WO1990007735A1

WO1990007735A1 - Methods of detecting oscillation in the servo system and automatically adjusting the speed loop gain

Info

Publication number: WO1990007735A1
Application number: PCT/JP1989/001296
Authority: WO
Inventors: Yasusuke Iwashita
Original assignee: Fanuc Ltd
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-25
Publication date: 1990-07-12
Also published as: EP0401383A1; US5157597A; EP0401383A4

Description

. 明細窨

サーボ系の発振検出及び速度ループゲイン自動調整方法技術分野

本発明は、工作機械，ロボット等の、サーボモータを装備した各種機械に搭載されるサーボ系の発振検出及び速度ループゲインの自動調整方法に関する。

背景技術

—般に、サーボ系は、位置制御ループからの指令速度と実際モータ速度との偏差に応じたトルク指令を発生させるための速度制御ループを備えている。第 1 図に示す典型的なサーボ系の速度制御ループは、パラメ一夕 P が値「 1 」及び「 0 」をとるとき比例積分制御及び積分比例制御を夫々行うようになっている。図中、符号 V c，

T c は速度指令信号及び実際速度信号を、 k l， k 2は積分ゲイン，比例ゲインを、 K t はトルク定数を、 J mは口 — タイナーシャを夫々示す。

第 1 図の速度制御ループは二次制御系であり、その応答特性は速度ループゲインに応じて定まる。すなわち、ループゲインが過小であると、サ一ボ系から供給される移動指令パルスの各々にモータ回転が直ちに追従せずに数個のパルスが蓄積して始めてモータが回転すると云う制御遅れが生じ、モータ速度に低周波数のうねりを生じる。又、外乱の影響を受け易い。一方、ループゲイン力 s 過大であると、制御安定性が損なわれる。ループゲインがさらに過大になると、サ一ボモータに駆動的に連結された機械系が共振してサーボ系に発振が生じるに至る。この場合、例えば工作機械においては通常モータ速度での切削送り時にも振動が発生する。

従って、ループゲインすなわち積分ゲイン k 1及び比例ゲイン k 2を適正に設定する必要があり、詳しくは、サーボ系に発振が生じない範囲で両ゲイン k 1， k 2を大きい値に設定しなければならない。このため、従来は、下記第（ 1 ) 式，第（ 2 ) 式に示すようにゲイン k 1がカットオフ周波数（遮断周波数） f n の関数でかつゲイン k 2がカツトオフ周波数 ί η とダンピング定数 (減衰率） -との関数であることに照らして、サ一ボ系を装備した機械の各々について両パラメ一夕 f n, ？を試行錯誤的に設定してループゲインの適正化を図っている。

k 1 = ( J m / K t ) - ( 2 ¾: f ii ) ² · · · ( 1 ) k 2 = ( J m / K t ) - 2 · 2 π f n · · · ( 2 ) このため、ループゲインの決定に多くの手間と時間を要する。

発明の開示

本発明の目的は、サ― ボ系の速度ループゲインを迅速かつ的確に決定可能な自動調整方法を提供することにあ本発明の別の目的は、' サーボ系の発振を自動的に検出可能な検出方法を提供することにある。 - 上述の目的を達成するため、本発明の一つの態様によれば、サ ― ボ系の速度ループゲイン自動調整方法は、所定位置偏差領域でサーポ系の位置ループゲインが大きい値をとるようにサーポ系の位置偏差対位置ループゲイン特性を設定する工程（ a ) と、所定位置偏差領域に入る位置指令に応じてサーボ系が作動したときに発生する位置偏差パラメータを周期的に抽出する工程（ b ) と、位置偏差パラメータの主振動成分を決定する工程（ c ) と、主振動成分が所定周波数領域に入るようにサーボ系の速度ループゲインを自動調整する工程（ d ) とを備える。

本発明の別の態様によれば、サーボ系の発振検出方法は、上記工程（ a ) 〜（ c ) と、サ― ボ系の速度ループゲイン.を増大させた後に工程（ b ) ， ( c ) を実行する工程と、前記主振動成分が急激に増大したとき前記サーボ系に発振が生じたと自動的に判別する工程とを備える。

上述のように、本発明によれば、所定位置.偏差領域で位置ループゲインが大きい値をとるように設定した位置偏差対位置ループゲイン特性を有するサーボ系の作動中に周期的に抽出した位置偏差パラメ一夕に基づいて決定した当該パラメ一夕の主振動成分が所定周波数領域に入るようにサーボ系の速度ループゲインを自動調整し、また、サーボ系の速度ループゲインの増大に伴い位置偏差パラメ一夕の主振動成分が急激に増大したときサーボ系に発振が生じたと自動^に判別するようにしたので、速度ル - プゲインを迅速かつ的確に決定でき、機械系に経年変化が生じ或は機械系のイナ一シャが変化した場合にも最適な速度ループゲインを容易に得ることができる。図面の簡単な説明

