JP3621278B2 - サーボ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば工作機械のような、電動機で機械を動作させてその機械の軌跡を高精度に動作させるサーボ制御装置に関するものであり、特に、高速な動作が要求されるサーボ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ制御装置は、機械を指令値に追従させて正確に動作させることが目的であり、通常は電動機などのアクチュエータに取り付けられたエンコーダなどの位置センサの出力を指令値に追従させることを目標とすることにより、機械側まで制御していると見なすことが多かった。しかしながら、高速動作が要求されるにともない、機械の剛性が不十分なことに起因して、実際の目標である機械側とアクチュエータの位置とにズレが生じることがある。
【０００３】
図１１は、たとえば特開平４−２７１２９０に示された、従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。、図において、１は機械、２は電動機で、それぞれ内部にその特性を表すブロックが示されており、これらは機械１と電動機２を２つのイナーシャとそのバネでモデル化した場合の表現である。また、３は位置センサ、４は位置指令値生成部、５はフィードバック補償部、６はフィードフォワード補償部であり、７は機械端補正部である。
【０００４】
また、θｒ は位置指令値生成部４にて生成された位置指令値、θｌ は機械１の位置、θｍ は電動機２の位置、Ｊｌ は機械１のイナーシャ、Ｊｍ は電動機２のイナーシャ、Ｋは機械１の剛性を表すバネ定数、ｃは機械１の粘性抵抗を表す定数、Ｋｖ は速度ループ比例ゲイン、Ｋｖｉは速度ループ積分ゲイン、Ｋｐ は位置ループ比例ゲイン、Ｊ０ｌは機械１のイナーシャＪｌ の推定値、Ｊ０ｍは電動機２のイナーシャＪｍ の推定値、α、βはそれぞれ機械端補正部７のパラメータ、ｓはラプラス演算子である。
【０００５】
次に、動作について説明する。
機械１と電動機２からなる制御対象は、電動機２の出力トルクの指令値を入力とし、電動機２に取り付けられた位置センサ３の検出した検出値を出力とするものである。フィードバック補償部５は、位置指令値生成部４で生成された位置指令値θｒ と、位置センサ３より出力される電動機２の位置θｍ との差をもとにＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行う。ただし、図に示されたフィードバック補償部５では、位置指令値θｒ と電動機２の位置θｍ のそれぞれの微分値を利用した構成となっているが、これは等価変換することにより上記ＰＩＤ制御の構成となる。
【０００６】
このように、制御対象である機械１および電動機２をフィードバック補償部５のみにて制御した場合には、応答の遅れのために位置指令値θｒ への追従精度は良好ではない。そこで、フィードフォワード補償部６を追加して、Ｊ０ｌ＝Ｊｌ 、Ｊ０ｍ＝Ｊｍ とすることにより、電動機２と機械１の剛性が十分高い（バネ定数Ｋが十分大きい）とした場合に、応答の遅れをなくすことができ、高精度な動作を実現できる。
【０００７】
しかしながら、機械１と電動機２の剛性が十分高いと見なすことができない場合には、電動機２の位置θｍ と機械１の位置θｌ にずれが生じ、このフィードフォワード補償器５の追加では十分な精度が得られない。そこで機械端補正部７においてα＝Ｊｌ ／（Ｋ（Ｊｌ ＋Ｊｍ ））、β＝Ｊｍ とし、ｃ＝０と仮定することにより、機械１と動機２のモデルである、２つのイナーシャＪｌ ，Ｊｍ とそのバネのモデルの特性を完全に補償することができる。すなわち位置指令値θｒ と機械１の位置θｌ を完全に一致させることができ、高精度な機械１の位置制御が実現できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ制御装置は以上のように構成されているので、２つのイナーシャＪｌ 、Ｊｍ および機械１の剛性のバネ定数Ｋのそれぞれの値を正確に知る必要があり、もしそれらの値の正確さが不十分であった場合には制御系の特性が大きく変動して、精度の高い位置制御が実現できないという課題があった。また、補正が複雑であり、計算時間も多く、高次の微分を必要とするため量子化誤差などの影響を受けやすいという課題もあった。
【０００９】
さらに、２つのイナーシャＪｌ 、Ｊｍ 、および機械１の剛性のバネ定数Ｋのそれぞれの値ではなく、機械端補正部７のパラメータα、βの値を入力する必要があり、また、それらはすべて人手によって設定する必要があるとった課題があった。
【００１０】
また、機械１の剛性を表すバネ定数Ｋの値が、機械１の位置に依存して変化する現象に対応することができないという課題があった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高精度で位置制御を行うことができ、かつ簡単な構成で計算時間も少なく、さらにパラメータの変動や推定誤差があった場合でも特性が大きく変動しないロバストなサーボ制御装置を得ることを目的とする。
【００１２】
また、この発明は、パラメータとして理解しやすいものを入力することによって、高精度の位置制御が実現でき、初期設定時やパラメータ変動時には、自動的にパラメータのチューニングを行うことができるサーボ制御装置を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るサーボ制御装置は、電動機が発生するトルクに相当する信号として、フィードバック補償部の生成するフィードバックトルク指令値と、フィードフォワード補償部の生成するフィードフォワードトルク指令値とを加算したトルクあるいはそれに相当する目標値を用いたものである。
【００１５】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、電動機が発生するトルクに相当する信号として、電動機に流れる電流の測定を行う電流センサの測定値を用いたものである。
【００１８】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、電動機が発生するトルクに相当する信号に、摩擦のモデルから生成されたトルク指令値を含めないようにしたものである。
【００１９】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、電動機と機械を、機械と電動機それぞれのイナーシャと、その間のバネによってモデル化した場合の機械のバネ定数の値を示すパラメータと、機械のイナーシャと上記２つのイナーシャの和との比を算出するためのパラメータとをパラメータ入力部より入力し、機械端補正定数乗算部にて電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を、定数計算部においてパラメータ入力部より入力されたパラメータに基づいて決定するようにしたものである。
【００２０】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、イナーシャ同定部を設けて、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と、位置フィードバック値とをもとに、機械と電動機の２つのイナーシャの和を同定し、機械端補正定数乗算部において電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を、その同定結果をもとに定数計算部で決定するようにしたものである。
【００２１】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、機械モデルで同定部を設けて、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と、位置フィードバック値とをもとに機械モデルを同定し、機械のバネ定数の値を示すパラメータと、機械のイナーシャと機械および電動機の両イナーシャの和との比を算出するためのパラメータを求め、機械端補正定数乗算部において電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を、そのパラメータをもとに定数計算部で決定するようにしたものである。
【００２２】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、Ｍ系列信号発生部より共振周波数以上の高周波成分を含む信号を生成して、機械モデルの同定を行う場合にのみ、それを機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号に加算し、当該加算結果と位置フィードバック値をもとに、機械モデル同定部が機械モデルを同定して、共振周波数と反共振周波数、および機械および電動機の両イナーシャの和を求めて、定数計算部に送るようにしたものである。
【００２３】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、定数計算部に入力する機械の剛性を表すバネ定数に相当するパラメータを、バネ定数設定部にて機械の位置に応じて変化させて設定するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は所定の軌跡にしたがって動作する機械であり、内部にはその特性を表すブロックが示されている。２はこの機械１を動作させるアクチュエータとして当該機械１に取り付けられた電動機であり、内部にはその特性を表すブロックが示されている。なお、これら電動機２と機械１は２つのイナーシャとそのバネでモデル化した場合の表現である。３はこの電動機２に取り付けられて当該電動機２の位置検出を行う、たとえばエンコーダなどによる位置センサである。なお、これらは図１１に同一符号を付して示した従来のそれらに相当する部分である。
【００２５】
また、４は機械１を所定の軌跡上を動作させるための位置指令値を生成する位置指令値生成部である。５は少なくとも位置指令値生成部４で生成された位置指令値と、位置センサ３からの位置フィードバック値をもとに、トルクあるいはそれに相当するフィードバックトルク指令値を生成するフィードバック補償部である。６は機械１および電動機２のモデルをもとに、位置指令値生成部４で生成された位置指令値から、トルクあるいはそれに相当するフィードフォワードトルク指令値を生成するフィードフォワード補償部である。なお、これらも、図１１に同一符号を付して示した従来のそれらに相当する部分である。
【００２６】
８はフィードバック補償部５で生成されたフィードバックトルク指令値と、フィードフォワード補償部６で生成されたフィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値をもとに、電動機２に適切な電流を流す電流補償部である。９は電動機２が発生するトルクあるいはそれに相当する信号を定数（以下、機械端補正定数という）倍する乗算する機械端補正定数乗算部である。１０はこの機械端補正定数乗算部９にて機械端補正定数倍された、電動機２が発生するトルクあるいはそれに相当する信号を、位置指令値生成部４の生成した位置指令値に加算する加算器である。
【００２７】
また、θｒ は位置指令値生成部４の出力する位置指令値であり、θｌ は機械１の位置、θｍ は位置センサ３にて検出された電動機２の位置である。τｂ はフィードバック補償部５の出力するフィードバックトルク指令値、τｆ はフィードフォワード補償部６の出力するフィードフォワードトルク指令値であり、τａ はこれらフィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ とを加算した全トルク指令値である。Ｊｌ は機械１のイナーシャ、Ｊｍ は電動機２のイナーシャであり、Ｋは機械１の剛性を表すバネ定数、ｃは機械１の粘性抵抗を表す定数である。Ｋｖ はフィードバック補償部５における速度ループ比例ゲインであり、Ｋｖｉは同じく速度ループ積分ゲイン、Ｋｐ は同じく位置ループ比例ゲインである。Ｊ０ｌは機械１のイナーシャＪｌ の推定値、Ｊ０ｍは電動機２のイナーシャＪｍ の推定値であり、Ｋ０ は機械１のバネ定数Ｋの推定値、ｃ０ は機械１の粘性摩擦の推定値である。なお、ｓはラプラス演算子である。
【００２８】
ここで、図１のブロック図に示した実施の形態１のサーボ制御装置では、電動機２は全トルク指令値τａ 通りのトルクを発生するものとしている。ただし、実際には、電流センサ（図示省略）に基づく電流フィードバックを行って電流を制御し、その電流に比例したトルクを電動機１は発生している。したがって、上記全トルク指令値τａ はトルク相当の電流指令値とみることもできる。
【００２９】
次に動作について説明する。
