JP2004264979A - サーボ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】オーバーシュートや持続振動を伴わすに高い追従精度を得られるサーボ制御装置を提供する。
【解決手段】補償信号演算器10は、指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値を入力として、制御対象1が追従可能な成分である目標指令増分値を生成して制御器20に送る。また、補償信号演算器10は、指令増分値と目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して制御対象1に送る。制御器20は、目標指令増分値と制御対象1の出力とを入力として、指令と制御対象1の出力とを一致させるように制御入力を制御対象1に送る。
【選択図】 図1
【解決手段】補償信号演算器10は、指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値を入力として、制御対象1が追従可能な成分である目標指令増分値を生成して制御器20に送る。また、補償信号演算器10は、指令増分値と目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して制御対象1に送る。制御器20は、目標指令増分値と制御対象1の出力とを入力として、指令と制御対象1の出力とを一致させるように制御入力を制御対象1に送る。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い指令追従精度を必要とする工作機、半導体製造装置、実装機などを駆動するサーボ制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
制御対象の出力を目標指令に一致させるように、制御対象に制御入力を与えるサーボ制御装置として、従来から様々な構成が提案されている(例えば、本出願人による特許文献1、2を参照)。
【0003】
図7は、特許文献1に記載された従来のサーボ制御装置に用いられる予測制御器の構成を示すブロック図である。
【0004】
予測制御器61は、メモリ62〜65、演算器66、減算器67、および積算器68を有している。そして、予測制御器61は、制御対象の出力を目標指令に一致させるよう、現在時刻i・Ts(以下、便宜上、時刻iと称す。Ts:サンプリング周期)において、Mサンプリング未来の目標指令増分値Δr(i+M)と、K(K≧0)サンプリング過去の制御対象の出力の増分値(以下、出力増分値と称する)Δy(i−K)を入力として、制御入力u(i)を制御対象に与える。
【0005】
メモリ62は、複数サンプリング分の目標指令増分値を記憶する。メモリ63は、制御用の定数E,v−K+1,…,vM,p0,…,pNa−1,g1,…,gNb+K−1を記憶する。メモリ64は、複数サンプリング分の出力増分値を記憶する。メモリ65は、複数サンプリング分の制御入力を記憶する。
【0006】
減算器67は、Kサンプリング過去の目標指令増分値Δr(i−K)と出力増分値Δy(i−K)との差を求める。積算器68は、減算器67の出力を積算することにより、偏差e(i−K)を求める。
【0007】
演算器66は、制御対象の制御入力から出力までの伝達関数モデルを用いて求めた未来偏差予測値と、偏差と、制御入力に関する評価関数が最小となるように、制御入力u(i)を、
【0008】
【数1】
【0009】
として求める。
【0010】
図8は、図7に示した予測制御器を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。予測制御器61からの制御入力は、制御対象の出力と共に、モータ制御器3に与えられる。そして、モータ制御器3の制御によってモータ2が駆動される。差分器69は、制御対象の出力から出力増分値を生成して予測制御器61に送る。
【0011】
本構成によれば、未来の偏差予測値が最小となるように制御入力が決定されるため、追従精度の良いサーボ制御装置が実現される。
【0012】
また、本出願による特許文献3には、フィードフォワード制御が施されても、予測精度を劣化させないフィードフォワード信号作成指令フィルタを含む追従精度の高いサーボ制御装置が提案されている。
【0013】
【特許文献1】
特許第3175877号公報
【特許文献2】
国際公開 WO93/20489
【特許文献3】
特開2002−62906号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ制御装置は、動特性による制御の遅れや、負荷の変動や摩擦などに起因する駆動トルクの不足を補償することができないので、速度や加速度の大きな変動に対して追従誤差を生じるという問題があった。
【0015】
また、このような追従誤差を改善するために、指令応答を改善するようにパラメータを調整すると、オーバーシュートや持続振動を伴ってしまうという問題もあった。
【0016】
