KR100740403B1 - 서보 제어 장치의 제어 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 야스카와덴키
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Abstract

상위의 제어 장치로부터 일정 주기마다 현재 시각의 목표 지령치를 수취할 때, 지연 없이 추종하고, 또한 상위의 제어 장치의 지령 변경에 유연하게 대응할 수 있도록 한다.
상위의 제어 장치(1)로부터 일정 주기마다 수취하는 목표 지령에 제어 대상(3)의 출력을 추종시키는 서보 제어 장치(2)에 있어서, 각 주기마다, 상기 목표 지령의 이력을 사용하여 M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성하여, 상기 예측 목표 지령을 사용하여 예측·예견 제어 또는 피드백 게인 전환 제어에 의해 지령 추종 제어를 한다.

Description

서보 제어 장치의 제어 방법{SERVO CONTROL APPARATUS CONTROL METHOD}
본 발명은 상위의 제어 장치로부터 일정 주기마다 목표 지령을 수취하여, 제어 대상의 출력을 그 목표 지령에 추종시키는 서보 제어 장치의 제어 방법에 관한 것이며, 특히 목표 지령에 신속 대응시킬 수 있는 제어 방법에 관한 것이다.
목표 지령에 제어 대상의 출력을 추종시키는 서보 제어 방법으로서, 미래의 목표 지령치를 사용하는 예측·예견 제어가 유효하다는 것이 알려져 있으며, 예를 들면 일본국 특개평 7-28508에서는, 미래의 목표 지령 증분치, 과거의 제어 입력 증분치, 제어 대상의 출력 증분치, 제어 대상의 편차, 및 미리 정한 예견 제어 파라미터를 사용하여 예견 제어를 행하고 있다.
그러나, 상위의 제어 장치로부터 일정 주기마다 현재 시각의 목표 지령치를 수취하여 예측·예견 제어할 때는, 현재 시각의 목표 지령치를 임의의 M단계 앞의 목표 지령치라고 생각하여 동작하므로, 도 6에 도시하는 바와 같이 동작이 M샘플링만큼 늦어진다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 그 문제를 해결하는 기술이 개발되어 일본국 특개평 8-123537에 개시되어 있다. 그에 의하면, 이동을 개시하는 샘플링 시각에 현재 시각부터 M단계 앞까지의 목표 지령치를 발생하고, 다음 샘플링 시각 이후는 현재 시각부터 M단계 앞의 목표 지령치만을 발생하는 지령 발생기를 사용하는 것이 특징으로 되어 있고, 이에 의해 현재 시각부터 M단계 앞까지의 목표 지령치를 사용할 수 있도록 하여, 도 7에 도시하는 바와 같이 M샘플링만큼의 지연을 해소하고 있다.
그러나, 일본국 특개평 8-123537에 개시된 제어 방법에서는, 지령 발생기가 실제의 시각에 대해 M단계 앞의 목표 지령치를 출력하므로, 동작을 이미 알고 있을 필요가 있다. 따라서 지령의 변경에 대해서는 유연성이 결여된다는 문제가 있었다.
그래서 본 발명에서는, 상위의 제어 장치로부터 일정 주기마다 현재 시각의 목표 지령치를 수취하는 구성이어도, M샘플링만큼의 지연없이 추종하고, 또한 상위의 제어 장치의 지령 변경에 유연하게 대응할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 서보 제어 장치의 제어 방법은, 상위의 제어 장치로부터 일정 주기마다 수취하는 목표 지령에 제어 대상의 출력을 추종시키는 서보 제어 장치에 있어서, 각 주기마다, 상기 목표 지령의 이력을 사용하여 M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성하고, 상기 예측 목표 지령을 사용하여 예측·예견 제어 또는 피드백 게인 전환 제어에 의해 지령 추종 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또 본 발명은, M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성할 때는, 상기 목표 지령의 미분치가 M단계 미래까지 일정하다는 조건에 기초하여 예측 목표 지령 미분치를 구하고, 상기 예측 목표 지령 미분치를 적산하여 M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성하는 것을 특징으로 하고 있다.
