JP2018151899A - 制御装置、制御プログラムおよび制御システム - Google Patents

制御装置、制御プログラムおよび制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】制御装置に1または複数のサーボドライバが接続される構成において、制御対象の特性に応じて各サーボドライバへ与える目標値を算出することで制御性能を高めるというソリューションを容易に実現できる技術が要望されている。【解決手段】制御装置は、サーボドライバとの間でデータを遣り取りするためのインターフェイスを含む。サーボドライバは、制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、サーボモータを駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されている。制御装置は、サーボドライバの制御パラメータを取得して、制御対象の動特性を示す内部モデルを作成する作成手段と、目標軌跡に対応する目標値と、制御対象からのフィードバック値とに基づいて、サーボドライバへ与える補正目標値を算出する目標値算出手段とを含む。【選択図】図4

Description

本発明は、サーボドライバを用いた制御システムに対する制御性能を高める技術に関する。
サーボモータを駆動するサーボドライバに目標値を与えることで制御対象の位置制御や速度制御などを行なうための各種技術が知られている。位置制御や速度制御についての制御性能を高める手法の一つとして、サーボドライバおよび制御対象の特性を示すモデルを予め取得しておき、この取得したモデルに基づいて目標値に対する補正などを行なう手法が知られている。
例えば、国際公開第2011/136160号(特許文献1)は、任意の目標値に対して制御入力の飽和や変化率の飽和を発生させずに、高速高精度に制御対象を追従させることができるサーボ制御装置を開示する。このサーボ制御装置は、目標値を入力として、モデル出力およびモデル入力を生成する規範モデル部と、制御対象の制御出力がモデル出力に追従するようにフィードバック入力を生成するフィードバック制御部とを含む。
国際公開第2013/077007号(特許文献2)は、現在の目標値のみならず、過去の目標値も利用し、任意の位置指令に対しても制御入力や制御入力の変化量の制約を満たしつつ、高速高精度にモータを目標値に追従させ、かつ停止時の振動を励起しないモータ制御装置を開示する。このモータ制御装置は、モータを含む制御対象の制御出力を追従させるべき目標値に基づいて、制御対象の所望の動作を表すモデル出力と、所望の動作に制御対象を駆動するモデル入力とを生成する規範モデル部と、制御出力とモデル出力を入力し、制御出力をモデル出力に追従させるフィードバック入力を生成するフィードバック制御部と、モデル入力およびフィードバック入力を加算して制御対象への制御入力を生成するモデル入力加算器とを含む。
国際公開第2011/136160号 国際公開第2013/077007号
実際のアプリケーションを想定すると、PLC(プログラマブルコントローラ)などの制御装置が1または複数のサーボドライバの各々に対して目標値を与えるような構成が採用される場合が多い。このような構成においては、制御装置側にて、制御対象の特性に応じた目標値をそれぞれ生成して各サーボドライバへ与えることで、制御性能を高めるというソリューションが採用されることがある。
このようなソリューションを採用するにあたって、制御装置から見たサーボドライバおよび制御対象の特性をモデル化する必要がある。しかしながら、このようなモデル化は、ある程度の知識が必要であり、知識の乏しいユーザが現実に適用することは難しい。
上述の特許文献1および特許文献2においては、サーボドライバに相当する、サーボ制御装置およびモータ制御装置を開示するのみであり、制御装置とサーボドライバとの組み合わせについては何ら想定されていない。
制御装置に1または複数のサーボドライバが接続される構成において、制御対象の特性に応じて各サーボドライバへ与える目標値を算出することで制御性能を高めるというソリューションを容易に実現できる技術が要望されている。
本発明のある局面に従えば、サーボモータを駆動するサーボドライバに目標値を与えることで、サーボモータを含む制御対象を制御する制御装置が提供される。制御装置は、サーボドライバとの間でデータを遣り取りするためのインターフェイスを含む。サーボドライバは、制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、サーボモータを駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されている。制御装置は、サーボドライバの制御パラメータを取得して、制御対象の動特性を示す内部モデルを作成する作成手段と、目標軌跡に対応する目標値と、制御対象からのフィードバック値とに基づいて、サーボドライバへ与える補正目標値を算出する目標値算出手段とを含む。
好ましくは、目標値算出手段は、モデル予測制御に従って補正目標値を算出する。
好ましくは、制御装置は、複数のサーボドライバと接続されており、作成手段および目標値算出手段は、複数のサーボドライバの各々に対応付けて構成される。
好ましくは、制御装置とサーボドライバとは通信接続されており、作成手段は、所定の通信コマンドをサーボドライバへ発行することで、制御パラメータを取得する。
好ましくは、制御装置は、ユーザプログラムを実行するプロセッサを含み、作成手段および目標値算出手段は、ユーザプログラムに規定されるファンクションブロックによって機能化される。
好ましくは、制御装置は、目標軌跡を規定する目標値の時系列データを格納する記憶手段をさらに含む。
好ましくは、サーボドライバは、モデル追従制御系の制御ループに従う制御演算を実行する。
好ましくは、サーボドライバは、単純適応制御系の制御ループに従う制御演算を実行する。
本発明の別の局面に従えば、サーボモータを駆動するサーボドライバに目標値を与えることで、サーボモータを含む制御対象を制御する制御装置で実行される制御プログラムが提供される。サーボドライバは、制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、サーボモータを駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されている。制御プログラムは制御装置に、サーボドライバの制御パラメータを取得するステップと、制御対象の動特性を示す内部モデルを作成するステップと、目標軌跡に対応する目標値を取得するステップと、制御対象からのフィードバック値とに基づいて、サーボドライバへ与える補正目標値を算出するステップとを実行させる。
