(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
上記フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう上記位置フィードフォワードゲインαｘを上記速度フィードフォワードゲインαｖと独立に、かつ上記フィードバックゲインと独立に１以外の値に設定可能な構成としたことを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
上記フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう上記位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとのすべてを上記フィードバックゲインと独立に１以外の値に設定可能な構成としたことを特徴とする位置制御装置。
【請求項３】
制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、フィードバックゲインと独立な関係式を用いて設定する構成としたことを特徴とする位置制御装置。
【請求項４】
フィードフォワード制御部は、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、次式の関係を用いて設定する構成としたことを特徴とする請求項３記載の位置制御装置。
（位置フィードフォワードゲインαｘ）＝（速度フィードフォワードゲインαｖ）
＝（トルクフィードフォワードゲインατ）
【請求項５】
フィードフォワード制御部は、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、次式の関係を用いて設定する構成としたことを特徴とする請求項３記載の位置制御装置。
（トルクフィードフォワードゲインατ）＝（位置フィードフォワードゲインαｘ）３
（速度フィードフォワードゲインαｖ）＝（位置フィードフォワードゲインαｘ）２
【請求項６】
トルク指令演算部は、モデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗算したフィードフォワードトルクτｆを出力するトルクフィードフォワード増幅器、モデル速度ｖａに速度フィードフォワードゲインαｖを乗算したフィードフォワード速度ｖｆを出力する速度フィードフォワード増幅器、上記モデル速度ｖａに位置フィードフォワード低減ゲインβｘを乗算したフィードフォワード位置ｘｆを出力する位置フィードフォワード低減器、モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差から上記フィードフォワード位置ｘｆを減算した信号を積分した信号を出力する位置積分器、上記フィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの偏差に速度比例ゲインＫｖを乗算した信号を出力する速度比例補償器、上記モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差に位置比例ゲインＫｘを乗算した信号を出力する位置比例補償器、および上記位置積分器の出力に位置積分ゲインＫｉを乗算した信号を出力する位置積分補償器を備え、
位置フィードフォワードゲインαｘは次式で設定するとともに、上記フィードフォワードトルクτｆおよび上記速度比例補償器、位置比例補償器、位置積分補償器の出力信号の加算値をトルク指令τｒとして出力することを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
αｘ＝１−Ｋｉ・βｘ／Ｋｘ
【請求項７】
モデル信号演算部は、その位置指令からモデル位置までの伝達特性が所定の周波数以上をカットするローパス特性となるように構成したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械などにおいて電動機等のトルク発生器を用いて機械系の位置制御を行う制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータなどのトルク発生器を用いて工作機械などの位置制御を行う位置制御装置では、高速高精度な位置決め制御を実現するために、機械共振を励起しないような制御が望まれ、また、整定時にオーバーシュートを起こすとクーロン摩擦の影響で整定時間が長くなるためオーバーシュートを起こさないような制御が望まれる。また、このような位置制御装置では、フィードフォワードを用いて位置指令に対する追従性を高速化させることが行われる。
【０００３】
図１２は、例えば「計測と制御」vol．12，p．1010〜p．1011に記載の第１の従来技術の位置制御装置の構成を示すブロック図である。図１２において、１はトルク指令τｒに応じたトルクを発生することにより機械系を駆動する制御対象である。２は制御対象１の位置である実位置ｘｍを検出する位置検出器である。３は実位置ｘｍの微分信号である実速度ｖｍを検出する速度検出器である。４は位置指令ｘｒを入力しモデル位置ｘａとモデル速度ｖａとモデルトルクτａとを出力するモデル信号演算部である。５０５はトルク指令演算部である。５０６は位置補償器である。５０７は速度ＰＩ補償器である。
次に図１２に示した第１の従来技術の動作について説明する。まず、制御対象１の特性について説明する。制御対象１における発生トルクがトルク指令τｒに理想的に一致するとした場合、制御対象１の伝達特性をＧ（ｓ）と記述すると、トルク指令τｒおよび外乱トルクτｄと実位置ｘｍとの関係は次の式１で表される。ただし、次式および以降においてｓはラプラス演算子を表す。
ｘｍ＝Ｇ（ｓ）・τｒ＋Ｇ（ｓ）・τｄ    ・・・・（式１）
【０００４】
また、制御対象１が完全な剛体機械であると考えると、制御対象１の伝達特性Ｇ（ｓ）は次の式２で表される。
Ｇ（ｓ）＝１／（Ｊ・ｓ２）    ・・・・（式２）
【０００５】
しかしながら実際の制御対象には機械共振や摩擦などのモデル誤差が存在し、例えば摩擦係数ｆの粘性摩擦が存在する場合の制御対象の伝達特性Ｇ（ｓ）は次の式３となる。
Ｇ（ｓ）＝１／（Ｊ・ｓ２＋ｆ・ｓ）    ・・・・（式３）
【０００６】
次にモデル信号演算部４の動作について説明する。モデル信号演算部４は外部から位置制御装置に与える位置指令ｘｒを入力し、ローパス特性であるモデル伝達特性Ｇａ（ｓ）の伝達関数演算に基づくモデル位置ｘａと、モデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａと、モデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度ａａと、予め推定した制御対象のイナーシャ値であるモデルイナーシャＪａをモデル加速度ａａに乗じた信号であるモデルトルクτａを演算し、上記のモデル位置ｘａとモデル速度ｖａとモデルトルクτａとを出力する。
【０００７】
ここで、外乱トルクτｄが無く、制御対象１の特性が理想的な剛体機械でそのイナーシャＪがモデルイナーシャＪａに一致する場合（以下ではこれを理想モデルの場合と記述する）、上記のモデルトルクτａを用いて制御対象１を駆動すれば、制御対象１の実位置ｘｍとモデル位置ｘａおよび実速度ｖｍとモデル速度ｖａとが完全に一致し、位置指令ｘｒから実位置ｘｍまでの伝達特性はモデル伝達特性Ｇａ（ｓ）に一致する。すなわち次の式４が成り立つ。
ｘｍ／ｘｒ＝ｘａ／ｘｒ＝Ｇａ（ｓ）    ・・・・（式４）
【０００８】
次にトルク指令演算部５０５の動作について説明する。実際の制御対象１には外乱やモデル誤差が存在するため、実位置ｘｍとモデル位置ｘａおよび実速度ｖｍとモデル速度ｖａとの間には誤差が生じる。位置補償器５０６はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの差を位置ゲインωｘ倍した信号を出力し、速度ＰＩ補償器５０７はモデル速度ｖａと実速度ｖｍとの差信号に位置補償器５０６の出力を加えた信号を入力し、速度比例ゲインＫｖと積分ゲインωＰＩのＰＩ（比例積分）演算を行って誤差補償トルクτｃを出力する。また、トルク指令演算部５０５はモデルトルクτａと誤差補償トルクτｃの和信号をトルク指令τｒとして出力する。すなわちトルク指令演算部５０５は以下の式５の演算によりトルク指令τｒを演算する。
τｒ＝τａ＋Ｋｖ・（１＋ωＰＩ／ｓ）｛ｖａ−ｖｍ＋ωｘ（ｘａ−ｘｍ）｝
・・・・（式５）
【０００９】
トルク指令演算部５０５は上記のモデルトルクτａと誤差補償トルクτｃとの和信号をトルク指令τｒとして出力することにより、制御対象１が理想モデルの場合には、モデルトルクτａだけで、また制御対象１にモデル誤差が有った場合には誤差補償トルクτｃを加えて制御対象１を駆動することにより、実位置ｘｍがモデル位置ｘａに追従するように制御する。
【００１０】
また、モデル伝達特性Ｇａ（ｓ）はローパス特性としているため、制御対象１に機械共振など高い周波数のモデル誤差が存在した場合には、モデル伝達特性Ｇａ（ｓ）の応答を遅く、すなわちローパス特性の遮断周波数を低くすることにより機械共振が抑制され、結果的に高速な整定を実現することができる。
【００１１】
このように、第１の従来技術は、モデル伝達特性Ｇａ（ｓ）をローパス特性とすることで比較的高周波域（数１０Ｈｚ程度）の機械共振を抑制している。しかし、同じくこのモデル伝達特性Ｇａ（ｓ）のローパス特性に期待してオーバーシュートをも抑制しようとすると、このオーバーシュートは更に低い周波数域（数Ｈｚ程度以下）での現象であるので、モデル伝達特性Ｇａ（ｓ）をこれに合わせた特性のものとすると、制御応答が非常に遅くなり、高速に整定する制御の実現が困難であった。
【００１２】