또 본 발명은, M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성할 때는, 상기 목표 지령의 2계 미분치가 M단계 앞까지 일정하다는 조건에 기초하여 예측 목표 지령 2계 미분치를 구하고, 상기 예측 목표 지령 2계 미분치를 적산하여 예측 목표 지령 미분치를 계산하여, 상기 예측 목표 지령 미분치가 소정의 상한치를 초과하는 경우는 상기 예측 목표 지령 미분치를 상기 상한치로 변경하고, 상기 예측 목표 지령 미분치가 소정의 하한치를 하회하는 경우는 상기 예측 목표 지령 미분치를 상기 하한치로 변경하고, 상기 예측 목표 지령 미분치의 부호가 상기 목표 지령의 차분치와 다를 때는 상기 예측 목표 지령 미분치를 0으로 변경하여, 상기 예측 목표 지령 미분치를 적산하여 상기 예측 목표 지령을 작성하는 것을 특징으로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 제어 방법의 처리 순서를 나타낸 흐름도,
도 2는 제2의 제어 방법의 처리 순서를 나타낸 흐름도,
도 3은 제3의 제어 방법의 처리 순서를 나타낸 흐름도,
도 4는 본 발명의 방법을 적용하는 서보 제어 시스템의 블록도,
도 5는 본 발명의 방법에 의한 응답의 상황을 도시한 도면,
도 6은 종래예 1의 방법에 의한 응답의 상황을 도시한 도면,
도 7은 종래예 2의 방법에 의한 응답의 상황을 도시한 도면,
도 8은 제2 방법에 의한 예측 목표 지령의 예,
도 9는 제3 방법에 의한 예측 목표 지령의 예이다.
먼저 처음에, 본 발명의 방법을 실시하는 서보 제어 시스템에 관해, 도 4의 블록도를 사용하여 설명한다. 도면에 있어서, 1은 목표 지령을 출력하는 상위의 제어 장치이고, 2는 제어 대상(3)의 출력이 상위의 제어 장치(1)로부터 수취한 목표 지령에 추종하도록 제어하는 서보 제어 장치이다. 서보 제어 장치(2)는, 샘플러(21)와, 버퍼(22), 예측 목표 지령 작성 연산부(23), 지령 추종 제어부(24)로 구성되어 있다. 지령 추종 제어부(24)와 제어 대상(3)이 위치 제어계를 이루고 있을 때는, 지령 추종 제어부(24)는 위치 제어기와 파워 앰프 등의 드라이버를 구비하고 있고, 제어 대상(3)의 출력은, 제어 대상(3) 내에 설치된 위치 검출기가 출력하는 위치 정보이다. 지령 추종 제어부(24)와 제어 대상(3)이 속도 제어계를 이룰 때는, 지령 추종 제어부(24)는 속도 제어기와 파워 앰프 등의 드라이버를 구비하고 있고, 제어 대상(3)의 출력은, 제어 대상(3) 내에 설치된 속도 검출기가 출력하는 속도 정보이다. 제어 대상(3)은, 예를 들면 모터와, 볼나사와, 테이블과, 위치 검출기 또는 속도 검출기로 구성되어 있고, 조작량은 모터에 공급하는 전류이다.
이러한 구성에 있어서, 목표 지령이 일정 주기로 샘플러(21)에 의해 받아들여지면, 버퍼(22)에 버퍼링된다. 버퍼링된 목표 지령은, 차례로 예측 목표 지령 작성 연산부(23)에 받아들여져, 본 발명의 방법에 따라서 예측 목표 지령을 연산하여 출력한다. 연산된 예측 목표 지령이 지령 추종 제어부(24)에 받아들여지면, 제어 대상(3)의 출력과 비교하여 추종 제어하여, 조작량을 제어 대상(3)에 출력하여 구동한다. 다음에, 본 발명의 방법을 도 1의 흐름도의 처리 순서에 따라 순서대로 설명한다.
(S11) 샘플러(21)가 기능하여 샘플 주기마다 상위의 제어 장치(1)로부터 목표 지령을 취득하여, 버퍼(22)에 버퍼링한다.
(S12) 취득한 목표 지령의 이력을 사용하여 예측 목표 지령 작성 연산부(23)가 M단계분의 예측 목표 지령을 작성한다.
