JP2008097334A - サーボ制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷変動などの悪影響を抑制し、ロバストかつ目標指令に対して高速な追従性能を実現することができるサーボ制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】 モデル位置制御部（７２）と、第１モデル速度制御部（７４）と、第２モデル速度制御部（７６）と、モデルトルク指令により加速されモデル速度を生成するノミナルプラント（７７）と、第２モデル速度の高域を遮断し第１モデル速度生成する第３ローパスフィルタ（７８）と、第１モデル速度を積分してモデル位置を生成するモデル積分部（７９）と、からなる規範モデル部（７）を備え、第１モデル速度指令と速度指令を加算して新たな速度指令を生成し、第１トルク指令とモデルトルク指令を加算して新たな第１トルク指令を生成し、モデル位置を第１位置指令とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イナーシャが大きく変動する負荷機械をフィードバック駆動制御するサーボ制御装置とその制御方法に関する。

近年、産業機械を駆動制御するサーボ制御システムは、使い易さと駆動の速さとの両方の要求が年々高まっている。通常のサーボ装置は、良い制御性能を達成するためにモータの回転子を含む機械可動部の総イナーシャを正確に設定する必要があるため、使い易さと駆動の速さとの両立が実現できないことがある。
第１の従来技術は、ＰＩ制御に外乱オブザーバと位相進み補償オブザーバを組み合わせることである（例えば、非特許文献１参照）。イナーシャの設定が必要なく、負荷変動があっても目標指令に対する応答特性が殆ど変わらない。
第２の従来技術は、規範モデル部を構成し規範モデル部の状態量をフィードフォワード信号とすることである（例えば、非特許文献２参照）。規範モデル部のイナーシャと実際機械可動部のイナーシャとは一致する場合に、目標指令に対する高速な応答特性が得られる。
平成１８年電気学会産業応用部門大会，ｐ．II３３７−３４０ 電学論Ｄ，１１４巻２号，平成６年，ｐ．１３７−１４３

