DE112017008009T5

DE112017008009T5 - Servosteuervorrichtung

Info

Publication number: DE112017008009T5
Application number: DE112017008009.6T
Authority: DE
Inventors: Akio Saito; Hidetoshi Ikeda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2037-09-09
Also published as: JP6821041B2; WO2019049328A1; CN111095132A; DE112017008009B4; US20200192303A1; CN111095132B; US11630425B2; JPWO2019049328A1

Abstract

Eine Servosteuervorrichtung (100) zum Steuern eines Endeffektors einer Maschine (1), sodass er einer festgelegten Referenztrajektorie folgt, indem die Maschine (1) unter Verwendung eines Aktors (23a, 23b) angetrieben wird, beinhaltet eine Vorkopplungskompensationseinheit (21a, 21b), die Vorkopplungskompensation durchführt, indem ein Vorkopplungssignal ausgegeben wird, um den Aktor (23a, 23b) auf der Grundlage eines darin eingegebenen Positionsbefehlssignals zu steuern, wobei Eingabe-Ausgabe-Charakteristiken, die in einem zeitkontinuierlichen System der Vorkopplungskompensationseinheit (21a, 21b) dargestellt werden, durch eine Übertragungsfunktion ausgedrückt werden, die instabile Nullen aufweist, und eine Sprungantwort der Vorkopplungskompensationseinheit (21a, 21b) eine anfängliche Unterschreitung aufweist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servosteuervorrichtung, die einen Endeffektor einer zu steuernden Maschine steuert, sodass er einer festgelegten Referenztrajektorie folgt.
Allgemeiner Stand der Technik
Bei einer industriellen Maschine wie zum Beispiel einem Roboterarm, die eine Arbeit wie zum Beispiel Bearbeiten, Montage, Abdichten oder Schweißen durchführt, steuert eine Servosteuervorrichtung einen Servomotor, der auf jeder von Antriebsachsen eingestellt ist, wie zum Beispiel Verbindungsachsen der Maschine, sodass die Position eines Endeffektors der Maschine einer voreingestellten Referenztrajektorie folgt. Während dieser Steuerung ist es wahrscheinlich, dass Schwingung in der Maschine verursacht wird, da sich die Bewegungsgeschwindigkeit in einer Richtung jeder Achse oder die Drehgeschwindigkeit um jede Achse an einem Eckabschnitt der Referenztrajektorie scharf ändert.
Für diese Situation wird bei der typischen Servosteuerung, um die Maschinenschwingung zu unterdrücken, eine Steuerung wie Unterdrücken einer Änderung der Befehlsposition durchgeführt, indem ein Befehlssignal in Bezug auf jede Achse auf einer Zeitbasis unter Verwendung eines Filters lokal geglättet wird, aber infolge der Steuerung weicht ein Trajektoriefehler, wie zum Beispiel ein Einwärtsdrehfehler bewirkt durch die Tatsache, dass eine Reaktionstrajektorie des Endeffektors von einer Referenztrajektorie abweicht.
Dann ist in den letzten Jahren ein Steuerverfahren zum Minimieren des Trajektoriefehlers vorgeschlagen worden. Die nachfolgend aufgelistete Patentliteratur 1 lehrt, dass für die Steuerung einer Endeffektorposition eines Roboters eine Endeffektorposition des Roboters nach einer zuvor festgelegten Probenahmezeit durch Modellierung geschätzt wird, und eine Befehlsposition unter Verwendung eines Vektors senkrecht zu einer Referenztrajektorie und sich von der geschätzten Endeffektorposition erstreckend als ein Korrekturwert korrigiert wird. Auf diese Weise wird Steuerung durchgeführt, sodass die Endeffektorposition der Referenztrajektorie folgt, während eine Zeitverzögerung zulässig ist.
In dem Verfahren, das in Patentliteratur 1 offenbart ist, ist es erforderlich, Berechnung durchzuführen, um eine Senkrechte von der geschätzten Endeffektorposition des Roboters zu der Referenztrajektorie zu erhalten. In einem Fall einer Befehlsform einer Referenztrajektorie, deren Bewegungsrichtung sich jeden Moment ändert, kann jedoch eine Vielzahl von Senkrechten zu der Referenztrajektorie vorhanden sein, abhängig von der Relation zwischen der Referenztrajektorie und der Reaktionstrajektorie, wodurch insofern ein Problem verursacht wird, dass die Korrekturmenge nicht einmalig bestimmt werden kann. Es wird ein Fall angenommen, bei dem zwei Seiten in einem vorbestimmten Winkel zueinander sind, wie zum Beispiel ein Fall eines Eckabschnittes, wenn eine Befehlsform ein Rechteck ist, als ein spezifisches Beispiel. In diesem Fall, wenn der geschätzte Wert der Endeffektorposition an einer Winkelhalbierenden eines Winkels mit dem vorstehend genannten vorbestimmten Winkel ist, ist ein Fuß einer Senkrechten auf jeder der zwei Seiten vorhanden, und so bedeutet dies, dass die Korrekturmenge nicht einmalig bestimmt werden kann. Zusätzlich ändert sich in einem Fall, in dem sich die Richtung oder Länge einer Senkrechten plötzlich ändert, die Korrekturmenge scharf, was dahingehend zu einem Problem führt, dass die Maschine einen Stoß erhält und Schwingung verursacht wird.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2006-15431
Kurzdarstellung
Technisches Problem
Um einen Trajektoriefehler zwischen einer Reaktionstrajektorie und einer Referenztrajektorie eines Betriebspunktes zu reduzieren, bei dem es sich um einen Endeffektor einer Maschine handelt, während Schwingung minimiert wird, die wie vorstehend beschrieben in der Maschine auftritt, ist es wünschenswert, dass die Verstärkungscharakteristik und die Phasencharakteristik von Vorkopplungskompensation in der Servosteuervorrichtung auf ihre jeweiligen Arten unabhängig gestaltet sind.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehenden Umstände gemacht, und ein Ziel davon ist es, eine Servosteuervorrichtung bereitzustellen, die ermöglicht, dass die Verstärkungscharakteristik und die Phasencharakteristik der Vorkopplungskompensation auf ihre jeweiligen Arten unabhängig gestaltet werden.
Lösung des Problems
Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Servosteuervorrichtung bereit, um einen Endeffektor einer Maschine zu steuern, sodass er einer festgelegten Referenztrajektorie folgt, indem die Maschine unter Verwendung eines Aktors angetrieben wird, wobei die Servosteuervorrichtung Folgendes umfasst: eine Vorkopplungskompensationseinheit zum Durchführen von Vorkopplungskompensation, indem ein Vorkopplungssignal ausgegeben wird, um den Aktor auf der Grundlage eines darin eingegebenen Positionsbefehlssignals zu steuern, wobei Eingabe-Ausgabe-Charakteristiken, die in einem zeitkontinuierlichen System einer Vorkopplungskompensationseinheit dargestellt sind, durch eine Übertragungsfunktion ausgedrückt werden, die instabile Nullen aufweist, und eine Sprungantwort der Vorkopplungskompensationseinheit eine anfängliche Unterschreitung aufweist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine vorteilhafte Wirkung des Erreichens einer Servosteuervorrichtung ausgeübt, die ermöglicht, dass die Verstärkungscharakteristik und die Phasencharakteristik für Vorkopplungskompensation auf ihre jeweiligen Arten unabhängig gestaltet werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Servosteuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine schematische Ansicht, die einen horizontalen Gelenkroboter gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist ein Graph, der eine Sprungantwort einer Übertragungsfunktion einer Vorkopplungskompensationseinheit gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist ein Graph, der verwendet wird, um eine Frequenzantwort von Verstärkung von Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit derjenigen gemäß einem komparativen Beispiel zu vergleichen.
5 ist ein weiterer Graph, der verwendet wird, um eine Frequenzantwort von Verstärkung von Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit derjenigen gemäß dem komparativen Beispiel zu vergleichen.
6 ist ein Graph, der ein Ergebnis einer Simulation veranschaulicht, bei der eine Servosteuervorrichtung gemäß einem komparativen Beispiel einen Endeffektor eines horizontalen Gelenkroboters dazu gebracht hat, eine kreisförmige Trajektorie zu ziehen.
7 ist ein Graph, der ein Ergebnis einer Simulation veranschaulicht, bei der die Servosteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform einen Endeffektor eines horizontalen Gelenkroboters dazu gebracht hat, eine kreisförmige Trajektorie zu ziehen.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Servosteuervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
9 ist ein Graph, der Beispiele für Frequenzantworten von Verstärkung von Übertragungsfunktionen von einem Positionsbefehlssignal zu einem Positionsvorkopplungssignal, die Schwingungsunterdrückungskompensation in den Servosteuervorrichtungen gemäß der zweiten Ausführungsform und dem komparativen Beispiel ausgesetzt worden sind, veranschaulicht.
