JP2009282609A - サーボ調整方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械の条件が変動しても、フィードバック制御系の安定を確保することができるするサーボ調整方法を提供する。
【解決手段】複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定し、各条件の周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求め、各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を求め、ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械などのサーボ機構の安定性を高めるために行うサーボ調整方法および装置に係り、特に、伝達関数が条件によって変動しても、一度の調整でサーボ機構の安定性を確保できるようにしたサーボ調整方法および装置に関する。

工作機械のＮＣ制御システムでは、サーボ機構の安定性が加工精度に直結するため、工作機械を最初に設置したとき、あるいは保守管理の一環として適宜行われるサーボ調整が極めて重要となる。

このサーボ調整は、サーボ機構の特性を決めるパラメータを、工作機械に合わせて調整していく作業である。パラメータの多くは、サーボ機構に用いられるサーボアンプ自体の性能や、工作機械の構造などの物理的条件によって決まってしまうのが基本である。しかし、パラメータの中にあって、ゲインについては、その工作機械の制御系に適した調整が不可欠である。このゲインは、指令に対する追従性（応答性）に対応するパラメータであり、ゲインの値が高い方が追従性が良くなるため好ましい。しかし、ゲインを上げすぎると、発振等の現象が発生し、不安定となる問題がある。

そこで、ゲインを最適化するために、従来から種々のサーボ調整方法が提案されており、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されているサーボ調整方法を先行技術として挙げることができる。
特開２００１−１７５３０３号公報 特開２００４−２４６６６１号公報

従来、サーボ調整は、ある条件で測定した伝達関数を現すゲイン、位相の周波数特性を求め、そのゲイン、位相を調整することで調整を行っていた。しかし、伝達関数は、工作機械における様々な物理的条件によって変化する可能性がある。この場合の物理的条件は、いろいろな要素、条件が複雑に絡み合っており、それらのうち一つでも変わると、伝達関数は変化する可能性がある。

そこで、機械の物理的条件が変わった場合の伝達関数の変化について、図６に例を挙げながら説明する。

この図６は、ある工作機械において、いくつかある制御軸のうち、テーブルを送るＸ軸の伝達関数を測定した例を示す。この測定は、テーブルの位置をそれぞれ異なる３箇所に置いて、それぞれの位置での伝達関数の測定結果（図６（ａ）はゲイン、図６（ｂ）は位相）がボード線図で示されている。

この図６からはっきりとわかることは、測定したときのテーブルの位置が少しでも異なってくると、伝達関数の特性は変化するということである。このことは、逆にいえば、測定された伝達関数は、あくまで特定の条件の下に機械をおいたときの特性を示すにすぎないということを意味している。したがって、測定した伝達関数を用いてゲインや位相を調整した場合、その機械の条件が測定したときと同じであれば良好な調整となるが、機械を実際に動かすと、サーボ調整を行ったにもかかわらず、発振してしまうことがある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、複数の条件のもとで測定した伝達関数をすべて利用してサーボ調整を行うことができ、機械の条件が変動しても、フィードバック制御系の安定を確保することができるようにしたサーボ調整方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、条件が変動しても、フィードバック制御系の安定を確保できるようにサーボ調整を自動で行うことを可能にするサーボ調整装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、移動体の位置、速度を制御するフィードバック制御系を備えたサーボ機構においてゲインの調整を行うためのサーボ調整方法であって、複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する工程と、各条件の周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求める工程と、前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を求める工程と、前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う工程と、からなることを特徴とするものである。

また、本発明は、移動体の位置、速度を制御するフィードバック制御系を備えたサーボ機構においてゲインの調整を行うためのサーボ調整装置であって、複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する測定手段と、各条件の周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求め、前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を処理する抱絡線処理手段と、前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う調整手段と、を具備したことを特徴とするものである。

本発明によれば、複数の条件のもとで測定した伝達関数をすべて利用してサーボ調整を行うことができるので、機械の条件が変動しても、フィードバック制御系の安定を確保することができる。

以下、本発明によるサーボ調整方法および装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるサーボ調整方法が適用される工作機械のテーブル送り装置を示す。

