JP2005284599A - Method for controlling position and position control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械、産業用ロボット、位置決め装置などの位置制御に関する。 The present invention relates to position control of machine tools, industrial robots, positioning devices, and the like.
図1を参照すると、従来技術のセミクローズドループ位置制御装置(例えば、特許文献1や非特許文献1を参照)の一例の機能ブロック図が示されている。制御の目的は、指令どおりに負荷の位置を応答させることである。2慣性系(モータと負荷が、バネとダンパで結合された系)に近似できる機械系のモータの位置の比例(P)制御、および、モータの速度の比例積分(PI)制御を行う。
Referring to FIG. 1, there is shown a functional block diagram of an example of a prior art semi-closed loop position control device (see, for example,
図1において、指令部100が、モータ300に対する駆動力指令を制御部200に送り、制御部200は、この指令にもとづいてモータ300を制御する。検出部500(位置センサおよび速度センサ)が、モータ300の位置と速度をモニターしており、これを制御部200にフィードバックして、位置と速度の閉ループを形成する。
In FIG. 1, the
図2を参照すると、このセミクローズドループ位置制御装置の具体的な制御ブロック線図が示されている(以下のシミュレーションで用いる)。図2において影がつけられたブロック(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10)が、制御対象の2慣性系(機械振動を生じる制御対象のほとんどが、このブロック線図で表される)である。 Referring to FIG. 2, a specific control block diagram of this semi-closed loop position control device is shown (used in the following simulation). The shaded blocks (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) in FIG. 2 are the two inertial systems to be controlled (most of the controlled objects that cause mechanical vibrations are It is represented by a block diagram).
図2において、1はモータの質量の逆数(MMはモータの質量)、2はモータ加速度からモータ速度への積分特性(物理的な動特性、sはラプラス変換の記号)、3はモータ速度からモータ位置への積分特性(物理的な動特性)、4は負荷の質量の逆数(LMは負荷の質量)、5は負荷加速度から負荷速度への積分特性(物理的な動特性)、6は負荷速度から負荷位置への積分特性(物理的な動特性)、7は加減算器、8はモータと負荷の間のスティッフネス(Ksはばね定数)、9はモータと負荷の間のダンパ(Dはダンピングゲイン)、10は加算器である。 In FIG. 2, 1 is the reciprocal of the mass of the motor (MM is the mass of the motor), 2 is the integral characteristic from the motor acceleration to the motor speed (physical dynamic characteristic, s is a symbol of Laplace transform), 3 is the motor speed Integral characteristics to motor position (physical dynamic characteristics), 4 is the reciprocal of the load mass (LM is the load mass), 5 is the integral characteristic from load acceleration to load speed (physical dynamic characteristics), 6 is Integral characteristic (physical dynamic characteristic) from load speed to load position, 7 is an adder / subtracter, 8 is a stiffness between a motor and a load (Ks is a spring constant), and 9 is a damper (D Is a damping gain), and 10 is an adder.
ここで、3の出力が、加減算器14に負帰還されるモータの位置信号、2の出力が、加減算器28に負帰還されるモータの速度信号である。加減算器14に負帰還されるモータの位置信号は、位置の比例制御器27(Kpは比例ゲイン)に通される。加減算器28に負帰還されるモータの速度信号は、速度の比例制御器29(Kvは速度比例ゲイン)と速度の積分制御器30(Tiは積分時間)に通される。これらの負帰還信号は、指令発生器13から出力された駆動力指令とともに、モータ質量を補償する比例器18(Kmは比例ゲイン)、電流アンプとモータの動特性を近似する遅れ要素19(Taは時定数)に通され、2慣性系に出力される。なお、31は加算器、32は加算器、11は加減算器である。
Here, the output 3 is a motor position signal negatively fed back to the adder /
また、20、21は、負荷外乱力発生器であり、以下のシミュレーションでは、20が、t=0.6で、ゼロから100Nにステップ状に立ち上がる負荷外乱力を生成し、21が、t=0.7で、100Nからゼロにステップ状に立ち下がる負荷外乱力を生成する。また、22は位置記録計であり、3の出力であるモータの位置と、6の出力である負荷の位置を記録する。
従来技術の位置制御装置の問題点は、次のとおりである。 The problems of the prior art position control device are as follows.
