KR101490664B1 - 서보 제어 장치 - Google Patents

Abstract

규범 모델부(3)는, 위치 지령 yc에 대해 제어 대상(2)의 모델이 추종하는 모델 위치 ya 및 그 모델 위치 ya에 제어 대상(2)의 모델이 일치해서 동작하기 위한 모델 토크 τ_a를 계산한다. 게인 변경부(7)는, 제어 대상(2)의 동작 중에, 가변 보상 연산부(4)가 적분 보상기(5)로 출력하는 가변 보상값 Dτ의 연산에 이용하는 적어도 1차와 2차 중 어느 하나의 제어 게인의 값을, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym과 토크 가산기(6)가 제어 대상(2)으로 출력하는 토크 지령 τ_r 중 어느 하나에 기초해서 변경하여, 가변 보상값 Dτ의 연산에 반영시킨다.

Description

서보 제어 장치{SERVO CONTROL DEVICE}

본 발명은 서보 제어 장치에 관한 것이다.

많은 산업용 기계의 구동 장치로서, 범용적인 서보 제어 장치가 이용되어서, 기계의 용도나 특성에 따라 제어 게인 등의 파라미터를 조정 설정함으로써, 가능한 한 소망의 제어 성능을 실현하고 있다. 서보 제어 장치가 직접적으로 제어하는 모터에는, 회전 모터와 리니어 모터가 있다. 본 명세서에서는, 이해를 쉽게 하기 위해서 회전 모터에 대해서만 설명한다. 즉, 서보 제어 장치는, 제어 대상인 기계계를 구동하는 모터가 예컨대 회전 모터인 경우, 해당 회전 모터에의 토크 지령을, 제어 대상의 위치나 속도가 목표값에 추종하도록 피드백 제어에 의한 위치 제어나 속도 제어를 행해서 생성한다.

서보 제어 장치에 있어서는, 이 피드백 제어에 의한 위치 제어나 속도 제어에 이용하는 제어 게인을 크게 하면, 목표값에 대한 추종 제어 정밀도를 향상시킬 수는 있지만, 지나치게 크게 하면 반대로 발진 등의 현상이 일어나서 제어가 불안정하게 된다.

따라서, 제어 게인은 불안정하게 되지 않는 범위에서 가능한 한 크게 하도록 조정 설정하게 되지만, 실제 제어 대상에서는, 기어나 볼 나사 등의 구동력 전달 기구나, 기계 공진이나 마찰 등을 포함하는 기계계에 비선형의 특성이 포함되기 때문에, 발진이 발생하기 쉬운 정도는 모터가 구동하는 기계계의 속도나 가감속도 등의 동작 조건에 따라서 다르다.

이 때문에, 종래의 서보 제어 장치에서는, 일반적으로 다양한 운전 조건에서 불안정하게 되지 않도록 발진에 대해 여유를 갖게 한, 작은 값의 제어 게인으로 고정적으로 설정하고 있다. 즉, 종래의 서보 제어 장치는, 일정한 고정값 제어 게인에 의한 제어로, 제어 내용에 따라 제어 게인을 변경하지 않는 구성이기 때문에, 제어 성능을 더 향상시킬 수 없다. 이러한 문제에 대해, 종래부터 여러가지의 제안이 이루어지고 있다(예컨대 특허문헌 1, 2 등).

즉, 특허문헌 1에서는, 위치 제어에 이용되는 서보 제어 장치에 있어서, 제어 대상의 정지시에 제어 게인을 작은 값으로 전환함으로써 정지시의 안정성을 증대시키고, 제어 대상의 동작중에는 상대적으로 제어 게인을 증대시킴으로써 고정 게인의 제어계보다 고속 고정밀도의 제어를 실현하는 기술이 제안되어 있다.

이 특허문헌 1에 기재된 서보 제어 장치에서는, 위치 지령과 위치 검출값의 편차에 기초해서 위치 비례 게인 및 위치 적분 게인을 적용한 위치 PI 제어를 행해서 속도 지령을 생성하고, 이 속도 지령과 속도 검출값의 편차에 기초해서 속도 비례 게인 및 속도 적분 게인을 적용한 속도 PI 제어를 행해서 토크 지령(전류 지령)을 생성하고 있다. 또한, 미리 속도 레벨의 설정값을 결정해 두고, 속도 검출값이 설정값보다 큰 경우에는 위치 비례 게인을 상대적으로 높게 설정하며, 속도 검출값이 설정값보다 낮을 때에는 위치 비례 게인을 상대적으로 낮은 값으로 하도록, 속도 검출값에 따라 게인을 전환한다. 즉, 제어 대상의 동작이 정지하는 근방에서만 제어 게인을 작게 하는 변경을 행하고 있다.

또한, 특허문헌 2에서는, 특허문헌 1과는 반대로 제어 대상이 한창 동작하고 있을 때 제어 게인을 변경하는 기술이 제안되어 있다.

즉, 특허문헌 2에서는, 위치 지령을 입력으로 해서 서보 제어에 이상적인 모델 토크와 모델 위치를 출력하는 모델 연산부(규범 모델부)를 구비하고, 모델 위치와 제어 대상의 실제 위치의 위치 편차에 위치 비례 게인을 곱한 신호에 기초해서, 이 위치 편차를 작게 하도록 피드백 토크 지령(편차 보상 토크)을 생성하며, 이 피드백 토크 지령과 모델 토크를 가산하여 모터에 대한 토크 지령을 생성하는 기술이 개시되어 있다.

이 특허문헌 2에서는, 스태커 크레인이라고 불리는 대차(臺車)의 제어를 상정해서, 정지시의 위치 결정 정밀도는 고정밀도의 제어가 요구되지만, 고속 상태에서는 차륜이 노면에 대해 미끄러지는 등의 현상에 제어가 과민하게 반응하지 않게 하는 목적에서, 대차의 이동 속도 즉, 모터의 속도가 큰 경우에는 작을 때보다 위치 비례 게인을 작게 변경하는 제어를 행하고 있다. 구체적으로는, 검출 속도나 상기 모델 위치의 미분인 모델 속도 등에 기초하는 다항식으로서 위치 비례 게인을 결정함으로써, 속도의 대소에 따라서 연속적으로 위치 비례 게인을 변화시키는 기술이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제 2003-204689 호 공보 일본 특허 공개 제 2006-79526 호 공보

상술한 바와 같이, 일반적인 서보 제어 장치에서는, 피드백 제어계의 제어 게인을, 다양한 동작 조건에서 안정되게 제어할 수 있도록 충분히 낮은 제어 게인으로 고정적으로 설정하기 때문에, 제어 성능을 더 향상시키는 것이 곤란했다. 이 문제에 대해 제안되어 있는 특허문헌 1, 2에 기재된 기술에서는, 다음과 같은 문제가 있다.

우선, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 제어 대상의 동작이 정지하는 근방에서만 제어 게인을 저감시키도록 구성하고 있지만, 제어 게인이 전환될 때 위치 편차가 있으면, 게인 전환에 기인해서 토크 지령이 불연속적으로 변화된다. 따라서, 위치 편차가 큰 시점에서도 전환이 실행되도록 조건이 설정되면, 전환될 때 기계계에 충격이나 소리를 발생시킨다. 그 대책으로서, 예컨대 필터를 추가하는 등해서, 게인 전환시에 토크가 연속적으로 변화되도록 구성했다고 해도, 게인 전환을 행함으로써 지령에 대한 추종 속도 등의 특성이 전환 전후에 변화되기 때문에, 제어 대상을 한창 동작시키고 있는 중에 게인 전환을 행하면, 모터의 토크 자체는 불연속적으로 변화하지 않더라도, 원리적으로 제어 대상의 동작이 크게 변화된다.

