JP3427944B2 - 軌跡追従位置決め制御方法 - Google Patents

軌跡追従位置決め制御方法

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JP3427944B2
JP3427944B2 JP01922394A JP1922394A JP3427944B2 JP 3427944 B2 JP3427944 B2 JP 3427944B2 JP 01922394 A JP01922394 A JP 01922394A JP 1922394 A JP1922394 A JP 1922394A JP 3427944 B2 JP3427944 B2 JP 3427944B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットやNC(数値
制御装置)の軌跡追従位置決め制御方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、ロボット、NC等の自動機械の軌
跡精度を確保するために、フィードフォワード制御を用
いる場合、通常、図12に示すような制御構成をとる。
同図において、xref は位置指令、uref は加速度指
令、xは位置、x′は速度、10は位置ループゲインK
p の定数ブロック、11は速度ループゲインKv の定数
ブロック、12は慣性モーメントJm とトルク定数KT
の定数ブロック、13は慣性モーメントJm とトルク定
数KT の慣性系ブロック、14、15は微分ブロックで
ある。
【0003】しかしながら、図12に示す制御系では、
図13のような立上りがランプ状の位置指令が入力され
た場合、図13のa点での指令の急変に応答できず、図
14に示すようにオーバーシュートを発生する。これに
対応するために、図15のように、Kf のフィードフォ
ワードゲインと時定数τf をもつゲイン調整およびフィ
ルタブロック16をフィードフォワードループに設置す
る方法があるが(特開平2−48710号、特開平3−
246605号公報参照)、この場合、図16に示すよ
うに定常偏差が発生する。そうすると、位置指令値から
位置が常にずれるといった問題を生じる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決すべき課
題は、指令の急変によるオーバーシュートが発生せず、
しかも定常偏差を生じない制御方法を提供することにあ
る。
【0005】前記課題を解決するため、本発明の軌跡追
従位置決め制御方法は、位置指令x ref の微分値を速
度ループにフィードフォワード補償して軌跡追従精度を
向上させる位置決め制御において、位置指令xref
微分値が0となる点xref0と実際の位置xとの偏差
(xref0−x)を横軸とし、実際の速度x′の符号
を反転した−x′を縦軸とした位相平面上に適当な関数
Sxを設け、実際の応答軌跡が関数fx=(xref0
−x)・S<0となる領域にあるとき、フィードフォ
ワードゲインKffを0とし、前記関数f=(x
ref0−x)・S>0となる領域にあるときフィー
ドフォワードゲインKffを1とする場合に、このK
ff の切り換えに1次または2次のローパスフィルタを
用いるものである。
【0006】
【作用】本発明では、図2に示す制御構成図において、
位置指令xref の微分値が0(dxref /dt=0)と
なる指令位置xref0と実際の位置x、速度x′より、前
式の計算を行い、fx が正のときフィードフォワードゲ
インKffを1、fx が負のときフィードフォワードゲイ
ンKffを0とするものである。
【0007】
【実施例】以下、本発明を、Sx =af ・Kp (xref
−x)−x′(但しaf ≧1)として、実施例を参照し
ながら具体的に説明する。図2は本発明に係る第1実施
例の概念ブロック図を示している。本実施例では、位置
指令の微分値xref0と速度x′より関数fx を求める演
算ブロック20を設け、その演算結果fx によりフィー
ドフォワードゲインKffを0,1に切り換えるものであ
る。図中21は係数ブロック、22はフィードフォワー
ドゲイン切り換えブロック、23は掛算器、24は減算
器である。指令入力として、通常の位置指令xref と、
速度が0となる時の位置指令xre f0が入力される。この
ときxref0とx,x′よりfx を算出しておき、fx
0のときKff=1としておき、定常偏差0の応答をさ
せ、fx <0でKff=0と切り換えることから、指令急
変時のオーバーシュートを抑制する。
【0008】ここで、(1)式のaf ≧1は位置決め軌
跡がオーバーシュートを発生しないように選ぶ必要があ
るが、剛体系のときKv =4Kp と設計されていれば、
1≦af ≦4となる。また、KV は速度ループゲイン、
p は位置ループゲインである。 fx =(xref0−x){af・Kp(xref0−x)−x′}・・・(1) xref0−xを横軸、−x′を縦軸とした図3の位相平面
上で制御系の応答を考えると、図13のランプ状指令の
場合、xref の軌跡は、xref0で−xref ′が0に急変
する。図12に示された従来の方法のとき、位置決め軌