次に、図１３は、例えば特開平０５−２１６５４０号公報に記載の第２の従来技術の制御系構成図である。図１３では離散時間系の制御系を連続時間系に変換して、等価的に記載している。図１３において図１２と同一符号は同一部分を示す。６０５はトルク指令演算部である。６０６は位置補償器、６０７は速度ＰＩ補償器である。６１２はトルクフィードフォワード増幅器、６１１は速度フィードフォワード増幅器である。６０８は第１の微分器、６０９は第２の微分器、６１０はイナーシャ増幅器である。
【００１３】
次に第２の従来技術の動作について説明する。第１の従来技術と同一部分は、その動作の説明を省略する。第１の微分器６０８は位置指令ｘｒを微分して速度指令ｖｒを出力し、第２の微分器６０９は速度指令ｖｒを微分して加速度指令ａｒを出力し、イナーシャ増幅器６１０は加速度指令ａｒに予め設定した制御対象１のイナーシャの推定値Ｊａを乗じたモデルトルクτａを出力する。
【００１４】
次にトルク指令演算部６０５の動作について説明する。トルク指令演算部６０５は位置指令ｘｒと速度指令ｖｒとモデルトルクτａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力する。トルク指令演算部６０５の内部においてトルクフィードフォワード増幅器６１２はモデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗じたフィードフォワードトルクτｆを出力し、速度フィードフォワード増幅器６１１は速度指令ｖｒに速度フィードフォワードゲインαｖを乗じたフィードフォワード速度ｖｆを出力する。
【００１５】
次に位置補償器６０６は位置指令ｘｒと実位置ｘｍとの差信号に位置ゲインωｘを乗じた信号を出力し、速度ＰＩ補償器６０７はフィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの差信号に位置補償器６０６の出力を加えた信号を入力し、速度比例ゲインＫｖと積分ゲインωＰＩのＰＩ（比例積分）演算を行って誤差補償トルクτｃを出力する。また、トルク指令演算部６０５はモデルトルクτａと誤差補償トルクτｃとの和信号をトルク指令τｒとして出力する。すなわちトルク指令演算部６０５は以下の式６の演算によりトルク指令τｒを演算する。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（１＋ωＰＩ／ｓ）｛αｖ・ｖｒ−ｖｍ＋ωｘ（ｘｒ−ｘｍ）｝    ・・・・（式６）
【００１６】
第２の従来技術は上記のように構成することにより、トルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖを１とすると、制御対象１が理想モデルの場合には位置指令ｘｒと実位置ｘｍとが一致するような制御が可能になる。また、制御対象１のモデル誤差や外乱トルクτｄに対しては誤差補償トルクτｃによって補償される。ここで、また更に、トルクフィードフォワードゲインατおよび速度フィードフォワードゲインαｖを１から変更して微調整を行い、制御対象１のモデル誤差による位置指令ｘｒに対する実位置ｘｍの微少な応答誤差を修正する。
【００１７】
しかしながら第２の従来技術では、トルクフィードフォワードゲインατを０にしなければ位置指令ｘｒを２階微分した信号成分が直接トルク指令τｒに印加されるため、トルク指令τｒに高周波数成分が含まれ、制御対象１の特性に高周波数の機械共振が含まれている場合には、機械共振を励起して高速な整定を実現するのが困難だという問題が有った。
【００１８】
また、伝達特性で考えると速度の積分は位置であるため、第２の従来技術では、次の式７、式８の関係を用い、信号をトルク、速度、位置、位置の積分の次元で纏めるように式６を変換すると、トルク指令演算部６０５は以下の式９の演算を行うことになる。
ｘｒ＝（１／ｓ）ｖｒ    ・・・・（式７）
ｘｍ＝（１／ｓ）ｖｍ    ・・・・（式８）
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖｒ−ｖｍ）＋Ｋｖ（ωＰＩ＋ωｘ）（αｘ・ｘｒ−ｘｍ）
＋Ｋｖ・ωｘ・ωＰＩ（１／ｓ）（ｘｒ−ｘｍ）    ・・・・（式９）
ただし、上記のαｘは次の式１０で表される。
αｘ＝（αｖ・ωＰＩ＋ωｘ）／（ωＰＩ＋ωｘ）    ・・・・（式１０）
【００１９】
式１０のαｘを位置フィードフォワードゲインと呼ぶとすると、図１３に示す構造の第２の従来技術では、位置フィードフォワードゲインαｘを位置ゲインωｘ、積分ゲインωＰＩ、速度フィードフォワードゲインαｖと独立に調整することができない。ここで、位置ゲインωｘおよび積分ゲインωＰＩは外乱トルクτｄに対する応答を決定する制御ゲインすなわちフィードバックゲインである。したがって、外乱トルクτｄに対する特性すなわちフィードバック特性を最適に保ったまま、トルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖ、位置フィードフォワードゲインαｘを最適に設定することが困難であるため、制御対象１のモデル誤差に対応した最適な調整が困難であるという問題が有る。また、オーバーシュートを抑制するための調整を簡単に行うのが困難であるという問題が有る。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、第１の従来技術では、整定時のオーバーシュートを抑制しようとすると、位置指令ｘｒに対するモデル位置ｘｍの応答をかなり遅くする必要があるため、実位置ｘｍの応答が遅くなり、高速な整定を得るのが困難であるという問題が有った。
【００２１】
また、第２の従来技術では、高速な応答を得ようとするとトルク指令τｒに高周波数成分が印加されるため、制御対象１に機械共振が有る場合には共振を励起し、高速な整定を得るのが困難であるという問題があった。また、位置フィードフォワードゲインαｘをフィードバックゲインおよび速度フィードフォワードゲインαｖと独立に設定できないため、外乱に対する応答を最適に保ったまま、制御対象の微少なモデル誤差に対して高速な整定を得るような、最適な制御を実現するのが困難であるという問題が有った。また、簡単な演算や簡単な調整でオーバーシュートを抑制して高速に整定する制御が困難であるという問題が有った。
【００２２】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、外乱に対する応答を最適に保ったまま、制御対象の微少なモデル誤差に対する調整を緻密に行い、また簡単な調整で、機械共振を励起せずに高速に整定する制御を実現するためのものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る位置制御装置は、制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
上記フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう上記位置フィードフォワードゲインαｘを上記速度フィードフォワードゲインαｖと独立に、かつ上記フィードバックゲインと独立に１以外の値に設定可能な構成としたものである。
【００２４】
この発明に係る位置制御装置は、制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
上記フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう上記位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとのすべてを上記フィードバックゲインと独立に１以外の値に設定可能な構成としたものである。
【００２５】
この発明に係る位置制御装置は、制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、フィードバックゲインと独立な関係式を用いて設定する構成としたものである。
【００２６】
この発明に係る位置制御装置のフィードフォワード制御部は、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、次式の関係を用いて設定する構成としたものである。
（位置フィードフォワードゲインαｘ）＝（速度フィードフォワードゲインαｖ）
＝（トルクフィードフォワードゲインατ）
【００２７】
この発明に係る位置制御装置のフィードフォワード制御部は、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、次式の関係を用いて設定する構成としたものである。
（トルクフィードフォワードゲインατ）＝（位置フィードフォワードゲインαｘ）３
（速度フィードフォワードゲインαｖ）＝（位置フィードフォワードゲインαｘ）２
【００２８】
この発明に係る位置制御装置のトルク指令演算部は、モデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗算したフィードフォワードトルクτｆを出力するトルクフィードフォワード増幅器、モデル速度ｖａに速度フィードフォワードゲインαｖを乗算したフィードフォワード速度ｖｆを出力する速度フィードフォワード増幅器、上記モデル速度ｖａに位置フィードフォワード低減ゲインβｘを乗算したフィードフォワード位置ｘｆを出力する位置フィードフォワード低減器、モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差から上記フィードフォワード位置ｘｆを減算した信号を積分した信号を出力する位置積分器、上記フィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの偏差に速度比例ゲインＫｖを乗算した信号を出力する速度比例補償器、上記モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差に位置比例ゲインＫｘを乗算した信号を出力する位置比例補償器、および上記位置積分器の出力に位置積分ゲインＫｉを乗算した信号を出力する位置積分補償器を備え、