本発明のさらに別の局面に従う制御システムは、サーボモータを駆動するサーボドライバとサーボドライバに目標値を与えることで、サーボモータを含む制御対象を制御する制御装置とを含む。サーボドライバは、制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、サーボモータを駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されている。制御装置は、サーボドライバとの間でデータを遣り取りするためのインターフェイスと、サーボドライバの制御パラメータを取得して、制御対象の動特性を示す内部モデルを作成する作成手段と、目標軌跡に対応する目標値と、制御対象からのフィードバック値とに基づいて、サーボドライバへ与える補正目標値を算出する目標値算出手段とを含む。
本発明のある実施の形態によれば、制御装置に1または複数のサーボドライバが接続される構成において、制御対象の特性に応じて各サーボドライバへ与える目標値を算出することで制御性能を高めるというソリューションを容易に実現できる。
本実施の形態に従う制御システムの構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う制御装置のハードウェア構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う制御装置に接続されるサーボドライバの機能構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う処理および機能の概要を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う制御システムにおいて実行される処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態に従う制御装置において制御対象の内部モデルを作成するときの機能構成を示す模式図である。 本実施の形態に従う制御装置において制御対象の内部モデルを用いたモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。 本実施の形態に従う制御装置においてモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。 本実施の形態の変形例に従う制御装置において制御対象の内部モデルを作成するときの機能構成を示す模式図である。 本実施の形態の変形例に従う制御装置において制御対象の内部モデルを用いたモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
<A.制御システムの構成例>
まず、本実施の形態に従う制御システム1の構成例について説明する。図1は、本実施の形態に従う制御システム1の構成例を示す模式図である。図1には、制御システム1の制御対象としてXYステージ2を駆動させる例を示す。
制御システム1は、制御装置100と、1または複数のサーボドライバとを含む。図1に示す構成においては、制御装置100には、2つのサーボドライバ200X,200Y(以下、「サーボドライバ200」とも総称する。)が接続されている。サーボドライバ200は、サーボモータを駆動する。
制御装置100は、1または複数のサーボドライバ200に対して、それぞれ目標値を与えることで、サーボモータを含む制御対象を制御する。制御装置100と1または複数のサーボドライバ200との間では、目標値を含むデータの遣り取りが可能になっている。
図1には、制御装置100と1または複数のサーボドライバ200との間は、フィールドバス101を介して接続されている構成例を示す。但し、このような構成例に限らず、任意の通信手段を採用することができる。あるいは、制御装置100とサーボドライバ200との間を直接信号線で接続するようにしてもよい。さらに、制御装置100とサーボドライバ200とを一体化した構成を採用してもよい。以下に説明するような、アルゴリズムが実現されるものであれば、どのような実装形態を採用してもよい。
XYステージ2は、ワークが置載されるワーキングプレート3を互いに直交する二方向にそれぞれ移動させることができる機構である。
より具体的には、第1ベースプレート4には、ワーキングプレート3をX方向に沿って任意に移動させるボールネジ6が配置されている。ボールネジ6は、ワーキングプレート3に含まれるナットと係合されている。ボールネジ6の一端に連結されたサーボモータ300Xが回転駆動することで、ワーキングプレート3に含まれるナットとボールネジ6とが相対回転し、その結果、ワーキングプレート3がX方向に沿って移動することになる。
さらに、第2ベースプレート7は、ワーキングプレート3および第1ベースプレート4をY方向に沿って任意に移動させるボールネジ9が配置されている。ボールネジ9は、第1ベースプレート4に含まれるナットと係合されている。ボールネジ9の一端に連結されたサーボモータ300Yが回転駆動することで、第1ベースプレート4に含まれるナットとボールネジ9とが相対回転し、その結果、ワーキングプレート3および第1ベースプレート4がY方向に沿って移動することになる。
制御装置100は、予め指定された目標軌跡に沿って、サーボドライバ200Xに対してX方向の目標位置を目標値として与えるとともに、サーボドライバ200Yに対してY方向の目標位置を目標値として与える。X方向およびY方向のそれぞれの目標位置を順次更新することで、ワーキングプレート3(および、ワーキングプレート3上に配置された図示しないワーク)の二次元平面上の軌跡(すなわち、各時間における座標位置)を任意に制御できる。
以下の説明においては、XYステージ2を構成するサーボドライバ200およびサーボドライバ200により駆動される負荷(機械)を「機械系」と総称することもある。
サーボドライバ200は、後述するような制御ループに係る演算を実行するためのコントローラ202と、コントローラ202での演算結果に基づいて、サーボモータ300に対して動力信号を与えるドライブ回路204とを含む。後述するように、サーボドライバ200には、XYステージ2の状態(すなわち、位置などの制御量)を示すフィードバック値を受信するようになっている。
本実施の形態においては、一例として、サーボモータ300の回転軸に結合されたエンコーダからの出力信号をフィードバック値とする構成例を示す。エンコーダからの出力信号により、サーボモータ300の位置、回転位相、回転速度、累積回転数などを検出できる。なお、サーボモータ300からのフィードバック値は、制御装置100へ直接入力されてもよい。
<B.制御システムに含まれる各装置の構成例>
次に、制御システム1に含まれる制御装置100およびサーボドライバ200の構成例について説明する。
(b1:制御装置100)
本実施の形態に従う制御装置100は、一例として、PLC(プログラマブルコントローラ)を用いて実装されてもよい。制御装置100は、予め格納された制御プログラム(後述するような、システムプログラムおよびユーザプログラムを含む)をプロセッサが実行することで、後述するような処理が実現されてもよい。
