JP3545006B2 - ２自由度制御装置及び電動機のサーボ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、入出力応答特性と外乱抑制特性との両方を良好にする２自由度制御装置及び電動機のサーボ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は例えば特開平３−２６８１０３号公報に示された従来のオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置の一例を示すブロック図であり、図において１は制御対象、２１ａは制御対象１を制御するためのプラント２自由度補償器、２は２自由度補償器２１ａを適切なものに修正するオートチューニング部、１１は指令値、１２は制御対象１に与えられる操作量、１３ｅは制御対象１の出力信号を示す。また、オートチューニング部２の構成要素として、２０は制御対象１のモデル、２１ｂはモデル２０を制御するためのモデル２自由度補償器でプラント２自由度補償器２１ａと同じものである。１２ｂはモデル２０に与えられる操作量、１３ｄはモデル２０の出力信号、２２ａは制御対象１の出力信号１３ｅ、指令値１１、制御対象１への操作量１２から特徴量を求めるプラント特徴量抽出部、１８ａはプラント特徴量抽出部２２ａの出力であるプラント特徴量、２２ｂはモデル２０の出力信号１３ｄ、指令値１１、モデル２０への操作量１２ｂから特徴量を求めるモデル特徴量抽出部、１８ｂはモデル特徴量抽出部２２ｂの出力であるモデル特徴量、２３はプラント特徴量１８ａとモデル特徴量１８ｂとを比較する特徴量比較部、２４は特徴量比較部２３の出力をもとに推論を行いモデル２０の変更を行う推論部、２５はモデル２０に適したプラント２自由度補償器２１ａおよびモデル２自由度補償器２１ｂを設計する２自由度補償器設計部である。
【０００３】
次に動作について説明する。このオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置は、例えばステップ応答における立ち上がり時間、オーバシュート量、操作量の大きさなどの特徴量をもとにプラント２自由度補償器２１ａを修正していくものである。まず、制御対象１とプラント２自由度補償器２１ａとから構成される制御系と、モデル２０とモデル２自由度補償器２１ｂとから構成される制御系に、同じ指令値１１を入力する。そのときの指令値１１、操作量１２、出力信号１３ｅをもとにプラント特徴量抽出部２２ａにおいてプラント特徴量１８ａを抽出し、同時に指令値１１、操作量１２ｂ、出力信号１３ｄをもとにモデル特徴量抽出部２２ｂにおいてプラント特徴量１８ａを抽出する。このプラント特徴量１８ａとモデル特徴量１８ｂとの差は、制御対象１とモデル２０との違いによるものであるため、それらを特徴量比較部２３で比較し、その結果をもとに推論部２４でモデル２０を制御対象１に近づけるための推論を行い、モデル２０を修正する。２自由度補償器設計部２５では、修正されたモデル２０に最適な２自由度補償器を決定し、プラント２自由度補償器２１ａとモデル２自由度補償器２１ｂとを修正する。以上の修正を繰り返すことにより、モデル２０が制御対象１に一致し、制御対象１に最適なプラント２自由度補償器２１ａが決定できる。
【０００４】
図１８は、例えば「アナログサーボからディジタルサーボへ」（岩金：日本ロボット学会誌、７巻３号、２１２〜２１７ページ、１９８９年６月）に記載された従来の電動機のサーボ制御装置の一例を示すブロック図であり、図において、４１は電動機、４２は電動機４１に取り付けられた機械系、４３は電動機４１の回転角度と速度を測定する位置検出器、４４は電動機４１に流れる電流を測定するための電流検出器、３１は電流制御部、５２は速度制御部、５１は位置制御部、１１ａは位置指令値、１１ｂは速度指令値、１２ａは電流指令値、１３ａは位置検出値、１３ｂは速度検出値、１３ｃは電流検出値、１５ａは位置誤差、１５ｂは速度誤差、１９は電動機４１に流れる電流である。
【０００５】
次に動作について説明する。この電動機４１のサーボ制御装置は、例えば工作機械やロボットなどに対し軌跡制御を行うためのもので、望ましい軌跡指令値から位置指令値１１ａを生成し、機械系４２が取り付けられた電動機４１を位置指令値１１ａに応じて動作させるためのものである。すなわち、位置検出器４３によって得られた位置検出値１３ａと位置指令値１１ａとの差を計算して位置誤差１５ａを求め、位置制御部５１において適切な演算を行い速度指令値１１ｂを決定する。次に、位置検出器４３によって得られた速度検出値１３ｂと上記速度指令値１１ｂとの差を計算して速度誤差１５ｂを求め、速度制御部５２において適切な演算を行い電流指令値１２ａを決定する。さらに、電流検出器４４によって得られた電流検出値１３ｃと上記電流指令値１２ａとの差をもとに電流制御部３１において適切な演算を行い電動機４１の電流１９を制御する。この従来例では、位置制御部５１、速度制御部５２、電流制御部３１において、それぞれＰ（比例）演算、ＰＩ（比例・積分）演算、ＰＩ演算を行っている。
【０００６】
図１９は例えば同じく特開平４−３２５８８６号公報に示された従来の機械振動の大きさを考慮したオートチューニング機能を持つサーボ装置の一例を示すブロック図であり、図において図１８と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。２は機械振動を考慮したオートチューニング機能付き電動機サーボ系コントローラ、６１は同定・設計部により求められたゲイン候補値、６２は機械振動判定部により求められた機械振動によるゲイン制限値、６３は振動限界値、７１は機械振動判定部、７２は同定・設計部、７３はゲイン決定部である。
【０００７】
つぎに動作について説明する。同定・設計部７２は、例えば図１７の従来例と同様に負荷イナーシャ推定値を用いたサーボ系シミュレーション部、電流面積計算部、イナーシャ修正量決定部を含み、ある位置指令値１１ａに対する電流検出値１３ｃより負荷イナーシャ推定値を修正しながらその推定値に最適なゲイン候補値６１を決定する。一方、機械振動判定部７１では、まず、同じ位置指令値１１ａに対する電流検出値１３ｃあるいは電流指令値１２ａをハイパスフィルタに通し、その２乗値を時間積分することによって、振動評価値を求め、予め設定された振動限界値６３と比較する。また、機械振動判定部７１には、同じ位置指令値１１ａに対して過去に試行した速度ループ比例ゲインと振動評価値の関係が記憶されており、それらのデータを総合してゲイン制限値６２を決定する。ゲイン決定部７３では、同定・設計部７２で得たゲイン候補値６１の比例ゲインと、機械振動判定部７１で得たゲイン制限値６２を比較し、ゲイン制限値６２の方が大きければゲイン候補値６１を速度制御部５２で用いるゲイン５３とする。一方、ゲイン制限値６２の方が小さい場合、速度制御部５２で用いるゲイン５３の比例ゲインをゲイン制限値６２とし、積分ゲインは比例ゲインに適した値とする。
【０００８】
図２０は例えば特開平４−１０１７４９号公報に示された従来の加工反力を正確に検出可能な工作機械の一例を示す図であり、図において、１０１は力センサ、１０２は工具、１０３は刃物台、１０４はサーボ駆動される送り装置、１０５はワーク、１０６はチャック、１０７は主軸である。
【０００９】
つぎに動作について説明する。ワーク１０５はチャック１０６により主軸１０７に取り付けられ、回転運動を行う。工具１０２は刃物台１０３により送り装置１０４に取り付けられ、数値制御装置からの指令により移動することで加工を行う。力センサ１０１は送り装置１０４と工具１０２の間に取り付けられており、工具にかかる衝突時の力、加工中に生じる加工反力等を測定することができる。加工反力を数値制御装置のサーボ系に入力することにより、安定した制御を行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置は以上のように構成されているので、通常動作中の信号をもとにオートチューニングが可能という利点はあるが、オートチューニング部２の構成が複雑で計算量が多いという問題点があった。
【００１１】
また、従来の電動機のサーボ制御装置は以上のように構成されているので、位置制御部５１の比例ゲインを上げすぎると、フィードバックループの安定性を損なうことになり、ある限界以上の良好な高速応答が得られないという問題点があった。
【００１２】
また、機械振動評価値を求めるために、電流データをハイパスフィルタに通す必要があり、またそのハイパスフィルタのカットオフ周波数を機械共振周波数の大きさによって調整する必要があり、さらに機械共振周波数が低い場合には機械系を駆動するための電流値と機械振動のために発生した電流値を分離しにくいという問題点があった。
【００１３】
また、従来の加工反力を正確に測定可能な工作機械は、力センサを付加する必要があり、機械の剛性も劣化するという問題があった。
【００１４】
請求項１および請求項２の発明は専門知識のないユーザでも良好な制御特性を容易に得ることを目的とする。
【００１５】
請求項３の発明は加工中のトラブルや切込み量の適切さなどを簡単に認識できるようにすることを目的とする。
【００１６】
請求項４および請求項５の発明は万一の機械の衝突に対して、機械に大きな損傷を与えることがないようにすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、前置補償器とフィードフォワード補償器およびフィードバック補償器とを設けると共に、これらを、最小２乗法により制御対象パラメータを同定しその結果をもとに修正するオートチューニング部を設けたものである。
【００１８】
請求項２の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる機械振動検出部、前置補償器とフィードフォワード補償器とフィードバック補償器とを修正するオートチューニング部とを設けたものである。
【００１９】
請求項３の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる加工反力表示部とを設けたものである。
【００２０】
請求項４の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる機械衝突検出部、位置指令値を切り換える指令値切り換え部とを修正するオートチューニング部とを設けたものである。
【００２１】
請求項５の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、ＮＣプログラムを用いる加工実行判断部、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる機械衝突検出部、位置指令値を切り換える指令値切り換え部とを設けたものである。
【００２２】
【作用】
請求項１の発明における電動機のサーボ制御装置は、オートチューニング部が電流検出値あるいは電流指令値と応答目標値とを用いて最小２乗法により制御対象パラメータを同定し、その結果をもとに前置補償器、フィードバック補償器、フィードフォワード補償器を修正する。
【００２３】
請求項２の発明における電動機のサーボ制御装置は、機械振動検出部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて機械振動の大きさを測定し、オートチューニング部が電流検出値あるいは電流指令値と応答目標値と機械振動の大きさを用いて前置補償器と、フィードバック補償器と、フィードフォワード補償器を修正する。
【００２４】
請求項３の発明における電動機のサーボ制御装置は、加工反力表示部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて加工反力の大きさを測定し、その結果を表示する。
【００２５】
請求項４の発明における電動機のサーボ制御装置は、機械衝突検出部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて機械系の衝突の有無を検知し、衝突ありと判断した場合には指令値切り換え部が機械を停止させるように指令値を切り換える。
【００２６】
請求項５の発明における電動機のサーボ制御装置は、加工実行判断部が実行中のＮＣプログラムから現在の動作の加工実行の可能性について判断し、その可能性の無い場合に機械衝突検出部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて機械系の衝突の有無を検知し、衝突ありと判断した場合には指令値切り換え部が機械を停止させるように指令値を切り換える。
【００２７】
【実施例】
実施例１．
