(57)【要約】【課題】負荷イナーシャの推定値と実際値との誤差が大きい場合や負荷変動が生じた場合においても安定性を向上させることができるサーボ制御装置を提供する。【解決手段】速度指令値と帰還速度の偏差が入力される速度調節器２と、該速度調節器２から出力されるトルク指令値に基づいて機械系５の出力トルクを制御するトルク制御部４とを少なくとも備えたサーボ制御装置であって、前記速度調節器２とトルク制御部４との間に位相進み補償器３をカスケード接続し、該位相進み補償器３は、前記速度調節器２のカットオフ周波数近傍に対して位相進み補償するようにパラメータを自動調整する構成とする。【選択図】図１
2010273468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令値と帰還速度の偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値に基づいて機械系の出力トルクを制御するトルク制御部とを少なくとも備えたサーボ制御装置であって、
前記速度調節器とトルク制御部との間に位相進み補償器をカスケード接続し、該位相進み補償器は、前記速度調節器のカットオフ周波数近傍に対して位相進み補償するようにパラメータを自動調整する構成とされている
ことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
前記位相進み補償器は、自己のゲインが零となる周波数が一つのみ存在する場合に、当該周波数を前記速度調節器のカットオフ周波数と一致させるようにパラメータを自動調整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。
【請求項３】
前記位相進み補償器は、自己のゲインが零となる周波数が複数存在する場合に、ゲインが零で且つ位相補償量が最も大きくなる周波数を前記速度調節器のカットオフ周波数と一致させるようにパラメータを自動調整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。
【請求項４】
前記位相進み補償器は、自己のゲインが零となる周波数が存在しない場合に、ゲインが零に最も近く、且つ位相補償量が最も大きくなる周波数を前記速度調節器のカットオフ周波数と一致させるようにパラメータを自動調整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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボアンプ、サーボモータ等を組み合わせた速度制御系に対して、負荷イナーシャの設定値と実際値との誤差が大きい場合や負荷変動が発生した場合に安定性を向上させるサーボ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、サーボ制御装置の速度制御には、電動機の速度をフィードバックして制御を行うため、電動機の回転子を含む機械系全体のイナーシャを正確に知る必要がある。そこで、負荷イナーシャを推定して各制御パラメータを調整する方法が知られている（例えば、特許文献1参照）。
図５は、負荷イナーシャを推定して制御パラメータを調整する方法を表すブロック図である。この図５において、速度指令値Ｎｒが減算器１に入力され、この減算器１で速度実際値Ｎとの偏差ΔＮが演算され、この偏差ΔＮが速度調節器２に入力される。この速度調節器２では、ＰＩ（比例積分）演算が行われてトルク指令値ｕ(n)が出力される。このトルク指令値ｕ(n)はトルク制限部６に供給されて、その最大値が後述するトルク制限値演算部１０から入力されるトルク制限値Ｔｍａｘに制限される。そして、最大値が制限されたトルク指令値ｕ(n)′がトルク制御部４に供給される。このトルク制御部４では、トルク指令値ｕ(n)′に基づいてサーボモータ等の機械系５が出力するトルクの制御を行う。
【０００３】
また、速度調節器２の伝達関数はＫｖ（１＋１／Ｔｉ・ｓ）、トルク制御部４の伝達関数は１＋１／Ｔａｃｒ・ｓ、機械系５の伝達関数は１／Ｊｓで表される。ここで、ｓはラプラス演算子、Ｋｖは速度調節器２のゲイン、Ｔｉは速度調節器の積分時間、Ｔａｃｒはトルク制御部４の等価時定数、Ｊは負荷イナーシャである。
そして、速度調節器２から出力されるトルク指令値ｕ(n)はトルク平均値演算部９にも供給され、このトルク平均値演算部９でトルク指令値ｕ(n)の加減速時の発生トルクの平均値Ｔｍｉｎを演算し、演算したトルク平均値Ｔｍｉｎとトルク制限設定値Ｔｍ０とをトルク制限値演算部１０に供給する。
