(57)【要約】【課題】機械の動作シーケンス中で制御対象の動特性モデルが妥当であるときは上位指令の時間軌道に拘束されずに効率的な時間軌道で制御対象を駆動することができ、制御対象の動特性モデルが妥当でなくなるときは上位指令どおりに駆動することができる位置決め制御装置を提供する。【解決手段】上位装置から位置指令を指令周期ごとに取得する位置指令取得部１と、位置指令とモータまたはモータが組み込まれた設備の状態量の現在値との間を補間する補間軌道作成部３とを備え、信号切替部え部４により、逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択することによって、上位装置から受け取った位置指令に追従する制御と、装置内部で作成した補間軌道に追従する制御を切り替え、モータＭを駆動する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上位装置から位置指令を受け取り、モータの状態量あるいはモータが組み込まれた設備の状態量が前記位置指令と一致するように前記モータを駆動するモータ駆動装置において、
前記上位装置から前記位置指令を指令周期ごとに取得する位置指令取得部と、
前記上位装置からモード選択信号を取得し、該モード選択信号に基づいて逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択する追従モード選択部と、
前記追従モード選択部により選択された追従モードが補間軌道追従モードで、かつ前記位置指令が変化したとき、前記位置指令と前記状態量の現在値との間を補間する前記指令周期ごとの補間軌道を作成し、補間の終了時刻までは前記位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道を出力し続ける補間軌道作成部と、
前記選択された追従モードに従って、逐次指令追従モードのときは前記位置指令を、補間指令追従モードのときは前記補間軌道を、それぞれ出力する信号切替え部と、
前記信号切替え部の出力と前記状態量とを一致させるように追従制御を行いトルクを出力する追従制御部と、
前記追従制御部の出力に従って前記モータを駆動する電力を出力するモータ駆動部と
を備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
上位装置から位置指令を受け取り、モータの状態量あるいはモータが組み込まれた設備の状態量が前記位置指令と一致するように前記モータを駆動するモータ駆動装置において、
前記上位装置から前記位置指令を指令周期ごとに取得する位置指令取得部と、
前記上位装置からモード選択信号を取得し、該モード選択信号に基づいて逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択する追従モード選択部と、
前記位置指令と前記状態量とを一致させるように追従制御を行いトルクを出力する逐次指令追従制御部と、
前記追従モード選択部により選択された追従モードが補間軌道追従モードで、かつ前記位置指令が変化したとき、前記位置指令と前記状態量の現在値との間を補間する前記指令周期ごとの補間軌道を作成し、補間の終了時刻までは前記位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道を出力し続ける補間軌道作成部と、
前記補間軌道と前記状態量とを一致させるように追従制御を行いトルクを出力する補間軌道追従制御部と、
前記選択された追従モードに従って、逐次指令追従モードのときは前記逐次指令追従制御部からの出力を、補間軌道追従モードのときは前記補間軌道追従制御部からの出力を、それぞれ出力する信号切替え部と、
前記信号切替え部の出力に従って前記モータを駆動する電力を出力するモータ駆動部と
を備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項３】
前記補間軌道作成部は、前記位置指令と前記状態量の現在値との間の移動距離を判断する上位指令判断部と、移動距離の異なる補間軌道を複数個記憶したルックアップテーブルとを備え、前記移動距離によって前記ルックアップテーブルの参照先を変え、参照先の軌道を出力するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の位置決め制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータあるいはモータが組み込まれた設備の位置決め制御を行う位置決め制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機の送り軸やロボットアーム等を駆動するモータに対しては、上位装置から出された位置指令に追従してモータが駆動されるように位置決め制御が行われる。
