JPWO2014091840A1 - サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

被駆動体の運動状態を示す状態量のそれぞれが独立に変化しても外乱モデルのパラメータを新たに同定する必要がない外乱補正機能を備えた、ロバストで高精度なサーボ制御装置を得るため、位置検出器２０を含むモータ１６によって駆動される被駆動体１８の位置が、位置指令値と一致するように制御を行うサーボ制御装置１０を、サーボ制御装置１０が、被駆動体１８の運動時における複数の状態量を同時に推定する状態量推定部２６と、複数の状態量のそれぞれ及びこれに対応する外乱モデルを用いて各外乱力を推定して外乱推定値を出力し、外乱推定値の線形和から外乱補正値を生成する加算器を含む外乱推定部２４と、位置検出器２０からの信号に外乱補正値を加算してモータ１６の駆動電流を決定するサーボ制御部１４と、を備えるサーボ制御装置とする。例えば、図１では、複数の状態量は、機械モデル部２２により推定されて出力される。

Description

本発明は、サーボ制御装置に関する。

工作機械には、複数の送り軸が備えられており、これらはリニアモータ及びサーボモータ等によって駆動される。各送り軸においては、被駆動体（加工対象物を固定したテーブル等）の実際の位置が指令位置と一致するように、位置検出器を用いて被駆動体の位置を検出し、検出した被駆動体の位置と指令位置との誤差を補正するフィードバック制御が行われている。フィードバック制御では、未知の外乱が入力されても外乱を打ち消すように駆動力が制御されるが、誤差を検出してから誤差に応じた駆動力が入力されるため、送り軸の応答が遅いという問題がある。

外乱力の一種である摩擦力が輪郭運動の精度に与える影響については、よく知られている。例えば、ＸＹ平面内で直交する２軸を用いて円弧軌跡の運動を行う場合には、二つの軸のそれぞれには、位相が９０度ずれた正弦波状の運動指令が与えられる。そして、円弧の象限が切り替わる点においては、いずれかの送り軸の運動方向が反転する。このとき、送り軸の構成要素であるボールねじまたは軸受等の接触部で生じる摩擦トルク及び摩擦力の方向も反転するため、反転軸の制御系が一定時間遅れて応答することになる。そのため、応答軌跡に追従誤差が生じ、実際の軌道は、指令軌跡の少し外側を通ることになる。この現象は象限突起と呼ばれ、運動精度を低下させる要因となっている。

なお、回転系の摩擦トルクと直動系の摩擦力は、機械系の構成によって決まる定数によって等価的に換算ができるため、本明細書においては、摩擦トルクと摩擦力は区別しないものとし、同様に、直動モータのモータ推力と回転モータのモータトルクも区別しないものとする。

上記の問題を解決するための従来技術として、モデルベースのフィードフォワード制御がある。モデルベースのフィードフォワード制御では、予め測定した外乱力のデータを用いて外乱モデルを同定し、運動方向反転時の外乱力を予測し、この外乱力に打ち勝てるだけの駆動力に相当する電流指令を上乗せしてモータを制御する。

例えば、特許文献１には、摩擦力を三つの領域（静止摩擦領域、クーロン摩擦領域、粘性摩擦領域）に分割し、予め決定したパラメータを用いて速度と摩擦力の関係を表現した差分方程式のモデルにより摩擦力を予測し、この摩擦力に打ち勝てるだけの補正値を算出し、該補正値を用いて制御を行う技術が開示されている。特許文献１では、速度のみの関数で摩擦力をモデル化している。

また、例えば、特許文献２には、摩擦が微小変位領域で示すヒステリシス特性を補正するために、被駆動体の運動方向が反転する位置からの変位と摩擦力の関係を非線形関数でモデル化し、補正値を生成することで摩擦力の補正を行う技術が開示されている。すなわち、特許文献２では、位置のみの関数で摩擦力をモデル化している。

特開平１１−２８２５０６号公報 特許第４５８１０９６号公報

しかしながら、運動状態を示す状態量の一つのみ（例えば、速度のみまたは運動方向反転位置からの変位のみ）を用いて外乱力のモデル化を行うと、運動条件が変わるたびにモデルパラメータの再設定を要する。例えば、「速度」のみの関数でモデル化を行う場合には、異なる被駆動体位置で送り軸を駆動すると、「位置」に依存する外乱力の影響で全外乱力が変動するためモデル化誤差が生じ、補正が有効に機能しないという問題がある。

また、上記の先行文献１における位置の関数は、厳密には運動方向が反転した位置からの相対的な位置の関数、すなわち変位の関数である。しかしながら、変位のみならず、機械の原点を基準とした被駆動体の位置によって変動する外乱成分が存在することも知られている。そこで、本明細書においては、機械の原点を基準とした被駆動体の位置、すなわちグローバルな位置を「位置」と呼び、運動方向反転位置からの「変位」量とは区別する。

また、反転位置からの変位のみの関数（「変位」のみの関数）でモデル化を行う場合には、異なる速度で送り軸を駆動すると、速度に依存する外乱力（摩擦力）の影響で全外乱力が変動するためモデル化誤差が生じ、補正が有効に機能しないという問題がある。

