JP3294900B2

JP3294900B2 - 制御装置

Info

Publication number: JP3294900B2
Application number: JP11521393A
Authority: JP
Inventors: 雪雄豊沢; 直人園田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 2002-06-24
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: JPH06309021A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械等に用いられ
るサーボモータの制御に関するもので、特に、所定周期
で同一パターンが繰り返されるような指令の制御に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】サーボモータの制御に於いて、所定周期
で同一パターンで繰り返される指令に対し、制御偏差を
零近くまで収束させ高い精度のモータ制御を行い加工精
度を向上させる方法として、繰り返し制御方式が用いら
れている（特開平４−３２３７０５号公報、特開平４−
３２３７０６号公報、特開平４−３６２７０２号公報参
照）。

【０００３】図１は、従来から行われている繰り返し制
御方式を適用したサーボモータの制御における要部ブロ
ック図である。図１において、ｒは位置指令、ｅは位置
指令ｒと位置フィードバック値（実際の位置）ｐとの差
である位置偏差、１はポジションゲインＫｐの位置ルー
プの伝達関数、２は速度ループ伝達関数で、従来から公
知のようにＰＩ制御等を行うものである。３は実際のサ
ーボモータの速度より実際の位置ｐを計算する積分器で
ある。このような位置・速度ループ系に繰り返し制御を
行うための繰り返しコントローラ１１が付加されてお
り、その繰り返しコントローラ１１は制御系の安定性を
計るための帯域制限フィルタ１２、所定周期Ｌで繰り返
される１周期分のデータを記憶する遅れ要素メモリ１
３、及び制御対象の位相遅れ、ゲイン低下を補償するた
めの動特性補償要素１４で構成されている。

【０００４】上記繰り返しコントローラ１１は所定サン
プリングごとに位置偏差に遅れ要素メモリ１３から出力
される１周期Ｌ前のサンプリング時のデータｘを加算
し、帯域制限フィルタ１２のフィルタ処理を行って遅れ
要素メモリ１３にそのデータを格納する。遅れ要素メモ
リ１３はｎ（＝所定周期Ｌ／サンプリング周期Ｔ）個の
メモリを有し、１周期Ｌ分の各サンプリングデータを記
憶できるようになっており、各サンプリング時には一番
旧いデータｘを出力するようになっている。即ち、各サ
ンプリング毎１番地シフトして１番地のメモリに入力デ
ータを格納し、ｎ番地のデータを出力する。その結果、
遅れ要素メモリ１３の出力ｘは１周期Ｌ分遅れたサンプ
ルリングデータが出力される。そのため、周期Ｌで同一
パターンの位置指令ｒが与えられるから、加算機１４で
加算される位置偏差ｅと遅れ要素メモリ１３の出力ｘ
は、位置指令パターン上に於いて同一位置のデータが加
算されることになる。

【０００５】また、遅れ要素メモリ１３の出力は動特性
補償要素１４で制御対象の位相遅れ、ゲイン低下分が補
償されて、繰り返しコントローラ１１の出力（補正量）
ｙとして出力され、その出力（補正量）ｙが位置偏差ｅ
に加算されて、この加算データにポジションゲインＫｐ
を乗じたものが速度指令Ｖｃとなり、その指令Ｖｃで速
度ループ処理が実行される。

【０００６】その結果、所定周期Ｌで同一パターンの処
理が繰り返され、あるサンプリング時において前周期で
そのサンプリング時に対応するサンプリング時の位置偏
差ｅが大きな値の場合には、今周期においては、繰り返
しコントローラ１１から大きな値の補正量ｙが出力さ
れ、位置偏差ｅに加算されることとなるから、速度ルー
プ処理に入力される速度指令Ｖｃは大きく変わり、実際
の位置ｐもそれに対して変化するから、位置偏差ｅはそ
の値が零に修正されることとなり、高精度のモータ制御
が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、繰り
返しコントローラの遅れ要素１３は、一定パターンの指
令ｒの繰り返し周期がＬの場合、サンプリング周期をＴ
とするとｎ＝Ｌ／Ｔ個のメモリが必要となる。もし、繰
り返し制御を行っている際中に指令周期が変化したら補
正量ｙを加算する位置が異なることになり、制御偏差を
零近くまで収束させることができなくなる。また、再度
同じパターンの指令が入力される場合、繰り返し制御を
行った結果の制御偏差を零近くまで収束させる補正量を
作り出すための、遅れ要素メモリ及び帯域制限フィルタ
用スタックメモリ及び動特性補償要素用スタックメモリ
の内容を、周期Ｌが変わるごとに消去してしまうと再度
繰り返し制御にて補正量を作り直す必要があり、制御偏
差を収束させる時間が掛かってしまう。

