(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置および速度のフィードバックループを有し、物体を移動させるモータの位置決め制御装置において、
速度指令信号を微分しさらに制御対象の同定慣性量を乗じ演算された加速度フィードフォワード信号を出力する加速度フィードフォワード補償器と、
前記速度指令信号に速度フィードフォワード係数を乗じ演算された速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード補償器と、
前記速度指令信号からモータの実速度にもとづく速度フィードバック信号を減算し第１の速度偏差信号を出力する第１の減算器と、
前記第１の速度偏差信号を積分し得られた信号に第１の位置ループゲイン定数を乗じ演算された第１の速度信号を出力する第１の位置ループゲイン制御器と、
前記第１の速度偏差信号を積分し得られた信号に第２の位置ループゲイン定数を乗じ演算された第２の速度信号を出力する第２の位置ループゲイン制御器と、
前記第１の速度信号と前記速度フィードフォワード信号とを加算し、第１の速度指令信号を出力し、または前記第２の速度信号を第２の速度指令信号として出力する第１の加算器と、
前記第１または第２の速度指令信号から前記速度フィードバック信号を減算し第２の速度偏差信号を出力する第２の減算器と、
前記第２の速度偏差信号にそれぞれ速度ゲインを乗じ演算された第１のトルク信号または第２のトルク信号を出力する速度制御器と、
前記第１の速度偏差信号に前記第２の位置ループゲイン定数と前記制御対象の同定慣性量を乗じ演算された第３のトルク信号を出力する位相補償器とを備え、
前記第１のトルク信号と前記加速度フイ―ドフォワード信号を、または前記第２のトルク信号と前記第３のトルク信号をそれぞれ加算し演算されたそれぞれの出力信号により、前記モータを駆動し、
前記モータの実速度が、位置決め完了近傍に予め設定された前記モータの定格速度に対する偏差に等しいまたはより大きいとき、前記第１の位置ループゲイン制御器と前記加速度フィードフォワード補償器と前記速度フィードフォワード補償器で前記モータの速度、位置を制御し、前記モータの実速度が前記偏差より小さいとき前記第２の位置ループゲイン制御器と前記位相補償器で前記モータの速度、位置を制御することを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
前記位相補償器が、前記速度偏差信号を濾波する一次遅れ系の低域通過型濾過器と、前記低域通過型濾過器の出力信号に前記第２の位置ループゲイン定数と前記制御対象の同定慣性量を乗じる演算器とからなる請求項１記載の位置決め制御装置。
【請求項３】
前記加速度フィードフォワード補償器と前記速度フィードフォワード補償器とは、それぞれ一次遅れ系の低域通過型濾過器を有することを特徴とする請求項２記載の位置決め制御装置。
【請求項４】
位置および速度のフィードバックループを有し、物体を移動させる回転系のモータの位置決め制御装置において、
速度指令信号を微分しさらに制御対象の同定慣性モーメントを乗じ演算された加速度フィードフォワード信号を出力する加速度フィードフォワード補償器と、
前記速度指令信号に速度フィードフォワード係数を乗じ演算された速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード補償器と、
前記速度指令信号からモータの実角速度にもとづく速度フィードバック信号を減算し第１の速度偏差信号を出力する第１の減算器と、
前記第１の速度偏差信号を積分し得られた信号に第１の位置ループゲイン定数を乗じ演算された第１の角速度信号を出力する第１の位置ループゲイン制御器と、
前記第１の速度偏差信号を積分し得られた信号に第２の位置ループゲイン定数を乗じ演算された第２の角速度信号を出力する第２の位置ループゲイン制御器と、
前記第１の角速度信号と前記速度フィードフォワード信号とを加算し、第１の角速度指令信号を出力し、または前記第２の角速度信号を第２の角速度指令信号として出力する第１の加算器と、
前記第１または第２の角速度指令信号から前記速度フィードバック信号を減算し第２の速度偏差信号を出力する第２の減算器と、
前記第２の速度偏差信号にそれぞれ速度ゲインを乗じ演算された第１のトルク信号または第２のトルク信号を出力する速度制御器と、
前記第１の速度偏差信号に前記第２の位置ループゲイン定数と前記制御対象の同定慣性モーメントを乗じ演算された第３のトルク信号を出力する位相補償器とを備え、
前記第１のトルク信号と前記加速度フイ―ドフォワード信号を、または前記第２のトルク信号と前記第３のトルク信号をそれぞれ加算し演算されたそれぞれの出力信号により、前記モータを駆動し、
前記モータの実角速度が、位置決め完了近傍に予め設定された前記モータの定格角速度に対する偏差に等しいまたはより大きいとき、前記第１の位置ループゲイン制御器と前記加速度フィードフォワード補償器と前記速度フィードフォワード補償器で前記モータの速度、位置を制御し、前記モータの実角速度が前記偏差より小さいとき前記第２の位置ループゲイン制御器と前記位相補償器で前記モータの速度、位置を制御することを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項５】
