(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータにより制御対象である対象システムの位置を制御する位置制御装置において、位置指令値を時間微分した速度指令値Ｖと位置制御装置内部の速度制御ループ入力となる速度指令入力Ｖｍと位置検出信号ｙとから位置帰還ｘを演算するノイズリジェクタを具備したことを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
位置指令値Ｘを時間微分して速度指令値Ｖを算出する手段と、前記位置指令値Ｘと制御対象である対象システムからフィードバックされる位置帰還ｘとの位置偏差Ｘ−ｘを算出する手段と、前記速度指令値Ｖと前記位置偏差Ｘ−ｘとに基づき速度指令入力Ｖｍを算出する手段と、前記対象システムを動作させるサーボモータを前記速度指令入力Ｖｍに基づき制御する速度制御ループとを備えた位置制御装置において、前記速度指令値Ｖと、前記速度指令入力Ｖｍと、対象システムから出力される位置検出信号ｙとから前記位置帰還ｘを演算するノイズリジェクタを具備したことを特徴とする位置制御装置。
【請求項３】
前記ノイズリジェクタは、位置指令値を２階時間微分した加速度指令値Ａと位置検出信号ｙとからオブザーバ演算により位置検出値ｐｏを演算し、位置指令値を３階時間微分した加々速度指令値ΔＡと前記速度指令入力Ｖｍとから算出した時間変化する補間定数Ｇｎｒを用いて前記位置検出信号ｙと前記位置検出値ｐｏとを補間演算し、前記位置帰還ｘを演算する構成を備えた請求項１または請求項２のいずれかに記載の位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置制御装置、特に数値制御機械のテーブル等の可動部材の位置制御に用いられる位置制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、サーボモータ（図示しない）にギヤ等で結合されて移動可能に形成されたテーブル等の可動部材からなる対象システム５７の位置を制御する従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。以下、この位置制御装置の構成と動作について説明する。位置制御装置には、上位装置（図示しない）より位置指令値Ｘが入力される。減算器５０は、位置指令値Ｘから位置帰還ｘを減算し位置偏差Ｘ−ｘを算出する。位置検出信号ｐは、最終的な制御対象である対象システム５７から出力され、その位置を間接的に示すサーボモータの回転角位置信号、あるいは対象システム５７の位置を直接検出した位置検出信号である。図５では、位置制御装置が位置検出信号ｐを受け取る途中の信号伝送路でノイズｗが重畳する場合を示しており、位置検出信号ｐにノイズｗが重畳したものが、位置制御装置が実際に受け取る位置検出信号ｙになる。加算器５８はノイズｗの重畳を示すために仮想的に記載したもので、現実には存在しない。本位置制御装置では、位置検出信号ｙからノイズｗを除去する目的で設けられたローパスフィルタ（以降ＬＰＦと称す）５９を介して位置帰還ｘを作成する。
【０００３】
