(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度指令値と角度検出値による偏差信号を位置制御部に入力して角速度指令値を算出し、この角速度指令値と角速度検出値との偏差信号を、積分要素と比例要素を有する速度制御部に入力してトルク電流指令値を算出し、このトルク電流指令値を基に電流制御部を介して制御対象物を制御するものにおいて、
前記位置制御部にフィードフォワード部を設け、前記制御対象物の角速度検出をωdet、角度検出をθdet、モータ慣性をＪdy、回転損失をＤdyとしたとき、前記位置制御部に入力される角度指令θrefと制御対象物の角度検出θdetの比から位置制御装置の伝達関数を次式で求め、
θdet／θref＝｛ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）｝／｛Ｊdyｓ3＋（ＫＰω＋Ｄdy）
ｓ2＋ＫＩωｓ＋（ＫＩω＊ＫＰθ）｝                  …（１）‘
（ただし、ＫＰθは位置制御部の比例パラメータ、ＫＰω，ＫＩωは速度制御部の比例及び積分パラメータ、ｓはラプラス演算子）
前記角度指令θrefがステップ状指令である場合、上式の分子多項式の零点＝分母多項式の定数項として
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝ＫＩω＊ＫＰθ
から、前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを２自由度制御が付加されない状態と等価にし、前記位置制御部及び速度制御部を、モータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy及び周波数応答設定wcを設定することで位置制御部と速度制御部の各パラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω及びＦＦθを求めて構成することを特徴とした位置制御装置。
【請求項２】
前記位置制御部に入力される角度指令θrefがランプ指令である場合、
前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを、前記（１）‘式の分子多項式の零点＝分母多項式の定数項＋１次として
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝（ＫＩω＊ＫＰθ）＋ＫＩωｓ
から
前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθをｓ／Ｇ（ｓ）（ただし、Ｇ（ｓ）は相対次数１次以上の任意の伝達関数）で求め、
前記位置制御部及び速度制御部を、モータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy及び周波数応答設定wcを設定することで位置制御部と速度制御部の各パラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω及びＦＦθを求めて構成することを特徴とした請求項１記載の位置制御装置。
【請求項３】
前記位置制御部に入力される角度指令θrefが加速度指令である場合、前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを、前記（１）‘式の分子多項式の零点＝分母多項式の定数項＋１次+２次として
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝（ＫＩω＊ＫＰθ）＋ＫＩωｓ＋（ＫＰω＋Ｄdy）ｓ2
から前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを
｛（Ｄdy＋ＫＰω）ｓ2＋ＫＩωｓ｝／｛ＫＩω＊Ｇ（ｓ）｝（たたし、Ｇ（ｓ）は相対次数２次以上の任意の伝達関数）の演算で求め、前記位置制御部及び速度制御部を、モータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy及び周波数応答設定wcを設定することで位置制御部と速度制御部の各パラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω及びＦＦθを求めて構成することを特徴とした請求項１記載の位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置制御装置に係り、特に電流制御、速度制御をマイナーループに持ち、位置制御をメジャーループとした電動機の２自由度制御系による位置制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は位置制御装置の概略構成図を示したもので、１は位置制御部、２は速度制御部、３は電流制御部、４は被制御物である回転体機械特性を示したものである。速度制御部２は、位置制御装置に入力される角度指令θrefと角度検出値θdetの偏差信号に基つき角速度指令ωrefを演算する。算出された角速度指令ωrefは、減算部６において角速度検出ωdetとの差信号が求められ、速度制御部２に入力されてトルク電流指令Ｔdyが演出される。このトルク電流指令Ｔdyにより電流制御部３を介して被制御物である機械特性部４を制御し、その時における機械特性部４の角速度検出値ωdetは減算部６へフィードバックされて角速度指令ωrefとの差演算が実行される。また、機械特性部４の角度検出値θdetは減算部５へフィードバックされて角度指令θrefとの差演算が実行される。
