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JP2006018431A - サーボ制御装置 - Google Patents

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Seitaro Ota
清太郎 大田
Yuji Nakamura
裕司 中村
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Yaskawa Electric Corp
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Yaskawa Electric Corp
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Abstract

【課題】 目標指令とモータ出力との偏差を最小とする最適なフィードフォワードゲインを自動で設定できるようにする。
【解決手段】 目標指令とモータ2の出力との偏差絶対値の最大値を最小とするようなフィードフォワード制御器におけるフィードフォワードゲインを自動で設定できるフィードフォワードゲイン変更手段5を備える。フィードバック制御器4は目標指令とモータ2の出力とを一致させるような制御入力をモータ制御器3に与え、フィードバック制御器6は、目標指令を入力として加減速度一定時、及び速度一定時の偏差が零となるような複数の補償信号にフィードフォワードゲイン変更手段5において設定されたフィードフォワードゲインを乗じた複数のフィードフォワード信号をモータ制御器3に与え、モータ制御器3はモータ2を制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、指令追従精度を必要とする工作機、半導体製造装置、実装機等を駆動するサーボ制御装置に関する。
従来のサーボ制御装置は目標指令にモータ出力を一致させるように、モータ制御器に制御入力を与えるサーボ制御装置として、様々な構成が提案されている。(例えば、特許文献1を参照。)
図8は特許文献1に開示された従来のサーボ制御装置を代表する予測制御装置の構成を示すブロック図である。予測制御装置は制御対象の出力を目標指令に一致させるように動作する。図8に示すように予測制御装置は、制御対象1’、予測制御装置4’、フィードフォワード信号作成指令フィルタ6’で構成され、制御対象1’はモータ制御器3’とモータ2’で構成される。
図9は特許文献1に開示された予測制御装置のフィードフォワード信号作成指令フィルタの構成を示すブロック図である。図9に示されるように、フィードフォワード信号作成指令フィルタはフィルタ24、メモリ25、フィードフォワード信号演算器26で構成される。
次に動作について説明する。フィルタは未来の目標指令に関する情報を入力として、その入力した信号、あるいは、その入力した信号を内部のディジタルフィルタ(不図示)でフィルタリングした信号のMサンプリング未来におけるサンプリング周期の間の増分とを指令Δr(i+M)として出力する。ディジタルフィルタは目標指令をフィルタリングする目的で用いられる。メモリはフィルタからの出力された指令増分値を順次記憶して現在時刻iからMサンプリング未来までの指令値Δr(i)、Δr(i+1)、・・・、Δr(i+M)を出力する。フィードフォワード演算器はメモリから出力された指令増分値Δr(i)、Δr(i+1)、・・・、Δr(i+M)からフィードフォワード信号を求め、トルクフィードフォワード信号Tff(i)、速度フィードフォワード信号Vff(i)を生成する。予測制御器はフィードフォワード信号Tff(i)、Vff(i)と指令増分値Δr(i+1)、・・・、Δr(i+M)、制御対象の出力を入力として、フィードフォワード信号および制御入力からの出力までの伝達関数モデルを用いて未来の偏差予測値をもとめ、その未来偏差予測値と制御入力u(i)に関する評価関数が最小となるように制御入力u(i)を決定し、制御対象に出力する。制御対象はモータ制御器とモータから構成されており、モータ制御器は制御入力u(i)とフィードフォワード信号を入力して制御演算をし、モータを駆動する。図8の構成により、従来の予測制御装置は偏差を最小とするフィードフォワード制御器のフィードフォワードゲインを設定することにより加減速度一定時、および速度一定時の偏差を零とし、加速度変化時の偏差を小さくすることができるのである。
特開2002−62906号
