(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータ、または、サーボモータについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのサーボモータを制御する制御装置であって、
外部から入力された位置指令値および速度指令値と、前記サーボモータの位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差および速度偏差が、前記サーボモータの出力可能な所定のトルクと、前記サーボモータにより駆動される負荷機械の運動特性とにより決定される切替線上に収束するように、前記サーボモータに出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御部と、
前記サーボモータの位置、速度が、前記位置指令値および速度指令値に追従するようＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御部と、
前記スライディングモード制御部により制御するか、前記ＰＩＤ制御部により制御するかを、前記位置偏差および前記速度偏差の少なくともいずれか一方に基づいて選択する選択部と、を備え、
前記選択部は、
前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが第一所定値以下である場合、および、前記速度偏差が第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記ＰＩＤ制御部を選択し、
前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記スライディングモード制御部および前記ＰＩＤ制御部は、前記規範モデルとしてのサーボモータを制御するものであるとともに、
前記選択部により選択された前記スライディングモード制御部または前記ＰＩＤ制御部により制御される前記規範モデルとしてのサーボモータの位置、速度に追従するよう、実際のサーボモータの位置、速度についてＰＩＤ制御を行うフィードバック制御部をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記第一所定値は前記サーボモータが出力する最大トルクであり、
前記選択部は、
前記ＰＩＤ制御部が出力するトルクが前記サーボモータの前記最大トルク以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、
前記ＰＩＤ制御部が出力するトルクが前記最大トルクを超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項４】
前記選択部は、
前記位置偏差を縦軸、前記速度偏差を横軸にとる位相平面において、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記最大トルクである場合に当該位相平面に描かれる直線に前記切替線が接するように前記切替線を平行移動させ、当該平行移動させた切替線に前記位置偏差および前記速度偏差が収束するよう前記スライディングモード制御部にスライディングモード制御を実行させることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記選択部は、
前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、
前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値を超える場合、
前記位置偏差を縦軸、前記速度偏差を横軸にとる位相平面において、前記切替線が、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが０である時に当該位相平面に描かれる直線に、前記速度偏差が前記第二所定値であるところで接するように前記切替線を平行移動させ、当該平行移動させた切替線に前記位置偏差および前記速度偏差が収束するよう前記スライディングモード制御部にスライディングモード制御を実行させる
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項６】
前記位相平面において、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記サーボモータの出力する最小トルクである時に当該位相平面に描かれる直線である最小トルク直線、および、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記サーボモータの出力する最大トルクである時に当該位相平面に描かれる直線である最大トルク直線の各々に、前記速度偏差が前記第二所定値であるところで、前記切替線が接するように、前記切替線を平行移動させた、最小平行移動切替線および最大平行移動切替線によって挟まれた領域を緩衝領域とする
ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
前記選択部は、
前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、
前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項８】
前記速度指令値は０である
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項９】
前記スライディングモード制御部または前記ＰＩＤ制御部により制御される前記サーボモータの速度は、前記サーボモータの最大出力速度未満である
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項１０】
サーボモータ、または、当該サーボモータについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのサーボモータを制御する制御方法であって、
外部から入力された位置指令値および速度指令値と、前記サーボモータの位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差および速度偏差が、前記サーボモータの出力可能な所定のトルクと、前記サーボモータにより駆動される負荷機械の運動特性とにより決定される切替線上に収束するように、前記サーボモータに出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御ステップと、
前記サーボモータの位置、速度が、前記位置指令値および速度指令値に追従するようＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御ステップと、
前記サーボモータのトルクについて、前記スライディングモード制御ステップにて制御するか、前記ＰＩＤ制御ステップにて制御するかを、前記サーボモータの前記位置偏差および前記速度偏差によって選択する選択ステップと、を含み、
前記選択ステップにおいて、
前記ＰＩＤ制御ステップにて制御されるトルクが第一所定値以下である場合、および、前記速度偏差が第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記ＰＩＤ制御ステップにて制御することが選択され、
前記ＰＩＤ制御ステップにて制御されるトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御ステップにて制御することが選択される
ことを特徴とする制御方法。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか一項に記載の制御装置としてコンピュータを機能させるための情報処理プログラムであって、前記各部としてコンピュータを機能させるための情報処理プログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の情報処理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボモータなどのモータの駆動を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サーボモータの制御方法として、サーボモータの位置、速度が、外部から入力された位置指令値および速度指令値に追従するように制御するＰＩＤ制御が知られている。また、モータの制御方法として、スライディングモード制御も、ＰＩＤ制御と同様に知られている。例えば、下掲載の特許文献１には、オリエンテーション制御に用いる物理変数を用いて定めたスライディングカーブに沿って回転子の位置及び速度を制御することにより、回転子を目標位置に停止させるスライディングモード制御を行う、モータの制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７６９０６号公報（２０１１年９月８日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＰＩＤ制御を用いた場合、ユーザはその伝達特性を把握しやすいが、出力するべきトルクが制限される場合に、オーバーシュートおよびハンチング等を生じるという問題がある。一方で、スライディングモード制御を用いた場合、オーバーシュートおよびハンチングを生じない制御が可能であるが、スライディングモード制御器の伝達特性は非線形であるために、ユーザが把握しにくいという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザがサーボモータの最大トルクを意識せずともサーボモータに所望の動作を実行させることのできる制御装置、制御方法、およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る制御装置は、サーボモータ、または、サーボモータについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのサーボモータを制御する制御装置であって、外部から入力された位置指令値および速度指令値と、前記サーボモータの位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差および速度偏差が、前記サーボモータの出力可能な所定のトルクと、前記サーボモータにより駆動される負荷機械の運動特性とにより決定される切替線上に収束するように、前記サーボモータに出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御部と、前記サーボモータの位置、速度が、前記位置指令値および速度指令値に追従するようＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御部と、前記スライディングモード制御部により制御するか、前記ＰＩＤ制御部により制御するかを、前記位置偏差および前記速度偏差の少なくともいずれか一方に基づいて選択する選択部と、を備えている。
【０００７】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行する。ここで、前記スライディングモード制御によりユーザは、前記サーボモータの出力可能な最大トルクを意識せずとも、前記サーボモータまたは前記規範モデルの位置に係る指令（位置指令値）のみを与えることによって、前記サーボモータに所望の動作を実行させることができる。また、前記ＰＩＤ制御は、ユーザがその伝達特性を把握しやすい。したがって、前記制御装置は、前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行することにより、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザが前記サーボモータの出力可能な最大トルクを意識せずとも、前記サーボモータに所望の動作を実行させることができるという効果を奏する。
