JP4673326B2 - 回転軸の位置制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、数値制御機械の回転軸に適用される位置制御装置に関するものである。
図3は、制御対象プラントである回転軸の機構モデルの一例を示した図である。回転テーブル50はサーボモータ(図示しない)により、Zu軸回りに回転角θの回転動作を行う。回転テーブル50の重心Gの描く回転軌跡面とZu軸との交点を原点Ouとして、回転軌跡面上で重力に対して垂直方向にXu軸をとり、Zu軸,Xu軸と右手系を形成する様に、残りのYu軸をとる。
重心Gは、原点Ouから距離Lで、θ=0の時、角度aの位置にあるものとする。回転テーブル50は、都度、各種冶具・工具や加工対象物等が搭載固定されるため、負荷状態が変化し、重心Gも位置変動する。尚、gは重力加速度、角度bは重力に対する垂直平面とYu軸との成す角である。
図4は、前述の様な回転軸の回転角θを、上位装置(図示しない)より関数発生された位置指令値θc通りに制御するための、従来位置制御装置200の一例のブロック図である。
ここでは指令応答の高速化を図るため、フィードフォワード構成をとっている。具体的には、位置指令値θcは、微分器54で時間微分されて、速度フィードフォワード量Vfとなり、更に、Vfは微分器55で時間微分されて、加速度フィードフォワード量Afとなる。増幅器Cbにおける増幅率Cbは、加速度Afを回転軸に発生させるための、回転軸換算モータトルクに相当する加減速トルクフィードフォワード量τfを求める定数であり、通常、Cbは、回転軸換算されたモータを含む伝達系と、物体が搭載されていない回転テーブル50単体の慣性モーメントに相当する。
従来位置制御装置のフィードバック構成は次の様になっている。まず、回転角検出器(図示しない)により検出された回転角θは、減算器51により、位置指令値θcから減算され、その出力である位置偏差は位置偏差増幅器Gpで増幅される。その出力は、加算器52で速度フィードフォワード量Vfと加算されて速度指令値Vcとなる。減算器53は、速度指令値Vcから、回転角θを微分器56で微分した回転角速度ωを減算し、その出力である速度偏差は、速度偏差増幅器Gvで、通常、比例積分増幅される。この出力と加減速トルクフィードフォワード量τfが、加算器57で加算されて、回転軸換算トルク指令値τcとなり、電力増幅器CtでCt倍される。Ctは、サーボモータ特性に応じて定める定数であり、この出力τがサーボモータの回転軸換算発生トルクとなって回転テーブル50が駆動される。
特開2002−366230号公報 特開2003−323216号公報 特許第3351990号明細書
以上のように、従来の位置制御装置では、制御系の内部安定性確保や重力に起因した非線形特性を補償するためのフィードバック制御に、指令応答の高速化を図るため、ノミナルな線形特性に対してフィードフォワード制御を付加した全体構成をとっている。しかしながら、回転テーブルには、前述の様に、都度、各種冶具・工具や加工対象物等が搭載固定されるため、慣性モーメントが増大し、重心が変動することになる。すると、加減速トルクフィードフォワード量τfは不足し、フィードバック制御帯域は縮小し、且つ、重力に起因した非線形特性が増大するため、制御性が劣化して、位置決め性能の低下や位置決め時の位置決め角度による応答ばらつきが発生した。
また、これらの変動要素が把握できないために、上位装置側で、位置指令値θcを関数発生するための、加速度制約や遠心力による速度制約が判断できず、結果として、効率的な関数発生ができなかった。更に、減速機構を持たないダイレクトドライブ駆動適用時には、前述の変動要素が相対的に増大するため、これらの問題点が一層大きくなる傾向にあった。
本発明は上記従来技術の問題点を鑑み、慣性モーメントや重心の変動に応じて、好適に対応しうるフィードバック制御とフィードフォワード制御が構成された位置制御装置を提供することを目的とする。
