JP3906480B2 - Positioning control device using internal model of disturbance - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低周波数の周期外乱が大きい場合に短時間に高精度位置決めすることができる外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、サーボモータに取り付けられたエンコーダ等の位置信号を微分して速度フィードバック信号とし、速度制御を行うと共に、上記サーボモータによって駆動される機械可動部に取り付けられたリニアスケール等（或いはサーボモータに取り付けられたエンコーダ等）の位置検出器からの位置フィードバック信号に基づいて、位置制御を行う位置決め制御系は、図２のようになっている。図２は一般的な位置制御系が適用されるシステム構成図である。２００はベース、２０１はボールねじ、２０２はテーブル、２０３はサーボモータ、２０４はテーブルの位置を検出するリニアスケール、２０５は測定ヘッドである。サーボモータ２０３は、ボールねじ２０１を介してテーブル２０２を駆動する。駆動機構と被駆動体の不可動部分はすべて同一ベース２００上に固定され、ベース２００は地面に設置されている。リニアスケール２０４は本体がベース２００上に配置され、測定ヘッド２０５がテーブル２０２に取り付けられる。制御系はリニアスケール２０４からの位置信号に基づいてテーブル２０２の位置制御を行う。このような構成において、高速化の要求が高くなると、加（減）速時間をできるだけ短く（すなわち、加（減）速度をできるだけ大きく）して指令する必要がある。このうち、ベース２００が低剛性な機構で地面に配置される場合には、テーブル２０２が大きな加（減）速度で駆動されるとき、ベース２００はその加（減）速の反力を受けて大きく振動する。制御系にとってはベース２００の振動が位置信号の外乱信号になる。それに、サーボモータ２０３とデーブル２０２との連結機構の剛性が低くければ低いほど、ベース２００の振動が位置決めに与える影響は大きい。位置制御を比例制御で行う場合、機械可動部が目標位置に到達しても、目標位置とリニアスケールの位置信号との位置偏差の振動が残り、位置決め精度が悪いという問題があった。従来、上記のような周期外乱の悪影響を除去するため、位置制御部に周期外乱の内部モデル要素を加える周期外乱抑制用制御装置が提案されており、機械可動部が目標位置に到達した後、位置偏差の振動をなくすことで、位置決め精度を良好にしている（特開平１１−３０５８０２号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、低周波数の周期外乱の内部モデル要素が大きい位相遅れをもたらすため、位置制御器の制御ゲインを下げなければならず、位置決め時間が長くなるという大きな欠点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、位置決め終了前、位置制御器の制御ゲインを十分上げて短時間に位置決めを行うと共に、位置決め終了後の外乱の悪影響を抑制して高精度位置決めを行うことができる外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明における外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置は、 サーボモータ（９）の回転位置信号を微分した速度フィードバック信号Ｖｆに基づき速度制御を行うとともに、前記サーボモータ（９）で駆動される機械可動部（１０）に取り付けられた位置検出部（１２）あるいは前記サーボモータ（９）の回転軸に取り付けられた位置検出部（１１）からの位置フィードバック信号Ｙｆに基づき位置制御を行う前記機械可動部（１０）の位置決め制御装置において、前記サーボモータ（９）を固定するためのベースの振動が前記機械可動部（１０）の位置決め制御装置の位置決めに与える周期外乱となるものとし、前記ベースの固有振動数をω ｂ 、ラプラス演算子をｓとした場合、伝達関数の分母に（ｓ ２ + ω ｂ ２ ）で表わされる周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）と、比例制御器（６）と、前記位置決め制御装置に外部から入力される位置指令Ｙｒと前記位置検出部から出力される位置フィードバック信号Ｙｆとの位置偏差ｅ ｐ に基づいて、前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了する前を表す位置指令終了前あるいは前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了した後を表す位置指令終了後であって、かつ、前記位置偏差ｅ ｐ が所定の基準値Ｅ ｐ 以上であるとき、位置制御を前記比例制御器（６）による比例制御で行うようにした手段と、前記位置指令終了後かつ前記位置偏差ｅ ｐ が所定の基準値Ｅ ｐ より小さくなった後、位置制御を前記周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）により制御を行うようにした手段とに切り替える切替判別部（３）と、より構成される位置制御部（１）を備えて成ることを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施例における制御系の原理的な構成ブロック図である。図１において、１は位置制御部、２と７は減算器、３は切替判別部、４は切替スイッチ、５は周期外乱の内部モデル要素を含む制御器、６は比例制御器、８は速度制御部、９はサーボモータ、１０は機械可動部、１１はサーボモータの位置検出部（エンコーダ）、１２は機械可動部の位置検出部（リニアスケール）、１３は微分処理部である。本発明の特徴は以下のとおりである。すなわち、位置制御部１は、位置指令Ｙrとリニアスケール等の位置検出器１２からの位置フィードバック信号Ｙfに基づいて、後述するように速度指令Ｖrを演算する。そして、位置制御部１は、周期外乱の内部モデル要素を含む制御手段５と、比例制御手段６と、位置指令Ｙｒと前記位置フィードバック信号Ｙｆとの位置偏差に基づいて、位置指令終了前或いは位置指令終了後であって、かつ、前記位置偏差が所定の基準値以上であるとき、位置制御を比例制御で行い、位置指令終了後かつ前記位置偏差が所定の基準値より小さくなった後、位置制御を周期外乱の内部モデル要素を含む制御に切り替える切替判別手段３とを備えたものである。また、速度制御部８は、前記速度指令Ｖrとサーボモータ９に取り付けられたエンコーダ１１からのサーボモータの位置信号ＹMを微分処理部１３で微分演算した速度フィードバック信号Ｖfとの速度偏差ｅVに基づいてトルク指令Ｔrを演算し、サーボモータ９に出力するようになっている。
【０００６】
次に位置制御部の処理の流れの動作について説明する。図３は本発明の実施例における位置制御部の処理の流れ図である。図３において、ステップ３０１にて、位置指令Ｙrと位置フィードバック信号Ｙfを取り込む。次に、ステップ３０２にて、位置指令Ｙrと位置フィードバック信号Ｙfとの位置偏差ｅp＝Ｙr―Ｙfを計算する。そして、ステップ３０３にて切替判別部３は位置指令が終了したかどうかの判定を行う。位置指令がまだ終了していなければ、切替判別部３は「ＮＯ」と判定し、切替スイッチ４をＡ側に入れ、ステップ３０６に進む。位置指令が終了したら、切替判別部３は「ＹＥＳ」と判定し、ステップ３０４に進む。それから、ステップ３０４にて切替判別部３は位置偏差ｅpが基準値Ｅpより小さいかどうかの判定を行う。位置偏差ｅpが基準値Ｅp以上であれば、切替判別部３は「ＮＯ」と判定し、切替スイッチ４をＡ側に入れ、ステップ３０６に進む。位置偏差ｅpが基準値Ｅpより小さくなったら、切替判別部３は「ＹＥＳ」と判定し、切替スイッチ４をＢ側に入れ、ステップ３０５に進む。最後に、ステップ３０５にて速度指令を次式（１）のように演算する。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ただし、Ｋp1、ａ、ｂは定数で、ωbはベースの固有振動数である。
一方、ステップ３０６にて速度指令を次式（２）のように演算する。
【０００９】
