KR20210106505A - 제어 장치 및 제어 프로그램 - Google Patents

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Abstract

제어 장치의 제어부는, 제어 대상의 위치가 소정 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량으로서 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하고, 제어 대상의 위치가 소정 범위 외인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량으로서 동특성 모델의 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다. 이에 의해, 제어 대상의 가동 범위 중의 일부밖에 계측 위치를 얻을 수 없는 경우라도, 위치 결정 시의 제진성이 향상한다.

Description

제어 장치 및 제어 프로그램
본 기술은, 제어 장치 및 제어 프로그램에 관한 것이다.
특개 2004-120963호 공보(특허 문헌 1)는, 내부 제어 정보를 샘플링하여 진동의 주기와 진폭을 검출하는 진동 검출부와, 안정된 진동 수속성을 주는 주기 제어부로 이루어지는 진동 제어 장치를 구비하는 서보 제어 장치를 개시하고 있다.
특허 문헌 1: 특개 2004-120963호 공보 특허 문헌 2: 특개 2018-120327호 공보
특허 문헌 1에 개시의 서보 제어 장치에서는, 진동 주파수 변동에 따라 진동이 발생하는 경우, 진동 검출부에 의해 진동의 주기와 진폭이 검출되고 나서, 진동 억제를 위한 제어가 실행된다. 따라서, 일정 시간 진동 상태를 허용할 필요가 있어, 진동 억제를 위한 제어 시작이 늦어진다. 특히, 위치 결정 시의 잔류 진동을 억제하고 싶은 경우, 이동 중에 진동을 검출하는 것이 곤란하고, 정지 후에 진동을 검출하게 되기 때문에, 진동 억제를 위한 제어 시작이 늦어진다.
특허 문헌 1에 개시의 서보 제어 장치는, 상기 내부 제어 정보로서 토크 지령치를 이용하고 있다. 토크 지령치가 진동하는 원인은, 제어 대상으로부터 피드백되는 계측 위치이다. 단, 계측 위치를 계측하는 계측 센서의 성능에 따라서는, 제어 대상의 가동 범위의 모든 위치를 계측할 수 없는 경우가 있을 수 있다. 그렇지만, 특허 문헌 1에는, 제어 대상의 가동 범위 중의 일부밖에 계측 위치를 얻을 수 없는 경우에 관해 고려되어 있지 않다.
본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 제어 대상의 가동 범위 중의 일부밖에 계측 위치를 얻을 수 없는 경우라도, 위치 결정 시의 제진성(制振性)을 향상시키는 제어 장치 및 제어 프로그램을 제공하는 것이다.
본 개시의 한 예에 의하면, 제어 장치는, 제어 대상을 구동하는 서보 기구에 접속되고, 제어 대상의 제어량이 목표 궤도에 추종하도록 서보 기구에 조작량을 출력한다. 제어 장치는, 제어 대상의 위치를 계측하는 계측 센서로부터 계측치를 취득하기 위한 취득부와, 제어 주기마다, 조작량과 제어 대상의 위치의 관계를 나타내는 동특성(動特性) 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 기구에 출력하는 조작량을 생성하는 제어부를 구비한다. 계측 센서는, 제어 대상의 정지 위치를 포함하는 소정 범위에서 제어 대상의 위치를 계측 가능하다. 제어부는, 제어 대상의 위치가 소정 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량으로서 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다. 제어부는, 제어 대상의 위치가 소정 범위 외인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량으로서 동특성 모델의 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다.
이 개시에 의하면, 제어 대상의 위치가 계측 가능 범위 외라도, 제2 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 조작량이 생성된다. 그때문에, 제진성 및 목표 궤도에의 추종성을 높일 수 있다. 또한, 제어 대상의 위치가 계측 가능 범위(제어 대상의 정지 위치를 포함한다) 내인 경우에는, 계측치를 이용한 제1 모드의 모델 예측 제어에 의해, 제진성 및 목표 궤도에의 추종성을 높일 수 있다. 이 때문에, 제어 대상의 가동 범위 중의 일부밖에 계측 위치를 얻을 수 없는 경우라도, 위치 결정 시의 제진성을 향상시킬 수 있다.
상술한 개시에서, 제어부는, 제1 모드에서, 계측치를 이용하여 동특성 모델의 출력치를 연산한다. 모델 예측 제어에서는, 동특성 모델의 출력치가 적절히 연산된다. 이 개시에 의하면, 제어 대상의 상태가 동특성 모델로부터 변동한 경우라도, 계측치를 이용하여 모델 출력치가 연산됨에 의해, 제어 대상의 상태의 변동에 대한 로버스트성을 향상시킬 수 있다.
상술한 개시에서, 제어부는, 제1 모드에서, 금회의 제어 주기에서의 계측치와 금회의 제어 주기에서의 동특성 모델의 출력치의 차분만큼, 금회의 제어 주기까지 연산된 동특성 모델의 출력치를 보정한다.
이 개시에 의하면, 계측치에 노이즈 성분이 포함되는 경우라도, 이미 연산된 동특성 모델의 출력치를 보정할 때에, 노이즈 성분이 증폭되는 것을 억제할 수 있다.
상술한 개시에서, 제어부는, 제어 대상의 위치가 소정 범위 외로부터 소정 범위 내로 변화한 경우에 N개의 제어 주기만큼 제3 모드에 따른 제어를 행한다. N은 2 이상의 정수이다. 제어부는, 제3 모드에서, 제1 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 제1 조작량과 제2 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 제2 조작량의 차분을 N개의 제어 주기의 사이에 해소하도록, 서보 기구에 출력하는 조작량을 생성한다.
이 개시에 의하면, 제2 모드로부터 제1 모드로 전환될 때의 토크 변동을 억제할 수 있다.
상술한 개시에서, 서보 기구는, 제어 대상을 이동시키기 위한 서보 모터와, 서보 모터를 구동하는 서보 드라이버를 포함한다. 동특성 모델은, 조작량과 서보 모터의 위치의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 서보 모터의 위치와 제어 대상의 위치의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함한다. 제2 동특성 모델은, 제어 대상의 진동 파형으로부터 얻어지는 파형 파라미터를 이용하여 생성된다. 파형 파라미터는, 진동 주파수 및 진동 파형에서 연속되는 2개의 파(波)의 진폭비 중 적어도 진동 주파수를 포함한다.
이 개시에 의하면, 동특성 모델을 제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델을 이용하여 용이하게 작성할 수 있다.
본 개시의 한 예에 의하면, 제어 대상을 구동하는 서보 기구에 접속되고, 제어 대상의 제어량이 목표치에 추종하도록 서보 기구에 조작량을 출력하는 제어 장치를 실현하기 위한 제어 프로그램은, 컴퓨터에, 제어 대상의 위치를 계측하는 계측 센서로부터 계측치를 취득하는 스텝과, 제어 주기마다, 조작량과 제어 대상의 위치의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 기구에 출력하는 조작량을 생성하는 스텝을 실행시킨다. 계측 센서는, 제어 대상의 정지 위치를 포함하는 소정 범위에서 제어 대상의 위치를 계측 가능하다. 조작량을 생성하는 스텝은, 제어 대상의 위치가 소정 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량으로서 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는 스텝과, 제어 대상의 위치가 소정 범위 외인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량으로서 동특성 모델의 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는 스텝을 포함한다.
이 개시에 의해서도, 제어 대상의 가동 범위 중의 일부밖에 계측 위치를 얻을 수 없는 경우라도, 위치 결정 시의 제진성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 제어 대상의 가동 범위 중의 일부밖에 계측 위치를 얻을 수 없는 경우라도, 위치 결정 시의 제진성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 실시의 형태에 따른 제어 장치가 적용되는 제어 시스템의 구성례를 도시하는 모식도.
도 2는 본 실시의 형태에 따른 제어 장치의 하드웨어 구성의 한 예를 도시하는 모식도.
도 3은 본 실시의 형태에 관한 제어 장치의 기능 구성을 도시하는 모식도.
도 4는 제1 동특성 모델을 작성하기 위해 실행되는 튜닝을 설명하는 도면.
도 5는 진동 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 6은 제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델을 이용한 모델 출력치의 연산 방법을 도시하는 도면.
도 7은 본 실시의 형태에 따른 제어 시스템에 의한 모터 제어의 처리 순서를 도시하는 플로우 차트.
도 8은 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 한 예를 도시하는 도면.
도 9는 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 다른 예를 도시하는 도면.
본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 관해서는, 동일 부호를 붙여서 그 설명은 반복하지 않는다.
§1 적용례
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명이 적용되는 장면의 한 예에 관해 설명한다. 도 1은, 본 실시의 형태에 따른 제어 장치가 적용되는 제어 시스템의 구성례를 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시하는 예의 제어 시스템(1)은, 부하가 되는 제어 대상(2)과, 제어 대상(2)의 위치를 계측하기 위한 계측 센서(20)와, 1 또는 복수의 서보 기구와, 제어 장치(100)를 포함한다.
도 1에 도시하는 예의 제어 대상(2)은, 워크가 재치되는 워킹 플레이트(3)를 서로 직교하는 2방향으로 각각 이동시킬 수 있는 XY 스테이지이다. 또한, 제어 대상(2)은, XY 스테이지로 한정되는 것이 아니라, 지정된 위치(정지 위치)에 위치 결정되는 장치라면 좋다.
제어 대상(2)은, 워킹 플레이트(3) 외에, 제1 베이스 플레이트(4)와, 제2 베이스 플레이트(7)를 가진다.
제1 베이스 플레이트(4)에는, 워킹 플레이트(3)를 X방향에 따라 임의로 이동시키는 볼 나사(6)가 배치되어 있다. 볼 나사(6)는, 워킹 플레이트(3)에 포함되는 너트와 계합되어 있다.
