特許 5662836 同期制御装置と同期制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5662836

(24)【登録日】2014年12月12日

(45)【発行日】2015年2月4日

(54)【発明の名称】同期制御装置と同期制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 5/46 20060101AFI20150115BHJP

【ＦＩ】

   H02P5/46 F

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-37939(P2011-37939)

(22)【出願日】2011年2月24日

(65)【公開番号】特開2012-175875(P2012-175875A)

(43)【公開日】2012年9月10日

【審査請求日】2014年1月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人名古屋大学

(73)【特許権者】

【識別番号】592199593

【氏名又は名称】大同ＤＭソリューション株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006297

【氏名又は名称】村田機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086830

【弁理士】

【氏名又は名称】塩入 明

(74)【代理人】

【識別番号】100096046

【弁理士】

【氏名又は名称】塩入 みか

(72)【発明者】

【氏名】センジャル ブラック

(72)【発明者】

【氏名】社本 英二

(72)【発明者】

【氏名】森 達也

(72)【発明者】

【氏名】吉川 真治

【審査官】 塩治 雅也

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２０００６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１０６９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０８６８９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ５／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同じ特性の第１の駆動系と第２の駆動系を同期制御する同期制御装置において、
第１の駆動系に対する目標位置の指令と第１の駆動系側の位置との間の第１の誤差を解消するように、第１の駆動系を動作させるための第１の操作量を発生させる第１のＰＩＤ制御器と、
第２の駆動系に対する目標位置の指令と第２の駆動系側の位置との間の第２の誤差を解消するように、第２の駆動系を動作させるための第２の操作量を発生させる第２のＰＩＤ制御器と、
前記第１の誤差と前記第２の誤差との偏差を入力とし、前記偏差に比例する成分と、前記偏差の時間微分値に比例する成分とから成り、前記偏差の積分値に基づく成分を含まない操作量を発生させるＰＤ制御器から成る同期制御器と、
第１の操作量と同期制御器からの操作量との和に基づき、第１の駆動系を制御する第１の制御手段と、
第２の操作量と同期制御器からの操作量との差に基づき、第２の駆動系を制御する第２の制御手段とを備え、
第１の誤差をｅx、その時間微分をｅx'、第２の誤差をｅy、その時間微分をｅy'として、第１の駆動系へ誤差ｅyに基づいてＫpxy・ｅy＋Ｋdxy・ｅy'から成る操作量が加えられ、かつ第２の駆動系へ誤差ｅxに基づいてＫpxy・ｅx＋Ｋdxy・ｅx'から成る操作量が加えられ、ここにＫpxyは比例誤差への制御ゲイン、Ｋdxyは微分誤差への制御ゲインであることを特徴とする、同期制御装置。

【請求項2】

同じ特性の第１の駆動系と第２の駆動系を同期制御する同期制御方法において、
第１の駆動系に対する目標位置の指令と第１の駆動系側の位置との間の第１の誤差を解消するように、第１の駆動系を動作させるための第１の操作量を発生させるステップと、
第２の駆動系に対する目標位置の指令と第２の駆動系側の位置との間の第２の誤差を解消するように、第２の駆動系を動作させるための第２の操作量を発生させるステップと、
前記第１の誤差と前記第２の誤差との偏差を入力とし、前記偏差に比例する成分と、前記偏差の時間微分値に比例する成分とから成り、前記偏差の積分値に基づく成分を含まない操作量をＰＤ制御器から成る同期制御器により発生させるステップと、
第１の操作量と同期制御器からの操作量との和に基づき、第１の駆動系を制御するステップと、
第２の操作量と同期制御器からの操作量との差に基づき、第２の駆動系を制御するステップとを行うことにより、
第１の誤差をｅx、その時間微分をｅx'、第２の誤差をｅy、その時間微分をｅy'として、第１の駆動系へ誤差ｅyに基づいてＫpxy・ｅy＋Ｋdxy・ｅy'から成る操作量を加え、かつ第２の駆動系へ誤差ｅxに基づいてＫpxy・ｅx＋Ｋdxy・ｅx'から成る操作量を加えることを特徴とする、同期制御方法。
（ここにＫpxyは比例誤差への制御ゲイン、Ｋdxyは微分誤差への制御ゲインである）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は複数の駆動系に対する同期制御に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の駆動系を同期制御することがある。例えば複数の駆動系により、対象物を姿勢を保ちながら移動させる、あるいは対象物を所定の軌跡に従って移動させる場合、駆動系への同期制御が必要である。２個のモータに対する同期制御について、特許文献１は、モータ間での回転位置の偏差を一方のモータ、例えばモータM2へフィードバックし、モータM2での目標位置からの誤差に対するゲインを小さくすることを記載している。そして２個のモータM1,M2が同じ対象物に取り付けられている場合、対象物の剛性等により、結果的にモータM1,M2が同期する。また特許文献２は、遅れている側のモータに合わせるように、進んでいる側のモータを制御することを記載している。

