(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上位装置より指令された位置指令値に従って対象プラントをサーボモータにより駆動し、前記対象プラントの負荷位置を制御する数値制御機械のフルクローズド位置制御装置において、
モータ速度と負荷速度の混成速度で速度帰還制御系を構成し、かつ、
駆動モータの制御入力とモータ速度と負荷速度から負荷慣性モーメント比を同定する同定演算部と、
前記負荷慣性モーメント比に基づいて、混成速度の混成比率である混成ゲインを演算する混成ゲイン演算部と、
前記負荷慣性モーメント比と前記混成ゲインに基づいて、位置ループゲインと速度ループゲインを演算するサーボゲイン決定部と、
前記混成ゲインと前記位置ループゲインと前記速度ループゲインに基づいて、前記負荷位置を制御することを特徴とするフルクローズド位置制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフルクローズド位置制御装置において、
前記負荷慣性モーメント比から制御用負荷慣性モーメント比を演算する積分増幅器と、
前記制御用負荷慣性モーメント比と前記混成ゲインに基づいて、サーボゲイン可変率を演算するサーボゲイン可変率演算部と、
を備え、
前記サーボゲイン決定部は、前記制御用負荷慣性モーメント比と前記サーボゲイン可変率に基づいて、前記位置ループゲインと前記速度ループゲインを演算する
ことを特徴とするフルクローズド位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械やロボットのアーム等の軸制御を行うサーボ制御装置であって、特に、負荷端の位置を直接的に検出して、位置指令値通りに負荷位置を制御することを目的としたフルクローズド位置制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、数値制御機械の軸制御に適用されるフルクローズド位置制御装置は、駆動モータの制御入力τｍを適宜制御することで、上位装置から指令された位置指令値ＸＣ通りに、制御対象である対象プラントの負荷位置θＬを制御するもので、フルクローズド位置制御装置には、システムの安定性（振動抑制性を含む）及び、高い指令追従性能と負荷外乱抑制性能が求められる。
【０００３】
図５は、従来のフルクローズド位置制御装置の一例を示すブロック図である。回転型モータ軸に換算して表現した対象プラント２００は、伝達特性として、伝達極ωＰや伝達零点ωＺを有しているため、モータ慣性モーメントＩｍと負荷慣性モーメントＩＬが、剛性Ｋのバネ系を介して結合された構造で示している。尚、ｓはラプラス変換の演算子であり、次の式（１）は、対象プラント２００の運動方程式を示している。
【数１】
0006510962.tif 000002
ここで、モータ速度ωｍ，モータ位置θｍ，負荷速度ωＬ，負荷外乱トルクτｄである。
【０００４】
以下、図５の従来のフルクローズド位置制御装置３００について説明する。上位装置（図示しない）より指令される位置指令値ＸＣから、減算器５０で、負荷位置検出器（図示しない）より検出された負荷位置θＬが減算される。減算器５０出力である位置偏差は、位置偏差増幅器５１で位置ループゲインＫＰ倍に増幅され、速度指令値になる。減算器５２では、速度指令値から混成速度帰還ωｆｂが減算される。その出力である速度偏差は、速度偏差増幅器５３で速度ループゲインＧＶ倍に増幅され、駆動モータの制御入力τｍになる。
【０００５】
速度ループゲインＧＶは、比例ゲインＧＰと積分ゲインＧｉにより、式（２）で構成される。
ＧＶ＝ＧＰ＋Ｇｉ／ｓ・・・・・（２）
ここで、速度ループゲインＧＶは、速度制御帯域を示さないため、対象プラント２００を剛体近似した時の速度制御系の固有振動周波数ωＶを速度制御帯域と見なして、次の関係式（３）で、速度制御帯域ωＶと、比例ゲインＧＰ，積分ゲインＧｉを関連づける。
ＧＰ＝２（Ｉｍ＋ＩＬ）ωＶ，Ｇｉ＝（Ｉｍ＋ＩＬ）ωＶ２・・・・・（３）
【０００６】