図2は、本実施の形態に従う制御装置100のハードウェア構成の一例を示す模式図である。図2を参照して、制御装置100は、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro-Processing Unit)などのプロセッサ102と、チップセット104と、メインメモリ106と、フラッシュメモリ108と、外部ネットワークコントローラ116と、メモリカードインターフェイス118と、内部バスコントローラ122と、フィールドバスコントローラ124とを含む。
プロセッサ102は、フラッシュメモリ108に格納されたシステムプログラム110およびユーザプログラム112を読み出して、メインメモリ106に展開して実行することで、制御対象に対する任意の制御を実現する。プロセッサ102がシステムプログラム110およびユーザプログラム112を実行することで、後述するような、サーボドライバへの目標値の出力、サーボドライバからのフィードバック値の取得、フィールドバスを介したデータ通信に係る処理などを実行する。
システムプログラム110は、データの入出力処理や実行タイミング制御などの、制御装置100の基本的な機能を提供するための命令コードを含む。システムプログラム110は、その一部として、モデル作成ライブラリ110Aおよびモデル予測制御ライブラリ110Bを含む。これらのライブラリは、一種のプログラムモジュールであり、本実施の形態に従う処理および機能を実現するための命令コードを含む。ユーザプログラム112は、制御対象に応じて任意に設計され、シーケンス制御を実行するためのシーケンスプログラム112Aおよびモーション制御を実行するためのモーションプログラム112Bとを含む。ユーザプログラム112において、モデル作成ライブラリ110Aおよびモデル予測制御ライブラリ110Bをそれぞれ利用するモデル作成ファンクションブロックおよびモデル予測制御ファンクションブロックが定義されることで、本実施の形態に従う処理および機能が実現される。ファンクションブロックは、制御装置100で実行されるプログラムのコンポーネントであり、複数回使用するプログラムエレメントをモジュール化したものを意味する。
チップセット104は、各コンポーネントを制御することで、制御装置100全体としての処理を実現する。
内部バスコントローラ122は、制御装置100と内部バスを通じて連結される各種デバイスとデータを遣り取りするインターフェイスである。このようなデバイスの一例として、I/Oユニット126が接続されている。
フィールドバスコントローラ124は、制御装置100とフィールドバスを通じて連結される各種デバイスとデータを遣り取りするインターフェイスである。このようなデバイスの一例として、サーボドライバ200が接続されている。
内部バスコントローラ122およびフィールドバスコントローラ124は、接続されているデバイスに対して任意の指令を与えることができるとともに、デバイスが管理している任意のデータ(測定値を含む)を取得することができる。また、内部バスコントローラ122および/またはフィールドバスコントローラ124は、サーボドライバ200との間でデータを遣り取りするためのインターフェイスとしても機能する。
外部ネットワークコントローラ116は、各種の有線/無線ネットワークを通じたデータの遣り取りを制御する。メモリカードインターフェイス118は、メモリカード120を着脱可能に構成されており、メモリカード120に対してデータを書込み、メモリカード120からデータを読出すことが可能になっている。
(b2:サーボドライバ200)
本実施の形態に従う制御装置100に接続されるサーボドライバ200の機能構成について説明する。図3は、本実施の形態に従う制御装置100に接続されるサーボドライバ200の機能構成の一例を示す模式図である。
本実施の形態に従う制御システム1においては、制御装置100からサーボドライバ200に対して目標値として目標位置が与えられるとともに、サーボモータ300に結合されたエンコーダ302からの出力信号がフィードバック値として与えられる。
本実施の形態に従う制御システム1に含まれるサーボドライバ200は、エンコーダ302からのフィードバック値により得られる実位置が制御装置100などから与えられる目標位置に追従するように、ドライブ回路204に対する操作量である電流指令を調整する。一例として、本実施の形態に従うサーボドライバ200においては、モデル追従制御系の制御ループが構成される。すなわち、サーボドライバ200では、モデル追従制御系の制御ループに従う制御演算が実行される。
これらの制御ループに設定される制御ゲインなどの制御パラメータは、制御対象に応じて予め最適化されることになる。すなわち、サーボドライバ200は、制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、サーボモータ300を駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されている。具体的には、サーボドライバ200のコントローラ202にて実行される制御演算は、メインループとしての位置制御ループに加えて、マイナーループとしての速度制御ループを含む。
より具体的には、サーボドライバ200のコントローラ202は、機能構成として、差分演算部210,214と、位置制御部212と、速度制御部216と、加算部218と、トルク制御部220と、速度検出部222と、モデル追従制御部230とを含む。
位置制御部212は、位置についての制御ループを構成する制御演算部であり、差分演算部210からの位置偏差に応じた速度指令を操作量として出力する。差分演算部210は、モデル追従制御部230からの位置指令と実位置(フィードバック値)との偏差を算出する。
速度制御部216は、速度についての制御ループを構成する制御演算部であり、差分演算部214からの速度偏差に応じたトルク指令を操作量として出力する。差分演算部214は、位置制御部212からの操作量(速度指令)と実速度(フィードバック値)との偏差を算出する。
速度検出部222は、エンコーダ302からのフィードバック値(例えば、サーボモータ300の回転数に比例した数のパルス)からサーボモータ300の実速度(あるいは実回転速度)を検出する。
トルク制御部220は、トルクについての制御ループを構成する制御演算部であり、速度検出部222からの操作量(トルク指令)に応じた電流指令を操作量として出力する。
ドライブ回路204では、トルク制御部220からの操作量(電流指令)を実現できるように、サーボモータ300へ供給される電流の大きさ、タイミング、波形などが調整される。
モデル追従制御部230は、チューニングにより、制御対象(サーボドライバ200およびサーボドライバ200により駆動される負荷(機械))の動特性を示す特性パラメータを予め取得している。モデル追従制御部230は、制御装置100などから与えられる目標位置に対して、この特性パラメータに基づいて、位置制御ループにおける目標値となる位置指令と、速度制御ループに対する速度フィードフォワードと、トルク制御ループに対するトルクフィードフォワードとを算出する。
