JP6002079B2 - 位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、上位制御装置の指令に従って、駆動対象の位置を制御する位置制御装置に関する。

図４は、駆動モータであるサーボモータ（図示しない）にカップリング等で結合されて移動可能に形成されたテーブル等の可動部材からなる対象システム１１２の位置を制御する従来のフルクローズド位置制御装置（以降単に位置制御装置と略す）の一例を示すブロック図である。

以下、この位置制御装置の構成と動作について説明する。位置制御装置には、上位装置（図示しない）より位置指令値Ｘが入力される。減算器１０１は、位置指令値Ｘから位置検出値ｘＬを減算し位置偏差Ｘ−ｘＬを算出する。位置検出値ｘＬは、対象システム１１２の制御対象の位置をリニアスケール等（図示しない）により直接検出した位置検出信号である。

一方で、位置指令値Ｘは微分器１０４と微分器１０９で時間微分され、それぞれの出力は速度指令値Ｖと加速度指令値Ａとなり、加速度指令値Ａは、増幅器１１０で加速トルク換算定数Ｃａ倍に増幅されて、当該加速度を対象システム１１２に発生させるための加速トルク指令値τ_ｃａになる。速度指令値Ｖと加速トルク指令値τ_ｃａは、それぞれ速度指令とトルク指令に加算され、この一連の処理は定常的な位置偏差Ｘ−ｘＬをゼロ化することを目的とした、よく知られたフィードフォワードブロックを構成している。

増幅器１０２は、位置偏差Ｘ−ｘＬを位置ループゲインＧｐの増幅率で比例増幅するものであり、この増幅器１０２の出力は、加算器１０３で速度指令値Ｖが加算されて最終的な速度指令値Ｖｃとなる。減算器１０５は、速度指令値Ｖｃからモータ速度ｖｍを減算し、速度偏差Ｖｃ−ｖｍを算出する。モータ速度ｖｍは、サーボモータに結合された位置検出器（図示しない）の回転角位置ｘｍの微分器１０７による時間微分値、あるいはサーボモータに結合された速度検出器（図示しない）の出力である。増幅器１０６は、速度偏差Ｖｃ−ｖｍを速度ループゲインＧｖの増幅率で増幅する。

増幅器１０６の出力は、加算器１０８で加速トルク指令値τ_ｃａが加算されてトルク指令値τ_ｃとなる。トルク指令値τ_ｃは、パワー増幅部１１１で電力増幅され、対象システム１１２に対する発生トルクτとなる。パワー増幅部１１１は、電力増幅器とサーボモータで構成されており、トルク指令値τ_ｃを増幅して発生トルクτを出力するもので、その増幅率はトルク変換定数Ｃｔで表される。発生トルクτは対象システム１１２に供給され、これを駆動する。なお、図４中の微分器の符号Ｓは微分動作を示すラプラス変換の演算子である。

従来の位置制御装置では、さらに摩擦補償演算部１１３を具備し、速度指令、もしくはトルク指令に摩擦補償演算部１１３で算出した補償値Ｖ_ｓｆｃ，τ_ｓｆｃを加算することで、摩擦力に起因する位置の追従偏差の縮小を可能としている。

特許第３８４０４２９号公報

しかしながら、経年変化や温度変化、摺動面の潤滑状態の変化等により対象システムの摺動特性が変化した場合、好適な摩擦補償を行うことが出来ず、位置の追従誤差が生じ、加工精度の低下を招く。これを回避するには、前記摩擦補償演算部１１３の制御パラメータを再設定（再調整）する必要がある。再設定には時間がかかり、さらに、摺動特性が変化するごとに再設定の必要が生じ、煩雑である。

また、摺動特性の変化に応じて前記摩擦補償演算部１１３の制御パラメータを変更することが考えられるが、摺動トルクは対象システムの移動速度で変化するため、定量的に取り扱うには、同一速度下での摺動トルクを比較する必要がある。このため、専用の動作モードを設け摺動トルクを取得する必要があり、非切削時間の増大につながる。

