(57)【要約】【課題】位置誤差の変化の率を制限する。【解決手段】この発明は、ＰＩＤ補償器の再構成された型式を記載し、その結果、位置誤差の変化の率は、位置誤差が小さい時、サーボループの性能に影響することなく本来的に制限する。ここに記載される技術は、位置誤差が零に近い時従来のＰＩＤ補償器の性能を維持し、これは主たる関心の動作点である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
比例、積分、及び微分制御（ＰＩＤ）を持ち、誤差信号を受けてコマンド信号を発生するサーボ機構であって、
誤差信号を受ける入力、出力及び第１の利得を持つ第１の利得ブロックと、
前記第１の利得ブロックの前記出力に接続された入力、出力及び第１の率限界を持つ第１の率制限器ブロックと、
誤差信号を受ける入力及び出力を持つ導関数ブロックと、
前記第１の率制限器ブロックの前記出力に接続された第１の入力及び前記導関数ブロックの前記出力に接続された第２の入力及び第１の加算出力を持つ第１の加算器ブロックと、
前記第１の利得ブロックの前記出力に接続された入力、及び出力及び前記第１の率限界より小さい第２の率限界を持つ第２の率制限器ブロックと、
前記第１の加算器ブロックに接続された入力及び出力を持つ積分器ブロックと、
前記積分器ブロックの前記出力に接続された入力、出力及び第２の利得を持つ第２の利得ブロックと、
前記導関数ブロックの前記出力に接続された入力、出力及び第３の利得を持つ第３の利得ブロックと、
前記第２の利得ブロックの前記出力に接続された第１の入力、前記第３の利得ブロックの前記出力に接続された第２の入力、前記第２の率制限器ブロックの前記出力に接続された第３の入力を持つ第２の加算器ブロックと、を包含し、前記第２の加算出力は前記コマンド信号であるサーボ機構。
【請求項２】
誤差信号を受けてコマンド信号を発生するサーボ制御の方法であって、
誤差信号を第１の利得により増幅し、
増幅された誤差信号を第１の率限界により制限し、
誤差信号の導関数を形成し、
第１の率制限され増幅された誤差信号と誤差信号の導関数とを加算し、これにより第１の加算信号を形成し、
増幅された誤差信号を、第１の率限界より小さい第２の率限界ブロックにより制限し、
第１の加算信号を積分し、
誤差信号の導関数を第２の利得により増幅し、
積分された第１の加算信号を第３の利得により増幅し、
増幅された第１の加算信号、増幅された導関数信号及び第２の率制限された誤差信号を加算し、これにより前記コマンド信号である第２の加算信号を形成する、それぞれのステップを包含するサーボ制御の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボ機構及びサーボ制御の方法に関し、特にこの発明の技術分野は比例、積分、及び微分補償を採用するフィードバック制御システムである。
【背景技術】
【０００２】
フィードバック制御システムは、サーボ機構又はサーボ装置としても知られ、広範な技術と技法を使用して開発された。これらのシステムは広い応用範囲を持つ。多くの特別の型式のサーボは高性能機器において使用される。比例、積分、及び微分（ＰＩＤ）補償を達成するため動作する特別の型式のサーボはしばしば誤差信号を処理しコマンドを発生するため使用される。このループの目標は、誤差信号を最終的に零に駆動するため正しいコマンドを発生することである。ＰＩＤ補償器により発生されるコマンドは３つの成分から成る。
１．誤差に比例する成分（比例Ｐ）。
２．誤差の累積和に比例する成分（積分Ｉ）。
３．誤差の変化率に比例する成分（微分Ｄ）。
【０００３】
誤差が位置誤差である場合を考える。ＰＩＤ補償器のタスクは、サーボ機構をコマンドされた位置へ駆動し、従って位置誤差を零に減少させることである。正しいＰＩＤ補償器の設計はこの分野の実務者に周知であり、またこの様な設計方法の詳細はこの発明の主たる対象ではない。従来の設計技術は、設計が適切な安定性マージンを持てば安定であることを保証する。ディジタルサーボは益々一般的になっているが、それはこれらが近年の開発により極めて効果的であるからである。
