JP4576530B2 - Servo gain calculation method, servo gain calculation program, and servo gain calculation device - Google Patents

Servo gain calculation method, servo gain calculation program, and servo gain calculation device Download PDF

Info

Publication number
JP4576530B2
JP4576530B2 JP2005099831A JP2005099831A JP4576530B2 JP 4576530 B2 JP4576530 B2 JP 4576530B2 JP 2005099831 A JP2005099831 A JP 2005099831A JP 2005099831 A JP2005099831 A JP 2005099831A JP 4576530 B2 JP4576530 B2 JP 4576530B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gain
transfer function
servo
servo gain
calculating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2005099831A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006277652A (en
Inventor
隆太 佐藤
裕 井出
正臣 堤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY
Original Assignee
NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY filed Critical NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY
Priority to JP2005099831A priority Critical patent/JP4576530B2/en
Publication of JP2006277652A publication Critical patent/JP2006277652A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4576530B2 publication Critical patent/JP4576530B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Description

本発明は、フィードバック制御系のサーボゲイン算出方法、サーボゲイン算出プログラム及びサーボゲイン算出装置に関する。   The present invention relates to a servo gain calculation method, a servo gain calculation program, and a servo gain calculation device for a feedback control system.

現在、NC工作機械やロボットなどのサーボ系のゲイン調整は試行錯誤により行われているため、経験に基づく高度な技術と多大な時間が必要とされている。このような問題を解決するために、多くの方法が提案されている。その中で、本発明と関連が深いと思われる従来例を以下に列挙する。   Currently, gain adjustment of servo systems such as NC machine tools and robots is performed by trial and error, so that advanced technology based on experience and a great deal of time are required. Many methods have been proposed to solve such problems. Among them, conventional examples that are considered to be closely related to the present invention are listed below.

<第1の従来例>
NC工作機械の形状創成を支配する、送り駆動系の制御系をチューニングするに当たり、まず、サーボ系のゲイン余裕及び位相余裕が経験的に定められた範囲内となるように速度ループ及び位置ループの制御ゲインを決定し、その後、目標値に対する追従誤差がゼロになるようにフィードフォワードゲインを計算によって求める(下記の非特許文献1参照)。
<First Conventional Example>
When tuning the control system of the feed drive system that governs the shape creation of NC machine tools, first, the speed loop and position loop should be adjusted so that the gain margin and phase margin of the servo system are within empirically determined ranges. A control gain is determined, and then a feedforward gain is obtained by calculation so that the follow-up error with respect to the target value becomes zero (see Non-Patent Document 1 below).

<第2の従来例>
外乱抑制特性に優れた積分−比例微分型の補償器の制御ゲインを、従来から用いられている比例−積分型補償器と同じ感覚で調整しようとして、従来型補償器での速度ループゲインと呼ばれるパラメータと同様の意味を持つパラメータαを定義し、このパラメータαを指定すると、制御ゲインを四則演算により計算することができる(下記の特許文献1参照)。
<Second Conventional Example>
This is called the speed loop gain in the conventional compensator, trying to adjust the control gain of the integral-proportional derivative compensator with excellent disturbance suppression characteristics in the same way as the proportional-integral compensator used in the past. When a parameter α having the same meaning as the parameter is defined and the parameter α is designated, the control gain can be calculated by four arithmetic operations (see Patent Document 1 below).

<第3の従来例>
制御ゲインの調整時にオーバシュートを生じさせずに安全に調整することを目的として、スライディングモード制御を適用し、ゲイン自動調整時には自動的にスライディングモード制御へ移行し、スライディングモード制御時の可変ゲインの切替回数を求め、この切替回数に基づいて調整部の値を自動的に調整する(下記の特許文献2参照)。
<Third conventional example>
For the purpose of adjusting the control gain safely without causing overshoot, sliding mode control is applied.When automatic gain adjustment is performed, the mode automatically shifts to sliding mode control, and the variable gain for sliding mode control is adjusted. The number of times of switching is obtained, and the value of the adjustment unit is automatically adjusted based on the number of times of switching (see Patent Document 2 below).

<第4の従来例>
設計アルゴリズムが提案されている複雑な補償器の採用を可能にするために、制御対象のモデルを作成し、このモデルと実際の制御対象とを同じ構造・パラメータを有する補償器で制御し、両方の制御量の特徴量を比較し、その比較結果から推論を行って上記モデルを修正して実機に近いモデルとし、制御系のゲインを決定し直すことを繰り返して、最終的なゲインを決定する(下記の特許文献3参照)。
<Fourth Conventional Example>
In order to enable the use of complex compensators for which design algorithms have been proposed, a model to be controlled is created, and this model and the actual controlled object are controlled by a compensator having the same structure and parameters, both Compare the feature quantity of the control amount, infer from the comparison result, modify the above model to make it a model close to the actual machine, repeat the re-determining the gain of the control system, and determine the final gain (See Patent Document 3 below).

<第5の従来例>
数値制御工作機械の送り駆動系においては、複数の軸が高精度に同期して運動する必要があり、モデルマッチング法と呼ばれる手法を用いることで、機構部の特性が異なる2つの制御軸の特性を揃えることができる。その際、モータとテーブルとから構成される送り駆動機構を1つの機械システムと考え、これにモデルマッチング法を用いて設計した制御装置を適用して送り駆動系を構成し、XYテーブルの各軸の性能を一致させると同時に速応化して、送り駆動系の運動精度向上を図る(下記の非特許文献2参照)。
<Fifth conventional example>
In the feed drive system of a numerically controlled machine tool, it is necessary for multiple axes to move in synchronization with high precision. By using a method called the model matching method, the characteristics of the two control axes differing in the mechanism characteristics Can be aligned. At that time, a feed drive mechanism composed of a motor and a table is considered as one mechanical system, and a control device designed using a model matching method is applied to this to constitute a feed drive system, and each axis of the XY table The performance of the feed drive system is improved at the same time as matching the performances of the above (see Non-Patent Document 2 below).

<第6の従来例>
除振台のような固有振動数の低いベース上に搭載されている位置決めサーボ系を調整するに当たり、実際の調整現場で比較的多く用いられている限界感度法に代わって、最初にゲインを投入して閉ループ系を安定化し、かつ定常位置偏差をゼロにしていく調整順序、すなわち初期チューニングの適用を試み、除振台に搭載の精密ステージを暴走させる危険を少なくする(下記の非特許文献3参照)。
<Sixth Conventional Example>
When adjusting a positioning servo system mounted on a base with a low natural frequency, such as a vibration isolation table, the gain is first input instead of the limit sensitivity method that is used relatively frequently in actual adjustment sites. Then, the adjustment sequence for stabilizing the closed-loop system and making the steady position deviation zero, that is, applying initial tuning, reduces the risk of runaway of the precision stage mounted on the vibration isolation table (Non-Patent Document 3 below) reference).

<第7の従来例>
同時に2方向の変位を測定することのできるグリッドエンコーダと呼ばれる装置の測定結果に基づき、数値制御工作機械の様々なパラメータを調整するとき、機械本体の100Hz以下の振動を対象とし、速度ループの特性を無視し、位置ループ及びフィードフォワードゲインをチューニングする(下記の非特許文献4参照)。
<Seventh conventional example>
When adjusting various parameters of a numerically controlled machine tool based on the measurement results of a device called a grid encoder that can measure displacement in two directions at the same time, the characteristics of the speed loop are targeted for vibrations of the machine body of 100 Hz or less. Is ignored, and the position loop and the feed forward gain are tuned (see Non-Patent Document 4 below).

<第8の従来例>
制御方式を供給するまでに制御対象を何度も動作させることなく、制御対象により近い特性式を用いてゲインチューニングを実施し、制御対象を暴走させることなく最適なゲインチューニングを行うことを可能にするために、制御装置内部にあらかじめ数種類の数学モデルを用意しておき、ユーザが制御対象の構造に合わせてモデルを選択し、その後、制御装置内部で実際に測定される位置や角度などの特徴量とモデルのそれらとを比較してモデルのパラメータを自動的に調整し、そのモデルを使って遺伝的アルゴリズムなどにより制御ゲインを決定し、シミュレーションにより制御性能を確認しながら制御ゲインを決定する(下記の特許文献4参照)。
<Eighth Conventional Example>
Without tuning the control target many times before supplying the control method, gain tuning is performed using a characteristic equation that is closer to the control target, making it possible to perform optimal gain tuning without causing the control target to run out of control. In order to do this, several types of mathematical models are prepared in advance in the control device, the user selects the model according to the structure of the control target, and then features such as the position and angle actually measured in the control device The parameters of the model are automatically adjusted by comparing the quantity with those of the model, and the control gain is determined by genetic algorithm using the model, and the control gain is determined while checking the control performance by simulation ( See Patent Document 4 below).

垣野義昭ほか:NC工作機械における送り駆動系のトータルチューニングに関する研究(第2報)、精密工学会誌、Vol.61,No.2,(1995)Yoshiaki Kakino et al .: Study on total tuning of feed drive system in NC machine tools (2nd report), Journal of Japan Society for Precision Engineering, Vol.61, No.2, (1995) 山崎敬則ほか:モデルマッチング法を用いた数値制御工作機械送り駆動系の多軸制御、精密工学会誌、Vol.65,No.5,(1999)Takanori Yamazaki et al .: Multi-axis control of numerically controlled machine tool feed drive system using model matching method, Journal of Precision Engineering, Vol.65, No.5, (1999) 涌井伸二:ステージ位置制御系のPID調整に関する一考察、精密工学会誌、Vol.65,No.5,(1999)Shinji Sakurai: A Study on PID Adjustment of Stage Position Control System, Journal of Precision Engineering, Vol.65, No.5, (1999) 鈴木康彦ほか:工作機械の輪郭精度向上をめざしたCNCパラメータチューニングに関する研究、精密工学会誌、Vol.69,No.8,(2003)Yasuhiko Suzuki et al .: Study on CNC parameter tuning for improving the contour accuracy of machine tools, Journal of Precision Engineering, Vol.69, No.8, (2003) 特開平8−6603号公報JP-A-8-6603 特開平8−194542号公報JP-A-8-194542 特許第2758246号公報Japanese Patent No. 2758246 特開2004−94336号公報JP 2004-94336 A

しかしながら、上述した第1、第6及び第7の従来例においては、調整の手順は決められているが、調整には周波数特性や極配置などを理解している必要があり、高度な専門知識を有していない者には調整が難しいという問題があり、第2の従来例においては、経験的に1つのパラメータを決定すればほかのパラメータも決まるが、最初の1つのパラメータの決定には高度な専門知識が要求されるという問題があった。また、第5の従来例においては、制御装置の内部で複雑な微分方程式を解く必要があり、市販されている制御装置では実現が困難であるため、この理論にしたがって送り駆動系を構成するには高度な専門知識が必要になるという問題があった。   However, in the first, sixth, and seventh conventional examples described above, the adjustment procedure is determined. However, it is necessary to understand the frequency characteristics, pole arrangement, and the like for the adjustment. However, in the second conventional example, if one parameter is determined empirically, other parameters are also determined. However, in determining the first one parameter, there is a problem. There was a problem that advanced expertise was required. Further, in the fifth conventional example, it is necessary to solve a complicated differential equation inside the control device, and it is difficult to realize with a commercially available control device. Therefore, the feed drive system is configured according to this theory. Had the problem of requiring advanced expertise.