10 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Servosteuervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ist ein Graph, der eine Sprungantwort einer Übertragungsfunktion einer Vorkopplungskompensationseinheit gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm, das eine Hardwarekonfiguration eines Computersystems gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform veranschaulicht.
13 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration in einem Fall veranschaulicht, in dem die Funktionen einer Vorkopplungskompensationseinheit, einer Rückkopplungskompensationseinheit, einer Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit, einer Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit und einer Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform durch dedizierte Hardware implementiert werden.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Servosteuervorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht zwingend durch diese Ausführungsformen beschränkt ist.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Servosteuervorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Servosteuervorrichtung 100 erkennt eine Maschine, die eine oder mehrere Antriebsachsen aufweist, als ein gesteuertes Objekt, und führt Trajektorieverfolgungssteuerung für einen zu steuernden Endeffektor der Maschine durch, sodass er einer festgelegten Referenztrajektorie mit hoher Genauigkeit folgt. Eine Maschine, die durch die Servosteuervorrichtung 100 zu steuern ist, ist in diesem Beispiel ein horizontaler Gelenkroboter 1. Die Servosteuervorrichtung 100 beinhaltet eine erste Achsenservosteuereinheit 2a, eine zweite Achsenservosteuereinheit 2b, eine Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und eine Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4. Die erste Achsenservosteuereinheit 2a und die zweite Achsenservosteuereinheit 2b treiben den horizontalen Gelenkroboter 1 an und steuern diesen.
2 ist eine schematische Ansicht, die den horizontalen Gelenkroboter 1 gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Der horizontale Gelenkroboter 1 beinhaltet: eine erste Achse 11 und eine zweite Achse 12, die Antriebsachsen sind; eine Basis 13, die an einer Installationsstelle befestigt und mit der ersten Achse 11 verbunden ist; einen ersten Arm 14, der mit der ersten Achse 11 und der zweiten Achse 12 verbunden ist; einen zweiten Arm 15, der mit der zweiten Achse 12 verbunden ist, und einen Endeffektor 16, bei dem es sich um einen Endeffektor handelt, der an dem zweiten Arm 15 angebracht ist.
Die erste Achsenservosteuereinheit 2a beinhaltet eine Vorkopplungskompensationseinheit 21a, die Vorkopplungskompensation durchführt, eine Rückkopplungskompensationseinheit 22a, die Rückkopplungssteuerung durchführt, und einen Aktor 23a, der den Betrieb in Bezug auf die erste Achse 11 des horizontalen Gelenkroboters 1 steuert. Ein spezifisches Beispiel für den Aktor 23a ist ein Servomotor.
Die Vorkopplungskompensationseinheit 21a erhält ein Positionsvorkopplungssignal auf der Grundlage eines Positionsbefehlssignals für die erste Achse 11, das durch die Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 erzeugt wird. Insbesondere erhält die Vorkopplungskompensationseinheit 21a das Positionsvorkopplungssignal, indem das Positionsbefehlssignal auf der Grundlage der Filtercharakteristiken einer Übertragungsfunktion geformt wird, die durch die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 festgelegt werden. Ferner erhält die Vorkopplungskompensationseinheit 21a ein Geschwindigkeitsvorkopplungssignal und ein Drehmomentvorkopplungssignal durch Berechnung unter Verwendung des Positionsvorkopplungssignals, das auf der Grundlage der Übertragungsfunktion erhalten wird. Das Positionsvorkopplungssignal, das Geschwindigkeitsvorkopplungssignal und das Drehmomentvorkopplungssignal sind Signale, um jeweils die Position, die Geschwindigkeit und das Drehmoment des Aktors 23a zu steuern. Die Vorkopplungskompensationseinheit 21a gibt das Positionsvorkopplungssignal, das Geschwindigkeitsvorkopplungssignal und das Drehmomentvorkopplungssignal als Vorkopplungssignale an die Rückkopplungskompensationseinheit 22a aus.
Die Rückkopplungskompensationseinheit 22a erhält ein Drehmomentbefehlssignal, indem Rückkopplungskompensation auf der Grundlage der Vorkopplungssignale, die von der Vorkopplungskompensationseinheit 21a eingegeben werden, und Rückkopplungssignale, die von dem Aktor 23a eingegeben werden, durchgeführt wird, und gibt das Drehmomentbefehlssignal an den Aktor 23a aus. Die Rückkopplungssignale, die von dem Aktor 23a eingegeben werden, sind ein Positionsrückkopplungssignal, ein Geschwindigkeitsrückkopplungssignal und ein Drehmomentrückkopplungssignal. Somit erhält die Rückkopplungskompensationseinheit 22a das Drehmomentbefehlssignal, indem Rückkopplungskompensation durchgeführt wird, sodass das Positionsrückkopplungssignal und das Geschwindigkeitsrückkopplungssignal von dem Aktor 23a jeweils dem Positionsvorkopplungssignal und dem Geschwindigkeitsvorkopplungssignal folgen.
Die Position und die Geschwindigkeit des Aktors 23a werden auf der Grundlage des Drehmomentbefehlssignals gesteuert, das von der Rückkopplungskompensationseinheit 22a eingegeben wird.
Die zweite Achsenservosteuereinheit 2b weist eine Konfiguration gleich derjenigen der ersten Achsenservosteuereinheit 2a auf und beinhaltet: eine Vorkopplungskompensationseinheit 21b, die Vorkopplungskompensation durchführt; eine Rückkopplungskompensationseinheit 22b, die Rückkopplungssteuerung durchführt; und einen Aktor 23b, der den Betrieb in Bezug auf die zweite Achse 12 des horizontalen Gelenkroboters 1 steuert. Ein spezifisches Beispiel für den Aktor 23b ist ein Servomotor. Der Betrieb der Vorkopplungskompensationseinheit 21b, der Rückkopplungskompensationseinheit 22b und des Aktors 23b sind jeweils dem vorstehend beschriebenen der Vorkopplungskompensationseinheit 21a, der Rückkopplungskompensationseinheit 22a und des Aktors 23a ähnlich.
Der Aktor 23a ist an der ersten Achse 11 montiert und der Aktor 23b ist an der zweiten Achse 12 montiert. Unter Berufung auf diese Konfiguration treiben die Aktoren 23a und 23b den horizontalen Gelenkroboter 1 an, der eine zu steuernde Maschine ist, damit der Endeffektor 16 so gesteuert wird, dass er einer festgelegten Referenztrajektorie folgt. Da für jede der Antriebsachsen der zu steuernden Maschine ein Aktor erforderlich ist, sind für zwei oder mehr Antriebsachsen zwei oder mehr Aktoren erforderlich, wobei die Anzahl an Aktoren derjenigen der Antriebsachsen entspricht. In 2 ist die Veranschaulichung der Servosteuervorrichtung 100 und auch der Aktoren 23a und 23b weggelassen. Der Aktor 23a treibt den ersten Arm 14 durch die erste Achse 11 an und der Aktor 23b treibt den zweiten Arm 15 durch die zweite Achse 12 an und dadurch wird die Position des Endeffektors 16 gesteuert.
Obwohl eine dritte Achse zum Steuern der Höhe des Endeffektors 16 und eine vierte Achse zum Steuern des Winkels des Endeffektors 16 an dem horizontalen Gelenkroboter 1 montiert sind, um ein tatsächliches Produkt zu ergeben, sind diese Achsen in der ersten Ausführungsform der Einfachheit der Beschreibung halber weggelassen. In einem Fall, in dem der horizontale Gelenkroboter 1 ferner die dritte Achse und die vierte Achse aufweist, muss die Servosteuervorrichtung 100 nur weiter eine dritte Achsenservosteuereinheit und eine vierte Achsenservosteuereinheit aufweisen, die Konfigurationen aufweisen, die jeweils gleich denjenigen der ersten Achsenservosteuereinheit 2a oder der zweiten Achsenservosteuereinheit 2b jeweils für die dritte Achse und die vierte Achse sind.
Die Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 berechnet ein Positionsbefehlssignal für jede von der ersten Achse 11 und der zweiten Achse 12 des horizontalen Gelenkroboters 1 für den Endeffektor 16 und gibt dieses aus, um der Referenztrajektorie gemäß einem im Voraus erzeugten Betriebsprogramm zu folgen.
