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JP2017041248A - Servo controller - Google Patents

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JP2017041248A
JP2017041248A JP2016160128A JP2016160128A JP2017041248A JP 2017041248 A JP2017041248 A JP 2017041248A JP 2016160128 A JP2016160128 A JP 2016160128A JP 2016160128 A JP2016160128 A JP 2016160128A JP 2017041248 A JP2017041248 A JP 2017041248A
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Abstract

【課題】従来のサーボ制御装置では、制御対象に関する位置検出値の擬似微分によって速度推定値を取得するため、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度の向上には限界があった。【解決手段】サーボ制御装置において、制御対象の速度を推定する速度推定器を、サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、制御指令値から位置検出値までの動特性に基づいたカルマンフィルタで構成し、制御対象の位置検出値、および制御対象への制御指令値を入力として、制御対象の速度推定値を算出して制御系へフィードバックする。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the position control accuracy and speed control accuracy of a servo control device because a speed estimate value is acquired by pseudo-differentiation of a position detection value related to a controlled object in a conventional servo control device. SOLUTION: In a servo control device, a speed estimator for estimating the speed of a controlled object is a Kalman filter based on dynamic characteristics from a control command value to a position detection value in a frequency domain including a speed control band of the servo control device. The position detection value of the control target and the control command value to the control target are input to calculate the speed estimation value of the control target and feed it back to the control system. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、制御対象の位置を制御する位置制御系および制御対象の速度を制御する速度制御系を備えたサーボ制御装置に関するものである。   The present invention relates to a servo control apparatus including a position control system that controls the position of a control target and a speed control system that controls the speed of the control target.

従来の最も基本的なサーボ制御装置200の構成を図10に示す。このサーボ制御装置200は、並進変位または回転変位で規定される位置xを制御量とする制御対象1と、位置xを所定のサンプリング周期で標本化し、更に所定の検出分解能で量子化して位置検出値104として出力する位置検出器2と、位置検出値104の擬似微分に基づいて制御対象1の速度推定値105を出力する速度推定器210(擬似微分器)と、外部から与えられる位置指令値101と位置検出値104とに基づいて、速度指令値102を演算して出力する位置制御器3と、速度指令値102と速度推定値105とに基づいて、制御指令値103を演算して出力する速度制御器4と、制御指令値103に基づいて、制御対象1に対して制御力または制御トルクを印加するアクチュエータ5で構成される。サーボ制御装置200では、制御系としての安定性、位置指令値101の変化に対する速応性、および定常状態における位置指令値101と位置検出値104との偏差、が所望の性能を満足するように、速度制御器4によって制御系インナーループとしての速度制御系を設計し、更に位置制御器3によって制御系アウターループとしての位置制御系を設計する。   The configuration of the conventional most basic servo control device 200 is shown in FIG. The servo control device 200 detects a position by controlling a control object 1 having a position x defined by translational displacement or rotational displacement as a controlled variable, and sampling the position x at a predetermined sampling period, and further quantizing it at a predetermined detection resolution. A position detector 2 that outputs as a value 104, a speed estimator 210 (pseudo-differentiator) that outputs a speed estimation value 105 of the control object 1 based on a pseudo-differentiation of the position detection value 104, and a position command value given from the outside Based on 101 and the position detection value 104, the position controller 3 that calculates and outputs the speed command value 102, and on the basis of the speed command value 102 and the speed estimated value 105, calculates and outputs the control command value 103. And an actuator 5 that applies a control force or a control torque to the controlled object 1 based on the control command value 103. In the servo control device 200, the stability as the control system, the quick response to the change of the position command value 101, and the deviation between the position command value 101 and the position detection value 104 in the steady state satisfy the desired performance. A speed control system as a control system inner loop is designed by the speed controller 4, and a position control system as a control system outer loop is designed by the position controller 3.

図10に記した記号の意味は以下の通りである。   The meanings of the symbols shown in FIG. 10 are as follows.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

また、従来のサーボ制御装置200の他の例として、特許文献1に記載された位置制御装置がある。この位置制御装置において、制御対象1、位置検出器2、位置制御器3、速度制御器4、およびアクチュエータ5は、図1に示す最も基本的なサーボ制御装置200と同一構成となる。一方で、この位置制御装置では、位置検出値104のフィードバックループにカルマンフィルタおよび外乱推定器を付加しており、カルマンフィルタにおいて位置検出値104から制御対象1の位置推定値および速度推定値を推定し、外乱推定器において制御指令値103および速度推定値から制御対象1に加わる外乱推定値を推定している。その上で、位置推定値を位置制御器3にフィードバックすると共に、速度推定値を速度制御器4にフィードバックすることで、位置検出値104に重畳する観測ノイズの影響、量子化ノイズの影響、および速度推定器として擬似微分器を適用した場合に速度推定値に重畳する微分ノイズの影響を低減している。更に、外乱推定値を速度制御器4の出力から減じた信号を制御対象に対する制御指令値103とすることで、制御対象1に作用する外乱を補償し、その速度変動および位置変動を抑制している。   Another example of the conventional servo control device 200 is a position control device described in Patent Document 1. In this position control device, the control object 1, the position detector 2, the position controller 3, the speed controller 4, and the actuator 5 have the same configuration as the most basic servo control device 200 shown in FIG. On the other hand, in this position control device, a Kalman filter and a disturbance estimator are added to the feedback loop of the position detection value 104, and the position estimation value and speed estimation value of the controlled object 1 are estimated from the position detection value 104 in the Kalman filter. The disturbance estimator estimates a disturbance estimated value applied to the control object 1 from the control command value 103 and the speed estimated value. After that, the position estimated value is fed back to the position controller 3 and the speed estimated value is fed back to the speed controller 4, whereby the influence of observation noise superimposed on the position detection value 104, the influence of quantization noise, and When a pseudo-differentiator is applied as a speed estimator, the influence of differential noise superimposed on the speed estimated value is reduced. Furthermore, by making a signal obtained by subtracting the estimated disturbance value from the output of the speed controller 4 as the control command value 103 for the controlled object, the disturbance acting on the controlled object 1 is compensated, and the speed fluctuation and position fluctuation are suppressed. Yes.

特開2000−148207号公報JP 2000-148207 A

このように最も基本的な従来のサーボ制御装置200では、速度推定器210として擬似微分器を適用し、位置検出器2によって検出された位置検出値104の擬似微分に基づいて、制御対象の速度推定値105を取得している。   Thus, in the most basic conventional servo control apparatus 200, a pseudo-differentiator is applied as the speed estimator 210, and the speed of the control target is determined based on the pseudo-differentiation of the position detection value 104 detected by the position detector 2. An estimated value 105 is acquired.

しかしながら、このようなサーボ制御装置では、位置検出器2による量子化に起因して、真の位置xが一定値であっても、位置検出値104は位置検出器2の検出分解能を最小単位として矩形波状に変動し、更に速度推定値105には矩形波状に変動する位置検出値104の擬似微分によってスパイク状の速度推定誤差が発生する。したがって、速度推定器210として擬似微分器を適用した従来のサーボ制御装置200では、矩形波状に変動する位置検出値104とスパイク状の速度推定誤差が重畳した速度推定値105とをフィードバックして、位置制御および速度制御を行うため、特に制御対象1の動作速度が零近傍となる低速駆動領域において、位置制御精度および速度制御精度が劣化する、という問題があった。   However, in such a servo control device, due to the quantization by the position detector 2, even if the true position x is a constant value, the position detection value 104 uses the detection resolution of the position detector 2 as a minimum unit. Spike-like speed estimation errors occur due to the pseudo differentiation of the position detection value 104 that fluctuates in a rectangular wave shape and further changes in the speed estimated value 105 in a rectangular wave shape. Therefore, in the conventional servo control apparatus 200 to which a pseudo-differentiator is applied as the speed estimator 210, the position detection value 104 that fluctuates in a rectangular wave shape and the speed estimation value 105 on which the spike-like speed estimation error is superimposed are fed back. Since the position control and the speed control are performed, there is a problem that the position control accuracy and the speed control accuracy are deteriorated particularly in a low-speed drive region where the operation speed of the controlled object 1 is near zero.

また、このようなサーボ制御装置200において、低速駆動領域における位置制御精度および速度制御精度を向上させるためには、位置検出器2における検出分解能を向上させる必要がある。しかし、実現可能な検出分解能には限界があるため、位置制御精度および速度制御精度が位置検出器2の検出分解能によって制約を受ける、という問題もあった。   In such a servo control device 200, in order to improve the position control accuracy and the speed control accuracy in the low-speed drive region, it is necessary to improve the detection resolution in the position detector 2. However, since there is a limit to the realizable detection resolution, there is a problem that the position control accuracy and the speed control accuracy are limited by the detection resolution of the position detector 2.

加えて、位置検出値104が真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む場合、この位置検出誤差も速度推定器210において擬似微分されるため、速度推定値105には位置検出誤差が増幅された変動的な速度推定誤差が重畳し、特に制御対象1の動作速度が中高速駆動となる領域において、サーボ制御装置200の速度制御精度が劣化する、という問題もあった。   In addition, when the position detection value 104 includes a fluctuating position detection error synchronized with the true position x, the position detection error is also pseudo-differentiated in the speed estimator 210. There is also a problem that the speed control accuracy of the servo control device 200 deteriorates, particularly in the region where the operation speed of the control target 1 is medium-to-high speed driving, with the fluctuating speed estimation error amplified.

上記問題に対して、特許文献1に記載された位置制御装置では、位置検出値104からカルマンフィルタによって制御対象1の位置推定値および速度推定値を推定することで、位置検出値104に重畳する誤差成分、および当該誤差成分の擬似微分に起因して重畳する速度推定値105の誤差成分を低減させている。   In order to solve the above problem, the position control device described in Patent Document 1 estimates the position estimated value and the speed estimated value of the controlled object 1 from the position detected value 104 by the Kalman filter, thereby superimposing an error superimposed on the position detected value 104. The error component of the speed estimation value 105 to be superposed due to the component and the pseudo differentiation of the error component is reduced.

しかしながら、このような位置制御装置においても、カルマンフィルタが制御対象1の位置検出値104のみに基づいて位置推定値および速度推定値を推定しているため、その推定精度の向上には限界がある。つまり、位置制御装置が実現し得る位置制御精度および速度制御精度には限界がある、という問題があった。   However, even in such a position control device, since the Kalman filter estimates the position estimation value and the speed estimation value based only on the position detection value 104 of the control target 1, there is a limit to improving the estimation accuracy. That is, there is a problem that the position control accuracy and speed control accuracy that can be realized by the position control device are limited.

加えて、位置検出器2の内部で発生するビット反転等に起因して、真の位置xに対する位置検出値104の誤差が一定期間拡大する場合、カルマンフィルタで推定した位置推定値および速度推定値にも誤差が重畳し、一時的にせよ位置制御精度および速度制御精度の劣化が避けられない、という問題もあった。   In addition, when the error of the position detection value 104 with respect to the true position x expands for a certain period due to bit inversion generated in the position detector 2, the position estimation value and the speed estimation value estimated by the Kalman filter are used. However, there is also a problem that the position control accuracy and the speed control accuracy are inevitably deteriorated even if they are temporarily superimposed.

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、低速駆動領域において位置検出値104の矩形波状変動の影響と速度推定値105に重畳するスパイク状速度推定誤差の影響とを極小化し、中高速駆動領域において位置検出値104および速度推定値105に重畳する変動的な位置検出誤差および速度推定誤差の影響を極小化し、全駆動領域において位置制御精度および速度制御精度を向上させたサーボ制御装置を実現することを目的としている。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In the low-speed driving region, the influence of the rectangular wave-like fluctuation of the position detection value 104 and the influence of the spike-like speed estimation error superimposed on the speed estimation value 105 are achieved. And minimizing the effects of variable position detection error and speed estimation error superimposed on the position detection value 104 and the speed estimation value 105 in the medium / high speed drive region, and improving the position control accuracy and speed control accuracy in the entire drive region. The object is to realize an improved servo control device.

また、位置検出器2の不良動作に起因して、真の位置xに対する位置検出値104の誤差が一定期間拡大する場合においても、真の位置xおよび真の速度を高精度に推定してサーボ制御装置へフィードバックすることで、当該期間中における位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制可能なサーボ制御装置の実現を目的としている。   Further, even when the error of the position detection value 104 with respect to the true position x increases for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, the true position x and the true speed are estimated with high accuracy and the servo is detected. An object of the present invention is to realize a servo control device capable of suppressing deterioration in position control accuracy and speed control accuracy during the period by feeding back to the control device.

加えて、実現すべき位置制御精度および速度制御精度が与えられた場合に、当該制御精度に基づいて位置検出器2に従来必要とされた検出分解能に対して、より低分解能な位置検出器を適用しても、当該制御精度を満足させることが可能なサーボ制御装置の実現を目的としている。   In addition, when position control accuracy and speed control accuracy to be realized are given, a position detector having a lower resolution than the detection resolution conventionally required for the position detector 2 based on the control accuracy is provided. The object is to realize a servo control device that can satisfy the control accuracy even when applied.

本発明のサーボ制御装置は、
並進変位または回転変位で規定される位置を制御量とする制御対象と、
上記制御対象の位置を検出して位置検出値として出力する位置検出器と、
少なくとも上記位置検出値に基づいて、上記制御対象の並進速度または回転速度で規定される速度を推定し、速度推定値として出力する速度推定器と、
外部から与えられる位置指令値と上記位置検出値とに基づいて、制御対象への速度指令値を演算して出力する位置制御器と、
上記速度指令値と上記速度推定値とに基づいて、制御対象への制御指令値を演算して出力する速度制御器と、
上記制御指令値に基づいて、上記制御対象に対して並進変位を制御するための制御力、または回転変位を制御するための制御トルク、を印加するアクチュエータと、を備える。
そして、上記速度推定器が、サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性、に基づいたカルマンフィルタで構成され、上記位置検出値および上記制御指令値を入力として、上記制御対象の速度推定値を推定して出力することを特徴とする。
The servo control device of the present invention is
A controlled object whose controlled variable is a position defined by translational displacement or rotational displacement;
A position detector that detects the position of the controlled object and outputs a position detection value;
A speed estimator that estimates a speed defined by a translation speed or a rotational speed of the control target based on at least the position detection value and outputs the speed as a speed estimation value;
A position controller that calculates and outputs a speed command value to be controlled based on a position command value given from the outside and the position detection value;
Based on the speed command value and the speed estimated value, a speed controller that calculates and outputs a control command value for a control target;
An actuator for applying a control force for controlling the translational displacement or a control torque for controlling the rotational displacement to the controlled object based on the control command value.
The speed estimator is configured with a Kalman filter based on dynamic characteristics from the control command value to the position detection value in a frequency region including the speed control band of the servo control device. The control command value is input, and the estimated speed value of the control target is estimated and output.

更に、上記速度推定器が、上記カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲインを適用した定常カルマンフィルタで構成され、上記位置検出値および上記制御指令値を入力として、上記制御対象の速度推定値を推定して出力するように構成しても良い。   Further, the speed estimator includes a stationary Kalman filter to which a stationary Kalman gain is applied after the Kalman filter converges to a constant coefficient filter, and the position detection value and the control command value are input to input the speed estimation of the control target. You may comprise so that a value may be estimated and output.

また、上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、上記速度推定値に加えて、上記制御対象の位置推定値を推定して出力するように構成しても良い。
その場合、上記サーボ制御装置は、更に、
上記位置推定値の遅延信号を生成して出力する遅延器と、
上記位置推定値と上記位置検出値とのいずれか一方を位置選択信号に基づいて選択し、位置フィードバック信号として出力する第1の位置信号選択器と、
上記遅延器から出力される上記位置推定値の遅延信号と上記位置検出値とのいずれか一方を位置選択信号に基づいて選択し、速度推定器入力信号として出力する第2の位置信号選択器と、
上記速度推定器入力信号と上記位置検出値とに基づいて、第1および第2の位置信号選択器に入力するための位置選択信号を生成して出力する位置選択信号制御器と、を備える。
そして、上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタは,上記速度推定器入力信号と、上記制御指令値または上記速度指令値と上記速度推定値との速度偏差と、を入力として、上記制御対象の位置推定値および速度推定値を推定して出力する。また、上記位置制御器は、外部から与えられる上記位置指令値と、上記位置フィードバック信号とに基づいて、上記速度指令値を演算して出力する。
Further, the Kalman filter or the stationary Kalman filter constituting the speed estimator may be configured to estimate and output the position estimation value of the controlled object in addition to the speed estimation value.
In that case, the servo control device further includes:
A delay unit that generates and outputs a delay signal of the position estimation value;
A first position signal selector that selects one of the position estimation value and the position detection value based on a position selection signal and outputs the position feedback signal;
A second position signal selector for selecting one of the delay signal of the position estimation value output from the delay unit and the position detection value based on the position selection signal and outputting the selected signal as a speed estimator input signal; ,
A position selection signal controller that generates and outputs a position selection signal to be input to the first and second position signal selectors based on the speed estimator input signal and the position detection value.
The Kalman filter or the stationary Kalman filter constituting the speed estimator receives the speed estimator input signal and the control command value or the speed deviation between the speed command value and the speed estimated value as inputs. The position estimated value and the speed estimated value are estimated and output. The position controller calculates and outputs the speed command value based on the position command value given from the outside and the position feedback signal.

本発明のサーボ制御装置は、
並進変位または回転変位で規定される位置を制御量とする制御対象と、
上記制御対象の位置を検出して位置検出値として出力する位置検出器と、
少なくとも上記位置検出値に基づいて、上記制御対象の並進速度または回転速度で規定される速度および位置を推定し、速度推定値および位置推定値として出力する速度推定器と、
外部から与えられる位置指令値と上記位置検出値とに基づいて、制御対象への速度指令値を演算して出力する位置制御器と、
上記速度指令値と上記速度推定値とに基づいて、制御対象への制御指令値を演算して出力する速度制御器と、
上記制御指令値に基づいて、上記制御対象に対して並進変位を制御するための制御力、または、回転変位を制御するための制御トルクを印加するアクチュエータと、
上記位置推定値の遅延信号を生成して出力する第1の遅延器と、
上記位置検出値および上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号に基づいて、上記制御対象へ作用する外乱を推定し、外乱推定値として出力する外乱推定器と、
上記制御指令値の遅延信号を生成して出力する第2の遅延器とを備える。
そして、上記速度推定器が、上記サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性に基づいたカルマンフィルタで構成され、上記位置検出値、上記外乱推定値、および第2の遅延器から出力される制御指令値の遅延信号を入力として、上記制御対象の速度推定値および位置推定値を推定して出力することを特徴とする。
The servo control device of the present invention is
A controlled object whose controlled variable is a position defined by translational displacement or rotational displacement;
A position detector that detects the position of the controlled object and outputs a position detection value;
A speed estimator that estimates a speed and a position defined by a translation speed or a rotational speed of the control target based on at least the position detection value, and outputs the speed estimation value and the position estimation value;
A position controller that calculates and outputs a speed command value to be controlled based on a position command value given from the outside and the position detection value;
Based on the speed command value and the speed estimated value, a speed controller that calculates and outputs a control command value for a control target;
An actuator for applying a control force for controlling translational displacement or a control torque for controlling rotational displacement based on the control command value;
A first delay unit that generates and outputs a delay signal of the position estimation value;
A disturbance estimator that estimates a disturbance acting on the control target based on the position detection value and a delay signal of the position estimation value output from the first delay unit, and outputs the disturbance estimation value;
A second delay unit that generates and outputs a delay signal of the control command value.
The speed estimator includes a Kalman filter based on dynamic characteristics from the control command value to the position detection value in a frequency region including the speed control band of the servo control device, and the position detection value, The disturbance estimated value and the delay signal of the control command value output from the second delay device are input, and the speed estimated value and the position estimated value of the controlled object are estimated and output.

更に、上記速度推定器が、上記カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲインを適用した定常カルマンフィルタで構成され、上記位置検出値、上記外乱推定値、および第2の遅延器から出力される制御指令値の遅延信号を入力として、上記制御対象の速度推定値および位置推定値を推定して出力するように構成しても良い。   Further, the speed estimator includes a stationary Kalman filter to which a stationary Kalman gain is applied after the Kalman filter converges to a constant coefficient filter, and is output from the position detection value, the disturbance estimated value, and the second delay unit. The control command value delay signal may be input and the speed estimation value and the position estimation value of the control target may be estimated and output.

