KR20210106542A - 제어 장치, 모델 작성 방법 및 제어 프로그램 - Google Patents

제어 장치, 모델 작성 방법 및 제어 프로그램 Download PDF

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마사키 나미에
유키오 이나메
요시마사 우스이
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

제어 장치는, 제어 주기마다, 조작량과 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 제어 수단을 구비한다. 동특성 모델은 조작량과 서보 모터의 위치와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 서보 모터의 위치와 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함한다. 제2 동특성 모델은 제어 대상의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여 작성된다. 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함한다. 이에 의해, 제어 대상의 위치의 제진성 및 목표 위치에 대한 추종성을 향상시킬 수 있는 제어 장치를 제공할 수 있다.

Description

제어 장치, 모델 작성 방법 및 제어 프로그램
본 기술은, 제어 장치, 모델 작성 방법 및 제어 프로그램에 관한 것이다.
일본 특개2017-175890호 공보(특허문헌 1)는, 피구동부의 위치를 지령하는 위치 지령부와, 위치 지령을 보정하는 보정 필터부와, 보정 후 위치 지령에 의거하여 서보 모터의 이동을 제어하는 서보 제어부를 갖는 모터 제어 장치를 개시하고 있다. 보정 필터부는 모터 위치로부터 기계 위치까지의 전달 특성의 역(逆)특성을 근사(近似)하는 역특성 필터를 포함한다.
일본 특개2017-175890호 공보 일본 특개2018-120327호 공보
특허문헌 1에 개시의 모터 제어 장치는, 역특성 필터를 이용함에 의해, 기계 위치가 계측될 수 없는 경우라도, 기계 위치를 목표 위치에 추종시키기 위한 위치 지령을 생성한다. 그러나, 일반적으로 서보 제어부에서 응답 지연이 생기기 때문에, 기계 위치의 제진성(制振性) 및 목표 위치에 대한 추종성이 저하되기 쉬워진다. 특히, 진동이 생기기 쉬운 저강성의 기계에서는, 서보 제어부의 게인을 높게 할 수가 없기 때문에, 서보 제어부에서의 응답 지연이 커지기 쉽다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 제어 대상의 위치의 제진성 및 목표 궤도에 대한 추종성을 향상시킬 수 있는 제어 장치 및 제어 프로그램과, 당해 제어 장치가 이용하는 모델을 작성하는 모델 작성 방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 한 예에 의하면, 제어 장치는 제어 대상을 이동시키기 위한 서보 모터를 구동하는 서보 드라이버에 접속되고, 서보 드라이버에 조작량을 출력하여 제어 대상의 위치 제어를 행한다. 제어 장치는, 제어 주기마다, 조작량과 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 동특성(動特性) 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 제어 수단을 구비한다. 동특성 모델은 조작량과 서보 모터의 위치와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 서보 모터의 위치와 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함한다. 제2 동특성 모델은 제어 대상의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여 작성된다. 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함한다.
이 개시에 의하면, 제어 대상의 진동 파형을 계측함에 의해, 서보 모터의 위치와 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 작성할 수 있다. 또한, 제1 동특성 모델은 서보 모터로부터의 피드백값을 이용하여 용이하게 작성된다. 그리고, 제1 동특성 모델과 제2 동특성 모델을 조합시킴에 의해, 조작량과 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 작성할 수 있다. 작성된 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해 조작량을 생성하기 때문에, 제어 대상의 위치를 목표 궤도에 추종시킬 수 있음과 함께, 제어 대상의 위치의 제진성을 향상시킬 수 있다.
상술한 개시에서, 파형 파라미터는 진동 파형에서 연속하는 2개의 파(波)의 진폭비를 더 포함한다.
이 개시에 의하면, 제어 대상에 보다 가까운 제2 동특성 모델을 작성할 수 있어, 제어 대상의 위치의 예측 정밀도가 향상한다.
상술한 개시에서, 제어 수단은 금회의 제어 주기까지 생성한 조작량을 제1 동특성 모델에 입력함에 의해 서보 모터의 예측 위치를 연산한다. 제어 수단은, 서보 모터의 예측 위치를 제2 동특성 모델에 입력함에 의해, 현재의 제어 주기의 종료시로부터 동특성 모델에 규정되는 낭비 시간(데드 타임(dead time))만큼 경과한 미래의 제어 주기에서의 제어 대상의 예측 위치를 연산한다. 제어 수단은, 제어 대상의 예측 위치와 동특성 모델을 이용하여, 상기한 미래의 제어 주기 이후의 제어 대상의 위치와 목표 궤도와의 편차가 최소가 되도록, 다음의 제어 주기에서 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성한다.
이 개시에 의하면, 제어 수단은, 제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델을 이용하여, 금회의 제어 주기까지 생성한 조작량으로부터 제어 대상의 예측 위치를 용이하게 연산할 수 있다. 그리고, 모델 예측 제어에 의해, 제어 대상의 위치를 목표 궤도에 추종시킬 수 있다.
상술한 개시에서, 제어 수단은, 서보 모터로부터의 피드백값에 의거하여, 서보 모터의 예측 위치를 보정해도 좋다.
이 개시에 의하면, 피드백값에 의거하여 서보 모터의 예측 위치가 보정되기 때문에, 제어 대상의 예측 위치의 예측 정밀도가 향상한다.
상술한 개시에서, 제어 수단은 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력하는 출력 수단과, 특성 파라미터와 파형 파라미터를 받아, 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 생성 수단을 포함한다.
또는, 제어 수단은 파형 파라미터를 받아, 제1 동특성 모델과 제2 동특성 모델을 조합시킨 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력하는 출력 수단과, 특성 파라미터를 받아, 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 생성 수단을 포함해도 좋다.
또는, 제어 수단은 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력함과 함께, 제어 대상의 위치를 받아 파형 파라미터를 출력하는 출력 수단과, 특성 파라미터와 파형 파라미터를 받아, 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 생성 수단을 포함해도 좋다.
또한, 제어 장치는 유저 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함한다. 출력 수단 및 생성 수단은 유저 프로그램에 규정되는 펑션 블록에 의해 실현된다.
이 개시에 의하면, 펑션 블록을 이용하여, 출력 수단 및 생성 수단을 용이하게 실현할 수 있다.
본 개시의 한 예에 의하면, 상기한 제어 장치가 이용하는 제2 동특성 모델을 생성하는 모델 생성 방법은 제어 대상의 진동 파형을 취득하는 스텝과, 진동 파형으로부터 파형 파라미터를 추출하는 스텝과, 파형 파라미터를 이용하여 제2 동특성 모델을 생성하는 스텝을 구비한다. 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함한다.
본 개시의 한 예에 의하면, 제어 프로그램은 제어 대상을 이동시키기 위한 서보 모터를 구동하는 서보 드라이버에 접속되고, 서보 드라이버에 조작량을 출력하여 제어 대상의 위치 제어를 행하는 제어 장치에서 실행된다. 제어 프로그램은, 제어 장치에, 조작량과 서보 모터의 위치와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델을 생성하는 스텝과, 제어 대상의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여, 서보 모터의 위치와 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 생성하는 스텝과, 제어 주기마다, 제1 동특성 모델과 제2 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 스텝을 실행시킨다. 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함한다.
이들의 개시에 의해서도, 제어 대상의 위치의 제진성 및 목표 궤도에 대한 추종성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 제어 대상의 위치의 제진성 및 목표 궤도에 대한 추종성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 실시의 형태에 따른 제어 장치가 적용되는 제어 시스템의 구성례를 도시하는 모식도.
도 2는 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)의 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 부하 위치의 연산 방법의 예를 도시하는 도면.
도 7은 본 실시의 형태에 따른 제어 시스템에 의한 모터 제어의 처리 순서를 도시하는 플로우 차트.
도 8은 도 7에 도시하는 스텝 S2의 서브루틴의 흐름을 도시하는 플로우 차트.
