KR20080016865A

KR20080016865A - 기계 위치 제어 장치

Info

Publication number: KR20080016865A
Application number: KR1020077029388A
Authority: KR
Inventors: 히데토시 이케다; 요시히로 마루시타; 케이 테라다; 타카시 이소다; 히로토 타케이
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2008-02-22
Also published as: TW200700946A; KR100951754B1; US20090284208A1; CN101198917A; TWI325523B; JP2006350792A; DE112006001583T5; WO2006134702A1; JP4577107B2; US7911172B2; CN100578412C

Abstract

전동기에 의한 부하 구동계의 강성이 낮은 경우에도, 부하 위치 신호를 피드백하여 행하는 부하의 위치 제어를, 전동기 위치 신호만을 피드백하는 반폐쇄 제어와 동등한 안정성으로 행할 수 있도록 하는 것에 의해 고정밀도의 부하의 위치 제어를 가능하게 한다. 그렇기 때문에, 부하(20)의 현재 위치의 계측값인 부하 위치 신호 x_l에 대해, 위상 지연에 대한 보상을 안정화 보상 회로(80)에 있어서 행한 후, 위치 신호 합성 회로(90)에 있어서 고조파 부분(高調波部分) 은 전동기(20)의 현재 위치의 계측값인 전동기 위치 신호 x_m으로 치환하여 제어 대상 위치 신호 x_fb로 하고, 이 제어 대상 위치 신호 x_fb를 위치 제어 회로(110)에 피드백하여, 전동기(30)가 부하(20)를 구동하는 토크의 목표값을 나타내는 토크 지령 신호를 출력하도록 구성하였다.

Description

기계 위치 제어 장치{MACHINE POSITION CONTROL DEVICE}

본 발명은 공작 기계나 부품 실장기(部品實裝機) 등, 전동기 등의 액추에이터를 이용하여 구동하는 것에 의해 기계계(機械系)의 위치를 제어하는 기계 위치 제어 장치에 관한 것이다.

종래의 기계 위치 제어 장치는, 부하 위치의 검출값인 부하 위치 신호에 로우 패스 필터를 작용시킨 신호와, 전동기 위치의 검출값인 전동기 위치 신호에 하이 패스 필터를 작용시킨 신호를 가산한 신호, 즉 전동기에 의한 부하 구동계가 유한 강성(有限剛性)인 것에 의해, 부하 위치 신호의 위상 지연이 현저하게 되는 공진 주파수 이상의 주파수 대역에 대해서는 위상 지연이 없는 전동기 위치 신호를 이용한 신호를 위치 제어기로의 피드백 신호로 하는 것에 의해, 제어계의 안정을 도모하도록 구성되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1).

또, 전치 보상부(前置補償部)를 마련하여, 위치 지령 신호에 기초한 입력 변수의 2계(階) 미분값에 게인을 곱한 신호를 피드-포워드(feed-forward) 보상값으로서 입력 변수에 가산하는 것에 의해, 기계계에 있어서 이동 방향의 변형 오차를 보상하여, 고정밀도의 제어를 가능하게 하도록 구성되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2).

특허 문헌 1 : 일본 특개 2004-334772호 공보(도 1)

특허 문헌 2 : 일보 특개평 11-184529호 공보(도 3, 도 4)

부하 위치 신호에 로우 패스 필터를 작용시킨 신호와, 전동기 위치 신호에 하이 패스 필터를 작용시킨 신호를 가산하여 위치 제어기로의 피드백 신호로 하는 구성에서, 부하의 위치 제어의 정밀도를 높게 하기 위해서는 하이 패스 필터 및 로우 패스 필터의 필터 주파수를 크게 올릴 필요가 있다. 그러나, 전동기에 의한 부하의 구동계의 강성이 낮은 경우는 필터 주파수를 크게 하면 제어계가 불안정하게 되기 때문에, 필터 주파수를 충분히 크게 하지 못하여 부하의 위치를 고정밀도로 제어하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.

또, 전치 보상부를 마련하는 구성에서는 위치 지령 신호에 기초한 입력 변수의 2계 미분값에 기초하여 피드-포워드 보상값을 연산하여 가산하기 때문에, 위치 지령 신호의 변화에 대해 토크(torque) 지령 신호의 변화가 가파르게 되어, 제어 대상에 주는 충격이 커지기 때문에, 충분히 위치 제어기의 게인을 크게 할 수 없다. 그 결과, 고정밀도 부하의 위치 제어를 실현하는 것이 곤란하고, 또 제어 대상에 외란(外亂)이 입력되었을 때에 생기는 진동을 억제할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 기계 위치 제어 장치는, 위치 속도 제어 회로에 있어서 부하 위치의 목표값을 나타내는 위치 지령 신호와, 전동기의 현재 위치를 나타내는 전동기 위치 신호 및 전동기의 현재 속도를 나타내는 전동기 속도 신호에 더하고, 또 전동기 및 부하의 현재 위치에 관한 참조 정보인 제어 대상 위치 신호를 피드백하여, 전동기가 부하를 구동하는 토크의 목표값을 나타내는 토크 지령 신호를 계산하는 것으로서, 제어 대상 위치 신호는 부하의 현재 위치의 측정값인 부하 위치 신호를, 위상을 진행시키는 전달 함수에 기초하여, 안정화 보상 회로에 있어서 위상 지연을 보상한 보상 부하 위치 신호의 저주파 성분으로 이루어진 신호와, 전동기 위치 신호의 고주파 성분으로 이루어진 신호를 위치 신호 합성 회로에 있어서 합성하도록 구성한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 기계 위치 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

도 2는 제어 대상의 주파수 응답을 나타내는 도면이다.

도 3은 반폐쇄(semi-close) 제어에 의한 기계 위치 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

도 4는 위치 신호 합성 회로의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.

도 5는 안정화 보상 회로의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.

도 6은 감쇠 보상 회로의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.

