JP3575148B2 - サーボ機構の自動ゲイン調整方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボ機構で位置決め及び速度制御を行なう場合のサーボゲインの自動調整方法及び装置に関し、特にダイレクトドライブモータを具備したサーボ機構の自動ゲイン調整方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転モータを具備したサーボ機構のゲイン調整では、先ず回転モータの負荷である負荷慣性モーメント［Ｋｇｍ２］の測定又は算出を行ない、リニアモータの場合には負荷質量［Ｋｇ］の測定又は算出を行なう（ステップＳ１）。回転モータに対する負荷慣性モーメント及びリニアモータに対する負荷質量を総称して、以下では単に「負荷イナーシャ」と呼ぶ。次に上記で求められた負荷イナーシャに基づいて、取扱い説明書等で予め定められているゲイン設定表を見ながら３つのゲインパラメータ（位置ループゲイン、速度ループゲイン、積分ゲイン）を設定し（ステップＳ２）、その後に実際に運転を行なって確認し、もし満足な特性でなければ上記３つのゲインを個々に調整する（ステップＳ３）ようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術ではステップＳ１における負荷イナーシャの算出が難しく計算できない場合や、ステップＳ３での３つのゲイン調整には最適なゲイン調整をするのに時間がかかったり、その限界が分かり難いという問題点があった。また、負荷イナーシャをステップ応答で推定するとき、モータの許容負荷が０〜約１０００倍のロータイナーシャのように広範囲な場合、時定数も約１０００倍変化してしまい、その測定が難しかった。
【０００４】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、前記ステップＳ１の負荷イナーシャの算出を自動的に行ないその結果から３つの最適なゲインを自動的に設定することにより、難しい計算をすることなく、また、取扱い説明書等を見ることなく３つのゲイン調整を完了し、さらにテスト運転により更に調整を行ないたい場合には、１つのパラメータの調整のみで良く短時間でその限界まで調整可能にしたサーボ機械の自動ゲイン調整方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
また、本発明の別の目的は、負荷イナーシャの算出はステップ応答による時定数の測定による推定を行ない、モータの負荷がロータイナーシャに対して大きい場合には、時定数の測定の前に速度制御ゲインを適切な範囲（時定数が２５ミリ秒〜５０ミリ秒程度）に自動的に調整してから推定を行ない、時定数の測定を指令の１０％速度出力から指令の６３％速度出力に達する時間まで行ない、そのデータから時定数を計算することにより、モータの摩擦の影響を小さくし精度の良い推定を可能にしたサーボ機械の自動ゲイン調整方法及び装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はサーボ機構の自動ゲイン調整方法に関するもので、本発明の上記目的は、モータを具備して位置決め及び速度制御を行なうサーボ機構において、前記モータに負荷がかかった状態で、前記サーボ機構の速度制御ゲインを設定した後に、前記時定数が設定範囲内に入るまで適宜時定数を調整し、その後前記調整された速度制御ゲインで前記ステップ指令を与えて、前記ステップ指令に対応する速度出力の１０％から６３％に達するまでの時定数を測定し、前記測定された時定数及び前記調整された速度制御ゲインに基づいて前記負荷の値を推定し、該推定された負荷の値（即ち、負荷値）によって前記サーボ機構のサーボゲインを自動設定することによって達成される。
【０００７】
又、本発明の目的は、前記モータに負荷がかかった状態で、前記サーボ機構の速度制御ゲインを設定した後に、前記時定数が設定範囲内に入るまで適宜時定数を調整し、その後前記調整された速度制御ゲインで前記ステップ指令を与えて、前記ステップ指令に対応する速度出力の１０％から６３％に達するまでの時定数を測定し、前記測定された時定数及び前記調整された速度制御ゲインに基づいて前記負荷の値を推定する推定手段と、前記推定手段で推定された負荷の値（即ち、負荷値）に基づいてサーボゲインを設定するゲイン設定手段とを具備することによって達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、モータに負荷が付いた状態でモータ駆動回路よりサーボ機構に指令を与え、その応答をモータ駆動回路が測定することにより自動的に負荷イナーシャを算出し、適切なゲイン調整を自動的に完了する。ゲイン調整は、負荷イナーシャの推定誤差やある程度の負荷剛性の低い対象にも対応できるように安定側のゲイン調整とし、ロバストな調整になるように設定される。その後、ユーザ等のテスト運転により更にゲイン調整（微調整）が必要な場合には、位置ループゲイン、速度ループゲイン及び積分ゲインを各々調整するのではなく、新しく設定したサーボゲイン（ＳＧ）を調整するだけで駆動回路内部で自動的に３つのゲインを調整することにより、調整作業が短時間でゲインの限界まで調整することを可能としている。則ち、上記自動調整後にユーザ等が実際にサーボ機構の位置決めをさせながら、サーボゲインの調整だけで位置決め時間の短縮など、ユーザの目的に合った状態にできるようにしている。
