(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一駆動軸および第二駆動軸を独立に駆動することで１個の制御対象を制御するタンデム制御方式が適用される位置制御装置において、
前記第一駆動軸の位置をフィードバック値として用いるセミクローズド位置制御で、前記第二駆動軸とは独立して前記第一駆動軸を駆動制御する第一制御部と、
前記第二駆動軸の位置をフィードバック値として用いるセミクローズド位置制御で、前記第一駆動軸とは独立して、前記第二駆動軸を駆動制御する第二制御部と、
を備え、
前記第一制御部は、前記第一駆動軸と制御対象との間の速度差を増幅して前記第一駆動軸のトルク指令値に加算し、
前記第二制御部は、前記第二駆動軸と制御対象との間の速度差を増幅して前記第二駆動軸のトルク指令値に加算する、
ことを特徴とした位置制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置制御装置において、
前記位置制御装置は、各駆動軸と制御対象との間に発生する位置差と速度差と粘性摩擦とを推定演算し、得られた位置差を各駆動軸の位置指令値に、得られた速度差を各駆動軸の速度指令値に、得られた粘性摩擦を各駆動軸のトルク指令値に、それぞれ加算する、
ことを特徴とした位置制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の位置制御装置において、
前記位置制御装置は、各駆動軸と制御対象との間に発生する速度差と粘性摩擦とを推定演算し、得られた速度差を各駆動軸の速度指令値に、得られた粘性摩擦を各駆動軸のトルク指令値に、それぞれ加算する、
ことを特徴とした位置制御装置。
【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、１個の制御対象を２個のモータで制御するタンデム制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械やロボット等の駆動機構において、可動部である制御対象が大型で、その軸を駆動するモータが１個ではトルク（直動型では推力）が不足する場合等において、指令を２個のモータに与えて、１個の制御対象を２個のモータで駆動するタンデム制御が適用されている。この場合、各々のモータ（回転型あるいはリニア型）は、ギヤやカップリング要素を介して、１個の制御対象を、回転方向あるいは直動方向に駆動する事になる。
【０００３】
図８は、タンデム制御を適用する対象プラントを、回転型モータ軸に換算して表現した概略図である。２個のモータを含む駆動軸１，駆動軸２の慣性モーメントをＩ１，Ｉ２とし、１個の制御対象の慣性モーメントをＩＬと示している。制御対象と駆動軸１の間のトルク伝達系を、剛性Ｋ１と粘性抵抗Ｄ１によるバネ系で、制御対象と駆動軸２の間のトルク伝達系を、剛性Ｋ２と粘性抵抗Ｄ２によるバネ系で表現している。尚、駆動軸１，駆動軸２，制御対象の各位置を、ｘ１，ｘ２，ｘＬとおく。
【０００４】
図９は、タンデム駆動される制御対象の位置ｘＬを、上位装置（図示しない）から、一定周期毎に関数発生された位置指令値Ｘ通りに制御するための、従来の位置制御装置３００の一例を示すブロック図である。第１軸位置制御部１００ａは、駆動軸１を制御し、第２軸位置制御部１００ｂは、駆動軸２を制御する。尚、以降の記述において、軸共通の要素には、符番号の末尾に、ａ（第１軸），ｂ（第２軸）を付している。以下、図９の従来位置制御装置３００の動作について説明する。
【０００５】
まず、第１軸位置制御部１００ａについて説明する。本従来例では、指令応答の高速化を図るため、フィードフォワード構成をとっている。具体的には、位置指令値Ｘに対して、加減速処理部５０ａで、適当な加速度や加々速度を持つような加減速処理を加え、加減速処理後の位置指令値Ｘｃを出力する。位置指令値Ｘｃは、微分器５４ａで時間微分されて、速度フィードフォワード量ＶＦとなり、更に、微分器５５ａで時間微分されて、加速度指令値ＡＦとなる。増幅器ＡＴＦにおける増幅率ＡＴＦは、図８に示した対象プラント２００に、加速度ＡＦを発生させるモータトルク相当の加減速トルクフィードフォワード量τＦを求める定数である。
【０００６】