一方、第3、第4及び第8の従来例においては、特定のアクチュエータに対応するようにサーボ系の上位制御装置が構成されているため、汎用のモータが混在するシステムには適用しにくいものになっていた。   On the other hand, in the third, fourth, and eighth conventional examples, the servo system host controller is configured to correspond to a specific actuator, so that it is difficult to apply to a system in which general-purpose motors are mixed. It was.

本発明は、上述した従来例の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、操作者が高度な専門知識を有していなくとも比較的容易にサーボゲインを算出することができるサーボゲイン算出方法、サーボゲイン算出プログラム及びサーボゲイン算出装置を提供することにある。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the conventional example, and an object of the present invention is to calculate the servo gain relatively easily even if the operator does not have advanced technical knowledge. A servo gain calculation method, a servo gain calculation program, and a servo gain calculation device are provided.

本発明の他の目的は、汎用のモータが混在するシステムにも適用することが可能なサーボゲイン算出方法、サーボゲイン算出プログラム及びサーボゲイン算出装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a servo gain calculation method, a servo gain calculation program, and a servo gain calculation device that can be applied to a system in which general-purpose motors are mixed.

本発明は、方程式作成手段、条件式演算手段、定数決定手段、サーボゲイン演算手段を有するサーボゲイン算出装置が、フィードバック制御系の伝達関数に対応する理想的な特性を持つ伝達関数を用いて前記フィードバック制御系の、外乱抑制特性を有する速度フィードバックループのサーボゲイン及び目標値追従特性を有する位置フィードバックループのサーボゲインを算出するサーボゲイン算出方法であって、
前記方程式作成手段が、前記フィードバック制御系の伝達関数と前記理想的な特性を持つ伝達関数とを等置させ、ラプラス演算子の係数に関する連立方程式を得るステップと、
前記条件式演算手段が、前記連立方程式から、理想的な特性を持つ伝達関数の係数についての正の実数解が得られる前記係数の条件式を算出するステップと、
前記定数決定手段が、前記フィードバック制御系のサーボゲインの計算に必要な各種定数のうちの一部の定数の値を計算により、また前記一部の定数以外の定数の値をあらかじめ知られた値から決定するステップと、
前記サーボゲイン演算手段が、決定された前記各種定数を正の実数解が得られる前記係数の条件式に代入して、前記速度フィードバックループのサーボゲインである速度ループ比例ゲイン及び速度ループ積分ゲインを算出し、算出された前記速度ループ比例ゲイン及び前記速度ループ積分ゲインに基づいて前記速度フィードバックループの周波数特性の折点周波数を所定の演算式により算出し、算出された折点周波数に基づいて位置ループ比例ゲインを算出するステップとを、
有する。
In the present invention, the servo gain calculation device having the equation creating means, the conditional expression calculating means, the constant determining means, and the servo gain calculating means uses the transfer function having an ideal characteristic corresponding to the transfer function of the feedback control system. A servo gain calculation method for calculating a servo gain of a speed feedback loop having disturbance suppression characteristics and a servo gain of a position feedback loop having target value tracking characteristics of a feedback control system,
The equation creating means equalizing the transfer function of the feedback control system and the transfer function having the ideal characteristics to obtain simultaneous equations relating to the coefficients of the Laplace operator;
The conditional expression calculating means calculating a conditional expression of the coefficient from which the positive real number solution for the coefficient of the transfer function having ideal characteristics is obtained from the simultaneous equations;
The constant determining means calculates a value of some of the various constants necessary for calculating the servo gain of the feedback control system, and values of constants other than the some constants are known in advance. Determining from
The servo gain calculation means substitutes the determined various constants into a conditional expression of the coefficient that obtains a positive real number solution, and calculates a speed loop proportional gain and a speed loop integral gain that are servo gains of the speed feedback loop. Calculate the break frequency of the frequency characteristic of the speed feedback loop based on the calculated speed loop proportional gain and the speed loop integral gain by a predetermined arithmetic expression, and position based on the calculated break frequency Calculating a loop proportional gain;
Have.

本発明は、方程式作成手段、条件式演算手段、定数決定手段、サーボゲイン演算手段を有するコンピュータに、フィードバック制御系の伝達関数と前記フィードバック制御系の伝達関数に対応する理想的な特性を持つ伝達関数とを記憶させて前記フィードバック制御系の、外乱抑制特性を有する速度フィードバックループのサーボゲイン及び目標値追従特性を有する位置フィードバックループのサーボゲインを算出させるサーボゲイン算出プログラムであって、
前記方程式作成手段により、前記フィードバック制御系の伝達関数と前記理想的な特性を持つ伝達関数とを等置させ、ラプラス演算子の係数に関する連立方程式を得るステップと、
前記条件式演算手段により、前記連立方程式から、理想的な特性を持つ伝達関数の係数についての正の実数解が得られる前記係数の条件式を算出するステップと、
前記定数決定手段により、前記フィードバック制御系のサーボゲインの計算に必要な各種定数のうちの一部の定数の値を計算により、また前記一部の定数以外の定数の値をあらかじめ知られた値から決定するステップと、
前記サーボゲイン演算手段により、決定された前記各種定数を正の実数解が得られる前記係数の条件式に代入して、前記速度フィードバックループのサーボゲインである速度ループ比例ゲイン及び速度ループ積分ゲインを算出し、算出された前記速度ループ比例ゲイン及び前記速度ループ積分ゲインに基づいて前記速度フィードバックループの周波数特性の折点周波数を所定の演算式により算出し、算出された折点周波数に基づいて位置ループ比例ゲインを算出するステップとを、
順次前記コンピュータを用いて実行させる。
The present invention provides a computer having an equation creating means, a conditional expression calculating means, a constant determining means, and a servo gain calculating means with a transfer function having ideal characteristics corresponding to the transfer function of the feedback control system and the transfer function of the feedback control system. A servo gain calculation program for storing a function and calculating a servo gain of a speed feedback loop having a disturbance suppression characteristic and a position feedback loop having a target value tracking characteristic of the feedback control system,
The equation creating means makes the transfer function of the feedback control system equal to the transfer function having the ideal characteristic to obtain simultaneous equations related to the coefficients of the Laplace operator;
A step of calculating a conditional expression of the coefficient by which a positive real solution for a coefficient of a transfer function having ideal characteristics is obtained from the simultaneous equations by the conditional expression calculating means;
The constant determination means calculates the values of some of the various constants necessary for calculating the servo gain of the feedback control system, and values of constants other than the some constants are known in advance. Determining from
By substituting the various constants determined by the servo gain calculation means into a conditional expression of the coefficient that provides a positive real number solution , a speed loop proportional gain and a speed loop integral gain, which are servo gains of the speed feedback loop, are obtained. Calculate the break frequency of the frequency characteristic of the speed feedback loop based on the calculated speed loop proportional gain and the speed loop integral gain by a predetermined arithmetic expression, and position based on the calculated break frequency Calculating a loop proportional gain;
Sequentially using the computer.

本発明は、フィードバック制御系の伝達関数に対応する理想的な特性を持つ伝達関数を用いて前記フィードバック制御系の、外乱抑制特性を有する速度フィードバックループのサーボゲイン及び目標値追従特性を有する位置フィードバックループのサーボゲインを算出するサーボゲイン算出装置であって、
前記フィードバック制御系の伝達関数を記憶させた第1の伝達関数記憶手段と、
前記理想的な特性を持つ伝達関数を記憶させた第2の伝達関数記憶手段と、
前記第1の伝達関数記憶手段に記憶させた伝達関数と前記第2の記憶手段に記憶させた伝達関数とを等置させ、ラプラス演算子の係数に関する連立方程式を作成する方程式作成手段と、
前記方程式作成手段で作成された前記連立方程式から、理想的な特性を持つ伝達関数の係数についての正の実数解が得られる係数の条件式を算出する第1の演算手段と、
前記フィードバック制御系のサーボゲインの計算に必要な各種定数のうちの一部の定数の値を計算により、また前記一部の定数以外の定数の値をあらかじめ知られた値から決定する定数決定手段と、
前記定数決定手段で決定された各種定数を前記第1の演算手段で算出された前記係数の条件式に代入して前記速度フィードバックループのサーボゲインである速度ループ比例ゲイン及び速度ループ積分ゲインを算出する第1のサーボゲイン演算手段と、
算出された前記速度ループ比例ゲイン及び前記速度ループ積分ゲインに基づいて前記速度フィードバックループの周波数特性の折点周波数を所定の演算式により算出し、算出された折点周波数に基づいて位置ループ比例ゲインを算出する第2のサーボゲイン演算手段とを、
備える。
The present invention provides a position feedback having a servo gain of a speed feedback loop having a disturbance suppression characteristic and a target value tracking characteristic of the feedback control system using a transfer function having an ideal characteristic corresponding to the transfer function of the feedback control system. A servo gain calculation device for calculating a servo gain of a loop,
First transfer function storage means for storing a transfer function of the feedback control system;
Second transfer function storage means storing a transfer function having the ideal characteristics;
An equation creating means for equalizing the transfer function stored in the first transfer function storage means and the transfer function stored in the second storage means to create simultaneous equations relating to the coefficients of the Laplace operator;
A first computing unit that calculates a conditional expression of a coefficient that provides a positive real solution for a coefficient of a transfer function having ideal characteristics from the simultaneous equations created by the equation creating unit;
Constant determining means for calculating values of some of the various constants necessary for calculating the servo gain of the feedback control system and determining values of constants other than the some constants from previously known values When,
Substituting various constants determined by the constant determining means into the conditional expression of the coefficient calculated by the first arithmetic means, and calculating a speed loop proportional gain and a speed loop integral gain which are servo gains of the speed feedback loop. First servo gain calculating means for
Based on the calculated velocity loop proportional gain and the calculated velocity loop integral gain, a corner frequency of the frequency characteristic of the velocity feedback loop is calculated by a predetermined arithmetic expression, and the position loop proportional gain is calculated based on the calculated corner frequency. Second servo gain calculation means for calculating
Prepare.