しかしながら、第１の従来技術では、フィードバックだけの構成でどうしても十分な高速応答特性が得られない。また、第２の従来技術では、負荷イナーシャが変動するか正確に同定できない場合に、規範モデルの制御対象が実際の制御対象と大きく違うので、オーバーシュートなどの制御特性が悪化する問題があった。
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、ＰＩ制御に外乱オブザーバと位相進み補償オブザーバを組み合わせたフィードバック制御系に合うような規範モデル部を構成することにより、負荷変動などの悪影響を抑制し、ロバストかつ目標指令に対して高速な追従性能を実現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。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、第１位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度から第１トルク指令を生成する速度制御部と、第１トルク指令とモータ速度からトルク指令を生成する外乱オブザーバと、前記モータ速度と前記第１トルク指令から前記フィードバック速度を生成する位相進み補償オブザーバと、を備えたサーボ制御装置において、位置指令とモデル位置から第１モデル速度指令を生成するモデル位置制御部と、前記第１モデル速度指令と第１モデル速度から第２モデル速度指令を生成する第１モデル速度制御部と、前記第２モデル速度指令と第２モデル速度からモデルトルク指令を生成する第２モデル速度制御部と、前記モデルトルク指令により加速され前記第２モデル速度を生成するノミナルプラントと、前記第２モデル速度の高域を遮断し前記第１モデル速度生成する第３ローパスフィルタと、前記第１モデル速度を積分して前記モデル位置を生成するモデル積分部と、からなる規範モデル部と、を備え、前記第１モデル速度指令と前記速度指令を加算して新たな速度指令を生成し、前記第１トルク指令と前記モデルトルク指令を加算して新たな第１トルク指令を生成し、前記モデル位置を前記第１位置指令とすることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、前記外乱オブザーバは、前記モータ速度からモータ加速トルクを生成するノミナルプラント逆システムと、前記トルク指令から前記モータ加速トルクを減算し第１推定外乱トルクを生成する第１減算器と、前記第１推定外乱トルクの高域を遮断し推定外乱トルクを生成する第１ローパスフィルタと、前記第１トルク指令と前記推定外乱トルクを加算して前記トルク指令を生成する第１加算器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置において、前記外乱オブザーバは、前記モータ速度からモータ加速トルクを生成するノミナルプラント逆システムと、前記トルク指令から前記モータ加速トルクを減算し前記外乱トルク推定信号を生成する第１減算器と、前記第１トルク指令と推定外乱トルクを加算し第３トルク指令を生成する第３加算器と、前記第３トルク指令から前記トルク指令を生成する第１ローパスフィルタと、
を備えることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記位相進み補償オブザーバは、前記第１トルク指令から補正トルクを減算し第２トルク指令を生成する第２減算器と、前記第２トルク指令から前記フィードバック速度を生成するノミナルプラントと、前記フィードバック速度の高域を遮断し補正フィードバック速度を生成する第２ローパスフィルタと、前記モータ速度から前記補正フィードバック速度を減算し補正差分速度を生成する第３減算器と、前記補正差分速度から前記補正トルクを生成するオブザーバ補償器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記第３ローパスフィルタの時定数は前記第２ローパスフィルタの時定数と同じであることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、第１位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度から第１トルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令とモータ速度からトルク指令を生成する外乱オブザーバと、前記モータ速度と前記第１トルク指令からフィードバック速度を生成する位相進み補償オブザーバと、を備えたサーボ制御装置の制御方法において、位置指令とモデル位置から第１モデル速度指令を生成するステップと、前記第１モデル速度指令と第１モデル速度から第２モデル速度指令を生成するするステップと、前記第２モデル速度指令と第２モデル速度からモデルトルク指令を生成するステップと、前記モデルトルク指令をノミナルプラントに通して前記モデル速度を生成するステップと、前記第２モデル速度の高域を遮断し前記第１モデル速度を生成するステップと、前記第１モデル速度を積分して前記モデル位置を生成するステップと、前記第１モデル速度指令と前記速度指令を加算して新たな速度指令を生成するステップと、前記第１トルク指令と前記モデルトルク指令を加算して新たな第１トルク指令を生成するステップと、前記モデル位置を前記第１位置指令とするステップと、前記モータ速度と前記第１トルク指令を外乱オブザーバに通してトルク指令を生成するステップと、前記モータ速度と前記第１トルク指令を位相進み補償オブザーバに通してフィードバック速度を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載のサーボ制御装置の制御方法において、前記トルク指令を生成するステップは、前記モータ速度をノミナルプラント逆システムに通してモータ加速トルクを生成するステップと、前記トルク指令から前記モータ加速トルクを減算して第１推定外乱トルクを生成するステップと、前記第１推定外乱トルクの高域を遮断して推定外乱トルクを生成するステップと、前記第１トルク指令と前記推定外乱トルクを加算して前記トルク指令を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項６記載のモータ制御装置の制御方法において、前記フィードバック速度を生成するステップは、前記第１トルク指令から補正トルクを減算して第２トルク指令を生成するステップと、前記第２トルク指令をノミナルプラントに通して前記フィードバック速度を生成するステップと、前記フィードバック速度の高域を遮断して補正フィードバック速度を生成するステップと、前記モータ速度から前記補正フィードバック速度を減算し補正差分速度を生成するステップと、前記補正差分速度をオブザーバ補償器に通して前記補正トルクを生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。

本発明は、ＰＩ制御に外乱オブザーバと位相進み補償オブザーバを組み合わせたフィードバック制御系に合うような規範モデル部を構成することにより、負荷変動などの悪影響を抑制し、ロバストかつ目標指令に対して高速な追従性能を実現することができるサーボ制御装置とその制御方法を提供できる。

