(57)【要約】【課題】オーバーシュートのない速い応答になり、モータ発生トルクが大きくならず速度制御系の安定度を高めるサーボ機構の速度制御装置を提供する。【解決手段】２慣性系を有して、モータ速度をフィードバックし、負荷機械の速度の比例制御を行う比例ゲインを備えたサーボ機構の速度制御装置において、時間[0 T]において、初期値０，最終値１となる関数Ｘ（ｔ）＝t/Ｔ  但し、ｔ：時間、Tは補償を完了する時間、の関数値を発生させ、ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ）×（JL/JM） ｚ（ｔ）＝ｙ（ｔ）＋１ 、とし、速度比例制御器ｋｖの出力とｚ（ｔ）（３７の出力）とを乗算することにより負荷イナーシャの補償を行うものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータイナーシャJMとモータ加速度から速度への積分器、負荷イナーシャＪＬと負荷加速度から速度への積分器と、モータと負荷機械とを結合するバネおよびダンパで示される２慣性系を有して、モータ速度をフィードバックし、負荷機械の速度の比例制御を行う比例ゲインを備えたサーボ機構の速度制御装置において、
時間[0 T]において、初期値０、最終値１となる関数Ｘ（ｔ）＝t/Ｔ、但し、ｔは時間、Tは補償を完了する時間、の関数値を発生させ、
ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ）×（JL/JM）、
ｚ（ｔ）＝ｙ（ｔ）＋１、
とし、速度比例制御器の出力と前記ｚ（ｔ）とを乗算することにより負荷イナーシャの可変ゲイン補償を行う負荷イナーシャ補償器を備えたことを特徴とするサーボ機構の速度制御装置。
【請求項２】
前記関数Ｘ（ｔ）を、
x(t) ＝  0.5 + 0.5cos(2π×fc×t)   t <= T
x(t) = 1   t > T
但し、ｆｃは速度制御のカットオフ周波数、Ｔは補償を完了する時間、
とすることを特徴とする請求項１記載のサーボ機構の速度制御装置。
【請求項３】
前記関数Ｘ（ｔ）を、
x(t) ＝  0.5 + 0.5cos(2π×fｒ×t)   t <= T
x(t) = 1   t > T、
但し、ｆｒは機械共振系の固有周波数、Ｔは補償を完了する時間、
とすることを特徴とする請求項１記載のサーボ機構の速度制御装置。
【請求項４】
モータ速度のフィードバックを負荷機械の速度のフィードバックに変えることを特徴とする請求項１記載のサーボ機構の速度制御装置。
【請求項５】
前記比例速度制御系に位置制御を付加することを特徴とする請求項１記載のサーボ機構の速度制御装置。
【請求項６】
前記負荷イナーシャ補償器は、
定数（ＪＭ／ＪＭ＝１）と、定数（ＪＬ／ＪＭ）と、Ｕ（ｔ）＝ｔ／Ｔのランプ指令発生器と、Ｕ（ｔ）＝（ｔ−Ｔ）／Ｔのランプ指令発生器と、前記ランプ指令同士の減算器と、前記減算器の出力と定数（ＪＬ／ＪＭ）の乗算器と、前記乗算器の出力と定数（ＪＭ／ＪＭ）の加算器と、前記加算器の出力と速度比例制御器の出力の乗算器と、を備えたことを特徴とする請求項１記載のサーボ機構の速度制御装置。
【請求項７】
請求項１記載のサーボ機構の速度制御装置において、
積分制御（伝達関数は Ki/s，Ki は積分ゲイン）を付加し、該積分器の入力ｕを
if │e│>= EM   u = 0;
else               u = e;
但し、ｅ＝速度制御の偏差、ｕは積分器の入力、ＥＭは積分制御を行う最大の速度偏差、
とする負荷外乱補償器を備えたことを特徴とするサーボ機構の速度制御装置。
【請求項８】
モータ発生力のスレッショルドレベルをあらかじめ定め、スレッショルドレベル以上ではu=0、 スレッショルドレベル以下ではu=eとすることを特徴とする請求項７記載のサーボ機構の速度制御装置。
【請求項９】
最大速度偏差EMを速度制御の仕様に応じて、オンライン的に可変にすることを特徴とする請求項７記載のサーボ機構装置の速度制御装置。
【請求項１０】