位置フィードフォワードゲインαｘは次式で設定するとともに、上記フィードフォワードトルクτｆおよび上記速度比例補償器、位置比例補償器、位置積分補償器の出力信号の加算値をトルク指令τｒとして出力するものである。
αｘ＝１−Ｋｉ・βｘ／Ｋｘ
【００２９】
この発明に係る位置制御装置のモデル信号演算部は、その位置指令からモデル位置までの伝達特性が所定の周波数以上をカットするローパス特性となるように構成したものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明における実施の形態１の位置制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、１はトルク指令τｒに応じたトルクを発生することにより機械系を駆動する制御対象である。２は制御対象１の位置である実位置ｘｍを検出する位置検出器である。３は実位置ｘｍの微分信号である実速度ｖｍを検出する速度検出器である。４は外部から位置指令ｘｒを入力しモデル位置ｘａとモデル速度ｖａとモデルトルクτａとを出力するモデル信号演算部である。５はトルク指令演算部である。６は位置積分器である。７は速度比例補償器、８は位置比例補償器、９は位置積分補償器である。１０はトルクフィードフォワード増幅器、１１は速度フィードフォワード増幅器、１２は位置フィードフォワード増幅器である。
【００３１】
次に実施の形態１の動作について説明する。まず、制御対象１の特性について説明する。制御対象１における発生トルクがトルク指令τｒに理想的に一致するとした場合、制御対象１の伝達特性をＧ（ｓ）と記述すると、トルク指令τｒおよび外乱トルクτｄと実位置ｘｍとの関係は次の式１で表される。ただし、次式および以降においてｓはラプラス演算子を表す。
ｘｍ＝Ｇ（ｓ）・τｒ＋Ｇ（ｓ）・τｄ      ・・・・（式１）
【００３２】
また、制御対象１が完全な剛体機械であるとした場合、制御対象１の伝達特性Ｇ（ｓ）は次の式２で表される。ただし、下式においてＪは制御対象１のイナーシャである、
Ｇ（ｓ）＝１／（Ｊ・ｓ２）    ・・・・（式２）
【００３３】
しかしながら実際の制御対象１には機械共振や摩擦などのモデル誤差が存在し、例えば摩擦係数ｆの粘性摩擦が存在する場合の制御対象の伝達特性Ｇ（ｓ）は次の式３となる。
Ｇ（ｓ）＝１／（Ｊ・ｓ２＋ｆ・ｓ）      ・・・・（式３）
【００３４】
次にモデル信号演算部４の動作を説明する。モデル信号演算部４は外部から位置制御装置に与える位置指令ｘｒを入力し、ローパス特性であるモデル伝達特性Ｇａ（ｓ）の伝達関数演算に基づいてモデル位置ｘａを演算し、更にモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａと、モデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度ａａを演算し、更にモデル信号演算部４は予め設定した制御対象のイナーシャ値であるモデルイナーシャＪａをモデル加速度ａａに乗じた信号であるモデルトルクτａを演算し、上記のモデル位置ｘａとモデル速度ｖａとモデルトルクτａとを出力する。モデル伝達特性Ｇａ（ｓ）は例えば次の式１１のような２次のローパス特性を選ぶ。
Ｇａ（ｓ）＝１／（ｓ＋ωａ）２      ・・・・（式１１）
ここで、上記の式１１におけるωａはモデルの応答周波数、すなわちローパス特性の遮断周波数で、位置指令ｘｒに対するモデルの応答の速さを決定するものである。
【００３５】
以上の動作によりモデル信号演算部４では以下の式１２、式１３、式１４の伝達関数演算を行っている。
ｘａ＝Ｇａ（ｓ）・ｘｒ      ・・・・（式１２）
ｖａ＝ｓ・Ｇａ（ｓ）・ｘｒ      ・・・・（式１３）
τａ＝Ｊａ・ｓ２・Ｇａ（ｓ）・ｘｒ      ・・・・（式１４）
【００３６】
次にトルク指令演算部５の動作について説明する。トルク指令演算部５はモデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力する。トルク指令演算部５の内部においてトルクフィードフォワード増幅器１０はモデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗じたフィードフォワードトルクτｆを出力し、速度フィードフォワード増幅器１１はモデル速度ｖａに速度フィードフォワードゲインαｖを乗じたフィードフォワード速度ｖｆを出力し、位置フィードフォワード増幅器１２はモデル位置ｘａに位置フィードフォワードゲインαｘを乗じたフィードフォワード位置ｘｆを出力する。
【００３７】
次に位置積分器６はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差を積分した信号を出力し、速度比例補償器７はフィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの偏差に速度比例ゲインＫｖを乗じた信号を出力し、位置比例補償器８はフィードフォワード位置ｘｆと実位置ｘｍとの偏差に位置比例ゲインＫｘを乗じた信号を出力し、位置積分補償器９は位置積分器６の出力信号に位置積分ゲインＫｉを乗じた信号を出力し、トルク指令演算部５はフィードフォワードトルクτｆと速度比例補償器７の出力と位置比例補償器８の出力と位置積分補償器９の出力との和信号をトルク指令τｒとして出力することにより制御対象１を制御する。
【００３８】
以上のように構成することによりトルク指令演算部５は、モデル位置ｘａ、モデル速度ｖａ、モデルトルクτａ、実位置ｘｍ、実速度ｖｍを入力し次の式１５の伝達関数演算によりトルク指令τｒを出力する。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）      ・・・・（式１５）
【００３９】
また、トルク指令演算部５は、トルクフィードフォワード増幅器１０によりトルクフィードフォワードゲインατを、速度フィードフォワード増幅器１１により速度フィードフォワードゲインαｖを、位置フィードフォワード増幅器１２により位置フィードフォワードゲインαｘを、速度比例補償器７により速度比例ゲインＫｖを、位置比例補償器８により位置比例ゲインＫｘを、位置積分補償器９により位置積分ゲインＫｉを設定するため、トルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとは互いに独立に、なおかつ速度比例ゲインＫｖおよび位置比例ゲインＫｘおよび位置積分ゲインＫｉと独立に設定することが可能である。なお、以降では速度比例ゲインＫｖと位置比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとを総称してフィードバックゲインと呼び、トルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖ、位置フィードフォワードゲインαｘを総称してフィードフォワードゲインと呼ぶ。
【００４０】
また、以降では制御対象１が式１で表される理想的剛体機械で、モデル信号演算部４のモデルイナーシャＪａと制御対象１のイナーシャＪが一致する場合を、制御対象１が理想モデルの場合と呼ぶことにする。
【００４１】
図１においてフィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを全て１にした場合は、第１の従来技術から図１への等価変換が可能である。すなわち図１の制御系は第１の従来技術と同様に動作し、制御対象１が理想モデルの場合は、位置指令ｘｒに対して実位置ｘｍとモデル位置ｘａとが完全に一致する。しかしながら、制御対象１が例えば式３のようにモデル誤差を持った場合、そのモデル誤差が微少でも、実位置ｘｍが微少のオーバーシュートを起こすなどの問題を生じる。
【００４２】
次にトルク指令演算部５におけるフィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉの設定について図２を用いて説明する。図２は外乱τｄに対する実位置ｘｍのステップ応答を示す図である。
【００４３】
フィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉは、外乱τｄに対して実位置ｘｍと位置指令ｘｒとの誤差の変動がなるべく小さくなるように設定する。図１における外乱τｄから実位置ｘｍまでの伝達特性をＧτ（ｓ）と記述すると、Ｇτ（ｓ）のステップ応答の概形は図２に示すような安定な波形になる。すなわち通常はＧτ（ｓ）のステップ応答が、正の方向だけに変動して負の方向へ行きすぎないようにフィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉを設定する。
なお、このＧτ（ｓ）は、制御対象１を含む閉回路の応答であって、制御対象１の伝達特性Ｇ（ｓ）と後述するフィードバック制御系の伝達特性Ｃｂ（ｓ）とから以下の式により表される。
Ｇτ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／｛１＋Ｇ（ｓ）・Ｃｂ（ｓ）｝
また、制御対象１が式２の理想的な剛体機械とした場合のＧτ（ｓ）をＧτ１（ｓ）と記述すると、Ｇτ１（ｓ）は次の式１６となる。
Ｇτ１（ｓ）＝ｓ／（Ｊ・ｓ３＋Ｋｖ・ｓ２＋Ｋｘ・ｓ＋Ｋｉ）  ・・・・（式１６）
【００４４】
次にフィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘの設定について、図３に示す一般的な２自由度制御系ブロックを用いて説明する。なお、図３の一般的な２自由度制御系は制御系の応答特性を解析するために用いるものである。図３において、図１と同一符号は同一部分を示す。１３はフィードバック制御器である。１４はフィードフォワード制御器である。
