JPWO2008075558A1 - 位置制御装置 - Google Patents

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Abstract

位置指令に対してオーバーシュートがない高速度高精度な追従特性および外乱に対して強力な抑圧特性を実現できる位置制御装置と制御方法を提供する。位置指令と電動機の回転位置との偏差に基づいて速度指令を算出する位置制御部（１）と、前記速度指令とフィードバック速度との速度偏差に基づいてトルク指令を算出するＰＩ制御部（２）と、トルク指令と電動機の回転速度に基づいて前記フィードバック速度を生成するオブザーバ（６）と、を備えた位置制御装置において、速度指令からトルク指令の位相進み補償信号を生成する位相進み補償器（５）と、トルク指令とトルク指令の位相進み補償信号を加算して新たなトルク指令を生成する加算器（９）とを備えた。

Description

本発明は、フィードバック位置信号を位置指令に追従させる位置制御装置に関する。
通常、電動機を用いて機械を駆動制御する位置制御装置では、電動機の回転速度をフィードバックしてＰＩ制御を用いて速度制御行うと共に、電動機の回転位置をフィードバックしてＰ制御を用いて位置制御を行うようなＰ−ＰＩマイナーループ制御系が構成されている。良く知られているように、まず速度制御のＰＩ制御のゲインを上げて速度制御ループの応答特性を向上してから、初めて位置制御のＰ制御のゲインを上げられ、位置指令に対する追従特性および外乱に対する抑圧特性を向上することができる。しかしながら、制御系には、計算の時間遅れおよび電流ループの位相遅れが必ず存在し、また高周波のノイズや機械振動などをカットするためにローパスフィルタやノッチフィルタなどの遅れ要素を入れる必要がある。これらの遅れ要素の位相遅れのため、速度制御のＰＩ制御のゲインを上げられないので、位置指令に対する追従特性および外乱に対する抑圧特性が悪い。
従来技術は、遅れ要素の位相遅れを補償できるオブザーバを用いることである（例えば、特許文献１参照）。図３は従来技術を用いた位置制御装置の構成を示すブロック図である。図において、３は制御対象であり、計算の時間遅れや電流ループやローパスフィルタやノッチフィルタなどを含む遅れ要素３１と、電動機の回転子を含む機械可動部３２（電磁トルクから電動機の回転速度までの伝達関数で示されている）とを含んでいる。また、１は位置制御部、２はＰＩ制御部である。また、６はオブザーバであり、機械可動部モデル６１および遅れ要素モデル６２で構成されたオブザーバの制御対象６０とオブザーバ補償器６３とを含んでいる。
また、θ＊は位置指令、ω＊は速度指令、θｍは電動機の回転位置、ωｍは電動機の回転速度、ωｆｂはフィードバック速度、Ｔ＊はトルク指令、Ｊは機械可動部のイナーシャ、Ｄは機械可動部の粘性摩擦係数、ｓはラプラス演算子である。
次に、動作原理について説明する。
制御対象３では、遅れ要素Ｌ（ｓ）３１の出力を機械可動部Ｐ（ｓ）３２に入力することで、オブザーバの制御対象６０では、機械可動部モデルＰｏ（ｓ）６１の出力を遅れ要素モデルＬｏ（ｓ）６２に入力することになっている。そのため、制御対象のモデルが正確に同定され、すなわち、Ｌｏ（ｓ）＝Ｌ（ｓ）、Ｐｏ（ｓ）＝Ｐ（ｓ）が満たされる場合に、遅れ要素モデル６２の出力であるωｏは電動機の回転速度ωｍの正確な推定速度になり、すなわち、
ωｏ＝ωｍ （１）
が成り立つので、図３の制御システムを等価的に図４のように書き直すことができる。図４より、速度ループの内には遅れ要素がなくなったため、ＰＩ制御部２のゲインを大きく上げられ、速度制御ループの応答特性を向上することで、位置制御器１のゲインも上げられ、位置指令に対する追従特性および外乱に対する抑圧特性を向上することができる。
特開２００３−３３０６６号公報
しかしながら、従来技術では、位置ループの内には位相遅れを持つ遅れ要素モデルが存在しているため、位置制御器のゲインをあまり大きく上げると、電動機の回転位置が位置指令に対してオーバーシュートするという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、位相進み補償器を組み合わせることにより、位置ループの内の位相遅れを補償し、位置制御器のゲインを大きく上げられることで、位置指令に対してオーバーシュートがない高速度高精度な追従特性および外乱に対して強力な抑圧特性を実現できる位置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、位置指令と電動機の回転位置との偏差に基づいて速度指令を算出する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度との偏差