JP2595610B2 - 位置決め制御装置 - Google Patents

位置決め制御装置

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JP2595610B2 JP63016473A JP1647388A JP2595610B2 JP 2595610 B2 JP2595610 B2 JP 2595610B2 JP 63016473 A JP63016473 A JP 63016473A JP 1647388 A JP1647388 A JP 1647388A JP 2595610 B2 JP2595610 B2 JP 2595610B2
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【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、位置決め制御装置に係り、特にロボット等
の駆動部に適用して有効な位置決め制御装置に関するも
のである。
B.発明の概要 本発明は、位置指令信号を入力とし速度指令信号を出
力する位置制御部と、該速度指令信号を入力としモータ
に制御信号を出力する速度制御部からなる位置決め制御
装置において、 前記位置指令信号を入力とし徐々に飽和するような特
性を持ったソフトリミッタによりフィード・フォワード
出力を制限することにより、 モータの高速回転域でも滑らかな速度制御が可能な位
置決め制御装置を得るものである。
C.従来の技術 一般に、位置決め制御装置は第5図のような構成にな
っている。すなわち、第5図において、10はディジタル
位置制御部で、位置指令信号S1を入力としアナログ速度
指令信号S2を出力する。20は速度制御部で、位置制御部
10からのアナログ速度指令信号S2を入力とし速度制御信
号S3として電流信号を出力する。30はサーボモータで、
速度制御部20からの速度制御信号S3に基づいて回転動作
する。40は速度検出器で、サーボモータ30の回転速度を
検出する。50は位置検出器で、サーボモータ30の回転位
置を検出する。
第5図の位置決め制御装置によれば、速度制御部20の
速度制御出力信号S3をもとに、電流フィードバック信号
S4が速度制御部20にフィードバックされる。また、速度
検出器40から速度検出信号S5が速度制御部20にフィード
バックされる。さらに、位置検出器50からは位置検出信
号S6が位置制御部10にフィードバックされる。
すなわち、ディジタル位置制御部10は、位置指令信号
S1と位置フィードバック信号S6を入力とし、アナログ速
度指令信号S2を出力する。速度制御部20は、アナログ速
度指令信号S2,電流フィードバック信号S4および速度フ
ィードバック信号S5を入力とし、速度制御信号S3を出力
する。
第5図の位置決め制御装置において、速度制御部20と
サーボモータ30は、DCサーボアンプとDCサーボモータの
組み合わせでもよく、ACサーボアンプとACサーボモータ
との組み合わせでもよい。さらに、速度検出器40は位置
検出器50により兼用してもよい。
位置決め制御には、現在位置から目標点へ移動し単に
位置決めを行うPTP動作と、 現在位置から目標点までの定められた径路に沿って移
動して位置決めを行うCP動作とがある。産業用ロボット
等では、次の動作を行うとき使用される。すなわち、 PTP動作は、姿勢を大きく変える場合や、目標点まで
最短時間で高速動作する場合。
CP動作は、定められた径路(軌道)をトラッキングす
る場合である。
従来では、第5図の構成による位置決め制御装置は、
単純な位置のフィードバック制御のみを行う場合は、第
6図のブロック図となり、CP動作時のトラッキング精度
を向上させる場合は第7図のブロック図となる。
第6図において、11aは減算部、12は位置制御伝達関
数であって、これらの減算部11aと位置制御伝達関数12
は位置制御部10に対応する。21は速度制御系伝達関数で
速度制御部20に対応する。41は速度を位置に変換する伝
達関数で、速度検出器40に対応する。51は位置フィード
バック伝達関数であって、位置検出器50に対応する。
また、第6図と第7図において、定数ならびに変数は
次のように定義する。
S:ラプラス演算因子。
Pi(S):位置指令信号。
Po(S):位置出力。
Td1:無駄時間要素の遅れ時間。
Td2:サーボアンプの応答時間。
KFF:フィード・フォワード定数。
KL:位置偏差制御ゲイン。
KV:速度制御系の速度定数。
KP:速度を位置に変換する定数。
KFB:位置フィードバック定数。
第7図において、13は無駄時間要素伝達関数、11bは
比較器であって、これらの機能を位置制御部10に追加す
る。
第6図のブロック図に示す制御装置の応答特性のシュ
ミレーションによって求めたのが第9図であり、第7図
のブロック図で示す制御装置の応答特性を示したのが第
10図である。なお、シュミレーションに於ける条件は、
モータ1回転あたりの位置検出器50の分解能は4000パル
スとし、速度制御部20のサーボアンプへ3(V)の速度
指令が入力された場合、1000(rpm)でモータが回転す
るものとした。