フィードバック構成は次の様になっている。まず、位置検出器（図示しない）により検出された駆動軸１の位置ｘ１を位置フィードバックとして、減算器５１ａで、位置指令値Ｘｃから減算され、その出力である位置誤差は位置誤差増幅器Ｋｐで増幅される。その出力は、加算器５２ａで速度フィードフォワード量ＶＦと加算されて速度指令値Ｖ１となる。減算器５３ａは、速度指令値Ｖ１から、位置ｘ１を微分器５６ａで微分した速度ｖ１を減算し、その出力である速度誤差は、速度誤差増幅器Ｇｖで、通常、比例積分増幅される。
【０００７】
速度誤差増幅器Ｇｖの出力と加減速トルクフィードフォワード量τＦが、加算器５７ａで加算されて、第１軸位置制御部１００ａの出力であるトルク指令値τ１となる。トルク指令値τ１は、モータの発生トルクに等しくなる様にトルク制御される（図示しない）。このモータ発生トルクが、図８に示した対象プラント２００の駆動軸１側に加わる入力トルクとなる。
【０００８】
第２軸位置制御部１００ｂは、第１軸位置制御部１００ａと、内部構造及び構成要素が同一であるため説明を省略する。第２軸位置制御部１００ｂの出力であるトルク指令値τ２は、図８に示した対象プラント２００の駆動軸２側に加わる入力トルクとなる。ここで、特に、駆動軸１と駆動軸２及び両駆動軸と制御対象との間のトルク伝達系を、同一仕様部材で構成する場合は、両駆動系が平衡関係となって、第１軸位置制御部１００ａと第２軸位置制御部１００ｂは、位置誤差増幅器Ｋｐ，速度誤差増幅器Ｇｖ，増幅器ＡＴＦの設定値を含めて同一に構成できる。
【０００９】
以降、図９に示した従来位置制御装置３００のタンデム制御性能について記述する。尚、両駆動系は平衡関係となる様、対象プラント条件として、Ｉ１＝Ｉ２＝０．１［ｋｇ・ｍ２］，ＩＬ＝０．３［ｋｇ・ｍ２］，Ｋ１＝Ｋ２＝５０・１０３［Ｎｍ／ｒａｄ］，Ｄ１＝Ｄ２＝０［Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ）］を選び、この対象プラントに対する好適な制御条件（Ｋｐ，Ｇｖ，ＡＴＦ）を設定している。
【００１０】
まず、外乱抑制性能を評価するため、図８の制御対象ＩＬに負荷外乱τｄｉｓをステップ状に加えて、外乱応答をシミュレーションした結果が図１０と図１１である。駆動軸１、駆動軸２、制御対象の各速度をｖ１，ｖ２，ｖＬ、各加速度をａ１，ａ２，ａＬ、各位置偏差をＤｉｆｆ１（＝Ｘｃ−ｘ１）、Ｄｉｆｆ２（＝Ｘｃ−ｘ２）、ＤｉｆｆＬ（＝Ｘｃ−ｘＬ）とおいている。この場合、図１１から明らかな通り、収束過程において、加速度（ａ１，ａ２，ａＬ）に、バネ系に起因する大きな振動現象が確認できる。
【００１１】
次に、指令追従性能を評価するため、２次関数型加速指令値に対する応答をシミュレーションした結果が図１２である。外乱応答と同様に、加速度（ａ１，ａ２，ａＬ）で、加速過程における振動発生が確認できる。また、図９に示した従来位置制御装置３００では、位置フィードバックとして、駆動軸１と駆動軸２の位置であるｘ１とｘ２を採用しているため、加速過程において、駆動軸側は指令値に対して追従しているが、制御対象側は追従遅れが大きく、大きな位置偏差ＤｉｆｆＬが発生している。
【００１２】
図１３は、タンデム駆動で用いられる従来の位置制御装置の他の構成例を示している。これは、図９に対して、駆動軸１と駆動軸２の速度の差を検出して、駆動軸１と駆動軸２の間に発生する撓みを減少させる方向に、トルク指令値を補償する構成が付加されている。以下、図９と異なる部分についてのみ説明する。
【００１３】
減算器５８は、駆動軸１の速度ｖ１から、駆動軸２の速度ｖ２を減算して速度差を出力する。この速度差は、増幅器Ｇｄで増幅され、減算器５９で、第１軸位置制御部１００ａの出力であるトルク指令値から減算されて、位置制御装置３０１の駆動軸１に対するトルク指令値τ１となる。一方で、増幅器Ｇｄの出力は、加算器６０で、第２軸位置制御部１００ｂの出力であるトルク指令値に加算されて、位置制御装置３０１の駆動軸２に対するトルク指令値τ２となる。この構成によって、撓みの発生を減少させる方向に、トルク指令値が補償される。
【００１４】
