JP2738399B2

JP2738399B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP2738399B2
Application number: JP1496991A
Authority: JP
Inventors: 巧坂口
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-01-16
Filing date: 1991-01-16
Publication date: 1998-04-08
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JPH04242409A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サーボモータを用いた
位置制御装置に関し、特に、位置制御装置を構成するサ
ーボ増幅器のゲイン調整に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の位置制御装置は、一般に、図３に
示すように、サーボモータ１と、このサーボモータ１に
機械的に接続され、サーボモータ１の動作量を検出する
位置検出器２と、サーボモータ１の動作速度を検出する
速度検出器３と、位置検出器２の出力と外部から与えら
れるサーボータ１に対する動作指令値４との差を増幅す
る為の誤差増幅器５と、この誤差増幅器５の出力に従っ
てサーボモータ１に電力を供給し、サーボモータ１を駆
動するための電力増幅器６とから構成されている。位置
検出器２には、多くの場合、インクリメンタル形のエン
コーダが用いられ、又、動作指令値４は外部からパルス
列で与えられる。両者は、アップ／ダウンカウンタ、Ｄ
／Ａコンバータ及びオペアンプで構成される誤差増幅器
５で差が取られ、アナログ信号に変換されて、さらに適
当なゲインで増幅される。通常、周波数特性を改善する
ために、この誤差増幅器５の出力にタコジェネレータ等
の速度検出器３の出力がフィードバックされる。

【０００３】この様な従来の位置検出装置において、通
常、誤差増幅器５に含まれるアナログ回路部分における
ドリフトによって、外部からの動作指令値４がないにも
拘らず、サーボモータ１が動いてしまう。この時、サー
ボモータ１に接続された位置検出器２からの出力が誤差
増幅器５にフィードバックされ、ドリフトによって動い
た分を元に戻そうとする復元力が働く。即ち、この位置
制御装置のほぼ分解能の範囲内で、ほぼ一定の周期で振
動することになる。この周期はアナログ回路の温度特
性、周囲温度等によって異なるが、一般的には１〜数秒
である。

【０００４】この位置制御装置として、例えば、ＸＹテ
ーブルをＤＣサーボモータで駆動し、位置検出器２とし
てインクリメンタル形エンコーダを用いたものを想定す
る。この時、エンコーダの分解能を１０００パルス／回
転、ボールネジのピッチを５ｍｍとする。動作指令値４
のない停止状態において、大体±５μｍの範囲で振動す
ることになる。

【０００５】この程度の振動がどの程度問題になるか
は、当然要求される性能、主に位置決め精度による。一
般的に、位置決め精度或いは再現性として±１〜２パル
スに相当する値に設定する。従って、上記範囲の振動
は、位置決め精度或いは再現性をかなり悪化させること
になる。

【０００６】この振動をなくす方法として、誤差増幅器
５のゲインを下げることが、一般的に行われる。外部か
らゲイン切換え信号７を与えることにより、誤差増幅器
５のゲインを下げれば、それに応じてドリフト量も減
り、このドリフトによってサーボモータ１に発生するト
ルクを負荷より小さくしてやることによって、動作指令
値４が０の状態でサーボモータ１が動いてしまうのを防
ぐことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来の位置制御装
置では、動作指令値が０の停止状態での振動を防ぐため
に、誤差増幅器５のゲインを下げるという操作を行って
いる。これを行うタイミングを、サーボモータ１が指定
量動作し終ったことを何らかの方法で検出することによ
って取っている。検出方法としては、位置制御装置内部
に動作量を設定するプリセットカウンタを持ち、これを
動作量に応じて減算して行き、０になった時を動作完了
として、所謂、インポジション信号を出力するというの
が、一般的である。このインポジション信号に合わせて
誤差増幅器５のゲインを下げるわけであるが、動作条
件、即ち、動作速度、加速度、動作量、負荷の大きさに
よっては、図４に示すように、オーバシュート２０が出
ることもある。この時には、インポジション信号が出て
も、サーボモータ１は停止していない。もし、この時に
誤差増幅器５のゲインを下げると、サーボモータ１はオ
ーバシュートによって、指令動作量２１よりも行き過ぎ
たまま、元に戻らなくなり、大きな位置ずれを起こす虞
がある。

【０００８】そのため、このインポジション信号でタイ
ミングを取って誤差増幅器５のゲインを下げる場合、オ
ーバシュートが治まり、定常状態に達するまで、インポ
ジション信号が出てから誤差増幅器５のゲインを下げる
までの間に適当な時間（ポーズ）を置く必要がある。こ
の時、問題になるのが、ポーズの長さをどう決めるかで
ある。オーバシュート量は、動作速度、動作量、加速
度、負荷の大きさによって異なる。これらが大きくなれ
ば、オーバシュート量も大きくなり、インポジション信
号が出てから動作が定常状態に達するまでの時間も長く
なる。よって、ポーズの長さは考えられる使用条件の中
で最も長いものに合わせて決めることになる。しかしな
がら、微少量を繰り返し動作させるような使い方では、
余分がポーズを大量に取ることになり、この位置制御装
置の処理能力を著しく低下させるという問題がある。