第1に、モータの位置とモータの速度をフィードバックし、モータの応答を良くしても、最終目的の負荷位置の応答は直接的には良くならないことである。図2において、Kp=200s-1、Kv=300s-1、Ti=0.001s、Km=10Ns/m、Ta=0.001s、MM=10kg、LM=10kg、Ks=4000N/m、D=15Ns/mと設定し、位置指令として、時刻t=0で1mmのステップを与え、力外乱として、t=0.6で、ゼロから100Nにステップ状に立ち上がり、t=0.7で、100Nからゼロにステップ状に立ち下がるものを加えて、応答をシミュレーションした。図3は、このときのモータの位置の応答であり、図4は、負荷の位置の応答である。 First, even if the motor position and the motor speed are fed back to improve the response of the motor, the response of the final target load position does not improve directly. In FIG. 2, Kp = 200 s −1 , Kv = 300 s −1 , Ti = 0.001 s, Km = 10 Ns / m, Ta = 0.001 s, MM = 10 kg, LM = 10 kg, Ks = 4000 N / m, D = 15 Ns / m is set, a step of 1 mm is given as a position command at time t = 0, and a force disturbance is stepped from zero to 100 N at t = 0.6, and 100 N at t = 0.7. The response was simulated by adding a step that falls from zero to zero. FIG. 3 shows the response of the motor position at this time, and FIG. 4 shows the response of the load position.
モータの応答は速く、位置偏差も小さい。しかし、負荷の応答は、位置のステップ指令に対して振動が大きく、振動の減衰も遅い。このように、モータと負荷の応答は全く異なる。この傾向は、Kp、Kv、Ti-1を大きくし、モータの応答を速くすればするほど強まる。 The motor response is fast and the position deviation is small. However, the load response is greatly oscillated with respect to the position step command, and the damping of the oscillation is slow. Thus, the response of the motor and the load are completely different. This tendency becomes stronger as Kp, Kv, and Ti −1 are increased and the motor response is increased.
第2に、負荷のパラメータに対してロバストでないことである。上記パラメータのうち、負荷の質量(LM)のみを2倍にし、他は全く同じに設定したときの応答をシミュレーションした。図5は、このときのモータの位置の応答あり、図6は、負荷の位置の応答である。モータの応答(図5)は、LMを2倍にする前の応答である図3と比較すると、さほどの変化はない。しかし、負荷の応答(図6)は、LMを2倍にする前の応答である図4と比較すると、振動周波数は約0.7倍に、振動の減衰は約0.5倍に悪化している。 Second, it is not robust to load parameters. Of the above parameters, the response was simulated when only the load mass (LM) was doubled and the others were set exactly the same. FIG. 5 shows the response of the motor position at this time, and FIG. 6 shows the response of the load position. The motor response (FIG. 5) does not change much compared to FIG. 3, which is the response before LM is doubled. However, the load response (Fig. 6) is about 0.7 times the vibration frequency and the vibration attenuation is about 0.5 times that of Fig. 4, which is the response before LM is doubled. ing.
上記問題点を解決する方法として、負荷の状態量である負荷位置、負荷速度、あるいは負荷反力を計測し、これらをフィードバックするフルクローズドループ制御がある。しかしながら、負荷位置、負荷速度、あるいは負荷反力を計測するセンサは、負荷と固定座標系の間に設置され、これらの間の相対的な状態量を計測する必要がある。したがって、これらのセンサを負荷に設置することは容易ではない。このことが、負荷の状態量を計測して、フィードバックするフルクローズドループ制御が大多数の機械装置で用いられていない理由である。 As a method for solving the above problem, there is full closed loop control in which a load position, a load speed, or a load reaction force, which is a load state quantity, is measured and fed back. However, a sensor for measuring the load position, load speed, or load reaction force is installed between the load and the fixed coordinate system, and it is necessary to measure the relative state quantity between them. Therefore, it is not easy to install these sensors on the load. This is the reason why full-closed loop control for measuring and feeding back the load state quantity is not used in the majority of mechanical devices.
