JP5115293B2 - サーボアンプ - Google Patents

Description

本発明は、サーボアンプのゲイン調整時におけるパラメータ表示に関する。

最近のサーボシステムにおいては、オートゲインチューニングと呼ばれるパラメータ自動調整機能がほぼ標準装備となっており、ステッピングモータなどと比較したときに、サーボアンプの弱みとなる複雑なゲイン調整を、いかに短時間に精度よく行えるかが課題となっている。

上記課題に対する従来の技術として、複数個ある制御パラメ−タを、１つのパラメータを基準に一定の周波数比で設定し、自動的にパラメータ設定を行うモータ制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２７７７２号公報

オートゲインチューニングは便利な技術ではあるが、市場に存在するさまざまな特性を持つ機器すべてに対応するのは不可能であり、汎用性とチューニング精度にトレードオフの関係がある。

特許文献１の技術は、調整の自由度がパラメータ１つしかないので、全体の応答性を上げ下げすることしかできない。このため、特許文献１は、位置ループの応答性を決める位置ループゲインを速度応答周波数の１／４に設定している。しかしながら、摩擦が大きな場合や、位置決め整定時間を重視する場合、この比は１／３程度まで大きくとったほうがよいことが多い。

また、オートチューニングを用いない場合には、各制御パラメータを個別に手動で調整することになる。この場合は、制御理論を背景とした安定なゲイン配置についての知識を必要とするため、ゲイン調整できる人が限られるという課題がある。さらに、不注意な操作や勘違いなどによるパラメータの誤った設定は、容易にサーボ系を発振状態に陥れることになる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、自由度の高いゲイン調整を行うにあたって、制御系に関する深い知識を必要せず、手動による安定なゲイン調整を可能とするサーボアンプ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、請求項１または２に記載のサーボアンプは、ゲイン調整に必要なパラメータを周波数に換算して表示するパラメータ表示手段と、制御上の制約となる前記パラメータ間の特定な組合せについて周波数比を表示する周波数比表示手段を備える。

または、外部操作によりパラメータを変更するパラメータ変更手段と、周波数比が一定範囲を越えないようパラメータの変更を制約するパラメータ制約手段を備える。

そのようにして、周波数比表示手段は、パラメータ表示手段が換算した周波数に応じて周波数軸上に配置することで周波数比を表現し、周波数比が一定範囲を超えたときに周波数軸上の重なりとして表示する。

また、請求項３に記載のサーボアンプは、請求項２または請求項３に記載のパラメータ変更手段は、周波数比が一定範囲の制約に近づく場合に、パラメータ変更速度を遅くする。

また、請求項４に記載のサーボアンプは、請求項１から請求項４のいずれか１項に加えて、前記周波数比の一部または全てを固定値として、固定された関係にあるパラメータを１つの操作で変更可能とするパラメータ連動変更手段を備える。

また、請求項５に記載のサーボアンプは、請求項２から請求項５のいずれか１項に加えて、周波数で表せる外部要因を、周波数に換算可能なパラメータとして表示する外部パラメータ表示手段を備える。

本発明の請求項１または２に記載のサーボアンプによれば、制御の安定性に重要な役割を持つ特定パラメータ間の周波数比を表示することで、複数ある制御パラメータ間のどこに制約が存在するのかを把握する。

または、示された制約をパラメータ設定に適用することで、誤操作などによる制御の不安定化を防止する。

そのようにして、周波数比をパラメータ間の距離としてより視覚的に把握することができ、また制約に対するマージンの確認も容易となる。

また、請求項３に記載のサーボアンプによれば、周波数比が制約に近づく場合はパラメータの変更量が少なくなるため、安定性が低下する方向のゲイン変更に対する保護となる。また制約に達した時点で変更量を０とすることで、制御の安定性を保証することができる。

また、請求項４に記載のサーボアンプによれば、調整の自由度を自由に変更することができるため、調整の容易さとチューニング精度との関係を調節することができる。

また、請求項５に記載のサーボアンプによれば、ゲイン調整に影響を与える外部要因を制約として与えられるため、より安定なゲイン調整が可能となる。

ゲイン調整に必要なパラメータを周波数に換算して表示するパラメータ表示手段と、制御上の制約となる前記パラメータ間の特定な組合せについて周波数比を表示する周波数比表示手段と、外部操作によりパラメータを変更するパラメータ変更手段と、特定の周波数比が一定範囲を超えないようパラメータの変更を制約するパラメータ制約手段と、周波数比を一定に保ったままパラメータを変更するパラメータ連動変更手段と、モータの共振・反共振特性、指令入力、モータ動作波形などの外部要因に依存する周波数をパラメータとして表示する外部パラメータ表示手段を備えたサーボアンプである。以下、実施の形態に
ついて説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１について、図を用いて説明する。図１は、本発明のパラメータ表示手段と周波数比表示手段の表示（配置）に関するブロック概念図である。