また、上記サーボ制御装置を以下のように構成しても良い。
上記外乱推定器が、外乱推定動作の実行または停止を位置選択信号に基づいて決定するように構成される。
上記サーボ制御装置が、更に、
上記位置検出値と上記位置推定値のいずれか一方を上記位置選択信号に基づいて選択し、上記位置制御器への位置フィードバック信号として出力する第1の位置信号選択器と、
上記位置検出値と上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号とのいずれか一方を上記位置選択信号に基づいて選択し、速度推定器入力信号として出力する第2の位置信号選択器と、
上記位置検出値および上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号に基づいて、上記第1の位置信号選択器、上記第2の位置信号選択器、および上記外乱推定器に入力するための上記位置選択信号を生成して出力する位置選択信号制御器とを備える。
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、上記第2の位置信号選択器からの上記速度推定器入力信号、上記外乱推定値、および上記第2の遅延器から出力される制御指令値または速度偏差の遅延信号を入力として、上記制御対象の速度推定値および位置推定値を推定して出力する。
上記位置制御器が、外部から与えられる上記位置指令値と、上記第1の位置信号選択器からの上記位置フィードバック信号とに基づいて、上記速度指令値を演算して出力する。
The servo control device may be configured as follows.
The disturbance estimator is configured to determine whether to execute or stop the disturbance estimation operation based on the position selection signal.
The servo control device further comprises:
A first position signal selector that selects one of the position detection value and the position estimation value based on the position selection signal and outputs the position detection signal as a position feedback signal to the position controller;
A second position signal that selects either one of the position detection value and a delay signal of the position estimation value output from the first delay unit based on the position selection signal and outputs it as a speed estimator input signal A selector,
Input to the first position signal selector, the second position signal selector, and the disturbance estimator based on the position detection value and the delay signal of the position estimation value output from the first delay unit. And a position selection signal controller that generates and outputs the position selection signal.
A Kalman filter or a stationary Kalman filter constituting the speed estimator includes a control command value output from the speed estimator input signal from the second position signal selector, the disturbance estimated value, and the second delay unit, or Using the speed deviation delay signal as an input, the speed estimation value and the position estimation value of the control object are estimated and output.
The position controller calculates and outputs the speed command value based on the position command value given from the outside and the position feedback signal from the first position signal selector.

本発明によれば、速度推定器をカルマンフィルタで構成し、位置検出値および制御指令値に基づいて速度推定値を推定するため、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができ、低速および中高速を含む全駆動領域において、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。   According to the present invention, the speed estimator is configured with a Kalman filter, and the speed estimation value is estimated based on the position detection value and the control command value. In addition, it is possible to improve the position control accuracy and speed control accuracy of the servo control device in the entire drive region including medium and high speed.

また、速度推定器を定常カルマンフィルタで構成し、位置検出値および制御指令値に基づいて速度推定値を推定することで、真の速度に対する速度推定精度と、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度を、カルマンフィルタ適用時と同等レベルに維持したまま、速度推定器における演算量を大幅に低減させることが可能となる。   In addition, the speed estimator is configured with a steady Kalman filter, and the speed estimation value is estimated based on the position detection value and the control command value, so that the speed estimation accuracy for the true speed and the position control accuracy and speed control of the servo controller It is possible to greatly reduce the amount of calculation in the speed estimator while maintaining the accuracy at the same level as when the Kalman filter is applied.

更に、本発明によれば、速度推定器における速度推定精度が高精度化するため、従来に比してより低分解能な位置検出器を適用したサーボ制御装置によって、従来と同等レベルの位置制御精度および速度制御精度を実現することが可能となる。   Furthermore, according to the present invention, since the speed estimation accuracy in the speed estimator is increased, a position control accuracy equivalent to the conventional level is achieved by a servo control device to which a position detector having a lower resolution than in the past is applied. In addition, speed control accuracy can be realized.

加えて、本発明によれば、位置検出器の不良動作に起因して、真の位置に対する位置検出値の誤差が一定期間拡大する場合においても、速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、位置推定値の遅延信号と、制御指令値または速度偏差に基づいて、真の位置および真の速度を高精度に推定してサーボ制御装置へフィードバックする。そのため、当該期間中におけるサーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制することが可能となる。   In addition, according to the present invention, even when the error of the position detection value with respect to the true position is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector, the Kalman filter or the stationary Kalman filter constituting the speed estimator is Based on the delay signal of the position estimation value and the control command value or speed deviation, the true position and the true speed are estimated with high accuracy and fed back to the servo controller. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device during the period.

本発明によれば、速度推定器をカルマンフィルタで構成し、位置検出値、外乱推定値、および制御指令値の遅延信号に基づいて速度推定値を推定するため、制御対象へ作用する外乱のレベルによらずに、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そして、低速および中高速を含む全駆動領域において、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。   According to the present invention, the speed estimator is configured by a Kalman filter, and the speed estimation value is estimated based on the position detection value, the disturbance estimation value, and the delay signal of the control command value. Regardless, the accuracy of speed estimation with respect to the true speed can be increased. The position control accuracy and speed control accuracy of the servo control device can be improved in all drive regions including low speed and medium / high speed.

また、速度推定器を定常カルマンフィルタで構成し、位置検出値、外乱推定値、および制御指令値の遅延信号に基づいて速度推定値を推定することで、真の速度に対する速度推定精度と、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度を、カルマンフィルタ適用時と同等レベルに維持したまま、速度推定器における演算量を大幅に低減させることが可能となる。   In addition, the speed estimator is composed of a steady Kalman filter, and the speed estimation value is estimated based on the position detection value, disturbance estimation value, and delay signal of the control command value. It is possible to significantly reduce the amount of calculation in the speed estimator while maintaining the position control accuracy and speed control accuracy of the apparatus at the same level as when the Kalman filter is applied.

更に、本発明によれば、速度推定器における速度推定精度が高精度化するため、従来に比してより低分解能な位置検出器を適用したサーボ制御装置によって、従来と同等レベルの位置制御精度および速度制御精度を実現することが可能となる。   Furthermore, according to the present invention, since the speed estimation accuracy in the speed estimator is increased, a position control accuracy equivalent to the conventional level is achieved by a servo control device to which a position detector having a lower resolution than in the past is applied. In addition, speed control accuracy can be realized.

加えて、本発明によれば、位置検出器の不良動作に起因して、真の位置に対する位置検出値の誤差が一定期間拡大する場合においても、速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、位置推定値の遅延信号と、外乱推定値と、制御指令値または速度偏差の遅延信号に基づいて、真の位置および真の速度を高精度に推定してサーボ制御装置へフィードバックする。そのため、当該期間中におけるサーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制することが可能となる。   In addition, according to the present invention, even when the error of the position detection value with respect to the true position is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector, the Kalman filter or the stationary Kalman filter constituting the speed estimator is Based on the delay signal of the position estimation value, the disturbance estimation value, and the delay signal of the control command value or speed deviation, the true position and the true speed are estimated with high accuracy and fed back to the servo controller. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device during the period.

実施の形態1によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。1 is a block diagram showing a configuration of a servo control device 100 according to a first embodiment. 従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値を一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the conventional basic servo control apparatus 200, it is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result when a position command value is made into a fixed value. 実施の形態1によるサーボ制御装置100において、位置指令値を一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。FIG. 6 is a time waveform diagram showing a time response characteristic simulation result when the position command value is a constant value in the servo control device 100 according to the first embodiment. 従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the conventional basic servo control apparatus 200, it is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result when the time change rate of a position command value is made into a predetermined fixed value. 実施の形態1によるサーボ制御装置100において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。FIG. 7 is a time waveform diagram showing a time response characteristic simulation result when the time change rate of the position command value is set to a predetermined constant value in the servo control device 100 according to the first embodiment. 実施の形態2によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a servo control device 100 according to a second embodiment. 実施の形態3によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a servo control device 100 according to a third embodiment. 実施の形態2によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the servo control apparatus 100 by Embodiment 2, it is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result when the error of a position detection value expands for a fixed period. 実施の形態3によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。FIG. 10 is a time waveform diagram showing a time response characteristic simulation result when the error of the position detection value is expanded for a certain period in the servo control apparatus 100 according to the third embodiment. 従来の基本的なサーボ制御装置200の構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional basic servo control apparatus 200. FIG. 実施の形態4によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the servo control apparatus 100 by Embodiment 4. 従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値を一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the conventional basic servo control apparatus 200, it is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result when a position command value is made into a fixed value. 実施の形態4によるサーボ制御装置100において、位置指令値を一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the servo control apparatus 100 by Embodiment 4, it is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result when a position command value is made into a fixed value. 従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the conventional basic servo control apparatus 200, it is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result when the time change rate of a position command value is made into a predetermined fixed value. 実施の形態4によるサーボ制御装置100において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。FIG. 10 is a time waveform diagram showing a time response characteristic simulation result when the time change rate of the position command value is set to a predetermined constant value in the servo control device 100 according to the fourth embodiment. 実施の形態5によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a servo control device 100 according to a fifth embodiment. 実施の形態6によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the servo control apparatus 100 by Embodiment 6. 実施の形態5によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the servo control apparatus 100 according to the fifth embodiment, it is a time waveform diagram showing a time response characteristic simulation result when the error of the position detection value is expanded for a certain period. 実施の形態6によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。In the servo control device 100 according to the sixth embodiment, it is a time waveform diagram showing a time response characteristic simulation result when the error of the position detection value is expanded for a certain period.

実施の形態1.
以下、図を用いて実施の形態1について説明する。
図1は、実施の形態1によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図であり、図1において図10と同じ構成要素には同一番号を付している。図1に記した記号の意味は、図10における記号の意味と同じである。
Embodiment 1 FIG.
The first embodiment will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the servo control apparatus 100 according to the first embodiment. In FIG. 1, the same components as those in FIG. The meaning of the symbols shown in FIG. 1 is the same as the meaning of the symbols in FIG.

図2は、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値を一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
図3は、実施の形態1によるサーボ制御装置100において、位置指令値を一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
FIG. 2 shows a simulation result of a time response characteristic of a control command value, a true speed and a speed estimation value, a true position and a position detection value when the position command value is a constant value in the conventional basic servo control device 200. FIG.
FIG. 3 shows a time response characteristic simulation result of the control command value, the true speed and the estimated speed value, the true position and the position detection value when the position command value is a constant value in the servo control device 100 according to the first embodiment. FIG.

図4は、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
図5は、実施の形態1によるサーボ制御装置100において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
FIG. 4 shows a control command value, a true speed and a speed estimation value, a true position and a position detection value when the time change rate of the position command value is a predetermined constant value in the conventional basic servo control device 200. It is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result.
FIG. 5 shows a control command value, a true speed and a speed estimation value, a true position and a position detection value when the time change rate of the position command value is a predetermined constant value in the servo control device 100 according to the first embodiment. It is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result.

図1に示したように、実施の形態1によるサーボ制御装置100では、制御対象1の制御量である位置x(並進変位または回転変位)を、位置検出器2においてサンプリング周期で標本化し、更に所定の検出分解能で量子化して位置検出値104として出力する。
位置制御器3では、外部から与えられる位置指令値101と位置検出器2から出力される位置検出値104との偏差に基づいて、サーボ制御装置100の速度指令値102を演算して出力する。
速度制御器4では、位置制御器3から出力される速度指令値102と速度推定器6aから出力される速度推定値105との偏差に基づいて、サーボ制御装置100の制御指令値を演算して出力し、更に制御指令リミッタ7aによって当該制御指令値にリミット処理を施した信号を最終的な制御指令値103として出力する。
アクチュエータ5では、制御指令リミッタ7aから出力される制御指令値103に基づいて、位置xを位置指令値101に追従させるような制御力または制御トルクを制御対象1に対して印加する。
速度推定器6aでは、位置検出器2から出力される位置検出値104、および制御指令リミッタ7aから出力される制御指令値103に基づいて、制御対象1の並進速度または回転速度で規定される速度を推定し、速度推定値105として出力する。
As shown in FIG. 1, in the servo control device 100 according to the first embodiment, the position x (translational displacement or rotational displacement), which is the control amount of the control target 1, is sampled at the sampling period in the position detector 2, and further The position detection value 104 is output after being quantized with a predetermined detection resolution.
The position controller 3 calculates and outputs the speed command value 102 of the servo controller 100 based on the deviation between the position command value 101 given from the outside and the position detection value 104 output from the position detector 2.
The speed controller 4 calculates the control command value of the servo controller 100 based on the deviation between the speed command value 102 output from the position controller 3 and the speed estimated value 105 output from the speed estimator 6a. Further, a signal obtained by subjecting the control command value to limit processing by the control command limiter 7 a is output as a final control command value 103.
The actuator 5 applies a control force or a control torque that causes the position x to follow the position command value 101 based on the control command value 103 output from the control command limiter 7a.
In the speed estimator 6a, based on the position detection value 104 output from the position detector 2 and the control command value 103 output from the control command limiter 7a, the speed defined by the translation speed or the rotation speed of the control target 1 Is output as a speed estimation value 105.

このとき、速度制御器4によってサーボ制御系インナーループとしての速度制御系を設計し、更に位置制御器3によってサーボ制御系アウターループとしての位置制御系を設計する。これにより、サーボ制御装置100における制御系としての安定性、位置指令値101の変化に対する位置検出値104の速応性、および定常状態における位置指令値101と位置検出値104との偏差、が所望の性能を満足するように調整することができる。   At this time, a speed control system as a servo control system inner loop is designed by the speed controller 4, and a position control system as a servo control system outer loop is designed by the position controller 3. Thereby, the stability as the control system in the servo control device 100, the quick response of the position detection value 104 to the change of the position command value 101, and the deviation between the position command value 101 and the position detection value 104 in the steady state are desired. It can be adjusted to satisfy the performance.

次に、従来の基本的なサーボ制御装置200(図10)における問題点を整理した上で、実施の形態1によるサーボ制御装置100の動作について説明する。図10に示す従来の基本的なサーボ制御装置200では、例えば、連続系伝達関数が以下の擬似微分器伝達関数で与えられる擬似微分器を双一次変換したIIRフィルタによって、速度推定器210を構成している。IIRは、Infinite Impulse Responseの略称である。   Next, the problems of the conventional basic servo control device 200 (FIG. 10) will be summarized, and the operation of the servo control device 100 according to the first embodiment will be described. In the conventional basic servo control device 200 shown in FIG. 10, for example, the speed estimator 210 is configured by an IIR filter obtained by bilinear transformation of a pseudo-differentiator whose continuous-system transfer function is given by the following pseudo-differentiator transfer function. doing. IIR is an abbreviation for Infinite Impulse Response.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

このとき、真の位置xが一定であっても、位置検出器2による量子化に起因して、位置検出値104は位置検出器2の検出分解能(1LSB)を最小単位として矩形波状に変動する。LSBは、Least Significant Bitの略称である。
従来の基本的なサーボ制御装置200では、矩形波状に変動する位置検出値104の擬似微分によって推定される速度推定値105にはスパイク状の速度推定誤差が発生し、矩形波状に変動する位置検出値104と、スパイク状の速度推定誤差が重畳した速度推定値105と、をフィードバックして位置制御および速度制御を実施する。
したがって、従来の基本的なサーボ制御装置200では、特に、制御対象1の動作速度が零近傍となる低速駆動領域において、位置制御精度および速度制御精度が劣化する。
At this time, even if the true position x is constant, due to quantization by the position detector 2, the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) of the position detector 2 as the minimum unit. . LSB is an abbreviation for “Least Significant Bit”.
In the conventional basic servo control device 200, a spike-like speed estimation error occurs in the speed estimation value 105 estimated by the pseudo differentiation of the position detection value 104 that fluctuates in a rectangular waveform, and the position detection that fluctuates in a rectangular waveform. Position control and speed control are performed by feeding back the value 104 and the speed estimation value 105 on which the spike-like speed estimation error is superimposed.
Therefore, in the conventional basic servo control device 200, the position control accuracy and the speed control accuracy are deteriorated particularly in the low-speed drive region where the operation speed of the control target 1 is near zero.

例として、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値101を一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図2に示す。
図2によれば、位置検出値104が検出分解能(1LSB)を振幅として矩形波状に変動して、速度推定値105にスパイク状の速度推定誤差が重畳した結果、本来ゼロとなるべき制御指令値103が変動し、本来ゼロとなるべき真の速度、および本来一定値となるべき真の位置xの制御精度が劣化していることがわかる。
As an example, in the conventional basic servo control device 200, the time of the control command value 103, the true speed and speed estimated value 105, the true position x, and the position detection value 104 when the position command value 101 is a constant value. The response simulation results are shown in FIG.
According to FIG. 2, the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) as an amplitude, and a spike-like speed estimation error is superimposed on the speed estimation value 105, resulting in a control command value that should be essentially zero. It can be seen that the control accuracy of the true position x that should be zero and the true position x that should be a constant value is degraded.

また、位置検出器2から出力される位置検出値104が真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む場合、この位置検出誤差も速度推定器210によって擬似微分されるため、速度推定値105には位置検出誤差が増幅された変動的な速度推定誤差が重畳する。
従来の基本的なサーボ制御装置200では、真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む位置検出値104と、真の位置xに同期した変動的な速度推定誤差を含む速度推定値105と、をフィードバックして位置制御および速度制御を実施する。
このような従来の基本的なサーボ制御装置では、特に、制御対象1の動作速度が中高速駆動となる領域において、速度制御精度が劣化する。
In addition, when the position detection value 104 output from the position detector 2 includes a variable position detection error synchronized with the true position x, the position detection error is also pseudo-differentiated by the speed estimator 210. A variable speed estimation error obtained by amplifying the position detection error is superimposed on the value 105.
In the conventional basic servo control device 200, a position detection value 104 including a variable position detection error synchronized with the true position x and a speed estimation value including a variable speed estimation error synchronized with the true position x. 105 is fed back to perform position control and speed control.
In such a conventional basic servo control device, the speed control accuracy is deteriorated particularly in the region where the operation speed of the controlled object 1 is medium / high speed driving.

例として、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図4に示す。
図4によれば、速度推定値105に対して、真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差が増幅された速度推定誤差が重畳した結果、制御指令値103も特に速度推定誤差に同期して変動し、本来一定値となるべき真の速度の制御精度が劣化していることがわかる。
なお、図4において、実線で表記した真の位置xと、破線で表記した位置検出値104は互いに重なっている。
As an example, in the conventional basic servo control apparatus 200, the control command value 103, the true speed and the estimated speed value 105, the true position x and the position command value 101 when the time change rate of the position command value 101 is a predetermined constant value. The time response simulation result of the position detection value 104 is shown in FIG.
According to FIG. 4, as a result of superimposing a speed estimation error obtained by amplifying a variable position detection error synchronized with the true position x on the speed estimation value 105, the control command value 103 is also particularly synchronized with the speed estimation error. Thus, it can be seen that the control accuracy of the true speed, which should originally become a constant value, is deteriorated.
In FIG. 4, the true position x indicated by a solid line and the position detection value 104 indicated by a broken line overlap each other.

そこで、実施の形態1によるサーボ制御装置100(図1)では、制御指令値103から位置検出値104までの動特性、つまり、アクチュエータ5、制御対象1および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定する。そして、速度推定器6aを、以下に示すカルマンゲイン、フィルタ方程式および誤差共分散行列方程式で与えられるカルマンフィルタで構成する。   Therefore, in the servo control device 100 (FIG. 1) according to the first embodiment, the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the actuator 5, the control target 1, and the position detector 2 are servo servo. It is assumed that the rigid body characteristic can be approximated in the frequency region including the speed control band of the control device 100. The speed estimator 6a is configured by a Kalman filter given by the following Kalman gain, filter equation, and error covariance matrix equation.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

Figure 2017041248
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Figure 2017041248
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Figure 2017041248
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Figure 2017041248
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Figure 2017041248
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Figure 2017041248
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このように、実施の形態1によるサーボ制御装置100では、速度推定器6aをサーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において制御指令値103から位置検出値104までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性Aと、サーボ制御装置100のサンプリング周期Tとに基づいたカルマンフィルタで構成している。
この速度推定器6aでは、図1に示すように位置検出器2から出力される位置検出値104と、制御指令リミッタ7aから出力される制御指令値103とを入力として、制御対象1の速度推定値105を推定して速度制御器4へフィードバックする。
As described above, in the servo control device 100 according to the first embodiment, the speed estimator 6a has the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104 in the frequency region including the speed control band of the servo control device 100 as rigid body characteristics. And a Kalman filter based on the sampling inertia Td of the servo controller 100.
In the speed estimator 6a, the position detection value 104 output from the position detector 2 and the control command value 103 output from the control command limiter 7a are input as shown in FIG. The value 105 is estimated and fed back to the speed controller 4.

速度推定器6aによって速度推定値105を推定することで、位置検出値104が位置検出器2の検出分解能(1LSB)を最小単位として矩形波状に変動しても、速度推定値105にはスパイク状の速度推定誤差が発生せず、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象1の動作速度が零近傍となる低速駆動領域において、サーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。   By estimating the speed estimation value 105 by the speed estimator 6a, even if the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) of the position detector 2 as the minimum unit, the speed estimation value 105 has a spike shape. Thus, the speed estimation accuracy for the true speed can be increased. Therefore, it is possible to improve the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 in the low-speed drive region where the operation speed of the control target 1 is near zero.

