(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令を速度フィードバック信号で減算して速度偏差を得る第１の減算器と、
制御器あるいは制御対象に存在する１次遅れ要素と、
前記速度偏差を入力とし出力を前記１次遅れ要素への入力とするＰＩ制御器とを備え、
前記制御対象の速度を前記速度指令に追従させるフィードバック制御を行う速度制御装置において、
前記制御対象につきこれを剛体と想定した等価剛体モデルを前段側に、前記１次遅れ要素を模した一次遅れ要素モデルを後段側に配置して直列接続し、かつ前記１次遅れ要素モデルへの入力を前記第１の減算器への速度フィードバック信号として出力するオブザーバ対象器と、
前記制御対象の速度を前記１次遅れ要素モデルの出力で減算する第２の減算器と、
前記第２の減算器の出力を入力とするオブザーバ補償器と、
前記オブザーバ補償器の第１の出力と前記ＰＩ制御器の出力とを加算し、加算値を前記等価剛体モデルへの入力とする第１の加算器とにより構成されるオブザーバを備えたことを特徴とする速度制御装置。
【請求項２】
前記オブザーバ補償器は第２の出力を備え、
前記等価剛体モデルと前記１次遅れ要素モデルとの間に、前記オブザーバ補償器の第２の出力と前記等価剛体モデルの出力を加算し、加算値を前記１次遅れ要素モデルへの入力とする第２の加算器を備えたことを特徴とする請求項１記載の速度制御装置。
【請求項３】
前記ＰＩ制御器２の出力と前記第１の加算器の入力との間にゲイン設定器を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、速度制御装置あるいは制御対象に１次遅れ要素が存在し、特に制御対象が２慣性系であるシステムの速度フィードバック制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業機械のスマート化のため、モータおよび力伝達機構は小型になる傾向がある。その為、駆動機械の剛性が低くなり機械共振問題が顕在化してきている。一方、高精度化、高速度化の要求も高くなってきており、上記問題を解決しつつ制御性能をアップしていくことが重要な課題となっている。
一般的に、モータのサーボ制御系には、電流ループの遅れ要素と、ノイズなどを除去するための一次フィルタの遅れ要素が必ず存在する。このような普通のフィードバック制御系のブロック線図を示したものが図７である。
図７において、２はＰＩ制御器、３は１次遅れ要素、４は２慣性共振系の制御対象を伝達関数で示したものである。このような２慣性共振系の制御系は、共振周波数以上の領域ではゲインが高くなっており、また高周波数領域での位相遅れの為、ゲインを高くすることができず十分な応答特性が得られない。この為、位相遅れに対する補償制御が必要になってくる。
速度制御装置のゲインを上げるための従来例として、図８に示すような振動抑制方法（特開平９−０５６１８３）がある。
図８において、７は２慣性共振系の等価剛体モデル、１１は機械振動検出装置、１２は比例演算手段、２３はハイパスフィルタ、２４は位相調整器、２５は振幅調整器である。機械振動検出装置１１は、２慣性共振系の制御対象４へ入力されるトルクとモータ速度を入力としてオブザーバを構成し、機械の振動信号を推定する。
この機械振動の推定信号を位相調整器２４と振幅調整器２５とを通過させて得た補償信号Ｗは、１次遅れ要素３の出力Ｔｅ中の振動成分と位相が相反、振幅が同じになるため、振動成分を打ち消すことができる。このように振動成分の位相遅れを補償することで速度制御装置のゲインを上げることを可能としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の方法では、振動周波数に合わせてハイパスフィルタ２３と位相調整器２４とを設定するため、狭い周波数範囲内しか補償できないという課題があり、また振動周波数を正確に測定し、補償信号Ｗとトルク指令Ｔｅ中の振動成分との位相関係を見ながらの各調整が必要である為、その調整に時間を要し、汎用性もない等の課題があった。
