KR20010075266A - 위치 제어 장치 - Google Patents

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KR20010075266A
KR20010075266A KR1020017003626A KR20017003626A KR20010075266A KR 20010075266 A KR20010075266 A KR 20010075266A KR 1020017003626 A KR1020017003626 A KR 1020017003626A KR 20017003626 A KR20017003626 A KR 20017003626A KR 20010075266 A KR20010075266 A KR 20010075266A
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KR
South Korea
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signal
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motor
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torque correction
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KR1020017003626A
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Inventor
오쿠보다다시
장원농
가쿠야스히코
무라타겐이치
Original Assignee
하시모토 신이치
가부시키가이샤 야스카와덴키
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Publication date
Application filed by 하시모토 신이치, 가부시키가이샤 야스카와덴키 filed Critical 하시모토 신이치
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41117—Cancel vibration during positioning of slide

Abstract

종래의 기술에서는, 저주파의 외란이 존재하여 미미한 진동이 발생하는 경우, 진동의 위상이 맞지 않아 외란을 억제할 수 없고, 응답성을 악화시키는 문제점이 있었다.
기계 가동부 위치 신호로부터 모터 위치 신호를 감산하여 뒤틀림각 신호를 출력하는 감산기(25)와, 뒤틀림각 신호를 받아 위상을 향상시켜 출력하는 하이 패스 필터(26)와, 하이 패스 필터(26)의 신호를 입력하여 고주파 성분만을 컷트하여 출력하는 로우 패스 필터(27)와, 로우 패스 필터(27)의 신호를 받아 토크 보정 게인을 걸어 토크 보정 신호를 출력하는 계수기(28)와, 위치 지령과 기계 가동부 위치 신호의 차인 위치 편차 신호에 따라 토크 보정 게인을 변화시키는 토크 보정 판정부(29)와, 토크 지령에 토크 보정 신호를 가산하여 새로운 토크 지령으로 하는 가산기(30)를 구비하였다.

Description

위치 제어 장치{Position controller}
일반적으로 위치 제어에 있어서, 서보 모터에 장착된 엔코더 등의 위치 신호를 미분하여 속도 피드백 신호로 하고, 속도 제어를 행함과 동시에, 상기 서보 모터에 의해 구동되는 기계 가동부에 장착된 리니어 스케일 등(또는 서보 모터에 장착된 엔코더 등)의 위치 검출기로부터의 위치 피드백 신호에 따라 위치 제어를 행한다. 이와 같은 위치 제어계의 블럭선도는 도 9에 도시한 바와 같다.
도 9에 있어서, 901은 위치 제어부이고 위치 제어 게인은 Kp이다. 902는 속도 제어부, 903은 서보 모터, 904는 기계 가동부이다. 수치 제어 장치로부터 출력되는 위치 지령(yr)으로부터 위치 피드백 신호(yf)를 감산하여 위치 편차(ep)를 구하고, 이 위치 편차에 위치 제어 게인(Kp)을 곱하여, 속도 지령(Vr)이 구해진다. 이 속도 지령(Vr)으로부터 속도 피드백 신호(Vf)를 감산하여 속도 편차(ev)를 구하고,상기 속도 편차(ev)에 따라 속도 제어부(902)에 토크 지령(전류 지령)(Tr)을 구하고, 상기 토크 지령(Tr)에 따라 서보 모터(903), 기계 가동부(904)가 구동된다.
모터에 의해 구동되는 기계 가동부에 장착된 리니어 스케일 등의 위치 검출기로부터의 신호에 따라 위치 제어를 행하는 모터의 제어 방식은 클로즈드 루프(closed loop) 방식으로 알려져 있다. 그러나, 모터와 기계 가동부의 결합부의 강성이 약하고, 스프링 결합 상태로 되어 있는 경우는, 모터와 기계 가동부의 움직임이 일치하지 않아 진동적으로 변해 버린다. 이러한 경우에는, 루프 게인을 내려 루프를 안정시키거나 루프 게인를 내리지 않고 기계 가동부 위치, 또는 기계 가동부 속도와, 모터 위치, 또는 모터 속도를 바탕으로 토크 지령값에 보정을 가하여 루프를 안정시키는 방법이 필요하게 된다. 토크 지령값에 보정을 가하여 루프를 안정시키는 방법으로, 예컨대 일본국 특허 공개 평성 3-110607호를 들 수 있다. 이것은,기계 가동부 속도와 모터 속도의 차를 바탕으로 토크 지령값에 보정을 가하여 루프를 안정시키고 있다. 또한 기계 가동부 속도와 모터 속도의 차를 바탕으로 토크 지령값에 보정을 가하여 루프를 안정시키는 방법은 문헌 등에도 나타나 있다(예컨대 「AC 서보 시스템의 이론과 설계의 실제」 스기모토 히데히코 편저, 종합 전자 출판사).