例として、実施の形態1によるサーボ制御装置100において、位置指令値101を一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図3に示す。
なお、図3に関する時間応答シミュレーションと、従来の基本的なサーボ制御装置200の図2に関する時間応答シミュレーションとでは、縦軸が同一スケールであり、また、横軸が同一スケールである。サーボ制御装置の基本構成は速度推定器のみが異なっている。
図3において、実線で表記した真の速度と、破線で表記した速度推定値105と、が互いに重なっている。
As an example, in the servo control device 100 according to the first embodiment, the time of the control command value 103, the true speed and the estimated speed value 105, the true position x, and the position detection value 104 when the position command value 101 is a constant value. The response simulation results are shown in FIG.
In the time response simulation related to FIG. 3 and the time response simulation related to FIG. 2 of the conventional basic servo control device 200, the vertical axis is the same scale, and the horizontal axis is the same scale. The basic configuration of the servo controller differs only in the speed estimator.
In FIG. 3, the true speed indicated by the solid line and the speed estimation value 105 indicated by the broken line overlap each other.

図3によれば、位置検出値104が検出分解能(1LSB)を振幅として矩形波状に変動しても、速度推定器6aから出力される速度推定値105には、図2に見られたようなスパイク状の速度推定誤差が発生しておらず、真の速度が高精度に推定されている。その結果、制御指令値103の変動量が図2に比して大幅に抑制され、本来ゼロとなるべき真の速度、および本来一定値となるべき真の位置xの制御精度も大幅に向上していることがわかる。   According to FIG. 3, even if the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) as an amplitude, the speed estimation value 105 output from the speed estimator 6a is as shown in FIG. There is no spike-like speed estimation error, and the true speed is estimated with high accuracy. As a result, the fluctuation amount of the control command value 103 is greatly suppressed as compared with FIG. 2, and the control accuracy of the true speed that should be essentially zero and the true position x that should be essentially a constant value is greatly improved. You can see that

また、位置検出器2から出力される位置検出値104が真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む場合においても、速度推定値105には位置検出誤差が増幅された変動的な速度推定誤差が発生せず、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象1の動作速度が中高速駆動となる領域において、サーボ制御装置100の速度制御精度を向上させることが可能となる。   Even when the position detection value 104 output from the position detector 2 includes a variable position detection error synchronized with the true position x, the speed estimation value 105 has a variable position detection error amplified. A speed estimation error does not occur, and the speed estimation accuracy for the true speed can be increased. Therefore, it is possible to improve the speed control accuracy of the servo control device 100 in a region where the operation speed of the controlled object 1 is medium / high speed driving.

例として、実施の形態1によるサーボ制御装置100において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図5に示す。
なお、図5に関する時間応答シミュレーションと、従来の基本的なサーボ制御装置200の図4に関する時間応答シミュレーションとでは、縦軸が同一スケールであり、また、横軸が同一スケールである。サーボ制御装置の基本構成は速度推定器のみが異なっている。
図5において、実線で表記した真の速度と、破線で表記した速度推定値105と、が互いに重なっている。
As an example, in the servo control apparatus 100 according to the first embodiment, the control command value 103, the true speed and the speed estimated value 105, the true position x, and the like when the time change rate of the position command value 101 is a predetermined constant value. The time response simulation result of the position detection value 104 is shown in FIG.
In the time response simulation related to FIG. 5 and the time response simulation related to FIG. 4 of the conventional basic servo control apparatus 200, the vertical axis is the same scale, and the horizontal axis is the same scale. The basic configuration of the servo controller differs only in the speed estimator.
In FIG. 5, the true speed indicated by a solid line and the speed estimation value 105 indicated by a broken line overlap each other.

図5によれば、速度推定値105には従来の基本的なサーボ制御装置200(図4)に見られた真の位置xに同期した変動的な速度推定誤差が発生しておらず、真の速度が高精度に推定されている。その結果、制御指令値103の変動量が図4に比して大幅に抑制され、本来一定値となるべき真の速度の制御精度も大幅に向上していることがわかる。   According to FIG. 5, the speed estimation value 105 does not have a fluctuating speed estimation error synchronized with the true position x found in the conventional basic servo control device 200 (FIG. 4). Is estimated with high accuracy. As a result, it can be seen that the fluctuation amount of the control command value 103 is significantly suppressed as compared with FIG. 4, and the control accuracy of the true speed that should be a constant value is greatly improved.

このように、実施の形態1によるサーボ制御装置100によれば、速度推定器6aにおいて真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができ、低速および中高速を含む全駆動領域において、サーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。換言すれば、従来に比してより低分解能な位置検出器2を適用したサーボ制御装置100によって、従来と同等レベルの位置制御精度および速度制御精度を実現することが可能となる。   As described above, according to the servo control device 100 according to the first embodiment, the speed estimator 6a can increase the speed estimation accuracy for the true speed, and the servo can be controlled in the entire drive region including the low speed and the medium speed. The position control accuracy and speed control accuracy of the control device 100 can be improved. In other words, it is possible to achieve position control accuracy and speed control accuracy of the same level as in the past by the servo control device 100 to which the position detector 2 having a lower resolution than in the past is applied.

ところで、上記実施の形態1はあくまでも一例である。例えば、図1に示した制御指令リミッタ7aは、必ずしも実装する必要が無いことは言うまでもない。   By the way, the first embodiment is merely an example. For example, it goes without saying that the control command limiter 7a shown in FIG.

この実施の形態では、制御指令値から位置検出値までの動特性、つまり、アクチュエータ、制御対象および位置検出器の動特性が、サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できる、と仮定して、速度推定器をカルマンフィルタで構成した。その上で、速度推定器において、位置検出値と制御指令値とを入力として制御対象の速度推定値を推定して、速度制御器へフィードバックするようにした。   In this embodiment, the dynamic characteristics from the control command value to the position detection value, that is, the dynamic characteristics of the actuator, the controlled object, and the position detector are approximated by the rigid body characteristics in the frequency region including the speed control band of the servo control device. The velocity estimator was constructed with a Kalman filter, assuming that it was possible. In addition, the speed estimator estimates the speed estimation value of the control target by using the position detection value and the control command value as input, and feeds back to the speed controller.

これにより、位置検出値が位置検出器の検出分解能(1LSB)を最小単位として矩形波状に変動しても、速度推定値にはスパイク状の速度推定誤差が発生せず、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象の動作速度が零近傍となる低速駆動領域において、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。   As a result, even if the position detection value fluctuates in a rectangular waveform with the detection resolution (1LSB) of the position detector as the minimum unit, the speed estimation value does not generate a spike-like speed estimation error, and the speed estimation for the true speed is performed. The accuracy can be increased. Therefore, it is possible to improve the position control accuracy and speed control accuracy of the servo control device in a low-speed drive region where the operation speed of the control target is near zero.

また、位置検出器による位置検出値が真の位置に同期した変動的な位置検出誤差を含む場合においても、速度推定値には位置検出誤差が増幅された変動的な速度推定誤差が発生せず、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象の動作速度が中高速駆動となる領域において、サーボ制御装置の速度制御精度を向上させることが可能となる。   In addition, even when the position detection value by the position detector includes a variable position detection error synchronized with the true position, the speed estimation value does not generate a variable speed estimation error in which the position detection error is amplified. The speed estimation accuracy for the true speed can be increased. Therefore, it is possible to improve the speed control accuracy of the servo control device in a region where the operation speed of the controlled object is medium and high speed driving.

したがって、低速および中高速を含む全駆動領域において、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。換言すれば、従来に比してより低分解能な位置検出器を適用したサーボ制御装置によって、従来と同等レベルの位置制御精度および速度制御精度を実現することが可能となる。   Therefore, it is possible to improve the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device in the entire drive region including the low speed and the medium high speed. In other words, position control accuracy and speed control accuracy equivalent to the conventional level can be realized by a servo control device to which a position detector having a lower resolution than the conventional one is applied.

特に、この実施の形態では、サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域において制御指令値から位置検出値までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性と、サーボ制御装置のサンプリング周期と、に基づいて構築したカルマンフィルタによって、速度推定器を構成するようにした。   In particular, in this embodiment, an equivalent inertia that approximates a dynamic characteristic from a control command value to a position detection value by a rigid body characteristic in a frequency region including a speed control band of the servo control apparatus, a sampling period of the servo control apparatus, The velocity estimator is configured by a Kalman filter constructed based on

このため、従来から精度の高い情報として得られるサーボ制御装置のサンプリング周期と、実機特性の計測結果に基づいて高精度に決定した等価慣性と、によってカルマンフィルタを構成することができ、速度推定器において、真の速度に対する速度推定精度をより高精度化することが可能となる。   For this reason, a Kalman filter can be configured by the sampling period of the servo control device obtained as information with high accuracy and the equivalent inertia determined with high accuracy based on the measurement result of the actual machine characteristics. Thus, the accuracy of speed estimation with respect to the true speed can be further improved.

実施の形態2.
以下、図を用いて実施の形態2について説明する。
図6は、実施の形態2によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。図6において、図1と同じ構成要素には同一番号を付して説明は省略する。図6に記した記号の意味は以下の通りである。但し、図1と同じ記号の説明は省略する。
Embodiment 2. FIG.
The second embodiment will be described below with reference to the drawings.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of the servo control apparatus 100 according to the second embodiment. In FIG. 6, the same components as those in FIG. The meanings of the symbols shown in FIG. 6 are as follows. However, the description of the same symbols as those in FIG. 1 is omitted.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

図6に示したように、この実施の形態2によるサーボ制御装置100では、位置制御器3から出力される速度指令値102と速度推定器6bから出力される速度推定値105との速度偏差を速度偏差リミッタ7bに入力する。そして、当該速度偏差にリミット処理を施した速度偏差106を速度制御器4に入力する。
速度制御器4では、速度偏差リミッタ7bから出力されるリミット処理後の速度偏差106に基づいて、サーボ制御装置100の制御指令値103を演算して出力する。
速度推定器6bでは、位置検出器2から出力される位置検出値104と、速度偏差リミッタ7bから出力される速度偏差106とに基づいて、制御対象1の速度を推定して、速度推定値105として出力する。
As shown in FIG. 6, in the servo control device 100 according to the second embodiment, the speed deviation between the speed command value 102 output from the position controller 3 and the speed estimated value 105 output from the speed estimator 6b is calculated. Input to the speed deviation limiter 7b. Then, a speed deviation 106 obtained by performing a limit process on the speed deviation is input to the speed controller 4.
The speed controller 4 calculates and outputs the control command value 103 of the servo control device 100 based on the speed deviation 106 after the limit process output from the speed deviation limiter 7b.
The speed estimator 6b estimates the speed of the controlled object 1 on the basis of the position detection value 104 output from the position detector 2 and the speed deviation 106 output from the speed deviation limiter 7b. Output as.

次に、実施の形態2によるサーボ制御装置100の動作について説明する。
実施の形態2によるサーボ制御装置100(図6)では、速度偏差106から位置検出値104までの動特性、つまり、速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定する。そして、速度推定器6bを、以下に示すフィルタ方程式で与えられる定常カルマンフィルタで構成する。
Next, the operation of the servo control apparatus 100 according to the second embodiment will be described.
In the servo control device 100 (FIG. 6) according to the second embodiment, the dynamic characteristics from the speed deviation 106 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the speed controller 4, the actuator 5, the control target 1, and the position detector 2 are obtained. It is assumed that the rigid body characteristic can be approximated in the frequency region including the speed control band of the servo control device 100. The speed estimator 6b is configured by a stationary Kalman filter given by the following filter equation.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

Figure 2017041248
Figure 2017041248

Figure 2017041248
Figure 2017041248

Figure 2017041248
Figure 2017041248

Figure 2017041248
Figure 2017041248

一般に、制御対象1のシステムパラメータF,G,D,Hが時間に依存しない時不変システムF,G,D,Hとして与えられる場合、カルマンフィルタは、定係数の定常カルマンフィルタに収束する。特に、(F,G)が可安定であり、(H,F)が可検出であれば、定常カルマンフィルタは漸近安定となる。
実施の形態2によるサーボ制御装置100では、上記特性を利用して、カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲインを適用した。そして、定常カルマンフィルタによって速度推定器6bを構成した。
In general, when the system parameters F k , G k , D k , and H k of the controlled object 1 are given as time-invariant systems F, G, D, and H that do not depend on time, the Kalman filter converges to a steady-state constant Kalman filter. . In particular, if (F, G) is stable and (H, F) is detectable, the stationary Kalman filter is asymptotically stable.
In the servo control device 100 according to the second embodiment, the steady Kalman gain after the Kalman filter converges to the constant coefficient filter is applied using the above characteristics. And the speed estimator 6b was comprised by the stationary Kalman filter.

また、実施の形態2によるサーボ制御装置100では、速度偏差106から位置検出値104までの動特性、つまり、速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定した。そして、速度推定器6bを、サーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御系ゲイン交点周波数ωrcと、に基づいた定常カルマンフィルタで構成している(上記フィルタ方程式(予測)の第3式)。
この速度推定器6bでは、図6に示すように位置検出器2から出力される位置検出値104と、速度偏差リミッタ7bから出力される速度偏差106と、を入力として、制御対象1の速度推定値105を推定して、速度偏差リミッタ7bへフィードバックする。
In the servo control device 100 according to the second embodiment, the dynamic characteristics from the speed deviation 106 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the speed controller 4, the actuator 5, the controlled object 1, and the position detector 2 are It is assumed that the rigid body characteristic can be approximated in the frequency region including the speed control band of the control device 100. The speed estimator 6b is configured by a stationary Kalman filter based on the sampling period Td of the servo control device 100 and the speed control system gain intersection frequency ω rc (the third equation of the filter equation (prediction)). ).
In this speed estimator 6b, the position estimation value 104 output from the position detector 2 and the speed deviation 106 output from the speed deviation limiter 7b are input as shown in FIG. The value 105 is estimated and fed back to the speed deviation limiter 7b.

上記構成の速度推定器6bによって速度推定値105を推定することで、制御指令値103から位置検出値104までの動特性、つまり、アクチュエータ5、制御対象1および位置検出器2の動特性、を剛体特性で近似した等価慣性Aが変化する場合においても、速度制御器4によって常に一定の低周波域制御特性(速度制御系ゲイン交点周波数ωrc)が実現できれば、次のことが可能となる。つまり、定常カルマンフィルタが推定対象とするシステムを速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1および位置検出器2として、位置検出器2から出力される位置検出値104と、速度制御器4へ入力する速度偏差106と、を定常カルマンフィルタへの入力とすることで、任意の等価慣性Aにおいて真の速度に対する速度推定値105の推定精度を維持することが可能となる。加えて、この場合の定常カルマンフィルタは、サーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御系ゲイン交点周波数ωrcとに基づいて構築することができる。 By estimating the speed estimation value 105 by the speed estimator 6b having the above-described configuration, the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the actuator 5, the control target 1, and the position detector 2 are obtained. Even when the equivalent inertia A approximated by the rigid body characteristic changes, if the constant low frequency region control characteristic (speed control system gain intersection frequency ω rc ) can always be realized by the speed controller 4, the following becomes possible. That is, the position detection value 104 output from the position detector 2 and the speed controller 4 are input as the speed controller 4, the actuator 5, the control object 1, and the position detector 2 as a system that is estimated by the stationary Kalman filter. By using the speed deviation 106 as an input to the stationary Kalman filter, it is possible to maintain the estimation accuracy of the speed estimation value 105 with respect to the true speed at an arbitrary equivalent inertia A. In addition, the stationary Kalman filter in this case can be constructed based on the sampling period T d of the servo control device 100 and the speed control system gain intersection frequency ω rc .

この場合、速度偏差リミッタ7bにおける速度偏差リミット値として、図1に示す制御指令リミッタ7aにおける制御指令リミット値を以下の式によって等価変換した値、を適用することで、制御指令値103の整合性を確保する必要がある。   In this case, the consistency of the control command value 103 is obtained by applying the value obtained by equivalently converting the control command limit value in the control command limiter 7a shown in FIG. 1 by the following equation as the speed deviation limit value in the speed deviation limiter 7b. It is necessary to ensure.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

なお、上記実施の形態2はあくまでも一例である。例えば、図6に示した速度偏差リミッタ7bは、必ずしも実装する必要が無いことは言うまでもない。また、上記実施の形態2では、速度推定器6bを構成する定常カルマンフィルタをサーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御系ゲイン交点周波数ωrcとに基づいて構築した。しかし、速度推定器6bを構成する定常カルマンフィルタを、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において制御指令値103から位置検出値104までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性A、サーボ制御装置100のサンプリング周期T、および速度制御器4の比例制御ゲインKに基づいて構築しても良い(上記フィルタ方程式(予測)の第2式)。 Note that the second embodiment is merely an example. For example, it goes without saying that the speed deviation limiter 7b shown in FIG. 6 is not necessarily implemented. In the second embodiment, the steady Kalman filter constituting the speed estimator 6b is constructed based on the sampling period Td of the servo controller 100 and the speed control system gain intersection frequency ωrc . However, the stationary Kalman filter constituting the speed estimator 6b is equivalent to an equivalent inertia A in which the dynamic characteristic from the control command value 103 to the position detection value 104 is approximated by a rigid body characteristic in a frequency region including the speed control band of the servo controller 100. sampling period T d of the servo control device 100, and be built on the basis of a proportional control gain K D of the speed controller 4 may (second formula of the filter equation (predicted)).

この実施の形態では、速度偏差から位置検出値までの動特性、つまり、速度制御器、アクチュエータ、制御対象、および位置検出器の動特性が、サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定した。そして、カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲイン、を適用した定常カルマンフィルタで速度推定器を構成した。その上で、速度推定器において、位置検出値と速度偏差とを入力として制御対象の速度推定値を推定して、速度偏差リミッタへフィードバックするようにした。   In this embodiment, the dynamic characteristics from the speed deviation to the position detection value, that is, the dynamic characteristics of the speed controller, the actuator, the control target, and the position detector are in the frequency domain including the speed control band of the servo controller. It is assumed that it can be approximated by rigid body characteristics. Then, the velocity estimator was configured with a stationary Kalman filter to which the stationary Kalman gain after the Kalman filter converged to the constant coefficient filter was applied. After that, the speed estimator estimates the speed estimation value of the control target using the position detection value and the speed deviation as inputs, and feeds back to the speed deviation limiter.

これにより、真の速度に対する速度推定値の推定精度、つまり、サーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度、をカルマンフィルタ適用時と同等レベルに維持したまま、速度推定器における演算量を大幅に低減させることが可能となる。   This significantly reduces the amount of computation in the speed estimator while maintaining the estimated accuracy of the speed estimate for the true speed, that is, the position control accuracy and speed control accuracy of the servo controller, at the same level as when applying the Kalman filter. It becomes possible to make it.

加えて、この実施の形態では、サーボ制御装置の速度制御器によって常に一定の低周波域制御特性(速度制御系ゲイン交点周波数)が実現できることを前提として、速度制御器、アクチュエータ、制御対象、および位置検出器、を対象システムとして定常カルマンフィルタを構築した。そして、この定常カルマンフィルタで構成された速度推定器において、位置検出値および速度偏差に基づいて、速度推定値を推定して出力する構成とした。   In addition, in this embodiment, on the premise that a constant low frequency region control characteristic (speed control system gain intersection frequency) can always be realized by the speed controller of the servo control device, the speed controller, the actuator, the controlled object, and A stationary Kalman filter was constructed using the position detector as the target system. The speed estimator configured by the stationary Kalman filter is configured to estimate and output a speed estimation value based on the position detection value and the speed deviation.

これにより、制御指令値から位置検出値までの動特性、つまり、アクチュエータ、制御対象、および位置検出器の動特性、を剛体特性で近似した等価慣性が変化する場合においても、任意の等価慣性を用いて、真の速度に対する速度推定値の制御精度を維持することが可能となる。   As a result, even if the equivalent inertia, which approximates the dynamic characteristics from the control command value to the position detection value, that is, the dynamic characteristics of the actuator, the controlled object, and the position detector, is changed by the rigid body characteristics, any equivalent inertia can be obtained. It is possible to maintain the control accuracy of the speed estimation value with respect to the true speed.

特に、この実施の形態では、サーボ制御装置のサンプリング周期と、速度制御系ゲイン交点周波数と、に基づいて構築した定常カルマンフィルタによって、速度推定器を構成するようにした。   In particular, in this embodiment, the speed estimator is configured by a stationary Kalman filter constructed based on the sampling period of the servo control device and the speed control system gain intersection frequency.

このため、従来から精度の高い情報として得られるサーボ制御装置のサンプリング周期と、速度制御器を設計した後の実機特性に基づいて高精度に計測される速度制御系ゲイン交点周波数と、によって定常カルマンフィルタを構成することができる。そして、速度推定器において、真の速度に対する速度推定精度をより高精度化することが可能となる。   Therefore, the steady Kalman filter is based on the sampling period of the servo controller that has been conventionally obtained as highly accurate information and the speed control system gain intersection frequency that is measured with high accuracy based on the actual machine characteristics after the speed controller is designed. Can be configured. In the speed estimator, the speed estimation accuracy for the true speed can be further increased.

