JP2840139B2 - 予見繰り返し制御装置 - Google Patents

予見繰り返し制御装置

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JP2840139B2 JP3119074A JP11907491A JP2840139B2 JP 2840139 B2 JP2840139 B2 JP 2840139B2 JP 3119074 A JP3119074 A JP 3119074A JP 11907491 A JP11907491 A JP 11907491A JP 2840139 B2 JP2840139 B2 JP 2840139B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、工作機械等に用いられ
るサーボモータの制御に関するもので、特に、所定周期
で繰り返される指令に非同期成分が含まれているような
指令に対しても、高精度の応答が可能となるサーボモー
タ制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】サーボモータの制御において、所定周期
で同じパターンで繰返される指令に対し、制御偏差を零
に収束させ高い精度のモータ制御を行い加工精度を向上
させる方法として、繰り返し（学習）制御方式が用いら
れてる。
【０００３】図６は、上記繰り返し制御方式を適用した
サーボモータの制御における要部ブロック線図である。
図６において、ｒは速度指令、Ｅは該速度指令ｒと実際
の速度ωとの差である速度偏差、３０は速度ループ伝達
関数で、位置偏差を知るための積分器が加わった従来か
ら公知のようにＰＩ制御等を行うものである。そして、
繰り返しコントローラ２０が付加されており、該繰り返
しコントローラ２０は帯域制限フィルタ２１、所定周期
Ｍで繰返される１周期分のデータを記憶する遅れ要素２
２、及び、制御対象の位相遅れ、ゲイン低下を補償する
ための動特性補償要素２３で構成されている。
【０００４】上記繰り返しコントローラ２０は所定サン
プリング周期ｔ毎に速度偏差Ｅに遅れ要素２２から出力
される１周期Ｍ前のサンプリング時のデータＥｍを加算
し、帯域制限フィルタ２１の処理を行って遅れ要素２２
にそのデータを格納する。遅れ要素２２はＱ（＝Ｍ／
ｔ）個のメモリを有し、１周期Ｍ分の各サンプリングデ
ータを記憶できるようになっており、各サンプリング時
には一番古いデータを出力するようになっている。即
ち、各サンプリング毎１番地シフトして０番地のメモリ
に入力データを格納し、Ｑ−１番地のデータを出力す
る。その結果、遅れ要素２２の出力は１周期Ｍ分遅れた
サンプリングデータが出力される。そのため、周期Ｍで
同一パターンの速度指令ｒが与えられと、速度偏差Ｅと
遅れ要素２２の出力が加算されて、速度指令ｒのパター
ン上において同一位置のデータが補正データとして記憶
されることとなる。
【０００５】また、遅れ要素２２の出力は動特性補償要
素２３で制御対象の位相遅れ、ゲイン以下が補償され
て、繰り返しコントローラ２０の出力ｙとして出力さ
れ、該出力ｙが速度偏差Ｅに加算されて、この加算デー
タによって速度ループ処理が実行される。
【０００６】その結果、所定周期Ｍで同一パターンの処
置が繰返され、あるサンプリング時において前周期で当
該サンプリング時に対応するサンプリング時の速度偏差
Ｅが大きな値の場合には、今周期においては、繰り返し
コントローラ２０から大きな値の出力ｙが出力され、速
度偏差に加算されることとなるから、速度ループ処理に
入力される速度偏差は大きく変り、実速度ωもそれに対
して変化するから、速度偏差Ｅはその値が零に収束する
ように修正されることになり、高精度のモータ制御が可
能となる（特開平２−３０７１０４号公報，特願平１３
１４１５４号，特願平２−１２４２５４号等参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図６に示すような、所
