(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令から位置フィードバック信号を減ずる第１の減算器と、前記第１の減算器の出力を入力として速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令及び制御対象の速度を入力として速度制御を行う速度制御器とを備えた位置制御装置において、
前記速度指令から前記制御対象の速度までの伝達関数と同等の伝達関数特性を有し、かつ前記速度指令を入力とする伝達関数モデル装置と、
前記速度指令から前記伝達関数モデル装置の出力を減ずる第２の減算器と、
前記第２の減算器の出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力と前記制御対象の位置を示す位置信号を加算して前記位置フィードバック信号を出力する加算器とを備えたことを特徴とする位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置指令に基づき位置制御を行うための位置制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、通常の位置制御系は位置メインループ（以下では位置ループと称す）と速度マイナーループ（以下では速度ループと称す）で構成されている。  このような制御系では、十分な制御特性を得るため、制御ゲインを大きく上げる必要がある。
しかし、速度ループには遅れ要素やアンプの非線形性などが存在するため速度制御器のゲインが十分に上げられない。また、位置ループでは速度ループの遅れの影響で位置ループの遮断周波数が速度ループの遮断周波数の１／４〜１／２位までしか位置制御器のゲインＫｐを上げられない。
従来例として図５に示す特開平０５−２８５７８６では、速度ループの位相遅れを補償するため、通常の位置制御系に直列位相進み補償器を取り入れている。
図５において、２は位置制御器、１３は直列位相進み補償器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６は積分要素である。このような制御系では、速度ループ３の位相遅れが直列位相進み補償器１３により補償されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来技術では、直列位相進み補償器１３の高周波数領域でのゲインが大きいので、高周波数の振動を起こしやすく、結局位置制御ゲインＫｐを上げられなくて、制御性能を向上することができないという課題があった。
そこで、本発明は、高周波数の振動を起こすことなく速度ループの位相遅れを補償し、位置制御器のゲインを十分に高くでき、十分な応答特性と外乱抑圧特性が得られる位置制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は図１に示すように、速度指令に基づき速度制御を行うとともに位置指令に基づき位置制御を行う位置制御装置において、速度ループ３と同等の伝達関数特性を有する伝達関数モデル１０に速度指令Ｖｒを入力し、伝達関数モデル１０から速度推定信号Ｖｏを出力し、速度指令Ｖｒから速度推定信号Ｖｏを差し引いた速度偏差推定信号Ｖｅを積分器９に入力し、積分器９から位置補償信号Ｙｈを出力するフィードバック位相進み補償部７を備え、位置検出器１２からの位置信号Ｙに位置補償信号Ｙｈを加えて位置フィードバック信号Ｙｆとすることを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施形態】
本発明の実施形態を図にもとづいて説明する。
図１は本発明の制御系の構成原理を示すブロック線図である。
図１において、１は第１の減算器、２は位置制御器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６は積分器、７はフィードバック位相進み補償部、８は加算器、９は積分器、１０は速度ループ３と同等の伝達関数特性を有する伝達関数モデル、１１は第２の減算器、１２は位置検出器、Ｖｒは速度指令、Ｖは制御対象の速度を示す速度信号(速度検出器の出力)、Ｙは制御対象の位置を示す位置信号（位置検出器１２の出力）、Ｙｆは位置フィードバック信号、Ｙｒは位置指令、Ｙｈは位置補償信号、Ｖｅは速度偏差推定信号、Ｖｏは速度推定信号である。
図１に示すように、本発明の制御系は、図５に示した従来の制御系において、直列位相進み補償器１３をなくし、代わりに速度指令Ｖｒを入力とし、位置補償信号Ｙｈを出力するフィードバック位相進み補償部７を組み込んだものである。
以下、制御系の安定性、入出力特性および外乱抑圧特性について説明する。
【０００６】
図１において、速度ループ３の入出力伝達関数をＧｖ（ｓ）とし、フィードバック位相進み補償部７の伝達関数Ｆｂ（ｓ）を求めると、
Ｆｂ（ｓ）＝Ｙｈ（ｓ）／Ｖｒ（ｓ）＝[１−Ｇｖ（ｓ）]／ｓ  …式１
となる。
