(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の現在位置信号Ｐをフィードバックして指令位置信号Ｘとの偏差量を求め、前記偏差量を制御対象に出力する位置決めのサーボ制御装置において、
前記指令位置信号Ｘを入力とし、前記偏差量に加算出力を与えるデジタルフィルタを設け、
前記デジタルフィルタの伝達関数ＧＤは、ＧＴを前記指令位置信号Ｘと前記現在位置信号Ｐとの関係（Ｐ＝ＧＴ・Ｘ）で目標とする応答の特性を数値化したものとし、さらに、ＧＭを駆動部から制御対象までの前向きの伝達関数としたときに、前記ＧＭへの入力指令と前記入力指令に対する応答出力とに基づいて前記ＧＭを獲得し、
ＧＤ＝（ＧＴ＋ＧＴＧＭ−ＧＭ）／ＧＭ
の式からコンピュータ演算で自動的に設定される
ことを特徴とする位置決めのサーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）装置、ＸＹプロッタにおいて適用されるサーボの位置決めの技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、プリント基板では部品の実装密度が高密度化するのに伴って、配線パターンが細線化されており、部品を固定するための穴の位置精度を向上させることが必要になってきている。
【０００３】
図３に、従来のサーボ制御を適用した構成例を示す。駆動回路２は指令位置１とリニアスケール出力の制御対象現在位置８を取込んでサーボモータ３を回転させる。サーボモータ３の回転は変速装置４を経てボールネジ５に伝わり制御対象６を移動させる。駆動回路２から制御対象６までの伝達関数を前向きの伝達関数と呼び、これをＧMとする。
【０００４】
図４は、図３のサーボ制御系を前向きの伝達関数ＧMを使用して表現したサーボブロック図である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３の構成により、さらに位置決め精度を向上させようとしても、変速装置４やボールねじ５等の特性のばらつきにより、同一指令に対する各装置の応答がばらつく。すなわち、予め設定した伝達関数ＧMのパラメータがある装置にとっては適切であっても、他の装置には適していない場合がある。このため、装置毎に伝達関数ＧMのパラメータを修正せねばならず、多大の時間を必要とした。
【０００６】
本発明は、装置毎に最適の伝達関数ＧMのパラメータを人手を介することなく定め、装置毎の個体差を実質的に無くし、位置決め精度を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、主として次のような構成を採用する。
【０００９】
制御対象の現在位置信号Ｐをフィードバックして指令位置信号Ｘとの偏差量を求め、前記偏差量を制御対象に出力する位置決めのサーボ制御装置において、
前記指令位置信号Ｘを入力とし、前記偏差量に加算出力を与えるデジタルフィルタを設け、
前記デジタルフィルタの伝達関数ＧＤは、ＧＴを前記指令位置信号Ｘと前記現在位置信号Ｐとの関係（Ｐ＝ＧＴ・Ｘ）で目標とする応答の特性を数値化したものとし、さらに、ＧＭを駆動部から制御対象までの前向きの伝達関数としたときに、前記ＧＭへの入力指令と前記入力指令に対する応答出力とに基づいて前記ＧＭを獲得し、
ＧＤ＝（ＧＴ＋ＧＴＧＭ−ＧＭ）／ＧＭ
の式からコンピュータ演算で自動的に設定される
ことを特徴とする位置決めのサーボ制御装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るサーボブロックを図１に示す。図１に示すサーボブロックの各要素は、図３及び図４に示す各要素と共通していてこれらを用いることを前提としており、図１のデジタルフィルタＧDを採用してこれを図示のようなサーボ回路に適用する（指令位置信号を入力とし、その出力信号を指令位置信号と制御対象現在位置信号との偏差量に加算する）ことが、本実施形態の特徴の一つである。図１の回路構成は、サーボ特性の精度の向上を目指して、デジタルフィルタＧD１０をフィードフォワード回路に用いている。
【００１１】