本発明の目的は、負荷の応答が非振動的であり、その整定時間が短く、さらに、負荷のパラメータ変動に対してロバストな位置制御方法および装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a position control method and apparatus that has a non-vibrating load response, a short settling time, and that is robust against load parameter variations.
上記目的を達成するために、本発明は、負荷に加速度センサを設置する。加速度センサは、位置センサ、速度センサとは異なり、設置した点の、固定された絶対座標系に対する加速度を計測する。したがって、加速度センサは、負荷の任意の点に、スペースさえあれば設置でき、その点の加速度が計測できるという、位置センサ、速度センサには無い利点を有している。 In order to achieve the above object, the present invention installs an acceleration sensor in a load. Unlike the position sensor and the speed sensor, the acceleration sensor measures the acceleration of the installed point with respect to the fixed absolute coordinate system. Therefore, the acceleration sensor can be installed at any point of the load as long as there is a space, and has the advantage that the acceleration at that point can be measured, which is not found in the position sensor and the speed sensor.
そして、加速度センサによって得られた負荷の加速度信号の比例積分信号を、モータの駆動力指令に負帰還する。 Then, the proportional integral signal of the acceleration signal of the load obtained by the acceleration sensor is negatively fed back to the motor driving force command.
また、モータの位置の比例または比例積分制御を行う。負荷の加速度のフィードバックにより、ダンピング特性が得られるので、この制御系が不安定になることはない。また、モータの速度のフィードバックループも必要ない。 Also, proportional or proportional integral control of the motor position is performed. Since the damping characteristic is obtained by feedback of the acceleration of the load, this control system does not become unstable. Also, there is no need for a motor speed feedback loop.
以上説明したように、本発明によれば、負荷の加速度を、比例積分要素を通してフィードバックし、さらに、モータの位置を比例または比例積分制御するようにしたので、負荷の応答が非振動的で、整定時間が速くなり、さらに、負荷質量の変動に対してロバストになるという効果がある。 As described above, according to the present invention, the acceleration of the load is fed back through the proportional integration element, and further, the position of the motor is controlled proportionally or proportionally. Therefore, the response of the load is non-vibrating, There is an effect that the settling time is increased, and further robust against fluctuations in the load mass.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図7を参照すると、本発明の一実施形態の位置制御装置の機能ブロック図が示されている。制御の目的は、指令どおりに負荷位置を応答させることである。負荷の加速度の比例積分制御、モータ位置の比例または比例積分制御を行う。 Referring to FIG. 7, there is shown a functional block diagram of a position control device according to an embodiment of the present invention. The purpose of the control is to make the load position respond according to the command. Performs proportional integral control of load acceleration and proportional or proportional integral control of motor position.
図7において、指令部100が、モータ300に対する駆動力指令を制御部200に送り、制御部200は、この指令にもとづいてモータ300を制御する。検出部500A(負荷400に設けられた加速度センサ)が、負荷400の加速度をモニターしており、これを制御部200にフィードバックして、加速度の閉ループを形成する。また、検出部500B(位置センサ)が、モータ300の位置をモニターしており、これを制御部200にフィードバックして、位置の閉ループを形成する。
In FIG. 7, the
図8を参照すると、本実施形態の位置制御装置の具体的な制御ブロック線図が示されている(以下のシミュレーションで用いる)。図2と同様に、図8において影がつけられたブロック(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10)が、制御対象の2慣性系である。 Referring to FIG. 8, a specific control block diagram of the position control device of the present embodiment is shown (used in the following simulation). Similarly to FIG. 2, the blocks (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) shaded in FIG. 8 are two inertial systems to be controlled.
