KR20120049926A

KR20120049926A - 위치결정 제어장치

Info

Publication number: KR20120049926A
Application number: KR1020127007766A
Authority: KR
Inventors: 고이치로 우에다; 기미유키 다카하시
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-05-17
Also published as: DE112010003878B4; JP5229396B2; JPWO2011039929A1; TW201120603A; CN102549515B; DE112010003878T5; CN102549515A; US20120187891A1; US8638058B2; KR101378624B1; WO2011039929A1; TWI430067B

Abstract

기계 강성이 낮음에 기인해서 잔류진동이 발생하는 기계의 위치결정제어에 있어서, 허용할 수 있는 위치결정오차 내로 잔류진동을 억제하고, 아울러 위치결정 제어하는데 필요한 위치결정시간을 단축한다.
동작조건과 잔류진동의 정보에 기초해서 기계의 잔류진동의 진폭치를 위치결정 실행 전에 예측하고, 이 예측 결과에 기초해서, 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 위치결정제어를 수행하는 제 1 서보 제어부(11)와, 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려하는 제 2 서보 제어부(12)를 자동적으로 구분하여 사용한다.

Description

위치결정 제어장치{POSITIONING CONTROL DEVICE}

본 발명은 기계의 위치결정 제어장치에 관한 것으로, 특히 저강성(低剛性)의 기계를 구동하기 위한 위치결정 제어장치에 관한 것이다.

산업용 기계에서는 기계 강성이 낮음에 기인해서 발생하는 잔류진동의 영향을 작게 하고, 기계 부하를 허용할 수 있는 위치결정오차 내로 위치결정제어하고, 그 제어에 필요한 시간을 단축하는 것이 요구되고 있다. 이와 같은 과제를 해결하기 위한 종래 기술로서 특허 문헌 1에서는, 위치지령신호에 기초한 진동 특성에 따른 프리필터(prefilter)를 이용해서 위치지령신호를 정형함으로써, 위치결정제어 중의 진동을 감소시켜 잔류진동의 여기(勵起)를 억제하는 위치결정 제어장치가 개시되어 있다. 특허 문헌 2에서는 위치결정제어 중에 잔여 이동거리에 따라 위치 제어 루프(loop)의 전달 특성을 다르게 함으로써, 위치결정제어 중의 진동을 감소시켜 잔류진동의 여기를 억제하는 위치결정 제어장치가 개시되어 있다.

특허 문헌 1：특개 2005-25316호 공보 특허 문헌 2：특개소 63-273902호 공보

전술한 특허 문헌 1에 개시된 기술에서는, 복수의 이동거리에 대해 위치결정제어를 수행하는 경우, 이동거리에 의존하지 않는 프리필터를 이용해서 원래의 위치지령신호를 정형하기 때문에, 정형 후의 위치지령신호는 원래의 위치지령신호에 대해서 지연이 발생한다. 특히, 짧은 이동거리를 동작시키는 경우에서는, 원래의 위치지령신호가 개시되고 나서 목표 위치에 도달할 때까지의 지령 불출(拂出)시간이 짧기 때문에, 프리필터를 이용한 경우의 지령 불출시간이, 프리필터를 이용하지 않은 경우의 지령 불출시간에 비해서 상대적에 길어져, 그 결과 위치결정시간도 길어진다고 하는 문제가 있었다.

또한, 전술한 특허 문헌 2에 개시된 기술에서는, 잔여 이동거리가 어느 정도의 값에서 제어 루프 특성을 전환하는지에 관한 구체적인 지침이 없고, 시행 착오에 의해 이것을 결정하지 않으면 안 되기 때문에 위치결정 제어장치의 조정에 시간이 걸린다고 하는 문제가 있었다. 게다가, 위치결정제어 중에 위치제어루프특성을 전환함에 따라 모터 토크 등의 액추에이터(actuator)의 조작량이 불연속이 되어, 이것에 기인하는 진동 등이 발생한다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 저강성의 기계라도 진동을 소망한 위치결정오차 내로 억제하면서 위치결정제어에 필요한 시간을 단축할 수 있고, 또한, 위치결정 제어장치 자체의 조정시간을 단축할 수 있는 위치결정 제어장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 위치결정 제어장치는, 위치결정제어에 있어서 기계의 이동거리 및 기계의 제한 가속도로 이루어진 동작조건정보에 기초해서, 최종치가 상기 이동거리가 되고, 또한 2회 미분 신호인 지령가속도신호가 상기 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호를 생성하는 것과 아울러, 검출한 기계의 위치정보인 검출위치신호와 상기 위치지령신호에 기초해서, 상기 위치지령신호와 기계 위치가 일치하도록 위치결정제어를 실행하기 위한 제 1 토크 지령신호를 생성하는 제 1 서보(servo) 제어부와,

위치결정제어에 있어서 기계의 이동거리 및 기계의 제한 가속도로 이루어진 동작조건정보에 기초해서, 최종치가 상기 이동거리가 되고, 또한 2회 미분 신호인 지령가속도신호가 상기 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호를 생성하는 것과 아울러, 이 위치지령신호에서 기계의 위치결정제어에 있어서 발생하는 잔류진동의 성분을 제거한 진동성분제거위치지령신호를, 상기 동작조건정보에 기초해서 생성하는 것과 아울러, 상기 검출위치신호와 상기 진동성분제거위치지령신호에 기초해서, 상기 진동성분제거위치지령신호와 기계 위치가 일치하도록 위치결정제어를 실행하기 위한 제 2 토크 지령신호를 생성하는 제 2 서보 제어부와,

사전에 임의의 동작 조건하에서, 제 1 서보 제어부를 사용해서 위치결정제어를 수행한 때에 발생한 기계의 잔류진동을 계측한 잔류진동정보를 기억하는 잔류진동정보 입력부와,

상기 잔류진동정보 및 동작조건정보에 기초해서, 제 1 서보 제어부를 사용해서 위치결정제어를 실행한 경우에 발생하는 기계의 잔류진동의 진폭치를 예측하는 잔류진동진폭 예측부와,

위치결정제어에서 목표로 하는 기계의 이동거리와, 위치결정제어 종료시에 있어서의 기계의 검출 위치와의 차이의 허용치를, 허용위치결정오차를 기억하는 허용위치결정오차 입력부와,

상기 잔류진동진폭 예측부에서 예측한 잔류진동진폭 예측치가 상기 허용위치결정오차를 초과하는 경우는, 제 2 서보 제어부를 이용해서 기계의 위치결정제어를 실행하고, 또한 상기 잔류진동진폭 예측치가 상기 허용위치결정오차 이하인 경우는, 제 1 서보 제어부를 이용해서 기계의 위치결정제어를 실행하도록, 동작조건마다 위치결정제어에 이용하는 서보 제어부를 선택하는 서보 제어부 선택부와,

상기 서보 제어 선택부가 선택한 서보 제어부로부터 출력되는 토크 지령신호를 기초로, 기계를 구동하는 모터에 공급하는 전류를 제어하는 전류 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 위치결정 제어장치에 의하면, 저강성의 기계라도 진동을 소망한 위치결정오차 내로 억제하면서 위치결정제어에 필요한 시간을 단축할 수 있고, 또한 위치결정 제어장치 자체의 조정시간을 단축할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 위치결정 제어장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 형태에 있어서의 제 1 서보 제어부의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 제 1 서보 제어부의 위치지령신호의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 제 1 서보 제어부의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 제 2 서보 제어부의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 제 2 서보 제어부의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 제 2 서보 제어부의 또 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 잔류진동진폭 예측부의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시의 형태에 있어서의 모터 제어 선택부의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 위치결정 제어장치의 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 잔류진동을 제거하지 않는 위치결정제어를 수행했을 때의 기계 진동의 수치 시뮬레이션 파형을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 잔류진동을 제거한 위치결정제어를 수행했을 때의 기계 진동의 수치 시뮬레이션 파형을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 위치결정제어를 수행했을 때의 기계 진동의 수치 시뮬레이션 파형을 나타내는 도면이다.

[제 1 실시 형태]

본 발명의 제 1 실시 형태에 대해서 이하 설명한다. 도 1은 위치결정 제어장치의 일례를 나타내는 블록도이다. '1'은 모터, '2'는 모터(1)의 위치정보를 검출하는 위치 검출기, '3'은 모터(1)의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 볼 나사(Ball Screws), '4'는 모터(1)의 동력을 볼 나사(3)에 전달하는 커플링, '5'는 볼 나사(3)에 의해서 구동되는 볼 나사 너트, '6'은 기계에 포함되는 탄성 요소, '7'은 구동하는 기계 부하를 표현한다.