図４は従来例を示すものであり、位置決め制御装置１１は、上位装置１０の位置指令である時間軌道を一定周期で取得し、制御対象であるモータＭが前記時間軌道どおりに動作するように逐次追従制御を行う。さらに、剛性の低い制御対象に対しては、追従制御部（図示せず）に制振制御を用いることにより、上位指令に対して高精度の追従を実現するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に上位装置１０は生産性を考慮して工程重視の位置指令を生成しており、モータを含むサーボ系の動特性までを考慮した位置指令とはなっていない。そのため、制御対象が上位装置からの位置指令の時間軌道どおりに動いたとしても、位置指令自体がサーボ系の動特性を考慮していないため、制御対象の運動は必ずしも効率的でないことが多い。さらに、サーボ系の動特性を考慮しない時間軌道に対して制振制御を行うと、トルク指令などが制振実現不可能なものとなったり、モータが激しく振動したりすることがあった。
また、制振制御には制御対象のモデルを利用するものが多く、動作シーケンスの状態で負荷が変わったり、移動距離が短く摩擦が支配的になったりしてモデルが不適当になると、制振制御が却って振動を誘起してしまうということがあった。
そこで、本発明は、機械の動作シーケンス中で制御対象の動特性モデルが妥当であるときは上位指令の時間軌道に拘束されず、振動系を制御するにあたって効率的な時間軌道で制御対象を駆動することができ、また制御対象の動特性モデルが妥当でなくなるときは上位指令どおりに駆動することができる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】
前記課題を解決するための第１の発明に係る位置決め制御装置は、上位装置から位置指令を受け取り、モータの状態量あるいはモータが組み込まれた設備の状態量が前記位置指令と一致するように前記モータを駆動するモータ駆動装置において、前記上位装置から前記位置指令を指令周期ごとに取得する位置指令取得部と、前記上位装置からモード選択信号を取得し、該モード選択信号に基づいて逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択する追従モード選択部と、前記追従モード選択部により選択された追従モードが補間軌道追従モードで、かつ前記位置指令が変化したとき、前記位置指令と前記状態量の現在値との間を補間する前記指令周期ごとの補間軌道を作成し、補間の終了時刻までは前記位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道を出力し続ける補間軌道作成部と、前記選択された追従モードに従って、逐次指令追従モードのときは前記逐次指令追従制御部からの出力を、補間軌道追従モードのときは前記補間軌道追従制御部からの出力を、それぞれ出力する信号切替え部と、前記信号切替え部の出力と前記状態量とを一致させるように追従制御を行いトルクを出力する追従制御部と、前記追従制御部の出力に従って前記モータを駆動する電力を出力するモータ駆動部とを備えたものである。
この第１の発明においては、逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択することによって、上位装置から受け取った位置指令に追従する制御と、装置内部で作成した補間軌道に追従する制御を切り替え、モータを駆動する。これにより、逐次指令追従モードでは位置指令に追従する制御を簡易的に行い、補間軌道追従モードでは、上位装置の時間軌道に拘束されずに効率的な時間軌道に基づいて制御対象を駆動する。
【０００５】
第２の発明は、上位装置から位置指令を受け取り、モータの状態量あるいはモータが組み込まれた設備の状態量が前記位置指令と一致するように前記モータを駆動するモータ駆動装置において、前記上位装置から前記位置指令を指令周期ごとに取得する位置指令取得部と、前記上位装置からモード選択信号を取得し、該モード選択信号に基づいて逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択する追従モード選択部と、前記位置指令と前記状態量とを一致させるように追従制御を行いトルクを出力する逐次指令追従制御部と、前記追従モード選択部により選択された追従モードが補間軌道追従モードで、かつ前記位置指令が変化したとき、前記位置指令と前記状態量の現在値との間を補間する前記指令周期ごとの補間軌道を作成し、補間の終了時刻までは前記位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道を出力し続ける補間軌道作成部と、前記補間軌道と前記状態量とを一致させるように追従制御を行いトルクを出力する補間軌道追従制御部と、前記選択された追従モードに従って、逐次指令追従モードのときは前記逐次指令追従制御部からの出力を、補間軌道追従モードのときは前記補間軌道追従制御部からの出力を、それぞれ出力する信号切替え部と、前記信号切替え部の出力に従って前記モータを駆動する電力を出力するモータ駆動部とを備えたものである。
