WO2006011519A1

WO2006011519A1 - サーボ制御装置

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Publication number: WO2006011519A1
Application number: PCT/JP2005/013747
Authority: WO
Inventors: Seitaro Ohta; Hiroshi Nakamura
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2007-01-27
Also published as: US7449857B2; TW200627109A; JPWO2006011519A1; US20080036413A1; JP4697139B2; DE112005001789T5

Abstract

　本発明の課題は、速度一定時の位置偏差を零とするとともに、加速度一定時、又は、加速度及び躍度一定時の位置偏差を零として高精度追従応答を実現することができるサーボ制御装置を提供することである。　この課題を解決するためのサーボ制御装置は、モータ出力を目標位置に一致させる速度指令を生成する位置制御器（３）と、目標指令を微分しゲインを乗じた信号と目標指令を２回微分しゲインを乗じた信号を加算し、速度フィードフォワードを生成するフィードフォワード制御器（４）と、モータ（１）を制御するＩ－ＰないしＰＩ制御を行う速度制御器（２）とを備える。

Description

サーボ制御装置

技術分野

[0001] 本発明は高い指令追従精度を必要とする工作機、半導体製造装置、実装機などを駆動するサーボ制御装置に関する。

背景技術

[0002] 目標指令とモータ出力とを一致させるサーボ制御装置として、従来力様々な構成が提案されてヽる (特許文献 1を参照)。

[0003] 図 3は、特許文献 1に開示されたサーボ制御装置の構成を表すブロック図である。

図 3において、 1はモータ、 2は速度制御器、 5 'は予測制御器、 6は差分器、 50はフイードフォワード (FF)信号作成指令フィルタである。

FF信号作成指令フィルタ 50に未来目標指令が入力されると、 FF信号作成指令フィルタ 50は速度フィードフォワード信号 V とトルクフィードフォワード信号 T と位置指

FF FF

令増分値 A rを生成し、予測制御器 5 'には速度フィードフォワード信号 V とトルクフ

FF

イードフォワード信号 T と位置指令増分値 Δ ι:を出力し、速度制御器 2には速度フィ

FF

ードフォワード信号 V とトルクフィードフォワード信号 Τ を出力する。予測制御器 2

FF FF

は位置指令増分値 Δ Γ、速度フィードフォワード信号 VFF、トルクフィードフォワード信号 T とモータ位置の増分値を入力し、速度指令を生成し速度制御器 2に出力する。

FF

速度制御器 2は速度指令、速度フィードフォワード信号 V 、トルクフィードフォワード

FF

信号 T を入力してモータに電力を供給する。モータ 1は速度制御器力電力を供給

FF

されトルクを発生し、イナ一シャゃ負荷に応じて加速度を発生、回転する。モータの出力は位置である。

[0004] 図 4はフィードフォワード信号作成指令フィルタ 50のブロック図である。図 4において、 21はフィルタ、 22はフィードフォワード信号演算器、 23はメモリである。

フィルタ 21は、未来目標指令をフィルタリングする目的で用いることが可能なフィルタであり、フィルタリングされた未来目標指令を出力する。メモリ 23は、フィルタ 21の出力を入力して、現在時刻ゝら M (Mは自然数)サンプリング未来までの目標指令増分値 Ar(i)、 Ar(i+1)、 ···、 Δι: (i+M)を記憶して FF信号演算器 22と予測制御器 5'とに出力する。 FF信号演算器 22は、メモリ 23の出力を入力して、速度フィードフォワード信号 V とトルクフィードフォワード信号 T を生成し、予測制御器 5'と速

FF FF

度制御器 2へ出力する。

[0005] 図 2は、特許文献 1に開示されたサーボ制御装置の構成を変形して書き直したプロック図であり、モータ 1の出力を目標指令に一致させるように、第 2フィードフォワード制御器 40と、予測制御器 5と、速度制御器 2と、モータ 1と、差分器 6とを有している。図 3と図 2との差異は、 FF信号指令作成フィルタ 50内のフィルタの有無にかかわらず、メモリ 23に記憶されるべき目標指令増分値 Δι:を直接、第 2フィードフォワード制御器 40と予測制御器 5へ入力すること、 FF信号演算器 22が演算し出力する信号を速度フィードフォワード信号 V のみとし、 FF信号演算器 22とメモリ 23とを第 2フィード

FF

フォワード制御器 40と予測制御器 5の両方に持たせたことである。これにより、第 2フイードフォワード制御器 40から出力される速度フィードフォワード信号 V (i)は速度

FF

制御器 2へのみ出力される。

[0006] 図 6は第 2フィードフォワード制御器 40の構成を示すブロック図である。図 6を参照すると、第 2フィードフォワード制御器 40は、メモリ 23と FF信号演算器 22とを有している。メモリ 23は、目標指令増分値を順次記憶して、現在時刻ゝら M(Mは自然数）サンプリング未来までの指令増分値 Ar(i)、 ΔΓ(1+1)···, Ar(i+M)記憶して FF 信号演算器 22に出力する。 FF信号演算器 22は、メモリ 23から出力された指令増分値 Ar(i)、 ΔΓ(1+1)···, Ar (i+M)から速度フィードフォワード信号 V (i)を求め

FF

て出力する。速度フィードフォワード信号を求める演算式は特に限定されるものではなぐ例えば、モータ 1に加わる外乱が判っている場合は演算によってそれらを打ち消してもよぐまた、

V (i)=ffv/Ts- Ar(i+ml)

FF

としてもよい。ここで ffvはフィードフォワードゲイン、 Tsはサンプリング周期、 Ar(i+m 1)は mlサンプリング未来の指令増分値、 mlは 0≤mlの整数である。