【０００４】
設計が実行される時、機械的、電気的及びタイミングの限界の様な要因に考慮を払わなければならない。もし機構が余りにも迅速に運動するとこれらの限界は超過されるかも知れない。一例として、補償器がコマンドを極めて速いアクチュエータに発生する時、ループは、高い周波数妨害の存在の下で位置を保持するため大きな帯域を持たねばならない。この様な装置は、位置誤差が小さくかつ全部の技術がこれらの妨害を克服するため集中された時良く作動する。新しい位置コマンドが発せられた時、何が起こるかを考える。位置誤差が非常に大きくその結果として比例補正信号の極めて大きな成分を生じる。これはその結果として大きな補正コマンドがアクチュエータドライバに与えられ、それは補正を生じるのに役立つ。積分成分もまた変化し始めるがその効果は即時ではない。微分成分はインパルスであり、何故なら位置誤差の変化率が大きいからである。従来技術の設計においては、高性能アクチュエータは迅速に高速度に達することが出来る。
【０００５】
図１は従来技術のＰＩＤ補償器のコンポーネントを示す。制御方程式は図１において容易に認識される。入力信号は位置誤差１００である。出力信号はトルクコマンド１１０である。比例信号は位置誤差１００を加算接合１０３へ結合する。積分信号は積分ブロック１０１から生じ増幅器ブロック１０２における利得因数Ｗ１を修正する。信号演算は導関数ブロック１０５から生じ、増幅器ブロック１０６における利得定数因子１／Ｗ２を修正し、Ｗ３のカットオッフ周波数を持つ低域フィルタ１０７及びＷ４のカットオッフ周波数を持つ低域フィルタ１０８を通る。伝達関数特性はパラメタＷ１及びＷ２を通して低周波数において整形され、またパラメタＷ３及びＷ４により高周波数において整形される。
【０００６】
高性能アクチュエータの是認出来ないオーバードライブを避けるためサーボ動作において緩和若しくはモデレーティング因数を導入する必要がある。図１のＰＩＤ補償器は、簡単化のためＷ３及びＷ４を削除した伝達関数方程式［１］により数学的に記載できる。
【０００７】
【数１】
2005108228.tif 000003
【０００８】
図２は、図１のＰＩＤ補償器及び方程式１を任意の全般的利得で部分毎にグラフ的に表す。積分部分２００は低周波オフセット（ＤＣバイアス）を除去し、また導関数部分２０７は高周波妨害に対して速い応答を与える。比例部分２０５は積分と導関数領域を橋渡しする。図２はまた図１に示した典型的ＰＩＤ補償器に対する導関数ポール１／Ｗ３  ２０３及び１／Ｗ４  ２０４を示す。図２において、伝達関数対周波数の低周波ブレーク点Ｗ１  ２０１及びＷ２  ２０２はそれぞれの増幅段階１０２及び１０６の周波数応答により導入される。微分器は、Ｗ２  ２０２より上の周波数において優勢なコンポーネントであるのでポール１／Ｗ３  ２０３及び１／Ｗ４  ２０４は、ここに記載されるべき方法のバリディティに影響することなく実施において含めることができる。
【０００９】
この発明は、周知の比例、積分、微分（ＰＩＤ）サーボコンポーネントの再構成され型式を記載する。この再構成は、位置誤差が小さい時サーボループの性能に影響することなく、位置誤差の変化の率若しくはレート（ｒａｔｅ）に固有の限界を与える。この技術は、位置誤差が零に近く、主たる関心の動作点である時現在のＰＩＤサーボコンポーネントの高性能を維持する。
【００１０】
この発明は重要な原理を認識している。率（レート）制限を与えているＰＩＤサーボ補償器の代わりの型式が好ましい。この発明は、率コマンドが制限できるように位置誤差に基づいた率コマンドの計算を許している。図３は１つの可能な方策を示す。下の方程式２は対応する伝達関数である。図１の３つの前方向の経路は図３においては修正され図３の４つの経路を形成する。これは率制限ブロック３０６を含みながら同じ機能的特徴を与える。導関数ブロック３０１は導関数項を形成する。利得ブロック３０２は導関数利得を制御する。同様に、利得ブロック３０５、積分器３０８及び積分利得ブロック３０９は、積分項を実施する。比例因数は図３における２つの経路を通して実施される。これらの２つの経路が使用するのは、導関数ブロック３０１、積分器３０８、及び積分ブロック３０９を１つの経路に、また利得ブロック３０５及び３０２を他の経路においてである。これら２つの経路は、累積比例効果を等しくするため合計する。加算接合３０３はトルクコマンド３１０を形成する。