この実施の形態１によるサーボ制御装置においても、図１１に示した従来のサーボ制御装置と基本的には同様の動作を行う。すなわち、機械１と電動機２からなる制御対象は、電動機２の発生するトルクの指令値である全トルク指令値τａ を入力とし、電動機２に取り付けらている位置センサ３にて検出された、当該電動機２の位置値θｍ を出力とするものである。その際、電流補償部８は、フィードバック補償部５にて生成されたフィードバックトルク指令値τｂ と、フィードフォワード補償部６にて生成されたフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ をもとに、適切な電流を電動機２に流す。なお、電流補償部８は、上記全トルク指令値τａ に相当する目標値をもとに、電動機２に適切な電流を流すようにしてもよい。
【００３０】
ここで、フィードバック補償部５は、位置指令値生成部４で生成された位置指令値θｒ と、電動機２に取り付けられた位置センサ３より出力される電動機２の位置θｍ との差をもとに、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行い、位置センサ３からフィードバックされた電動機２の位置θｍ をもとに、トルクあるいはそれに相当するフィードバックトルク指令値τｂ を生成する。なお、この場合も、この図１に示されたフィードバック補償部５では、位置指令値θｒ と電動機２の位置θｍ のそれぞれの微分値を利用した構成となっているが、これは等価変換することにより上記のＰＩＤ制御の構成となる。
【００３１】
一方、フィードフォワード補償部６では、Ｊ０ｌ＝Ｊｌ 、Ｊ０ｍ＝Ｊｍ とすることによって、機械１および電動機２のモデルをもとに、位置指令値生成部４で生成された位置指令値θｒ から、トルクあるいはそれに相当するフィードフォワードトルク指令値τｆ を生成する。したがって、フィードバック補償部５のみで制御したときのような、応答の遅れによる位置指令値θｒ への追従精度の低下を抑制することができ、バネ定数Ｋが十分大きく、機械１と電動機２の剛性が十分高い場合には、位置指令値θｒ と、機械側の位置θｌ および電動機２の位置θｍ とを一致させることができる。なお、この実施の形態１では、フィードフォワード補償部６において、制御対象の粘性摩擦も考慮して機械１の粘性摩擦の推定値ｃ０ の項をフィードフォワード補償部６に追加しているため、より高精度な制御が可能となる。
【００３２】
また、機械端補正定数乗算部９は、所定の機械端補正定数Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））を、電動機２が発生するトルクに相当する信号としての全トルク指令値τａ に乗算し、その演算結果を加算器１０に送出する。加算器１０では位置指令値生成部４の出力する位置指令値θｒ に、この機械端補正定数乗算部９によって機械端補正定数Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））倍された全トルク指令値τａ を加算し、機械１の位置θｌ が位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ に追従するように補正する。定性的には、全トルク指令値τａ にＪ０ｌ／（Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ）を乗じることでバネ部に加わっているトルクを計算するとともに、１／Ｋ０ を乗じることでバネの伸縮量を計算し、その計算結果に応じて位置指令値θｒ を補正して、機械１の位置θｌ を位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ に追従させている。
【００３３】
このように、この実施の形態１によれば、トルクの定数（機械端補正定数）倍という単純な操作によって位置指令の補正を実現しているため、電動機２の発生するトルクによって機械１の剛性に相当するバネが伸縮する量だけ、電動機２への位置指令値を補正することができ、高精度で機械１の位置を制御することが可能となり、かつ、その構成が簡単で計算時間も少なくなる。また、たとえ制御対象パラメータの推定値Ｋ０ 、Ｊ０ｌ、Ｊ０ｍが、実際の値Ｋ、Ｊｌ 、Ｊｍ の値と異なった場合でも、単に補正量が比例倍で変化するのみの影響しか現れず、パラメータに変動や推定誤差があっても特性が大きく変動することはなく、パラメータの変動や推定誤差にロバストなサーボ制御装置を実現することができるという効果が得られる。
【００３４】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、電動機２が発生するトルクに相当する信号として、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ を用い、それを定数（機械端補正定数）倍して位置指令値θｒ に加算する場合について説明したが、当該電動機２が発生するトルクに相当する信号を、電動機２の電流を検出する電流センサの電流測定値としてもよい。すなわち、電流センサを設けて電動機２を流れる電流を測定し、当該電流センサによって検出された電流測定値から求めた電動機２の出力するトルクに比例する値に、機械端補正定数乗算部９で機械端補正定数を乗算して、位置指令値生成部４の出力する位置指令値θｒ に加算する。このようにすることで、上記実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
【００３５】
実施の形態３．
また、上記実施の形態１においては、フィードバック補償部５の生成するフィードバックトルク指令値τｂ と、フィードフォワード補償部６の生成するフィードフォワードトルク指令値τｆ とを加算した全トルク指令値τａ を、電動機２が発生するトルクに相当する信号としたものについて説明したが、フィードフォワード補償部６の生成するフィードフォワードトルク指令値をτｆ 、その電動機２が発生するトルクに相当する信号としてもよい。図２はそのようなこの発明の実施の形態３によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、各部には、図１の相当部分と同一記号を付してその説明を省略する。
【００３６】
この実施の形態３では、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ の代わりに、フィードフォワード補償部６より出力されるフィードフォワードトルク指令値τｆ のみが機械端補正値乗算部９に送られている。機械端補正値乗算部９ではこのフィードフォワードトルク指令値τｆ に機械端補正定数を乗算して加算器１０に送り、位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ にそれを加算することにより、位置指令値θｒ の補正を行っている。フィードフォワード補償器６のパラメータを調整し、フィードフォワードが良好に行われている場合、フィードバックトルク指令値τｂ はほぼ０と見なすことができる。
【００３７】
したがって、この実施の形態３においても、フィードフォワード補償器６のパラメータがほぼ正確な場合には、電動機２が発生するトルクに相当する信号としてフィードフォワードトルク指令値τｆ を用いても、全トルク指令値τａ を用いた場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００３８】
次に、この実施の形態３を用いて、従来のサーボ制御装置と比較したこの発明のロバスト性を、図３および図４に示すボード線図を用いて確認する。簡単のため、ここでは、ｃ＝ｃ０ ＝Ｋｖｉ＝０とする。ここで、図２に示すサーボ制御装置において、フィードフォワード補償器５および機械端補正定数乗算部９を用いないとすると、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次に示す式（１）で表される。
【００３９】
【数１】
【００４０】
これに加えて、フィードフォワード補償器５を用いると、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次の式（２）に示すものとなる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
さらに、機械端補正定数乗算部９を用いると、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次の式（３）に示すものとなる。
【００４３】
【数３】
【００４４】
また、図１１に示す従来のサーボ制御装置における機械端補正部７（ただし、α＝Ｊｌ ／（Ｋ（Ｊｌ ＋Ｊｍ ））、β＝Ｊｍ ）を用いた場合、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次に示す式（４）で表される。
【００４５】
【数４】
【００４６】
ここで、図３は、Ｊｌ ＝０．５、Ｊｍ ＝０．５、Ｋｐ ＝３０、Ｋｖ ＝２００、Ｋ＝６００＊６００＊Ｊｌ ＊Ｊｍ ／（Ｊｌ ＋Ｊｍ ）、Ｊ０ｌ＝Ｊｌ 、Ｊ０ｍ＝Ｊｍ とし、Ｋ０ ＝Ｋの場合とＫ０ ＝１．５Ｋの場合の両方について、上記式（３）に基づいて描いたボード線図である。図において、２１はＫ０ ＝Ｋの場合のゲイン線図、２２はＫ０ ＝１．５Ｋの場合のゲイン線図、２３はＫ０ ＝Ｋの場合の位相線図、２４はＫ０ ＝１．５Ｋの場合の位相線図であり、図示のように、各ゲイン線図２１と２２、および各位相線図２３と２４はそれぞれ重なっている。このように、パラメータＫが１．５倍ずれた正確な値でなくても、補正の正確さはズレの分だけ劣化するが、周波数応答としてはほとんど特性が変わらないといえる。
【００４７】
図４は、図３と同一の条件で式（４）に基づいて描いたボード線図である。図において、２５はＫ０ ＝Ｋの場合のゲイン線図、２６はＫ０ ＝１．５Ｋの場合のゲイン線図、２７はＫ０ ＝Ｋの場合の位相線図、２８はＫ０ ＝１．５Ｋの場合の位相線図である。図からわかるように、パラメータＫが１．５倍ずれることにより、周波数特性が大きく変動していることがわかる。これら図３と図４とを比較することにより、パラメータ変動によるロバスト性としては、この発明の方式が優位であるといえる。
【００４８】
実施の形態４．
また、上記実施の形態３においては、機械１および電動機２のモデルとして、摩擦のモデルを含まないものを示したが、摩擦のモデルを含む機械１および電動機２のモデルに適用することも可能である。図５はそのようなこの発明の実施の形態４によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、各部には、図２の相当部分と同一記号を付してその説明を省略する。なお、Ｆは機械１に加わるクーロン摩擦値であり、フィードフォワード補償部６内のＦ０ は、当該フィードフォワード補償部６にてその機械１に加わるクーロン摩擦値Ｆを補償するための摩擦補償パラメータである。また、ｓｇｎ（・）は引数が正の時は１、負の時は−１、０の時は０となる符号関数を示している。
【００４９】
この実施の形態４におけるフィードフォワード補償部６は、上記摩擦補償パラメータＦ０ と符号関数ｓｇｎ（・）を用いて、機械１に加わるクーロン摩擦値Ｆを補償し、得られたトルク指令値を、機械１の粘性摩擦の推定値ｃ０ の項を用いて制御対象の粘性摩擦も考慮して求めたトルク指令値にさらに加算して、フィードフォワードトルク指令値τｆ を生成している。このようにして摩擦補償されたフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算器１０に送り、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ の補正を行っている。したがって、この実施の形態４によれば、指令値の速度の符号反転時においてフィードフォワードトルク指令値τｆ にステップ状の変化が生じるため、位置指令値θｒ の補正もステップ状の補正となる。これは、すなわち機械１の剛性と摩擦の大きさによって生じるバックラッシの補正を行っていることになる。
【００５０】
実施の形態５．
なお、上記実施の形態４では、摩擦のモデルから生成されたトルク指令を、電動機２が発生するトルクに相当する信号に含めたものについて説明したが、電動機２が発生するトルクに相当する信号が、摩擦のモデルから生成されたトルク指令を含まないようにしてもよい。図６はそのようなこの発明の実施の形態５によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図５と同一記号を付してその説明を省略する。
【００５１】
図６に示すように、この実施の形態５においては、フィードフォワード補償部６の出力するフィードフォワードトルク指令値τｆ には、摩擦のモデルからの摩擦補償パラメータＦ０ と符号関数ｓｇｎ（・）を用いた摩擦補償を含めているが、機械端補正定数乗算部９に送る電動機２が発生するトルクに相当する信号としては、その摩擦のモデルからのトルク指令値を含まない、粘性摩擦を考慮して求めたトルク指令値のみとしている。位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ の補正は、この摩擦のモデルからのトルク指令値を含まない電動機２が発生するトルクに相当する信号を、機械端補正定数倍したものを加算することによって行われる。機械１にがたつきが存在する場合などのように、バックラッシの補正を別途設定する必要がある場合には、このように、摩擦補償の項を含めずに位置指令値θｒ の補正を行うことが有効となる。