実施の形態3.
以下、図を用いて実施の形態3について説明する。
図7は、実施の形態3によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。図7において、図6と同じ構成要素には同一番号を付して説明は省略する。図7に記した記号の意味は以下の通りである。但し、図6と同じ記号の説明は省略する。
Embodiment 3 FIG.
The third embodiment will be described below with reference to the drawings.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the servo control apparatus 100 according to the third embodiment. In FIG. 7, the same components as those in FIG. The meanings of the symbols shown in FIG. 7 are as follows. However, the description of the same symbols as those in FIG. 6 is omitted.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

図8は、実施の形態2によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
図9は、実施の形態3によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
FIG. 8 shows time response characteristics of the control command value, the true speed and the estimated speed value, and the true position and the position detection value when the error of the position detection value is expanded for a certain period in the servo control device 100 according to the second embodiment. It is a time waveform figure which shows a simulation result.
FIG. 9 shows the time response characteristics of the control command value, the true speed and the estimated speed value, the true position and the position detection value when the error of the position detection value is expanded for a certain period in the servo control device 100 according to the third embodiment. It is a time waveform figure which shows a simulation result.

図7に示したように、実施の形態3によるサーボ制御装置100では、速度推定器6bが、制御対象1の速度推定値105に加えて、位置推定値107も推定して出力する。
遅延器8では、速度推定器6bから出力される位置推定値107を入力とし、その1サンプリング遅延信号108を生成して出力する。
第1の位置信号選択器9では、速度推定器6bから出力される位置推定値107と、位置検出器2から出力される位置検出値104とのいずれか一方を、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて選択して、位置フィードバック信号として出力する。
第2の位置信号選択器10では、遅延器8から出力される位置推定値の1サンプリング遅延信号108と、位置検出器2から出力される位置検出値104とのいずれか一方を、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて選択して、速度推定器入力信号として出力する。
位置選択信号制御器11では、第2の位置信号選択器10から出力される速度推定器入力信号と、位置検出器2から出力される位置検出値104とに基づいて、第1の位置信号選択器9および第2の位置信号選択器10に入力するための位置選択信号、を生成して出力する。
速度推定器6bでは、第2の位置信号選択器10から出力される速度推定器入力信号と、速度偏差リミッタ7bから出力される速度偏差106とに基づいて、制御対象1の位置および速度を推定する。そして、速度推定器6bは、推定した位置を位置推定値107として出力し、推定した速度を速度推定値105として出力する。
位置制御器3では、外部から与えられる位置指令値101と第1の位置信号選択器9から出力される位置フィードバック信号との偏差に基づいて、サーボ制御装置100の速度指令値102を演算して出力する。
As shown in FIG. 7, in the servo control device 100 according to the third embodiment, the speed estimator 6 b estimates and outputs the position estimated value 107 in addition to the speed estimated value 105 of the controlled object 1.
The delay unit 8 receives the position estimation value 107 output from the speed estimator 6b as input, and generates and outputs a 1-sampling delay signal 108.
In the first position signal selector 9, either the position estimation value 107 output from the speed estimator 6 b or the position detection value 104 output from the position detector 2 is received from the position selection signal controller 11. Selection is made based on the output position selection signal, and the position feedback signal is output.
In the second position signal selector 10, either the one sampling delay signal 108 of the position estimation value output from the delay unit 8 or the position detection value 104 output from the position detector 2 is used as the position selection signal. It selects based on the position selection signal output from the controller 11, and outputs it as a speed estimator input signal.
The position selection signal controller 11 selects the first position signal based on the speed estimator input signal output from the second position signal selector 10 and the position detection value 104 output from the position detector 2. A position selection signal to be input to the device 9 and the second position signal selector 10 is generated and output.
The speed estimator 6b estimates the position and speed of the control target 1 based on the speed estimator input signal output from the second position signal selector 10 and the speed deviation 106 output from the speed deviation limiter 7b. To do. Then, the speed estimator 6 b outputs the estimated position as the position estimated value 107 and outputs the estimated speed as the speed estimated value 105.
The position controller 3 calculates the speed command value 102 of the servo controller 100 based on the deviation between the position command value 101 given from the outside and the position feedback signal output from the first position signal selector 9. Output.

次に、実施の形態2によるサーボ制御装置100において位置検出値104の誤差が一定期間拡大した場合の動作を示した上で、実施の形態3によるサーボ制御装置100の動作について説明する。
図6に示す実施の形態2によるサーボ制御装置100において、位置検出器2の不良動作に起因して、真の位置xに対する位置検出値104の誤差が一定期間拡大した場合、定常カルマンフィルタで構成された速度推定器6bでは、過大な誤差が重畳した位置検出値104に基づいて速度推定値105を推定する。そのため、真の速度に対する速度推定精度が劣化する。このとき、サーボ制御装置100では、一定期間にせよ、過大な誤差が重畳した位置検出値104と、推定精度が劣化した速度推定値105とをフィードバックして、位置制御および速度制御を実施する。そのため、位置検出値104に一定期間重畳する誤差量に応じて、位置制御精度および速度制御精度が極度に劣化する。
Next, in the servo control device 100 according to the second embodiment, the operation when the error of the position detection value 104 increases for a certain period will be described, and the operation of the servo control device 100 according to the third embodiment will be described.
In the servo control device 100 according to the second embodiment shown in FIG. 6, when the error of the position detection value 104 with respect to the true position x is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, it is configured with a steady Kalman filter. The speed estimator 6b estimates the speed estimated value 105 based on the position detection value 104 on which an excessive error is superimposed. Therefore, the speed estimation accuracy for the true speed is degraded. At this time, the servo control device 100 performs position control and speed control by feeding back the position detection value 104 on which an excessive error is superimposed and the speed estimation value 105 with a deteriorated estimation accuracy, for a certain period. For this reason, the position control accuracy and the speed control accuracy are extremely deteriorated in accordance with the error amount superimposed on the position detection value 104 for a certain period.

例として、実施の形態2によるサーボ制御装置100において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした状態で、時刻0.1sから概ね50msの期間において、位置検出値104の誤差が拡大した場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図8に示す。
図8によれば、制御指令値103は速度偏差リミッタ7bに対応した制御指令リミット値まで到達している。つまり、位置検出値104に対する過大な誤差の重畳に応じて速度推定値105の推定精度が極度に劣化し、制御指令値103が大幅に乱される。そのため、位置検出値104における誤差拡大期間(50ms)に対して、サーボ制御装置100が正常動作に復帰するまでに、概ね0.3sの期間を要していることがわかる。
As an example, in the servo control device 100 according to the second embodiment, the error of the position detection value 104 is approximately 50 ms from the time 0.1 s with the time change rate of the position command value 101 set to a predetermined constant value. FIG. 8 shows time response simulation results of the control command value 103, the true speed and the estimated speed value 105, the true position x, and the position detection value 104 when enlarged.
According to FIG. 8, the control command value 103 has reached the control command limit value corresponding to the speed deviation limiter 7b. That is, the estimation accuracy of the speed estimation value 105 is extremely deteriorated in accordance with an excessive error superimposed on the position detection value 104, and the control command value 103 is greatly disturbed. Therefore, it can be seen that a period of approximately 0.3 s is required until the servo control device 100 returns to the normal operation with respect to the error expansion period (50 ms) in the position detection value 104.

そこで、実施の形態3によるサーボ制御装置100(図7)では、速度推定器6bを構成する定常カルマンフィルタが、速度推定値105に加えて、位置推定値107も推定していること(実施の形態2で説明したフィルタ方程式(推定))を利用する。つまり、位置検出値104の誤差拡大期間において、速度推定器6bへの入力信号と、位置制御器3への位置フィードバック信号とに、位置推定値107を適用する。これにより、位置検出器2の不良動作に起因するサーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制している。   Therefore, in the servo control device 100 (FIG. 7) according to the third embodiment, the stationary Kalman filter constituting the speed estimator 6b estimates the position estimated value 107 in addition to the speed estimated value 105 (the embodiment). The filter equation (estimation) described in 2 is used. That is, the position estimation value 107 is applied to the input signal to the speed estimator 6 b and the position feedback signal to the position controller 3 during the error expansion period of the position detection value 104. Thereby, deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 due to the defective operation of the position detector 2 is suppressed.

具体的には、定常カルマンフィルタで構成された速度推定器6bからは、実施の形態2で説明したフィルタ方程式(推定)に基づいて、制御対象1の速度推定値105に加えて、位置推定値107も出力される。この位置推定値107は、遅延器8においてサーボ制御装置100のサンプリング周期に対応する1サンプリング遅延信号108に変換されると共に、第1の位置信号選択器9に入力される。
第1の位置信号選択器9では、速度推定器6bから出力される位置推定値107と、位置検出器2から出力される位置検出値104とのいずれか一方を、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて選択して、位置フィードバック信号として出力する。
第2の位置信号選択器10では、遅延器8から出力される位置推定値の1サンプリング遅延信号108と、位置検出器2から出力される位置検出値104とのいずれか一方を、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて選択して、速度推定器入力信号として出力する。
Specifically, from the speed estimator 6b configured by a stationary Kalman filter, based on the filter equation (estimation) described in the second embodiment, in addition to the speed estimated value 105 of the control target 1, the position estimated value 107 Is also output. The position estimation value 107 is converted into a 1 sampling delay signal 108 corresponding to the sampling period of the servo control device 100 in the delay unit 8 and input to the first position signal selector 9.
In the first position signal selector 9, either the position estimation value 107 output from the speed estimator 6 b or the position detection value 104 output from the position detector 2 is received from the position selection signal controller 11. Selection is made based on the output position selection signal, and the position feedback signal is output.
In the second position signal selector 10, either the one sampling delay signal 108 of the position estimation value output from the delay unit 8 or the position detection value 104 output from the position detector 2 is used as the position selection signal. It selects based on the position selection signal output from the controller 11, and outputs it as a speed estimator input signal.

位置選択信号制御器11では、第2の位置信号選択器10から出力される速度推定器入力信号と、位置検出器2から出力される位置検出値104とに基づいて、第1の位置信号選択器9および第2の位置信号選択器10に入力するための位置選択信号を、以下の条件に基づいて切り換えて保持する。   The position selection signal controller 11 selects the first position signal based on the speed estimator input signal output from the second position signal selector 10 and the position detection value 104 output from the position detector 2. The position selection signal to be input to the device 9 and the second position signal selector 10 is switched and held based on the following conditions.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

Figure 2017041248
Figure 2017041248

速度推定器6bでは、第2の位置信号選択器10から出力される速度推定器入力信号と、速度偏差リミッタ7bから出力される速度偏差106とに基づいて、制御対象1の位置および速度を推定する。そして、速度推定器6bは、推定した位置を位置推定値107として出力し、推定した速度を速度推定値105として出力する。
位置制御器3では、外部から与えられる位置指令値101と第1の位置信号選択器9から出力される位置フィードバック信号との偏差に基づいて、サーボ制御装置100の速度指令値102を演算して出力する。
The speed estimator 6b estimates the position and speed of the control target 1 based on the speed estimator input signal output from the second position signal selector 10 and the speed deviation 106 output from the speed deviation limiter 7b. To do. Then, the speed estimator 6 b outputs the estimated position as the position estimated value 107 and outputs the estimated speed as the speed estimated value 105.
The position controller 3 calculates the speed command value 102 of the servo controller 100 based on the deviation between the position command value 101 given from the outside and the position feedback signal output from the first position signal selector 9. Output.

これにより、位置検出器2が出力する位置検出値104が正常である場合、上記条件(2)または上記条件(3)に基づいて、位置制御器3へフィードバックされる位置フィードバック信号(第1の位置信号選択器9出力)、および、速度推定器6bへ入力される速度推定器入力信号(第2の位置信号選択器10出力)として、従来通り、位置検出値104が適用される。   Thereby, when the position detection value 104 output from the position detector 2 is normal, the position feedback signal (first output) fed back to the position controller 3 based on the condition (2) or the condition (3). The position detection value 104 is applied as usual as the position signal selector 9 output) and the speed estimator input signal (second position signal selector 10 output) input to the speed estimator 6b.

一方、位置検出器2の不良動作に起因して位置検出値104の誤差が一定期間拡大した場合、上記条件(1)に基づいて、位置制御器3へフィードバックされる位置フィードバック信号(第1の位置信号選択器9出力)に、速度推定器6bから出力される位置推定値107を適用して、速度推定器6bへ入力される速度推定器入力信号(第2の位置信号選択器10出力)に、位置推定値の1サンプリング遅延信号108を適用する。これにより、位置検出器2の不良動作に起因するサーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制している。   On the other hand, when the error of the position detection value 104 is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, a position feedback signal (first output) fed back to the position controller 3 based on the above condition (1). By applying the position estimation value 107 output from the speed estimator 6b to the position signal selector 9 output), the speed estimator input signal (second position signal selector 10 output) input to the speed estimator 6b. The one-sample delayed signal 108 of the position estimation value is applied. Thereby, deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 due to the defective operation of the position detector 2 is suppressed.

例として、実施の形態3によるサーボ制御装置100において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした状態で、時刻0.1sから概ね50msの期間において位置検出値104の誤差が拡大した場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図9に示す。
なお、図9に関する時間応答シミュレーションと、図8に関する時間応答シミュレーションとでは、縦軸が同一スケールであり、また、横軸が同一スケールである。さらに、位置検出値104に重畳する誤差量も同一である。
図9において、実線で表記した真の速度と、破線で表記した速度推定値105とは、互いに重なっている。
As an example, in the servo control device 100 according to the third embodiment, the error of the position detection value 104 increases in a period of about 50 ms from the time 0.1 s with the time change rate of the position command value 101 set to a predetermined constant value. FIG. 9 shows the time response simulation results of the control command value 103, the true speed and the estimated speed value 105, the true position x, and the position detection value 104 in the case of the above.
In the time response simulation related to FIG. 9 and the time response simulation related to FIG. 8, the vertical axis is the same scale, and the horizontal axis is the same scale. Further, the error amount superimposed on the position detection value 104 is also the same.
In FIG. 9, the true speed indicated by the solid line and the speed estimated value 105 indicated by the broken line overlap each other.

図9によれば、位置検出器2の不良動作に起因して位置検出値104の誤差が一定期間拡大しても、速度推定器6bから出力される速度推定値105には、図8に見られたような速度推定精度の劣化が発生しておらず、真の速度が高精度に推定されている。
位置検出値104の誤差拡大期間において、位置推定値107と、速度推定精度が大幅に向上した速度推定値105と、を位置制御器3および速度偏差リミッタ7bへフィードバックすることで、制御指令値103の変動量も図8に比して大幅に抑制され、サーボ制御装置100の挙動がほぼ正常動作に維持されることがわかる。
According to FIG. 9, even if the error of the position detection value 104 is increased for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, the speed estimation value 105 output from the speed estimator 6b is shown in FIG. The speed estimation accuracy is not deteriorated as described above, and the true speed is estimated with high accuracy.
During the error expansion period of the position detection value 104, the position estimated value 107 and the speed estimated value 105 whose speed estimation accuracy is greatly improved are fed back to the position controller 3 and the speed deviation limiter 7b, whereby the control command value 103 It can be seen that the fluctuation amount of the servo control device 100 is greatly suppressed as compared with FIG. 8, and the behavior of the servo control device 100 is maintained in a substantially normal operation.

なお、上記実施の形態3はあくまでも一例である。例えば、図7に示した速度偏差リミッタ7bは、必ずしも実装する必要が無いことは言うまでもない。また、上記実施の形態3では、遅延器8の構成をサーボ制御装置100のサンプリング周期に対応する1サンプリング遅延としたが、遅延器8の構成を必ずしも1サンプリング遅延とする必要は無い。つまり、遅延器8を任意の遅延量で構築しても良い。加えて、上記実施の形態3では、速度推定器6bを定常カルマンフィルタで構成したが、実施の形態1で説明したカルマンフィルタで速度推定器6bを構成しても良い。更に、速度推定器6bの入力を制御指令値および速度推定器入力信号で構成しても良い。   The third embodiment is merely an example. For example, it goes without saying that the speed deviation limiter 7b shown in FIG. In the third embodiment, the configuration of the delay unit 8 is set to one sampling delay corresponding to the sampling period of the servo control device 100. However, the configuration of the delay unit 8 is not necessarily set to one sampling delay. That is, the delay unit 8 may be constructed with an arbitrary delay amount. In addition, in the third embodiment, the speed estimator 6b is configured by a stationary Kalman filter. However, the speed estimator 6b may be configured by the Kalman filter described in the first embodiment. Further, the input of the speed estimator 6b may be constituted by a control command value and a speed estimator input signal.

実施の形態3では、速度推定器を構成する定常カルマンフィルタが速度推定値に加えて位置推定値も推定していることを利用した。そして、位置検出値の誤差拡大期間において、位置制御器への位置フィードバック信号に、定常カルマンフィルタによって推定される位置推定値を適用して、速度推定器への入力信号に位置推定値の1サンプリング遅延信号を適用することで、位置検出器の不良動作に起因するサーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制するようにした。   In the third embodiment, it is used that the stationary Kalman filter constituting the speed estimator estimates the position estimated value in addition to the speed estimated value. Then, in the error detection period of the position detection value, the position estimated value estimated by the stationary Kalman filter is applied to the position feedback signal to the position controller, and the position estimated value is sampled by one sampling delay to the input signal to the speed estimator. By applying the signal, the deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device due to the defective operation of the position detector is suppressed.

これにより、位置検出器の不良動作に起因して、真の位置に対する位置検出値の誤差が一定期間拡大する場合においても、速度推定器を構成する定常カルマンフィルタが、位置推定値の1サンプリング遅延信号と速度偏差とに基づいて、真の位置および真の速度を高精度に推定してサーボ制御装置へフィードバックする。そのため、当該期間中におけるサーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制することが可能となる。   As a result, even when the error of the position detection value with respect to the true position is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector, the stationary Kalman filter constituting the speed estimator performs the 1 sampling delay signal of the position estimation value. The true position and true speed are estimated with high accuracy based on the velocity deviation and the feedback to the servo controller. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device during the period.

実施の形態3では、位置選択信号制御器によって、速度推定器入力信号と位置検出値との誤差絶対値が第1の閾値以上となった場合に、位置フィードバック信号(第1の位置信号選択器出力)に、速度推定器から出力される位置推定値を適用して、速度推定器へ入力される速度推定器入力信号(第2の位置信号選択器出力)に、位置推定値の1サンプリング遅延信号を適用した。更に、速度推定器入力信号と位置検出値との誤差絶対値が第2の閾値以下に収束した場合、または、予め設定した復帰時間が経過した場合に、位置フィードバック信号(第1の位置信号選択器出力)と、速度推定器入力信号(第2の位置信号選択器出力)との双方に、従来どおりの位置検出値を適用するようにした。   In the third embodiment, when the absolute value of the error between the speed estimator input signal and the position detection value is greater than or equal to the first threshold by the position selection signal controller, the position feedback signal (first position signal selector) The position estimation value output from the speed estimator is applied to the output), and the speed estimator input signal (second position signal selector output) input to the speed estimator is delayed by one sampling delay of the position estimation value. Signal applied. Further, when the absolute error value between the speed estimator input signal and the position detection value converges below the second threshold, or when a preset return time has elapsed, the position feedback signal (first position signal selection) Device position output) and a speed estimator input signal (second position signal selector output) are both applied with conventional position detection values.

これにより、第1および第2の位置信号選択器における出力信号の切り換えに関して、位置検出値の誤差拡大検知による出力信号切換えと、位置検出器の正常動作復帰による出力信号切換えとの双方において、出力信号の不連続変化を極小化することができる。したがって、位置検出器の不良動作に起因するサーボ制御装置の位置制御精度および速度制御精度の劣化を極小化することが可能となる。加えて、位置検出器の正常動作復帰による出力信号切換えにおいて、予め設定した復帰時間が経過した場合にも出力信号切換えを実行することで、第1および第2の位置信号選択器における出力信号切換え動作を確実に実行することが可能となる。   As a result, regarding the switching of the output signals in the first and second position signal selectors, the output signals are switched both in the output signal switching by the error detection of the position detection value and in the output signal switching by the normal operation return of the position detector. The discontinuous change of the signal can be minimized. Therefore, it is possible to minimize the deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device due to the defective operation of the position detector. In addition, in the output signal switching by the normal operation return of the position detector, the output signal switching in the first and second position signal selectors is performed even when the preset return time has elapsed. The operation can be surely executed.

実施の形態4.
以下、図を用いて実施の形態4について説明する。
図11は、実施の形態4によるサーボ制御装置の構成を示すブロック線図であり、図11において図10と同じ構成要素には同一番号を付している。図11に記した記号の意味は以下の通りである。但し、図10と同じ記号の説明は省略する。なお、変数(記号)の右下添字kは、当該変数に対応する時刻kT(k=0,1,2,…)を表している。
Embodiment 4 FIG.
Hereinafter, the fourth embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the servo control apparatus according to the fourth embodiment. In FIG. 11, the same components as those in FIG. The meanings of the symbols shown in FIG. 11 are as follows. However, the description of the same symbols as those in FIG. 10 is omitted. Note that a lower right subscript k of a variable (symbol) represents a time kT d (k = 0, 1, 2,...) Corresponding to the variable.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

図12は、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値を一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
図13は、実施の形態4によるサーボ制御装置100において、位置指令値を一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
FIG. 12 shows a simulation result of time response characteristics of a control command value, a true speed and a speed estimation value, a true position and a position detection value when the position command value is a constant value in the conventional basic servo control device 200. FIG.
FIG. 13 shows a time response characteristic simulation result of a control command value, a true speed and a speed estimation value, a true position and a position detection value when the position command value is a constant value in the servo control device 100 according to the fourth embodiment. FIG.

