WO2006134702A1

WO2006134702A1 - 機械位置制御装置

Info

Publication number: WO2006134702A1
Application number: PCT/JP2006/306829
Authority: WO
Inventors: Hidetoshi Ikeda; Yoshihiro Marushita; Kei Terada; Takashi Isoda; Hiroto Takei
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2006-12-21
Also published as: CN100578412C; US20090284208A1; CN101198917A; TWI325523B; JP2006350792A; JP4577107B2; US7911172B2; DE112006001583T5; TW200700946A; KR100951754B1; KR20080016865A

Abstract

電動機による負荷の駆動系の剛性が低い場合でも、負荷位置信号をフィードバックして行う負荷の位置制御を、電動機位置信号だけをフィードバックするセミクローズ制御と同等の安定性で行えるようにすることで、高精度の負荷の位置制御を可能とする。そのために、負荷２０の現在位置の計測値である負荷位置信号ｘlに対して、位相遅れに対する補償を安定化補償回路８０において行ったあと、位置信号合成回路９０において高調波部分は電動機２０の現在位置の計測値である電動機位置信号ｘmに置き換て制御対象位置信号ｘfbとして、この制御対象位置信号ｘfbを位置制御回路１１０にフィードバックして、電動機３０が負荷２０を駆動するトルクの目標値を示すトルク指令信号を出力するように構成した。

Description

明細書

機械位置制御装置

技術分野

[0001] この発明は、工作機械や部品実装機など、電動機等のァクチユエータを用いて駆動することにより機械系の位置を制御する、機械位置制御装置に関するものである。背景技術

[0002] 従来の機械位置制御装置は、負荷の位置の検出値である負荷位置信号にローバスフィルタを作用させた信号と、電動機の位置の検出値である電動機位置信号にハィパスフィルタを作用させた信号とを加算した信号、すなわち、電動機による負荷の駆動系が有限剛性であることにより、負荷位置信号の位相遅れが顕著となる共振周波数以上の周波数帯域につ!、ては、位相遅れの無!、電動機位置信号を用いた信号を位置制御器へのフィードバック信号とすることにより、制御系の安定を図るように構成されて!ヽる（例えば特許文献 1)。

[0003] また、前置補償部を設けて、位置指令信号に基づく入力変数の 2階微分値にゲインを乗じた信号をフィードフォワード補償値として入力変数に加算することにより、機械系における移動方向の変形誤差を補償して、高精度の制御を可能とするように構成されて!/ヽる（例えば特許文献 2)。

[0004] 特許文献 1 :特開 2004— 334772号公報（図 1)

特許文献 2 :特開平 11— 184529号公報（図 3、図 4)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 負荷位置信号にローパスフィルタを作用させた信号と、電動機位置信号にハイパスフィルタを作用させた信号とを加算して位置制御器へのフィードバック信号とする構成では、負荷の位置制御の精度を高くするためにはハイパスフィルタ及びローパスフィルタのフィルタ周波数を大きく上げる必要がある。しかし、電動機による負荷の駆動系の剛性が低い場合は、フィルタ周波数を大きくすると制御系が不安定になるため、フィルタ周波数を十分大きくすることができずに負荷の位置を高精度に制御するのが困難であると!/、う問題があった。

[0006] また、前置補償部を設ける構成では、位置指令信号に基づく入力変数の 2階微分値に基づ、てフィードフォワード補償値を演算して加算するため、位置指令信号の変化に対してトルク指令信号の変化が急峻になり、制御対象に与える衝撃が大きくなるため、十分に位置制御器のゲインを大きくすることができない。その結果、高精度な負荷の位置制御を実現するのが困難であり、また、制御対象に外乱が入力したときに生じる振動を抑制することができな、と、う問題があった。

課題を解決するための手段

[0007] この発明の機械位置制御装置は、位置速度制御回路において、負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、電動機の現在位置を示す電動機位置信号及び電動機の現在速度を示す電動機速度信号に加えて、更に電動機及び負荷の現在位置に関する参照情報である制御対象位置信号をフィードバックして、電動機が負荷を駆動するトルクの目標値を示すトルク指令信号を演算するものであって、制御対象位置信号は、負荷の現在位置の測定値である負荷位置信号を、位相を進ませる伝達関数に基づヽて、安定化補償回路にぉヽて位相遅れを補償した補償負荷位置信号の低周波成分からなる信号と、電動機位置信号の高周波成分からなる信号とを位置信号合成回路において合成するように構成したものである。

発明の効果

[0008] この発明によれば、電動機による負荷の駆動系の剛性が低い場合でも、負荷位置信号をフィードバックして行う負荷の位置制御を、電動機位置信号だけをフィードバックするセミクローズ制御と同等の安定性で行えるようにすることで、高精度の負荷の位置制御が可能となる。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]本発明の実施の形態 1による機械位置制御装置を示すブロック図である。

[図 2]制御対象の周波数応答を示す図である。

[図 3]セミクローズ制御による機械位置制御装置を示すブロック図である。

[図 4]位置信号合成回路の内部構成を示すブロック図である。

[図 5]安定ィ匕補償回路の内部構成を示すブロック図である。 [図 6]減衰補償回路の内部構成を示すブロック図である。

[図 7]本発明の実施の形態 3による機械位置制御装置を示すブロック図である。

[図 8]本発明の実施の形態 4による機械位置制御装置を示すブロック図である。符号の説明

[0010] 10 制御対象

20 負荷

30 電動機

80、 80a 安定化補償手段である安定化補償回路

110 速度位置制御手段である速度位置制御回路

140 減衰補償手段である減衰補償回路

発明を実施するための最良の形態

[0011] 実施の形態 1.

