JP2009122777A - 指令生成装置及び指令生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】指令値の加速度が最大加速度制限値以下にして高域振動を励起しにくい指令生成装置を得ること。
【解決手段】指令生成装置１は、振動周波数に応じてパラメータの値を切替えることにより、振動を抑制する指令値を生成する指令生成装置であり、移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を記憶した最大加速度算出部１ａを備え、この最大加速度算出部１ａは、振動を抑制する指令値の最大加速度を加速度制限値以下にする振動を抑制する指令値の位置決め時間とパラメータとを指令値として算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械を駆動するためのアクチュエータを駆動制御する制御装置に指令を与える指令生成装置に関するものであり、特に、指令値の加速度を制限値以下にしつつ、かつ、振動を抑制する指令値の生成を行う指令生成装置、及びその指令生成方法に関する。

機械を駆動するアクチュエータには発生させることができる加速度の制限値が予め決まっていたり、あるいは、機械に対して動かしてよい加速度の制限値が決まっていたりする場合がある。このように加速度の制限値がある場合、位置指令の２回微分である加速度指令が加速度制限値を超えるような指令を生成することは好ましくない。低剛性機械に対して、振動を抑制する指令値を生成する場合であっても同様である。一方で、指令が開始されてから指令値が目標位置に到達するまでの位置決め時間をなるべく短縮することも位置決め制御では必要である。

従来、このように指令に加速度制限値があり、かつ、特定周波数の振動を抑制する指令値を生成する方法としては、特許文献１に開示される方法が知られている。特許文献１に開示される方法を図９を用いて説明する。この方法では、ある加速度遷移時間をかけて、加速度０から加速度制限値Ａ_ｍａｘ（図９の区間Ａ）、加速度制限値Ａ_ｍａｘから加速度０（図９の区間Ｂ）、加速度０から負の最大加速度制限値−Ａ_ｍａｘ（図９の区間Ｃ）、負の加速度制限値−Ａ_ｍａｘから加速度０（図９の区間Ｄ）に遷移し、かつ、振動を励起しない加速度遷移指令を４回用いて加速度指令を構成し、これを２回積分することによって位置指令値を構成する。

特開２００６−２９３６２２号公報

このような方法を用いて、位置決め時間が非常に短い指令を生成しようとすると、区間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの加速度遷移時間も非常に短くする必要がある。非常に短い加速度遷移時間で、振動を励起しない加速度遷移指令を生成すると、加速度遷移指令が急激な上昇、急激な下降、再度急激な上昇というパターンの加速度指令になる傾向がある。このため、このように生成した指令は、特定周波数の振動を抑制することはできても、それ以外の振動、特に、高域振動を励起しやすくなるという課題がある。また、加速度遷移時間を延ばすと、このような傾向は緩和されるが、指令が開始されてから指令値が目標位置に到達するまでの位置決め時間が延びるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、低剛性の機械に対し、特定周波数の振動を抑制し、かつ、指令値の加速度を最大加速度制限値以下にし、なおかつ、高域振動を励起しにくい位置決め制御用の指令生成装置及びその指令生成方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の指令生成装置は、機械を動作させるアクチュエータを駆動制御する制御装置に与える指令値を、振動周波数に応じてパラメータの値を切替えることにより機械の振動を抑制するようにして生成する指令生成装置において、移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を記憶した最大加速度算出部を備え、当該最大加速度算出部は、振動を抑制する指令値の最大加速度を加速度制限値以下にする振動を抑制する指令値の位置決め時間とパラメータとを指令値として算出することを特徴とする。

また、本発明の指令生成方法は、機械を動作させるアクチュエータを駆動制御する制御装置に与える指令値を、振動周波数に応じてパラメータの値を切替えることにより機械の振動を抑制するようにして生成する指令生成方法において、移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を最大加速度算出部として記憶し、当該最大加速度算出部により、振動を抑制する指令値の最大加速度を加速度制限値以下にする振動を抑制する指令値の位置決め時間とパラメータとを算出し、その値を指令値とすることを特徴とする。