【００５２】
実施の形態６．
なお、上記各実施の形態においては、電動機２が発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数が固定的であったが、当該機械端補正定数を変更可能とすることもできる。図７はそのようなこの発明の実施の形態６によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図１と同一符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
図において、１１は機械１のイナーシャおよび電動機２のイナーシャと、その間のバネとによって、機械１と電動機２をモデル化した場合の、機械１のバネ定数Ｋ０ の値を示すパラメータ、および機械１のイナーシャＪ０ｌと、機械１のイナーシャＪ０ｌと電動機２のイナーシャＪ０ｍの和である全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータを入力するパラメータ入力部である。１２はこのパラメータ入力部１１から入力されるパラメータに基づいて、電動機１の発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数の値を求め、それを機械端補正定数乗算部９に設定する定数計算部である。
【００５４】
この実施の形態６においては、図７に示すように、パラメータ入力部１１からは機械１の剛性を示すバネ定数Ｋ０ とともに、機械１のイナーシャＪ０ｌと全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータとして、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍと電動機のイナーシャＪ０ｍとが入力される。定数計算部１２はこれら全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍ、電動機のイナーシャＪ０ｍおよび機械１のバネ定数Ｋ０ を受け取ると、それらの値を用いて、電動機１の発生するトルクに相当する信号（この実施の形態６においては全トルク指令値τａ ）に乗算される機械端補正定数の値Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））を計算し、それを機械端補正定数乗算部９に設定する。
【００５５】
以下、実施の形態１の場合と同様に動作して、機械端補正定数乗算部９は、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ に、この定数計算部１２より設定された機械端補正定数を乗算して加算器１０に送り、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ の補正を行う。
【００５６】
このように、この実施の形態６によれば、機械１の設計時においても大まかなパラメータの値が推測でき、また明らかに特定のパラメータのみが変化した場合でも、ユーザは電動機２が発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数の値を意識することなく、当該機械端補正定数の変更を容易に行うことができるという効果が得られる。
【００５７】
実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図７と同一符号を付してその説明を省略する。ここで、この実施の形態７は機械１のイナーシャのみが変化するような制御対象の制御に適用して有効なサーボ制御装置を想定している。
【００５８】
図において、１３は機械１が動作中であるときに電動機２が発生するトルクに相当する信号（全トルク指令値τａ ）と、位置センサ３より出力される位置フィードバック値（電動機２の位置θｍ ）をもとに、機械１のイナーシャＪ０ｌと電動機２のイナーシャＪ０ｍとの和である全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍを同定するイナーシャ同定部である。また、パラメータ入力部１１はパラメータとして、機械１のバネ定数Ｋ０ と電動機２のイナーシャＪ０ｍの入力を行っている点で、図７に同一符号を付したものとは異なっている。また、定数計算部１２は、機械端補正定数乗算部９が全トルク指令値τａ に乗算するための機械端補正定数の値を、イナーシャ同定部１３において同定された全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍと、パラメータ入力部１１から入力された機械１のバネ定数Ｋ０ 、および電動機２のイナーシャＪ０ｍとに基づいて求めるものである点で、図７に同一符号を付したものとは異なっている。
【００５９】
この実施の形態７においては、図８に示すように、パラメータ入力部１１からは機械１の剛性を示すバネ定数Ｋ０ と、電動機２のイナーシャＪ０ｍの２種類のパラメータが入力される。一方、機械１のイナーシャＪ０ｌと電動機２のイナーシャＪ０ｍの和である全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍを示すパラメータは、制御対象である機械１および電動機２の入出力である全トルク指令値τａ と電動機１の位置θｍ のデータをもとに、イナーシャ同定部１３において同定され、同定された全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍは定数計算部１２に入力される。定数計算部１２ではこのイナーシャ同定部１３からの全イナーシャＪ０ｌ ＋Ｊ０ｍと、パラメータ入力部１１からの電動機２のイナーシャＪ０ｍおよびバネ定数Ｋ０ を受け取ると、それらをもとに全トルク指令値τａ に乗算するための機械端補正定数を計算して機械端補正定数乗算部９に設定する。機械端補正定数乗算部９はその機械端補正定数を、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ に乗算してそれを補正する。
【００６０】
ここで、たとえば、工作機械に質量の大きなワークが搭載される場合など、機械のイナーシャＪ０ｌのみが変化して、パラメータの中のイナーシャ同定部１３にて同定された全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍが変化することは頻繁に起こりうる。この実施の形態７は、このような機械のイナーシャＪ０ｌのみが変化するような制御対象の制御を行う場合に有効である。また、イナーシャ同定部１３で同定を行う場合、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍは全トルク指令値τａ の周波数成分が比較的低周波の場合でも、たとえば通常の加減速動作中のデータからでも同定が容易なパラメータとなっており、比較的単純な同定アルゴリズムを用いても、実用的に十分なパラメータの同定を行うことができる。
【００６１】
実施の形態８．
なお、上記実施の形態６においては、パラメータ入力部１１より入力されたパラメータを用いて、機械端補正定数の計算を行うものについて示したが、機械モデルの同定によって得られたパラメータを用いて、機械端補正定数の計算を行うようにしてもよい。図９はそのようなこの発明の実施の形態８によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図７と同一符号を付してその説明を省略する。
【００６２】
図において、１４は機械１が動作中であるときに、電動機２が発生するトルクに相当する信号と位置センサ３からの位置フィードバック値をもとに、機械モデルの同定を行い、機械１のバネ定数Ｋ０ の値を示すパラメータ、および機械１のイナーシャＪ０ｌと全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータを求める機械モデル同定部である。また、ωｉ は反共振周波数、ωｒ は共振周波数であり、この機械モデル同定部１４からは上記パラメータとして、当該反共振周波数ωｉ および共振周波数ωｒ と、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとが出力される。１５は共振周波数ωｒ 以上の高周波成分を含むＭ系列信号を生成するＭ系列信号発生部であり、１６は機械モデル同定部１４にて機械モデルの同定を行う場合にのみ、このＭ系列信号発生部１５の生成したＭ系列信号を、機械１が動作中であるときに電動機２が発生するトルクに相当する信号に加算するためのスイッチである。
【００６３】
なお、定数計算部１２は機械モデル同定部１４による機械モデルの同定によって得られた反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ 、および全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍに基づいて、電動機２の発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数を求めて機械端補正定数乗算部９に設定するものである点で、図７に同一符号を付して示したものとは異なっている。
【００６４】
この実施の形態８においては、機械モデル同定部１４にて、機械１が動作中の電動機２が発生するトルクに相当する信号（全トルク指令値τａ ）と、位置センサ３からの位置フィードバック値（電動機２の位置θｍ ）をもとに、機械１のバネ定数Ｋ０ の値を示すパラメータ、および機械１のイナーシャＪ０ｌと全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータとしての、反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ 、および全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値を同定する。この機械モデル同定部１４における機械モデルの同定のためには、共振周波数ωｉ 以上の周波数成分を持つ信号を電動機２（制御対象）に入力する必要がある。Ｍ系列信号発生部１５はその高周波成分を含んだＭ系列信号を生成し、スイッチ１６はこのＭ系列信号発生部１５の出力するＭ系列信号を、機械モデルの同定を行う場合にのみ全トルク指令値τａ に加算する。
【００６５】
なお、これら反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ 、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値の同定は、具体的にはこれまでに提案されている公知の手法を用いて行うことが可能である。たとえば、反共振周波数ωｉ および共振周波数ωｒ については、ボード線図を制御対象への入出力から求め、カーブフィッテングを行うことによって、その値を求めることが可能である。また、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値は実施の形態７の場合と同様に求めることができる。
【００６６】
ここで、反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ と、機械のイナーシャＪ０ｌ、電動機のイナーシャＪ０ｍ、バネ定数Ｋ０ との関係は、次の式（５）および式（６）で与えられる。
【００６７】
【数５】
【００６８】
したがって、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値も同定できれば、定数計算部１２はそれらの値を用いて、機械端補正定数の値Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））を計算し、それを機械端補正定数乗算部９に設定する。機械端補正定数乗算部９は、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ に、この定数計算部１２より設定された機械端補正定数を乗算して加算器１０に送り、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ の補正を行う。これにより、初期設定時、あるいはパラメータ変動時において、補正パラメータを自動的にチューニングすることができる。
【００６９】
実施の形態９．