図8において、1はモータの質量の逆数(MMはモータの質量)、2はモータ加速度からモータ速度への積分特性(物理的な動特性、sはラプラス変換の記号)、3はモータ速度からモータ位置への積分特性(物理的な動特性)、4は負荷の質量の逆数(LMは負荷の質量)、5は負荷加速度から負荷速度への積分特性(物理的な動特性)、6は負荷速度から負荷位置への積分特性(物理的な動特性)、7は加減算器、8はモータと負荷の間のスティッフネス(Ksはばね定数)、9はモータと負荷の間のダンパ(Dはダンピングゲイン)、10は加算器である。 In FIG. 8, 1 is the reciprocal of the mass of the motor (MM is the mass of the motor), 2 is the integral characteristic from the motor acceleration to the motor speed (physical dynamic characteristic, s is the symbol of Laplace transform), 3 is the motor speed Integral characteristics to motor position (physical dynamic characteristics), 4 is the reciprocal of the load mass (LM is the load mass), 5 is the integral characteristic from load acceleration to load speed (physical dynamic characteristics), 6 is Integral characteristic (physical dynamic characteristic) from load speed to load position, 7 is an adder / subtractor, 8 is a stiffness between the motor and the load (Ks is a spring constant), and 9 is a damper (D Is a damping gain), and 10 is an adder.
ここで、3の出力が、加減算器14に負帰還されるモータの位置信号である。加減算器14に負帰還されたモータの位置信号は、位置の比例制御器15(Kpaは位置の比例ゲイン)、位置の積分制御器16(Tiaは位置の積分時間)に通される。
Here, the output of 3 is a motor position signal that is negatively fed back to the adder /
一方、加速度センサ23(Gaccはセンサのゲイン)は、検出する外力と4の出力(すなわち、負荷の質量の逆数)から、負荷の加速度信号を求め、加速度の比例制御器24(Kaccは加速度の比例ゲイン)、加速度の積分制御器25(Taccは加速度の積分時間)に出力する。加速度の比例制御器24、加速度の積分制御器25を通った加速度信号は、加算器26を経由して、加減算器17の−端子に入力されることにより負帰還される。
On the other hand, the acceleration sensor 23 (Gacc is the gain of the sensor) obtains the load acceleration signal from the detected external force and the output of 4 (that is, the reciprocal of the mass of the load), and the acceleration proportional controller 24 (Kacc is the acceleration). Proportional gain) and acceleration integration controller 25 (Tacc is acceleration integration time). The acceleration signal that has passed through the acceleration
これらの負帰還信号は、指令発生器13から出力された駆動力指令とともに、モータ質量を補償する比例器18(Kmは比例ゲイン)、電流アンプとモータの動特性を近似する遅れ要素19(Taは時定数)に通され、2慣性系に出力される。なお、11は加減算器である。
These negative feedback signals, together with the driving force command output from the
また、20、21は、負荷外乱力発生器であり、以下のシミュレーションでは、20が、t=0.6で、ゼロから100Nにステップ状に立ち上がる負荷外乱力を生成し、21が、t=0.7で、100Nからゼロにステップ状に立ち下がる負荷外乱力を生成する。また、22は位置記録計であり、3の出力であるモータの位置と、6の出力である負荷の位置を記録する。
図8において、Kpa=100s-1、Tia=0.001s、Km=10Ns/m、Ta=0.005s、MM=10kg、LM=10kg、Ks=(2π×50)2N/m、D=0.1×(2π×50)Ns/m、Gacc=(1/9.8)s2/m、Kacc=250s-1、Tacc=0.5msとして、位置指令として、時刻t=0で1mmのステップを与え、力外乱として、t=0.6で、ゼロから100Nにステップ状に立ち上がり、t=0.7で、100Nからゼロにステップ状に立ち下がるものを加えて、応答をシミュレーションした。 In FIG. 8, Kpa = 100 s −1 , Tia = 0.001 s, Km = 10 Ns / m, Ta = 0.005 s, MM = 10 kg, LM = 10 kg, Ks = (2π × 50) 2 N / m, D = 0.1 × (2π × 50) Ns / m, Gacc = (1 / 9.8) s 2 / m, Kacc = 250 s −1 , Tacc = 0.5 ms, position command, 1 mm at time t = 0 As a force disturbance, a response was simulated by adding a step disturbance from zero to 100 N at t = 0.6 and a step decrease from 100 N to zero at t = 0.7. .
