JP2018128734A - サーボ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】積載物の変更や機械の構成の変更が生じても、制御特性が維持されるように制御ゲインが適切に自動調整されるサーボ制御装置を提供すること。【解決手段】サーボ制御装置１０は、速度指令作成部１１と、トルク指令作成部１２と、速度検出部１３と、速度制御ループ３０と、速度制御ゲイン１４と、正弦波外乱入力部１５と、実周波数特性算出部１６と、規範特性変更部１７と、規範周波数特性計算部１８と、制御ゲイン調整部１９と、を具備する。正弦波外乱入力部１５が逐次周波数を変更し、規範周波数特性計算部１８は規範特性変更部１７の指定する特徴に対する規範周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、実周波数特性算出部１６は制御系の実周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、規範周波数特性計算部１８は、規範周波数特性と実周波数特性とが最も一致するときの規範特性変更部の特性式を記憶する。【選択図】図３

Description

本発明は、サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械に用いられるサーボ制御装置に関する。
従来、サーボ制御装置において、機械特性をモデル化する手続きを自動化する技術が知られている。この種の技術を開示するものとして例えば特許文献１がある。特許文献１には、機構特性をＮ慣性系にフィッティングする仕組みを提供する技術において、いわゆる実験モード解析の伝達関数を予め与えておき、一つの剛体モードと多数の共振モードとを自動的に決定するモデル決定方法について記載されている。このような伝達関数推定方法に関連した技術の例は多数見られる。
特開２００３−７９１７４号公報
工作機械の機械特性を反映した規範モデルに基づいて調整されたサーボ制御装置であっても、工作機械の積載物変更前後で制御特性が変わってしまう場合がある。この点、特許文献１に記載される技術は、周波数特性において曲線適合は開ループ特性に対して実行されるものであるが、開ループ特性を得ることは制御ループ内の逐次計算では困難である。開ループでのモデル化手続きは共振回避用のフィルタと制御ゲインのすべてを初期状態から調整する場合に有効ではある。しかしながら、予めサーボ調整が施された送り軸に対しては、すべての共振・反共振特性をモデル化することは却って無意味となる。なぜなら、ＤＳＰ（ＤＩＧＩＴＡＬ ＳＩＧＮＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＯＲ）計算能力の制限のため、制御装置は高々有限個の共振回避フィルタしかもたないゆえに、無数に共振モードが分布しているような機械特性に対して、全ての共振モードをフィルタで解決できないためである。
本発明は、積載物の変更や機械の構成の変更が生じても、制御特性が維持されるように制御ゲインが適切に自動調整されるサーボ制御装置を提供することを目的とする。
（１）本発明は、サーボモータ（例えば、後述のサーボモータ３）で駆動される送り軸（例えば、後述の伝達機構２）を有する工作機械（例えば、後述の工作機械１）におけるサーボ制御装置（例えば、後述のサーボ制御装置１０）において、前記サーボモータの速度指令値を作成する速度指令作成部（例えば、後述の速度指令作成部１１）と、前記サーボモータのトルク指令値を作成するトルク指令作成部（例えば、後述のトルク指令作成部１２）と、前記サーボモータの速度を検出する速度検出部（例えば、後述の速度検出部１３）と、前記速度指令作成部と前記トルク指令作成部と前記速度検出部とで構成する速度制御ループ（例えば、後述の速度制御ループ３０）と、前記速度制御ループの制御ゲインである速度制御ゲイン（例えば、後述の速度制御ゲイン１４）と、前記速度制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波外乱入力部（例えば、後述の正弦波外乱入力部１５）と、正弦波を前記速度制御ループへ入力したときの前記速度制御ループの出力から、速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための実周波数特性算出部（例えば、後述の実周波数特性算出部１６）と、前記速度制御ループの規範周波数特性を特徴づける特性式を変更する規範特性変更部（例えば、後述の規範特性変更部１７）と、前記規範特性変更部が指定する特徴に対する規範周波数特性を計算する規範周波数特性計算部（例えば、後述の規範周波数特性計算部１８）と、前記実周波数特性算出部が算出する実周波数応答と前記規範周波数特性部が計算する規範周波数特性計算とに基づいて速度制御ゲインを調整する制御ゲイン調整部（例えば、後述の制御ゲイン調整部１９）と、を具備し、前記正弦波外乱入力部が逐次周波数を変更し、前記規範周波数特性計算部は前記規範特性変更部の指定する特徴に対する規範周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、前記実周波数特性算出部は制御系の実周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、前記規範周波数特性計算部は、規範周波数特性と実周波数特性とが最も一致するときの規範特性変更部の特性式を記憶するサーボ制御装置に関する。