しかしながら、従来の予測制御装置は最適なフィードフォワードゲインを設定するために偏差をモニタし、フィードフォワードゲインを手動で設定するため、加減速度一定時、および速度一定時の偏差を零とし、加減速度変化時の偏差を小さくすることができるが、調整が煩雑であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、フィードフォワードゲイン変更手段を用いて自動で偏差を最小とするようなフィードフォワードゲインを設定することができるサーボ制御装置を提供することを目的とする。
請求項1記載の本発明は、目標指令にモータ出力を一致させるように制御するサーボ制御装置であって、モータを制御するモータ制御器と、目標指令とモータ出力と複数のフィードフォワード信号とを入力し、目標指令とモータ出力とを一致させるように制御入力をモータ制御器に出力するフィードバック制御器と、目標指令を入力して加減速度一定時、および速度一定時における目標指令と前記モータ出力との偏差が零となるように複数の補償信号を生成して補償信号にフィードフォワードゲインを乗じた複数のフィードフォワード信号をモータ制御器とフィードバック制御器とに出力するフィードフォワード制御器とを備えたサーボ制御装置において、目標指令とモータ出力との偏差を入力し、フィードフォワード制御器のフィードフォワードゲインを変更するフィードフォワードゲイン変更手段を備えるようにしたものである。
請求項2記載の本発明は、請求項1記載のサーボ制御装置において、フィードフォワードゲイン変更手段は、絶対値出力器とメモリを備え、絶対値出力器は前記偏差の絶対値を演算し、メモリは偏差絶対値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、フィードフォワード制御器には、速度フィードフォワードゲインと、トルクフィードフォワードゲインとを設定して、複数のフィードフォワード信号を作成し、
フィードバック制御器と、モータ制御器とには、フィードフォワード制御器から出力される複数のフィードフォワード信号を入力するようにしたものである。
請求項3記載の本発明は、請求項1記載の本発明において、フィードフォワードゲイン変更手段は、絶対値出力器と積分器とメモリを備え、絶対値出力器は前記偏差の絶対値を演算し、積分器は偏差の絶対値を積分して第1積分補償値を演算し、メモリは第1積分補償値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、フィードフォワード制御器には、速度フィードフォワードゲインと、トルクフィードフォワードゲインとを設定して、複数のフィードフォワード信号を作成し、
フィードバック制御器と、モータ制御器とには、フィードフォワード制御器から出力される複数のフィードフォワード信号を入力するようにしたものである。
請求項4記載の本発明は、請求項1記載のサーボ制御装置において、フィードフォワードゲイン変更手段は二乗値出力器とメモリとを備え、二乗値出力器は偏差の二乗値を演算し、メモリは偏差二乗値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、フィードフォワード制御器には、速度フィードフォワードゲインと、トルクフィードフォワードゲインとを設定して、複数のフィードフォワード信号を作成し、
フィードバック制御器と、モータ制御器とには、フィードフォワード制御器から出力される複数のフィードフォワード信号を入力するようにしたものである。
請求項5記載の本発明は、請求項1記載のサーボ制御装置において、フィードフォワードゲイン変更手段は二乗値出力器と積分器とメモリとを備え、二乗値出力器は偏差の二乗値を演算し、積分器は偏差二乗値を積分して第2積分補償値を演算し、メモリは偏差二乗値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、フィードバック制御器には、偏差に対応した速度フィードフォワードゲインを設定し、モータ制御器には、偏差に対応したトルクフィードフォワードゲインを設定するようにしたものである。
請求項6記載の本発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載のサーボ制御装置において、フィードフォワードゲイン変更手段は、ゼロ出力器とスイッチと絶対値出力器とメモリを備え、スイッチは偏差とゼロ出力器のゼロ出力値を加速度変化検出手段の加速度変化信号により切替え、加速度変化時信号がONの時に偏差を入力し、ゼロフィードフォワードの時は0を入力するようにしたものである。
請求項1の発明によると、目標指令とモータ出力との偏差を最小とするフィードフォワードゲインを自動で設定できる。