この図１において、参照番号１０は、テーブルを示す。このテーブル１０は、ベッド１１の上を移動し、その制御軸がＸ軸である。テーブル１０の底面には、ボールナット１２が固定されている。このボールナット１２は、サーボモータ１３によって駆動されるボールねじ１４に螺合している。

参照番号１５は、サーボアンプである。このサーボアンプ１５は、ＮＣ装置１６から位置指令等を受ける。サーボモータ１３の位置情報は、エンコーダ１７によって検出されて、サーボアンプ１５にフィードバックされる。

次に、図２は、図１に示したテーブル１０の移動を制御するサーボアンプ１５におけるフィードバック制御系を示すブロック図である。
図２に示すように、エンコーダ１７によって検出された位置情報をフィードバックとする制御ループのうち、内側には位置情報を微分したものを速度フィードバックとする速度制御ループが構成される。また、速度制御ループの外側にはエンコーダによって検出された位置情報を位置フィードバックとする位置制御ループが構成されている。電流センサ２１は、モータ電流を検出してフィードバックし、電流制御ループが構成されている。

ゲインには、制御要素ごとに、電流フィードバックに基づく電流ループゲインと、速度フィードバックに基づく速度ループゲインおよび位置フィードバックに基づく位置ループゲインがある。

このうち、サーボ調整により調整するゲインは、速度ループゲインである。位置ループゲインは、速度ループゲインを決めてから、これを元に設定される。電流ループゲインには、一定値が使われ、調整は行われない。

本実施形態では、速度ループゲイン（以下、単にゲインという）を調整するため、ゲインと位相のデータを測定する装置として、ＮＣ装置１６の備える伝達関数測定部１８を利用する。測定したゲインと位相のデータはＮＣ装置１６の演算装置１９で後述する抱絡線処理を行う。そして、ゲインの最大抱絡線と、位相の最小抱絡線を求め、これに基づいてゲインを調整することになる。なお、図２において、参照番号２０は、周波数伝達関数のボード線図を表示する表示装置である。

次に、本実施形態によるＸ軸についてのサーボ調整方法の具体的な内容について、順を追って説明する。
図３は、サーボ調整の工程の流れ図である。
まず、複数の異なる条件の下で、それぞれ速度制御ループでの周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する工程について説明する。

ここでは、テーブル１０の位置を変え、それそれの位置にテーブル１０が位置する条件（１〜ｎ）の下で、周波数伝達関数を測定する。図２において、伝達関数測定部１８によって、速度制御ループの速度指令にランダムノイズを加えながら、速度誤差とフィードバックされる速度を測定する。そして、測定した速度誤差と速度フィードバックをＦＦＴ変換演算すると、ゲインの比と位相の差が伝達関数となる。得られる伝達関数は、例えば、表１に示すような、周波数、ゲイン、位相の組の集合となる。

次に、各条件の周波数伝達関数の測定結果を処理して、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを演算装置１９で求める。ゲインの最大値については、例えば、各条件１〜ｎで測定した最小周波数２．０Ｈｚのときのゲインの値の中から最大値を求め、次に、周波数４．０Ｈｚのときのゲインの値の中から最大値を求める、というように、順次、最大周波数までそれぞれの周波数でのゲインの最大値を各条件１〜ｎの測定データの中から拾い上げる。

同様にして、位相の最小値については、最小周波数２．０Ｈｚからはじめて、各条件１〜ｎの測定データの中から位相の最小値を求め、順次、最大周波数までそれぞれの周波数での位相の最小値を各条件１〜ｎの測定データの中から求める。

こうして求めたゲイン各周波数におけるゲインの最大値のデータ群を抱絡線処理することで、ゲインの最大抱絡線を求めることができる。また、位相の最小値のデータ群を抱絡線処理することで、位相の最小抱絡線を求めることができる。

ここで、図４（ａ）に、３つの測定条件でのゲインの測定結果と、最大抱絡線の具体例を示し、図４（ｂ）に、位相の測定結果と、最小抱絡線の具体例を示す。図５（ａ）に、フィルタ調整をしたゲインの最大抱絡線を示し、図５（ｂ）にフィルタ調整をした位相の最小抱絡線を示す。
実際のサーボ調整は、図５（ａ）に示すようなゲインの最大抱絡線、図５（ｂ）に示すような位相の最小抱絡線を基準にして行うことになる。

