JP2017068625A - 学習制御器の特性測定を行う機能を有するサーボ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、学習の収束性や外乱応答性を可視化することによって、機械特性や運転条件に適合する学習パラメータの選択を可能とすることを目的とする。
【解決手段】位置指令を作成する位置指令作成部と、送り軸の位置を検出する位置検出部と、位置指令値と位置検出値との差分である位置偏差を算出する位置偏差取得部と、位置制御ループと、位置偏差の高周波成分を減衰させる帯域制限フィルタと、位置偏差に対して位相進めを実施する動特性補償要素と、帯域制限フィルタ及び動特性補償要素を含む学習制御器と、位置制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波掃引入力部と、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定する周波数特性算出部と、を具備し、周波数特性算出部は、位置制御ループの周波数特性の測定値、帯域制限フィルタ、及び動特性補償要素から学習制御器を含んだ位置制御の特性を示す評価関数を計算することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボ制御装置に関し、特に、学習制御器の特性測定を行う機能を有するサーボ制御装置に関する。
近年、工作機械では学習制御に関する技術の実用化が進んでいる。学習制御について簡単に説明すると、学習制御はフィードフォワード信号をある同じ動作に対して最適化する制御である。繰り返し同じ動作を行う事により、フィードフォワード信号が更新されて行き、最終的にはある形に落ち着く。その時点で、学習を終了して、学習制御によって得られたフィードフォワード信号を更新せずにそのまま使用する。
学習制御を用いた繰返し動作の高精度化の原理が報告されている（例えば、非特許文献１）。非特許文献１においては、評価関数自体の導出も行われている。しかしながら、非特許文献１においてはサーボ系の周波数応答を実測する技術や実験モード解析は行われておらず、ノミナルな特性以上の計算は行われていなかった。
井上悳ら：プレイバックサーボ系の高精度制御，電気学会論文誌Ｃ，１０１巻，４号，ｐ．８９−９６（１９８１）
本発明は、学習制御において重要な学習の収束性や外乱応答性を可視化することによって、機械特性や運転条件に適合する学習パラメータの選択を可能とするサーボ制御装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施例に係るサーボ制御装置は、サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械のサーボ制御装置において、送り軸を所定の同一動作パターンで駆動するための位置指令を作成する位置指令作成部と、送り軸の位置を検出する位置検出部と、位置指令作成部が作成した位置指令値及び位置検出部が検出した位置検出値を取得し、位置指令値と位置検出値との差分である位置偏差を算出する位置偏差取得部と、位置指令作成部、位置検出部、及び位置偏差取得部を含む位置制御ループと、位置偏差取得部から出力された位置偏差の高周波成分を減衰させる帯域制限フィルタと、帯域制限フィルタから出力された位置偏差に対して位相進めを実施する動特性補償要素と、帯域制限フィルタ及び動特性補償要素を含む学習制御器と、位置制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波掃引入力部と、正弦波を位置制御ループへ入力したときの位置制御ループの出力から、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための周波数特性算出部と、を具備し、周波数特性算出部は、位置制御ループの周波数特性の測定値、帯域制限フィルタ、及び動特性補償要素から学習制御器を含んだ位置制御の特性を示す評価関数を計算することを特徴とする。
本発明の一実施例に係るサーボ制御装置によれば、学習制御において重要な学習の収束性や外乱応答性を可視化することによって、機械特性や運転条件に適合する学習パラメータの選択を可能とするサーボ制御装置が得られる。
