TWI516888B - 伺服控制裝置 - Google Patents

Description

伺服控制裝置

本發明係關於一種將控制對象進行驅動控制之伺服(servo)控制裝置。

驅動控制產業用機器人(robot)、沖壓(press)裝置、生產線(line)自動化裝置等產業用機械的伺服控制裝置，係產生有關驅動機械系統的馬達(motor)之運動(位置或速度)的指令，且以馬達之運動追隨該指令之方式進行控制。在機械系統之剛性較低的情況(驅動之機械系統為手臂(arm)狀的情況、或經由低剛性之軸(shaft)或減速器來驅動負載機械的情況等)時，機械前端之運動與馬達之運動會由於低剛性部撓曲而產生差異。又，在機械系統之剛性較低的情況時，會在停止等之指令的變化之後產生振動。由於此等原因，機械前端之運動會相對指令具有誤差，使得控制精度劣化。

針對如此之起因於低剛性的問題，在專利文獻1所記載之技術中，係針對位置指令方塊(block)所產生之位置指令值求出有關時間之二階微分值，且對此乘上增益(gain)常數以求出修正值。然後，以馬達追隨原來之位 置指令值加上該修正值所得的修正位置指令值之方法進行控制。

又，在專利文獻1所記載之技術中，有記載亦可使用虛擬微分而非使用純微分。再者，有記載在指令速度之圖案(pattern)成為梯形的情況時，抽出指令之加速度變化的時間點，且使用預先設定之時間序列的修正圖案來產生修正值。

又，伺服控制裝置，係有以下之情況：以不見得為固定之週期，使產業用機械週期性地進行特定圖案之動作。在如此之情況時，係採用具備例如被稱為電子凸輪(cam)之指令函數部的方式。在此方式中，係使用顯示週期內之相位，並且使用隨著時間經過而增加或是減少的相位信號。然後，指令函數部係使用基於相位信號之數式或資料表(data table)參照來產生週期性的位置指令。藉此，對於相位反覆產生同一形狀之位置指令，且使馬達位置追隨該位置指令。就藉由依使用如此之指令函數部的伺服控制裝置而進一步修正位置指令來提高控制精度的技術而言，有專利文獻2所記載之技術。

該專利文獻2所記載之技術，係以提高週期性地進行同一圖案之動作的伺服控制裝置之控制精度為目的，而進行指令之修正者。在此技術中，係將相位信號(相位指令值)當作輸入並使用指令函數部(位置圖案產生器)來產生週期性的位置指令(位置圖案)。然後，為了修正追隨控制部(位置控制系統)之延遲，指令函數部，係使用使 相位前進的位置指令，並且對位置指令之關於時間的二階微分值或三階微分值乘上係數而算出修正值。

又，在專利文獻2所記載之技術中，記載有以下之技術：按照位置指令之二階微分值或三階微分值之絕對值的大小，切換是否加上上述之修正值，藉此抑制雜訊(noise)重疊於位置指令。

[專利文獻]

(專利文獻1)日本特開2003-76426號公報

(專利文獻2)日本特開2011-67016號公報

然而，在上述前者之先前技術中，由於當進行位置指令之二階微分時信號就變成有雜訊的信號，所以有難以進行高精度之控制的問題。又，當使用虛擬微分以取代純微分來作為雜訊問題之對策時，有因相位延遲而難以進行高精度之控制的問題。又，在抽出指令之加速度會變化的時間點並藉由預定之圖案求出修正值的方法中，有只能對應特定之指令形狀的問題。

又，在上述後者之先前技術中，由於使用指令函數部所輸出的位置指令之關於時間的二階微分或三階微分來運算修正值，所以有指令雜訊變大、且高精度之控制變得困難的問題。又，雖然藉由按照位置指令之二階微分或三階微分的大小來切換是否進行修正來對應雜訊之 問題，但是由於結果在進行修正的情況下仍會受到雜訊之影響，所以有高精度之控制變得困難的問題。

本發明係有鑑於上述情事而開發完成者，其目的在於獲得一種即便控制對象為低剛性，亦可高精度地控制週期動作的伺服控制裝置。

為了解決上述之課題且達成目的，本發明之特徵為具備：追隨控制部，其係對於由馬達用前述馬達進行驅動之機械系統所構成的控制對象，以對應於前述馬達之馬達位置或馬達速度的馬達運動會追隨馬達運動指令之方式，來控制前述馬達；指令函數部，其係輸入用以表示使前述控制對象進行的週期動作之相位的相位信號，且藉由預先設定之第1函數，算出相應於前述相位信號之機械運動指令；二次導函數部，其係輸入前述相位信號，且使用預先設定之第2函數作為二次導函數，且算出相應於前述相位信號之前述第2函數的值作為二階微分基礎信號，其中該二次導函數為用前述相位信號將前述第1函數進行二階微分所得的函數；修正值運算部，其係輸入用以表示前述相位信號之時間微分值的相位速度、及前述二階微分基礎信號，且使用前述相位速度之平方值、前述二階微分基礎信號、和第1常數之乘積，來運算用以修正前述馬達運動指令之第1指令修正值；以及修正加法部，其係基於前述第1指令修正值與前述機械運動指令之相加值來算出前述馬達運動指令。

