JP4992323B2 - サーボモータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に産業用ＦＡサーボモータを制御する制御装置に関する。

サーボモータの動作安定性を確保し、速度指令あるいは位置指令への追従性能を十分に発揮させるためには、サーボモータの負荷の慣性や剛性に応じて、制御パラメータに適切な値を設定することが必要である。

従来のサーボモータの制御装置では、前述の目的達成のため、サーボモータの負荷の慣性や剛性に応じて、制御パラメータに適切な値を設定するパラメータ設定手段あるいはオートチューニング手段と呼ばれるものが装備されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３１９２８４号公報

解決しようとする問題点は、速度指令あるいは位置指令に対するサーボモータの追従性、具体的にはサーボモータの回転速度あるいは回転位置の整定性である。たとえ従来のサーボモータの制御装置によって制御パラメータを最適値に設定したとしても、入力される速度指令あるいは位置指令のプロファイルによっては、前記の回転速度あるいは回転位置の整定性は悪化する。例えば、位置決め動作時の回転速度あるいは回転位置の収束波形が振動的になったりすることがある。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、速度指令あるいは位置指令のプロファイルに左右されることが少なく、滑らかな追従性あるいは整定性を発揮するサーボモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、ローパスフィルタの特性を有し速度指令あるいは位置指令を入力する指令前置フィルタと、前記指令前置フィルタの出力信号を入力して、それに追従するようにサーボモータの回転速度あるいは回転位置を検出してフィードバック制御を行うフィードバックループと、前記サーボモータの負荷の剛性に応じて前記フィードバックループに内包される複数の制御パラメータを設定するパラメータ設定手段とを有したサーボモータの制御装置において、前記パラメータ設定手段は前記フィードバックループ及び前記複数の制御パラメータによって決まる前記サーボモータの応答周波数であるサーボ帯域に応じて、その応答周波数を狭めない範囲で前記指令前置フィルタの遮断周波数を設定する構成であり、前記パラメータ設定手段には前記剛性の値、前記複数の制御パラメータの値、前記サーボ帯域の値及び前記指令前置フィルタの遮断周波数が記録されたパラメータテーブルを含み、前記指令前置フィルタの遮断周波数は前記パラメータテーブルに記録された各値に従って設定されるサーボモータの制御装置である。

本発明のサーボモータの制御装置によれば、指令前置フィルタに入力された速度指令あるいは位置指令は指令前置フィルタが有するローパスフィルタの特性によってサーボモータの応答周波数より高い周波数成分が遮断され、サーボモータの応答周波数より低い周波数成分の波形に変換されて、フィードバックループに入力されサーボモータが駆動される。

したがって、サーボモータは無理なく速度指令あるいは位置指令に追従することができ、滑らかな追従性あるいは整定性を発揮するサーボモータを提供することができる。

ローパスフィルタの特性を有し速度指令あるいは位置指令を入力する指令前置フィルタと、前記指令前置フィルタの出力信号を入力して、それに追従するようにサーボモータの回転速度あるいは回転位置を検出してフィードバック制御を行うフィードバックループと、前記サーボモータの負荷の剛性に応じて前記フィードバックループに内包される複数の制御パラメータを設定するパラメータ設定手段を有したサーボモータの制御装置において、前記パラメータ設定手段が前記フィードバックループ及び前記複数の制御パラメータによって決まる前記サーボモータの応答周波数に応じて、その応答周波数を狭めない範囲で前記指令前置フィルタの遮断周波数を設定するという構成をとる。

すなわち、パラメータ設定手段において、パラメータテーブルを設け、定められたサーボモータの負荷の各剛性値に対応した制御パラメータを設定する。そして、この制御パラメータと並列に指令前置フィルタの遮断周波数を設定する。

図１において、モータ１０１は負荷１０２と接続されている。モータ１０１にはエンコーダ１０３も接続され、モータ１０１の回転位置に対応した値が出力される。エンコーダ１０３の出力値は微分演算手段１１０において微分処理され、モータ１０１の回転速度に変換された値が出力される。外部より入力される速度指令は、指令前置フィルタ１０６に入力される。指令前置フィルタ１０６はローパスフィルタの特性を有しており、例えば図２に示すように所定の遮断周波数以上の信号を減衰させる作用を持つ。

