JP2007316702A - サーボモータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指令の形状に依存して位置偏差のサンプリング周期を可変にして、補正データを記憶するメモリ容量を減らす。
【解決手段】サーボモータ３に繰り返される周期的な位置指令を与えるＣＮＣ２から位置指令を受け、かつ位置検出器４から被駆動体の位置を示す信号を受け、位置指令と被駆動体の位置との第１位置偏差を取得する手段１３と、ＣＮＣ２から与えられた情報に応じて第１位置偏差をサンプルするサンプリング周期Ｂを可変可能に計算する手段１４と、サンプリング周期Ｂに従って第１位置偏差をサンプルして得た第２位置偏差を取得する手段１５と、第２位置偏差より第１補正データを求める補正データ算出手段２０と、第１補正データを繰り返される周期的な位置指令の少なくとも１周期分記憶する記憶手段２１とを備え、第１位置偏差と第１補正データに基づき被駆動体を位置制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）装置によって、工作機械や産業機械に用いられるサーボモータやスピンドルモータを駆動する制御装置に関し、特に機械の高精度な位置制御を実現するため学習制御を適用する場合において学習制御用メモリの使用容量を節約するＣＮＣ装置のサーボモータ駆動制御装置に関する。

特許文献１に記載の可変サンプリング制御方法とその装置は、制御対象の誤差入力信号をＡ／Ｄでデジタル化し、デジタル処理を行った後、Ｄ／Ａ変換を行って、アナログ信号で対象を制御するシステムに於いて、誤差入力信号の変化率に応じて、デジタル化のサンプリング周期を可変とするものである。すなわち、演算処理によって得られるサーボ系の特性がサンプリング周期の変化により変わらないように制御装置内のフィルタリング処理の係数をサンプリング周期に応じて変え、変化率が小さいときはサンプリング周期を長くすることで、特性を劣化させることなくデジタル処理に要する演算時間を短縮し、その分消費電力の低減を図ったものである。

特許文献２に記載の間引き学習制御装置は、所定周期で繰り返し入力される同一パターンの指令に応じてサーボモータを駆動制御する際に、繰り返し指令を学習して制御偏差を零に収束させ高精度のサーボモータの制御を行い加工精度を向上させる学習制御装置において、所定サンプリング周期でサンプリングされた位置偏差を、位置偏差や指令などに依存せず常に一定間隔で間引いて記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶された値をスムージングフィルタ処理して得られた値により間引かれた間の各処理周期における補正データを求める手段とを備え、求められた補正データに基づいて当該処理周期の制御偏差を補正してサーボモータを制御するものである。この学習制御装置によれば、サンプリングされた位置偏差を間引いて記憶することで、記憶手段に於けるメモリ容量を小さくすることができる。

特開２０００−１４８２２５号公報（明細書の［特許請求の範囲］、段落番号［００１１］〜［００１３］、［００３４］および図面の［図１］参照）。 特許第２９２８２９４号公報（明細書における［特許請求の範囲］の［請求項１］、［発明の詳細な説明］のページ（１）および（２）および図面の［第１図］、［第４図］参照）。

上記特許文献２に記載の間引き学習制御装置におけるサンプリング周期は固定であるので、長い時間周期の繰り返し指令を学習する場合は、その時間周期に比例した大きさの容量を有する学習用メモリが必要であり、メモリ容量の大きさを小さくできないという問題がある。

それゆえ、上記特許文献２に記載の間引き学習制御装置において、学習制御装置のサンプリング周期を長くすれば、学習用メモリの容量は小さくできる。しかし、指令の形状に関係なく一様にサンプリング周期を長くすると、サンプリング周期の長さに比例して精度が悪化するという問題が生じる。