本発明の位置制御装置においては、制御対象である数値制御機械の回転軸の実際の運動と、制御対象を数学モデルとして表した同定モデルにより算出された運動との誤差に基づき同定モデルの各パラメータを決定し、このパラメータに基づき制御対象への入力を修正する。
同定モデルは回転軸の運動を記述する運動方程式であり、角加速度に係る項と、回転角に係る項とからなる。この同定モデルに対し、制御対象の回転軸の実際の角加速度および回転角と、数値制御機械に対するトルク指令値に基づき同定モデルのパラメータの同定を行う。そして、同定されたパラメータを用いて、トルク指令値の修正を行い、現在の制御対象の条件に則した制御を行う。
特に、本発明の位置制御装置においては、同定モデルに回転角に係る項を含んでいる。これにより、回転角に依存して変動する負荷に対応してトルク指令値の修正を行うことができる。例えば、制御対象の重心が回転の軸線からずれており、その軸線が鉛直ではない場合には、重心に作用する重力により、負荷が回転角に依存して変動する。このような制御対象であっても、負荷変動に追従した制御を実行することができる。
以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。
図3の対象プラントに対して、その運動方程式を導出する。この場合、一般化座標系として、回転角θをとればよく、数式(1)の運動方程式が得られる。
τ=(ML2+Iz+Im)(dω/dt)+M・g・L・SINb・COS(θ+a)
・・・・・(1)
ここで、Mは搭載固定された各種冶具・工具や加工対象物を含む回転テーブル全体の質量,Izは、重心Gを通るZu軸の平行軸回りの回転テーブル全体の慣性モーメント,Imは、モータを含む伝達系の回転軸換算慣性モーメントである。
今、数式(2),(3)で、3次元の信号ベクトルξとパラメータベクトルγを定義すると、(以降、ベクトルや行列の転置は右上にTを付して表す。)
ξ=[dω/dt,COSθ,−SINθ]T ・・・・・(2)
γ=[ML2+Iz+Im,MgLSbCa,MgLSbSa]T ・・・・・(3)
(但し、Sb=SINb,Ca=COSa,Sa=SINaと表記する。)
数式(1)の運動方程式は、数式(4)の実系モデルで表現できる。
τ=Ct・τc=ξTγ ・・・・・(4)
図1は、本発明による位置制御装置100の構成を示すブロック図である。尚、本ブロック図において、図4(従来例)と同一の部分においては、同一の名称及び番号をつけて説明を省略する。適応ループ演算部2は、トルク指令値τcと信号ベクトルξから、パラメータベクトルγの推定値である同定パラメータベクトルγIDを演算するブロックである。
図2は、適応ループ演算部2の構成を示すブロック図である。一般化適応則21は、公知(「ロバスト適応制御入門 オーム社」p62など)の数式(5),(6)により、同定パラメータベクトルγIDを演算する。(以降、あるサンプリング時間毎の時系列信号においてkサイクル目の信号を(k)と表記する。)
γID(k)=γID(k-1)−P(k-1)・ξ(k)・ξ(k)TΦ(k) ・・・・・(5)
P(k)-1=C1(k)・P(k-1)-1+C2(k)・ξ(k)ξ(k)T ・・・・・(6)
但し、0<C1(k)≦1,0≦C2(k)<2,P(0)>0とする。
追従スカラ誤差ξ(k)TΦ(k)は、信号ベクトルξ(k)と同定パラメータベクトルγID(k)を乗算器22で乗算して得たスカラ信号ξ(k)TγID(k)から、減算器23でサーボモータの発生トルクτ(k)を差し引いた信号である。つまり、追従スカラ誤差ξ(k)TΦ(k)は、数式(5)も用いて、数式(7)で表現でき、これより、1サイクル前のγID(k-1)を利用して演算できる。
ξ(k)TΦ(k)=ξ(k)TγID(k)−τ(k)
=ξ(k)TID(k-1)−P(k-1)・ξ(k)・ξ(k)TΦ(k)]−τ(k)
