サーボ系の多重ループ構造(カスケード制御)について

Question

DCモータの角度の追従制御などサーボ系の制御構造は、電流制御ループ、速度制御ループ、位置制御ループの多重ループ構造(カスケード制御系)をもつと思いますが、なぜ多重ループにしないとなめらかな制御ができないのでしょうか？位置制御ループのみだとなぜ制御性能が良くないのでしょうか？（もし可能であれば数式を使って教えていただければ幸いです。）

また、サーボ系であればカスケード制御系にしたほうが必ず制御性能が良くなるのでしょうか？例えば、エアシリンダの位置制御もそうなのでしょうか？

どうかよろしくお願い致します。

また、サーボ系であればカスケード制御系にしたほうが必ず制御性能が良くなるのでしょうか？例えば、エアシリンダの位置制御もそうなのでしょうか？

どうかよろしくお願い致します。

Accepted Answer

DCモータの角度の追従制御サーボ系であれば、制御目標である角度信号だけを参照して、単一ループのフィードバック制御系を構成すれば最もシンプルです。しかし、一般的にはお問い合わせのように多重フィードバック系を導入することが多いでしょう。
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSPZ201603/MSPZ201603.pdf

このようなサーボ系は、モーターを駆動する電気系統、モーターの負荷となる機械系が組み合わされた複雑な系であって、単純な伝達関数では記述できません。単一ループのフィードバック制御系を導入すれば、位相遅れが大きく、十分な制御の安定性を確保したうえで、位相の偏差を小さくするという目標を達成することが困難です。
多重のフィードバック系を導入することで、外乱に対する偏差を高速に応答可能なマイナーループで抑え、最外周ループに求められる負担を減らすことで、総合的に応答性の向上を目指すものです。
多重ループの制御系を導入すればそれだけで総合特性がよくなるのではなく、それぞれの制御ループの応答性をチューニングして組み合わせることで、総合特性を向上させています。

Answer

＞位置制御ループのみだとなぜ制御性能が良くないのでしょうか？

速度ループ無しって事は速度固定って事です
例えば自動車でフルスロットルとフルブレーキだけで運転するとかです

電流ループ無しって事はトルク一定って事です
例えばトラックで空荷でも１トン積んでも１０トン積んでもフルスロットル

残念ながら数式は知りません

因みに位置ループのみの位置制御は普通に可能です
ラジコンのサーボは位置ループのみです
回転速度一定ですが低速なので実用上問題ない　＜高速には出来ない
https://www.rc.futaba.co.jp/servo_air/index.html

そして更に↓普通のロボットは位置フィードバックをメインコントローラまで上げる事はしない
サーボドライバまでで終わってる
https://kondo-robot.com/product-category/robot/khrseries
メインコントローラ－－サーボドライバ間はオープンループ

オモチャのロボットだからではない
産業用ロボットでもＮＣ工作機械でもメインコントローラはオープンループです
ＮＣプログラム自身は現在位置をイチイチ確認しない
https://nc-program.s-projects.net/g-code.html
ＮＣ装置内部パラメータにサーボ現在位置はあるがわざわざ読みに行かない
そんなのをイチイチ読んでいたら高速で動けない

何故ならカスケードの最上位に位置するから現在位置を確認する必要が無い

Answer

前の質問の
ロータ移動における回生ロストを防いだモータ
https://www.youtube.com/watch?v=SQvZ-FLwFX0

⇡
子のモータを見てもわかるようにモータの種類にはさまざまあって
決めつけはよくないですよ

テスラモータではねじってますし
https://www.youtube.com/watch?v=LW_jxKldiLk

全く概念の違うモータ
https://www.youtube.com/watch?v=PyPSXXt6skg

絶対という制御はないですし
一定方向に進み行きついた最終形態が多重ループです

サーボ系制御構造についての疑問