(57)【要約】【課題】位置ループの振動を抑制し、位置制御ゲインを上げて高速度、高精度位置決めができる装置を提供する。【解決手段】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装置において、等価剛体系速度ループのモデルと、バンドパスフィルタと、振幅調整器と、速度制御ループの速度指令を等価剛体系速度ループのモデルに入力し、負荷の速度信号から等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた差信号を前記バンドパスフィルタに入力し、バンドパスフィルタの出力を振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、を備える。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記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おいて、
等価剛体系速度ループのモデルと、
バンドパスフィルタと、
振幅調整器と、
速度制御ループの速度指令を前記等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷の速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた差信号を前記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前記振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、
を備えたことを特徴とするフルクローズド制御装置。
【請求項２】
モータの速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記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おいて、
オールパスフィルタと、
バンドパスフィルタと、
振幅調整器と、
前記負荷の速度信号から速度制御ループの速度指令を差し引いた差信号を前記オールパスフィルタに入力し、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に入力し、前記バンドパスフィルタの出力を前記振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、
を備えたことを特徴とするフルクローズド制御装置。
【請求項３】
モータの速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記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おいて、
等価剛体系速度ループのモデルと、
オールパスフィルタと、
バンドパスフィルタと、
振幅調整器と、
速度制御ループの速度指令を前記等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷の速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた差信号を前記オールパスフィルタに入力し、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に入力し、前記バンドパスフィルタの出力を前記振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、
を備えた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】
前記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、モータの速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記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おいて、等価剛体系速度ループのモデルと、バンドパスフィルタと、振幅調整器と、速度制御ループの速度指令を前記等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷の速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた差信号を前記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前記振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、モータの速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記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おいて、オールパスフィルタと、バンドパスフィルタと、振幅調整器と、前記負荷の速度信号から速度制御ループの速度指令を差し引いた差信号を前記オールパスフィルタに入力し、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に入力し、前記バンドパスフィルタの出力を前記振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、モータの速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記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おいて、等価剛体系速度ループのモデルと、オールパスフィルタと、バンドパスフィルタと、振幅調整器と、速度制御ループの速度指令を前記等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷の速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた差信号を前記オールパスフィルタに入力し、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に入力し、前記バンドパスフィルタの出力を前記振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする手段と、を備えたことを特徴とする。
【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】
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【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】
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【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】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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