図１４は、図１１と同様に、図８の制御対象ＩＬに負荷外乱τｄｉｓをステップ状に加えて、外乱応答をシミュレーションした結果を示しているが、図１１と比較しても、振動特性に殆ど差異は無く、制振効果が発生していない事がわかる。図１３に示した従来位置制御装置３０１の構成は、駆動軸１と駆動軸２の間のトルク干渉に起因した振動を抑制する効果があると言われている。しかしながら本対象プラントの様に、各駆動軸と制御対象がバネ系を介してトルク伝達される場合は、駆動軸間の速度差で補償値を構成しても、対象プラント内の撓みを減少させて、振動を抑制することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第３４９２５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
タンデム制御を適用する対象プラントが、２個の駆動軸それぞれで、バネ系（トルク伝達系）を介して制御対象を駆動する構成においては、制御対象に負荷外乱が加わると容易に振動が発生する。また、この様な制御対象に対しては、その両端を２個の駆動軸でタンデム駆動しても、加減速動作時に、制御対象と駆動軸との間に撓みが発生して、制御対象を位置指令値通りに追従させる事ができなかった。
【００１７】
本発明が解決しようとする課題は、２個の駆動軸それぞれで、バネ系を介して制御対象を駆動する構成の対象プラントに対しても、振動の発生を軽減し、且つ、加減速動作時に、制御対象を位置指令値通りに追従させる事ができる、タンデム駆動に適した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】
【００１８】
内部にバネ系を含む対象プラントでは、粘性抵抗系を加える事でダンピング特性を増大させ振動特性を軽減できる。本発明では、制御対象に位置または速度検出器を設置し、これより検出できる各駆動軸と制御対象間の速度の差（以降、撓み速度と呼称する。）を増幅して、トルク補償値を演算し、これを各軸のトルク指令値に加算する事で、振動の発生を軽減する。
【００１９】
一方で、加減速動作時には、各駆動軸と制御対象間に発生する位置の差（以降、撓み量と呼称する。）と撓み速度及び粘性摩擦トルクを推定演算して、これらを各軸の位置指令値と速度指令値及びトルク指令値に加算する事で、制御対象を位置指令値通りに追従させる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による位置制御装置では、制御対象に加わる負荷外乱に起因した振動発生を抑制できる。一方で、加減速動作時には、振動抑制と同時に、位置指令値と制御対象位置の偏差量を縮小化できるため、結果として、タンデム制御における位置制御の高精度化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による位置制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の位置制御装置における外乱応答シミュレーション波形の一部である。
【図３】本発明の位置制御装置における外乱応答シミュレーション波形の他の一部である。
【図４】本発明の位置制御装置における２次関数型加速指令値に対する応答シミュレーション波形である。
【図５】本発明による位置制御装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明による位置制御装置の他の構成例における外乱応答シミュレーション波形の一部である。
【図７】本発明による位置制御装置の他の構成例における２次関数型加速指令値に対する応答シミュレーション波形である。
【図８】タンデム制御を適用する対象プラントを説明する概略図である。
【図９】従来の位置制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】従来の位置制御装置における外乱応答シミュレーション波形の一部である。
【図１１】従来の位置制御装置における外乱応答シミュレーション波形の他の一部である。
【図１２】従来の位置制御装置における２次関数型加速指令値に対する応答シミュレーション波形である。
【図１３】従来の位置制御装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１４】従来の位置制御装置の他の構成例における外乱応答シミュレーション波形の一部である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。本実施例では、対象プラント２００の制御対象に速度検出器（図示しない）を設置している。