本発明は、これらの問題を解消するためになされたもので、本発明の目的は、経年変化や温度変化、摺動面の潤滑状態の変化等により対象システムの摺動特性が変化した場合においても、専用の動作モードを設けることなく、好適な摩擦補償を維持できる位置制御装置を提供することにある。

本発明の位置制御装置は、上位制御装置からの位置指令値に従って、制御対象システムの駆動モータに対して指令を行い、制御対象の位置を制御する位置制御装置において、速度指令値に基づいて、摩擦力に起因する位置偏差を補償する摩擦補償値の基準値である基準摩擦補償値を算出する摩擦補償演算部と、速度と摺動トルクとの関係を示す特性情報を予め記憶しており、前記速度指令値とトルク指令値と前記特性情報に基づいて、現状態での予め規定された正規化速度における摺動トルクを算出する、摺動トルク正規化演算部と、前記現状態での正規化速度における摺動トルクと初期状態での正規化速度における摺動トルクとから、前記基準摩擦補償値の増幅率である補償値増幅率を演算する、補償値増幅率演算部と、前記補償値増幅率と基準摩擦補償値を乗算し、摩擦力に起因する位置偏差を補償する摩擦補償値を出力する乗算器と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記摺動トルク正規化演算部は、前記速度指令値と前記トルク指令値から、前記速度指令値が示す速度における摺動トルクを出力する摺動トルク判別部と、前記特性情報および前記速度指令値に基づいて、前記速度指令値が示す速度における摺動トルクと、前記現状態での正規化速度における摺動トルクと、との比率を示す摺動トルク比率を演算する、摺動トルク比率演算部と、前記摺動トルク比率と前記速度指令値が示す速度における摺動トルクとから、前記現状態での正規化速度における摺動トルクを算出する速度重み付け演算部と、を備える。

本発明によれば、経年変化や温度変化、摺動面の潤滑状態の変化等により対象システムの摺動抵抗特性が変化した場合、正規化した摺動トルクを用いることで、摺動特性の変化に応じて摩擦補償値を可変することができ、摩擦補償演算部制御パラメータの再設定（再調整）を行わずとも、加工精度を維持できる。

本発明の位置制御装置の一例を示すブロック図である。 本発明の摺動トルク正規化演算部の実施形態を示すブロック図である。 本発明の摺動トルク比率演算部の動作例を説明するグラフである。 従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。

図１は、本発明の位置制御装置の一例を示すブロック図である。なお、図４に示した従来例と同一要素には同一番号が付してあり、その説明は省略する。摩擦補償値可変演算部は、摺動トルク正規化演算部１と、補償値増幅率演算部２と、乗算器３，４で構成されている。はじめに摺動トルク正規化演算部１の動作について説明する。

図２は摺動トルク正規化演算部１の構成を示すブロック図である。一般的に、対象システム駆動時の摺動トルクは、速度指令値Ｖと正の相関関係を有するため、摺動特性の変化は、同一速度下での摺動トルクを比較する必要がある。このため、速度指令値Ｖと摺動トルクの関係を示す特性情報、例えば、速度指令値Ｖと摺動トルクの関係を近似的に表現した摺動特性モデル等を予め設定しておき、このモデルを用いて、任意の摺動トルクを同一速度（正規化速度）下の摺動トルクに換算する。

摺動トルク判別部１１は、速度指令値Ｖと、トルク指令値τ_ｃが入力され、対象システム１１２が一定速度で移動する際のトルク指令値τ_ｃを摺動トルクと判別し、また、速度指令値Ｖの極性から移動方向を判別し、正方向移動時の摺動トルクτ_ｃ＿ｐ、負方向移動時の摺動トルクτ_ｃ＿ｎを出力する（以降、添え字ｐは正方向、添え字ｎは負方向を示すこととする。）。摺動トルク比率演算部１２は、速度指令値Ｖが入力され、後述する演算により摺動トルク比率Ｇを出力する。

