JP6697313B2

JP6697313B2 - 送り軸制御装置における周波数特性測定方法

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Publication number: JP6697313B2
Application number: JP2016078292A
Authority: JP
Inventors: 匡宮路; 孝志則久
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-04-08
Also published as: CN107272576B; JP2017188033A; US10649014B2; DE102017205825A1; CN107272576A; US20170292980A1

Description

本発明は、工作機械等に用いられる送り軸制御装置において、モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定する方法に関する。

工作機械などの送り軸を制御する位置制御装置或いは速度制御装置では、モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定し、機械共振特性・応答特性・安定性を評価した上で、制御コントローラの設計・最適化を行うのが一般的である。
このような測定方法として、例えば特許文献１には、ホワイトノイズを位置指令あるいは速度指令として与え、開ループ特性を測定する方法が開示されている。
また、特許文献２には、速度フィードバックを速度制御系のフィードバックループから切離し、速度指令としてホワイトノイズを与えることで、速度開ループ特性を測定し、速度ループゲインを変更する方法が開示されている。
さらに、特許文献３には、操作量に正弦波信号やＭ系列信号を重畳させ、開ループ周波数特性、閉ループ周波数特性を測定する手法が開示されている。

一方、送り軸駆動系には、弾性変形等に起因したロストモーションが介在することが知られており、特許文献４では、このロストモーション特性が、摩擦力が小さいときは剛性が低く、摩擦力が大きいときは剛性が高くなる「非線形バネ特性」を有することに着目し、これを補償する手法が開示されている。

特開２０００−２７８９９０号公報特開２００１−１７５３０３号公報特開２００６−２２１４０４号公報特開２００２−２５８９２２号公報

しかし、特許文献１〜３の発明では、変位の小さいホワイトノイズやＭ系列信号を掃引して周波数特性を測定するため、駆動系に作用する摩擦やロストモーションの影響で、制御量として十分な出力が得られず、周波数特性のゲイン特性が真値より小さくなり、結果、正確な測定を行うことができないといった課題がある。
特に、特許文献３の発明のように正弦波信号を掃引する場合、測定する全周波数範囲で正弦波加振する必要があるため、測定に時間を要し、また、微小振幅の正弦波で加振され続けるため、ベアリングやガイド部分でグリスや潤滑油が切れ、フレッチングが発生するといった課題がある。
一方、特許文献４の発明では、ロストモーションの変位範囲内で見られる低剛性バネ特性、及びロストモーションの変位範囲外で見られる高剛性バネ特性、それぞれを周波数領域で評価していないため、共振特性や安定性を考慮することができず、フィードバック制御コントローラを最適化できないといった課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、フレッチングを生じることなく、且つ駆動系に作用する摩擦やロストモーションの影響を受けずに、正確に周波数特性を測定することができる送り軸制御装置における周波数特性測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、上位装置又は速度指令演算器からの速度参照値と、周波数特性を測定するために掃引される掃引信号とからなる速度指令値に従ってモータを駆動し、被駆動体の可動部の速度又は位置を制御する送り軸制御装置において、周波数特性を測定する方法であって、
前記送り軸の移動速度が一定となる前記速度参照値を指令して前記送り軸を一方向に移動させる移動ステップと、
前記掃引信号に与える正弦波の振幅を、前記速度参照値の大きさ未満となるように決定する振幅決定ステップと、
前記振幅決定ステップで決定した振幅を持つ正弦波を前記掃引信号に与えて加振する加振ステップと、
前記モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定する測定ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記測定ステップは、測定する伝達特性の入出力信号の周波数スペクトルを計算する周波数スペクトル計算ステップと、
当該周波数における伝達特性を所定の周波数範囲内で計算する周波数測定ステップと、を含むものであり、
前記周波数スペクトル計算ステップでは、前記入出力信号を掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でリサンプリングして前記入出力信号の少なくとも１周期分の定常応答データを切り出し、切り出した前記定常応答データに含まれる掃引周波数に対する周波数スペクトルを計算して、リサンプリングしたことによる周波数特性の振幅減衰を補正することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、上位装置又は速度指令演算器からの速度参照値と、周波数特性を測定するために掃引される掃引信号とからなる速度指令値に従ってモータを駆動し、被駆動体の可動部の速度又は位置を制御する送り軸制御装置において、周波数特性を測定する方法であって、
前記送り軸の移動速度が一定となる前記速度参照値を指令して前記送り軸を一方向に移動させる移動ステップと、
所定の振幅を持つ正弦波を前記掃引信号に与えて加振する加振ステップと、
前記モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定する測定ステップと、を実行すると共に、
前記正弦波の振幅を、円周率と、掃引する前記正弦波の周波数と、前記送り軸駆動系のロストモーション量との積より小さい値で決定し、前記速度参照値の大きさを、前記正弦波の振幅未満で決定し、
前記測定ステップは、測定する伝達特性の入出力信号の周波数スペクトルを計算する周波数スペクトル計算ステップと、
当該周波数における伝達特性を所定の周波数範囲内で計算する周波数測定ステップと、を含むものであり、
前記周波数スペクトル計算ステップでは、前記入出力信号を掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でリサンプリングして前記入出力信号の少なくとも１周期分の定常応答データを切り出し、切り出した前記定常応答データに含まれる掃引周波数に対する周波数スペクトルを計算して、リサンプリングしたことによる周波数特性の振幅減衰を補正することを特徴とする。

