JP2008289312A - 複数軸同期制御システムおよび複数軸同期制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多軸の同期制御において，制御対象軸間の特性バラつきの影響が直接的に制御特性のバラつきに現れるのを防ぎ，相対的な偏差を重点的に抑圧することを目的とする。
【解決手段】一つの目標指令２による制御対象を構成する複数の制御対象軸１４，２４の各々について，その入力と出力を，規範モデル１６，２６によって生成する所望の入出力特性と比較し，差違を抑圧するような補償入力を算出して，一次制御入力１１，２１に加算することによって，各制御対象軸１４，２４を構成する要素特性のバラつきの影響を抑圧し，その各制御対象軸１４，２４の制御系全体を，マスタ−スレーブ構造３とし，マスタ−スレーブ方式と規範モデル制御則とを併用したハイブリッド同期制御構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は，複数軸同期制御システムおよび複数軸同期制御方法に関し，特に，複数の駆動軸からなる制御対象において，制御角の指令角に対する偏差よりも，軸間の角度偏差を極小化することが重要な制御機構に関する。

図６は，本発明が制御対象とする多軸からなる同期制御系の例を示す。軸１制御系１０１−１，軸２制御系１０１−２，…，軸ｎ制御系１０１−ｎは，同一の制御角の目標指令１００を入力し，それぞれ制御対象軸１出力１０２−１，制御対象軸２出力１０２−２，…，制御対象軸ｎ出力１０２−ｎを出力する。本発明は，これらの出力である軸間の角度偏差を極小化する同期制御を実現するためのものである。

このような多軸からなる制御対象を同期制御させるために，例えば，特許文献１の「工作機械のアタッチメントの同期運転方法」に見られるように，任意の１軸をマスタとし，他の残りの軸をスレーブとする方式（以降，マスタ−スレーブ方式と呼称する）がある。

図７に，従来手法のマスタ−スレーブ方式による同期制御方式の例を示す。制御器２０１−１は，目標指令２００を入力し，マスタである第一制御対象軸２０２−１を制御する。他の第ｉ制御対象軸２０２−ｉ（ｉ＝２〜ｎ）は，スレーブとして扱われ，それらの各スレーブの出力が，第一制御対象軸２０２−１のマスタ出力に追従するように，各制御器２０１−ｉが各第ｉ制御対象軸２０２−ｉを制御する。このため，マスタ出力と各スレーブ出力の偏差に応じて目標指令２００を補正し，補正された目標指令を各第ｉ制御対象軸２０２−ｉの入力とする。

同方式では，各軸に内在する特性の個体差（サーボ要素の個体差，機構特性の個体差等）が大きい場合に，この差がそのまま全系の制御精度に影響していた。
特許第３３３７０３７号公報

図８は，制御対象軸のモデルと各軸の個体差要因を表した図である。図８において，Ｒは電機子巻線抵抗［Ω］である。Ｔ_E は電気的時定数［ｓｅｃ］であり，電機子のインダクタンスをＬ［Ｈ］とすると，Ｔ_E ＝Ｌ／Ｒである。また，Ｋ_T はトルク定数［Ｎ／Ａ］，Ｊは負荷イナーシャ［ｋｇ・ｍ² ］，Ｋ_E は誘起電圧定数［Ｖ／（ｒａｄ／ｓｅｃ）］，Ｆ_L はドラッグトルク［Ｎ・ｍ］を表す。

前述した図７に示す従来のマスタ−スレーブ方式では，図８に示すように制御対象の各軸に内在するサーボ要素諸元（例えば電機子巻線抵抗逆数２１１，電機子時定数２１２，電磁相互作用２１３，駆動負荷２１４，ドラッグトルク２１５，電機子逆起電力２１６）の個体差が大きく，特に摂動および非線形性が大きい場合，ＰＩＤ等の通常の線形制御則だけでは，各軸の制御偏差が充分抑圧されず，その結果，軸間のバラつきも大きくなって相対偏差も小さくすることができなくなっていた。

本発明は上記問題点の解決を図り，複数の制御対象軸間の特性バラつきの影響が直接的に制御特性のバラつきに現れるのを防ぎ，相対的な偏差を重点的に抑圧する新しい制御方式を提供することを目的とする。

