(57)【要約】【課題】２自由度制御構成のサーボ制御器において、用いる位置検出器の分解能が低くてもフィードフォワード制御器からフィードバック制御器へ与える操作量に生ずるリップルを確実に低減でき、高い追従性による高精度制御を可能にするサーボ制御器を得ること。【解決手段】指令生成器１０は入力される位置指令Ａをコントローラ２の分解能から位置検出器５の分解能よりも高い分解能の内部位置指令１５０へ変換する。フィードフォワード制御器１１ａは、内部位置指令１５０を元に微分器１１０、フィルタ１１１を用いて速度フィードフォワード成分１５２を生成し、それを元に微分器１１２、フィルタ１１３を用いてトルクフィードフォワード成分１５４を生成する。内部位置指令１５０の分解能は位置検出器５の分解能よりも高いので、フィードフォワード成分１５２，１５４に生ずるリップルは位置検出器５の分解能を有する内部位置指令を用いる場合よりも低減される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される位置指令から生成される内部位置指令に基づき速度およびトルクの各フィードフォワード成分を生成するフィードフォワード制御器と、
位置検出器が検出したモータ位置情報をフィードバック信号とし、前記入力される位置指令が示す目標位置に駆動するモータを前記速度およびトルクの各フィードフォワード成分に追従するように制御するフィードバック制御器と
を備えるサーボ制御器において、
前記内部位置指令は、前記位置検出器の分解能よりも高い分解能を有するように生成されている
ことを特徴とするサーボ制御器。
【請求項２】
前記入力される位置指令は、
前記位置検出器の分解能であり、前記内部位置指令を位置検出器分解能よりも高い分解能を有するように生成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御器。
【請求項３】
前記フィードバック制御器は、
前記位置検出器の分解能よりも高い分解能を有する内部位置指令を前記位置検出器の分解能を有する低分解能内部位置指令へ変換し、該低分解能内部位置指令に従って前記制御動作を行う
ことを特徴とする請求項１または２に記載のサーボ制御器。
【請求項４】
入力される位置指令から生成される内部位置指令に基づき、モータおよびモータを含む機械の理想動作を模擬するモデル位置、モデル速度、モデルトルクを演算する規範モデル制御部を有するフィードフォワード制御器と、
位置検出器が検出したモータ位置情報をフィードバック信号とし、前記入力される位置指令が示す目標位置に駆動するモータを前記モデル位置およびモデル速度およびモデルトルクの各フィードフォワード成分に追従するように制御するフィードバック制御器と
を備えるサーボ制御器において、
前記内部位置指令は、前記位置検出器の分解能よりも高い分解能を有するように生成されている
ことを特徴とするサーボ制御器。
【請求項５】
前記フィードバック制御器は、
前記位置検出器の分解能よりも高い分解能を有する内部位置指令に基づき生成される前記モデル位置を前記位置検出器の分解能を有する低分解能内部位置指令へ変換し、該低分解能内部位置指令に従って前記制御動作を行う
ことを特徴とする請求項４に記載のサーボ制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを駆動するサーボ制御器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明が対象とするサーボ制御器は、上位コントローラから入力される位置指令を内部位置指令へ変換する指令生成器と、指令生成器が生成する内部位置指令が並列に入力されるフィードバック制御器およびフィードフォワード制御器とを備えているものである。フィードフォワード制御器は、内部位置指令を用いて、入力される位置指令への応答遅れを少なくする追従性の制御を行う。フィードバック制御器は、その内部位置指令とモータに取り付けられた位置検出器が検出したモータ位置情報との差分を少なくするように制御することで、外乱の抑圧を行う。このように、サーボ制御器は、指令への追従性と外乱の抑圧とを２自由度制御で行う構成とするのが一般的である。
【０００３】
なお、サーボ制御器の構成としては、例えば特許文献１に示されるように、フィードバック制御器のみで構成する場合もある。フィードバック制御器のみで構成されるサーボ制御器では、フィードバック制御器が、指令への追従性および外乱の抑圧を行うように構成される。
【０００４】
ここで、本発明が対象とするサーボ制御器では、フィードフォワード制御器が、内部位置指令を微分して速度フィードフォワード成分を生成し、それを微分してトルクフィードフォワード成分を生成し、それぞれを操作量としてフィードバック制御器に与える。そして、フィードバック制御器が、入力される位置指令が示す目標位置に駆動するモータを速度およびトルクの各フィードフォワード成分に追従するように制御する。
【０００５】
