(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＩとＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）調整演算子動作を分離し、制御対象からの制御量とこの制御量の指令値から補償演算を行って得られる実効指令値との偏差が零となるようにＰＩ・Ｄ調整演算を行い、得られる調整信号を操作信号として前記制御対象に印加するモータ制御装置において、
制御量の指令値を補償する目標値フィルタと、ＰＩ調整演算部とＤ調整演算部に対する実効指令値をそれぞれ得る補償演算部とを有し、前記目標値フィルタから出力された値を前記ＰＩ調整演算部に対する補償演算部に入力し、前記制御量の指令値を前記Ｄ調整演算部に対する補償演算部に入力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記目標値フィルタは、二階微分器および一次ローパスフィルタを前記制御量の指令値と並列に設け、二階微分器および一次ローパスフィルタによる補償量を前記制御量の指令値に加算した値を出力することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記２階微分器および１次ローパスフィルタによる補償量を零とすることで、目標値フィルタの出力を制御量の指令値とすることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象を指令値の時間的変化に追従させる制御装置（例えば、工作機械のようなＮＣ装置）で、特に外乱応答と追従性を良くするモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図５に示すような一般的なＰＩＤ制御で、外乱応答を重視してその応答を良くするようにＰＩＤパラメータの設定を行った場合、追従制御の変曲点でのオーバーシュートが大きくなってしまう。逆に指令値ｒに対する追従を重視してその応答を良くするようにＰＩＤパラメータの設定を行った場合、外乱応答が悪くなってしまう。
【０００３】
一般的なＰＩＤ制御の弱点を改善する制御方式として、外乱応答を良くするＰＩＤパラメータとオーバーシュートを抑制するＰＩＤパラメータの両方をもって制御する２自由度ＰＩＤ制御方式がある。２自由度ＰＩＤ制御方式の中でも、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御は、既存の一般的なＰＩＤ制御に比較的容易に組み込み可能であるという特徴があり、実現し易い方式である。
【０００４】
図６に従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御の構造例を示す（特開平６−３０４７２６号公報参照）。同図に示す制御装置において、操作量Ｕを制御対象８に出力するＰＩＤ演算部２３の前段に目標値フィルタ２０が設けられている。目標値フィルタ２０は、指令値ｒに追従させるのに最適な状態になるように制御定数が設定されている。指令値ｒが入力されると、この目標値フィルタ２０によって補償されたリファレンスＲが出力される。
【０００５】
ＰＩＤ演算部２３は、外乱応答に最適な状態になるように制御定数が設定されている。ＰＩＤ演算部２３には、リファレンスＲと制御対象８の出力の差である偏差が入力され、操作量Ｕが出力される。
【０００６】
制御対象８には、ＰＩＤ演算部２３からの操作量Ｕが入力されるとともに、外乱Ｄが入力される。目標値フィルタ２０としては、種々の演算方式が提案されているが、目標値フィルタ２０の演算式Ｆ（ｓ）の例を以下の（１）に示す。
【０００７】
0004072350.tif 000002
この制御装置において、目標値フィルタ２０は、比例相当要素１６と積分相当要素１７と微分相当要素１８と微積共通項相当要素１９とによって構成される。
【０００８】
指令値ｒは、先ず、比例相当要素１６と積分相当要素１７と微分相当要素１８に入力され、積分相当要素１７及び微分相当要素１８からの出力が微積共通項相当要素１９に入力される。そして、比例相当要素１６と微積共通項相当要素１９との出力が加算され、リファレンスＲとして出力される。
【０００９】
一方、制御対象８からの出力がＰＩＤ演算部の微分要素２２に入力されている。又、制御対象８からの出力と目標値フィルタ２０からリファレンスＲとの差が比例積分要素２１に入力されている。
【００１０】
そして、比例積分要素２１と微分要素２２との差が操作量Ｕとして制御対象８に出力される。このように構成され動作する従来の目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御方式のパラメータとしては、ＰＩＤ演算部２３に或るＰＩＤパラメータ及び目標値フィルタ２０の比例相当要素１６と積分相当要素１７と微分相当要素１８とにそれぞれ設けられた目標値パラメータα，β，γがある。目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御方式では、ＰＩＤパラメータと目標値パラメータを調整して、プロセスに対して最適の応答を求めるようにしている。
