JP4636271B2

JP4636271B2 - サーボ制御装置とその調整方法

Info

Publication number: JP4636271B2
Application number: JP2006125165A
Authority: JP
Inventors: 康行竹井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007299122A

Description

本発明は、工作機械などを駆動するサーボ制御装置に関わり、特にサーボモータの移動方向反転時に生じる応答誤差の調整方法に関する。

サーボモータの移動方向反転時に生じる応答誤差を自動的に調整する装置として特許文献１がある。特許文献１の調整装置は、工作機械などを駆動するサーボモータに対し、指定した円弧半径および送り速度にて円弧補間を行い、位置指令とサーボモータまたは、機械の位置から応答誤差を算出し、応答誤差と予め設定された閾値とを比較し、応答誤差が閾値以上であった場合は、移動方向反転時に前記サーボモータへの指令トルクに応答誤差が減じるように補正トルクを付加する。

図４は、特許文献１の従来技術を示すサーボ調整装置と工作機械の送り軸を制御するサーボ制御装置のブロック図である。図４において、４０１は、加工プログラムを解析し、円弧半径や送り速度などを分配部に指令する解析部、４０２は、円弧補間を行なう制御軸に対し、前記解析部から入力された円弧半径や送り速度に従って位置指令を分配する分配部、４０３および４０９は、分配部から位置指令を入力し、位置指令にモータ位置を追従するようにサーボモータを制御するＸ軸およびＹ軸のモータ制御部、４０４および４１０は、移動方向反転時に生じる応答誤差を低減するために付加する補正トルクを算出するＸ軸およびＹ軸のトルク補正部、４０５および４１１は、工作機械のＸ軸およびＹ軸を駆動するＸ軸およびＹ軸サーボモータ、４０６および４１２は、前記Ｘ軸およびＹ軸モータの位置を検出するＸ軸およびＹ軸位置検出器、４０７は、Ｘ軸およびＹ軸によって駆動されるテーブル、４０８および４１３は、Ｘ軸およびＹ軸モータによって駆動されるボールネジ、４１４はＸ軸およびＹ軸による移動軌跡を求める２軸信号合成器、４１５は、２軸信号合成器によって算出された移動軌跡を表示する軌跡表示装置である。

図５は、特許文献１のフローチャートである。まず、プログラムを解析し、指令された円弧半径および送り速度に応じてＸ軸およびＹ軸モータを駆動する（ステップＳ１１）。次に、位置検出器によってＸ軸およびＹ軸モータの位置を検出するとともに、Ｘ軸およびＹ軸による移動軌跡を作成する（ステップＳ１２）。次に、指令位置と実際のモータ位置から応答誤差および補正トルクの更新を判別する閾値（ε０）を演算する（ステップＳ１３）。次に、応答誤差と閾値（ε０）を比較し、応答誤差が閾値より大きいか否かを判別する（ステップＳ１４）。ここで応答誤差がマイナス値、すなわち食い込みの場合を考慮し、−ε０≦応答誤差≦ε０として判定される。−ε０≦応答誤差≦ε０と判定された場合は、処理を終了し、判別条件が不満足の場合は、ステップＳ１５に移行する。−ε０≦応答誤差≦ε０と判定されなかった場合、応答誤差を減じるように補正トルクを演算し、モータの移動方向反転時に行なうトルク補正値を更新する（ステップＳ１５）。そして再びテスプログラムを実行する。その再、モータの移動方向反転時にステップＳ１５にて更新した補正トルクを各軸のモータ制御部にて指令トルクを補正する。以降、ステップＳ１１〜ステップＳ１５までを繰り返し実行し、−ε０≦応答誤差≦ε０となるまで補正トルクの更新が行なわれる。