<C.概要>
次に、本実施の形態に従う処理および機能の概要について説明する。
図3に示すようなモデル追従制御系を用いて制御対象を適切に制御するためには、各制御部における制御ゲインを決定するためのチューニングが事前に実行される。すなわち、サーボドライバ200は、制御ゲインなどの制御パラメータを決定するためのチューニングを実行する機能を有している。以下の説明では、サーボドライバ200におけるモデル追従制御系の構成に必要な制御ゲインなどの制御パラメータを「サーボパラメータ」とも総称する。
サーボパラメータを決定するためのチューニングの手法としては、ステップ応答法や限界感度法といった公知の方法を採用することができる。
このようなチューニングによって得られたサーボパラメータは、制御対象(機械系およびサーボドライバ)の動特性を反映するものである。つまり、サーボドライバ200が保持するサーボパラメータは、制御対象の動特性を示す情報であり、本実施の形態においては、このような情報を制御装置100での制御にも利用する。
図4は、本実施の形態に従う処理および機能の概要を説明するための模式図である。図4を参照して、制御装置100は、主たる機能構成として、モデル作成モジュール150と、モデル予測制御モジュール170とを含む。これらのモジュールは、典型的には、ユーザプログラム112において、モデル作成ファンクションブロックおよびモデル予測制御ファンクションブロックが規定されることにより、モデル作成ライブラリ110Aおよびモデル予測制御ライブラリ110Bがそれぞれコールされて実現される。すなわち、モデル作成モジュール150およびモデル予測制御モジュール170は、ユーザプログラム112に規定されるファンクションブロックによって機能化される。
モデル作成モジュール150は、サーボドライバ200の制御パラメータ(サーボパラメータ)を取得して、制御装置100から見た、制御対象の動特性を示す内部モデル160を作成する。
そして、実際の制御対象に対する制御が実行される段階においては、作成された内部モデル160を用いてモデル予測制御が実施される。すなわち、モデル予測制御モジュール170は、目標軌跡に対応する目標値と、制御対象からの実位置(フィードバック値)とに基づいて、サーボドライバ200へ与える補正目標位置(補正目標値)を算出する。すなわち、モデル予測制御モジュール170は、モデル予測制御に従って補正目標値を算出する。
より具体的には、モデル予測制御モジュール170は、制御対象を移動させるべき軌跡を示す目標軌跡から各時刻の目標位置を取得する。モデル予測制御モジュール170は、内部モデル160に基づいて、サーボドライバ200から制御対象の動特性に応じた制御量が出力されるように、本来の目標位置を補正した上で、サーボドライバ200へ目標値として補正目標位置を与える。モデル予測制御モジュール170において実行されるモデル予測制御では、内部モデルから算出した将来の操作量(実位置)が将来の目標値(指令値)と一致するように、目標位置を補正して、補正目標位置を算出する。このように、制御装置100からサーボドライバ200へ与える目標値を制御対象の動特性に応じて調整することで、より高い追従性をもつ制御系を実現できる。
また、制御装置100でのモデル予測制御を実現するために必要な制御対象の動特性を示す内部モデルを、既知の情報から自動的に作成できるので、ユーザにモデル作成のための知識がなくとも、モデル予測制御を利用することができる。
<D.処理手順>
次に、本実施の形態に従う制御システム1において実行される処理手順の概要について説明する。図5は、本実施の形態に従う制御システム1において実行される処理手順を示すフローチャートである。図5に示すステップのうち制御装置100が担当するステップについては、制御装置100のプロセッサ102が制御プログラム(図2に示すシステムプログラム110およびユーザプログラム112を含む)を実行することで実現されてもよい。
図5を参照して、ユーザ操作を受けて、サーボドライバ200がサーボパラメータを決定するためのチューニングを実行する(ステップS100)。チューニングによって決定されたサーボパラメータはサーボドライバ200へ格納される。
制御装置100は、サーボドライバ200へアクセスしてサーボパラメータを取得する(ステップS102)。そして、制御装置100は、取得したサーボパラメータに基づいて制御対象の動特性を示す内部モデル160を作成する(ステップS104)。
制御装置100は、予め指定された目標軌跡に基づいて、目標位置の時系列データを生成する(ステップS106)。すなわち、目標軌跡を規定する制御周期毎の目標位置を示す時系列データが生成される。なお、目標位置の時系列データ自体を予め格納しておいてもよい。つまり、制御装置100は、目標軌跡を規定する目標値の時系列データを格納する。この場合には、ステップS106の処理は、予め格納された目標位置の時系列データへアクセスすることを意味する。
このように、目標軌跡を規定する制御周期毎の目標位置は、時系列データの形で予め格納されていてもよいし、予め定められた計算式に従って各制御周期についての目標値を逐次計算するようにしてもよい。
制御装置100は、ステップS106において生成した目標位置の時系列データから、現制御周期に対応する目標位置および現制御周期からある一定期間の複数の目標位置を抽出する(ステップS108)。すなわち、制御装置100は、目標軌跡に対応する目標値を取得する。
制御装置100は、抽出した目標位置およびフィードバック値(実位置)を、ステップS104において作成された内部モデル160に適用して、現制御周期における補正目標位置を算出する(ステップS110)。すなわち、制御装置100は、目標位置と制御対象からのフィードバック値とに基づいて、サーボドライバ200へ与える補正目標値を算出する。最終的に、制御装置100は、算出した補正目標位置をサーボドライバ200へ出力する(ステップS112)。
続いて、制御装置100は、目標軌跡の終点に到達したか否かを判断する(ステップS114)。目標軌跡の終点に到達していない場合(ステップS114においてNOの場合)には、ステップS108以下の処理が繰返される。
目標軌跡の終点に到達している場合(ステップS114においてYESの場合)には、モデル予測制御を終了する。
以上のような処理手順によって、本実施の形態に従うモデル予測制御が実現される。なお、ステップS108〜S120の処理は、指定されたサーボドライバ200の各々について実施される。そのため、複数のサーボドライバ200のそれぞれについてのステップS108〜S120の処理が並列的に実行されることもある。
<E.機能構成>
次に、本実施の形態に従うモデル予測制御を実現するための制御装置100の機能構成について説明する。