定周期Ｍで繰り返される指令に、この指令と同期するよ
うな成分である周波数ｆ＝ｋ／Ｍ（ｋ＝０，１，２，
…）が含まれている場合には、この繰り返し制御によっ
て高精度の応答が得られるが、非同期成分（周波数ｆ＝
ｋ／Ｍ、ただしｋの値が整数でないもの）が含まれてい
ると、周期Ｍ毎の指令パターンが異なってくるために、
偏差を零にすることが困難である。
【０００８】そこで、本発明の目的は、所定周期で繰り
返され、かつこの周期に同期していない非同期成分をも
含む指令に対しても、制御偏差を零に収束できる予見繰
り返し制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも位
置ループ制御部を備え、所定周期で繰り返される移動指
令によってサーボモータを制御する予見繰り返し制御装
置に関するもので、該制御装置にフィードフォワードコ
ントローラを付加し、該フィードフォワードコントロー
ラは、ＦＩＲ型のディジタルフィルタの係数を適応制御
によって、制御対象の次数だけ未来の移動指令と位置偏
差とにより、制御対象の逆システムになるように自動的
に決定する手段を備え、制御対象の逆システムに決定さ
れたフィードフォワードコントローラに、制御対象の次
数だけ未来の移動指令を入力とし、このフィードフォワ
ードコントローラの出力を上記位置ループ制御部から出
力される指令に加算するようにすることによって上記課
題を解決した。また、従来と同様に、繰り返しコントロ
ーラをも付加することによってさらに位置偏差を小さく
し高精度なサーボモータの制御を行うようにした。
【００１０】
【作用】フィードフォワードコントローラは制御対象の
逆システムの伝達関数であるので、該フィードフォワー
ドコントローラの出力に制御対象の伝達関数を乗ずれ
ば、約「１」となり、移動指令とサーボモータの移動量
はほぼ同一となり、位置偏差は非常に小さくなる。
【００１１】
【実施例】図１は本発明の一実施例のサーボモータを制
御する予見繰り返し制御装置のブロック図である。Ｐは
サーボモータの位置、速度制御の所定サンプリング周期
ｔ毎の移動指令で、この指令Ｐが図７に示すように短い
周期Ｍで繰り返され、かつ、この周期Ｍと非同期で周期
Ｌで所定パターンが繰り返される指令であるとする。
【００１２】要素１は遅れ要素で、制御対象Ｇo を同定
した場合の次数Ｎで決まるＮサンプリングだけ遅らせる
ものである。要素２は積分器、要素３のＫはポジション
ゲインで、要素４のＧo は速度コントローラとサーボモ
ータなどを含めた制御対象の伝達関数で、従来から公知
のＰＩ（比例積分）制御等を行なうものである。さら
に、５は繰り返しコントローラで図６に示した従来の繰
り返しコントローラと同一で、帯域制限フイルタＦＬ、
指令Ｐの繰り返し周期Ｍの１周期分のデータを格納でき
る遅れ要素Ｄを有している。すなわち、Ｍ／ｔ＝ｍ個の
メモリを有している。さらに、制御対象の伝達関数Ｇo
の特性を補償するための動特性補償要素Ｇx を備えてい
る。６は逆システムフィードフォワードコントローラ
で、指令Ｐを入力し、その出力ｕをサーボモータへの速
度指令ｖに加算されるようになっている。
【００１３】遅れ要素１で指令ＰよりＮ周期遅らせられ
た指令ｐが求められ、該指令ｐとサンプリング周期ｔ間
にサーボモータが移動した移動量のフィードバック量ω
の差分を取り偏差を求め、この偏差を積分器２で積分し
位置偏差εを求める。この位置偏差εは繰り返しコント
ローラ５に入力される。所定サンプリング周期ｔ毎に遅
れ要素Ｄからの１周期Ｍ前の当該サンプリング周期に対
応するデータｄが上記位置偏差εに加算され、帯域制限
フイルタＦＬの処理が行なわれ、遅れ要素Ｄに格納させ
る。一方遅れ要素Ｄからの出力ｄは動特性補償要素Ｇx
で処理が行なわれ、補正量ｙとして位置偏差εに加算さ
れる。その結果前述したように、位置偏差εは、周期Ｍ
の周波数成分に対して零になるように修正され、この修
正された位置偏差（ε＋ｙ）に対してポジションゲイン