D.発明が解決しようとする課題 第9図〜第10図の応答特性から明らかなように、第6
図のように単純なフィードバック制御のみを行う装置と
第7図のようにフィード・フォワード制御するものとの
如くの長所と短所は次の如くである。
〔第6図の位置決め制御装置〕 (1a)長所:第9図に示すように加減速制御を行う場
合、モータの回転域での加減速度が滑らかであるため、
例えばロボット本体のアームが、メカのマスバネ系によ
る振動を起こしにくい。
(1b)短所:第9図に示すように位置偏差パルスが大き
くなり、トラッキング精度が悪い。
〔第7図の位置決め制御装置〕 (2a)長所:第10図に示すようにCP動作時のトラッキン
グ精度は、大幅に改善される。フィード・フォワードに
よる補償を90%程度行うと、位置の偏差パルスは約1/10
となる。
(2b)短所:第10図に示すようにモータの高速回転域で
の加減速度が、急激に変化するため、例えばロボット本
体のアームが、メカのマスバネ系により、振動を起こし
易い。
また、例えば産業用ロボット等においては、一般的
に、PTP動作とCP動作におけるモータの回転数は、PTP動
作では数百(rpm)以上、CP動作では0(rpm)〜数百
(rpm)程度である。そこで、以上の点に鑑み、ディジ
タル位置制御部10に次のような特性を持たせることによ
り、フィードバック制御及びフィード・フォワード制御
の欠点を改善した。
(i)CP動作のように、モータの回転が比較的小さい場
合は、フィード・フォワード制御主体の動作を遂行させ
る。
(ii)PTP動作の様に、モータの回転数が大きい場合
は、フイード・バック制御主体の動作を遂行させる。
上記(i),(ii)の動作を実現するために、第8図
(A)に示すように位置制御部10にハードリミッタ15を
追加した構成とし、フィード・フォワードの出力をハー
ドリミッタ15による飽和要素により制限し、モータの回
転数が大きい場合フィード・フォワードの効果を低下さ
せ、フィードバック制御自体の動作となるようにした。
ところが、この方式ではモータの加減速を行った場
合、その応答が第8図(B)に示す応答波形となり、フ
ィード・フォワードの出力がハードリミッタ15により飽
和し始める時点で、第11図に示すように速度指令が急激
に変化し乱れるため、実用的ではなかった。
本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みてな
されたもので、その目的とするところは、位置決め制御
ループにフィード・フォワードループを設け、このフィ
ード・フォワードループの出力を、徐々に飽和するよう
なソフトリミッタにより滑らかな速度制御を可能とした
高精度の位置決め制御装置を提供することである。
E.課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明の位置決め制御装
置においては、位置指令信号を入力とする無駄時間要素
伝達関数,この無駄時間要素伝達関数の出力信号を一入
力とする減算部,位置制御伝達関数,速度指令信号を入
力とする速度・フィード・フォワード伝達関数,正弦波
特性の如き滑らかな飽和特性を有するソフトリミッタお
よび加算部によって位置制御部10を構成し、 速度制御系伝達関数によって速度制御部を構成し、速
度を位置に変換する伝達関数によって速度検出部を構成
すると共に、位置フィードバック伝達関数によって位置
検出部を構成する。
F.作用 フィード・フォワードの出力は、徐々に飽和する様な
ソフトリミッタにより制限され、モータを停止している
状態から数千(rpm)の高速回転まで加速したときにフ
ィード・フォワード主体の制御からフィードバック主体
の制御へ滑らかに切り換わり、高速回転域で、加減速度
も滑らかに変化する。
G.実施例 以下に、本発明の実施例について第1図〜第5図を参
照して説明する。
この実施例においては、第1図に示すように第5図に
示す位置制御部10内にさらにソフトリミッタ16の機能を
持たせたものである。ソフトリミッタ16は、フィード・
フォワードの出力を制限する飽和要素のソフトリミッタ
であり、第2図(A)に示す正弦波カーブ(sinカー
ブ)のものや、第2図(B)に示すように折れ線やその
他、徐々に飽和する様な入出力特性を持ったものであれ
ば良い。
この実施例による位置決め制御装置においては、第1
図に示すように、位置指令信号Pi(S)を入力とする無
駄時間要素伝達関数13,この無駄時間要素伝達関数13の
出力信号P′(S)を一入力とする減算部11a,位置制
御伝達関数12,速度指令信号Pi(S)を入力とする速度
・フィード・フォワード伝達関数14,ソフトリミッタ16
および加算部11bによって位置制御部10が構成されてい
る。
また、速度制御系伝達関数21によって速度制御部20が
構成され、速度を位置に変換する伝達関数41によって速
度検出部40が構成されると共に、位置フィードバック伝
達関数51によって位置検出部50が構成されている。
第1図に示す位置決め制御装置によれば、入力された
位置指令信号Pi(S)を無駄時間要素13よって一定時間
遅らせた信号P′(S)を作り、P′(S)から位
置フィードバック信号Pf(S)を減算して位置偏差信号
