JP2012175875A - Synchronous control apparatus and synchronous control method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は複数の駆動系に対する同期制御に関する。 The present invention relates to synchronous control for a plurality of drive systems.
複数の駆動系を同期制御することがある。例えば複数の駆動系により、対象物を姿勢を保ちながら移動させる、あるいは対象物を所定の軌跡に従って移動させる場合、駆動系への同期制御が必要である。2個のモータに対する同期制御について、特許文献1は、モータ間での回転位置の偏差を一方のモータ、例えばモータM2へフィードバックし、モータM2での目標位置からの誤差に対するゲインを小さくすることを記載している。そして2個のモータM1,M2が同じ対象物に取り付けられている場合、対象物の剛性等により、結果的にモータM1,M2が同期する。また特許文献2は、遅れている側のモータに合わせるように、進んでいる側のモータを制御することを記載している。
A plurality of drive systems may be controlled synchronously. For example, when the object is moved while maintaining the posture by a plurality of drive systems, or the object is moved according to a predetermined trajectory, synchronous control to the drive system is necessary. Regarding synchronous control for two motors,
特許文献1,2の同期制御は、2個のモータを同期させるための一般的な解決手法というよりは、特定の状況でのみ有効な個別的な解決手法というべきものである。発明者は複数個の駆動系を同期制御するための汎用性の有る手法を検討し、この発明に至った。
The synchronization control in
この発明の課題は、駆動系の特性等により制限されることなく、複数の駆動系間の制御誤差の偏差を小さくすることにある。 An object of the present invention is to reduce the deviation of a control error between a plurality of drive systems without being limited by the characteristics of the drive systems.
この発明は、複数の駆動系を同期制御する同期制御装置において、
第1の駆動系を目標指令に従って動作させるための第1の操作量を発生させる第1の制御器と、
第2の駆動系を目標指令に従って動作させるための第2の操作量を発生させる第2の制御器と、
少なくとも、第1の駆動系での目標指令からの誤差と、第2の駆動系での目標指令からの誤差との偏差に比例する操作量を発生させる同期制御器と、
第1の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第1の駆動系を制御する第1の制御手段と、
第2の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第2の駆動系を制御する第2の制御手段とを備えていることを特徴とする。
The present invention relates to a synchronous control device that synchronously controls a plurality of drive systems.
A first controller for generating a first manipulated variable for operating the first drive system in accordance with a target command;
A second controller for generating a second manipulated variable for operating the second drive system in accordance with the target command;
A synchronous controller that generates an operation amount proportional to a deviation between at least an error from the target command in the first drive system and an error from the target command in the second drive system;
First control means for controlling the first drive system based on the first operation amount and the operation amount from the synchronous controller;
And a second control unit for controlling the second drive system based on the second operation amount and the operation amount from the synchronous controller.
またこの発明は、複数の駆動系を同期制御する同期制御方法において、
第1の駆動系を目標指令に従って動作させるための第1の操作量を第1の制御器により発生させるステップと、
第2の駆動系を目標指令に従って動作させるための第2の操作量を第2の制御器により発生させるステップと、
第1の駆動系での目標指令からの誤差と、第2の駆動系での目標指令からの誤差との偏差に比例する操作量を、同期制御器により発生させるステップと、
第1の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第1の駆動系を制御するステップと、
第2の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第2の駆動系を制御するステップとを行うことを特徴とする。
The present invention also provides a synchronous control method for synchronously controlling a plurality of drive systems.
Generating a first operation amount for operating the first drive system in accordance with the target command by the first controller;
Generating a second manipulated variable for operating the second drive system in accordance with the target command by the second controller;
Generating an operation amount proportional to a deviation between an error from the target command in the first drive system and an error from the target command in the second drive system by the synchronous controller;
Controlling the first drive system based on the first operation amount and the operation amount from the synchronous controller;
The step of controlling the second drive system is performed based on the second operation amount and the operation amount from the synchronous controller.