Ｋを乗じて速度指令ｖを求める。
【００１４】一方、逆システムフィードフォワードコン
トローラ６には指令Ｐが入力され、この入力は、指令ｐ
が遅れ要素１でＮサンプリング遅らせられていることか
ら、Ｎサンプリング未来の指令が入力されることにな
る。
【００１５】この逆システムフィードフォワードコント
ローラ６の詳細は図２に示すように、Ｎ次のＦＩＲ型
（非再帰型）ディジタルフィルタで構成されている。す
なわち、遅れ要素Ｚ-1としてのメモリがＮ個設けられ、
サンプリング周期ｔ毎指令Ｐは最初のメモリに格納され
ると共に、各メモリに記憶された指令は図２において左
から右にシフトされ、現サンプリング時点よりＮ個前ま
での間の指令Ｐを記憶するようになっており、サンプリ
ング周期ｔ毎に、当該サンプリング時の指令Ｐに計数Ｗ
0 ，１番目のメモリに記憶する１サンプリング周期前の
指令には係数Ｗ1 ，…Ｎ番目のメモリに記憶するＮサン
プリング周期前の指令には係数ＷN が乗じられ、乗じら
れた各値は加算されて出力ｕとして出力される。すなわ
ち、逆システムフィードフォワードコントローラ６の伝
達関数ＩＳは次のようになる。 ＩＳ（Ｚ）＝［ｕ（Ｚ）／Ｐ（Ｚ）］ ＝Ｗ0 ＋Ｗ1 Ｚ-1＋Ｗ2 Ｚ-2＋……ＷN-1 Ｚ-(N-1)＋ＷN Ｚ-N また、係数Ｗi （ｉ＝０〜Ｎ）は制御対象Ｇo の逆シス
テムとなるように決められ、上記逆システムフィードフ
ォワードコントローラ６の伝達関数ＩＳは、 ＩＳ＝（Ｚ-N／Ｇo ） となるように決められる。その結果サーボモータの移動
量ωは、ω＝ＩＳ・Ｇo・Ｐであり、ｐ＝ｚ-N・Ｐであ
るから、ω＝ＩＳ・Ｇo ・（ｐ／Ｚ-N）＝ｐとなり、位
置偏差εは非常に小さくなることがわかる。そして、こ
の小さな位置偏差は、通常の位置ループの処理および繰
り返しコントローラの処理によって補正されるのできわ
めて小さなものとなり、高精度のサーボモータの制御が
できる。さらに後述するように、上記係数Ｗ0 〜ＷN は
最急降下法を適用した適応アルゴリズムで自動的に決定
される。
【００１６】図３は、本発明を実施する工作機械のサー
ボモータ制御の一実施例のブロック図である。
【００１７】図３中、１０は工作機械を制御する数値制
御装置、１１は該数値制御装置１０から出力される工作
機械のサーボモータへの位置指令等を受信し、デジタル
サーボ回路１２のプロセッサに受け渡すための共有メモ
リ、１２はデジタルサーボ回路であり、プロセッサによ
ってサーボモータ１４の上述した図１の処理および速
度，電流制御処理をも行うものである。１３はトランジ
スタインバータ等で構成されるサーボアンプ、１４はサ
ーボモータ、１５はサーボモータ１回当りに所定数のフ
ィードバックパルスを発生しデジタルサーボ回路１２に
出力するパルスコーダである。なお、デジタルサーボ回
路１２はプロセッサ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等で構成されてい
る。上記構成は工作機械等のサーボモータの制御におい
て、デジタルサーボ回路として公知な事項であり、詳細
な説明は省略する。
【００１８】上記制御対象Ｇo を同定したとき決まる次
数Ｎを設定し、機械を稼働開始させると、ディジタルサ
ーボ回路１２のプロセッサは図４，図５の処理を開始
し、数値制御装置１０から送られてくる移動指令を共有
メモリ１１を介して、上記サンプリング周期ｔ毎の移動
指令Ｐを求め（ステップＳ１）、Ｎサンプリング周期の
遅れ処理を行い指令ｐを求め（ステップＳ２）、上記指
令ｐから、当該サンプリング周期ｔ間のサーボモータの
移動量であるフィードバック量ωを減じた値を、位置偏
差εを記憶するレジスタに加算し当該周期の位置偏差ε
を求める（ステップＳ３）。
【００１９】次に、フラグＦが「１」か否か判断し（ス
テップＳ４）、初めは該フラグＦは「０」であるので、
ステップＳ５に進み、カウンタＣＮＴから「１」減じ
る。なお、該カウンタＣＮＴは初期設定で、上記所定周
