JP4620159B2 - 周期的な往復動作を制御するサーボモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、周期的な往復動作を行う被駆動体の動作を制御するサーボモータ制御装置に関し、特には、角度同期方式の学習制御への適用に適したサーボモータ制御装置に関する。

学習制御は、動作の繰り返し性を利用して制御偏差を最小にする制御方法である。学習制御には、繰り返し動作の時間周期を規定して、学習制御器の時間サンプリング周期毎に補正量を演算する時間同期方式と、繰り返し動作の１周期の移動量を規定して、規定された１周期の移動量を複数に分割した基準位置における補正量を演算する角度同期方式とがある。角度同期方式の学習制御が適用可能な具体的アプリケーションとしては、歯車加工機のドレス加工、研削盤のオシレーション動作及びサーボプレスの反転制御等が挙げられる。

例えば特許文献１には、繰返し指令されるパターンにおける形状の位置に対応して補正データを記憶しておき、位置に対応して位置偏差を補正することにより、速度変動があっても学習制御を有効に適用できるサーボモータ駆動制御装置が開示されている。

特開２００４−２８０７７２号公報

時間同期方式は厳密な時間周期の規定が必要なため、適用に際しては特殊なプログラム方法が必要である。例えば、繰り返し動作を行う場合、時間毎に分配する指令を予めテーブルとして１周期分準備する方法等がある。このようなプログラム方法では、一般的なＩＳＯコード（Ｇコード）によるプログラムが持つ多くの機能、例えば極座標変換等が使用できない。先に記載したアプリケーションでは、一般的なＩＳＯコードによるプログラムが行われるため、厳密な時間周期の繰り返し性が保証されず、時間学習方式を適用することは困難であった。

一方、角度同期方式は、基準位置を与えることができれば厳密な時間周期の規定は必要なく、その点で適用が容易である。しかしながら、与えられる基準位置は一方向に変化する場合に限られ、往復動作をするような基準位置の動きでは、角度同期方式を適用することはできなかった。例えば往復動作を行う被駆動体の位置を基準位置とする場合は、被駆動体は往路と復路とで同じ位置を通過するが、動作の方向に応じて発生するサーボ偏差の極性は異なる。従って、往路で作成された補正量を復路で使用することはできず、故に復路では改めて補正量を作成する必要があった。

この対策として、特許文献１には、速度の方向に応じた異なるメモリセットを使用し、これを切り替えることで、繰り返し往復動作を行う被駆動体に角度同期方式の学習制御を適用する技術が提案されている。一般に学習制御器の補正算出部は制御系の遅れを補償するためにメモリの先読みを行うが、特許文献１に記載の発明では、速度に応じてメモリセットを切り替えるので、往路と復路のメモリセットが連続的に繋がらず、メモリ切り替え時に大きな偏差が発生する場合があった。