【００４５】
次に図３に示す一般的な２自由度制御系の動作について説明する。フィードフォワード制御器１４は位置指令ｘｒを入力しＣｆ（ｓ）の伝達関数演算によりフィードフォワードトルクτｆを出力する。フィードバック制御器１３は実位置ｘｍを入力しＣｂ（ｓ）の伝達関数演算によりフィードバックトルクτｂを出力する。図３の２自由度制御系ではフィードフォワードトルクτｆとフィードバックトルクτｂの和をトルク指令τｒとして制御対象１を駆動する。
【００４６】
図１のモデル信号演算部４およびトルク指令演算部５を図３の一般的な２自由度制御系に等価変換すると、フィードフォワード制御器１４の伝達特性Ｃｆ（ｓ）およびフィードバック制御器１３の伝達特性Ｃｂ（ｓ）は次の式１７および式１８で表される。
Ｃｆ（ｓ）＝Ｇａ（ｓ）・Ｇｆ（ｓ）      ・・・・（式１７）
Ｃｂ（ｓ）＝Ｋｖ・ｓ＋Ｋｘ＋Ｋｉ／ｓ      ・・・・（式１８）
ただし、上記の式１７において
Ｇｆ（ｓ）＝（ατ・Ｊａ・ｓ３＋αｖ・Ｋｖ・ｓ２＋αｘ・Ｋｘ・ｓ＋Ｋｉ）／ｓ・・・・（式１９）
である。また、次の式２０のようにフィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘの全てを１とおいた場合のＧｆ（ｓ）をＧｆ１（ｓ）とおく。
Ｇｆ１（ｓ）＝（Ｊａ・ｓ３＋Ｋｖ・ｓ２＋Ｋｘ・ｓ＋Ｋｉ）／ｓ  ・・・・（式２０
【００４７】
次に、フィードフォワードトルクτｆから実位置ｘｍまでの伝達関数は外乱トルクτｄから実位置ｘｍまでの応答Ｇτ（ｓ）と全く同じである。したがって、位置指令ｘｒから実位置ｘｍまでの応答は次の式２１で表される。
ｘｍ／ｘｒ＝Ｃｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）
＝Ｇａ（ｓ）・Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）    ・・・・（式２１）
【００４８】
ここで、上式においてＧａ（ｓ）は上述のように、モデル信号演算部４の伝達特性Ｇａ（ｓ）であり、これをローパス特性とすることにより、モデル信号演算部４および制御対象１の応答の速さを設定する部分である。また、式２１で表される位置指令ｘｒから実位置ｘｍまでの応答からモデル伝達特性を除いた伝達特性Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）が応答を補正する特性となり、このＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の伝達特性は式１９より次の式２２となる。
Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）＝（ατ・Ｊａ・ｓ２＋αｖ・Ｋｖ・ｓ＋αｘ・Ｋｘ＋Ｋｉ／ｓ）・Ｇτ（ｓ）    ・・・・（式２２）
【００４９】
上記の式２２より、Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の応答は図２に示した外乱応答Ｇτ（ｓ）の積分、比例、微分、２階微分の応答の線形和となる。図４にＫｉ・Ｇτ（ｓ）／ｓ、Ｋｘ・Ｇτ（ｓ）、Ｋｖ・ｓ・Ｇτ（ｓ）、Ｊａ・ｓ２・Ｇτ（ｓ）のステップ応答をそれぞれ示す。また、制御対象１が理想モデルの場合、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを全て１とするとＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）はＧｆ１（ｓ）・Ｇτ１（ｓ）となり、上述の説明および式１６と式２０より、Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の伝達特性は１に一致する。すなわち、この場合には、図４に示した４つの波形を加算すると１となる。したがって、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘは、１を基準に設定するものである。
【００５０】
ここで、上述のように制御対象１にはモデル誤差が有るため、Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の応答は１に近いながらも微少な誤差を生じる。位置指令ｘｒから実位置ｘｍまでの応答は上記の式２１であるため、式１１に示したモデルの応答Ｇａ（ｓ）の応答周波数ωａを小さくすると、モデルの応答自体の高い周波数成分が除去されるため、モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの誤差が小さくなる。したがって、機械共振などの高周波数で生じる誤差については、モデルの応答周波数ωａを所定量小さくすることによって、モデルの応答をそれほど遅くすることなく、モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの誤差を小さくすることができる。しかしながら、式３に示した粘性摩擦や、それによって生じるオーバーシュートなどの比較的低い周波数で生じる誤差について、モデルの応答周波数ωａを更に小さくして誤差を低減しようとすると、第１の従来技術で説明した通り、モデルの応答周波数ωａをかなり小さくする必要が有るため、結果的に位置指令ｘｒに対する実位置ｘｍの応答がかなり遅くなってしまう。
【００５１】
そこで、例えば位置フィードフォワードゲインαｘを１から減じた場合、Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の応答波形が、αｘが１の場合に比べて図４におけるＫｘ・Ｇτ（ｓ）の波形に（１−αｘ）を乗じた波形を減じたものに変化する。このように、フィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατを１から変更することにより、フィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉを変更することなく、すなわち外乱応答は例えば、図２に示すように最適に保ったまま、また位置指令ｘｒに対する実位置ｘｍの応答をあまり遅くすることなく、位置指令ｘｒに対する実位置ｘｍの応答を調整することが可能になる。
【００５２】
また、制御対象１のモデル誤差の特性は様々であり、このような不確かさにきめ細かく対応してなるべく速く整定させるためには、位置フィードフォワードゲインαｘ、速度フィードフォワードゲインαｖおよびトルクフィードフォワードゲインατを独立に調整することにより、フィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉを最適な値に固定したまま、不確かさにきめ細かく対応して、なるべく速く整定させることが可能になる。
【００５３】
また、図２に示したように、フィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉの通常の調整では、外乱応答Ｇτ（ｓ）のステップ応答は符号が正の方向のみに応答するため、位置指令ｘｒに対する実位置ｘｍの応答がオーバーシュートを起こした場合、前述のようにαｘを小さくすれば、必ずオーバーシュートを抑制する方向へ作用する。そこで一例として、図５に、制御対象１の特性を理想モデルとしたシミュレーションで、速度フィードフォワードゲインαｖおよびトルクフィードフォワードゲインατは１に固定したまま、αｘを小さく変化させた場合のＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の応答の変化の様子を示す。図５に示したＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の応答の変化より、実際の実位置ｘｍの応答が微少なオーバーシュートを起こした場合は、位置フィードフォワードゲインαｘだけを１より少し小さくすることにより、簡単な制御器内の演算と簡単な調整でオーバーシュートを抑制することが可能である。
【００５４】
また、上記では位置フィードフォワードゲインαｘだけを小さくするとしたが、図５に示した位置フィードフォワードゲインαｘだけを１より小さくした場合のＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）のステップ応答は、時刻０の直後に１まで立上り、その後一旦小さくなり再び緩やかに上昇して１に達している。すなわち位置指令ｘｒに対するトルク指令τｒには、オーバーシュートの抑制にはあまり関与しない高い周波数成分が大きく含まれている。一方、制御対象１の高周波数領域における特性には機械共振が含まれていることが多いため、オーバーシュート抑制に寄与しないトルク指令τｒの高周波数成分は低減した方が機械共振の抑制効果が大きくなる。したがって、オーバーシュートを抑制するために位置フィードフォワードゲインαｘを１より小さくすると同時に、速度フィードフォワードゲインαｖやトルクフィードフォワードゲインατも１より小さくした方が振動抑制効果が大きくなり整定時間の短縮につながる。
【００５５】