前記位相補償器が、前記速度偏差信号を濾波する一次遅れ系の低域通過型濾過器と、前記低域通過型濾過器の出力信号に前記第２の位置ループゲイン定数と前記制御対象の同定慣性モーメントを乗じる演算器とからなる請求項４記載の位置決め制御装置。
【請求項６】
前記加速度フィードフォワード補償器と前記速度フィードフォワード補償器とは、それぞれ一次遅れ系の低域通過型濾過器を有することを特徴とする請求項５記載の位置決め制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモータの位置決め制御装置に関し、より詳細には、フィードバック補償およびフィードフォワード補償を行う位置決め制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長尺物（以下、シートと呼ぶ）を移動させる回転系のモータの位置決め制御装置を用いたシートフィードストップ型シートカッティングシステムを、図２にもとづいて説明する。
【０００３】
このシステムは、モータ２によって駆動される主軸６にシート１を介して圧接するピンチロール７によってシート１に一定の送りをかけ停止させ、停止後たとえばシート１を切断するシャー工程を含むシステムである。さらに詳しく説明すると、このシステムはシート１が巻き取られた巻出しロール８、走行するシート１の移動量を検出するための測長ロール１０、シート１を測長ロール１０に押しつける押えロール１１によって押圧された測長ロール１０の軸に備えられた移動量を検出するためのパルスジェネレータ（ＰＧ）３、主軸６、ピンチロール７、モータ２、モータ２の回転速度を検出するためのパルスジェネレータ（ＰＧ）４、予めシャー９で切断するシート１の切断長さを入力設定するためのシート切断長設定器１２、制御装置３８から構成される。
【０００４】
制御装置３８は、長さ設定器１２により、切断される長さに相当するパルス信号を入力信号として演算処理されたシートの切断長さ指令信号と、モータ２の実角速度信号から成る速度フィードバック信号と、シートの実位置信号から成る位置フィードバック信号とを入力して演算処理し、アンプ１６を経由してモータ２の速度並びに位置を制御するようになっている。
【０００５】
制御装置３８について、図６〜図８にもとづいてさらに説明する。
【０００６】
図６は、従来の制御装置３８の構成を示す図である。図７は、制御装置３８を伝達関数で表わしたブロック線図である。図６、図７を説明する前に、図６の制御系が成立すべく背景を説明する。図８は、一般的なフィードバックループ制御系を有する制御装置３９の構成を示す図である。図９（Ａ）は、図８の制御装置３９を伝達関数で表わしたブロック線図である。図９（Ｂ）は、制御装置３９を伝達関数で表わしたブロック線図を等価変換したブロック線図である。なお、図９（Ａ），図９（Ｂ）のブロック線図において物理量をそのまま使用せずに正規化表現とした。なお、正規化とは、ある特性値をその特性の定格値で割り算して無次元化する手法である。なお、図７、図９（Ａ）において、ｓはラプラス演算子である。
【０００７】
従来のフィードバックループ制御系を有するモータ２を制御する制御装置３９の構成について、図８にもとづいて説明する。
【０００８】
モータ２を制御する制御装置３９は、位置制御器１０１、速度制御器１０２、減算器１０５，１０６，１０７から構成される。位置制御器１０１は、位置フィードバックループ内でレゾルバやエンコーダ等の位置検出器１０４で検出された制御対象２２（モータとその負荷）の実位置信号ｘと、位置指令設定器１００からの位置指令信号ｘ* との位置偏差εP が零になるように角速度指令信号ω* を決定し、位置フィードバックループにより制御対象２２の位置を制御する。
【０００９】
速度制御器１０２は、速度フィードバックループ内でエンコーダ等の速度検出器１０３で検出したモータの回転数から演算された実角速度ωと角速度指令信号ω* との角速度偏差εV が零になるように電流指令値Ｉ* を決定する。モータは電流フィードバックループ内で図示しない電流検出器が検出したモータ電流と速度制御器１０２からの電流指令値Ｉ* との電流偏差εI が零になるように電流制御される。
【００１０】
モータの実角速度信号ωが角速度指令信号ω* に一致すると、モータに印加する電流値が零となりモータの発生トルクが零となり加速しなくなる。すなわち、モータ２の角速度がある目標値に定速制御される。
【００１１】
ここでフィードバックループ制御系のみを有する制御装置３９にフィードフォワード補償を加えることによって、位置指令信号ｘ* に対する制御対象の追従性を高めるために、目標値フィードフォワードを実施することが提案されている（非特許文献１参照）。
【００１２】
すなわち、まずフィードフォワード補償がない場合の制御対象２２の現在位置を指す出力信号の入力信号（いわゆる位置指令信号を指す）に対する伝達関数を求め、その伝達関数の逆数を前置補償とし伝達関数の前に追加し、最終的に全体の伝達関数を求める。ここで全体の伝達関数が１となれば、制御対象２２の現在置を指す出力信号が、入力信号に対し時間遅れなく入力信号と全く同一の信号となり得る。たとえば、入力信号としてステップ信号が入力されたとき、その出力信号はステップ信号に対し全く遅延することなく応答できることになる。すなわち、原理的に出力信号はステップ信号を完全に復元できるはずである。
【００１３】