【００１１】
これらは線形ネットワークであるので、重ね合わせの原理を採用すると、全般的伝達関数は４つの前方向の経路に関して検査することにより引き出される。演算の数学記号法において、方程式２は図３のブロック図の伝達関数を数学的に表している。発明の技術の記載における単純さと簡潔さのため、微分器ポール、Ｗ３  ２０３及びＷ４  ２０４、はこの点において図３から除去されるが、これらの微分器ポールは最終の実施においては説明されねばならない。
【００１２】
【数２】
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【００１３】
図３のブロック図は、制限されることが出来る計算された率コマンド因数及び制限されワインドアップ（ｗｉｎｄｕｐ）を避けるためリセットできる積分器を含む。
【００１４】
方程式１及び方程式２におけるＰＩＤ項の係数を等式にすると３つの未知数における３つの方程式を生じ、方程式３に示される。
【００１５】
【数３】
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【００１６】
Ｗ１及びＷ２に関してＫＲ，ＫＰ，及びＫＩに対して方程式３を解くと複素数を生じることが出来る。この型式はハードウエアにおいて常に実現可能とは限らない。
【００１７】
それが実現可能なことを保証するため別の経路又は複数経路を図３のコントローラにおいて追加しなければならない。図４はサーボ補償器のこの様な実施例を示す。これは図３のサーボ補償器に類似し、計算された率のための経路に変更がありまた出力に対して限界をもつ追加の比例経路がある。図４はまた利得ブロックに些細な変更を含む。最後の加算接合の後の利得Ｋｃは、図３の元の補償器の利得と釣り合うように補償器利得を正規化する。
【００１８】
方程式４は図４の補償器のための伝達関数を示す。限界ブロックは、今は無視される。微分器ポール、Ｗ３  ２０３及びＷ４  ２０４、は図４から除去されるが、これらの微分器ポールは最終の実施においては含まれねばならない。
【００１９】
【数４】
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【００２０】
前の様に係数を等式にすると、４つの未知数をもつ３つの方程式を生じる。
【００２１】
【数５】
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【００２２】
方程式５には４つの未知数があるので、１つより多い解を持つ。ＫＩに対して解くと二次方程式が結果として得られる。
【００２３】
【数６】
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【００２４】
Ｋｃの値は、方程式６の二次方程式項が零になるように選択でき、ＫＩに対する単一の実数値が保証される。これは解における４番目の方程式となる。４つの方程式の結果は方程式７に示される。これらの係数は、方程式１の元の型式と同じ閉ループ結果を生じる。
【００２５】
【数７】
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【００２６】
今や率限界が適用できる。注目すべきは、コマンドされた率は２つの異なる限界ブロック４０６及び４１１へ行くことである。位置誤差が大きくかつ測定された率が定常状態動作（一定スルー率（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ））における所望の率に等しい時は、摩擦又は重力又はスプリングの様な如何なるトルクオフセットにも反作用する一定出力が望ましい。勿論出力は真に一定ではなく、それはスプリングトルクはアクチュエータが運動すると変化するかも知れないからであり、しかしそれはループが何故閉であるかの理由である。この一定出力は、積分器から来る筈である。率（ｒａｔｅ）＿限界（ｌｉｍｉｔ）＿２を所望の率にセットすることにより、積分器入力は零になる。従って積分器出力は瞬間的に一定である。率＿限界＿１を所望の率のＫＤ倍に等しくセットすると、他の経路はこの特別の定常状態状況において何も寄与しない。