第 1 図は従来のサーボ系の速度制御ループを示す機能ブロック図、

第 2 図は本発明の第 1 の実施例による速度ループゲイン自動調整方法が適用されるサーボ系の位置制御ループ及び速度制御ループを示す機能プロック図、

第 3 図は第 2 図の関数発生器の変換特性を示す図、第 4 図は第 2 図のサ— ボ系により実行される速度ループゲイン自動調整処理を示すフローチャート、

第 5 図は本発明の第 2 の実施例における実際モータ速度検出処理及び速度制御ループ処理を示すフ口一チヤ - 卜、

第 6 図は第 2 の実施例における発振検出処理を示すフローチヤ一ト、

第 7 図は第 2 の実施例におけるゲイン調整処理を示すフローチヤ一ト、

第 8 図は第 2 の実施例に関連する実際モータ速度の波形図、

第 9 図は本発明の第 3 の実施例における実際モータ加速度検出処理を示すフローチャート、

第 1 0 図は第 3 の実施例に関連する実際モータ加速度の波形図、

第 1 1 図は速度ループゲイン対電流指令特性曲線及びループゲイン対オフセット値設定曲線を示す図、および第 1 2 図は本発明の第 4 の実施例におけるオフセット値算出ステップを示す図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1 の実施例による速度ループゲイン自動調整方法が適用されるデジタルサーボ系は、サーボ制御をソフトウェア処理で行うための数値制御装置（その機能を第 2 図に示す）を備え、第 1 図の速度制御ループと同等の機能を奏するようになっている。そして、このデジタルサーポ系は、速度ループゲインを自動調整するための、後述する関数発生機能（以下、関数発生器 2 と云う）を有する点に特徵がある。第 2 図中、符号 3 〜 7 で示す要素は.第 1 図を参照して既に説明した要素に対応するもので、その説明を一部省略する。

以下、デジタルサーボ系の作動を説明する。

デジタルサーボ系による位置制御ループ処理の実行時、積分項 8 においてサ ― ボモータの実際回転位置を表す位置信号 P r が生成される。そして、位置信号 P r と位置指令 P c との差（位置偏差）が、ゲインが Κ ρ の比例項 1 において増幅され、位置偏差に対応する第 1 の速度指令 V c (in)が生成される。

サーボモータ（図示略）の通常運転時、第 1 の速度指令 V c ( in)に応じて、後述の速度制御ループ処理が実行される。一方、ゲイン調整時には、指令 V c (in)は、第 3 図に示す変換特性（位置偏差.対位置ループゲイン特性）を備える関数発生器 2 において、下記第（ 3 ) 式及び第 ( 4 ) 式に従って、第 2 の速度指令 V c ( out)に変換される。

V c (out) = K · V c (in) + A ( V c ( i n)≥ 0 のとき）

- - - ( 3 )

V c (out) = K · V c (in) - A ( V c (in) < 0 のとき）

• · · ( 4 ) ここで、符号 Aは指令 V c (in)が正方向から値「 0 」に近づく場合に V c (in) = 0 で指令 V c (out)力 sとるォフセット値を、 - A は指令 V c ( in)が負方向から値「 0 」に近づく場合に V c (in) = 0 で指令 V c (out)がとるォフセット値を、 K は第 3 図の特性曲線の傾きを夫々表す。

結局、速度ループゲイン調整時にあっては、通常のモ一夕運転時と異なり、第 1 の速度指令 V c (in)すなわち位置偏差が零又はその近傍の値をとつた場合にも第 2 の速度指令 V c (out)は大きい値をとる。換言すれば、ゲイン調整時、位置ループゲインは、位置偏差が零又はその近傍の位置偏差領域において、通常運転時の値に比べて栢当大きい値をとる。

上記位置制御ループ処理に続く速度制御ループ処理において、実際モータ速度を表す速度信号 V t と速度指令 V c (in)または V c (out)との差（速度偏差）が積分項 3 で積分される。比例積分制御を行うべくパラメ一夕 P を値「 1 」に設定した合、トルク指令 T c は、速度信号 V t から速度指令 V c (out)を減じて得た値と比例ゲィン k 2との積を速度偏差の積分値から減じた値に等しくなる。一方、積分比例制御を行うべくパラメータ P を値「 0 」に設定した場合、トルク指令は、速度信号 V t と比例ゲイン k 2との積を速度偏差の積分値から減じた値に等しくなる。そして、トルク指令に応じて電流制御ループ処理が実行され、サーボモータが駆動制御される。

以下、第 4、図を参照して、デジタルサーボ系の数値制御装置により実行される速度ループゲイン自動調整処理を詳細に説明する。

オペレータが数値制御装置のデータ入力装置（図示略）を操作してカットオフ周波数 f η , ダンピング定数及びパラメ - 夕 P を初斯値 f n 0， f 0及び「 0 」に夫々設定すると共に後で詳述する基準周波数 f a 等のゲイン調整用パラメータを夫々設定した後、数値制御装置の運転モードをゲイン自動調整モードに切換えると、数値制御装置のプロセッサは、設定値 ί η θ , ξ 0 , 「 0 」， i a 等を内蔵のメモリに記億する（ステップ S 1 ) 。次に、プロセッサは、上記第（ 1 ) 式及び第（ 2 ) 式に従い、かつ、設定値 f n Q及び 0ならびに予め夫々設定済みのトルク定数 K t 及び口 — タイナーシャ J m に基づいて、ループゲインすなわち積分ゲイン k 1および比例ゲイン k 2を夫々算出，記憶する（ステップ S 2 ) 。

