(57)【要約】【課題】  負荷の応答が非振動的であり、その整定時間が短く、さらに、負荷のパラメータ変動に対してロバストな位置制御装置を提供する。【解決手段】  本発明の位置制御装置では、負荷４００に検出部Ａ５００（加速度センサ）が設けられる。加速度センサによって検出された負荷４００の加速度信号の比例積分信号を、モータ３００に対する駆動力指令に負帰還する。さらに、モータ３００の位置信号の比例信号または比例積分信号を駆動力指令に負帰還する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータによって作動する負荷の位置制御方法において、
前記負荷に設けられた加速度センサによって前記負荷の加速度を示す信号を検出して、該検出信号の比例積分信号を前記モータに対する駆動力指令に負帰還し、
前記モータの位置信号の比例信号または比例積分信号を前記駆動力指令に負帰還することを特徴とする位置制御方法。
【請求項２】
モータによって作動する負荷の位置制御装置において、
前記負荷に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサによって検出された前記負荷の加速度を示す信号の比例積分信号を、前記モータに対する駆動力指令に負帰還する手段と、
前記モータの位置信号の比例信号または比例積分信号を前記駆動力指令に負帰還する手段を有することを特徴とする位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械、産業用ロボット、位置決め装置などの位置制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１を参照すると、従来技術のセミクローズドループ位置制御装置（例えば、特許文献１や非特許文献１を参照）の一例の機能ブロック図が示されている。制御の目的は、指令どおりに負荷の位置を応答させることである。２慣性系（モータと負荷が、バネとダンパで結合された系）に近似できる機械系のモータの位置の比例（Ｐ）制御、および、モータの速度の比例積分（ＰＩ）制御を行う。
【０００３】
図１において、指令部１００が、モータ３００に対する駆動力指令を制御部２００に送り、制御部２００は、この指令にもとづいてモータ３００を制御する。検出部５００（位置センサおよび速度センサ）が、モータ３００の位置と速度をモニターしており、これを制御部２００にフィードバックして、位置と速度の閉ループを形成する。
【０００４】
図２を参照すると、このセミクローズドループ位置制御装置の具体的な制御ブロック線図が示されている（以下のシミュレーションで用いる）。図２において影がつけられたブロック（１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０）が、制御対象の２慣性系（機械振動を生じる制御対象のほとんどが、このブロック線図で表される）である。
【０００５】
図２において、１はモータの質量の逆数（ＭＭはモータの質量）、２はモータ加速度からモータ速度への積分特性（物理的な動特性、sはラプラス変換の記号）、３はモータ速度からモータ位置への積分特性（物理的な動特性）、４は負荷の質量の逆数（ＬＭは負荷の質量）、５は負荷加速度から負荷速度への積分特性（物理的な動特性）、６は負荷速度から負荷位置への積分特性（物理的な動特性）、７は加減算器、８はモータと負荷の間のスティッフネス（Ｋｓはばね定数）、９はモータと負荷の間のダンパ（Ｄはダンピングゲイン）、１０は加算器である。
【０００６】
ここで、３の出力が、加減算器１４に負帰還されるモータの位置信号、２の出力が、加減算器２８に負帰還されるモータの速度信号である。加減算器１４に負帰還されるモータの位置信号は、位置の比例制御器２７（Ｋｐは比例ゲイン）に通される。加減算器２８に負帰還されるモータの速度信号は、速度の比例制御器２９（Ｋｖは速度比例ゲイン）と速度の積分制御器３０（Ｔｉは積分時間）に通される。これらの負帰還信号は、指令発生器１３から出力された駆動力指令とともに、モータ質量を補償する比例器１８（Ｋｍは比例ゲイン）、電流アンプとモータの動特性を近似する遅れ要素１９（Ｔａは時定数）に通され、２慣性系に出力される。なお、３１は加算器、３２は加算器、１１は加減算器である。
