JPH04308489A - サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機械系の物理諸元が変
更されても、オートチューニング機能により常に一定の
性能が保たれるように構成されたサーボ制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のサーボ制御装置にあっては、機械
系の物理諸元が一定であることを前提として、チューニ
ングを行なう構成となっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く構成された
従来装置では、物理諸元が変更された場合は、現場にお
いて再度応答状態を計測しながら、調整を進めていかね
ばならず、多くの時間と労力を要する欠点があった。

【０００４】本発明の目的は、たとえ機械系の物理諸元
が変更されても、上記諸元に応じて各制御部の制御ゲイ
ンが常に最適な状態にオートチューニングされる機能を
備えたサーボ制御装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明においては次のような手段を講
じた。

【０００６】すなわち、速度信号の目標値Ｓ２および実
測値Ｓ１６を入力し、サーボ装置へフィードバック信号
Ｓ１４を出力するフィードバック制御部９と、前記速度
信号の目標値Ｓ２および加速度信号の目標値Ｓ３を入力
し、前記サーボ装置へフィードフォワード信号Ｓ１１を
出力するフィードフォワード制御部７と、前記サーボ装
置の入力値Ｓ１５および速度信号の実測値Ｓ１６を入力
して前記サーボ装置へ外乱補償信号Ｓ６を出力する外乱
補償部５とを有するサーボ制御装置に於て、前記速度信
号の目標値Ｓ２と前記加速度信号の目標値Ｓ３と前記外
乱補償信号Ｓ６とを入力し、前記サーボ装置の慣性モー
メントＪ，粘性計数Ｄを同定し、その結果を前記フィー
ドフォワード制御部７，前記外乱補償部５へパラメータ
として出力するパラメータ同定部４と、このパラメータ
同定部４にて同定された慣性モーメントＪ，粘性係数Ｄ
に基づいて、前記フィードバック制御部９のゲインを求
め、その求めたゲインを上記フィードバック制御部９へ
出力するフィードバックゲイン計算部８と、を備えるよ
うにした。

【０００７】

【作用】上記手段を講じた結果、次のような作用が生じ
る。機械系の物理諸元が変更された時点で新しい諸元が
パラメータ同定部４にて推定され、その推定値に基づい
てフィードフォワード制御部７，外乱補償部５，フィー
ドバックゲイン計算部８でそれぞれ各諸元に応じた新し
い制御ゲインが自動的にセットされる。かくして機械系
の物理諸元が変更されても、常に最適な制御系を保てる
ことになる。

【０００８】なお上記した「解決手段」の項で記述した
符号Ｓ２などは、記述を簡明化するために用いた略式符
号である。以下説明する実施例においても、同様の趣旨
から略式符号を適時用いることにする。

【０００９】下記に示す表１は略式符号と正式符号との
対照表である。

【００１０】

【表１】

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係るサーボ制御
装置の構成を示すブロック図である。図１の左端に示す
三端子には台形波速度パターンの位置，速度，加速度指
令が与えられる。すなわちＳ１は位置信号の目標値であ
り、Ｓ２は速度信号の目標値であり、Ｓ３は加速度信号
の目標値である。４はパラメータ同定部であり、これに
は上記速度信号の目標値Ｓ２，加速度信号の目標値Ｓ３
，そして外乱補償部５の出力である外乱補償信号（外乱
推定値）Ｓ６が入力される。パラメータ同定部４の出力
信号Ｓ１２は、外乱補償部５，フィードフォワード制御
部７，フィードバックゲイン計算部８，に入力される。

【００１２】フィードフォワード制御部７は前記パラメ
ータ同定部４の出力信号Ｓ１２と、前記速度信号の目標
値Ｓ２と、前記加速度信号の目標値Ｓ３とを入力し、ト
ルク指令としてのフィードフォワード信号Ｓ１１を出力
する。

【００１３】フィードバックゲイン計算部８は、制御系
の目標特性Ｓ１８と、前記パラメータ同定部４の出力信
号Ｓ１２とを入力し、出力信号Ｓ１３を出力する。この
出力信号Ｓ１３はフィードバック制御部９に入力する。

