(57)【要約】【課題】１サンプリング時間未来の推定位置をフィードバックし、整定位置の近傍でも正しい位置制御を行うことができる位置推定装置を有する位置制御装置とその制御方法を提供する。    【解決手段】位置指令と位置推定値の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部（１）と、速度指令と速度推定値の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部（２）と、トルク指令に基づいて制御対象を駆動するトルク制御部（３）と、を備える位置制御装置において、サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶する位置記憶部（４）と、１サンプリング時間未来の位置推定値を生成する位置推定部（５）と、前記１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成する速度推定部（６）と、を備えた。【選択図】図１
2008152523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令と位置推定値の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度推定値の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて制御対象を駆動するトルク制御部と、を備える位置制御装置において、
サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶する位置記憶部と、
１サンプリング時間未来の位置推定値を生成する位置推定部と、
前記１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成する速度推定部と、
を備えることを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
前記位置記憶部は、現在の時間をｉとして、過去の複数の位置データｘｊ（ｊ＝−Ｎ、−（Ｎ−１）、・・・、１）を記憶することを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
【請求項３】
前記位置推定部は、過去の複数の位置データと式（１）から式（９）とに基づいて位置推定値を生成することを特徴とする請求項２記載の位置制御装置。
【数１】
2008152523.tif 000006
ここでｄ１は位置差分、ｄ２は位置の２階差分、Ｓ−は平均加速度、ｕ＾ｉ−１は（ｉ−１）時刻の位置増分の推定値、ｕ＾ｉは（ｉ）時刻の位置増分の推定値、ｕ＾ｉ＋１は（ｉ＋１）時刻の位置増分の推定値、ｅｉは位置の予測誤差、Ａ、Ｂ、Ｃはデータ個数から決まる定数で、過去及び現在のデータ個数をＮとすると、ａ＝２／（Ｎ＋１）、ｂ  ＝  １−ａ、更に  Ａ  ＝  １−ｂ３、Ｂ  ＝  （３／２）＊（１−ｂ２）＊（１−ｂ）、Ｃ  ＝  （１／２）＊（１−ｂ）３である。
【請求項４】
前記速度推定部は、前記１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データと式（１０）とに基づいて速度推定値を生成することを特徴とする請求項２記載の位置制御装置。
【数２】
2008152523.tif 000007
ここでｖ＾は速度推定値、Ｔｓはサンプリング時間である。
【請求項５】
前記位置推定部は、位置偏差の大きさにより過去の連続した位置データの数を変えることを特徴とする請求項３記載の位置制御装置。
【請求項６】
前記位置推定部は、位置偏差の大きさにより過去の位置データのサンプリング時間を変えることを特徴とする請求項３記載の位置制御装置。
【請求項７】
位置指令と位置推定値の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度推定値の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて制御対象を駆動するトルク制御部と、を備える位置制御装置の制御方法において、
サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶するステップと、
１サンプリング時間未来の位置推定値を生成するステップと、
前記１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成するステップと、
位置指令と位置推定値から速度指令を生成するステップと、
速度指令と速度推定値からトルク指令を生成するステップと、
を備えることを特徴とする位置制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御対象のモデルを用いず，過去の複数の位置データのみから１サンプリング時間未来の位置を推定し，フィードバックに用いる位置制御装置とその制御方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来の位置推定装置を有する位置制御装置は、例えば特許文献１、非特許文献１に開示されている。特許文献１の従来の位置制御装置は、位置推定装置に位置制御を行う制御対象のモデルを与え，得られる状態量から現在位置を推定している。また、非特許文献１の従来の位置制御装置は、２階積分系を制御対象のモデルとしている。