'10'은 위치결정제어에 필요한 정보인, 이동거리나 위치결정제어시 제한해야 할 제한 가속도 등의 동작조건정보를 출력하는 동작조건 정보부, '11'은 동작조건정보와 위치 검출기가 출력하는 위치정보를 기초로, 기계의 잔류진동의 발생을 고려하지 않고 모터의 위치결정제어를 수행하게 하기 위한 제 1 토크 지령신호를 산출하는 제 1 서보 제어부, '12'는 동작조건정보와 위치 검출기가 출력하는 위치정보를 기초로, 기계의 잔류진동의 발생을 억제하고 모터의 위치결정제어를 수행하게 하기 위한 제 2 토크 지령신호를 산출하는 제 2 서보 제어부이다.

'13'은 목표로 하는 기계의 이동거리와, 위치결정제어 종료시 기계의 검출 위치와의 오차 허용치 혹은 기계의 잔류진동진폭의 허용치를, 허용위치결정오차로서 위치결정 제어장치의 외부로부터 입력하는 허용위치결정오차 입력부, '14'는 제 1 서보 제어부(11)를 사용했을 때에 발생하는 기계의 잔류진동의 정보(잔류진동의 주파수나 진폭 등)를 위치결정 제어장치의 외부로부터 입력하는 잔류진동정보 입력부, '15'는 동작조건정보를 기초로 제 1 서보 제어부를 사용해서 위치결정제어를 수행했을 때의 기계의 잔류진동의 진폭 예측치를 출력하는 잔류진동진폭 예측부, '16'은 잔류진동진폭 예측부의 출력과 허용위치결정오차를 비교해서, 제 1 서보 제어부가 생성한 제 1 토크 지령을 사용해서 실제의 위치결정제어를 수행할지, 제 2 서보 제어부가 생성한 제 2 토크 지령을 사용해서 실제의 위치결정제어 동작을 수행할 지의 선택을 수행하는 서보 제어 선택부, '17'은 서보 제어 선택부(16)에서 선택한 서보 제어부로부터 출력된 토크 지령을 기초로, 모터(1)가 소망한 토크를 발생할 수 있도록 모터에 공급하는 전류를 제어하는 전류 제어부이다.

'20'은 동작조건 정보부(10)로부터 출력되는 동작조건정보이며, '21'은 제 1 서보 제어부가 생성하는 제 1 토크 지령신호, '22'는 제 2 서보 제어부가 생성하는 제 2 토크 지령신호, '23'은 서보 제어 선택부(16)에서 선택한 서보 제어부로부터 출력된 토크 지령인 선택된 선택토크지령신호, '24'는 전류 제어부(15)로부터 모터(1)에 공급되는 전류, '25'는 위치 검출기(2)가 검출한 모터(1)의 위치정보인 검출위치신호이다. '26'은 잔류진동정보 입력부(14)로부터 출력되는 잔류진동의 주파수나 진폭 등의 잔류진동정보이다. '27'은 허용위치결정오차 입력부(13)로부터 출력되는 허용위치결정오차이다.

도 1에 나타내는 위치결정 제어장치의 동작에 대해서 설명한다.

동작조건 정보부(10)로부터 출력된 동작조건정보(이동거리와 위치결정제어시의 제한해야 할 제한 가속도)(20)는, 제 1 서보 제어부(11)와 제 2 서보 제어부(12)와 잔류진동진폭 예측부(15)로 출력된다. 또한, 위치 검출기(2)로부터는 검출위치신호(25)가 제 1 서보 제어부(11)와 제 2 서보 제어부(12)로 출력된다. 제 1 서보 제어부(11)는 동작조건정보(20)와 검출위치신호(25)를 입력하고, 이것들을 기초로, 기계의 잔류진동의 발생을 고려하지 않고 모터의 위치결정제어를 행하게 하기 위한 제 1 토크 지령신호(21)를 산출한다. 제 2 서보 제어부(12)는 동작조건정보(20)와 검출위치신호(25)를 입력하고, 이것들을 기초로, 기계의 잔류진동의 발생을 억제하고 모터의 위치결정제어를 행하게 하기 위한 제 2 토크 지령신호(22)를 산출한다.

잔류진동진폭 예측부(15)는 동작조건정보(20)와, 잔류진동정보 입력부(14)를 통해서 위치결정 제어장치의 외부로부터 입력된 잔류진동의 정보를 입력하고, 이것들을 기초로, 제 1 서보 제어부(21)를 사용해서 위치결정제어를 수행했을 때의 잔류진동의 진폭 예측치를 산출한다. 제어 선택부(16)는 잔류진동진폭 예측부(15)로부터의 잔류진동의 진폭 예측치와 허용위치결정오차 입력부(13)로부터의 위치결정오차의 허용치를 입력하고, 이것들을 기초로, 제 1 토크 지령(21)을 사용해서 실제의 위치결정제어를 수행할지, 제 2 토크 지령(22)을 사용해서 실제의 위치결정제어 동작을 수행할 지의 선택을 행한다. 전류 제어부(17)는 서보 제어 선택부(16)에 의해 선택된 선택토크지령(23)을 기초로, 모터(1)가 소망한 토크를 발생할 수 있도록 전류(24)를 모터(1)에 공급해서 모터(1)를 구동한다.

다음으로, 제 1 서보 제어부(11)에 대해서 상세히 설명을 행한다.

도 2는 제 1 서보 제어부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 여기서, '30'은 동작조건정보(20)인 이동거리와 제한 가속도의 정보를 기초로, 위치지령신호(40)를 생성하는 위치지령신호 생성부, '101'은 위치지령신호(40)와 위치 검출기(2)로부터 검출되는 검출위치신호(25)의 차이를 계산해서 위치편차신호(41)로서 출력하는 가감산기, '31'은 위치편차신호(41)로부터 속도지령신호(42)를 산출하는 위치 제어부, '32'는 검출위치신호(25)로부터 그 미분 신호인 검출속도신호(43)를 산출하는 미분기, '102'는 속도지령신호(42)와 검출속도신호(43)의 차이를 계산해서 속도편차신호(44)로서 출력하는 가감산기, '33'은 속도편차신호(44)로부터 제 1 토크 지령(21)을 산출하는 속도 제어부이다.

동작에 대해서 설명한다. 위치지령 생성부(30)에 있어서 동작조건정보(20)로부터 위치지령신호(40)가 생성되고, 위치지령신호(40)에서 검출위치신호(25)를 감산한 위치편차신호(41)를 이용해서, 위치 제어부(31)에 의해 속도지령신호(42)가 산출된다. 속도지령신호(42)에서, 검출위치신호(25)를 미분한 검출속도신호(43)를 감산한 속도편차신호(44)를 이용해서, 속도 제어부(33)에 의해 제 1 토크 지령(21)이 산출되고, 출력된다.

여기서, 위치지령신호 생성부(30)는 위치지령신호의 최종치가 이동거리가 되고, 위치지령신호의 2회 미분인 지령가속도신호의 최대치가 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호(40)를 생성한다. 이와 같은 위치지령신호의 구체적인 예로서는, 위치지령신호의 미분 신호인 지령속도신호의 형상이 삼각과 같은 것을 들 수 있다. 이하, 위치지령신호의 미분 신호인 속도지령신호의 형상이 삼각이 되는 지령을 삼각지령이라고 부른다. 도 3에 삼각지령의 위치지령신호, 위치지령신호의 1회 미분인 지령속도신호, 위치지령신호의 2회 미분인 지령가속도신호를 나타낸다. D는 이동거리이며, A는 가속도를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 삼각지령의 지령속도신호는 가속중(시간 0에서 시간

)에 가속도 A로 직선적으로 가속하고, 감속중(시간

에서 시간

)에 가속도 -A로 직선적으로 감속한다. 가속도의 절대치가 A 이하로 동작하는 위치지령신호 중에서도 삼각지령은, 위치지령신호가 개시되고 나서 목표가 되는 이동거리에 도달할 때까지의 시간이 최단이 된다.

