(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のパターンで変化する目標位置指令の微分値を与えると、位置指令を生成し、その位置指令をフィードバック制御系に入力して負荷を前記位置指令に追従させる位置決め制御装置において、
前記目標位置指令の微分値を積分する積分器と、
前記積分器の出力と前記位置指令を差し引いて位置指令偏差を出力する減算器と、
式（１）の伝達関数をもち前記目標位置指令の微分値を入力する安定型プレフィルタと、
【数１】
0003815545.tif 000007
前記安定型プレフィルタの出力と前記位置指令偏差を入力し、前記目標位置指令の微分値が零から非零になれば指令開始と判断し、前記目標位置指令の微分値が非零から零になれば指令終了と判断するとともに、指令終了の後、前記位置指令偏差が０になってから次の指令開始までは０を出力し、それ以外は前記安定型プレフィルタの出力をそのまま出力する指令定着部と、
前記指令定着部の出力を積分して前記位置指令を出力する第２の積分器と、
を備えることを特徴とする振動抑制位置決め制御装置。
【請求項２】
所定のパターンで変化する目標位置指令を与えると、位置指令を生成し、その位置指令をフィードバック制御系に入力して負荷を前記位置指令に追従させる位置決め制御装置において、
前記目標位置指令を微分する微分器と、
前記目標位置指令と前記位置指令を差し引いて位置指令偏差を出力する減算器と、
式（２）の伝達関数をもち前記微分器の出力を入力する安定型プレフィルタと、
【数２】
0003815545.tif 000008
前記安定型プレフィルタの出力と前記位置指令偏差を入力し、前記目標位置指令の微分値が零から非零になれば指令開始と判断し、前記目標位置指令の微分値が非零から零になれば指令終了と判断するとともに、指令終了の後、前記位置指令偏差が０になってから次の指令開始までは０を出力し、それ以外は前記安定型プレフィルタの出力をそのまま出力する指令定着部と、
前記指令定着部の出力を積分して前記位置指令を出力する第２の積分器と、
を備えることを特徴とする振動抑制位置決め制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータで負荷を駆動して位置決めする位置決め制御装置に関し、とくに、負荷又は負荷が置かれる機台に存在する低周波数の振動を抑制する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の産業用機械は、軽量化や小型化の要求から、モータと負荷を接続する軸や駆動機構が置かれる機台の剛性が低下しつつあり、負荷系や機台の固有周波数が低下する傾向にある。またこれと並行してサーボ制御系の性能が高められ、駆動系の応答も高められる傾向にある。このような状況にあるサーボ制御系については、負荷や機台が振動しやすくなるという問題が顕在化しつつある。
従来、このような振動を抑制するため、図３に示すような「電気学会研究会資料」IIC-96-17, pp.75-84に記載されたサーボ制御装置が提案されている。図において、３１はＳ字位置指令発生器、３２は準安定型プレフィルタ、３３はセミクローズドフィードバック位置制御系であり、３３aはフィードバック制御系の位置指令からモータ位置までの伝達関数、３３bはモータ位置から負荷位置までの伝達関数である。このフィードバック制御系における負荷の固有振動角周波数はωａであり、Ｓ字位置指令θ*Ｍの速度パターンが図５に示すような加速時間と減速時間が等しい台形となっている場合を例示している。なお、ｔＡは加減速時間、（ｔＤ-ｔＡ）は等速時間である。
このような制御系をしている場合、フィードバック位置制御系３３の振動極ωａは、図３からわかるように、準安定型プレフィルタ３２の伝達関数
【数３】
0003815545.tif 000002
が持つ零点によってキャンセルされ、また、ωａｎを（４）式のいずれかを満足するように設定することによって、制振制御が実現される。
【数４】
0003815545.tif 000003
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記の従来の技術によると、
（１）目標位置指令θ*Ｍの加減速時間および等速時間が短い場合、フィードバック系の位置指令θ**Ｍが急峻になる。（図６参照。詳細な説明は後述）
