KR20020091840A - 위치결정 서보콘트롤러 - Google Patents

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KR20020091840A
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Abstract

조정게인만을 조정하는 것 만으로 위치결정 상태의 최적화를 도모할 수 있는 위치결정 서보제어를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
위치편차에 제 1피드포워드 보상량을 가산한 값을 속도지령으로 하는 속도피드 포워드 제어수단(22)과, 속도편차에 제 1피드포워드 보상량을 미분한 값을 증폭하여 얻어지는 제 2피드포워드 보상량을 가산한 값을 가속도 지령으로 하는 가속도 피드포워드 수단(23)과, 가속도 편차를 토오크 지령으로 하고, 토오크 지령을 기초로 제어대상을 구동하는 토오크 앰프(3)를 구비하는 위치결정 서보콘트롤러에 있어서, 제 1피드포워드 게인 및 제 2피드포워드 게인의 값을 조정게인의 값을 빼는수로 하는 함수의 값으로 한다.

Description

위치결정 서보콘트롤러{POSITIONING SERVOCONTROLLER}
도 30은 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록선도이다. 도 30과 같이 종래의 위치결정 서보콘트롤러는 위치제어기(1)와, 속도제어기(2)와, 토오크앰프(3)와, 모터(4)와, 미분기(5)로 구성되고 있다.
이 위치결정 서보콘트롤러는 이너샤가 J〔N·m·S2〕인 모터(4)의 위치θ〔rad〕를 제어하는 것이다.
모터(4)에는 엔코더(도시생략)가 구비되고 있고, 이 엔코더에 의해 모터(4)의 위치θ가 검출가능하도록 되어있다. 상위 장치(도시하지 않음)로부터 발해지는 위치지령 θr과 모터(4)의 위치 θ와의 위치편차(θr-θ)는 위치제어기(1)에 입력된다.
위치제어기(1)는 위치루프게인 Kp〔1/s〕에 의해 그 편차를 Kp배한 값을, 모터(4)로의 속도지령 ωr〔rad/s〕로서 출력하는 비례제어기이다.
미분기(5)는 모터(4)의 위치 θ〔rad〕를 미분하여 모터(4)의 속도 ω〔rad/s〕를 출력한다.
속도제어기(2)는 속도지령 ωr〔rad/s〕와 모터(4)의 속도 ω〔rad/s〕와의 속도편차를 입력하고, 속도루프게인 Kv〔N·m·s〕에 의해 그 편차를 Kv배한 값을 모터(4)로의 토오크지령 Tref〔N·m〕으로서 출력하는 비례제어기이다.
토오크 앰프(3)는 토오크 지령 Tref를 입력하여 토오크 지령 Tr을 발생시켜 모터(4)를 구동한다.
즉 이 위치결정 서보콘트롤러는 위치지령 θr에 모터(4)의 위치θ를 추종시키기 위한 것이며 모터(4)의 위치 θ는 위치지령 θr에 대한 위치응답이다.
이와같은 종래의 위치결정 서보콘트롤러에는 피드백된 모터(4)의 위치응답 θ을 원래로 위치결정 제어를 행하는 피드백 제어방식이 이용되고 있다.
상술과 같이 위치결정 서보콘트롤러는 통상, 위치루프 처리 안에 마이너루프로서 속도루프처리를 갖고 있다.
그러나 이와같은 피드백 제어방식의 위치결정 서보콘트롤러에서는 위치루프 게인 Kp, 속도루프게인 Kv의 값은 유한의 값으로 상한치를 갖고 있다.
그 때문에 모터(4)의 위치응답 θ은 위치지령 θr과는 완전하게는 일치하지 않고 이른바 서보지연이 발생한다.
도 31은 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 동작을 도시하는 그래프이다.
도 31(a)에는 위치지령 θr과 위치응답 θ이 도시되고, 도 31(b)에는 위치지령 θr 및 위치응답 θ의 미분 dθr/dt, dθ/dt가 도시되고 있다.
도 31(a) 및 도 31(b)와 같이 dθr/dt는 모터(4)가 일정한 가속도로 가속하여 속도가 정상속도 V〔rad/s〕에 이르고, 소정의 시간만큼 정상속도 V로 이동한 후 일정한 가속도로 감속하는 지령이 되고 있다.
이와같은 경우에는 위치편차는 최대로 V/Kp〔rad〕가 되고, dθr/dt의 값이 0이 되고 나서 위치응답 θ이 실제로 위치지령 θr의 값에 이를 때 까지의 시간은 1/Kp〔s〕에 비례하여 길어진다.
또한 도 31에서는 가감속 시간 = 0.1〔s〕, 정상속도 V=100〔rad/s〕, 소정의 시간 = 0.2〔s〕, 위치루프게인 Kp=25〔1/s〕, 속도루프게인 Kv=200〔N·m·s〕, 이너샤 J = 1〔N·m·s2〕의 경우의 지령 θr, dθr/dt 및 응답 θ, dθ/dt의 변동의 모양이 나타나고 있다.
도 31에서는 정상편차는 V/Kp = 100/25=4〔rad〕가 되고, dθr/dt가 0이 되고 나서 위치응답 θ의 값이 실제로 위치지령 θr의 값에 이를때 까지의 시간은 0.1〔s〕가 되고 있다.
이와같은 위치결정 서보콘트롤러에서는 상술한 서보지연을 해소하기 위해 피드백 제어방식과 함께 피드포워드 제어방식이 이용되는 경우가 있다.
도 32는 피드백 제어방식과 함께 피드포워드 제어방식을 이용한 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록선도이다.
이 위치결정 서보콘트롤러에서는 도 2의 위치결정 서보콘트롤러의 구성요소 외에 피드포워드 제어기(6)(7)를 구비하고 있다.
피드포워드 제어기(6)는 위치지령 θr을 입력하여 위치지령 θr을 미분하고,그 미분치를 제 1피드포워드 게인 Kff1〔1/s〕에 의해 Kff1배 한 값을 출력한다.
이 값은 위치제어기(1)로부터 출력되는 속도지령 ωr〔1/s〕에 가산되는 제 1피드포워드 제어량이다.
이와같이 함으로써 도 32의 위치결정 서보콘트롤러에서는 위치지령θr으로부터 직접 생성된 서보지연 요소를 포함하지 않는 속도지령을 기초로 속도루프처리가 행해지므로 피드백 제어만일 때 보다도 서보지연을 해소할 수 있다.
또 피드포워드 제어기(7)는 피드포워드 제어기(6)로부터 출력된 제 1피드포워드 보상량을 입력하여 미분하고, 그 미분을 제 2피드포워드 게인 Kff2에 의해 Kff2배한 값을 제 2피드포워드 보상량으로서 출력한다.
이 제 2피드포워드 보상량은 속도제어기(2)로부터 출력된 값에 가산되고, 그 가산된 값이 토오크 지령 Tr로서 토오크 앰프(3)에 입력된다.
이와같이 함으로써 토오크 앰프(3)는 서보지연 요소를 포함하지 않는 토오크 지령 Tr을 기초로 모터(4)를 구동할 수 있다.
상술과 같이 도 32의 위치결정 서보콘트롤러에서는 속도피드 포워드 제어와 토오크 피드포워드 제어를 행함으로써 피드백 제어에 의해 발생하는 서보지연을 보상할 수 있다.
도 33은 도 32의 위치결정 서보콘트롤러의 각 블록을 간략화한 제어블록선도이다. 도 33과 같이 이 위치결정 서보콘트롤러의 제어성능은 피드포워드 게인 Kff1, Kff2값으로 결정된다.
따라서 도 32의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 게인 Kff1, Kff2를 최적인 값으로 설정하고, 서보지연이 가능한 한 적어지는 상태에서 모터(4)의 제어가 행해지고 있다.
또한 피드포워드 게인 Kff1 = 1로 하면, 이 위치결정 서보콘트롤어의 제어블록선도는 도 34와 같이 된다.
또한 피드포워드 게인 Kff2 = J로 하면 위치지령 θr에서 위치응답 θ까지의 전달함수 G의 값은 1이 되고, 이상적으로는 위치지령 θr과 위치응답 θ사이에 지연은 없어지며, 위치결정 서보콘트롤러의 서보지연은 0이 된다.
그러나 실제로는 제어대상인 모터(4)의 이너샤 J등의 물리량은 완전히 파악되지 않는 경우가 많고, 피드포워드 게인 Kff1, Kff2의 값을 최적인 값으로 설정하는 것은 곤란하다.
이와같은 경우에서는 모터(4)의 위치결정을 행할 때 오버슈트나 언더슈트 등의 현상이 발생한다. 예를들어 Kff2= J로 하면 위치결정 서보콘트롤러의 서보지연은 0이 되지만 J의 값을 알 지 못하는 경우에는 피드포워드 게인 Kff2의 값을 J의 값으로 설정할 수 없기 때문에 응답에 오버슈트나 언더슈트가 발생한다.
도 35는 피드포워드 게인 Kff2의 값이 최적으로 설정되지 않은 경우의 위치결정 서보콘트롤러 위치응답 θ의 미분인 속도응답 dθ/dt의 변동의 모양이 도시되고 있다.
또한 도 35에서는 Kff2 = 0.5= J/2로 하고 있다.
그리고 도 35(a)의 A부분을 확대한 것이 도 35(b)이다.
도 35(b)와 같이 속도응답 dθ/dt에는 오버슈트가 발생하고 있다.
이와같은 오버슈트를 없애기 위해서는 피드포워드 게인 Kff1의 값을 내리거나 피드포워드 제어기(7)의 출력에 필터를 배치하거나 하는 등의 대책을 취하고 있었지만 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 그와 같은 대책에 의해 다시 서보지연이 일어나게 된다는 문제가 있었다.
