JP7000868B2 - 制御システム - Google Patents

Description

本発明は、モータを制御するための制御システムに関する。

サーボドライバへの位置比例ゲイン及び速度比例ゲインの設定を容易に行えるようにするために、機械系（モータ及び負荷）を安定性良く制御できる位置比例ゲイン及び速度比例ゲインを、記憶したテーブルから読み出して、サーボドライバに設定すること（例えば、特許文献１参照）が提案されている。

特開２０１７－１１２７９９号公報

上記技術によれば、サーボドライバに、比較的に適切な位置比例ゲイン及び速度比例ゲインを設定することができる。ただし、上記技術は、全制御（位置ループ制御、速度ループ制御等）をサーボドライバが行うことを想定したものである。そのため、位置ループ制御を上位装置が行い、速度ループ以下の制御をモータ制御装置が行うシステムに、上記技術をそのまま適用すると、オーバーシュートが生じやすくなってしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、モータ制御装置とその上位装置とに、モータを安定性良く制御できるゲイン（速度比例ゲイン及び位置比例ゲイン）を設定できる技術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、本発明の一観点による、速度ループと前記速度ループを内包する位置ループとを含むフィードバック制御によりモータを制御する制御システムは、前記速度ループ以下を構成するモータ制御装置と、前記位置ループを構成する上位装置と、前記フィードバック制御を単一の制御装置で実行する場合における位置比例ゲイン及び速度比例ゲインの推奨値ペア中の位置比例ゲインに、前記上位装置と前記モータ制御装置との間の通信遅延時間に応じた補正を施すことで補正済位置比例ゲインを求め、求めた補正済位置比例ゲイン、前記推奨値ペア中の速度比例ゲインを、それぞれ、前記モータ制御装置、前記上位装置に設定するゲイン設定部と、を備える。

すなわち、この制御システムは、速度ループと前記速度ループを内包する位置ループとを含む前記フィードバック制御を単一の制御装置で実行する場合における位置比例ゲイン及び速度比例ゲインの推奨値ペア中の位置比例ゲインに、前記上位装置と前記モータ制御装置との間の通信遅延時間に応じた補正を施した補正済位置比例ゲインを上位装置に設定する構成を有する。従って、この制御システムによれば、モータ制御装置とその上位装置とに、モータを安定性良く制御できるゲイン（速度比例ゲイン及び位置比例ゲイン）を設定することができる。

制御システム内のゲイン設定部は、通信遅延時間に応じて予め定められている量の補正を位置比例ゲインに施すものであっても良い。ただし、Ｋ_ｐｐ、Ｋ_ｖｐ及びＴ_{ｄｅｌａｙ}に基づき、以下の（１）式を満たす補正済位置比例ゲインＫｐｐ′を求めることになるゲイン設定部を制御システムに採用しておけば、通信遅延時間がない制御系に各ゲインの推
奨値を設定した場合と同等の位相余裕を得ることができる。

なお、この（１）式において、Ｋｐｐ′［Hz］、Ｔｄｅｌａｙ［sec］は、それぞれ、
補正済位置比例ゲイン、通信遅延時間であり、Ｋｐｐ［Hz］、Ｋｖｐ［Hz］は、それぞれ、推奨値ペア中の位置比例ゲイン、速度比例ゲインである。

モータ制御装置を制御することにより速度制御系の周波数応答を取得し、取得した周波数応答から求めた、位置比例ゲインがＫ_ｐｐ［Hz］である場合の位相量φ_pと、取得した
周波数応答から求まる、位置比例ゲインがＫ_ｐｐ′［Hz］である場合の位相量φ_p’と、
通信遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}との間に以下の（２）式が成立することになる補正済位置比例ゲインＫ_ｐｐ′を求めるゲイン制御部を制御システムに採用しても、通信遅延時間がない制御系に各ゲインの推奨値を設定した場合と同等の位相余裕を得ることができる。
－３６０＊２＊Ｔ_{ｄｅｌａｙ}＊Ｋ_ｐｐ′＋φ_p’＝φ_p …（２）

本発明によれば、モータ制御装置とその上位装置とに、モータを安定性良く制御できるゲイン（速度比例ゲイン及び位置比例ゲイン）を設定することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る制御システムの概略構成図である。 図２は、実施形態に係る制御システム内のゲイン補正・設定部が行うゲイン補正・設定処理の流れ図である。 図３は、ゲイン補正・設定処理のステップＳ１０２の処理の説明図である。 図４は、ゲイン補正・設定処理の効果を説明するための図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る制御システム内のゲイン補正・設定部が補正済位置比例ゲインを算出するための行う処理の説明図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。