따라서, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 예컨대 단시간에 급준한 가감속을 행하는 위치 결정 동작 등의 특정한 용도에서는, 정지시에 발진하는 경우가 많기 때문에, 정지 근방에서만 제어 게인을 저감시키는 등의 제어는 가능하다. 그러나, 완만한 가감속이나 일정 속도 상태가 긴 운전을 행하는 경우 등, 정지시 이외에도 발진을 쉽게 발생시키게 되는 용도에 대해서는, 제어 대상이 한창 동작하고 있는 중에 제어 게인을 전환시킬 수 없기 때문에, 제어 성능을 향상시킬 수 없다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 다양한 용도에 대해, 일반적인 고정 제어 게인의 피드백 제어계보다 제어 성능을 향상시킬 수 없다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 규범 모델부를 구비해서 모델 토크를 피드 포워드적으로 가산하는 제어계에서, 속도의 다항식에 기초해서 위치 비례 게인을 연속적으로 변화시키도록 구성하고 있지만, 다항식을 적절하게 결정하는 것은 용이하지 않고, 또한 실시간으로 계산시키는 것도 용이하지 않은 경우가 있다. 이에 더해서, 예컨대 일정 속도나 저속 상태 등 발진을 발생시키기 쉬운 조건하와, 그 이외의 발진을 발생시키기 어려운 조건하에서만 발진하지 않는 게인을 사전에 파악하여, 발진하기 쉬운 조건하에서만 게인을 작게 하는 등의, 간단하고 또한 확실한 방법을 실현하고자 하면, 게인을 2개의 수치로서 불연속적으로, 또는 급준하게 크게 변화시킬 수 있는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이렇게 변화시키면 토크 지령이 불연속 또는 급준하게 변화되어 버려서, 제어 대상에 소리나 충격을 주기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 이 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 완만하게 변화되는 게인을 설계할 필요가 있기 때문에 시간이 필요하고, 또한 게인을 급준하게 크게 변화시킬 수 없기 때문에, 성능 향상이 한정된다고 하는 문제를 발생시킨다.

즉, 종래 기술에서는, 특정한 용도에서는 효과를 발휘하는 경우가 있지만, 제어 게인을 가변으로 함으로써 성능 향상이 기대되는 다양한 용도에 대한 적용을 생각한 경우, 문제가 발생하거나, 성능을 충분히 향상시킬 수 없기 때문에, 적용 범위가 한정된다.

본 발명은, 상기를 감안해서 이루어진 것으로, 제어 게인을 가변으로 함으로써, 다양한 용도에 대해 통상의 고정 제어 게인의 제어계보다 제어 성능을 향상시키는 제어를, 구동력 지령의 불연속이나 동작의 급변을 일으키지 않고 실현할 수 있는 서보 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 서보 제어 장치는, 검출된 제어 대상의 동작 위치 또는 동작 속도를 나타내는 동작 검출 신호와, 상기 제어 대상의 동작 위치 또는 동작 속도에 대한 목표값으로서 상위 장치로부터 주어지는 동작 지령에 기초해서, 해당 동작 지령에 상기 제어 대상의 동작 위치 또는 동작 속도가 추종하도록, 상기 제어 대상의 기계계를 구동하는 모터에 주는 구동력을 발생시키는 지령인 구동력 지령을 생성하는 서보 제어 장치에 있어서, 해당 동작 지령에 기초해서, 해당 동작 지령에, 상정한 상기 제어 대상의 모델이 소정의 특성으로 추종하는 모델 동작 위치 또는 모델 동작 속도를 나타내는 모델 동작 신호를 계산하고, 해당 계산한 모델 동작 신호에, 상정한 상기 제어 대상의 모델이 일치해서 동작하는 데 필요한 구동력인 모델 구동력을 산출하는 규범 모델부와, 상기 모델 동작 신호와 상기 동작 검출 신호의 편차인 제어 편차에 제 1 제어 게인인 0차 제어 게인을 곱한 값에, 상기 제어 편차의 1차(first-order) 미분값에 제 2 제어 게인인 1차 제어 게인을 곱한 값 또는 상기 제어 편차의 2차(second-order) 미분값에 제 3 제어 게인인 2차 제어 게인을 곱한 값 중 적어도 하나의 값을 가산해서 가변 보상 신호로서 출력하는 가변 보상 연산부와, 상기 제어 대상의 동작중에 있어서, 상기 가변 보상 연산부가 상기 가변 보상 신호의 연산에 이용하는 적어도 상기 1차 제어 게인과 상기 2차 제어 게인 중 어느 하나의 제어 게인의 값을, 상기 모델 동작 신호와 상기 동작 검출 신호와 상기 구동력 지령 중 적어도 하나에 기초해서 변경하여 상기 가변 보상 신호의 연산에 반영시키는 게인 변경부와, 상기 가변 보상 신호를 적분하는 적분 보상기 와, 상기 모델 구동력에 적어도 상기 적분 보상기의 출력을 가산해서 상기 구동력 지령으로서 출력하는 가산기를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 가변 보상 신호에 있어서 게인 변경부가 변경하는 제어 게인이 영향을 미치는 신호는, 모두 적분 보상기를 통과하기 때문에, 제어 대상이 한창 동작하고 있는 중에도, 모터에 대한 구동력 지령이나 제어 대상의 동작을 급변시키는 일없이 외란에 대한 오차의 억제 효과만을 변경할 수 있다. 따라서, 서보 제어 장치가 사용되는 다양한 용도에 대해 유연하게, 통상의 고정 제어 게인의 제어계보다 고성능의 제어 성능을 얻을 수 있다는 효과를 낸다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 서보 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 서보 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 서보 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

이하, 본 발명에 따른 서보 제어 장치의 실시예를 도면에 기초해서 상세하게 설명한다. 한편, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 서보 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 있어서, 본 실시예 1에 따른 서보 제어 장치(1a)는, 제어 대상(2)의 동작 위치를 피드백 제어에 의해 목표값에 추종시키는 위치 제어를 행하는 구성으로서, 규범 모델부(3)와, 가변 보상 연산부(4)와, 적분 보상기(5)와, 토크 가산기(6)와, 게인 변경부(7)를 구비하고 있다.

제어 대상(2)은 구성 요소의 도시는 생략했지만, 모터(본 명세서에서는 회전 모터를 상정)와, 이 모터로의 구동 전류를 서보 제어 장치(1a)(그 중 토크 가산기(6))로부터의 토크 지령 τ_r에 따라 제어하는 전류 제어부와, 이 모터가 전류 제어부로부터의 구동 전류에 의해, 서보 제어 장치(1a)로부터의 토크 지령 τ_r에 대응한 토크를 발생시켜서 구동하는 기계계를 구비하고, 검출된 모터의 회전 위치가 제어 대상(2)의 위치 검출값 ym으로서 출력된다. 즉, 위치 검출값 ym은 피드백 신호로서, 서보 제어 장치(1a) 내의 가변 보상 연산부(4)와 게인 변경부(7)에 입력된다. 한편, 모터에는, 위치 검출기와 속도 검출기 중 어느 하나 또는 양쪽이 부착되어 있다. 위치 검출값 ym은, 위치 검출기의 검출값, 또는 속도 검출기의 검출값의 적분값이다.

다음으로, 서보 제어 장치(1a)의 구성과 동작에 대해서 설명한다.

규범 모델부(3)는, 도시하지 않은 상위 장치로부터 동작 지령으로서의 위치 지령 yc이 입력된다. 규범 모델부(3)는, 이 위치 지령 yc에 대해 상정한 제어 대상(2)의 모델이 소정의 전달 함수 Fa(s)의 특성으로 추종하는 모델 위치(모델 동작 신호) ya를 계산하고, 이와 같이 구한 모델 위치 ya에, 상정한 제어 대상(2)의 모델이 일치해서 동작하기 위한 이상적인 토크(모델 토크) τ_a를 계산한다.

예컨대, 제어 대상(2)의 모델로서 관성값(모델 관성값)이 Ja인 강체 관성을 상정한 경우, 규범 모델부(3)는, 모델 위치 ya의 계산과, 그 2차 미분값인 모델 가속도 aa를 계산하고, 모델 가속도 aa에 모델 관성값 Ja를 곱함으로써 제어 대상(2)의 동작이 모델 위치 ya에 일치하기 위해서 필요한 이상적인 토크(모델 토크) τ_a를 계산한다.

규범 모델부(3)에서 구해진 모델 위치 ya는, 가변 보상 연산부(4)와 게인 변경부(7)에 입력된다. 또한, 규범 모델부(3)에서 구해진 모델 토크 τ_a는 토크 가산기(6)에 입력된다.

다음으로 가변 보상 연산부(4)는 감산기(4a)와, 미분기(4b, 4c)와, 가변 게인 승산 가산부(4d)를 구비하고 있다.