또 도 30으로 되돌아가 종래의 위치결정 서보콘트롤러는 위치제어기(1)와, 속도제어기(2)와, 토오크 앰프(3)와, 모터(4)와, 미분기(5)로 구성되고 있다. 이 종래의 위치결정 서보콘트롤러는 이너샤가 J〔N·m·s2〕인 모터(4)의 위치 θ〔rad〕를 제어하는 것이다.
설명을 간단히 하기 위해 여기서는 제어대상이 강체로 제어대상과 모터(4)의 합계 이너샤 J로 할 수 있고 또한 토오크 앰프(3)의 응답은 무시할 수 있을 만큼 충분히 빠른 것으로 한다.
상술과 같이 위치결정 서보콘트롤러에는 통상,위치루프 처리안에 마이너 루프로서 속도루프 게인 Kv를 갖는 속도루프가 배치된다. 그리고 속도루프 안에는 토오크를 발생시키는 토오크앰프(3)가 배치된다. 이 발생토오크 Tr에 의해 이너샤 J의 모터를 회전시킨다. 그 위치 θ가 엔코더에 의해 콘트롤러에 읽혀져 제어에 사용된다. 이와같은 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 모터의 앞에는 기계가 접속되고 있고 그 기계의 특성과 동작요구 사용에 따라 Kp, Kv의 값을 밸런스 좋게 조정하는 것이 중요하다.
도 30의 제어계에 스텝 지령을 입력한 경우의 응답특성은 Kp와 Kv의 값의 조합에 의해 도 36과 같이 여러가지 특성을 나타낸다.
도 36에서는 3종류의 선도 (a)~(c)가 그려지고 있다.
① (a)는 Kv= 50, Kp = 10의 경우,
② (b)는 Kv=100, Kp=25의 경우,
③ (c)는 Kv=50, Kp=50의 경우
의 각 응답특성을 나타내고 있다. 단 여기서는 모든 경우에 있어서 J=1이다.
예를들어 요구사양이 도 36의 선도 (b)와 같이 오버슈트하지 않고 또한 고응답이며, 최초로 도 36의 선도(a)의 상태이었던 경우에 대해 생각한다.
이를 요구대로 조정하고자 하면 우선 위치피드백의 파형을 모니터하면서 서서히 Kp의 값을 크게 하고, 도 36의 선도 (c)의 상태가 되면 이번은 Kv의 값을 크게 해 간다. 그러면 도 36의 선도(b)의 상태가 얻어진다.
단 통상은 여기서는 무시한 기계계 및 속도루프 안에 배치되는 토오크 앰프(3)의 지연에 의해 Kv를 너무 크게 하면 서보계가 발진한다.
따라서 Kv를 크게하는 중간에 발진한 경우에는 다시 Kp의 값을 작게하여 최적인 Kv의 값을 찾을 필요가 있다.
이와같이 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 Kv와 Kp값을 번갈아 변화시키면서 최적인 게인을 조정할 필요가 있었다. 그리고 Kp와 Kv의 관계를 숙지하고 있지 않으면 밸런스 맞게 조정하는 것은 곤란하였다.
즉 숙련자이면 도 6과 같은 구성으로 제어대상이 강체이고, 모터와 기계의 합계 부하이너샤를 J로 한 경우 Kv=4·Kp·J로 함으로써 도 36의 선도(b)의 상태로 할 수 있는 것을 알고 있지만 경험·지식이 부족한 사람의 경우에는 이 밸런스를 취하는 것이 곤란하다.
또한 도 37은 도 30의 종래의 위치결정 서보콘트롤러와는 구성이 약간 다른별도의 종래의 위치결정 서보콘트롤러를 도시하는 제어블록선도이다. 도 37과 같이 이 종래의 위치결정 서보콘트롤러는 위치제어기(1)와, 속도제어기(2)와, 모터(4)와, 미분기(5)로 구성된다.
이 종래의 위치결정 서보콘트롤러는 이너샤가 J〔N·m·s2〕인 모터(4)의 위치 θ〔rad〕를 제어하는 것이다.
또 통상은 작성된 토오크지령을 입력하여 토오크를 발생시켜 모터(4)를 구동하기 위한 토오크 앰프가 배치되지만 토오크 앰프의 응답은 무시할 수 있을 만큼 충분히 빠른 것으로서 도면안에서는 생략하고 있다.
또 설명을 간단히 하기 위해서는 여기서는 제어대상이 강체로 제어대상과 모터(4)의 합계 이너샤를 J로 할 수 있는 것으로 한다.
모터(4)에는 엔코더(도시생략)가 구비되고 엔코더에 의해 모터(4)의 위치 θ가 검출가능하도록 되어있다. 상위 장치(도시하지 않음)로부터 발해지는 위치지령 θr과 모터(4)의 위치 θ와의 위치편차는 위치제어기(1) 및 미분기(5)에 입력된다.
위치제어기(1)는 비례 게인 Kp〔N·m·s2〕에 의해 그 편차를 Kp배한 값을출력하는 비례제어기이다.
미분기(5)는 위치지령 θr와 모터(4)의 위치 θ와의 위치편차를 미분한 값을 출력한다.
속도제어기(2)는 미분기(5)에 의해 구해진 값을 미분게인 Kd〔1/s〕에 의해 Kd배한 값을 출력하는 비례제어기이다. 이 종래의 위치결정 서보콘트롤러는 위치지령 θr에 모터(4)의 위치 θ를 추종시키기 위한 것으로 모터(4)의 위치 θ는 위치지령 θr에 대한 위치응답이다.
그리고 이 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 있어서 모터(4)를 제어하기 위한 토오크는 위치제어기(1)와 속도제어기(2)로부터 각각 출력된 값 서로를 가산한 값을 토오크지령으로서 도시되지 않은 토오크 앰프에 의해 생성된다
또 도 37에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 적분기(6), 적분제어기(3)를 새로 구비하도록 한 종래의 다른 위치결정 서보콘트롤러를 도 38에 도시한다.
적분기(6)는 위치지령 θr과 모터(4)의 위치와의 위치편차를 적분하여 그 값을 출력한다. 적분제어기(3)는 적분기(3)에 의해 구해진 값을 적분게인 Ki에 의해 증폭하여 출력한다.
그리고 이 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 있어서 모터(4)를 제어하기 위한 토오크는 위치제어기(1), 속도제어기(2), 적분제어기(3)로부터 각각 출력된 값 서로를 가산한 값을 토오크 지령으로서 도시되지 않은 토오크 앰프에 의해 생성된다.
도 37 및 도 38에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 위치지령 θr에 대한 θ의 응답, 외란 Td에 대한 θ의 응답 등에 원하는 성능을 발휘시키기 위해서는 게인 Kp, Kd, Ki의 값을 조정하여 최적인 값으로 할 필요가 있다.
이 조정은 제어대상(액튜에이터와 액튜에이터에 접속된 기계의 합계)가 이상적인 강체인 경우에는 제어이론으로부터 용이하게 구할 수 있지만 현실의 제어대상은 마찰이나 스프링 요소가 존재하므로 조정은 시행착오로 행해지는 것이 일반적이다.
그 때문에 파라메터의 조정은 번거로운 작업이 되었다.
이와같은 문제를 해결하기 위한 종래의 위치결정 서보콘트롤러를 도 39 및 도 40에 도시한다.
도 39는 도 37에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 증폭기(27)(28)를 추가한 것으로 도 40은 도 38에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 증폭기(27)(28)(29)를 추가한 것이다.
증폭기(27)는 위치제어기(1)로부터 출력된 값을 조정게인 Kg을 2제곱한 값 Kg2에 의해 증폭하여 출력한다.
증폭기(28)는 속도제어기(8)로부터 출력된 값을 조정게인 Kg에 의해 증폭하여 출력한다.
증폭기(29)는 적분제어기(3)로부터 출력된 조정게인 Kg를 3제곱한 값 Kg3에 의해 증폭하여 출력한다.
이와같은 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 비례요소, 미분요소, 적분요소를 동시에 변화시키기 위한 파라메터 Kg를 도입하여, 일단 비례게인 Kp, 미분게인 Kd, 적분게인 Ki를 결정하면 하나의 파라메터인 조정게인 Kg를 변화시키는 것만으로 밸런스를 유지한 채 게인조정할 수 있기 때문에 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있었다.
그러나 이 도 39 및 도 40에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 외란응답을 고려한 경우에는 문제가 있다.
예를들어 도 40에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 위치지령 θr에 대한 위치편차 θ1의 응답인 지령응답과, 외란 Td에 대한 위치편차 θ2의 응답인 외란응답을 계산해 보면 도 41에 도시한 것과 같이 된다.
이와같은 제어계에서는 외란 Td의 영향에 의한 위치편차 θ2를 작게하고자 하여 Kp, Kd, Ki,Kg를 조정했다고 해도 위치지령 θr로부터 위치편차 θ1까지의 전달함수도 같은 파라메터에만 의존하므로 지령응답에서의 위치편차 θ1도 외란응답에서의 위치편차 θ2와 함께 변화하게 된다.
즉 이와같은 구성에서는 이른바 1자유도 제어계이므로 피드백측의 조정게인 Kg만으로는 조정이 원할하지 않다.
또 서보지연을 해소하는 방법으로서는 후술하는 도 1에 도시하는 위치결정 서보콘트롤러와 같이 속도 피드포워드 제어기(6)와 가속도 피드포워드 제어기(7)와, 모터(4)의 가속도와 가속도 지령과의 편차를 기초로 가속도 피드백 제어를 행하여 토오크 앰프(3)로 토오크 지령을 출력하는 가속도 제어기(8)를 추가하는 방법이 있다.
한편 위치루프 게인 Kp, 속도루프 게인 Kv등의 여러가지 제어계의 파라메터를 조정하여 위치응답 θ의 위치결정 상태의 최적조정을 간단히 행하는 방법으로서 후술하는 도 5에 도시하는 위치결정 서보콘트롤러와 같이 위치제어기(1) 및 속도제어기(2) 뒤에 입력을 조정게인 Kg에 의해 Kg배하는 증폭기(10)를 구비하는 방법이 있다.