また、モータの理想的な位置と実際の位置との偏差から応答誤差を推定し、応答誤差低減に利用するサーボ制御方法として特許文献２がある。特許文献２のサーボ制御方法では、理想的なサーボ系モデルに基づいて理想的な位置を演算し、この演算した理想位置と実際の位置との差分に、理想位置の方向反転時から所定の間のみ、所定のゲインを乗じ、これを上記速度指令に補正量として加える。図６は特許文献２のサーボ制御装置のブロック図である。図６において、１０１は位置指令生成部、１０２は位置制御部、１０３は速度制御部、１０４は電流制御部、１０５は電力増幅回路、１０６は機械系１１６を駆動するサーボモータ、１０７はサーボモータ１０６の回転位置を検出するエンコーダ、１０８はエンコーダ１０７の出力する位置検出信号１１０を微分して速度を算出する微分手段である。なお、エンコーダ１０７及び微分手段１０８によりモータ速度の検出手段が構成される。１０９は位置指令生成部１０１から出力される位置指令、１１０はエンコーダ７から出力される位置検出信号である位置フィードバック、１１１は位置制御部２から出力される速度指令、１１２は微分手段１０８から出力される速度検出信号である速度フィードバック、１１３は速度指令１１１と速度フィードバック１１２との差分である速度偏差信号、１１４は速度制御部１０３から出力される電流指令、１１５はサーボモータ１０６に流れる電流を示す電流フィードバック信号、１１６はサーボモータ１０６により駆動されるＣＮＣ工作機械等の機械系、１１７は機械系１１６からサーボモータ１０６に加わる反力や、摩擦による負荷トルク、１１８は速度制御部１０３における速度比例制御部、１１９は速度制御部１０３における速度積分制御部、１２０は速度比例制御部１１８の出力する比例項分指令、１２１は速度積分制御部１１９の出力する積分項分指令で、比例項分指令１２０に加算されることにより電流指令１１４となる。１２４は位置指令生成部１０１から出力される位置指令１０９を入力する、位置ループ系の理想モデル、１３３は位置ループ系の理想モデル１２４の出力速度信号、１２５は弾性変化が大きい機械系の遅れを考慮した理想モデル、１４１は理想モデルの位置１２６と実際の位置１１０との差分１２７を出力する減算部、１２８はゲインである。なおこのゲイン１２８は、大きく設定すればするほど補正効果は望めるが、実際に補正効果を上げるためには機械系を含めた速度ループ制御系の応答性が必要であり、この応答性が悪いとサーボ系として不安定となるため、実際の機械に適用した場合にはその速度ループ制御系次第で決定される。また、１４２は理想モデルの位置１２６と実際の位置フィードバック１１０との間の差分１２７にゲイン１２８を乗じ、速度指令補正信号（速度指令補正値）１２９を出力する乗算部、１４３は乗算部１３６より出力される速度指令補正信号（速度指令補正値）１２９を速度指令１１１に加算する加算部である。理想モデルの方向変化時を補正のタイミングとし、この方向変化時よりトルク指令が静摩擦を超える値となるまでの所定の時間（この所定時間は予めパラメータ設定しておく）のみ、あるいは方向反転後の理想モデルの移動量に機械系のばね定数などを掛けた値が静摩擦を超える値（この値も予めパラメータ設定しておく）以上となるまでの間のみ、乗算部１４２にて、理想モデルの位置１２６と実際の位置フィードバック１１０との間の差分１２７にゲイン１２８を乗じることにより速度指令補正値１２９を生成し、この補正値１２９を、加算部１４３にて、位置制御による出力である速度指令１１１に加算するように動作する。
特許第３４７８９４６号公報（図１）国際公開番号ＷＯ２００２／０３９５７４公報（図１）

