JP2005204473A

JP2005204473A - サーボ制御装置およびその限界ゲイン抽出方法

Info

Publication number: JP2005204473A
Application number: JP2004010535A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Sato; 一男佐藤
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】限界ゲインを抽出するために加振したトルクによる振動のみをスムーズにかつ速やかに抑制し、その後は制御ゲインを下げることなく運転を継続できる、サーボ制御装置およびその限界ゲイン抽出方法を提供する。
【解決手段】加振手段１１と、振動検出手段１２と、周波数解析手段１５とを備え、模擬外乱トルクを加え、予め設定されたレベル以上の振動を検出する迄制御ゲンを上げ模擬外乱トルクを加える処理をくり返し、前記レベルを超えた振動を検出した後に該振動に基づいて周波数解析手段１５により振動周波数を求め、該振動周波数に対応した位相差の振動抑制トルク指令を前記トルク指令に加算する。
【選択図】図２

Description

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、限界ゲインを抽出するために機械等を加振手段によって加振した際に発生する振動を検出し振動を抑制する技術に関する。

従来のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法としては、ゲインを上げて発振させて、そのゲインを最大値とする方法が提案されている（特許文献１参照）。
図５は従来技術によるゲイン調整処理を説明するフローチャートである。
ステップ５００でゲイン調整処理を行うか否かを判定する。Ｆ＝１でなければゲイン調整処理は行わずに終り、Ｆ＝１であればステップ５０１に進む．
ステップ５０１では、制御系を発振させて得られたメモリに記憶されている実速度データをＦＦＴ分析し、周波数成分の振幅を求める。次に、ステップ５０２で検出された振幅のうち最大の振幅の周波数ｆをｆｍａｘとしてもとめる。次に、ｆｍａｘと設定されている基準周波数ｆａとの差の絶対値が、ゲイン調整のために設定されている閾値εより小さいか否かを判断し、小さければ終り、小さくなければステップ５０４へ進む。
ステップ５０４では、現在セットされているカットオフ周波数ｆｎにｆａからｆｍａｘを差し引いた値に設定パラメータαを乗じた値を加算したものを新しいｆｎとする。
ステップ５０５では、ｆｎと設定されている制御系で決まる速度ループ帯域の上限値ｆｌｉｍをひかくし、ｆｎが小さければステップ５０８へ進み、小さくなければステップ５０６へ進む。
ステップ５０８では、速度ループのゲインＫ１及びＫ２をを計算する。次に、ステップ５０９で指標ｉ及びフラッグＦを「０」にセットして終わる。
ステップ５０６では、パラメータＰが「０」か否かを判断し、「０」であればステップ５０７へ進み、「０」でなければステップ５１０へ進む。
ステップ５０７では、Ｐの値を「１」にして速度制御ループをＰＩ制御にセットし、また、ｆｎを初期値ｆｎ０にセットしてステップ５０８へ進む。
ステップ５１０では、ｆｎをｆｌｉｍにセットして次へ進む。ステップ５１１では、速度ループのゲインＫ１及びＫ２を決定して速度ループゲインの調整を終わる。
こうして、決定された値によって速度制御が行われると、振動を生じず、かつ、ゲインの大きい望ましい速度制御が行われることとなる。
特開平２―２６１０８３号公報（第８−９頁、図７）

