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技術 位置制御装置

出願人 住友重機械工業株式会社
発明者 牧野健一森英彦冨田良幸
出願日 1998年11月13日 (22年0ヶ月経過) 出願番号 1998-323103
公開日 2000年5月26日 (20年6ヶ月経過) 公開番号 2000-148207
状態 特許登録済
技術分野 位置、方向の制御 フィードバック制御一般
主要キーワード モデルフィルタ フィードバックライン 応答帯域 ブロック線 微分ノイズ 推定状態量 推定帯域 外乱力
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年5月26日)のものです。
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図面 (5)

課題

位置制御装置において機構に働く外乱トルク推定補償することで、機構の速度変動及び位置変動を抑制できるようにする。

解決手段

位置検出器6からの検出値フィードバックループ離散系カルマンフィルタ12と外乱推定器13とを付加する。離散系カルマンフィルタは、前記検出値から負荷5の位置及び速度を推定して位置推定値及び速度推定値を出力する。外乱推定器は、トルク指令値と速度推定値とから負荷に加わる外乱を推定する。位置推定値を位置制御器1にフィードバックすると共に、速度推定値を速度制御器2にフィードバックし、更に前記速度制御器からのトルク目標値と前記推定された外乱との偏差を前記トルク指令値として出力する。

概要

背景

一般的な位置制御装置について、図3を参照して説明する。この位置制御装置は、位置制御器1、速度制御器2、モータドライバ3、制御対象である負荷5を駆動するためのモータ4、パルスエンコーダのような位置検出器6、速度演算器7、減算器8及び9を含んでいる。負荷5は、例えば被加工物をX−Y方向に移動させるためのX−Yテーブルであり、この場合、モータ4はサーボモータが適している。

作用について説明すると、制御対象の変位が位置検出器6で計測される。速度演算器7は位置検出値から速度検出値演算する。減算器8は位置指令値から位置検出値を減じ位置偏差を演算する。位置制御器1は、位置偏差を増幅速度指令値を算出する。減算器9は速度指令値から速度検出値を減じ速度偏差を演算する。速度制御器2は、速度偏差を増幅しトルク指令値を算出する。算出されたトルク指令値は、モータドライバ3へ入力されモータ4を駆動する。

図4は、図3のブロック線図を示す。図4中の記号GP (z)は位置制御器1の伝達関数であり、Gv (z)は速度制御器2の伝達関数、Kt はモータ4のトルク定数、(1/Js 2 )は制御対象の伝達関数、(1−z-1)は速度演算器7の伝達関数である。

概要

位置制御装置において機構に働く外乱トルク推定補償することで、機構の速度変動及び位置変動を抑制できるようにする。

位置検出器6からの検出値フィードバックループ離散系カルマンフィルタ12と外乱推定器13とを付加する。離散系カルマンフィルタは、前記検出値から負荷5の位置及び速度を推定して位置推定値及び速度推定値を出力する。外乱推定器は、トルク指令値と速度推定値とから負荷に加わる外乱を推定する。位置推定値を位置制御器1にフィードバックすると共に、速度推定値を速度制御器2にフィードバックし、更に前記速度制御器からのトルク目標値と前記推定された外乱との偏差を前記トルク指令値として出力する。

目的

制御対象はモータトルクτm と外乱トルクdの和によって駆動されるため、位置決め時に誤差を生じる原因となる。このような外乱による誤差を低減するには、位置制御器1及び速度制御器2を調整する以外の手段がない。このため、目的とする外乱抑制効果を得るため位置制御器1及び速度制御器2のゲインを高くすると、制御対象の持つ機械的振動あるいは位置制御器1及び速度制御器2の演算時間による位相遅れにより制御システムが不安定になりやすい。

そこで、本発明の課題は、位置制御装置において機構に働く外乱トルクを推定し補償することで、機構の速度変動及び位置変動を抑制できるようにすることにある。

本発明の他の課題は、位置検出時の観測ノイズを除去し、高い周波数領域での外乱抑制特性劣化を防止することにある。

本発明の更に他の課題は、特に、ディジタル制御系におけるサンプリング周波数帯の観測ノイズ、微分ノイズの影響を低減することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
6件

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請求項1

モータにより駆動される被駆動体の位置を検出するための位置検出器を備え、該位置検出器の検出値と該検出値から算出される速度値とをそれぞれ位置制御器速度制御器フィードバックして、前記被駆動体の移動、位置決めを行うように、前記モータのフィードバック制御を行うフィードバック制御系を備えた位置制御装置において、前記検出値のフィードバックループ離散系カルマンフィルタ外乱推定器とを付加し、前記離散系カルマンフィルタは、前記検出値から前記被駆動体の位置及び速度を推定して位置推定値及び速度推定値を出力し、前記外乱推定器は、トルク指令値と前記速度推定値とから前記被駆動体に加わる外乱を推定し、前記位置推定値を前記位置制御器にフィードバックすると共に、前記速度推定値を前記速度制御器にフィードバックし、更に前記速度制御器からのトルク目標値と前記推定された外乱との偏差を前記トルク指令値として出力するようにしたことを特徴とする位置制御装置。