なお、上記のような位置制御を行うものとしては、特許文献１などが公知となっている。この特許文献１には、機械系の共振・半共振周波数等のパラメータがわからなくても機械系の振動を抑制するために振動抑制補償器を設け、演算により求めた速度指令と速度検出信号との偏差分を振動抑制補償器に入力して速度指令補償信号を生成し、この補償信号と速度指令基本信号との和を速度信号とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２５４７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図３で示すように、電動機による位置制御では速度制御系をマイナーループに持ち、位置制御をメジャーループに持つ構成となっている。マイナーループの速度制御では、Ｐ（比例）Ｉ（積分）制御にて速度を制御している。また、メジャーループの位置制御ではＰ（比例）制御にて位置を制御している。従来、この両者の調整は、速度制御系の調整後に位置制御の調整を行う等の手法をとっている。
近年では、加振等の目的により安定で高応答な周波数特性のものが要望されているが、しかし、従来でのフィードバック系制御では、高応答にするための調整が困難になっている。
【０００５】
そこで、本発明が目的とするとこは、高応答な指令値応答の位置制御を可能とした位置制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１は、角度指令値と角度検出値による偏差信号を位置制御部に入力して角速度指令値を算出し、この角速度指令値と角速度検出値との偏差信号を、積分要素と比例要素を有する速度制御部に入力してトルク電流指令値を算出し、このトルク電流指令値を基に電流制御部を介して制御対象物を制御するものにおいて、
前記位置制御部にフィードフォワード部を設け、前記制御対象物の角速度検出をωdet、角度検出をθdet、モータ慣性をＪdy、回転損失をＤdyとしたとき、前記位置制御部に入力される角度指令θrefと制御対象物の角度検出θdetの比から位置制御装置の伝達関数を次式で求め、
θdet／θref＝｛ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）｝／｛Ｊdyｓ3＋（ＫＰω＋Ｄdy）
ｓ2＋ＫＩωｓ＋（ＫＩω＊ＫＰθ）｝                  …（１）‘
（ただし、ＫＰθは位置制御部の比例パラメータ、ＫＰω，ＫＩωは速度制御部の比例及び積分パラメータ、ｓはラプラス演算子）
前記角度指令θrefがステップ状指令である場合、上式の分子多項式の零点＝分母多項式の定数項として
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝ＫＩω＊ＫＰθ
から、前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを２自由度制御が付加されない状態に等しくし、前記位置制御部及び速度制御部を、モータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy及び周波数応答設定wcを設定することで位置制御部と速度制御部の各パラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω及びＦＦθを求めて構成することを特徴としたものである。
本発明の第２は、前記位置制御部に入力される角度指令θrefがランプ指令である場合、
前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを、前記（１）‘式の分子多項式の零点＝分母多項式の定数項＋１次として
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝（ＫＩω＊ＫＰθ）＋ＫＩωｓ
から前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθをｓ／Ｇ（ｓ）（ただし、Ｇ（ｓ）は相対次数１次以上の任意の伝達関数）で求め、
前記位置制御部及び速度制御部を、モータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy及び周波数応答設定wcを設定することで位置制御部と速度制御部の各パラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω及びＦＦθを求めて構成することを特徴としたものである。
本発明の第３は、前記位置制御部に入力される角度指令θrefが加速度指令である場合、前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを、前記（１）‘式の分子多項式の零点＝分母多項式の定数項＋１次+２次として
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝（ＫＩω＊ＫＰθ）＋ＫＩωｓ＋（ＫＰω＋Ｄdy）ｓ2
から前記フィードフォワード部のパラメータＦＦθを
｛（Ｄdy＋ＫＰω）ｓ2＋ＫＩωｓ｝／｛ＫＩω＊Ｇ（ｓ）｝（たたし、Ｇ（ｓ）は相対次数２次以上の任意の伝達関数）で求め、
前記位置制御部及び速度制御部を、モータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy及び周波数応答設定wcを設定することで位置制御部と速度制御部の各パラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω及びＦＦθを求めて構成することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００７】