図３は特許文献１に開示されている従来の位置制御装置のブロック図である。図３において、１１１は位置指令ｒと位置ｘとを減算する減算器であり、１１２は位置制御コントローラ，１１３は制御対象である。１２０の破線の中がオブザーバである。１１４は減算器、１１５は力から速度への伝達関数でＭは質量であり、１１６は減算器、１１７は速度から位置への伝達関数、１１８は位置フィードバックゲイン、１１９は速度フィードバックゲインであり、制御対象とコントローラの動特性を動的モデルとして使用している。ｘハットは位置推定信号である。
【特許文献１】特開平５−９４２０２号公報（第５−７頁、図１）
【非特許文献１】中野道雄，二見茂，吉田祐三著「サーボ技術とパワーエレクトロニクス」共立出版株式会社、１９９４年９月２０日、ｐ．１５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図４は図３の従来の位置制御装置の位置推定装置の動作を説明するためのブロック図である。位置指令出力が修了し、位置偏差が±１パルス以下になると、図３に示す連続系の応答は正確でなくなり、位置フィードバックおよび速度フィードバックが図４のようにスイッチＳＷ１（１２１）、スイッチＳＷ２（１２２）を介して、断続的にフィードバックが行われる。したがって位置偏差が±１パルス以下では応答の現象を正確に推定することができなくなる。このように、従来の位置制御装置は、位置偏差が小さい状態では正しい位置推定が行われず、位置決め誤差を生じたり、オーバーシュートを生じたり、±１パルスの振動が発生するなどの問題点があった。
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、位置推定のためのモデルをなくし，過去の複数の位置データのみから１サンプリング時間未来の位置を推定するとともに，１サンプリング時間未来の推定位置をフィードバックし、整定位置の近傍でも正しい位置制御を行うことができる位置推定装置を有する位置制御装置とその制御方法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】
【０００４】
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。
請求項１に記載の発明は、位置指令と位置推定値の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度推定値の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて制御対象を駆動するトルク制御部と、を備える位置制御装置において、サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶する位置記憶部と、１サンプリング時間未来の位置推定値を生成する位置推定部と、前記１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成する速度推定部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記位置記憶部は、過去の複数の位置データｘｊ（ｊ＝−Ｎ、−（Ｎ−１）、・・・、１）を記憶することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の位置制御装置において、前記位置推定部は、過去の複数の位置データと式（１）から式（９）とに基づいて位置推定値を生成することを特徴とする。
【０００５】
【数１】
2008152523.tif 000003
ここでｄ１は位置差分、ｄ２は位置の２階差分、Ｓ−は平均加速度、ｕ＾ｉ−１は（ｉ−１）時刻の位置増分の推定値、ｕ＾ｉは（ｉ）時刻の位置増分の推定値、ｕ＾ｉ＋１は（ｉ＋１）時刻の位置増分の推定値、ｅｉは位置の予測誤差、Ａ、Ｂ、Ｃはデータ個数から決まる定数で、過去及び現在のデータ個数をＮとすると、ａ＝２／（Ｎ＋１）、ｂ  ＝  １−ａ、更に  Ａ  ＝  １−ｂ３、Ｂ  ＝  （３／２）＊（１−ｂ２）＊（１−ｂ）、Ｃ  ＝  （１／２）＊（１−ｂ）３である。
請求項４に記載の発明は、請求項２記載の位置制御装置において、前記速度推定部は、前記１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データと式（１０）とに基づいて速度推定値を生成することを特徴とするものである。
【０００６】
【数２】
2008152523.tif 000004
ここでｖ＾は速度推定値、Ｔｓはサンプリング時間である。
請求項５に記載の発明は、請求項３記載の位置制御装置において、前記位置推定部は、位置偏差の大きさにより過去の連続した位置データの数を変えることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項３記載の位置制御装置において、前記位置推定部は、位置偏差の大きさにより過去の位置データのサンプリング時間数を変えることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、位置指令と位置推定値の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度推定値の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて制御対象を駆動するトルク制御部と、を備える位置制御装置の制御方法において、サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶するステップと、１サンプリング時間未来の位置推定値を生成するステップと、前記１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成するステップと、位置指令と位置推定値から速度指令を生成するステップと、速度指令と速度推定値からトルク指令を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１乃至３に記載の発明によると、±１パルス以内の位置制御を構成することができ、偏差が１パルス以下の分解能で制御する位置制御装置を提供できる。