도 8은 토크 지령값에 보정을 가하여 루프를 안정시키는 종래의 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 8에 있어서, 12는 위치 지령(Pref)과 검출된 기계 가동부 위치신호(Pfb1)를 입력하여 속도 지령(Vref)을 출력하고, 상기 2개의 입력 신호가 일치하도록 모터의 위치 제어를 행하는 위치 제어부, 13은 속도 지령(Vref)과 연산된 모터 속도 신호(Vfbm)를 입력하여 토크 지령(Tref)을 출력하고, 상기 2개의 입력 신호가 일치하도록 모터의 속도 제어를 행하는 속도 제어부, 18은 모터 위치 검출기의 출력 신호인 모터 위치 신호(Pfbm)를 받아 미분 연산하고, 상기 모터 속도(Vfbm)를 출력하는 속도 연산부, 32는 기계 가동부 위치 검출기의 출력 신호인 기계 가동부 위치 신호(Pfb1)를 받아 미분 연산하고, 기계 가동부 속도(Vfb1)를 출력하는 기계 가동부 속도 연산부이다. 21은 위치 지령(Pref)로부터 기계 가동부 위치(Pfbl)를 감산하여 위치 편차를 출력하는 감산기, 22는 위치 편차를 받아 속도 지령(Vref)을 출력하는 위치 제어기, 23은 속도 지령(Vref)으로부터 모터 속도(Vfbm)를 감산하여 속도 편차를 출력하는 감산기, 24는 속도 편차를 받아 토크 지령(Tref)을 출력하는 속도 제어기, 25는 기계 가동부 속도 신호(Vfb1)와 모터 속도 신호(Vfbm)의 차를 연산하여 출력하는 감산기, 28은 상기 기계 가동부 속도 신호(Vfb1)와 모터 속도 신호(Vfbm)의 차에 토크 보정 게인으로서의 계수(α)를 곱하여 토크 보정 신호를 출력하는 계수기, 31은 토크 지령으로부터 토크 보정 신호를 감산하여 새로운 토크 지령(Tref)을 출력하는 감산기이다.
도 l0은 위치 제어계가 적용되는 시스템 구성도이다. 100은 베이스, 101은 볼 나사, 102는 테이블, 103은 서보 모터, l04는 테이블의 위치를 검출하는 리니어 스케일, 105는 측정 헤드이다. 서보 모터(103)는 볼 나사(101)를 통하여 테이블(102)을 구동한다. 구동 기구와 피구동체의 불가동 부분은 모두 동일한 베이스(100) 상에 고정되고, 베이스(100)는 지면에 설치되어 있다. 리니어 스케일(104)은 본체가 베이스(100) 상에 배치되고, 측정 헤드(105)가 테이블(102)에 장착된다. 제어계는 리니어 스케일(104)로부터의 위치 신호에 따라 테이블(102)의 위치 제어를 행한다.
최근, 산업용 기계에 있어서는, 고속화 요구가 높아지고, 그 때문에, 가(감)속 시간을 가능한 한 짧게(즉, 가(감)속도를 가능한 한 크게) 하여 지령된다. 베이스(100)가 저강성(低剛性)인 기구로 지면에 배치되는 경우에는, 테이블(102)이 큰 가(감)속도로 구동될 때, 베이스(100)는 그 가(감)속도의 반력을 받아 크게 진동한다. 제어계에 있어서는 베이스(100)의 진동이 위치 신호의 외란 신호가 된다. 게다가, 서보 모터(103)과 테이블(102)의 연결 기구의 강성이 낮을수록, 베이스(100)의 진동이 위치결정에 미치는 영향은 크다.
그러나 상기 도 9의 종래의 기술에 있어서는, 저주파수 외란이 크게 존재하는 경우, 단시간에 고정밀도의 위치 결정이 불가능하다는 큰 결점이 있었다. 상기 도 8의 종래의 기술에서 있어서는, 저주파의 외란이 존재하여 미미한 진동이 발생한 경우, 진동의 위상이 맞지 않아 외란을 억제할 수 없고, 응답성을 악화시킨다고 하는 문제점이 있었다. 또한 속도 신호는 위치 신호를 바탕으로 연산되기 때문에, 미미한 진동의 경우는 토크 보정 신호로서 충분한 분해능을 얻을 수 없고, 루프를 안정시킬 수 없다는 문제가 있었다. 예컨대, 속도 신호는 위치 신호의 미분으로부터 구하기 때문에, 위치 신호가 수 펄스로 진동하고 있는 경우, 속도 신호 파형은 거칠어지고, 정밀도가 떨어진다. 토크 보정 신호는, 거친 속도 신호의 차를 취하므로, 더욱 거친 파형이 되어 충분한 분해능을 얻을 수 없다.