[0007] 図 5は予測制御器 5の構成を示すブロック図である。予測制御器 5は指令増分値 Δ r(i)と、モータ 1の K(K≥0の整数）サンプリング過去の位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値 Ay(i— K)と、を入力し、速度指令から出力までの伝達関数モデルを用いて未来の偏差予測値を求め、その未来偏差予測値と速度指令 u(i)に関する評価関数が最小となるように速度指令 u(i)を決定し出力する。

[0008] 図 5を参照すると、予測制御器 5は FF信号演算器 22と、メモリ 23 101 102 103

104 105と、演算器 106と、減算器 108と、積算器 109と、を有してヽる。メモリ 23 、および FF信号演算器 22は図 6記載のメモリ 23、および FF信号演算器 22と同じであり、 FF信号演算器 22からは V (i)が出力される。メモリ 103はメモリ 23の出力で

FF

ある未来の指令増分値 Ar(i+1)、 Ar(i+2)、 ··· Ar (i+M)を入力し、過去の指令増分値 Ar (ト 1)、 Ar(i— 2)、 ··· Ar(i— K)を記憶する。メモリ 102は予測制御用の定数 V (m=-K+l, -K+2, ···, M)、 p (n=0, 1, ···, Na)、 E g (n m n n

=1, ···, Nb+K— 1)、 x (n=0, 1, · · ·, Nd+K— 1)を記憶する。なお、 Na Nb Ndは自然数である。メモリ 104は位置出力増分値 Ay (i—K)を入力として過去の出力増分値 Ay(i— K)、 Ay(i - Κ 1)、 Ay (i - K— Na+ 1)を記憶する。メモリ 105は速度指令 u (i)を入力として過去の速度指令 u (i— 1) u (i— 2) u (i — K— Nb + 1)を記憶する。メモリ 101は FF信号演算器 22の出力を入力として、 V

FF

(i)、V (i— 1)、···ν (i— K— Nd+1)を記憶する。減算器 108はメモリ 103に記

FF FF

憶された指令増分値 Ar(i— K)とモータ 1の位置出力増分値 Ay(i— K)との偏差増分値を求め、積算器 109は、減算器 108の出力である偏差増分値を積算し、偏差 e( i-K)を求める。演算器 106は式（1)の演算により現在時刻の速度指令 u(i)を算出して速度制御器 2に出力する。

[0009] [数 1]

M Na-\ Nb^K-) Ν -Κ u(i)= ∑v^r{i +m) - -K-n) +Ε -Κ) - ∑^'-«) (1 )

[0010] 次に、式（1)について説明する。

速度制御器 2へ入力する速度フィードフォワード信号 V (i)、および速度指令 u (i)

FF

力モータ 1の位置出力 y(i)までの離散時間伝達関数モデルが、

[0011] [数 2] ( — '+· · ■ + b_Nbz-^m)u(z) + (d_lz- +- · -+d_Ndz-^Nd)V_FF(_Z) ) ( 2)

(1- )(1_" に' · --a_mz-^Na)

[0012] で得られて、るとする。ただし、 y(z), u (ζ) , V (ζ),はそれぞれ y (i) , u(i), V (i)

FF FF

の z変換である。

そこで、評価関数

[0013] [数 3]

m=\

[0014] が最小となるように速度指令 u(i)を決定すると式（1)を得る。ここで、 e (i+m)は m サンプリング未来時刻における偏差予測値、 w 、 αは偏差に掛ける係数、 cおよび c は速度指令 u(i)およびその増分値 Au(i)に掛ける係数である。ここで、式（1)における各定数 V , E, p , g , Xは

[0015] [数 4]

M

=∑β O

s=\

M

m = -K + l -K + 2,...M s-m

E (1 + α)ν

M

v A n = 0,l,...,Na-\

p_n - ∑

Μ

∑ ^Vm^D n = 0X...,Nd + K-\

[0016] となる。ただし、 A 、B 、D は式（2)における離散時間伝達関数モデルの係数 a

mn mn mn 1

〜a 、 b〜b 、 d〜d 力算出される係数である。

Na 1 Nb 1 Nd

このように、従来のサーボ制御装置は予測制御器 5から出力される速度指令 u(i)と第 2フィードフォワード制御器 40から出力される速度フィードフォワード信号 V—— (i)と

FF

を用いてモータを制御するようになって、る。また、目標指令とモータ出力とを一致させるサーボ制御装置として、図 2内の予測制御器 5の代わりに位置比例制御器を用いてもよい。この場合は、目標指令とモータの位置出力との偏差を比例倍して速度指令とする。

特許文献 1 :特開 2002— 62906号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0017] 従来のサーボ制御装置は予測制御器 5により作成された速度指令 u (i)と第 2フィードフォワード制御器 40により作成された速度フィードフォワード信号 V (i)を用いて、

FF

速度一定時の位置偏差を零とすることができる力加速度一定時、又は、加速度及び躍度 (加速度の時間微分)一定時の位置偏差を零とすることができな、と、う問題点がめった。

[0018] また、位置比例制御、速度 PI制御、または速度 I— P制御であって、目標指令を微分した信号を速度フィードフォワード信号 V (i)として入力するようなサーボ制御装

FF

置であれば、速度一定時、および加速度一定時の偏差を零とすることができる力モータに粘性摩擦を持つ制御対象の場合、加速度一定時、又は、加速度及び躍度一定時の位置偏差を零とすることができな、と、う問題点があった。