依據本發明，即便控制對象為低剛性，亦達成可以高精度地控制週期性的動作的效果。

1‧‧‧控制對象

2‧‧‧追隨控制部

3A、3B‧‧‧相位產生部

5A、5B‧‧‧指令產生部

11‧‧‧馬達

12‧‧‧彈性部

13‧‧‧機械負載

51‧‧‧指令函數部

52‧‧‧二次導函數部

53‧‧‧修正值運算部

53a‧‧‧平方運算部

53b‧‧‧常數乘法部

53c‧‧‧二階微分乘法部

54A、54B‧‧‧修正值加法部

62‧‧‧一次導函數部

63‧‧‧加速時修正值運算部

64‧‧‧衰減修正值運算部

100A、100B‧‧‧伺服控制裝置

Cg‧‧‧黏性常數

f(θ)‧‧‧指令函數

f’(θ)‧‧‧一次導函數

f”(θ)‧‧‧二次導函數

G(s)‧‧‧傳遞函數

JL‧‧‧負載慣量

JM‧‧‧馬達慣量

Kg‧‧‧彈簧常數

s‧‧‧運算子

xb‧‧‧二階微分基礎信號

xb1‧‧‧一階微分基礎信號

yh‧‧‧指令修正值

yha‧‧‧加速時修正值

yhz‧‧‧衰減修正值

yL‧‧‧負載位置

ym‧‧‧馬達位置

yr‧‧‧馬達位置指令

yr0‧‧‧機械位置指令

α‧‧‧相位加速度

θ‧‧‧相位信號

ω‧‧‧相位速度

ω_z‧‧‧反共振頻率

τm‧‧‧馬達轉矩

ζ‧‧‧衰減係數

第1圖係顯示本發明實施形態1之伺服控制裝置的構成之方塊圖。

第2圖係顯示控制對象之構成例的示意圖。

第3圖係顯示本發明實施形態2之伺服控制裝置的構成之方塊圖。

以下基於圖式詳細說明本發明實施形態之伺服控制裝置。另外，本發明並非由此等實施形態所限定。

實施形態1

第1圖係顯示本發明實施形態1之伺服控制裝置的構成之方塊圖。實施形態1之伺服控制裝置100A，為驅動控制馬達(後述之馬達11)、及用馬達11進行驅動之由機械系統所構成的控制對象1之裝置。

控制對象1，例如為產業用機器人、沖壓裝置、生產線自動化裝置等產業用機械，且具備馬達11、及連接於馬達11之機械系統。伺服控制裝置100A係使用伺服馬達(servo motor)等致動器(actuator)來對控制對象進行驅動控制。伺服控制裝置100A，係藉由使控制對象1之馬達產生馬達轉矩(motor torque)τm，而使控制對象1進行 所期望之動作。具體而言，伺服控制裝置100A，係基於檢測器(未圖示)檢測出的馬達位置ym而逐次變更馬達轉矩τ m，藉此控制馬達11之動作位置以使控制對象1進行所期望之動作。

伺服控制裝置100A，係包含相位產生部3A、指令產生部5A及追隨控制部2所構成。相位產生部3A，係產生表示使控制對象1進行的週期動作之相位的相位信號θ、和表示相位信號θ之變化速度的相位速度ω，並輸出至指令產生部5A。指令產生部5A，係藉由後述之運算而算出馬達位置指令yr，且將所算出的馬達位置指令yr輸出至追隨控制部2。

追隨控制部2，係輸入從指令產生部5A所輸出的馬達位置指令yr和在控制對象1所檢測出的馬達位置ym，且產生馬達轉矩τ m以使馬達位置ym追隨馬達位置指令yr。亦即，追隨控制部2，係以由馬達位置ym表示的馬達運動追隨馬達位置指令yr，亦即追隨馬達運動指令之方式，產生馬達轉矩τ m並加以控制。

另外，在本實施形態中，雖然是針對相位產生部3A在伺服控制裝置100A之內部的情況加以說明，但是，在伺服控制裝置100A之內部亦可沒有相位產生部3A。伺服控制裝置100A，亦可為例如以使其與外部裝置之動作同步的方式，從外部輸入例如進行旋轉動作的外部裝置之旋轉位置等的信號之構成。

相位產生部3A，係例如藉由隨著時間經過 積分從外部被指定之相位速度ω來產生相位信號θ，且將相位速度ω和相位信號θ輸出至指令產生部5A。或是，相位產生部3A亦可將隨著從外部輸入之時間而增大或減少之相位信號θ輸出至指令產生部5A，並且將與相位信號θ之時間微分相當的相位速度ω輸出至指令產生部5A。在此情況下，相位產生部3A，係使用雜訊去除效果充分大的濾波器(filter)來運算相位速度ω，以免因相位信號θ中所含之量化等所引起的雜訊成分起因於微分運算而變大。如此，相位產生部3A係將相位信號θ、和以不包含雜訊成分之方式所產生的相位速度ω輸出至指令產生部5A。