또한, 제2 베이스 플레이트(7)는, 워킹 플레이트(3) 및 제1 베이스 플레이트(4)를 Y방향에 따라 임의로 이동시키는 볼 나사(9)가 배치되어 있다. 볼 나사(9)는, 제1 베이스 플레이트(4)에 포함되는 너트와 계합되어 있다.
1 또는 복수의 서보 기구는, 워킹 플레이트(3)를 이동시키기 위한 1 또는 복수의 서보 모터(300)와, 서보 모터(300)를 구동하는 1 또는 복수의 서보 드라이버(200)로 구성된다.
1 또는 복수의 서보 모터(300)는, 제어 대상(2)의 워킹 플레이트(3)를 이동시키기 위한 모터이고, 도 1에 도시하는 예에서는, 2개의 서보 모터(300X, 300Y)를 포함한다. 서보 모터(300X)는, 볼 나사(6)의 일단에 연결된다. 서보 모터(300X)가 회전 구동함으로써, 워킹 플레이트(3)에 포함되는 너트와 볼 나사(6)가 상대 회전하고, 그 결과, 워킹 플레이트(3)가 X방향에 따라 이동하게 된다. 서보 모터(300Y)는, 볼 나사(9)의 일단에 연결된다. 서보 모터(300Y)가 회전 구동함으로써, 제1 베이스 플레이트(4)에 포함되는 너트와 볼 나사(9)가 상대 회전하고, 그 결과, 워킹 플레이트(3) 및 제1 베이스 플레이트(4)가 Y방향에 따라 이동하게 된다.
1 또는 복수의 서보 드라이버(200)는, 도 1에 도시하는 예에서는, 2개의 서보 드라이버(200X, 200Y)를 포함한다. 2개의 서보 드라이버(200X, 200Y)는, 서보 모터(300X, 300Y)를 각각 구동한다.
서보 드라이버(200)는, 제어 장치(100)로부터의 지령치(지령 위치 또는 지령 속도)와, 대응하는 서보 모터(300)로부터의 피드백값에 의거하여, 대응하는 서보 모터(300)에 대한 구동 신호를 생성한다. 서보 드라이버(200)는, 생성한 동작 신호를 서보 모터(300)에 출력함에 의해, 서보 모터(300)를 구동한다.
예를 들면, 서보 드라이버(200)는, 대응하는 서보 모터(300)의 회전축에 결합된 인코더로부터의 출력 신호를 피드백값으로서 받는다. 피드백값에 의해, 서보 모터(300)의 위치, 회전 위상, 회전 속도, 누적 회전수 등을 검출할 수 있다.
계측 센서(20)는, 제어 대상(2)의 위치로서의 워킹 플레이트(3)의 위치를 계측한다. 계측 센서(20)는, 계측한 위치(이하, 「계측 위치」라고 한다.)를 나타내는 계측치를 제어 장치(100)에 송신한다. 도 1에 도시하는 예에서는, 계측 센서(20)는, 2개의 계측 센서(20X, 20Y)를 포함한다. 계측 센서(20X, 20Y)는, 예를 들어 레이저 변위계 등의 변위 센서에 의해 구성된다.
계측 센서(20X)는, 워킹 플레이트(3)에서의 X방향의 위치를 계측한다. 구체적으로는, 계측 센서(20X)는, 워킹 플레이트(3)에서의 X방향에 직교하는 단면의 변위를 계측한다.
계측 센서(20Y)는, 워킹 플레이트(3)에서의 Y방향의 위치를 계측한다. 구체적으로는, 계측 센서(20Y)는, 워킹 플레이트(3)에서의 Y방향에 직교하는 단면의 변위를 계측한다.
일반적으로, 계측 센서(20)의 계측 가능 범위를 넓히면 계측 분해 성능이 저하된다. 따라서, 높은 계측 분해 성능을 유지하면서, 제어 대상(2)(여기서는 워킹 플레이트(3))의 가동 범위의 전역을 계측하기 위해서는 고가인 계측 센서를 준비할 필요가 있다. 제어 대상(2)의 진동 중 특히 억제가 필요하게 되는 진동은, 위치 결정 시에서의 정지 후의 잔류 진동이다. 그때문에, 비교적 값이 싼 계측 센서(20)를 이용하는 경우, 계측 센서(20)는, 제어 대상(2)의 가동 범위 중 정지 위치를 포함하는 소정 범위(이하, 「계측 대상 범위」 라고도 칭한다.)에서 제어 대상(2)의 위치를 계측 가능하도록 마련된다.
제어 장치(100)는, 1 또는 복수의 서보 기구에 접속되고, 제어 대상(2)의 제어량(여기서는, 워킹 플레이트(3)의 위치)이 목표 궤도에 추종하도록 서보 기구에 조작량을 출력한다. 제어 장치(100)는, 서보 드라이버(200)와 계측 센서(20)에 접속되고, 계측 센서(20)로부터의 계측치에 응한 조작량을 서보 드라이버(200)에 출력하여, 제어 대상(2)의 워킹 플레이트(3)의 위치 제어를 행한다. 제어 장치(100)와 서보 드라이버(200) 사이에서는, 조작량을 포함하는 데이터의 주고 받음이 가능하게 되어 있다. 제어 장치(100)와 계측 센서(20) 사이에서는, 계측치를 포함하는 데이터의 주고 받음이 가능하게 되어 있다.
도 1에는, 제어 장치(100)와 서보 드라이버(200) 사이가 필드 버스(101A)를 통하여 접속되고, 제어 장치(100)와 계측 센서(20) 사이가 필드 버스(101b)를 통하여 접속되어 있는 구성례를 도시한다. 단, 이와 같은 구성례로 한하지 않고, 임의의 통신 수단을 채용할 수 있다. 또는, 제어 장치(100)와 서보 드라이버(200) 및 계측 센서(20) 사이를 직접 신호선으로 접속하도록 해도 좋다. 또한, 제어 장치(100)와 서보 드라이버(200)를 일체화한 구성을 채용해도 좋다. 이하에 설명하는 바와 같은, 알고리즘이 실현되는 것이라면, 어떤 실장 형태를 채용해도 좋다.
제어 장치(100)는, 제어 주기마다, 조작량과 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용하는 모델 예측 제어를 행함에 의해 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량을 생성한다. 제어 장치(100)는, 생성한 조작량을 지령치(지령 위치 또는 지령 속도)로서 서보 드라이버(200)에 출력한다.
동특성 모델은, 서보 드라이버(200), 서보 모터(300) 및 제어 대상(2)의 모델이고, 입력치인 조작량과 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 전달 함수에 의해 규정된다. 제어 대상(2)의 위치는, 도 1에 도시하는 예에서는 워킹 플레이트(3)의 위치이다. 모델 예측 제어는, 목표 위치와 제어 대상(2)의 위치의 편차가 최소가 되도록 입력치를 결정하는 제어 수법이다.
계측 센서(20)의 계측 대상 범위가 제어 대상(2)의 가동 범위의 일부이기 때문에, 제어 대상(2)의 위치에 의해, 계측치를 얻을 수 있는 경우와, 계측치를 얻을 수 없는 경우가 존재한다. 그때문에, 제어 장치(100)는, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어 대상(2)의 제어량으로서 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다. 한편, 제어 장치(100)는, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어 대상(2)의 제어량으로서 계측치 대신에 동특성 모델의 출력치(이하, 「모델 출력치」라고 칭한다.)를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다. 이와 같이, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내 및 계측 대상 범위 외의 어느 쪽이라도, 모델 예측 제어에 의해 조작량(MV)이 생성된다. 그때문에, 제진성 및 목표 궤도에의 추종성을 높일 수 있다.
또한, 제1 모드에서는, 계측치를 이용하여 모델 출력치를 계산해도 좋다. 이에 의해, 제어 대상(2)의 실제의 상태(예를 들어 진동 주파수)가 동특성 모델로부터 변동한 경우라도, 높은 제진성을 유지할 수 있고, 제어 대상(2)의 상태의 변동에 대한 로버스트성을 향상시킬 수 있다.
제2 모드에서는, 금회의 제어 주기에서의 제어 대상(2)의 제어량으로서 계측치 대신에 모델 출력치를 이용한다. 제2 모드에 따른 모델 예측 제어라도, 모델 출력치를 이용하여 조작량이 생성되기 때문에, 제진성 및 목표 궤도에의 추종성을 높일 수 있다. 단, 제1 모드에 따른 모델 예측 제어와 비교하면 그러한 정밀도는 낮아진다. 그렇지만, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외인 경우, 제어 대상(2)은, 정지 위치를 향하여 이동 중인 상태이다. 그때문에, 제진성 및 목표 궤도에의 추종성의 정밀도의 저하는 문제가 되지 않는다.
이와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내인지의 여부에 응하여 제1 모드 및 제2 모드가 전환된다. 그때문에, 제어 대상의 가동 범위 중의 일부밖에 계측치를 얻을 수 없는 경우라도, 위치 결정 시의 제진성을 향상시킬 수 있다.
§2 구체례
다음으로, 본 실시의 형태에 관한 제어 장치(100)의 구체례에 관해 설명한다.
<A. 제어 장치의 하드웨어 구성례>
본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)는, 한 예로서, PLC(프로그램 가능 컨트롤러)를 이용하여 실장되어도 좋다. 제어 장치(100)는, 미리 격납된 제어 프로그램(후술하는 바와 같은, 시스템 프로그램 및 유저 프로그램을 포함한다)을 프로세서가 실행함으로써, 후술하는 바와 같은 처리가 실현되어도 좋다.