増幅器５１は位置偏差Ｘ−ｘを位置ループゲインＫｖ倍に増幅するものであり、この増幅器５１の出力は、位置指令値Ｘを微分器５２で微分して算出した速度指令値Ｖと加算器５３で加算され、速度指令入力Ｖｍとなる。この速度指令入力Ｖｍは速度制御ループ６０の減算器５４に入力される。減算器５４では、速度指令入力Ｖｍからモータ速度ｖｍを減算し、速度偏差Ｖｍ−ｖｍを算出する。この速度偏差Ｖｍ−ｖｍは速度ＡＭＰ部５５によりＰＩ（比例積分）増幅され、トルク指令値τｃとなる。パワー増幅部５６は、電力増幅器とサーボモータで構成されており、前記トルク指令値τｃを増幅してモータ出力トルクτを出力するもので、その増幅率はトルク変換定数Ｃｔで表される。モータ出力トルクτは対象システム５７に供給され、これを駆動する。微分器５２，加算器５３は速度指令値Ｖのフィードフォワード系を構成しており、位置制御応答の高応答化を指向している。尚、図５中の微分器５２の符号Ｓは微分動作を示すラプラス変換の演算子である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた従来の位置制御装置において、ノイズｗが微小な場合、ＬＰＦ５９は不要になる。ＬＰＦ５９を除去した構成によれば、モータ出力トルクτの急激な変化が求められる加々速度指令値ΔＡ（位置指令値Ｘの３階時間微分値）が大きい時や、摩擦トルクが急変する移動方向反転時を除いては、フィードフォワード効果により位置偏差Ｘ−ｘは殆ど発生しない。しかしながら、ノイズｗが大きく、これを除去する目的でＬＰＦ５９を付加した場合、フィルタ効果が位置検出信号ｐに対しても作用するため、ＬＰＦ５９のカットオフ角周波数を低くとる程、位置指令への追従遅れの増大や振動現象が広い動作条件下で生ずるという問題点があった。このため、除去できるノイズｗの下限周波数をある程度高く設定しなければならないという制約があり、結果的に十分なノイズ除去性能が得られなかった。
【０００５】
加えて、位置偏差Ｘ−ｘが発生する加々速度指令値ΔＡが大きい時や移動方向反転時には、位置の追従誤差分に対しても同様にフィルタ効果が作用するため、追従誤差を減少させるという位置制御装置本来の制御動作が遅れ、結果的に追従誤差が増大するという問題点があった。本発明は、これらの問題点を解消するためになされたもので、本発明の目的は、高いノイズ除去性能を保持しながら、位置指令への追従遅れ等の追従誤差の増大を招く追従性能の劣化や振動現象の発生を抑制できる位置制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サーボモータにより制御対象である対象システムの位置を制御する位置制御装置に関するもので、本発明の上記目的は、位置検出信号ｙに重畳するノイズを除去した位置検出値ｐｏを出力するオブザーバ部と、Ｇｎｒ決定部と、該Ｇｎｒ決定部で決定された補間定数Ｇｎｒを用いて位置検出信号ｙと位置検出値ｐｏとを補間演算し位置帰還ｘを出力する位置検出補間部とにより構成されるノイズリジェクタを備えることによって達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る位置制御装置の構成例のブロック図である。図１において、前述した図５と同一の部分については同一の名称及び番号を付し、その部分についての説明を省略する。ノイズリジェクタ１は、オブザーバ部２と位置検出補間部３及びＧｎｒ決定部４で構成されている。オブザーバ部２は、位置検出信号ｙと、Ｇｎｒ決定部４から出力される加速度指令値Ａとに基づいてオブザーバ演算を行い、位置検出値ｐｏを出力する。位置検出補間部３は、Ｇｎｒ決定部４から与えられる補間定数Ｇｎｒによって位置検出値ｐｏと位置検出信号ｙとを補間演算し、位置帰還ｘを出力する。Ｇｎｒ決定部４は、予め初期設定された加々速度定数ΔＡ１とΔＡ２、補間定数Ｇｎｒの時間低減定数ΔＧｎｒの各パラメータと、速度指令値Ｖ及び速度指令入力Ｖｍに基づき、内部演算により算出される前記加速度指令値Ａと補間定数Ｇｎｒとを出力する。