請求項2の発明によると、モータ動作時の偏差絶対値の最大値を記憶し、フィードフォワードゲインを自動で変更するので、目標指令とモータ出力との偏差を最小にすることができる。
請求項3の発明によると、モータ動作時の偏差絶対値の積分値を記憶し、フィードフォワードゲインを自動で変更するので、目標指令とモータ出力との偏差を最小にすることができる。
請求項4の発明によると、モータ動作時の偏差2乗値の最大値を記憶し、フィードフォワードゲインを自動で変更するので、目標指令とモータ出力との偏差を最小にすることができる。
請求項5の発明によると、モータ動作時の偏差2乗値の積分値を記憶し、フィードフォワードゲインを自動で変更するので、目標指令とモータ出力との偏差を最小にすることができる。
請求項6の発明によると、加速度変化時信号がONした時のみ目標指令とモータ出力との偏差を請求項1〜請求項5の手段を用いて記憶し、フィードフォワードゲインを変更するので加速度変化時信号がONした時の目標指令とモータ出力との偏差を最小にすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施例を示すサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、フィードフォワードゲイン変更手段5は、目標指令からモータ2の出力を減算器8により減算した偏差を入力し、フィードフォワード制御器6内の複数のフィードフォワードゲインを変更することができる。実施例1における目標指令は目標位置指令、モータ2の出力はモータ位置とする。ただし、目標指令は目標速度指令、モータ2の出力はモータ速度としてもよい。
フィードバック制御器4は、目標指令とフィードフォワード制御器6の出力である複数のフィードフォワード信号とモータ2の出力とを入力し、モータ2の出力を目標指令に一致させるように制御入力をモータ制御器3に与え、フィードフォワード制御器6は、目標指令を入力し、加減速度一定時、及び速度一定時の偏差が零となるように複数の補償信号を生成して、該信号にフィードフォワードゲイン変更手段5で変更したフィードフォワードゲインである速度フィードフォワードゲイン、及びトルクフィードフォワードゲインを乗じた複数のフィードフォワード信号を生成してモータ制御器3と、フィードバック制御器4とに与える。図1におけるフィードフォワード信号は、速度フィードフォワード信号、及びトルクフィードフォワード信号である。
モータ制御器3はフィードバック制御器4から与えられる制御入力と、モータ2の出力と、フィードフォワード制御器6から与えられる速度フィードフォワード信号、及びトルクフィードフォワード信号とを入力し、モータ2を駆動する。
本発明の第1の実施例を示すサーボ制御装置が従来のサーボ制御装置と異なる部分は、目標指令とモータ2の出力との偏差を入力し、フィードフォワード制御器6における速度フィードフォワードゲイン、及びトルクフィードフォワードゲインを変更することができるフィードフォワードゲイン変更手段5を備えた部分である。
本発明の第1の実施例に示すサーボ制御装置におけるフィードフォワードゲイン変更手段5の動作の例を図2に示す。
図2において、絶対値出力器14は目標指令とモータ2の出力との差である偏差の絶対値を出力する。メモリ11は絶対値出力器14から出力される値を記憶する。速度フィードフォワードゲイン12と、トルクフィードフォワードゲイン13と、は、メモリ11の値を比較し、モータ2の動作後にフィードフォワード制御器6の速度フィードフォワードゲインとトルクフィードフォワードゲインとを変更することができる。
まず、速度フィードフォワードゲイン、トルクフィードフォワードゲイン、の初期値をそれぞれ0として、モータ2を動作させ、偏差絶対値をメモリ11にて記憶する。
次に速度フィードフォワードゲイン=0.1、トルクフィードフォワードゲイン=0に設定し、モータ2を動作させ、前回の偏差絶対値と今回の偏差絶対値とを比較する。
もし、前回の偏差絶対値よりも今回の偏差絶対値の方が小さければ、速度フィードフォワードゲイン=0.2と設定して同様の処理を繰り返す。
もし、前回の偏差絶対値よりも今回の偏差絶対値の方が大きければ、速度フィードフォワードゲイン=0.01と設定して同様の処理を繰り返す。
この動作を繰り返し、偏差絶対値が最小となる速度フィードフォワードゲイン12を見つける。
トルクフィードフォワードゲイン13も速度フィードフォワードゲイン12と同様の手順で偏差絶対値が最小となるトルクフィードフォワードゲイン13を見つけ設定することにより、自動で偏差絶対値の最大値が最小となるフィードフォワードゲインを設定することができる。