【００１４】外乱補償部５も前記パラメータ同定部４の
出力信号Ｓ１２を入力し、後述する図２に示す内部演算
を行ない、外乱補償信号Ｓ６を出力する。この外乱補償
信号Ｓ６は、加減算器１０およびパラメータ同定部４に
入力する。

【００１５】フィードバック制御部９は、フィードバッ
クゲイン計算部８の出力信号Ｓ１３をゲインとして読み
込み、後述する図９に示す内部演算を実行する。フィー
ドバック制御部９の出力信号Ｓ１４は、前記加減算器１
０に加算入力として与えられる。加減算器１０は上記信
号Ｓ１４のほかにフィードフォワード制御部７の出力Ｓ
１１も入力し、出力信号Ｓ１５を出力する。この出力信
号Ｓ１５は制御対象である位置決め機械１９にトルク入
力として供給される。

【００１６】このようにパラメータ同定部４から新しい
パラメータを示す出力信号Ｓ１２が出力されると、これ
に基づいて各制御部は自からのゲインを変更する如く、
オートチューニング動作する。

【００１７】次に各制御部の詳細な内容について説明す
る。外乱補償部５，パラメータ同定部４，フィードフォ
ワード制御部７，フィードバックゲイン計算部８，フィ
ードバック制御部９の順に説明する。

【００１８】「外乱補償部５について」外乱補償部５の
役割は、サーボ系に働く未知のトルク外乱を推定し、こ
れをフィードバックしてトルク外乱をキャンセルするも
のである。このために、外乱オブザーバが利用される。 外乱オブザーバは、以下の手順で求められる。

【００１９】剛体系の運動方程式は［数１］の（１）　
式で表される。（１）　式のＪは慣性モーメントであり
、ωは角速度であり、Ｄは粘性係数であり、Ｕは発生ト
ルクであり、ｄは外乱トルクである。

【００２０】外乱トルクｄのみを推定するオブザーバは
、推定に要する時定数をＴ０　とすると、［数１］の（
２）　式に示すラプラス変換式で表される。

【００２１】ここで正確に外乱を求めるためには、Ｊ＝
Ｊ０　でなければならない。このように外乱補償部５は
、角速度ωと発生トルクＵとを入力して、推定外乱（山
付きのｄ）を出力する機能を有する。

【００２２】図２は外乱補償部５の構成を示すプロック
図である。

【００２３】「パラメータ同定部４について」（１）　
式の外乱は、マシニングセンタのＺ軸のように、一定の
負荷重量がかかるものや、クーロン摩擦のように速度の
向きに応じて力の方向が変わるものがある。外乱ｄは、
［数１］の（３）　式のようになる。

【００２４】図３は制御対象である位置決め機械１９の
構成を示すブロック図である。図示の如く位置決め機械
１９においては、定常外乱Ｓ１９およびクーロン摩擦３
７が働く。

【００２５】（３）　式の外乱をオブザーバで推定する
と、［数１］の（４）　式のようになる。そこで、（１
）　式をＵについて解いたものを（４）　式に代入し、
さらに（３）　式を代入すると、［数１］の（５）　式
が得られる。

【００２６】ここでＪ−Ｊ０　＝ΔＪ，Ｄ−Ｄ０　＝Δ
Ｄとすると、（５）　式は［数１］の（６）　式のよう
になる。（６）　式により、誤差ΔＪ，ΔＤがあると、
外乱推定値にパラメータの誤差の影響が現れることが分
かる。これを利用して、機械系のパラメータが変化して
もその変化分ΔＪ，ΔＤを求め、Ｊ０　←Ｊ０　＋ΔＪ
，Ｄ０　←Ｄ０　＋ΔＤとすることでパラメータは又、
真の値になる（パラメータ同定）。

【００２７】以下、ΔＪ，ΔＤの求め方を示す。

【００２８】サーボ系を台形波速度パターンでサーボ駆
動する。このとき、サーボ系には、（３）　式の外乱が
働く。

【００２９】図４は、（６）　式の説明図であり、外乱
推定までの台形波パターンで得られる各状態量を示す図
である。位置，速度，加速度の指令をＳ１，Ｓ２，Ｓ３
とする。このときサーボ駆動では、Ｓ１とθとが略等し
く、Ｓ２とωとが略等しく、Ｓ３とＳ３３（ドット付き
ω）とが略等しいという条件が成立するものと仮定する
。また各状態の過渡特性は無視できるものとする。時間
区間Ａ〜Ｆの大きさをＴＡ　〜ＴＦ　とする。各区間で
の推定値の平均をｄＡ　〜ｄＦ　とすると、［数１］の
（７）式〜（１２）式が得られる。