に基づいてトルク指令を算出するＰＩ制御部と、前記トルク指令および電動機の回転速度を入力し、前記電動機の回転速度から遅れ要素モデルの出力を差し引いた値をオブザーバ補償器に入力し、前記トルク指令に前記オブザーバ補償器の出力を足した値を機械可動部モデルに入力し、前記機械可動部モデルの出力を前記遅れ要素モデルに入力すると共に、前記フィードバック速度として出力するオブザーバと、を備え、電動機および負荷機械を駆動制御する位置制御装置において、前記速度指令からトルク指令の位相進み補償信号を算出する位相進み補償器を有し、前記トルク指令に前記トルク指令の位相進み補償信号を足して新たなトルク指令とすることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記遅れ要素モデルを一次遅れフィルタとし、前記位相進み補償器のゲインを、この一次遅れフィルタの時定数に前記ＰＩ制御部の積分ゲインを掛けた値から前記ＰＩ制御部の比例ゲインを差し引いた値とすることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、位置指令と電動機の回転位置との偏差に基づいて速度指令を算出する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度との偏差に基づいて比例部速度指令を算出する積分制御部と、前記比例部速度指令とフィードバック速度との偏差に基づいてトルク指令を算出する比例制御部と、前記トルク指令および電動機の回転速度を入力し、前記電動機の回転速度から遅れ要素モデルの出力を差し引いた値をオブザーバ補償器に入力し、前記トルク指令に前記オブザーバ補償器の出力を足した値を機械可動部モデルに入力し、前記機械可動部モデルの出力を前記遅れ要素モデルに入力すると共に、前記フィードバック速度として出力するオブザーバと、を備え、電動機および負荷機械を駆動制御する位置制御装置において、前記速度指令から速度指令の位相進み補償信号を算出する位相進み補償器を有し、前記比例部速度指令に前記速度指令の位相進み補償信号を足して新たな比例部速度指令とすることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の位置制御装置において、前記遅れ要素モデルを一次遅れフィルタとし、前記位相進み補償器のゲインを、前記一次遅れフィルタの時定数に前記積分制御部のゲインを掛けた値とすることを特徴とするものである。
本発明は、位相進み補償器を組み合わせることで、位置ループの内の位相遅れを補償し、位置制御器のゲインを大きく上げられ、位置指令に対してオーバーシュートがない高速度高精度な追従特性および外乱に対して強力な抑圧特性を実現することができる。
本発明の実施例１を示す位置制御装置のブロック図 図１の等価ブロック図 従来技術を用いた位置制御装置の構成を示すブロック図 図３の等価ブロック図 本発明の実施例２を示す位置制御装置のブロック図 図５の等価ブロック図
符号の説明
１ 位置制御部
２ ＰＩ制御部
３ 御対象
３１ 遅れ要素
３２ 機械可動部
４ 積分部
５ 位相進み補償部
６ オブザーバ
６０ オブザーバの制御対象
６１ 機械可動部モデル
６２ 遅れ要素モデル
６３ オブザーバ補償器
６４ 加算器
６５ 減算器
７、８ 減算器
９ 加減算器
１０ ＩＰ制御部
１１ 積分制御部
１２ 比例制御部
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例１を示す位置制御装置のブロック図であり、各部には、図３の相当部分と同一記号を付してその説明を省略する。図１の本発明の実施例１は図３の従来技術と異なることが、位相進み補償器５と加算器９とを有し、速度指令ω＊に基づいて位相進み補償器５を用いてトルク指令の位相進み補償信号Ｔ２ ＊を算出し、そして加算器９を用いてＰＩ制御部２の出力であるトルク指令Ｔ１ ＊に前記トルク指令の位相進み補償信号Ｔ２ ＊を足して新たなトルク指令Ｔ＊を算出することである。
以下、本発明の制御装置の動作原理について説明する。
制御対象のモデルが正確に同定され、すなわち、Ｌｏ（ｓ）＝Ｌ（ｓ），Ｐｏ（ｓ）＝Ｐ（ｓ）が満たされる場合に、前記従来技術と同じ理由で、図１の制御システムを等価的に図２のように書き直すことができる。図２より、速度ループの内には遅れ要素がなくなったため、ＰＩ制御部２のゲインを大きく上げられ、速度制御ループの応答特性を向上することができる。また、位置ループの内には位相遅れを持つ遅れ要素モデル６２が存在しているが、その位相遅れは位相進み補償器５のゲインａを調整することにより、補償されることができる。その理由は以下に述べる。
遅れ要素の伝達関数を一次遅れフィルタと近似し、遅れ要素モデル６２を式（２）とし、



