JP2003076426A - 機械制御装置 - Google Patents
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Abstract
を移動させるような場合でも、振動を伴うことなく目標
位置に停止させる機械制御装置を提供する。 【解決手段】 位置指令装置9と位置制御装置8との間
に補償要素10を配置することにより、重量物1を振動
させることなく停止させるための補償位置指令値を出力
する機械制御装置を構成する。
Description
標位置へ移動させて停止させるための機械制御装置に関
し、特に、停止時の慣性力による制御対象機械の振動を
抑制するようにした機械制御装置に関する。
在しているが、このうち図17で示すような長尺のアー
ムの先端に搭載された重量物を搬送する機械を制御する
機械制御装置には特有の問題がある。以下、このような
問題点について説明する。ここで、図17は従来技術の
機械制御装置の構成図、図18は機械制御装置の動作を
説明する説明図であり、図18(a)は時間−速度線
図、図18(b)は時間−位置線図である。
と、アーム2と、スライド移動部3と、スライドレール
部4と、モータ5と、カップリング6と、送りねじ7
と、位置制御装置8と、位置指令装置9とを備えてい
る。このうち、重量物1、アーム2、スライド移動部
3、スライドレール部4、モータ5、カップリング6、
及び送りねじ7は、制御対象機械として包括されるもの
である。
明する。スライドレール部4は、スライド移動部3が図
17の左右の移動方向にのみ移動するように拘束する。
更に、スライドレール部4とスライド移動部3との接触
部は低摩擦であり、スライド移動部3がスライドレール
部4上を滑らかに移動できるようになされている。ま
た、モータ5の出力軸はカップリング6を介して送りね
じ7と連結され、この送りねじ7は、スライド移動部3
に取り付けられた図示しないねじ部内に螺挿されてい
る。
ことにより、スライド移動部3が図17の左右方向へ移
動する。モータ5には制御回路及びモータドライバを含
む位置制御装置8が接続されており、この位置制御装置
8は位置指令装置9から送信された位置指令値に応じて
位置制御を行う。
動部3には、長尺のアーム2が取り付けられており、こ
のアーム2の先端には重量物1が取り付けられている。
スライド移動部3の位置制御によりアーム2の先端の重
量物1も位置制御されることとなる。
制御方法について説明する。スライド移動部3を移動さ
せる場合、図18(a)で示すように、時間a〜時間b
では、所定加速度でスライド移動部3の移動速度を増大
させ、時間b〜時間cでは一定速度でスライド移動部3
を移動させ、時間c〜時間dでは所定減速度でスライド
移動部3の移動速度を低下させ、最終的に時間dで目標
位置に達したスライド移動部3を移動停止させる。位置
指令装置9は、スライド移動部3がこのような速度で移
動するように時々刻々と変化する位置指令値U(s)を
出力する。なお、U(s)はラプラス変換変数を用いる
関数として表現する。
御装置8へ入力される。スライド移動部3の位置をXm
(s)と表し、また、位置制御装置8からモータ5、送
りねじ7、スライド移動部3までを含む伝達関数をG
(s)とすると、Xm(s)は次式のように表される。
動部3は、位置指令値U(s)に応じて図18(a)で
示したような移動速度で移動して時間dで移動が停止す
ることとなり、重量物1が所定の目標位置に搬送される
こととなる。従来技術の制御対象機械は、位置制御装置
8によって上記のように制御される。
置では、位置制御装置8及び制御対象機械の伝達関数G
(s)を最適に設計することで目標位置へスライド移動
部3を正確に移動させる制御を実現可能であるが、スラ
イド移動部3に取り付けられたアーム2はたわみが生じ
た状態で移動し、スライド移動部3が目標位置で停止し
た場合でも、アーム2の先端にある重量物1は自らの慣
性力によりアーム2をたわませて指令位置より先に進
み、スライド移動部3が目標位置で停止した後も、即座
に停止せずに振動する場合がある。このため、アーム2
の先端に取り付けられた重量物1の位置を制御すること
は従来では難しかった。
所定減速度で減速させて最終的に時間dで目標位置で停
止させるようにスライド移動部3を制御すると、スライ
ド移動部3は図18(b)の斜め方向に降りる実線で示
すように指令位置で停止するにも拘わらず、重量物1は
図18(b)の斜め方向に降りる点線で示すように目標
位置を中心とした振動を生じてしまう。このような重量
物1の位置であるXw(s)は、スライド移動部3の位
置であるXm(s)を用いて伝達関数として表示すると
次式のようになる。
り、Wは重量物1の質量である。以上の数式1,2をま
とめて、機械制御装置の全体システムを表すと次式のよ
うになる。
ラプラス平面上で以下に示すような極を有している。
合、重量物1の位置は正弦波状の振動波形で移動するこ
とが知られ、次式で示すような周波数で振動する。
線で示すように目標位置に到達した後も振動し、すぐに