【0003】

特許文献１，２の同期制御は、２個のモータを同期させるための一般的な解決手法というよりは、特定の状況でのみ有効な個別的な解決手法というべきものである。発明者は複数個の駆動系を同期制御するための汎用性の有る手法を検討し、この発明に至った。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】JP4323542B

【特許文献2】JP2002-362709A

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この発明の課題は、駆動系の特性等により制限されることなく、複数の駆動系間の制御誤差の偏差を小さくすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明は、同じ特性の第１の駆動系と第２の駆動系を同期制御する同期制御装置において、
第１の駆動系に対する目標位置の指令と第１の駆動系側の位置との間の第１の誤差を解消するように、第１の駆動系を動作させるための第１の操作量を発生させる第１のＰＩＤ制御器と、
第２の駆動系に対する目標位置の指令と第２の駆動系側の位置との間の第２の誤差を解消するように、第２の駆動系を動作させるための第２の操作量を発生させる第２のＰＩＤ制御器と、
前記第１の誤差と前記第２の誤差との偏差を入力とし、前記偏差に比例する成分と、前記偏差の時間微分値に比例する成分とから成り、前記偏差の積分値に基づく成分を含まない操作量を発生させるＰＤ制御器から成る同期制御器と、
第１の操作量と同期制御器からの操作量との和に基づき、第１の駆動系を制御する第１の制御手段と、
第２の操作量と同期制御器からの操作量との差に基づき、第２の駆動系を制御する第２の制御手段とを備え、
第１の誤差をｅx、その時間微分をｅx'、第２の誤差をｅy、その時間微分をｅy'として、第１の駆動系へ誤差ｅyに基づいてＫpxy・ｅy＋Ｋdxy・ｅy'から成る操作量が加えられ、かつ第２の駆動系へ誤差ｅxに基づいてＫpxy・ｅx＋Ｋdxy・ｅx'から成る操作量が加えられ、ここにＫpxyは比例誤差への制御ゲイン、Ｋdxyは微分誤差への制御ゲインであることを特徴とする。

【0007】

またこの発明は、同じ特性の第１の駆動系と第２の駆動系を同期制御する同期制御方法において、
第１の駆動系に対する目標位置の指令と第１の駆動系側の位置との間の第１の誤差を解消するように、第１の駆動系を動作させるための第１の操作量を発生させるステップと、
第２の駆動系に対する目標位置の指令と第２の駆動系側の位置との間の第２の誤差を解消するように、第２の駆動系を動作させるための第２の操作量を発生させるステップと、
前記第１の誤差と前記第２の誤差との偏差を入力とし、前記偏差に比例する成分と、前記偏差の時間微分値に比例する成分とから成り、前記偏差の積分値に基づく成分を含まない操作量をＰＤ制御器から成る同期制御器により発生させるステップと、
第１の操作量と同期制御器からの操作量との和に基づき、第１の駆動系を制御するステップと、
第２の操作量と同期制御器からの操作量との差に基づき、第２の駆動系を制御するステップとを行うことにより、
第１の誤差をｅx、その時間微分をｅx'、第２の誤差をｅy、その時間微分をｅy'として、第１の駆動系へ誤差ｅyに基づいてＫpxy・ｅy＋Ｋdxy・ｅy'から成る操作量を加え、かつ第２の駆動系へ誤差ｅxに基づいてＫpxy・ｅx＋Ｋdxy・ｅx'から成る操作量を加えることを特徴とする。ここにＫpxyは比例誤差への制御ゲイン、Ｋdxyは微分誤差への制御ゲインである。

