WO2005013018A1 - サーボ制御装置の最大ゲイン抽出方法 - Google Patents

サーボ制御装置の最大ゲイン抽出方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for automatically setting a servo control gain in a servo control device that drives a servo motor, and particularly to setting a maximum value of a servo control gain by vibrating a machine or the like by vibrating means and detecting the vibration. On how to do it.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-261083
  • the present invention provides a maximum gain extraction method for a servo control device in which a machine is vibrated by increasing a control gain and large vibrations or noises are not generated by detecting vibrations early. The purpose is to do.
  • a simulated disturbance torque is added to the torque command by the vibration means while increasing the control gain, and the vibration of the control system is detected by the vibration detection means.
  • the process of applying the simulated disturbance torque is repeated while increasing the control gain until a predetermined level of vibration is detected, and the control gain at the time when the vibration detecting means detects the vibration exceeding the predetermined level is defined as a maximum gain. It is characterized by doing.
  • the maximum gain can be obtained by reliably vibrating the machine with the simulated disturbance torque adapted to the machine, and the vibration can be suppressed by reducing the gain immediately after the vibration. It is not necessary to increase the gain more than necessary, and the danger caused by vibration can be prevented.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the present invention and a conventional specific example.
  • FIG. 2 is a control block diagram of a specific embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a timing chart of a speed command, a speed, a torque waveform and a vibration level during normal operation.
  • FIG. 4 is a timing chart for generating a vibration by increasing the gain, and a timing chart for extracting a gain when the vibration is generated and extracting a maximum gain.
  • FIG. 5 is a schematic flowchart for extracting a maximum gain according to the present invention.
  • FIG. 6 (a) is a timing chart in the case of vibration during normal operation. (b) is a timing chart of increasing the gain in normal operation.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example in which the gain is increased quickly and large oscillation occurs when the gain is adjusted in normal operation.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional example.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a specific embodiment of the present invention.
  • 1 is a vibration detection circuit
  • 2 is a microcomputer
  • 3 is a current amplifier
  • 4 is a base drive circuit
  • 5 is a power transistor module
  • 6 is a motor.
  • the microcomputer 2 receives commands such as position and speed from an external controller or the like. Then, in the case of the speed command, the speed control is performed, the current command and the current control are output, and the power transistor 5 is driven through the base drive circuit 4 to control the motor 6.
  • the vibration detection circuit 1 Vibration component force included in the speed signal of is determined to be vibration if it exceeds a level (detection level) that has been previously determined. This detection level is determined, for example, from the vibration amplitude during normal operation when the control system is stable as shown in FIG. 3, or from the vibration amplitude during operation peculiar to the machine such as torque ripple. In this figure, the maximum value of the torque vibration amplitude during normal operation is detected. As an example, three times the amplitude of this normal vibration is defined as the “vibration detection level”.
  • a simulated disturbance torque is added to the torque command at a low gain, and a gas response reaching the vibration detection level is confirmed.
  • the simulated disturbance torque is increased. Increase the simulated disturbance torque until the response exceeds the vibration detection level, or lower the vibration detection level.
  • a simulated disturbance torque is added to the torque command ⁇ ref of FIG. 2 while gradually increasing the control gain, and vibration is confirmed. Specifically, vibration is confirmed from the speed and torque amplitude. Since the simulated disturbance torque for a short time is calculated with the motor stopped, the vibration damping elements that originally exist in the machine, such as static friction and Coulomb friction, also work to stop oscillation and detect vibration. By reducing the control gain at the time, it is possible to make the state without vibration.
  • the torque may be reduced temporarily only by lowering the control gain, or both may be used together.
  • the base of the power transistor may be temporarily cut off. Then, the control gain immediately before oscillation is stored, and based on this, the control gain finally oscillated is calculated, and the control gain is set as the maximum gain.
  • a step-like simulated disturbance torque is applied as shown in the control block diagram of FIG. 2 to overcome a mechanical load such as friction and break the stable state.
  • a mechanical load such as friction and break the stable state.
  • the vibration can be stopped immediately after the vibration is detected by the vibration detection circuit.
  • Vibration level detection during normal operation The specific procedure for detecting the maximum gain is as follows. First, in step 1, position loop and velocity loop! / Reduce the gain of the control system and detect the vibration amplitude during normal operation or operation during the normal operation as shown in Fig. 3. In this figure, the maximum value of the torque vibration amplitude during normal operation is detected.
  • step 2 of Fig. 5 the gain of the control system such as the position loop and speed loop is set to a low gain, and the torque command ⁇ ref Reduce the simulated disturbance torque in steps and confirm that the response, such as position deviation or speed, is at or above a predetermined level as shown in step 3 in FIG.
  • the applied simulated disturbance torque is a force that cannot exceed the mechanical load, and the simulated disturbance torque is increased to a predetermined level so that the response is increased.
  • the level of this response is, for example, twice the maximum value of the vibration amplitude in normal operation detected in step 1 of Fig. 5.
  • the response vibration detection level is reduced. In this way, the detection level of the simulated disturbance torque and its response is adjusted.
  • Vibration detection After deciding the magnitude of the simulated disturbance torque, the control gain is increased stepwise at the timing shown in FIG. When the control gain is increased as in the processing of steps 416 in FIG. 5, a simulated disturbance torque is added to the torque command, and the vibration is detected by the vibration detection circuit 1.
  • the vibration detection circuit 1 compares the amplitude of, for example, torque or speed with a vibration detection level, and detects a vibration when the amplitude is large.
  • the vibration detection level is, for example, 1.5 times the previously adjusted response level.
  • Vibration stop If vibration exceeding the vibration detection level is detected as shown in step 6 of Fig. 5 after applying the simulated disturbance torque, the simulated disturbance torque should be reduced at the timing shown in Fig. 4. Is stopped, and the control gain is reduced to a level that does not vibrate as shown in step 7 of Fig. 5 (for example, half of the control gain when vibration is detected, or a low control gain set first). . Alternatively, force to reduce the torque command in order to stop vibration reliably.