本発明の目的は、オーバーシュートや持続振動を伴わずに高い追従精度を得られるサーボ制御装置を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のサーボ制御装置は、指令に応じて制御対象を制御するサーボ制御装置であって、前記指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値の、前記制御対象が追従可能な成分である目標指令増分値と、前記制御対象の出力とを入力として、前記目標指令増分値の積算値である目標指令と前記制御対象の出力とを一致させるように制御入力を前記制御対象に送る制御器と、前記指令増分値を入力として前記目標指令増分値を生成して前記制御器に送ると共に、前記指令増分値と前記目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して前記制御対象に送る補償信号演算器とを有している。
【0018】
したがって、本発明によれば、補償信号演算器により指令増分値から生成された、制御器にて追従可能な目標指令増分値に従って、制御器が制御対象を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために制御器が追従できないときのみ、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器が制御対象に対するフィードフォワードの補償信号により補償する。
【0019】
また、前記補償信号演算器は、前記指令増分値をフィルタリングして前記目標指令増分値を抽出する第1のフィルタと、前記補償信号を得るために前記指令増分値から前記目標指令増分値を減算する減算器とを有していてもよい。
【0020】
また、前記補償信号演算器は、前記補償信号に調整ゲインを乗算して前記制御対象に送る乗算器をさらに有していてもよい。
【0021】
また、前記補償信号演算器は、前記指令増分値を位相調整して前記減算器に送る第1の位相調整器と、該指令増分値を位相調整して前記第1のフィルタに送る第2の位相調整器とをさらに有していてもよい。あるいは、前記補償信号演算器は、前記減算器の出力を位相調整して前記乗算器に送る第1の位相調整器と、前記第1のフィルタで抽出された前記目標増分値を位相調整して前記制御器に送る第2の位相調整器とをさらに有していてもよい。
【0022】
また、前記補償信号演算器は、入力の前記指令増分値を予めフィルタリングする第2のフィルタをさらに有していてもよい。
【0023】
また、前記制御器は、前記制御対象における、未来時刻の偏差予測値と制御入力と制御入力増分値とに関する評価関数を最小とするように前期制御入力を決定する予測制御器であってもよい。あるいは、前記制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記制御対象の出力とを一致させるように前記制御入力を調整する位置制御器であってもよい。
【0024】
また、前記制御対象がモータおよびその速度制御器を含み、前記制御器は、前記速度制御器に前記制御入力として速度指令を与え、前記補償信号演算器は、前記速度制御器に前記補償信号として、速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号を与えることとしてもよい。
【0025】
あるいは、前記制御対象がモータおよびそのトルク制御器を含み、前記制御器は、前記トルク制御器に前記制御入力としてトルク指令を与え、前記補償信号演算器は、前記トルク制御器に前記補償信号として、トルクを補償するフィードフォワード信号を与えることとしてもよい。
【0026】
また、前記モータが直進型モータであってもよい。
【0027】
また、前記第1または第2の位相調整器がローパスフィルタであってもよく、ハイパスフィルタであってもよく、さらに、信号を位相調整用パラメータで指定された時間分だけ遅延させる遅延器であってもよい。
【0028】
また、前記第1のフィルタが巡回型フィルタであってもよく、非巡回型フィルタであってもよい。前記第2のフィルタが巡回型フィルタであってもよく、非巡回型フィルタであってもよい。
【0029】
また、前記位置制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記モータの位置との偏差の比例、積分、あるいは微分演算のいずれか、またはそれらの組み合わせによって制御入力を決定することとしてもよい。
【0030】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【0031】
(第1の実施例)
図1は、本発明の第1の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図1を参照すると、サーボ制御装置は、補償信号演算器10および予測制御器20を有しており、制御対象1を制御する。
【0032】
補償信号演算器10は、上位指令器(不図示)より与えられた指令のサンプリング周期間の増分値(指令増分値)を基に、補償信号と目標指令増分値を生成する。
【0033】
目標指令増分値は、指令増分値の、制御対象が追従可能な成分である。補償信号は、指令増分値と目標指令増分値の差分を補償する信号である。
【0034】
予測制御器20は、目標指令増分値と制御対象1の出力とを入力として所定の演算を行うことにより制御入力を生成し、制御対象1に与える。このとき、予測制御器20は、未来時刻の偏差予測値と、制御入力と、制御入力増分値に関する評価関数を最小にするように制御入力を決定する。
【0035】
予測制御器20は、特許文献1〜3などに記載された、既存のものであってよく、ここでは、例えば図7に示した例を用いる。
【0036】
