JP2018019462A - サーボモータ制御装置、サーボモータ制御方法、及びサーボモータ制御用プログラム - Google Patents
サーボモータ制御装置、サーボモータ制御方法、及びサーボモータ制御用プログラム Download PDFInfo
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Abstract
Description
速度制御ループゲインの最適値は、モータ単体だけではなく、サーボモータに接続される機械の特性(負荷イナーシャ比や共振周波数など)にも依存して決まる。
前記サーボモータの速度を検出する速度検出部と、
前記速度指令作成部が作成した前記速度指令値と前記速度検出部が検出した速度検出値との差を用いて前記サーボモータへのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
を具備し、
速度制御ループは前記速度検出部と前記トルク指令作成部とを有し、
前記トルク指令作成部は前記差が入力される比例ゲインと、前記差が入力される積分ゲイン及び積分器とを有し、
前記比例ゲインにより比例項を計算する計算周期は、前記積分ゲイン及び前記積分器により積分項を計算する計算周期よりも短く、
前記積分ゲインは、モータモデル毎にあらかじめ決められた前記積分ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値とを乗算したものとし、
前記比例ゲインは、前記モータモデル毎に予め決められた前記比例ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度ゲイン倍率とを乗算したものに、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値を加算したものとすることを特徴とするサーボモータ制御装置である。
前記サーボモータの速度を検出し、
作成した前記速度指令値と、検出した速度検出値との差を用いて前記サーボモータへのトルク指令値を作成し、
前記トルク指令値によって、前記サーボモータを制御する、サーボモータ制御装置のサーボモータ制御方法において、
速度制御ループで少なくとも前記サーボモータの速度の検出と、前記トルク指令値の作成とを行い、
前記トルク指令値の作成は前記差が入力される比例ゲインと、前記差が入力される積分ゲイン及び積分器とを用いて行い、前記比例ゲインにより比例項を計算する計算周期は、前記積分ゲイン及び前記積分器により積分項を計算する計算周期よりも短く、
前記積分ゲインは、モータモデル毎に予め決められた前記積分ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値とを乗算したものとし、
前記比例ゲインは、前記モータモデル毎に予め決められた前記比例ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度ゲイン倍率とを乗算したものに、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値を加算したものとすることを特徴とするサーボモータ制御方法である。
前記サーボモータを駆動するための速度指令値を作成する速度指令作成処理と、
前記サーボモータの速度を検出する速度検出処理と、
作成した前記速度指令値と検出した速度検出値との差を用いて前記サーボモータへのトルク指令値を作成するトルク指令作成処理と、を実行させ、
速度制御ループで少なくとも前記速度検出処理と前記トルク指令作成処理とを行い、
前記トルク指令作成処理は前記差が入力される比例ゲインと、前記差が入力される積分ゲイン及び積分器とによって行い、前記比例ゲインにより比例項を計算する計算周期は、前記積分ゲイン及び前記積分器により積分項を計算する計算周期よりも短く、
前記積分ゲインは、モータモデル毎に予め決められた前記積分ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値とを乗算したものとし、
前記比例ゲインは、前記モータモデル毎に予め決められた前記比例ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度ゲイン倍率とを乗算したものに、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値を加算したものとすることを特徴とするサーボモータ制御用プログラムである。
速度制御ループに遅れ時間が存在しない場合の、本発明の実施形態の前提となる技術について説明する。
従来は機械の剛性が高くなかった点と、高周波の機械共振を回避するためのフィルタ技術が十分でなかった点から、速度制御ループゲインの初期値に掛かる倍率はそれほど高く設定されていなかった。
制御系に遅れ時間がまったく存在しないとすると、制御系のブロック図は図1に示すようなブロック図である。
外乱dから出力yまでの伝達関数は、数式1(数1として示す)となる。
速度制御ループに遅れ時間が存在しない場合に、既に説明したように、特許文献1では、減衰特性を一定に保ちながら応答性を大きくするために、積分ゲインは比例ゲイン倍率の2乗で大きくしていた。
本実施形態は、速度制御ループの積分項と比例項の計算周期が異なるマルチレート系において、速度制御ループに遅れ時間が存在する場合においても、応答性を高めることができるようにしたものである。
