WO2019171781A1 - サーボ制御方法 - Google Patents

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WO2019171781A1
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control
torque
speed
command
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健治 中嶋
守 恵木
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オムロン株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/32—Automatic controllers electric with inputs from more than one sensing element; with outputs to more than one correcting element
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential

Definitions

  • the present invention relates to a servo control method for performing feedback control and feedforward control.
  • feedback control is used to move the controlled object so as to follow the target locus.
  • the servo motor of each joint axis is controlled by a robot controller so that the position of the hand portion of the robot follows a preset target locus using feedback control. Is done.
  • feedback control there is a problem in that the actual trajectory of the robot deviates from the target trajectory because a response delay occurs in each servo motor.
  • feedforward control to control the position of the robot so as to always coincide with the command position.
  • the conventional technology that performs feedback control and feedforward control includes feedforward gain that can automatically set the feedforward gain in the feedforward controller that minimizes the maximum absolute value of deviation between the target command and the motor output.
  • feedforward gain that can automatically set the feedforward gain in the feedforward controller that minimizes the maximum absolute value of deviation between the target command and the motor output.
  • the present invention has been made in view of such problems, and servo control that can effectively follow the operation of the control target with respect to the command while balancing the feedback gain and the feed forward gain. It aims to provide a method.
  • One aspect of the present invention is a servo control method.
  • This servo control method is used for feedback control of the control object performed based on difference information between a target value related to the command and a feedback signal from the control object so that the control object operates following the command. Adjusting the feedback gain to be performed, and adjusting the feedforward gain used for the feedforward control of the control target after the feedback gain is adjusted.
  • the feedforward gain is adjusted after the feedback gain is adjusted.
  • the following advantages are obtained.
  • the feedforward gain is set to be larger than the feedback gain, the settling time will be reached when the feedback gain is not sufficiently large. And stability cannot be obtained.
  • the servo control method of the present invention the above situation can be avoided. That is, it is possible to effectively follow the operation of the control target with respect to the command (to improve the trajectory followability).
  • a configuration may be adopted in which the feedforward adjustment is stopped when saturation of torque to be applied to the control target occurs during the operation of the control target. Even if the feedforward gain is increased in the torque saturation state, the contribution to the improvement of the trajectory followability is low. Therefore, the feedforward gain adjustment is set as a stop condition.
  • a configuration may be adopted in which adjustment of the feedforward gain is stopped when vibration is detected when the controlled object is stopped.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a servo control system according to an embodiment of the present invention.
  • a servo control system 1 includes a motor 2 and a load device 3 as control objects 11, a control device (servo driver 4) for controlling the control object 11, a PLC (Programmable Logic Controller) 10, a feedback gain and a feed. And a personal computer (PC) 20 that adjusts the forward gain.
  • the servo driver 4 drives and controls the control target 11 so that the operation command signal generated by the PLC 10 follows the motor 2 and the load device 3 that are the control target 11.
  • the servo driver 4 supplies a power signal corresponding to the position command from the PLC 10 to the control target 11 and controls the operation of the control target 11.
  • the servo driver 4 includes a feedback controller (FB controller) 4A.
  • the FB controller 4A receives a feedback signal related to the operation of the controlled object 11 so that the actual position, speed, and torque of the controlled object 11 follow the target value related to the command with respect to the position loop, the speed loop, and the torque loop. In addition, feedback control is performed. However, it is not necessary to control all of the position, speed, and torque, and it is only necessary to control at least one of them.
  • the servo driver 4 further includes a feed forward (FF) controller 5.
  • a position command is input to the FF controller 5.
  • the FF controller 5 generates an FF signal reflecting the foot forward gain (a signal subjected to a dimension matching operation with the command) and inputs the FF signal to the FB controller 4A.
  • the servo control system 1 adjusts the feedforward gain (FF gain) after adjusting the feedback gain (FB gain) in the operation control of the control target 11. Specifically, feedback control using a closed loop (feedback loop) related to the position, speed, and torque formed in the servo driver 4 is performed.
  • the FB gain used for the feedback control is adjusted using the PC 20 and set in the FB controller 4A. The adjustment is performed, for example, by increasing the FB gain so that the settling time is minimized with respect to the position command by using the position command and a feedback signal corresponding to the position command.
  • the FB gain becomes a predetermined value due to the increase, the adjustment of the FB gain is ended.
  • the FB gain adjustment method and adjustment completion conditions can be set as appropriate.
  • the FF gain is adjusted using the PC 20.
  • a feedforward gain related to speed control (referred to as speed FF gain) and a torque feedforward gain related to torque control (referred to as torque FF gain) are adjusted.
  • the speed FF gain and torque FF gain adjusted by the PC 20 are set in the FF controller 5.
  • the FF controller 5 generates and outputs a speed command (speed FF signal) related to feedforward control using the speed FF gain.
  • the FF controller 5 generates and outputs a torque command (torque FF signal) related to feedforward control using the torque FF gain.
  • the speed FF signal is added to the speed command from the position controller 41 in the adder 411 to become a target speed value. Further, the torque FF signal is added to the torque command from the speed controller 42 in the adder 412 to become a target value of torque. In this way, feedforward control for speed and torque is performed. That is, the servo control system 1 (servo driver 4) can perform feedback control and feedforward control for the controlled object 11.
  • the following advantages can be obtained by adjusting the FF gain after adjusting the FB gain. That is, in view of the robustness of the control system, it is preferable that both the FB gain and the FF gain are high.
  • the FF gain is adjusted first, the FF gain is set large, and then the FB gain is adjusted. In this case, there is a problem that the settling time is reached without the FB gain sufficiently increasing.