本発明は上記のように構成したことにより、試行錯誤や繰り返し計算を行わずに代数計算によりサーボゲインを求めることができるため、操作者が高度な専門知識を有していなくとも比較的容易にサーボゲインを算出することができ、さらに、フィードバック制御系の各種定数を決定して係数の条件式に代入しているため、汎用のモータが混在するシステムにも適用することが可能となる。   Since the present invention is configured as described above, the servo gain can be obtained by algebraic calculation without performing trial and error or iterative calculation. Therefore, it is relatively easy even if the operator does not have advanced expertise. Since the servo gain can be calculated and various constants of the feedback control system are determined and substituted into the coefficient conditional expression, it can be applied to a system in which general-purpose motors are mixed.

以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。
<第1の実施の形態>
図1は本発明の第1の実施の形態に係る駆動機構10の概略構成を示す斜視図である。図1において、平面形状が長方形をなす基板11の表面の両側部には、リニアボールベアリング用のガイドレール12、12が互いに平行に装着され、長手方向の一端部にはモータ固定台13が装着されている。モータ固定台13の外側端面にサーボモータ14が装着され、このサーボモータ14の出力軸が、ガイドレール12、12の中間部に突出している。サーボモータ14の出力軸の延長上には、1対の軸支持台15、15が離隔して装着されている。これらの軸支持台15、15にはボールねじのナット17と係合するねじ軸16の端部がそれぞれ、ラジアル軸受を介して、支承されている。そして、ねじ軸16のモータ固定台13側の端部がサーボモータ14の出力軸に結合されている。また、ガイドレール12、12の長手方向の一部に重なるように作業テーブル18が搭載されている。この作業テーブル18の図面に示す裏側の両側部には不図示のリニアボールベアリングが装着され、さらに、中央部にはナット17が装着されている。以下、この駆動機構10を含むサーボ系のブロック線図、サーボゲインの算出方法、サーボゲインの実際の算出例について説明することとする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a drive mechanism 10 according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, linear ball bearing guide rails 12 and 12 are mounted in parallel on both sides of the surface of a substrate 11 having a rectangular planar shape, and a motor fixing base 13 is mounted on one end in the longitudinal direction. Has been. A servo motor 14 is mounted on the outer end surface of the motor fixing base 13, and an output shaft of the servo motor 14 protrudes in an intermediate portion of the guide rails 12 and 12. On the extension of the output shaft of the servo motor 14, a pair of shaft support tables 15, 15 are mounted separately. End portions of the screw shafts 16 that engage with the nuts 17 of the ball screws are supported on the shaft support bases 15 and 15 via radial bearings. The end of the screw shaft 16 on the motor fixing base 13 side is coupled to the output shaft of the servo motor 14. A work table 18 is mounted so as to overlap a part of the guide rails 12 and 12 in the longitudinal direction. A linear ball bearing (not shown) is mounted on both sides of the work table 18 on the back side shown in the drawing, and a nut 17 is mounted on the center. Hereinafter, a block diagram of a servo system including the drive mechanism 10, a servo gain calculation method, and an actual calculation example of the servo gain will be described.

(1)サーボ系のブロック線図
図1に示した駆動機構10は、サーボモータ14の回転をねじ軸16及びナット17によって作業テーブル18の直進運動に変換するもので、一般的なNC工作機械のサーボ系の一部として使用される。このようなサーボ系においては、駆動機構10の固有振動数がサーボ系の固有振動数と比較して十分に大きいため、図2に示すような力学モデルで表現することができ、さらに、この力学モデルは下記の(1)式に示す運動方程式で表現することができる。
(1) Block diagram of servo system The drive mechanism 10 shown in FIG. 1 converts the rotation of the servo motor 14 into a linear motion of a work table 18 by means of a screw shaft 16 and a nut 17, and is a general NC machine tool. Used as part of the servo system. In such a servo system, since the natural frequency of the drive mechanism 10 is sufficiently larger than the natural frequency of the servo system, it can be expressed by a dynamic model as shown in FIG. The model can be expressed by the equation of motion shown in the following equation (1).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

ここで、θはサーボモータの回転角度[rad]、xはテーブルの変位[m]、lはボールねじのリード[m]、Tはサーボモータのトルク[Nm]、cはモータ軸での粘性摩擦係数(以下、粘性係数と略記する)[Nm/(rad/s)]、fはモータ軸換算での摩擦トルク[Nm]である。また、Jはモータ軸換算での駆動機構の総慣性モーメント[kgm]であり、サーボモータ及びボールねじの慣性モーメントJ[kgm]とテーブル及びボールねじの質量M[kg]から下記の(2)式により計算される。 Where θ is the rotation angle of the servo motor [rad], x t is the table displacement [m], l is the ball screw lead [m], T m is the servo motor torque [Nm], and c is the motor shaft. [Nm / (rad / s)], and f is the friction torque [Nm] in terms of motor shaft. J is the total moment of inertia [kgm 2 ] of the drive mechanism in terms of the motor shaft. From the moment of inertia J b [kgm 2 ] of the servo motor and ball screw and the mass M t [kg] of the table and ball screw, It is calculated by the equation (2).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

(1)式に制御系を付加したサーボ系全体は図3及び図4に示すようなブロック線図で表すことができる。ほとんどの制御系は速度フィードバックループと位置フィードバックループの2重の制御ループを備えている。図3は位置フィードバックループを比例制御、速度フィードバックループを比例−積分制御としたサーボ系であり、現在最もよく使用されている形態である。図4は速度フィードバックループを積分−比例制御としたものであり、比例−積分制御との違いはわずかしかなく簡単に実現できるが、ゲイン調整の方法が確立されていないために、あまり普及していないのが現状である。しかし、制御系の特性としては積分−比例制御系のほうが優れている点が多いといわれている。本発明は、どちらの制御系を採用した場合でも適用可能なサーボゲイン算出方法を提供するものである。   The entire servo system obtained by adding a control system to the equation (1) can be represented by block diagrams as shown in FIGS. Most control systems have a double control loop, a speed feedback loop and a position feedback loop. FIG. 3 shows a servo system in which the position feedback loop is proportionally controlled and the speed feedback loop is proportionally-integratedly controlled. FIG. 4 shows an example in which the speed feedback loop is integral-proportional control. The difference from the proportional-integral control can be easily realized, but it is not very popular because a gain adjustment method has not been established. There is no current situation. However, it is said that the integral-proportional control system has many advantages as the characteristics of the control system. The present invention provides a servo gain calculation method applicable regardless of which control system is employed.

図3のブロック線図中のDAはD−A変換器のゲイン、Trgはトルク指令調整ゲイン、Tはトルク指令フィルタ時定数[s]、Tはトルク制御遅れの時定数[s]であり、Kppは位置ループ比例ゲイン、Kvpは速度ループ比例ゲイン、Kviは速度ループ積分ゲインである。このうち、3つの制御ゲインKpp、Kvp、Kviが調整対象となる。なお、rは位置指令[m]である。 In the block diagram of FIG. 3, DA is the DA converter gain, T rg is the torque command adjustment gain, T f is the torque command filter time constant [s], and T is the torque control delay time constant [s]. Kpp is a position loop proportional gain, Kvp is a velocity loop proportional gain, and Kvi is a velocity loop integral gain. Of these, three control gains K pp , K vp , and K vi are adjustment targets. Note that r is a position command [m].

(2)サーボゲインの算出
サーボ系には、目標値追従特性と外乱抑制特性とが求められる。図1に示す駆動機構10を持つサーボ系においては、摩擦力が最も大きな外乱要素となる。本発明では、まず外乱抑制特性に着目して速度ループ比例ゲインKvpと速度ループ積分ゲインKviとを算出する。また、特に工作機械においては、目標位置より行き過ぎるオーバシュートが生じると材料を削り過ぎてしまうため、位置フィードバックループにはオーバシュートが生じない特性が求められる。本発明は、外乱抑制特性に対して設計した速度フィードバックループの特性から、オーバシュートを生じさせない位置ループ比例ゲインを求める方法をも提供するものである。
(2) Calculation of servo gain The servo system is required to have target value tracking characteristics and disturbance suppression characteristics. In the servo system having the drive mechanism 10 shown in FIG. 1, the frictional force is the largest disturbance element. In the present invention, the velocity loop proportional gain K vp and the velocity loop integral gain K vi are first calculated by paying attention to the disturbance suppression characteristics. In particular, in a machine tool, if an overshoot that exceeds the target position occurs, the material is cut too much, so that the position feedback loop is required to have a characteristic that does not cause an overshoot. The present invention also provides a method for obtaining a position loop proportional gain that does not cause overshoot from the characteristics of the velocity feedback loop designed for the disturbance suppression characteristics.

(2−1)速度ループ比例ゲイン及び速度ループ積分ゲイン
そこで、まず、速度ループ比例ゲインKvp及び速度ループ積分ゲインKviの算出方法について説明する。速度フィードバックループの設計には、部分的モデルマッチング法と呼ばれる方法を用いる(北森俊行:制御対象の部分的知識に基づく制御系の設計方法、計測自動制御学会論文集、第15巻、第4号、(1979)pp549-555)。この部分的モデルマッチング法は、ある理想的な特性を持つ伝達関数と、調整対象の伝達関数とが一致するようにサーボゲインを決定する方法である。本発明はこの方法を応用している。
(2-1) Speed Loop Proportional Gain and Speed Loop Integral Gain First, a method for calculating the speed loop proportional gain K vp and the speed loop integral gain K vi will be described. A method called the partial model matching method is used for the design of the velocity feedback loop (Toshiyuki Kitamori: Control system design method based on partial knowledge of the controlled object, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 15, No. 4) (1979) pp 549-555). This partial model matching method is a method for determining a servo gain so that a transfer function having an ideal characteristic matches a transfer function to be adjusted. The present invention applies this method.