以下、発明の一実施例を図について説明する。図１において、１は制御対象、２１は制御対象１を制御するための２自由度補償器、２は２自由度補償器２１を適切なものに修正するオートチューニング部、１１は２自由度補償器２１に与えられる指令値、１２は制御対象１に与えられる操作量、１３は制御対象１の出力信号を示す。また、２自由度補償器２１の構成要素として、３は前置補償器としての前置フィルタ、４はフィードバック補償器、５はフィードフォワード補償器、１４は前置フィルタ３の出力信号としての応答目標値、１５は差信号としての応答目標誤差、１６はフィードバック操作量、１７はフィードフォワード操作量、６は減算器、７は加算器である。
【００２８】
次に動作について説明する。制御対象１の伝達関数をＰ（ｓ）とする。まず、２自由度補償器２１の動作について説明する。前置フィルタ３は、制御系全体の目標特性である入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）と同じ伝達関数を持ち、指令値１１が入力され、応答目標値１４が出力される。フィードフォワード補償器５は、制御対象１のモデルの伝達関数をＰｍ（ｓ）として、Ｐｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）という伝達関数を持ち、指令値１１が入力され、
フィードフォワード操作量１７が出力される。フィードバック補償器４は、減算器６から得られる応答目標値１４と制御対象１の出力信号１３との差信号である応答目標誤差１５が入力され、フィードバック操作量１６が出力される。このフィードバック補償器４は、制御系のフィードバック特性を決めるものであり、制御対象１の伝達関数Ｐ（ｓ）に応じて決定され、通常フィードバックループが安定な範囲で可能な限りゲインを上げたものが採用される。ここではフィードバック補償器４の伝達関数をＣｂ（ｓ）とする。加算器７はフィードバック操作量１６とフィードフォワード操作量１７とを加算し、制御対象１への入力である操作量１２を出力する。
【００２９】
２自由度補償器２１において、制御対象１のモデルが完全に制御対象１を表現できているとすると、すなわちＰｍ（ｓ）がＰ（ｓ）に等しいとすると、指令値１１から制御対象１の出力信号１３までの伝達関数はＣｆ（ｓ）となる。言い換えれば、指令値１１にある信号が加わった場合、他の外乱がなければ、応答目標誤差１５やフィードバック操作量１６は０となる。また、たとえば操作量１２に外乱が加わった場合の出力信号１３への影響は、フィードバック補償器４の伝達関数Ｃｂ（ｓ）によって決定され、通常フィードバックループが可能な限りハイゲインになるようにＣｂ（ｓ）を決める。以上のように目標値応答特性とフィードバック特性とを独立に設定できることが一般的な２自由度制御系の特長であり、とくに２自由度補償器２１のように構成することにより、目標値応答性とフィードバック特性の設定をより見通しよく行うことが可能になる。
【００３０】
オートチューニング部２では、フィードバック操作量１６を用いて、２自由度補償器２１内部の各構成要素を適切なものに自動的に修正する。上述したように、Ｐｍ（ｓ）がＰ（ｓ）に等しいと仮定すると、ある信号が指令値１１として入力された場合、フィードバック操作量１６は０となる。したがって、もしフィードバック操作量１６が０にならない場合にはＰｍ（ｓ）がＰ（ｓ）に一致していないことになる。そこで、オートチューニング部２では、現在のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を記憶しておき、フィードバック操作量１６から時間積分値などの特徴量を抽出し、その値により制御対象１のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を修正し、それに適したＣｂ（ｓ）、Ｃｆ（ｓ）を決定して、前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５を修正する。
【００３１】
次にオートチューニングを実施するための手順を示すと、図２のフローチャートのようになる。まず、ステップＳＴ１においてオートチューニング開始の指示があると、ステップＳＴ２において指令値１１への信号入力を待つ。ある信号が入力されるとステップＳＴ３においてフィードバック操作量１６から特徴量を抽出する。ステップＳＴ４において抽出された特徴量が予め定められたオートチューニング終了の条件を満たせば、例えばフィードバック操作量１６の時間積分値がある値以下になれば、ステップＳＴ５に進みチューニングを終了する。ステップＳＴ４においてオートチューニング終了の条件を満たさなければ、ステップＳＴ６において抽出した特徴量をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を修正する。ステップＳＴ７においては、修正したＰｍ（ｓ）に適した入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）と、フィードバック補償器４の伝達関数Ｃｂ（ｓ）とを決定する。入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）の決定は、入出力間応答の目標値、高周波外乱の大きさなどを考慮して行う。また、フィードバック補償器４の伝達関数Ｃｂ（ｓ）の決定は、位相余裕などの評価指標による古典制御の手法、最適制御、Ｈ∞制御などのフィードバック制御系の設計法により行うことができる。ステップＳＴ８において、修正したＰｍ（ｓ）、Ｃｆ（ｓ）、Ｃｂ（ｓ）から前置フィルタ３のＣｆ（ｓ）、フィードバック補償器４のＣｂ（ｓ）、フィードフォワード補償器５のＰｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）を決定する。この後、ステップＳＴ２に戻
り、次の入力を待つ。以上の手順を繰り返すことにより、最終的に適切な２自由度補償器２１を得ることができる。
【００３２】
なお、通常フィードバック操作量１６の目標基準はどの様な入力に対しても０になることであるため、上記実施例１で述べたオートチューニングのための指令値１１の入力は繰り返しごとに同一の入力である必要はない。また、上記実施例１では、前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５をすべて修正していくとしたが、必要に応じて、これらのうちいずれか２つ、あるいは１つを修正することとしてもよい。
【００３３】
実施例２．
他の実施例を図３に示す。図３において、図１と同一符号は同一部分を示す。図３は、オートチューニング部２において、フィードバック操作量１６とフィードフォワード操作量１７とを用いた場合である。入力の大きさが繰り返しごとに変わる場合、フィードバック操作量１６の０からの誤差の大きさを評価する比較対象として、フィードフォワード操作量１７や操作量１２や指令値１１を併せて用いることが有効である。この実施例では、フィードバック操作量１６からと同時にフィードフォワード操作量１７から特徴量を抽出し、フィードフォワード操作量１７からの特徴量でフィードバック操作量１６からの特徴量を規格化したのち、その値をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正量を決定する。オートチューニング部２をこのような構成にすることにより、指令値１１の大きさが大きく変化する場合でも、良好なオートチューニングが実現できる。
【００３４】
実施例３．
他の実施例を図４に示す。図４において、図１と同一符号は同一部分を示す。図４は、オートチューニング部２においてフィードバック操作量１６とフィードフォワード操作量１７とに加え、さらに制御対象１の出力信号１３を用いた場合である。制御対象１の出力信号１３から特徴量を抽出し、それをオートチューニング部２で用いることにより、制御対象１の応答波形が直接確認でき、望ましい応答波形を確認しながらのチューニングが可能になる。
【００３５】
実施例４．
他の実施例を図５に示す。図５において、図１と同一符号は同一部分を示す。上記実施例１〜３ではフィードバック操作量１６が０となることを目標にモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行ったが、応答目標誤差１５に対しても同じ理由によりどの様な入力に対しても０となることが目標となる。従って、上記実施例１〜３のフィードバック操作量１６の代わりに応答目標誤差１５から特徴量を抽出し、その特徴量をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行うことにより、同様の効果を得ることができる。図５は、オートチューニング部２において、応答目標誤差１５から抽出した特徴量と、規格化するための比較対象として制御対象１の出力信号１３とから抽出した特徴量をもとに、モデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行うように構成した場合の実施例である。
【００３６】
なお、これまでの実施例１〜４では、フィードバック操作量１６や応答目標誤差１５が０となることを目標として、オートチューニング部２において２自由度補償器２１の修正を行っている。しかし、実際には、操作量１２に加わる定常的な外乱や、モデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）と実際の制御対象の間の構造的なモデル化誤差などによって、フィードバック操作量１６や応答目標誤差１５が完全に０となる場合は少ない。このような場合でも、特徴量の選び方を工夫することにより、外乱やモデル化誤差の悪影響をあまり受けずに良好なオートチューニングが実現できる。
【００３７】
また、上記実施例１〜４では、特徴量をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行ったが、通常の適応制御で用いられるような逐次的な計算法を用いても、同様にオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置が実現できる。
【００３８】
実施例５．
他の実施例を図６に示す。図６において、４１は電動機、４２は電動機４１に取り付けられた機械系、４３は電動機４１の回転角度を測定する位置検出器、４４は電動機４１に流れる電流を測定するための電流検出器、３１は電流制御部、２１は２自由度サーボ制御装置、１１ａは位置指令値、１２ａは電流指令値、１３ａは位置検出値、１３ｃは電流検出値、１９は電動機４１に流れる電流である。また、２自由度サーボ制御装置２１の構成要素として、３は前置フィルタ、４はフィードバック補償器、５はフィードフォワード補償器、７は加算器、１４ａは前置フィルタ３の出力信号としての応答目標値、１５ａは差信号としての応答目標誤差、１６ａはフィードバック電流指令値、１７ａはフィードフォワード電流指令値である。
【００３９】
次に動作について説明する。この電動機のサーボ制御装置に関する発明は、例えば図１の実施例に示された２自由度制御装置を、電動機のサーボ制御に適用したものである。電動機４１には機械系４２が取り付けられている。この機械系４２に対して位置決め、軌跡追従などの所定の動作を行わせることがサーボ制御装置の目的である。位置検出器４３は電動機４１に取り付けられ、電動機４１の回転角度を検出することにより、機械系の位置の情報を得ている。電流制御部３１では、２自由度制御装置２１からの電流指令値１２ａと、電流検出器４４で測定された電流１９の値との誤差を用いて、電流１９が電流指令値１２ａに追従するようにＰＩ制御を行う。この実施例においては、電動機４１と位置検出器４３と機械系４２、および電流制御部３１を含む電流フィードバックループ全体を、仮に制御対象とみなし、この制御対象に対して２自由度サーボ制御装置２１を用いる。
【００４０】
電流フィードバックループが十分速く応答すると仮定し、制御対象の伝達関数を次式とする。
Ｐ（ｓ）＝｛１／（Ｊ・ｓ2 ）｝・（むだ時間）‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
ここで、Ｊは電動機の回転子と機械系の負荷イナーシャの大きさである。むだ時間の大きさは、電流フィードバックループを実現する場合のサンプリング時間やＰＷＭスイッチング周波数などによって決まる。制御対象がこのような伝達関数で表わされる場合、２自由度サーボ制御装置２１は以下のように設計できる。
【００４１】
まず、フィードバック補償器４は、外乱抑制特性などのフィードバック特性を決定するものであるため、閉ループ系が安定な範囲内でゲインを上げ、かつ積分特性を持つ必要がある。フィードバック補償器４は次式の伝達関数を持つ。
Ｃｂ（ｓ）＝｛Ｋｂ・ａ3 （ｓ＋ａ1 ）（ｓ＋ａ2 ）｝
／｛ａ1 ・ａ2 ・ｓ（ｓ＋ａ3 ）｝‥‥‥‥‥‥‥（２）
ここで、ａ1 ，ａ2 ，ａ3 はむだ時間の大きさから決まる閉ループ系の目標応答周波数
から決定でき、ＫｂはＪの大きさに応じて決定できる。
【００４２】
また、前置フィルタ３は、機械系４２の機械共振を励起しない、電流指令値１２ａに飽和を生じないなどの条件を満足するように、入出力の応答を制限するためのものである。前置フィルタ３は次式の伝達関数を持つ。
Ｃｆ（ｓ）＝ｂ1 ・ｂ2 ／｛（ｓ＋ｂ1 ）（ｓ＋ｂ2 ）｝‥‥‥‥（３）