（２） （１）に記載のサーボ制御装置において、前記規範周波数特性計算部は、制御ゲイン調整前の実周波数特性に対して規範周波数特性の特性式を１つの剛体モードおよび少なくとも１つの二慣性モードとして表現したものを逐次計算で決定してもよい。
本発明のサーボ制御装置によれば、積載物の変更や機械の構成の変更が生じても、制御特性が維持されるように制御ゲインが適切に自動調整される構成を実現できる。
本発明の一実施形態に係るサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態のサーボ制御装置による規範モデルを自己生成する処理の前半を示すフローである。 本実施形態のサーボ制御装置による規範モデルを自己生成する処理の後半を示すフローである。 本実施形態のサーボ制御装置が適用される工作機械の積載物変更前（制御ゲイン変更前）の周波数特性を示す説明図（ボード線図）である。 本実施形態のサーボ制御装置が適用される工作機械の積載物変更前の状態から規範モデル特性を決定する様子を示す説明図（ボード線図）である。 本実施形態のサーボ制御装置が適用される工作機械の制御ゲインの再調整を開始した状態の周波数特性を示す説明図（ボード線図）である。 本実施形態のサーボ制御装置が適用される工作機械の積載物変更後（制御ゲイン変更後）の周波数特性を示す説明図（ボード線図）である。 １次の特性式が用いられる１慣性系モデルを示す説明図である。 ２次の特性式が用いられる２慣性系モデルを示す説明図である。 ３次の特性式が用いられる３慣性系モデルを示す説明図である。 ４次の特性式が用いられる４慣性系モデルを示す説明図である。
以下、送り軸を有する工作機械のサーボモータを制御するサーボ制御装置を本発明の好ましい実施形態として図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るサーボ制御装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態のサーボ制御装置１０は、伝達機構（送り軸）２を介して工作機械１の駆動体（図示省略）を可動させるサーボモータ３の制御を行うものである。例えば、伝達機構２はボールネジであり、駆動体はボールネジによって可動するテーブルである。
次に、サーボ制御装置１０の構成について説明する。図１に示すように、サーボ制御装置１０は、速度指令作成部１１と、トルク指令作成部１２と、速度検出部１３と、速度制御ループ３０と、加算器２０と、速度制御ゲイン１４と、正弦波外乱入力部１５と、実周波数特性算出部１６と、規範特性変更部１７と、規範周波数特性計算部１８と、制御ゲイン調整部１９と、を備える。
速度指令作成部１１は、サーボモータ３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１１により作成された速度指令値は加算器２０に出力される。
トルク指令作成部１２は、サーボモータ３のトルク指令値を作成する。トルク指令作成部１２で作成されたトルク指令値に基づいてサーボモータ３が駆動する。
速度検出部１３は、サーボモータ３の速度を速度検出値として検出する。速度検出値は、例えば、サーボモータ３に設けられるエンコーダによって測定された測定値に基づいて算出される。
速度制御ループ３０は、速度指令作成部１１とトルク指令作成部１２と速度検出部１３を含んで構成される。
加算器２０では、速度指令作成部１１によって作成された速度指令値から速度検出部１３により検出された速度検出値が減算されるとともに、速度制御ループ３０に正弦波掃引を行う正弦波外乱入力部１５で作成された正弦波外乱が加算される。この正弦波外乱入力部１５の周波数は逐次変更される。
速度制御ゲイン１４は、加算器２０の計算結果に乗じる制御ゲインを設定する。本実施形態では、速度制御ゲイン１４によって設定された制御ゲインと加算器２０の計算結果に基づいてトルク指令値がトルク指令作成部１２によって作成される。
速度制御ゲイン１４の制御ゲインは、制御ゲイン調整部１９の調整値によって調整される。この制御ゲイン調整部１９は、実周波数特性算出部１６の算出結果と、規範周波数特性計算部１８の計算結果と、に基づいて速度制御ゲイン１４を調整するための調整値を設定する。