は整定しない。従って、スライド移動部3が目標位置で
停止したときに、スライド移動部3の元位置は指令通り
に停止するが、アーム2の先端位置にある重量物1は、
目標位置を中心とした振動を生じてしまうという問題が
あった。つまり、重量物1が直ちに停止しないため、停
止するまでの時間が損失時間となっていた。
たものであり、その目的は、先端に重量物が取り付けら
れた長尺のアームを移動させて目標位置に停止させるよ
うな場合に、停止時の振動を抑制することができる機械
制御装置を提供することにある。
め、請求項1に記載した発明は、位置、速度、トルクま
たは推力の指令値に基づいて当該指令値のn(nは2以
上の自然数)階微分値を求める手段と、前記n階微分値
から補正量を求める手段と、前記補正量を位置、速度、
トルクまたは推力の指令値に加算する加算手段と、この
加算手段の出力を指令値として制御対象機械を駆動制御
する制御手段と、を備えたものである。
に記載した発明を具体化したものである。すなわち、請
求項2に記載した発明は、位置指令値から加速度成分に
相当する補正量を求める手段と、前記補正量を位置指令
値に加算する加算手段と、この加算手段の出力に従って
制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたもの
である。
出力する位置指令装置と、位置指令値の2階微分値を得
る微分手段と、前記微分手段から出力された2階微分値
に対しゲイン定数を乗算するゲイン手段と、前記ゲイン
手段から出力された補正量と前記位置指令値とを加算し
て補償位置指令値を出力する加算手段と、前記加算手段
から出力された補償位置指令値が入力される位置制御装
置と、前記位置制御装置の制御により目標位置へ移動す
るように制御される制御対象機械と、を備えたものであ
る。
ら加加速度成分に相当する補正量を求める手段と、前記
補正量を速度指令値に加算する加算手段と、この加算手
段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段
と、を備えたものである。
らその4階微分値に相当する補正量を求める手段と、前
記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段
と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制
御する制御手段と、を備えたものである。
ら加加速度成分に相当する補正量を求める手段と、前記
補正量を速度指令値に加算する加算手段と、この加算手
段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段
と、を備えたものである。
らその3階微分値に相当する補正量を求める手段と、前
記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段
と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制
御する制御手段と、を備えたものである。
推力指令値からその2階微分値に相当する補正量を求め
る手段と、前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算
する加算手段と、この加算手段の出力に従って制御対象
機械を駆動制御する制御手段と、を備えたものである。
の何れか1項に記載した機械制御装置において、前記補
正量を求める手段に入力される指令値の微分値が、一定
値から緩やかに増加または減少する特性(S字特性)を
有するものである。例えば、補正量を求める手段に入力
される指令値が位置指令値である場合、速度が滑らかに
変化するようにし、2階微分値である加速度が漸増また
は漸減しつつ変化するようにした。
施形態について説明する。図1は本発明の第1実施形態
の構成図であり、請求項2,3に記載した発明の実施形
態に相当する。図2は、請求項3における微分手段、ゲ
イン手段、加算手段からなる補償要素の説明図である。
図3は機械制御装置の動作を説明する説明図であって、
図3(a)は時間−速度線図、図3(b)は時間−位置
線図である。また、図4は、スライド移動部の動作を説
明する説明図であって、図4(a)は時間−速度線図、
図4(b)は時間−加速度線図である。図5は、スライ
ド移動部の動作を説明する説明図であって、図5(a)
は時間−速度線図、図5(b)は時間−加速度線図であ
る。
図1に示すように、基本的には従来技術の構成要素であ
る重量物1と、アーム2と、スライド移動部3と、スラ
イドレール部4と、モータ5と、カップリング6と、送
りねじ7と、位置制御装置8と、位置指令装置9とを備
えている。また、これらのうち、重量物1、アーム2、
スライド移動部3、スライドレール部4、モータ5、カ
ップリング6、及び送りねじ7は、制御対象機械として
包括される点も従来技術と同様である。更にまた、この
機械制御装置でも、長尺のアーム2の先端に重量物1が
搭載されており、スライド移動部3に取り付けられたア
ーム2の移動によってたわみが生じる点も従来と同様で
ある。