【００１１】
目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御は、制御対象を或る一定値に瞬間的に位置決めするステップ応答の場合には有効な制御手法である。図７に従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のステップ応答例を示す。ステップ状の指令値を２４（破線）のように入力したとき、図５に示すような一般的なＰＩＤ制御のステップ応答は２５（点線）のようになり、オーバーシュートが大きく、位置決め時間も長い。目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のステップ応答は２６（実線）のようになり、オーバーシュートが小さく、位置決め時間も短い。通常、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御は、外乱をＰＩＤ制御部で抑制し、目標値フィルタで追従性を上げることができるため、外乱応答及び追従性に優れたサーボ系の制御システムを構成することができる。
【００１２】
しかし、上記に述べた目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御は指令値ｒが或る勾配をもって時間と共に変化するランプ応答の場合には必ずしも有効とは言えない。
【００１３】
図８に従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のランプ応答例を示す。ランプ状の指令値ｒを２７（破線）のように入力したとき、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のランプ応答は２８（実線）のようになり、或る一定の勾配をもって立ち上がるランプ区間では指令値より２９のような時間遅れが発生する。
【００１４】
目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のこのような定常オフセットを持つ弱点を改善する制御装置として、ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置がある（特開平７−１０４８０７号公報参照）。図９にＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置の構造例を示す。目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御に対しソフトウエア手段としての切換部３３と、この切換部３３によって駆動される切換スイッチ３０が新設されている。そして、切換部３３は切換点算出部３２並びにこの切換点算出部３２の出力と制御対象出力を比較して切換スイッチ３０を切換える比較器３１を備えている。
【００１５】
ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置は、一定の勾配を持つランプ区間は一般的なＰＩＤ制御を行い、ランプ区間から勾配が零となるソーク区間に切換え時点より定常オフセット時間分だけ手前の時点を越えると目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御を行うように切換スイッチ３０を切換える。
【００１６】
ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置を利用することで、ランプ区間での制御遅れを取り除き、且つ、オーバーシュートが少なく、外乱に強い制御が可能となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に述べたＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置であっても、指令値ｒが任意の勾配で時間と共に変化する曲線応答の場合には有効とは言えない。図８に示すランプ区間とソーク区間の切換え時点のようにスイッチの切換点がはっきりとしない曲線状の指令値ｒを入力したとき、スイッチの切換えが不可能である。
【００１８】
更に、曲線応答の場合、常に追従エラー（オーバーシュート）が起き易い状態になるため、常に目標値フィルタをＯＮにしなければならず、制御遅れを取り除くことができない。時間と共に変化する曲線を指令値として入力する加工機には、従来の目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御、ＰＶ切換式自由度ＰＩＤ制御は適用できず、制御遅れが原因で形状精度が悪化する。
