(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィードバック補償系の制御機構を備えたサーボ制御装置において、
位置指令が入力されるデジタルフィルタと、
前記サーボ制御装置の出力であるフィードバック座標値と前記デジタルフィルタの出力値を減算する減算器と、
前記減算器からの信号を微分して速度応答差分値を出力する微分演算器と、
前記微分演算器からの速度応答差分値と前記位置指令とを加算する加算器と、を備え、
前記デジタルフィルタの特性を、前記制御機構がＮ次遅れとした場合に、前記制御機構の位置応答が（Ｎ＋１）サンプリング後に位置指令に追従するように定め、
前記加算器の出力を前記フィードバック補償系の制御機構に入力する
ことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
フィードバック補償系の制御機構を備えたサーボ制御装置において、
位置指令が入力されるデジタルフィルタと、
前記デジタルフィルタの出力を微分して速度応答値を出力する第１の微分演算器と、
前記サーボ制御装置の出力であるフィードバック座標値を微分して速度応答値を出力する第２の微分演算器と、
前記第１と前記第２の微分演算器からの信号を減算して速度応答値の差分を出力する減算器と、
前記減算器からの速度応答差分値と前記位置指令とを加算する加算器と、を備え、
前記デジタルフィルタの特性を、前記制御機構がＮ次遅れとした場合に、前記制御機構の位置応答が（Ｎ＋１）サンプリング後に位置指令に追従するように定め、
前記加算器の出力を前記フィードバック補償系の制御機構に入力する
ことを特徴とするサーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィードバック補償系の制御機構を備えたものであって、応答特性の改善を図るサーボ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ制御装置は、工作機械、ロボットなどの自動制御装置に広く用いられている。従来、この種のサーボ制御装置には、制御特性を向上させるとともに高速な位置決め動作を実現するため、ＰＩＤ制御やフィードフォワード制御等の多くの補償機構が提案されている。また、これらを組み合わせた制御機構も提案されており、より一層の制御特性向上及び高速位置決め動作を実現する方式が提案されている。従来のサーボ制御装置を以下に説明する。
【０００３】
図２は従来のサーボ制御装置のブロック概略図であり、図３は工作機械を例とした場合のサーボ制御装置の具体的な構成図である。図２において、２は減算器であって、位置指令Ｒ（ｚ）と、工作機械のＸＹテーブルを動かすモータなどの制御装置で構成される制御対象システム３のフィードバック座標Ｃ（ｚ）と、を比較演算する。この演算結果は、制御対象システム３に速度指令として供給される。この制御対象システム３内で、ＰＩＤ制御やフィードフォワード制御などの補償処理が実現される。そして、Ｇ（ｚ）は、Ｚ変換形式による制御対象システム３の伝達関数である。
【０００４】
図３によると、工作機械のテーブルはサーボアンプからの駆動電流によりモータで駆動制御され、モータの回転数はエンコーダで検知されて微分回路を経てフィードバック制御されており、この制御系には感度調整機構ＫｐおよびＫｖが設けられている。そして、図２に示す伝達関数Ｇ（ｚ）は、図３のＫｐからテーブルまでの制御系における伝達関数を示すものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ制御では、制御パラメータ（図３に示す、ＫｐやＫｖの大きさ、微分回路の係数等）を決定する場合に、ある特定の条件での特性を測定し、これを基にして制御パラメータを決定するため、生産時の各機械の特性のばらつきや、測定時の条件と異なる場合、例えば、ＸＹテーブルを駆動するサーボ系におけるテーブル位置の違いや、送り速度、移動距離、またテーブル上のワーク重量などの違いにより、理想的な制御条件から乗離し、動作特性が乱れる恐れがある。
【０００６】
今、図２のシステム全体の伝達関数Ｇｔ（ｚ）は、制御対象システムの伝達関数Ｇ（ｚ）を用いると次のように表される。以後の説明での伝達関数はＺ変換形式を用いることとする。
【０００７】
Ｇｔ（ｚ）＝Ｇ（ｚ）／（１＋Ｇ（ｚ））                    ……（１）
ここで、伝達関数Ｇ（ｚ）を２次遅れ系（工作機械ではその制御対象がモータと機械系とからなるので、制御対象が２次遅れ要素を持つことは当然あり得る）と見なして、Ｇ（ｚ）をサンプリング演算子を用いたＺ変換形式で表示すると、次のようになる（Ｚ変換形式による２次遅れ系の周知の式）。