【００２３】
ここでは、第１軸位置制御部３ａの構成と動作について説明する。第２軸位置制御部３ｂは、第１軸位置制御部３ａと、内部構造及び構成要素が同一であるため説明を省略する。減算器１３ａは、駆動軸１の速度ｖ１から、速度検出器より検出された制御対象の速度ｖＬを減算し、駆動軸１側の撓み速度を出力する。増幅器Ｄｐは、駆動軸１側の撓み速度を比例積分増幅して出力する。
【００２４】
この増幅器Ｄｐの出力がトルク補償値となる。減算器１４ａは、加算器５７ａの出力から、増幅器Ｄｐの出力を減算して、第１軸位置制御部３ａのトルク指令値τ１を出力する。ここで駆動軸１側の撓み速度から演算したトルク補償値によって、制御対象と駆動軸１の間のトルク伝達系の特性が近似的に操作できる。
【００２５】
本発明による位置制御装置１を適用した場合の外乱応答について説明する。ここでは、増幅器Ｄｐの増幅率は、１００（定数）を設定している。図２と図３は、従来の位置制御装置３００の外乱応答シミュレーション結果である図１０と図１１に対応しており、制御対象にステップ状の負荷外乱τｄｉｓが加えられた時の応答シミュレーションを示している。図３からは、ステップ外乱によって、位置偏差（Ｄｉｆｆ１，Ｄｉｆｆ２，ＤｉｆｆＬ  ）が発生しても、加速度（ａ１，ａ２，ａＬ  ）で確認して、振動の発生が抑制されている事がわかる。
【００２６】
次に、図１に戻って、第１軸追従補償部２ａの動作を説明する。第１軸追従補償部２ａは、加減速時においても、加減速処理後の位置指令値Ｘｃに対して、制御対象の位置ｘＬを高精度に追従させるための補償値演算部になる。増幅器ＣＸＦは、加減速時における、駆動軸１の位置ｘ１と、制御対象の位置ｘＬの偏差量（以下、「駆動軸１側の撓み量」と称する。）を、加速度指令値ＡＦから推定演算する。
【００２７】
増幅率ＣＸＦは、式（１）で設定する。
ＣＸＦ＝（ＩＬ／Ｋ１）・ｇＸ  （但し、ｇＸ：０．２〜０．８）  ・・・・・（１）
増幅器ＣＸＦの出力ＸＣＦは、加減速処理後の位置指令値Ｘｃと加算器１０ａで加算されて、位置制御上の位置指令値（Ｘｃ＋ＸＣＦ  ）となる。減算器５１ａは、この位置制御上の位置指令値から、駆動軸１の位置ｘ１を減算して位置誤差とする。
【００２８】
微分器１５ａは、加速度指令値ＡＦを微分して、加々速度指令値ＢＦを出力する。増幅器ＣＶＦは、加減速時における、駆動軸１の速度ｖ１と、制御対象の速度ｖＬの偏差量（駆動軸１側の撓み速度）を、加々速度指令値ＢＦから推定演算する。増幅率ＣＶＦは、式（２）で設定する。
ＣＶＦ＝（ＩＬ／Ｋ１）・ｇＶ  （但し、ｇＶ：０．２〜０．８）  ・・・・・（２）
増幅器ＣＶＦの出力ＶＣＦは、速度フィードフォワード量ＶＦと加算器１１ａで加算され、更に、加算器５２ａで、位置誤差増幅器Ｋｐ出力と加算されて、速度指令値Ｖ１とする。
【００２９】
増幅器ＣＤＰは、加減速時における粘性摩擦トルクを、加々速度指令値ＢＦから推定演算する。増幅率ＣＤＰは、式（３）で設定する。
ＣＤＰ＝（ＩＬ／Ｋ１）・Ｄｐ・ｇＤ  （但し、ｇＤ：０．２〜０．８）  ・・・・・（３）
増幅器ＣＤＰの出力τＣＦは、加減速トルクフィードフォワード量τＦと、加算器１２ａで加算され、更に、加算器５７ａで、速度誤差増幅器Ｇｖ出力と加算する。
【００３０】
本発明による位置制御装置１を適用した場合の指令追従性能について説明する。ここでは、前述の第１軸追従補償部２ａ内部の各増幅器の係数は、（ｇＸ，ｇＶ，ｇＤ）＝（０．４５，０．４５，０．５）を設定している。図４は、２次関数型加速指令値に対する応答シミュレーション結果を示しており、従来の位置制御装置３００の応答シミュレーション結果である図１２に対応している。
【００３１】
図４では、前述の追従補償値ＸＣＦ，ＶＣＦ，τＣＦを加えることで、加速過程において、制御対象加速度ａＬの振動が抑制されている事がわかる。更に、位置制御上の位置指令値（Ｘｃ＋ＸＣＦ）と駆動軸１の位置ｘ１との位置偏差Ｄｉｆｆ１（＝Ｘｃ＋ＸＣＦ−ｘ１）及び駆動軸２の位置ｘ２との位置偏差Ｄｉｆｆ２（＝Ｘｃ＋ＸＣＦ−ｘ２）を位置誤差として制御することで、制御対象の位置指令値に対する追従遅れは大きく改善され、加速過程における位置偏差ＤｉｆｆＬ（＝Ｘｃ−ｘＬ  ）の発生量は大幅に減少できている。