도 9는 본 실시의 형태에 따른 제어 장치에서 실행되는 유저 프로그램의 명령 코드의 한 예를 도시하는 도면.
도 10은 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 한 예를 도시하는 도면.
도 11은 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 다른 예를 도시하는 도면.
도 12는 변형례에 관한 제어 장치의 기능 구성을 도시하는 모식도.
본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 관해서는, 동일 부호를 붙이고 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 제어 대상(2)과, 제어 장치(100)와, 1 또는 복수의 서보 드라이버와, 1 또는 복수의 서보 모터를 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 아니고, 지정된 위치(정지 위치)에 위치 결정되는 장치라도 좋다.
1 또는 복수의 서보 모터는 제어 대상(2)의 워킹 플레이트(3)를 이동시키기 위한 모터이고, 도 1에 도시하는 예에서는, 2개의 서보 모터(300X, 300Y)(이하, 「서보 모터(300)」라고도 칭한다.)를 포함한다.
제어 대상(2)은, 워킹 플레이트(3) 외에, 제1 베이스 플레이트(4)와, 제2 베이스 플레이트(7)를 갖는다.
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 계합(係合)되어 있다. 볼 나사(6)의 일단에 연결된 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.
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. 볼 나사(9)의 일단에 연결된 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 드라이버는 서보 모터를 구동한다. 도 1에 도시하는 예에서는, 2개의 서보 드라이버(200X, 200Y)(이하, 「서보 드라이버(200)」라고도 칭한다.)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.
제어 장치(100)는 1 또는 복수의 서보 드라이버(200)에 접속되고, 1 또는 복수의 서보 드라이버(200)에 대해 각각 조작량을 출력하여, 제어 대상(2)의 워킹 플레이트(3)의 위치 제어를 행한다. 제어 장치(100)와 1 또는 복수의 서보 드라이버(200)와의 사이에서는, 조작량을 포함하는 데이터의 주고 받음이 가능하게 되어 있다.
도 1에는, 제어 장치(100)와 1 또는 복수의 서보 드라이버(200)와의 사이는, 필드 버스(101)를 통하여 접속되어 있는 구성례를 나타낸다. 단, 이와 같은 구성례로 한하지 않고, 임의의 통신 수단을 채용할 수 있다. 또는, 제어 장치(100)와 서보 드라이버(200)의 사이를 직접 신호선으로 접속하도록 하여도 좋다. 또한, 제어 장치(100)와 서보 드라이버(200)를 일체화한 구성을 채용해도 좋다. 이하에 설명하는 바와 같은, 알고리즘이 실현되는 것이면, 어떤 실장 형태를 채용해도 좋다.
제어 장치(100)는, 조작량과 제어 대상(2)의 위치(이하, 「부하 위치」라고 칭한다.)와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 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 조작량(즉 지령치)과 출력치인 부하 위치와의 관계를 나타내는 전달 함수에 의해 규정된다. 모델 예측 제어란, 목표치와 모델을 이용하여 예측된 출력치와의 편차가 최소가 되도록 입력치를 결정하는 제어 수법이다.
여기서, 부하 위치를 연속하면서 고정밀도로 계측함에 의해 얻어지는 계측치를 취득할 수 있으면, 조작량과 부하 위치와의 전달 함수를 직접적으로 작성할 수 있다. 그렇지만, 부하 위치를 연속하면서 고정밀도로 계측하기 위해서는 비용이 걸린다. 그 때문에, 본 실시의 형태의 제어 장치(100)는 조작량과 서보 모터(300)의 위치(이하, 「모터 위치」라고 칭한다.)와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 모터 위치와 부하 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 이용하여 모델 예측 제어를 행한다.
제1 동특성 모델은 서보 드라이버(200) 및 서보 모터(300)의 모델이고, 입력치인 조작량과 출력치인 모터 위치와의 관계를 나타내는 전달 함수에 의해 규정된다. 통상, 서보 모터(300)에는 인코더가 설치되고, 인코더로부터의 피드백값에 의해 모터 위치가 연속하면서 고정밀도로 계측된다. 그 때문에, 모터 위치의 계측치에 의거하여 제1 동특성 모델이 작성된다.
제2 동특성 모델은 제어 대상(2)의 모델이고, 입력치인 모터 위치와 출력치인 부하 위치와의 관계를 나타내는 전달 함수에 의해 규정된다. 모터 위치와 부하 위치와의 관계는 제어 대상(2)의 진동에 의존한다. 그 때문에, 제2 동특성 모델은 제어 대상(2)의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여 작성된다. 파형 파라미터는 제어 대상(2)의 진동 주파수(전형적으로는 고유 진동 주파수)를 포함한다.
제어 대상(2)의 진동 파형은 간이한 계측 장치를 이용하여 계측 가능하다. 도 1에 도시하는 예에서는, 제어 대상(2)의 진동 파형은 레이저 변위계(5, 8)를 이용하여 계측된다. 레이저 변위계(5)는 워킹 플레이트(3)에서의 X방향에 직교하는 단면의 변위를 계측한다. 레이저 변위계(5)의 계측 결과로부터 워킹 플레이트(3)의 X방향의 진동 파형을 얻을 수 있다. 레이저 변위계(8)는 워킹 플레이트(3)에서의 Y방향에 직교하는 단면의 변위를 계측한다. 레이저 변위계(8)의 계측 결과로부터, 워킹 플레이트(3)의 Y방향의 진동 파형을 얻을 수 있다. 또한, 진동 파형은 레이저 변위계 이외의 센서를 이용하여 계측되어도 좋다.
이와 같이, 간이한 계측 장치를 이용하여 제어 대상(2)의 진동 파형을 계측함에 의해, 모터 위치와 부하 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 작성할 수 있다. 그리고, 제1 동특성 모델과 제2 동특성 모델을 조합시킴에 의해, 조작량(즉 지령치)과 부하 위치와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 작성할 수 있다. 작성된 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해 조작량을 생성하기 때문에, 부하 위치를 목표 궤도에 추종시킬 수 있음과 함께, 부하 위치의 제진성을 향상시킬 수 있다.
§2 구체례
다음에, 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, 내부 버스 컨트롤러(122)와, 필드 버스 컨트롤러(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)에서의, 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.
내부 버스 컨트롤러(122)는 제어 장치(100)와 내부 버스를 통하여 연결된 각종 디바이스와 데이터를 주고 받는 인터페이스이다. 이와 같은 디바이스의 한 예로서, I/O 유닛(126)이 접속되어 있다.
필드 버스 컨트롤러(124)는 제어 장치(100)와 필드 버스를 통하여 연결된 각종 디바이스와 데이터를 주고 받는 인터페이스이다. 이와 같은 디바이스의 한 예로서, 서보 드라이버(200)가 접속되어 있다.
내부 버스 컨트롤러(122) 및 필드 버스 컨트롤러(124)는 접속되어 있는 디바이스에 대해 임의의 지령을 줄 수 있음과 함께, 디바이스가 관리하고 있는 임의의 데이터(측정치를 포함한다)를 취득할 수 있다. 또한, 내부 버스 컨트롤러(122) 및/또는 필드 버스 컨트롤러(124)는 서보 드라이버(200)와의 사이에서 데이터를 주고 받기 위한 인터페이스로서도 기능한다.
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 들면 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 위치와의 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 속도와의 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)」라고도 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 제1 모델 대상(400)의 동특성을 나타내는 제1 동특성 모델을 작성한다. 모델 작성 모듈(130)은 작성한 제1 동특성 모델을 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 위치의 시계열 데이터를 생성하고, 각 제어 주기에 대응하는 목표 위치(SP)를 당해 시계열 데이터로부터 순차적으로 판독하고, 모델 예측 제어 모듈(150)에 입력한다. 구체적으로는, 궤도 생성 모듈(140)은, 목표 위치의 시계열 데이터로부터, 현 시각으로부터 장래의 일정 기간인 예측 호라이즌 종료까지의 복수의 목표 위치를 추출하고, 모델 예측 제어 모듈(150)에 입력한다.