図6は、本実施の形態に従う制御装置100において制御対象の内部モデル160を作成するときの機能構成を示す模式図である。図7は、本実施の形態に従う制御装置100において制御対象の内部モデル160を用いたモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。
図6および図7には、制御装置100がXYステージ2(図1参照)を駆動する例を示す。すなわち、制御装置100には、X軸用およびY軸用の計2つのサーボドライバ200X,200Yが接続されている構成例を示す。そのため、本実施の形態に従う制御装置100は、サーボドライバ200X,200Yのそれぞれに対応して同様の機能モジュールの組が2つ実装されている。図6および図7に示す構成は一例であり、サーボドライバ200の数は1つでもよいし、3つ以上であってもよい。
図6および図7に示すように、制御装置100に複数のサーボドライバ200が接続されている場合には、モデル作成モジュール150およびモデル予測制御モジュール170は、当該複数のサーボドライバ200の各々に対応付けて構成される。
図6および図7を参照して、より具体的には、制御装置100は、主たる機能構成として、モデル作成モジュール150X,150Yと、モデル予測制御モジュール170X,170Yと、軌跡生成モジュール180X,180Yとを含む。図中においては、モデル予測制御を「MPC(Model Predictive Control)」とも記す。
上述したように、モデル作成モジュール150X,150Yは、ユーザプログラム112において、X軸およびY軸に関連付けてモデル作成ファンクションブロックをそれぞれ規定することで実現される。同様に、モデル予測制御モジュール170X,170Yは、ユーザプログラム112において、X軸およびY軸に関連付けてモデル予測制御ファンクションブロックをそれぞれ規定することで実現される。
図6に示すように、制御対象の内部モデル160の作成処理においては、モデル作成モジュール150Xが対応するサーボドライバ200Xからサーボパラメータを取得する。また、モデル作成モジュール150Yは対応するサーボドライバ200Yからサーボパラメータを取得する。
モデル作成モジュール150Xは、取得されたサーボパラメータ(X軸)に基づいて、制御対象(機械系(X軸))の内部モデル(X軸)を作成する。そして、モデル作成モジュール150Xは、作成した内部モデル(X軸)を規定するX軸モデル係数およびモデル予測制御パラメータをモデル予測制御モジュール170Xへ与える。
同様に、モデル作成モジュール150Yは、取得されたサーボパラメータ(Y軸)に基づいて、制御対象(機械系(Y軸))の内部モデル(Y軸)を作成する。そして、モデル作成モジュール150Yは、作成した内部モデル(Y軸)を規定するY軸モデル係数およびモデル予測制御パラメータをモデル予測制御モジュール170Yへ与える。
モデル予測制御モジュール170X,170Yに対して、モデル係数およびモデル予測制御パラメータが設定されることで、それぞれの軸におけるモデル予測制御の実行が可能になる。
図7に示すように、X軸についてのモデル予測制御において、軌跡生成モジュール180Xは、予め指定された目標軌跡に沿って目標位置の時系列データを生成し、各制御周期に対応する目標位置Xを時系列データから順次読出し、モデル予測制御モジュール170Xへ入力する。モデル予測制御モジュール170Xは、軌跡生成モジュール180Xからの目標位置Xおよび機械系(X)の実位置Xを、予め作成されている内部モデル(X軸)に適用することで、補正目標位置Xを算出する。そして、モデル予測制御モジュール170Xは、算出した補正目標位置Xをサーボドライバ200X(モデル追従制御部230X)へ与える。
同様に、Y軸ついてのモデル予測制御において、軌跡生成モジュール180Yは、予め指定された目標軌跡に沿って目標位置の時系列データを生成し、各制御周期に対応する目標位置Yを時系列データから順次読出し、モデル予測制御モジュール170Yへ入力する。モデル予測制御モジュール170Yは、軌跡生成モジュール180Yからの目標位置Yと機械系(Y)および実位置Yを、予め作成されている内部モデル(Y軸)に適用することで、補正目標位置Yを算出する。そして、モデル予測制御モジュール170Yは、算出した補正目標位置Yをサーボドライバ200Y(モデル追従制御部230Y)へ与える。
以上のような機能構成によって、制御装置100によるモデル予測制御が実現される。
<F.内部モデルの作成処理>
次に、内部モデルの生成処理について詳細に説明する。以下に説明する処理の詳細は、図5のステップS104〜S106の処理、および、図6に示すモデル作成モジュール150の機能に対応する。
制御装置100(モデル作成モジュール150)は、対象のサーボドライバ200からサーボパラメータを取得する。制御装置100とサーボドライバ200とがフィールドバス101を介して通信接続されている場合には、所定の通信コマンドを対象のサーボドライバ200へ発行することで、サーボドライバ200(モデル追従制御部230)からサーボパラメータを取得するようにしてもよい。
生成される制御対象の内部モデルとしては、対象となる機械系の物理的な構造などに着目して、適切な伝達関数が採用されてもよい。一例として、制御対象の内部モデルとして、以下の式に示すような、二次遅れ系要素に一次遅れフィルタを乗じたものを採用してもよい。
Figure 2018151899
上述した内部モデルはラプラス領域(時間連続)で規定された伝達関数である。実際の制御演算においては、制御装置100は所定の制御周期で演算処理を繰返すので、サンプリングした形を用いることが好ましい。上述の式を、制御装置100の制御周期で時間離散化すると、以下のような伝達関数G(z)が導出できる。
Figure 2018151899
このように導出される伝達関数を制御対象の内部モデルとして用いる。なお、モデル予測制御モジュール170では、上述の伝達関数を定義する、係数b0,b1,b2,b3,a1,a2,a3が保持される。
なお、図1に示すように、制御装置100と1または複数のサーボドライバ200との間がフィールドバス101を介して接続されている場合には、フィールドバス101を介した通信にむだ時間が発生するので、そのようなむだ時間も考慮した内部モデルを用いることが好ましい。
具体的には、制御装置100と1または複数のサーボドライバ200との間の通信遅れの時間(通常は、フィールドバスの通信周期)をdとして、むだ時間要素として、上述の伝達関数に反映する。このむだ時間要素が反映された伝達関数G(z)は以下のようになる。
Figure 2018151899
上述したように、制御装置100(モデル予測制御モジュール170)は、制御対象の内部モデルを示す伝達関数G(z)を用いて、モデル予測制御を実行する。
なお、本実施の形態においては、作成した制御対象の内部モデルを用いて、モデル予測制御に用いる例を示すが、例えば、パーソナルコンピュータ上で、当該作成した内部モデルを用いた動作シミュレーションなどを実行するようにしてもよい。