以上のとおり、本発明によれば、フィードフォワード部ＦＦθを設け、且つモータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy、および周波数応答設定wcを設定することで、一意に位置制御部と速度制御部のＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω、及びＦＦθパラメータの設定が可能となり、ステップ状入力指令による定常偏差の無い高応答な速度制御の実現が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例を示す位置制御装置の構成図。
【図２】本発明を説明するための位置制御装置の構成図。
【図３】従来の位置制御装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本願発明は、位置制御装置において、位置制御部にフィードフォワード部ＦＦθを設け、被制御機器の機械特性の伝達関数であるモータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy、および周波数応答設定wcを設定することで、一意に位置制御部と速度制御部のＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω、及びＦＦθパラメータの設定が可能としたものである。
これにより、入力指令（角度指令）がステップ状、ランプ状、及び加速度指令の何れの場合でも定常偏差のない位置制御を可能としたものである。
以下、図に基づいて本発明の実施例を詳述する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の実施例を示す位置制御装置の概略構成図を示したものである。
１０は位置制御部で、比例要素ＫＰθにフィードフォワードＦＦθを付加したものである。２０は速度制御部で、加減算部７において求められた角速度指令ωref［rad/s］とフィードフォワード指令との和信号から角度検出ωdet［rad/s］を差引いた偏差信号が積分要素ＫＩω／ｓに入力され、角度検出ωdetが比例要素ＫＰωに入力される。減算部８では両者の差演算を実行してトルク電流指令Ｔdyを生成し、電流制御部３を介して回転体である機械特性４を制御する。
ここで、Ｊdyはモータ慣性［kgm2］、Ｄdyは回転損失［Nms/rad］、θrefは角度指令［rad］、θdetは角度検出値［rad］、ｓはラプラス演算子である。
【００１１】
図１で示す実施例の説明に先立って、図２に示す位置制御をＰ制御、速度制御をＩ−Ｐ制御とした場合について説明する。
電流制御部は、位置制御及び速度制御の周波数帯域に影響を与えない高応答特性とすれば次式のようにすればよい。
ωref＝ＫＰθ＊（θref−θdet）                                …（１）
ωdet＝θdet＊ｓ                                              …（２）
Ｔdy＝｛（ＫＩω／ｓ）＊（ωref−ωdet）｝−（ＫＰω＊ωdet）    …（３）
｛（Ｊdy＊ｓ）＋Ｄdy｝ωdet＝Ｔdy                              …（４）
上記（１）〜（４）式からθdet／θrefについて解くことにより
θdet／θref＝（ＫＩω＊ＫＰθ）／｛Ｊdyｓ3＋（ＫＰω＋Ｄdy）ｓ2＋ＫＩωｓ＋（ＫＩω＊ＫＰθ）｝                                          …（５）
となる。
（５）式の分母多項式は３次式であり、定数項ＫＩω＊ＫＰθで分母多項式を割って定数項を１とした式の１次から３次の係数は、ＫＰθ、ＫＰω、ＫＩωに関して独立になっている。したがって、（５）式の分母多項式が１＋ｃ１＊ｓ＋ｃ２＊ｓ2＋ｃ３＊ｓ3になるように係数比較を行うと
ＫＰθ＝１／ｃ１                            …（６）
ＫＰω＝（ｃ２＊Ｊdy／ｃ３）−Ｄdy          …（７）
ＫＩω＝ｃ１＊Ｊdy／ｃ３                  …（８）
となるようパラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩωを決定すればよい。例えば、全ての極がダンピング係数１となる二項計数型(ｓ＋１)3＝１＋３＊ｓ＋３＊ｓ2＋１＊ｓ3を求め、ｓをｓ／ｗｓで置き換え、その係数をｃ１，ｃ２，ｃ３とすると、二項計数型では、ｃ１＝３／ｗｃ、ｃ２＝３／ｗｃ2、ｃ３＝１／ｗｃ3となる。このｃ１〜ｃ３に対して、（６）〜（８）式で示される位置制御部１及び速度制御部２０のパラメータＫＰθ、ＫＰω、ＫＩωを決定する。
【００１２】
図１で示す実施例では、上記を前提とした位置制御部にフィードフォワードＦＦθを付加して速度制御部１０を構成したものである。
フィードフォワードＦＦθを付加した場合は、
ωref＝｛ＫＰθ＊（θref−θdet）｝＋（ＦＦθ＊θref）        …（９）
ωdet＝θdet＊ｓ                                            …（１０）
Ｔdy＝｛（ＫＩω／ｓ）＊（ωref−ωdet）｝−（ＫＰω＊ωdet）  …（１１）
｛（Ｊdy＊ｓ）＋Ｄdy｝ωdet＝Ｔdy                            …（１２）