特許文献１の応答誤差の調整装置では、円弧動作をする２軸（例えばＸ軸およびＹ軸）の位置検出器によって検出されたモータの位置を基にＸ軸およびＹ軸による移動軌跡を作成し、円弧指令位置と移動軌跡から応答誤差を演算するステップが必要である。２軸の移動軌跡の作成処理は、各軸のサーボモータを制御するサーボ制御装置単体では行なうことができないため、上位コントローラや別途サーボ調整ツールなどで行なうことになる。従って応答誤差算出のために特別な演算を行なわない上位コントローラでは、応答誤差調整ができないという問題があった。
特許文献２の応答誤差補正方法では、理想モデルと実際の位置を用いて補正量を作成するが、補正時間や補正ゲインは繰り返しテストプログラムを実行し、応答誤差を確認しながら手動調整するため、調整には時間と労力を費やす。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、サーボ制御装置単体で移動方向反転時の応答誤差補正の調整ができて、かつ、適切な応答誤差補正調整を自動的に行なうことができるサーボ制御装置とその調整方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御器と、積分制御を有し前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づき電流を制御しモータを駆動する電流制御部と、応答誤差を補正する応答誤差補償器を有するサーボ制御装置において、前記応答誤差補償器は、モデルに基づいて理想位置を演算する位置制御モデル部と、前記理想位置と実際の位置フィードバックとの差分から応答誤差を推定する応答誤差推定器と、速度ループの積分ゲインの補正を実行する積分ゲイン補正部と、を備え、前記応答誤差補償器は、テストプログラムを実行したとき、前記応答誤差推定器により応答誤差を算出し、前記応答誤差が目標応答誤差範囲内でない場合は、前記応答誤差を低減するように積分ゲイン補正の補正値を調整することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御器と、積分制御を有し前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づき電流を制御しモータを駆動する電流制御部と、応答誤差を補正する応答誤差補償器を有するサーボ制御装置の調整方法において、目標応答誤差を設定するステップと、モデルに基づいて理想位置を演算するステップと、テストプログラムを実行し、前記理想位置と実際の位置フィードバックとの差分から応答誤差を算出するステップと、前記応答誤差が目標応答誤差範囲内でない場合は、前記応答誤差を低減するように積分ゲイン補正の補正値を調整するステップと、を備えることを特徴とするものである。

本発明によると、モータの理想的な位置と実際の位置との偏差から応答誤差を判定するため、サーボ制御装置単体で移動方向反転時の応答誤差補正の調整を行なうことができる。また、繰り返しテストプログラムを実行し、応答誤差が低減されるように積分ゲインを調整することによって、適切な応答誤差補正を自動的に行なうことができる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図１に基づいて説明する。

図１において、１は位置指令とサーボモータに取り付けられた検出器からの位置フィードバック信号を用いて速度指令を作成する位置制御器、２は速度指令に対しサーボモータに取り付けられた検出器を基に作成した速度フィードバック信号を用いてトルク指令を作成する速度制御器、３は速度指令と速度フィードバックの偏差を積算する積分器、４は前記積分器３の出力に乗算する速度ループ積分ゲイン、５は前記積分器３に積分ゲイン４を乗算した結果と速度フィードバックの偏差に対し乗算する速度ループ比例ゲイン、６はトルク指令に対し実際にモータを駆動する電流を制御する電流制御部、７は、サーボ制御装置によって制御されるサーボモータ、８はサーボモータ７または機械に取り付けられた位置検出器、９は前記モータによって駆動されるテーブル等のメカ機構、１０は、応答誤差補正を行なう応答誤差補償器である。

図２は応答誤差補償器のブロック図である。２０１は位置制御の応答特性をモデル化した位置制御モデル部であり、位置ループゲインＫｐの逆数を時定数フィルタとして与えられるフィードバックモデル部２０２とフィードフォワード部２０３で構成される。２０４は位置制御モデル部の出力である理想位置の移動方向が正方向またはゼロから負方向、あるいは負方向またはゼロから正方向に反転したことを判断した後の理想位置増分値を求める移動量測定器、２０５は位置制御モデル部２０１の出力である理想位置と実際の位置フィードバックの差分を求め、応答誤差を推定する応答誤差推定器、２０６は位置制御モデル部２０１の出力である理想位置と予め設定された補償終了位置とを比較し、応答誤差補正のための積分ゲイン補正のＯＮ／ＯＦＦを制御する補正判別器、２０７は実際に使用する速度ループの積分ゲインの補正を実行する積分ゲイン補正部である。補正判別器２０６で、位置制御モデル部２０１の出力である理想位置の移動方向が正方向またはゼロから負方向、あるいは負方向またはゼロから正方向に反転したことを判別したら積分ゲイン補正を開始し、移動量測定器２０４で測定した移動方向反転後の移動量が所定値以上となった場合に積分ゲイン補正を終了する。

