JP2009087291A - 位置制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源再投入をしなくともゲイン切換え時に位置がずれない位置制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部（１）と、速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部（２）と、前記トルク指令に基づいて電動機を駆動する電流制御部（４）と、電動機に結合された位置検出器の生成する電動機位置に基づいて電動機速度を生成する電動機速度生成部（５）と、を備える位置制御装置において、制御変数の値により制御ゲインセットを切換える自動ゲイン切換部（６）と、外部ゲイン切替信号により前記制御ゲインセットを切換える手動ゲイン切換部（７）と、外部選択信号により前記自動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットか前記手動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットかを選択する自動手動選択部（８）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置制御装置とその制御方法に関するもので、特に制御ゲイン切換えに関する。

電動機の位置を制御するサーボ機構においては、電動機の仕事率を向上させる上で目標位置へ移動するまでの位置決め整定時間を短縮することが命題である。元来、電動機の位置決め整定時間はサーボゲインと呼ばれる位置制御比例ゲイン、速度制御積分時定数、および速度制御比例ゲインといったゲインを調整して短縮している。位置決め整定時間を短縮するためには高い位置制御比例ゲインおよび速度制御比例ゲインを設定することが望ましいが、電動機が停止中に高いゲインを設定すると電動機が発振することがある。発振原因としては、電動機の位置検出器の分解能が荒い場合や、速度検出器の検出遅れ、または電流制御の応答性が低い場合等である。そこで、電動機が動作中には目標位置へ速く到達するためのゲインを設定し、停止中は外乱に影響されにくくかつ発振しないゲインを設定するといったゲインの切換えを行うことが一般的である。
従来の位置制御装置は、例えば、特許文献１に開示されている「位置決めサーボ機構のゲイン切換装置」では図６に示すように、指令発生器１０３からの目標値とセンサ１０２からのフィードバック値とによって最終的な位置決め位置であると判別した時点で、切換スイッチ１０５を動作中のゲイン設定ライン１０３ａから停止中のゲイン設定ライン１０３ｂに切換え、アクチュエータ１０１に与えるゲインが動作中のゲインから停止中のゲインに自動的に切り換わるようにしている。
また、特許文献２に開示されている「電動機制御ゲイン切替方法」では、図７に示すように、外部位置指令２０４の値が０、かつ停止遅延時間経過後ならば電動機は停止状態、一定時間での外部位置指令変化量の絶対値が一定値を超え、かつ加減速遅延時間経過後ならば加減速状態、また、一定時間での外部位置指令変化量の絶対値が一定値以下、かつ一定速遅延時間経過後ならば電動機は一定速状態であると自動的に判定し、電動機が停止モードならば停止時のゲイン設定値を、電動機が加減速モードならば加減速時のゲイン設定値を、更に電動機が一定速モードならば一定速時のゲイン設定値をそれぞれ位置制御比例ゲイン２０６、速度制御比例ゲイン２１１、速度制御積分時定数２１３に代入している。
特開平７−６４６４４号公報（図６） 特開２０００−２９３２３４号公報（図７）