そこで本発明は、基準位置の作成を工夫することにより、周期的に往復動作を行う被駆動体についての角度同期方式の学習制御を可能にするサーボモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、周期的に往復動作する被駆動体をサーボモータで駆動制御するサーボモータ制御装置であって、前記被駆動体の位置を検出する位置検出器と、上位制御装置から与えられる位置指令に対する、前記位置検出器により検出した前記被駆動体の位置の偏差を、第１の位置偏差として所定のサンプリング周期毎に取得する位置偏差取得部と、周期的に往復動作する被駆動体の１周期分について、前記位置指令又は前記被駆動体の位置に対応させて一方向に増加する複数の基準位置を作成する基準位置作成部と、前記位置偏差取得部により取得した前記第１の位置偏差を、前記基準位置作成部により作成された前記基準位置毎の第２の位置偏差に変換する第１変換部と、前記第２の位置偏差と、記憶部に記憶された１周期前の第１の補正量を加算して新たな第１の補正量とする加算部と、前記新たな第１の補正量を、前記被駆動体の往復動作の１周期分記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記第１の補正量を、前記サンプリング周期毎の第２の補正量に変換する第２変換部と、前記第１の位置偏差と前記第２の補正量に基づいて前記サーボモータを制御する制御部と、を備え、前記基準位置作成部は、前記サンプリング周期と前記サンプリング周期毎の前記位置指令又は前記被駆動体の位置から計算される速度の絶対値を周期的に往復動作する被駆動体の１周期分積算したものを複数に分割して基準位置を作成することを特徴とするサーボモータ制御装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のサーボモータ制御装置において、前記サンプリング周期と前記サンプリング周期毎の前記位置指令又は前記被駆動体の位置から計算される速度の極性に応じて前記第１の位置偏差と前記第２の補正量の極性を反転させる極性反転部を有することを特徴とするサーボモータ制御装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のサーボモータ制御装置において、前記基準位置作成部及び極性反転部は、前記位置指令又は前記駆動体の位置の代わりに、周期的に往復動作する前記被駆動体に同期して動作する他の駆動体の位置を使用することを特徴とするサーボモータ制御装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーボモータ制御装置において、前記サーボモータ制御装置は、前記第１変換部で変換された前記第２の位置偏差に前記記憶部に記憶された前記第１の補正量を加算した新たな第１の補正量の帯域を制限する第１フィルタと、前記記憶部に記憶された前記第１の補正量が、前記サンプリング周期毎の第２の補正量に変換する前記第２変換部に送られる前に、該第１の補正量の位相補償及びゲイン補償を行う第２フィルタと、を備えたこと特徴とするサーボモータ制御装置を提供する。

本発明に係るサーボモータ制御装置によれば、周期的に往復動作する被駆動体において、該被駆動体の１往復を１周期とした角度同期方式の学習制御を行うことができる。

好適な基準位置の作成は、被駆動体の指令位置又は検出位置から計算される速度の絶対値を積算することにより得られる。

サーボモータ制御装置が、ある対象物の回転動作に応じて往復動作する被駆動体を制御する場合、第１の位置偏差と前記第２の補正量の極性を反転させる極性反転部を有することにより、該被駆動体の往路と復路とで同じ補正量を使用することが可能となる。

基準位置の作成において、被駆動体の代わりに該被駆動体に同期した動作を行う他の駆動体の指令位置又は検出位置を用いてもよい。他の駆動体の指令位置又は検出位置を利用することは、学習制御にて補正すべき偏差が主として該他の駆動体に起因する場合に特に適している。

第１の補正量の帯域を制限する第１フィルタと、第１の補正量が第２変換部に送られる前に位相補償とゲイン補償を行う第２フィルタとを設けることにより、より安定した学習制御を行うことができる。

本発明に係るサーボモータ制御装置の一構成例を示す図である。 本発明の第１の適用例を示す図である。 図２の例における基準位置の作成手順を示すグラフである。 本発明の第２の適用例を示す図である。 図４の例における基準位置の作成手順を示すグラフである。 本発明に係るサーボモータ制御装置における処理の流れを示すフローチャートである。

図１は、本発明に係るサーボモータ制御装置の一構成例を示した図である。サーボモータ制御装置１０は、角度同期方式の学習制御器１２を有し、後述する被駆動体１４をボールねじ１５等を介して周期的に往復動作させるサーボモータ１６を制御する。学習制御器１２は、上位制御装置１８から送られる位置指令Ｐｃと、被駆動体１４の位置を検出する位置検出器２０からの位置フィードバックＰｆとに基づいて被駆動体１４の位置制御のための補正量δ２（後述する第２の補正量）を作成し、第２の補正量δ２はポジションゲイン２２を介して速度制御部２４に送られ、次に速度指令部２４は、第２の補正量と、サーボモータ１６の速度を検出する速度検出器２６からの速度フィードバックＶｆとに基づいて速度指令Ｖｃを作成する。電流制御部２８は、速度指令Ｖｃに基づいて電流指令Ｉｃを作成し、電流指令Ｉｃに基づいてサーボモータ１６が制御される。