【0008】

この発明では、駆動系等の種類を選ばない汎用の同期制御として、複数の駆動系間の制御誤差の偏差を小さくすることができる。また第１及び第２の操作量と、同期制御器からの操作量との割合により、個々の駆動系を目標値通りに制御することを優先するか、複数の駆動系間の同期を優先するかを調整できる。なおこの明細書において、同期制御装置に関する記載はそのまま同期制御方法にも当てはまり、逆に同期制御方法に関する記載はそのまま同期制御装置にも当てはまる。また「第１の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき」等の記載は、例えばこれらの操作量の和を用いることを意味するが、これに限るものではない。駆動系は例えば電機モータであるが、これに限るものではない。

【0009】

この発明では、前記同期制御装置は、前記偏差に比例する成分と、偏差の時間微分値に比例する成分とから成る操作量を第１及び第２の制御手段側へ出力する。このようにすると、偏差に比例する成分により偏差を解消し、偏差の時間微分値に比例する成分により偏差の時間微分値を解消し、全体として偏差の絶対値を小さく保つことができる。

【0010】

特に好ましくは、前記第１の駆動系と前記第２の駆動系は同じ性能で、かつ対象物に対して対称に配置され、前記同期制御器から、第１の制御手段及び第２の制御手段に対して、正負の符号を逆転した操作量が入力される。正負の符号を逆転した操作量が入力されるとは、同期制御器で符号を逆転することの他に、第１の制御手段または第２の制御手段で符号を逆転することを含んでいる。第１の駆動系と第２の駆動系が同じ性能で、対象物に対して対称に配置されている場合、偏差を解消するための操作量を、第１の制御手段と第２の制御手段とで符号を逆にすればよい。言い換えると、１つの操作量を第１の制御手段でも第２の制御手段でも符号を変えて共通に用いるので、偏差を解消するための操作量の発生が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例のブロック図

【図2】実施例の同期制御器のブロック図

【図3】実施例での同期制御を行列で表す図

【図4】複数の同期制御器を用いる参考例のブロック図

【図5】３個のモータを同期制御する変形例のブロック図

【図6】実施例の同期制御方法を示すフローチャート

【図7】実験でのモータの目標位置を示す図

【図8】図７の目標位置で、２番目のモータ側に外乱を与えた際の制御結果を示し、1)は２個のモータを同期制御した際の各モータの目標位置からの偏差を、2)は同期制御しなかった際の各モータの目標位置からの偏差を、3)はモータ間の偏差を示す。

【図9】２番目のモータに周期的な外乱を与えた際の制御結果を示し、２個のモータを同期制御した際の各モータの目標位置からの誤差と、同期制御しなかった際の各モータの目標位置からの誤差、及び同期制御した際としなかった際のモータ間の偏差を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書の記載とこの分野での周知技術とを参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。

【実施例】

【0013】

図１〜図９に実施例とその変形とを示す。図１は、実施例の同期制御装置の構成を示し、M1，M2は制御対象のサーボ制御形のモータで、２は目標位置発生装置で、例えば時間の関数として２つの目標位置xr，yrを発生する。なおx，y，z等の記号は直交座標系等での座標を表すのではなく、モータM1側の位置をx、モータM2側の位置をyとして表している。また添字rは目標値であることを表している。ここでは目標位置xr,yrに従ってモータM1,M2が動作するように制御するが、目標位置ではなく目標速度又は目標トルクに従ってモータM1,M2が動作するように制御しても良い。加減算器２０で目標位置xrと実際の位置xとの誤差exを求め、PID制御器４に入力して操作量としての出力uxを得る。同様に、加減算器２１で目標位置yrと実際の位置yとの誤差eyを求め、PID制御器５に入力して操作量としての出力uyを得る。PID制御器４，５は良く知られたものである。また制御対象はモータに限らず、空気圧機器、油圧機器、内燃エンジン等でも良い。

【0014】

誤差ex、eyの偏差α（α＝ex−ey）を加減算器３０で求め、同期制御器１０に入力して出力βを求め、加減算器４０で出力uxと出力βを加算した操作量vxによりモータM1を制御する。同様に加減算器４１で出力uxから出力βを減算した操作量vyによりモータM2を制御する。なお４５はモータM1を制御する電流増幅器、４６はモータM2を制御する電流増幅器である。また位置x，yはモータM1，M2のエンコーダ等により求めても、レーザ距離計等の位置センサ又はリニアスケールにより求めても良い。