指令前置フィルタ１０６を通った速度指令の信号は、フィードフォワードゲイン乗算手段１０９に入力されると同時に、演算手段１１３において微分演算手段１１０の出力するモータ速度の信号との差の信号が演算される。この信号は速度誤差に該当し、積分演算手段１１１に入力されて位置誤差に該当する信号に変換される。この信号は、位置ゲイン乗算手段１０８に入力され、所定の位置ゲインＫｐを乗じて出力される。さらに、この信号はフィードフォワードゲイン乗算手段１０９にて所定のフィードフォワードゲインＫｆを乗じて出力された速度指令の信号と、演算手段１１２において加算されると同時に、微分演算手段１１０の出力するモータ速度の信号との差の信号が演算される。その後、この信号は速度ゲイン乗算手段１０７に入力され、所定の速度ゲインＫｖを乗じて出力され、この信号を元にサーボモータ１０１が駆動される。

前述のフィードフォワードゲインＫｆ、位置ゲインＫｐ、速度ゲインＫｖはすべて制御パラメータと称するものであり、パラメータ設定手段１０５は外部より入力される剛性設定に従って、各制御パラメータの値を設定する。また、同時にパラメータ設定手段１０５は、指令前置フィルタ１０６の遮断周波数を設定する。なお、指令前置フィルタ１０６の出力する速度指令信号を入力し、サーボモータ１０１の回転位置を検出して、サーボモータ１０１を駆動する信号を生成する部分はまとめてフィードバックループ１０４と称して扱う。

なお、ここでは、フィードバックループ１０４に速度指令が入力される形式となっているが、フィードバックループ１０４の内部に積分演算手段１１１があり、ここで積分演算が行われるため、実質的には外部より位置指令が入力されると見なすことができる。

今、フィードフォワードゲインがＫｆ＝０、サーボモータ１０１を含めた負荷１０２の慣性モーメントをＪすると、位置指令ｒからサーボモータ１０１の回転角θまでの伝達ブロック図は図３のように書ける。図３に従って、位置指令ｒから回転角θまでの伝達関数を求めると、（数１）のようになる。

この式でダンピング係数をζ、固有角周波数をω_nとし、（数２）と（数３）のように定数を置き換えると、（数１）は（数４）のような一般的な２次伝達関数と等価であることがわかる。

ここでフィードバックループ１０４を含めたサーボモータ１０１のサーボ帯域をｆ_sとすると、ｆ_sは速度ゲインＫｖと慣性モーメントＪで決まり、２πｆ_s＝Ｋｖ／Ｊの関係がある。従って（数２）より、２ζω_n＝２πｆ_sの関係が成り立ち、（数４）より振幅伝達特性は（数５）のように表せる。

結果として、θ／ｒの伝達周波数特性、つまり位置指令に対するサーボモータ１０１の応答周波数特性は、図４に示すようになる（ｆ_s＝１００［Ｈｚ］、ζ＝０．７の場合）。すなわち、サーボ帯域ｆ_sより低い周波数ではサーボモータ１０１は位置指令に追従することができるが、サーボ帯域ｆ_sより高い周波数では十分に追従することができなくなることがわかる。

このような応答周波数特性のサーボモータ１０１に図５（ａ）にような波形の速度指令を入力した場合のサーボモータ１０１の回転速度応答波形を図５（ｂ）に示す。これらの図から分かる通り、速度指令に対しサーボモータ１０１の回転速度が遅延していることが
分かる。この遅延はサーボモータ１０１のサーボ帯域ｆ_sと関係しており、ｆ_sが高いほど応答性が良いため遅延は少なく、ｆ_sが低いほど遅延は大きい、すなわち性能的に劣ると言える。

次に、フィードバックループ１０４内の制御パラメータについて説明する。（数２）を変形して（数６）、（数７）が成り立ち、また（数２）と（数３）から（数８）、（数９）が成り立つ。

前述のサーボ帯域ｆ_sは通常サーボモータの負荷の剛性に応じて決定する。すなわち、負荷の剛性が低い場合にサーボ帯域ｆ_sを大きくすると、振動や発振が生じ動作が安定しないなどの問題が生じるからである。従って、負荷１０２の剛性が高い場合にはサーボ帯域ｆ_sを大きくし、逆に剛性が低い場合にはサーボ帯域ｆ_sを小さくする。剛性を決定し、サーボ帯域ｆ_sが決まり、負荷１０２の慣性モーメントＪが分かれば、（数７）及び（数９）より、制御パラメータである速度ゲインＫｖと位置ゲインＫｐが決定される。なお、ダンピング係数ζは、安定性の観点から通常ζ＝０．７〜１．０程度の値が定数として用いられることが多い。従って、負荷１０２の剛性と慣性モーメントＪが決まれば、自動的に制御パラメータの速度ゲインＫｖと位置ゲインＫｐが決まることになる。なお、フィードフォワードゲインＫｆは通常０．３〜０．５程度の値が用いられることが多い。前述のような制御パラメータの計算処理は、パラメータ設定手段１０５で行われ、決定した制御パラメータの値はフィードバックループ１０４内の各ブロックに渡される。

