JP6519458B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
〔実施の形態〕
<システム全体構成>
図2を参照して本発明の実施の形態に関する制御システムの全体構成を説明する。システム1はコントローラ100とドライバ200と制御対象で構成される。コントローラ100は速度指令値を周期毎にドライバ200に出力する。ドライバ200は典型的にはサーボモータで構成され、コントローラ100から出力された速度指令値と制御対象からのフィードバック値(例えば、力フィードバック値)に基づきモータ(図示せず)を駆動するトルク指令値を算出し、トルク指令値にてモータを駆動させる。制御対象はモータによって駆動され、制御対象が駆動されると制御対象の状態を図示しないエンコーダ等で検出し、位置または速度等の制御対象の状態がドライバ200およびコントローラ100へフィードバックされる。本発明は、駆動により速度の関数として与えられる粘性抵抗Fが生じる制御対象が前提である。例えば、F=DV+U(ここでF:粘性抵抗、D:粘性抵抗係数、V:速度、U:オフセット)である。本システム1ではさらに制御対象には力センサが取りつけられており、制御対象に作用する外力を検出し、ドライバ200及びコントローラ100へフィードバックされる。
次に、コントローラ100のハードウェア構成の構成について説明する。図1は、図2に示すコントローラ100のハードウェア構成の一例を示す模式図である。図1を参照して、コントローラ100は、予めインストールされたプログラムをプロセッサが実行することで、制御対象に対する制御を実現する。より具体的には、コントローラ100は、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro-Processing Unit)などのプロセッサ102と、チップセット104と、メインメモリ106(記憶部)と、フラッシュメモリ108(記憶部)と、外部ネットワークコントローラ116と、メモリカードインターフェイス118と、内部バスコントローラ122と、フィールドバスコントローラ124とを含む。
発明の発明者らは、速度および力について、速度目標値と速度指令値との誤差、または速度目標値と速度現在値との誤差と力の目標値と力の現在値との誤差を所定の比率で制御する手法を見出した。まずは速度および力の誤差の比率に基づき速度および力を制御する原理について説明する。
ここで、Kd:バネ定数、Dd:粘性係数、Md:質量、xd:目標位置、vd:目標速度、Fd:目標力
上記数式1を変形させて、次の数式を得る。
バネ定数を0、すなわちKd1=0としたとき、次の数式3を得る。
数式3について、オイラーの近似により離散化して、次の数式4を得る。
Vc=Vnow+{Dd1(Vd−Vnow)+Md1(Fnow−Fd)}Δt
・・・(数式4)
数式4に従って、速度の現在値、力の現在値を用いて速度指令値を算出する。この速度指令値は力の誤差値の項を含み、力フィードバック値を用いて補正速度指令値を算出することができる。
インピーダンス制御の一般式から仮想バネ定数を0とおいた時に仮想粘性係数と仮想ダンパ係数との比を設定することにより、速度目標値と速度現在値との差である速度誤差と、力の目標値と力の現在値との差である力誤差が所定の関係で制御することができることを示している。
図3に、演算部130の構成を示す。図4に、速度インピーダンス制御を用いて速度指令を算出するフローチャートを示す。図3および図4を参照して、速度インピーダンス制御におけるコントローラ100の演算部130の動作を説明する。図3に示すように、演算部130は、指令値生成部1321および補正演算部1322を含んでいる。
図5から図6および表1を参照して、速度制御のみ、トルク制御のみ、本発明の誤差比率制御を行った時の結果を参照して本願発明誤差比率制御の効果を説明する。
F=−3×V+6(0<=t<=20)、F=−2×V−3(20<=t)
となる。
これまでの発明の実施の形態においては、速度および力の誤差が所定の比率となるような補正速度指令値の算出方法を説明した。上述の押出し成形機等の制御に用いられるコントローラを考えると、速度の最大値・最小値だけでなく、力の最大値・最小値を用いて制御をしたい場合が想定される。
Vc=Vnow+{Dd1(Vd−Vnow)+Md1(Fnow−Fd)}Δt
・・・(数式4)
となる。
このように設定することにより、Fnow≒FminまたはFnow≒FmaxになるとDd1 *の値は非常に小さくなるため、速度の誤差の影響をなくなり、力の追従性が上がるため、定常状態では、力が上限・下限値が超えることがなくなる。
FnowがFmaxに近づくと、Fmax−Fnow≒0になり、
Vc=Vnow+{Md1(Fnow−Fd)}Δt
・・・(数式7)
この数式にて補正速度指令値を求めると力が目標値Fdに近づくように制御される。また、FnowがFminに近づく場合にも同様なことがいえるため、力が目標値Fdに近づくように制御される。
次に本実施形態の制御装置がインピーダンス制御を用いて補正速度指令値を算出する構成について説明する。一実施形態として制御装置にはインピーダンス制御による補正速度指令値の算出に適したライブラリプログラムが予め用意される。コントローラのユーザは、図示しないコントローラサポート装置を用いて当該ライブラリプログラムを読み出すようなコードを生成することができる。このようなライブラリプログラムを制御装置メーカやサードパーティが予め提供しておくことで、短い時間でインピーダンス制御による補正速度指令値を算出するようなユーザプログラムを作成することが可能となる。すなわち、ユーザプログラムは、制御対象において典型的にはインピーダンス制御による補正速度指令値を算出に用いられる。
本発明のコントローラは、速度および力を所定に比率で制御する機械のアプリケーションで好適に利用することができる。たとえば、成形機においては成形対象が粘性が高いもの対象から粘性が低い対象に代わったとしても、力の上限値・下限値を設定することで速度と力を制御することにより、制御することが可能となる。
106 メインメモリ(記憶部)
1322 補正演算部
Claims (4)
- ドライバに対して周期的に速度の指令値を出力することにより、前記ドライバが制御対象を駆動するようになっている制御装置であって、
前記制御対象は、駆動されることにより粘性抵抗が作用するものであり、
前記制御対象の速度の現在値と、前記制御対象に作用する力の現在値とを取得し、
前記速度の現在値、前記力の現在値と前記力の所定の目標値との誤差、および、前記速度の現在値と前記速度の所定の目標値との誤差に基づいて、前記速度の指令値を演算する演算部を備えることを特徴とする、制御装置。 - 前記演算部は、以下の関係式
Vc=Vnow+{Dd1(Vd−Vnow)+Md1(Fnow−Fd)}Δt
但し、
Vd:前記速度の目標値、
Vnow:前記速度の現在値、
Fd:前記力の目標値、
Fnow:前記力の現在値、
Dd1:前記速度の重み係数、
Md1:前記力の重み係数
に従って、前記速度の指令値V c を演算することを特徴とする、請求項1に記載の制御装置。 - 前記速度の指令値の上限値および下限値を記憶する記憶部をさらに備え、
前記演算部は、演算した前記速度の指令値が前記上限値よりも大きい場合には、前記速度の指令値として前記上限値を前記ドライバに出力する一方、演算した前記速度の指令値が前記下限値よりも小さい場合には、前記速度の指令値として前記下限値を前記ドライバに出力することを特徴とする、請求項1または2に記載の制御装置。 - 前記演算部は、前記指令値を周期的に出力する周期毎に、前記力の現在値に基づいて前記速度の重み係数Dd1 を変更することを特徴とする、請求項2に記載の制御装置。
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