【０００８】
また、前記の構成によれば、前記制御装置は、前記位置偏差および前記速度偏差の少なくともいずれか一方に基づいて、前記スライディングモード制御部により制御するか、前記ＰＩＤ制御部により制御するかを選択する。よって、前記制御装置は、制御量の大きさに応じてより適切な制御方法（前記スライディングモード制御または前記ＰＩＤ制御）を選択することが可能となるという効果を奏する。
【０００９】
好ましくは、前記制御装置において、前記スライディングモード制御部および前記ＰＩＤ制御部は、前記規範モデルとしてのサーボモータを制御するものであるとともに、前記選択部により選択された前記スライディングモード制御部または前記ＰＩＤ制御部により制御される前記規範モデルとしてのサーボモータの位置、速度に追従するよう、実際のサーボモータの位置、速度についてＰＩＤ制御を行うフィードバック制御部をさらに含む。
【００１０】
前記の構成によれば、前記制御装置は、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザが前記サーボモータの出力可能な最大トルクを意識せずとも、前記サーボモータに所望の動作を実行させることができる前記規範モデルを用いて、前記サーボモータについてＰＩＤ制御を行うことができるという効果を奏する。
【００１１】
好ましくは、前記制御装置において、前記選択部は、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが第一所定値以下である場合、および、前記速度偏差が第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する。
【００１２】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが第一所定値以下である場合、および、前記速度偏差が第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する。したがって、前記制御装置は、前記第一所定値および前記第二所定値を用いて前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行することにより、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザが前記サーボモータの出力可能な最大トルクを意識せずとも、前記サーボモータに所望の動作を実行させることができるという効果を奏する。
【００１３】
好ましくは、前記制御装置において、前記第一所定値は前記サーボモータが出力する最大トルクであり、前記選択部は、前記ＰＩＤ制御部が出力するトルクが前記サーボモータの前記最大トルク以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部が出力するトルクが前記最大トルクを超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する。
【００１４】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記最大トルク以下である場合、前記ＰＩＤ制御部により、前記サーボモータのトルクを制御することができ、かつ、前記スライディングモード制御により、前記サーボモータについて、オーバーシュートおよびハンチングの発生を抑制することができるという効果を奏する。
【００１５】
好ましくは、前記制御装置において、前記選択部は、前記位置偏差を縦軸、前記速度偏差を横軸にとる位相平面において、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記最大トルクである場合に当該位相平面に描かれる直線に前記切替線が接するように前記切替線を平行移動させ、当該平行移動させた切替線に前記位置偏差および前記速度偏差が収束するよう前記スライディングモード制御部にスライディングモード制御を実行させる。
【００１６】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記最大トルク以下である場合、前記ＰＩＤ制御部により、前記サーボモータのトルクを制御することができ、かつ、平行移動させた切替線に前記位置偏差および前記速度偏差が収束するよう前記スライディングモード制御部にスライディングモード制御を実行させることができるという効果を奏する。
【００１７】
好ましくは、前記制御装置において、前記選択部は、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記位置偏差を縦軸、前記速度偏差を横軸にとる位相平面において、前記切替線が、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが０である時に当該位相平面に描かれる直線に、前記速度偏差が前記第二所定値であるところで接するように前記切替線を平行移動させ、当該平行移動させた切替線に前記位置偏差および前記速度偏差が収束するよう前記スライディングモード制御部にスライディングモード制御を実行させる。
【００１８】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記サーボモータのトルクを、前記スライディングモード制御部による制御から前記ＰＩＤ制御部による制御へと滑らかに変更することができるため、前記サーボモータのトルクの変化も滑らかにすることができ、かつ、前記スライディングモード制御により、前記サーボモータまたは前記規範モデルについて、オーバーシュートおよびハンチングの発生を抑制することができるという効果を奏する。
【００１９】
好ましくは、前記制御装置は、前記位相平面において、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記サーボモータの出力する最小トルクである時に当該位相平面に描かれる直線である最小トルク直線、および、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記サーボモータの出力する最大トルクである時に当該位相平面に描かれる直線である最大トルク直線の各々に、前記速度偏差が前記第二所定値であるところで、前記切替線が接するように、前記切替線を平行移動させた、最小平行移動切替線および最大平行移動切替線によって挟まれた領域を緩衝領域とする。
【００２０】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記最小平行移動切替線および前記最大平行移動切替線によって挟まれた領域を緩衝領域することができるという効果を奏する。
【００２１】
好ましくは、前記制御装置において、前記選択部は、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部を選択する。
【００２２】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差が前記第二所定値を超える場合、前記スライディングモード制御部により、前記サーボモータのトルクを制御することができるため、前記サーボモータの位置および速度を前記位置指令値および前記速度指令値に一致させるのに要する時間が短く、かつ、前記スライディングモード制御により、前記サーボモータまたは前記規範モデルについて、オーバーシュートおよびハンチングの発生を抑制することができる。
【００２３】
好ましくは、前記制御装置において、前記速度指令値は０である。
【００２４】
前記の構成によれば、前記制御装置は、前記速度指令値が０であるため、前記位置指令値において指令されている目標位置に到達した時点で、前記サーボモータの速度も０とすることができるため、前記サーボモータの位置がオーバーシュートしないという効果を奏する。
【００２５】
好ましくは、前記制御装置において、前記スライディングモード制御部または前記ＰＩＤ制御部により制御される前記サーボモータの速度は、前記サーボモータの最大出力速度未満である。
【００２６】
前記の構成によれば、前記制御装置において、前記スライディングモード制御部または前記ＰＩＤ制御部により制御される前記サーボモータの速度は、前記サーボモータの最大出力速度未満である。
【００２７】
ここで、前記サーボモータの最大出力速度よりも大きな速度を、前記スライディングモード制御部または前記ＰＩＤ制御部により制御される前記サーボモータの速度として設定してしまうと、前記サーボモータは追従することができない。
【００２８】
前記制御装置において、前記スライディングモード制御部または前記ＰＩＤ制御部により制御される前記サーボモータの速度は、前記サーボモータの最大出力速度未満であるため、前記制御装置は、前記サーボモータが追従可能な、前記制御された速度を用いて、前記サーボモータを制御することができるという効果を奏する。
【００２９】
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る制御方法は、サーボモータ、または、当該サーボモータについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのサーボモータを制御する制御方法であって、外部から入力された位置指令値および速度指令値と、前記サーボモータの位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差および速度偏差が、前記サーボモータの出力可能な所定のトルクと、前記サーボモータにより駆動される負荷機械の運動特性とにより決定される切替線上に収束するように、前記サーボモータに出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御ステップと、前記サーボモータの位置、速度が、前記位置指令値および速度指令値に追従するようＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御ステップと、前記サーボモータのトルクについて、前記スライディングモード制御ステップにて制御するか、前記ＰＩＤ制御ステップにて制御するかを、前記サーボモータの前記位置偏差および前記速度偏差によって選択する選択ステップと、を含む。
【００３０】
前記の構成によれば、前記制御方法は、前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行する。ここで、前記スライディングモード制御によりユーザは、前記サーボモータの出力可能な最大トルクを意識せずとも、前記サーボモータまたは前記規範モデルの位置に係る指令（位置指令値）のみを与えることによって、前記サーボモータに所望の動作を実行させることができる。また、前記ＰＩＤ制御は、ユーザがその伝達特性を把握しやすい。したがって、前記制御方法は、前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行することにより、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザが前記サーボモータの出力可能な最大トルクを意識せずとも、前記サーボモータに所望の動作を実行させることができるという効果を奏する。
【００３１】