ところで、従来のサーボ制御器では、内部位置指令を次のような方法で生成している。すなわち、上位コントローラから入力される検出器分解能の指令または別の分解能の指令に基づき、上位コントローラから入力される位置指令を上位コントローラの分解能から位置検出器の分解能による位置指令へ変換し、それを制御周期毎に分割することで、内部位置指令を生成している。この内部位置指令は、位置検出器の分解能に応じた分解能の単位で、上位コントローラから入力される位置指令が示す目標位置となるように階段状に変化する特性を有している。この階段状に変化する内部位置指令がフィードバック制御器およびフィードフォワード制御器に入力され、上記した制御動作が行われる。
【０００６】
つまり、従来のサーボ制御器において生成している内部位置指令は、位置検出器が高分解能であれば、小さい段差および小さい階段幅の細かい階段状変化を示す特性となるが、位置検出器が低分解能であると、大きい段差および大きい階段幅の粗い階段状変化を示す特性となる。
【０００７】
そのため、フィードフォワード制御器において内部位置指令の微分値を用いて生成される操作量（速度およびトルクの各フィードフォワード成分）は、高分解能の位置検出器を用いる場合は変化が少なく滑らかであるが、低分解能の位置検出器を用いる場合、変化が大きくリップルが生じてしまう状況にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−２４８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、２自由度制御を行う従来のサーボ制御器では、このように、低分解能の位置検出器を用いる場合に、フィードフォワード制御器からフィードバック制御器へ与える操作量（速度およびトルクの各フィードフォワード成分）の変化が大きくリップルが生じてしまうことが、位置指令への追従性の向上を図る上でネックになっている。
【００１０】
すなわち、位置指令への追従性を高めるにはフィードフォワードゲインを上げる必要がある。しかし、低分解能の位置検出器を用いる場合は、フィードフォワードゲインを上げると、フィードバック制御器へ与える操作量がさらに大きく変化し、リップルが大きくなる現象が生ずるためフィードフォワードゲインを高ゲイン化できない。そのため、低分解能の位置検出器を用いる場合には、位置指令への追従性の向上を図ることが困難である。
【００１１】
このようなことは、フィードバック制御器のみを備えるサーボ制御器においても同様に生ずる問題である。フィードバック制御器のみを備えるサーボ制御器では、フィードバック制御器が位置指令への追従と外乱の抑圧とを行うが、位置指令への追従性を高めるにはフィードバックゲインを上げる必要がある。しかし、位置の変化量が速度となり、速度の変化量がトルクとなるので、低分解能の位置検出器を用いる場合に、フィードバックゲインを上げると、モータへ与える操作量のリップルが大きくなる現象が起こるので、フィードバックゲインを高ゲイン化できない。
【００１２】
この問題を解決する一手法として、特許文献１では、内部位置指令の分解能を検出器分解能よりも高くし、また位置検出器の検出情報を元に位置の推定処理を行い、実際の検出器分解能よりも高い分解能の推定位置情報を元にしたフィードバック制御を行う技術が提案されている。
【００１３】
しかし、特許文献１に提案されている技術では、位置検出器分解能よりも高い分解能の位置情報を得るため各種推定を行っているが、あくまでも推定であるので、条件などにより精度にばらつきが生ずることが起こる。
【００１４】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、２自由度制御構成のサーボ制御器において、用いる位置検出器の分解能が低くても、フィードフォワード制御器からフィードバック制御器へ与える操作量に生ずるリップルを確実に低減でき、高い追従性による高精度制御を可能にするサーボ制御器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入力される位置指令から生成される内部位置指令に基づき速度およびトルクの各フィードフォワード成分を生成するフィードフォワード制御器と、位置検出器が検出したモータ位置情報をフィードバック信号とし、前記入力される位置指令が示す目標位置に駆動するモータを前記速度およびトルクの各フィードフォワード成分に追従するように制御するフィードバック制御器とを備えるサーボ制御器において、前記内部位置指令は、前記位置検出器の分解能よりも高い分解能を有するように生成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、サーボ制御器に入力される位置指令を位置検出器の分解能よりも高い分解能へ変換した内部位置指令を用いてフィードフォワード補償を行うので、位置検出器の分解能を有する内部位置指令を用いてフィードフォワード補償を行う場合よりも、フィードフォワード制御器からフィードバック制御器へ与える操作量である速度およびトルクの各フィードフォワード成分に生ずるリップルを低減できる。したがって、用いる位置検出器が低分解能であっても、速度およびトルクの各フィードフォワード成分の高ゲイン化が可能になり、モータの高精度な制御が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１によるサーボ制御器の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す指令生成器の構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は、図１に示す指令生成器およびフィードフォワード制御器の動作を従来構成と比較して示す波形図である。