しかしながら従来の方法では、限界ゲインを抽出して制御ゲインを設定した後の運転で、振動を検出すると制御ゲインを下げるか、トルクを小さくして振動を抑えていたが、これでは殆ど制御できなくなり、又外乱で機械が動く等の問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、限界ゲインを抽出するために加振したトルクによる振動のみをスムーズにかつ速やかに抑制し、その後は制御ゲインを下げることなく運転を継続できる、サーボ制御装置およびその限界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、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段と、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更することのできる制御ゲイン変更手段とを備えたサーボ制御装置において、
模擬外乱トルクをトルク指令に加える加振手段と、少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出する振動検出手段と、振動成分の周波数を算出する周波数解析手段とを備え、模擬外乱トルクを加え、予め設定されたレベル以上の振動を検出する迄制御ゲンを上げ模擬外乱トルクを加える処理をくり返し、前記レベルを超えた振動を検出した後に該振動に基づいて前記周波数解析手段により振動周波数を求め、該振動周波数に対応した位相差の振動抑制トルク指令を前記トルク指令に加算することを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、前記振動周波数に対応した位相差は略９０度であることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、前記振動検出手段は制御系モデルを持つことを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３のいずれかに記載のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法において、
模擬外乱トルクを加え、予め設定されたレベル以上の振動を検出する迄制御ゲンを上げ模擬外乱トルクを加える処理をくり返し、前記レベルを超えた振動を検出した後に、制御ゲインを下げて振動を抑制することを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段と、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更することのできる制御ゲイン変更手段とを備えたサーボ制御装置において、
ステップ状の模擬外乱トルクをトルク指令に加える加振手段と、少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出する振動検出手段と、振動成分の周波数を算出する周波数解析手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、振動周波数を周波数解析手段で解析し、その振動周波数に見合ったタイミングで振動抑制トルクをトルク指令に加えて振動を抑制するので、限界ゲインを抽出するために加振したトルクによる振動のみをスムーズにかつ速やかに抑制し、その後は制御ゲインを下げることなく運転を継続できる、サーボ制御装置およびその限界ゲイン抽出方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

実際のサーボ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
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。摩擦等の機械の負荷は、エネルギーを消費することで、振動を押さえる働きがある。機械負荷があるもののゲインが高くて、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、振動を誘発することもできるし、また誘発した振動を止めることもできる。しかし、制御ゲインを高くすると振動も大きくなる。
本発明は、このような場合に、振動抑制トルクを加えることで早く振動を抑制するものである。

図１は本発明を適用するサーボ制御装置のブロック図である。図１において、１は位置制御部、２は速度制御部、３はトルク制御部、４は位置検出器、５は速度算出手段、６はモータ、７は機械、８はトルク伝達機構である。
また、１１は加振手段、１２は振動検出手段、１３は加算器、１４は制御ゲイン変更手段、１５は周波数解析手段である。

位置制御部１は位置指令とモータ回転位置検出信号とを入力し速度指令を速度制御部２へ出力する。速度制御部２は前記速度指令とモータ回転速度検出信号とを入力しトルク指令を加算器１３および振動検出手段へ出力する。加算器１３は前記トルク指令と模擬外乱トルク信号とを入力し合成トルク指令をトルク制御部３へ出力する。トルク制御部３は前記合成トルク指令を入力しモータ駆動電流をモータ６へ出力する。モータ６にはトルク伝達機構８および位置検出器４が装着されている。トルク伝達機構８はモータ６の発生トルクを負荷７へ伝達する。位置検出器４は前記モータ回転位置検出信号を位置制御部１および速度算出手段５へ出力する。速度算出手段５は前記モータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号を速度制御部２および振動検出手段１２へ出力する。振動検出手段１２は前記トルク指令または前記モータ回転速度検出信号並びに振動抑制トルク発生タイミング信号を入力し加振手段制御信号を加振手段１１へ、制御ゲイン変更信号を制御ゲイン変更手段１４へ、振動成分信号を周波数解析手段１５へ出力する。加振手段１１は前記加振手段制御信号を入力し前記模擬外乱トルク信号を加算器１３へ出力する。制御ゲイン変更手段１４は前記制御ゲイン変更信号を入力し位置制御部１及び速度制御部２の制御ゲインを変更する。周波数解析手段１５は前記振動成分信号を入力し前記振動抑制トルク発生タイミング信号を振動検出手段１２へ出力する。