【０００９】
本発明は、特に本出願人が開発したダイレクトドライブモータ（商品名：メガトルクモータ）を具備したサーボ機構に対して有効である。ここに、ダイレクトドライブモータは高分解能の検出器を内蔵し高速、高精度の位置決めが可能なモータであるが、その性能を引き出すには負荷イナーシャに応じて適切なサーボゲインの調整が必要となる。ダイレクトドライブモータに関しては、ＮＳＫ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ， Ｎｏ．６４９（１９９１）のＰ３７〜Ｐ４４，同Ｎｏ．６５３（１９９２）のＰ４２〜Ｐ４９及び同Ｎｏ．６５５（１９９３）のＰ５３〜Ｐ６０に詳細に説明されており、ダイレクトドライブモータの許容負荷はロータイナーシャの約１０００倍であり、ＤＣ・ＡＣサーボモータに比べて広範囲でありその調整範囲も広い。このため従来調整が非常に複雑であり、調整する人によって異なった調整値となったり、調整に時間がかかる場合があった。本発明は、かかる場合にもゲインの調整を自動的にかつ短時間に行ない得るものである。
【００１０】
図１に示す位置制御ブロック図において、位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩの自動ゲイン設定機能について説明する。尚、各図中の“ｓ”はラプラス演算子を示している。本発明による調整方法としては、以下の３つのステップＡ〜Ｃに分けられる。
負荷イナーシャの推定（ステップＡ）：
推定方法として一般に、適応制御で代表されるモデル規範形適応制御（例えば「測定と制御」、Ｎｏ．３１−１（１９９２年）のＰ１２２〜Ｐ１２４）やセルフチューニングコントロール（例えば「計測と制御」、Ｎｏ２９−８（１９９０年）のＰ６９５〜Ｐ７４０）があるが、本発明では推定時の安定性、計算量等を与えてステップ入力の時定数測定によるオフライン推定を行なっている。モータ（ダイレクトドライブモータ）に付けられた負荷のイナーシャＪＬとモータのロータイナーシャＪＭとを合せて負荷イナーシャＪ（＝ＪＬ＋ＪＭ）とすると、この負荷イナーシャＪを推定するためにサーボ機構で図２に示すように速度制御（比例制御）を行ない、速度ステップ指令ｕ及びモータの速度出力ｖ（ｔ）を測定することにより、負荷イナーシャＪを推定する。
【００１１】
一般的に図２に示す速度制御系において、速度ステップ指令ｕが与えられると、モータの速度出力ｖ（ｔ）は数１となる。
【００１２】
【数１】
モータ速度出力ｖ（ｔ）が速度ステップ指令ｕの６３％に達する時間（時定数）τを測定すると、
【００１３】
【数２】
τ＝Ｊ／（ＶＧ・Ｋａ）
となり、
【００１４】
【数３】
Ｊ＝ＶＧ・Ｋａ・τ
として負荷イナーシャＪが求められる。ここに、速度制御ゲインＶＧ及び増幅器のゲイン（トルク定数）Ｋａは既知である。
【００１５】
しかし、上記数２より負荷イナーシャＪが１０００倍大きくなれば時定数τも１０００倍大きくなり（図３参照）、摩擦の影響や駆動回路内部計算の精度、位置検出器の分解能の問題等により負荷イナーシャＪがＪの推定を正しく行なうことができない。ダイレクトドライブモータの場合、許容負荷イナーシャはロータイナーシャＪＭの約１０００倍以下であり、速度制御ゲインが固定では図３に示すように時定数τも約１０００倍変化し、測定が困難になるのである。
【００１６】
本発明では、サーボ機構の時定数τが適切な範囲（例えば２５ミリ秒〜５０ミリ秒）に入るように速度制御ゲインＶＧを自動調整し、その自動調整された速度制御ゲインＶＧに合わせて測定時の内部データが飽和しない範囲で速度ステップ指令ｕを調整し、時定数τの測定を速度０から速度ステップ指令ｕの６３％に達するまでの時間の測定ではなく、ある程度速度（例えば速度ステップ指令ｕの１０％の速度）が出てから速度ステップ指令ｕの６３％に達するまでの時間を測定し、そのデータから時定数τを算出して負荷イナーシャＪを推定する。図４は、速度制御ゲインＶＧを自動調整して負荷イナーシャＪを推定する様子を示しており、先ず時定数τがある程度（５０ミリ秒以内）小さくなるまで速度制御ゲインＶＧを自動的に大きくし、数回時定数τを測定して負荷イナーシャＪを推定している。この場合、推定時のモータ回転量を小さくするために（１０度以内）、速度ステップ指令ｕの値を速度ゲインに合せて変更している。