そこで本発明は、速度制御装置あるいは制御対象に１次遅れ要素が存在し、制御対象が２慣性共振系である制御システムに対し、機械の振動周波数を測定することなく、かつ広い周波数範囲内において位相遅れを補償できる、汎用性も備える、制御器のゲインを高く設定できる、制御対象の速度を速度指令に精度よく追従させる速度制御装置の提供を目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明では、速度指令を速度フィードバック信号で減算して速度偏差を得る第１の減算器と、制御器あるいは制御対象に存在する１次遅れ要素と、前記速度偏差を入力とし出力を前記１次遅れ要素への入力とするＰＩ制御器とを備え、前記制御対象の速度を前記速度指令に追従させるフィードバック制御を行う速度制御装置において、
前記制御対象につきこれを剛体と想定した等価剛体モデルを前段側に、前記１次遅れ要素を模した一次遅れ要素モデルを後段側に配置して直列接続し、かつ前記１次遅れ要素モデルへの入力を前記第１の減算器への速度フィードバック信号として出力するオブザーバ対象器と、前記制御対象の速度を前記１次遅れ要素モデルの出力で減算する第２の減算器と、前記第２の減算器の出力を入力とするオブザーバ補償器と、前記オブザーバ補償器の第１の出力と前記ＰＩ制御器の出力とを加算し、加算値を前記等価剛体モデルへの入力とする第１の加算器とにより構成されるオブザーバを備えたことを特徴としている。
また請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記オブザーバ補償器は第２の出力を備え、前記等価剛体モデルと前記１次遅れ要素モデルとの間に、前記オブザーバ補償器の第２の出力と前記等価剛体モデルの出力を加算し、加算値を前記１次遅れ要素モデルへの入力とする第２の加算器を備えたことを特徴としている。
また請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２記載の発明において、前記ＰＩ制御器２の出力と前記第１の加算器の入力との間にゲイン設定器を備えたことを特徴としている。
【０００５】
【発明の実施形態】
本発明の第１の実施例について図１をもとに説明する。
図１は本発明の第１の実施例である速度制御装置の構成ブロック線図を示したものである。図１において、１と１３は減算器、２はＰＩ制御器、３は１次遅れ要素、４は２慣性共振系の制御対象を伝達関数で示したもの、６はオブザーバ、７は２慣性共振系を剛体と想定した等価剛体モデル、８は１次遅れ要素３を模した１次遅れ要素モデル、９はオブザーバ補償器、１０はオブザーバ対象器、１４と１５は加算器である。
一般的に、機械系の共振周波数と反共振周波数を正確に知ることは困難であるが、機械系の全体のイナーシャを知ることは容易である。ここでは、２慣性共振系の制御対象４の全体イナーシャと同じイナーシャを持つ剛体系を２慣性共振系の等価剛体モデル７とし、そして２慣性共振系の等価剛体モデル７を前段に配置し１次遅れ要素モデル８を後段に配置して直列接続するシステムをオブザーバ対象器１０とする。オブザーバ６はＰＩ制御器２の出力Ｔｒと制御対象４の速度Ｖｍとを入力とし、オブザーバ６が推定した速度予測値Ｖｆ（１次遅れ要素モデル８への入力でもある）を速度フィードバック信号とする。
【０００６】
具体的には、速度指令Ｖｒから速度フィードバック信号Ｖｆを減じた速度偏差をＰＩ制御器２に入力し、ＰＩ制御器２の出力Ｔｒは、１次遅れ要素３を通して２慣性共振系の制御対象４を駆動し、他方では、オブザーバ６に入力されている。２慣性共振系の制御対象４の速度Ｖｍからオブザーバ対象器１０の出力Ｖoを減じたオブザーバ偏差をオブザーバの補償器９に入力し、オブザーバの補償器９の出力をＰＩ制御器２の出力Ｔｒに加え、オブザーバ対象器１０に入力するように、オブザーバ６を構成する。１次遅れ要素モデル８の入力でもあるオブザーバ６が推定した速度予測値を速度フィートバック信号Ｖｆとする。
以下、フィードバック制御系の安定性および入出力特性について説明する。
まず、制御系の安定性について説明する。フィードバック制御系の安定性は開ループ系の周波数特性によって決まるため、減算器１のところで速度フィードバック信号Ｖｆを切断し、開ループ系の伝達関数を求める。２慣性共振系の制御対象４の伝達関数を
