(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転位置信号を微分演算したモータ速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記モータで駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う位置制御装置において、
速度制御ループの速度指令を等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷位置信号を微分演算した負荷速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた速度差信号をノッチフィルタに入力し、前記ノッチフィルタの出力を積分処理部に入力し、前記積分処理部の出力を振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とすることを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
モータの回転位置信号を微分演算したモータ速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記モータで駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う位置制御装置において、
速度制御ループの速度指令を等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷位置信号を微分演算した負荷速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた速度差信号をノッチフィルタに入力し、前記ノッチフィルタの出力をローパスフィルタに入力し、前記ローパスフィルタの出力を振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とする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、駆動系と機台の剛性が共に低く、モータで駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う位置制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高精度な位置決め制御においては、モータに取り付けられたエンコーダ等の位置信号を微分して速度フィードバック信号とし、速度制御を行うとともに、上記モータによって駆動される負荷に取り付けられたリニアスケール等の位置検出器からの負荷位置信号に基づいて、フルクローズ位置制御を行う。
よく知られるように制御性能をアップするため、位置制御部のゲインを上げることが必要不可欠である。しかし、共振周波数が低い制御対象に対して、位置制御部のゲインを上げると、制御系が反共振周波数近傍の周波数で振動するため、位置制御部のゲインの上限がセミクローズ系での上限値の１／２〜２／３程度しか取れない。
そこで、振動を抑え、位置制御部のゲインをより高く上げるため、図１のように通常のフルクローズ制御系に位置ループ安定化補償部を組み込み、すなわち、速度指令基本信号ｖrbに速度指令補正信号ｖrhを加えて新たな速度指令ｖr とすることが提案されている。
従来の制御系の全体構造を示す図１において、１は位置制御部、２は速度制御部、３はモータ、４は負荷（機械可動部）、８は位置ループ安定化補償部である。まず、位置指令ｙr から負荷位置信号ｙL を減じて位置偏差ｅp を求め、この位置偏差ｅp を位置制御部１に入力し、位置制御部１で速度指令基本信号ｖrbを求める。
次に、速度指令ｖr と負荷位置信号ｙL を入力し、位置ループ安定化補償器８で速度指令補正信号ｖrhを求め、速度指令基本信号ｖrbに速度指令補正信号ｖrhを足して速度指令ｖr とする。
最後に、速度制御部２は速度指令ｖr とモータの速度信号ｖm に基づいてトルク指令（電流指令）Ｔr を求め、該トルク指令Ｔr に基づいてモータ３と負荷４（機械可動部）が駆動される。
【０００３】
従来、位置ループ安定化補償器は図７のように構成されている（特願２０００−１１８１３３参照）。図７において、８０３は微分処理部、８０４は振幅調整器、８０５は積分処理部である。負荷位置信号ｙL を微分処理部８０３で微分演算した負荷速度信号ｖL から速度指令ｖrを差し引いた速度差信号ｖe を積分処理部８０５に出力する。積分処理部８０５の出力信号を振幅調整器８０４で適切な補償ゲインＫf をかけて速度指令補正信号ｖrhとする。
この位置ループ安定化補償器では、速度信号ｖL が積分器を通ることによってすべての周波数成分に対して９０°の位相遅れをもたらす。また、速度信号ｖL 中の振動成分は速度指令ｖr 中の振動成分より９０°位相遅れるため、速度指令補正信号ｖrh中の振動成分は速度指令ｖr 中の振動成分より１８０°位相遅れる。
よって、積分器の出力を適切な補償ゲインＫf をかけて得られた速度指令補正信号ｖrhを速度指令基本信号ｖrbに加えることによって位置ループ中の振動成分が打ち消されるので、位置ループのゲインを大きく打ち上げても制御系は安定である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、位置ループ中の振動成分を打ち消すように補償ゲインＫf を設定すると、積分は高周波数領域におけるゲインが低く、低周波数領域におけるゲインが高いので、速度指令補正信号ｖrh中の低周波外乱成分は大きい。また、低周波数領域において、速度信号ｖL は速度指令ｖr とほぼ同位相であるため、速度指令補正信号ｖrh中の低周波外乱成分は速度指令ｖr 中の低周波外乱成分より９０°位相遅れる。従って、速度指令基本信号ｖrbに速度指令補正信号ｖrhを加えることによって、位置ループ中の低周波外乱成分が増大し、制御系の低周波外乱特性が悪くなるという問題があった。