学習制御器１２は、上位制御装置１８から送られる位置指令Ｐｃと位置検出器２０からの位置フィードバックＰｆとを受信し、被駆動体１４の位置偏差を第１の位置偏差ε１として所定のサンプリング周期（例えば１ｍｓ）毎に取得する。第１の位置偏差ε１は第１変換部３０に送られ、第１変換部３０は、第１の位置偏差ε１を、被駆動体１４の１周期分の基準位置（後述）毎の第２の位置偏差ε２に変換する。つまりサンプリング周期に対応付けられている第１の位置偏差が、基準位置に対応付けられた第２の位置偏差に変換される。この変換手法自体は周知なので説明は省略する。第２の位置偏差ε２は、記憶部又はメモリ３２に記憶された被駆動体１４の往復動作の１周期前の第１の補正量が加算された後、新たな第１の補正量δ１としてメモリ３２に記憶される。第１の補正量δ１は第２変換部３４に送られ、第２変換部３４は、基準位置毎の第１の補正量δ１を、上記サンプリング周期毎の第２の補正量δ２に変換する。つまり基準位置に対応付けられている第１の補正量が、サンプリング周期に対応付けられた第２の補正量に変換される。なお図１において白丸は加算器を表し、黒丸は分岐点を表す。他の図についても同様である。

学習制御器１２は、第１の補正量δ１の帯域を制限する第１フィルタ３６と、第１の補正量が第２変換部３４に送られる前に該第１の補正量の位相補償及びゲイン補償を行う第２フィルタ３８とを有してもよいが、これらのフィルタは必須の構成要素ではない。なお「帯域を制限するフィルタ」とは具体的には、ある周波数領域における高周波領域の信号をカットするためのローパスフィルタであり、制御系の安定性を向上させる効果がある。また「位相補償とゲイン補償を行うフィルタ」とは具体的には、ある周波数領域における高周波領域の信号の位相を進ませ、さらにゲインを上げるフィルタであり、位置制御、速度制御及び電流制御等の制御系の遅れやゲイン低下を補償する効果がある。

以下、被駆動体の基準位置を作成する基準位置作成部の作用を中心に、本発明に係る２つの実施例を説明する。

図２は、本発明を歯車研削盤に適用した第１の実施例を示し、ワークである歯車４０の揺動回転に同期して被駆動体である砥石４２が往復動作を行い、歯車４０をその１刃毎に加工する場合を説明するものである。上位制御装置（図２では図示省略）からの位置指令Ｐｃに基づき、歯車４０の回転軸４４及び砥石４２の往復軸４６が制御される。歯車４０の回転軸４４は、歯車４０を所定の角度範囲（例えば３０〜４０度）内かつ一定周期で揺動させ、一方砥石４２の往復軸４６は、該一定周期で砥石４２を往復動作させる。

図３（ａ）〜（ｄ）は、歯車４０の揺動動作の１周期における回転軸の角度位置に基づく基準位置の作成を説明するグラフである。先ず歯車４０が図３（ａ）のような揺動動作をする場合を考える。図３（ａ）からわかるように、歯車４０は矢印４８で示す揺動範囲内での揺動動作を所定周期で行う。学習制御器１２は、図３（ａ）に示す回転軸位置を微分器５０（図１、２参照）にて微分する。すると図３（ｂ）のような回転軸速度が得られる。歯車４０は揺動動作をするので、回転軸速度には正のものと負のものとが含まれている。次に積算器５２において、図３（ｃ）に示すように、回転軸速度の絶対値を計算し、それを積算して図３（ｄ）に示すような基準位置を得る。すなわち図３（ｄ）の例での基準位置は、矢印５３で示す範囲内で単調増加する。このように、基準位置は１周期分において一方向に変化（この例では単調増加）するので、周期毎の角度同期方式の学習制御が適用可能となる。すなわち第１の実施例では、歯車の揺動動作の１往復（砥石の往復動作の１往復）を学習周期として、砥石を往復動させるサーボの遅れ及び周期的な加工外乱を補正することができる。なお第１の実施例及び後述する第２の実施例では、微分器５０及び積算器５２が協働して基準位置作成部を構成している。なお実際に使用される基準位置のデータは、図３（ｄ）の横軸（時間）を複数に分割（好ましくは等分割）して得られる。