その後、位置指令 P c を値「 0 」に設定した状態で、数値制御装置は上述の速度制御ル - プ処理を開始する。このとき、位置指令 P c が値「 0 」であっても、一般には正又は負の僅かな位置偏差が発生する。プロセッサは、第 3 図の変換特性を有する関数発生器 2 の機能を達成すベく、上記第（ 3 ) 式及び第（ 4 ) 式に従って所要の演算を行い、上記僅かな位置偏差に対応する小さい正又は負の第 1 の速度指令 V c (in)を、相当に大きい正又は負の第 2 の速度指令 V c (out)に変換する。なお、第（ 3 ) 式から明かなように、たとえ位置偏差が零であっても指令 V c (out)は大きい正の値をとる。

結果として、指令 V c (out)に応じて駆動されるサーボモータは、モータ駆動機構に発生する摩擦に抗して正方向又は負方向に回転（スティックスリップ）し、零の位置指令に対応する回転位置から相当大きく偏倚した回転位置に至り、当該到達回転位置において、当初の位置偏差と符号が反対でかつ相当大きい位置偏差が発生する。この結果、当初の速度指令 V c (out)と符号が反対の栢当大きい速度指令 V c (out )が送出され、サーボモー夕は零め指令位置に対応する回転位置から相当大きく偏倚した回転位置まで逆回転する。結局、サ― ボモータは振動的に正逆回転を繰り返す（以下、モータ振動と云う）。このとき、カットオフ周波数 f n に応じて定まる速度制御ループの周波数帯域が高域側にあるほど、すなわち速度制御ループの応答が速いほど、モータ振動周波数が高くなる。

モータ振動中、プロセッサは、実際モータ速度を表す速度信号 V t を所定時間にわたり周期的に抽出し（ステップ S 3 ) 、更に、抽出速度信号群について周波数分析例えばフーリエ変換を行う（ステップ S 4 ) 。この周波数分析において、速度信号 V t の各種周波数成分のうち振幅が最大である周波数成分（以下、主振動成分 i max と云う）が抽出される。すなわち、信号 V t の、モータ駆動系での摩擦等に起因する周波数成分が除去され、信号 V t の、速度指令 V c (out)及びモータ振動に対応する周波数成分が抽出される。

次に、プロセッサは、主振動成分 f maxとオペレータ等の経験に基づいて速度ループゲイン調整上の最適値に予め設定した基準周波数 f a との偏差の絶対値 I f max - f a I が、約 1 Hzに予め設定したゲイン調整用の閾値 ε より.も小さいか否かを判別し（ステップ S 5 ) 、絶対値 I f max— f a | が閾値 s よりも小さければ、第 4 図のゲイン調整処理を終了す.る。

—般には、ステップ S 5 で絶対値 I f max— f a | が閾値 s よりも大きいと判別され、カットオフ周波数 f n が更新される（ステップ S 6 ) 。即ち、プロセッサは、基準周波数 ί a から主振動成分 f maxを減じた値と約 0. 5 〜約 0. 7 に予め設定した演算係数 α との積（ f a 一 f max) を現在の設定カットオフ周波数 f n (最初は初期値 ί n 0 ) に加算し、加算結果 f η + α ( f a - f max) を新しいカツトオフ周波数 f n として設定する。更に、プロセッサは更新後のカットオフ周波数 f n が速度制御ループの周波数帯域の上限を表す設定値 ί lim よりも小さいか否かを判別し（ステップ S 7 ) 、値 f n が値 f 1 i mよりも小さければ、上記ステップ S 2 に移行してステップ S 2 以降の上述の処理を実行する。一方、カツトオフ周波数 f n が周波数帯域の上限 i limよりも大きければ、パラメータ P の値が「 0 」であるか否かを判別する（ステップ S 8 ) 。パラメータ P の値が「 0 」であれば、パラメータ P 及びカットオフ周波数 f n を値「 1 」及び初期値 ί η θに夫々設定し（ステップ S 9 ) 、上記ステップ S 2 に移行する。

上記ステップ S 2〜 S 9 の実行中、ステップ S 5 において絶対値 I f max- f a 1 が閾値 ε よりも小さいと判別すると、プロセッサは、積分ゲイン k 1, 比例ゲイン k 2及びパラメータ P の現在の設定値を、これらパラメ一夕 k l， k 2, P のゲイン調整後の値として決定し、第 4 図のゲイン調整処理を終了する。

また、パラメータ P を値「 0 」から値「 1 」に変更後でかつ上記ステップ S 2 〜 S 7 の処理を繰り返し実行している間に絶対値 i f max- f a | が閾値 s よりも小さくならないうちに設定力ッ十オフ周波数 f n が周波数帯域の上限 ί 1 iinを上回ると、ステップ S 8 での判別結果が否定となる。この場合、ステップ S 1 0 に移行して力ットオフ周波数 ί η を周波数帯域の上限 f limに設定し、当該設定カツドオフ周波数 ί n ( = f lim) に基づいてゲイン k 1， k 2を決定'し（ステップ S 1 1 ) 、ゲイン調整を終了する。上記ステップ S 5 〜 S 1 1 の処理を行う結果、モータ振動周波数 f maxが高い場合には速度制御ループに発振が生じたものとみなしてゲイン k 1， k 2が実質的に低減され、従って、斯かる場合にも速度ループゲインが過大になることがない。

