(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置制御指令とモータで駆動される負荷の位置信号との差信号に位置制御ゲインを乗じて速度指令基本信号とし、前記負荷の負荷速度信号と速度指令の差信号をバンドパスフィルタに入力し、前記バンドパスフィルタの出力を振幅調整器に入力し、前記振幅調整器の出力である速度指令補償信号と前記速度指令基本信号を加えて新たな速度指令とし、前記新たな速度指令とモータ速度の差信号を速度制御器へ入力し前記モータを駆動するフルクローズド制御装置において、
前記速度制御器および等価剛体系で構成した閉ループの入出力伝達関数で表現した等価剛体系速度ループモデルを備え、
前記速度指令を前記等価剛体系速度ループモデルに加え、
前記等価剛体系速度ループモデルの出力と前記負荷速度との差を前記バンドパスフィルタへ入力することを特徴とするフルクローズド制御装置。
【請求項２】
位置制御指令とモータで駆動される負荷の位置信号との差信号に位置制御ゲインを乗じて速度指令基本信号とし、前記負荷の負荷速度信号と速度指令の差信号をバンドパスフィルタへ入力し、前記バンドパスフィルタの出力を振幅調整器へ入力し、前記振幅調整器の出力である速度指令補償信号と前記速度指令基本信号を加えて新たな速度指令とし、前記新たな速度指令とモータ速度の差信号を速度制御器へ入力し前記モータを駆動するフルクローズド制御装置において、
位相は変化するがゲインが１であるオールパスフィルタを備え、
前記負荷速度信号と速度指令の差信号を前記オールパスフィルタへ入力し、
前記オールパスフィルタの出力を前記バンドパスフィルタへ入力し、
位置ループの振動周波数で前記オールパスフィルタを位相調整器とし、
位置ループの振動周波数を前記バンドパスフィルタの通過帯域とすることを特徴とするフルクローズド制御装置。
【請求項３】
位置制御指令とモータで駆動される負荷の位置信号との差信号に位置制御ゲインを乗じて速度指令基本信号とし、前記負荷の負荷速度信号と速度指令の差信号をバンドパスフィルタへ入力し、前記バンドパスフィルタの出力を振幅調整器へ入力し、前記振幅調整器の出力である速度指令補償信号と前記速度指令基本信号を加えて新たな速度指令とし、前記新たな速度指令とモータ速度の差信号を速度制御器へ入力し前記モータを駆動するフルクローズド制御装置において、
前記速度制御器および等価剛体系で構成した閉ループの入出力伝達関数で表現した等価剛体系速度ループモデルを備え、
前記速度指令を前記等価剛体系速度ループモデルに加え、
位相は変化するがゲインが１であるオールパスフィルタを備え、
前記負荷速度信号と速度指令の差信号を前記オールパスフィルタへ入力し、
前記オールパスフィルタの出力を前記バンドパスフィルタへ入力し、
前記等価剛体系速度ループモデルの出力と前記負荷速度との差を前記オールパスフィルタへ入力し、
位置ループの振動周波数で前記オールパスフィルタを位相調整器とし、
位置ループの振動周波数を前記バンドパスフィルタの通過帯域とすることを特徴とするフルクローズド制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータで駆動される負荷の位置信号に基づき位置制御を行うフルクローズド制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、高精度な位置決めのため、モータの速度信号に基づき速度制御を行うとともに、モータで駆動される負荷の位置信号に基づき位置制御を行うフルクローズド制御が必要となる。しかし、モータと負荷の結合剛性が低い場合、普通のフルクローズド制御では、位置制御器のゲインを上げると、制御系が機構系の反共振周波数近傍の周波数で振動するため、位置制御器のゲインの上限がセミクローズド制御より小さくなり、高速度制御ができない。このような問題を解決するため、本出願人が特願２０００−１１８１３３で図５のようなフルクローズド制御装置を提案した。
