JP2019219762A - 制御装置、制御方法及びプログラム - Google Patents
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[工作機械の1軸の駆動構成例]
まず、工作機械の1軸の駆動構成例を説明する。
図1は、本実施形態に係る制御装置10を有する工作機械1の1軸の駆動構成要素を示す図である。図1に示すように、工作機械1は、制御装置10と制御対象機械2とを含んで構成される。
次に、制御装置10の機能構成例を説明する。
図2は、本実施形態に係る制御装置10の機能構成を示すブロック図である。
図2に示すように、制御装置10は、制御部101、及び摩擦補償部16を備える。制御装置10は、制御対象機械2を制御する。
制御部101は、位置比例制御部11(指令値取得部、観測値取得部)、速度比例積分制御部12、演算部13、電流制御部14、及び擬似微分部15(観測値取得部)を備える。
また、摩擦補償部16は、差分演算部161(指令値取得部)、摩擦演算部162(観測値取得部)、補償部163、及び補正部164を備える。
摩擦演算部162は、変換部1621及び摩擦モデル記憶部1622を備える。
補償部163は、摩擦補償フィルタ記憶部1631を備える。
次に、摩擦モデル記憶部1622が記憶する摩擦モデルの一例を説明する。
図3は、摩擦モデルの例を示す図である。図3において、横軸は速度[deg/s]であり、縦軸は摩擦力[Nm]である。
符号g1は、加速時の速度に対する摩擦力の特性である。符号g1の摩擦力は、符号g11に示すように、速度0から速度が増加する方向に変化する。
符号g2は、減速時の速度に対する摩擦力の特性である。符号g2の摩擦力は、符号g12に示すように、速度が約50から速度が減少する方向に変化する。
なお、図3に示した特性はシミュレーション値である。このような摩擦モデルは、例えば、図7を用いて後述する制御対象機械2の物理モデルによって算出する。このため、摩擦モデルは、制御対象機械2に応じて異なる。
次に、補正部164が行う処理例を説明する。
図4は、本実施形態に係る補正部164が行う処理手順例を示すフローチャートである。
図2に示したように、制御装置10は、制御対象機械2に対してフィードバック制御を行っている。このため、仮にテーブル23(図1)が進みすぎた場合、速度比例積分制御部12が出力するトルク指令値τ*は、進みすぎた分を戻す制御値となる。このように進み過ぎたときに、補正部164によって更に戻すような補正トルク指令値Δτ*を出力してしまうと結果として戻りすぎてしまい、テーブル23のスティックスリップ現象の振動を助長することになりかねない。このため、本実施形態では、角度指令差分値ΔθM*に応じて、摩擦補償値の出力を補正することで、スティックスリップ現象の振動を助長しないようにしている。なお、スティックスリップ現象とは、摩擦によって発生する摩擦面の付着や、滑りの繰り返しによって引き起こされる振動現象である。
次に、制御装置が制御対象機械2を制御した結果を解析した例を説明する。
図5は、本実施形態に係る制御装置10が制御対象機械2を制御した結果を解析した例を示す図である。なお、図5において、時刻1のときに制御を開始している。
符号g31は、モータ側の角度の変化を示している。符号g32は、負荷側の角度の変化を示している。符号g33は、スティックスリップ現象が発生していないリファレンスの角度の変化を示している。
符号g34は、モータ側の角度エラーの変化を示している。符号g35は、負荷側の角度エラーの変化を示している。
符号g36は、統合トルク(Total Torque)の変化を示している。符号g37は、摩擦補償(Friction Compensation)の変化を示している。
また、本実施形態によれば、補償部163が制御ループにおける位相遅れや位相進みの補償を行って前記指令値の補正値である補正指令値を生成しているため、負荷摩擦発生個所に作用するまでに遅れや減衰の影響を低減することができ、摩擦を正しく補償できる。