図9は、本実施形態の位置制御装置によるモータの位置の応答である。モータがアクティブに制振していることが分かる。図10は、このときの負荷の位置の応答である。振動的な応答は全く見られず、整定時間も短く、外乱力に対する応答は、従来技術の位置制御装置と同程度である。図11は、負荷質量LMを2倍にしたときのモータの位置の応答である。図12は、このときの負荷の位置の応答である。図12において、ステップ位置指令に対する負荷の位置の応答のオーバーシュートがわずかに大きくなっているが、ほとんど図10に示される応答と等しく、負荷質量の変動に対してロバストであることがわかる。 FIG. 9 is a response of the position of the motor by the position control device of the present embodiment. It can be seen that the motor is actively vibrating. FIG. 10 shows the response of the load position at this time. No vibration response is observed, the settling time is short, and the response to disturbance force is comparable to that of the position control device of the prior art. FIG. 11 shows the response of the motor position when the load mass LM is doubled. FIG. 12 shows the response of the load position at this time. In FIG. 12, the overshoot of the response of the load position with respect to the step position command is slightly increased. However, it is almost equal to the response shown in FIG. 10 and is robust to the variation of the load mass.
100 指令部
200 制御部
300 モータ
400 負荷
500 検出部
500A 検出部A(負荷の加速度用)
500B 検出部B(モータの位置用)
1 モータ質量の逆数
2 モータ加速度からモータ速度への積分特性
3 モータ速度からモータ位置への積分特性
4 負荷質量の逆数
5 負荷加速度から負荷速度への積分特性
6 負荷速度から負荷位置への積分特性
7 加減算器
8 モータと負荷の間のスティッフネス
9 モータと負荷の間のダンパ
10 加算器
11 加減算器
12 加算器
13 指令発生器
14 加減算器
15 位置の比例制御器
16 位置の積分制御器
17 加減算器
18 モータ質量を補償する比例器
19 電流アンプとモータの動特性を近似する遅れ要素
20 負荷外乱力発生器
21 負荷外乱力発生器
22 負荷とモータの位置記録計
23 加速度センサ
24 加速度の比例制御器
25 加速度の積分制御器
26 加算器
27 位置の比例制御器
28 加減算器
29 速度の比例制御器
30 速度の積分制御器
31 加算器
32 加算器
DESCRIPTION OF
500B Detector B (for motor position)
1 Reciprocal of motor mass 2 Integral characteristic from motor acceleration to motor speed 3 Integral characteristic from motor speed to motor position 4 Reciprocal of load mass 5 Integral characteristic from load acceleration to load speed 6 Integral characteristic from load speed to load position 7 Adder /
Claims (2)
前記負荷に設けられた加速度センサによって前記負荷の加速度を示す信号を検出して、該検出信号の比例積分信号を前記モータに対する駆動力指令に負帰還し、
前記モータの位置信号の比例信号または比例積分信号を前記駆動力指令に負帰還することを特徴とする位置制御方法。 In a position control method for a load operated by a motor,
A signal indicating acceleration of the load is detected by an acceleration sensor provided in the load, and a proportional integral signal of the detection signal is negatively fed back to a driving force command for the motor,
A position control method comprising: negatively feeding back a proportional signal or proportional integral signal of the motor position signal to the driving force command.
前記負荷に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサによって検出された前記負荷の加速度を示す信号の比例積分信号を、前記モータに対する駆動力指令に負帰還する手段と、
前記モータの位置信号の比例信号または比例積分信号を前記駆動力指令に負帰還する手段を有することを特徴とする位置制御装置。 In a load position control device operated by a motor,
An acceleration sensor provided in the load;
Means for negatively feeding back a proportional integral signal of the signal indicating the acceleration of the load detected by the acceleration sensor to a driving force command for the motor;
A position control device comprising means for negatively feeding back a proportional signal or proportional integral signal of the motor position signal to the driving force command.
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---|---|---|---|
JP2004096188A JP2005284599A (en) | 2004-03-29 | 2004-03-29 | Method for controlling position and position control device |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008043131A (en) * | 2006-08-09 | 2008-02-21 | Mitsubishi Electric Corp | Motor controller |
JP2015122846A (en) * | 2013-12-20 | 2015-07-02 | Juki株式会社 | Control apparatus for positioning device |
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2004
- 2004-03-29 JP JP2004096188A patent/JP2005284599A/en active Pending
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JP2015122846A (en) * | 2013-12-20 | 2015-07-02 | Juki株式会社 | Control apparatus for positioning device |
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