위치 제어부(31)에서의 제어에 관한 구체적인 예로서는, 위치편차신호(41)에 비례 요소를 곱해서 속도지령신호를 출력하는 P 제어 등을 들 수 있다. 또한, 속도 제어부(33)의 구체적인 예로서는, 비례 요소와 적분 요소로 구성되는 PI 제어 등을 들 수 있다.

도 4는 제 1 서보 제어부의 다른 예를 나타내는 블록도이다. 도 2에서 나타낸 구성과 같은 것에 대해서는 설명을 생략한다. '35'는 위치지령신호(40)를 DC 성분이 1인 저역 통과 특성 필터에 통과시켜 저역통과위치지령신호(50)를 출력하는 저역 필터부이다. 저역 통과 특성 필터의 구체적인 예로서는, 's'를 라플라스(Laplace) 연산자, 'T'를 필터의 시정수(時定數)로 하여, 1/(Ts+1)인 전달 특성의 필터를 적용하는 것을 들 수 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 필터의 차수를 고차로 한 것도 무방하다. '36'은 저역통과위치지령신호(50)를 미분해서 피드포워드(feedforward)속도지령신호(56)를 출력하는 미분기, '37'은 저역통과위치지령신호(50)를 2회 미분하고, 아울러 기계 총관성으로부터 정해지는 게인(gain) 요소(J)를 곱함으로써, 피드포워드토크지령신호(57)를 출력하는 피드포워드토크지령신호 생성부이다. 또한, '103~105'는 입력 신호의 가감산을 수행하는 가감산기이다.

동작에 대해서 설명한다. 위치지령 생성부(30)에 있어서 동작조건정보(20)로부터 위치지령신호(40)가 생성된다. 위치지령신호(40)는 저역 필터부(35)에 입력되어 저역통과위치지령신호(50)가 생성된다. 저역통과위치지령신호(50)에서 검출위치신호(25)를 감산한 위치편차신호(51)를 이용해서, 위치 제어부(31)에 의해 속도지령신호(52)가 산출된다. 속도지령신호(52)와, 저역통과위치지령신호(50)를 미분한 피드포워드속도지령신호(56)가 가산되고, 그 합으로부터 검출위치신호(25)를 미분한 검출속도신호(53)가 감산되어 속도편차신호(54)가 생성된다. 속도편차신호(54)를 이용해서 속도 제어부(33)에 의해 잠정 제 1 토크 지령(55)이 산출되고, 잠정 제 1 토크 지령(55)과 피드포워드토크지령신호 생성부(37)에 의해 저역통과위치지령신호(50)로부터 생성된 피드포워드토크지령신호(57)가 가산되어, 제 1 토크 지령(21)으로서 출력된다.

도 2, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 서보 제어부(11)는 위치지령신호(40)에 포함되는, 기계의 위치결정제어에 있어서 발생하는 잔류진동의 성분을 제거하지 않고 위치결정제어를 수행하고 있다. 또한, 제 1 서보 제어부(11)는 상술한 구성 예에 한정되는 것이 아니고, 기계의 잔류진동의 억제에 대해서 고려하지 않고 위치결정제어를 수행하는 것이라면, 어떠한 구성이어도 괜찮다.

제 1 서보 제어부(11)는 위치지령신호에 포함되는, 기계의 위치결정제어에 있어서 발생하는 잔류진동의 성분을 제거하지 않고 위치결정제어를 수행하고 있기 때문에, 기계의 잔류진동의 억제를 고려하는 것에 의한 지연이 발생하지 않고, 위치결정제어에 필요한 위치결정시간을 단축할 수 있다. 특히, 위치지령신호(40)로서 가속도를 제한 가속도로 한 삼각지령을 이용한 경우에는, 최단 시간 이동을 달성할 수 있는 위치지령신호에 추종하려고 제어를 수행하기 때문에, 특히 이 효과가 현저해진다. 한편, 강성이 낮은 기계에 대해서 제 1 서보 제어부(11)를 사용해서 위치결정제어를 수행하면, 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않고 제어를 수행하기 때문에, 일반적으로 위치결정제어의 정정시에 잔류진동이 발생하기 쉽다.

다음으로, 제 2 서보 제어부(12)에 대해서 상세히 설명을 행한다.

도 5는 제 2 서보 제어부(12)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 5에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)는 도 2에 나타낸 제 1 서보 제어부(11)의 구성에 있어서, 위치지령신호 생성부(30) 뒤에 진동성분 제거부(70)를 더 마련하고 있다. 진동성분 제거부(70)에서는 위치지령신호(40)로부터 잔류진동의 주파수 성분을 제거한 진동성분제거위치지령신호(71)를 생성한다. 도 5에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)에서는 진동성분 제거부(70) 이외의 동작은 도 2에 나타낸 제 1 서보 제어부(11)의 동작과 같고, 제 1 서보 제어부(11)에 있어서의 위치지령신호(40) 대신에 진동성분제거위치지령신호(71)를 이용해서 위치결정제어를 수행한다.

도 6에 제 2 서보 제어부(12)의 다른 구성 예를 나타낸다. 도 6에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)는 도 4에 나타낸 제 1 서보 제어부(11)의 구성에 있어서, 저역 필터부(35)의 뒤에 진동성분 제거부(70)를 더 마련하고 있다. 진동성분 제거부(70)에서는 저역통과위치지령신호(50)로부터 잔류진동의 주파수 성분을 제거한 진동성분제거위치지령신호(71)를 생성한다. 도 6에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)에서는 진동성분 제거부(70) 이외의 동작은 도 4에 나타낸 제 1 서보 제어부(11)의 동작과 같고, 제 1 서보 제어부(11)에 있어서의 저역통과위치지령신호(50) 대신에 진동성분제거위치지령신호(71)를 이용해서 위치결정제어를 수행한다.

여기서, 도 5 및 도 6에 나타낸 제 2 서보 제어부(12)는, 동작조건정보(20)인 이동거리와 제한 가속도의 정보를 기초로, 위치지령신호(40)를 생성하는 위치지령신호 생성부(30)를 가지지만, 제 1 서보 제어부(11)에서 생성한 위치지령신호(40)를 제 2 서보 제어부(12)에 입력해서, 제 2 서보 제어부(12)에 있어서의 위치지령신호(40)로서 이용해도 무방하다.

진동성분 제거부(70)의 구체적인 예로서는, 이하와 같은 노치 필터(notch filter)를 이용해서 필터링 처리함으로써, 진동성분제거위치지령신호(71)를 생성하는 형태가 있다.

[수학식 1]

여기서, s는 라플라스 연산자, L는 시간이다. exp(－sL)는 시간(L)만큼 신호를 지연시키는 것을 의미하고, (1)식의 노치 필터의 처리는, 원래의 위치지령신호와 시간(L)만큼 지연시킨 위치지령신호를 더해서 2로 나눈 신호를 출력하는 것에 상당하다. 이 처리를 수행함으로써, 진동성분 제거부(70)가 출력하는 신호는 입력되는 신호에 대해서 시간(L/2)만큼 지연이 발생한다. 이에, 기계의 잔류진동을 억제하기 위해서는 L를 잔류진동주기(2π/ωn)의 반으로 설정, 즉 L=2π/ωn×(1/2)로 하면 좋다.

진동성분 제거부(70)는 상기에 한정되는 것이 아니고, 다른 형태, 예를 들면 IIR 필터 등을 이용해도 좋다. 또한, 진동성분 제거부(70)는 위치지령신호를 통하도록 하지 않고, 피드포워드속도지령신호나 피드포워드토크지령신호를 통하도록 설치해도 무방하다. 보다 구체적으로는, 도 6에 있어서의 진동성분 제거부(70)를 저역통과위치지령신호(50)에 통과시키는 것이 아니라, 피드포워드속도지령신호(56) 혹은 피드포워드토크지령신호(57)에 통과시키는 구성으로 해도 같은 효과를 얻을 수 있다.

도 7은 또 다른 제 2 서보 제어부(12)의 구성을 나타내는 예이다. 도 5에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)의 구성과의 차이는, 위치지령신호 생성부(30)와 진동성분 제거부(70)를 이용하지 않고, 무진동형 위치지령신호 생성부(80)를 이용하는 것이다. 무진동형 위치지령신호 생성부(80)에서는 동작조건정보(20)를 입력하고, 주파수(ωn)의 잔류진동을 여기하지 않고, 또한 제한 가속도 이하가 되도록 진동성분제거위치지령신호(71)를 생성해서 출력하는 점이다. 도 7에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)에서는 무진동형 위치지령신호 생성부(80) 이후의 동작은 도 5에 나타낸 제 1 서보 제어부(11)의 동작과 같고, 진동성분제거위치지령신호(71)를 이용해서 위치결정제어를 수행한다.