この発明によれば、移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を記憶した最大加速度算出部を用い、最大加速度算出部により、振動を抑制する指令値の最大加速度を加速度制限値以下にする振動を抑制する指令値の位置決め時間とパラメータとを算出するので、指令値の加速度を最大加速度制限値以下にして、なおかつ、高域振動を励起しにくい位置決め制御用の指令生成装置及び指令生成方法とすることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる指令生成装置及び指令生成方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は本発明の実施の形態による指令生成装置を含む機械の駆動制御システムの構成を示すブロック図である。図において、当該制御システムは、本実施の形態による指令生成装置１、アクチュエータ駆動制御装置２、アクチュエータ３及び駆動制御される機械（駆動制御対象物）４から構成される。指令生成装置１は、最大加速度算出部１ａを有している。最大加速度算出部１ａは、移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を記憶している。指令生成装置１は、位置指令Ｘ^＊（ｔ）を出力する。

図２は指令生成装置１による位置指令Ｘ^＊（ｔ）の生成動作を示すフローチャートである。このフローチャートに指令生成装置の行う指令生成方法を説明する。まず、ステップＳｔ１では、移動距離Ｄ、目標移動時間２ｔ_０（ｔ_０は加減速時間）、機械４の振動周波数ω_ｎ、最大加速度制限値Ａ_ｍａｘを入力する。

ステップＳｔ２では、目標位置決め時間２ｔ_０になるような振動を抑制する指令値を生成する。ここで、具体的な振動を抑制する指令値としては、例えば上記特許文献１で示される２種類が挙げられる。１つは位置指令の２回微分である加速度指令がＡ^＊（ｔ）＝ａ^＊（ｔ）＋ａ^＊（２ｔ_０−ｔ）で表されるものである（ここでａ^＊（ｔ）は以下の（１）式によるものである）。

ここで、ｒはパラメータであり、振動周波数ω_ｎの振動を抑制するためには、以下の（２）式により決定する。

ただし、［ｘ］はｘを超えない最大の整数値を表すガウス記号である。また、ｃは位置指令を最終位置Ｄに対応づけるための定数であり、距離Ｄによって、一意に決まる定数である。一方、振動を抑制する別の例の指令値としては、以下の（３）式が挙げられる。

ここで、ｒはパラメータであり、振動周波数ω_ｎの振動を抑制するためには、以下の（４）式によって決定する（ここで、ｍは１以上の整数）。

ステップＳｔ３では、ステップＳｔ２にて計算された振動を抑制する指令値のパラメータｒに基づいて、最大加速度算出部１ａにより最大加速度算出Ａ_ｐを算出する。最大加速度算出部１ａは、移動距離、振動を抑制する指令値のパラメータ、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度を表す関係を記憶している。具体的に、移動距離、パラメータ、位置決め時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度を表す関係は、振動を抑制する指令値として（１）式を用いた場合には、以下の（５）式にて表すことができる。

これは、パラメータｒ、加速時間ｔ_０で、距離Ｄの振動を抑制する指令値（１）を生成した場合の最大加速度を示している。
また、振動を抑制する指令値として（３）式を用いた場合には、移動距離、パラメータ、位置決め時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度を表す関係は、以下の（６）式にて表すことができる。

ステップＳｔ４では、計算した最大加速度Ａ_ｐが、与えられた加速度制限値Ａ_ｍａｘを超えているかどうかを判定する。もし、超えていなければ、ステップＳｔ６へ移行し、超えていれば、ステップＳｔ５へ移行する。ステップＳｔ５では、位置決め時間、もしくは、加減速時間を延ばすことにより、振動を抑制する指令値の最大加速度が、最大加速度制限値を超えないようなパラメータｒと、加減速時間ｔ_０を再計算する。
この処理は具体的に振動抑制指令値として（１）式の指令値を用いた場合には以下のように実現する。すなわち、（２）式を（５）式に代入した以下の関係式（７）から、

加減速時間ｔ_０を少しずつ延ばし、このときの指令の最大加速度を求める。このＡ_ｐが、Ａ_ｍａｘ以下になるように、ｔ_０を選択する。
振動抑制指令値として（３）式を用いた場合についても同様に処理することができる。（４）式を（６）式に代入した以下の関係式（８）から、