【０００８】そこで、本発明の目的は、繰り返し周期が
変わる場合でも、各繰り返し周期における制御偏差を小
さく収束させることができるようにする制御装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記繰り返し
周期を変更する手段と、各繰り返し周期に対応する繰り
返しコントローラと、各繰り返し周期に応じて各繰り返
しコントローラを切換える手段とを備え、繰り返し周期
の変更に応じて、対応する繰り返しコントローラに制御
を切換え、該切換えられた繰り返しコントローラを使用
して繰り返し制御を行う。そして、各繰り返しコントロ
ーラは遅れ要素メモリ及び帯域制限用スタックメモリ及
び動特性補償要素用スタックメモリを有し、これらのメ
モリの内容を保持するようにする。

【００１０】また、複数の繰り返し周期と該各繰り返し
周期で実行するパターンの回数と、該複数の繰り返し周
期の順序をそれぞれ設定し、設定された繰り返し周期の
順序及び回数だけ前記繰り返して実行される同一パター
ンの位置指令を出力して繰り返し制御を行うようにす
る。

【００１１】

【作用】変化する繰り返し周期の各周期毎に繰り返しコ
ントローラが設けられ、周期が変われば、その周期に対
応する繰り返しコントローラ、すなわち要素メモリ及び
帯域制限用スタックメモリ及び動特性補償要素用スタッ
クメモリで構成されたコントローラによって繰り返し制
御が実行される。しかも、繰り返し制御により作り出さ
れた補正量を保持することができるので、再度同じ指令
パターンが入力された場合に制御偏差の収束時間を短く
できる。

【００１２】

【実施例】図２は本発明の一実施例の制御装置を用いた
サーボモータの制御における要部ブロック図である。図
１に示す従来の繰り返しコントローラによる繰り返し制
御のブロック図と相違する点は、図１における繰り返し
コントローラ１１の代わりに複数の繰り返しコントロー
ラＡ1 〜Ａm で構成されるコントローラ群１８が設けら
れていることと、該繰り返しコントローラＡ1 〜Ａm を
選択する切り替え器１６、１７およびこの切り替え器１
６，１７を制御する切り替え器コントローラ１５が付加
されていることである。そして、繰り返しコントローラ
Ａ1 〜Ａm は予め設定された異なる繰り返し周期の数ｍ
だけ用意され、各繰り返しコントローラＡ1 〜Ａm は図
１に示す繰り返しコントローラと同一の遅れ要素メモ
リ，帯域制限フィルタ，動特性補償要素を備えている。
なお、繰り返しコントローラのサンプリング周期（位置
・速度ループ処理周期）をＴとすると、遅れ要素メモリ
はそれぞれ設定された周期Ｌに対応するだけの遅れ要素
メモリ数（＝Ｌ／Ｔ）をそれぞれ備えている。

【００１３】スタート指令ｓｔおよび位置指令ｒが数値
制御装置（ＣＮＣ）から出力されると、切り替え器コン
トローラ１５は予め設定された順序で繰り返しコントロ
ーラＡ1 〜Ａm を選択するように切り替え器１６，１７
を切り替え、図１で説明した従来例と同様に、位置偏差
ｅを求めかつ選択された繰り返しコントローラの処理を
行い、位置偏差ｅと繰り返しコントローラの出力である
補正値ｙを加算してその加算値（ｅ＋ｙ）にポジション
ゲインＫｐを乗じて速度指令Ｖｃを求めこの速度指令に
基づき速度ループ処理を実行してサーボモータを駆動す
ることになる。

【００１４】設定された繰り返し周期で同一パターンの
位置指令を設定回数繰り返して繰り返し制御を実施した
後、切り替え器コントローラ１５は、次に設定された周
期に対応する繰り返しコントローラＡ1 〜Ａm を選択す
るように切り替え器１６，１７を切り替え、この周期で
設定回数の同一パターンの位置指令の処理を実行する。
以下、設定順序で設定繰り返し周期で同一パターンの位
置指令による動作を設定回数順次実行する。