この第２の発明は、第１の発明における追従制御部を逐次指令追従制御部と補間軌道追従制御部の二つに分け、信号切替え部の前段に設置したものである。第２の発明においても、逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択することによって、上位装置から受け取った位置指令に追従する制御と、装置内部で作成した補間軌道に追従する制御を切り替え、モータを駆動する。これにより、逐次指令追従モードでは位置指令に追従する制御を簡易的に行い、補間軌道追従モードでは、上位装置の時間軌道に拘束されずに効率的な時間軌道に基づいて制御対象を駆動する。
【０００６】
第３の発明の位置決め制御装置は、第１および第２の発明における補間軌道作成部を、前記位置指令と前記状態量の現在値との間の移動距離を判断する上位指令判断部と、移動距離の異なる補間軌道を複数個記憶したルックアップテーブルとを備えたものとし、前記移動距離によって前記ルックアップテーブルの参照先を変え、参照先の軌道を出力するようにしたものである。
第３の発明においては、効率的に動作させたい移動距離がいくつかに限られているとき、あらかじめ補間軌道を計算してルックアップテーブルに格納しておくことで、補間動作実行時の負荷が低減される。また、実験により試行錯誤的に軌道を決定しておくことも可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１に基づいて説明する。
本位置決め制御装置は、上位装置から位置指令を指令周期ごとに取得する位置指令取得部１と、逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの２つの追従モードの一方を選択する追従モード選択部２と、補間軌道追従モードで、かつ位置指令が変化したとき、位置指令とモータの状態量あるいはモータが組み込まれた設備の状態量の現在値との間を補間する前記指令周期ごとの補間軌道を作成し、補間の終了時刻までは前記位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道を出力し続ける補間軌道作成部３と、逐次指令追従モードのときは位置指令取得部１から出力された位置指令に、補間軌道追従モードのときは補間軌道作成部３で作成された補間軌道に切り換える信号切替え部４と、信号切替え部４で選択された追従モードに従って位置指令あるいは補間軌道を出力する追従制御部５と、追従制御部５の出力に従ってモータＭを駆動する電力を出力するモータ駆動部６とから構成される。
【０００８】
次に、この第１の実施の形態における位置決め制御装置の動作について説明する。
上位装置（図示せず）から出力される位置指令は、位置指令取得部１で周期的に取得される。追従モード選択部２では、上位装置からモード信号を取得し、逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの二値のモードを設定する。
ここでモード信号は、動作シーケンスの状態などに基づき上位装置によって設定される。例えば、高速繰り返し運転時には補間軌道追従モードが、原点復帰やマニュアル寸動動作時には逐次指令追従モードが設定される、などである。また別の例では、工作機械などにおいて、早送り時には補間軌道追従モードが、加工時には逐次追従モードが選択される、などである。さらに、動作シーケンス中に負荷が変わるなどして動特性モデルが妥当でなくなるときには、動作を悪化させるおそれのある補間軌道追従モードではなく、動作を大きく悪化させることのない保守的な逐次軌道追従モードを設定することによって、従来程度の動作は可能である。
逐次指令追従モードのときは、信号切替え部４を通じて、位置指令取得部１で周期的に取得された位置指令が逐次、追従制御部５に渡される。
補間軌道追従モードのときは、位置指令が変化したとき、補間軌道作成部３で、位置指令と現在の位置との距離に基づいて補間軌道が作成される。
補間軌道が作成されると、補間軌道作成部３からは、補間軌道の払い出し終了まで位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道が出力され続ける。払い出しが終了したのち、再び位置指令の変化によって補間軌道が作成される。また、位置指令が増分値で与えられるときは、補間軌道作成部３において移動距離に係数をかけて拡大しても良い。補間軌道は、信号切替え部４を通じて、追従制御部５に渡される。
追従制御部５では、位置指令に対してフィードバック制御や制振制御などを用いて追従制御を行い、モータ駆動部６にトルク指令を与える。モータ駆動部６では、モータＭのトルクがトルク指令と一致するようにモータ電流を制御しモータ電力を出力する。
