JP2003235280A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 目標値フィルタによる定常オフセット時間の
制御遅れを防いで良好な制御特性を得ることができるモ
ータ制御装置を提供すること。 【構成】 ＰＩとＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微
分）調整演算子動作を分離し、制御対象からの制御量と
この制御量の指令値から補償演算を行って得られる実効
指令値との偏差が零となるようにＰＩ・Ｄ調整演算を行
い、得られる調整信号を操作信号として前記制御対象に
印加するモータ制御装置において、前記制御量の指令値
からＰＩ調整演算部とＤ調整演算部に対する実効指令値
をそれぞれ得る補償演算部を設け、前記ＰＩ調整演算部
に対する補償演算部は制御量の指令値に、並列に指令値
の２階微分器＋１次ローパスフィルタを設け、制御量の
指令値に２階微分器＋１次ローパスフィルタの出力を加
算する構成とし、前記Ｄ調整演算部に対する補償演算部
は制御量の指令値を使用するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御対象を指令値
の時間的変化に追従させる制御装置（例えば、工作機械
のようなＮＣ装置）で、特に外乱応答と追従性を良くす
るモータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図５に示すような一般的なＰＩＤ
制御で、外乱応答を重視してその応答を良くするように
ＰＩＤパラメータの設定を行った場合、追従制御の変曲
点でのオーバーシュートが大きくなってしまう。逆に指
令値ｒに対する追従を重視してその応答を良くするよう
にＰＩＤパラメータの設定を行った場合、外乱応答が悪
くなってしまう。

【０００３】一般的なＰＩＤ制御の弱点を改善する制御
方式として、外乱応答を良くするＰＩＤパラメータとオ
ーバーシュートを抑制するＰＩＤパラメータの両方をも
って制御する２自由度ＰＩＤ制御方式がある。２自由度
ＰＩＤ制御方式の中でも、目標値フィルタ型２自由度Ｐ
ＩＤ制御は、既存の一般的なＰＩＤ制御に比較的容易に
組み込み可能であるという特徴があり、実現し易い方式
である。

【０００４】図６に従来からある目標値フィルタ型２自
由度ＰＩＤ制御の構造例を示す（特開平６−３０４７２
６号公報参照）。同図に示す制御装置において、操作量
Ｕを制御対象８に出力するＰＩＤ演算部２３の前段に目
標値フィルタ２０が設けられている。目標値フィルタ２
０は、指令値ｒに追従させるのに最適な状態になるよう
に制御定数が設定されている。指令値ｒが入力される
と、この目標値フィルタ２０によって補償されたリファ
レンスＲが出力される。

【０００５】ＰＩＤ演算部２３は、外乱応答に最適な状
態になるように制御定数が設定されている。ＰＩＤ演算
部２３には、リファレンスＲと制御対象８の出力の差で
ある偏差が入力され、操作量Ｕが出力される。

【０００６】制御対象８には、ＰＩＤ演算部２３からの
操作量Ｕが入力されるとともに、外乱Ｄが入力される。
目標値フィルタ２０としては、種々の演算方式が提案さ
れているが、目標値フィルタ２０の演算式Ｆ（ｓ）の例
を以下の（１）に示す。

【０００７】 Ｆ（ｓ）＝（１＋α・Ｔｉ・ｓ）／（１＋Ｔｉ・ｓ） ＋（−β／（１＋Ｔｉ・ｓ）＋γ・Ｔｉ・ｓ／（１η・Ｔｉ・ｓ） ×（Ｔｉ・ｓ／（１＋Ｔｉ・ｓ） …（１） この制御装置において、目標値フィルタ２０は、比例相
当要素１６と積分相当要素１７と微分相当要素１８と微
積共通項相当要素１９とによって構成される。

【０００８】指令値ｒは、先ず、比例相当要素１６と積
分相当要素１７と微分相当要素１８に入力され、積分相
当要素１７及び微分相当要素１８からの出力が微積共通
項相当要素１９に入力される。そして、比例相当要素１
６と微積共通項相当要素１９との出力が加算され、リフ
ァレンスＲとして出力される。