【０００４】
このトルク制限値演算部１０では、トルク平均値Ｔｍｉｎがトルク制限設定値Ｔｍ０よりも小さい場合には、トルク制限値Ｔｍａｘをトルク平均値Ｔｍｉｎよりも小さいトルク制限値Ｔｍａｘを設定し、その他の場合にはトルク制限設定値Ｔｍ０をトルク制限値Ｔｍａｘとして設定し、設定したトルク制限値Ｔｍａｘを出力する。このトルク制限値Ｔｍａｘは、トルク制限部６に入力されると共に、負荷イナーシャ推定部７に入力される。
【０００５】
ここで、トルク制限値Ｔｍａｘ、速度変化率Ｎ′、負荷イナーシャＪとの間には、
Ｊ＝Ｔｍａｘ／ΔＮ    ・・・（１）
という関係があることに着目して、負荷イナーシャ推定部７は、負荷イナーシャＪを推定演算する。なお、速度変化率Ｎ′は、
Ｎ′＝（Ｎ(n+1)−Ｎ(n)）／ｔｓ      ・・・（２）
により算出する。ここで、ｔｓはサンプリング時間である。
【０００６】
上述のようにして演算された負荷イナーシャ推定値Ｊｈは速度調節器ゲイン演算部８に入力され、この速度調節器ゲイン演算部８で、トルク制御部４の等価時定数Ｔａｃｒを用いて速度調節器ゲインＫｖが次式により演算される。
Ｋｖ＝Ｊｈ／（ｇｖ・Ｔａｃｒ）      ・・・（３）
ここで、ｇｖは設定定数である。
【０００７】
また、積分時間演算部１１で、前記速度調節器ゲインＫｖと負荷イナーシャ推定値Ｊｈ、さらには設定定数ｇｉを用いて次式により速度調節器２の積分時間Ｔｉを演算する。
Ｔｉ＝Ｋｖ／（ｇｉ・Ｊｈ）      ・・・（４）
すなわち、１／ＴｉがＫｖ／Ｊｈ以下になるように積分時間演算手段が積分時間Ｔｉを自動的に決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−７８８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、サーボアンプ、サーボモータ等を組み合わせた速度制御系で、未知パラメータである負荷イナーシャＪの値を推定し、その推定値Ｊｈに対して各制御パラメータの自動調整を行っている。そのため、負荷イナーシャの推定値と実際値との間の誤差が大きい場合や負荷変動が生じた場合には、安定性が損なわれるという未解決の課題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、負荷イナーシャの推定値と実際値との誤差が大きい場合や負荷変動が生じた場合においても安定性を向上させ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している。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、一の形態に係るサーボ制御装置は、速度指令値と帰還速度の偏差が入力される速度調節器と、該速度調節器から出力されるトルク指令値に基づいて機械系の出力トルクを制御するトルク制御部とを少なくとも備えたサーボ制御装置であって、
前記速度調節器とトルク制御部との間に位相進み補償器をカスケード接続し、該位相進み補償器は、前記速度調節器のカットオフ周波数近傍に対して位相進み補償するようにパラメータを自動調整する構成とされていることを特徴としている
この構成によると、位相進み補償器のパラメータを速度調節器のカットオフ周波数近傍に自動調整することにより、推定した負荷イナーシャの値と実際の値とで誤差が大きい場合でも、位相余裕を大きくすることで安定性を増すことができる。
【００１２】
また、他の実施形態に係るサーボ制御装置は、前記位相進み補償器は、自己のゲインが零となる周波数が一つのみ存在する場合に、当該周波数を前記速度調節器のカットオフ周波数と一致させるようにパラメータを自動調整することを特徴としている。
この構成によると、負荷イナーシャの推定値と実際値と一致している場合に位相進み補償器を接続していない場合と同等の応答を得ることができる。
【００１３】
また、他の形態に係るサーボ制御装置は、前記位相進み補償器は、自己のゲインが零となる周波数が複数存在する場合に、ゲインが零で且つ位相補償量が最も大きくなる周波数を前記速度調節器のカットオフ周波数と一致させるようにパラメータを自動調整することを特徴としている。
この構成によると、推定した負荷イナーシャの値と実際の値とで誤差が大きい場合でも、位相余裕を大きくすることで安定性を増すことができる。