図３は前述の摺動トルク比率演算部１２の動作例を説明する図である。図３（ａ）は、摺動特性モデルを示し、横軸は速度指令値Ｖ、縦軸は摺動トルク比率演算部１２の出力である摺動トルク比率Ｇである。この摺動トルク比率Ｇは、正規化速度Ｖａでの摺動トルクに対する任意の速度Ｖｎでの摺動トルクとの比率を示す値である。ここで、最大速度Ｖｂは、対象システム１１２の最大速度を示す。正規化速度Ｖａ、摺動トルク比率最大値Ｇｈは、摩擦補償演算部１１３の制御パラメータを選定する時点で取得する対象システム１１２の摺動特性（初期摺動特性）から決定するパラメータである。以下に、正規化速度Ｖａ、摺動トルク比率最大値Ｇｈの決定方法を説明する。

図３（ｂ）は、対象システム１１２の初期摺動特性（摩擦補償演算部１１３の制御パラメータを選定する時点で取得する、経年変化等をする前の摺動特性）を示す。正規化速度Ｖａは、初期摺動特性を１点の折れ線近似する際の折れ点速度である。ここで、τ_ａ＿ｐ，τ_ａ＿ｎは、正規化速度摺動トルク初期値を、τ_ｂ＿ｐ，τ_ｂ＿ｎは最大速度摺動トルク初期値を示す。なお、正規化速度摺動トルク初期値とは、初期状態での正規化速度Ｖａにおける摺動トルクを意味している。

摺動トルク比率最大値Ｇｈは、正規化速度摺動トルク初期値τ_ａ＿ｐから重力トルクを除したτ_ｍａと、最大速度摺動トルク初期値τ_ｂ＿ｐから重力トルクを除したτ_ｍｂから次式で決定する。
Ｇｈ＝τ_ｍｂ／τ_ｍａ ・・・ 式１

摺動トルク比率演算部１２は、これらのパラメータを用いて、速度指令値の絶対値｜Ｖ｜を入力として、次の関係式から、現状態での正規化速度Ｖａにおける摺動トルクと、速度指令値Ｖが示す速度における摺動トルクとの比率を示す摺動トルク比率Ｇを決定し、出力する。
Ｇ＝１ （｜Ｖ｜≦Ｖａの場合）
Ｇ＝（Ｇｈ−１）／（Ｖｂ−Ｖａ）（｜Ｖ｜−Ｖａ）＋１ （Ｖａ＜｜Ｖ｜≦Ｖｂの場合） ・・・式２

速度重み付け演算部１３は、摺動トルク比率Ｇと、摺動トルクτ_ｃ＿ｐ，τ_ｃ＿ｎと、正規化速度における摺動トルクτ_{ｎｏｒ＿ｐ}，τ_{ｎｏｒ＿ｎ}の前回値を入力として、次の関係式から、出力である正規化後摺動トルクτ_{ｎｏｒ＿ｐ}，τ_{ｎｏｒ＿ｎ}を算出する。この正規化後摺動トルクτ_{ｎｏｒ＿ｐ}，τ_{ｎｏｒ＿ｎ}は、現状態（すなわち経年変化や温度変化、摺動面の潤滑状態の変化等が生じた状態）で、正規化速度Ｖａで駆動した際に生じる摺動トルクを意味している。
τ_{ｎｏｒ＿ｐ}＝｛τ_ｃ＿ｐ−（τ_{ｎｏｒ＿ｐ}［ｎ−１］＋τ_{ｎｏｒ＿ｎ}［ｎ−１］）／２｝／Ｇ
＋（τ_{ｎｏｒ＿ｐ}［ｎ−１］＋τ_{ｎｏｒ＿ｎ}［ｎ−１］）／２
τ_{ｎｏｒ＿ｎ}＝｛τ_ｃ＿ｎ−（τ_{ｎｏｒ＿ｐ}［ｎ−１］＋τ_{ｎｏｒ＿ｎ}［ｎ−１］）／２｝／Ｇ
＋（τ_{ｎｏｒ＿ｐ}［ｎ−１］＋τ_{ｎｏｒ＿ｎ}［ｎ−１］）／２ ・・・ 式３