또한, 제어 장치(100)는 목표 궤도를 규정하는 목표 위치의 시계열 데이터를 미리 기억하고 있어서도 좋다. 이 경우에는, 궤도 생성 모듈(140)은 미리 기억된 목표 위치의 시계열 데이터에 액세스한다. 이와 같이, 목표 궤도를 규정하는 제어 주기마다의 목표 위치는 시계열 데이터의 형태로 미리 격납되어 있어도 좋고, 미리 정해진 계산식에 따라 각 제어 주기에 관한 목표 위치를 순서대로 계산하도록 하여도 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 부하인 제어 대상(2)으로 이루어지는 제2 모델 대상(402)의 동특성을 나타내는 제2 동특성 모델을 작성한다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 제어 주기마다, 제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델을 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.
<D. 제1 동특성 모델의 작성>
다음에, 제1 동특성 모델의 작성 수법에 관해 설명한다. 제1 동특성 모델은 예를 들면 일본 특개2018-120327(특허문헌 2)에 개시의 수법을 이용하여 작성된다. 제1 동특성 모델은 모델 예측 제어를 실행하기 전의 튜닝에 의해 작성된다.
도 4는 제1 동특성 모델을 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 들면 지령 위치)을 차례로 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 출력된 피드백값으로부터 특정된다. 모델 작성 모듈(130)은 조작량 및 계측 위치를 각각 동정(同定) 입력 및 동정 출력으로 하고, 동정 입력에 대한 동정 출력의 관계를 이용하여 시스템 동정 수법을 적용함으로써, 제1 동특성 모델을 작성할 수 있다.
제1 동특성 모델을 나타내는 함수는 예를 들면 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 a1∼an 및 변수 b1∼bm가 특성 파라미터로서 결정된다. 또한, 차수 n 및 차수 m에 대해서도 최적치가 결정되어도 좋다.
[수식 1]
Figure pct00001
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 u에 동정 입력으로서 선택된 조작량을 준 때의 출력(y)이, 동정 출력으로서 선택된 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 m을 다르게 하여, 복수의 제1 동특성 모델을 산출하도록 하여도 좋다. 이 경우, 1 또는 복수의 평가 기준에 의거하여, 최적의 제1 동특성 모델이 작성된다. 평가 기준으로서는, 동정의 신뢰성을 나타내는 정도(FIT율)나 낭비 시간의 타당성 등이 포함된다. 또한, 정위계(定位系) 모델인 경우에는, 평가 기준으로서, 정상 게인의 타당성을 채용해도 좋다.
FIT율은, 산출된 특성 파라미터에 의해 규정되는 함수 PCM(z-1)에 대해, 동정 입력을 준 때에 산출되는 출력과, 실제로 수집된 동정 출력과의 사이의 일치율을 나타내는 값이다. 이와 같은 FIT율에 관해서는, 오차를 산출하는 공지의 계산식을 이용할 수 있다. 기본적으로는, FIT율이 최대(즉, 일치율이 최대/오차가 최소)인 것을 선택하면 좋다.
또한, 제1 동특성 모델의 평가에 즈음해서는, 특이적인 거동을 나타내는 것을 제외하도록 하여도 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 하여도 좋다.
이와 같이, 제1 동특성 모델의 산출 과정에서는, 특성 파라미터를 다르게 한 복수의 제1 동특성 모델을 산출하도록 하여도 좋다. 이 경우, 상기한 FIT율을 이용하여, 복수의 제1 동특성 모델 중 하나의 제1 동특성 모델이 작성되도록 하여도 좋다.
<E. 제2 동특성 모델의 작성>
다음에, 제2 동특성 모델의 작성 수법에 관해 설명한다. 제2 동특성 모델은 모델 예측 제어를 실행하기 전의 튜닝에서 취득된 제어 대상(2)의 진동 파형을 이용하여 작성된다. 예를 들면, 제1 동특성 모델을 작성하기 위해 실행되는 튜닝에서, 도 1에 도시하는 레이저 변위계(5, 8)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(부하 위치)로 하는 그래프가 나타난다. 서보 모터(300)의 회전이 정지했다고 하여도, 제어 대상(2)의 워킹 플레이트(3)는 진동한다. 워킹 플레이트(3)는 제어 대상(2)에 응한 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 2]에 따라 진동 주파수(f0)를 산출해도 좋다. ζ는 진동의 감쇠비를 나타낸다.
[수식 2]
Figure pct00002
모델 예측 제어 모듈(150)은, 산출한 진동 주파수(f0)를 이용하여 제2 동특성 모델을 작성한다. 제2 동특성 모델을 나타내는 함수는, 예를 들면 이하의 [수식 3]의 함수 PML(s)로 표시된다. 함수 PML(s)에서, ω0는 제어 대상(2)의 진동각 주파수이고, ω0=2πf0로 표시된다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 산출한 진동 주파수(f0)를 이용하여, 함수 PML(s)로 표시되는 제2 동특성 모델을 작성할 수 있다.
[수식 3]
Figure pct00003
제2 동특성 모델을 나타내는 함수는 이하의 [수식 4] 또는 [수식 5]의 함수 PML(s)로 표시되어도 좋다.
[수식 4]
Figure pct00004
[수식 5]
Figure pct00005
ζ는, 대수(對數) 감쇠율(δ)를 이용하여, ζ=δ/(δ2+4π2)1/2로 표시된다. 대수 감쇠율(δ)은, 진동 파형에서 연속하는 2개의 파의 진폭비(Adr)와 자연 대수(ln)를 이용하여, δ=ln(1/Adr)로 표시된다. 진폭비(Adr)는 도 5에 도시하는 진동 파형에서 연속하는 2개의 파의 진폭(An, An+1)의 비(An+1/An)로 표시된다. 그 때문에, 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 4] 또는 [수식 5]의 함수 PML(s)로 표시되는 제2 동특성 모델을 작성할 수 있다.
또한, 모델 예측 제어 모듈(150)은 [수식 3]∼[수식 5]의 함수 PML(s)를 이산 시간 형식으로 변환(Z변환)하고, 변환된 함수 PML(z-1)를 이용하여 연산을 행한다. 즉, 모델 예측 제어 모듈(150)은, y'=PML(z-1)*u'의 변수 u'에 입력치를 입력함에 의해, 출력치(y')를 연산한다.
<F. 모델 예측 제어의 처리례>
모델 예측 제어의 처리례를 설명하기 전에, 도 6을 참조하여, 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 이용한 부하 위치의 연산 방법의 예에 관해 설명한다. 도 6은 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 이용한 부하 위치의 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 예측 위치(이하, 「예측 모터 위치(YM)」라고 칭한다.)를 연산할 수 있다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 연산된 예측 모터 위치를 제2 동특성 모델(PML)에 입력함에 의해, 당해 예측 모터 위치에 응한 부하 위치(이하, 「예측 부하 위치(YL)」라고 칭한다.)를 연산할 수 있다.
도 6에 도시하는 연산 방법을 이용하여, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 예를 들면 이하와 같은 제어에 의해, 제어 주기마다 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 생성한다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 상기한 [수식 1]의 함수 PCM(z-1)로 표시되는 제1 동특성 모델(PCM)에, 금회의 제어 주기(k)까지 생성한 조작량(MVk, …, MVk -m+ 1)을 입력함에 의해, 제어 주기(k+d+1)에 있어서 예측 모터 위치(YMk +d+ 1)를 연산한다. 여기서, m은, 상기와 같이, 제1 동특성 모델(PCM)로 규정되는 차수이다. 또한, 제어 주기(k+d+1)는 금회의 제어 주기(k)의 종료시로부터 동특성 모델에 규정되는 낭비 시간(d+1)만큼 경과한 제어 주기이다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 예측 모터 위치(YMk +d+ 1)를 제2 동특성 모델(PML) 에 입력함에 의해, 제어 주기(k+d+1)에서의 예측 부하 위치(YLk+d+1)를 연산한다.
