JP4678129B2 - サーボ制御システム及びその設定方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
発明は、電子カム制御において、追従遅れを補償した位置指令により、サーボモータをカムパターン通りに動作させるサーボ制御システム及びその設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カム動作については、シャフトに取り付けたカムの動きに連動して出力を得る機械カムが使用されていたが、この機械カムを利用する方法では、カムパターンの調整が困難なことから、シャフトの回転とカム形状データとの関係を登録しておき、シャフトの回転位置を検出し、その検出値に基づいてサーボモータを制御してカム動作を行わせる電子カムが用いられるようになってきた。
かかる電子カム制御において、位置指令と位置フィードバックとの差を減少させることを目的として、日本国特開平７−１０４８５５号公報に開示されたサーボ制御システムがある。このサーボ制御システムは、位相指令θの推移に対して予め定義された位置パターンを有する位置指令に従ってサーボ系を制御する電子カム位相制御方法において、位置指令に対するサーボ系の追従遅れによる位相遅れ量△θを位相推移速度ωの関数として発生させ、位相遅れ量△θを位相指令に加算した信号を位置パターン発生回路に入力し、その出力信号をサーボ系の位置指令とする。
このようなサーボ制御システムによれば、電子カムの位相遅れを補償できるものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１０４８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとしている課題】
【０００４】
しかしながら、上記サーボ制御システムは、位相遅れ量にほぼ比例した分だけ位置指令を先だしするものであるため、位相遅れ量のみを補償しているのに過ぎない。すなわち、サーボ系の追従遅れを補償したものではないので、特に、制御速度が速い場合には、第７図に示すようにサーボ系の追従遅れが顕著となるため、カムパターンから作成された位置指令の軌跡に対してサーボモータの実位置の軌跡は大きく異なり、時間ｔａにおいて位置指令とサーボモータの実位置の差は△Ｌとなるという問題点があった。
【発明が解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電子カム制御において、サーボ系の追従遅れを補償した簡易なサーボ制御システム及びその設定方法を提供するものである。
【０００６】
第１の発明に係るサーボ制御システムは、カム機構の一回転に対応する位相に対してカム形状の位置指令となる第１のパターンを発生するパターン発生手段と、前記第１のパターンを時間で微分した結果を予め定められた位相だけシフトした値に、前記位置制御ゲインの逆数の次元を有する定数を乗算した値からなる補正パターンを発生する補正手段と、前記補正パターンを前記第１のパターンに加算して第２のパターンを生成すると共に、該第２のパターンを用いて前記カム機構の一回転に対応する位相に基づいて前記サーボモータの位置指令を発生する位置指令発生手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