図 1は、本発明の実施の形態 1による機械位置制御装置を示すブロック図である。制御対象 10は、負荷 20を駆動する電動機 30等から構成され、電動機 30はタイミングベルトやボールネジと、つたトルク伝達機構 40を介して負荷 20を駆動し、その電動機 30のトルク τ は、トルク制御回路 50によりトルク指令信号 τ に一致するように

m r

制御される。

また、電動機 30に取り付けられたエンコーダなどの電動機位置検出器 60により、電動機 30の現在位置を検出して電動機位置信号 Xとして出力し、負荷 20に取り付け

m

られたリユアスケールなどの負荷位置検出器 70により、負荷 20の現在位置を検出して負荷位置信号 X

1として出力する。

[0012] 安定化補償回路 80は、負荷位置信号 Xを入力として、負荷位置信号 Xの位相遅れ

1 1 を補償した補償負荷位置信号 Xを出力し、位置信号合成回路 90は、補償負荷位置

lc

信号 X X

lcと電動機位置信号 mとを入力として、電動機及び負荷の位置に関するフィードバック信号である制御対象位置信号 χ

fbを出力する。

速度演算回路 100は、電動機位置信号 Xを入力として、電動機の速度の現在値を

m

示す電動機速度信号 Vを出力する。

m

位置速度制御回路 110は、位置指令信号 Xと制御対象位置信号 Xとを入力として

r fb 、速度の目標値である速度指令を出力する位置ゲイン回路 120と、速度指令と電動機速度信号 Vとを入力として、トルク指令信号 τの算出の基礎となる基礎制御トル m r

ク信号 τ を出力する速度 PI制御回路 130とからなる。

b

減衰補償回路 140は、位置指令信号 Xと電動機位置信号 Xと負荷位置信号 Xを入 r m 1 力として、外部力設定する減衰調整パラメータ αに基づいて、基礎制御トルク信号て

bを補正する減衰補償トルク信号て

eを出力する。この減衰補償トルク信号て

cを基礎制御トルク信号 τ 〖こ加算した信号がトルク指令信号 τとなる。

b r

[0013] 次に動作について説明する。

位置ゲイン回路 120は、位置指令信号 Xと制御対象位置信号 Xとの偏差に位置ゲ r fb

イン kを乗じた信号を速度指令 vとして出力する。すなわち次式の演算を行う。

P r

[0014] [数 1]

v_r = k _p (x_r - fb ) ( 1 )

[0015] 次に、速度演算回路 100は次式で表されるように、電動機位置信号 Xを微分する m

ことにより電動機速度信号 Vを出力する。

m

[0016] [数 2]

[0017] 次に、速度 PI制御回路 130は、速度指令 Vと電動機速度信号 Vを入力とし、速度 r m

ゲイン kと速度積分ゲイン ω とを用いて、次式で表される ΡΙ (比例積分)演算によつて基礎制御トルク信号 τ を出力する。

b

[0018] [数 3]

k_v(s + ω_νί) ₍

=― ― (v_r - v_m) { ό )

[0019] 次に、制御対象 10の特性について説明する。

制御対象 10の機械剛性が低、場合、制御対象 10は低、周波数 (数 Hz〜数 10H z)の機械共振を持つ特性となる。最も低い周波数の機械共振特性に着目すると、制御対象 10は、電動機 30と負荷 20とがパネであるトルク伝達機構 40で結合された二慣性系として近似され、トルク制御回路 50の応答が十分に速いとすると、トルク指令信号 τから電動機位置信号 Xまでの伝達関数 G (s)及び負荷位置信号 Xまでの伝 r m p 1 達関数 G (s)はそれぞれ以下で表される。

1

[0020] 画 = G _p ^

J - S (Οΰ ρ S⁺' ( 4 )

τΓ + 1)

[0021] [数 5]

[0022] ここで、 Jは制御対象 10の全体の慣性を表し、 ωは反共振周波数、 ωは共振周波 ζ Ρ 数を表す。

このとき、トルク指令信号 τから電動機位置信号 Xまでの伝達関数 G (s)は、反共 r m p

振周波数 ω

ζに対応した複素零点 (反共振点) ζ

0を有する。

[0023] [数 6]

z₀ = ± i ' _ζ ( ο )

[0024] また、（4)式及び（5)式に示した、制御対象 10の伝達関数の周波数応答を図 2に示す。図 2より、トルク指令信号 τから電動機位置信号 Xまでの伝達関数 G (s)は、 r m p 位相が— 180度より遅れることはないが、負荷位置信号 Xまでの伝達関数 G (s)は、