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実施例の構成を示すサーボ制御装置のブロック図である。図において、４はモータの回転子および負荷機械を含む実際のプラントで、トルク指令からモータの回転速度までの伝達関数が示されている。また、５は外乱オブザーバであり、ノミナルプラント逆システム５３と第１ローパスフィルタ５２とを含んでいる。また、６は位相進み補償オブザーバであり、ノミナルプラント６１と第２ローパスフィルタ６２とオブザーバ補償器６３とを含んでいる。また、７は規範モデル部であり、第１ゲインＫ_１のモデル位置制御部７２と、第２ゲインＫ_２の第１モデル速度制御部７４と、第３ゲインＫ_３の第２モデル速度制御部７６と、ノミナルプラント７７および第３ローパスフィルタ７８で構成された規範モデルの制御対象７０とモデル積分部７９とを含んでいる。また、１は位置制御部、２は速度制御部、９は積分部である。
また、θ^＊は位置指令、θ_ｍは規範モデル位置、θはモータ位置、ω_ｍ１ ^＊は第１モデル速度指令、ω_ｍ２ ^＊は第２モデル速度指令、ω_ｍ１は第１モデル速度、ω_ｍ２は第２モデル速度、Ｔ_ｍ ^＊はモデルトルク指令、ω^＊は速度指令、ωはモータの回転速度、Ｔ^＊はトルク指令、Ｔ_０ ^＊は第１トルク指令、Ｔ_ｄは外乱トルク推定信号、Ｊは実際のプラントのイナーシャ、Ｊ_ｎはノミナルプラントのイナーシャ、ｓはラプラス演算子である。
また、実際のプラントのイナーシャＪの最小値をＪ_ｍｉｎとし、最大値をＪ_ｍａｘとする。
以下、本発明の制御装置の動作原理および構成方法について説明する。
次に、動作原理について説明する。簡単のため、第１ローパスフィルタ５２を式（１）で表される１次ローパスフィルタとする。

ここで、Ｔ_１は第１ローパスフィルタの時定数である。第１トルク指令Ｔ_０ ^＊からモータの回転速度ωまでの等価制御対象の伝達関数Ｇ_ｏ（ｓ）を求めると、式（２）になる。

また、等価ローパスフィルタ３１を式（３）で表されるものとする。

よって、図１の制御システムを図３のように書き直すことができる。図３において、３は第１等価制御対象であり、等価ローパスフィルタ３１とノミナルプラント３２を含んでいる。最悪の状況である実際のプラントのイナーシャＪが最大値Ｊ_ｍａｘとなった場合に、等価ローパスフィルタＬ_ｏ（ｓ）は式（４）となる。

このとき、Ｌ_ｏ（ｓ）の位相遅れが一番大きいので、第２ローパスフィルタＬ_２（ｓ）を式（５）とする。

よって、図３の制御システムを図４のように書き直すことができる。図４において、８は第２等価制御対象であり、第２ローパスフィルタ８２とノミナルプラント８１を含んでいる。
最後に、規範モデルの制御対象を第２等価制御対象と一致させるため、第３ローパスフィルタＬ_３（ｓ）を式（６）とする。

そうすると、モータ位置θが規範モデル位置θ_ｍと一致するようになる。したがって、規範モデル部の制御ゲインを十分大きく上げることにより、モータ位置θを高速度に目標位置に追従させることができる。

図２は、本発明の第２実施例の構成を示すサーボ制御装置のブロック図である。
本実施例が第１実施例と異なる部分は、減算器５１の出力に接した第１ローパスフィルタ５２を加算器５４の出力に移し替えたことである。
次に、動作原理について説明する。
第１トルク指令の基本信号Ｔ_０ ^＊からモータの回転速度ωまでの等価制御対象の伝達関数Ｇ_ｏ（ｓ）を求めると、式（７）になる。

また、等価ローパスフィルタ３１を式（８）で表されるものとする。

よって、図２の制御システムを図３のように書き直すことができる。最悪の状況である実際のプラントのイナーシャＪが最大値Ｊ_ｍａｘとなった場合に、等価ローパスフィルタＬ_ｏ（ｓ）は式（９）となる。

このとき、Ｌ_ｏ（ｓ）の位相遅れが一番大きいので、第２ローパスフィルタＬ_２（ｓ）を式（１０）とする。

よって、図３の制御システムを図４のように書き直すことができる。
最後に、規範モデルの制御対象を第２等価制御対象と一致させるため、第３ローパスフィルタＬ_３（ｓ）を式（１１）とする。