制御対象５に含まれる外乱を速度指令側に換算し、これを等価外乱ｄとし、図１を等価的に図２のように書き直すことができる。
まず、安定性について説明する。
図２において、速度指令Ｖｒから位置信号Ｙまで、および、速度指令Ｖｒから位置フィードバック信号Ｙｆまでの伝達関数を求めると、
Ｙ（ｓ）／Ｖｒ（ｓ）＝Ｇｖ（ｓ）／ｓ  …式２
および
Ｙｆ（ｓ）／Ｖｒ（ｓ）＝１／ｓ  …式３
となる。
入出力特性を考察するための図２の等価ブロック線図を図３（等価外乱ｄを０とする）のように置き換える。図３により、位置指令Ｙｒから位置信号Ｙまでの伝達関数Ｇｒ（ｓ）は
0003981970.tif 000002
となる。
【０００７】
また、図２において、位置信号Ｙから速度指令Ｖｒまでの伝達関数を求めると、Ｖｒ（ｓ）／Ｙ（ｓ）＝−Ｋｐ・ｓ／[ｓ＋Ｋｐ・[１−Ｇｖ（ｓ）]]  …式 ５
となる。
外乱抑圧特性を説明するため、図２の等価ブロック線図を図４（位置指令Ｙｒを０とする）のように置き換える。
図４により、等価外乱ｄから位置信号までの伝達関数Ｇｄ（ｓ）は、
0003981970.tif 000003
となる。
一般に、速度ループは安定かつ定常偏差がないように構成される。この場合では、速度ループの入出力伝達関数Ｇｖ（ｓ）は、
Ｇｖ（ｓ）＝（ｂnｓn＋ｂn-1ｓn-1＋…＋ｂ1ｓ＋ａ0）／（ａmｓm＋ａm-1ｓm-1＋…＋ａ1ｓ＋ａ0）  …式７
となる。ただし、
Ｄｖ（ｓ）＝ａmｓm＋ａm-1ｓm-1＋…＋ａ1ｓ＋ａ0  …式 ８
はHurwitz安定多項式である。式１より、フィードバック位相進み補償部は、
0003981970.tif 000004
となる。上式より、Ｆｂ（ｓ）は分母がHurwitz安定多項式であるため安定である。
それで、Ｋｐ を正数とすれば、式４および式６より、Ｇｒ（ｓ）およびＧｄ（ｓ）には不安定な極が存在せず安定である。すなわち、Ｋｐをいくら大きく上げても、制御系は安定である。
【０００８】
次に入出力特性について説明する。
速度ループの入出力伝達関数Ｇｖ（ｓ）の遮断周波数をωｖとし、Ｋｐを
Ｋｐ≫ωｖ  …式１０
とすれば、式４より、ω＜ωｖの低周波数領域では、
Ｇｒ（ｊω）≒Ｇｖ（ｊω）  （ω＜ωｖ）         …式 １１
が成り立つ。
すなわち、位置ループの周波数特性を速度ループの周波数特性に近づけることができる。
【０００９】
次に外乱抑圧特性について説明する。
一般に、外乱抑圧特性を考察することは低周波数領域で行う。
ω≪Ｋｐ，かつ、ω≪ωｖの低周波数領域においては、
式７より、Ｇｖ（ｊω）≒１  …式 １２
となり、
式９より、Ｆｂ（ｊω）≒（ａ1−ｂ1）／ａ0  …式１３
となり、
また、式６より、外乱抑圧特性は、
0003981970.tif 000005
となる。
従って、Ｋｐを上げることによって、外乱の悪影響が小さくなる。
特に、制御対象が剛体系で、速度制御器がＰＩ制御である場合では、ａ1＝ｂ1となるので、
Ｙ（ｊω）／ｄ（ｊω）≒１／Ｋｐ  …式 １５
となり、Ｋｐを大きく上げると、低周波外乱の悪影響をほぼ抑えることができる。
【００１０】
【発明の効果】
この発明に係る位置制御装置は、速度指令を入力として位置補償信号を出力するフィードバック位相進み補償部を備えるため、位置制御器のゲインＫｐを大きくしても振動を生じることなく制御系を安定に保つことができ、位置ループの周波数特性を速度ループの周波数特性と同等レベルまで高めることができ、また、目標指令に対する追従特性と低周波の外乱抑圧特性とを大きく向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の制御系の構成原理を示すブロック線図
【図２】  外乱を考慮した図１の等価ブロック線図
【図３】  入出力特性を示すために用いた図２の等価ブロック線図
【図４】  外乱抑圧特性を示すために用いた図２の等価ブロック線図
【図５】  従来技術の制御系の構成を示すブロック線図
【符号の説明】
１、１１  減算器
２  位置制御器
３  速度ループ
４  速度制御器
５  制御対象
６、９  積分器
７  フィードバック位相進み補償部
８  加算器
１０  速度ループ３の伝達関数モデル
１２  位置検出器
１３  直列位相進み補償器
１４  図２における位置信号Ｙから速度指令Ｖｒまでの伝達関数
Ｖｒ  速度指令
Ｖ  制御対象５の速度を示す速度信号(速度検出器の出力)
Ｙ  制御対象５の位置を示す位置信号（位置検出器１２の出力）
Ｙｆ  位置フィードバック信号
Ｙｒ  位置指令
Ｙｈ  位置補償信号
Ｖｅ  速度偏差推定信号
Ｖｏ  速度推定信号
【図１】
0003981970.tif 000006
【図２】
0003981970.tif 000007
【図３】
0003981970.tif 000008
【図４】
0003981970.tif 000009
【図５】
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