ゲイン調整後のサーボモータの通常運転時、サーボ系の関数発生器 2 は非作動状態にされ、従って、第 1 の速度指令 V c ( i n )に対応する速度指令が位置制御ループから速度制御ループに供給される。そして、サーボ系の速度制御ループは、上述のように決定したパラメータ P の値に応じて比例積分制御または積分比例制御を、夫々上述のように決定した積分ゲイン k 1及び比例ゲイン k 2で実行する。結果として、サ― ボ系に発振を生じることなくかつ大きい制御ゲインで最適な速度制御が実行される。以下、第 5 図〜第 7 図を参照して、本発明の第 2 の実施例によるサーボ系発振検出及び速度ループゲイン自動調整方法を説明する。

本実施例の方法を実施するための数値制御装置は、上記第 1 の実施例の場合と略同様に構成されている。本実施例の数値制御装置は、サーボ系の発振、特に、機械系を含むサ ― ボ系の共振に起因して発生するサーボ系の発振を検出するための検出モ― ドと、速度ループゲインを自動調整するための調整モードとの夫々で作動自在であることに特徴がある。

以下、数値制御装置'の動作を説明する。

オペレータ操作により、カットオフ周波数 f n，ダンビング定数パラメ一夕 P の初期値 ί n 0 , 0 , 「 0 」が設定されると、数値制御装置のプロセッサは、カツトオフ周波数 f n，ダンピング定数 ^ , パラメータ Ρ の初期値を内蔵のメモリに記億し、次いで、上記第（ 1 ) 式及び第（ 2 ) 式に従ってループゲイン k l， k 2の初期値を算出，記億すると共に後述のフラグ F及び指標 i の値を夫々「 0 」に初期化する。

次に、オペレータ操作により検出モードが選択されると、プロセッサは、第 5 図の、速度制御ループ処理及び実際モータ速度検出処理を所定周期で繰り返し実行する。

先ず、プロセッサは、フラグ Fが、実際モータ速度検出処理の完了を表す値「 1 」であるか否かを判別し（ステツプ 1 0 0 ) 、フラグ F の値が「 1 」でなければ、上記第 1 実施例の場合と同様、位置制御ループの比例項 1 で求めた第 1 の速度指令 V c (in)を第 2 の速度指令 V c (out)に変換する。すなわち、プロセッサは、第 1 の速度指令 V c (in)を読取り（ステップ 1 0 1 ) 、その値が零以上であるか否かを判別する（ステップ 1 0 2 ) 。次に、判別結果に応じて、上記第（ 3 ) 式又は第（ 4 ) 式に従って第 2 の速度指令 V c (out)を算出し、内蔵のメモリにこれを記億する（ステップ 1 0 3 ) 。

そして、プロセッサは、サ ― ボモータの実際回転速度を表す速度信号 V t を読取り（ステップ 1 0 5 ) 、メモリの、指標 i に対応す'るアドレス M i に信号 V t を格納した後（ステップ 1 0 6 ) 、指標 i を「 1 」だけインクリメントする（ステップ 1 0 7 ) 。次に、指標 i 力;、後述の周波数分析に必要な速度信号データの数（ 2 の羃数） . を表す設定値 N よりも大きいか否かを判別する（ステツプ 1 0 8 ) 。指標 i が設定値 Nよりも大きくなければ、速度指令 V c (out)に基づく速度制御ループ処理を実行し（ステップ 1 1 0 ) 、トルク指令を算出する。これにより、今回周期での第 5 図の処理を終了し、図示しない電流制御ループ処理に移行してサーボモータを駆動制御する。

その後、第 5 図の処理が繰り返し実行され、速度信号 V t が周期的に検出されメモリの対応するァドレス M i に夫々格納される。この間、第 1 の実施例の場合と同様、サーボモータが振動的に正逆回転する。すなわち、速度制御ループ処理の開始時点（第 1 番目の周期）で第 1 の速度指令 V c (in)つまり位置偏差が零以上であれば正の指令 V c (out)に応じてサーボモータが正転駆動され、次の周期では負の位置偏差に対応する負の指令 V c

(out)に応じてサ ― ボモータが逆転駆動され、その後、交互に正逆転される。また、速度制御ループ処理の開始時点での位置偏差が負であればサーボモータは逆転駆動され、その後、交互に正逆転される。

そして、第 5 図の、速度制御ループ処理及び実際モータ速度検出処理を繰り返し実行している間にステップ 1 0 8 において指標 i の'値が設定値 Nを越えたと判別すると、プロセッサは、ステップ 1 0 9 においてフラグ F を実際モータ速度検出処理（ N個の速度信号データの格納）の完了を表す値「 1 」にセットした後、ステップ 1 1 0 - に移行する。実際モータ速度検出処理の完了後、第 5 図に関してはステップ 1 1 0 の速度制御ループ処理のみが周期的に実行される。

以下、' 第 6 図を参照して、プロセッサにより実行される発振検出処理を説明する。この発振検出処理は、上記位置制御ループ処理，速度制御ル - プ処理及び電流制御ループ処理と共に周期的に、かつ、これらの処理の実行時間以外の時間内に実行される。