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Abstract

制御ゲインを上げて機械を振動させつつも、早めに振動を検出することで大きく振動したり、騒音が発生したりしないサーボ制御装置の最大ゲイン抽出方法を提供することを目的とする。 サーボモータを駆動するサーボ制御装置の最大ゲイン抽出法であって、制御ゲインを上げつつ加振手段により模擬外乱トルクをトルク指令に対して加えるとともに、振動検出手段（１）により制御系の振動検出を行い、所定のレベルの振動を検出する迄前記制御ゲインを上げつつ前記模擬外乱トルクを加える処理を繰り返し、前記振動検出手段（１）が前記所定のレベルを超えた振動を検出した時点の制御ゲインを最大ゲインとする。

Description

明 細 書
サーボ制御装置の最大ゲイン抽出方法
技術分野
[0001]
本発明はサーボモータを駆動するサーボ制御装置におけるサーボ制御ゲインを自 動設定する方法に関し、特に加振手段により機械等を振動させ、その振動を検出す ることによりサーボ制御ゲインの最大値を設定する方法に関する。
背景技術
[0002] 従来は特許文献 1のように、まずゲインを上げて機械を発振させてその後に機械等 の特性を考慮してサーボ制御ゲインの最大値を求めると 、つた調整をして 、た。 従来の技術では、制御ゲインを上げた後、発振状態になつてから発振を捉えていた ため発振検出迄の時間が力かるという問題があった。すなわち、停止中であれば制 御ゲインを上げてもすぐには発振せず、また運転中でも図 6 (a)のように加減速の終 了時点など、特定の箇所で振動し始める。これは機械に存在する摩擦や負荷等が振 動を抑えるように働くためであり、大きなきっかけがないと発振に至らない。そこで図 6 (b)のように発振しやすいよう、速い速度かつ長い送り時間の指令を繰り返し、発振 が始まる迄の時間遅れを見越して指令の繰り返しに応じて制御ゲインを徐々に上げ ていく必要があり、このため最大ゲインを検出する迄の時間が長くなるというものであ つ 7こ。
特許文献 1：特開平 2-261083号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 最大ゲインを検出する迄の時間を短縮するために図 7のように制御ゲインを急速に上 げると、発振を検出した時点では制御ゲインが上がり過ぎており、その後制御ゲイン を下げても容易には発振が止まらず機械が大きく振動したり騒音が発生したりする問 題があった。また、仮に速度ゲインを同定することができても、速度ゲインが大きいた め、次の過程で速度ループの外側に位置ループを組むと制御系が振動する問題も あった。
課題を解決するための手段
[0004] そこで本発明は、制御ゲインを上げて機械を振動させつつも、早めに振動を検出す ることで大きく振動したり、騒音が発生したりしないサーボ制御装置の最大ゲイン抽出 方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明の最大ゲイン抽出法では、制御ゲインを上げつつ 加振手段により模擬外乱トルクをトルク指令に対して加えるとともに、振動検出手段に より制御系の振動検出を行い、所定のレベルの振動を検出する迄前記制御ゲインを 上げつつ前記模擬外乱トルクを加える処理を繰り返し、前記振動検出手段が前記所 定のレベルを超えた振動を検出した時点の制御ゲインを最大ゲインとすることを特徴 とする。
発明の効果
[0005] 本発明によれば、機械に合わせた模擬外乱トルクにより確実に機械を振動させて 最大ゲインを得ることができ、し力も振動後すぐにゲインを下げて振動を抑えることが できるので、必要以上に大きくゲインを上げずに済み、振動による危険を防止するこ とがでさる。
図面の簡単な説明
[0006] [図 1]本発明および従来の具体的実施例の構成図である。
[図 2]本発明の具体的実施例の制御ブロック図である。
[図 3]通常運転した時の速度指令、速度、トルクの波形と振動レベルの測定タイミング 図である。
[図 4]ゲインを高くして振動を発生させるタイミング図および振動発生時のゲイン低下 、最大ゲイン抽出のタイミング図である。
[図 5]本発明の最大ゲインを抽出する概略フローチャートである。