御装置8と位置指令装置9との間に補償要素10が設け
られている点が新規な点である。これら重量物1から位
置指令装置9までの機能等は従来技術で説明したものと
同じであるため、説明を省略するものとし、以下では補
償要素10について説明する。新たに加えられた補償要
素10は、図2に示すように、微分手段10aとゲイン
手段10bと加算手段10cとを備えている。
対して2階微分を施し、2階微分値s2・U(s) を
出力するための手段である。ゲイン手段10bは、微分
手段10aから出力された2階微分値s2・U(s)に
対してゲイン定数Kを乗算して、補正量K・s2・U
(s)を出力するための手段である。
から出力された補正量K・U(s)・s2と位置指令値
U(s)とを加算して補償位置指令値U(s)+K・U
(s)・s2を出力するための手段である。この補償要
素10が出力する補償位置指令値は、(1+K・s2)
・U(s)となる。このゲイン定数KをK=W/KSと
すると、以下の式で表される補償位置指令値U’(s)
が出力される。
る機械制御装置の制御について説明する。スライド移動
部3を移動させる場合、図3(a)で示すように、時間
a〜時間bでは、所定加速度でスライド移動部3の移動
速度を増大させ、時間b〜時間cでは一定速度でスライ
ド移動部3を移動させ、時間c〜時間dでは所定減速度
でスライド移動部3の移動速度を低下させ、最終的に時
間dで所定の目標位置でスライド移動部3を移動停止さ
せる。この点は従来技術と同じである。
のような速度となるように時々刻々と変化する位置指令
値U(s)を出力する。この位置指令値U(s)は、補
償要素10へ入力されて補償位置指令値U’(s)に変
換され、位置制御装置8へ入力される。スライド移動部
3の位置をXm(s)と表し、また、位置制御装置8か
らモータ5、送りねじ7、スライド移動部3までを含む
伝達関数をG(s)とすると、Xm(s)は次式のよう
に表される。
1の位置Xw(s)は、スライド移動部3の位置をXm
(s)を用いた伝達関数として表示すると、次式のよう
になる。
を消去して、機械制御装置の全体システムを表すと次式
のようになる。
あったWs2+KS を消去する極零相殺を行って、振
動要素をなくしている。従って、図3(b)に示すよう
に、スライド移動部3の元位置(実線にて示す)及び重
量物1の位置(点線にて示す)は、振動することなく目
標位置で停止し、整定する。このように、スライド移動
部3の元位置と共にアーム2の先端位置にある重量物1
は振動することなく停止するため、従来の損失時間を無
くし、高速な制御を実現することができるようになる。
位置制御装置8との間に補償要素10を配置している
が、最終的に、補償位置指令値U’(s)を得ることが
できれば良いことから、補償要素10と一体となった位
置指令装置9としたり、あるいは、補償要素10と一体
となった位置制御装置8としてもよい。これらは、追加
された補償要素10をどちらに帰属させるかという問題
であり、実質上の差異はない。
補償を行う場合、スライド移動部3の移動速度は、図4
(a)で示すように直線加減速特性を有する、つまり、
位置指令値の微分値が一定期間は直線的に変化する特性
となる。この場合、スライド移動部3の加速度、つまり
位置指令値の2階微分値は、図4(b)で示すように、
時間a,b,c,dで不連続変化することとなる。これ
は、アーム2の元位置であるスライド移動部3を急激に
停止させる必要があることを示しているが、実際にはモ
ータ5が送りねじ7へ与える回転トルクが不足し、この
ような停止が困難になる場合がある。
場合、図5(a)に示すように、スライド移動部3の移
動速度が変化する前後でほぼS字形になるような加減速
特性、つまり、位置指令値の微分値が一定値から緩やか
に増加または減少するように配慮した。この場合、スラ
イド移動部3の加速度、つまり位置指令値の2階微分値
は、図5(b)で示すように、漸増または漸減しつつ変
化することとなる。
移動部3に加わる加速度も連続して漸増または漸減する
ため、このときにモータ5が送りねじ7へ与える回転ト
ルクが不足するという事態はなくなり、モータ5に過度
な負担が加わるという事態が回避される。上記の点は請
求項9の発明に相当するものであり、第2実施形態以下
の各実施形態にも適用可能である。
持つラプラス平面上の極に対して、同じ点に零点特性を
追加して極零相殺させることで、機械振動を防止すると
いう理論に基づくものであるが、このような効果が実際
に得られるか否かを検証する実験を行ったところ、機械
振動を防止できる効果が確認されている。
め、送りねじとスライドレール装置とを用いる制御対象
機械について説明した。しかしながら、制御対象機械は
このような機械に限定する趣旨ではなく、例えば、回転
駆動用のモータにボールねじを連結したスライドレール
装置を移動させ、アーム先端の重量物を移動させる制御
対象機械、同様に回転駆動用モータとベルトを用いる制
御対象機械、ラック・ピニオンを用いる制御対象機械、
リニアモータを用いる制御対象機械などに適用すること
ができる。これらは、数式9のG(s)内に包含される