このように、運動状態を示す状態量の一つのみを用いたモデル化は、ロバストで高精度なサーボ制御装置を実現するためには十分とはいえない。さらには、全外乱力は、グローバルな位置、運動方向反転位置からの変位及び被駆動体の速度のみならず、加速度によって変動する。そのため、ロバストで、より高精度なサーボ制御装置では、このような複数の状態量を考慮すべきである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被駆動体の運動状態を示す状態量のそれぞれが独立に変化しても外乱モデルのパラメータを新たに同定する必要がない外乱補正機能を備えた、ロバストで高精度なサーボ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のサーボ制御装置は、位置検出器を含むモータによって駆動される被駆動体の位置が、位置指令値と一致するように制御を行うサーボ制御装置であって、該サーボ制御装置が、前記被駆動体の運動時における複数の状態量を同時に推定する状態量推定部と、推定した前記複数の状態量のそれぞれ及び前記複数の状態量のそれぞれに対応する外乱モデルを用いて各外乱力を推定して前記複数の状態量のそれぞれに応じた外乱推定値を出力し、前記複数の状態量のそれぞれの前記外乱推定値の線形和から外乱補正値を生成する加算器を含む外乱推定部と、前記位置検出器からの信号に前記外乱補正値を加算して前記モータの駆動電流を決定するサーボ制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、被駆動体の運動状態を示す状態量のそれぞれが独立に変化しても、外乱モデルのパラメータを新たに同定する必要がない外乱補正機能を備えたロバストで高精度なサーボ制御装置を得ることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるサーボ制御装置、モータ及び被駆動体の構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１〜３にかかるサーボ制御部の構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態１にかかる機械モデル部の構成を示すブロック図である。 図４は、実施の形態１，３にかかる反転後変位推定器の動作を示すフローチャートである。 図５は、実施の形態１，２にかかる外乱推定部の構成を示すブロック図である。 図６は、実施の形態１〜３にかかる外乱推定部の動作を示すフローチャートである。 図７は、実施の形態１〜３にかかる複数の平行四辺形型モデルを用いて変位依存外乱力を近似したモデルを示す図である。 図８は、実施の形態２にかかるサーボ制御装置、モータ及び被駆動体の構成を示すブロック図である。 図９は、実施の形態２にかかる状態量推定部の構成を示すブロック図である。 図１０は、実施の形態３にかかるサーボ制御装置、モータ及び被駆動体の構成を示すブロック図である。 図１１は、実施の形態３にかかる外乱推定部の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかるサーボ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるサーボ制御装置、モータ及び被駆動体の実施の形態１の構成を示すブロック図である。図１には、サーボ制御装置１０、サーボ制御装置１０によって動作を制御されるモータ１６、モータ１６に接続された位置検出器２０、及びモータ１６によって駆動される被駆動体１８が示されている。

サーボ制御装置１０は、指令値入力部１２と、サーボ制御部１４と、機械モデル部２２と、外乱推定部２４と、を備える。

指令値入力部１２は、入力された被駆動体１８の目標位置に従って、サーボ制御部１４及び機械モデル部２２に位置指令を出力する。

機械モデル部２２は、サーボ制御部１４、モータ１６及び被駆動体１８を含む系を模擬し、指令値入力部１２が出力した位置指令に基づいて被駆動体１８の運動の状態量を推定して、推定した５つの状態量を外乱推定部２４に出力する。

外乱推定部２４は、機械モデル部２２で推定された５つの状態量から外乱力を推定し、推定した外乱力を外乱補正値としてサーボ制御部１４に出力する。

サーボ制御部１４は、指令値入力部１２からの位置指令と、位置検出器２０からの検出器信号（検出位置）と、外乱推定部２４からの外乱補正値と、を用いてフィードバック制御を行い、モータ１６に駆動電流（モータ駆動電流）を出力することで、被駆動体１８の運動を制御する。

図２は、サーボ制御部１４の構成を示すブロック図である。サーボ制御部１４は、Ｐ（比例）制御器３０ａと、ＰＩ（比例積分）制御器３２ａと、微分器３４ａと、を備え、Ｐ制御器３０ａによって補償される位置ループと、ＰＩ制御器３２ａによって補償される速度ループと、を有する。

Ｐ制御器３０ａは、指令値入力部１２からの位置指令及び位置検出器２０からの検出位置（検出器信号）に基づいて、速度指令を出力する。

ＰＩ制御器３２ａは、Ｐ制御器３０ａから出力された速度指令及び検出速度に基づいて、電流指令を出力する。なお、検出速度は、位置検出器２０からの検出位置を微分器３４ａによって微分したものである。

ＰＩ制御器３２ａが出力した電流指令は外乱補正値によって補正されて電流指令（モータ駆動電流）として出力される。

図３は、機械モデル部２２の構成を示すブロック図である。機械モデル部２２は、Ｐ制御器３０ｂと、ＰＩ制御器３２ｂと、トルク定数乗算器３８と、送り軸イナーシャ乗算器４０と、積分器３６ａと、積分器３６ｂと、微分器３４ｂと、反転後変位推定器４２と、を備える。