本発明は，従来のマスタ−スレーブ方式に加え，各軸の個体差を抑制するため，制御ループ内に状態推定器等の規範モデルを設け，各軸の出力が規範モデル出力に沿うような制御則を併用するハイブリッド構成とし，同期制御の高精度化を図る。

図１は，本発明による制御系の構成例を示す図である。図１において，１は本発明によるマスタ−スレーブ／規範モデル制御則を併用したハイブリッド構成，２は目標指令を表している。ここでは，スレーブ軸が一つの場合の例を示しているが，スレーブ軸は複数存在してもよい。

制御器１０は，マスタである第一制御対象軸１４を駆動制御する。制御器２０は，スレーブｎである第ｎ制御対象軸２４を駆動制御する。マスタ−スレーブ構造３は，マスタ出力１５とスレーブｎ出力２５との偏差を算出する減算器３２と，減算器３２の出力に応じて制御器２０に対する目標指令２を補正する加算器３１から構成される。

本発明では，マスタ−スレーブ構造３を用いたマスタ−スレーブ方式に加え，各軸の個体差を極小化するために，各制御対象軸１４，２４の入力と出力を所望の入出力応答と比較して，その差違を補償するための付加入力を規範モデル１６，２６を利用して算出し，算出値を制御器１０，２０の出力である一次制御入力１１，２１に，補償加算器１２，２２によって加算し，加算した結果を各制御対象軸１４，２４の補償制御入力１３，２３とする。このように，規範モデル制御則により各制御対象軸１４，２４への入力を補正する補償経路を追加して，軸間のサーボ要素特性のバラつきの影響を抑圧することによって，上記本発明の課題を達成する。

所望の入出力応答を算出するブロックである規範モデル１６，２６としては，例えば状態推定器（オブザーバ）を適用し，各制御対象軸１４，２４への補償制御入力１３，２３と各制御対象軸１４，２４からの出力１５，２５を参照し，規範モデル１６，２６の出力との差を一次制御入力１１，２１に補償加算することで，各制御対象軸１４，２４の出力を理想とする規範モデル１６，２６の出力に近づけ，各軸の個別差を極小化する。さらに，個別差が極小化された制御対象全軸に対して，図１に示すマスタ−スレーブ構造３を構成し，マスタ−スレーブ方式と規範モデル制御則を併用したハイブリッド同期制御構成（ハイブリッド構成１）を構築することで，全軸の高精度同期制御を実現する。

本発明は，制御対象を構成する複数の軸の各々について，その入力と出力を規範モデルによって生成する所望の入出力特性と比較し，差違を抑圧するような補償入力を算出して制御対象入力に加算することによって，制御対象各軸を構成する要素特性のバラつきの影響を抑圧し，軸間の相対偏差を大幅に低減する効果をもたらす。

以下，本発明の実施の形態について，図面を参照しながら説明する。

図２は，図１に示す規範モデル１６，２６の一例を示す。規範モデルは，理想とする入出力特性を持つ制御対象のモデルであるが，図２では，最も単純な外乱オブザーバによって実現する例を示している。図２に示す規範モデル１６，２６において，Ｑ（ｓ）はローパスフィルタ，Ｒは電機子巻線抵抗［Ω］，Ｋ_T はトルク定数［Ｎ／Ａ］，Ｊは負荷イナーシャ［ｋｇ・ｍ² ］である。

各制御対象軸１４，２４に対して与えられる指令電圧に対して，規範モデル１６，２６を用いて算出された補正値の電圧が加算され，その補正値が加算された補償制御入力１３，２３が制御対象軸１４，２４に入力される。制御対象軸１４，２４は，補償制御入力１３，２３によって駆動され回転する。この例では，出力は回転角度である。

規範モデル１６，２６は，制御対象軸１４，２４に入力される補償制御入力１３，２３を入力し，理論的に制御対象軸１４，２４に対して発生すると推定されるトルクを，ブロック４０，４１により算出する。一方，規範モデル１６，２６には，実際の制御対象軸１４，２４の出力である角度も入力され，実際に制御対象軸１４，２４に対して生じたと考えられるトルクをブロック４２，４３により算出し，ブロック４１の出力とブロック４３の出力との差のトルクに相当する電圧値を，ブロック４４によって算出する。このブロック４４の出力電圧を補正値として，指令電圧に加算することにより，軸間のサーボ要素特性のバラつきの影響が抑圧されることになる。