個所であり、これらの機構が変化しても、G(s)が変
化するのみであって極零相殺させる点では変わりなく、
本願発明の効果を奏しうる。
ブロック図である。図6と図1との対応関係について述
べると、図1における位置指令装置9、補償要素10及
び位置制御装置8が図6におけるブロック21〜29,
31に相当し、図1のモータ5が図6のモータ30に相
当すると共に、図1のカップリング6以降の機械系が図
6の対象機械50に相当する。
置指令値を出力するブロック、補正ブロック22は位置
指令値から生成した2階微分値(加速度指令値)に基づ
いて補正量を生成するブロックである。この補正ブロッ
ク22は、図2の微分手段10aに相当する加速度検出
手段23と、機械振動周波数などに基づいて設定された
図2のゲインKに相当するパラメータ24と、図2のゲ
イン手段(乗算手段)10bに相当する補正項演算手段
25とから構成されており、補正ブロック22から出力
される補正量は、図2の加算手段10cに相当する加算
器26において前記位置指令ブロック21からの位置指
令値に加算される。
出力され、この補償位置指令値は位置調節器27に入力
される。位置調節器27では、モータ30に取り付けら
れたモータエンコーダ31からの位置検出値が補償位置
指令値に一致するように調節動作が行われ、その出力が
速度指令値として速度調節器28に送られる。速度調節
器28では、モータエンコーダ31からの速度検出値が
速度指令値に一致するように調節動作が行われ、その出
力がトルク指令値としてトルク調節器29に送られる。
トルク調節器29ではトルク指令値に従ってモータ30
を駆動し、対象機械50のスライド移動部3を所定位置
に移動させて停止させるような制御が実行される。
の2階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を求め、こ
の補正量を元の位置指令値に加算して補償を行ってい
る。つまり、位置指令値の1階微分値(速度指令値)が
図7(a)のとおりであるとすれば、図7(b)に示す
位置指令値の2階微分値(加速度指令値)を元の位置指
令値に加算して補正している。従って、この補正後の位
置指令値の微分値、すなわち補正後の速度指令値は図7
(c)のようになる。言い換えれば、図8(a)に示す
速度指令値に対して、その2階微分値に所定のゲインを
乗じた図8(b)の加加速度指令値を補正量として加算
すれば、図8(c)のような補正後の速度指令値が得ら
れるため、図7に示した位置指令値に対する補正と同等
の作用を得ることができる。
たものであり、図9にその制御ブロック図を示す。な
お、図6と同一の構成要素には同一の符号を付してあ
る。この第2実施形態は、請求項4に記載した発明に相
当する。図9において、補正ブロック32には位置指令
値が入力されており、その3階微分値を演算して加加速
度指令値を求め、これに所定のゲインを乗じて補正量を
算出する。そして、この補正量を加算器26において位
置調節器27の出力である速度指令値に加算することに
より、速度指令値を補正する。この補正後の速度指令値
は速度調節器28に入力され、以後は図6と同様の動作
となる。
御ブロック図であり、請求項5に記載した発明に相当す
る。この実施形態では、補正ブロック33が位置指令値
を4階微分し、その4階微分値に所定のゲインを乗じて
補正量を算出する。そして、この補正量を加算器26に
おいて速度調節器28の出力であるトルク指令値に加算
することにより、トルク指令値を補正する。この補正後
のトルク指令値はトルク調節器29に入力され、以後は
図6と同様の動作となる。なお、図示されていないが、
前記補正量を推力指令値に加算してその加算結果に基づ
いて位置制御しても良い。
御ブロック図であり、請求項6に記載した発明に相当す
る。この実施形態は、速度指令値を補正する点では図9
と同様であるが、図9では位置指令値を3階微分して求
めた加加速度指令値に基づいて補正量を演算するのに対
し、図11では位置調節器27から出力される速度指令
値を補正ブロック34に入力して2階微分することによ
り加加速度指令値を求め、この加加速度指令値に基づい
て補正量を算出する。この補正量を位置調節器27から
出力される速度指令値に加算して補正を行う。以後の動
作は図6と同様である。
御ブロック図であり、請求項7に記載した発明に相当す
る。この実施形態では、補正ブロック35が位置調節器
27から出力される速度指令値を3階微分し、その3階
微分値に所定のゲインを乗じて補正量を算出する。そし
て、この補正量を加算器26において速度調節器28の
出力であるトルク指令値に加算することにより、トルク
指令値を補正する。この補正後のトルク指令値はトルク
調節器29に入力され、以後は図6と同様の動作とな
る。この実施形態においても、前記補正量を推力指令値
に加算してその加算結果に基づき位置制御を行っても良
い。
御ブロック図であり、請求項8に記載した発明に相当す
る。この実施形態では、補正ブロック36が速度調節器
28から出力されるトルク指令値を2階微分し、その2