本発明の第1の実施例に示すサーボ制御装置におけるフィードフォワードゲイン変更手段5は他の構成も可能である。フィードフォワードゲイン変更手段5の動作の第2の例を図3に示す。図3において、モータ2動作時の目標指令とモータ2の出力との偏差を入力し、偏差絶対値を絶対値出力器14により出力し、該信号の値を積分器15により積分し、該信号をメモリ11により記憶する。メモリ11はモータ2動作後、フィードフォワード制御器6の速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を変更し、再度モータ2を動作させ、メモリ11に記憶される偏差絶対値の積分値が最小となるような速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を見つけ設定することにより、自動で偏差絶対値の積分値が最小となるフィードフォワードゲインを設定することができる。
本発明の第1の実施例に示すサーボ制御装置におけるフィードフォワードゲイン変更手段5はさらに他の構成も可能である。フィードフォワードゲイン変更手段5の動作の第3の例を図4に示す。図4において、モータ2動作時の目標指令とモータ2の出力との偏差を入力し、その2乗値を2乗値出力器16により出力し、該信号の最大値をメモリ11により記憶する。メモリ11はモータ2動作後、フィードフォワード制御器6の速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を変更し、再度モータ2を動作させ、メモリ11に記憶される偏差2乗値の最大値が最小となるような速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を見つけ設定することにより、自動で偏差2乗値の最大値が最小となるフィードフォワードゲインを設定することができる。
本発明の第1の実施例に示すサーボ制御装置におけるフィードフォワードゲイン変更手段5はさらに他の構成も可能である。フィードフォワードゲイン変更手段5の動作の第4の例を図5に示す。図5において、モータ2動作時の目標指令とモータ2の出力との偏差を入力し、偏差2乗値を2乗値出力器16により出力し、該信号の値を積分器15により積分し、該信号をメモリ11により記憶する。メモリ11はモータ2動作後、フィードフォワード制御器6の速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を変更し、再度モータ2を動作させ、メモリ11に記憶される偏差2乗値の積分値が最小となるような速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を見つけ設定することにより、自動で偏差2乗値の積分値が最小となるフィードフォワードゲインを設定することができる。
図9はフィードフォワード制御器6の一例を示すブロック図である。図9は目標指令を入力し、速度フィードフォワード信号、及びトルクフィードフォワード信号を出力するために、フィードフォワードゲイン演算器22により演算された信号をフィードフォワードゲイン変更手段5により変更された速度フィードフォワードゲイン12を乗じて出力する。さらに、フィードフォワードゲイン演算器21により演算された信号を速度フィードフォワードゲイン12から自動計算される位相調整ゲイン20を乗じて出力する。速度フィードフォワードゲイン12を乗じた出力と、位相調整ゲイン20を乗じた出力の加算値を速度フィードフォワード信号として出力する。
そして、フィードフォワードゲイン演算器23により演算された信号をフィードフォワードゲイン変更手段5により変更されたトルクフィードフォワードゲイン13を乗じ、トルクフィードフォーワード信号として出力する。
図6は、本発明の第2の実施例を示すサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、加速度変化検出手段10は目標指令を入力し、加減速度が変化した時のみONする信号である。
フィードフォワードゲイン変更手段5´は、加速度変化検出手段10の出力である加速度変化時信号と、目標指令からモータ2の出力を減算器8により減算した偏差とを入力し、フィードフォワード制御器6内の複数のフィードフォワードゲインを変更することができる。実施例2における目標指令は目標位置指令、モータ2の出力はモータ位置とする。
ただし、目標指令は目標速度指令、モータ2の出力はモータ速度としてもよい。
