(57)【要約】  制御系の閉ループ内に周期信号の内部モデルを持たせるとともに制御系の安定性を保証し、周期的な目標指令に対する完全追従特性または周期的な外乱に対する完全抑圧特性を達成することができるモータ制御装置を提供する。  汎用制御系に２自由度繰返し補償器（１）と整形フィルタ（４）を組み合わせて構成したサブ制御器（５）を備える。この２自由度繰返し補償器（１）は、ループの前向きルートに前向き遅延器（２）を、またループの帰還ルートに帰還遅延器（３）を設け、前向き遅延器（２）と帰還遅延器（３）の総遅延時間が、目標指令や外乱の周期と等しくなるように構成する。また、整形フィルタ（４）は、そのパルス伝達関数と汎用制御系の相補感度関数との積がローパスフィルタ特性を持つように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標指令と制御出力との偏差を入力してサブ補償量を出力するサブ制御器と、前記偏差と前記サブ補償量との和を入力して制御入力を出力するメイン制御器と、前記制御入力を入力して前記制御出力を出力する制御対象と、を備えたモータ制御装置であって、
前記偏差を入力して繰返し補償量を出力する２自由度繰返し補償器と、前記繰返し補償量を入力して前記サブ補償量を出力する整形フィルタと、を有した前記サブ制御器を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記２自由度繰返し補償器は、ループの前向きルートに前向き遅延器と、ループの帰還ルートに帰還遅延器とを有した正帰還ループで構成することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記前向き遅延器と前記帰還遅延器との総遅延時間が、前記目標指令の周期と等しくなるように、前記前向き遅延器と前記帰還遅延器とを構成することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記整形フィルタのパルス伝達関数は、前記サブ制御器を備えない汎用制御系の相補感度関数と、前記帰還遅延器の遅延サンプリング数とに基づいて設計することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的な外乱の影響を完全に抑制するまたは周期的な目標指令に制御出力を完全に追従させるモータ制御装置に関するものであり、特に、制御系の安定性向上を図るための２自由度繰返し補償器を有するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機械には、年々高まっている高速かつ高精度加工のため、周期的に変化する目標指令に偏差がなく機械を完全に追従させる必要がある。また、パソコンやＡＶ機器など磁気記憶装置を有する機器には、ディスクドライブ装置のヘッド駆動の高速化および高精度化を達成するため、トラッキングサーボ系に入力される磁気ディスクの回転に同期した外乱である回転周期外乱を完全に抑圧する必要がある。このため、繰返し補償器を周期信号の内部モデルとして閉ループ内に組み込めば、定周期的な目標指令や外乱に含まれるすべての周波数成分に対して補償ゲインが無限大になり、優れた定常特性を持たせることができる。しかし、繰返し補償器は、制御対象の遅れに比べて比較的に大きな無駄時間を持ち、かつ正帰還で構成されているため、このままでは安定な特性を得ることは極めて困難となる。そこで、従来技術は、安定性を図るために繰返し補償器にローパスフィルタを取り込むことにより、遅延器の位相遅れが大きくなる高周波数成分をカットして制御系の安定性を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１３８６６２号公報（第３−７頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術は、繰返し補償器にローパスフィルタが入っているため、内部モデル原理が成り立たなくなり、周期的な目標指令に対して完全に追従し、または周期的な外乱に対して完全に抑圧することができない。このローパスフィルタのカット周波数を低く設定するほど、制御系の安定余裕が大きくなるが、指令追従特性または外乱抑圧特性が劣化する。すなわち、従来技術は、高精度な指令追従特性または良好な外乱抑圧特性と制御系の安定性を同時に満たすことが困難であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、制御系の閉ループ内に周期信号の内部モデルを持たせるとともに制御系の安定性を保証し、周期的な目標指令に対する完全追従特性または周期的な外乱に対する完全抑圧特性を達成することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明のモータ制御装置は、汎用制御系に２自由度繰返し補償器と整形フィルタを組み合わせて構成したサブ制御器を備える。