무진동형 위치지령신호 생성부(80)에서 생성되는 위치지령신호의 구체적인 예를 나타낸다. 본원 발명자가 특개 2009-122777호 공보에서 나타낸 바와 같이, 위치지령신호의 1회 미분인 지령속도신호(V*(t))를 가감속도시간(t₀)에 관해 대칭인 신호, 즉 t<0, t>t₀일 때 v*(t)=0가 되는 함수를 이용해서 V*(t) = v*(t) + v*(2t₀-t)로 하고(이때의 위치지령신호의 2회 미분인 지령가속도신호(A*(t))는, a*(t) = dv*(t)/dt를 이용해서 A*(t) = a*(t) - a*(2t₀-t)로 표현된다), a*(t) 및 a*(t)에 포함되는 파라미터(r)를 잔류진동의 주파수(ωn)를 이용해서, 이하와 같이 결정한다.

[수학식 2]

여기서, c는 지령가속도신호인 A*(t) = a*(t) - a*(2t₀-t)를 2회 적분해서 위치지령신호를 얻을 때에, 위치지령신호의 최종치가 이동거리(D)가 되기 위한 정수이며, [Z]는 Z를 초과하지 않는 최대 정수치를 표현하는 것으로 한다. 그리고, 상기에서 표현되는 지령가속도신호(A*(t))를 2회 적분한 것이 위치지령신호가 된다.

이와 같이 해서 산출되는 위치지령신호를 이용한 경우, 가감속도시간(t₀) 및 이동거리(D)와, 지령가속도신호의 최대치(A_p)를 표현하는 이하의 관계

[수학식 3]

를 이용해서, 이 A_p가 제한 가속도 이하가 되도록 t₀를 선택함으로써, 주파수(ωn)의 잔류진동을 억제하면서 제한 가속도 이하가 되도록 하는 위치지령신호를 얻을 수 있다.

무진동형 위치지령신호 생성부(80)에서 생성되는 위치지령신호의 다른 구체적인 예를 나타낸다. 위치지령신호의 2회 미분인 지령가속도신호(A*(t))를 가감속도시간(t₀)에 관해서 대칭인 신호, 즉 A*(t) = a*(t) - a*(2t₀-t)(단, t<0, t>t₀일 때, a*(t)=0라 한다)라 했을 때, a*(t) 및 a*(t)에 포함되는 파라미터(r)를 이하와 같이 결정한다.

[수학식 4]

여기서, c는 지령가속도신호인 A*(t) = a*(t) - a*(2t₀-t)를 2회 적분해서 위치지령신호를 얻을 때에, 위치지령신호의 최종치가 이동거리(D)가 되기 위한 정수이며, m은 1 이상의 정수로 한다. 그리고, 상기에서 표현되는 지령가속도신호(A*(t))를 2회 적분한 것이 위치지령신호가 된다.

이와 같이 해서 산출되는 위치지령신호를 이용한 경우, 가감속도시간(t₀) 및 이동거리(D)와 지령가속도신호의 최대치를 표현하는 이하의 관계

[수학식 5]

를 이용해서, 이 A_p가 제한 가속도 이하가 되도록 t₀를 선택함으로써, 주파수(ωn)의 잔류진동을 제거하면서 제한 가속도 이하가 되도록 하는 위치지령신호를 얻을 수 있다.

도 5 및 도 6에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)의 경우, 위치지령신호(40)나 저역통과위치지령신호(50) 등의 지령신호로부터, 기계의 잔류진동의 주파수와 동일한 주파수 성분을 제거하므로, 위치결정제어시의 정정시에 발생하는 잔류진동을 억제할 수 있다. 그러나, 이것은 진동을 여기하지 않도록 원래의 위치지령신호를 성형하는 것에 상당하기 때문에, 원래의 위치지령신호에 대해서 지연이 발생하게 된다. 위치결정제어에 이용하는 지령신호로서 위치지령신호(40)나 저역통과위치지령신호(50)를 이용한 경우와 진동성분제거위치지령신호(71)를 이용한 경우에서, 모터가 목표가 되는 이동거리에 도달할 때까지의 시간을 비교하면, 진동성분제거위치지령신호(71)를 이용한 경우가 위치지령신호(40)나 저역통과위치지령신호(50)를 이용한 경우보다 길어진다.

또한, 도 7에 나타내는 제 2 서보 제어부(12)에 있어서도, 진동을 여기하지 않도록 진동성분제거위치지령신호(71)를 생성하므로, 위치결정제어시의 정정시에 발생하는 기계의 잔류진동을 억제할 수 있다. 그러나, 동일한 동작조건(즉, 동일한 이동거리, 동일한 제한 가속도)에서 비교하면, 진동을 여기하지 않도록 진동성분제거위치지령신호(71)를 위치결정제어에 이용한 경우는, 제한 가속도를 최대한 사용한 삼각지령을 위치결정제어에 이용한 경우보다, 위치지령신호가 개시되고 나서 목표가 되는 이동거리에 도달할 때까지의 시간이 길어진다.

이상에서, 제 2 서보 제어부(12)에서는 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려해서 위치결정제어를 수행하므로, 위치결정제어시의 정정시에 발생하는 잔류진동을 억제할 수 있지만, 위치결정시간이 길어진다.

다음으로, 잔류진동진폭 예측부(15)에 대해서 설명한다.

도 8은 도 1에 있어서의 잔류진동진폭 예측부(15)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 8에 있어서, '91'은 동작조건정보(20)와 잔류진동정보(26)를 기초로 잔류진동진폭 이론치(Y)를 산출하는 잔류진동진폭 이론치 산출부, '92'는 잔류진동진폭 이론치(Y)에 비례 정수를 곱해서 잔류진동진폭 예측치(X)를 산출하는 비례정수 승산부이다.

잔류진동진폭 예측부(15)에 있어서는, 동작조건정보(20)와 잔류진동정보(26)를 잔류진동진폭 이론치 산출부(91)에 입력하고, 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 동작시켰을 때의 잔류진동진폭 이론치(Y)를 산출한다. 산출된 잔류진동진폭 이론치(Y)와 잔류진동정보(26)가 비례정수 승산부(92)에 입력되고, 비례정수 승산부(92)에서는 잔류진동진폭 이론치(Y)에 비례 정수를 곱해서 잔류진동진폭 예측치(X)를 산출하고, 이것을 출력한다.

여기서, 비례정수 승산부(92)에 있어서의 비례 정수는, 이하에 나타내는 순서로 결정한다.

우선, 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 어떤 동작조건(이동거리 D0, 가속도 A0라 한다)에서 실제로 위치결정 제어시켜, 그때의 위치 검출기(2)로부터 출력되는 검출위치신호(25)의 진동의 진폭(목표 위치로부터의 변위, X0)과 주파수(ωn)를 임의의 수단으로 별도로 측정해 둔다. 이때의 위치지령신호는 목표가 되는 이동거리(D0)이며, 위치지령신호의 2회 미분인 지령가속도신호의 최대치가 A0이다.

다음으로, 잔류진동진폭 이론치 산출부(91)에 있어서, 이 동작조건(이동거리 D0, 가속도 A0)에서 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 동작시켰을 때의 잔류진동진폭 이론치(Y0)를,

[수학식 6]

혹은,

[수학식 7]

로 계산한다.

여기서, t₀는 위치지령신호가 개시되고 나서 목표 위치에 도달할 때까지의 시간의 절반의 시간(가감속도시간), j는 허수 단위이다. V*해트(ω)는 X0를 측정할 때의 위치결정제어에 사용한 위치지령신호의 미분 신호인 지령속도신호의 주파수 성분을 표현하는 푸리에 변환이며, V*해트(ωn)로 잔류진동의 주파수(ω=ωn)에 있어서의 주파수 성분을 표현한다. 또한, v*(t)는 시간 0으로부터 시간 t₀에 걸친 지령속도신호를 표현한다.

특히, 위치지령신호가 이동거리(D0), 가속도(A0)로 하는 삼각지령인 경우에는, 잔류진동진폭의 이론치(Y0)는,

[수학식 8]

로 계산할 수 있다.