この発明では、駆動系等の種類を選ばない汎用の同期制御として、複数の駆動系間の制御誤差の偏差を小さくすることができる。また第1及び第2の操作量と、同期制御器からの操作量との割合により、個々の駆動系を目標値通りに制御することを優先するか、複数の駆動系間の同期を優先するかを調整できる。なおこの明細書において、同期制御装置に関する記載はそのまま同期制御方法にも当てはまり、逆に同期制御方法に関する記載はそのまま同期制御装置にも当てはまる。また「第1の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき」等の記載は、例えばこれらの操作量の和を用いることを意味するが、これに限るものではない。駆動系は例えば電機モータであるが、これに限るものではない。 In the present invention, as a general-purpose synchronous control that does not select the type of drive system or the like, a deviation in control error between a plurality of drive systems can be reduced. Moreover, priority is given to controlling each drive system according to a target value or priority is given to synchronization between a plurality of drive systems, depending on the ratio between the first and second manipulated variables and the manipulated variable from the synchronization controller. Can be adjusted. In this specification, the description related to the synchronization control device also applies to the synchronization control method as it is, and conversely, the description related to the synchronization control method also applies to the synchronization control device as it is. In addition, description such as “based on the first operation amount and the operation amount from the synchronous controller” means that, for example, the sum of these operation amounts is used, but is not limited thereto. The drive system is, for example, an electric motor, but is not limited thereto.
好ましくは、前記同期制御装置は、前記偏差に比例する操作量と、偏差の時間微分値に比例する操作量とを、個別にもしくはこれらの和として、第1及び第2の制御手段側へ出力する。このようにすると、偏差に比例する操作量により偏差を解消し、偏差の時間微分値に比例する操作量により偏差の時間微分値を解消し、全体として偏差の絶対値を小さく保つことができる。 Preferably, the synchronous control device outputs an operation amount proportional to the deviation and an operation amount proportional to the time differential value of the deviation individually or as a sum thereof to the first and second control means side. To do. In this way, the deviation can be eliminated by the operation amount proportional to the deviation, the time differential value of the deviation can be eliminated by the operation amount proportional to the time differential value of the deviation, and the absolute value of the deviation can be kept small as a whole.
特に好ましくは、前記第1の駆動系と前記第2の駆動系は同じ性能で、かつ対象物に対して対称に配置され、前記同期制御器から、第1の制御手段及び第2の制御手段に対して、正負の符号を逆転した操作量が入力される。正負の符号を逆転した操作量が入力されるとは、同期制御器で符号を逆転することの他に、第1の制御手段または第2の制御手段で符号を逆転することを含んでいる。第1の駆動系と第2の駆動系が同じ性能で、対象物に対して対称に配置されている場合、偏差を解消するための操作量を、第1の制御手段と第2の制御手段とで符号を逆にすればよい。言い換えると、1つの操作量を第1の制御手段でも第2の制御手段でも符号を変えて共通に用いるので、偏差を解消するための操作量の発生が簡単になる。
Particularly preferably, the first drive system and the second drive system have the same performance and are arranged symmetrically with respect to the object, and the first control means and the second control means are provided from the synchronous controller. On the other hand, an operation amount obtained by reversing the positive and negative signs is input. The input of an operation amount obtained by reversing the positive / negative sign includes not only reversing the sign by the synchronous controller but also reversing the sign by the first control means or the second control means. When the first drive system and the second drive system have the same performance and are arranged symmetrically with respect to the object, the first control means and the second control means are used as the operation amount for eliminating the deviation. And the sign may be reversed. In other words, since one operation amount is used in common by changing the sign in both the first control means and the second control means, generation of an operation amount for eliminating the deviation is simplified.
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書の記載とこの分野での周知技術とを参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。 In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown. The scope of the present invention should be determined according to the understanding of those skilled in the art based on the description of the scope of the claims, taking into account the description of the specification and well-known techniques in this field.