[0019] 本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、速度一定時の位置偏差を零とするとともに、加速度一定時、又は、加速度及び躍度一定時の位置偏差を零として高精度追従応答を実現することができるサーボ制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0020] 請求項 1記載の本発明は、モータの速度制御を行う速度制御器と、目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、目標指令増分値を入力して、第 1速度フィードフォヮード信号を前記速度制御器へ出力する第 1フィードフォワード制御器とを備えたサーボ制御装置において、第 1フィードフォワード制御器は、第 2速度フィードフォワード信号 V 〖こ、目標指令の 2回微分値に制御ゲインを乗じた第 3速度フィードフォワード信号を加えて第 1速度フィードフォワード信号 V として速度制御器へ出力し、加速

F2

度一定時に目標位置とモータの位置出力の偏差が零になるように、制御ゲインを設定するようにしたものである。

[0021] 請求項 2記載の本発明は、モータの速度制御を行う速度制御器と、目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、目標指令増分値を入力して、第 1速度フィードフォヮード信号を前記速度制御器へ出力する第 1フィードフォワード制御器とを備えたサーボ制御装置において、第 1フィードフォワード制御器は、第 2速度フィードフォワード信号 V 〖こ、目標指令の 2回微分値に制御ゲインを乗じた第 3速度フィードフォワード

FF

信号を加えて第 1速度フィードフォワード信号 V として速度制御器へ出力し、加速

F2

度一定時に目標位置とモータの位置出力の偏差が零になるように、制御ゲインを設定し、前記目標指令増分値 Arが減速時かつ設定された閾値以下であるときには前記第 3フィードフォワード信号の出力を零または設定されたゲインを乗じて出力するようにしたものである。

[0022] 請求項 3記載の本発明は、請求項 1記載のサーボ制御装置において、第 1フィードフォワード制御器は次式

[数 5]

V_F2 = ^ ( - ^ r ₊ V_FF

Is ここで Arは前記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは加速度一定時に前

2

記目標位置と前記モータの位置出力との偏差が零となるように設定される制御ゲイン、 z^_1は 1サンプリング周期分の遅延

にしたがって、速度フィードフォワード信号 V を生成し、速度制御器へ出力するよう

F2

にしたものである。

[0023] 請求項 4記載の本発明は、請求項 2記載のサーボ制御装置において、第 1フィードフォワード制御器は次式

ここで Arは前記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは加速度一定時に前

2

に従って、速度フィードフォワード信号 V を生成し、前記目標指令増分値 Δι:が減速

F2

時かつ設定された閾値以下である時のみ次式

[数 7]

V_F = V_FF 、または， =¾^(1- ₊ ア

一 Is ここで、 Kはゲイン

3

に従って前記速度フィードフォワード信号 V を生成し、

F2

前記速度制御器へ出力するようにしたものである。

[0024] 請求項 5記載の本発明は、請求項 1または 2記載のサーボ制御装置において、位置制御器は、現在時刻 iにおいて、 Mサンプリング未来の前記目標指令増分値 Ar(i + M)と、 K(K≥0)サンプリング前の前記位置出力増分値 Ay(i— K)とを入力し、評価関数式 (3)を最小とする速度指令 u (i)を出力する予測制御器であるようにしてものである。

[0025] 請求項 6記載の本発明は、請求項 3または 4記載のサーボ制御装置において、前記位置制御器は、次式

[0026] [数 8]

[0027] ここで uは前記速度指令、 Ayは前記位置出力増分値、 Eは制御パラメータ、 ffvはフイードフォワードゲイン、 V 、 G (z)、 X (z)、 Pはそれぞれ、

V = v /{K (1 + C )}

gv D

G(z) = (g )z—ソ (1 + C )

P =(-i-g *+Τ · v )/{K -T (1 + C )}

0 I s sum g v s D

であり、 g *、 v 、 C は制御パラメータ、 Kgvは速度指令力も速度フィードバックまで

1 sum D

の定常ゲイン

なる伝達関数特性をもつようにしたものである。

[0028] 請求項 7記載の本発明は、請求項 6記載のサーボ制御装置にお、て、速度制御器力 P制御器であり、フィードフォワード制御器における速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより

F

で与えられ、制御ゲインである Kが

2

κ =T {C (l-ffv)-g *}/(i+g *)+ϋ·τ/α·κ)

2 s D 1 1 i v

ここで Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲイン

で与えられるようにしたものである。

[0029] 請求項 8記載の本発明は、請求項 6記載のサーボ制御装置にお、て、速度制御器は ΡΙ制御器であり、第 1フィードフォワード制御器における第 2速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより

で与えられ、制御ゲインである Kが

2

κ =T {C (l-ffv)-g *}/(i+g *)+ϋ·τ/α·κ)

2 s D 1 1 i v

で与えられるようにしたものである。

[0030] 請求項 9記載の本発明は、請求項 3または 4記載のサーボ制御装置において、位置制御器が比例制御器であり、速度制御器が PI制御器、または I P制御器であり、フィードフォワード制御器における前記速度フィードフォワード信号 V は、フィードフ

FF

ォワードゲイン ffvにより

V =ffv/Ts- ΔΓ で与えられ、パラメータである K、 ffvが

2

K =D-T/ (J-K )

2 i V

ffv= l

ここで Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲインで与えられるようにしたものである。

[0031] 請求項 10記載の本発明は、目標指令に、粘性摩擦を持つモータの出力を一致させるように制御するサーボ制御装置であり、前記モータの速度制御を行う速度制御器と、前記目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、前記目標指令増分値を入力して、速度フィードフォワード信号を前記速度制御器へ出力するフィードフォワード制御器とを備えたサーボ制御装置において、前記フィードフォワード制御器は、前記目標指令の微分値にゲイン ffvを乗じた信号 V に、目標指令の 2回微分値にゲイン K