位置制御部１は前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように制御演算を行い前記速度指令を算出する。速度制御部２は前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように制御演算を行い前記トルク指令を算出する。加算器１３は前記トルク指令と前記模擬外乱トルクとを加算して前記合成トルク指令を算出する。トルク制御部３は前記合成トルク指令に基づいてトルク制御演算を行いモータ６へモータ駆動電流を流す。モータ６に駆動電流が流れるとトルクを発生する。位置検出器４はモータ６の回転位置を検出する。速度演算手段５は前記モータ回転位置検出信号に基づいて前記モータ回転速度検出信号を算出する。加振手段１１は予め設定されたレベルのステップ状の模擬外乱トルクおよび振動抑制トルクを合成した模擬外乱トルク信号を前記加振手段制御に従って発生する。振動検出手段１２は前記トルク指令または前記モータ回転速度検出信号中に含まれる振動成分を抽出し、出力する。また、その振動成分が、予め設定されたレベルを超えたか否かにより、前記制御ゲイン変更信号により制御ゲイン変更手段１４を介して位置制御部及び速度制御部の制御ゲインを変更することもでき、前記加振手段制御信号により加振手段１１をオン／オフすることもできる。周波数解析手段１５は前記振動成分の周波数を解析し前記振動抑制トルク発生タイミング信号を生成する。

加振手段１１、振動検出手段１２、および周波数解析手段１５が本発明を実施するための重要な手段である。
加振手段１１において、前記振動抑制トルクは経験的に求められている値を使用してもよいし、予め試行錯誤して求めていてもよい。振動検出手段１２は、トルク指令またはモータの速度信号中に含まれる振動成分が予め設定されたレベルを超えた場合に振動と見なす。また、図３または図４に示している方法により推定誤差速度ωｅを算出し、その推定誤差速度ωｅ中に含まれる振動成分が予め設定されたレベルを超えた場合に振動と見なしても良い。この振動検出レベル閾値は、制御系が発振していない範囲であれば任意に設定しても構わないが、たとえば、通常運転したときの振動成分のレベルの振動振幅の最大値の２倍程度にすることが好ましい。

図３は、本発明の振動検出手段１２において推定誤差速度ωｅの算出方法の第１の例のブロック図である。図３において、３１はモータ及び負荷のモデルである。
モータ及び負荷のモデル３１はトルク指令を入力し、そのトルク指令をモータ及び負荷のイナーシャで割り算し、その演算結果を時間積分して推定速度ωｏを算出する。その推定速度ωｏからモータ回転速度ωを差し引いたものが推定誤差速度ωｅである。即ち、
ωｅ＝ ωｏ − ω
である。

図４は、本発明の振動検出手段１２において推定誤差速度ωｅの算出方法の第２の例のブロック図である。図４において、４０は制御系モデルであり、４１は制御系モデルの負荷イナーシャ分、４２は制御系モデルの速度制御のゲイン、４３は制御系モデルの速度制御の積分、４４は積分、４５はサンプラーである。
制御系モデル４０は、制御系モデルの負荷イナーシャ分４１、制御系モデルの速度制御のゲイン４２、制御系モデルの速度制御の積分４３、積分４４、サンプラー４５で構成される。
制御系モデル４０は、トルク指令およびモータ回転速度ωを入力し、図４のブロック図に従って演算し、推定誤差速度ωｏを算出する。その推定速度ωｏからモータ回転速度ωを差し引いたものが推定誤差速度ωｅである。即ち、
ωｅ＝ ωｏ − ω
である。