それゆえ本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、指令の形状に依存して、位置偏差をサンプリングする学習制御装置のサンプリング周期を変化させる可変サンプリング学習制御手段を備えたサーボモータの駆動制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する請求項１に記載のサーボモータの駆動制御装置は、周期的に動作する被駆動体をサーボモータで駆動して制御する制御装置であって、前記サーボモータに繰り返される周期的な位置指令を与える手段から該位置指令を受けるとともに前記被駆動体の位置を検出する手段から該被駆動体の位置を示す信号を受け、前記位置指令と前記被駆動体の位置との第１位置偏差を取得する手段と、上位システムから与えられた情報に応じて前記第１位置偏差をサンプルするサンプリング周期Ｂを可変可能に計算する手段と、その計算されたサンプリング周期Ｂに従って、前記第１位置偏差をサンプルして得た第２位置偏差を取得する手段と、前記第２位置偏差より第１補正データを求める補正データ算出手段と、該補正データ算出手段で求めた第１補正データを繰り返される周期的な位置指令の少なくとも１周期分記憶する記憶手段と、を備え、前記第１位置偏差と前記第１補正データに基づいて前記被駆動体を位置制御することを特徴とする。

上記目的を達成する請求項２に記載のサーボモータの駆動制御装置は、周期的に動作する被駆動体をサーボモータで駆動して制御する制御装置であって、前記サーボモータに繰り返される周期的な位置指令を与える手段から該位置指令を受けるとともに前記被駆動体の位置を検出する手段から該被駆動体の位置を示す信号を受け、前記位置指令と前記被駆動体の位置との第１位置偏差をサンプリング周期Ａ毎に取得する手段と、上位システムから与えられた情報に応じて前記第１位置偏差をサンプルするサンプリング周期Ｂを計算する手段と、その計算されたサンプリング周期Ｂに従って、前記第１位置偏差をサンプルして得た第２位置偏差を可変可能に取得する手段と、前記第２位置偏差より第1補正データを求める補正データ算出手段と、該補正データ算出手段で求めた第１補正データを繰り返される周期的な位置指令の少なくとも１周期分記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された前記サンプリング周期Ｂ毎の第1補正データから前記サンプリング周期Ａ毎の第２補正データに変換する変換手段と、を備え、前記第１位置偏差と前記変換手段で求めた第２補正データに基づいて前記被駆ことを特徴とする。

上記請求項１および２に記載のサーボモータの駆動制御装置において、前記請求項１もしくは２に記載の記憶手段によって記憶された第１補正データを圧縮した第３補正データを生成する圧縮手段と、その圧縮された第３補正データを上位システムへ送る手段と、前記上位システムに保存された第３補正データを該上位システムから受け取る手段と、受け取った第３補正データを解凍し、第４補正データを生成する解凍手段と、を備え、前記第１位置偏差と前記解凍手段で生成した第４補正データに基づいて前記被駆動体を位置制御することを特徴とする。

上記請求項１および２に記載のサーボモータの駆動制御装置において、前記請求項１もしくは２に記載の補正データ算出手段は、前記第２位置偏差と前記記憶手段に記憶された１周期前の前記第１補正データとを加算する加算手段と、該加算手段で加算された加算結果をフィルタリングして新たな第５補正データを求め前記記憶手段に出力するフィルタ手段と、を備え、前記第１位置偏差と前記フィルタ手段で求めた第５補正データに基づいて前記被駆動体を位置制御することを特徴とする。

上記請求項１および２に記載のサーボモータの駆動制御装置において、前記請求項１もしくは２に記載のサンプリング周期Ｂを計算する手段は、位置指令から計算された速度もしくは、加速度もしくは、加加速度を使ってサンプリング周期Ｂを計算する手段を具備することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、位置指令の情報に応じて第1位置偏差をサンプルするサンプリング周期Ｂを可変可能に計算するサンプリング周期計算手段を設けたことにより、学習用の記憶手段の使用容量を節約することが可能となる。また、請求項１に記載の発明によるサーボモータ駆動制御装置は、第１位置偏差を受け第２補正データを生成する回路を除き、アナログ回路でもデジタル回路でも構成でき、装置の適用範囲が広くなる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の上記効果の他に、位置指令と被駆動体の位置との第１偏差をサンプリング周期Ａ毎に取得する手段と、サンプリング周期Ｂ毎に求めた第１補正データからサンプリング周期Ａ毎の第２補正データに変換する変換手段とを設けたことにより、第１位置偏差を第２補正データにより円滑に補正して被駆動体を位置制御することができる。