Die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 legt eine Übertragungsfunktion fest, die die Filtercharakteristiken von jeder von der Vorkopplungskompensationseinheit 21a und der Vorkopplungskompensationseinheit 21b bestimmt. Die Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensationseinheit 21a stellt Eingabe-Ausgabe-Charakteristiken dar, wobei das Positionsbefehlssignal für die erste Achse 11 eine Eingabe ist und ein Positionsvorkopplungssignal für den Aktor 23a eine Ausgabe ist. Die Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensationseinheit 21b stellt Eingabe-Ausgabe-Charakteristiken dar, wobei das Positionsbefehlssignal für die zweite Achse 12 eine Eingabe ist und ein Positionsvorkopplungssignal für den Aktor 23b eine Ausgabe ist.
Es ist zu beachten, dass jede der Übertragungsfunktionen, die in einem zeitkontinuierlichen System für die Vorkopplungskompensationseinheit 21a und die Vorkopplungskompensationseinheit 21b dargestellt ist, durch die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 so festgelegt ist, dass sie instabile Nullen aufweist. Eine instabile Null bezieht sich auf eine Null mit einem positiven echten Teil. Da die Übertragungsfunktion instabile Nullen aufweist, gibt es eine anfängliche Unterschreitung in einer Sprungantwort von jeder von der Vorkopplungskompensationseinheit 21a und der Vorkopplungskompensationseinheit 21b. Es ist zu beachten, dass sich eine anfängliche Unterschreitung auf eine Situation bezieht, in der die Sprungantwort einen Wert mit einem Vorzeichen aufweist, das entgegengesetzt zu demjenigen eines Wertes im stetigen Zustand ist, bevor die Sprungantwort den Wert im stetigen Zustand erreicht. Es ist zu beachten, dass ein System ausgedrückt durch eine Übertragungsfunktion mit instabilen Nullen als ein Nichtmindestphasensystem bezeichnet wird und ein System ausgedrückt durch eine Übertragungsfunktion, die stabil ist und keine instabile Null aufweist, als Mindestphasensystem bezeichnet wird.
Eine Übertragungsfunktion, bei der die Ordnung eines Zählerpolynoms eine erste Ordnung ist und die Ordnung eines Nennerpolynoms eine fünfte Ordnung ist, wird durch die folgende Formel (1) als ein Beispiel für die Übertragungsfunktion ausgedrückt, die in einem zeitkontinuierlichen System dargestellt ist, das instabile Nullen aufweist, die für die Vorkopplungskompensationseinheit 21a und die Vorkopplungskompensationseinheit 21b festgelegt sind.
[Formel 1] $F (s) = \frac{1 - b_{1} (\frac{s}{ω_{0}})}{1 + a_{1} (\frac{s}{ω_{0}}) + a_{2} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{2} + a_{3} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{3} + a_{4} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{4} + {(\frac{s}{ω_{0}})}^{5}}$
Die Null der Übertragungsfunktion ausgedrückt durch Formel (1) ist bei (ω₀/b₁), und falls ω₀ und b₁ positive echte Zahlen sind, ist (ω₀/b₁) eine positive ganze Zahl, und damit instabile Nullen. Das System ausgedrückt durch die Übertragungsfunktion der Formel (1) ist daher ein Nichtmindestphasensystem.
Die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 berechnet eine Verstärkung G(ω) und eine Phasenverzögerung PD(ω) bei einer Winkelfrequenz ω der Übertragungsfunktion der Formel (1) jeweils auf der Grundlage der nachfolgenden Formel (2) und Formel (3). Es ist zu beachten, dass die Phasenverzögerung eine Menge ist, die erhalten wird, indem die Phase der Übertragungsfunktion mit dem Kehrwert der Winkelfrequenz ω multipliziert wird und das Vorzeichen des Multiplikationsergebnisses umgedreht wird, wobei es sich um eine Menge an Verzögerungszeit handelt, in die ein Phasenunterschied zwischen der Eingabe und der Ausgabe der Übertragungsfunktion umgewandelt wird.
[Formel 2] $G (ω) = \sqrt{\frac{1 + {(b_{1} (\frac{ω}{ω_{0}}))}^{2}}{{(1 - a_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + a_{4} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4})}^{2} + {(a_{1} (\frac{ω}{ω_{0}}) - a_{3} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{3} + {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{5})}^{2}}}$
[Formel 3] $P D (ω) = \frac{1}{ω} [arctan (b_{1} (\frac{ω}{ω_{0}})) + arctan (\frac{a_{1} (\frac{ω}{ω_{0}}) - a_{3} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{3} + {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{5}}{1 - a_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + a_{4} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4}})]$
Die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 erhält ferner Potenzreihenentwicklung der Verstärkung G(ω) und der Phasenverzögerung PD(ω) um die Winkelfrequenz ω wie in der nachfolgend gezeigten Formel (4) und Formel (5). Es ist zu beachten, dass der letzte Term der rechten Seite der Formel (4) einen Term darstellt, bei dem die Ordnung von (ω/ω₀) eine vierte oder höhere Ordnung ist und der letzte Term der rechten Seite der Formel (5) einen Term darstellt, bei dem die Ordnung von (ω/ω₀) eine zehnte oder höhere Ordnung ist.
[Formel 4] $G (ω) = 1 + g_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4})$
[Formel 5] $P D (ω) = \frac{1}{ω_{0}} ((a_{1} + b_{1}) + p d_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + p d_{4} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4} + p d_{6} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{6} + p d_{8} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{8}) + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{10})$
Hier werden g₂, wobei es sich um einen Entwicklungskoeffizienten von (ω/ω₀) zweiter Ordnung der Verstärkung G(ω) ausgedrückt durch Formel (4) handelt, und pd₂, pd₄, pd₆ und pd₈, bei denen es sich um Entwicklungskoeffizienten von (ω/ω₀) zweiter bis achter Ordnung der Phasenverzögerung PD(ω) ausgedrückt durch Formel (5) handelt, im Voraus jeweils in Abhängigkeit von a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁ erhalten, bei denen es sich um Parameter der Übertragungsfunktion der Formel (1) handelt. Zusätzlich erhält die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 die Werte von a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁ im Voraus, sodass alle von g₂, pd₂, pd₄, pd₆ und pd₈ null sind. Dieses Problem kann als simultane Gleichung ausgedrückt durch die folgende Formel (6) formuliert werden, die aus Polynomen unter Verwendung von a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁ als Variablen besteht.

[Formel 6] $[\begin{array}{l} g_{2} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, b_{1}) \\ p d_{2} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, b_{1}) \\ p d_{4} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, b_{1}) \\ p d_{6} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, b_{1}) \\ p d_{8} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, b_{1}) \end{array}] = [\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}]$
Da es ausreichend ist, dass die simultane Gleichung ausgedrückt durch Formel (6) einmal gelöst wird, kann die simultane Gleichung offline außerhalb der Servosteuervorrichtung 100 gelöst werden, um die Werte von a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁ als Lösung zu erhalten, und die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 kann die Lösung im Voraus speichern.
Die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 legt die Filtercharakteristiken der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b fest, indem die Werte von a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁, die wie vorstehend beschrieben erhalten werden, und ein vorbestimmtes ω₀ als Parameter der Übertragungsfunktion der Formel (1) bestimmt werden.
Es ist zu beachten, dass eine Gruppenverzögerung GD(ω) anstelle der Phasenverzögerung PD(ω) auf der Grundlage der nachfolgend gezeigten Formel (7) berechnet werden kann, und eine Potenzreihenentwicklung der Gruppenverzögerung GD(ω) um (ω/ω₀) wie in der nachfolgend gezeigten Formel (8) erhalten werden kann. Die Gruppenverzögerung entspricht einer Menge, die durch Differenzieren der Phase einer Übertragungsfunktion durch eine Winkelfrequenz ω und Umkehren des Vorzeichens des Differenzierungsergebnisses erhalten wird. Es ist zu beachten, dass der letzte Term der rechten Seite der Formel (8) einen Term darstellt, bei dem die Ordnung von (ω/ω₀) eine zehnte oder höhere Ordnung ist.