ここにおいて、デジタルフィルタ１０は、「日経エレクトロニクス（ＮＩＫＫＥＩ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ）１９７７．８．８」１０２〜１０７頁、に記載されているような公知の構成要素であり、入力されたディジタル量に対して、その周波数特性を変えるためのフィルタである。
【００１２】
サーボにおいて、目標とする応答特性を得るための、デジタルフィルタ１０の伝達関数の決定手法を以下説明する。
【００１３】
図１において、指令位置をＸ、制御対象現在位置をＰとし、駆動回路２から制御対象６までの前向きの伝達関数をＧMとし、デジタルフィルタ１０の伝達関数をＧDとすると、
Ｐ＝｛ＧM（１＋ＧD）／（１＋ＧM）｝・Ｘ                 ……（１）
となる。
【００１４】
目標とする応答特性をＧT（任意に設定する値であって、その値自体は特定されるもの）とし、指令位置Ｘと制御対象現在位置Ｐとの関係を
Ｐ＝ＧT・Ｘ                                              ……（２）
とすると、
ＧT＝ＧM（１＋ＧD）／（１＋ＧM）                        ……（３）
となる。
【００１５】
（３）を変換すれば、ＧDは次のようになる。
ＧD＝（ＧT＋ＧTＧM−ＧM）／ＧM                         ……（４）
したがって、デジタルフィルタのＧDを（４）式のように設定すれば（４）式の右辺は全て既知の値であり、ＧMの求め方は後述する）、サーボ制御の目標とする（２）式の応答特性が得られることとなる。ここにおいて、目標とする応答特性ＧTは、例えば、ステップ状入力に対して希望する応答の特性を数値化したものである。
【００１６】
次に、Ｚ変換を用いたサンプリング制御における代数演算の性質について以下説明する。Ｚ変換については、例えば「自動制御」村松文夫著、朝倉書店発行、１９７９年９月２０日、１３４〜１３９頁、に記載されている。
【００１７】
図５に示すような、サンプリング時間をＴとし、関数Ａが、
ｔ＜０  の時  Ａ＝０
ｉＴ≦ｔ＜（ｉ＋１）Ｔ  の時  Ａ＝ａi          ……（５）
であるとすれば、
関数Ａは
Ａ（ｚ）＝Σ（ａIｚ-I）                        ……（６）
と表現される。ここで、ｚはサンプリング演算子である。
【００１８】
具体的に云えば、図５を参照して、
ｔ＜０  の時  Ａ＝０
３Ｔ＜ｔ＜４Ｔ  の時  Ａ＝ａ3
であれば、関数Ａは次のように表される。
【００１９】
Ａ（ｚ）＝ａ0＋ａ1ｚ-1＋ａ2ｚ-2＋ａ3ｚ-3＋…
ここで、伝達関数Ｆ（ｚ）を持つ装置の入力がＡ（ｚ）、出力がＢ（ｚ）とすると、
Ｂ（ｚ）＝Ｆ（ｚ）×Ａ（ｚ）                  ……（７）
が成立する。
【００２０】
次に、図４におけるＧMの求め方について以下説明する。ＧMを求めるため、図２に示すようにフィードバックルートを切り放す。ｚ変換を用いて、入力をＸ（ｚ）とし、出力をＰ（ｚ）とする。すなわち、
Ｘ（ｚ）＝Σ（ｘIｚ-I)                            ……（８）
を入力した時の応答を測定し、その結果として出力が、
Ｐ（ｚ）＝Σ（ｐIｚ-I）                          ……（９）
になったとする。
【００２１】
ここで図４におけるＧMを
ＧM＝Σ（ｄIｚ-I）／｛（１−ｚ-1）Σ（ｅIｚ-I）｝     ……（１０）
とおく。ここにおいて、駆動回路２以下の系が、モータと機械系とから成り立っていることから、即ち、モータに指令を与えて（モータへの入力電圧は速度成分である）最終的に位置として出力を取り出していることから、積分要素を保持しているので、図４のＧMは、ｚ変換における｛１／（１−ｚ-1）｝の積分要素を含んでいる。前記（１０）式は、ｚ変換における積分要素系の表示形式である。
【００２２】
したがって、図２の入出力関係は、
Ｐ（ｚ）＝［Σ（ｄIｚ-I）／｛（１−ｚ-1）Σ（ｅIｚ-I）］・Ｘ（ｚ）…（１１）
であるから、
（１−ｚ-1)Σ（ｅiｚ-i)Ｐ（ｚ）＝Σ（ｄiｚ-i)・Ｘ（ｚ）  …（１２）
