(57)【要約】【課題】同相条件が成立しない機械に対し応答性を改善し、外乱に対する偏差を改善し、位置決め精度を向上したサーボ制御装置を提供する。【解決手段】位置指令を入力し、第１トルク指令を制御対象のノミナルモデルと加算器に出力する第１制御器と、第１トルク指令を入力し第１位置指令を出力するノミナルモデルと、第１位置指令と位置応答との差を入力し、第２トルク指令を加算器に出力する第２制御器と、第１トルク指令と第２トルク指令を加算しトルク指令として制御対象へ出力する加算器と、制御対象の位置応答をフィードバックして制御系を構成したサーボ制御装置において、トルク指令と位置応答を入力してノミナルモデルの伝達関数の係数を推定し、推定した係数を第１制御器とノミナルモデルへ出力する適応器を備えた。【選択図】図１
2005267296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令を入力し、第１トルク指令を制御対象のノミナルモデルと加算器に出力する第１制御器と、前記第１トルク指令を入力し第１位置指令を出力する前記ノミナルモデルと、第１位置指令と位置応答との差を入力し、第２トルク指令を前記加算器に出力する第２制御器と、前記第１トルク指令と前記第２トルク指令を加算しトルク指令として前記制御対象へ出力する加算器と、前記制御対象の前記位置応答をフィードバックして制御系を構成したサーボ制御装置において、
前記トルク指令と前記位置応答を入力して前記ノミナルモデルの伝達関数の係数を推定し、推定した前記係数を前記第１制御器と前記ノミナルモデルへ出力する適応器を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
前記第１制御器は、規範モデルの伝達関数と前記ノミナルモデルの逆伝達関数の積で構成されることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
【請求項３】
前記位置指令を入力し、前記第１トルク指令を第１減算器へ出力する第１制御器と、制御対象の位置応答を入力して第１トルク補償値を出力する逆ノミナルモデルと、前記第１トルク補償値からトルク指令を減算し、第２トルク補償値を出力する第３制御器と、前記第１トルク指令から前記第２トルク補償値を減算して前記制御対象にトルク指令を出力する第１減算器で構成したサーボ制御装置において、
前記トルク指令と前記位置応答を入力して前記逆ノミナルモデルの逆伝達関数の係数を推定する適応器を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項４】
前記第１制御器は、前記規範モデルの伝達関数と前記ノミナルモデルの逆伝達関数の積で構成されたことを特徴とする請求項３記載のサーボ制御装置。
【請求項５】
前記規範モデルは、剛体モードと逆相になる機械の固有振動数近傍に設定することを特徴とする請求項２または４記載のサーボ制御装置。
【請求項６】
前記ノミナルモデルは、多慣性モデルであることを特徴とする請求項１、２記載のサーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械や半導体製造装置などモータ等のアクチュエータで機械を駆動するサーボ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のサーボ制御装置には、例えば特許文献１、非特許文献１がある。
従来のサーボ制御装置は、位置ループをメインループとし、速度ループ、電流ループをマイナループとした３重のループによってフィードバック制御を行っている。位置のフィードバック制御には、コストの面から別途センサを設けず、サーボモータの回転角度信号を位置のフィードバック信号とするセミクローズドループ方式をとっているものが多い。このセミクローズドループでは、機械の固有振動モードに同相条件が成り立つため、制御系の安定性を得やすい。さらに振動を有する制御対象は２慣性系に近似され、オブザーバにより負荷側の情報を推定し振動抑制に対し、良好な結果を得ている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これに対し、機械の実際の位置を検出し、フィードバック信号とするフルクローズドループでは、直接負荷側の情報を得るため、より高精度な位置決めが可能である。フィードバック制御では、指令に対して誤差を小さくするが、フィードフォワード制御を設置すれば、立上げ時間やオーバーシュート量を調整することが可能である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