接著，就指令產生部5A之構成和動作加以說明。指令產生部5A係輸入從相位產生部3A所輸出的相位信號θ和相位速度ω，並算出馬達位置指令yr且輸出至追隨控制部2。指令產生部5A，係包含指令函數部51、二次導函數部52、修正值運算部53及修正值加法部54A所構成。

在指令產生部5A中，係使得從相位產生部3A輸出之相位信號θ輸入至指令函數部51及二次導函數部52，且使得從相位產生部3A輸出之相位速度ω輸入至修正值運算部53。

指令函數部51，係依據相位信號θ，而算出相對於控制對象1之機械位置指令yr0。此時，指令函數部51係使用預先設定之指令函數f(θ)來算出機械位置指令yr0。換言之，指令函數部51係藉由預先設定之指令 函數f(θ)(第1函數)，算出相應於相位信號θ之機械運動指令。指令函數f(θ)，例如為數式或資料表。

在指令函數f(θ)為資料表之情況，係預先將相位信號θ之點(值)與機械位置指令yr0之點(值)的對應關係，設定於資料表。在資料表中，事先設定預定數之前述對應關係。指令函數部51，係藉由對被輸入的任意值之相位信號θ內插資料表參照值而算出機械位置指令yr0。此時，指令函數部51，係只要使用直線內插法就可以輕易地算出機械位置指令yr0。另外，指令函數部51亦可使用複雜之樣條(spline)內插法等。指令函數部51係將已算出的機械位置指令yr0輸出至修正值加法部54A。

在二次導函數部52中，係預先設定有與指令函數f(θ)之二次導函數f”(θ)相當的函數(第2函數)。在此所謂二次導函數f”(θ)，係指藉由相位信號θ將指令函數f(θ)進行二階微分所得者。二次導函數部52，係算出與所輸入之相位信號θ對應的函數之值作為二階微分基礎信號xb，且輸出至修正值運算部53。在此，二次導函數部52之第2函數，係與指令函數f(θ)同樣，例如為數式或資料表。又第2函數，雖然為依情況而近似地表示指令函數f(θ)之二次導函數f”(θ)者，但是在以下沒有必要嚴謹地描述的情況下，則不區別地寫第2函數和二次導函數f”(θ)。

在二次導函數部52中之第2函數為資料表的情況，係將相位信號θ之點(值)與相當於二次導函數f” (θ)之點(值)的對應關係、亦即將相位信號θ之點(值)與二階微分基礎信號xb之點(值)的對應關係預先設定於資料表。二次導函數部52係藉由對被輸入的任意值之相位信號θ內插資料表參照值而算出二階微分基礎信號xb。二次導函數部52，係將已算出的二階微分基礎信號xb輸出至修正值運算部53。

修正值運算部53係輸入二階微分基礎信號xb和相位速度ω，且使用相位速度ω之平方、預定之常數(第1常數)、和二階微分基礎信號xb之乘積，算出用以修正機械位置指令yr0之指令修正值yh。修正值運算部53係將已算出的指令修正值yh輸出至修正值加法部54A。在此，預定之常數，係按照與控制對象1之剛性或振動有關的機械常數來設定者，且設定成為後述的控制對象1之反共振頻率之平方的倒數。

修正值運算部53，係具有平方運算部53a、常數乘法部53b、及二階微分乘法部53c。在修正值運算部53中，由平方運算部53a算出相位速度ω之平方並輸出至常數乘法部53b。然後，常數乘法部53b係對來自平方運算部53a之輸出，乘上預定之常數(例如，基於控制對象1之反共振頻率ω_z的平方之倒數的值)。常數乘法部53b係將相乘所得之值輸出至二階微分乘法部53c。再者，二階微分乘法部53c係進行來自常數乘法部53b之輸出與二階微分基礎信號xb的乘法運算並算出指令修正值yh。然後，二階微分乘法部53c係將指令修正值yh輸出至修正值加法 部54A。

在此，修正值運算部53內之各部的乘法運算之順序並非被特別限定於上述之順序。修正值運算部53係只要以指令修正值yh會成為將相位速度ω之平方、取反共振頻率ω_z的平方所得的值之倒數、和二階微分基礎信號xb相乘之積的方式來計算即可。

修正值加法部54A係將對指令函數部51所輸出的機械位置指令yr0加上修正值運算部53所輸出的指令修正值yh所得之結果(相加值)，作為馬達位置指令yr而輸出至追隨控制部2。如此，指令產生部5A，係藉由上述之動作，而依據相位信號θ和相位速度ω算出馬達位置指令yr且輸出至追隨控制部2。