단 이와같은 위치결정 서보콘트롤러에서는 조정게인과 피드포워드 게인을 트라이 앤드 에러(try and error)로 조정하여 위치결정 상태의 최적조정을 행하고 있기 때문에 조정에 시간이 걸리게 된다는 문제가 있었다.
상술과 같이 도 30과 같이 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 제어에 영향을 주는 모터의 물리량을 알 지 못하는 경우에는 피드포워드 게인 등의 제어파라메터의 값을 최적인 값으로 설정할 수 없기 때문에 제어응답에 오버슈트나 언더슈트가 발생하여 양호한 제어응답을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 모터의 물리량을 알 지 못하더라도 양호한 제어응답이 얻어지는 위치결정 서보콘트롤러를 제공하는 것을 제 1목적으로 한다.
또 상술한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에서는 조정해야 하는 파라메터가 2개 있기 때문에 요구된 응답특성을 실현하는 것이 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있는 위치결정 서보콘트롤러를 제공하는 것을 제 2목적으로 한다.
또한 상술한 도 37의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드백 제어계의 게인을 하나의 파라메터에 의해 조정하기 위해 조정게인을 이용해도 외란응답을 조정하는경우에는 요구된 응답특성을 실현하는 것이 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 외란응답을 조정하는 경우에서도 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있는 위치결정 서보콘트롤러를 제공하는 것을 제 3의 목적으로 한다.
또한 본 발명은 위치결정 상태의 최적조정을 간단히 행할 수 있는 위치결정 서보콘트롤러를 제공하는 것을 제 4의 목적으로 한다.
본 발명은 제어대상의 위치결정을 행하는 위치결정 서보콘트롤러(위치제어장치) 특히 모터의 위치결정을 행하는 위치결정 서보콘트롤러에 관한 것이다.
도 1은 제 1실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록선도.
도 2는 도 1의 제어블록선도를 간략화한 제어블록 선도.
도 3은 도 2의 제어블록선도를 간략화한 제어블록 선도.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 동작을 도시하는 그래프.
도 5는 제 2실시예의 제 1위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도 6은 도 5의 위치결정 서보콘트롤러의 동작을 설명하기 위한 극배치도.
도 7은 조정게인 Kg의 값을 변화시킨 경우의 응답특성의 변화를 도시하는 도면.
도 8은 제 2실시예의 제 2위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도 9는 제 3실시예의 제 3위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도10은 제 3실시예의 제 1위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도11은 도10의 위치결정 서보콘트롤러의 응답을 설명하기 위한 도.
도12는 도10의 위치결정 서보콘트롤러에서의 외란 응답의 동작을 설명하기 위한 극배치도.
도13은 도10의 위치결정 서보콘트롤러에서의 지령응답의 동작을 설명하기 위한 극배치도.
도14는 도10의 위치결정 서보콘트롤러에 있어서 조정게인 Kg의 값을 변화시킨 경우의 응답파형의 변화를 도시하는 도면.
도15는 피드포워드 게인 Kff1, Kff2를 0으로 한 경우의 응답파형의 변화를 도시하는 도면.
도16은 피드포워드 제어기(10) 안의 조정게인 Kg를 1로 한 경우의 응답파형의 변화를 도시하는 도면.
도17은 제 3실시예의 제 2위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도18은 도 17의 위치결정 서보콘트롤러의 응답을 설명하기 위한 도면.
도19는 제 3실시예의 제 3위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도20은 도 19의 위치결정 서보콘트롤러의 응답을 설명하기 위한 도면.
도21은 종래의 조정게인을 이용한 피드포워드 제어방식의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록선도.
도22는 도21의 제어블록선도의 등가블록선도.
도23은 제어대상이 되는 기계계를 포함한 도21의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록선도.
도24는 기계계의 강성이 높을 때의 위치지령 및 위치응답의 변동을 도시하는 그래프.
도25는 기계계의 강성이 낮을 때의 위치지령 및 위치응답의 변동을 도시하는 그래프.
도26은 조정게인의 값을 조정했을 때의 위치지령 및 위치응답의 변동을 도시하는 그래프.
도27은 피드포워드 게인을 조정했을 때의 위치지령 및 위치응답의 변동을 도시하는 그래프.
도28은 위치결정 상태의 최적조정을 행했을 때의 위치지령 및 위치응답의 변동을 도시하는 그래프.
도29는 제 4실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록 선도.
도30은 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록선도.
도31은 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 동작을 도시하는 그래프.
도32는 피드백 제어방식과 함께 피드포워드 제어방식을 이용한 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록 선도.
도33은 도 32의 제어블록 선도를 간략화한 제어블록선도.
도34는 도 33의 제어블록 선도를 간략화한 제어블록선도.
도35는 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 동작을 도시하는 그래프.
도36은 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 응답특성의 변화를 도시하는 도면.
도37은 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도38은 종래의 다른 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도39는 도37의 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 조정게인 Kg에 의해 게인조정을 할 수 있도록 한 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도40은 도38의 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 조정게인 Kg에 의해 게인조정할 수 있도록 한 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도.
도41은 도40의 위치결정 서보콘트롤러의 응답을 설명하기 위한 도면.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1: 위치제어기2: 속도제어기
3: 토오크앰프4: 모터
5,9: 미분기6,7,10,11,22,23: 피드포워드 제어기
8: 가속도 제어기12: 2회 미분기
13: 가속도 제어기16: 적분기
17: 미분기27,28,29: 증폭기
30: 제어대상
상기 제 1목적을 달성하기 위해 본 제 1발명의 실시예에 관한 위치결정 서보콘트롤러에서는 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프 게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과, 상기 위치지령을 미분한 값을 제 1피드포워드 게인에 의해 증폭함으로써 얻어지는 제 1피드포워드 보상량을 상기 위치제어 수단에서 출력된 값에 가산한 값을 속도지령으로 하는 속도피드 포워드 제어수단과, 상기 속도지령과 상기 제어대상의 속도와의 속도편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과, 상기 제 1피드포워드 보상량을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인에 의해 증폭하여 얻어지는 제 2피드포워드 보상량을 상기 속도제어수단에서 출력된 값에 가산한 값을 가속도 지령으로 하는 가속도 피드포워드 수단과, 상기 가속도 지령과 상기 제어대상의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 가속도 제어수단과, 상기 토오크지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것이다.
이상과 같이 상기 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 가속도 지령과 제어대상의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭한 값을 토오크지령으로서 출력하는 가속도 제어수단을 구비함으로써 위치지령을 입력으로 하여 위치응답을 출력으로 하는 전달함수의 계수 안에 포함되는 제어대상의 물리량을 알 지 못하더라도 그 계수 안에서 가속도 루프게인의 값이 그 제어대상의 물리량의 분모가 되고, 가속도 루프게인 값을 적당한 값으로 설정함으로써 위치응답에 대한 제어대상의 물리량의 값의 영향을 무시할 수 있게 되므로 가속도 루프게인을 적당한 값으로 설정함으로써 양호한 제어응답을 얻을 수 있다.
상기 제 2목적을 달성하기 위해 제 2발명의 실시예에 관한 위치결정 서보콘트롤러는 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과, 이 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 속도지령으로서 출력하는 제 1증폭수단과, 상기 제어대상의 위치를 미분함으로써 상기 제어대상의 속도를 구하는 미분수단과, 상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과, 이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 제 2증폭수단과, 상기 토오크지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것이다.
이상과 같이 상기 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에 의하면 속도루프 게인, 위치루프게인을 일단 설정하여 오버슈트량을 결정하면 조정게인에 의해 시간방향만이 변화하므로 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 다른 위치결정 콘트롤러는 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프 게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과, 이 위치제어수단으로부터 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 속도지령으로서 출력하는제 1증폭수단과, 상기 제어대상의 위치를 미분함으로써 상기 제어대상의 속도를 구하는 미분수단과, 상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차를 적분하여 속도루프 적분게인을 곱한 값을 출력하는 적분수단과, 상기 적분수단으로부터 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과, 상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차에, 상기 제 2증폭수단에서 출력된 값을 가산한 값을 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과, 이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 토오크지령으로서 출력하는 제 3증폭수단과, 상기 토오크지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것이다.
이 위치결정 서보콘트롤러는 위치가 P(비례)제어, 속도가 P-I(비례 - 적분)제어에 의해 제어되는 위치결정 서보콘트롤러에 대해 본 발명을 적용한 것이다.
또한 다른 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과, 이 위치제어 수단에서 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 속도지령으로서 출력하는 제 1증폭수단과, 상기 제어대상의 위치를 미분함으로써 상기 제어대상의 속도를 구하는 미분수단과, 상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차를 적분하여 속도루프 적분게인을 곱한 값을 출력하는 적분수단과, 상기 적분수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과, 상기 제 2증폭수단에서 출력된 값과, 상기 제어대상의 속도와의 편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과, 이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 제 3증폭수단과, 상기 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것이다.
이 위치결정 서보콘트롤러는 위치가 P(비례)제어, 속도가 I-P(적분-비례) 제어에 의해 제어되는 위치결정 서보콘트롤러에 대해 본 발명을 적용한 것이다.
상기 제 3목적을 달성하기 위해 제 3발명의 실시예에 관한 위치결정 서보콘트롤러는 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 비례게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과, 상기 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인을 2제곱한 값에 의해 증폭하여 출력하는 제 1증폭수단과, 상기 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 미분한 미분수단과, 상기 미분수단에 의해 구해진 값을 미분게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과, 이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과, 상기 위치지령을 2회 미분한 값을 제 1피드포워드 게인에 의해 증폭한 값과, 상기 위치지령을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인 및 상기 조정게인에 의해 증폭한 값을 가산함으로써 얻어진 값을 출력하는 피드포워드 제어수단과, 상기 제 1 및 제 2증폭수단과, 상기피드포워드 수단에서 각각 출력된 값 끼리를 가산한 값을 토오크 지령으로 하고, 이 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것이다.