なお図３では被駆動体ではない歯車４０の位置を用いて基準位置を作成したが、被駆動体すなわち砥石４２の位置を用いて基準位置を作成することも可能である。第１の実施例では歯車の揺動動作と砥石の往復動作は同期しているので、砥石の位置を用いた場合も図３と概ね同様の形態の基準位置を得ることができる。

作成された基準位置Ｐｒは、図１又は図２に示すように、第１変換部３０及び第２変換部３４に送られる。上述のように、第１変換部３０はサンプリング周期毎の第１の位置偏差ε１を基準位置毎の第２の位置偏差ε２に変換し、第２の位置偏差ε２は、記憶部又はメモリ３２に記憶された砥石４２の往復動作の１周期前の第１の補正量が加算された後、新たな第１の補正量δ１としてメモリ３２に記憶される。一方第２変換部３４は、基準位置毎の第１の補正量δ１をサンプリング周期毎の第２の補正量δ２に変換する。第１の位置偏差ε１及び第２の補正量δ２に基づき、被駆動体である砥石４２（往復軸４６）を駆動するサーボの制御が行われる。

図４は、本発明を歯車加工機のドレス制御に適用した第２の実施例を示し、ワークである回転砥石５４の回転に同期して被駆動体であるカッター５６が往復動作を行い、回転砥石５４を加工する場合を説明するものである。上位制御装置（図４では図示省略）からの位置指令Ｐｃに基づき、回転砥石５４の回転軸５８及びカッター５６の送り軸６０が制御される。ここでは、回転砥石５４が２０回転する間にカッター５６が１往復し、カッター５６が１つの回転砥石の加工において１０往復するものとする。また回転砥石５４は、カッター５６の往路（例えば図４で左から右）と復路（例えば図４で右から左）とでは、その回転方向が逆転するものとする。

図５（ａ）〜（ｄ）は、回転砥石５４の２０回転（カッター５６の１往復）分における、回転砥石５４の回転軸５８の角度位置に基づく基準位置の作成を説明するグラフである。上述のように回転砥石が正方向に１０回転（カッター５６の往路に相当）し、次に逆方向に１０回転（カッター５６の復路に相当）する場合、回転軸５８の角度位置は、１回転毎に元に戻る（３６０°→０°）ので図５（ａ）に示すようになる。しかし実際には回転砥石５４は往路及び復路のそれぞれにおいて一方向に回転しているので、図５（ｂ）に示すように、回転軸の角度位置を累積値で表現する（例えば２回転目は３６０°〜７２０°）こともできる。次に上述の第１の実施例と同様に、学習制御器１２は、累積値で表現した回転軸位置を微分器５０にて微分する。すると図５（ｃ）のような回転軸速度が得られる。次に積算器５２において、回転軸速度の絶対値を計算し、該絶対値を積算して図５（ｄ）に示すような基準位置を得る。図５（ｄ）からわかるように、得られる基準位置は一方向に変化（この例では広義の単調増加）するので、本実施例においても、角度同期方式の学習制御が可能となる。

