(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して速度指令として出力する位置制御手段と、
前記制御対象の位置を微分することにより前記制御対象の速度を求める微分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差を速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器と、を有する位置制御装置において、
前記位置制御手段から出力された速度指令を調整ゲインによって増幅して新たな速度指令として前記速度制御手段に出力する第１の増幅手段と、
前記速度制御手段から出力されたトルク指令を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たなトルク指令として前記トルク制御器に出力する第２の増幅手段と、を備えたことを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して速度指令として出力する位置制御手段と、
前記制御対象の位置を微分することにより前記制御対象の速度を求める微分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差を積分し、速度ループ積分ゲインを乗算した値を出力する積分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差に、前記積分手段から出力された値を加算した値を速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器と、を有する位置制御装置において、
前記位置制御手段から出力された速度指令を調整ゲインによって増幅して新たな速度指令として前記速度制御手段および前記積分手段に出力する第１の増幅手段と、
前記積分手段から出力された値を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たな値として前記速度制御手段に出力する第２の増幅手段と、
前記速度制御手段から出力されたトルク指令を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たなトルク指令として出力前記トルク制御器にする第３の増幅手段と、を備えたことを特徴とする位置制御装置。
【請求項３】
上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して速度指令として出力する位置制御手段と、
前記制御対象の位置を微分することにより前記制御対象の速度を求める微分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差を積分し、速度ループ積分ゲインを乗算した値を出力する積分手段と、
前記積分手段から出力された値と、前記制御対象の速度との偏差を速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器と、を有する位置制御装置において、
前記位置制御手段から出力された速度指令を調整ゲインによって増幅して新たな速度指令として前記積分手段に出力する第１の増幅手段と、
前記積分手段から出力された値を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たな値として前記速度制御手段に出力する第２の増幅手段と、
前記速度制御手段から出力されたトルク指令を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たなトルク指令として前記トルク制御器に出力する第３の増幅手段と、を備えたことを特徴とする位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の位置決めを行う位置制御装置に関し、特にモータの位置決めを行う位置制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の位置制御装置の構成を示す制御ブロック線図である。図６に示すように、従来の位置制御装置は、位置制御器１と、速度制御器２と、トルク制御器３と、モータ４と、微分器５とから構成されている。この従来の位置制御装置は、イナーシャがＪ［Ｎ・ｍ・ｓ２］であるモータ４の位置θ［ｒａｄ］を制御するものである。
【０００３】
説明を簡単にするために、ここでは、制御対象が剛体で制御対象とモータ４の合計イナーシャをＪとすることができ、かつ、トルク制御器３の応答は無視することができるほど充分速いものとする。
【０００４】
モータ４にはエンコーダ（不図示）が備え付けれており、エンコーダによってモータ４の位置θが検出できるようになっている。上位装置（不図示）から発せられる位置指令θｒとモータ４の位置θとの位置偏差は、位置制御器１に入力される。位置制御器１は、位置ループゲインＫｐ［１／ｓ］によって、その偏差をＫｐ倍した値を、モータ４への速度指令ωｒ［ｒａｄ／ｓ］として出力する比例制御器である。微分器５は、モータ４の位置θ［ｒａｄ］を微分してモータ４の速度ω［ｒａｄ／ｓ］を出力する。速度制御器２は、速度指令ωｒとモータ４の速度ωとの速度偏差を入力し、速度ループゲインＫｖ［１／ｓ］によってその偏差をＫｖ倍した値をモータ４へのトルク指令Ｔｒｅｆ［Ｎ・ｍ］として出力する比例制御器である。トルク制御器３は、トルク指令Ｔｒｅｆを入力しトルクＴｒを発生させてモータ４を駆動する。つまり、この位置制御装置は、位置指令θｒにモータ４の位置θを追従させるためのものであり、モータ４の位置θは、位置指令θｒに対する位置応答である。