実周波数特性算出部１６および規範周波数特性計算部１８には、正弦波外乱入力部１５から正弦波外乱が入力される。実周波数特性算出部１６は、正弦波外乱をサーボ制御装置１０の速度制御ループ３０へ入力したときの速度制御ループ３０の出力から、速度制御ループ３０の入出力信号の利得と位相を推定する。更に、実周波数特性算出部１６は、正弦波外乱入力部１５からの外乱入力周波数を基本周波数とした、任意の項数からなるフーリエ級数によって速度制御ループ３０の出力を表現し、そのフーリエ級数の基本波成分の振幅と位相を算出することで周波数特性をオンラインで算出する。実周波数特性算出部１６で算出された周波数特性は制御ゲイン調整部１９に送られる。
規範特性変更部１７は、速度制御ループ３０の規範周波数特性を特徴づける特性式を変更する。特性式は、工作機械１の機械特性等によって設定されるものである（後述の図８〜図１１参照）。
規範周波数特性計算部１８は、規範特性変更部１７が指定する特徴に対する規範周波数特性を周波数ごとに逐次算出する。規範周波数特性計算部１８では、実周波数特性算出部１６から入力される実周波数特性と規範周波数特性が比較され、規範周波数特性と実周波数特性が最も一致するときの規範特性変更部１７の特性式が記憶される。
規範周波数特性計算部１８は、制御ゲイン調整実施前の実周波数特性に対して規範周波数特性の特性式をただ一つの剛体モードおよび少なくとも一つの二慣性モードとして表現したものを逐次計算で決定する手段を有する。
次に、本実施形態のサーボ制御装置１０による規範特性の自己生成機能について説明する。規範特性の自己生成機能は、オンラインの逐次計算で自動調整に対する規範モデルを決定する機能である。この機能により、既に制御調整を実施してある工作機械１の伝達機構（送り軸）２に対してゲイン再調整を行う場合に、ゲイン再調整を行う前の特性が規範特性と見なされ、オンラインでゲイン再調整を自動で実行されることになる。このゲイン再調整は、例えば加工物や治具の変更（積載物の変更）や機械構成の変更等のタイミングで行われる。
図２および図３は、本実施形態のサーボ制御装置１０による規範モデルを自己生成する処理を示すフローである。
図２に示すように、自動調整処理が開始されると、正弦波外乱入力部１５が正弦波の周波数を更新し（ステップＳ１０１）、更新した周波数の正弦波外乱を入力する（ステップＳ１０２）。また、速度検出部１３は速度検出値を検出する（ステップＳ１０３）し、トルク指令作成部１２が、速度指令値と速度検出値に基づいてトルク指令値を作成する（ステップＳ１０４）処理が行われていく。
実周波数特性算出部１６は、当該周波数における実周波数特性を算出し（ステップＳ１０５）、規範周波数特性計算部１８が、候補としている規範モデル特性式により、当該周波数での規範周波数特性を計算する（ステップＳ１０６）。
ステップＳ１０６の処理の後、サーボ制御装置１０は、最大掃引周波数に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。最大掃引周波数に到達した場合は、候補の規範モデル特性式をすべて探索したか否かを判定する処理に移行する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０７の処理で、候補の規範モデル特性式をすべて探索していない場合は、ステップＳ１０１の処理に戻り、再びステップＳ１０１以降の処理が行われる。
ステップＳ１０８の処理で、候補の規範モデル特性式をすべて探索していなかった場合は、規範特性変更部が規範モデルの特性式を変更する処理に移行する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９の処理が完了するとステップＳ１０１の処理に戻り、再びステップＳ１０１以降の処理が行われる。
ステップＳ１０８の処理で、候補の規範モデル特性式をすべて探索した場合は、規範周波数特性計算部１８が現在の速度制御ゲイン１４に対する規範モデル特性式を決定する処理に移行する（図３のステップＳ１１０）。ステップＳ１１０の処理では、次数の低い特性式であれば優先順位が高く設定される。
図４は、本実施形態のサーボ制御装置１０が適用される工作機械１の積載物変更前（制御ゲイン変更前）の周波数特性を示す説明図である。図５は、本実施形態のサーボ制御装置１０が適用される工作機械１の積載物変更前の状態から規範モデル特性を決定する様子を示す説明図である。特性式は、積載物変更前の機械特性、例えば共振の特徴に合わせるように設定される。例えば、候補の規範モデル特性式から、図４に示す積載物変更前の周波数特性の共振に合致する図５に示す規範モデルが決定される。なお、図５では破線で制御ゲイン変更前の周波数特性が示されている。