도 2는, 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)의 하드웨어 구성의 한 예를 도시하는 모식도이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 제어 장치(100)는, CPU(Central Processing Unit)나 MPU(Micro-Processing Unit) 등의 프로세서(102)와, 칩 세트(104)와, 메인 메모리(106)와, 플래시 메모리(108)와, 외부 네트워크 컨트롤러(116)와, 메모리 카드 인터페이스(118)와, 필드 버스 컨트롤러(122, 124)와, 외부 네트워크 컨트롤러(116)와, 메모리 카드 인터페이스(118)를 포함한다.
프로세서(102)는, 플래시 메모리(108)에 격납된 시스템 프로그램(110) 및 유저 프로그램(112)을 판독하고, 메인 메모리(106)에 전개하여 실행함으로써, 제어 대상에 대한 임의의 제어를 실현한다. 프로세서(102)가 시스템 프로그램(110) 및 유저 프로그램(112)을 실행함으로써, 후술하는 바와 같은, 서보 드라이버(200)에의 조작량의 출력, 필드 버스를 통한 데이터 통신에 관한 처리 등을 실행한다.
시스템 프로그램(110)은, 데이터의 입출력 처리나 실행 타이밍 제어 등의, 제어 장치(100)의 기본적인 기능을 제공하기 위한 명령 코드를 포함한다. 시스템 프로그램(110)은, 그 일부로서, 모델 작성 라이브러리(110A) 및 모델 예측 제어 라이브러리(110B)를 포함한다. 이러한 라이브러리는, 일종의 프로그램 모듈이고, 본 실시의 형태에 따른 처리 및 기능을 실현하기 위한 명령 코드를 포함한다. 유저 프로그램(112)은, 제어 대상에 응하여 임의로 설계되고, 시퀀스 제어를 실행하기 위한 시퀀스 프로그램(112A) 및 모션 제어를 실행하기 위한 모션 프로그램(112B)을 포함한다. 유저 프로그램(112)에서, 모델 작성 라이브러리(110A) 및 모델 예측 제어 라이브러리(110B)를 각각 이용하는 모델 작성 펑션 블록 및 모델 예측 제어 펑션 블록이 정의됨으로써, 본 실시의 형태에 따른 처리 및 기능이 실현된다. 펑션 블록은, 제어 장치(100)에서 실행되는 프로그램의 컴포넌트이고, 여러 차례 사용하는 프로그램 엘리먼트를 모듈화한 것을 의미한다.
칩 세트(104)는, 각 컴포넌트를 제어함으로써, 제어 장치(100) 전체로서의 처리를 실현한다.
필드 버스 컨트롤러(122)는, 제어 장치(100)와 필드 버스를 통하여 연결되는 각종 디바이스와 데이터를 주고 받는 인터페이스이다. 이와 같은 디바이스의 한 예로서, 계측 센서(20)가 접속되어 있다.
필드 버스 컨트롤러(124)는, 제어 장치(100)와 필드 버스를 통하여 연결되는 각종 디바이스와 데이터를 주고 받는 인터페이스이다. 이와 같은 디바이스의 한 예로서, 서보 드라이버(200)가 접속되어 있다.
필드 버스 컨트롤러(122, 124)는, 접속되어 있는 디바이스에 대해 임의의 지령을 줄 수 있음과 함께, 디바이스가 관리하고 있는 임의의 데이터를 취득할 수 있다.
외부 네트워크 컨트롤러(116)는, 각종의 유선/무선 네트워크를 통한 데이터의 주고 받음을 제어한다. 메모리 카드 인터페이스(118)는, 메모리 카드(120)를 착탈 가능하게 구성되어 있고, 메모리 카드(120)에 대해 데이터를 기록하고, 메모리 카드(120)로부터 데이터를 판독하는 것이 가능하게 되어 있다.
<B. 서보 드라이버>
본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)에 접속되는 서보 드라이버(200)의 동작에 관해 설명한다. 서보 드라이버(200)는, 제어 장치(100)로부터 출력된 조작량을 지령치(지령 위치 또는 지령 속도)로서 받음과 함께, 서보 모터(300)에 결합된 인코더로부터의 출력 신호를 피드백값으로서 받는다. 서보 드라이버(200)는, 지령치 및 피드백값을 이용하여, 예를 들어 모델 추종 제어계의 제어 루프에 따른 제어 연산을 실행한다.
서보 드라이버(200)는, 지령치로서 지령 위치를 받는 경우, 위치 제어 루프 및 속도 제어 루프에 따른 제어 연산을 실행한다. 서보 드라이버(200)는, 지령치로서 지령 속도를 받는 경우, 속도 제어 루프에 따른 제어 연산을 실행한다.
서보 드라이버(200)는, 위치 제어 루프에 따른 제어 연산을 실행함에 의해, 피드백값에 의해 얻어지는 서보 모터(300)의 계측 위치와 제어 장치(100)로부터 주어지는 지령 위치의 위치 편차에 응한 지령 속도를 연산한다.
서보 드라이버(200)는, 속도 제어 루프에 따른 제어 연산을 실행함에 의해, 지령 속도와 피드백값으로부터 얻어지는 서보 모터(300)의 계측 속도의 속도 편차에 응한 토크를 연산한다. 서보 드라이버(200)는, 연산된 토크를 서보 모터(300)에 발생시키기 위한 전류 지령을 나타내는 동작 신호를 출력한다.
<C. 제어 장치의 기능 구성례>
도 3은, 본 실시의 형태에 관한 제어 장치의 기능 구성을 도시하는 모식도이다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 제어 장치(100)는, 모델 작성 모듈(130)과, 궤도 생성 모듈(140)과, 모델 예측 제어 모듈(150)로 이루어지는 제어 유닛(160)을 구비한다. 도면 중에서는, 모델 예측 제어를 「MPC(Model Predictive Control)」라고 기재한다. 또한, 제어 장치(100)는, 서보 드라이버(200X, 200Y)에 각각 대응하는 2개의 제어 유닛(160)을 구비하고 있다. 단, 도 3에는 간략화를 위해 2개의 제어 유닛(160) 중 일방만이 그려져 있다.
모델 작성 모듈(130)은, 전형적으로는, 유저 프로그램(112)에서, 모델 작성 펑션 블록이 규정됨에 의해, 모델 작성 라이브러리(110A)가 콜되어 실현된다. 즉, 모델 작성 모듈(130)은, 유저 프로그램(112)에 규정되는 펑션 블록에 의해 기능화된다.
모델 작성 모듈(130)은, 서보 드라이버(200) 및 서보 모터(300)로 이루어지는 모델 대상(400)의 동특성을 나타내는 동특성 모델(이하, 「동특성 모델(P)」라고 칭한다.)을 작성한다. 모델 작성 모듈(130)은, 작성한 동특성 모델(P)을 규정하는 특성 파라미터를 모델 예측 제어 모듈(150)에 준다.
궤도 생성 모듈(140)은, 미리 지정된 목표 궤도에 따라, 제어 대상(2)의 목표 위치를 나타내는 목표치(SP)의 시계열 데이터를 생성하고, 각 제어 주기에 대응하는 목표치(SP)를 당해 시계열 데이터로부터 순차적으로 판독하고, 모델 예측 제어 모듈(150)에 입력한다. 구체적으로는, 궤도 생성 모듈(140)은, 목표치(SP)의 시계열 데이터로부터, 현시각부터 장래의 일정 기간인 예측 호라이즌 종료까지의 복수의 목표치(SP)를 추출하고, 모델 예측 제어 모듈(150)에 입력한다.
또한, 제어 장치(100)는, 목표 궤도를 규정하는 목표치(SP)의 시계열 데이터를 미리 기억하고 있어서도 좋다. 이 경우에는, 궤도 생성 모듈(140)은, 미리 기억된 목표치(SP)의 시계열 데이터에 액세스한다. 이와 같이, 목표 궤도를 규정하는 제어 주기마다의 목표치(SP)는, 시계열 데이터의 형태로 미리 격납되어 있어도 좋고, 미리 정해진 계산식에 따라 각 제어 주기에 관한 목표치(SP)를 순서대로 계산하도록 해도 좋다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 전형적으로는, 유저 프로그램(112)에서, 모델 예측 제어 펑션 블록이 규정됨에 의해, 모델 예측 제어 라이브러리(110B)가 콜되어 실현된다. 즉, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 유저 프로그램(112)에 규정되는 펑션 블록에 의해 기능화된다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 제어 주기마다, 동특성 모델(P)을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 생성한다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 생성한 조작량(MV)을 지령치로서 서보 드라이버(200)에 출력한다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 제어 대상(2)의 위치가 계측 센서(20)의 계측 대상 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어 대상(2)의 제어량으로서 계측치(PVL)를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량으로서 계측치(PVL) 대신에 모델 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다. 모델 예측 제어의 구체례에 관해서는 후술한다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 금회의 제어 주기에 대응하는 목표치(SP)가 계측 대상 범위 내인 경우에, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내라고 판단하면 좋다. 또는, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 금회의 제어 주기에서의 모델 출력치가 계측 대상 범위 내인 경우에, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내라고 판단해도 좋다. 또는, 계측 대상까지의 거리가 계측 불가능한 범위일 때에 계측 센서(20)가 에러 신호를 출력하는 경우에, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 계측 센서(20)로부터 에러 신호를 받고 있는 동안, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외라고 판단해도 좋다.
또는, 계측 센서(20)는, 하한치로부터 상한치까지의 계측치를 출력하고, 계측 대상까지의 실제의 거리가 하한치 이하인 경우에 하한치를 출력하고, 계측 대상까지의 실제의 거리가 상한치 이상인 경우에 상한치를 출력해도 좋다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 이와 같은 계측 센서(20)로부터의 계측치가 상한치 또는 하한치인 경우에, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외이라고 판단하고, 그렇지 않는 경우에, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내라고 판단해도 좋다.