次にフィードバック制御について説明する。図３において、１１１は制御器であり、指令と応答の誤差を処理して信号を出力する。１は制御対象であり、制御器１１１から出力された信号により、駆動され応答を出力する。このことによりフィードバック制御１０を行い、指令ｒに対する応答ｙの誤差を改善させる。指令ｒに対する応答ｙと、外乱ｄに対する応答ｙは、式（１）となる。
ｙ／ｒ＝Ｃ２Ｐ／（１＋Ｃ２Ｐ）
ｙ／ｄ＝Ｐ／（１＋Ｃ２Ｐ）                                    （１）
【０００５】
さらにフィードフォワードを追加した場合について説明する。図４において、フィードバック制御１０にフィードフォワード制御器１１２を付加すると、指令をフィルタに通すことになるので、応答性の改善が図られてオーバーシュート量が減少する。指令ｒに対する応答ｙと、外乱ｄに対する応答ｙは、式（２）である。
ｙ／ｒ＝（Ｃ１＋Ｃ２）Ｐ／（１＋Ｃ２Ｐ）
ｙ／ｄ＝Ｐ／（１＋Ｃ２Ｐ）                                    （２）
式（１）と比較して、ｙ／ｒの分子にＣ１が加えられるため、応答ｙが改善される。
このように、従来のサーボ制御装置は、指令に対してフィードフォワード制御により応答のオーバーシュートや速応性を改善して、フィードバック制御により指令と応答の誤差を改善するのである。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７５００３号公報（第１図）
【非特許文献１】野波健蔵、西村秀和著「制御理論の基礎」東京電機大学出版局、１９９８年３月３０日、ｐ．１９９−２０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のサーボ制御装置は、セミクローズドループでは、機械の固有振動モードに同相条件が成り立つため、制御系の安定性を得やすい反面、機械本体の位置など制御したい量を直接制御するわけではないため、位置決めの精度を向上できない。また、精密な位置決めを有する場合はフルクローズドループを構成するが、この場合は機械の固有振動モードに同相条件が成立しないので、制御ゲインをあげると発振するという問題があった。また、制御ループが多重になるような場合はゲイン等のパラメータの数が多くなるので、チューニングが困難であるというような問題も抱えていた。
【０００８】
また、フィードフォワード制御を加えたフィードバック制御では、応答性は改善されるが、機械モデルに基づいてフィードフォワード制御の伝達関数等を設定するため、機械モデルの同定が困難という問題もある。
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、同相条件が成立しないような機械に対しても応答性を改善するとともに外乱に対する偏差を改善し、位置決め精度を向上することができるサーボ制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の本発明は、位置指令を入力し、第１トルク指令を制御対象のノミナルモデルと加算器に出力する第１制御器と、第１トルク指令を入力し第１位置指令を出力するノミナルモデルと、第１位置指令と位置応答との差を入力し、第２トルク指令を加算器に出力する第２制御器と、第１トルク指令と第２トルク指令を加算しトルク指令として制御対象へ出力する加算器と、制御対象の位置応答をフィードバックして制御系を構成したサーボ制御装置において、トルク指令と位置応答を入力してノミナルモデルの伝達関数の係数を推定し、推定した係数を第１制御器とノミナルモデルへ出力する適応器を備えるようにしたものである。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、第１制御器は、規範モデルの伝達関数とノミナルモデルの逆伝達関数の積で構成されるようにしたものである。
請求項３記載の本発明は、位置指令を入力し、第１トルク指令を第１減算器へ出力する第１制御器と、制御対象の位置応答を入力して第１トルク補償値を出力する逆ノミナルモデルと、第１トルク補償値からトルク指令を減算し、第２トルク補償値を出力する第３制御器と、第１トルク指令から第２トルク補償値を減算して制御対象にトルク指令を出力する第１減算器で構成したサーボ制御装置において、トルク指令と位置応答を入力して逆ノミナルモデルの逆伝達関数の係数を推定する適応器を備えるようにしたものである。
請求項４記載の本発明は、請求項３記載の本発明において、第１の制御器は、規範モデルの伝達関数とノミナルモデルの逆伝達関数の積で構成されるようにしたものである。
請求項５記載の本発明は、請求項２、４記載のサーボ制御装置において、規範モデルは、剛体モードと逆相になる機械の固有振動数近傍に設定するようにしたものである。