第 6 図の発振検出処理において、プロセッサは、フラグ F の値が「 1 J であるか否かを先ず判別し（ステップ 2 0 0 ) 、フラグ F が実際モータ速度検出処理の完了を表す値「 1 」でなければ、第 6 図の処理を実質的には行わない。一方、ステップ 2 0 0 においてフラグ F の値が「 1 」であると判別すると、プロセッサは、メモリのァドレス M 0〜 M n から N個（ 2 の羃数）の速度信号デー夕を夫々読出して当該データ群についての周波数分析たとえば高速フーリエ変換を行い（ステップ 2 0 1 ) 、速度信号データ群（実際モータ速度）の各種周波数成分の振幅を夫々算出する。この場合、市販の高速フーリエ変換用アプリケーション ' ソフトを利用可能である。

次に、プロセッサは、これら算出振幅の最大値を判別し、さらに、実際モータ速度の各種周波数成分のうちの. 振幅が最大である周波数成分すなわち主振動成分 f m a x を判別する（ステップ 2 0 2 ) 。更に、内蔵のレジスタの記億値 R ( f ) が「 0 」であるか否かを判別する（ステツプ 2 0 3 ) 。このレジスタは主振動成分 f maxを格納するもので、初期設定時に値「 0 」にされる。従って、ここではステップ 2 0 3 でレジスタ値 R ( f ) が「 0 」であると判別され、プロセッサはステップ 2 0 2 で求めた主振動成分 f maxをレジスタに格納し（ステップ 2 0 5 ) 、現在の設定カットオフ周波数 f n に所定値 f s を加算してカットオフ周波数 i n を更新する（ステップ 2 0 6 ) 。次いで、更新後のカットオフ周波数 f n に基づき上記第（ 1 ) 式及び第（ 2 ) 式に従ってゲイン k l, k 2を算出，格納し（ステップ 2 0 7 ) 、指標 i , フラグ F を.値「 0 」に夫々リセットし（ステップ 2 0 8 ) 、第 1 番目の周期での発振検出処理を終了する。

上記発振検出処理の終了時にフラグ F が値「 0 」にリセットされると、第 5 図の実際モータ速度検出処理が再開され、又、第 5 図の速度制御ループ処理は、上記発振検出処理のステップ 2 0 7 で新たに算出したゲイン k l， k 2に応じて実行される。その後、第 5 図の上己 2 つの処理が周期的に実行され、ゲインを更新しつつ N個の実際速度信号データ V t がメモリアドレス M 0〜 M n に格納された後にフラグ Fが値「 1 」にセットされる度に、第 6 図の発振検出処理が再開ざれる。この場合、プロセッサは、ステップ 2 0 3 においてレジスタ値 R ( f ) が「 0 」でないと判別し、次に、ステップ 2 0 2 において新たに求めた主振動成分 f maxが、レジスタ値 R ( f ) と所定値 m ( = 2 〜 3 ) との積に等しいかこれよりも大 , きいか否かを判別する（ステップ 2 0 4 ) 。主振動成分 f m a x力'積 m · R ( f ) よりも小さければ、ステップ 2 0 5 およびそれ以降の上記処理を実行してゲイン k l， k 2を更新して今回周期での第 6 図の発振検出処理を終了し、これに続いて第 5 図の実際モータ速度検出処理を実行する。

上述のように、第 5 図及び第 6 図の処理を交互にかつ周期的に実行している間に、第 6 図のステップ 2 0 4 において実際モータ速度の主振動成分 ί m a xが積 m · R ( f ) に等しいか又はこれよりも大きいと判別すると、プロセッサは、ゲイン k 1， k 2に応じて定まる速度制御ループゲインの設定値が過大になった結果、機械系を含めたサーボ系が共振してサーボ系に発振が生じたと判別する。すなわち、一般に、機械系を含むサーボ系の共振 '時には、実際モータ速度の主振動成分 ί m a xが、共振時以外の場合にとり得る値の数倍の値まで大幅に増大する。

サーボ系に発振を来すループゲインは明らかに不適切であるので、プロセッサは、ステップ 2 0 4 でサーボ系の発振を判別したとき、警告のため、当該時点でのゲイン k l， k 2 , カットオフ周波数 f n , 主振動成分 f ma x を数値制御装置の表示装置（図示略）上に表示させた後に（ステップ 2 0 9 ) 、' 発振検出処理を終了する。

以下、第 7 図を参照して、第 2 の実施例の数値制御装置によ .り周期的に実行される速度ループゲイン自動調整処理を説明する。オペレータ操作によりゲイン調整モードが選択されると、先ず、数値制御装置のプロセッサは、第 5 図を参照して既に説明した速度制御ループ処理及び実際モータ速度検出処理を実行する。その後、 N個の速度信号データ V t を周期的に抽出，格納する実際モータ速度検出処理が完了し、第 5 図のステップ 1 0 9 においてフラグ F が値「 1 」にセットされると、検出モード選択時に実行される第 6 図の発振検出処理に代えて、第 7 図のゲイン調整処理を周期的に実行する。

すなわち、ステップ 3 0 0 においてフラグ F が値「 1 」にセットされたと判別すると、プロセッサは、第 6 図のステップ 2 0 1 , 2 0 2 に対応するステップ 3 0 1 , 3 0 2 を実行する。詳しくは、メモリに格納された N個の速度信号データを高速フ一リェ変換してデータ群の各種周波数成分の振幅を算出し、次いで、これら周波数成分のうちの、振幅が最大である周波数成分（主振動成分） f max¾ 決す。

