JP6325504B2 - 学習制御器の自動調整を行う機能を有するサーボ制御装置 - Google Patents

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本発明は、サーボ制御装置に関し、特に、学習制御器の自動調整を行う機能を有するサーボ制御装置に関する。
近年、工作機械では学習制御に関する技術の実用化が進んでいる。学習制御について簡単に説明すると、学習制御はフィードフォワード信号をある同じ動作に対して最適化する制御である。繰り返し同じ動作を行う事により、フィードフォワード信号が更新されて行き、最終的にはある形に落ち着く。その時点で、学習を終了して、学習制御によって得られたフィードフォワード信号を更新せずにそのまま使用する。
学習制御を用いた繰返し動作の高精度化の原理が報告されている（例えば、非特許文献１）。非特許文献１においては、評価関数自体の導出も行われている。しかしながら、非特許文献１においてはサーボ系の周波数応答を実測する技術や実験モード解析は行われておらず、ノミナルな特性以上の計算は行われていなかった。学習制御器の構成方法の原則については言及しているものの、具体的な調整則については触れていない。
また、学習制御の特性や安定性についても報告されている（例えば、非特許文献２）。しかしながら、非特許文献２には、学習制御器の調整則については言及されていない。
井上悳ら：プレイバックサーボ系の高精度制御，電気学会論文誌Ｃ，１０１巻，４号，ｐ．８９−９６（１９８１） 片山剛ら：適応型繰り返し制御を用いた光ディスクのトラッキング制御システム，テレビジョン学会誌，Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．８，ｐ．１０１８−１０２６（１９９４）
本発明は、実測の基本制御系特性によって得られる、学習制御を含めたサーボ特性を自動調整することが可能なサーボ制御装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施例に係るサーボ制御装置は、サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械のサーボ制御装置において、送り軸を所定の同一動作パターンで駆動するための位置指令を作成する位置指令作成部と、送り軸の位置を検出する位置検出部と、位置指令作成部が作成した位置指令値及び位置検出部が検出した位置検出値を取得し、位置指令値と位置検出値との差分である位置偏差を算出する位置偏差取得部と、位置指令作成部、位置検出部、及び位置偏差取得部を含む位置制御ループと、位置偏差取得部から出力された位置偏差の高周波成分を減衰させる帯域制限フィルタと、帯域制限フィルタから出力された位置偏差に対して位相進めを実施する動特性補償要素と、帯域制限フィルタ及び動特性補償要素を含む学習制御器と、位置制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波掃引入力部と、正弦波を位置制御ループへ入力したときの位置制御ループの出力から、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための周波数特性算出部と、周波数特性算出部が算出した実測の周波数特性、及び学習制御器の周波数特性に基づいて、学習制御器付きの位置制御特性を示す評価関数を計算する学習制御特性評価関数算出部と、を具備し、学習制御特性評価関数算出部は、評価関数の値に基づいて学習制御器を構成する帯域制限フィルタ及び動特性補償要素の少なくとも一方の構成を変更することを特徴とする。
本発明の一実施例に係るサーボ制御装置によれば、機械特性を含めて計測した学習制御器つきサーボ制御特性の最適化を行うことにより、オフライン計算での定量的な安定性評価と最適化が可能であるため、学習制御の調整における試行錯誤が不要となるという効果が得られる。
本発明の実施例に係るサーボ制御装置の構成図である。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の学習制御器の構成図である。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の通常サーボ及び帯域制限フィルタの周波数特性を示すグラフである。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の学習制御器における過渡偏差の収束性を表す指標ＡTの周波数特性の例である。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の学習制御器における過渡偏差の収束性を表す指標ＡTの周波数特性の他の例である。 本発明の実施例に係るサーボ制御装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明に係るサーボ制御装置について説明する。図１は、本発明の実施例に係るサーボ制御装置１００の構成図である。本発明の実施例に係るサーボ制御装置１００は、サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械のサーボ制御装置において、位置指令作成部１と、位置検出部２と、位置偏差取得部３と、位置制御ループ４と、帯域制限フィルタ５と、動特性補償要素６と、学習制御器７と、正弦波掃引入力部８と、周波数特性算出部９と、学習制御特性評価関数算出部１０と、を有する。
位置指令作成部１は、伝達機構３０を介してサーボモータ２０が工作機械の送り軸を所定の同一動作パターンで駆動するための位置指令を作成する。位置指令作成部１が作成した位置指令は位置偏差取得部３に出力される。