図2は本発明の一実施形態のサーボモータ制御装置及びサーボモータを示すブロック図である。図2に示すサーボモータ制御装置は、サーボモータ10の回転の速度を検出して速度値を出力する速度検出部20、サーボモータ10に対する速度指令を作成して出力する速度指令作成部30、トルク指令作成部40及び速度指令値と速度値との差を求める減算器50を備えている。トルク指令作成部40は、減算器50と接続される、比例ゲイン401及び積分ゲイン402、積分ゲイン402と接続される積分器403、速度指令と検出された速度とを用いて、速度制御ループで生ずる遅れ時間を検出する遅れ検出部404、比例ゲイン401と積分ゲインのゲインを調整するゲイン制御部405、及び比例ゲイン401の出力と積分器403の出力とを加算し、トルク指令としてサーボモータ10に出力する加算器406を備えている。積分ゲイン402は入力に係数を乗算し、積分器403は積分ゲイン402の出力を積分する。比例ゲイン401は入力に係数を乗算する。なお、積分ゲイン402と積分器403は並び順を変えてもよい。サーボモータ10は工作機械、産業機械の軸を駆動する。
通常、積分項は、比例項よりも応答性が遅くなる。そこで、より応答性が高い比例項の計算のみを短い周期で実行することにより、処理時間の増加を抑えつつ、高い応答性を得ることができる。図2において、積分項は積分ゲイン402と積分器403により生成され、比例項は比例ゲイン401により生成される。
比例項の演算を積分項の演算に比べて高速で行った場合、積分項は比例項に対して遅れ時間を持っていると考えることができ、ブロック図は図3に示すようになる(図3では、制御対象の遅れ時間は0としている)。
(ωn/ωn0)β(1≦β<2)は、「速度ゲイン倍率(係数α)の2乗よりも小さくした値」の一例で、「1以上で2より小さい値をとる定数βを使用して速度ゲイン倍率(係数α)のβ乗とする値である。
本発明者らによる知見によれば、上記数式10のように、積分ゲイン倍率は、積分ゲイン倍率=比例ゲイン倍率のβ乗(1≦β<2)で求めることができる。また、本発明者らによる知見によれば、βは遅れ時間τと定数γを用いて、β=2−γτと1次関数で表せる。この関係を用いて、遅れ時間τからβの値を求めることができる。αは固定値で、γ=0.25付近の値をとることができる。値βと遅れ時間τとの関係の一例を図7の特性図に示す。
まず、ステップS101において、速度指令作成部30が速度指令を作成し、ステップS102において速度検出部20が速度を検出する。次に、ステップS103において、ゲイン制御部405は、モータモデルごとに予め決められた初期値に、ロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比(J/Jm)と、制御系(速度制御ループ)の遅れ時間に応じて速度ゲイン倍率(係数α)の2乗よりも小さくした値を乗算して積分ゲインを求める。次にステップS104において、ゲイン制御部405は、モータモデルごとに予め決められた初期値に、ロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比(J/Jm)と、速度ゲイン倍率(係数α)を乗算したものに、積分項と比例項の計算周期の差と積分ゲインに応じた値を加算したものを比例ゲインとする。次に、ステップS105において、速度指令値と速度値との差を求め、その差を用いて、積分ゲイン402の出力値を積分した積分器403の出力値と、比例ゲイン401の出力値とを加算器406で加算してトルク指令を作成し、出力する。
位置指令作成部70は位置指令を作成し、位置検出部60はサーボモータ10の回転の位置を検出する。位置指令値と位置との差を減算器80で求め、その差を位置制御ゲイン301と微分部302とに入力する。加算器304は、微分部302の出力に係数を乗算する係数部303の出力と、位置制御ゲイン301の出力との加算値を速度指令として出力する。
20 速度検出部
30 速度指令作成部
50 減算器
60 位置検出部
70 位置指令作成部
80 減算器
401 比例ゲイン
402 積分ゲイン
403 積分器
404 遅れ検出部
405 ゲイン制御部
406 加算器
Claims (11)
- サーボモータを駆動するための速度指令値を作成する速度指令作成部と、
前記サーボモータの速度を検出する速度検出部と、
前記速度指令作成部が作成した前記速度指令値と前記速度検出部が検出した速度検出値との差を用いて前記サーボモータへのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
を具備し、
速度制御ループは前記速度検出部と前記トルク指令作成部とを有し、
前記トルク指令作成部は前記差が入力される比例ゲインと、前記差が入力される積分ゲイン及び積分器とを有し、
前記比例ゲインにより比例項を計算する計算周期は、前記積分ゲイン及び前記積分器により積分項を計算する計算周期よりも短く、
前記積分ゲインは、モータモデル毎に予め決められた前記積分ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値とを乗算したものとし、
前記比例ゲインは、前記モータモデル毎に予め決められた前記比例ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度ゲイン倍率とを乗算したものに、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値を加算したものとすることを特徴とするサーボモータ制御装置。 - 前記速度制御ループの遅れ時間に応じて前記速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値は、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて1以上で2より小さい値をとる定数βを使用して、前記速度ゲイン倍率のβ乗とすることを特徴とする請求項1に記載のサーボモータ制御装置。