【００１５】図３は本発明の一実施例を実施するサーボ
モータ制御系のブロック図である。

【００１６】図３中、２０は工作機械やロボット等を制
御する数値制御装置等の制御装置（ＣＮＣ）、２１は該
制御装置２０から出力される工作機械やロボットのサー
ボモータへの位置指令や各種情報、制御信号等をディジ
タルサーボ回路２２のプロセッサに受け渡したり、逆に
ディジタルサーボ回路２２のプロセッサからの各種情報
を制御装置２０に受け渡すための共有メモリ、２２はデ
ィジタルサーボ回路であり、プロセッサによってサーボ
モータ１４の上述した図２の処理および位置，速度，電
流制御処理を行うものである。２３はトランジスタイン
バータ等で構成されるサーボアンプ、２４はサーボモー
タ、２５はサーボモータ１回当りに所定数のフィードバ
ックパルスを発生しディジタルサーボ回路２２に位置、
速度をフィードバツするパルスコーダである。なお、デ
ィジタルサーボ回路２２はプロセッサ，ＲＯＭ，ＲＡＭ
等で構成されている。上記図３のサーボモータの制御は
ディジタルサーボ回路によるサーボモータの制御として
公知な事項であり、詳細な説明は省略する。

【００１７】図４および図５は本発明の一実施例の制御
装置２０のプロセッサ、およびディジタルサーボ回路２
２のプロセッサが実施する処理のフローチャートであ
る。まず、繰り返し実行する一定パターンの繰り返し周
期毎の指令プログラムを順序を指定して制御装置に入力
すると共に、周期Ｌｉでプログラムを繰り返すその回数
Ｎｉ（ｉ＝１，２…ｍ）と、その周期Ｌｉを予めパラメ
ータとして設定する。そして、動作開始指令を入力する
と、制御装置２０のプロセッサは共有メモリ２１を介し
て、ディジタルサーボ回路２２のプロセッサにパラメー
タとして設定された順序で各周期と繰り返し回数Ｌ1 Ｎ
1 〜Ｌm Ｎm を転送する（ステップＴ１）。この情報を
受信したディジタルサーボ回路２２のプロセッサは、各
周期と繰り返し回数Ｌ1 Ｎ1 〜Ｌm Ｎm をＲＡＭ内に記
憶すると共に、各周期Ｌｉ（ｉ＝１〜ｍ）を位置・速度
ループ処理周期Ｔで除して得られる遅れ要素メモリの大
きさ（Ｌｉ／Ｔ）を持つ繰り返しコントローラをそれぞ
れ作る。そして、繰り返しコントローラの全ての遅れ要
素メモリ、帯域制限フィルタ用スタックメモリ、動特性
補償要素用スタックメモリをクリアする。

【００１８】次に、制御装置２０のプロセッサはディジ
タルサーボ回路２２へスタート指令ｓｔを出力すると共
に（ステップＴ２）、予めパラメータで与えられた順番
で設定された周期Ｌｉで所定パターンの移動を実行する
プログラムを順次読取り、各軸への位置指令の分配を設
定された回数Ｎｉだけ順次繰り返す。すなわち、まず、
一番目に設定されている周期Ｌ1 で所定パターンの移動
を実行するプログラムの移動指令の分配をＮ1 回実行
し、次に設定されている周期Ｌ2 で所定パターンの移動
を実行するプログラムの移動指令の分配をＮ2 回実行
し、以下順次周期Ｌｉ（ｉ＝３，４，…ｍ）で所定パタ
ーンの移動を実行するプログラムの移動指令の分配をＮ
ｉ回順次実行する（ステップＴ３）。そして、最後に設
定されている周期Ｌm で所定パターンの移動を実行する
プログラムの移動指令の分配をＮm 回実行した後、プロ
グラム再開指令が入力されているか否か判断し、入力さ
れていれば、ステップＴ２以下の処理を再度繰り返すこ
とになる。また、再開指令が入力されてなければ、動作
を終了する。

【００１９】一方、ディジタルサーボ回路２２のプロセ
ッサは共有メモリ２１を介して、スタート指令ｓｔを受
信するとカウンタＣ１，Ｃ２、および指標ｉをクリア
し、図５に示す処理を位置・速度ループ処理周期Ｔ毎開
始する。まず、ＲＡＭに記憶する指標ｉ（初めはｉ＝
０）で示される周期Ｌｉを読み（ステップＳ１）、経過
時間を計数するカウンタＣ１の値（初めは０）と比較す
る（ステップＳ２）。カウンタＣ１の値の方が小さい場
合は（初めは小さい）、ステップＳ１５に移行し、カウ
ンタＣ１をインクリメントした後、従来と同様の、位置
ループ制御、繰り返しコントローラの制御および速度制
御を実行する。すなわち、位置指令ｒおよびパルスコー
ダ２５からの位置フィードバックｐを読み（ステップＳ
９）、位置偏差を記憶するレジスタに読み取った位置指
令ｒから位置フィードバック値ｐを減じた値を加算し新
しい位置偏差ｅを求める。位置偏差ｅを記憶するレジス
タをＲ（ｅ）とすると、新しい位置偏差はＲ（ｅ）＝Ｒ
（ｅ）＋ｒ−ｐとして求められる（ステップＳ１０）。