이상과 같이 상기 제 3발명에 의하면 피드포워드 제어수단을 구비하도록 하여 제어계를 2자유도계로 하고, 피드포워드 제어수단의 게인과 피드백계의 게인을 하나의 파라메터인 조정게인에 의해 조정할 수 있도록 하고 있기 때문에 요구된 응답특성을 결정하기 위한 게인조정을 간략화할 수 있다.
또 다른 실시예에서는 상기의 구성에 덧붙여 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 적분하는 적분수단과, 적분수단에 의해 구해진 값을 적분게인에 의해 증폭하여 출력하는 적분제어수단과, 적분제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인을 3제곱한 값에 의해 증폭하여 출력하는 제 3증폭수단을 또한 구비하도록 해도 좋다.
또한 다른 실시예에서는 상기의 구성을 다시 추가하여 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 2회 미분하는 2회 미분수단과, 2회 미분수단에 의해 구해진 값을 가속도 게인에 의해 증폭하여 출력하는 가속도 제어수단을 구비하도록 해도 좋다.
상기 제 4의 목적을 달성하기 위해 제 4발명의 실시예는 상위장치에서 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과, 이 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는제 1증폭수단과, 상기 위치지령을 미분한 값을 제 1피드포워드 보상량을 상기 제 1증폭수단에서 출력된 값에 가산한 값을 속도지령으로 하는 속도피드 포워드 제어수단과, 상기 속도지령과 상기 제어대상의 속도와의 속도편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과, 이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과, 상기 제 1피드포워드 보상량을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인에 의해 증폭하여 얻어지는 제 2피드 포워드 보상량을 상기 제 2증폭수단에서 출력된 값에 가산한 값을 가속도 지령으로 하는 가속도 피드포워드 수단과, 상기 가속도 지령과 상기 제어대상의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 가속도 제어수단과, 상기 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 위치결정 서보콘트롤러로서, 상기 제 1피드포워드 게인 및 상기 제 2피드포워드 게인의 값은 상기 조정게인의 값을 빼는 수로 하는 함수의 값인 것을 특징으로 하고 있다.
이상과 같은 상기 제 4발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 제 1피드포워드 게인 및 제 2피드포워드 게인의 값을 조정게인을 빼는 수로 하는 함수의 값으로 함으로써 조정게인만을 조정하는 것만으로 위치결정 상태의 최적화를 도모할 수 있기 때문에 위치결정 상태의 최적조정을 간단히 행할 수 있게 된다.
다음 각 발명의 실시예에 대해 도면을 기초로 설명한다.
전 도면에 있어서 동일 부호가 붙여진 구성요소는 모든 동일한 것을 나타내고 있다.
우선 제 1목적을 달성하는 발명의 실시예 1인 위치결정 서보콘트롤러에 대해 도 1~도 4를 기초로 설명한다.
도 1은 이 일 실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록선도이다. 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 가속도 제어기(8)와, 미분기(9)를 구비하고 있는 점이 도 32의 종래의 위치결정 서보콘트롤러와 다르다.
미분기(9)는 모터(4)의 위치응답 θ을 2계(階) 미분하여 모터(4)의 가속도를 출력한다. 가속도 제어기(8)는 속도 제어기(2)로부터 출력된 값과 피드포워드 제어기(7)로부터 출력된 값이 가산된 값과, 미분기(9)로부터 출력된 모터(4)의 가속도와의 가속도 편차를 입력하여, 가속도 루프게인 Ka에 의해 가속도 편차를 Ka배한 값을 토오크 지령 Tr로서 토오크 앰프(3)에 출력하는 비례제어기이다.
도 1의 제어블록선도를 간략화한 것을 도 2에 도시한다.
도 2의 제어블록선도를 더욱 간략화하기 위해 피드포워드 게인 Kff1=1로 하면 도 2의 제어블록선도는 도 3의 제어블록선도와 같이 간략화된다.
도 3의 제어블록선도와 도 34의 제어블록선도를 비교한 경우 분모의 S2항의 계수는 도 34의 제어블록선도에서는 J인데 대해 도 3의 제어블록선도에서는 1 + J/Ka가 되고 있다.
전달함수 G 안에서 가속도 루프게인 Ka의 값이 모터(4)의 이너샤 J의 분모가 되므로 가속도 루프게인 Ka의 값이 커지면 커질수록 J/Ka는 0에 가까워진다.
즉 이너샤 J의 값이 명확하지 않을 때에도 가속도 루프게인 Ka의 값을 적당한 값으로 설정함으로써 위치응답 θ에 대한 이너샤 J의 영향을 작게할 수 있다.
또 도 3의 제어블록선도에서는 피드포워드 게인 Kff2=1로 하면 위치지령 θr과 위치응답 θ과의 사이의 전달함수 G를 거의 1로 할 수 있고 위치응답 θ의 위치지령 θr에 대한 지연을 해소할 수 있다.
도 4는 Kp=25〔1/s〕 Kv=200〔1/s〕, Ka=10, Kff1=1〔1/s〕, Kff2=1〔1/s〕로 했을 때의 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 동작을 도시하는 그래프이다.
도 4에는 위치지령 θr 및 위치응답 θ의 미분 dθ/dt, dθ/dt의 변동의 모양이 도시되고 있다.
도 4의 dθr/dt는 도 35의 dθr/dt와 같은 파형이 되고 있다.
또 도 4에서는 가감속 시간, 정상속도, 소정시간, 위치루프게인 Kp, 속도루프게인 Kv, 이너샤 J의 값도 도 35에서의 값과 같은 것으로 하고, 가속도 루프게인Ka=10, 피드포워드 게인 Kff1=1, Kff2=1로 하고 있다.
도 4(a)의 B부분을 확대한 도 4(b)와, 도 35(b)와 비교한 경우 속도응답 dθ/dt의 오버슈트량이 줄어드는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 것과 같이 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 가속도 지령과 모터(4)의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인 Ka에 의해 증폭한 값을토오크지령으로서 출력하는 가속도 제어기(8)를 구비한다.
이렇게 함으로써 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 위치지령 θr을 입력으로 하여 위치응답 θ을 출력으로 하는 전달함수 G의 계수 안에 포함되는 모터(4)의 이너샤 J가 미지(未知)라도 전달함수 G 안에서 가속도 루프게인 Ka가 그 계수안에서의 모터(4)의 이너샤 J의 분모가 되므로 가속도 루프게인 Ka의 값이 적당한 값으로 설정됨으로써 모터(4)의 이너샤 J의 위치응답 θ에 대한 영향을 무시할 수 있게 된다.
그 때문에 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 양호한 제어응답을 얻을 수 있다.
또 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 모터(4)의 이너샤 J의 값이 변화해도 가속도 루프게인 Ka의 값이 적당한 값으로 설정됨으로써 모터(4)의 이너샤 J의 위치응답 θ에 대한 영향을 무시할 수 있게 되므로 양호한 제어응답을 얻을 수 있다.
또 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 이너샤 J의 값이 명확할 때에는,
Kff2 = 1+J/Ka
로 함으로써 전달함수 G=1로 할 수 있다.
따라서 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 이너샤 J의 값이 명확한지 여부에 관계없이 모터(4)를 최적으로 위치결정할 수 있다.
이상 설명한 것과 같이 본 발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 가속도 지령과 모터의 실제의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭한 값을토오크 지령으로서 출력하는 가속도 제어기를 구비함으로써 위치지령을 입력으로 하여 위치응답을 출력으로 하는 전달함수의 계수 안에 포함되는 모터의 이너샤가 미지라도 전달함수안에서 가감속 루프게인의 값이 그 모터의 이너샤의 분모가 된다.
따라서 가속도 루프게인의 값이 적당한 값으로 설정됨으로써 모터의 이너샤의 위치응답에 대한 영향을 무시할 수 있게 된다.
그 때문에 본 발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 양호한 제어응답을 얻을 수 있다.
(실시예 2)
다음에 상기 제 2목적을 달성하는 발명의 실시예 2에 대해 도 5~ 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다.
(실시예 2-1)
도 5는 실시예 2-1의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5에 있어서 도 6안의 구성요소와 동일 구성요소에는 동일 부호를 붙이고 설명을 생략하는 것으로 한다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 도 6에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 증폭기(101)(102)를, 위치제어기(1)와 속도제어기(2) 뒤에 각각 구비하도록 한 것이다.
증폭기(101)는 위치제어기(1)로부터 출력된 값을 조정게인 Kg에 의해 Kg배하여 속도지령 ωr로서 출력한다. 증폭기(102)는 속도제어기(2)로부터 출력된 값을 조정게인 Kg에 의해 Kg배하여 종래예의 경우와 마찬가지로 제어대상이 강체로 제어대상과 모터(4)의 합계 이너샤를 J로 할 수 있고, 또한 토오크앰프(3)의 응답은 무시할 수 있을 만큼 충분히 빠른 것으로 한다.
도 5의 위치지령 θr에서 위치응답까지의 전달함수 G(S)를 계산하면 (여기서 속도루프게인 Kv는 통상 이너샤 J와 연동시켜 변화되는 것이 보통이므로 Kv0= Kv/J로 두면)
G(S) = G1/G2 …………(1)
G1=Kg2·Kv0·Kp …………(2)
G2=(S2+Kg·Kv0·S + Kg2·Kv0·Kp) …………(3)
가 된다.
여기서 제어시스템의 안정성은 특성방정식 G2=0의 근, 즉 제어계의 극 ρ+, ρ-에 의해 결정된다.
식 (3)에서,
ρ+ = -Kg{Kv0-(Kv02-Kv0·Kp)·0.5}/2 ……… (4)
ρ- = -Kg{Kv0-(Kv02-Kv0·Kp)·0.5}/2 ……… (5)
혹시 여기서 Kv0과 Kp를 일단 결정하면 Kg를 변화시키면 극배치에서의 시간에 관한 스케일만 변화하고, 오버슈트에 관한 양은 변화하지 않는다.