そこで、速度フィードバックループにおいて、外乱(摩擦力)からサーボモータの回転速度までの伝達関数を考えると、図3に示す比例−積分制御系も、図4に示す積分−比例制御系も、共に下記の(3)式のようになる。   Therefore, considering the transfer function from disturbance (friction force) to the rotational speed of the servo motor in the speed feedback loop, both the proportional-integral control system shown in FIG. 3 and the integral-proportional control system shown in FIG. (3) of the formula.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

(3)式の伝達関数を分母系列で表現すると下記の(4)式のように書くことができる。   When the transfer function of equation (3) is expressed in the denominator series, it can be written as the following equation (4).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

(4)式の特性多項式を望ましい特性を持つ伝達関数(参照モデル)と等置することで、2つのサーボゲインを計算する。ここで、参照モデルを下記の(5)式に示す。   Two servo gains are calculated by equating the characteristic polynomial of equation (4) with a transfer function (reference model) having desirable characteristics. Here, the reference model is shown in the following equation (5).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

求めたいサーボゲインが速度ループ比例ゲインKvpと速度ループ積分ゲインKviである場合、ラプラス演算子sの3乗の項まで使えば計算できる。(4)式におけるhからhまでは下記の(6)式のとおりである。 If the servo gains to be obtained are the speed loop proportional gain K vp and the speed loop integral gain K vi , the servo gain can be calculated by using up to the third power of the Laplace operator s. In the formula (4), h 1 to h 3 are as shown in the following formula (6).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

したがって、(4)式と(5)式とを等置すると下記の(7)式の連立方程式が得られる。   Therefore, when the equations (4) and (5) are placed equally, the following simultaneous equations (7) can be obtained.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

(7)式の連立方程式をσについて整理すると、σについて次の3次方程式が得られる。   If the simultaneous equations of Equation (7) are arranged for σ, the following cubic equation is obtained for σ.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

3次方程式の解の公式からσを求める。また、σは正の実数でなければならないので下記の(9)式が得られる。   Obtain σ from the solution of the cubic equation. Since σ must be a positive real number, the following equation (9) is obtained.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

(9)式により計算されるσと(3)式及び(7)式から、求めたいサーボゲインKvpとKviは下記の(10)式により計算される。 Servo gains K vp and K vi to be obtained from σ calculated by equation (9) and equations (3) and (7) are calculated by the following equation (10).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

以上のような手順により、速度フィードバックループの特性を参照モデルと一致させるための速度フィードバックループのサーボゲインを求めることができる。   Through the above procedure, the servo gain of the speed feedback loop for matching the characteristics of the speed feedback loop with the reference model can be obtained.

(2−2)位置ループ比例ゲイン
次に、位置フィードバックループの比例ゲインKppを求める手順について説明する。位置フィードバックループの位置ループ比例ゲインKppは、速度フィードバックループの特性に基づいてオーバシュートを生じさせないように決定する。速度ループの速度指令からモータ回転速度までの伝達関数を分母系列で表現すると下記の(11)式のように書くことができる。
(2-2) Position Loop Proportional Gain Next, the procedure for obtaining the position feedback loop proportional gain K pp will be described. The position loop proportional gain K pp of the position feedback loop is determined so as not to cause overshoot based on the characteristics of the speed feedback loop. When the transfer function from the speed command of the speed loop to the motor rotation speed is expressed in the denominator series, it can be written as the following equation (11).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

ここで、速度指令からモータ回転速度までの伝達関数は比例−積分制御系と積分−比例制御系とで異なり、分母系列表現での各係数h′(i=1〜3)は、比例−積分制御の場合には下記の(12)式となる。 Here, the transfer function from the speed command to the motor rotation speed is different between the proportional-integral control system and the integral-proportional control system, and each coefficient h ′ i (i = 1 to 3) in the denominator series expression is proportional− In the case of integral control, the following equation (12) is obtained.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

また、積分−比例制御の場合には下記の(13)式となる。   In the case of integral-proportional control, the following equation (13) is obtained.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

なお、a〜aは(3)式と全く同じである。速度ループのサーボゲインを算出する際には、ラプラス演算子sの3乗までの項を使って計算したので、目標値に対する特性を考える際にも、ラプラス演算子sの4乗の項は無視することとする。 Note that a 0 to a 3 are exactly the same as the equation (3). When calculating the servo gain of the speed loop, the terms up to the third power of the Laplace operator s are used, so the fourth power term of the Laplace operator s is ignored when considering the characteristics for the target value. I decided to.

位置ループ比例ゲインは、速度ループの周波数特性に基づいて算出する。速度ループを3次遅れ系として考えると、速度指令からモータ回転速度までの周波数特性は図5のようになる。この図5において、ωは折点周波数[rad/s]であり、速度ループが応答可能な周波数を表している。また、3次遅れ系の場合、折点周波数より周波数が高い範囲では、周波数が10倍になるごとに60[dB]ずつ小さくなる。このことを利用して、折点周波数は、(11)式の伝達関数から次のようにして計算することができる。
速度ループの応答周波数よりも十分に大きい任意の周波数をω′とすると、周波数ω′におけるゲイン[dB]は下記の(14)式となる。
The position loop proportional gain is calculated based on the frequency characteristics of the speed loop. Considering the speed loop as a third-order lag system, the frequency characteristics from the speed command to the motor rotation speed are as shown in FIG. In FIG. 5, ω n is a break frequency [rad / s] and represents a frequency that can be responded to by the speed loop. In the case of a third-order lag system, in the range where the frequency is higher than the break frequency, the frequency decreases by 60 [dB] every time the frequency is increased 10 times. Using this fact, the corner frequency can be calculated from the transfer function of equation (11) as follows.
When an arbitrary frequency sufficiently higher than the response frequency of the speed loop is ω ′, the gain [dB] at the frequency ω ′ is expressed by the following equation (14).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

(14)式とゲインの傾きが−60[dB/decade]であることから折点周波数ωは下記の(15)式により計算することができる。 Since the equation (14) and the gain slope are −60 [dB / decade], the corner frequency ω n can be calculated by the following equation (15).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

この折点周波数ωは、2次遅れ系における固有振動数と同等の意味を持っている。そこで、速度ループの特性を下記の(16)式に示すような固有振動数ωの2次遅れ系と考え、位置ループ比例ゲインを計算する。 This corner frequency ω n has the same meaning as the natural frequency in the second-order lag system. Therefore, the speed loop characteristic is considered as a second-order lag system of the natural frequency ω n as shown in the following equation (16), and the position loop proportional gain is calculated.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

速度ループの特性を(16)式の伝達関数で表現した場合のサーボ系全体のブロック線図を図6に示す。図6において、Vは速度指令[rad/s]である。このブロック線図より、目標値rからテーブル変位xまでの伝達関数を導くと下記の(17)式が得られる。 FIG. 6 shows a block diagram of the entire servo system when the speed loop characteristics are expressed by the transfer function of equation (16). In FIG. 6, Vr is a speed command [rad / s]. From this block diagram, the leads to the transfer function from the target value r to the table displacement x t is (17) below is obtained.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

サーボ系においては、オーバシュートが生じずに、かつ、速やかに目標値に到達することが求められる。オーバシュートが生じずに最も速い応答を示すのは、(17)式の分母が3重根を持つ場合であり、そのような場合の位置ループ比例ゲインは下記の(18)式により計算することができる。   The servo system is required to quickly reach the target value without causing overshoot. The fastest response without overshoot occurs when the denominator of Eq. (17) has a triple root. In such a case, the position loop proportional gain can be calculated by Eq. (18) below. it can.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

以上のような手順により、オーバシュートが生じずに速やかに目標値に追従する位置ループ比例ゲインを計算することができる。   By the procedure as described above, the position loop proportional gain that quickly follows the target value without causing overshoot can be calculated.

(3)サーボゲインの実際の算出例
図7は上述したサーボゲイン算出方法の具体的な処理手順を示すフローチャートであり、以下、このフローチャートにしたがって説明する。まず、最初のステップ101では駆動機構を表現する力学モデルに制御系を付加した速度フィードバック系を構成して(3)式に示す速度フィードバックループの伝達関数Gfθ(s)及び(11)式に示す位置フィードバックループの伝達関数GVrθ(s)を決定し、ステップ102で伝達関数Gfθ(s)に対応してこれまで望ましいとして提案されていた(5)式に示す伝達関数G(s)を探索する。次に、ステップ103にて伝達関数Gfθ(s)と伝達関数G(s)とを分母系列表現の形で等置させて(7)式に示すようなラプラス演算子の係数に関する連立方程式を作成し、ステップ104では作成された連立方程式から、(9)式に示すように正の実数解が得られる係数の条件式を算出する。次に、ステップ105でフィードバック制御系の各種定数を決定し、ステップ106では正の実数解が得られる係数の条件式に、決定された各種定数を代入して速度フィードバックループのサーボゲインKvp、Kviを算出する。最後のステップ107で速度フィードバックループのサーボゲインKvp、Kviに基づいて位置フィードバックループの比例ゲインKppを算出する。
(3) Actual Calculation Example of Servo Gain FIG. 7 is a flowchart showing a specific processing procedure of the servo gain calculation method described above, and will be described with reference to this flowchart. First, in the first step 101, a speed feedback system in which a control system is added to the dynamic model expressing the drive mechanism is constructed, and the transfer function G (s) and (11) of the speed feedback loop shown in the expression (3) is expressed. The transfer function G Vrθ (s) of the position feedback loop shown is determined, and the transfer function G R (s) shown in the equation (5), which has been proposed as desirable so far, corresponding to the transfer function G (s) in step 102 is determined. ). Next, in step 103, the transfer function G (s) and the transfer function G R (s) are equally placed in the form of a denominator series expression, and simultaneous equations relating to the coefficients of the Laplace operator as shown in equation (7). In step 104, a conditional expression of coefficients for obtaining a positive real number solution is calculated from the prepared simultaneous equations as shown in the equation (9). Next, in step 105, various constants of the feedback control system are determined, and in step 106, the determined constants are substituted into the conditional expression of the coefficient for obtaining a positive real solution, and the servo gain K vp of the speed feedback loop is calculated . Calculate K vi . Servo gain K vp of velocity feedback loop in the last step 107, calculates a proportional gain K pp position feedback loop based on the K vi.