ここにおいて、最小の負荷イナーシャＪはロータイナーシャであるため、この負荷にて時定数τが２５〜５０ミリ秒になる速度制御ゲインＶＧの値を“１”とすると、ＶＧ＝１のゲインからスタートし、速度ステップ指令ｕを与えてもし時定数τが５０ミリ秒以上であれば速度ステップ指令ｕを“０”にし、速度出力が“０”になったら速度制御ゲインＶＧを２倍にして時定数τを測定し、時定数τが５０ミリ秒以下になるまで同様に速度制御ゲインＶＧを２倍にする。速度制御ゲインＶＧを２倍にすると数２より時定数τは１／２になるため、モータの許容負荷で時定数τが５０ミリ秒になる値まで速度制御ゲインＶＧを大きくし、それでも時定数τが５０ミリ秒より大きい場合は推定エラーとする。このようにすると、モータの許容負荷の範囲であれば、時定数τが２５〜５０ミリ秒になる速度制御ゲインＶＧの値を自動的に求めることができる。
【００１７】
一方、上記速度ステップ指令ｕの飽和しない範囲での調整に関しては、上記数２より負荷イナーシャＪと時定数τの関係には速度ステップ指令ｕの条件はなく、理論的にはいかなる条件でも良いが、駆動回路内部の計算精度や検出器の分解能により精度が良い速度ステップ指令ｕにした方が良い。そこで、駆動回路内部で飽和が生じない範囲で速度ステップ指令ｕを大きくする。駆動回路内部の飽和には速度制御ゲインＶＧの出力（トルク指令）の飽和があり、上記自動調整の動作より速度制御ゲインＶＧの値が変わるために速度ステップ指令ｕも速度制御ゲインＶＧに合わせて図５のように変更し、速度制御ゲインＶＧの値が大きくなると速度ステップ指令ｕを小さくして内部飽和を防ぎ、精度良く測定できる入力としている。また、推定時の負荷動作範囲を小さくするために、＋ｕの正指令の次は−ｕの負指令というように順次速度ステップ指令ｕの符号を切り換えている（図４参照）。
【００１８】
また、時定数τの算出に関しては図６に示すように、静止摩擦が大きいと時定数（速度指令が０→６３％になる時間）τが変わるが、実際の負荷は同一のために静止摩擦の影響を除かなければならない。その方法として、モータ速度が速度指令の１０％から６３％になる時間を測定し、そのデータから以下のように時定数τを算出することにより問題を解決した。即ち、前記数１より速度ステップ指令ｕがその１０％に達する時間ｔ１は
【００１９】
【数４】
となり、時間ｔ１は
【００２０】
【数５】
ｔ１＝０．１０５３６…×Ｊ／（ＶＧ・Ｋａ）＝０．１０５３６…×τ
となる。よって、速度ステップ指令ｕがその１０％から６３％に達する時間ｔ２は
【００２１】
【数６】
ｔ２＝（１−０．１０５３６…）τ＝０．８９４６４…×τ
となり、
【００２２】
【数７】
τ＝１．１１７７６８…×ｔ２
で時定数τが時間ｔ２より算出される。尚、本例では、速度ステップ指令ｕがその１０％から６３％に達する時間ｔ２で時定数τを算出するようにしているが、他の時間でも同様に算出することができる。
負荷イナーシャＪの推定値から各ゲイン（ＰＧ，ＶＧ，ＶＩ）を決める手方（ステップＢ）：
３つのゲイン，即ち、位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩを決める手法として、位置ダンピング係数ξｐ及び速度ダンピング係数ξｖを一定にし、サーボ機構の応答性を表わすサーボゲインＳＧを調整するようにしている。このサーボゲインＳＧを決めれば３つのゲイン（位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩ）を制御理論で求めることが可能となり、全ての負荷イナーシャＪに対して同一の値とすることも可能である。しかしながら、負荷イナーシャＪがロータイナーシャの１０００倍というように広範囲に変わる対象には負荷に合わせた最適な値があり、前記ステップＡで求めた推定値から予め実験で求めたイナーシャ推定値とサーボゲインＳＧ値とのテーブル（図７）を参照してサーボゲインＳＧを求め、そのサーボゲインＳＧの値から３つのゲイン（位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩ）を自動的に計算している。
【００２３】
テスト運転時のゲイン微調整（ステップＣ）：
上記ステップＢでの調整後に、もう少し位置決め時間を短縮したい場合、１つのゲインの調整で上記調整を可能にしている。即ち、応答性を示すパラメータ（サーボゲイン）ＳＧを新しく追加すると、このサーボゲインＳＧを位置制御帯域［Ｈｚ］とすると、図１から速度制御帯域が高いとすると、
【００２４】
【数８】
ＰＧ／（２π・ＳＧ）＝１
が成り立ち、
【００２５】
【数９】
ＰＧ＝２π・ＳＧ
と、位置制御ゲインＰＧが求められる。
【００２６】
ここで、位置制御系と速度制御系の関係は、速度制御帯域をｆｖ［Ｈｚ］とすると図８のようになり、位置入出力伝達関数Ｇｐ（ｓ）は
【００２７】
【数１０】
で求められる。そして、位置ダンピング係数をξｐとすると、上記数１０は２次標準系より
