JP5493941B2

JP5493941B2 - 位置指令生成器

Info

Publication number: JP5493941B2
Application number: JP2010023198A
Authority: JP
Inventors: 貴之金子; 英幸西田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: JP2011164680A

Description

この発明は、例えばクレーンや柔軟性アーム等の固有振動周期をもって振動する被制御対象物（一種の弾性体）を目標位置まで移動させて位置決めするための位置決め制御装置において、制御周期ごとの位置指令値（逐次位置指令値）における加速度変化を考慮して正確な位置決めを行うための位置指令値の生成技術に関するものである。

図６は、特許文献１に記載された位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。
この位置決め制御装置は、図７に示すように、基台４００上の負荷３００をモータ２０１により駆動して目標位置に位置決めするものであり、２０２は力伝達機構、４０１は基台４００の支持脚である。この種の機械系では、基台４００上のモータ２０１及び負荷３００の載置面がモータ２０１による駆動力の反力を受け、この反力が基台４００全体に伝達されるが、支持脚４０１の剛性が低い場合であって、モータ２０１が高加減速度で負荷３００を駆動し、特に駆動力が加わる時間が基台４００の固有振動周期に近いときは、基台４００が振動しやすくなる。

従って、特許文献１では、負荷３００の駆動時における基台４００の振動を防止するため、モータ２０１から負荷３００までの駆動機構を剛体とみなして構成した図６の制御系において、後述する図８に示すような速度指令値及び加速度指令値を生成して制御を行っている。

ここで、図６の制御ブロック図について簡単に説明すると、１０１は負荷３００の最終的な位置指令値ｘ^＊を生成する位置指令生成部であり、前記位置指令値ｘ^＊と積分手段１０８の出力側からフィードバックされた位置信号ｘとの偏差（位置偏差）が減算手段１０２により求められ、位置制御部１０３により前記位置偏差を零にするような速度指令値が演算される。この速度指令値と積分手段１０７の出力側からフィードバックされた速度ｖとの偏差（速度偏差）が減算手段１０４により求められ、速度制御部１０５により前記速度偏差を零にするようなトルク指令値が演算される。このトルク指令値は除算手段１０６により加速度指令値ａに変換され、更に積分手段１０７によって速度ｖが演算される。
なお、除算手段１０６におけるＪは、モータ２０１及び負荷３００からなる駆動機構内の可動部の慣性モーメントである。また、１０９はトルク指令値に基づいて基台４００の変位ｘ_Ｂを演算する伝達関数を示しており、ω_０は基台４００の固有振動周波数である。

特許文献１では、基台４００の固有振動周期を考慮して、例えば図８に示すごとく、一般的な台形状パターンとは異なるパターンの速度指令値を生成し、これに基づく加速度指令値に従ってモータ２０１を駆動することにより、基台４００の振動を抑制しながら負荷３００の位置決めを行っている。
なお、図６と同様に位置及び速度のフィードバックループを有する位置決め制御装置の従来技術としては、例えば特許文献２に記載されたロボットの制御装置が知られている。

特開２００３−８４８３６号公報（段落［００１０］〜［００２０］、図１，図３，図８等）特開２００２−３３７０７８号公報（段落［００２５］，［００２６］、図３等）

図６の従来技術において、図８に示したように加減速を繰り返す速度パターンを実現するためには、加減速を開始するタイミング（時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３等）を事前に計算して決定する必要があり、その計算には多くの手間や時間を必要とする。また、固有振動周期が変化する被制御対象物に対しては、その変化に合わせて加速度を変化させる必要がり、振動を抑制しながら正確な位置決めを可能とする位置指令値、言い換えれば速度指令値や加速度指令値を生成することが困難であった。

そこで、本発明の解決課題は、加減速を開始するタイミングを予め算出する必要がなく、また、固有振動周期が変化する被制御対象物に対してその振動を抑制しながら正確な位置決めを可能とした位置指令生成器を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、固有振動周期をもって振動する被制御対象物を駆動源により駆動して目標位置に位置決めするための逐次位置指令値を生成する位置指令生成器において、
前記被制御対象物の目標位置が最終位置設定値として入力され、この最終位置設定値と一サンプリング周期前の前回逐次位置指令値との偏差にゲインを乗じて偏差速度指令値を生成する第１の手段と、
前記偏差速度指令値と前回速度指令値との偏差をサンプリング周期により除算して逐次加速度指令値を求める第２の手段と、
前記逐次加速度指令値を可変の加速度設定値により制限する第３の手段と、
第３の手段から出力された逐次加速度指令値にサンプリング周期を乗じて逐次速度指令値を求める第４の手段と、
前記逐次速度指令値に前記前回速度指令値を加算してその加算結果を送り速度指令値により制限する第５の手段と、
第５の手段から出力された逐次速度指令値と前回逐次位置指令値とを加算して今回の逐次位置指令値を求める第６の手段と、を備え、
前記加速度設定値を、前記被制御対象物の振動を抑制するように変化させると共に、
前記加速度設定値が加速度制限値以下にならないように制限する前記加速度制限値に応じて前記第１の手段におけるゲインを設定するものである。