図7の例で、制御対象1の伝達関数モデルが、Gp(z)=(b1z−1+…+bNbz−Nb)/{(1−z−1)(1−a1z−1−…−aNaz−Na)}の離散時間系で得られているとすると、その入出力増分値モデルは式(2)となる。
【0037】
【数2】
【0038】
なお、ここで、Δは、サンプリング周期間の増分値であることを示す。時刻iにおいては、時刻i−Kまでの出力増分値の実測値Δy(i−n)(n≧K)が得られているため、それ以降の出力増分値を、実測値を用いて、
【0039】
【数3】
【0040】
で予測すると、出力増分値予測値Δy*(i+m)は式(4)となる。
【0041】
【数4】
【0042】
ここで係数Amn,Bmnは、未来の制御入力をu(j)=0(j>i)とすると、
【0043】
【数5】
【0044】
で与えられる。ただし、an=0(n>Na),bn=0(n<1およびn>Nb)とする。
【0045】
またu(j)=u(i)(j>i)とすると、式(6b)のBm0は式(6b′)となる。
【0046】
【数6】
【0047】
そこで、未来偏差予測値e*(i+m)を、
【0048】
【数7】
【0049】
で与え、評価関数
【0050】
【数8】
【0051】
が最小となるように制御入力u(i)を決定すると、∂J/∂u(i)=0より、式(1)が得られる。ただし各定数、vm,pn,E,gnは式(9)で与えられる。
【0052】
【数9】
【0053】
ここで、K=0とすると、式(8)の評価関数は、
【0054】
【数10】
【0055】
となる。
【0056】
そして、式(10)の評価関数を最小にする制御入力u(i)は、
【0057】
【数11】
【0058】
で得られる。
【0059】
予測制御器20からの制御入力は、補償信号演算器10からの補償信号、および制御対象の出力と共に、モータ制御器3に与えられる。そして、モータ制御器3の制御によってモータ2が駆動される。
【0060】
図2は、補償信号演算器の構成の一例を示すブロック図である。図2を参照すると、補償信号演算器10は、フィルタ11,12、位相調整器13,14、減算器15、および乗算器16を有している。
【0061】
フィルタ11は、与えられた指令増分値をフィルタリングする。位相調整器13は、フィルタ11の出力を位相調整して信号S1を生成し、減算器15に送る。位相調整器14は、フィルタ11の出力を位相調整し、フィルタ14に送る。フィルタ14は、位相調整器14の出力をフィルタリングして信号S2を生成する。信号S2は、目標指令増分値として予測制御器20に与えられる。減算器15は、位相調整器13からの信号S1から、フィルタ14からの信号S2を減算し、乗算器16に送る。乗算器16は、減算器15の出力にゲインKを乗算して補償信号を生成し、モータ制御器3に与える。
【0062】
以上説明したように、第1の実施例によれば、補償信号演算器10により指令増分値から生成された目標指令増分値に従って、予測制御器20が制御対象1を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために予測制御器20の制御のみでは生じてしまう追従偏差を小さくするように、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器10が制御対象1に対するフィードフォワードの補償信号により補償するので、速度や加速度の変化が大きく変動する指令に対してオーバーシュートや持続振動を生じることなく、高い追従精度で制御対象1を制御することができる。
【0063】
ここでは補償信号演算器の構成の一例を図2に示したが、その他の構成も可能である。
【0064】
図3は、補償信号演算器の他の構成例を示すブロック図である。
【0065】
図3に示された補償信号演算器10’に入力された指令増分値はフィルタ11を介して信号S3となる。また、信号S3はフィルタ12を介して信号S4となる。減算器15は、信号S3から信号S4を減算して位相調整器13に送る。信号S4は、位相調整器14で位相調整されて目標指令増分値として予測制御器20に送られる。減算器15の出力は、位相調整器13で位相調整され、乗算器16でゲインKを乗算され、補償信号となってモータ制御器3に送られる。
【0066】
図4は、補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。図4の補償信号演算器10’’は、図2に示した補償信号演算器10からフィルタ11を削除した構成である。図5は、補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。図5の補償信号演算器10’’’は、図3に示した補償信号演算器10’からフィルタ11を削除した構成である。図4、5の構成は、制御対象1の剛性が極めて高い場合に有効である。
【0067】
制御対象1のモータ制御器3が速度制御器である場合、モータ制御器3への制御入力は速度指令であり、補償信号は、モータ制御器3内の速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号である。
【0068】
制御対象1のモータ制御器3がトルク制御器である場合、モータ制御器3への制御入力はトルク指令であり、補償信号はモータ制御器3内のトルクを補償するフィードフォワード信号である。
【0069】
補償信号演算器10含まれる各位相調整器13、14としては、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、あるいは位相調整用パラメータに設定した時間だけ信号を遅延させる遅延器のうち、より効果的ないずれかを選択すればよい。