도 7은 본 발명의 실시 형태 3에 의한 기계 위치 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

도 8은 본 발명의 실시 형태 4에 의한 기계 위치 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

<부호의 설명>

10 제어 대상

20 부하

30 전동기

80, 80a 안정화 보상 수단인 안정화 보상 회로

110 속도 위치 제어 수단인 속도 위치 제어 회로

140 감쇠 보상 수단인 감쇠 보상 회로

실시 형태 1.

제어 대상(10)은 부하(20)를 구동하는 전동기(30) 등으로 구성되고, 전동기(30)는 타이밍 벨트나 볼나사와 같은 토크 전달 기구(40)를 통하여 부하(20)를 구동하고, 그 전동기(30)의 토크 τ_m은 토크 제어 회로(50)에 의해 토크 지령 신호 τ_r에 일치하도록 제어된다.

또, 전동기(30)에 장착된 인코더 등의 전동기 위치 검출기(60)에 의해, 전동기(30)의 현재 위치를 검출하여 전동기 위치 신호 x_m으로서 출력하고, 부하(20)에 장착된 리니어 스케일(linear scale) 등의 부하 위치 검출기(70)에 의해, 부하(20)의 현재 위치를 검출하여 부하 위치 신호 x_l로서 출력한다.

안정화 보상 회로(80)는 부하 위치 신호 x_l을 입력으로 하여, 부하 위치 신호 x_l의 위상 지연을 보상한 보상 부하 위치 신호 x_lc를 출력하고, 위치 신호 합성 회로(90)는 보상 부하 위치 신호 x_lc와 전동기 위치 신호 x_m을 입력으로 하여, 전동기 및 부하의 위치에 관한 피드백 신호인 제어 대상 위치 신호 x_fb를 출력한다.

속도 연산 회로(100)는 전동기 위치 신호 x_m을 입력으로 하여 전동기 속도의 현재 값을 나타내는 전동기 속도 신호 v_m을 출력한다.

위치 속도 제어 회로(110)는 위치 지령 신호 x_r과 제어 대상 위치 신호 x_fb를 입력으로 하여, 속도의 목표값인 속도 지령 v_r을 출력하는 위치 게인 회로(120)와, 속도 지령 v_r과 전동기 속도 신호 v_m을 입력으로 하여, 토크 지령 신호 τ_r의 산출의 기초가 되는 기초 제어 토크 신호 τ_b를 출력하는 속도 PI 제어 회로(130)로 이루어진다.

감쇠 보상 회로(140)는 위치 지령 신호 x_r과 전동기 위치 신호 x_m과 부하 위치 신호 x_l을 입력으로 하여, 외부로부터 설정하는 감쇠 조정 파라미터

에 기초하여, 기초 제어 토크 신호 τ_b를 보정하는 감쇠 보상 토크 신호τ_c를 출력한다. 이 감쇠 보상 토크 신호 τ_c를 기초 제어 토크 신호 τ_b에 가산한 신호가 토크 지령 신호 τ_r로 된다.

다음에 동작에 대해 설명한다.

위치 게인 회로(120)는 위치 지령 신호 x_r과 제어 대상 위치 신호 x_fb의 편차에 위치 게인 k_p를 곱한 신호를 속도 지령 v_r로서 출력한다. 즉, 다음 식의 연산을 행한다.

[식 1]

다음에, 속도 연산 회로(100)는 다음 식으로 나타내지는 바와 같이, 전동기 위치 신호 x_m을 미분하는 것에 의해 전동기 속도 신호 v_m을 출력한다.

[식 2]

다음에, 속도 PI 제어 회로(130)는 속도 지령 v_r과 전동기 속도 신호 v_m을 입력으로 하고, 속도 게인 k_v와 속도 적분 게인 ω_vi를 이용하여, 다음 식으로 나타내지는 PI(비례 적분) 연산에 의해 기초 제어 토크 신호 τ_b를 출력한다.

[식 3]

다음에, 제어 대상(10)의 특성에 대해 설명한다.

제어 대상(10)의 기계 강성이 낮은 경우, 제어 대상(10)은 낮은 주파수(수 Hz ~ 수 10Hz)의 기계 공진을 갖는 특성으로 된다. 가장 낮은 주파수의 기계 공진 특성에 주목하면, 제어 대상(10)은 전동기(30)와 부하(20)가 스프링인 토크 전달 기구(40)로 결합된 2 관성계(慣性系)로서 근사되고, 토크 제어 회로(50)의 응답이 충분히 빠르다고 하면, 토크 지령 신호 τ_r로부터 전동기 위치 신호 x_m까지의 전달 함수 G_p(s) 및 부하 위치 신호 x_l까지의 전달 함수 G_l(s)은 각각 이하로 나타내진다.

[식 4]

[식 5]

여기서, J는 제어 대상(10)의 전체의 관성을 나타내고, ω_z는 반공진 주파수, ω_p는 공진 주파수를 나타낸다.

이 때, 토크 지령 신호 τ_r로부터 전동기 위치 신호 x_m까지의 전달 함수 G_p(s)는 반공진 주파수 ω_z에 대응한 복소 영점(複素零点)(반공진점) z₀을 갖는다.

[식 6]

또, (4) 식 및 (5) 식에 나타낸, 제어 대상(10)의 전달 함수의 주파수 응답을 도 2에 나타낸다. 도 2에서, 토크 지령 신호 τ_r로부터 전동기 위치 신호 x_m까지의 전달 함수 G_p(s)는 위상이 -180도보다 지연되는 일은 없지만, 부하 위치 신호 x_l까지의 전달 함수 G_l(s)은 공진 주파수 ω_p에서 위상이 크게 지연된다는 것을 알 수 있다.

다음에, 안정화 보상 회로(80) 및 위치 신호 합성 회로(90)의 동작을 설명하 기 위해, 전동기를 이용하여 기계계를 구동하는 경우에 가장 넓리 이용되는 제어계로서, 부하(20)의 위치에 관한 피드백을 이용하지 않은 반폐쇄 제어계에 대해 설명한다.