【０００９】これを解決する手段として、例えば、動作
量と動作速度に応じて、ポーズの長さを変えてやること
が考えられる。しかしながら、この方法では、それを行
うためのプログラムが複雑になることや、ポーズの長さ
を実験的に求める必要がある。そのため、動作量と動作
速度の２つのパラメータの組合せで考えても、求めるデ
ータの数としては相当量になり、もしこれに負荷の大き
さが加われば、もはや現実的な方法とは言えない。

【００１０】本発明の目的は、簡単な構成で、誤差増幅
手段のゲインの切換えのタイミングを最適化できる位置
制御装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による位置制御装
置は、サーボモータと、このサーボモータの動作量及び
動作速度を検出するための位置検出手段及び速度検出手
段と、位置検出手段の出力値と動作指令値との差を増幅
すると共に速度検出手段の出力値をフィードバックする
誤差増幅手段と、この誤差増幅手段の出力値に従ってサ
ーボモータに電力を供給する電力供給手段とを有する位
置制御装置において、サーボモータの動作速度の時間的
な変化率を検出する加速度検出手段を有しており、さら
に、この加速度検出手段と速度検出手段のそれぞれの出
力値の２乗値とを互いに任意の比率で加算し、この加算
値の大きさに従って誤差増幅手段のゲインを少なくとも
２段階に切り換える処理手段を有している。

【００１２】

【作用】このような構成によって、サーボモータの動作
が定常状態に達したことを、即ち、停止したタイミング
を一義的に知ることができ、誤差増幅手段のゲインの切
換えタイミングを最適化できる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の第１の実施例による位置制
御装置を示すブロック図である。図１において、図３と
同様の機能を有するものには同一の参照符号を付し、そ
れらの説明を省略する。

【００１４】速度検出器３の出力は微分回路８に供給さ
れる。この微分回路８で、動作速度の変化率、即ち、加
速度が検出される。速度検出器３の出力と微分回路８の
出力とは、それぞれ２乗増幅器９及び１０で２乗された
後、それぞれ適当なゲインで増幅される。両者は加算さ
れた後、コンパレータ１１で基準電圧１２と比較され、
基準電圧１２との大小関係によって誤差増幅器５に含ま
れるオペアンプのゲインを切換える。

【００１５】本実施例の位置制御装置の動作指令値付近
でのふるまいは、図４に示すように、振動的となる。但
し、これはサーボ系のゲイン、位相補償等の具合によっ
て振動をなくすことができる。しかし、位置検出器２の
分解能程度の位置精度或いは再現性を要求する場合、誤
差増幅器５のゲインをできるだけ下げ、ダンピングをか
なり押さえた状態にして使うので、一般的に図４に示す
ようになる。

【００１６】この時、位置制御装置としてのインポジシ
ョン信号は、図４の動作量を示す曲線が指令動作量２１
を横切る複数の点で出ることなる。従って、このインポ
ジション信号だけで誤差増幅器のゲインを下げるタイミ
ングを正確に取ることは出来ない。図４に示す動作量の
指令値付近での曲線は、下記の数式１で近似的に表され
る。

【００１７】

【数１】

【００１８】ここで、Ａは任意の係数、τは振動が減衰
していく時の時定数である。この時、動作速度は、下記
の数式２で与えられる。

【００１９】

【数２】

【００２０】ここで、Ｂ＝τＡ／ｓｉｎψ，ｔａｎψ＝τ／ω。また、加速度、即ち、微分回路８の出力は、下記の数式
３で与えられる。

【００２１】

【数３】

【００２２】ここで、Ｃ＝τＢ／ｓｉｎθ，ｔａｎθ＝τ／ω＝ｔａｎψ。数式２と数式３を２乗して、それぞれ任意の係数を掛け
て加算すると、下記の数式４が得られる。

【００２３】

【数４】

【００２４】ここで、Ｃ²／Ｂ²＝Ｋ₁／Ｋ₂となるよ
うに、Ｋ₁，Ｋ₂を選べば、下記の数式５が得られる。

【００２５】

【数５】

【００２６】ここで、ψ＝ｎ×π（ｎ：自然数）の場合
の除いて、数式５の［］内が０になることはない。も
し、ψ＝πとすると、ｔａｎψ＝０となり、τ＝０でな
ければならない。

【００２７】τ＝０はサーボモータ１の動作量がオーバ
シュート２０することなく、瞬時に指令値に達してお
り、この場合は、従来例でも、本発明でもどちらでも対
応可能なので、ここでは、この場合を考慮する必要はな
い。また、Ｋ₁，Ｋ₂は、図１の２乗増幅器９，１０の
それぞれのゲインに対応する。

