(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度マイナーループを備え、位置のフィードバック制御を行う位置制御装置において、制御出力である位置信号とオブザーバ７による位置推定信号の差を入力するオブザーバ７の補償器１２と、前記補償器１２の出力と位置制御器２の出力を加算して入力する積分要素９を備え、前記積分要素９の出力を速度ループのモデル１０に通した信号を前記位置推定信号とするように前記オブザーバ７を構成し、位置指令と前記積分要素９の出力との差を入力する位置制御器２の出力を速度指令として制御対象を制御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、速度信号に基づき速度制御を行うとともに、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。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、通常の位置制御系は位置メインループ（以下では位置ループと称す）と速度マイナーループ（以下では速度ループと称す）で構成されている。図３はこのような通常の位置制御系のブロック線図である。
図３において、２は位置制御器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６は積分要素である。このような制御系では、制御系を安定とするため、速度ループの遮断周波数が位置ループの遮断周波数の数倍以上であるように制御器を構成する必要がある。
近年、産業用機械においては、高精度化および高速化の要求が高くなり、そのためには位置ループの周波数特性を向上させ、すなわち位置制御器および速度制御器のゲインを上げることが不可欠である。
しかし、速度ループには遅れ要素やアンプの非線形性などが存在するため速度制御器のゲインが十分に上げられない。また、位置ループでは速度ループの遅れの影響で位置ループの遮断周波数が速度ループの遮断周波数の１／４〜１／２位までしか位置制御器のゲインを上げられない。
また、速度指令とモータ側の位置信号を入力して構成したオブザーバを用いて、負荷側の位置を含む状態量を推定する方法が提案された（特開平６−２９２３８１）。この制御方法のオブザーバを用いて推定した位置信号をのみフィードバックするように構成した制御系は図４のようなものとなる。図４において、２は位置制御器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６，９は積分要素、７はオブザーバ、１０は速度ループのモデル、１２はオブザーバの補償器である。オブザーバループが安定となるようにオブザーバの補償器Co（ｓ）を構成すれば、位置推定信号ｙoは位置信号ｙと一致するので、図４の制御系の安定性は図３の制御系の安定性と同じである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、前記従来技術では、速度ループの遅れの影響で位置制御器のゲインを大きく上げられないので、高精度かつ高速な位置制御ができない。
そこで、本発明は、前記従来技術の有する問題点を解消するため、速度ループの位相遅れを補償し、位置制御器のゲインを十分に上げられ、位置信号を位置指令に精度良く追従できる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】
前記の目的を達成するために、本発明は、速度マイナーループを備え、位置のフィードバック制御を行う位置制御装置において、制御出力である位置信号とオブザーバ７による位置推定信号の差をオブザーバ７の補償器１２に入力し、前記補償器１２の出力と位置制御器２の出力を加算して積分要素９に入力し、前記積分要素９の出力を速度ループのモデル１０に通した信号を前記位置推定信号とするように前記オブザーバ７を構成し、位置指令と前記積分要素９の出力との差を位置制御器２に入力し、前記位置制御器２の出力を速度指令とし、制御対象を制御することを特徴とする位置制御装置である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図において説明する。図１は本発明の制御系の構成原理を示すブロック線図である。図１において、２は位置制御器、３は速度ループ、４は速度制御器、５は制御対象、６，９は積分要素、７はオブザーバ、１０は速度ループのモデル、１２はオブザーバの補償器である。図１に示すように、本発明の制御系は、図４に示した従来の制御系において、積分要素９と速度ループのモデル１０を置き換え、そして位置推定信号ｙoの代わりに位置先行信号ｙpreを位置フィードバック信号ｙfとするものである。具体的に、制御出力である位置信号ｙとオブザーバ７による位置推定信号ｙoの差をオブザーバの補償器１２に入力し、オブザーバの補償器１２の出力と位置制御器２の出力ｖrを加算して積分要素９に入力する。積分要素９の出力ｙpreは、一方では、速度ループのモデル１０に入力し、速度ループのモデル１０の出力ｙoを位置推定信号とするようにオブザーバ７を構成し、他方では、位置フィードバック信号ｙfとし、位置指令ｙrから位置フィードバック信号ｙfを減じて位置制御器２に入力し、位置制御器２の出力ｖrを速度指令とし、制御対象を制御する。