《第１実施形態》
図１に、本発明の第１実施形態に係る制御システムの概略構成を示す。
本実施形態に係る制御システムは、速度ループと当該速度ループを内包する位置ループとを含むフィードバック制御によりモータ４０を制御するためのシステムである。図示してあるように、制御システムは、上位装置１０と、モータ制御装置２０と、ゲイン設定部３０と、を備える。

上位装置１０は、上記フィードバック制御の位置ループに関する制御（演算）を行う装置である。上位装置１０は、位置指令（図示略）と、モータ４０に取り付けられた位置検出器４５により検出された位置（以下、検出位置と表記する）との間の偏差から、速度指令を生成する位置制御部１１を備える。

モータ制御装置２０は、上記フィードバック制御の速度ループ以下の制御を行う装置である。モータ制御装置２０は、検出位置からモータ４０の速度を検出する速度検出部２３、及び、速度検出部２３により検出された速度と速度指令との間の偏差から、電流指令を
生成する速度制御部２１を備える。さらに、モータ制御装置２０は、モータ４０に供給される電流を検出する電流検出部２４、及び、電流検出部２４による電流の検出結果を用いてモータ４０に電流指令通りの電流を供給する電流制御部２２を備える。

ゲイン設定部３０は、上位装置１０に、位置ループのパラメータ（位置制御部１１の動作パラメータ）である位置比例ゲインを設定し、モータ制御装置２０に、速度ループのパラメータ（速度制御部２１の動作パラメータ）である速度比例ゲインを設定するユニットである。なお、図１には、ゲイン設定部３０を、上位装置１０外且つモータ制御装置２０外のユニットとして示してあるが、ゲイン設定部３０は、上位装置１０内のユニットであっても、モータ制御装置２０内のユニットであってもよい。

図示してあるように、ゲイン設定部３０は、ゲイン補正・設定部３１とパラメータテーブル３２とを備える。

パラメータテーブル３２は、機械系（モータ４０及びモータ４０が駆動する機械負荷）を安定的に制御できる位置比例ゲイン及び速度比例ゲインの組合せを、記憶したテーブルである。以下、このパラメータテーブル３２に記憶されている位置比例ゲイン、速度比例ゲインのことを、それぞれ、位置比例ゲインの推奨値、速度比例ゲインの推奨値とも表記する。

ゲイン補正・設定部３１は、所定の指示が入力されたときに、ゲイン補正・設定処理を実行するユニットである。なお、“所定の指示”は、ユーザにより入力される指示であっても、他装置から入力される指示であっても良い。また、ゲイン設定部３０の電源が投入された場合に、所定の指示が入力されたとして、ゲイン補正・設定処理を開始するように、ゲイン補正・設定部３１を構成しておいてもよい。

ゲイン補正・設定部３１が実行するゲイン補正・設定処理は、図２に示した手順の処理である。

すなわち、所定の指示が入力されたため、このゲイン補正・設定処理を開始したゲイン補正・設定部３１は、まず、通信遅延時間を取得する（ステップＳ１００）。ここで、通信遅延時間とは、上位装置１０（位置制御部１１）による速度指令の生成サイクルのことである。このステップＳ１００の処理は、通信遅延時間を取得できる処理であれば、ユーザから通信遅延時間を取得する処理であっても、他装置から通信遅延時間を取得する処理であってもよい。

ステップＳ１００の処理を終えたゲイン補正・設定部３１は、パラメータテーブル３２から、位置比例ゲイン及び速度比例ゲインの推奨値（２推奨値の組合せ）を読み出す（ステップＳ１０１）。次いで、ゲイン補正・設定部３１は、パラメータテーブル３２から読み出した位置比例ゲインに、通信遅延時間に応じた補正を施すことで、補正済位置比例ゲインを算出する（ステップＳ１０２）。

より具体的には、ゲイン補正・設定部３１は、ステップＳ１０２において、以下の（１）式により補正済位置比例ゲインＫ_ｐｐ′［Hz］を算出する。

なお、この式において、Ｔdelay［sec］は、通信遅延時間であり、Ｋｐｐ［Hz］、Ｋｖｐ［Hz］は、パラメータテーブル３２から読み出された位置比例ゲイン、速度比例ゲインである。