また、ＰＩ制御部２を式（３）とし、



速度指令ω＊から電動機の回転速度ωｍまでの伝達関数を求め、整理すると、式（４）になる。



また、位相進み補償部５のゲインを式（５）とすると、



速度指令ω＊から電動機の回転速度ωｍまでの伝達関数は式（６）になる。



式（６）より、一次遅れフィルタの極はキャンセルされ、ＰＩ制御器２の比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを調整することによって、Ｇω（ｓ）の極を任意の位置に配置することができる。すなわち、速度指令ω＊に対する電動機の回転速度ωｍの応答特性のカット周波数を十分高く設定することができる。よって、位置指令θ＊に対する電動機の回転位置θｍの応答はオーバーシュートがでないように、位置制御器１のゲインを大きく上げることができる。また、位置制御器１のゲインを上げることで、位置指令に対する追従特性および外乱に対する抑圧特性を向上することができる。
このように、位相進み補償器を組み合わせることで、位置ループの内の位相遅れを補償し、位置制御器のゲインを大きく上げられ、位置指令に対してオーバーシュートがない高速度高精度な追従特性および外乱に対して強力な抑圧特性を実現することができる。
図５は、本発明の実施例２を示す位置制御装置のブロック図であり、各部には、図１の相当部分と同一記号を付してその説明を省略する。図５の実施例２は図１の実施例１と異なることが、ＰＩ制御部２の代わりにＩＰ制御部１０を使い、また位相進み補償器５にてトルク指令の位相進み補償信号ではなく速度指令の位相進み補償信号ω２ ＊を算出し、そして積分制御部１１の出力である比例部速度指令ω１ ＊に前記トルク指令の位相進み補償信号ω２ ＊を足して新たなトルク指令ではなく新たな比例部速度指令算出することである。
以下、本発明の制御装置の動作原理について説明する。
制御対象のモデルが正確に同定され、すなわち、Ｌｏ（ｓ）＝Ｌ（ｓ），Ｐｏ（ｓ）＝Ｐ（ｓ）が満たされる場合に、実施例１と同じ理由で、図５の制御システムを等価的に図６のように書き直すことができる。図６より、速度ループの内には遅れ要素がなくなったため、ＩＰ制御部１０のゲインを大きく上げられ、速度制御ループの応答特性を向上することができる。また、位置ループの内には位相遅れを持つ遅れ要素モデル６２が存在しているが、その位相遅れは位相進み補償器５のゲインａを調整することにより、補償されることができる。その理由は以下に述べる。
遅れ要素の伝達関数を一次遅れフィルタと近似し、遅れ要素モデル６２を式（７）とし、