本発明によれば、減速を開始する時点を予め算出する必要がなく、加速度設定値を任意に設定可能として加速度の変化に自由度を持たせることができるため、被制御対象物の固有振動周期に合わせて加速度成分を変化させることができる。
また、固有振動周期が途中で変化する被制御対象物を位置決めする場合でも、加減速時に加速度設定値を加速度制限値により飽和させ、この制限値を調整することにより、被制御対象物の固有振動周期に応じて制振性を満足させつつ正確な位置決めを可能とする逐次位置指令値を生成することができる。

本発明の基本形態に係る位置指令生成器の内部構成を示すブロック図である。基本形態により実現される速度パターンの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る位置指令生成器の内部構成を示すブロック図である。実施形態により実現される速度パターンの一例を示す図である。本発明に係る位置指令生成器を含む位置決め制御システムの全体的な構成図である。特許文献１に記載された位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。図６の位置決め制御装置が適用される機械系の構成図である。図６の位置決め制御装置における速度指令値及び加速度指令値を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の基本形態に係る位置指令生成器の内部構成を示すブロック図である。この位置指令生成器は、被制御対象物の最終的な目標位置が最終位置設定値として入力され、この最終位置設定値と、一サンプリング周期（制御周期）前の位置指令値（前回逐次位置指令値）との偏差に応じて逐次加速度指令値及び逐次速度指令値を生成し、これらの指令値を所定の設定値によりそれぞれ制限しながら今回の逐次位置指令値を出力するように構成されている。

まず、固有振動周期をもって振動する被制御対象物（図示せず）の最終位置設定値は減算手段１に入力され、一サンプリング周期前の前回逐次位置指令値との偏差（位置偏差）が算出される。この位置偏差は、係数乗算手段２に入力されてゲインＫが乗算され、偏差速度指令値として減算手段３に入力される。減算手段３では、偏差速度指令値と一サンプリング周期前の前回速度指令値との偏差（速度偏差）が算出され、この速度偏差を係数乗算手段４においてサンプリング周期Ｔ_Ｓにより除算することで、逐次加速度指令値が算出される。
逐次加速度指令値は飽和手段５に入力され、外部から入力された加速度設定値により大きさを制限する飽和処理を行った後、その出力は係数乗算手段６に入力されてサンプリング周期Ｔ_Ｓが乗算された後、加算手段７にて前回速度指令値と加算することにより、逐次速度指令値が算出される。

加算手段７の出力である逐次速度指令値は飽和手段８に入力され、外部から入力された送り速度設定値により大きさを制限する飽和処理を行い、その出力は係数乗算手段９に入力されてサンプリング周期Ｔ_Ｓが乗算された後、加算手段１０にて一サンプリング周期前の前回逐次位置指令値と加算することにより、今回の逐次位置指令値が算出される。
また、今回の逐次位置指令値は、遅延手段１１を経て前回逐次位置指令値として前記減算手段１及び加算手段１０に入力されていると共に、遅延手段１２及び減算手段１３を介して前回及び前々回の逐次位置指令値の差分が演算され、更に係数乗算手段１４によりサンプリング周期Ｔ_Ｓを除算する近似微分演算によって前回速度指令値が算出されるようになっている。この前回速度指令値は、前記減算手段３及び加算手段７にそれぞれ入力されている。

ここで、図２に示すように、加減速時における加速度成分（減速時の成分も含めて加速度成分というものとする）が一定値となるような台形状の速度パターンを実現して被制御対象物を最終位置に位置決めするには、飽和手段５に設定される加速度設定値と飽和手段８に設定される送り速度設定値とを一定値とし、更に、係数乗算手段２におけるゲインＫを適切な値に設定する。以下、この点について説明する。

図２によれば、図１における前回逐次位置指令値及び前回速度指令値は零から開始するため、図１の飽和手段５により加速度成分が飽和した状態で加速し、速度が飽和手段８によって送り速度設定値に到達した時点（図２の時刻ｔ_１）以後、速度が一定となる。
そして、逐次位置指令値が増加していき、最終位置設定値との偏差が減少して係数乗算手段２の出力が送り速度設定値以下になると、飽和手段５により加速度成分が飽和した状態で減速を開始し（図２の時刻ｔ_２）、逐次位置指令値（前回逐次位置）が最終位置設定値と等しくなった時点（図２の時刻ｔ_３）で速度成分及び加速度成分が共に零となり、指令パターンの出力が完了する。
すなわち、この基本形態によれば、減速を開始するタイミングを予め計算によって求めなくても、係数乗算手段２の出力（言い換えればゲインＫの値）によって減速を開始するタイミングが決定される。

ここで、係数乗算手段２におけるゲインＫの最適値は、図２のように一定の加速度で加減速することを考慮すると、数式１により求めることができる。

次に、本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る位置指令生成器の内部構成を示すブロック図である。
この実施形態は、加減速時に加速度成分を変化させる場合のものであり、図１と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。