跡は、xref がxref0になる直前にA点に存在している
ため、指令の急変に応答できず、オーバーシュートを発
生する。これに対して本発明では、fx =0の点、すな
わちB点までは指令に追従するが、その後fx <0とな
るため、Kff=0となり、軌跡はその時点から位相平面
の原点に向かい、オーバーシュートを発生することを回
避できる。
【0009】図4は本発明の制御方法をマイクロコンピ
ュータを用いて実施する第2実施例のフローチャートで
ある。同図において、ステップ100では位置xおよび
速度x′を取り込む。ステップ110では関数Sx =a
f ・Kp (xref −x)−x′を計算する。ステップ1
20ではfx =(xref0−x)・Sx の計算を行う。ス
テップでは、計算されたfx の符号をチェックし、負で
あればステップ140に進んでフィードフォワードゲイ
ンKffを0とし、正であればステップ150によりフィ
ードフォワードゲインKffを1とする。次いでステップ
160で加速度指令uref =Kv {Kp (xref −x)
−x′}+Kv ffx′ref の計算をする。この加速度
指令uref を図2の定数ブロック12に出力する。図5
に、図13の位置指令を入力したときの本発明実施例の
応答波形を示す。同図から分かるように、位置指令の切
換点aによるオーバーシュートはなく、また定常偏差も
ない応答が得られる。
【0010】次に、本発明の第3実施例について説明す
る。前記の第1実施例では、図6の位相平面で位置指令
をランプ指令とした場合を考えると、立ち上がりからf
x は正となり位置指令の微分がフィードフォワード的に
作用し、軌跡は位置指令に誤差なく追従する。その後C
点でfx は負となりfx =0の直線に沿って原点に向か
う。ところがその後の軌跡は数度にわたってfx =0の
直線を横切るため、fx の正負が数回反転する。このf
x の反転によりフィードフォワード補償もオン/オフす
るため、切り換え時においてトルク指令が急激に変動す
る。図5にランプ応答、図7にランプ応答時のトルク指
令のシミュレーション結果を示す。このように、第1実
施例では、切り換え時の急激なトルク指令の変動によ
り、リミッタ値を変えたり、機械系を励振するなどの問
題があった。
【0011】本第3実施例では、第1実施例がフィード
フォワードゲインKffを0ないし1のステップ状に切り
換えていたのに対し、図8に示すように、(1)式より
求めたKffに1次のローパスフィルタ25を通して、こ
の切り換えをなめらかにする。このときのランプ応答時
のトルク指令のシミュレーション結果を図9に示す。こ
のように、フィードフォワード制御の切り換えにフィル
タ25を用いることによりトルク指令の変動を抑制する
ことが可能となる。なおこのローパスフィルタは1次と
は限らず、2次でもよい。
【0012】次に本発明の第4実施例について説明す
る。制御系の構成は、前記の実施例において、fx の演
算部が複数部あるような構成をとっている。図10に横
軸にxref0−x、縦軸に−x′をとった位相面で位置指
令をランプ指令とした場合を考える。ここで、(1)式
のフィードフォワード切り換え定数af が異なる2本の
切り換え線(fx1=0、fx2=1)を用意する。すると
軌跡は位置指令に誤差なく追従していき、その後A点に
て最初の切り換え線(fx1=0)と交わった後、フィー
ドフォワードゲインKffを例えば0.7に設定する。す
ると軌跡は、位置指令よりずれて、原点方向へと向か
う。その後さらに2本目の切り換え線(fx2=0)とB
点で交わった後に最終的にKffを0とするものである。
この時のランプ応答時のトルク指令のシミュレーション
結果を図11に示す。このように、フィードフォワード
ゲインKffを2段階に切り換えることにより切替がスム
ーズに行われ、トルク指令の変動を抑制することができ
る。なお、この場合においても、1次ないし2次のフィ
ルタをフィードフォワード制御の切り換えに用いること
により、トルク指令の変動を抑制することが可能とな
る。
【0013】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、指令
ref の微分値が0となる指令位置xref0をあらかじめ
入力するだけで、所定の計算に従いKffを0,1に切り
換えることにより、定常偏差もなく、しかも指令の急変
によるオーバーシュートも発生しない指令追従性が得ら
れる。また、フィードフォワードゲイン補償の切り換え
をする場合に、1次または2次のローパスフィルタを用
いてKffを段階的に変えることにより、位置指令の急変
時においてトルク指令の変動を抑制できるため、リミッ
タ値を超えることなく、また機械系を励振することもな
く、安定した位置決め制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 位相平面における制御領域の説明図である。
【図2】 本発明に係る第1実施例の制御ブロック図で
ある。
【図3】 位相面軌跡による説明図である。
【図4】 本発明の第2実施例の処理を示すフローチャ
ートである。