【数２】
【００１０】
ただし、Ｋpは定数である。
【００１１】
したがって、本発明の位置制御部では、位置指令終了前或いは位置指令終了後であって、かつ位置偏差が大きいときは位置制御を比例制御で行うようにしたので、制御ゲインを十分大きく上げることができ、速やかに位置フィードバック信号を目標位置に追従させることができる。一方、位置指令終了後かつ位置偏差が小さくなった後。周期外乱のモデル要素を含む補償器を加えてあるため、外乱の悪影響を抑制することができる。このとき、低周波数の周期外乱のモデル要素が位相遅れであるため、制御ゲインを下げなければならないが、位置決めがほぼ完了しているので、位置決め時間にはほとんど影響しない。すなわち、位置決め時間が短く、位置決め精度を良好にすることができる。
【００１２】最後に、本発明の実施例における効果を、数値例を用いて示す。図４と図５は切替がない位置制御を行った場合のシミュレーション結果である。図４は位置制御を常に比例制御で行い、図５は位置制御を常に周期外乱のモデル要素を含む制御で行ったものである。図６は本発明の実施例による位置制御を比例補償と周期外乱のモデル要素を含む補償の切替制御で行った場合のシミュレーション結果である。明らかに、本発明の場合のみ、位置決めは高速度と高精度を両立することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、位置制御部では、位置指令終了前あるいは位置指令終了後であって、かつ、位置偏差が大きいときは位置制御を比例制御で行うようにしたので、制御ゲインを十分大きく上げることができ、速やかに位置フィードバック信号を目標位置に追従させることができる。一方、位置指令終了後かつ位置偏差が小さくなった後、周期外乱のモデル要素を含む補償器を加えてあるため、外乱の悪影響を抑制することができる。このとき、低周波数の周期外乱のモデル要素が位相遅れであるため、制御ゲインを下げなければならないが、位置決めがほぼ完了しているので、位置決め時間にはほとんど影響しない。すなわち、位置決め時間が短く、位置決め精度を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例における制御系の原理的な構成ブロック図
【図２】 一般的な位置制御系が適用されるシステム構成図
【図３】 本発明の実施例における位置制御部の処理の流れ図
【図４】 位置制御を常に比例制御で行う場合のシミュレーション結果
【図５】 位置制御を常に周期外乱のモデル要素を含む制御で行う場合のシミュレーション結果
【図６】 本発明の実施例による位置制御を比例補償と周期外乱のモデル要素を含む補償の切替制御で行った場合のシミュレーション結果
【符号の説明】
１ 位置制御部
２、７ 減算器
３ 切替判別部
４ 切替スイッチ
５ 周期外乱の内部モデル要素を含む制御器
６ 比例制御器
８ 速度制御部
９、２０３ サーボモータ
１０ 機械可動部
１１ 位置検出部（エンコーダ）
１２ 位置検出部（リニアスケール）
１３ 微分処理部
２００ ベース
２０１ ボールネジ
２０２ テーブル
２０４ リニアスケール
２０５ 測定ヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positioning control apparatus using an internal model of a disturbance that can perform high-precision positioning in a short time when a low-frequency periodic disturbance is large.
[0002]
[Prior art]
In general, the position signal of an encoder or the like attached to a servo motor is differentiated into a speed feedback signal to control the speed, and a linear scale or the like attached to a machine movable part driven by the servo motor (or to the servo motor). A positioning control system that performs position control based on a position feedback signal from a position detector of an attached encoder or the like is as shown in FIG. FIG. 2 is a system configuration diagram to which a general position control system is applied. Reference numeral 200 denotes a base, 201 denotes a ball screw, 202 denotes a table, 203 denotes a servo motor, 204 denotes a linear scale for detecting the position of the table, and 205 denotes a measuring head. The servo motor 203 drives the table 202 via the ball screw 201. The non-movable parts of the drive mechanism and the driven body are all fixed on the same base 200, and the base 200 is installed on the ground. The main body of the linear scale 204 is disposed on the base 200, and the measuring head 205 is attached to the table 202. The control system controls the position of the table 202 based on the position signal from the linear scale 204. In such a configuration, when the demand for speeding up becomes high, it is necessary to make a command with an acceleration (deceleration) speed as short as possible (that is, an acceleration (deceleration) speed as large as possible). Among these, when the base 200 is arranged on the ground with a low rigidity mechanism, when the table 202 is driven at a large acceleration (deceleration) speed, the base 200 receives a reaction force of the acceleration (deceleration) speed. Vibrates greatly. For the control system, the vibration of the base 200 becomes a disturbance signal of the position signal. In addition, the lower the rigidity of the coupling mechanism between the servo motor 203 and the table 202, the greater the influence of the vibration of the base 200 on the positioning. When