ここで、ｂ1 ，ｂ2 は前記のような条件を満足するように決定する。さらに、フィード
フォワード補償器５は、伝達関数がＰｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）となるように決定する。こ
こで、Ｐｍ（ｓ）は実施例１に示したように制御対象のモデルであり、この実施例では次式の伝達関数とする。
Ｐｍ（ｓ）＝（１／Ｊｍ・ｓ2 ） ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（４）
ここで、ＪｍはＪの推定値である。
【００４３】
この実施例では、Ｐｍ（ｓ），Ｃｆ（ｓ）とも分母２次、分子０次であるため、Ｐｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）は分母２次、分子２次となり、実現しやすい伝達関数となっている。
以上のように２自由度サーボ制御装置２１を構成することにより、目標値応答特性とフィードバック特性を独立にかつ見通しよく設定できる電動機のサーボ制御装置が実現できる。
【００４４】
なお、この実施例において、
ａ3 ＝ｂ1 ＝ｂ2 ＝∞
としたものは、図１８の従来例に示された電動機のサーボ制御装置において、速度と電流のフィードフォワードを行ったものと等価になる。すなわち、上記実施例は、通常行われるフィードフォワード付の電動機のサーボ制御装置の拡張になっているといえる。
【００４５】
なお、上記実施例５では、制御対象モデルＰｍ（ｓ）を簡単な（４）式で表現しているが、より実際に近い複雑なモデルをもとにしてもよい。また、前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５の各々の特性も要求する制御特性を満足するものであればよい。さらに、上記実施例５では、制御対象出力を、電動機４１に取り付けた位置検出器４３からの信号としているが、たとえば機械系に取り付けたリニアスケールのような検出器でも同様の２自由度サーボ制御装置２１が構成できる。
【００４６】
実施例６．
次に、オートチューニング機能を持つ電動機のサーボ制御装置に関する本発明の他の実施例を図について説明する。図７において、図６と同一符号は同一部分を示し、２はオートチューニング部である。
【００４７】
次に動作について説明する。この電動機のサーボ制御装置に関する発明は、図６の実施例５に示された電動機のサーボ制御装置にオートチューニング機能を加えたものである。オートチューニング部２では、フィードバック電流指令値１６ａと電流検出値１３ｃをもとに前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５を修正する。オートチューニング部２は電動機の回転子と機械系の負荷イナーシャの大きさＪの推定値Ｊｍを持ち、特徴量としてステップ状の位置指令値１１ａが入力された時のフィードバック電流指令値１６ａと電流検出値１３ｃのそれぞれの時間積分値を抽出し、それらを比較してＪｍの修正を行う。すなわち、フィードバック電流指令値１６ａからの特徴量と電流検出値１３ｃからの特徴量の大きさがあまり変わらなければ、Ｊｍが小さすぎるとしてＪｍを増加させる。また、フィードバック電流指令値１６ａからの特徴量が電流検出値１３ｃからの特徴量に比べて十分小さければ、Ｊｍは適切と判断して修正しない。前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５の修正は、Ｊｍおよび電流検出値１３ｃから評価した機械振動の大きさなどをもとに、図２のフローチャートに示したような手順で行われる。ステップ状の位置指令値１１ａが繰り返し行われた後、適切な前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５が得られる。
【００４８】
なお、上記実施例６では電流検出値１３ｃを用いたが、電流フィードバックループの応答が十分速い場合には、電流指令値１２ａを用いてもよい。また、上記実施例６では、実施例５に示されたような構成の２自由度サーボ制御装置２１に対してのオートチューニング機能について述べたが、フィードフォワード補償器としてのフィードフォワード部とフィードバック補償器としてのフィードバック部とを持つ電動機のサーボ制御装置であれば、同様のオートチューニング機能が実現できる。
【００４９】
実施例７．
次に、オートチューニング機能を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項１の発明の一実施例を図８について説明する。図８において、図７と同一符号は同一部分を示し、３ａは図７の前置フィルタ３に相当する加減速フィルタ、５ａ，５ｂ，５ｃはフィードフォワード補償器５の構成要素であり、それぞれ粘性補償器、慣性補償器、摩擦補償器である。また、４２ａは図７の機械系４２に相当するＸＹテーブルを示す。
【００５０】
次に動作について説明する。この実施例は制御対象であるＸＹテーブル４２ａの動特性として、粘性、慣性、クーロン摩擦からなるモデルを考えたものである。加減速フィルタ３ａはＸＹテーブル４２ａの指令動作軌跡をもとに滑らかな加減速パターンを生成し、Ｘ，Ｙの各電動機への滑らかな時系列データを出力する。粘性補償器５ａでは次式により粘性補償量ＦＦｃを決定する。
ＦＦｃ＝ｃ・（ｄｘ／ｄｔ） ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（５）
ここで、ｃは粘性パラメータ、ｘは加減速フィルタの出力で滑らかな目標応答値である。また、慣性補償器５ｂでは次式により慣性補償量ＦＦｉを決定する。
ＦＦｉ＝Ｉ・（ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ） ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（６）
ここで、Ｉは慣性パラメータである。さらに、摩擦補償器５ｃでは次式により摩擦補償量ＦＦｆを決定する。
ＦＦｆ＝Ｆ・ｓｇｎ（ｄｘ／ｄｔ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（７）
ここで、Ｆは摩擦パラメータである。目標応答値ｘは滑らかに生成されているため、（５），（６），（７）式における微分計算は可能である。フィードフォワード操作量１７ａはＦＦｃとＦＦｉとＦＦｆの和として求める。
【００５１】
ｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータはある指令値に対しＸＹテーブル４２ａを複数回動作させ、オートチューニング部２においてその時系列データを用いて最小２乗法により求める。すなわち、動作時の電流指令値の時系列データを横ベクトルｙ、応答目標値の微分値の時系列データを横ベクトルｘ１、応答目標値の２回微分値の時系列データを横ベクトルｘ２、応答目標値の微分値の符号を表わす時系列データを横ベクトルｘ３とし、Ｘを（８）式のようにすると、
【００５２】
【数１】
【００５３】
オートチューニング部２では、まず、動作時に得られるＸ，ｙを保存し、そのデータを用いて、
（ｃ，Ｉ，Ｆ）＝ｙ・ＸT ・（Ｘ・ＸT ）-1 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥（９）
を求め、その結果をそれぞれ粘性補償部５ａ、慣性補償部５ｂ、摩擦補償部５ｃに送る。ただし、たとえば正確でないｃ，Ｉ，Ｆの値で動作させたデータの電流指令値は、応答目標値１４ａと位置検出値１３ａとの誤差をもとにフィードバック補償器により生成されたものであるため、応答目標値に誤差なく追従する望ましい電流指令値とは言えない。
【００５４】
したがって、この電流指令値をもとに（９）式で求めたｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータは最適なものにはならない可能性がある。そこで、ＸＹテーブル４２ａを動作させた後、（８）式によりｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータを求め、その値をフィードフォワード補償器５で用いて、再びＸＹテーブルを動作させる。この手順を繰り返すことにより、ｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータを望ましい値に収束させる。
【００５５】
図９は、ｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータを収束させる手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１１で動作を開始後、ステップＳＴ１２においてフィードフォワード補償器５で用いるｃ，Ｉ，Ｆの初期値を与える。この初期値としては、たとえば、Ｉの値には予めわかっているモータの慣性モーメントの値、ｃ，Ｆはそれぞれ０を代入しておく。つぎに、ステップＳＴ１３ではＸＹテーブル４２ａを動作させその時の時系列データＸ，ｙをオートチューニング部２に保存する。ステップＳＴ１４では同じくオートチューニング部２において、保存したデータから（８）式によりｃ，Ｉ，Ｆを決定する。またさらに、同じくオートチューニング部２において、ステップＳＴ１５では、ステップＳＴ１４にて求めたＩをもとに、予め与えられた周波数に開ループの交差周波数が一致するようにフィードバック補償器を修正する。さらにステップＳＴ１６では、ステップＳＴ１４にて決定したｃ，Ｉ，Ｆの値とそれまでのｃ，Ｉ，Ｆの値を比較し、それぞれの差が予め設定された値より小さければステップＳＴ１７に進んでｃ，Ｉ，Ｆの決定手順を終了する。ステップＳＴ１６において、その差が設定値より小さくなければ、ステップＳＴ１３に戻って再びＸＹテーブル４２ａを動作させる。
【００５６】
本実施例のように最小２乗法によるチューニングを行うことにより、特別なチューニングのための指令値を必要とせずに、実際に動作させる指令値によりチューニングが可能となる。また、動作させる指令値が変化した場合にも１度求めたチューニング結果は用いることができる。
【００５７】
実施例８．
次に、オートチューニング機能を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項２の発明の一実施例を図１０について説明する。図１０において、図８と同一符号は同一部分を示し、２ａは機械振動も考慮したオートチューニング部、１１１は機械振動検出部、１０１は機械振動検出部で検出された機械振動の大きさである。
【００５８】
まず、機械振動検出部１１１における動作について説明する。機械振動検出部ではフィードバック電流指令値１６ａをもとに機械振動の大きさの評価値を検出する。図に示したようなフィードフォワード補償器５を備えたサーボ系では、外乱の無い場合には応答目標値と位置検出値が一致するため、フィードバック電流指令値１６ａは０になる。実際には位置検出値の量子化の影響やフィードフォワード補償器５におけるモデル化誤差の影響のため小さな信号は発生するが、機械振動は通常これらより大きな外乱となる。
【００５９】
機械振動によるフィードバック電流指令値の様子が図１１である。図１１において、１７ｂはフィードフォワード電流指令値、１６ｂはフィードバック電流指令値、ｔ１は機械振動が発生した時刻、ｔ２は機械振動が収まった時刻を示す。図１１（ａ）が機械共振周波数が高い場合、図１１（ｂ）が機械共振周波数が低い場合である。機械振動の大きさの評価値は、指令開始時刻から終了後一定時間経過後の時刻までのフィードバック電流指令値の２乗積分値、あるいは絶対値積分値で決定する。あるいは、それらの時間領域の信号をフーリエ変換し、機械振動の周波数が存在すると考えられる範囲でのパワーのピーク値を機械振動の大きさの評価値としてもよい。また、機械振動検出部１１１への入力としてフィードバック補償器への入力１５ａを用いても同様の効果は得られる。
【００６０】