【００１９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、目標値フィルタによる定常オフセット時間の制御遅れを防いで良好な制御特性を得ることができるモータ制御装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ＰＩとＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）調整演算子動作を分離し、制御対象からの制御量とこの制御量の指令値から補償演算を行って得られる実効指令値との偏差が零となるようにＰＩ・Ｄ調整演算を行い、得られる調整信号を操作信号として前記制御対象に印加するモータ制御装置において、
制御量の指令値を補償する目標値フィルタと、ＰＩ調整演算部とＤ調整演算部に対する実効指令値をそれぞれ得る補償演算部とを有し、前記目標値フィルタから出力された値を前記ＰＩ調整演算部に対する補償演算部に入力し、前記制御量の指令値を前記Ｄ調整演算部に対する補償演算部に入力することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１に本発明に基づくモータ制御のブロック図を示す。
【００２３】
指令値ｒに追従させたい制御対象８と、制御対象８の出力をフィードバック制御するＰＩＤ演算部７（比例成分４、積分成分５、微分成分６から成る）と、指令値を補償して追従性を向上させるための目標値フィルタ３によって構成されている。
【００２４】
一般的に制御対象は指令値ｒの速度変化が激しい部分において、追従エラー（オーバーシュート）が起き易くなる。そこで、追従エラーが起きないように目標値フィルタ３で指令値ｒを補償する。指令値ｒの速度変化が激しい部分とは加速度が大きな部分であるので、二階微分器１で指令値の加速度を求める。１次フィルタ２のＫによって補償する大きさを決定し、Ｔによって補償量の減衰時間を決定する。
【００２５】
二階微分器１と１次フィルタ２による補償量を指令値ｒに加算して制御対象の出力との偏差を計算しＰＩＤ制御の比例（Ｐ）成分４及び積分（Ｉ）成分５に入力する。二階微分器１と１次フィルタ２による補償量は指令値ｒに対して並列に設けられているので、１次フィルタ２のＫを零とすることで、図５に示すような一般的なＰＩＤ制御と同じ構成にすることもできる。
【００２６】
ステップ状や時間と共に鋭角に変化する指令値ｒを二階微分器１に通すと補償量には鋭いパルス状の信号が含まれる。補償量に含まれるパルス状の信号に合わせて制御対象を動かすことは制御対象８を振動させることになるので望ましくない。そこで、ＰＩＤ制御の微分（Ｄ）成分６には補償していない指令値ｒと制御対象８の出力の偏差を、微分（Ｄ）成分６にそのまま直接入力している。こうすることによって、目標値フィルタ３によってパルス状に補償されたとしても制御対象８は過度に反応することなく指令値ｒに追従することができる。
【００２７】
本発明の目標値フィルタは指令値ｒの速度変化が激しい部分にのみ作用するので、指令値ｒがある勾配のランプ区間や曲線区間を含んでいても、追従特性に制御遅れは発生しない。
【００２８】
例えば、ＮＣ装置において、スピンドル軸を３８００ｒｐｍで回転させ、周波数２０Ｈｚの正弦波状の曲線加工する場合を考える。ＮＣ装置は１軸のスピンドル軸と多くの位置決め制御軸から構成される。スピンドル軸が３８００ｒｐｍ回転すると、その影響により位置決め軸には６３．３Ｈｚ（３８００ｒｐｍ）の周期外乱が発生する。
【００２９】
図２に追従性と外乱応答における本発明の効果の例を示す。このような加工を一般的なＰＩＤ制御を用いて行うと、位置決め追従偏差は１０（破線）のようになり、外乱の影響により６３．３Ｈｚ（３８００ｒｐｍ）の周期で大きな加工エラーが発生する。又、２０Ｈｚの指令値の影響による加工エラーも１１（点線）のように発生する。
【００３０】
本発明の制御手法を用いてこのような加工を行うと、位置決め追従偏差は９（実線）のようになり、外乱の影響による６３．３Ｈｚ（３８００ｒｐｍ）の加工エラーと、２０Ｈｚの指令値の影響による加工エラーは共に従来の一般的なＰＩＤ制御の約半分にすることができる。
【００３１】
図５に示すような一般的なＰＩＤ制御はそれだけで追従性と外乱応答性を上げなければならないが、本発明の制御手法は図６に示すような従来の目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のように、外乱応答性はＰＩＤ制御によって上げ、追従性は目標値フィルタによって上げることができる。
【００３２】
図３にＰＩＤ設定値による外乱抑制の効果の例を示す。例えば一般的なＰＩＤ制御における外乱抑制特性は１２（破線）のようになり、特に３５Ｈｚ付近の周期外乱に弱い場合を考える。本発明の制御手法適用時では従来の目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のように外乱応答重視のＰＩＤパラメータを設定することができる。そのときの外乱抑制特性は１３（実線）のようになり、従来のＰＩＤでは弱い３５Ｈｚ付近の周期外乱を抑制することができる。この場合、１０Ｈｚ〜１１３Ｈｚの周期外乱においては抑制することができるが、その他の周波数に関しては従来のＰＩＤ設定値用いた外乱抑制特性１２（破線）の方が良い。