この２自由度繰返し補償器は、ループの前向きルートに前向き遅延器を、またループの帰還ルートに帰還遅延器を設け、前向き遅延器と帰還遅延器の総遅延時間が目標指令や外乱の周期と等しくなるように構成する。また、整形フィルタは、そのパルス伝達関数と汎用制御系の相補感度関数との積がローパスフィルタ特性を持つように構成する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のモータ制御装置は、特に、２自由度繰返し補償器の遅延器を２つに分けてループの前向きルートとループの帰還ルートに１つずつ置くため、２自由度繰返し補償器の出力信号が、２自由度繰返し補償器ループのフィードバック信号より位相進みになり、制御系の安定性が改善される。また、前向き遅延器と帰還遅延器（２自由度繰返し補償器ループ一巡）の総遅延時間が、目標指令や外乱の周期と等しくなるように２つ遅延器を構成することにより、２自由度繰返し補償器が目標指令や外乱の内部モデルとなり、制御出力を周期的な目標指令に偏差がないように完全追従させること、または周期的な外乱の悪影響を完全に抑制することができる。また、そのパルス伝達関数と汎用制御系の相補感度関数との積が十分高いカット周波数特性を持つローパスフィルタとなるように整形フィルタを構成することで、制御系の安定性を確実に保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施例を示すモータ制御装置のブロック線図
【図２】本発明のモータ制御装置におけるサブ制御器の動作原理を説明するブロック線図
【図３】本発明のモータ制御装置における制御系のベクトル軌跡図
【図４】本発明のモータ制御装置における位置偏差波形のシミュレーション結果を示す図
【図５】従来技術における制御系のベクトル軌跡図
【図６】従来技術における位置偏差波形のシミュレーション結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【０００９】
図１は、本発明の実施例を示すモータ制御装置のブロック線図である。図において、１は２自由度繰返し補償器、２は前向き遅延器、３は帰還遅延器、４は整形フィルタ、５はサブ制御器、６はＰ制御器、７はＰＩ制御器、８は機械モデル、Ｘｒは位置指令、ＸＭはモータの位置である。
２自由度繰返し補償器１は、遅延器を２つに分けてループの前向きルートの前向き遅延器２とループの帰還ルートの帰還遅延器３で構成される正帰還ループとなっている。また、整形フィルタ４は、２自由度繰返し補償器１の出力段に設けている。
汎用制御系では、モータの速度ＶＭをフィードバックしてＰＩ制御を行いながらモータの位置ＸＭをフィードバックしてＰ制御を行うようにしている。また、サブ制御器がなくても、制御系は内部安定かつ一定な入出力応答特性が得られるように構成される。
【００１０】
図２は、本発明のモータ制御装置におけるサブ制御器５の動作原理を説明するブロック線図である。図において、９はメイン制御器Ｃ（ｚ）、１０は制御対象Ｐ（ｚ）、ｒは目標指令、ｙは制御出力である。なお、図１と同一の符号を付した構成は、同一の作用効果を奏する構成であるため、詳細な説明は省略する。
メイン制御器Ｃ（ｚ）９は、図１におけるＰ制御器６およびＰＩ制御器７に、制御対象Ｐ（ｚ）１０は機械モデル８に、目標指令ｒは位置指令Ｘｒに、制御出力ｙはモータの位置ＸＭに、それぞれ相当するものである。
【００１１】
以下、本発明のモータ制御装置におけるサブ制御器８の動作原理について説明する。
まず、サブ制御器がないことを想定し、汎用制御系の構成方法と同じように制御系が安定となり、しかも一定な指令応答特性を持つようにメイン制御器Ｃ（ｚ）９を決定する。この場合の相補感度関数Ｔ（ｚ）は、メイン制御器Ｃ（ｚ）９と制御対象Ｐ（ｚ）１０を含む式（１）で表される。
【００１２】
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【００１３】
次に、２自由度繰返し補償器１のパラメータを決める。
目標指令ｒの周期をＴＲとし、２自由度繰返し補償器１の制御周期をＴＳとすると、２自由度繰返し補償器１の総遅延サンプリング数Ｎは、
【００１４】
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で表され、また、帰還遅延器３の遅延サンプリング数をｍとすると、ｍは相補感度関数Ｔ（ｚ）の分母分子相対次数以上の自然数とすれば良く、前向き遅延器２の遅延サンプリング数は（Ｎ−ｍ）となる。