上位コントローラから許容速度偏差の情報を得て、最大速度偏差EMを設定することを特徴とする請求項７記載のサーボ機構装置の速度制御装置。
【請求項１１】
前記負荷外乱補償器は、速度偏差の絶対値を演算する絶対値演算部と、速度偏差の最大許容値と、前記絶対値と最大許容値の減算器と、ゼロ指令値と、伝達関数Ｋｉ／Ｓの積分制御と、前記積分器への入力ｕをゼロか速度偏差ｅに切替えるスイッチと、を備えたことを特徴とする請求項７記載のサーボ機構の速度制御装置。
【請求項１２】
前記負荷外乱補償器は、前記入力ｕの切替えは行わず、常時積分制御を行うことを特徴とする請求項７又は１１記載のサーボ機構の速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータと負荷機械との動特性とが２慣性系で近似されるサーボ機構の速度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の２慣性系の速度制御は、外乱オブザーバを設けて，負荷イナーシャおよび負荷に加わる外乱力を推定し、補償している（例えば、特許文献１参照）。また、負荷トルク推定オブザーバと負荷イナーシャ推定オブザーバを設けているものもある（例えば特許文献２参照）。
図９に従来の速度制御装置のブロック線図を示す。
図９において，１はモータイナーシャのブロック図、２はモータ加速度から速度への積分器、３は負荷イナーシャのブロック図、４は負荷加速度から速度への積分器、５はモータと負荷とを結合するバネのバネ定数、６はモータと負荷とを結合するダンパの定数、７は減算器、８は加算器、９は減算器、１０は減算器、１１は速度制御比例ゲイン、１２は減算器、１３は速度指令発生器、１４は外乱力発生器、１５はモータ駆動トルク、１６は負荷駆動トルク、１７はモータ速度、１８は負荷速度、１９は負荷速度、モータ速度、負荷駆動トルク及びモータ駆動トルクの計測器である．
このように、従来のサーボ機構装置では、速度比例ゲインをモータ速度制御の場合と同じ値にしておき、外乱オブザーバにより外乱力および負荷イナーシャを補償するという手順がとられていた。
また、図１０は同じく従来の速度制御装置のブロック線図であり、図１０には速度比例ゲインをモータ単体の速度制御の場合の比例ゲインの（１＋ＪＬ／ＪＭ）倍を固定値とする負荷イナーシャ補償ゲイン２１を設けて、負荷イナーシャを補償する手順としていた。ここで、ブロック２１のＪＬは負荷機械のイナーシャ、ＪＭはモータのイナーシャである。
【特許文献１】特開２００２−２９１２７２号公報
【特許文献２】特開平６−２１７５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の２慣性サーボ機構のこれらの速度制御系では、電流アンプの飽和特性、サンプリング制御の無駄時間などにより応答が不安定振動状態になることがあり、このため速度制御比例ゲインを小さく設定しなければならないという問題があった。
また、この場合の応答のシミュレーション結果を、図９の負荷イナーシャ補償ゲイン２１が無い場合と、図１０に示す負荷イナーシャ補償ゲイン２１を設けた場合とを、図１１、図１２（すべての図に共通に， t = 0 で ステップ幅 1rad/s のステップ状速度指令が入力され、t = 0.05 でステップ幅 500Nm のステップ状外乱力が加えられたときの応答である）に示す。上から順に、負荷速度、モータ速度、負荷駆動トルク、モータ駆動トルクの応答波形である。
図１１の応答波形ではＪＬ／ＪＭ＝９でイナーシャゲイン補償を行わなかった場合の応答波形であり、ステップ速度指令に対する応答が遅く、ステップ外乱力に対する抑制が小さくなっている。図１２は、（１＋ＪＬ／ＪＭ）＝２０のイナーシャ補償をした場合で、指令に対する応答は速くなり、外乱の抑圧も改善されてはいるが、このイナーシャ補償では指令に対する応答にオーバーシュートが生ずることと、モータ発生力のピーク値が４０００Ｎｍと大きいという点が未解決であり、このような単純な負荷イナーシャ補償では、負荷イナーシャＪＬが大きい時、ゲイン補償値（１＋ＪＬ／ＪＭ）が大きくなり、しばしば速度制御系が不安定になったり、速度指令に対する応答にオーバーシュートが生じると共に、モータ駆動力のピーク値が非常に大きい値になるという問題があった。
