JP2011022676A - サーボの軌跡追従の位置決め調整方法及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 速度制御や位置制御調整後、円弧半径縮小量、最大速度と位置制御ゲインより最大速度フィードフォワードゲインを設定し、最大速度でオーバシュートしない範囲で速度フィードフォワードゲインを調整することができる、サーボ制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法を、提供する。
【解決手段】 円弧半径縮小量と最大送り速度に基づいて位置追従遅れ量を算出する追従遅れ算出部と、前記位置追従遅れ量に基づいて最大フィードフォワードゲインを算出する最大フィードフォワードゲイン設定部と、前記追従遅れ量と最大フィードフォワードゲインに基づいて最大移動速度でフィードフォワードゲインを調整するフィードフォワードゲイン調整部と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械等に使用するサーボ制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法及びその制御装置に関する。

従来のサーボ制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法は、オーバシュートを目標値以内に抑制するまで位置決め動作を繰り返して速度フィードフォワードゲインを調整し、目標円弧半径縮小量と速度フィードフォワードゲインより位置制御ゲインを算出している（例えば、特許文献１参照）。
従来のサーボ制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法は、オーバシュートを目標値以内に抑制するまで位置決め動作を繰り返して速度フィードフォワードゲインを調整し、目標円弧半径縮小量と速度フィードフォワードゲインより位置制御ゲインを算出している。

特開２００５−１３５０６０号公報（第３−４頁、図１）

従来のサーボ制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法は、目標円弧半径縮小量が小さく速度フィードフォワードゲインが上がらないと、位置制御ゲインが大きくなりそれに伴い速度制御ゲインも大きくする必要があり、振動するという問題があった。
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、速度制御や位置制御調整後、円弧半径縮小量、最大速度と位置制御ゲインより最大速度フィードフォワードゲインを設定し、最大速度でオーバシュートしない範囲で速度フィードフォワードゲインを調整することができる、サーボ制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、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、前記位置指令の時間差分により速度指令を生成し、前記位置制御部の生成した速度指令に加算するフィードフォワード制御部と、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、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えたサーボ制御装置において、円弧半径縮小量と最大送り速度に基づいて位置追従遅れ量を算出する追従遅れ算出部と、前記位置追従遅れ量に基づいて最大フィードフォワードゲインを算出する最大フィードフォワードゲイン設定部と、前記追従遅れ量と最大フィードフォワードゲインに基づいて最大移動速度でフィードフォワードゲインを調整するフィードフォワードゲイン調整部と、を備えるものである。
また、請求項２に記載の発明は、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、前記位置指令の時間差分により速度指令を生成し、前記位置制御部の生成した速度指令に加算するフィードフォワード制御部と、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、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えたサーボ制御装置の制御方法において、円弧半径縮小量と最大送り速度に基づいて位置追従遅れ量を生成するステップと、前記位置追従遅れ量に基づいて最大フィードフォワードゲインを生成するステップと、前記位置追従遅れ量と最大フィードフォワードゲインに基づいて最大移動速度でフィードフォワードゲインを調整するステップと、を備えるものである。

請求項１及び２に記載の発明によると、軌跡追従の位置決めの自動調整することができ、円弧の軌跡追従では円弧半径縮小量が分かる。また、円弧の軌跡追従でも１軸毎に調整することができ、軌跡追従の調整と移動送りの調整を同時にできるので、調整時間を短縮することができる。２軸の制御ゲインが変わっても追従遅れ量を小さく合わせれば、円弧軌跡のバランスも合わせることができる。

本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図 本発明の電動機制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法を示すフローチャート

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、本発明の電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は電動機制御装置、２は電動機、３は位置検出器、１１は位置制御部、１２は速度制御部、１３は電流制御部、１４はパワー変換部、１５はフィードフォワード制御部、１６は追従遅れ算出部、１７は最大フィードフォワードゲイン設定部、１８はフィードフォワード調整部、１９は速度生成部、２０は一定速度検出部、２１はエンコーダ信号入出力部である。
位置制御部１１は位置指令と電動機位置との差の位置偏差に基づいて速度指令を生成し、速度制御部１２は速度指令と電動機速度の速度偏差に比例積分制御を行い、トルク指令を生成する。電流制御部１３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の電流偏差に基づいて電圧指令を生成する。パワー変換部１４は電圧指令をＰＷＭ信号に変換して電力変換器を駆動して電動機に電流指令どおりの電流を流す。位置検出器３は電動機２に結合され、電動機の位置を検出する。速度生成部１９は、電動機位置の時間差分をとって電動機速度を生成する。フィードフォワード制御部１５は位置指令の時間差分にフィードフォワードゲインをかけて速度指令を生成して、位置制御部１１の出力に加算する。 追従遅れ算出部１６は円弧半径縮小量、円弧半径と送り速度より位置追従遅れ量を算出する。

