JP2000322105A - サーボ制御装置およびサーボ制御装置の安定化調整方法 - Google Patents

サーボ制御装置およびサーボ制御装置の安定化調整方法

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JP2000322105A JP11127560A JP12756099A JP2000322105A JP 2000322105 A JP2000322105 A JP 2000322105A JP 11127560 A JP11127560 A JP 11127560A JP 12756099 A JP12756099 A JP 12756099A JP 2000322105 A JP2000322105 A JP 2000322105A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低域の位相遅れの増加を極力抑えながら、共
振ピークのゲインを抑えることにより安定化させて速度
制御系のゲインを上げられるようにすること。 【解決手段】 速度指令値と速度フィードバック値との
偏差が零になるようにサーボモータを制御する速度制御
器を含むサーボ制御装置において、制御対象の少なくと
も一組の反共振、共振特性の逆の特性あるいは近似する
特性のフィルタ４１を速度制御器３５に組み込む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、サーボ制御装置
およびサーボ制御装置の安定化調整方法に関し、特に、
工作機械、産業機械、ロボット等の送り駆動系で使用さ
れるサーボ制御装置およびサーボ制御装置の安定化調整
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】サーボ制御による工作機械、産業機械、
ロボット等の送り駆動系は、一般に、位置ループをメイ
ンループとして速度ループを有しており、速度ループは
速度制御器により、速度指令値と速度フィードバック値
との偏差が零になるようにサーボモータを制御する。
【０００３】工作機械の送り駆動系における速度制御系
ボード線図は図５に示されているようになり、反共振、
共振の組がそれぞれ１００Ｈｚと４００Ｈｚ付近に一組
づつ見られる。なお、図４は、速度制御比例ゲインωｃ
＝１００（ｒａｄ／ｓ）、一次遅れフィルタカットオフ
周波数ωｂ＝１２００（ｒａｄ／ｓ）でのボード線図で
ある。１００Ｈｚ付近での反共振は、送り駆動機構の軸
方向剛性に起因するものであり、４００Ｈｚ付近での反
共振は、ボールねじのねじり剛性に起因するものであ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述のような速度制御
系で、応答性向上ためにゲインを上げようとすると、共
振ピーク周波数付近で不安定になる場合がある。たとえ
ば、速度制御比例ゲインを１００（ｒａｄ／ｓ）より４
００（ｒａｄ／ｓ）を上げると、図６に示されているよ
うな状態になり、この場合には、１００Ｈｚ付近、４０
０Ｈｚ付近のどちらの共振ピークも０（ｄＢ）を超える
が、４００Ｈｚ付近の位相が１８０（度）を横切るた
め、サーボ系が不安定になる。
【０００５】これを防ぐため、ローパスフィルタを用い
て共振ピークのゲインを下げることが考えられる。ロー
パスフィルタは速度制御器に組み込まれており、通常
は、一次遅れフィルタである。一次遅れフィルタのカッ
トオフ周波数を下げると、高周波域のゲインを下げるこ
とができる。図７は、速度制御比例ゲインを上げた状態
で、カットオフ周波数を１２００（ｒａｄ／ｓ）より４
００（ｒａｄ／ｓ）まで下げた場合のボード線図であ
る。この場合、４００Ｈｚ付近の共振ピークは一応０
（ｄＢ）以下に下がるが、１００Ｈｚ付近の位相余裕が
減少し、やはり、サーボ系が不安定になり易いという問
題がある。
【０００６】これ以外の方法として、帯域阻止フィルタ
を用いて共振ピークのゲインを抑える方法がある。この
例を図８〜図１０を参照して説明する。図８は制御対象
の特性（反共振、共振の組がそれぞれ１００Ｈｚと２５
０Ｈｚ付近にある場合）を、図９は帯城阻止フィルタの
特性を、図１０は制御対象の特性と帯城阻止フィルタの
特性とを組み合わせた特性を各々示している。この場合
も、高周波側の共振ピークはゲインが抑えられて安定に
なるが、その反面、低周波側の位相遅れが大きくなり、
この図では１４２Ｈｚ付近で、不安定になる虞れがあ
る。
【０００７】この発明は、上述の如き問題点を解消する
ためになされたもので、低域の位相遅れの増加を極力抑
えながら、共振ピークのゲインを抑えることにより安定
化させて速度制御系のゲインを上げられるようにするサ