ここで、例えば速度フィードフォワードゲインαｖを小さくしたことによるＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）のステップ応答の変化は、図４のＫｖ・ｓ・Ｇτ（ｓ）の波形に定数を掛けたものを減じることになり、またトルクフィードフォワードゲインατを小さくしたことによるＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）のステップ応答の変化は、図４のＪａ・ｓ２・Ｇτ（ｓ）の波形に定数をかけたものを減じることになるため、応答波形は正負の両方向へ変化し、不用意に速度フィードフォワードゲインαｖやトルクフィードフォワードゲインατを小さくすると、それが逆にオーバーシュートを増大させる原因となったり、特定の周波数成分が残るため応答が振動的になったりする。したがって、フィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατに、適切な関係式を持たせることにより、簡単な調整でオーバーシュートを抑制し、なおかつ振動抑制効果も得ることが可能になる。
【００５６】
次に、その一例としてフィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατに次の式２３の関係を持たせた場合を説明する。
αｘ＝αｖ＝ατ    ・・・・（式２３）
【００５７】
上記の式２３の関係を持たせてフィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατを１から小さくした場合のＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の応答は、式２３より次の式２４で表される。
Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）＝αｘ・Ｇｆ１（ｓ）・Ｇτ（ｓ）＋Ｋｉ・（１−αｘ）・Ｇτ（ｓ）／ｓ    ・・・・（式２４）
すなわち、Ｇｆ１（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の伝達特性は１に近いので、Ｇｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）のステップ応答波形は、高さαｘのステップ状変化と、図４に示したＫｉ・Ｇτ（ｓ）／ｓの波形を定数倍したものとの和になる。図６に、Ｇｆ１（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の伝達特性を１とし、式２３の関係を持たせた上でフィードフォワードゲインαｘを小さくした場合のＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）のステップ応答の変化を示す。図の変化の様子より、Ｇｆ１（ｓ）・Ｇτ（ｓ）が微少なオーバーシュートを起こす場合には、式２３の関係を持たせた上でフィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατを小さくすると、なめらかに、また一つのパラメータαｘによる簡単な調整で、オーバーシュートを抑制することが可能になる。
【００５８】
次に、一例としてフィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατに次の式２５の関係を持たせた場合を説明する。
αｖ＝αｘ２、ατ＝αｘ３    ・・・・（式２５）
【００５９】
上記の式２５の関係を持たせてフィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατを１から小さくした場合のＧｆ（ｓ）は下式で表される。
Ｇｆ（ｓ）＝｛Ｊａ・（αｘ・ｓ）３＋Ｋｖ・（αｘ・ｓ）２＋Ｋｘ・αｘ・ｓ＋Ｋｉ）／ｓ
図７に、Ｇｆ１（ｓ）・Ｇτ（ｓ）の伝達特性を１とし、式２５の関係を持たせた上でフィードフォワードゲインαｘを小さくした場合のＧｆ（ｓ）・Ｇτ（ｓ）のステップ応答の変化を示す。図の変化の様子より、Ｇｆ１（ｓ）・Ｇτ（ｓ）が微少なオーバーシュートを起こす場合には、式２５の関係を持たせた上でフィードフォワードゲインαｘ、αｖ、ατを小さくすると、立ち上がりを小さく、すなわち高周波数成分をより小さくしながら、なめらかに、また一つのパラメータαｘによる簡単な調整でオーバーシュートを抑制することが可能になる。
【００６０】
実施の形態１は以上のように構成することにより、フィードフォワードゲイン設定要素である位置フィードフォワード増幅器１２を備え、位置フィードフォワードゲインαｘを速度フィードフォワードゲインαｖと独立にかつ速度比例ゲインＫｖ、位置比例ゲインＫｘ、位置積分ゲインＫｉと独立に１以外の値に設定できるため、またトルクフィードフォワードゲインατや速度フィードフォワードゲインαｖが１のままでも位置フィードフォワード増幅器１２における位置フィードフォワードゲインαｘを１を基準にして小さく微調整することにより、簡単な制御器の演算で、外乱応答を最適に保ったままオーバーシュートを抑制して高速に整定させることが可能である。
【００６１】
また、実施の形態１はフィードフォワード設定要素であるトルクフィードフォワード増幅器１０と速度フィードフォワード増幅器１１と位置フィードフォワード増幅器１２を備え、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを互いに独立に、かつフィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉと独立に１以外の値に設定できるため、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを１を基準にきめ細かく微調整することにより、外乱応答を最適に保ったまま、高速に整定させることが可能である。
【００６２】
さらに、実施の形態１はフィードフォワード設定要素であるトルクフィードフォワード増幅器１０と速度フィードフォワード増幅器１１と位置フィードフォワード増幅器１２を備え、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘをフィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉと独立で適切な関係式を用いて一つのパラメータで設定することによって、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを１を基準に一つのパラメータαｘで微調整することにより、外乱応答を最適に保ったままオーバーシュートを抑制して滑らかかつ高速に整定させることが可能である。
【００６３】
さらに、実施の形態１はモデル信号演算部４における位置指令ｘｒからモデル位置ｘａまでの応答がローパス特性となるように構成し、フィードフォワード設定要素である位置フィードフォワード増幅器１２を備え位置フィードフォワードゲインαｘを１以外の値に設定できるため、モデル伝達特性Ｇａ（ｓ）をローパス特性として機械共振の励起を抑制し、位置フィードフォワードゲインαｘを１を基準にして小さく微調整することにより、外乱応答を最適に保ったまま、振動を抑制し、オーバーシュートを抑制して高速に整定させることが可能である。
【００６４】
なお、以上の実施の形態１の説明では、トルク指令演算部５においてトルクフィードフォワード増幅器を備えるとして構成したが、モデル信号演算部４における式１４の伝達関数演算で、モデルイナーシャＪａを制御対象１のイナーシャＪにトルクフィードフォワードゲインατを乗じた値にするように構成しても、全く同じ効果を持つことは言うまでもない。
【００６５】
また、例えば速度比例補償器８の出力などの信号に、ローパスフィルタを挿入したような場合も、本発明の本質的効果に変わりなく、同様の効果を持つことは言うまでもない。
更に、高周波の機械共振の抑制は、その条件によっては、モデル信号演算部４の伝達関数をローパス特性とすることによるのではなく、上述した各フィードフォワードゲインの設定を調整することにより行うこともできることは言うまでもない。
【００６６】
実施の形態２．
図８は実施の形態２の位置制御装置の構成を示すブロック図である。図８において図１と同一符号は同一部分を示し、その説明を省略する。
【００６７】
１０５はトルク指令演算部である。１０６は位置積分器である。１０７は速度比例補償器、１０８は位置比例補償器、１０９は位置積分補償器である。１１０はトルクフィードフォワード増幅器、１１１は速度フィードフォワード増幅器、１１２は位置フィードフォワード低減器である。
【００６８】
図１に示した実施の形態１ではモデル位置ｘａに位置フィードフォワードゲインαｘを乗じたフィードフォワード位置ｘｆと実位置との差信号を用いてトルク指令τｒを演算していたが、位置指令ｘｒの移動距離が大きい場合には、定常的に位置比例補償器８の出力が大きくなり、またこの出力を相殺するように位置積分補償器９の出力信号が大きな値を持つため、計算条件が悪くなる可能性が有るが、この実施の形態２は以上の不具合を解消したものである。
【００６９】
次に実施の形態２の動作について説明する。実施の形態１と異なる部分であるトルク指令演算部１０５の動作について説明する。トルク指令演算部１０５はモデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力する。トルク指令演算部１０５の内部においてトルクフィードフォワード増幅器１１０はモデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗じたフィードフォワードトルクτｆを出力し、速度フィードフォワード増幅器１１１はモデル速度ｖａに速度フィードフォワードゲインαｖを乗じたフィードフォワード速度ｖｆを出力し、位置フィードフォワード低減器１１２はモデル速度ｖａに位置フィードフォワード低減ゲインβｘを乗じたフィードフォワード位置（位置フィードフォワード低減信号）ｘｆを出力する。
【００７０】