  • the FB gain is adjusted first, and then the FF gain is adjusted.
  • the sizes of the FB gain and the FF gain can be adjusted to desired sizes, respectively.
  • the trajectory tracking performance can be improved by feedforward control, and the servo control system 1 having suitable robustness can be obtained.
  • the servo control system 1 shown in FIG. 1 includes the control object 11 (the motor 2 and the load device 3), the servo driver 4, the PLC 10, and the PC 20.
  • the servo driver 4 is electrically connected to the PLC 10 and the control object 11.
  • the servo driver 4 can communicate with the PC 20.
  • the communication may be wired communication or wireless communication.
  • the servo driver 4 causes the motor 2 and the load device 3 so that the operation of the control object 11 (the motor 2 and the load device 3) follows the position command (position target value) input from the PLC 10. Control the drive. Specifically, the servo driver 4 has a plurality of closed loops for controlling the rotation angle (position) of the motor 2, the rotation speed (movement speed) of the motor 2, and the torque generated by the motor 2, and each closed loop was used. Feedback control can be performed. However, all implementations of position, speed, and torque are not essential requirements, and can be implemented by selecting at least one of position, speed, and torque.
  • examples of the load device 3 included in the control target 11 include various types of mechanical devices (for example, industrial robot arms and transfer devices).
  • the motor 2 is incorporated in the load device 3 as an actuator for driving the load device 3.
  • the motor 2 is an AC servo motor.
  • a non-illustrated encoder (position detector) is attached to the motor 2, and a parameter signal related to the operation of the motor 2 is fed back to the FB controller 4 ⁇ / b> A by the encoder.
  • This feedback-transmitted parameter signal (FB signal) includes position information about the rotation angle (position) of the rotating shaft of the motor 2, speed information about the rotating speed (moving speed) of the rotating shaft, and the like.
  • the control target 11 may include a plurality of motors 2, and in that case, the load device 3 has a configuration in which drive control is performed by the plurality of motors 2, a so-called multi-axis configuration.
  • the servo driver 4 calculates servo control related to the driving of the motor 2, that is, calculates a command value related to the operation of the motor 2, and supplies a driving current to the motor 2 so that the operation of the motor 2 follows the command value. To do.
  • a supply current AC power sent from an AC power source (not shown) to the servo driver 4 is used.
  • the servo driver 4 is a type that receives a three-phase alternating current, but may be a type that receives a single-phase alternating current.
  • the FB controller 4A uses the speed FF signal and torque FF signal input from the FF controller 5 to perform speed control reflecting the speed FF gain and torque control reflecting the torque FF gain.
  • the servo driver 4 and the PLC 10 are formed by a combination of, for example, an electric / electronic circuit or an integrated circuit (ASIC, FPGA, etc.). However, some of the operations performed by these may be performed by a program (software) process using a processor and a memory.
  • the PC 20 is an example of an information processing apparatus, and a general-purpose or dedicated computer can be applied as the PC 20.
  • the servo control according to the present embodiment includes a feedback system using a position controller 41, a speed controller 42, and a current controller 43 that the servo driver 4 has.
  • the position controller 41 performs, for example, proportional control (P control). Specifically, the servo driver 4 includes a subtractor 45 that calculates a position deviation (an example of difference information) that is a deviation between a position command from the PLC 10 and a detected position from an encoder (not shown). The position deviation output from 45 is input. The position controller 41 calculates and outputs a speed command by multiplying the position deviation by a predetermined position proportional gain.
  • P control proportional control
  • the speed controller 42 performs, for example, proportional integration control (PI control). Specifically, a subtractor 46 is provided in the preceding stage of the speed controller 42. The subtracter 46 receives the speed command and the detected speed calculated by the speed detector 44 by differentiating the detected position information. The subtractor 46 calculates and outputs a speed deviation (an example of difference information) that is a deviation between the speed command and the detected speed. The speed deviation is input to the speed controller 42. The speed controller 42 multiplies the integral amount of the speed deviation by a predetermined speed integral gain, and multiplies the calculation result and the sum of the speed deviation by a predetermined speed proportional gain. As a result, a torque command is obtained, and the torque command is output from the speed controller 42. The speed controller 42 may perform P control instead of PI control.
  • PI control proportional integration control
  • An adder 411 is provided before the subtractor 46.
  • the adder 411 outputs a signal (referred to as a corrected speed command) obtained by adding the speed command output from the position controller 41 and the speed FF signal output from the FF controller 5.
  • the corrected speed command is input to the subtractor 46. If there is no speed FF signal, the speed command output from the position controller 41 is input to the subtractor 46.
  • Speed feedforward control is performed by performing speed control according to such a corrected speed command.
  • a subtractor 47 is provided in the preceding stage of the current controller 43.
  • a torque command and a power command output from the current controller 43 are input to the subtractor 47.
  • the subtractor 46 calculates a deviation (an example of difference information) between the torque command and the current command, and the deviation is input to the current controller 43.
  • the current controller 43 performs P control, for example, and calculates a current command by multiplying the deviation by a predetermined torque proportional gain. Electric power corresponding to the current command is supplied to the motor 2.
  • the current controller 43 includes a current detector that detects a current command supplied to the motor 2, and the current command detected by the current detector is fed back to the subtractor 47.
  • the current controller 43 includes a filter relating to a torque command (first-order low-pass filter) and one or a plurality of notch filters, and has a cutoff frequency relating to the performance of these filters as a control parameter.
  • An adder 412 is provided before the subtractor 47.
  • the adder 412 outputs a signal (referred to as a correction torque command) obtained by adding the torque command output from the speed controller 42 and the torque FF signal output from the FF controller 5.