追隨控制部2係輸入指令產生部5A所輸出的馬達位置指令yr和從控制對象1檢測出的馬達位置ym。追隨控制部2係以馬達位置ym追隨馬達位置指令yr並成為一致之方式一邊控制控制對象1中的馬達11之電流一邊產生馬達轉矩τm。追隨控制部2係使用例如由馬達位置控制、馬達速度控制、以及馬達電流控制所構成的串級(cascade)控制等。

其次，為了說明由本實施形態所得之效果，首先就本實施形態所考慮的控制對象1之特性加以說明。第2圖係顯示控制對象之構成例的示意圖。

控制對象1，係用軸等之彈性部12來結合馬達11和機械負載13。然後，在控制對象1中，藉由伺 服控制裝置100A所產生的馬達轉矩τ m來驅動馬達11，並透過彈性部12來驅動機械負載13。

機械負載13之負載慣量(inertia)為JL，作為動作的機械負載13之位置的負載位置為yL，彈性部12之彈簧常數為Kg，彈性部12之黏性常數為Cg，馬達11之馬達慣量為JM。

藉由馬達轉矩τ m而驅動控制對象1的情況之負載位置yL與馬達位置ym之關係係用以下之數式(1)來表示。另外，以下敘述中，記號之s為拉普拉斯(Laplace)運算子，且為等效意指時間微分之運算子。

yL/ym=1/(s²/ω_z ²+2ζ．s/ω_z+1)．．．(1)

數式(1)之ω_z為控制對象1之反共振頻率，ζ為衰減係數，分別用以下之數式(2)和數式(3)來表示。

ω_z=(Kg/JL)^(1/2)．．．(2)

ζ=Cg/{2(JL．Kg)^(1/2)}．．．(3)

在此，將作為藉由追隨控制部2之作用而控制的結果之從馬達位置指令yr至馬達位置ym為止的傳遞函數表示為G(s)。亦即，當以下之數式(4)成立時，從馬達位置指令yr至負載位置yL為止的傳遞函數係成為以下之數式(5)。

ym/yr=G(s)．．．(4)

yL/yr=G(s){1/(s²/ω_z ²+2ζ．s/ω_z+1)}．．．(5)

在控制對象1中的機械系統之剛性較低的情況，通常由於衰減係數ζ變得比1還更顯著地小，所以 當將衰減係數ζ視為充分地小而加以忽視時，係可以由以下之數式(6)來近似數式(5)。

yL/yr=G(s){1/(s²/ω_z ²+1)}‧‧‧(6)

因而，即便將追隨控制部2之響應設為高速高精度(即便使傳遞函數G(s)接近1)，數式(6)亦包含二次共振特性。因此，可明白：負載位置yL之響應係具有誤差，且相對於馬達位置指令yr之變化以反共振頻率ω_z進行振動性的動作。如此，反共振頻率ω_z，係對應機械系統之振動頻率。

其次，就指令產生部5A之詳細的特性加以說明。指令產生部5A係藉由進行上述之動作，而對相位信號θ之輸入計算由以下之數式(7)所表示的指令修正值yh。

yh=f”(θ)‧ω²/ω_z ²‧‧‧(7)

在此，考慮機械位置指令yr0(即f(θ))之時間微分。機械位置指令yr0之一階微分值及二階微分值，係用以下之數式(8)及數式(9)來表示。

df(θ)/dt={df(θ)/dθ}(dθ/dt)‧‧‧(8)

d²f(θ)/dt²={d²f(θ)/dθ²}(dθ/dt)²+{df(θ)/dθ}(d²θ/dt²)‧‧‧(9)

在此，當作為相位信號θ之時間微分的相位速度ω，在考慮的期間中為固定或是變化十分地小時，數式(9)就變成以下之數式(10)。

d²f(θ)/dt²={d²f(θ)/dθ²}(dθ/dt)²‧‧‧(10)

在數式(10)中當將d²f(θ)/dθ²改寫為f”(θ)，將dθ/dt改寫為ω，將f(θ)改寫為yr0，將時間微分改寫為運算子s時，數式(10)就能改寫為以下之數式(11)。然後，表示指令修正值yh之數式(7)，係用以下之數式(12)來表示。

s²yrO=f”(θ)ω²‧‧‧(11)

yh=(s²/ω_z ²)yrO‧‧‧(12)

如此，就無關於在安裝上並未對機械位置指令yr0進行時間微分之運算，而是可以等效地作為對機械位置指令yr0之與時間有關的二階微分值乘上預定之常數的信號，來運算指令修正值yh。

又，馬達位置指令yr，由於為yr0與yh之和，所以從機械位置指令yr0至馬達位置指令yr為止之傳遞函數係成為以下之數式(13)。結果，從機械位置指令yr0至負載位置yL為止之傳遞函數，係藉由合併數式(6)和數式(13)而成為以下之數式(14)。

yr/yrO=(s²/ω_z ²+1)‧‧‧(13)

yL/yrO=G(s)‧‧‧(14)