【０００７】
また、２０、２１は、負荷外乱力発生器であり、以下のシミュレーションでは、２０が、ｔ＝０．６で、ゼロから１００Ｎにステップ状に立ち上がる負荷外乱力を生成し、２１が、ｔ＝０．７で、１００Ｎからゼロにステップ状に立ち下がる負荷外乱力を生成する。また、２２は位置記録計であり、３の出力であるモータの位置と、６の出力である負荷の位置を記録する。
【特許文献１】特開平１１−３１０１５号公報
【非特許文献１】大石潔著、「１自由度系のモーションコントロール」、計測と制御、第３９巻、第１０号、２００１年１０月１０日、Ｐ．６０８−６１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術の位置制御装置の問題点は、次のとおりである。
【０００９】
第１に、モータの位置とモータの速度をフィードバックし、モータの応答を良くしても、最終目的の負荷位置の応答は直接的には良くならないことである。図２において、Ｋｐ＝２００ｓ-1、Ｋｖ＝３００ｓ-1、Ｔｉ＝０．００１ｓ、Ｋｍ＝１０Ｎｓ／ｍ、Ｔａ＝０．００１ｓ、ＭＭ＝１０ｋｇ、ＬＭ＝１０ｋｇ、Ｋｓ＝４０００Ｎ／ｍ、Ｄ＝１５Ｎｓ／ｍと設定し、位置指令として、時刻ｔ＝０で１ｍｍのステップを与え、力外乱として、ｔ＝０．６で、ゼロから１００Ｎにステップ状に立ち上がり、ｔ＝０．７で、１００Ｎからゼロにステップ状に立ち下がるものを加えて、応答をシミュレーションした。図３は、このときのモータの位置の応答であり、図４は、負荷の位置の応答である。
【００１０】
モータの応答は速く、位置偏差も小さい。しかし、負荷の応答は、位置のステップ指令に対して振動が大きく、振動の減衰も遅い。このように、モータと負荷の応答は全く異なる。この傾向は、Ｋｐ、Ｋｖ、Ｔｉ-1を大きくし、モータの応答を速くすればするほど強まる。
【００１１】
第２に、負荷のパラメータに対してロバストでないことである。上記パラメータのうち、負荷の質量（ＬＭ）のみを２倍にし、他は全く同じに設定したときの応答をシミュレーションした。図５は、このときのモータの位置の応答あり、図６は、負荷の位置の応答である。モータの応答（図５）は、ＬＭを２倍にする前の応答である図３と比較すると、さほどの変化はない。しかし、負荷の応答（図６）は、ＬＭを２倍にする前の応答である図４と比較すると、振動周波数は約０．７倍に、振動の減衰は約０．５倍に悪化している。
【００１２】
上記問題点を解決する方法として、負荷の状態量である負荷位置、負荷速度、あるいは負荷反力を計測し、これらをフィードバックするフルクローズドループ制御がある。しかしながら、負荷位置、負荷速度、あるいは負荷反力を計測するセンサは、負荷と固定座標系の間に設置され、これらの間の相対的な状態量を計測する必要がある。したがって、これらのセンサを負荷に設置することは容易ではない。このことが、負荷の状態量を計測して、フィードバックするフルクローズドループ制御が大多数の機械装置で用いられていない理由である。
【００１３】
本発明の目的は、負荷の応答が非振動的であり、その整定時間が短く、さらに、負荷のパラメータ変動に対してロバストな位置制御方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は、負荷に加速度センサを設置する。加速度センサは、位置センサ、速度センサとは異なり、設置した点の、固定された絶対座標系に対する加速度を計測する。したがって、加速度センサは、負荷の任意の点に、スペースさえあれば設置でき、その点の加速度が計測できるという、位置センサ、速度センサには無い利点を有している。
【００１５】
そして、加速度センサによって得られた負荷の加速度信号の比例積分信号を、モータの駆動力指令に負帰還する。
【００１６】