감산기(4a)는 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차(제어 편차)인 위치 편차 ye를 계산한다.

이 위치 편차 ye는 미분기(4b)와 가변 게인 승산 가산부(4d)에 입력된다.

미분기(4b)는 위치 편차 ye의 미분값인 속도 편차 ve를 계산한다.

이 속도 편차 ve는 미분기(4c)와 가변 게인 승산 가산부(4d)에 입력된다.

미분기(4c)는, 속도 편차 ve의 미분값인 가속도 편차 ae를 계산한다.

이 가속도 편차 ae는, 가변 게인 승산 가산부(4d)에 입력된다.

가변 게인 승산 가산부(4d)는, 식 (4)에 나타낸 바와 같이, 감산기(4a)가 구한 위치 편차 ye에 제 1 제어 게인인 0차 제어 게인 K0을 곱한 값과, 미분기(4b)가 구한 속도 편차 ve에 제 2 제어 게인인 1차 제어 게인 K1을 곱한 값과, 미분기(4c)가 구한 가속도 편차 ae에 제 3 제어 게인인 2차 제어 게인 K2를 곱한 값의 가산값을 가변 보상값 Dτ으로서 구하고, 이를 적분 보상기(5)에 출력한다. 이 때 이용하는 제어 게인 K0, K1, K2의 각 값은, 각각 후술하는 게인 변경부(7)로부터 입력되는 게인 변경 신호 sg가 지정한 게인값이다.

한편, 가변 보상 연산부(4)는, 도 1에서는, 식 (4)에 대응시킨 구성으로서 나타내었지만, 식 (4)와 등가인 연산을 행하면 되는 것으로, 그 구성은 특별히 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 모델 위치 ya의 미분값를 모델 속도 va, 모델 속도 va의 미분값를 모델 가속도 aa, 위치 검출값 ym의 미분값를 검출 속도 vm, 검출 속도 vm의 미분값를 검출 가속도 am으로 해서 계산하고, 가변 보상값 Dτ를 다음식 (5)와 같이 계산하는 구성으로 해도, 완전히 같은 효과를 갖는 것은 명백하다.

또한, 식 (4)에 나타낸 가변 게인 승산 가산부(4d)의 연산은, 새로운 제어 게인 K1', K0'을 이용해서, 다음 식 (6)과 같이 캐스케이드 구조의 연산으로 해도 된다.

이 식 (6)에 있어서, K1'·K2를 K1으로, K0'·K1'·K2를 K0으로 치환하면, 후술하는 식 (7) 및 식 (8)과 등가인 관계가 되어, 완전히 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 각 제어 게인의 크기를 물리량으로서 파악하기 쉽게 되어서, 실장이 용 이하게 되는 경우가 있다.

다음으로, 적분 보상기(5)는, 가변 보상 연산부(4)에서 연산된 식 (4)로 표시되는 가변 보상값 Dτ를 시간 적분하고 이 적분 특성에 따른 편차 보상 토크 τ_b를 구하고, 이것을 토크 가산기(6)에 출력한다. 그리고, 토크 가산기(6)는 모델 토크 τ_a에 편차 보상 토크 τ_b를 가산해서 토크 지령 τ_r를 출력한다. 토크 지령 τ_r는 제어 대상(2) 내의 전류 제어부와 게인 변경부(7)에 입력된다.

여기서, 적분 보상기(5)가 구하는 편차 보상 토크 τ_b는, 식 (7)로 표현된다. 한편, 식 (7)에 있어서 s는 라플라스 연산자이다.

그리고, 가변 보상 연산부(4)와 적분 보상기(5)를 합친, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차(위치 편차) ye에 기초해서 편차 보상 토크 τ_b를 계산하기까지의 기능부를, 피드백 보상부라고 하면, 피드백 보상부의 전달 함수 τ_b/ye는, 식 (7)로부터, 다음 식 (8)로 구해진다.

즉, 피드백 보상부의 전달 함수 τ_b/ye는, 일반적인 PID 제어와 마찬가지로, 0차 제어 게인 K0을 위치 적분 게인, 1차 제어 게인 K1을 위치 비례 게인, 2차 제어 게인 K2를 위치 미분 게인, 즉 속도 비례 게인으로 한 것과 등가라는 것을 알 수 있다.

이렇게 하면, 피드백 보상부에서 식 (8)과 등가인 통상의 위치 PID 제어를 그대로 사용해서, 게인 변경부(7)의 작용에 의해 각 제어 게인을 변경한 경우를 생각하면, 변경한 시점에서 위치 편차 ye가 0이 아니면, 1차 제어 게인 K1의 변경에 의해서, 또는 위치 편차 ye의 미분값(속도 편차) ve가 0이 아니면 2차 제어 게인 K2의 변경에 의해, 제어 게인을 변경한 시점에서 편차 보상 토크 τ_b가 불연속적으로 변화된다. 따라서, 위치 지령 yc의 속도나 가속도가 변화된 직후의 과도적 상태에서 위치 편차가 변동하는 시점에 게인의 전환을 행하면, 토크 지령 τ_r가 불연속적으로 변화되어, 제어 대상(2)에 소리나 진동을 발생시키는 원인이 된다.

이에 반해서, 본 실시예 1에서는, 가변 보상 연산부(4)에 있어서 게인 변경부(7)에서 변경되는 제어 게인 모두를 이용해서 가변 보상값 Dτ를 연산하고, 이 변경되는 제어 게인 모두를 반영한 가변 보상값 Dτ를 적분 보상기(5)로 적분하여 편차 보상 토크 τ_b를 연산하는 구성으로 하고 있다.

즉, 본 실시예 1에서는, 가변 보상값 Dτ에 있어서 게인 변경부(7)에서 변경하는 제어 게인이 영향을 미치는 신호는 모두 적분 보상기(5)를 통과하는 구성이다. 따라서, 게인 변경시에 가변 보상값 Dτ가 불연속적으로 변화되더라도, 적분 보상기(5)의 출력인 편차 보상 토크 τ_b는 연속적으로 변화되게 된다. 바꾸어 말하면, 전달 함수로서는 통상의 PID 제어와 완전히 같은 것이지만, 게인 전환에 의해 제어 게인을 불연속적으로 변경하더라도, 토크 지령 τ_r에 불연속을 전혀 발생시키지 않는 전환 제어를 실현할 수 있다.

그런데, 게인 변경부(7)는 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym과 토크 지령 τ_r 전부 또는 일부에 기초해서, 소정의 조건 판단이나 계산식에 의해, 가변 보상 연산부(4)에서 이용하는 제어 게인 K0, K1, K2의 각 값을, 전부를 세트로 해서, 또는 개별적으로 결정하고, 이 결정한 값을 게인 변경 신호 sg에 의해 가변 보상 연산부(4)에 통지해서 설정한다.

예컨대, 가변 보상 연산부(4)에서 이용하는 제어 게인 K0, K1, K2를, 서보 제어 장치를 적용하는 기계계의 특성이나 용도에 의해서 변경하는 경우, 게인 변경부(7)는, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차나 이것에 필터 조작을 행한 신호가, 설정한 임계값보다 큰 경우에는, 통상 조건보다 고 게인을 선택하는 고 게인 조건이라고 판단하고, 이 조건 판단에 대응한 게인 변경 신호 sg(예컨대 논리값 "0", "1"인 신호)를 가변 보상 연산부(4)에 출력한다.

가변 보상 연산부(4)는, 게인 변경 신호 sg가 논리값 "0"인 신호라면, 예컨대 제어 게인 K0, K1, K2의 각 값을 변경하지 않고 소정의 고정값을 이용하는 한편, 게인 변경 신호 sg가 논리값 "1"인 신호이면, 예컨대 제어 게인 K0, K1, K2의 각 값을 세트로 해서 변경한 소정값을 이용한다.

또한, 게인 변경부(7)는, 그 판단 결과에 따라 예컨대, 변경 배율 등의 미리 정한 수치를 이용해서, 고 게인 조건의 제어 게인 K0, K1, K2이 후술하는 속도 응답 주파수 ωsc나 영점 등을 고려한 소정의 관계를 갖도록 연산하고, 이 연산값을 게인 변경 신호 sg에 의해 가변 보상 연산부(4)에 설정한다. 한편, 통상 조건과 고 게인 조건의 각 제어 게인의 기초가 되는 상기 변경 배율 등의 값은, 각 조건에 있어서 발진 등의 문제를 발생시키지 않도록, 각 조건에서의 시험 등에 의해서 결정하는 것이다.