つぎに、機械信号を考慮したオートチューニング部２ａの動作について説明する。図１２は図１０でのオートチューニングの手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１１ａで動作を開始後、ステップＳＴ１２ａでｃ，Ｉ，Ｆおよびフィードバック補償器のゲインＧｂ初期値を決定する。ゲインＧｂの初期値は安全性を考慮して低めの値にしておく。ステップＳＴ１３，１４，１５，１６は図９の対応するステップと同一の手順を示し、ｃ，Ｉ，Ｆを決定する。つぎにステップＳＴ１８にて上述の方法により機械振動評価値を測定し、ステップＳＴ１９にて予め決めておいた機械振動の許容基準値と比較する。その結果振動評価値が基準値より大きければステップＳＴ２０にて加減速フィルタ３ａの時定数を下げ、ステップＳＴ１８にてＸＹテーブル４２ａを動作させ、ステップＳＴ１８に戻る。振動評価値が基準値より小さければ、ステップＳＴ２２にてＧｂを増加させ、ステップＳＴ２３にてＸＹテーブル４２ａを動作させ、ステップＳＴ２４にて機械振動評価値を測定し、ステップＳＴ２５にて許容基準値と比較する。その結果振動評価値が基準値より大きければステップＳＴ２６にてＧｂを減少させ、振動評価値が基準値より大きければステップＳＴ２７にて終了判定を行ったあとステップＳＴ２８にてＧｂを増加させ、ステップＳＴ２３に戻ってＸＹテーブル４２ａを動作させる。ステップＳＴ２２，ＳＴ２６，ＳＴ２８におけるＧｂの増減量の決定は、それまでの動作におけるＧｂと振動評価値との関係を保存しておき、振動評価値が基準値以下であった最大のＧｂと振動評価値が基準値以上であった最小のＧｂとの平均により行う。ステップＳＴ２７における終了判定は、今回のＧｂの値と振動評価値が基準値以上であった最小のＧｂの値との差が十分小さくなった場合、あるいは今回のＧｂの値とＩに最適なＧｂの値との差が十分小さくなった場合に終了とみなす。なお、この実施例ではフィードバック補償器のゲインＧｂをチューニングの対象としたが、積分補償や位相進みなどの動特性を持つ補償要素についても同様にチューニングが可能である。また、この実施例では加減速フィルタ３ａの調整とフィードバック補償器４の調整を順に行ったが、両方を同時に調整していく手順にしてもよい。
【００６１】
実施例９．
次に、加工反力表示部を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項３の発明の一実施例を図１３について説明する。図１３において、図８と同一符号は同一部分を示し、５０は切削工具、５１はワーク、１１２は加工反力を検知し表示する加工反力検知部である。
【００６２】
旋盤やマシニングセンタにおいて切削加工を行う場合、工具５０とワーク５１との間に切削加工力が働き、その反力が送り軸および主軸の外乱となる。実施例８において示したようにサーボ制御装置２１を構成したので、フィードバック電流指令値１６ａには主として外乱を補償するために必要な電流が現れ、切削中にはほぼ切削反力が現われる。加工反力検知部１１２は、フィードバック電流指令１６ａをトルク定数倍することにより、加工反力の大きさを求め、加工反力を表示するメータに逐次表示する。加工中に作業者がこのメータを見ることにより、切込み量が大きすぎる、びびり振動が発生している、工具が破損しているといったトラブルを容易に発見できるようになる。なお、この実施例では加工反力をメータで表示するとしたが、予め加工反力の限界を設定しておきそれを超えた場合に点灯するランプを用意してもよい。また、振動的で過大な加工反力を検知した時に点灯するびびり振動検知ランプを用意してもよい。
【００６３】
実施例１０．
次に、機械衝突検知部を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項４の発明の一実施例を図１４について説明する。図１４において、図８と同一符号は同一部分を示し、１１ａは通常の指令値、１１ｂは機械を停止させるための指令値、１１３は電動機に取り付けられた機械が衝突したことを検知する衝突検知部、１０２は指令値を切り換えるための信号である。
【００６４】
サーボ制御装置により機械を駆動させる場合、作業者のミスなどの原因により他の物体との衝突が発生することがある。衝突が発生した場合には、駆動する機械や他の物体を保護するため、速やかに機械を停止することが望ましい。衝突が発生した場合には、衝突力が発生しその反力が送り軸および主軸の外乱となる。実施例８において示したようにサーボ制御装置２１を構成したので、フィードバック電流指令値１６ａには主として外乱を補償するために必要な電流が現れ、衝突時にはほぼ衝突反力が現われる。図１５は衝突時のフィードバック電流指令値１６ａを示すものであり、図において、１６ａがフィードバック電流指令値、ｔ３が衝突が発生した時刻を示す。衝突時は図に示したようにフィードバック電流指令値１６ａが大きな変化を示すため、衝突検知部１１３ではあるレベル以上のフィードバック電流指令値１６ａが発生した場合に、指令値切り換え信号１０２を停止側信号にし、加減速フィルタ３ａへの入力を停止指令値１１ｂに切り換える。停止指令値１１ｂが入力されるとサーボ制御装置２１は機械を速やかに停止させる。
【００６５】
なお、この実施例では衝突検知部でフィードバック電流指令値１６ａがあるレベル以上になった場合を衝突とみなしたが、フィードバック電流指令値１６ａのある時間幅の変化の大きさなどを基準にしても同様の効果が得られる。
【００６６】
実施例１１．
さらに、機械衝突検知部を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項５の発明の一実施例を図１６について説明する。図１６において、図１４と同一符号は同一部分を示し、１１４は現在の工作機械の動作の加工実行の可能性を判断する加工実行判断部、１０３は加工実行の可能性を示す加工実行信号である。
【００６７】
数値制御装置により駆動される工作機械において、実施例１０のようにフィードバック電流指令値１６ａから衝突検知を行おうとした場合、機械を停止させるべき衝突であるか、切削加工のためのワークと工具との衝突であるかを判断することは難しい。そこで、加工実行判断部１１４では、加工のためのＮＣプログラムから切削送り実行中には１、それ以外の場合には０の加工実行信号１０３を出力し、衝突検知部１１３では加工実行信号１０３が０の場合にのみ実施例１０に示した衝突検知および指令値の切り換えを行う。これにより、切削のための衝突には反応しない衝突検知部を持つ電動機のサーボ制御装置が実現できる。
【００６８】
なお、この実施例では加工実行判断部１１４での加工実行信号１０３の作り方として、切削送りか否かに判断するとしたが、予め加工プログラムのステップごとに加工の可能性についてユーザが書き込んでおいてもよい。また、書き込み方法を加工開始からの時間で入力するようにしてもよい。さらに、対話型のプログラミング装置では、各ステップごとに自動的に加工実行信号を設定するようにしても同様の効果が得られる。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、入出力応答特性とフィードバック特性を独立に設定できる電動機のサーボ補償器を自動的に適切な値に調整できるように構成したので、専門知識のない電動機ユーザでも良好な制御特性を容易に得ることができる効果がある。
【００７０】
請求項２の発明によれば、入出力応答とフィードバック特性を独立に設定できる電動機のサーボ補償器を機械振動の大きさも考慮しながら自動的に適切な値に調整できるように構成したので、専門知識のない電動機ユーザでも良好な制御特性を容易に得ることができる効果がある。
【００７１】
請求項３の発明によれば、数値制御装置が加工反力を表示できるように構成したので、加工中のトラブルや切込み量の適切さなどを簡単に認識できる効果がある。
【００７２】
請求項４および請求項５の発明によれば、サーボ制御装置が機械の衝突を自動的に検知し機械を停止させるように構成したので、万一の機械の衝突に対しても機械に大きな損傷を与えずにすむ効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の一実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図２】オートチューニング機能の手順を示すフローチャートである。
【図３】他の実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図４】他の実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図５】他の実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図６】他の実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図７】他の実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図８】請求項１の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図９】請求項１のオートチューニング機能の手順を示すフローチャート図である。
【図１０】請求項２の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１１】電流指令値における機械振動の様子を示す図である。
【図１２】請求項２の機械振動を考慮したオートチューニング機能の手順を示すフローチャート図である。
【図１３】請求項３の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１４】請求項４の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１５】電流指令値における衝突の様子を示す図である。
【図１６】請求項５の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１７】従来の２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図１８】従来の電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１９】従来の機械振動を考慮したオートチューニング機能を有する電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図２０】従来の加工反力を測定する工作機械を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 制御対照
２, ２ａ オートチューニング部
３ 前置フィルタ（前置補償器）
３ａ 加減速フィルタ
４ フィードバック補償器
５ フィードフォワード補償器
７ 加算器
１１ 指令値
１１ａ 位置指令値
１２ 操作量
１２ａ 電流指令値
１３ 出力信号
１３ａ 位置検出値
１３ｃ 電流検出値
１４，１４ａ 応答目標値（出力信号）
１５，１５ａ 応答目標誤差（差信号）
１６ フィードバック操作量
１６ａ フィードバック電流指令値
１７ フィードフォワード操作量
１７ａ フィードフォワード電流指令値
１９ 電流
３１ 電流制御部
４１ 電動機
４２ 機械系（工作機械）
４３ 位置検出器
４４ 電流検出器
１１１ 機械振動検出部
１１２ 加工反力検知部
１１３ 衝突検知部
１１４ 加工実行判断部
１２０ 指令値切り換え部
【産業上の利用分野】
この発明は、入出力応答特性と外乱抑制特性との両方を良好にする２自由度制御装置及び電動機のサーボ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は例えば特開平３−２６８１０３号公報に示された従来のオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置の一例を示すブロック図であり、図において１は制御対象、２１ａは制御対象１を制御するためのプラント２自由度補償器、２は２自由度補償器２１ａを適切なものに修正するオートチューニング部、１１は指令値、１２は制御対象１に与えられる操作量、１３ｅは制御対象１の出力信号を示す。また、オートチューニング部２の構成要素として、２０は制御対象１のモデル、２１ｂはモデル２０を制御するためのモデル２自由度補償器でプラント２自由度補償器２１ａと同じものである。１２ｂはモデル２０に与えられる操作量、１３ｄはモデル２０の出力信号、２２ａは制御対象１の出力信号１３ｅ、指令値１１、制御対象１への操作量１２から特徴量を求めるプラント特徴量抽出部、１８ａはプラント特徴量抽出部２２ａの出力であるプラント特徴量、２２ｂはモデル２０の出力信号１３ｄ、指令値１１、モデル２０への操作量１２ｂから特徴量を求めるモデル特徴量抽出部、１８ｂはモデル特徴量抽出部２２ｂの出力であるモデル特徴量、２３はプラント特徴量１８ａとモデル特徴量１８ｂとを比較する特徴量比較部、２４は特徴量比較部２３の出力をもとに推論を行いモデル２０の変更を行う推論部、２５はモデル２０に適したプラント２自由度補償器２１ａおよびモデル２自由度補償器２１ｂを設計する２自由度補償器設計部である。
【０００３】
次に動作について説明する。このオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置は、例えばステップ応答における立ち上がり時間、オーバシュート量、操作量の大きさなどの特徴量をもとにプラント２自由度補償器２１ａを修正していくものである。まず、制御対象１とプラント２自由度補償器２１ａとから構成される制御系と、モデル２０とモデル２自由度補償器２１ｂとから構成される制御系に、同じ指令値１１を入力する。そのときの指令値１１、操作量１２、出力信号１３ｅをもとにプラント特徴量抽出部２２ａにおいてプラント特徴量１８ａを抽出し、同時に指令値１１、操作量１２ｂ、出力信号１３ｄをもとにモデル特徴量抽出部２２ｂにおいてプラント特徴量１８ａを抽出する。このプラント特徴量１８ａとモデル特徴量１８ｂとの差は、制御対象１とモデル２０との違いによるものであるため、それらを特徴量比較部２３で比較し、その結果をもとに推論部２４でモデル２０を制御対象１に近づけるための推論を行い、モデル２０を修正する。２自由度補償器設計部２５では、修正されたモデル２０に最適な２自由度補償器を決定し、プラント２自由度補償器２１ａとモデル２自由度補償器２１ｂとを修正する。以上の修正を繰り返すことにより、モデル２０が制御対象１に一致し、制御対象１に最適なプラント２自由度補償器２１ａが決定できる。