Ｐ制御器３０ｂには、指令値入力部１２からの位置指令及び積分器３６ｂの出力が入力される。

ＰＩ制御器３２ｂには、Ｐ制御器３０ｂの出力及び積分器３６ａの出力が入力される。

トルク定数乗算器３８には、ＰＩ制御器３２ｂの出力が入力され、モータ電流指令値からモータのトルクを計算し出力する。

送り軸イナーシャ乗算器４０には、トルク定数乗算器３８の出力が入力される。送り軸イナーシャ乗算器４０の出力は、状態量の一つとして機械モデル部２２から出力される「加速度」である。なお、イナーシャは予め計算しておくものとする。

微分器３４ｂには、送り軸イナーシャ乗算器４０の出力が入力される。微分器３４ｂの出力は、状態量の一つとして機械モデル部２２から出力される「加加速度」である。

積分器３６ａには、送り軸イナーシャ乗算器４０の出力が入力される。積分器３６ａの出力は、状態量の一つとして機械モデル部２２から出力される「速度」である。

積分器３６ｂには、積分器３６ａの出力が入力される。積分器３６ｂの出力は、状態量の一つとして機械モデル部２２から出力される「位置」である。

反転後変位推定器４２には、積分器３６ａ，３６ｂの出力、すなわち「速度」と「位置」が入力される。反転後変位推定器４２の出力は、状態量の一つとして機械モデル部２２から出力される「変位」である。

このように、機械モデル部２２では、位置指令を入力したときの送り軸運動を模擬することで、送り軸の「位置」、「速度」、「加速度」が算出される。さらに、加速度の変化率から「加加速度」が算出される。また、反転後変位推定器４２では、速度と位置を用いて運動方向反転位置からの「変位」が算出される。

図４は、反転後変位推定器４２の動作を示すフローチャートである。反転後変位推定器４２には、「位置」と「速度」が入力される。反転後変位推定器４２は、速度の符号が反転したか否かを判定し（ステップＳ１）、速度の符号が反転したと判定した場合には、被駆動体１８の運動方向が反転したと判断する。そして、このときの位置情報を反転した位置としてメモリに保存して位置情報を更新する。速度の符号が反転していないと判定した場合には、位置情報を更新しない（ステップＳ２）。現在位置とメモリに保存された反転した位置の差分が、反転した位置からの変位として出力される（ステップＳ３）。

図５は、外乱推定部２４の構成を示すブロック図である。外乱推定部２４は、加加速度依存外乱モデル４４と、加速度依存外乱モデル４６と、速度依存外乱モデル４８と、変位依存外乱モデル５０と、位置依存外乱モデル５２と、加算器５４と、トルク定数除算器５６と、を備える。

図６は、外乱推定部２４の動作を示すフローチャートである。外乱推定部２４には、機械モデル部２２からの５つの状態量が入力され（ステップＳ１１）、各状態量についてのモデルを用いて、状態量ごとに外乱力の値を計算する（ステップＳ１２）。例えば、加加速度依存外乱モデル４４を用いて、加加速度依存の外乱力を計算する。このように各状態量によって計算した各外乱力を加算器５４に入力して加算し、全外乱力を計算する（ステップＳ１３）。そして、このように計算された全外乱力と等しい大きさの駆動力が、外乱補正値としてサーボ制御部１４に出力される（ステップＳ１４）。なお、外乱補正値は、モータ１６の駆動電流値に換算されて出力される。

ここで、図５に示す状態量依存外乱モデルのそれぞれについて説明する。

加加速度依存外乱モデル４４では、加加速度に対して外乱力を定数で近似してモデル化する。加加速度依存の外乱力が作用する時間は、被駆動体の加速度が変化する極僅かな時間のみであるから、加加速度の変動を無視して定数で近似しても問題ないためである。加加速度依存外乱力をＦ_ｊ、加加速度をｊとすると、加加速度依存外乱モデル４４は、式（１）で表現される。ｓｇｎは符号関数である。

加速度依存外乱モデル４６では、加速度に対して外乱力を一次式で近似してモデル化する。加速度依存の外乱力は、被駆動体が加速されている時にのみ生じるものであり、加速度依存の外乱力の変動は加速度の大きさに比例するからである。加速度依存外乱力をＦ_ａ、加速度をａ、加速度を変化させたときの外乱力の変動率をｆ_ａ１、加速度の変化によらない定数成分をｆ_ａ０とすると、加速度依存外乱モデル４６は、式（２）で表現される。

速度依存外乱モデル４８では、速度に対して外乱力を多項式で近似してモデル化する。速度依存外乱力をＦ_ｖ、速度をｖ、クーロン摩擦力をＦ_ｃ、最大静止摩擦力をＦ_ｍａｘ、変位依存外乱力の最大値をＦ_{ｘ＿ｍａｘ}、ストライベック効果を決定する定数をα、粘性定数をＤとすると、速度依存外乱モデル４８は、式（３）で表現される。ストライベック曲線の近似式から変位依存外乱力の最大値を除いた近似式を用いて速度依存外乱力を推定することで、変位依存外乱力の大きさが二重に考慮されることを防止している。すなわち、速度依存外乱モデル４８は、ストライベック効果を決定する定数を用いて近似した多項式から変位依存外乱力の最大値を引いた式で表現される関数によって構成されるモデルである。

