JP5098863B2

JP5098863B2 - 同期制御装置

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Publication number: JP5098863B2
Application number: JP2008181214A
Authority: JP
Inventors: 崇萬羽
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010022145A

Description

本発明は，主制御対象の状態量と従制御対象の状態量を同期させて制御する同期制御装置に関する。

従来の同期制御装置は，通常，主制御器と従制御器に同期した指令を与えるか，主状態量のフィードバックを指令として従制御対象を制御している。しかし，前者の方法では，主制御対象と従制御対象の動特性の違いにより主状態量と従状態量にずれが生じるという問題があり，後者の方法では，主状態量の情報が検出されて制御器で使えるようになるまでの遅れがあるために従状態量が遅れるという問題がある。このような問題に対し，例えばモータの同期制御装置で，従軸モータの動特性モデルより予測したモータの回転位置が未来目標位置指令と一致するように制御される予見制御器と，主軸モータの目標位置指令値と主軸モータ位置とを入力し複数時刻における主軸モータの未来位置の予測値を計算して変換器に出力する予測器とを備え，変換器により複数時刻における主軸モータの未来位置の予測値に基づいて複数時刻における主軸モータの未来位置の予測値に対応した複数時刻における従属軸モータの未来目標位置指令値を求めて予見制御器の未来目標位置指令値とするものもある。（例えば，特許文献１参照）。つまり，予測器で主軸モータの未来位置を求めることにより従軸モータで予見制御を使えるようにし，従属軸モータのモデルを反映した予見制御器により追従遅れがなく精度の良い同期制御を可能としている。また，別のモータ同期制御装置で，主軸モータ位置と従軸モータ位置との間に生じる追従遅れの２つの原因のうち，データ転送手段におけるデータ転送時間遅れに対しては，乗算器と加算器とで構成される主軸速度補正手段及び主軸位置補正手段によって補正することで解消し，従軸駆動制御装置での応答遅れに対しては，補正主軸位置を位置指令とするとともに，補正主軸速度と加速度とをフィードフォワードして電流指令を生成することで解消しているものもある（例えば，特許文献２参照）。これは主軸モータのフィードバック値のみを用いているため，実質的には主軸モータのフィードバック値に位相進みを含むフィルタ処理をして従軸モータ位置指令をつくるのと等価である。また，オブザーバを用いて位相の進んだ状態量を推定することにより，単数の制御対象の制御器で状態量指令から状態量フィードバックまでの間に含まれる遅れを補償し，制御ループゲインを高く設定できる技術が知られている（例えば，特許文献３参照）。しかし，従来この技術を複数制御対象の同期制御に使用する方法は考案されていなかった。

主制御器と従制御器に同期した指令を与える構成の従来のモータ同期制御装置を図４に示す。図４において，７１は主制御器であり，位置指令と主軸モータ位置が一致するように主軸トルク指令を生成する。主制御器７１の演算内容は，一般にＰＩＤ制御などのフィードバック制御とフィードフォワード制御とを組み合わせた２自由度制御がよく用いられる。７２は主軸モータであり，主軸トルク指令通りの推力を発生するように電流が制御されて回転する。主軸モータ位置はエンコーダ等のセンサにより検出され主制御器７１にフィードバックされる。７３は従制御器であり，位置指令と従軸モータ位置が一致するようにトルク指令を生成する。従来技術では主軸と従軸に同期した位置指令を与えることで主軸モータ位置と従軸モータ位置を同期させる。７４は従軸モータであり，従軸トルク指令通りの推力を発生するように電流が制御されて回転する。従軸モータ位置はエンコーダ等のセンサにより検出され従制御器７３にフィードバックされる。