【００２０】次に、指標ｉ（＝０）に対する繰り返しコ
ントローラＡｉの遅れ要素メモリ、帯域制限フィルタ用
スタックメモリ、動特性補償要素用スタックメモリを用
いて従来と同様の繰り返しコントローラの処理を実行し
補正量ｙを求める（ステップＳ１１）。こうして求めら
れた位置偏差ｅと補正量ｙを加算した値にポジションゲ
インＫｐを乗じて速度指令Ｖｃを求め（ステップＳ１
２）、この速度指令と速度フィードバック値に基づいて
従来と同様なＰＩ制御等の速度ループ処理を実行し、ト
ルク指令（電流指令）を求め、このトルク指令を電流ル
ープに引き渡し（ステップＳ１３）、当該処理周期の位
置・速度ループ処理を終了する。

【００２１】以下、位置・速度ループ処理周期Ｔ毎、上
記ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ１５，Ｓ９〜Ｓ１３の処理を
実行し、カウンタＣ１の値が周期Ｌｉ以上となって所定
パターンの一動作（１周期Ｌｉ分の動作）が終了する
と、ステップＳ２からステップＳ３に移行し、指標ｉに
対応する設定回数Ｎｉを読みパターン処理回数を計数す
るカウンタＣ２（初めは０）の値が回数Ｎｉ以上か否か
判断し（ステップＳ４）、カウンタＣ２の値の方が小さ
ければ、カウンタＣ２をインクリメントし（ステップＳ
１４）、カウンタＣ１をクリアし（ステップＳ８）ステ
ップＳ９以下の位置ループ処理、繰り返しコントローラ
の処理、速度ループ処理を実行する。次の周期からは、
カウンタＣ１が「０」にリセットされているから再びス
テップＳ１，Ｓ２，Ｓ１５，Ｓ９〜Ｓ１３の処理を実行
し、同一周期Ｌｉの繰り返し同一パターンの処理を実行
することになる。そして、再びカウンタＣ１の値が周期
Ｌｉ以上となり、カウンタＣ２の値が設定回数Ｎｉに達
してなければ、カウンタＣ２はインクリメントされ（ス
テップＳ３，Ｓ４，Ｓ１４）、再び前述した動作を行う
ことになる。

【００２２】こうして処理が進み、周期Ｌｉでの処理を
Ｎｉ回実行しカウンタＣ２の値が設定回数Ｎｉに達する
と（ステップＳ４）、指標ｉが設定された周期種類の数
ｍを超えたか否か判断し（ステップＳ５）、超えてなけ
れば、指標ｉをインクリメントし（ステップＳ６）、カ
ウンタＣ２，Ｃ１をクリアしてステップＳ９〜Ｓ１３の
位置ループ処理、繰り返しコントローラの処理、速度ル
ープ処理を実行する。この場合、指標ｉがインクリメン
トされているからステップＳ１１での繰り返しコントロ
ーラの処理は、前周期の繰り返しコントローラとは異な
る新しい繰り返しコントローラＡｉに対応する遅れ要素
メモリ、帯域制限フィルタ用スタックメモリ、動特性補
償要素用スタックメモリを用いて実行されることにな
る。そして、ステップＳ２，Ｓ４で使用される周期Ｌ
ｉ、回数Ｎｉもインクリメントされた指標ｉの値に対応
する値が使用されることになる。

【００２３】以下、指標ｉを更新しながら、設定された
順序で周期Ｌｉの異なる一定パターンの移動（工作機械
における一定パターンの加工や、ロボットにおける一定
パターンの移動軌跡）を各周期毎に設定されている回数
Ｎｉ実行することになる。そして、指標ｉの値が、設定
された周期種類の数ｍを超えると（ステップＳ５）、こ
の繰り返し制御による移動制御の動作は終了する。

【００２４】また、再動作を行う場合は、再度図５に示
した処理を繰り返す。再動作を行う場合、それぞれの繰
り返しコントローラＡ０〜Ａｍの遅れ要素メモリ、帯域
制限フィルタ用スタックメモリ、動特性補償要素用スタ
ックメモリには、制御偏差を零近くまで収束させる補正
量を作り出す為の値が保持されているので、制御偏差は
素早く収束する。