【００３２】
図５は、本発明による位置制御装置の他の一例を示すブロック図である。以下、これまでに説明していない部分についてのみ説明する。本実施例では、対象プラント２００の制御対象に位置検出器（図示しない）を設置している。制御対象の位置ｘＬが検出できるため、第１軸位置制御部４ａと第２軸位置制御部４ｂは、共に位置フィードバックを制御対象の位置ｘＬで構成している。
【００３３】
このため、位置制御上の位置指令値は、加減速後の位置指令値Ｘｃで構成され、第１軸追従補償部２ａの増幅器ＣＸＦの出力ＸＣＦは不要となる。一方で、制御対象の位置ｘＬを微分器２０ａで微分して、制御対象の速度ｖＬを演算する構成となっている。この制御対象の速度ｖＬは、図１の本発明実施例と同様に、駆動軸１側の撓み速度の演算に利用される。
【００３４】
本発明による位置制御装置５を適用した場合において、制御対象にステップ状の負荷外乱τｄｉｓが加えられた時の応答シミュレーションを図６に示す。位置制御装置１を適用した場合の図３と同様に、加速度（ａ１，ａ２，ａＬ  ）で確認して、振動の発生が抑制されている。一方で、本例では位置フィードバックを制御対象の位置ｘＬで構成しているため、制御対象の位置偏差ＤｉｆｆＬ（＝Ｘｃ−ｘＬ）が定常的にはゼロになる。
【００３５】
図７は、２次関数型加速指令値に対する応答シミュレーションを示している。追従補償値ＶＣＦ，τＣＦを加えることで、位置制御装置１を適用した場合の図４と同様に、加速過程において、制御対象加速度ａＬの振動が抑制されている事がわかる。本例では位置フィードバックを制御対象の位置ｘＬで構成しているため、制御対象の位置偏差ＤｉｆｆＬ（＝Ｘｃ−ｘＬ  ）は抑制できている。但し、駆動軸１の位置ｘ１と駆動軸２の位置ｘ２が直接的な位置制御対象でないため、駆動軸１側の撓み量及び駆動軸２側の撓み量が、そのまま位置偏差Ｄｉｆｆ１（＝Ｘｃ−ｘ１）及び位置偏差Ｄｉｆｆ２（＝Ｘｃ−ｘ２）として発生している。
【００３６】
以上は、駆動軸１と駆動軸２及び両駆動軸と制御対象との間のトルク伝達系が同一仕様部材で構成されて、両駆動系が平衡関係となっている対象プラントを前提に記述しているが、両駆動系が不平衡関係となっている場合も、駆動軸１（駆動軸２）と制御対象との間のトルク伝達系に応じて第１（第２）軸位置制御部の内部に含まれる各増幅器（Ｄｐ，ＣＸＦ，ＣＶＦ，ＣＤＰ）を、軸毎に独立に設定すれば、各トルク伝達系のダンピング特性は同程度になる様に操作でき、且つ、加減速時に各軸で発生する撓みに応じた追従補償制御が可能である。
【００３７】
この様に、本発明による位置制御装置によれば、両駆動系が不平衡な場合でも、振動現象を抑制でき、更に、加減速動作時の追従性能が改善できて、タンデム制御における位置制御の高精度化が達成できる。なお、各駆動軸と制御対象との間の速度差を増幅して各駆動軸のトルク指令値に加算する構成を備えるのであれば、第１軸追従補償部２ａおよび第２軸追従補償部２ｂは、省略されてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１，５，３００，３０１  位置制御装置、２ａ  第１軸追従補償部、２ｂ  第２軸追従補償部、３ａ，４ａ，１００ａ  第１軸位置制御部、３ｂ，４ｂ，１００ｂ  第２軸位置制御部、１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，５２ａ，５２ｂ，５７ａ，５７ｂ，６０  加算器、１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，５１ａ，５１ｂ，５３ａ，５３ｂ，５８，５９  減算器、１５ａ，１５ｂ，２０ａ，２０ｂ，５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂ  微分器、５０ａ，５０ｂ  加減速処理部、２００  対象プラント。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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