[Formel 7] $G D (ω) = \frac{d}{d ω} [arctan (b_{1} (\frac{ω}{ω_{0}})) + arctan (\frac{a_{1} (\frac{ω}{ω_{0}}) - a_{3} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{3} + {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{5}}{1 - a_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + a_{4} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4}})]$
[Formel 8] $G D (ω) = \frac{1}{ω_{0}} ((a_{1} + b_{1}) + g d_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + g d_{4} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4} + g d_{6} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{6} + g d_{8} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{8}) + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{10})$
Dann werden g₂, wobei es sich um einen Entwicklungskoeffizienten von (ω/ω₀) zweiter Ordnung der Verstärkung G(ω) ausgedrückt durch Formel (4) handelt, und gd₂, gd₄, gd₆ und gd₈, bei denen es sich um Entwicklungskoeffizienten von (ω/ω₀) zweiter bis achter Ordnung der Gruppenverzögerung GD(ω) ausgedrückt durch Formel (8) handelt, jeweils in Abhängigkeit von a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁ erhalten, bei denen es sich um Parameter der Übertragungsfunktion der Formel (1) handelt. Die Werte von a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁ können dann bestimmt werden, sodass alle von g₂, gd₂, gd₄, gd₆ und gd₈ null sind. Da der Unterschied zwischen dem Entwicklungskoeffizienten einer Potenzreihenentwicklung der Phasenverzögerung PD(ω) und derjenigen der Gruppenverzögerung GD(ω) nur ein Unterschied eines konstanten Vielfachen ist, kann die Tatsache, dass gd₂, gd₄, gd₆ und gd₈ alle null sind, zum selben Ergebnis führen wie die Tatsache, dass pd₂, pd₄, pd₆ und pd₈ alle null sind.
3 ist ein Graph, der eine Sprungantwort einer Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Anders gesagt veranschaulicht 3 eine Sprungantwort einer Übertragungsfunktion eines Systems, das ein Positionsvorkopplungssignal auf der Grundlage eines Positionsbefehlssignals ausgibt. In 3 stellt die horizontale Achse die Zeit dar und stellt die vertikale Achse die Amplitude dar. Da die Übertragungsfunktion instabile Nullen aufweist, weist die Sprungantwort der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der ersten Ausführungsform eine anfängliche Unterschreitung wie in 3 veranschaulicht auf.
Als nächstes wird ein erforderlicher Betrieb eines Servosteuersystems erläutert. In Bezug auf einen Fehler einer Antwortposition in Bezug auf eine Befehlsposition in einem Servosteuersystem wird eine Komponente des Fehlers in der tangentialen Richtung der Referenztrajektorie als ein Verfolgungsfehler bezeichnet und wird eine Komponente davon in der Richtung senkrecht zu der tangentialen Richtung als ein Trajektoriefehler bezeichnet. Da das Vorhandensein eines Trajektoriefehlers zu einer Nichtübereinstimmung zwischen einer Bearbeitungsform und einer Referenzform führt, ist es erforderlich, dass ein Trajektoriefehler so weit wie möglich vermieden wird. Im Gegenteil ist ein Verfolgungsfehler im Vergleich zu einem Trajektoriefehler oft erlaubt, da sich ein Verfolgungsfehler nicht direkt auf eine Bearbeitungsform auswirkt. Zusätzlich muss bei der Steuerung eines Objekts, das eine Mechanismuskomponente mit einer geringen Steifigkeit aufweist, wie zum Beispiel ein Geschwindigkeitsbegrenzer eines Roboters, eine glatte Antwort erreicht werden, indem Hochfrequenzkomponenten, die in einem Befehl enthalten sind, unter Verwendung eines Filters gedämpft werden, um Maschinenschwingung zu unterdrücken.
In der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform bestimmt die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 die Werte der Parameter a₁, a₂, a₃, a₄ und b₁ der Formel (1), sodass die Entwicklungskoeffizienten g₂, pd₂, pd₄, pd₆ und pd₈ der Formel (4) und Formel (5), wobei es sich um Potenzreihenentwicklung der Verstärkung G(ω) und der Phasenverzögerung PD(ω) handelt, alle null sind. Folglich werden Frequenzantworten der Verstärkung G(ω) und der Phasenverzögerung PD(ω) der Übertragungsfunktion der Formel (1) durch die folgende Formel (9) ausgedrückt.
[Formel 9] ${\begin{array}{l} G (ω) = 1 + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4}) \\ P D (ω) = \frac{a_{1} + b_{1}}{ω_{0}} + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{10}) \end{array}$
In Formel (9) sind Terme hoher Ordnung, bei denen die Ordnung von (ω/ω₀) eine vierte oder höhere Ordnung ist, in einem Frequenzband, in dem (ω/ω₀)<<1 erfüllt ist, vernachlässigbar. Somit werden die Frequenzantworten der Verstärkung G(ω) und der Phasenverzögerung PD(ω) in einem Frequenzband, in dem (ω/ω₀) <<1 erfüllt ist, durch die folgende Formel (10) ausgedrückt.

[Formel 10] ${\begin{array}{l} G (ω) ≃ 1 \\ P D (ω) ≃ \frac{a_{1} + b_{1}}{ω_{0}} \end{array}$
Formel (10) bedeutet, dass die Übertragungsfunktion von Formel (1) in einem Frequenzband, in dem (ω/ω₀)<< 1 erfüllt ist, als eine konstante Verstärkung von 1 und eine konstante Verzögerungszeit (a₁+b₁)/ω₀ aufweisend angesehen werden kann. Anders gesagt bedeutet Formel (10), dass ein System ausgedrückt durch die Übertragungsfunktion der Formel (1) als eine Totzeitkomponente mit einer Verzögerungszeit von (a₁+b₁)/ω₀ in einer Frequenzspanne, in der (ω/ω₀)<< 1 erfüllt ist, angesehen werden kann.
In einer Totzeitkomponente wird eine Wellenform gleich einer Eingabewellenform nach einem Ablauf einer Totzeit ausgegeben. Somit, wenn die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b Totzeitcharakteristiken aufweisen, tritt ein Verfolgungsfehler für eine Verzögerungszeit auf, aber wird ein Trajektoriefehler in einem Frequenzband, in dem (ω/ω₀)<< 1 erfüllt ist, sehr klein.
Im Gegensatz dazu sind in einem Frequenzband, in dem (ω/ω₀) >>1 erfüllt ist, andere Terme als ein Term, bei dem die Ordnung von (ω/ω₀) die höchste ist, vernachlässigbar, und so wird die Verstärkung G(ω) der Übertragungsfunktion der Formel (1) durch die folgende Formel (11) ausgedrückt.
[Formel 11] $G (ω) ≃ \frac{b_{1}}{{(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4}}$
Die Ordnung des Nenners der Verstärkung G(ω) ausgedrückt durch die Formel (11) ist eine vierte Ordnung. Daher wird, da die Verstärkung G(ω) bei -80 dB/dez gedämpft wird, eine Hochfrequenzkomponente, die in einem Positionsbefehlssignal enthalten ist, entfernt, um zu ermöglichen, dass eine glatte Antwort erreicht wird.
Als nächstes wird der Vergleich zwischen der Servosteuervorrichtung 100 der ersten Ausführungsform und einer Servosteuervorrichtung eines komparativen Beispiels beschrieben. In einem Fall, in dem die Ordnung einer Übertragungsfunktion für Vorkopplungskompensation in der Servosteuervorrichtung des komparativen Beispiels eine vierte Ordnung ist, wird diese Übertragungsfunktion durch die folgende Formel (12) ausgedrückt.
[Formel 12] $F' (s) = \frac{1}{1 + a_{1}^{'} (\frac{s}{ω_{0}}) + a_{2}^{'} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{2} + a_{3}^{'} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{3} + a_{4}^{'} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{4}}$
In der Servosteuervorrichtung des komparativen Beispiels werden die Parameter a₁', a₂', a₃' und a₄' für Vorkopplungskompensation basierend auf der Formel (12) durch das Know-how eines Gestalters angesichts der Anstiegszeit und der Einschwingzeit der Sprungantwort bestimmt.
4 ist ein Graph, der verwendet wird, um eine Frequenzantwort der Verstärkung von Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit derjenigen gemäß dem komparativen Beispiel zu vergleichen. 5 ist ein weiterer Graph, der verwendet wird, um eine Frequenzantwort der Verstärkung von Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit derjenigen gemäß dem komparativen Beispiel zu vergleichen. In 4 und 5 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und stellt die vertikale Achse die Verstärkung dar. Die Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist durch eine durchgezogene Linie veranschaulicht, und diejenige der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel ist durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht. Die Vorkopplungskompensation, die durch die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der ersten Ausführungsform in 4 und derjenigen in 5 durchgeführt werden, unterscheiden sich im Wert ω₀ voneinander. Die Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel in 4 ist dieselbe wie diejenige in 5.
Die Vorkopplungskompensation durchgeführt durch die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der ersten Ausführungsform macht g₂, wobei es sich um den Entwicklungskoeffizienten zweiter Ordnung der Potenzreihenentwicklung der Verstärkung G(ω) um die Frequenz handelt, zu null, sodass ein Frequenzband, in dem die Verstärkung als konstant angesehen werden kann, im Vergleich zu demjenigen der Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel in 4 erweitert ist. Daher wird Dämpfung der Amplitude minimiert, wodurch es ermöglicht wird, einen Einwärtsdrehfehler an einer Trajektorie eines Bogens, einen Eckabschnitt oder dergleichen zu reduzieren.
