JP5532784B2

JP5532784B2 - サーボ制御装置

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Publication number: JP5532784B2
Application number: JP2009215883A
Authority: JP
Inventors: 潤一石井
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: JP2011067016A

Description

この発明は、電子カム応用機械などに供されるサーボ制御装置での位置決めのための位相制御に関し、特に、該サーボ制御装置の追従遅れを補正するサーボ制御装置に関する。

電子カム応用機械などでは、位置決めに用いられるサーボ制御装置に進角制御と称される位相進め回路を付加することにより、制御系の遅れを補正し、位置指令値と位置検出値との差である位置偏差を低減することが知られている。

図９は、下記特許文献の回路構成を含む、この種のサーボ制御装置の従来例を示す回路構成であり、１１は後述の進角補正回路、１２は加算演算器、１３は後述の位置パターン発生器である。また、１４は位置パターン発生器１３から出力される位置指令値と、サーボモータ２１の出力軸に連結されたパルスジェネレータ２２が出力するシリアルパルスとを入力し、このシリアルパルスの積算値と前記位置指令値との偏差を零にする調節演算を行い、この調節演算した結果をサーボモータ２１への速度指令値として出力する位置調節器である。１５は前記速度指令値とシリアルパルスとを入力し、このシリアルパルスに基づくサーボモータ２１の速度検出値との偏差を零にする調節演算を行い、さらに、この調節演算した結果に基づくベクトル制御演算を行って、電力変換器１６への電圧指令値を出力する速度調節器である。

すなわち、インバータなどで形成される電力変換器１６は前記電圧指令値に対応した振幅・周波数の交流電圧を出力し、この交流電圧でサーボモータ２１が可変速駆動される。

図１０は、図９に示した位置パターン発生器１３の動作例を示す特性図である。

この図は、位相指令値の1周期に対し、S字加速〜速度一定〜S字減速のシーケンスによって、位置パターンｆ（θ）が０度から３６０度まで1回転するものである。また、図中の速度パターンは、位置パターンを微分したものである。ここで、速度パターンの加減速区間をS字とするのは、サーボモータ２１が加減速時に負荷としての機械に加わるショックを低減する目的で使われる周知の技術である。

なお図１０では、位相指令値の角速度ωは、ω＝１２０°／ｓｅｃ、つまり3秒で1周期の時間波形としてグラフ化している。

図１１は、図９に示した従来のサーボ制御装置を、伝達関数で表現したブロック線図であり、この図においては、図９に示した進角補正回路１１が位置パターン発生器１３の後に設置されているが、進角補正回路１１での位相を進ませる補正処理を、位置パターン発生器１３の後で行うか、前で行うかは、補正する単位の取り方に依存した単なる係数倍の比例関係にあることが知られている。

すなわち、図１１では、後述の実施例の説明との関連で、位相指令値θを元に、位置パターン発生器１３により発生された進角補正のない位置指令値ｘ^*を、進角補正回路１１により位相を進ませた位置指令値ｘ^**にしている。

進角補正回路１１の伝達関数ｅｘｐ（ｓＴｄ）は、一般にムダ時間要素として知られる伝達関数ｅｘｐ（−ｓＬ）の、遅れ時間Lの極性をマイナスとしたもので、時間波形を全体的に時間Ｔｄだけ進める効果があることを示す。

位置制御系は、位置指令値ｘ^**から位置フィードバックｘに至るまでの位置調節器１４、速度調節器１５、電力変換器１６、サーボモータ２１、サーボモータ２１で駆動される機械の慣性などをまとめて、一次遅れの伝達関数で表現している。

下記特許文献では、前記位置制御系の遅れ時間Ｔｄを、サーボモータ２１の速度一定状態において、ペンレコーダ波形から読取る、或いは、サーボ制御装置内でのサンプルデータから自動的に計算する、などの方法で測定し、それを位相進め量に反映して、制御系の追従遅れを補正することが行われている。

特開平８−５０５０３号公報

しかし、上記特許文献に記載されている従来技術の進角制御を用いた補正では、制御系の遅れの補正が、後述の如く、過剰となる要素があるために、所望の位置パターン通りの位置指令値とならず、位置が正しく制御されない恐れがあった。このことにより、例えばプレス機などでは加工精度の悪化を招くことがあった。