階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を算出する。そ
して、この補正量を加算器26においてトルク指令値に
加算することにより、トルク指令値を補正する。この補
正後のトルク指令値はトルク調節器29に入力され、以
後は図6と同様の動作となる。なお、トルク指令値の代
わりに推力指令値の2階微分値から補正量を算出し、こ
の補正量を推力指令値に加算してその結果に基づき位置
制御を行っても良い。
演算において完全微分演算を行い、例えば図2,図6の
例では補正量をKs2として求めることとしたが、この
補正量はKs2/(1+sT)やKs2/(1+sT1
+s2T2)のような不完全微分形式によって求めても
良い。また、補正量は必ずしも関数にする必要はなく、
図14に第1実施形態に関して示すように、元の指令値
の変化を検出し、予めテーブルパターンとして用意して
おいた値を変化のタイミングに従って補正量として出力
させても良い。
正量を生成するための元の指令値(補正元)、補正量を
加算する対象となる指令値(補正対象)、補正量の関数
例、及び代表的な補正パターン例(図15参照)の関係
は、図16のようになる。
量物が取り付けられた長尺のアームを移動させるように
剛性の弱い機械を移動させる場合でも、振動を伴うこと
なく短時間で目標位置に停止させることが可能な機械制
御装置を提供することができる。
て、図3(a)は時間−速度線図、図3(b)は時間−
位置線図である。
て、図4(a)は時間−速度線図、図4(b)は時間−
加速度線図である。
て、図5(a)は時間−速度線図、図5(b)は時間−
加速度線図である。
示す図である。
示す図である。
づき補正量を生成する場合の説明図である。
ある。
正パターン例を示す図である。
18(a)は時間−速度線図、図18(b)は時間−位
置線図である。
Claims (9)
- 【請求項1】位置、速度、トルクまたは推力の指令値に
基づいて当該指令値のn(nは2以上の自然数)階微分
値を求める手段と、 前記n階微分値から補正量を求める手段と、 前記補正量を位置、速度、トルクまたは推力の指令値に
加算する加算手段と、 この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項2】位置指令値から加速度成分に相当する補正
量を求める手段と、 前記補正量を位置指令値に加算する加算手段と、 この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項3】位置指令値を出力する位置指令装置と、 位置指令値の2階微分値を得る微分手段と、 前記微分手段から出力された2階微分値に対しゲイン定
数を乗算するゲイン手段と、 前記ゲイン手段から出力された補正量と前記位置指令値
とを加算して補償位置指令値を出力する加算手段と、 前記加算手段から出力された補償位置指令値が入力され
る位置制御装置と、 前記位置制御装置の制御により目標位置へ移動するよう
に制御される制御対象機械と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項4】位置指令値から加加速度成分に相当する補
正量を求める手段と、 前記補正量を速度指令値に加算する加算手段と、 この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項5】位置指令値からその4階微分値に相当する
補正量を求める手段と、 前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手
段と、 この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項6】速度指令値から加加速度成分に相当する補
正量を求める手段と、 前記補正量を速度指令値に加算する加算手段と、 この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項7】速度指令値からその3階微分値に相当する
補正量を求める手段と、 前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手
段と、 この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項8】トルクまたは推力指令値からその2階微分
値に相当する補正量を求める手段と、 前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手
段と、 この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする機械制御装置。 - 【請求項9】請求項1〜8の何れか1項に記載した機械
制御装置において、 前記補正量を求める手段に入力される指令値の微分値
が、一定値から緩やかに増加または減少する特性を有す
ることを特徴とする機械制御装置。
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