変位依存外乱モデル５０では、変位と外乱力の関係を複数の平行四辺形型の関数で近似してモデル化する。図７は、複数の平行四辺形型の関数を重ね合わせて変位依存外乱力を近似したモデルを示す図である。図７に示す平行四辺形型の関数は、変位依存外乱力が飽和する飽和値以上では、前記変位依存外乱力が定常値をとり、前記飽和値未満では、前記変位依存外乱力が一定の変化率で変化するものである。変位依存外乱モデル５０では、複数の平行四辺形型の関数を重ね合わせることで外乱力のヒステリシス形状を近似しており、ｉ番目の平行四辺形型外乱モデルをループｉと呼び、それぞれのループの外乱力をｆ_ｉ、変位依存外乱力をＦ_ｘとすると、変位依存外乱モデル５０は、式（４）で表現される。

ここで、変位をｘ、ｉ番目の平行四辺形型モデルにおける変位量に対する外乱力の変化率をΔＦ_ｉ、平行四辺形型モデルの定常値をＦ_{ｘｉ＿ｍａｘ}とすると、それぞれのループの外乱力ｆ_ｘｉは、式（５）で近似される。

また、運動方向反転直後の変位依存外乱力の変化率をΔＦとすると、ΔＦ_ｉ及びＦ_{ｘｉ＿ｍａｘ}は、式（６），（７）の関係式が成立するように決定される。なお、平行四辺形型モデルの数を増加させるほどヒステリシス形状は滑らかな非線形形状になるので、ｉは所望する外乱力のモデル化精度に応じて決定すればよい。

なお、速度依存外乱力と変位依存外乱力は、全外乱力に対する寄与が特に大きいので、速度依存外乱モデル４８と変位依存外乱モデル５０により主要な外乱力の特性を捕らえることができる。

位置依存外乱モデル５２では、予め測定した送り軸の位置と外乱力の関係によりカーブフィットの手法を用いて最小二乗近似した位置の関数でモデル化する。位置依存外乱力をＦ_ｇ、多項式近似した位置依存外乱力をｆ_ｇとすると、位置依存外乱モデル５２は、式（８）で表現される。位置依存外乱力の変動周波数は一般的に低周波数であり、またボールねじの振れまわり等のように周期成分を含むことが多いので、フーリエ級数や多項式近似によってモデル化することができる。すなわち、位置依存外乱モデル５２は、多項式により近似した被駆動体１８の位置の関数のモデルとすればよい。

上記の式（１）〜（８）のそれぞれの状態量に依存する外乱力の合計である全外乱力がモータ１６の駆動電流値に換算され、サーボ制御部１４に外乱補正値が出力される。

すなわち、本実施の形態にて説明したサーボ制御装置は、制御系を模擬したモデルを用いて、位置指令値から被駆動体の運動時の複数の状態量を推定して前記外乱推定部に出力する機械モデル部を備える。

以上説明したように、運動状態を決定するすべての状態量の変化を考慮した外乱モデルを用いると、運動条件が変化して状態量が独立に変化する場合に、新たに最適なパラメータを設定しなくても、運動条件によらず外乱の補正を適切に行うことができるため、ロバストで高精度なサーボ制御装置を実現することができる。

また、本実施の形態によれば、状態量の推定に機械モデルを用いるため、位置検出器の特性の影響を受けることなく状態量の推定を行うことができる。

実施の形態２．
図８は、本発明にかかるサーボ制御装置、モータ及び被駆動体の実施の形態２の構成を示すブロック図である。図８には、サーボ制御装置１０ａ、サーボ制御装置１０ａによって動作を制御されるモータ１６ａ、モータ１６ａに接続された位置検出器２０ａ、及びモータ１６ａによって駆動される被駆動体１８ａが示され、被駆動体１８ａには加速度センサ２８が設けられている。

サーボ制御装置１０ａは、指令値入力部１２ａと、サーボ制御部１４ａと、状態量推定部２６と、外乱推定部２４ａと、を備える。

すなわち、図８に示すサーボ制御装置１０ａは、機械モデル部２２に代えて複数の状態量を同時に推定する状態量推定部２６を備えること、及び被駆動体１８ａに加速度センサ２８を備えることが、図１に示すサーボ制御装置１０と大きく異なる。

なお、指令値入力部１２ａは、実施の形態１の指令値入力部１２に相当し、サーボ制御部１４ａは、実施の形態１のサーボ制御部１４に相当し、モータ１６ａは、実施の形態１のモータ１６に相当し、被駆動体１８ａは、実施の形態１の被駆動体１８に相当し、位置検出器２０ａは、実施の形態１の位置検出器２０に相当し、外乱推定部２４ａは、実施の形態１の外乱推定部２４に相当する。

状態量推定部２６は、実施の形態１の機械モデル部２２とは異なり、位置検出器２０ａからの検出器信号及び加速度センサ２８からの加速度センサ信号を用いて、各状態量の推定を行う。そのため、被駆動体１８ａの質量が変化してもイナーシャの変更を行うことなく状態量の推定を行うことができる。

図９は、状態量推定部２６の構成を示すブロック図である。状態量推定部２６は、微分器３４ｃ，３４ｄと、反転後変位推定器４２ａと、変換係数乗算器５８ａ，５８ｂを備える。なお、反転後変位推定器４２ａは、実施の形態１の反転後変位推定器４２に相当する。