そこで、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、速度指令に対する応答を速くすると共に、可変ゲイン補償によって効果的に外乱力の抑圧を大きくし、さらにピークのモータ電流を小さくすることができるサーボ機構の速度制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、モータイナーシャJMとモータ加速度から速度への積分器、負荷イナーシャＪＬと負荷加速度から速度への積分器と、モータと負荷機械とを結合するバネおよびダンパで示される２慣性系を有して、モータ速度をフィードバックし，負荷機械の速度の比例制御を行う比例ゲインを備えたサーボ機構の速度制御装置において、時間[0 T]において、初期値０、最終値１となる関数Ｘ（ｔ）＝t/Ｔ、
但し、ｔは時間，Tは補償を完了する時間、の関数値を発生させ、
ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ）×（JL/JM） 
ｚ（ｔ）＝ｙ（ｔ）＋１
とし、速度比例制御器の出力と前記ｚ（ｔ）とを乗算することにより負荷イナーシャの可変ゲイン補償を行う負荷イナーシャ補償器を備えたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、前記関数Ｘ（ｔ）を、
x(t) ＝  0.5 + 0.5cos(2π×fc×t)   t <= T
x(t) = 1   t > T
但し、ｆｃは速度制御のカットオフ周波数、Ｔは補償を完了する時間、とすることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、前記関数Ｘ（ｔ）を、
x(t) ＝  0.5 + 0.5cos(2π×fｒ×t)   t <= T
x(t) = 1   t > T
但し、ｆｒは機械共振系の固有周波数、Ｔは補償を完了する時間、とすることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、モータ速度のフィードバックを負荷機械の速度のフィードバックに変えることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、前記比例速度制御系に位置制御を付加することを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、前記イナーシャ補償器は、定数（ＪＭ／ＪＭ＝１）と、定数（ＪＬ／ＪＭ）と、、Ｕ（ｔ）＝ｔ／Ｔのランプ指令発生器と、Ｕ（ｔ）＝（ｔ−Ｔ）／Ｔのランプ指令発生器と、前記ランプ指令同士の減算器と、前記減算器の出力と定数（ＪＬ／ＪＭ）の乗算器と、前記乗算器の出力と定数（ＪＭ／ＪＭ）の加算器と、前記加算器の出力と速度比例制御器の乗算器とを備えたことを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項１記載のサーボ機構の速度制御装置において、積分制御（伝達関数は Ki/s，Ki は積分ゲイン）を付加し、該積分器の入力ｕを、
if │e│>= EM   u = 0;
else             u = e;
但し、ｅは速度制御の偏差、ｕは積分器の入力、ＥＭは積分制御を行う最大の速度偏差、とする負荷外乱補償器を備えたことを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、モータ発生力のスレッショルドレベルをあらかじめ定め、スレッショルドレベル以上ではu=0, スレッショルドレベル以下ではu=eとすることを特徴としている。
また、請求項９記載の発明は、最大速度偏差EMを速度制御の仕様に応じて、オンライン的に可変にすることを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、上位コントローラから許容速度偏差の情報を得て、最大速度偏差EMを設定することを特徴としている。