도 3은 반폐쇄 제어계의 구성을 나타내는 블록도로서, 도 1의 구성에 비해 부하 위치 검출기(70) 및 부하 위치 신호 x_l이 없고, 또 위치 신호 합성 회로(90), 안정화 보상 회로(80) 및 감쇠 보상 회로(140)를 구비하고 있지 않고, 전동기 위치 신호 x_m을 그대로 제어 대상 위치 신호 x_fb로서 위치 게인 회로(120)에 입력하는 것이다.

이 도 3의 반폐쇄 제어계는 부하 위치 신호 x_l을 피드백하지 않기 때문에, 토크 전달 기구(40)의 변형 등이 있으면 부하(20)의 위치를 정확하게 제어할 수 없다. 그러나, 제어계의 안정을 유지한 채로 위치 게인 회로의 위치 게인 k_p를 비교적 크게 할 수 있고, 전동기 위치 신호 x_m을 제어하는 응답은 높게 할 수 있다고 하는 특징이 있다.

또, 이 반폐쇄 제어계에서는 전체의 제어 루프를 토크 지령 신호 τ_r의 개소(箇所)에서 절개한 개루프(open-loop) 전달 함수 L(s)(일순 전달 함수라고도 부름, 이하에서는 간단히 개루프 전달 함수라고 부름)은 속도 게인 k_v와 속도 적분 게인 ω_vi를 이용하여 다음 식으로 나타내진다.

[식 7]

상기의 반폐쇄 제어의 개루프 전달 함수 L(s)에는 토크 지령 신호 τ_r로부터 전동기 위치 신호 x_m까지의 제어 대상(10)의 전달 함수 G_p(s)가 요소로서 포함된다. 그렇기 때문에, G_p(s)에 포함되는 반공진점 z₀이 그대로 개루프 전달 함수의 영점으로서 포함된다. 또, 개루프 전달 함수에 있어서 반공진점 이외의 영점는 속도 PI 제어 회로(130) 및 위치 게인 회로(120)에서 설정한 ―ω_vi 및 ―k_p의 실수(實數) 영점이다.

한편, 상기의 반폐쇄 제어계에 대해, 부하 위치 신호 x_l을 피드백하는 것에 의해, 토크 전달 기구(40)의 변형 등에 관계없이 부하(20)의 위치를 정확하게 제어하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 부하 위치 신호 x_l을 그대로 이용하면, 일정한 주파수 이상의 영역에서는 제어 대상(10)의 기계 강성이 낮은 것에 의한 위상 지연의 영향을 받아 제어가 불안정하게 되기 때문에, 특허 문헌 1에 기재된 바와 같은 소정의 주파수 이상의 영역에 대해서는 전동기 위치 신호 x_m을 피드백하는 구성이 생각되고 있다.

그 구성은 도 1의 구성에 있어서, 감쇠 보상 회로(140)를 제외하고 감쇠 보상 토크 신호 τ_c를 0으로 하고, 또 안정화 보상 회로(80)를 제외하고, 보상 부하 위치 신호 x_lc 대신에 부하 위치 신호 x_l을 그대로 위치 신호 합성 회로(90)에 입력한 구성에 상당하고, 부하 위치 신호 x_l과 전동기 위치 x_m을 위치 신호 합성 회로(90)에서 합성하여 위치 게인 회로(120)에 피드백하는 것이다.

도 4는 위치 신호 합성 회로(90)의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.

전동기 위치 필터(91)는 전동기 위치 신호 x_m을 입력으로 하고, 필터 주파수를 ω_f로 하는 하이 패스 필터 F_m(s)을 작동시킨 신호를 출력한다. 또, 부하 위치 필터(92)는 보상 부하 위치 신호 x_lc를 입력으로 하여, 필터 주파수를 전동기 위치 필터(91)와 동일한 ω_f로 하는 로우 패스 필터 F_l(s)을 동작시킨 신호를 출력한다.

그리고, 전동기 위치 필터(91)의 출력과 부하 위치 필터(92)의 출력의 합 신호가 위치 신호 합성 회로(90)에 의해 제어 대상 위치 신호 x_fb로서 출력된다.

즉, 위치 신호 합성 회로(90)는 다음 식으로 나타내지는 연산을 행한다.

[식 8]

즉, 위치 신호 합성 회로(90)는 부하 위치 신호 x_lc의 저주파수 성분과 전동기 위치 신호 x_m의 고주파수 성분으로부터, 제어 대상 위치 신호 x_fb를 합성하는 것으로서, 필터 주파수 ω_f를 크게 할수록, 전동기 위치 신호 x_m보다 부하 위치 신호 x_lc를 이용하는 정도가 커지도록 구성된다.

그런데, 제어 대상 위치 신호 x_fb는 전동기 위치 신호 x_m과 부하 위치 신호 x_l의 주파수 성분을 합성하여 생성하고 있고, 필터 주파수 ω_f보다 낮은 주파수에서는 제어 대상 위치 신호 x_fb에는 부하 위치 신호 x_l이 많이 포함된다. 따라서, 부하 위치 신호 x_l의 제어 정밀도를 향상시키기 위해서는 위치 게인 회로(120)에 있어서 위치 게인 k_p를 충분히 크게 하는 동시에, 위치 신호 합성 회로(90)의 필터 주파수 ω_f를 크게 하여 부하 위치 신호 x_l을 이용하는 정도를 크게 할 필요가 있다.

그렇지만, 도 2에 나타낸 바와 같이, 토크 지령 신호 τ_r에 대한 부하 위치 신호 x_l의 응답 G_l(s)은 토크 지령 신호 τ_r에 대한 전동기 위치 신호 x_m의 응답 G_p(s)보다 위상이 지연되기 때문에, 개루프 전달 함수 L(s)은 (7) 식에 나타낸 반폐쇄 제어의 것보다 위상이 지연된다. 그 결과, 제어계가 불안정하게 되기 쉬우며 진동도 커지기 때문에, 필터 주파수 ω_f와 위치 게인 k_p를 충분히 크게 할 수 없었다.