次に位置積分器１０６はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差から上記の位置フィードフォワード低減信号ｘｆを減じた信号を積分した信号を出力し、速度比例補償器１０７はフィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの偏差に速度比例ゲインＫｖを乗じた信号を出力し、位置比例補償器１０８はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差に位置比例ゲインＫｘを乗じた信号を出力し、位置積分補償器１０９は位置積分器１０６の出力信号に位置積分ゲインＫｉを乗じた信号を出力し、トルク指令演算部１０５はフィードフォワードトルクτｆと速度比例補償器１０７の出力と位置比例補償器１０８の出力と位置積分補償器１０９との出力の和信号をトルク指令τｒとして出力することにより制御対象１を制御する。
【００７１】
以上のように構成することにより、トルク指令演算部１０５はモデル位置ｘａ、モデル速度ｖａ、モデルトルクτａ、実位置ｘｍ、実速度ｖｍに基づき次の式２６の伝達関数演算によりトルク指令τｒを出力する。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ（ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ−βｘ・ｖａ）      ・・・・（式２６）
【００７２】
ここで、モデル速度ｖａの積分はモデル位置ｘａであるため、信号をトルク、速度、位置、位置の積分の次元で纏めるように式２６を変換すると、次の式２７となる。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ｛（１−Ｋｉ・βｘ／Ｋｘ）ｘａ−ｘｍ｝＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）      ・・・・（式２７）
【００７３】
したがって、位置フィードフォワードゲインαｘを下式の式２８で定義すると、上記の式２６の演算は実施の形態１のトルク指令演算部５における式１５の演算と全く同じになる。
αｘ＝１−Ｋｉ・βｘ／Ｋｘ      ・・・・（式２８）
【００７４】
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）    ・・・・（式１５）
【００７５】
また位置フィードフォワード低減ゲインβｘを設定することにより、位置フィードフォワードゲインαｘを速度フィードフォワードゲインαｖおよびフィードバックゲインＫｖ、Ｋｘ、Ｋｉと独立に設定することが可能である。
【００７６】
上記のように構成することにより、実施の形態２は実施の形態１と全く同様の効果を持ち、しかも、位置指令ｘｒが大きくなっても位置比例補償器１０８の出力が特に大きくなるということがなく、安定した動作特性が得られる。
【００７７】
実施の形態３．
図９は実施の形態３の制御系を示すブロック図である。図９において図１と同一符号は同一部分を示し、その説明を省略する。
【００７８】
２０５はトルク指令演算部である。２０６は位置補償器、２０７は速度ＰＩ補償器である。２１０はトルクフィードフォワード増幅器、２１１は速度フィードフォワード増幅器である。
【００７９】
次に実施の形態３の動作について説明する。実施の形態１と異なる部分であるトルク指令演算部２０５の動作について説明する。トルク指令演算部２０５はモデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力する。トルク指令演算部２０５の内部においてトルクフィードフォワード増幅器２１０はモデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗じたフィードフォワードトルクτｆを出力し、速度フィードフォワード増幅器２１１はモデル速度ｖａに速度フィードフォワードゲインαｖを乗じたフィードフォワード速度ｖｆを出力する。
【００８０】
次に位置補償器２０６はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差に位置ゲインωｘを乗じた信号を出力し、速度ＰＩ補償器２０７はフィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの差信号に位置補償器１０６の出力を加えた信号を入力し、速度比例ゲインＫｖと積分ゲインωＰＩのＰＩ（比例積分）演算を行って誤差補償トルクτｃを出力する。また、トルク指令演算部２０５はフィードフォワードトルクτｆと誤差補償トルクτｃとの和信号をトルク指令τｒとして出力する。すなわちトルク指令演算部２０５は以下の式２９の演算によりトルク指令τｒを演算する。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（１＋ωＰＩ／ｓ）｛αｖ・ｖａ−ｖｍ＋ωｘ（ｘａ−ｘｍ）｝    ・・・・（式２９）
【００８１】
ここで、モデル速度ｖａの積分はモデル位置ｘａであるため、信号をトルク、速度、位置、位置の積分の次元で纏めるように式２９を変換すると、次の式３０、式３１、式３２、式３３となる。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）    ・・・・（式３０）
ただし、
Ｋｘ＝Ｋｖ（ωｘ＋ωＰＩ）    ・・・・（式３１）
Ｋｉ＝Ｋｖ・ωｘ・ωＰＩ    ・・・・（式３２）
αｘ＝（ωｘ＋αｖ・ωＰＩ）／（ωｘ＋ωＰＩ）    ・・・・（式３３）
【００８２】
上記の式３１、式３２、式３３より、式３０における位置フィードフォワードゲインαｘは、速度フィードフォワードゲインαｖと独立かつ位置比例ゲインＫｘおよび位置積分ゲインＫｉと独立に設定することはできない。しかしながら、速度フィードフォワード増幅器２１１における速度フィードフォワードゲインαｖを１より小さくすることにより式１５における位置フィードフォワードゲインαｘも１より小さくなる。また、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フォードフォワードゲインαｖとの関係は式３３により、フィードバックゲインである位置ゲインωｘと積分ゲインωＰＩとの関係で決まるため、フィードバック特性は多少変化するがこの位置ゲインωｘと積分ゲインωＰＩとの大小関係を調整することにより、速度フォードフォワードゲインαｖを小さくすることによって位置フィードフォワードゲインαｘが急速に小さくなり、速度フォードフォワードゲインαｖを調整することでオーバーシュートの抑制が確実にできる。
【００８３】
また、高周波数の機械共振に対しては、実施の形態１と同様に、モデル信号演算部４におけるモデル伝達特性Ｇａ（ｓ）の応答周波数ωａを小さくすることにより、機械振動抑制効果が大きく得られる。
【００８４】
以上のように構成することにより、実施の形態３は位置指令ｘｒからモデル位置ｘａまでの伝達特性がローパス特性をもつモデル信号演算部４を備え、フィードフォワードゲイン設定要素である速度フィードフォワード増幅器２１１によって位置フィードフォワードゲインαｘを小さくすることにより、外乱抑制効果は多少犠牲にするが、比較的簡単な演算で振動を抑制し、オーバーシュートを抑制して高速に整定させることが可能である。
【００８５】
実施の形態４．
図１０は実施の形態４の制御系を示すブロック図である。図１０において図１と同一符号は同一部分を示し、その説明を省略する。
【００８６】
３０４は外部から位置指令ｘｒを入力しモデル位置ｘａとモデル速度ｖａとモデルトルクτａとを出力するモデル信号演算部である。３１３は第１の微分器である。３１４は第２の微分器である。３１５はイナーシャ増幅器である。３０５はトルク指令演算部である。３０６は位置補償器、３０７は速度ＰＩ補償器である。３１０はトルクフィードフォワード増幅器、３１１は速度フィードフォワード低減器、３１２は位置フィードフォワード低減器である。
【００８７】
次に実施の形態４の動作を説明する。モデル信号演算部３０４は位置指令ｘｒを入力し、第１の微分器３１３は位置指令ｘｒを微分して速度指令ｖｒを出力し、第２の微分器３１４は速度指令ｖｒを微分して加速度指令ａｒを出力し、イナーシャ増幅器３１５は加速度指令ａｒに予め設定した制御対象１のイナーシャの推定値Ｊａを乗じたモデルトルクτａを出力する。
【００８８】
以上の動作によりモデル信号演算部３０４では以下の式３４、式３５、式３６の伝達関数演算を行っている。
ｘａ＝ｘｒ    ・・・・（式３４）
ｖａ＝ｓ・ｘｒ    ・・・・（式３５）
τａ＝Ｊａ・ｓ２・ｘｒ    ・・・・（式３６）
【００８９】
上記の式３４、式３５、式３６より、実施の形態４におけるモデル信号演算部３０４は、実施の形態１におけるモデル信号演算部４において、モデル伝達特性Ｇａ（ｓ）を１としたものに他ならない。したがってモデル伝達特性Ｇａ（ｓ）はローパス特性を持たないが、それ以外の点では実施の形態１と同様の特性を持つ。
【００９０】
次にトルク指令演算部３０５の動作について説明する。トルク指令演算部３０５はモデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力する。トルク指令演算部３０５の内部においてトルクフィードフォワード増幅器３１０はモデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗じたフィードフォワードトルクτｆを出力し、速度フィードフォワード低減器３１１はモデル速度ｖａに速度フィードフォワード低減ゲインγｖを乗じたフィードフォワード速度（速度フィードフォワード低減信号）ｖｆを出力し、位置フィードフォワード低減器３１２はモデル位置ｘａに位置フィードフォワード低減ゲインγｘを乗じたフィードフォワード位置（位置フィードフォワード低減信号）ｘｆを出力する。
【００９１】