【図４】図４は、実施の形態による効果を従来構成と比較して示す波形図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２によるサーボ制御器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかるサーボ制御器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるサーボ制御器の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す指令生成器の構成例を示すブロック図である。
【００２０】
図１において、サーボ制御器１ａは、コントローラ２から入力される位置指令Ａに従って、負荷装置３に組み込まれているモータ４を駆動する。モータ４には、低分解能の位置検出器（ＥＮＣ）５が直接または近傍に取り付けられている。サーボ制御器１ａは、モータ４を駆動する際に、位置検出器５が検出したモータ位置情報２５１をフィードバック信号として使用する。
【００２１】
サーボ制御器１ａは、指令生成器１０と、フィードフォワード制御器１１ａと、フィードバック制御器１２とを備えている。
【００２２】
指令生成器１０は、詳細は後述するが、例えば図２に示す構成により、コントローラ２から入力される位置指令Ａを低分解能の位置検出器５の分解能よりも高い分解能の内部位置指令１５０へ変換し、その変換した内部位置指令１５０を並列にフィードフォワード制御器１１ａおよびフィードバック制御器１２に出力する。
【００２３】
フィードフォワード制御器１１ａは、内部位置指令１５０が入力される微分器１１０およびフィルタ１１１の直列回路と、該直列回路の出力を入力とする微分器１１２およびフィルタ１１３の直列回路とを備えている。この構成は、従来の一般的な構成である。
【００２４】
フィードフォワード制御器１１ａでは、微分器１１０およびフィルタ１１１の直列回路が、低分解能の位置検出器５の分解能よりも高い分解能の内部位置指令１５０から速度フィードフォワード成分１５２を生成する。そして、微分器１１２およびフィルタ１１３の直列回路が、速度フィードフォワード成分１５２からトルクフィードフォワード成分１５４を生成する。それぞれが操作量としてフィードバック制御器１２に出力される。
【００２５】
フィードバック制御器１２は、乗算器２０１，２０２，２０３と、位置制御器２０４と、速度制御器２０５と、トルク制御器２０６と、微分器２０７と、加算器２０８，２０９，２１０とを備えている。フィードバック制御器１２は、従来の一般的な構成に、乗算器２０１が追加されている。
【００２６】
乗算器２０１は、位置検出器５の分解能よりも高分解能に変換された内部位置指令１５０を、単位換算ゲインを乗算し位置検出器５の分解能と同じ分解能の内部位置指令２５０へ変換する。乗算器２０２は、速度フィードフォワード成分１５２に単位換算・補償ゲインを乗算し速度フィードフォワード指令２５２を出力する。乗算器２０３は、トルクフィードフォワード成分１５４に単位換算・補償ゲインを乗算しトルクフィードフォワード指令２５４を出力する。微分器２０７は、モータ位置情報２５１からモータ速度２５３を求める。
【００２７】
加算器２０８は、内部位置指令２５０とモータ位置情報２５１との差分（位置偏差）２９０を求める。位置制御器２０４は、位置偏差２９０が小さくなるようにする操作量（速度指令）２９１を求める。加算器２０９は、速度指令２９１に速度フィードフォワード指令２５２を加算し、その加算値（速度指令）とモータ速度２５３との差分（速度偏差）２９２を求める。速度制御器２０５は、速度偏差２９２が小さくなるようにする操作量（トルク指令）２９３を求める。加算器２１０は、トルク指令２９３にトルクフィードフォワード指令２５４を加算しトルク指令２９４を出力する。トルク制御器２０６は、加算器２１０が出力するトルク指令２９４からモータ４を駆動する操作量２９５を求める。
【００２８】
さて、指令生成器１０は、例えば、図２に示すように、入力段の検出単位変換器１０１と、中間段の高分解能単位変換器１０２と、出力段の制御周期分割器１０３とを備えている。すなわち、指令生成器１０は、従来一般的に使用されている指令生成器において、高分解能単位変換器１０２を追加した構成である。
【００２９】
検出器単位変換器１０１は、コントローラ２から入力される位置指令Ａを、コントローラ２から入力される検出器分解能の指令または別の分解能の指令に基づいて、コントローラ２の分解能から低分解能の位置検出器５の分解能を有する位置指令へ変換する。