請求項３に記載の圧縮手段と解凍手段によれば、記憶手段に保持された補正データ（学習データ）に対し、圧縮・解凍を行う処理を付加することで、上位システムとの補正データの転送時間のさらなる短縮を実現できる。

段取り替えでは、記憶手段に保持された補正データ（学習データ）は、必要に応じて上位システムに転送される。上位システムはワーク（加工物）毎に複数個の補正データを保管しており、加工するワークに応じて必要な補正データをサーボモータの駆動制御装置内の記憶手段に転送する。したがって、請求項３に記載の圧縮手段と解凍手段によれば、転送する時間の短縮ができるので、実加工に於ける段取り替えの時間短縮にも寄与できる。

請求項４に記載の補正手段算出手段に設けられた加算手段は、第２位置偏差と記憶手段に記憶された第１補正データを正帰還するのでフィルタ手段を設けることで高調波成分を除去して学習制御の安定性を確保することができるという効果を有する。

請求項５に記載のサンプリング周期Ｂを計算する手段によれば、指令の速度もしくは加速度もしくは加加速度が大きな場合は、サンプリング周期を短くし、逆に小さい場合は、サンプリング周期を長くするように変化させるサンプリング周期計算手段を制御装置内に設けたことにより、精度を保ちながら学習用の記憶手段の使用容量を節約することが可能となる。

また、請求項５に記載のサンプリング周期Ｂを計算する手段によれば、長い時間周期の繰り返し指令に対して小さい容量を有する記憶手段で学習制御が可能となり、それゆえ学習制御の適用範囲が広がると共に、コスト的にも有利となる。さらに、記憶手段に保持された補正データ（学習データ）を、ＣＮＣなどの上位システムと通信する場合、転送する時間が短縮できるので、実加工に於ける段取り替えの時間短縮にも寄与できる。

図１は本発明の一実施形態に係るサーボモータ駆動制御装置を示す図である。図１に示すサーボモータ駆動制御装置（以下、制御装置と記す）１は、ＣＮＣ装置（以下、ＣＮＣと記す）２から位置指令を受け、サーボモータ３を駆動し周期的に動作する不図示の被駆動体を駆動してその動作を制御する。位置検出器４はサーボモータ３の回転軸から被駆動体の位置信号を検出し、制御装置１に出力する。

制御装置１はデジタル回路で構成され、後述する各手段はデジタル処理の実行によりその機能を果たす。制御装置１は、サーボモータ３に繰り返される周期的な位置指令を与えるＣＮＣ２から位置指令を受けるとともに被駆動体の位置を検出する位置検出器（例えばエンコーダ）４から被駆動体の位置を示す信号を受ける。

制御装置１は、位置指令をサンプリング周期Ａ毎に取得して出力する第1サンプラ１１と、被駆動体の位置をサンプリング周期Ａ毎に取得する第２サンプラ１２と、サンプリング周期Ａ毎に位置指令と被駆動体の位置との第１位置偏差を取得する第1加算器１３と、ＣＮＣ２から与えられた位置指令の情報に応じて第1位置偏差をサンプルするサンプリング周期Ｂを可変可能に計算するサンプリング周期計算手段１４と、その計算されたサンプリング周期Ｂに従って、第１位置偏差をサンプルして得た第２位置偏差を取得する第3サンプラ１５とを有する。ここで、サンプラとは一般に一定時間間隔ごとにスイッチを閉じることにより、連続信号からサンプル値信号をつくるものである。