・・・・・(7)
ここで、信号ベクトルξ(k) Tを時系列に行方向に並べた、数式(8)の行列K(k)を考えた時、
K(k)=[ξ(1),ξ(2),・・・,ξ(k)]T ・・・・・(8)
行列K(k)が継続的に列フルランクであれば、k→∞で、γID(k)→γとなってパラメータ同定は成立し、更に、収束応答よりもパラメータベクトルγの変化が十分に遅ければ、変化に対して追従した同定パラメータベクトルγID(k)を得られることが知られている。
数式(6)で、任意のkにおいてP(k)>0が保証されるため、P(k)の特異値σ(P(k))は固有値λ(P(k))に一致する。このため、あるタイミング以降で、数式(8)の行列K(k)が列フルランク性を失い続けると、C1(k)<1の時、数式(6)は、λmax(P(k))→∞となることを意味している。これは、P(k)のある要素{pij}→∞を意味するから、結局、P(k)を演算できなくなる事につながる。以上のことから、行列K(k)が列フルランク性を失い続けてもP(k)が有界に留まることと、C1(k)→1になることは等価であることがわかる。
本例では、公知の一般化適応則の中で、固定トレースアルゴリズムを利用する。これは、tr[P(k)]>λmax(P(k))である事から、任意のkで、tr[P(k)]=tr[P(0)]:(一定値)と制御すればP(k)を有界に留めることができるからである。このために、数式(9)でC1(k)を決定する。
1(k)=1−[|P(k-1)ξ(k)|2/[C+ξ(k)TP(k-1)ξ(k)]]・[1/tr[P(0)]]
・・・・・(9)
ここで、C=C1(k)/C2(k) :(一定値)>0.5 である。
すると、前述のことから、行列K(k)が列フルランク性を失い続けてもP(k)が有界に留まるため、C1(k)→1になって、数式(9)よりP(k-1)ξ(k)→0、よって、数式(5)のパラメータ同定動作が停止することがわかる。逆に、行列K(k)が列フルランク性を回復すると、数式(6)より、λmax(P(k))が小さくなり、tr[P(k)]が一定だから、他の固有値は大きくなる。すると数式(9)において、C1(k)は1より小さくなって、数式(5)のパラメータ同定動作が回復実行することになる。
図1に戻って、本実施例の動作について説明する。信号ベクトル生成部1は、回転角θに対して三角関数演算を行い、COSθと−SINθを演算し、回転角速度ωを微分してdω/dtを求める。つまり、信号ベクトル生成部1は、数式(2)における信号ベクトルξの元信号を生成するブロックになる。但し、この出力は、パラメータ同定制御部3の2値(1または0)出力IDCと乗算器4で乗算されて、適応ループ演算部2の入力である信号ベクトルξになる。
次に、パラメータ同定制御部3の動作について説明する。数式(1)の運動方程式は、対象プラントに加わる外乱や誤差を含めていない。このため、外乱や誤差が存在すると、同定結果に誤差が発生する。また、数式(8)の行列K(k)が列フルランク性を確保できないとパラメータ同定動作が機能しないことから、数式(2)の信号ベクトルξにおいて、dω/dt≠0であることがパラメータ同定の必要条件になる。更に、図1における電力増幅器Ctは、回転角速度ωが大きくなると制御性が低下して、正確にCt倍の電力増幅が実現しにくくなる。
以上のことから、パラメータ同定制御部3では、速度フィードフォワード量Vf,加速度フィードフォワード量Af及び上位装置からのパラメータ同定制御2値信号OIDCに対して、数式(10)〜数式(12)の論理式を設定し、2値信号IDCを出力し、パラメータ同定動作の実行/停止を制御する。数式(12)を満たす場合、IDCとして1が出力される。
cond1=(0<Vf≦Vmax)∩(0<Af) ・・・・・(10)
cond2=(−Vmax≦Vf<0)∩(Af<0) ・・・・・(11)
IDC=(cond1∪cond2)∩OIDC ・・・・・(12)