期Ｍをサンプリング周期ｔで除した数Ｑに設定されてい
る。そして、ステップＳ３で求めた位置偏差εの絶対値
がレジンタに記憶する位置偏差の最大値εmax （初めは
εmax ＝０）より大きいか否か判断し（ステップＳ
６）、検出位置偏差εの絶対値の方が大きいと、この値
をレジスタにεmax として記憶する（ステップＳ７）。
また、位置偏差εの絶対値の方が小さいときはレジスタ
のεmax の値を変えずにステップＳ８に進む。ステップ
Ｓ８の処理は最急降下法を用いた適応アルゴリズムによ
るＮ次のＦＩＲ型ディジタルフィルタの係数Ｗ0 〜ＷN
を決定する方法であり、レジスタＲ（Ｗｉ）に記憶する
１サンプリング周期前の係数Ｗｉ（ｉ＝０〜Ｎ）に、ス
テップＳ３で求めた位置偏差εに指令スタックに記憶す
るｉサンプリング周期前の指令Ｐｉおよび時定数として
の定数τを乗じた値を加算して各係数Ｗｉの値を求め
る。すなわち、下記の演算を行って各係数Ｗｉを求め
る。なお、始めは各係数Ｗ0 〜ＷN は「０」、若しくは
制御対象の伝達関数Ｇo の同定よりＺ-N／Ｇo になるよ
うに近似された計算結果の値が初期設定されている。 Ｗｉ＝Ｒ（Ｗi ）＋ε・Ｐｉ・τ （ｉ＝０〜ＮでＰ０＝Ｐである） こうして求めた各係数Ｗｉを各レジスタＲ（Ｗｉ）に格
納し（ステップＳ９）、この求められた各係数Ｗｉを用
いて図２に示すディジタルフィルタの処理を行い逆シス
テムフィードフォワードコントローラ６の出力ｕを求め
る。すなわち、次式の演算を行って出力ｕを求める（ス
テップＳ１０）。 ｕ＝Ｗ0 ・Ｐ＋Ｗ1 ・Ｐ1 ＋Ｗ2 ・Ｐ2 ＋……＋ＷN ・ＰN 次に、指令スタックをシフトする（ステップＳ１１）。
すなわちＰN-1をＰNとし、ＰN-2 をＰN-1 ……Ｐ1 をＰ
2 、ＰをＰ1 として記憶する。
【００２０】そして、カウンタＣＮＴが「０」か否か判
断し（ステップＳ１２）、始めは「０」ではないので、
ステップＳ１７に移行し、ステップＳ３で求めた位置偏
差εにポジションゲインＫを乗じて速度指令ｖを求め、
さらに、この速度指令にステップＳ１０で求めた逆シス
テムフィードフォワードコントローラ６の出力ｕを加算
して補正された速度指令ｖを求め（ステップＳ１８）、
この速度指令を速度ループ処理引き渡し、速度ループ処
理を実行させる。以下ステップＳ１〜Ｓ１２，ステップ
Ｓ１７，Ｓ１８の処理を各サンプリング周期毎実行し、
カウンタＣＮＴの値が「０」になると（ステップＳ１
２）、該カウンタＣＮＴに所定周期Ｍをサンプリング周
期ｔで除した値Ｑ（＝Ｍ／ｔ）をセットし（ステップＳ
１７）、１周期Ｍ内（Ｑ回のサンプリング）における最
大の位置偏差εmaxが所定設定値εｓより小さいか否か
判断し（ステップＳ１４）、小さくなければ、ステップ
Ｓ１６に進み位置偏差εmax を記憶するレジスタを
「０」にセットし、ステップＳ１７に進み前述した処理
を各サンプリング周期毎繰り返すことになる。
【００２１】以下、各サンプリング周期毎上述した処理
を繰り返し、ステップＳ１４でεｍａｘが設定値εｓよ
り小さくなると、ステップＳ１５に進みフラグＦを
「１」にセットする。フラグＦが「１」にセットされる
と、次のサンプリング周期からはステップＳ１〜ステッ
プＳ４の処理を行いステップＳ４からステップＳ１９に
進み、ステップＳ５〜Ｓ９の処理を行わないので、ディ
ジタルフィルタの係数Ｗ０〜ＷＮの値は変更されること
はない。そして、ステップＳ１９で従来と同様の指令が
繰り返される周期Ｍの繰り返しコントローラ５の計算を
行い補正値ｙを求め、この補正値ｙを位置偏差εに加算
し、補正された位置偏差εを求め（ステップＳ２０）、
ステップＳ１０に移行し、確定された係数Ｗ０〜ＷＮに
より、逆システムフィードフォワードコントローラ６の
出力ｕを求め、指令スタックをシフトし（ステップＳ１
１）、ステップＳ１２では、カウンタＣＮＴはフラグＦ
が「１」にセットされたときに「Ｑ」にセットされて、
以後はディクリメントされないので、「Ｑ」であるか