一方、カッター５６を往復動作させる送り軸６０の位置偏差は、基本的に回転砥石５４の回転に対するサーボの遅れによるものであるので、図５（ｅ）に示すような形態を呈する。ここで、図４に示すように、学習制御器１２は第１極性反転部６２を有し、第１極性反転部６２は、送り軸６０の位置偏差ε１の極性すなわち符号を、回転軸５８の極性に応じて反転させる。第２の実施例では、図５（ｃ）に示すように回転砥石の後半１０回転の符号がマイナスであるので、送り軸偏差のうち回転砥石の後半１０回転に相当する部分の符号が反転される。その結果、図５（ｆ）に示すような極性反転された送り軸偏差（図４においてε１′と記載）が得られる。

積算器５２で作成された基準位置Ｐｒは、図４に示すように、第１変換部３０及び第２変換部３４に送られる。第１変換部３０はサンプリング周期毎の第１の位置偏差ε１′を基準位置毎の第２の位置偏差ε２に変換し、第２の位置偏差ε２は、記憶部又はメモリ３２に記憶されたカッター５６の往復動作の１周期前の第１の補正量が加算された後、新たな第１の補正量δ１としてメモリ３２に記憶される。一方第２変換部３４は、基準位置毎の第１の補正量δ１をサンプリング周期毎の第２の補正量δ２に変換する。ここで、図４に示すように、学習制御器１２は第２極性反転部６４を有し、第２極性反転部６４は、送り軸６０の第２の補正量δ２の極性すなわち符号を、回転軸５８の符号に応じて反転させ、符号反転された第２の補正量（図４においてδ２′と記載）を計算する。第２の実施例では、図５（ｃ）に示すように回転砥石の後半１０回転の符号がマイナスであるので、第２の補正量のうち回転砥石の後半１０回転に相当する部分の符号が反転される。第１の位置偏差ε１及び極性反転された第２の補正量δ２′に基づき、被駆動体であるカッター５６（送り軸６０）を駆動するサーボの制御が行われる。

第２の実施例では、加工時の回転砥石の偏心等に依存した回転軸１回転分の外乱を抑制するために、回転軸１回転分を学習周期とする。従来、往路で作成した補正量は復路では極性が逆になるために使用できなかった。この問題を解決するために、上述のように速度に応じた符号反転と速度の絶対値を積算した基準位置を作成することで、往路と復路とで同じ補正量が使用可能となり、学習時の偏差が収束するまでに必要な動作が不要となる。

なお第２の実施例では回転砥石５４の回転位置に基づいて基準位置を作成したが、被駆動体すなわちカッター５６の位置に基づいて基準位置を作成することも無論可能である。但し、本実施例では、学習制御において最も重視すべき偏差は回転砥石の偏心や作製精度に起因するものであり、この場合は回転砥石の１回転毎に同様の偏差が繰り返されることになる。またカッターの送り量も回転砥石の回転数に基づいて決定されるので、第２の実施例では、カッター５６よりも回転砥石５４の位置を基準位置の作成に用いた方が学習制御には好ましいと言える。

図１に示すように、制御装置１０は、微分器５０に送られる位置データを切替え可能な切替器６６を有してもよい。すなわち、微分器５０にて処理される位置データは、位置検出器２０からの検出位置でもよいし、上位制御装置１８からの位置指令に含まれる指令位置でもよい。或いは、被駆動体１４の動作に同期して動作する他の軸又は駆動体６８の位置を使用することもできる。上述の歯車４０や回転砥石５４は、ここでいう他の軸又は駆動体６８に相当する。切替器６６は、これらのいずれを微分器５０での処理に使用するかを切替えることができる。無論、切替器等を使用せずに、上記の検出位置、指令位置又は他の駆動体の位置のいずれかに限定して使用する形態でもよい。

図６は、本発明に係るサーボモータ制御装置における処理の流れを示すフローチャートである。先ずステップＳ１において、上位制御装置からの位置指令を取り込み、次にステップＳ２において被駆動体の位置フィードバックを検出する。次のステップＳ３ではサンプリング周期毎の位置偏差（第１の位置偏差）を計算し、次のステップＳ４では位置指令又は位置フィードバックに基づいて、一方向に変化する基準位置を作成する。なお本願における「一方向に変化する」とは、上記実施例のような単調増加又は広義の単調増加に加え、単調減少や広義の単調減少も含むものとする。