しかし実際上、制御装置３９に入力する入力信号はノイズ成分を含むこと、制御対象２２が機械的な時定数を持つことなどの理由により、全体の伝達関数が１となり得ない。すなわち、出力信号は入力信号と同一の動作特性となり得ず、入力信号を完全に復元することができない。
【００１４】
そこで実際上、制御装置３９に入力信号が印加されたとき、制御対象２２の過渡特性を安定に維持し整定時間が短縮できるような方法の一つとして、全体の伝達関数が１でなく１次遅れ系の伝達関数となるような制御が考えられる。
【００１５】
ところで、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）における位置指令信号ｘ* の代りに速度指令ｖ* となるように等価変換したブロック線図である。なお、図９（Ａ）において、１１０は位置ループゲイン、１１１は速度ゲイン、１１２は積分器を示す。図９（Ｂ）の等価変換されたブロック線図は、フィードバックループ制御系を有する制御装置３９の伝達関数を、速度指令信号ｖ* を入力信号とし、モータの実角速度ωを出力信号とする伝達関数に変換したものに相当する。
【００１６】
図６に戻り、全体の伝達関数が１次遅れ系となる制御系の構成について説明する。
【００１７】
制御装置３８は、加速度フィードフォワード補償器２３、速度フィードフォワード補償器２４、位置ループゲイン制御器２０、速度制御器２１、第１の減算器２７、第２の減算器２８、第１の加算器２９、第２の加算器３０から構成される。
【００１８】
加速度フィードフォワード補償器２３は、速度指令信号ｖ* を入力信号とし、速度指令信号を微分しさらに制御対象の同定慣性モーメントを乗じ演算された加速度フィードフォワード信号ａｆｆを出力する。速度フィードフォワード補償器２４は、速度指令信号ｖ* を入力信号とし、速度指令信号に速度フィードフォワード係数を乗じ演算された速度フィードフォワード信号ｖｆｆを出力する。減算器２７は、速度指令信号ｖ* から、モータ２の実角速度信号に相当する速度フィードバック信号ｖｆｂを減算し、第１の速度偏差信号ε１を、位置ループゲイン制御器２０に入力する。制御器２０は、第１の速度偏差信号を積分し得られた信号に第１のループゲイン定数を乗じ演算された角速度信号ω１を出力する。加算器２９は、速度フィードフォワード信号Ｖｆｆと角速度信号ω１とを加算して、角速度指令信号ω１* を、減算器２８に入力する。減算器２８は、角速度指令信号ω１* から速度フィードバック信号Ｖｆｂを減算し、第２の速度偏差信号ε２を、速度制御器２１に入力する。速度制御器２１は、第２の速度偏差信号に速度ゲインを乗じ演算された第１のトルク信号ｔ１を、加算器３０に入力する。加算器３０は、加速度フィードフォワード信号ａｆｆとトルク信号ｔ１とを加算し、トルク信号ｔ４を出力する。このトルク信号ｔ４により、モータ２を駆動し、モータ２の速度および位置を制御する。
【００１９】
次に、制御装置３８の伝達関数について、図７にもとづいて説明する。
【００２０】
なお、図７において、τ1 は目標値応答遅れ時定数、Ｊm は制御対象の同定慣性モーメント、Ｊは制御対象の慣性モーメント、αは速度フィードフォワード係数、βは加速度フィードフォワード係数、Ｋpp は第１の位置ループゲイン定数（偏差値大の時の位置ループゲイン定数）、Ｋv は速度ゲインである。
【００２１】
まず速度指令信号ｖ* は、シート切断長設定器１２により設定されたシート切断長にもとづく演算処理によって求める。この速度指令信号ｖ* は、通常ノイズ成分を含む。このノイズ成分が速度指令信号ｖ* に存在すると、速度指令信号ｖ* を入力し演算処理した場合、モータ２の実角速度信号が安定かつ精度のよい信号とならないため、モータ２の実角速度に速度誤差を生じる。
【００２２】
そこで、加速度フィードフォワード系の伝達関数４３によって、速度指令信号ｖ* を低域通過型濾波器に通し信号処理を行ないノイズ成分が低減された信号を得る。その後、ノイズ成分が低減された速度指令信号ｖ* に制御対象２２の同定慣性モーメントを乗算処理し得られた信号を微分演算処理し、この演算処理の結果に加速度フィードフォワード係数βを乗じ演算された加速度フィードフォワード信号ａｆｆを出力する。また速度フィードフォワード補償系の伝達関数４４によって速度指令信号ｖ* を低域通過型濾波器に通す信号処理を行ない、ノイズ成分が低減された信号に速度フィードフォワード係数αを乗算処理された速度フィードフォワード信号ｖｆｆを出力する。そして位置ループゲイン制御系の伝達関数４０によって、第１の速度偏差ε１に位置ループゲイン定数Ｋppを乗算処理して得られた第１の角速度信号ω１を出力し、速度制御系の伝達関数によって第２の速度偏差ε２に速度ゲイン定数Ｋv を乗算処理して得られたトルク信号ｔ１を出力し、加速度フィードフォワード信号ａｆｆとトルク信号ｔ１とを加算処理して得られたトルク信号ｔ４によって、モータ２を駆動し、モータ２の速度および位置を制御する。
【００２３】
次に、制御装置３８への入力信号を速度指令信号ｖ* とし、この信号に対するモータ２の実角速度信号ωの伝達関数を求めると、次式のようになる。
【００２４】
【数１】
ω／ｖ* ＝Ａ×Ｃ／Ｂ（ただしβ＝１とする）
ここで、Ａ：１＋（τ1＋α0 ／ＫPP）ｓ＋Ｔm ×ｓ2 ／ＫPP
Ｂ：１＋ｓ／ＫPP＋Ｔ×ｓ2 ／ＫPP
Ｃ：１／（１＋τ1 ｓ）
Ｔm は同定慣性モーメントから求めた機械時定数、Ｔは機械時定数である。
ここでＴm ＝Ｔ、α0 ＝１−ＫPPτ1 として上式を整理すると
【００２５】
【数２】