図8はステップ105の更に詳細な処理手順を示すフローチャートである。ここで、サーボゲインの計算に必要なパラメータは、駆動機構の総慣性モーメントJ[kgm]、モータ軸換算の粘性係数c[Nm/(rad/s)]及びフィルタ時定数T、トルク制御系の遅れT[s]と、D−A変換器のゲインDA、トルク指令調整ゲインTrgの合計6個である。このうち、慣性モーメントJは駆動機構の設計値より正確に計算でき、フィルタ時定数Tとトルク制御系の遅れT、D−A変換器のゲインDA、トルク指令調整ゲインTrgは既知である。しかし、粘性係数cについては同定する必要がある。
そこで、ステップ1051で慣性モーメントJを計算し、ステップ1052でフィルタ時定数T、トルク制御系の遅れT、D−A変換器のゲインDA、トルク指令調整ゲインTrgを調べ、ステップ1053で粘性係数cを同定する。
FIG. 8 is a flowchart showing a more detailed processing procedure of step 105. Here, the parameters necessary for calculating the servo gain are the total moment of inertia J [kgm 2 ] of the drive mechanism, the viscosity coefficient c [Nm / (rad / s)] of the motor shaft, the filter time constant T f , and torque control. There are a total of six system delays T [s], DA converter gain DA, and torque command adjustment gain T rg . Of these, the moment of inertia J can be calculated accurately from the design value of the drive mechanism, and the filter time constant Tf , the torque control system delay T, the DA converter gain DA, and the torque command adjustment gain T rg are known. . However, it is necessary to identify the viscosity coefficient c.
Therefore, the moment of inertia J is calculated in step 1051, the filter time constant T f , the torque control system delay T, the DA converter gain DA, and the torque command adjustment gain T rg are checked in step 1052, and the viscosity is determined in step 1053. The coefficient c is identified.

一般的な汎用サーボ系には、シーケンス入力により一定速度でモータを回転させる機能と、モータのトルクをモニタする機能とが備わっている。粘性係数cはこれらの機能を利用して同定する。すなわち、モータを駆動機構に組み付けた状態である速度ω[rad/s]でモータを回転させ、そのときのモータトルクTm1[Nm]を記録する。次に、速度ωとは異なる速度ω[rad/s]でモータを回転させ、そのときのモータトルクTm2[Nm]を記録する。これら4つの値からモータ軸換算の粘性係数cは下記の(19)式により計算される(涌井伸二:位置決め機構の物理パラメータの一同定方法、精密工学会誌、Vol.60,No2,(1994),pp.211-214.)。 A general-purpose servo system has a function of rotating a motor at a constant speed by a sequence input and a function of monitoring the motor torque. The viscosity coefficient c is identified using these functions. That is, the motor is rotated at a speed ω 1 [rad / s] that is a state where the motor is assembled to the drive mechanism, and the motor torque T m1 [Nm] at that time is recorded. Next, the motor is rotated at a speed ω 2 [rad / s] different from the speed ω 1, and the motor torque T m2 [Nm] at that time is recorded. From these four values, the motor shaft equivalent viscosity coefficient c is calculated by the following formula (19) (Shinji Shinji: Identification method of physical parameters of positioning mechanism, Journal of Precision Engineering, Vol.60, No2, (1994) , pp.211-214.).

Figure 0004576530
Figure 0004576530

図9はステップ106で速度フィードバックループのサーボゲインを算出する詳細な処理手順を示すフローチャートである。ここでは、ステップ1061にて6つのパラメータJ、T、T、DA、Trg、cと3つのサーボゲインKvp、Kvi、Kppとから、(3)式に示すa、a、a、a、a、b、bを定義する。ステップ1062にて(7)式に示す連立方程式α、ασ、ασ2、ασを求める。次に、ステップ1063で連立方程式をσについて整理し、(8)式に示すσの3次方程式を得る。続いて、ステップ1064でσに関する3次方程式が正の実数解を持つ条件式、すなわち、(9)式に示す条件式を得る。最後のステップ1065では(10)式にしたがって速度制御ループの比例ゲインKvp及び積分ゲインKviを算出する。 FIG. 9 is a flowchart showing a detailed processing procedure for calculating the servo gain of the speed feedback loop in step 106. Here, in step 1061, from the six parameters J, T f , T, DA, T rg , c and the three servo gains K vp , K vi , K pp , a 0 , a 1 shown in the equation (3) , A 2 , a 3 , a 4 , b 1 , b 2 are defined. In step 1062, simultaneous equations α 0 , α 1 σ, α 2 σ 2 , and α 3 σ 3 shown in Equation (7) are obtained. Next, in step 1063, the simultaneous equations are arranged with respect to σ, and a cubic equation of σ shown in equation (8) is obtained. Subsequently, in step 1064, a conditional expression having a positive real solution for the cubic equation related to σ, that is, a conditional expression shown in the expression (9) is obtained. In the last step 1065, the proportional gain K vp and integral gain K vi of the speed control loop are calculated according to the equation (10).

図10はステップ107で位置フィードバックループのサーボゲインを算出する詳細な処理手順を示すフローチャートである。この場合、ステップ1071で、速度フィードバックループが比例−積分制御の場合には(12)式に示すh′、h′、h′を、速度フィードバックループが積分−比例制御の場合には(13)式に示すh′、h′、h′をそれぞれ求める。そして、ステップ1072では、上記のh′、h′、h′と、速度フィードバックループの応答周波数よりも十分に高い周波数(10000rad/s程度)の角周波数ω′を用いて(15)式の演算を行って折点周波数ωを求める。最後のステップ1073で(18)式に従って位置フィードバックループの比例ゲインKppを算出する。 FIG. 10 is a flowchart showing a detailed processing procedure for calculating the servo gain of the position feedback loop in step 107. In this case, in step 1071, if the speed feedback loop is proportional-integral control, h 1 ', h 2 ', h 3 'shown in equation (12) is used. If the speed feedback loop is integral-proportional control, H 1 ′, h 2 ′, and h 3 ′ shown in the equation (13) are obtained. In step 1072, the above-mentioned h 1 ′, h 2 ′, h 3 ′ and the angular frequency ω ′ having a frequency sufficiently higher than the response frequency of the speed feedback loop (about 10000 rad / s) are used (15) The corner frequency ω n is obtained by calculating the equation. In the final step 1073, the proportional gain K pp of the position feedback loop is calculated according to the equation (18).

以上のような処理手順によるサーボゲイン算出方法によれば、試行錯誤や繰り返し計算を行わずに代数計算によりサーボゲインを求めることができ、さらに、フィードバック制御系の各種定数を決定して係数の条件式に代入しているため、汎用のモータが混在するシステムにも適用することができる。   According to the servo gain calculation method based on the above processing procedure, the servo gain can be obtained by algebraic calculation without performing trial and error or repeated calculation, and various constants of the feedback control system are determined to determine the condition of the coefficient. Since it is substituted in the equation, it can be applied to a system in which general-purpose motors are mixed.

なお、上述したサーボゲイン算出方法を実施するプログラムを、CD−ROMなどの記録媒体に静的に記録して、コンピュータにセットアップして必要なデータを順次入力してサーボゲインを算出することが可能であり、さらに、有線回線又は無線回線にて接続されたネットワークを介して上記プログラムを動的に伝送してコンピュータにセットアップすることによって、容易にサーボゲインを求めることができる。   In addition, it is possible to statically record a program that implements the servo gain calculation method described above on a recording medium such as a CD-ROM, set it up in a computer, and sequentially input necessary data to calculate the servo gain. Further, the servo gain can be easily obtained by dynamically transmitting the program through a network connected by a wired line or a wireless line and setting it up in a computer.

図11は上述したサーボゲイン算出方法を実施するサーボゲイン算出装置の構成を示すブロック図である。このサーボゲイン算出装置30は図1に示す駆動機構10を駆動対象として構成され、図3に示すフィードバック制御系の速度フィードバックループの伝達関数Gfθ(s)を記憶させた第1の伝達関数記憶手段31と、この伝達関数Gfθ(s)に対応する理想的な特性を持つ伝達関数G(s)を記憶させた第2の伝達関数記憶手段32と、第1の伝達関数記憶手段31に記憶させた伝達関数Gfθ(s)と第2の伝達関数記憶手段32に記憶させた伝達関数G(s)とを等置させ、ラプラス演算子の係数に関する連立方程式を作成する方程式作成手段33と、方程式作成手段33で作成された連立方程式から、正の実数解が得られる係数の条件式を算出する条件式演算手段34と、フィードバック制御系の各種定数を決定する定数決定手段35と、定数決定手段35で決定された各種定数を条件式演算手段34で演算された係数の条件式に代入して速度フィードバックループのサーボゲインを算出する第1のサーボゲイン演算手段36と、この第1のサーボゲイン演算手段36で算出されたフィードバックゲインに基づいて速度フィードバックループの周波数特性の折点周波数ωを検出し、検出された折点周波数ωに基づいて位置フィードバックループのフィードバックゲインを算出する第2のサーボゲイン演算手段37とを備えている。 FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of a servo gain calculation apparatus that implements the servo gain calculation method described above. This servo gain calculation device 30 is configured with the drive mechanism 10 shown in FIG. 1 as a driving target, and stores the first transfer function storage in which the transfer function G (s) of the speed feedback loop of the feedback control system shown in FIG. 3 is stored. Means 31, second transfer function storage means 32 storing a transfer function G R (s) having ideal characteristics corresponding to this transfer function G (s), and first transfer function storage means 31 Of the transfer function G (s) stored in the second transfer function storage means 32 and the transfer function G R (s) stored in the second transfer function storage means 32 are equally arranged to create simultaneous equations relating to the coefficients of the Laplace operator Means 33, a conditional expression calculating means 34 for calculating a conditional expression of a coefficient for obtaining a positive real number solution from the simultaneous equations created by the equation creating means 33, and a constant determining means 35 for determining various constants of the feedback control system. And constant A first servo gain calculating means 36 for calculating the servo gain of the speed feedback loop by substituting various constants determined by the number determining means 35 into the conditional expression of the coefficient calculated by the conditional expression calculating means 34; The corner frequency ω n of the frequency characteristic of the speed feedback loop is detected based on the feedback gain calculated by the servo gain calculating means 36 of the servo gain, and the feedback gain of the position feedback loop is calculated based on the detected corner frequency ω n. Second servo gain calculation means 37.