変換係数乗算器５８ｂには、位置検出器２０ａからの検出位置（検出器信号）が入力される。変換係数乗算器５８ｂの出力は、状態量の一つとして状態量推定部２６から出力される「位置」である。

微分器３４ｄには、変換係数乗算器５８ｂの出力である「位置」が入力される。微分器３４ｄの出力は、状態量の一つとして状態量推定部２６から出力される「速度」である。

反転後変位推定器４２ａには、変換係数乗算器５８ｂの出力と微分器３４ｄの出力が入力される。すなわち「速度」と「位置」が入力される。反転後変位推定器４２ａの出力は、状態量の一つとして状態量推定部２６から出力される反転位置からの「変位」である。

このように、反転後変位推定器４２ａによって、位置、変位及び速度を算出することが可能である。しかしながら、位置検出器２０ａからの検出器信号にはノイズが含まれるため、加速度の算出のために、位置検出器２０ａからの検出器信号を用いて二階微分を行うと計算結果の信頼性が低いという問題がある。そこで、本実施の形態では、被駆動体１８ａに設けられた加速度センサ２８を用いる。

変換係数乗算器５８ａには、加速度センサ２８からの加速度センサ信号が入力され、変換係数乗算器５８ａの出力は、状態量の一つとして状態量推定部２６から出力される「加速度」である。

微分器３４ｃには、変換係数乗算器５８ａの出力である「加速度」が入力される。微分器３４ｃの出力は、状態量の一つとして状態量推定部２６から出力される「加加速度」である。このように、加加速度は加速度センサ信号の変化率から算出される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、機械モデルを使用することなく、位置検出器の検出器信号を用いて複数の状態量の推定を行うことができる。また、位置検出器のみを用いると、位置検出器からの信号に含まれるノイズが加速度及び加加速度に影響して計算結果の信頼性が低下してしまうが、被駆動体に備えられた加速度センサからの信号を用いて加速度及び加加速度を算出するため、信頼性を低下させることなく外乱推定部に入力される複数の状態量の推定を行うことができる。

また、機械モデルを使用することなく状態量の推定を行うため、被駆動体の質量が変化しても、イナーシャの変更を行うことなく状態量の推定を行うことができる。

すなわち、本実施の形態にて説明したサーボ制御装置は、モータに備えられた位置検出器の信号及び被駆動体に備えられた加速度センサの信号を用いて、位置指令値から被駆動体の運動時の複数の状態量を推定して外乱推定部に出力する状態量推定部を備える。

以上説明したように、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に外乱推定部に入力される複数の状態量の推定を行うことができる。そのため、運動状態を決定するすべての状態量の変化を考慮した外乱モデルを用いると、異なる外乱特性を持つ機械要素を組み合わせた装置のように運動条件が変化して状態量が独立に変化する場合に、新たに最適な補正パラメータを設定しなくても、運動条件によらず外乱の補正を適切に行うことができるため、ロバストで高精度なサーボ制御装置を実現することができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明にかかるサーボ制御装置、モータ及び被駆動体の実施の形態３の構成を示すブロック図である。図１０には、サーボ制御装置１０ｂ、サーボ制御装置１０ｂによって動作を制御されるモータ１６ｂ、モータ１６ｂに接続された位置検出器２０ｂ、及びモータ１６ｂによって駆動される被駆動体１８ｂが示されている。

サーボ制御装置１０ｂは、指令値入力部１２ｂと、サーボ制御部１４ｂと、機械モデル部２２ｂと、外乱推定部２４ｂと、を備える。外乱推定部２４ｂは、実施の形態１の外乱推定部２４よりも簡易なモデルを用いる。

すなわち、図１０に示すサーボ制御装置１０ｂは、実施の形態１の外乱推定部２４よりも簡易なモデルを用いる点が、図１に示すサーボ制御装置１０と大きく異なる。また、実施の形態１の機械モデル部２２は、加速度及び加加速度を出力するが、本実施の形態の機械モデル部２２ｂは、加速度及び加加速度を出力する構成を要しない。

なお、指令値入力部１２ｂは、実施の形態１の指令値入力部１２に相当し、サーボ制御部１４ｂは、実施の形態１のサーボ制御部１４に相当し、モータ１６ｂは、実施の形態１のモータ１６に相当し、被駆動体１８ｂは、実施の形態１の被駆動体１８に相当し、位置検出器２０ｂは、実施の形態１の位置検出器２０に相当し、外乱推定部２４ｂは、実施の形態１の外乱推定部２４に相当する。

実施の形態１，２では、外乱推定部２４，２４ａは、５つの状態量を用いて外乱力の推定を高精度に行っている。しかしながら、組み立て精度や機械要素の精度が低いために外乱力の再現性が低い送り軸では、高精度な外乱モデルを用いても効果的でない。さらには、不必要なモデルの構築に時間を浪費することになる。そこで、本実施の形態では、全外乱力の変動に対する影響が特に大きい状態量を選択する。

図１１は、本実施の形態における外乱推定部２４ｂの構成を示すブロック図である。外乱推定部２４ｂは、速度依存外乱モデル４８ｂと、変位依存外乱モデル５０ｂと、位置依存外乱モデル５２ｂと、加算器５４ｂと、トルク定数除算器５６ｂと、を備える。