<G.モデル予測制御>
次に、モデル予測制御について詳細に説明する。以下に説明する処理の詳細は、図5のステップS108〜S120の処理、ならびに、図7に示すモデル予測制御モジュール170X,170Yおよび軌跡生成モジュール180X,180Yの機能に対応する。
図8は、本実施の形態に従う制御装置100においてモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。図8を参照して、制御装置100(軌跡生成モジュール180X,180Y)は、制御対象(機械系(X軸)および機械系(Y軸))を移動させるべき位置(目標位置)の時系列データ182を生成および保持する。目標位置の時系列データ182は、制御装置100で実行されるプログラムがアクセス可能な配列変数に格納されるようにしてもよい。モデル予測制御モジュール170X,170Yは、配列変数を参照することなどによって、目標位置の時系列データ182にアクセスして、各制御周期における目標位置(現制御周期に対応する目標位置および現制御周期からある一定期間の複数の目標位置を含む)を取得する。モデル予測制御モジュール170X,170Yは、予測演算部172を含む。予測演算部172は、対応する目標位置と、対応するサーボドライバ200X,200Yから実位置X,Yとに基づいて、上述したような内部モデル式を適用して補正目標位置X,Yを算出する。
各軸についての補正目標位置は、制御周期毎に演算される。そして、演算により得られた補正目標位置は、対応するサーボドライバ200へ出力される。サーボドライバ200は、制御装置100から与えられた補正目標位置に従って、サーボモータ300を駆動することで、制御対象の位置制御を実現する。
このように、サーボドライバ200へ与えられる補正目標位置は、予め指定された目標軌跡に従って、制御周期毎に更新されることになる。
<H.作成された内部モデルの検証>
上述したような手順によって作成された内部モデルについて妥当性の検証を行なうようにしてもよい。例えば、対象のサーボドライバ200でのチューニングが全く実施されていない場合、チューニングの実施後の制御対象に対する何らかの物理的な変更がなされた場合、チューニングの実施後に制御対象に経年変化が生じた場合などには、サーボドライバ200に格納されるサーボパラメータ自体が妥当ではない場合が考えられる。その結果、制御装置100において生成される制御対象の内部モデルについても妥当ではない可能性がある。このような場合、サーボドライバ200での再度のチューニングなどが必要となる。以下のような処理手順によって内部モデルの妥当性を評価することができる。
(h1:モデル予測制御の実行開始前の段階)
まず、モデル予測制御の実行開始前の段階での内部モデルの検証方法について説明する。すなわち、内部モデルを作成した時点で、当該作成した内部モデルの妥当性を検証するようにしてもよい。
具体的には、まず、モデル予測制御を行なわず、正弦波などのテストパターンをサーボドライバ200へ目標位置として与えるとともに、そのときの実位置yiを計測する。また、同一のテストパターンを作成した内部モデルに与えることで内部モデルの出力値ymiを演算する。そして、計測された実位置yiと演算された出力値ymiとの間の乖離が大きい場合に、作成した内部モデルが妥当ではないと判断するようにしてもよい。
このような乖離を評価する方法として、両時系列データの偏差二乗和の平均値を用いてもよい。例えば、以下に示すような偏差二乗和の平均値が予め定められたしきい値以上である場合には、作成した内部モデルが妥当ではないと判断してもよい。
Figure 2018151899
両時系列データの乖離を評価する方法としては、どのような関数を用いてもよい。
(h2:モデル予測制御の実行中)
次に、モデル予測制御の実行中においても、作成した内部モデルについての妥当性を監視するようにしてもよい。このような妥当性の監視方法の一例として、例えば、モデル予測制御に従って算出される補正目標位置と、軌跡生成モジュールから出力される本来の目標位置との乖離を評価するようにしてもよい。より具体的には、モデル予測制御に従って算出される補正目標位置と、軌跡生成モジュールから出力される本来の目標位置との差の絶対値が予め定められたしきい値以上であるか否かを各制御周期において、または、所定数の制御周期にわたって判断するようにしてもよい。
別の監視方法として、算出される補正目標位置の時間的変化の大きさを評価するようにしてもよい。例えば、1つ前の制御周期において算出された補正目標位置と現制御周期において算出された補正目標位置との変化量が予め定められたしきい値以上であるか否かを判断するようにしてもよい。あるいは、補正目標位置と現制御周期において算出された補正目標位置との変化量のバラツキなどを評価するようにしてもよい。
<I.変形例>
上述の実施の形態においては、モデル追従制御系の制御ループを実装したサーボドライバ200を例示するが、それ以外の制御ループを実装した構成に対しても、本実施の形態に従う内部モデルの作成処理を適用できる。以下の変形例では、本願発明の技術的範囲に含まれる構成の別の一部として、単純適応制御系の制御ループを実装したサーボドライバを用いる構成について説明する。すなわち、実施の形態の変形例に従うサーボドライバでは、単純適応制御系の制御ループに従う制御演算が実行される。
図9は、本実施の形態の変形例に従う制御装置100において制御対象の内部モデル160を作成するときの機能構成を示す模式図である。図10は、本実施の形態の変形例に従う制御装置100において制御対象の内部モデル160を用いたモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。
図9および図10を参照して、サーボドライバ200#X,200#Yは、単純適応制御系の制御ループとして、規範モデル250X,250Yと、適応制御ゲイン(Ke(t),Kx(t),Kr(t))260X,260Y,262X,262Y,264X,264Yと、フィードフォワード補償器(PFC)266X,266Yとを含む。図9および図10において、X軸およびY軸を示す意図で、適応制御ゲインの各係数に「x」または「y」を付加している。
図9および図10に示す単純適応制御系を構成する規範モデル250X,250Yにおいて、2つの状態値xm(t),ym(t)を以下のように定義することができる。
Figure 2018151899
なお、r(t)は、規範モデルに入力される目標値を示す。
このような規範モデルを採用した場合、単純適応制御系から出力される操作量u(t)は、以下のようになる。
u(t)=Ke(t)・ym(t)+Kx(t)・xm(t)+Kr(t)・r(t)
また、適応制御ゲインは、制御対象からの制御量y(t)と、規範モデルの出力ym(t)を用いて、以下に示すような、両者の偏差e(t)(=y(t)−ym(t))についての調整則に従って、決定することができる。
Figure 2018151899