図1〜図9に実施例とその変形とを示す。図1は、実施例の同期制御装置の構成を示し、M1,M2は制御対象のサーボ制御形のモータで、2は目標位置発生装置で、例えば時間の関数として2つの目標位置xr,yrを発生する。なおx,y,z等の記号は直交座標系等での座標を表すのではなく、モータM1側の位置をx、モータM2側の位置をyとして表している。また添字rは目標値であることを表している。ここでは目標位置xr,yrに従ってモータM1,M2が動作するように制御するが、目標位置ではなく目標速度又は目標トルクに従ってモータM1,M2が動作するように制御しても良い。加減算器20で目標位置xrと実際の位置xとの誤差exを求め、PID制御器4に入力して操作量としての出力uxを得る。同様に、加減算器21で目標位置yrと実際の位置yとの誤差eyを求め、PID制御器5に入力して操作量としての出力uyを得る。PID制御器4,5は良く知られたものであり、PD制御器等でも良く、制御の手法は任意である。また制御対象はモータに限らず、空気圧機器、油圧機器、内燃エンジン等でも良い。
1 to 9 show an embodiment and its modifications. FIG. 1 shows the configuration of a synchronous control apparatus according to an embodiment, wherein M1 and M2 are servo controlled motors to be controlled, 2 is a target position generator, and two target positions xr and yr as a function of time, for example. appear. Symbols such as x, y, and z do not represent coordinates in an orthogonal coordinate system or the like, but represent a position on the motor M1 side as x and a position on the motor M2 side as y. The subscript r represents the target value. Here, the motors M1 and M2 are controlled to operate according to the target positions xr and yr, but the motors M1 and M2 may be controlled to operate according to the target speed or target torque instead of the target position. The adder /
誤差ex、eyの偏差α(α=ex−ey)を加減算器30で求め、同期制御器10に入力して出力βを求め、加減算器40で出力uxと出力βを加算した操作量vxによりモータM1を制御する。同様に加減算器41で出力uxから出力βを減算した操作量vyによりモータM2を制御する。なお45はモータM1を制御する電流増幅器、46はモータM2を制御する電流増幅器である。また位置x,yはモータM1,M2のエンコーダ等により求めても、レーザ距離計等の位置センサ又はリニアスケールにより求めても良い。
The deviation α between the errors ex and ey (α = ex−ey) is obtained by the adder /
図2に同期制御器10の構造を示し、積分器32は偏差αを積分し、微分器33は偏差αを微分する。増幅器34で偏差αの積分値に比例する操作量を発生させ、増幅器35で偏差αに比例する操作量を発生させ、増幅器36で偏差αの微分値に比例する操作量を発生させる。加減算器37でこれらの出力を加算し、同期制御器10の出力βとする。また反転増幅器38でβの符号を逆転し、−βを出力する。なお実施例ではアナログ回路等で制御器10を実現するように説明しているが、これは説明を簡単にするためで、マイクロコンピュータ、DSP(デジタルシグナルプロセッサ)等により、制御器10と加減算器20,21等を実現しても良い。また後述のように、積分器32と増幅器34は設けなくても良い。
FIG. 2 shows the structure of the
図2では、偏差αに対する積分と微分とを行っているが、最小限、増幅器35で偏差αに比例する出力を求め、好ましくは偏差αに比例する出力と偏差αの微分値に比例する出力とを加算する。最も好ましくは、偏差αに比例する出力と、微分値に比例する出力と、積分値に比例する出力とを加算する。また図1および図2で、PID制御器4、5の制御ゲインを大きくして同期制御器10のゲイン(すなわち増幅器34〜36のゲイン)を小さくすると、モータM1,M2の同期よりも、モータM1,M2が各々の目標位置xr,yrに忠実に動作することを重視する制御となる。逆に、PID制御器4、5の制御ゲインを小さくして同期制御器10のゲイン(すなわち増幅器34〜36のゲイン)を大きくすると同期を重視する制御となる。さらに増幅器34のゲインを大きくすると、モータM1,M2の出力間のオフセットを小さくでき、増幅器35のゲインを大きくすると、偏差αを解消するための比例制御が強くなる。また増幅器36のゲインを大きくすると、偏差αの変化率に基づく同期制御が強くなる。