すなわち、従来の進角補正による遅れ補正では、過剰な補正項が含まれることを、図１１に示したブロック線図に基づいて説明する。

進角補正回路１１の伝達関数ｅｘｐ（ｓＴｄ）をマクローリン展開により、ｓの多項式に展開すると、
［数１］
ｅｘｐ（ｓＴｄ）
＝１＋ｓＴｄ＋（１／２）ｓ²（Ｔｄ）²＋（１／６）ｓ³（Ｔｄ）³＋・・・
と表せることを利用すると、図１１に示したブロック線図は、図１２に示すブロック線図となり、さらに図１３に示すブロック線図となる。すなわち、図１３のブロック線図の意味するところは、位置指令値ｘ^*に対し、位置フィードバックｘとしての位置検出値の誤差Δｘは、
［数２］
Δｘ
＝｛（１／２）ｓ²（Ｔｄ）²＋（１／６）ｓ³（Ｔｄ）³＋・・・｝
×｛１／（１＋ｓＴｄ）｝
と表わされる。すなわち、この分だけの位置ずれが生じるということである。

上記数２式の右辺のうち、１／（１＋ｓＴｄ）は前記位置制御系の遅れモデルであるので、残りの｛（１／２）ｓ²（Ｔｄ）²＋（１／６）ｓ³（Ｔｄ）³＋・・・｝を、過剰補正項と称している。

この過剰補正項は、ｓの２次以上の多項式であるので、特殊な場合として、位置指令値ｘ ^*が速度一定のパターンである場合に限っては、この位置指令値では２階以上の微分値が０となることから、このときの過剰補正項の出力も零となり、位置指令値ｘ ^*と位置フィードバックｘとは一致する。上記特許文献による従来例で、サーボモータ２１の速度一定状態にて計測した遅れ時間Ｔｄにより、位置偏差がキャンセルされるのはこの理由による。しかし一般的に、位置指令値ｘ^*にはサーボモータ２１の加減速状態を含むので、前記過剰補正項により、位置指令値ｘ^*と位置フィードバックｘとの間にずれが発生し、従って、追従遅れが生ずる。

この発明の目的は、上記問題点を解消しつつ、電子カム応用機械などに供されるサーボ制御装置の追従遅れを補正する際に、従来よりも高精度に補正できるサーボ制御装置を提供することにある。

第１の発明は、指令される位相指令値の関数として予め定義された位置パターンに対して、前記位相指令値の位相を進める補正を行って得られた位置指令値に従って位置制御をするサーボ制御装置において、
前記位置パターンの２階微分値に係数を乗じた第1補正量と、該位置パターンの３階微分値に係数を乗じた第２補正量とを導出し、前記第１補正量、第２補正量それぞれの絶対値と、予め定めた上限値とを比較演算し、この上限値以下の前記第１補正量、第２補正量の何れか又は双方を前記位置指令値に加算演算した値を新たな位置指令値とする過剰補正消去手段を備えたことを特徴とする。

さらに第２の発明は、前記サーボ制御装置において、
前記位置パターンの２階微分値に係数を乗じた第1補正量と、該位置パターンの３階微分値に係数を乗じた第２補正量とを導出し、前記第１補正量、第２補正量それぞれの絶対値と、予め定めた下限値とを比較演算し、この下限値以上の前記第１補正量、第２補正量の何れか又は双方を前記位置指令値に加算演算した値を新たな位置指令値とする過剰補正消去手段を備えたことを特徴とする。

この本発明によれば、サーボ制御装置における位相遅れを補正する手段としての進角制御において、この進角制御に含まれる過剰補正項を打ち消すための過剰補正消去手段を備えることで、従来のサーボ制御装置より、位置偏差を低減したサーボ制御装置を構成することができる。

また、位置パターンの形状を判定することにより、位置制御系内の操作量(例えば、サーボモータへのトルク指令値)が、過剰補正消去手段の動作により、過大になることを防止できるサーボ制御装置を構成することができる。さらに、デジタル制御を行うサーボ制御装置に生じるデジタルノイズの位置指令値への重畳を防止することができる。

この発明の第1の実施の形態を示すサーボ制御装置の回路構成図この発明の第２の実施の形態を示すサーボ制御装置の回路構成図この発明の第１の実施例を示すブロック線図図３の動作を説明するブロック線図図３に示した補正項出力の例を示す特性図図３に示した位置偏差の数値計算結果の特性図この発明の第２の実施例を示すブロック線図この発明の第３の実施例を示すブロック線図従来例を示すサーボ制御装置の回路構成図図９に示した位置パターン発生器の動作例を示す特性図図９の動作を説明するブロック線図図９の動作を説明するブロック線図図９の動作を説明するブロック線図

