(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素（３）やむだ時間遅れ要素（４）が存在し、目標速度Ｖrとなる速度指令に追従するようにＰＩ制御を行う速度制御系であって、
機械系（５）の速度ＶMと速度オブザーバ（６）による機械系（５）の速度の推定値ＶMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差ＶM―ＶMOを出力する速度オブザーバ補償器（１０）と、前記速度オブザーバ補償器（１０）の出力と前記ＰＩ制御器（２）の出力Ｔroとの和を入力する機械系のモデル（８）と、を備え、前記速度オブザーバ（６）は、前記機械系のモデル（８）の出力がフィルタ遅れ要素のモデル（１１）およびむだ時間遅れ要素のモデル（１２）を通った信号ＶMOが前記機械系（５）の速度ＶMと等しくなるように構成すると共に、前記機械系のモデル（８）の出力が前記速度制御系の速度フィードバック信号Ｖfとなるようにしたことを特徴とする速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電動機の速度制御装置に関し、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素やむだ時間遅れ要素が存在する速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素やむだ時間遅れ要素が存在する速度制御系は図３のようになっている。図３は一般的な速度制御系のブロック線図である。
図３において、１は減算器、２はＰＩ制御器、３はフィルタ遅れ要素、４はむだ時間遅れ要素、５はモータを含む機械系、Ｖrは目標速度、Ｖfは速度フィードバック信号、ＶMは速度である。
一般の速度制御装置では、速度センサー（不図示）から得た速度信号あるいは位置センサー（不図示）の位置信号を微分計算して得た速度信号のいずれも高周波リップル成分が載る。このため、図３に示した制御系においても、速度フィードバック信号Ｖfに高周波リップル成分が載り、またフィルタ遅れ要素３あるいはむだ時間遅れ要素４の位相が遅れるため、ＰＩ制御器２のゲインが上げられず、十分な応答特性が得られないといった問題がある。このような制御性の問題を改善するために以下の従来技術が提案されている。
図４は第１の従来技術を示す制御系のブロック線図である。第1の従来技術の構成要素が図３と同じものについては同一符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。図4において、７は加算器、８はモータを含む機械系のモデル、９は減算器、１０は速度オブザーバ補償器、１４は速度オブザーバである。図４に示すように機械系のオブザーバを構成し、滑らかなオブザーバの速度推定値を速度フィードバック信号Ｖfとすることによって、トルク波形が乱れないため、ＰＩ制御器２のゲインを上げることができる（例えば、特開平１１−１３６９８３号公報）。
また、図５は第２の従来技術を示す制御系のブロック線図である、第２の従来技術の構成要素が図３と異なる点は、位相進み補償器１３を制御系に直列に加えた点である。位相進み補償器１３において、Ｔa＞ＴbのようにＴa、Ｔbを適当に設定すれば、位相進み補償器１３の位相が進むことになるので、ＰＩ制御器２のゲインを上げることができると共に、制御性能を向上することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、第１の従来技術では、速度フィードバック信号Ｖfの高周波成分が除去されるものの、制御ループの位相遅れ問題を全く解決していないため、ＰＩ制御器２のゲインが十分高く上げられないという問題があった。
また、第２の従来技術では、位相進み補償器１３の高周波数域でのゲインが大きくなるので、高周波数の振動を起こしやすいという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、速度フィードバック信号の高周波成分を除去し、高周波数の振動を起こさないように遅れ要素の位相遅れを補償し、機械系の速度を目標速度に精度よく追従することが可能な速度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】