또는, 서보 제어 장치의 별도 적용 용도에서는, 게인 변경부(7)는 토크 지령 τ_r의 절대값이 소정의 임계값보다 작은 경우에는 무부하 상태라고 판단하여 통상 조건의 제어 게인보다 저 게인을 선택하는 저 게인 조건이라고 판단하고, 이 조건 판단에 대응한 게인 변경 신호 sg를 가변 보상 연산부(4)에 출력하여, 이 저 게인의 제어 게인을 가변 보상 연산부(4)에 설정한다.

일반적으로, 고속 고정밀도의 제어를 실현하기 위해서는, 제어 대상(2)의 동작 위치나 동작 속도의 피드백 제어를 행하는 제어(위치 제어나 속도 제어)에서의 제어 게인을 크게 할 필요가 있지만, 반대로 지나치게 크게 하면, 발진 등의 불안정화를 유발하기 때문에, 불안정화를 발생시키지 않는 범위에서 제어 게인을 크게 할 필요가 있다. 이 발진이 발생하기 쉬운 정도는 속도나 가속도 등의 동작 조건에 따라 변화된다.

이 문제에 대해, 본 실시예 1에서는 게인 변경부(7)에 의한 게인 변경 결과 모두는 적분 보상기(5)를 경유해서 편차 보상 토크 τ_b의 계산에 반영되기 때문에, 게인 변경부(7)에 의한 조건에 따른 게인 변경이, 그 게인 전환 시점에 불연속이 발생한다고 하는 문제를 일으키지 않고 행할 수 있다. 그 결과, 예컨대 오차가 커지기 쉬운 경우에, 또는 발진하기 어려운 조건의 경우에만, 제어 게인을 크게 하고, 그 이외의 경우에는 안정성을 중시하여 제어 게인을 작게 하는 것이 가능해져서, 안정적으로 고속 고정밀도의 제어를 실현할 수 있다.

한편, 일반적인 서보 제어 장치에 있어서는, 인코더로 검출한 위치 검출값을 2차 미분한 가속도 신호에는 노이즈가 많이 포함되어 있기 때문에, 주요한 제어 동작에 이용되는 일은 적지만, 본 실시예 1에서는 상술한 바와 같이 가속도 신호의 성분은 반드시 적분 보상기(5)에서 적분되어 속도 비례 제어와 등가인 특성으로서 사용되기 때문에, 결과적으로 토크 지령에 대한 상기 노이즈의 영향은 커지지 않는다.

다음으로 게인 변경부(7)에 있어서의 각 게인의 결정 방법과 그 작용 효과에 대해서 설명한다.

상기 설명에서는, 식 (8)을 이용해서 위치의 PID 제어로서 설명했다. 여기서, 일반적인 프로세스 제어 등에 사용되는 PID 제어의 경우에, 통상, 비례 게인을 기본으로 해서 적분 게인이나 미분 게인이 보조적으로 사용되는 경우가 많다.

한편, 모터의 서보 제어에 이용되는 경우, 실제 실장 형태로서는, 위치 PID 제어와 등가인 속도 제어와 위치 제어의 캐스케이드 제어 등의 형태로 실장되는 경우도 많아서, 속도 비례 게인과 제어 대상(2)의 관성으로 결정되는 속도 응답 주파수 ωsc를 기준으로, 적분의 브레이크포인트(breakpoint) 주파수나 위치 제어의 응답 주파수가, 그 수분의 1이 되도록 결정함으로써 양호한 외란 응답 특성을 얻도 록 하고 있다.

이에 반해서 본 실시예 1에 있어서는, 위치 편차 ye의 2차 미분값, 즉 가속도 편차 ae에 2차 제어 게인 K2를 곱한 값이 가산된 신호를 적분 보상기(5)로 적분함으로써, 2차 제어 게인 K2이 상술한 바와 같이 일반적인 위치 미분 게인 즉, 속도 비례 게인에 상당하는 작용을 행한다.

따라서, 게인 변경부(7)는 상술한 조건 판단에 기초해서 각 조건에서 안정되도록, 예컨대 상술한 변경 배율에 기초해서 2차 제어 게인 K2를 변경함과 아울러, 설정 또는 추정한 제어 대상(2)의 관성값 J로 2차 제어 게인 K2를 나눈 값인 속도 응답 주파수 ωsc와, 제어 게인 K1, K0이 소정의 관계를 유지하도록 1차 제어 게인 K1 및 0차 제어 게인 K0을 연산해서 변경함으로써, 항상 외란 응답 특성을 적절한 설정으로 할 수 있다.

구체적으로는, 예컨대 식 (8)에 표시되는 전달 함수 τ_b/ye의 영점의 주파수가 속도 응답 주파수의 수분의 1 등의 지정한 비율이 되도록, 또는 영점에 유사한 지표인 2차 제어 게인 K2를 1차 제어 게인 K1으로 나눈 값 w1와, 1차 제어 게인 K1을 0차 제어 게인 K0으로 나눈 값 w0이 속도 응답 주파수에 대해 수분의 1 등의 소정의 비율이 되도록, 0차 제어 게인 K0 및 1차 제어 게인 K1을 계산해서 설정한다. 상기 소정의 비율로서 통상의 제어 게인의 비율을 변화시키지 않도록 계산해도 된다.

한편, 게인 변경부(7)가 예컨대, 고 게인 조건에 대응한 제어 게인 K0, K1, K2 모두를 기억하는 기억 요소를 구비하고, 이 기억 요소에 값을 설정할 때, 상기와 같은 소정의 관계를 갖도록 연산하는 게인 연산부를 구비하며, 게인 변경부(7)가 고 게인 조건이라고 판단한 경우에는, 게인 변경 신호 sg에 기초해서 제어 게인 K0, K1, K2를 판독해서, 가변 보상 연산부(4)에 설정하도록 구성해도 된다.

또한, 서보 제어 장치를 반송 장치에 적용하는 경우에는, 게인 변경부(7)가 예컨대, 토크 지령 τ_r 및 위치 검출값 ym의 변화로부터 제어 대상(2)의 관성값 J의 추정을 행하고, 반송물의 중량이 변화되어 관성값 J가 크게 변화된 시점을 검출하여, 속도 응답 주파수 ωsc가 항상 일정하게 되도록 2차 제어 게인 K2를 변경해도 된다.

이와 같이, 2차 제어 게인 K2은, 외란 억제 효과나 발진이 발생하기 쉬운 정도에 크게 영향을 미쳐서, 제어 대역이라고 불리는 응답 속도를 결정하는 것이지만, 본 실시예 1에서는, 이 2차 제어 게인 K2의 값도 토크 지령 τ_r의 불연속이나 제어 대상(2)의 응답에 급변을 발생시키지 않고, 제어 대상(2)의 동작 중에 전환될 수 있게 된다. 그 결과, 발진이 발생하기 쉬운 정도에 따라 제어 특성을 크게 변화시키면서 외란 응답 특성을 항상 최적의 상태로 유지할 수 있게 된다.

한편, 게인 변경부(7)에 있어서의 조건 판단은, 본 실시예 1에 따른 서보 제어 장치(1a)를 적용하는 용도에 따라, 제어 게인의 크기를 변경하자 하는 조건을 경험칙 등에 따라 적절히 설정하면 바람직하고, 상술한 바와 같이 외란의 영향이 큰 조건을 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차에 기초해서 판단하는 것 이외에, 일반적으로 토크 전달 기구에 있어서의 백래시에 기인한 발진을 발생시키기 쉬운 조건인 토크 지령 τ_r가 작은 조건을, 토크 지령 τ_r와 소정의 임계값의 비교에 의해 판단하거나, 또는 정지 근방, 속도 일정의 조건 등을 모델 위치 ya의 미분값인 모델 속도의 크기로부터 판단하는 등, 적용 용도에 따라 여러가지로 설정해도 된다.