図１は、この発明の第１の実施の形態を示すサーボ制御装置の回路構成図であり、この図において、図９に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。

すなわち、図１に示したこの発明のサーボ制御装置が、図９に示した従来のサーボ制御装置と異なる点は、進角補正回路１１と加算演算器１２とを省略し、省略した進角補正回路１１と等価な機能を有する進角補正回路１１ａを位置パターン発生器１３の出力側に設置し、さらに、このサーボ制御装置では、過剰補正消去手段としての過剰補正量演算器３１，３２，３３の何れかと加算演算器３４とが追加装備され、この加算演算器３４により、進角補正回路１１ａの出力値と過剰補正量演算器３１，３２，３３の何れかの出力値との加算演算した値を新たな位置指令値ｘ^***としていることである。

このような構成において、上位コントローラ等から指令される位相指令値θが位置パターン発生器１３に入力されると、位相指令値の関数として予め定義された進角補正のない位置指令値ｘ^*（位置パターン）を出力し、進角補正回路１１ａにより位相を進ませた位置指令値ｘ^**を出力する。一方、進角補正のない位置指令値ｘ^*は、過剰補正量演算器３１（または３２，３３）に入力され、進角補正のない位置指令値ｘ^*の２階微分値に係数を乗じた第1補正量と、位置指令値ｘ^*の３階微分値に係数を乗じた第２補正量とを導出する。この第1補正量と第２補正量は、加算演算器３４により位相を進ませた位置指令値ｘ^**と加算演算されて新たな位置指令値ｘ^***となり、この新たな位置指令値ｘ^***が位置調節器１４に入力される。

そして、位置調節器１４では、位置パターン発生器１３から出力される位置指令値ｘ^***と、サーボモータ２１の出力軸に連結されたパルスジェネレータ２２が出力するシリアルパルスとを入力し、このシリアルパルスの積算値と前記位置指令値との偏差を零にする調節演算を行い、この調節演算した結果をサーボモータ２１への速度指令値ｖ^*として出力する。速度調節器１５では、速度指令値ｖ^*とパルスジェネレータ２２が出力するシリアルパルスとを入力し、このシリアルパルスに基づくサーボモータ２１の速度検出値との偏差を零にする調節演算を行い、さらに、この調節演算した結果に基づくベクトル制御演算を行って、電力変換器１６への電圧指令値を出力する。電力変換器１６は、前記電圧指令値に対応した振幅・周波数の交流電圧を出力し、この交流電圧でサーボモータ２１が可変速駆動する。なお、上記では、位置および速度の検出用としてパルスジェネレータ２２を使用した場合を例に挙げて説明しているが、パルスジェネレータ２２に代えてアブソリュート型エンコーダ等を用いてもよい。

図２は、この発明の第２の実施の形態を示すサーボ制御装置の回路構成図であり、この図において、図９に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。

すなわち、図２に示したこの発明のサーボ制御装置が、図９に示した従来のサーボ制御装置と異なる点は、図２に示したこの発明のサーボ制御装置には、過剰補正消去手段としての過剰補正量演算器３１，３２ａ，３３ａの何れかと加算演算器３４とが追加され、この加算演算器３４により、位置パターン発生器１３の出力である位相を進ませた位置指令値ｘ^**と、過剰補正量演算器３１ａ，３２ａ，３３ａの何れかの出力値との加算演算した値を新たな位置指令値ｘ^***としていることである。

このような構成において、上位コントローラ等から指令される位相指令値θに対して進角補正回路１１および加算演算器１２により位相を進ませる補正処理を行い、この位相を進ませた位相指令値が位置パターン発生器１３に入力される。位置パターン発生器１３では、位相指令値の関数として予め定義された位相を進ませた位置指令値ｘ^**を出力する。一方、進角補正のない位相指令値θは、過剰補正量演算器３１ａ（または３２ａ，３３ａ）に入力され、位相指令値の関数として予め定義された進角補正のない位置指令値ｘ^*（位置パターン）を演算するとともに、この進角補正のない位置指令値ｘ^*の２階微分値に係数を乗じた第1補正量と、位置指令値ｘ^*の３階微分値に係数を乗じた第２補正量とを導出する。この第1補正量と第２補正量は、加算演算器３４により位相を進ませた位置指令値ｘ^**と加算演算されて新たな位置指令値ｘ^***となり、この新たな位置指令値ｘ^***が位置調節器１４に入力される。以降は、図１と同様に電力変換器１６が前記電圧指令値に対応した振幅・周波数の交流電圧を出力し、この交流電圧でサーボモータ２１が可変速駆動する。