目標指令ｒと制御出力ｙとの偏差ｅから２自由度繰返し補償器１の出力ｗ２までのパルス伝達関数Ｑ２（ｚ）は、式（３）で表される。
【００１５】
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【００１６】
式（３）にｚ＝ｅｊωＴｓを代入し、両辺の絶対値を求めると、式（４）となる。
【００１７】
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【００１８】
ω＝ｎω０（ｎ＝０、１、２、…）、ω０＝２π／ＴＲとし、式（４）にこれらω、ω０と式（２）とを代入すると、式（５）となり、式（５）は、２自由度繰返し補償器１が周期ＴＲをもつ目標指令ｒの内部モデルとなっていることを意味するものである。
【００１９】
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【００２０】
最後に、制御系全体が安定となるように整形フィルタＨ（ｚ）４を設計する。
前向き遅延器２の出力ｗ２から前向き遅延器２の入力ｄ２までのパルス伝達関数Ｇ２（ｚ）は、式（１）の相補感度関数Ｔ（ｚ）関係から式（６）で表される。
【００２１】
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【００２２】
スモールゲイン定理（周知事項）によると、制御系が安定となる条件は、Ｇ２（ｅｊωＴｓ）のベクトル軌跡がナイキスト線図における単位円内にある式（７）が成り立つ。
【００２３】
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【００２４】
また、式（７）の安定条件を満たすために式（８）が成り立つと仮定する。ただし、ａｉ、ｂｉ（ｉ＝１、２、…、ｍ）は絶対値が１より小さい複素定数である。
【００２５】
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【００２６】
また、ｂｉ＝ａｉとする場合、式（８）の右辺は、一種のローパスフィルタとなり、ａｉの絶対値が小さいほどそのカット周波数が高い。
式（８）および式（７）により式（９）が成り立ち、式（９）は、式（７）の安定条件を満たすようなａｉ、ｂｉ（ｉ＝１、２、…、ｍ）は、ナイキスト線図における原点付近に必ず存在することを意味するものである。
【００２７】
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【００２８】
なお、メイン制御器Ｃ（ｚ）９が決められると、相補感度関数Ｔ（ｚ）が式（１）で表されるので、式（８）から整形フィルタＨ（ｚ）４は式（１０）となる。
【００２９】
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【００３０】
また、帰還遅延器３の遅延サンプリング数ｍは、相補感度関数Ｔ（ｚ）の分母分子相対次数以上の自然数としたので、式（１０）から整形フィルタＨ（ｚ）４はプロパーとなるため、実装が可能となる。
【００３１】
次に、本発明のモータ制御装置が奏する効果について、具体例を用いて説明する。
以下、産業機械に適用される汎用制御系に、繰返し補償方法が適用されることについて考察する。
ここで、例えば、図１におけるＰＩ制御器７の比例ゲインＫｐを１２５７Ｊ（Ｊは機械可動部の総イナーシャである）、積分ゲインＫｉを３９２７００Ｊ、Ｐ制御器７の比例ゲインＫｘを２００とする。また、２自由度繰返し補償器１の繰返し制御周期ＴＳを２ｍｓとすると、サブ制御器５がない場合の相補感度関数Ｔ（ｚ）は、式（１）の関係から式（１１）で表される。
【００３２】
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【００３３】
式（１１）において、相補感度関数Ｔ（ｚ）の分母分子相対次数が１であるため、帰還遅延器３の遅延サンプリング数ｍを２とする。
位置指令Ｘｒの周期ＴＲが、例えば６ｓとし、式（２）より、２自由度繰返し補償器１の総遅延サンプリング数Ｎは３０００となる。また、式（７）の安定化条件を満たすように、複素定数ａｉ、ｂｉ（ｉ＝１、２）をそれぞれ、ａ１＝ｂ１＝０．３６７９、ａ２＝ｂ２＝―０．３６７９とすれば、式（６）および式（８）より、前向き遅延器２の出力ｗ２から前向き遅延器２の入力ｄ２までのパルス伝達関数Ｇ２（ｚ）は、式（１２）で表される。
【００３４】
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【００３５】