In FIG. 2, integration and differentiation with respect to the deviation α are performed, but at the minimum, an output proportional to the deviation α is obtained by the
図3は実施例での制御を行列により表し、sはラプラス変換でのパラメータである。各行列での非対角項は、モータM1,M2の同期制御、即ち誤差ex,ey間の偏差αを小さくするための制御ゲインを表す。対角項は、モータM1,M2間の同期ではなく、誤差ex,ey自体を小さくするための制御ゲインを表す。またモータM1,M2が同じで、モータM1とモータM2とが対象物に対し対称に配置されている場合、各行列は対称行列として、Kpxy=Kpyx,
Kdxy=Kdyx とし、さらに Kixy=Kiyx=0 とすることが好ましい。Kixy=Kiyx=0とするのは、同じモータM1,M2が対象物に対し対称に配置されているので、両者間に何らかの定常的な外力が働かない限り、定常的な偏差(オフセット)は元々小さいからである。
FIG. 3 shows the control in the embodiment by a matrix, and s is a parameter in Laplace transform. The off-diagonal term in each matrix represents a synchronous gain of the motors M1 and M2, that is, a control gain for reducing the deviation α between the errors ex and ey. The diagonal term represents not the synchronization between the motors M1 and M2, but the control gain for reducing the errors ex and ey themselves. When the motors M1 and M2 are the same and the motor M1 and the motor M2 are arranged symmetrically with respect to the object, each matrix is a symmetric matrix, and Kpxy = Kpyx,
It is preferable that Kdxy = Kdyx, and Kixy = Kiyx = 0. Kixy = Kiyx = 0 means that the same motors M1 and M2 are arranged symmetrically with respect to the object, so that a steady deviation (offset) is originally present unless some steady external force acts between them. Because it is small.
例えば、対象物の左右両側にそれぞれ第1、第2の部材が設けられ、モータM1が第1の部材を、モータM2が第2の部材を駆動し、対象物が所定の軌跡に沿って移動することが重要な場合がある。この場合、軌跡からの偏差に前記の偏差αが対応する。このような場合への変形例を図4に示す。なおこの場合、モータM1,M2は一般に同じモータではない。またモータM1,M2が対象物から受ける抗力、対象物の慣性等も共通ではないので、別個の同期制御器10,10'を設ける。さらに誤差ex,eyの大きさを適当に正規化するため、例えば増幅器24で誤差eyを増幅する。図4の変形例を図3行列により考えると、各行列は非対称行列で、各行列の4個の成分は全て異なる。他の点では、図4の変形例は図1,図2の実施例と同等である。
For example, first and second members are provided on both the left and right sides of the object, the motor M1 drives the first member, the motor M2 drives the second member, and the object moves along a predetermined trajectory. It may be important to do that. In this case, the deviation α corresponds to the deviation from the locus. A modification to such a case is shown in FIG. In this case, the motors M1 and M2 are generally not the same motor. In addition, since the drags received by the motors M1 and M2 from the object and the inertia of the objects are not common, separate