ω／ｖ* ＝１／（１＋τ1 ｓ）
となる。
【００２６】
すなわち、一般的にモータ２の速度および位置のフィードバックループを有する位置決め制御系に、加速度フイードフォワード要素および速度フィードフォワード要素を付加し、かつ位置ループゲイン定数ＫPP、目標値応答遅れ時定数τ1 、機械時定数Ｔ、同定慣性モーメントから求めた機械時定数Ｔm 、加速度フイードフォワード係数βおよび速度フィードフォワード係数αを前記条件下におくと、位置決め制御系全体の伝達関数を１次遅れ系の伝達関数にすることができる。
【００２７】
したがって、一般的にモータ２の実角速度信号の過渡特性は、例えば入力信号としてステップ信号を印加したとき、その出力信号は振動することなく追従性が高められることになる。
【００２８】
【非特許文献１】
藤田純、“フィードフォワード補償による高速高精度加工”、東芝機械技報Ｎｏ．１７、Ａｐｒｉｌ  １９９７
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、制御装置３８において、入力信号に対し低域通過型濾波器によりノイズ対策が施されたとしても、従来システム全体の伝達関数の分母式中にラプラス演算子の高次項を含むため、速度指令信号ｖ* を演算処理して得られる出力信号、すなわち、モータ２の実角速度信号ωに速度誤差を生じる。結局、モータ２の実角速度信号ωが充分補償できなくなる。さらにモータ２の実角速度信号ωが、位置決め完了近傍に予め設定されたモータ２の定格角速度に対する偏差に等しいかまたはより大きいところでは、演算による速度誤差を許容できる場合があるが、しかし、モータ２の実角速度信号ωが位置決め完了近傍に予め設定されたモータの定格角速度に対する偏差より小さいところでは、演算による速度誤差がさらに大きくなり許容できない。ここまで速度制御について触れてきたが、位置制御についても同様である。
【００３０】
このようなことから、モータ２の実角速度信号ωが位置決め完了近傍に予め設定されたモータ２の定格角速度に対する偏差に等しいかまたはより大きいところに比べ、モータ２の定格角速度に対する偏差より小さい方がラプラス演算子の高次項を含む全体の伝達関数にもとづく演算処理されたモータ２の速度および位置の誤差の比率が相対的に大きくなる。
【００３１】
結局、位置決め完了近傍に予め設定されたモータ２の定格角速度に対する偏差が小さいところでは、モータ２の実角速度を正確に補償することが困難である。言い換えれば、モータ２の位置を正確に補償することが困難となる。すなわち、従来システムの場合、位置決め完了近傍では位置偏差が小さくなり、この近傍での位置補償が充分達し得ず、モータ２の整定時間の短縮化をはかることが困難となる。
【００３２】
したがって、本発明の目的は、モータの速度および位置の制御の安定化を維持しつつ、整定時間の短縮が行える位置決め制御装置を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、位置および速度のフィードバックループを有し、物体を移動させるモータの位置決め制御装置において、
速度指令信号を微分しさらに制御対象の同定慣性量を乗じ演算された加速度フィードフォワード信号を出力する加速度フィードフォワード補償器と、
前記速度指令信号に速度フィードフォワード係数を乗じ演算された速度フィードフォワード信号を出力する速度フィードフォワード補償器と、
前記速度指令信号からモータの実速度にもとづく速度フィードバック信号を減算し第１の速度偏差信号を出力する第１の減算器と、
前記第１の速度偏差信号を積分し得られた信号に第１の位置ループゲイン定数を乗じ演算された第１の速度信号を出力する第１の位置ループゲイン制御器と、
前記第１の速度偏差信号を積分し得られた信号に第２の位置ループゲイン定数を乗じ演算された第２の速度信号を出力する第２の位置ループゲイン制御器と、
前記第１の速度信号と前記速度フィードフォワード信号とを加算し、第１の速度指令信号を出力し、または前記第２の速度信号を第２の速度指令信号として出力する第１の加算器と、
前記第１または第２の速度指令信号から前記速度フィードバック信号を減算し第２の速度偏差信号を出力する第２の減算器と、
前記第２の速度偏差信号にそれぞれ速度ゲインを乗じ演算された第１のトルク信号または第２のトルク信号を出力する速度制御器と、
前記第１の速度偏差信号に前記第２の位置ループゲイン定数と前記制御対象の同定慣性量を乗じ演算された第３のトルク信号を出力する位相補償器とを備え、
前記第１のトルク信号と前記加速度フイ―ドフォワード信号を、または前記第２のトルク信号と前記第３のトルク信号をそれぞれ加算し演算されたそれぞれの出力信号により、前記モータを駆動し、
前記モータの実速度が、位置決め完了近傍に予め設定された前記モータの定格速度に対する偏差に等しいまたはより大きいとき、前記第１の位置ループゲイン制御器と前記加速度フィードフォワード補償器と前記速度フィードフォワード補償器で前記モータの速度、位置を制御し、前記モータの実速度が前記偏差より小さいとき前記第２の位置ループゲイン制御器と前記位相補償器で前記モータの速度、位置を制御することを特徴とする。
【００３４】
これにより、位置決め完了近傍で位相補償を加えて位置ループゲインを高くすることにより前記モータの安定動作を得ながら整定時間を短縮できる。
【００３５】