上記問題を解決するために、本発明の速度制御装置は、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素（３）やむだ時間遅れ要素（４）が存在し、目標速度Ｖrとなる速度指令に追従するようにＰＩ制御を行う速度制御系であって、機械系（５）の速度ＶMと速度オブザーバ（６）による機械系（５）の速度の推定値ＶMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差ＶM―ＶMOを出力する速度オブザーバ補償器（１０）と、前記速度オブザーバ補償器（１０）の出力と前記ＰＩ制御器（２）の出力Ｔroとの和を入力する機械系のモデル（８）と、を備え、前記速度オブザーバ（６）は、前記機械系のモデル（８）の出力がフィルタ遅れ要素のモデル（１１）およびむだ時間遅れ要素のモデル（１２）を通った信号ＶMOが前記機械系（５）の速度ＶMと等しくなるように構成すると共に、前記機械系のモデル（８）の出力が前記速度制御系の速度フィードバック信号Ｖfとなるようにしたことを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例を示す制御系の構成原理を示すブロック線図である。本発明の構成要素が従来技術と同じものについては同一符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図１において、１１はフィルタ遅れ要素のモデル、１２はむだ時間遅れ要素のモデル、６は速度オブザーバである。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素３あるいはむだ時間遅れ要素４が存在し、目標速度Ｖrとなる速度指令に追従するようにＰＩ制御を行う速度制御系であって、機械系５の速度ＶMと速度オブザーバ６による機械系５の速度の推定値ＶMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差ＶM―ＶMOを出力する速度オブザーバ補償器１０と、速度オブザーバ補償器１０の出力と前記ＰＩ制御器２の出力Ｔroとの和を入力する機械系のモデル８と、を備え、速度オブザーバ６は、機械系のモデル８の出力がフィルタ遅れ要素のモデル１１およびむだ時間遅れ要素のモデル１２を通った信号ＶMOが機械系５の速度ＶMと等しくなるように構成すると共に、機械系のモデル８の出力が速度制御系の速度フィードバック信号Ｖfとなるようにした点である。
【０００６】
次に動作について説明する。
図1において、ＰＩ制御器２の出力Ｔr0と速度オブザーバ補償器１０の出力を加算し、機械系（モータを含む）のモデル８に入力する。機械系（モータを含む）のモデル８の出力は、一方では制御系の速度フィードバック信号Ｖfとし、目標速度Ｖrから速度フィードバック信号Ｖfを減算した信号をＰＩ制御器２に入力し、ＰＩ制御器２の出力Ｔr0をフィルタ遅れ要素３とむだ時間遅れ要素４に通してから機械系（モータを含む）に入力し、機械系（モータを含む）を制御し、他方ではフィルタ遅れ要素のモデル１１とむだ時間遅れ要素のモデル１２を通してから減算器９に入力し、機械系（モータを含む）の速度ＶMから減算された信号を速度オブザーバの補償器１０に入力する。
図１より、開ループにおいて、ＰＩ制御器２の出力Ｔr0から速度フィードバック信号Ｖfまでの伝達関数は次式（１）で表される。
【０００７】
【数１】
0003835528.tif 000002
【０００８】
このため、速度オブザーバの閉ループが安定であれば、図１の制御系を等価的に図２のように書き直すことができる。図２は図１の等価ブロック線図である、図２により、フィードバック制御系の安定性は遅れがない系と同様になり、ＰＩ制御器のゲインを大きく上げても制御系が不安定にならない。また、目標速度Ｖrから機械系の速度ＶMまでの伝達関数は次式（２）で表される。
【０００９】
【数２】
0003835528.tif 000003
【００１０】
このように、ＰＩ制御器２のゲインＫpとＫiを上げることにより機械系の速度ＶMを目標速度Ｖrに精度よく追従することができる。また、速度オブザーバのループには遅れ要素があるが、式（２）より、入出力特性は速度オブザーバの補償器Ｃo（ｓ）と関係しないため、速度オブザーバの補償器Ｃo（ｓ）のゲインを低く設定しても構わない。従って、安定な速度オブザーバを容易に構成できる。
【００１１】