【０００８】
0003802692.tif 000002
このＺ変換形式によるＧ（ｚ）を式（１）に代入して整理すると、システム全体の伝達関数Ｇｔ（ｚ）は次のようになる。
【０００９】
0003802692.tif 000003
式（４）のシステム全体の伝達関数Ｇｔ（ｚ）は（Ｚ変換形式による伝達関数の概略については後述する）、サンプリング演算子（Ｚ-1 、Ｚ-2、Ｚ-3）の項が分母に残っているため、位置決め特性(静止時の応答特性)に振動が現れる可能性があり、更に、目標位置到達に時間を要するか又は到達しないことも考えられる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００１１】
フィードバック補償系の制御機構を備えたサーボ制御装置において、
位置指令が入力されるデジタルフィルタと、
前記サーボ制御装置の出力であるフィードバック座標値と前記デジタルフィルタの出力値を減算する減算器と、
前記減算器からの信号を微分して速度応答差分値を出力する微分演算器と、
前記微分演算器からの速度応答差分値と前記位置指令とを加算する加算器と、を備え、
前記デジタルフィルタの特性を、前記制御機構がＮ次遅れとした場合に、前記制御機構の位置応答が（Ｎ＋１）サンプリング後に位置指令に追従するように定め、
前記加算器の出力を前記フィードバック補償系の制御機構に入力するサーボ制御装置。
【００１２】
フィードバック補償系の制御機構を備えたサーボ制御装置において、
位置指令が入力されるデジタルフィルタと、
前記デジタルフィルタの出力を微分して速度応答値を出力する第１の微分演算器と、
前記サーボ制御装置の出力であるフィードバック座標値を微分して速度応答値を出力する第２の微分演算器と、
前記第１と前記第２の微分演算器からの信号を減算して速度応答値の差分を出力する減算器と、
前記減算器からの速度応答差分値と前記位置指令とを加算する加算器と、を備え、
前記デジタルフィルタの特性を、前記制御機構がＮ次遅れとした場合に、前記制御機構の位置応答が（Ｎ＋１）サンプリング後に位置指令に追従するように定め、
前記加算器の出力を前記フィードバック補償系の制御機構に入力するサーボ制御装置。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を用いて以下説明する。図１は、本発明に係わるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図２と同じものは、同一記号及び番号で示しているため、それについての説明は省略する。
【００１４】
図１における符号１０は、デジタルフィルタ（入力信号に対して周波数特性を変更した出力信号を得るためのもの）で、フィードバック補償系の制御機構を有するサーボ制御装置の伝達関数から求める演算部である。即ち、デジタルフィルタ１０は、図２に示すフィードバック制御系の制御機器の伝達関数に対応するものであって、その周波数応答特性を適宜に変更できるものである。
【００１５】
図示しない上位の制御プロセッサから与えられた位置指令Ｒ（ｚ）を前記デジタルフィルタの伝達関数Ｆ（ｚ）に入力してこれからの出力を減算器１３に加える。また、この減算器１３にはフィードバック座標Ｃ（ｚ）を入力してデジタルフィルタ１０からの出力と比較する。減算器１３からの比較出力を微分演算器１１に入力することで位置信号を速度応答に変換し、この変換した速度応答を補正ゲインＫｆ倍して加算器１に入力し、加算器１で位置指令Ｒ（ｚ）に加える。
【００１６】
本発明の実施形態は、以上のような制御ループを構成することにより、サーボ制御機器に対応するＦ（ｚ）の応答特性と、実際の機器の応答特性と、の速度応答の差分が、位置指令に随時加算されるシステム制御系を構成するものであり、このようなシステム制御系で応答特性の良好な制御が得られるように、デジタルフィルタの特性を選定構成するものである。
【００１７】
図１に示すシステム制御系全体の伝達系数は、その分母にサンプリング演算子の項がなくて、その結果応答特性が良好になることの理論的根拠を以下に説明する。
【００１８】
ここで、Ｚ変換を用いたサンプリング制御における代数演算の性質について、まず概略を説明する。Ｚ変換については、例えば「自動制御」村松文夫著、朝倉書店発行、１９７９年９月２０日、１３４〜１３９頁、に記載されている。
【００１９】
図４に示すような、サンプリング時間をＴとし、関数値Ａが、
ｔ＜０  の時  Ａ＝０