【００３３】
本発明の目標値フィルタは後段のＰＩＤ制御系と完全に独立であるため、周期外乱の周波数によってＰＩＤ設定値を切り替えて使用することが可能である。例えば、周期外乱の周波数によって外乱応答重視のＰＩＤパラメータ設定に切り替えた後、目標値フィルタのパラメータＫ，Ｔで追従誤差が小さくなるように設定することができる。図４に追従性における本発明の効果の例を示す。例えば、正弦波状の指令値を入力し、制御対象を追従させたとき、一般的なＰＩＤ制御を用いた時の追従エラーは高周波になるに従って１４（破線）のように非常に大きく増加する。
【００３４】
しかし、本発明の制御手法を適用すると、追従エラーは１５（実線）のようになり、特に高周波追従において一般的なＰＩＤ制御の時と比べて非常に小さくすることができる。本発明の制御手法を用いることで、大幅に追従エラーを小さくすることができ、高周波の正弦波追従における耐久性も大幅に向上させることができる。
【００３５】
本発明の目標値フィルタおよびＰＩ・Ｄ調整演算器はソフトウエアで構成し，ＣＰＵでも演算処理可能である。本発明の目標値フィルタ３及びＰＩ・Ｄ調整演算器７による操作量Ｕの演算式の例を以下の式（２）に示す。
【００３６】
Ｕ＝［｛１＋ｓ２ ・Ｋ／（１／Ｔ＋ｓ）｝−Ｘ］・（Ｐ＋Ｉ／ｓ）
＋（ｒ−Ｘ）・Ｄ・ｓ          …（２）
式（２）をＣＰＵで演算した操作量Ｕを制御対象に入力することで、上記実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、ＰＩとＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）調整演算子動作を分離し、制御対象からの制御量とこの制御量の指令値から補償演算を行って得られる実効指令値との偏差が零となるようにＰＩ・Ｄ調整演算を行い、得られる調整信号を操作信号として前記制御対象に印加するモータ制御装置において、前記制御量の指令値からＰＩ調整演算部とＤ調整演算部に対する実効指令値をそれぞれ得る補償演算部を設け、前記ＰＩ調整演算部に対する補償演算部は制御量の指令値に、並列に指令値の２階微分器＋１次ローパスフィルタを設け、制御量の指令値に２階微分器＋１次ローパスフィルタの出力を加算する構成とし、前記Ｄ調整演算部に対する補償演算部は制御量の指令値を使用するように構成したため、目標値フィルタによる定常オフセット時間の制御遅れを防いで良好な制御特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくモータ制御のブロック図である。
【図２】追従性と外乱応答における本発明の効果の例を示す図である。
【図３】ＰＩＤ設定値による外乱抑制の効果の例を示す図である。
【図４】追従性における本発明の効果の例を示す図である。
【図５】一般的なＰＩＤ制御の構造を示す図である。
【図６】従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御の構造例を示す図である。
【図７】従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のステップ応答例を示す図である。
【図８】従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のランプ応答例を示す図である。
【図９】ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置の構造例を示す図である。
【符号の説明】
１    二階微分器
２    １次フィルタ
３    目標値フィルタ
４    ＰＩＤ制御の比例成分
５    ＰＩＤ制御の積分成分
６    ＰＩＤ制御の微分成分
７    ＰＩＤ演算部
８    制御対象
９    位置決め追従偏差
１０    一般的なＰＩＤ制御を適用したときの位置決め追従偏差
１１    指令値の影響による加工エラー
１２    一般的なＰＩＤ制御における外乱抑制特性
１３    ＰＩＤパラメータを設定したときの外乱抑制特性
１４    一般的なＰＩＤ制御を用いた時の追従エラー
１５    本発明の制御手法を適用したときの追従エラー
１６    比例相当要素
１７    積分相当要素
１８    微分相当要素
１９    微積共通項相当要素
【図１】
0004072350.tif 000003
【図２】
0004072350.tif 000004
【図３】
0004072350.tif 000005
【図４】
0004072350.tif 000006
【図５】
0004072350.tif 000007
【図６】
0004072350.tif 000008
【図７】
0004072350.tif 000009
【図８】
0004072350.tif 000010
【図９】
0004072350.tif 000011