まず、比較例における工作機械900の構成例を説明する。
図6は、比較例における工作機械900の構成例を示すブロック図である。図6に示すように、工作機械900は、制御装置910と制御対象機械2を含んで構成される。
制御装置910は、位置比例制御部11、速度比例積分制御部12、電流制御部14、擬似微分部15、演算部913、微分処理部921、及び推定部922備える。制御装置10と同様の機能を有する機能部には、同じ符号を用いて説明を省略する。
推定部922は、摩擦モデルを記憶する。推定部922は、微分処理部921が求めた速度を用いて、摩擦モデルを参照して摩擦力を推定する。推定部922は、推定した摩擦力を補償トルク指令値τ’*として演算部913に出力する。
図7は、比較例における制御装置が制御対象機械2を制御した結果を解析した例を示す図である。なお、図7において、時刻1のときに制御を開始している。
符号g41は、モータ側の角度の変化を示している。符号g42は、負荷側の角度の変化を示している。符号g43は、スティックスリップ現象が発生していないリファレンスの角度の変化を示している。
符号g44は、モータ側の角度エラーの変化を示している。符号g45は、負荷側の角度エラーの変化を示している。
符号g46は、統合トルクの変化を示している。符号g47は、摩擦補償の変化を示している。
次に、補償部163で用いられる摩擦補償フィルタの例について説明する。
まず、摩擦補償フィルタを求めるために用いる制御対象機械の物理モデルと摩擦補償部の物理モデルについて説明する。
また、符号CPはトルク指令値τ*を入力とする閉ループである。この閉ループCPの伝達関数をP(s)とする。
ギア22についての伝達関数は、ギア22の慣性モーメントJdとギア22の粘性係数Ddによって規定される。
テーブル23についての伝達関数は、テーブル23の慣性モーメントJLとテーブル23の粘性係数DLによって規定される。
伝達関数T2は、ギア22とテーブル23とを連結する連結部材の剛性係数KRによって規定される。
第2線形摩擦係数52は、制御系負荷摩擦モデルであり線形係数Fcとする。第2線形摩擦係数52は、摩擦モデルを用いて、微分部51から入力された速度に対応する摩擦値を推定して出力する。第2線形摩擦係数52は、推定した推定摩擦値を摩擦補償フィルタ53に出力する。
図9における閉ループの伝達関数P(s)は、次式(1)のように表される。
式(2)の分子をB1(s)とすると、次式(4)となる。
また、式(11)において、a1 ’は次式(12)であり、a2 ’は次式(13)であり、a3 ’は次式(14)であり、a4 ’は次式(15)であり、a5 ’は次式(16)である。
なお、式(11)の摩擦補償フィルタGは、図9に示した物理モデルを解いた値である。このため、制御対象である機械が異なり物理モデルが頃なる場合、摩擦補償フィルタGは式(11)と異なる値となる。この場合であっても、摩擦補償フィルタGは、摩擦の影響をキャンセルするフィルタとして設計する。
また、本実施形態では、推定した摩擦力は、閉ループ系から非線形摩擦の影響が消えるよう、モータから負荷への特性の位相遅れと位相進みを補償してから加算するようにした。
また、本実施形態では、モデル化困難な非線形負荷摩擦を動作点近傍で線形し、内部慣性系の影響を補正するフィルタを設計するようにした。なお、線形化によるモデル化誤差については、フィードバック制御で補償することで影響を減らすようにした。
また、本実施形態では、指令値から摩擦発生方向を予測し、摩擦力を補正することでハンチングを防ぐようにした。
ここで、従来は、アクチュエータから実際の摺動部までの間には複数慣性系に模擬されるような機械要素が内在する(例えば減速機剛性、回転系であればシャフト捩じり剛性、並進系であれば並進変換に使われるボールねじ剛性など)に対し、これら特性を簡便なDCゲインで補正していた。しかしながら、高精度な摩擦補償を実現するに当たり、機械要素特性を精緻に把握して補正すべきであったが、従来の手法では補正できなかった。