次に、指令前置フィルタ１０６を用いた場合の位置指令ｒからサーボモータ１０１の回転角θまでの伝達周波数特性について説明する。指令前置フィルタ１０６が１次ローパスフィルタの特性である場合、遮断周波数をｆ_cとして、その振幅伝達関数は（数１０）のように表せる。

このような特性の指令前置フィルタ１０６が図１のように接続されている場合、位置指令ｒからサーボモータ１０１の回転角θまでの伝達ブロック図は図６のように書ける。従って、位置指令ｒから回転角θまでの振幅伝達関数を求めると、（数１１）のようになる。

ダンピング係数ζが適切な値に設定され、速度指令の波形が図５（ａ）のような場合は、サーボモータ１０１の回転速度応答波形は図５（ｂ）のように滑らかな整定性を示す。しかしながら、現実の負荷には静止摩擦や動摩擦、粘性摩擦、その他の要因で複雑な性質を有する場合があり、また、位置決めの高速応答性などを重要視して大きめの位置ゲインＫｐを標準値として設定する場合も多い。その結果、実質的なダンピング係数が小さめとなることもあり、負荷の状態や速度指令あるいは位置指令の波形によっては、回転速度あるいは回転位置の収束時の波形が振動的になることもある。

具体例を示す。仮にダンピング係数ζをζ＝０．５として、図５（ａ）のような波形の速度指令を入力した場合、サーボモータ１０１の回転速度応答波形は図５（ｃ）のように波形の収束がわずかに振動的になるが目立つほどではない。しかし、図７（ａ）のような波形の速度指令を入力した場合の回転速度応答波形は図７（ｂ）のように波形の収束が明らかに振動的になる。以上は、指令前置フィルタ１０６が作用していない状態である。ここで、指令前置フィルタ１０６を作用させ、遮断特性の次数が１次で、遮断周波数ｆ_c＝６０［Ｈｚ］であった場合、図８（ａ）の速度指令の入力に対し回転速度応答波形の収束は図８（ｂ）に示すように滑らかになる。

遮断周波数ｆ_cの値がこれより高い場合には、指令前置フィルタ１０６の効果は弱くなり、振動が残ることになる。次に、逆に遮断周波数ｆ_cの値を低くした場合を示す。遮断周波数ｆ_c＝３０［Ｈｚ］の場合は、図８（ａ）の波形の速度指令の入力に対し回転速度応答波形の収束は図８（ｃ）に示すようになり、滑らかではあるが波形が鈍り、遅延が大きくなることがわかる。このように遮断周波数ｆ_cの値の設定値によっては性能劣化が著しくなり弊害が目立つことになる。

両者の差を応答周波数特性の観点から比較する。まず、サーボ帯域ｆ_s＝１００［Ｈｚ］、ダンピング係数ζ＝０．５、遮断周波数ｆ_c＝６０［Ｈｚ］の場合のサーボモータ１０１の応答周波数特性を図９（ａ）に示す。この図を図４と比較すると判る通り、応答周波数特性の差異は比較的小さい。一方、遮断周波数がｆ_c＝３０［Ｈｚ］であった場合の応答周波数特性は図９（ｂ）に示す通りであり、図４との比較では、応答周波数特性に若干差異が生じている。実際に、周波数１００［Ｈｚ］における各減衰量を計算で求めて比較すると、図４では−６．８[ｄＢ]、図９（ａ）では−５．８[ｄＢ]、図９（ｂ）では−
１０．８[ｄＢ]となっている。

このように指令前置フィルタ１０６によるサーボモータ１０１の性能劣化を小さく抑えるためには、指令前置フィルタ１０６の遮断周波数ｆ_cをサーボモータ１０１の応答周波数を著しく狭めない程度に設定する必要がある。

サーボモータ１０１の応答周波数、すなわちサーボ帯域ｆ_sは、前述のようにパラメータ設定手段１０５によって設定される制御パラメータによって決まる。従って、指令前置フィルタ１０６の遮断周波数ｆ_cも同時にパラメータ設定手段１０５で決定することでサーボモータ１０１の性能劣化を生じない適切な値を設定することが可能となる。一例を挙げると、遮断周波数ｆ_cの値をサーボ帯域ｆ_sと関連付けて、ｆ_c＝０．６×ｆ_sとするなどである。現実に、遮断周波数ｆ_cとサーボ帯域ｆ_sとの比率をいくつにするかは、ダンピング係数ζのばらつき範囲にも寄る。また、遮断周波数ｆ_cの値と回転速度応答波形の関係は指令前置フィルタ１０６の遮断特性にも依存し、例えば遮断特性の次数が１次で遮断周波数ｆ_cがｆ_c＝１００［Ｈｚ］であった場合は、図１０（ａ）の波形の速度指令の入力に対し回転速度応答波形の収束は図１０（ｂ）に示すように振動的になるが、遮断特性の次数が３次で遮断周波数ｆ_cがｆ_c＝１００［Ｈｚ］であった場合は、図１０（ａ）の波形の速度指令の入力に対し回転速度応答波形の収束は図１０（ｃ）に示すように滑らかになる。従って、遮断周波数ｆ_cとサーボ帯域ｆ_sとの比率は、定められた指令前置フィルタ１０６の遮断特性に対し回転速度応答波形の収束性と遅延の両者のバランスで決定すれば良い。