[図 6] (a)通常運転で振動する場合のタイミング図である。 (b)通常運転でゲインを上 げて行くタイミング図である。
[図 7]通常運転でゲイン調整する場合において、ゲインを早く上げて、大きく発振した 例を示す図である。 [図 8]従来の実施例の構成図である。
符号の説明
[0007] 1 振動検出回路
2 マイクロコンピュータ
3 電流アンプ
4 ベースドライブ回路
5 パワートランジスタモジュール
6 モータ
7 位置ループゲイン
8 速度制御
9 モータ
10 積分
11 マイクロコンピュータ
12 電流アンプ
13 ベースドライブ回路
14 パワートランジスタモジュール
15 モータ
発明を実施するための最良の形態
[0008] 以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
実施例 1
[0009] 図 1は本発明の具体的実施例の構成図である。図 1において、 1は振動検出回路、 2 はマイクロコンピュータ、 3は電流アンプ、 4はベースドライブ回路、 5はパワートランジ スタモジュール、 6はモータである。
以上のように構成された回路において、その動作を図 2の制御ブロック図および図 4 のタイミング図を用いて説明する。まずマイクロコンピュータ 2は位置や速度といった 指令を外部のコントローラ等力 受け取る。そして速度指令の場合は速度制御を行 い、電流指令や電流制御を出力しベースドライブ回路 4を通してパワートランジスタ 5 を駆動してモータ 6を制御する。ここで振動検出回路 1は、トルク指令あるいはモータ の速度信号中に含まれる振動成分力 あら力じめ定めたレベル (検出レベル)を超え た場合に、振動と判定する。この検出レベルは、例えば図 3のように制御系が安定な 状態での通常運転時の振動振幅、あるいはトルクリップルの様に機械特有の運転時 の振動振幅から決定する。この図では通常運転でのトルクの振動振幅の最大値を検 出している。例として、この通常時の振動振幅の 3倍の振幅を「振動の検出レベル」と 定める。
[0010] ゲインの検出はまず、低ゲインでトルク指令に模擬外乱トルクを加えて、振動の検出 レベルに達するカゝ応答を確認する。ここで応答が小さければ模擬外乱トルクを大きく する。応答が振動の検出レベルを超えるまで模擬外乱トルクを大きくする力、もしくは 振動の検出レベルを下げる。そして次に図 4のように徐々に制御ゲインを高くしつつ 図 2のトルク指令 τ refに模擬外乱トルクを加えて、振動を確認する。具体的には速度 やトルクの振幅から振動の確認を行う。モータを停止した状態で短時間の模擬外乱ト ルクをカ卩えて ヽるので、静止摩擦やクーロン摩擦のように元来機械に存在する振動 減衰要素も発振を止めるように働き、振動を検出した時点で制御ゲインを低くするこ とで振動しな 、状態とすることができる。
[0011] 振動を停止する方法として、制御ゲインを下げるだけでなぐ一時的にトルクを小さく してもよいし、両者を併用してもよい。あるいは、一時的にパワートランジスタのベース を遮断してもよい。そして発振直前の制御ゲインを記憶しておき、これをもとに最終的 に振動した制御ゲインを算出し、その制御ゲインを最大ゲインとする。
[0012] ここで、本発明の基本的な考え方を説明するために制御系が発振する状況を考察す る。機械の摩擦等の負荷がない状態で、機械共振等で制御系に振動が発生すると、 制御ループゲインの働きで振動が急速に増大して発振状態に移行してしまい振動を 止めることが困難となる。摩擦等の負荷は、エネルギーを消費することで振動を抑え る働きがある。機械負荷があるものの制御ゲインが高く振動しやすい不安定な状態で は、負荷を変動させることで、振動を誘発したり逆に誘発した振動を止めたりすること ができる。
本発明では、不安定な状態をつくり出すため、図 2の制御ブロック図のようにステップ 状の模擬外乱トルクを加えることで、摩擦等の機械負荷に打ち勝って安定状態を壊 し振動を誘発させる。模擬外乱トルクを加える時間を短く設定することで、振動検出 回路にて振動を検出した直後に振動を止めることができる。
図 5を用いて最大ゲインの検出方法について説明する。
