KR100664468B1 - 진동 억제 위치 결정 제어 장치 - Google Patents

Abstract

단시간에 안정한 위치 결정을 할 수 있는 진동 억제 위치 결정 제어 장치를 제공한다.

목표 위치 지령의 미분치를 적분하는 적분기(6)와, 적분기(6)의 출력과 위치 지령을 제하고 위치 지령 편차를 출력하는 감산기(7)와, 목표 위치 지령의 미분치를 입력하면, 피드백 제어 시스템(5)의 진동극(ω₀) 과 동일 주파수 성분을 제거하는 안정형 프리필터(1)와, 안정형 프리필터(1)의 출력과 위치 지령 편차를 입력하여, 목표 위치 지령의 미분치가 0에서 0이 아닌 것으로 되면 지령 개시라고 판단하고, 목표 위치 지령의 미분치가 0이 아닌 것에서 0이 되면 지령 종료라고 판단하는 동시에, 지령 종료의 후, 위치 지령 편차가 0이 된 후에 다음의 지령 개시까지는 0을 출력하고, 그 외에는 안정형 프리필터(1)의 출력을 그대로 출력하는 지령 정착 수단(2)과, 지령 정착 수단(2)의 출력을 적분하여 위치 지령을 출력하는 제2 적분기(4)를 구비한다.

Description

진동 억제 위치 결정 제어 장치{VIBRATION SUPPRESSION POSITIONING CONTROLLER}

[기술분야]

본 발명은, 모터로 부하를 구동하여 위치 결정하는 위치 결정 제어 장치에 관한 것으로, 특히, 부하 또는 부하가 놓여지는 기대(機臺)에 존재하는 저주파수의 진동을 억제하는 기술에 관한 것이다.

[배경기술]

최근의 산업용 기계는, 경량화나 소형화의 요구로부터, 모터와 부하를 접속하는 축이나 구동 기구가 놓여지는 기대의 강성이 저하하고 있고, 부하 시스템이나 기대의 고유 주파수가 저하하는 경향에 있다. 또 이것과 병행하여 서보 제어 시스템의 성능이 높아지고, 구동 시스템의 응답도 높아지는 경향에 있다. 이와 같은 상황에 있는 서보 제어 시스템에 대해서는, 부하나 기대가 진동하기 쉽게 된다고 하는 문제가 표면화되고 있다.

종래, 이와 같은 진동을 억제하기 위해서, 도 3에 도시하는 바와 같은 「전기 학회 연구회 자료」 ⅡC-96-17, pp.75-84에 기재된 서보 제어 장치가 제안되어 있다. 도면에 있어서, 31은 S자 위치 지령 발생기, 32는 준 안정형 프리필터, 33은 반폐쇄적 피드백 위치 제어 시스템이고, 33a는 피드백 제어 시스템의 위치 지령으로부터 모터 위치까지의 전달 함수, 33b는 모터 위치로부터 부하 위치까지의 전 달 함수이다. 이 피드백 제어 시스템에서의 부하의 고유 진동각 주파수는 ω_a이고, S자 위치 지령(θ^* _M)의 속도 패턴(θ^* _M)이 도 5에 도시하는 바와 같은 가속 시간과 감속 시간이 동일한 사다리꼴로 되어 있는 경우를 예시하고 있다. 또한, t_A는 가감속 시간, (t_D-t_A)는 등속 시간이다.

이와 같은 제어 시스템을 하고 있는 경우, 피드백 위치 제어 시스템(33)의 진동극(ω_a)은, 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 준 안정형 프리필터(32)의 전달 함수

(1)

가 갖는 0점에 의해서 취소되고, 또한, ω_an을 (2)식의 어느 하나를 만족하도록 설정함으로써, 진동 억제 제어가 실현된다.

1-cosω_ant_A=0, 1-cosω_ant_D=0 (2)

그러나, 상기의 종래의 기술에 의하면,

(1) 목표 위치 지령(θ^* _M)의 가감속 시간 및 등속 시간이 짧은 경우, 피드백 시스템의 위치 지령(θ^** _M)이 급준하게 된다(도 6 참조. 상세한 설명은 후술).

(2) (2)식은 엄밀하게 만족될 필요가 있고, 만족되지 않으면 지속 진동이 발 생한다. 예를 들면, 목표 위치 지령(θ^* _M)의 가감속 시간이 약간 5% 변동하면, 후술한 도 7에 도시하는 바와 같이 피드백 시스템의 위치 지령(θ^** _M)이 지속적으로 진동한다.