ここで、規範モデルの伝達関数G(s)=K/(s+a)であり、フィードフォワード補償器の伝達関数Gf(s)=δ/(s+α)である。
上述したように、サーボドライバ200のチューニングにおいては、上述したような調整則に従って適応制御ゲインの各々が決定される。制御装置100#は、規範モデルのパラメータを取得する。
制御装置100においては、上述したような単純適応制御系の制御ループに対応して、内部モデルが作成される。内部モデルが作成された後の処理は、上述の実施の形態と同様である。すなわち、図10に示すように、X軸についてのモデル予測制御において、軌跡生成モジュール180#Xは、各制御周期に対応する目標位置Xを時系列データから順次読出し、モデル予測制御モジュール170#Xへ入力する。モデル予測制御モジュール170Xは、軌跡生成モジュール180Xからの目標位置Xと機械系(X)の実位置Xとの差分から、X軸についての位置偏差を算出し、予め作成されている内部モデル(X軸)を適用することで、補正目標位置Xを算出する。そして、モデル予測制御モジュール170#Xは、算出した補正目標位置Xをサーボドライバ200#Xへ与える。
同様に、Y軸ついてのうモデル予測制御において、軌跡生成モジュール180#Yは、各制御周期に対応する目標位置Yを時系列データから順次読出し、モデル予測制御モジュール170#Yへ入力する。モデル予測制御モジュール170#Yは、軌跡生成モジュール180#Yからの目標位置Yと機械系(Y)の実位置Yとの差分から、Y軸についての位置偏差を算出し、予め作成されている内部モデル(Y軸)を適用することで、補正目標位置Yを算出する。そして、モデル予測制御モジュール170#Yは、算出した補正目標位置Yをサーボドライバ200#Yへ与える。
以上のように、制御対象の動特性を反映した制御パラメータを有するサーボドライバであれば、どのような制御ループが実装されていても、本実施の形態に従う手法を採用することで、制御対象の動特性を示す内部モデルを容易に構築することができ、その構築したモデルに基づいて、モデル予測制御を容易に実装することができる。
<J.結論>
サーボドライバに接続される制御装置において、モデル予測制御などのモデルベース制御を実行させる場合には、事前に制御対象の内部モデルを作成する必要がある。このような内部モデルの作成には、ある程度の知識および経験が必要であり、誰でも利用できるような制御手法ではなかった。
これに対して、本実施の形態によれば、チューニングにより制御対象に応じた制御パラメータを決定するサーボドライバを利用することで、当該サーボドライバに内部設定されている内部モデル(すなわち、サーボパラメータ)を制御装置100にて利用することで、制御装置100から見た制御対象の動特性を示す内部モデルを容易に作成することができる。
このような内部モデルの作成機能を利用することで、内部モデルの作成についての知識および経験がないユーザであっても、モデル予測制御などのモデルベース制御を容易に利用することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 制御システム、2 XYステージ、3 ワーキングプレート、4 第1ベースプレート、6,9 ボールネジ、7 第2ベースプレート、100 制御装置、101 フィールドバス、102 プロセッサ、104 チップセット、106 メインメモリ、108 フラッシュメモリ、110 システムプログラム、110A モデル作成ライブラリ、110B モデル予測制御ライブラリ、112 ユーザプログラム、112A シーケンスプログラム、112B モーションプログラム、116 外部ネットワークコントローラ、118 メモリカードインターフェイス、120 メモリカード、122 内部バスコントローラ、124 フィールドバスコントローラ、126 I/Oユニット、150,150X,150Y モデル作成モジュール、160,160X,160Y 内部モデル、170,170X,170Y モデル予測制御モジュール、172 予測演算部、180,180X,180Y 軌跡生成モジュール、182 時系列データ、182X,182Y,210,214 差分演算部、200,200X,200Y サーボドライバ、212 位置制御部、216 速度制御部、218 加算部、220 トルク制御部、222 速度検出部、230,230X,230Y 自由度制御部、250X,250Y 規範モデル、300,300X,300Y サーボモータ、302 エンコーダ。
以上のような処理手順によって、本実施の形態に従うモデル予測制御が実現される。なお、ステップS108〜S114の処理は、指定されたサーボドライバ200の各々について実施される。そのため、複数のサーボドライバ200のそれぞれについてのステップS108〜S114の処理が並列的に実行されることもある。
同様に、Y軸ついてのモデル予測制御において、軌跡生成モジュール180Yは、予め指定された目標軌跡に沿って目標位置の時系列データを生成し、各制御周期に対応する目標位置Yを時系列データから順次読出し、モデル予測制御モジュール170Yへ入力する。モデル予測制御モジュール170Yは、軌跡生成モジュール180Yからの目標位置Yと機械系(Y)実位置Yを、予め作成されている内部モデル(Y軸)に適用することで、補正目標位置Yを算出する。そして、モデル予測制御モジュール170Yは、算出した補正目標位置Yをサーボドライバ200Y(モデル追従制御部230Y)へ与える。
<G.モデル予測制御>
次に、モデル予測制御について詳細に説明する。以下に説明する処理の詳細は、図5のステップS108〜S114の処理、ならびに、図7に示すモデル予測制御モジュール170X,170Yおよび軌跡生成モジュール180X,180Yの機能に対応する。
図8は、本実施の形態に従う制御装置100においてモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。図8を参照して、制御装置100(軌跡生成モジュール180X,180Y)は、制御対象(機械系(X軸)および機械系(Y軸))を移動させるべき位置(目標位置)の時系列データ182を生成および保持する。目標位置の時系列データ182は、制御装置100で実行されるプログラムがアクセス可能な配列変数に格納されるようにしてもよい。モデル予測制御モジュール170X,170Yは、配列変数を参照することなどによって、目標位置の時系列データ182にアクセスして、各制御周期における目標位置(現制御周期に対応する目標位置および現制御周期からある一定期間の複数の目標位置を含む)を取得する。モデル予測制御モジュール170X,170Yは
、予測演算部172を含む。予測演算部172は、対応する目標位置と、対応するサーボドライバ200X,200Yから実位置X,Yとに基づいて、上述したような内部モデル式160X,160Yを適用して補正目標位置X,Yを算出する。