請求項2

請求項1記載の位置制御装置において、前記位置制御器は、位置指令値と前記位置推定値との偏差を受けて速度指令値を出力し、前記速度制御器は、前記速度指令値と前記速度推定値との偏差を受けて前記トルク目標値を出力することを特徴とする位置制御装置。

技術分野

0001

本発明は、対象物を移動及び位置決めする装置の速度制御及び位置制御に適した位置制御装置に関する。

背景技術

0002

一般的な位置制御装置について、図3を参照して説明する。この位置制御装置は、位置制御器1、速度制御器2、モータドライバ3、制御対象である負荷5を駆動するためのモータ4、パルスエンコーダのような位置検出器6、速度演算器7、減算器8及び9を含んでいる。負荷5は、例えば被加工物をX−Y方向に移動させるためのX−Yテーブルであり、この場合、モータ4はサーボモータが適している。

0003

作用について説明すると、制御対象の変位が位置検出器6で計測される。速度演算器7は位置検出値から速度検出値演算する。減算器8は位置指令値から位置検出値を減じ位置偏差を演算する。位置制御器1は、位置偏差を増幅速度指令値を算出する。減算器9は速度指令値から速度検出値を減じ速度偏差を演算する。速度制御器2は、速度偏差を増幅しトルク指令値を算出する。算出されたトルク指令値は、モータドライバ3へ入力されモータ4を駆動する。

0004

図4は、図3ブロック線図を示す。図4中の記号GP (z)は位置制御器1の伝達関数であり、Gv (z)は速度制御器2の伝達関数、Kt はモータ4のトルク定数、(1/Js 2 )は制御対象の伝達関数、(1−z-1)は速度演算器7の伝達関数である。

発明が解決しようとする課題

0005

制御対象はモータトルクτm と外乱トルクdの和によって駆動されるため、位置決め時に誤差を生じる原因となる。このような外乱による誤差を低減するには、位置制御器1及び速度制御器2を調整する以外の手段がない。このため、目的とする外乱抑制効果を得るため位置制御器1及び速度制御器2のゲインを高くすると、制御対象の持つ機械的振動あるいは位置制御器1及び速度制御器2の演算時間による位相遅れにより制御システムが不安定になりやすい。

0006

また、制御対象の位置検出値には観測ノイズが含まれる。この観測ノイズ自体によって位置決め時に誤差を生じる原因となる。更に、位置制御器1及び速度制御器2のゲインを高くした場合のシステム不安定化の原因になる。特に、ディジタル制御系ではサンプリング周波数帯の量子化ノイズ、速度演算器7の発生する微分ノイズが大きい。

0007

そこで、本発明の課題は、位置制御装置において機構に働く外乱トルクを推定補償することで、機構の速度変動及び位置変動を抑制できるようにすることにある。

0008

本発明の他の課題は、位置検出時の観測ノイズを除去し、高い周波数領域での外乱抑制特性劣化を防止することにある。

0009

本発明の更に他の課題は、特に、ディジタル制御系におけるサンプリング周波数帯の観測ノイズ、微分ノイズの影響を低減することにある。

課題を解決するための手段

0010

本発明は、モータにより駆動される被駆動体の位置を検出するための位置検出器を備え、該位置検出器の検出値と該検出値から算出される速度値とをそれぞれ位置制御器と速度制御器にフィードバックして、前記被駆動体の移動、位置決めを行うように、前記モータのフィードバック制御を行うフィードバック制御系を備えた位置制御装置において、前記検出値のフィードバックループ離散系カルマンフィルタ外乱推定器とを付加し、前記離散系カルマンフィルタは、前記検出値から前記被駆動体の位置及び速度を推定して位置推定値及び速度推定値を出力し、前記外乱推定器は、トルク指令値と前記速度推定値とから前記被駆動体に加わる外乱を推定し、前記位置推定値を前記位置制御器にフィードバックすると共に、前記速度推定値を前記速度制御器にフィードバックし、更に前記速度制御器からのトルク目標値と前記推定された外乱との偏差を前記トルク指令値として出力するようにしたことを特徴とする。

0011

なお、前記位置制御器は、位置指令値と前記位置推定値との偏差を受けて速度指令値を出力し、前記速度制御器は、前記速度指令値と前記速度推定値との偏差を受けて前記トルク目標値を出力する。

発明を実施するための最良の形態

0012

図1図2を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1において、図3と同じ部分には同一番号を付して説明は省略する。本形態においては、位置検出値のフィードバックラインに離散系カルマンフィルタ12と外乱推定器13及び減算器14を設けた点に特徴を有する。