【００３０】

【数１】 ここでｄＡ　〜ｄＦ　は、それぞれ［数１］の（１３）
式によって計算する。以上のことからΔＪ，ΔＤは［数
２］の（１４）式で求まる。

【００３１】この様にパラメータ同定部は、角速度指令
，角加速度指令（または角速度，角加速度）、および外
乱推定値を入力して、パラメータ推定値Ｊ０，Ｄ０　を
出力する機能を有する。

【００３２】図５および図６はパラメータ同定部４の処
理フローを示す図である。図５および図６に示すように
、ステップ２７で入力を行ない、ステップ２８で経過時
間に応じてＡ〜Ｆの演算を選択する。同定のための演算
を終えると、ステップ２９で終了時間に達したか否かを
チェックし達していなかったら、ステップ２７に戻る達
していたら、ステップ３０のパラメータ誤差計算を行な
い、ステップ３１でパラメータを修正して終了する。 この出力値が第１図に示した出力信号Ｓ１２である。

【００３３】「フィードフォワード制御部７について」
フィードフォワード制御部７では、速度信号の目標値（
速度指令）Ｓ２，加速度信号の目標値（加速度指令）Ｓ
３，パラメータ同定部出力（パラメータ推定値）Ｓ１２
を入力し、フィードフォワード信号（トルク指令）Ｓ１
１と［数２］の（１５）式に示す速度信号の目標値（速
度指令）Ｓ２とが出力される。これにより、パラメータ
推定値が更新されると、それに応じてフィードフォワー
ド制御部も調整される。

【００３４】図７はフィードフォワード制御部７の構成
を示すブロック図である。図７に示す如く、パラメータ
同定部４の出力信号Ｓ１２が直接フィードフォワードゲ
インとしてプリセットされる。計算は前記（１５）式で
行なわれ、出力信号Ｓ１１を出力する。

【００３５】

【数２】 「フィードバックゲイン計算部８について」フィードバ
ックゲインは、パラメータ同定部出力信号Ｓ１２である
パラメータ推定値に基づいて計算される。制御系の目標
特性を、［数２］の（１６）式に示す通りのものとする
。ここでωｃ　は制御帯域、ξはダンピングを表す。ω
ｃ　およびξをパラメータの変更とは関係なく常に一定
に保つために、位置制御ゲインＫｐ，速度制御ゲインＫ
ｖをＪ０　，Ｄ０　　　に基づいて変更する。

【００３６】図８は、比較の為に示した既存のサーボ装
置のフィードバック制御系のみを示す図である。この制
御系の目標特性は、［数２］の（１７）式に示す通りの
ものである。この（１７）式と前記（１６）式とから、
Ｋｐ，Ｋｖについて解き、さらにＪ，ＤをＪ０　，Ｄ０
　に置き換えると、パラメータ変更値に対応した各ゲイ
ンが［数２］の（１８）式，（１９）式により計算され
る。

【００３７】フィードバックゲイン計算部８は、制御系
の目標特性ξｃ　，ωｃ　と、パラメータ推定値Ｊ０　
，Ｄ０　を入力し、位置，速度制御ゲインＫｐ，Ｋｖを
出力する。

【００３８】「フィードバック制御部９について」図９
はフィードバック制御部９の構成を示すブロック図であ
る。図示の如く、位置と速度のフィードバック系を含む
構成となっている。計算は［数２］の（２０）式にて行
なわれる。θはフィードバック位置信号である。フィー
ドバック制御部９は位置，速度信号の目標値Ｓ１，Ｓ２
と、位置，速度フィードバック信号θ，ωと、位置，速
度制御ゲインＫｐ，Ｋｖとを入力し、フィードバック信
号Ｓ１４（補正指令ＵＦＢ）を出力する。

