JP2005063362A - サーボ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高周波数で発生する機械の共振振幅を低減するとともに、同時に低周波数での制御の極による共振振幅も低減する。
【解決手段】駆動機構を動かすサーボアクチュエータの位置を検出する位置センサと、位置制御器２と、速度制御器３と、前記位置センサ信号をフィードバックし補償する位置制御ループとを備え、サーボアクチュエータにより駆動される機械が複数の機械共振周波数を有するサーボ制御装置において、高周波領域にある機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと，カットオフ周波数をノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備える。
【選択図】 図１
【解決手段】駆動機構を動かすサーボアクチュエータの位置を検出する位置センサと、位置制御器２と、速度制御器３と、前記位置センサ信号をフィードバックし補償する位置制御ループとを備え、サーボアクチュエータにより駆動される機械が複数の機械共振周波数を有するサーボ制御装置において、高周波領域にある機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと，カットオフ周波数をノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備える。
【選択図】 図１
Description
本発明は、工作機械や半導体製造装置やロボットなど複数の共振周波数をもつメカトロニクス機器の振動を抑制するサーボ制御装置に関する。
従来の制御装置は、複数の共振周波数をもつ機械の振動抑制に対して、制御系の遅れ要素が増えるためノッチフィルタを１つしか設定できない。例えば、特許文献１では、１つのノッチフィルタの設定周波数を自動調整する装置を提案している。
また、複数の同相モードをもつ機械に限定して、ノッチフィルタと位相補償器を組み合わせ、複数の機械共振周波数に対応している技術もある（例えば、特許文献２参照）。
一般的に，制御系の遅れを起こさず，複数の機械共振周波数に対応するためには，速度ループゲインを下げる手段がある。
特開平６−７８５７５号公報
特開２００２−６３７７４号公報
また、複数の同相モードをもつ機械に限定して、ノッチフィルタと位相補償器を組み合わせ、複数の機械共振周波数に対応している技術もある（例えば、特許文献２参照）。
一般的に，制御系の遅れを起こさず，複数の機械共振周波数に対応するためには，速度ループゲインを下げる手段がある。
図６は、ボールねじ駆動機構を有する機械にトルク入力を与え、サーボアクチュエータ速度を測定した伝達関数である。機械系の２つの共振周波数fm1、fm2がピークとして表れている。これらのピークが、機械を駆動した場合に共振として出現する。
従来の方法では、機械の共振振幅を低減するため、ノッチフィルタにより、高周波数域の共振振幅を低減し、ローパスフィルタで低周波数域の共振振幅を低減する。
このように、従来のサーボ制御装置では、ノッチフィルタで機械の１つの共振振幅を低減し、ローパスフィルタで他の共振振幅を低減する、という手順がとられていた。
従来の方法では、機械の共振振幅を低減するため、ノッチフィルタにより、高周波数域の共振振幅を低減し、ローパスフィルタで低周波数域の共振振幅を低減する。
このように、従来のサーボ制御装置では、ノッチフィルタで機械の１つの共振振幅を低減し、ローパスフィルタで他の共振振幅を低減する、という手順がとられていた。
しかしながら、従来のサーボ制御装置では、複数の共振周波数をもつ機械の振動抑制に対して、制御系の遅れ要素が増えることからノッチフィルタを１つしか設定できないため、１つの共振周波数を抑制することはできるが、複数同時に抑制できないという問題があった。
また、複数の同相モードをもつ機械に限定して、ノッチフィルタと位相補償器を組み合わせ、複数の機械共振周波数に対応する方法があり、位相補償器としてローパスフィルタなどを設定した後、ノッチフィルタを組み合わせて対応する場合、カットオフ周波数の設定によっては、機械の共振より低い周波数帯域における制御系の極の共振を引き起こす問題があった。
一般的に，制御系の遅れを起こさず，複数の機械共振周波数に対応するために，速度ループゲインを下げる手段があるが，応答が遅くなりサーボ系としての性能を得ない状況になってしまう。
本発明はこのような様々な問題点に鑑みてなされたものであり、高周波数で発生する機械の共振振幅を低減するとともに、同時に低周波数での制御の極による共振振幅も低減することができる方法を提供することを目的とする。
また、複数の同相モードをもつ機械に限定して、ノッチフィルタと位相補償器を組み合わせ、複数の機械共振周波数に対応する方法があり、位相補償器としてローパスフィルタなどを設定した後、ノッチフィルタを組み合わせて対応する場合、カットオフ周波数の設定によっては、機械の共振より低い周波数帯域における制御系の極の共振を引き起こす問題があった。
一般的に，制御系の遅れを起こさず，複数の機械共振周波数に対応するために，速度ループゲインを下げる手段があるが，応答が遅くなりサーボ系としての性能を得ない状況になってしまう。
本発明はこのような様々な問題点に鑑みてなされたものであり、高周波数で発生する機械の共振振幅を低減するとともに、同時に低周波数での制御の極による共振振幅も低減することができる方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、ボールねじなどの駆動機構を動かすサーボアクチュエータの位置を検出する位置センサと、位置制御器と、速度制御器と、前記位置センサ信号をフィードバックし補償する位置制御ループとを備え、サーボアクチュエータにより駆動される機械が複数の機械共振周波数を有するサーボ制御装置において、
高周波領域にある前記機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと、