<D. 동특성(動特性) 모델(P)>
동특성 모델(P)은, 사전의 튜닝에 의해 작성된다. 제어 대상(2)의 가동 범위의 전역에서 제어 대상(2)의 위치가 계측 가능하면, 사전에 튜닝에서 얻어진 조작량과 제어 대상(2)의 계측 위치에 의거하여 동특성 모델(P)이 작성된다. 예를 들면, 제어 대상(2)의 가동 범위의 가동 범위의 전역에서 제어 대상(2)의 위치를 계측 가능한 계측 센서를 준비함에 의해 동작 모델(P)이 작성된다.
동특성 모델(P)은, 예를 들어 이하의 함수((P(z-1))로 표시된다. 함수((P(z-1))는, 낭비 시간 요소와, n차 지연 요소를 조합시킨 이산 시간 전달 함수이다. 함수((P(z-1))로 표시되는 동특성 모델에서는, 낭비 시간 요소의 낭비 시간(d) 및 n차 지연 요소의 변수(a1∼an) 및 변수(b1∼bm)가 특성 파라미터로서 결정된다. 낭비 시간이란, 입력치가 주어지고 나서, 그것에 응한 출력이 나타날 때까지의 시간(즉, 입력부터 출력까지의 지연 시간)이다. 또한, 차수(n) 및 차수(m)에 대해서도 최적치가 결정되어도 좋다.
[수식 1]
Figure pct00001
이와 같은 특성 파라미터의 작성 처리(즉, 시스템 동정(同定))는, 최소 제곱법 등에 의해 실행되어도 좋다.
구체적으로는, y=P(z-1)*u의 변수(u)에 조작량(예를 들어 지령 위치)을 주었을 때의 출력(y)이, 제어 대상(2)의 계측 위치와 일치하도록(즉, 오차가 최소가 되도록), 특성 파라미터의 각각의 값이 결정된다.
이때, 낭비 시간(d)을 먼저 결정한 다음, 제어 대상(2)의 계측 위치를 당해 결정한 낭비 시간(d)만큼 진행한 보정 후의 시간 파형을 생성하고, 그 보정 후의 시간 파형에 의거하여, 낭비 시간 요소를 제외한 나머지 전달 함수의 요소를 결정해도 좋다.
제어 대상(2)의 가동 범위의 전역을 계측할 수 없는 경우에는, 조작량과 서보 모터(300)의 위치(이하, 「모터 위치」라고 칭한다.)의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델(PCM)과, 모터 위치와 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델(PML)을 조합시켜서, 동특성 모델(P)을 작성하면 좋다. 즉, P=PCM*PML에 따라, 동특성 모델(P)이 작성된다.
제1 동특성 모델(PCM)은, 서보 드라이버(200) 및 서보 모터(300)의 모델이고, 입력치인 조작량과 출력치인 모터 위치의 관계를 나타내는 전달 함수에 의해 규정된다. 통상, 서보 모터(300)에는 인코더가 설치되고, 인코더로부터의 피드백값에 의해 모터 위치가 연속하면서 고정밀도로 계측된다. 그때문에, 모터 위치의 계측치에 의거하여 제1 동특성 모델이 작성된다.
제2 동특성 모델(PML)은, 제어 대상(2)의 모델이고, 입력치인 모터 위치와 출력치인 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 전달 함수에 의해 규정된다. 모터 위치와 제어 대상(2)의 위치의 관계는, 제어 대상(2)의 진동에 의존한다. 그때문에, 제2 동특성 모델(PML) 은, 제어 대상(2)의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여 작성된다. 파형 파라미터는, 제어 대상(2)의 진동 주파수(전형적으로는 고유 진동 주파수) 및 진동 파형에서 연속되는 2개의 파의 진폭비 중 적어도 진동 주파수를 포함한다. 제어 대상(2)의 진동 파형은, 계측 센서(20)의 계측 결과로부터 용이하게 얻어진다.
<D-1. 제1 동특성 모델(PCM)의 작성>
제1 동특성 모델(PCM)의 작성 수법에 관해 설명한다. 제1 동특성 모델(PCM)은, 예를 들어 특개 2018-120327(특허 문헌 2)에 개시의 수법을 이용하여 작성된다. 제1 동특성 모델(PCM)은, 모델 예측 제어를 실행하기 전의 튜닝에 의해 작성된다.
도 4는, 제1 동특성 모델(PCM)을 작성하기 위해 실행되는 튜닝을 설명하는 도면이다. 도 4에 도시되는 바와 같이, 제어 장치(100)의 모델 작성 모듈(130)은, 튜닝용으로 미리 설정된 복수의 조작량(예를 들어 지령 위치)을 순차적으로 서보 드라이버(200)에 출력하고, 서보 모터(300)의 계측 위치를 취득한다. 서보 모터(300)의 계측 위치는, 서보 모터(300)의 회전축에 결합된 인코더로부터 출력되는 피드백값으로부터 특정된다. 모델 작성 모듈(130)은, 조작량 및 서보 모터(300)의 계측 위치를 각각 동정 입력 및 동정 출력으로 하고, 동정 입력에 대한 동정 출력의 관계를 이용하여 시스템 동정 수법을 적용함으로써, 제1 동특성 모델(PCM)을 작성할 수 있다.
제1 동특성 모델(PCM)은, 예를 들어 이하의 함수(PCM(z-1))로 표시된다. 함수(PCM(z-1))는, 낭비 시간 요소와, n차 지연 요소를 조합시킨 이산 시간 전달 함수이다. 함수(PCM(z-1))로 표시되는 제1 동특성 모델에서는, 낭비 시간 요소의 낭비 시간(d) 및 n차 지연 요소의 변수(aCM1∼aCMn) 및 변수(bCM1∼bCMm)가 특성 파라미터로서 결정된다. 또한, 차수(n) 및 차수(m)에 대해서도 최적치가 결정되어도 좋다.
[수식 2]
Figure pct00002
이와 같은 특성 파라미터의 작성 처리(즉, 시스템 동정)는, 동정 입력 및 동정 출력을 이용하여, 최소 제곱법 등에 의해 실행되어도 좋다.
구체적으로는, y=PCM(z-1)*u의 변수(u)에 동정 입력으로서 선택된 조작량을 주었을 때의 출력(y)이, 동정 출력으로서 선택된 서보 모터(300)의 계측 위치와 일치하도록(즉, 오차가 최소가 되도록), 특성 파라미터의 각각의 값이 결정된다.
이때, 낭비 시간(d)을 먼저 결정한 다음, 동정 출력을 당해 결정한 낭비 시간(d)만큼 진행한 보정 후의 시간 파형을 생성하고, 그 보정 후의 시간 파형에 의거하여, 낭비 시간 요소를 제외한 나머지 전달 함수의 요소를 결정해도 좋다.
차수(n) 및 차수(m)를 다르게 하여, 복수의 제1 동특성 모델을 산출하도록 해도 좋다. 이 경우, 1 또는 복수의 평가 기준에 의거하여, 최적인 제1 동특성 모델(PCM)이 작성된다. 평가 기준으로서는, 동정의 신뢰성을 나타내는 정도(FIT 비율)나 낭비 시간의 타당성 등이 포함된다. 또한, 정위계(定位系) 모델인 경우에는, 평가 기준으로서, 정상 게인의 타당성을 채용해도 좋다.
FIT 비율은, 산출된 특성 파라미터에 의해 규정되는 함수(PCM(z-1))에 대해, 동정 입력을 주었을 때에 산출되는 출력과, 실제로 수집된 동정 출력 사이의 일치율을 나타내는 값이다. 이와 같은 FIT 비율에 관해서는, 오차를 산출하는 공지의 계산식을 이용할 수 있다. 기본적으로는, FIT 비율이 최대(즉, 일치율이 최대/오차가 최소)인 것을 선택하면 좋다.
또한, 제1 동특성 모델의 평가할 때는, 특이적인 거동을 나타내는 것을 제외하도록 해도 좋다. 예를 들면, 제어 대상의 본래의 특성에 포함되지 않는 특이한 거동을 나타내는 경우에는, 본래의 제어 대상의 본래의 특성을 나타내는 것이 아니라고 생각되기 때문에, 문제가 있는 동특성 모델로서 제외하도록 해도 좋다.
이와 같이, 제1 동특성 모델(PCM)의 산출 과정에서는, 특성 파라미터를 다르게 한 복수의 제1 동특성 모델을 산출하도록 해도 좋다. 이 경우, 상기 FIT 비율을 이용하여, 복수의 제1 동특성 모델 중 1개의 제1 동특성 모델이 작성되도록 해도 좋다.
<D-2. 제2 동특성 모델(PML)의 작성>
다음으로, 제2 동특성 모델(PML)의 작성 수법에 관해 설명한다. 제2 동특성 모델(PML)은, 모델 예측 제어를 실행하기 전의 튜닝에서 취득된 제어 대상(2)의 진동 파형을 이용하여 작성된다. 예를 들면, 제1 동특성 모델(PCM)을 작성하기 위해 실행되는 튜닝에서, 계측 센서(20)는, 서보 모터(300)의 회전을 정지한 직후의 워킹 플레이트(3)의 진동 파형을 계측한다.
도 5는, 진동 파형의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 5에는, 횡축을 시간으로 하고, 종축을 제어 대상(2)의 위치(도면 중, 「부하 위치」라고 기재한다)로 하는 그래프가 나타난다. 서보 모터(300)의 회전이 정지했다 하더라도, 제어 대상(2)의 워킹 플레이트(3)는 진동한다. 워킹 플레이트(3)는, 제어 대상(2)에 응한 고유 진동 주파수에 따라 진동한다. 그래서, 제어 장치(100)의 모델 작성 모듈(130)은, 진동 파형으로부터 진동 주기(T0')를 추출하고, f0=1/T0'에 따라 진동 주파수(f0)를 산출한다. 또는, 모델 작성 모듈(130)은, 감쇠의 영향을 고려하여, 이하의 [수식 3]에 따라 진동 주파수(f0)를 산출해도 좋다. ζ는 진동의 감쇠비를 나타낸다.