【０００４】
図１８は、例えば「アナログサーボからディジタルサーボへ」（岩金：日本ロボット学会誌、７巻３号、２１２〜２１７ページ、１９８９年６月）に記載された従来の電動機のサーボ制御装置の一例を示すブロック図であり、図において、４１は電動機、４２は電動機４１に取り付けられた機械系、４３は電動機４１の回転角度と速度を測定する位置検出器、４４は電動機４１に流れる電流を測定するための電流検出器、３１は電流制御部、５２は速度制御部、５１は位置制御部、１１ａは位置指令値、１１ｂは速度指令値、１２ａは電流指令値、１３ａは位置検出値、１３ｂは速度検出値、１３ｃは電流検出値、１５ａは位置誤差、１５ｂは速度誤差、１９は電動機４１に流れる電流である。
【０００５】
次に動作について説明する。この電動機４１のサーボ制御装置は、例えば工作機械やロボットなどに対し軌跡制御を行うためのもので、望ましい軌跡指令値から位置指令値１１ａを生成し、機械系４２が取り付けられた電動機４１を位置指令値１１ａに応じて動作させるためのものである。すなわち、位置検出器４３によって得られた位置検出値１３ａと位置指令値１１ａとの差を計算して位置誤差１５ａを求め、位置制御部５１において適切な演算を行い速度指令値１１ｂを決定する。次に、位置検出器４３によって得られた速度検出値１３ｂと上記速度指令値１１ｂとの差を計算して速度誤差１５ｂを求め、速度制御部５２において適切な演算を行い電流指令値１２ａを決定する。さらに、電流検出器４４によって得られた電流検出値１３ｃと上記電流指令値１２ａとの差をもとに電流制御部３１において適切な演算を行い電動機４１の電流１９を制御する。この従来例では、位置制御部５１、速度制御部５２、電流制御部３１において、それぞれＰ（比例）演算、ＰＩ（比例・積分）演算、ＰＩ演算を行っている。
【０００６】
図１９は例えば同じく特開平４−３２５８８６号公報に示された従来の機械振動の大きさを考慮したオートチューニング機能を持つサーボ装置の一例を示すブロック図であり、図において図１８と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。２は機械振動を考慮したオートチューニング機能付き電動機サーボ系コントローラ、６１は同定・設計部により求められたゲイン候補値、６２は機械振動判定部により求められた機械振動によるゲイン制限値、６３は振動限界値、７１は機械振動判定部、７２は同定・設計部、７３はゲイン決定部である。
【０００７】
つぎに動作について説明する。同定・設計部７２は、例えば図１７の従来例と同様に負荷イナーシャ推定値を用いたサーボ系シミュレーション部、電流面積計算部、イナーシャ修正量決定部を含み、ある位置指令値１１ａに対する電流検出値１３ｃより負荷イナーシャ推定値を修正しながらその推定値に最適なゲイン候補値６１を決定する。一方、機械振動判定部７１では、まず、同じ位置指令値１１ａに対する電流検出値１３ｃあるいは電流指令値１２ａをハイパスフィルタに通し、その２乗値を時間積分することによって、振動評価値を求め、予め設定された振動限界値６３と比較する。また、機械振動判定部７１には、同じ位置指令値１１ａに対して過去に試行した速度ループ比例ゲインと振動評価値の関係が記憶されており、それらのデータを総合してゲイン制限値６２を決定する。ゲイン決定部７３では、同定・設計部７２で得たゲイン候補値６１の比例ゲインと、機械振動判定部７１で得たゲイン制限値６２を比較し、ゲイン制限値６２の方が大きければゲイン候補値６１を速度制御部５２で用いるゲイン５３とする。一方、ゲイン制限値６２の方が小さい場合、速度制御部５２で用いるゲイン５３の比例ゲインをゲイン制限値６２とし、積分ゲインは比例ゲインに適した値とする。
【０００８】
図２０は例えば特開平４−１０１７４９号公報に示された従来の加工反力を正確に検出可能な工作機械の一例を示す図であり、図において、１０１は力センサ、１０２は工具、１０３は刃物台、１０４はサーボ駆動される送り装置、１０５はワーク、１０６はチャック、１０７は主軸である。
【０００９】
つぎに動作について説明する。ワーク１０５はチャック１０６により主軸１０７に取り付けられ、回転運動を行う。工具１０２は刃物台１０３により送り装置１０４に取り付けられ、数値制御装置からの指令により移動することで加工を行う。力センサ１０１は送り装置１０４と工具１０２の間に取り付けられており、工具にかかる衝突時の力、加工中に生じる加工反力等を測定することができる。加工反力を数値制御装置のサーボ系に入力することにより、安定した制御を行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置は以上のように構成されているので、通常動作中の信号をもとにオートチューニングが可能という利点はあるが、オートチューニング部２の構成が複雑で計算量が多いという問題点があった。
【００１１】
また、従来の電動機のサーボ制御装置は以上のように構成されているので、位置制御部５１の比例ゲインを上げすぎると、フィードバックループの安定性を損なうことになり、ある限界以上の良好な高速応答が得られないという問題点があった。
【００１２】
また、機械振動評価値を求めるために、電流データをハイパスフィルタに通す必要があり、またそのハイパスフィルタのカットオフ周波数を機械共振周波数の大きさによって調整する必要があり、さらに機械共振周波数が低い場合には機械系を駆動するための電流値と機械振動のために発生した電流値を分離しにくいという問題点があった。
【００１３】
また、従来の加工反力を正確に測定可能な工作機械は、力センサを付加する必要があり、機械の剛性も劣化するという問題があった。
【００１４】
請求項１および請求項２の発明は専門知識のないユーザでも良好な制御特性を容易に得ることを目的とする。
【００１５】
請求項３の発明は加工中のトラブルや切込み量の適切さなどを簡単に認識できるようにすることを目的とする。
【００１６】
請求項４および請求項５の発明は万一の機械の衝突に対して、機械に大きな損傷を与えることがないようにすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、前置補償器とフィードフォワード補償器およびフィードバック補償器とを設けると共に、これらを、最小２乗法により制御対象パラメータを同定しその結果をもとに修正するオートチューニング部を設けたものである。
【００１８】
請求項２の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる機械振動検出部、前置補償器とフィードフォワード補償器とフィードバック補償器とを修正するオートチューニング部とを設けたものである。
【００１９】
請求項３の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる加工反力表示部とを設けたものである。
【００２０】
請求項４の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる機械衝突検出部、位置指令値を切り換える指令値切り換え部とを修正するオートチューニング部とを設けたものである。
【００２１】
請求項５の発明に係る電動機のサーボ制御装置は、加減速フィルタ、フィードフォワード補償器と、フィードバック補償器とを設けると共に、ＮＣプログラムを用いる加工実行判断部、フィードバック補償器の入力あるいは出力を用いる機械衝突検出部、位置指令値を切り換える指令値切り換え部とを設けたものである。
【００２２】
【作用】
請求項１の発明における電動機のサーボ制御装置は、オートチューニング部が電流検出値あるいは電流指令値と応答目標値とを用いて最小２乗法により制御対象パラメータを同定し、その結果をもとに前置補償器、フィードバック補償器、フィードフォワード補償器を修正する。
【００２３】
請求項２の発明における電動機のサーボ制御装置は、機械振動検出部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて機械振動の大きさを測定し、オートチューニング部が電流検出値あるいは電流指令値と応答目標値と機械振動の大きさを用いて前置補償器と、フィードバック補償器と、フィードフォワード補償器を修正する。
【００２４】
請求項３の発明における電動機のサーボ制御装置は、加工反力表示部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて加工反力の大きさを測定し、その結果を表示する。
【００２５】
請求項４の発明における電動機のサーボ制御装置は、機械衝突検出部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて機械系の衝突の有無を検知し、衝突ありと判断した場合には指令値切り換え部が機械を停止させるように指令値を切り換える。
【００２６】
請求項５の発明における電動機のサーボ制御装置は、加工実行判断部が実行中のＮＣプログラムから現在の動作の加工実行の可能性について判断し、その可能性の無い場合に機械衝突検出部がフィードバック補償器の入力あるいは出力を用いて機械系の衝突の有無を検知し、衝突ありと判断した場合には指令値切り換え部が機械を停止させるように指令値を切り換える。
【００２７】
【実施例】
実施例１．
以下、発明の一実施例を図について説明する。図１において、１は制御対象、２１は制御対象１を制御するための２自由度補償器、２は２自由度補償器２１を適切なものに修正するオートチューニング部、１１は２自由度補償器２１に与えられる指令値、１２は制御対象１に与えられる操作量、１３は制御対象１の出力信号を示す。また、２自由度補償器２１の構成要素として、３は前置補償器としての前置フィルタ、４はフィードバック補償器、５はフィードフォワード補償器、１４は前置フィルタ３の出力信号としての応答目標値、１５は差信号としての応答目標誤差、１６はフィードバック操作量、１７はフィードフォワード操作量、６は減算器、７は加算器である。
【００２８】
次に動作について説明する。制御対象１の伝達関数をＰ（ｓ）とする。まず、２自由度補償器２１の動作について説明する。前置フィルタ３は、制御系全体の目標特性である入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）と同じ伝達関数を持ち、指令値１１が入力され、応答目標値１４が出力される。フィードフォワード補償器５は、制御対象１のモデルの伝達関数をＰｍ（ｓ）として、Ｐｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）という伝達関数を持ち、指令値１１が入力され、
フィードフォワード操作量１７が出力される。フィードバック補償器４は、減算器６から得られる応答目標値１４と制御対象１の出力信号１３との差信号である応答目標誤差１５が入力され、フィードバック操作量１６が出力される。このフィードバック補償器４は、制御系のフィードバック特性を決めるものであり、制御対象１の伝達関数Ｐ（ｓ）に応じて決定され、通常フィードバックループが安定な範囲で可能な限りゲインを上げたものが採用される。ここではフィードバック補償器４の伝達関数をＣｂ（ｓ）とする。加算器７はフィードバック操作量１６とフィードフォワード操作量１７とを加算し、制御対象１への入力である操作量１２を出力する。
【００２９】
２自由度補償器２１において、制御対象１のモデルが完全に制御対象１を表現できているとすると、すなわちＰｍ（ｓ）がＰ（ｓ）に等しいとすると、指令値１１から制御対象１の出力信号１３までの伝達関数はＣｆ（ｓ）となる。言い換えれば、指令値１１にある信号が加わった場合、他の外乱がなければ、応答目標誤差１５やフィードバック操作量１６は０となる。また、たとえば操作量１２に外乱が加わった場合の出力信号１３への影響は、フィードバック補償器４の伝達関数Ｃｂ（ｓ）によって決定され、通常フィードバックループが可能な限りハイゲインになるようにＣｂ（ｓ）を決める。以上のように目標値応答特性とフィードバック特性とを独立に設定できることが一般的な２自由度制御系の特長であり、とくに２自由度補償器２１のように構成することにより、目標値応答性とフィードバック特性の設定をより見通しよく行うことが可能になる。
【００３０】