微分器５７は、負荷位置θＬを時間微分することで負荷速度ωＬを出力する。モータ速度ωｍはモータに設置された位置検出器や速度検出器（図示しない）によって検出される。減算器５６は、負荷速度ωＬからモータ速度ωｍを減算し、その出力は増幅器５５で混成ゲインｆｂ倍に増幅され、加算器５４でモータ速度ωｍと加算され、混成速度帰還ωｆｂが構成される。これは下式（４）で示される。
ωｆｂ＝（１−ｆｂ）ωｍ＋ｆｂωＬ・・・・・（４）
ここで、混成ゲインｆｂは、混成速度帰還ωｆｂに含まれるモータ速度ωｍと負荷速度ωＬの混成比率を表し、（０≦ｆｂ＜１）の範囲で設定されるパラメータである。
【０００７】
次に、図５の位置制御系の安定限界を考える。積分ゲインＧｉが安定問題に与える影響は小さいため、Ｇｉ＝０として、公知のラウスの安定判別法を用いて、フルクローズド位置制御の安定条件を導出すると、式（５）の関係式が得られる。
【数２】
0006510962.tif 000003
但し、負荷慣性モーメント比Ｒ＝ＩＬ／Ｉｍ，対象プラントの零点角周波数ωＺ＝（Ｋ／ＩＬ）１／２である。
【０００８】
式（５）は、負荷慣性モーメントＩＬが大きくなると、零点角周波数ωＺが低下して右辺が小さくなるため、サーボゲイン（ＫＰωＶ）を低減しないと振動特性が増大することを示している。しかしながら、混成ゲインｆｂを設定すると、特に、負荷慣性モーメント比Ｒが大きい場合は、安定限界がアップして、制振性能が向上することが知られている。
【０００９】
そこで、混成ゲインｆｂによる安定限界アップ率：ｈ（ｆｂ）を次式（６）で定義する。
【数３】
0006510962.tif 000004
図６は負荷慣性モーメント比Ｒをパラメータとして、混成ゲインｆｂによる安定限界アップ率ｈ（ｆｂ）を表現した図である。式（６）より、安定限界アップ率ｈ（ｆｂ）は、ｆｂ＝（Ｒ−１）／（１＋Ｒ）で最大値をとるが、これを超えた混成ゲインｆｂを設定すると、図６で示される様に、ｈ（ｆｂ）が急激に低下して、ｈ（ｆｂ）＜１の領域にも容易に突入する事がわかる。
【００１０】
つまり、負荷慣性モーメント比Ｒが大きく変動する制御軸では、最小のＲ（Ｒｍｉｎ）時において最適な混成ゲインｆｂを選定し、最大のＲ（Ｒｍａｘ）時の安定限界を考慮した、適切なサーボゲイン（ＫＰωＶ）を設定する必要があった。
【００１１】
次に、一例として、負荷慣性モーメント比Ｒが、「３≦Ｒ≦１０」の範囲で変動する対象プラントを考える。サーボゲイン（ＫＰωＶ）の設定については、安定限界と振動抑制性能を考慮し、式（５）に対して、マージン定数β（０．４＜β＜０．６）を付加した式（７）を、サーボゲイン（ＫＰωＶ）の設定式とする。
【数４】
0006510962.tif 000005
対象プラントは、Ｒ＝１０の場合、ωＺ＝６４［ｒａｄ／ｓ］＝１０［Ｈｚ］の特性を有するものとして、図５の位置制御系が与える、指令応答θＬ／Ｘｃと外乱応答ωＬ／τｄの周波数特性を考える。
【００１２】
図７は、特に、混成ゲインｆｂ＝０での条件で、式（７）に基づき、好適なサーボゲイン（位置ループゲインＫＰと速度制御帯域ωＶ）を設定した時の周波数特性を示している。一方で、図８は、Ｒ＝３の場合に、安定限界アップ率ｈ（ｆｂ）が最大となる混成ゲインｆｂ＝０．５を選定した上で、Ｒ＝１０の場合のサーボゲイン（ＫＰωＶ）を、式（７）で好適に設定した時の周波数特性である。
【００１３】
本例では、負荷慣性モーメント比Ｒが、「３≦Ｒ≦１０」の範囲で、Ｒ＝３の場合の最適な混成ゲインｆｂ＝０．５を選定している。このため、図６より、Ｒ＝１０での安定限界アップ率ｈ（ｆｂ）は１．８程度となって、この効果から、指令応答θＬ／Ｘｃのカットオフ周波数は１０［Ｈｚ］→１５［Ｈｚ］と、指令追従性能が向上し、且つ、中低周波帯の負荷外乱抑制性能も−７ｄＢ程度向上している。しかしながら、Ｒ＝１０での安定限界アップ率ｈ（ｆｂ）最大値が、３程度であることを考えると、限界近くまで、制御性能を改善することはできていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１３−１４８４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以上説明した様に、モータ速度ωｍと負荷速度ωＬの混成速度帰還ωｆｂにより、速度制御系を構成した従来フルクローズド位置制御装置では、特に負荷慣性モーメント比Ｒの変動が大きい制御軸では、混成速度フィードバックによる制御性能アップ効果を十分に享受できなかった。