【００１４】
また、他の形態に係るサーボ制御装置は、前記位相進み補償器は、自己のゲインが零となる周波数が存在しない場合に、ゲインが零に最も近く、且つ位相補償量が最も大きくなる周波数を前記速度調節器のカットオフ周波数と一致させるようにパラメータを自動調整することを特徴としている。
この構成によると、推定した負荷イナーシャの値と実際の値とで誤差が大きい場合でも、位相余裕を大きくすることで安定性を増すことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、位相進み補償器のパラメータを速度調節器のカットオフ周波数近傍に自動調整することにより、推定した負荷イナーシャの値と実際の値とで誤差が大きい場合でも、位相余裕を大きくすることで安定性を増すことができる。このため、帰還速度の速度変動や位置偏差を小さくすることが可能となるという効果が得られる。
また、位相進み補償器のゲインが零となる周波数を速度調節器のカットオフ周波数に一致させることにより、負荷イナーシャの推定値と実査位置とが一致している場合において、位相進み補償器を接続する前とあとでカットオフ周波数の変化がないため、位相進み補償器を接続していない状態と同等の応答を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るサーボ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の速度調節器の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】位相進み補償器のボード線図を示す図である。
【図４】図１のゲイン測定装置の具体的構成を示すブロック図である。
【図５】従来のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明のサーボ制御装置の一実施形態を示すブロック図であり、図中、１は速度指令値Ｎｒから実際の速度Ｎを減算して偏差ΔＮを算出する減算器である。この減算器１から出力される偏差ΔＮは速度調節器２に入力される。
この速度調節器２は、図２に示すにように、偏差ΔＮが入力される伝達関数が“１”に設定された演算部２ａと、偏差ΔＮが入力される積分演算部２ｂと、演算部２ａ及び積分演算部２ｂの出力を加算する加算器２ｃと、この加算器２ｃの出力が入力される比例演算部２ｄとで構成されている。
【００１８】
ここで、積分演算部２ｂの伝達関数Ｇｉは積分時間をＴｉとしたときにＧｉ＝１／（Ｔｉ・ｓ）で表され、比例演算部２ｄの伝達関数Ｇｐは比例ゲインをＫｖとしたときにＧｐ＝Ｋｖで表される。このため、速度調節器２の伝達関数Ｇｖは下記（５）式で表される。
Ｇｖ＝Ｋｖ｛１＋１／（Ｔｉ・ｓ）｝      ・・・（５）
そして、速度調節器２の可変パラメータとなる積分時間Ｔｉ及び比例ゲインＫｖが前述した従来例と同様に負荷イナーシャＪを推定することにより演算される。すなわち、トルク平均値演算部９で速度調節器２から出力されるトルク指令値ｕ(n)の加減速時の発生トルクの平均値Ｔｍｉｎを算出し、算出したトルク平均値Ｔｍｉｎと予め設定されたトルク制限値Ｔｍ０とをトルク制限値演算部１０に供給してトルク制限値Ｔｍａｘを算出する。
【００１９】
また、速度実際値Ｎの速度変化率Ｎ′とトルク制限値Ｔｍａｘとを負荷イナーシャ推定部７に供給して負荷イナーシャ推定値Ｊｈ（＝Ｔｍａｘ／Ｎ′）を演算し、演算した負荷イナーシャ推定値Ｊｈを速度調節器ゲイン演算部８に供給して前記（３）式に従って速度調節器ゲインＫｖを算出する。
さらに、負荷イナーシャ推定値Ｊｈと速度調節器ゲインＫｖとを積分時間演算部１１に供給して前記（４）式に従って積分時間Ｔｉを演算する。
【００２０】
演算された積分時間Ｔｉ及び速度調節器ゲインＫｖを速度調節器２の比例演算部２ｄ及び積分演算部２ｂに供給することにより、速度調節器２のパラメータを自動的に決定する。
【００２１】
そして、速度調節器２から出力されるトルク指令値ｕ(n)がカスケード接続された位相進み補償器３に入力される。この位相進み補償器３は高周波領域で一巡伝達関数の位相を進めることにより安定化を図る補償を行うもので、伝達関数Ｇｃ(s)が下記（６）式で表される。
Ｇｃ(s)＝ＫC｛（１＋αＴCｓ）／（１＋ＴCｓ）｝  ・・・（６）
ここで、ＫCはゲイン、ＴCは時定数、αは係数、ｓはラプラス演算子であって、ゲインＫC、時定数ＴC及び係数αが可変パラメータとなる。