また、前記の構成によれば、前記制御方法は、前記位置偏差および前記速度偏差の少なくともいずれか一方に基づいて、前記スライディングモード制御により制御するか、前記ＰＩＤ制御により制御するかを選択する。よって、前記制御方法は、制御量の大きさに応じてより適切な制御（前記スライディングモード制御または前記ＰＩＤ制御）を選択することが可能となるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の一態様によれば、サーボモータの制御装置等について、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザが当該サーボモータの出力可能な最大トルクを意識せずとも、当該サーボモータに所望の動作を実行させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態１に係る制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】操作量不飽和時の、制御された速度の軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置の実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図３】操作量飽和時の、制御された速度の軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置の実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図４】図１の制御装置において実行されるスライディングモード制御を説明する図である。
【図５】図１の制御装置をフィードフォワード制御部として含む、モデル追従制御を行うサーボモータの制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図６】図１の制御装置において実行されるスライディングモード制御について、速度指令を位置指令の微分とした場合のモデル出力位置の軌跡を示す図である。
【図７】図１の制御装置において実行されるスライディングモード制御について、速度指令を「０」とした場合のモデル出力位置の軌跡を示す図である。
【図８】図１の制御装置について、提案手法１に係る切替線について説明するための図である。
【図９】操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法１に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図１０】操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法１に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図１１】ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法１に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを、横軸に速度偏差、縦軸に位置偏差をとる位相平面上で対比して示すグラフである。
【図１２】図１の制御装置について、提案手法２に係る切替線について説明するための図である。
【図１３】操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法２に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図１４】操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法２に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図１５】ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法２に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを、横軸に速度偏差、縦軸に位置偏差をとる位相平面上で対比して示すグラフである。
【図１６】図１の制御装置について、提案手法３に係る切替線について説明するための図である。
【図１７】操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法３に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図１８】操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法３に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【図１９】ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、図１の制御装置が提案手法３に係る切替線を利用して実行する制御による場合とを、横軸に速度偏差、縦軸に位置偏差をとる位相平面上で対比して示すグラフである。
【図２０】操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、図１の制御装置が実行する制御の利用する切替線が、提案手法１、提案手法２、提案手法３に係る切替線である場合の各々を対比して示すグラフである。
【図２１】操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、図１の制御装置が実行する制御の利用する切替線が、提案手法１、提案手法２、提案手法３に係る切替線である場合の各々を対比して示すグラフである。
【図２２】図１の制御装置が実行する制御の利用する切替線が、提案手法１、提案手法２、提案手法３に係る切替線である場合の各々を、横軸に速度偏差、縦軸に位置偏差をとる位相平面上で対比して示すグラフである。
【図２３】ｖａを「速度制限を始めるしきい値」、ｖｂを「速度制限値」として、モデル出力速度に応じて、スライディングモード制御によるモデル出力トルクを制限することを示す図である。
【図２４】従来の制御装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、図１から図２３に基づいて詳細に説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。なお、詳細は図５を用いて後述するが、制御装置１０は、実際のサーボモータである実サーボモータ２０Ｒ（サーボモータ）を制御する制御装置として利用可能であるだけでなく、実サーボモータ２０Ｒについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ２０Ｍを制御する制御装置としても利用可能である。図５では、制御装置１０を、実サーボモータ２０Ｒについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ２０Ｍを制御する制御装置として、つまり、フィードフォワード制御装置として利用する例について説明する。ただし、制御装置１０は実サーボモータ２０Ｒを直接制御する制御装置としても利用可能である。
【００３５】
以下の説明において、実サーボモータ２０Ｒとモデルサーボモータ２０Ｍとを特に区別しない場合、両者を併せて「サーボモータ２０」と称する。同様に、実負荷機械４０Ｒと、実負荷機械４０Ｒの規範モデルであるモデル負荷機械４０Ｍとを特に区別しない場合、両者を併せて「負荷機械４０」と称する。
【００３６】
本発明の一態様に係る制御装置１０についての理解を容易にするため、先ず、従来のスライディングモード制御装置９０について、図２４に基づいて説明しておく。
【００３７】
（従来の制御装置の概要）
図２４は、従来の制御装置の一例である従来のスライディングモード制御装置９０の概要を示す図である。また、図２４には、従来のスライディングモード制御装置９０によって制御されるサーボモータ２０と、サーボモータ２０の位置を検出するエンコーダ３０と、サーボモータ２０によって駆動される負荷機械４０と、が描かれている。
【００３８】
サーボモータ２０は、従来のスライディングモード制御装置９０によって制御され、負荷機械４０を駆動する。エンコーダ３０は、サーボモータ２０の位置を検出し、例えば、サーボモータ２０の回転角度を検出する。エンコーダ３０は、検出した位置を従来のスライディングモード制御装置９０に送信する。なお、エンコーダ３０は、サーボモータ２０の速度を検出してもよく、検出した速度を従来のスライディングモード制御装置９０に送信してもよい。その場合、従来のスライディングモード制御装置９０は、エンコーダ３０によって検出されたサーボモータ２０の位置（フィードバック位置θｆｂ）からサーボモータ２０の速度を算出する速度検出部９２を備えなくてもよい。
【００３９】
従来のスライディングモード制御装置９０は、速度指令生成部９１、速度検出部９２、およびスライディングモード制御部９３を備えている。速度指令生成部９１は、外部から（例えば、ユーザから）与えられる位置指令値θＲを受け付け、前記位置指令値θＲから速度指令値ｖＲを生成する。速度指令生成部９１は、生成した前記速度指令値ｖＲを出力する。速度検出部９２は、エンコーダ３０からのフィードバック位置θｆｂに基づいてフィードバック速度ｖｆｂを算出し、算出したフィードバック速度ｖｆｂを出力する。
【００４０】
スライディングモード制御部９３は、前記位置指令値θＲと、前記位置指令値θＲから速度指令生成部９１により生成された前記速度指令値ｖＲと、エンコーダ３０により検出されたフィードバック位置θｆｂと、フィードバック位置θｆｂに基づいて速度検出部９２により算出されたフィードバック速度ｖｆｂと、を受け付ける。より正確には、スライディングモード制御部９３は、前記位置指令値θＲと前記フィードバック位置θｆｂとの偏差である位置偏差θｅｒｒ、および、前記速度指令値ｖＲと前記フィードバック速度ｖｆｂとの偏差である速度偏差ｖｅｒｒを受け付ける。そして、スライディングモード制御部９３は、前記位置偏差θｅｒｒと、前記速度偏差ｖｅｒｒとを切替線として、サーボモータ２０についてスライディングモード制御を行なう。
【００４１】
ここで、一般にスライディングモード制御には、オーバーシュートおよびハンチング等の問題を発生させない制御が可能であるという特徴がある一方、スライディングモード制御器の伝達特性は非線形であるために、ユーザが把握しにくいという特徴がある。また、ユーザがその伝達特性を把握しやすいＰＩＤ制御には、出力するべきトルクが制限される場合に、オーバーシュートおよびハンチング等の問題が生じ得るという問題がある。
【００４２】
そこで、本発明の一態様に係る制御装置１０は、ＰＩＤ制御とスライディングモード制御とを特定の領域で切り換える。したがって、制御装置１０は、ユーザが特性を把握しやすく、ユーザが希望する軌道を描かせやすいというＰＩＤ制御の特性と、設定されたトルク制限値を超えるような指令を与えられた時に、設定されたトルク制限値を最大限に利用した軌道を自動的に描くことができるというスライディングモード制御の特性とを両立させるものである。
【００４３】
スライディングモード制御のみを実行する従来のスライディングモード制御装置９０と以上に説明した点で異なる制御装置１０について、その概要は以下のように表現することができる。すなわち、制御装置１０は、外部から入力された位置指令値θＲおよび速度指令値ｖＲと、サーボモータ２０の位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒが、サーボモータ２０の出力可能な所定のトルク（例えば、サーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘ（τｍｉｎ））と、サーボモータ２０により駆動される負荷機械４０の運動特性とにより決定される切替線ＳＬ上に収束するように、サーボモータ２０に出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御部１０４と、サーボモータ２０の位置、速度が、前記位置指令値θＲおよび速度指令値ｖＲに追従するようＰＩＤ制御を行う位置制御部１０１および速度制御部１０３（ＰＩＤ制御部）と、スライディングモード制御部１０４により制御するか、位置制御部１０１および速度制御部１０３により制御するかを、前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒの少なくともいずれか一方に基づいて選択する切替部１０５（選択部）と、を備えている。