ここで、Vmax(>0)は、電力増幅器Ctが正確にCt倍の電力増幅を行う速度制限値であり、cond1は正方向加速状態、cond2は負方向加速状態を抽出している。減速状態は位置決め時に制御パラメータ(後述するGIDやτfn)が変化しない様、同定動作を停止させる。パラメータ同定制御2値信号OIDCは、回転テーブル50に外部環境からの接触や加工があり、外乱が加わると想定される場合に、上位装置から0を出力することで、パラメータ同定動作を停止させることができる。
適応ループ演算部2の同定パラメータベクトルγIDの第1要素は、数式(3)から、数式(1)の対象プラントにおける運動方程式の慣性モーメントの同定値(ML2+Iz+Im)IDになる。慣性モーメント係数演算部5は、これを入力として、数式(13)で慣性モーメント係数GIDを出力する。
ID=(ML2+Iz+Im)ID/(Cb・Ct) ・・・・・(13)
慣性モーメント係数GIDは、加算器57出力と乗算器8で乗算される。このため、加減速トルクフィードフォワード量τfは、数式(1)の運動方程式における右辺第1項の線形部分に対応する好適な量になる。
また、モータを含む伝達系と回転テーブル50単体の慣性モーメントに対応して初期設定された速度偏差増幅器Gvの伝達特性をGv(s)とおくと、一定の速度制御ループ特性を与える伝達特性Gv'(s)は、数式(14)を満たす必要がある。
Gv'(s)/(ML2+Iz+Im)=Gv(s)/(Cb・Ct) ・・・・・(14)
よって、数式(13)の慣性モーメント係数GIDを乗ずることは、速度偏差増幅器Gvの伝達特性が、GID・Gv(s)となって、数式(14)のGv'(s)に一致するため、速度制御ループ特性の一定化つまりは、位置ループを含めたフィードバック制御帯域の一定化が図れる。
適応ループ演算部2の同定パラメータベクトルγIDの第2,3要素は、数式(3)から、(MgLSbCa)ID,(MgLSbSa)IDになる。非線形要素演算部6は、位置指令値θcに対して三角関数演算を行い、COSθcと−SINθcを演算し、同定パラメータベクトルγIDの第2,3要素との間で、数式(15)の演算により、非線形要素トルク補償量τfnを求める。
τfn=(1/Ct){(MgLSbCa)ID・COSθc
+(MgLSbSa)ID・(−SINθc)}
・・・・・(15)
ここで、Ct・τfnは、MgLSb・COS(θc+a)と見なせるから、数式(1)の対象プラントにおける運動方程式の非線形要素である右辺第2項の推定値になる。よって、τfnを加算器9で、乗算器8出力に加算することにより、非線形要素に対するフィードフォワード補償ができる。
制約情報演算部7では、適応ループ演算部2の同定パラメータベクトルγIDから、数式(16)の演算を行う。
(MgLSb)ID={(MgLSbCa)ID 2+(MgLSbSa)ID 21/2
・・・・・(16)
(MgLSb)IDは、非線形要素の最大振幅を意味するから、既知情報であるサーボモータの回転軸換算発生トルク制限値τLIMとの間で、数式(17)の演算を行う。
LIM={τLIM−(MgLSb)ID}/(ML2+Iz+Im)ID ・・・・・(17)
LIMは、現在の負荷条件下で、位置制御装置が達成できる最大角加速度を示している。
次に、重力加速度gと角度bは既知であるから、数式(16)の(MgLSb)IDから、数式(18)が演算できる。MLIDは、現在の負荷条件下における(質量)×(重心と回転中心軸の距離)と見なせる。
MLID=(MgLSb)ID/(gSb) ・・・・・(18)
制約情報演算部7は、演算されたALIMとMLIDを、現在の負荷条件下における制約情報として、上位装置に出力する。これらの制御情報の範囲内で位置指令値θcの関数発生がなされる。