図１より、位置開ループにおいて、位置制御器２の出力である速度指令ｖrから位置信号ｙおよび位置フィードバック信号ｙfまでの伝達関数は
【０００６】
【数１】
0003864283.tif 000002
【０００７】
となる。よって、オブザーバ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により、位置閉ループには速度ループのモデルがないので、遅れ要素が積分要素だけで、位置制御器２のゲインを大きく上げることができる。また、位置指令ｙrから位置信号ｙまでの伝達関数は
【０００８】
【数２】
0003864283.tif 000003
【０００９】
となる。すなわち、位置ループの周波数特性が速度ループの周波数特性に近づき、位置ループの遮断周波数は従来と比べてかなり高くなる。従って、位置信号を位置指令に精度よく追従することができる。
なお、オブザーバのループには速度ループのモデルがあるが、式３により、入出力特性はオブザーバの補償器１２と関係しないため、オブザーバの補償器１２のゲインを低く設定しても構わない。従って、安定なオブザーバを容易に構成できる。
次に、この実施の形態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。
イナーシャがＪである剛体系制御対象に対して、速度制御器を下記のようなＰＩ制御器
【００１０】
【数３】
0003864283.tif 000004
【００１１】
とし、位置制御器をゲインがＫｐである比例制御器とする。そして、Ｋｖ＝２π×２００ｒａｄ／ｓ，Ｔi＝３．１８３ｍｓ，Ｋｐ＝２π×７０Ｈｚとすると、本発明の実施形態および従来技術の一巡伝達関数の周波数特性は図５に示すものとなる。図５より、本発明の実施形態の一巡伝達関数の位相は全周波域にわたって−９０°であるが、従来技術の一巡伝達関数の位相は周波数が大きくなると共に遅れが大きくなる。６０°以上の位相余裕を保つために、従来技術ではＫｐを２π×７０Ｈｚまでしか上げられないが、本発明ではＫｐをいくらでも大きく上げられる。Ｋｐ＝２π×１０００Ｈｚとする本発明の実施形態の入出力特性およびＫｐ＝２π×７０Ｈｚとする従来技術の入出力特性を図６に示す。図６より、本発明の実施形態の入出力特性は速度ループの入出力特性に近いが、従来技術の入出力特性の遮断周波数は速度ループの遮断周波数の約１／３である。また、速度パターンが三角形である位置指令に対して、本発明の実施形態および従来技術の位置偏差の時間カーブを図７に示す。図７より、従来技術と比べて、本発明の位置偏差の最大値は約１／９となった。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、速度指令と位置信号に基づき、速度ループのモデルと積分要素に対しオブザーバを構成し、速度ループのモデルを通る前の位置先行信号を位置フィードバック信号とすることにより、位置制御系がフィードバック制御部分とオブザーバ部分に分離できる。位置フィードバックループには速度ループの遅れが入ってこないので、位置制御器のゲインを大きく上げられるため、制御系の応答性能をアップすることができる。一方、オブザーバのループには速度ループのモデルがあるが、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御系の構成原理を示すブロック線図
【図２】図１の等価ブロック線図
【図３】通常の位置制御系のブロック線図
【図４】従来技術の位置制御系のブロック線図
【図５】本発明実施例の一巡伝達関数の周波数特性と従来技術の一巡伝達関数の周波数特性との比較
【図６】本発明実施例の入出力特性と従来技術の入出力特性との比較
【図７】本発明実施例の位置偏差と従来技術の位置偏差との比較
【符号の説明】
１、１１  減算器
２  位置制御器
３  速度ループ
４  速度制御器
５  制御対象
６、９  積分要素
７  オブザーバ
８  加算器
１０  速度ループのモデル
１２  オブザーバの補償器
【図１】
0003864283.tif 000005
【図２】
0003864283.tif 000006
【図３】
0003864283.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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