図9は、本実施の形態の変形例に従う制御装置100において制御対象の内部モデル160を作成するときの機能構成を示す模式図である。図10は、本実施の形態の変形例に従う制御装置100において制御対象の内部モデル160を用いたモデル予測制御が実行されるときの機能構成を示す模式図である。
制御装置100においては、上述したような単純適応制御系の制御ループに対応して、内部モデルが作成される。内部モデルが作成された後の処理は、上述の実施の形態と同様である。すなわち、図10に示すように、X軸についてのモデル予測制御において、軌跡生成モジュール180#Xは、各制御周期に対応する目標位置Xを時系列データから順次読出し、モデル予測制御モジュール170#Xへ入力する。モデル予測制御モジュール170Xは、軌跡生成モジュール180Xからの目標位置Xと機械系(X)の実位置Xとの差分から、X軸についての位置偏差を算出し、予め作成されている内部モデル(X軸)を適用することで、補正目標位置Xを算出する。そして、モデル予測制御モジュール170#Xは、算出した補正目標位置Xをサーボドライバ200#Xへ与える。
1 制御システム、2 XYステージ、3 ワーキングプレート、4 第1ベースプレート、6,9 ボールネジ、7 第2ベースプレート、100 制御装置、101 フィールドバス、102 プロセッサ、104 チップセット、106 メインメモリ、108 フラッシュメモリ、110 システムプログラム、110A モデル作成ライブラリ、110B モデル予測制御ライブラリ、112 ユーザプログラム、112A シーケンスプログラム、112B モーションプログラム、116 外部ネットワークコントローラ、118 メモリカードインターフェイス、120 メモリカード、122 内部バスコントローラ、124 フィールドバスコントローラ、126 I/Oユニット、150,150X,150Y モデル作成モジュール、160,160X,160Y 内部モデル、170,170X,170Y モデル予測制御モジュール、172 予測演算部、180X,180Y,180#X,180#Y 軌跡生成モジュール、182 時系列データ、210,214 差分演算部、200,200X,200Y サーボドライバ、212 位置制御部、216 速度制御部、218 加算部、220 トルク制御部、222 速度検出部、230,230X,230Y モデル追従制御部、250X,250Y 規範モデル、300,300X,300Y サーボモータ、302 エンコーダ。

Claims (10)

  1. サーボモータを駆動するサーボドライバに目標値を与えることで、前記サーボモータを含む制御対象を制御する制御装置であって、
    前記サーボドライバとの間でデータを遣り取りするためのインターフェイスを備え、前記サーボドライバは、前記制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、前記サーボモータを駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されており、
    前記サーボドライバの前記制御パラメータを取得して、前記制御対象の動特性を示す内部モデルを作成する作成手段と、
    目標軌跡に対応する目標値と、前記制御対象からのフィードバック値とに基づいて、前記サーボドライバへ与える補正目標値を算出する目標値算出手段とを備える、制御装置。
  2. 前記目標値算出手段は、モデル予測制御に従って前記補正目標値を算出する、請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記制御装置は、複数の前記サーボドライバと接続されており、
    前記作成手段および前記目標値算出手段は、前記複数のサーボドライバの各々に対応付けて構成される、請求項1または2に記載の制御装置。
  4. 前記制御装置と前記サーボドライバとは通信接続されており、
    前記作成手段は、所定の通信コマンドを前記サーボドライバへ発行することで、前記制御パラメータを取得する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の制御装置。
  5. 前記制御装置は、ユーザプログラムを実行するプロセッサを含み、
    前記作成手段および前記目標値算出手段は、前記ユーザプログラムに規定されるファンクションブロックによって機能化される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。
  6. 前記目標軌跡を規定する目標値の時系列データを格納する記憶手段をさらに備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。
  7. 前記サーボドライバは、モデル追従制御系の制御ループに従う制御演算を実行する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の制御装置。
  8. 前記サーボドライバは、単純適応制御系の制御ループに従う制御演算を実行する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の制御装置。
  9. サーボモータを駆動するサーボドライバに目標値を与えることで、前記サーボモータを含む制御対象を制御する制御装置で実行される制御プログラムであって、前記サーボドライバは、前記制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、前記サーボモータを駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されており、前記制御プログラムは前記制御装置に、
    前記サーボドライバの前記制御パラメータを取得するステップと、
    前記制御対象の動特性を示す内部モデルを作成するステップと、
    目標軌跡に対応する目標値を取得するステップと、
    前記制御対象からのフィードバック値とに基づいて、前記サーボドライバへ与える補正目標値を算出するステップとを実行させる、制御プログラム。
  10. 制御システムであって、
    サーボモータを駆動するサーボドライバと、
    前記サーボドライバに目標値を与えることで、前記サーボモータを含む制御対象を制御する制御装置とを備え、
    前記サーボドライバは、前記制御対象に応じて決定された制御パラメータに基づいて、前記サーボモータを駆動するための操作量を決定する制御演算を実行するように構成されており、
    前記制御装置は、
    前記サーボドライバとの間でデータを遣り取りするためのインターフェイスと、
    前記サーボドライバの前記制御パラメータを取得して、前記制御対象の動特性を示す内部モデルを作成する作成手段と、
    目標軌跡に対応する目標値と、前記制御対象からのフィードバック値とに基づいて、前記サーボドライバへ与える補正目標値を算出する目標値算出手段とを備える、制御システム。
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