まず、速度依存外乱モデル４８ｂは、実施の形態１よりも簡略化され、式（９）で表現される。すなわち、速度依存外乱モデル４８ｂは、速度依存外乱力が、粘性を比例定数とする速度の一次項と、クーロン摩擦力と変位依存外乱力の最大値の差の定数項により表現された関数によって構成されるモデルである。なお、速度依存外乱力をＦ_ｖ、速度をｖ、クーロン摩擦力をＦ_ｃ、変位依存外乱力の最大値をＦ_{ｘ＿ｍａｘ}、粘性定数をＤとする。

これは、速度依存外乱力は、停止から低速領域において最も特異な挙動を示すため、外乱力の再現性が低い装置では、停止から低速領域のみをモデル化しておけば十分だからである。このように、停止から低速領域のみをモデル化することで、不要なパラメータを同定する手間を省略することができる。

そして、変位依存外乱モデル５０ｂは、Ｄａｈｌによって提案された近似式を用いて式（１０）で表現される。すなわち、変位依存外乱モデル５０ｂは、反転位置からの変位と変位依存外乱力の関係を多項式近似した関数によって構成されるモデルである。

式（１０）によれば、変位と変位依存外乱力の関係を多項式で近似できるため、変位と変位依存外乱力の関係が平行四辺形型モデルで対応できない場合に有効である。

位置依存外乱モデル５２ｂについては関数によってモデル化するのではなく、予め測定した位置と外乱力の関係を参照して、位置依存外乱力を得る。例えば、１ｍｍ毎に被駆動体１８ｂを停止させつつ送り軸の全領域で外乱力を測定して所定の位置における位置依存外乱力のデータを取得し、位置と位置依存外乱力の関係をテーブルとしてメモリに保存しておき、被駆動体１８ｂの運動時に、このデータテーブルを参照する構成とすればよい。すなわち、本実施の形態では、位置依存外乱モデルに代えて、予め測定した位置と位置依存外乱力のデータテーブルを参照することにより前記位置依存外乱力を推定する。

なお、本実施の形態では、速度依存外乱モデル、変位依存外乱モデル及び位置依存外乱モデルを用いて外乱力の推定を行っているが、これに限定されない。外乱力の推定には、少なくとも、速度依存外乱モデル及び変位依存外乱モデルを用いればよい。この二つのモデルによって表される外乱力が、全外乱力に対する影響が特に大きいからである。

すなわち、本実施の形態にて説明したサーボ制御装置においては、少なくとも、外乱推定部が用いる複数の状態量は、反転位置からの変位及び速度であり、外乱推定部が用いる外乱モデルは、被駆動体の反転位置からの変位により変動する、外乱力の変位依存成分のみが抽出された変位依存外乱モデルと、被駆動体の速度により変動する、外乱力の速度依存成分のみが抽出された速度依存外乱モデルと、により構成されていればよい。

なお、本実施の形態では、外乱推定部が用いる状態量を機械モデル部によって推定しているが、これに限定されない。実施の形態２と同様に状態量推定部を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、外乱推定部は、変位依存外乱モデル、速度依存外乱モデル及び位置依存外乱モデルを用いて外乱力の推定を行っているが、これに限定されず、さらに加速度依存外乱モデルを用いてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、実施の形態１と比べて外乱推定部の構成を簡略なものとすることができるため、外乱力の再現性が低い送り軸において、外乱力の変動に大きな影響を与える特性のみをモデル化し、不必要なモデルの構築に時間を浪費せず、効率よく外乱補正値の算出を行うことができる。