본 발명은 모터가 제어 대상을 구동하여 위치 제어할 때, 모터가 구동하는 기구로부터 발생하는 진동을 억제하기 위한 보상 수단을 갖춘 위치 제어 장치에 관한 것으로, 특히 저주파수 외란이 큰 경우, 단시간에 고정밀도의 위치 결정이 가능한 위치 제어 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시예를 적용한 모터 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1의 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 토크 보정 게인의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2의 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제3의 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 속도 지령 보정량을 만드는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 속도 지령 보정량을 만드는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 토크 지령값에 보정을 가하여 루프를 안정시키는 종래의 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 9는 종래의 위치 제어계의 블록선도이다.
도 10은 위치 제어계가 적용되는 시스템 구성도이다.
따라서 본발명은 상기 문제를 해결할 수 있는 위치 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 위치 지령과 기계 가동부의 위치를 입력하여 속도 지령을 출력하는 위치 제어부와, 상기 속도 지령과 모터 속도를 입력하여 토크 지령을 출력하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령을 받아 증폭하여 전류를 출력하는 전류 제어부와, 상기 전류를 공급받아 회전하는 모터와, 상기 모터 축의 회전 위치를 검출하여 모터 위치 신호를 출력하는 모터 위치 검출기와, 상기 모터 위치 신호를 받아 모터 속도 신호를 출력하는 속도 연산부와, 상기 모터에 의해 구동되는 기계 가동부의 위치를 검출하여 기계 가동부 위치 신호를 출력하는 기계 가동부 위치 검출기를 구비하고, 피드백 제어에 의해 상기 속도 지령과 상기 모터 속도 신호를 일치시키는 모터의 속도 제어 기능과, 피드백 제어에 의해 상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호를 일치시키는 모터의 위치 제어 기능을 구비한 위치 제어 장치에 있어서,
상기 기계 가동부 위치 신호로부터 상기 모터 위치 신호를 감산하여 뒤틀림각 신호를 출력하는 감산기와, 상기 뒤틀림각 신호를 받아 위상을 향상시켜 출력하는 하이 패스 필터와, 상기 하이 패스 필터의 신호를 입력하여 고주파 성분만을 컷트하여 출력하는 로우 패스 필터와, 상기 로우 패스 필터의 신호를 받아 토크 보정 게인을 걸어 토크 보정 신호를 출력하는 계수기와, 상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호의 차인 위치 편차 신호에 따라 상기 토크 보정 게인을 변화시키는 토크 보정 판정부와, 상기 토크 지령에 상기 토크 보정 신호를 가산하여, 새로운 토크 지령으로 하는 가산기를 구비한 것을 특징으로 하며, 또한, 상기 토크 보정 판정부에 있어서, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치로 변화시키거나, 또는 상기 토크 보정 게인 절환 판정부에 있어서, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 상기 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치까지 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 위치 지령과 기계 가동부 위치를 입력하여 속도 지령을 출력하는 위치 제어부와, 상기 속도 지령과 모터 속도를 입력하여 토크 지령을 출력하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령을 받아 증폭하여 전류를 출력하는 전류 제어부와, 상기 전류를 공급받아 회전하는 모터와, 상기 모터의 축의 회전 위치를 검출하여 모터 위치 신호를 출력하는 모터 위치 검출기와, 상기 모터 위치 신호를 받아 모터 속도 신호를 출력하는 속도 연산부와, 상기 모터에 의해 구동되는 기계 가동부의 위치를 검출하여 기계 가동부 위치 신호를 출력하는 기계 가동부 위치 검출기를 구비하고, 피드백 제어에 의해 상기 속도 지령과 상기 모터 속도 신호를 일치시키는 모터의 속도 제어 기능과, 피드백 제어에 의해 상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호를 일치시키는 모터의 위치 제어 기능을 구비한 위치 제어 장치에있어서,