【００２７】
この２つの限界は、サーボループの安定性と性能に何をなすか。どちらの限界にも到達しない状態は、設計により安定していた元の設計に等しい。位置誤差が、率＿限界＿２を超えるが率＿限界＿１を超えない中間範囲にある時は、限界は、ＫＲをＫＲ’に減少させたのと同じ効果をもち、その結果、［ＫＲｘ位置＿誤差］＝率＿限界である。方程式５においては、このＫＲの縮小は積分係数に影響するだけであり、そのため今やＫＣｘＫＲ’ｘＫＩ＝Ｗ１である。それ故ＫＲの縮小はＷ１を縮小する効果をもつ。これは、積分器が終了する周波数を縮小することにより積分器の効果を削減する。プロセスにおいて、それは全部の周波数の利得を元のＷ１に至るまで削減する。図５はこれをグラフ的に示す。率＿限界＿２より下で曲線５００が適用できる。率＿限界＿１より上で、しかし率＿限界＿２より下で曲線５１１が適用できる。最後に率＿限界＿１より上で、曲線５１２が適用できる。
【００２８】
利得と位相マージンが記録される交配若しくはクロスオーバー（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）周波数がＷ１より充分高いと仮定すると、Ｗ１の削減はコントローラの安定性に余り効果がない。これは事実、この発明が有益であるサーボの実にその型式であり、そこではサーボは高い帯域を持つ。
【００２９】
位置誤差が大きくかつ両方の率＿限界＿２及び率＿限界＿１を超える時は、効果は両方の経路に対してＫＲを削減したのと同様である。前の様に、ＫＲ’のような削減した積分経路の利得を参照せよ。率＿限界＿１は率＿限界＿２ｘＫＤに等しいので、その経路に対する等価なＫＲはＫＲ’ｘＫＤである。
【００３０】
方程式５から注目すべきは、導関数項は依然として限界により影響されない。両方の比例及び積分経路は影響される。積分領域が終わる所の周波数は継続して減少し、また比例領域の利得は、位置誤差が増加すると減少する。図５はこれをグラフ的に示す。領域５０６において導関数項は率限界により影響されずに残る。領域５０５において、比例項利得は、より低い隅の周波数と共に減少し、この隅の周波数もまた、率＿限界＿２及び率＿限界＿１をそれぞれ超えると同時に５０９又は５１３へ減少する。領域５００において積分項は、小さな誤差に対しては元の曲線５００上に残り、しかし位置誤差が率＿限界＿２を超える時５１１へシフトし、また位置誤差が率＿限界＿１を超える時５１２へシフトする。
【００３１】
図５は曲線５００、５１１及び５１２を別個に示し、しかるにこれらは実際に３つの異なる動作点を表す。応答の積分部分は、位置誤差が増加するにつれて曲線５００から左へ円滑に推移する。例えば、位置誤差が率＿限界＿２に等しい時は、曲線５００と５１１は同一である。
【００３２】
前の様に、これはより高い周波数には余り効果がなく、そのためそれはコントローラの安定性には余り効果がない。サーボの安定性への限界の正確な効果はもし望むならば分析できる。
【００３３】
それぞれ遮断周波数Ｗ３及びＷ４をもつ２つの導関数低域フィルタが導関数ブロック４０１に続く導関数経路内に、図１に示すのと同様な方法で備えられる。
【００３４】
ＰＩＤ補償器を構成するために多くの方法が存在し、しかしこの発明において記載したのと同じ実施はない。率制御又は位置サーボを達成するための他の一般的方法は以下に列挙される。
１．位置コマンドは、アクチュエータが移動すると率の制御が生じるように所望の位置へ勾配をなすことが出来る。位置コマンドの勾配率（ｒａｍｐ  ｒａｔｅ）は達成される率を決定するであろう。これは常に簡単であるとは行かず、それは幾つかのサーボシステムにおいて、位置コマンド明白には存在しないからである。