【0070】
フィルタ11,12としては、巡回型フィルタ、非巡回型フィルタのうち、いずれか効果の高いものを選択すればよい。
【0071】
各位相調整器13、14の位相調整値、および乗算器16の調整ゲインKは、目標指令と制御対象出力との偏差ができる限り小さくなるように調整すればよい。例えば、乗算器16の調整ゲインKを、一定加速度で加速しているときに偏差が小さくなるように調整し、各位相調整器13、14の位相調整値を、加速度が変化しているときに偏差が小さくなるように調整すればよい。
【0072】
(第2の実施例)
図6は、本発明の第2の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。第2の実施例において、補償信号演算器10は第1の実施例と同じであるが、図1に示された第1の実施例における予測制御器20の代わりに位置制御器30が設けられている。
【0073】
位置制御器30は、目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、制御対象の出力とが一致するように制御入力を調整する。例えば、位置制御器30は、目標指令とモータ位置の偏差の比例(Proportional)、積分(Integral)、あるいは微分(Derivative)のいずれか、またはそれらの組み合わせの演算によって制御入力を決定するPID制御器とすればよい。
【0074】
位置制御器30より出力された制御入力は、補償信号演算器10より出力された補償信号、および制御対象の出力と共に、モータ制御器3に与えられる。そして、モータ制御器3によりモータ2が駆動される。
【0075】
ここで、位置制御器30は、モータ制御器3の構成に合わせて自由に構成できる。例えば、モータ制御器3がモータ2の速度制御を行う場合、位置制御器30は、速度指令を制御入力としてモータ制御器3に送るPID制御器として構成すればよい。
【0076】
また、モータ制御器3がトルク制御のみを行う場合、位置制御器30は、単純なPID制御器や内部に速度制御器を含むものとして構成すればよい。
【0077】
また、第1および第2の実施例において、モータ2が推力指令により駆動されるリニアモータなどの直進型アクチュエータである場合も、上述したものと同様の構成のサーボ制御装置を適用可能である。
【0078】
【発明の効果】
本発明によれば、補償信号演算器により指令増分値から生成された、追従可能な目標指令増分値に従って、制御器が制御対象を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために制御器だけでは追従できないときに、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器が制御対象に対するフィードフォワードの補償信号により補償するので、速度や加速度が大きく変動する指令に対してオーバーシュートや持続振動を生じることなく、高い追従精度で制御対象1を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】補償信号演算器の構成の一例を示すブロック図である。
【図3】補償信号演算器の他の構成例を示すブロック図である。
【図4】補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図5】補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図6】本発明の第2の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図7】従来のサーボ制御装置に用いられる予測制御器の構成を示すブロック図である。
【図8】図7に示した予測制御器を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 制御対象
2 モータ
3 モータ制御器
10〜10’’’ 補償信号演算器
11,12 フィルタ
13,14 位相調整器
15 減算器
16 乗算器
20 予測制御器
30 位置制御器
S1〜S4 信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い指令追従精度を必要とする工作機、半導体製造装置、実装機などを駆動するサーボ制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
制御対象の出力を目標指令に一致させるように、制御対象に制御入力を与えるサーボ制御装置として、従来から様々な構成が提案されている(例えば、本出願人による特許文献1、2を参照)。
【0003】
図7は、特許文献1に記載された従来のサーボ制御装置に用いられる予測制御器の構成を示すブロック図である。
【0004】
予測制御器61は、メモリ62〜65、演算器66、減算器67、および積算器68を有している。そして、予測制御器61は、制御対象の出力を目標指令に一致させるよう、現在時刻i・Ts(以下、便宜上、時刻iと称す。Ts:サンプリング周期)において、Mサンプリング未来の目標指令増分値Δr(i+M)と、K(K≧0)サンプリング過去の制御対象の出力の増分値(以下、出力増分値と称する)Δy(i−K)を入力として、制御入力u(i)を制御対象に与える。
【0005】