そこで、本発明は、低周波外乱特性が悪くならないように位置ループの振動を制御し、位置制御部のゲインを上げることによって短時間に高精度位置決めができる装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【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記載の位置制御装置の発明は、モータの回転位置信号を微分演算したモータ速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記モータで駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う位置制御装置において、速度制御ループの速度指令を等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷位置信号を微分演算した負荷速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた速度差信号をノッチフィルタに入力し、前記ノッチフィルタの出力を積分処理部に入力し、前記積分処理部の出力を振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とすることを特徴とする。
請求項２記載の位置制御装置の発明は、モータの回転位置信号を微分演算したモータ速度信号に基づき速度制御を行うとともに、前記モータで駆動される負荷に取り付けられた位置検出器からの負荷位置信号に基づき位置制御を行う位置制御装置において、速度制御ループの速度指令を等価剛体系速度ループのモデルに入力し、前記負荷位置信号を微分演算した負荷速度信号から前記等価剛体系速度ループのモデルの出力を差し引いた速度差信号をノッチフィルタに入力し、前記ノッチフィルタの出力をローパスフィルタに入力し、前記ローパスフィルタの出力を振幅調整器に入力し、位置制御器の出力に前記振幅調整器の出力を加えた信号を新たな速度指令とすることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の各実施の形態について図を参照して説明する。
本発明の制御系の全体構造は従来と同じ図１に示される。ただし、位置ループ安定化補償部８の具体構成が従来の図７と異なり、図２、図４、図５および図６に示される通りである。
図２は本発明の第１の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部の構成を示すブロック図である。図３は図２に示す等価剛体系速度ループのモデルのブロック図である。
図２において、８０１は等価剛体系速度ループのモデルである。負荷位置信号ｙL を微分処理部８０３で微分演算した負荷速度信号ｖL からモデル速度ｖo を差し引いた速度差信号ｖe をノッチフィルタ８０６に入力し、ノッチフィルタ８０６の出力を積分処理部８０５に入力し、積分処理部８０５の振幅調整器８０４に入力して速度指令補正信号ｖrhを出力する。
図３において１１は駆動系の等価剛体系のモデルである。また、ＪとＤはそれぞれ駆動系全体のイナーシャと粘性摩擦係数である。よって、等価剛体系速度ループのモデルの出力であるモデル速度ｖo は、図１における速度指令ｖr に対して制御対象が剛体であり、外乱が全くない場合の速度ループの出力である。
【０００７】
次に、図２の位置ループ安定化補償部８２の動作について説明する。
この系では、外乱と同定誤差がない場合、もし駆動系が剛体系ならば、明らかにモデル速度ｖo と負荷速度信号ｖL が同じになるため、
速度差信号ｖe ＝ｖL −ｖo が０になる。
従って、機械系が慣性系であり、外乱が存在している場合、速度差信号ｖe には振動成分と外乱成分しか含まない。すなわち、速度差信号ｖe は負荷速度信号中の振動成分と外乱成分の推定信号である。
一般に、駆動系の振動周波数は機台振動などの外乱信号の周波数より遙かに大きいので、ノッチ周波数を外乱信号の周波数とすれば、速度差信号ｖe がノッチフィルタ８０６を通ることによって外乱成分は除去されるが、振動成分はそのまま通る。
つぎに、振動成分は積分処理部８０５を通ることによって位相が９０°位相遅れる。また、速度信号ｖL 中の振動成分は速度指令ｖr 中の振動成分より９０°位相遅れるため、速度指令補正信号ｖrhは速度指令ｖr 中の振動成分より１８０°位相遅れる。
従って、積分処理部８０５の出力に適切な補償ゲインＫf をかけて得られた速度指令補正信号ｖrhを速度指令基本信号ｖrbに加えることによって位置ループ中の振動成分が打ち消されるので、位置ループのゲインを大きく上げても制御系は安定である。しかも、低周波外乱信号が位置ループ安定化補償器を通れないため、位置ループ安定化補償器を取り込むことによって制御系の外乱特性を劣化させることがない。逆に、位置ループのゲインを上げることによって制御系の外乱特性が改善される一方である。
【０００８】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部の構成を示すブロック図である。第２の実施の形態である図４が第１の実施の形態である図２と異なる構成は、図４では図２の等価剛体系速度ループのモデル８０１を除いたことである。