上記のように構成されたサーボゲイン算出装置の動作について以下に説明する。第1の伝達関数記憶手段31には(3)式に示す速度フィードバックループの伝達関数Gfθ(s)が記憶され、第2の伝達関数記憶手段32には伝達関数Gfθ(s)に対応してこれまで望ましいとして提案されていた(5)式に示す伝達関数G(s)が記憶されている。方程式作成手段33は第1の伝達関数記憶手段31の伝達関数Gfθ(s)と第2の伝達関数記憶手段32の伝達関数GVrθ(s)とを分母系列表現の形で等置させて(7)式に示すようなラプラス演算子の係数に関する連立方程式を作成する。条件式演算手段34は方程式作成手段33で作成された連立方程式から、(9)式に示すように正の実数解が得られる係数の条件式を算出する。一方、定数決定手段35はフィードバック制御系の定数を決定する。そこで第1のサーボゲイン演算手段36は正の実数解が得られる係数の条件式に、定数決定手段35で決定された各種定数を代入して速度フィードバックのサーボゲインKvp、Kviを算出する。第2のサーボゲイン演算手段37は速度フィードバックループのサーボゲインKvp、Kviに基づいて位置フィードバックループの比例ゲインKppを算出する。このようにして、図11に示したサーボゲイン算出装置よれば、図7から図10のフローチャートに示したサーボゲイン算出方法を実施することができる。 The operation of the servo gain calculation apparatus configured as described above will be described below. The first transfer function storage means 31 stores the transfer function G (s) of the speed feedback loop shown in equation (3), and the second transfer function storage means 32 corresponds to the transfer function G (s). Thus, the transfer function G R (s) shown in the equation (5) which has been proposed as desirable so far is stored. The equation creating means 33 equalizes the transfer function G (s) of the first transfer function storage means 31 and the transfer function G Vrθ (s) of the second transfer function storage means 32 in the form of a denominator series expression. Create simultaneous equations for coefficients of Laplace operator as shown in Eq. (7). The conditional expression calculation means 34 calculates a conditional expression of coefficients for obtaining a positive real number solution from the simultaneous equations created by the equation creating means 33 as shown in the expression (9). On the other hand, the constant determining means 35 determines a constant of the feedback control system. Therefore, the first servo gain calculation means 36 substitutes the various constants determined by the constant determination means 35 into the conditional expression of the coefficient that provides a positive real number solution, and calculates the servo gains K vp and K vi of the speed feedback. . Servo gain K vp of the second servo gain calculating means 37 velocity feedback loop, calculates the proportional gain K pp position feedback loop based on the K vi. In this manner, according to the servo gain calculation apparatus shown in FIG. 11, the servo gain calculation method shown in the flowcharts of FIGS. 7 to 10 can be implemented.

この結果、試行錯誤や繰り返し計算を行わずに代数計算によりサーボゲインを求めることができ、さらに、フィードバック制御系の各種定数を決定して係数の条件式に代入しているため、汎用のモータが混在するシステムにも適用することができるサーボゲイン算出装置が提供される。   As a result, the servo gain can be obtained by algebraic calculation without trial and error or repeated calculations.Furthermore, various constants of the feedback control system are determined and substituted into the conditional expression of the coefficient. A servo gain calculation apparatus that can be applied to a mixed system is provided.

<第2の実施の形態>
図12は本発明の第2の実施の形態に係る駆動機構の概略構成を示す斜視図である。この駆動機構は前述した駆動機構10が、作業テーブルとしてもう一つの駆動機構20上に搭載されたもので、駆動機構10が作業テーブル18をX軸方向に駆動するX軸用の駆動機構であるとすれば、駆動機構20は駆動機構10をY軸方向に駆動するY軸用の駆動機構になっており、これらがXYテーブルを構成している。なお、駆動機構20の詳細については、基本的に駆動機構10と同様に構成されているのでそれらの詳しい説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 12 is a perspective view showing a schematic configuration of a drive mechanism according to the second embodiment of the present invention. In this drive mechanism, the drive mechanism 10 described above is mounted on another drive mechanism 20 as a work table, and the drive mechanism 10 is an X-axis drive mechanism that drives the work table 18 in the X-axis direction. Then, the drive mechanism 20 is a drive mechanism for the Y axis that drives the drive mechanism 10 in the Y axis direction, and these constitute an XY table. The details of the drive mechanism 20 are basically the same as those of the drive mechanism 10, and thus detailed description thereof is omitted.

図13は図12に示すXYテーブルに適用するX軸用のサーボゲイン算出装置30と、駆動機構20のサーボゲインを算出するY軸用のサーボゲイン算出装置40の構成を示したブロック図である。図13中、サーボゲイン算出装置30は図11に示したものと同一に構成され、サーボゲイン算出装置40もサーボゲイン算出装置30と同様に構成されているためその詳細な構成を省略して示している。このような構成により、X軸とY軸とを同時に動かして、それぞれのサーボゲインを算出することができる。   FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of an X-axis servo gain calculation device 30 applied to the XY table shown in FIG. 12 and a Y-axis servo gain calculation device 40 for calculating the servo gain of the drive mechanism 20. . In FIG. 13, the servo gain calculation device 30 is configured in the same manner as that shown in FIG. 11, and the servo gain calculation device 40 is also configured in the same manner as the servo gain calculation device 30, so that the detailed configuration is omitted. ing. With such a configuration, it is possible to calculate the respective servo gains by simultaneously moving the X axis and the Y axis.

なお、第2の実施の形態ではX軸用の駆動機構10とY軸用の駆動機構20に対応させてサーボゲイン算出装置30及びサーボゲイン算出装置40を設けたが、3軸以上の多軸駆動機構に対しても、それぞれサーボゲイン算出装置30と同様なサーボゲイン算出装置を設けることによって、多軸の駆動機構の各軸ごとのサーボゲインを同時に算出することができる。   In the second embodiment, the servo gain calculation device 30 and the servo gain calculation device 40 are provided corresponding to the X-axis drive mechanism 10 and the Y-axis drive mechanism 20, but a multi-axis having three or more axes. By providing a servo gain calculation device similar to the servo gain calculation device 30 for each drive mechanism, the servo gain for each axis of the multi-axis drive mechanism can be calculated simultaneously.

以下、図12に示すXYテーブルをパソコンで駆動するとともに、本実施の形態に係るサーボゲイン算出装置を適用した場合の具体的なサーボゲインのチューニングについて説明する。
ここでは、速度フィードバックループを積分−比例制御系及び比例−積分系とした場合についてサーボゲインを計算し、位置指令をステップ状に変化させた場合のステップ応答と、X軸とY軸を同時に動かして、円弧補間運動を行った場合の軌跡誤差とを調べた。また、比較のために、従来から一般的に用いられている比例−積分制御系のサーボゲインを試行錯誤により調整した場合と比較した。
Hereinafter, specific servo gain tuning when the XY table shown in FIG. 12 is driven by a personal computer and the servo gain calculation apparatus according to the present embodiment is applied will be described.
Here, the servo gain is calculated when the speed feedback loop is an integral-proportional control system and proportional-integral system, and the step response when the position command is changed stepwise and the X and Y axes are moved simultaneously. The trajectory error when circular interpolation motion was performed was investigated. For comparison, a comparison was made with a case where the servo gain of a proportional-integral control system generally used in the past was adjusted by trial and error.

ステップ応答では目標値追従特性が評価でき、円弧補間運動では各軸の運動方向が反転する、特に摩擦力の影響で生じる突起状の軌跡誤差(象限突起)の大きさを見ることで、外乱抑制特性を評価することができる。試行錯誤による調整では、象限突起の大きさができるだけ小さくなるように調整を行った。本実施の形態により計算されたサーボゲインと、試行錯誤により調整したサーボゲインとを下記の表1に示す。   The target response tracking characteristics can be evaluated by step response, and the motion direction of each axis is reversed by circular interpolation motion, especially by looking at the size of the projection-like trajectory error (quadrant projection) caused by the influence of frictional force. Properties can be evaluated. In the adjustment by trial and error, the adjustment was performed so that the size of the quadrant protrusions was as small as possible. The servo gain calculated according to the present embodiment and the servo gain adjusted by trial and error are shown in Table 1 below.

Figure 0004576530
Figure 0004576530

ここでのサーボゲインの計算においては、参照モデルの係数αを以下のように決めた。
[α,α,α,α]=[1,1,0.375,0.0625] (20)
なお、参照モデルの係数αは、別の特性を持つ参照モデル(重政隆、高木康夫ほか:制御系設計のための実用的な汎用参照モデル、計測自動制御学会論文集、第19巻、第7号,(1983)pp.592-594)の係数を使用することも可能である。
In the calculation of the servo gain here, the coefficient α of the reference model was determined as follows.
0 , α 1 , α 2 , α 3 ] = [1,1,0.375,0.0625] (20)
Note that the coefficient α of the reference model is a reference model having other characteristics (Takashi Shigemasa, Yasuo Takagi et al .: Practical general-purpose reference model for control system design, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 19, Vol. No., (1983) pp.592-594) can also be used.

表1に示すサーボゲインを使ってステップ応答と円弧補間運動の実験を行った結果を図14及び図15に示す。このうち、図14は目標値を200μmとした場合のステップ応答である。図14(a)、(b)によると、本発明により算出されたサーボゲインを用いると、X軸Y軸共にオーバシュートのない応答を示している。さらに、X軸とY軸がほぼ同じ応答をしていることが分かる。このことは、2軸同期制御を行う際に重要となる。また速度フィードバックループを積分−比例制御とした場合と比例−積分制御とした場合とを比較すると、積分−比例制御とした場合のほうが速やかに目標値に達している。   14 and 15 show the results of experiments on step response and circular interpolation motion using the servo gain shown in Table 1. Among these, FIG. 14 shows a step response when the target value is 200 μm. According to FIGS. 14A and 14B, when the servo gain calculated according to the present invention is used, a response with no overshoot is shown on both the X axis and the Y axis. Further, it can be seen that the X-axis and the Y-axis have almost the same response. This is important when performing 2-axis synchronous control. Further, comparing the case where the speed feedback loop is set to integral-proportional control and the case where proportional-integral control is used, the target value is reached more quickly when integral-proportional control is used.