[수식 3]
Figure pct00003
모델 작성 모듈(130)은, 산출한 진동 주파수(f0)를 이용하여 제2 동특성 모델(PML)을 작성한다. 제2 동특성 모델(PML)은, 예를 들어 이하의 [수식 4]의 함수(PML(s))로 표시된다. 함수(PML(s))에서, ω0은, 제어 대상(2)의 진동각 주파수이고, ω0=2πf0로 나타난다. 모델 작성 모듈(130)은, 산출한 진동 주파수(f0)를 이용하여, [수식 4]로 표시되는 함수(PML(s))를 작성할 수 있다.
[수식 4]
Figure pct00004
제2 동특성 모델(PML)은, 이하의 [수식 5] 또는 [수식 6]의 함수(ML(s))로 표시되어도 좋다.
[수식 5]
Figure pct00005
[수식 6]
Figure pct00006
ζ는, 대수 감쇠률(δ)을 이용하여, ζ=δ/(δ2+4π2)1/2로 표시된다. 대수 감쇠률(δ)은, 진동 파형에서 연속되는 2개의 파의 진폭비(Adr)와 자연대수(ln)를 이용하여, δ=ln(1/Adr)로 표시된다. 진폭비(Adr)는, 도 6에 도시하는 진동 파형에서 연속되는 2개의 파의 진폭(An, An+1)의 비(An+1/An)로 표시된다. 그때문에, 모델 작성 모듈(130)은, 진동 파형으로부터 진폭비(Adr) 및 진동 주파수(f0)를 추출하고, 추출한 진폭비(Adr) 및 진동 주파수(f0)를 이용하여, [수식 5] 또는 [수식 6]의 함수(PML(s))를 작성할 수 있다.
모델 작성 모듈(130)은, [수식 4]∼[수식 6]의 함수(PML(s))를 이산 시간 형식으로 변환(Z 변환)하고, 변환된 함수(PML(z-1))로 표시되는 제2 동특성 모델(PML)를 작성하면 좋다.
<E. 모델 예측 제어의 처리례>
<E-1. 모델 예측 제어의 전체>
모델 예측 제어 모듈(150)은, 상기 [수식 1]의 함수((P(z-1))로 표시되는 동특성 모델(P)에, 금회의 제어 주기(k)까지 생성한 조작량(MVk, …, MVk-m+1)을 입력함에 의해, 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다. 여기서, m은, 상기와 같이, 동특성 모델(P)에서 규정되는 차수이다. 또한, 제어 주기(k+d+1)는, 금회의 제어 주기(k)로부터 동특성 모델에 규정되는 낭비 시간(d+1)만큼 경과한 미래의 제어 주기이다.
상기와 같이 하여 구해진 모델 출력치(YLk+d+1)는, 다음회의 제어 주기에서의 조작량(MV)을 생성하기 위해 사용된다. 이때, 다음회의 제어 주기에 대비하여, 연산된 데이터가 1 제어 주기분만큼 시프트된다. 예를 들면, 상기와 같이 하여 구해진 모델 출력치(YLk+d+1)는, 다음회의 제어 주기에서 모델 출력치(YLk+d)로서 사용된다. 환언하면, 금회의 제어 주기(k)에서는, 전회의 제어 주기에서 연산된 모델 출력치(YLk+d+1)가 모델 출력치(YLk+d)로서 사용된다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 전회의 제어 주기에서 연산이 끝난 당해 모델 출력치(YLk+d)와 동특성 모델(P)을 이용한 모델 예측 제어에 의해, 금회의 제어 주기(k)에서 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MVk)을 생성한다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 예를 들어 이하와 같은 연산 방법에 따라, 금회의 제어 주기(k)에서 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MVk)을 생성한다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 동특성 모델(P)이 작성되면, 스텝 응답 계산과 램프 응답 계산을 행한다.
스텝 응답 계산이란, 출력이 0인 초기 상태에서 최대의 입력(스텝 입력)을 계속했을 때의 동특성 모델(P)의 출력(이하, 「스텝 출력(Ys)」라고도 칭한다.)을 구하는 계산이다. 이하의 설명에서는, 스텝 입력의 입력 시작으로부터의 경과 시간(i)(>낭비 시간(d))에서의 스텝 출력(Ys)을 Ys(i)라고 한다.
램프 응답 계산이란, 출력이 0인 초기 상태에서 제어 주기마다 1단계씩 증가시킨 입력(램프 입력)을 행했을 때의 동특성 모델(P)의 출력(이하, 「램프 출력(Yr)」라고도 칭한다.)을 구하는 계산이다. 이하의 설명에서는, 램프 입력의 입력 시작으로부터의 경과 시간(i)(>낭비 시간(d))에서의 램프 출력(Yr)을 Yr(i)라고 한다.
또한, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 모델 출력치(YLk+d)를 지정 상태로 한 자유 응답 계산을 행한다. 자유 응답 계산이란, 제어 주기(k+d)에서 지정 상태에 있는 동특성 모델(P)에서, 금회의 제어 주기(k) 이후의 입력을 0으로 했을 때의, 제어 주기(k+d)보다 뒤인 제어 주기(k+d+H)에서의 동특성 모델의 출력(Yf(k+d+H))을 구하는 계산이다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 스텝 출력 및 램프 출력의 크기를 각각 ks 및 kr로 하여, 제어 주기(k+d)보다 뒤인 제어 주기(k+d+H)에서의 동특성 모델(P)의 출력(MHk+d+H)을 이하의 식에 따라 연산한다.
MHk+d+H=ks*Ys(H)+kr*Yr(H)+Yf(k+d+H)
모델 예측 제어 모듈(150)은, MHk+d+H와 모델 출력치(YLk+d)의 차분(ΔMH)과, 제어 주기(k+d+H)에서의 참조 궤도상의 위치(RHk+d+H)와 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 제어량(PVk)(여기서는, 워킹 플레이트(3)의 위치)의 차분(ΔPH)이 일치하도록, ks 및 kr를 구한다. 참조 궤도는, 제어 주기(k+d+H)에서의 목표치(SPk+d+H)와 금회의 제어 주기(k)에서의 목표치(SPk) 및 제어량(PVk)과 미리 정해지는 참조 궤도 시정수(Tr)에 의해 특정된다. 2개의 변수(ks 및 kr)를 구하기 위해, H로서 2개의 값이 설정된다. H로서 설정되는 2개의 값은, 제어 대상(2)의 진동 주기보다도 짧은 시간이고, 예를 들어 진동 주기의 1/8 및 진동 주기의 1/4이다. 그리고, 당해 2개의 값의 각각의 식으로 이루어지는 연립 방정식을 풀음에 의해, 변수(ks, kr)가 연산된다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 상기와 같이 하여 구한 ks와 스텝 입력의 곱을, 금회의 제어 주기(k)에서 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MVk)으로서 생성하면 좋다.
<E-2. 제1 모드 및 제2 모드에 따른 모델 예측 제어의 연산 방법>
상술한 바와 같이, 모델 예측 제어 모듈(150)은, ΔMH와 ΔPH가 일치하도록, ks 및 kr를 구한다. ks 및 kr를 구하기 위해서는, 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 제어량(PVk)을 특정할 필요가 있다.
제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내인 경우, 제어 장치(100)는, 제어 대상(2)의 계측 위치를 나타내는 계측치(PVL)를 계측 센서(20)로부터 취득하고 있다. 그때문에, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 제어량(PVk)으로서 계측치(PVL)를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다.
한편, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외인 경우, 제어 장치(100)는, 계측 센서(20)로부터의 계측치(PVL)를 이용할 수 없다. 그때문에, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 제어량(PVk)으로서 계측치(PVL) 대신에 모델 출력치(YLk)를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다.
또한, 상술한 바와 같이, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 상기 [수식 1]의 함수((P(z-1))로 표시되는 동특성 모델(P)에, 금회의 제어 주기(k)까지 생성한 조작량 (MVk, …, MVk-m+1)을 입력함에 의해, 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다. 당해 모델 출력치(YLk+d+1)는, 다음회의 제어 주기에서 조작량(MV)을 생성하기 위해 사용된다. 즉, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 다음회의 제어 주기에서의 조작량(MV)을 생성하기 위해, 금회의 제어 주기로부터 동특성 모델에 규정되는 낭비 시간만큼 경과한 미래의 제어 주기에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다.
어느 제어 주기에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산할 때, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 당해 제어 주기보다 전의 제어 주기에서의 제어 대상(2)의 위치를 동특성 모델(P)에 입력할 필요가 있다. 제1 모드에 따른 모델 예측 제어에서는, 제어 장치(100)는 계측 센서(20)로부터 계측치(PVL)를 취득하고 있다. 그때문에, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 계측 센서(20)로부터 취득한 계측치(PVL)를 이용하여 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다. 즉, 제1 모드에 따른 모델 예측 제어는, 리셋 모델형을 적용한다.
한편, 제2 모드에 따른 모델 예측 제어에서는, 제어 장치(100)는 계측 센서(20)로부터 계측치(PVL)를 취득할 수 없다. 그때문에, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 지금까지의 제어 주기에서 연산된 모델 출력치(YL)를 이용하여 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다. 즉, 제2 모드에 따른 모델 예측 제어는, 독립 모델형을 적용한다.
이하, 리셋 모델형 및 독립 모델형의 연산 방법의 한 예에 관해 설명한다. 또한, 이하에서는, 동특성 모델(P)이 이하의 [수식 7]로 표시되는 함수((P(z-1))로 표시되는 경우의 예에 관해 설명한다.