(3) 종래의 준 안정형 프리필터를 CPU 등의 연산 수단으로 실현하고자 하면, 이산 시간화에 의한 오차로, 준 안정형 프리필터의 임계 안정극이 불안정한 극이 되기 때문에, 준 안정형 프리필터가 불안정하게 된다. 예를 들면, 샘플 시간이 약간 100㎲이어도, 도 8에 도시하는 바와 같이 피드백 시스템의 위치 지령(θ^** _M)이 불안정(진동하면서 발산)한 것이 되는 등의 문제가 있었다.

종래의 준 안정형 프리필터의 문제를 고찰하면, 문제의 본질이 전부 필터의 분모의 감쇠항이 0인 것에 귀착한다. 통상은, 감쇠항이 들어간 필터를 단순히 적용하는 것을 생각할 수 있지만, 이 경우, 필터의 지연 시간이 커져서, 위치 결정 시간이 신장되어 버린다. 종래예는 이 지연 시간을 없애기 위해서, 감쇠항을 0으로 하고 있는 것이라고 생각된다. 따라서, 종래의 사고 방식의 연장에서는, 「안정성이 높고 또한 위치 결정 시간이 짧은」필터는 구성할 수 없었다.

[발명의 개시]

본 발명은, 이 근본적인 문제를 해결하기 위해서, 피드백 제어 시스템의 위치 지령이 목표 지령과 일치하였을 때에 프리필터의 출력을 0으로 함으로써, 피드백 제어 시스템의 위치 지령을 목표 위치에 정착시키고, 단시간에 안정한 위치 결 정을 할 수 있는 진동 억제 위치 결정 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

청구항 1의 발명의 진동 억제 위치 결정 제어 장치는, 소정의 패턴으로 변화하는 목표 위치 지령의 미분치를 부여하면, 위치 지령을 생성하고, 그 위치 지령을 피드백 제어 시스템에 입력하여 부하를 상기 위치 지령에 추종시키는 위치 결정 제어 장치에 있어서, 상기 목표 위치 지령의 미분치를 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력과 상기 위치 지령을 제하고 위치 지령 편차를 출력하는 감산기와, 상기 목표 위치 지령의 미분치를 입력하면, 상기 피드백 제어 시스템의 진동극(ω₀)과 동일 주파수 성분을 제거하는 안정형 프리필터와, 상기 안정형 프리필터의 출력과 상기 위치 지령 편차를 입력하여, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0에서 0이 아닌 것이 되면 지령 개시라고 판단하고, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0이 아닌 것에서 0이 되면 지령 종료라고 판단하는 동시에, 지령 종료의 후, 상기 위치 지령 편차가 0이 된 후에 다음의 지령 개시까지는 0을 출력하고, 그 외에는 상기 안정형 프리필터의 출력을 그대로 출력하는 지령 정착 수단과, 상기 지령 정착 수단의 출력을 적분하여 상기 위치 지령을 출력하는 제2 적분기를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 2의 발명의 진동 억제 위치 결정 제어 장치는, 소정의 패턴으로 변화하는 목표 위치 지령을 부여하면, 위치 지령을 생성하고, 그 위치 지령을 피드백 제어 시스템에 입력하여 부하를 상기 위치 지령에 추종시키는 위치 결정 제어 장치에 있어서, 상기 목표 위치 지령을 미분하는 미분기와, 상기 목표 위치 지령과 상기 위치 지령을 제하고 위치 지령 편차를 출력하는 감산기와, 상기 미분기의 출력 인 목표 위치 지령의 미분치를 입력하면, 상기 피드백 제어 시스템의 진동극(ω₀)과 동일 주파수 성분을 제거하는 안정형 프리필터와, 상기 안정형 프리필터의 출력과 상기 위치 지령 편차를 입력하여, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0에서 0이 아닌 것으로 되면 지령 개시라고 판단하고, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0이 아닌 것에서 0이 되면 지령 종료라고 판단하는 동시에, 지령 종료의 후, 상기 위치 지령 편차가 0이 된 후에 다음의 지령 개시까지는 0을 출력하고, 그 외에는 상기 안정형 프리필터의 출력을 그대로 출력하는 지령 정착 수단과, 상기 지령 정착 수단의 출력을 적분하여 상기 위치 지령을 출력하는 제2 적분기를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

이상과 같이 되어 있기 때문에, 부하 또는 부하가 놓여지는 기대에 저주파수의 진동이 존재하는 경우가 있어도, 단시간에 안정한 위치 결정을 할 수 있는 것이다.