【００２８】以上の理由により、数式５はサーボモータ
１の動作量が指令値に達し、完全な停止状態になるまで
の間に０になることはない。従って、これをコンパレー
タ１１で基準電圧１２と比較し、この基準電圧１２より
も小さくなったときのコンパレータ１１の出力によっ
て、常に、サーボモータの動作終了、即ち、停止のタイ
ミングを一義的に知ることができる。これによって、誤
差増幅器５の中のオペアンプのゲインを切換えれば、動
作量、速度、負荷の大きさ等の動作条件に拘らず、常に
最短時間でゲインを切換えることができる。

【００２９】数式５はψ＝０でない限り、脈動すること
になるが、一般的な値として、τ＝５０（ｍ秒）、ω＝
２π×１００＝６２８（ｒａｄ／秒）とすると、ψ＝
４．６×１０^-3（ｒａｄ）となり、数式５の値は、Ｔの
よらず、ほぼ１とみなしてかまわない。

【００３０】図２を参照すると、本発明の第２の実施例
による位置制御装置は、速度検出手段として速度検出器
３の代わりにＦ−Ｖコンバータ１３を使用している点を
除いて、図１に示されたものと同様の構成を有する。し
たがって、図１のものと同様の構成を有するもには同一
参照符号を付し、それらの説明については省略する。本
実施例では、位置検出器２としてインクリメンタル形エ
ンコーダを使用し、Ｆ−Ｖコンバータ１３は、このイン
クリメンタル形エンコーダの出力から速度信号を得る。
全体の動作は第１の実施例と同じである。

【００３１】第１の実施例では、速度検出器３として専
用のデバイス、例えば、タコジェネレータなどを想定し
たが、第２の実施例ではこれをＦ−Ｖコンバータ１３に
置換えているので、省スペース、コストダウン、ケーブ
ル本数の減少という効果を期待できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、サーボモ
ータを用いた位置制御装置において、サーボモータの動
作速度と加速度をそれぞれ２乗し、互いに適当な比率で
加算して得られる信号を予め設定した値と比較すること
によって、動作量、動作速度、負荷の大きさなどの動作
条件によらず、サーボモータの停止のタイミングを検出
することができる。そのため、サーボモータの周期的な
振動を押さえるために、誤差増幅器のゲインを下げるタ
イミングを常に最短にすることができる。また、従来の
ように使用条件の中で最も長いタイミングに合わせてポ
ーズを置く必要がなく、その位置制御装置の持つ最大の
処理能力で使用することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による位置制御装置のブ
ロック図である。

【図２】本発明の第２の実施例による位置制御装置のブ
ロック図である。

【図３】従来の位置制御装置のブロック図である。

【図４】サーボモータの動作指令付近での動作量の変化
を表すグラフである。１サーボモータ２位置検出器３速度検出器４動作指令値５誤差増幅器６電力増幅器７ゲイン切換え信号８微分回路９２乗増幅器１０２乗増幅器１１コンパレータ１２基準電圧１２Ｆ−Ｖコンバータ２０オーバシュート２１指令動作量

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】サーボモータと、該サーボモータの動作
量を検出する位置検出手段と、前記サーボモータの動作
速度を検出する速度検出手段と、前記位置検出手段の出
力値と動作指令値との差を増幅すると共に前記速度検出
手段の出力値がフィードバックされる誤差増幅手段と、
該誤差増幅手段の出力値に従って前記サーボモータに電
力を供給する電力供給手段とを有する位置制御装置にお
いて、前記サーボモータの動作速度の時間的な変化率を
検出する加速度検出手段と、前記速度検出手段の出力値
の２乗値と前記加速度検出手段の出力値の２乗値とを互
いに任意の比率で加算し、該加算値が所定の基準値より
低いときは前記誤差増幅手段のゲインを低くするよう
に、前記加算値が前記所定の基準値より高いときは前記
誤差増幅手段のゲインを高くするように、少なくとも２
段階に切り換える処理手段とを有することを特徴とする
位置制御装置。
【請求項２】前記処理手段は、前記速度検出手段の出
力値を２乗する第１の２乗手段と、前記加速度検出手段
の出力値を２乗する第２の２乗手段と、前記第１及び第
２の２乗手段を所定の比率で加算する加算手段と、該加
算手段の出力値を前記所定の基準値と比較する比較手段
とを有する請求項１に記載の位置制御装置。
【請求項３】前記位置検出手段がインクリメント形エ
ンコーダであり、前記速度検出手段が前記インクリメン
ト形エンコーダの出力から速度信号を得るＦ−Ｖコンバ
ータである請求項１又は２に記載の位置制御装置。