【０００９】一方、制御対象８からの出力がＰＩＤ演算
部の微分要素２２に入力されている。又、制御対象８か
らの出力と目標値フィルタ２０からリファレンスＲとの
差が比例積分要素２１に入力されている。

【００１０】そして、比例積分要素２１と微分要素２２
との差が操作量Ｕとして制御対象８に出力される。この
ように構成され動作する従来の目標値フィルタ型２自由
度ＰＩＤ制御方式のパラメータとしては、ＰＩＤ演算部
２３に或るＰＩＤパラメータ及び目標値フィルタ２０の
比例相当要素１６と積分相当要素１７と微分相当要素１
８とにそれぞれ設けられた目標値パラメータα，β，γ
がある。目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御方式で
は、ＰＩＤパラメータと目標値パラメータを調整して、
プロセスに対して最適の応答を求めるようにしている。

【００１１】目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御は、
制御対象を或る一定値に瞬間的に位置決めするステップ
応答の場合には有効な制御手法である。図７に従来から
ある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のステップ応
答例を示す。ステップ状の指令値を２４（破線）のよう
に入力したとき、図５に示すような一般的なＰＩＤ制御
のステップ応答は２５（点線）のようになり、オーバー
シュートが大きく、位置決め時間も長い。目標値フィル
タ型２自由度ＰＩＤ制御のステップ応答は２６（実線）
のようになり、オーバーシュートが小さく、位置決め時
間も短い。通常、目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御
は、外乱をＰＩＤ制御部で抑制し、目標値フィルタで追
従性を上げることができるため、外乱応答及び追従性に
優れたサーボ系の制御システムを構成することができ
る。

【００１２】しかし、上記に述べた目標値フィルタ型２
自由度ＰＩＤ制御は指令値ｒが或る勾配をもって時間と
共に変化するランプ応答の場合には必ずしも有効とは言
えない。

【００１３】図８に従来からある目標値フィルタ型２自
由度ＰＩＤ制御のランプ応答例を示す。ランプ状の指令
値ｒを２７（破線）のように入力したとき、目標値フィ
ルタ型２自由度ＰＩＤ制御のランプ応答は２８（実線）
のようになり、或る一定の勾配をもって立ち上がるラン
プ区間では指令値より２９のような時間遅れが発生す
る。

【００１４】目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のこ
のような定常オフセットを持つ弱点を改善する制御装置
として、ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置がある（特
開平７−１０４８０７号公報参照）。図９にＰＶ切換式
２自由度ＰＩＤ制御装置の構造例を示す。目標値フィル
タ型２自由度ＰＩＤ制御に対しソフトウエア手段として
の切換部３３と、この切換部３３によって駆動される切
換スイッチ３０が新設されている。そして、切換部３３
は切換点算出部３２並びにこの切換点算出部３２の出力
と制御対象出力を比較して切換スイッチ３０を切換える
比較器３１を備えている。

【００１５】ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置は、一
定の勾配を持つランプ区間は一般的なＰＩＤ制御を行
い、ランプ区間から勾配が零となるソーク区間に切換え
時点より定常オフセット時間分だけ手前の時点を越える
と目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御を行うように切
換スイッチ３０を切換える。

【００１６】ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置を利用
することで、ランプ区間での制御遅れを取り除き、且
つ、オーバーシュートが少なく、外乱に強い制御が可能
となる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
述べたＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置であっても、
指令値ｒが任意の勾配で時間と共に変化する曲線応答の
場合には有効とは言えない。図８に示すランプ区間とソ
ーク区間の切換え時点のようにスイッチの切換点がはっ
きりとしない曲線状の指令値ｒを入力したとき、スイッ
チの切換えが不可能である。

