JP2005266902A - 位置制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】停止状態の判定を正確に行なうとともに機械共振と位相の遅れによる停止時の振動を除去することができる位置制御装置を提供する。
【解決手段】 位置指令とタイマを用いて行いて停止状態の判定を行なうとともに、走行時には、トルク指令フィルタの時定数を比較的長く設定して走行中の機械共振を除去し、停止時においてトルク指令フィルタを走行時のトルク指令フィルタよりも短い時定数にすることによって、機械共振と位相の遅れによる停止時の振動を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置制御装置に関し、特に機械が停止中に発生する振動の振動抑制装置および方法に関する。

モータがボールネジ等を介して可動テーブルなどを駆動する場合、トルク指令に含まれる高周波成分によって機械共振が発生する。トルク指令にローパスフィルタ（ＬＰＦ）を挿入することによって高周波成分による機械共振を除去することができる。
しかし、ローパスフィルタは、トルク指令に位相遅れを生じ、制御系の安定性を悪化させる。
モータが停止している状態では、モータトルクに対する可動テーブルの速度の位相遅れが静止摩擦等の影響を受けて走行時に比べて大きく、位相余有が小さくなる。そこに、ローパスフィルタによって位相遅れが加わることによって、制御系の安定性が失われ、停止時に振動を生じるという問題があった。
停止時の振動を抑制する従来の位置制御装置には特許文献１、特許文献２に開示されたものがある。

図３は特許文献１の第１の従来例のブロック図である。図３において、１１は、位置指令と位置フィードバック信号を基にモータの位置を制御する位置制御部、１２は、前記位置制御部の出力である速度指令と速度フィードバック信号を基にモータの速度を制御し、さらに駆動トルク指令を算出するトルク指令作成部、１３は、モータが停止したか否かを判別する停止判別部、１４は、前記トルク指令作成部によって作成されたトルク指令に対し、前記トルク指令に含まれる不要な高周波成分を除去するためのフィルタ処理を行なうトルク指令フィルタ処理部、１５は、トルク指令に基づきモータを駆動するモータ駆動回路、１６は、可動テーブル等を駆動するモータ、１７は、モータの位置を検出する位置検出器、１８は、前記位置検出器の出力を微分することによって速度フィードバックを作成する微分器、１９は、前記停止判別部の判別結果に基づき前記トルク指令フィルタ処理部のローパスフィルタを切替えるフィルタ切替部、２０は、前記トルク指令フィルタ処理部にて、走行時において前記トルク指令の不要な高周波成分を除去するためのトルク指令フィルタである。
位置指令を基に停止判別部１３において、停止中か否かを判別し、“走行中”と判別された場合は、トルク指令フィルタ処理部１４のフィルタ切替部１９において第１トルク指令フィルタ２０に切替えることにより、トルク指令に含まれる高周波成分を除去し、機械共振を防止する。また、“停止中”と判別された場合は、トルク指令にローパスフィルタを介さずモータ駆動回路１５に出力することにより、ローパスフィルタによる位相遅れを回避し、位相の遅れによる停止時の振動を防止する。

図４は特許文献２の第２の従来例のブロック図である。停止判別部１３の入力が位置偏差になっていること、トルク指令フィルタ処理部１４に走行時用の第１トルク指令フィルタと停止時用の第２トルク指令フィルタがある以外は、図３と同様である。
図６は、特許文献２の停止判別部１３のブロック図である。図６において、６１は、位置指令と位置フィードバックの偏差の絶対値と停止状態を判別するために予め設定された停止判定位置偏差値との大小関係から停止判別を行なう停止判別部、６２は、前記停止判別器の判定結果に従ってトルク指令フィルタ処理部１４のトルク指令フィルタを切替える切替え信号作成部である。
停止判別部６１は、位置指令と位置フィードバックの位置偏差と予め設定された停止状態を判別する停止判定位置偏差値とを比較し、位置指令と位置フィードバックの位置偏差の方が小さいとき“停止状態”と判別する。そして、トルク指令フィルタ処理部１４の停止時用の第２トルク指令フィルタに切替える。また、位置指令と位置フィードバックの位置偏差の方が大きいときは、“走行中”と判別し、トルク指令フィルタ処理部１４の走行時用の第１トルク指令フィルタに切替える。
特開２００１−１５７９４８号公報（第２−３頁、図１） 特開平９−９３９９８号公報（第１０頁、図９）