次に位置補償器３０６はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差に位置ゲインωｘを乗じた信号を出力し、速度ＰＩ補償器３０７はモデル速度ｖａと実速度ｖｍとの偏差に位置補償器３０６の出力を加えた信号を入力し、速度比例ゲインＫｖと積分ゲインωＰＩのＰＩ（比例積分）演算を行って誤差補償トルクτｃを出力する。また、トルク指令演算部３０５はフィードフォワードトルクτｆから速度フィードフォワード低減信号ｖｆと位置フィードフォワード低減信号ｘｆとを減算した信号に誤差補償トルクτｃを加算した信号をトルク指令τｒとして出力する。すなわちトルク指令演算部３０５は以下の式３７の演算によりトルク指令τｒを演算する。
τｒ＝ατ・τａ−γｖ・ｖａ−γｘ・ｘａ＋Ｋｖ・（１＋ωＰＩ／ｓ）｛ｖａ−ｖｍ＋ωｘ（ｘａ−ｘｍ）｝    ・・・・（式３７）
【００９２】
ここで、モデル速度ｖａの積分はモデル位置ｘａ、実速度ｖｍの積分は実位置ｘｍであるため、信号をトルク、速度、位置、位置の積分の次元で纏めるように式３７を変換すると、次の式３８、式３９、式４０、式４１となる。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）    ・・・・（式３８）
ただし、
Ｋｘ＝Ｋｖ（ωｘ＋ωＰＩ）    ・・・・（式３９）
Ｋｉ＝Ｋｖ・ωｘ・ωＰＩ    ・・・・（式４０）
αｖ＝１−γｖ／Ｋｖ    ・・・・（式４１）
αｘ＝１−γｘ／Ｋｘ    ・・・・（式４２）
【００９３】
したがって、速度フィードフォワード低減器３１１で速度フィードフォワード低減ゲインγｖを設定することにより速度フィードフォワードゲインαｖを独立に設定でき、位置フィードフォワード低減器３１２で位置フィードフォワード低減ゲインγｘを設定することにより位置フィードフォワードゲインαｘを独立に設定できる。
【００９４】
実施の形態４は以上のように構成することにより、フィードバック制御系を位置補償器と速度ＰＩ補償器とで構成する場合にも、フィードフォワードゲイン設定要素である位置フィードフォワード低減器３１２を備え、位置フィードフォワードゲインαｘを速度フィードフォワードゲインαｖと独立にかつフィードバックゲインと独立に１以外の値に設定できるため、またトルクフィードフォワードゲインατや速度フィードフォワードゲインαｖが１のままでも位置フィードフォワードゲインαｘを１を基準にして小さく微調整することにより、簡単な制御器の演算で、外乱応答を最適に保ったままオーバーシュートを抑制して高速に整定させることが可能である。
【００９５】
また、実施の形態４はフィードフォワード設定要素であるトルクフィードフォワード増幅器３１０と速度フィードフォワード低減器３１１と位置フィードフォワード低減器３１２を備え、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを互いに独立に、かつフィードバックゲインと独立に１以外の値に設定できるため、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを１を基準にきめ細かく微調整することにより、外乱応答を最適に保ったまま、高速に整定させることが可能である。
【００９６】
実施の形態５．
図１１は実施の形態５の制御系構成を示すブロック図である。図１１において図１と同一符号は同一部分を示し、その説明を省略する。
【００９７】
４０５はトルク指令演算部である。４０６は積分器である。４０７は速度比例補償器、４０８は位置比例補償器、４０９は位置積分補償器である。４１０はトルクフィードフォワード増幅器、４１１は速度フィードフォワード増幅器である。
【００９８】
次に実施の形態５の動作について説明する。実施の形態１と異なる部分であるトルク指令演算部４０５の動作について説明する。トルク指令演算部４０５はモデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力する。トルク指令演算部４０５の内部においてトルクフィードフォワード増幅器４１０はモデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗じたフィードフォワードトルクτｆを出力し、速度フィードフォワード増幅器４１１はモデル速度ｖａに速度フィードフォワードゲインαｖを乗じたフィードフォワード速度ｖｆを出力する。
【００９９】
次に位置積分補償器４０９はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差に位置積分ゲインωｉを乗じた信号を出力し、積分器４０６は位置積分補償器４０９の出力からモデル速度ｖａとフィードフォワード速度ｖｆとの差信号を減算した信号を入力し積分した信号を出力する。次に位置比例補償器４０８はモデル位置ｘａと実位置ｘｍとの差信号に積分器４０６の出力を加算した信号を入力し、位置ゲインωｘを乗じた信号を出力する。次に速度比例補償器４０７はフィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの差信号に位置比例補償器４０８の出力を加算した信号を入力し速度比例ゲインＫｖを乗じた信号を出力し、トルク指令演算部４０５は速度比例補償器４０７の出力とフィードフォワードトルクτｆとの和信号をトルク指令τｒとして出力する。すなわちトルク指令演算部４０５は次の式４３の演算によりトルク指令τｒを演算する。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ［αｖ・ｖａ−ｖｍ＋ωｘ｛ｘａ−ｘｍ＋（１／ｓ）（ωｉ（ｘａ−ｘｍ）−（１−αｖ）ｖａ）｝］    ・・・・（式４３）
【０１００】
ここで、モデル速度ｖａの積分はモデル位置ｘａであるため、信号をトルク、速度、位置、位置の積分の次元で纏めるように式４３を変換すると、次の式４４、式４５、式４６、式４７となる。
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）    ・・・・（式４４）
ただし、
Ｋｘ＝ωｘ・Ｋｖ    ・・・・（式４５）
Ｋｉ＝ωｉ・ωｘ・Ｋｖ    ・・・・（式４６）
αｘ＝αｖ    ・・・・（式４７）
【０１０１】
上記の式４５、式４６、式４７より、式１５における位置フィードフォワードゲインαｘは、速度フィードフォワードゲインαｖと同じ値になる。またフィードフォワードゲイン設定要素であるトルクフィードフォワード増幅器４１０によりトルクフィードフォワードゲインατを、また速度フィードフォワード増幅器４１１の速度フィードフォワードゲインαｖを設定することにより、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを、フィードバックゲインと独立に設定することが可能である。更に、図１１におけるトルクフィードフォワードゲインατを速度フィードフォワードゲインαｖと同じ値にするような関係式を持たせると、式４４におけるフィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘの間に実施の形態１における式２３の関係が成立するため、実施の形態１と同様に一つのパラメータαｖで滑らかにオーバーシュートを抑制するように調整できる。
【０１０２】
実施の形態５は以上のように構成することにより、フィードフォワード設定要素であるトルクフィードフォワード増幅器４１０と速度フィードフォワード増幅器４１１を備え、比較的簡単な演算で、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フォードフォワードゲインαｖとを良好な関係に保ったまま、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘの全てをフィードバックゲインと独立に１以外の値に設定できるため、オーバーシュートを抑制し、外乱応答を最適に保ったまま、高速に整定させることが可能である。
【０１０３】
また、実施の形態５はフィードフォワード設定要素であるトルクフィードフォワード増幅器４１０と速度フィードフォワード増幅器４１１を備え、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘをフィードバックゲインと独立で適切な関係式を用いて一つのパラメータで設定することによって、フィードフォワードゲインατ、αｖ、αｘを１を基準に一つのパラメータαｖで微調整することにより、外乱応答を最適に保ったままオーバーシュートを抑制して滑らかかつ高速に整定させることが可能である。
【０１０４】
なお、この発明は、上記各実施の形態で説明した具体的回路構成例に限られるものではなく、上記した所定のモデル信号演算部およびフィードバック制御部とフィードフォワード制御部とを有するトルク指令演算部を備え、位置フィードフォワードゲインを速度フィードフォワードゲインと独立に、かつフィードバックゲインと独立に、また、位置、速度、トルクの各フィードフォワードゲインのすべてをフィードバックゲインと独立に設定可能とする種々の回路構成例に適用できることは言うまでもない。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る位置制御装置は、制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
上記フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう上記位置フィードフォワードゲインαｘを上記速度フィードフォワードゲインαｖと独立に、かつ上記フィードバックゲインと独立に１以外の値に設定可能な構成としたので、位置フィードフォワードゲインを１を基準に変更するという簡単な微調整により、各フィードバックゲインＫｘ、Ｋｖ、Ｋｉで決まる外乱に対する特性を最適に保ったまま、オーバーシュートを抑制でき、高速に整定可能な制御を実現することができる。