(S13) 예측 목표 지령 작성 연산부(23)는, 그 예측 목표 지령을 사용하여, 예측·예견 제어를 하여 추종 제어를 한다. 예측·예견 제어 대신에, 작성된 예측 목표 지령에 의해 미래의 목표 지령의 상태(가속중, 감속중, 정지중 등)를 판단하여, 피드백 게인을 전환하는 피드백 게인 전환 제어를 하여 추종 제어를 해도 된다. 그 후, (S11)로 되돌아가 상기의 순서를 되풀이한다.
도 2는 도 1의 순서의 일부 (S12)를 자세히 한 것이며, 이 도면에 따라 순서대로 설명한다.
(S21) 샘플러(21)가 기능하여 샘플 주기마다 상위의 제어 장치(1)로부터 목표 지령치 r을 취득하여, 버퍼(22)에 버퍼링한다. 이하에서
Figure 112005061382526-pct00010
는 금회 샘플의 목표 지령치,
Figure 112005061382526-pct00011
은 i 샘플 전의 목표 지령치로 한다.
(S22) 목표 지령치 r의 차분에 의해 목표 지령 미분치 vo 를 다음 식을 사용하여 산출한다.
Figure 112005061382526-pct00012
(S23) 카운터(i)를 1로 초기화하여, 예측 목표 지령치의 초기치
Figure 112005061382526-pct00013
를 현재의 목표 지령치 r로 한다.
(S24) 예측 목표 지령치
Figure 112005061382526-pct00014
를 다음 식을 사용하여 산출한다.
r'i = r'i-1 + v o
(S25) i가 M을 초과했는지 여부를 판단하여, 초과했으면 (S27)로 진행하고, 그렇지 않으면 (S26)으로 진행한다.
(S26) i를 1만큼 카운트 업한다.
(S24)∼(S26)의 순서로 M단계만큼 되풀이함으로써
Figure 112005061382526-pct00016
∼
Figure 112005061382526-pct00017
을 산출한다.
(S27)
Figure 112005061382526-pct00018
∼
Figure 112005061382526-pct00019
을 사용하여, 예측·예견 제어 또는 피드백 게인 전환 제어에 의해 지령 추종 제어하여, (S21)로 되돌아가 상기의 순서를 되풀이한다.
또, 상기의 순서 중, 상위의 제어 장치로부터 목표 지령의 차분치를 수취하는 경우는, 수취한 값의 차분치를 v0 로 하고, 그 적산을 r로 한다.
다음에, 이상의 처리 순서로 계산한 예측 목표 지령에 관해 설명한다. 도 8은 목표 지령 속도가 사다리꼴 속도 형태가 되는 목표 위치 지령이 지령된 경우의 예측 목표 지령이다. 목표 지령 위치와 목표 지령 속도가 가는 선으로 나타낸 바와 같이 변화할 때, 검은 점으로 나타낸 수 개소에 대해, 예측한 예측 목표 지령치의 위치와 속도를 굵은 선으로 나타내고 있다. 이 도면에서 알 수 있듯이, 상기의 알고리즘에 의해 목표 지령을 근사하는 예측 목표 지령을 간편한 계산으로 얻을 수 있다.
도 3은, 도 2의 순서의 일부(S20)를 개량한 것이며, 이 도면에 따라 순서대로 설명한다.
(S31) 샘플러(21)가 기능하여 샘플 주기마다 상위의 제어 장치(1)로부터 목표 지령 r을 취득하여, 버퍼(22)에 버퍼링한다. 이하에서
Figure 112005061382526-pct00020
은 금회 샘플의 목표 지령치,
Figure 112005061382526-pct00021
는 i샘플 전의 목표 지령치로 한다.
(S32) 목표 지령치 r의 차분에 의해 다음 식을 사용하여 목표 지령 미분치
Figure 112005061382526-pct00022
를 산출한다.