【数１】
0003856215.tif 000002
とする。ここで、
【数２】
0003856215.tif 000003
である。ただし、Ｊは２慣性共振系の制御対象全体のイナーシャ、ωｒは共振角周波数、ωａは反共振角周波数、ζｒは共振粘性係数、ζａは反共振粘性係数である。
そして、１次遅れ要素３の伝達関数を
【数３】
0003856215.tif 000004
とする。ただし、Ｔｆは１次遅れ要素３の時定数である。
また、制御系の開ループにおいて、ＰＩ制御器２の出力Ｔｒからフィードバック信号Ｖｆまでの伝達関数をＰ’（ｓ）と定義すると、
【数４】
0003856215.tif 000005
となる。ここで、
【数５】
0003856215.tif 000006
【数６】
0003856215.tif 000007
である。そして、
Ｈ（ｓ）＋Ｌ（ｓ）＝１  …（式７）
が常に成り立つ。
ω≪ωａ＜ωｒの低周波数領域においては、（式２）より、
【数７】
0003856215.tif 000008
となるので、（式４）、（式５）および（式６）より、
【数８】
0003856215.tif 000009
となる。
ω≫ωｃ（ωｃ：ハイパスフィルタＨ（ｓ）およびローパスフィルタＬ（ｓ）の遮断周波数）の高周波数領域において、式（５）、式（６）より
【数９】
0003856215.tif 000010
となるので、（式４）より、
【数１０】
0003856215.tif 000011
となる。
（式１１）および（式９）より、伝達関数Ｐ'(s)の周波数特性は低周波数領域と高周波数領域においては１次遅れ要素がない剛体系の周波数特性と同じとなり、位相は９０°遅れとなる。
一方、ＰＩ制御器２の伝達関数は、
【数１１】
0003856215.tif 000012
であり、Ｃ（ｊω）は周波数が高くなるにつれて、位相遅れ量は９０°から0゜へと近づいていくことになる。
従って制御系の一巡伝達関数Ｇ'0（ｓ）では、
Ｇ'0（ｓ）＝Ｃ（ｓ）・Ｐ'（ｓ）  …（式１３）
（式１３）より、位相遅れ量が全周波数領域で１８０°以下になるので、ナイキスト安定判別法により、ＰＩ制御器２のＫｖがどんなに大きくても、閉ループ系が安定である。
【０００７】
次に、制御系の入出力特性について説明する。図１より、閉ループ系の入出力伝達関数は
【数１２】
0003856215.tif 000013
となる。
一般的に、速度指令は低周波数成分が主になるので、入出力特性を考察するとき、低周波数領域の特性のみを考察すればよい。
ω≪ｍｉｎ[ωｃ、１／Ｔｆ]の低周波数領域では、（式３）、（式５）およ  び（式６）より，
【数１３】
0003856215.tif 000014
となるので、（式４）より、
【数１４】
0003856215.tif 000015
となり、そして、（式１４）より、
【数１５】
0003856215.tif 000016
となるため、ＰＩ制御器２のゲインを十分大きくすると、
【数１６】
0003856215.tif 000017
となり、制御対象の速度が速度指令に精度良く追従することが可能となる。
【０００８】
次に、この第１の実施例における発明の効果について、シミュレーションしたので説明する。
２慣性共振系の制御対象４および１次遅れ要素３のパラメータをωｒ＝２π×８０，ωａ＝２π×５０，ζｒ＝０．１，Ｔｆ＝２ｍｓとする。そして、オブザーバループの特性方程式が三重根ωｏ＝２π×３００を持つようにオブザーバ補償器９のパラメータを、
【数１７】
0003856215.tif 000018
とすると、Ｐ'（ｓ）の伝達関数のボード線図は図３に示したものとなる。また、ＰＩ制御器２のパラメータをＴｉ＝２ｍｓ，Ｋｖ＝２π×１０００Ｊとすると、一巡伝達関数のボード線図は図４に示したものとなる。ただし、図３および図４中において、破線はオブザーバがない通常の制御系（図７に示したもの）に対応するもので、
Ｐ（ｓ）＝Ｆ（ｓ）・Ｐ2（ｓ），Ｇ0（ｓ）＝Ｃ（ｓ）・Ｐ（ｓ）…（式  ２０）
である。