フィードバック制御器4は、目標指令とフィードフォワード制御器6の出力である複数のフィードフォワード信号とモータ2の出力とを入力し、モータ2の出力を目標指令に一致させるように制御入力をモータ制御器3に与え、フィードフォワード制御器6は、目標指令を入力し、加減速度一定時、及び速度一定時の偏差が零となるように複数の補償信号を生成して、該信号にフィードフォワードゲイン変更手段5´で変更したフィードフォワードゲインである速度フィードフォワードゲイン、及びトルクフィードフォワードゲインを乗じた複数のフィードフォワード信号を生成してモータ制御器3と、フィードバック制御器4とに与える。図6におけるフィードフォワード信号は、速度フィードフォワード信号、及びトルクフィードフォワード信号である。
モータ制御器3はフィードバック制御器4から与えられる制御入力と、モータ2の出力と、フィードフォワード制御器6から与えられる速度フィードフォワード信号、及びトルクフィードフォワード信号とを入力し、モータ2を駆動する。
本発明の第2の実施例を示すサーボ制御装置が従来のサーボ制御装置と異なる部分は、加減速度が変化した時のみONする加速度変化時信号を出力する加速度変化検出手段10と、目標指令とモータ2の出力との偏差を入力し、加速度変化時信号がONになった時のみ偏差を記憶して、フィードフォワード制御器6における速度フィードフォワードゲイン、及びトルクフィードフォワードゲインを変更することができるフィードフォワードゲイン変更手段5とを備えた部分である。
本発明の第2の実施例に示すサーボ制御装置におけるフィードフォワードゲイン変更手段5´の動作の例を図7に示す。図7において、スイッチ17は加速度変化時信号がOフィードフォワードの時はゼロ出力器18から0を出力し、ONの時はモータ2動作時の目標指令とモータ2の出力との偏差を出力する。該信号の絶対値を絶対値出力器14により出力し、該信号の最大値をメモリ11により記憶する。メモリ11はモータ2動作後、フィードフォワード制御器6の速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を変更し、再度モータ2を動作させ、メモリ11に記憶される偏差絶対値の最大値が最小となるような速度フィードフォワードゲイン12とトルクフィードフォワードゲイン13を見つけ設定することにより、自動で偏差絶対値の最大値が最小となるフィードフォワードゲインを設定することができる。
本発明の第2の実施例に示すサーボ制御装置におけるフィードフォワードゲイン変更手段5´は図7におけるスイッチ17の出力を図3、4、及び5に入力して、フィードフォワードゲインを設定する他の構成も可能である。
このように、フィードフォワードゲイン変更手段5´を用いて、フィードフォワード制御器6における複数のフィードフォワードゲインを自動で設定することで、煩雑な調整を容易にすることができる。
モータ動作中の偏差を最小とすることで追従精度を改善することができるので、同期制御を行うような機械にも適用できる。
本発明の第1の実施例を示すサーボ制御装置の構成を示すブロック図 本発明の第1実施例の第1のフィードフォワード信号変更手段の構成を示すブロック図 本発明の第1実施例の第2のフィードフォワード信号変更手段の構成を示すブロック図 本発明の第1実施例の第3のフィードフォワード信号変更手段の構成を示すブロック図 本発明の第1実施例の第4のフィードフォワード信号変更手段の構成を示すブロック図 本発明の第2の実施例を示すサーボ制御装置の構成を示すブロック図 本発明の第2実施例のフィードフォワード信号変更手段の構成を示すブロック図 従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック図 従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック図 本発明のサーボ制御装置のフィードフォワード制御器の構成の一例を示すブロック図
符号の説明
2 モータ
3 モータ制御器
4 フィードバック制御器
5 フィードフォワードゲイン変更手段
6 フィードフォワード制御器
8 減算器
10 加速度変化検出手段
11 メモリ
12 速度フィードフォワードゲイン
13 トルクフィードフォワードゲイン
14 絶対値出力器
15 積分器
16 2乗値出力器
17 スイッチ
18 ゼロ出力器
20 位相調整ゲイン
21 フィードフォワードゲイン演算器
22 フィードフォワードゲイン演算器
23 フィードフォワードゲイン演算器

Claims (6)