さらに、好適には前記位相補償器が、前記速度偏差信号を濾波する一次遅れ系の低域通過型濾過器と、前記低域通過型濾過器の出力信号に前記第２の位置ループゲイン定数と前記制御対象の同定慣性量を乗じる演算器とからなる。
【００３６】
さらに、好適には前記加速度フィードフォワード補償器と前記速度フィードフォワード補償器とは、それぞれ一次遅れ系の低域通過型濾過器を有する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を使って、本発明の実施の形態を説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係る位置決め制御装置５の一実施の形態を示す構成図である。位置決め制御装置５は、加速度フィードフォワード補償器２３、速度フィードフォワード補償器２４、第１の位置ループゲイン制御器２０、速度制御器２１、第２の位置ループゲイン制御器２５、位相補償器２６、第１の減算器２７、第２の減算器２８、第１の加算器２９、第２の加算器３０、スイッチ３１，３２，３３，３４，３５から構成される。
【００３９】
図４は、位相補償器２６の構成を示す。位相補償器２６は、低域通過型濾波器（ＬＰＦ）３７と、同定慣性モーメントＪm を乗算する乗算器と、第２の位置ループゲイン定数ＫP を乗算する乗算器とから構成されている。
【００４０】
回転系のモータ２の実角速度が位置決め完了近傍に予め設定されたモータの定格角速度に対する偏差に等しいかまたはより大きい（図１１において大なる領域を指す。例えばモータ２の定格角速度が１０５ラジアン／秒であり、かつ予め決められた偏差が２％とするとモータ２の実角速度が２．１ラジアン／秒以上から１０５ラジアン／秒以下の範囲である）とき、図示しない切替え器によりスイッチ３１，３２，３３のみがオンになり、以下の制御要素、すなわち、加速度フィードフォワード補償器２３、速度フィードフォワード補償器２４、第１の位置ループゲイン制御器２０が選択され接続される（モードの切替え）。この場合の各制御要素の動作について従来技術の項で説明した内容と同様であるので省略する。
【００４１】
一方、モータ２の実角速度が位置決め完了近傍に予め設定されたモータの定格角速度に対する偏差より小さい（図１１において小なる領域を指す。例えばモータ２の定格角速度が１０５ラジアン／秒であり、かつ予め決められた偏差が２％とするとモータ２の実角速度がゼロラジアン／秒以上から２．１ラジアン／秒未満の範囲である）とき、図示しない切換え器によりスイッチ３４，３５がオンになり、以下の制御要素、すなわち、第２の位置ループゲイン制御器２５、位相補償器２６が選択され、接続される（モードの切替え）。
【００４２】
次に、第２の位置ループゲイン制御器２５および位相補償器２６の各制御要素の動作について、図１にもとづいて説明する。第２の位置ループゲイン制御器２５は、第１の減算器２７において得られた速度指令信号ｖ* とモータ２の実角速度信号ωにもとづく速度フィードバック信号ｖｆｂとの第１の速度偏差信号ε１を入力信号とし、第１の速度偏差信号ε１を積分し得られた信号に第２の位置ループゲイン定数を乗じて得られた第２の角速度信号ω２を出力する。加算器２９は、第２の角速度信号ω２を第２の角速度指令信号ω２* とし、これを減算器２８に入力する。減算器２８では、この第２の角速度指令信号ω２* とモータ２の実角速度信号にもとづく速度フィードバック信号ｖｆｂとを減算し得られた第２の速度偏差信号ε２を速度制御器２１に入力する。速度制御器２１は、入力された第２の速度偏差信号ε２に速度ゲインＫvを乗じて第２のトルク信号ｔ２を出力する。位相補償器２６は、第１の速度偏差信号ε１を入力信号とし、この速度偏差信号ε１に第２の位置ループゲイン定数Ｋpと制御対象２２の同定慣性モーメントＪm を乗じ演算して得られた第３のトルク信号ｔ３を出力する。第２のトルク信号ｔ２と第３のトルク信号ｔ３を第２の加算器３０に入力し、加算により得られたトルク信号ｔ４によってモータ２を駆動し、モータ２の速度および位置を制御する。
【００４３】
次に、制御装置５のブロック線図について図３にもとづいて説明する。モータ２の実角速度が位置決め完了近傍に予め設定されたモータの定格角速度に対する偏差に等しいかまたはより大きいときについては従来技術の項で述べたので省略する。
【００４４】
モータ２の実角速度が位置決め完了近傍に予め設定されたモータの定格角速度に対する偏差より小さいときについてのみ説明する。
【００４５】
なお図３において、Ｋp は第２の位置ループゲイン定数（偏差値小の時の位置ループゲイン定数）、τmax はフィルター時定数である。
【００４６】
図３において第２の位置ループゲイン制御系の伝達関数４５は第１の速度偏差信号ε１を入力信号として積分し、さらに第２の位置ループゲイン定数ＫP を乗じて得られる第２の角速度信号ω２を出力する。位相補償系の伝達関数４６は、第１の速度偏差信号ε１を入力信号とし、この入力信号に含む高周波数成分を低減するように１次の低域通過型濾波器３７により信号処理し、さらに第２の位置ループゲイン定数ＫP と同定慣性モーメントＪm を乗じ演算して得られる第３のトルク信号ｔ３を出力する（図４参照）。第２のトルク信号ｔ２と第３のトルク信号ｔ３とを第２の加算器３０に入力し加算して得られたトルク信号ｔ４によってモータ２を駆動し、モータの位置および速度を制御する。
【００４７】