位置検出部２は、工作機械の送り軸の位置を検出する。位置検出部２として、エンコーダやレゾルバを用いることができるが、これらには限られない。位置検出部２が検出した送り軸の位置の検出値は位置偏差取得部３に出力される。
位置偏差取得部３は、位置指令作成部１が作成した位置指令値及び位置検出部２が検出した位置検出値を取得し、位置指令値と位置検出値との差分である位置偏差を算出する。上記の位置指令作成部１、位置検出部２、及び位置偏差取得部３を含んで位置制御ループ４が構成される。
帯域制限フィルタ５は、位置偏差取得部３から出力された位置偏差の高周波成分を減衰させる。帯域制限フィルタ５は、ある周波数領域における高周波領域の信号をカットするためのローパスフィルタであり、制御系を安定させる効果がある。
動特性補償要素６は、帯域制限フィルタ５から出力された位置偏差に対して位相進めを実施する。動特性補償要素６は、ある周波数領域における高周波領域の信号の位相を進ませ、さらにゲインを上げるフィルタであり、制御系の遅れやゲイン低下を補償する効果がある。上記の帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６を含んで学習制御器７が構成される。
正弦波掃引入力部８は、位置制御ループ４への正弦波掃引を行う。例えば、正弦波掃引入力部８は、位置制御ループ４を構成する位置偏差取得部３に対して正弦波からなる外乱を入力するようにしてもよい。ただし、このような例には限られない。
周波数特性算出部９は、正弦波を位置制御ループ４へ入力したときの位置制御ループ４の出力から、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定する。
ここで、周波数特性算出部９は、位置制御ループ４の周波数特性を１つの剛体モード及び少なくとも１つの共振モードによって記述するようにしてもよい。
学習制御特性評価関数算出部１０は、周波数特性算出部９が算出した実測の周波数特性、及び学習制御器７の周波数特性に基づいて、学習制御器付きの位置制御特性を示す評価関数を計算する。学習制御特性評価関数算出部１０は、評価関数の値に基づいて学習制御器７を構成する帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６の少なくとも一方の構成を変更する。評価関数の計算等については後述する。
次に、学習制御器７の構成について図２を用いて説明する。位置指令ｒが減算器１１に入力され、減算器１１によって位置指令ｒと位置検出部が検出した実位置ｙとの差である位置偏差ｅが算出される。学習制御器７の加算器１４は、位置偏差ｅと、帯域制限フィルタ５に設けられた遅延メモリ（図示せず）に記憶された１パターン周期前の補正量とを加算する。帯域制限フィルタ５は、加算器１４の出力をフィルタ処理して補正量を求める。帯域制限フィルタ５は、学習周期Ｌを用いてＦ（ｓ）ｅ-sLと表すことができる。動特性補償要素（Ｇx（ｓ））６は、制御対象の位相遅れやゲイン低下を補償し、学習制御器７は補正量を加算器１２に出力する。加算器１２は、位置偏差ｅにこの補正量を加算し、速度指令作成部１５において、通常サーボ（位置・速度制御系）のポジションゲインＧ0（ｓ）を乗じて速度指令を作成する。なお、図２に示した例では、加算器１３において速度指令に外乱ｄが加算される例を示している。
次に、学習制御特性評価関数算出部１０が、周波数特性算出部９が算出した実測の周波数特性、及び学習制御器７の周波数特性に基づいて、学習制御器付きの位置制御特性を示す評価関数を計算する方法について説明する。
まず、学習制御器の付加によって、同期的入力のもとで十分に長い時間が経過した後の最終偏差の各角周波数成分が、基本サーボ系の制御偏差に対して最終偏差を非常に小さくすることができることがわかる。また、|Ｆ（ｊω）|≪１となるフィルタの遮断領域では、最終偏差特性は基本サーボ系の応答によって決定される（非特許文献１）。なお、同期的入力とは、学習周期Ｌに対してｒ＋ｄが一定値、またはＬかＬの整数分の一の周期を持つことをいう。
ここで、Ｇ（ｊω）は以下の式（１）で表される。
Figure 0006325504
過渡偏差の収束性を表す指標ＡT（ω）は下記の式（２）で表すことができる。
Figure 0006325504
ここで、帯域制限フィルタＦ（ｊω）及び通常サーボのゲインＧ0（ｊω）の周波数特性を図３に示す。Ｇ0（ｊω）は、二慣性系相当の特性であり、実測で得られる。
式（２）より、ＡT（ω）の値が小さいほど、ｊω付近の根による過渡応答成分の収束が速い。また、ＡT＝１は応答成分の振幅が一定で収束しないことを示す。
ここで、Ｇ0は実測可能であり、Ｇx，Ｆは数式で定義可能である。従って、ＡTは実測ベースで計算可能である。従って、本発明の実施例に係るサーボ制御装置によれば、学習制御器込みでのサーボ制御特性を、機械特性を含めて計測することができる。
ここで、図４に、本発明の実施例に係るサーボ制御装置の学習制御器における過渡偏差の収束性を表す指標ＡTの周波数特性の一例を示す。図４において、実線は指標ＡTを表し、破線は近似曲線（ローレンツ関数）を表す。この近似曲線から評価値を算出する。
評価値（評価関数）は、下記の式（３）により算出することができる。
評価関数 ＝ ピーク高さ ／ 半値幅 （３）
図４において、縦方向の矢印がピーク高さを表し、横方向の矢印が半値幅を示す。評価値が算出されたら、評価値（評価関数）が極小となるように逐次計算で調整を行う。