（２）（４）式は厳密に満たされる必要があり、満たされないと持続振動が発生する。例えば、目標位置指令θ*Ｍの加減速時間がわずか５％変動すると、後述の図７に示すようにフィードバック系の位置指令θ**Ｍが持続的に振動する。
（３）従来の準安定型プレフィルタをＣＰＵ等の演算手段で実現しようとすると、離散時間化による誤差で、準安定型プレフィルタの臨界安定極が不安定な極となるため、準安定型プレフィルタが不安定となる。たとえば、サンプル時間がわずか１００μｓであっても、図８に示すようにフィードバック系の位置指令θ**Ｍが不安定（振動しながら発散）なものとなる。
などの問題があった。
従来の準安定型プレフィルタの問題を考察すると、問題の本質がすべてフィルタの分母の減衰項がゼロであることに帰着する。通常は、減衰項が入ったフィルタを単純に適用することを考えるが、この場合、フィルタの遅れ時間が大きくなり、位置決め時間が伸びてしまう。従来例はこの遅れ時間をなくすために、減衰項をゼロにしているものと考えられる。したがって、従来の考え方の延長では、「安定性が高くかつ位置決め時間が短い」プレフィルタは構成できなかった。本発明は、この根本的な問題を解決するために、フィードバック制御系の位置指令が目標指令と一致したときにプレフィルタの出力をゼロとすることにより、フィードバック制御系の位置指令を目標位置に定着させて、短時間に安定な位置決めをすることができる振動抑制位置決め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】
請求項１の発明の振動抑制位置決め制御装置は、所定のパターンで変化する目標位置指令の微分値を与えると、位置指令を生成し、その位置指令をフィードバック制御系に入力して負荷を前記位置指令に追従させる位置決め制御装置において、前記目標位置指令の微分値を積分する積分器と、前記積分器の出力と前記位置指令を差し引いて位置指令偏差を出力する減算器と、式（５）の伝達関数をもち前記目標位置指令の微分値を入力する安定型プレフィルタと、前記安定型プレフィルタの出力と前記位置指令偏差を入力し、前記目標位置指令の微分値が零から非零になれば指令開始と判断し、前記目標位置指令の微分値が非零から零になれば指令終了と判断するとともに、指令終了の後、前記位置指令偏差が０になってから次の指令開始までは０を出力し、それ以外は前記安定型プレフィルタの出力をそのまま出力する指令定着部と、前記指令定着部の出力を積分して前記位置指令を出力する第２の積分器と、を備えることを特徴としている。
【数５】
0003815545.tif 000004
請求項２の発明の振動抑制位置決め制御装置は、所定のパターンで変化する目標位置指令を与えると、位置指令を生成し、その位置指令をフィードバック制御系に入力して負荷を前記位置指令に追従させる位置決め制御装置において、前記目標位置指令を微分する微分器と、前記目標位置指令と前記位置指令を差し引いて位置指令偏差を出力する減算器と、式（６）の伝達関数をもち前記微分器の出力を入力する安定型プレフィルタと、前記安定型プレフィルタの出力と前記位置指令偏差を入力し、前記目標位置指令の微分値が零から非零になれば指令開始と判断し、前記目標位置指令の微分値が非零から零になれば指令終了と判断するとともに、指令終了の後、前記位置指令偏差が０になってから次の指令開始までは０を出力し、それ以外は前記安定型プレフィルタの出力をそのまま出力する指令定着部と、前記指令定着部の出力を積分して前記位置指令を出力する第２の積分器と、を備えることを特徴としている。
【数６】
0003815545.tif 000005
以上のようになっているため、負荷又は負荷が置かれる機台に低周波数の振動が存在することがあっても、短時間に安定な位置決めをすることができるのである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。図１と図２はそれぞれ本発明の実施例１と実施例２を示すブロック図であり、図４は本発明を適用したシステムの構成図である。