Figure 112005061382526-pct00023
(S33) 카운터(i)를 1로 초기화하여, 예측 목표 지령치의 초기치
Figure 112005061382526-pct00024
를 현재의 목표 지령치 r로 한다. 또한, 예측 목표 지령 미분치의 초기치
Figure 112005061382526-pct00025
을
Figure 112005061382526-pct00026
로 하여, 예측 목표 지령 2계 미분치
Figure 112005061382526-pct00027
를 다음 식을 사용하여 산출한다.
Figure 112005061382526-pct00028
(S34) 가상 예측 목표 지령 미분치
Figure 112005061382526-pct00029
를 다음 식에 의해 산출한다.
Figure 112005061382526-pct00030
(S35)
Figure 112005061382526-pct00031
가 예측 목표 지령 미분치 최대치
Figure 112005061382526-pct00032
보다 큰지 아닌지를 판단하여, 크면 (S37)로 진행하고, 그렇지 않으면 (S36)으로 진행한다.
(S36)
Figure 112005061382526-pct00033
가 예측 목표 지령 미분치 최소치
Figure 112005061382526-pct00034
보다 작은지 아닌지를 판단하여, 작으면 (S39)로 진행하고, 그렇지 않으면 (S38)로 진행한다.
(S38)
Figure 112005061382526-pct00035
와
Figure 112005061382526-pct00036
의 곱이 0보다 작은지 아닌지를 판단하여, 작으면 (S41)로 진행하고, 그렇지 않으면 (S40)으로 진행한다.
(S37)
Figure 112005061382526-pct00037
로서 (S42)로 진행한다.
(S39)
Figure 112005061382526-pct00038
으로서 (S42)로 진행한다.
(S41)
Figure 112005061382526-pct00039
으로서 (S42)로 진행한다.
(S40)
Figure 112005061382526-pct00040
로서 (S42)로 진행한다.
(S42) 예측 목표 지령치
Figure 112005061382526-pct00041
를 다음 식으로 산출한다.
Figure 112005061382526-pct00042
(S43) i가 M보다 큰지 아닌지를 판단하여, 크면 (S45)로 진행하고, 그렇지 않으면 (S44)로 진행한다.
(S44) i를 1만큼 카운트업하고 (S34)로 되돌아간다.
(S34)∼(S44)의 순서로 예측 목표 지령치 산출 단계를 M단계만큼 되풀이함으로써
Figure 112005061382526-pct00043
∼
Figure 112005061382526-pct00044
을 산출한다.
(S45)
Figure 112005061382526-pct00045
∼
Figure 112005061382526-pct00046
을 사용하여, 예측·예견 제어 또는 피드백 게인 전환 제어에 의해 지령 추종 제어하고, (S31)로 되돌아가, 상기의 순서를 되풀이한다.
또한, 상위의 제어 장치(1)로부터 위치 지령의 차분치를 수취하는 경우는, 수취한 차분치를
Figure 112005061382526-pct00047
로 하고, 그 적산을 r로 하면 된다.
다음에, 이상의 처리 순서로 계산한 예측 목표 지령에 관해 설명한다. 도 9는 목표 지령 속도가 사다리꼴 속도 형태가 되는 목표 위치 지령이 지령된 경우의 예측 목표 지령이다. 목표 지령 위치와 목표 지령 속도가 가는 선으로 나타낸 것처럼 변화할 때, 검은 점으로 나타낸 수 개소에 대해, 예측한 예측 목표 지령치의 위치와 속도를 굵은 선으로 나타내고 있다. 이 도면에서 알 수 있듯이, 가속과 감속의 개시 직후를 제외하고 일정 가감속의 목표 지령을 정확히 예측할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 목표 지령치의 이력에 의해 M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성하고 있기 때문에, 상위의 제어 장치로부터 일정 주기마다, 차례로 현 재의 지령을 수취하는 경우라도, 상위의 제어 장치의 목표 지령치에 대해 지연되지 않고, 또한 미래의 목표 지령치를 이용한 예측·예견 제어 또는 피드백 게인 전환 제어를 행할 수 있다.
또, 목표 지령의 미분치와 샘플 시간의 곱을 적산하여 M단계 앞까지의 예측 목표 지령치를 산출하기 때문에, 적은 계산량으로 예측 목표 지령치를 구할 수 있고, 또한 예측 목표 지령치를 사용한 예측·예견 제어 또는 게인 전환 제어를 행할 수 있다.