図１において、パラメータ表示手段１（１ａ−１ｄ）は、ゲイン調整に用いられるパラメータのうち周波数に関連付けられるものを数値などで表示する。具体的にはＨｚやｒａｄ／ｓなどの単位付きで示された数値そのものから、それらの値に比例した位置、大きさ、幅、高さなどの属性をもつ図形など、さまざまな表示方法が考えられる。

周波数比表示手段２（２ａ−２ｃ）は、複数のパラメータ表示手段１（１ａ−１ｄ）の組み合わせのうち、制御上の制約となるものについて、相互の関連とその周波数比を表示する。具体的には、図１に示す２つのパラメータを接続する矢印と、その傍に表示される周波数比の数値の組み合わせや、関連するパラメータを同じ色分けし、その色で表示されることで対応付けられる周波数比の数値の組み合わせ、などが考えられる。

また、表示するパラメータとしては、例えば位置制御系において、パラメータ表示手段１ａとして位置ループゲイン、パラメータ表示手段１ｂとして速度積分時定数、パラメータ表示手段１ｃとして速度ループゲイン、パラメータ表示手段１ｄとしてトルクフィルタ時定数を図１のように対応付けることが挙げられる。このときは、パラメータ表示手段１ａとパラメータ表示手段１ｃ、パラメータ表示手段１ｂとパラメータ表示手段１ｃ、パラメータ表示手段１ｃとパラメータ表示手段１ｄ間における周波数比表示手段２（２ａ−２ｃ）の周波数比を確認しながら、これを４倍以上に維持しつつパラメータ調整を行うことで、オーバーシュートのない安定な２次系の応答を保ちながら応答性の調整を行うことができる。
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１にパラメータ変更手段とパラメータ制約手段を追加したもので、図２は追加したパラメータ変更手段およびパラメータ制約手段と、図１のパラメータ表示手段と周波数比表示手段の関係を示すブロック概念図である。

図２において、パラメータ変更手段３は、図示されない外部入力手段によるサーボアンプのパラメータ変更を提供する。具体的には、サーボアンプの前面に設けたパネル操作、Ｉ／Ｏ、通信機能を用いたパラメータ変更や、さらにそれらを通じてコンソールや外部ＰＣ上のアプリケーションからＧＵＩによりパラメータを変更する、などが考えられる。

また、パラメータ制約手段４は、周波数比表示手段２（２ａ−２ｃ）から周波数比を取得し、周波数比が制約を越えない範囲にパラメータを補正する機能を含んでいる。

補正機能の一例として、実施の形態１の位置制御系の場合を考えると、パラメータ変更手段３が、位置ループゲインを割り当てたパラメータ表示手段１ａを、速度ループゲインを割り当てたパラメータ表示手段１ｃの１／３となるように設定したとき、パラメータ制約手段４は、周波数比表示手段２ａから周波数比３倍を得る。

このとき、周波数比表示手段２ａに対する制約を上述した理由で４倍としていたパラメータ制約手段４は、パラメータ表示手段１ａをパラメータ表示手段１ｃの１／４に再設定する動作をする。これにより、パラメータ変更の設定を無効にして、制御の不安定化を回避することができる。
（実施の形態３）
図３は、周波数比表示手段の表示内容を周波数軸上に示す概念図である。図３において、図２における個々のパラメータ間の制約を表す複数の周波数比表示手段２（２ａ−２ｃ
）を、周波数軸上の周波数比表示手段６に置き換えている。

また、周波数比の制約と関連付けたパラメータ表示手段５（５ａ−５ｄ）は、その中心位置が対応する周波数となるよう配置されており、またその周波数の１／２から２倍の周波数領域を占める幅を持つ長方形として表示する。

制約を持つ長方形同士が上下の位置で同じとなるよう構成することで、図３の例ではパラメータ表示手段５ｂとパラメータ表示手段５ｃの間は、ちょうどつながっているため制約ぎりぎりの４倍の周波数比にあること、パラメータ表示手段５ａとパラメータ表示手段５ｃ、パラメータ表示手段５ｃとパラメータ表示手段５ｄの周波数比は制約に対して余裕があることが一目でわかる。

さらに、パラメータ変更および制約手段７は、周波数比表示手段６から複数の周波数比を取得しており、例えば、パラメータ表示手段５ａとパラメータ表示手段５ｃのように制約に余裕があるときは変更単位が１０Ｈｚだが、パラメータ表示手段５ｂとパラメータ表示手段５ｃのように、ごく近くに接近しているときは変更単位を１Ｈｚとするように、パラメータ変更量に制限を加えることで、異常設定への注意を促し、不安定な設定を未然に防ぐ効果がある。
（実施の形態４）
実施の形態４（図４）は、実施の形態３にパラメータ連動変更手段を追加したものである。図４において、パラメータ連動変更手段８により結合された２つのパラメータ表示手段５ｂとパラメータ表示手段５ｃに対応したパラメータのどちらかが変更された場合に、他方のパラメータも同じ比率で変更する。パラメータ連動変更手段８によって結合された、一部あるいは全てのパラメータを同時に変更する作業が容易となる。