ステップＳ５では、ステップＳ３で求めた第１の位置偏差をステップＳ４で求めた基準位置毎の偏差（第２の位置偏差）に変換する。ステップＳ６では、今回の周期で求めた第２の位置偏差に前回の周期で求めた第１の補正量を加算して新たな第１の補正量とする。新たな第１の補正量はメモリに保存され（ステップＳ７）、次回の周期で求められた第２の位置偏差に加算されることになる。次のステップＳ８では、メモリに保存されている１周期前の基準位置毎の補正量（第１の補正量）を、サンプリング周期毎の補正量（第２の補正量）に変換する。最後にステップＳ９において、サンプリング周期毎の第２の補正量を第１の位置偏差に加算し、サーボの制御が行う。

１０ サーボモータ制御装置
１２ 学習制御器
１４ 被駆動体
１６ サーボモータ
１８ 上位制御装置
３０ 第１変換部
３２ メモリ
３４ 第２変換部
３６ 第１フィルタ
３８ 第２フィルタ
４０ 歯車
４２ 砥石
５０ 微分器
５２ 積算器
５４ 回転砥石
５６ カッター
６２ 第１極性反転部
６４ 第２極性反転部
６６ 切替器

Claims (4)

1. 周期的に往復動作する被駆動体をサーボモータで駆動制御するサーボモータ制御装置であって、
   前記被駆動体の位置を検出する位置検出器と、
   上位制御装置から与えられる位置指令に対する、前記位置検出器により検出した前記被駆動体の位置の偏差を、第１の位置偏差として所定のサンプリング周期毎に取得する位置偏差取得部と、
   周期的に往復動作する被駆動体の１周期分について、前記位置指令又は前記被駆動体の位置に対応させて一方向に増加する複数の基準位置を作成する基準位置作成部と、
   前記位置偏差取得部により取得した前記第１の位置偏差を、前記基準位置作成部により作成された前記基準位置毎の第２の位置偏差に変換する第１変換部と、
   前記第２の位置偏差と、記憶部に記憶された１周期前の第１の補正量を加算して新たな第１の補正量とする加算部と、
   前記新たな第１の補正量を、前記被駆動体の往復動作の１周期分記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記第１の補正量を、前記サンプリング周期毎の第２の補正量に変換する第２変換部と、
   前記第１の位置偏差と前記第２の補正量に基づいて前記サーボモータを制御する制御部と、
   を備え、
   前記基準位置作成部は、前記サンプリング周期と前記サンプリング周期毎の前記位置指令又は前記被駆動体の位置から計算される速度の絶対値を周期的に往復動作する被駆動体の１周期分積算したものを複数に分割して基準位置を作成することを特徴とするサーボモータ制御装置。
2. 前記サンプリング周期と前記サンプリング周期毎の前記位置指令又は前記被駆動体の位置から計算される速度の極性に応じて前記第１の位置偏差と前記第２の補正量の極性を反転させる極性反転部を有することを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
3. 前記基準位置作成部及び極性反転部は、前記位置指令又は前記駆動体の位置の代わりに、周期的に往復動作する前記被駆動体に同期して動作する他の駆動体の位置を使用することを特徴とする請求項２に記載のサーボモータ制御装置。
4. 前記サーボモータ制御装置は、前記第１変換部で変換された前記第２の位置偏差に前記記憶部に記憶された前記第１の補正量を加算した新たな第１の補正量の帯域を制限する第１フィルタと、前記記憶部に記憶された前記第１の補正量が、前記サンプリング周期毎の第２の補正量に変換する前記第２変換部に送られる前に、該第１の補正量の位相補償及びゲイン補償を行う第２フィルタと、を備えたこと特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーボモータ制御装置。

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