図5は3個のモータM1,M2,M3を同期制御する変形例を示し、4個以上のモータを制御する場合も同様である。モータM1,M2は図1と同様に制御し、モータM3に対し、加減算器22で目標位置zrと実際の位置zとの偏差を求め、PID制御器6等の制御器により誤差ezを解消するように出力uzを発生させる。αxy=ex−ey,αyz=ey−ez,αzx=ez−exの3種類の偏差を解消するための出力βxy,βyz,βzxを同期制御器10,11,12で発生させる。出力βxy,βyz,βzxを加減算器40',41',42'で出力ux.uy,uzと加減算した操作量vx,vy,vzにより、電流増幅器45〜47を介してモータM1,M2,M3を制御する。なお同期制御器11,12の構造は同期制御器10と同様である。またモータM1,M2,M3が同じではない場合等は、図4で2個の同期制御器10,10'を設けているように、各同期制御器10,11,12に代えて各々2個の同期制御器を設け、かつ誤差ex,ey,ezの大きさを適当に正規化して偏差を求めると良い。
FIG. 5 shows a modification in which three motors M1, M2, and M3 are synchronously controlled, and the same applies to the case of controlling four or more motors. The motors M1 and M2 are controlled in the same manner as in FIG. 1, the deviation between the target position zr and the actual position z is obtained by the adder /
図6に、図1,図2の実施例での同期制御方法を示す。ステップ1で、目標位置発生器から目標位置xr,yr等を出力する(ステップ1)。目標位置xr,yrは、動作の開始時から終了時までのデータを予め作成し、1制御周期毎にxr,yrを各1データずつ出力しても良い。あるいは各制御周期毎に、その都度、目標位置xr,yrを発生させても良い。また目標位置の代わりに目標速度又は目標トルクを出力しても良い。
FIG. 6 shows a synchronization control method in the embodiment of FIGS. In
ステップ2で、目標位置xr,yrと実際の位置x,yとの誤差ex,eyに基づき、PID制御等により、操作量ux,uyを発生させる。そしてステップ3で、偏差α(α=ex-ey)に基づき、PD制御あるいは比例制御等により操作量βを発生させる。ux+βによりモータM1を、uy−βによりモータM2を制御する(ステップ4)。以上のステップを動作が終了するまで繰り返す(ステップ5)。
In
図8に、図1の実施例による制御結果を示し、同じモータM1,M2により別々ではあるが同等の負荷を駆動した。図7の位置指令に従ってモータM1.M2を動作させ、モータM2にのみ外乱を加えた。同期制御器10を設けない際の制御結果を非同期制御とし、実施例での制御を同期制御とする。同期制御でも非同期制御でも、Kpxx=Kpyy=3.76,Kixx=Kipyy=5,Kdxx=Kdyy=0.135とした。同期制御では非対角項として、Kpxy=Kpyx=-1.23,Kdxy=Kdyx=-0.12,Kixy=Kiyx=0 とし、非同期制御では非対角項の値は全て0である。同期制御では偏差αの絶対値の最大値が非同期制御の場合の約2/3に減少し、モータM2側の誤差の絶対値の最大値も、非同期制御よりも小さくなった。
FIG. 8 shows a control result according to the embodiment of FIG. 1, and the same motors M1 and M2 drive separate but equivalent loads. According to the position command in FIG. M2 was operated and disturbance was applied only to the motor M2. The control result when the
図9の実験では、図8の実験に用いたのと同じ系で、モータM2のみに周期的な外乱(時刻1秒目〜8秒目)を加えた。制御ゲインは図8の場合と同一である。同期制御では、モータM1がモータM2に同期するように、言い換えるとモータM2と同じ誤差を持つように動作し、偏差は非同期制御よりも小さくなっている。
In the experiment of FIG. 9, a periodic disturbance (
実施例には以下の特徴がある。
1) 複数個のモータを同期制御できる。Kpxy,Kdxy等の同期制御用のゲインをチューニングすることにより、個々のモータを指令に忠実に動作させるか、複数個のモータ間の偏差を小さくするかを調整できる。
2) 制御の手法に汎用性があり、任意の対象に適用できる。
3) 3個以上のモータの同期制御にも容易に拡張できる。
4) 油圧、空気圧、内燃エンジン等のモータ以外の駆動系にも適用できる。
5) 同じ特性の2個のモータを対象物に対し対称に配置する場合、積分ゲインでの非対角項は0にでき、比例ゲインと微分ゲインでの非対角項は Kpxy=Kpyx,Kdxy=Kdyx と単純化できる。
6) PID制御器4,5,6等はPD制御器その他任意の制御器に変更でき、ベースとなる非同期制御の部分は制御方式を選ばない。
The embodiment has the following characteristics.