なお、この作用を一方向とすることも有用であり、例えば、速度ループゲインに対応づけたパラメータ表示手段５ｃを変更した場合は、全てのパラメータが周波数比を保ったまま動作し、その他のパラメータ表示手段５ａ、パラメータ表示手段５ｂ、パラメータ表示手段５ｄを変更した場合、周波数比を変更することができるようにすると、全体の応答性調整と細かな微調整を個別に行うことができる。
（実施の形態５）
実施の形態５（図５）は、実施の形態４に対して、外部パラメータ表示手段を追加したものである。図５において、外部パラメータ表示手段９に対応づけられるべきデータとしては、さまざまなケースを考えられる。

一例として、モータに接続された機器の共振周波数または反共振周波数を表示することが考えられる。この場合、制御上不安定化することの多い、機器の反共振周波数を越えるゲイン設定を回避する、あるいは共振特性を抑制するフィルタ設定を行う目安とすることができる。

また、サーボアンプに入力される指令の周波数解析結果から特徴的な周波数を選択表示することで、サーボアンプに対する指令入力に対しサーボアンプの応答性が適切であるか判別あるいは指令中の特定の周波数成分に対しフィルタ設定を行う際の目安とすることができる。

さらに、モータ動作波形の周波数解析結果から特徴的な周波数を選択表示することで、サーボ系に対する外乱による振動を把握することができ、適切な外乱抑圧特性が得られているかを判別する目安になる、などの効果も得られる。

なお、図５では周波数比表示手段６の下部に機器の応答性を表すボード線図を追加して
いる。制約を明示せず、目安の機能とするなら、このような表示も有用である。

また、実施の形態１−５に記載された、パラメータの表示手段や変更手段、制約手段などの構成要素は、すべてをサーボアンプ内部に備える必要はなく、例えば、シリアル通信バスを通じてサーボアンプと接続されたコンソールを用いる、あるいはＵＳＢ通信でサーボアンプと接続されたパーソナルコンピュータ上で動作するソフトウェアを用いる、などでも実現可能であることはいうまでもない。

本発明のサーボアンプによれば、制御系に関する深い知識を必要とせず、マニュアルによるサーボゲイン調整に有用である。

本発明の実施の形態１におけるゲイン表示のブロック概念図 本発明の実施の形態２におけるゲイン表示のブロック概念図 本発明の実施の形態３におけるゲイン表示のブロック概念図 本発明の実施の形態４におけるゲイン表示のブロック概念図 本発明の実施の形態５におけるゲイン表示のブロック概念図

１ パラメータ表示手段
２ 周波数比表示手段
３ パラメータ変更手段
４ パラメータ制約手段
５ パラメータ表示手段（周波数比に制約）
６ 周波数比表示手段（周波数軸上で表示）
７ パラメータ変更および制約手段
８ パラメータ連動変更手段
９ 外部パラメータ表示手段

Claims (5)

1. ゲイン調整機能を備えたサーボアンプにおいて、
   ゲイン調整に必要なパラメータを周波数に換算して表示するパラメータ表示手段と、
   制御上の制約となる前記パラメータ間の特定な組合せについて周波数比を表示する周波数比表示手段を備え、
   前記周波数比を参照してゲイン調整し、
   前記周波数比表示手段は、パラメータ表示手段が換算した周波数に応じて周波数軸上に配置することで周波数比を表現し、周波数比が一定範囲を超えたときに周波数軸上の重なりとして表示することを特徴とするサーボアンプ。
2. ゲイン調整機能を備えたサーボアンプにおいて、
   ゲイン調整に必要なパラメータを周波数に換算して表示するパラメータ表示手段と、
   制御上の制約となる前記パラメータ間の特定な組合せについて周波数比を表示する周波数比表示手段と、
   外部操作によりパラメータを変更するパラメータ変更手段と、
   周波数比が一定範囲を越えないようパラメータの変更を制約するパラメータ制約手段を備え、
   前記周波数比を参照してゲイン調整し、
   前記周波数比表示手段は、パラメータ表示手段が換算した周波数に応じて周波数軸上に配置することで周波数比を表現し、周波数比が一定範囲を超えたときに周波数軸上の重なりとして表示することを特徴とするサーボアンプ。
3. 前記パラメータ変更手段は、周波数比が一定範囲の制約に近づく場合に、パラメータ変更速度を遅くする請求項１または請求項２に記載のサーボアンプ。
4. 前記周波数比の一部または全てを固定値として、固定された関係にあるパラメータを１つの操作で変更可能とするパラメータ連動変更手段を備えた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のサーボアンプ。
5. 周波数で表せる外部要因を、周波数に換算可能なパラメータとして表示する外部パラメ
   ータ表示手段を備えた請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のサーボアンプ。

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