【図5】 本発明実行時の位置決め応答のシミュレーシ
ョン波形図である。
【図6】 第1実施例の位相面軌跡図である。
【図7】 第1実施例のトルク指令の変化を示す波形図
である。
【図8】 本発明の第3実施例の制御ブロック図であ
る。
【図9】 第3実施例におけるトルク指令の変化を示す
図である。
【図10】 本発明の第4実施例における位相面軌跡図
である。
【図11】 第4実施例におけるトルク指令の変化を示
す図である。
【図12】 従来のフィードフォワード系のブロック図
である。
【図13】 ランプ状位置指令のパターン図である。
【図14】 従来例における位置決め応答のシミュレー
ション波形図である
【図15】 従来の改善例を示すブロック図である。
【図16】 従来の改善例における位置決め応答のシミ
ュレーション波形図である。
【符号の説明】
ref 位置指令、uref 加速度指令、x 位置、
x′速度、10 位置ループゲイン定数ブロック、11
速度ループゲイン定数ブロック、12 定数ブロッ
ク、13 慣性系ブロック、14,15 微分ブロッ
ク、20 演算ブロック、21 係数ブロック、22
フィードフォワードゲイン切り換えブロック、23 掛
算器、24 減算器、25 フィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G05B 13/02 G05B 13/02 B (56)参考文献 特開 昭63−148302(JP,A) 特開 平2−201604(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 3/00 - 3/20 G05B 7/00 - 7/04 G05B 11/00 - 13/04 B23Q 15/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 位置指令xrefの微分値を速度ループ
    にフィードフォワード補償して軌跡追従精度を向上させ
    る位置決め制御において、 位置指令xrefの微分値が0となる点xref0と実
    際の位置xとの偏差(xref0−x)を横軸とし、実
    際の速度x′の符号を反転した−x′を縦軸とした位相
    平面上に適当な関数Sxを設け、実際の応答軌跡が関数
    fx=(xref0−x)・S<0となる領域にある
    とき、フィードフォワードゲインKffを0とし、前記
    関数f=(xref0−x)・S>0となる領域に
    あるときフィードフォワードゲインKffを1とする場
    合に、このK ff の切り換えに1次または2次のローパ
    スフィルタを用いることを特徴とする軌跡追従位置決め
    制御方法。
  2. 【請求項2】 位置指令xref の微分値を速度ループに
    フィードフォワード補償して軌跡追従精度を向上させる
    位置決め制御において、 位置ゲインKp と、フィードフォワード切り換え定数a
    f と、位置指令xrefの微分値が零となる位置指令x
    ref0と、実際の位置xと、実際の速度x′より、 fx =(xref0−x)*(af *Kp *(xref0−x)
    −x′) を計算し、このfx の正負によりフィードフォワードゲ
    インKffを1ないし0にしてフィードフォワード補償の
    切り換えをする場合に、このKffの切り換えに1次また
    は2次のローパスフィルタを用いてKffを段階的に変え
    ることを特徴とする軌跡追従位置決め制御方法。
  3. 【請求項3】 フィードフォワード補償の切り換えに、
    フィードフォワード切り換え定数af が異なる少なくと
    も2つ以上の式を用意して、それぞれの式のfx の正負
    によりこのフィードフォワードゲインKffを1から0へ
    段階的に切り換えることを特徴とする請求項2記載の軌
    跡追従位置決め制御方法。
  4. 【請求項4】 フィードフォワードゲインKffの切り換
    えに、1次または2次のローパスフィルタを用いること
    を特徴とする請求項3記載の軌跡追従位置決め制御方
    法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11422460B2 (en) 2019-12-12 2022-08-23 Canon Kabushiki Kaisha Alignment control in nanoimprint lithography using feedback and feedforward control

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US11422460B2 (en) 2019-12-12 2022-08-23 Canon Kabushiki Kaisha Alignment control in nanoimprint lithography using feedback and feedforward control

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