次に，主制御器の位置フィードバックを従制御器の指令として与える構成の従来のモータ同期制御装置を図５に示す。図５において，７１は主制御器，７２は主軸モータ，７４は従軸モータであり，図４と同様のものである。７３は従制御器であり，主軸モータ位置フィードバックと従軸モータ位置が一致するように従軸トルク指令を生成する。本従来技術は主軸モータ位置フィードバックを従軸の位置指令として与え，従軸モータの制御ゲインを高く設定することで主軸モータ位置と従軸モータ位置を同期させるものである。しかし，前述のように，この構成で主軸のモータ位置フィードバックをそのまま従軸モータ位置指令とすると，主軸モータ位置情報が検出されて従制御器で使えるようになるまでの遅れや従軸の制御遅れがあるために従軸モータ位置が遅れるという問題がある。この問題を改善するため，特許文献２では従制御器７３を図６のようにしている。図６において，７３は従制御器であり，図５の従制御器７３に相当する。図６では従制御器７３の出力は電流指令となっているが，電流指令とトルク指令は比例関係にあるため，同等のものと見なしてよい。７８は微分器であり，主軸モータ位置を微分して主軸モータ速度を算出する。７９は微分器であり，主軸モータ速度を微分して主軸モータ加速度を算出する。８２はＪ／Ｋｔ乗算であり，主軸モータ加速度とイナーシャを乗算し，トルク定数で除算することにより電流フィードフォワードを算出する。８１はＴｄ乗算であり，主軸モータ加速度に定数を乗算する。この値を主軸モータ速度に加算した補正速度を速度フィードフォワードする。８０はＴｄ乗算であり，補正速度に定数を乗算する。この値を主軸モータ位置に加算した補正位置を位置制御の指令値とする。８３は位置制御器であり，補正位置と従軸モータ位置との偏差よりフィードバック速度指令を生成する。これは一般にＰ制御やＰＩ制御がよく用いられる。８５は微分器であり，従軸モータ位置から従軸モータ速度を算出する。８４は速度制御器であり，補正速度とフィードバック速度指令の和と従軸モータ速度との偏差からフィードバック電流指令を生成する。これも一般にＰ制御やＰＩ制御がよく用いられる。フィードバック電流指令と電流フィードフォワードの和が電流指令となる。通常の同期制御では，主軸モータ速度をそのまま速度フィードフォワードとするが，本従来技術は，これに主軸モータ加速度と定数Ｔｄとの積を加えることにより位相を少し進めた補正速度を速度フィードフォワードとしている。また，通常の同期制御では，主軸モータ位置をそのまま従制御器の位置指令とするが，本従来技術は，これに補正速度と定数Ｔｄとの積を加えることにより位相を少し進めるものである。これらの位相を進める効果により，主軸モータ位置情報が検出されて従制御器で使えるようになるまでの遅れや従軸の制御遅れをキャンセルし，同期精度を高めている。

また，予測制御を用いた特許文献２の構成を図７に示す。図７で，７１は主制御器，７２は主軸モータ，７３は従制御器，７４は従軸モータであり，図４と同様のものである。７５は予測器であり，位置指令と主軸モータ位置フィードバックを用いて主軸モータの未来位置予測値を算出する。７６は変換器であり，主軸モータの未来位置予測値を従軸モータの未来目標位置に変換する。７７は予見制御器であり，従軸モータの未来位置予測値が従軸モータの未来目標位置と一致するように従軸モータ位置指令を生成する。本従来技術は，位置指令と主軸モータ位置を用いて主軸モータの未来位置を予測することで同期精度を高めている。

このように，従来の同期制御装置は，主状態量指令と従状態量指令を同期させて与えるか，主状態量のフィードバックをそのまま，またはフィルタ処理をして従状態量指令をつくるか，主状態量指令およびフィードバックを用いて従状態量指令をつくるものであり，従状態量指令を算出する際に主操作量を使っているものはなかった。
特許第３５５１３２８号公報（第４頁，図１）特開２００６−２５２３９２号公報（第１３頁，図１乃至図４）特許第３８０４０６１号公報（第５頁，図１）