또한, 게인 변경부(7)에 의해 변경하는 가변 보상 연산부(4)의 제어 게인의 값은, 상기와 같은 관계성을 만족시키는 것이 바람직하지만, 그 크기는 각 조건에서의 안정성을 검사해서, 각 조건에서의 시행 착오로 결정해도 되고, 가령 이들 게인의 값이 제어 대상(2)의 동작중에 불연속적으로 크게 변경되더라도, 토크 지령 τ_r는 극단적으로 급준한 변화는 일으키지 않기 때문에, 조건 판단의 설정이나 변경후의 게인의 설정의 선택 자유도가 높아서, 예컨대 경험이나 시행 착오에 의한 간단히 설정에 의해, 종래보다 발진이 발생하기 어려운 고정밀도의 제어를 실현할 수 있다.

다음으로 규범 모델부(3)를 이용하기 때문에, 다음과 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

규범 모델부(3)는, 상술한 바와 같이, 모델 토크 τ_a를 계산해서 출력하기 때문에, 가령 규범 모델부(3)로 상정한 제어 대상(2)의 모델과 제어 대상(2)의 특성이 완전히 일치했다고 하면, 모델 토크 τ_a를 토크 지령 τ_r로서 제어 대상(2)의 기계계를 구동한다. 이로써, 제어 대상(2)은 위치 검출값 ym이 모델 위치 ya에 완전하게 일치하도록 동작한다.

따라서, 제어 대상(2)의 실제 특성에 어느 정도 가까운 특성을 규범 모델부(3)로 상정할 수 있다면, 위치 지령 yc에 대한 제어 대상(2)의 응답은, 개략적으로는 가변 보상 연산부(4) 및 적분 보상기(5)로 이루어지는 피드백 보상부와는 무관계하게, 규범 모델부(3)에서 설정한 전달 함수 Fa(s)로 결정된다.

또한, 위치 편차 ye, 속도 편차 ve, 가속도 편차 ae 등의 제어 편차는, 규범 모델부(3)에서 상정한 모델의 제어 대상(2)에 대한 오차의 영향과, 제어 대상(2)에 가해지는 외란의 영향에 의해서, 실제로는 0이 아닌 값이 되지만, 이들 제어 편차는 규범 모델부(3)의 작용에 의해서 기본적으로는 작은 값이다.

또한, 속도가 0이 아닌 동작 중이나 가감속중 등에도, 속도 일정 상태나 가속도 일정 상태가, 제어 시정수로 결정되는 어느 정도의 시간만큼 계속되면, 가변 보상 연산부(4) 및 적분 보상기(5)로 이루어지는 피드백 보상부의 작용에 의해서 제어 편차는 제로가 되는 특성을 가진다.

나아가, 규범 모델부(3)를 구비했기 때문에, 위치 지령 yc의 변화에 따라 제어 대상(2)이 한장 동작하고 있는 중에도, 피드백 보상부는 기본적으로는 제로에 가까운 제어 편차에 대해 보상을 행한다. 이 때문에, 게인 변경부(7)의 작용에 의해서 가변 보상 연산부(4)에 있어서의 제어 게인을 변경하더라도, 위치 지령 yc에 대한 제어 대상(2)의 추종 특성은 변경하지 않기 때문에, 제어 대상(2)의 응답을 급변시키지 않는다는 효과를 갖는다.

이상, 설명한 바와 같이 본 실시예 1에서는, 게인 변경부(7)가 가변 보상 연산부(4)에 있어서의 각 게인의 값을 변경하더라도, 그 게인 전환시에 토크 지령 τ_r의 불연속을 발생시키는 일없이 제어 대상(2)의 위치 지령 yc에 대한 추종 특성을 변화시키는 일도 없기 때문에, 응답을 급변시키는 일도 없다.

또한, 규범 모델부(3)를 구비하고, 게인 변경부(7)가 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차, 또는 이것에 하이패스 필터를 작용시킨 신호 등과, 설정한 임계값을 비교함으로써, 제어 대상(2)을 한창 동작시키고 있는 중에도 외란의 영향이 큰 타이밍을 간단하게 검출할 수 있다. 그리고, 이 조건에만 제어 게인을 크게 하고, 그 이외의 경우에는 안정성을 중시해서 제어 게인을 작게 하기 때문에, 정상적인 발진을 억제하면서, 가감속시도 포함해서 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 실시예 1에 의하면, 제어 대상이 한창 동작하고 있는 중에, 동작 조건에 따라 제어 게인을 변경하는 경우에도, 토크 지령을 불연속적으로 변화시키거나, 위치 지령에 대한 응답 특성을 크게 변화시키거나 하는 일없이, 제어 게인을 간단하고 또한 적절하게 변경할 수 있기 때문에, 폭넓은 용도에 대응해서 발진에 의한 불안정화를 억제하면서 제어 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 편차에 기초해서 대응하는 제어 게인을 변경하기 때문에, 외란이 큰 경우에만 대응하는 제어 게인을 크게 할 수 있어, 폭넓은 용도에 대응해서 불안정화를 억제하면서 제어 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 가변 보상 연산부(4)가 생성하는 가변 보상값 Dτ에 포함되는 가속도 편차 ae는 반드시 적분 보상기(5)로 적분되어 속도 편차 ve와 등가인 특성으로서 이용되기 때문에, 게인 변경부(7)가, 가변 보상 연산부(4)가 가변 보상값 Dτ의 연산에 이용하는 제어 게인 중 적어도 2차 제어 게인 K2의 값을 변경하고, 가변 보상 연산부(4)가, 가변 보상값 Dτ를 위치 편차 ye에 0차 제어 게인 K0을 곱한 값과, 적어도 위치 편차 ye의 2차 미분값(가속도 편차 ae)에 게인 변경부(7)가 값을 변경한 2차 제어 게인 K2를 곱한 값을 가산해서 생성하여, 적분 보상기(5)로 출력하는 구성이어도 된다.

이 구성에 의하면, 속도 게인 상당의 2차 제어 게인 K2를 변경해서 제어 대역을 가변으로 해도 토크 지령 τ_r를 연속으로 할 수 있기 때문에, 보다 폭넓은 용도에 따라 불안정화를 억제하면서 제어 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

이에 더해서, 가변 보상 연산부(4)가, 가변 보상값 Dτ를, 위치 편차 ye에 0차 제어 게인 K0을 곱한 값과, 위치 편차 ye의 1차 미분값(속도 편차 ve)에 1차 제어 게인 K1을 곱한 값과, 위치 편차 ye의 2차 미분값(가속도 편차 ae)에 2차 제어 게인 K2를 곱한 값을 가산하여 생성하고, 게인 변경부(7)가, 2차 제어 게인 K2를 제어 대상(2)의 관성값으로 나눈 값에 기초해서, 가변 보상 연산부(4)가 가변 보상값 Dτ의 연산에 이용하는 0차, 1차 및 2차 각 제어 게인 중 적어도 하나의 제어 게인의 값을 변경하는 구성이어도 된다.

이 구성에 의하면, 속도 게인 상당의 2차 제어 게인 K2를 변경하여 제어 대역을 가변으로 해도 토크 지령 τ_r를 연속으로 할 수 있기 때문에, 조건에 따라 외란 억제 효과가 항상 적절하게 되도록 2차 제어 게인 K2를 변경할 수 있게 된다.

(실시예 2)

도 2는, 본 발명의 실시예 2에 따른 서보 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 한편, 도 2에서는, 도 1(실시예 1)에 나타낸 구성 요소와 동일 내지는 동등한 구성 요소에는 동일한 부호가 붙어 있다. 여기서는, 본 실시예 2에 관한 부분을 중심으로 설명한다.

도 2에 있어서, 본 실시예 2에 따른 서보 제어 장치(1b)는, 제어 대상(2)의 동작 위치를 피드백 제어에 의해 목표값에 추종시키는 위치 제어를 행하는 구성으로 해서, 규범 모델부(3)와, 가변 보상 연산부(10)와, 적분 보상기(11)와, 토크 가산기(12)와, 고정 게인 보상부(13)와, 게인 변경부(14)를 구비하고 있다. 제어 대상(2) 및 규범 모델부(3)는, 실시예 1에서 설명했기 때문에, 여기서는 그 설명을 생략한다.

가변 보상 연산부(10)는 감산기(10a)와, 미분기(10b)와, 가변 게인 승산 가산부(10c)를 구비하고 있다.