ｉＴ≦ｔ＜（ｉ＋１）Ｔ  の時  Ａ＝ａi          ……（５）
であるとすれば、
関数値Ａは
Ａ（ｚ）＝Σ（ａIＺ-I）                        ……（６）
と表現される。ここで、Ｚはサンプリング演算子である。
【００２０】
具体的に云えば、図４を参照して、
ｔ＜０  の時  Ａ＝０
３Ｔ＜ｔ≦４Ｔ  の時  Ａ＝ａ3
であれば、関数値Ａは次のように表される。
【００２１】
Ａ（ｚ）＝ａ0＋ａ1Ｚ-1＋ａ2Ｚ-2＋ａ3Ｚ-3＋…
ここで、伝達関数Ｆ（ｚ）を持つ、例えば、工作機械における制御対象の入力がＡ（ｚ）、出力がＢ（ｚ）とすると、
Ｂ（ｚ）＝Ｆ（ｚ）×Ａ（ｚ）                  ……（７）
が成立する。
【００２２】
次に、図２におけるＧ（ｚ）の求め方について以下説明する。Ｇ（ｚ）を求めるため、図２に示すフィードバックルートを切り放す。Ｚ変換を用いて、入力をＸ（ｚ）とし、出力をＰ（ｚ）とする。すなわち、
Ｘ（ｚ）＝Σ（ｘIＺ-I)                            ……（８）
を入力した時の応答を測定し、その結果として出力が、
Ｐ（ｚ）＝Σ（ｐIＺ-I）                            ……（９）
になったとする。
【００２３】
ここで図２におけるＧ（ｚ）を
Ｇ（ｚ）＝Σ（ｄIＺ-I）／｛（１−Ｚ-1）Σ（ｅIＺ-I）｝ ……（１０）
とおく。ここにおいて、工作機械の制御対象が、モータと機械系とから成り立っていることから、即ち、モータに指令を与えて（モータへの入力電圧は速度成分である）最終的に位置として出力を取り出していることから、制御対象が積分要素を保持しているので、図２のＧ（ｚ）は、Ｚ変換における｛１／（１−Ｚ-1）｝の積分要素を含んでいる。式（１０）は、Ｚ変換における積分要素系の表示形式である。
【００２４】
したがって、図２の入出力関係は、
Ｐ（ｚ）＝［Σ（ｄIＺ-I）／｛（１−Ｚ-1）Σ（ｅIＺ-I）］・Ｘ（ｚ）…（１１）
であるから、
（１−Ｚ-1)Σ（ｅiＺ-i)Ｐ（ｚ）＝Σ（ｄiＺ-i)・Ｘ（ｚ）    …（１２）
となる。ここにおいて、Ｘ（ｚ）は、式（８）に示すように、その特性が既知の入力を採用するのであるが、制御の対象となる機構の特性を求める目的から、Ｘ（ｚ）は単純な
ｘ0＝ｃ
ｘi＝０  （ｉ≧１）                    ………………（１３）
を与える。式（１１）は、ｉが０のときにｃの大きさをもち、それ以外の時には０である入力波形を意味する。
従って、
（１−Ｚ-1)Σ(ｅiＺ-i)Σ（ｐiＺ-i)＝ｃΣ（ｄiＺ-i)  ………（１４）
となる。
ここで説明を単純化するため、図２におけるＧ（ｚ）を仮に１次遅れ系とすると、
Ｇ（ｚ）＝（ｄ1Ｚ-1＋ｄ2Ｚ-2）／｛（１−Ｚ-1）（１＋ｅ1Ｚ-1）｝……（１５）
となる。ここにおいて、（１５）式は、一次遅れ系のラプラス変換の表示形式であるＦ（ｓ）＝ａ／｛ｓ（ｓ＋ａ）｝をＺ変換した表示形式である。
【００２５】
Ｚ変換においては、一次遅れ系は分母はＺ-1まで分子はＺ-2まで、二次遅れ系は分母はＺ-2まで分子はＺ-3まで、三次遅れ系は分母はＺ-3まで分子はＺ-4まで、展開した表示形式となる。
【００２６】
さて、本発明の実施形態を図示した図１において、今、伝達関数Ｇ（ｚ）の入力である関数Ｘ（ｚ）を、位置指令Ｒ（ｚ）とデジタルフィルタの伝達関数Ｆ（ｚ）とフィードバック座標Ｃ（ｚ）を用いて表すと、
0003802692.tif 000004
である。また、Ｃ（ｚ）は、
Ｃ（ｚ）＝Ｇ（ｚ）・Ｘ（ｚ）                      ……………（１７）
である。
【００２７】
従って、フィードバック座標Ｃ（ｚ）を位置指令Ｒ（ｚ）の関数として表すと、
0003802692.tif 000005
式（１８）を整理すると、
0003802692.tif 000006
である。
【００２８】
ここで、Ｇ（ｚ）を２次遅れ系と見なしてこれをＺ変換形式で表すと、
0003802692.tif 000007
となり、式（２０）を式（１９）式に代入すると、
0003802692.tif 000008
となる。
【００２９】
ここで、フィードバック座標Ｃ（ｚ）の分母をなくするには、これから数値決定しようとするＦ（ｚ）を含んだ分子の項と分母とが約分できれば良いので、
0003802692.tif 000009
とおく。
【００３０】
そして、Ｆ（ｚ）の項だけを左辺に移動すると、
0003802692.tif 000010
となる。
【００３１】
ここで、式（２３）がＺの如何なる数値でも恒等式として成立するには、Ｚ-1＝１、と置くと左辺＝０、となり成立する。そして、式（２３）の右辺において、