第２の発明に係るサーボ制御システムの設定方法は、第１の発明において、予め定数の値を設定し、予め定められた位相の値を僅かずつ増加させてサーボモータの位置と前記位置指令発生手段との位置指令との差が小さくなる値を、前記位相の最適値として記憶手段に記憶する第１のステップを実行した後、予め前記定数の値が僅かずつ増加させて前記サーボモータの位置と前記位置指令発生手段との位置指令との差が小さくなる値を、前記位相の最適値として記憶手段に記憶する第２のステップを実行する、ことを特徴とするものである。
【０００８】
第３の発明に係るサーボ制御システムは、第１の発明において、定数が、サーボシステムにおける位置制御ゲインの逆数である、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明に係るサーボ制御システムによれば、補正手段が第１のパターンを時間で微分した結果を予め定められた位相だけシフトした値に、前記位置制御ゲインの逆数の次元を有する定数を乗算した値からなる補正パターンを発生し、位置指令発生手段が補正パターンを第１のパターンに加算して第２のパターンを生成すると共に、該第２のパターンを用いてカム機構の一回転に対応する位相に基づいてサーボモータの位置指令を発生する。
したがって、カム制御のような繰り返し動作となる周期制御において、第２のパターンを用いて位置指令を発生させることにより、簡易にサーボ系の追従遅れを補償できるという効果がある。
【００１０】
第２の発明に係るサーボ制御システムの設定方法によれば、簡易に最適な定数及び位相を設定できるという効果がある。
【００１１】
第３の発明に係るサーボ制御システムによれば、簡易に定数を設定できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１２】
本発明の一実施例を第１図及び第２図によって説明する。第１図は本発明の一実施例を示すサーボ制御システムの全体構成図、第２図は第１図に示す指令部をハードウェアにより示したサーボ制御システムの全体構成図である。
【００１３】
第１図及び第２図おいて、サーボ制御システム１は、位置指令を生成して発生する指令部１０と、指令部１０の指令に基づいてサーボモータ７２を駆動制御する駆動制御部５０と、サーボモータ７２に流れる電流を検出すると共に、インターフェース（以下、Ｉ／Ｆという）６５に入力する電流センサ７０と、サーボモータ７２の回転角度を検出すると共に、Ｉ／Ｆ６７に入力するエンコーダ７４とから成っている。
【００１４】
第１図において、指令部１０は、ＣＰＵの処理概念を示すもので、カム機構の一回転に対応する位相に基づいて原カムパターン（第１のパターン）を発生するパターン発生手段としての原カムパターン発生器１１と、後述する係数Ｔｐ、位相Ｄを設定するパラメータ設定器１２と、原カムパターンを時間で微分すると共に、該微分された値に係数（定数）Ｔｐを乗算して乗算値を求め、該乗算値からカム機構の一回転に対応する位相より予め定められた位相Ｄを減算して得られた補正カムパターン（補正パターン）を発生する補正手段としての補正器１４と、補正器１４の補正カムパターンに原カムパターンを加算して第２のパターンを生成すると共に、カム機構の位相指令に基づいて位置指令を発生する位置指令発生手段としての位置指令器１６とから成っている。
【００１５】
第２図において、サーボ指令部１０のハードウェア構成は、ＣＰＵ２２と、ＣＰＵ２２に接続されたカムメモリ２４、パラメータメモリ２５、ＲＯＭ２６、Ｉ／Ｆ２８，２９とから成っており、カムメモリ２４には、原カムパターンが記憶され、パラメータメモリ２５には、後述する係数ＴＰ，位相Ｄが記憶されており、ＲＯＭ２６には、原カムパターンを時間で微分すると共に、該微分された値に係数（定数）Ｔｐを乗算して乗算値を求め、該乗算値からカム機構の一回転に対応する位相より予め定められた位相Ｄを減算して得られた補正カムパターン（補正パターン）を発生する演算式等（後述の（１１）式）が記憶されている。