図14(c)に示すように速度フィードバックループを比例−積分制御とし、サーボゲインを試行錯誤により調整した場合には、質量の大きいY軸でオーバシュートが生じてしまっている。また、X軸とY軸とでは応答特性が大きく異なってしまっている。しかし、試行錯誤により2つの軸の応答特性を一致させることは非常に困難である。   As shown in FIG. 14C, when the speed feedback loop is set to proportional-integral control and the servo gain is adjusted by trial and error, an overshoot occurs on the Y axis having a large mass. Also, the response characteristics are greatly different between the X axis and the Y axis. However, it is very difficult to match the response characteristics of the two axes by trial and error.

図15は半径25mm、送り速度3000mm/minの円弧補間運動を行ったときの円弧軌跡である。その結果は、半径方向の誤差を1000倍に拡大して示してある。各軸の運動方向が反転するときには、軸受けや直動案内などで生じる摩擦力の方向も急激に変化することにより、突起状の軌跡誤差(象限突起)が生じる。この象限突起の大きさが小さいほど、外乱抑制が優れている。図15によれば、本発明により計算したサーボゲインを使った場合には、象限突起が小さくなるように試行錯誤でサーボゲインを調整した場合とほぼ同等の外乱特性を示していることが分かる。   FIG. 15 shows a circular arc locus when circular interpolation motion with a radius of 25 mm and a feed rate of 3000 mm / min is performed. The results are shown with the radial error magnified 1000 times. When the motion direction of each axis is reversed, the direction of the frictional force generated by the bearing, the linear motion guide, or the like also changes abruptly, resulting in a projection-like locus error (quadrant projection). The smaller the size of this quadrant protrusion, the better the disturbance suppression. According to FIG. 15, it can be seen that when the servo gain calculated according to the present invention is used, the disturbance characteristic is almost the same as that obtained when the servo gain is adjusted by trial and error so that the quadrant protrusion is reduced.

以上に説明したように、本実施の形態によれば、繰り返し計算を行わずに代数計算のみでサーボゲインを計算することができ、これによって一般的な卓上計算機によって計算することができる。また、繰り返し計算を行わないので、パソコン上では非常に高速にサーボゲインの計算ができるため、制御対象の特性の変化に合わせて、リアルタイムにサーボゲインを変えていくことが可能となる。さらに、サーボゲインを調整すれば、質量などが異なる複数の軸の特性を一致させることができるため、多軸同期制御運動を行う際に有利となる。   As described above, according to the present embodiment, the servo gain can be calculated only by algebraic calculation without performing iterative calculation, and can be calculated by a general desk calculator. In addition, since the calculation is not repeated, the servo gain can be calculated at a very high speed on a personal computer, so that the servo gain can be changed in real time in accordance with the change in the characteristics of the control target. Furthermore, if the servo gain is adjusted, the characteristics of a plurality of axes having different masses can be matched, which is advantageous when performing a multi-axis synchronous control motion.

なお、試行錯誤でサーボゲインを調整し、高速高精度な運動を実現しようとする場合には、高度な専門知識を有する者であっても通常は1週間から1ヶ月程度の時間を費やすのが普通であるが、本発明によれば1日程度で調整することができるため、これを実施する効果は極めて大きい。   When trying to adjust the servo gain by trial and error to achieve high-speed and high-accuracy exercise, even those with advanced expertise usually spend about 1 week to 1 month. Although it is normal, according to the present invention, it can be adjusted in about one day, so the effect of implementing this is extremely great.

以上のように本発明によれば、操作者が高度な専門知識を有していなくとも比較的容易にサーボゲインを算出することができ、さらに、汎用のモータが混在するシステムにも適用することが可能であることから、数値制御工作機械はもちろんのこと、これ以外の工作機械にも広く応用することができる。また、図2に示した力学モデルを、例えば温度制御系や水位制御系などに置き換えれば、2重の制御ループを持つすべての制御系に応用できると考えられる。例えば、タンクのジャケットの温度を制御して更にタンクの温度を制御する場合や、弁の開度を制御してタンクの水位を制御するような場合や、あるいは、風量を制御して部屋の温度を制御する場合などである。   As described above, according to the present invention, the servo gain can be calculated relatively easily even if the operator does not have a high level of expertise, and further, it can be applied to a system in which general-purpose motors are mixed. Therefore, it can be widely applied not only to numerically controlled machine tools but also to other machine tools. Further, if the dynamic model shown in FIG. 2 is replaced with, for example, a temperature control system or a water level control system, it can be applied to all control systems having a double control loop. For example, when controlling the temperature of the tank jacket to further control the temperature of the tank, when controlling the opening of the valve to control the water level of the tank, or by controlling the air volume, the temperature of the room For example.

本発明の第1の実施の形態に係る駆動機構の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view showing a schematic structure of a drive mechanism concerning a 1st embodiment of the present invention. 図1に示した駆動機構を表現する力学モデルである。It is a dynamic model expressing the drive mechanism shown in FIG. 図1に示した駆動機構に制御系を付加したサーボ系全体の構成を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an entire servo system in which a control system is added to the drive mechanism illustrated in FIG. 1. 図1に示した駆動機構に他の制御系を付加したサーボ系全体の構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the whole servo system which added another control system to the drive mechanism shown in FIG. 図3に示したサーボ系の速度指令からモータ回転速度までの周波数特性を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics from a speed command of the servo system shown in FIG. 3 to a motor rotation speed. 図3に示したサーボ系を、速度フィードバックループの特性を固有振動数の2次遅れ系の伝達関数で表現した場合のサーボ系全体のブロック線図である。FIG. 4 is a block diagram of the entire servo system when the characteristics of the speed feedback loop are expressed by a transfer function of a second-order lag system of the natural frequency in the servo system shown in FIG. 3. 本発明の第1の実施の形態に係るサーボゲイン算出方法の具体的な処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the specific process sequence of the servo gain calculation method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図7に示したフローチャートの詳細な処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed process sequence of the flowchart shown in FIG. 図7に示したフローチャートの詳細な処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed process sequence of the flowchart shown in FIG. 図7に示したフローチャートの詳細な処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed process sequence of the flowchart shown in FIG. 本発明の第1の実施の形態に係るサーボゲイン算出装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the servo gain calculation apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る駆動機構の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the drive mechanism which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図12に示す駆動機構の軸ごとのサーボゲイン算出装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the servo gain calculation apparatus for every axis | shaft of the drive mechanism shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に、特定のサーボゲイン使って実験を行った結果のステップ応答を示す図である。It is a figure which shows the step response of the result of having experimented using the specific servo gain in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に、特定のサーボゲイン使って実験を行った結果の円弧補間運動を示す図である。It is a figure which shows the circular interpolation motion of the result of having experimented using the specific servo gain in the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10、20 駆動機構
11 基板
12 ガイドレール
13 モータ固定台
14 サーボモータ
15 軸支持台
16 ねじ軸
17 ナット
18 作業テーブル
30、40 サーボゲイン算出装置
31 第1の伝達関数記憶手段
32 第2の伝達関数記憶手段
33 方程式作成手段
34 条件式演算手段
35 定数決定手段
36 第1のサーボゲイン演算手段
37 第2のサーボゲイン演算手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 Drive mechanism 11 Board | substrate 12 Guide rail 13 Motor fixing stand 14 Servo motor 15 Shaft support stand 16 Screw shaft 17 Nut 18 Work table 30, 40 Servo gain calculation apparatus 31 1st transfer function memory | storage means 32 2nd transfer function Storage means 33 Equation creation means 34 Conditional expression calculation means 35 Constant determination means 36 First servo gain calculation means 37 Second servo gain calculation means

Claims (3)