In 5 ist ω₀ so festgelegt, dass die Verstärkung in einer Hochfrequenzregion der Vorkopplungskompensation durchgeführt durch die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der ersten Ausführungsform kleiner als derjenige in einer Hochfrequenzregion der Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel ist. Auch im Falle von 5 ist ein Frequenzband, in dem die Verstärkung als konstant angesehen werden kann, in der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform breiter als derjenige in der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel. Daher ist es gemäß der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform möglich, dass Trajektoriegenauigkeit verbessert wird und ein Trajektoriefehler zwischen einer Reaktionstrajektorie und einer Referenztrajektorie effektiv reduziert wird, und dass gleichzeitig Schwingungsunterdrückungsleistung verbessert wird, indem die Verstärkung in einer Hochfrequenzregion im Vergleich zu der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel kleiner gemacht wird.
Außerdem werden die Entwicklungskoeffizienten der zweiten Ordnung bis zur achten Ordnung der Potenzreihenentwicklung der Phasenverzögerung PD(ω) alle auf null gebracht, wodurch es möglich wird, die Verzögerungszeit zwischen einer Eingabe und einer Ausgabe der Vorkopplungskompensation, die im Wesentlichen konstant ist, in einem Frequenzbereich zu halten, in dem (ω/ω₀)<< 1 erfüllt ist. Dadurch wird Verzerrung einer Wellenform verursacht durch Nichtübereinstimmung der Verzögerungszeit zwischen einer Eingabe und einer Ausgabe der Vorkopplungskompensation für jede Frequenzkomponente minimiert, wodurch es ermöglicht wird, Vorkommen des Trajektoriefehlers zu unterdrücken. Es ist zu beachten, dass, wenn g₂, wobei es sich um den Entwicklungskoeffizienten zweiter Ordnung der Potenzreihenentwicklung der Verstärkung G(ω) um Frequenz handelt, null ist, die vorstehend genannten vorteilhaften Wirkungen nur erzeugt werden, indem der Entwicklungskoeffizient zweiter Ordnung der Potenzreihenentwicklung der Phasenverzögerung PD(ω) oder der Gruppenverzögerung GD(w) um Frequenz null gemacht wird.
Formel (12), bei der es sich um die Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensation der Servosteuervorrichtung handelt, bei der es sich um das komparative Beispiel handelt, ist stabil und weist keine instabile Null auf, und stellt so ein System basierend auf einem Mindestphasensystem dar. In einem Fall, in dem das System ein Mindestphasensystem ist, ist bekannt, dass eine Frequenzantwort in Phase einmalig aus einer Frequenzantwort in Verstärkung bestimmt wird, und daher lag ein Problem daran, dass die Verstärkung und die Phase im Prinzip nicht unabhängig gestaltet werden können (Referenz: Sugie, Fujita, Introduction to Feedback Control, CORONA PUBLISHING, CO., LTD., S. 99). In dieser Situation sind zwar Filter, jeweils ein Butterworth-Filter und ein Bessel-Filter, bekannt, die die Entwicklungskoeffizienten der Potenzreihenentwicklung von einem von der Verstärkung und der Phasenverzögerung null machen, es ist aber kein Filter bekannt, der die Entwicklungskoeffizienten der Potenzreihenentwicklung sowohl von der Verstärkung als auch von der Phasenverzögerung gleichzeitig null macht.
Im Gegensatz wird in der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform die Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b dazu gebracht, instabile Nullen aufzuweisen, sodass das System ein Nichtmindestphasensystem ist, wodurch es ermöglicht wird, sowohl die Verstärkungscharakteristiken als auch die Phasencharakteristiken der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b unabhängig zu gestalten. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat dann herausgefunden, dass Vorkopplungskompensation, die die Trajektoriegenauigkeit und Schwingungsunterdrückungsleistung wie vorstehend beschrieben gleichzeitig verbessert, erreicht werden kann, indem ermöglicht wird, dass die Verstärkungscharakteristiken und die Phasencharakteristiken der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b unabhängig gestaltet werden, und dann Entwicklungskoeffizienten niedriger Ordnung der zweiten oder höheren Ordnung der Potenzreihenentwicklung sowohl von der Verstärkung G(ω) als auch von der Phasenverzögerung PD(ω) um (ω/ω₀) so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig null sind.
6 ist ein Graph, der ein Ergebnis einer Simulation veranschaulicht, bei der die Servosteuervorrichtung gemäß einem komparativen Beispiel den Endeffektor 16 des horizontalen Gelenkroboters 1 dazu gebracht hat, eine kreisförmige Trajektorie zu ziehen. 7 ist ein Graph, der ein Ergebnis einer Simulation veranschaulicht, bei der die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform den Endeffektor 16 des horizontalen Gelenkroboters 1 dazu gebracht hat, eine kreisförmige Trajektorie zu ziehen. In 6 und 7 stellt die horizontale Achse die Position der X-Achse dar und stellt die vertikale Achse die Position der Y-Achse dar.
Wie in 6 veranschaulicht, trat in dem Fall, in dem die Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel den Endeffektor 16 des horizontalen Gelenkroboters 1 dazu gebracht hat, eine kreisförmige Trajektorie zu ziehen, ein Einwärtsdrehfehler auf. Im Gegensatz tritt in dem Fall, in dem die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform den Endeffektor 16 des horizontalen Gelenkroboters 1 dazu gebracht hat, eine kreisförmige Trajektorie zu ziehen, in einem Frequenzband, in dem (ω/ω₀)<< 1 erfüllt ist, fast kein Trajektoriefehler auf, sodass ein Trajektoriefehler wie zum Beispiel ein Einwärtsdrehfehler verglichen mit der Servosteuervorrichtung des komparativen Beispiels wie in 7 veranschaulicht erheblich reduziert wird.
Wie vorstehend beschrieben, sorgt die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform dafür, dass die Übertragungsfunktion dargestellt in einem zeitkontinuierlichen System für die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b instabile Nullen aufweisen, wodurch es möglich gemacht wird, sowohl die Verstärkungscharakteristiken als auch die Phasencharakteristiken auf ihre jeweilige unabhängige Weise zu gestalten. Ferner legt in der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 die Übertragungsfunktion für die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b fest, sodass Entwicklungskoeffizienten niedriger Ordnung der zweiten oder höherer Ordnung der Potenzreihenentwicklung sowohl von der Verstärkung G(ω) als auch von der Phasenverzögerung PD(ω) der Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b um Frequenz gleichzeitig null sind, wodurch es möglich gemacht wird, sowohl Minimierung des Trajektoriefehlers als auch Minimierung der Schwingung zu erreichen. Somit ist es bei der Trajektoriesteuerung einer zu steuernden Maschine, wie zum Beispiel einem Roboterarm, der Arbeiten wie zum Beispiel Bearbeiten, Montage, Abdichten oder Schweißen durchführt, die eine hohe Trajektoriegenauigkeit erfordern, möglich, einen Pfadfehler zwischen einer Reaktionstrajektorie und einer Referenztrajektorie eines Betriebspunktes der Maschine effektiv zu reduzieren, während Schwingung, die in der Maschine auftritt, minimiert wird.
Während die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform vorstehend unter Verwendung des horizontalen Gelenkroboters 1 als ein zu steuerndes Objekt beschrieben worden ist, kann die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform unabhängig von der Anzahl an Antriebsachsen oder der Kinematik einer Maschine angewandt werden und ist daher auch auf andere Industrieroboter anwendbar, darunter einen vertikalen Gelenkroboter und einen Roboter mit Parallelverbindung, Maschinenwerkzeug, Laserverarbeitungsmaschinen oder dergleichen.
Zweite Ausführungsform.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Servosteuervorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Servosteuervorrichtung 200 beinhaltet eine erste Achsenservosteuereinheit 2a', eine zweite Achsenservosteuereinheit 2b', eine Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und eine Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4. Die erste Achsenservosteuereinheit 2a' und die zweite Achsenservosteuereinheit 2b' treiben den horizontalen Gelenkroboter 1 an und steuern diesen.