図５において、１は等価剛体モデル５と、機械共振系６と、負荷固有振動系７と、積分８とからなるモータを含む機構系である。ただし、Ｊは機構系の可動部のイナーシャ、Ｄは等価剛体系の粘性摩擦係数、ωrは共振角周波数、ζrは共振粘性係数、ωaは反共振角周波数、ζaは反共振粘性係数である。２は振幅調整器９とバンドパスフィルタ１０からなる負荷振動抑制補償器である。３は位置制御器、４は速度制御器である。ここでは位置指令Ｘrから負荷位置信号ＸLを差し引いた差信号ＥLに位置制御ゲインＫpを乗じて速度指令基本量Ｖrbを求め、負荷速度信号ＶLから速度指令Ｖrを差し引いた差信号をバンドパスフィルタ１０に入力し、バンドパスフィルタ１０の出力を振幅調整器９に入力し、速度指令基本信号Ｖrbに振幅調整器９の出力である速度指令補償信号Ｖrhを加えた信号を新たな速度指令Ｖrとし、速度指令Ｖrからモータ速度Ｖmを差し引いた差信号を速度制御器４に入力し、速度制御器４の出力をトルク指令Ｔrとし、Ｔrに基づいてモータを含む機構系１を駆動する。
この従来技術では、速度制御器のゲインが十分高い場合、等価剛体系速度ループのモデルを低周波数域で近似的に１となるため、負荷速度ＶLから速度指令Ｖrを差し引いた差信号ＶLdを負荷速度に含まれている振動の推定信号と見なすことができ、ＶLdをバンドパスフィルタで位相調整し、振幅調整器でゲイン調整し、速度指令の基本信号に含まれている振動モードを打ち消すことにより位置制御器のゲインが高くでも位置ループを安定させるができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記の従来技術では、速度制御器のゲインが高く上げられない場合、等価剛体系速度ループのモデルの低周波数域でのゲインが１より小さいため、負荷速度ＶLから速度指令Ｖrを差し引いた差信号ＶLdに低周波数成分が含まれる。また、バンドパスフィルタは位相調整器としても使われ、位置ループの振動周波数ｆdのところで一定の遅れ位相をもたらせるため、バンドパスフィルタの通過帯域の中心ｆ0は位置ループの振動周波数ｆdより小さくなる。例えば、位置ループの振動周波数ｆdが４０Ｈｚである場合、バンドパスフィルタを２段ローパスフィルタ（1/(1+Tfs)）と２段ハイパスフィルタ（Tfs/(1+Tfs)）で構成すると、４０Ｈｚのところで９０°遅れ位相をもたらせるため、バンドパスフィルタの通過帯域の中心ｆ0は１６．６Ｈｚとなる（図６）。
以上のように、速度指令補償信号Ｖrhに大きな低周波数成分が含まれるため、低周波数の振動やオーバーショートが発生しやすいという問題があった（図８）。
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、しかも位置ループの振動を抑制し、位置制御ゲインを上げることによって高速度、高精度位置決めができる装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１記載の発明は、位置制御指令とモータで駆動される負荷の位置信号との差信号に位置制御ゲインを乗じて速度指令基本信号とし、前記負荷の負荷速度信号と速度指令の差信号をバンドパスフィルタに入力し、前記バンドパスフィルタの出力を振幅調整器に入力し、前記振幅調整器の出力である速度指令補償信号と前記速度指令基本信号を加えて新たな速度指令とし、前記新たな速度指令とモータ速度の差信号を速度制御器へ入力し前記モータを駆動するフルクローズド制御装置において、前記速度制御器および等価剛体系で構成した閉ループの入出力伝達関数で表現した等価剛体系速度ループモデルを備え、前記速度指令を前記等価剛体系速度ループモデルに加え、前記等価剛体系速度ループモデルの出力と前記負荷速度との差を前記バンドパスフィルタヘ入力することを特徴とするものである。