２．位置誤差はＰＩＤ補償器より先に制限できる。この型式の実施についての問題は、位置誤差が限界を超えているのに導関数項が補償器から効果的に除去されることであり何故なら、ＰＩＤ補償器の中に入る位置誤差はそれが限界より小さくなるまで一定で残るからである。明白な作動はない。また積分項は、それが、全体の移動の間にワインドアップ（ｗｉｎｄｕｐ）する理由で制限されねばならない。
３．別個の率ループが、運動を取り扱うために設計でき、その時はコントローラは位置誤差が零に近付くとＰＩＤ補償器にスイッチできる。これは２つの別個のループの設計を必要とし、またコマンドにおけるグリッチ（ｇｌｉｔｃｈ）を避けるため切り替えの間注意を払わねばならない。この様な率ループはまた切り替えの前にアクチュエータの速度を落とすため何らかの種類のプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）制御を必要とする。この方法は、率の極めて精密な制御が要求される時は、この開示において記載した方法よりも好ましいかも知れない。
【００３５】
発明の利点
１．伝統的ＰＩＤ補償器設計の安定性性能を維持する。
２．全体の動作の間ＰＩＤ補償器の効果を維持しながらサーボの率を制御する。
３．異なる動作モードのための多重補償器の設計を要求しない。
４．もし人が異なる動作モードを表すようなループ内の２つの限界を考えると、モード間のスイッチは自動的、本来的にグリッチ無しで、また推移を処理するための特別な考慮は要求されない。
５．この技法はディジタル及びアナログの両方の実施に適用でき、その理由はそれが複雑なモード制御を必要としないからである。
この発明は、高い帯域，速いアクチュエータ及び動作の間に要求される率限界の基準を満足する如何なるサーボにも使用可能である。
【００３６】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
（１）比例、積分、及び微分制御（ＰＩＤ）を持ち、誤差信号を受けてコマンド信号を発生するサーボ機構であって、
誤差信号を受ける入力、出力及び第１の経路を持つ第１の利得ブロックと、
前記第１の利得ブロックの前記出力に接続された入力、出力及び第１の率限界を持つ第１の率制限器ブロックと、
誤差信号を受ける入力及び出力を持つ導関数ブロックと、
前記第１の率制限器ブロックの前記出力に接続された第１の入力及び前記導関数ブロックの前記出力に接続された第２の入力及び第１の加算出力を持つ第１の加算器ブロックと、
前記第１の利得ブロックの前記出力に接続された入力、及び出力及び前記第１の率限界より小さい第２の率限界を持つ第２の率制限器ブロックと、
前記第１の加算器ブロックの前記第１の加算出力に接続された入力及び出力を持つ積分器ブロックと、
前記積分器ブロックの前記出力に接続された入力、出力及び第２の利得を持つ第２の利得ブロックと、
前記導関数ブロックの前記出力に接続された入力、出力及び第３の利得を持つ第３の利得ブロックと、
前記第２の利得ブロックの前記出力に接続された第１の入力、前記第３の利得ブロックの前記出力に接続された第２の入力、前記第２の率制限器ブロックの前記出力に接続された第３の入力、及び第２の加算出力を持ち、前記第２の加算出力は前記コマンド信号を持つ第２の加算器ブロックと、を包含するサーボ機構。
（２）（１）記載のサーボ機構であって、更に、前記第２の加算器ブロックの前記第２の加算出力に接続された入力、前記コマンド信号である出力及び第４の利得を持つ第４の利得ブロックを含む。
（３）（１）記載のサーボ機構であって、更に、前記導関数ブロックの前記出力と前記第１の加算器ブロックの前記入力及び前記第３の利得ブロックの前記入力との間に接続された少なくとも１つの低域フィルタを含む。
（４）（３）記載のサーボ機構であって、そこに、前記少なくとも１つの低域フィルタは、前記導関数ブロックの前記出力に接続された入力、出力及び第１の遮断周波数を持つ第１の低域フィルタと、前記第１の低域フィルタの前記出力に接続された入力、及び出力及び前記第１の遮断周波数より高い第２の遮断周波数を持つ第２の低域フィルタブロックと、を含む。