【0015】

図２に同期制御器１０の構造を示し、積分器３２は偏差αを積分し、微分器３３は偏差αを微分する。増幅器３４で偏差αの積分値に比例する操作量を発生させ、増幅器３５で偏差αに比例する操作量を発生させ、増幅器３６で偏差αの微分値に比例する操作量を発生させる。加減算器３７でこれらの出力を加算し、同期制御器１０の出力βとする。また反転増幅器３８でβの符号を逆転し、−βを出力する。なお実施例ではアナログ回路等で制御器１０を実現するように説明しているが、これは説明を簡単にするためで、マイクロコンピュータ、DＳP（デジタルシグナルプロセッサ）等により、制御器１０と加減算器２０，２１等を実現しても良い。ただし実施例では、積分器３２と増幅器３４は設けない。

【0016】

図２とはやや異なるが、偏差αに比例する出力と偏差αの微分値に比例する出力とを加算する。偏差αに比例する出力と、微分値に比例する出力と、積分値に比例する出力とを加算しても良いが、このようなものは特許請求の範囲には含まれない。また図1および図２で、PID制御器４、５の制御ゲインを大きくして同期制御器１０のゲイン（すなわち増幅器３４〜３６のゲイン）を小さくすると、モータM1，M2の同期よりも、モータM1，M2が各々の目標位置xr，yrに忠実に動作することを重視する制御となる。逆に、PID制御器４、５の制御ゲインを小さくして同期制御器１０のゲイン（すなわち増幅器３４〜３６のゲイン）を大きくすると同期を重視する制御となる。さらに増幅器３４のゲインを大きくすると、モータM1，M2の出力間のオフセットを小さくでき、増幅器３５のゲインを大きくすると、偏差αを解消するための比例制御が強くなる。また増幅器３６のゲインを大きくすると、偏差αの変化率に基づく同期制御が強くなる。

【0017】

図３は実施例での制御を行列により表し、ｓはラプラス変換でのパラメータである。各行列での非対角項は、モータM1，M2の同期制御、即ち誤差ex,ey間の偏差αを小さくするための制御ゲインを表す。対角項は、モータM1，M2間の同期ではなく、誤差ex,ey自体を小さくするための制御ゲインを表す。またモータM1，M2が同じで、モータM1とモータM2とが対象物に対し対称に配置されている場合、各行列は対称行列として、Kpxy＝Kpyx，
Kdxy＝Kdyx とし、さらに Kixy＝Kiyx＝０ とすることが好ましい。Kixy＝Kiyx＝０とするのは、同じモータM1，M2が対象物に対し対称に配置されているので、両者間に何らかの定常的な外力が働かない限り、定常的な偏差（オフセット）は元々小さいからである。

【0018】

例えば、対象物の左右両側にそれぞれ第１、第２の部材が設けられ、モータM1が第１の部材を、モータM2が第２の部材を駆動し、対象物が所定の軌跡に沿って移動することが重要な場合がある。この場合、軌跡からの偏差に前記の偏差αが対応する。このような場合への参考例を図４に示す。なおこの場合、モータM1，M2は一般に同じモータではない。またモータM1，M2が対象物から受ける抗力、対象物の慣性等も共通ではないので、別個の同期制御器１０，１０'を設ける。さらに誤差ex，eyの大きさを適当に正規化するため、例えば増幅器２４で誤差eyを増幅する。図４の参考例を図３行列により考えると、各行列は非対称行列で、各行列の４個の成分は全て異なる。他の点では、図４の参考例は図１，図２の実施例と同等である。ただし図４の参考例は特許請求の範囲には含まれない。