이상에 서술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 목표 지령 신호가 안정형 프리필터를 통하고 있기 때문에, 목표 지령 신호에 포함되는 기계의 고유 진동 주파수 성분이 제거되고, 또한 안정형 프리필터 통과 후의 지령 신호가 안정하고 완만한 것으로 되어 있다. 또, 안정형 프리필터 통과 후의 지령 신호가 지령 정착부를 통하고 있기 때문에, 피드백 제어 시스템에 가해지는 최종의 지령 신호가 재빠르게 목표 위치에 도달하도록 되어 있다. 따라서, 기계의 진동을 여기시키지 않고, 지령 정착 시간이 짧은 안정한 위치 결정 지령을 얻을 수 있다는 큰 효과가 있다.

[도면의 간단한 설명]

도 1은, 본 발명의 실시예 1을 도시하는 블록도이다. 도 2는, 본 발명의 실시예 2를 도시하는 블록도이다. 도 3은, 종래의 진동 억제 위치 결정 제어 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 4는, 본 발명의 실시예의 시스템 구성도이다. 도 5는, S자 위치 지령 및 지령의 속도 패턴의 시간 함수를 도시하는 도면이다. 도 6은, t_A가 일정하고, 준 안정형 프리필터를 연속 시스템으로 실현하는 경우의 종래 기술의 위치 지령의 시간 함수를 도시하는 도면이다. 도 7은, t_A가 5% 저하하고, 준 안정형 프리필터를 연속 시스템으로 실현하는 경우의 종래 기술의 위치 지령의 시간 함수를 도시하는 도면이다. 도 8은, t_A가 일정하고, 준 안정형 프리필터를 이산 시스템으로 실현하는 경우의 종래 기술의 위치 지령의 시간 함수를 도시하는 도면이다. 도 9는, t_A가 일정하고, 안정형 프리필터를 연속 시스템으로 실현하는 경우의 본 발명의 위치 지령의 시간 함수를 도시하는 도면이다. 도 10은, t_A가 5% 저하하고, 안정형 프리필터를 연속 시스템으로 실현하는 경우의 본 발명의 위치 지령의 시간 함수를 도시하는 도면이다. 도 11은, t_A가 일정하고, 안정형 프리필터를 이산 시스템으로 실현하는 경우의 본 발명의 위치 지령의 시간 함수를 도시하는 도면이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다. 도 1과 도 2는 각각 본 발명의 실시예 1과 실시예 2를 도시하는 블록도이고, 도 4는 본 발 명을 적용한 시스템의 구성도이다.

먼저 도 4로부터 설명하면, 41은 모터, 43는 부하, 42는 모터(41)와 부하(43)를 연결하여 회전력을 전달하는 힘 전달 기구이고, 44는 이들을 탑재하는 기대, 45는 기대(44)를 지지하는 지지발이다. 모터(41)가 힘 전달 기구(42)를 통해서 부하(43)를 구동할 때, 기대(44)가 모터(41)의 구동력의 반력을 받는다. 지지발(45)의 강성이 낮은 경우에는 기대(44)가 진동하기 쉽고, 또, 모터가 높은 가감 속도로 부하를 구동하는 경우에, 특히 구동력의 주기가 기대(44)의 고유 진동 주기에 가까울 때에는 기대(44)가 진동하기 쉽다.

이와 같은 기대(44)의 진동을 억제하기 위해서, 본 발명의 실시예 1과 실시예 2의 제어 시스템은 각각 도 1과 도 2와 같이 구성되어 있다. 이들의 도면에 있어서, 5는 피드백 제어 시스템, 5a는 피드백 제어 시스템(5)의 위치 지령(x^***)으로부터 기대 변위(y)까지의 전달 함수의 안정항, 5b는 동일하게 그 전달 함수의 불안정항이다. 또한, ω₀은 기대(44)의 고유 진동 주파수이다.

도 1에 있어서, 목표 위치 지령의 미분치(v^*)가 주어지면, 적분기(6)에서는 목표 위치 지령의 미분치(v^*)가 적분되어 목표 위치 지령(x^*)이 얻어진다.

도 2에 있어서, 목표 위치 지령(x^*)이 주어지면, 미분기(8)에서는 목표 위치 지령(x^*)이 미분되어 목표 위치 지령의 미분치(v^*)가 얻어진다.

도 1 및 도 2에 있어서, 먼저, 감산기(7)에서는, 목표 위치 지령(x^*)으로부터 피드백 제어 시스템(5)의 위치 지령(x^***)이 감산되어 위치 지령 편차(e_r)가 얻어진다. 목표 위치 지령의 미분치(v^*)가 식 (3)의 전달 함수를 갖는 안정형 프리필터(1)에 입력된다.