オートチューニング部２では、フィードバック操作量１６を用いて、２自由度補償器２１内部の各構成要素を適切なものに自動的に修正する。上述したように、Ｐｍ（ｓ）がＰ（ｓ）に等しいと仮定すると、ある信号が指令値１１として入力された場合、フィードバック操作量１６は０となる。したがって、もしフィードバック操作量１６が０にならない場合にはＰｍ（ｓ）がＰ（ｓ）に一致していないことになる。そこで、オートチューニング部２では、現在のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を記憶しておき、フィードバック操作量１６から時間積分値などの特徴量を抽出し、その値により制御対象１のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を修正し、それに適したＣｂ（ｓ）、Ｃｆ（ｓ）を決定して、前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５を修正する。
【００３１】
次にオートチューニングを実施するための手順を示すと、図２のフローチャートのようになる。まず、ステップＳＴ１においてオートチューニング開始の指示があると、ステップＳＴ２において指令値１１への信号入力を待つ。ある信号が入力されるとステップＳＴ３においてフィードバック操作量１６から特徴量を抽出する。ステップＳＴ４において抽出された特徴量が予め定められたオートチューニング終了の条件を満たせば、例えばフィードバック操作量１６の時間積分値がある値以下になれば、ステップＳＴ５に進みチューニングを終了する。ステップＳＴ４においてオートチューニング終了の条件を満たさなければ、ステップＳＴ６において抽出した特徴量をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を修正する。ステップＳＴ７においては、修正したＰｍ（ｓ）に適した入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）と、フィードバック補償器４の伝達関数Ｃｂ（ｓ）とを決定する。入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）の決定は、入出力間応答の目標値、高周波外乱の大きさなどを考慮して行う。また、フィードバック補償器４の伝達関数Ｃｂ（ｓ）の決定は、位相余裕などの評価指標による古典制御の手法、最適制御、Ｈ∞制御などのフィードバック制御系の設計法により行うことができる。ステップＳＴ８において、修正したＰｍ（ｓ）、Ｃｆ（ｓ）、Ｃｂ（ｓ）から前置フィルタ３のＣｆ（ｓ）、フィードバック補償器４のＣｂ（ｓ）、フィードフォワード補償器５のＰｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）を決定する。この後、ステップＳＴ２に戻
り、次の入力を待つ。以上の手順を繰り返すことにより、最終的に適切な２自由度補償器２１を得ることができる。
【００３２】
なお、通常フィードバック操作量１６の目標基準はどの様な入力に対しても０になることであるため、上記実施例１で述べたオートチューニングのための指令値１１の入力は繰り返しごとに同一の入力である必要はない。また、上記実施例１では、前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５をすべて修正していくとしたが、必要に応じて、これらのうちいずれか２つ、あるいは１つを修正することとしてもよい。
【００３３】
実施例２．
他の実施例を図３に示す。図３において、図１と同一符号は同一部分を示す。図３は、オートチューニング部２において、フィードバック操作量１６とフィードフォワード操作量１７とを用いた場合である。入力の大きさが繰り返しごとに変わる場合、フィードバック操作量１６の０からの誤差の大きさを評価する比較対象として、フィードフォワード操作量１７や操作量１２や指令値１１を併せて用いることが有効である。この実施例では、フィードバック操作量１６からと同時にフィードフォワード操作量１７から特徴量を抽出し、フィードフォワード操作量１７からの特徴量でフィードバック操作量１６からの特徴量を規格化したのち、その値をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正量を決定する。オートチューニング部２をこのような構成にすることにより、指令値１１の大きさが大きく変化する場合でも、良好なオートチューニングが実現できる。
【００３４】
実施例３．
他の実施例を図４に示す。図４において、図１と同一符号は同一部分を示す。図４は、オートチューニング部２においてフィードバック操作量１６とフィードフォワード操作量１７とに加え、さらに制御対象１の出力信号１３を用いた場合である。制御対象１の出力信号１３から特徴量を抽出し、それをオートチューニング部２で用いることにより、制御対象１の応答波形が直接確認でき、望ましい応答波形を確認しながらのチューニングが可能になる。
【００３５】
実施例４．
他の実施例を図５に示す。図５において、図１と同一符号は同一部分を示す。上記実施例１〜３ではフィードバック操作量１６が０となることを目標にモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行ったが、応答目標誤差１５に対しても同じ理由によりどの様な入力に対しても０となることが目標となる。従って、上記実施例１〜３のフィードバック操作量１６の代わりに応答目標誤差１５から特徴量を抽出し、その特徴量をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行うことにより、同様の効果を得ることができる。図５は、オートチューニング部２において、応答目標誤差１５から抽出した特徴量と、規格化するための比較対象として制御対象１の出力信号１３とから抽出した特徴量をもとに、モデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行うように構成した場合の実施例である。
【００３６】
なお、これまでの実施例１〜４では、フィードバック操作量１６や応答目標誤差１５が０となることを目標として、オートチューニング部２において２自由度補償器２１の修正を行っている。しかし、実際には、操作量１２に加わる定常的な外乱や、モデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）と実際の制御対象の間の構造的なモデル化誤差などによって、フィードバック操作量１６や応答目標誤差１５が完全に０となる場合は少ない。このような場合でも、特徴量の選び方を工夫することにより、外乱やモデル化誤差の悪影響をあまり受けずに良好なオートチューニングが実現できる。
【００３７】
また、上記実施例１〜４では、特徴量をもとにモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）の修正を行ったが、通常の適応制御で用いられるような逐次的な計算法を用いても、同様にオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置が実現できる。
【００３８】
実施例５．
他の実施例を図６に示す。図６において、４１は電動機、４２は電動機４１に取り付けられた機械系、４３は電動機４１の回転角度を測定する位置検出器、４４は電動機４１に流れる電流を測定するための電流検出器、３１は電流制御部、２１は２自由度サーボ制御装置、１１ａは位置指令値、１２ａは電流指令値、１３ａは位置検出値、１３ｃは電流検出値、１９は電動機４１に流れる電流である。また、２自由度サーボ制御装置２１の構成要素として、３は前置フィルタ、４はフィードバック補償器、５はフィードフォワード補償器、７は加算器、１４ａは前置フィルタ３の出力信号としての応答目標値、１５ａは差信号としての応答目標誤差、１６ａはフィードバック電流指令値、１７ａはフィードフォワード電流指令値である。
【００３９】
次に動作について説明する。この電動機のサーボ制御装置に関する発明は、例えば図１の実施例に示された２自由度制御装置を、電動機のサーボ制御に適用したものである。電動機４１には機械系４２が取り付けられている。この機械系４２に対して位置決め、軌跡追従などの所定の動作を行わせることがサーボ制御装置の目的である。位置検出器４３は電動機４１に取り付けられ、電動機４１の回転角度を検出することにより、機械系の位置の情報を得ている。電流制御部３１では、２自由度制御装置２１からの電流指令値１２ａと、電流検出器４４で測定された電流１９の値との誤差を用いて、電流１９が電流指令値１２ａに追従するようにＰＩ制御を行う。この実施例においては、電動機４１と位置検出器４３と機械系４２、および電流制御部３１を含む電流フィードバックループ全体を、仮に制御対象とみなし、この制御対象に対して２自由度サーボ制御装置２１を用いる。
【００４０】
電流フィードバックループが十分速く応答すると仮定し、制御対象の伝達関数を次式とする。
Ｐ（ｓ）＝｛１／（Ｊ・ｓ2 ）｝・（むだ時間）‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
ここで、Ｊは電動機の回転子と機械系の負荷イナーシャの大きさである。むだ時間の大きさは、電流フィードバックループを実現する場合のサンプリング時間やＰＷＭスイッチング周波数などによって決まる。制御対象がこのような伝達関数で表わされる場合、２自由度サーボ制御装置２１は以下のように設計できる。
【００４１】
まず、フィードバック補償器４は、外乱抑制特性などのフィードバック特性を決定するものであるため、閉ループ系が安定な範囲内でゲインを上げ、かつ積分特性を持つ必要がある。フィードバック補償器４は次式の伝達関数を持つ。
Ｃｂ（ｓ）＝｛Ｋｂ・ａ3 （ｓ＋ａ1 ）（ｓ＋ａ2 ）｝
／｛ａ1 ・ａ2 ・ｓ（ｓ＋ａ3 ）｝‥‥‥‥‥‥‥（２）
ここで、ａ1 ，ａ2 ，ａ3 はむだ時間の大きさから決まる閉ループ系の目標応答周波数
から決定でき、ＫｂはＪの大きさに応じて決定できる。
【００４２】
また、前置フィルタ３は、機械系４２の機械共振を励起しない、電流指令値１２ａに飽和を生じないなどの条件を満足するように、入出力の応答を制限するためのものである。前置フィルタ３は次式の伝達関数を持つ。
Ｃｆ（ｓ）＝ｂ1 ・ｂ2 ／｛（ｓ＋ｂ1 ）（ｓ＋ｂ2 ）｝‥‥‥‥（３）
ここで、ｂ1 ，ｂ2 は前記のような条件を満足するように決定する。さらに、フィード
フォワード補償器５は、伝達関数がＰｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）となるように決定する。こ
こで、Ｐｍ（ｓ）は実施例１に示したように制御対象のモデルであり、この実施例では次式の伝達関数とする。
Ｐｍ（ｓ）＝（１／Ｊｍ・ｓ2 ） ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（４）
ここで、ＪｍはＪの推定値である。
【００４３】
この実施例では、Ｐｍ（ｓ），Ｃｆ（ｓ）とも分母２次、分子０次であるため、Ｐｍ（ｓ）-1・Ｃｆ（ｓ）は分母２次、分子２次となり、実現しやすい伝達関数となっている。
以上のように２自由度サーボ制御装置２１を構成することにより、目標値応答特性とフィードバック特性を独立にかつ見通しよく設定できる電動機のサーボ制御装置が実現できる。
【００４４】
なお、この実施例において、
ａ3 ＝ｂ1 ＝ｂ2 ＝∞
としたものは、図１８の従来例に示された電動機のサーボ制御装置において、速度と電流のフィードフォワードを行ったものと等価になる。すなわち、上記実施例は、通常行われるフィードフォワード付の電動機のサーボ制御装置の拡張になっているといえる。
【００４５】
なお、上記実施例５では、制御対象モデルＰｍ（ｓ）を簡単な（４）式で表現しているが、より実際に近い複雑なモデルをもとにしてもよい。また、前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５の各々の特性も要求する制御特性を満足するものであればよい。さらに、上記実施例５では、制御対象出力を、電動機４１に取り付けた位置検出器４３からの信号としているが、たとえば機械系に取り付けたリニアスケールのような検出器でも同様の２自由度サーボ制御装置２１が構成できる。
【００４６】
実施例６．
次に、オートチューニング機能を持つ電動機のサーボ制御装置に関する本発明の他の実施例を図について説明する。図７において、図６と同一符号は同一部分を示し、２はオートチューニング部である。
【００４７】