しかしながら、従来例１の方法では、停止時にトルク指令フィルタがないため、本来のトルク指令フィルタの目的であるトルク指令の高周波成分の除去ができない。停止中であっても、位置検出器は、１パルス程度の位置の変化を検出し、前記位置の変化に応じたトルク指令を出力するため、トルク指令の高周波成分によって、微小ながら振動が発生することがあるという問題があった。
また、従来例２の方法では、“停止状態”の判別を位置指令と位置フィードバックの位置偏差と予め設定された停止状態を判別する停止判定位置偏差値の大小関係で行なうため、停止判定位置偏差値以下の微速な位置指令（例えば、曲率半径の大きな円弧軌跡など）の場合、走行中であっても、“停止状態”と判別してしまうことなどの問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、停止判別に位置指令とタイマを用いて行い、“停止状態”の判定を正確に行なうとともに、走行時には、トルク指令フィルタの時定数を比較的長く設定し（すなわち、ローパスフィルタのカットオフ周波数を低く）、走行中の機械共振を除去し、停止時においてトルク指令フィルタを走行時のトルク指令フィルタよりも短い時定数にする（すなわち、ローパスフィルタのカットオフ周波数を高くする）ことによって、機械共振と位相の遅れによる停止時の振動を除去することができる位置制御装置および方法を提供する。

請求項１に記載の本発明は、制御サンプリング時間ごと位置指令に対し機械の位置を制御する位置制御部と、機械を駆動するモータのトルク指令を作成するトルク指令作成部と、トルク指令にローパスフィルタを介して、モータ駆動回路に出力するトルク指令フィルタ処理部とを有した位置制御装置において、位置指令の変化が制御サンプリング時間内でゼロになった後、予め設定された時間、前記位置指令が変化ゼロの状態を継続した場合に制御対象が停止中であると判別する停止判別部と、停止中と判別された場合、トルク指令フィルタ処理部の第１トルク指令フィルタから第１トルク指令フィルタよりも時定数の短い第２トルク指令フィルタに切替えるフィルタ切替え部を備えるようにしたものである。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の位置制御装置において、第２トルク指令フィルタの時定数は、第１トルク指令フィルタの時定数の１／２以下であるようにしたものである。
請求項３記載の本発明は、制御サンプリング時間ごと位置指令に対し機械の位置を制御する位置制御部と、機械を駆動するモータのトルク指令を作成するトルク指令作成部と、トルク指令にローパスフィルタを介して、モータ駆動回路に出力するトルク指令フィルタ処理部とを有した位置制御装置の位置制御方法において、位置指令の変化が有無を判定するステップと、位置指令が変化有りの場合は、前記タイマカウンタをクリアするステップと、位置指令が変化無しの場合はタイマカウンタとあらかじめ決められた所定時間とを比較し、タイマカウンタが前記所定時間より長い場合は第１トルク指令フィルタよりも時定数の短い第２トルク指令フィルタに切替えるステップと、タイマカウンタが前記所定時間より短い場合は前記タイマカウンタをカウントアップするステップと第１トルク指令フィルタを選択するステップとを備えるようにしたものである。

本発明によると、停止判別に位置指令とタイマを用いて行い、“停止状態”の判定を正確に行なうとともに、走行時には、トルク指令フィルタの時定数を比較的長く設定し、走行中の機械共振を除去し、停止時においてトルク指令ローパスフィルタを走行時のトルク指令フィルタよりも短い時定数にすることによって、機械共振と位相の遅れによる停止時の振動を除去するという効果がある。

以下、本発明の具体的実施例について、図を用いて説明する。

図１は、本発明の位置制御装置の構成を示すブロック図である。図において１１は位置指令と位置フィードバック信号を基にモータの位置を制御する位置制御部、１２は前記位置制御部の出力である速度指令と速度フィードバック信号を基にモータの速度を制御し、さらに駆動トルク指令を算出するトルク指令作成部、１３はモータが停止したか否かを判別する停止判別部、１４は前記トルク指令作成部によって作成されたトルク指令に対し、トルク指令に含まれる不要な高周波成分を除去するためのフィルタ処理を行なうトルク指令フィルタ処理部、１５はトルク指令に基づきモータを駆動するモータ駆動回路、１６は可動テーブル等を駆動するモータ、１７はモータの位置を検出する位置検出器、１８は前記位置検出器の出力を微分することによって速度フィードバックを作成する微分器、１９は停止判別部の判別結果に基づきトルク指令フィルタ処理部のローパスフィルタを切替えるフィルタ切替部、２０はトルク指令フィルタ処理部にて、走行時においてトルク指令の不要な高周波成分を除去するための第１トルク指令フィルタ、２１は停止時において、トルク指令の不要な高周波成分を除去するための第２トルク指令フィルタであり、第２フィルタ時定数は、第２トルク指令フィルタ＜第１トルク指令フィルタであり、通常は第１指令フィルタ時定数の１／２以下に設定する。