本発明が解決しようとする課題は、負荷慣性モーメント比Ｒの変動に合わせて、混成ゲインｆｂを可変し、最高の安定限界アップ率ｈ（ｆｂ）を維持することで、常時、最適な制御性能を与えるサーボゲイン（ＫＰωＶ）が設定されたフルクローズド位置制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上位装置より指令された位置指令値に従って対象プラントをサーボモータにより駆動し、前記対象プラントの負荷位置を制御する数値制御機械のフルクローズド位置制御装置において、モータ速度と負荷速度の混成速度で速度帰還制御系を構成し、かつ、駆動モータの制御入力とモータ速度と負荷速度から負荷慣性モーメント比を同定する同定演算部と、前記負荷慣性モーメント比に基づいて、混成速度の混成比率である混成ゲインを演算する混成ゲイン演算部と、前記負荷慣性モーメント比と前記混成ゲインに基づいて、位置ループゲインと速度ループゲインを演算するサーボゲイン決定部と、前記混成ゲインと前記位置ループゲインと前記速度ループゲインに基づいて、前記負荷位置を制御する。
【００１７】
本発明の１つの実施形態では、前記負荷慣性モーメント比から制御用負荷慣性モーメント比を演算する積分増幅器と、前記制御用負荷慣性モーメント比と前記混成ゲインに基づいて、サーボゲイン可変率を演算するサーボゲイン可変率演算部とを備え、前記サーボゲイン決定部は、前記制御用負荷慣性モーメント比と前記サーボゲイン可変率に基づいて、前記位置ループゲインと前記速度ループゲインを演算する。
【００１８】
より詳しくは、本発明では、フルクローズド位置制御装置に、予め初期パラメータ（Ｒ０，ｆｂ０，ωＶ０，ＫＰ０）を設定しておく。常時、リアルタイムで同定された負荷慣性モーメント比Ｒと、対応する混成ゲインｆｂから、初期パラメータ（ωＶ０ＫＰ０）に対するサーボゲイン可変率Ａを演算し、実制御上の位置ループゲインＫＰと、速度ループゲインＧＶを構成する比例ゲインＧＰと積分ゲインＧｉを好適に可変するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によるフルクローズド位置制御装置では、負荷慣性モーメント比Ｒの変動に合わせて、混成ゲインｆｂを可変し、常時、最適な制御性能を与えることができる。より詳しくは、本発明では、負荷慣性モーメント比Ｒの変動に応じて、混成ゲインｆｂと、位置ループゲインＫＰと、速度ループゲインＧＶを構成する比例ゲインＧＰと、積分ゲインＧｉを好適に可変することができるから、負荷慣性モーメント比Ｒの変動が大きい制御軸においても、常時、好適な指令追従性能と負荷外乱抑制性能を有するフルクローズド位置制御系が構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のフルクローズド位置制御装置の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の積分増幅器３における増幅器入力ｅと積分ゲインＧｅとの関係図である。
【図３】本発明のフルクローズド位置制御装置による位置制御系周波数特性の一例を示したグラフである。
【図４】本発明のフルクローズド位置制御装置による位置制御系周波数特性の他の一例を示したグラフである。
【図５】従来のフルクローズド位置制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】負荷慣性モーメント比Ｒをパラメータとして、混成ゲインｆｂによる安定限界アップ率ｈ（ｆｂ）を表現した図である。
【図７】従来のフルクローズド位置制御装置による位置制御系周波数特性の一例を示したグラフである。