비례 연산을 행하는 비례 연산 수단과, 적분 연산을 행하는 적분 연산 수단과, 상기 속도 제어부가 출력하는 토크 지령을 입력하는 이너셔 모델과, 상기 이너셔 모델의 출력과 상기 비례 연산 수단의 출력과 상기 적분 수단의 출력을 가산하는 가산기와, 상기 가산기의 출력을 적분하여 추정 속도를 출력하는 적분기와, 상기 속도 연산부로부터 출력되는 모터의 속도로부터 상기 추정 속도를 뺀 차 신호를 상기 비례 연산 수단과 적분 연산 수단으로 입력하는 감산기로 구성되며 상기 모터의 속도로부터 추정 속도를 뺀 차 신호를 출력으로 하는 옵저버와, 상기 옵저버의 출력 신호를 받아 위상을 향상시켜 출력하는 하이 패스 필터와, 상기 하이 패스 필터의 신호를 입력하고 고주파 성분만을 컷트하여 출력하는 로우 패스 필터와, 상기 로우 패스 필터의 신호를 받아 토크 보정 게인을 걸어 토크 보정 신호를 출력하는 계수기와, 상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호의 차인 위치 편차 신호에 따라 상기 토크 보정 게인을 변화시키는 토크 보정 판정부와, 상기 토크 지령으로부터 상기 토크 보정 신호를 감산하여 새로운 토크 지령으로 하는 감산기를 구비한 것을 특징으로 하며, 또한 상기 토크 보정 판정부에 있어서, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치로 변화시키거나, 상기 토크 보정 판정부에 있어서, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 상기 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치까지 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 서보 모터의 회전 위치 신호를 미분한 속도 피드백 신호에 따라 속도 제어를 행함과 동시에, 상기 서보 모터에 의해 구동되는 기계 가동부 혹은 상기 서보 모터의 회전축에 장착된 위치 검출기로부터의 위치 피드백 신호에 따라 위치 제어를 행하는 기계 가동부의 위치 제어 장치에 있어서, 위치 지령과 상기 위치 피드백 신호의 위치 편차가 소정의 기준치보다 클 때 가변 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차가 상기 소정의 기준치 이하가 되었을 때 상기 가변 게인을 일정한 정수(正數)로 하는 보정 판별부와, 상기 위치 편차에 상기 가변 게인을 곱한 값을 미분하는 미분 처리부와, 이 미분 처리부의 출력을 입력하여 속도 지령 보정량을 출력하는 로우 패스 필터를 구비하고, 이 속도 지령 보정량을 속도 지령 기본량에 가산하여 상기 서보 모터의 속도 지령으로 하는 것을 특징으로 하며, 또한, 서보 모터의 회전 위치 신호를 미분한 속도 피드백 신호에 따라 속도 제어를 행함과 동시에, 상기 서보 모터에 의해 구동되는 기계 가동부 혹은 상기 서보 모터의 회전축에 장착된 위치 검출기로부터의 위치 피드백 신호에 따라 위치 제어를 행하는 기계 가동부의 위치 제어장치에 있어서, 위치 지령과 상기 위치 피드백 신호의 위치 편차가 소정의 기준치보다 클 때 가변 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차가 상기 소정의 기준치 이하가 되었을 때 상기 가변 게인을 일정한 정수로 하는 보정 판별부와, 상기 위치 편차에 상기 가변 게인을 곱한 값을 입력하여 속도 보정량을 출력하는 하이 패스 필터를 구비하고, 이 속도 지령 보정량을 속도 지령 기본량에 가산하여 상기 서보 모터의 속도 지령으로 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 제1의 구체적 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.도 1은 본 발명의 위치 제어 장치를 적용한 모터 제어 시스템의 블록도이다. 도면에 있어서, 11은 위치 지령(Pref)을 출력하는 지령 발생부, 12는 위치 지령(Pref)과 검출된 기계 가동부 위치(Pfb1)를 입력하여 속도 지령(Vref)을 출력하고, 상기 2개의 입력 신호가 일치하도록 모터의 위치 제어를 행하는 위치 제어부, 13은 속도 지령(Vref)과 연산된 모터 속도(Vfbm)를 입력하여 토크 지령(Tref)을 출력하고, 상기 2개의 입력 신호가 일치하도록 모터의 속도 제어를 행하는 속도 제어부, 14는토크 지령(Tref)을 받아 모터(15)에 전류를 공급하는 전류 제어부, 16은 모터(15)의 회전축에 접속하여 회전축의 회전 위치를 검출하는 모터 위치 검출기, 17은 모터(15)에 의해 구동되는 기계 가동부(20)의 위치를 검출하는 기계 가동부 위치 검출기, 18은 모터 위치 검출기의 출력 신호인 모터 위치 신호(Pfbm)를 받아 미분 연산하고, 상기 모터 속도(Vfbm)를 출력하는 속도 연산부, 19는 상기 모터 위치 신호(Pfbm)와 기계 가동부 위치 검출기의 출력 신호인 기계 가동부 위치 신호(Pfb1)를 입력하여 토크 보정 신호를 출력하는 토크 보정 신호 연산부이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 나타내는 상세한 블록도이다. 도면에 있어서, 21은 위치 지령(Pref)으로부터 기계 가동부 위치 신호(Pfb1)를 감산하여 위치 편차 신호를 출력하는 감산기, 22는 위치 편차 신호를 받아 속도 지령(Vref)을 출력하는 위치 제어기, 23은 속도 지령(Vref)으로부터 모터 속도 신호(Vfbm)를 감산하여 속도 편차 신호를 출력하는 감산기, 24는 속도 편차 신호를 받아 토크 지령(Tref)를 출력하는 속도 제어기, 25는 기계 가동부 위치 신호(Pfb1)와 모터 위치 신호(Pfbm)의 차를 연산하여 뒤틀림각 신호를 출력하는 감산기, 26은 뒤틀림각 신호를 받아 위상을 향상시켜 출력하는 하이 패스 필터, 27은 상기 하이 패스 필터의 출력 신호의 고주파 성분을 컷트하여 출력하는 로우 패스 필터, 28은 상기 로우 패스 필터의 출력에 토크 보정 게인으로서의 계수(α)를 곱하여 토크 보정 신호를 출력하는 계수기, 29는 상기 위치 편차 신호에 따라 상기 토크 보정 게인을 변화시키는 토크 보정 판정부, 30은 토크 지령에 토크 보정 신호를 가하여 새로운 토크 지령(Tref)를 출력하는 가산기이다.