【００４４】
なお、以下の説明においては、位置制御部１０１と速度制御部１０３とを併せて、「ＰＩＤ制御部」と呼ぶものとする。また、前述の通り、制御装置１０は、実サーボモータ２０Ｒ（サーボモータ）、または、実サーボモータ２０Ｒについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ２０Ｍを制御する制御装置である。したがって、前述の「サーボモータ２０」は、実サーボモータ２０Ｒまたはモデルサーボモータ２０Ｍを意味しており、同様に、「負荷機械４０」は、実負荷機械４０Ｒまたはモデル負荷機械４０Ｍを意味している。
【００４５】
前記の構成によれば、制御装置１０は、スライディングモード制御部１０４の実行する前記スライディングモード制御と、ＰＩＤ制御部（位置制御部１０１および速度制御部１０３）の実行する前記ＰＩＤ制御と、を選択的に実行する。ここで、前記スライディングモード制御によりユーザは、サーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘを意識せずとも、サーボモータ２０または前記規範モデルの位置に係る指令（位置指令値θＲ）のみを与えることによって、サーボモータ２０に所望の動作を実行させることができる。また、前記ＰＩＤ制御は、ユーザがその伝達特性を把握しやすい。したがって、制御装置１０は、前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行することにより、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザがサーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘを意識せずとも、サーボモータ２０に所望の動作を実行させることができるという効果を奏する。
【００４６】
また、前記の構成によれば、制御装置１０は、前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒの少なくともいずれか一方に基づいて、スライディングモード制御部１０４により制御するか、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）により制御するかを選択する。よって、制御装置１０は、制御量の大きさに応じてより適切な制御方法（前記スライディングモード制御または前記ＰＩＤ制御）を選択することが可能となるという効果を奏する。
【００４７】
好ましくは、制御装置１０において、切替部１０５は、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するトルクが第一所定値（例えば、サーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘ以下で、負の最大トルク、つまり最小トルクτｍｉｎ以上である値）である場合、および、前記速度偏差ｖｅｒｒの絶対値が第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値を超える場合、スライディングモード制御部１０４を選択する。なお、以下では、モータの動作方向が正の場合について述べるが、動作方向が負となる場合も、同様の動作が行われる。
【００４８】
前記の構成によれば、制御装置１０は、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが第一所定値以下である場合、および、前記速度偏差ｖｅｒｒが第二所定値以下である場合のいずれか一方において、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記第一所定値を超える場合、または、前記速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値を超える場合、スライディングモード制御部１０４を選択する。したがって、制御装置１０は、前記第一所定値および前記第二所定値を用いて前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行することにより、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザがサーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘを意識せずとも、サーボモータ２０に所望の動作を実行させることができるという効果を奏する。
【００４９】
なお、先行技術として挙げた前述の特開２０１１−１７６９０６号公報に記載のスライディングモード制御を行う制御装置は、モータの回転子の回転速度がオリエンテーション速度になると、回転子を目標位置に停止させるスライディングモード制御を行うものである。これに対し、制御装置１０は、サーボモータ２０の位置、速度について、前記ＰＩＤ制御により制御するか前記スライディングモード制御により制御するかを、前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒの少なくともいずれか一方に基づいて選択する。また、前述の特開２０１１−１７６９０６号公報に記載のスライディングモード制御を行う制御装置は、制御対象物を位置決めする位置制御モードの期間中の全てでスライディングモード制御を行う。一方、制御装置１０は、位置制御モードの期間中で、所定の条件に従ってスライディングモード制御からＰＩＤ制御へと切り替えて、ＰＩＤ制御の状態で位置決めを行う。
【００５０】
また、前記第一所定値が、サーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘ（または、負の最大トルク、つまり最小トルクτｍｉｎ）であることは必須ではない。前記第一所定値は、サーボモータ２０の出力可能な所定のトルクであればよく、その他の制限は特にない。以上に概要を説明した制御装置１０について、次に、図１を用いて、その詳細を説明していく。
【００５１】
（本発明の一態様に係る制御装置の詳細）
図１は、制御装置１０の要部構成を示すブロック図である。制御装置１０は、サーボモータ２０を制御する制御装置であり、位置制御部１０１、速度指令生成部１０２、速度制御部１０３、スライディングモード制御部１０４、切替部１０５、トルクリミッタ１０６、および速度検出部１０７を備えている。
【００５２】
速度指令生成部１０２は、外部から（例えば、ユーザから）与えられる位置指令値θＲを受け付け、当該位置指令値θＲから速度指令値ｖＲを生成する。速度指令生成部１０２は、生成した前記速度指令値ｖＲを、速度制御部１０３およびスライディングモード制御部１０４へと出力する。
【００５３】
速度検出部１０７は、エンコーダ３０によって検出されたサーボモータ２０の位置（フィードバック位置θｆｂ）からサーボモータ２０の速度（フィードバック速度ｖｆｂ）を算出する。速度検出部１０７は、算出したフィードバック速度ｖｆｂを速度制御部１０３およびスライディングモード制御部１０４へと出力する。
【００５４】
位置制御部１０１および速度制御部１０３は、サーボモータ２０にＰＩＤ制御を行う。すなわち、位置制御部１０１は、前記位置指令値θＲと、エンコーダ３０によって検出されたサーボモータ２０の位置（フィードバック位置θｆｂ）と、を受け付け、フィードバック位置θｆｂが前記位置指令値θＲに追従するように制御する（ＰＩＤ制御）。位置制御部１０１は、前記位置指令値θＲと前記フィードバック位置θｆｂとの偏差である位置偏差θｅｒｒを受け付け、当該位置偏差θｅｒｒに基づいてサーボモータ２０の速度を制御する信号（速度制御信号）を生成してもよい。
【００５５】
速度制御部１０３は、位置制御部１０１が前記位置偏差θｅｒｒに基づいて生成した前記速度制御信号と、速度指令生成部１０２により生成された速度指令値ｖＲと、速度検出部１０７により算出されたフィードバック速度ｖｆｂとを受け付ける。速度制御部１０３は、前記速度制御信号および速度指令値ｖＲと、フィードバック速度ｖｆｂとの偏差である速度偏差ｖｅｒｒに基づいてサーボモータ２０のトルクを制御する信号を生成する。すなわち、速度制御部１０３は、前記フィードバック速度ｖｆｂが、前記速度制御信号および速度指令値ｖＲに追従するように、サーボモータ２０のトルクを制御する信号を生成する（ＰＩＤ制御）。
【００５６】
スライディングモード制御部１０４は、前記位置指令値θＲと、エンコーダ３０によって検出された前記フィードバック位置θｆｂと、を受け付け、特に、前記位置指令値θＲと前記フィードバック位置θｆｂとの偏差である位置偏差θｅｒｒを受け付ける。また、スライディングモード制御部１０４は、位置制御部１０１が前記位置偏差θｅｒｒに基づいて生成した前記速度制御信号と、速度指令生成部１０２により生成された速度指令値ｖＲと、速度検出部１０７により算出されたフィードバック速度ｖｆｂとを受け付け、特に、前記速度制御信号および速度指令値ｖＲと、フィードバック速度ｖｆｂとの偏差である速度偏差ｖｅｒｒを受け付ける。そして、スライディングモード制御部１０４は、前記位置偏差θｅｒｒと、前記速度偏差ｖｅｒｒとが、切替線ＳＬ（切替面）上に収束するように、サーボモータ２０のトルクを制御する信号を生成する。ここで、前記切替線ＳＬは、サーボモータ２０が出力可能な所定のトルク（例えば、サーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘ）と、サーボモータ２０により駆動される負荷機械４０の運動特性とにより決定される。前記切替線ＳＬについての詳細は、後に図４等を用いて説明する。
【００５７】
切替部１０５は、サーボモータ２０を、スライディングモード制御部１０４により制御するか、ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）により制御するかを、前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒの少なくともいずれか一方に基づいて選択する。なお、ＰＩＤ制御部は、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御のいずれかを行うものである。切替部１０５による切替手法について詳細は、後に図８から図２２を用いて説明する。
【００５８】
トルクリミッタ１０６は、ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）またはスライディングモード制御部１０４により生成された信号（サーボモータ２０のトルクを制御する信号）に基づいて、サーボモータ２０のトルクを制御する。
【００５９】
以上に構成の詳細を説明した制御装置１０について、制御装置１０が実行するサーボモータ２０の制御方法は以下のように整理することができる。すなわち、制御装置１０が実行する制御方法は、実際のサーボモータである実サーボモータ２０Ｒ、または、実サーボモータ２０Ｒについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ２０Ｍを制御する制御方法である。制御装置１０が実行する制御方法は、外部から入力された位置指令値θＲおよび速度指令値ｖＲと、サーボモータ２０の位置および速度との偏差をそれぞれ示す位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒが、サーボモータ２０の出力可能な所定のトルク（例えば、サーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘ（τｍｉｎ））と、サーボモータ２０により駆動される負荷機械４０の運動特性とにより決定される切替線ＳＬ上に収束するように、サーボモータ２０に出力するトルクを決定するスライディングモード制御を行うスライディングモード制御ステップと、サーボモータ２０の位置、速度が、前記位置指令値θＲおよび速度指令値ｖＲに追従するようＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御ステップと、サーボモータ２０のトルクについて、前記スライディングモード制御ステップにて制御するか、前記ＰＩＤ制御ステップにて制御するかを、サーボモータ２０の前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒによって選択する選択ステップと、を含む。