角速度ωと、本発明による位置制御装置より出力されるMLIDから求まるMLIDω2は、Zu軸つまりは、回転テーブル50の回転中心軸に加わる遠心力と見なせる。このため、上位装置では、駆動部のラジアル荷重耐量から、許容できる最大角速度VLIMを求めることができ、前述の最大角加速度ALIMと合わせて、現在の負荷条件に応じた、位置指令値θcの最適な関数発生ができる。
本発明によれば、数値制御機械の回転軸における慣性モーメントや重心の変動に対して、フィードバック制御帯域の一定化が図れる。加えて、線形特性及び非線形特性に対しては、フィードフォワード制御の好適化が図れるため、制御性が劣化せず、位置決め性能の低下や位置決め時の位置決め角度による応答ばらつきを軽減できる。また、上位装置側で、負荷状態に応じた加速度制約や遠心力による速度制約が把握できるため、位置指令値θcの最適な関数発生が可能になる。更に、減速機構を持たないダイレクトドライブ駆動適用時には、これらによる制御効果が一層顕著になる。
本実施形態の回転軸の位置制御装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態の適応ループ演算部の構成を説明するブロック図である。 対象プラントである回転軸の概略機構モデルである。 従来の回転軸の位置制御装置の構成例を示すブロック図である。
符号の説明
1 信号ベクトル生成部、2 適応ループ演算部、3 パラメータ同定制御部、4,8,22 乗算器、5 慣性モーメント係数演算部、6 非線形要素演算部、7 制約情報演算部、21 一般化適応則、50 対象プラント(回転テーブル)、θc 位置指令値、Gp 位置偏差増幅器、Vf 速度フィードフォワード量、Vc 速度指令値、Af 加速度フィードフォワード量、Cb 増幅器、Gv 速度偏差増幅器、τf 加減速トルクフィードフォワード量、θ 回転角、ω 回転角速度、τc トルク指令値、Ct 電力増幅器、τ モータ発生トルク、GID 慣性モーメント係数、τfn 非線形要素トルク補償量、ALIM 最大角加速度、MLID (質量)×(重心と回転中心軸の距離)、γID 同定パラメータベクトル、ξ 信号ベクトル、OIDC パラメータ同定制御2値信号、IDC 2値信号、ξTΦ 追従スカラ誤差、100,200 位置制御装置、Xu,Yu,Zu 基準座標系、Ou 基準座標系原点、G 重心、g 重力加速度、a 重心角度、b 回転テーブル傾斜角、L 重心距離。

Claims (5)

  1. 上位装置からの位置指令値(θc)に従って、位置及び速度のフィードバックループと速度及び加減速トルクのフィードフォワードによりサーボトルクの回転軸換算トルク指令値(τc)を算出し、数値制御機械の回転軸を含む対象プラントの回転角(θ)をサーボモータにより制御する位置制御装置であって、
    検出器により検出された前記回転軸の実際の回転角(θ)と該回転角(θ)を2回微分した角加速度(dω/dt)を求め、これらの角加速度および回転角を要素とする信号ベクトル(ξ)を生成する信号ベクトル生成部と、
    前記対象プラントの運動方程式である同定モデルから求めた
    (回転軸換算トルク指令値(τc))×Ct
    =(信号ベクトル(ξ))×(パラメータベクトル(γ))
    ただし、Ctは、サーボモータ特性に応じて定める定数
    に対し、前記信号ベクトル(ξ)と回転軸換算トルク指令値(τc)とから適応同定を行い、パラメータベクトル(γ)の推定値(γ ID )を算出する適応ループ演算部であって、前記パラメータベクトル(γ)は、前記対象プラントの同定モデルの角加速度に関する項の係数に係る要素と、前記対象プラントの同定モデルの回転角に関する項の係数に係る要素とからなるベクトルである、適応ループ演算部と、
    前記パラメータベクトルの推定値(γ ID )の、角加速度に関する項の係数に係る要素に基づき、慣性モーメント係数(G ID )を
    ID =(角加速度に関する項の係数に係る要素)/(Cb×Ct)
    ただし、Cbは、回転軸換算されたサーボモータを含む伝達系と対象プラント単 体の慣性モーメント