また、請求項１１記載の発明は、前記負荷外乱補償器は、速度偏差の絶対値を演算する絶対値演算部と、速度偏差の最大前記絶対値と最大許容値の減算器と、ゼロ指令値と、伝達関数Ｋｉ／Ｓの積分制御と、前記積分器への入力ｕをゼロか速度偏差ｅに切替えるスイッチと、を備えたことを特徴としている。
また、請求項１２記載の発明は、前記負荷外乱補償器は、前記入力ｕの切替えは行わず、常時積分制御を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のサーボ機構の速度制御装置によれば、比例制御ゲインを徐々に大きくすることで、オーバーシュートをなくし，電流のピーク値を大幅に小さくすることができ、大きな負荷のサーボ機構に対しても，イナーシャが小さくかつピークトルクが小さいモータを使用することができる。
また、速度偏差の大きさに応じて動作する積分制御を付加することで、オーバーシュートと速度偏差の無い速度制御系を構成することができる。
また、モータ発生力の大きさに応じて動作する積分制御によって、加速・減速時ではないときに速度偏差をゼロにすることができる。
また、速度制御の目的仕様に合わせて積分制御の動作範囲を規定することによって、必要な動作時間だけ速度偏差を無くすことが可能になる。
また、上位コントローラから許容速度偏差が得られるので、適応制御的に積分制御を付加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は本発明の実施例１に係るサーボ機構の速度制御装置のブロック線図である。
図２は図１に示す速度制御装置の関数の１例を示す図である。図１中、図１０の従来図と同一構成については重複する説明を省略する。
図１において、図１０と異なる構成は、以下の負荷イナーシャ補償器を構成している部分で、３１は定数(JM/JM)=1 、３２は定数 JL/JM、３３は U(t) = t/T のランプ指令発生器、３４はU(t) = (t-T)/T  ｔ>=Ｔ,  ０ t<Tのランプ指令発生器、３５は減算器、３６は乗算器、３７は加算器、３８は乗算器である。
【０００８】
つぎにイナーシャ補償の動作について説明する。
先ず、時間［０，ｔ］において、初期値０、最終値１になる、関数ｘ（ｔ）＝ｔ／Ｔ、を発生させる。但し、ｔは時間、Ｔは補償を完了する時間、ｆｃは速度制御のカットオフ周波数である。
関数ｘ（ｔ）は、
ｘ（ｔ）＝０．５＋０．５ｃｏｓ（２π×ｆｃ×ｔ）    ｔ≦Ｔ
ｘ（ｔ）＝１      ｔ＞１                            
として上式より求める。
具体的には図１に示す、これらのデータを保持する、ｕ（ｔ）＝ｔ／Ｔ、のランプ指令発生器３３と、ｕ（ｔ）＝（ｔ−Ｔ）／Ｔ    ｔ≧Ｔ，０，ｔ＜Ｔの範囲のランプ指令発生器３４、の出力を減算器３５で減算処理して得られる。
【０００９】
次に、減算器３５の出力として得られたｘ（ｔ）、と定数（ＪＬ／ＪＭ）３２を乗算器３６で次式のように乗算して、図２に示すようなランプ状の応答ｙ（ｔ）を得て、
ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ）×（ＪＬ／ＪＭ）
ｚ（ｔ）＝ｙ（ｔ）＋１
得られた乗算器３６の出力のｙ（ｔ）と、定数１  ３１を加算器３７で加算して補償器出力ｚ（ｔ）を求める。
求めた補償値ｚ（ｔ）を乗算器３８において、速度比例制御器ｋｖの出力と乗算することで、負荷イナーシャ補償が行われる。
【００１０】
このように乗算器３６の出力は図２に示す応答となるが、そのイナーシャ補償ゲインは t=0においては１であり、t=T において (1+JL/JM) と連続的な補償となる。
図３に本発明のシミュレーション結果を示している。これはイナーシャ比が１：２０の場合で、図３は上から順に、負荷の速度、モータの速度、負荷の駆動力、モータの発生力、イナーシャ補償値である。負荷速度の応答は従来技術の図１２の応答と異なり、オーバーシュートが発生していない。さらに図３のモータ発生トルクのピーク値は１８００Nmで、図１２の４０００Nmの２分の１以下とすることができている。