図３は本発明のサーボ調整のフローチャートである。調整は図３（ａ）のように調整設定ステップと積分ゲイン調整ステップとからなる。図３（ｂ）は調整設定ステップのフローチャートである。まず調整設定ステップではステップ１は目標応答誤差（ε０ｍｉｎ、ε０ｍａｘ）を設定する。ステップ２は積分ゲイン補正を実施しない状態で、テストプログラムを実行し、位置制御モデル部の出力である理想位置と実際の位置フィードバックの差分から応答誤差を算出し、ε０ｍｉｎ≦応答誤差≦ε０ｍａｘとなる移動量を記録する。以降、記録した移動量を積分ゲイン補正を終了する所定値として以下のステップでサーボ調整を行なう。図３（ｃ）は積分ゲイン調整ステップのフローチャートである。ステップ３は積分ゲイン調整ステップで再度、テストプログラムを実行し、位置制御モデル部の出力である理想位置と実際の位置フィードバックの差分から応答誤差を算出する。ステップ４はε０ｍｉｎ≦応答誤差≦ε０ｍａｘを判定する。ε０ｍｉｎ≦応答誤差≦ε０ｍａｘと判定された場合は調整を終了する。ε０ｍｉｎ≦応答誤差≦ε０ｍａｘと判定されなかった場合はステップ５に移行する。次に応答誤差を減じるように積分ゲイン補正値を調整する。ステップ５で積分ゲインは図３（ｄ）に示すように応答誤差＞ε０ｍａｘの場合は、積分ゲインを上昇し、ε０ｍｉｎ＞応答誤差の場合は、積分ゲインを低減するように調整される。再びステップ２のプログラムを実行する。以降ステップ３〜ステップ５までを繰り返し実行し、ε０ｍｉｎ≦応答誤差≦ε０ｍａｘとなるまで積分ゲイン補正値の調整が行なわれる。

本発明のサーボ制御装置の構成を示すブロック図本発明のサーボ制御装置の応答誤差補償器の構成を示すブロック図本発明の方法の処理手順を示すフローチャート従来の方法（特許文献１）を適用したサーボ調整装置の構成を示すブロック図従来の方法の処理手順を示すフローチャート従来の方法（特許文献２）を適用したサーボ制御装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１位置制御器
２速度制御器
３積分器
４速度ループ積分ゲイン、
５速度ループ比例ゲイン
６電流制御部
７サーボモータ
８位置検出器
９テーブル
１０応答誤差補償器
２０１位置制御モデル
２０２フィードバックモデル部
２０３フィードフォワード部
２０４移動量測定器
２０５応答誤差算出部
２０６補正判別器
２０７積分ゲイン補正部

Claims

位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御器と、積分制御を有し前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づき電流を制御しモータを駆動する電流制御部と、応答誤差を補正する応答誤差補償器を有するサーボ制御装置において、
前記応答誤差補償器は、
モデルに基づいて理想位置を演算する位置制御モデル部と、
前記理想位置と実際の位置フィードバックとの差分から応答誤差を推定する応答誤差推定器と、
速度ループの積分ゲインの補正を実行する積分ゲイン補正部と、を備え、
前記応答誤差補償器は、
テストプログラムを実行したとき、前記応答誤差推定器により応答誤差を算出し、
前記応答誤差が目標応答誤差範囲内でない場合は、前記応答誤差を低減するように積分ゲイン補正の補正値を調整することを特徴とするサーボ制御装置。
位置指令と位置信号から速度指令を生成する位置制御器と、積分制御を有し前記速度指令と速度信号からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に基づき電流を制御しモータを駆動する電流制御器と、応答誤差を補正する応答誤差補償器を有するサーボ制御装置の調整方法において、
目標応答誤差を設定するステップと、
モデルに基づいて理想位置を演算するステップと、
テストプログラムを実行し、前記理想位置と実際の位置フィードバックとの差分から応答誤差を算出するステップと、
前記応答誤差が目標応答誤差範囲内でない場合は、前記応答誤差を低減するように積分ゲイン補正の補正値を調整するステップと、
を備えることを特徴とするサーボ制御装置の調整方法。