ここで、学習制御特性評価関数算出部１０は、式（３）の評価値が極小となるように、学習制御器７を構成する帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６の少なくとも一方の構成を変更する。図５は、本発明の実施例に係るサーボ制御装置の学習制御器における過渡偏差の収束性を表す指標ＡTの周波数特性の他の例であって、帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６の構成を変更した後の特性である。図５の近似曲線においては、図４の近似曲線に比べて、ピーク高さが減少し、半値幅が増大しているので、評価関数の値が小さくなっている。このようにして、評価値が極小となるように帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６の構成を変更する。
次に、本発明の実施例に係るサーボ制御装置の動作手順について、図６に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、正弦波掃引入力部８が位置制御ループ４へ正弦波外乱を入力する。例えば、正弦波掃引入力部８は、位置制御ループ４を構成する位置偏差取得部３に対して正弦波からなる外乱を入力する。
次に、ステップＳ１０２において、位置検出部２が工作機械の送り軸の位置を検出する。位置検出部２が検出した送り軸の位置の検出値は位置偏差取得部３に出力される。
次に、ステップＳ１０３において、周波数特性算出部９が、位置制御ループ４の周波数特性を算出する。即ち、周波数特性算出部９が、正弦波を位置制御ループへ入力したときの位置制御ループの出力から、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定する。
次に、ステップＳ１０４において、周波数特性算出部９が、帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６の周波数特性を算出する。
次に、ステップＳ１０５において、学習制御特性評価関数算出部１０が、位置制御系の評価関数の値を算出する。即ち、学習制御特性評価関数算出部１０は、周波数特性算出部９が算出した実測の周波数特性、及び学習制御器７の周波数特性に基づいて、学習制御器付きの位置制御特性を示す評価関数を計算する。評価関数は上述の通り式（３）で表される。
次に、ステップＳ１０６において、学習制御特性評価関数算出部１０は、評価関数値の極小値を取得したか否かを判断する。極小値を取得していない場合は、ステップＳ１０４に戻って、学習制御特性評価関数算出部１０は、式（３）の評価値が極小となるように、学習制御器７を構成する帯域制限フィルタ５及び動特性補償要素６の少なくとも一方の構成を変更し、評価関数の計算を継続する。一方、極小値を取得した場合は、処理を終了する。
以上説明したように、本発明の一実施例に係るサーボ制御装置によれば、機械特性を含めて計測した学習制御器つきサーボ制御特性の最適化を行うことにより、オフライン計算での定量的な安定性評価と最適化が可能であるため、学習制御の調整における試行錯誤が不要となるという効果が得られる。
１ 位置指令作成部
２ 位置検出部
３ 位置偏差取得部
４ 位置制御ループ
５ 帯域制限フィルタ
６ 動特性補償要素
７ 学習制御器
８ 正弦波掃引入力部
９ 周波数特性算出部
１０ 学習制御特性評価関数算出部

Claims (1)

  1. サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械のサーボ制御装置において、
    送り軸を所定の同一動作パターンで駆動するための位置指令を作成する位置指令作成部と、
    送り軸の位置を検出する位置検出部と、
    前記位置指令作成部が作成した位置指令値及び前記位置検出部が検出した位置検出値を取得し、位置指令値と位置検出値との差分である位置偏差を算出する位置偏差取得部と、
    前記位置指令作成部、前記位置検出部、及び前記位置偏差取得部を含む位置制御ループと、
    前記位置偏差取得部から出力された位置偏差の高周波成分を減衰させる帯域制限フィルタと、
    前記帯域制限フィルタから出力された位置偏差に対して位相進めを実施する動特性補償要素と、
    前記帯域制限フィルタ及び前記動特性補償要素を含む学習制御器と、
    前記位置制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波掃引入力部と、
    正弦波を前記位置制御ループへ入力したときの前記位置制御ループの出力から、位置制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための周波数特性算出部と、
    前記周波数特性算出部が算出した実測の周波数特性、及び前記学習制御器の周波数特性に基づいて、学習制御器付きの位置制御特性を示す評価関数を計算する学習制御特性評価関数算出部と、を具備し、
    前記学習制御特性評価関数算出部は、評価関数の値に基づいて前記学習制御器を構成する前記帯域制限フィルタ及び前記動特性補償フィルタの少なくとも一方の構成を変更し、
    前記学習制御特性評価関数算出部は、評価関数の値が極小となるように前記学習制御器を構成する前記帯域制限フィルタ及び前記動特性補償フィルタの少なくとも一方の調整を行い、
    前記評価関数は、前記学習制御器における過渡偏差の収束性を表す指標の周波数特性におけるピーク高さ及び半値幅を用いて、以下の式により算出される、
    評価関数 ＝ ピーク高さ ／ 半値幅
    ことを特徴とするサーボ制御装置。
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