이것들 X0, Y0의 값을 이용해서, 비례정수 승산부(92)에 있어서의 비례 정수를 X0/Y0라 한다. 또한, 잔류진동진폭 이론치 산출부(91)는 위치결정제어의 동작조건이 이동거리(D1), 가속도(A1)인 경우, 상기 Y0를 구하는 순서에 있어서 변수를 D0→D1, A0→A1로 치환해서 산출한다.

다음으로, 서보 제어 선택부(16)에 대해서 설명한다.

도 9는 도 1에 있어서의 서보 제어 선택부(16)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 9에 있어서, '93'은 허용위치결정오차와 잔류진동진폭 예측치(X)의 값을 비교해서 대소를 판단하고, 제 1 서보 제어부(11) 혹은 제 2 서보 제어부(12) 중 어느 쪽의 위치결정제어를 선택할지 판단하는 서보제어선택 판단부, '94'는 서보제어선택 판단부(93)에서 판단된 결과에 기초해서, 제 1 서보 제어부(11) 혹은 제 2 서보 제어부(12) 중 하나를 선택해서 위치결정제어를 수행하게 하는 서보제어선택 실행부이다.

서보 제어 선택부(16)에 있어서는 허용위치결정오차 입력부(13)로부터 허용위치결정오차(27)를 서보제어선택 판단부(93)에 입력하고, 또한 잔류진동진폭 예측부(15)로부터 잔류진동진폭 예측치(X)를 서보제어선택 판단부(93)에 입력한다. 서보제어선택 판단부(93)에서는 허용위치결정오차(27)와 잔류진동진폭 예측치(X)의 값을 비교해서, 잔류진동진폭 예측치(X)가 허용위치결정오차(27)보다 작다면, 제 1 서보 제어부(11)에서 위치결정제어를 수행하게 한다. 또한, 잔류진동진폭 예측치(X)가 허용위치결정오차(27)보다 크다면, 제 2 서보 제어부(12)에서 위치결정제어를 수행하게 한다.

도 10은 잔류진동진폭 예측부(15)와 서보 제어 선택부(16)의 구체적인 처리를 설명하는 흐름도이다.

스텝 ST1에서는, 동작조건 정보부(10)로부터 위치결정제어를 행하기 위한 정보인, 이동거리(D1), 제한 가속도(A1)의 동작조건정보(20)를 잔류진동진폭 예측부(15)에 읽어들인다.

스텝 ST2에서, 실제의 위치결정제어를 수행하게 하기 전에, 상기의 동작조건에서 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 동작시켰을 때에 발생하는 잔류진동진폭 이론치(Y1)를 잔류진동진폭 이론치 산출부(91)에서 산출한다. 구체적으로는, 이동거리(D1)이며, 위치지령신호의 2회 미분인 지령가속도신호의 최대치가 A1 이하인 위치지령신호에 대해서, 위치지령신호의 미분 신호인 지령속도신호의 주파수 성분을 표현한 푸리에 변환 V*해트(ω)를 이용해서,

[수학식 9]

혹은,

[수학식 10]

에 의하여 산출한다.

또한, (2), (4)식에 대해서는 지령속도신호의 주파수 성분(V*해트(ωn))을 이용해서 Y0, Y1를 계산하지만, 위치지령신호 혹은 위치지령신호의 2회 미분 신호인 지령가속도 지령신호(A*(t))의 주파수 성분(A*해트(ω)) 혹은 위치지령신호의 3회 미분 신호인 지령가가속도 지령신호(J*(t))의 주파수 성분(J*해트(ω))을 이용해도 Y0, Y1를 산출할 수 있다. V*(t)는 X*(t)를 1회 미분한 신호이며, A*(t)를 1회 적분한 신호이기도 하고, 또한 J*(t)를 2회 적분한 신호이기도 하기 때문에, Y1를

[수학식 11]

로 계산해도 무방하다.

어느 경우라도, Y1는 위치지령신호, 지령속도신호, 지령가속도신호, 지령가가속도신호의 잔류진동의 주파수(ωn)에 있어서의 주파수 성분에 비례해서 계산된다.

특히, 위치지령신호가 가속도(A)인 삼각지령인 경우에는, Y1를

[수학식 12]

로서 산출한다.

스텝 ST3에서는, 동작조건(이동거리 D0, 가속도 A0)에서 제 1 서보 제어부(11)로 위치결정 동작시켰을 때의 잔류진동진폭의 측정치(X0)와 잔류진동진폭 이론치(Y0), 또한 동작조건(이동거리 D1, 가속도 A1)에서 동작시켰을 때의 잔류진동진폭 이론치(Y1)에 기초해서, 비례정수 승산부(92)에 있어서 잔류진동진폭 예측치(X1)를,

[수학식 13]

에 의해 산출한다. 즉, 비례 정수를 X0/Y0로서, 잔류진동진폭 이론치(Y1)에 비례해서 잔류진동진폭의 예측을 수행한다.

스텝 ST4에서는, 스텝 ST3에서 산출한 잔류진동진폭 예측치(X1)와 허용위치결정오차(27)를 비교한다. 여기서, 허용위치결정오차는 기계의 위치결정 사양에 의해서 정해지는 값이며, 허용위치결정오차 입력부(13)로부터 입력된다. 예를 들면, 위치결정 정밀도를 보다 향상시키고 싶은 경우에는 작게 설정되고, 정밀도를 그만큼 필요로 하지 않는 경우에는 크게 설정된다. 만약, 잔류진동진폭 예측치(X)가 허용위치결정오차(27)보다 작으면, 스텝 ST5에서 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 위치결정제어를 수행하는 제 1 서보 제어부(11)에서, 실제의 위치결정제어를 수행하게 한다. 또한, 스텝 ST4에서 잔류진동진폭 예측치(X)가 허용위치결정오차(27)보다 크다고 판단되면, 스텝 ST6에서 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 위치결정제어를 수행하는 제 2 서보 제어부(12)에서, 실제의 위치결정제어를 수행한다.

복수의 동작조건(이동거리, 가속도)에 대해서 순차(sequence)적으로 위치결정제어를 수행하는 경우는, 어떤 동작조건(이동거리, 가속도)의 위치결정제어가 도 10의 흐름도에 따라 이루어지고, 이것을 완료한 후에는 다른 동작조건을 ST1에 따라 읽어내고, 스텝 ST2 이후의 처리를 수행하는 것을 반복해 간다. 이때, 스텝 ST3에 있어서의 X0와 Y0는 반복 동작중 동일한 값을 사용해서 처리를 수행하면 좋다.

전술한 바와 같이, 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 위치결정제어를 실행하면, 잔류진동은 발생하지만, 불필요한 지연이 발생하기 어렵다. 반대로, 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 제 2 서보 제어부(12)를 이용해서 위치결정제어를 실행하면, 잔류진동은 발생하지 않지만, 지연이 발생하기 쉬워진다.

이에, 실제의 위치결정제어를 실행하기 전에, 스텝 ST3에서 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 제 1 서보 제어부(11)를 이용했을 때의 기계의 잔류진동의 진폭치를 예측해서, 그 진폭 예측치가 허용위치결정오차 이하에 들어가면, 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 위치결정제어를 실행함으로써, 불필요한 지연이 발생하지 않고, 또한 잔류진동도 허용위치결정오차 이하로 억제되는 위치결정제어를 실현할 수 있다. 특히, 위치지령신호가 삼각지령이며, 가속도를 제한 가속도로 한 경우에는, 위치지령신호가 개시되고 나서 지령이 목표 위치에 도달할 때까지의 시간이 최단이 되어, 위치결정시간도 단축할 수 있다.

또한, 스텝 ST6에서 잔류진동진폭 예측치가 허용위치결정오차보다 커지는 경우, 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 제 2 서보 제어부(12)를 이용함으로써, 위치결정제어로서 최저한으로 충족시키지 않으면 안 되는 허용위치결정오차 내로의 위치결정제어 동작을 실현할 수 있게 된다.

이상과 같이, 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 제 1 서보 제어부(11)와 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 제 2 서보 제어부(12)를 동작조건에 따라 자동적으로 구분하여 사용함으로써, 허용위치결정오차 내로의 위치결정제어를 실현할 수 있고, 또한 가능한 한 위치결정시간을 단축할 수 있다고 하는 효과가 있다.