모터와 모터에 의해 구동되는 기계 가동부의 결합부의 강성이 약하고 스프링 결합 상태가 되어 있는 경우, 기계 가동부 속도와 모터 속도의 차를 토크 보정 신호로서 토크 지령값으로부터 감산함으로써 루프를 안정화시켜 진동을 억제할 수 있다. 그러나, 저주파의 외란이 존재하고, 그 영향으로 미미한 진동이 생기는 경우는 진동의 위상과 토크 보정 신호의 위상이 맞지 않아 진동을 억제할 수 없다. 또한 속도 신호는 위치 신호를 바탕으로 연산되므로, 미미한 진동의 경우는 토크 보정 신호로서 충분한 분해능을 얻을 수 없고, 루프를 안정시킬 수 없다. 따라서 본 실시예에서는 기계 가동부 위치와 모터 위치의 차인 뒤틀림각 신호를 토크 보정값으로 함으로써 토크 보정 신호로서의 분해능을 확보하고 있다. 또한 하이 패스 필터(26)에 의해 토크 보정 신호의 위상을 향상시켜, 진동 위상과 토크 보정 신호의 위상을 맞춤으로써, 진동을 억제할 수 있다. 또한, 미미한 진동을 억제하기 위해서는 토크 보정 게인을 크게 취한 필요가 있지만, 토크 보정 게인을 크게 취하면 전체적인 응답성이 악화되는 문제가 있다. 따라서, 토크 보정 판정부에 있어서 위치 편차의 절대값이 소정의 기준치보다 클 때는 토크 보정 게인을 O으로 하고, 위치 편차의 절대값이 소정의 기준치 이하가 되었을 때 토크 보정 게인을 일정한 값으로 함으로써, 토크 보정 게인을 크게 취해도 전체적인 응답성은 변하지 않아 미미한 진동만을 억제할 수 있다. 또한, 토크 보정 게인을 연속적으로 변화시킴으로써 토크 보정 게인을 변화시켰을 때의 충격을 완화할 수 있고, 루프가 진동적으로 변하는 것을 방지할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 토크 보정 게인의 변화를 설명하기 위한 도면이다.도 3a에서는, 위치 편차의 절대값이 기준치 이하로 되는 점에서 게인은 0에서 α로 중간값을 취하지 않고 변화한다. 또한 도 3b에서는, 위치 편차의 절대값이 기준치 이하가 되는 점에서 게인은 0에서 α까지의 시간과 함께 커진다. 각각의 효과는 상술한 바와 같다.
도 4는 본 발명의 제2의 실시예를 나타내는 상세한 블록도이다. 도면에 있어서, 421은 위치 지령(Pref)로부터 기계 가동부 위치 신호(Pfb1)를 감산하여 위치 편차 신호를 출력하는 감산기, 422는 위치 편차 신호를 받아 속도 지령(Vref)을 출력하는 위치 제어기, 423은 속도 지령(Vref)으로부터 모터 속도 신호(Vfbm)를 감산하여 속도 편차 신호를 출력하는 감산기, 424는 속도 편차 신호를 받아 토크 지령(Tref)를 출력하는 속도 제어기, 425는 토크 지령(Tref)과 상기 모터 속도(Vfbm)를 입력하여 추정 속도를 연산하고 모터 속도로부터 추정 속도를 감산한 차 신호를 출력하는 옵저버이다. 옵저버는 비례 연산을 행하는 비례 연산 수단(433)과, 적분 연산을 행하는 적분 연산 수단(434)과, 토크 지령을 입력하는 이너셔 모델(437)과, 이너셔 모델의 출력, 비례 연산 수단의 출력 및 적분 수단의 출력을 가산하는 가산기(436)와, 가산기의 출력을 적분하여 추정 속도를 출력하는 적분기(438)와, 모터 속도로부터 추정 속도를 감산한 차 신호를 비례 연산 수단과 적분 연산 수단에 입력하는 감산기(435)로 구성된다. 426은 옵저버 출력 신호를 받아 위상을 향상시켜 출력하는 하이 패스 필터, 427은 상기 하이 패스 필터의 출력 신호의 고주파 성분을 컷트하여 출력하는 로우 패스 필터, 428은 상기 로우 패스 필터의 출력에 토크 보정 게인으로서의 계수α를 곱하여 토크 보정 신호를 출력하는 계수기, 429는 상기 위치 편차 신호에 따라 상기 토크 보정 게인을 변화시키는 토크 보정 판정부, 430은 토크 지령으로부터 토크 보정 신호를 감산하여 새로운 토크 지령(Tref)를 출력하는 감산기이다.