【００１８】更に、曲線応答の場合、常に追従エラー
（オーバーシュート）が起き易い状態になるため、常に
目標値フィルタをＯＮにしなければならず、制御遅れを
取り除くことができない。時間と共に変化する曲線を指
令値として入力する加工機には、従来の目標値フィルタ
型２自由度ＰＩＤ制御、ＰＶ切換式自由度ＰＩＤ制御は
適用できず、制御遅れが原因で形状精度が悪化する。

【００１９】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、目標値フィルタによる定常オ
フセット時間の制御遅れを防いで良好な制御特性を得る
ことができるモータ制御装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ＰＩとＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微
分）調整演算子動作を分離し、制御対象からの制御量と
この制御量の指令値から補償演算を行って得られる実効
指令値との偏差が零となるようにＰＩ・Ｄ調整演算を行
い、得られる調整信号を操作信号として前記制御対象に
印加するモータ制御装置において、前記制御量の指令値
からＰＩ調整演算部とＤ調整演算部に対する実効指令値
をそれぞれ得る補償演算部を設け、前記ＰＩ調整演算部
に対する補償演算部は制御量の指令値に、並列に指令値
の２階微分器＋１次ローパスフィルタを設け、制御量の
指令値に２階微分器＋１次ローパスフィルタの出力を加
算する構成とし、前記Ｄ調整演算部に対する補償演算部
は制御量の指令値を使用するように構成することを特徴
とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００２２】図１に本発明に基づくモータ制御のブロッ
ク図を示す。

【００２３】指令値ｒに追従させたい制御対象８と、制
御対象８の出力をフィードバック制御するＰＩＤ演算部
７（比例成分４、積分成分５、微分成分６から成る）
と、指令値を補償して追従性を向上させるための目標値
フィルタ３によって構成されている。

【００２４】一般的に制御対象は指令値ｒの速度変化が
激しい部分において、追従エラー（オーバーシュート）
が起き易くなる。そこで、追従エラーが起きないように
目標値フィルタ３で指令値ｒを補償する。指令値ｒの速
度変化が激しい部分とは加速度が大きな部分であるの
で、二階微分器１で指令値の加速度を求める。１次フィ
ルタ２のＫによって補償する大きさを決定し、Ｔによっ
て補償量の減衰時間を決定する。

【００２５】二階微分器１と１次フィルタ２による補償
量を指令値ｒに加算して制御対象の出力との偏差を計算
しＰＩＤ制御の比例（Ｐ）成分４及び積分（Ｉ）成分５
に入力する。二階微分器１と１次フィルタ２による補償
量は指令値ｒに対して並列に設けられているので、１次
フィルタ２のＫを零とすることで、図５に示すような一
般的なＰＩＤ制御と同じ構成にすることもできる。

【００２６】ステップ状や時間と共に鋭角に変化する指
令値ｒを二階微分器１に通すと補償量には鋭いパルス状
の信号が含まれる。補償量に含まれるパルス状の信号に
合わせて制御対象を動かすことは制御対象８を振動させ
ることになるので望ましくない。そこで、ＰＩＤ制御の
微分（Ｄ）成分６には補償していない指令値ｒと制御対
象８の出力の偏差を、微分（Ｄ）成分６にそのまま直接
入力している。こうすることによって、目標値フィルタ
３によってパルス状に補償されたとしても制御対象８は
過度に反応することなく指令値ｒに追従することができ
る。

【００２７】本発明の目標値フィルタは指令値ｒの速度
変化が激しい部分にのみ作用するので、指令値ｒがある
勾配のランプ区間や曲線区間を含んでいても、追従特性
に制御遅れは発生しない。

【００２８】例えば、ＮＣ装置において、スピンドル軸
を３８００ｒｐｍで回転させ、周波数２０Ｈｚの正弦波
状の曲線加工する場合を考える。ＮＣ装置は１軸のスピ
ンドル軸と多くの位置決め制御軸から構成される。スピ
ンドル軸が３８００ｒｐｍ回転すると、その影響により
位置決め軸には６３．３Ｈｚ（３８００ｒｐｍ）の周期
外乱が発生する。