円弧半径縮小量は軌跡追従で円弧軌跡の動作時、位置指令より位置フィードバックが遅れるので、この遅れにより円弧の内側の軌跡を移動し、結果的に指令した円弧よりも実際の円弧軌跡の半径が縮小した量である。最大フィードフォワードゲイン設定部１７は位置制御ゲインに合わせて最大フィードフォワードゲインを設定する。フィードフォワード調整部１８はある一定速度での位置偏差が、位置追従遅れ量以内になるようにフィードフォワードゲインを調整する。
本発明が従来技術と異なる部分は、追従遅れ算出部１６により円弧半径と送り速度より位置追従遅れ量を算出し、ある一定速度での位置偏差が、位置追従遅れ量以内になるようにフィードフォワードゲインを調整するフィードフォワード調整部１８を、備えた部分である。

図２は、本発明の軌跡追従の位置決め調整方法の処理手順を示すフローチャートである。 この図を用いて本発明の方法を順を追って説明する。
まずステップ１では円弧半径縮小量、円弧半径、送り速度の仕様及び最大速度を外部より設定する。
次にステップ２では円弧半径縮小量、円弧半径、送り速度の仕様より位置追従遅れ量を算出する。位置追従遅れ量は以下の式で算出する。
位置追従遅れ量＝√（円弧半径²−（円弧半径−円弧半径縮小量）²） ・・・ （１）
例えば、円弧縮小量１μｍ、円弧半径５０ｍｍ、送り速度１００００ｍｍ／ｍｉｎ とすると、
位置追従遅れ量＝√（５００００²−（５００００−１）²）≒３１６［μｍ］
となる。
ステップ８で使用する位置追従遅れ量は送り速度が最大速度の移動送りなので、最大速度／送り速度倍にする。これは位置追従遅れ量が速度に比例して大きくなるからである。

ステップ３では位置制御ゲインに合わせて予め初期フィードフォワードゲインを設定する。初期フィードフォワードゲインは０でも良いが、調整時間を短縮するために例えば位置制御ゲインに応じて、フィードフォワードゲインの最大値の１０〜５０％程度から始める。 初期フィードフォワードゲインの目安としては、位置制御ゲインが低ければフィードフォワードゲインが多少大きくても問題ないが、位置制御ゲインが高い場合にフィードフォワードゲインが大きくてオーバシュートしない程度の充分なフィードフォワードゲインとする。
ステップ４では最大速度の移動送りで位置決め動作を行う。最大速度の移動送りは、通常軌跡追従で行う速度より速い速度となり、オーバシュートやコイン割れ等が発生しやすい。

ステップ５、６では位置決め動作中、ある一定速度の定常位置偏差を計測する。
ステップ７では位置決め動作中、オーバシュートやコイン割れ等がないか確認する。 オーバシュートやコイン割れ等が有る場合はこのレベル迄しかゲインは上げられないので終了する。
ステップ８では位置偏差がステップ２で算出した位置追従遅れ量より小さいか確認する。位置追従遅れ量より小さい場合は、軌跡追従の仕様及び位置決めの仕様を満足したので終了する。位置追従遅れ量より大きい場合は、ステップ９へ進む。位置追従遅れ量は、ステップ２で算出した位置追従遅れ量の最大速度／送り速度 倍の数値を使用する。
ステップ９では位置偏差が位置追従遅れ量より大きいのでフィードフォワードゲインを上げる。

ステップ１０ではフィードフォワードゲインの最大値迄達したか確認する。まだ余裕がある場合はステップ４に戻り、仕様に入るまで調整を繰り返す。フィードフォワードゲインの最大値迄達した場合は、フィードフォワードゲインの限界なので終了する。フィードフォワードゲインの最大値は送り速度、位置追従遅れ量及び位置制御ゲインより、例えば以下のようにして算出する。
フィードフォワードゲインの最大値＝（１−位置追従遅れ量／位置偏差）×１００＋α ［％］ ・・・ （２） α： マージン
また、位置偏差は送り速度／位置制御ゲインより算出する。

