JP2010271854A - デュアル位置フィードバック制御を行うサーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアル位置フィードバック制御を行って加工目的に応じた位置偏差の低減を実現するサーボ制御装置を提供する。
【解決手段】サーボ制御装置が、モータの位置を検出する第１の位置検出部と、被駆動体の位置を検出する第２の位置検出部と、位置指令とモータ位置フィードバックとに基づいて第１の位置偏差を演算する第１の位置偏差演算部と、位置指令と被駆動体位置フィードバックとに基づいて第２の位置偏差を演算する第２の位置偏差演算部と、第１の位置偏差と第２の位置偏差との差分を、時定数回路を通して第１の位置偏差に加算することにより、位置制御に使用される第３の位置偏差を演算する第３の位置偏差演算部と、第２の位置偏差又は第３の位置偏差のいずれか一方を選択して出力する切替部と、該切替部からの出力を学習し、第３の位置偏差に対する補正量を出力する学習制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータの位置と被駆動体の位置とに基づくデュアル位置フィードバック制御を行うサーボ制御装置に関する。

被駆動体を駆動するサーボモータに対して制御を行うサーボ制御は、フィードバックされる位置情報に基づいて、セミクローズドループ制御、フルクローズドループ制御、及びハイブリッド制御に分類される。セミクローズドループ制御は、サーボモータの位置を検出してフィードバック制御を行う。また、フルクローズドループ制御は、被駆動体の位置を検出してフィードバック制御を行う。そして、ハイブリッド制御は、サーボモータの位置と被駆動体の位置との双方を検出してフィードバック制御すなわちデュアル位置フィードバック制御を行う（例えば、下記の特許文献１及び２を参照）。

また、サーボ制御においては、所定周期で繰り返される加工の場合に、位置偏差をゼロ付近まで収束させて精度の高い加工を行うための学習制御が広く採用されている。学習制御は、検出された位置偏差に過去に適用された補正量を加算することにより位置偏差を補正し、補正後の位置偏差に基づいて位置制御ループを構成する（例えば、下記の特許文献３を参照）。

特に、下記の特許文献４には、学習制御を使用して象限突起を減少させるための補正データを作成して、その補正データを記憶しておき、象限突起を防止する補正を行う発明が記載されている。ここで、象限突起とは、加工位置の象限が変わり、送り軸の移動方向が反転するときに生じる突起をいう。

特許文献４に記載の発明による学習制御及び象限突起補正を行う際、セミクローズドループ制御にてサーボモータ側の位置偏差を使用して学習制御を行うと、サーボモータ側の位置偏差を小さくしてサーボモータ側の象限突起を小さくすることができるが、被駆動体側すなわち機械側の位置偏差を小さくする補正量を得ることができず、機械側の象限突起は小さくならないという問題が発生する。

逆に、フルクローズドループ制御にて機械側の位置偏差を使用して学習制御を行うと、機械側の位置偏差を小さくする補正量を得ることができる。しかし、位置ループゲインや速度ループゲインを高い値にすると、サーボモータと機械との間の捻れ要素又はガタ等により学習制御がうまく収束しない場合があり、これらのゲインを上げることができないという問題が発生する。切削反力が小さい加工の場合には、ゲインを下げても問題ないが、切削反力の大きな加工では、ゲインを下げると、切削反力によって加工精度が悪化するケースがある。

特公平２−３０５２２号公報 特開２００２−２９７２４１号公報 特開２００６−１７２１４９号公報 特開２００４−２３４３２７号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、デュアル位置フィードバック制御を行って加工目的に応じた位置偏差の低減を実現するサーボ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、デュアル位置フィードバック制御を行うサーボ制御装置であって、サーボモータの位置を検出する第１の位置検出部と、該サーボモータで駆動される被駆動体の位置を検出する第２の位置検出部と、該被駆動体に対する位置指令と該第１の位置検出部からの位置フィードバックとに基づいて第１の位置偏差を演算する第１の位置偏差演算部と、該被駆動体に対する位置指令と該第２の位置検出部からの位置フィードバックとに基づいて第２の位置偏差を演算する第２の位置偏差演算部と、該第１の位置偏差と該第２の位置偏差との差分を、時定数回路を通して該第１の位置偏差に加算することにより、位置制御に使用される第３の位置偏差を演算する第３の位置偏差演算部と、該第２の位置偏差又は該第３の位置偏差のいずれか一方を選択して出力する切替部と、該切替部から出力される該第２の位置偏差又は該第３の位置偏差をゼロに近づける補正量を学習するとともに、該学習された補正量を該第３の位置偏差に対する補正量として出力する学習制御部と、を具備するサーボ制御装置が提供される。