そうすると、モータ位置θが規範モデル位置θ_ｍと一致するようになる。したがって、規範モデル部の制御ゲインを十分大きく上げることにより、モータ位置θを高速度に目標位置に追従させることができる。
図５はサーボ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。図において、まずステップＳＴ１で位置指令とモデル位置から第１モデル速度指令を生成し、ステップＳＴ２で第１モデル速度指令と第１モデル速度から第２モデル速度指令を生成し、ステップＳＴ３で第２モデル速度指令と第２モデル速度からモデルトルク指令を生成し、つぎにステップＳＴ４でモデルトルク指令をノミナルプラントに通してモデル速度を生成する。つぎに、ステップＳＴ５で第２モデル速度の高域を遮断し第１モデル速度を生成し、ステップＳＴ６で第１モデル速度を積分してモデル位置を生成し、ステップＳＴ７で第１モデル速度指令と速度指令を加算して新たな速度指令を生成し、ステップＳＴ８で第１トルク指令とモデルトルク指令を加算して新たな第１トルク指令を生成し、ステップＳＴ９でモデル位置を第１位置指令とし、ステップＳＴ１０でモータ速度と第１トルク指令を外乱オブザーバに通してトルク指令を生成し、ステップＳＴ１１でモータ速度と第１トルク指令を位相進み補償オブザーバに通してフィードバック速度を生成する。
図６はトルク指令を生成するステップのフローチャートで、ステップＳＡ１でモータ速度をノミナルプラント逆システムに通してモータ加速トルクを生成し、ステップＳＡ２でトルク指令からモータ加速トルクを減算して第１推定外乱トルクを生成し、ステップＳＡ３で第１推定外乱トルクの高域を遮断して推定外乱トルクを生成し、ステップＳＡ４で第１トルク指令と推定外乱トルクを加算してトルク指令を生成する。
図７はフィードバック速度を生成するステップのフローチャートで、ステップＳＢ１で第１トルク指令から補正トルクを減算して第２トルク指令を生成し、ステップＳＢ２で第２トルク指令をノミナルプラントに通してフィードバック速度を生成し、ステップＳＢ３でフィードバック速度の高域を遮断して補正フィードバック速度を生成し、ステップＳＢ４でモータ速度から補正フィードバック速度を減算して補正差分速度を生成し、ステップＳＢ５で補正差分速度をオブザーバ補償器に通して補正トルクを生成する。

ＰＩ制御に外乱オブザーバと位相進み補償オブザーバを組み合わせたフィードバック制御系に合うような規範モデル部を構成することによって、ロバストかつ高性能な制御を実現することができるので、サーボのみならず、いわゆるノミナルプラントが非最小位相システムで表されパラメータが大きく変動するシステムに対して、ロバストかつ高速度に指令に追従するという用途にも適用できる。

本発明の第１実施例の構成を示すサーボ制御装置のブロック図 本発明の第２実施例の構成を示すサーボ制御装置のブロック図 図１または図２の等価ブロック図 図３の近似等価ブロック図 サーボ制御装置の制御方法を示すフローチャート トルク指令を生成するステップのフローチャート フィードバック速度を生成するステップのフローチャート

符号の説明

５１、６４、６５ 第１、第２、第３減算器
１０、１１、７１、７３、７５ 減算器
５４、１３、１２ 加算器
１ 位置制御部
２ 速度制御部
３ 第１等価制御対象
３１ 等価ローパスフィルタ
４ 実際のプラント
５ 外乱オブザーバ
５２ 第１ローパスフィルタ
５３ ノミナルプラント逆システム
６ 位相進み補償オブザーバ
３２、６１、７７、８１ ノミナルプラント
６２、８２ 第２ローパスフィルタ
６３ オブザーバ補償器
７ 規範モデル部
７０ 規範モデルの制御対象
７２ モデル位置制御部
７４ 第１モデル速度制御部
７６ 第２モデル速度制御部
７８ 第３ローパスフィルタ
８ 第２等価制御対象
９ 積分部
７９ モデル積分部

Claims (8)