本発明によれば、送り軸の移動速度が一定となる速度参照値を指令して送り軸を一方向に移動させる移動ステップと、掃引信号に与える正弦波の振幅を速度参照値の大きさ未満となるように決定する振幅決定ステップと、振幅決定ステップで決定した振幅を持つ正弦波を掃引信号に与えて加振する加振ステップと、モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定する測定ステップと、を実行することで、送り軸駆動系を、掃引信号で正弦波加振しながらも、常に一方向に移動させ続けることができる。よって、ベアリングやガイド部分でグリスや潤滑油が切れ、フレッチングが発生する心配が無く、また、移動方向反転等で制御量を低下させる摩擦やロストモーションの影響を排除することができ、正確に周波数特性を測定することが可能となる。
特に、請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加えて、測定ステップを、周波数スペクトル計算ステップと周波数測定ステップとを含むものとして、周波数スペクトル計算ステップでは、入出力信号を掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でリサンプリングして入出力信号の少なくとも１周期分の定常応答データを切り出し、切り出した定常応答データに含まれる掃引周波数に対する周波数スペクトルを計算して、リサンプリングしたことによる周波数特性の振幅減衰を補正することで、各周波数成分での正弦波加振に要する時間を、定常状態の正弦波１周期分と、定常状態に達するまでの過渡状態の極僅かな時間に限定することができる。よって、周波数特性の測定に要する時間を最小化することができ、ベアリングやガイド部分でグリスや潤滑油が切れ、フレッチングに至るリスクを抑えることが可能となる。
特に、請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加えて、正弦波の振幅を、円周率と、掃引する正弦波の周波数と、送り軸駆動系のロストモーション量との積より小さい値で決定し、速度参照値の大きさを、正弦波の振幅未満で決定するので、ロストモーションが示す非線形バネ特性のうち、低剛性バネ特性に焦点を当てた周波数特性を測定することが可能となる。

速度制御を行う送り軸制御装置の構成図である。位置制御を行う送り軸制御装置の構成図である。形態１に係る周波数特性測定方法を示すフローチャートである。形態２に係る周波数特性測定方法を示すフローチャートである。形態３に係る周波数特性測定方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、速度制御を行う送り軸制御装置の一例を示す構成図である。図１において、減算器１は、速度指令値Ｖcと、対象プラント（工作機械等）３内のモータ（工作機械ではサーボモータ）或いは被駆動体（工作機械では加工テーブル等）に取り付けられた位置検出器の位置検出値Ｐdを微分して得られる速度検出値、或いは対象プラント３内のモータ或いは被駆動体に取り付けられた速度検出器から直接得られる速度検出値Ｖdとの差分から、速度偏差Ｖdifを算出する。
算出された速度偏差Ｖdifは、トルク指令演算器２で増幅され、トルク指令値Ｔcとなる。対象プラント３は、トルク指令値Ｔcに相当するトルクを、対象プラント３内のモータで発生させ、例えばボールねじを介して、対象プラント３内に配置された被駆動体を駆動する。
速度指令値Ｖcは、図示しない上位装置（工作機械ではＮＣ装置等）から指令された速度参照値Ｖrefと、周波数特性を測定するために掃引される掃引信号Ｖaddとを加算器４で加算して算出する。