この制御装置では、モータ２の実角速度が位置決め完了近傍に予め設定されたモータ２の定格角速度に対する偏差に等しいかまたは大きいとき、この例では偏差が２％に等しいかまたはより大きいときに、第１の位置ループゲイン制御器２０と加速度フィードフォワード補償器２３と速度フィードフォワード補償器２４とを用いて、モータ２を駆動しモータ２の速度および位置を制御する。
【００４８】
一方、モータ２の実角速度が位置決め完了近傍に予め設定されたモータ２の定格角速度に対する偏差より小さいとき、この例では偏差が２％より小さいとき、第２の位置ループゲイン制御器２５と位相補償器２６とを用いて、モータ２を駆動しモータ２の速度および位置を制御する。
【００４９】
この場合、制御装置５の制御によるモータ２の出力信号（実角速度信号ω）の入力信号（速度指令信号ｖ* ）に対する伝達関数ω／ｖ* を求めると以下のようになる。
【００５０】
【数３】
0003670641.tif 000002
【００５１】
ここで  Ｔm ＝Ｊm ／Ｋv 、Ｔ＝Ｊ／Ｋv であるから前記Ｄ，Ｅはそれぞれ
【００５２】
【数４】
0003670641.tif 000003
【００５３】
となる。
【００５４】
また先に記述した位置決め完了近傍に予め設定されたモータ２の定格角速度に対する偏差によって規定されるモード切替え点の速度δは、
【００５５】
【数５】
｜ｖ* ｜／（１＋τ1 ｓ）＝δ
である。
【００５６】
そのモード切替え点におけるモータ２の実角速度ωは
【００５７】
【数６】
ω＝ｖ* ／（１＋τ1 ｓ）＝δ
となる。
【００５８】
そのモード切替え点における速度フィードフォワード量ωＦ* に対し
【００５９】
【数７】
ωＦ* ＝ｖ* ／（１＋τ1 ｓ）×α0 ＝α0 δ
が成立する。ただし、α0 は速度フィードフォワード有りの時のゲインである。
【００６０】
その切替え点における偏差をε0 とするとフィードフォワード制御の考え方から
【００６１】
【数８】
ε0 ＫPP＝ω−ωＦ*
が成立する。
【００６２】
したがって、上式数５，数６，数７と、｜ｖ* ｜／（１＋τ1 ｓ）＝δにおける境界条件により
【００６３】
【数９】
ε0 ＫPP＝（１-α0 ）δ
が成立する。
【００６４】
同様に
【００６５】
【数１０】
ε0 ＫP ＝（１-α1 ）δ
となる。ただし、α1 は速度フィードフォワードなしの時のゲインである。
【００６６】
したがって、数９，数１０より、モード切替え時にはα1 ＝０であるから次式が得られる。すなわち、
【００６７】
【数１１】
ＫP ＝ＫPP／（１−α0 ）
また、前述したようにα0 ＝１−ＫPPτ1 であるから
【００６８】
【数１２】
ＫP＝１／τ1 
が得られる。
さらにＴm ＝Ｔ、τmax ≪Ｔm 、τmax ≪τ1 とすると、
【００６９】
【数１３】
ω／ｖ* ≒１／（１＋τ1 ｓ）
となる。
【００７０】
ここで仮に数１３にもとづく伝達関数を有する制御系に単位ステップ入力が印加されると、いわゆる１次遅れ系のステップ応答、すなわち制御量の応答は入力ステップ印加時よりτ1 秒後において、最終値の６３．２％に達する。したがって、単位ステップ入力が印加されると、この１次遅れ系伝達関数のため振動が発生しない、かつ安定した制御が補償される。すなわち、シートの走行動作が安定し、かつ整定時間が短縮されることになる。
【００７１】
また第１および第２の位置ループゲイン定数ＫPP、ＫP の関係は、減衰係数をζとすると
【００７２】
【数１４】
0003670641.tif 000004
【００７３】
したがって、
【００７４】
【数１５】
ＫPP＝１／４Ｔm 
とおくと、数１５と数１２とにより
【００７５】
【数１６】
ＫP ／ＫPP＝４Ｔm ／τ1 （Ｔm ≫τ1 ）
となる。
【００７６】
したがって、位相補償器２６による位相補償を行なうことにより、第２の位置ループゲイン定数ＫP を第１の位置ループゲイン定数ＫPPに比べてより大きくすることができると同時に、モードの切替えを滑らかに動作させることができる。すなわち、位置決め完了近傍で位相補償を加えて位置ループゲインを高くすることにより、安定動作を得ながら整定時間の短縮を実現することができる。
【００７７】
なお、本発明はシート１のシステムへの適用に限らず例えば、走行するシート１に同期して、シート１を切断するいわゆるロータリーカッタを制御するモータの位置決め制御装置にも適用が可能である。すなわち、モータ２により駆動されるロータリカッターにおけるモータ２の実角速度が位置決め近傍に予め設定された定格角速度（例えば５２．５ラジアン／秒）に対する偏差、例えば２％（すなわち、１．０５ラジアン／秒）に等しいかまたはより大きい（図１２において大なる領域を指す）とき、第１の位置ループゲイン制御器２０と加速度フィードフォワード補償器２３と速度フィードフォワード補償器２４とで、モータ２を駆動しモータ２の速度を制御し、一方、モータ２の実角速度の値が予め設定されたモータの定格角速度に対する偏差より小さい（図１２において小なる領域を指す）とき、第２の位置ループゲイン制御器２５と位相補償器２６とでモータ２を駆動しモータ２の速度、位置を制御する。
【００７８】
次に本実施の形態の位置決め制御装置５のシミュレーションによる動作特性について、図５にもとづいて説明する。
【００７９】