(偏差パルス)を求め、位置偏差信号にゲイン定数KL
乗じて位置制御信号Vε(S)を求める。また、位置指
令信号Pi(S)を微分して、その値にフィード・フォワ
ード定数KFFを乗じ、フィード・フォワード信号V
ff(S)の値を、入力に応じて出力が徐々に飽和する様
な特性を持ったソフトリミッタ16によりフィード・フォ
ワード信号Vff(S)の値を制限して位置決め偏差信号
V′ff(S)を求め、先の位置決め制御信号Vε(S)
と位置決め偏差信号V′ff(S)の値を加算して速度制
御部20への速度指令Vi(S)を求め、これによりサーボ
モータ30の回転数が大きい場合はフィード・フォワード
の効果を制限し、フィード・バック制御(偏差制御)主
体の動作に切り換える。
したがって、サーボモータ30を0(rpm)から2000(r
pm)まで0.5秒で加減速を行ったときの応答は第3図に
示すようになり、第10図に示す従来のものでフィード・
フォワード制御をそのまま実施した場合と比較して、モ
ータの高速回転域で加減速度が滑らかに変化した。
また、第4図に示すように、CP動作の如くモータの回
転数が比較的低い場合で、0(rpm)から666(rpm)ま
で0.5(秒)で加減速を行った場合は、フィード・フォ
ワード制御が充分に効き、フィード・フォワード制御を
行わない場合に比べて、1/20〜1/30の偏差パルスとなっ
た。
H.発明の効果 本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下のような効果を奏する。
(i)CP動作の様に、モータの回転数が、比較的小さい
範囲は、フィード・フォワードが充分に作用する為、極
めて、偏差パルスが小さくなり、トラッキング精度が、
大幅に改善される。
(ii)PTP動作の様に、モータの回転数が、比較的大き
い場合は、フィード・フォワード主体の動作から、フィ
ードバック主体の動作へ徐々に切り換わるため、モータ
の高速回転域での加減速度の変化がなめらかになり、被
駆動体が、振動しにくくなる。
(iii)フィード・フォワードの出力を制限するソフト
リミッタは、徐々に、飽和する特性をもったものならば
何でもよく、折れ線近似による関数でもよく、計算も簡
単である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係る位置決め制御装置の伝達
関数ブロック図、第2図(A)および第2図(B)はそ
れぞれ第1図のブロック図で用いるソフトリミッタの特
性図、第3図〜第4図は第1図の伝達関数ブロック図に
よる動作特性図、第5図は位置決め制御装置のブロック
図、第6図〜第8図は、それぞれ、従来の位置決め制御
装置の伝達関数ブロック図、第9図は第6図の装置によ
る動作特性図、第10図は第7図の装置による動作特性
図、第11図は第8図の装置による動作特性図である。 10……位置制御部、20……速度制御部、30……サーボモ
ータ、40……速度検出部、50……位置検出部、10a……
減算部、11b……加算部、12……ゲイン定数伝達関数、1
3……無駄時間要素伝達関数、14……フィード・フォワ
ード定数伝達関数、16……ソフトリミッタ、21……速度
制御系伝達関数、41……速度位置変換伝達関数、51……
位置フィードバック伝達関数。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】位置指令信号とモータの位置を検出する位
    置検出部からの位置フィードバック信号を入力とし速度
    指令信号を出力する位置制御部と、この位置制御部の速
    度指令信号と前記モータの速度を検出する速度検出部か
    らの速度フィードバック信号を入力とし前記モータに制
    御信号を出力する速度制御部からなる位置決め制御装置
    において、 位置指令信号(Pi)を無駄時間要素によって一定時間遅
    らせた信号(P′)を作り、該信号(P′)から位
    置フィードバック信号(Pf)を減算して位置偏差信号を
    求め、位置偏差信号にゲイン定数(KL)を乗じて位置制
    御信号(Vε)を求める手段と、 位置指令信号(Pi)を微分してその値にフィード・フォ
    ワード定数(KFF)を乗じてフィード・フォワード信号
    (Vff)を得る手段と、 前記フィード・フォワード信号(Vff)の値を入力とし
    て、該入力に応じて出力を徐々に飽和させる特性を有す
    るソフトリミッタと、 前記位置制御信号(Vε)の値と、前記入力に応じて出
    力が徐々に飽和する特性を有するソフトリミッタにより
    制限される該リミッタからの位置決め偏差信号
    (V′ff)の値を加算して前記速度制御部への位置指令
    信号(Vi)を求め、前記モータの回転数が小さいときは
    フィード・フォワードを効かせて位置の偏差を小さく
    し、モータの回転数が大きいときはフィード・フォワー
    ドの効果を制限してフィードバック制御主体の動作に切
    り換える手段とによって前記位置制御部を構成したこと
    を特徴とする位置決め制御装置。
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