ステップＳ１０２の処理を終えたゲイン補正・設定部３１は、算出した補正済位置比例ゲインを上位装置１０に設定し、パラメータテーブルから読み出した速度比例ゲインをモータ制御装置２０に設定する（ステップＳ１０３）。そして、ゲイン補正・設定部３１は、このゲイン補正・設定を終了する。

以上、説明したように、本実施形態に係る制御システムでは、上記（１）式により、パラメータテーブル３２から読み出した位置比例ゲインＫ_ｐｐ等から補正済位置比例ゲインＫ_ｐｐ′が算出されて上位装置１０に設定される。

上記（１）式の左辺の第１項は、位置比例ゲインがＫ_ｐｐ′［Hz］である場合における通信遅延時間Ｔdelay［sec］分の位相量であり、φ_d［°］とする。また、（１）式の左
辺の第２項は、通信遅延時間がない制御系（以下、標準制御系と表記する）の、位置比例ゲインがＫ_ｐｐ′である時の位置制御開ループの位相量φ_p’［°］である。さらに、（
１）式の右辺は、標準制御系の、位置比例ゲインがＫ_ｐｐである時の位置制御開ループの位相量φ_p［°］である。

従って、φ_d＋φ_p’＝φ_pが成立するＫ_ｐｐ′を求めるという処理によれば、図３に模
式的に示してあるように、処理対象制御系（上位装置１０）に設定することにより、標準制御系にパラメータテーブル３２内のＫ_ｐｐ及びＫ_ｖｐを設定した場合の位相余裕とほぼ同じ位相余裕を実現できる位置比例ゲイン（補正済位置比例ゲイン）Ｋ_ｐｐ′を求めることができる。

具体的には、図４に、通信遅延時間がない制御系にパラメータテーブル３２内のＫ_ｐｐ及びＫ_ｖｐを設定した場合の応答特性のシミュレーション結果（“通信遅延時間なし”）と、パラメータテーブル３２内のＫ_ｐｐ及びＫ_ｖｐを上位装置１０及びモータ制御装置２０に設定した場合の応答特性のシミュレーション結果（“補正なし”）と、ゲイン補正・設定処理を行った場合の応答特性のシミュレーション結果（“補正あり”）とを示す。なお、各シミュレーション結果は、Ｋ_ｖｐ＝１００［Ｈｚ］、Ｋ_ｐｐ＝２５［Ｈｚ］、通信遅延時間＝１０００［μｓｅｃ］という条件で得られたものである。

このように、パラメータテーブル３２内のＫ_ｐｐ及びＫ_ｖｐをそのまま使用すると、オーバーシュートが発生してしまうが、ゲイン補正・設定処理を行えば、オーバーシュートが発生しないゲイン（位置比例ゲイン及び速度比例ゲイン）であって、通信遅延時間がない制御系にパラメータテーブル３２上のゲインを設定した場合と同等の位相余裕が得られるゲインを、上位装置１０及びモータ制御装置２０に設定することができる。

《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係る制御システムについて、上記した第１実施形態に係る制御システムと異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る制御システムは、ゲイン補正・設定処理（図２）のステップＳ１０２にて、上記処理とは異なる内容の処理で補正済位置比例ゲインを算出するように、第１実施形態に係る制御システム内のゲイン補正・設定部３１を変形したものである。

具体的には、本実施形態に係る制御システムのゲイン補正・設定部３１は、ステップＳ１０２にて、まず、モータ制御装置２０を制御することにより速度制御系の周波数応答を
取得（実測）する。

その後、ゲイン補正・設定部３１は、取得した周波数応答から、位置比例ゲインがＫ_ｐｐ［Hz］である場合の位相量φ_p［°］を算出する。また、ゲイン補正・設定部３１は、
位置比例ゲインがＫ_ｐｐ′［Hz］である場合における通信遅延時間Ｔdelay［sec］分の位相量φ_d［°］（つまり、-360*2*Ｔ_delay*Ｋ_ｐｐ′）を算出する。そして、ゲイン補正・設定部３１は、φ_p’を、取得した周波数応答から求まる位置比例ゲインがＫ_ｐｐ′［Hz
］である場合の位相量として、φ_d＋φ_p’＝φ_pが成立するＫ_ｐｐ′を算出する。