図５において、横軸を時間、縦軸を電圧とし、ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３は、それぞれ速度指令、トルク指令、位置偏差を示す。この例では、シートの送り速度は１６０メートル／分、位置偏差を示すグラフは０．９７７ｍＶ／パルスに相当する。本実施の形態では図５に示すように位置偏差は零となる。
【００８０】
一方、図１０は従来技術を使用したシミュレーションによる動作特性を示す図である。図１０の座標軸は図５と同一である。図１０に示すように位置決めが収束する際アンダーシュートした後、位置偏差が零に収束する。
【００８１】
また両者の整定時間について仮にモード切替え時を基準（モータの定格角速度に対する偏差を基準）にモータによるシートの位置偏差が零に到達するまでの時間と定義すると、いまモード切替え時をモータ２の定格角速度に対する偏差を１０％としたとき、本発明、すなわち、モータ２の実角速度が位置決め制御装置における位置決め完了近傍に予め設定されたモータ２の定格角速度に対する偏差より小さいとき、第２の位置ループゲイン制御器２５と位相補償器２６とを用いてモータ２の速度、位置を制御することにより、図５に示すように０．０６秒となる。一方、従来技術では、加速度フィードフォワード補償器２３、速度フィードフォワード補償器２４、第１の位置ループゲイン制御器２０を用いて、モータ２の速度、位置を制御することにより、整定時間が図１０に示すようにおよそ０．６秒となる。よって、本発明によれば従来技術に比べて位置決め動作が滑らかで安定かつ整定時間が大幅に短縮できる。
【００８２】
以上の実施の形態は、制御対象が回転系のモータの場合について説明した。本発明は、回転系のモータに制限されるものではなく、直線系のリニアモータについても適用できる。
【００８３】
図１３は、シート１を移動させるリニアモータの位置決め制御装置を用いたシートフィードストップ型シートカッティングシステムを示す。このシステムは、図２に示したシステムにおいて、モータＭO の代わりにリニアモータＬＭO を、ピンチロールおよび主軸の代わりにリニアモータＬＭO の可動部であるシート固着手段１３を用いている。他の構造は、図２に同じであり、同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示してある。
【００８４】
このシステムでは、シート１をシート固着手段１３にて把持または吸着し、リニアモータＬＭ0 がある速度レートで位置および速度制御され位置決めされる。その結果、シート１が予め設定された一定長さだけ送られ停止して、シャー９によりシート１を切断する。シート固着手段１３は、シート１の把持または吸着が解除された後、リニアモータＬＭO がシート送りの原点位置に戻るように位置および速度制御される。
【００８５】
一方、位置速度制御系において回転系のモータＭO の角速度ω、駆動トルク（電流偏差信号εI に比例する）ｔ、回転系のモータおよびその負荷の慣性量である慣性モーメントＪは、それぞれ直線系のリニアモータＬＭ0 の速度ｖ、駆動力（電流偏差信号εI に比例する）ｆ、直線運動のリニアモータ可動部およびその負荷の質量Ｍに相当することが知られている。
【００８６】
図１４は、リニアモータＬＭ0 に適用した位置決め制御装置の構成であり、図１５はその制御装置を伝達関数で表したブロック図である。図１４，図１５は基本的に図８，図９（Ａ）の角速度ω、慣性モーメントＪの代わりにそれぞれ速度Ｖ、質量Ｍに置換した形となっている。
【００８７】
図１６は、本実施の形態の位置決め制御装置を伝達関数で表したブロック線図である。このブロック線図は、図１５のブロック線図を図９のように等価変換した上で、図３のような加速度フィードフォワード補償、速度フィードフォワード補償、第１の位置ループゲイン制御、第２の位置ループゲイン制御、位相補償なる機能を追加し、図３のブロック線図に示す機能と同一の構成とすることができる。ここで、Ｍm は制御対象の同定質量である。
【００８８】
ここで、リニアモータＬＭ0 の実速度が、位置決め制御装置による位置決め完了近傍に予め設定されたリニアモータＬＭ0 の定格速度に対する偏差に等しいまたはより大きいとき、第１のループゲイン制御器４０と加速度フィードフォワード補償器４３と速度フィードフォワード補償器４４でリニアモータＬＭ0 の速度、位置を制御し、リニアモータＬＭ0 の実速度が上記偏差より小さいとき、第２の位置ループゲイン制御器４５と位相補償器４６でリニアモータＬＭ0 の速度、位置を制御する。
【００８９】
さらに好適には、位相補償器４６が速度偏差信号を濾波する一次遅れ系の低域通過型濾波器と、低域通過型濾波器の出力信号に第２の位置ループゲイン定数と制御対象の同定質量を乗じる演算器とからなる。
【００９０】
さらに好適には、加速度フィードフォワード補償器４３と速度フィードフォワード補償器２４とは、それぞれ一次遅れ系の低域通過型濾波器を有する。
【００９１】
以上述べたことから、本発明の基本的な考え方がリニアモータＬＭ0 にも適用できることがわかるであろう。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータの速度が位置決め制御装置における位置決め完了近傍に予め設定された定格速度に対する偏差に等しいかまたはより大きいとき、第１の位置ループゲイン制御器と加速度フィードフォワード補償器と速度フィードフォワード補償器とでモータを駆動し、モータの速度、位置を制御し、モータの速度の値が予め設定された定格速度に対する偏差より小さいとき第２の位置ループゲイン制御器と位相補償器とでモータを駆動しモータの速度、位置を制御することにより、位置決め精度と動作の安定性を維持しながら、位置決め時間の短縮化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制御装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】フィードストップ型カッテイングシステムの構成図である。