1) Multiple motors can be controlled synchronously. By tuning the gain for synchronous control such as Kpxy and Kdxy, it is possible to adjust whether each motor operates faithfully to the command or to reduce the deviation between a plurality of motors.
2) The control method is versatile and can be applied to any target.
3) Can easily be extended to synchronous control of 3 or more motors.
4) Applicable to drive systems other than motors such as hydraulic, pneumatic and internal combustion engines.
5) When two motors with the same characteristics are arranged symmetrically with respect to the target, the off-diagonal term in integral gain can be set to 0, and the off-diagonal terms in proportional gain and differential gain are Kpxy = Kpyx, Kdxy = Can be simplified as Kdyx.
6)
2 目標位置発生器
4〜6 PID制御器
10〜12 同期制御器
20〜22 加減算器
24 増幅器
30,37 加減算器
32 積分器
33 微分器
34〜36 増幅器
38 反転増幅器
40,41 加減算器
40,41 加減算器
45〜47 電流増幅器
M1〜M3 モータ
2 Target position generators 4-6 PID controllers 10-12 Synchronous controllers 20-22 Adder /
M1-M3 motor
Claims (4)
第1の駆動系を目標指令に従って動作させるための第1の操作量を発生させる第1の制御器と、
第2の駆動系を目標指令に従って動作させるための第2の操作量を発生させる第2の制御器と、
少なくとも、第1の駆動系での目標指令からの誤差と、第2の駆動系での目標指令からの誤差との偏差に比例する操作量を発生させる同期制御器と、
第1の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第1の駆動系を制御する第1の制御手段と、
第2の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第2の駆動系を制御する第2の制御手段とを備えていることを特徴とする、同期制御装置。 In a synchronous control device that synchronously controls a plurality of drive systems,
A first controller for generating a first manipulated variable for operating the first drive system in accordance with a target command;
A second controller for generating a second manipulated variable for operating the second drive system in accordance with the target command;
A synchronous controller that generates an operation amount proportional to a deviation between at least an error from the target command in the first drive system and an error from the target command in the second drive system;
First control means for controlling the first drive system based on the first operation amount and the operation amount from the synchronous controller;
A synchronization control apparatus comprising: a second control unit configured to control the second drive system based on the second operation amount and the operation amount from the synchronization controller.
前記同期制御器から、第1の制御手段及び第2の制御手段に対して、正負の符号を逆転した操作量が入力されることを特徴とする、請求項1または2の同期制御装置。 The first drive system and the second drive system have the same performance and are arranged symmetrically with respect to the object,
3. The synchronous control device according to claim 1, wherein an operation amount obtained by reversing a positive / negative sign is input from the synchronous controller to the first control unit and the second control unit.
第1の駆動系を目標指令に従って動作させるための第1の操作量を第1の制御器により発生させるステップと、
第2の駆動系を目標指令に従って動作させるための第2の操作量を第2の制御器により発生させるステップと、
第1の駆動系での目標指令からの誤差と、第2の駆動系での目標指令からの誤差との偏差に比例する操作量を、同期制御器により発生させるステップと、
第1の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第1の駆動系を制御するステップと、
第2の操作量と同期制御器からの操作量とに基づき、第2の駆動系を制御するステップとを行うことを特徴とする、同期制御方法。 In a synchronous control method for synchronously controlling a plurality of drive systems,
Generating a first operation amount for operating the first drive system in accordance with the target command by the first controller;
Generating a second manipulated variable for operating the second drive system in accordance with the target command by the second controller;
Generating an operation amount proportional to a deviation between an error from the target command in the first drive system and an error from the target command in the second drive system by the synchronous controller;
Controlling the first drive system based on the first operation amount and the operation amount from the synchronous controller;
And a step of controlling the second drive system based on the second operation amount and the operation amount from the synchronization controller.
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