従来のゲイン切換装置は自動ゲイン切換部のみを有しており、自動ゲイン切換部においていかにして外乱に強くまた振動を抑制するようにゲインを切換えるかの方法を示しているだけに留まっている。この場合、外部に接続された上位装置等から任意のタイミングで瞬時にゲインを切換えることができないという問題がある。上位装置側にて各種タイミングをシーケンス管理している場合等は、電気信号による手動ゲイン切換えがよい。
手動ゲイン切換部と自動ゲイン切換部の両方を備えた装置では、どちらの切換部を使用するかを切換える動作が必要となる。例えば第１制御ゲインセット（第３制御ゲインセット）＜第２制御ゲインセット（第４制御ゲインセット）とした場合の図３において、自動ゲイン切換部にて第２制御ゲインセットを使用していたとすると、手動ゲイン切換部にて使用する第１制御ゲインセットへと切換える場合に、急激なゲインの変化が起こり位置が瞬間的にずれるという問題があった。
また、切換部を変更する場合には、切換え時に位置ずれが発生するという理由から電源再投入等により一度システムを再立ち上げする必要があった。
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、電源再投入をしなくともゲイン切換え時に位置がずれない位置制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて電動機を駆動する電流制御部と、前記電動機に結合された位置検出器の生成する電動機位置に基づいて電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備える位置制御装置において、制御変数の値により制御ゲインセットを切換える自動ゲイン切換部と、外部ゲイン切替信号により前記制御ゲインセットを切換える手動ゲイン切換部と、外部選択信号により前記自動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットか前記手動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットかを選択する自動手動選択部と、
を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記制御ゲインセットは、位置制御比例ゲイン、速度制御比例ゲイン、速度制御積分時定数、トルクフィルタ時定数であることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記手動ゲイン切換部は、外部ゲイン切換信号により予め設定された第１制御ゲインセットと第１制御ゲインセットとは異なる第２制御ゲインセットを瞬時に切換えることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記自動ゲイン切換部は、制御変数が予め所定範囲内かどうかで第３制御ゲインセットと第３制御ゲインセットとは異なる第４制御ゲインセットの間を時間関数で変化させて切換えることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の位置制御装置において、前記制御変数は位置指令と位置偏差であることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、第３制御ゲインセットは第１制御ゲインに等しく、第４制御ゲインセットは第２制御ゲインセットに等しく、第２制御ゲインセットは第１制御ゲインセットとは異なることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項４記載の位置制御装置において、前記時間関数は時間に関して1次関数であることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記外部選択信号により自動ゲイン切換部と手動ゲイン切換部の制御ゲインセットの間を時間関数で変化させて切換えることを特徴とするものである。

請求項９記載の発明は、位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて電動機を駆動する電流制御部と、前記電動機に結合された位置検出器の生成する電動機位置に基づいて電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備える位置制御装置の制御方法において、制御変数の値により制御ゲインセットを切換えるステップと、外部ゲイン切替信号により前記制御ゲインセットを切換えるステップと、外部選択信号により前記自動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットか前記手動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットかを選択するステップと、を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、手動ゲイン切換部と自動ゲイン切換部の切換えのための電源再投入をしなくとも位置がずれない位置制御装置とその制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の位置制御装置のブロック図である。図において、１は位置制御部、２は速度制御部、３はトルクフィルタ、４は電流制御部、５は速度生成部、６は自動ゲイン切換部、７は手動ゲイン切換部、８は自動手動選択部である。また９は位置指令発生器、１０は外部ゲイン切換信号発生器、１１は外部選択信号発生器、１２は電動機、１３は位置検出器である。
次に動作について説明する。位置制御部１は位置指令と電動機位置の位置偏差に位置制御比例ゲインＫｐ（１／ｓｅｃ）を乗算して速度指令を生成する。次に速度制御部２は速度指令と電動機速度の速度偏差に速度制御比例ゲインＫｖ（Ｎｍｓ／ｒａｄ）を乗じて第１トルク指令を生成し、さらに第１トルク指令を積分時定数Ｔｖｉ（ｓｅｃ）で積分し第２トルク指令を生成し、さらに第１トルク指令を第２トルク指令を加算してトルク指令を生成する。トルクフィルタ３はトルク指令を時定数Ｔｒｆ（ｓｅｃ）のローパスフィルタ処理をして新たなトルク指令を生成する。次に電流制御部４はトルク指令を電流指令に変換し、電流指令と電動機電流との電流偏差を比例積分制御処理をして電圧指令を生成し、電圧指令を電力増幅して電動機を駆動する。