  • the corrected torque command is input to the subtractor 47. If there is no torque FF signal, the torque command output from the speed controller 42 is input to the subtractor 47.
  • the servo control system 1 includes the feedforward system using the FF controller 5 and can perform feedforward control with respect to speed and torque.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining an operation example in the servo control system 1.
  • the FB gain and the FF gain are adjusted manually by the operator using the PC 20.
  • the FB gain and the FF gain may be automatically adjusted.
  • the adjustment mechanism of FB gain and FF gain may be provided in the servo driver 4 or PLC10.
  • the FF controller 5 is deactivated, and adjustment of the FB gain (the above-described position proportional gain, speed integral gain, speed proportional gain, torque proportional gain) used by the FB controller 4A is performed by the PC 20. Done with.
  • the FB gain can be raised or lowered in stages. For example, the FB gain is increased stepwise according to the position deviation in one or two or a predetermined number of cycles, with one cycle being the time at which the detected position of the control object 11 is obtained with respect to one position command input.
  • the FB gain adjustment completion condition such as the FB gain rising to a predetermined value is satisfied (YES in S02)
  • the FB gain adjustment is completed.
  • the servo control system 1 includes a position command filter 8 and a filter controller 9 as optional components.
  • the filter controller 9 sets the time constant of the position command filter 8 and selects the characteristics of the position command filter 8. Further, the filter controller 9 sets the position command filter 8 to invalid or valid according to the control signal supplied from the PC 20.
  • a soft start process is performed for the position command pulse, and a gentle acceleration / deceleration is possible.
  • the characteristics of the position command filter 8 may become an impediment from the viewpoint of improving the trajectory tracking ability. Therefore, when the FB gain adjustment is completed and the FF gain adjustment is started, the position command filter 8 is invalidated.
  • the FF gain is adjusted.
  • the FF gain can be raised or lowered stepwise, and a predetermined initial value of the FF gain is set at the start of adjustment of the FF gain.
  • the initial value is, for example, 0%, but a value larger than 0% can be set as the initial value.
  • a speed FF gain and a torque FF gain are determined as the FF gain, and the FF controller 5 can supply the speed FF signal and the torque FF signal to the FB controller 4A. Different initial values may be set for the speed FF gain and the torque FF gain.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of FF gain adjustment.
  • the speed FF gain is increased by one step.
  • the adjustment of the speed FF gain is finished, and the torque FF gain is increased by one step (S23).
  • S24 it is determined whether or not the torque FF gain is a predetermined value. If the value of the torque FF gain is lower than the predetermined value (NO in S24), the process proceeds to S05, and if it is the predetermined value, the process proceeds to S08 and the FF gain adjustment is terminated.
  • the predetermined value of the speed FF gain and the predetermined value of the torque FF gain used for the determination in the FF gain adjustment are, for example, limit values (maximum stage). However, a lower value may be set to a predetermined value.
  • the speed FF gain is adjusted before the torque FF gain is adjusted. Adjustment of speed gain is less likely to generate vibration than adjustment of torque gain. For this reason, it is preferable to adjust the speed FF gain first from the viewpoint of improving the trajectory followability. Further, it is possible to expect an improvement in the followability to the speed command in the servo driver 4. However, it is possible to perform control such that the speed FF gain and the torque FF gain are increased in parallel by the same amount. In this case, since the speed FF gain and the torque FF gain are adjusted at the same time, the complexity of the adjustment can be avoided and the time can be reduced.
  • the deviation (error) between the target value of the position command and the detected position is monitored, for example, by the PC 20, and whether the error falls within a predetermined range (referred to as a settling value) and is stable (after the settling time has elapsed). Is determined (S05). The fact that the settling time has elapsed is notified to the user from the PC 20, and the user receives the notification and ends the FF gain adjustment (S08).
  • the PC 20 includes a notifying device such as a display, a speaker, and a lamp (not shown), and informs or notifies the operator of the settling time by displaying information on the display, outputting sound from the speaker, lighting or blinking the lamp, and the like. .
  • the servo driver 4 includes a torque saturation detector 6.
  • the torque saturation detector 6 can detect torque saturation during the operation of the controlled object 11 by receiving a power signal from the servo driver 4. For example, the torque saturation detector 6 detects torque saturation when the torque obtained from the current command exceeds the torque limit value of the motor 2.
  • the method for detecting torque saturation can be appropriately selected in addition to the above.
  • the torque saturation detector 6 inputs a torque saturation detection signal to the PC 20 when torque saturation is detected.
  • the PC 20 is equipped with a tool (software) for detecting a torque saturation detection signal and a vibration detection signal, which will be described later, and when the tool receives the torque saturation detection signal, the tool stops (ends) the FF gain adjustment ( S08). This is because even if the FF gain is further increased, it does not contribute to the improvement of the tracking ability. Note that when the FF gain adjustment is stopped by detecting torque saturation, the magnitude of the FF gain may be decreased by a predetermined step of 1 or 2 or more. Further, when receiving the torque saturation detection signal, the PC 20 notifies the operator of information indicating the occurrence of torque saturation by display on the display, sound output from the speaker, lighting or blinking of the lamp, and the like.
  • the servo driver 4 includes a vibration detector 7.
  • the vibration detector 7 detects vibration when the operation of the control target 11 is stopped. Specifically, the vibration detector 7 converts the speed deviation into torque, and detects vibration from a comparison between the converted value and a threshold value. The vibration can be detected from a value converted into torque or from a speed deviation.
  • the vibration detector 7 inputs a vibration detection signal to the PC 20.
  • the PC 20 tool stops (ends) the adjustment of the FF gain (S08). Since the detection of vibration is an unfavorable situation from the viewpoint of improving the trajectory followability, further increase in the FF gain is stopped.