図14は、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
図15は、実施の形態4によるサーボ制御装置100において、位置指令値の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
FIG. 14 shows a control command value, a true speed and a speed estimation value, a true position and a position detection value when the time change rate of the position command value is a predetermined constant value in the conventional basic servo control device 200. It is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result.
FIG. 15 shows a control command value, a true speed and a speed estimated value, a true position and a position detection value when the time change rate of the position command value is a predetermined constant value in the servo control device 100 according to the fourth embodiment. It is a time waveform figure which shows the time response characteristic simulation result.

図11に示したように、この実施の形態4によるサーボ制御装置100では、制御対象1の制御量である位置xを、位置検出器2においてサンプリング周期Tで標本化し、更に所定の検出分解能で量子化して、時刻kTにおける位置検出値104として出力する。位置xは並進変位または回転変位で規定される。
位置制御器3では、外部から与えられる位置指令値101と、位置検出器2から出力される位置検出値104との偏差に基づいて、制御対象1への速度指令値102を演算して出力する。
速度制御器4では、位置制御器3から出力される速度指令値102と、速度推定器6aから出力される速度推定値105との偏差に基づいて、制御対象1への制御指令値を演算して出力し、更に制御指令リミッタ7aによって当該制御指令値にリミット処理を施した信号を、最終的な制御指令値103として出力する。
アクチュエータ5では、制御指令リミッタ7aから出力される制御指令値103に基づいて、位置xを位置指令値101に追従させるような制御力または制御トルクを制御対象1に対して印加する。
第1の遅延器8aでは、速度推定器6aから出力される位置推定値107を入力とし、サンプリング周期Tに対応する1サンプル遅延信号108aを生成して出力する。
外乱推定器12aでは、位置検出器2から出力される位置検出値104から第1の遅延器8aの出力である1サンプル遅延信号108aを減じた位置推定誤差に基づいて、制御対象1へ作用する外乱を推定し、外乱推定値109aとして出力する。
第2の遅延器8bでは、制御指令リミッタ7aから出力される制御指令値103を入力とし、サンプリング周期Tに対応する1サンプル遅延信号108bを生成して出力する。
速度推定器6aでは、位置検出器2から出力される位置検出値104、外乱推定器12aから出力される外乱推定値109a、および第2の遅延器8bから出力される1サンプル遅延信号108bを入力として、制御対象1の並進速度または回転速度で規定される速度を推定し、速度推定値105として出力する。さらに、速度推定器6aでは、制御対象1の位置xを推定し、位置推定値107として出力する。
As shown in FIG. 11, in the servo control apparatus 100 according to the fourth embodiment, the position x, which is the control amount of the controlled object 1, is sampled at the sampling period Td in the position detector 2, and further, a predetermined detection resolution is obtained. in is quantized and output as the position detection value 104 at time kT d. The position x is defined by translational displacement or rotational displacement.
The position controller 3 calculates and outputs the speed command value 102 for the control object 1 based on the deviation between the position command value 101 given from the outside and the position detection value 104 output from the position detector 2. .
The speed controller 4 calculates a control command value for the controlled object 1 based on the deviation between the speed command value 102 output from the position controller 3 and the speed estimated value 105 output from the speed estimator 6a. Further, a signal obtained by subjecting the control command value to limit processing by the control command limiter 7 a is output as a final control command value 103.
The actuator 5 applies a control force or a control torque that causes the position x to follow the position command value 101 based on the control command value 103 output from the control command limiter 7a.
The first delay unit 8a receives the position estimated value 107 output from the speed estimator 6a as an input, and generates and outputs a one-sample delay signal 108a corresponding to the sampling period Td .
The disturbance estimator 12a acts on the controlled object 1 based on a position estimation error obtained by subtracting the one-sample delay signal 108a that is the output of the first delay unit 8a from the position detection value 104 output from the position detector 2. The disturbance is estimated and output as a disturbance estimated value 109a.
The second delay unit 8b receives the control command value 103 output from the control command limiter 7a as input, and generates and outputs a one-sample delay signal 108b corresponding to the sampling period Td .
The speed estimator 6a receives the position detection value 104 output from the position detector 2, the disturbance estimation value 109a output from the disturbance estimator 12a, and the one-sample delay signal 108b output from the second delay unit 8b. As a result, the speed defined by the translation speed or the rotation speed of the control object 1 is estimated and output as a speed estimated value 105. Further, the speed estimator 6 a estimates the position x of the control target 1 and outputs it as a position estimated value 107.

このとき、速度制御器4によってサーボ制御系インナーループとしての速度制御系を設計し、更に位置制御器3によってサーボ制御系アウターループとしての位置制御系を設計する。これにより、サーボ制御装置100における制御系としての安定性、位置指令値101の変化に対する位置検出値104の速応性、および定常状態における位置指令値101と位置検出値104との偏差が、所望の性能を満足するように調整することができる。   At this time, a speed control system as a servo control system inner loop is designed by the speed controller 4, and a position control system as a servo control system outer loop is designed by the position controller 3. Thereby, the stability as the control system in the servo control device 100, the quick response of the position detection value 104 to the change of the position command value 101, and the deviation between the position command value 101 and the position detection value 104 in the steady state are desired. It can be adjusted to satisfy the performance.

次に、従来の基本的なサーボ制御装置200(図10)における問題点を整理した上で、実施の形態4によるサーボ制御装置100の動作について説明する。図10に示す従来の基本的なサーボ制御装置200では、例えば、連続系伝達関数が、以下の疑似微分器伝達関数で与えられる擬似微分器を双一次変換したIIRフィルタによって、速度推定器210を構成している。   Next, the problems of the conventional basic servo control device 200 (FIG. 10) will be summarized, and the operation of the servo control device 100 according to the fourth embodiment will be described. In the conventional basic servo control device 200 shown in FIG. 10, for example, the speed estimator 210 is changed by an IIR filter obtained by bilinear transformation of a pseudo-differentiator whose continuous transfer function is given by the following pseudo-differentiator transfer function. It is composed.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

このとき、真の位置xが一定であっても、位置検出器2による量子化に起因して、位置検出値104は位置検出器2の検出分解能(1LSB)を最小単位として矩形波状に変動する。
従来の基本的なサーボ制御装置200では、矩形波状に変動する位置検出値104の擬似微分によって推定される速度推定値105にはスパイク状の速度推定誤差が発生し、矩形波状に変動する位置検出値104と、スパイク状の速度推定誤差が重畳した速度推定値105とをフィードバックして、位置制御および速度制御を実施する。
したがって、従来の基本的なサーボ制御装置200では、特に、制御対象1の動作速度が零近傍となる低速駆動領域において、位置制御精度および速度制御精度が劣化する。
At this time, even if the true position x is constant, due to quantization by the position detector 2, the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) of the position detector 2 as the minimum unit. .
In the conventional basic servo control device 200, a spike-like speed estimation error occurs in the speed estimation value 105 estimated by the pseudo differentiation of the position detection value 104 that fluctuates in a rectangular waveform, and the position detection that fluctuates in a rectangular waveform. The position control and the speed control are performed by feeding back the value 104 and the speed estimation value 105 on which the spike-like speed estimation error is superimposed.
Therefore, in the conventional basic servo control device 200, the position control accuracy and the speed control accuracy are deteriorated particularly in the low-speed drive region where the operation speed of the control target 1 is near zero.

例として、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値101を一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図12に示す。
図12によれば、位置検出値104が検出分解能(1LSB)を振幅として矩形波状に変動し、速度推定値105にスパイク状の速度推定誤差が重畳した結果、本来零となるべき制御指令値103が変動し、本来零となるべき真の速度、および本来一定値となるべき真の位置xの制御精度が劣化していることが分かる。
As an example, in the conventional basic servo control device 200, the time of the control command value 103, the true speed and speed estimated value 105, the true position x, and the position detection value 104 when the position command value 101 is a constant value. The response simulation result is shown in FIG.
According to FIG. 12, the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) as an amplitude, and a control command value 103 that should be essentially zero as a result of superimposing a spike-like speed estimation error on the speed estimation value 105. It can be seen that the control accuracy of the true speed that should be zero and the true position x that should be a constant value is degraded.

また、位置検出器2から出力される位置検出値104が真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む場合、この位置検出誤差も速度推定器210によって擬似微分されるため、速度推定値105には位置検出誤差が増幅された変動的な速度推定誤差が重畳する。
従来の基本的なサーボ制御装置200では、真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む位置検出値104と、真の位置xに同期した変動的な速度推定誤差を含む速度推定値105とをフィードバックして、位置制御および速度制御を実施する。
このような従来の基本的なサーボ制御装置では、特に、制御対象1の動作速度が中高速駆動となる領域において、速度制御精度が劣化する。
In addition, when the position detection value 104 output from the position detector 2 includes a variable position detection error synchronized with the true position x, the position detection error is also pseudo-differentiated by the speed estimator 210. A variable speed estimation error obtained by amplifying the position detection error is superimposed on the value 105.
In the conventional basic servo control device 200, a position detection value 104 including a variable position detection error synchronized with the true position x and a speed estimation value including a variable speed estimation error synchronized with the true position x. 105 is fed back to perform position control and speed control.
In such a conventional basic servo control device, the speed control accuracy is deteriorated particularly in the region where the operation speed of the controlled object 1 is medium / high speed driving.

例として、従来の基本的なサーボ制御装置200において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図14に示す。図14によれば、速度推定値105に対して、真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差が増幅された速度推定誤差が重畳した結果、制御指令値103も特に速度推定誤差に同期して変動し、本来一定値となるべき真の速度の制御精度が劣化していることが分かる。
なお、図14において、実線で表記した真の位置xと、破線で表記した位置検出値104は互いに重なっている。
As an example, in the conventional basic servo control apparatus 200, the control command value 103, the true speed and the estimated speed value 105, the true position x and the position command value 101 when the time change rate of the position command value 101 is a predetermined constant value. The time response simulation result of the position detection value 104 is shown in FIG. According to FIG. 14, as a result of superimposing a speed estimation error obtained by amplifying a variable position detection error synchronized with the true position x on the speed estimation value 105, the control command value 103 is also synchronized with the speed estimation error. It can be seen that the control accuracy of the true speed, which should be a constant value, is deteriorated.
In FIG. 14, the true position x indicated by a solid line and the position detection value 104 indicated by a broken line overlap each other.

そこで、実施の形態4によるサーボ制御装置100(図11)では、制御指令値103から位置検出値104までの動特性、つまり、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定する。
そして、速度推定器6aを、以下に示すカルマンゲイン、フィルタ方程式および誤差共分散行列方程式で与えられるカルマンフィルタで構成する。
Therefore, in the servo control device 100 (FIG. 11) according to the fourth embodiment, the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the actuator 5, the control target 1, and the position detector 2 are It is assumed that the rigid body characteristic can be approximated in the frequency region including the speed control band of the servo control device 100.
The speed estimator 6a is configured by a Kalman filter given by the following Kalman gain, filter equation, and error covariance matrix equation.

Figure 2017041248
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Figure 2017041248
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Figure 2017041248
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このように、実施の形態4によるサーボ制御装置100では、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において制御指令値103から位置検出値104までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性Aと、サーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、に基づいたカルマンフィルタで、速度推定器6aを構成している。 As described above, in the servo control device 100 according to the fourth embodiment, the equivalent inertia obtained by approximating the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104 by the rigid body characteristics in the frequency region including the speed control band of the servo control apparatus 100. A speed estimator 6a is configured by a Kalman filter based on A and the sampling period Td of the servo control device 100.

また、実施の形態4によるサーボ制御装置100(図11)では、連続系伝達関数がPI補償器と位相進み補償器との直列接続に相当する以下の外乱推定器伝達関数で与えられる推定器を双一次変換したIIRフィルタによって、外乱推定器12aを構成している。   In the servo control device 100 (FIG. 11) according to the fourth embodiment, the estimator given by the following disturbance estimator transfer function corresponding to the serial connection of the PI compensator and the phase advance compensator is used as the continuous transfer function. The disturbance estimator 12a is configured by the bilinearly transformed IIR filter.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

Figure 2017041248
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速度推定器6aを構成するカルマンフィルタでは、制御対象1に作用する外乱は考慮されていない。そのため、外乱作用下では、位置検出値104に対して位置推定値107に誤差が発生する。外乱推定器12aでは、この位置推定誤差に基づいて外乱推定値109aを推定し、この外乱推定値109aと制御指令値との加算値を、新たな制御指令値として速度推定器6aに入力する。このような構成とすることで、位置検出値104に対する位置推定値107の推定誤差が零に収束し、制御対象1に作用する外乱の影響が補償される。   In the Kalman filter that constitutes the speed estimator 6a, the disturbance acting on the controlled object 1 is not considered. For this reason, an error occurs in the position estimation value 107 with respect to the position detection value 104 under a disturbance action. The disturbance estimator 12a estimates the disturbance estimated value 109a based on the position estimation error, and inputs the added value of the disturbance estimated value 109a and the control command value to the speed estimator 6a as a new control command value. With such a configuration, the estimation error of the position estimation value 107 with respect to the position detection value 104 converges to zero, and the influence of disturbance acting on the control target 1 is compensated.

その上で、この実施の形態4によるサーボ制御装置100では、時刻kTにおける動作として、はじめに、位置検出器2によって制御対象1の位置検出値104を取得する。
次いで、当該位置検出値104から、第1の遅延器8aの出力である1サンプル遅延信号108a(前時刻(k−1)Tにおける位置推定値)を減じた位置推定誤差に基づいて、外乱推定器12aによって、制御対象1へ作用する外乱推定値109aを演算して出力する。
更に、位置検出値104、外乱推定値109a、および第2の遅延器8bから出力される1サンプル遅延信号108b(前時刻(k−1)Tにおける制御指令値)に基づいて、速度推定器6aによって、制御対象1の速度推定値105、および位置推定値107を演算して出力する。
位置制御器3では、位置指令値101と位置検出値104との偏差に基づいて、速度指令値102を演算して出力する。
最後に、速度指令値102と速度推定値105との偏差に基づいて、速度制御器4、および制御指令リミッタ7aによって、制御対象1への制御指令値103を算出して出力する。
On top of that, the servo control device 100 according to the fourth embodiment, as an operation at time kT d, first, acquires the position detection value 104 of the control target 1 by the position detector 2.
Next, based on the position estimation error obtained by subtracting the one-sample delayed signal 108a (position estimation value at the previous time (k-1) Td ), which is the output of the first delay unit 8a, from the position detection value 104, disturbance The estimator 12a calculates and outputs a disturbance estimated value 109a acting on the control target 1.
Furthermore, based on the position detection value 104, the disturbance estimated value 109a, and the one-sample delayed signal 108b (control command value at the previous time (k-1) Td ) output from the second delay unit 8b, the speed estimator The speed estimation value 105 and the position estimation value 107 of the control target 1 are calculated and output by 6a.
The position controller 3 calculates and outputs the speed command value 102 based on the deviation between the position command value 101 and the position detection value 104.
Finally, based on the deviation between the speed command value 102 and the speed estimated value 105, the speed controller 4 and the control command limiter 7a calculate and output the control command value 103 for the controlled object 1.

このように、速度推定器6aによって速度推定値105を推定することで、位置検出値104が位置検出器2の検出分解能(1LSB)を最小単位として矩形波状に変動しても、速度推定値105にはスパイク状の速度推定誤差が発生せず、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象1の動作速度が零近傍となる低速駆動領域において、サーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。   In this way, by estimating the speed estimation value 105 by the speed estimator 6a, even if the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) of the position detector 2 as the minimum unit, the speed estimation value 105 Does not generate a spike-like speed estimation error, and the speed estimation accuracy for the true speed can be increased. Therefore, it is possible to improve the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 in the low-speed drive region where the operation speed of the control target 1 is near zero.

例として、実施の形態4によるサーボ制御装置100において、位置指令値101を一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図13に示す。
なお、図13に関する時間応答シミュレーションと、従来の基本的なサーボ制御装置200の図12に関する時間応答シミュレーションとでは、縦軸が同一スケールであり、また、横軸が同一スケールである。
図13において、実線で表記した真の速度と、破線で表記した速度推定値105とが、互いに重なっている。
As an example, in the servo control device 100 according to the fourth embodiment, the time of the control command value 103, the true speed and speed estimated value 105, the true position x, and the position detection value 104 when the position command value 101 is a constant value. The response simulation result is shown in FIG.
In the time response simulation related to FIG. 13 and the time response simulation related to FIG. 12 of the conventional basic servo control apparatus 200, the vertical axis is the same scale, and the horizontal axis is the same scale.
In FIG. 13, the true speed indicated by a solid line and the speed estimated value 105 indicated by a broken line overlap each other.

図13によれば、位置検出値104が検出分解能(1LSB)を振幅として矩形波状に変動しても、速度推定器6aから出力される速度推定値105には図12に見られたようなスパイク状の速度推定誤差が発生せず、真の速度が高精度に推定されている。その結果、制御指令値103の変動量が図12に比して大幅に抑制され、本来零となるべき真の速度、および本来一定値となるべき真の位置xの制御精度も大幅に向上していることが分かる。   According to FIG. 13, even if the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) as an amplitude, the speed estimation value 105 output from the speed estimator 6a has a spike as shown in FIG. Thus, the true speed is estimated with high accuracy. As a result, the fluctuation amount of the control command value 103 is greatly suppressed as compared with FIG. 12, and the control accuracy of the true speed that should be essentially zero and the true position x that should be essentially a constant value is greatly improved. I understand that

また、位置検出器2から出力される位置検出値104が真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む場合においても、速度推定値105に重畳する変動的な速度推定誤差が抑制され、真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象1の動作速度が中高速駆動となる領域において、サーボ制御装置100の速度制御精度を向上させることが可能となる。   Even when the position detection value 104 output from the position detector 2 includes a variable position detection error synchronized with the true position x, the variable speed estimation error superimposed on the speed estimation value 105 is suppressed. The speed estimation accuracy for the true speed can be increased. Therefore, it is possible to improve the speed control accuracy of the servo control device 100 in a region where the operation speed of the controlled object 1 is medium / high speed driving.

例として、実施の形態4によるサーボ制御装置100において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図15に示す。
なお、図15に関する時間応答シミュレーションと、従来の基本的なサーボ制御装置200の図14に関する時間応答シミュレーションとでは、縦軸が同一スケールであり、また、横軸が同一スケールである。
図15において、実線で表記した真の位置xと、破線で表記した位置検出値104とは、互いに重なっている。
As an example, in the servo control apparatus 100 according to the fourth embodiment, the control command value 103, the true speed and the speed estimated value 105, the true position x, and the like when the time change rate of the position command value 101 is a predetermined constant value. The time response simulation result of the position detection value 104 is shown in FIG.
In the time response simulation related to FIG. 15 and the time response simulation related to FIG. 14 of the conventional basic servo control apparatus 200, the vertical axis is the same scale, and the horizontal axis is the same scale.
In FIG. 15, the true position x indicated by a solid line and the position detection value 104 indicated by a broken line overlap each other.

図15によれば、速度推定値105に重畳する変動的な速度推定誤差が図14に比して抑制され、その結果として、制御指令値103の変動量も抑制される。これにより、本来一定値となるべき真の速度の制御精度も向上している。   According to FIG. 15, the fluctuating speed estimation error superimposed on the speed estimation value 105 is suppressed as compared with FIG. 14, and as a result, the fluctuation amount of the control command value 103 is also suppressed. Thereby, the control accuracy of the true speed, which should be a constant value, is also improved.

このように、実施の形態4によるサーボ制御装置100によれば、外乱推定器12aによって制御対象1に作用する外乱を推定し、この外乱推定値109aと第2の遅延器8bから出力される1サンプル遅延信号108bとの加算値を新たな制御指令値として速度推定器6aに入力する。このような構成とすることで、制御対象1に作用する外乱の影響を補償することができる。したがって、制御対象1へ作用する外乱のレベルによらずに真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができ、低速および中高速を含む全駆動領域において、サーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。換言すれば、従来に比してより低分解能な位置検出器2を適用したサーボ制御装置100によって、従来と同等レベルの位置制御精度および速度制御精度を実現することが可能となる。   Thus, according to the servo control device 100 according to the fourth embodiment, the disturbance estimator 12a estimates the disturbance acting on the controlled object 1 and is output from the disturbance estimated value 109a and the second delay unit 8b. The added value with the sample delay signal 108b is input to the speed estimator 6a as a new control command value. By setting it as such a structure, the influence of the disturbance which acts on the control object 1 can be compensated. Therefore, the accuracy of speed estimation with respect to the true speed can be increased regardless of the level of disturbance acting on the control target 1, and the position control accuracy of the servo control device 100 can be achieved in all drive regions including low speed and medium / high speed. In addition, the speed control accuracy can be improved. In other words, it is possible to achieve position control accuracy and speed control accuracy of the same level as in the past by the servo control device 100 to which the position detector 2 having a lower resolution than in the past is applied.