[수식 7]
Figure pct00007
<E-2-1. 독립 모델형에 응한 모델 출력치(YLk+d+1)의 연산례>
독립 모델형에서는, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 전회의 제어 주기에서 연산된 모델 출력치(YLk+d)와 금회의 제어 주기(k)에 생성한 조작량(MVk)을 동특성 모델(P)에 입력함에 의해, 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산하면 좋다.
YLk+d+1=-a1YLk+d+b1MVk
<E-2-2. 리셋 모델형에 따른 모델 출력치(YLk+d+1)의 제1의 연산례>
리셋 모델형에서는, 계측 센서(20)로부터 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 계측 위치를 나타내는 계측치(PVLk)가 피드백된다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 계측치(PVLk)를 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 제어량(PVk)으로서 이용하여, 이하의 식에 따라, 다음회의 제어 주기(k+1)의 모델 출력치(YLk+1)를 갱신한다.
YLk+1=-a1PVLk+b1MVk-d
MVk-d는, 과거의 제어 주기(k-d)에서 생성된 조작량이다.
다음회의 제어 주기(k+1) 이후의 계측 위치가 아직 계측되어 있지 않기 때문에, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 연산이 끝난 모델 출력치(YL)를 이용하여, 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d)까지의 모델 출력치(YL)를 갱신한다.
YLk+2=-a1YLk+1+b1MVk-d+1
…
YLk+d=-a1YLk+d-1+b1MVk-1
모델 예측 제어 모듈(150)은, 상기 식에 따라 갱신된 모델 출력치(YLk+d)와 금회의 제어 주기(k)에 생성한 조작량(MVk)을 동특성 모델(P)에 입력함에 의해, 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산하면 좋다.
YLk+d+1=-a1YLk+d+b1MVk
<E-2-3. 리셋 모델형에 따른 모델 출력치(YLk+d+1)의 제2의 연산례>
제1의 연산례에서는, 계측치(PVLk)에 노이즈 성분이 포함되는 경우, 모델 출력치(YLk+1∼YLk+d)를 갱신할 때에 당해 노이즈 성분이 증폭되어 버린다. 그때문에, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 계측 시의 노이즈 성분의 증폭을 억제하기 위해, 이하의 연산 방법에 의해, 모델 출력치(YLk∼YLk+d)를 갱신해도 좋다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 금회의 제어 주기(k)에서의 모델 출력치(YLk)와 계측치(PVLk)의 차분치를 보정량(CL)으로서 연산한다. 즉, 보정량(CL)은,
CL=PVLk-YLk
로 표시된다.
다음으로, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 모델 출력치(YLk)를 계측치(PVLk)로 갱신함과 함께, 보정량(CL)을 이용하여 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d)까지의 모델 출력치(YL)를 갱신한다.
YLk+1←YLk+1+CL
…
YLk+d←YLk+d+CL
또한, 모델 출력치(YLk+1∼YLk+d)는, 과거의 제어 주기(k-d)∼제어 주기(k-1)에서 각각 연산되어 있다. 즉, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 보정량(CL)만큼, 전회의 제어 주기까지 연산한 모델 출력치(YLk+1∼YLk+d)를 보정한다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 상기 식에 따라 보정된 모델 출력치(YLk+d)와 동특성 모델(P)을 이용함에 의해, 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다. 구체적으로는, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 모델 출력치(YLk+d)와 금회의 제어 주기(k)에 생성된 조작량(MVk)을 동특성 모델(P)에 입력함에 의해, 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산하면 좋다.
YLk+d+1=-a1YLk+d+b1MVk
<E-3. 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 이용한 모델 출력의 연산 방법>
동특성 모델(P)이 제1 동특성 모델(PCM)과 제2 동특성 모델(PML)로 분할되는 경우에는, 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 이용하여 동특성 모델(P)의 출력이 연산되어도 좋다.
도 6은, 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 이용한 모델 출력치(YL)의 연산 방법의 예를 도시하는 도면이다. 도 6에 도시되는 바와 같이, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 조작량(MV)을 제1 동특성 모델(PCM)에 입력함에 의해, 당해 조작량(MV)에 응한 서보 모터(300)의 위치의 예측치(YM)를 연산할 수 있다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 연산된 예측치(YM)를 제2 동특성 모델(PML)에 입력함에 의해, 당해 예측치(YM)에 응한 모델 출력치(YL)를 연산할 수 있다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 모델 출력치(YL)의 예측 정밀도를 올리기 위해, 서보 모터(300)로부터 피드백되는 서보 모터(300)의 계측 위치를 나타내는 계측치(PVM)를 받아, 계측치(PVM)를 이용하여 예측치(YM)를 보정해도 좋다.
예를 들면, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 금회의 제어 주기(k)에서의 예측치(YMk)와 계측치(PVMk)의 차분치를 보정량(CM)으로서 연산한다. 즉, 보정량(CM)은,
CM=PVMk-YMk
로 표시된다. 또한, 금회의 제어 주기(k)에서의 예측치(YMk)는, 과거의 제어 주기(k-d-1)에서 연산되어 있다.
다음으로, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 예측치(YMk)를 계측치(PVMk)로 보정함과 함께, 보정량(CM)을 이용하여 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d)까지의 예측치(YM)를 갱신한다.
YMk+1←YMk+1+CM
…
YMk+d←YMk+d+CM
또한, 예측치(YMk+1∼YMk+d)는, 과거의 제어 주기(k-d)∼제어 주기(k-1)에서 각각 연산되어 있다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 갱신 후의 예측치(YMk+d)와 금회의 제어 주기(k)에 생성된 조작량(MVk)과 제1 동특성 모델(PCM)을 이용하여, 제어 주기(k+d+1)에서의 모터 위치의 예측치(YMk+d+1)를 연산하면 좋다. 예를 들면, 제1 동특성 모델(PCM)이 이하의 [수식 8]의 함수(PCM(z-1))로 표시되는 것으로 한다.
[수식 8]
Figure pct00008
제1 동특성 모델(PCM)이 [수식 8]의 함수(PCM(z-1))로 표시되는 경우, 모델 예측 제어 모듈(150)은,
YMk+d+1=-aCM1YMk+d+bCM1MVk
에 따라, 예측치(YMk+d+1)를 연산하면 좋다.
이상과 같이 하여, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 예측치(YM)를 보정한다. 또한, 모델 예측 제어 모듈(150)에 의한 예측치(YM)의 보정 방법은, 상기 보정 방법으로 한정되지 않고, 다른 연산 방법을 이용해도 좋다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 보정 후의 예측치(YM)와 제2 동특성 모델(PML)을 이용하여, 모델 출력치(YL)를 연산한다. 예를 들면, 제2 동특성 모델(PML)이 이하의 [수식 9]의 함수(PML(z-1))로 표시되는 것으로 한다.
[수식 9]
Figure pct00009
제2 동특성 모델(PML)이 [수식 9]의 함수(PML(z-1))로 표시되는 경우, 모델 예측 제어 모듈(150)은,
YLk+d+1=-aML1YLk+d-aML2YLk+d-1+bML1YMk+d+1+bML2YMk+d
에 따라, 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산하면 좋다.
<F. 처리 순서>
다음으로, 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)에 의한 모터 제어의 처리 순서의 개요에 관해 설명한다. 도 7은, 본 실시의 형태에 따른 제어 시스템에 의한 모터 제어의 처리 순서를 도시하는 플로우 차트이다. 도 7에 도시하는 스텝은, 제어 장치(100)의 프로세서(102)가 제어 프로그램(도 2에 도시하는 시스템 프로그램(110) 및 유저 프로그램(112)을 포함한다)을 실행함으로써 실현되어도 좋다.
우선, 제어 장치(100)는, 서보 드라이버(200)에 대해 튜닝을 실행시켜, 튜닝에 의해 얻어진 동정 입력 및 동정 출력에 의거하여, 제1 동특성 모델(PCM)을 작성한다(스텝 S1). 다음으로, 제어 장치(100)는, 튜닝할 때에 얻어진 제어 대상(2)의 진동 파형으로부터 얻어진 파형 파라미터(진동 주파수 및 진폭비)를 이용하여 제2 동특성 모델(PML)을 작성한다(스텝 S2). 또한, 스텝 S1 및 S2 대신에, 튜닝할 때에 얻어진 조작량 및 제어 대상(2)의 위치의 계측치를 각각 동정 입력 및 동정 출력으로 하여, 동특성 모델(P)이 작성되어도 좋다.
다음으로, 제어 장치(100)는, 제어 대상(2)의 위치가 계측 센서(20)의 계측 대상 범위 내인지의 여부를 판단한다(스텝 S3). 당해 판단 방법의 예는 <C. 제어 장치의 기능 구성례>에서 설명한 바와 같다.
제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외인 경우(스텝 S3에서 NO), 제어 장치(100)는, 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 행함에 의해, 조작량(MV)을 생성한다(스텝 S4). 즉, 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 제어량(PVk)으로서 모델 출력치(YLk)를 이용하여 모델 예측 제어가 실행된다.
스텝 S4 후, 제어 장치(100)는, 독립 모델형에 따라, 금회의 제어 주기(k)로부터 낭비 시간(d+1)만큼 경과한 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다(스텝 S5). 즉, 제어 장치(100)는, 전회의 제어 주기까지 연산된 모델 출력치(YL)를 이용하여, 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다.
제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내인 경우(스텝 S3에서 YES), 제어 장치(100)는, 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 행함에 의해, 조작량(MV)을 생성한다(스텝 S6). 즉, 금회의 제어 주기(k)에서의 제어 대상(2)의 제어량(PVk)으로서 계측 센서(20)로부터의 계측치(PVL)를 이용하여 모델 예측 제어가 실행된다.