상기와 같이 하여 구한 예측 부하 위치(YLk +d+ 1)는 다음 회의 제어 주기에서의 조작량(MV)을 생성하기 위해 사용된다. 이때, 다음 회의 제어 주기에 대비하여, 연산된 데이터가 1 제어 주기분만큼 시프트된다. 예를 들면, 상기와 같이 하여 구한 예측 부하 위치(YLk +d+ 1)는 다음 회의 제어 주기에서 예측 부하 위치(YLk +d)로서 사용된다. 환언하면, 금회의 제어 주기(k)에서는, 전회의 제어 주기에서 연산된 예측 부하 위치(YLk +d+ 1)가 예측 부하 위치(YLk +d)로서 사용된다. 모델 예측 제어 모듈(150)은 전회의 제어 주기에서 연산이 끝난 당해 예측 부하 위치(YLk +d)와 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 이용한 모델 예측 제어에 의해, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MVk)을 생성한다.
모델 예측 제어로서는 공지의 기술이 채용될 수 있다. 예를 들면, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 이하와 같은 모델 예측 제어에 따라, 조작량(MVk)을 생성해도 좋다.
모델 예측 제어 모듈(150)은, 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 작성한 후, 스텝 응답 계산과 램프 응답 계산을 행한다.
스텝 응답 계산이란, 출력이 0인 초기 상태에서 최대의 입력(스텝 입력)을 계속한 때의 동특성 모델(제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)을 조합시킨 모델)의 출력(Ys)을 구하는 계산이다. 이하의 설명에서는, 스텝 입력의 입력 시작으로부터의 경과 시간(i)(>낭비 시간(d))에서의 출력(Ys)을 Ys(i)로 한다.
램프 응답 계산이란, 출력이 0인 초기 상태에서 제어 주기마다 1단계씩 증가시킨 입력(램프 입력)을 행한 때의 동특성 모델의 출력(Yr)을 구하는 계산이다. 이하의 설명에서는, 램프 입력의 입력 시작으로부터의 경과 시간(i)(>낭비 시간(d))에서의 출력(Yr)을 Yr(i)로 한다.
또한, 모델 예측 제어 모듈(150)은 예측 부하 위치(YLk +d)를 지정 상태로 한 자유 응답 계산을 행한다. 자유 응답 계산이란, 제어 주기(k+d)에서 지정 상태에 있는 동특성 모델에서, 금회의 제어 주기(k) 이후의 입력을 0으로 했을 때의, 제어 주기(k+d)보다 후의 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 후의 제어 주기(k+d+H)에서의 동특성 모델의 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 예측 부하 위치(YLk +d)와의 차분(ΔMH)과, 제어 주기(k+d+H)에서의 참조 궤도상의 위치(RHk +d+H)와 예측 부하 위치(YLk +d)와의 차분(ΔPH)이 일치하도록, ks 및 kr를 구한다. 참조 궤도는 제어 주기(k+d+H)에서의 목표 위치(SPk +d+H)와 미리 정해지는 참조 궤도 시정수(Tr)에 의해 특정된다. 2개의 변수 ks 및 kr를 구하기 위해, H로서 2개의 값이 설정된다. H로서 설정되는 2개의 값은, 제어 대상(2)의 진동 주기보다도 짧은 시간이고, 예를 들면 진동 주기의 1/8 및 진동 주기의 1/4이다. 그리고, 당해 2개의 값의 각각의 식으로 이루어지는 연립 방정식을 풀음에 의해, 변수 ks, kr가 연산된다.
모델 예측 제어 모듈(150)은 상기와 같이 하여 구한 ks와 스텝 입력과의 곱을 금회의 제어 주기(k)에서 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MVk)으로서 생성하면 좋다.
<G. 처리 순서>
다음에, 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).
다음에, 제어 장치(100)는 튜닝할 때에 얻어진 제어 대상(2)의 진동 파형을 이용하여 제2 동특성 모델(PML)을 작성한다(스텝 S2).
제어 장치(100)는 스텝 S1 및 스텝 S2에서 각각 작성된 제1 동특성 모델(PCM) 및 제2 동특성 모델(PML)를 이용하여 모델 예측 제어를 실행하여, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 제어 주기마다 생성한다(스텝 S3).
계속해서, 제어 장치(100)는 목표 궤도의 종점에 도달했는지의 여부를 판단한다(스텝 S4). 목표 궤도의 종점에 도달하지 않은 경우(스텝 S4에서 NO인 경우)에는, 스텝 S3의 처리가 반복되다.
목표 궤도의 종점에 도달해 있는 경우(스텝 S4에서 YES인 경우)에는, 모델 예측 제어를 종료한다. 이상과 같은 처리 순서에 의해, 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)의 제어가 실현되다. 또한, 스텝 S1∼S4의 처리는, 지정된 서보 드라이버(200)의 각각에 대해 실시된다. 그 때문에, 복수의 서보 드라이버(200)의 각각에 대한 스텝 S1∼S4의 처리가 병렬적으로 실행되는 일도 있다.
도 8은 도 7에 도시하는 스텝 S2의 서브루틴의 흐름을 도시하는 플로우 차트이다. 즉, 도 8에는, 제2 동특성 모델을 작성하는 모델 작성 방법의 처리 순서의 흐름이 나타난다. 제2 동특성 모델을 작성하는 모델 작성 방법은, 제어 대상(2)의 진동 파형을 취득하는 스텝 S11과, 진동 파형으로부터 파형 파라미터를 추출하는 스텝 S12와, 파형 파라미터를 이용하여 제2 동특성 모델을 작성하는 스텝 S13을 구비한다.
<H. 프로그래밍 예>
본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)의 모터 제어는 제어 장치(100)에서 실행되는 유저 프로그램(112)에서의 명령을 기술함으로써 실행될 수 있다. 이하, 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)의 프로그래밍의 한 예에 관해 설명한다.
도 9는 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)에서 실행되는 유저 프로그램의 명령 코드의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 9에 도시하는 유저 프로그램(112)은 2개의 펑션 블록(이하, 「FB(Function Block)」 라고도 기재한다.)을 포함한다. 1번째의 펑션 블록은 제1 동특성 모델의 작성의 실행을 규정하기 위한 모델 자동 작성 FB(113)이다. 상기한 모델 작성 모듈(130)은 모델 자동 작성 FB(113)에 의해 실현된다. 2번째의 펑션 블록은 제2 동특성 모델의 작성 및 모델 예측 제어의 실행을 규정하기 위한 모델 예측 제어 FB(115)이다. 상기한 모델 예측 제어 모듈(150)은 모델 예측 제어 FB(115)에 의해 실현된다.
설명의 편의상, 모델 자동 작성 FB(113) 및 모델 예측 제어 FB(115)를 나열하여 기재하지만, 이들을 개별적으로 이용해도 좋다.
모델 자동 작성 FB(113)는 입력 항목으로서, 시작 지시(113A)와, 샘플링 주기(113B)와, 동정 출력(113C)과, 토크(113D)를 포함한다. 모델 자동 작성 FB(113)는, 출력 항목으로서, 스테이터스(113E)와, 동정 입력(113F)과, 특성 파라미터(113G)를 포함한다.
시작 지시(113A)에는, 예를 들면, 제1 동특성 모델의 작성을 시작하기 위한 조건이 설정된다. 도 9에 도시하는 예에서는, 시작 조건(1)에 대응하는 접점이 관련시켜져 있다. 샘플링 주기(113B)에는, 동정 입력 및 동정 출력을 수집하는 주기가 설정된다.
동정 출력(113C)에는, 동정 출력으로서 이용되는 신호가 설정된다. 도 9에 도시하는 예에서는, 동정 출력으로서, 서보 모터(300)의 계측 위치가 설정되어 있다. 또한, 유저 프로그램(112)이 변수 프로그래밍으로 기술되는 경우에는, 동정 출력으로서 이용하여야 할 신호를 나타내는 변수명이 설정된다.