FF 2 を乗じた信号を加えて、速度フィードフォワード信号 V として出力し、前記ゲイン ffv

F2

と、前記ゲイン κは加速度一定時、及び躍度一定時に目標指令とモータの

2 位置出力との偏差が零となるように設定されるフィードフォワード制御器であることを特徴とするものである。

[0032] 請求項 11記載の本発明は、目標指令に、粘性摩擦を持つモータの出力を一致させるように制御するサーボ制御装置であって、前記モータの速度制御を行う速度制御器と、前記目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、前記目標指令増分値を入力して、速度フィードフォワード信号を前記速度制御器へ出力するフィードフォワード制御器と、を備えたサーボ制御装置において、

前記フィードフォワード制御器は、前記目標指令の微分値にゲイン ffvを乗じた信号 V に、前記目標指令の 2回微分値にゲイン Kを乗じた信号を加えて、速度フィー

FF 2

ドフォワード信号 V として生成し、前記ゲイン ffvと、前記ゲイン Kは加速度一定時、及び躍度一定時に前記目標指令と前記モータの位置出力との偏差が零となるように設定され、前記目標指令増分値が減速時かつ設定された閾値以下であるときには前記ゲイン Kを零とするまたは前記ゲイン Kにさらに設定されたゲイン Kを乗じたゲ

2 2 3 インを設定するフィードフォワード制御器であることを特徴とするものである。

[0033] 請求項 12記載の本発明は、請求項 10記載のサーボ制御装置において、フィードフォワード制御器は

[0034] [数 9] 2 = (卜 + ^ [0035] にしたがって、速度フィードフォワード信号 V を生成し、出力する、ただし、 Arは前

F2

記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは制御ゲイン、 z^_1は 1サンプリング

2

周期分の遅延であるフィードフォワード制御器であることを特徴とするものである。

[0036] 請求項 13記載の本発明は、請求項 11記載のサーボ制御装置において、前記フィードフォワード制御器は

[0037] [数 10] 2 = Is (卜²-〗) + ただし、 Δι:は前記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは制御ゲイン、 z"¹

2

は 1サンプリング周期分の遅延

にしたがって、速度フィードフォワード信号 V を生成するフィードフォワード制御器で

F2

あり、前記目標指令増分値が減速時かつ設定された閾値以下であるときには

[0038] [数 11]

V_F2 ：または V_F2 = ^ -{l - z-^ r ₊ V_FF

is

[0039] ただし、 Kは制御ゲイン、

3

F2

あることを特徴とするものである。 [0040] 請求項 14記載の本発明は、請求項 10または請求項 11記載のサーボ制御装置において、前記位置制御器は、現在時刻 iにおいて、 Mサンプリング未来の前記目標指令増分値 Ar(i+M)と、 K(K≥0)サンプリング前の前記位置出力増分値 Ay(i— K)と、を入力し、評価関数

[0041] [数 12]

M ₍

^ = L^_m^ (i + m) + ae(i-K)} +c{u(i)f +c_d^u(i)}

[0042] ただし、 (i+m)は mサンプリング未来時刻における偏差予測値、 e(i— K)は Kサンプリング前の偏差、 w 、 αは偏差に掛ける係数、 cおよび cは速度指令 u(i)および m d

その増分値 Au(i)に掛ける係数、を最小とする速度指令 u(i)を出力する予測制御器であることを特徴とするものである。

[0043] 請求項 15記載の本発明は、請求項 10または請求項 11記載のサーボ制御装置でおいて、前記位置制御器は

[0044] [数 13]

[0045] ただし、 uは前記速度指令、 Ayは前記位置出力増分値、 Eは制御パラメータ、 ffv はフィードフォワードゲイン、 V 、 G (z)、 X(z)、 Pはそれぞれ、

sum 0

[0046] [数 14]

y 二 V sum

Kgv(\ + C_D

G(z) =

1 + C

1 + C_D

) 一 -卜 * +Ts - v_s

0

Kgv Ts(\ + C_D )

[0047] ここで、 g *、 v 、 C は制御パラメータ、 Kgvは速度指令力も速度フィードバックま

1 sum D

での定常ゲイン、なる伝達関数特性をもつ位置制御器であることを特徴とするものである。

[0048] 請求項 16記載の本発明は、請求項 15記載のサーボ制御装置において、前記速度制御器力 P制御器であり、フィードフォワード制御器における速度フィードフォヮード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより V =ffvZTs ' Arで与えられ、前

FF FF

記フィードフォワードゲイン ffvが

[0049] [数 15]

[0050] ただし、 Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲイン、

で与えられ、制御ゲインである Kが

2

[0051] [数 16]

[0052] で与えられることを特徴とするものである。

[0053] 請求項 17記載の本発明は、請求項 15のサーボ制御装置において、前記速度制御器は PI制御器であり、前記フィードフォワード制御器における前記速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより V =ffvZTs' Arで与えられ

FF FF

、前記フィードフォワードゲイン ffvが、

[0054] [数 17] f_fv D Ti(l + gl *f (Ti -2Ts)-j{ gl *f Ti - KvTs²(C_D -gl *)² }

KvTs² -C_D(C_D -gl*)

[0055] ただし、 Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲイン、で与えられ、

制御ゲインである Κが

2

[0056] [数 18]

[0057] で与えられることを特徴とするものである。

発明の効果

[0058] 本発明によると速度一定時の位置偏差を零とするとともに、加速度一定時、又は、加速度及び躍度一定時の位置偏差を零として高精度追従応答を実現することができる。特に請求項 2, 11の発明によると指令払い出し後の位置偏差をさらに小さくすることがでさる。