因而，藉由將追隨控制部2之響應作成高速高精度，且使傳遞函數G(s)接近1，則即便控制對象1之剛性較低，亦能夠以負載位置yL會以高速高精度追隨機械位置指令yr0之方式進行控制。

指令產生部5A之特性，係藉由使用作為控制對象1之機械特性(例如，與剛性或振動頻率有關係的機 械特性)的反共振頻率ω_z來設定已設定於常數乘法部53b中的預定之常數所得者。例如按照控制對象1之機械特性而從外部設定指令產生部5A之特性，藉此可以實現對控制對象1之高精度控制。

又，反共振頻率ω_z，係對應控制對象1之振動頻率。因此，亦可例如以在伺服控制裝置100A內自動地測定振動頻率並將反共振頻率ω_z設定於指令產生部5A的方式來構成伺服控制裝置100A。

上述之高速高精度控制所能獲得的效果，在原理上，只要將從機械位置指令yr0至馬達位置指令yr為止之傳遞函數設為如數式(13)即可獲得。該性質，在原理上係與專利文獻1所記載之方法相同。

另一方面，本實施形態之伺服控制裝置100A的特徵之一，係使用設定有相對於相位信號θ之函數的二次導函數部52來算出二階微分基礎信號xb，且運算指令修正值yh作為相位速度ω之平方與二階微分基礎信號xb和預定之常數的乘積。如此，在伺服控制裝置100A中，不用直接地進行二階之時間微分來運算數式(12)所表示的指令修正值yh。

作為先前技術與伺服控制裝置100A之比較，係假設考慮實際上以實際時間運算如數式(12)所示之二階時間微分的情況。在實際的伺服控制裝置100A之運算中，係使用有效位數為有限長度之數值運算。在該情況下，當進行相位產生部3A中的相位信號θ之運算時，會 對理想值混入量化雜訊。又，在指令函數部51中，在從相位信號θ輸出機械位置指令yr0之過程(基於資料表參照而進行內插運算的過程)的各四則運算中，混入起因於概算誤差或截斷誤差之量化雜訊。

當對混入有如此之量化雜訊的機械位置指令yr0，進行如進行雙重之時間微分的二階微分運算時，量化雜訊之成分就會變得非常大，而變得無法直接用於指令修正值yh之運算。又，為了抑制量化雜訊，當使濾波器在實際時間運算中產生作用時，由於會產生取決於濾波器之延遲，所以很難實現高精度之控制。

相對於此，在本實施形態中，由於是基於設定有相對於相位信號θ之函數或資料表的二次導函數部52之參照值而進行指令修正值yh之計算，所以可以抑制起因於數值之量化和時間微分的雜訊成分之增大。結果，不用追加濾波器等就可以輕易地實現高精度之控制。

如此，伺服控制裝置100A係用二次導函數部52來算出相當於與機械位置指令yr0之相位信號θ有關的二階微分值之二階微分基礎信號xb。然後，伺服控制裝置100A係將二階微分基礎信號xb、在相位產生部3A以不包含雜訊成分之方式所產生的相位速度ω之平方、和預定之常數進行相乘而算出指令修正值yh。藉此，亦對應相位速度ω之變更(使控制對象1進行的週期動作之周期的變更)，且可以實現與使用機械位置指令yr0之二階時間微分同等的控制特性。又，由於在實際之運算中不進行時間微 分，所以可以算出抑制信號之雜訊成份的馬達位置指令yr。

又，在相位產生部3A中的相位速度ω之運算中，即便使用用以去除雜訊之較慢的低通濾波器(low-pass filter)，只要相位速度ω之變化較和緩，則由於低通濾波器之延遲而帶給指令修正值yh之運算的影響亦會變得微小。因此，伺服控制裝置100A即不會使控制精度惡化，並可以去除雜訊之不良影響。

在本實施形態中，係已就藉由預先設定之資料表和內插運算來算出指令函數部51之指令函數f(θ)及二次導函數部52之二次導函數f”(θ)的情況加以說明。該資料表之製作方法，並非被特別限定者。在可以將指令函數f(θ)及二次導函數f”(θ)當作相對於相位信號θ之數式來運算的情況，即便是非常複雜的運算，亦可事先表格(table)化而藉此避免在實際時間動作中起因於計算時間的問題。又，只要在事先製作相當於二次導函數f”(θ)之資料表時使用高精度之浮數點運算等來事先運算資料表，則能夠不混入雜訊誤差而製作資料表。因此，不會產生高頻之雜訊問題而可實現高精度之控制。

又，作為事先設定於指令函數部51的函數f(θ)，亦可不用基於數式而設定相對於有限個相位信號θ之點的數值表。在此情況下，可以輕易地設定就數式而言難以表示的任意圖案之週期動作。在如此之情況下，作為基於指令函數部51之指令函數f(θ)的資料表之單純方式，當假設藉由雙進行二次與鄰接的相位信號θ之點有關 的差分運算而求出相當於二次導函數f”(θ)的資料表時，就有使相位信號θ之區域中的高頻成分過大的情況。