次に動作について説明する。この電動機のサーボ制御装置に関する発明は、図６の実施例５に示された電動機のサーボ制御装置にオートチューニング機能を加えたものである。オートチューニング部２では、フィードバック電流指令値１６ａと電流検出値１３ｃをもとに前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５を修正する。オートチューニング部２は電動機の回転子と機械系の負荷イナーシャの大きさＪの推定値Ｊｍを持ち、特徴量としてステップ状の位置指令値１１ａが入力された時のフィードバック電流指令値１６ａと電流検出値１３ｃのそれぞれの時間積分値を抽出し、それらを比較してＪｍの修正を行う。すなわち、フィードバック電流指令値１６ａからの特徴量と電流検出値１３ｃからの特徴量の大きさがあまり変わらなければ、Ｊｍが小さすぎるとしてＪｍを増加させる。また、フィードバック電流指令値１６ａからの特徴量が電流検出値１３ｃからの特徴量に比べて十分小さければ、Ｊｍは適切と判断して修正しない。前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５の修正は、Ｊｍおよび電流検出値１３ｃから評価した機械振動の大きさなどをもとに、図２のフローチャートに示したような手順で行われる。ステップ状の位置指令値１１ａが繰り返し行われた後、適切な前置フィルタ３、フィードバック補償器４、フィードフォワード補償器５が得られる。
【００４８】
なお、上記実施例６では電流検出値１３ｃを用いたが、電流フィードバックループの応答が十分速い場合には、電流指令値１２ａを用いてもよい。また、上記実施例６では、実施例５に示されたような構成の２自由度サーボ制御装置２１に対してのオートチューニング機能について述べたが、フィードフォワード補償器としてのフィードフォワード部とフィードバック補償器としてのフィードバック部とを持つ電動機のサーボ制御装置であれば、同様のオートチューニング機能が実現できる。
【００４９】
実施例７．
次に、オートチューニング機能を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項１の発明の一実施例を図８について説明する。図８において、図７と同一符号は同一部分を示し、３ａは図７の前置フィルタ３に相当する加減速フィルタ、５ａ，５ｂ，５ｃはフィードフォワード補償器５の構成要素であり、それぞれ粘性補償器、慣性補償器、摩擦補償器である。また、４２ａは図７の機械系４２に相当するＸＹテーブルを示す。
【００５０】
次に動作について説明する。この実施例は制御対象であるＸＹテーブル４２ａの動特性として、粘性、慣性、クーロン摩擦からなるモデルを考えたものである。加減速フィルタ３ａはＸＹテーブル４２ａの指令動作軌跡をもとに滑らかな加減速パターンを生成し、Ｘ，Ｙの各電動機への滑らかな時系列データを出力する。粘性補償器５ａでは次式により粘性補償量ＦＦｃを決定する。
ＦＦｃ＝ｃ・（ｄｘ／ｄｔ） ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（５）
ここで、ｃは粘性パラメータ、ｘは加減速フィルタの出力で滑らかな目標応答値である。また、慣性補償器５ｂでは次式により慣性補償量ＦＦｉを決定する。
ＦＦｉ＝Ｉ・（ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ） ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（６）
ここで、Ｉは慣性パラメータである。さらに、摩擦補償器５ｃでは次式により摩擦補償量ＦＦｆを決定する。
ＦＦｆ＝Ｆ・ｓｇｎ（ｄｘ／ｄｔ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（７）
ここで、Ｆは摩擦パラメータである。目標応答値ｘは滑らかに生成されているため、（５），（６），（７）式における微分計算は可能である。フィードフォワード操作量１７ａはＦＦｃとＦＦｉとＦＦｆの和として求める。
【００５１】
ｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータはある指令値に対しＸＹテーブル４２ａを複数回動作させ、オートチューニング部２においてその時系列データを用いて最小２乗法により求める。すなわち、動作時の電流指令値の時系列データを横ベクトルｙ、応答目標値の微分値の時系列データを横ベクトルｘ１、応答目標値の２回微分値の時系列データを横ベクトルｘ２、応答目標値の微分値の符号を表わす時系列データを横ベクトルｘ３とし、Ｘを（８）式のようにすると、
【００５２】
【数１】
オートチューニング部２では、まず、動作時に得られるＸ，ｙを保存し、そのデータを用いて、
（ｃ，Ｉ，Ｆ）＝ｙ・ＸT ・（Ｘ・ＸT ）-1 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥（９）
を求め、その結果をそれぞれ粘性補償部５ａ、慣性補償部５ｂ、摩擦補償部５ｃに送る。ただし、たとえば正確でないｃ，Ｉ，Ｆの値で動作させたデータの電流指令値は、応答目標値１４ａと位置検出値１３ａとの誤差をもとにフィードバック補償器により生成されたものであるため、応答目標値に誤差なく追従する望ましい電流指令値とは言えない。
【００５４】
したがって、この電流指令値をもとに（９）式で求めたｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータは最適なものにはならない可能性がある。そこで、ＸＹテーブル４２ａを動作させた後、（８）式によりｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータを求め、その値をフィードフォワード補償器５で用いて、再びＸＹテーブルを動作させる。この手順を繰り返すことにより、ｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータを望ましい値に収束させる。
【００５５】
図９は、ｃ，Ｉ，Ｆの各パラメータを収束させる手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１１で動作を開始後、ステップＳＴ１２においてフィードフォワード補償器５で用いるｃ，Ｉ，Ｆの初期値を与える。この初期値としては、たとえば、Ｉの値には予めわかっているモータの慣性モーメントの値、ｃ，Ｆはそれぞれ０を代入しておく。つぎに、ステップＳＴ１３ではＸＹテーブル４２ａを動作させその時の時系列データＸ，ｙをオートチューニング部２に保存する。ステップＳＴ１４では同じくオートチューニング部２において、保存したデータから（８）式によりｃ，Ｉ，Ｆを決定する。またさらに、同じくオートチューニング部２において、ステップＳＴ１５では、ステップＳＴ１４にて求めたＩをもとに、予め与えられた周波数に開ループの交差周波数が一致するようにフィードバック補償器を修正する。さらにステップＳＴ１６では、ステップＳＴ１４にて決定したｃ，Ｉ，Ｆの値とそれまでのｃ，Ｉ，Ｆの値を比較し、それぞれの差が予め設定された値より小さければステップＳＴ１７に進んでｃ，Ｉ，Ｆの決定手順を終了する。ステップＳＴ１６において、その差が設定値より小さくなければ、ステップＳＴ１３に戻って再びＸＹテーブル４２ａを動作させる。
【００５６】
本実施例のように最小２乗法によるチューニングを行うことにより、特別なチューニングのための指令値を必要とせずに、実際に動作させる指令値によりチューニングが可能となる。また、動作させる指令値が変化した場合にも１度求めたチューニング結果は用いることができる。
【００５７】
実施例８．
次に、オートチューニング機能を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項２の発明の一実施例を図１０について説明する。図１０において、図８と同一符号は同一部分を示し、２ａは機械振動も考慮したオートチューニング部、１１１は機械振動検出部、１０１は機械振動検出部で検出された機械振動の大きさである。
【００５８】
まず、機械振動検出部１１１における動作について説明する。機械振動検出部ではフィードバック電流指令値１６ａをもとに機械振動の大きさの評価値を検出する。図に示したようなフィードフォワード補償器５を備えたサーボ系では、外乱の無い場合には応答目標値と位置検出値が一致するため、フィードバック電流指令値１６ａは０になる。実際には位置検出値の量子化の影響やフィードフォワード補償器５におけるモデル化誤差の影響のため小さな信号は発生するが、機械振動は通常これらより大きな外乱となる。
【００５９】
機械振動によるフィードバック電流指令値の様子が図１１である。図１１において、１７ｂはフィードフォワード電流指令値、１６ｂはフィードバック電流指令値、ｔ１は機械振動が発生した時刻、ｔ２は機械振動が収まった時刻を示す。図１１（ａ）が機械共振周波数が高い場合、図１１（ｂ）が機械共振周波数が低い場合である。機械振動の大きさの評価値は、指令開始時刻から終了後一定時間経過後の時刻までのフィードバック電流指令値の２乗積分値、あるいは絶対値積分値で決定する。あるいは、それらの時間領域の信号をフーリエ変換し、機械振動の周波数が存在すると考えられる範囲でのパワーのピーク値を機械振動の大きさの評価値としてもよい。また、機械振動検出部１１１への入力としてフィードバック補償器への入力１５ａを用いても同様の効果は得られる。
【００６０】
つぎに、機械信号を考慮したオートチューニング部２ａの動作について説明する。図１２は図１０でのオートチューニングの手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１１ａで動作を開始後、ステップＳＴ１２ａでｃ，Ｉ，Ｆおよびフィードバック補償器のゲインＧｂ初期値を決定する。ゲインＧｂの初期値は安全性を考慮して低めの値にしておく。ステップＳＴ１３，１４，１５，１６は図９の対応するステップと同一の手順を示し、ｃ，Ｉ，Ｆを決定する。つぎにステップＳＴ１８にて上述の方法により機械振動評価値を測定し、ステップＳＴ１９にて予め決めておいた機械振動の許容基準値と比較する。その結果振動評価値が基準値より大きければステップＳＴ２０にて加減速フィルタ３ａの時定数を下げ、ステップＳＴ１８にてＸＹテーブル４２ａを動作させ、ステップＳＴ１８に戻る。振動評価値が基準値より小さければ、ステップＳＴ２２にてＧｂを増加させ、ステップＳＴ２３にてＸＹテーブル４２ａを動作させ、ステップＳＴ２４にて機械振動評価値を測定し、ステップＳＴ２５にて許容基準値と比較する。その結果振動評価値が基準値より大きければステップＳＴ２６にてＧｂを減少させ、振動評価値が基準値より大きければステップＳＴ２７にて終了判定を行ったあとステップＳＴ２８にてＧｂを増加させ、ステップＳＴ２３に戻ってＸＹテーブル４２ａを動作させる。ステップＳＴ２２，ＳＴ２６，ＳＴ２８におけるＧｂの増減量の決定は、それまでの動作におけるＧｂと振動評価値との関係を保存しておき、振動評価値が基準値以下であった最大のＧｂと振動評価値が基準値以上であった最小のＧｂとの平均により行う。ステップＳＴ２７における終了判定は、今回のＧｂの値と振動評価値が基準値以上であった最小のＧｂの値との差が十分小さくなった場合、あるいは今回のＧｂの値とＩに最適なＧｂの値との差が十分小さくなった場合に終了とみなす。なお、この実施例ではフィードバック補償器のゲインＧｂをチューニングの対象としたが、積分補償や位相進みなどの動特性を持つ補償要素についても同様にチューニングが可能である。また、この実施例では加減速フィルタ３ａの調整とフィードバック補償器４の調整を順に行ったが、両方を同時に調整していく手順にしてもよい。
【００６１】
実施例９．
次に、加工反力表示部を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項３の発明の一実施例を図１３について説明する。図１３において、図８と同一符号は同一部分を示し、５０は切削工具、５１はワーク、１１２は加工反力を検知し表示する加工反力検知部である。
【００６２】
旋盤やマシニングセンタにおいて切削加工を行う場合、工具５０とワーク５１との間に切削加工力が働き、その反力が送り軸および主軸の外乱となる。実施例８において示したようにサーボ制御装置２１を構成したので、フィードバック電流指令値１６ａには主として外乱を補償するために必要な電流が現れ、切削中にはほぼ切削反力が現われる。加工反力検知部１１２は、フィードバック電流指令１６ａをトルク定数倍することにより、加工反力の大きさを求め、加工反力を表示するメータに逐次表示する。加工中に作業者がこのメータを見ることにより、切込み量が大きすぎる、びびり振動が発生している、工具が破損しているといったトラブルを容易に発見できるようになる。なお、この実施例では加工反力をメータで表示するとしたが、予め加工反力の限界を設定しておきそれを超えた場合に点灯するランプを用意してもよい。また、振動的で過大な加工反力を検知した時に点灯するびびり振動検知ランプを用意してもよい。
【００６３】
実施例１０．
次に、機械衝突検知部を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項４の発明の一実施例を図１４について説明する。図１４において、図８と同一符号は同一部分を示し、１１ａは通常の指令値、１１ｂは機械を停止させるための指令値、１１３は電動機に取り付けられた機械が衝突したことを検知する衝突検知部、１０２は指令値を切り換えるための信号である。