스텝 S6 후, 제어 장치(100)는, 리셋 모델형에 따라, 금회의 제어 주기(k)로부터 낭비 시간(d+1)만큼 경과한 제어 주기(k+d+1)에서의 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다(스텝 S7). 즉, 제어 장치(100)는, 계측 센서(20)로부터 피드백된 계측치(PVL)를 이용하여, 모델 출력치(YLk+d+1)를 연산한다.
스텝 S5 또는 스텝 S7에서 연산된 모델 출력치(YLk+d+1)는, 다음회의 제어 주기에서 조작량(MV)을 생성할 때에, 모델 출력치(YLk+d)로서 이용된다.
이어서, 제어 장치(100)는, 목표 궤도의 종점에 도달했는지의 여부를 판단한다(스텝 S8). 목표 궤도의 종점에 도달하지 않은 경우(스텝 S8에서 NO), 다음회의 제어 주기에서, 스텝 S3∼S7의 처리가 반복된다.
목표 궤도의 종점에 도달하여 있는 경우(스텝 S8에서 YES), 모터 제어의 처리는 종료한다. 이상과 같은 처리 순서에 의해, 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)의 모터 제어가 실현된다. 또한, 스텝 S1∼S8의 처리는, 지정된 서보 드라이버(200)의 각각에 관해 실시된다. 그때문에, 복수의 서보 드라이버(200)의 각각에 관한 스텝 S1∼S8의 처리가 병렬적으로 실행되는 일도 있다.
<G. 제3 모드에 따른 제어>
상술한 바와 같이, 계측 센서(20)는, 제어 대상(2)의 정지 위치를 포함하는 소정 범위(계측 대상 범위)를 계측 가능하도록 마련된다. 그때문에, 제어 대상(2)을 정지 위치에 위치 결정할 때, 제어 대상(2)의 위치는, 통상, 계측 대상 범위 외로부터 계측 가능 범위 내로 이동한다. 따라서, 제어 장치(100)에서 실행되는 모델 예측 제어는, 제2 모드에 따른 모델 예측 제어로부터 제1 모드에 따른 모델 예측 제어로 전환된다. 제2 모드에 따른 모델 예측 제어로부터 제1 모드에 따른 모델 예측 제어로 전환되었을 때, 서보 드라이버(200)에 출력되는 조작량(MV)에 급격한 변동이 생기고, 서보 모터(300)의 토크가 크게 변동할 가능성이 있다. 그때문에, 제어 장치(100)는, 이와 같은 토크의 변동을 억제하기 위해, 제2 모드에 따른 모델 예측 제어로부터 제1 모드에 따른 모델 예측 제어로 전환될 때에, 이하의 제3 모드에 따른 제어를 행하는 것이 바람직하다.
제3 모드에 따른 제어는, 미리 정해진 N개의 제어 주기만큼 실행된다. N은 2 이상의 정수이다.
제3 모드에서, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 제1 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 조작량(이하, 「제1 조작량(MV1)」이라고 한다)과 제2 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 조작량(이하, 「제2 조작량(MV2)」이라고 한다)의 차분(ΔMV(ΔMV=MV1-MV2))을 구한다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 차분(ΔMV)을 N개의 제어 주기 사이에 해소하도록, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 생성한다.
예를 들면, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 차분(ΔMV)을 N개의 분할량(=ΔMV/N)으로 분할한다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 제3 모드의 n번째(n는 1∼N의 정수)의 제어 주기에서, 분할량(ΔMV/N)에 N-n를 곱한 양(=(N-n)×ΔMV/N)만큼 제1 조작량(MV1)으로부터 감산한 양을, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)으로서 생성한다.
이에 의해, 제2 모드에 따른 모델 예측 제어로부터 제1 모드에 따른 모델 예측 제어로 전환될 때에, 서보 드라이버(200)에 출력되는 조작량(MV)의 급격한 변동이 억제되고, 서보 모터(300)의 토크 변동을 억제할 수 있다.
<H. 시뮬레이션 결과>
본 실시의 형태에 관한 제어 장치(100)의 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션을 행했다.
도 8은, 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 8에는, 이하의 조건하에서의 시뮬레이션 결과가 나타난다.
·진동 주파수 9.2㎐로 했을 때의 제2 동특성 모델(PML)을 이용했다.
·제어 대상의 고유 진동 주파수를 9.2㎐로 했다.
·목표 궤도를 400㎳로 제어 대상을 100㎜ 이동시키는 궤도로 했다.
·서보 드라이버의 위치 제어 방식을 모델 추종형 2자유도 제어 방식으로 하고, 모델 추종형 2자유도 제어 방식의 제어 파라미터를 어느 시뮬레이션에서도 동일한 값으로 했다.
도 9는, 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 다른 예를 도시하는 도면이다. 도 9에는, 제어 대상의 고유 진동 주파수를 9.2㎐로부터 -10% 변동시킨 8.28㎐로 한 점을 제외하고 도 8과 같은 조건하에서의 시뮬레이션 결과가 나타난다.
도 8 및 도 9에서, 가장 좌측의 열인 (a)에는, 평상시, 계측치(PVL)를 사용하지 않는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 행할 때의 시뮬레이션 결과가 나타난다. 도 8 및 도 9에서, 왼쪽으로부터 2열째의 (b)에는, 평상시, 계측치(PVL)를 사용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 행할 때의 시뮬레이션 결과가 나타난다. 도 8 및 도 9에서, 왼쪽으로부터 3열째의 (c)에는, 정지 위치로부터 ±2㎜의 범위에서만 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 행하고, 당해 범위 외에서는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 행했을 때의 시뮬레이션 결과가 나타난다. 도 9에서, 가장 우측의 열인 (d)에는, 정지 위치로부터 ±2㎜의 범위에서만 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 행하고, 당해 범위 외에서는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 행한다. 또한, 제2 모드로부터 제1 모드로 전환될 때에 제3 모드에 따른 제어를 행했을 때의 시뮬레이션 결과가 나타난다. 또한, 제3 모드에 따른 제어를 행하는 제어 주기의 개수를 33으로 했다.
도 8 및 도 9에서, 각 열의 1단째에는, 목표 위치의 시간 변화 즉 목표 궤도가 나타난다. 목표 궤도는 5차 궤도이다. 2단째에는, 목표 위치와 제어 대상의 위치(부하 위치)와의 시간 변화가 나타난다. 3단째에는, 목표 위치와 부하 위치의 편차의 시간 변화가 나타난다. 4단째에는, 서보 모터에 더해지는 토크의 시간 변화가 나타난다. 1단째로부터 3단째까지의 그래프의 횡축의 눈금은, 4단째의 그래프의 횡축의 눈금과 같다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 제2 동특성 모델(PML)에서의 진동 주파수와 같은 주파수로 제어 대상이 진동하는 경우, 제1 모드 및 제2 모드의 어느 쪽을 이용해도, 높은 제진성을 나타내는 것이 확인되었다. 또한, 제어 대상의 이동 중(즉, 0∼400㎳까지의 기간)에서, (a) 및 (c)에서의 목표 궤도에 대한 추종성이 (b)에서의 목표 궤도에 대한 추종성보다도 뒤떨어지고 있다. 이것은, 동특성 모델에서의 모델 오차에 기인하는 예측 오차를 계측 위치에 의해 수정할 수 없기 때문인라고 생각된다.
도 9에 도시되는 바와 같이, 제2 동특성 모델(PML)에서의 진동 주파수로부터 변동한 주파수로 제어 대상이 진동하는 경우, 제어 대상의 계측 위치를 이용하지 않는 제2 모드만의 모델 예측 제어에서는, 정지 후에 진동하는 것이 확인되었다(도 9(a) 참조). 이것은, 동특성 모델이 제어 대상을 정밀도 좋게 모델링되어 있지 않기 때문이다.
그렇지만, 도 9(b)에 도시되는 바와 같이, 제어 대상의 계측 위치를 이용하는 제1 모드의 모델 예측 제어를 행함에 의해, 정지 후의 진동이 억제된다. 이것은, 동특성 모델과 실제의 제어 대상의 차가 제어 대상의 계측 위치에 의해 적절히 수정되기 때문이다.
도 9(c)에 도시되는 바와 같이, 정지 위치의 근방의 범위만 제1 모드의 모델 예측 제어를 행했다 하더라도, 도 9(b)와 마찬가지로 정지 후의 진동이 억제되어 있다. 이 결과로부터, 정지 위치를 포함하는 소정 범위에서 제어 대상의 위치를 계측 가능하게 하는 계측 센서(20)를 이용함에 의해, 높은 제진성 및 목표 궤도에의 추종성을 유지할 수 있음과 함께, 제어 대상의 진동 주파수의 변동에 대한 로버스트성의 향상이 확인되었다.
단, 도 9(c)에서는, 제2 모드로부터 제1 모드로의 전환 시에 토크가 크게 변동하고 있다. 그렇지만, 도 9(d)에 도시되는 바와 같이, 제2 모드로부터 제1 모드에의 전환 시에 제3 모드에 따른 제어를 행함에 의해, 토크의 변동폭을 충분히 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
<I. 이점>
이상과 같이, 본 실시의 형태에 관한 제어 장치(100)는, 제어 대상(2)을 구동하는 서보 기구에 접속되고, 제어 대상(2)의 제어량이 목표 궤도에 추종하도록 서보 기구에 조작량(MV)을 출력한다. 제어 장치(100)는, 제어 대상(2)의 위치를 계측하는 계측 센서(20)로부터의 계측치(PVL)를 취득하기 위한 취득부인 필드 버스 컨트롤러(122)와, 프로세서(102)를 구비한다. 프로세서(102)는, 조작량(MV)과 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 동특성 모델(P)을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 생성한다. 계측 센서(20)는, 제어 대상(2)의 정지 위치를 포함하는 소정 범위(계측 대상 범위)에서 제어 대상(2)의 위치를 계측 가능하다. 프로세서(102)는, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량(PV)으로서 계측치(PVL)를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다. 프로세서(102)는, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 외인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 제어량(PV)으로서 계측치(PVL) 대신에 모델 출력치(YL)를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행한다.