実際の調整は、次のようにして演算装置１９によって自動的に行われる。
図５において、ゲインの最大抱絡線が０（ｄＢ）を横切るときの周波数の値が、速度ループゲインのゲイン交差周波数ωc（Ｈｚ）である。この周波数ωcのときの位相の最小抱絡線と位相−１８０（°）との間が位相余裕ψ（°）である。また、位相抱絡線が−１８０（°）から＋１８０（°）に反転する周波数のときのゲインの最大抱絡線と０ｄＢとの間がゲイン余裕（ｄＢ）である。図５の例では、ゲイン余裕が１０ｄＢ以上あり、安定な調整結果といえる。

もし、ゲイン余裕があらかじめ定めている安定限界の範囲外であれば、速度ループゲインの変更を行う。例えば、パラメータとして設定される単位量（ステップーの幅）毎に速度ループゲインを増大、減少させる。その上で、再度、ゲイン、位相を各条件１〜ｎで測定し、上述した工程を繰り返して、ゲインの最大抱絡線と、位相の最小抱絡線を求める。その結果、ゲイン余裕が安定限界の範囲にあれば、速度ループゲインの調整は終了となる。

このようにして、条件が変動しても、それぞれの各条件（１〜ｎ）で測定した伝達関数を利用することになるので、一回の調整によりすべての条件で安定性が確保できることになる。

本発明によるサーボ調整方法が適用される工作機械の送り装置の説明図。 本発明の一実施形態によるサーボ調整装置のブロック構成図。 本発明の一実施形態によるサーボ調整方法の工程図。 同実施形態によるサーボ調整方法において、ゲインと位相の測定結果およびゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を示すボード線図。 サーボ調整の基準となるゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を示すボード線図。 条件を変えた場合に測定した複数のゲイン、位相を示すボード線図。

符号の説明

１０ テーブル
１１ ベッド
１２ ボールナット
１３ サーボモータ
１４ ボールねじ
１５ サーボアンプ
１６ ＮＣ装置
１７ エンコーダ
１８ 伝達関数測定部
１９ 演算装置
２０ 表示装置
２１ 電流センサ

Claims (7)

1. 移動体の位置、速度を制御するフィードバック制御系を備えたサーボ機構においてゲインの調整を行うためのサーボ調整方法であって、
   複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する工程と、
   各条件の周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求める工程と、
   前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を求める工程と、
   前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う工程と、
   からなることを特徴とするサーボ調整方法。
2. 前記周波数特性の測定では、フィードバック制御系の速度ループの速度指令にランダムノイズを加えながら、速度誤差とフィードバックされる速度を測定し、前記速度誤差と速度フィードバックをＦＦＴ変換演算することを特徴とする請求項１に記載のサーボ調整方法。
3. 前記サーボ調整の対象は、工作機械の制御軸のサーボ機構であることを特徴とする請求項１または２に記載のサーボ調整方法。
4. 移動体の位置、速度を制御するフィードバック制御系を備えたサーボ機構においてゲインの調整を行うためのサーボ調整装置であって、
   複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する測定手段と、
   各条件の周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求め、前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を演算処理する抱絡線処理手段と、
   前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う調整手段と、
   を具備したことを特徴とするサーボ調整装置。
5. 前記測定手段は、サーボ機構のフィードバック制御系の速度ループの速度指令にランダムノイズを加えながら、速度誤差とフィードバックされる速度を測定し、前記速度誤差と速度フィードバックをＦＦＴ変換演算するＦＦＴ変換装置からなることを特徴とする請求項４に記載のサーボ調整装置。
6. 前記測定手段は、伝達関数測定機能を有するＮＣ制御装置からなることを特徴とする請求項４に記載のサーボ調整装置。
7. 前記サーボ機構は、工作機械の制御軸のサーボ機構であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかの項に記載のサーボ調整装置。

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