이를 통상적으로 이용되는 모양으로 설명하기 위해
G2=(S2+ 2ζωS + ω2) ……… (6)
로 두면,
ω= Kg(Kv0·Kp)0.5 ……… (7)
ζ= (Kv0/Kp) 0.5/2 ……… (8)
가 되고 ω만큼 Kg에 관계하는 것을 알 수 있다.
이 때의 극배치는 도 6과 같이 되고 일단 Kp, Kv0을 결정하면 Kg에 의해 오버슈트량은 변화하지 않으므로 응답파형의 밸런스는 변화하지 않고 시간방향(즉 ω)만큼 변화하는 것을 알 수 있다.
예를들어 도 7에서는 Kg=0.5에서 Kg=5까지 변화시키는 것이지만 오버슈트가 없는 상태로 변화는 없고, 응답속도만 빨라지고 있다. 단 도 36의 선도 (b)의 상태를 Kg=1로 한다.
이와같이 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 Kv, Kp의 값을 일단 결정하여 그 값을 고정하면 Kg라는 하나의 파라메터에 의해 응답특성이 결정된다.
(실시예 2-2)
다음에 실시예 2-2의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 제 2실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록선도이다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 위치가 P(비례)제어, 속도가 P-I(비례 -적분)제어에 의해 제어되는 위치결정 서보콘트롤러에 대해 본 발명을 적용한 경우이다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 도 5에 도시한 제 1실시예의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 적분기(16)와, 증폭기(103)가 새로이 배치되는 것이다.
적분기(16)는 속도지령 ωr과 모터(4)의 속도 ω와의 속도편차를 적분하고, 적분게인 Ki배한 값을 출력한다. 증폭기(103)는 적분기(16)에서 출력된 값을 조정게인 Kg에 의해 Kg배하여 속도제어기(2)에 출력한다.
그리고 본실시예에서의 속도제어기(2)는 증폭기기(101)로부터 출력된 속도지령 ωr과 미분기(5)에 의해 구해진 모터(4)의 속도 ω와의 속도편차에 증폭기(103)로부터 출력된 값을 가산한 값을 입력하고, 그 값을 속도루프 게인 Kv배한 값을 증폭기(102)에 출력한다.
이 때의 위치지령 θr에서 위치응답 θ까지의 전달함수 G(S)를 계산하면,
G(S) = G1/G2 ………(9)
G1=(Kg2·Kv0·KD(S + Kg2·Ki) …………(10)
G2=(S3·Kg·Kv0·S2·Kg2(Kv0·Ki+Kv0·Kp)S
+Kg3·Kv0·Kp·Ki) …………(11)
가 된다.
여기서 특성방정식 G2=0의 근(극)은 Kv0, Ki,Kp가 일단 결정되면 그 응답파형은 Kg의 값에 의해서는 변화하지 않는다.
예로써 G2=0이 3중근 -Kgρ를 갖는 경우를 생각하면,
G2=(S+Kgρ)3
=(S3+ 3KgρS2+ 3Kg2ρ2S + Kg3ρ3) ……(12)
가 되며, 식(11)과 식(12)을 비교하면,
Kv0 = 3ρ,
3ρ2= Kv0·Ki+Kv0·Kp,
ρ3= Kv0·Kp·Ki ……(13)
이므로 ρ는 Kg의 값에 관계없이 Kv0,Ki·Kp가 일단 결정되면 정해진 정수가 된다.
따라서 식(12)에서 3중근 -Kgρ는 Kg를 변화시키면 그 크기만큼 변화하고, 3중근인 것에는 변화하지 않는다. 즉 응답특성은 변화하지 않는다.
(실시예 2-3)
다음에 실시예 2-3의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명의 제 3실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록선도이다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 위치가 P(비례)제어, 속도가 I-P(비례-적분)제어에 의해 제어되는 위치결정 서보콘트롤러에 대해 본 발명을 적용한 경우이다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 도 8에 도시한 제 2실시예의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 미분기(17)가 새롭게 배치된 것이다. 미분기(17)는 모터(4)의 위치 θ를 미분하여 모터(4)의 속도 ω를 출력한다.
그리고 본 실시예에서의 속도제어기(2)는 증폭기기(103)로부터 출력된 값에 미분기(17)로부터 출력인 속도 ω의 값을 가산한 값을 입력하고, 그 값을 속도루프게인 Kv배한 값을 출력한다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서의 위치지령 θr으로부터 위치응답 θ까지의 전달함수 G(S)의 특성방정식은,
G2'(S3+Kg·Kv0·S2+ Kg2·Kv0·Ki·S
+Kg3·Kv0·Kp·Ki) ……(14)
가 되고,
식 (12)와 식(14)을 비교하면,
Kv0 = 3ρ,
3ρ2= Kv0·Ki,
ρ3= Kv0·Kp·Ki ……(15)
이므로
ρ는 Kg의 값에 관계없이 Kv0·Ki·Kp가 일단 정해지면 정해진 정수가 된다.
그 때문에 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에 의하면 제 2실시예의 위치결정 서보콘트롤러와 같은 효과를 얻을 수 있다.
상기 실시예 2-1~2-3에서는 위치루프게인 Kp, 속도루프게인 Kv가 정수인 경우를 이용하여 설명했지만 본 발명은 이와같은 경우에 한정되는 것은 아니고 위치루프게인 Kp, 속도루프게인 Kv를 위치편차 등의 내부변수나 피드백 속도 등으로 가변으로 하는 경우에도 유효하며 파라메터의 조정도 용이하게 한다.
즉 이와같은 경우에는 위치루프 게인 Kp, 속도루프게인 Kv, 속도루프 적분게인 Ki는 고정상태로 하고, Kg만을 가변으로 하면 된다.
이상 설명한 것과 같이 본 발명에 의하면 하나의 파라메터를 조정하는것 만으로 응답특정의 조정을 행할 수 있기 때문에 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 3)
다음에 상기 제 3목적을 달성하는 발명의 실시예 3에 대해 도 10~도 20을참조하여 상세하게 설명한다.
(실시예 3-1)
도10은 실시예 3-1의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도이다.
도10에 있어서 도 39안의 구성요소와 동일 구성요소에는 동일 부호를 붙이고 설명을 생략하는 것으로 한다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 도 39에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 피드포워드 제어기(10)를 새로이 구비하도록 하고, 제어계를 2자유도계로 하며 또한 그 게인을 피드백계의 공통파라메터인 조정게인 Kg와 관련하도록 한 것이다.
피드포워드 제어기(10)는 위치지령 θr을 2회 미분한 값을 피드포워드 게인 Kff1에 의해 증폭한 값과, 위치지령 θr을 1회 미분한 값을 피드포워드 게인 Kff2 및 조정게인 Kg에 의해 증폭한 값을 가산함으로써 얻어진 값을 출력한다.
그리고 본 실시예에 있어서 모터(4)를 제어하기 위한 토오크는 증폭기(27)(28)와, 피드포워드기(10)로 부터 각각 출력된 값 끼리를 가산한 값을 토오크지령으로서 도시되지 않은 토오크앰프에 의해 생성된다.
도10에 도시한 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서의 전달함수는 도11과 같이 되지만 이 때 외란응답을 결정하는 것은 외란 Td에서 θ2까지의 전달함수의 뿐이다.
이를 Gd로 하면 다음과 같은 식(16)에 의해 표현할 수 있다.
단 설명을 간단하게 하기 위해 J=1로 한다.
Gd = S2+Kg·Kd·S+Kg2·Kp ……(16)
여기서 제어계의 안정성은 특성방정식 Gd=0의 근, 즉 제어계의 극 ρ+, ρ-에 의해 결정된다.
식(16)에서,
ρ+ = -Kg{Kv0-(Kd2-4Kp)0.5}/2 ……… (17)
ρ- = -Kg{Kd+(Kd2-4Kp)0.5}/2 ……… (18)
만약 여기서 Kd와 Kp를 일단 결정하면 Kg를 변화시키면 극배치에서의 시간에 관한 스케일만을 변화하고, 오버슈트에 관한 양은 변화하지 않는다.
이를 통상적으로 이용되는 모양으로 설명하기 위해,
Gd=(S2+ 2ζωS + ω2) ……… (19)
로 두면,
ω= Kg(Kp)0.5……… (20)
ζ= Kd/(2Kp0.5) ……… (21)
가 되고 ω만큼 Kg에 관계하는 것을 알 수 있다.
이 때의 극배치는 도 12와 같이 되고 일단 Kp, Kd를 결정하면 Kg에 의해 오버슈트량은 변화하지 않으므로 응답파형의 밸런스는 변화하지 않고 시간방향(즉 ω)만큼 변화하는 것을 알 수 있다.
한편 지령응답은 위치지령 θr에서 위치편차 θ1까지의 전달함수에 의해 결정된다. 이 경우의 전달함수를 G=G1/G2로 둔다. 제어게인에 의해 분모에 가해져분자도 변화하므로 제어계의 응답성은 특성방정식 G2=0의 근, 즉 제어계의 극 ρ+, ρ-와, 특성방정식 G1=0의 근, 즉 제어계의 0점에 의해 결정된다.
극에 관해서는 G2=Gd이므로 식(16)에서 (21)이 그 대로 마찬가지로 적용되므로 여기서는 0점에 대해 설명한다. 단 설명을 간단히 하기 위해 J=1로 한다.
G1=Kff1·S2+Kg(Kd+Kff2)S+Kg2·Kp=0 ……… (22)
로 두면,
이 식(22)을 푸는 것으로 0점 z+, z-가 결정된다.