これに対して本実施形態によれば、高精度な摩擦補償を実現するにあたり、機械要素特性を精緻に把握して補正することができる。
また、本実施形態によれば、スリップの際にオーバシュートが発生しても、摩擦補償方向を補正部164によって制限することでハンチング(補正値の振動)を低減することができる。このように、本実施形態によれば、角度指令差分値ΔθM*に応じて、摩擦補償値の出力を補正部164が補正することで、スティックスリップ現象の振動を助長しないようにすることができる。
第1実施形態では、制御対象機械2の負荷であるテーブル23(図1)にエンコーダが取り付けられている例を説明した。本実施形態では、制御対象機械2のモータ21(図1)にエンコーダ(不図示)が取り付けられている例を説明する。
図10に示すように、制御装置10Aは、制御部101、及び摩擦補償部16Aを備える。制御装置10Aは、制御対象機械2を制御する。
制御部101は、位置比例制御部11(指令値取得部、観測値取得部)、速度比例積分制御部12、演算部13、電流制御部14、及び擬似微分部15(観測値取得部)を備える。
摩擦補償部16Aは、差分演算部161(指令値取得部)、摩擦演算部162A(観測値取得部)、補償部163、及び補正部164を備える。
摩擦演算部162Aは、変換部1621A及び摩擦モデル記憶部1622Aを備える。
補償部163は、摩擦補償フィルタ記憶部1631を備える。
なお、制御装置10と同様の機能を有する機能部には、同じ符号を用いて説明を省略する。
そして、本実施形態の構成で得られる結果は、第1実施形態の構成と同等である。
これにより、本実施形態では、第1実施形態と同等の効果を得ることができる。
第1実施形態の制御装置10、または第2実施形態の制御装置10Aは、外乱オブザーバ部を備えていてもよい。
図11に示すように、制御装置10Bは、制御部101B、摩擦補償部16A、及び第1の外乱オブザーバ部17を備える。
制御部101Bは、位置比例制御部11(指令値取得部、観測値取得部)、速度比例積分制御部12、演算部13B、電流制御部14、及び擬似微分部15(観測値取得部)を備える。
第1の外乱オブザーバ部17は、モデル記憶部171を備える。
このため、本実施形態では、第1の外乱オブザーバ部17を更に備えるようにした。
なお、第1実施形態で説明した制御装置10が第1の外乱オブザーバ部17を更に備えた場合であっても、同様の効果を得ることができる。
第3実施形態では、第1の外乱オブザーバ部17(図11)が生成した補正値によって、トルク指令値を補正する例を説明した。本実施形態では、外乱オブザーバ部が生成した補正値εを元に、フィードフォワード補正量を逐次更新する例を説明する。本実施形態においても、第1実施例の制御装置10、または第2実施形態の制御装置10Aに適用することができる。
図12に示すように、制御装置10Cは、制御部101、摩擦補償部16C、及び第2の外乱オブザーバ部17C(または第3の外乱オブザーバ部17D)を備える。第2の外乱オブザーバ部17C(または第3の外乱オブザーバ部17D)は、モデル記憶部171を備える。
制御部101は、位置比例制御部11(指令値取得部、観測値取得部)、速度比例積分制御部12、演算部13、電流制御部14、及び擬似微分部15(観測値取得部)を備える。
摩擦補償部16Cは、差分演算部161(指令値取得部)、摩擦演算部162C(観測値取得部)、補償部163C、及び補正部164を備える。
摩擦演算部162Cは、変換部1621及び摩擦モデル記憶部1622を備える。
補償部163Cは、摩擦補償フィルタ記憶部1631を備える。
例えば、摩擦演算部162Cは、補正値εが大きいほど摩擦外乱が大きく十分に補償されていないとみなしてKを大きくする。摩擦演算部162Cは、逆に補正値εが小さい場合、十分に摩擦が補償されているとみなしてKをデフォルトである1に近づける。