従来の同期制御装置は，従状態量指令を作る際に有用な情報であるはずの主操作量を，使用せずに捨てていたために，以下のような問題が発生していた。
例えば，図４に示した方法では，主軸モータ７２と従軸モータ７４の動特性の違いによりモータの位置がずれるという問題がある。また，従制御器では位置指令しか与えられておらず，主軸モータ位置情報を得られないため，外乱などの影響で主軸の位置が位置指令通りになっていない場合，従軸はそれに追従できないという問題がある。
また，図５に示した方法では，主軸モータ位置情報が検出されて従制御器で使えるようになるまでの遅れや従軸の制御遅れがあるために従軸モータ位置の位相が主軸モータ位置に対して遅れるという問題がある。
また，図６に示した特許文献１の方法では，位相の遅れは改善するものの，主軸モータのフィードバック値に微分の要素を含む位相進みのフィルタ処理をすることになるため，主軸モータフィードバックに含まれるノイズや分解能などに起因する高周波成分が増大し，従軸のトルク指令が高周波で激しく変動し，振動が発生したり大容量の電流アンプが必要になったりという問題がある。
また，図７に示した従来の特許文献２の方法では，主軸の未来位置を予測するために主軸の未来位置指令が必要なため，そのような指令が得られる場合に用途が限られるという問題があった。
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，主制御対象の未来の状態量指令などが得られなくても，従制御対象の状態量を振動や遅れなく精度良く主制御対象の状態量に追従させて制御することができる同期制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため，本発明は，次のように構成したのである。
本発明は、主制御対象の主状態量が主状態量指令に一致するように主操作量を生成する主制御器と，前記主状態量と前記従状態量が同期するように従状態量指令を生成する従状態量指令演算器と，従制御対象の従状態量が前記従状態量指令に一致するように従操作量を生成する従制御器と，を備えた同期制御装置において，前記従状態量指令演算器は，前記主操作量と前記主状態量に基づいて前記従状態量指令を生成することを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記従状態量指令演算器は，前記主操作量と前記主状態量に基づいて主状態量よりも位相の進んだ位相進み主状態量を生成する位相進み補償演算器と，前記位相進み主状態量を前記従状態量指令に変換する指令変換器と，を備えたことを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記位相進み補償演算器は，位相進み補償オブザーバであることを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記位相進み補償オブザーバは，主操作量から前記位相進み主状態量を生成する制御対象モデルと，前記位相進み主状態量を遅らせ主状態量推定値を生成する遅れモデルと，主状態量と前記主状態量推定値との差から主操作量補正値生成するオブザーバゲインと，前記主操作量から前記主操作量補正値を減算して新たな主操作量を生成する減算器と，を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記遅れモデルは，無駄時間を含むことを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記遅れモデルの無駄時間が、操作者が変更可能な無駄時間パラメータにて設定され、前記無駄時間パラメータの変更により前記位相進み主状態量の位相が調整されることを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、従状態量が主状態量の所定の同期範囲に入るように、前記無駄時間を調整する遅れ時間調整器を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記遅れモデルは，ローパスフィルタを含むことを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記遅れモデルのローパスフィルタのカットオフ周波数が、操作者が変更可能なローパスフィルタカットオフ周波数パラメータにて設定され、前記ローパスフィルタカットオフ周波数パラメータの変更により前記位相進み主状態量の位相が調整されることを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、従状態量が主状態量の所定の同期範囲に入るように、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を調整する遅れ時間調整器を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記主制御対象と前記従制御対象はモータであり，前記主操作量と前記従操作量は加速度に比例した指令であり，前記主状態量と前記従状態量は位置であることを特徴とするものである。
また、本発明は、上記した同期制御装置において、前記制御対象モデルはモータのモデルであり，入力の２階積分に比例した値を出力することを特徴とするものである。

請求項１乃至１２記載の発明によると，従状態量の指令を生成する際に，主状態量のフィードバックまたは指令だけでなく，主操作量に含まれる情報も用いることで，より詳細な主制御対象の情報を従制御器に与えることができるため，高周波のノイズ成分を増大させることなく主状態量のフィードバック値に含まれる位相の遅れ分をキャンセルするように位相を進めることができ，現在の正確な主状態量が得られなくても，従制御対象の状態量を振動や遅れなく精度良く主制御対象の状態量に追従させて制御することができる同期制御装置を提供することができる。