以上説明したように、種々の速度指令下で得られる摺動トルクを正規化し、正規化後摺動トルクを算出しているため、速度を固定した動作モードを設けなくても、同一速度下（正規化速度Ｖａ）における摺動トルクを比較することが可能になる。

次に、補償値増幅率演算部２の動作について説明する。補償値増幅率演算部２には、正規化速度摺動トルク初期値τ_ａ＿ｐ，τ_ａ＿ｎ、現状での正規化速度における摺動トルクτ_{ｎｏｒ＿ｐ}，τ_{ｎｏｒ＿ｎ}を入力とし、次の関係式から、出力である補償値増幅率Ｒを決定する。
Ｒ＝（τ_{ｎｏｒ＿ｐ}−τ_{ｎｏｒ＿ｎ}）／（τ_ａ＿ｐ−τ_ａ＿ｎ） ・・・ 式４

ここで、補償値増幅率Ｒの算出に、正規化速度における摺動トルクτ_{ｎｏｒ＿ｐ}，τ_{ｎｏｒ＿ｎ}を使用しているが、補償値増幅率Ｒの変化を平滑にするために、正規化速度における摺動トルクτ_{ｎｏｒ＿ｐ}，τ_{ｎｏｒ＿ｎ}をローパスフィルタ処理を施して使用してもよい。

乗算器３，４は、摩擦補償演算部１１３より出力される、摩擦補償値Ｖ_ｓｆｃ０，τ_ｓｆｃ０に補償値増幅率Ｒを乗算することにより、摩擦補償値Ｖ_ｓｆｃ，τ_ｓｆｃを出力する。これにより、摺動特性の変化に応じ、摩擦補償値を可変することが可能となる。

１ 摺動トルク正規化演算部、２ 補償値増幅率演算部、３，４ 乗算器、１１ 摺動トルク判別部、１２ 摺動トルク比率演算部、１３ 速度重み付け演算部、１０１，１０５ 減算器、１０２，１０６，１１０ 増幅器、１０３，１０８ 加算器、１０４，１０７，１０９ 微分器、１１１ パワー増幅部、１１２ 対象システム、１１３ 摩擦補償値演算部。

Claims (2)

1. 上位制御装置からの位置指令値に従って、制御対象システムの駆動モータに対して指令を行い、制御対象の位置を制御する位置制御装置において、
   速度指令値に基づいて、摩擦力に起因する位置偏差を補償する摩擦補償値の基準値である基準摩擦補償値を算出する摩擦補償演算部と、
   速度と摺動トルクとの関係を示す特性情報を予め記憶しており、前記速度指令値とトルク指令値と前記特性情報に基づいて、現状態での予め規定された正規化速度における摺動トルクを算出する、摺動トルク正規化演算部と、
   前記現状態での正規化速度における摺動トルクと初期状態での正規化速度における摺動トルクとから、前記基準摩擦補償値の増幅率である補償値増幅率を演算する、補償値増幅率演算部と、
   前記補償値増幅率と基準摩擦補償値を乗算し、摩擦力に起因する位置偏差を補償する摩擦補償値を出力する乗算器と、
   を備えることを特徴とする位置制御装置。
2. 請求項１に記載の位置制御装置であって、
   前記摺動トルク正規化演算部は、
   前記速度指令値と前記トルク指令値から、前記速度指令値が示す速度における摺動トルクを出力する摺動トルク判別部と、
   前記特性情報および前記速度指令値に基づいて、前記速度指令値が示す速度における摺動トルクと、前記現状態での正規化速度における摺動トルクと、との比率を示す摺動トルク比率を演算する、摺動トルク比率演算部と、
   前記摺動トルク比率と前記速度指令値が示す速度における摺動トルクとから、前記現状態での正規化速度における摺動トルクを算出する速度重み付け演算部と、
   を備えることを特徴とする位置制御装置。

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