모터와 모터에 의해 구동되는 기계 가동부의 결합부의 강성이 약하고 스프링 결합 상태로 되어 있는 경우, 기계 가동부 속도와 모터 속도의 차를 토크 보정 신호로서 토크 지령값으로부터 감산함으로써 루프를 안정화시켜 진동을 억제할 수 있다. 그러나, 저주파의 외란이 존재하고, 그 영향으로 작은 진동이 생기는 경우는 진동 위상과 토크 보정 신호의 위상이 맞지 않아 진동을 억제할 수 없다. 또한 속도 신호는 위치 신호를 바탕으로 연산되기 때문에, 미미한 진동의 경우는 토크 보정 신호로서 충분한 분해능을 얻을 수 없고, 루프를 안정시킬 수 없다. 따라서 본실시예에서는 옵저버에 의해 추정 속도를 연산하고 모터 속도로부터 추정 속도를 감산한 차 신호를 토크 보정값으로 함으로써 저주파이며 미미한 진동인 경우라도 진동 성분을 고분해능으로 검출하여 토크 보정 신호로 할 수 있다. 또한, 하이 패스 필터(426)에 의해 토크 보정 신호의 위상을 향상시키고, 진동 위상과 토크 보정 신호의 위상을 맞춤으로써, 진동을 억제할 수 있다. 또한 미미한 진동을 억제하기 위해서는 토크 보정 게인을 크게 취할 필요가 있는데, 토크 보정 게인을 크게 취하면 전체적인 응답성이 악화되는 문제가 발생한다. 따라서 토크 보정 판정부에 있어서 위치 편차의 절대값이 소정의 기준치보다 클 때는 토크 보정 게인을 O으로 하고, 위치 편차의 절대값이 소정의 기준치 이하가 되었을 때 토크 보정 게인을 일정한 값으로 함으로써 토크 보정 게인을 크게 취해도 전체적인 응답성은 변하지 않고미미한 진동만을 억제할 수 있다. 또한, 토크 보정 게인을 연속적으로 변화시킴으로써, 토크 보정 게인 절환시의 충격을 완화할 수 있고, 토크 보정 게인 절환시에 루프가 진동되는 것을 막을 수 있다.
본 발명의 제3의 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 5는 제어계의 원리적인 구성 블록도이다. 도 5는 종래의 위치 제어계에 속도 지령 보정부(508)을 첨가한 것이다. 위치 지령(yr)과 리니어 스케일 등의 위치 검출기(506)로부터의 위치 피드백 신호(yf)와의 위치 편차(ep)가 연산된다. 위치 제어계가 세미 클로즈드 루프를 구성할 때는, 위치 피드백 신호는 서보 모터(503)에 장착된 엔코더(505)로부터 얻어져 위치 편차(ep)가 연산된다. 위치 제어부(501)에 있어서, 상기 위치 편차(ep)를 위치 제어 게인(Kp)를 곱하여 속도 지령 기본량(Vrb)를 구하고, 후술하는 바와 같이 상기 위치 편차(ep)에 따라 속도 지령 보정부(508)에 속도 지령 보정량(Vrh)를 연산한다. 속도 지령 기본량(Vrb)과 속도 지령 보정량(Vrh)를 합성한 신호를 속도 지령(vr)로 한다. 속도 제어부(502)는, 상기 속도 지령(vr)과 서보 모터(503)에 장착된 엔코더(505)로부터의 서보 모터의 위치 신호(ym)를 미분 처리부(507)에서 미분 연산한 속도 피드백 신호(Vf)와의 속도 편차(ev)에 따라 토크 지령(Tr)을 연산하여 서보 모터(503)에 출력한다.