1 1 共振周波数 ωで位相が大きく遅れることがわかる。

Ρ

[0025] 次に、安定ィ匕補償回路 80及び位置信号合成回路 90の動作を説明するために、電動機を用いて機械系を駆動する場合に最も広く用いられる制御系であって、負荷 20 の位置に関するフィードバックを利用しな、セミクローズ制御系につ、て説明する。図 3は、セミクローズ制御系の構成を示すブロック図であって、図 1の構成に比べて、負荷位置検出器 70及び負荷位置信号 X

1がなぐまた、位置信号合成回路 90、安定ィ匕補償回路 80及び減衰補償回路 140を備えておらず、電動機位置信号 Xをその m まま制御対象位置信号 Xとして位置ゲイン回路 120に入力するものである。

fb

[0026] この図 3のセミクローズ制御系は、負荷位置信号 Xをフィードバックしないため、トル

1

ク伝達機構 40の変形などがあると負荷 20の位置を正確に制御することができない。しかしながら制御系の安定を保ったまま位置ゲイン回路の位置ゲイン kを比較的大き

P

くすることができ、電動機位置信号 Xを制御する応答は高くできるという特徴がある。またこのセミクローズ制御系では、全体の制御ループをトルク指令信号 τ ^ 箇所で切り開いた開ループ伝達関数 L(s) (—巡伝達関数とも呼ぶ、以下では単に開ループ伝達関数と呼ぶ）は、速度ゲイン kと速度積分ゲイン ω を用いて次式で表される。

[数 7]

k_v{s + (k_p +ro_vi)s + k_pro_vl}

L(_S):

P

k_v{s (k_p +w_vi)s + k_pco_vi} ω~ 2²„52² +1

(7)

s J-s²(ro„²s² +1)

_ k_v(s + k_p)(s + ro_vi) +i

s J-s²(rop²s²+l)

[0028] 上記のセミクローズ制御の開ループ伝達関数 L(s)には、トルク指令信号ても電動機位置信号 Xまでの制御対象 10の伝達関数 G (s)が要素として含まれる。そのた

m

め、 G (s)に含まれる反共振点 z力そのまま開ループ伝達関数の零点として含まれ

P 0

る。また開ループ伝達関数における反共振点以外の零点は、速度 PI制御回路 130 及び位置ゲイン回路 120で設定した ω 及び—kの実数零点である。

[0029] 一方、上記のセミクローズ制御系に対して、負荷位置信号 X

1をフィードバックすることで、トルク伝達機構 40の変形などにかかわらず負荷 20の位置を正確に制御することも考えられる。しかし、負荷位置信号 Xをそのまま使用すると、一定の周波数以上の

1

領域では、制御対象 10の機械剛性が低、ことによる位相遅れの影響を受けて制御が不安定となるため、特許文献 1に記載のような、所定の周波数以上の領域については電動機位置信号 X フィードバック

mをする構成が考えられて、る。

その構成は、図 1の構成において、減衰補償回路 140を取り除いて減衰補償トルク信号 τ を 0とし、また安定ィ匕補償回路 80を取り除いて、補償負荷位置信号 Xの代わ

lc りに負荷位置信号 Xをそのまま位置信号合成回路 90に入力した構成に相当し、負荷

1

位置信号 Xと電動機位置 Xを位置信号合成回路 90で合成して位置ゲイン回路 120

1 m

にフィードバックするものである。

[0030] 図 4は、位置信号合成回路 90の内部構成を示すブロック図である。

電動機位置フィルタ 91は、電動機位置信号 Xを入力として、フィルタ周波数を ωと

m f するハイパスフィルタ F (s)を作用させた信号を出力する。また、負荷位置フィルタ 92 は、補償負荷位置信号 xを入力として、フィルタ周波数を電動機位置フィルタ 91と同 lc

じ ωとする、ローパスフィルタ F (s)を作用させた信号を出力する。

f 1

そして、電動機位置フィルタ 91の出力と負荷位置フィルタ 92の出力との和信号が、位置信号合成回路 90により制御対象位置信号 Xとして出力される。

fb

すなわち、位置信号合成回路 90は次式で表される演算を行う。

[0031] [数 8]

Xf ^{= F}m (^s)^xm + Fi (S)X_lc

s cof ( 8 )

xm + ^xlc

S + C0f S + G f

[0032] つまり、位置信号合成回路 90は、負荷位置信号 Xの低周波数成分と電動機位置 lc

信号 Xの高周波数成分とから、制御対象位置信号 Xを合成するものであって、フィ m fb

ルタ周波数 ωを大きくするほど、電動機位置信号 Xより負荷位置信号 Xを利用する f m lc 度合、が大きくなるように構成される。

[0033] ところが、制御対象位置信号 Xは、電動機位置信号 Xと負荷位置信号 Xとの周波 fb m 1 数成分を合成して生成しており、フィルタ周波数 ωより低い周波数では、制御対象位 f

置信号 Xには負荷位置信号 X

fb 1が多く含まれる。したがって、負荷位置信号 Xの

1 制御精度を向上させるためには、位置ゲイン回路 120における位置ゲイン kを十分に大

P

きくするとともに、位置信号合成回路 90のフィルタ周波数 ω

fを大きくして負荷位置信号 X

1を利用する度合、を大きくする必要がある。

し力しながら、図 2に示したとおり、トルク指令信号 τ に対する負荷位置信号 Xの応 r 1 答 G (s)は、トルク指令信号 τ に対する電動機位置信号 Xの応答 G (s)よりも位相が