すなわち、本実施形態に係る制御システムのゲイン補正・設定部３１は、図５に模式的に示したように、速度制御系の周波数応答の測定結果に、位置制御系の伝達関数を加算することにより位置制御系開ループ特性を求める処理と類似した処理により、Ｋ_ｐｐ′を算出する。

従って、本実施形態に係る制御システムによっても、オーバーシュートが発生しないゲイン（位置比例ゲイン及び速度比例ゲイン）であって、通信遅延時間がない制御系にパラメータテーブル上のゲインを設定した場合と同等の位相余裕が得られるゲインを、上位装置１０及びモータ制御装置２０に設定することができる。

《変形例》
上記した各実施形態に係る制御システムは、各種の変形を行えるものである。例えば、ゲイン補正・設定部３１を、位置比例ゲインを、通信遅延時間に応じて予め定められている量減少させるここにより補正済位置比例ゲインを算出するものに変形しても良い。ただし、そのように変形した場合、十分な位相余裕が確保できない虞がある。そのため、上記した実施形態の構成を採用しておくことが好ましい。

１０ 上位装置
１１ 位置制御部
２０ モータ制御装置
２１ 速度制御部
２２ 電流制御部
２３ 速度検出部
２４ 電流検出部
３０ ゲイン設定部
３１ ゲイン補正・設定部
３２ パラメータテーブル
４０ モータ
４５ 位置検出器

Claims (2)

1. 速度ループと前記速度ループを内包する位置ループとを含むフィードバック制御によりモータを制御する制御システムであって、
   前記速度ループ以下を構成するモータ制御装置と、
   前記位置ループを構成する上位装置と、
   前記フィードバック制御を単一の制御装置で実行する場合における位置比例ゲイン及び速度比例ゲインの推奨値ペア中の位置比例ゲインに、前記上位装置と前記モータ制御装置との間の通信遅延時間に応じた補正を施すことで補正済位置比例ゲインを求め、求めた補正済位置比例ゲイン、前記推奨値ペア中の速度比例ゲインを、それぞれ、前記モータ制御装置、前記上位装置に設定するゲイン設定部と、
   を備え、
   前記補正済位置比例ゲイン、前記通信遅延時間を、それぞれ、Ｋｐｐ′［Hz］、Ｔｄｅｌａｙ［sec］と表記し、前記推奨値ペア中の位置比例ゲイン、速度比例ゲインを、それ
   ぞれ、Ｋｐｐ［Hz］、Ｋｖｐ［Hz］と表記すると、
   前記ゲイン設定部は、Ｋｐｐ、Ｋｖｐ及びＴｄｅｌａｙに基づき、以下の（１）式を満たす補正済位置比例ゲインＫｐｐ′を求める、
   ことを特徴とする制御システム。
   

   
2. 速度ループと前記速度ループを内包する位置ループとを含むフィードバック制御によりモータを制御する制御システムであって、
   前記速度ループ以下を構成するモータ制御装置と、
   前記位置ループを構成する上位装置と、
   前記フィードバック制御を単一の制御装置で実行する場合における位置比例ゲイン及び速度比例ゲインの推奨値ペア中の位置比例ゲインに、前記上位装置と前記モータ制御装置との間の通信遅延時間に応じた補正を施すことで補正済位置比例ゲインを求め、求めた補正済位置比例ゲイン、前記推奨値ペア中の速度比例ゲインを、それぞれ、前記モータ制御装置、前記上位装置に設定するゲイン設定部と、
   を備え、
   前記補正済位置比例ゲイン、前記通信遅延時間を、それぞれ、Ｋｐｐ′［Hz］、Ｔｄｅｌａｙ［sec］と表記し、前記推奨値ペア中の位置比例ゲイン、速度比例ゲインを、それ
   ぞれ、Ｋｐｐ［Hz］、Ｋｖｐ［Hz］と表記すると、
   前記ゲイン設定部は、
   前記モータ制御装置を制御することにより速度制御系の周波数応答を取得し、
   取得した周波数応答から求めた、位置比例ゲインがＫｐｐ［Hz］である場合の位相量φpと、取得した周波数応答から求まる、位置比例ゲインがＫｐｐ′［Hz］である場合の位
   相量φp’と、通信遅延時間Ｔｄｅｌａｙとの間に以下の（２）式が成立することになる
   補正済位置比例ゲインＫｐｐ′を求める、
   ことを特徴とする制御システム。
   －３６０＊２＊Ｔｄｅｌａｙ＊Ｋｐｐ′＋φp’＝φp …（２）

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