次に制御ゲイン切換について説明する。ゲイン切換えはいくつかの制御ゲインをセットにした制御ゲインセット単位で行われる。通常の制御ゲインセットは位置制御比例ゲインＫｐ、速度制御比例ゲインＫｖ、速度制御積分時定数Ｔｖｉ、トルクフィルタ時定数Ｔｒｆである。自動手動選択部８は外部選択信号に応じて自動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットか手動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットかを選択する。自動ゲイン切換部６は位置指令と位置偏差が所定範囲内であれば設定可能な第３制御ゲインセット（Ｋｐ３，Ｋｖ３、Ｔｖｉ３、Ｔｒｆ３）に切換え、所定範囲外であれば第３制御ゲインとは異なる設定可能な第４制御ゲインセット（Ｋｐ４、Ｋｖ４，Ｔｖｉ４，Ｔｒｆ４）に切換える。切換えは時間の関数によって行われ通常は時間の１次関数である。手動ゲイン切換部７は外部ゲイン切換え信号に応じて第１制御ゲインセット（Ｋｐ１、Ｋｖ１、Ｔｖｉ１、Ｔｒｆ１）を第１制御ゲインとは異なる第２制御ゲインセット（Ｋｐ２，Ｋｖ２，Ｔｖｉ２、Ｔｒｆ２）に制御時間相当の瞬時に切換える。
本発明が従来技術と異なる部分は、手動ゲイン切換部７と自動手動選択部９を備えた部分である。手動ゲイン切換部７は切換信号発生器１２から発信される外部ゲイン切換え信号の状態によって、予め設定された第１制御ゲインセットと第２制御ゲインセットと瞬時に切換える。自動手動選択部９は外部選択信号発生器１３から発信される外部選択信号によって、手動ゲイン切換部と自動ゲイン切換部を切換える。

以下手動ゲイン切換部と自動ゲイン切換部の切換え方法について、図２を用いて順を追って説明する。
先ず、図２のフローチャートを参照すると、手動ゲイン切換部もしくは自動ゲイン切換部の選択は外部選択信号発生器１１から入力される外部選択信号の状態により検出する（ステップＳＴ１）。この時の外部選択信号状態は、1本または複数本の電気信号ラインのレベル判断によりＨｉｇｈ，Ｌｏｗを検出して検知する。選択された切換部が自動ゲイン切換部であった場合は、今回の切換モードに自動ゲイン切換を設定し（ステップＳＴ２）、その後時間に関して１次関数による自動ゲイン切換処理を実行する（ステップＳＴ３）。この１次関数による自動ゲイン切換処理では、開始ゲインと終了ゲイン、そしてゲインの切換変化量を指定することで、現在のゲインに切換変化量ずつ加算していき切換目標ゲインまで直線的に切換える（図５を参照）。現在のゲインが切換目標ゲインになった時に直線補間によるゲイン切換が完了する。最後に、前回の切換モードを今回の切換えモードにて更新して処理を終了する（ステップＳＴ１１）。
選択された切換部が手動ゲイン切換部であった場合は、今回の切換モードに手動ゲイン切換を設定し（ステップＳＴ４）、その後自動ゲイン切換から手動ゲイン切換へ切換った場合、もしくは自動ゲイン切換から手動ゲイン切換に切換ってから直線補間によるゲイン切換が未完了の場合にのみ（ステップＳＴ５）、現在のゲインから切換目標ゲインまで自動ゲイン切換処理にて使用しているゲインの切換変化量を使用して直線的に切換える（ステップＳＴ６）。この１次間数によるゲイン切換が完了したかどうかは定期的に確認し（ステップＳＴ７）、１次関数によるゲイン切換が完了した際には切換完了フラグをＴＲＵＥに、未完了の際には切換完了フラグをＦＡＬＳＥに設定する（ステップＳＴ８，ステップＳＴ９）。これは、１次関数によるゲイン切換が未完了の場合には完了するまで処理を継続するための処置である。１次関数によるゲイン切換完了後は、手動ゲイン切換処理を実行し、切換信号発生器１０から入力される外部ゲイン切換信号の状態により瞬時にゲインを切換える（ステップＳＴ１０）。 最後に、前回の切換モードを今回の切換えモードにて更新して処理を終了する（ステップＳＴ１１）。