  • the magnitude of the FF gain may be decreased by one or more predetermined steps.
  • the PC 20 when receiving a vibration detection signal, notifies the operator of vibration detection by displaying on a display, outputting sound from a speaker, lighting or blinking a lamp, and the like.
  • the FF gain is adjusted after the FB gain adjustment. This makes it possible to perform servo control in which the FB gain and the FF gain are set to desired magnitudes (balanced between the FB gain and the FF gain). Therefore, it is possible to improve the trajectory followability and improve the robustness of the servo control system 1.
  • the stop or end of the FF gain adjustment in the embodiment is determined not by the deviation between the target value and the output of the control target 11 but by the torque saturation, vibration detection, and settling time elapsed. For this reason, it is possible to increase the FF gain to the limit in a range where torque saturation and vibration detection do not occur, and to obtain a suitable trajectory followability. Further, by performing the speed FF gain adjustment before the torque FF gain adjustment, generation of vibration can be suppressed.
  • the configuration of the above-described embodiment is an example, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment. The configuration of the embodiment can be changed as appropriate without departing from the scope of the present invention.
  • ⁇ Appendix> Used for feedback control of the control object (11) performed based on difference information between a target value related to the command and a feedback signal from the control object so that the control object (11) operates following the command. Adjusting the feedback gain to be performed; Adjusting the feedforward gain used for the feedforward control of the controlled object after adjusting the feedback gain; Servo control method including.

Abstract

サーボ制御方法は、制御対象が指令に追従して動作するように、指令に係る目標値と、制御対象からのフィードバック信号との差分情報に基づいて行う前記制御対象のフィードバック制御に使用するフィードバックゲインを調整する工程と、フィードバックゲインの調整後に、制御対象のフィードフォワード制御に使用するフィードフォワードゲインを調整する工程とを含む。

Description

サーボ制御方法
　本発明は、フィードバック制御及びフィードフォワード制御を行うサーボ制御方法に関する。
　制御対象を目標軌跡に追従させて動かすために、一般的にはフィードバック制御が利用されている。例えば多関節ロボットにおいては、ロボットの制御装置により、フィードバック制御を用いてロボットの手先部の位置を予め設定（教示）された目標軌跡に追従させるように、各関節軸のサーボモータを制御することが行われる。ところが、一般的なフィードバック制御では、どうしても各サーボモータに応答遅れが生ずるため、ロボットの実際の軌跡が目標軌跡からずれる問題がある。このような課題に対して、フィードフォワード制御を採用し、ロボットの位置を指令位置に常に一致するように制御する技術がある。
　フィードバック制御とフィードフォワード制御とを行う従来技術としては、目標指令とモータとの出力の偏差絶対値の最大値を最小とするようなフィードフォワード制御器におけるフィードフォワードゲインを自動で設定できるフィードフォワードゲイン変更手段を備えるサーボ制御装置がある（例えば、特許文献１）。
特開２００６－１８４３１号公報