また、モータの位置の比例または比例積分制御を行う。負荷の加速度のフィードバックにより、ダンピング特性が得られるので、この制御系が不安定になることはない。また、モータの速度のフィードバックループも必要ない。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、負荷の加速度を、比例積分要素を通してフィードバックし、さらに、モータの位置を比例または比例積分制御するようにしたので、負荷の応答が非振動的で、整定時間が速くなり、さらに、負荷質量の変動に対してロバストになるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図７を参照すると、本発明の一実施形態の位置制御装置の機能ブロック図が示されている。制御の目的は、指令どおりに負荷位置を応答させることである。負荷の加速度の比例積分制御、モータ位置の比例または比例積分制御を行う。
【００２０】
図７において、指令部１００が、モータ３００に対する駆動力指令を制御部２００に送り、制御部２００は、この指令にもとづいてモータ３００を制御する。検出部５００Ａ（負荷４００に設けられた加速度センサ）が、負荷４００の加速度をモニターしており、これを制御部２００にフィードバックして、加速度の閉ループを形成する。また、検出部５００Ｂ（位置センサ）が、モータ３００の位置をモニターしており、これを制御部２００にフィードバックして、位置の閉ループを形成する。
【００２１】
図８を参照すると、本実施形態の位置制御装置の具体的な制御ブロック線図が示されている（以下のシミュレーションで用いる）。図２と同様に、図８において影がつけられたブロック（１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０）が、制御対象の２慣性系である。
【００２２】
図８において、１はモータの質量の逆数（ＭＭはモータの質量）、２はモータ加速度からモータ速度への積分特性（物理的な動特性、sはラプラス変換の記号）、３はモータ速度からモータ位置への積分特性（物理的な動特性）、４は負荷の質量の逆数（ＬＭは負荷の質量）、５は負荷加速度から負荷速度への積分特性（物理的な動特性）、６は負荷速度から負荷位置への積分特性（物理的な動特性）、７は加減算器、８はモータと負荷の間のスティッフネス（Ｋｓはばね定数）、９はモータと負荷の間のダンパ（Ｄはダンピングゲイン）、１０は加算器である。
【００２３】
ここで、３の出力が、加減算器１４に負帰還されるモータの位置信号である。加減算器１４に負帰還されたモータの位置信号は、位置の比例制御器１５（Ｋｐａは位置の比例ゲイン）、位置の積分制御器１６（Ｔｉａは位置の積分時間）に通される。
【００２４】
一方、加速度センサ２３（Ｇａｃｃはセンサのゲイン）は、検出する外力と４の出力（すなわち、負荷の質量の逆数）から、負荷の加速度信号を求め、加速度の比例制御器２４（Ｋａｃｃは加速度の比例ゲイン）、加速度の積分制御器２５（Ｔａｃｃは加速度の積分時間）に出力する。加速度の比例制御器２４、加速度の積分制御器２５を通った加速度信号は、加算器２６を経由して、加減算器１７の−端子に入力されることにより負帰還される。
【００２５】
これらの負帰還信号は、指令発生器１３から出力された駆動力指令とともに、モータ質量を補償する比例器１８（Ｋｍは比例ゲイン）、電流アンプとモータの動特性を近似する遅れ要素１９（Ｔａは時定数）に通され、２慣性系に出力される。なお、１１は加減算器である。
【００２６】
また、２０、２１は、負荷外乱力発生器であり、以下のシミュレーションでは、２０が、ｔ＝０．６で、ゼロから１００Ｎにステップ状に立ち上がる負荷外乱力を生成し、２１が、ｔ＝０．７で、１００Ｎからゼロにステップ状に立ち下がる負荷外乱力を生成する。また、２２は位置記録計であり、３の出力であるモータの位置と、６の出力である負荷の位置を記録する。
【００２７】
図８において、Ｋｐａ＝１００ｓ-1、Ｔｉａ＝０．００１ｓ、Ｋｍ＝１０Ｎｓ／ｍ、Ｔａ＝０．００５ｓ、ＭＭ＝１０ｋｇ、ＬＭ＝１０ｋｇ、Ｋｓ＝（２π×５０）2Ｎ／ｍ、Ｄ＝０．１×（２π×５０）Ｎｓ／ｍ、Ｇａｃｃ＝（１／９．８）ｓ2／ｍ、Ｋａｃｃ＝２５０ｓ-1、Ｔａｃｃ＝０．５ｍｓとして、位置指令として、時刻ｔ＝０で１ｍｍのステップを与え、力外乱として、ｔ＝０．６で、ゼロから１００Ｎにステップ状に立ち上がり、ｔ＝０．７で、１００Ｎからゼロにステップ状に立ち下がるものを加えて、応答をシミュレーションした。
【００２８】