【００２５】図６〜図９は、本発明の効果をみるために
実施したシミュレーション実験例のデータを示す図であ
る。図６は、指令する位置指令ｒを示す図で、Ｌ１の周
期を０．２秒とし、繰り返し回数Ｎ１を１０回、その次
に実行する周期Ｌ２を０．２５秒とし繰り返し回数Ｎ２
を８回とした位置指令ｒを与えて実験を行った。図７
は、図１に示すような従来の繰り返しコントローラを用
いて実験を行ったときの位置偏差ｅの測定結果である。
この図７で分かるように、１回目の周期Ｌ１を２〜３回
実行すると位置偏差ｅは「０」に収束しているが、周期
がＬ１の０．２秒からＬ２の０．２５秒に変化すると、
位置偏差ｅは「０」に収束しなくなっている。

【００２６】図８は本発明の上記実施例により、図６に
示す位置指令ｒを最初に入力したときの位置偏差ｅの測
定結果である。この図８で分かるように、周期が変化す
る毎に繰り返しコントローラが変えられるから、最初の
位置指令では図７の周期Ｌ１の位置指令を入力したとき
と同様に各周期Ｌ１，Ｌ２の区間ともに周期２〜３回の
実行で位置偏差が「０」に収束している。一方、図９
は、本発明の上記実施例により図６に示す位置指令ｅを
１度入力し繰り返し制御を行った後、再度入力して繰り
返し制御を行ったときの位置偏差の測定結果である。こ
の図９に示されるように、位置偏差はほとんど現れず、
「０」に収束していることが分かる。すなわち、１度実
行したときに各周期に対応する繰り返しコントローラの
遅れ要素メモリ、帯域制限フィルタ用スタックメモリ、
動特性補償要素用スタックメモリには、位置偏差を零近
くまで収束させる補正量を作り出す為の値が保持されて
残っているので、最初から位置偏差は「０」に収束した
状態となるものである。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、所定周期で同一パターンの位
置指令を繰り返す制御装置において上記周期が変化する
場合においても、位置偏差を「０」に収束させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の繰り返し制御方式を適用したサーボモー
タの制御における要部ブロック図である。

【図２】本発明の制御装置を用いたサーボモータの制御
における要部ブロック図である。

【図３】本発明の一実施例を実施するサーボモータ制御
系のブロック図である。

【図４】同実施例における制御装置のプロセッサの処理
のフローチャートである。

【図５】同実施例におけるディジタルサーボ回路のプロ
セッサによる位置・速度ループ処理周期毎の処理のフロ
ーチャートである。

【図６】本発明の効果をみるために実施したシミュレー
ション実験例における指令する位置指令を示す図であ
る。

【図７】従来の繰り返し制御により図６に示す位置指令
を入力して得られた位置偏差を示す図である。

【図８】本発明の一実施例に図６に示す位置指令を最初
に入力して得られた位置偏差を示す図である。

【図９】本発明の一実施例に図６に示す位置指令を再度
入力して得られた位置偏差を示す図である。

【符号の説明】

１位置ループの伝達関数、２速度ループ伝達関数３積分器１５切り替え器コントローラ１６，１７切り替え器１８繰り返しコントローラ群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 19/18 - 19/46 G05D 3/00 - 3/12 H02P 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の繰り返し周期で同一パターンの位
置指令を繰り返す制御装置において、該制御装置は、前
記繰り返し周期を変更する手段と、各繰り返し周期に対
応する繰り返しコントローラと、各繰り返し周期に応じ
て各繰り返しコントローラを切換える手段とを具備し、
繰り返し周期の変更に応じて、対応する繰り返しコント
ローラに制御を切換え、該切換えられた繰り返しコント
ローラを使用して繰り返し制御を行うことを特徴とする
制御装置。
【請求項２】前記各繰り返しコントローラは遅れ要素
メモリ及び帯域制限用スタックメモリ及び動特性補償要
素用スタックメモリを有し、これらのメモリの内容を保
持するようにした請求項１記載の制御装置。
【請求項３】前記複数の繰り返し周期と該各繰り返し
周期で実行するパターンの回数と、該複数の繰り返し周
期の順序をそれぞれ設定し、設定された繰り返し周期の
順序及び回数だけ前記繰り返して実行される同一パター
ンの位置指令を出力して繰り返し制御を行う請求項１ま
たは請求項２記載の制御装置。