また、請求項２記載の発明は、位置制御指令とモータで駆動される負荷の位置信号との差信号に位置制御ゲインを乗じて速度指令基本信号とし、前記負荷の負荷速度信号と速度指令の差信号をバンドパスフィルタへ入力し、前記バンドパスフィルタの出力を振幅調整器へ入力し、前記振幅調整器の出力である速度指令補償信号と前記速度指令基本信号を加えて新たな速度指令とし、前記新たな速度指令とモータ速度の差信号を速度制御器へ入力し前記モータを駆動するフルクローズド制御装置において、位相は変化するがゲインが１であるオールパスフィルタを備え、前記負荷速度信号と速度指令の差信号を前記オールパスフィルタへ入力し、前記オールパスフィルタの出力を前記バンドパスフィルタへ入力し、位置ループの振動周波数で前記オールパスフィルタを位相調整器とし、位置ループの振動周波数を前記バンドパスフィルタの通過帯域とすることを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明は、位置制御指令とモータで駆動される負荷の位置信号との差信号に位置制御ゲインを乗じて速度指令基本信号とし、前記負荷の負荷速度信号と速度指令の差信号をバンドパスフィルタへ入力し、前記バンドパスフィルタの出力を振幅調整器へ入力し、前記振幅調整器の出力である速度指令補償信号と前記速度指令基本信号を加えて新たな速度指令とし、前記新たな速度指令とモータ速度の差信号を速度制御器へ入力し前記モータを駆動するフルクローズド制御装置において、前記速度制御器および等価剛体系で構成した閉ループの入出力伝達関数で表現した等価剛体系速度ループモデルを備え、前記速度指令を前記等価剛体系速度ループモデルに加え、位相は変化するがゲインが１であるオールパスフィルタを備え、前記負荷速度信号と速度指令の差信号を前記オールパスフィルタへ入力し、前記オールパスフィルタの出力を前記バンドパスフィルタへ入力し、前記等価剛体系速度ループモデルの出力と前記負荷速度との差を前記オールパスフィルタへ入力し、位置ループの振動周波数で前記オールパスフィルタを位相調整器とし、位置ループの振動周波数を前記バンドパスフィルタの通過帯域とすることを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を説明する。本発明の第１の実施例を図１に示す。図１に示す制御系は従来技術の制御系（図５）に等価剛体系速度ループのモデル１２を加えたものである。図１において、負荷速度信号ＶLから等価剛体系速度ループのモデル１２の出力ＶL0を差し引いた差信号ＶLdをバンドパスフィルタ１０に入力し、バンドパスフィルタ１０の出力を振幅調整器９に入力し、速度指令基本信号Ｖrbに振幅調整器９の出力である速度指令補償信号Ｖrhを加えた信号を新たな速度指令Ｖrとする。
以下、位置ループの振動の抑制原理を説明する。上述の等価剛体系速度ループのモデルＧV0（ｓ）は図４に示すような速度制御器４および等価剛体系５で構成されている閉ループの入出力の伝達関数である。すなわち、
【０００６】
【数１】
0003678276.tif 000002
【０００７】
である。外乱と同定誤差がない場合、もし機構系が剛体系であれば、明らかにＶL0とＶLが同じとなるため、ＶLd＝ＶL−ＶL0が０となる。それで、機構系が慣性系である場合、ＶLdは負荷速度の振動信号（周波数：ｆd）しか含まない。ＶLdをバンドパスフィルタおよび振幅調整器で位相およびゲイン調整し、速度指令の基本信号Ｖrbに含まれている振動モードを打ち消すことにより位置制御器のゲインが高くでも位置ループを安定させるができる。また、ＶLdひいてはＶrhには低周波数信号がないので、速度指令基本信号Ｖrbに速度指令補償信号Ｖrhを加えることは、応答特性の低周波数域の特性に影響しない。すなわち、負荷振動抑制補償器を組み合わせることによる低周波数の振動やオーバーショートが発生する問題は起きない（図９）。
本発明の第２の実施例を図２に示す。図２に示す制御系は従来技術の制御系（図５）にオールパスフィルタ１１を加えたものである。図２において、負荷速度信号ＶLから速度指令Ｖrを差し引いた差信号ＶLdをオールパスフィルタ１１に入力し、オールパスフィルタ１１の出力をバンドパスフィルタ１０に入力し、バンドパスフィルタ１０の出力を振幅調整器９に入力し、速度指令基本信号Ｖrbに振幅調整器９の出力である速度指令補償信号Ｖrhを加えた信号を新たな速度指令Ｖrとする。
以下、位置ループの振動の抑制原理を説明する。