次に、プロセッサは、第 1 の実施例に関連する第 4 図のステップ S 5 〜 S 9 及び S 2 に夫々対応するステップ 3 0 3 〜 3 0 8 を実行する。即ち、主振動成分と基準周波数との偏差の絶対値 I f max— f a | が閾値 e よりも小さくなければ、現在'の設定カットオフ周波数 f n を、基準周波数から主振動成分を減じた値と演算係数との積と上記.設定周波数との加算値 f n + ひ（ f a - f max) に更新する。そして、設定カットオフ周波数 f n が速度 . 制御ループの周波数帯域の上限値 f 1 iinよりも小さくなくかつパラメータ P が値「 0 」であると判別すると、パラメータ P を値「 1 」に変更すると共に設定カツトオフ周波数を初期値 f n 0にリセットした後、第（ 1 ) 式及び第（ 2 ) 式に従ってゲイン k 1， k 2を算出する。ゲイン算出ステップ 3 0 8 を終了すると、プロセッサは、指標 i 及びフラグ F を値「 0 」にリセットし（ステップ 3 0 9 ) 、今回周期でのゲイン調整処理を終える。

この結果、第 5 図の実際モータ速度検出処理（ステツプ 1 0 1 〜： L 0 8 ) が再開され、また、当該検出処理が完了するまでの間、第 7 図のゲイン調整処理は中断する。そして、第 5 図の検出処理が完了すると、ゲイン調整処理が再開される。この様に、検出処理及びゲイン調整処理が交互にかつ周期的に実行される。 .その後、ステップ 3 0 3 において主振動成分と基準周波数との偏差の絶対値 I f m ax— f a 1 が閎値 ε よりも小さいと判別されると、ゲイン調整が完了し、ゲイン k l， k 2及びパラメ一夕 P は当該判別時点での記億値に確定する。一方、パラメータ P を値「 1 」に変更後、絶対値 1 f max— f a | が閾値 s よりも小さくならない間に設定力ットオフ周波数 f n が上限値 f limを越えると、第 1 の実施例の場合と同様、設定カツトオ周波数 ί n を上限値 ί limに変更し（ステップ 3 1 0 ) 、この値 f 1 imに基づいてゲイン 1， 2を算出する（ステップ 3 1 1 ) 。結果として. 第 1 の実施例の場合と同様、ゲイン k l， k 2及びパラメ一夕 P が最適ィ匕される。

第 8 図は、 1 2 0 H zの周波数（約 8 m s ec周期）で機械的共振が発生する機械について、主振動成分 ί ma xが 2 5 H z ( 4 0 m s e c周期）となるように速度制御ループゲインを調整した場合における実際モータ速度の波形を示す C 以下、第 9 図を参照して、本発明の第 3 の実施例によるサーボ系の発振検出方法及び速度制御ループゲイン自動調整方法を説明する。

本実施例の方法は、機械系の共振に起因するサーボ系の発振を早期に検出可能とした点に特徴がある。このため、数値制御装置のプロセッサは、上記第 2 の実施例での第 5 図〜第 7 図に示す処理と基本的には同一の各種処理を周期的に実行する一方で、第 5 図のステップ 1 0 6 に代えて第 9 図のステップ 4 0 0 〜 4 0 2 を実行し、換言すれば、実際モータ速度検出処理に代えて実際モータ加速度検出処理を行う。

すなわち、プロセッサは、加速度検出処理及び速度制御ループ処理において、第 5 図のステップ 1 0 0 〜 1 0 5 を実行した後、各々の検出処理周期で検出した実際モ一夕速度を表す速度信号データ V t から前回周期で検出しかつレジスタに記憶した記憶値 R ( V ) を減じて加速度信号データ a ( i ) 算出する（ステップ 3 0 0 ) 。次に、レジスタ値 R ( v ) を今回周期で検出した値 V t に更新し（ステップ 4 0 1 ) 、更に、加速度信号データ a ( i ) をメモリの、対応するアドレス M i に格納する (ステップ 4 0 2 ) 。なお、初期設定時、レジスタは値「 0 」にリセットされる。次いで、第 5 図のステップ 1 0 7及びそれ以降のステップを実行する。

その後、上述の実際モータ加速度検出処理及び速度制御ループ処理が繰り返し実行され、メモリァドレス Μ 0 〜 Μ η に Ν個の加速度信号デ一タが夫々格納されると、プロセッサは、フラグ F の値を「 1 」にセットする。

数値制御装置の、発振検出モードでの琿転時、フラグ F の値が「 0 」から「 1 」に反転すると、プロセサは第 4 図に示すものと略同様の発振検出処理を実行する。但し、 .ステップ 2 0 8 において、指標フラグ F を値「 0 」にリ.セットすると共に速度信号データ格納用レジスタの値 R ( V ) を値「 0 」にリセットする点が異なる。