【００６０】
なお、ＰＩＤ制御ステップは、前記ＰＩＤ制御部によって実行される処理であり、つまり、位置制御部１０１および速度制御部１０３によって実行される処理である。また、スライディングモード制御ステップは、スライディングモード制御部１０４によって実行される処理である。
【００６１】
前記の構成によれば、前記制御方法は、前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行する。ここで、前記スライディングモード制御によりユーザは、サーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘを意識せずとも、サーボモータ２０または前記規範モデルの位置に係る指令（位置指令値θＲ）のみを与えることによって、サーボモータ２０に所望の動作を実行させることができる。また、前記ＰＩＤ制御は、ユーザがその伝達特性を把握しやすい。したがって、前記制御方法は、前記スライディングモード制御と前記ＰＩＤ制御とを選択的に実行することにより、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザがサーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘを意識せずとも、サーボモータ２０に所望の動作を実行させることができるという効果を奏する。
【００６２】
また、前記の構成によれば、前記制御方法は、前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒの少なくともいずれか一方に基づいて、前記スライディングモード制御により制御するか、前記ＰＩＤ制御により制御するかを選択する。よって、前記制御方法は、制御量の大きさに応じてより適切な制御（前記スライディングモード制御または前記ＰＩＤ制御）を選択することが可能となるという効果を奏する。
【００６３】
（本発明の一態様に係る制御装置による制御の効果）
次に、これまでに構成の詳細を説明してきた制御装置１０について、実際に制御装置１０がサーボモータ２０を制御した場合の制御結果を、ＰＩＤ制御のみによってサーボモータ２０を制御した場合、およびスライディングモード制御のみによってサーボモータ２０を制御した場合と比較して説明していく。
【００６４】
図２は、操作量不飽和時の、制御された速度（サーボモータ２０のモデル速度）の軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合（ＰＩＤ制御器）と、スライディングモード制御のみによる場合（スライディングモード制御器）と、制御装置１０の実行する制御による場合（提案方式）とを対比して示すグラフである。
【００６５】
図３は、操作量飽和時の、制御された速度の軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合（ＰＩＤ制御器）と、スライディングモード制御のみによる場合（スライディングモード制御器）と、制御装置１０の実行する制御による場合（提案方式）とを対比して示すグラフである。
【００６６】
すなわち、図２および図３は、各々、操作量が、つまり、制御器（ＰＩＤ制御器、スライディングモード制御器、および制御装置１０）の出力トルク（各制御器によって制御されたサーボモータ２０のモデルトルク）が、飽和しなかった場合と、飽和した場合とにおける、各制御器によるモデル速度の制御結果（軌跡）を示している。
【００６７】
図２に示した通り、操作量が飽和していない時は、制御装置１０の実行する制御（提案方式）が示すモデル速度の制御結果（軌跡）は、ＰＩＤ制御のみによるモデル速度の制御結果と同一の軌道をたどる。
【００６８】
また、図３において、操作量が飽和した時、ＰＩＤ制御のみによる制御はオーバーシュートを発生させてしまうことが示されている。しかしながら、制御装置１０の実行する制御（提案方式）は、操作量が飽和した時にも、オーバーシュートすることなく位置決めを実行することができている。
【００６９】
なお、図２および図３は、モデル追従制御におけるモデル速度についての軌跡（制御結果）を示したものだが、モデルを用いない制御の場合でも、制御結果は同様である。
【００７０】
（スライディングモード制御について）
図４は、制御装置１０のスライディングモード制御部１０４が実行するスライディングモード制御を説明する図である。図４に示すように、スライディングモード制御部１０４は、速度偏差ｖｅｒｒと位置偏差θｅｒｒを入力とし、入力された速度偏差ｖｅｒｒおよび位置偏差θｅｒｒにより決まる点が、図４に示した切替線ＳＬ（切替面）のどちら側にいるかで、サーボモータ２０のトルクを決定する。
【００７１】
切替線ＳＬは、サーボモータ２０が出力可能な正の所定のトルク、または負の所定のトルク（例えば、サーボモータ２０が出力可能な正の最大トルクτｍａｘ、または負の最大トルク、つまり最小トルクτｍｉｎ）を出力した時に、原点（すなわち位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒがともに「０」になる位置）へ至る軌道として設計されている。
【００７２】
図４に示すように、横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰを考え、位相平面ＰＰ上に、速度偏差ｖｅｒｒと位置偏差θｅｒｒとの式で表される切替線ＳＬ（切替面）を描く。与えられた入力（スライディングモード制御部１０４が受け付けた速度偏差ｖｅｒｒおよび位置偏差θｅｒｒ）を位相平面ＰＰにプロットした時、当該入力を示す点が、切替線ＳＬの紙面右上側にいる場合、スライディングモード制御部１０４は、サーボモータ２０が出力可能な正の所定のトルク（例えば、サーボモータ２０が出力可能な最大トルクτｍａｘ）を出力する。前記入力を示す点が、位相平面ＰＰにおいて切替線ＳＬの紙面左下側にいる場合、スライディングモード制御部１０４は、サーボモータ２０が出力可能な負の所定のトルク（例えば、サーボモータ２０が出力可能な最小トルク、すなわち負の最大トルクτｍｉｎ）を出力する。また、切替線上にいる場合、第２象限では負の最大トルクを、第４象限では正の最大トルクを出力する。これにより、位置偏差、速度偏差の双方が原点に向かって収束する。
【００７３】
（本発明の一態様に係る制御装置による制御の効果）
前述の通り、制御装置１０は、実際のサーボモータである実サーボモータ２０Ｒを制御する制御装置として利用可能であるだけでなく、実サーボモータ２０Ｒについてモデル追従制御を行うための規範モデルとしてのモデルサーボモータ２０Ｍを制御する制御装置としても利用可能である。制御装置１０を、モデルサーボモータ２０Ｍを制御する制御装置として、つまり、フィードフォワード制御装置として利用する例について、図５を用いて説明する。
【００７４】
図５は、制御装置１０をフィードフォワード制御部６０として含む、モデル追従制御を行うサーボモータの制御装置８０の要部構成を示すブロック図である。図５に示すように、制御装置１０において、スライディングモード制御部１０４と、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）とは、実サーボモータ２０Ｒの規範モデルとしてのモデルサーボモータ２０Ｍを制御するものであるとともに、切替部１０５により選択されたスライディングモード制御部１０４または前記ＰＩＤ制御部により制御されるモデルサーボモータ２０Ｍの位置、速度に追従するよう、実サーボモータ２０Ｒの位置、速度についてＰＩＤ制御を行うフィードバック制御部７０をさらに含む。
【００７５】
前記の構成によれば、制御装置１０は、ユーザがその伝達特性を把握しやすく、かつ、ユーザがサーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘを意識せずとも、サーボモータ２０に所望の動作を実行させることができる前記規範モデルを用いて、サーボモータ２０についてＰＩＤ制御を行うことができるという効果を奏する。
【００７６】
図５に示すように、制御装置１０を、実サーボモータ２０Ｒについてモデル追従制御を行う制御装置８０のフィードフォワード制御部６０に利用する場合、制御装置１０は、実サーボモータ２０Ｒのモデル（規範モデル）であるモデルサーボモータ２０Ｍを制御する。具体的には、制御装置１０を含むフィードフォワード制御部６０が、実サーボモータ２０Ｒの位置、速度、トルクの目標値である、モデルサーボモータ２０Ｍのモデル位置、モデル速度、モデルトルクを制御する。
【００７７】
制御装置１０の速度指令生成部１０２は、外部から（例えば、ユーザから）与えられる位置指令値θＲを受け付け、当該位置指令値θＲからモデル速度指令値を生成する。速度指令生成部１０２は、生成した前記モデル速度指令値を、速度制御部１０３およびスライディングモード制御部１０４へと出力する。
【００７８】
速度検出部１０７は、制御対象モデル検出部５０から、制御対象モデル検出部５０によって検出されたモデルサーボモータ２０Ｍの速度（モデル速度）を取得する。速度検出部１０７は、制御対象モデル検出部５０から取得した前記モデル速度を、速度制御部１０３およびスライディングモード制御部１０４へと出力する。
【００７９】
位置制御部１０１および速度制御部１０３は、モデルサーボモータ２０ＭにＰＩＤ制御を行う。すなわち、位置制御部１０１は、前記位置指令値θＲと、制御対象モデル検出部５０によって検出されたモデルサーボモータ２０Ｍの位置（モデル位置）と、を受け付け、モデル位置が前記位置指令値θＲに追従するように制御する（ＰＩＤ制御）。位置制御部１０１は、前記位置指令値θＲと前記モデル位置との偏差であるモデル位置偏差を受け付け、当該モデル位置偏差に基づいてサーボモータ２０の速度を制御する信号（速度制御信号）を生成してもよい。
【００８０】
速度制御部１０３は、位置制御部１０１が前記モデル位置偏差に基づいて生成した前記速度制御信号と、速度指令生成部１０２により生成されたモデル速度指令値と、速度検出部１０７からのモデル速度とを受け付ける。速度制御部１０３は、前記速度制御信号およびモデル速度指令値と、モデル速度との偏差であるモデル速度偏差に基づいてモデルサーボモータ２０Ｍのモデルトルクを制御する信号を生成する。すなわち、速度制御部１０３は、前記モデル速度が、前記速度制御信号およびモデル速度指令値に追従するように、モデルサーボモータ２０Ｍのモデルトルクを制御する信号を生成する（ＰＩＤ制御）。
【００８１】