ω₂,ζ₂>0 (3)

이렇게 해서 얻어진 신호(v^**)와, 위치 지령 편차(e_r)와, 목표 위치 지령의 미분치(v^*)는 지령 정착부(2)에 입력된다.

다음에, 지령 정착부(2)에서는, 목표 위치 지령의 미분치(v^*)에 기초하여 목표 지령의 개시와 종료가 판단된다. v^*가 0에서 0이 아닌 것으로 될 때에는, 지령 개시라고 판단되고, v^*가 0이 아닌 것에서 0이 될 때에는, 지령 종료라고 판단된다. 또, 지령 종료의 후, 위치 지령 편차(e_r)가 0이 된 후에 다음의 지령 개시까지는 전환 스위치를 B측으로 넘어뜨려서 0이 출력되고, 그 이외의 경우에는 A측으로 넘어뜨려서 v^**가 출력된다. 즉, 피드백 제어 시스템의 위치 지령이 목표 위치에 도달 하기 전에는, 안정형 프리필터(1) 통과 후의 신호(v^**)를 출력하고, 피드백 제어 시스템의 위치 지령이 목표 위치에 도달한 후에는 0을 출력한다고 하는 동작을 취할 수 있는 것이다. 또한, 도 5의 패턴을 반복하는 연속 이송의 경우에는, 피드백 제어 시스템의 위치 지령이 목표 위치에 도달한 후에 다음의 이송의 시작까지, 안정형 프리필터(1)의 모든 상태량을 0으로 클리어하는 처리를 추가한다. 이것에 의해, 안정형 프리필터(1)가 항상 초기 상태에서 기동하기 때문에, 연속하는 도 5의 패턴의 간격이 짧은 경우에도, 안정형 프리필터(1)가 정상적으로 동작하는 효과가 있다.

마지막으로, 지령 정착부(2)의 출력(v^***)이 적분기(4)로 적분 연산되어 위치 지령(x^***)이 얻어지면, 위치 지령으로서 피드백 제어 시스템(5)에 입력된다.

이상 서술한 바와 같이, 목표 위치 지령의 미분치를 안정형 프리필터(1)에 통과시킴으로써, 목표 위치 지령의 미분치에 포함되는 기대의 고유 진동 주파수(ω₀) 성분이 제거되기 때문에, 안정형 프리필터(1) 통과 후의 지령 신호는 안정하고 완만하며, 기대의 진동을 여기하지 않게 된다. 또한, 안정형 프리필터(1) 통과 후의 지령 신호를 지령 정착부(2)에 통과시킴으로써, 피드백 제어 시스템에 가해지는 최종의 지령 신호를 재빠르게 목표 위치에 도달시킬 수 있는 것이다. 이렇게 해서, 기대의 진동을 여기시키지 않고, 지령 정착 시간이 짧은 안정한 위치 결정 지령을 얻을 수 있다.

다음에, 이 실시예에 있어서의 발명의 효과에 대해서, 다음 3개의 케이스에 대해서 시뮬레이션하였기 때문에 설명한다.

케이스 1) t_A가 일정하고, 종래의 준 안정형 프리필터 및 본 발명의 안정형 프리필터 연속 시스템으로 실현한다.

케이스 2) t_A가 5% 저하하고, 종래의 준 안정형 프리필터 및 본 발명의 안정형 프리필터를 연속 시스템으로 실현한다.

케이스 3) t_A가 일정하고, 종래의 준 안정형 프리필터 및 본 발명의 안정형 프리필터를 이산 시스템으로 실현한다(샘플 주기 Ts=100㎲).

시뮬레이션에 이용하는 공통되는 조건은, 목표 위치 지령(x^*)이 Q_M ^*과 동일하고, 도 5에 도시한 패턴으로, t_A=18.8㎳, t_D=27.2㎳이고, 기대의 고유 진동 주파수는 ω₀=12㎐이다.

종래의 기술에 대해서는, 준 안정형 프리필터(F₁(s))의 파라미터를 ω_a=ω₀, ω_an=2π/t_A로 하여 상기 3개의 케이스에 대해서 시뮬레이션하고, 그 결과, 얻어진 위치 지령의 시간 함수를 각각 도 6, 도 7 및 도 8에 도시한다.

본 발명을 적용한 경우에 대해서는, 안정형 프리필터(F₂(s))의 파라미터를 ω₂=2ω₀, ζ₂=0.4로 하여 상기 3개의 케이스에 대해서 시뮬레이션하고, 그 결과, 얻어진 위치 지령의 시간 함수를 각각 도 9, 도 10 및 도 11에 도시한다.

도 6 내지 8을 도 9 내지 11과 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 종래 기술의 피드백 시스템의 위치 지령(Q_M ^**)은,

1) 파형이 급준하다.