この実施形態においては、図３に示すように、飽和手段５に与える加速度設定値を加速度制限値に従って変化させる最小値制限手段１５と、係数乗算手段２におけるゲインＫを加速度制限値に応じて設定するゲイン設定手段１６とが追加されている。
全体的な動作は基本形態と同様であるが、この実施形態では、加減速時に、飽和手段５に与えられる加速度設定値を変化させることにより、図４における時刻ｔ_１までの時間、及び、時刻ｔ_２以降の時間は、速度指令値の加速度成分を変化させる。
加減速時に加速度設定値を変化させるパターンは、特許文献１に示されているようなものでもよく、加速後に被制御対象物の固有振動周期が変化した場合でも、減速時に加速度成分を変化させるポイントを、変化した固有振動周期に合わせて再計算すればよい。

係数乗算手段２におけるゲインＫの最適値は、基本形態のように一定の加速度で加減速する場合には前述の数式１によって求めることが可能である。しかし、図４のように加速度成分を変化させながら加減速する場合には、速度一定の状態から減速を開始したときに、その減速開始時点（図４における時刻ｔ_２）以後の移動量を見積もることができない。
また、仮に、ゲインＫが過大である場合には、偏差速度指令値が過大となり、逐次位置指令値が最終位置指令値に対して過大になってから収束する、すなわちオーバーシュート現象を引き起こす恐れがある。
そこで、図３の最小値制限手段１５では、加速度設定値が加速度制限値以下にならないように制限して減速時の加速度成分が過小になるのを防ぐ（減速度を十分に確保する）と共に、ゲイン設定手段１６を介して数式２に示すゲインＫを係数乗算手段２に設定する。

また、減速時の平均加速度を事前に把握することができれば、図１に示した構成のまま、安全係数を考慮した数式３を用いて最適なゲインＫを求めることができる。

ここで、数式３における安全係数について説明する。
減速時に、数式３における平均加速度に対して実際の加速度が小さい場合（減速度が不足する場合）には、想定時刻よりも早く、逐次位置指令値が最終位置設定値に到達してしまう。この場合、負荷を急速に停止させることになるため、負荷に無理な駆動力が加わる上に、励振する恐れがある。従って、数式３に示したように安全係数を含むゲインＫを用い、減速を開始する時間を早めて逐次位置指令値が最終位置設定値に到達するのを少し遅らせることにより、目標位置にスムースに到達させて負荷の急速な停止を防止することができる。

上記の安全係数は、以下の指針により適切な値に調節すればよい。
（１）減速中に変化する加速度が、平均加速度に比べて大きく変化する場合には、安全係数を大きくする。
（２）減速中に変化する加速度が、平均加速度に比べて小さく変化する場合には、安全係数を小さくする。

なお、図５は、本発明に係る位置指令生成器Ａを含む位置決め制御システムの全体的な構成図である。
図５において、制御装置（位置決め制御装置）Ｃ内の位置指令生成器Ａには、前述した実施形態に係るアルゴリズムが具備されており、この位置指令生成器Ａから出力される逐次位置指令値が制御器Ｂに入力される。この制御器Ｂは、モータ等の駆動源Ｍの状態量をフィードバックしながら駆動源Ｍの速度等を制御するためのものであり、駆動源Ｍが被制御対象物としてのクレーン等の負荷ＬＤを駆動するように構成される。

１，７，１３：減算手段
２，４，６，９，１４：係数乗算手段
３：減算手段
５，８：飽和手段
１０：加算手段
１１，１２：遅延手段
１５：最小値制限手段
１６：ゲイン設定手段
Ａ：位置指令生成器
Ｂ：制御器
Ｃ：制御装置
Ｍ：モータ
ＬＤ：負荷

Claims

固有振動周期をもって振動する被制御対象物を駆動源により駆動して目標位置に位置決めするための逐次位置指令値を生成する位置指令生成器において、
前記被制御対象物の目標位置が最終位置設定値として入力され、この最終位置設定値と一サンプリング周期前の前回逐次位置指令値との偏差にゲインを乗じて偏差速度指令値を生成する第１の手段と、
前記偏差速度指令値と前回速度指令値との偏差をサンプリング周期により除算して逐次加速度指令値を求める第２の手段と、
前記逐次加速度指令値を可変の加速度設定値により制限する第３の手段と、
第３の手段から出力された逐次加速度指令値にサンプリング周期を乗じて逐次速度指令値を求める第４の手段と、
前記逐次速度指令値に前記前回速度指令値を加算してその加算結果を送り速度指令値により制限する第５の手段と、
第５の手段から出力された逐次速度指令値と前回逐次位置指令値とを加算して今回の逐次位置指令値を求める第６の手段と、を備え、
前記加速度設定値を、前記被制御対象物の振動を抑制するように変化させると共に、
前記加速度設定値が加速度制限値以下にならないように制限する前記加速度制限値に応じて前記第１の手段におけるゲインを設定することを特徴とする位置指令生成器。