　しかしながら、上記の従来技術では、軌跡追従性向上のためにフィードバックゲインとフィードフォワードゲインとのバランスをどのように調整するかについては何ら検討されていない。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、フィードバッグゲインとフィードフォワードゲインとのバランスをとりつつ、制御対象の動作を指令に対して効果的に追従させることができるサーボ制御方法を提供することを目的とする。
　本発明においては、上記課題を解決するために、以下の構成を採用する。本発明の態様の一つは、サーボ制御方法である。このサーボ制御方法は、制御対象が指令に追従して動作するように、前記指令に係る目標値と、前記制御対象からのフィードバック信号との差分情報に基づいて行う前記制御対象のフィードバック制御に使用するフィードバックゲインを調整する工程と、前記フィードバックゲインの調整後に、前記制御対象のフィードフォワード制御に使用するフィードフォワードゲインを調整する工程と、を含む。
　本発明に係るサーボ制御方法によれば、フィードバックゲインの調整後にフィードフォワードゲインが調整される。これにより、以下のような利点が得られる。すなわち、整定時間を基準としてゲイン調整を行う場合において、仮に、フィードフォワードゲインをフィードバッグゲインより先に大きく設定すると、フィードバックゲインが十分に大きくならない状態で整定時間となってしまい、好適な軌跡追従性や安定性が得られない。本発明に係るサーボ制御方法によれば、上記したような状況を回避することができる。すなわち、制御対象の動作を指令に対して効果的に追従させる（軌跡追従性向上を図る）ことができる。
　本発明に係るサーボ制御方法において、前記制御対象の動作中に前記制御対象に付与するトルクの飽和が発生した場合に前記フィードフォワードの調整を停止する構成を採用してもよい。トルクの飽和状態においてフィードフォワードゲインを上げても軌跡追従性の改善に対する貢献は低いので、フィードフォワードゲインの調整の停止条件とする。
　本発明に係るサーボ制御方法において、前記制御対象の停止時に振動が検出された場合に前記フィードフォワードゲインの調整を停止する構成を採用してもよい。制御対象の停止時における振動の検出に応じてフィードフォワードゲインの調整を停止することで、無用のフィードフォワードゲインの上昇を回避することができる。
　本発明に係るサーボ制御方法において、前記制御対象に関する速度制御とトルク制御とが行われる場合に、前記速度制御に係るフィードフォワードゲインの調整後に、前記トルク制御に係るフィードフォワードゲインの調整を行う構成を採用してもよい。速度のフィードフォワード制御は、トルクのフィードフォワード制御に比べて振動が発生し難いので、先に速度のフィードフォワード制御を行う。
　本発明によれば、フィードバッグゲインとフィードフォワードゲインとのバランスをとりつつ、制御対象の動作を指令に対して効果的に追従させることができる。
本発明に係るモータ制御システムの概略構成を示す図である。 モータ制御システムによるサーボ制御の手順を示すフローチャートである。 フィードフォワードゲイン調整の一例を示すフローチャートである。
　＜適用例＞
　図１は、本発明の実施形態に係るサーボ制御システムの概略構成図である。図１において、サーボ制御システム１は、制御対象１１たるモータ２及び負荷装置３と、制御対象１１を制御する制御装置（サーボドライバ４）と、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)１０と、フィードバックゲインやフィードフォワードゲインの調整等を行うパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２０とを備える。当該制御システムは、ＰＬＣ１０で生成される動作指令信号に、制御対象１１とされるモータ２及び負荷装置３を追従させるように、サーボドライバ４が制御対象１１を駆動制御する。
　サーボドライバ４は、ＰＬＣ１０からの位置指令に応じた動力信号を制御対象１１に供給し、制御対象１１の動作を制御する。サーボドライバ４は、フィードバック制御器（ＦＢ制御器）４Ａを含む。ＦＢ制御器４Ａは、制御対象１１の動作に係るフィードバック信号を受け取り、位置ループ、速度ループ、及びトルクループに関して、指令に係る目標値に制御対象１１の実際の位置、速度及びトルクが追従するように、フィードバック制御を行う。但し、位置、速度及びトルクの全てについて制御が行われる必要はなく、これらのうちの少なくとも一つについて制御が行われるようになっていればよい。
　サーボドライバ４は、さらに、フィードフォワード（ＦＦ）制御器５を含む。ＦＦ制御器５には、位置指令が入力される。ＦＦ制御器５は、フィートフォワードゲインを反映したＦＦ信号（指令との次元合わせ操作が行われた信号）を生成し、ＦＢ制御器４Ａに入力する。
　サーボ制御システム１では、制御対象１１の動作制御にあたり、フィードバックゲイン（ＦＢゲイン）の調整後にフィードフォワードゲイン（ＦＦゲイン）の調整を行う。具体的には、サーボドライバ４内に形成された位置、速度及びトルクに係る閉ループ（フィードバックループ）を用いたフィードバック制御を行う。このフィードバッグ制御に用いるＦＢゲインはＰＣ２０を用いて調整され、ＦＢ制御器４Ａに設定される。調整は、例えば、位置指令と、これに対応するフィードバック信号とを用いて、位置指令に対して整定時間が最小となるように、ＦＢゲインを上昇させることで行われる。ＦＢゲインがその上昇によって所定の値になると、ＦＢゲインの調整を終了する。但し、ＦＢゲインの調整方法及び調整の完了条件は、適宜設定可能である。