도 6 및 도 7은 속도 지령 보정량을 만드는 방법을 설명하는 도면으로서, 본발명의 일실시예를 나타내는 것이다. 도 6에 있어서는, 상기 위치 편차(ep)가 소정의 기준치(Ep)보다 클 때, 보정 판별부(601)가 게인 설정부(602)의 가변 게인(Kd)을 O으로 하고, 상기 위치 편차(ep)가 소정의 기준치(Ep) 이하가 되었을 때 상기 보정 판별부(601)가 상기 가변 게인(Kd)을 일정한 정수로 하고, 상기 위치 편차(ep)에 가변 게인(Kd)을 곱한 값은, 미분 처리부(603)에서 미분되고, 로우 패스 필터(604) (1/(1+τs):τ는 시정수, s는 플라즈마 연산자, 이하 동일)를 통하여 속도 지령 보정량(Vrh)이 된다. 한편, 도 7에 있어서는, 상기 위치 편차(ep)가 소정의 기준치(Ep) 보다 클 때, 보정 판별부(601)가 게인 설정부(705)의 가변 게인(Kh)을 O으로 하고, 상기 위치 편차(ep)가 소정의 기준치(Ep) 이하가 되었을 때 상기 보정 판별부(601)가 상기 가변 게인(Kh)을 일정한 정수로 하여, 상기 위치 편차(ep)에 가변 게인(Kh)를 곱한 값은, 하이 패스 필터(706)(τs/(1+τs))를 통하여 속도 지령 보정량(Vrh)이 된다. 도 6 및 도 7에 있어서 가변 게인(Kd, Kh)를 일정한 정수로 하는 것은, 위치 루프계에 댐핑 보상기를 추가하는 것이다. 즉, 위치 편차(ep)가 작아졌을 때 댐핑 효과를 발휘하고, 저주파수의 외란을 억제하며, 한편 위치 편차(ep)가 커졌을 때 댐핑 효과를 없애기 때문에, 신속하게 제어량을 목표에 추종시킬 수 있고, 전체적인 위치 결정 시간이 짧아진다.
상술한 바와 같이, 클로즈드 루프 방식으로 제어를 행하는 경우, 저주파의 외란이 존재하여 미미한 진동이 발생하는 경우에도, 전체적인 응답성을 악화시키지 않고, 진동만을 억제할 수 있는 위치 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한 저주파수 외란이 크게 존재하는 경우, 위치 편차의 크기에 의해 속도 지령 보정 게인을 조절함으로써 위치 결정 시간을 단축할 수 있다.
위치 편차가 소정의 기준치 이하가 되었을 때만, 속도 지령 보정을 행하는 것은, 제어된 가동부가 목표 위치에서 멀 때는, 댐핑 효과를 없애고, 신속하게 제어량을 목표에 추종시키고, 제어된 가동부가 목표 위치에 가까워졌을 때 댐핑 효과를 발휘하게 하며, 저주파수의 외란을 억제하고, 단시간에 고정밀도의 위치 결정을 할 수 있다.

Claims (8)

  1. 위치 지령과 기계 가동부의 위치를 입력하여 속도 지령을 출력하는 위치 제어부와, 상기 속도 지령과 모터 속도를 입력하여 토크 지령을 출력하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령을 받아 증폭하여 전류를 출력하는 전류 제어부와, 상기 전류를 공급받아 회전하는 모터와, 상기 모터 축의 회전 위치를 검출하여 모터 위치 신호를 출력하는 모터 위치 검출기와, 상기 모터 위치 신호를 받아 모터 속도 신호를 출력하는 속도 연산부와, 상기 모터에 의해 구동되는 기계 가동부의 위치를 검출하여 기계 가동부 위치 신호를 출력하는 기계 가동부 위치 검출기를 구비하고, 피드백 제어에 의해 상기 속도 지령과 상기 모터 속도 신호를 일치시키는 모터의 속도 제어 기능과, 피드백 제어에 의해 상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호를 일치시키는 모터의 위치 제어 기능을 구비한 위치 제어 장치에 있어서,
    상기 기계 가동부 위치 신호로부터 상기 모터 위치 신호를 감산하여 뒤틀림각 신호를 출력하는 감산기와, 상기 뒤틀림각 신호를 받아 위상을 향상시켜 출력하는 하이 패스 필터와,
    상기 하이 패스 필터의 신호를 입력하여 고주파 성분만을 컷트하여 출력하는 로우 패스 필터와,
    상기 로우 패스 필터의 신호를 받아 토크 보정 게인을 걸어 토크 보정 신호를 출력하는 계수기와,
    상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호의 차인 위치 편차 신호에 따라 상기 토크 보정 게인을 변화시키는 토크 보정 판정부와,
    상기 토크 지령에 상기 토크 보정 신호를 가산하여, 새로운 토크 지령으로 하는 가산기를 구비한 것을 특징으로 하는 위치 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 토크 보정 판정부에 있어서,
    상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치로 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 토크 보정 판정부에 있어서,
    상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 상기 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치까지 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치 제어 장치.