Ｚ-1＝１、と置いて右辺＝０、となるような定数Ａを選ぶと、右辺の単純な計算によって、
Ａ＝ｄ1＋ｄ2＋ｄ3                                      ………（２４）
となる。
【００３２】
この条件をもう一度、式（２３）に代入すると
0003802692.tif 000011
となる。
【００３３】
0003802692.tif 000012
となる。
【００３４】
従って、
0003802692.tif 000013
となる。これは、Ｃ（ｚ）を表す式（２１）を約分して分母が１となるようなＦ（ｚ）が求まったことになる。ゆえに、
0003802692.tif 000014
となる。式（２７）のフィードバック座標Ｃ（ｚ）には、その分母にサンプリング演算子の項がなく、その分子がＺ-3までの有限項であるから、サーボ制御系の振動がなく、迅速に整定することを意味している。即ち、式（２７）は、位置指令Ｒ（ｚ）に対して位置応答Ｃ（ｚ）が３サンプリング遅れて追従することを示している。いま、位置応答の追従状況を図６に示す。図６では位置指令Ｒ（ｚ）として高さｒのステップ状入力波形としている。図６からＣ（ｚ）がＺ-3項以降の係数が入力データと一致している。したがって、応答データが位置指令に対して３サンプリング遅れて追従することが分かる。
【００３５】
また、位置指令を一般式とした波形の場合について、時間ｉの時の位置指令Ｒ（ｚ）の要素をｒiと表すと
Ｒ（ｚ）＝｛ｒ0、ｒ1、ｒ2、……、ｒi、……｝
と表せる。同様にして、フィードバック座標は、
Ｃ（ｚ）＝｛ｃ0、ｃ1、ｃ2、……、ｃi、……｝
と表せる。
【００３６】
今、位置指令Ｒ（ｚ）が時間ｉにおける値が、
ｉ＜Ｎ      ｒi＝ｉ
ｉ≧Ｎ      ｒi＝Ｎ
とすると、
Ｒ（ｚ）＝｛０、１、２、…………Ｎ、Ｎ、Ｎ、……｝
と表され、図１に示す制御系の伝達関数Ｇｔ’（ｚ）は、式（２７）から
Ｇｔ’（ｚ）＝（ｄ1Ｚ-1＋ｄ2Ｚ-2＋ｄ3Ｚ-3）／（ｄ1＋ｄ2＋ｄ3）      ……（２８）
となる。ｉ≧Ｎ＋２のとき、
Ｃｉ＝｛（ｄ1Ｎ＋ｄ2Ｎ＋ｄ3Ｎ）／（ｄ1＋ｄ2＋ｄ3）｝Ｒｉ  …（２９）
であり、
Ｃｉ＝Ｎ
になる。従って、サンプルデータを用いた解法においても、位置指令Ｒ（ｚ）に対して位置応答Ｃ（ｚ）が３サンプリング遅れて追従することがわかる。
【００３７】
また、図１に示す本発明の第１の実施形態の外に、図５には本発明の第２の実施形態を示す。図５によると、フィードバック座標Ｃ（ｚ）の微分演算器（１−Ｚ-1）を経た速度応答と、位置指令Ｒ（ｚ）をデジタルフィルタの伝達関数Ｆ（ｚ）に入力しその出力を微分演算（１−Ｚ-1）した速度応答と、を比較して、その比較結果をＫｆゲイン倍して位置指令Ｒ（ｚ）に加算している。この第２の実施形態においても、システム全体の伝達関数Ｇｔ（ｚ）の分母にサンプリング演算子の項が残らないので、応答特性が良くすることができる。ここで、比較器の前段で（１−Ｚ-1）を用いた理由は、（１−Ｚ-1）がサンプリング時間毎の増分量を示すものであるが、これを用いると比較するプログラム処理上で演算数が少なくても済むからである。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、サーボ制御装置の位置決め特性に振動が発生することがなく、更に、目標到達位置への整定時間を迅速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るサーボ制御装置のブロック図である。
【図２】従来のサーボ制御装置のブロック図である。
【図３】従来のサーボ制御装置の内部構成を示したブロック図である。
【図４】サンプリング時間をＴとした関数値Ａを表す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るサーボ制御装置のブロック図である。
【図６】本発明の実施形態におけるサーボ制御装置の応答特性を示す図である。
【符号の説明】
１  加算器
２  減算器
３  制御対象（伝達関数はＧ（ｚ））
１０  デジタルフィルタ（伝達関数はＦ（ｚ））
１１  微分演算器
１２  ゲイン部
１３  減算器
【図１】
0003802692.tif 000015
【図２】
0003802692.tif 000016
【図３】
0003802692.tif 000017
【図４】
0003802692.tif 000018
【図５】
0003802692.tif 000019
【図６】
0003802692.tif 000020