　ＦＢゲイン調整の完了の後に、ＦＦゲインの調整がＰＣ２０を用いて行われる。本実施形態では、ＦＦゲインの一例として、速度制御に係るフィードフォワードゲイン（速度ＦＦゲインと呼ぶ）とトルク制御に係るトルクフィードフォワードゲイン（トルクＦＦゲインと呼ぶ）とを調整する。ＰＣ２０により調整された速度ＦＦゲイン及びトルクＦＦゲインは、ＦＦ制御器５に設定される。ＦＦ制御器５は、速度ＦＦゲインを用いてフィードフォワード制御に係る速度指令（速度ＦＦ信号）を生成して出力する。また、ＦＦ制御器５は、トルクＦＦゲインを用いてフィードフォワード制御に係るトルク指令（トルクＦＦ信号）を生成して出力する。速度ＦＦ信号は、加算器４１１において、位置制御器４１からの速度指令に加算されて、速度の目標値となる。また、トルクＦＦ信号は、加算器４１２において、速度制御器４２からのトルク指令に加算され、トルクの目標値となる。このようにして、速度及びトルクについてのフィードフォワード制御が行われる。すなわち、サーボ制御システム１（サーボドライバ４）は、制御対象１１についてフィードバック制御とフィードフォワード制御とを行うことができる。
　ＦＢゲインの調整後にＦＦゲインを調整することで以下の利点が得られる。すなわち、制御システムのロバスト性に鑑みると、ＦＢゲインとＦＦゲインとの双方が高いことが好ましい。ここで、仮に、ＦＦゲインを先に調整し、ＦＦゲインを大きく設定し、その後にＦＢゲインを調整することを考える。この場合、ＦＢゲインが十分に上昇しないまま、整定時間に達してしまう問題があった。
　これに対し、サーボ制御システム１では、ＦＢゲインの調整を先に行い、その後にＦＦゲインの調整を行う。これにより、ＦＢゲインがシステムとして好適な程度まで上がった状態でＦＦゲインが調整されるので、ＦＢゲイン及びＦＦゲインの大きさを、それぞれ所望の大きさに調整し得る。これによって、フィードフォワード制御による軌跡追従性の改善を図ることができ、好適なロバスト性を有するサーボ制御システム１を得ることができる。
　＜実施形態＞
　上述したように、図１に示すサーボ制御システム１は、制御対象１１（モータ２及び負荷装置３）と、サーボドライバ４と、ＰＬＣ１０と、ＰＣ２０とを備える。サーボドライバ４は、ＰＬＣ１０及び制御対象１１と電気的に接続される。また、サーボドライバ４は、ＰＣ２０と通信可能である。通信は有線通信でも無線通信でもよい。
　サーボ制御システム１では、サーボドライバ４が、ＰＬＣ１０から入力される位置指令（位置の目標値）に制御対象１１（モータ２及び負荷装置３）の動作が追従するように、モータ２及び負荷装置３の駆動を制御する。具体的には、サーボドライバ４は、モータ２の回転角度（位置）、モータ２の回転速度（移動速度）、及びモータ２の発生トルクを制御する複数の閉ループを有し、各閉ループを用いたフィードバック制御を行うことができる。但し、位置、速度及びトルクの全ての実施は必須要件ではなく、位置、速度及びトルクから少なくとも１つを選んで実施可能である。
　ここで、制御対象１１に含まれる負荷装置３としては、各種の機械装置（例えば、産業用ロボットのアームや搬送装置）が例示できる。また、モータ２はその負荷装置３を駆動するアクチュエータとして負荷装置３内に組み込まれている。例えば、モータ２は、ＡＣサーボモータである。
　モータ２には図示しないエンコーダ（位置検出器）が取り付けられており、当該エンコーダによりモータ２の動作に関するパラメータ信号がＦＢ制御器４Ａにフィードバック送信されている。このフィードバック送信されるパラメータ信号（ＦＢ信号）は、モータ２の回転軸の回転角度（位置）についての位置情報、その回転軸の回転速度（移動速度）の速度情報等を含む。なお、制御対象１１には複数のモータ２が含まれてもよく、その場合には、負荷装置３は、複数のモータ２によって駆動制御される構成、いわゆる多軸構成を有する。
　なお、サーボドライバ４は、モータ２の駆動に関するサーボ制御、すなわち、モータ２の動作に関する指令値を算出するとともに、モータ２の動作がその指令値に追従するように、モータ２に駆動電流を供給する。この供給電流は、図示しない交流電源からサーボドライバ４に対して送られる交流電力が利用される。なお、本実施形態では、サーボドライバ４は三相交流を受けるタイプのものであるが、単相交流を受けるタイプのものでもよい。
　また、ＦＢ制御器４Ａは、ＦＦ制御器５から入力される速度ＦＦ信号及びトルクＦＦ信号を用いて、速度ＦＦゲインが反映された速度制御や、トルクＦＦゲインが反映されたトルク制御を行う。なお、サーボドライバ４、ＰＬＣ１０は、例えば、電気・電子回路や集積回路（ＡＳＩＣやＦＰＧＡなど）の組み合わせで形成される。但し、これらが行う動作の一部が、プロセッサ及びメモリを用いたプログラム（ソフトウェア）処理によって行われてもよい。ＰＣ２０は情報処理装置の一例であり、ＰＣ２０として汎用又は専用のコンピュータを適用できる。
　＜サーボ制御＞
　次に、サーボドライバ４によるサーボ制御について説明する。本実施形態に係るサーボ制御は、サーボドライバ４が有する位置制御器４１、速度制御器４２、電流制御器４３を利用したフィードバック系を備える。
　位置制御器４１には、例えば、比例制御（Ｐ制御）を行う。具体的には、サーボドライバ４は、ＰＬＣ１０からの位置指令とエンコーダ（図示せず）からの検出位置との偏差である位置偏差（差分情報の一例）を算出する減算器４５を含み、減算器４５から出力された位置偏差が入力される。位置制御器４１は、位置偏差に、所定の位置比例ゲインを乗ずることにより速度指令を算出し、出力する。
　速度制御器４２は、例えば、比例積分制御（ＰＩ制御）を行う。具体的には、速度制御器４２の前段には、減算器４６が設けられている。減算器４６には、速度指令と、速度検出器４４が検出位置情報の微分により算出した検出速度とが入力される。減算器４６は、速度指令と検出速度との偏差である速度偏差（差分情報の一例）を算出して出力する。速度偏差は速度制御器４２に入力される。速度制御器４２は、速度偏差の積分量に所定の速度積分ゲインを乗じ、その算出結果と当該速度偏差の和に所定の速度比例ゲインを乗ずる。これによってトルク指令が得られ、トルク指令が速度制御器４２から出力される。なお、速度制御器４２はＰＩ制御に代えてＰ制御を行ってもよい。