図３は，図２に示す規範モデル１６，２６の主要部を，コンピュータとソフトウェアプログラムとによるソフトウェア処理によって実現する場合の処理の流れを示している。

ステップＳ１０では，図２に示す点Ａにおける電圧値，すなわち補償制御入力１３，２３の電圧値を取得する。ステップＳ１１では，入力した電圧値をアナログ／ディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）する。ステップＳ１２では，ディジタル値に変換された電圧値と，定数Ｋ_T ／Ｒとの積を算出し，ステップＳ１３では，ローパスフィルタ処理によって高周波成分をカットする。

また，ステップＳ２０では，図２に示す点Ｂにおける出力値，すなわち角度センサによって検出した角度の値を取得する。ステップＳ２１では，取得した角度センサ値をＡ／Ｄ変換によってディジタル値に変換する。ステップＳ２２では，角度のディジタル値に対してローパスフィルタ処理を行うとともに，その数値を微分し，角速度を算出する。ステップＳ２３では，算出した角速度と定数Ｊとの積を算出する。ステップＳ２４では，ステップＳ２３で算出した値の正負の符号を反転する。

ステップＳ３０では，ステップＳ１３での算出値とステップＳ２４での算出値とを加算し，続いてステップＳ３１において加算値と定数Ｒ／Ｋ_T との積を算出することにより，制御対象軸１４，２４に対して所望するトルクが生じるようにするための電圧の補正値を算出する。ステップＳ３２では，ステップＳ３１において算出した補正値を，ディジタル／アナログ変換（Ｄ／Ａ変換）し，ステップＳ３３では，アナログ値に変換された補正電圧値を出力する。

以上の処理における各種定数は，シミュレーションによってあらかじめ定めることができる。規範モデル１６，２６の例として，説明を分かりやすくするために，最も単純な外乱オブザーバを用いる例を説明したが，もちろん，本発明は図３に示すモデルに限られるわけではなく，各軸ごとに各制御対象軸１４，２４の入力および出力と，所望の入出力応答とを比較して，その差違を補償するための付加入力を算出することができるモデルであれば，マスタ−スレーブ方式と規範モデル制御則とを併用する本発明を実現するための規範モデルとして利用することができる。

次に，本発明の具体的な適用例を説明する。図４は，二開口光束合成視軸機構におけるミラーの軸制御に本発明を適用した例を示している。図４に示す制御演算部５が，本発明によるハイブリッド同期制御を実現する部分である。

この二開口光束合成視軸機構は，駆動体（図示せず）の中に存在している。この駆動体が，進行方向（ここでは前方向とも呼ぶ）に進むにあたって，例えば赤外線などの光を放射している対象物と，進行方向との角度を算出する必要が生じることがある。二開口光束合成視軸機構は，第一ミラー５０および第二ミラー５２によって受けた光によって，対象物と進行方向との角度を算出して，姿勢制御装置（図示せず）へと送ることにより，駆動体の運動の制御もしくは補助を行う。

第一ミラー５０および第二ミラー５２の回転軸を，制御演算部５からの制御指令によって同期制御する。このとき，第一ミラー５０の回転軸をマスタの制御対象軸とし，第二ミラー５２の回転軸をスレーブの制御対象軸とする。制御指令に対するこれらの制御対象軸の出力である角度は，角度センサ５１，５３によってそれぞれ第一ミラー角度検出値，第二ミラー角度検出値として検出され，制御演算部５に入力される。

この二開口光束合成視軸機構から見て駆動体の進行方向には，前方遮蔽物５６が存在する。この前方遮蔽物５６により，直接，駆動体の前方を測定することができないため，両サイドに設けられた開口部に第一ミラー５０，第二ミラー５２が取り付けられている。第一ミラー５０，第二ミラー５２が受けた光は，第一開口合成ミラー５４，第二開口合成ミラー５４を介して，集光系＋検知器５８への導光部であるユニット開口部５７に取り込まれる。このような二開口光束合成視軸機構では，第一ミラー５０および第二ミラー５２の回転軸の高精度な同期制御が必要になる。