この位相進み補償器３のボード線図は、周波数ω［ｌｏｇ］に対するゲインが、図３（ａ）に示すように、０［ｄＢ］から折点周波数１／αＴCから一定の増加率で増加し、２０ｌｏｇ10α［ｄＢ］まで増加した折点周波数１／ＴCで一定値となるように設定されている。
【００２２】
また、周波数ω［ｌｏｇ］に対する位相が、図３（ｂ）に示すように、折点周波数１／αＴC及び１／ＴC間の中間の周波数ωm（＝１／ＴC√α）で最大位相φmとなり、この中間周波数ωmから折点周波数１／αＴC及び１／ＴCに近づくにつれて位相が低下するように設定されている。また、位相進みの最大値ｓｉｎφmはｓｉｎφm＝（α−１）／（α＋１）で表される。
【００２３】
そして、パラメータとしてのゲインＫCは設計仕様によって決定され、係数αは速度調節器２から出力されるトルク指令値ｕ(n)に対する位相余裕をどの程度持たせるかによって決定され、時定数ＴCは折点周波数１／ＴC又は１／αＴCをどのような周波数に設定するかによって決定される。
ここで、時定数ＴCの設定は、基本的には速度調節器２のカットオフ周波数と位相進み補償器３のゲインが零となる折線周波数１／αＴCが一致するように自動的に設定する。
【００２４】
すなわち、位相進み補償器３のゲインが零となる周波数が１つだけ存在する場合には、位相進み補償器３のゲインが零となる折線周波数１／αＴCを速度調節器２のカットオフ周波数と一致するように時定数ＴCを自動的に設定する。
また、位相進み補償器３のゲインが零となる周波数が複数存在する場合には、位相進み補償器３のゲインの最小値が零であれば、折線周波数１／αＴCを速度調節器２のカットオフ周波数と一致するように時定数ＴCを設定し、位相進み補償器３のゲインの最大値が零である場合には、折線周波数１／ＴCが速度調節器２のカットオフ周波数に一致するように時定数ＴCを自動的に設定する。
【００２５】
さらに、位相進み補償器３のゲインが零となる周波数が存在しない場合すなわち位相進み補償器３のゲインが常に零より小さい場合には、折線周波数１／ＴCが速度調節器２のカットオフ周波数に一致するように時定数ＴCを設定し、位相進み補償器３のゲインが常に零より大きい場合には、折線周波数１／αＴCが速度調節器２のカットオフ周波数に一致するように時定数ＴCを自動的に設定する。
【００２６】
このように、パラメータを自動設定するには、位相進み補償器３の出力側に、ゲイン測定装置２０を設ける。このゲイン測定装置２０は、図４に示すように、機械系５の電動機の駆動に影響を与えることがない所定周波数（例えば２０００Ｈｚ程度）の正弦波を測定用信号として予め設定した設定時間が経過する毎に０．０１秒〜０．０５秒間程度の短時間発生させる正弦波発生部２１と、この正弦波発生部２１で発生された測定用信号を位相進み補償器３の出力側に加える加算部２２と、加算部２２の出力側及び入力側の信号Ｓａ１及びＳａ２が入力されてゲインを測定するゲイン測定部２３とを備えている。
【００２７】
ゲイン測定部２３は、信号Ｓａ１が入力される信号処理部２４Ａと、信号Ｓａ２が入力される信号処理部２４Ｂと、信号処理部２４Ａで信号処理した信号Ｓｂ１を信号処理部２４Ｂで信号処理した信号Ｓｂ１で除算して閉ループゲインＫを算出する除算器２５とを備えている。
信号処理部２４Ａ及び２４Ｂは、正弦波発生部２１で発生した測定用信号を抽出するバンドパスフィルタ２６ａ及び２６ｂと、このバンドパスフィルタ２６ａ及び２６ｂの出力が入力される絶対値演算部２７ａ及び２７ｂと、絶対値演算部２７ａ及び２７ｂから出力される絶対値を積分する積分演算部２８ａ及び２８ｂとを備えている。そして、信号処理部２４Ａ及び２４Ｂは正弦波発生部２１で測定用信号を発生している期間だけ作動状態に制御される。
【００２８】
また、除算器２５から出力されるゲインＫが位相進み補償器３に入力され、この位相進み補償器３で入力されるゲインＫに基づいて前述したパラメータの自動設定を行う。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、速度指令信号Ｎｒが減算器１に入力されて、この減算器１から速度偏差ΔＮが速度調節器２に供給され、この速度調節器２でＰＩ演算処理してトルク指令値ｕ(n)を算出し、これが位相進み補償器３で位相進み補償されてトルク制御部４に供給され、このトルク制御部４で、機械系に含まれる電動機を駆動制御するフィードバック制御が行われているものとする。