1 r m p 遅れるため、開ループ伝達関数 L (s)は（7)式に示したセミクローズ制御のものよりも位相が遅れる。その結果、制御系が不安定になりやすぐ振動も大きくなるため、フィルタ周波数 ωと位置ゲイン kを十分に大きくすることができな力つた。

f P

[0034] そこで以下のように、安定ィ匕補償回路 80において、負荷位置信号 Xの位相遅れに

1

対する補償を行った補償負荷位置信号 X

lcを出力するように構成する。

図 5は、安定ィ匕補償回路 80の内部構成を示すブロック図である。

2階微分回路 81は、負荷位置信号 Xを 2階微分した信号を出力する。また、安定ィ匕

1

補償ゲイン回路 82は、 2階微分回路 81の出力に、外部から設定する安定化補償ゲインを乗じた信号を出力する。また、安定化補償回路 80は、安定ィ匕補償ゲイン回 st

路 82の出力と負荷位置信号 Xとの和信号を、補償負荷位置信号 Xとして出力する。

1 lc

すなわち、安定ィ匕補償回路 80は次式の伝達関数 C (s)で表される演算を行う。

st

[0035] [数 9]

-^ = C_st(_s) = K_st -_s ² +l (9 )

χ1

[0036] 安定ィ匕補償回路 80が以上のように動作することから、トルク指令信号てから補償負荷位置信号 X

lcまでの伝達関数は次式で表される。

[0037] [数 10]

, ( 1 0)

J.s (ωρ s +1)

[0038] ここで、安定ィ匕補償ゲイン Kは、制御対象 10の反共振周波数 ωを用いて次式のように設定する。

[0039] [数 11]

なお、反共振周波数 ωは、制御対象 10の周波数応答を測定したり、速度 ΡΙ制御回路 130の速度ゲイン kを大きくしたときの制御対象 10の振動周波数を測定したりするなどの方法で推定することができる。

[0040] (11)式のように安定化補償ゲイン Kを設定すると、トルク指令信号 τから補償負

st r

荷位置信号 χまでの伝達関数は (4)式の G (s)に一致し、またトルク指令信号 τか

ic p r ら補償負荷位置信号 Xまでの伝達関数も同じく G (s)に一致する。

lc p

すなわち次式が成り立つ。

[0041] [数 12] = = = G_p(_s) ( 1 2)

[0042] したがって、トルク指令信号 τから基礎制御トルク信号 τ までの伝達関数は、次式

r b

に示すように（7)式に示したセミクローズ制御の場合の開ループ伝達関数に一致する。

[0043] [数 13]

( 1 つ、

[0044] 上記の結果、安定ィ匕補償回路 80を用いることによりセミクローズ制御と同等な安定性を確保することができ、位置ゲイン回路 120における位置ゲイン kや、位置信号合

P

成回路 90におけるフィルタ周波数 ωを十分に大きくすることが可能になる。

f

その結果、負荷位置信号 X

1の制御精度を向上させることが可能になる。

また、セミクローズ制御と同様に、開ループ伝達関数の零点に（6)式に示した制御対象 10の反共振点 zが含まれる。

0

[0045] ここで、安定ィ匕補償回路 80と高周波数ノイズの関係について説明する。

安定化補償回路 80は、負荷位置信号 Xの 2階微分を含む演算により補償負荷位

1

置信号 Xを出力するように構成するが、負荷位置フィルタ 92を介して制御対象位置 lc

信号 Xを求めること、また、一般に位置制御系の応答は速度 PI制御回路 130の応答 fb

よりは遅いため位置信号合成回路 90のフィルタ周波数 ωを極端に大きくする必要は f

ないことから、制御対象位置信号 Xは極端にノイズ的にはならない。

fb

また、位置指令信号 Xの入力に対するトルク指令信号 τの動作は通常のセミクローズ制御と同様であるため、位置指令信号 Xが急峻に変化してもトルク指令信号ての変化が急峻に変化するような問題を生じることもない。

[0046] 更に、減衰補償回路 140により、位置指令信号 Xと電動機位置信号 Xと負荷位置

r m

信号 χとから、外部から設定する減衰調整パラメータ αに基づいて演算される減衰補

1

償トルク信号 τ を基礎制御トルク信号 τ に加算して、トルク指令信号 τを得るように

c b r

構成する。

[0047] 図 6は、減衰補償回路 140の内部構成を示すブロック図である。

第 1の減衰ゲイン回路 141は、負荷位置信号 Xと電動機位置信号 Xとの差信号を

1 m

入力とし、第 1の減衰ゲイン K を乗じた信号を、第 1の減衰補償信号 X として出力す zl zl

る。負荷位置微分回路 142は、位置指令信号 Xと負荷位置信号 Xとの差信号を微分

r 1

した信号を出力し、第 2の減衰ゲイン回路 143は、負荷位置微分回路 142の出力に第 2の減衰ゲイン K を乗じた信号を、第 2の減衰補償信号 X として出力する。第 3の