the position control is performed by proportional control, there is a problem that even if the machine movable part reaches the target position, the vibration of the position deviation between the target position and the position signal of the linear scale remains, and the positioning accuracy is poor. Conventionally, in order to remove the adverse effects of periodic disturbance as described above, a periodic disturbance suppression control device that adds an internal model element of periodic disturbance to the position control unit has been proposed, and after the machine movable unit has reached the target position, Positioning accuracy is improved by eliminating vibration of position deviation (Japanese Patent Laid-Open No. 11-305802).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional technique, since the internal model element of the low-frequency periodic disturbance causes a large phase delay, the control gain of the position controller has to be lowered, and the positioning time becomes long.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and before completion of positioning, sufficiently increases the control gain of the position controller to perform positioning in a short time, and suppresses adverse effects of disturbance after the positioning is completed. An object of the present invention is to provide a positioning control device using an internal model of a disturbance capable of performing high-precision positioning.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a positioning control apparatus using an internal model of disturbance in the present invention performs speed control based on a speed feedback signal Vf obtained by differentiating a rotational position signal of a servo motor (9), and the servo motor (9) the position feedback signal Yf from the position detecting unit attached to the machine moving part (10) which is driven (12) or the position detecting unit attached to the rotary shaft of the servomotor (9) (11) the positioning control device of the machine movable section to perform position control on the basis (10), the periodic base vibration for fixing the servo motor (9) has on the positioning of the positioning control device of the machine moving part (10) a disturbance shall be, if the natural frequency of the base omega b, the Laplace operator was s, the denominator of the transfer function (s 2 + b 2) a controller which includes an internal model elements of the periodic disturbance represented by (5), proportional controller (6), is output as the position command Yr input from the outside from the position detecting unit to the positioning control device that on the basis of the position deviation e p between the position feedback signal Yf, representing the after the input of the position command completion before or speed pattern of the position command Yr representing the before the input of the speed pattern of the position command Yr is completed is completed a position command completion, and when the positional deviation e p is a predetermined reference value E p or more, and means to perform a proportional control by the position control to the proportional controller (6), wherein the position after after command completion and the positional deviation e p becomes smaller than the predetermined reference value E p, means to perform the control by a controller of the position control including internal model elements of the periodic disturbance (5) The switching determination unit for switching and (3), is to characterized in that it comprises more configured position control section (1).