この切換え方法によれば、図４は第１制御ゲインセット（第３制御ゲインセット）＜第２制御ゲインセット（第４制御ゲインセット）とした場合の例に示すように、手動ゲイン切換部と自動ゲイン切換部との切換え時に、自動ゲイン切換部にて使用している切換変化量を使用して直線的にゲインを切換えることが可能である。したがって、手動ゲイン切換部と自動ゲイン切換部の切換え時の急激なゲイン変化は発生しないため、システムの電源再投入が不要となり操作性を向上できる。
本発明では、手動ゲイン切換部から自動ゲイン切換部への切換えと、自動ゲイン切換部から手動ゲイン切換部への切換えの両方に時間の１次関数でゲインを切換えているが、瞬時の位置ずれが許される場合は、自動ゲイン切換部から手動ゲイン切換部への切換えの際に、瞬時にゲインを切換えることもできる。

本発明の第１実施例を示す位置制御装置のブロック図 図１に示すゲイン切換部の切換え動作を示すフローチャート 従来のゲイン切換部の切換え動作を示すタイミングチャート 図１に示すゲイン切換部の切換え動作を示すタイミングチャート 直線補間によるゲイン切換動作を示すタイミングチャート 従来のゲイン切換実施例１を示す位置制御装置のブロック図 従来のゲイン切換実施例２を示す位置制御装置のブロック図

符号の説明

１ 位置制御部
２ 速度制御部
３ トルクフィルタ
４ 電流制御部
５ 速度生成部
６ 自動ゲイン切換部
７ 手動ゲイン切換部
８ 自動手動選択部
９ 位置指令発生器
１０ 外部ゲイン切換信号発生器
１１ 外部選択信号発生器
１２ 電動機
１３ 位置検出器

Claims (9)

1. 位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて電動機を駆動する電流制御部と、前記電動機に結合された位置検出器の生成する電動機位置に基づいて電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備える位置制御装置において、
   制御変数の値により制御ゲインセットを切換える自動ゲイン切換部と、
   外部ゲイン切替信号により前記制御ゲインセットを切換える手動ゲイン切換部と、
   外部選択信号により前記自動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットか前記手動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットかを選択する自動手動選択部と、
   を備えることを特徴とする位置制御装置。
2. 前記制御ゲインセットは、位置制御比例ゲイン、速度制御比例ゲイン、速度制御積分時定数、トルクフィルタ時定数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. 前記手動ゲイン切換部は、外部ゲイン切換信号により予め設定された第１制御ゲインセットと第１制御ゲインセットとは異なる第２制御ゲインセットを瞬時に切換えることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
4. 前記自動ゲイン切換部は、制御変数が予め所定範囲内かどうかで第３制御ゲインセットと第３制御ゲインセットとは異なる第４制御ゲインセットの間を時間関数で変化させて切換えることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
5. 前記制御変数は位置指令と位置偏差であることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
6. 第３制御ゲインセットは第１制御ゲインセットに等しく、第４制御ゲインセットは第２制御ゲインセットに等しく、第２制御ゲインセットは第１制御ゲインセットとは異なることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
7. 前記時間関数は時間に関して1次関数であることを特徴とする請求項４記載の位置制御装置。
8. 前記外部選択信号により自動ゲイン切換部と手動ゲイン切換部の制御ゲインセットの間を時間関数で変化させて切換えることを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
9. 位置指令と電動機位置の位置偏差に基づいて速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と電動機速度の速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて電動機を駆動する電流制御部と、前記電動機に結合された位置検出器の生成する電動機位置に基づいて電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備える位置制御装置の制御方法において、
   制御変数の値により制御ゲインセットを切換えるステップと、
   外部ゲイン切替信号により前記制御ゲインセットを切換えるステップと、
   外部選択信号により前記自動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットか前記手動ゲイン切換部の生成する制御ゲインセットかを選択するステップと、
   を備えることを特徴とする位置制御装置の制御方法。

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