従って、このように図２に示したこの発明の第２の実施の形態のサーボ制御装置においては、過剰補正量演算器３１ａ，３２ａ，３３ａそれぞれは、位相指令値θが直接入力されたときの位置パターンｆ（θ）に基づいた演算を行う必要がある。

なお、位相指令値θの位相を進ませる補正処理を、位置パターン発生器１３の後で行うか（図1の回路構成参照）、前で行うか（図２の回路構成参照）の間には、先述の如く、補正する単位の取り方に依存した単なる係数倍の比例関係にあることから、位相指令値θの位相を進ませる補正処理を、位置パターン発生器１３の前後のいずれで行っても本発明は適応可能である。

図３は、この発明の第１の実施例として、図１に示したサーボ制御装置における過剰補正消去手段としての過剰補正量演算器３１と加算演算器３４とが追加されたときのサーボ制御装置を、伝達関数で表現したブロック線図である。

すなわち、図３に示したブロック線図が、図１１に示した従来のサーボ制御装置に基づくブロック線図と異なる点は、過剰補正量演算器３１としての加速度項４１と加加速度項４２とこれらを加算する加算演算器４３と、加算演算器３４とが追加装備されていることである。

この加速度項４１は進角補正のない位置指令値ｘ^*（位置パターン）の２階微分に基づく値（図３参照）であり、加加速度項４２は進角補正のない位置指令値ｘ^*（位置パターン）の３階微分に基づく値（図３参照）であり、図３に示した係数Ｋ₂およびＫ₃は、このサーボ制御装置を、ディジタルコントローラで構成した際に、演算誤差などによる補正のずれを調整するために設けた係数であり、理論上は１となる。また、図３に示した係数Ｔｄは、進角補正項（図３参照）での時定数Ｔｄであるので、従来の進角補正の調整で得られた値を流用すればよい。

図４は、図３に示したブロック線図を、マクローリン展開によりｓの多項式に展開して表したブロック線図であり、この図においては、係数Ｋ₂およびＫ₃は１としている。

この図４に示したブロック線図から明らかなように、過剰補正項の加速度項（２階微分値）と加加速度項（３階微分値）とは、過剰補正量演算器３１での二つの補正項により相殺される。その結果、従来のサーボ制御装置より、位置偏差を低減したサーボ制御装置になっている。なお、過剰補正項のうち、４次以上の項の影響は、一般に無視してよい。

図５は、過剰補正量演算器３１から出力される補正値の大きさを示す特性図である。

この図では、数値計算の仮定として、位置パターン発生器１３が出力する位置パターンｆ（θ）は、図１０に示したように、位相指令値θの角速度ω＝１２０°／ｓｅｃ（つまり3秒1周期）、位置指令の分解能３７ｂｉｔ、制御演算周期２５０μｓｅｃ、位置制御系の遅れＴｄ＝０．１ｓｅｃ、として計算を行ったものである。この設定条件下では、加速度項として最大１°、加加速度項として最大約０．２°の補正値が出力されている。

図６は、上記第1の実施例の回路構成による、位置偏差低減効果を示した図であり、このときの補正量は、図４に示した過剰補正量演算器３１から出力される補正値であり、図５に示した値と同じにしている。

この特性図から明らかなように、従来のサーボ制御装置では位置偏差が最大１°であったものが、この発明の第1の実施例のサーボ制御装置では、最大約０．１°に位置偏差が低減することができる。

なお図６に示した特性図では、遅れ時間Ｔｄ＝０．１ｓｅｃと仮定して、補償効果の大きいことを説明したが、市販されている汎用のサーボ制御装置の中には、遅れ時間とほぼ等価の整定時間が数ミリｓｅｃといった高速応答性能を有するものもあり、このような高速応答性能のサーボ制御装置では、この発明を用いる効果は少ない。

しかしながら、前記高速応答性能のサーボ制御装置は相対的に高価であり、従って、この発明によるサーボ制御装置は、安価で、且つ、応答性能も高くないサーボ制御装置に適用することにより、位置偏差を低減する効果を実現することができる。例えば、高速応答性能が必要とする多軸制御用のサーボ制御装置に、この発明のサーボ制御装置を用いることが可能となり、その結果、安価な多軸制御用のサーボ制御装置を提供することができる。