減衰ゲイン回路 144は、位置指令信号 Xと負荷位置信号 Xとの差信号に第 3の減衰

r 1

ゲインを乗じた信号を、第 3の減衰補償信号 X として出力する。減衰調整回路 14 z3 z3

5は、第 1の減衰補償信号 X と第 2の減衰補償信号 X と第 3の減衰補償信号 X とを

zl z2 z3 加算した信号に、減衰調整パラメータ Oを乗じた信号を出力する。

すなわち、減衰補償回路 140は以下の演算を行う。

[0048] [数 14]

x_c = α{ _ζ1 (Χ] - x_m)+ _z2 -s•(χ,. - xi)+ _z3 '( !- - [)} ( 1 4 )

[0049] 次に、減衰補償回路 140の定数設定方法について説明する。減衰補償回路 140 は上述のように動作することにより、トルク指令信号 τ力ら減衰補償トルク信号 τまでの伝達関数は（6)式、（7)式、（8)式より次式で表される。

[0050] [数 15]

^ = - {K_zl(G_p(s) - G,(s)) + (Κ_ζ2■ s + K_z3)G,(s)}

τ_Γ

[0051] 減衰補償回路 140における、第 1の減衰ゲイン K と第 2の減衰ゲイン Κ と第 3の減

zl z2

衰ゲイン K とを、速度 ΡΙ制御回路 130及び位置ゲイン回路 120で設定した定数であ

る速度ゲイン k、積分ゲイン ω 、位置ゲイン kを用いて以下のように設定する。

[0052] [数 16]

[0053] [数 17]

Κ_Ζ2 = k_v(k_p + ω_νί) (1 7/

[0054] [数 18]

Κ_ζ3 = k_vk_pWvi ( 1 8)

[0055] 上記のように設定した結果、トルク指令信号 τ ら減衰補償トルク信号 τ ^までの伝達関数は次式となる。

[0056] [数 19]

[0057] また、トルク指令信号の点で開いた開ループ伝達関数は、（15)式と（19)式力も次式となる。

[0058] [数 20]

L(s): k_v{s + (k_p + ro_vi)s + k_pro_vi} co:² _s ² + _a-s + 1

( 20)

― k_v(s + k_p)(s + ro_vi) _ω-² ₈^ _{+ α}._{8 +} ι

s J - s (ωρ s + 1)

[0059] したがって、開ループ伝達関数における反共振点が（6)式で表される zから、次式

0 の Zへと変化する。

[0060] [数 21] z_c - ς_ζω_ζ土 j

、2 1 ) ただし、上記で用いた反共振点の減衰係数 ζ は次式で表される。

[0061] [数 22]

ς_ζ - -ω_ζ /2 ( 2 2 )

[0062] また、減衰定数 aの変更によって、（20)式の開ループ伝達関数の極及び零点は、

(21)式及び (22)式に示した反共振点以外は変化しない。また反共振点の絶対値である反共振周波数 ω

zも変化せず、反共振点の減衰係数だけが変化する。

このように、減衰補償回路 140を上記のとおり構成することで、外部から設定する減衰パラメータ aによって、図 1の制御系の開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数だけを変更するように構成して!/ヽる。

[0063] この、外部力設定する減衰パラメータ aによって、開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数だけを変更する構成の利点を以下に説明する。

速度ゲイン kを十分に大きくすると、制御系の閉ループ極は開ループ伝達関数の零点へと漸近することが知られている。すなわち、（7)式に示した開ループ伝達関数を持つセミクローズ制御系や、図 1の制御系で減衰パラメータ aを 0とした場合、速度制御ゲインを大きくすると、閉ループ極の一部が（6)式に示した制御対象 10の反共振点に近づく。このため、閉ループ極が減衰係数の小さいものになり、制御対象 1 0の応答が振動的になる。

[0064] 一方、反共振点の減衰係数が、 (22)式に示したように減衰パラメータ ocを大きくすれば大きくなる。また、開ループ伝達関数 L (s)におけるそれ以外の零点は、実数である ω 及び kである。

その結果、速度制御ゲイン kを大きくすると、閉ループ極力減衰係数の大きな反共振点と実数の零点に近づき、制御対象 10に外乱が加わっても制御系の振動が抑制される。

なお、減衰調整パラメータ αは、（22)式で表される減衰係数 ζ が 0. 5程度になる程度まで大きな値に設定すれば十分であり、調整の見通しも良い。また、外乱抑制効果を大きくするためには、通常のセミクローズ制御における調整方法と全く同様に速度ゲイン k、速度積分ゲイン ω 、位置ゲイン kを大きくすればよい。

[0065] なお、減衰補償回路 140において、負荷位置信号 Xを 2階微分して得られる負荷

1

加速度信号に、速度ゲイン kと 1を乗じて第 1の減衰補償信号 X を演算しても、開ループ伝達関数は上記と同一の（20)式になるため同様の効果が得られる力負荷位置信号 Xの 2階微分信号を用いることにより高周波数のノイズ成分が大きくなる。し