ーボ制御装置およびサーボ制御装置の安定化調整方法を
提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明によるサーボ制御装置は、
速度指令値と速度フィードバック値との偏差が零になる
ようにサーボモータを制御する速度制御器を含むサーボ
制御装置において、制御対象の少なくとも一組の反共
振、共振特性の逆の特性あるいはこれを近似する特性の
フィルタが前記速度制御器に組み込まれているものであ
る。
【０００９】請求項２に記載の発明によるサーボ制御装
置は、前記フィルタは無限インパルス応答フィルタであ
り、反共振周波数、共振周波数、および反共振、共振の
大きいに応じてフィルタのパラメータが設定されている
ものである。
【００１０】請求項３に記載の発明によるサーボ制御装
置は、工作機械、産業機械、ロボット等の送り駆動系で
使用されるものである。
【００１１】また、上述の目的を達成するために、請求
項４に記載の発明によるサーボ制御装置の安定化調整方
法は、速度指令値と速度フィードバック値との偏差が零
になるようにサーボモータを制御する速度制御器を含む
サーボ制御装置の安定化調整方法において、前記速度制
御器にフィルタを組み込み、当該フィルタの特性を、制
御対象の少なくとも一組の反共振、共振特性を打ち消す
ように調整するものである。
【００１２】請求項５に記載の発明によるサーボ制御装
置の安定化調整方法は、前記フィルタとして無限インパ
ルス応答フィルタを使用し、反共振周波数、共振周波
数、および反共振、共振の大きいに応じてフィルタのパ
ラメータを設定するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照してこの発
明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】図１はこの発明によるサーボ制御装置を工
作機械の送り駆動系に適用した一つの実施の形態を示し
ている。図１において、１はベッド、３はテーブルを各
々示している。ベッド１はブラケット５、７によってボ
ールねじ９を回転可能に支持しており、テーブル３には
ボールねじ９と螺合するボールねじナット１１が取り付
けられている。テーブル３はボールねじ９の回転により
ボールねじ９の軸線方向に移動する。
【００１５】ボールねじ９にはカップリング１３によっ
てサーボモータ１５が駆動連結されている。サーボモー
タ１５は、ロータリエンコーダ１７を有し、数値制御装
置２１によりフィードバック制御される。
【００１６】数値制御装置２１は、数値制御用の加工プ
ログラムの解析部２３と、補間演算を行う補間器２５
と、補間器２５より与えられる位置指令とロータリエン
コーダ１７よりの位置フィードバック信号より位置偏差
を演算する位置偏差演算部２７と、位置偏差にゲインを
設定して速度指令を出力する位置制御ゲイン設定器２９
と、速度指令とロータリエンコーダ１７よりの位置フィ
ードバック信号を差分演算器３１により差分演算（微分
演算）することにより得られ速度フィードバック信号よ
り速度偏差を演算する速度偏差演算部３３と、速度偏差
に基づいて電流指令をサーボモータ１３のアンプ３７へ
出力する速度制御器３５とを有している。
【００１７】速度制御器３５は、図２に示されているよ
うに、フィルタ４１と、積分補償器４３と、速度制御ゲ
イン設定器４５とを有している。なお、図２において、
Ｔｄはむだ時間、ｓはラプラス演算子である。
【００１８】フィルタ４１は、無限インパルス応答フィ
ルタ（ＩＩＲフィルタ）であり、制御対象の少なくとも
一組の反共振、共振特性の逆の特性あるいは近似する特
性のフィルタとして動作するよう、パラメータ設定され
ている。
【００１９】フィルタ４１は、式（１）に示されている
ような特性を示すように調整される。
【数１】 Ｇf（ｓ）＝ω1 2（ｓ2＋２ζ2ω2ｓ＋ω2 2）／ω2 2（ｓ2＋２ζ1ω1ｓ＋ω1 2 ） …（１）
【００２０】ここで、ζ1、ζ2、ω1、ω2は各々パラメ
ータとして設定され、ω1を反共振（角）周波数に近い
値とし、ω2を共振（角）周波数に近い値とする。ζ1、
ζ2は反共振、共振のピークの大きさに応じて設定する
ものであり、小さめに設定するほうがよい。
【００２１】図８に示されているような制御対象の特性
を補正するために、ω1＝２１３．０、ω2＝２３０．
６、ζ1＝０．００２、ζ2＝０とする。このようにパラ
メータ設定されたフィルタの特性は図３に示されている
ようになり、これを図８に示されている制御対象の特性
と組み合わせると、図４に示されているようになる。
【００２２】この図から、制御対象の反共振、共振特性
が打ち消され、高周波側の共振ピークが抑えられ、しか
も低域の位相遅れはほとんど変わっていないことがわか