ステップＳ１１０の処理の後、制御ゲイン調整部１９が速度制御ゲイン１４を変更する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１の処理で制御ゲイン調整部１９が速度制御ゲイン１４を変更した後、正弦波外乱入力部１５が正弦波の周波数を更新し（ステップＳ１１２）、当該周波数の正弦波外乱を入力する（ステップＳ１１３）。そして、速度検出部１３が速度検出値を検出する（ステップＳ１１４）とともに、トルク指令作成部１２が、速度指令値と速度検出値とからトルク指令値を作成する処理が行われる（ステップＳ１１５）。
図６は、本実施形態のサーボ制御装置１０が適用される工作機械１の制御ゲインの再調整を開始した状態の周波数特性を示す説明図である。ステップＳ１１５の処理の後、実周波数特性算出部１６が当該周波数での実周波数特性を算出する（ステップＳ１１６）。例えば、図６に示す実周波数特性が算出される。
規範周波数特性計算部１８が決定済みの規範モデル特性式によって当該周波数での規範周波数特性を計算する（ステップＳ１１７）。ステップＳ１１７の処理の後、サーボ制御装置１０は最大掃引周波数に到達したか否かを判定する（ステップＳ１１８）。ステップＳ１１８の判定処理で、最大掃引周波数に到達していなかった場合はステップＳ１１２の処理に戻り、再びステップＳ１１２以降の処理が行われる。
ステップＳ１１８の判定処理で、最大掃引周波数に到達していた場合は、規範周波数特性と実周波数特性との誤差が最も小さくなったか否かを判定する（Ｓ１１９）。ステップＳ１１９の判定処理で、規範周波数特性と実周波数特性との誤差が最も小さくなっていなかった場合は、ステップＳ１１１の処理に戻り、再びステップＳ１１１以降の処理が行われる。
図７は、本実施形態のサーボ制御装置１０が適用される工作機械１の積載物変更後（制御ゲイン変更後）の周波数特性を示す説明図である。ステップＳ１１９の判定処理で、規範周波数特性と実周波数特性との誤差が最も小さくなっていた場合は、制御ゲイン調整部１９が速度制御ゲイン１４の調整値を確定し（ステップＳ１２０）、処理が終了する。図７に示すように、規範特性に合わせる形で制御ゲインの調整が完了することになり、結果として積載物変更前後における制御特性が維持されるのである。
次に、図８〜図１１を参照して規範特性を決める特性式の例について説明する。なお、図８〜図１１中の記号は以下の通りである。
ｓ：ラプラス演算子、ａ０：分子多項式の定数項、ａ１：分子多項式の１次の係数、ａ２：分子多項式の２次の係数、ａ３：分子多項式の３次の係数、ａ４：分子多項式の４次の係数、ｂ０：分母多項式の定数項、ｂ１：分母多項式の１次の係数、ｂ２：分母多項式の２次の係数、ｂ３：分母多項式の３次の係数
図８は、１次の特性式が用いられる１慣性系モデルを示す説明図である。図８では、回転系の剛体５が示されている。図８中の式（１）に示すように、制御対象を剛体と仮定したいわゆる剛体モデルでは特性式は１次式となる。図９は、２次の特性式が用いられる２慣性系モデルを示す説明図である。図９では、回転系の剛体５と並進計の可動体６の間に負荷１２０が示されている。図９中の式（２）に示すように、２慣性系モデルでは特性式は２次式となる。
図１０は、３次の特性式が用いられる３慣性系モデルを示す説明図である。図１０では、駆動源であるサーボモータ３と、サーボモータに駆動されるボールネジ７と、ボールネジ７に接続されるテーブル８が示されている。また、サーボモータ３とボールネジ７の間には、負荷としてのばね１２１が示され、ボールネジ７とテーブル８の間には負荷としてのばね１２２が示される。図１０中の式（３）に示すように、３慣性系モデルでは特性式が３次式となる。図１１は、４次の特性式が用いられる４慣性系モデルを示す説明図である。図１１では、図１０の構成に加えて架台９がボールネジ７に接続されている。架台９とボールネジ７の間には負荷としてのばね１２３，１２４が示されている。図１１中の式（４）に示すように、４慣性系モデルでは特性式が４次式となる。
図８から図１１に示すように、規範モデルの特性式は一般に線形Ｎ慣性モデルとして表現できる。物理モデルに基づく特性式の次数を機械特性に応じて設定することで、制御安定性（共振）を含めて規範特性を与えることができるのである。一般的には小さい装置構成の場合は低い次数のもので適合し、部品点数が多く大きい装置構成の場合は次数の高いものが適合する傾向がある。なお、図８から図１１に示した特性式は一例であり、５次式以上の高次の慣性系モデルについても候補に含めてもよい。
本実施形態では、図８に示す剛体モードおよび二慣性モードから特性式が選択される。なお、二慣性モードは、図９のモデルに示す例だけではなく、図１０および図１１に示すモデルにおいても二慣性を含むという意味で二慣性モードと表現することができるものとする。
以上説明した本実施形態は、以下のように構成される。
本実施形態のサーボ制御装置１０は、速度指令作成部１１と、トルク指令作成部１２と、速度検出部１３と、速度制御ループ３０と、速度制御ゲイン１４と、正弦波外乱入力部１５と、実周波数特性算出部１６と、規範特性変更部１７と、規範周波数特性計算部１８と、制御ゲイン調整部１９と、を具備する。