【００２８】
【数１１】
ＰＧ＝π・ｆｖ／（２ξｐ）
となり、数９及び数１１より
【００２９】
【数１２】
ｆｖ＝４ξｐ ２・ＳＧ
となる。位置ループ系と速度ループ系の関係を示す図８において、速度ループ帯域の計算は速度比例制御系を示す図９で考えられ、
【００３０】
【数１３】
ＶＧ・Ｋａ／（Ｊ・ｓ）＝１
より、下記数１４が成り立つ。
【００３１】
【数１４】
ｆｖ＝（ＶＧ・Ｋａ）／（２π・Ｊ）
上記数１２及び数１４より、次の数１５が得られる。
【００３２】
【数１５】
負荷イナーシャＪは前記ステップＡの結果を使用でき、増幅器のゲインＫａは予め分かるためサーボゲインＳＧ及び位置ダンピング係数ξｐが決れば速度制御ゲインＶＧが決る。
【００３３】
積分ゲインＶＩを含めた速度ループは図１０で表わされ、入出力の伝達特性Ｇｖ（ｓ）は
【００３４】
【数１６】
となり、速度ダンピング係数をξｖとし、上記数１６の分母を２次標準系と考えると
【００３５】
【数１７】
となり、上記数１２及び数１７より下記数１８が得られる。
【００３６】
【数１８】
上記数９、数１５及び数１８よりサーボゲインＳＧ，位置ダンピング係数ξｐ及び速度ダンピング係数ξｖが決まれば、位置制御ゲインＰＧ，速度制御ゲインＶＧ及び積分ゲインＶＩが決る。尚、位置ダンピング係数ξｐ及び速度ダンピング係数ξｖは収束性を表わす数値であるので、シミュレーションで予め決めることができる。
【００３７】
そして、位置ダンピング係数ξｐを変えると図１１のようにオーバーシュートの量が変わる。図１１は位置ダンピング係数ξｐの違い（１．０，０．８，０．６）によるステップ応答の例を示している。実験ではξｐ＝１，ξｖ＝１．４で行ない、サーボゲインＳＧのパラメータだけで、位置制御ゲインＰＧ，速度制御ゲインＶＧ及び積分ゲインＶＩを調整可能とした。サーボゲインＳＧを変えた時のステップ応答は図１２に示すようになる。即ち、サーボゲインＳＧ＝１０，２０，３０の例を示している。負荷イナーシャＪに合せてサーボゲインＳＧを大小に変化すると、各３つのゲインも大小に変化する。また、より位置決め時間の短縮を求めるユーザは、サーボゲインＳＧをできるだけ大きくすることによって、位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ及び積分ゲインＶＩも自動的に大きく調整されて応答性が上がる。
【００３８】
尚、上述の実施例では回転型モータで行なった例を説明しているが、リニアモータでも全く同様に実現可能である。
【００３９】
【発明の効果】
図１３に負荷イナーシャの推定結果を示す。最小のロータイナーシャより１０００倍のロータイナーシャに対する各々１０回の推定結果の最大値及び最小値を示している。この範囲で推定誤差は±３０％以内であり、難しいイナーシャの計算が必要なくなった。
【００４０】
また、図１４に位置決め結果の例として負荷イナーシャＪ＝０．２３３Ｋｇｍ２の３０度に対する位置決め結果を、同図（Ａ）の従来結果と比較して示す。本発明の自動調整後同図（Ｂ）は従来の調整の場合と比べ約２０ミリ秒の位置決め時間の短縮を実現しており、さらに微調整を行なうと同図（Ｃ）に示すように短時間の調整で７０ミリ秒の位置決め時間の短縮を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサーボ機構を示す位置制御系のブロック図である。
【図２】本発明によるイナーシャ推定時の速度制御系のブロック図である。
【図３】本発明の速度ステップ応答を説明するための図である。
【図４】本発明によるゲイン自動調整時のモータの動作例を示す図である。
【図５】本発明によるイナーシャ推定時の速度指令量と速度制御ゲインの関係を示す図である。
【図６】静止摩擦の影響によるステップ応答例を示す図である。
【図７】イナーシャ推定値によるサーボゲインＳＧ値のテーブル例を示す図である。
【図８】位置制御系と速度制御系の関係を示すブロック図である。
【図９】速度比例制御系を示すブロック図である。
【図１０】速度ＰＩ制御系を示すブロック図である。
【図１１】位置ダンピング係数の違いによるステップ応答例を示す図である。
【図１２】ゲイン自動調整後の微調整によるステップ応答のシミュレーション図である。
【図１３】本発明による各イナーシャに対する推定結果を示す図である。
【図１４】本発明による位置決め結果を従来例と比較して示す図であり、同図（Ａ）は従来結果を、同図（Ｂ）は自動調整後の結果を、同図（ｃ）はサーボゲインＳＧによる微調整後の結果をそれぞれ示している。