【００２９】
このとき、位相進み補償器３では、所定時間毎にゲイン測定装置２０から入力される閉ループゲインＫに基づいてパラメータを自動設定する。ゲイン測定装置２０では、所定時間毎に短時間の正弦波でなる測定用信号Ｓａを発生し、この測定用信号を加算部２２で位相進み補償器３の出力信号に重畳する。
このとき、信号処理部２４Ａ及び２４Ｂも作動状態となり、信号処理部２４Ａによって加算部２２で測定用信号が重畳された信号をバンドパスフィルタ２６ａに供給して、このバンドパスフィルタ２６ａで測定用信号を抽出し、抽出した測定用信号を絶対値演算部２７ａで絶対値化し、積分演算部２８ａで積分して、その積分出力を除算器２５に供給する。
【００３０】
一方、フィードバック制御系を一巡して位相進み補償器３から出力される一巡信号が信号処理部２４Ｂのバンドパスフィルタ２６ｂに入力され、このバンドパスフィルタ２６ｂで一巡後測定信号を抽出し、抽出した一巡後測定信号を絶対値演算部２７ｂで絶対値化し、積分演算部２８ｂで積分して、その積分出力を除算器２５に供給する。
このため、除算器２５で、測定信号の積分出力を一巡後測定信号の積分出力で除算することにより、閉ループゲインＫを算出し、算出した閉ループゲインＫを位相進み補償器３に供給する。
【００３１】
このため、位相進み補償器３で、閉ループゲインＫに基づいて、０［ｄＢ］の周波数が存在するか否かを判定し、０［ｄＢ］の周波数が１つだけ存在する場合には、折線周波数１／αＴCを速度調節器２のカットオフ周波数と一致するように時定数ＴCを自動的に設定する。Ｏ［ｄＢ］の周波数が複数存在する場合には、ゲインＫの最小値が０［ｄＢ］であれば、折線周波数１／αＴCを速度調節器２のカットオフ周波数と一致するように時定数ＴCを設定し、ゲインＫの最大値が零である場合には、折線周波数１／ＴCが速度調節器２のカットオフ周波数に一致するように時定数ＴCを自動的に設定する。
【００３２】
さらに、ゲインＫが零となる周波数が存在しない場合には、ゲインＫが０［ｄＢ］に最も近く、位相補償量が最も大きくなる点の周波数を自動調整する。すなわちゲインＫが常に零より小さい場合には、折線周波数１／ＴCが速度調節器２のカットオフ周波数に一致するように時定数ＴCを設定し、ゲインＫが常に零より大きい場合には、折線周波数１／αＴCが速度調節器２のカットオフ周波数に一致するように時定数ＴCを自動的に設定する。
【００３３】
このように、位相進み補償器３のパラメータをゲインＫが零となる周波数を速度調節器２のカットオフ周波数に一致するように自動的に設定することにより、負荷イナーシャの推定値Ｊｈと実際の負荷イナーシャＪとが一致している場合においては、カットオフ周波数が同一であるため、従来例と略同等の応答が得られる。
また、負荷イナーシャＪが負荷イナーシャ推定値Ｊｈに対して大きい場合には、ゲインが全体的に下がり、カットオフ周波数が下がる。このときは、位相進み補償器３によって、従来の構成よりも位相余裕を大きくすることができ、安定性を向上させて帰還速度の速度変動や位置偏差を小さくできる。
【００３４】
また、負荷イナーシャＪが負荷イナーシャ推定値Ｊｈに対して小さい場合においては、ゲインが全体的に上がり、カットオフ周波数が上がる。このときは、位相進み補償器３を設置している場合には、設置していない場合に比較して、位相進み補償器３のゲイン特性により高周波数帯域のゲインが上がっているため、カットオフ周波数が上がるが、位相進み補償器３のパラメータを調整することで位相進み補償器３が無い場合と略同等の応答を得ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…加算器、２…速度調節器、３…位相進み補償器、４…トルク制御部、５…機械系、７…負荷イナーシャ推定部、８…速度調節器ゲイン演算部、９…トルク平均値演算部、１０…トルク制限値演算部、１１…積分時間演算部、２０…ゲイン測定装置、２１…正弦波発生部、２２…加算部、２３…ゲイン測定部、２４Ａ，２４Ｂ…信号処理部、２５…除算器、２６ａ，２６ｂ…バンドパスフィルタ、２７ａ，２７ｂ…絶対値演算部、２８ａ，２８ｂ…積分演算部
【図１】
2010273468.tif 000003
【図２】
2010273468.tif 000004
【図３】
2010273468.tif 000005
【図４】
2010273468.tif 000006
【図５】
2010273468.tif 000007