다음으로, 제 1 서보 제어부(11)를 이용했을 때의 잔류진동의 진폭을 (6) 식으로 예측할 수 있는 근거를 설명한다. 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 위치결정제어를 수행했을 때, 정정 특성은 잔류진동의 영향을 크게 받는다. 이때, 위치지령신호(X*(t))로부터 검출위치신호(X(t))로의 전달 특성은, 잔류진동의 주파수(ωn)를 이용해서,

[수학식 14]

로 근사할 수 있다. 여기서, s는 라플라스 연산자, X*해트(s)는 위치지령신호의 라플라스 변환, X해트(s)는 검출위치신호의 라플라스 변환이다.

또한, 검출위치신호의 미분인 검출속도신호(V(t))의 라플라스 변환에서 V해트(s)와, 위치지령의 미분 신호인 지령속도신호(V*(t))의 라플라스 변환에서 V*해트(s)의 사이에 대해서도, (7)식과 마찬가지로

[수학식 15]

로 나타내는 관계가 성립한다. 여기서, 위치지령신호(X*(t))는 시간(0)에 개시되어, 시간(2t₀)에 위치지령신호가 목표가 되는 이동거리에 도달하고, 또한 지령속도신호가 시간(t=t₀)에 관해서 대칭인 관계, 즉

[수학식 16]

로 나타내는 관계가 성립한다고 한다. 단, v*(t)는 t<0 및 t>t₀에 있어서 v*(t)=0가 되는 신호로 한다. 전술한 삼각지령이나, 무진동형 위치지령신호 생성부(80)에서 생성되는 위치지령신호의 구체적인 예로 나타낸 위치지령신호는 (9)식과 같이 표현된다.

시간(t≥2t₀) 이후의 검출속도신호(V(t))의 시간 응답은, (8)식을 역 라플라스 변환하고, (9)식을 대입함으로써,

[수학식 17]

이 된다. 아울러, 시간(t≥2t₀) 이후의 검출위치신호(X(t))는 상기 식을 적분함으로써,

[수학식 18]

로 나타낸다. 상기 식에 있어서, 대괄호[] 안은 시간(t)에 의존하지 않기 때문에 검출위치신호(X(t))에는, 주파수(ωn)에서 진폭이

[수학식 19]

로 표현되는 진동이 발생하는 것을 의미한다.

한편, (9)식의 지령속도신호의 주파수 성분(V*해트(jω))을 계산하면,

[수학식 20]

라고 하는 관계를 얻을 수 있다. 여기서, (11)식에 있어서 3번째의 등호가 성립하는 것에는 적분의 변수 변환(τ→2t₀-τ)을 사용하고, 4번째의 등호가 성립하는 것에는 삼각함수의 공식

[수학식 21]

을 사용했다.

또한, (11)식에 있어서 최초의 식과 최후의 식에서 등호가 성립하기 때문에, 이하의 관계를 나타낼 수 있다.

[수학식 22]

(12)식에 있어서 ω=ωn를 대입하면, 검출위치신호의 진폭을 표현하는 (10)식은,

[수학식 23]

이 되고, 지령속도신호의 주파수 성분인 V*해트(jωn)에 비례해서 결정되고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 지령속도신호의 주파수 성분을 미리 계산해 두고, 이것으로 잔류진동 주파수에 상당하는 주파수인 지령 주파수 성분을 구하면, 위치결정제어시의 기계의 잔류진동진폭을 예측할 수 있다는 것을 알 수 있다.

특히, 위치지령신호가 가속도(A)의 삼각지령인 경우를 고려한다. 삼각지령의 지령속도신호의 라플라스 변환(V*해트(s))은, 지령속도신호의 미분 신호인 지령가속도신호를 산출하고, 이것을 1회 적분함으로써 얻을 수 있기 때문에,

[수학식 24]

가 된다. (14)식에 s=jωn를 대입함으로써, (13)식과 (14)식으로부터 잔류진동진폭을 계산하면,

[수학식 25]

가 된다. 따라서, 위치지령신호가 가속도(A)의 삼각지령인 경우의 잔류진동은, 동작조건(이동거리 D, 가속도 A)에 의존하지 않는 것과 가감속도시간이 t₀=

가 되는 것을 이용하면,

[수학식 26]

에 비례해서 진폭이 발생한다고 말할 수 있다.

이상과 같이, 잔류진동진폭은 이론적으로는 (13), (15)식에 따라 예상할 수 있지만, 실제로는 마찰이나 설정하는 서보 제어부의 게인 값 등의 요인에 의해, (13), (15)식으로 예측하면 오차가 발생하는 경우가 있다. 단, 그러한 경우라도 잔류진동이 발생하는 다이내믹스(dynamics)에서는, 잔류진동 주파수(ωn)로 정해지는 (7)식의 영향이 크기 때문에, 거기로부터 도출되는 (13), (15)식은 진동 진폭의 경향을 표현하고 있다고 여겨진다. 즉, 어떤 동작조건(이동거리 D0, 가속도 A0)에서 실제로 동작시켰을 때의 진동의 진폭(X0)과 다른 동작조건(이동거리 D1, 가속도 A1)에서 동작시켰을 때의 진동의 진폭(X1) 사이에 비례 관계, 즉 X0：Y0=X1：Y1의 관계가 있다고 여겨진다. 이에, 어떤 동작조건(이동거리 D0, 가속도 A0)에서 실제로 동작시켰을 때의 잔류진동의 진폭치(X0)를 미리 측정해 두고, 다른 동작조건(이동거리 D1, 가속도 A1)에서 동작시켰을 때의 진동의 진폭(X1)을

[수학식 27]

에 의해, 예측하는 것이 가능해진다.

본 발명의 효과를 시뮬레이션에 의해 구체적으로 설명한다.

잔류진동의 주파수가 10Hz(ωn=2π×10[rad/s])와 같은 기계에 대해서, 복수의 이동거리(1mm(=0.001m), 5mm(=0.005m), 10mm(=0.010m), 20mm(=0.020m)), 제한 가속도(A=3.0m/s²)라는 동작조건에 대해서 위치결정제어를 수행해서, 허용위치결정오차를 이동거리의 대소에 관계없이 0.5mm로 하는 경우를 고려한다. 여기서, 이러한 동작조건에 대해서 이동거리에 관계없이 10Hz의 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 위치결정제어방식(이것을 방식 A라고 부른다), 이동거리에 관계없이 10Hz의 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 위치결정제어방식(이것을 방식 B라고 부른다), 및 본 발명에 의한 위치결정제어방식(이것을 방식 C라고 부른다)으로 위치결정제어를 수행했을 때의 검출위치신호의 거동을 시뮬레이션에 의해 비교한다. 여기서, 방식 A의 위치결정제어방식으로서는, 도 4에 나타낸 제 1 서보 제어부(11)와 동일한 구성을 갖는 서보 제어부를 사용했다.

방식 B의 위치결정제어방식으로서는, 도 6에 나타낸 제 2 서보 제어부(12)와 동일한 구성을 갖는 서보 제어부를 사용하고, 진동성분 제거부에 (1)식의 노치 필터를 사용했다. 방식 C에 있어서의 제 1 서보 제어부(11)로서는 도 4에 나타낸 것을 사용하고, 제 2 서보 제어부(12)로서 도 6에 나타낸 것을 사용했다. 또한, 방식 A, B, C 중 어느 하나에 있어서도, 위치지령신호에는 제한 가속도를 최대한 사용한 삼각지령을 사용했다.

도 10~12는 상기 세 가지 방식으로 위치결정제어를 수행했을 때의, 시간과 검출위치신호의 시간 응답 시뮬레이션을 표시한 파형이다. 위치지령신호가 개시된 시각을 0[s]으로 하고 있다. 도 10이 방식 A의 경우, 도 11은 방식 B의 경우, 도 12가 방식 C의 경우이다. 도 10, 11, 12 모두, 좌상이 이동거리 1mm인 경우, 우상이 이동거리 5 mm인 경우, 좌하가 이동거리 10mm인 경우, 우하가 이동거리 20mm인 경우의 시뮬레이션 결과를 표현하고 있다. 또한, 이러한 도면 내의 실선은 검출위치신호를 표현하고, 점선은 목표 이동거리±허용위치결정오차의 라인을 표현한다. 위치결정제어 실행 후에 검출위치신호가 점선 안에 있으면 적절한 위치결정제어이며, 진동의 진폭이 점선 밖에까지 발생하는 형태라면 위치결정제어로서 부적절한 동작이다.