一つの好適な態様では、該切替部は、パラメータ、外部信号、又は該被駆動体の位置のいずれか一つに応じて切替えを行う。

また、一つの好適な態様では、サーボ制御装置は、該第１の位置偏差を演算する際、該第１の位置検出部の検出遅れに対し、該サーボモータの速度に比例した補正量にて該第１の位置偏差を補正するとともに、該第２の位置偏差を演算する際、該第２の位置検出部の検出遅れに対し、該被駆動体の速度に比例した補正量にて該第２の位置偏差を補正する。

本発明によるサーボ制御装置によれば、安定性を重視した制御を行う場合には、第３の位置偏差を入力として学習制御を行うことで、ある程度の精度を維持しつつ安定した制御を実現することができる一方、精度を重視した制御を行う場合には、第２の位置偏差を入力として学習制御を行うことで、高精度の制御を実現することができる。

本発明によるサーボ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 図１に示されるサーボ制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明によるサーボ制御装置の他の実施形態を示すブロック図である。 本発明による学習制御部の実施形態を示すブロック図である。 本発明による効果の例を示す実施例１である。 本発明による効果の例を示す実施例２である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明によるサーボ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。図１において、サーボモータ１００は、被駆動体としての機械１０２を駆動する。モータ位置検出器１１０は、モータ１００の位置を検出し、その検出値をモータ位置フィードバック（ＦＢ）として出力する。また、機械位置検出器１１２は、機械１０２の位置を検出して、その検出値を機械位置フィードバックとして出力する。

位置制御部１２０は、後述のごとく入力される位置偏差に基づいて、比例・積分（ＰＩ）動作等により速度指令を演算して出力する。速度制御部１２２は、モータ位置フィードバックを微分して得られる速度フィードバックと速度指令とを比較して速度偏差を求め、比例・積分（ＰＩ）動作等により電流指令を演算して出力する。電流制御部１２４は、電流指令に基づいてアンプ駆動指令を演算して出力する。サーボアンプ１２６は、アンプ駆動指令を増幅してモータ１００に供給する。

本実施形態においては、位置制御部１２０に入力される位置偏差を求めるために、加算器１３０、１３２、１３４、１３６、及び１３８、時定数回路１５０、切替器１６０、並びに学習制御部１７０が設けられている。これらの要素については、図１のブロック図とともに図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、加算器１３０は、上位の制御装置から入力される位置指令からモータ位置フィードバックを減算することにより、第１の位置偏差としてのモータ位置偏差Ｅ１を演算する（ステップ２０２）。同時に、加算器１３２は、当該位置指令から機械位置フィードバックを減算することにより、第２の位置偏差としての機械位置偏差Ｅ２を演算する（ステップ２０４）。

次いで、加算器１３４は、機械位置偏差Ｅ２からモータ位置偏差Ｅ１を減算することにより、セミフル誤差“Ｅ２−Ｅ１”を演算し（ステップ２０６）、時定数回路１５０に供給する。時定数回路１５０は、セミフル誤差“Ｅ２−Ｅ１”に対し、時定数τの一次遅れ要素としての処理を施して出力する（ステップ２０８）。次いで、加算器１３６は、モータ位置偏差Ｅ１と時定数回路１５０の出力とを加算することにより、第３の位置偏差としてのデュアル位置偏差Ｅ３を演算する（ステップ２１０）。

次に、切替器１６０は、パラメータ、外部からの信号、機械１０２の位置、等のいずれかに基づいて、機械位置偏差Ｅ２又はデュアル位置偏差Ｅ３のいずれか一方を選択して学習制御部１７０に供給する（ステップ２１２、２１４、及び２１６）。学習制御部１７０は、切替部１６０から出力される機械位置偏差Ｅ２又はデュアル位置偏差Ｅ３をゼロに近づける補正データを学習により生成する（ステップ２１８）。