制御装置１は、学習コントローラ１０を有する。学習コントローラ１０は第３サンプラ１５、補正データ算出手段２０および変換手段３０を有する。
補正データ算出手段２０は、第２位置偏差より第1補正データを求め、記憶手段２１は補正データ算出手段２０で求めた第1補正データを繰り返される周期的な位置指令の少なくとも１周期分記憶する。

制御装置１はまた、記憶手段２１に記憶されたサンプリング周期Ｂ毎の第1補正データからサンプリング周期Ａ毎の第２補正データに変換する変換手段３０を有する。

変換手段３０は、サンプリング周期Ｂ毎に生成した第１補正データとサンプリング周期Ａ毎に取得した位置偏差とを第２加算器１６で加算する場合、サンプリング周期Ｂ毎に生成した第１補正データをサンプリング周期Ａ毎の第２補正データに変換すべく生成するため、サンプリング周期Ｂの計算点からサンプリング周期Ａの計算点を補間する必要がある。

図２は補間計算の説明図である。
図２に示すように時刻ｔ（ｉ）のサンプリング周期Ａの現在の計算点ＳＰＡ１を、時刻ｔ（ｉ−１）と時刻ｔ（ｉ＋１）のサンプリング周期Ｂの計算点ＳＰＢ１とＳＰＢ２とを用いて補間する。この補間計算は繰り返される指令周期の１周期分行われる。

制御装置１は第２加算器１６と駆動部４０を有し、第２加算器１６は第１位置偏差から変換手段３０で求め正帰還された第２補正データを加算して補正した補正位置偏差を駆動部４０に入力する。駆動部４０は、ポジションゲイン４１、速度制御部４２、電流制御部４３および電流増幅器４４を有する。

ポジションゲイン４１は、第２加算器１６から補正位置偏差を受け予め設定された比例ゲインをかけて出力する。ポジションゲイン４１はＰＩ制御機能をもたしてもよく、Ｉ制御機能により正帰還後の第２加算器１６の出力を安定にすることができる。速度制御部４２は、ポジションゲイン４１からの補正位置偏差を受けるとともに位置検出器４からの位置信号を受け、その位置信号をフィードバック速度信号に変換し、補正位置偏差から変換したフィードバック速度信号を減算して電流指令を求め出力する。

電流制御部４３は速度制御部４２から電流指令を受けるとともに電流増幅器４４から電流フィードバック信号を受け、電流指令を電流フィードバック信号で減算した補正電流指令を出力する。電流増幅器４４は電流制御部４３から補正電流指令を受け、サーボモータ３に電流を供給し被駆動体を駆動する。

次に、圧縮・解凍処理部５０について説明する。
圧縮・解凍処理部５０は、第１補正データを圧縮した第３補正データを生成する圧縮手段５１と、その圧縮された第３補正データをＣＮＣ２に送る送信手段５２と、ＣＮＣ２に保存された第３補正データをＣＮＣ２から受け取る受信手段５３と、受け取った第３補正データを解凍し第４補正データを生成する解凍手段５４とを有する。第２加算器１６は第１位置偏差と変換手段３０をバイパスして解凍手段５４で生成し記憶手段２１に記憶された第４補正データとを受け、これらに基づいて被駆動体を位置制御するよう駆動部４０に補正位置偏差を入力する。圧縮・解凍処理部５０を設けたことにより、制御装置１とＣＮＣ２との間の転送時間を短縮できる。

次に、補正データ算出手段２０について説明する。
補正データ算出手段２０は、上述した記憶手段２１と第３加算器２２とフィルタ手段２３とを有する。記憶手段２１にはＣＮＣ２から送られる繰り返される周期的な位置指令の少なくとも１周期分に相当するサンプリング周期Ｂ毎の第1補正データが記憶されている。