따라서, 이하와 같이, 안정화 보상 회로(80)에 있어서, 부하 위치 신호 x_l의 위상 지연에 대한 보상을 행한 보상 부하 위치 신호 x_lc를 출력하도록 구성한다.

도 5는 안정화 보상 회로(80)의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.

2계 미분 회로(81)는 부하 위치 신호 x_l을 2계 미분한 신호를 출력한다. 또, 안정화 보상 게인 회로(82)는 2계 미분 회로(81)의 출력에, 외부로부터 설정하는 안정화 보상 게인 K_st를 곱한 신호를 출력한다. 또, 안정화 보상 회로(80)는 안정화 보상 게인 회로(82)의 출력과 부하 위치 신호 x_l의 합 신호를 보상 부하 위치 신호 x_lc로서 출력한다.

즉, 안정화 보상 회로(80)는 다음 식의 전달 함수 C_st(s)로 나타내지는 연산을 행한다.

[식 9]

안정화 보상 회로(80)가 이상과 같이 동작하기 때문에, 토크 지령 신호 τ_r로부터 보상 부하 위치 신호 x_lc까지의 전달 함수는 다음 식으로 나타내진다.

[식 10]

여기서, 안정화 보상 게인 K_st는 제어 대상(10)의 반공진 주파수 ω_z를 이용하여 다음 식과 같이 설정한다.

[식 11]

또한, 반공진 주파수 ω_z는 제어 대상(10)의 주파수 응답을 측정하거나, 속도 PI 제어 회로(130)의 속도 게인 k_v를 크게 했을 때의 제어 대상(10)의 진동 주파수를 측정하는 등 방법으로 추정할 수 있다.

(11) 식과 같이 안정화 보상 게인 K_st를 설정하면, 토크 지령 신호 τ_r로부터 보상 부하 위치 신호 x_lc까지의 전달 함수는 (4) 식의 G_p(s)에 일치하고, 또 토크 지령 신호 τ_r로부터 보상 부하 위치 신호 x_lc까지의 전달 함수도 동양(同樣)으로 G_p(s)에 일치한다.

즉, 다음 식이 성립된다.

[식 12]

따라서, 토크 지령 신호 τ_r로부터 기초 제어 토크 신호 τ_b까지의 전달 함수는 다음 식에 나타내는 바와 같이 (7) 식에 나타낸 반폐쇄 제어의 경우의 개루프 전달 함수에 일치한다.

[식 13]

상기의 결과, 안정화 보상 회로(80)를 이용하는 것에 의해 반폐쇄 제어와 동등한 안정성을 확보할 수 있고, 위치 게인 회로(120)에 있어서 위치 게인 k_p나, 위 치 신호 합성 회로(90)에 있어서 필터 주파수 ω_f를 충분히 크게 하는 것이 가능하게 된다.

그 결과, 부하 위치 신호 x_l의 제어 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또, 반폐쇄 제어와 동양으로, 개루프 전달 함수의 영점에 (6) 식에 나타낸 제어 대상(10)의 반공진점 z₀이 포함된다.

여기서, 안정화 보상 회로(80)와 고주파수 노이즈의 관계에 대해 설명한다.

안정화 보상 회로(80)는 부하 위치 신호 x_l의 2계 미분을 포함하는 연산에 의해 보상 부하 위치 신호 x_lc를 출력하도록 구성하나, 부하 위치 필터(92)를 통하여 제어 대상 위치 신호 x_fb를 구하는 것, 또 일반적으로 위치 제어계의 응답은 속도 PI 제어 회로(130)의 응답보다 지연되기 때문에 위치 신호 합성 회로(90)의 필터 주파수 ω_f를 극단적으로 크게 할 필요는 없기 때문에, 제어 대상 위치 신호 x_fb는 극단적으로 노이즈적으로는 되지 않는다.

또, 위치 지령 신호 x_r의 입력에 대한 토크 지령 신호 τ_r의 동작은 통상의 반폐쇄 제어와 동양이기 때문에, 위치 지령 신호 x_r이 가파르게 변화해도 토크 지령 신호 τ_r의 변화가 가파르게 변화하는 문제를 일으키는 일도 없다.

또한, 감쇠 보상 회로(140)에 의해, 위치 지령 신호 x_r과 전동기 위치 신호 x_m과 부하 위치 신호 x_l로부터, 외부로부터 설정하는 감쇠 조정 파라미터

에 기초하여 연산되는 감쇠 보상 토크 신호 τ_c를 기초 제어 토크 신호 τ_b에 가산하여, 토크 지령 신호 τ_r을 얻도록 구성한다.

도 6은 감쇠 보상 회로(140)의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.

제1의 감쇠 게인 회로(141)는 부하 위치 신호 x_l과 전동기 위치 신호 x_m의 차신호를 입력으로 하고, 제1의 감쇠 게인 K_z1을 곱한 신호를 제1의 감쇠 보상 신호 x_z1로서 출력한다. 부하 위치 미분 회로(142)는 위치 지령 신호 x_r과 부하 위치 신호 x_l의 차신호를 미분한 신호를 출력하고, 제2의 감쇠 게인 회로(143)는 부하 위치 미분 회로(142)의 출력에 제2의 감쇠 게인 K_z2를 곱한 신호를, 제2의 감쇠 보상 신호 x_z2로서 출력한다. 제3의 감쇠 게인 회로(144)는 위치 지령 신호 x_r과 부하 위치 신호 x_l의 차신호에 제3의 감쇠 게인 K_z3을 곱한 신호를, 제3의 감쇠 보상 신호 x_z3으로서 출력한다. 감쇠 조정 회로(145)는 제1의 감쇠 보상 신호 x_z1과 제2의 감쇠 보상 신호 x_z2와 제3의 감쇠 보상 신호 x_z3을 가산한 신호에 감쇠 조정 파라미터

를 곱한 신호를 출력한다.

즉, 감쇠 보상 회로(140)는 이하의 연산을 행한다.

