形状をしている。これは
第4図(イ)に示した補正用の入力と略同様の形状をし
ているので、これを補正用の入力として使うことができ
る。第13図はこの場合の入力部の構成例で、位置決め
サーボ系の制t11装置より取り出された偏差信号Ve
は、演算増幅器37で適正に増幅されて遅延回路32に
送られ、目標IU rがサーボアンプ9に入力されてか
ら時間Toだけ遅らされて嘔差信号Veが加減惇器35
に送られ、該信号は加減算器35で目標値rに加算され
、その信号がサーボアンプ9へ出力される。以降は、す
でに説明した通りである。
以上の各実施例では目標値としてステップ入力を印加す
る場合について説明したが、一般に情報機器や産業用ロ
ボット等では第14図(イ)(ロ)に示す三角形の速度
基準曲線や放物線の速度基準曲線を与えて位置決めを行
なう。この場合、位置の目標値としてステップ入力の代
わりに各々(A) G:)に示す形状の曲線を与えたこ
とに相当するが、このようにしても本゛発明は適用でき
る。
なお、本発明の実施例においては、位置決めサーボ系の
例として、ボイスコイル・モータで駆動される直動型電
気・流体圧サーボ弁の場合について説明したが、磁気デ
ィスクのヘッドやNC工作機械の制御系など第11図の
構成を持つ全ての位置決め制御系に適用が可能であるこ
と、第5図から第13図までに示した実施例では任意の
形状の目標値入力に対して適用できること、その他、本
発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得るこ
と、等は勿論である。
[発明の効果] 本発明の位置決めサーボ系の制蓼方法によれば、制御対
象となる機械系の特性に影響されることなく該機械系に
持続振動が発生するのを防止でき、高応答、高精度のサ
ーボ系を実現することが可能であり、しかも簡単な方法
で行えるのでこれを装置化した場合の価格が安価となる
、等種々の優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法の原理を説明するためのグラフ、
第2図は第1図の原理を使用して制御を行う本発明方法
の制御ブロックの説明図、第3図(イ)(ロ)Q\)は
第2図の制御ブロック中の関数回路に設定される関数の
例の説明図、第4図(イ)(ロ)(A>は補正入力とし
て使用できる信号の形状を示す説明図、第5図(イ)は
本発明の方法を適用する機械系の変位と時間変化を示す
グラフ、第5第6図は第5図(ロ)の速度を補正用の入
力として図(ロ)は同速度と時間との関係を表わすグラ
フ、使用する場合の本発明方法の制御ブロックの説明図
、第7図は本発明の方法を適用する機械系フ、−第8図
は第7図のサンプルホールドした速      。 の速度をサンプルホールドした場合のサンプルホールド
した速度と時間との関係を表わすグラ度を補正用のステ
ップ入力として使用する場合の本発明方法の制御ブロッ
クの説明図、第9図(イ)は本発明の方法を適用する機
械系の変位差を      。 所定の時間間隔で求める場合の変位と時間との関係を表
わすグラフ、第9図(ロ)は同求めた変動 −−7′!
″1′″f!l&(7)il[eIt)t7w7・1則
°“it    i。 9図(0)の差分ΔXを補正用の入力として使用す  
    、る場合の本発明方法の制御ブロックの説明図
、第11図は演算速度信号による上乗せ分で補正人78
、。。H% (7)IJ III ’It 1”i。7
5.8゜8え、  。 方法による実機のステップ応答を示すグラフ、第12図
(イ)(ロ)QOは偏差信号Veの形状を示す説明図、
第1−3図は偏差信号Veを補正用の入力として使用す
る場合の本発明方法の制御ブロックの説明図、第14図
(イ)(ロ)は目標値として与えられる速度基準曲線の
グラフ、第14図Q\)仁)は第14図(イ)(ロ)の
速度基準曲線を変位の目標値に変換したグラフ、第15
図は直動型電気・流体圧サーボ弁の位置決めサーボ系の
説明図、第16図は第15図の装置をモデル化した場合
の説明図、第17図は第15図の装置のスプールの位置
を制御する場合の位置決めサーボ系の制御ブロックの説
明図、第18図は第15図の装置でスプールの制御を行
った場合の変位の時間変化を表わすグラフ、第19図(
イ)(ロ)(場は機械系の撮動波形に対してステップ入
力を2つに分け、2つ目のステップ入力を半波長相当だ
け時間を遅らせて加えて振動を防ぐ従来方法説明用のグ
ラフである。 図中1はバルブ・ボディ、2はスリーブ、3はスプール
、4はボビン、5は可動型コイル、6は永久磁石、9は
サーボアンプ、7,15.40は変位計、16は比較演
算器、7は演算増幅器、18は速度計、19は比較演算
器、20は電力増幅器、21はモータ、23は制御対象
の特性、31はスイッチ、32は遅延回路、33は関数
回路、34.35は加減算器、36は速度計、37は演
算器増幅器、3つはサンプルホールド回路、40は変位
計、41は演算器、42は演算増幅器を示す。 特  許  出  願  人 石川島播磨重工業株式会社 奥 口 L′1″1L− Oで− 囚 \才 !1” 峡 快

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)目標値である入力信号と制御対象の出力信号である
    制御されるべき量とを比較演算して偏差を求め、該偏差
    を増幅器を通してモータに送り該モータを作動せしめ、
    偏差が小さくなるようにモータの出力と方向とを制御す
    る位置決めサーボ系において、目標値である入力信号を
    変化させたとき、ある一定時間後に補正用の入力を加え
    、前記位置決めサーボ系に発生する振動を防振すると同
    時に応答を高めることを特徴とする位置決めサーボ系の
    制御方法。 2)目標値である入力の印加後、ある一定時間後に補正
    用の入力を加え、該補正用の入力を一定時間経過後零と
    する特許請求の範囲第1)項に記載の位置決めサーボ系
    の制御方法。 3)前記補正用の入力の大きさ若しくは入力の印加時点
    の少くとも一方、或は両方を同時に、目標値の大きさに
    応じて変える特許請求の範囲第1)項若しくは第2)項
    に記載の位置決めサーボ系の制御方法。 4)前記補正用の入力として、制御対象の速度を入力部
    に正帰還させたものを用いる特許請求の範囲第1)項記
    載の位置決めサーボ系の制御方法。 5)前記補正用の入力として、制御対象の速度を検出し
    、該信号をサンプルホールド回路を通して処理し、該サ
    ンプルホールド回路の出力を入力部に正帰還させたもの
    を用いる特許請求の範囲第1)項に記載の位置決めサー
    ボ系の制御方法。 6)前記補正用の入力として、予め設定された所定の時
    間間隔で制御対象の変位の差分を求め、この信号を入力
    部に正帰還させたものを用いる特許請求の範囲第1)項
    に記載の位置決めサーボ系の制御方法。 7)前記補正用の入力として、目標値である入力信号と
    制御対象である出力信号との偏差を入力部に正帰還させ
    たものを用いる特許請求の範囲第1)項に記載の位置決
    めサーボ系の制御方法。
JP60163521A 1985-07-24 1985-07-24 位置決めサーボ系の制御方法 Expired - Lifetime JPH0695299B2 (ja)

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