一方、本発明を実施するための制御構成は、図２に示すような位置制御を行う送り軸制御装置であっても良い。
図２に示す減算器５は、図示しない上位装置から指令された位置指令値Ｐcと、対象プラント３内のモータ或いは被駆動体に取り付けられた位置検出器から直接得られる位置検出値、あるいは対象プラント３内のモータ或いは被駆動体に取り付けられた速度検出器の速度検出値Ｖdを積分して得られる位置検出値Ｐdとの差分を計算する。
減算器５から出力された値は、速度指令演算器６で増幅され、位置指令値Ｐcを微分器７で微分して得られる速度フィードフォワードと加算器８で加算され、速度参照値Ｖrefとなる。その他の構成については図１と同様である。

ここで、速度偏差Ｖdif及び速度指令値Ｖcから速度検出値Ｖdまでの伝達特性を考えると、それぞれ下記（１）式、（２）式で表現できる。
Ｖd／Ｖdif＝Ｃv・Ｐ・・（１）
Ｖd／Ｖc ＝Ｃv・Ｐ／（１＋Ｃv・Ｐ）・・（２）

上記（１）式は、速度偏差Ｖdifの周波数スペクトルと速度検出値Ｖdの周波数スペクトルとから、速度制御系の開ループ伝達特性：Ｃv・Ｐが計算できることを意味している。
同様に、上記（２）式は、速度指令値Ｖcの周波数スペクトルと速度検出値Ｖdの周波数スペクトルとから、速度制御系の閉ループ伝達特性：Ｃv・Ｐ／（１＋Ｃv・Ｐ）が計算できることを意味している。これらの伝達特性を得るためには、掃引信号Ｖaddとして、正弦波信号を与えれば良い。

以下に、上記送り軸制御装置において、フレッチングを生じることなく、且つ駆動系に作用する摩擦やロストモーションの影響を受けずに、正確に周波数特性を測定する方法について説明する。

［形態１］
図３は、本発明の周波数特性測定方法における第１の実施形態を示したフローチャートである。
始めに、Step1Aで、送り軸の移動速度が一定となるよう速度参照値Ｖrefを与える。速度参照値Ｖrefは、図１の構成の場合、上位装置から直接与えられるものであり、図２の構成の場合、上位装置から指令された位置指令値Ｐcの微分値に相当するものであるから、Step1Aは、例えば工作機械の送り軸ではＮＣプログラムなどでＦ指令を与えることに相当する。このStep1Aが移動ステップとなる。

次に、掃引信号Ｖaddに与える正弦波に関し、Step2Aで、振幅が速度参照値Ｖrefの大きさよりも小さくなるよう振幅を決定した後、Step3で、測定する周波数特性の周波数範囲に合わせて、掃引する正弦波の周波数を決定する。そして、Step4で、決定した振幅及び周波数からなる正弦波を掃引信号Ｖaddに与える。すなわち、送り軸を一定の速度で移動させながら、速度参照値Ｖref未満の振幅を持つ正弦波で加振することになる。このStep2A〜Step4が加振ステップとなる。

次に、Step5で、測定する伝達特性の入出力信号の周波数スペクトルを計算する。例えば、速度制御系の閉ループ伝達特性を測定する場合、入力信号としての速度指令値Ｖcの周波数スペクトルと、出力信号としての速度検出値Ｖdの周波数スペクトルとをそれぞれ計算することを意味する。このStep5が測定ステップのうちの周波数スペクトル計算ステップとなる。
なお、周波数スペクトルの計算方法としては、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）が良く知られているが、これに限定されるものではない。例えば、掃引信号Ｖaddで加振する周波数は既知であるから、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）のような手法で単一周波数のスペクトルのみを抽出する手法であっても良い。更に、リアルタイムに演算を行うことを考慮してＳＤＦＴ（スライディング離散フーリエ変換）を用いることも可能である。

そして、Step6で、掃引した正弦波の周波数における伝達特性を、例えば（１）式、（２）式に基づき計算する。このStep3からStep6の操作を、測定する伝達特性の周波数範囲内で、加振する正弦波の周波数を変えながら、測定する周波数範囲での全周波数の測定が完了するまで繰り返すことによって、伝達特性を測定することができる。このStep6から全周波数測定完了に至る手順が測定ステップのうちの周波数測定ステップとなる。