以下，本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は，本発明の同期制御装置の構成を示すブロック図である。図１において，１は主制御器，２は主制御対象，３は従制御器，４は従制御対象，５は従状態量指令演算器である。前述のように，従来技術では主状態量のみから従状態量指令を算出するか，主状態量と主状態量指令から従状態量指令を算出しており，有用な情報であるはずの主操作量を使用せずに捨てていた。従状態量指令演算器５は，主操作量と主状態量とを用いて従状態量指令を生成する。主操作量を用いることにより，主制御対象のモデルからシミュレータにより主状態量を予測することができ，さらに主状態量を用いることによりオブザーバを構成することもできる。

図２は，本発明をモータの同期制御装置に適用した例である。図２において，１１は位相進み補償オブザーバ，１２は主軸モータモデル，１３は遅れモデル，１４はオブザーバゲイン，１５は指令変換器，１６は遅れ時間調整器である。図１の従状態量指令演算器５の一部に位相進み補償オブザーバを使用した場合の実施例である。従状態量指令演算器５は位相進み補償オブザーバ１１を用いて構成でき，主操作量である主軸加速度指令と，主状態量である主軸モータ位置とを用いて，従状態量指令である従軸モータ位置指令を算出している。入力に主軸加速度指令を用いているが，加速度，トルク，電流は比例関係にあり，比例定数の乗除算により容易に換算できるので，トルク指令や電流指令としてもよい。主軸モータモデル１２は、主軸モータ６を表す物理モデルである。ただし，遅れの要素を除いた残りとする。１３の遅れモデルは，主軸モータ１２から除いた遅れの要素のモデルであり，１次遅れや無駄時間で表される。主軸モータモデル１２と遅れモデル１３は，主軸トルク指令から主軸モータ位置を算出するシミュレータと見なすことができ，その出力が主軸モータ位置推定値となる。オブザーバゲイン１４は，主軸モータ位置と主軸モータ位置推定値との誤差にオブザーバゲインを乗算してオブザーバのフィードバックをつくる。オブザーバゲインを適切に設定することによりオブザーバの推定値が収束していく。通常のオブザーバは主軸モータ位置推定値をフィードバックに用いるが，位相進み補償オブザーバは主軸モータモデル１２の出力をフィードバックに用いる。これにより遅れモデル１３の分だけ位相の進んだ主軸モータ位置を取り出すことができる。指令変換器１５は，位相進み主軸モータ位置を従軸モータ位置指令に変換する。この変換は，例えば主軸モータと従軸モータに全く同じ動作をさせたい場合は入力をそのまま出力するものとし，主軸モータの移動距離を定数倍した動作を従軸モータにさせたい場合は入力を定数倍する演算とし，場合によっては多項式などの関数としてもよい。従制御器３の演算内容は，例えば一般的な従来技術と同様にＰＩＤ制御などのフィードバック制御とフィードフォワード制御とを組み合わせた２自由度制御とすればよい。従来の位相進み補償オブザーバは，位相の進んだ状態量をフィードバックすることにより，制御系のゲインを高く設定できるようにするものであった。本発明では，位相進み補償オブザーバを同期制御装置に適用することにより，主軸と従軸の同期精度を高めるものである。

図３は，位相進み補償オブザーバ１１の主軸モータモデル１２と遅れモデル１３の詳細を示すブロック図である。図で，ｓはラプラス演算子を表す。主軸モータモデル１２は，遅れのない主軸モータの物理モデルとなっている。加速度指令ｕに加速度外乱ｄが加わり，積分すれば速度ｖとなり，さらに積分すれば位置ｘとなる。遅れモデル１３は時間Ｔの無駄時間としている。無駄時間Ｔをパラメータとしてユーザーが調整することで，位相進み主状態量の位相進み量を調整することができる。また，図２のように，遅れ時間調整器１６をおくことにより遅れ時間をオンラインで調整し，同期エラーを所定値内においこむこともできる。

図２および図３で表される制御系を離散化して計算機にプログラムし，オブザーバゲインを適切に設定してオブザーバの状態量推定値を収束させ，図３の主軸モータ位相進み位置推定値を従軸モータの指令として用いれば主軸と従軸を精度良く同期させて制御することができる。
本発明が従来技術と異なる部分は，従状態量の指令値を算出する際に主操作量を用いる部分と，主制御対象に対して位相進み補償オブザーバを構成し，位相の進んだ主状態量を求めて従状態量の指令値とする部分と，位相進み補償オブザーバの遅れ量を変えることで位相進み量を調整できるようにした部分である。