（５）（４）記載のサーボ機構であって、そこに、前記第１の遮断周波数及び前記第２の遮断周波数は、両方とも前記積分器ブロックの有効遮断周波数及び前記導関数ブロックの有効遮断周波数より高い。
（６）（５）記載のサーボ機構であって、そこに、前記第１の利得ＫＲ，前記第２の利得ＫＩ，前記第３の利得ＫＤ及び前記第４の利得ＫＣはセットされこれにより
【数８】
2005108228.tif 000010
そこにＷ１は前記積分器ブロックの前記有効遮断周波数、またＷ２は前記導関数ブロックの前記有効遮断周波数である。
（７）誤差信号を受け、コマンド信号を発生するサーボ制御の方法であって、誤差信号を第１の利得により増幅し、増幅された誤差信号を第１の率限界により制限し、誤差信号の導関数を形成し、第１の率制限され増幅された誤差信号と誤差信号の導関数とを加算し、これにより第１の加算信号を形成し、増幅された誤差信号をブロック第２率限界により制限し、第２率限界は第１率限界より小であり、第１の加算信号を積分ブロックし、誤差信号の導関数を第２の利得により増幅し、積分された第１の加算信号を第３の利得により増幅し、増幅された第１の加算信号、増幅された導関数信号及び第２の率制限された誤差信号を加算し、これにより前記コマンド信号である第２の加算信号を形成する。
（８）（７）記載の方法であって、更に、第２の加算信号を第４の利得により増幅することを含む。
（９）（７）記載の方法であって、更に、導関数信号を低域フィルタすることを含む。
（１０）（９）記載の方法であって、そこに、前記導関数信号を低域フィルタするステップは、第１の遮断周波数を持つ第１低域フィルタし、そして前記第１の遮断周波数より高い第２の遮断周波数を持つ第２低域フィルタすることを含む。
（１１）（１０）記載の方法であって、そこに、前記第１の遮断周波数及び前記第２の遮断周波数の両方は前記積分器ブロックの有効遮断周波数及び前記導関数ブロックの有効遮断周波数より高い。
（１２）（１１）記載の方法であって、そこに、前記第１の利得ＫＲ，前記第２の利得ＫＩ，前記第３の利得ＫＤ及び前期第４の利得ＫＣはセットされ、これにより
【数９】
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そこに、Ｗ１は前記積分器ブロックの有効遮断周波数またＷ２は前記導関数ブロックの有効遮断周波数である。
（１３）この発明は、ＰＩＤ補償器の再構成された型式を記載し、その結果、位置誤差の変化の率は、位置誤差が小さい時、サーボループの性能に影響することなく本来的に制限される。ここに記載される技法は、位置誤差が零に近い時従来のＰＩＤ補償器の性能を維持し、これは主たる関心の動作点である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術のＰＩＤサーボ補償器の機能的ブロック図である。
【図２】図１に示したＰＩＤサーボ補償器の対数利得対周波数特性の図である。
【図３】この発明の明示的率限界をもつ修正されたＰＩＤサーボ補償器の機能的ブロック図である。
【図４】埋め込まれた率限界をもつこの発明のＰＩＤサーボ補償器の機能的ブロック図である。
【図５】この発明の埋め込まれた率限界をもつサーボＰＩＤ補償器の対数利得対周波数特性の図である。
【符号の説明】
【００３８】
３００  位置誤差
３０１  導関数ブロック
３０５  第１の利得ブロック
３０６  第１の率制限器ブロック
３０７  第１の加算器ブロック
３０８  積分器ブロック
３０９  第２の利得ブロック
４０３  第２の加算器ブロック
４０９  第３の利得ブロック
４１１  第２の率制限器ブロック
【図１】
2005108228.tif 000012
【図２】
2005108228.tif 000013
【図３】
2005108228.tif 000014
【図４】
2005108228.tif 000015
【図５】
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