감산기(10a)는, 실시예 1에서의 감산기(4a)와 마찬가지로, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차인 위치 편차 ye를 계산한다. 이 위치 편차 ye는, 미분기(10b)와 가변 게인 승산 가산부(10c)와 고정 게인 보상부(13)에 입력된다.

미분기(10b)는, 실시예 1에서의 미분기(4b)와 마찬가지로, 위치 편차 ye의 미분값인 속도 편차 ve를 계산한다. 이 속도 편차 ve는, 가변 게인 승산 가산부(10c)에 입력된다.

가변 게인 승산 가산부(10c)는, 식 (9)에 나타낸 바와 같이, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차인 위치 편차 ye에 0차 제어 게인 K0을 곱한 값과, 위치 편차 ye의 미분인 속도 편차 ve에 1차 제어 게인 K1을 곱한 값의 가산값을 가변 보상값 Dτ로서 구하고, 이것을 적분 보상기(11)로 출력한다. 이 때 이용하는 제어 게인 K0, K1의 값은, 후술하는 게인 변경부(14)로부터 입력되는 게인 변경 신호 sg가 지정한 게인값이다.

다음으로 적분 보상기(11)는, 가변 보상 연산부(10)에서 연산된, 식 (9)로 표시되는 가변 보상값 Dτ를 시간 적분하고, 이 적분 특성에 따른 가변 보상 토크 τ_i를 구하고, 이것을 토크 가산기(12)로 출력한다. 이 가변 보상 토크 τ_i는 다음 식 (10)로 표현된다. 한편, 식 (10)에 있어서 s는 라플라스 연산자이다.

또한, 고정 게인 보상부(13)는, 예컨대 식 (11)에 나타내는 미분 보상의 연산을 행하여 고정 보상 토크 τ_c를 구하고, 이것을 토크 가산기(12)로 출력한다. 즉, 고정 게인 보상부(13)는, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차인 위치 편차 ye에 대해, 고정 게인인 속도 게인 Kv를 이용해서, 미분과 속도 게인 Kv의 승산을 작용시켜서 고정 보상 토크 τ_c를 구한다.

한편, 고정 게인 보상부(13)는, 미분 보상 대신 비례 미분 보상 등에 의해서 고정 보상 토크 τ_c를 구해도 된다.

그리고, 토크 가산기(12)는, 제어 대상(2)에 대한 토크 지령 τ_r를, 모델 토크 τ_a에 가변 보상 토크 τ_i와 고정 보상 토크 τ_c를 가산해서 생성한다.

다음으로 본 실시예 2에 의한 게인 변경부(14)는, 부호는 다르지만, 실시예 1의 게인 변경부(7)와 같은 방법으로, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym과 토크 지령 τ_r 전부 또는 일부에 기초해서, 소정의 조건 판단이나 계산식에 의해, 가변 보상 연산부(10)에서 이용하는 제어 게인 K0, K1의 각 값을, 전부를 세트로 해서, 또는 개별적으로 결정하고, 이 결정한 값을 게인 변경 신호 sg에 의해 가변 보상 연산부(10)에 통지해서 설정한다.

즉, 게인 변경부(14)는, 실시예 1의 게인 변경부(7)와 마찬가지로, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym과 토크 지령 τ_r에 기초해서, 모델 위치 ya와 위치 검출값 ym의 편차나, 이것에 필터를 작용시킨 신호가 임계값보다 큰 경우에는, 통상 조건보다 고 게인을 선택하는 고 게인 조건이라고 판단하여, 이 조건 판단에 대응한 게인 변경 신호 sg(예컨대 논리값 "0", "1"인 신호)를 가변 보상 연산부(10)에 출력한다.

가변 보상 연산부(10)는, 게인 변경 신호 sg가 논리값 "0"인 신호이면, 예컨대 제어 게인 K0, K1의 각 값을 변경하지 않고 소정의 고정값을 이용하는 한편, 게인 변경 신호 sg가 논리값 "1"의 신호이면, 예컨대 제어 게인 K0, K1의 각 값을 세트로 해서 변경한 소정값을 이용한다.

또한, 게인 변경부(14)는, 그 판단 결과에 따라 미리 기억시킨 고 게인 조건에서의 통상보다 높은 게인값인 0차 제어 게인 K0 및 1차 제어 게인 K1의 각 값을 세트로, 또는 개별적으로 게인 변경 신호 sg를 이용해서 가변 보상 연산부(10)에 설정한다.

혹은, 서보 제어 장치의 다른 적용 용도에 있어서는, 게인 변경부(14)는 토크 지령 τ_r의 절대값이 소정의 임계값보다 작은 경우에는 무부하 상태라고 판단하여, 통상 조건의 게인보다 저 게인을 선택하는 저 게인 조건이라고 판단해서, 그 조건 판단에 대응한 그 저 게인의 제어 게인 K0, K1의 각 값을 세트로, 또는 개별적으로 게인 변경 신호 sg를 이용해서 가변 보상 연산부(10)에 설정한다.

여기서, 본 실시예 2에서는, 상술한 바와 같이, 가변 보상 토크 τ_i와 고정 보상 토크 τ_c의 합에 의해서 피드백 보상을 행하기 때문에, 이 합을 실시예 1에서 설명한 편차 보상 토크 τ_b라고 기술하면, 식 (10) 및 식 (11)에 의해, 본 실시예 2에서의 편차 보상 토크 τ_b는 다음 식 (12)으로 표현된다.

이렇게 하면, 식 (12)로부터, 위치 편차 ye로부터 편차 보상 토크 τ_b를 거친 토크 지령 τ_r까지의 전달 함수 τ_b/ye는, 다음 식 (13)로 구해진다.

즉, 위치 편차 ye로부터 편차 보상 토크 τ_b를 거친 토크 지령 τ_r까지의 전달 함수 τ_b/ye는, 실시예 1에 있어서의 식 (8)이나 일반적인 PID 제어와 마찬가지이다. 따라서, 본 실시예 2에 있어서는, 가변 보상 연산부(10)에 있어서의 0차 제어 게인 K0을 위치 적분 게인으로 하고, 1차 제어 게인 K1을 위치 비례 게인으로 하며, 고정 게인 보상부(13)에 있어서의 속도 게인 Kv를 위치 미분 게인 즉, 속도 비례 게인으로 한 것과 등가라는 것을 알 수 있다.

본 실시예 2에 따른 서보 제어 장치(1b)는, 이상과 같이 구성되어 있기 때문에, 실시예 1과 같이, 게인 변경부(14)의 작용에 의해, 제어 대상(2)의 특성이나 용도에 따라, 경험칙이나 시행 착오에 기초해서 설정한 조건에 따라, 예컨대 오차가 커지기 쉬운 경우에만, 또는 발진하기 어려운 경우에 제어 게인이 상대적으로 커지도록 하고, 그 이외의 경우에는 안정성을 중시해서 제어 게인을 작게 하도록, 급변의 문제를 회피하면서 전환함으로써, 안정되게 고속 고정밀도의 제어를 실현할 수 있다.

이 때, 가변 보상 연산부(10)에 있어서 게인 변경부(14)에 의해 변경된 제어 게인을 이용해서 연산한 가변 보상값 Dτ를, 다음 단의 적분 보상기(11)에서 적분하는 구성으로 하고 있기 때문에, 게인 변경시에 가변 보상값 Dτ가 불연속적으로 변화되었다고 해도, 적분 보상기(11)의 출력인 가변 보상 토크 τ_i나 토크 지령 τ_r는 연속적으로 변화된다. 즉, 게인 변경을 고려하지 않는 전달 함수에서는 통상의 PID 제어와 완전히 같지만, 게인 전환될 때 토크 지령 τ_r에 불연속을 전혀 발생시키지 않는 전환 제어를 실현할 수 있다.

또한, 위치 지령 yc을 입력으로 하는 규범 모델부(3)를 구비하고 있기 때문에, 위치 지령 yc의 변화에 따라 제어 대상(2)이 한창 동작하고 있는 중에, 게인 변경부(14)의 작용에 의해서 가변 보상 연산부(10)에 있어서의 가변 제어 게인의 변경을 행해도, 실시예 1과 같이, 제어 대상(2)의 응답을 급변시키지 않는다고 하는 효과를 갖는다.