図３は、本発明のモータ制御装置における制御系のベクトル軌跡図である。図において、Ｇ２（ｅｊωＴｓ）のベクトル軌跡がナイキスト線図における単位円内にあるため、この制御系は安定であることを意味している。
また、図４は本発明のモータ制御装置における位置偏差波形のシミュレーション結果を示す図である。ただし、位置センサの分解能を１ｎｍ／パルスとした。図において、位置偏差ｅｘは５周期目以降（定常状態）になると２ｎｍ以下になる。
【００３６】
一方、従来技術（繰返し補償器の遅延器の出力段にローパスフィルタを取り込んだもの）における遅延器の出力から遅延器の入力までのパルス伝達関数Ｇ１（ｚ）は、式（１３）で表される。
【００３７】
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【００３８】
スモールゲイン定理（周知事項）によると、制御系が安定となる条件は、Ｇ１（ｅｊωＴｓ）のベクトル軌跡がナイキスト線図における単位円内にある式（１４）が成り立つ。
【００３９】
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【００４０】
上述のような安定化条件を満たすため、式（１５）のローパスフィルタとする。
【００４１】
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【００４２】
図５は、従来技術における制御系のベクトル軌跡図である。図において、Ｇ１（ｅｊωＴｓ）のベクトル軌跡がナイキスト線図における単位円内にあるため制御系が安定である。しかしながら、図３と図５とを比較すれば、図５のＧ１（ｅｊωＴｓ）のベクトル軌跡が、図３のＧ２（ｅｊωＴｓ）のベクトル軌跡と較べ、ナイキスト線図における単位円との距離が近いので制御系の安定余裕が小さい。
また、図６は、従来技術における位置偏差波形のシミュレーション結果を示す図である。図において、位置偏差ｅｘは５周期目以降（定常状態）になっても２８８ｎｍある。
上述の具体例からも分かるように、従来技術と較べ、本発明のモータ制御装置は、安定性と指令追従性能が共に優れていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のモータ制御装置は、２自由度繰返し補償器ループの一巡の総遅延時間ＮＴｓを、周期的な外乱の周期と等しく設定することによって、２自由度繰返し補償器が外乱の内部モデルとなるため、外乱の悪影響を完全に抑制することができ、安定に周期的な外乱を完全に抑制するという用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  ２自由度繰返し補償器
２  前向き遅延器
３  帰還遅延器
４  整形フィルタ
５  サブ制御器
６  Ｐ制御器
７  ＰＩ制御器
８  機械モデル
９  メイン制御器
１０  制御対象
【図１】
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【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月12日(2010.5.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標指令と制御出力との偏差を入力してサブ補償量を出力するサブ制御器と、汎用制御系である比例または比例積分制御系で構成すると共に、前記偏差と前記サブ補償量との和を入力して制御入力を出力するメイン制御器と、前記制御入力を入力して前記制御出力を出力する制御対象と、を備えたモータ制御装置であって、
前記サブ制御器が、ループの前向きルートに前向き遅延器と、ループの帰還ルートに帰還遅延器とを有した正帰還ループで構成すると共に、前記偏差を入力して繰返し補償量を出力する２自由度繰返し補償器と、
前記繰返し補償量を入力して前記サブ補償量を出力する整形フィルタと、を有したことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記前向き遅延器と前記帰還遅延器との総遅延時間が、前記目標指令の周期と等しくなるように、前記前向き遅延器と前記帰還遅延器とを構成することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記整形フィルタは、前記汎用制御系の相補感度関数と、前記帰還遅延器の遅延サンプリング数とに基づいて設計することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項４】
（削除）
【国際調査報告】
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