なお、Ｉ／Ｆ２８の出力が駆動制御部５０に入力され、Ｉ／Ｆ２９にエンコーダ７４の出力が接続されている。
【００１６】
駆動制御部５０は、位置制御ループ、速度制御ループ、電流制御ループの三つの制御ループから形成されており、Ｉ／Ｆ６７から読み込まれたエンコーダ７４の回転角度に基づく位置検出値と指令部１０から位置指令と減算して偏差を求める減算器５１と、減算器５１に接続された位置制御器５３と、Ｉ／Ｆ６７から読み込まれた回転角度に基づく速度検出値と位置制御器５３からの速度指令とを減算して偏差を求める減算器５５と、減算器５５に接続された速度制御器５７と、Ｉ／Ｆ６５から読み込まれた電流センサ７０の電流値と速度制御器５７からの電流指令とを減算する減算器５９と、減算器５９に接続された電流制御器６１を介して入力が接続されると共に、出力がサーボモータ７２に接続される電力変換器６３とから成っている。
【００１７】
位置制御ループは、位置制御器５３、速度制御器５７、電流制御器６１、電力変換器６３、サーボモータ７２、エンコーダ７４、Ｉ／Ｆ６７から成り、速度制御ループは、速度制御器５７、電流制御器６１、電力変換器６３、サーボモータ７２、エンコーダ７４、Ｉ／Ｆ６７から成り、電流制御ループは、電流制御器６１、電力変換器６３、電流センサ７０、Ｉ／Ｆ６５から成っている。
【００１８】
指令部１０から従来通りの位置指令（補正器１４が存在しない）が発生しているサーボ制御システムにおいて、追従遅れ量を考慮したカムパターンについて以下に検討する。
追従遅れ量とは位置指令Ｐ_ｒｅｆ（ＰＬＳ）とサーボモータ７２の実位置の差である溜りパルス量であるので、追従遅れを考慮した補正位置指令Ｐ_ｒｅｖ（ＰＬＳ）は位置指令Ｐ_ｒｅｆに溜りパルスＰ_ｄｉｆ（ＰＬＳ）を加算した指令となり、下式となる。
Ｐ_ｒｅｖ＝Ｐ_ｒｅｆ＋Ｐ_ｄｉｆ・・・（１）
【００１９】
ここで、速度制御ループ及び電流制御ループは、位置制御ループに比べて応答が十分速いので、第３図に示すようにサーボ制御システムの制御系は、サーボモータ７２の実位置Ｐ_ａ（ＰＬＳ）は位置指令Ｐ_ｒｅｆ，位置制御ゲインＫ_ｐ，積分器１／Ｓを有する位置制御ループの一次遅れ系と仮定できる。
したがって、サーボモータ７２の実位置Ｐ_ａは位置指令Ｐ_ｒｅｆとの関係について下式を得る。
Ｐ_ａ＝｛１／（１＋Ｔ_ｐ・Ｓ）｝・Ｐ_ｒｅｆ・・・（２）
ここで、Ｔ_ｐ＝１／Ｋ_ｐ，Ｋ_ｐ：位置制御ゲイン
Ｓ：ラプラス演算子
【００２０】
ここで、位置指令Ｐ_ｒｅｆ，実位置Ｐ_ａを時間ｔの微分となる速度指令Ｖ_ｒｅｆ（ＰＬＳ／ｓ），実速度Ｖ_ａ（ＰＬＳ／ｓ）を示すと下式となる。
Ｖ_ｒｅｆ＝ｄＰ_ｒｅｆ／ｄｔ＝Ｐ_ｒｅｆ’・・・・・・・・・（３）
Ｖ_ａ＝ｄＰ_ａ／ｄｔ＝Ｐ_ａ’
＝｛Ｓ／（１＋Ｔ_ｐ・Ｓ）｝・Ｐ_ｒｅｆ・・・（４）
【００２１】
溜りパルスＰ_ｄｉｆは、位置指令Ｐ_ｒｅｆと実位置Ｐ_ａとの差となり下式となる。
Ｐ_ｄｉｆ＝Ｐ_ｒｅｆ−Ｐ_ａ・・・・・・（５）
この（５）式のＰ_ａに（２）式を代入して、下式となる。
Ｐ_ｄｉｆ＝｛１−１／（１＋Ｔ_ｐ・Ｓ）｝Ｐ_ｒｅｆ
＝Ｔ_ｐ・Ｓ・Ｐ_ｒｅｆ／（１＋Ｔ_ｐ・Ｓ）
＝Ｔ_ｐ・Ｖ_ａ・・・・・・・・・・・・（６）
上記（５）式を上記（１）式に代入すると下式なる。
Ｐ_ｒｅｖ＝Ｐ_ｒｅｆ＋Ｐ_ｄｉｆ
＝Ｐ_ｒｅｆ＋Ｔ_ｐ・Ｖ_ａ・・・・・・・（７）