学習制御部１７０は、位置制御周期毎、供給された位置偏差に、繰り返されるパターンの１周期前における補正量を加算し、高周波の入力を制限する帯域制限フィルタ１７１でフィルタ処理して遅れ要素メモリ１７２に格納する。遅れ要素メモリ１７２は、繰り返されるパターンの１周期分の補正量を記憶するメモリ要素を備えて、各位置制御周期毎、繰り返されるパターンの１周期分前の当該位置制御周期において求められた補正量を出力し、動特性補償要素１７３で制御対象の位相遅れ、ゲイン低下分が補償された、該補正データを生成する（図４）。

加算器１３８は、デュアル位置偏差Ｅ３と学習制御部１７０からの補正データとを加算することにより、位置制御部１２０への入力信号としての位置偏差を演算する（ステップ２２０）。その後は、前述した、位置制御部１２０による速度指令の生成（ステップ２２２）、速度制御部１２２による電流指令の生成（ステップ２２４）、及び電流制御部１２４によるアンプ駆動指令の生成（ステップ２２６）が行われる。

上述の実施形態においては、前述のように、ステップ２０８で、時定数回路１５０が、セミフル誤差“Ｅ２−Ｅ１”に対し、時定数τの一次遅れ要素としての処理を施すため、時定数回路１５０の出力は、伝達関数を用いて表すと、次の式となる。
時定数回路の出力＝［１／（１＋τｓ）］×（Ｅ２−Ｅ１）
そして、次のステップ２１０では、次の演算が行われている。
デュアル位置偏差Ｅ３＝モータ位置偏差Ｅ１＋時定数回路の出力

したがって、時定数τ＝０に設定されていれば、デュアル位置偏差Ｅ３は下記の式に示される出力となる。
デュアル位置偏差Ｅ３＝モータ位置偏差Ｅ１＋セミフル誤差（Ｅ２−Ｅ１）
＝機械位置偏差Ｅ２
一方、時定数τ＝∞に設定されていれば、デュアル位置偏差Ｅ３は下記の式に示される出力となる。
デュアル位置偏差Ｅ３＝モータ位置偏差Ｅ１＋“０”
＝モータ位置偏差Ｅ１

つまり、時定数τ＝０のときには、フルクローズドループ制御が実施され、一方、時定数τ＝∞のときには、セミクローズドループ制御が実施されることとなる。このように、時定数τの値を制御して、フルクローズドループ制御とセミクローズドループ制御との比率を変えることで、フルクローズドループ制御に基づく精度の確保と、セミクローズドループ制御に基づく安定性の確保と、のバランスを調整することができる。

さらに、本実施形態においては、学習制御部１７０への入力を機械位置偏差Ｅ２又はデュアル位置偏差Ｅ３の一方に切替える切替器１６０が設けられている。前述のように、従来、学習制御を使用して理想の象限突起補正データを作り出し、その補正データを格納しておき、象限突起補正を行う場合において、学習制御を行う際、モータ側の位置偏差を使用すると、モータ側の象限突起は小さくなるが、機械側の象限突起は小さくならないという問題があった。しかし、本実施形態によれば、最初に機械側の位置偏差を学習して象限突起を小さくする補正データを作成しておき、その後の動きではデュアル位置フィードバック制御を行い、ゲインを高く取る使い方をすることが可能となる。その際、象限突起部分については既に機械側の位置偏差を小さくする補正データが作成されているので、象限突起は発生しない（図５）。

また、前述のように、機械側の位置偏差を使用して学習制御を行う際、学習制御を収束させるためゲインを下げると、切削反力の大きな加工では加工精度が悪化するという問題があった。しかし、本実施形態によれば、切削反力の大きな粗加工の際には、デュアル位置フィードバック制御を使用して高いゲインで学習制御を行い、ある程度の精度を保ち（図６）、一方、切削反力の小さな仕上げ加工の際には、フルクローズドループ制御にし、ゲインを下げて、機械側の位置偏差で学習制御を行うことで、高精度を達成することができる。