このように、上記形態１の周波数特性測定方法によれば、送り軸の移動速度が一定となるよう速度参照値Ｖrefを指令して送り軸を一方向に移動させる移動ステップ（Step1A）と、速度参照値Ｖrefの大きさ未満の振幅を持つ正弦波を掃引信号Ｖaddに与えて加振する加振ステップ（Step2A〜Step4）と、モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定する測定ステップ（Step5から全周波数測定完了まで）と、を実行することで、送り軸駆動系を、掃引信号Ｖaddで正弦波加振しながらも、常に一方向に移動させ続けることができる。よって、ベアリングやガイド部分でグリスや潤滑油が切れ、フレッチングが発生する心配が無く、また、移動方向反転等で制御量を低下させる摩擦やロストモーションの影響を排除することができ、正確に周波数特性を測定することが可能となる。

［形態２］
図４は、本発明の周波数特性測定方法における第２の実施形態を示したフローチャートであり、第１の実施形態（図３）のStep5（周波数スペクトル計算ステップ）を改良したものである。それ以外のステップは形態１と同じであるため、異なる手順のみを説明する。
Step4で正弦波を掃引信号Ｖaddに与えた後、続くStep5-1では、測定する伝達特性の入出力信号の測定を開始し、Step5-2で、掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でリサンプリングする。但し、予め掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数で入出力信号の測定を開始すれば、このStep5-2は不要となる。

次に、Step5-3で、入出力信号それぞれで繰り返し性が観測された時点で、過渡状態から定常状態に遷移したと判断し、入出力信号の定常応答データ１周期分を切り出す。ここで、扱う入出力信号のデータは、掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でサンプリングされたデータであるため、切り出した１周期分のデータを繰り返すことで、連続した時系列データを得ることが可能である。なお、ここで切り出すデータは１周期分に限らず、複数周期分切り出しても、伝達特性の演算は可能である。ただし、データ量・計算量が増えるだけで、演算精度には殆ど寄与しないため、切り出すデータは１周期分であることが好ましい。

続いて、Step5-4で、入出力信号の掃引周波数に対する周波数スペクトルを計算する。なお、周波数スペクトルの計算方法は第１の実施形態のStep5と同様、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）、ＳＤＦＴ（スライディング離散フーリエ変換）等、何れも利用可能であるが、ＦＦＴは切り出した１周期分のデータが２のべき乗であることが要求されるため、ＤＦＴまたはＳＤＦＴの方が汎用的に利用できる。また、演算に要する時間を節約したいのであれば、ＳＤＦＴが望ましい。

そして、Step5-5で、リサンプリングによる振幅減衰を補正する。通常、リサンプリングを行った場合、元々の信号に存在していた波形の頂点のデータがリサンプリングにより欠落し、波形の振幅が僅かに小さくなる。Step5-5では、例えばリサンプリングの前後で１周期分のデータに対する分散値を比較し、その変化量に基づいて振幅スペクトルの補正を行う。

このように、上記形態２の周波数特性測定方法によれば、周波数スペクトル計算ステップにおいて、入出力信号を掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でリサンプリングして入出力信号の少なくとも１周期分の定常応答データを切り出し、切り出した定常応答データに含まれる掃引周波数に対する周波数スペクトルを計算して、リサンプリングしたことによる周波数特性の振幅減衰を補正しているので、各周波数成分での正弦波加振に要する時間を、定常状態の正弦波１周期分と、定常状態に達するまでの過渡状態の極僅かな時間に限定することができる。よって、周波数特性の測定に要する時間を最小化することができ、ベアリングやガイド部分でグリスや潤滑油が切れ、フレッチングに至るリスクを抑えることが可能となる。

［形態３］
図５は、本発明の周波数特性測定方法における第３の実施形態を示したフローチャートであり、第１の実施形態（図３）のStep1A、Step2AをStep1B、Step2Bに改め、更に、Step5を第２の実施形態（図４）のStep5-1〜Step5-5としたものである。
まず、Step1Bで、掃引信号Ｖaddに与える正弦波の振幅を決定する。ここで、正弦波の振幅は、円周率πと、正弦波の周波数ｆと、測定する送り軸駆動系のロストモーション量ＬＭとの積より小さい値に設定する。これは、（正弦波の振幅）／２πｆをＬＭ／２未満とすることを意味し、（正弦波の振幅）／２πｆは、速度信号に正弦波を与えたときに、これを積分して得られる変位量の振幅に相当する。一方、ロストモーション量ＬＭは、例えば、当該送り軸を正方向から位置決めした場合と負方向から位置決めした場合の位置決め誤差として観測可能である。すなわち、Step1Bでは、正弦波で加振した際の変位がロストモーションの範囲内に収まるように正弦波の振幅を規定するものである。