以上説明したように、本発明にかかるサーボ制御装置は、高精度な加工が求められる工作機械等に有用である。

１０，１０ａ，１０ｂ サーボ制御装置、１２，１２ａ，１２ｂ 指令値入力部、１４，１４ａ，１４ｂ サーボ制御部、１６，１６ａ，１６ｂ モータ、１８，１８ａ，１８ｂ 被駆動体、２０，２０ａ，２０ｂ 位置検出器、２２，２２ｂ 機械モデル部、２４，２４ａ，２４ｂ 外乱推定部、２６ 状態量推定部、２８ 加速度センサ、３０ａ，３０ｂ Ｐ制御器、３２ａ，３２ｂ ＰＩ制御器、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ 微分器、３６ａ，３６ｂ 積分器、３８ トルク定数乗算器、４０ 送り軸イナーシャ乗算器、４２，４２ａ 反転後変位推定器、４４ 加加速度依存外乱モデル、４６ 加速度依存外乱モデル、４８，４８ｂ 速度依存外乱モデル、５０，５０ｂ 変位依存外乱モデル、５２，５２ｂ 位置依存外乱モデル、５４，５４ｂ 加算器、５６，５６ｂ トルク定数除算器、５８ａ，５８ｂ 変換係数乗算器、Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ１１〜Ｓ１４ ステップ。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のサーボ制御装置は、位置検出器を含むモータによって駆動される被駆動体の位置が、位置指令値と一致するように制御を行うサーボ制御装置であって、前記被駆動体の運動時における位置、速度及び前記被駆動体の反転位置からの変位を含む複数の状態量を同時に推定する状態量推定部と、推定した前記複数の状態量のそれぞれ及び前記複数の状態量のそれぞれに対応する複数の外乱モデルを用いて各外乱力を推定して前記複数の状態量のそれぞれに応じた外乱推定値を出力し、前記複数の状態量のそれぞれの前記外乱推定値の線形和から外乱補正値を生成する加算器を含む外乱推定部と、前記位置検出器からの信号に前記外乱補正値を加算して前記モータの駆動電流を決定するサーボ制御部と、を備え、前記複数の外乱モデルのうち前記被駆動体の反転位置からの変位により変動する、外乱力の変位依存成分である変位依存外乱力のみが抽出された変位依存外乱モデルは、前記反転位置からの変位の変化に対して前記変位依存外乱力が飽和する飽和値以上では前記変位依存外乱力が定常値をとり、前記飽和値未満では前記変位依存外乱力が一定の変化率で変化する複数の関数で近似したモデルを複数重ね合わせて構成されたヒステリシス形状のモデルであることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のサーボ制御装置は、位置検出器を含むモータによって駆動される被駆動体の位置が、位置指令値と一致するように制御を行うサーボ制御装置であって、前記モータに備えられた前記位置検出器の信号と前記被駆動体に備えられた加速度センサの信号とを用いて前記被駆動体の複数の状態量を推定する状態量推定部と、推定した前記複数の状態量のそれぞれ及び前記複数の状態量のそれぞれに対応する複数の外乱モデルを用いて各外乱力を推定して前記複数の状態量のそれぞれに応じた外乱推定値を出力し、前記複数の状態量のそれぞれの前記外乱推定値の線形和から外乱補正値を生成する加算器を含む外乱推定部と、前記位置検出器からの信号に前記外乱補正値を加算して前記モータの駆動電流を決定するサーボ制御部と、を備え、前記複数の外乱モデルのうち前記被駆動体の反転位置からの変位により変動する、外乱力の変位依存成分である変位依存外乱力のみが抽出された変位依存外乱モデルは、前記反転位置からの変位の変化に対して前記変位依存外乱力が飽和する飽和値以上では前記変位依存外乱力が定常値をとり、前記飽和値未満では前記変位依存外乱力が一定の変化率で変化する複数の関数で近似したモデルを複数重ね合わせて構成されたヒステリシス形状のモデルであり、前記被駆動体の位置により変動する、外乱力の位置依存成分である位置依存外乱力のみが抽出された位置依存外乱モデルは、多項式により近似した前記被駆動体の位置の関数のモデルであり、前記位置依存外乱モデルは、設定した指令幅で前記サーボ制御装置に移動と停止指令を繰り返し与えた際の、停止位置における前記位置依存外乱力のデータを取得し、前記被駆動体の位置と前記位置依存外乱力との関係をテーブルとして保存しておき、前記被駆動体の運動時に、前記テーブルを参照し、前記被駆動体の位置に応じた補正指令を入力することを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のサーボ制御装置は、位置検出器を含むモータによって駆動される被駆動体の位置が、位置指令値と一致するように制御を行うサーボ制御装置であって、前記モータに備えられた前記位置検出器の信号と前記被駆動体に備えられた加速度センサの信号とを用いて前記被駆動体の複数の状態量を推定する状態量推定部と、推定した前記複数の状態量のそれぞれ及び前記複数の状態量のそれぞれに対応する複数の外乱モデルを用いて各外乱力を推定して前記複数の状態量のそれぞれに応じた外乱推定値を出力し、前記複数の状態量のそれぞれの前記外乱推定値の線形和から外乱補正値を生成する加算器を含む外乱推定部と、前記位置検出器からの信号に前記外乱補正値を加算して前記モータの駆動電流を決定するサーボ制御部と、を備え、前記複数の外乱モデルのうち前記被駆動体の反転位置からの変位により変動する、外乱力の変位依存成分である変位依存外乱力のみが抽出された変位依存外乱モデルは、前記反転位置からの変位の変化に対して前記変位依存外乱力が飽和する飽和値以上では前記変位依存外乱力が定常値をとり、前記飽和値未満では前記変位依存外乱力が一定の変化率で変化する複数の関数で近似したモデルを複数重ね合わせて構成されたヒステリシス形状のモデルであり、前記被駆動体の位置により変動する、外乱力の位置依存成分である位置依存外乱力のみが抽出された位置依存外乱モデルに代えて、設定した指令幅で前記サーボ制御装置に移動と停止指令を繰り返し与えた際の、停止位置において取得した前記位置依存外乱力のデータにより、前記被駆動体の位置と前記位置依存外乱力との関係を保存したテーブルを用いて、前記被駆動体の運動時に、前記テーブルを参照し、前記被駆動体の位置に応じた補正指令を入力することを特徴とする。

Claims (15)