カットオフ周波数を前記ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備えたものである。
また、前記サーボ制御装置において、制御系の共振周波数に零点を一致させた指令フィルタを前記位置制御ループの前段に備えたものである。
さらにローパスフィルタの設定により、低周波数域にある制御の共振周波数による振動振幅が十分に低減できない場合、制御の共振極に零点を一致させる構造の指令フィルタを位置制御ループの前に備えたことを特徴とするものである。式(1)に指令フィルタの構成を示す。
高周波領域にある前記機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと、
カットオフ周波数を前記ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備えたものである。
また、前記サーボ制御装置において、制御系の共振周波数に零点を一致させた指令フィルタを前記位置制御ループの前段に備えたものである。
さらにローパスフィルタの設定により、低周波数域にある制御の共振周波数による振動振幅が十分に低減できない場合、制御の共振極に零点を一致させる構造の指令フィルタを位置制御ループの前に備えたことを特徴とするものである。式(1)に指令フィルタの構成を示す。
ＨＲは指令フィルタの伝達関数、ω１は指令フィルタの零点の角周波数、ω２は指令フィルタの極の角周波数、ｆＣ１は制御系の共振周波数
このようになっているため、低周波数で発生する制御系の共振振幅を極零点相殺により、低減することができる。
本発明の方法によれば、高周波数域にある前記機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと，カットオフ周波数を前記ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備えるようにしたものである。
これにより、高周波数で発生する機械の複数の共振振幅を低減することができ、同時に低周波数での制御の共振振幅も低減できるという効果がある。
また、低周波数域にある制御の共振周波数が存在する場合、制御の共振極に零点を一致させる構造の指令フィルタを位置制御ループの前に備えている。
これにより、低周波数域で発生する制御の共振振幅を低減する効果がある。
これにより、高周波数で発生する機械の複数の共振振幅を低減することができ、同時に低周波数での制御の共振振幅も低減できるという効果がある。
また、低周波数域にある制御の共振周波数が存在する場合、制御の共振極に零点を一致させる構造の指令フィルタを位置制御ループの前に備えている。
これにより、低周波数域で発生する制御の共振振幅を低減する効果がある。
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の方法を実施するサーボ制御装置のブロック線図である。図において１は図示しない上位制御からの位置指令、２は位置制御器、３は速度制御器、４はローパスフィルタ、５はノッチフィルタ、６はアクチュエータ、７は機械、８と９は減算器、１０は微分器、１１は位置検出信号である。位置指令１と位置検出信号１１との偏差を減算器８で求め、その偏差は位置制御器８へ入力される。位置検出信号１１を微分器１０で微分して得た速度信号と位置制御器２から出力される速度指令が減算器９へ入力され、その速度偏差が速度制御器３へ入力される。速度制御器３の出力信号は、ローパスフィルタ４へ入力され、ローパスフィルタの出力信号はノッチフィルタ５を通して図示しないサーボアンプを介してアクチュエータ６へ送られる。アクチュエータ６には位置検出器が取り付けられておりその位置検出信号１１は減算器８及び微分器１０へ出力される。
本発明が従来の技術と異なる特徴部分は、高周波数域にある前記機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと、カットオフ周波数を前記ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備えた点にある。そしてこのノッチフィルタの中心周波数は、高周波数域における機械の共振点に一致させる設定となっている。ノッチフィルタの中心周波数の具体的設定方法は、例えば機械の共振周波数に一致させるか、機械の共振周波数より少し低くなるようにして設定する。またローパスフィルタのカットオフ周波数は、ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間の設定となっている。ローパスフィルタのカットオフ周波数を高く設定することで、低周波数域の機械の共振と制御系の共振振幅を低減することができる。ローパスフィルタのカットオフ周波数の具体的設定方法は、例えばローパスフィルタを設定する速度制御ループの位相遅れを引起さないように速度ループゲインより高い角周波数となるようにして設定する。
図２は、本発明の方法を実施するサーボ制御装置のブロック線図である。図２が図１と異なる部分は位置制御器２と減算器８との間に指令フィルタ１２を設けた部分だけである。図における指令フィルタの分子の零点周波数を制御系の共振周波数に一致させる設定となっている。極零点相殺となり、制御系の共振振幅を低減することができる。
図３は前記サーボ制御装置における動作時のサーボアクチュエータトルクの周波数分析結果である。この図を用いて、以下、本発明の方法を順を追って説明する。
図７のように共振周波数をfm1,fm2にもつ機械において、ローパスフィルタのみをカットオフ周波数fLを機械の共振周波数fm2に設定すると、図５のトルクの周波数分析結果のように機械の共振周波数fm1の共振振幅は低減できている。
次にノッチフィルタの中心周波数を機械の共振周波数fm2に設定すると、図４の結果のように機械に共振周波数fm2の共振振幅は低減できている。
上記ローパスフィルタとノッチフィルタを同時に設定すると、図６の結果のように制御系の共振周波数fc1において振幅が増大する。