位置指令を基に停止判別部１３において、停止中か否かを判別し、“走行中”と判別された場合は、トルク指令フィルタ処理部１４のフィルタ切替部１９において第１トルク指令フィルタ ２０に切替えることにより、トルク指令に含まれる高周波成分を除去し、機械共振を防止する。また、“停止中”と判別された場合は、第２トルク指令フィルタ ２１に切替えてモータ駆動回路１５に出力することにより、ローパスフィルタによる位相遅れを回避し、位相の遅れによる停止時の振動を防止し、かつ、トルク指令に含まれる高周波成分を除去し、機械共振を防止する。

図５は本発明の停止判別部１３のブロック図である。図５において５１は位置指令を監視し、位置指令がゼロとなった時点を検出する位置指令停止判別部、５２は位置指令停止時間を計測するタイマ、５３は前記位置指令停止判別部と前記タイマの計測時間に従ってトルク指令フィルタ処理部１４のトルク指令フィルタを切替える切替え信号作成部である。

図２は停止判別部１３の処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
はじめにステップ1で位置指令の変化の有無を判定する。位置指令に変化有りの場合は、走行中であるとし、タイマカウンタをクリアし、第１トルク指令フィルタを選択する。位置指令に変化無しの場合は、ステップ２へ移行する。
ステップ２では、タイマカウンタ値と予め設定された位置指令停止判別時間を比較し、タイマカウンタ値が位置指令停止判別時間を超えた場合は、ステップ３へ移行し、位置指令停止判別時間以下の場合は、ステップ５でタイマカウンタをインクリメントし、さらにステップ６で第１トルク指令フィルタを選択する。ステップ３では、トルク指令フィルタに第２トルク指令フィルタを選択する。
このように、位置指令に変化無しの状態が位置指令停止判別時間継続した場合にトルク指令フィルタ時定数を第１トルク指令フィルタから第２トルク指令フィルタに切替えることができる。

本発明は、制御対象が停止時に発生する振動を抑制するので、一般産業機械をはじめ、工作機械、ロボットなどへの適用が期待できる。

本発明の位置制御装置の構成を示すブロック図 本発明の停止判別部の処理手順を示すフローチャート 従来の方法（特許文献１）を適用した位置制御装置の構成を示すブロック図 従来の方法（特許文献２）を適用した位置制御装置の構成を示すブロック図 本発明の停止判別部の構成を示すブロック図 特許文献２の停止判別部の構成を示すブロック図

符号の説明

１１ 位置制御部
１２ トルク指令作成部
１３ 停止判別部
１４ トルク指令フィルタ処理部
１５ モータ駆動回路
１６ モータ
１７ 位置検出器
１８ 微分器
１９ フィルタ切替部
２０ 第１トルク指令フィルタ
２１ 第２トルク指令フィルタ
５１ 位置指令停止判別部
５２ タイマ
５３、６２ 切替え信号作成部
６１ 停止判別部

Claims (3)

1. 制御サンプリング時間ごと位置指令に対し機械の位置を制御する位置制御部と、前記機械を駆動するモータのトルク指令を作成するトルク指令作成部と、前記トルク指令にローパスフィルタを介して、モータ駆動回路に出力するトルク指令フィルタ処理部とを有した位置制御装置において、
   前記位置指令の変化が前記制御サンプリング時間内でゼロになった後、予め設定された時間、前記位置指令が変化ゼロの状態を継続した場合に制御対象が停止中であると判別する停止判別部と、停止中と判別された場合、前記トルク指令フィルタ処理部の第１トルク指令フィルタから前記第１トルク指令フィルタよりも時定数の短い第２トルク指令フィルタに切替えるフィルタ切替え部を備えたことを特徴とする位置制御装置。
2. 前記第２トルク指令フィルタの時定数は、前記第１トルク指令フィルタの時定数の１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
3. 制御サンプリング時間ごと位置指令に対し機械の位置を制御する位置制御部と、前記機械を駆動するモータのトルク指令を作成するトルク指令作成部と、前記トルク指令にローパスフィルタを介して、モータ駆動回路に出力するトルク指令フィルタ処理部とを有した位置制御装置の位置制御方法において、
   位置指令の変化の有無を判定するステップと、
   前記位置指令が変化有りの場合は、前記タイマカウンタをクリアするステップと、
   前記位置指令が変化無しの場合は前記タイマカウンタとあらかじめ決められた所定時間とを比較し、前記タイマカウンタが前記所定時間より長い場合は第１トルク指令フィルタよりも時定数の短い第２トルク指令フィルタに切替えるステップと、
   前記タイマカウンタが前記所定時間より短い場合は前記タイマカウンタをカウントアップするステップと第１トルク指令フィルタを選択するステップとを備えたことを特徴とする位置制御方法。

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