第2の外乱オブザーバ部17Cによる補正値εは、外乱の推定誤差を示している。推定誤差が大きいということは摩擦が大きいということなので、本実施形態では、これを補正すべくフィードフォワード補正量を大きくする。オブザーバでも補正可能だが、制御対象機械2の共振など機械特性によりオブザーバ帯域を上げられない場合には補正が遅れる。このような場合は、フィードフォワードで補正したほうが遅れを少なくできるので、即時非線形特性を補償できる。
また、制御装置10(または10A、10B、10C)は、補償部163(または163C)を備えていなくてもよい。この場合であっても、角度指令差分値ΔθM*に応じて、摩擦補償値の出力を補正部164が補正することで、スティックスリップ現象の振動を助長しないようにすることができる。
10,10A,10B,10C…制御装置、
2…制御対象機械、
101,101B…制御部、
11…位置比例制御部(指令値取得部、観測値取得部)、
12…速度比例積分制御部、
13,13B…演算部、
14…電流制御部、
15…擬似微分部(観測値取得部)、
16,16A,16C…摩擦補償部、
161…差分演算部(指令値取得部)、
162,162A,162C…摩擦演算部(観測値取得部)、
163,163C…補償部、
164…補正部、
1621,1621A…変換部、
1622,1622A…摩擦モデル記憶部、
1631…摩擦補償フィルタ記憶部、
17…第1の外乱オブザーバ部、
17C…第2の外乱オブザーバ部、
17D…第3の外乱オブザーバ部、
171…モデル記憶部、
21…モータ、
22…ギア、
23…テーブル、
θM*…モータ位置指令値、
θM…モータ位置観測値、
ωM*…モータ速度指令値、
ωM…モータ速度観測値、
τ*…トルク指令値、
Δτ*…補正トルク指令値、
τ…トルク、
ΔθM*…角度指令差分値、
P(s)…閉ループの伝達関数、
F,FC…線形係数、
JM…モータの慣性モーメント、
DM…モータの粘性係数、
Jd…ギアの慣性モーメント、
Dd…ギアの粘性係数、
JL…テーブルの慣性モーメント、
DL…テーブルの粘性係数、
Kg…モータとギアとを連結する連結部材の剛性係数、
KR…ギアとテーブルとを連結する連結部材の剛性係数、
G…関数(摩擦補償フィルタ)、
ωL…テーブル速度観測値、
TfL…摩擦抵抗、
K,K’…フィードフォワード補正量、
ε…補正値
Claims (12)
- 制御対象機械に対する指令値を取得する指令値取得部と、
前記制御対象機械についての観測値を取得する観測値取得部と、
前記指令値と前記観測値の差を解消するように前記制御対象機械を制御する制御部と、
前記観測値と前記制御対象機械に適用される摩擦モデルに基づいて前記制御対象機械に作用する摩擦力を求める摩擦演算部と、
前記摩擦力に対して、制御ループにおける前記制御対象機械との位相のずれの補償を行って前記指令値の補正を行う補償部と、
を備える制御装置。 - 前記指令値が示す前記制御対象機械の移動方向にさらに基づいて、前記指令値を補正する補正部、を更に備える、請求項1に記載の制御装置。
- 前記観測値は、前記制御部の制御によって位置が変化する前記制御対象機械の負荷の位置パラメータあり、
前記摩擦演算部は、前記負荷の位置パラメータを微分処理して前記制御対象機械における負荷の移動速度に変換する、請求項1または請求項2に記載の制御装置。 - 前記観測値は、前記制御部の制御によって回転角度が変化する前記制御対象機械のモータの回転角度であるモータ角度であり、
前記摩擦演算部は、前記制御対象機械の伝達関数及びノッチフィルタを用いて、前記モータ角度から前記制御部の制御によって位置が変化する前記制御対象機械の負荷の移動速度に変換する、請求項1または請求項2に記載の制御装置。 - 前記指令値と前記観測値の偏差と前記制御対象機械に適用される物理モデルに基づいて前記制御対象機械の速度を求め、求めた速度と前記観測値に基づく値との偏差にさらに基づいて前記指令値を補正する第1の外乱オブザーバ部、を更に備える、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の制御装置。