図面の簡単な説明

[0059] [図 1]本発明の第 1および第 2実施例を示すサーボ制御装置のブロック図

[図 2]従来のサーボ制御装置のブロック図

[図 3]従来の予測制御装置を用いた特許文献 1のサーボ制御装置のブロック図 [図 4]従来の予測制御装置を用いた FF信号作成フィルタを示すブロック図

[図 5]従来の予測制御装置を用いた予測制御器の一例を示すブロック図

[図 6]従来の予測制御装置を用いた FF信号作成フィルタの一例を示- [図 7]本発明の第 3実施例を示すサーボ制御装置のブロック図 [図 8]本発明の第 4実施例を示すサーボ制御装置のブロック図圆 9]本発明の第 5実施例を示すサーボ制御装置のブロック図符号の説明

1 モータ

2 速度制御器

3 位置制御器

4 第 1フィードフォワード制御器

5 予測制御器

5' 予測制御器

6 差分器

7 第 1フィードフォワード制御器

21 フイノレタ

22 FF信号演算器

23 メモリ

40 第 2フィードフォワード制御器

41 第 3フィードフォワード制御器

42 加算器

43 フィードフォワード変更手段

50 FF信号作成指令フィルタ

60 予測制御装置

70 第 2フィードフォワード制御器

71 第 3フィードフォワード制御器

72 加算器

73 フィードフォワード変更手段

100 メモリ

101 メモリ

102 メモリ

103 メモリ 104 メモリ

105 メモリ

106 演算器

108 減算器

109 積算器

発明を実施するための最良の形態

[0061] 以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

実施例 1

[0062] 図 1は本発明の実施例 1を説明するためのサーボ制御装置のブロック図である。図 1において、 1はモータ、 2は速度制御器、 3は位置制御器である。また 4は第 1のフィードフォワード制御器、 40は第 2フィードフォワード制御器、 41は第 3フィードフォヮ一ド制御器、 42は加算器である。

第 1フィードフォワード制御器 4は第 2フィードフォワード制御器 40と第 3フィードフォワード制御器 41と加算器 42とを備えており、図示していない上位指令器より与えられた目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値 Δι:を基に、第 2フィードフォワード制御器 40の出力である第 2速度フィードフォワード信号 V と、

FF

K (l -z^_1) /Ts²

2

なる伝達関数特性をもつ第 3フィードフォワード制御器 41の出力第 3速度フィードフォワード信号とを加算器 42により加算し、第 1速度フィードフォワード信号 V として速

F2 度制御器へ出力する。

即ち、速度フィードフォワード信号 V は、

F2

V =[{K (1 -z"¹) Ar}/Ts²]+V (4)

F2 2 FF

で与えられる。ここで、 Arは目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは制御ゲ

2 イン、 V は第 2速度フィードフォワード信号であり、例えば、フィードフォワードゲイン f

FF

より、

V (i) =ffv/Ts- Δ Γ (5)

FF

として与える。

本実施例のサーボ制御装置が特許文献 1と異なる部分は、第 2速度フィードフォヮード信号 V に目標指令を 2回微分して制御ゲイン Kを乗じた信号を加算した信号

FF 2

を第 1速度フィードフォワード信号 V としていることである。

F2

このとき、速度制御器 2は I P制御器ないし、 PI制御器であるものとする。また、位置制御器 3は、特許文献 1に記載された予測制御器 5であるような、既存のものでよい。いま、速度フィードフォワード信号 V (i)、および速度指令 u(i)力もモータ 1の出

FF

力 y (i)までの離散時間伝達関数モデルが、

[0063] [数 19] v₍ , y z) = κ り J

[0064] ただし、 Kgvは速度指令力も速度フィードバックまでの定常ゲイン、で与えられ、 Na

=1, Nb = 2, Nd=2, d '=b '(η=1, 2), K=0の場合を考える。さらに、位置制御器 3から出力される速度指令 u(i)を

[0065] [数 20]

M 1

( ) = v_mAr(,' + )— ρ₀Δ + — 1)—^^„ (,一 ( 7 )

[0066] で与え、各定数 V 、 E, p , g , X (n=l, 2)は

m 0 1 n

[0067] [数 21]

M

Wc'二∑i3_s ， q_s =3_S/W₍

p o

s ,

-_

M ,

Si' ニ Vn Bmi 二 g】*-c_D

g] 1 + C + C_D

1

1 + C + C 1 + C + C

(8)

[0068] ただし、 A 、B Ίま式 (6)における離散時間伝達関数モデルの係数 a〜a 、 b' mn mn 1 Na

〜 Nb力算出される係数である。

式（5)、（7)、（8)より、図 1における位置制御器 3の伝達関数は

[0069] [数 22]

u Δ (9)

[0070] ただし、 V 、 G (ζ)、 X (ζ)、 Ρはそれぞれ、 C = 0を条件として、

sum 0

[0071] [数 23] V sum *

=1

— 1

1 + *·ζ

) =

1+ C D

-I- g_l *+Js-v

Kgv T_S(\ + C_D)

(10)

[0072] となる。

なお、本実施例におけるサーボ制御装置の位置制御器 3は、必ずしも予測制御系である必要はなぐ式（9)および、式（10)を満足するような任意の位置制御器であつて、速度制御器 2が I P制御器であれば、第 1フィードフォワード制御器 4内の制御ゲインを

2

[0073] [数 24] κ₂ = Ti(l -M+ (C_D (1 -M-g*)+ (ID l + ^, * ゾ.人 v

[0074] ただし、 Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時定数、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲイン、で与えることで、加速度一定時の偏差を零とすることができ、

速度制御器 2が ΡΙ制御器であれば、制御ゲイン Κを

2

[0075] [数 25] κ₂二 (12)