1

たがって上述のように、電動機位置信号 Xと負荷位置信号 Xとの 1

1 差信号に、第の減衰ゲイン K を乗じて第 1の減衰補償信号 X を演算することにより、ノイズの問題が発生しないように構成している。

[0066] 以上により、安定ィ匕補償回路 80及び減衰補償回路 140の効果により、セミクローズ制御と全く同様な調整方法で調整するとともに、外部から調整するパラメータである減衰調整パラメータ Oを適切な大きさまで大きくするだけの簡単な調整で、負荷位置信号 Xの制御精度を向上させ、制御対象 10に加わる外乱に対しても振動を抑制する

1

ような制御系を実現することが可能になる。

[0067] なお、上記では、減衰補償回路 140では、図 6に記載したブロック図の演算、すなわち（14)式に示した演算を行うとしたが、これは、次式で表すような減衰補償回路 1 40への入力信号から直接的に減衰補償トルク信号 τ を得る演算を行っても同様の効果が得られる。

[0068] [数 23]

[0069] また、減衰補償回路 140により得られる効果の原理は、開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数を (22)式に示したように大きくすることにより、閉ループ極の減衰係数を大きくして振動を抑制するものである。したがって、減衰補償回路 140における位置指令信号 Xに対する演算動作は、開ループ伝達関数が同じならば前述の（ 14)式や（23)式のものと異なるように構成しても良、。

[0070] 例えば、減衰補償回路 140に入力する位置指令信号 Xを、位置指令信号 Xにローパスフィルタを作用させた信号に代え、位置指令信号 Xの変化に対する減衰補償トルク信号 τ の変化を滑らかにしても良い。また逆に、減衰補償回路 140の内部において、位置指令信号 Xを 2階微分した信号である指令加速度信号 aの演算を行い、この指令加速度信号 aに適切なゲインと減衰パラメータ ocを乗じた信号を、減衰補償トルク信号てに更に加えることにより、減衰パラメータ aを大きくしたときに位置指令信号 Xの変化に対する電動機位置信号 Xの応答がなるべく速くなるように構成しても r m

良い。

[0071] 実施の形態 2.

実施の形態 1では、基礎制御トルク信号 τ

bの演算を、位置ゲイン回路 120、速度演算回路 100や速度 PI制御回路 130を用いて（1)式、（2)式、（3)式を用いた演算により計算する構成について説明したが、異なる構成で演算しても良い。特に、トルク信号指令 τ力ら基礎制御トルク信号 τ までの伝達関数が、実施の形態 1の（13)式

r b

で示したものと等価な場合は、減衰補償回路 140の演算は上述のままで良い。一方、トルク指信号令 τ力ら基礎制御トルク信号 τ までの伝達関数が（13)式で

r b

示したものと異なる場合は、減衰補償回路 140の演算もそれに応じて変更すれば良ぐ以下にその内容について説明する。

[0072] 例えば、電動機位置検出器 60の分解能が極端に低い場合の対策として、速度演算回路 100が (4)式の微分演算の代わりに、（24)式のように速度フィルタ F (s)を追カロした演算により電動機速度信号 Vを演算したとすると、トルク指令信号 τ力基礎制御トルク信号 τ までの伝達関数は（25)式のものとなる。

b

[0073] [数 24]

v_m = s -F"s)'x_m ( 2 4 )

[0074] [数 25]

— k_v{s F_v(s) + (k_p + ro_viF_v(s))s+ k_pro_vi} ro_zV+l _{¾ Γ} ,

s J.s²(_fflpV +1)

[0075] この場合、減衰補償回路 140での減衰補償トルク信号て，演算は、 (16)式で設定される第 1の減衰ゲイン K 、（18)式で設定される第 3の減衰ゲイン K及び減衰パラメータ αと、新たに導入する第 4の減衰ゲイン K 、第 5の減衰ゲイン Κ及び（25) 式の速度フィルタと同じ伝達関数 F (s)を用いて、次式により行えばよい。

[0076] [数 26]

x_c - a{ _lF_v (s)- ( i - _m ) + ( _z4F_v (s) K. ^¾ ) - s · ( _Γ - i ) + K. _z3 - ( _r - j )} ( 2 6 ) ただし、第 4の減衰ゲイン K及び第 5の減衰ゲイン K は次のように設定する。

[0077] [数 27]

[0078] [数 28]

K_zi =k_vk_p ( 2 8 )

[0079] そうすると、トルク指令信号て ^箇所で開!、た開ループ伝達関数 L (s)は次式となる。

[0080] [数 29]

. k_v{s²F_v(s) + (k_p + ro_viF_v(s))s + k_pro_vi} ω_ζ^² + a■ s + 1 ί ^ a )

J _pV

[0081] すなわち、減衰パラメータ aの変更によって、（29)式の開ループ伝達関数の零点のうち、反共振点の減衰係数だけが変化する構成となる。なお、反共振点以外の零点については、（29)式を展開すると記述が複雑になるため省略する力減衰パラメータ (Xの変更で変化しないのは明らかであり、また通常の調整では、反共振点以外の零点は実数、あるいは減衰係数の大きな複素零点になるものである。 [0082] 以上により、トルク指令信号てから基礎制御トルク信号てまでの伝達関数が、実施 r b

の形態 1の（13)式で示したものと異なる場合においても、速度ゲイン kを十分に大きくすると、実施の形態 1と同様に、減衰調整パラメータ αを適切な値に大きくするだけで、閉ループ極の減衰係数を大きくすることができる。これにより、制御対象 10に外乱が加わるような場合でも振動を抑制することが可能になり、簡単な調整で高精度に電動機 30の位置、あるいは負荷 20の位置、を制御することが可能になる。

[0083] 実施の形態 3.