そこで、ローパスフィルタのカットオフ周波数をノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定すると、図３の結果のように機械の共振周波数fm1,fm2と制御系の共振周波数fc1の振幅を低減できている。
このように、ノッチフィルタで高周波数域の機械の共振振幅を低減してから、ローパスフィルタのカットオフ周波数をノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に高く設定するので、制御系の共振を安定方向に動かすことになり、機械の共振周波数fm1,fm2と制御系の共振周波数fc1の振幅の両方が低減できるのである。
さらに、制御系の共振周波数に零点周波数を一致させた指令フィルタを、位置制御系の前に挿入することにより、制御系の共振をより、安定化させる効果がある。
本発明が従来の技術と異なる特徴部分は、高周波数域にある前記機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと、カットオフ周波数を前記ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備えた点にある。そしてこのノッチフィルタの中心周波数は、高周波数域における機械の共振点に一致させる設定となっている。ノッチフィルタの中心周波数の具体的設定方法は、例えば機械の共振周波数に一致させるか、機械の共振周波数より少し低くなるようにして設定する。またローパスフィルタのカットオフ周波数は、ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間の設定となっている。ローパスフィルタのカットオフ周波数を高く設定することで、低周波数域の機械の共振と制御系の共振振幅を低減することができる。ローパスフィルタのカットオフ周波数の具体的設定方法は、例えばローパスフィルタを設定する速度制御ループの位相遅れを引起さないように速度ループゲインより高い角周波数となるようにして設定する。
図２は、本発明の方法を実施するサーボ制御装置のブロック線図である。図２が図１と異なる部分は位置制御器２と減算器８との間に指令フィルタ１２を設けた部分だけである。図における指令フィルタの分子の零点周波数を制御系の共振周波数に一致させる設定となっている。極零点相殺となり、制御系の共振振幅を低減することができる。
図３は前記サーボ制御装置における動作時のサーボアクチュエータトルクの周波数分析結果である。この図を用いて、以下、本発明の方法を順を追って説明する。
図７のように共振周波数をfm1,fm2にもつ機械において、ローパスフィルタのみをカットオフ周波数fLを機械の共振周波数fm2に設定すると、図５のトルクの周波数分析結果のように機械の共振周波数fm1の共振振幅は低減できている。
次にノッチフィルタの中心周波数を機械の共振周波数fm2に設定すると、図４の結果のように機械に共振周波数fm2の共振振幅は低減できている。
上記ローパスフィルタとノッチフィルタを同時に設定すると、図６の結果のように制御系の共振周波数fc1において振幅が増大する。
そこで、ローパスフィルタのカットオフ周波数をノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定すると、図３の結果のように機械の共振周波数fm1,fm2と制御系の共振周波数fc1の振幅を低減できている。
このように、ノッチフィルタで高周波数域の機械の共振振幅を低減してから、ローパスフィルタのカットオフ周波数をノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に高く設定するので、制御系の共振を安定方向に動かすことになり、機械の共振周波数fm1,fm2と制御系の共振周波数fc1の振幅の両方が低減できるのである。
さらに、制御系の共振周波数に零点周波数を一致させた指令フィルタを、位置制御系の前に挿入することにより、制御系の共振をより、安定化させる効果がある。
１ 位置指令
２ 位置制御器
３ 速度制御器
４ ローパスフィルタ
５ ノッチフィルタ
６ アクチュエータ
７ 機械
８、９ 減算器
１０ 微分器
１１ 位置検出信号
１２ 指令フィルタ
２ 位置制御器
３ 速度制御器
４ ローパスフィルタ
５ ノッチフィルタ
６ アクチュエータ
７ 機械
８、９ 減算器
１０ 微分器
１１ 位置検出信号
１２ 指令フィルタ
Claims (3)
- ボールねじなどの駆動機構を動かすサーボアクチュエータの位置を検出する位置センサと、位置制御器と、速度制御器と、前記位置センサ信号をフィードバックし補償する位置制御ループとを備え、サーボアクチュエータにより駆動される機械が複数の機械共振周波数を有するサーボ制御装置において、
高周波領域にある前記機械共振周波数の１つに中心周波数をあわせたノッチフィルタと，
カットオフ周波数を前記ノッチフィルタの中心周波数の１倍から２倍の間に設定したローパスフィルタとをトルク指令の入力段に備えたことを特徴とするサーボ制御装置。 - 前記サーボ制御装置において、制御系の共振周波数に零点を一致させた指令フィルタを前記位置制御ループの前段に備えたことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
- ＨＲは指令フィルタの伝達関数、ω１は指令フィルタの零点の角周波数、ω２は指令フィルタの極の角周波数、ｆＣ１は制御系の共振周波数とするとき、
前記指令フィルタを次式で構成したものである請求項２に記載のサーボ制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003296135A JP2005063362A (ja) | 2003-08-20 | 2003-08-20 | サーボ制御装置 |
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-
2003
- 2003-08-20 JP JP2003296135A patent/JP2005063362A/ja active Pending
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