【図３】図１の制御装置を伝達関数で表したブロック線図である。
【図４】本発明の構成の一つである位相補償器の構成図である。
【図５】本発明の位置決め制御装置におけるシミュレーションによる動作特性を示す図である。
【図６】従来の位置決め制御装置（フィードバック制御系とフィードフォワード制御系を含む）の構成を示す図である。
【図７】従来の位置決め制御装置を伝達関数で表したブロック線図である。
【図８】図７の構成の背景を説明するためのフィードバック制御系を有する位置決め制御装置の構成を示す図である。
【図９】（Ａ）は図８の制御装置を伝達関数で表したブロック線図であり、（Ｂ）は（Ａ）の回路を等価変換したブロック線図である。
【図１０】図６の位置決め制御装置におけるシミュレーションによる動作特性を示す図である。
【図１１】モータの角速度を示す図である。
【図１２】モータの角速度を示す図である。
【図１３】リニアモータの位置決め制御装置を用いたシートフィードストップ型シートカッティングシステムの構成図である。
【図１４】リニアモータに適用した位置決め制御装置の構成図である。
【図１５】図１４の制御装置を伝達関数で表したブロック図である。
【図１６】位置決め制御装置を伝達関数で表したブロック線図である。
【符号の説明】
１  シート
２  モータ
３  パルスジェネレータ
４  パルスジェネレータ
５  位置決め制御装置
６  主軸
７  ピンチロール
８  巻出しロール
９  シャー
１０  測長ロール
１１  押えロール
１２  長さ設定器
１５  位置決め制御装置
２０  第１の位置ループゲイン制御器
２１  速度制御器
２２  制御対象
２３  加速度フィードフォワード補償器
２４  速度フィードフォワード補償器
２５  第２の位置ループゲイン制御器
２６  位相補償器
２７  第１の減算器
２８  第２の減算器
２９  第１の加算器
３０  第２の加算器
３１、３２，３３，３４，３５  スイッチ
３６  係数器
３７  低域濾波器
３８  従来の制御装置（フィードバック制御系とフィードフォワード制御系）
３９  従来の制御装置（フィードバック制御系のみ）
４０  第１の位置ループゲイン系の伝達関数
４１  速度制御系の伝達関数
４２  制御対象系の伝達関数
４３  加速度フィードフォワード系の伝達関数
４４  速度フィードフォワード系の伝達関数
４５  第２の位置ループゲイン系の伝達関数
４６  位相補償系の伝達関数
１００  位置指令設定器
１０１  位置制御器
１０２  速度制御器
１０３  速度検出器
１０４  位置検出器
１０５  減算器
１０６  減算器
１０７  減算器
１１０  位置ループゲイン
１１１  速度ゲイン
１１２  積分器
１２０  位置ループゲイン制御器部の伝達関数
ｖ*   速度指令信号
ａｆｆ  加速度フィードフォワード信号
ｖｆｆ  速度フィードフォワード信号
ω  実角速度信号
ω１  第１の角速度信号
ω２  第２の角速度信号
ω１*   第１の角速度指令信号
ω２*   第２の角速度指令信号
ε１  第１の速度偏差信号
ε２  第２の速度偏差信号
ｔ１  第１のトルク信号
ｔ２  第２のトルク信号
ｔ３  第３のトルク信号
τ1   目標値応答遅れ時定数
τmax   フイルター時定数
Ｊm   制御対象の同定慣性モーメント
Ｊ  制御対象の慣性モーメント
α  速度フィードフォワード係数
β  加速度フィードフォワード係数
ＫPP  第１の位置ループゲイン定数（偏差値大の時の位置ループゲイン定数）
ＫP   第２の位置ループゲイン定数（偏差値小の時の位置ループゲイン定数）
Ｔ  機械時定数
Ｔm   同定慣性モーメントから求めた機械時定数
α0   速度フィードフォワード有りの時のゲイン
α1   速度フィードフォワードなしの時のゲイン
ｓ  ラプラス演算子
Ｍ0   回転系モータ
ＬＭ0   リニアモータ
Ｍ  制御対象の質量
Ｍm   制御対象の同定質量
【図１】
0003670641.tif 000005
【図２】
0003670641.tif 000006
【図３】
0003670641.tif 000007
【図４】
0003670641.tif 000008
【図５】
0003670641.tif 000009
【図６】
0003670641.tif 000010
【図７】
0003670641.tif 000011
【図８】
0003670641.tif 000012
【図９】
0003670641.tif 000013
【図１０】
0003670641.tif 000014
【図１１】
0003670641.tif 000015
【図１２】
0003670641.tif 000016
【図１３】
0003670641.tif 000017
【図１４】
0003670641.tif 000018
【図１５】
0003670641.tif 000019
【図１６】
0003670641.tif 000020