【０００８】
図２は、ノイズリジェクタ１内のオブザーバ部２と位置検出補間部３の内部構成の一例を示すブロック図である。位置検出信号ｐが位置指令値Ｘに一致すると想定した時の対象システム５７の動作を示すモデル式は、
【数１】
ｄｐ／ｄｔ＝Ｖ
ｄＶ／ｄｔ＝Ａ
となる。また、位置検出信号ｙは、
【数２】
ｙ＝ｐ＋ｗ
であるから、これらの関係から公知の方法により同一次元オブザーバを構成したものがオブザーバ部２である。
【０００９】
減算器２０は、位置検出信号ｙからオブザーバ出力となる位置検出値ｐｏを減算し、推定位置偏差ｙ−ｐｏを算出する。推定位置偏差ｙ−ｐｏは増幅器２１によりｋ２倍され、Ｇｎｒ決定部４から出力される加速度指令値Ａと加算器２２において加算されてｄｖｏ／ｄｔとなる。ここでｄｖｏ／ｄｔはオブザーバ内部で推定される推定加速度である。このｄｖｏ／ｄｔは積分器２３で積分され推定速度ｖｏになる。また、推定位置偏差ｙ−ｐｏは増幅器２４でｋ１倍され、推定速度ｖｏと加算器２５で加算され、ｄｐｏ／ｄｔとなる。このｄｐｏ／ｄｔは積分器２６で積分され、オブザーバ出力となる前記位置検出値ｐｏになる。ここでｋ１及びｋ２はオブザーバの極を与える定数である。
【００１０】
次に、オブザーバ部２の動作をラプラス変換を用いて表現すると、ｄｐｏ／ｄｔ→Ｓｐｏは次式で表せる。
【数３】
Ｓｐｏ＝｛Ａ＋ｋ２（ｙ−ｐｏ）｝／Ｓ＋ｋ１（ｙ−ｐｏ）
両辺にＳを乗じ、Ａ＝（Ｓ＾２）ｐ，ｙ＝ｐ＋ｗを代入してｐｏについて表現すると、次式となる。
【数４】
ｐｏ＝ｐ＋｛（ｋ１Ｓ＋ｋ２）／（Ｓ＾２＋ｋ１Ｓ＋ｋ２）｝ｗ
（但し、Ｓ＾２はＳの２乗を示す）
ここで、オブザーバ部２の特性方程式を、
【数５】
Ｓ＾２＋ｋ１Ｓ＋ｋ２＝（Ｓ＋ωｃ）＾２
を満たすように、オブザーバの極ｋ１，ｋ２を決定すれば、ｋ１＝２ωｃ，ｋ２＝ωｃ＾２となり、数４式は、
【数６】
ｐｏ＝ｐ＋｛（２ωｃＳ＋ωｃ＾２）／（Ｓ＾２＋２ωｃＳ＋ωｃ＾２）｝ｗ
と表現でき、ωｃをオブザーバの帯域角周波数と見做すことができる。
【００１１】
また、オブザーバ部２によるノイズ除去特性を、ノイズｗ＝Ｗｓｉｎωｔと定義した時の（ｐｏ−ｐ）／ｗの周波数特性により表現すると、
【数７】
ゲイン特性
｜（ｐｏ−ｐ）／ｗ｜＝［｛１＋４（ω／ωｃ）＾２｝＾（１／２）］／｛１＋（ω／ωｃ）＾２｝
（但し、｛  ｝＾（１／２）は、｛  ｝の１／２乗を示す）
位相特性
∠｛ｐｏ−ｐ）／ｗ｝＝ａｒｃ  ｔａｎ［−｛２（ω／ωｃ）＾３｝／｛１＋３（ω／ωｃ）＾２｝］
となる。数７式より、オブザーバ部２によるノイズ除去特性は、オブザーバ帯域角周波数ωｃで制御でき、（ω／ωｃ）が大きい程高くなる。且つ、数６式より、オブザーバによるフィルタ効果は位置検出信号ｐについては作用しない。
【００１２】
以上説明したように、上記オブザーバ部２の構成によれば、位置指令値Ｘに一致した位置検出信号ｐに対しては、オブザーバによるフィルタ効果が作用しない。このため、フィードフォワード効果により位置偏差Ｘ−ｘが殆ど発生しない。つまり、位置検出信号ｐが位置指令値Ｘに一致する状況下では、十分なノイズ除去性能を得るためにオブザーバ帯域角周波数ωｃを低く設定した場合であっても、位置の追従遅れの増大や振動現象の発生を十分抑制できる。
【００１３】