図１０はこの発明の実施の形態９によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図７と同一符号を付してその説明を省略する。ここで、この実施の形態９ではボールネジを伝達機構とするような、機械１の位置に応じて、パラメータ、特に機械１の剛性を表すバネ定数Ｋの値が変化する機械１の制御に用いられるサーボ制御装置を想定している。図において、１７は機械１の位置（図示の例では、位置センサ３の出力する電動機２の位置θｍ である位置フィードバック値）に応じて、機械１の剛性を表すバネ定数Ｋの値のパラメータを生成し、それを定数計算部１２に設定するバネ定数設定部であり、この場合、その内容がパラメータ入力部１１から設定される表によって形成されている。
【００７０】
次に動作について説明する。
あらかじめパラメータ入力部１１より、機械１の各位置毎に、それに対応する機械１のバネ定数Ｋの値が、バネ定数設定部１７に表の形式で設定される。機械１が実際に動作する場合には、位置センサ３の出力する電動機２の位置θｍ がこのバネ定数設定部１７に入力され、バネ定数設定部１７からはそれに対応したバネ定数Ｋ０ が定数計算部１２に送られる。たとえば、機械１がボールネジを用いたものである場合には、単純な例としては、機械１のバネ定数は、機械１の可動部が電動機２から離れるほど小さくなり、近付くほど大きくなる。このような機械１においては、この実施の形態９によるサーボ制御装置を用いることにより、機械１の実際の特性にあった機械端補正が実現でき、機械１の位置制御の精度向上がはかれる。
【００７１】
なお、上記説明では、機械１の位置のとして電動機２に取り付けられた位置センサ３の出力（位置フィードバック値）を用いたものを示したが、機械１の位置と電動機２の位置は、機械１のバネ定数Ｋの変化という意味では、ほぼ同一の値と見なすことができるため、位置センサ３の出力を用いても、特に問題は生じない。また、その意味では、位置指令値生成部４の出力する位置指令値を用いても同様の効果が得られる。
【００７２】
さらに、上記説明では、バネ定数設定部１７として、パラメータ入力部１１よりその内容が設定される表を用いてバネ定数Ｋを設定するものについて説明したが、所定の式、たとえば機械１の位置の一次関数として機械１のバネ定数Ｋを計算する式を用いてバネ定数Ｋを設定するものであってもよい。なお、この式としては、機械１の構造に応じて、二次式、三角関数を用いた式等、いろいろなものが考えられる。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、位置指令値生成部から出力された位置指令値をもとに、フィードバック制御およびフィードフォワード制御を行うことによって電動機の発生するトルクを制御する制御系において、電動機の発生するトルクあるいは当該トルクに相当する信号に所定の定数を乗算して位置指令値に加算するように構成したので、トルクの定数倍という単純な操作によって、電動機の発生するトルクによって機械の剛性に相当するバネが伸縮する量だけ電動機への位置指令を補正することができ、機械の位置を高い精度で制御することが可能となって、構成が簡単で計算時間も少なく、パラメータに変動や推定誤差があった場合でも特性が大きく変動することのない、ロバストなサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００７４】
また、この発明によれば、フィードバックトルク指令値とフィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値を、電動機が発生するトルクに相当する信号として用いるように構成したので、それに機械端補正定数を乗算することで計算した、バネ部に加わっているトルクとバネの伸縮量に応じて補正した位置指令値に追従させることで、機械の位置をその位置指令値に容易に追従させることが可能になるという効果がある。
【００７５】
また、この発明によれば、電流センサの測定値を電動機が発生するトルクに相当する信号として用いることによっても、機械の位置を高精度に制御でき、ロバスト性の高いサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００７６】
また、この発明によれば、フィードフォワードトルク指令値を電動機が発生するトルクに相当する信号として用いることによっても、フィードフォワードが良好に行われていれば、フィードバックトルク指令値とフィードフォワードトルク指令値の和を用いた場合と同等の効果を得ることができる。
【００７７】
また、この発明によれば、摩擦のモデルを含むように構成したので、機械の剛性と摩擦の大きさによるバックラッシュを補正することが可能になるという効果がある。
【００７８】
また、この発明によれば、摩擦のモデルから生成されたトルク指令値を、電動機が発生するトルクに相当する信号に含めないように構成したので、機械にがたつきがある場合など、バックラッシの補正を別途設定する必要がある場合に適用して有効なサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００７９】
また、この発明によれば、電動機と機械をそれぞれのイナーシャとバネにてモデル化した場合の、バネ定数の値と、機械のイナーシャと電動機、機械双方のイナーシャの和との比を算出するためのパラメータを入力し、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を決定するように構成したので、機械設計時においても大まかなパラメータの値が推測でき、また明らかに特定のパラメータのみが変化した場合でも、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を意識することなく、その値の変更を容易に行うことができるという効果がある。
【００８０】
また、この発明によれば、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と位置フィードバック値とをもとに、機械と電動機の双方のイナーシャの和を同定し、その同定結果から、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を決定するように構成したので、機械のイナーシャのみが変化するような制御対象の制御を行う場合に適用して有効なサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００８１】
また、この発明によれば、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と位置フィードバック値をもとに、機械のバネ定数を示すパラメータと、機械のイナーシャと機械および電動機双方のイナーシャの和との比を算出するためのパラメータを同定し、その同定結果から、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を決定するように構成したので、初期設定時やパラメータ変動時に、自動的に補正パラメータを適切な値にチューニングすることのできるサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００８２】
また、この発明によれば、機械モデルの同定を行う場合にのみ、共振周波数以上の高周波成分を含むＭ系列信号を、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号に加算し、その加算結果と位置フィードバック値をもとに、機械モデル同定部が機械モデルの同定を行い、共振周波数、反共振周波数、および機械と電動機の双方のイナーシャの和をパラメータとして、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を決定するように構成したので、初期設定時やパラメータ変動時はに、適切な補正パラメータの値を自動的に設定することが可能になるという効果がある。
【００８３】
また、この発明によれば、機械の剛性を表すバネ定数の値に相当するパラメータを、機械の位置に応じて変化させて設定できるため、ボールネジの剛性などの機械の位置によるパラメータの変化に対しても、精度を劣化させることなく対応することが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態３によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明によるサーボ制御装置のロバスト性を示すためのボード線図である。
【図４】従来のサーボ制御装置のロバスト性のなさを示すためのボード線図である。
【図５】この発明の実施の形態４によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態５によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態６によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態７によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態８によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態９によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 機械、２ 電動機、３ 位置センサ、４ 位置指令値生成部、５ フィードバック補償部、６ フィードフォワード補償部、８ 電流補償部、９ 機械端補正定数乗算部、１０ 加算器、１１ パラメータ入力部、１２ 定数計算部、１３ イナーシャ同定部、１４ 機械モデル同定部、１５ Ｍ系列信号発生部、１６ スイッチ、１７ バネ定数設定部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば工作機械のような、電動機で機械を動作させてその機械の軌跡を高精度に動作させるサーボ制御装置に関するものであり、特に、高速な動作が要求されるサーボ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ制御装置は、機械を指令値に追従させて正確に動作させることが目的であり、通常は電動機などのアクチュエータに取り付けられたエンコーダなどの位置センサの出力を指令値に追従させることを目標とすることにより、機械側まで制御していると見なすことが多かった。しかしながら、高速動作が要求されるにともない、機械の剛性が不十分なことに起因して、実際の目標である機械側とアクチュエータの位置とにズレが生じることがある。
【０００３】
図１１は、たとえば特開平４−２７１２９０に示された、従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。、図において、１は機械、２は電動機で、それぞれ内部にその特性を表すブロックが示されており、これらは機械１と電動機２を２つのイナーシャとそのバネでモデル化した場合の表現である。また、３は位置センサ、４は位置指令値生成部、５はフィードバック補償部、６はフィードフォワード補償部であり、７は機械端補正部である。
【０００４】
また、θｒ は位置指令値生成部４にて生成された位置指令値、θｌ は機械１の位置、θｍ は電動機２の位置、Ｊｌ は機械１のイナーシャ、Ｊｍ は電動機２のイナーシャ、Ｋは機械１の剛性を表すバネ定数、ｃは機械１の粘性抵抗を表す定数、Ｋｖ は速度ループ比例ゲイン、Ｋｖｉは速度ループ積分ゲイン、Ｋｐ は位置ループ比例ゲイン、Ｊ０ｌは機械１のイナーシャＪｌ の推定値、Ｊ０ｍは電動機２のイナーシャＪｍ の推定値、α、βはそれぞれ機械端補正部７のパラメータ、ｓはラプラス演算子である。
【０００５】
次に、動作について説明する。
機械１と電動機２からなる制御対象は、電動機２の出力トルクの指令値を入力とし、電動機２に取り付けられた位置センサ３の検出した検出値を出力とするものである。フィードバック補償部５は、位置指令値生成部４で生成された位置指令値θｒ と、位置センサ３より出力される電動機２の位置θｍ との差をもとにＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行う。ただし、図に示されたフィードバック補償部５では、位置指令値θｒ と電動機２の位置θｍ のそれぞれの微分値を利用した構成となっているが、これは等価変換することにより上記ＰＩＤ制御の構成となる。
【０００６】
このように、制御対象である機械１および電動機２をフィードバック補償部５のみにて制御した場合には、応答の遅れのために位置指令値θｒ への追従精度は良好ではない。そこで、フィードフォワード補償部６を追加して、Ｊ０ｌ＝Ｊｌ 、Ｊ０ｍ＝Ｊｍ とすることにより、電動機２と機械１の剛性が十分高い（バネ定数Ｋが十分大きい）とした場合に、応答の遅れをなくすことができ、高精度な動作を実現できる。
【０００７】