また、積分制御部１１のゲインをＫｉとし、比例制御部１２のゲインをＫｐとし、速度指令ω＊から電動機の回転速度ωｍまでの伝達関数を求め、整理すると、式（８）になる。



また、位相進み補償部５のゲインを式（９）とすると、



速度指令ω＊から電動機の回転速度ωｍまでの伝達関数は、式（１０）になる。



式（１０）より、一次遅れフィルタの極はキャンセルされ、ＩＰ制御器２の比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを調整することによって、Ｇω（ｓ）の極を任意の位置に配置することができる。すなわち、速度指令ω＊に対する電動機の回転速度ωｍの応答特性のカット周波数を十分高く設定することができる。よって、位置指令θ＊に対する電動機の回転位置θｍの応答はオーバーシュートがでないように、位置制御器１のゲインを大きく上げることができる。また、位置制御器１のゲインを上げることで、位置指令に対する追従特性および外乱に対する抑圧特性を向上することができる。
このように、位相進み補償器を組み合わせることで、位置ループの内の位相遅れを補償し、位置制御器のゲインを大きく上げられ、位置指令に対してオーバーシュートがない高速度高精度な追従特性および外乱に対して強力な抑圧特性を実現することができる。
通常のマイナーループ制御系にオブザーバと位相進み補償器を組み合わせることで制御系の遅れ要素の位相遅れを補償することによって、高性能な目標追従制御を実現することができるので、電動機駆動装置のみならず、いわゆる目標指令にフィードバック信号を追従させる制御システムにも適用できる。

Claims (4)

  1. 位置指令と電動機の回転位置との偏差に基づいて速度指令を算出する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度との偏差に基づいてトルク指令を算出するＰＩ制御部と、
    前記トルク指令および電動機の回転速度を入力し、前記電動機の回転速度から遅れ要素モデルの出力を差し引いた値をオブザーバ補償器に入力し、前記トルク指令に前記オブザーバ補償器の出力を足した値を機械可動部モデルに入力し、前記機械可動部モデルの出力を前記遅れ要素モデルに入力すると共に、前記フィードバック速度として出力するオブザーバと、
    を備え、電動機および負荷機械を駆動制御する位置制御装置において、
    前記速度指令からトルク指令の位相進み補償信号を算出する位相進み補償器を有し、
    前記トルク指令に前記トルク指令の位相進み補償信号を足して新たなトルク指令とする
    ことを特徴とする位置制御装置。
  2. 前記遅れ要素モデルを一次遅れフィルタとし、前記位相進み補償器のゲインを、前記一次遅れフィルタの時定数に前記ＰＩ制御部の積分ゲインを掛けた値から前記ＰＩ制御部の比例ゲインを差し引いた値とすることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
  3. 位置指令と電動機の回転位置との偏差に基づいて速度指令を算出する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度との偏差に基づいて比例部速度指令を算出する積分制御部と、前記比例部速度指令とフィードバック速度との偏差に基づいてトルク指令を算出する比例制御部と、
    前記トルク指令および電動機の回転速度を入力し、前記電動機の回転速度から遅れ要素モデルの出力を差し引いた値をオブザーバ補償器に入力し、前記トルク指令に前記オブザーバ補償器の出力を足した値を機械可動部モデルに入力し、前記機械可動部モデルの出力を前記遅れ要素モデルに入力すると共に、前記フィードバック速度として出力するオブザーバと、
    を備え、電動機および負荷機械を駆動制御する位置制御装置において、
    前記速度指令から速度指令の位相進み補償信号を算出する位相進み補償器を有し、
    前記比例部速度指令に前記速度指令の位相進み補償信号を足して新たな比例部速度指令
    とすることを特徴とする位置制御装置。
  4. 前記遅れ要素モデルを一次遅れフィルタとし、前記位相進み補償器のゲインを、前記一次遅れフィルタの時定数に前記積分制御部のゲインを掛けた値とすることを特徴とする請求項３記載の位置制御装置。
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