[0076] で与えることで、加速度一定時の偏差を零とすることができる。実施例 2

[0077] 図 1に示すサーボ制御装置における位置制御器 3は予測制御器に代えて他の構成の位置制御器であってもよぐ位置制御器 3が位置比例制御器であって、速度制御器 2が、速度 I P制御器または速度 PI制御器である場合には、

K2 = DT / (JK )

ffv= l

で与えることで、加速度一定時の偏差を零とすることができる。

実施例 3

[0078] 図 7は図 1に示したサーボ制御装置の第 1フィードフォワード制御器 4内にフィードフォワード変更手段 43が追加されたものである。フィードフォワード変更手段 43は目標指令増分値 Δι:が減速時でかつ設定された閾値以下の時には第 3フィードフォワード制御器 41の出力を零とする力、または第 3フィードフォワード制御器 41の出力に設定されたゲインを乗じて出力することで、指令払い出し後の位置偏差をさらに小さくすることができる。

実施例 4

[0079] 図 8は本発明の実施例 4を説明するためのサーボ制御装置のブロック図である。図 8において、サーボ制御装置は、第 1フィードフォワード制御器 7と、位置制御器 3と、速度制御器 2とを備えており、モータ 1を制御する。

第 1フィードフォワード制御器 7は第 2フィードフォワード制御器 70と第 3フィードフォワード制御器 71と加算器 72とを備えており、上位指令器 (不図示)より与えられた目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値を基に、第 2フィードフォワード制御器 70の出力である従来の速度フィードフォワード信号 V と、

FF

[0080] [数 26]

[0081] なる伝達関数特性をもつ第 3フィードフォワード制御器 71の出力とを加算器 72により加算し、速度フィードフォワード信号 V として生成する。即ち、速度フィードフォヮ一ド信号 V は、

[0082] [数 27]

^ l-z-^r + V^ (13)

[0083] なる伝達関数で与えられる。ここで、 Δι:は目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは制御ゲイン、 V は通常用いられる速度フィードフォワード信号であり、フィード

2 FF

フォワードゲイン ffvにより、

[0084] [数 28]

[0085] として与える。

本実施例のサーボ制御装置が特許文献 1と異なる部分は、通常の速度フィードフォワード信号 V に目標指令を 2回微分して制御ゲイン Kを乗じた信号を加算した信

FF 2

号を速度フィードフォワード信号 V として、ることである。

F2

このとき、速度制御器 2は I P制御器ないし、 PI制御器であるものとする。また、位置制御器 3は、特許文献 1に記載された予測制御器 5であるような、既存のものでよい。いま、速度フィードフォワード信号 V (i)、および速度指令 u(i)からモー

FF

タ 1の出力 y (i)までの離散時間伝達関数モデルが、

[0086] [数 29] y(z) = K_gv{{b_l'z-' +- ■ ■+b_Nb'z-^Nb)u(z) + {^ζ-^ι +- · ■ + d_N z-^Ndy_FT(z)}

/{(ΐ-ζ-'Χΐ-α,ζ"¹ -- · --a_Naz-^Na)} (15)

[0087] ただし、 Kgvは速度指令力も速度フィードバックまでの定常ゲイン、で与えられ、 Na

[0088] [数 30] "(0 =∑v_raA r{i + m) - p^y(i) + Ee(i) -^«( -1)-∑ x„ V_FF (/― ή) (16) 一一 --

[0089] で与え、各ナ定数 ν 、 Ε, p , g , X (η= 1, 2)は

m 0 1 n

[0090] [数 31]

M

w_c 二∑p_s m二 1,2, M

(1 + α)ν, *

E二

K^l + C + C^

M

=∑ m0

M

ml

m-\

S \ し。

g 。 =

[0091] ただし、 A 、 B Ίま式（ 15)における離散時間伝達関数モデルの係数 a

mn mn

〜力算出される係数である。

Nb

式（14)、（16)、（17)より、図 8における位置制御器 3の伝達関数は

[0092] [数 32]

[0093] ただし、 V 、 G (z)、 X (z)、 Pはそれぞれ、 C = 0を条件として、

[0094] [数 33] M

V sum = / > i V m

G(z) = ^{C 1} (19)

p _

。― Kgv Ts(\ + C_D )

[0095] となる。

なお、本実施例におけるサーボ制御装置の位置制御器 3は、必ずしも予測制御系である必要はなぐ式（18)および、式（19)を満足するような任意の位置制御器であつて、速度制御器 2が I— P制御器であれば、第 1フィードフォワード制御器 7内の速度フィードフォワードゲイン ffvを

[0096] [数 34]

[0097] ただし、 Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時定数、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲイン、として与え、制御ゲイン Κを

2

[0098] [数 35]

1 + g J Kv

[0099] で与えることで、加速度一定となる目標指令

[0100] [数 36]

[0101] (ただし、 Aは加速度の定常ゲインとする）を入力した時、最終値の定理より、

[0102] [数 37] limil-z-'Wz) (20)

[0103] 式（20)の値が 0となるので、加速度一定時の偏差は零である。ただし、 e (z)は目標指令とモータ 1の出力との偏差 e (i)の z変換である。

また、同様に躍度一定となる目標指令

[0104] [数 38]

_ ·ζ- ² '(1 + 4- 2- ' +ζ- ²)

' 6.(l- -)⁴

[0105] (ただし、 jrは躍度の定常ゲインとする）を入力した時、式（20)の値が 0となるので、躍度一定時の偏差は零である。

また、速度制御器 2が PI制御器の場合は、速度フィードフォワードゲイン ffvを

[0106] [数 39]

D .77(1 + gl*f (77 - 2Ts) -jjl + gl * Ti - Kv . Ts² (C_D-gl *)² }

J-KvTs²-C_D(C_D-gl*)