また、請求項４に記載の発明によると、速度推定精度を高くすることができ、分解能が高い速度制御系を構成した位置制御装置を提供できる。
また、請求項５に記載の発明によると、最適なデータ個数を用いることで大偏差から小偏差の状態までを高い精度で制御する位置制御装置を提供できる。
また、請求項６に記載の発明によると、±１パルス以内での振動を抑える位置制御装置を提供できる。
また、請求項７に記載の発明によると、±１パルス以内の位置制御を構成することができ、偏差が１パルス以下の分解能で制御できる位置制御方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【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。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明の位置制御装置のブロック図である。図１において、１は位置制御部、２は速度制御部、３はトルク制御部、４は位置記憶部、５は位置推定部、６は速度推定部、７は制御対象、８は位置検出器である。本発明が従来技術の位置制御装置と異なる部分は、位置推定値および速度推定値をフィードバックすることと位置推定を式（１）〜（９）で行うことである。
【００１０】
【数３】
2008152523.tif 000005
ここでｄ１は位置差分、ｄ２は位置の２階差分、Ｓ−は平均加速度、ｕ＾ｉ−１は（ｉ−１）時刻の位置増分の推定値、ｕ＾ｉは（ｉ）時刻の位置増分の推定値、ｕ＾ｉ＋１は（ｉ＋１）時刻の位置増分の推定値、ｅｉは位置の予測誤差、Ａ、Ｂ、Ｃはデータ個数から決まる定数で、過去及び現在のデータ個数をＮとすると、ａ＝２／（Ｎ＋１）、ｂ  ＝  １−ａ、更に  Ａ  ＝  １−ｂ３、Ｂ  ＝  （３／２）＊（１−ｂ２）＊（１−ｂ）、Ｃ  ＝  （１／２）＊（１−ｂ）３である。
【００１１】
本発明の位置推定方法の動作は、図６に示す正弦波信号の推定値および図７に示す放物線信号のようになっている。図６の左に示すグラフは振幅１、周期２πの正弦波信号の推定値であり、図６の右に示すのは位置推定誤差のグラフである。位置推定誤差の最大値は約２．５×１０−８と非常に小さい。図７の左に示すグラフは放物線の推定値であり、図７の右に示すグラフは位置推定誤差のグラフで、最大推定誤差は−８×１０−４と小さい。このように本発明の位置推定方法を用いれば、極めて小さな推定誤差で位置推定が行えるため、±１パルス以内の位置にある場合にも精度の高い位置制御が可能となる。
【実施例２】
【００１２】
図７は本発明の制御装置の制御方法を示すフローチャートである。ステップＳＴ１でサンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶し、ステップＳＴ２で１サンプリング時間未来の位置推定値を生成し、ステップＳＴ３で１サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成し、ステップＳＴ４で位置指令と位置推定値から速度指令を生成し、ステップＳＴ５で速度指令と速度推定値からトルク指令を生成する。
このように、図１のような構成をしており、数式１に示す式（１）〜式（９）により位置推定を行うので、高い精度で位置が推定でき、位置偏差が±１以下の領域においても高い精度の位置制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例を示す位置制御装置のブロック図
【図２】本発明の位置推定方法の基本となるブロック図
【図３】従来の位置制御装置の偏差が小さいときの動作を表すブロック図
【図４】従来の位置制御装置のブロック図
【図５】本発明の位置推定方法による正弦波信号の推定値と推定誤差を表すグラフ
【図６】本発明の位置推定方法による放物線信号の推定値と推定誤差を表すグラフ
【図７】本発明の位置制御装置の制御方法を示すフローチャート
【符号の説明】
【００１４】
１  減算器
２  コントローラ
３  制御対象
４  位置検出器
５  位置記憶装置
６  位置推定装置
１０１  減算器
１０２  力から速度への伝達関数
１０３  速度から位置への伝達関数
１１１  減算器
１１２  コントローラ
１１３  制御対象
１１４  減算器
１１５  力から速度への伝達関数
１１６  減算器
１１７  速度から位置への伝達関数
１１８  位置フィードバックゲイン
１１９  速度フィードバックゲイン
１２０  位置のオブザーバ
１２１  位置フィードバックのスイッチ
１２２  速度フィードバックのスイッチ
【図１】
2008152523.tif 000008
【図２】
2008152523.tif 000009
【図３】
2008152523.tif 000010
【図４】
2008152523.tif 000011
【図５】
2008152523.tif 000012
【図６】
2008152523.tif 000013
【図７】
2008152523.tif 000014