上記（９）〜（１２）式からθdet／θrefについて解くことにより
θdet／θref＝｛ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）｝／｛Ｊdyｓ3＋（ＫＰω＋Ｄdy）
ｓ2＋ＫＩωｓ＋（ＫＩω＊ＫＰθ）｝                          …（１３）
となり、位置制御部１０に入力される制御対象物の角度検出θdetを角度指令θrefで割ることで位置制御装置の伝達関数が求まる。
次に、位置制御部１０への角速指令θrefがステップ状の指令である場合、このステップ指令の定常偏差が生じないよう分子多項式の零点を配置する。ステップ状指令の定常偏差を除去するために、（１３）式を分子多項式の零点＝分母多項式とすると、
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝ＫＩω＊ＫＰθ                  …（１４）
となる。すなわち、（１３）式で求まった位置制御装置の伝達関数の分子項を、分母側の定数項である速度制御部２０の積分要素ＫＩωと位置制御部１０の比例要素ＫＰθとの積値と等価にする。これによって、フィードフォワード部のＦＦθは
ＦＦθ＝０                                                …（１５）
になる。ＦＦθ＝０となることは、２自由度制御を付加しない状態と等価になる。
したがって、この実施例によれば、位置制御部にフィードフォワード部ＦＦθを設け、モータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy、および周波数応答設定wcを設定することで、一意に位置制御部と速度制御部のＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω、及びＦＦθパラメータの設定が可能となり、位置制御部及び速度制御部の構成を、各パラメータの設定に基づいて構成することで、ステップ状入力指令による定常偏差の無い高応答な位置制御の実現が可能となるものである。
【実施例２】
【００１３】
この実施例は、位置制御部１０に入力される角度指令θrefがランプ指令の例である。この場合も実施例１と同様に予め位置制御をＰ制御とし、速度制御をＩ−Ｐ制御にて設計して２自由度制御を付加したものである。
ランプ指令の定常偏差が生じないように分子多項式の零点を配置する。
（１３）式より、分子多項式の零点＝分母多項式の定数項＋１次とすれば、
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝（ＫＩω＊ＫＰθ）＋ＫＩωｓ        …（１６）  
となり、
ＦＦθ＝ｓ                                                    …（１７）
になり、ここで
ＦＦθ＝ｓ／Ｇ（ｓ）                                          …（１８）
とすることでランプ指令の定常偏差の無い位置制御が可能になる
ただし、Ｇ（ｓ）は相対次数１次以上の任意の伝達関数とする。
【００１４】
したがって、この実施例によれば、角度指令θrefがランプ指令の場合でも、
実施例１と同様に、フィードフォワード部ＦＦθを設け、且つモータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy、および周波数応答設定wcを設定することで、一意に位置制御部と速度制御部のＫＰθ、ＫＰω、ＫＩω、及びＦＦθパラメータの設定が可能となり、ランプ指令による定常偏差の無い高応答な位置制御の実現が可能となるものである。
【実施例３】
【００１５】
この実施例は、位置制御部１０への入力が加速度指令において、その定常偏差が発生しないようにして高応答な速度制御の実現を可能としたものである。入力指令が加速度指令の場合においても、図１で示す実施例１と同様な方法で設計し、加速度指令の定常偏差が生じないように分子多項式の零点を配置する。
（１３）式より、分子多項式の零点＝分母多項式の定数項＋１次＋２次とすれば、
ＫＩω（ＦＦθ＋ＫＰθ）＝（ＫＩω＊ＫＰθ）＋ＫＩωｓ＋（ＫＰω＋Ｄdy）ｓ2                                                          …（１９）  
となり、
ＦＦθ＝｛（Ｄdy＋ＫＰω）ｓ2＋ＫＩωｓ｝／ＫＩω            …（２０）
になる。ここで
ＦＦθ＝｛（Ｄdy＋ＫＰω）ｓ2＋ＫＩωｓ｝／｛ＫＩω＊Ｇ（ｓ）｝…（２１）
とすることにより、加速度指令の定常偏差の無い位置制御が可能になる。
たたし、Ｇ（ｓ）は相対次数２次以上の任意の伝達関数とする。
したがって、この実施例によれば、フィードフォワード部ＦＦθを設け、且つモータ慣性Ｊdy、回転損失Ｄdy、および周波数応答設定wcを設定することで、定常偏差の無い位置制御部と速度制御部のＫＰθ、ＫＰω、ＫＩωパラメータ及びＦＦθパラメータの設定が可能となり、加速度指令による定常偏差の無い高応答な位置制御の実現が可能となるものである。
【符号の説明】
【００１６】
１、１０…  位置制御部
２、２０…  速度制御部
３…  電流制御部
４…  機械特性部
５、６、８…  減算部
７…  加減算部
【図１】
0005644118.tif 000002
【図２】
0005644118.tif 000003
【図３】
0005644118.tif 000004