상기 구성에 의하면, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내 및 계측 대상 범위 외의 어느 쪽이라도, 모델 예측 제어에 의해 조작량(MV)이 생성된다. 그때문에, 제진성 및 목표 궤도에의 추종성을 높일 수 있다.
또한, 제어 대상(2)의 위치가 계측 대상 범위 내인 경우(즉 제1 모드인 경우), 계측치(PVL)를 이용하여 모델 출력치(YL)가 연산된다. 이에 의해, 제어 대상(2)의 상태가 동특성 모델로부터 변동한 경우라도, 높은 제진성을 유지할 수 있고, 제어 대상(2)의 상태의 변동에 대한 로버스트성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, 제어 대상(2)의 가동 범위 중의 일부밖에 계측 위치를 얻을 수 없는 경우라도, 위치 결정 시의 제진성을 향상시킬 수 있다.
<J. 부기>
이상과 같이, 본 실시의 형태 및 변형례는 이하와 같은 개시를 포함한다.
(구성 1)
제어 대상(2)을 구동하는 서보 기구(200, 300)에 접속되고, 제어 대상(2)의 제어량이 목표 궤도에 추종하도록 상기 서보 기구(200, 300)에 조작량을 출력하는 제어 장치(100)로서,
상기 제어 대상(2)의 위치를 계측하는 계측 센서(20)로부터 계측치를 취득하기 위한 취득부(122)와,
제어 주기마다, 상기 조작량과 상기 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해 상기 서보 기구(200, 300)에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 제어부(102, 150)를 구비하고,
상기 계측 센서(20)는, 상기 제어 대상(2)의 정지 위치를 포함하는 소정 범위에서 상기 제어 대상(2)의 위치를 계측 가능하고,
상기 제어부(102, 150)는,
상기 제어 대상(2)의 위치가 상기 소정 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하고,
상기 제어 대상(2)의 위치가 상기 소정 범위 외인 경우에, 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 동특성 모델의 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는, 제어 장치(100).
(구성 2)
상기 제어부(102, 150)는, 상기 제1 모드에서, 상기 계측치를 이용하여 상기 동특성 모델의 출력치를 연산하는, 구성 1에 기재된 제어 장치(100).
(구성 3)
상기 제어부(102, 150)는, 상기 제1 모드에서, 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 계측치와 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 모델 출력치의 차분만큼, 상기 금회의 제어 주기까지 연산된 상기 모델 출력치를 보정하는, 구성 2에 기재된 제어 장치(100).
(구성 4)
상기 제어부(102, 150)는, 상기 제어 대상(2)의 위치가 상기 소정 범위 외로부터 상기 소정 범위 내로 변화한 경우에 N개의 상기 제어 주기만큼 제3 모드에 따른 제어를 행하고,
N은 2 이상의 정수이고,
상기 제어부(102, 150)는,
상기 제3 모드에서, 상기 제1 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 제1 조작량과 상기 제2 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 제2 조작량의 차분을 상기 N개의 제어 주기 사이에 해소하도록, 상기 서보 기구에 출력하는 상기 조작량을 생성하는, 구성 1∼3의 어느 하나에 기재된 제어 장치(100).
(구성 5)
상기 서보 기구(200, 300)는, 상기 제어 대상(2)을 이동시키기 위한 서보 모터(300)와, 상기 서보 모터(300)를 구동하는 서보 드라이버(200)를 포함하고,
상기 동특성 모델은, 상기 조작량과 상기 서보 모터(300)의 위치의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 상기 서보 모터(300)의 위치와 상기 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함하고,
상기 제2 동특성 모델은, 상기 제어 대상(2)의 진동 파형으로부터 얻어지는 파형 파라미터를 이용하여 생성되고,
상기 파형 파라미터는, 진동 주파수 및 상기 진동 파형에서 연속되는 2개의 파의 진폭비 중 적어도 상기 진동 주파수를 포함하는, 구성 1∼4의 어느 하나에 기재된 제어 장치(100).
(구성 6)
제어 대상(2)을 구동하는 서보 기구(200, 300)에 접속되고, 제어 대상(2)의 제어량이 목표 궤도에 추종하도록 상기 서보 기구(200, 300)에 조작량을 출력하는 제어 장치(100)를 실현하기 위한 제어 프로그램(110, 112)으로서,
상기 제어 프로그램(110, 112)은, 컴퓨터에,
상기 제어 대상(2)의 위치를 계측하는 계측 센서(20)로부터 계측치를 취득하는 스텝과,
제어 주기마다, 상기 조작량과 상기 제어 대상(2)의 위치의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 상기 서보 기구(200, 300)에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 스텝을 실행시키고,
상기 계측 센서(20)는, 상기 제어 대상(2)의 정지 위치를 포함하는 소정 범위에서 상기 제어 대상의 위치를 계측 가능하고,
상기 모델 출력치를 연산하는 스텝은,
상기 제어 대상(2)의 위치가 상기 소정 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는 스텝과,
상기 제어 대상(2)의 위치가 상기 소정 범위 외인 경우에, 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 동특성 모델의 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는 스텝을 포함하는 제어 프로그램(110, 112).
본 발명의 실시의 형태에 관해 설명했지만, 금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 제어 시스템
2: 제어 대상
3: 워킹 플레이트
4: 제1 베이스 플레이트
6, 9: 볼 나사
7: 제2 베이스 플레이트
20, 20X, 20Y: 계측 센서
100: 제어 장치
101a, 101b: 필드 버스
102: 프로세서
104: 칩 세트
106: 메인 메모리
108: 플래시 메모리
110: 시스템 프로그램
110A: 모델 작성 라이브러리
110B: 모델 예측 제어 라이브러리
112: 유저 프로그램
112A: 시퀀스 프로그램
112B: 모션 프로그램
116: 외부 네트워크 컨트롤러
118: 메모리 카드 인터페이스
120: 메모리 카드
122, 124: 필드 버스 컨트롤러
130: 모델 작성 모듈
140: 궤도 생성 모듈
150: 모델 예측 제어 모듈
160: 제어 유닛
200, 200X, 200Y: 서보 드라이버
300, 300X, 300Y: 서보 모터
400: 모델 대상

Claims (6)

  1. 제어 대상을 구동하는 서보 기구에 접속되고, 제어 대상의 제어량이 목표 궤도에 추종하도록 상기 서보 기구에 조작량을 출력하는 제어 장치로서,
    상기 제어 대상의 위치를 계측하는 계측 센서로부터 계측치를 취득하기 위한 취득부와,
    제어 주기마다, 상기 조작량과 상기 제어 대상의 위치의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 상기 서보 기구에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 제어부를 구비하고,
    상기 계측 센서는, 상기 제어 대상의 정지 위치를 포함하는 소정 범위에서 상기 제어 대상의 위치를 계측 가능하고,
    상기 제어부는,
    상기 제어 대상의 위치가 상기 소정 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하고,
    상기 제어 대상의 위치가 상기 소정 범위 외인 경우에, 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 동특성 모델의 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 모드에서, 상기 계측치를 이용하여 상기 동특성 모델의 출력치를 연산하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 모드에서, 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 계측치와 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 동특성 모델의 출력치의 차분만큼, 상기 금회의 제어 주기까지 연산된 상기 동특성 모델의 출력치를 보정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제어 대상의 위치가 상기 소정 범위 외로부터 상기 소정 범위 내로 변화한 경우에 N개의 제어 주기만큼 제3 모드에 따른 제어를 행하고,
    N은 2 이상의 정수이고,
    상기 제어부는,
    상기 제3 모드에서, 상기 제1 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 제1 조작량과 상기 제2 모드에 따른 모델 예측 제어에 의해 생성되는 제2 조작량의 차분을 상기 N개의 제어 주기 사이에 해소하도록, 상기 서보 기구에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서보 기구는, 상기 제어 대상을 이동시키기 위한 서보 모터와, 상기 서보 모터를 구동하는 서보 드라이버를 포함하고,
    상기 동특성 모델은, 상기 조작량과 상기 서보 모터의 위치의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 상기 서보 모터의 위치와 상기 제어 대상의 위치의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함하고,
    상기 제2 동특성 모델은, 상기 제어 대상의 진동 파형으로부터 얻어지는 파형 파라미터를 이용하여 생성되고,
    상기 파형 파라미터는, 진동 주파수 및 상기 진동 파형에서 연속되는 2개의 파의 진폭비 중 적어도 상기 진동 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 제어 대상을 구동하는 서보 기구에 접속되고, 상기 제어 대상의 제어량이 목표치에 추종하도록 상기 서보 기구에 조작량을 출력하는 제어 장치를 실현하기 위한 제어 프로그램으로서,
    상기 제어 프로그램은, 컴퓨터에,
    상기 제어 대상의 위치를 계측하는 계측 센서로부터 계측치를 취득하는 스텝과,
    제어 주기마다, 상기 조작량과 상기 제어 대상의 위치의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 상기 서보 기구에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 스텝을 실행시키고,
    상기 계측 센서는, 상기 제어 대상의 정지 위치를 포함하는 소정 범위에서 상기 제어 대상의 위치를 계측 가능하고,
    상기 조작량을 생성하는 스텝은,
    상기 제어 대상의 위치가 상기 소정 범위 내인 경우에, 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 계측치를 이용하는 제1 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는 스텝과,
    상기 제어 대상의 위치가 상기 소정 범위 외인 경우에, 상기 금회의 제어 주기에서의 상기 제어량으로서 상기 동특성 모델의 출력치를 이용하는 제2 모드에 따른 모델 예측 제어를 실행하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램.
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