[식 14]

다음에, 감쇠 보상 회로(140)의 정수 설정 방법에 대해 설명한다. 감쇠 보상 회로(140)는 상술한 바와 같이 동작하는 것에 의해, 토크 지령 신호 τ_r로부터 감쇠 보상 토크 신호 τ_c까지의 전달 함수는 (6) 식, (7) 식, (8) 식으로부터 다음 식으로 나타내진다.

[식 15]

감쇠 보상 회로(140)에 있어서, 제1의 감쇠 게인 K_z1과 제2의 감쇠 게인 K_z2와 제3의 감쇠 게인 K_z3을, 속도 PI 제어 회로(130) 및 위치 게인 회로(120)에서 설정한 정수인 속도 게인 k_v, 적분 게인 ω_vi, 위치 게인 k_p를 이용하여 이하와 같이 설정한다.

[식 16]

[식 17]

[식 18]

상기와 같이 설정한 결과, 토크 지령 신호 τ_r로부터 감쇠 보상 토크 신호 τ_c까지의 전달 함수는 다음 식으로 된다.

[식 19]

또, 토크 지령 신호 τ_r의 점에서 구한 개루프 전달 함수는 (15) 식과 (19) 식으로부터 다음 식으로 된다.

[식 20]

따라서, 개루프 전달 함수에 있어서 반공진점이 (6) 식으로 나타내지는 z₀으로부터, 다음 식의 z_c로 변화한다.

[식 21]

단, 상기에서 이용한 반공진점의 감쇠 계수 ξ_z는 다음 식으로 나타내진다.

[식 22]

또, 감쇠 정수

의 변경에 의해, (20) 식의 개루프 전달 함수의 극 및 영점은 (21) 식 및 (22) 식에 나타낸 반공진점 이외는 변화하지 않는다. 또, 반공진점의 절대값인 반공진 주파수 ω_z도 변화하지 않고, 반공진점의 감쇠 계수만이 변화한다.

이와 같이, 감쇠 보상 회로(140)를 상기대로 구성하는 것에 의해, 외부로부터 설정하는 감쇠 파라미터

에 의해, 도 1의 제어계에서 개루프 전달 함수에 있어서 반공진점의 감쇠 계수만을 변경하도록 구성하고 있다.

이, 외부로부터 설정하는 감쇠 파라미터

에 의해, 개루프 전달 함수에 있어서 반공진점의 감쇠 계수만을 변경하는 구성의 이점을 이하에 설명한다.

속도 게인 k_v를 충분히 크게 하면, 제어계의 폐루프극은 개루프 전달 함수의 영점으로 점점 가까워진다는 것이 알려져 있다. 즉, (7) 식에 나타낸 개루프 전달 함수를 갖는 반폐쇄 제어계나, 도 1의 제어계로 감쇠 파라미터

를 0으로 한 경우, 속도 제어 게인 k_v를 크게 하면, 폐루프극의 일부가 (6) 식에 나타낸 제어 대상(10)의 반공진점에 가까워진다. 이 때문에, 폐루프극이 감쇠 계수가 작은 것이 되어 제어 대상(10)의 응답이 진동적으로 된다.

한편, 반공진점의 감쇠 계수가 (22) 식에 나타낸 바와 같이 감쇠 파라미터

를 크게 하면 커진다. 또, 개루프 전달 함수 L(s)에 있어서 그 이외의 영점은 실수인 ―ω_vi 및 ―k_p이다.

그 결과, 속도 제어 게인 k_v를 크게 하면, 폐루프극이 감쇠 계수가 큰 반공진점과 실수가 영점에 가까워져, 제어 대상(10)에 외란이 더해져도 제어계의 진동이 억제된다.

또한, 감쇠 조정 파라미터

는 (22) 식으로 나타내지는 감쇠 계수 ξ_z가 0.5 정도가 될 정도까지 큰 값으로 설정하면 충분하며, 조정의 전망도 좋다. 또, 외란 억제 효과를 크게 하기 위해서는 통상의 반폐쇄 제어에 있어서 조정 방법과 완전히 같게 속도 게인 k_v, 속도 적분 게인 ω_vi, 위치 게인 k_p를 크게 하면 된다.

또한, 감쇠 보상 회로(140)에 있어서, 부하 위치 신호 x_l을 2계 미분하여 얻어지는 부하 가속도 신호에, 속도 게인 k_v와 ―1을 곱하여 제1의 감쇠 보상 신호 x_z1을 연산해도, 개루프 전달 함수는 상기와 동일한 (20) 식이 되기 때문에 동양의 효과를 얻을 수 있으나, 부하 위치 신호 x_l의 2계 미분 신호를 이용하는 것에 의해 고주파수의 노이즈 성분이 커진다. 따라서, 상술한 바와 같이, 전동기 위치 신호 x_m과 부하 위치 신호 x_l의 차신호에, 제1의 감쇠 게인 K_z1을 곱하여 제1의 감쇠 보상 신호 x_z1을 연산하는 것에 의해, 노이즈의 문제가 발생하지 않도록 구성하고 있다.

이상에 의해, 안정화 보상 회로(80) 및 감쇠 보상 회로(140)의 효과에 의해, 반폐쇄 제어와 완전히 동양인 조정 방법으로 조정하는 동시에, 외부로부터 조정하는 파라미터인 감쇠 조정 파라미터

를 적절한 크기까지 크게 할뿐인 간단한 조정이고, 부하 위치 신호 x_l의 제어 정밀도를 향상시켜 제어 대상(10)에 가해지는 외란에 대해서도 진동을 억제하는 제어계를 실현하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기에서는 감쇠 보상 회로(140)에서는 도 6에 기재한 블록도의 연산, 즉(14) 식에 나타낸 연산을 행한다고 하였으나, 이것은 다음 식에서 나타내는 바와 같은 감쇠 보상 회로(140)에 대한 입력 신호로부터 직접적으로 감쇠 보상 토크 신호 τ_c를 얻는 연산을 행해도 동양의 효과가 얻어진다.