第３加算器２２は、サンプリング周期Ｂ毎に取得した第２位置偏差と記憶手段２１に記憶された１周期前のサンプリング周期Ｂ毎の正帰還される第１補正データとを順次加算する。フィルタ手段２３は第３加算器２２で加算された加算結果をフィルタリングして新たな第５補正データを１周期分求めて記憶手段２１に出力する。フィルタ手段２３は低周波通過型のデジタルローパスフィルタであり、高周波ノイズを除去することで、正帰還して加算する学習コントローラ１０内の補正データ算出手段２０の安定性を確保できる。

図３は図１に示すサンプリング周期計算手段の他の実施形態を示す図である。
サンプリング周期Ｂを計算するサンプリング周期算出手段１４は、位置指令から計算された指令速度、指令加速度もしくは指令加加速度を使ってサンプリング周期Ｂを計算する手段を有する。

図３において、横軸は指令速度、指令加速度もしくは指令加加速度を示し、縦軸はサンプリング周期を示す。図３に示すように、サンプリング周期Ａは固定であり、サンプリング周期Ｂは、指令速度、指令加速度もしくは指令加加速度の絶対値が０近傍で最も大きく、同絶対値が大きくなるにつれて小さい。すなわち、指令速度、指令加速度もしくは指令加加速度が大きいときはサンプリング周期を短くし、指令精度ひいては制御対象の位置精度を向上させ、指令速度、指令加速度もしくは指令加加速度が小さいときはサンプリング周期を長くし、記憶手段であるメモリの使用容量を節約している。これにより、精度を維持したまま補正データを記憶するメモリの数を減らすことができる。

図４は固定サンプリング周期でのシミュレーション結果を示す図であり、（Ａ）は位置指令の形状とサンプリングポイントを示す図であり、（Ｂ）は位置偏差の収束の様子を示す図である。ＣＮＣ２から周期４０ｍｓｅｃ毎に図４の（Ａ）に示す形状の位置指令が制御装置１に送られ、サンプリング周期０．５ｓｅｃを固定にして学習した場合、位置偏差のシミュレーション結果は図４の（Ｂ）に示すようになり、学習に使用したメモリの数は８０個であった。ここで、メモリはサンプリング１回につき生成される補正データを記憶するだけの容量を有するものである。

図５は可変サンプリング周期でのシミュレーション結果を示す図であり、（Ａ）は位置指令の形状とサンプリングポイントを示す図であり、（Ｂ）は位置偏差の収束の様子を示す図である。ＣＮＣ２から周期４０ｍｓｅｃ毎に図５の（Ａ）に示す形状の位置指令が制御装置１に送られ、指令速度に応じてサンプリング周期を可変して学習した場合、位置偏差のシミュレーション結果は図５の（Ｂ）に示すようになり、学習に使用したメモリの数は４６個であった。

図４と図５とを比較すると、メモリ数が８０個から４６個に減少したにも関わらず位置偏差は同程度に収束していることが判る。

以上説明した図１に示す本発明の一実施形態において、他の実施形態として、第サンプラ１１、第２サンプラ１２、変換手段３０および圧縮・解凍処理部５０を取り除くとともに短絡した構成とすることもできる。またこのように構成した場合、制御装置１は学習コントローラ１０を除き、アナログ回路でもデジタル回路でも構成できる。

本発明の一実施形態に係るサーボモータ駆動制御装置を示す図である。 補間計算の説明図である。 図１に示すサンプリング周期計算手段の他の実施形態を示す図である。 固定サンプリング周期でのシミュレーション結果を示す図であり、（Ａ）は位置指令の形状とサンプリングポイントを示す図であり、（Ｂ）は位置偏差の収束の様子を示す図である。 可変サンプリング周期でのシミュレーション結果を示す図であり、（Ａ）は位置指令の形状とサンプリングポイントを示す図であり、（Ｂ）は位置偏差の収束の様子を示す図である。

符号の説明

１ サーボモータ制御装置
２ ＣＮＣ装置
３ サーボモータ
４ 位置検出器
１０ 学習コントローラ
１１ 第１サンプラ
１２ 第２サンプラ
１４ サンプリング周期計算手段
１５ 第３サンプラ
２０ 補正データ算出手段
２１ 記憶手段
２３ フィルタ手段
３０ 変換手段
４０ 駆動部
５０ 圧縮・解凍処理部