実施の形態 1では、安定ィ匕補償回路 80において、負荷位置信号 Xを 2階微分して

1

安定ィ匕補償ゲイン Κを乗じた信号を負荷位置信号 Xに加算することで、負荷位置信 st 1

号 Xの位相遅れに対する補償を行ったが、制御対象 10の反共振周波数 ω及び共

1 ζ 振周波数 ωの近辺で位相を進ませる効果があれば、効果の大小はあるものの、他

Ρ

の演算を行っても負荷位置信号 Xの

1 位相遅れに対する補償を行うことができる。図 7は、本発明の実施の形態 3による機械位置制御装置を示すブロック図であるが、図 1に示した実施の形態 1における減衰補償回路 140を省略し、基礎制御トルク信号 τ

bをそのままトルク指令信号 τ

rとする構成である。

[0084] 例えば、安定ィ匕補償回路 80aにおいて、安定ィ匕補償ゲイン Kとフィルタ時定数 t を用いて以下の伝達関数で表される演算を行う。

[0085] [数 30] x_lc = ^{K sts 2 +} _Xl ( 3 0 )

(t_sts + l) ²

[0086] 式（30)は、実施の形態 1における安定ィ匕補償回路 80の演算に、更に 2次のローバスフィルタを追加したものであり、負荷位置検出器 70の分解能が特に粗くて問題を生じる場合などにノイズを低減する効果が大きくなる。

この場合、安定ィ匕補償ゲイン Kは、実施の形態 1にて用いた（11)式に近い値に設 st

定すればよぐまたフィルタ時定数 tは安定ィ匕補償ゲイン Kの平方根より小さい値に st st

すれば、 (30)式の演算により位相を進ませる効果が得られる。

[0087] また、 (30)式では、分母分子が 2次の伝達関数により位相進み特性を持つ演算を行ったが、例えば次式に示すような、分母分子が 1次の伝達関数でも、反共振周波数 ω及び共振周波数 ω の付近で位相を進ませる効果があるため、安定ィ匕補償回 ζ Ρ

路 80aが無い構成に比べて位置ゲイン kとフィルタ周波数 ωを大きくできる効果があ

P f

る。

[0088] [数 31] x_lc = - - - X 1 1 )

t ₂ - s + l ただし、位相を進ませる効果は t < tにしたときに得られ、また、 tは反共振周波数

2 1 1

ωの逆数付近の値に設定するものとする。

[0089] 以上のように構成すれば、安定ィ匕補償回路 80aは、負荷位置信号 xを入力として、

1

(30)式あるいは（31)式で表されるような位相を進ませる伝達関数の演算により補償後負荷位置信号 X

lcを出力する。また、位置信号合成回路 90は、電動機位置信号 X

m にハイノスフィルタを作用させた信号と、補償負荷位置信号 Xにローパスフィルタを

1

作用させた信号との和信号を、制御対象位置信号 X

fbとして出力する。したがって、この実施の形態 3の構成では、位置指令信号 Xと制御対象位置信号 Xに基づいてトル

r fb

ク指令信号て ^演算を行っている。

その結果、安定ィ匕補償回路 80aが無ヽ構成に比べて位相を進めた制御対象位置信号 Xをフィードバックすることになり、制御対象 10の機械剛性が低くても、位置信 fb

号合成回路 90のフィルタ周波数 ω及び位置ゲイン回路 120の位置ゲイン kを安定 f P に大きくすることが可能になり、負荷位置信号 Xの

1 制御精度を向上させることが可能になる。

[0090] 実施の形態 4.

実施の形態 1の安定ィ匕補償回路 80と位置信号合成回路 90とを省略したときの、減衰補償回路 140の動作は以下のとおりとなる。

図 8は、この実施の形態 4による機械位置制御装置を示すブロック図であり、図 1の構成カゝら安定ィ匕補償回路 80と位置信号合成回路 90を省略し、位置ゲイン回路 120 には、制御対象位置信号 X

fbの代わりに電動機位置信号 X

mをそのまま入力するものである。

[0091] 以上のような構成において、開ループ伝達関数は実施の形態 1と同じく（20)式で表され、減衰調整パラメータ αの変更により開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数 ζ だけを変更するように構成する。その結果、速度ゲイン kを十分に大きくすると、減衰調整パラメータ αを適切な値に大きくするだけで、閉ループ極の減衰係数を大きくすることができ、制御対象 10に外乱が加わるような場合でも振動を抑制することが可能になる。

[0092] なお、この実施の形態 4では安定化補償回路 80と位置信号合成回路 90とが無ヽことにより、位置指令信号 Xに電動機位置信号 Xがー致するように動作し、負荷位置 r m