토크(113D)에는, 동정 출력의 크기를 작성하기 위한 피드백값으로서의 토크를 나타내는 신호가 설정된다. 토크(113D)로부터 출력되는 신호는 토크 포화가 발생하지 않는 범위에서 충분한 크기의 동정 출력을 얻을 수 있는 동정 입력의 크기를 결정하기 위해 사용된다.
스테이터스(113E)로부터는, 모델 자동 작성 FB(113)에 의한 처리의 실행 상태를 나타내는 값이 출력된다.
동정 입력(113F)에는, 동정 입력으로서 이용되는 신호가 설정된다. 도 9에 도시하는 예에서는, 동정 입력으로서, 서보 드라이버(200)에 출력되는 조작량(즉 지령치)이 설정되어 있다. 또한, 유저 프로그램(112)이 변수 프로그래밍으로 기술되는 경우에는, 동정 입력으로서 이용하여야 할 신호를 나타내는 변수명이 설정된다.
특성 파라미터(113G)로부터는, 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터(d, a1∼an, b1∼bm)가 출력된다. 또한, 유저 프로그램(112)이 변수 프로그래밍으로 기술되는 경우에는, 이러한 특성 파라미터를 격납하기 위한 구조체를 나타내는 변수명이 설정되어도 좋다. 이러한 특성 파라미터는, 모델 예측 제어 FB(115)에 사용되어도 좋다.
한편, 모델 예측 제어 FB(115)는, 입력 항목으로서, 시작 지시(115A)와, 샘플링 주기(115B)와, 목표 위치(115C)와, 특성 파라미터(115D)와, 진동 주파수(115E)와, 진폭비(115F)를 포함한다. 모델 예측 제어 FB(115)는, 출력 항목으로서, 스테이터스(115G)와, 조작량(115H)을 포함한다.
시작 지시(115A)에는, 예를 들면, 모델 예측 제어를 시작하기 위한 조건이 설정된다. 도 9에 도시하는 예에서는, 시작 조건(2)에 대응하는 접점이 관련시켜져 있다.
샘플링 주기(115B)에는, 모델 예측 제어에 의한 연산을 실행하는 제어 주기가 설정된다.
목표 위치(115C)에는, 미리 정해진 제어 대상(2)의 목표 궤도를 규정하는 복수의 목표 위치의 데이터 배열이 설정된다.
특성 파라미터(115D)에는, 모델 자동 작성 FB(113)의 특성 파라미터(113G)로부터 출력되는 특성 파라미터(d, a1∼an, b1∼bm)가 입력된다.
진동 주파수(115E)에는, 미리 계측된 제어 대상(2)의 진동 파형으로부터 추출된 진동 주파수(f0)가 입력된다. 진폭비(115F)에는, 당해 진동 파형으로부터 추출된 진폭비(Adr)가 입력된다.
또한, 스테이터스(115G)로부터는, 모델 예측 제어 FB(115)에 의한 처리의 실행 상태를 나타내는 값이 출력된다.
조작량(115H)으로부터는, 제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어의 실행에 의해 생성된 조작량(MV)이 출력된다. 제1 동특성 모델은 특성 파라미터(115D)에 입력되는 특성 파라미터에 의해 규정된다. 제2 동특성 모델은 진동 주파수(115E)에 입력되는 진동 주파수(f0) 및 진폭비(115F)에 입력되는 진폭비(Adr) 중의 적어도 진동 주파수(f0)에 의해 규정된다. 서보 드라이버(200)에는, 조작량(115H)으로부터 출력되는 조작량(MV)이 주어지게 된다. 이와 같은 모델 예측 제어를 채용함으로써, 제어 대상(2)의 위치의 궤도가 목표 궤도에 보다 가까워진다.
이상과 같이, 본 실시의 형태에 따른 제어 장치(100)에서는, 2개의 펑션 블록을 이용하여 유저 프로그램을 기술하는 것만으로, 제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델의 작성, 및 작성된 제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 실현할 수 있다.
<I. 시뮬레이션 결과>
본 실시의 형태에 관한 제어 장치(100)의 효과를 검증하기 위해 시뮬레이션을 행했다.
도 10은 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 11은 모터 제어의 시뮬레이션 결과의 다른 예를 도시하는 도면이다. 도 10에는, 부하가 되는 제어 대상의 진동 주파수가 9.2㎐이고, 100㎳로 제어 대상을 5㎜ 이동시키는 시뮬레이션의 결과가 나타난다. 도 11에는, 부하가 되는 제어 대상의 진동 주파수가 2.75㎐이고, 300㎳로 제어 대상을 20㎜ 이동시키는 시뮬레이션의 결과가 나타난다.
도 10 및 도 11에서, 좌열(左列)인 (a)에는, 목표 궤도에서 생성되는 지령치를 서보 드라이버에 출력한 때의 시뮬레이션 결과가 나타난다. 중열(中列)인 (b)에는, 특허문헌 1에 개시의 역특성 필터를 이용하여 지령치를 보정하고, 보정 후의 지령치를 서보 드라이버에 출력한 때의 시뮬레이션 결과가 나타난다. 우열(右列)인 (c)에는, 본 실시의 형태에 관한 모델 예측 제어에 따라 생성된 조작량(MV)을 서보 드라이버에 출력한 때의 시뮬레이션 결과가 나타난다. 또한, (a)∼(c)에서의 서보 드라이버의 위치 제어 방식은 모델 추종형 2자유도 제어 방식이고, 동일한 제어 파라미터를 이용했다.
도 10 및 도 11에서, (a)∼(c)의 각 열의 1단째에는, 목표 위치의 시간 변화 즉 목표 궤도가 나타난다. 목표 궤도는 5차 궤도이다. 2단째에는, 목표 위치와 제어 대상(2)의 위치(부하 위치)와의 시간 변화가 나타난다. 3단째에는, 목표 위치와 부하 위치와의 편차의 시간 변화가 나타난다. 4단째에는, 서보 모터에 가하여지는 토크의 시간 변화가 나타난다. 1단째부터 3단째까지의 그래프의 횡축의 눈금은 4 단째의 그래프의 횡축의 눈금과 같다.
도 10 및 도 11에 도시되는 바와 같이, 역특성 필터를 이용한 때의 시뮬레이션 결과는, 목표 궤도에서 생성되는 지령치를 보정 없이 서보 드라이버에 출력한 때의 시뮬레이션 결과와 비교하여, 제어 시작 직후의 토크가 커지지만, 수십분의 1의 진동 진폭을 나타냈다. 본 실시의 형태에 관한 모델 예측 제어를 이용한 시뮬레이션 결과는, 역특성 필터를 이용한 때의 시뮬레이션 결과와 비교하여, 제어 시작 직후의 토크가 더 커지지만, 더욱 작은 진동 진폭을 나타냈다. 이와 같이, 본 실시의 형태에 관한 제어 장치(100)에 의하면, 보다 높은 제진 효과를 이루는 것이 확인됐다.
또한, 3단째의 그래프로부터 이해되는 바와 같이, 본 실시의 형태에 관한 모델 예측 제어를 이용함에 의해, 특허문헌 1에 개시의 역특성 필터를 이용하는 경우와 비교하여, 목표 위치와 부하 위치와의 편차가 작아졌다. 이것으로부터, 목표 궤도에 대한 추종성이 높은 것이 확인됐다.
<J. 이점>
이상과 같이, 본 실시의 형태에 관한 제어 장치(100)는 제어 대상(2)을 이동시키기 위한 서보 모터(300)를 구동하는 서보 드라이버(200)에 접속되고, 서보 드라이버(200)에 조작량을 출력하여 제어 대상(2)의 위치 제어를 행한다. 제어 장치(100)는, 조작량과 제어 대상(2)의 위치와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량을 생성하는 제어 유닛(160)을 구비한다. 동특성 모델은 조작량과 서보 모터(300)의 위치(모터 위치)와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 모터 위치와 제어 대상(2)의 위치(부하 위치)와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함한다. 제2 동특성 모델은 제어 대상(2)의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여 작성된다. 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함한다.