식(22)에서 다음의 식 (23)(24)가 얻어진다.
z+= -Kg{Kd+Kff2}- [(Kd+Kff2)2
-4Kff1·Kp]0.5}/(2Kff1) ……… (23)
z- = -Kg{Kd+Kff2} + [(Kd+Kff2)2
-4Kff1·Kp]0.5}/(2Kff1) ……… (24)
만약 여기서 극을 결정하는 Kd,Kp를 일단 결정해도 Kff1, Kff2에 의해 응답을 변화시킬 수있다.
즉 외란응답과 독립적으로 제어계를 결정할 수 있다.
한편 일단 Kd, Kp, Kff1, Kff2를 결정해 버리면 Kg에 의해 시간에 관한 스케일만을 변화하고 오버슈트에 관한 양은 변화하지 않는다.
이를 통상적으로 이용되는 형태로 설명하기 위해,
G1=Kff1(S2+ 2ζ1ω1S + ω12) ……… (25)
로 두면,
ω1= Kg(Kp/Kff1)0.5……… (26)
ζ1= (Kd+Kff2)/{2(Kff1·Kp)0.5} ……… (27)
가 되고 ω1만큼 Kg에 관계하는 것을 알 수 있다.
이 때의 극배치는 도 13과 같이 되고 일단 Kd, Kp, Kff1, Kff2를 결정해 버리면 Kg에 의해 밸런스는 변화하지 않고, 시간방향(즉 ω1)만 변화하는 것을 알 수 있다.
본 실시예에서의 응답파형을 도 14에 도시한다.
도14는 Kg=0.5에서 Kg=1.5까지 변화시킨 경우의 응답파형을 도시한 것이지만 전체의 파형에는 변화는 없고, 응답속도만 빨라지고 있다.
단 Kd=40, Kp=800, Kff1=0, Kff2= -16, J=1, 위치지령 θr은 최대속도 = 200(rad/s), 가속시간, 감속시간 = 0.05(sec), 지령찾는 시간 0.1(sec)이다.
이와같이 일단 Kd, Kp를 결정한 후에는 지령응답은 하나의 파라메터 Kg에 의해 응답특성이 결정된다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에 의해 얻어지는 효과를 종래예와 비교하기 위해 본 실시예에서의 피드포워드 게인 Kff1=Kff2=0으로 하고, Kg=0.5~1.5까지 변화시킨 경우의 응답파형을 도 15에 도시한다. Kff1=Kff2=0으로 함으로써 도15의 응답파형은 도 39에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 응답파형이 된다.
피드포워드 제어기(10)가 배치되지 않은 종래의 위치결정 서보콘트롤러의 응답파형인 도 15의 응답파형을 도 14에 도시한 응답파형과 비교하면 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 의한 응답파형 쪽이 오버슈트량이 커지는 것을 알 수 있다.
본 실시예에 의한 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 제어기(10)의 게인을 피드백계의 공통파라메터인 조정게인 Kg와 관련하도록 함으로써 조정게인 Kg라는 하나의 파라메터에 의해 응답특성의 조정이 가능하도록 한 것이다.
즉 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 피드포워드 제어기를 단지 배치하고, 그 피드포워드 제어기의 게인에 조정게인 Kg이 포함되지 않은 경우에는 응답특성의 조정은 곤란하게 되어 본 실시예와 같은 효과를 얻을 수 없다.
이것을 설명하기 위해 도 10의 피드포워드 제어기(10)안의 Kg를 1로 하고, Kg=0.5~1.5까지 변화시킨 경우의 응답파형을 도 16에 도시한다.
도 16을 참조하면 지령응답은 조정게인 Kg에 따라 파형이 크게 변화하기 때문에 조정이 곤란한 것이 되는 것을 알 수 있다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드백 제어계와는 독립하여 피드포워드 게인 Kff1, Kff2를 설정할 수 있고 또한 피드백 제어계와 피드포워드 제어계 모두 위치의 항에는 Kg2, 속도항(1회 미분항)에는 Kg가 승상되도록 하고 있기 때문에 일단 응답파형이 결정되면 조정게인 Kg만을 조정함으로써 그 응답파형을 유지한 채 동작시간만을 변경할 수 있게 된다.
즉 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 제어기(10)를 구비하도록 하여 제어계를 2자유도계로 하고, 피드포워드제어기(10)의 게인과 피드백계의 게인을 하나의 파라메터인 조정게인 Kg에 의해 조정할 수 있도록 하고 있기 때문에 요구된 응답특성을 결정하기 위한 게인조정을 간단화할 수 있다.
(실시예 3-2)
다음에 실시예 3-2의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 설명한다.
도17은 본 발명의 제 2실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도이고, 도 18은 도17의 위치결정 서보콘트롤러의 응답을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 도 40에 도시한 종래의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 피드포워드 제어기(11)를 새로이 구비하도록 한 것이다.
피드포워드 제어기(11)는 위치지령 θr을 2회미분한 값을 피드포워드 게인 Kff1에 의해 증폭한 값과, 위치지령 θr을 미분한 값을 피드포워드 게인 Kff2 및 조정게인 Kg에 의해 증폭한 값과, 위치지령 θr을 피드포워드 게인 Kff3 및 조정게인 Kg를 2제곱한 값 Kg2에 의해 증폭한 값을 가산함으로써 얻어진 값을 출력한다.
그리고 본 실시예에 있어서 모터(4)를 제어하기 위한 토오크는 증폭기(27)(28)(29)와, 피드포워드기(11)에서 각각 출력된 값 끼리를 가산한 값을 토오크지령으로서 도시되지 않은 토오크앰프에 의해 생성된다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 제어기(11)를 구비하도록 하여 제어계를 2자유도계로 하고, 피드포워드 제어기(11)의 게인과 피드백계의 게인을 하나의 파라메터인 조정게인 Kg에 의해 조정할 수 있도록 하고 있기 때문에 상기 제 1실시예의 위치결정 서보콘트롤러와 마찬가지로 요구된 응답특성을 결정하기 위한 게인조정을 간략화할 수 있다.
(실시예 3-3)
다음에 실시예 3-3의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 설명한다.
도19는 본 발명의 제 3실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도, 도 20은 도 19의 위치결정 서보콘트롤러의 응답을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 도 17에 도시한 제 3실시예의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 2회 미분기(12) 및 가속도 제어기(13)를 새로이 구비하도록 한 것이다.
2회 미분기(12)는 위치지령 θr과 제어대상과의 위치편차를 2회 미분한다. 가속도 제어기(13)는 2회 미분기(12)에 의해 구해진 값을 가속도 게인 Ki에 의해 증폭하여 출력한다.
그리고 본 실시예에 있어서 모터(4)를 제어하기 위한 토오크는 증폭기(27)(28)(29)와, 가속도 제어기(13)와, 피드포워드기(11)로부터 각각 출력된 값 끼리를 가산한 값을 토오크 지령으로 하며, 도시되지 않은 토오크 앰프에 의해 생성된다.
본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 제어기(11)를 구비하도록 하여 제어계를 2자유도로 하고, 피드포워드 제어기(11)의 게인과 피드백계의 게인을 하나의 파라메터인 조정게인 Kg에 의해 조정할 수 있도록 하고 있기 때문에 상기 제 1실시예의 위치결정 서보콘트롤러와 마찬가지로 요구된 응답특성을 결정하기 위한 게인조정을 간단화할 수 있다.
이상 설명한 것과 같이 본 발명에 의하면 하나의 파라메터를 조정하는 것 만으로 피드백 제어계와 피드포워드 제어계의 게인의 양쪽의 게인을 조정하여 응답파형의 조정을 행할 수 있으므로 외란응답을 조정하는 경우에도 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 4)
다음에 상술한 제 1 및 제 2발명의 개량에 관한 제 4발명의 실시예에 대해 도 21~도 29를 기초로 설명한다.
상술한 같이 위치결정 서보콘트롤러는 통상 위치루프처리 안에 마이너 루프로서 속도루프처리를 갖고 있다. 이와같은 피드백 제어방식의 위치결정 서보콘트롤러에서는 위치루프게인 Kp, 속도루프게인 Kv의 값은 유한의 값으로 상한치를 갖고 있다. 그 때문에 모터(4)의 위치응답 θ은, 위치지령 θr과는 완전하게는 일치하지 않고, 이른바 서보지연이 발생한다.
이와같은 서보지연을 해소하는 방법으로서는 상술한 도 1에 도시한 위치결정 서보콘트롤러와 같이 속도피드포워드 제어기(6)와 가속도 피드포워드 제어기(7)와, 모터(4)의 가속도와 가속도 지령과의 편차를 기초로 가속도 피드백 제어를 행하여토오크 앰프(3)에 토오크 지령을 출력하는 가속도 제어기(8)를 추가하는 방법이 있다.
속도피드 포워드 제어기(6)는 위치지령 θr을 미분한 값을 제 1피드포워드 게인인 피드포워드 게인 Kff1에 의해 증폭함으로써 얻어지는 제 1피드포워드 보상량을 출력한다.
제 1피드포워드 보상량은 위치제어기(1)로부터 출력된 값에 가산된다.
가속도 피드포워드 제어기(7)는 제 1피드포워드 보상량을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인인 피드포워드 게인 Kff2에 의해 증폭하여 얻어지는 제 2피드포워드 보상량을 출력한다.
제 2피드포워드 보상량은 속도제어기(2)로부터 출력된 값에 가산된다.
도 1의 위치결정 서보콘트롤러에서는 모터(4)의 이너샤 J가 명확하게 풀리지 않는 경우에도 가속도 제어기(8)의 가속도 루프게인 Ka의 값에 적당한 값을 설정하면 이 위치결정 콘트롤러의 제어응답에 대한 이너샤 J의 영향을 제거할 수 있고, 가속도 피드포워드 게인 Kff2 = 1로 하면, 위치지령 θr을 입력으로 하여 위치응답 θ을 출력으로 하는 전달함수를 1로 하여 서보지연을 해소할 수 있다.