ら、ステップＳ１２からステップＳ１７に移行し、位置
偏差εにポジションゲインＫを乗じた値に上記ステップ
Ｓ１０で求めた逆システムフィードフォワードコントロ
ーラ６の出力ｕを加算して、速度指令ｖを求め（ステッ
プＳ１７，Ｓ１８）、この速度指令ｖを速度ループに対
する速度指令とする。以下、上述したステップＳ１〜Ｓ
４，Ｓ１９，Ｓ２０，Ｓ１０〜Ｓ１２，Ｓ１７，Ｓ１８
の処理をサンプリング周期毎実行し速度ループ処理に対
する速度指令ｖを求めることになる。
【００２２】上記実施例は繰り返しコントローラ５をも
位置制御ループに付加して制御する例を示したが、必ず
しも、この繰り返しコントローラ５を設けなくてもよ
い。ただし、繰り返しコントローラを設けなければ、精
度は該コントローラを設けたときよりも少し低下する。
そして、この繰り返しコントローラ５を設けないときの
処理は、図４，図５で示す処理において、ステップＳ１
９とステップＳ２０の処理を行う必要がなく、ステップ
Ｓ４からステップＳ１０に移行するようにすればよいだ
けである。
【００２３】図７は周期Ｍで繰り返される指令に周期Ｌ
の非同期成分が含まれているような指令による加工の一
例を示したもので、楕円断面の長短径差が１ｍｍから
１．４ｍｍまで徐々に変化する徐変プロフィール指令Ｐ
（ｔ）による加工の例で、被加工物４０の１回転が４０
ｍｓｅｃとしており、非加工物１回転で工具軸は２往復
すること（長径−単径−長径−単径−長径と移動）から
繰り返し周期Ｍは２０ｍｍｓｅｃとなる。そして、プロ
フィール変化周期Ｌは３．２ｍｍｓｅｃとしている。そ
うすると、工具軸に対するプロフィール指令Ｐ（ｔ）は
次のようになる。
【００２４】 Ｐ（ｔ）＝［Ａ＋ａ・ｓｉｎ｛（２π／Ｌ）・ｔ］ ・ｓｉｎ｛（２π／Ｍ）・ｔ｝ ＝［０．２５＋０．１・ｓｉｎ｛（２π／３．２）・ｔ］ ・ｓｉｎ｛（２π・５０ｔ｝ このプロフィール指令Ｐ（ｔ）による加工におけるシュ
ミレーションを従来のサーボモータの制御方式による場
合と、繰り返し制御方式を採用したサーボモータの制御
方式、および本発明の繰り返しコントローラを付加した
場合、付加しない予見繰り返し制御方式について行っ
た。図８は従来の方式によるサーボモータの制御におけ
るシュミレーションの結果で、位置偏差εは最大４２０
μｍとなっている。図９は図６に示す従来から行われて
いる繰り返し制御方式によるシュミレーション結果で、
この場合も、位置偏差εは最大で８．０μｍとなってい
る。そして、図１０は本発明の繰り返しコントローラ５
および逆システムフィードフォワードコントローラ６を
設けた予見繰り返し制御によるシュミレーション結果
で、この場合には位置偏差εが最大１．５μｍとなり、
位置偏差を極めて小さくすることができることがわか
る。
【００２５】また、図１１は繰り返しコントローラ５を
設けずに逆システムフィードフォワードコントローラ６
のみを付加した本発明の実施例における同一条件のシュ
ミレーション結果で、この場合には位置偏差εが最大４
μｍとなり、位置偏差εは図１０で示す繰り返しコント
ローラ５をも設けたときと比べ、大きくなっているが、
図８，図９で示す従来の制御方式および繰り返しコント
ローラのみを付加したときと比べ位置偏差は小さくなっ
ている。
【００２６】
【発明の効果】本発明は、並列に逆システムフィードフ
ォワードコントローラを設けることによって、所定周期
の繰り返し指令中に含まれる非同期の周波数成分を有す
る指令に対しても、位置偏差を非常に小さくすることが
でき精度の高いサーボモータの制御を行うことができ
る。
【００２７】しかも、逆システムフィードフォワードコ
ントローラの係数は自動的に決定することから、簡単に
逆システムフィードフォワードコントローラを構成する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のブロック図である。
【図２】同実施例における逆システムコントローラの構
成図である。
【図３】同実施例を実施するディジタルサーボ装置のブ