제어 대상(2)의 진동 파형은 간이한 계측 장치(예를 들면 레이저 변위계(5, 8))를 이용하여 계측 가능하다. 간이한 계측 장치를 이용하여 제어 대상(2)의 진동 파형을 계측함에 의해, 모터 위치와 부하 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 작성할 수 있다. 그리고, 제1 동특성 모델과 제2 동특성 모델을 조합시킴에 의해, 조작량과 부하 위치와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 작성할 수 있다. 작성된 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해 조작량을 생성하기 때문에, 부하 위치를 목표 궤도에 추종시킬 수 있음과 함께, 부하 위치의 제진성을 향상시킬 수 있다.
파형 파라미터는 진동 파형에서 연속하는 2개의 파의 진폭비를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상기한 [수식 4] 또는 [수식 5]의 함수 PML(s)로 표시되는 제2 동특성 모델을 작성할 수 있다. 그 결과, 예측 부하 위치의 예측 정밀도가 향상한다.
제어 유닛(160)의 모델 예측 제어 모듈(150)은, 금회의 제어 주기(k)까지 생성한 조작량(MV)을 제1 동특성 모델에 입력함에 의해, 제어 주기(k)의 종료시로부터 낭비 시간(d+1)만큼 경과한 미래의 제어 주기(k+d+1)에서의 예측 모터 위치(YMk +d+ 1)를 연산한다. 또한, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 예측 모터 위치(YMk +d+ 1)를 제2 동특성 모델에 입력함에 의해, 제어 주기(k+d+1)에서의 예측 부하 위치(YLk +d+ 1)를 연산한다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 당해 예측 부하 위치(YLk +d+ 1)와 동특성 모델(제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델)을 이용하여, 제어 주기(k+d+1) 이후의 부하 위치와 목표 궤도와의 편차가 최소가 되도록, 다음 회의 제어 주기에서의 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 생성한다. 이에 의해, 부하 위치를 목표 위치에 추종시킬 수 있다.
제어 유닛(160)은 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력하는 모델 작성 모듈(130)과, 특성 파라미터와 파형 파라미터를 받아, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 생성하는 모델 예측 제어 모듈(150)을 포함한다. 또한, 제어 장치(100)는 유저 프로그램(112)을 실행하는 프로세서(102)를 포함한다. 모델 작성 모듈(130) 및 모델 예측 제어 모듈(150)은 유저 프로그램(112)에 규정되는 펑션 블록에 의해 실현된다. 이에 의해, 펑션 블록을 이용하여, 모델 작성 모듈(130) 및 모델 예측 제어 모듈(150)을 용이하게 실현할 수 있다.
<K. 변형례>
<K-1. 변형례 1>
모델 예측 제어 모듈은, 예측 부하 위치(YL)의 예측 정밀도를 올리기 위해, 서보 모터(300)로부터 피드백값을 받아, 피드백값을 이용하여 예측 모터 위치(YM)을 보정해도 좋다.
도 12는 변형례에 관한 제어 장치의 기능 구성을 도시하는 모식도이다. 도 12에 도시되는 바와 같이, 변형례에 관한 제어 장치(100A)는, 도 3에 도시하는 제어 장치(100)와 비교하여, 제어 유닛(160) 대신에 제어 유닛(160A)을 구비하는 점에서 상위하다. 제어 유닛(160A)은, 제어 유닛(160)과 비교하여, 모델 예측 제어 모듈(150) 대신에 모델 예측 제어 모듈(150A)을 포함하는 점에서 상위하다.
모델 예측 제어 모듈(150A)은, 모델 예측 제어 모듈(150)과 마찬가지로, 제1 동특성 모델을 이용하여 예측 모터 위치(YM)를 연산하고, 제2 동특성 모델을 이용하여 예측 부하 위치(YL)를 연산한다. 단, 모델 예측 제어 모듈(150A)은, 모델 예측 제어 모듈(150)과 비교하여, 서보 모터(300)의 계측 위치(PVM)를 이용하여, 예측 모터 위치(YM)를 보정하는 점에서 상위하다. 서보 모터(300)의 계측 위치(PVM)는 서보 모터(300)로부터의 피드백값으로부터 특정된다.
이하, 예측 모터 위치(YM)의 보정 방법의 구체례에 관해 설명한다. 이하의 구체례는, [수식 6]의 함수 PCM(z-1)로 표시되는 제1 동특성 모델이 작성되고, [수식 7]의 함수 PML(z-1)로 표시되는 제2 동특성 모델이 작성되는 경우의 예이다. [수식 7]의 함수 PML(z-1)는 예를 들면 [수식 5]의 함수 PML(s)를 이산 시간 형식으로 변환함에 의해 얻어진다.
[수식 6]
Figure pct00006
[수식 7]
Figure pct00007
예를 들면, 모델 예측 제어 모듈(150A)은, 금회의 제어 주기(k)에서의 예측 모터 위치(YMk) 및 계측 위치(PVMk)의 차분치를 보정량(C)으로 하여 연산한다. 즉, 보정량(C)은,
C=PVMk-YMk
로 나타난다. 또한, [수식 6]의 함수 PCM(z-1)에서 낭비 시간(d)이 설정되어 있기 때문에, 금회의 제어 주기(k)에서의 예측 모터 위치(YMk)는 과거의 제어 주기(k-d-1)에서 연산되어 있다.
다음에, 모델 예측 제어 모듈(150A)은 예측 모터 위치(YMk)를 계측 위치(PVMk)로 보정함과 함께, 보정량(C)를 이용하여, 금회의 제어 주기(k)로부터 낭비 시간(d)만큼 경과한 제어 주기(k+d)까지의 예측 모터 위치(YMk +1∼YMk +d)를 이하와 같이 보정한다.
YMk +1←YMk +1+C
…
YMk+d←YMk+d+C
또한, 예측 모터 위치(YMk +1∼YMk +d)는 과거의 제어 주기(k-d)∼제어 주기(k-1)에서 각각 연산되어 있다.
다음에, 모델 예측 제어 모듈(150A)은, 보정 후의 예측 모터 위치(YMk +d)와 금회의 제어 주기(k)에서 생성된 조작량(MVk)을 제1 동특성 모델에 입력함에 의해, 제어 주기(k+d+1)에서의 예측 모터 위치(YMk +d+ 1)를 연산한다. 제1 동특성 모델이 [수식 6]의 함수 PCM(z-1)로 표시되는 경우, 모델 예측 제어 모듈(150A)은, 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d+1)에서의 예측 모터 위치(YMk +d+ 1)를 연산하면 좋다.
YMk+d+1=-aCM1YMk+d+bCM1MVk
이상과 같이 하여, 모델 예측 제어 모듈(150A)은 예측 모터 위치(YM)를 보정한다. 또한, 모델 예측 제어 모듈(150A)에 의한 예측 모터 위치(YM)의 보정 방법은, 상기한 보정 방법으로 한정되지 않고, 다른 연산 방법을 이용해도 좋다.
모델 예측 제어 모듈(150A)은, 보정 후의 예측 모터 위치(YM)를 이용하여, 예측 부하 위치(YL)를 연산한다. 제2 동특성 모델이 [수식 7]의 함수 PML(z-1)로 표시되는 경우, 모델 예측 제어 모듈(150A)은, 이하의 식에 따라, 제어 주기(k+d+1)에서의 예측 부하 위치(YLk +d+ 1)를 연산하면 좋다.
YLk+d+1=-aML1YLk+d-aML2YLk+d-1+bML1YMk+d+1+bML2YMk+d
그리고, 모델 예측 제어 모듈(150A)은, 예측 부하 위치(YLk +d+ 1)와 동특성 모델(제1 동특성 모델 및 제2 동특성 모델)을 이용하여, 제어 주기(k+d+1) 이후의 부하 위치와 목표 궤도와의 편차가 최소가 되도록, 다음 회의 제어 주기에서의 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량(MV)을 생성하면 좋다.