在使高頻成分過大的情況下，雖然需要由濾波器所進行的平滑化操作，但是由於並非是靠實際時間運算而是只要事前在離線(off-line)狀態下進行平滑化操作即可，所以能夠不發生相位誤差而抑制高頻成分。

具體而言，在相位信號θ之區域中起作用的濾波器運算中使用被稱為零(zero)相位濾波器的手法。亦即，將抑制關於相位信號θ之高頻成分的特性之濾波器運算，雙重地應用於相位信號θ之正方向和反方向。藉此，可以一邊以不發生相位誤差之方式抑制高頻成分，同時一邊製作相當於二次導函數部52中之二次導函數f”(θ)的函數。結果，在用二次導函數部52進行資料表參照和內插運算的實際時間操作之運算時，不會加大輸出信號之高頻雜訊，而可以針對對於控制對象1之振動或控制誤差產生之影響較大的反共振頻率ω_z附近之頻率特性進行高精度之實際時間運算。因而，能夠實現高精度之控制。

又，在本實施形態中，雖然已就將相當於指令函數部51之函數f(θ)及二次導函數部52之f”(θ)的函數，設定作為相對於預定數之相位信號θ之點的資料表之情況加以說明，但是亦可事先設定數式運算作為指令函數f(θ)或二次導函數f”(θ)。例如，在可以用能夠進行實際時間運算之函數來實現指令函數f(θ)或二次導函數f”(θ)的情況，則亦可不需要設定資料表而進行相對於 相位信號θ之數式運算。

如此，在本實施形態中，係已就伺服控制裝置100A進行位置控制的情況加以說明。具體而言，以相位信號θ為輸入的指令函數部51會算出機械位置指令yr0，以相位信號θ和相位速度ω為輸入的修正值運算部53會算出指令修正值yh，修正值加法部54A會算出馬達位置指令yr。然後，追隨控制部2，以馬達位置ym會追隨馬達位置指令yr之方式控制控制對象1。

另外，伺服控制裝置100A，亦能夠在同樣的構成下以速度之次元來動作，在該情況下亦能夠獲得與在位置控制之情況下完全同樣的效果。在該情況下，以相位信號θ為輸入的指令函數部51會算出機械速度指令作為機械運動指令，以相位信號θ和相位速度ω為輸入的修正值運算部53會算出速度之指令修正值，修正值加法部54A會算出馬達速度指令作為馬達運動指令。然後，追隨控制部2以作為馬達運動之馬達速度會追隨馬達速度指令之方式控制控制對象1。

如此，依據實施形態1，則可以抑制因使進行週期動作的控制對象1之低剛性而引起的振動或控制誤差，同時一邊亦對應週期變更，一邊不產生起因於指令之信號量化的雜訊之問題並實現高精度之控制。因而，即便控制對象1為低剛性，亦能夠高精度地控制週期動作。

實施形態2

接著，使用第3圖就本發明之實施形態2加以說明。 第3圖係顯示本發明實施形態2之伺服控制裝置的構成之方塊圖。有關第3圖之各構成要素之中達成與第1圖所示之實施形態1的伺服控制裝置100A同一功能之構成要素係附記同一編號，且省略重複之說明。

實施形態2之伺服控制裝置100B，係進行比伺服控制裝置100A還更複雜的設定或運算，藉此實現比伺服控制裝置100A還更高精度的控制。本實施形態之伺服控制裝置100B係具備一次導函數部62及加速時修正值運算部63，藉此即便在表示相位信號θ之變化速度的相位速度ω非為固定的情況下亦能提高控制精度。又具備一次導函數部62及衰減修正值運算部64，藉此即便在控制對象1之振動特性中的衰減較大之情況下亦能提高控制精度。

伺服控制裝置100B係包含相位產生部3B、指令產生部5B及追隨控制部2所構成。相位產生部3B係與實施形態1之相位產生部3A同樣，將相位信號θ和相位速度ω輸出至指令產生部5B。又，相位產生部3B，係將與相位速度ω之時間微分相當的相位加速度α輸出至指令產生部5B。該相位加速度α，係藉由事先設定作為時間序列圖案等之方法，而能夠以不包含雜訊之成分之方式使其輸出。

指令產生部5B係輸入相位信號θ、相位速度ω、相位加速度α並算出馬達位置指令yr，且將所算出的馬達位置指令yr輸出至追隨控制部2。指令產生部5B 係包含指令函數部51、二次導函數部52、修正值運算部53、修正值加法部54B、一次導函數部62、加速時修正值運算部63及衰減修正值運算部64所構成。

在指令產生部5B中，係對指令函數部51、二次導函數部52及一次導函數部62輸入從相位產生部3B輸出的相位信號θ。又，對修正值運算部53及衰減修正值運算部64輸入從相位產生部3B輸出的相位速度ω。再者，對加速時修正值運算部63輸入從相位產生部3B輸出的相位加速度α。

