JP2002091570A - サーボ制御方法 - Google Patents

サーボ制御方法

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JP2002091570A JP2000284444A JP2000284444A JP2002091570A JP 2002091570 A JP2002091570 A JP 2002091570A JP 2000284444 A JP2000284444 A JP 2000284444A JP 2000284444 A JP2000284444 A JP 2000284444A JP 2002091570 A JP2002091570 A JP 2002091570A
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Atsushi Imazu
篤志 今津
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Ryuichi Oguro
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41428—Feedforward of position and speed

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ばね要素を介して結合される２慣性系以上の
柔軟構造物の場合、指令と負荷は完全に追従しない、ま
た、複雑な計算を必要とするため、計算量が膨大になる
といった問題があった。 【解決手段】 フィードフォワードを用いるサーボ制御
方法において、負荷の位置とモータの位置をそれぞれ高
次微分可能な関数で表し、動作条件４とメカのパラメー
タ５から、前記高次微分可能な関数を決定し、決定され
た前記高次微分可能な関数から前記モータの位置、速
度、トルク指令を算出し、算出されたモータの位置、速
度、トルク指令をフィードフォワード指令とすること、
または決定された前記高次微分可能な関数からモータの
トルク指令を算出し、算出されたトルク指令をメカのモ
デルに入力し、得られたモータの位置、速度および前記
トルク指令をフィードフォワード指令とすることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機の送り軸や
ロボットアーム等を駆動するサーボモータの制御方法に
関し、特に指令追従性を向上させるためにフィードフォ
ワート制御を行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】指令追従性能を向上させる手法としてフ
ィードフォワード制御が用いられることがよくある。そ
の際に従来方式では、位置指令を微分したものを速度フ
ィードフォワード指令値とし、もう一度微分したものを
トルクフィードフォワード指令値とする方法が一般的で
あった。 （従来例１）特許第２７６２３６４号公報「サーボモー
タのフィードフォワード制御方法」にも以下のように開
示されている。図４が従来方式の構成を示すブロック図
である。図４において、まず、位置指令θｒｅｆと実位
置θｆｂの偏差に１の位置ループゲインＫｐを乗じたも
のを速度指令Ｖｒｅｆとする。次に微分部４１で位置指
令値θｒｅｆを微分したものに係数αを乗じたものを速
度フィードフォワード指令Ｖｆｆとし、速度指令Ｖｒｅ
ｆに加算する。次に速度指令Ｖｒｅｆと実速度Ｖｆｂの
偏差を求め２の速度ループ処理を施し電流指令値Ｉｒｅ
ｆを求める。次に、微分部４２で速度フィードフォワー
ド指令Ｖｆｆを微分し係数βを乗じたものを電流フィー
ドフォワードＩｆｆとし、電流指令に加算する方法を用
いている。この方法では、速度ループや電流ループの応
答性が向上し、サーボ系の応答遅れが改善される効果が
あると書かれている。 （従来例２）また、別の従来例として、特開平１０−１
４９２１０号公報「位置決め制御系の指令作成方法」で
は、図５に示すような構成をとり、指令生成部51で制御
系とメカまで含めた伝達関数を逆に解き、位置指令から
負荷の位置までの伝達関数を１とする位置指令を作成す
ることで、指令追従性を向上させ、完全追従を実現する
方法が開示されている。図５に示す記号は図４と同じで
ある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の２
つの方法では以下に挙げる問題があった。 （問題点１） 従来例１で示した方法では、制御するメ
カがサーボモータと剛体結合されている場合は問題ない
が、ばね要素を介して結合される２慣性系以上の柔軟構
造物の場合、メカのばね要素を考慮していない指令が入
力されることになり、モータは指令通りに追従したとし
ても負荷側が振動するという問題が発生する。結果とし
て、指令と負荷は完全に追従しないという問題があっ