【０００９】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図２に基づいて説明する。
この第２の実施の形態に係る位置決め制御装置は、第１の実施の形態における追従制御部５を逐次指令追従制御部５ａと補間軌道追従制御部５ｂの二つに分け、信号切替え部４の前段に設置したものである。その他の構成は第１の実施例と同様である。
次に、この第２の実施の形態の動作について説明する。
上位装置（図示せず）から出力される位置指令は、位置指令取得部１で周期的に取得される。追従モード選択部２では、逐次指令追従モードと補間軌道追従モードの二値のモードを、オフライン設定あるいは上位装置から取得した信号によりオンライン設定する。
逐次指令追従モードのときは、逐次指令追従制御部５ａで、位置指令に対してフィードバック制御や制振制御などを用いて追従制御を行い、トルク指令を出力する。モータ制御指令は、信号切替え部４を通じて、モータ駆動部６に与えられる。
補間軌道追従モードのときは、位置指令が変化したとき、補間軌道作成部３で、位置指令と現在の位置との距離に基づいて補間軌道が作成される。
補間軌道が作成されると、補間軌道作成部３からは、補間軌道の払い出し終了まで位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道が出力され続ける。払い出しが終了したのち、再び位置指令の変化によって補間軌道が作成される。また、位置指令が増分値で与えられるときは、補間軌道作成部３において移動距離に係数をかけて拡大しても良い。
次に、補間軌道追従制御部５ｂで、補間軌道に対してフィードバック制御や制振制御などを用いて追従制御を行い、トルク指令を出力する。
モータ制御指令は、信号切替え部４を通じてモータ駆動部６に与えられる。
モータ駆動部６では、モータのトルクがトルク指令と一致するようにモータ電流を制御しモータ電力を出力する。
【００１０】
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を図３に基づいて説明する。
本位置決め制御装置は、第１の実施の形態または第２の実施の形態における補間軌道作成部３を、上位指令判断部７と補間軌道ルックアップテーブル８により構成したものである。補間軌道ルックアップテーブル８には、位置指令とモータＭの現在の位置との距離、すなわち移動距離に応じた補間軌道１〜Ｎが複数、あらかじめ設定されている。
図３において、上位指令判断部７で上位装置からの位置指令とモータＭの現在の位置との距離に基づいて、移動距離が補間軌道ルックアップテーブル８にあらかじめ決められたいずれの移動距離であるかを判断し、補間軌道ルックアップテーブル８より補間軌道を選択する。
補間軌道が選択されると、補間軌道の払い出し終了まで位置指令の変化に影響を受けずに補間軌道が出力され続ける。払い出しが終了したのち、再び位置指令の変化によって補間軌道が作成される。また、位置指令が増分値で与えられるときは、補間軌道作成部において移動距離に係数をかけて拡大しても良い。
【００１１】
なお、前記の第１から第３の実施形態において補間軌道作成部３で作成する補間軌道としては、先に本出願人が特開２００２−９１５７０号公報で開示したサーボ制御方法における、モータ位置と機械系の位置の境界条件および制御対象の運動方程式から求められた多項式を用いることができる。
このサーボ制御方法は、制御対象の機械系がサーボモータとばね要素を介して結合される２慣性系以上の柔軟構造物の場合に、モータが指令通りに追従しても負荷側が振動するという問題を解消するものである。
これについて簡単に説明する。ここで、制御する機械系は２慣性系で近似できるものとする。図５は制御系の構成を示すブロック図であり、２１は位置ループ比例ゲインＫｐ、２２は速度ループ、２３はモータの位置、速度、トルク指令を計算する指令生成部分である。２４は所望の動作条件であり、メモリに格納されている。２５は機械系のパラメータであり、メモリに格納されている。速度ループ２２の内部は比例積分制御行うものとする。また、動作条件２４としては、移動距離ｄｉｓｔと移動時間ｔｅが入力され格納されている。機械系のパラメータ２５としては、モータイナーシャＪ１、負荷イナーシャＪ２、ばね定数Ｋｃ、減衰係数ＤＬが入力されて格納されているものとする。メモリに格納されている動作条件２４と機械系パラメータ２５を使用して指令生成部２３でモータ位置指令θｒｅｆ、モータ速度指令Ｖｆｆおよび、モータトルク指令値Ｔｆｆを算出し、制御入力とする。
【００１２】
以下に、指令生成部２３での処理内容を順に説明する。
Ｓｔｅｐ１：機械系の位置Ｘｌ（ｔ）とモータ位置Ｘｍ（ｔ）をそれぞれ式（１）のような１５次の多項式としておく。１５次にする理由は、以下で述べる境界条件が１６個存在するためである。