したがって、本発明は、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素３あるいはむだ時間遅れ要素４が存在し、目標速度Ｖrとなる速度指令に追従するようにＰＩ制御を行う速度制御系において、機械系（５）の速度ＶMと速度オブザーバ６による機械系５の速度の推定値ＶMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差ＶM―ＶMOを出力する速度オブザーバ補償器１０と、速度オブザーバ補償器１０の出力と前記ＰＩ制御器２の出力Ｔroとの和を入力する機械系のモデル８と、を備え、速度オブザーバ６は、機械系のモデル８の出力がフィルタ遅れ要素のモデル１１およびむだ時間遅れ要素のモデル１２を通った信号ＶMOが機械系５の速度ＶMと等しくなるように構成すると共に、機械系のモデル８の出力が速度制御系の速度フィードバック信号Ｖfとなるようにしたので、制御系の遅れ要素を含む速度オブザーバを構成し、速度オブザーバの遅れない速度の推定値を速度フィードバック信号とすることにより、速度フィードバック信号の高周波成分を除去することができる。
また、制御系がフィードバック制御部分と速度オブザーバ部分に分離されるため、フィードバックループの安定性は遅れがない系と同様となり、ＰＩ制御器のゲインを大きく上げることができることから、制御系の応答性能を一段アップすることができる。
さらに、速度オブザーバのループには遅れ要素があるが、速度オブザーバの補償器が入出力特性に影響しないため、オブザーバの補償器のゲインを低く設定しても構わないので、安定なオブザーバを容易に構成できる。すなわち、速度フィードバック信号の高周波成分を除去し、高周波数の振動を起こさないように遅れ要素の位相遅れを補償するため、ＰＩ制御器のゲインを上げられ、機械系の速度を目標速度に精度よく追従することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、制御器あるいは制御対象にフィルタ遅れ要素あるいはむだ時間遅れ要素が存在し、目標速度Ｖrとなる速度指令に追従するようにＰＩ制御を行う速度制御系において、機械系の速度ＶMと速度オブザーバによる機械系の速度の推定値ＶMOとの差を入力し、当該入力に基づいて速度差ＶM―ＶMOを出力する速度オブザーバ補償器と、速度オブザーバ補償器の出力と前記ＰＩ制御器の出力Ｔroとの和を入力する機械系のモデルと、を備え、速度オブザーバは、機械系のモデルの出力がフィルタ遅れ要素のモデルおよびむだ時間遅れ要素のモデルにを通った信号ＶMOが機械系５の速度ＶMの推定値と等しくなるように構成すると共に、機械系のモデルの出力が速度制御系の速度フィードバック信号Ｖfとなるようにしたので、制御系の遅れ要素を含む速度オブザーバを構成し、速度オブザーバの遅れない速度の推定値を速度フィードバック信号とすることにより、速度フィードバック信号の高周波成分を除去することができる。
また、制御系がフィードバック制御部分と速度オブザーバ部分に分離されるため、フィードバックループの安定性は遅れがない系と同様となり、ＰＩ制御器のゲインを大きく上げることができることから、制御系の応答性能を一段アップすることができる。
さらに、速度オブザーバのループには遅れ要素があるが、速度オブザーバの補償器が入出力特性に影響しないため、オブザーバの補償器のゲインを低く設定しても構わないので、安定なオブザーバを容易に構成できる。すなわち、速度フィードバック信号の高周波成分を除去し、高周波数の振動を起こさないように遅れ要素の位相遅れを補償するため、ＰＩ制御器のゲインを上げられ、機械系の速度を目標速度に精度よく追従することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例における制御系の構成原理を表したブロック線図
【図２】  図１の等価ブロック線図
【図３】  通常のフィードバック制御系のブロック線図
【図４】  第１の従来技術を示す制御系のブロック線図
【図５】  第２の従来技術を示す制御系のブロック線図
【符号の説明】
１、９  減算器
２  ＰＩ制御器
３  フィルタ遅れ要素
４  むだ時間遅れ要素
５  モータを含む機械系
６  速度オブザーバ
７  加算器
８  モータを含む機械系のモデル
１０  速度オブザーバ補償器
１１  フィルタ遅れ要素のモデル
１２  むだ時間遅れ要素のモデル
１３  位相進み補償器
１４  速度オブザーバ
【図１】
0003835528.tif 000004
【図２】
0003835528.tif 000005
【図３】
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【図４】
0003835528.tif 000007
【図５】
0003835528.tif 000008