[0107] として与え、制御ゲイン Kを

2

[0108] [数 40]

[0109] で与えることで、 I P制御器の場合と同様に、加速度及び躍度一定時の偏差は零となる。

実施例 5 [0110] 図 9は図 8に示したサーボ制御装置の第 1フィードフォワード制御器 7内にフィードフォワード変更手段 73が追加されたものである。フィードフォワード変更手段 73は目標指令増分値 Δι:が減速時でかつ設定された閾値以下の時には第 3フィードフォワード制御器 71の出力を零とする力、または第 3フィードフォワード制御器 71の出力に設定されたゲインを乗じて出力することで、指令払い出し後の位置偏差をさらに小さくすることができる。

[0111] 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本出願は、 2005年 4月 1日出願の日本特許出願 No. 2005-106437,2005-106438に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

産業上の利用可能性

[0112] 速度フィードフォワード信号として、目標指令の微分値にフィードフォワードゲイン ff Vを乗じた信号と目標指令を 2回微分して制御ゲイン Kを乗じた信号とを加算した信

2

号を使用することで、加速度一定時、又は、加速度及び躍度一定時の位置偏差を零として、追従精度を改善することができるので、同期制御を行うような機械にも適用できる。

Claims

請求の範囲

[1] モータの速度制御を行う速度制御器と、目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、前記目標指令増分値を入力して、第 1速度フィードフォワード信号を前記速度制御器へ出力する第 1フィードフォワード制御器とを備えたサーボ制御装置において、前記第 1フィードフォワード制御器は、第 2速度フィードフォワード信号 V に、前記目

FF

標指令の 2回微分値に制御ゲインを乗じた第 3速度フィードフォワード信号を加えて第 1速度フィードフォワード信号 V として速度制御器へ出力し、加速度一定時に前

F2

記目標位置と前記モータの位置出力の偏差が零になるように、前記制御ゲインを設定することを特徴とするサーボ制御装置。

[2] モータの速度制御を行う速度制御器と、目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、前記目標指令増分値を入力して、第 1速度フィードフォワード信号を前記速度制御器へ出力する第 1フィードフォワード制御器とを備えたサーボ制御装置において、前記第 1フィードフォワード制御器は、第 2速度フィードフォワード信号 V に、前記目

FF

F2

記目標位置と前記モータの位置出力の偏差が零になるように、前記制御ゲインを設定し、前記目標指令増分値 Arが減速時かつ設定された閾値以下であるときには前記第 3速度フィードフォワード信号の出力を零または設定されたゲインを乗じて出力することを特徴とするサーボ制御装置。

[3] 前記第 1フィードフォワード制御器は、次式

[数 1] 2= (卜 + ここで、 Δι:は前記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは加速度一定時に前記目標位置と前記モータの位置出力との偏差が零となるように設定される制御ゲイン、 z^_1は 1サンプリング周期分の遅延、

にしたがって、速度フィードフォワード信号 V を生成し、前記速度制御器へ出力す

F2

ることを特徴とする請求項 1記載のサーボ制御装置。

[4] 前記第 1フィードフォワード制御器は、次式

[数 2] 2 = (卜 +

is

ここで、 Δ ι:は前記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは加速度一定時に

2

前記目標位置と前記モータの位置出力との偏差が零となるように設定される制御ゲイン、 z^_1は 1サンプリング周期分の遅延、

に従って、速度フィードフォワード信号 V を生成し、

F2

前記目標指令増分値 Δ rが減速時かつ設定された閾値以下である時のみ次式

[数 3]

V_F2 = 、または _F2ニ^ 卜

Ts H ) A r + ここで、 Kはゲイン

3

に従って、速度フィードフォワード信号 V を生成し、

F2

前記速度制御器へ出力することを特徴とする請求項 2記載のサーボ制御装置。

[5] 前記位置制御器は、現在時刻 iにお、て、 Mサンプリング未来の前記目標指令増分値 Δ r (i + M)と、 K (K≥ 0)サンプリング前の前記位置出力増分値 Δ y (i— K)とを入力し、次式で示される評価関数

画

ただし、 e* (i+m)は mサンプリング未来の時刻における偏差予測値、 e (i—K)はサンプリング前の偏差、 wと αは偏差に掛ける係数、 cおよび cは速度指令 u (i)およびその増分値 Δ u (i)に乗じる係数

を最小とする速度指令 u (i)を出力する予測制御器であることを特徴とする請求項 1または 2記載のサーボ制御装置。

前記位置制御器は、次式

[数 5]

ただし、 uは前記速度指令、 Ayは前記位置出力増分値、 Eは制御パラメータ、 ffvはフィードフォワードゲイン、 V 、 G (z)、 X (z)、 Pはそれぞれ、

V =v /{K (1 + C )}

sum sum gv D

G(z) = (g *-C )z—ソ（1 + C )

I D D

X(z) = (l+g *-z^_1)/(l+C )

1 D

P =(-i-g *+Τ ·ν )/{K -T (1 + C )}

0 I s sum gv s D

で、 g *、 V 、 C は制御パラメータ、 K は速度指令から速度フィードバックまでの定

1 sum D gv

常ゲイン

なる伝達関数特性をもつことを特徴とする請求項 3または 4記載のサーボ制御装置。

[7] 前記速度制御器が I P制御器であり、前記フィードフォワード制御器における前記速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより

FF

で与えられ、制御ゲインである Kが

2

K =T-(l-ffv)+T {C (l-ffv)-g *}/(l+g *)

s D 1 1

ここで Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 ηは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Kは前記速度制御器における速度ループゲイン