【0019】

図５は３個のモータM1，M2，M3を同期制御する変形例を示し、４個以上のモータを制御する場合も同様である。モータM1,M2は図1と同様に制御し、モータM3に対し、加減算器２２で目標位置zrと実際の位置zとの偏差を求め、PID制御器６等の制御器により誤差ezを解消するように出力uzを発生させる。αxy＝ex−ey，αyz＝ey−ez，αzx＝ez−exの３種類の偏差を解消するための出力βxy，βyz，βzxを同期制御器１０，１１，１２で発生させる。出力βxy，βyz，βzxを加減算器４０'，４１'，４２'で出力ux．uy，uzと加減算した操作量vx，vy，vzにより、電流増幅器４５〜４７を介してモータM1，M2，M3を制御する。なお同期制御器１１，１２の構造は同期制御器１０と同様である。またモータM1，M2，M3が同じではない場合等は、図４で２個の同期制御器１０，１０'を設けているように、各同期制御器１０，１１，１２に代えて各々２個の同期制御器を設け、かつ誤差ex,ey,ezの大きさを適当に正規化して偏差を求めると良い。

【0020】

図６に、図１，図２の実施例での同期制御方法を示す。ステップ１で、目標位置発生器から目標位置xr,yr等を出力する（ステップ１）。目標位置xr,yrは、動作の開始時から終了時までのデータを予め作成し、１制御周期毎にxr,yrを各１データずつ出力しても良い。あるいは各制御周期毎に、その都度、目標位置xr,yrを発生させても良い。また目標位置の代わりに目標速度又は目標トルクを出力しても良い。

【0021】

ステップ２で、目標位置xr,yrと実際の位置x,yとの誤差ex,eyに基づき、PID制御等により、操作量ux,uyを発生させる。そしてステップ３で、偏差α（α＝ex-ey）に基づき、PD制御あるいは比例制御等により操作量βを発生させる。ux＋βによりモータM1を、uy−βによりモータM2を制御する（ステップ４）。以上のステップを動作が終了するまで繰り返す（ステップ５）。

【0022】

図８に、図１の実施例による制御結果を示し、同じモータM1，M2により別々ではあるが同等の負荷を駆動した。図７の位置指令に従ってモータM1．M2を動作させ、モータM2にのみ外乱を加えた。同期制御器１０を設けない際の制御結果を非同期制御とし、実施例での制御を同期制御とする。同期制御でも非同期制御でも、Kpxx＝Kpyy＝3.76，Kixx＝Kipyy＝5，Kdxx＝Kdyy＝0.135とした。同期制御では非対角項として、Kpxy＝Kpyx＝-1.23，Kdxy＝Kdyx＝-0.12，Kixy＝Kiyx＝０ とし、非同期制御では非対角項の値は全て0である。同期制御では偏差αの絶対値の最大値が非同期制御の場合の約２／３に減少し、モータM2側の誤差の絶対値の最大値も、非同期制御よりも小さくなった。

【0023】

図９の実験では、図８の実験に用いたのと同じ系で、モータM2のみに周期的な外乱（時刻１秒目〜８秒目）を加えた。制御ゲインは図８の場合と同一である。同期制御では、モータM1がモータM2に同期するように、言い換えるとモータM2と同じ誤差を持つように動作し、偏差は非同期制御よりも小さくなっている。

【0024】

実施例には以下の特徴がある。
1) 複数個のモータを同期制御できる。Kpxy，Kdxy等の同期制御用のゲインをチューニングすることにより、個々のモータを指令に忠実に動作させるか、複数個のモータ間の偏差を小さくするかを調整できる。
2) 制御の手法に汎用性があり、任意の対象に適用できる。
3) ３個以上のモータの同期制御にも容易に拡張できる。
4) 油圧、空気圧、内燃エンジン等のモータ以外の駆動系にも適用できる。
5) 同じ特性の２個のモータを対象物に対し対称に配置する場合、積分ゲインでの非対角項は０にでき、比例ゲインと微分ゲインでの非対角項は Kpxy＝Kpyx，Kdxy＝Kdyx と単純化できる。
6) PID制御器４，５，６等はPD制御器その他任意の制御器に変更でき、ベースとなる非同期制御の部分は制御方式を選ばない。

【符号の説明】

【0025】

２ 目標位置発生器
４〜６ PID制御器
１０〜１２ 同期制御器
２０〜２２ 加減算器
２４ 増幅器
３０，３７ 加減算器
３２ 積分器
３３ 微分器
３４〜３６ 増幅器
３８ 反転増幅器
４０，４１ 加減算器
４０，４１ 加減算器
４５〜４７ 電流増幅器

M1〜M3 モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】