【図８】従来のフルクローズド位置制御装置による位置制御系周波数特性の他の一例を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について例（以下実施例という）を用いて説明する。図１は、本発明によるフルクローズド位置制御装置の一例を示すブロック図である。以下、これまでに説明した従来例と異なる部分についてのみ説明する。
【００２２】
式（１）で示した対象プラント２００の運動方程式は、負荷慣性モーメント比Ｒを用いて
【数５】
0006510962.tif 000006
として表現できる。
これを式（９）の様に変形し、パラメトリック表現とする。
【数６】
0006510962.tif 000007
【００２３】
あるサンプリング時間で、モータ速度ωｍと負荷速度ωＬを検出すれば、モータ加速度ｄωｍ／ｄｔと、負荷加速度ｄωＬ／ｄｔは演算できる。また、制御入力τｍは、位置制御装置の演算値であり、モータ慣性モーメントＩｍは既知パラメータであるから、式（９）の左辺である負荷トルクτＬと、右辺の信号（行）ベクトルξは既知になる。ここで、加速度変化中に、負荷トルクτＬと、信号（行）ベクトルξを時系列にｎ個集めて行方向に並べると、信号（行）ベクトルξは、各列ベクトルが線形独立な信号行列Ξ（ｎｘ２）になるから、式（９）右辺の未知パラメータ（列）ベクトルγが同定できる。
【００２４】
同定演算部１は、加速度変化検出時において、信号ωｍ，ωＬ，τｍを入力として、公知の同定アルゴリズムを用い、前述の未知パラメータ（列）ベクトルγの同定演算を実行する。図１では同定された負荷慣性モーメント比ＲをＲＩＤと表現している。同定演算部１の出力である同定負荷慣性モーメント比ＲＩＤは、同定演算の実行毎に置換される。
【００２５】
減算器２は、負荷慣性モーメント比ＲＩＤから、制御に採用する負荷慣性モーメント比Ｒ（以降は、制御用負荷慣性モーメント比Ｒと称す。）を減算する。この減算器出力（増幅器入力）ｅは、積分増幅器３において積分ゲインＧｅで増幅され、制御用負荷慣性モーメント比Ｒになる。この一連の演算式は式（１０）で示せる。
【数７】
0006510962.tif 000008
【００２６】
積分ゲインＧｅは、増幅器入力ｅによって、図２の様に可変される。ε１，ε２（ε２＜ε１＜０）や、Ｇｅ１，Ｇｅ２（Ｇｅ１＜Ｇｅ２）は、実際の負荷慣性モーメント比Ｒの想定される変動範囲や時間変化率、更には、積分増幅器３が有するフィルタ効果を考慮して、予め設定しておく定数である。これにより、ｅ＞０（ＲＩＤ＞Ｒ）時は、制御用負荷慣性モーメント比Ｒの増加を緩やかに制御し、ｅ＜０（ＲＩＤ＜Ｒ）時は、ＲＩＤ≪Ｒであるほど、積分ゲインＧｅを徐々に増大させ、ＲＩＤに対する追従性を高め、速やかに、Ｒを減少させる様に制御することで、図６に示される安定限界範囲内での位置制御動作を保障するものである。
【００２７】
混成ゲイン演算部４は、制御用負荷慣性モーメント比Ｒから、混成ゲインｆｂを式（１１）で演算する。ここで、図６に示した、安定限界アップ率：ｈ（ｆｂ）の最大値を与える混成ゲインｆｂに対して、αは安定マージンを与えるディレーティング定数であり、通常、０．８〜１の範囲で設定する。
【数８】
0006510962.tif 000009
演算された混成ゲインｆｂは、増幅器５５の増幅率として設定される。
【００２８】
本発明では、予め、負荷慣性モーメント比の初期値Ｒ０を決定し、式（１１）から、Ｒ０に対応するｆｂ０をサーボゲイン可変率演算部５に設定しておく。更に、制御する対象プラント２００が定まれば、剛性Ｋが既知となるため、Ｒ０，ｆｂ０に対して、好適な速度制御帯域ωｖ０と位置ループゲインＫｐ０を式（７）に基づいて決定し、サーボゲイン決定部６に設定しておく。尚、式（３）から、速度ループゲインＧｖ０を構成する比例ゲインＧＰ０と積分ゲインＧｉ０は、速度制御帯域ωＶ０に対して、式（１２）の関係式で決定される。
【数９】
0006510962.tif 000010
【００２９】
サーボゲイン可変率演算部５では、初期値Ｒ０，ｆｂ０と、リアルタイムで演算される制御用負荷慣性モーメント比Ｒ及び混成ゲインｆｂを用いて、式（１３）によりサーボゲイン可変率Ａを演算し、サーボゲイン決定部６に出力する。
【数１０】