メモリ62は、複数サンプリング分の目標指令増分値を記憶する。メモリ63は、制御用の定数E,v−K+1,…,vM,p0,…,pNa−1,g1,…,gNb+K−1を記憶する。メモリ64は、複数サンプリング分の出力増分値を記憶する。メモリ65は、複数サンプリング分の制御入力を記憶する。
【0006】
減算器67は、Kサンプリング過去の目標指令増分値Δr(i−K)と出力増分値Δy(i−K)との差を求める。積算器68は、減算器67の出力を積算することにより、偏差e(i−K)を求める。
【0007】
演算器66は、制御対象の制御入力から出力までの伝達関数モデルを用いて求めた未来偏差予測値と、偏差と、制御入力に関する評価関数が最小となるように、制御入力u(i)を、
【0008】
【数1】
【0009】
として求める。
【0010】
図8は、図7に示した予測制御器を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。予測制御器61からの制御入力は、制御対象の出力と共に、モータ制御器3に与えられる。そして、モータ制御器3の制御によってモータ2が駆動される。差分器69は、制御対象の出力から出力増分値を生成して予測制御器61に送る。
【0011】
本構成によれば、未来の偏差予測値が最小となるように制御入力が決定されるため、追従精度の良いサーボ制御装置が実現される。
【0012】
また、本出願による特許文献3には、フィードフォワード制御が施されても、予測精度を劣化させないフィードフォワード信号作成指令フィルタを含む追従精度の高いサーボ制御装置が提案されている。
【0013】
【特許文献1】
特許第3175877号公報
【特許文献2】
国際公開 WO93/20489
【特許文献3】
特開2002−62906号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ制御装置は、動特性による制御の遅れや、負荷の変動や摩擦などに起因する駆動トルクの不足を補償することができないので、速度や加速度の大きな変動に対して追従誤差を生じるという問題があった。
【0015】
また、このような追従誤差を改善するために、指令応答を改善するようにパラメータを調整すると、オーバーシュートや持続振動を伴ってしまうという問題もあった。
【0016】
本発明の目的は、オーバーシュートや持続振動を伴わずに高い追従精度を得られるサーボ制御装置を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のサーボ制御装置は、指令に応じて制御対象を制御するサーボ制御装置であって、前記指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値の、前記制御対象が追従可能な成分である目標指令増分値と、前記制御対象の出力とを入力として、前記目標指令増分値の積算値である目標指令と前記制御対象の出力とを一致させるように制御入力を前記制御対象に送る制御器と、前記指令増分値を入力として前記目標指令増分値を生成して前記制御器に送ると共に、前記指令増分値と前記目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して前記制御対象に送る補償信号演算器とを有している。
【0018】
したがって、本発明によれば、補償信号演算器により指令増分値から生成された、制御器にて追従可能な目標指令増分値に従って、制御器が制御対象を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために制御器が追従できないときのみ、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器が制御対象に対するフィードフォワードの補償信号により補償する。
【0019】
また、前記補償信号演算器は、前記指令増分値をフィルタリングして前記目標指令増分値を抽出する第1のフィルタと、前記補償信号を得るために前記指令増分値から前記目標指令増分値を減算する減算器とを有していてもよい。
【0020】
また、前記補償信号演算器は、前記補償信号に調整ゲインを乗算して前記制御対象に送る乗算器をさらに有していてもよい。
【0021】
また、前記補償信号演算器は、前記指令増分値を位相調整して前記減算器に送る第1の位相調整器と、該指令増分値を位相調整して前記第1のフィルタに送る第2の位相調整器とをさらに有していてもよい。あるいは、前記補償信号演算器は、前記減算器の出力を位相調整して前記乗算器に送る第1の位相調整器と、前記第1のフィルタで抽出された前記目標増分値を位相調整して前記制御器に送る第2の位相調整器とをさらに有していてもよい。
【0022】
また、前記補償信号演算器は、入力の前記指令増分値を予めフィルタリングする第2のフィルタをさらに有していてもよい。
【0023】
また、前記制御器は、前記制御対象における、未来時刻の偏差予測値と制御入力と制御入力増分値とに関する評価関数を最小とするように前期制御入力を決定する予測制御器であってもよい。あるいは、前記制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記制御対象の出力とを一致させるように前記制御入力を調整する位置制御器であってもよい。
【0024】