0013

カルマンフィルタ12は、位置検出値より位置推定値xep及び速度推定値xevを算出する。減算器8は、位置指令値から位置推定値を減じ位置偏差を演算する。位置制御器1は、位置偏差を増幅し速度指令値を算出する。減算器9は速度指令値から速度推定値を減じ速度偏差を演算する。速度制御器2は、速度偏差を増幅しトルク目標値を算出する。

0014

外乱推定器13は、トルク指令値と速度推定値xevより制御対象へ加わる外乱を推定する。減算器14はトルク目標値から外乱推定値iedを減じトルク指令値を算出する。算出されたトルク指令値τc はモータドライバ3へ入力され、モータ4を駆動する。

0015

図2は、図1のブロック線図を示す。図2において、カルマンフィルタ12は、z-1で規定される1サンプ遅れ要素15、16、Ts で規定されるサンプル時間17、加算器18、19、K1 、K2 で規定されるカルマンフィルタゲイン20、21で表される。

0016

また、外乱推定器13は、[Kt N0 ( 1−z-1) ]/(D0−D1 z-1)で規定されるモータトルクモデルフィルタ23、[Jn Ts N0 ( 1+z-1) ]/2(D0 −D1 z-1)で規定される制御対象逆モデルフィルタ24、(1/Kt )で規定されるモータトルク逆モデル25、減算器26で表される。

0017

制御対象に加わる外乱力と位置検出値に含まれる観測ノイズは、互いに独立な正規分布に従う白色ノイズであると考えられる。このような場合の制御対象の状態量(位置及び速度)は、カルマンフィルタ12によって推定できる。カルマンフィルタ12は次の数1で表される。

0018

0019

ここで、xm (k)はサンプリングk番目の検出位置、xep(k)はサンプリングk番目の推定位置、xev(k)はサンプリングk番目の推定速度、Ts はサンプリング時間である。カルマンフィルタ12は検出位置と推定位置を比較し、その結果である推定誤差をフィードバックすることで、制御対象の真の位置と推定位置との誤差を小さくするように働く。カルマンフィルタゲインK1 (20)及びカルマンフィルタゲインK2 (21)は、制御対象の真の位置と推定位置との誤差の2乗平均値が最小になるように決定する。ディジタル制御系における量子化ノイズ及び微分ノイズはサンプリング周波数及びその高調波で生じるが、カルマンフィルタ12はこれら観測ノイズを除去し制御対象の位置及び速度を推定する。

0020

次に、外乱推定器13は次のように機能する。カルマンフィルタ12によって推定された制御対象速度推定値xevは、制御対象にモータトルクτm と外乱トルクdが加わった場合の推定状態量である。この速度推定値xevに制御対象逆モデル(24)を乗じると、制御対象に加わる推定外力(τem+de )が算出される。また、モータトルク指令値ic にモータトルクモデル(23)を乗じるとモータトルク推定値τemが推定される。減算器26によって両者の差分をとり、外乱トルクde を推定する。このとき、外乱力推定帯域を制限するため、制御対象逆モデル(24)及びモータトルクモデル(23)には、ローパスフィルタ特性を持たせる。推定外乱トルクde にモータトルク逆モデル(25)を乗じて推定トルクiedを算出し、この値を減算器14においてモータトルク目標値ir から減じて外乱トルク分をキャンセルし、モータトルク指令値ic とする。

0021

以上の動作は、以下の数2で表される。

0022

0023

なお、本発明は、X−Yテーブルのような直線運動制御系の位置制御装置に適しているが、回転運動系の位置制御装置にも適用できることは言うまでもない。

発明の効果

0024

以上の説明で明らかなように、カルマンフィルタにより得られた速度推定値を用いて外乱推定器による外乱オブザーバによって演算した推定外乱トルクをトルク目標値から減算することによって外乱をキャンセルし、トルク指令値を算出する。このトルク指令値によって制御対象を駆動するので外乱の影響を小さくできる。

0025

また、外乱オブザーバは位置制御器及び速度制御器と独立に構成されているので、位置制御器及び速度制御器のゲイン設定を変更せずに外乱抑圧のみが行え、全体制御系を不安定化しない。

0026

更に、位置制御器及び速度制御器への各フィードバック量としてカルマンフィルタによって観測ノイズを除去した位置推定値及び速度推定値を用いるため、位置制御器及び速度制御器のゲインを高くしたり、あるいは外乱オブザーバの応答帯域を高くしても制御システムが不安定になりにくい。

図面の簡単な説明

0027

図1本発明による位置制御器の実施の形態の構成を示したブロック図である。
図2図1のブロック線図である。
図3従来の位置制御器の実施の形態の構成を示したブロック図である。
図4図3のブロック線図である。

--

0028

1位置制御器
2速度制御器
3モータドライバ
4モータ
5負荷
6位置検出器
7速度演算器
8、9、14減算器
10加算器
12離散系カルマンフィルタ
13 外乱推定器

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