도 10에 나타내는 바와 같이, 방식 A(기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 위치결정제어 방식)는, 어느 이동거리에 있어서도 위치결정제어의 정정시에 잔류진동이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 단, 이동거리 1mm와 20mm의 경우에는 잔류진동이 발생하고 있어도, 허용위치결정오차 내에서 진폭에 들어가고 있다. 이때, 위치지령신호가 개시되고 나서 검출위치신호가 허용위치결정오차 내로 수렴(收斂)할 때까지의 위치결정시간은, 이동거리가 1mm인 경우는 0.0524[s], 이동거리가 20mm인 경우는 0.221[s]가 된다. 한편, 거리 5mm와 10mm의 경우에는 허용위치결정오차를 초과한 진동 진폭이 발생하고 있어, 위치결정제어로서 부적절한 동작이 이루어지고 있다.

또한, 도 11에 나타내는 바와 같이, 방식 B(기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 위치결정제어 방식)는, 이동거리에 관계없이 위치결정제어 정정시에 잔류진동이 발생하고 있지 않고, 모든 이동거리에서 위치결정제어 동작으로서 적절한 동작이 이루어지고 있다. 위치결정시간은 거리 1mm인 경우는 0.0688[s], 거리 5mm인 경우는 0.148[s], 거리 10mm인 경우는 0.192[s], 거리 20mm인 경우는 0.247[s]가 된다.

다음으로, 본 발명의 실시 형태에 의한 방식 C에 의한 위치결정제어를 수행하는 경우를 고려한다. 제 1 서보 제어부에서 실제로 위치결정 동작시켰을 때의 잔류진동의 진폭치(X0)를 구하는데 이용한 어떤 동작조건을 D0=1mm, A0=3.0m/s²로 했다. 방식 A에서의 이동거리 1mm일 때 X0=0.39mm의 진폭이 시뮬레이션상 발생하고, 또한 방식 A도 방식 C도 위치지령신호로서 삼각지령을 사용하고 있기 때문에, (3)식에서 Y0를 계산하면 Y0=1.767이 된다. 아울러, X0, Y0를 기초로 다른 이동거리의 잔류진동진폭 예측치(X1)를 계산한다.

이동거리 1mm에 관해서, (5)식으로부터 Y1=1.767이 되므로 (6)식으로부터 잔류진동진폭 예측치는 X1=0.39mm가 된다. 이것은 허용위치결정오차(0.5mm) 이하이기 때문에, 10Hz의 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 제 1 서보 제어부(11)를 사용해서 위치결정제어를 수행한다.

이동거리 5mm에 관해서, (5)식으로부터 Y1=5.515가 되므로, (6)식으로부터 잔류진동진폭 예측치는 X1=1.217mm가 된다. 이것은 허용위치결정오차(0.5mm)를 초과하기 때문에, 10Hz의 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 제 2 서보 제어부(12)를 사용해서 위치결정제어를 수행한다.

이동거리 10mm에 관해서, (5)식으로부터 Y1=5.653이 되므로, (6)식으로부터 잔류진동진폭 예측치는 X1=1.248mm가 된다. 이것은 허용위치결정오차(0.5mm)를 초과하기 때문에, 10Hz의 기계의 잔류진동을 억제하는 것을 고려한 제 2 서보 제어부(12)를 사용해서 위치결정제어를 수행한다.

이동거리 20mm에 관해서, (5)식으로부터 Y1=1.783이 되므로, (6)식으로부터 잔류진동진폭 예측치(X1)는 X1=0.393mm가 된다. 이것은 허용위치결정오차(0.5mm) 이하이기 때문에, 10Hz의 기계의 잔류진동의 억제를 고려하지 않는 제 1 서보 제어부(11)를 사용해서 위치결정제어를 수행한다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 의한 방식(방식 C)에서는, 이동거리(1, 5, 10, 20mm) 모두 허용위치결정오차 내로 위치결정제어를 수행할 수 있고, 위치결정제어로서 적절한 동작이 이루어지고 있는 것을 확인할 수 있다.

표 1은 도 10, 도 11, 도 12에 나타낸 시뮬레이션에 의한 각 제어방식의 위치결정시간을 정리한 것이다.

[표 1]

[표 1]에서 거리 1mm와 20mm에 관해서는, 방식 C는 방식 A와 동일한 위치결정시간이며, 방식 B보다 위치결정시간이 짧은 것을 확인할 수 있다. 이 이유는 방식 C는 제 1 서보 제어부(11)를 이용해서 위치결정제어를 수행하기 때문이다.

또한, 거리 5mm와 10mm에 관해서는, 방식 C는 방식 B와 동일한 위치결정시간이 된다. 이것은 방식 C는 제 2 서보 제어부(12)를 이용해서 위치결정제어를 수행하기 때문이다.

이와 같이, 방식 C는 동작조건에 따라 허용오차 내로 위치결정한다고 하는 사양에 있어서, 위치결정제어에 필요한 시간이 보다 짧은 제어방식을 선택할 수 있다고 하는 것을 확인할 수 있다. 이상으로 나타낸 시뮬레이션에서는 허용위치결정오차나, 제한 가속도 등이 이동거리에 관계없이 일정하지만, 이것들을 이동거리에 따라 변화시켜도 본 발명을 적용할 수 있다.

동작조건정보(이동거리, 가속도)에 따라 위치결정제어의 위치결정시간을 단축하기 쉬운 제 1 서보 제어부(11)를 이용했을 때의 기계의 잔류진동의 진폭을 예측하고, 아울러 잔류진동진폭의 예측치와 허용위치결정오차를 비교해서, 비교 결과에 따라 허용위치결정오차 내로 검출위치신호가 수렴하고, 또한 위치결정시간을 보다 단축하는데 유리한 제어방식을 선택하므로, 진동을 소망한 위치결정오차 내로 억제하면서 위치결정시간을 보다 단축할 수 있다.

또한, 이동거리에 관계없이 상술한 대로, 허용위치결정오차 내로 검출위치신호가 수렴하고, 또한 위치결정시간을 보다 단축하는데 유리한 제어방식을 선택할 수 있으므로, 위치결정 제어장치 자체의 조정시간을 단축할 수 있다.

또한, 어느 1개의 동작조건의 위치결정제어 중에는 제어방식을 전환하는 일이 없기 때문에, 위치결정제어 중에 전환에 수반하는 쇼크(shock)나 진동을 발생시키는 일이 없다고 하는 효과가 있다.

이상과 같이, 본 발명은 기계를 구동하기 위한 위치결정 제어장치에 적합하며, 특히 저강성의 기계를 구동하기 위한 위치결정 제어장치에 최적인 형태이다.

1 : 회전형 모터, 2 : 위치 검출기, 3 : 볼 나사, 4 : 커플링,
5 : 볼 나사 너트, 6 : 탄성 요소, 7 : 부하 기계
10 : 동작조건 정보부, 11 : 제 1 서보 제어부, 12 : 제 2 서보 제어부,
13 : 허용위치결정오차 입력부, 14 : 잔류진동정보 입력부,
15 : 잔류진동진폭 예측부, 16 : 서보 제어 선택부, 17 : 전류 제어부,
20 : 동작조건정보, 21 : 제 1 토크 지령신호, 22 : 제 2 토크 지령신호,
23 : 선택토크지령신호, 24 : 전류, 25 : 검출위치정보, 26 : 잔류진동정보,
27 : 허용위치결정오차, 30 : 위치지령신호 생성부, 31 : 위치 제어부,
32, 36 : 미분기, 33 : 속도 제어부, 35 : 저역 필터부,
37, 57 : 피드포워드토크지령신호 생성부, 40 : 위치지령신호,
41, 51 : 위치편차신호, 42, 52 : 속도지령신호, 43, 53 : 검출속도신호,
44, 54 : 속도편차신호, 50 : 저역통과위치지령신호,
55 : 잠정 제 1 토크 지령, 70 : 진동성분 제거부,
71 : 진동성분제거위치지령신호, 80 : 무진동형 위치지령신호 생성부,
91 : 잔류진동진폭 이론치 산출부, 92 : 비례정수 승산부,
93 : 서보 제어 선택 판단부, 94 : 서보 제어 선택 실행부,
101~105 : 가감산기, X : 잔류진동진폭 예측치, Y : 잔류진동진폭 예측치.