また、前記制御対象がモータおよびその速度制御器を含み、前記制御器は、前記速度制御器に前記制御入力として速度指令を与え、前記補償信号演算器は、前記速度制御器に前記補償信号として、速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号を与えることとしてもよい。
【0025】
あるいは、前記制御対象がモータおよびそのトルク制御器を含み、前記制御器は、前記トルク制御器に前記制御入力としてトルク指令を与え、前記補償信号演算器は、前記トルク制御器に前記補償信号として、トルクを補償するフィードフォワード信号を与えることとしてもよい。
【0026】
また、前記モータが直進型モータであってもよい。
【0027】
また、前記第1または第2の位相調整器がローパスフィルタであってもよく、ハイパスフィルタであってもよく、さらに、信号を位相調整用パラメータで指定された時間分だけ遅延させる遅延器であってもよい。
【0028】
また、前記第1のフィルタが巡回型フィルタであってもよく、非巡回型フィルタであってもよい。前記第2のフィルタが巡回型フィルタであってもよく、非巡回型フィルタであってもよい。
【0029】
また、前記位置制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記モータの位置との偏差の比例、積分、あるいは微分演算のいずれか、またはそれらの組み合わせによって制御入力を決定することとしてもよい。
【0030】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【0031】
(第1の実施例)
図1は、本発明の第1の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図1を参照すると、サーボ制御装置は、補償信号演算器10および予測制御器20を有しており、制御対象1を制御する。
【0032】
補償信号演算器10は、上位指令器(不図示)より与えられた指令のサンプリング周期間の増分値(指令増分値)を基に、補償信号と目標指令増分値を生成する。
【0033】
目標指令増分値は、指令増分値の、制御対象が追従可能な成分である。補償信号は、指令増分値と目標指令増分値の差分を補償する信号である。
【0034】
予測制御器20は、目標指令増分値と制御対象1の出力とを入力として所定の演算を行うことにより制御入力を生成し、制御対象1に与える。このとき、予測制御器20は、未来時刻の偏差予測値と、制御入力と、制御入力増分値に関する評価関数を最小にするように制御入力を決定する。
【0035】
予測制御器20は、特許文献1〜3などに記載された、既存のものであってよく、ここでは、例えば図7に示した例を用いる。
【0036】
図7の例で、制御対象1の伝達関数モデルが、Gp(z)=(b1z−1+…+bNbz−Nb)/{(1−z−1)(1−a1z−1−…−aNaz−Na)}の離散時間系で得られているとすると、その入出力増分値モデルは式(2)となる。
【0037】
【数2】
【0038】
なお、ここで、Δは、サンプリング周期間の増分値であることを示す。時刻iにおいては、時刻i−Kまでの出力増分値の実測値Δy(i−n)(n≧K)が得られているため、それ以降の出力増分値を、実測値を用いて、
【0039】
【数3】
【0040】
で予測すると、出力増分値予測値Δy*(i+m)は式(4)となる。
【0041】
【数4】
【0042】
ここで係数Amn,Bmnは、未来の制御入力をu(j)=0(j>i)とすると、
【0043】
【数5】
【0044】
で与えられる。ただし、an=0(n>Na),bn=0(n<1およびn>Nb)とする。
【0045】
またu(j)=u(i)(j>i)とすると、式(6b)のBm0は式(6b′)となる。
【0046】
【数6】
【0047】
そこで、未来偏差予測値e*(i+m)を、
【0048】
【数7】
【0049】
で与え、評価関数
【0050】
【数8】
【0051】
が最小となるように制御入力u(i)を決定すると、∂J/∂u(i)=0より、式(1)が得られる。ただし各定数、vm,pn,E,gnは式(9)で与えられる。
【0052】
【数9】
【0053】
ここで、K=0とすると、式(8)の評価関数は、
【0054】
【数10】
【0055】
となる。
【0056】
そして、式(10)の評価関数を最小にする制御入力u(i)は、
【0057】
【数11】
【0058】
で得られる。
【0059】
予測制御器20からの制御入力は、補償信号演算器10からの補償信号、および制御対象の出力と共に、モータ制御器3に与えられる。そして、モータ制御器3の制御によってモータ2が駆動される。
【0060】
図2は、補償信号演算器の構成の一例を示すブロック図である。図2を参照すると、補償信号演算器10は、フィルタ11,12、位相調整器13,14、減算器15、および乗算器16を有している。
【0061】
フィルタ11は、与えられた指令増分値をフィルタリングする。位相調整器13は、フィルタ11の出力を位相調整して信号S1を生成し、減算器15に送る。位相調整器14は、フィルタ11の出力を位相調整し、フィルタ14に送る。フィルタ14は、位相調整器14の出力をフィルタリングして信号S2を生成する。信号S2は、目標指令増分値として予測制御器20に与えられる。減算器15は、位相調整器13からの信号S1から、フィルタ14からの信号S2を減算し、乗算器16に送る。乗算器16は、減算器15の出力にゲインKを乗算して補償信号を生成し、モータ制御器3に与える。