【００２２】
上記（７）式において、補正位置指令Ｐ_ｒｅｖは、位置指令Ｐ_ｒｅｆに原カムパターンの指令に基づいた制御結果となる実速度Ｖ_ａを加算したものであり、実速度Ｖ_ａに依存するので、予め原カムパターンと実軌跡のずれがあることを前提に成立している。サーボ制御システム１を第３図に示すように一次遅れ系と仮定しているので、第４図に示すように速度指令Ｖ_ｒｅｆを入力したとき、時間関数となる実速度Ｖ_ａ（ｔ）は時間ｄ（ｓ）ずれた時間関数の速度指令Ｖ_ｒｅｆ（ｔ−ｄ）とほぼ等しくなり、下式となる。
Ｖ_ａ（ｔ）≒Ｖ_ｒｅｆ（ｔ−ｄ）・・・・・・・（８）
【００２３】
上記（４）〜（８）式より溜りパルスＰ_ｄｉｆは位置指令Ｐ_ｒｅｆより算出できる。
Ｐ_ｄｉｆ＝Ｔ_ｐ・Ｖ_ａ（ｔ）＝Ｔ_ｐ・Ｖ_ｒｅｆ（ｔ−ｄ）
＝Ｔ_ｐ・Ｐ_ｒｅｆ’（ｔ−ｄ）・・・・・・・（９）
式（１）及び式（７）より下式となる。
Ｐ_ｒｅｖ＝Ｐ_ｒｅｆ＋Ｐ_ｄｉｆ
＝Ｐ_ｒｅｆ＋Ｔ_ｐ・Ｐ_ｒｅｆ’（ｔ−ｄ）・・・・（１０）
この（１０）式より、補正位置指令Ｐ_ｒｅｖは位置指令Ｐ_ｒｅｆのみで算出できる。
【００２４】
電子カム制御において位置指令は、位相に対する位置周期が記述された原カムパターンＦ_ｒｅｆに基づいて作成されているので、上記（１０）式における時間ｔ，ｄを位相θ（°），Ｄ（°）に置き換えることができ、位相θ，Ｄに置き換えた位置指令としての位置指令器１４から発生させる位置指令としての第２のパターンＦ_ｒｅｖは下式となる。
Ｆ_ｒｅｖ＝Ｆ_ｒｅｆ＋Ｔ_ｐ・Ｆ_ｒｅｆ’（θ−Ｄ）・・・・・（１１）
ここに、Ｆ_ｈ＝Ｔ_ｐ・Ｆ_ｒｅｆ’（θ−Ｄ）
Ｆ_ｈ：補正カムパターン
【００２５】
上記（１１）式より、カムの動作は繰り返しとなる周期制御であるため、原カムパターン（第１のパターン）Ｆ_ｒｅｆにより追従遅れを考慮した補正カムパターンＦ_ｈを算出し、補正カムパターンＦ_ｈを原カムパターンＦ_ｒｅｆに加算して第２のパターンＦ_ｒｅｖを生成し、位相指令に従って位置指令を作成することにより補正位置指令を容易に得ることができる。
【００２６】
上記係数Ｔ_ｐおよび位相Ｄの設定について第２図及び第５によって説明する。第５図は、係数Ｔ_ｐおよび位相Ｄの設定の順序を示すフローチャートである。
まず、初期値として位相Ｄ＝０、係数Ｔ_ｐ＝１、試運転の回数を示す試運転回数フラグ０、位相Ｄの決定フラグ０を入力部（図示せず）から入力してパラメータメモリ２５に記憶する（ステップＳ１０１）。ＣＰＵ１２は、パラメータメモリ２５から位相Ｄ、係数Ｔｐ読み出し（ステップＳ１０３）、今回値Ｃをゼロとする（ステップＳ１０５）。指令部１０から試運転指令を発生して駆動部５０を介してサーボモータ７２を駆動し（ステップＳ１０７）、ＣＰＵ１２はカムが一回転したか否かをエンコーダ７４の角度値をＩ／Ｆ１９から読み込んで判断し（ステップＳ１０９）、まだ一回転していないので、一回転するまでの指令値Ｐ_ｒｅｆと実位置Ｐ_ａとの差（溜りパルス）Ｐ_ｄｉｆを求め、位相Ｄに対応された今回値Ｃを差Ｐ_ｄｉｆと前回値Ｃとの和により求めてパラメータメモリ２５に記憶する（ステップＳ１１１）。
【００２７】
ステップＳ１０９において、ＣＰＵ１２はサーボモータ７２の駆動が継続してエンコーダ７４の角度値をＩ／Ｆ１９から読み込んでカムが一回転したと判断すると（ステップＳ１０９）、指令部１０が試運転停止指令を、駆動部５０を介して与えてサーボモータ７２を停止させる（ステップＳ１１３）。
【００２８】