正弦波外乱入力部１５が逐次周波数を変更し、規範周波数特性計算部１８は規範特性変更部１７の指定する特徴に対する規範周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、実周波数特性算出部１６は制御系の実周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、規範周波数特性計算部１８は、規範周波数特性と実周波数特性とが最も一致するときの規範特性変更部の特性式を記憶する。
これにより、逐次的に規範モデルのパラメータの組を変更しながら、逐次的に計算した周波数特性と比較していき、規範特性と実特性との誤差が最も小さくなったときのパラメータの組が残ることになるので、制御ループ内の逐次計算で閉ループ特性を直接的に得ることができる。即ち、積載物変更前の特性が規範モデルとして特性式で表現する作業がオンライン（リアルタイム）で実行され、ゲインの自動調整に対する基準が明確に決まり、実応答特性が特性式で定まる規範特性に合うように制御ゲインを逐次的に変更する調整が行われる。これによって、積載物の変更や機械の構成に関わらず、制御特性を維持したゲイン自動調整が可能となる。
また、本実施形態では、規範周波数特性計算部１８は、制御ゲイン調整前の実周波数特性に対して規範周波数特性の特性式を１つの剛体モードおよび少なくとも１つの二慣性モードとして表現したものを逐次計算で決定する。
これにより、ゲインの自動調整を剛体モードと最も主要な二慣性モードに限定することもでき、重要ではない共振を無視した形で効率的に規範モデルを生成することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、速度制御ループ３０は、一例として示されたものであり、速度制御ループ３０の構成自体が重要ではなく、図１に示した破線部を１つの入出力関係をもつシステムと捉えることもできる。
１ 工作機械
２ 伝達機構（送り軸）
３ サーボモータ
１０ サーボ制御装置
１１ 速度指令作成部
１２ トルク指令作成部
１３ 速度検出部
１４ 速度制御ゲイン
１５ 正弦波外乱入力部
１６ 実周波数特性算出部
１７ 規範特性変更部
１８ 規範周波数特性計算部
１９ 制御ゲイン調整部
３０ 速度制御ループ

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におけるサーボ制御装置において、
    前記サーボモータ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トルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
    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と前記トルク指令作成部と前記速度検出部とで構成する速度制御ループと、
    前記速度制御ループの制御ゲインである速度制御ゲインと、
    前記速度制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波外乱入力部と、
    正弦波を前記速度制御ループへ入力したときの前記速度制御ループの出力から、速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための実周波数特性算出部と、
    前記速度制御ループの規範周波数特性を特徴づける特性式を変更する規範特性変更部と、
    前記規範特性変更部が指定する特徴に対する規範周波数特性を計算する規範周波数特性計算部と、
    前記実周波数特性算出部が算出する実周波数応答と前記規範周波数特性計算部が計算する規範周波数特性とに基づいて速度制御ゲインを調整する制御ゲイン調整部と、
    を具備し、
    前記正弦波外乱入力部が逐次周波数を変更し、前記規範周波数特性計算部は前記規範特性変更部の指定する特徴に対する規範周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、前記実周波数特性算出部は制御系の実周波数特性を周波数ごとに逐次算出し、
    前記規範周波数特性計算部は、規範周波数特性と実周波数特性とが最も一致するときの規範特性変更部の特性式を記憶するサーボ制御装置。
  2. 前記規範周波数特性計算部は、制御ゲイン調整前の実周波数特性に対して規範周波数特性の特性式を１つの剛体モードおよび少なくとも１つの二慣性モードとして表現したものを逐次計算で決定する請求項１に記載のサーボ制御装置。
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