한편 위치루프 게인 Kp, 속도루프게인 Kv 등의 여러가지 제어계의 파라메터를 조정하여 위치응답 θ의 위치결정 상태의 최적조정을 간단히 행하는 방법으로서 상술한 도 5에 도시하는 위치결정 서보콘트롤러와 같이 위치제어기(1) 및 속도제어기(2) 뒤에 입력을 조정게인 Kg에 의해 Kg배하는 증폭기(10)를 구비하는 방법이 있다.
이 위치결정 서보콘트롤러에서는 위치루프 게인 Kp 및 속도루프게인 Kv를 따로따로 조정하지 않고 조정게인 Kg만을 조정함으로써 위치응답 θ의 위치결정상태의 최적조정을 간단히 행할 수 있다.
도 21은 상술한 2가지 방법을 이용한 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 블록도이다.
이와같은 위치결정 서보콘트롤러에서는 상술과 같이 서보지연을 해소할 수 있고, 위치결정 상태의 최적조정이 간단히 행해지게 된다.
또 도 21의 위치결정 서보콘트롤러의 블록선도는 도22(a), 도22(b)와 같이 변형할 수 있다. 이 때 토오크 앰프의 게인은 1이라고 한다.
통상 상술한 위치결정 서보콘트롤러의 모터(4)의 축단에는 그 콘트롤러의 제어대상이 되는 기계계가 접속되고 있다.
일반적으로 조정게인 Kg등의 피드백 제어계의 게인의 값을 크게 올릴 수 있는 경우에는 그 기계계는 고유진동수가 높은 강체라고 간주할 수 있다.
또 조정게인 Kg등의 피드백 제어계의 게인 값이 크게 올라가지 않는 경우에는 그 기계계는 고유진동수가 낮은 강성이 낮은 기계계라고 간주할 수 있다.
기계계를 고유진동수가 높은 강체라고 간주할 수 있는 경우에는 각 피드포워드 게인 Kff1, Kff2 = 1로 둘 수 있고, 도 22(b)의 블록선도는 도 22(c)의 블록선도와 같이 치환할 수 있다.
또 가속도 루프게인 Ka의 값을 이너샤 J의 값보다도 충분히 크게 할 수 있으면 J/Ka=0으로 간주할 수 있기 때문에 도 22(c)의 블록선도는 도 22(d)의 블록선도와 같이 치환할 수 있다.
도 23(a)은 제어대상이 되는 제어계를 포함한 위치결정 서보콘트롤러의 블록선도이다. 도 23(a)에서는 기계계(11)로부터 모터(4)로의 반력은 무시할 수 있을 만큼 작게하고 있다.
θM은 모터의 위치, θL은 모터(4)에 접속된 기계계(11)의 위치응답, ω은 기계계(11)의 공진주파수, ξ은 기계계(11)의 감쇠계수이다.
기계계(11)의 이너샤를 JL, 스프링 정수를 K로 하면 ω의 값은,
ω=(K/JL)0.5
가 되고, 기계계(11)가 진동계인 경우 ξ는 1보다 작다.
여기서 피드포워드 게인 Kff1, Kff2=1로 하고, J/Ka를 0에 근사하면 도 23(a)의 블록선도는 도 23(b)의 블록선도와 같이 근사된다.
도 24 ~ 도 28은 도 21의 위치결정 서보콘트롤러에서의 위치지령 θr 및 위치지령 θL의 변동의 모양을 도시하는 그래프이다.
도 24~도 28에서는 모터의 가감속 시간이 0.03[초]의 S자 가감속, 모터(4)의 이동시간이 0.06[초], 모터(4)의 회전각도가 3[rad]가 되는 위치지령 θr이 이 위치결정 서보콘트롤러에 입력되고 있다.
도 24~도28에서는 0초보다 가속이 시작해 0.06초에서 위치지령 θr이 3[rad]가 된다. 이 시각을 지령종료 시각으로 한다.
또 도 24~도 28에서는 위치지령 θr과 위치응답 θL과의 오차가 위치결정 완료폭 이내일 때에는 위치응답 θL의 위치결정이 완료한 것으로 하고, 지령종료 시각부터 위치결정 완료까지의 시간을 정수시간으로 한다.
위치결정 완료폭은 ±0.5[rad]로 한다.
도24에는 기계계(11)가 강성이 높은 기계계이고,
ω=300, ξ= 0.01일 때의 위치응답 ωL의 변동의 모양을 도시하고 있다.
각 제어파라메터는 Kp=20, Kv=60, Kg=2,
피드포워드 게인 Kff1=Kff2=1로 설정되고 있다.
도 24와 같이 지령종료 시각후에 있어서 위치응답 θL의 진동은 위치결정 완료폭 이내가 되고 지령종료 시각에는 미리 위치응답 θL의 위치결정이 완료하고 있다. 따라서 이 때의 정수시간은 0초가 된다.
그러나 기계계(11)의 강성이 낮아 ω=100이고, 각 제어파라메터의 값이 도 24와 같은 조건이라고 하면 위치응답 θL에는 도25와 같은 진폭이 큰 진동이 발생한다.
통상 이와같은 경우, 진동을 억제하기 위해 각 제어파라메터중 조정게인 Kg의 값을 내리도록 한다.
도26은 도25와 마찬가지의 저강성의 기계계(11)에 있어서 도 25에서의 각 제어파라메터 값 중 조정게인 Kg의 값을 2에서 1로 뺀 경우의 위치응답 θL의 변동의 모양을 도시하는 그래프이다.
그러나 도 26과 같이 위치응답 θL의 진동은 마땅이 수속시키지 않고 지령종료후에서 0.14초 경과해도 위치응답 θL의 위치결정은 완료하지 않는다.
그래서 이번에는 피드포워드 게인 Kff1, Kff2의 값이 내려간다. 도 27은 도 26과 마찬가지의 저강성의 기계계(11)에 있어서 도 26에서의 각 제어파라메터중 피드포워드 게인 Kff1, Kff2의 값을 1에서 0으로 변경한 경우의 위치응답 θL의 변동의 모양을 도시하는 그래프이다.
도 27과 같이 피드포워드 게인 Kff1=Kff2=0으로 하면, 위치응답 θL의 진동의 폭은 작아져 진동이 위치결정 완료폭 이내로 수속하고, 정정시간은 약 0.012초가 된다.
그러나 피드포워드 게인 Kff1=Kff2=0으로 한 것은 피드포워드 제어의 효과가 전혀 상실되게 된다.
따라서 재차 피드포워드 게인 Kff1, Kff2, 조정게인 Kg를 트라이 앤드 에러에 의해 조정하고, 위치응답 θL의 위치결정의 최적조정을 행한다.
도28은 피드포워드 게인 Kff1=Kff2=0.5, 조정게인 Kg=1.5로 했을 때의 위치응답 θL의 변동의 모양을 도시하는 그래프이다.
이 경우, 위치응답 θL의 진동의 진폭은 위치결정 완료폭보다 작아져 정정(整定)시간은 0이 된다.
이상 설명한 것과 같이 상술한 위치결정 서보콘트롤러에서는 조정게인 Kg의 값과 속도피드 포워드 게인 Kff1의 값 및 가속도 피드포워드 게인 Kff2의 값을 조정하면서 위치결정 상태의 최적조정을 행하고 있다.
그러나 상술한 각 제어파라메터의 조정은 트라이 앤드 에러에 의해 행해지고 있기 때문에 조정에 시간이 걸린다는 문제가 있었다.
상술과 같이 상술한 위치결정 서보콘트롤러에서는 조정게인과 피드포워드 게인을 트라이 앤드 에러로 조정하여 위치결정상태의 최적조정을 행하고 있기 때문에 조정에 시간이 걸린다는 문제가 있었다.
따라서 본 발명은 위치결정 상태의 최적조정을 간단히 행할 수 있는 위치결정 서보콘트롤러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 상위장치에서 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과, 이 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 1증폭수단과, 상기 위치지령을 미분한 값을 제 1피드포워드 게인에 의해 증폭함으로써 얻어지는 제 1피드포워드 보상량을 상기 제 1증폭수단에서 출력된 값에 가산한 값을 속도지령으로 하는 속도피드포워드 제어수단과, 상기 속도지령과 상기 제어대상의 속도와의 속도편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과, 이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과, 상기 제1 피드포워드 보상량을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인에 의해 증폭하여 얻어지는 제 2피드포워드 보상량을 상기 제 2증폭수단에서 출력된 값에 가산한 값을 가속도 지령으로 하는 가속도 피드포워드수단과, 상기 가속도 지령과 상기 제어대상의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 가속도 제어수단과, 상기 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 위치결정 서보콘트롤러로서, 상기 제1 피드포워드게인 및 상기 제 2피드포워드 게인의 값은 상기 조정게인의 값은 상기 조정게인의 값을 빼는 수로 하는 함수의 값인 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 상기 발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 제 1피드포워드 게인 및 제 2피드포워드게인의 값을 조정게인을 빼는 수로 하는 함수의 값으로 함으로써 조정게인만을 조정하는것 만으로 위치결정 상태의 최적화를 도모할 수 있기 때문에 위치결정상태의 최적조정을 간단히 행할 수 있게 된다.
다음에 본 발명의 일 실시예의 위치결정 서보콘트롤러에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도29는 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러의 구성을 도시하는 제어블록선도이다. 본 실시예의 위치결정 서보콘트롤러는 속도피드포워드 제어기(6), 가속도 피드포워드 제어기(7) 대신에 속도피드 포워드 제어기(12), 가속도 피드포워드 제어기(13)를 구비하는 점이 도 21의 위치결정 서보콘트롤러와 다르다.
각 피드포워드 제어기(12)(13)는 피드포워드 게인 Kff1, Kff2에 의해 피드포워드 제어를 행하지만 그 피드포워드 게인 Kff1, Kff2의 값은 식(28)(29)와 같은 조정게인 Kg를 빼는 수로 하는 단조증가 함수 K1(Kg), K2(Kg)의 값이 된다.