ＣＰＵ１２は、試運転が初回か判断し（ステップＳ１１５）、試運転回数フラグがゼロであるので、今回値Ｃを最小値Ｃ_ｍｉｎにすると共に、試運転回数フラグをゼロから１にし（ステップＳ１１９）、位相Ｄを、ステップＳ１１９にて今回値Ｃとして設定した最小値Ｃ_ｍｉｎに対応する最適位相Ｄ_ｍとしてパラメータメモリ２５に記憶する（ステップＳ１２０）。ＣＰＵ１２は、位相Ｄが決定済か否かを判断し（ステップＳ１２１）、位相Ｄの決定フラグがゼロであるので、位相Ｄ≧３６０°か否かを判断する（ステップＳ１２３）。まだ、位相Ｄ＜３６０°であるので、ＣＰＵ１２は、今回位相Ｄを前回位相Ｄに予め定められた位相△ｄに加えて作成し、今回位相Ｄをパラメータメモリ２５に記憶する（ステップＳ１２５）。
ＣＰＵ１２は、パラメータメモリ２５から位相Ｄ、係数Ｔ_ｐを読み出し（ステップＳ１０３）、上記のようにステップＳ１０５〜ステップＳ１１３を実行し、試運転が初回か否かを試運転回数フラグにより判断し（ステップＳ１１５）、該フラグが１であるので、最小値Ｃ_ｍｉｎと前回値Ｃとを比較し（ステップＳ１１７）、最小値Ｃ_ｍｉｎ＞今回値Ｃであれば、今回値Ｃを最小値Ｃ_ｍｉｎとし（ステップＳ１１９）、位相Ｄを、ステップＳ１１９にて今回値Ｃとして設定した最小値Ｃ_ｍｉｎに対応する最適位相Ｄ_ｍとしてパラメータメモリ２５に記憶する（ステップＳ１２０）。
【００２９】
一方、ステップＳ１１７において、最小値Ｃ_ｍｉｎ＜今回値Ｃであれば、ＣＰＵ１２は位相Ｄが決定されているか否かを位相Ｄの決定フラグにより判断するが、該フラグがゼロであるので（ステップＳ１３１）、再び、ステップ１２１において位相Ｄが決定されているか判断し（ステップＳ１２１）、決定されていないので、位相Ｄ≧３６０°を判断し（ステップＳ１２３）、まだ、位相Ｄ＜３６０°であるので、今回値Ｄを前回値Ｄと△ｄとの和により求めてパラメータメモリ２５に記憶する（ステップＳ１２５）。
【００３０】
再び、ＣＰＵ１２は、パラメータメモリ２５から位相Ｄ、係数Ｔ_ｐを読み出し（ステップＳ１０３）、位相Ｄ≧３６０°に達するまで上記のようにステップＳ１０５〜ステップＳ１２１を実行し、ＣＰＵ１２は、最も位置指令Ｐ_ｒｅｆと実位置Ｐ_ａとの差が少ない値に対応した最適位相Ｄ_ｍをパラメータメモリ２５に記憶されると共に、位相Ｄの決定フラグを１にする（ＳＴ２７）。
【００３１】
次に、最適位相Ｄ_ｍが決定されたので、最適係数Ｔ_ｐｍを決定する。ＣＰＵ１２は、パラメータメモリ２５から最適位相Ｄ_ｍ、係数Ｔ_ｐを読み出し（ステップＳ１０３）、上記ステップＳ１０３〜Ｓ１１７を実行し、ＣＰＵ１２は、最適位相Ｄ_ｍが決定されているので（ステップＳ１３１）、今回係数Ｔ_ｐを前回係数Ｔ_ｐに予め定められた微小な位相△ｔ_ｐに加えて作成してパラメータメモリ２５に今回係数Ｔ_ｐを記憶する（ステップＳ１２９）。ＣＰＵ１２は上記のようにステップＳ１０３〜ステップＳ１２９を繰り返すことにより、ステップＳ１１７において、ＣＰＵ１２は、最小値Ｃ_ｍｉｎ＞今回値Ｃを判断し、今回値Ｃ＞最小値Ｃ_ｍｉｎであれば、位相Ｄが決定されているか判断し（ステップＳ１３１）、位相Ｄの決定フラグが１であるので、前回係数Ｔ_ｐｍが位置指令Ｐ_ｒｅｆと実位置Ｐ_ａとの差が少ない最適な係数Ｔ_ｐｍとして、前回係数Ｔ_ｐを今回係数Ｔ_ｐ−△ｔ_ｐにより求め（ステップＳ１３３）、最適な係数Ｔ_ｐｍをパラメータメモリ２５に記憶する（ステップＳ１３５）。
【００３２】
上記のようにして設定された最適な位相Ｄ_ｍ，係数Ｔ_ｐｍを用いたサーボ制御システムの動作を第１図によって説明する。