【００６４】
サーボ制御装置により機械を駆動させる場合、作業者のミスなどの原因により他の物体との衝突が発生することがある。衝突が発生した場合には、駆動する機械や他の物体を保護するため、速やかに機械を停止することが望ましい。衝突が発生した場合には、衝突力が発生しその反力が送り軸および主軸の外乱となる。実施例８において示したようにサーボ制御装置２１を構成したので、フィードバック電流指令値１６ａには主として外乱を補償するために必要な電流が現れ、衝突時にはほぼ衝突反力が現われる。図１５は衝突時のフィードバック電流指令値１６ａを示すものであり、図において、１６ａがフィードバック電流指令値、ｔ３が衝突が発生した時刻を示す。衝突時は図に示したようにフィードバック電流指令値１６ａが大きな変化を示すため、衝突検知部１１３ではあるレベル以上のフィードバック電流指令値１６ａが発生した場合に、指令値切り換え信号１０２を停止側信号にし、加減速フィルタ３ａへの入力を停止指令値１１ｂに切り換える。停止指令値１１ｂが入力されるとサーボ制御装置２１は機械を速やかに停止させる。
【００６５】
なお、この実施例では衝突検知部でフィードバック電流指令値１６ａがあるレベル以上になった場合を衝突とみなしたが、フィードバック電流指令値１６ａのある時間幅の変化の大きさなどを基準にしても同様の効果が得られる。
【００６６】
実施例１１．
さらに、機械衝突検知部を持つ電動機のサーボ制御装置に関する請求項５の発明の一実施例を図１６について説明する。図１６において、図１４と同一符号は同一部分を示し、１１４は現在の工作機械の動作の加工実行の可能性を判断する加工実行判断部、１０３は加工実行の可能性を示す加工実行信号である。
【００６７】
数値制御装置により駆動される工作機械において、実施例１０のようにフィードバック電流指令値１６ａから衝突検知を行おうとした場合、機械を停止させるべき衝突であるか、切削加工のためのワークと工具との衝突であるかを判断することは難しい。そこで、加工実行判断部１１４では、加工のためのＮＣプログラムから切削送り実行中には１、それ以外の場合には０の加工実行信号１０３を出力し、衝突検知部１１３では加工実行信号１０３が０の場合にのみ実施例１０に示した衝突検知および指令値の切り換えを行う。これにより、切削のための衝突には反応しない衝突検知部を持つ電動機のサーボ制御装置が実現できる。
【００６８】
なお、この実施例では加工実行判断部１１４での加工実行信号１０３の作り方として、切削送りか否かに判断するとしたが、予め加工プログラムのステップごとに加工の可能性についてユーザが書き込んでおいてもよい。また、書き込み方法を加工開始からの時間で入力するようにしてもよい。さらに、対話型のプログラミング装置では、各ステップごとに自動的に加工実行信号を設定するようにしても同様の効果が得られる。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、入出力応答特性とフィードバック特性を独立に設定できる電動機のサーボ補償器を自動的に適切な値に調整できるように構成したので、専門知識のない電動機ユーザでも良好な制御特性を容易に得ることができる効果がある。
【００７０】
請求項２の発明によれば、入出力応答とフィードバック特性を独立に設定できる電動機のサーボ補償器を機械振動の大きさも考慮しながら自動的に適切な値に調整できるように構成したので、専門知識のない電動機ユーザでも良好な制御特性を容易に得ることができる効果がある。
【００７１】
請求項３の発明によれば、数値制御装置が加工反力を表示できるように構成したので、加工中のトラブルや切込み量の適切さなどを簡単に認識できる効果がある。
【００７２】
請求項４および請求項５の発明によれば、サーボ制御装置が機械の衝突を自動的に検知し機械を停止させるように構成したので、万一の機械の衝突に対しても機械に大きな損傷を与えずにすむ効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の一実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図２】オートチューニング機能の手順を示すフローチャートである。
【図３】他の実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図４】他の実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図５】他の実施例による２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図６】他の実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図７】他の実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図８】請求項１の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図９】請求項１のオートチューニング機能の手順を示すフローチャート図である。
【図１０】請求項２の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１１】電流指令値における機械振動の様子を示す図である。
【図１２】請求項２の機械振動を考慮したオートチューニング機能の手順を示すフローチャート図である。
【図１３】請求項３の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１４】請求項４の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１５】電流指令値における衝突の様子を示す図である。
【図１６】請求項５の発明の一実施例による電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１７】従来の２自由度制御装置を示すブロック図である。
【図１８】従来の電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図１９】従来の機械振動を考慮したオートチューニング機能を有する電動機のサーボ制御装置を示すブロック図である。
【図２０】従来の加工反力を測定する工作機械を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 制御対照
２, ２ａ オートチューニング部
３ 前置フィルタ（前置補償器）
３ａ 加減速フィルタ
４ フィードバック補償器
５ フィードフォワード補償器
７ 加算器
１１ 指令値
１１ａ 位置指令値
１２ 操作量
１２ａ 電流指令値
１３ 出力信号
１３ａ 位置検出値
１３ｃ 電流検出値
１４，１４ａ 応答目標値（出力信号）
１５，１５ａ 応答目標誤差（差信号）
１６ フィードバック操作量
１６ａ フィードバック電流指令値
１７ フィードフォワード操作量
１７ａ フィードフォワード電流指令値
１９ 電流
３１ 電流制御部
４１ 電動機
４２ 機械系（工作機械）
４３ 位置検出器
４４ 電流検出器
１１１ 機械振動検出部
１１２ 加工反力検知部
１１３ 衝突検知部
１１４ 加工実行判断部
１２０ 指令値切り換え部
Claims (5)
- 少なくとも位置検出器と電流検出器を備えた電動機により機械系を駆動する電動機のサーボ制御装置において、位置指令値から滑らかな応答目標値を生成する加減速フィルタと、上記応答目標値をもとにフィードフォワード電流指令値を出力するフィードフォワード補償器と、上記応答目標値と上記位置検出器からの位置検出値との差信号を入力としフィードバック電流指令値を出力とする積分特性を持つフィードバック補償器と、上記フィードフォワード電流指令値と上記フィードバック電流指令値とを加算して電流指令値を生成する加算器と、上記電流検出器の電流検出値をもとに上記電流指令値に上記電動機を流れる電流が追従するように制御する電流制御部と、上記電流検出値または電流指令値と上記応答目標値とを用いて、上記フィードバック電流指令値が０となるまたは０に近づくように、あるいは上記フィードフォワード電流指令値と上記加算後の電流指令値または上記電流検出値が一致するように最小２乗法により制御対象パラメータを同定し、この同定したパラメータに基づいて上記フィードフォワード補償器は制御対象の逆伝達関数特性を有するように決定し、上記フィードバック補償器は開ループ系の交差周波数または閉ループ系の応答周波数が所定の値に一致するように決定し、上記加減速フィルタは入出力の応答が所定の値に一致するように決定するオートチューニング部を備えたことを特徴とする電動機のサーボ制御装置。
- 少なくとも位置検出器と電流検出器を備えた電動機により機械系を駆動する電動機のサーボ制御装置において、位置指令値から滑らかな応答目標値を生成する加減速フィルタと、上記応答目標値をもとにフィードフォワード電流指令値を出力するフィードフォワード補償器と、上記応答目標値と上記位置検出器からの位置検出値との差信号を入力としフィードバック電流指令値を出力とする積分特性を持つフィードバック補償器と、上記フィードフォワード電流指令値と上記フィードバック電流指令値とを加算して電流指令値を生成する加算器と、上記電流検出器の電流検出値をもとに上記電流指令値に上記電動機を流れる電流が追従するように制御する電流制御部と、上記応答目標値と上記位置検出器の位置検出値との差信号あるいは上記フィードバック電流指令値を用いて機械振動の大きさを出力する機械振動検出部と、上記電流検出値または電流指令値と上記応答目標値と上記機械振動検出値とを用いて上記フィードフォワード補償器と上記フィードバック補償器と上記加減速フィルタとを修正するオートチューニング部を備えたことを特徴とする電動機のサーボ制御装置。
- 少なくとも位置検出器と電流検出器を備えた電動機により工作機械を駆動する電動機のサーボ制御装置において、位置指令値から滑らかな応答目標値を生成する加減速フィルタと、上記応答目標値をもとにフィードフォワード電流指令値を出力するフィードフォワード補償器と、上記応答目標値と上記位置検出器からの位置検出値との差信号を入力としフィードバック電流指令値を出力とする積分特性を持つフィードバック補償器と、上記フィードフォワード電流指令値とフィードバック電流指令値とを加算して電流指令値を生成する加算器と、上記電流検出器の電流検出値をもとに上記電流指令値に上記電動機を流れる電流が追従するように制御する電流制御部と、上記応答目標値と上記位置検出器からの位置検出値との差信号あるいは上記フィードバック電流指令値を用いて加工時の反力を検知しその結果を表示する加工反力表示部とを備えたことを特徴とする電動機のサーボ制御装置。
- 少なくとも位置検出器と電流検出器を備えた電動機により機械系を駆動する電動機のサーボ制御装置において、位置指令値から滑らかな応答目標値を生成する加減速フィルタと、上記応答目標値をもとにフィードフォワード電流指令値を出力するフィードフォワード補償器と、上記応答目標値と上記位置検出器からの位置検出値との差信号を入力としフィードバック電流指令値を出力とする積分特性を持つフィードバック補償器と、上記フィードフォワード電流指令値とフィードバック電流指令値とを加算して電流指令値を生成する加算器と、上記電流検出器の電流検出値をもとに上記電流指令値に上記電動機を流れる電流が追従するように制御する電流制御部と、上記応答目標値と上記位置検出器の位置検出値との差信号あるいは上記フィードバック電流指令値を用いて機械系の衝突を検知しその結果を出力する機械衝突検知部と、上記衝突検知結果により上記位置指令値を切り換える指令値切り換え部とを備えたことを特徴とする電動機のサーボ制御装置。
- 少なくとも位置検出器と電流検出器を備えた電動機により工作機械を駆動する電動機のサーボ制御装置において、位置指令値から滑らかな応答目標値を生成する加減速フィルタと、上記応答目標値をもとにフィードフォワード電流指令値を出力するフィードフォワード補償器と、上記応答目標値と上記位置検出器からの位置検出値との差信号を入力としフィードバック電流指令値を出力とする積分特性を持つフィードバック補償器と、上記フィードフォワード電流指令値とフィードバック電流指令値とを加算して電流指令値を生成する加算器と、上記電流検出器の電流検出値をもとに上記電流指令値に上記電動機を流れる電流が追従するように制御する電流制御部と、ＮＣプログラムをもとに現在の動作が加工を伴うかどうかを出力する加工実行判定部と、上記応答目標値と上記位置検出器からの位置検出値との差信号あるいは上記フィードバック電流指令値と上記加工実行判断部からの出力とを用いて機械系の衝突を検知しその結果を出力する機械衝突検知部と、上記衝突検知結果により上記位置指令値を切り換える指令値切り換え部とを備えたことを特徴とする電動機のサーボ制御装置。
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