【００３９】以上説明した本実施例によれば、次のよう
な作用効果を奏する。パラメータ同定部４により、パラ
メータが変更されても、変化しその分を推定し、元のパ
ラメータを修正して推定値Ｊ０　，Ｄ０　を出力するの
で、各制御部すなわちフィードフォワード制御部７，外
乱補償部５，フィードバックゲイン計算部８，フィード
バック制御部９，はその修正値に対応した最適な制御ゲ
インをセットする。このため、パラメータ変更があって
も、常に最適状態に系をチューニングできる。

【００４０】図１０は上記効果を示すシミュレーション
図である。図示の如く時点ｔ０　でパラメータが変更さ
れると、オートチューニング前の期間においては偏差が
大きくなっている。しかるに時点ｔ１　にてオートチュ
ーニングが開始された後の期間においては、偏差が著し
く小さくなっている。

【００４１】なお本発明は本実施例に限定されるもので
はない。例えば上記実施例では本発明を回転系に適用し
た例を示したが、［数２］の（２１）〜（２４）に示す
ような直線系にも適用可能である。なおｘは位置、Ｍは
質量、Ｄは粘性抵抗、ｄは外乱、Ｆｃはクーロン摩擦、
ｕは力である。このほか本発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々変形実施可能であるのは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、たとえ機械系の物理諸
元が変更されても、パラメータ同定部においてその変更
分に応じたパラメータの修正が行なわれて修正値が出力
されるので、各制御部においては上記修正値に対応した
最適制御ゲインが設定されることになる。かくして、上
記諸元に応じて各制御部の制御ゲインが常に最適な状態
にオートチューニングされる機能を備えたサーボ装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るサーボ制御装置の構成
を示すブロック図。

【図２】同実施例に係る外乱補償部の構成を示すブロッ
ク図。

【図３】同実施例に係る位置決め機械の構成を示すブロ
ック図。

【図４】同実施例に係る外乱推定までの台形波パターン
で得られる各状態量を示す図。

【図５】同実施例に係るパラメータ同定部の処理フロー
の一部を示す図。

【図６】同実施例に係るパラメータ同定部の処理フロー
の他部を示す図。

【図７】同実施例に係るフィードフォワード制御部の構
成を示すブロック図。

【図８】一般のサーボ装置のフィードバック制御系のみ
を示す図。

【図９】同実施例に係るフィードバック制御部の構成を
示すブロック図。

【図１０】同実施例に係る作用効果を示す図。

【符号の説明】

Ｓ１…位置信号の目標値（位置指令）、Ｓ２…速度信号
の目標値（速度指令）、Ｓ３…加速度信号の目標値（加
速度指令）、Ｓ６…外乱補償信号（外乱推定値）Ｓ１１
…フィードフォワード信号（トルク指令）、Ｓ１２…パ
ラメータ同定部出力信号（推定値）、Ｓ１３…フィード
バックゲイン計算部出力信号、Ｓ１４…フィードバック
信号（補正指令）、Ｓ１５…加減算器の出力信号（トル
ク信号）、Ｓ１６…速度信号の実測値、Ｓ１７…フィー
ドバック位置信号、Ｓ１８…制御系の目標特性、Ｓ１９
…定常外乱。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　速度信号の目標値および実測値を入力
   し、サーボ装置へフィードバック信号を出力するフィー
   ドバック制御部と、前記速度信号の目標値および加速度
   信号の目標値を入力し、前記サーボ装置へフィードフォ
   ワード信号を出力するフィードフォワード制御部と、前
   記サーボ装置の入力値および速度信号の実測値を入力し
   て前記サーボ装置へ外乱補償信号を出力する外乱補償部
   とを有するサーボ制御装置において、前記速度信号の目
   標値と前記加速度信号の目標値と前記外乱補償信号とを
   入力し、前記サーボ装置の慣性モーメント，粘性計数を
   同定し、その結果を前記フィードフォワード制御部，前
   記外乱補償部へパラメータとして出力するパラメータ同
   定部と、このパラメータ同定部にて同定された慣性モー
   メント，粘性係数に基づいて、前記フィードバック制御
   部のゲインを求め、その求めたゲインを上記フィードバ
   ック制御部へ出力するフィードバックゲイン計算部と、
   を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。