図２は、本発明を適用した振動抑制方法を示すフローチャートである。図２において、ステップＳ２１では模擬外乱トルク加振後かどうかを確認する。模擬外乱トルク加振後であればステップＳ２２へ進み、模擬外乱トルク加振後でなければステップＳ２１へ戻る。
つぎに、ステップＳ２２では振動検出手段１２で振動が観測できるか否か確認する。振動が観測されればステップＳ２３へ進み、振動が観測されなければステップＳ２２へ戻る。
ステップＳ２３では振動周波数を周波数解析手段１５で解析し、その振動周波数に見合った時間分経過したか否かを判断し、その振動周波数に見合った時間分経過していればステップＳ２４へ進み、その振動周波数に見合った時間分経過していなければステップＳ２３へ戻る。
ステップＳ２４では前記振動周波数の９０度位相差の振動抑制トルクをトルク指令に加えるてステップＳ２５へ進む。この時、振動を抑えるのを早める為に同時に制御ゲインを下げても良い。
ステップＳ２５では振動検出手段１２により振動が収まったか否かを確認し、収まったらその時の制御ゲインを記憶して終了し、収まっていなかったらステップＳ２３へ戻る。

図５は、本発明の振動抑制トルクを加えるタイミングを説明するタイミング図である。図５において、５１は制御ゲインを上げていく動作を示す概念図、５２は模擬外乱トルクを加えるタイミング、５３はトルク指令又はモータ回転速度、５４は振動抑制トルク、５５は振動検出レベル閾値、５６は観測された周波数である。

本発明は、半導体製造装置の位置決め駆動用サーボ制御装置、工作機械や産業用ロボットを駆動するサーボ制御装置に利用できる。

本発明を適用するサーボ制御装置のブロック図。本発明を適用した振動抑制方法を示すフローチャート。本発明の推定誤差速度の算出方法の第１の例のブロック図。本発明の推定誤差速度の算出方法の第２の例のブロック図。本発明の振動抑制トルクを加えるタイミングを説明するタイミング図。従来技術によるゲイン調整処理を説明するフローチャート。

符号の説明

１位置制御部
２速度制御部
３トルク制御部
４位置検出器
５速度算出手段
６モータ
７機械
８トルク伝達機構
１１加振手段
１２振動検出手段
１３加算器
１４制御ゲイン変更手段
１５周波数解析手段
３１モータ及び負荷のモデル
４０制御系モデル
４１制御系モデルの負荷イナーシャ分
４２制御系モデルの速度制御のゲイン
４３制御系モデルの速度制御の積分
４４積分
４５サンプラー
５１制御ゲインを上げていく動作を示す概念図
５２模擬外乱トルクを加えるタイミング
５３トルク指令又はモータ回転速度
５４振動抑制トルク
５５振動検出レベル閾値
５６観測された周波数

Claims

位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段と、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更することのできる制御ゲイン変更手段とを備えたサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法において、
加振手段により模擬外乱トルクをトルク指令に加え、振動検出手段により少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出し、周波数解析手段により振動成分の周波数を算出し、模擬外乱トルクを加え、予め設定されたレベル以上の振動を検出する迄制御ゲンを上げ模擬外乱トルクを加える処理をくり返し、前記レベルを超えた振動を検出した後に該振動に基づいて前記周波数解析手段により振動周波数を求め、該振動周波数に対応した位相差の振動抑制トルク指令を前記トルク指令に加算することを特徴とするサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法。
前記振動周波数に対応した位相差は略９０度であることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法。
前記振動検出手段は制御系モデルを持つことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法。
模擬外乱トルクを加え、予め設定されたレベル以上の振動を検出する迄制御ゲンを上げ模擬外乱トルクを加える処理をくり返し、前記レベルを超えた振動を検出した後に、制御ゲインを下げて振動を抑制することを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法。
位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段と、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更することのできる制御ゲイン変更手段とを備えたサーボ制御装置において、
ステップ状の模擬外乱トルクをトルク指令に加える加振手段と、少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出する振動検出手段と、振動成分の周波数を算出する周波数解析手段と、模擬外乱トルクを加え予め設定されたレベル以上の振動を検出する迄制御ゲンを上げ模擬外乱トルクを加える処理をくり返し前記レベルを超えた振動を検出した後に該振動に基づいて前記周波数解析手段により振動周波数を求め該振動周波数に対応した位相差の振動抑制トルク指令を前記トルク指令に加算する手段とを備えることを特徴とするサーボ制御装置。