Ｘｌ（ｔ）＝ａ１５・ｔ１５＋ａ１４・ｔ１４＋ａ１３・ｔ１３＋・・・・ａ１・ｔ１＋ａ０
Ｘｍ（ｔ）＝ｂ１５・ｔ１５＋ｂ１４・ｔ１４＋ｂ１３・ｔ１３＋・・・・ｂ１・ｔ１＋ｂ０　　・・・式（１）
（ａ０〜ａ１５、ｂ０〜ｂ１５は係数）
Ｓｔｅｐ２：動作条件と機械系のパラメータを取得。
・動作条件：移動距離ｄｉｓｔ、移動時間ｔｅ
・機械系のパラメータ：Ｊ１、Ｊ２、Ｋｃ、ＤＬ
Ｓｔｅｐ３：式（２）に示す境界条件と、式（３）に示す機械系の運動方程式を解くことにより係数ａ０〜ａ１５、ｂ０〜ｂ１５を求める。境界条件としては、モータと負荷それぞれにおいて、動作開始時（ｔ＝０）　：位置＝速度＝加速度＝加加速度＝０、動作終了時（ｔ＝ｔｅ）：位置＝ｄｉｓｔ、速度＝加速度＝加加速度＝０となり、式（２）に示すような１６個の条件となる。
Ｘｌ（０）（０）＝０，　　　　Ｘｌ（１）（０）＝０，　　Ｘｌ（２）（０）＝０，　　Ｘｌ（３）（０）＝０，
Ｘｌ（０）（ｔｅ）＝ｄｉｓｔ，　Ｘｌ（１）（ｔｅ）＝０，　　Ｘｌ（２）（ｔｅ）＝０，　　Ｘｌ（３）（ｔｅ）＝０，
Ｘｍ（０）（０）＝０，　　　Ｘｍ（１）（０）＝０，　　Ｘｍ（２）（０）＝０，　　Ｘｍ（３）（０）＝０，
Ｘｍ（０）（ｔｅ）＝ｄｉｓｔ，　Ｘｍ（１）（ｔｅ）＝０，　Ｘｍ（２）（ｔｅ）＝０，　　Ｘｍ（３）（ｔｅ）＝０　・・・式（２）
ただし、式中のＡ（ｎ）　の添字（ｎ）はＡのｎ階微分を表すものとする。（Ａ＝ＸｌまたはＸｍ）
また、２慣性系の機械系の、運動方程式は式（３）のようになる。
Ｊ２・Ｘｌ（２）（ｔ）＋ＤＬ・（Ｘｌ（１）（ｔ）−Ｘｍ（１）（ｔ））
＋Ｋｃ・（Ｘｌ（０）（ｔ）−Ｘｍ（０）（ｔ））＝０　　　・・・・・式（３）
以上、式（２）、（３）より係数ａ０〜ａ１５、ｂ０〜ｂ１５を求める。
Ｓｔｅｐ４：　Ｓｔｅｐ３で求めた係数から、モータ位置指令値Ｘｍ（０）（ｔ）が求まり、それを微分することで、モータ速度指令値Ｘｍ（１）（ｔ）が求まる。最後にトルク指令値Ｔｒｅｆ（ｔ）は　式（４）のように求まる。
Ｔｒｅｆ（ｔ）＝Ｊ１・Ｘｍ（２）（ｔ）＋Ｊ２・Ｘｌ（２）（ｔ）　　　　　・・・式（４）
この方法では、機械系の運動特性を考慮して、指令を生成しているため、負荷側を振動なく完全に指令に追従させることが可能である。また、制御系を含む伝達関数ではなく、機械系の運動方程式からのみ指令を生成するので、制御ゲインの変更に際しても全く影響を受けず、指令を変更する必要がない。
以上の運動方程式により導かれる運動方程式を本発明の軌道補間に用いることで、制御対象の動特性モデルが正確に把握できている範囲で制御対象を効率的に駆動することができる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）第１の発明によれば、モード選択信号によって、上位装置から受け取った位置指令に追従する制御と、装置内部で作成した補間軌道に追従する制御を切り替えることによって、機械の動作シーケンス中で制御対象の動特性モデルが妥当であるときは補間軌道追従モードにより制御を行って、上位装置からの位置指令の時間軌道に拘束されず、振動系を制御するにあたって効率的な時間軌道で制御対象を駆動することができ、また制御対象の動特性モデルが妥当でなくなるときは逐次指令追従モードにより制御を行って、上位装置からの位置指令に追従する制御を簡易的かつ保守的に行うことができる。
（２）第２の発明によれば、第１の発明の効果に加え、補間軌道追従制御部と逐次指令追従制御部が独立であることから、それぞれ異なった制御則に基づいて制御を行うことができる。
（３）第３の発明によれば、補間軌道作成部に、移動距離を判断する上位指令判断部と、移動距離の異なる補間軌道を複数個記憶したルックアップテーブルとを備え、移動距離によってルックアップテーブルの参照先を変え、参照先の軌道を出力することによって、移動距離がいくつかに限られているとき、あらかじめ補間軌道を計算して実行時の負荷を低減したり、実験により試行錯誤的に設定した指令を用いたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】従来の位置決め制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】従来提案した軌道補間方法の例を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
１　位置指令取得部
２　追従モード選択部
３　補間軌道作成部
４　信号切替え部
５　追従制御部
５ａ　逐次指令追従制御部
５ｂ　補間軌道追従制御部
６　モータ制御部
７　上位指令判断部
８　補間軌道ルックアップテーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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