本発明の実施例に係るサーボ制御装置の構成図である。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の学習制御器の構成図である。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の過渡応答収束性を示すグラフである。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明に係るサーボ制御装置について説明する。図１は、本発明の実施例に係るサーボ制御装置１００の構成図である。本発明の実施例１に係るサーボ制御装置１００は、サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械のサーボ制御装置において、位置指令作成部１と、位置検出部２と、位置偏差取得部３と、位置制御ループ４と、帯域制限フィルタ５と、動特性補償要素６と、学習制御器７と、正弦波掃引入力部８と、周波数特性算出部９と、を有する。
位置指令作成部１は、伝達機構３０を介してサーボモータ２０が送り軸を所定の同一動作パターンで駆動するための位置指令を作成する。位置指令作成部１が作成した位置指令は位置偏差取得部３に出力される。
位置検出部２は、送り軸の位置を検出する。位置検出部２として、エンコーダやレゾルバを用いることができるが、これらには限られない。位置検出部２が検出した送り軸の位置の検出値は位置偏差取得部３に出力される。
位置偏差取得部３は、位置指令作成部１が作成した位置指令値及び位置検出部２が検出した位置検出値を取得し、位置指令値と位置検出値との差分である位置偏差を算出する。上記の位置指令作成部１、位置検出部２、及び位置偏差取得部３を含んで位置制御ループ４が構成される。
帯域制限フィルタ５は、位置偏差取得部３から出力された位置偏差の高周波成分を減衰させる。帯域制限フィルタ５は、ある周波数領域における高周波領域の信号をカットするためのローパスフィルタであり、制御系を安定させる効果がある。
動特性補償要素６は、帯域制限フィルタ５から出力された位置偏差に対して位相進めを実施する。動特性補償要素６は、ある周波数領域における高周波領域の信号の位相を進ませ、さらにゲインを上げるフィルタであり、制御系の遅れやゲイン低下を補償する効果がある。上記の帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６を含んで学習制御器７が構成される。
正弦波掃引入力部８は、位置制御ループ４への正弦波掃引を行う。例えば、正弦波掃引入力部８は、位置制御ループ４を構成する位置偏差取得部３に対して正弦波からなる外乱を入力するようにしてもよい。ただし、このような例には限られない。
周波数特性算出部９は、正弦波を位置制御ループ４へ入力したときの位置制御ループ４の出力から、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定する。周波数特性算出部９は、位置制御ループ４の周波数特性の測定値、帯域制限フィルタ５、及び動特性補償要素６から学習制御器７を含んだ位置制御の特性を示す評価関数を計算する。
ここで、周波数特性算出部９は、位置制御ループ４の周波数特性を１つの剛体モード及び少なくとも１つの共振モードによって記述するようにしてもよい。
次に、学習制御器７の構成について図２を用いて説明する。位置指令ｒが減算器１１に入力され、減算器１１によって位置指令ｒと位置検出部が検出した実位置ｙとの差である位置偏差ｅが算出される。学習制御器７の加算器１４は、位置偏差ｅと、帯域制限フィルタ５に設けられた遅延メモリ（図示せず）に記憶された１パターン周期前の補正量とを加算する。帯域制限フィルタ５は、加算器１４の出力をフィルタ処理して補正量を求める。帯域制限フィルタ５は、学習周期Ｌを用いてＦ（ｓ）ｅ-sLと表すことができる。動特性補償要素（Ｇx（ｓ））６は、制御対象の位相遅れやゲイン低下を補償し、学習制御器７は補正量を加算器１２に出力する。加算器１２は、位置偏差ｅにこの補正量を加算し、速度指令作成部１０において、通常サーボ（位置・速度制御系）のポジションゲインＧ0（ｓ）を乗じて速度指令を作成する。なお、図２に示した例では、加算器１３において速度指令に外乱ｄが加算される例を示している。
次に、周波数特性算出部９による、位置制御ループ４の周波数特性の測定値、帯域制限フィルタ５、及び動特性補償要素６から学習制御器７を含んだ位置制御の特性を示す評価関数の計算について説明する。
まず、学習制御器の付加によって、同期的入力のもとで十分に長い時間が経過した後の最終偏差の各角周波数成分が、基本サーボ系の制御偏差に対して最終偏差を非常に小さくすることができることがわかる。また、|Ｆ（ｊω）|≪１となるフィルタの遮断領域では、最終偏差特性は基本サーボ系の応答によって決定される（非特許文献１）。なお、同期的入力とは、学習周期Ｌに対してｒ＋ｄが一定値、またはＬかＬの整数分の一の周期を持つことをいう。