Die Unterschiede zwischen der Servosteuervorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform und der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform liegen in den Unterschieden zwischen der ersten Achsenservosteuereinheit 2a' und der zweiten Achsenservosteuereinheit 2b' und der ersten Achsenservosteuereinheit 2a und der zweiten Achsenservosteuereinheit 2b. Insbesondere beinhaltet die erste Achsenservosteuereinheit 2a' zusätzlich eine Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit 24a zwischen der Vorkopplungskompensationseinheit 21a und der Rückkopplungskompensationseinheit 22a, und beinhaltet die zweite Achsenservosteuereinheit 2b' zusätzlich eine Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit 24b zwischen der Vorkopplungskompensationseinheit 21b und der Rückkopplungskompensationseinheit 22b. Die Funktionen der Komponenten der Servosteuervorrichtung 200 dargestellt durch die gleichen Referenzsymbole wie diejenigen in 1, mit Ausnahme der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b sind äquivalent zu denjenigen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, und daher wird die Beschreibung davon weggelassen, und die Unterschiede der Servosteuervorrichtung 200 zu der Servosteuervorrichtung 100 werden nachfolgend beschrieben.
In der ersten Achsenservosteuereinheit 2a' führt die Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit 24a Schwingungsunterdrückungskompensation basierend auf den mechanischen Resonanzcharakteristiken des horizontalen Gelenkroboters 1 an Vorkopplungssignalen durch, die durch die Vorkopplungskompensationseinheit 21a ausgegeben werden, um dadurch Vorkopplungssignale zu erhalten, die der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt sind. Die Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit 24a gibt die Vorkopplungssignale, die der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt sind, an die Rückkopplungskompensationseinheit 22a aus. Insbesondere führt die Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit 24a die Schwingungsunterdrückungskompensation an jedem von einem Positionsvorkopplungssignal, einem Geschwindigkeitsvorkopplungssignal und einem Drehmomentvorkopplungssignal durch, die aus der Vorkopplungskompensationseinheit 21a ausgegeben werden, um Vorkopplungssignale zu erhalten, die der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt werden, die aus einem Positionsvorkopplungssignal, das der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt wird, einem Geschwindigkeitsvorkopplungssignal, das der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt wird, und einem Drehmomentvorkopplungssignal, das der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt wird, bestehen, und gibt die Vorkopplungssignale, die der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt werden, an die Rückkopplungskompensationseinheit 22a aus. Die Rückkopplungskompensationseinheit 22a führt Rückkopplungskompensation auf der Grundlage der Vorkopplungssignale durch, die der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt werden, die von der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit 24a eingegeben werden, und einem Rückkopplungssignal, das von dem Aktor 23a eingegeben wird, um ein Drehmomentbefehlssignal zu erhalten, und gibt das Drehmomentbefehlssignal an den Aktor 23a aus. Die Position und die Geschwindigkeit des Aktors 23a werden auf der Grundlage des Drehmomentbefehlssignals gesteuert, das von der Rückkopplungskompensationseinheit 22a eingegeben wird.
Die zweite Achsenservosteuereinheit 2b' und die Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit 24b funktionieren auch auf eine ähnliche Weise wie vorstehend.
Beim Antreiben eines gesteuerten Objekts, das mechanische Resonanz aufweist, ist ein Verfahren der Anwendung von Korrekturberechnung basierend auf einer Übertragungsfunktion ausgedrückt durch die folgende Formel (13) an die Vorkopplungssignale bekannt, um eine Leistung bei einer Resonanzfrequenz beim Betrieb des gesteuerten Objektes, das in einer Referenztrajektorie enthalten ist, zu senken (Referenz: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2001-249702 ). Eine solche Korrekturberechnung zum Senken der Leistung bei einer Resonanzfrequenz basierend auf mechanischen Resonanzcharakteristiken wird als Schwingungsunterdrückungskompensation bezeichnet. Es ist zu beachten, dass die Schwingungsfrequenz ω_z die Frequenz der zu unterdrückenden Schwingung darstellt, der Dämpfungskoeffizient ζ_z ein Dämpfungsverhältnis darstellt und s einen Laplace-Operator darstellt.
[Formel 13] $V (s) = 1 + \frac{2 ζ_{z}}{ω_{z}} s + \frac{1}{ω_{z}^{2}} s^{2}$
Die Korrekturberechnung basierend auf der Übertragungsfunktion ausgedrückt durch die Formel (13) ist ein Beispiel für die Schwingungsunterdrückungskompensation. Die Korrekturberechnung basierend auf der Übertragungsfunktion ausgedrückt durch Formel (13) weist einen Effekt des Dämpfens der Verstärkung durch Vorkopplungskompensation bei der Schwingungsfrequenz ω_z auf, aber die Korrekturberechnung verwendet ein Quadrat des Laplace-Operators s, also ein Differential zweiter Ordnung eines Eingangssignals, und weist dadurch unbeabsichtigte Charakteristiken des Verstärkens der Verstärkung durch Vorkopplungskompensation in einer Frequenzregion der Schwingungsfrequenz ω_z oder höher auf. Aus diesem Grund kann eine Hochfrequenzkomponente, die in dem Vorkopplungssignal enthalten ist, abhängig von der Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz ω_z und der Dämpfungscharakteristiken der Vorkopplungskompensation verstärkt werden und dadurch gegebenenfalls zu einem Zuviel eines elektrischen Stromwertes des Aktors oder Beteilung von unnötiger Hochfrequenzschwingung beim Betrieb des Aktors führen.
Andererseits hat die Vorkopplungskompensation durchgeführt durch die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b der Servosteuervorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform auch einen Effekt des Reduzierens der Verstärkung in der Hochfrequenzregion zusätzlich zum Verbessern der Trajektoriegenauigkeit verglichen mit der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel wie in der ersten Ausführungsform beschrieben. Die Servosteuervorrichtung 200 kann daher das Problem von einem Zuviel eines Stromwertes des Aktors oder Beteiligung von unnötiger Hochfrequenzschwingung beim Betrieb des Aktors bewirkt durch Schwingungsunterdrückungskompensation wie vorstehend beschrieben lindern.
9 ist ein Graph, der Beispiele für Frequenzantworten der Verstärkungen von Übertragungsfunktionen von einem Positionsbefehlssignal zu einem Positionsvorkopplungssignal, die Schwingungsunterdrückungskompensation in den Servosteuervorrichtungen gemäß der zweiten Ausführungsform und dem komparativen Beispiel ausgesetzt worden sind, veranschaulicht. 9 veranschaulicht die Frequenzantworten der Verstärkung von einem Positionsbefehlssignal zu einem Positionsvorkopplungssignal, das Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt ist, in einem Fall, in dem Schwingungsunterdrückungskompensation an der Vorkopplungskompensation, die in 5 veranschaulicht ist, mit der Schwingungsfrequenz ω_z=6 Hz und dem Dämpfungskoeffizienten ζ_z=0,1 in Formel (13) durchgeführt wird. Insbesondere ist die Frequenzantwort der Verstärkung in der Servosteuervorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht durch eine durchgezogene Linie eine Frequenzantwort der Verstärkung in einem Fall, in dem die Schwingungsunterdrückungskompensation an der Vorkopplungskompensation gemäß der ersten Ausführungsform in 5 durchgeführt wird, und ist die Frequenzantwort der Verstärkung in der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel veranschaulicht durch eine gestrichelte Linie eine Frequenzantwort der Verstärkung in einem Fall, in dem die Schwingungsunterdrückungskompensation an der Vorkopplungskompensation gemäß dem komparativen Beispiel in 5 durchgeführt wird. Wie in 9 durchgeführt, kann gemäß der Servosteuervorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform die Verstärkung von Hochfrequenzverstärkung, die ein Problem ist, wenn die Schwingungsunterdrückungskompensation durchgeführt wird, verglichen mit der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel zurückgehalten werden, sodass eine Antwort erreicht werden kann, die glatter ist als diejenige der Servosteuervorrichtung gemäß dem komparativen Beispiel.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der Servosteuervorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform möglich, einen Pfadfehler zwischen einer Reaktionstrajektorie und einer Referenztrajektorie eines Betriebspunktes einer zu steuernden Maschine effektiv zu reduzieren, während mechanische Schwingung minimiert wird, die in der gesteuerten Maschine vorkommt, um eine glatte Antwort zu erreichen.
Dritte Ausführungsform.
10 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Servosteuervorrichtung 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Servosteuervorrichtung 300 beinhaltet eine erste Achsenservosteuereinheit 2a, eine zweite Achsenservosteuereinheit 2b, eine Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und eine Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a. Die erste Achsenservosteuereinheit 2a und die zweite Achsenservosteuereinheit 2b treiben den horizontalen Gelenkroboter 1 an und steuern diesen.