まず図４から説明すると、４１はモータ、４３は負荷、４２はモータ４１と負荷４３を連結して回転力を伝える力伝達機構であり、４４はこれらを搭載する機台、４５は機台４４を支える支持足である。モータ４１が力伝達機構４２を介して負荷４３を駆動するとき、機台４４がモータ４１の駆動力の反力を受ける。支持足４５の剛性が低い場合は機台４４が振動しやすく、また、モータが高加減速度で負荷を駆動する場合で、特に駆動力の周期が機台４４の固有振動周期に近いときは機台４４が振動しやすい。
このような機台４４の振動を抑制するため、本発明の実施例１と実施例２の制御系はそれぞれ図１と図２のように構成されている。これらの図において、５はフィードバック制御系、５aはフィードバック制御系５の位置指令ｘ***から機台変位ｙまでの伝達関数の安定項、５bは同じくその伝達関数の不安定項である。なお、ω０は機台４４の固有振動周波数である。
図１において、目標位置指令の微分値ｖ*が与えられると、積分器６では目標位置指令の微分値ｖ*が積分されて目標位置指令ｘ*が得られる。
図２において、目標位置指令ｘ*が与えられると、微分器８では目標位置指令ｘ*が微分されて目標位置指令の微分値ｖ*が得られる。
図１および図２において、まず、減算器７では、目標位置指令ｘ*からフィードバック制御系５の位置指令ｘ***が減算されて位置指令偏差ｅｒが得られる。目標位置指令の微分値ｖ*が式（７）の伝達関数を持つ安定型プレフィルタ１に入力される。
【数７】
0003815545.tif 000006
こうして得られた信号ｖ**と、位置指令偏差ｅｒと、目標位置指令の微分値ｖ*は指令定着部２に入力される。
次に、指令定着部２では、目標位置指令の微分値ｖ*に基づいて目標指令の開始と終了が判断される。ｖ*が零から非零になるときは、指令開始と判断され、ｖ*が非零から零になるときは、指令終了と判断される。また、指令終了の後、位置指令偏差ｅｒが０になってから次の指令開始までは切替スイッチをＢ側に倒して０が出力され、それ以外の場合には、Ａ側に倒してｖ**が出力される。すなわち、フィードバック制御系の位置指令が目標位置に達する前は、安定型プレフィルタ１通過後の信号ｖ**を出力し、フィードバック制御系の位置指令が目標位置に達した後は、０を出力する、という動作がとられるのである。なお、図５のパターンを繰り返す連続送りの場合では、フィードバック制御系の位置指令が目標位置に達してから次の送りの始まりまで、安定型プレフィルタ１の全状態量をゼロにクリアする処理を追加する。これにより、安定型プレフィルタ１が常に初期状態で起動するので、連続する図５のパターンの間隔が短い場合でも、安定型プレフィルタ１が正常に動作する効果がある。
最後に、指令定着部２の出力ｖ***が積分器４で積分演算されて位置指令ｘ***が得られると、位置指令としてフィードバック制御系５に入力される。
以上述べたように、目標位置指令の微分値を安定型プレフィルタ１に通させることにより、目標位置指令の微分値に含まれる機台の固有振動周波数ω０成分が除去されるので、安定型プレフィルタ１通過後の指令信号は安定かつなだらかで、機台の振動を励起しないものとなる。また、安定型プレフィルタ１通過後の指令信号を指令定着部２に通過させることにより、フィードバック制御系に加わる最終の指令信号をすばやく目標位置に到達させることができるのである。こうして、機台の振動を励起させることなく、指令定着時間が短い安定な位置決め指令を得ることができる。
次に、この実施例における発明の効果について、次の３つのケースについてシミュレーションしたので説明する。
ケース１）  ｔＡが一定で、従来の準安定型プレフィルタおよび本発明の安定型プレフィルタを連続系で実現する。
ケース２）  ｔＡが５％下がり、従来の準安定型プレフィルタおよび本発明の安定型プレフィルタを連続系で実現する。
ケース３）  ｔＡが一定で、従来の準安定型プレフィルタおよび本発明の安定型プレフィルタを離散系で実現する（サンプル周期Ts=１００μｓ）。
シミュレーションに用いる共通する条件は、目標位置指令ｘ*がＱＭ*と同じ、図５に示したパターンで、ｔＡ＝18.8ms、ｔＤ＝27.2msであり、機台の固有振動周波数はω０＝12Hzである。
従来の技術については、準安定型プレフィルタＦ１（ｓ）のパラメータをωａ＝ω０、ωａｎ＝２π／ｔＡとして上記３つのケースについてシミュレーションし、その結果、得られた位置指令の時間関数をそれぞれ図６、図７および図８に示す。