起動指令が発生すると、指令部１０では、原カムパターン発生器１１から原カムパターンを発生して補正器１４に入力し、パラメータ設定器１２から係数Ｔ_ｐ、位相Ｄを読み出して補正器１４に入力し、補正器１４はＰ_ｒｅｆ＋Ｔ_ｐ・Ｐ_ｒｅｆ’（ｔ−ｄ）を演算すると共に、補正パターン（補正値）を出力して位置指令器１６に入力し、位置指令器１６は、カムの位相指令の推移と、補正パターンとに基づいて位置指令を発生し、駆動制御部５０を介してサーボモータ７２を駆動する。
【００３３】
このようしてサーボ制御システム１を動作させた結果を時間対位置の曲線として第６図に示すように、原カムパターンから最適な係数Ｔ_ｐｍ，位相Ｄ_ｍに基づいて作成された位置指令器１４から発生した補正位置指令によれば、原パターンと位相指令とに基づいた原位置指令に対して実位置の軌跡はほぼ等しくなることが確認されたのである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明に係るサーボ制御システム及びその設定方法は、電子カムを制御するものに用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
第１図は、本発明の一実施例を示すサーボ制御システムの全体構成図である。
第２図は、第１図に示すサーボ制御システムの指令部をハードウェアにより示したサーボ制御システムの全体構成図である。
第３図は、第１図に示すサーボ制御システムの指令部を除くサーボ制御系のブロック線図である。
第４図は、速度指令及び実速度の時間曲線である。
第５図は、本発明の一実施例によるパラメータの設定を示すフローチャートである。
第６図は、この実施例による補正位置指令、位置指令、実位置の時間曲線である。
第７図は、従来のサーボ制御システムによる位置指令、実位置対時間の曲線である。

Claims (3)

1. サーボモータによりカム機構相当の動作をさせると共に、位置制御ゲインを有するサーボ制御システムにおいて、
   前記カム機構の一回転に対応する位相に対してカム形状の位置指令となる第１のパターンを発生するパターン発生手段と、
   前記第１のパターンを時間で微分した結果を予め定められた位相だけシフトした値に、前記位置制御ゲインの逆数の次元を有する定数を乗算した値からなる補正パターンを発生する補正手段と、
   前記補正パターンを前記第１のパターンに加算して第２のパターンを生成すると共に、該第２のパターンを用いて前記カム機構の一回転に対応する位相に基づいて前記サーボモータの位置指令を発生する位置指令発生手段と、
   を備えたことを特徴とするサーボ制御システム。
2. 予め前記定数の値を設定し、予め定められた前記位相の値を僅かずつ増加させて前記サーボモータの位置と前記位置指令発生手段の位置指令との差が小さくなる値を、前記位相の最適値として記憶手段に記憶する第１のステップを実行した後、
   予め前記定数の値を僅かずつ増加させて前記サーボモータの位置と前記位置指令発生手段の位置指令との差が小さくなる値を、前記定数の最適値として記憶手段に記憶する第２のステップを実行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御システムの設定方法。
3. 前記定数は、前記サーボシステムにおける位置制御ゲインの逆数である、ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御システム。

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