- 前記指令値と前記観測値の偏差と前記制御対象機械に応じた物理モデルに基づいて前記制御対象機械の速度を求め、求めた前記速度と前記観測値に基づく値との偏差に基づいて補正値を生成し、生成した前記補正値を前記摩擦演算部に出力する第2の外乱オブザーバ部、を更に備え、
前記摩擦演算部は、前記第2の外乱オブザーバ部が出力した前記補正値に基づいて、求めた前記摩擦力を更新する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記指令値と前記観測値の偏差と前記制御対象機械に応じた物理モデルに基づいて前記制御対象機械の速度を求め、求めた速度と前記観測値に基づく値との偏差に基づいて補正値を生成し、生成した前記補正値を前記補償部に出力する第3の外乱オブザーバ部、を更に備え、
前記補償部は、前記第3の外乱オブザーバ部が出力した前記補正値に基づいて、前記指令値の補正を行う、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の制御装置。 - 制御対象機械に対する指令値を取得する指令値取得部と、
前記制御対象機械についての観測値を取得する観測値取得部と、
前記指令値と前記観測値の差を解消するように前記制御対象機械を制御する制御部と、
前記観測値と前記制御対象機械に応じた摩擦モデルに基づいて前記制御対象機械に作用する摩擦力を求める摩擦演算部と、
前記指令値が示す前記制御対象機械の移動方向に基づいて、前記摩擦力に基づく値を補正して前記指令値の補正を行う補正部と、
を備える制御装置。 - 指令値取得部が、制御対象機械に対する指令値を取得するステップと、
観測値取得部が、前記制御対象機械についての観測値を取得する観測値取得部と、
制御部が、前記指令値と前記観測値の差を解消するように前記制御対象機械を制御するステップと、
摩擦演算部が、前記観測値と前記制御対象機械に適用される摩擦モデルに基づいて前記制御対象機械に作用する摩擦力を求めるステップと、
補償部が、前記摩擦力に対して、制御ループにおける前記制御対象機械との位相のずれの補償を行って前記指令値の補正を行うステップと、
を含む制御方法。 - 指令値取得部が、制御対象機械に対する指令値を取得するステップと、
観測値取得部が、前記制御対象機械についての観測値を取得するステップと、
制御部が、前記指令値と前記観測値の差を解消するように前記制御対象機械を制御すると、
摩擦演算部が、前記観測値と前記制御対象機械に応じた摩擦モデルに基づいて前記制御対象機械に作用する摩擦力を求めるステップと、
補正部が、前記指令値が示す前記制御対象機械の移動方向に基づいて、前記摩擦力に基づく値を補正して前記指令値の補正を行うステップと、
を含む制御方法。 - 制御対象機械を制御する制御装置のコンピュータに、
前記制御対象機械に対する指令値を取得するステップと、
前記制御対象機械についての観測値を取得する観測値取得部と、
前記指令値と前記観測値の差を解消するように前記制御対象機械を制御するステップと、
前記観測値と前記制御対象機械に適用される摩擦モデルに基づいて前記制御対象機械に作用する摩擦力を求めるステップと、
前記摩擦力に対して、制御ループにおける前記制御対象機械との位相のずれの補償を行って前記指令値の補正を行うステップと、
を実行させるプログラム。 - 制御対象機械を制御する制御装置のコンピュータに、
前記制御対象機械に対する指令値を取得するステップと、
前記制御対象機械についての観測値を取得するステップと、
前記指令値と前記観測値の差を解消するように前記制御対象機械を制御すると、
前記観測値と前記制御対象機械に応じた摩擦モデルに基づいて前記制御対象機械に作用する摩擦力を求めるステップと、
前記指令値が示す前記制御対象機械の移動方向に基づいて、前記摩擦力に基づく値を補正して前記指令値の補正を行うステップと、
を実行させるプログラム。
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