　減算器４６の前段には、加算器４１１が設けられている。加算器４１１は、位置制御器４１から出力される速度指令と、ＦＦ制御器５から出力される速度ＦＦ信号とを足し合わせた信号（補正速度指令と称する）を出力する。補正速度指令は、減算器４６に入力される。なお、速度ＦＦ信号がない場合、位置制御器４１から出力された速度指令が減算器４６に入力される。このような補正速度指令に応じた速度制御が行われることで、速度フィードフォワード制御が行われる。
　電流制御器４３の前段には、減算器４７が設けられている。減算器４７には、トルク指令と、電流制御器４３から出力される電力指令とが入力される。減算器４６は、トルク指令と電流指令との偏差（差分情報の一例）を算出し、この偏差が電流制御器４３に入力される。電流制御器４３は、例えば、Ｐ制御を行い、偏差を所定のトルク比例ゲインを乗ずることにより電流指令を算出する。電流指令に応じた電力がモータ２に供給される。
　図示しないが、モータ２に供給される電流指令を検出する電流検出器を電流制御器４３は含んでおり、電流検出器によって検出された電流指令が減算器４７にフィードバックされる。なお、電流制御器４３は、トルク指令に関するフィルタ（１次のローパスフィルタ）や一又は複数のノッチフィルタを含み、制御パラメータとして、これらのフィルタの性能に関するカットオフ周波数等を有している。
　減算器４７の前段には、加算器４１２が設けられている。加算器４１２は、速度制御器４２から出力されるトルク指令と、ＦＦ制御器５から出力されるトルクＦＦ信号とを足し合わせた信号（補正トルク指令と称する）を出力する。補正トルク指令は、減算器４７に入力される。なお、トルクＦＦ信号がない場合、速度制御器４２から出力されたトルク指令が減算器４７に入力される。以上説明したように、ＦＦ制御器５を用いたフィードフォワード系をサーボ制御システム１は含み、速度及びトルクに関してフィードフォワード制御を行うことができる。
　＜動作例＞
　図２は、サーボ制御システム１における動作例を説明するフローチャートである。以下の動作例では、一例として、ＦＢゲイン及びＦＦゲインの調整は、オペレータがＰＣ２０を用いてマニュアル操作で行うことを想定する。但し、ＦＢゲイン及びＦＦゲインの調整が自動的に行われるようにしてもよい。また、ＦＢゲイン及びＦＦゲインの調整をＰＣ２０を用いて行う例を示すが、ＦＢゲイン及びＦＦゲインの調整機構がサーボドライバ４やＰＬＣ１０に設けられてもよい。
　図２において、Ｓ０１では、ＦＦ制御器５が非稼働状態とされ、ＦＢ制御器４Ａが用いるＦＢゲイン（上述した位置比例ゲイン、速度積分ゲイン、速度比例ゲイン、トルク比例ゲイン）の調整がＰＣ２０を用いて行われる。ＦＢゲインは、段階的に上下させることができる。ＦＢゲインは、例えば、１回の位置指令入力に対する制御対象１１の検出位置が得られる時間を１周期とし、１又は２以上の所定数の周期における位置偏差に応じて段階的に上昇させる。ＦＢゲインが所定値まで上昇する等、ＦＢゲインの調整完了条件が満たされると（Ｓ０２のＹＥＳ）、ＦＢゲインの調整が完了する。
　ＦＢゲインの調整が完了すると、ＰＣ２０から位置指令フィルタ８を無効にする制御信号がフィルタ制御器９に供給され、フィルタ制御器９が位置指令フィルタ８を無効に設定する（Ｓ０３）。本実施形態に係るサーボ制御システム１は、オプションの構成として、位置指令フィルタ８及びフィルタ制御器９を備えている。フィルタ制御器９は、位置指令フィルタ８の時定数設定を行い、位置指令フィルタ８の特性を選択する。また、フィルタ制御器９は、ＰＣ２０から供給される制御信号に従って、位置指令フィルタ８を無効に設定したり有効に設定したりする。位置指令フィルタ８の特性選択により、位置指令のパルスに対するソフトスタート処理が行われ、緩やかな加速減速が可能となる。しかし、フィードフォワード制御を行う上で、位置指令フィルタ８の特性が、軌跡追従性の改善という観点において阻害要因となるおそれがある。そこで、ＦＢゲインの調整が完了して、ＦＦゲインの調整を開始する場合には、位置指令フィルタ８を無効にする。
　Ｓ０４では、ＦＦゲインの調整が行われる。ＦＦゲインは、段階的に上下させることができ、ＦＦゲインの調整開始時には、所定のＦＦゲインの初期値が設定される。初期値は例えば０％であるが、０％より大きい値を初期値に設定することもできる。本実施形態では、ＦＦゲインとして、速度ＦＦゲイン及びトルクＦＦゲインを決定し、ＦＦ制御器５が速度ＦＦ信号及びトルクＦＦ信号をＦＢ制御器４Ａに供給可能である。速度ＦＦゲインとトルクＦＦゲインとで異なる初期値を設定してもよい。
　図３は、ＦＦゲイン調整の一例を示すフローチャートである。Ｓ２１において、速度ＦＦゲインを１段階上昇させる。Ｓ２２において、速度ＦＦゲインが所定値の場合には、速度ＦＦゲインの調整を終了して、トルクＦＦゲインを１段階上昇させる（Ｓ２３）。Ｓ２４において、トルクＦＦゲインが所定値か否かを判定する。トルクＦＦゲインの値が所定値より低い場合には（Ｓ２４のＮＯ）、処理をＳ０５に進め、所定値であれば処理をＳ０８に進めてＦＦゲインの調整を終了する。
　ＦＦゲイン調整での判定に用いる速度ＦＦゲインの所定値、及びトルクＦＦゲインの所定値は、例えば限界値（最大の段階）である。但し、それより低い段階の値が所定値に設定されてもよい。このように、本実施形態では、速度ＦＦゲインの調整をトルクＦＦゲインの調整より先に行う。速度ゲインの調整はトルクゲインの調整よりも振動を発生させにくい。このため、速度ＦＦゲインを先に調整することが、軌跡追従性の向上の観点から好ましい。また、サーボドライバ４における速度指令への追従性の向上を期待することもできる。もっとも、速度ＦＦゲインとトルクＦＦゲインとを並列に同量だけ上昇させるような制御も可能である。この場合、速度ＦＦゲインとトルクＦＦゲインとが同時期に調整されるので、調整の煩雑さ回避や時間短縮を図ることができる。