Claims

위치결정제어에 있어서 기계의 이동거리 및 기계의 제한 가속도로 이루어진 동작조건정보에 기초해서, 최종치가 상기 이동거리가 되고, 또한 2회 미분 신호인 지령가속도신호가 상기 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호를 생성하는 것과 아울러, 검출한 기계의 위치정보인 검출위치신호와 상기 위치지령신호에 기초해서, 상기 위치지령신호와 기계 위치가 일치하도록 위치결정제어를 실행하기 위한 제 1 토크 지령신호를 생성하는 제 1 서보(servo) 제어부와,
위치결정제어에 있어서 기계의 이동거리 및 기계의 제한 가속도로 이루어진 동작조건정보에 기초해서, 최종치가 상기 이동거리가 되고, 또한 2회 미분 신호인 지령가속도신호가 상기 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호를 생성하는 것과 아울러, 이 위치지령신호에서 기계의 위치결정제어에 있어서 발생하는 잔류진동의 성분을 제거한 진동성분제거위치지령신호를, 상기 동작조건정보에 기초해서 생성하는 것과 아울러, 상기 검출위치신호와 상기 진동성분제거위치지령신호에 기초해서, 상기 진동성분제거위치지령신호와 기계 위치가 일치하도록 위치결정제어를 실행하기 위한 제 2 토크 지령신호를 생성하는 제 2 서보 제어부와,
사전에 임의의 동작 조건하에서 제 1 서보 제어부를 사용해 위치결정제어를 수행한 때에 발생한 기계의 잔류진동을 계측한 잔류진동정보를 기억하는 잔류진동정보 입력부와,
상기 잔류진동정보 및 동작조건정보에 기초해서, 제 1 서보 제어부를 사용해서 위치결정제어를 실행한 경우에 발생하는 기계의 잔류진동의 진폭치를 예측하는 잔류진동진폭 예측부와,
위치결정제어에서 목표로 하는 기계의 이동거리와, 위치결정제어 종료시에 있어서의 기계의 검출 위치와의 차이의 허용치를, 허용위치결정오차를 기억하는 허용위치결정오차 입력부와,
상기 잔류진동진폭 예측부에서 예측한 잔류진동진폭 예측치가, 상기 허용위치결정오차를 초과하는 경우는, 제 2 서보 제어부를 이용해서 기계의 위치결정제어를 실행하고, 또한 상기 잔류진동진폭 예측치가 상기 허용위치결정오차 이하인 경우는, 제 1 서보 제어부를 이용해서 기계의 위치결정제어를 실행하도록, 동작조건마다 위치결정제어에 이용하는 서보 제어부를 선택하는 서보 제어부 선택부와,
상기 서보 제어 선택부가 선택한 서보 제어부로부터 출력되는 토크지령신호를 기초로, 기계를 구동하는 모터에 공급하는 전류를 제어하는 전류 제어부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 제어장치.
위치결정제어에 있어서 기계의 이동거리 및 기계의 제한 가속도로 이루어진 동작조건정보에 기초해서, 최종치가 상기 이동거리가 되고, 또한 2회 미분 신호인 지령가속도신호가 상기 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호를 생성하는 것과 아울러, 검출한 기계의 위치정보인 검출위치신호와 상기 위치지령신호에 기초해서, 상기 위치지령신호와 기계 위치가 일치하도록 위치결정제어를 실행하기 위한 제 1 토크 지령신호를 생성하는 제 1 서보 제어부와,
위치결정제어에 있어서 기계의 이동거리 및 기계의 제한 가속도로 이루어진 동작조건정보에 기초해서, 최종치가 상기 이동거리가 되고, 또한 2회 미분 신호인 지령가속도신호가 상기 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호를 생성하는 것과 아울러, 이 위치지령신호를 저역 통과 특성 필터에 통과시킨 신호를 1회 미분한 피드포워드속도지령신호로부터, 혹은 상기 위치지령신호를 저역 통과 특성 필터에 통과시킨 신호를 2회 미분하고, 이것에 기계 총관성으로부터 정해지는 게인 요소를 곱해서 산출하는 피드포워드토크지령신호로부터, 기계의 위치결정제어에 있어서 발생하는 잔류진동의 성분을 제거한 신호를 생성하는 것과 아울러, 이 잔류진동의 성분을 제거한 신호와 상기 검출위치신호에 기초해서 위치결정제어를 실행하기 위한 제 2 토크 지령신호를 생성하는 제 2 서보 제어부와,
사전에 임의의 동작 조건하에서 제 1 서보 제어부를 사용해 위치결정제어를 수행한 때에 발생한 기계의 잔류진동을 계측한 잔류진동정보를 기억하는 잔류진동정보 입력부와,
상기 잔류진동정보 및 동작조건정보에 기초해서, 제 1 서보 제어부를 사용해서 위치결정제어를 실행한 경우에 발생하는 기계의 잔류진동의 진폭치를 예측하는 잔류진동진폭 예측부와,
위치결정제어에서 목표로 하는 기계의 이동거리와, 위치결정제어 종료시에 있어서의 기계의 검출 위치와의 차이의 허용치를, 허용위치결정오차를 기억하는 허용위치결정오차 입력부와,
상기 잔류진동진폭 예측부에서 예측한 잔류진동진폭 예측치가, 상기 허용위치결정오차를 초과하는 경우는, 제 2 서보 제어부를 이용해서 기계의 위치결정제어를 실행하고, 또한 상기 잔류진동진폭 예측치가 상기 허용위치결정오차 이하인 경우는, 제 1 서보 제어부를 이용해서 기계의 위치결정제어를 실행하도록, 동작조건마다 위치결정제어에 이용하는 서보 제어부를 선택하는 서보 제어부 선택부와,
상기 서보 제어 선택부가 선택한 서보 제어부로부터 출력되는 토크지령신호를 기초로, 기계를 구동하는 모터에 공급하는 전류를 제어하는 전류 제어부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치결정 제어장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제 2 서보 제어장부는,
위치결정제어에 있어서 기계의 이동거리 및 기계의 제한 가속도로 이루어진 동작조건정보에 기초해서, 최종치가 상기 이동거리가 되고, 또한 2회 미분 신호인 지령가속도신호가 상기 제한 가속도 이하가 되도록 위치지령신호를 생성하는 대신에, 상기 제 1 서보 제어부에서 생성된 상기 위치지령신호를 입력해서, 상기 제 2 서보 제어부에서 제 2 토크 지령신호를 생성하기 위한 연산에 사용하는 것을 특징으로 하는 위치결정 제어장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 잔류진동진폭 예측부는,
상기 잔류진동정보 및 동작조건정보에 기초해서 산출하는, 제 1 서보 제어부에서의 위치지령신호, 혹은 제 1 서보 제어부에서의 위치지령신호의 1회 미분인 지령속도신호, 혹은 제 1 서보 제어부에서의 위치지령신호의 고차 미분 신호에 있어서, 기계의 잔류진동의 주파수에 대한 주파수 성분의 값에 비례해서 기계의 잔류진동의 진폭치를 예측하는 것을 특징으로 하는 위치결정 제어장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 잔류진동진폭 예측부는,
기계의 잔류진동의 주파수를 ωn, 제 1 서보 제어부에 있어서의 위치지령신호가 시간 0에 개시되어 시간 2t₀에 목표로 하는 이동거리에 도달한다고 하고, 제 1 서보 제어부에 있어서의 위치지령신호의 미분 신호인 지령속도신호(v*(t))의 형상이, 시간 t₀에 관해서 대칭인 형상인 경우에, 기계의 잔류진동의 진폭치를,

에 비례해서 예측하는 것을 특징으로 하는 위치결정 제어장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 잔류진동진폭 예측부는,
제 1 서보 제어부의 위치지령신호의 1회 미분인 지령속도신호가 삼각형 모양이며, 또한 기계의 이동거리를 D, 제 1 서보 제어부의 위치지령신호의 2회 미분인 지령가속도신호의 크기를 A, 기계의 잔류진동의 주파수를 ωn이라 한 경우에, 기계의 잔류진동의 진폭치를,

에 비례해서 예측하는 것을 특징으로 하는 위치결정 제어장치.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 잔류진동진폭 예측부는,
사전에 계측한, 임의의 동작 조건하에서 제 1 서보 제어부를 사용해서 위치결정제어를 수행한 때에 발생한 기계의 잔류진동의 진폭치를 기초로, 다른 동작 조건으로 동작시켰을 때의 기계의 잔류진동의 진폭치를 예측하는 것을 특징으로 하는 위치결정 제어장치.