1. 第１位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度から第１トルク指令を生成する速度制御部と、第１トルク指令とモータ速度からトルク指令を生成する外乱オブザーバと、前記モータ速度と前記第１トルク指令から前記フィードバック速度を生成する位相進み補償オブザーバと、を備えたサーボ制御装置において、
   位置指令とモデル位置から第１モデル速度指令を生成するモデル位置制御部と、前記第１モデル速度指令と第１モデル速度から第２モデル速度指令を生成する第１モデル速度制御部と、前記第２モデル速度指令と第２モデル速度からモデルトルク指令を生成する第２モデル速度制御部と、前記モデルトルク指令により加速され前記第２モデル速度を生成するノミナルプラントと、前記第２モデル速度の高域を遮断し前記第１モデル速度生成する第３ローパスフィルタと、前記第１モデル速度を積分して前記モデル位置を生成するモデル積分部と、からなる規範モデル部と、
   を備え、
   前記第１モデル速度指令と前記速度指令を加算して新たな速度指令を生成し、前記第１トルク指令と前記モデルトルク指令を加算して新たな第１トルク指令を生成し、前記モデル位置を前記第１位置指令とすることを特徴とするサーボ制御装置。
2. 前記外乱オブザーバは、前記モータ速度からモータ加速トルクを生成するノミナルプラント逆システムと、前記トルク指令から前記モータ加速トルクを減算し第１推定外乱トルクを生成する第１減算器と、前記第１推定外乱トルクの高域を遮断し推定外乱トルクを生成する第１ローパスフィルタと、前記第１トルク指令と前記推定外乱トルクを加算して前記トルク指令を生成する第１加算器と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
3. 前記外乱オブザーバは、前記モータ速度からモータ加速トルクを生成するノミナルプラント逆システムと、前記トルク指令から前記モータ加速トルクを減算し前記外乱トルク推定信号を生成する第１減算器と、前記第１トルク指令と推定外乱トルクを加算し第３トルク指令を生成する第３加算器と、前記第３トルク指令から前記トルク指令を生成する第１ローパスフィルタと、
   を備えることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
4. 前記位相進み補償オブザーバは、前記第１トルク指令から補正トルクを減算し第２トルク指令を生成する第２減算器と、前記第２トルク指令から前記フィードバック速度を生成するノミナルプラントと、前記フィードバック速度の高域を遮断し補正フィードバック速度を生成する第２ローパスフィルタと、前記モータ速度から前記補正フィードバック速度を減算し補正差分速度を生成する第３減算器と、前記補正差分速度から前記補正トルクを生成するオブザーバ補償器と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
5. 前記第３ローパスフィルタの時定数は前記第２ローパスフィルタの時定数と同じであることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
6. 第１位置指令とモータ位置から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令とフィードバック速度から第１トルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令とモータ速度からトルク指令を生成する外乱オブザーバと、前記モータ速度と前記第１トルク指令からフィードバック速度を生成する位相進み補償オブザーバと、を備えたサーボ制御装置の制御方法において、
   位置指令とモデル位置から第１モデル速度指令を生成するステップと、
   前記第１モデル速度指令と第１モデル速度から第２モデル速度指令を生成するするステップと、
   前記第２モデル速度指令と第２モデル速度からモデルトルク指令を生成するステップと、
   前記モデルトルク指令をノミナルプラントに通して前記モデル速度を生成するステップと、
   前記第２モデル速度の高域を遮断し前記第１モデル速度を生成するステップと、
   前記第１モデル速度を積分して前記モデル位置を生成するステップと、
   前記第１モデル速度指令と前記速度指令を加算して新たな速度指令を生成するステップと、
   前記第１トルク指令と前記モデルトルク指令を加算して新たな第１トルク指令を生成するステップと、
   前記モデル位置を前記第１位置指令とするステップと、
   前記モータ速度と前記第１トルク指令を外乱オブザーバに通してトルク指令を生成するステップと、
   前記モータ速度と前記第１トルク指令を位相進み補償オブザーバに通してフィードバック速度を生成するステップと、
   を備えることを特徴とするサーボ制御装置の制御方法。
7. 前記トルク指令を生成するステップは、
   前記モータ速度をノミナルプラント逆システムに通してモータ加速トルクを生成するステップと、
   前記トルク指令から前記モータ加速トルクを減算して第１推定外乱トルクを生成するステップと、
   前記第１推定外乱トルクの高域を遮断して推定外乱トルクを生成するステップと、
   前記第１トルク指令と前記推定外乱トルクを加算して前記トルク指令を生成するステップと、
   を備えることを特徴とする請求項６記載のサーボ制御装置の制御方法。
8. 前記フィードバック速度を生成するステップは、
   前記第１トルク指令から補正トルクを減算して第２トルク指令を生成するステップと、
   前記第２トルク指令をノミナルプラントに通して前記フィードバック速度を生成するステップと、
   前記フィードバック速度の高域を遮断して補正フィードバック速度を生成するステップと、
   前記モータ速度から前記補正フィードバック速度を減算し補正差分速度を生成するステップと、
   前記補正差分速度をオブザーバ補償器に通して前記補正トルクを生成するステップと、
   を備えることを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置の制御方法。