ロック図である。
【図４】同実施例におけるディジタルサーボ回路のプロ
セッサが実施する処理のフローチャートの一部である。
【図５】ディジタルサーボ回路のプロセッサが実施する
処理のフローチャートの図４の続きである。
【図６】繰り返し制御を適用したサーボモータの制御の
従来例の要部ブロック図である。
【図７】所定周期で繰り返される指令に別の周期の非同
期成分が含まれているような指令による加工の一例を示
した説明図である。
【図８】従来の方式によるサーボモータの制御における
シュミレーションの結果を示す図である。
【図９】図６に示す従来から行われている繰り返し制御
方式によるシュミレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の繰り返しコントローラおよび逆シス
テムフィードフォワードコントローラを設けた、予見繰
り返し制御によるシュミレーション結果を示す図であ
る。
【図１１】本発明の逆システムフィードフォワードコン
トローラ６のみを付加した、予見繰り返し制御によるシ
ュミレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 遅れ要素 ２ 積分器 ３ ボジションゲインの項 ４ 制御対象の伝達関数の項 ５ 繰り返しコントローラ ６ 逆システムフィードフォワードコントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−191908（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−307104（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G05D 3/12 305

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも位置ループ制御部を備え、所
    定周期で繰り返される移動指令によってサーボモータを
    制御する予見繰り返し制御装置であって、フィードフォ
    ワードコントローラを付加し、該フィードフォワードコ
    ントローラは、ＦＩＲ型のディジタルフィルタの係数を
    適応制御によって、制御対象の次数だけ未来の移動指令
    と位置偏差とにより、制御対象の逆システムになるよう
    に自動的に決定する手段を備え、制御対象の逆システム
    に決定されたフィードフォワードコントローラに制御対
    象の次数だけ未来の移動指令を入力とし、このフィード
    フォワードコントローラの出力を、上記移動指令から位
    置ループ処理で算出される指令に加算することを特徴と
    するサーボモータの予見繰り返し制御装置。
  2. 【請求項２】 少なくとも位置ループ制御部と、所定周
    期で繰り返される移動指令の１周期前の位置偏差に基づ
    いて補正量を求め位置偏差に加算する繰り返しコントロ
    ーラを備え、所定周期で繰り返される移動指令によって
    サーボモータを制御する予見繰り返し制御装置であっ
    て、フィードフォワードコントローラを付加し、該フィ
    ードフォワードコントローラは、ＦＩＲ型のディジタル
    フィルタの係数を適応制御によって、制御対象の次数だ
    け未来の移動指令と位置偏差とにより、制御対象の逆シ
    ステムになるように自動的に決定する手段を備え、制御
    対象の逆システムに決定されたフィードフォワードコン
    トローラに制御対象の次数だけ未来の移動指令を入力と
    し、このフィードフォワードコントローラの出力を、上
    記位置ループ制御部および繰り返しコントローラの処理
    によって算出される指令に加算することを特徴とするサ
    ーボモータの予見繰り返し制御装置。
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