1. 位置検出器を含むモータによって駆動される被駆動体の位置が、位置指令値と一致するように制御を行うサーボ制御装置であって、
   該サーボ制御装置が、
   前記被駆動体の運動時における複数の状態量を同時に推定する状態量推定部と、
   推定した前記複数の状態量のそれぞれ及び前記複数の状態量のそれぞれに対応する外乱モデルを用いて各外乱力を推定して前記複数の状態量のそれぞれに応じた外乱推定値を出力し、前記複数の状態量のそれぞれの前記外乱推定値の線形和から外乱補正値を生成する加算器を含む外乱推定部と、
   前記位置検出器からの信号に前記外乱補正値を加算して前記モータの駆動電流を決定するサーボ制御部と、を備えることを特徴とするサーボ制御装置。
2. 位置検出器を含むモータによって駆動される被駆動体の位置が、位置指令値と一致するように制御を行うサーボ制御装置であって、
   前記サーボ制御装置が、
   前記被駆動体の運動時における制御系を模擬したモデルを用いて、前記位置指令値から前記被駆動体の運動時の前記複数の状態量を推定して前記外乱推定部に出力する機械モデル部と、
   推定した前記複数の状態量のそれぞれ及び前記複数の状態量のそれぞれに対応する外乱モデルを用いて各外乱力を推定して前記複数の状態量のそれぞれに応じた外乱推定値を出力し、前記複数の状態量のそれぞれの前記外乱推定値の線形和から外乱補正値を生成する加算器を含む外乱推定部と、
   前記位置検出器からの信号に前記外乱補正値を加算して前記モータの駆動電流を決定するサーボ制御部と、を備えることを特徴とするサーボ制御装置。
3. 前記状態量推定部が、
   前記モータに備えられた位置検出器の信号及び前記被駆動体に備えられた加速度センサの信号を用いて、前記位置指令値から前記被駆動体の運動時の前記複数の状態量を推定して前記外乱推定部に出力することを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
4. 請求項２または請求項３において、
   前記外乱推定部が用いる前記複数の状態量は、前記被駆動体の、反転位置からの変位及び速度であり、
   前記外乱推定部が用いる前記外乱モデルは、
   前記被駆動体の反転位置からの変位により変動する、外乱力の変位依存成分である変位依存外乱力のみが抽出された変位依存外乱モデルと、
   前記被駆動体の速度により変動する、外乱力の速度依存成分である速度依存外乱力のみが抽出された速度依存外乱モデルと、により構成されることを特徴とするサーボ制御装置。
5. 請求項４において、
   前記外乱推定部が用いる前記複数の状態量は、前記被駆動体の位置をさらに含み、
   前記外乱推定部が用いる前記外乱モデルは、
   前記被駆動体の位置により変動する、外乱力の位置依存成分である位置依存外乱力のみが抽出された位置依存外乱モデルをさらに含むことを特徴とするサーボ制御装置。
6. 請求項５において、
   前記外乱推定部が用いる前記複数の状態量は、前記被駆動体の加速度をさらに含み、
   前記外乱推定部が用いる前記外乱モデルは、
   前記被駆動体の加速度により変動する、外乱力の加速度依存成分である加速度依存外乱力のみが抽出された加速度依存外乱モデルをさらに含むことを特徴とするサーボ制御装置。
7. 請求項６において、
   前記外乱推定部が用いる前記複数の状態量は、前記被駆動体の加加速度をさらに含み、
   前記外乱推定部が用いる前記外乱モデルは、
   前記被駆動体の加加速度により変動する、外乱力の加加速度依存成分である加加速度依存外乱力のみが抽出された加加速度依存外乱モデルをさらに含むことを特徴とするサーボ制御装置。
8. 請求項４から請求項７のいずれか一項において、
   前記変位依存外乱モデルは、前記反転位置からの変位と前記変位依存外乱力の関係を変位依存外乱力が飽和する飽和値以上では、前記変位依存外乱力が定常値をとり、前記飽和値未満では、前記変位依存外乱力が一定の変化率で変化する複数の関数で近似したモデルを複数重ね合わせて構成されたヒステリシス形状のモデルであることを特徴とするサーボ制御装置。
9. 請求項４から請求項７のいずれか一項において、
   前記変位依存外乱モデルは、前記反転位置からの変位と前記変位依存外乱力の関係を多項式近似した関数によって構成されるモデルであることを特徴とするサーボ制御装置。
10. 請求項４から請求項７のいずれか一項において、
    前記速度依存外乱モデルは、ストライベック効果を決定する定数を用いて近似した多項式から前記変位依存外乱力の最大値を引いた式で表現される関数によって構成されるモデルであることを特徴とするサーボ制御装置。
11. 請求項４から請求項７のいずれか一項において、
    前記速度依存外乱モデルは、前記速度依存外乱力が、粘性を比例定数とする速度の一次項と、クーロン摩擦力と前記変位依存外乱力の最大値の差の定数項により表現された関数によって構成されるモデルであることを特徴とするサーボ制御装置。
12. 請求項５から請求項７のいずれか一項において、
    前記位置依存外乱モデルは、多項式により近似した前記被駆動体の位置の関数のモデルであることを特徴とするサーボ制御装置。
13. 請求項５から請求項７のいずれか一項において、
    前記位置依存外乱モデルに代えて、予め測定した位置と前記位置依存外乱力のデータテーブルを参照することにより前記位置依存外乱力を算出することを特徴とするサーボ制御装置。
14. 請求項６または請求項７において、
    前記加速度依存外乱モデルは、前記加速度に対する前記加速度依存外乱力を一次式で近似したモデルであることを特徴とするサーボ制御装置。
15. 請求項７において、
    前記加加速度依存外乱モデルは、前記加加速度に対する前記加加速度依存外乱力を定数で近似したモデルであることを特徴とするサーボ制御装置。

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