また、ここでは請求項２に開示の内容として、イナーシャ補償ゲインを、ｔ＝０で１、ｔ＝Ｔで（１＋ＪＬ／ＪＭ）となるようなランプ状の関数として説明したが、これに限定されずに、請求項３のように、ｘ（ｔ）を機械共振周波数ｆｒにより規程したり、ランプ状では無く、曲線状に表したり、各種のバリエーションにより関数の形を選ぶことによって、応答の速さやモータトルクの応答、ピーク値などを希望する各種の応答に、正確に追従できる制御が可能になる。
【００１１】
ここではモータ速度をフィードバックしているが、負荷機械の速度をフィードバックすることもできる。これにより負荷の速度を安定して制御できる。
また、請求項５に開示のような位置制御の追加は、モータ速度２や機械速度４、を積分すればモータ位置や、機械位置が得られるので、速度制御系を本発明の制御方法で安定化すれば位置出力も安定化されて、高精度の位置制御ループを容易に実現できる。
【実施例２】
【００１２】
次に、本発明の実施例２について図を参照して説明する。
図５は本発明の実施例２に係るサーボ機構の速度制御装置のブロック線図である。
図１に示す実施例１の速度制御装置が、イナーシャ補償ゲインを可変ゲイン構造とすることで、図３に示すように、大きな慣性比の系を安定化して、モータ発生力が小さくなり、オーバーシュートも無く、良好な応答になったが、なお、負荷外乱力に対して、わずかではあるが定常偏差を生じているので、これの改良を図ったものが図５に示す実施例２であり、このために付加された図１と異なる構成が、図５に示す負荷外乱補償器のブロックであり、４０は伝達関数Ｋｉ／Ｓの積分制御で、４１は速度偏差の絶対値を演算するブロック、４２は速度偏差の最大許容値、４３は減算器、４４はゼロ指令値、４５は積分制御４０の入力ｕを、０か速度偏差ｅに切替えるスイッチである。なお、図５中、図１の構成と同一構成については重複する説明を省略する。
【００１３】
次に、動作について説明する。
この場合の処理は、積分制御の積分器４０の入力ｕを、
ｉｆ  ｜ｅ｜＞＝ＥＭ    ｕ＝０
ｅｌｓｅ                ｕ＝ｅ
として、負荷外乱補償を行うもので、偏差ｅの絶対値がEMより大きいか等しいときはゼロが入力され、積分動作は行われない、偏差の絶対値がEMより小さい場合には速度偏差eが積分制御器の入力uに接続され、積分動作が行われて、速度偏差をゼロにすることができる。
【００１４】
具体的には、図５に示すように、偏差の絶対値｜ｅ｜を絶対値演算ブロック４１で演算して、最大許容値ＥＭ４２と減算器４３で減算して、｜ｅ｜≧ＥＭならばスイッチ４５はゼロ指令値４４からのｕ＝０に切替え、｜ｅ｜がＥＭより小さい時はスイッチ４５は速度ｅに切替える。積分制御４０からの補償出力は加算器４６で速度比例制御器１１の出力に加算補償される。
図６は図５に示す実施例２のサーボ機構において、EM=0.1 rad/s に設定したときのステップ応答を示す。図１に示す積分制御がない場合に、図３に示す応答に存在する外乱トルクにより生じていた定常速度偏差、さらに後述する図７に示す積分制御を常時付加したサーボ機構のシステムにおける図８に示すこの応答に存在するオーバーシュートのいずれもがないことが図６のシミュレーション結果から明らかになる。
積分制御により速度偏差が消滅し、さらに入力をゼロとeとに適切に切り替えることでオーバーシュートをも消滅させることが可能となった。
ここで、最大速度偏差ＥＭを速度制御の仕様に応じてオンライン的に可変することもできる。これにより、システム仕様に応じた柔軟な速度制御が可能となる。
また、上位コントローラからの許容速度偏差の情報を受けて最大速度偏差ＥＭを設定することもできる。これにより上位コントローラが要求する速度制御を容易に実現できる。
【実施例３】
【００１５】
次に、実施例３について図を参照して説明する。
図７は本発明の実施例３に係るサーボ機構の速度制御装置のブロック線図である。
