Perfect Tracking Control by PWM-Type Input
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19K04438
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21040:Control and system engineering-related
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| Research Institution | Utsunomiya University |
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Principal Investigator |
平田 光男 宇都宮大学, 工学部, 教授 (50282447)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 雅康 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (10456692)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | PWM型入力系 / 完全追従制御 / 離散化零点 / 不安定零点 / 量子化誤差 / 動的量子化器 / 二重積分系 / ガルバノスキャナ / PWM型入力 / 同期モータ / ベクトル制御 / フィードフォワード制御 |
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| Outline of Research at the Start |
モーションコントロールの制御対象として取り扱うことの多い二重積分系は，零次ホールド離散化すると不安定零点を生ずる。しかし，申請者らの最近の研究により， PWM（Pulse width modulation）入力系の場合，PWMパルスの生成方法を工夫すると，その不安定零点を安定化できることがわかった。このことは，PWM型入力系の場合，安定な逆モデルから構成したフィードフォワード制御器によって完全追従制御が実現できることを意味する。そこで，本研究では，PWM入力系において完全追従制御を達成するための具体的な設計法を確立し，実機実験によりその有効性を検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
モーションコントロールの制御対象として取り扱うことの多い二重積分系は，零次ホールド離散化すると不安定零点を生ずる。しかし，申請者らの最近の研究により， PWM（Pulse width modulation）型入力系の場合，PWMパルスの生成方法を工夫すると，その不安定零点を安定化できることがわかった。そこで本研究では，PWM型入力系において安定な逆モデルに基づく完全追従制御を達成するための具体的な設計法を確立することを目的とする。
我々が提案した，PWMパルスの中心をサンプリング周期の前方に固定することで不安定零点を安定化する従来法は，生成できるパルス幅が制約され，制御入力が有効に活用できないという欠点があった。そこで，二重積分系において，パルスの立ち上がり時刻をサンプリング周期の始めに固定し，パルス立ち下がり時刻を可変とする方法を提案した。この方法では，フィードフォワード制御器が時変系となるが，パルス幅の制約を一切受けないという利点がある。次に，制御対象が４次の高次系において，入出力の取り方と厳密線形化モデルの離散化零点の安定性について考察し，離散化零点が安定となる場合を明らかにした。
提案法の有効性を検証するため，提案法をレーザ加工機の心臓部で用いられるガルバノスキャナの高速・高精度な角度制御に適用し，シミュレーションで制御性能を評価した。その結果，零位相差追従制御（ZPETC）などの既存の方法に比べて，目標値追従性能が向上することを確認した。
上記成果の一部は，この分野で国際的に著名な学術誌にすでに掲載されている。今後は，実機実験を通してその有用性を検証する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
今年度は，新型コロナによる入構制限も緩和されたため，実機実験の準備を進めた。まず，PWMアンプによるガルバノスキャナ駆動系を製作し，ラピッドプロトタイピング装置と接続した。次に，制御系を安定化するPID制御器を設計し，閉ループ系を構成した上で，周波数応答を実測した。そして，周波数応答から制御対象の物理パラメータを同定した。しかしながら，十分な精度の数学モデルを得ることができなかった。そこで，電機子の特性と，機械特性とに分けて周波数応答を実測し，電気回路定数と機械定数を分けて同定することを試みた。その結果，十分な精度の数学モデルを得ることができた。次に，得られた数学モデルを用いて，終端状態制御入力を設計し，2自由度制御系を構築して，位置決め制御実験を行った。その結果，十分な位置決め精度が実現できることを確認した。さらに，提案するPWMパルスを生成するための制御プログラムの整備を行った。なお，十分な精度の数学モデルを得るに当たって，当初の計画よりも時間を要し，提案法の実装に至ることができなかった。したがって，遅れている，と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，構築したガルバノスキャナの位置決め制御系に対して，これまで提案した手法を適用し，その有用性を明らかにする。まず，最も基本的な方法として，ガルバノスキャナを電機子の電機的特性とミラーの回転系から成る3次のシステムとしてモデル化し，このモデルに対して提案法を適用し，安定な逆モデルに基づくフィードフォワード制御器を設計する。そして，フィードバック制御器を設計した上で2自由度制御系を構成し，軌道追従制御を行う。比較対照として，富塚氏が提案し，軌跡追従制御でよく用いられる零位相差追従制御（ZPETC）系を設計し，性能比較を行う。ガルバノスキャナのモデルとして標準的な3次のモデルだけでなく，電機子の特性を無視した2次のモデルや，ミラーとモータを軸ねじり振動系と見なした4次のモデルに対しても，検討を行う。得られた成果について，学会発表や論文投稿を行う。最後に，一連の研究を総括し，提案法のメリットやデメリット，そして，今後の課題等を整理する。
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Report
(4 results)
Research Products
(12 results)