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボ機構で位置決め及び速度制御を行なう場合のサーボゲインの自動調整方法及び装置に関し、特にダイレクトドライブモータを具備したサーボ機構の自動ゲイン調整方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転モータを具備したサーボ機構のゲイン調整では、先ず回転モータの負荷である負荷慣性モーメント［Ｋｇｍ２］の測定又は算出を行ない、リニアモータの場合には負荷質量［Ｋｇ］の測定又は算出を行なう（ステップＳ１）。回転モータに対する負荷慣性モーメント及びリニアモータに対する負荷質量を総称して、以下では単に「負荷イナーシャ」と呼ぶ。次に上記で求められた負荷イナーシャに基づいて、取扱い説明書等で予め定められているゲイン設定表を見ながら３つのゲインパラメータ（位置ループゲイン、速度ループゲイン、積分ゲイン）を設定し（ステップＳ２）、その後に実際に運転を行なって確認し、もし満足な特性でなければ上記３つのゲインを個々に調整する（ステップＳ３）ようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術ではステップＳ１における負荷イナーシャの算出が難しく計算できない場合や、ステップＳ３での３つのゲイン調整には最適なゲイン調整をするのに時間がかかったり、その限界が分かり難いという問題点があった。また、負荷イナーシャをステップ応答で推定するとき、モータの許容負荷が０〜約１０００倍のロータイナーシャのように広範囲な場合、時定数も約１０００倍変化してしまい、その測定が難しかった。
【０００４】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、前記ステップＳ１の負荷イナーシャの算出を自動的に行ないその結果から３つの最適なゲインを自動的に設定することにより、難しい計算をすることなく、また、取扱い説明書等を見ることなく３つのゲイン調整を完了し、さらにテスト運転により更に調整を行ないたい場合には、１つのパラメータの調整のみで良く短時間でその限界まで調整可能にしたサーボ機械の自動ゲイン調整方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
また、本発明の別の目的は、負荷イナーシャの算出はステップ応答による時定数の測定による推定を行ない、モータの負荷がロータイナーシャに対して大きい場合には、時定数の測定の前に速度制御ゲインを適切な範囲（時定数が２５ミリ秒〜５０ミリ秒程度）に自動的に調整してから推定を行ない、時定数の測定を指令の１０％速度出力から指令の６３％速度出力に達する時間まで行ない、そのデータから時定数を計算することにより、モータの摩擦の影響を小さくし精度の良い推定を可能にしたサーボ機械の自動ゲイン調整方法及び装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はサーボ機構の自動ゲイン調整方法に関するもので、本発明の上記目的は、モータを具備して位置決め及び速度制御を行なうサーボ機構において、前記モータに負荷がかかった状態で、前記サーボ機構の速度制御ゲインを設定した後に、前記時定数が設定範囲内に入るまで適宜時定数を調整し、その後前記調整された速度制御ゲインで前記ステップ指令を与えて、前記ステップ指令に対応する速度出力の１０％から６３％に達するまでの時定数を測定し、前記測定された時定数及び前記調整された速度制御ゲインに基づいて前記負荷の値を推定し、該推定された負荷の値（即ち、負荷値）によって前記サーボ機構のサーボゲインを自動設定することによって達成される。
【０００７】
又、本発明の目的は、前記モータに負荷がかかった状態で、前記サーボ機構の速度制御ゲインを設定した後に、前記時定数が設定範囲内に入るまで適宜時定数を調整し、その後前記調整された速度制御ゲインで前記ステップ指令を与えて、前記ステップ指令に対応する速度出力の１０％から６３％に達するまでの時定数を測定し、前記測定された時定数及び前記調整された速度制御ゲインに基づいて前記負荷の値を推定する推定手段と、前記推定手段で推定された負荷の値（即ち、負荷値）に基づいてサーボゲインを設定するゲイン設定手段とを具備することによって達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、モータに負荷が付いた状態でモータ駆動回路よりサーボ機構に指令を与え、その応答をモータ駆動回路が測定することにより自動的に負荷イナーシャを算出し、適切なゲイン調整を自動的に完了する。ゲイン調整は、負荷イナーシャの推定誤差やある程度の負荷剛性の低い対象にも対応できるように安定側のゲイン調整とし、ロバストな調整になるように設定される。その後、ユーザ等のテスト運転により更にゲイン調整（微調整）が必要な場合には、位置ループゲイン、速度ループゲイン及び積分ゲインを各々調整するのではなく、新しく設定したサーボゲイン（ＳＧ）を調整するだけで駆動回路内部で自動的に３つのゲインを調整することにより、調整作業が短時間でゲインの限界まで調整することを可能としている。則ち、上記自動調整後にユーザ等が実際にサーボ機構の位置決めをさせながら、サーボゲインの調整だけで位置決め時間の短縮など、ユーザの目的に合った状態にできるようにしている。