加減速時間ｔ_０を少しずつ延ばし、このときの指令の最大加速度を求める。このＡ_ｐが、Ａ_ｍａｘ以下になるように、ｔ_０を選択する。
ステップＳｔ６では、加減速時間ｔ_０、振動を抑制する指令値のパラメータｒをもつ加速度指令を生成し、これを２回積分することによって位置指令値の生成が完了する。

次に、移動距離Ｄ＝０．００４［ｍ］、機械４の振動周波数が２５Ｈｚ（ω_ｎ＝２５×２π［ｒａｄ／ｓ］）の振動を抑制し、かつ、指令の加速度制限値Ａ_ｍａｘ＝２［ｍ／ｓ^２］以下になる指令値を生成する数値例を用いて効果を説明する。

はじめに、特許文献１に記載されている方法で、位置指令を生成した場合を示す。ここで、加速度遷移時間を０．０２５［ｓ］として、計算を行ったときの指令値を、図３（位置指令）と図４（位置指令を二回微分した加速度指令）に示す。図４から、指令の加速度が加速度制限値以下で生成されていることが確認できるが、短時間のうちに加速度指令が急激な上昇、急激な下降、再度急激な上昇というパターンになる。このため、この指令値は、高域の振動を励起しやすくなるという性質がある。また、指令が開始されてから指令が目標移動距離に到達するまでの位置決め時間は０．１１７［ｓ］となる。

次に、特許文献１に記載されている方法で、加速度遷移時間を０．０３２［ｓ］として、指令の生成を行ったときの指令値を、図５（位置指令）と図６（位置指令を二回微分した加速度指令）に示す。図６の加速度指令は、加速度指令が加速度制限値以下で生成されていることが確認でき、図４の加速度指令と比較すると、加速度指令の上昇、下降、再度上昇の動きは緩やかであるが、指令開始から移動距離に到達するまでの位置決め時間は０．１２８［ｓ］となり、図３、図４の指令値と比較して延びてしまう。

次に、本発明による指令値を計算する。目標位置決め時間を、加速度制限値で加速度指令の形状が矩形で生成した場合の位置決め時間、すなわち、２ｔ_０＝２√（Ｄ／Ａ_ｍａｘ）＝０．０８９４［ｓ］とする（目標加減速時間は、ｔ_０＝０．０４４７［ｓ］）。このとき（１）式の指令値を生成し、移動距離、振動を抑制する指令値のパラメータ、位置決め時間あるいは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度を表す関係である（５）式から指令の最大加速度を計算すると、Ａｐ＝２．０９６４となる。このとき最大加速度Ａ_ｐ＝２．０９６４＞加速度制限値Ａ_ｍａｘなので、ｔ_０を少しずつ延ばし、各ｔ_０に対し、Ａｐを最大加速度算出部である（７）式によって計算していく。ｔ_０を０．０５［ｓ］と選択すると、Ａ_ｐ＝２．０となり、与えられた加速度制限値以下となる。またこのときのｒを（２）式に従って計算する。加減速時間ｔ０および、パラメータｒから位置指令の２回微分である加速度指令を（１）式にしたがって計算し、さらに２回積分することで位置指令を計算する。得られた指令値を、図７（位置指令）と図８（位置指令を二回微分した加速度指令）に示す。図８から加速度指令は与えられた加速度制限値以下になっていることが確認される。また、加速度指令が短時間のうちに急激な上昇、急激な下降、再度急激な上昇というパターンになっていないことから、特許文献１に記載の方法と比べて高域の振動を励起しにくい。また、指令開始から指令の目標位置到達までの位置決め時間は０．１００［ｓ］であり、位置決め図３、図４及び図５、図６の場合よりも短縮されている。

このように本実施の形態の指令生成装置は、移動距離、振動を抑制する指令値のパラメータ、位置決め時間あるいは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度を表す関係を記憶した、最大加速度算出部を備えて、加速度制限値を考慮した振動を抑制する位置指令を生成することにより、アクチュエータの発生できる加速度の制限、あるいは、機械が動かしてよい加速度の制限を満足し、かつ、なるべく位置決め時間を短縮することのできる位置決め用の指令値を得ることができ、その指令値は高域の振動を励起しにくい。