여기서, 실시예 1에서는, 3개의 제어 게인 K0, K1, K2 모두가 게인 변경부(7)의 변경 대상인 경우를 나타내고 있다. 본 실시예 2에서는, 그 3개의 제어 게인 K0, K1, K2 중 2차 제어 게인 K2은, 고정 게인 보상부(13)가 위치 편차 ye로부터 직접 적용하는 속도 게인 Kv에 상당하고 있다. 즉, 본 실시예 2에서는 속도 게인 Kv는 고정값으로, 게인 변경부(14)에서의 변경 대상이 아니다.

이로써, 실시예 1과 비교하면, 실장면에서 간단하다는 이점이 있는 한편, 일반적으로 제어 대역이라고 불리는 응답의 속도나, 제어계의 고 주파수 영역의 특성은 거의 고정값이 되고, 위치 비례 게인이나 위치 적분 게인에 상당하는 특성, 즉 저 주파수 영역의 특성만 가변으로 하고 있다. 따라서, 실시예 1과 비교하면 실현 가능한 범위가 좁지만, 외란의 영향이 큰 시점에만 제어 게인을 크게 함으로써 불안정화에 의한 진동을 가능한 한 억제하면서 제어 정밀도를 향상시키는 제어를 실현할 수 있다.

따라서, 본 실시예 2에 있어서도, 실시예 1과 마찬가지로, 제어 대상이 한창 동작하고 있는 중에 동작 조건에 따라 제어 게인을 변경하는 경우에도, 토크 지령을 불연속적으로 변화시키거나, 위치 지령에 대한 응답 특성을 크게 변화시키거나 하는 일없이, 제어 게인을 간단하고 또한 적절하게 변경할 수 있기 때문에, 폭넓은 용도에 대응해서 발진에 의한 불안정화를 억제하면서 제어 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

(실시예 3)

도 3은, 본 발명의 실시예 3에 따른 서보 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 3에 있어서, 본 실시예 3에 따른 서보 제어 장치(1c)는, 제어 대상(20)의 동작 속도를 피드백 제어에 의해 목표값에 추종시키는 속도 제어를 행하는 구성으로서, 규범 모델부(21)와, 가변 보상 연산부(22)와, 적분 보상기(23)와, 토크 가산기(24)와, 게인 변경부(25)를 구비하고 있다.

제어 대상(20)은, 구성 요소의 도시는 생략했지만, 모터와, 이 모터로의 구동 전류를 토크 가산기(24)로부터의 토크 지령 τ_r에 따라 제어하는 전류 제어부와,이 모터가 전류 제어부로부터의 구동 전류에 의해 토크 지령 τ_r에 대응한 토크를 발생시켜서 구동하는 기계계를 구비하고, 검출된 모터의 회전 속도가 제어 대상(20)의 속도 검출값 vm으로서 출력된다. 속도 검출값 vm은 피드백 신호로서, 가변 보상 연산부(22)와 게인 변경부(25)에 입력된다. 한편, 모터에는, 속도 검출기와 위치 검출기 중 어느 하나 또는 양쪽이 부착되어 있다. 속도 검출값 vm은, 속도 검출기의 검출값, 또는 위치 검출기의 검출값의 미분값이다.

규범 모델부(21)는, 도시하지 않은 상위 장치로부터 동작 지령으로서의 속도 지령 vc이 입력된다. 규범 모델부(21)는 이 속도 지령 vc에 대해 상정한 제어 대상(20)의 모델이 소정의 전달 함수 Fa(s)의 특성으로 추종하는 모델 속도(모델 동작 신호) va를 계산하고, 이와 같이 구한 모델 속도 va에 상정한 제어 대상(20)의 모델이 일치해서 동작하기 위한 이상적인 토크(모델 토크) τ_a를 계산한다.

예컨대, 제어 대상(20)의 모델로서 관성값(모델 관성값)이 Ja인 강체관성을 상정한 경우, 규범 모델부(21)는 모델 속도 va의 계산과, 그 미분값인 모델 가속도 aa를 계산하고, 모델 가속도 aa에 모델 관성값 Ja를 곱함으로써 제어 대상(20)의 동작이 모델 속도 va에 일치하기 위해서 필요한 토크(모델 토크) τ_a를 계산한다.

규범 모델부(21)에서 구해진 모델 속도 va는, 가변 보상 연산부(22)와 게인 변경부(25)에 입력된다. 또한, 규범 모델부(21)에서 구해진 모델 토크 τ_a는 토크 가산기(24)에 입력된다.

다음으로 가변 보상 연산부(22)는, 감산기(22a)와, 미분기(22b)와, 가변 게인 승산 가산부(22c)를 구비하고 있다.

감산기(22a)는, 모델 속도 va와 속도 검출값 vm의 편차(제어 편차)인 속도 편차 ve를 계산하여, 미분기(22b)와 가변 게인 승산 가산부(22c)에 출력한다.

미분기(22b)는, 실시예 1에서의 미분기(4c)와 마찬가지로, 속도 편차 ve의 미분값인 가속도 편차 ae를 계산하여 가변 게인 승산 가산부(22c)에 출력한다.

가변 게인 승산 가산부(22c)는 식 (14)에 나타낸 바와 같이, 모델 속도 va와 속도 검출값 vm의 편차인 속도 편차 ve에 0차 제어 게인 K0을 곱한 값과, 속도 편차 ve의 미분값인 가속도 편차 ae에 1차 제어 게인 K1을 곱한 값의 가산값을 가변 보상값 Dτ로서 구하고, 이것을 적분 보상기(23)로 출력한다. 이 때 이용하는 제어 게인 K0, K1의 값은, 후술하는 게인 변경부(25)로부터 입력되는 게인 변경 신호 sg가 지정한 게인값이다.

다음으로 적분 보상기(23)는, 가변 보상 연산부(22)에서 연산된, 식 (14)로 표시되는 가변 보상값 Dτ를 시간 적분하고, 이 적분 특성에 따른 편차 보상 토크 τ_b를 구하여, 이것을 토크 가산기(24)로 출력한다. 그리고, 토크 가산기(24)는 모델 토크 τ_a에 편차 보상 토크 τ_b를 가산하여 토크 지령 τ_r를 출력한다. 토크 지령 τ_r는 제어 대상(20) 내의 전류 제어부와 게인 변경부(25)에 입력된다.

여기서, 적분 보상기(23)가 구하는 편차 보상 토크 τ_b는, 다음 식 (15)로 표현된다.

한편, 식 (15)에 있어서 s는 라플라스 연산자이다. 그리고, 식 (15)로부터 속도 편차 ve에 기초해서 편차 보상 토크 τ_b를 계산하기까지의 연산 경로의 전달 함수 τ_b/ve는 다음 식 (16)로 구해진다.

즉, 본 실시예 3에서의 피드백 보상의 전달 함수는, 일반적인 속도 PI 제어와 마찬가지로, 0차 제어 게인 K0을 속도 적분 게인, 1차 제어 게인 K1을 속도 비례 게인으로 한 것과 등가라는 것을 알 수 있다.

다음으로 본 실시예 3에 의한 게인 변경부(25)는, 모델 속도 va와 속도 검출값 vm과 토크 지령 τ_r 전부 또는 일부에 기초해서, 소정의 조건 판단이나 계산식에 의해, 가변 보상 연산부(22)에서 이용하는 제어 게인 K0, K1의 각 값을, 전부를 세트로 해서, 또는 개별적으로 결정하고, 이 결정한 값을 게인 변경 신호 sg에 의해 가변 보상 연산부(22)에 통지해서 설정한다.

게인 변경부(25)는, 예컨대 모델 속도 va와 속도 검출값 vm의 편차가 소정의 임계값보다 큰 경우에는, 통상 조건보다 고 게인을 선택하는 고 게인 조건이라고 판단하고, 이 조건 판단에 대응한 게인 변경 신호 sg(예컨대 논리값 "0", "1"인 신호)를 가변 보상 연산부(22)에 출력한다.

가변 보상 연산부(22)는, 게인 변경 신호 sg가 논리값 "0"인 신호이면, 예컨대 제어 게인 K0, K1의 각 값을 변경하지 않고 소정의 고정값을 이용하는 한편, 게인 변경 신호 sg가 논리값 "1"인 신호이면, 예컨대 제어 게인 K0, K1의 각 값을 세트로 해서 변경한 소정값을 이용한다.