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of a control system according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a position control unit, 2 and 7 are subtracters, 3 is a switching determination unit, 4 is a switch , 5 is a controller including an internal model element of periodic disturbance, 6 is a proportional controller, and 8 is a speed. A control unit, 9 is a servo motor, 10 is a machine movable unit, 11 is a position detection unit (encoder) of the servo motor, 12 is a position detection unit (linear scale) of the machine movable unit, and 13 is a differential processing unit. The features of the present invention are as follows. That is, the position control unit 1 calculates a speed command V r based on the position command Y r and the position feedback signal Y f from the position detector 12 such as a linear scale, as will be described later. Then, the position control unit 1 determines whether the position control unit 5 includes an internal model element of periodic disturbance, the proportional control unit 6, and the position command Yr and the position feedback signal Yf before or after the position command ends. After the command is completed and the position deviation is equal to or greater than a predetermined reference value, the position control is performed by proportional control, and after the position command is completed and the position deviation becomes smaller than the predetermined reference value, And a switching discriminating means 3 for switching the control to the control including the internal model element of the periodic disturbance. Further, the speed control unit 8 is a speed deviation between the speed command V r and the speed feedback signal V f obtained by differentiating the servo motor position signal Y M from the encoder 11 attached to the servo motor 9 by the differentiation processing unit 13. calculates a torque command T r based on e V, and outputs it to the servo motor 9.
[0006]
Next, the operation of the processing flow of the position control unit will be described. FIG. 3 is a flowchart of the processing of the position control unit in the embodiment of the present invention. In FIG. 3, in step 301, a position command Yr and a position feedback signal Yf are captured. Next, in step 302, a position deviation e p = Y r −Y f between the position command Y r and the position feedback signal Y f is calculated. In step 303, the switching determination unit 3 determines whether or not the position command has ended. If the position command has not ended yet, the switching determination unit 3 determines “NO”, puts the changeover switch 4 to the A side, and proceeds to step 306. When the position command is completed, the switching determination unit 3 determines “YES” and proceeds to step 304. Then, the switching determination unit 3 and determines whether the positional deviation e p is the reference value E p is smaller than at step 304. If the position deviation e p is the reference value E p or more, the switching determination unit 3 determines "NO", placed changeover switch 4 to the A side, the process proceeds to step 306. When the position deviation e p becomes smaller than the reference value E p, the switching determination unit 3 determines "YES", put the selector switch 4 to the B side, the process proceeds to step 305. Finally, in step 305, the speed command is calculated as in the following equation (1).
[0007]
[Expression 1]
[0008]
However, K p1 , a, b are constants, and ω b is the natural frequency of the base.
On the other hand, in step 306, the speed command is calculated as in the following equation (2).
[0009]
[Expression 2]
[0010]
However, Kp is a constant.
[0011]
Therefore, in the position control unit of the present invention, the position control is performed by the proportional control before the end of the position command or after the end of the position command and when the position deviation is large, so that the control gain can be sufficiently increased. The position feedback signal can quickly follow the target position. On the other hand, after the position command is completed and the position deviation becomes small. Since a compensator including a model element of periodic disturbance is added, adverse effects of the disturbance can be suppressed. At this time, since the model element of the low-frequency periodic disturbance is the phase delay, the control gain has to be lowered. However, since the positioning is almost completed, the positioning time is hardly affected. That is, the positioning time is short and the positioning accuracy can be improved.