【００３０】
高分解能単位変換器１０２は、検出器単位変換器１０１が変換した低分解能の位置検出器５の分解能を有する位置指令を、低分解能の位置検出器５の分解能よりも高い分解能を有する位置指令へ変換する。
【００３１】
制御周期分割器１０３は、高分解能単位変換器１０２が変換した低分解能の位置検出器５の分解能よりも高い分解能を有する位置指令を、サーボ制御器１ａの制御周期毎に分割し、それを内部位置指令１５０として出力する。
【００３２】
図３は、図１に示す指令生成器およびフィードフォワード制御器の動作を従来構成と比較して示す波形図である。図３（１）は、この実施の形態による指令生成器およびフィードフォワード制御器の動作を説明する波形図である。図３（２）は、従来一般的に使用されている指令生成器およびフィードフォワード制御器の動作を説明する波形図である。
【００３３】
図３（２）に示すように、従来一般的に使用されている指令生成器は、検出器単位変換器が出力する低分解能の位置検出器の分解能を有する低分解能位置指令（ハ）を、制御周期分割器がサーボ制御器の制御周期毎に分割したものを内部位置指令とするので、この内部位置指令は、段差が低分解能位置指令のその低分解能（ニ）に応じて大きくなり、しかも複数の制御周期に跨る大きい階段幅を有した粗い階段状変化を示す特性となる。
【００３４】
その結果、この粗い階段状変化特性を示す内部位置指令が入力される従来のサーボ制御器でのフィードフォワード制御器において、内部位置指令の微分値を用いて生成される速度およびトルクの各フィードフォワード成分は、リップルを有した変動波形となる。
【００３５】
これに対し、この実施の形態では、図３（１）に示すように、指令生成器１０は、検出器単位変換器１０１が出力する低分解能の位置検出器５の分解能を有する低分解能位置指令（イ）を、高分解能単位変換器１０２が低分解能の位置検出器５の分解能よりも高い分解能を有する高分解能位置指令（ロ）へ変換し、それを制御周期分割器１０３がサーボ制御器１ａの制御周期毎に分割したものを内部位置指令１５０とするので、この内部位置指令１５０は、段差が高分解能位置指令のその高分解能（ロ）に応じて小さくなり、しかも１制御周期程度の小さい階段幅を有した細かい階段状変化を示す特性となる。
【００３６】
その結果、この細かい階段状変化特性を示す内部位置指令１５０が入力されるフィードフォワード制御器１１ａにおいて、内部位置指令１５０の微分値を用いて生成される速度フィードフォワード成分１５２およびトルクフィードフォワード成分１５４分は、リップルが低減され滑らかな波形となる。
【００３７】
次に、図４は、この実施の形態による効果を従来構成と比較して示す波形図である。図４において、実線で示す特性はこの実施の形態による特性であり、破線で示す特性は従来構成による特性である。
【００３８】
図４では、（１）位置指令と、（２）速度指令と、（３）トルク指令との各波形例が示されている。（１）位置指令は、フィードフォワード制御器に入力される内部位置指令である。（２）速度指令は、フィードバック制御器において、速度フィードフォワード指令が反映されて速度制御器に入力される速度指令である。（３）トルク指令は、トルクフィードフォワード指令が反映されてトルク制御器に入力されるトルク指令である。
【００３９】
図４に破線で示すように、従来構成では、（１）位置指令が低分解能検出器の分解能の単位で変化するので、従来のフィードバック制御器において生成された（２）速度指令および（３）トルク指令の各フィードフォワード成分にリップルが多くなる。したがって、従来のフィードバック制御器においては、モータを一定速運転する場合の速度やトルクに変動が生じていた。
【００４０】
これに対し、この実施の形態による構成では、図４に実線で示すように、（１）位置指令が低分解能検出器５の分解能の単位よりも高い分解能の単位で変化するので、フィードバック制御器１２において生成された（２）速度指令および（３）トルク指令の各フィードフォワード成分に生ずるリップルが低減される。したがって、フィードバック制御器１２においては、入力される内部位置指令２５０の精度は、低分解能の位置検出器５の分解能のままで変わらないが、速度フィードフォワード成分１５２やトルクフィードフォワード成分１５４のリップルの影響を低減できるので、モータを一定速運転する場合の速度やトルクに生ずる変動が低減される。
【００４１】
以上のように、実施の形態１によれば。用いる位置検出器は低分解能であるが、サーボ制御器に入力される位置指令をコントローラの分解能から低分解能の位置検出器の分解能よりも高い分解能へ変換したものを用いてフィードフォワード補償を行うので、速度フィードフォワード成分およびトルクフィードフォワード成分に生ずるリップルを低減できる。したがって、速度フィードフォワード成分およびトルクフィードフォワード成分の高ゲイン化が可能になり、モータの高精度な制御が可能になる。