本発明は、ガントリ型ステージのツインドライブ、工作機械、ガルバノスキャナ、双腕ロボット(嵌め合い作業など)における同期運転などへの適用が可能である。

本発明の基本構成を示す同期制御装置のブロック図本発明の第1実施例を示す同期制御装置のブロック図本発明の第1実施例の主軸モータモデルと遅れモデルを示すブロック図従来の同期制御装置のブロック図従来の同期制御装置のブロック図従来の位相進みフィルタ処理による同期制御装置のブロック図従来の予測制御による同期制御装置のブロック図

符号の説明

１主制御器
２主制御対象
３従制御器
４従制御器
５従状態量指令演算器
６主軸モータ
７従軸モータ
１１位相進み補償オブザーバ
１２主軸モータモデル
１３遅れモデル
１４オブザーバゲイン
１５指令変換器
１６遅れ時間調整器
７１主制御器
７２主軸モータ
７３従制御器
７４従軸モータ
７５予測器
７６変換器
７７予見制御器
７８微分器
７９微分器
８０Ｔｄ乗算
８１Ｔｄ乗算
８２Ｊ／Ｋｔ乗算
８３位置制御器
８４速度制御器

Claims

主制御対象の主状態量が主状態量指令に一致するように主操作量を生成する主制御器と、前記主状態量と従状態量が同期するように従状態量指令を生成する従状態量指令演算器と、従制御対象の従状態量が前記従状態量指令に一致するように従操作量を生成する従制御器と、を備えた同期制御装置において、
前記従状態量指令演算器は、
前記主制御対象から遅れの要素を取り除いた物理モデルであって前記主状態量よりも位相の進んだ位相進み主状態量を生成する制御対象モデルと、
前記遅れの要素に対応する物理モデルであって前記位相進み主状態量を遅らせて主状態量推定値を生成する遅れモデルと
を有する位相進み補償オブザーバ
を備え、
前記制御対象モデルは、
前記主状態量と前記主状態量推定値との差に基づいて補正された前記主操作量に基づいて前記位相進み主状態量を生成し、
前記従状態量指令演算器は、
前記制御対象モデルによって生成された前記位相進み主状態量に基づいて前記従状態量指令を生成すること
を特徴とする同期制御装置。
前記位相進み補償オブザーバは、
前記主状態量と前記主状態量推定値との差から主操作量補正値を生成するオブザーバゲインと、
前記主操作量から前記主操作量補正値を減算して補正後の前記主操作量を生成する減算器と
を備えること
を特徴とする請求項１に記載の同期制御装置。
前記遅れモデルは、
無駄時間を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の同期制御装置。
前記遅れモデルの無駄時間が、操作者が変更可能な無駄時間パラメータにて設定され、前記無駄時間パラメータの変更により前記位相進み主状態量の位相が調整されることを特徴とする請求項３に記載の同期制御装置。
前記従状態量が前記主状態量の所定の同期範囲に入るように、前記無駄時間を調整する遅れ時間調整器を備えることを特徴とする請求項３に記載の同期制御装置。
前記遅れモデルは、
ローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の同期制御装置。
前記遅れモデルのローパスフィルタのカットオフ周波数が、操作者が変更可能なローパスフィルタカットオフ周波数パラメータにて設定され、前記ローパスフィルタカットオフ周波数パラメータの変更により前記位相進み主状態量の位相が調整されることを特徴とする請求項６に記載の同期制御装置。
前記従状態量が前記主状態量の所定の同期範囲に入るように、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を調整する遅れ時間調整器を備えることを特徴とする請求項６に記載の同期制御装置。
前記主制御対象および前記従制御対象はモータであり、前記主操作量および前記従操作量は加速度に比例した指令であり、前記主状態量および前記従状態量は位置であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の同期制御装置。
前記制御対象モデルはモータのモデルであり、入力の２階積分に比例した値を出力することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の同期制御装置。