請求項６記載の本発明は、請求項１、２記載のサーボ制御装置において、ノミナルモデルは、多慣性モデルであるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、同相条件が成立しないような機械に対しても応答性を改善するとともに外乱に対する偏差を改善し、位置決め精度を向上することができるサーボ制御装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明のサーボ制御装置のブロック線図である。図１において、１は制御対象で伝達関数はＰ（ｓ）、３は第１制御器でＧＭ（ｓ）ＰＮ−１（ｓ）、４は制御対象１のノミナルモデルでＰＮ（ｓ）、５は適応器、１２は加算器、１３は減算器である。
次に動作について説明する。フィードフォワード部１１の第１制御器３は規範モデルＧＭ（ｓ）とノミナルモデルの逆数ＰＮ−１（ｓ）の積となっている。また，第１制御器３の出力は、ノミナルモデル４のＰＮ（ｓ）をとおってフィードバック制御１０に入力される。このときノミナルモデル４が、制御対象１の特性を十分にモデル化できた場合、フィードフォワード制御における位置指令ｒに対する位置応答のオーバーシュートを抑えることができ、応答性能を改善することができる。負荷の変動など機械の特性が変化した場合や、機械特性が不明である場合には、適応器５により制御対象１の特性を推定して、第１制御器３、ノミナルモデル４の伝達関数の係数を変えて特性を変えることができ、性能のよいサーボ制御装置を実現できる。制御対象１の推定には、たとえば、制御対象１の位置応答ｙと制御対象１への入力信号であるトルク指令のデータを使用し、想定した剛体系もしくは２慣性系などの特性を同定することで、係数を調整でき機械に近い特性値を第１制御器３とノミナルモデル４に組み込むことができる。
【実施例２】
【００１３】
図２は第２実施例の構成を示す図である。図２において、１は制御対象で伝達関数はＰ（ｓ）、３は第１制御器でＧＭ（ｓ）ＰＮ−１（ｓ）、６は第３制御器でＱ（ｓ）、７は逆ノミナルモデルでノミナルモデルの逆伝達関数をもちＰＮ−１（ｓ）、８は適応器、１４、１５は減算器、１６は加算器である。
次に動作について説明する。フィードフォワード部１１の第１制御器３は位置指令ｒを入力し、第１トルク指令を出力する。また、逆ノミナルモデル７は位置応答ｙを入力し、第１トルク補償値を出力する。第２減算器１５は第１トルク補償値からトルク指令を減算し第３制御器６に出力する。第３制御器６は第２トルク補償値を出力する。第１減算器は第トルク指令から第２トルク補償値を減算し、トルク指令として制御対象１に出力する。適応器８はトルク指令と位置応答から制御対象の伝達関数の係数を推定しノミナルモデルの係数を調整する。ノミナルモデルが制御対象に十分、近い特性に調整されると、ノミナルモデルの出力の第１トルク補償値はトルク指令と外乱を加算した値を出力するので、第２減算器の出力はトルク外乱そのものの値になる。こうして、フィードバック部の制御は、制御対象に加わる外乱を推定する役割を果たし、摩擦などの外乱を補償して位置決め時の外乱影響を低減することができる。負荷の変動など機械の特性が変化した場合や、機械特性が不明である場合には、適応器８により制御対象１の特性を推定して、第１制御器３と逆ノミナルモデル７の特性を変えることができ、性能のよいサーボ制御装置を実現できる。制御対象１の推定には、たとえば、制御対象１の位置応答ｙと制御対象へのトルク指令のデータを使い、想定した剛体系もしくは２慣性系などの特性を同定することで、係数を調整でき機械に近い特性値を第１制御器３と逆ノミナルモデル７に組み込むことができる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明は、同相条件が成立しないような機械に対しても応答性を改善するとともに外乱に対する偏差を改善し、位置決め精度を向上することができるので、工作機械や半導体産業などの産業機械にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施例を示すサーボ制御装置のブロック線図
【図２】本発明の第２実施例を示すサーボ制御装置のブロック線図
【図３】従来のサーボ制御装置のブロック線図
【図４】従来のサーボ制御装置のブロック線図
【符号の説明】
【００１６】
１  制御対象Ｐ（ｓ）
２  第２制御器Ｃ２（ｓ）
３  第１制御器ＧＭ（ｓ）ＰＮ−１（ｓ）
４  ノミナルモデルＰＮ（ｓ）
５  適応器
６  第３制御器Ｑ（ｓ）
７  逆ノミナルモデルＰＮ−１（ｓ）
８  適応器
１０  フィードバック制御
１１  フィードフォワード制御
１２  加算器
１３、１４、１５  減算器
１６  加算器
１１１  制御器
１１２  制御器
【図１】
2005267296.tif 000003
【図２】
2005267296.tif 000004
【図３】
2005267296.tif 000005
【図４】
2005267296.tif 000006