여기서 Kgmin, Kgmax는 Kgmin< Kgmax가 되는 소정의 값이며,
Kgmin은 Kg의 최소치이다.
실시예 4의 위치결정 서보콘트롤러에서는 기계계의 강성이 낮고, 위치응답 θL에 진폭이 큰 진동이 도 25와 같이 발생해도 조정게인 Kg의 값을 변경함으로써 피드포워드 게인 Kff1, Kff2의 값도 마찬가지로 변경할 수 있기 때문에 조정게인 Kg를 조정하는 것만으로 기계계의 위치결정의 상태를 도 23과 같이 최적상태로 간단히 조정할 수 있다.
또한 실시예 4의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 게인의 함수 K1, K2는 직선의 단조증가 함수라고 했지만 본 발명의 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 피드포워드 게인의 함수 K1, K2는 증가함수이면 곡선이라도 좋다.
이상 설명한 것과 같이 본 발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 게인의 값을 조정게인을 빼는 수로 하는 함수의 값으로 함으로써 위치응답의 위치결정 상태의 조정을 행할 때 여러개의 제어파라메터를 따로 따로 조정할 필요가 없어지므로 기계계의 위치결정 상태의 최적조정을 간단히 행할 수 있다.
이상 설명한 것과 같이 제1 발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 가속도 지령과 모터의 실제의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭한 값을 토오크 지령으로서 출력하는 가속도 제어기를 구비함으로써 위치지령을 입력으로 하여 위치응답을 출력으로 하는 전달함수의 계수의 안에 포함되는 모터의 이너샤가 미지라도 전달함수 안에서 가속도 루프게인의 값이 그 모터의 이너샤의 분모가 된다. 따라서 가속도 루프게인의 값이 적당한 값으로 설정됨으로서 모터의 이너샤의 위치응답에 대한 영향을 무시할 수 있게 된다. 그 때문에 본 발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 양호한 제어응답을 얻을 수 있다.
또 제 2발명에 의하면 하나의 파라메터를 조정하는 것만으로 응답특정의 조정을 행할 수 있기 때문에 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한 제 3발명 3에 의하면 하나의 파라메터를 조정하는 것 만으로 피드백제어계와 피드포워드 제어계의 게인의 양쪽의 게인을 조정하여 응답파형의 조정을 행할 수 있기 때문에 외란응답을 조정하는 경우에도 요구된 응답특성을 용이하게 실현할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
그리고 제 4발명의 위치결정 서보콘트롤러에서는 피드포워드 게인의 값을 조정게인을 빼는 수로 하는 함수의 값으로 함으로써 위치응답의 위치결정 상태의 조정을 행할 때 여러개의 제어파라메터를 따로따로 조정할 필요가 없어지므로 기계계의 위치결정 상태의 최적조정을 간단히 행할 수 있다.

Claims (8)

  1. 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프 게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    상기 위치지령을 미분한 값을 제 1피드포워드 게인에 의해 증폭함으로써 얻어지는 제 1피드포워드 보상량을 상기 위치제어 수단에서 출력된 값에 가산한 값을 속도지령으로 하는 속도피드 포워드 제어수단과,
    상기 속도지령과 상기 제어대상의 속도와의 속도편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    상기 제 1피드포워드 보상량을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인에 의해 증폭하여 얻어지는 제 2피드포워드 보상량을 상기 속도제어수단에서 출력된 값에 가산한 값을 가속도 지령으로 하는 가속도 피드포워드 수단과,
    상기 가속도 지령과 상기 제어대상의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 가속도 제어수단과,
    상기 토오크지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 서보콘트롤러.
  2. 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    이 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 속도지령으로서 출력하는 제 1증폭수단과,
    상기 제어대상의 위치를 미분함으로써 상기 제어대상의 속도를 구하는 미분수단과,
    상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 제 2증폭수단과,
    상기 토오크지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 서보콘트롤러.
  3. 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프 게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    이 위치제어수단으로부터 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 속도지령으로서 출력하는제 1증폭수단과,
    상기 제어대상의 위치를 미분함으로써 상기 제어대상의 속도를 구하는 미분수단과,
    상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차를 적분하여 속도루프 적분게인을 곱한 값을 출력하는 적분수단과,
    상기 적분수단으로부터 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과,
    상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차에, 상기 제 2증폭수단에서 출력된 값을 가산한 값을 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 토오크지령으로서 출력하는 제 3증폭수단과,
    상기 토오크지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 서보콘트롤러.
  4. 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    이 위치제어 수단에서 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 속도지령으로서 출력하는 제 1증폭수단과,
    상기 제어대상의 위치를 미분함으로써 상기 제어대상의 속도를 구하는 미분수단과,
    상기 속도지령과 상기 미분수단에 의해 구해진 제어대상의 속도와의 속도편차를 적분하여 속도루프 적분게인을 곱한 값을 출력하는 적분수단과,
    상기 적분수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제2증폭수단과,
    상기 제 2증폭수단에서 출력된 값과, 상기 제어대상의 속도와의 편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 제 3증폭수단과,
    상기 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 서보콘트롤러.
  5. 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 비례게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    상기 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인을 2제곱한 값에 의해 증폭하여 출력하는 제 1증폭수단과,
    상기 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 미분한 미분수단과,
    상기 미분수단에 의해 구해진 값을 미분게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과,
    상기 위치지령을 2회 미분한 값을 제 1피드포워드 게인에 의해 증폭한 값과, 상기 위치지령을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인 및 상기 조정게인에 의해 증폭한 값을 가산함으로써 얻어진 값을 출력하는 피드포워드 제어수단과,
    상기 제 1 및 제 2증폭수단과, 상기피드포워드 수단에서 각각 출력된 값 끼리를 가산한 값을 토오크 지령으로 하고, 이 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 서보콘트롤러.
  6. 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 비례게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    상기 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인을 2제곱한 값에 의해 증폭하여 출력하는 제 1증폭수단과,
    상기 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 미분하는 미분수단과,
    상기 미분수단에 의해 구해진 값을 미분게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과,
    상기 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 적분하는 적분수단과,
    상기 적분수단에 의해 구해진 값을 적분게인에 의해 증폭하여 출력하는 적분제어수단과,
    이 적분제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인을 3제곱한 값에 의해 증폭하여 출력하는 제 3증폭수단과,
    상기 위치지령을 2회 미분한 값을 제 1피드포워드 게인에 의해 증폭한 값과, 상기 위치지령을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인 및 상기 조정게인에 의해 증폭한 값과, 상기 위치지령을 제 3피드포워드 게인 및 상기 조정게인을 2제곱한 값에 의해 증폭한 값을 가산함으로써 얻어진 값을 출력하는 피드포워드 제어수단과,
    상기 제 1 및 제 2증폭수단 및 제 3증폭수단과, 상기 피드포워드 수단에서 각각 출력된 값 끼리를 가산한 값을 토오크 지령으로 하고, 이 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 서보콘트롤러.
  7. 상위 장치로부터 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 비례게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    상기 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인을 2제곱한 값에 의해 증폭하여 출력하는 제 1증폭수단과,
    상기 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 미분한 미분수단과,
    상기 미분수단에 의해 구해진 값을 미분게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과,
    상기 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 적분하는 적분수단과,
    상기 적분수단에 의해 구해진 값을 적분게인에 의해 증폭하여 출력하는 적분제어수단과,
    이 적분제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인을 3제곱한 값에 의해 증폭하여 출력하는 제 3증폭수단과,
    상기 위치지령과 제어대상과의 위치편차를 2회 미분하는 2회 미분수단과,
    상기 2회 미분수단에 의해 구해진 값을 가속도 게인에 의해 증폭하여 출력하는 가속도 제어수단과,
    상기 위치지령을 2회 미분한 값을 제 1피드포워드 게인에 의해 증폭한 값과, 상기 위치지령을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인 및 상기 조정게인에 의해 증폭한 값과, 상기 위치지령을 제 3피드포워드 게인 및 상기 조정게인을 2제곱한 값에 의해 증폭한 값을 가산함으로써 얻어진 값을 출력하는 피드포워드 제어수단과,
    상기 제 1 및 제 2증폭수단 및 제 3증폭수단과, 상기 가속도 제어수단과, 상기 피드포워드 수단에서 각각 출력된 값 끼리를 가산한 값을 토오크 지령으로 하고, 이 토오크지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비한 위치결정 서보콘트롤러.
  8. 상위장치에서 발해지는 위치지령과 제어대상의 위치와의 위치편차를 위치루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 위치제어수단과,
    이 위치제어수단에서 출력된 값을 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는제 1증폭수단과,
    상기 위치지령을 미분한 값을 제 1피드포워드 보상량을 상기 제 1증폭수단에서 출력된 값에 가산한 값을 속도지령으로 하는 속도피드 포워드 제어수단과,
    상기 속도지령과 상기 제어대상의 속도와의 속도편차를 속도루프게인에 의해 증폭하여 출력하는 속도제어수단과,
    이 속도제어수단에서 출력된 값을 상기 조정게인에 의해 증폭하여 출력하는 제 2증폭수단과,
    상기 제 1피드포워드 보상량을 미분한 값을 제 2피드포워드 게인에 의해 증폭하여 얻어지는 제 2피드 포워드 보상량을 상기 제 2증폭수단에서 출력된 값에 가산한 값을 가속도 지령으로 하는 가속도 피드포워드 수단과,
    상기 가속도 지령과 상기 제어대상의 가속도와의 가속도 편차를 가속도 루프게인에 의해 증폭하여 토오크 지령으로서 출력하는 가속도 제어수단과,
    상기 토오크 지령을 기초로 상기 제어대상을 구동하는 토오크 앰프를 구비하는 위치결정 서보콘트롤러에 있어서,
    상기 제 1피드포워드 게인 및 상기 제 2피드포워드 게인의 값은 상기 조정게인의 값을 빼는 수로 하는 함수의 값인 것을 특징으로 하는 위치결정 서보콘트롤러.
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