【０００５】
このように従来の位置制御装置には、フィードバックされたモータ４の位置θを元に位置決め制御を行うフィードバック制御方式が用いられている。そして、上述のように、位置制御装置には、通常、位置ループ処理の中にマイナーループとして速度ループゲインＫｖを有する速度ループが設けられている。そして、速度ループの中にはトルクを発生させるトルク制御器３が設けられている。この発生トルクＴｒによりイナーシャＪのモータを回転させる。その位置θがエンコーダによってコントローラに読み込まれ制御に使用される。このような従来の位置制御装置では、モータの先には機械が接続されており、その機械の特性と動作要求使用に応じて、Ｋｐ、Ｋｖの値をバランスよく調整することが重要である。
【０００６】
図６の制御系にステップ指令を入力した場合の応答特性は、ＫｐとＫｖの値の組み合わせにより、図７に示すように様々な特性を示す。図７では、（ａ）はＫｖ＝５０、Ｋｐ＝１０の場合、（ｂ）はＫｖ＝１００、Ｋｐ＝２５の場合、（ｃ）はＫｖ＝５０、Ｋｐ＝５０の場合の応答特性を示している。ただし、ここでは全ての場合においてＪ＝１である。
【０００７】
例えば、要求仕様が図７（ｂ）のようにオーバシュートしないでかつ高応答であり、最初に図７（ａ）の状態であった場合について考える。これを要求どおりに調整しようとすると、先ず、位置フィードバックの波形をモニタしながら、徐々にＫｐの値を大きくし、図７（ｃ）の状態になったら、今度はＫｖの値を大きくしていく。すると、図７（ｂ）の状態が得られる。ただし、通常は、ここでは無視した機械系および、速度ループの中に設けられているトルク制御器３の遅れにより、Ｋｖを大きくしすぎるとサーボ系が発振する。従って、Ｋｖを大きくする途中で発振した場合には、再びＫｐの値を小さくして、最適なＫｖの値を探す必要がある。
【０００８】
このように、従来の位置制御装置では、ＫｖとＫｐの値を交互に変化させながら最適なゲインを調整する必要があった。そして、このＫｐとＫｖの関係を熟知していないと、バランスよく調整することは困難であった。つまり、熟練者であれば、図６のような構成で制御対象が剛体であり、モータと機械の合計負荷イナーシャをＪとした場合、Ｋｖ＝４・Ｋｐ・Ｊとすることにより、図７（ｂ）の状態とすることができることを知っているが、経験・知識が乏しい人の場合には、このバランスを取ることが難しい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の位置制御装置では、調整しなければならないパラメータが２つあるため、要求された応答特性を実現することが困難であるという問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、要求された応答特性を容易に実現することができる位置制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明位置制御装置は、上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して速度指令として出力する位置制御手段と、
前記制御対象の位置を微分することにより前記制御対象の速度を求める微分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差を速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器と、を有する位置制御装置において、
前記位置制御手段から出力された速度指令を調整ゲインによって増幅して新たな速度指令として前記速度制御手段に出力する第１の増幅手段と、
前記速度制御手段から出力されたトルク指令を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たなトルク指令として前記トルク制御器に出力する第２の増幅手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の位置制御装置によれば、速度ループゲイン、位置ループゲインを一旦設定してオーバシュート量を決定すると、調整ゲインにより時間方向だけが変化するため、要求された応答特性を容易に実現することができる。
【００１３】
本発明の他の位置制御装置は、上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して速度指令として出力する位置制御手段と、
前記制御対象の位置を微分することにより前記制御対象の速度を求める微分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差を積分し、速度ループ積分ゲインを乗算した値を出力する積分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差に、前記積分手段から出力された値を加算した値を速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器と、を有する位置制御装置において、
前記位置制御手段から出力された速度指令を調整ゲインによって増幅して新たな速度指令として前記速度制御手段および前記積分手段に出力する第１の増幅手段と、