サーボモータの制御装置として、実際の制御パラメータと指令前置フィルタ１０６の遮断周波数ｆ_cの設定手順をまとめると図１１に示すようになる。まず、負荷の剛性に応じた剛性設定を行い、それに対応したサーボ帯域ｆ_sを決定する。次に、サーボ帯域ｆ_sに対応した制御パラメータＫｖ、Ｋｐ、Ｋｆと指令前置フィルタ１０６の遮断周波数ｆ_cを決定する。ただし、Ｋｖについては、（数７）に従って、Ｋｖ／Ｊの値を決定した後、負荷の慣性モーメントＪを検出あるいは設定した後にＫｖを決定するという手順となる。これら制御パラメータと遮断周波数ｆ_cは、（表１）のようなパラメータテーブルにあらかじめ数値を用意しておき、それに従って各値を設定することで容易に設定が可能である。

以上のように、パラメータ設定手段１０５がフィードバックループ１０４を含めたサーボモータ１０１の応答周波数に応じて、その応答周波数を狭めない範囲で指令前置フィルタ１０６の遮断周波数を設定することにより、性能劣化を生じることなく指令前置フィルタ１０６の効果を発揮することができ、サーボモータ１０１は無理なく速度指令あるいは位置指令に追従することができ、滑らかな追従性あるいは整定性を実現することができる。

本発明のサーボモータの制御装置は、煩雑なゲイン調整の手間を減らすオートゲインチューニングの機能を備えたサーボモータの制御装置として最適であり、特に滑らかな整定性が要求される位置決め用途に有用である。

本発明の実施例におけるサーボモータの制御装置の処理ブロック図 本発明の実施例における指令前置フィルタの周波数特性を示す図 本発明の実施例におけるサーボモータの制御装置の伝達ブロック図 本発明の実施例におけるサーボモータの制御装置の伝達周波数特性を示す図 本発明の実施例におけるサーボモータの回転速度の変化を示す図 本発明の実施例におけるサーボモータの制御装置の伝達ブロック図 本発明の実施例におけるサーボモータの回転速度の変化を示す図 本発明の実施例におけるサーボモータの回転速度の変化を示す図 本発明の実施例におけるサーボモータの制御装置の伝達周波数特性を示す図 本発明の実施例におけるサーボモータの回転速度の変化を示す図 本発明の実施例におけるサーボモータの制御装置の制御パラメータ及び遮断周波数の設定手順を示す図

符号の説明

１０１ サーボモータ
１０２ 負荷
１０３ エンコーダ
１０４ フィードバックループ
１０５ パラメータ設定手段
１０６ 指令前置フィルタ
１０７ 速度ゲイン乗算手段
１０８ 位置ゲイン乗算手段
１０９ フィードフォワードゲイン乗算手段
１１０ 微分演算手段
１１１ 積分演算手段
１１２ 演算手段
１１３ 演算手段

Claims (1)

1. ローパスフィルタの特性を有し速度指令あるいは位置指令を入力する指令前置フィルタと、前記指令前置フィルタの出力信号を入力して、それに追従するようにサーボモータの回転速度あるいは回転位置を検出してフィードバック制御を行うフィードバックループと、前記サーボモータの負荷の剛性に応じて前記フィードバックループに内包される複数の制御パラメータを設定するパラメータ設定手段とを有したサーボモータの制御装置において、前記パラメータ設定手段は前記フィードバックループ及び前記複数の制御パラメータによって決まる前記サーボモータの応答周波数であるサーボ帯域に応じて、その応答周波数を狭めない範囲で前記指令前置フィルタの遮断周波数を設定する構成であり、前記パラメータ設定手段には前記剛性の値、前記複数の制御パラメータの値、前記サーボ帯域の値及び前記指令前置フィルタの遮断周波数が記録されたパラメータテーブルを含み、前記指令前置フィルタの遮断周波数は前記パラメータテーブルに記録された各値に従って設定されるサーボモータの制御装置。