ところで、上記実施の形態4はあくまでも一例であって、例えば、図11に示した制御指令リミッタ7aは、必ずしも実装する必要が無いことは言うまでもない。   Incidentally, the above-described fourth embodiment is merely an example, and it goes without saying that, for example, the control command limiter 7a shown in FIG. 11 is not necessarily implemented.

この実施の形態では、制御指令値103から位置検出値104までの動特性、つまりアクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定し、速度推定器6aをカルマンフィルタで構成した。また、外乱推定器12aで制御対象1に作用する外乱を推定し、外乱推定値109aとして出力する構成とした。その上で、速度推定器6aにおいて、位置検出値104、外乱推定値109a、および前時刻(k−1)Tにおける制御指令値を入力として、制御対象1の速度推定値105を推定して速度制御器4へフィードバックするようにした。 In this embodiment, the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the actuator 5, the controlled object 1, and the position detector 2 are included in the speed control band of the servo control device 100. The velocity estimator 6a is composed of a Kalman filter, assuming that the region can be approximated by rigid body characteristics. The disturbance estimator 12a estimates the disturbance acting on the controlled object 1 and outputs the estimated disturbance value 109a. Then, in the speed estimator 6a, the position detection value 104, the disturbance estimation value 109a, and the control command value at the previous time (k-1) Td are input, and the speed estimation value 105 of the control object 1 is estimated. Feedback was made to the speed controller 4.

これにより、位置検出値104が位置検出器2の検出分解能(1LSB)を最小単位として矩形波状に変動しても、速度推定値105にはスパイク状の速度推定誤差が発生せず、制御対象1へ作用する外乱のレベルによらずに真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象1の動作速度が零近傍となる低速駆動領域において、サーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。   Thereby, even if the position detection value 104 fluctuates in a rectangular wave shape with the detection resolution (1LSB) of the position detector 2 as the minimum unit, a spike-like speed estimation error does not occur in the speed estimation value 105, and the control object 1 The speed estimation accuracy for the true speed can be increased regardless of the level of disturbance acting on the motor. Therefore, it is possible to improve the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 in the low-speed drive region where the operation speed of the control target 1 is near zero.

また、位置検出器2による位置検出値104が真の位置xに同期した変動的な位置検出誤差を含む場合においても、速度推定値105に重畳する変動的な速度推定誤差が抑制され、制御対象1へ作用する外乱のレベルによらずに真の速度に対する速度推定精度を高精度化することができる。そのため、制御対象1の動作速度が中高速駆動となる領域において、サーボ制御装置100の速度制御精度を向上させることが可能となる。   In addition, even when the position detection value 104 by the position detector 2 includes a variable position detection error synchronized with the true position x, the variable speed estimation error superimposed on the speed estimation value 105 is suppressed, and the control target The speed estimation accuracy for the true speed can be increased regardless of the level of the disturbance acting on 1. Therefore, it is possible to improve the speed control accuracy of the servo control device 100 in a region where the operation speed of the controlled object 1 is medium / high speed driving.

したがって、低速および中高速を含む全駆動領域において、サーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度を向上させることが可能となる。換言すれば、従来に比してより低分解能な位置検出器2を適用したサーボ制御装置100によって、従来と同等レベルの位置制御精度および速度制御精度を実現することが可能となる。   Therefore, it is possible to improve the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 in the entire drive region including the low speed and the medium high speed. In other words, it is possible to achieve position control accuracy and speed control accuracy of the same level as in the past by the servo control device 100 to which the position detector 2 having a lower resolution than in the past is applied.

特に、この実施の形態4では、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において、制御指令値103から位置検出値104までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性Aと、サーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、に基づいて構築したカルマンフィルタによって、速度推定器6aを構成するようにした。 In particular, in the fourth embodiment, in the frequency range including the speed control band of the servo control device 100, the equivalent inertia A in which the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104 are approximated by the rigid body characteristics, and the servo control. The velocity estimator 6a is configured by a Kalman filter constructed based on the sampling period Td of the apparatus 100.

このため、従来から精度の高い情報として得られるサーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、実機特性の計測結果に基づいて高精度に決定した等価慣性Aとによってカルマンフィルタを構成することができる。そして、速度推定器6aにおいて、真の速度に対する速度推定精度をより高精度化することが可能となる。 For this reason, a Kalman filter can be configured by the sampling period Td of the servo control device 100 obtained as information with high accuracy and the equivalent inertia A determined with high accuracy based on the measurement result of the actual machine characteristics. In the speed estimator 6a, the speed estimation accuracy for the true speed can be further increased.

実施の形態5.
以下、図を用いて実施の形態5について説明する。
図16は、実施の形態5によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。図16において、図11と同じ構成要素には同一番号を付して説明は省略する。図16に記した記号の意味は以下の通りである。但し、図11と同じ記号の説明は省略する。
Embodiment 5 FIG.
Hereinafter, the fifth embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of the servo control device 100 according to the fifth embodiment. In FIG. 16, the same components as those in FIG. The meanings of the symbols shown in FIG. 16 are as follows. However, the description of the same symbols as those in FIG. 11 is omitted.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

図16に示したように、この実施の形態5によるサーボ制御装置100では、位置制御器3から出力される速度指令値102と、速度推定器6bから出力される速度推定値105との速度偏差を速度偏差リミッタ7bに入力する。そして、当該速度偏差にリミット処理を施した速度偏差106を、速度制御器4に入力する。
速度制御器4では、速度偏差リミッタ7bから出力されるリミット処理後の速度偏差106に基づいて、サーボ制御装置100の制御指令値103を演算して出力する。
第1の遅延器8aでは、速度推定器6bから出力される位置推定値107を入力とし、サンプリング周期Tに対応する1サンプル遅延信号108aを生成して出力する。
外乱推定器12bでは、位置検出器2から出力される位置検出値104から、第1の遅延器8aの出力である1サンプル遅延信号108aを減じた位置推定誤差に基づいて、制御対象1へ作用する外乱を推定し、外乱推定値109bとして出力する。
第2の遅延器8cでは、速度偏差リミッタ7bから出力される速度偏差106を入力とし、サンプリング周期Tに対応する1サンプル遅延信号108cを生成して出力する。速度推定器6bでは、位置検出器2から出力される位置検出値104、外乱推定器12bから出力される外乱推定値109b、および第2の遅延器8cから出力される1サンプル遅延信号108cを入力として、制御対象1の速度および位置xを推定し、速度推定値105および位置推定値107として出力する。
As shown in FIG. 16, in the servo control device 100 according to the fifth embodiment, the speed deviation between the speed command value 102 output from the position controller 3 and the speed estimated value 105 output from the speed estimator 6b. Is input to the speed deviation limiter 7b. Then, the speed deviation 106 obtained by performing the limit process on the speed deviation is input to the speed controller 4.
The speed controller 4 calculates and outputs the control command value 103 of the servo control device 100 based on the speed deviation 106 after the limit process output from the speed deviation limiter 7b.
The first delay unit 8a receives the position estimation value 107 output from the speed estimator 6b, and generates and outputs a one-sample delay signal 108a corresponding to the sampling period Td .
The disturbance estimator 12b acts on the control object 1 based on the position estimation error obtained by subtracting the one-sample delay signal 108a that is the output of the first delay unit 8a from the position detection value 104 output from the position detector 2. The estimated disturbance is output as a disturbance estimated value 109b.
In the second delay unit 8c, the speed deviation 106 output from the speed deviation limiter 7b is input, and a one-sample delay signal 108c corresponding to the sampling period Td is generated and output. The speed estimator 6b receives the position detection value 104 output from the position detector 2, the disturbance estimation value 109b output from the disturbance estimator 12b, and the one-sample delay signal 108c output from the second delay unit 8c. As a result, the speed and position x of the control object 1 are estimated and output as the speed estimated value 105 and the position estimated value 107.

次に、実施の形態5によるサーボ制御装置100の動作について説明する。
実施の形態5によるサーボ制御装置100(図16)では、速度偏差106から位置検出値104までの動特性、つまり、速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定する。そして、速度推定器6bを、以下に示すフィルタ方程式で与えられる定常カルマンフィルタで構成する。
Next, the operation of the servo control apparatus 100 according to the fifth embodiment will be described.
In the servo control device 100 (FIG. 16) according to the fifth embodiment, the dynamic characteristics from the speed deviation 106 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the speed controller 4, the actuator 5, the control target 1, and the position detector 2. However, it is assumed that the rigid body characteristic can be approximated in the frequency region including the speed control band of the servo control device 100. The speed estimator 6b is configured by a stationary Kalman filter given by the following filter equation.

Figure 2017041248
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一般に、制御対象1のシステムパラメータF,G,D,Hが時間に依存しない時不変システムF,G,D,Hとして与えられる場合、カルマンフィルタは、定係数の定常カルマンフィルタに収束する。特に、(F,G)が可安定であり、(H,F)が可検出であれば、定常カルマンフィルタは漸近安定となる。
実施の形態5によるサーボ制御装置100では、上記特性を利用して、カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲインを適用した。そして、定常カルマンフィルタによって速度推定器6bを構成している。
In general, when the system parameters F k , G k , D k , and H k of the controlled object 1 are given as time-invariant systems F, G, D, and H that do not depend on time, the Kalman filter converges to a steady-state constant Kalman filter. . In particular, if (F, G) is stable and (H, F) is detectable, the stationary Kalman filter is asymptotically stable.
In the servo control device 100 according to the fifth embodiment, the steady Kalman gain after the Kalman filter converges to the constant coefficient filter is applied using the above characteristics. And the speed estimator 6b is comprised by the stationary Kalman filter.

また、実施の形態5によるサーボ制御装置100では、速度偏差106から位置検出値104までの動特性、つまり、速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定した。そして、速度推定器6bをサーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御系ゲイン交点周波数ωrcとに基づいた定常カルマンフィルタで構成している(上記フィルタ方程式(予測)の第3式)。 In the servo control device 100 according to the fifth embodiment, the dynamic characteristics from the speed deviation 106 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the speed controller 4, the actuator 5, the controlled object 1, and the position detector 2 are It is assumed that the rigid body characteristic can be approximated in the frequency region including the speed control band of the servo control device 100. The speed estimator 6b is composed of a stationary Kalman filter based on the sampling period Td of the servo control device 100 and the speed control system gain intersection frequency ω rc (the third equation of the filter equation (prediction)).

一方、実施の形態5によるサーボ制御装置100では、連続系伝達関数がPI補償器と位相進み補償器との直列接続に相当する外乱推定器伝達関数(実施の形態4を参照)で与えられる推定器を双一次変換したIIRフィルタによって、外乱推定器12bを構成している。
速度推定器6bを構成する定常カルマンフィルタでは、制御対象1に作用する外乱は考慮されていない。そのため、外乱作用下では、位置検出値104に対して位置推定値107に誤差が発生する。外乱推定器12bでは、この位置推定誤差に基づいて外乱推定値109bを推定し、この外乱推定値109bと速度偏差との加算値を、新たな速度偏差として速度推定器6bに入力する。このような構成とすることで、位置検出値104に対する位置推定値107の推定誤差が零に収束し、制御対象1に作用する外乱の影響が補償される。
On the other hand, in the servo control apparatus 100 according to the fifth embodiment, the continuous system transfer function is an estimation given by a disturbance estimator transfer function (refer to the fourth embodiment) corresponding to a series connection of a PI compensator and a phase advance compensator. The disturbance estimator 12b is constituted by an IIR filter obtained by bilinear transformation of the detector.
In the stationary Kalman filter constituting the speed estimator 6b, the disturbance acting on the controlled object 1 is not considered. For this reason, an error occurs in the position estimation value 107 with respect to the position detection value 104 under a disturbance action. The disturbance estimator 12b estimates the disturbance estimated value 109b based on this position estimation error, and inputs the added value of the disturbance estimated value 109b and the speed deviation to the speed estimator 6b as a new speed deviation. With such a configuration, the estimation error of the position estimation value 107 with respect to the position detection value 104 converges to zero, and the influence of disturbance acting on the control target 1 is compensated.

その上で、この実施の形態5によるサーボ制御装置100では、時刻kTにおける動作として、はじめに、位置検出器2によって制御対象1の位置検出値104を取得する。
次いで、当該位置検出値104から、第1の遅延器8aの出力である1サンプル遅延信号108a(前時刻(k−1)Tにおける位置推定値)を減じた位置推定誤差に基づいて、外乱推定器12bによって制御対象1へ作用する外乱推定値109bを演算して出力する。
更に、位置検出値104、外乱推定値109b、および第2の遅延器8cから出力される1サンプル遅延信号108c(前時刻(k−1)Tにおける速度偏差)に基づいて、速度推定器6bによって、制御対象1の速度推定値105、および位置推定値107を演算して出力する。
位置制御器3では、位置指令値101と位置検出値104との偏差に基づいて、速度指令値102を演算して出力する。
次いで、速度指令値102と速度推定値105との偏差にリミット処理を施した信号を、速度偏差リミッタ7bから速度偏差106として出力する。
最後に、速度偏差106に基づいて、速度制御器4によって制御対象1への制御指令値103を算出して出力する。
On top of that, the servo control device 100 according to the fifth embodiment, as an operation at time kT d, first, acquires the position detection value 104 of the control target 1 by the position detector 2.
Next, based on the position estimation error obtained by subtracting the one-sample delayed signal 108a (position estimation value at the previous time (k-1) Td ), which is the output of the first delay unit 8a, from the position detection value 104, disturbance The estimator 12b calculates and outputs a disturbance estimated value 109b acting on the controlled object 1.
Further, based on the position detection value 104, the disturbance estimated value 109b, and the one-sample delay signal 108c (speed deviation at the previous time (k−1) Td ) output from the second delay unit 8c, the speed estimator 6b. Thus, the speed estimated value 105 and the position estimated value 107 of the controlled object 1 are calculated and output.
The position controller 3 calculates and outputs the speed command value 102 based on the deviation between the position command value 101 and the position detection value 104.
Next, a signal obtained by performing a limit process on the deviation between the speed command value 102 and the speed estimated value 105 is output as a speed deviation 106 from the speed deviation limiter 7b.
Finally, based on the speed deviation 106, the speed controller 4 calculates and outputs a control command value 103 for the control target 1.

このように、実施の形態5によるサーボ制御装置100によれば、上記構成の速度推定器6bによって速度推定値105を推定することで、制御指令値103から位置検出値104までの動特性、つまり、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2の動特性を剛体特性で近似した等価慣性Aが変化する場合においても、速度制御器4によって常に一定の低周波域制御特性(速度制御系ゲイン交点周波数ωrc)が実現できれば、次のことが可能となる。具体的には、定常カルマンフィルタへの入力を、位置検出器2から出力される位置検出値104、外乱推定器12bから出力される外乱推定値109b、および第2の遅延器8cから出力される速度偏差の1サンプル遅延信号108cとする。これにより、定常カルマンフィルタが推定対象とするシステムを速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2として、制御対象1へ作用する外乱のレベルによらず、任意の等価慣性Aにおいて真の速度に対する速度推定値105の推定精度を維持することが可能となる。 As described above, according to the servo control apparatus 100 according to the fifth embodiment, the speed estimation value 105 is estimated by the speed estimator 6b having the above-described configuration, so that the dynamic characteristics from the control command value 103 to the position detection value 104, that is, Even when the equivalent inertia A obtained by approximating the dynamic characteristics of the actuator 5, the controlled object 1, and the position detector 2 by the rigid body characteristics changes, the speed controller 4 always provides a constant low frequency range control characteristic (speed control system gain). If the intersection frequency ω rc ) can be realized, the following becomes possible. Specifically, the input to the stationary Kalman filter is the position detection value 104 output from the position detector 2, the disturbance estimated value 109b output from the disturbance estimator 12b, and the speed output from the second delay unit 8c. A one-sample delay signal 108c of deviation is assumed. As a result, the system to be estimated by the stationary Kalman filter is defined as the speed controller 4, the actuator 5, the control object 1, and the position detector 2, regardless of the level of the disturbance acting on the control object 1. It is possible to maintain the estimation accuracy of the speed estimation value 105 for the true speed.

加えて、この場合の定常カルマンフィルタは、サーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御系ゲイン交点周波数ωrcとに基づいて構築することができる。
この場合、速度偏差リミッタ7bにおける速度偏差リミット値として、図11に示す制御指令リミッタ7aにおける制御指令リミット値を、以下の式によって等価変換した値を適用することで、制御指令値103との整合性を確保する必要がある。
In addition, the stationary Kalman filter in this case can be constructed based on the sampling period T d of the servo control device 100 and the speed control system gain intersection frequency ω rc .
In this case, as a speed deviation limit value in the speed deviation limiter 7b, a value obtained by equivalently converting the control command limit value in the control command limiter 7a shown in FIG. It is necessary to ensure sex.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

ところで、上記実施の形態5はあくまでも一例であって、例えば、図16に示した速度偏差リミッタ7bは、必ずしも実装する必要が無いことは言うまでもない。また、上記実施の形態5では、速度推定器6bを構成する定常カルマンフィルタをサーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御系ゲイン交点周波数ωrcとに基づいて構築した。しかし、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において、制御指令値103から位置検出値104までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性A、サーボ制御装置100のサンプリング周期T、および速度制御器4の比例制御ゲインKに基づいて構築しても良い(上記フィルタ方程式(予測)の第2式)。 Incidentally, the fifth embodiment is merely an example, and it goes without saying that, for example, the speed deviation limiter 7b shown in FIG. 16 is not necessarily mounted. In the fifth embodiment, the steady Kalman filter constituting the speed estimator 6b is constructed based on the sampling period Td of the servo control device 100 and the speed control system gain intersection frequency ωrc . However, in a frequency region including the speed control band of the servo control device 100, an equivalent inertia A approximating a dynamic characteristic from the control command value 103 to the position detection value 104 by a rigid body characteristic, a sampling period T d of the servo control device 100, and it may be constructed on the basis of the proportional control gain K D of the speed controller 4 (second formula of the filter equation (predicted)).

この実施の形態では、速度偏差106から位置検出値104までの動特性、つまり、速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2の動特性が、サーボ制御装置100の速度制御帯域を内包する周波数領域において剛体特性で近似できると仮定した。そして、カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲインを適用して定常カルマンフィルタで速度推定器6bを構成した。また、外乱推定器12bで制御対象1に作用する外乱を推定し、外乱推定値109bとして出力する構成とした。その上で、速度推定器6bにおいて、位置検出値104、外乱推定値109b、および前時刻(k−1)Tにおける速度偏差108cを入力として制御対象1の速度推定値105を推定し、速度偏差リミッタ7bへフィードバックするようにした。 In this embodiment, the dynamic characteristics from the speed deviation 106 to the position detection value 104, that is, the dynamic characteristics of the speed controller 4, the actuator 5, the controlled object 1, and the position detector 2 are controlled by the speed control of the servo controller 100. It is assumed that the rigid body characteristics can be approximated in the frequency domain including the band. Then, by applying the steady Kalman gain after the Kalman filter converges to the constant coefficient filter, the speed estimator 6b is configured by the steady Kalman filter. Further, the disturbance acting on the controlled object 1 is estimated by the disturbance estimator 12b and output as a disturbance estimated value 109b. Then, the speed estimator 6b estimates the speed estimation value 105 of the control object 1 by using the position detection value 104, the disturbance estimation value 109b, and the speed deviation 108c at the previous time (k-1) Td as input. Feedback was made to the deviation limiter 7b.

これにより、真の速度に対する速度推定値105の推定精度、つまり、サーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度、をカルマンフィルタ適用時と同等レベルに維持したまま、速度推定器6bにおける演算量を大幅に低減させることが可能となる。   As a result, the calculation amount in the speed estimator 6b is maintained while maintaining the estimation accuracy of the speed estimation value 105 for the true speed, that is, the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 at the same level as when the Kalman filter is applied. It can be greatly reduced.

加えて、この実施の形態5では、サーボ制御装置100の速度制御器4によって常に一定の低周波域制御特性(速度制御系ゲイン交点周波数ωrc)が実現できることを前提として、速度制御器4、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2を対象システムとして定常カルマンフィルタを構築した。そして、この定常カルマンフィルタで構成された速度推定器6bにおいて、速度推定値105を推定して出力する構成とした。 In addition, in the fifth embodiment, on the assumption that a constant low frequency region control characteristic (speed control system gain intersection frequency ω rc ) can always be realized by the speed controller 4 of the servo control device 100, the speed controller 4, A stationary Kalman filter was constructed with the actuator 5, the controlled object 1, and the position detector 2 as the target system. The speed estimator 6b configured by the stationary Kalman filter is configured to estimate and output the speed estimated value 105.