スライディングモード制御部１０４は、前記位置指令値θＲと、制御対象モデル検出部５０によって検出された前記モデル位置と、を受け付け、特に、前記位置指令値θＲと前記モデル位置との偏差であるモデル位置偏差を受け付ける。また、スライディングモード制御部１０４は、位置制御部１０１が前記モデル位置偏差に基づいて生成した前記速度制御信号と、速度指令生成部１０２により生成されたモデル速度指令値と、速度検出部１０７からのモデル速度とを受け付け、特に、前記速度制御信号および前記モデル速度指令値と、モデル速度との偏差であるモデル速度偏差を受け付ける。そして、スライディングモード制御部１０４は、前記モデル位置偏差と、前記モデル速度偏差とが、切替線ＳＬ（切替面）上に収束するように、モデルサーボモータ２０Ｍのモデルトルクを制御する信号を生成する。ここで、前記切替線ＳＬは、実サーボモータ２０Ｒが出力可能な所定のトルク（例えば、実サーボモータ２０Ｒの出力可能な最大トルクτｍａｘ）と、実サーボモータ２０Ｒにより駆動される実負荷機械４０Ｒの運動特性とにより決定される。前記切替線ＳＬについての詳細は、後に図４等を用いて説明する。
【００８２】
切替部１０５は、モデルサーボモータ２０Ｍを、スライディングモード制御部１０４により制御するか、ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）により制御するかを、前記モデル位置偏差および前記モデル速度偏差の少なくともいずれか一方に基づいて選択する。切替部１０５による切替手法について詳細は、後に図８から図２２を用いて説明する。
【００８３】
トルクリミッタ１０６は、ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）またはスライディングモード制御部１０４により生成された信号（モデルサーボモータ２０Ｍのモデルトルクを制御する信号）に基づいて、モデルサーボモータ２０Ｍのトルクを制御する。
【００８４】
制御対象モデル検出部５０は、トルクリミッタ１０６から出力されたモデルトルクに基づいてモデルサーボモータ２０Ｍのモデル位置およびモデル速度を算出する。制御対象モデル検出部５０は、算出した前記モデル位置および前記モデル速度を、位置制御部１０１、速度指令生成部１０２、速度制御部１０３、速度検出部１０７、および、フィードバック制御部７０に通知する。
【００８５】
フィードバック制御部７０は、フィードフォワード制御部６０（制御装置１０）により制御されたモデルサーボモータ２０Ｍに追従するよう、実サーボモータ２０ＲについてＰＩＤ制御を行う。すなわち、フィードバック制御部７０は、制御装置１０を含むフィードフォワード制御部６０により制御されたモデルサーボモータ２０Ｍのモデル位置、モデル速度、および、モデルトルクに追従するよう、実サーボモータ２０Ｒの位置、速度、およびトルクについてＰＩＤ制御を行う。フィードバック制御部７０は、位置制御部７１、速度制御部７２、実トルクリミッタ７３、速度検出部７４を備えている。
【００８６】
位置制御部７１は、エンコーダ３０により検出された実サーボモータ２０Ｒの位置と、制御対象モデル検出部５０により生成されたモデルサーボモータ２０Ｍのモデル位置とを受け付ける。位置制御部７１は、実サーボモータ２０Ｒの位置が前記モデル位置に追従するように制御する速度制御指令を生成し、生成した速度制御指令を速度制御部７２へと出力する。
【００８７】
速度検出部７４は、エンコーダ３０により検出された実サーボモータ２０Ｒの位置から実サーボモータ２０Ｒの速度を算出し、算出した実サーボモータ２０Ｒの速度を速度制御部７２へと出力する。
【００８８】
速度制御部７２は、位置制御部７１により生成された速度制御指令、制御対象モデル検出部５０により生成されたモデルサーボモータ２０Ｍのモデル速度、および、速度検出部７４により算出された速度（実サーボモータ２０Ｒの速度）を受け付ける。そして、速度検出部７４により算出された実サーボモータ２０Ｒの速度が、前期速度制御指令および前期モデル速度に追従するように制御するトルク制御指令を生成し、生成したトルク制御指令を実トルクリミッタ７３へと出力する。
【００８９】
実トルクリミッタ７３は、速度制御部７２により生成されたトルク制御指令と、制御対象モデル検出部５０により生成されたモデルサーボモータ２０Ｍのモデルトルクとに基づいて、実サーボモータ２０Ｒを制御する。
【００９０】
（スライディングモード制御部の受け付ける速度指令について）
制御装置１０のスライディングモード制御部１０４が受け付ける速度偏差ｖｅｒｒは、外部から（例えば、ユーザから）与えられる位置指令値θＲに基づいて速度指令生成部１０２が生成する速度指令値ｖＲと、エンコーダ３０によって検出されたサーボモータ２０の位置（フィードバック位置θｆｂ）から速度検出部１０７により算出されたフィードバック速度ｖｆｂとの偏差である。
【００９１】
以下、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲ、つまり、速度指令生成部１０２の生成する速度指令値ｖＲにより、スライディングモード制御部１０４の制御するモデルの挙動がどのように変化するかを、図６および図７を用いて説明する。具体的には、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲを、「位置指令値θＲの微分」とした場合と、「０」とした場合とについて説明する。制御装置１０において、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲを「位置指令の微分」とすることができる。すなわち、速度指令生成部１０２は、「位置指令の微分」である速度指令値ｖＲを、スライディングモード制御部１０４に出力してもよい。
【００９２】
図６は、制御装置１０において実行されるスライディングモード制御について、速度指令を位置指令の微分とした場合のモデル出力位置の軌跡を示す図であり、つまり、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲを「位置指令値θＲの微分」とした場合の、スライディングモード制御部１０４の制御するモデルの挙動を示す図である。図６に示すように、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲを「位置指令値θＲの微分」とした場合、当該位置指令値θＲに対する指令追従性が高い一方、モデル出力位置のオーバーシュートが起き得る。
【００９３】
制御装置１０において、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲを「０」とすることができる。すなわち、速度指令生成部１０２は、「０」である速度指令値ｖＲを、スライディングモード制御部１０４に出力してもよい。
【００９４】
前記の構成によれば、制御装置１０は、前記速度指令値ｖＲが０であるため、前記位置指令値θＲにおいて指令されている目標位置に到達した時点で、サーボモータ２０の速度も０とすることができるため、サーボモータ２０の位置がオーバーシュートしないという効果を奏する。
【００９５】
図７は、制御装置１０において実行されるスライディングモード制御について、速度指令を「０」とした場合のモデル出力位置の軌跡を示す図であり、つまり、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲを「０」とした場合の、スライディングモード制御部１０４の制御するモデルの挙動を示す図である。図７に示すように、スライディングモード制御部１０４の受け付ける速度指令値ｖＲを「０」とした場合、モデル出力位置がオーバーシュートすることがない一方、位置指令値θＲに対して遅延が生じ、指令追従性が低下する。
【００９６】
（ＰＩＤ制御とスライディングモード制御との切り換え方法）
制御装置１０は、ＰＩＤ制御とスライディングモード制御とを、状態（位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒ）によって切り換えることにより、以下の効果を奏する。すなわち、制御装置１０は、ＰＩＤ制御の「ユーザが特性を把握しやすい」という利点と、スライディングモード制御の「トルクが制限される場合でもオーバーシュートおよびハンチング等の問題が発生しない軌道を生成できる」という利点を併せ持つ。
【００９７】
ここで、制御装置１０の切替部１０５は、ＰＩＤ制御（位置制御部１０１および速度制御部１０３により制御されるサーボモータ２０のトルク）とスライディングモード制御（スライディングモード制御部１０４により制御されるサーボモータ２０のトルク）とを、以下に示す３種類の方法（提案手法１〜３）によって切り換える。なお、提案手法１〜３のいずれも、操作量の飽和が起きた場合であっても、つまり、制御装置１０の出力トルク（制御装置１０によって制御されたサーボモータ２０のモデルトルク）が飽和した場合であっても、オーバーシュートおよびハンチング等の発生を抑制することができる。
【００９８】
（提案手法１）
図８は、制御装置１０について、提案手法１に係る切替線ＳＬについて説明するための図である。図８に示す提案手法１は、切替部１０５が、「操作量飽和が起きない限りはＰＩＤ制御を維持する」という方針の下でＰＩＤ制御とスライディングモード制御とを切り替えるものである。
【００９９】
すなわち、提案手法１を採用する切替部１０５は、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するトルクがサーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘ（または、負の最大トルク、つまり最小トルクτｍｉｎ）（第一所定値）以下である場合、前記ＰＩＤ制御部によるサーボモータ２０の制御を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクがサーボモータ２０の出力可能な最大トルクτｍａｘを超える場合、スライディングモード制御部１０４によるサーボモータ２０の制御を選択する。
【０１００】
前記の構成によれば、制御装置１０は、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記最大トルクτｍａｘ以下である場合、前記ＰＩＤ制御部により、サーボモータ２０のトルクを制御することができ、かつ、前記スライディングモード制御により、サーボモータ２０について、オーバーシュートおよびハンチングの発生を抑制することができるという効果を奏する。
【０１０１】
また、提案手法１を採用する切替部１０５は、前記位置偏差θｅｒｒを縦軸、前記速度偏差ｖｅｒｒを横軸にとる位相平面ＰＰ（図８に例示する位相平面ＰＰ）において、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するトルクが前記最大トルクτｍａｘである場合に当該位相平面ＰＰに描かれる直線に前記切替線ＳＬが接するように前記切替線ＳＬを平行移動させ、当該平行移動させた切替線ＳＬに前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒが収束するようスライディングモード制御部１０４にスライディングモード制御を実行させる。
【０１０２】
前記の構成によれば、制御装置１０は、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが前記最大トルクτｍａｘ以下である場合、前記ＰＩＤ制御部により、サーボモータ２０のトルクを制御することができ、かつ、平行移動させた切替線ＳＬに前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒが収束するようスライディングモード制御部１０４にスライディングモード制御を実行させることができるという効果を奏する。
【０１０３】
図８の位相平面ＰＰ（横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰ）において、提案方式切替線ＳＬは、本来のスライディングモードの切替線ＳＬ（切替面）を位置偏差θｅｒｒ方向に平行移動し、ＰＩＤ制御を実行する領域のτｍａｘのラインに接するように配置した切替線ＳＬである。ここで、本来のスライディングモードの切替線ＳＬとは、サーボモータ２０が出力可能な正の所定のトルク、または負の所定のトルク（例えば、サーボモータ２０が出力可能な正の最大トルクτｍａｘ、または負の最大トルク、つまり最小トルクτｍｉｎ）を出力した時に、原点（すなわち位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒがともに「０」になる位置）へ至る軌道として設計された切替線ＳＬである。