一方、加々速度指令値ΔＡが大きい時や、摩擦トルクが急変する移動方向反転時は、位置偏差Ｘ−ｘが発生するため、位置検出信号ｐが位置指令値Ｘに一致しない。このような状況下では、単にオブザーバ部２の構成のみによれば、位置検出信号ｐに含まれる指令追従誤差分についてフィルタ効果が作用し、位置制御に悪影響を与えてしまう。そこでノイズリジェクタ１内に、図２に示す構成を有する位置検出補間部３と、図３に示す構成を有するＧｎｒ決定部４とを設け、位置検出信号ｐに含まれる指令追従誤差分をより正確且つ位相遅れの少ない状態で位置帰還ｘに反映させることにより、位置制御に与える悪影響を軽減する機能を持たせている。
【００１４】
以下、図２の位置検出補間部３の動作について説明する。位置検出補間部３では、減算器３０で位置検出信号ｙからオブザーバ出力である位置検出値ｐｏを減算し、その結果を増幅器３１で補間定数Ｇｎｒ倍に増幅し、次いで加算器３２で位置検出値ｐｏと加算し、最終的に位置帰還ｘを作成している。補間定数Ｇｎｒは、０≦Ｇｎｒ≦１の数値範囲で時間変化する定数であり、Ｇｎｒ決定部４により与えられる。以上のように、位置検出補間部３は、位置帰還ｘを位置検出信号ｙと位置検出値ｐｏの補間値で与えるものであり、その動作を数式で示せば次式のようになる。
【数８】
ｘ＝（ｙ−ｐｏ）Ｇｎｒ＋ｐｏ＝Ｇｎｒ・ｙ＋（１−Ｇｎｒ）ｐｏ
つまり、Ｇｎｒが０→１となるに従って位置帰還ｘに占める位置検出信号ｙの割合が増大し、Ｇｎｒ＝０の場合はｘ＝ｐｏ、Ｇｎｒ＝１の場合はｘ＝ｙになる。
【００１５】
図３は、Ｇｎｒ決定部４の内部構成の一例を示すブロック図である。以下、図３に示すＧｎｒ決定部４の動作について説明する。まず、外部から入力される速度指令値Ｖを微分器４０で微分することにより加速度指令値Ａを算出してオブザーバ部２に出力する一方、微分器４１において加々速度指令値ΔＡを演算する。絶対値化部４２は加々速度指令値ΔＡの絶対値｜ΔＡ｜を求め、加々速度係数決定部４３に入力する。加々速度係数決定部４３は、予め初期設定された加々速度定数ΔＡ１，ΔＡ２と加々速度指令絶対値｜ΔＡ｜とを用いて、下式に基づき補間定数Ｇｎｒｏａを出力する。
【数９】
0003634168.tif 000002
【００１６】
反転検出部４４は速度指令入力Ｖｍの符号変化により移動方向反転を検出し、次式で与えられる補間定数Ｇｎｒｏｂを出力する。
【数１０】
Ｇｎｒｏｂ＝０                                （移動方向反転非検出時）
Ｇｎｒｏｂ＝１                                （移動方向反転検出時）
最大値選択部４５は補間定数Ｇｎｒｏａと補間定数Ｇｎｒｏｂとを比較し、その最大値を選択して補間定数Ｇｎｒｏとして出力する。最大値選択部４６は、補間定数Ｇｎｒｏと位置検出補間部３に出力される補間定数Ｇｎｒとを比較し、その中の最大値を選択する。減算器４７は、最大値選択部４６の選択結果に対して時間低減定数ΔＧｎｒを減算する。時間低減定数ΔＧｎｒは、Ｇｎｒ＝１→０となる所要時間をＴｎｒとすると、ΔＧｎｒ＝１／Ｔｎｒで表される定数である。リミッタ部４８は、減算器４７の出力が負の場合はＧｎｒ＝０に、減算器４７の出力が１以上の場合はＧｎｒ＝１に制限するリミッタ操作を行う。
【００１７】
図４は、図３に示すＧｎｒ決定部４の動作の一例を説明するタイムチャートである。本例では、加々速度指令絶対値｜ΔＡ｜と加々速度定数ΔＡ２が｜ΔＡ｜＞ΔＡ２となる、大きな加々速度指令を含む台形状の加速度指令による対象システム５７の加速動作が示されている。そして、本例では、移動方向反転非検出、すなわちＧｎｒｏｂ＝０であるため、最大値選択部４５の出力ＧｎｒｏはＧｎｒｏ＝Ｇｎｒｏａになる。また、最大値選択部４６の出力は、Ｇｎｒｏ＝１の期間のみＧｎｒｏとなり、Ｇｎｒｏ＝０の期間はＧｎｒとなる。位置偏差Ｘ−ｘは、ノイズｗが存在しない場合に発生する位置偏差を示しており、大きな加々速度指令値ΔＡにより位置偏差Ｘ−ｘが発生する条件下では、補間定数Ｇｎｒ≒１となる。よって、位置検出補間部３の出力である位置帰還ｘはｘ≒ｙとなり、位置検出信号ｐに含まれる指令追従誤差分がほぼ正確且つ位相遅れの少ない状態で位置帰還ｘに反映される。