【０００９】
本発明は、特に本出願人が開発したダイレクトドライブモータ（商品名：メガトルクモータ）を具備したサーボ機構に対して有効である。ここに、ダイレクトドライブモータは高分解能の検出器を内蔵し高速、高精度の位置決めが可能なモータであるが、その性能を引き出すには負荷イナーシャに応じて適切なサーボゲインの調整が必要となる。ダイレクトドライブモータに関しては、ＮＳＫ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ， Ｎｏ．６４９（１９９１）のＰ３７〜Ｐ４４，同Ｎｏ．６５３（１９９２）のＰ４２〜Ｐ４９及び同Ｎｏ．６５５（１９９３）のＰ５３〜Ｐ６０に詳細に説明されており、ダイレクトドライブモータの許容負荷はロータイナーシャの約１０００倍であり、ＤＣ・ＡＣサーボモータに比べて広範囲でありその調整範囲も広い。このため従来調整が非常に複雑であり、調整する人によって異なった調整値となったり、調整に時間がかかる場合があった。本発明は、かかる場合にもゲインの調整を自動的にかつ短時間に行ない得るものである。
【００１０】
図１に示す位置制御ブロック図において、位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩの自動ゲイン設定機能について説明する。尚、各図中の“ｓ”はラプラス演算子を示している。本発明による調整方法としては、以下の３つのステップＡ〜Ｃに分けられる。
負荷イナーシャの推定（ステップＡ）：
推定方法として一般に、適応制御で代表されるモデル規範形適応制御（例えば「測定と制御」、Ｎｏ．３１−１（１９９２年）のＰ１２２〜Ｐ１２４）やセルフチューニングコントロール（例えば「計測と制御」、Ｎｏ２９−８（１９９０年）のＰ６９５〜Ｐ７４０）があるが、本発明では推定時の安定性、計算量等を与えてステップ入力の時定数測定によるオフライン推定を行なっている。モータ（ダイレクトドライブモータ）に付けられた負荷のイナーシャＪＬとモータのロータイナーシャＪＭとを合せて負荷イナーシャＪ（＝ＪＬ＋ＪＭ）とすると、この負荷イナーシャＪを推定するためにサーボ機構で図２に示すように速度制御（比例制御）を行ない、速度ステップ指令ｕ及びモータの速度出力ｖ（ｔ）を測定することにより、負荷イナーシャＪを推定する。
【００１１】
一般的に図２に示す速度制御系において、速度ステップ指令ｕが与えられると、モータの速度出力ｖ（ｔ）は数１となる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
【数２】
τ＝Ｊ／（ＶＧ・Ｋａ）
となり、
【００１４】
【数３】
Ｊ＝ＶＧ・Ｋａ・τ
として負荷イナーシャＪが求められる。ここに、速度制御ゲインＶＧ及び増幅器のゲイン（トルク定数）Ｋａは既知である。
【００１５】
しかし、上記数２より負荷イナーシャＪが１０００倍大きくなれば時定数τも１０００倍大きくなり（図３参照）、摩擦の影響や駆動回路内部計算の精度、位置検出器の分解能の問題等により負荷イナーシャＪがＪの推定を正しく行なうことができない。ダイレクトドライブモータの場合、許容負荷イナーシャはロータイナーシャＪＭの約１０００倍以下であり、速度制御ゲインが固定では図３に示すように時定数τも約１０００倍変化し、測定が困難になるのである。
【００１６】
本発明では、サーボ機構の時定数τが適切な範囲（例えば２５ミリ秒〜５０ミリ秒）に入るように速度制御ゲインＶＧを自動調整し、その自動調整された速度制御ゲインＶＧに合わせて測定時の内部データが飽和しない範囲で速度ステップ指令ｕを調整し、時定数τの測定を速度０から速度ステップ指令ｕの６３％に達するまでの時間の測定ではなく、ある程度速度（例えば速度ステップ指令ｕの１０％の速度）が出てから速度ステップ指令ｕの６３％に達するまでの時間を測定し、そのデータから時定数τを算出して負荷イナーシャＪを推定する。図４は、速度制御ゲインＶＧを自動調整して負荷イナーシャＪを推定する様子を示しており、先ず時定数τがある程度（５０ミリ秒以内）小さくなるまで速度制御ゲインＶＧを自動的に大きくし、数回時定数τを測定して負荷イナーシャＪを推定している。この場合、推定時のモータ回転量を小さくするために（１０度以内）、速度ステップ指令ｕの値を速度ゲインに合せて変更している。ここにおいて、最小の負荷イナーシャＪはロータイナーシャであるため、この負荷にて時定数τが２５〜５０ミリ秒になる速度制御ゲインＶＧの値を“１”とすると、ＶＧ＝１のゲインからスタートし、速度ステップ指令ｕを与えてもし時定数τが５０ミリ秒以上であれば速度ステップ指令ｕを“０”にし、速度出力が“０”になったら速度制御ゲインＶＧを２倍にして時定数τを測定し、時定数τが５０ミリ秒以下になるまで同様に速度制御ゲインＶＧを２倍にする。速度制御ゲインＶＧを２倍にすると数２より時定数τは１／２になるため、モータの許容負荷で時定数τが５０ミリ秒になる値まで速度制御ゲインＶＧを大きくし、それでも時定数τが５０ミリ秒より大きい場合は推定エラーとする。このようにすると、モータの許容負荷の範囲であれば、時定数τが２５〜５０ミリ秒になる速度制御ゲインＶＧの値を自動的に求めることができる。