図３および図４より、オブザーバ６を組み込むことにより、開ループ系の位相が進み補償され、一巡伝達関数の位相遅れ量が常に１８０゜以下になるため、Ｋｖをどんなに大きく上げても、フィードバック制御系は安定である。一方、オブザーバ６がない場合では、一巡伝達関数のゲイン曲線が０ｄｂ線と交わるとき位相遅れ量がすでに１８０°を超えているため、フィードバック制御系は不安定となる。
オブザーバ６がある場合にＫｖ＝２π×２０００Ｊとし、オブザーバがない場合にＫｖ＝２π×１００Ｊとすると、フィードバック制御系の入出力特性は図５に示したものとなる。ただし、図５において、破線はオブザーバがない通常の制御系（図７に示したもの）に対応するもので、
【数１８】
0003856215.tif 000019
である。
図５より、ｆ＜４０Ｈｚの低周波数領域では、オブザーバ６がある場合はオブザーバ６がない場合と較べ、入出力伝達関数の周波数特性が１に近いので、制御対象の速度を速度指令に精度良く追従させることのできることが分かる。なお、入出力伝達関数の遅れが少ないので、このような速度ループをマイナーループとする位置制御を行う場合には、位置制御ゲインも大きく上げられ、モータ位置を位置指令に精度良く追従することができる。
【０００９】
以下、本発明の第２の実施例を図２を用いて説明する。図２は本発明の第２の実施例の構成ブロック線図である。前記第１の実施例と異なる点は、オブザーバ６に入力するＰＩ制御器２の出力ＴｒにゲインＫＪを乗じてオブザーバ６に入力している点にある。
図２に示す第２の実施例におけるＰ'（ｓ）の伝達関数は、
【数１９】
0003856215.tif 000020
となる。そして、Ｈ（ｓ）がハイパスフィルタで、位相が進みであるため、ＫＪを１以上に設定すると、準制御対象の伝達関数の位相は一層進みになる。
図６は、ＫＪ＝１およびＫＪ＝２の場合のＰ'（ｓ）の伝達関数のボード線図である。
ＫＪ＝１とすると本実施の第１の実施例と同じものとなる。図６より、ＫＪを大きくすることにより、Ｐ'（ｓ）の伝達関数の位相が進みになり、制御系の安定性が良くなる。
また前記第１、第２の実施例において、オブザーバ補償器９のｋ１について、
ｋ１＝０
とすれば請求項１記載の発明となるが、位相遅れが補償され、制御対象の速度が速度指令に精度良く追従する原理は、この場合も上記に説明してきたとおりである。
【００１０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、速度制御装置あるいは制御対象に１次遅れ要素が存在し、制御対象が２慣性共振系である制御システムに対しても、機械の振動周波数を測定することなくかつ広い周波数範囲内において位相遅れを補償でき、汎用性も備え、制御器のゲインを高く設定できる速度制御装置を構成でき、制御対象の速度を速度指令に精度よく追従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】本発明の第１の実施例としての速度制御装置の構成ブロック線図
【図２】本発明の第２の実施例としての速度制御装置の構成ブロック線図
【図３】本発明の第１の実施例におけるＰ'（ｓ）の伝達関数のボード線図
【図４】本発明の第１の実施例における一巡伝達関数のボード線図
【図５】本発明の第１の実施例における制御系の入出力伝達関数のボード線図
【図６】本発明の第２の実施例におけるＰ'（ｓ）の伝達関数のボード線図
【図７】通常のフィードバック制御系のブロック線図
【図８】第１の従来例における制御系を示すブロック線図
【符号の説明】
１、１３、１７、１８  減算器
２  ＰＩ制御器
３  １次遅れ要素
４  ２慣性共振系の制御対象
５  ゲイン設定器
６  オブザーバ
７  ２慣性共振系の制御対象４の等価剛体モデル
８  １次遅れ要素モデル
９  オブザーバ補償器
１０  オブザーバ対象器
１１  機械振動検出装置
１２  比例演算手段
１４、１５、１６  加算器
２３  ハイパスフィルタ
２４  位相調整器
２５  振幅調整器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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