図７は、この発明の第２の実施例として、図１に示したサーボ制御装置における過剰補正消去手段としての過剰補正量演算器３２と加算演算器３４とが追加されたときのサーボ制御装置を、伝達関数で表現したブロック線図である。

すなわち、図７に示したブロック線図が、図３に示した第１の実施例のサーボ制御装置に基づくブロック線図と異なる点は、加速度項４１と加加速度項４２と加算演算器４３の他に、形状判定回路４４とその接点４４ａ，４４ｂとを備えていることである。

この形状判定回路４４では、位置パターン発生器１３の出力値から加速度項４１，加加速度項４２それぞれに相当する値を求め、さらにこれらの値の絶対値をそれぞれ求め、これらの絶対値を予め定めた上限値と比較演算し、この上限値以下の側の接点４４ａ，４４ｂを閉路する動作を行い、この閉路する動作により、加速度項４１，加加速度項４２の何れか、または双方が過剰補正量演算器３２から出力されるようにしている。

すなわち、前記上限値を超えたことに起因して、位置制御系内の操作量(例えば、サーボモータのトルク指令値)が過大になることを防止するようにしている。

なお、形状判定回路４４の動作は、位置パターンｆ（θ）が変更される毎に行い、次の変更までは、接点４４ａ，４４ｂの状態を保持すればよい。

図８は、この発明の第３の実施例として、図１に示したサーボ制御装置における過剰補正量演算器３３と加算演算器３４とが追加されたときのサーボ制御装置を、伝達関数で表現したブロック線図である。

すなわち、図８に示したブロック線図が、図３に示した第１の実施例のサーボ制御装置に基づくブロック線図と異なる点は、加速度項４１と加加速度項４２と加算演算器４３の他に、形状判定回路４５とその接点４５ａ，４５ｂとを備えていることである。

この形状判定回路４５では、位置パターン発生器１３の出力値から加速度項４１，加加速度項４２それぞれに相当する値を求め、さらにこれらの値の絶対値をそれぞれ求め、これらの絶対値を予め定めた下限値と比較演算し、この上限値以上の側の接点４５ａ，４５ｂを閉路する動作を行い、この閉路する動作により、加速度項４１，加加速度項４２の何れか、または双方が過剰補正量演算器３３から出力されるようにしている。

すなわち、前記下限値未満のときには、補正の効果が小さいものと判断している。その結果、デジタル制御を行うサーボ制御装置に生じるデジタルノイズの位置指令値への重畳を防止することができる。このデジタルノイズにより、例えば図５に示したように、加加速度項の線幅が太くなる如く、加加速度項に高周波の振動成分が生ずる。

なお、形状判定回路４５の動作は、位置パターンｆ（θ）が変更される毎に行い、次の変更までは、接点４５ａ，４５ｂの状態を保持すればよい。

１１…進角補正回路、１２…加算演算器、１３…位置パターン発生器、１４…位置調節器、１５…速度調節器、１６…電力変換器、２１…サーボモータ、２２…パルスジェネレータ、３１，３２，３３…過剰補正量演算器、３４…加算演算器、４４，４５…形状判定回路。

Claims

指令される位相指令値の関数として予め定義された位置パターンに対して、前記位相指令値の位相を進める補正を行って得られた位置指令値に従って位置制御をするサーボ制御装置において、
前記位置パターンの２階微分値に係数を乗じた第１補正量と、該位置パターンの３階微分値に係数を乗じた第２補正量とを導出し、
前記第１補正量、第２補正量それぞれの絶対値と、予め定めた上限値とを比較演算し、この上限値以下の前記第１補正量、第２補正量の何れか又は双方を前記位置指令値に加算演算した値を新たな位置指令値とする過剰補正消去手段を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
指令される位相指令値の関数として予め定義された位置パターンに対して、前記位相指令値の位相を進める補正を行って得られた位置指令値に従って位置制御をするサーボ制御装置において、
前記位置パターンの２階微分値に係数を乗じた第１補正量と、該位置パターンの３階微分値に係数を乗じた第２補正量とを導出し、
前記第１補正量、第２補正量それぞれの絶対値と、予め定めた下限値とを比較演算し、この下限値以上の前記第１補正量、第２補正量の何れか又は双方を前記位置指令値に加算演算した値を新たな位置指令値とする過剰補正消去手段を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。