[식 23]

또, 감쇠 보상 회로(140)에 의해 얻어지는 효과의 원리는 개루프 전달 함수에 있어서 반공진점의 감쇠 계수를 (22) 식에 나타낸 바와 같이 크게 하는 것에 의해, 폐루프극의 감쇠 계수를 크게 하여 진동을 억제하는 것이다. 따라서, 감쇠 보상 회로(140)에 있어서 위치 지령 신호 x_r에 대한 연산 동작은 개루프 전달 함수가 같으면 상술한 (14) 식이나 (23) 식과 다르게 구성해도 된다.

예를 들어, 감쇠 보상 회로(140)에 입력하는 위치 지령 신호 x_r을, 위치 지령 신호 x_r에 로우 패스 필터를 동작시킨 신호 대신에, 위치 지령 신호 x_r의 변화에 대한 감쇠 보상 토크 신호 τ_c의 변화를 순조롭게 해도 된다. 또 반대로, 감쇠 보상 회로(140)의 내부에 있어서, 위치 지령 신호 x_r을 2계 미분한 신호인 지령 가속도 신호 a_r의 연산을 행하고, 이 지령 가속도 신호 a_r에 적절한 게인과 감쇠 파라미터

를 곱한 신호를 감쇠 보상 토크 신호 τ_c에 추가로 더하는 것에 의해, 감쇠 파라미터

를 크게 했을 때에 위치 지령 신호 x_r의 변화에 대한 전동기 위치 신호 x_m의 응답이 가능한 빨라지도록 구성해도 된다.

실시 형태 2.

실시 형태 1에서는 기초 제어 토크 신호 τ_b의 연산을, 위치 게인 회로(120), 속도 연산 회로(100)나 속도 PI 제어 회로(130)를 이용하여 (1) 식, (2) 식, (3) 식을 이용한 연산에 의해 계산하는 구성에 대해 설명하였으나, 다른 구성으로 연산해도 된다. 특히, 토크 신호 명령 τ_r로부터 기초 제어 토크 신호 τ_b까지의 전달 함수가 실시 형태 1의 (13) 식에서 나타낸 것과 등가인 경우는 감쇠 보상 회로(140)의 연산은 상술인 채로 좋다.

한편, 토크 신호 지령 τ_r로부터 기초 제어 토크 신호 τ_b까지의 전달 함수가 (13) 식에서 나타낸 것과 다른 경우는 감쇠 보상 회로(140)의 연산도 그에 따라 변경하면 되고, 이하에 그 내용에 대해 설명한다.

예를 들어, 전동기 위치 검출기(60)의 분해능(分解能)이 극단적으로 낮은 경우의 대책으로서, 속도 연산 회로(100)가 (4) 식의 미분 연산 대신에, (24) 식과 같이 속도 필터 F_v(s)를 추가한 연산에 의해 전동기 속도 신호 v_m을 연산했다고 하면, 토크 지령 신호 τ_r로부터 기초 제어 토크 신호 τ_b까지의 전달 함수는 (25) 식으로 된다.

[식 24]

[식 25]

이 경우, 감쇠 보상 회로(140)에서의 감쇠 보상 토크 신호 τ_c의 연산은 (16) 식으로 설정되는 제1의 감쇠 게인 K_z1, (18) 식으로 설정되는 제3의 감쇠 게인 K_z3 및 감쇠 파라미터

와, 새롭게 도입하는 제4 감쇠 게인 K_z4, 제5 감쇠 게인 K_z5 및 (25) 식의 속도 필터와 동일한 전달 함수 F_v(s)를 이용하여, 다음 식에 의해 행하면 된다.

[식 26]

단, 제4 감쇠 게인 K_z4 및 제5 감쇠 게인 K_z5는 다음과 같이 설정한다.

[식 27]

[식 28]

그러면, 토크 지령 신호 τ_r의 개소에서 구한 개루프 전달 함수 L(s)은 다음 식으로 된다.

[식 29]

즉, 감쇠 파라미터

의 변경에 의해, (29) 식의 개루프 전달 함수의 영점 중에서, 반공진점의 감쇠 계수만이 변화하는 구성으로 된다. 또한, 반공진점 이외의 영점에 대해서는 (29) 식을 전개하면 기술이 복잡해지기 때문에 생략하나, 감쇠 파라미터

의 변경으로 변화하지 않은 것은 분명하고, 또 통상의 조정에서는 반공진점 이외의 영점은 실수, 또는 감쇠 계수가 큰 복소 영점이 되는 것이다.

이상에 의해, 토크 지령 신호 τ_r로부터 기초 제어 토크 신호 τ_b까지의 전달 함수가 실시 형태 1의 (13) 식에서 나타낸 것과 다른 경우에 있어서도, 속도 게인 k_v를 충분히 크게 하면, 실시 형태 1과 동양으로, 감쇠 조정 파라미터

를 적절한 값으로 크게 하는 것만으로 폐루프극의 감쇠 계수를 크게 할 수 있다. 이에 의해, 제어 대상(10)에 외란이 더해지는 경우에도 진동을 억제하는 것이 가능하게 되어, 간단한 조정으로 고정밀도로 전동기(30)의 위치, 또는 부하(20)의 위치를 제어하는 것이 가능하게 된다.

실시 형태 3.

실시 형태 1에서는 안정화 보상 회로(80)에 있어서, 부하 위치 신호 x_l을 2 계 미분하여 안정화 보상 게인 K_st를 곱한 신호를 부하 위치 신호 x_l에 가산하는 것에 의해, 부하 위치 신호 x_l의 위상 지연에 대한 보상을 행하였으나, 제어 대상(10)의 반공진 주파수 ω_z 및 공진 주파수 ω_p의 부근에서 위상을 진행시키는 효과가 있으면 효과의 대소는 있지만, 다른 연산을 행해도 부하 위치 신호 x_l의 위상 지연에 대한 보상을 행할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 형태 3에 의한 기계 위치 제어 장치를 나타내는 블록도이나, 도 1에 나타낸 실시 형태 1에 있어서 감쇠 보상 회로(140)를 생략하고, 기초 제어 토크 신호 τ_b를 그대로 토크 지령 신호 τ_r로 하는 구성이다.