Finally, the effects of the embodiment of the present invention will be shown using numerical examples. 4 and 5 are simulation results when position control without switching is performed. FIG. 4 always performs position control by proportional control, and FIG. 5 always performs position control by control including a model element of periodic disturbance. FIG. 6 shows a simulation result when the position control according to the embodiment of the present invention is performed by switching control of compensation including model elements of proportional compensation and periodic disturbance. Obviously, only in the case of the present invention, positioning can achieve both high speed and high accuracy.
[0013]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the position control unit performs the position control by the proportional control before the position command is completed or after the position command is completed and when the position deviation is large. The gain can be increased sufficiently and the position feedback signal can quickly follow the target position. On the other hand, after the position command is completed and the position deviation becomes small, a compensator including a model element of periodic disturbance is added, so that adverse effects of disturbance can be suppressed. At this time, since the model element of the low-frequency periodic disturbance is the phase delay, the control gain has to be lowered. However, since the positioning is almost completed, the positioning time is hardly affected. That is, the positioning time is short and the positioning accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of a control system in an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a system configuration diagram in which a general position control system is applied. Flowchart of processing [Fig. 4] Simulation result when position control is always performed by proportional control [Fig. 5] Simulation result when position control is always performed by control including model element of periodic disturbance [Fig. 6] Example of the present invention Simulation results when position control by means of proportional control and compensation switching control including periodic disturbance model elements [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Position control part 2, 7 Subtractor 3 Change discrimination | determination part 4 Changeover switch 5 Controller 6 containing internal model element of period disturbance Proportional controller 8 Speed control part 9, 203 Servo motor 10 Machine movable part 11 Position detection part (encoder )
12 Position detector (linear scale)
13 Differential processing unit 200 Base 201 Ball screw 202 Table 204 Linear scale 205 Measuring head
Claims (1)
前記サーボモータ（９）を固定するためのベースの振動が前記機械可動部（１０）の位置決め制御装置の位置決めに与える周期外乱となるものとし、前記ベースの固有振動数をω ｂ 、ラプラス演算子をｓとした場合、伝達関数の分母に（ｓ ２ + ω ｂ ２ ）で表わされる周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）と、
比例制御器（６）と、
前記位置決め制御装置に外部から入力される位置指令Ｙｒと前記位置検出部から出力される位置フィードバック信号Ｙｆとの位置偏差ｅ ｐ に基づいて、前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了する前を表す位置指令終了前あるいは前記位置指令Ｙｒの速度パターンの入力が終了した後を表す位置指令終了後であって、かつ、前記位置偏差ｅ ｐ が所定の基準値Ｅ ｐ 以上であるとき、位置制御を前記比例制御器（６）による比例制御で行うようにした手段と、前記位置指令終了後かつ前記位置偏差ｅ ｐ が所定の基準値Ｅ ｐ より小さくなった後、位置制御を前記周期外乱の内部モデル要素を含む制御器（５）により制御を行うようにした手段とに切り替える切替判別部（３）と、
より構成される位置制御部（１）を備えて成ることを特徴とする外乱の内部モデルを用いた位置決め制御装置。The speed is controlled based on the speed feedback signal Vf obtained by differentiating the rotational position signal of the servo motor (9), and the position detector (12) attached to the machine movable part (10) driven by the servo motor (9 ). or in the positioning control device of the machine movable section for performing position control based on the position feedback signal Yf from the position detecting unit attached to the rotary shaft of the servomotor (9) (11) (10),
It is assumed that the vibration of the base for fixing the servo motor (9) becomes a periodic disturbance given to the positioning of the positioning control device of the movable machine part (10), and the natural frequency of the base is ω b , the Laplace operator If the set to s, and the denominator of the transfer function (s 2 + ω b 2) controller including an inner model elements of the periodic disturbance represented by (5),
Proportional controller (6),
Based on the positional deviation e p between the position feedback signal Yf which is output to the position command Yr inputted from outside to the positioning control apparatus from the position detecting section, a before the input of the speed pattern of the position command Yr ends position command before termination represents or a position command after the end represents the after the input of the speed pattern of the position command Yr is completed, and when the positional deviation e p is a predetermined reference value E p or more, the position control and means to perform a proportional control by the proportional controller (6), after the position command after completion and the positional deviation e p becomes smaller than the predetermined reference value E p, the position control of the periodic disturbance switching determination unit for switching to the means to perform the control by the controller (5) comprising an internal model elements and (3),
A positioning control device using an internal model of disturbance, comprising a position control unit (1) constituted by the above.
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