しかしながら、機械１と電動機２の剛性が十分高いと見なすことができない場合には、電動機２の位置θｍ と機械１の位置θｌ にずれが生じ、このフィードフォワード補償器５の追加では十分な精度が得られない。そこで機械端補正部７においてα＝Ｊｌ ／（Ｋ（Ｊｌ ＋Ｊｍ ））、β＝Ｊｍ とし、ｃ＝０と仮定することにより、機械１と動機２のモデルである、２つのイナーシャＪｌ ，Ｊｍ とそのバネのモデルの特性を完全に補償することができる。すなわち位置指令値θｒ と機械１の位置θｌ を完全に一致させることができ、高精度な機械１の位置制御が実現できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ制御装置は以上のように構成されているので、２つのイナーシャＪｌ 、Ｊｍ および機械１の剛性のバネ定数Ｋのそれぞれの値を正確に知る必要があり、もしそれらの値の正確さが不十分であった場合には制御系の特性が大きく変動して、精度の高い位置制御が実現できないという課題があった。また、補正が複雑であり、計算時間も多く、高次の微分を必要とするため量子化誤差などの影響を受けやすいという課題もあった。
【０００９】
さらに、２つのイナーシャＪｌ 、Ｊｍ 、および機械１の剛性のバネ定数Ｋのそれぞれの値ではなく、機械端補正部７のパラメータα、βの値を入力する必要があり、また、それらはすべて人手によって設定する必要があるとった課題があった。
【００１０】
また、機械１の剛性を表すバネ定数Ｋの値が、機械１の位置に依存して変化する現象に対応することができないという課題があった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高精度で位置制御を行うことができ、かつ簡単な構成で計算時間も少なく、さらにパラメータの変動や推定誤差があった場合でも特性が大きく変動しないロバストなサーボ制御装置を得ることを目的とする。
【００１２】
また、この発明は、パラメータとして理解しやすいものを入力することによって、高精度の位置制御が実現でき、初期設定時やパラメータ変動時には、自動的にパラメータのチューニングを行うことができるサーボ制御装置を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るサーボ制御装置は、電動機が発生するトルクに相当する信号として、フィードバック補償部の生成するフィードバックトルク指令値と、フィードフォワード補償部の生成するフィードフォワードトルク指令値とを加算したトルクあるいはそれに相当する目標値を用いたものである。
【００１５】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、電動機が発生するトルクに相当する信号として、電動機に流れる電流の測定を行う電流センサの測定値を用いたものである。
【００１８】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、電動機が発生するトルクに相当する信号に、摩擦のモデルから生成されたトルク指令値を含めないようにしたものである。
【００１９】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、電動機と機械を、機械と電動機それぞれのイナーシャと、その間のバネによってモデル化した場合の機械のバネ定数の値を示すパラメータと、機械のイナーシャと上記２つのイナーシャの和との比を算出するためのパラメータとをパラメータ入力部より入力し、機械端補正定数乗算部にて電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を、定数計算部においてパラメータ入力部より入力されたパラメータに基づいて決定するようにしたものである。
【００２０】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、イナーシャ同定部を設けて、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と、位置フィードバック値とをもとに、機械と電動機の２つのイナーシャの和を同定し、機械端補正定数乗算部において電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を、その同定結果をもとに定数計算部で決定するようにしたものである。
【００２１】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、機械モデルで同定部を設けて、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と、位置フィードバック値とをもとに機械モデルを同定し、機械のバネ定数の値を示すパラメータと、機械のイナーシャと機械および電動機の両イナーシャの和との比を算出するためのパラメータを求め、機械端補正定数乗算部において電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を、そのパラメータをもとに定数計算部で決定するようにしたものである。
【００２２】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、Ｍ系列信号発生部より共振周波数以上の高周波成分を含む信号を生成して、機械モデルの同定を行う場合にのみ、それを機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号に加算し、当該加算結果と位置フィードバック値をもとに、機械モデル同定部が機械モデルを同定して、共振周波数と反共振周波数、および機械および電動機の両イナーシャの和を求めて、定数計算部に送るようにしたものである。
【００２３】
また、この発明に係るサーボ制御装置は、定数計算部に入力する機械の剛性を表すバネ定数に相当するパラメータを、バネ定数設定部にて機械の位置に応じて変化させて設定するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１は所定の軌跡にしたがって動作する機械であり、内部にはその特性を表すブロックが示されている。２はこの機械１を動作させるアクチュエータとして当該機械１に取り付けられた電動機であり、内部にはその特性を表すブロックが示されている。なお、これら電動機２と機械１は２つのイナーシャとそのバネでモデル化した場合の表現である。３はこの電動機２に取り付けられて当該電動機２の位置検出を行う、たとえばエンコーダなどによる位置センサである。なお、これらは図１１に同一符号を付して示した従来のそれらに相当する部分である。
【００２５】
また、４は機械１を所定の軌跡上を動作させるための位置指令値を生成する位置指令値生成部である。５は少なくとも位置指令値生成部４で生成された位置指令値と、位置センサ３からの位置フィードバック値をもとに、トルクあるいはそれに相当するフィードバックトルク指令値を生成するフィードバック補償部である。６は機械１および電動機２のモデルをもとに、位置指令値生成部４で生成された位置指令値から、トルクあるいはそれに相当するフィードフォワードトルク指令値を生成するフィードフォワード補償部である。なお、これらも、図１１に同一符号を付して示した従来のそれらに相当する部分である。
【００２６】
８はフィードバック補償部５で生成されたフィードバックトルク指令値と、フィードフォワード補償部６で生成されたフィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値をもとに、電動機２に適切な電流を流す電流補償部である。９は電動機２が発生するトルクあるいはそれに相当する信号を定数（以下、機械端補正定数という）倍する乗算する機械端補正定数乗算部である。１０はこの機械端補正定数乗算部９にて機械端補正定数倍された、電動機２が発生するトルクあるいはそれに相当する信号を、位置指令値生成部４の生成した位置指令値に加算する加算器である。
【００２７】
また、θｒ は位置指令値生成部４の出力する位置指令値であり、θｌ は機械１の位置、θｍ は位置センサ３にて検出された電動機２の位置である。τｂ はフィードバック補償部５の出力するフィードバックトルク指令値、τｆ はフィードフォワード補償部６の出力するフィードフォワードトルク指令値であり、τａ はこれらフィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ とを加算した全トルク指令値である。Ｊｌ は機械１のイナーシャ、Ｊｍ は電動機２のイナーシャであり、Ｋは機械１の剛性を表すバネ定数、ｃは機械１の粘性抵抗を表す定数である。Ｋｖ はフィードバック補償部５における速度ループ比例ゲインであり、Ｋｖｉは同じく速度ループ積分ゲイン、Ｋｐ は同じく位置ループ比例ゲインである。Ｊ０ｌは機械１のイナーシャＪｌ の推定値、Ｊ０ｍは電動機２のイナーシャＪｍ の推定値であり、Ｋ０ は機械１のバネ定数Ｋの推定値、ｃ０ は機械１の粘性摩擦の推定値である。なお、ｓはラプラス演算子である。
【００２８】
ここで、図１のブロック図に示した実施の形態１のサーボ制御装置では、電動機２は全トルク指令値τａ 通りのトルクを発生するものとしている。ただし、実際には、電流センサ（図示省略）に基づく電流フィードバックを行って電流を制御し、その電流に比例したトルクを電動機１は発生している。したがって、上記全トルク指令値τａ はトルク相当の電流指令値とみることもできる。
【００２９】
次に動作について説明する。
この実施の形態１によるサーボ制御装置においても、図１１に示した従来のサーボ制御装置と基本的には同様の動作を行う。すなわち、機械１と電動機２からなる制御対象は、電動機２の発生するトルクの指令値である全トルク指令値τａ を入力とし、電動機２に取り付けらている位置センサ３にて検出された、当該電動機２の位置値θｍ を出力とするものである。その際、電流補償部８は、フィードバック補償部５にて生成されたフィードバックトルク指令値τｂ と、フィードフォワード補償部６にて生成されたフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ をもとに、適切な電流を電動機２に流す。なお、電流補償部８は、上記全トルク指令値τａ に相当する目標値をもとに、電動機２に適切な電流を流すようにしてもよい。
【００３０】
ここで、フィードバック補償部５は、位置指令値生成部４で生成された位置指令値θｒ と、電動機２に取り付けられた位置センサ３より出力される電動機２の位置θｍ との差をもとに、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行い、位置センサ３からフィードバックされた電動機２の位置θｍ をもとに、トルクあるいはそれに相当するフィードバックトルク指令値τｂ を生成する。なお、この場合も、この図１に示されたフィードバック補償部５では、位置指令値θｒ と電動機２の位置θｍ のそれぞれの微分値を利用した構成となっているが、これは等価変換することにより上記のＰＩＤ制御の構成となる。
【００３１】
一方、フィードフォワード補償部６では、Ｊ０ｌ＝Ｊｌ 、Ｊ０ｍ＝Ｊｍ とすることによって、機械１および電動機２のモデルをもとに、位置指令値生成部４で生成された位置指令値θｒ から、トルクあるいはそれに相当するフィードフォワードトルク指令値τｆ を生成する。したがって、フィードバック補償部５のみで制御したときのような、応答の遅れによる位置指令値θｒ への追従精度の低下を抑制することができ、バネ定数Ｋが十分大きく、機械１と電動機２の剛性が十分高い場合には、位置指令値θｒ と、機械側の位置θｌ および電動機２の位置θｍ とを一致させることができる。なお、この実施の形態１では、フィードフォワード補償部６において、制御対象の粘性摩擦も考慮して機械１の粘性摩擦の推定値ｃ０ の項をフィードフォワード補償部６に追加しているため、より高精度な制御が可能となる。
【００３２】
また、機械端補正定数乗算部９は、所定の機械端補正定数Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））を、電動機２が発生するトルクに相当する信号としての全トルク指令値τａ に乗算し、その演算結果を加算器１０に送出する。加算器１０では位置指令値生成部４の出力する位置指令値θｒ に、この機械端補正定数乗算部９によって機械端補正定数Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））倍された全トルク指令値τａ を加算し、機械１の位置θｌ が位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ に追従するように補正する。定性的には、全トルク指令値τａ にＪ０ｌ／（Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ）を乗じることでバネ部に加わっているトルクを計算するとともに、１／Ｋ０ を乗じることでバネの伸縮量を計算し、その計算結果に応じて位置指令値θｒ を補正して、機械１の位置θｌ を位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ に追従させている。
【００３３】