<K-2. 변형례 2>
상기한 실시의 형태에서는, 제어 대상(2)의 진동 주파수 및 진폭비는 튜닝할 때에 계측된 진동 파형으로부터 추출되는 것으로 했다. 그렇지만, 제어 대상(2)의 진동 주파수(f0)및 진폭비(Adr)는 예비 실험 등에 의해 미리 계측되고, 제어 장치(100)에 격납되어 있어도 좋다. 이 경우, 모델 예측 제어 모듈(150)은, 미리 기억된 데이터에 액세스함에 의해, 진동 주파수(f0)및 진폭비(Adr)를 판독하면 좋다.
<K-3. 변형례 3>
상기한 실시의 형태에서는, 도 9에 도시하는 모델 자동 작성 FB(113) 및 모델 예측 제어 FB(115)를 이용하여, 제어 장치(100)의 프로그래밍이 실행된다. 그렇지만, 펑션 블록은 도 9에 도시하는 예로 한정되지 않는다.
예를 들면, 모델 자동 작성 FB(113)는 입력 항목으로서 「진동 주파수」 및 「진폭비」를 포함해도 좋다. 입력 항목 「진동 주파수」에는 진동 주파수(f0)가 입력된다. 입력 항목 「진폭비」에는 진폭비(Adr)가 입력된다. 그리고, 모델 자동 작성 FB(113)의 특성 파라미터(113G)로부터는, 제1 동특성 모델(PCM)과 제2 동특성 모델(PML)을 조합시킨 동특성 모델(PCM*PML)을 규정하는 특성 파라미터(d, a1∼an, b1∼bm)가 출력되어도 좋다. 이 경우, 모델 예측 제어 FB(115)의 특성 파라미터(115D)에는, 특성 파라미터(113G)로부터 출력된 특성 파라미터(d, a1∼an, b1∼bm)가 입력된다. 그리고, 모델 예측 제어 FB(115)의 조작량(115H)으로부터는, 특성 파라미터(d, a1∼an, b1∼bm)로 규정되는 동특성 모델(PCM*PML)을 고려하여 생성된 조작량(MV)이 출력된다.
즉, 모델 자동 작성 FB(113)에 의해 실현되는 모델 작성 모듈(130)은, 파형 파라미터(진동 주파수(f0) 및 진폭비(Adr))를 받아, 제1 동특성 모델(PCM)과 제2 동특성 모델(PML)를 조합시킨 동특성 모델(PCM*PML)을 규정하는 특성 파라미터를 출력한다. 모델 예측 제어 FB(115)에 의해 실현되는 모델 예측 제어 모듈(150)은, 당해 특성 파라미터를 받아, 당해 특성 파라미터에 의해 규정되는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량을 생성한다.
또는, 모델 자동 작성 FB(113)는 입력 항목으로서 「부하 위치」를 포함하고, 출력 항목으로서 「진동 주파수」 및 「진폭비」를 포함해도 좋다. 입력 항목 「부하 위치」에는, 도 1에 도시하는 레이저 변위계(5, 8)에 의해 계측된 제어 대상(2)의 계측 위치가 입력된다. 출력 항목 「진동 주파수」로부터는, 제어 대상(2)의 계측 위치의 시간 변화 즉 진동 파형으로부터 추출되는 진동 주파수(f0)가 출력된다. 출력 항목 「진동 주파수」로부터는, 당해 진동 파형으로부터 추출되는 진폭비(Adr)가 출력된다. 출력 항목 「진동 주파수」로부터 출력된 진동 주파수(f0)는 모델 예측 제어 FB(115)의 진동 주파수(115E)에 입력된다. 출력 항목 「진폭비」로부터 출력된 진폭비(Adr)는 모델 예측 제어 FB(115)의 진폭비(115F)에 입력된다.
즉, 모델 자동 작성 FB(113)에 의해 실현되는 모델 작성 모듈(130)은 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력함과 함께, 제어 대상(2)의 계측 위치를 받아 파형 파라미터(진동 주파수(f0)및 진폭비(Adr))를 출력한다. 모델 예측 제어 FB(115)에 의해 실현되는 모델 예측 제어 모듈(150)은 당해 특성 파라미터와 파형 파라미터를 받는다. 모델 예측 제어 모듈(150)은, 당해 특성 파라미터에 의해 규정되는 제1 동특성 모델과 당해 파형 파라미터를 이용하여 작성되는 제2 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 서보 드라이버(200)에 출력하는 조작량을 생성한다.
<K-4. 변형례 4>
상기한 실시의 형태에서는, 제어 대상(2)이 2관성계(2慣性系)라고 했다. 그렇지만, 제어 대상(2)은 3관성계 이상이라도 좋다. 3관성계는 2개의 진동에 의해 표시된다. 그 때문에, 제2 동특성 모델은 상기한 수식 3∼수식 5의 어느 한쪽을 2개 직렬로 결합한 형식으로 표시된다. 예를 들면, 제2 동특성 모델(PML)은 이하의 [수식 8]의 함수 PML(s)를 이용하여 작성된다.
[수식 8]
Figure pct00008
또한, [수식 8]의 함수 PML(s)에서의, ω01 및 ζ1은 2개의 진동 중의 일방의 진동 주파수 및 감쇠비를 각각 나타낸다. ω02 및 ζ2는 2개의 진동 중의 타방의 진동 주파수 및 감쇠비를 각각 나타낸다.
<L. 부기>
이상과 같이, 본 실시의 형태 및 변형례는 이하와 같은 개시를 포함한다.
(구성 1)
제어 대상(2)을 이동시키기 위한 서보 모터(300, 300A, 300B)를 구동하는 서보 드라이버(200, 200A, 200B)에 접속되고, 상기 서보 드라이버(200, 200A, 200B)에 조작량을 출력하여 상기 제어 대상(2)의 위치 제어를 행하는 제어 장치(100, 100A)로서,
제어 주기마다, 상기 조작량과 상기 제어 대상(2)의 위치와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 상기 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 제어 수단(160, 160A)을 구비하고,
상기 동특성 모델은 상기 조작량과 상기 서보 모터의 위치와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 상기 서보 모터의 위치와 상기 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함하고,
상기 제2 동특성 모델은 상기 제어 대상의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여 작성되고,
상기 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함하는 제어 장치(100, 100A).
(구성 2)
상기 파형 파라미터는 상기 진동 파형에서 연속하는 2개의 파의 진폭비를 더 포함하는 구성 1에 기재된 제어 장치(100, 100A).
(구성 3)
상기 제어 수단(160)은,
금회의 제어 주기까지 생성한 조작량을 상기 제1 동특성 모델에 입력함에 의해 상기 서보 모터(300, 300A, 300B)의 예측 위치를 연산하고,
상기 서보 모터(300, 300A, 300B)의 예측 위치를 상기 제2 동특성 모델에 입력함에 의해, 상기 금회의 제어 주기의 종료시로부터 상기 동특성 모델에 규정되는 낭비 시간만큼 경과한 미래의 제어 주기에서의 상기 제어 대상의 예측 위치를 연산하고,
상기 제어 대상의 예측 위치와 상기 동특성 모델을 이용하여, 상기 미래의 제어 주기 이후의 상기 제어 대상의 위치와 목표 궤도와의 편차가 최소가 되도록, 다음 회의 제어 주기에서 상기 서보 드라이버(200, 200A, 200B)에 출력하는 조작량을 생성하는 구성 1 또는 2에 기재된 제어 장치(100, 100A).
(구성 4)
상기 제어 수단(160A)은, 상기 서보 모터로부터의 피드백값에 의거하여, 상기 서보 모터(300, 300A, 300B)의 예측 위치를 보정하는 구성 1 또는 2에 기재된 제어 장치(100A).