【００２９】図２に追従性と外乱応答における本発明の
効果の例を示す。このような加工を一般的なＰＩＤ制御
を用いて行うと、位置決め追従偏差は１０（破線）のよ
うになり、外乱の影響により６３．３Ｈｚ（３８００ｒ
ｐｍ）の周期で大きな加工エラーが発生する。又、２０
Ｈｚの指令値の影響による加工エラーも１１（点線）の
ように発生する。

【００３０】本発明の制御手法を用いてこのような加工
を行うと、位置決め追従偏差は９（実線）のようにな
り、外乱の影響による６３．３Ｈｚ（３８００ｒｐｍ）
の加工エラーと、２０Ｈｚの指令値の影響による加工エ
ラーは共に従来の一般的なＰＩＤ制御の約半分にするこ
とができる。

【００３１】図５に示すような一般的なＰＩＤ制御はそ
れだけで追従性と外乱応答性を上げなければならない
が、本発明の制御手法は図６に示すような従来の目標値
フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のように、外乱応答性は
ＰＩＤ制御によって上げ、追従性は目標値フィルタによ
って上げることができる。

【００３２】図３にＰＩＤ設定値による外乱抑制の効果
の例を示す。例えば一般的なＰＩＤ制御における外乱抑
制特性は１２（破線）のようになり、特に３５Ｈｚ付近
の周期外乱に弱い場合を考える。本発明の制御手法適用
時では従来の目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ制御のよ
うに外乱応答重視のＰＩＤパラメータを設定することが
できる。そのときの外乱抑制特性は１３（実線）のよう
になり、従来のＰＩＤでは弱い３５Ｈｚ付近の周期外乱
を抑制することができる。この場合、１０Ｈｚ〜１１３
Ｈｚの周期外乱においては抑制することができるが、そ
の他の周波数に関しては従来のＰＩＤ設定値用いた外乱
抑制特性１２（破線）の方が良い。

【００３３】本発明の目標値フィルタは後段のＰＩＤ制
御系と完全に独立であるため、周期外乱の周波数によっ
てＰＩＤ設定値を切り替えて使用することが可能であ
る。例えば、周期外乱の周波数によって外乱応答重視の
ＰＩＤパラメータ設定に切り替えた後、目標値フィルタ
のパラメータＫ，Ｔで追従誤差が小さくなるように設定
することができる。図４に追従性における本発明の効果
の例を示す。例えば、正弦波状の指令値を入力し、制御
対象を追従させたとき、一般的なＰＩＤ制御を用いた時
の追従エラーは高周波になるに従って１４（破線）のよ
うに非常に大きく増加する。

【００３４】しかし、本発明の制御手法を適用すると、
追従エラーは１５（実線）のようになり、特に高周波追
従において一般的なＰＩＤ制御の時と比べて非常に小さ
くすることができる。本発明の制御手法を用いること
で、大幅に追従エラーを小さくすることができ、高周波
の正弦波追従における耐久性も大幅に向上させることが
できる。

【００３５】本発明の目標値フィルタおよびＰＩ・Ｄ調
整演算器はソフトウエアで構成し，ＣＰＵでも演算処理
可能である。本発明の目標値フィルタ３及びＰＩ・Ｄ調
整演算器７による操作量Ｕの演算式の例を以下の式
（２）に示す。