　位置指令の目標値と検出位置との偏差（誤差）は、例えばＰＣ２０において監視され、その誤差が所定範囲（整定値と呼ぶ）に入って安定した状態になっているか（整定時間が経過しているか）が判定される（Ｓ０５）。整定時間が経過していることは、ＰＣ２０からユーザに報知され、ユーザは、報知を受けてＦＦゲイン調整を終了する（Ｓ０８）。なお、ＰＣ２０は、図示しないディスプレイ、スピーカ、ランプなどの報知装置を含んでおり、ディスプレイへの情報表示、スピーカからの音声出力、ランプの点灯や点滅などによって、整定時間をオペレータに報知又は通知する。
　Ｓ０６では、制御対象１１に付与するトルク飽和の有無を判定する。本実施形態に係るサーボドライバ４は、トルク飽和検出器６を備える。トルク飽和検出器６は、サーボドライバ４からの動力信号を受けて制御対象１１の動作中におけるトルク飽和を検出可能となっている。トルク飽和検出器６は、例えば、電流指令から求まるトルクがモータ２のトルク限界値を超えている場合にトルク飽和を検出する。但し、トルク飽和の検出方法は上記以外に適宜選択可能である。トルク飽和検出器６は、トルク飽和を検出した場合、トルク飽和検出信号をＰＣ２０に入力する。ＰＣ２０には、トルク飽和検出信号や後述する振動検出信号を検出するツール（ソフトウェア）が実装されており、当該ツールは、トルク飽和検出信号を受けると、ＦＦゲインの調整を停止（終了）する（Ｓ０８）。ＦＦゲインをさらに上げても軌跡追従性向上に寄与しないからである。なお、トルク飽和の検出によってＦＦゲイン調整を停止する場合に、ＦＦゲインの大きさを１又は２以上の所定の段階だけ低下させてもよい。また、ＰＣ２０は、トルク飽和検出信号を受けた場合に、トルク飽和の発生を示す情報を、ディスプレイへの表示、スピーカからの音声出力、ランプの点灯や点滅などによってオペレータに報知する。
　Ｓ０７では、制御対象１１の動作停止時に振動が検出されたかが判定される。サーボドライバ４は、振動検出器７を備える。振動検出器７は、制御対象１１の動作停止時における振動を検出する。具体的には、振動検出器７は、速度偏差をトルクに換算し、この換算した値と閾値との比較から振動を検出する。振動の検出は、トルクへ換算した値でも、速度偏差からでも検出可能である。振動を検出した場合、振動検出器７は、振動検出信号をＰＣ２０に入力する。上記したＰＣ２０のツールは、振動検出信号を受けた場合に、ＦＦゲインの調整を停止（終了）する（Ｓ０８）。振動の検出は、軌跡追従性向上の観点において好ましくない状況であるので、さらなるＦＦゲインの上昇を停止する。なお、振動検出によってＦＦゲイン調整を停止する場合に、ＦＦゲインの大きさを１又は２以上の所定の段階だけ低下させてもよい。また、ＰＣ２０は、振動検出信号を受けた場合に、振動の検出をディスプレイへの表示、スピーカからの音声出力、ランプの点灯や点滅などによってオペレータに報知する。
　＜実施形態の効果＞
　上述した実施形態によれば、ＦＢゲイン調整の後にＦＦゲインが調整される。これによって、ＦＢゲインとＦＦゲインとを所望の大きさとした（ＦＢゲインとＦＦゲインのバランスのとれた）サーボ制御を行うことができる。従って、軌跡追従性向上を図るとともに、サーボ制御システム１のロバスト性向上を図ることができる。
　また、実施形態におけるＦＦゲイン調整の停止又は終了は、目標値と制御対象１１の出力との偏差に基づいてではなく、トルク飽和、振動検出、整定時間経過を以て判定される。このため、トルク飽和や振動検出の生じない範囲における限界までＦＦゲインを上昇させて、好適な軌跡追従性を得ることができる。また、トルクＦＦゲイン調整より速度ＦＦゲイン調整を先に行うことで、振動発生を抑えることができる。上述した実施形態の構成は一例であって、本発明は実施形態の構成に限定されない。本発明はその目的を逸脱しない範囲において実施形態の構成を適宜変更可能である。
　＜付記＞
　制御対象（１１）が指令に追従して動作するように、前記指令に係る目標値と、前記制御対象からのフィードバック信号との差分情報に基づいて行う前記制御対象（１１）のフィードバック制御に使用するフィードバックゲインを調整する工程と、
　前記フィードバックゲインの調整後に、前記制御対象のフィードフォワード制御に使用するフィードフォワードゲインを調整する工程と、
を含むサーボ制御方法。
　１・・・・サーボ制御システム
　２・・・・モータ
　３・・・・負荷装置
　４・・・・サーボドライバ
　４Ａ・・・フィードバック制御器
　５・・・・フィードフォワード制御器
　６・・・・トルク飽和検出器
　７・・・・振動検出器
　８・・・・位置指令フィルタ
　９・・・・フィルタ制御器
　１０・・・・ＰＬＣ
　１１・・・・制御対象
　２０・・・・パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
　４１・・・・位置制御器
　４２・・・・速度制御器
　４３・・・・電流制御器
　４４・・・・速度検出器
　４５、４６、４７・・・・減算器
　４１１、４１２・・・加算器

Claims (4)

  1. 　制御対象が指令に追従して動作するように、前記指令に係る目標値と、前記制御対象からのフィードバック信号との差分情報に基づいて行う前記制御対象のフィードバック制御に使用するフィードバックゲインを調整する工程と、
    　前記フィードバックゲインの調整後に、前記制御対象のフィードフォワード制御に使用するフィードフォワードゲインを調整する工程と、
    を含むサーボ制御方法。
  2. 　前記制御対象の動作中に前記制御対象に付与するトルクの飽和が発生した場合に前記フードフォワードゲインの調整を停止する
    請求項１に記載のサーボ制御方法。
  3. 　前記制御対象の停止時に振動が検出された場合に前記フィードフォワードゲインの調整を停止する
    請求項１又は２に記載のサーボ制御方法。
  4. 　前記制御対象に関して速度制御とトルク制御とが行われる場合に、前記速度制御に係るフィードフォワードゲインの調整後に、前記トルク制御に係るフィードフォワードゲインの調整を行う
    請求項１から３のいずれか１項に記載のサーボ制御方法。
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