【００１７】
一方、上記速度ステップ指令ｕの飽和しない範囲での調整に関しては、上記数２より負荷イナーシャＪと時定数τの関係には速度ステップ指令ｕの条件はなく、理論的にはいかなる条件でも良いが、駆動回路内部の計算精度や検出器の分解能により精度が良い速度ステップ指令ｕにした方が良い。そこで、駆動回路内部で飽和が生じない範囲で速度ステップ指令ｕを大きくする。駆動回路内部の飽和には速度制御ゲインＶＧの出力（トルク指令）の飽和があり、上記自動調整の動作より速度制御ゲインＶＧの値が変わるために速度ステップ指令ｕも速度制御ゲインＶＧに合わせて図５のように変更し、速度制御ゲインＶＧの値が大きくなると速度ステップ指令ｕを小さくして内部飽和を防ぎ、精度良く測定できる入力としている。また、推定時の負荷動作範囲を小さくするために、＋ｕの正指令の次は−ｕの負指令というように順次速度ステップ指令ｕの符号を切り換えている（図４参照）。
【００１８】
また、時定数τの算出に関しては図６に示すように、静止摩擦が大きいと時定数（速度指令が０→６３％になる時間）τが変わるが、実際の負荷は同一のために静止摩擦の影響を除かなければならない。その方法として、モータ速度が速度指令の１０％から６３％になる時間を測定し、そのデータから以下のように時定数τを算出することにより問題を解決した。即ち、前記数１より速度ステップ指令ｕがその１０％に達する時間ｔ１は
【００１９】
【数４】
【００２０】
【数５】
ｔ１＝０．１０５３６…×Ｊ／（ＶＧ・Ｋａ）＝０．１０５３６…×τ
となる。よって、速度ステップ指令ｕがその１０％から６３％に達する時間ｔ２は
【００２１】
【数６】
ｔ２＝（１−０．１０５３６…）τ＝０．８９４６４…×τ
となり、
【００２２】
【数７】
τ＝１．１１７７６８…×ｔ２
で時定数τが時間ｔ２より算出される。尚、本例では、速度ステップ指令ｕがその１０％から６３％に達する時間ｔ２で時定数τを算出するようにしているが、他の時間でも同様に算出することができる。
負荷イナーシャＪの推定値から各ゲイン（ＰＧ，ＶＧ，ＶＩ）を決める手方（ステップＢ）：
３つのゲイン，即ち、位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩを決める手法として、位置ダンピング係数ξｐ及び速度ダンピング係数ξｖを一定にし、サーボ機構の応答性を表わすサーボゲインＳＧを調整するようにしている。このサーボゲインＳＧを決めれば３つのゲイン（位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩ）を制御理論で求めることが可能となり、全ての負荷イナーシャＪに対して同一の値とすることも可能である。しかしながら、負荷イナーシャＪがロータイナーシャの１０００倍というように広範囲に変わる対象には負荷に合わせた最適な値があり、前記ステップＡで求めた推定値から予め実験で求めたイナーシャ推定値とサーボゲインＳＧ値とのテーブル（図７）を参照してサーボゲインＳＧを求め、そのサーボゲインＳＧの値から３つのゲイン（位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ、積分ゲインＶＩ）を自動的に計算している。
【００２３】
テスト運転時のゲイン微調整（ステップＣ）：
上記ステップＢでの調整後に、もう少し位置決め時間を短縮したい場合、１つのゲインの調整で上記調整を可能にしている。即ち、応答性を示すパラメータ（サーボゲイン）ＳＧを新しく追加すると、このサーボゲインＳＧを位置制御帯域［Ｈｚ］とすると、図１から速度制御帯域が高いとすると、
【００２４】
【数８】
ＰＧ／（２π・ＳＧ）＝１
が成り立ち、
【００２５】
【数９】
ＰＧ＝２π・ＳＧ
と、位置制御ゲインＰＧが求められる。
【００２６】
ここで、位置制御系と速度制御系の関係は、速度制御帯域をｆｖ［Ｈｚ］とすると図８のようになり、位置入出力伝達関数Ｇｐ（ｓ）は
【００２７】
【数１０】
【００２８】
【数１１】
ＰＧ＝π・ｆｖ／（２ξｐ）
となり、数９及び数１１より
【００２９】
【数１２】
ｆｖ＝４ξｐ ２・ＳＧ
となる。位置ループ系と速度ループ系の関係を示す図８において、速度ループ帯域の計算は速度比例制御系を示す図９で考えられ、
【００３０】
【数１３】
ＶＧ・Ｋａ／（Ｊ・ｓ）＝１
より、下記数１４が成り立つ。
【００３１】
【数１４】
ｆｖ＝（ＶＧ・Ｋａ）／（２π・Ｊ）
上記数１２及び数１４より、次の数１５が得られる。
【００３２】