Die Unterschiede zwischen der Servosteuervorrichtung 300 gemäß der dritten Ausführungsform und der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform liegen in den Unterschieden zwischen der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4. Die Übertragungsfunktion, die für jede der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b durch die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a festgelegt wird, und die Übertragungsfunktion, die durch die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4 festgelegt wird, weisen beide instabile Nullen auf, unterscheiden sich aber voneinander. Die Funktionen der Komponenten der Servosteuervorrichtung 300, die durch die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in 1 dargestellt sind, mit Ausnahme der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a, sind äquivalent zu denjenigen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, und daher wird die Beschreibung davon weggelassen. Die Unterschiede der Servosteuervorrichtung 300 zu der Servosteuervorrichtung 100 werden nachfolgend beschrieben.
Eine Übertragungsfunktion, bei der die Ordnung des Zählerpolynoms eine zweite Ordnung ist und diejenige des Nennerpolynoms eine siebte Ordnung ist, wird durch die folgende Formel (14) als ein Beispiel für die Übertragungsfunktion ausgedrückt, die in einem zeitkontinuierlichen System dargestellt ist, das instabile Nullen aufweist, die durch die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a in der Vorkopplungskompensationseinheit 21a und der Vorkopplungskompensationseinheit 21b festgelegt sind.
[Formel 14] $F (s) = \frac{1 - b_{1} (\frac{s}{ω_{0}}) + b_{2} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{2}}{1 + a_{1} (\frac{s}{ω_{0}}) + a_{2} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{2} + a_{3} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{3} + a_{4} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{4} + a_{5} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{5} + a_{6} {(\frac{s}{ω_{0}})}^{6} + {(\frac{s}{ω_{0}})}^{7}}$
Wenn (ω₀, b₁ und b₂ positive echte Zahlen sind, sind die Nullen, die eine Lösung des Zählerpolynoms sind, ein Paar an zwei positiven echten Zahlen oder verbundene komplexe Zahlen mit positiven echten Teilen, und weil die Übertragungsfunktion ausgedrückt durch Formel (14) zwei instabile Nullen aufweist, ist das System, das durch diese Übertragungsfunktion dargestellt wird, ein Nichtmindestphasensystem.
Die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a berechnet die Verstärkung G(ω) und die Phasenverzögerung PD(ω) bei der Winkelfrequenz ω der Übertragungsfunktion der Formel (14) jeweils auf der Grundlage der folgenden Formel (15) und Formel (16).
[Formel 15] $G (ω) = \sqrt{\frac{{(1 - b_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2})}^{2} + {(b_{1} (\frac{ω}{ω_{0}}))}^{2}}{{(1 - a_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + a_{4} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4} - a_{6} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{6})}^{2} + {(a_{1} (\frac{ω}{ω_{0}}) - a_{3} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{3} + a_{5} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{5} - {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{7})}^{2}}}$

[Formel 16] $P D (ω) = \frac{1}{ω} [arctan (\frac{b_{1} (\frac{ω}{ω_{0}})}{1 - b_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2}}) + arctan (\frac{a_{1} (\frac{ω}{ω_{0}}) - a_{3} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{3} + a_{5} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{5} - {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{7}}{1 - a_{2} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2} + a_{4} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{4} - a_{6} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{6}})]$
Die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a führt ferner Potenzreihenentwicklung der Verstärkung G(ω) und der Phasenverzögerung PD(ω) um die Winkelfrequenz ω wie in der folgenden Formel (17) und Formel (18) durch. Es ist zu beachten, dass der letzte Term der rechten Seite der Formel (17) einen Term darstellt, bei dem die Ordnung von (ω/ω₀) eine sechste oder höhere Ordnung ist und der letzte Term der rechten Seite der Formel (18) einen Term darstellt, bei dem die Ordnung von (ω/ω₀) eine vierzehnte oder höhere Ordnung ist.
[Formel 17] $G (ω) = 1 + (\sum_{i \in {2,4}} g_{i} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{i}) + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{6})$

[Formel 18] $P D (ω) = \frac{a_{1} + b_{1}}{ω_{0}} + \frac{1}{ω_{0}} (\sum_{i \in {2,4,6,8,10,12}} p d_{i} {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{i}) + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{14})$
Hier werden g₂ und g₄, wobei es sich um Entwicklungskoeffizienten zweiter und vierter Ordnung von (ω/ω₀) der Verstärkung G(ω) ausgedrückt durch Formel (17) handelt, und pd₂, pd₄, pd₆, pd₈, pd₁₀ und pd₁₂, bei denen es sich um Entwicklungskoeffizienten zweiter bis zwölfter Ordnung von (ω/ω₀) der Phasenverzögerung PD(ω) ausgedrückt durch Formel (18) handelt, im Voraus jeweils in Abhängigkeit von a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, b₁ und b₂ erhalten, bei denen es sich um Parameter der Übertragungsfunktion der Formel (14) handelt. Außerdem erhält die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a die Werte von a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, b₁ und b₂ im Voraus, sodass g₂, g₄, pd₂, pd₄, pd₆, pd₈, pd₁₀ und pd₁₂ alle null sind. Dieses Problem kann als simultane Gleichung ausgedrückt durch die folgende Formel (19) formuliert werden, die aus Polynomen unter Verwendung von a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, b₁ und b₂ als Variablen besteht.
[Formel 19] $[\begin{array}{l} g_{2} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \\ g_{4} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \\ p d_{2} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \\ p d_{4} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \\ p d_{6} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \\ p d_{8} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \\ p d_{10} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \\ p d_{12} (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, a_{5}, a_{6}, b_{1}, b_{2}) \end{array}] = [\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}]$
Da es ausreichend ist, dass die simultane Gleichung ausgedrückt durch Formel (19) einmal gelöst wird, kann die simultane Gleichung offline außerhalb der Servosteuervorrichtung 300 gelöst werden, um die Werte von a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, b₁ und b₂ als Lösung zu erhalten, und die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a kann die Lösung im Voraus speichern.
Die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit 4a legt die Filtercharakteristiken der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b fest, indem die Werte von a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, b₁ und b₂, die wie vorstehend beschrieben erhalten werden, und ein vorbestimmtes ω₀ als Parameter der Übertragungsfunktion der Formel (14) bestimmt werden.
Es ist zu beachten, dass auf eine Weise, die derjenigen ähnlich ist, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, Potenzreihenentwicklung der Gruppenverzögerung GD(ω) anstelle der Phasenverzögerung PD(ω) berechnet werden kann, und die Parameter der Übertragungsfunktion der Formel (14) bestimmt werden können, sodass alle Entwicklungskoeffizienten zweiter und vierter Ordnung der Verstärkung G(ω) um (ω/ω₀) und Entwicklungskoeffizienten zweiter, vierter, sechster, achter, zehnter und zwölfter Ordnung der Gruppenverzögerung GD(ω) um (ω/ω₀) null sind.
11 ist ein Graph, der eine Sprungantwort einer Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. Anders gesagt veranschaulicht 11 eine Sprungantwort einer Übertragungsfunktion eines Systems, das ein Positionsvorkopplungssignal auf der Grundlage eines Positionsbefehlssignals ausgibt. In 11 stellt die horizontale Achse die Zeit dar und stellt die vertikale Achse die Amplitude dar. Da die Übertragungsfunktion instabile Nullen aufweist, weist die Sprungantwort der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der dritten Ausführungsform eine anfängliche Unterschreitung wie in 11 veranschaulicht auf.
In der Servosteuervorrichtung 300 gemäß der dritten Ausführungsform werden g₂ und g₄, die Entwicklungskoeffizienten zweiter und vierter Ordnung der Potenzreihenentwicklung der Verstärkung G(ω) sind, und pd₂, pd₄, pd₆, pd₈, pd₁₀ und pd₁₂, die Entwicklungskoeffizienten zweiter bis zwölfter Ordnung der Potenzreihenentwicklung der Phasenverzögerung PD(ω) sind, alle auf null gebracht. Dadurch werden die Verstärkung G(ω) und die Phasenverzögerung PD(ω) der Übertragungsfunktion der Formel (14) durch die folgende Formel (20) ausgedrückt.
[Formel 20] ${\begin{array}{l} G (ω) & = 1 + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{6}) \\ P D (ω) & = \frac{a_{1} + b_{1}}{ω_{0}} + O ({(\frac{ω}{ω_{0}})}^{14}) \end{array}$
Daher können wie bei der ersten Ausführungsform die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der dritten Ausführungsform auch als Totzeitkomponenten mit einer Verzögerungszeit von (a₁+b₁)/ω₀ in einer Frequenzspanne, in der (ω/ω₀)<<1 erfüllt ist, angesehen werden. Ferner reduziert, da die Ordnung eines Fehlers von der Totzeitkomponente mit Formel (20) kleiner als verglichen mit Formel (9) in der ersten Ausführungsform ist, die Servosteuervorrichtung 300 gemäß der dritten Ausführungsform einen Trajektoriefehler, der in einer Frequenzspanne auftritt, in der (ω/ω₀)<<1 erfüllt ist, weiter als die Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
Andererseits sind in einer Frequenzspanne, in der (ω/ω₀)>>1 erfüllt ist, andere Terme als ein Term, bei dem die Ordnung von (ω/ω₀) die höchste Ordnung ist, vernachlässigbar, und so wird die Verstärkung G(ω) der Übertragungsfunktion der Formel (14) durch die folgende Formel (21) ausgedrückt.