以上のように、本発明は、機械を駆動するためのアクチュエータを駆動制御する制御装置に指令を与える指令生成装置に適用されて好適なものであり、特に、低剛性の機械に対し、特定周波数の振動を抑制し高域振動を励起しにくい位置決め指令を生成する指令生成装置及びその指令生成方法に最適なものである。

本発明の実施の形態による指令生成装置を含む機械の駆動制御システムの構成を示すブロック図である。 図１の指令生成装置の位置指令の生成動作を示すフローチャートである。 例えば特許文献１に記載されている従来の方法で加速度遷移時間を０．０２５［ｓ］として計算を行ったときの位置指令を示す図である。 図３の位置指令を二回微分して求めた加速度指令を示す図である。 例えば特許文献１に記載されている従来の方法で加速度遷移時間を０．０３２［ｓ］として計算を行ったときの位置指令を示す図である。 図５の位置指令を二回微分して求めた加速度指令を示す図である。 本実施の形態の方法で計算を行ったときの位置指令を示す図である。 図７の位置指令を二回微分して求めた加速度指令を示す図である。 例えば特許文献１に記載されている従来の指令生成方法を示す図である。

符号の説明

１ 指令生成装置
１ａ 最大加速度算出部
２ アクチュエータ駆動制御装置
３ アクチュエータ
４ 機械（駆動制御対象物）

Claims (8)