前記積分手段から出力された値を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たな値として前記速度制御手段に出力する第２の増幅手段と、
前記速度制御手段から出力されたトルク指令を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たなトルク指令として出力前記トルク制御器にする第３の増幅手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の位置制御装置は、位置がＰ（比例）制御、速度がＰ−Ｉ（比例−積分）制御により制御される位置制御装置に対して本発明を適用したものである。
【００１５】
さらに本発明の他の位置制御装置は、上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を位置ループゲインによって増幅して速度指令として出力する位置制御手段と、
前記制御対象の位置を微分することにより前記制御対象の速度を求める微分手段と、
前記速度指令と前記微分手段により求められた制御対象の速度との速度偏差を積分し、速度ループ積分ゲインを乗算した値を出力する積分手段と、
前記積分手段から出力された値と、前記制御対象の速度との偏差を速度ループゲインによって増幅してトルク指令として出力する速度制御手段と、
前記トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器と、を有する位置制御装置において、
前記位置制御手段から出力された速度指令を調整ゲインによって増幅して新たな速度指令として前記積分手段に出力する第１の増幅手段と、
前記積分手段から出力された値を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たな値として前記速度制御手段に出力する第２の増幅手段と、
前記速度制御手段から出力されたトルク指令を前記調整ゲインと同一の値のゲインによって増幅して新たなトルク指令として前記トルク制御器に出力する第３の増幅手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の位置制御装置は、位置がＰ（比例）制御、速度がＩ−Ｐ（積分−比例）制御により制御される位置制御装置に対して本発明を適用したものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、図６中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【００１９】
本実施形態の位置制御装置は、図６に示した従来の位置制御装置に対して、増幅器１０１、１０２を、位置制御器１と速度制御器２の後にそれぞれ備えるようにしたものである。
【００２０】
増幅器１０１は、位置制御器１から出力された値を調整ゲインＫｇによってＫｇ倍して速度指令ωｒとして出力する。増幅器１０２は、速度制御器２から出力された値を調整ゲインＫｇによってＫｇ倍してトルク指令Ｔｒとして出力する。
【００２１】
説明を簡単にするために、本実施形態においても従来例の場合と同様に、制御対象が剛体で制御対象とモータ４の合計イナーシャをＪとすることができ、かつ、トルク制御器３の応答は無視することができるほど充分速いものとする。
【００２２】
図１の位置指令θｒから位置応答までの伝達関数Ｇ（Ｓ）を計算すると、（ここで、速度ループゲインＫｖは通常イナーシャＪと連動させて変化されるのがふつうであるため、Ｋｖ０＝Ｋｖ・Ｊとおくと、）
【００２３】
Ｇ（Ｓ）＝Ｇ１／Ｇ２  ・・・・・・（１）
Ｇ１＝Ｋｇ２・Ｋｖ０・Ｋｐ  ・・・・・・（２）
Ｇ２＝（Ｓ２＋Ｋｇ・Ｋｖ０・Ｓ＋  Ｋｇ２・Ｋｖ０・Ｋｐ）  ・・・・・・（３）
となる。
【００２４】
ここで、制御系の安定性は、特性方程式Ｇ２＝０の根、つまり制御系の極ρ＋、ρ−により決定される。
【００２５】
式（３）より、
ρ＋＝−Ｋｇ｛Ｋｖ０−（Ｋｖ０２−Ｋｖ０・Ｋｐ）０．５｝／２  ・・・・・・（４）
ρ−＝−Ｋｇ｛Ｋｖ０−（Ｋｖ０２＋Ｋｖ０・Ｋｐ）０．５｝／２  ・・・・・・（５）
【００２６】
もし、ここで、Ｋｖ０とＫｐを一旦決定すると、Ｋｇを変化させると極配置における時間に関するスケールのみ変化し、オーバシュートに関する量は変化しない。
【００２７】
これを通常よく用いられる形で説明するため、
Ｇ２＝（Ｓ２＋２ζωＳ＋ω２）  ・・・・・・（６）
とおくと、
ω＝Ｋｇ（Ｋｖ０・Ｋｐ）０．５  ・・・・・・（７）
ζ＝（Ｋｖ０／Ｋｐ）０．５／２  ・・・・・・（８）
となり、ωだけＫｇに関係することが分かる。
【００２８】
このときの極配置は図２のようになり、一旦、Ｋｐ、Ｋｖ０を決定すれば、Ｋｇにより、オーバシュート量は変化しないため応答波形のバランスは変化せず、時間方向（つまりω）だけ変化することがわかる。
【００２９】
例えば、図３では、Ｋｇ＝０．５からＫｇ＝５まで変化させたものであるが、オーバシュートが無い状態に変化は無く、応答速度だけ速くなっている。ただし、図７（ｂ）の状態をＫｇ＝１とする。
【００３０】
このように、本実施形態の位置制御装置では、Ｋｖ、Ｋｐの値を一旦決定しその値を固定すると、Ｋｇという１つのパラメータにより応答特性が決定される。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の位置制御装置について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック線図である。
【００３２】