図９は、本実施形態の位置制御装置によるモータの位置の応答である。モータがアクティブに制振していることが分かる。図１０は、このときの負荷の位置の応答である。振動的な応答は全く見られず、整定時間も短く、外乱力に対する応答は、従来技術の位置制御装置と同程度である。図１１は、負荷質量ＬＭを２倍にしたときのモータの位置の応答である。図１２は、このときの負荷の位置の応答である。図１２において、ステップ位置指令に対する負荷の位置の応答のオーバーシュートがわずかに大きくなっているが、ほとんど図１０に示される応答と等しく、負荷質量の変動に対してロバストであることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術の位置制御装置の機能ブロック図である。
【図２】従来技術の位置制御装置のブロック線図である。
【図３】従来技術の位置制御装置において、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対するモータの位置の応答を示した図である。
【図４】従来技術の位置制御装置において、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対する負荷の位置の応答を示した図である。
【図５】従来技術の位置制御装置において、負荷の質量が２倍になったときの、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対するモータの位置の応答を示した図である。
【図６】従来技術の位置制御装置において、負荷の質量が２倍になったときの、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対する負荷の位置の応答を示した図である。
【図７】本発明の位置制御装置の機能ブロック図である。
【図８】本発明の位置制御装置のブロック線図である。
【図９】本発明の位置制御装置において、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対するモータの位置の応答を示した図である。
【図１０】本発明の位置制御装置において、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対する負荷の位置の応答を示した図である。
【図１１】本発明の位置制御装置において、負荷の質量が２倍になったときの、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対するモータの位置の応答を示した図である。
【図１２】本発明の位置制御装置において、負荷の質量が２倍になったときの、ステップ位置指令とパルス状外乱力に対する負荷の位置の応答を示した図である。
【符号の説明】
【００３０】
１００  指令部
２００  制御部
３００  モータ
４００  負荷
５００  検出部
５００Ａ  検出部Ａ（負荷の加速度用）
５００Ｂ  検出部Ｂ（モータの位置用）
１  モータ質量の逆数
２  モータ加速度からモータ速度への積分特性
３  モータ速度からモータ位置への積分特性
４  負荷質量の逆数
５  負荷加速度から負荷速度への積分特性
６  負荷速度から負荷位置への積分特性
７  加減算器
８  モータと負荷の間のスティッフネス
９  モータと負荷の間のダンパ
１０  加算器
１１  加減算器
１２  加算器
１３  指令発生器
１４  加減算器
１５  位置の比例制御器
１６  位置の積分制御器
１７  加減算器
１８  モータ質量を補償する比例器
１９  電流アンプとモータの動特性を近似する遅れ要素
２０  負荷外乱力発生器
２１  負荷外乱力発生器
２２  負荷とモータの位置記録計
２３  加速度センサ
２４  加速度の比例制御器
２５  加速度の積分制御器
２６  加算器
２７  位置の比例制御器
２８  加減算器
２９  速度の比例制御器
３０  速度の積分制御器
３１  加算器
３２  加算器
【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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