図５は，目標指令角度６の入力に対して，第一ミラー５０および第二ミラー５２を高精度に同期制御するための，本発明を適用した制御系構成の例を示す。第一ミラー５０をマスタとし，第二ミラー５２をスレーブとする。第一ミラー５０と第二ミラー５２の制御入力には，それぞれミラー規範モデル６６，７６の入出力応答からの差違を抑圧する補償入力を算出して，制御器６０，７０の出力する一次制御入力６１，７１に重畳し，第一ミラー５０の出力角６５と第二ミラー５２の出力角７５を規範モデル応答に近づけ，さらにこれらの出力に対して，減算器８２，加算器８１を用いてマスタ−スレーブ構造８を構成し，全体としてマスタ−スレーブ方式と規範モデル制御則を併用したハイブリッド同期制御構成を構築する。本制御構成を図４の制御演算部５上に，例えばコンピュータとソフトウェアプログラムとによって実装することにより，第一ミラー５０と第二ミラー５２間の高精度な同期制御を実現する。

本発明による制御系の構成例を示す図である。 図１に示す規範モデルの一例を示す図である。 図２に示す規範モデルの主要部をソフトウェア処理によって実現する場合のフローチャートである。 本発明を適用した二開口光束合成視軸機構の例を示す図である。 本発明の適用例における制御系構成の例を示す図である。 多軸からなる同期制御系の概念を表した図である。 従来技術の同期制御方式（マスタ−スレーブ方式）を表した図である。 制御対象軸のモデルと各軸の個体差要因を表した図である。

符号の説明

１ ハイブリッド構成
２ 目標指令
３ マスタ−スレーブ構造
１０，２０ 制御器
１１，２１ 一次制御入力
１２，２２ 補償加算器
１３，２３ 補償制御入力
１４ 第一制御対象軸
１５ マスタ出力
１６，２６ 規範モデル
２４ 第ｎ制御対象軸
２５ スレーブｎ出力
３１ 加算器
３２ 減算器

Claims (3)

1. 複数の制御対象軸を有し，前記複数の制御対象軸の中の一つの制御対象軸をマスタとし，他の制御対象軸をスレーブとして，一つの目標指令に対して前記スレーブとされた制御対象軸が，前記マスタとされた制御対象軸に追従するように同期制御するマスタ−スレーブ方式による複数軸同期制御システムにおいて，
   前記各制御対象軸ごとに，所望の入出力応答を算出する規範モデルを設け，
   該規範モデルに前記各制御対象軸への入力と出力とを入力させ，前記各制御対象軸への入力および出力と，該規範モデルにおいて算出される所望の入出力応答とを比較し，その差違を補償するための付加入力を算出し，
   前記算出された付加入力を前記各制御対象軸への一次制御入力に加算することにより，前記各制御対象軸の出力を理想とする出力に近づけて個別差を極小化し，
   前記個別差が極小化された全ての制御対象軸の中の一つをマスタ，他をスレーブとしてマスタ−スレーブ構造を構成した
   ことを特徴とする複数軸同期制御システム。
2. 請求項１記載の複数軸同期制御システムにおいて，
   前記規範モデルは，状態推定器によって構成される
   ことを特徴とする複数軸同期制御システム。
3. 複数の制御対象軸を有し，前記複数の制御対象軸の中の一つの制御対象軸をマスタとし，他の制御対象軸をスレーブとして，一つの目標指令に対して前記スレーブとされた制御対象軸が，前記マスタとされた制御対象軸に追従するように同期制御するマスタ−スレーブ方式による複数軸同期制御方法において，
   前記各制御対象軸ごとに設けられた所望の入出力応答を算出する規範モデルに，前記各制御対象軸への入力と出力とを入力するステップと，
   前記各制御対象軸への入力および出力と，前記規範モデルにおいて算出される所望の入出力応答とを比較し，その差違を補償するための付加入力を算出するステップと，
   前記算出された付加入力を前記各制御対象軸への一次制御入力に加算し，前記各制御対象軸への補償制御入力とするステップと，
   前記マスタとされた制御対象軸の出力と，前記スレーブとされた制御対象軸の出力との差違に基づいて，前記スレーブとされた各制御対象軸ごとに，前記目標指令を補正するステップとを有する
   ことを特徴とする複数軸同期制御方法。

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