本実施形態の位置制御装置は、位置がＰ（比例）制御、速度がＰ−Ｉ（比例−積分）制御により制御される位置制御装置に対して本発明を適用した場合である。
【００３３】
本実施形態の位置制御装置は、図１に示した第１の実施形態の位置制御装置に対して、積分器６と、増幅器１０３が新たに設けられているものである。
【００３４】
積分器６は、速度指令ωｒとモータ４の速度ωとの速度偏差を積分し、積分ゲインＫｉ倍した値を出力する。増幅器１０３は、積分器６から出力された値を調整ゲインＫｇによってＫｇ倍して速度制御器２に出力する。
【００３５】
そして、本実施形態における速度制御器２は、増幅器器１０１から出力された速度指令ωｒと微分器５により求められたモータ４の速度ωとの速度偏差に、増幅器１０３から出力された値を加算した値を入力し、その値を速度ループゲインＫｖ倍した値を増幅器１０２に出力する。
【００３６】
このときの位置指令θｒから位置応答θまでの伝達関数Ｇ（Ｓ）を計算すると、
Ｇ（Ｓ）＝Ｇ１／Ｇ２  ・・・・・・（９）
Ｇ１＝Ｋｇ２・Ｋｖ０・ＫＤ（Ｓ＋Ｋｇ２・Ｋｉ）  ・・・・・・（１０）
Ｇ２＝（Ｓ３＋Ｋｇ・Ｋｖ０・Ｓ２＋Ｋｇ２（Ｋｖ０・Ｋｉ＋Ｋｖ０・Ｋｐ）Ｓ
＋Ｋｇ３・Ｋｖ０・Ｋｐ・Ｋｉ）  ・・・・・・（１１）
【００３７】
となる。ここで、特性方程式Ｇ２＝０の根（極）は、Ｋｖ０、Ｋｉ、Ｋｐが一旦決まれば、その応答波形はＫｇの値によっては変化しない。例として、Ｇ２＝０が３重根−Ｋｇρを有する場合を考えると、
Ｇ２＝（Ｓ＋Ｋｇρ）３＝（Ｓ３＋３ＫｇρＳ２＋３Ｋｇ２ρ２Ｓ＋Ｋｇ３ρ３）  ・・・・・・（１２）
となり、式（１１）と式（１２）を比較すると、
Ｋｖ０＝３ρ、３ρ２＝Ｋｖ０・Ｋｉ＋Ｋｖ０・Ｋｐ、ρ３＝Ｋｖ０・Ｋｐ・Ｋｉ  ・・・・・・（１３）
【００３８】
なので、ρはＫｇの値に関わらず、Ｋｖ０、Ｋｉ、Ｋｐが一旦決まれば決まる定数となる。従って、式（１２）より、３重根−ＫｇρはＫｇを変化させるとその大きさだけ変化し、３重根であることには変化ない。つまり、応答特性は変化しない。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の位置制御装置について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック線図である。
【００４０】
本実施形態の位置制御装置は、位置がＰ（比例）制御、速度がＩ−Ｐ（比例−積分）制御により制御される位置制御装置に対して本発明を適用した場合である。
【００４１】
本実施形態の位置制御装置は、図４に示した第２の実施形態の位置制御装置に対して、微分器７が新たに設けられたものである。微分器７は、モータ４の位置θを微分してモータ４の速度ωを出力する。
【００４２】
そして、本実施形態における速度制御器２は、増幅器器１０３から出力された値に微分器７からの出力である速度ωの値とを加算した値を入力し、その値を速度ループゲインＫｖ倍した値を出力する。
【００４３】
本実施形態の位置制御装置における位置指令θｒから位置応答θまでの伝達関数Ｇ（Ｓ）の特性方程式は、
Ｇ２’＝（Ｓ３＋Ｋｇ・Ｋｖ０・Ｓ２＋Ｋｇ２・Ｋｖ０・Ｋｉ・Ｓ＋Ｋｇ３・Ｋｖ０・Ｋｐ・Ｋｉ）  ・・・・・・（１４）
となり、式（１２）と式（１４）を比較すると、
Ｋｖ０＝３ρ、３ρ２＝Ｋｖ０・Ｋｉ、ρ３＝Ｋｖ０・Ｋｐ・Ｋｉ  ・・・・・・（１５）
なので、ρはＫｇの値に関わらず、Ｋｖ０、Ｋｉ、Ｋｐが一旦決まれば決まる定数となる。そのため、本実施形態の位置制御装置によれば、第２の実施形態の位置制御装置と同様な効果を得ることができる。
【００４４】
上記第１から第３の実施形態では、位置ループゲインＫｐ、速度ループゲインＫｖが定数の場合を用いて説明したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、位置ループゲインＫｐ、速度ループゲインＫｖを位置偏差等の内部変数やフィードバック速度等で可変にするような場合にも有効であり、パラメータの調整を容易とする。つまり、このような場合には、位置ループゲインＫｐ、速度ループゲインＫｖ、速度ループ積分ゲインＫｉは固定のままにして、Ｋｇだけを可変とすればよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１つのパラメータを調整するのみで応答特定の調整を行うことができるため、要求された応答特性を容易に実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の位置制御装置の動作を説明するための極配置図である。
【図３】調整ゲインＫｇの値を変化させた場合の応答特性の変化を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の位置制御装置の応答特性の変化を示す図である。
【符号の説明】
１    位置制御器
２    速度制御器
３    トルク制御器
４    モータ
５    微分器
６    積分器
７    微分器
１０１、１０２、１０３    増幅器
【図１】
0003601588.tif 000002
【図２】
0003601588.tif 000003
【図３】
0003601588.tif 000004
【図４】
0003601588.tif 000005
【図５】
0003601588.tif 000006
【図６】
0003601588.tif 000007
【図７】
0003601588.tif 000008