예를 들어, 안정화 보상 회로(80a)에 있어서, 안정화 보상 게인 K_st와 필터 시정수 t_st를 이용하여 이하의 전달 함수로 나타내지는 연산을 행한다.

[식 30]

식 (30)은 실시 형태 1에 있어서 안정화 보상 회로(80)의 연산에, 또한 2차의 로우 패스 필터를 추가한 것이고, 부하 위치 검출기(70)의 분해능이 특히 엉성하여 문제를 일으키는 경우 등에 노이즈를 감소시키는 효과가 커진다.

이 경우, 안정화 보상 게인 K_st는 실시 형태 1에서 이용한 (11) 식에 가까운 값으로 설정하면 되고, 또 필터 시정수 t_st는 안정화 보상 게인 K_st의 제곱근보다 작은 값으로 하면, (30) 식의 연산에 의해 위상을 진행시키는 효과가 얻어진다.

또, (30) 식에서는 분자 분자가 2차의 전달 함수에 의해 위상 진행 특성을 갖는 연산을 행하였으나, 예를 들어 다음 식에 나타내는 바와 같은 분자 분자가 1차의 전달 함수라도, 반공진 주파수 ω_z 및 공진 주파수 ω_p의 부근에서 위상을 진행시키는 효과가 있기 때문에, 안정화 보상 회로(80a)가 없는 구성에 비해 위치 게인 k_p와 필터 주파수 ω_f을 크게 할 수 있는 효과가 있다.

[식 31]

단, 위상을 진행시키는 효과는 t₂<t₁ 로 했을 때에 얻어지고, 또 t₁은 반공진 주파수 ω_z의 역수 부근의 값으로 설정하는 것으로 한다.

이상과 같이 구성하면, 안정화 보상 회로(80a)는 부하 위치 신호 x_l을 입력으로 하여, (30) 식 또는 (31) 식으로 나타나는 바와 같은 위상을 진행시키는 전달 함수의 연산에 의해 보상후 부하 위치 신호 x_lc를 출력한다. 또, 위치 신호 합성 회 로(90)는 전동기 위치 신호 x_m에 하이 패스 필터를 동작시킨 신호와, 보상 부하 위치 신호 x_l에 로우 패스 필터를 동작시킨 신호의 합 신호를, 제어 대상 위치 신호 x_fb로서 출력한다. 따라서, 이 실시 형태 3의 구성에서는 위치 지령 신호 x_r과 제어 대상 위치 신호 x_fb에 기초하여 있어 토크 지령 신호 τ_r의 연산을 행하고 있다.

그 결과, 안정화 보상 회로(80a)가 없는 구성에 비해 위상을 진행시킨 제어대상 위치 신호 x_fb를 피드백하는 것에 의해 제어 대상(10)의 기계 강성이 낮아도, 위치 신호 합성 회로(90)의 필터 주파수 ω_f및 위치 게인 회로(120)의 위치 게인 k_p를 안정적으로 크게 하는 것이 가능하게 되어, 부하 위치 신호 x_l의 제어 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

실시 형태 4.

실시 형태 1의 안정화 보상 회로(80)와 위치 신호 합성 회로(90)를 생략했을 때의, 감쇠 보상 회로(140)의 동작은 다음과 같이 된다.

도 8은 이 실시 형태 4에 의한 기계 위치 제어 장치를 나타내는 블록도이고, 도 1의 구성으로부터 안정화 보상 회로(80)와 위치 신호 합성 회로(90)를 생략하고, 위치 게인 회로(120)에는 제어 대상 위치 신호 x_fb 대신에 전동기 위치 신호 x_m을 그대로 입력하는 것이다.

이상과 같은 구성에 있어서, 개루프 전달 함수는 실시 형태 1과 동일하게 (20) 식으로 나타내고, 감쇠 조정 파라미터

의 변경에 의해 개루프 전달 함수에 있어서 반공진점의 감쇠 계수 ξ_z만을 변경하도록 구성한다. 그 결과, 속도 게인 k_v를 충분히 크게 하면, 감쇠 조정 파라미터

를 적절한 값으로 크게 하는 것만으로 폐루프극의 감쇠 계수를 크게 할 수 있고, 제어 대상(10)에 외란이 더해지는 경우에도 진동을 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 이 실시 형태 4에서는 안정화 보상 회로(80)와 위치 신호 합성 회로(90)가 없는 것에 의해, 위치 지령 신호 x_r에 전동기 위치 신호 x_m이 일치하도록 동작하여, 부하 위치 신호 x_l과 전동기 위치 신호 x_m사이에 생기는 정상적 오차를 보정하는 기능은 없으나, 이와 같은 오차가 특히 문제가 되지 않는 용도에 있어서는 간단한 제어계의 구성으로 속도 게인 k_v나 위치 게인 k_p를 크게 하는 동시에, 감쇠 보상 회로(140)의 기능에 의해 개루프 전달 함수에 있어서 반공진점의 감쇠 계수를 크게 하여 진동을 억제하여, 전동기(30)의 위치를 고정밀도로 제어할 수 있다. 또 그 결과, 부하(20)의 위치도 문제없이 제어된다. 따라서, 간단한 조정으로 고정밀도에 전동기(30)의 위치 및 부하(20)을 제어하는 것이 가능하게 된다.

또한, 실시 형태 1로부터 실시 형태 4의 구성의 이외, 위치 속도 제어 회로(110)에 전동기 속도의 피드백인 전동기 속도 신호 v_m을 입력하지 않은 구성이나, 속도 PI 제어 회로(130) 대신에, 속도 IP 제어를 행하는 회로를 이용하는 구성 등의 변형예를 생각할 수 있으나, 그러한 변경에 대응한 전달 특성을 갖는 안정화 보 상 회로(80)나 감쇠 보상 회로(140)를, 상기의 실시 형태 1로부터 실시 형태 4와 동양인 방법으로 구성할 수 있다

본 발명에 의하면, 전동기에 의한 부하의 구동계의 강성이 낮은 경우에도, 부하 위치 신호를 피드백하여 행하는 부하의 위치 제어를, 전동기 위치 신호만을 피드백하는 반폐쇄 제어와 동등한 안정성으로 행할 수 있도록 하는 것에 의해 고정밀도의 부하의 위치 제어가 가능하게 된다.