【０１０４】
図８には、本来のスライディングモードの切替線ＳＬ（切替面）を位置偏差θｅｒｒ方向に平行移動した切替線ＳＬ（提案方式切替線ＳＬ）と、ＰＩＤ制御を実行する領域のτｍａｘのライン（すなわち、（ＰＩＤ、τｍａｘ）の点線）とが、「速度偏差ｖｅｒｒ＝−３００」において接している。図８において、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するトルクがサーボモータ２０の出力可能な最大トルクを超える場合とは、速度偏差ｖｅｒｒが「速度偏差ｖｅｒｒ＝−３００」未満であって、かつ、位置偏差θｅｒｒが（ＰＩＤ、τｍａｘ）の点線よりも大きい場合である。すなわち、図８において、スライディングモード制御領域として斜線で示した領域において、切替部１０５は、スライディングモード制御部１０４によるサーボモータ２０の制御を選択する。
【０１０５】
図９は、操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法１に係る切替線ＳＬを利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。図９に示すように、操作量が飽和しない場合、提案手法１を採用する制御装置１０によって制御された速度およびトルクの軌跡は、ＰＩＤ制御のみによって制御された速度およびトルクの軌跡と完全に一致している。
【０１０６】
図１０は、操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法１に係る切替線ＳＬを利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【０１０７】
図１１は、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法１に係る切替線ＳＬを利用して実行する制御による場合とを、横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰ上で対比して示すグラフである。図１１に示すように、操作量が飽和しない場合、提案手法１を採用する制御装置１０によって制御された位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒの軌跡は、ＰＩＤ制御のみによって制御された位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒの軌跡と完全に一致している。
【０１０８】
図９から図１１に示した通り、提案手法１を採用した場合、制御装置１０による制御は、操作量の飽和が起きない限りは、つまり、制御装置１０のみによって制御されたサーボモータ２０のトルクが飽和しない限りは、ＰＩＤ制御のみによってサーボモータ２０のトルクを制御する場合と同等の特性を示す。ただし、提案手法１を採用した制御装置１０は、スライディングモード制御を実行する領域からＰＩＤ制御を実行する領域へと移行するところが不連続であるため、操作量が連続にならない。また、提案手法１を採用した制御装置１０は、操作量が飽和した場合の軌道が、後述する提案手法２および提案手法３に比べて遅い。
【０１０９】
（提案手法２）
図１２は、制御装置１０について、提案手法２に係る切替線ＳＬについて説明するための図である。図１２に示す提案手法２は、切替部１０５が、「滑らかにＰＩＤ領域とスライディングモード領域とを切り換える」という方針の下でＰＩＤ制御とスライディングモード制御とを切り替えるものである。
【０１１０】
すなわち、提案手法２を採用する切替部１０５は、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御する速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値を超える場合、前記位置偏差θｅｒｒを縦軸、前記速度偏差ｖｅｒｒを横軸にとる位相平面ＰＰにおいて、前記切替線ＳＬが、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクが０である時に当該位相平面ＰＰに描かれる直線に、前記速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値であるところで接するように前記切替線ＳＬを平行移動させ、当該平行移動させた切替線ＳＬに前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒが収束するようスライディングモード制御部１０４にスライディングモード制御を実行させる。
【０１１１】
前記の構成によれば、制御装置１０は、サーボモータ２０のトルクを、スライディングモード制御部１０４による制御から前記ＰＩＤ制御部による制御へと滑らかに変更することができるため、サーボモータ２０のトルクの変化も滑らかにすることができ、かつ、前記スライディングモード制御により、サーボモータ２０または前記規範モデルについて、オーバーシュートおよびハンチングの発生を抑制することができるという効果を奏する。
【０１１２】
提案手法２を採用する制御装置１０は、前記位相平面ＰＰにおいて、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するトルクがサーボモータ２０の出力する最小トルクである時に当該位相平面ＰＰに描かれる直線である最小トルク直線、および、前記ＰＩＤ制御部の制御するトルクがサーボモータ２０の出力する最大トルクである時に当該位相平面ＰＰに描かれる直線である最大トルク直線の各々に、前記速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値であるところで、前記切替線ＳＬが接するように、前記切替線ＳＬを平行移動させた、最小平行移動切替線ＳＬおよび最大平行移動切替線ＳＬによって挟まれた領域を緩衝領域とする。
【０１１３】
前記の構成によれば、制御装置１０は、前記最小平行移動切替線ＳＬおよび前記最大平行移動切替線ＳＬによって挟まれた領域を緩衝領域することができるという効果を奏する。
【０１１４】
図１２の位相平面ＰＰ（横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰ）において、（スライディングモード、τ＝０）の曲線（提案手法２に係る切替線ＳＬ）は、本来のスライディングモードの切替線ＳＬ（切替面）を位置偏差θｅｒｒ方向に平行移動し、ＰＩＤ制御を実行する領域のτ＝０のライン（すなわち、（ＰＩＤ、τ＝０）の直線）に接続するように配置した切替線ＳＬである。ここで、本来のスライディングモードの切替線ＳＬとは、サーボモータ２０が出力可能な正の所定のトルク、または負の所定のトルク（例えば、サーボモータ２０が出力可能な正の最大トルクτｍａｘ、または負の最大トルク、つまり最小トルクτｍｉｎ）を出力した時に、原点（すなわち位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒがともに「０」になる位置）へ至る軌道として設計された切替線ＳＬである。
【０１１５】
図１２において、前記平行移動後の切替線ＳＬ（つまり、（スライディングモード、τ＝０）の曲線）は、ＰＩＤ制御を実行する領域のτ＝０のライン（すなわち、（ＰＩＤ、τ＝０）の直線）に、「速度偏差ｖｅｒｒ＝−３００（第二所定値）」である点において接している。したがって、図１２において提案手法２を採用する切替部１０５は、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値（−３００）以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値（−３００）を超える場合、前記平行移動後の切替線ＳＬ（つまり、（スライディングモード、τ＝０）の曲線）に前記位置偏差θｅｒｒおよび前記速度偏差ｖｅｒｒが収束するようスライディングモード制御部１０４にスライディングモード制御を実行させる。
【０１１６】
図１２の位相平面ＰＰにおいて、（スライディングモード、τ＝τｍａｘ）の曲線（最大平行移動切替線ＳＬ）は、前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬを位置偏差θｅｒｒ方向に平行移動し、ＰＩＤ制御を実行する領域のτ＝ｍａｘのライン（すなわち、（ＰＩＤ、τ＝τｍａｘ）の直線）に接続するように配置した切替線ＳＬである。そして、（スライディングモード、τ＝τｍａｘ）の曲線と、ＰＩＤ制御を実行する領域のτ＝ｍａｘのライン（すなわち、（ＰＩＤ、τ＝τｍａｘ）の直線）とは、「速度偏差ｖｅｒｒ＝−３００（第二所定値）」である点において接している。
【０１１７】
また、図１２の位相平面ＰＰにおいて、（スライディングモード、τ＝τｍｉｎ）の曲線（最小平行移動切替線ＳＬ）は、前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬを位置偏差θｅｒｒ方向に平行移動し、ＰＩＤ制御を実行する領域のτ＝ｍｉｎのライン（すなわち、（ＰＩＤ、τ＝ｍｉｎ）の直線）に接続するように配置した切替線ＳＬである。そして、（スライディングモード、τ＝τｍｉｎ）の曲線と、ＰＩＤ制御を実行する領域のτ＝ｍｉｎのライン（すなわち、（ＰＩＤ、τ＝ｍｉｎ）の直線）とは、「速度偏差ｖｅｒｒ＝−３００（第二所定値）」である点において接している。
【０１１８】
図１２の位相平面ＰＰにおいて、提案手法２を採用する制御装置１０は、（スライディングモード、τ＝τｍａｘ）の曲線と、（スライディングモード、τ＝τｍｉｎ）の曲線とによって挟まれた領域を緩衝領域として利用する。緩衝領域では、τｍａｘの曲線からτｍｉｎの曲線に向かって、スライディングモード制御部１０４が出力するトルクが滑らかに変化する（徐々に小さくなる）ように設定される。
【０１１９】
図１３は、操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法２に係る切替線ＳＬを利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【０１２０】
図１４は、操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法２に係る切替線ＳＬを利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【０１２１】
図１５は、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法２に係る切替線ＳＬを利用して実行する制御による場合とを、横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰ上で対比して示すグラフである。
【０１２２】
図１３から図１５に示した通り、提案手法２を採用した場合、制御装置１０による制御は、ＰＩＤ制御を行う領域（切替部１０５が、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）による制御を選択する領域）とスライディングモード制御を行う領域（切替部１０５が、スライディングモード制御部１０４による制御を選択する領域）とが連続するためので、操作量も連続となり、なめらかな軌道となる。ただし、提案手法２を採用した制御装置１０による制御は、ＰＩＤ制御を行う領域が限られている。
【０１２３】
（提案手法３）