ここでどの程度のフィードフォワードゲインにするとどの程度の位置追従遅れ量になるかについて検討してみる。
例えば通常のフィードフォワード制御で、位置制御ゲインを１００［１／ｓ］、送り速度を１００００［ｍｍ／ｍｉｎ］とすると、位置偏差＝１００００×１０００／６０／１００＝１６６６．７［μｍ］となる。そこでフィードフォワードゲインは円弧縮小量１μｍ、円弧半径５０ｍｍとすると、位置追従遅れ量は約３１６［μｍ］なので、フィードフォワードゲイン＝（１−３１６／１６６６．７）×１００＝８１［％］となり、約８１［％］程度のフィードフォワードゲインが必要となることが分かる。

ここで最大移動速度を例として４００００［ｍｍ／ｍｉｎ］として調整すると、位置追従遅れ量は最大速度／送り速度＝４倍の約１２６４［μｍ］となる。従って、位置偏差をこの約１２６４［μｍ］以内にフィードフォワードゲインを調整すれば良いことになる。
別の例として予測制御を使用し位置制御ゲイン換算のゲインを３００［１／ｓ］、送り速度を１００００［ｍｍ／ｍｉｎ］とすると、位置偏差＝１００００×１０００／６０／３００＝５５５．６［μｍ］となる。同様にフィードフォワードゲインは円弧縮小量１μｍ、円弧半径５０ｍｍとすると、位置追従遅れ量は約３１６［μｍ］なので、フィードフォワードゲイン＝（１−３１６／５５５．６）×１００＝４３［％］となり、約４３［％］程度のフィードフォワードゲインが必要となることが分かる。
ここで最大移動速度を例として４００００［ｍｍ／ｍｉｎ］として調整すると、同様に位置追従遅れ量は４倍の約１２６４［μｍ］となる。従って、位置偏差をこの約１２６４［μｍ］以内にフィードフォワードゲインを調整すれば良いことになる。

送り速度と追従位置偏差との関係は、送り速度が速くなるとそれに比例して追従位置偏差も大きくなる。そこでフィードフォワードゲインの調整は最大速度で行い、軌跡追従は軌跡の送り速度で行うため、追従偏差を最大速度時に換算する。このために最大速度時のフィードフォワードゲインの調整のみで、軌跡追従の調整もできるのである。
このように、円弧縮小量、円弧半径、送り速度の仕様及び最大速度より位置追従遅れ量を算出し、この位置追従遅れ量に入るように位置偏差をフィードフォワードゲインで調整することができる。

２軸の円弧以外にも３軸の球や多軸の軌跡追従等のフィードフォワードゲインの調整用途にも適用できる。

１ 電動機制御装置
２ 電動機
３ 位置検出器
１１ 位置制御部
１２ 速度制御部
１３ 電流制御部
１４ パワー変換部
１５ フィードフォワード制御部
１６ 追従遅れ算出部
１７ 最大フィードフォワードゲイン設定部
１８ フィードフォワード調整部
１９ 速度生成部
２０ 一定速度検出部
２１ エンコーダ信号入出力部

Claims (2)

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、前記位置指令の時間差分により速度指令を生成し、前記位置制御部の生成した速度指令に加算するフィードフォワード制御部と、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、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えたサーボ制御装置において、
   円弧半径縮小量と最大送り速度に基づいて位置追従遅れ量を算出する追従遅れ算出部と、前記位置追従遅れ量に基づいて最大フィードフォワードゲインを算出する最大フィードフォワードゲイン設定部と、前記追従遅れ量と最大フィードフォワードゲインに基づいて最大移動速度でフィードフォワードゲインを調整するフィードフォワードゲイン調整部と、を備えることを特徴とするサーボ制御装置。
2. 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、前記位置指令の時間差分により速度指令を生成し、前記位置制御部の生成した速度指令に加算するフィードフォワード制御部と、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、トルク指令に基づいて電動機を駆動する電動機駆動部と、前記電動機位置の時間差分により前記電動機速度を生成する電動機速度生成部と、を備えたサーボ制御装置の制御方法において、
   円弧半径縮小量と最大送り速度に基づいて位置追従遅れ量を生成するステップと、
   前記位置追従遅れ量に基づいて最大フィードフォワードゲインを生成するステップと、
   前記位置追従遅れ量と最大フィードフォワードゲインに基づいて最大移動速度でフィードフォワードゲインを調整するステップと、を備えることを特徴とするサーボ制御装置の軌跡追従の位置決め調整方法。

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