【0062】
以上説明したように、第1の実施例によれば、補償信号演算器10により指令増分値から生成された目標指令増分値に従って、予測制御器20が制御対象1を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために予測制御器20の制御のみでは生じてしまう追従偏差を小さくするように、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器10が制御対象1に対するフィードフォワードの補償信号により補償するので、速度や加速度の変化が大きく変動する指令に対してオーバーシュートや持続振動を生じることなく、高い追従精度で制御対象1を制御することができる。
【0063】
ここでは補償信号演算器の構成の一例を図2に示したが、その他の構成も可能である。
【0064】
図3は、補償信号演算器の他の構成例を示すブロック図である。
【0065】
図3に示された補償信号演算器10’に入力された指令増分値はフィルタ11を介して信号S3となる。また、信号S3はフィルタ12を介して信号S4となる。減算器15は、信号S3から信号S4を減算して位相調整器13に送る。信号S4は、位相調整器14で位相調整されて目標指令増分値として予測制御器20に送られる。減算器15の出力は、位相調整器13で位相調整され、乗算器16でゲインKを乗算され、補償信号となってモータ制御器3に送られる。
【0066】
図4は、補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。図4の補償信号演算器10’’は、図2に示した補償信号演算器10からフィルタ11を削除した構成である。図5は、補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。図5の補償信号演算器10’’’は、図3に示した補償信号演算器10’からフィルタ11を削除した構成である。図4、5の構成は、制御対象1の剛性が極めて高い場合に有効である。
【0067】
制御対象1のモータ制御器3が速度制御器である場合、モータ制御器3への制御入力は速度指令であり、補償信号は、モータ制御器3内の速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号である。
【0068】
制御対象1のモータ制御器3がトルク制御器である場合、モータ制御器3への制御入力はトルク指令であり、補償信号はモータ制御器3内のトルクを補償するフィードフォワード信号である。
【0069】
補償信号演算器10含まれる各位相調整器13、14としては、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、あるいは位相調整用パラメータに設定した時間だけ信号を遅延させる遅延器のうち、より効果的ないずれかを選択すればよい。
【0070】
フィルタ11,12としては、巡回型フィルタ、非巡回型フィルタのうち、いずれか効果の高いものを選択すればよい。
【0071】
各位相調整器13、14の位相調整値、および乗算器16の調整ゲインKは、目標指令と制御対象出力との偏差ができる限り小さくなるように調整すればよい。例えば、乗算器16の調整ゲインKを、一定加速度で加速しているときに偏差が小さくなるように調整し、各位相調整器13、14の位相調整値を、加速度が変化しているときに偏差が小さくなるように調整すればよい。
【0072】
(第2の実施例)
図6は、本発明の第2の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。第2の実施例において、補償信号演算器10は第1の実施例と同じであるが、図1に示された第1の実施例における予測制御器20の代わりに位置制御器30が設けられている。
【0073】
位置制御器30は、目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、制御対象の出力とが一致するように制御入力を調整する。例えば、位置制御器30は、目標指令とモータ位置の偏差の比例(Proportional)、積分(Integral)、あるいは微分(Derivative)のいずれか、またはそれらの組み合わせの演算によって制御入力を決定するPID制御器とすればよい。
【0074】
位置制御器30より出力された制御入力は、補償信号演算器10より出力された補償信号、および制御対象の出力と共に、モータ制御器3に与えられる。そして、モータ制御器3によりモータ2が駆動される。
【0075】
ここで、位置制御器30は、モータ制御器3の構成に合わせて自由に構成できる。例えば、モータ制御器3がモータ2の速度制御を行う場合、位置制御器30は、速度指令を制御入力としてモータ制御器3に送るPID制御器として構成すればよい。
【0076】
また、モータ制御器3がトルク制御のみを行う場合、位置制御器30は、単純なPID制御器や内部に速度制御器を含むものとして構成すればよい。
【0077】
また、第1および第2の実施例において、モータ2が推力指令により駆動されるリニアモータなどの直進型アクチュエータである場合も、上述したものと同様の構成のサーボ制御装置を適用可能である。
【0078】
【発明の効果】