  4. 위치 지령과 기계 가동부 위치를 입력하여 속도 지령을 출력하는 위치 제어부와, 상기 속도 지령과 모터 속도를 입력하여 토크 지령을 출력하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령을 받아 증폭하여 전류를 출력하는 전류 제어부와, 상기 전류를 공급받아 회전하는 모터와, 상기 모터의 축의 회전 위치를 검출하여 모터 위치 신호를 출력하는 모터 위치 검출기와, 상기 모터 위치 신호를 받아 모터 속도 신호를출력하는 속도 연산부와, 상기 모터에 의해 구동되는 기계 가동부의 위치를 검출하여 기계 가동부 위치 신호를 출력하는 기계 가동부 위치 검출기를 구비하고, 피드백 제어에 의해 상기 속도 지령과 상기 모터 속도 신호를 일치시키는 모터의 속도 제어 기능과, 피드백 제어에 의해 상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호를 일치시키는 모터의 위치 제어 기능을 구비한 위치 제어 장치에 있어서,
    비례 연산을 행하는 비례 연산 수단과,
    적분 연산을 행하는 적분 연산 수단과,
    상기 속도 제어부가 출력하는 토크 지령을 입력하는 이너셔 모델과,
    상기 이너셔 모델의 출력과 상기 비례 연산 수단의 출력과 상기 적분 수단의 출력을 가산하는 가산기와,
    상기 가산기의 출력을 적분하여 추정 속도를 출력하는 적분기와,
    상기 속도 연산부로부터 출력되는 모터의 속도로부터 상기 추정 속도를 뺀 차 신호를 상기 비례 연산 수단과 적분 연산 수단으로 입력하는 감산기로 구성되며 상기 모터의 속도로부터 추정 속도를 뺀 차 신호를 출력으로 하는 옵저버와,
    상기 옵저버의 출력 신호를 받아 위상을 향상시켜 출력하는 하이 패스 필터와,
    상기 하이 패스 필터의 신호를 입력하고 고주파 성분만을 컷트하여 출력하는 로우 패스 필터와,
    상기 로우 패스 필터의 신호를 받아 토크 보정 게인을 걸어 토크 보정 신호를 출력하는 계수기와,
    상기 위치 지령과 상기 기계 가동부 위치 신호의 차인 위치 편차 신호에 따라 상기 토크 보정 게인을 변화시키는 토크 보정 판정부와,
    상기 토크 지령으로부터 상기 토크 보정 신호를 감산하여 새로운 토크 지령으로 하는 감산기를 구비한 것을 특징으로 하는 위치 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 토크 보정 판정부에 있어서,
    상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치로 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치 제어 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 토크 보정 판정부에 있어서,
    상기 위치 편차 신호의 절대값이 기준치 이상일 때는 상기 토크 보정 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차 신호의 절대값이 상기 기준치 이하로 변화할 때 상기 토크 보정 게인을 0으로부터 일정치까지 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 위치 제어 장치.
  7. 서보 모터의 회전 위치 신호를 미분한 속도 피드백 신호에 따라 속도 제어를 행함과 동시에, 상기 서보 모터에 의해 구동되는 기계 가동부 혹은 상기 서보 모터의 회전축에 장착된 위치 검출기로부터의 위치 피드백 신호에 따라 위치 제어를 행하는 기계 가동부의 위치 제어 장치에 있어서,
    위치 지령과 상기 위치 피드백 신호의 위치 편차가 소정의 기준치보다 클 때 가변 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차가 상기 소정의 기준치 이하가 되었을 때 상기 가변 게인을 일정한 정수로 하는 보정 판별부와,
    상기 위치 편차에 상기 가변 게인을 곱한 값을 미분하는 미분 처리부와,
    이 미분 처리부의 출력을 입력하여 속도 지령 보정량을 출력하는 로우 패스 필터를 구비하고,
    이 속도 지령 보정량을 속도 지령 기본량에 가산하여 상기 서보 모터의 속도 지령으로 하는 것을 특징으로 하는 위치 제어장치.
  8. 서보 모터의 회전 위치 신호를 미분한 속도 피드백 신호에 따라 속도 제어를 행함과 동시에, 상기 서보 모터에 의해 구동되는 기계 가동부 혹은 상기 서보 모터의 회전축에 장착된 위치 검출기로부터의 위치 피드백 신호에 따라 위치 제어를 행하는 기계 가동부의 위치 제어장치에 있어서,
    위치 지령과 상기 위치 피드백 신호의 위치 편차가 소정의 기준치보다 클 때 가변 게인을 0으로 하고, 상기 위치 편차가 상기 소정의 기준치 이하가 되었을 때 상기 가변 게인을 일정한 정수로 하는 보정 판별부와,
    상기 위치 편차에 상기 가변 게인을 곱한 값을 입력하여 속도 보정량을 출력하는 하이 패스 필터를 구비하고, 이 속도 지령 보정량을 속도 지령 기본량에 가산하여 상기 서보 모터의 속도 지령으로 하는 것을 특징으로 하는 위치 제어 장치.
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