このように、この実施の形態１によれば、トルクの定数（機械端補正定数）倍という単純な操作によって位置指令の補正を実現しているため、電動機２の発生するトルクによって機械１の剛性に相当するバネが伸縮する量だけ、電動機２への位置指令値を補正することができ、高精度で機械１の位置を制御することが可能となり、かつ、その構成が簡単で計算時間も少なくなる。また、たとえ制御対象パラメータの推定値Ｋ０ 、Ｊ０ｌ、Ｊ０ｍが、実際の値Ｋ、Ｊｌ 、Ｊｍ の値と異なった場合でも、単に補正量が比例倍で変化するのみの影響しか現れず、パラメータに変動や推定誤差があっても特性が大きく変動することはなく、パラメータの変動や推定誤差にロバストなサーボ制御装置を実現することができるという効果が得られる。
【００３４】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、電動機２が発生するトルクに相当する信号として、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ を用い、それを定数（機械端補正定数）倍して位置指令値θｒ に加算する場合について説明したが、当該電動機２が発生するトルクに相当する信号を、電動機２の電流を検出する電流センサの電流測定値としてもよい。すなわち、電流センサを設けて電動機２を流れる電流を測定し、当該電流センサによって検出された電流測定値から求めた電動機２の出力するトルクに比例する値に、機械端補正定数乗算部９で機械端補正定数を乗算して、位置指令値生成部４の出力する位置指令値θｒ に加算する。このようにすることで、上記実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
【００３５】
実施の形態３．
また、上記実施の形態１においては、フィードバック補償部５の生成するフィードバックトルク指令値τｂ と、フィードフォワード補償部６の生成するフィードフォワードトルク指令値τｆ とを加算した全トルク指令値τａ を、電動機２が発生するトルクに相当する信号としたものについて説明したが、フィードフォワード補償部６の生成するフィードフォワードトルク指令値をτｆ 、その電動機２が発生するトルクに相当する信号としてもよい。図２はそのようなこの発明の実施の形態３によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、各部には、図１の相当部分と同一記号を付してその説明を省略する。
【００３６】
この実施の形態３では、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ の代わりに、フィードフォワード補償部６より出力されるフィードフォワードトルク指令値τｆ のみが機械端補正値乗算部９に送られている。機械端補正値乗算部９ではこのフィードフォワードトルク指令値τｆ に機械端補正定数を乗算して加算器１０に送り、位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ にそれを加算することにより、位置指令値θｒ の補正を行っている。フィードフォワード補償器６のパラメータを調整し、フィードフォワードが良好に行われている場合、フィードバックトルク指令値τｂ はほぼ０と見なすことができる。
【００３７】
したがって、この実施の形態３においても、フィードフォワード補償器６のパラメータがほぼ正確な場合には、電動機２が発生するトルクに相当する信号としてフィードフォワードトルク指令値τｆ を用いても、全トルク指令値τａ を用いた場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００３８】
次に、この実施の形態３を用いて、従来のサーボ制御装置と比較したこの発明のロバスト性を、図３および図４に示すボード線図を用いて確認する。簡単のため、ここでは、ｃ＝ｃ０ ＝Ｋｖｉ＝０とする。ここで、図２に示すサーボ制御装置において、フィードフォワード補償器５および機械端補正定数乗算部９を用いないとすると、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次に示す式（１）で表される。
【００３９】
【数１】
これに加えて、フィードフォワード補償器５を用いると、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次の式（２）に示すものとなる。
【００４１】
【数２】
さらに、機械端補正定数乗算部９を用いると、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次の式（３）に示すものとなる。
【００４３】
【数３】
また、図１１に示す従来のサーボ制御装置における機械端補正部７（ただし、α＝Ｊｌ ／（Ｋ（Ｊｌ ＋Ｊｍ ））、β＝Ｊｍ ）を用いた場合、位置指令値θｒ から機械１の位置θｌ までの伝達関数は、次に示す式（４）で表される。
【００４５】
【数４】
ここで、図３は、Ｊｌ ＝０．５、Ｊｍ ＝０．５、Ｋｐ ＝３０、Ｋｖ ＝２００、Ｋ＝６００＊６００＊Ｊｌ ＊Ｊｍ ／（Ｊｌ ＋Ｊｍ ）、Ｊ０ｌ＝Ｊｌ 、Ｊ０ｍ＝Ｊｍ とし、Ｋ０ ＝Ｋの場合とＫ０ ＝１．５Ｋの場合の両方について、上記式（３）に基づいて描いたボード線図である。図において、２１はＫ０ ＝Ｋの場合のゲイン線図、２２はＫ０ ＝１．５Ｋの場合のゲイン線図、２３はＫ０ ＝Ｋの場合の位相線図、２４はＫ０ ＝１．５Ｋの場合の位相線図であり、図示のように、各ゲイン線図２１と２２、および各位相線図２３と２４はそれぞれ重なっている。このように、パラメータＫが１．５倍ずれた正確な値でなくても、補正の正確さはズレの分だけ劣化するが、周波数応答としてはほとんど特性が変わらないといえる。
【００４７】
図４は、図３と同一の条件で式（４）に基づいて描いたボード線図である。図において、２５はＫ０ ＝Ｋの場合のゲイン線図、２６はＫ０ ＝１．５Ｋの場合のゲイン線図、２７はＫ０ ＝Ｋの場合の位相線図、２８はＫ０ ＝１．５Ｋの場合の位相線図である。図からわかるように、パラメータＫが１．５倍ずれることにより、周波数特性が大きく変動していることがわかる。これら図３と図４とを比較することにより、パラメータ変動によるロバスト性としては、この発明の方式が優位であるといえる。
【００４８】
実施の形態４．
また、上記実施の形態３においては、機械１および電動機２のモデルとして、摩擦のモデルを含まないものを示したが、摩擦のモデルを含む機械１および電動機２のモデルに適用することも可能である。図５はそのようなこの発明の実施の形態４によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、各部には、図２の相当部分と同一記号を付してその説明を省略する。なお、Ｆは機械１に加わるクーロン摩擦値であり、フィードフォワード補償部６内のＦ０ は、当該フィードフォワード補償部６にてその機械１に加わるクーロン摩擦値Ｆを補償するための摩擦補償パラメータである。また、ｓｇｎ（・）は引数が正の時は１、負の時は−１、０の時は０となる符号関数を示している。
【００４９】
この実施の形態４におけるフィードフォワード補償部６は、上記摩擦補償パラメータＦ０ と符号関数ｓｇｎ（・）を用いて、機械１に加わるクーロン摩擦値Ｆを補償し、得られたトルク指令値を、機械１の粘性摩擦の推定値ｃ０ の項を用いて制御対象の粘性摩擦も考慮して求めたトルク指令値にさらに加算して、フィードフォワードトルク指令値τｆ を生成している。このようにして摩擦補償されたフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算器１０に送り、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ の補正を行っている。したがって、この実施の形態４によれば、指令値の速度の符号反転時においてフィードフォワードトルク指令値τｆ にステップ状の変化が生じるため、位置指令値θｒ の補正もステップ状の補正となる。これは、すなわち機械１の剛性と摩擦の大きさによって生じるバックラッシの補正を行っていることになる。
【００５０】
実施の形態５．
なお、上記実施の形態４では、摩擦のモデルから生成されたトルク指令を、電動機２が発生するトルクに相当する信号に含めたものについて説明したが、電動機２が発生するトルクに相当する信号が、摩擦のモデルから生成されたトルク指令を含まないようにしてもよい。図６はそのようなこの発明の実施の形態５によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図５と同一記号を付してその説明を省略する。
【００５１】
図６に示すように、この実施の形態５においては、フィードフォワード補償部６の出力するフィードフォワードトルク指令値τｆ には、摩擦のモデルからの摩擦補償パラメータＦ０ と符号関数ｓｇｎ（・）を用いた摩擦補償を含めているが、機械端補正定数乗算部９に送る電動機２が発生するトルクに相当する信号としては、その摩擦のモデルからのトルク指令値を含まない、粘性摩擦を考慮して求めたトルク指令値のみとしている。位置指令値生成部４からの位置指令値θｒ の補正は、この摩擦のモデルからのトルク指令値を含まない電動機２が発生するトルクに相当する信号を、機械端補正定数倍したものを加算することによって行われる。機械１にがたつきが存在する場合などのように、バックラッシの補正を別途設定する必要がある場合には、このように、摩擦補償の項を含めずに位置指令値θｒ の補正を行うことが有効となる。
【００５２】
実施の形態６．
なお、上記各実施の形態においては、電動機２が発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数が固定的であったが、当該機械端補正定数を変更可能とすることもできる。図７はそのようなこの発明の実施の形態６によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図１と同一符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
図において、１１は機械１のイナーシャおよび電動機２のイナーシャと、その間のバネとによって、機械１と電動機２をモデル化した場合の、機械１のバネ定数Ｋ０ の値を示すパラメータ、および機械１のイナーシャＪ０ｌと、機械１のイナーシャＪ０ｌと電動機２のイナーシャＪ０ｍの和である全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータを入力するパラメータ入力部である。１２はこのパラメータ入力部１１から入力されるパラメータに基づいて、電動機１の発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数の値を求め、それを機械端補正定数乗算部９に設定する定数計算部である。
【００５４】
この実施の形態６においては、図７に示すように、パラメータ入力部１１からは機械１の剛性を示すバネ定数Ｋ０ とともに、機械１のイナーシャＪ０ｌと全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータとして、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍと電動機のイナーシャＪ０ｍとが入力される。定数計算部１２はこれら全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍ、電動機のイナーシャＪ０ｍおよび機械１のバネ定数Ｋ０ を受け取ると、それらの値を用いて、電動機１の発生するトルクに相当する信号（この実施の形態６においては全トルク指令値τａ ）に乗算される機械端補正定数の値Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））を計算し、それを機械端補正定数乗算部９に設定する。
【００５５】
以下、実施の形態１の場合と同様に動作して、機械端補正定数乗算部９は、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ に、この定数計算部１２より設定された機械端補正定数を乗算して加算器１０に送り、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ の補正を行う。
【００５６】
このように、この実施の形態６によれば、機械１の設計時においても大まかなパラメータの値が推測でき、また明らかに特定のパラメータのみが変化した場合でも、ユーザは電動機２が発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数の値を意識することなく、当該機械端補正定数の変更を容易に行うことができるという効果が得られる。
【００５７】
実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図７と同一符号を付してその説明を省略する。ここで、この実施の形態７は機械１のイナーシャのみが変化するような制御対象の制御に適用して有効なサーボ制御装置を想定している。