ここで、Ｇ（ｊω）は以下の式（１）で表される。
Figure 2017068625
過渡偏差の収束性を表す指標ＡT（ω）は下記の式（２）で表すことができる。
Figure 2017068625
ＡT（ω）の値が小さいほど、ｊω付近の根による過渡応答成分の収束が速い。また、ＡT＝１は応答成分の振幅が一定で収束しないことを示す。
ここで、特性量ＡT（ω）の値の一例を図３に示す。目標値のパワーが集中する低周波数ではＡT（ω）の値が小さく過渡偏差の収束性が優れていることがわかる。
ここで、Ｇ0は実測可能であり、Ｇx，Ｆは数式で定義可能である。従って、ＡTは実測ベースで計算可能である。従って、本発明の実施例に係るサーボ制御装置によれば、学習制御器込みでのサーボ制御特性を機械特性を含めて計測することができる。
次に、本発明の実施例に係るサーボ制御装置の動作手順について、図４に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、正弦波掃引入力部８が正弦波外乱を入力する。
次に、ステップＳ１０２において、位置検出部２が位置検出値を検出する。
次に、ステップＳ１０３において、周波数特性算出部９が、位置制御ループ４の周波数特性を算出する。
次に、ステップＳ１０４において、周波数特性算出部９が、周波数特性に対してモード分離計算を行う。実験モード解析の手法を用いて一つの剛体モードおよび複数個の共振モードで周波数伝達関数を記述するため、各モードの固有定数を算出する。共振モードの同定を行う際には、共振曲線のピーク値および半値幅を使って曲線適合を行うのが最も簡便な手法である。ただし、他の同定法を用いてもよい。
次に、ステップＳ１０５において、周波数特性算出部９が、帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６の周波数特性を算出する。
次に、ステップＳ１０６において、周波数特性算出部９が、学習制御を含んだ制御系に対する評価関数を計算する。
以上説明したように、本発明によれば、学習制御において重要な学習の収束性や外乱応答性を可視化することによって、機械特性や運転条件に適合する学習パラメータの選択を行うことができる。
１ 位置指令作成部
２ 位置検出部
３ 位置偏差取得部
４ 位置制御ループ
５ 帯域制限フィルタ
６ 動特性補償要素
７ 学習制御器
８ 正弦波掃引入力部
９ 周波数特性算出部

Claims (2)

  1. サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械のサーボ制御装置において、
    送り軸を所定の同一動作パターンで駆動するための位置指令を作成する位置指令作成部と、
    送り軸の位置を検出する位置検出部と、
    前記位置指令作成部が作成した位置指令値及び前記位置検出部が検出した位置検出値を取得し、位置指令値と位置検出値との差分である位置偏差を算出する位置偏差取得部と、
    前記位置指令作成部、前記位置検出部、及び前記位置偏差取得部を含む位置制御ループと、
    前記位置偏差取得部から出力された位置偏差の高周波成分を減衰させる帯域制限フィルタと、
    前記帯域制限フィルタから出力された位置偏差に対して位相進めを実施する動特性補償要素と、
    前記帯域制限フィルタ及び前記動特性補償要素を含む学習制御器と、
    前記位置制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波掃引入力部と、
    正弦波を前記位置制御ループへ入力したときの前記位置制御ループの出力から、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための周波数特性算出部と、
    を具備し、
    前記周波数特性算出部は、前記位置制御ループの周波数特性の測定値、前記帯域制限フィルタ、及び前記動特性補償要素から学習制御器を含んだ位置制御の特性を示す評価関数を計算する、
    ことを特徴とするサーボ制御装置。
  2. 前記周波数特性算出部は、前記位置制御ループの周波数特性を１つの剛体モード及び少なくとも１つの共振モードによって記述する、請求項１記載のサーボ制御装置。
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