図７に示す実施例３は、実施例２の場合の速度偏差の大きさによる積分制御入力ｕの切替えは行わず、積分器４０を常時動作させるようにした負荷外乱補償の簡易型である。
従って、図７の構成は、図１の回路に積分制御４０を付加しただけのブロック線図としている。
この場合の応答は図８に示すように、図６に比較すれば多少オーバーシュートが認められるが、十分に実用範囲内であり、図５の実施例２に比較すれば、かなりの部品削減が可能となり低コストの装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
インバータにより駆動されるシステムでは慣性比JL/JMが1０００以上にもなることがあり、従来、サーボでは適用できず、インバータによる駆動が行われており、応答速度を遅くせざるを得ないという問題があった。
しかし、本発明の速度制御装置はいかなる慣性比のシステムに対しても適用可能であり、本装置はインバータによる負荷機械の駆動にも有効である。図４は実施例１による慣性比が１０００の場合の応答のシミュレーション結果であり、効果が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係るサーボ機構の速度制御装置のブロック線図である。
【図２】図１に示すサーボ機構の速度制御装置のイナーシャ補償関数の１例を示す図である。
【図３】図１に示すサーボ機構の速度制御装置のイナーシャ比１：２０の場合の応答を示す図である。
【図４】図１に示すサーボ機構の速度制御装置のイナーシャ比１：１０００の場合の応答を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係るサーボ機構の速度制御装置のブロック線図である。
【図６】図５に示すサーボ機構の速度制御装置の応答を示す図である。
【図７】本発明の実施例３に係るサーボ機構の速度制御装置のブロック線図である。
【図８】図７に示すサーボ機構の速度制御装置の応答を示す図である。
【図９】従来のサーボ機構の速度制御装置のブロック線図である。
【図１０】従来のイナーシャ補償を行う速度制御装置のブロック線図である。
【図１１】図９に示す速度制御装置の応答を示す図である。
【図１２】図１０に示す速度制御装置の応答を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  モータイナーシャのブロック図
２  モータ加速度から速度への積分器
３  負荷イナーシャのブロック図
４  負荷加速度から速度への積分器
５  モータと負荷とを結合するバネのバネ定数
６  モータと負荷とを結合するダンパの定数
７  減算器
８  加算器
９  減算器
１０  減算器
１１  速度制御比例ゲイン
１２  減算器
１３  速度指令発生器
１４  外乱力発生器
１５  モータ駆動トルク
１６  負荷駆動トルク
１７  モータ速度
１８  負荷速度
１９  負荷速度，モータ速度，負荷駆動トルク，モータ駆動トルクの計測器
２１  イナーシャ補償ゲイン
３１  固定値
３２  イナーシャ比  JL/JM
３３  ランプ関数発生器  u(t) = t / T
３４  ランプ関数発生器  u(t) = (t-T) / T for t >= 0, 0 for t < T
３５  減算器
３６  乗算器
４０  積分制御器
４１  速度偏差絶対値
４２  ＥＭ（最大速度偏差）
４３  減算器
４４  ゼロ指令値
４５  スイッチ
【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】
2007183715.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007183715.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007183715.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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