또, 목표 지령의 2계 미분치와 샘플 시간의 곱을 적산하여 예측 목표 지령의 미분치를 구하고, 예측 목표 지령의 미분치와 샘플 시간의 곱을 적산하여 M단계 앞까지의 예측 목표 지령치를 구하기 때문에, 일정 가감속의 목표 지령을 정밀도 높게 예측할 수 있고, 또한 예측 목표 지령치를 사용한 예측·예견 제어 또는 게인 전환 제어를 행할 수 있다고 하는 효과가 있다. 여기서, 예측 목표 지령치의 미분치의 부호가 변하지 않는 조건과 예측 목표 지령치의 미분치가 상한 하한치를 갖는 조건에 의해, 목표 지령치의 미분이 사다리꼴로 움직일 때는, 일정속도 변화시와 정지시를 정확히 예측하는 예측 목표 지령치를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 상위의 제어 장치로부터 일정 주기마다 수취하는 목표 지령에 제어 대상의 출력을 추종시키는 서보 제어 장치에서, 각 주기마다, 상기 목표 지령의 이력을 사용하여 M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성하고, 상기 예측 목표 지령을 사용하여 예측·예견 제어 또는 피드백 게인 전환 제어에 의해 지령 추종 제어를 행하고,
    M단계 미래까지의 예측 목표 지령을 작성할 때는,
    Figure 712007001707349-pct00055
    를 금회 샘플의 목표 지령치로 하고,
    Figure 712007001707349-pct00056
    을 i 샘플 전의 목표 지령치로 했을 때, 목표 지령 미분치 vo 를 식 (
    Figure 712007001707349-pct00057
    )를 이용하여 산출하고, 또한, 카운터(i)를 1로 초기화하고, 예측 목표 지령치의 초기치
    Figure 712007001707349-pct00058
    를 현재의 목표 지령치 r 로 하고, 예측 목표 지령 미분치의 초기치
    Figure 712007001707349-pct00059
    을
    Figure 712007001707349-pct00060
    로 하여, 예측 목표 지령 2계 미분치
    Figure 712007001707349-pct00061
    를 식 (
    Figure 712007001707349-pct00062
    )으로 산출하고,
    (1) 가상 예측 목표 지령 미분치
    Figure 712007001707349-pct00063
    를 식 (
    Figure 712007001707349-pct00064
    )에 의해 산출하는 단계;
    (2)
    Figure 712007001707349-pct00065
    가 예측 목표 지령 미분치 최대치
    Figure 712007001707349-pct00066
    보다 큰지 아닌지를 판단하여, 크면
    Figure 712007001707349-pct00067
    로 하여 단계 (5)로 진행하는 단계;
    (3)
    Figure 712007001707349-pct00068
    가 예측 목표 지령 미분치 최소치
    Figure 712007001707349-pct00069
    보다 작은지 아닌지를 판단하여, 작으면
    Figure 712007001707349-pct00070
    로 하여 단계(5)로 진행하는 단계;
    (4)
    Figure 712007001707349-pct00071
    와
    Figure 712007001707349-pct00072
    의 곱이 0보다 작은지 아닌지를 판단하여, 작으면
    Figure 712007001707349-pct00073
    로 하여 단계 (5)로 진행하고, 그렇지 않으면
    Figure 712007001707349-pct00074
    로 설정하는 단계;
    (5) 예측 목표 지령치
    Figure 712007001707349-pct00075
    를 식 (
    Figure 712007001707349-pct00076
    )를 이용하여 산출하는 단계;
    (6) i가 M을 초과하면 단계 (7)로 진행하고, 초과하지 않으면 i에 1을 더하여 상기 단계 (1)로 되돌아가는 단계; 및
    (7)
    Figure 712007001707349-pct00077
    ∼
    Figure 712007001707349-pct00078
    을 사용하여, 예측·예견 제어 또는 피드백 게인 전환 제어에 의해 지령 추종 제어를 하는 단계를 반복하여 구하는 것을 특징으로 하는 서보 제어 장치의 제어 방법.
  3. 삭제
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