【００３６】 Ｕ＝［｛１＋ｓ^２ ・Ｋ／（１／Ｔ＋ｓ）｝−Ｘ］・（Ｐ＋Ｉ／ｓ） ＋（ｒ−Ｘ）・Ｄ・ｓ …（２） 式（２）をＣＰＵで演算した操作量Ｕを制御対象に入力
することで、上記実施の形態と同様の効果が得られる。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、ＰＩとＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）調
整演算子動作を分離し、制御対象からの制御量とこの制
御量の指令値から補償演算を行って得られる実効指令値
との偏差が零となるようにＰＩ・Ｄ調整演算を行い、得
られる調整信号を操作信号として前記制御対象に印加す
るモータ制御装置において、前記制御量の指令値からＰ
Ｉ調整演算部とＤ調整演算部に対する実効指令値をそれ
ぞれ得る補償演算部を設け、前記ＰＩ調整演算部に対す
る補償演算部は制御量の指令値に、並列に指令値の２階
微分器＋１次ローパスフィルタを設け、制御量の指令値
に２階微分器＋１次ローパスフィルタの出力を加算する
構成とし、前記Ｄ調整演算部に対する補償演算部は制御
量の指令値を使用するように構成したため、目標値フィ
ルタによる定常オフセット時間の制御遅れを防いで良好
な制御特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくモータ制御のブロック図であ
る。

【図２】追従性と外乱応答における本発明の効果の例を
示す図である。

【図３】ＰＩＤ設定値による外乱抑制の効果の例を示す
図である。

【図４】追従性における本発明の効果の例を示す図であ
る。

【図５】一般的なＰＩＤ制御の構造を示す図である。

【図６】従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ
制御の構造例を示す図である。

【図７】従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ
制御のステップ応答例を示す図である。

【図８】従来からある目標値フィルタ型２自由度ＰＩＤ
制御のランプ応答例を示す図である。

【図９】ＰＶ切換式２自由度ＰＩＤ制御装置の構造例を
示す図である。

【符号の説明】

１ 二階微分器 ２ １次フィルタ ３ 目標値フィルタ ４ ＰＩＤ制御の比例成分 ５ ＰＩＤ制御の積分成分 ６ ＰＩＤ制御の微分成分 ７ ＰＩＤ演算部 ８ 制御対象 ９ 位置決め追従偏差 １０ 一般的なＰＩＤ制御を適用したときの位置決め
追従偏差 １１ 指令値の影響による加工エラー １２ 一般的なＰＩＤ制御における外乱抑制特性 １３ ＰＩＤパラメータを設定したときの外乱抑制特
性 １４ 一般的なＰＩＤ制御を用いた時の追従エラー １５ 本発明の制御手法を適用したときの追従エラー １６ 比例相当要素 １７ 積分相当要素 １８ 微分相当要素 １９ 微積共通項相当要素

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＰＩとＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微
   分）調整演算子動作を分離し、制御対象からの制御量と
   この制御量の指令値から補償演算を行って得られる実効
   指令値との偏差が零となるようにＰＩ・Ｄ調整演算を行
   い、得られる調整信号を操作信号として前記制御対象に
   印加するモータ制御装置において、 前記制御量の指令値からＰＩ調整演算部とＤ調整演算部
   に対する実効指令値をそれぞれ得る補償演算部を設け、
   前記ＰＩ調整演算部に対する補償演算部は制御量の指令
   値に、並列に指令値の２階微分器＋１次ローパスフィル
   タを設け、制御量の指令値に２階微分器＋１次ローパス
   フィルタの出力を加算する構成とし、前記Ｄ調整演算部
   に対する補償演算部は制御量の指令値を使用するように
   構成することを特徴とするモータ制御装置。
2. 【請求項２】 前記ＰＩ調整演算部の２階微分器＋１次
   ローパスフィルタの出力を切り離すことで、補償演算を
   行わない一般的なＰＩＤ調整演算部としても使用可能で
   あることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 【請求項３】 周期的な外乱がある場合は、外乱周波数
   によってＰＩＤパラメータを前もって決定された値に切
   り替えることが可能であり、そのＰＩＤパラメータに合
   わせて２階微分器＋１次ローパスフィルタのパラメータ
   を切り替えることもできることを特徴とする請求項１記
   載のモータ制御装置。
4. 【請求項４】 ２階微分器＋１次ローパスフィルタ及び
   ＰＩ・Ｄ調整演算をソフトウエアで構成し、ＣＰＵでも
   演算処理できることを特徴とする請求項１記載のモータ
   制御装置。