本発明を適用した場合については、安定型プレフィルタＦ２（ｓ）のパラメータをω２＝2ω０、ζ２＝0.４として上記３つのケースについてシミュレーションし、その結果、得られた位置指令の時間関数をそれぞれ図９、図１０および図１１に示す。
図６〜８を図９〜１１と比較してわかるように、従来技術のフィードバック系の位置指令ＱＭ**は
１）  波形が急峻である。
２）  ｔＡを少し（５％）下げるだけでも、持続的に振動する。
３）  準安定型プレフィルタを離散系で実現すると、不安定になる。
となっているのに対して、本発明のフィードバック制御系の位置指令Ｘ***は
１）  なだらかである。
２）  ｔＡを少し（５％）下げても、波形がほぼ変わらない。
３）  安定型プレフィルタを離散系で実現しても、波形が全然変わらない。
となっており、従来技術にくらべて時間応答が大幅に改善されていることがわかる。
なお、安定型プレフィルタＦ２（ｓ）通過後の位置指令ｘ**はオーバーシュートしているが、指令定着部２の出力であるフィードバック制御系の位置指令ｘ***はオーバーシュートしていないため、指令定着時間が非常に短かくなっている。
【０００６】
【発明の効果】
以上のべたように本発明によれば、目標指令信号を安定型プレフィルタに通しているので、目標指令信号に含まれる機械の固有振動周波数成分が除去され、しかも安定型プレフィルタ通過後の指令信号が安定かつなだらかなものとなっている。また、安定型プレフィルタ通過後の指令信号を指令定着部に通しているので、フィードバック制御系に加わる最終の指令信号がすばやく目標位置に到達するようになっている。従って、機械の振動を励起させることなく、指令定着時間が短い安定な位置決め指令を得ることができるという大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示すブロック図
【図２】本発明の実施例２を示すブロック図
【図３】従来の振動抑制位置決め制御装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施例のシステム構成図
【図５】Ｓ字位置指令および指令の速度パターンの時間関数を示す図
【図６】ｔＡが一定で、準安定型プレフィルタを連続系で実現する場合の従来技術の位置指令の時間関数を示す図
【図７】ｔＡが５％下がり、準安定型プレフィルタを連続系で実現する場合の従来技術の位置指令の時間関数を示す図
【図８】ｔＡが一定で、準安定型プレフィルタを離散系で実現する場合の従来技術の位置指令の時間関数を示す図
【図９】ｔＡが一定で、安定型プレフィルタを連続系で実現する場合の本発明の位置指令の時間関数を示す図
【図１０】ｔＡが５％下がり、安定型プレフィルタを連続系で実現する場合の本発明の位置指令の時間関数を示す図
【図１１】ｔＡが一定で、安定型プレフィルタを離散系で実現する場合の本発明の位置指令の時間関数を示す図
【符号の説明】
１  安定型プレフィルタ
２  指令定着部
２a  切替判別部
２b  切替スイッチ
２c  定数０
３、４、６  積分器
５  フィードバック制御系
５a  フィードバック制御系の位置指令から機台変位までの伝達関数の安定項
５b  フィードバック制御系の位置指令から機台変位までの伝達関数の不安定項
７  減算器
８  微分器
３１  Ｓ字位置指令発生器
３２  準安定型プレフィルタ
３３  セミクローズドフィードバック制御系
３３a  フィードバック制御系の位置指令からモータ位置までの伝達関数
３３b  フィードバック制御系のモータ位置から負荷位置までの伝達関数
４１  モータ
４２  力伝達機構
４３  負荷
４４  機台
４５  支持足
【図１】
0003815545.tif 000009
【図２】
0003815545.tif 000010
【図３】
0003815545.tif 000011
【図４】
0003815545.tif 000012
【図５】
0003815545.tif 000013
【図６】
0003815545.tif 000014
【図７】
0003815545.tif 000015
【図８】
0003815545.tif 000016
【図９】
0003815545.tif 000017
【図１０】
0003815545.tif 000018
【図１１】
0003815545.tif 000019