これにより、制御指令値103から位置検出値104までの動特性、つまり、アクチュエータ5、制御対象1、および位置検出器2の動特性を剛体特性で近似した等価慣性Aが変化する場合においても、任意の等価慣性において真の速度に対する速度推定値105の制御精度を維持することが可能となる。   Thus, even when the dynamic characteristic from the control command value 103 to the position detection value 104, that is, the equivalent inertia A that approximates the dynamic characteristic of the actuator 5, the control target 1, and the position detector 2 with the rigid body characteristic changes, It becomes possible to maintain the control accuracy of the speed estimated value 105 with respect to the true speed at an arbitrary equivalent inertia.

特に、この実施の形態では、サーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御系ゲイン交点周波数ωrcとに基づいて構築した定常カルマンフィルタによって、速度推定器6bを構成するようにした。 In particular, in this embodiment, the speed estimator 6b is configured by a steady Kalman filter constructed based on the sampling period Td of the servo control device 100 and the speed control system gain intersection frequency ωrc .

このため、従来から精度の高い情報として得られるサーボ制御装置100のサンプリング周期Tと、速度制御器4を設計した後の実機特性に基づいて高精度に計測される速度制御系ゲイン交点周波数ωrcとによって定常カルマンフィルタを構成することができる。そして、速度推定器6bにおいて、真の速度に対する速度推定精度をより高精度化することが可能となる。 For this reason, the speed control system gain intersection frequency ω that is measured with high accuracy based on the sampling period T d of the servo control device 100 that has conventionally been obtained as highly accurate information and the actual machine characteristics after the speed controller 4 is designed. A stationary Kalman filter can be constituted by rc . In the speed estimator 6b, the speed estimation accuracy for the true speed can be further increased.

実施の形態6.
以下、図を用いて実施の形態6について説明する。
図17は、実施の形態6によるサーボ制御装置100の構成を示すブロック線図である。図17において、図16と同じ構成要素には同一番号を付して説明は省略する。
Embodiment 6 FIG.
Hereinafter, the sixth embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of the servo control device 100 according to the sixth embodiment. In FIG. 17, the same components as those in FIG.

図18は、実施の形態5によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
図19は、実施の形態6によるサーボ制御装置100において、位置検出値の誤差が一定期間拡大した場合の制御指令値、真の速度および速度推定値、真の位置および位置検出値の時間応答特性シミュレーション結果を示す時間波形図である。
FIG. 18 shows the time response characteristics of the control command value, the true speed and the estimated speed value, the true position and the position detection value when the error of the position detection value is expanded for a certain period in the servo control device 100 according to the fifth embodiment. It is a time waveform figure which shows a simulation result.
FIG. 19 shows the time response characteristics of the control command value, the true speed and the estimated speed value, the true position and the position detection value when the error of the position detection value is expanded for a certain period in the servo control device 100 according to the sixth embodiment. It is a time waveform figure which shows a simulation result.

図17に示したように、この実施の形態6によるサーボ制御装置100では、第1の位置信号選択器9によって、位置検出器2から出力される位置検出値104と速度推定器6bから出力される位置推定値107とのいずれか一方を、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて選択し、位置制御器3への位置フィードバック信号として出力する。
第2の位置信号選択器10では、位置検出器2から出力される位置検出値104と、第1の遅延器8aから出力される位置推定値の1サンプル遅延信号108aとのいずれか一方を、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて選択し、速度推定器入力信号として出力する。
位置選択信号制御器11では、位置検出器2から出力される位置検出値104と第1の遅延器8aから出力される位置推定値の1サンプル遅延信号108aとに基づいて、第1の位置信号選択器9、第2の位置信号選択器10、および外乱推定器12bに入力するための位置選択信号を生成して出力する。
外乱推定器12bでは、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて、外乱推定動作の実行または停止を決定する。
速度推定器6bでは、第2の位置信号選択器10から出力される速度推定器入力信号、外乱推定器12bから出力される外乱推定値109b、および第2の遅延器8cから出力される速度偏差の1サンプル遅延信号108cに基づいて、制御対象1の速度および位置を推定し、速度推定値105および位置推定値107として出力する。
位置制御器3では、外部から与えられる位置指令値101と、第1の位置信号選択器9から出力される位置フィードバック信号との偏差に基づいて、サーボ制御装置100の速度指令値102を演算して出力する。
As shown in FIG. 17, in the servo control apparatus 100 according to the sixth embodiment, the first position signal selector 9 outputs the position detection value 104 output from the position detector 2 and the speed estimator 6b. Is selected based on the position selection signal output from the position selection signal controller 11 and is output as a position feedback signal to the position controller 3.
In the second position signal selector 10, either the position detection value 104 output from the position detector 2 or the one-sample delay signal 108a of the position estimation value output from the first delay unit 8a is obtained. A selection is made based on the position selection signal output from the position selection signal controller 11 and output as a speed estimator input signal.
The position selection signal controller 11 uses the first position signal based on the position detection value 104 output from the position detector 2 and the one-sample delay signal 108a of the position estimation value output from the first delay unit 8a. A position selection signal to be input to the selector 9, the second position signal selector 10, and the disturbance estimator 12b is generated and output.
The disturbance estimator 12b determines whether to execute or stop the disturbance estimation operation based on the position selection signal output from the position selection signal controller 11.
In the speed estimator 6b, the speed estimator input signal output from the second position signal selector 10, the disturbance estimated value 109b output from the disturbance estimator 12b, and the speed deviation output from the second delay unit 8c. Based on the one-sample delay signal 108c, the speed and position of the control target 1 are estimated and output as the speed estimated value 105 and the position estimated value 107.
The position controller 3 calculates the speed command value 102 of the servo controller 100 based on the deviation between the position command value 101 given from the outside and the position feedback signal output from the first position signal selector 9. Output.

次に、実施の形態5によるサーボ制御装置100において、真の位置xに対する位置検出値104の誤差が一定期間拡大した場合の動作を示した上で、実施の形態6によるサーボ制御装置100の動作について説明する。
図16に示す実施の形態5によるサーボ制御装置100において、位置検出器2の不良動作に起因して、真の位置xに対する位置検出値104の誤差が一定期間拡大した場合、定常カルマンフィルタで構成された速度推定器6bでは、過大な誤差が重畳した位置検出値104に基づいて速度推定値105を推定する。そのため、真の速度に対する速度推定精度が劣化する。このとき、サーボ制御装置100では、一定期間にせよ、過大な誤差が重畳した位置検出値104、および推定精度が劣化した速度推定値105をフィードバックして位置制御、および速度制御を実施する。そのため、位置検出値104に一定期間重畳する誤差量に応じて、位置制御精度および速度制御精度が極度に劣化する。
Next, in the servo control device 100 according to the fifth embodiment, the operation when the error of the position detection value 104 with respect to the true position x is expanded for a certain period is shown, and then the operation of the servo control device 100 according to the sixth embodiment. Will be described.
In the servo control device 100 according to the fifth embodiment shown in FIG. 16, when the error of the position detection value 104 with respect to the true position x is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, it is configured with a steady Kalman filter. The speed estimator 6b estimates the speed estimated value 105 based on the position detection value 104 on which an excessive error is superimposed. Therefore, the speed estimation accuracy for the true speed is degraded. At this time, the servo control device 100 performs position control and speed control by feeding back the position detection value 104 on which an excessive error is superimposed and the speed estimation value 105 whose estimation accuracy is deteriorated, even during a certain period. For this reason, the position control accuracy and the speed control accuracy are extremely deteriorated in accordance with the error amount superimposed on the position detection value 104 for a certain period.

例として、実施の形態5によるサーボ制御装置100において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした状態で、時刻0.1sから概ね50msの期間において、位置検出値104の誤差が拡大した場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図18に示す。
図18によれば、位置検出値104に対する過大な誤差の重畳に応じて速度推定値105の推定精度が極度に劣化し、制御指令値103が大幅に乱される。図18では,制御指令値103は速度偏差リミッタ7bに対応した制御指令リミット値まで到達している。そのため、位置検出値104における誤差拡大期間(50ms)に対して、サーボ制御装置100が正常動作に復帰するまでに、概ね0.15sの期間を要していることがわかる。
As an example, in the servo control apparatus 100 according to the fifth embodiment, the error of the position detection value 104 is approximately 50 ms from the time 0.1 s with the time change rate of the position command value 101 set to a predetermined constant value. FIG. 18 shows a time response simulation result of the control command value 103, the true speed and the estimated speed value 105, the true position x, and the position detection value 104 when enlarged.
According to FIG. 18, the estimation accuracy of the speed estimation value 105 is extremely deteriorated in accordance with an excessive error superimposed on the position detection value 104, and the control command value 103 is greatly disturbed. In FIG. 18, the control command value 103 has reached the control command limit value corresponding to the speed deviation limiter 7b. Therefore, it can be seen that a period of approximately 0.15 s is required for the servo control device 100 to return to the normal operation with respect to the error expansion period (50 ms) in the position detection value 104.

そこで、実施の形態6によるサーボ制御装置100(図17)では、位置検出値104の誤差拡大期間において、外乱推定器12bにおける外乱推定動作を停止し、位置制御器3への位置フィードバック信号に位置推定値107を適用し、速度推定器6bへの速度推定器入力信号に位置推定値の1サンプル遅延信号108aを適用する。これにより、位置検出器2の不良動作に起因するサーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制している。   Therefore, in the servo control device 100 (FIG. 17) according to the sixth embodiment, the disturbance estimation operation in the disturbance estimator 12b is stopped during the error expansion period of the position detection value 104, and the position feedback signal to the position controller 3 is set in the position feedback signal. The estimated value 107 is applied, and the one-sample delayed signal 108a of the position estimated value is applied to the velocity estimator input signal to the velocity estimator 6b. Thereby, deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 due to the defective operation of the position detector 2 is suppressed.

具体的には、位置選択信号制御器11によって、位置検出器2から出力される位置検出値104、および第1の遅延器8aから出力される位置推定値の1サンプル遅延信号108aに基づいて、位置選択信号を以下のように切り換える。   Specifically, based on the position detection value 104 output from the position detector 2 by the position selection signal controller 11 and the one-sample delay signal 108a of the position estimation value output from the first delay unit 8a, Switch the position selection signal as follows.

位置選択信号が“正常”状態において、以下の条件が成立した場合に、位置選択信号制御器11によって、位置選択信号を“正常”から“異常”に切り換えて保持する。   When the position selection signal is in the “normal” state and the following conditions are satisfied, the position selection signal controller 11 switches the position selection signal from “normal” to “abnormal” and holds it.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

位置選択信号が“異常”状態に切り換えられた後において、以下の条件が成立した場合に、位置選択信号制御器11によって、位置選択信号を“異常”から“正常”に切り換えて保持する。   After the position selection signal is switched to the “abnormal” state, the position selection signal is switched from “abnormal” to “normal” by the position selection signal controller 11 when the following conditions are satisfied.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

外乱推定器12bでは、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号が“正常”である場合に、実施の形態5と同様の外乱推定動作を実行して外乱推定値109bを出力する。
一方で、時刻kTにおいて位置選択信号が“異常”に切り換わった場合、外乱推定器12bでは、切り換え直前(k−1)Tの外乱推定値109bを保持した状態で、外乱推定動作を停止する。
In the disturbance estimator 12b, when the position selection signal output from the position selection signal controller 11 is “normal”, the disturbance estimation operation similar to that of the fifth embodiment is executed and the disturbance estimation value 109b is output.
On the other hand, when the position selection signal is switched to “abnormal” at the time kT d , the disturbance estimator 12 b performs the disturbance estimation operation while holding the disturbance estimated value 109 b of (k−1) T d immediately before switching. Stop.

第1の位置信号選択器9では、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて、その出力である位置フィードバック信号を以下の式にしたがって選択する。   Based on the position selection signal output from the position selection signal controller 11, the first position signal selector 9 selects a position feedback signal that is output according to the following expression.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

第2の位置信号選択器10では、位置選択信号制御器11から出力される位置選択信号に基づいて、その出力である速度推定器入力信号を以下の式にしたがって選択する。   In the second position signal selector 10, based on the position selection signal output from the position selection signal controller 11, the output speed estimator input signal is selected according to the following expression.

Figure 2017041248
Figure 2017041248

速度推定器6bでは、第2の位置信号選択器10から出力される速度推定器入力信号、外乱推定器12bから出力される外乱推定値109b、および第2の遅延器8cから出力される速度偏差の1サンプル遅延信号108cに基づいて、制御対象1の速度推定値105、および位置推定値107を推定して出力する。
位置制御器3では、外部から与えられる位置指令値101と、第1の位置信号選択器9から出力される位置フィードバック信号との偏差に基づいて、サーボ制御装置100の速度指令値102を演算して出力する。
In the speed estimator 6b, the speed estimator input signal output from the second position signal selector 10, the disturbance estimated value 109b output from the disturbance estimator 12b, and the speed deviation output from the second delay unit 8c. Based on the one-sample delay signal 108c, the estimated speed value 105 and the estimated position value 107 of the controlled object 1 are estimated and output.
The position controller 3 calculates the speed command value 102 of the servo controller 100 based on the deviation between the position command value 101 given from the outside and the position feedback signal output from the first position signal selector 9. Output.

これにより、位置検出器2が出力する位置検出値104が正常である場合は、位置制御器3に対する位置フィードバック信号(第1の位置信号選択器9の出力)、および速度推定器6bに対する速度推定器入力信号(第2の位置信号選択器10の出力)として、従来通りに位置検出値104が適用される。   As a result, when the position detection value 104 output from the position detector 2 is normal, the position feedback signal for the position controller 3 (the output of the first position signal selector 9) and the speed estimation for the speed estimator 6b. The position detection value 104 is applied as a conventional device input signal (output of the second position signal selector 10).

一方、位置検出器2の不良動作に起因して位置検出値104の誤差が一定期間拡大した場合は、位置制御器3に対する位置フィードバック信号(第1の位置信号選択器9の出力)に位置推定値107を適用し、速度推定器6bに対する速度推定器入力信号(第2の位置信号選択器10の出力)に位置推定値の1サンプル遅延信号108aを適用することで、位置検出器2の不良動作に起因するサーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制している。   On the other hand, when the error of the position detection value 104 is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, the position is estimated in the position feedback signal (output of the first position signal selector 9) to the position controller 3. By applying the value 107 and applying the one-sample delay signal 108a of the position estimated value to the speed estimator input signal (output of the second position signal selector 10) to the speed estimator 6b, the position detector 2 is defective. Deterioration of position control accuracy and speed control accuracy of the servo control device 100 due to operation is suppressed.

例として、実施の形態6によるサーボ制御装置100において、位置指令値101の時間変化率を所定の一定値とした状態で、時刻0.1sから概ね50msの期間において位置検出値104の誤差が拡大した場合の制御指令値103、真の速度および速度推定値105、真の位置xおよび位置検出値104の時間応答シミュレーション結果を図19に示す。
なお,図19に関する時間応答シミュレーションと、図18に関する時間応答シミュレーションとでは、縦軸が同一スケールであり、横軸が同一スケールである。さらに、位置検出値104に重畳する誤差量も同一である。
As an example, in the servo control device 100 according to the sixth embodiment, the error of the position detection value 104 increases in a period of about 50 ms from the time 0.1 s with the time change rate of the position command value 101 set to a predetermined constant value. FIG. 19 shows the time response simulation results of the control command value 103, the true speed and the estimated speed value 105, the true position x, and the position detection value 104 in the case of the above.
In the time response simulation related to FIG. 19 and the time response simulation related to FIG. 18, the vertical axis is the same scale and the horizontal axis is the same scale. Further, the error amount superimposed on the position detection value 104 is also the same.

図19によれば、位置検出器2の不良動作に起因して位置検出値104の誤差が一定期間拡大しても、速度推定器6bから出力される速度推定値105には、図18に見られたような速度推定精度の劣化が発生せず、真の速度が高精度に推定されている。
位置検出値104の誤差拡大期間において、位置推定値107、および速度推定精度が大幅に向上した速度推定値105を位置制御器3、および速度偏差リミッタ7bへフィードバックすることで、制御指令値103の変動量も図18に比して大幅に抑制され、サーボ制御装置100の挙動がほぼ正常動作に維持されることがわかる。
According to FIG. 19, even if the error of the position detection value 104 is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, the speed estimation value 105 output from the speed estimator 6b is shown in FIG. Thus, the speed estimation accuracy is not deteriorated as described above, and the true speed is estimated with high accuracy.
By feeding back the position estimation value 107 and the speed estimation value 105 with greatly improved speed estimation accuracy to the position controller 3 and the speed deviation limiter 7b during the error expansion period of the position detection value 104, the control command value 103 It can be seen that the amount of fluctuation is also greatly suppressed as compared to FIG. 18, and the behavior of the servo control device 100 is maintained in a substantially normal operation.

なお、上記実施の形態6はあくまでも一例であって、例えば、図17に示した速度偏差リミッタ7bは、必ずしも実装する必要が無いことは言うまでもない。また、上記実施の形態6では速度推定器6bを定常カルマンフィルタで構成したが、速度推定器6bを実施の形態4で説明したカルマンフィルタで構成しても良い。更に、速度推定器6bの入力信号を、制御指令値の1サンプル遅延信号108b、外乱推定値109a、および速度推定器入力信号で構成しても良い。   Note that the sixth embodiment described above is merely an example, and for example, it is needless to say that the speed deviation limiter 7b illustrated in FIG. In the sixth embodiment, the speed estimator 6b is configured with a stationary Kalman filter. However, the speed estimator 6b may be configured with the Kalman filter described in the fourth embodiment. Further, the input signal of the speed estimator 6b may be composed of a one-sample delay signal 108b of a control command value, a disturbance estimated value 109a, and a speed estimator input signal.

この実施の形態6では、位置検出値104の誤差拡大期間において、外乱推定器12bにおける外乱推定動作を停止し、位置制御器3への位置フィードバック信号に位置推定値107を適用し、速度推定器6bへの速度推定器入力信号に位置推定値の1サンプル遅延信号108aを適用することで、位置検出器2の不良動作に起因するサーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制するようにした。   In the sixth embodiment, during the error expansion period of the position detection value 104, the disturbance estimation operation in the disturbance estimator 12b is stopped, the position estimation value 107 is applied to the position feedback signal to the position controller 3, and the speed estimator By applying the one-sample delay signal 108a of the position estimation value to the speed estimator input signal to 6b, the deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 due to the defective operation of the position detector 2 is suppressed. I tried to do it.

これにより、位置検出器2の不良動作に起因して,真の位置xに対する位置検出値104の誤差が一定期間拡大する場合においても、速度推定器6bを構成する定常カルマンフィルタが、真の位置xおよび真の速度を高精度に推定してサーボ制御装置100へフィードバックする。そのため、当該期間中におけるサーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度の劣化を抑制することが可能となる。   Thereby, even when the error of the position detection value 104 with respect to the true position x is expanded for a certain period due to the defective operation of the position detector 2, the steady Kalman filter constituting the speed estimator 6b is changed to the true position x. The true speed is estimated with high accuracy and fed back to the servo controller 100. Therefore, it is possible to suppress deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 during the period.

特に、この実施の形態6では、位置選択信号制御器11において、位置検出値104と位置推定値の1サンプル遅延信号108aとの誤差絶対値が第1の閾値以上となった場合に、位置選択信号を“正常”から“異常”に切り換えて保持する。更に、位置検出値104と位置推定値の1サンプル遅延信号108aとの誤差絶対値が第2の閾値以下に収束した場合、または、予め設定した復帰時間が経過した場合に、位置選択信号を“異常”から“正常”に切り換えて保持する。   In particular, in the sixth embodiment, the position selection signal controller 11 performs position selection when the absolute error value between the position detection value 104 and the one-sample delay signal 108a of the position estimation value is equal to or greater than the first threshold value. The signal is switched from “normal” to “abnormal” and held. Furthermore, when the error absolute value between the position detection value 104 and the one-sample delay signal 108a of the position estimation value has converged to the second threshold value or below, or when a preset return time has elapsed, the position selection signal “ Switch from “abnormal” to “normal” and hold.

これにより、位置検出値104の誤差拡大検知による切り換えタイミング、および位置検出器2の正常動作復帰による切り換えタイミングの双方において、外乱推定器12bの動作切り換えにおける不連続変化、および第1および第2の位置信号選択器の出力信号切り換えにおける不連続変化を極小化することができる。したがって、位置検出器2の不良動作に起因するサーボ制御装置100の位置制御精度および速度制御精度の劣化を極小化することが可能となる。加えて、予め設定した復帰時間が経過した場合にも位置検出器2の正常動作復帰を実行することで、外乱推定器12bの動作切り換え、および第1および第2の位置信号選択器における出力信号切り換えを確実に実行することが可能となる。   As a result, the discontinuous change in the operation switching of the disturbance estimator 12b and the first and second changes at both the switching timing by the error detection of the position detection value 104 and the switching timing by the normal operation return of the position detector 2. The discontinuous change in the output signal switching of the position signal selector can be minimized. Therefore, it is possible to minimize the deterioration of the position control accuracy and the speed control accuracy of the servo control device 100 due to the defective operation of the position detector 2. In addition, even when a preset return time has elapsed, the normal operation return of the position detector 2 is executed, thereby switching the operation of the disturbance estimator 12b and the output signals in the first and second position signal selectors. It becomes possible to execute switching reliably.