在一次導函數部62，係預先設定有與指令函數部51中的指令函數f(θ)之一次導函數f’(θ)相當的第3函數。與一次導函數f’(θ)相當的第3函數，為與藉由相位信號θ而將指令函數f(θ)進行一階微分所得者相當的函數。一次導函數部62，係將與輸入之相位信號θ對應的第3函數之值當作一階微分基礎信號xb1，並輸出至加速時修正值運算部63及衰減修正值運算部64。該與一次導函數f’(θ)相當的第3函數，係與指令函數f(θ)或二次導函數f”(θ)同樣地例如為數式或資料表。

在與一次導函數f’(θ)相當的第3函數為資料表之情況，係將相位信號θ之點(值)與一階微分基礎信號xb1之點(值)之間的對應關係，以預定數預先設定於資料表。一次導函數部62係藉由對被輸入的任意值之相位信號θ內插資料表參照值而算出一階微分基礎信號xb1。一次導函數部62，係將所算出的一階微分基礎信號xb1輸 出至加速時修正值運算部63及衰減修正值運算部64。

加速時修正值運算部63係輸入一階微分基礎信號xb1和相位加速度α，且算出一階微分基礎信號xb1和相位加速度α和預定之常數(第2常數)的乘積，作為加速時修正值yha。加速時修正值運算部63係將所算出的加速時修正值yha輸出至修正值加法部54B。

在加速時修正值運算部63所用的預定之常數，係與在實施形態1之修正值運算部53所用的預定之常數同樣地按照與控制對象1之剛性或振動有關的機械常數所設定者。例如，在加速時修正值運算部63所用的預定之常數，係以成為控制對象1之反共振頻率ω_z的平方之倒數的方式所設定。因而，加速時修正值yha，係能使用以下之數式(15)來運算。

yha=f’(θ)‧α/ω_z‧‧‧(15)

在此，機械位置指令yr0(即f(θ))之與時間有關的二階微分值，係如在實施形態1所說明般，能由數式(9)來表示。在實施形態1假定的相位速度ω之變化為充分地小的條件不成立之情況下，數式(9)係能改寫為以下之數式(16)。又，根據數式(7)和數式(15)，指令修正值yh和加速時修正值yha之和，係能用以下之數式(17)來表示。

s²yrO=f”(θ)ω²+f’(θ)α‧‧‧(16)

yh+yha=(s²/ω_z ²)yrO‧‧‧(17)

衰減修正值運算部64係輸入上述之一階微分基礎信號xb1和相位速度ω，且算出一階微分基礎信號 xb1和相位速度ω和預定之常數(第3常數)的乘積，作為衰減修正值yhz。衰減修正值運算部64係將所算出的衰減修正值yhz，輸出至修正值加法部54B。

衰減修正值運算部64中的預定之常數，係例如為基於將控制對象1之衰減係數ζ的二倍和反共振頻率ω_z之倒數進行相乘後之值所得的值。又，由於根據實施形態1之數式(8)，以下之數式(18)將成立，所以運算的衰減修正值yhz係能用以下之數式(19)來表示。

s‧yrO=f’(θ)ω‧‧‧(18)

yhz=(2ζ‧s/ω_z)yrO‧‧‧(19)

修正值加法部54B係將對指令函數部51所輸出的機械位置指令yr0，加上修正值運算部53所輸出的指令修正值yh、加速時修正值運算部63所輸出的加速時修正值yha、衰減修正值yhz所得之結果，作為馬達位置指令yr並輸出至追隨控制部2。當依據數式(17)和數式(19)，算出從機械位置指令yr0至馬達位置指令yr之傳遞函數時，就成為以下之數式(20)。

yr/yrO=(s²/ω_z ²+2ζs/ω_z+1)‧‧‧(20)

因而，即便是在無法忽視表示相位速度ω之變化的相位加速度α之情況、或無法忽視控制對象1之衰減係數ζ的情況，亦可以藉由合併數式(6)和數式(20)，而與實施形態1同樣地用數式(14)來表示從機械位置指令yr0至負載位置yL為止之傳遞函數。

結果，藉由將追隨控制部2之響應作成高 速高精度，且使傳遞函數G(s)接近1，則能夠以負載位置yL以高速高精度追隨機械位置指令yr0之方式來控制控制對象1。

另外，在本實施形態中，雖然已就對機械位置指令yr0，加上指令修正值yz、加速時修正值yha及衰減修正值yhz之全部，藉此算出馬達位置指令yr的情況加以說明，但是馬達位置指令yr之算出方法，並不限於此方法。指令產生部5B係只要藉由對機械位置指令yr0和指令修正值yh之相加值，加上加速時修正值yha及衰減修正值yhz之至少一個，而算出馬達位置指令yr即可。