Claims

전동기에 의해 구동되는 부하 위치의 목표값을 나타내는 위치 지령 신호와, 상기 전동기와 상기 부하의 현재 위치에 관한 참조 정보인 제어 대상 위치 신호를 입력으로 하고, 상기 전동기가 상기 부하를 구동하는 토크(torque)의 목표값인 토크 지령 신호를 출력하는 위치 속도 제어 수단과,

상기 부하의 현재 위치의 측정값인 부하 위치 신호를 입력으로 하고, 위상을 진행시키는 전달 함수에 기초하여, 상기 부하 위치 신호의 위상 지연에 대한 보상을 행한 보상후 부하 위치 신호를 출력하는 안정화 보상 수단과,

상기 전동기의 현재 위치의 측정값인 전동기 위치 신호의 고주파 성분으로 이루어진 신호와, 상기 보상후 부하 위치 신호의 저주파 성분으로 이루어진 신호를 합성하여, 상기 제어 대상 위치 신호를 출력하는 위치 신호 합성 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기계 위치 제어 장치.
청구항 1에 있어서,

안정화 보상 수단은 부하 위치 신호를 2계(階) 미분하여 안정화 보상 게인을 곱한 신호와 부하 위치 신호를 가산하는 것을 특징으로 하는 기계 위치 제어 장치.
전동기에 의해 구동되는 부하의 위치의 목표값을 나타내는 위치 지령 신호와, 상기 전동기 및 상기 부하의 현재 위치에 관한 참조 정보인 제어 대상 위치 신 호를 입력으로 하고, 상기 전동기가 상기 부하를 구동하는 토크의 목표값인 토크 지령 신호의 산출의 기초가 되는 기초 제어 토크 신호를 출력하는 위치 속도 제어 수단과,

상기 부하의 현재 위치의 측정값인 부하 위치 신호를 입력으로 하고, 위상을 진행시키는 전달 함수에 기초하여, 상기 부하 위치 신호의 위상 지연에 대한 보상을 행한 보상후 부하 위치 신호를 출력하는 안정화 보상 수단과,

상기 전동기의 현재 위치의 측정값인 전동기 위치 신호의 고주파 성분으로 이루어진 신호와, 상기 보상후 부하 위치 신호의 저주파 성분으로 이루어진 신호를 합성하여, 상기 제어 대상 위치 신호를 출력하는 위치 신호 합성 수단과,

상기 기초 제어 토크 신호에 가산하는 것으로 상기 토크 지령 신호를 얻는 감쇠 보상 토크 신호를, 상기 전동기 위치 신호와 상기 부하 위치 신호를 입력으로 하여 출력하는 수단으로서, 상기 전동기에 의한 부하의 구동계를 2 관성계(慣性系)로서 모델화했을 때에, 상기 토크 지령 신호로부터 상기 기초 제어 토크 신호까지의 전달 함수인 제1의 개루프(open-loop) 전달 함수에 대해, 그 제1의 개루프 전달 함수와 합성하여 얻어지는 개루프 전달 함수가 상기 제1의 개루프 전달 함수에 있어서 상기 2 관성계의 반공진점의 감쇠 계수만을 변경한 것이 되도록 정한 제2의 개루프 전달 함수에 기초하여, 상기 토크 지령 신호로부터의 전달 함수가 상기 제2의 개루프 전달 함수가 되도록 상기 감쇠 보상 토크 신호의 연산을 행하는 감쇠 보상 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기계 위치 제어 장치.
전동기에 구동되는 부하 위치의 목표값을 나타내는 위치 지령 신호와, 상기 전동기의 현재 위치의 측정값인 전동기 위치 신호를 입력으로 하고, 상기 전동기가 상기 부하를 구동하는 토크의 목표값인 토크 지령 신호의 산출의 기초가 되는 기초 제어 토크 신호를 출력하는 위치 속도 제어 수단과,

상기 기초 제어 토크 신호에 가산하는 것으로 상기 토크 지령 신호를 얻는 감쇠 보상 토크 신호를, 상기 전동기 위치 신호와 상기 부하의 현재 위치의 측정값인 부하 위치 신호를 입력으로 하여 출력하는 수단으로서, 상기 전동기에 의한 부하의 구동계를 2 관성계로서 모델화했을 때에, 상기 토크 지령 신호로부터 상기 기초 제어 토크 신호까지의 전달 함수인 제1의 개루프 전달 함수에 대해, 그 제1의 개루프 전달 함수와 합성하여 얻어지는 개루프 전달 함수가, 상기 제1의 개루프 전달 함수에 있어서 상기 2 관성계의 반공진점의 감쇠 계수만을 변경한 것이 되도록 정한 제2의 개루프 전달 함수에 기초하여, 상기 토크 지령 신호로부터의 전달 함수가 상기 제2의 개루프 전달 함수가 되도록 상기 감쇠 보상 토크 신호의 연산을 행하는 감쇠 보상 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기계 위치 제어 장치.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

감쇠 보상 수단이 출력하는 감쇠 보상 토크 신호는 부하 위치 신호와 전동기 위치 신호의 차에 제1의 감쇠 게인를 곱한 신호, 위치 지령 신호와 상기 부하 위치 신호의 차를 미분하여 제2의 감쇠 게인를 곱한 신호 및 상기 위치 지령 신호와 상기 부하 위치 신호의 차에 제3의 감쇠 게인를 곱한 신호를 가산한 신호에, 2 관성 계의 반공진점의 감쇠 계수를 조정하는 감쇠 조정 파라미터에 기초한 계수를 곱한 신호인 것을 특징으로 하는 기계 위치 제어 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

위치 속도 제어 회로는 전동기 속도의 현재 값을 나타내는 전동기 속도 신호를 추가로 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 기계 위치 제어 장치.