た。 （問題点２） 従来例２で示した方法では、従来例１の
問題点を解決するためにシステム全体の伝達特性を考慮
して指令を生成するため、２慣性系以上の柔軟構造物の
場合も完全追従を行うことが可能であるが、制御系まで
含んだ伝達関数を用いているため、外乱応答の改善など
で、速度ループの応答を変更するといったような制御系
の特性を変更したときは、もう一度、逆伝達関数を解か
ねばならず、手間がかかるという問題が有った。また、
複雑な計算を必要とするため、計算量が膨大になるとい
った問題もあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、フィードフォワードを用いるサーボ制御方
法において、負荷の位置とモータの位置をそれぞれ高次
微分可能な関数で表し、動作条件とメカのパラメータか
ら、前記高次微分可能な関数を決定し、決定された高次
微分可能な関数からモータの位置、速度、トルク指令を
算出し、算出されたモータの位置、速度、トルク指令値
をフィードフォワード指令とする。また、請求項２に示
す構成ではフィードフォワードを用いるサーボ制御方法
において、負荷の位置とモータの位置をそれぞれ高次微
分可能な関数で表し、動作条件とメカのパラメータか
ら、前記高次微分可能な関数を決定し、決定された高次
微分可能な関数からモータのトルク指令を算出し、算出
されたトルク指令をメカのモデルに入力し、得られたモ
ータの位置、速度および前記トルク指令をフィードフォ
ワード指令とする。また、前記高次微分可能な関数は１
５次の多項式としてもよい。また、前記動作条件は移動
距離と移動時間としてもよい。また、前記高次微分可能
な関数を決定する際に、制御するメカの運動方程式を用
いてもよい。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を図に基づいて説
明する。ここで、制御するメカは２慣性系で近似できる
ものとする。図１は本発明の実施の形態を示すブロック
図である。図１において、１は位置ループ比例ゲインＫ
ｐ、２は速度ループ、３はモータの位置、速度、トルク
指令を計算する指令生成部分である。４は所望の動作条
件であり、メモリに格納されている。５はメカのパラメ
ータであり、メモリに格納されている。２の速度ループ
内は比例積分制御行うものとする。また、４の動作条件
としては請求項４にも記載されているように、移動距離
ｄｉｓｔと移動時間ｔｅが入力され格納されている。５
のメカのパラメータとしては、モータイナーシャＪ１、
負荷イナーシャＪ２、ばね定数Ｋｃ、減衰係数ＤＬが入
力されて格納されているものとする。メモリに格納され
ている４の動作条件と５のメカパラメータを使用して３
の指令生成部でモータ位置指令θｒｅｆ、モータ速度指
令Ｖｆｆおよび、モータトルク指令値Ｔｆｆを算出し、
制御入力とする。以下に、３の指令生成部での処理内容
を図３のフローチャートを用いて、順に詳しく説明す
る。 Ｓｔｅｐ１： メカの位置Ｘｌ（ｔ）とモータ位置Ｘｍ
（ｔ）をそれぞれ式（１）のような１５次の多項式とし
ておく。１５次にする理由は、以下で述べる境界条件が
１６個存在するためである。
【０００６】
【数１】
【０００７】Ｓｔｅｐ２： 動作条件とメカのパラメー
タを取得。 ・ 動作条件 ： ｄｉｓｔ、ｔｅ ・ メカのパラメータ ： Ｊ１、Ｊ２、Ｋｃ、ＤＬ Ｓｔｅｐ３： 式（２）に示す境界条件と、式（３）に
示すメカの運動方程式を解くことにより係数ａ０〜ａ１
５、ｂ０〜ｂ１５を求める。境界条件としては、モータ
と負荷それぞれにおいて、 動作開始時（ｔ＝０） ：位置＝速度＝加速度＝加加速
度＝０、 動作終了時（ｔ＝ｔｅ）：位置＝ｄｉｓｔ、速度＝加速
度＝加加速度＝０となり、式（２）に示すよう１６個の
条件となる。
【０００８】
【数２】
【０００９】また、２慣性系のメカの、運動方程式は式
（３）のようになる。
【００１０】
【数３】
【００１１】以上、（２）、（３）式より係数ａ０〜ａ
１５、ｂ０〜ｂ１５を求める。 Ｓｔｅｐ４： Ｓｔｅｐ３で求めた係数から、モータ位
置指令値Ｘｍ(0)（ｔ）が求まり、それを微分すること
で、モータ速度指令値Ｘｍ(1)（ｔ）が求まる。最後に
トルク指令値Ｔｒｅｆ（ｔ）は 式（４）のように求ま
る。 Ｔｒｅｆ（ｔ） ＝ Ｊ１・ Ｘｍ(2)（ｔ） ＋ Ｊ２・ Ｘｌ(2)（ｔ） ・・・（４） この方法では、問題点１を解決するために、メカの運動
特性を考慮して、指令を生成しているため、負荷側を振
動なく完全に指令に追従させることが可能である。ま
た、制御系を含む伝達関数ではなく、メカの運動方程式
からのみ指令を生成するので、問題点２で挙げた、制御
ゲインの変更に際しても全く影響を受けず、指令を変更
する必要がない。次に請求項２に示す実施例２の方法を
図２を使用して説明する。指令の払い出しがハード構成
上、１入力と限定されている場合は、実施例１のよう