    により算出する慣性モーメント係数演算部と、
    前記パラメータベクトルの推定値(γ ID )の回転角に関する項の係数に係る要素と、回転軸の回転角とに基づき、非線形要素トルク補償量(τfn)を、
    τfn=(回転角に関する項の係数に係る要素)×(回転軸の回転角)/Ct
    により算出する非線形要素演算部と、
    前記サーボトルクの回転軸換算トルク指令値(τc)と前記慣性モーメント係数(G ID )を乗算し、さらに前記非線形要素トルク補償量(τfn)を加算し、修正した回転軸換算トルク指令値(τc)を得る乗加算器とを有し、
    該修正した回転軸換算トルク指令値に基づき回転軸を含む対象プラントの回転角(θ)をサーボモータにより制御することを特徴とする位置制御装置。
  2. 請求項1に記載の位置制御装置であって、
    前記対象プラントは、治具・工具や加工対象物が搭載固定された回転テーブルであって、前記搭載固定された治具・工具や加工対象物を含む回転テーブル全体の質量がM、重心(G)を通りかつ回転テーブルの回転軸(Zu)に平行な軸回りの回転テーブル全体の慣性モーメントがIz、モータを含む伝達系の回転軸換算慣性モーメントがImであり、
    前記信号ベクトル(ξ)は、
    ξ=[dω/dt,COSθ,−SINθ] T
    であり、
    前記対象プラントの同定モデルは、
    τ=(ML 2 +Iz+Im)(dω/dt)+M・g・L・SINb・COS(θ+a)
    aは、θ=0のときの重心Gの角度位置、
    bは、重力の向きに垂直な平面に対する前記回転テーブルの傾きである回転軸 の傾き角
    であり、
    前記パラメータベクトル(γ)は、
    γ=[ML 2 +Iz+Im,MgLSbCa,MgLSbSa] T
    ただし、Sb=SINb,Ca=COSa,Sa=SINa
    であり、
    前記慣性モーメント係数演算部は、慣性モーメント係数(G ID )を
    ID =(ML 2 +Iz+Im) ID /(Cb・Ct)
    に従い算出し、
    非線形要素演算部は、非線形要素トルク補償量(τfn)を、
    τfn=(1/Ct){(MgLSbCa) ID ・COSθc
    +(MgLSbSa) ID ・(−SINθc)}
    に従い算出する、
    位置制御装置。
  3. 請求項1または2に記載の位置制御装置であって、
    さらに、前記適応ループ演算部の適応同定を行うか否かを制御するパラメータ同定制御部を有し、
    前記パラメータ同定制御部は、速度フィードフォワード量(Vf)の絶対値が所定値以下であり、かつ加速度フィードフォワード量(Af)が0でないとき、適応同定を行うよう制御する、
    位置制御装置。
  4. 請求項1または2に記載の位置制御装置であって、
    さらに、前記パラメータベクトルの推定値(γIDを構成する各加速度に関する項の係数に係る要素と、回転角に関する項に係る要素と、あらかじめ定められた前記サーボモータの発生トルク制限値(τ LIM とに基づき、現在の条件下で、当該位置制御装置が達成可能な最大角速度(A LIM を算出し、この達成可能な最大角速度を当該位置制御装置の上位装置に出力する制約情報演算部、
    を有する位置制御装置。
  5. 請求項1または2に記載の位置制御装置であって、
    さらに、前記パラメータベクトルの推定値(γ ID の回転角に関する項に係る要素と、重力加速度と、重力の向きに垂直な平面に対する前記回転テーブルの傾きである回転軸の傾き角(b)とに基づき、対象プラントの質量(M)と、重心と回転中心軸の距離(L ID との積(ML ID を算出し、これを制約情報として上位装置に出力する制約情報演算部、
    を有する位置制御装置。
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