Claims (5)

1. 周期的に動作する被駆動体をサーボモータで駆動して制御する制御装置であって、
   前記サーボモータに繰り返される周期的な位置指令を与える手段から該位置指令を受けるとともに前記被駆動体の位置を検出する手段から該被駆動体の位置を示す信号を受け、
   前記位置指令と前記被駆動体の位置との第１位置偏差を取得する手段と、
   上位システムから与えられた情報に応じて前記第１位置偏差をサンプルするサンプリング周期Ｂを可変可能に計算する手段と、
   その計算されたサンプリング周期Ｂに従って、前記第１位置偏差をサンプルして得た第２位置偏差を取得する手段と、
   前記第２位置偏差より第１補正データを求める補正データ算出手段と、
   該補正データ算出手段で求めた第１補正データを繰り返される周期的な位置指令の少なくとも１周期分記憶する記憶手段と、を備え、
   前記第１位置偏差と前記第１補正データに基づいて前記被駆動体を位置制御することを特徴とするサーボモータ駆動制御装置。
2. 周期的に動作する被駆動体をサーボモータで駆動して制御する制御装置であって、
   前記サーボモータに繰り返される周期的な位置指令を与える手段から該位置指令を受けるとともに前記被駆動体の位置を検出する手段から該被駆動体の位置を示す信号を受け、
   前記位置指令と前記被駆動体の位置との第１位置偏差をサンプリング周期Ａ毎に取得する手段と、
   上位システムから与えられた情報に応じて前記第１位置偏差をサンプルするサンプリング周期Ｂを計算する手段と、
   その計算されたサンプリング周期Ｂに従って、前記第１位置偏差をサンプルして得た第２位置偏差を可変可能に取得する手段と、
   前記第２位置偏差より第1補正データを求める補正データ算出手段と、
   該補正データ算出手段で求めた第１補正データを繰り返される周期的な位置指令の少なくとも１周期分記憶する記憶手段と、
   該記憶手段に記憶された前記サンプリング周期Ｂ毎の第1補正データから前記サンプリング周期Ａ毎の第２補正データに変換する変換手段と、を備え、
   前記第１位置偏差と前記変換手段で求めた第２補正データに基づいて前記被駆動体を位置制御することを特徴とするサーボモータ駆動制御装置。
3. 前記請求項１もしくは２に記載の記憶手段によって記憶された第１補正データを圧縮した第３補正データを生成する圧縮手段と、
   その圧縮された第３補正データを上位システムへ送る手段と、
   前記上位システムに保存された第３補正データを該上位システムから受け取る手段と、
   受け取った第３補正データを解凍し、第４補正データを生成する解凍手段と、を備え、
   前記第１位置偏差と前記解凍手段で生成した第４補正データに基づいて前記被駆動体を位置制御することを特徴とする請求項１もしくは２に記載のサーボモータ駆動制御装置。
4. 前記請求項１もしくは２に記載の補正データ算出手段は、
   前記第２位置偏差と前記記憶手段に記憶された１周期前の前記第１補正データとを加算する加算手段と、
   該加算手段で加算された加算結果をフィルタリングして新たな第５補正データを求め前記記憶手段に出力するフィルタ手段と、を備え、
   前記第１位置偏差と前記フィルタ手段で求めた第５補正データに基づいて前記被駆動体を位置制御することを特徴とする請求項１もしくは２に記載のサーボモータ駆動制御装置。
5. 前記請求項１もしくは２に記載のサンプリング周期Ｂを計算する手段は、
   位置指令から計算された速度もしくは、加速度もしくは、加加速度を使ってサンプリング周期Ｂを計算する手段を具備する
   ことを特徴とする請求項１もしくは２に記載のサーボモータ駆動制御装置。

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