1 制御対象、2 位置検出器、3 位置制御器、4 速度制御器、5 アクチュエータ、6a 速度推定器、6b 速度推定器、7a 制御指令リミッタ、7b 速度偏差リミッタ、8 遅延器、8a 第1の遅延器、8b,8c 第2の遅延器、9 第1の位置信号選択器、10 第2の位置信号選択器、11 位置選択信号制御器、12a,12b 外乱推定器、100 サーボ制御装置、101 位置指令値、102 速度指令値、103 制御指令値、104 位置検出値、105 速度推定値、106 速度偏差、107 位置推定値、108 1サンプリング遅延信号、108a,108b,108c 1サンプル遅延信号、109a,109b 外乱推定値、200 サーボ制御装置、210 速度推定器。   1 control object, 2 position detector, 3 position controller, 4 speed controller, 5 actuator, 6a speed estimator, 6b speed estimator, 7a control command limiter, 7b speed deviation limiter, 8 delay unit, 8a first Delay unit, 8b, 8c second delay unit, 9 first position signal selector, 10 second position signal selector, 11 position selection signal controller, 12a, 12b disturbance estimator, 100 servo controller, 101 Position command value, 102 Speed command value, 103 Control command value, 104 Position detection value, 105 Speed estimation value, 106 Speed deviation, 107 Position estimation value, 108 1 sampling delay signal, 108a, 108b, 108c 1 sampling delay signal, 109a 109b Disturbance estimate, 200 Servo controller, 210 Speed estimator.

Claims (18)

並進変位または回転変位で規定される位置を制御量とする制御対象と、
上記制御対象の位置を検出して位置検出値として出力する位置検出器と、
少なくとも上記位置検出値に基づいて、上記制御対象の並進速度または回転速度で規定される速度を推定し、速度推定値として出力する速度推定器と、
外部から与えられる位置指令値と上記位置検出値とに基づいて、制御対象への速度指令値を演算して出力する位置制御器と、
上記速度指令値と上記速度推定値とに基づいて、制御対象への制御指令値を演算して出力する速度制御器と、
上記制御指令値に基づいて、上記制御対象に対して並進変位を制御するための制御力、または、回転変位を制御するための制御トルクを印加するアクチュエータと
を備えたサーボ制御装置であって、
上記速度推定器が、
上記サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性、に基づいたカルマンフィルタで構成され、
上記位置検出値および上記制御指令値を入力として、上記制御対象の上記速度推定値を推定して出力することを特徴とするサーボ制御装置。
A controlled object whose controlled variable is a position defined by translational displacement or rotational displacement;
A position detector that detects the position of the controlled object and outputs a position detection value;
A speed estimator that estimates a speed defined by a translation speed or a rotational speed of the control target based on at least the position detection value and outputs the speed as a speed estimation value;
A position controller that calculates and outputs a speed command value to be controlled based on a position command value given from the outside and the position detection value;
Based on the speed command value and the speed estimated value, a speed controller that calculates and outputs a control command value for a control target;
A servo control device comprising a control force for controlling translational displacement or an actuator for applying control torque for controlling rotational displacement based on the control command value;
The speed estimator is
It is composed of a Kalman filter based on dynamic characteristics from the control command value to the position detection value in a frequency region including the speed control band of the servo control device,
A servo control device, wherein the position detection value and the control command value are input and the speed estimation value of the control target is estimated and output.
上記速度推定器が、
上記カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲインを適用した定常カルマンフィルタで構成され、
上記位置検出値および上記制御指令値を入力として、上記制御対象の上記速度推定値を推定して出力することを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装置。
The speed estimator is
The Kalman filter is composed of a stationary Kalman filter that applies a stationary Kalman gain after convergence to a constant coefficient filter,
2. The servo control device according to claim 1, wherein the position detection value and the control command value are input and the speed estimation value of the control target is estimated and output.
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記位置検出値と、
上記速度指令値と上記速度推定値との速度偏差と、
を入力として、上記制御対象の上記速度推定値を推定して出力するように構成されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のサーボ制御装置。
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
The position detection value;
A speed deviation between the speed command value and the speed estimated value;
The servo control device according to claim 1, wherein the servo control device is configured to estimate and output the speed estimation value of the control target.
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記位置検出値および上記制御指令値を入力とする場合には、
上記サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性と、
上記サーボ制御装置のサンプリング周期とに基づいて構成されて、
上記速度指令値と上記速度推定値との速度偏差を入力とする場合には、
上記サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性と、
上記サーボ制御装置のサンプリング周期と、
上記速度制御器における比例制御ゲインとに基づいて構成された
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のサーボ制御装置。
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
When the position detection value and the control command value are input,
Equivalent inertia approximating the dynamic characteristic from the control command value to the position detection value by a rigid body characteristic in a frequency region including the speed control band of the servo control device,
Configured based on the sampling period of the servo control device,
When inputting the speed deviation between the speed command value and the speed estimated value,
Equivalent inertia approximating the dynamic characteristic from the control command value to the position detection value by a rigid body characteristic in a frequency region including the speed control band of the servo control device,
The sampling period of the servo controller;
The servo control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the servo control device is configured based on a proportional control gain in the speed controller.
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記速度制御器で実現する速度制御系ゲイン交点周波数と、
上記サーボ制御装置のサンプリング周期と、
に基づいて構成されたことを特徴とする請求項3記載のサーボ制御装置。
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
Speed control system gain intersection frequency realized by the speed controller,
The sampling period of the servo controller;
4. The servo control device according to claim 3, wherein the servo control device is configured based on the above.
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記速度推定値に加えて、上記制御対象の位置推定値を推定して出力し、
上記サーボ制御装置が、更に、
上記位置推定値の遅延信号を生成して出力する遅延器と、
上記位置推定値と上記位置検出値とのいずれか一方を位置選択信号に基づいて選択し、位置フィードバック信号として出力する第1の位置信号選択器と、
上記遅延器から出力される上記位置推定値の遅延信号と上記位置検出値とのいずれか一方を上記位置選択信号に基づいて選択し、速度推定器入力信号として出力する第2の位置信号選択器と、
上記速度推定器入力信号と上記位置検出値とに基づいて、上記第1の位置信号選択器および上記第2の位置信号選択器に入力するための上記位置選択信号を生成して出力する位置選択信号制御器と、
を備え、
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記速度推定器入力信号と、
上記制御指令値、または、上記速度指令値と上記速度推定値との速度偏差、を入力として、上記制御対象の上記位置推定値および上記速度推定値を推定して出力し、
上記位置制御器が、
外部から与えられる上記位置指令値と、上記位置フィードバック信号とに基づいて、上記速度指令値を演算して出力する
ように構成されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のサーボ制御装置。
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
In addition to the estimated speed value, the estimated position value of the controlled object is estimated and output,
The servo control device further comprises:
A delay unit that generates and outputs a delay signal of the position estimation value;
A first position signal selector that selects one of the position estimation value and the position detection value based on a position selection signal and outputs the position feedback signal;
A second position signal selector that selects one of the delay signal of the position estimation value output from the delay unit and the position detection value based on the position selection signal and outputs the selected signal as a speed estimator input signal. When,
Position selection for generating and outputting the position selection signal for input to the first position signal selector and the second position signal selector based on the speed estimator input signal and the position detection value A signal controller;
With
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
The speed estimator input signal;
With the control command value or the speed deviation between the speed command value and the speed estimated value as input, the position estimated value and the speed estimated value of the control target are estimated and output,
The position controller is
3. The servo control according to claim 1, wherein the speed command value is calculated and output based on the position command value given from outside and the position feedback signal. apparatus.
上記遅延器が、
上記位置推定値の遅延信号として、上記サーボ制御装置のサンプリング周期に対応する1サンプル遅延信号を生成して出力するように構成されたことを特徴とする請求項6記載のサーボ制御装置。
The delay device is
7. The servo control device according to claim 6, wherein a 1-sample delay signal corresponding to a sampling period of the servo control device is generated and output as a delay signal of the position estimation value.
上記位置選択信号制御器が、
上記速度推定器入力信号と上記位置検出値との誤差絶対値が第1の閾値以上となった場合に、
上記第1の位置信号選択器が、上記位置フィードバック信号として上記位置推定値を選択して出力し、
上記第2の位置信号選択器が,上記速度推定器入力信号として上記位置推定値の遅延信号を選択して出力する
ように上記位置選択信号を切り換えて保持し、
更に、上記速度推定器入力信号と上記位置検出値との誤差絶対値が第2の閾値以下に収束した場合、または、予め設定した復帰時間が経過した場合に、
上記第1の位置信号選択器が、上記位置フィードバック信号として上記位置検出値を選択して出力し、
上記第2の位置信号選択器が、上記速度推定器入力信号として上記位置検出値を選択して出力する
ように上記位置選択信号を切り換えて保持する
ように構成されたことを特徴とする請求項6記載のサーボ制御装置。
The position selection signal controller is
When the error absolute value between the speed estimator input signal and the position detection value is equal to or greater than a first threshold,
The first position signal selector selects and outputs the position estimate as the position feedback signal;
The second position signal selector switches and holds the position selection signal so as to select and output the delayed signal of the position estimation value as the speed estimator input signal;
Furthermore, when the error absolute value between the speed estimator input signal and the position detection value converges below a second threshold value, or when a preset return time has elapsed,
The first position signal selector selects and outputs the position detection value as the position feedback signal;
The second position signal selector is configured to switch and hold the position selection signal so as to select and output the position detection value as the speed estimator input signal. 6. The servo control device according to 6.
並進変位または回転変位で規定される位置を制御量とする制御対象と、
上記制御対象の位置を検出して位置検出値として出力する位置検出器と、
少なくとも上記位置検出値に基づいて、上記制御対象の並進速度または回転速度で規定される速度および位置を推定し、速度推定値および位置推定値として出力する速度推定器と、
外部から与えられる位置指令値と上記位置検出値とに基づいて、制御対象への速度指令値を演算して出力する位置制御器と、
上記速度指令値と上記速度推定値とに基づいて、制御対象への制御指令値を演算して出力する速度制御器と、
上記制御指令値に基づいて、上記制御対象に対して並進変位を制御するための制御力、または、回転変位を制御するための制御トルクを印加するアクチュエータと、
上記位置推定値の遅延信号を生成して出力する第1の遅延器と、
上記位置検出値および上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号に基づいて、上記制御対象へ作用する外乱を推定し、外乱推定値として出力する外乱推定器と、
上記制御指令値の遅延信号を生成して出力する第2の遅延器と、
を備えたサーボ制御装置において、
上記速度推定器が、
上記サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性に基づいたカルマンフィルタで構成され、
上記位置検出値、上記外乱推定値、および第2の遅延器から出力される制御指令値の遅延信号を入力として、上記制御対象の速度推定値および位置推定値を推定して出力することを特徴とするサーボ制御装置。
A controlled object whose controlled variable is a position defined by translational displacement or rotational displacement;
A position detector that detects the position of the controlled object and outputs a position detection value;
A speed estimator that estimates a speed and a position defined by a translation speed or a rotational speed of the control target based on at least the position detection value, and outputs the speed estimation value and the position estimation value;
A position controller that calculates and outputs a speed command value to be controlled based on a position command value given from the outside and the position detection value;
Based on the speed command value and the speed estimated value, a speed controller that calculates and outputs a control command value for a control target;
An actuator for applying a control force for controlling translational displacement or a control torque for controlling rotational displacement based on the control command value;
A first delay unit that generates and outputs a delay signal of the position estimation value;
A disturbance estimator that estimates a disturbance acting on the control target based on the position detection value and a delay signal of the position estimation value output from the first delay unit, and outputs the disturbance estimation value;
A second delay unit that generates and outputs a delay signal of the control command value;
In the servo control device with
The speed estimator is
In the frequency region including the speed control band of the servo control device, the Kalman filter based on the dynamic characteristics from the control command value to the position detection value,
The position detection value, the disturbance estimation value, and the delay signal of the control command value output from the second delay device are input, and the speed estimation value and the position estimation value of the control target are estimated and output. Servo control device.
上記速度推定器が、
上記カルマンフィルタが定係数フィルタへ収束した後の定常カルマンゲインを適用した定常カルマンフィルタで構成され、
上記位置検出値、上記外乱推定値、および第2の遅延器から出力される制御指令値の遅延信号を入力として、上記制御対象の速度推定値および位置推定値を推定して出力することを特徴とする請求項9記載のサーボ制御装置。
The speed estimator is
The Kalman filter is composed of a stationary Kalman filter that applies a stationary Kalman gain after convergence to a constant coefficient filter,
The position detection value, the disturbance estimation value, and the delay signal of the control command value output from the second delay device are input, and the speed estimation value and the position estimation value of the control target are estimated and output. The servo control device according to claim 9.
上記第2の遅延器が、
上記速度指令値から上記速度推定値を減じた速度偏差を入力として、上記速度偏差の遅延信号を生成して出力し、
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記位置検出値、上記外乱推定値、および第2の遅延器から出力される速度偏差の遅延信号を入力として、上記制御対象の速度推定値および位置推定値を推定して出力するように構成されたことを特徴とする請求項9または請求項10記載のサーボ制御装置。
The second delay device is
Using as input the speed deviation obtained by subtracting the speed estimated value from the speed command value, generating and outputting a delay signal of the speed deviation,
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
The position detection value, the disturbance estimation value, and the speed deviation delay signal output from the second delay unit are input, and the speed estimation value and the position estimation value of the control target are estimated and output. The servo control device according to claim 9 or 10, wherein
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記位置検出値、上記外乱推定値、および第2の遅延器から出力される制御指令値の遅延信号を入力とする場合には、
サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性と、
サーボ制御装置のサンプリング周期とに基づいて構成されて、
上記位置検出値、上記外乱推定値、および第2の遅延器から出力される速度偏差の遅延信号を入力とする場合には、
サーボ制御装置の速度制御帯域を内包する周波数領域における、上記制御指令値から上記位置検出値までの動特性を剛体特性で近似した等価慣性と、
サーボ制御装置のサンプリング周期と、
上記速度制御器における比例制御ゲインとに基づいて構成された
ことを特徴とする請求項9から請求項11の何れか1項記載のサーボ制御装置。
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
When the position detection value, the disturbance estimated value, and the delay signal of the control command value output from the second delay device are input,
Equivalent inertia approximating the dynamic characteristics from the control command value to the position detection value by the rigid body characteristics in the frequency domain including the speed control band of the servo control device,
Configured based on the sampling period of the servo controller,
When the position detection value, the disturbance estimation value, and the delay signal of the speed deviation output from the second delay device are input,
Equivalent inertia approximating the dynamic characteristics from the control command value to the position detection value by the rigid body characteristics in the frequency domain including the speed control band of the servo control device,
The sampling period of the servo controller;
12. The servo control device according to claim 9, wherein the servo control device is configured based on a proportional control gain in the speed controller.
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記速度制御器で実現する速度制御系ゲイン交点周波数と、
上記サーボ制御装置のサンプリング周期と、
に基づいて構成されたことを特徴とする請求項11記載のサーボ制御装置。
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
Speed control system gain intersection frequency realized by the speed controller,
The sampling period of the servo controller;
The servo control device according to claim 11, wherein the servo control device is configured based on the above.
上記第1の遅延器が、
上記位置推定値の遅延信号として、上記サーボ制御装置のサンプリング周期に対応する1サンプル遅延信号を生成して出力するように構成されたことを特徴とする請求項9記載のサーボ制御装置。
The first delay is
10. The servo control device according to claim 9, wherein a one-sample delay signal corresponding to a sampling period of the servo control device is generated and output as the delay signal of the position estimation value.
上記第2の遅延器が、
上記制御指令値の遅延信号、または速度偏差の遅延信号として、上記サーボ制御装置のサンプリング周期に対応する1サンプル遅延信号を生成して出力するように構成されたことを特徴とする請求項9または請求項11記載のサーボ制御装置。
The second delay device is
10. A one-sample delay signal corresponding to a sampling period of the servo control device is generated and output as the control command value delay signal or the speed deviation delay signal. The servo control device according to claim 11.
上記外乱推定器が、
PI補償器と位相進み補償器との直列接続で構成され、
上記位置検出値から上記位置推定値の遅延信号を減じた位置推定誤差を入力として、上記制御対象へ作用する外乱推定値を推定して出力することを特徴とする請求項9から請求項11の何れか1項記載のサーボ制御装置。
The disturbance estimator is
It consists of a series connection of a PI compensator and a phase lead compensator,
12. A disturbance estimation value acting on the control target is estimated and output using a position estimation error obtained by subtracting a delay signal of the position estimation value from the position detection value as input. The servo control device according to any one of claims.
上記外乱推定器が、
外乱推定動作の実行または停止を位置選択信号に基づいて決定するように構成され、
上記サーボ制御装置が、更に、
上記位置検出値と上記位置推定値とのいずれか一方を上記位置選択信号に基づいて選択し、上記位置制御器への位置フィードバック信号として出力する第1の位置信号選択器と、
上記位置検出値と上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号とのいずれか一方を上記位置選択信号に基づいて選択し、速度推定器入力信号として出力する第2の位置信号選択器と、
上記位置検出値および上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号に基づいて、上記第1の位置信号選択器、上記第2の位置信号選択器、および上記外乱推定器に入力するための上記位置選択信号を生成して出力する位置選択信号制御器と、
を備え、
上記速度推定器を構成するカルマンフィルタまたは定常カルマンフィルタが、
上記第2の位置信号選択器からの上記速度推定器入力信号、上記外乱推定値、および上記第2の遅延器から出力される制御指令値または速度偏差の遅延信号を入力として、上記制御対象の速度推定値および位置推定値を推定して出力し、
上記位置制御器が、
外部から与えられる上記位置指令値と、上記第1の位置信号選択器からの上記位置フィードバック信号とに基づいて、上記速度指令値を演算して出力する
ように構成されたことを特徴とする請求項9から請求項11の何れか1項記載のサーボ制御装置。
The disturbance estimator is
Configured to determine the execution or stop of the disturbance estimation operation based on the position selection signal;
The servo control device further comprises:
A first position signal selector that selects one of the position detection value and the position estimation value based on the position selection signal and outputs the position detection signal as a position feedback signal to the position controller;
A second position signal that selects either one of the position detection value and a delay signal of the position estimation value output from the first delay unit based on the position selection signal and outputs it as a speed estimator input signal A selector,
Input to the first position signal selector, the second position signal selector, and the disturbance estimator based on the position detection value and the delay signal of the position estimation value output from the first delay unit. A position selection signal controller that generates and outputs the position selection signal for
With
The Kalman filter or stationary Kalman filter constituting the velocity estimator is
The speed estimator input signal from the second position signal selector, the disturbance estimation value, and the control command value or speed deviation delay signal output from the second delay unit are input, and the control target Estimate and output velocity and position estimates,
The position controller is
The speed command value is calculated and output based on the position command value given from the outside and the position feedback signal from the first position signal selector. The servo control device according to any one of claims 9 to 11.
上記位置選択信号制御器が、
上記位置検出値と上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号との誤差絶対値が第1の閾値以上となった場合に、
上記外乱推定器が、直前の外乱推定値を保持した状態で外乱推定動作を停止し、
上記第1の位置信号選択器が、上記位置推定値を選択して出力し、
上記第2の位置信号選択器が、上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号を選択して出力する
ように上記位置選択信号を切り換えて保持し、
上記位置選択信号を切り換えた後に、上記位置検出値と上記第1の遅延器から出力される位置推定値の遅延信号との誤差絶対値が第2の閾値以下に収束した場合、または、上記位置選択信号を切り換えた後に、予め設定した復帰時間が経過した場合に、
上記外乱推定器が、外乱推定動作を実行し、
上記第1の位置信号選択器が、上記位置検出値を選択して出力し、
上記第2の位置信号選択器が、上記位置検出値を選択して出力する
ように上記位置選択信号を切り換えて保持する
ことを特徴とする請求項17記載のサーボ制御装置。
The position selection signal controller is
When the absolute error value between the position detection value and the delay signal of the position estimation value output from the first delay device is equal to or greater than a first threshold value,
The disturbance estimator stops the disturbance estimation operation while holding the previous disturbance estimated value,
The first position signal selector selects and outputs the position estimate;
The second position signal selector switches and holds the position selection signal so as to select and output the delay signal of the position estimation value output from the first delay device,
After the position selection signal is switched, the error absolute value of the position detection value and the delay signal of the position estimation value output from the first delay unit converges below a second threshold value, or the position When the preset return time has elapsed after switching the selection signal,
The disturbance estimator performs a disturbance estimation operation,
The first position signal selector selects and outputs the position detection value;
18. The servo control apparatus according to claim 17, wherein the second position signal selector switches and holds the position selection signal so as to select and output the position detection value.
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