図１６は、制御装置１０について、提案手法３に係る切替線ＳＬについて説明するための図である。図１６に示す提案手法３は、切替部１０５が、「操作量が飽和した時の挙動が最速の軌道となるようにする」という方針の下でＰＩＤ制御とスライディングモード制御とを切り替えるものである。
【０１２４】
すなわち、提案手法３を採用する切替部１０５は、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御する速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値以下である場合、前記ＰＩＤ制御部を選択し、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値を超える場合、スライディングモード制御部１０４を選択する。
【０１２５】
前記の構成によれば、制御装置１０は、前記ＰＩＤ制御部の制御する速度偏差ｖｅｒｒが前記第二所定値を超える場合、スライディングモード制御部１０４により、サーボモータ２０のトルクを制御することができるため、サーボモータ２０の位置および速度を前記位置指令値θＲおよび前記速度指令値ｖＲに一致させるのに要する時間が短く、かつ、前記スライディングモード制御により、サーボモータ２０または前記規範モデルについて、オーバーシュートおよびハンチングの発生を抑制することができる。
【０１２６】
図１６の位相平面ＰＰ（横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰ）において、切替部１０５は、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御する速度偏差ｖｅｒｒが「速度偏差ｖｅｒｒ＝−５２０（第二所定値）」を超えると、スライディングモード制御部１０４を選択する。ここで、サーボモータ２０が出力可能な正の所定のトルク、または負の所定のトルク（例えば、サーボモータ２０が出力可能な正の最大トルクτｍａｘ、または負の最大トルク、つまり最小トルクτｍｉｎ）を出力した時に、原点（すなわち位置偏差θｅｒｒおよび速度偏差ｖｅｒｒがともに「０」になる位置）へ至る軌道として設計された切替線ＳＬ（図１６において「スライディングモード切替線」として描かれている曲線、前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬ）と、ＰＩＤ制御を実行する領域のτｍｉｎのライン（すなわち、（ＰＩＤ、τ＝ｍｉｎ）の直線）とは、「速度偏差ｖｅｒｒ＝−５２０（第二所定値）」である点において接続している。
【０１２７】
つまり、図１６の位相平面ＰＰにおいて、切替部１０５は、前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬ（切替面）をそのまま用いて、ＰＩＤ制御を行う領域（切替部１０５が、前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）による制御を選択する領域）と前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬとが交わる速度偏差ｖｅｒｒ（図１６において、「速度偏差ｖｅｒｒ＝−５２０（第二所定値）」である直線）において、ＰＩＤ制御とスライディングモード制御とを切替える。
【０１２８】
図１７は、操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法３に係る切替線ＳＬ（前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬ）を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【０１２９】
図１８は、操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法３に係る切替線ＳＬ（前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬ）を利用して実行する制御による場合とを対比して示すグラフである。
【０１３０】
図１９は、ＰＩＤ制御のみによる場合と、スライディングモード制御のみによる場合と、制御装置１０が提案手法３に係る切替線ＳＬ（前記本来のスライディングモードの切替線ＳＬ）を利用して実行する制御による場合とを、横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰ上で対比して示すグラフである。
【０１３１】
図１７から図１９に示した通り、提案手法３を採用した場合、制御装置１０による制御は、操作量が飽和した時の軌道が、スライディングモード制御のみによって制御した場合の軌道と一致し、つまり軌道が最速（最短）である。ただし、提案手法３を採用した制御装置１０による制御は、ＰＩＤ制御によって制御を行う領域が限られている。また、提案手法３を採用した制御装置１０による制御は、スライディングモード制御を行う領域からＰＩＤ制御を行う領域に移行するところが不連続なので、操作量が連続にならない。
【０１３２】
（提案手法１〜３の比較）
図２０は、操作量不飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、制御装置１０が実行する制御の利用する切替線ＳＬが、提案手法１、提案手法２、提案手法３に係る切替線ＳＬである場合の各々を対比して示すグラフである。
【０１３３】
図２１は、操作量飽和時の、制御された速度およびトルクの軌跡を示す図であって、制御装置１０が実行する制御の利用する切替線ＳＬが、提案手法１、提案手法２、提案手法３に係る切替線ＳＬである場合の各々を対比して示すグラフである。
【０１３４】
図２２は、制御装置１０が実行する制御の利用する切替線ＳＬが、提案手法１、提案手法２、提案手法３に係る切替線ＳＬである場合の各々を、横軸に速度偏差ｖｅｒｒ、縦軸に位置偏差θｅｒｒをとる位相平面ＰＰ上で対比して示すグラフである。
【０１３５】
図２０から図２２に示した通り、提案手法１〜３のいずれも、操作量の飽和が起きた場合であっても、つまり、制御装置１０の出力トルク（制御装置１０によって制御されたサーボモータ２０のモデルトルク）が飽和した場合であっても、オーバーシュートおよびハンチング等の発生を抑制することができる。
【０１３６】
（モデル出力速度に応じた、モデル出力トルクの制限について）
サーボモータ２０の（つまり、実サーボモータ２０Ｒの）最大出力速度は決まっているため、スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するサーボモータ２０の速度が、当該最大出力速度よりも大きくなることは望ましくない。すなわち、制御装置１０において、スライディングモード制御部１０４または前記ＰＩＤ制御部により制御されるサーボモータ２０の速度は、サーボモータ２０（つまり、実サーボモータ２０Ｒの）の最大出力速度未満である。
【０１３７】
前記の構成によれば、制御装置１０において、スライディングモード制御部１０４または前記ＰＩＤ制御（位置制御部１０１および速度制御部１０３）部により制御されるサーボモータ２０の速度は、サーボモータ２０の最大出力速度未満である。
【０１３８】
ここで、サーボモータ２０の最大出力速度よりも大きな速度を、スライディングモード制御部１０４または前記ＰＩＤ制御部により制御されるサーボモータ２０の速度として設定してしまうと、サーボモータ２０は追従することができない。
【０１３９】
制御装置１０において、スライディングモード制御部１０４または前記ＰＩＤ制御部により制御されるサーボモータ２０の速度は、サーボモータ２０の最大出力速度未満であるため、制御装置１０は、サーボモータ２０が追従可能な、前記制御された速度を用いて、サーボモータ２０を制御することができるという効果を奏する。
【０１４０】
具体的には、スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）は、ｖａを「速度制限を始めるしきい値」、ｖｂを「速度制限値」（例えば、サーボモータ２０の（つまり、実サーボモータ２０Ｒの）最大出力速度）として、下記のモデル出力トルク算出方法に示すように、スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するサーボモータ２０の速度に応じて、出力を、つまり、スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するサーボモータ２０のトルクを、制限する。なお、下記のモデル出力トルク算出方法において、「モデル出力速度ｖｍｏｄｅｌ」は、「スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するサーボモータ２０の速度」を示している。また、「モデル出力トルクτｍｏｄｅｌ」は、「スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するサーボモータ２０のトルク」を示している。
【０１４１】
【数１】
0006436067.tif 000002
【０１４２】
図２３は、ｖａを「速度制限を始めるしきい値」、ｖｂを「速度制限値」として、モデル出力速度ｖｍｏｄｅｌに応じて、モデル出力トルクτｍｏｄｅｌを制限することを示す図である。図２３に示すように、スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）の制御するサーボモータ２０の速度（モデル出力速度ｖｍｏｄｅｌ）が、サーボモータ２０の最大出力速度を示す速度制限値ｖｂよりも大きくならないよう、スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）は、以下の制御を実行する。すなわち、スライディングモード制御部１０４、または前記ＰＩＤ制御部（すなわち、位置制御部１０１および速度制御部１０３）は、モデル出力速度ｖｍｏｄｅｌが「速度制限を始めるしきい値ｖａ」に達すると、出力（モデル出力トルクτｍｏｄｅｌ）を制限して、モデル出力速度ｖｍｏｄｅｌを速度制限値ｖｂ以下にする。なお、モデル出力速度ｖｍｏｄｅｌに応じて、切替部１０５またはトルクリミッタ１０６が、モデル出力トルクτｍｏｄｅｌを制限するとしてもよい。
【０１４３】
〔ソフトウェアによる実現例〕
制御装置１０の制御ブロック（特に、位置制御部１０１、速度指令生成部１０２、速度制御部１０３、スライディングモード制御部１０４、切替部１０５、トルクリミッタ１０６、および速度検出部１０７）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１４４】
後者の場合、制御装置１０は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
【０１４５】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１４６】
１０  制御装置
２０  サーボモータ
２０Ｍ  モデルサーボモータ（規範モデルとしてのサーボモータ）
２０Ｒ  実サーボモータ（サーボモータ）
３０  エンコーダ
４０  負荷機械
７０  フィードバック制御部
１０１  位置制御部（ＰＩＤ制御部）
１０３  速度制御部（ＰＩＤ制御部）
１０４  スライディングモード制御部
１０５  切替部（選択部）
ＰＰ  位相平面
ＳＬ  切替線
ｖｂ  速度制限値（サーボモータの最大出力速度）
ｖｅｒｒ  速度偏差
ｖＲ  速度指令値
θｅｒｒ  位置偏差
θＲ  位置指令値
τｍａｘ  最大トルク
τｍｉｎ  負の最大トルク（最小トルク）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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