1. 機械を動作させるアクチュエータを駆動制御する制御装置に与える指令値を、振動周波数に応じてパラメータの値を切替えることにより機械の振動を抑制するようにして生成する指令生成装置において、
   移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を記憶した最大加速度算出部を備え、
   前記最大加速度算出部は、振動を抑制する指令値の最大加速度を加速度制限値以下にする振動を抑制する指令値の位置決め時間とパラメータとを算出することを特徴とする指令生成装置。
2. 機械を動作させるアクチュエータを駆動制御する制御装置に与える指令値を、振動周波数に応じてパラメータの値を切替えることにより機械の振動を抑制するようにして生成する指令生成装置において、
   移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を記憶した最大加速度算出部を備え、
   移動距離、振動周波数、目標位置決め時間、加速度制限値が与えられたとき、位置決め時間が目標位置決め時間になる第一の振動を抑制する指令値のパラメータが算出され、
   前記最大加速度算出部は、前記第一の振動を抑制する指令値のパラメータのときの第一の振動を抑制する指令値の最大加速度を算出し、
   前記第一の振動を抑制する指令値の最大加速度が、最大加速度制限値を越えない場合は、前記第一の振動を抑制する指令値のパラメータに基づいて第一の振動を抑制する指令値が生成され、
   前記第一の振動を抑制する指令値の最大加速度が、最大加速度制限値を越える場合は、前記最大加速度算出部は、振動を抑制する指令値の最大加速度を最大加速度制限値以下にする第二の振動を抑制する指令値と位置決め時間とパラメータとを第二の振動を抑制する指令値として算出することを特徴とする指令生成装置。
3. 前記振動を抑制する指令値が、時間をｔ、加減速時間をｔ_０、パラメータをｒとしたとき、位置指令の２回微分である加速度指令が、指令を開始する時間を０として、
   時間０から時間ｔ_０までの加速度指令をｃｏｓ（πｒｔ／（２ｔ_０））、
   時間ｔ_０から時間２ｔ_０までの加速度指令を−ｃｏｓ（πｒ（２ｔ_０−ｔ）／（２ｔ_０））
   にそれぞれ比例した加速度指令であることを特徴とする請求項１または２に記載の指令生成装置。
4. 前記振動を抑制する指令値が、時間をｔ、加減速時間をｔ_０、パラメータをｒとしたとき、位置指令の２回微分である加速度指令が、指令を開始する時間を０として、
   時間０から時間ｒｔ_０までの加速度指令をｔ、
   時間ｒｔ_０から時間（１−ｒ）ｔ_０までの加速度指令をｒｔ_０、
   時間（１−ｒ）ｔ_０から時間ｔ_０までの加速度指令を−ｔ＋ｔ_０、
   時間ｔ_０から時間（１＋ｒ）ｔ_０までの加速度指令を−ｔ＋ｔ_０、
   時間（１＋ｒ）ｔ_０から時間（２−ｒ）ｔ_０までの加速度指令を−ｒｔ_０、
   時間（２−ｒ）ｔ_０から時間２ｔ_０までの加速度指令をｔ−２ｔ_０
   にそれぞれ比例した加速度指令であることを特徴とする請求項１または２に記載の指令生成装置。
5. 機械を動作させるアクチュエータを駆動制御する制御装置に与える指令値を、振動周波数に応じてパラメータの値を切替えることにより機械の振動を抑制するようにして生成する指令生成方法において、
   移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を最大加速度算出部として記憶し、
   前記最大加速度算出部により、振動を抑制する指令値の最大加速度を加速度制限値以下にする振動を抑制する指令値の位置決め時間とパラメータとを算出し、その値を指令値とすることを特徴とする指令生成方法。
6. 機械を動作させるアクチュエータを駆動制御する制御装置に与える指令値を、振動周波数に応じてパラメータの値を切替えることにより機械の振動を抑制するようにして生成する指令生成方法において、
   移動距離と、振動を抑制する指令値のパラメータと、位置決め時間或いは加減速時間と、振動を抑制する指令値の最大加速度との関係を最大加速度算出部として記憶し、
   移動距離、振動周波数、目標位置決め時間、加速度制限値が与えられたとき、
   位置決め時間が目標位置決め時間になる第一の振動を抑制する指令値のパラメータを算出し、
   前記最大加速度算出部により、前記第一の振動を抑制する指令値のパラメータのときの第一の振動を抑制する指令値の最大加速度を算出し、
   前記第一の振動を抑制する指令値の最大加速度が、最大加速度制限値を越えない場合は、前記第一の振動を抑制する指令値のパラメータに基づいて第一の振動を抑制する指令値を生成し、
   前記第一の振動を抑制する指令値の最大加速度が、最大加速度制限値を越える場合は、前記最大加速度算出部により、振動を抑制する指令値の最大加速度を最大加速度制限値以下にする第二の振動を抑制する指令値と位置決め時間とパラメータとを算出し、その値を第二の振動を抑制する指令値とすることを特徴とする指令生成方法。
7. 前記振動を抑制する指令値が、時間をｔ、加減速時間をｔ_０、パラメータをｒとしたとき、位置指令の２回微分である加速度指令が、指令を開始する時間を０として、
   時間０から時間ｔ_０までの加速度指令をｃｏｓ（πｒｔ／（２ｔ_０））、
   時間ｔ_０から時間２ｔ_０までの加速度指令を−ｃｏｓ（πｒ（２ｔ_０−ｔ）／（２ｔ_０））
   にそれぞれ比例した加速度指令であることを特徴とする請求項５または６に記載の指令生成方法。
8. 前記振動を抑制する指令値が、時間をｔ、加減速時間をｔ_０、パラメータをｒとしたとき、位置指令の２回微分である加速度指令が、指令を開始する時間を０として、
   時間０から時間ｒｔ_０までの加速度指令をｔ、
   時間ｒｔ_０から時間（１−ｒ）ｔ_０までの加速度指令をｒｔ_０、
   時間（１−ｒ）ｔ_０から時間ｔ_０までの加速度指令を−ｔ＋ｔ_０、
   時間ｔ_０から時間（１＋ｒ）ｔ_０までの加速度指令を−ｔ＋ｔ_０、
   時間（１＋ｒ）ｔ_０から時間（２−ｒ）ｔ_０までの加速度指令を−ｒｔ_０、
   時間（２−ｒ）ｔ_０から時間２ｔ_０までの加速度指令をｔ−２ｔ_０
   にそれぞれ比例した加速度指令であることを特徴とする請求項５または６に記載の指令生成方法。

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