方程式作成手段、条件式演算手段、定数決定手段、サーボゲイン演算手段を有するサーボゲイン算出装置が、フィードバック制御系の伝達関数に対応する理想的な特性を持つ伝達関数を用いて前記フィードバック制御系の、外乱抑制特性を有する速度フィードバックループのサーボゲイン及び目標値追従特性を有する位置フィードバックループのサーボゲインを算出するサーボゲイン算出方法であって、
前記方程式作成手段が、前記フィードバック制御系の伝達関数と前記理想的な特性を持つ伝達関数とを等置させ、ラプラス演算子の係数に関する連立方程式を得るステップと、
前記条件式演算手段が、前記連立方程式から、理想的な特性を持つ伝達関数の係数についての正の実数解が得られる前記係数の条件式を算出するステップと、
前記定数決定手段が、前記フィードバック制御系のサーボゲインの計算に必要な各種定数のうちの一部の定数の値を計算により、また前記一部の定数以外の定数の値をあらかじめ知られた値から決定するステップと、
前記サーボゲイン演算手段が、決定された前記各種定数を正の実数解が得られる前記係数の条件式に代入して、前記速度フィードバックループのサーボゲインである速度ループ比例ゲイン及び速度ループ積分ゲインを算出し、算出された前記速度ループ比例ゲイン及び前記速度ループ積分ゲインに基づいて前記速度フィードバックループの周波数特性の折点周波数を所定の演算式により算出し、算出された折点周波数に基づいて位置ループ比例ゲインを算出するステップとを、
有するサーボゲイン算出方法。
A servo gain calculating apparatus having an equation creating means, a conditional expression calculating means, a constant determining means, and a servo gain calculating means uses a transfer function having an ideal characteristic corresponding to the transfer function of the feedback control system. A servo gain calculation method for calculating a servo gain of a speed feedback loop having disturbance suppression characteristics and a servo gain of a position feedback loop having target value tracking characteristics,
The equation creating means equalizing the transfer function of the feedback control system and the transfer function having the ideal characteristics to obtain simultaneous equations relating to the coefficients of the Laplace operator;
The conditional expression calculating means calculating a conditional expression of the coefficient from which the positive real number solution for the coefficient of the transfer function having ideal characteristics is obtained from the simultaneous equations;
The constant determining means calculates a value of some of the various constants necessary for calculating the servo gain of the feedback control system, and values of constants other than the some constants are known in advance. Determining from
The servo gain calculation means substitutes the determined various constants into a conditional expression of the coefficient that obtains a positive real number solution, and calculates a speed loop proportional gain and a speed loop integral gain that are servo gains of the speed feedback loop. Calculate the break frequency of the frequency characteristic of the speed feedback loop based on the calculated speed loop proportional gain and the speed loop integral gain by a predetermined arithmetic expression, and position based on the calculated break frequency Calculating a loop proportional gain;
Servo gain calculation method.
方程式作成手段、条件式演算手段、定数決定手段、サーボゲイン演算手段を有するコンピュータに、フィードバック制御系の伝達関数と前記フィードバック制御系の伝達関数に対応する理想的な特性を持つ伝達関数とを記憶させて前記フィードバック制御系の、外乱抑制特性を有する速度フィードバックループのサーボゲイン及び目標値追従特性を有する位置フィードバックループのサーボゲインを算出させるサーボゲイン算出プログラムであって、
前記方程式作成手段により、前記フィードバック制御系の伝達関数と前記理想的な特性を持つ伝達関数とを等置させ、ラプラス演算子の係数に関する連立方程式を得るステップと、
前記条件式演算手段により、前記連立方程式から、理想的な特性を持つ伝達関数の係数についての正の実数解が得られる前記係数の条件式を算出するステップと、
前記定数決定手段により、前記フィードバック制御系のサーボゲインの計算に必要な各種定数のうちの一部の定数の値を計算により、また前記一部の定数以外の定数の値をあらかじめ知られた値から決定するステップと、
前記サーボゲイン演算手段により、決定された前記各種定数を正の実数解が得られる前記係数の条件式に代入して、前記速度フィードバックループのサーボゲインである速度ループ比例ゲイン及び速度ループ積分ゲインを算出し、算出された前記速度ループ比例ゲイン及び前記速度ループ積分ゲインに基づいて前記速度フィードバックループの周波数特性の折点周波数を所定の演算式により算出し、算出された折点周波数に基づいて位置ループ比例ゲインを算出するステップとを、
順次前記コンピュータを用いて実行させるサーボゲイン算出プログラム。
A computer having an equation creating means, a conditional expression calculating means, a constant determining means, and a servo gain calculating means stores a transfer function of a feedback control system and a transfer function having ideal characteristics corresponding to the transfer function of the feedback control system. A servo gain calculation program for calculating a servo gain of a speed feedback loop having a disturbance suppression characteristic and a position feedback loop having a target value tracking characteristic of the feedback control system,
The equation creating means makes the transfer function of the feedback control system equal to the transfer function having the ideal characteristic to obtain simultaneous equations related to the coefficients of the Laplace operator;
A step of calculating a conditional expression of the coefficient by which a positive real solution for a coefficient of a transfer function having ideal characteristics is obtained from the simultaneous equations by the conditional expression calculating means;
The constant determination means calculates the values of some of the various constants necessary for calculating the servo gain of the feedback control system, and values of constants other than the some constants are known in advance. Determining from
By substituting the various constants determined by the servo gain calculation means into a conditional expression of the coefficient that provides a positive real number solution , a speed loop proportional gain and a speed loop integral gain, which are servo gains of the speed feedback loop, are obtained. Calculate the break frequency of the frequency characteristic of the speed feedback loop based on the calculated speed loop proportional gain and the speed loop integral gain by a predetermined arithmetic expression, and position based on the calculated break frequency Calculating a loop proportional gain;
A servo gain calculation program that is sequentially executed using the computer.
フィードバック制御系の伝達関数に対応する理想的な特性を持つ伝達関数を用いて前記フィードバック制御系の、外乱抑制特性を有する速度フィードバックループのサーボゲイン及び目標値追従特性を有する位置フィードバックループのサーボゲインを算出するサーボゲイン算出装置であって、
前記フィードバック制御系の伝達関数を記憶させた第1の伝達関数記憶手段と、
前記理想的な特性を持つ伝達関数を記憶させた第2の伝達関数記憶手段と、
前記第1の伝達関数記憶手段に記憶させた伝達関数と前記第2の記憶手段に記憶させた伝達関数とを等置させ、ラプラス演算子の係数に関する連立方程式を作成する方程式作成手段と、
前記方程式作成手段で作成された前記連立方程式から、理想的な特性を持つ伝達関数の係数についての正の実数解が得られる係数の条件式を算出する第1の演算手段と、
前記フィードバック制御系のサーボゲインの計算に必要な各種定数のうちの一部の定数の値を計算により、また前記一部の定数以外の定数の値をあらかじめ知られた値から決定する定数決定手段と、
前記定数決定手段で決定された各種定数を前記第1の演算手段で算出された前記係数の条件式に代入して前記速度フィードバックループのサーボゲインである速度ループ比例ゲイン及び速度ループ積分ゲインを算出する第1のサーボゲイン演算手段と、
算出された前記速度ループ比例ゲイン及び前記速度ループ積分ゲインに基づいて前記速度フィードバックループの周波数特性の折点周波数を所定の演算式により算出し、算出された折点周波数に基づいて位置ループ比例ゲインを算出する第2のサーボゲイン演算手段とを、
備えるサーボゲイン算出装置。
Servo gain of velocity feedback loop having disturbance suppression characteristics and servo gain of position feedback loop having target value tracking characteristics of the feedback control system using a transfer function having ideal characteristics corresponding to the transfer function of the feedback control system Servo gain calculation device for calculating
First transfer function storage means for storing a transfer function of the feedback control system;
Second transfer function storage means storing a transfer function having the ideal characteristics;
An equation creating means for equalizing the transfer function stored in the first transfer function storage means and the transfer function stored in the second storage means to create simultaneous equations relating to the coefficients of the Laplace operator;
A first computing unit that calculates a conditional expression of a coefficient that provides a positive real solution for a coefficient of a transfer function having ideal characteristics from the simultaneous equations created by the equation creating unit;
Constant determining means for calculating values of some of the various constants necessary for calculating the servo gain of the feedback control system and determining values of constants other than the some constants from previously known values When,
Substituting various constants determined by the constant determining means into the conditional expression of the coefficient calculated by the first arithmetic means, and calculating a speed loop proportional gain and a speed loop integral gain which are servo gains of the speed feedback loop. First servo gain calculating means for
Based on the calculated velocity loop proportional gain and the calculated velocity loop integral gain, a corner frequency of the frequency characteristic of the velocity feedback loop is calculated by a predetermined arithmetic expression, and the position loop proportional gain is calculated based on the calculated corner frequency. Second servo gain calculation means for calculating
Servo gain calculation device provided.
JP2005099831A 2005-03-30 2005-03-30 Servo gain calculation method, servo gain calculation program, and servo gain calculation device Active JP4576530B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005099831A JP4576530B2 (en) 2005-03-30 2005-03-30 Servo gain calculation method, servo gain calculation program, and servo gain calculation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005099831A JP4576530B2 (en) 2005-03-30 2005-03-30 Servo gain calculation method, servo gain calculation program, and servo gain calculation device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006277652A JP2006277652A (en) 2006-10-12
JP4576530B2 true JP4576530B2 (en) 2010-11-10

Family

ID=37212306

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005099831A Active JP4576530B2 (en) 2005-03-30 2005-03-30 Servo gain calculation method, servo gain calculation program, and servo gain calculation device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4576530B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008102714A (en) * 2006-10-18 2008-05-01 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology Optimal design support device for feed drive system of multiaxis machine tool and program for this device
JP4944806B2 (en) * 2007-10-09 2012-06-06 オークマ株式会社 Position control device
JP5947075B2 (en) * 2012-03-23 2016-07-06 Dmg森精機株式会社 Synchronous motor control device and synchronous motor control method
BR112022001057A2 (en) * 2019-08-09 2022-05-24 Miki Pulley Kk Feature evaluation device and shaft coupling characteristic evaluation method
WO2024189786A1 (en) * 2023-03-14 2024-09-19 ファナック株式会社 Output device, output system, and output method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60263207A (en) * 1984-06-12 1985-12-26 Toshiba Corp Process control device
JPS6140616A (en) * 1984-07-31 1986-02-26 Fanuc Ltd Position control system
JPS6142003A (en) * 1984-08-03 1986-02-28 Hitachi Ltd Automatic adjusting method of control constant
JPH02190902A (en) * 1989-01-20 1990-07-26 Toshiba Corp Design method and design supporting device for control system
JPH06195105A (en) * 1992-12-22 1994-07-15 Dainippon Screen Mfg Co Ltd Self-tuning controller

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2585294B2 (en) * 1987-09-24 1997-02-26 株式会社日立製作所 PID controller

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60263207A (en) * 1984-06-12 1985-12-26 Toshiba Corp Process control device
JPS6140616A (en) * 1984-07-31 1986-02-26 Fanuc Ltd Position control system
JPS6142003A (en) * 1984-08-03 1986-02-28 Hitachi Ltd Automatic adjusting method of control constant
JPH02190902A (en) * 1989-01-20 1990-07-26 Toshiba Corp Design method and design supporting device for control system
JPH06195105A (en) * 1992-12-22 1994-07-15 Dainippon Screen Mfg Co Ltd Self-tuning controller

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006277652A (en) 2006-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5566469B2 (en) Numerical control method
EP0012620A2 (en) Closed loop type numerical-controlled machine tool
JP5762625B2 (en) Trajectory control device
JP6214948B2 (en) Friction compensation device, friction compensation method, and servo control device
JP5366840B2 (en) Trajectory control device
WO1991005296A1 (en) Sliding mode control method
JP4576530B2 (en) Servo gain calculation method, servo gain calculation program, and servo gain calculation device
JP3506157B2 (en) Motor position control device
JP2008210273A (en) Method of compensating friction, friction compensator, and motor control device
JP6592143B2 (en) Electric motor control device
JP2000250614A (en) Backlash correction device and numerical control system
WO2013054662A1 (en) Servo controller
JP5943650B2 (en) Servo control device and servo control method
Dong et al. Optimal feed-rate scheduling for high-speed contouring
JP6412071B2 (en) Motor control device, motor control method, and motor control program
JP2007226836A (en) Method for controlling numerically controlled machine tool and numerically controlled machine tool
JP2007072943A (en) Position controller
JP5836206B2 (en) Servo control device
Sato et al. Modeling and controller tuning techniques for feed drive systems
US4761597A (en) Method and system for controlling synchronous drive systems
JP2002186269A (en) Motor control method
CN112236729B (en) Numerical control device
EP3731035A1 (en) Design assist device, design assist method, and design assist program
JP6340160B2 (en) Feed drive system design method
Richards et al. Efficient NC machining using off-line optimized feedrates and on-line adaptive control

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20071107

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090722

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090826

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091021

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20091021

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100528

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100709

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100727

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150