信号 χ

1と電動機位置信号 χとの

m 間に生じる定常的誤差を補正する機能は無いが、このような誤差が特に問題にならない用途においては、簡単な制御系の構成で速度ゲイン kや位置ゲイン kを大きくするとともに、減衰補償回路 140の機能によって開ループ伝達関数における反共振点の減衰係数を大きして振動を抑制し、電動機 30の位置を高精度に制御することができる。またその結果、負荷 20の位置も問題なく制御される。したがって簡単な調整で高精度に電動機 30の位置及び負荷 20を制御することが可能になる。

[0093] なお、実施の形態 1から実施の形態 4の構成の他、位置速度制御回路 110に電動機の速度のフィードバックである電動機速度信号 Vを入力しない構成や、速度 PI制 m

御回路 130に代えて、速度 IP制御を行う回路を用いる構成などの変形例が考えられるが、それらの変更に対応した伝達特性を持つ安定ィ匕補償回路 80や減衰補償回路 140を、上記の実施の形態 1から実施の形態 4と同様の方法で構成することができる

Claims

請求の範囲

[1] 電動機により駆動される負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、前記電動機と前記負荷との現在位置に関する参照情報である制御対象位置信号とを入力として、前記電動機が前記負荷を駆動するトルクの目標値であるトルク指令信号を出力する位置速度制御手段と、

前記負荷の現在位置の測定値である負荷位置信号を入力として、位相を進ませる伝達関数に基づヽて、前記負荷位置信号の位相遅れに対する補償を行った補償後負荷位置信号を出力する安定化補償手段と、

及び前記電動機の現在位置の測定値である電動機位置信号の高周波成分力なる信号と、前記補償後負荷位置信号の低周波成分力なる信号とを合成して、前記制御対象位置信号を出力する位置信号合成手段と、

を備えたことを特徴とする機械位置制御装置。

[2] 安定化補償手段は、負荷位置信号を 2階微分して安定化補償ゲインを乗じた信号と負荷位置信号とを加算するものであることを特徴とする請求項 1に記載の機械位置制御装置。

[3] 電動機により駆動される負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、前記電動機及び前記負荷の現在位置に関する参照情報である制御対象位置信号とを入力として、前記電動機が前記負荷を駆動するトルクの目標値であるトルク指令信号の算出の基礎となる基礎制御トルク信号を出力する位置速度制御手段と、

前記電動機の現在位置の測定値である電動機位置信号の高周波成分力なる信号と、前記補償後負荷位置信号の低周波成分カゝらなる信号とを合成して、前記制御対象位置信号を出力する位置信号合成手段と、

及び前記基礎制御トルク信号に加算することで前記トルク指令信号を得る減衰補償トルク信号を、前記電動機位置信号と前記負荷位置信号とを入力として出力する手段であって、前記電動機による負荷の駆動系を二慣性系としてモデルィ匕したときに、前記トルク指令信号力前記基礎制御トルク信号までの伝達関数である第 1の開ループ伝達関数に対して、その第 1の開ループ伝達関数と合成して得られる開ループ伝達関数が、前記第 1の開ループ伝達関数における前記二慣性系の反共振点の減衰係数だけを変更したものとなるように定めた第 2の開ループ伝達関数に基づヽて、前記トルク指令信号力の伝達関数が前記第 2の開ループ伝達関数となるように前記減衰補償トルク信号の演算を行う減衰補償手段と、

を備えたことを特徴とする機械位置制御装置。

[4] 電動機に駆動される負荷の位置の目標値を示す位置指令信号と、前記電動機の現在位置の測定値である電動機位置信号とを入力として、前記電動機が前記負荷を駆動するトルクの目標値であるトルク指令信号の算出の基礎となる基礎制御トルク信号を出力する位置速度制御手段と、

及び前記基礎制御トルク信号に加算することで前記トルク指令信号を得る減衰補償トルク信号を、前記電動機位置信号と前記負荷の現在位置の測定値である負荷位置信号とを入力として出力する手段であって、前記電動機による負荷の駆動系を二慣性系としてモデルィ匕したときに、前記トルク指令信号力前記基礎制御トルク信号までの伝達関数である第 1の開ループ伝達関数に対して、その第 1の開ループ伝達関数と合成して得られる開ループ伝達関数が、前記第 1の開ループ伝達関数における前記二慣性系の反共振点の減衰係数だけを変更したものとなるように定めた第 2 の開ループ伝達関数に基づ、て、前記トルク指令信号からの伝達関数が前記第 2の開ループ伝達関数となるように前記減衰補償トルク信号の演算を行う減衰補償手段と、

を備えたことを特徴とする機械位置制御装置。

[5] 減衰補償手段が出力する減衰補償トルク信号は、負荷位置信号と電動機位置信号との差に第 1の減衰ゲインを乗じた信号、位置指令信号と前記負荷位置信号との差を微分して第 2の減衰ゲインを乗じた信号、及び前記位置指令信号と前記負荷位置信号との差に第 3の減衰ゲインを乗じた信号を加算した信号に、二慣性系の反共振点の減衰係数を調整する減衰調整パラメータに基づく係数を乗じた信号であることを特徴とする請求項 3又は 4に記載の機械位置制御装置。位置速度制御回路は、電動機の速度の現在値を示す電動機速度信号を更に入力と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機械位置制御装置。