2) t_A를 조금(5%) 저하하는 것 만으로도, 지속적으로 진동한다.

3) 준 안정형 프리필터를 이산 시스템으로 실현하면, 불안정하게 된다.

라고 되어 있는 것에 반해서, 본 발명의 피드백 제어 시스템의 위치 지령(X^***)은

1) 완만하다.

2) t_A를 조금(5%) 저하해도, 파형이 거의 변하지 않는다.

3) 안정형 프리필터를 이산 시스템으로 실현해도, 파형이 전혀 변하지 않는다.

라고 되어 있고, 종래 기술에 비해서 시간 응답이 대폭으로 개선되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 안정형 프리필터(F₂(s)) 통과 후의 위치 지령(x^**)은 오버슈트하고 있지만, 지령 정착부(2)의 출력인 피드백 제어 시스템의 위치 지령(x^***)은 오버슈트하고 있지 않기 때문에, 지령 정착 시간이 대단히 짧아지게 되어 있다.

[산업상이용가능성]

본 발명에 의하면, 목표 지령 신호가 안정형 프리필터를 통하고 있기 때문에, 목표 지령 신호에 포함되는 기계의 고유 진동 주파수 성분이 제거되고, 또한 안정형 프리필터 통과 후의 지령 신호가 안정하고 완만하게 되어 있다. 또, 안정형 프리필터 통과 후의 지령 신호가 지령 정착부를 통하고 있기 때문에, 피드백 제어 시스템에 가해지는 최종의 지령 신호가 재빠르게 목표 위치에 도달하도록 되어 있다. 따라서, 기계의 진동을 여기시키지 않고, 지령 정착 시간이 짧은 안정한 위치 결정 지령을 얻을 수 있다고 하는 큰 효과가 있다.

Claims (3)

1. 소정의 패턴으로 변화하는 목표 위치 지령의 미분치가 주어지면, 위치 지령을 생성하고, 그 위치 지령을 피드백 제어 시스템에 입력하여 부하를 상기 위치 지령에 추종시키는 위치 결정 제어 장치에 있어서,

   상기 목표 위치 지령의 미분치를 적분하는 적분기와,

   상기 적분기의 출력으로부터 상기 위치 지령을 감산하여 위치 지령 편차를 출력하는 감산기와,

   상기 목표 위치 지령의 미분치를 입력하면, 상기 피드백 제어 시스템의 진동극(ω₀)과 동일 주파수 성분을 제거하는 안정형 프리필터와,

   상기 안정형 프리필터의 출력과 상기 위치 지령 편차를 입력하여, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0에서 0이 아닌 것으로 되면 지령 개시라고 판단하고, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0이 아닌 것에서 0이 되면 지령 종료라고 판단하는 동시에, 지령 종료의 후, 상기 위치 지령 편차가 0이 된 후에 다음의 지령 개시까지는 0을 출력하고, 그 외에는 상기 안정형 프리필터의 출력을 그대로 출력하는 지령 정착 수단과,

   상기 지령 정착 수단의 출력을 적분하여 상기 위치 지령을 출력하는 제2 적분기를 구비하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 위치 결정 제어 장치.
2. 소정의 패턴으로 변화하는 목표 위치 지령이 주어지면, 위치 지령을 생성하고, 그 위치 지령을 피드백 제어 시스템에 입력하여 부하를 상기 위치 지령에 추종시키는 위치 결정 제어 장치에 있어서,

   상기 목표 위치 지령을 미분하는 미분기와,

   상기 목표 위치 지령으로부터 상기 위치 지령을 감산하여 위치 지령 편차를 출력하는 감산기와,

   상기 미분기의 출력인 목표 위치 지령의 미분치를 입력하면, 상기 피드백 제어 시스템의 진동극(ω₀)과 동일 주파수 성분을 제거하는 안정형 프리필터와,

   상기 안정형 프리필터의 출력과 상기 위치 지령 편차를 입력하여, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0에서 0이 아닌 것으로 되면 지령 개시라고 판단하고, 상기 목표 위치 지령의 미분치가 0이 아닌 것에서 0이 되면 지령 종료라고 판단하는 동시에, 지령 종료의 후, 상기 위치 지령 편차가 0으로 된 후에 다음의 지령 개시까지는 0을 출력하고, 그 외에는 상기 안정형 프리필터의 출력을 그대로 출력하는 지령 정착 수단과,

   상기 지령 정착 수단의 출력을 적분하여 상기 위치 지령을 출력하는 제2 적분기를 구비하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 위치 결정 제어 장치.
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