또한, 게인 변경부(25)는, 그 판단 결과에 따라 고 게인 조건의 1차 제어 게인 K1을 소정의 큰 값으로 변경하고, 1차 제어 게인 K1을 제어 대상(20)의 관성값 J으로 나눈 값에 기초해서, 소정의 관계를 유지하도록 0차 제어 게인 K0을 연산하며, 게인 변경 신호 sg를 이용해서 가변 보상 연산부(22)에 설정한다. 이로써, 항상 외란 응답 특성을 적절한 상태로 유지할 수 있다.

또는, 서보 제어 장치의 별도의 적용 용도에 있어서는, 게인 변경부(25)는 토크 지령 τ_r의 절대값이 소정의 임계값보다 작은 경우에는 무부하 상태라고 판단해서 통상 조건의 게인보다 저 게인을 선택하는 저 게인 조건이라고 판단하고, 이 조건 판단에 대응한 게인 변경 신호 sg를 가변 보상 연산부(22)에 출력하며, 이 저 게인의 제어 게인을 가변 보상 연산부(22)에 설정한다.

이상과 같이, 본 실시예 3에 의하면, 속도 지령 vc을 입력으로 하는 규범 모델부(21)를 구비하고 있기 때문에, 속도 지령 vc의 변화에 따라 제어 대상(20)이 한창 동작하고 있는 중에, 게인 변경부(25)의 작용에 의해 가변 보상 연산부(22)에 있어서의 제어 게인의 변경이 행해지더라도, 실시예 1과 마찬가지로, 제어 대상(20)의 응답을 급변시키지 않는다는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 게인 변경부(25)의 작용에 의해 가변 보상 연산부(22)에 있어서의 제어 게인을 변경하더라도, 가변 보상 연산부(22)에서 그 변경된 제어 게인을 이용해서 연산한 가변 보상값 Dτ를, 다음 단의 적분 보상기(23)에서 적분하는 구성으로 하고 있기 때문에, 게인 변경시에 가변 보상값 Dτ가 불연속적으로 변화되었다고 해도, 적분 보상기(23)의 출력인 편차 보상 토크 τ_b는 연속적으로 변화된다. 즉, 게인 변경을 고려하지 않는 전달 함수에서는, 통상의 속도 PI 제어와 완전히 같지만, 속도 비례 게인을 전환한 경우에도 토크 지령 τ_r에 불연속을 전혀 발생시키지 않는 전환 제어를 실현할 수 있다.

따라서, 본 실시예 3은 속도 제어의 경우에도, 그 속도 제어에 있어서도, 제어 대상(20)이 한창 동작하고 있는 중에, 동작 조건에 따라 제어 게인을 변경함으로써 토크 지령 τ_r를 불연속적으로 변화시키거나, 속도 지령 vc에 대한 응답 특성을 크게 변화시키거나 하는 일없이, 폭넓은 용도에 대응해서 불안정화를 억제하면서 제어 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 실시예 1~3에서는, 제어 대상의 구성 요소 중 하나인 모터는, 구동력을 토크로 표기하여 회전 모터라는 것을 명시하고 있지만, 본 발명에서 말하는 모터는, 회전 모터로 한정되는 것이 아니라, 리니어 모터여도 된다. 즉, 실시예 1~3의 내용은, 토크를 추진력으로 치환하면, 그대로, 제어 대상의 구성 요소 중 하나인 모터가 리니어 모터인 경우에도 적용할 수 있다. 이것이, 특허청구의 범위에서, '토크'라는 용어를 사용하지 않고 '구동력'이라는 용어를 이용한 이유이다.

(산업상의 이용 가능성)

이상과 같이, 본 발명에 따른 서보 제어 장치는, 제어 게인을 가변으로 함으로써 다양한 용도에 대해, 통상의 고정 제어 게인의 제어계보다 제어 성능을 향상시키는 제어를, 구동력 지령의 불연속이나 동작의 급변을 일으키는 일없이 실현할 수 있는 서보 제어 장치로서 유용하다.

1a, 1b, 1c : 서보 제어 장치 2, 20 : 제어 대상
3, 21 : 규범 모델부 4, 10, 22 : 가변 보상 연산부
4a, 10a, 22a : 감산기 4b, 4c, 10b, 22b : 미분기
4d, 10c, 22c : 가변 게인 승산 가산부 5, 11, 23 : 적분 보상기
6, 12, 24 : 토크 가산기 7, 14, 25 : 게인 변경부
13 : 고정 게인 보상부

Claims (4)

1. 검출된 제어 대상의 동작 위치 또는 동작 속도를 나타내는 동작 검출 신호와, 상기 제어 대상의 동작 위치 또는 동작 속도에 대한 목표값으로서 상위 장치로부터 주어지는 동작 지령에 기초해서, 상기 동작 지령에 상기 제어 대상의 동작 위치 또는 동작 속도가 추종하도록, 상기 제어 대상의 기계계를 구동하는 모터에 주는 구동력을 발생시키는 지령인 구동력 지령을 생성하는 서보 제어 장치에 있어서,
   상기 동작 지령에 기초해서, 상기 동작 지령에, 상정한 상기 제어 대상의 모델이 소정의 특성으로 추종하는 모델 동작 위치 또는 모델 동작 속도를 나타내는 모델 동작 신호를 계산하고, 계산한 모델 동작 신호에, 상정한 상기 제어 대상의 모델이 일치해서 동작하는 데 필요한 구동력인 모델 구동력을 산출하는 규범 모델부와,
   상기 모델 동작 신호와 상기 동작 검출 신호의 편차인 제어 편차에 제 1 제어 게인인 0차 제어 게인을 곱한 값에, 상기 제어 편차의 1차(first-order) 미분값에 제 2 제어 게인인 1차 제어 게인을 곱한 값과, 상기 제어 편차의 2차(second-order) 미분값에 제 3 제어 게인인 2차 제어 게인을 곱한 값 중 하나 또는 양쪽 값을 가산해서 가변 보상 신호를 산출하여 출력하는 가변 보상 연산부와,
   상기 제어 대상의 동작중에 있어서, 상기 가변 보상 연산부가 상기 가변 보상 신호의 연산에 이용하는 상기 1차 제어 게인과 상기 2차 제어 게인 중 어느 하나 또는 양쪽 값을, 상기 모델 동작 신호와 상기 동작 검출 신호와 상기 구동력 지령 중 적어도 하나에 기초해서 변경하여 상기 가변 보상 신호의 연산에 반영시키는 게인 변경부와,
   상기 가변 보상 신호를 적분하는 적분 보상기와,
   상기 모델 구동력에 상기 적분 보상기의 출력을 가산해서 상기 구동력 지령으로서 출력하는 가산기
   를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 게인 변경부는, 상기 모델 동작 신호와 상기 동작 검출 신호의 편차인 제어 편차에 기초해서 상기 제어 게인의 값을 변경하는 것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 모델 동작 신호 및 상기 동작 검출 신호는 각각 상기 동작 위치의 신호이고, 상기 제어 편차는 위치 편차인 경우에 있어서,
   상기 게인 변경부는, 상기 2차 제어 게인의 값을 변경하고,
   상기 가변 보상 연산부는, 상기 가변 보상 신호의 산출에 상기 2차 제어 게인을 사용하는 경우에, 상기 게인 변경부가 값을 변경한 상기 2차 제어 게인을 사용하는
   것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 모델 동작 신호 및 상기 동작 검출 신호는 각각 상기 동작 위치의 신호 이고, 상기 제어 편차는 위치 편차인 경우에 있어서,
   상기 가변 보상 연산부는,
   상기 가변 보상 신호를, 상기 제어 편차에 0차 제어 게인을 곱한 값에, 상기 제어 편차의 1차 미분값에 1차 제어 게인을 곱한 값과, 상기 제어 편차의 2차 미분값에 2차 제어 게인을 곱한 값을 가산해서 생성하고,
   상기 게인 변경부는,
   상기 2차 제어 게인을 상기 제어 대상의 관성값으로 나눈 값에 기초해서, 상기 가변 보상 연산부가 상기 가변 보상 신호의 연산에 이용하는 상기 0차, 상기 1차 및 상기 2차 각 제어 게인 중 적어도 하나의 제어 게인의 값을 변경하는
   것을 특징으로 하는 서보 제어 장치.

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