上述のように、実際速度に代えて実際加速.度に基づいて発振検出処理を行う锆果、機械系の共振に起因するサーボ系の発振を早期に検出できる。以下、その理由を説明する。

一般には、サーボ系により制御される機械系の共振周波数は、上述のようにサーボモータを振動的に正逆回転させる場合にサ— ボ系において生成される基本振動周波数 f Gの数倍の値をとる。そこで、機械系の共振周波数を m i O ( mは正の整数）で表すことができる。そして、実際サーボモータ速度 V は、下記第（ 5 ) 式に示すように、時間 t，基本振動周波数 f 0及び共振周波数 m f 0の関数として表され、実際モータ加速度 ω (t)は、第（ 5 ) 式の両辺を時間 t で微分して得た下記第（ 6 ) 式で表される。

V (t) = A 1 · sin ( 2 ^ f 0 · t)

+ A 2 ' sin ( 2 ^ m f 0 - t+ p ) · · · ( 5 ) o) (t) = d V (t)/ d t

= 2 π f 0 · Α 1 · cos ( 2π f 0 « t)

+ 2 π i 0 · A 2 · cos (.2 π f 0 · t + )

• · · ( 6 ) ここで、 p は位相遅れを表す。

上記第（ 6 ) 式の右辺の第 1 項の振幅に対する第 2 項の振幅の比 m A 2Z A lは、第（ 5 ) 式の右辺の第 1 項の振幅に対する第 2 項の振幅の比 A 2Z A 1の m倍である。換言すれば、実際モータ加速度変化における共振周波数 m f Qの寄与分は、実際モータ速度変化における寄与分よりも大きい。従って、加速度信号データ a (i)を周波数分析する第 3 実施例の方法によれば、速度信号データ V t を周波数分析する第 2 実施例の方法に比べて、機械系の共振に起因して発生するサーボ系の発振を、サーボ系発振への機械系共振の影響が顕著でない段階で、より早期に検出できる。

第 1 0 図は、 1 2 0 Hzの周波数（約 8 msec周期）で機械的共振が発生する機について、主振動成分 f maxが 2 5 Hz ( 4 0 msec周期〉となるように速度制御ループゲィンを調整した場合における実際ータ加速度の波形を示す。 - 以下、本発明の第 4 の実施例によるサ― ボ系の発振検出方法及び速度制御ループゲイン自動調整方法を説明す O

本実施例の方法は、発振検出処理において、関数発生器 2 の位置偏差対位置制御ループゲイン特性曲線を決定するオフセット値を主振動成分に応じて可変設定可能とした点に特徴がある。

以下、オフセット値を可変設定する理由を説明する。モータが振動的に正逆回転するときの回転変位量（振動振幅）が過小であって当該回転変位量に対応する機械系の構成部品間の栢対変位量がバックラッシ量より小さい場合、又は、モータ回転時に機械系に発生する摩擦例えば摩擦トルクが大きい場合には、モータ回転（スティックスリップ）が阻害される。特に、速度ループゲインが小さくトルク指令の立ち上がりが遅い場合に、この現象が顕著となる。これを防止すべく、機械構成部品間の相対変位量がバックラッシ量を上回るようにし、又は、モータ回転トルクを増大させるには、モータ振動時の位置偏差「 0 」近傍での位置ループゲインを決定する第 3 図のオフセット値を増大させる必要がある。特に、速度制御ループの周波数帯域が低域側にあり、速度ループゲィンが小さい場合に、 '第 1 1 図に実線で示すゲイン対発生パルス数（オフセット値）特性で示すようにオフセット値を増大させねばならない。

一方、モータ振動振幅又は振動速度が過大であると、換言すれば、トルク指令（モータ出力トルク）が過大であると、トルク指令がトルクリミット値に制限されて飽和し、モータが発熱し、或は、機械系に振動が発生するに至る。本発明者の実験によれば第 1 1 図に白丸を付したゲイン対トルク特性で示すように速度ループゲインの増大につれて電流指令（トルク）が増大し、従って、速度ループゲインが大きい場合に上記不具合が顕著に現れる。これを防ぐには、特に速度制御ループの周波数帯域が高域側にある場合に、第 1 1 図に実線で示すようにォフセット値を減少させねばならない。

結局、速度制御ループの周波数帯域が低域側にあるときにオフセット値を大きくし、高域側にあるときに小さくする必要がある。本実施例では、速度制御ループの周波数帯域が実際モータ速度の主振動成分 f ma xに対応することに照らして、所定値 B を主振動成分 f m a xで割ることによりオフセット値を算出し、また、主振動成分 f m a xの初期値として推定値を用いる。

以下、 1 2 図を参照して、本実施例の方法を実施するための数値制御装置の作動を説明する。

数値制御装置のプロセッサは、上記第 2 の実施例での第 5 図〜第 7 図に示す処理と基本的には同一の各種処理を周期的に実行する一方で、これらの処理を開始する前にオペレータ操作により主振動成分 ί m a xの初期値及び所定値 B が設定されると、両該設定値をメモリに格納する。更に、第 6 図の発振検出処理のステップ 2 0 7， 2 0 8 間で第 1 2 図のオフセット値算出ステップ 5 0 0 を実行する。

最初の周期での発振検出処理のステップ 5 0 ひにおいて、プロセッサは、メモリから所定値 B及び主振動成分 ί m a xの初期値を読出し、所定値 B を初期値で割ることにより正位置偏差領域でのオフセット値 Aを算出し、次いで、その符号を反転させて負位置偏差領域でのオフセット一 Aを求める。また、第 2 番目及びそれ以降の周斯でのオフセット値算出ステップ 5 0 0 において、主振動成分 f m axの初期値に代えて各々の周期でのステップ 2 0 2 で判別した主振動成分 f ma xを用いる。これにより、ステップ 5 0 0 で算出されるオフセット値 A，一 Aの絶対値は、速度ループゲインが増大するにつれて減少する。