  1. 目標指令にモータ出力を一致させるように制御するサーボ制御装置であって、モータを制御するモータ制御器と、前記目標指令と前記モータ出力と複数のフィードフォワード信号とを入力し、前記目標指令と前記モータ出力とを一致させるように制御入力を前記モータ制御器に出力するフィードバック制御器と、前記目標指令を入力して加減速度一定時および速度一定時における前記目標指令と前記モータ出力との偏差が零となるように複数の補償信号を生成して前記補償信号にフィードフォワードゲインを乗じた複数の前記フィードフォワード信号を前記モータ制御器と前記フィードバック制御器とに出力するフィードフォワード制御器とを備えたサーボ制御装置において、
    前記目標指令と前記モータ出力との偏差を入力し、前記フィードフォワード制御器の前記フィードフォワードゲインを変更するフィードフォワードゲイン変更手段を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
  2. 前記フィードフォワードゲイン変更手段は、絶対値出力器とメモリを備え、
    前記絶対値出力器は前記偏差の絶対値を演算し、
    前記メモリは前記偏差絶対値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、
    前記フィードフォワード制御器には、前記速度フィードフォワードゲインと、前記トルクフィードフォワードゲインとを設定して、複数のフィードフォワード信号を作成し、
    前記フィードバック制御器と、前記モータ制御器とには、前記フィードフォワード制御器から出力される複数の前記フィードフォワード信号を入力するようにしたことを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装置。
  3. 前記フィードフォワードゲイン変更手段は、絶対値出力器と積分器とメモリを備え、
    前記絶対値出力器は前記偏差の絶対値を演算し、
    前記積分器は前記偏差の絶対値を積分して第1積分補償値を演算し、
    前記メモリは前記第1積分補償値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、
    前記フィードフォワード制御器には、前記速度フィードフォワードゲインと、前記トルクフィードフォワードゲインとを設定して、複数のフィードフォワード信号を作成し、
    前記フィードバック制御器と、前記モータ制御器とには、前記フィードフォワード制御器から出力される複数の前記フィードフォワード信号を入力するようにしたことを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装置。
  4. 前記フィードフォワードゲイン変更手段は二乗値出力器とメモリとを備え、
    前記二乗値出力器は前記偏差の二乗値を演算し、
    前記メモリは前記偏差二乗値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、
    前記フィードフォワード制御器には、前記速度フィードフォワードゲインと、前記トルクフィードフォワードゲインとを設定して、複数のフィードフォワード信号を作成し、
    前記フィードバック制御器と、前記モータ制御器とには、前記フィードフォワード制御器から出力される複数の前記フィードフォワード信号を入力するようにしたことを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装置。
  5. 前記フィードフォワードゲイン変更手段は二乗値出力器と積分器とメモリとを備え、
    前記二乗値出力器は前記偏差の二乗値を演算し、
    前記積分器は前記偏差二乗値を積分して第2積分補償値を演算し、
    前記メモリは前記偏差二乗値に対応した速度フィードフォワードゲインおよびトルクフィードフォワードゲインを記憶し、
    前記フィードバック制御器には、前記偏差に対応した速度フィードフォワードゲインを設定し、
    前記モータ制御器には、前記偏差に対応したトルクフィードフォワードゲインを設定するようにしたことを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装置。
  6. 前記フィードフォワードゲイン変更手段は、ゼロ出力器とスイッチと絶対値出力器とメモリを備え、
    前記スイッチは前記偏差と前記ゼロ出力器のゼロ出力値を加速度変化検出手段の加速度変化信号により切替え、
    前記加速度変化時信号がオンの時に前記偏差を入力し、オフの時は0を入力することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のサーボ制御装置。
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