【００５８】
図において、１３は機械１が動作中であるときに電動機２が発生するトルクに相当する信号（全トルク指令値τａ ）と、位置センサ３より出力される位置フィードバック値（電動機２の位置θｍ ）をもとに、機械１のイナーシャＪ０ｌと電動機２のイナーシャＪ０ｍとの和である全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍを同定するイナーシャ同定部である。また、パラメータ入力部１１はパラメータとして、機械１のバネ定数Ｋ０ と電動機２のイナーシャＪ０ｍの入力を行っている点で、図７に同一符号を付したものとは異なっている。また、定数計算部１２は、機械端補正定数乗算部９が全トルク指令値τａ に乗算するための機械端補正定数の値を、イナーシャ同定部１３において同定された全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍと、パラメータ入力部１１から入力された機械１のバネ定数Ｋ０ 、および電動機２のイナーシャＪ０ｍとに基づいて求めるものである点で、図７に同一符号を付したものとは異なっている。
【００５９】
この実施の形態７においては、図８に示すように、パラメータ入力部１１からは機械１の剛性を示すバネ定数Ｋ０ と、電動機２のイナーシャＪ０ｍの２種類のパラメータが入力される。一方、機械１のイナーシャＪ０ｌと電動機２のイナーシャＪ０ｍの和である全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍを示すパラメータは、制御対象である機械１および電動機２の入出力である全トルク指令値τａ と電動機１の位置θｍ のデータをもとに、イナーシャ同定部１３において同定され、同定された全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍは定数計算部１２に入力される。定数計算部１２ではこのイナーシャ同定部１３からの全イナーシャＪ０ｌ ＋Ｊ０ｍと、パラメータ入力部１１からの電動機２のイナーシャＪ０ｍおよびバネ定数Ｋ０ を受け取ると、それらをもとに全トルク指令値τａ に乗算するための機械端補正定数を計算して機械端補正定数乗算部９に設定する。機械端補正定数乗算部９はその機械端補正定数を、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ に乗算してそれを補正する。
【００６０】
ここで、たとえば、工作機械に質量の大きなワークが搭載される場合など、機械のイナーシャＪ０ｌのみが変化して、パラメータの中のイナーシャ同定部１３にて同定された全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍが変化することは頻繁に起こりうる。この実施の形態７は、このような機械のイナーシャＪ０ｌのみが変化するような制御対象の制御を行う場合に有効である。また、イナーシャ同定部１３で同定を行う場合、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍは全トルク指令値τａ の周波数成分が比較的低周波の場合でも、たとえば通常の加減速動作中のデータからでも同定が容易なパラメータとなっており、比較的単純な同定アルゴリズムを用いても、実用的に十分なパラメータの同定を行うことができる。
【００６１】
実施の形態８．
なお、上記実施の形態６においては、パラメータ入力部１１より入力されたパラメータを用いて、機械端補正定数の計算を行うものについて示したが、機械モデルの同定によって得られたパラメータを用いて、機械端補正定数の計算を行うようにしてもよい。図９はそのようなこの発明の実施の形態８によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図７と同一符号を付してその説明を省略する。
【００６２】
図において、１４は機械１が動作中であるときに、電動機２が発生するトルクに相当する信号と位置センサ３からの位置フィードバック値をもとに、機械モデルの同定を行い、機械１のバネ定数Ｋ０ の値を示すパラメータ、および機械１のイナーシャＪ０ｌと全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータを求める機械モデル同定部である。また、ωｉ は反共振周波数、ωｒ は共振周波数であり、この機械モデル同定部１４からは上記パラメータとして、当該反共振周波数ωｉ および共振周波数ωｒ と、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとが出力される。１５は共振周波数ωｒ 以上の高周波成分を含むＭ系列信号を生成するＭ系列信号発生部であり、１６は機械モデル同定部１４にて機械モデルの同定を行う場合にのみ、このＭ系列信号発生部１５の生成したＭ系列信号を、機械１が動作中であるときに電動機２が発生するトルクに相当する信号に加算するためのスイッチである。
【００６３】
なお、定数計算部１２は機械モデル同定部１４による機械モデルの同定によって得られた反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ 、および全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍに基づいて、電動機２の発生するトルクに相当する信号に乗算する機械端補正定数を求めて機械端補正定数乗算部９に設定するものである点で、図７に同一符号を付して示したものとは異なっている。
【００６４】
この実施の形態８においては、機械モデル同定部１４にて、機械１が動作中の電動機２が発生するトルクに相当する信号（全トルク指令値τａ ）と、位置センサ３からの位置フィードバック値（電動機２の位置θｍ ）をもとに、機械１のバネ定数Ｋ０ の値を示すパラメータ、および機械１のイナーシャＪ０ｌと全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍとの比を算出するためのパラメータとしての、反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ 、および全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値を同定する。この機械モデル同定部１４における機械モデルの同定のためには、共振周波数ωｉ 以上の周波数成分を持つ信号を電動機２（制御対象）に入力する必要がある。Ｍ系列信号発生部１５はその高周波成分を含んだＭ系列信号を生成し、スイッチ１６はこのＭ系列信号発生部１５の出力するＭ系列信号を、機械モデルの同定を行う場合にのみ全トルク指令値τａ に加算する。
【００６５】
なお、これら反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ 、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値の同定は、具体的にはこれまでに提案されている公知の手法を用いて行うことが可能である。たとえば、反共振周波数ωｉ および共振周波数ωｒ については、ボード線図を制御対象への入出力から求め、カーブフィッテングを行うことによって、その値を求めることが可能である。また、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値は実施の形態７の場合と同様に求めることができる。
【００６６】
ここで、反共振周波数ωｉ 、共振周波数ωｒ と、機械のイナーシャＪ０ｌ、電動機のイナーシャＪ０ｍ、バネ定数Ｋ０ との関係は、次の式（５）および式（６）で与えられる。
【００６７】
【数５】
したがって、全イナーシャＪ０ｌ＋Ｊ０ｍの値も同定できれば、定数計算部１２はそれらの値を用いて、機械端補正定数の値Ｊ０ｌ／（Ｋ０ （Ｊ０ｌ＋Ｊ０ｍ））を計算し、それを機械端補正定数乗算部９に設定する。機械端補正定数乗算部９は、フィードバックトルク指令値τｂ とフィードフォワードトルク指令値τｆ を加算した全トルク指令値τａ に、この定数計算部１２より設定された機械端補正定数を乗算して加算器１０に送り、位置指令値生成部４の生成した位置指令値θｒ の補正を行う。これにより、初期設定時、あるいはパラメータ変動時において、補正パラメータを自動的にチューニングすることができる。
【００６９】
実施の形態９．
図１０はこの発明の実施の形態９によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図であり、相当部分には図７と同一符号を付してその説明を省略する。ここで、この実施の形態９ではボールネジを伝達機構とするような、機械１の位置に応じて、パラメータ、特に機械１の剛性を表すバネ定数Ｋの値が変化する機械１の制御に用いられるサーボ制御装置を想定している。図において、１７は機械１の位置（図示の例では、位置センサ３の出力する電動機２の位置θｍ である位置フィードバック値）に応じて、機械１の剛性を表すバネ定数Ｋの値のパラメータを生成し、それを定数計算部１２に設定するバネ定数設定部であり、この場合、その内容がパラメータ入力部１１から設定される表によって形成されている。
【００７０】
次に動作について説明する。
あらかじめパラメータ入力部１１より、機械１の各位置毎に、それに対応する機械１のバネ定数Ｋの値が、バネ定数設定部１７に表の形式で設定される。機械１が実際に動作する場合には、位置センサ３の出力する電動機２の位置θｍ がこのバネ定数設定部１７に入力され、バネ定数設定部１７からはそれに対応したバネ定数Ｋ０ が定数計算部１２に送られる。たとえば、機械１がボールネジを用いたものである場合には、単純な例としては、機械１のバネ定数は、機械１の可動部が電動機２から離れるほど小さくなり、近付くほど大きくなる。このような機械１においては、この実施の形態９によるサーボ制御装置を用いることにより、機械１の実際の特性にあった機械端補正が実現でき、機械１の位置制御の精度向上がはかれる。
【００７１】
なお、上記説明では、機械１の位置のとして電動機２に取り付けられた位置センサ３の出力（位置フィードバック値）を用いたものを示したが、機械１の位置と電動機２の位置は、機械１のバネ定数Ｋの変化という意味では、ほぼ同一の値と見なすことができるため、位置センサ３の出力を用いても、特に問題は生じない。また、その意味では、位置指令値生成部４の出力する位置指令値を用いても同様の効果が得られる。
【００７２】
さらに、上記説明では、バネ定数設定部１７として、パラメータ入力部１１よりその内容が設定される表を用いてバネ定数Ｋを設定するものについて説明したが、所定の式、たとえば機械１の位置の一次関数として機械１のバネ定数Ｋを計算する式を用いてバネ定数Ｋを設定するものであってもよい。なお、この式としては、機械１の構造に応じて、二次式、三角関数を用いた式等、いろいろなものが考えられる。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、位置指令値生成部から出力された位置指令値をもとに、フィードバック制御およびフィードフォワード制御を行うことによって電動機の発生するトルクを制御する制御系において、電動機の発生するトルクあるいは当該トルクに相当する信号に所定の定数を乗算して位置指令値に加算するように構成したので、トルクの定数倍という単純な操作によって、電動機の発生するトルクによって機械の剛性に相当するバネが伸縮する量だけ電動機への位置指令を補正することができ、機械の位置を高い精度で制御することが可能となって、構成が簡単で計算時間も少なく、パラメータに変動や推定誤差があった場合でも特性が大きく変動することのない、ロバストなサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００７４】
また、この発明によれば、フィードバックトルク指令値とフィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値を、電動機が発生するトルクに相当する信号として用いるように構成したので、それに機械端補正定数を乗算することで計算した、バネ部に加わっているトルクとバネの伸縮量に応じて補正した位置指令値に追従させることで、機械の位置をその位置指令値に容易に追従させることが可能になるという効果がある。
【００７５】
また、この発明によれば、電流センサの測定値を電動機が発生するトルクに相当する信号として用いることによっても、機械の位置を高精度に制御でき、ロバスト性の高いサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００７６】
また、この発明によれば、フィードフォワードトルク指令値を電動機が発生するトルクに相当する信号として用いることによっても、フィードフォワードが良好に行われていれば、フィードバックトルク指令値とフィードフォワードトルク指令値の和を用いた場合と同等の効果を得ることができる。
【００７７】