【００４２】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるサーボ制御器の構成を示すブロック図である。なお、図５では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
【００４３】
図５に示すように、この実施の形態２によるサーボ制御器１ｂは、図１（実施の形態１）に示したサーボ制御器１ａにおいて、フィードフォワード制御器１１ａに代えてフィードフォワード制御器１１ｂが設けられている。
【００４４】
フィードフォワード制御器１１ｂは、モータやモータを含む機械の理想動作を模擬し、理想動作に追従するように制御するいわゆるモデル追従型と呼ばれるもので、加算器１２０と、モデル位置制御器１２１と、加算器１２２と、モデル速度制御器１２３と、モータモデル１２５と、積分器１２８とを備えている。
【００４５】
指令生成器１０が出力する内部位置指令１５０は加算器１２０の加算入力端に入力される。加算器１２０の出力はモデル位置制御器１２１に入力され、モデル位置制御器１２１の出力は加算器１２２の加算入力端に入力される。加算器１２２の出力はモデル速度制御器１２３に入力され、モデル速度制御器１２３の出力はモータモデル１２５に入力され、モータモデル１２５の出力は、積分器１２８を介して加算器１２０の減算入力端に入力され、また位置フィードフォワード成分３０１としてフィードバック制御器１２の乗算器２０１に入力される。そして、モデル速度制御器１２３の出力は、トルクフィードフォワード成分３０３としてフィードバック制御器１２の乗算器２０３に入力される。また、モータモデル１２５の出力は加算器１２２の減算入力端に入力され、また速度フィードフォワード成分３０２としてフィードバック制御器１２の乗算器２０２に入力される。
【００４６】
フィードフォワード制御器１１ｂでは、モータモデル１２５において、モータ４に与えるトルクから速度への伝達特性を含むモデルを演算し、モデル位置制御器１２１およびモデル速度制御部１２３において、制御パラメータを含んだ規範モデルを構成し、そこから計算されたモデル位置である位置フィードフォワード成分３０１、モデル速度である速度フィードフォワード成分３０２、モデルトルクであるトルクフィードフォワード成分３０３が、それぞれ、フィードバック制御器１２に与えられる。位置検出器５の分解能よりも高い分解能を有する内部位置指令１５０を用いるので、実施の形態１と同様に、速度フィードフォワード成分３０２およびトルクフィードフォワード成分３０３は、リップルの少ない状態でフィードバック制御器１２に入力される。
【００４７】
フィードバック制御器１２では、低分解能の位置検出器５の分解能よりも高い分解能を有する位置フィードフォワード成分３０１が、乗算器２０１において、位置検出器５の分解能を有する内部位置指令２５０へ変換され、速度フィードフォワード成分３０２が、乗算器２０２において、速度フィードフォワード指令２５２へ変換され、トルクフィードフォワード成分３０３が、乗算器２０３において、トルクフィードフォワード指令２５４へ変換される。
【００４８】
これによって、フィードバック制御器１２では、フィードフォワード補償された内部位置指令２５０および速度フィードフォワード指令２５２およびトルクフィードフォワード指令２５４によって目標位置へ駆動するモータ４をモータの理想動作に追従させる制御が行われる。
【００４９】
この実施の形態２によれば、位置および速度およびトルクに対してフィードフォワード補償を行うことができるので、実施の形態１と同様にモータの高精度な制御が可能になるのに加えて、コンロトーラからの急加減速な指令に対しても、モータの理想動作に追従するよう制御するため安定的に制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明にかかるサーボ制御器は、２自由度制御構成のサーボ制御器において、用いる位置検出器の分解能が低くても、フィードフォワード制御器からフィードバック制御器へ与える操作量に生ずるリップルを確実に低減でき、高い追従性による高精度制御を可能にするサーボ制御器として有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１ａ，１ｂ  サーボ制御器
２  上位コントローラ
３  負荷装置
４  モータ
５  位置検出器（低分解能）
１０  指令生成器
１１ａ，１１ｂ  フィードフォワード制御器
１２  フィードバック制御器
１０１  検出器単位変換器
１０２  高分解能単位変換器
１０３  制御周期分割器
１１０，１１２，２０７  微分器
１１１，１１３  フィルタ
１２０，１２２，２０８〜２１０  加算器
１２１  モデル位置制御器
１２３  モデル速度制御器
１２５  モータモデル
１２８  積分器
２０１，２０２，２０３  乗算器
２０４  位置制御器
２０５  速度制御器
２０６  トルク制御器
【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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