【００１８】
以上のように、上記Ｇｎｒ決定部４と位置検出補間部３とは、位置偏差Ｘ−ｘが発生する加々速度指令値ΔＡが大きい時や、摩擦トルクが急変する移動方向反転時においては、補間定数Ｇｎｒを瞬時に大きく決定して位置帰還ｘ≒ｙとすることにより、指令追従誤差分の正確且つ迅速なフィードバックを可能にし、位置制御性能に与える悪影響を軽減する。また、加々速度指令値ΔＡが減少した後や移動方向反転以後では、時間低減定数ΔＧｎｒにより補間定数Ｇｎｒを漸減させることにより、位置帰還ｘの不要の急変を回避しつつ、徐徐に位置帰還ｘ→ｐｏとしていき、ノイズ除去性能を少しずつ回復させるように動作する。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による位置制御装置は、速度指令値Ｖと速度指令入力Ｖｍと位置検出信号ｙとから位置帰還ｘを演算するノイズリジェクタを具備することにより、加々速度指令値ΔＡが大きい時や移動方向反転時のような、位置偏差Ｘ−ｘの大半が追従誤差である条件下において、位置指令追従誤差の正確且つ迅速なフィードバックを実行し、追従誤差の増大を招く位置指令追従性能の劣化を軽減することができる。
また、定速動作など加々速度指令値ΔＡが小さく且つ移動方向が不変であり、位置偏差の大半が位置検出信号に重畳するノイズであるような条件下において、ノイズ成分についてのみフィルタ効果を作用させ、高いノイズ除去性能を保持しながら、位置指令追従遅れの増大や振動現象の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による位置制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明のオブザーバ部２と位置検出補間部３の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明のＧｎｒ決定部４の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明のＧｎｒ決定部４の動作の一例を説明するタイムチャートである。
【図５】従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  ノイズリジェクタ
２  オブザーバ部
３  位置検出補間部
４  Ｇｎｒ決定部
２０  減算器
２１，２４  増幅器
２２，２５  加算器
２３，２６  積分器
３０  減算器
３１  増幅器
３２  加算器
４０，４１  微分器
４２  絶対値化部
４３  加々速度係数決定部
４４  反転検出部
４５，４６  最大値選択部
４７  減算器
４８  リミッタ部
５０，５４  減算器
５１  増幅器
５２  微分器
５３，５８  加算器
５５  速度ＡＭＰ部
５６  パワー増幅部
５７  対象システム
５９  ＬＰＦ
６０  速度制御ループ
【図１】
0003634168.tif 000003
【図２】
0003634168.tif 000004
【図３】
0003634168.tif 000005
【図４】
0003634168.tif 000006
【図５】
0003634168.tif 000007