また、この発明によれば、摩擦のモデルを含むように構成したので、機械の剛性と摩擦の大きさによるバックラッシュを補正することが可能になるという効果がある。
【００７８】
また、この発明によれば、摩擦のモデルから生成されたトルク指令値を、電動機が発生するトルクに相当する信号に含めないように構成したので、機械にがたつきがある場合など、バックラッシの補正を別途設定する必要がある場合に適用して有効なサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００７９】
また、この発明によれば、電動機と機械をそれぞれのイナーシャとバネにてモデル化した場合の、バネ定数の値と、機械のイナーシャと電動機、機械双方のイナーシャの和との比を算出するためのパラメータを入力し、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を決定するように構成したので、機械設計時においても大まかなパラメータの値が推測でき、また明らかに特定のパラメータのみが変化した場合でも、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算される定数の値を意識することなく、その値の変更を容易に行うことができるという効果がある。
【００８０】
また、この発明によれば、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と位置フィードバック値とをもとに、機械と電動機の双方のイナーシャの和を同定し、その同定結果から、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を決定するように構成したので、機械のイナーシャのみが変化するような制御対象の制御を行う場合に適用して有効なサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００８１】
また、この発明によれば、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と位置フィードバック値をもとに、機械のバネ定数を示すパラメータと、機械のイナーシャと機械および電動機双方のイナーシャの和との比を算出するためのパラメータを同定し、その同定結果から、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を決定するように構成したので、初期設定時やパラメータ変動時に、自動的に補正パラメータを適切な値にチューニングすることのできるサーボ制御装置が得られるという効果がある。
【００８２】
また、この発明によれば、機械モデルの同定を行う場合にのみ、共振周波数以上の高周波成分を含むＭ系列信号を、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号に加算し、その加算結果と位置フィードバック値をもとに、機械モデル同定部が機械モデルの同定を行い、共振周波数、反共振周波数、および機械と電動機の双方のイナーシャの和をパラメータとして、電動機が発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を決定するように構成したので、初期設定時やパラメータ変動時はに、適切な補正パラメータの値を自動的に設定することが可能になるという効果がある。
【００８３】
また、この発明によれば、機械の剛性を表すバネ定数の値に相当するパラメータを、機械の位置に応じて変化させて設定できるため、ボールネジの剛性などの機械の位置によるパラメータの変化に対しても、精度を劣化させることなく対応することが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態３によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明によるサーボ制御装置のロバスト性を示すためのボード線図である。
【図４】従来のサーボ制御装置のロバスト性のなさを示すためのボード線図である。
【図５】この発明の実施の形態４によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態５によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態６によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態７によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態８によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態９によるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来のサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 機械、２ 電動機、３ 位置センサ、４ 位置指令値生成部、５ フィードバック補償部、６ フィードフォワード補償部、８ 電流補償部、９ 機械端補正定数乗算部、１０ 加算器、１１ パラメータ入力部、１２ 定数計算部、１３ イナーシャ同定部、１４ 機械モデル同定部、１５ Ｍ系列信号発生部、１６ スイッチ、１７ バネ定数設定部。
Claims (8)
- 所定の軌跡上を動作する機械に取り付けられ、位置指令値に追従して当該機械を動作させる電動機と、
前記電動機に取り付けられて当該電動機の位置検出を行う位置センサと、
前記機械を所定の軌跡上を動作させるための前記位置指令値を生成する位置指令値生成部と、
前記位置指令値生成部で生成された位置指令値と、前記位置センサからの位置フィードバック値をもとに、トルクあるいはそれに相当するフィードバックトルク指令値を生成するフィードバック補償部と、
前記機械および前記電動機のモデルをもとに、前記位置指令値からトルクあるいはそれに相当するフィードフォワードトルク指令値を生成するフィードフォワード補償部と、
前記フィードバックトルク指令値と前記フィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値をもとに前記電動機に適切な電流を流す電流補償部と、
前記フィードバックトルク指令値と前記フィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値を、前記トルクから前記機械の剛性に相当するバネの伸縮量に換算する定数により定数倍する機械端補正定数乗算部と、
前記機械端補正定数乗算部にて定数倍された信号を、前記位置指令値生成部の生成した位置指令値に加算する加算器とを備えたサーボ制御装置。 - 所定の軌跡上を動作する機械に取り付けられ、位置指令値に追従して当該機械を動作させる電動機と、
前記電動機に取り付けられて当該電動機の位置検出を行う位置センサと、
前記機械を所定の軌跡上を動作させるための前記位置指令値を生成する位置指令値生成部と、
前記位置指令値生成部で生成された位置指令値と、前記位置センサからの位置フィードバック値をもとに、トルクあるいはそれに相当するフィードバックトルク指令値を生成するフィードバック補償部と、
前記機械および前記電動機のモデルをもとに、前記位置指令値からトルクあるいはそれに相当するフィードフォワードトルク指令値を生成するフィードフォワード補償部と、
前記フィードバックトルク指令値と前記フィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値をもとに前記電動機に適切な電流を流す電流補償部と、
前記電動機に流れる電流を測定する電流センサと、
当該電流センサによる電流測定値を、前記電流値から前記機械の剛性に相当するバネの伸縮量に換算する定数により定数倍する機械端補正定数乗算部と、
前記機械端補正定数乗算部にて定数倍された信号を、前記位置指令値生成部の生成した位置指令値に加算する加算器とを備えたサーボ制御装置。 - 所定の軌跡上を動作する機械に取り付けられ、位置指令値に追従して当該機械を動作させる電動機と、
前記電動機に取り付けられて当該電動機の位置検出を行う位置センサと、
前記機械を所定の軌跡上を動作させるための前記位置指令値を生成する位置指令値生成部と、
前記位置指令値生成部で生成された位置指令値と、前記位置センサからの位置フィードバック値をもとに、トルクあるいはそれに相当するフィードバックトルク指令値を生成するフィードバック補償部と、
摩擦のモデルを含む前記機械および前記電動機のモデルをもとに、前記位置指令値からトルクあるいはそれに相当するフィードフォワードトルク指令値を生成するフィードフォワード補償部と、
前記フィードバックトルク指令値と前記フィードフォワードトルク指令値を加算したトルクあるいはそれに相当する目標値をもとに前記電動機に適切な電流を流す電流補償部と、
前記フィードフォワードトルク指令値より前記摩擦のモデルから生成されたトルク指令値を除いたものを、前記トルクから前記機械の剛性に相当するバネの伸縮量に換算する定数により定数倍する機械端補正定数乗算部と、
前記機械端補正定数乗算部にて定数倍された信号を、前記位置指令値生成部の生成した位置指令値に加算する加算器とを備えたサーボ制御装置。 - 機械と電動機を、前記機械のイナーシャおよび前記電動機のイナーシャと、その間のバネによってモデル化した場合の、前記機械のバネ定数の値を示すパラメータと、前記機械のイナーシャと前記２つのイナーシャの和との比を算出するためのパラメータとを入力するパラメータ入力部と、
前記パラメータ入力部より入力された、前記各パラメータに基づいて、前記電動機の発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を求めて機械端補正定数乗算部に設定する定数計算部とを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のサーボ制御装置。 - 機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と、位置センサからの位置フィードバック値をもとに、前記電動機のイナーシャと機械のイナーシャとの和を同定するイナーシャ同定部を設け、
パラメータ入力部が、パラメータとして、前記機械のバネ定数の値と、前記電動機のイナーシャとを入力するものであり、
定数計算部が、前記イナーシャ同定部にて同定された前記電動機のイナーシャと機械のイナーシャとの和と、前記パラメータ入力部から入力されたパラメータに基づいて、前記電動機の発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を求めるものであることを特徴とする請求項４記載のサーボ制御装置。 - 機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号と、位置センサからの位置フィードバック値をもとに、機械モデルの同定を行い、前記機械のバネ定数の値を示すパラメータと、前記機械のイナーシャと前記機械および前記電動機それぞれのイナーシャの和の比とを算出するためのパラメータを求める機械モデル同定部と、
前記機械モデル同定部の求めたパラメータに基づいて、前記電動機の発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を求めて機械端補正定数乗算部に設定する定数計算部とを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のサーボ制御装置。 - 共振周波数以上の高周波成分を含む信号を生成するＭ系列信号発生部と、
機械モデルの同定を行う場合にのみ、機械が動作中の電動機が発生するトルクに相当する信号に前記Ｍ系列信号発生部の生成した信号を加算するためのスイッチとを設け、
機械モデル同定部が、前記Ｍ系列信号発生部の生成した信号が加算された前記電動機が発生するトルクに相当する信号と、位置センサからの位置フィードバック値をもとに、前記機械モデルの同定を行い、パラメータとして前記共振周波数および反共振周波と、機械のイナーシャと電動機のイナーシャとの和を求めるものであることを特徴とする請求項６記載のサーボ制御装置。 - 機械と電動機を、前記機械のイナーシャおよび前記電動機のイナーシャと、前記機械のイナーシャと前記２つのイナーシャの和との比を算出するためのパラメータとを入力するパラメータ入力部と、
前記機械のバネ定数の値を示すパラメータを、位置指令値あるいは位置フィードバック値に応じて設定するバネ定数設定部と、
前記パラメータ入力部およびバネ定数設定部より入力された、前記各パラメータに基づいて、前記電動機の発生するトルクに相当する信号に乗算する定数の値を求めて機械端補正定数乗算部に設定する定数計算部とを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のサーボ制御装置。
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