次に、Step2Bで、速度参照値Ｖrefの大きさがStep1Bで決定した正弦波の振幅未満となるように、速度参照値Ｖrefを与える。これは、Step1Aと同様、例えば工作機械の送り軸ではＮＣプログラムなどでＦ指令を与えることに相当する。このStep2Bが移動ステップとなる。なお、以降の手順は第１の実施形態（図３）、第２の実施形態（図４）と同様であるため説明を省略する。

このように、上記形態３の周波数特性測定方法によれば、正弦波の振幅を、円周率πと、掃引する正弦波の周波数ｆと、送り軸駆動系のロストモーション量ＬＭとの積より小さい値で決定し、速度参照値Ｖrefの大きさを、決定した正弦波の振幅未満で決定しているので、ロストモーションが示す非線形バネ特性のうち、低剛性バネ特性に焦点を当てた周波数特性を測定することが可能となる。

なお、上記各形態の方法はそれぞれ単独で実行する場合に限らず、形態１〜３の方法を併用して周波数特性を測定することもできる。こうした組み合わせを行えば、ロストモーションの変位範囲外で見られる高剛性バネ特性に焦点を当てた周波数特性を測定することも可能であるから、非線形バネ特性の低剛性バネ特性、高剛性バネ特性の両方を周波数領域で評価することが可能になる。よって、共振特性や安定性についてロストモーションの特性変化（ロバスト性）を考慮したフィードバック制御コントローラの最適化が可能となる。

１，５・・減算器、２・・トルク指令演算器、３・・対象プラント、４，８・・加算器、６・・速度指令演算器、７・・微分器。

Claims

上位装置又は速度指令演算器からの速度参照値と、周波数特性を測定するために掃引される掃引信号とからなる速度指令値に従ってモータを駆動し、被駆動体の可動部の速度又は位置を制御する送り軸制御装置において、周波数特性を測定する方法であって、
前記送り軸の移動速度が一定となる前記速度参照値を指令して前記送り軸を一方向に移動させる移動ステップと、
前記掃引信号に与える正弦波の振幅を、前記速度参照値の大きさ未満となるように決定する振幅決定ステップと、
前記振幅決定ステップで決定した振幅を持つ正弦波を前記掃引信号に与えて加振する加振ステップと、
前記モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定する測定ステップと、を実行することを特徴とする送り軸制御装置における周波数特性測定方法。
前記測定ステップは、測定する伝達特性の入出力信号の周波数スペクトルを計算する周波数スペクトル計算ステップと、
当該周波数における伝達特性を所定の周波数範囲内で計算する周波数測定ステップと、を含むものであり、
前記周波数スペクトル計算ステップでは、前記入出力信号を掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でリサンプリングして前記入出力信号の少なくとも１周期分の定常応答データを切り出し、切り出した前記定常応答データに含まれる掃引周波数に対する周波数スペクトルを計算して、リサンプリングしたことによる周波数特性の振幅減衰を補正することを特徴とする請求項１に記載の送り軸制御装置における周波数特性測定方法。
上位装置又は速度指令演算器からの速度参照値と、周波数特性を測定するために掃引される掃引信号とからなる速度指令値に従ってモータを駆動し、被駆動体の可動部の速度又は位置を制御する送り軸制御装置において、周波数特性を測定する方法であって、
前記送り軸の移動速度が一定となる前記速度参照値を指令して前記送り軸を一方向に移動させる移動ステップと、
所定の振幅を持つ正弦波を前記掃引信号に与えて加振する加振ステップと、
前記モータを含む送り軸駆動系の周波数特性を測定する測定ステップと、を実行すると共に、
前記正弦波の振幅を、円周率と、掃引する前記正弦波の周波数と、前記送り軸駆動系のロストモーション量との積より小さい値で決定し、前記速度参照値の大きさを、前記正弦波の振幅未満で決定し、
前記測定ステップは、測定する伝達特性の入出力信号の周波数スペクトルを計算する周波数スペクトル計算ステップと、
当該周波数における伝達特性を所定の周波数範囲内で計算する周波数測定ステップと、を含むものであり、
前記周波数スペクトル計算ステップでは、前記入出力信号を掃引周波数の整数倍のサンプリング周波数でリサンプリングして前記入出力信号の少なくとも１周期分の定常応答データを切り出し、切り出した前記定常応答データに含まれる掃引周波数に対する周波数スペクトルを計算して、リサンプリングしたことによる周波数特性の振幅減衰を補正することを特徴とする送り軸制御装置における周波数特性測定方法。