0006510962.tif 000011
【００３０】
サーボゲイン決定部６は、予め設定された初期値Ｒ０，ωＶ０，ＫＰ０と、サーボゲイン可変率Ａから、式（１４）に基づいて、リアルタイムにおける速度制御帯域ωＶと位置ループゲインＫＰを演算する（尚、本例では、速度制御帯域ωＶの演算は必須ではない。）。
【数１１】
0006510962.tif 000012
速度ループゲインＧＶを構成する比例ゲインＧＰと積分ゲインＧｉは、初期値ＧＰ０とＧｉ０に対して、サーボゲイン可変率Ａと制御用負荷慣性モーメント比Ｒから、式（１５）で演算される。
【数１２】
0006510962.tif 000013
演算された位置ループゲインＫＰは、位置偏差増幅器５１の増幅率として、比例ゲインＧＰと積分ゲインＧｉは、速度偏差増幅器５３の増幅率として設定される。
【００３１】
図１の本発明によるフルクローズド位置制御装置において、負荷慣性モーメント比Ｒ＝３の場合に、ディレーティング定数α＝１として、混成ゲインｆｂ＝０．５を選定し、式（７）に基づいて設定した好適なサーボゲイン（位置ループゲインＫＰと速度制御帯域ωＶ）で位置制御系を構成した時の指令応答θＬ／Ｘｃと外乱応答ωＬ／τｄの周波数特性を表現したものが図３である。
【００３２】
ここで、負荷慣性モーメント比Ｒが、Ｒ＝３→Ｒ＝１０に変動した時の本発明によるフルクローズド位置制御装置の位置制御特性について説明する。ここで便宜上、図３の条件を初期値（Ｒ０＝３，ｆｂ０＝０．５）としておく。同定演算部１では、同定負荷慣性モーメント比ＲＩＤ  ＝１０が出力される。すると、制御用負荷慣性モーメント比Ｒは、３→１０に収束していく。
【００３３】
混成ゲイン演算部４は、式（１１）から、混成ゲインｆｂとして、ｆｂ≒０．８１を出力する（但し、α＝１としている）。サーボゲイン可変率演算部５は、式（１３）により、サーボゲイン可変率Ａ＝０．８２を演算出力する。サーボゲイン決定部６は、式（１４）から位置ループゲインＫＰを、式（１５）から比例ゲインＧＰと積分ゲインＧｉを決定する。√Ａ≒０．９であるから、位置ループゲインＫＰと速度制御帯域ωＶは、初期値ＫＰ０，ωＶ０の０．９倍。比例ゲインＧＰは、初期値ＧＰ０の（１１／４）・０．９≒２．５倍。積分ゲインＧｉは、初期値Ｇｉ０の（１１／４）・０．８２≒２．３倍となる。この制御条件下における指令応答θＬ／Ｘｃと外乱応答ωＬ／τｄの周波数特性を表現したものが図４である。
【００３４】
これより、従来技術による図８の制御特性と比較して、負荷慣性モーメント比Ｒ＝１０の場合において、指令応答θＬ／Ｘｃのカットオフ周波数は１５［Ｈｚ］→２４［Ｈｚ］と広帯域化し、中低周波帯の負荷外乱抑制性能は−１０ｄＢ弱程度改善している。
【００３５】
以上説明した様に、本発明によるフルクローズド位置制御装置では、負荷慣性モーメント比Ｒを同定し、Ｒの変動に応じて、最適な混成ゲインｆｂを選定し、位置ループゲインＫＰと、速度ループの比例ゲインＧＰと、積分ゲインＧｉを好適に可変することができるから、負荷慣性モーメント比Ｒの変動が大きい制御軸においても、常時、高い指令追従性能と負荷外乱抑制性能を有するフルクローズド位置制御系が構成できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  同定演算部、２，５０，５２，５６  減算器、３  積分増幅器、４  混成ゲイン演算部、５  サーボゲイン可変率演算部、６  サーボゲイン決定部、１０，３００  位置制御装置、５１  位置偏差増幅器、５３  速度偏差増幅器、５４  加算器、５５  増幅器、５７  微分器、２００  対象プラント。
【図１】
0006510962.tif 000014
【図２】
0006510962.tif 000015
【図３】
0006510962.tif 000016
【図４】
0006510962.tif 000017
【図５】
0006510962.tif 000018
【図６】
0006510962.tif 000019
【図７】
0006510962.tif 000020
【図８】
0006510962.tif 000021