に、モータ位置指令、モータ速度指令、モータトルク指
令の３つの入力が不可能である。このような場合は、ま
ず、実施例１の手順でトルク指令値Ｔｒｅｆ（ｔ）を導
出する。次に、図２の６に示すように、コントローラ内
に予めメカのモデルを有しておき、そのメカモデルに導
出されたトルク指令を入力し、モデル内で計算されるモ
ータ位置、モータ速度を、フィードフォワード指令値と
すればよい。この方法では、制御計算部に入力するのは
トルク指令のみでよく、また、実施例１と同等の効果が
得られる。また、上で説明した２つの実施例ではモータ
位置、モータ速度、モータトルク指令をフィードフォワ
ードする方法を説明したが、当然トルク指令の替わりに
電流指令を求めフィードフォワードしてもよい。
【００１２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ま
ず、メカの位置とモータの位置を高次微分可能な多項式
で表し、動作条件（移動距離と移動時間）から求まる境
界条件および、メカの運動方程式から、多項式の係数を
決定し、最後に、モータ位置指令、モータ速度指令、モ
ータトルク指令を算出し、それらをフィードフォワード
指令値として使用することで、柔軟構造物を指令に完全
に追従させることが可能になるという効果がある。ま
た、本発明によれば、制御系のゲイン等を変更した場合
も、同じ指令が使用できるので、オフライン処理であら
かじめ、フィードフォワード指令を計算しておく場合な
ども、再計算などの手間がかからないという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施例２の構成を説明するブロック図
【図３】本発明の処理手順を説明するフローチャート
【図４】従来例１の構成を説明するブロック図
【図５】従来例２の構成を説明するブロック図
【符号の説明】
１ 位置ループ比例ゲイン ２ 速度ループ ３ 指令生成部 ４ 動作条件 ５ メカパラメータ ６ メカモデル計算部 ４１，４２ 微分部 θｒｅｆ 位置指令 θｆｂ 実位置 Ｖｒｅｆ 速度指令 Ｖｆｂ 実速度 Ｖｆｆ 速度フィードフォワード指令 Ｉｒｅｆ 電流指令 Ｉｆｆ 電流フィードフォワード指令
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小黒 龍一 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内 Ｆターム(参考） 3F059 FB01 FB21 FB29 FC02 FC14 5H004 GA08 GA09 GA30 GB16 HA07 HB07 HB08 JA13 JA23 KB32 5H303 AA01 AA10 CC03 DD01 DD21 JJ01 KK17 KK28 5H550 AA18 BB02 BB10 DD01 GG01 GG03 JJ24

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フィードフォワードを用いるサーボ制御
    方法において、負荷の位置とモータの位置をそれぞれ高
    次微分可能な関数で表し、動作条件とメカのパラメータ
    から、前記高次微分可能な関数を決定し、決定された前
    記高次微分可能な関数から前記モータの位置、速度、ト
    ルク指令を算出し、算出されたモータの位置、速度、ト
    ルク指令をフィードフォワード指令とすることを特徴と
    するサーボ制御方法。
  2. 【請求項２】 フィードフォワードを用いるサーボ制御
    方法において、負荷の位置とモータの位置をそれぞれ高
    次微分可能な関数で表し、動作条件とメカのパラメータ
    から、前記高次微分可能な関数を決定し、決定された前
    記高次微分可能な関数からモータのトルク指令を算出
    し、算出されたトルク指令をメカのモデルに入力し、得
    られたモータの位置、速度および前記トルク指令をフィ
    ードフォワード指令とすることを特徴とするサーボ制御
    方法。
  3. 【請求項３】 前記高次微分可能な関数は１５次の多項
    式とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
    サーボ制御方法。
  4. 【請求項４】 前記動作条件は移動距離と移動時間であ
    ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のサーボ
    制御方法。
  5. 【請求項５】 前記高次微分可能な関数を決定する際に
    制御するメカの運動方程式を用いることを特徴とする請
    求項１又は請求項２記載のサーボ制御方法。
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