【０１０６】
また、この発明に係る位置制御装置は、制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
上記フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう上記位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとのすべてを上記フィードバックゲインと独立に１以外の値に設定可能な構成としたので、位置フィードフォワードゲインと速度フィードフォワードゲインとトルクフィードフォワードゲインとを１を基準に変更するという簡単な微調整により、各フィードバックゲインＫｘ、Ｋｖ、Ｋｉで決まる外乱に対する特性を最適に保ったまま、オーバーシュートを抑制でき、高速に整定可能な制御を実現することができる。
【０１０７】
また、この発明に係る位置制御装置は、制御対象をモデルとして想定し上記制御対象のイナーシャ推定値を用いた演算により、入力した位置指令ｘｒからモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号を作成するモデル信号演算部、およびこのモデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号と上記制御対象の位置検出信号である実位置ｘｍ、速度検出信号である実速度ｖｍの各信号とを入力し、上記制御対象のトルク指令τｒを作成するトルク指令演算部を備え、外部からの位置指令ｘｒと上記実位置ｘｍ、上記実速度ｖｍとを入力し上記トルク指令τｒを出力し、上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒに応じたトルクを発生して上記制御対象を制御する位置制御装置において、
上記モデル信号演算部は、上記位置指令ｘｒを入力して所定の伝達関数演算により演算したモデル位置ｘａとこのモデル位置ｘａの微分信号であるモデル速度ｖａとこのモデル速度ｖａの微分信号であるモデル加速度に上記制御対象のイナーシャ推定値を乗じたモデルトルクτａとを出力し、
上記トルク指令演算部は、上記モデル信号演算部からのモデルトルクτａ、モデル速度ｖａ、モデル位置ｘａの各信号にそれぞれ１を基準に設定したトルクフィードフォワードゲインατ、速度フィードフォワードゲインαｖおよび位置フィードフォワードゲインαｘを乗算して出力するフィードフォワード制御部、および外乱に対して設定したフィードバックゲインである位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとに基づき上記実位置ｘｍが上記位置指令ｘｒに一致するように上記トルク指令τｒを演算するフィードバック制御部を備え、
上記トルク指令演算部は、上記モデルトルクτａとモデル速度ｖａとモデル位置ｘａと実速度ｖｍと実位置ｘｍとを入力し、位置比例ゲインＫｘと速度比例ゲインＫｖと位置積分ゲインＫｉとトルクフィードフォワードゲインατと速度フィードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを用いた次式で表される演算に基づいて上記トルク指令τｒを出力し、
τｒ＝ατ・τａ＋Ｋｖ・（αｖ・ｖａ−ｖｍ）＋Ｋｘ・（αｘ・ｘａ−ｘｍ）＋Ｋｉ（１／ｓ）（ｘａ−ｘｍ）
ｓ：ラプラス演算子
フィードフォワード制御部は、上記フィードバック制御部による外乱応答を最適に保って上記モデルと制御対象との誤差に対する補償ができるよう位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、フィードバックゲインと独立な関係式を用いて設定する構成としたので、各フィードバックゲインＫｘ、Ｋｖ、Ｋｉで決まる外乱に対する特性を最適に保ったまま、より簡単な微調整でオーバーシュートを抑制でき、高速に整定可能な制御を実現することができる。
【０１０８】
また、この発明に係る位置制御装置のフィードフォワード制御部は、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、次式の関係を用いて設定する構成としたので、各フィードバックゲインＫｘ、Ｋｖ、Ｋｉで決まる外乱に対する特性を最適に保ったまま、１つのパラメータによる簡単な微調整で滑らかにオーバーシュートを抑制でき、高速に整定可能な制御を実現することができる。
（位置フィードフォワードゲインαｘ）＝（速度フィードフォワードゲインαｖ）
＝（トルクフィードフォワードゲインατ）
【０１０９】
また、この発明に係る位置制御装置のフィードフォワード制御部は、位置フィードフォワードゲインαｘと速度フィードフォワードゲインαｖとトルクフィードフォワードゲインατとを、次式の関係を用いて設定する構成としたので、各フィードバックゲインＫｘ、Ｋｖ、Ｋｉで決まる外乱に対する特性を最適に保ったまま、１つのパラメータによる簡単な微調整で滑らかにオーバーシュートを抑制でき、高速に整定可能な制御を実現することができる。
（トルクフィードフォワードゲインατ）＝（位置フィードフォワードゲインαｘ）３
（速度フィードフォワードゲインαｖ）＝（位置フィードフォワードゲインαｘ）２
【０１１０】
また、この発明に係る位置制御装置のトルク指令演算部は、モデルトルクτａにトルクフィードフォワードゲインατを乗算したフィードフォワードトルクτｆを出力するトルクフィードフォワード増幅器、モデル速度ｖａに速度フィードフォワードゲインαｖを乗算したフィードフォワード速度ｖｆを出力する速度フィードフォワード増幅器、上記モデル速度ｖａに位置フィードフォワード低減ゲインβｘを乗算したフィードフォワード位置ｘｆを出力する位置フィードフォワード低減器、モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差から上記フィードフォワード位置ｘｆを減算した信号を積分した信号を出力する位置積分器、上記フィードフォワード速度ｖｆと実速度ｖｍとの偏差に速度比例ゲインＫｖを乗算した信号を出力する速度比例補償器、上記モデル位置ｘａと実位置ｘｍとの偏差に位置比例ゲインＫｘを乗算した信号を出力する位置比例補償器、および上記位置積分器の出力に位置積分ゲインＫｉを乗算した信号を出力する位置積分補償器を備え、
位置フィードフォワードゲインαｘは次式で設定するとともに、上記フィードフォワードトルクτｆおよび上記速度比例補償器、位置比例補償器、位置積分補償器の出力信号の加算値をトルク指令τｒとして出力するので、位置指令ｘｒが大きい場合も、安定した制御動作がなされる。
αｘ＝１−Ｋｉ・βｘ／Ｋｘ
【０１１１】
また、この発明に係る位置制御装置のモデル信号演算部は、その位置指令からモデル位置までの伝達特性が所定の周波数以上をカットするローパス特性となるように構成したので、トルクフィードフォワードゲインατと速度フォードフォワードゲインαｖと位置フィードフォワードゲインαｘとを１を基準に最適に調整することにより、外乱に対する特性を最適に保ったまま、機械共振の励起を抑制しながら、高速に整定可能な制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１の位置制御装置の構成図である。
【図２】  通常の制御系の外乱に対する応答波形を示す図である。
【図３】  一般的な二自由度制御系も構成図である。
【図４】  本発明の信号の応答特性を示す図である。
【図５】  本発明の実施の形態１における応答変化の一例を示す図である。
【図６】  本発明の実施の形態１における応答変化の一例を示す図である。
【図７】  本発明の実施の形態１における応答変化の一例を示す図である。
【図８】  本発明の実施の形態２の位置制御装置の構成図である。
【図９】  本発明の実施の形態３の位置制御装置の構成図である。
【図１０】  本発明の実施の形態４の位置制御装置の構成図である。
【図１１】  本発明の実施の形態５の位置制御装置の構成図である。
【図１２】  第１の従来技術の位置制御装置の構成図である。
【図１３】  第２の従来技術の位置制御装置の構成図である。
【符号の説明】
１  制御対象、２  位置検出器、３  速度検出器、４，３０４  モデル信号演算部、
５，１０５，２０５，３０５，４０５  トルク指令演算部、６，１０６  位置積分器、
７，１０７  速度比例補償器、８，１０８  位置比例補償器、
９，１０９  位置積分補償器、
１０，１１０，２１０，３１０，４１０  トルクフィードフォワード増幅器、
１１，１１１，２１１，４１１  速度フィードフォワード増幅器、
１２  位置フィードフォワード増幅器、１１２  位置フィードフォワード低減器、
２０６，３０６  位置補償器、２０７，３０７  速度ＰＩ補償器、
３１１  速度フィードフォワード低減器、３１２  位置フィードフォワード低減器、
４０６  積分器、４０７  速度比例補償器、４０８  位置比例補償器、
４０９  位置積分補償器、ｘｒ  位置指令、ｘｍ  実位置、ｖｍ  実速度、
τａ  モデルトルク、ｖａ  モデル速度、ｘａ  モデル位置、
ατ  トルクフィードフォワードゲイン、αｖ  速度フィードフォワードゲイン、
αｘ  位置フィードフォワードゲイン、τｆ  フィードフォワードトルク、
ｖｆ  フィードフォワード速度、ｘｆ  フィードフォワード位置、
βｘ  位置フィードフォワード低減ゲイン、γｖ  速度フィードフォワード低減ゲイン、γｘ  位置フィードフォワード低減ゲイン。
【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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