本発明は上記第 1 〜第 4 の実施例に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記各実施例では速度ループゲイン自動調整に速度信号 V t を位置偏差パラメータとして用いたが、モータ振動時に零の位置指令を送出する場合には、速度信号 V t に代えて位置偏差量を用いても良い。

また、モータ加速度に基づいてサーボ系の発振を早期に検出可能な上記第 3 の実施例と、オフセット値を主振動成分 ί m axに応じて ¾変設定して速度ループゲインを適正化する上記第 4 の実施例とを組み合わせても良い。この場合、第 5 図のステップ 1 0 6 に代えて第 9 図のステツプ 4 0 0 〜 4 0 2 を実行し、これにより、加速度信号 a ( i ) に基づいて主振動成分 f maxを決定すると共に当該主振動成分 f maxに基づいてオフセット値を算出する。

上記第 2及び第 4実施例のゲイン調整処理（第 7 図）において、第 4 実施例の発振検出処理（第 1 2 図）と同様、オフセット値を可変設定しても良い。この場合、第 7 図のステップ 3 0 8, 3 0 9 間で第 1 2 図のステップ 5 0 0 を実行する。

さらに、上記第 2 〜第 4実施例のゲイン調整処理（第 7 図）において、第 2実施例の発振検出処理（第 6 図）の場合と同様、機械系の共振に起因するサーボ系の発振を警告するようにしても良い。この場合、第 7 図のステップ 3 0 2 , 3 0 3 間で第 6 図のステップ 2 0 3 , 2 0 4 及び 2 0 9 を実行する。

Claims

請求の範囲

1 . 所定位置偏差領域でサーポ系の位置ループゲインが大きい値をとるように前記サーボ系の位置偏差対位置ループゲイン特性を設定する工程（ a ) と、前記所定位置偏差領域に入る位置指令に応じて前記サーポ系が作動したときに発生する位置偏差パラメータを周期的に抽出する工程（ b ) と、前記位置偏差パラメ一夕の主振動成分を決定する工程（ c ) と、前記主振動成分が所定周波数領域に入るように前記サーボ系の速度ループゲインを自動調整する工程（ d ) とを備えるサーボ系.の速度ループゲイン自動調整方法。

2 . 位置偏差が零の近傍の値をとる領域を含むように、前記所定位置偏差領域を設定する請求の範囲第 1 項記载のサーボ系の速度ループゲイン自動調整方法。

3 . 前記工程（ b ) において、値が零の位置指令を送出する請求の範囲第 1 項記載のサーボ系の速度ループゲイン自動調整方法。

4 . 前記位置偏差パラメータは、前記サ― ボ系により駆動されるサーボモータの実際速度を表す速度信号である請求の範囲第 1 項記載のサーポ系の速度ループゲイン自動調整方法。

5 . 前記工程（ c ) において、前記位置偏差バラメータについての周波数分析を行うことにより前記主振動成分を決定する請求の範囲第 1 項記載のサーボ系の速度ループゲイン自動調整方法。

6. 前記周波数分析において前記位置偏差パラメ一夕の各種周波数成分の振幅を求め、振幅が最大の周波数成分を前記主振動成分と判別する請求の範囲第 5 項記載のサ - ボ系の速度ループゲイン自動調整方法。

7. 前記.工程（ b ) において、前記抽出位置偏差パラメ一夕を微分—し、次いで、当該微分した位置偏差パラメ一夕の主振動成分を決定する請求の範囲第 6 項記載のサーボ系の発振検出方法。

8. 前記所定偏差領域での位置ループゲインを決定する位置偏差対位置ループゲイン特性曲線のオフセット値が前.記主振動成分に反比例するように、前記オフセット値を可変設定する請求の範囲第 1 項記載のサーボ系の発振検出方法。

9. 所定位置偏差領域でサ - ボ '系の位置ループゲインが大きい値をとるように前記サーボ系の位置偏差対位置ループゲイン特性を設定する工程（ a ) と、前記所定位置偏差領域に入る位置指令に応じて前記サーボ系が作動したときに発生する位置偏差パラメ一夕を周期的に抽出する工程（ b ) と、前記位置偏差パラメータの主振動成分を決定する工程（ c ) と、前記サーボ系の速度ループゲインを増大させた後に両前記工程（ b ) , ( c ) を実行する工程（ d ) と、前記主振動成分が急激に増大したとき前記サ― ボ系に発振が生じたと自動的に判別する工程（ e ) とを備えるサーボ系の発振検出方法。

0 . 前記工程（ c ) において、前記抽出位置偏差パラメータを微分し、次いで、当該微分した位置偏差パラメータの主振動成分を決定する請求の範囲第 9項記載のサーポ系の発振検出方法。

1 . 前記所定偏差領域での位置ループゲインを決定する位置偏差対位置ループゲイン特性曲線のオフセット値が前記主振動成分に反比例するように、前記ォフセット値を可変設定する請求の範囲第 9項又は第 1 0項記載のサーポ系の発振検出方法。