速度制御部のゲインを高く設定できる場合では、等価剛体系速度ループのモデルを近似的に１とみなすことができるので、等価剛体系速度ループのモデルを除いても制御性能は殆ど変わらない。
この補償方式は図２の補償方式に比し、等価剛体系速度ループのモデルを除いたので、イナーシャ、粘性摩擦係数等の制御対象のパラメータが全く必要なくなり、より簡素で実用的な構成で、より迅速な演算処理が可能な装置を構成できる。
【０００９】
図５は本発明の第３の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部の構成を示すブロック図である。第３の実施の形態である図５が第１の実施の形態である図２と異なる構成は、図５では図２の積分処理部８０５をローパスフィルタ８０７に変えたことである。
ローパスフィルタ８０７の遮断周波数が制御系の振動周波数より遙かに低くなるように時定数Ｔf を設定すれば、振動周波数におけるローパスフィルタの位相と積分の位相はほぼ同一で、−９０°である。しかし、周波数が０に近づくと共に、積分のゲインは無限大になるが、ローパスフィルタのゲインは一定の有限の値になる。
従って、この補償方式を用いた制御系は図２の補償方式を用いた制御系に比し、安定性と外乱抑制特性がほぼ同じであるが、定常偏差が残ることはない。
【００１０】
図６は本発明の第４の実施の形態に係る位置ループ安定化補償部の構成を示すブロック図である。
第４の実施の形態である図６が第３の実施の形態である図５と異なる構成は、図６では図５の等価剛体系速度ループのモデル８０１を除いたことである。
速度制御部のゲインを高く設定できる場合では、等価剛体系速度ループのモデルを近似的に１とみなすことができるので、等価剛体系速度ループのモデルを除いても制御性能はほとんど変わらない。
この補償方式は図５の補償方式に比し、等価剛体系速度ループのモデルを除いたので、イナーシャ、粘性摩擦係数等の制御対象のパラメータが全く必要なくなり、より簡素で実用的な構成で、より迅速な演算処理が可能な装置を構成できる。
次に、第２の実施の形態における発明の効果について、具体例を上げて説明する。モータがボールねじを介して負荷を駆動する駆動装置は機台に設置される機械系を考える。駆動系は共振周波数が９０Ｈｚ、反共振周波数が６０Ｈｚである２慣性共振系で、機台の固有振動数は２３Ｈｚである。このような制御対象に対して、従来技術を用いた場合の位置偏差の波形を図８に示す。
また、ωn ＝２π×２３、ζ＝１とし、本発明の第２の実施の形態を用いた場合の位置偏差の波形を図９に示す。
図８と図９を比較して分かるように、従来技術を用いた場合の残留振動Ｓ８がとても大きいのに対して、本発明の第２の実施の形態を用いた場合の残留振動Ｓ９が僅かしかない。
【００１１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、速度指令と負荷速度に基づいて負荷速度信号中の振動成分と低周波外乱成分を推定し、低周波外乱成分はノッチフィルタに通ることによって除去され、振動成分は積分器やローパスフィルタを通ることによって９０°位相が遅れ、さらに適切な補償ゲインＫf をかけて速度指令補正信号に加えることによって位置ループ中の振動成分が打ち消されるので、位置ループのゲインを大きく上げても制御系は安定である。
しかも、低周波外乱信号が位置ループ安定化補償器を通れないため、位置ループ安定化補償器を取り込むことによって制御系の外乱特性を劣化させることがない。逆に、位置ループのゲインを上げることによって制御系の外乱特性が改善される一方である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および従来装置が扱う位置ループ安定化補償部を取り込んだフルクローズ制御系の構成ブロック図である。
【図２】本発明の位置ループ安定化補償部の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図３】等価剛体系速度ループのモデルのブロック図である。
【図４】本発明の位置ループ安定化補償部の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の位置ループ安定化補償部の第３の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の位置ループ安定化補償部の第４の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の位置ループ安定化補償部の構成を示すブロック図である。
【図８】従来技術を用いた場合の位置偏差の波形を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態を用いた場合の位置偏差の波形を示す図である。
【符号の説明】
１  位置制御部
２  速度制御部
３  モータ
４  負荷（機械可動部）
５  位置検出部（エンコーダ）
６  位置検出部（リニアスケール）
７、８０３  微分処理部
８  位置ループ安定化補償部
８０１  等価剛体系速度ループのモデル
８０４  振幅調整器
８０５  積分処理部
８０６  ノッチフィルタ
８０７  ローパスフィルタ
９  加算手段
１０、８０２  減算手段
１１  等価剛体系のモデル
【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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【図９】
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