[Formel 21] $G (ω) ≃ \frac{b_{2}}{{(\frac{ω}{ω_{0}})}^{5}}$
Die Ordnung des Nenners der Verstärkung G(ω) ausgedrückt durch die Formel (21) ist eine fünfte Ordnung. Daher wird, da die Verstärkung G(ω) der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b gemäß der dritten Ausführungsform bei -100 dB/dez gedämpft wird, die Dämpfungsleistung der Verstärkung in einer Hochfrequenzregion weiter verbessert als diejenige der Servosteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
Die Komponenten der Servosteuervorrichtungen 100, 200 und 300 gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform, mit Ausnahme der Aktoren 23a und 23b, können durch ein Computersystem implementiert werden. 12 ist ein Diagramm, das eine Hardwarekonfiguration eines Computersystems gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform veranschaulicht. Insbesondere können die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, die Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, die Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, die Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und die Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform jeweils durch ein Computersystem wie in 12 veranschaulicht implementiert werden. In diesem Fall wird jede oder wird ein Satz aus einigen der Funktionen der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, der Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a durch eine CPU 101 und einen Speicher 102 implementiert. Die Funktionen der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, der Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a werden durch Software, Firmware oder eine Kombination aus Software und Firmware implementiert. Die Software oder Firmware ist in der Form von Programmen beschrieben und in dem Speicher 102 gespeichert. Die CPU 101 implementiert die Funktionen der Komponenten, indem die Programme, die in dem Speicher 102 gespeichert sind, gelesen und ausgeführt werden. Insbesondere beinhaltet das Computersystem den Speicher 102 zum Speichern von Programmen, die Schritte zum Durchführen von Vorgängen beinhalten, die die Funktionen der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, der Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a umsetzen. Anders gesagt bewirken diese Programme, dass ein Computer die Abläufe oder die Verfahren für die Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, die Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, die Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a ausführt. Es ist zu beachten, dass der Speicher 102 einem nichtflüchtigen oder flüchtigen Halbleiterspeicher, wie zum Beispiel einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Festwertspeicher (ROM), einem Flash-Speicher, einem löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) oder einem elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) (eingetragene Handelsmarke); einer Magnetplatte; einer flexiblen Platte; einer optischen Platte, einer Compact Disk; einer Minidisk; oder einer Digital Versatile Disk (DVD) entspricht.
13 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration dedizierter Hardware veranschaulicht, um die Funktionen der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, der Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform zu implementieren. Wie in 13 veranschaulicht, kann jede von den Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, den Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, den Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a unter Verwendung einer Verarbeitungsschaltung 103 konfiguriert werden, bei der es sich um einen dedizierten Hardwaresatz handelt. Die Verarbeitungsschaltung 103 entspricht einer einzelnen Schaltung, einer Verbundschaltung, einem programmierten Prozessor, einem parallelprogrammierten Prozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer beliebigen Kombination davon. Die Funktionen der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, der Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a können durch ihre jeweiligen unterschiedlichen Verarbeitungsschaltungen 103 implementiert werden, oder die Funktionen der Einheiten können kollektiv durch eine Verarbeitungsschaltung 103 als ein Ganzes implementiert werden.
Alternativ können einige der Funktionen der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, der Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a durch dedizierte Hardware implementiert werden und kann der Rest davon durch Software oder Firmware implementiert werden. Auf diese Weise können die vorstehend beschriebenen Funktionen der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b, der Rückkopplungskompensationseinheiten 22a und 22b, der Schwingungsunterdrückungskompensationseinheiten 24a und 24b, der Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit 3 und der Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheiten 4 und 4a durch Hardware, Software, Firmware oder eine beliebige Kombination davon implementiert werden.
Wie vorstehend beschrieben, sind die Servosteuervorrichtungen 100, 200 und 300 gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform dazu in der Lage, die Trajektoriegenauigkeit in einer Frequenzspanne, in der (ω/ω₀)<<1 erfüllt ist, und die Verstärkungsdämpfungsleistung in einer Frequenzspanne, in der (ω/ω₀)>>1 erfüllt ist, frei anzupassen, indem die Ordnungen und die Anzahl an instabilen Nullen der Übertragungsfunktion der Vorkopplungskompensationseinheiten 21a und 21b angepasst werden. Entsprechend kann bei der Trajektoriesteuerung einer gesteuerten Maschine wie zum Beispiel eines Roboterarms, der Arbeiten durchführt, für die hohe Trajektoriegenauigkeit erforderlich ist, ein Pfadfehler zwischen einer Reaktionstrajektorie und einer Referenztrajektorie eines Betriebspunktes der Maschine effektiv reduziert werden, während Maschinenschwingung, die in der Maschine auftritt, minimiert wird.
Die Konfigurationen, die in den vorstehenden Ausführungsformen dargelegt werden, sind Beispiele für die vorliegende Erfindung und können mit anderen öffentlich bekannten Techniken kombiniert und teilweise weggelassen und/oder modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste
1 horizontaler Gelenkroboter; 2a,2a' erste Achsenservosteuereinheit; 2b, 2b' zweite Achsenservosteuereinheit; 3 Positionsbefehlssignalerzeugungseinheit; 4, 4a Vorkopplungscharakteristikenfestlegungseinheit; 11 erste Achse;12 zweite Achse; 13 Basis; 14 erster Arm; 15 zweiter Arm; 16 Endeffektor; 21a, 21b Vorkopplungskompensationseinheit; 22a, 22b Rückkopplungskompensationseinheit; 23a, 23b Aktor; 24a, 24b Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit; 100, 200, 300 Servosteuervorrichtung; 101 CPU; 102 Speicher; 103 Verarbeitungsschaltung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006015431 [0006]
JP 2001249702 [0057]

Claims

Servosteuervorrichtung zum Steuern eines Endeffektors einer Maschine, sodass er einer festgelegten Referenztrajektorie folgt, indem die Maschine unter Verwendung eines Aktors angetrieben wird, wobei die Servosteuervorrichtung Folgendes umfasst: eine Vorkopplungskompensationseinheit, um Vorkopplungskompensation durchzuführen, indem ein Vorkopplungssignal ausgegeben wird, um den Aktor auf der Grundlage eines darin eingegebenen Positionssteuersignals zu steuern, wobei Eingabe-Ausgabe-Charakteristiken, die in einem zeitkontinuierlichen System der Vorkopplungskompensationseinheit dargestellt sind, durch eine Übertragungsfunktion ausgedrückt werden, die instabile Nullen aufweist, und eine Sprungantwort der Vorkopplungskompensationseinheit eine anfängliche Unterschreitung aufweist.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Entwicklungskoeffizient zweiter Ordnung von Potenzreihenentwicklung von Verstärkung der Übertragungsfunktion um Frequenz null ist, und ein Entwicklungskoeffizient zweiter Ordnung von Potenzreihenentwicklung einer Phasenverzögerung oder einer Gruppenverzögerung der Übertragungsfunktion um Frequenz null ist.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Entwicklungskoeffizient zweiter Ordnung von Potenzreihenentwicklung von Verstärkung der Übertragungsfunktion um Frequenz null ist, und Entwicklungskoeffizienten zweiter, vierter, sechster und achter Ordnung von Potenzreihenentwicklung einer Phasenverzögerung oder einer Gruppenverzögerung der Übertragungsfunktion um Frequenz null sind.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Entwicklungskoeffizienten zweiter und vierter Ordnung von Potenzreihenentwicklung der Verstärkung der Übertragungsfunktion um Frequenz auch null sind, und Entwicklungskoeffizienten zweiter, vierter, sechster, achter, zehnter und zwölfter Ordnung von Potenzreihenentwicklung einer Phasenverzögerung oder einer Gruppenverzögerung der Übertragungsfunktion um Frequenz null sind.
Servosteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend: eine Schwingungsunterdrückungskompensationseinheit, um Schwingungsunterdrückungskompensation basierend auf mechanischen Resonanzcharakteristiken der Maschine an dem Vorkopplungssignal durchzuführen, um dadurch ein Vorkopplungssignal zu erhalten, das der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt wird, wobei der Aktor auf der Grundlage des Vorkopplungssignals gesteuert wird, das der Schwingungsunterdrückungskompensation ausgesetzt wird.