【数１５】
【００３３】
積分ゲインＶＩを含めた速度ループは図１０で表わされ、入出力の伝達特性Ｇｖ（ｓ）は
【００３４】
【数１６】
【００３５】
【数１７】
【００３６】
【数１８】
【００３７】
そして、位置ダンピング係数ξｐを変えると図１１のようにオーバーシュートの量が変わる。図１１は位置ダンピング係数ξｐの違い（１．０，０．８，０．６）によるステップ応答の例を示している。実験ではξｐ＝１，ξｖ＝１．４で行ない、サーボゲインＳＧのパラメータだけで、位置制御ゲインＰＧ，速度制御ゲインＶＧ及び積分ゲインＶＩを調整可能とした。サーボゲインＳＧを変えた時のステップ応答は図１２に示すようになる。即ち、サーボゲインＳＧ＝１０，２０，３０の例を示している。負荷イナーシャＪに合せてサーボゲインＳＧを大小に変化すると、各３つのゲインも大小に変化する。また、より位置決め時間の短縮を求めるユーザは、サーボゲインＳＧをできるだけ大きくすることによって、位置制御ゲインＰＧ、速度制御ゲインＶＧ及び積分ゲインＶＩも自動的に大きく調整されて応答性が上がる。
【００３８】
尚、上述の実施例では回転型モータで行なった例を説明しているが、リニアモータでも全く同様に実現可能である。
【００３９】
【発明の効果】
図１３に負荷イナーシャの推定結果を示す。最小のロータイナーシャより１０００倍のロータイナーシャに対する各々１０回の推定結果の最大値及び最小値を示している。この範囲で推定誤差は±３０％以内であり、難しいイナーシャの計算が必要なくなった。
【００４０】
また、図１４に位置決め結果の例として負荷イナーシャＪ＝０．２３３Ｋｇｍ２の３０度に対する位置決め結果を、同図（Ａ）の従来結果と比較して示す。本発明の自動調整後同図（Ｂ）は従来の調整の場合と比べ約２０ミリ秒の位置決め時間の短縮を実現しており、さらに微調整を行なうと同図（Ｃ）に示すように短時間の調整で７０ミリ秒の位置決め時間の短縮を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサーボ機構を示す位置制御系のブロック図である。
【図２】本発明によるイナーシャ推定時の速度制御系のブロック図である。
【図３】本発明の速度ステップ応答を説明するための図である。
【図４】本発明によるゲイン自動調整時のモータの動作例を示す図である。
【図５】本発明によるイナーシャ推定時の速度指令量と速度制御ゲインの関係を示す図である。
【図６】静止摩擦の影響によるステップ応答例を示す図である。
【図７】イナーシャ推定値によるサーボゲインＳＧ値のテーブル例を示す図である。
【図８】位置制御系と速度制御系の関係を示すブロック図である。
【図９】速度比例制御系を示すブロック図である。
【図１０】速度ＰＩ制御系を示すブロック図である。
【図１１】位置ダンピング係数の違いによるステップ応答例を示す図である。
【図１２】ゲイン自動調整後の微調整によるステップ応答のシミュレーション図である。
【図１３】本発明による各イナーシャに対する推定結果を示す図である。
【図１４】本発明による位置決め結果を従来例と比較して示す図であり、同図（Ａ）は従来結果を、同図（Ｂ）は自動調整後の結果を、同図（ｃ）はサーボゲインＳＧによる微調整後の結果をそれぞれ示している。
Claims (3)
- モータを具備して位置決め及び速度制御を行なうサーボ機構において、前記モータに負荷がかかった状態で、前記サーボ機構の速度制御ゲインを設定した後に、前記時定数が設定範囲内に入るまで適宜時定数を調整し、その後前記調整された速度制御ゲインで前記ステップ指令を与えて、前記ステップ指令に対応する速度出力の１０％から６３％に達するまでの時定数を測定し、前記測定された時定数及び前記調整された速度制御ゲインに基づいて前記負荷の値を推定し、該推定された負荷の値によって前記サーボ機構のサーボゲインを自動設定することを特徴とするサーボ機構の自動ゲイン調整方法。
- 前記サーボ機構の位置制御ゲイン、速度制御ゲイン及び積分ゲインの３つのゲイン調整を前記サーボゲインという１つのゲインで微調整できる請求項１に記載のサーボ機構の自動ゲイン調整方法。
- モータを駆動して位置決め及び速度制御を行なうサーボ機構において、前記モータに負荷がかかった状態で、前記サーボ機構の速度制御ゲインを設定した後に、前記時定数が設定範囲内に入るまで適宜時定数を調整し、その後前記調整された速度制御ゲインで前記ステップ指令を与えて、前記ステップ指令に対応する速度出力の１０％から６３％に達するまでの時定数を測定し、前記測定された時定数及び前記調整された速度制御ゲインに基づいて前記負荷の値を推定する推定手段と、前記推定手段で推定された負荷の値に基づいてサーボゲインを設定するゲイン設定手段とを具備したことを特徴とするサーボ機構の自動ゲイン調整装置。
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