る。
【００２３】このことから、低域の位相遅れの増加を極
力抑えながら、共振ピークのゲインを抑えることがで
き、速度制御系を安定化させて速度制御系のゲインを上
げられることができ、ＮＣ工作機械等の送り駆動系の高
速、高精度化が可能になる。
【００２４】なお、この発明によるサーボ制御装置は、
工作機械以外に、ロボット、射出成形機等の産業機械の
送り駆動系でも同様に使用することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上の説明から理解される如く、この発
明によるサーボ制御装置によれば、制御対象の少なくと
も一組の反共振、共振特性の逆の特性あるいはこれを近
似する特性のフィルタが速度制御器に組み込まれている
ことにより、不安定な共振ピークのゲインを抑えること
ができて安定化し、ゲインを上げられるようになり、サ
ーボの特性が向上し、工作機械、ロボット、射出成形機
等の産業機械の性能が向上する。
【００２６】また、この発明によるサーボ制御装置およ
びサーボ制御装置の安定化調整方法によれば、速度制御
器に組み込まれたフィルタの特性を、制御対象の少なく
とも一組の反共振、共振特性を打ち消すように調整する
ことにより、、不安定な共振ピークのゲインを抑えるこ
とができて安定化し、ゲインを上げられるようになり、
サーボの特性が向上し、工作機械、ロボット、射出成形
機等の産業機械の性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるサーボ制御装置を工作機械の送
り駆動系に適用した一つの実施の形態を示す構成であ
る。
【図２】この発明によるサーボ制御装置の速度制御器の
ブロック図である。
【図３】この発明によるサーボ制御装置の速度制御器に
組み込まれるフィルタの特性を示すフィルタ特性図であ
る。
【図４】この発明によるサーボ制御装置によってサーボ
制御された制御対象の特性を示すボード線図である。
【図５】工作機械の速度制御系開ループボード線図であ
る。
【図６】速度制御比例ゲインを上げた場合のボード線図
である。
【図７】一次遅れフィルタのカットオフ周波数を下げた
場合のボード線図である。
【図８】反共振、共振の組がそれぞれ１００Ｈｚと２５
０Ｈｚ付近にある制御対象の特性を示すボード線図であ
る。
【図９】帯城阻止フィルタの特性を示すボード線図であ
る。
【図１０】制御対象の特性と帯城阻止フィルタの特性と
を組み合わせた特性を示すボード線図である。
【符号の説明】
１ ベッド ３ テーブル ９ ボールねじ １１ ボールねじナット １５ サーボモータ １７ ロータリエンコーダ ２１ 数値制御装置 ２３ 解析部 ２５ 補間器 ２７ 位置偏差演算部 ２９ 位置制御ゲイン設定器 ３１ 差分演算器 ３３ 速度偏差演算部 ３５ 速度制御器 ３７ アンプ ４１ フィルタ ４３ 積分補償器 ４５ 速度制御ゲイン設定器

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 速度指令値と速度フィードバック値との
    偏差が零になるようにサーボモータを制御する速度制御
    器を含むサーボ制御装置において、 制御対象の少なくとも一組の反共振、共振特性の逆の特
    性あるいはこれを近似する特性のフィルタが前記速度制
    御器に組み込まれていることを特徴とするサーボ制御装
    置。
  2. 【請求項２】 前記フィルタは無限インパルス応答フィ
    ルタであり、反共振周波数、共振周波数、および反共
    振、共振の大きいに応じてフィルタのパラメータが設定
    されていることを特徴とする請求項１に記載サーボ制御
    装置。
  3. 【請求項３】 工作機械、産業機械、ロボット等の送り
    駆動系で使用されることを特徴とする請求項１または２
    記載のサーボ制御装置。
  4. 【請求項４】 速度指令値と速度フィードバック値との
    偏差が零になるようにサーボモータを制御する速度制御
    器を含むサーボ制御装置の安定化調整方法において、 前記速度制御器にフィルタを組み込み、当該フィルタの
    特性を、制御対象の少なくとも一組の反共振、共振特性
    を打ち消すように調整することを特徴とするサーボ制御
    装置の安定化調整方法。
  5. 【請求項５】 前記フィルタとして無限インパルス応答
    フィルタを使用し、反共振周波数、共振周波数、および
    反共振、共振の大きいに応じてフィルタのパラメータを
    設定することを特徴とする請求項４に記載サーボ制御装
    置の安定化調整方法。
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