- 前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値は、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と前記積分ゲインとの積であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のサーボモータ制御装置。
- 前記定数βを、前記速度制御ループの遅れ時間τと定数γを使用して、β=2−γτとしたことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のサーボモータ制御装置。
- 前記サーボモータの位置指令値を作成する位置指令作成部と、
前記サーボモータの位置を検出する位置検出部と、
を具備し、
前記速度指令作成部は、前記位置指令作成部が作成した前記位置指令値と、前記位置検出部が検出した位置検出値との差を用いて前記速度指令値を作成することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のサーボモータ制御装置。 - サーボモータを駆動するための速度指令値を作成し、
前記サーボモータの速度を検出し、
作成した前記速度指令値と、検出した速度検出値との差を用いて前記サーボモータへのトルク指令値を作成し、
前記トルク指令値によって、前記サーボモータを制御する、サーボモータ制御装置のサーボモータ制御方法において、
速度制御ループで少なくとも前記サーボモータの速度の検出と、前記トルク指令値の作成とを行い、
前記トルク指令値の作成は前記差が入力される比例ゲインと、前記差が入力される積分ゲイン及び積分器とを用いて行い、前記比例ゲインにより比例項を計算する計算周期は、前記積分ゲイン及び前記積分器により積分項を計算する計算周期よりも短く、
前記積分ゲインは、モータモデル毎に予め決められた前記積分ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値とを乗算したものとし、
前記比例ゲインは、前記モータモデル毎に予め決められた前記比例ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度ゲイン倍率とを乗算したものに、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値を加算したものとすることを特徴とするサーボモータ制御方法。 - 前記速度制御ループの遅れ時間に応じて前記速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値は、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて1以上で2より小さい値をとる定数βを使用して、前記速度ゲイン倍率のβ乗とすることを特徴とする請求項6に記載のサーボモータ制御方法。
- 前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値は、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と前記積分ゲインとの積であることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のサーボモータ制御方法。
- 前記定数βを、前記速度制御ループの遅れ時間τと定数γを使用して、β=2−γτとしたことを特徴とする請求項7又は請求項8に記載のサーボモータ制御方法。
- 前記サーボモータの位置指令値を作成し、
前記サーボモータの位置を検出し、
作成した前記位置指令値と、検出した位置検出値との差を用いて前記速度指令値を作成することを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載のサーボモータ制御方法。 - サーボモータを制御するサーボモータ制御装置としてのコンピュータに、
前記サーボモータを駆動するための速度指令値を作成する速度指令作成処理と、
前記サーボモータの速度を検出する速度検出処理と、
作成した前記速度指令値と検出した速度検出値との差を用いて前記サーボモータへのトルク指令値を作成するトルク指令作成処理と、を実行させ、
速度制御ループで少なくとも前記速度検出処理と前記トルク指令作成処理とを行い、
前記トルク指令作成処理は前記差が入力される比例ゲインと、前記差が入力される積分ゲイン及び積分器とによって行い、前記比例ゲインにより比例項を計算する計算周期は、前記積分ゲイン及び前記積分器により積分項を計算する計算周期よりも短く、
前記積分ゲインは、モータモデル毎に予め決められた前記積分ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度制御ループの遅れ時間に応じて速度ゲイン倍率の2乗よりも小さくした値とを乗算したものとし、
前記比例ゲインは、前記モータモデル毎に予め決められた前記比例ゲインの初期値に、前記サーボモータのロータイナーシャに対する機械の総イナーシャの比と、前記速度ゲイン倍率とを乗算したものに、前記積分項と前記比例項の計算周期の差と、前記積分ゲインとに応じた値を加算したものとすることを特徴とするサーボモータ制御用プログラム。
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