本発明によれば、補償信号演算器により指令増分値から生成された、追従可能な目標指令増分値に従って、制御器が制御対象を制御すると共に、速度や加速度の変化が大きいために制御器だけでは追従できないときに、指令増分値と目標指令増分値の差分を、補償信号演算器が制御対象に対するフィードフォワードの補償信号により補償するので、速度や加速度が大きく変動する指令に対してオーバーシュートや持続振動を生じることなく、高い追従精度で制御対象1を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】補償信号演算器の構成の一例を示すブロック図である。
【図3】補償信号演算器の他の構成例を示すブロック図である。
【図4】補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図5】補償信号演算器のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図6】本発明の第2の実施例によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図7】従来のサーボ制御装置に用いられる予測制御器の構成を示すブロック図である。
【図8】図7に示した予測制御器を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 制御対象
2 モータ
3 モータ制御器
10〜10’’’ 補償信号演算器
11,12 フィルタ
13,14 位相調整器
15 減算器
16 乗算器
20 予測制御器
30 位置制御器
S1〜S4 信号
Claims (19)
- 指令に応じて制御対象を制御するサーボ制御装置であって、前記指令のサンプリング周期間の増分である指令増分値の、前記制御対象が追従可能な成分である目標指令増分値と、前記制御対象の出力とを入力として、前記目標指令増分値の積算値である目標指令と前記制御対象の出力とを一致させるように制御入力を前記制御対象に送る制御器と、
前記指令増分値を入力として前記目標指令増分値を生成して前記制御器に送ると共に、前記指令増分値と前記目標指令増分値の差分を補償する補償信号を生成して前記制御対象に送る補償信号演算器とを有するサーボ制御装置。 - 前記補償信号演算器は、前記指令増分値をフィルタリングして前記目標指令増分値を抽出する第1のフィルタと、前記補償信号を得るために前記指令増分値から前記目標指令増分値を減算する減算器とを有する、請求項1記載のサーボ制御装置。
- 前記補償信号演算器は、前記補償信号に調整ゲインを乗算して前記制御対象に送る乗算器をさらに有する、請求項2記載のサーボ制御装置。
- 前記補償信号演算器は、前記指令増分値を位相調整して前記減算器に送る第1の位相調整器と、該指令増分値を位相調整して前記第1のフィルタに送る第2の位相調整器とをさらに有する、請求項3記載のサーボ制御装置。
- 前記補償信号演算器は、前記減算器の出力を位相調整して前記乗算器に送る第1の位相調整器と、前記第1のフィルタで抽出された前記目標増分値を位相調整して前記制御器に送る第2の位相調整器とをさらに有する、請求項3記載のサーボ制御装置。
- 前記補償信号演算器は、入力の前記指令増分値を予めフィルタリングする第2のフィルタをさらに有する、請求項3記載のサーボ制御装置。
- 前記制御器は、前記制御対象における、未来時刻の偏差予測値と制御入力と制御入力増分値とに関する評価関数を最小とするように前期制御入力を決定する予測制御器である、請求項1記載のサーボ制御装置。
- 前記制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記制御対象の出力とを一致させるように前記制御入力を調整する位置制御器である、請求項1記載のサーボ制御装置。
- 前記制御対象がモータおよびその速度制御器を含み、
前記制御器は、前記速度制御器に前記制御入力として速度指令を与え、
前記補償信号演算器は、前記速度制御器に前記補償信号として、速度あるいはトルクを補償するフィードフォワード信号を与える、請求項1記載のサーボ制御装置。 - 前記制御対象がモータおよびそのトルク制御器を含み、
前記制御器は、前記トルク制御器に前記制御入力としてトルク指令を与え、
前記補償信号演算器は、前記トルク制御器に前記補償信号として、トルクを補償するフィードフォワード信号を与える、請求項1記載のサーボ制御装置。 - 前記モータが直進型モータである、請求項9または10記載のサーボ制御装置。
- 前記第1または第2の位相調整器がローパスフィルタである、請求項4または5に記載のサーボ制御装置。
- 前記第1または第2の位相調整器がハイパスフィルタである、請求項4または5に記載のサーボ制御装置。
- 前記第1または第2の位相調整器が、信号を位相調整用パラメータで指定された時間分だけ遅延させる遅延器である、請求項4または5記載のサーボ制御装置。
- 前記第1のフィルタが巡回型フィルタである、請求項2記載のサーボ制御装置。
- 前記第1のフィルタが非巡回型フィルタである、請求項2記載のサーボ制御装置。
- 前記第2のフィルタが巡回型フィルタである、請求項6記載のサーボ制御装置。
- 前記第2のフィルタが非巡回型フィルタである、請求項6記載のサーボ制御装置。
- 前記位置制御器は、前記目標指令増分値を積算して得られる目標指令と、前記モータの位置との偏差の比例、積分、あるいは微分演算のいずれか、またはそれらの組み合わせによって制御入力を決定する、請求項8記載のサーボ制御装置。
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