オールパスフィルタはフィルタのパラメータと周波数の変化によって位相が変わるが、ゲインが常に１である。ここでは、オールパスフィルタを専用の位相調整器とするため、バンドパスフィルタを位相調整のために使う必要がない。それで、バンドパスフィルタの通過帯域の中心ｆ0を位置ループの振動周波数ｆdとするようにバンドパスフィルタを構成できる。例えば、位置ループの振動周波数ｆdが４０Ｈｚである場合、オールパスフィルタを一次（s-ωd/s+ωd,ωd＝２πｆd）で、バンドパスフィルタを１段ローパスフィルタ（1/(1+Tfs)）と１段ハイパスフィルタ（Tfs/(1+Tfs)）で構成すると、４０Ｈｚのところで９０°遅れ位相をもたらせるため、バンドパスフィルタの通過帯域の中心ｆ0は４０Ｈｚとなる（図７）。また、一次オールパスフィルタを
【０００８】
【数２】
0003678276.tif 000003
【０００９】
のように簡単なローパスフィルタで構成することができる。
以上のように、速度制御器のゲインが低い場合でも、ＶLd＝ＶL−Ｖrには低周波数成分が含まれるが、バンドパスフィルタの通過帯域の中心ｆ0が高いので、前記低周波数成分がバンドパスフィルタに除去される。また、ＶLdに含まれる周波数がｆdである信号はオールパスフィルタおよび振幅調整器を通過することによって、速度指令の基本信号に含まれている振動モードを打ち消すように位相およびゲインが調整される。それで、速度指令基本信号Ｖrbに速度指令補償信号Ｖrhを加えることによって、位置ループの振動を抑制し、低周波数の振動やオーバーショートが発生しない（図１０）。
本発明の第３の実施例を図３を用いて説明する。図３に示す制御系は従来技術の制御系（図５）に等価剛体系速度ループのモデル１２とオールパスフィルタ１１を加えたものである。図３において、負荷速度信号ＶLから等価剛体系速度ループのモデル１２の出力ＶL0を差し引いた差信号ＶLdをオールパスフィルタ１１に入力し、オールパスフィルタ１１の出力をバンドパスフィルタ１０に入力し、バンドパスフィルタ１０の出力を振幅調整器９に入力し、速度指令基本信号Ｖrbに振幅調整器９の出力である速度指令補償信号Ｖrhを加えた信号を新たな速度指令Ｖrとする。
以下、位置ループの振動の抑制原理を説明する。
第１実施例と同じ理由で、外乱と同定誤差がない場合、ＶLdは負荷速度の振動信号（周波数：ｆd）しか含まない。また、外乱と同定誤差があっても、第２実施例と同じ理由で、位置ループの振動周波数ｆd以外の成分はバンドパスフィルタを通過することによって除去される。最終的に、位置ループの振動を抑制できるが、低周波数の振動やオーバーショートが発生しない。
【００１０】
【発明の効果】
以上のように本発明は、速度指令基本信号に含まれる位置ループの振動信号に対して、速度指令補正信号で打ち消すため、位置ループゲインを上げられる。さらに、速度ループのモデルまたはオールパスフィルタを加えたことによって、低周波数の振動やオーバーショートが発生しない。すなわち、高速度高精度位置決めができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図
【図２】本発明の第２の実施例を示す図
【図３】本発明の第３の実施例を示す図
【図４】等価剛体系速度ループのブロック線図
【図５】従来技術の制御系を示す図
【図６】図１および図５におけるバンドパスフィルタのボード線図
【図７】図２および図３におけるバンドパスフィルタとオールパスフィルタで構成した位相およびゲイン調整器のボード線図
【図８】従来技術のシミュレーション結果
【図９】本発明の第１の実施例のシミュレーション結果
【図１０】本発明の第２の実施例のシミュレーション結果
【符号の説明】
１  モータを含む機構系
２  負荷振動抑制補償器
３  位置制御器
４  速度制御器
５  等価剛体系
６  機械共振系
７  負荷固有振動系
８  積分
９  振幅調整器
１０  バンドパスフィルタ
１１  オールパスフィルタ
１２  等価剛体系速度ループのモデル
【図１】
0003678276.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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