例如，在算出馬達位置指令yr時不加上加速時修正值yha的情況，就不需要加速時修正值運算部63。又，在算出馬達位置指令yr時不加上衰減修正值yhz的情況，就不需要衰減修正值運算部64。

如此，依據實施形態2，則即便是在無法忽視相位速度ω之變化的情況、或無法忽視控制對象1之振動特性的衰減係數ζ之情況，亦可以抑制因使進行週期動作的控制對象1之低剛性而引起的振動或控制誤差，同時一邊亦對應週期變更，一邊不發生起因於指令之信號量化的雜訊之問題並實現高精度之控制。

(產業上之可利用性)

如以上所述，本發明之伺服控制裝置，係適於用馬達來驅動機械系統的控制對象之控制。

1‧‧‧控制對象

2‧‧‧追隨控制部

3A‧‧‧相位產生部

5A‧‧‧指令產生部

51‧‧‧指令函數部

52‧‧‧二次導函數部

53‧‧‧修正值運算部

53a‧‧‧平方運算部

53b‧‧‧常數乘法部

53c‧‧‧二階微分乘法部

54A‧‧‧修正值加法部

100A‧‧‧伺服控制裝置

f(θ)‧‧‧指令函數

f”(θ)‧‧‧二次導函數

xb‧‧‧二階微分基礎信號

yh‧‧‧指令修正值

ym‧‧‧馬達位置

yr‧‧‧馬達位置指令

yr0‧‧‧機械位置指令

θ‧‧‧相位信號

ω‧‧‧相位速度

τm‧‧‧馬達轉矩

Claims (8)

1. 一種伺服控制裝置，其特徵為具備：追隨控制部，係對於由馬達及用前述馬達進行驅動之機械系統所構成的控制對象，以對應於前述馬達之馬達位置或馬達速度的馬達運動會追隨馬達運動指令之方式，來控制前述馬達；指令函數部，係輸入用以表示使前述控制對象進行的週期動作之相位的相位信號，且藉由預先設定之第1函數，算出相應於前述相位信號之機械運動指令；二次導函數部，係輸入前述相位信號，且使用預先設定之第2函數作為二次導函數，算出相應於前述相位信號之前述第2函數的值作為二階微分基礎信號，其中，該二次導函數為用前述相位信號將前述第1函數進行二階微分所得的函數；修正值運算部，係輸入用以表示前述相位信號之時間微分值的相位速度、及前述二階微分基礎信號，且使用前述相位速度之平方值、前述二階微分基礎信號、和第1常數之乘積，來運算用以修正前述馬達運動指令之第1指令修正值；以及修正加法部，係基於前述第1指令修正值與前述機械運動指令之相加值來算出前述馬達運動指令。
2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服控制裝置，係以按照前述控制對象之機械特性而從外部設定前述第1常數的方式所構成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之伺服控制裝置，其中，前述第1常數為基於將與前述控制對象之振動頻率對應的反共振頻率進行平方後的值之倒數所得的值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之伺服控制裝置，其中，前述第2函數為顯示前述相位信號與前述二階微分基礎信號之對應關係的第1資料表，前述二次導函數部係使用前述第1資料表進行算出而作為前述二階微分基礎信號。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之伺服控制裝置，復具備：一次導函數部，係輸入前述相位信號，且使用預先設定之第3函數作為一次導函數，算出相應於前述相位信號之前述第3函數的值作為一階微分基礎信號，其中，該一次導函數為用前述相位信號將前述第1函數進行微分所得的函數；以及加速時修正值運算部，係輸入用以表示前述相位信號之時間微分值的相位加速度、及前述一階微分基礎信號，且使用前述一階微分基礎信號、前述相位加速度、和第2常數之乘積，來算出用以修正前述馬達運動指令之第2指令修正值，前述修正加法部，係基於前述第1及第2指令修正值與前述機械運動指令之相加值而算出前述馬達運動指令。
6. 如申請專利範圍第5項所述之伺服控制裝置，其中， 前述第2常數為基於將與前述控制對象之振動頻率對應的反共振頻率進行平方後的值之倒數所得的值。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之伺服控制裝置，復具備：一次導函數部，係輸入前述相位信號，且使用預先設定之第3函數作為一次導函數，算出相應於前述相位信號之前述第3函數的值作為一階微分基礎信號，其中，該一次導函數為用前述相位信號將前述第1函數進行微分所得的函數；以及衰減修正值運算部，係輸入前述一階微分基礎信號及前述相位速度，且使用前述一階微分基礎信號、前述相位速度、和第3常數之乘積，來算出用以修正前述馬達運動指令之第3指令修正值，前述修正加法部係基於前述第1及第3指令修正值與前述機械運動指令之相加值而算出前述馬達運動指令。
8. 如申請專利範圍第7項所述之伺服控制裝置，其中，前述第3常數為基於前述控制對象之衰減係數、和與前述控制對象之振動頻率對應的反共振頻率之倒數的乘積所得之值。