また、機械の特定の場所（例えば、ボールネジの共振点が大きく現れる所等）において高いゲインを取ることができないケースでは、特定の場所だけデュアル位置フィードバック制御を行うケースがあるが、そのような場合でも、学習制御の入力を切り換えることが可能となる。切替器１６０は、パラメータ、外部信号、機械位置等に基づき、このような各種の条件を考慮した、学習制御への入力の切替えを実施する。

図３は、本発明によるサーボ制御装置の他の実施形態を示すブロック図である。図３に示される実施形態は、微分回路３００、乗算器３１０、及び加算器３２０、並びに微分回路３０２、乗算器３１２、及び加算器３２２が追加されている点で、図１に示される実施形態と相違するのみである。そのため、モータ１００、機械１０２、モータ位置検出器１１０、機械位置検出器１１２、速度制御部１２２、電流制御部１２４、及びサーボアンプ１２６については、その図示が省略されている。

モータ位置検出器１１０及び機械位置検出器１１２には、位置データを転送する時間が個別に存在する。図３に示される実施形態は、これらの検出遅れに対し、速度に比例した補正量にて位置偏差を補正することで、実際の位置偏差に近づける。

すなわち、微分回路３００は、モータ位置フィードバックを微分してモータ速度を演算する。乗算器３１０は、そのモータ速度に所定の係数を乗算して補正量を求める。加算器３２０は、加算器１３０の出力からその補正量を減算して通信遅れ補正後のモータ位置偏差Ｅ１を出力する。

同様に、微分回路３０２は、機械位置フィードバックを微分して機械速度を演算する。乗算器３１２は、その機械速度に所定の係数を乗算して補正量を求める。加算器３２２は、加算器１３２の出力からその補正量を減算して通信遅れ補正後の機械位置偏差Ｅ２を出力する。その後の動作は、図１及び図２に示される実施形態の動作と同一である。

以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではなく、様々な実施形態を採用することが可能である。

１００ サーボモータ
１０２ 機械（被駆動体）
１１０ モータ位置検出器
１１２ 機械位置検出器
１２０ 位置制御部
１２２ 速度制御部
１２４ 電流制御部
１２６ サーボアンプ
１３０、１３２、１３４、１３６、１３８ 加算器
１５０ 時定数回路
１６０ 切替器
１７０ 学習制御部
１７１ 帯域制限フィルタ
１７２ 遅れ要素メモリ
１７３ 動特性補償要素
３００、３０２ 微分回路
３１０、３１２ 乗算器
３２０、３２２ 加算器

Claims (3)

1. デュアル位置フィードバック制御を行うサーボ制御装置であって、
   サーボモータの位置を検出する第１の位置検出部と、
   該サーボモータで駆動される被駆動体の位置を検出する第２の位置検出部と、
   該被駆動体に対する位置指令と該第１の位置検出部からの位置フィードバックとに基づいて第１の位置偏差を演算する第１の位置偏差演算部と、
   該被駆動体に対する位置指令と該第２の位置検出部からの位置フィードバックとに基づいて第２の位置偏差を演算する第２の位置偏差演算部と、
   該第１の位置偏差と該第２の位置偏差との差分を、時定数回路を通して該第１の位置偏差に加算することにより、位置制御に使用される第３の位置偏差を演算する第３の位置偏差演算部と、
   該第２の位置偏差又は該第３の位置偏差のいずれか一方を選択して出力する切替部と、
   該切替部から出力される該第２の位置偏差又は該第３の位置偏差をゼロに近づける補正量を学習するとともに、該学習された補正量を該第３の位置偏差に対する補正量として出力する学習制御部と、
   を具備するサーボ制御装置。
2. 該切替部は、パラメータ、外部信号、又は該被駆動体の位置のいずれか一つに応じて切替えを行う、請求項１に記載のサーボ制御装置。
3. 該第１の位置偏差を演算する際、該第１の位置検出部の検出遅れに対し、該サーボモータの速度に比例した補正量にて該第１の位置偏差を補正するとともに、該第２の位置偏差を演算する際、該第２の位置検出部の検出遅れに対し、該被駆動体の速度に比例した補正量にて該第２の位置偏差を補正する、請求項１又は請求項２に記載のサーボ制御装置。

Images