(1)通常運転時の振動レベル検出：最大ゲインの具体的な検出手順は、以下のよう になる。最初にステップ 1にて位置ループや速度ループと！/、つた制御系のゲインを低 くしておき、図 3のように通常運転あるいは運転して機械特有の運転時の振動振幅を 検出する。この図では通常運転でのトルクの振動振幅の最大値を検出している。
(2)模擬外乱トルクの調整：次に図 5のステップ 2のように位置ループや速度ループと いった制御系のゲインを低いゲインとしておき、図 2の制御ブロック図のトルク指令 τ ref〖こ模擬外乱トルクをステップでカ卩えて、図 5のステップ 3のように位置偏差あるいは 速度等の応答が所定のレベル以上あることを確認する。ここで、所定のレベル以上の 応答がなければ、加えた模擬外乱トルクが機械負荷を超えられな力 たと考え、応答 が大きくなるように予め定めたレベルまで、模擬外乱トルクを大きくする。この応答の レベルは、例えば図 5のステップ 1で検出した通常運転での振動振幅の最大値の 2 倍等とする。
そして予め定めたレベルまで模擬外乱トルクを高くしても応答が大きくならない場合、 応答の振動検出レベルを下げる。このようにして模擬外乱トルクおよびその応答の検 出レベルを調整する。
(3)振動検出:模擬外乱トルクの大きさを決めた後で、図 3に示すような時間タイミン グで段階的に制御ゲインを上げる。図 5のステップ 4一 6の処理のように制御ゲインを 上げたところで、トルク指令に模擬外乱トルクを加え振動検出回路 1にて、振動を確 認する。振動検出回路 1は例えばトルクまたは速度等の振幅を振動検出レベルと比 較し、大きい場合振動として検出する。振動検出レベルは前に調整した応答レベル の例えば 1. 5倍等とする。
(4)振動の停止:模擬外乱トルクを加えた後に図 5のステップ 6のように振動検出レべ ルを超えた振動を検出したら、図 4のようなタイミングで模擬外乱トルクをカ卩えるのを 停止し、図 5のステップ 7のように制御ゲインを振動しないレベル迄下げる（例えば、 振動を検出した際の制御ゲインの半分、あるいは最初に設定した低い制御ゲイン等） 。あるいは、確実に振動を止めるためトルク指令を絞る力 位置偏差を一瞬ゼロにす る。
(5)最大ゲインの検出：そして振動した時点の制御ゲインの直前の制御ゲインをマイ クロコンピュータ 2の記憶手段内に最大ゲインとして記憶する。
[0014] ここで模擬外乱トルクと振動が発生する制御ゲインの関係について述べる。模擬外 乱トルクを大きくしていくと機械への衝撃も大きくなり、振動が発生しないような制御ゲ インは小さくなる。機械の加減速やフィルタを入れて滑らかにすることで衝撃が減り制 御ゲインが上げられるのは、このためである。図 2のブロック図のように外乱トルクをス テツプで加えると、速度は τ ZjmS分応答する。これにより負荷に打ち勝って平衡状 態を壊すことができる。またカ卩えるトルクは、イナーシャに応じて大きくする必要がある 。位置を移動させてもトルクは滑らかになってしまうので、振動が発生しにくいが、トル クでは負荷に直接伝達するので振動が発生しやすい。振動検出は振動検出回路 1 の代わりにマイクロコンピュータ 2で行っても良 、。また制御ゲインに伴 、積分ゲイン やトルクフィルタ等を連動させても良 、。
産業上の利用可能性
[0015] 低いゲインで機械を振動させて確実に最大ゲインを得ることができ、しかも振動発生 直後に制御ゲインを小さくするため発振を抑えることができる。

Claims

請求の範囲
[1] サーボモータを駆動するサーボ制御装置の最大ゲイン抽出法であって、制御ゲイ ンを上げつつ加振手段により模擬外乱トルクをトルク指令に対して加えるとともに、振 動検出手段により制御系の振動検出を行い、所定のレベルの振動を検出する迄前 記制御ゲインを上げつつ前記模擬外乱トルクを加える処理を繰り返し、前記振動検 出手段が前記所定のレベルを超えた振動を検出した時点の制御ゲインを最大ゲイン とすることを特徴とするサーボ制御装置の最大ゲイン抽出法。
PCT/JP2004/009102 2003-08-05 2004-06-28 サーボ制御装置の最大ゲイン抽出方法 Ceased WO2005013018A1 (ja)

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