となる。ここにおいて、Ｘ（ｚ）は、（８）式に示すように、その特性が既知の入力を採用するのであるが、制御の対象となる機械の特性を求める目的から、Ｘ（ｚ）は単純な
ｘ0＝ｃ
ｘi＝０  （ｉ≧１）          ………………（１３）
を与える。（１３）式は、ｉが０のときにｃの大きさをもち、それ以外の時には０である入力波形を意味する。
従って、
（１−ｚ-1)Σ(ｅiｚ-i)Σ（ｐiｚ-i)＝ｃΣ（ｄiｚ-i)  ………（１４）
となる。
ここで説明を単純化するため、図４におけるＧMを仮に１次遅れ系とすると、
ＧM＝（ｄ1ｚ-1＋ｄ2ｚ-2）／｛（１−ｚ-1）（１＋ｅ1ｚ-1）｝……（１５）
となる。ここにおいて、（１５）式は、一次遅れ系のラプラス変換の表示形式であるＦ（ｓ）＝ａ／｛ｓ（ｓ＋ａ）｝をｚ変換した表示形式である。
【００２３】
ｚ変換においては、一次遅れ系は分母はｚ-1まで分子はｚ-2まで、二次遅れ系は分母はｚ-2まで分子はｚ-3まで、三次遅れ系は分母はｚ-3まで分子はｚ-4まで、展開した表示形式となる。
【００２４】
したがって、ＧMを仮に１次遅れ系とすると、（１４）式は、
（１−ｚ-1）（１＋ｅ1ｚ-1）Σ（ｐｉｚ−１)＝ｃ（ｄ1ｚ-1＋ｄ2ｚ-2）………（１６）
となる。
【００２５】
次に、未定係数法の手法によって、ｚ-1、ｚ-2、ｚ-3、の係数比較から、
ｚ-1        ｃｄ1＝ｐ1                   ………………（１７）
ｚ-2        ｃｄ2＝ｐ2＋ｐ1（ｅ1−１）   ………………（１８）
ｚ-3          ｅ1＝（ｐ2−ｐ3）／（ｐ2−ｐ1）…………（１９）
となる。ここで、ｐ1、ｐ2、ｐ3は応答出力を測定した結果求まる値であり、ｃとともに既知の値である。（１７）、（１８）、（１９）の３式から、未知の値である係数ｄ1、ｄ1、ｅ1、を求めることができる。
【００２６】
したがって、（１５）式におけるＧMを決めることができ、（４）式におけるＧDを決定することができる。即ち、図１に示したデジタルフィルタＧDの係数を決定することができる。
【００２７】
更に、制御対象が２次遅れ系のときは、上述と同様な手法を用いて、
0003747993.tif 000002
制御対象が3次遅れ系のときは、
0003747993.tif 000003
として同様にＧMを決定することが出来る。４次以上の遅れ系のときも同様である。
【００２８】
このようにして求められたＧMを（４）式に代入して演算することにより、図１における所望の応答特性ＧDを決定することができ、目的の制御特性を得ることが可能になる。
【００２９】
以上のような、演算および計算は、マイコンを使用して全て自動的に行うことができ、最終的なデジタルフィルタの係数を自動的に設定できるものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、フィードフォワードデータにデジタルフィルタを採用し、このデジタルフィルタの係数を装置毎に求めるから、伝達関数ＧMのパラメータを同一にしても、総ての装置で同一の位置決め精度を得ることができる。
【００３１】
本発明は、制御対象の機械構造に適した特性を目標特性として与え、サーボ補償のためのデジタルフィルタを自動的に得ることを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る、デジタルフィルタを適用したサーボブロックを示す図である。
【図２】サーボ制御における前向き伝達関数の特性測定時のサーボブロックを示す図である。
【図３】サーボ制御の構成例を示す図である。
【図４】図３のサーボブロック図である。
【図５】サンプリング時間をＴとした関数値Ａを表す図である。
【符号の説明】
１  指令位置
２  駆動回路
３  サーボモータ
４  変速装置
５  ボールネジ
６  制御対象
７  リニアスケール
８  制御対象現在位置
９  前向きの伝達関数
１０  デジタルフィルタ
【図１】
0003747993.tif 000004
【図２】
0003747993.tif 000005
【図３】
0003747993.tif 000006
【図４】
0003747993.tif 000007
【図５】
0003747993.tif 000008