で与えられることを特徴とする請求項 6記載のサーボ制御装置。

[8] 前記速度制御器は PI制御器であり、前記第 1フィードフォワード制御器における前記第 2速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより V =ffv/Ts - Δ Γ

FF

で与えられ、制御ゲインである Kが

2

κ =T {C (l -ffv) -g * }/ (i +g *) +ϋ·τ ·κ )

2 s D 1 1 i/α v

[9] 前記位置制御器が比例制御器であり、前記速度制御器が PI制御器、または I P 制御器であり、前記フィードフォワード制御器における前記速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより

FF

V =ffv/Ts - Δ Γ

FF

で与えられ、パラメータである K、 ffvが

2

K =D-T/ (J-K )

2 i V

ffv= l

ただし、 Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Κは前記速度制御器における速度ループゲイン

で与えられることを特徴とする請求項 3または 4記載のサーボ制御装置。

[10] 目標指令に、粘性摩擦を持つモータの出力を一致させるように制御するサーボ制御装置であって、前記モータの速度制御を行う速度制御器と、前記目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、前記目標指令増分値を入力して、速度フィードフォヮード信号を前記速度制御器へ出力するフィードフォワード制御器と、を備えたサーボ制御装置において、

FF 2

ドフォワード信号 V として生成し、前記ゲイン ffvと、前記ゲイン Kは加速度一定時、

F2 2

及び躍度一定時に前記目標指令と前記モータの位置出力との偏差が零となるように設定されるフィードフォワード制御器であることを特徴とするサーボ制御装置。 [11] 目標指令に、粘性摩擦を持つモータの出力を一致させるように制御するサーボ制御装置であって、前記モータの速度制御を行う速度制御器と、前記目標指令のサンプリング周期間の増分である目標指令増分値と前記モータの位置出力のサンプリング周期間の増分値である位置出力増分値とを入力して、速度指令を前記速度制御器へ出力する位置制御器と、前記目標指令増分値を入力して、速度フィードフォヮード信号を前記速度制御器へ出力するフィードフォワード制御器と、を備えたサーボ制御装置において、

FF 2

F2 2

及び躍度一定時に前記目標指令と前記モータの位置出力との偏差が零となるように設定され、前記目標指令増分値が減速時かつ設定された閾値以下であるときには前記ゲイン Kを零とするまたは前記ゲイン Kにさらに設定されたゲイン Kを乗じたゲ

2 2 3 インを設定するフィードフォワード制御器であることを特徴とするサーボ制御装置。

[12] 前記フィードフォワード制御器は、次式

[数 6]

V_F2 = ^{\ - z-^ r ₊ V_FF

Ts ただし、 Δι:は前記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは制御ゲイン、 z"¹

2

は 1サンプリング周期分の遅延

F2

あることを特徴とする請求項 10記載のサーボ制御装置。

[13] 前記フィードフォワード制御器は、次式

[数 7] 2= (1 - + ただし、 Δι:は前記目標指令増分値、 Tsはサンプリング周期、 Kは制御ゲイン、 z"¹ は 1サンプリング周期分の遅延

F2

あり、前記目標指令増分値が減速時かつ設定された閾値以下であるときには、次式

W または ^ = ""^ (1 - ₊

I S ただし、 Kは制御ゲイン、

3

F2

あることを特徴とする請求項 11記載のサーボ制御装置。

前記位置制御器は、現在時刻 iにおいて、 Mサンプリング未来の前記目標指令増分値 Δ r (i + M)と、 K (K≥ 0)サンプリング前の前記位置出力増分値 Δ y (i— K)と、を入力し、次式で示される評価関数

[数 9]

+ c{u(i)f + c_d (Δ u(i)f ただし、 (i+m)は mサンプリング未来時刻における偏差予測値、 e (i—K)は Kサンプリング前の偏差、 w 、 αは偏差に掛ける係数、 cおよび cは速度指令 u (i)および m

その増分値 Δ u (i)に掛ける係数

を最小とする速度指令 u (i)を出力する予測制御器であることを特徴とする請求項 10 または請求項 11記載のサーボ制御装置。

前記位置制御器は、次式

[数 10]

ただし、 uは前記速度指令、 A yは前記位置出力増分値、 Eは制御パラメータ、 ffvはフィードフォワードゲイン、 V 、 G (z)、 X (z)、 Pはそれぞれ、

sum 0

[数 11] ¹ — ¹

1 + C_D

p — 1 - ¾?, 1 * +75 ' V

sum

。 v . Hl + C_D ) ここで、 g *、 v 、 Cは制御パラメータ、 Tsはサンプリング周期、 Kgvは速度指令か

1 sum D

ら速度フィードバックまでの定常ゲイン

なる伝達関数特性をもつことを特徴とする請求項 10または請求項 11記載のサーボ制御装置。

前記速度制御器が I P制御器であり、前記フィードフォワード制御器における前記速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより V =ffv/Ts -

FF FF

Δ rで与えられ、前記フィードフォワードゲイン ffvが

[数 12]

ただし、 Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲイン、

で与えられ、制御ゲインである Kが、

2

[数 13]

で与えられることを特徴とする請求項 15記載のサーボ制御装置。

前記速度制御器は PI制御器であり、前記フィードフォワード制御器における前記速度フィードフォワード信号 V は、フィードフォワードゲイン ffvにより V =ffv/Ts- Δ

FF FF

rで与えられ、前記フィードフォワードゲイン ffvが、

[数 14]

ただし、 Dは粘性摩擦係数、 Jはモータイナーシャ、 Tsはサンプリング周期、 Tiは前記速度制御器における速度ループ積分時間、 Kvは前記速度制御器における速度ループゲインで与えられ、

制御ゲインである Kが、

2

[数 15]