(구성 5)
상기 제어 수단(160, 160A)은,
상기 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력하는 출력 수단(130)과,
상기 특성 파라미터와 상기 파형 파라미터를 받아, 상기 서보 드라이버에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 생성 수단(150)을 포함하는 구성 1 또는 2에 기재된 제어 장치(100, 100A).
(구성 6)
상기 제어 수단(160, 160A)은,
상기 파형 파라미터를 받아, 상기 제1 동특성 모델과 상기 제2 동특성 모델을 조합시킨 상기 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력하는 출력 수단(130)과,
상기 특성 파라미터를 받아, 상기 서보 드라이버에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 생성 수단(150)을 포함하는 구성 1 또는 2에 기재된 제어 장치(100, 100A).
(구성 7)
상기 제어 수단(160, 160A)은,
상기 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력함과 함께, 상기 제어 대상의 위치를 받아 상기 파형 파라미터를 출력하는 출력 수단(130)과, 상기 특성 파라미터와 상기 파형 파라미터를 받아, 상기 서보 드라이버에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 생성 수단(150)을 포함하는 구성 1 또는 2에 기재된 제어 장치(100, 100A).
(구성 8)
상기 제어 장치(100, 100A)는 유저 프로그램을 실행하는 프로세서(102)를 포함하고,
상기 출력 수단(130) 및 상기 생성 수단(150)은 상기 유저 프로그램에 규정되는 펑션 블록(113, 115)에 의해 실현되는 구성 5부터 7의 어느 하나에 기재된 제어 장치(100, 100A).
(구성 9)
구성 1부터 8의 어느 하나에 기재된 상기 제어 장치(100, 100A)가 이용하는 상기 제2 동특성 모델을 작성하는 모델 작성 방법으로서,
상기 제어 대상의 진동 파형을 취득하는 스텝과,
상기 진동 파형으로부터 파형 파라미터를 추출하는 스텝과,
상기 파형 파라미터를 이용하여 상기 제2 동특성 모델을 작성하는 스텝을 구비하고,
상기 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함하는 모델 작성 방법.
(구성 10)
제어 대상(2)을 이동시키기 위한 서보 모터(300, 300A, 300B)를 구동하는 서보 드라이버(200, 200A, 200B)에 접속되고, 상기 서보 드라이버(200, 200A, 200B)에 조작량을 출력하여 상기 제어 대상(2)의 위치 제어를 행하는 제어 장치(100, 100A)에서 실행되는 제어 프로그램(112)으로서,
상기 제어 프로그램(112)은, 상기 제어 장치(100, 100A)에,
상기 조작량과 상기 서보 모터(300, 300A, 300B)의 위치와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델을 작성하는 스텝과,
상기 제어 대상(2)의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여, 상기 서보 모터(300, 300A, 300B)의 위치와 상기 제어 대상(2)의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 작성하는 스텝과,
제어 주기마다, 상기 제1 동특성 모델과 상기 제2 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 상기 서보 드라이버(200, 200A, 200B)에 출력하는 조작량을 생성하는 스텝을 실행시키고,
상기 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함하는 제어 프로그램(112).
본 발명의 실시의 형태에 관해 설명했지만, 금회 개시의 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
5, 8: 레이저 변위계
6, 9: 볼 나사
7: 제2 베이스 플레이트
100, 100A: 제어 장치
101: 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
113: 모델 자동 작성 FB
113A, 115A: 시작 지시
113B, 115B: 샘플링 주기
113C: 동정 출력
113D: 토크
113E, 115G: 스테이터스
113F: 동정 입력
113G, 115D: 특성 파라미터
115: 모델 예측 제어 FB
115C: 목표 위치
115E: 진동 주파수
115F: 진폭비
115H: 조작량
115I: 예측 오차
116: 외부 네트워크 컨트롤러
118: 메모리 카드 인터페이스
120: 메모리 카드
122: 내부 버스 컨트롤러
124: 필드 버스 컨트롤러
126: I/O 유닛
130: 모델 작성 모듈
140: 궤도 생성 모듈
150, 150A: 모델 예측 제어 모듈
160, 160A: 제어 유닛
200, 200X, 200Y: 서보 드라이버
300, 300X, 300Y: 서보 모터
400: 제1 모델 대상
402: 제2 모델 대상

Claims (10)

  1. 제어 대상을 이동시키기 위한 서보 모터를 구동하는 서보 드라이버에 접속되고, 상기 서보 드라이버에 조작량을 출력하여 상기 제어 대상의 위치 제어를 행하는 제어 장치로서,
    제어 주기마다, 상기 조작량과 상기 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 상기 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 동특성 모델은 상기 조작량과 상기 서보 모터의 위치와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델과, 상기 서보 모터의 위치와 상기 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 포함하고,
    상기 제2 동특성 모델은 상기 제어 대상의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여 작성되고,
    상기 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파형 파라미터는 상기 진동 파형에서 연속하는 2개의 파의 진폭비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    금회의 제어 주기까지 생성한 조작량을 상기 제1 동특성 모델에 입력함에 의해 상기 서보 모터의 예측 위치를 연산하고,
    상기 서보 모터의 예측 위치를 상기 제2 동특성 모델에 입력함에 의해, 상기 금회의 제어 주기의 종료시로부터 상기 동특성 모델에 규정되는 낭비 시간만큼 경과한 미래의 제어 주기에서의 상기 제어 대상의 예측 위치를 연산하고,
    상기 제어 대상의 예측 위치와 상기 동특성 모델을 이용하여, 상기 미래의 제어 주기 이후의 상기 제어 대상의 위치와 목표 궤도와의 편차가 최소가 되도록, 다음회의 제어 주기에서 상기 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 서보 모터로부터의 피드백값에 의거하여, 상기 서보 모터의 예측 위치를 보정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력하는 출력 수단과,
    상기 특성 파라미터와 상기 파형 파라미터를 받아, 상기 서보 드라이버에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 생성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 파형 파라미터를 받아, 상기 제1 동특성 모델과 상기 제2 동특성 모델을 조합시킨 상기 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력하는 출력 수단과,
    상기 특성 파라미터를 받아, 상기 서보 드라이버에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 생성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 제1 동특성 모델을 규정하는 특성 파라미터를 출력함과 함께, 상기 제어 대상의 계측 위치를 받아 상기 파형 파라미터를 출력하는 출력 수단과,
    상기 특성 파라미터와 상기 파형 파라미터를 받아, 상기 서보 드라이버에 출력하는 상기 조작량을 생성하는 생성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 유저 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고,
    상기 출력 수단 및 상기 생성 수단은, 상기 유저 프로그램에 규정되는 펑션 블록에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 상기 제어 장치가 이용하는 상기 제2 동특성 모델을 작성하는 모델 작성 방법으로서,
    상기 제어 대상의 진동 파형을 취득하는 스텝과,
    상기 진동 파형으로부터 파형 파라미터를 추출하는 스텝과,
    상기 파형 파라미터를 이용하여 상기 제2 동특성 모델을 작성하는 스텝을 구비하고,
    상기 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 모델 작성 방법.
  10. 제어 대상을 이동시키기 위한 서보 모터를 구동하는 서보 드라이버에 접속되고, 상기 서보 드라이버에 조작량을 출력하여 상기 제어 대상의 위치 제어를 행하는 제어 장치에서 실행되는 제어 프로그램으로서,
    상기 제어 프로그램은, 상기 제어 장치에,
    상기 조작량과 상기 서보 모터의 위치와의 관계를 나타내는 제1 동특성 모델을 작성하는 스텝과,
    상기 제어 대상의 진동 파형으로부터 추출된 파형 파라미터를 이용하여, 상기 서보 모터의 위치와 상기 제어 대상의 위치와의 관계를 나타내는 제2 동특성 모델을 작성하는 스텝과,
    제어 주기마다, 상기 제1 동특성 모델과 상기 제2 동특성 모델을 이용한 모델 예측 제어를 행함에 의해, 상기 서보 드라이버에 출력하는 조작량을 생성하는 스텝을 실행시키고,
    상기 파형 파라미터는 진동 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램.
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