(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指令位置と制御対象の現在位置を出力する第１の位置検出装置のフィードバック位置との偏差量を駆動系に出力する位置決めのサーボ制御装置において、
前記駆動系は、サーボモータを用いた駆動装置を含む駆動部と、前記駆動装置と前記制御対象までのばね要素を含む伝達部と、から構成され、
前記駆動部に第２の位置検出装置を設け、
前記第１と前記第２の位置検出装置からのそれぞれのフィードバック位置の差分信号を求め、
前記差分信号を補償回路を通して前記偏差量にフィードバックし、前記偏差量と前記補償回路からの出力値との減算値を前記駆動部に出力し、
前記制御対象の現在位置と前記指令位置との間の伝達関数が、前記ばね要素を含む伝達部の伝達関数と無関係となるように、前記補償回路の伝達関数を設定する
ことを特徴とする位置決めのサーボ制御装置。
【請求項２】
指令位置Ｘと制御対象の現在位置Ｐを出力する第１の位置検出装置のフィードバック位置との偏差量を駆動系に出力する位置決めのサーボ制御装置において、
前記駆動系は、サーボモータを用いた駆動装置を含む駆動部と、前記駆動装置と前記制御対象までのばね要素を含む伝達部と、から構成され、
前記駆動部に第２の位置検出装置を設け、
前記第１と前記第２の位置検出装置からのそれぞれのフィードバック位置の差分信号を求め、
前記差分信号を補償回路を通して前記偏差量にフィードバックし、前記偏差量と前記補償回路からの出力値との減算値を前記駆動部に出力し、
前記補償回路の伝達関数をＡとし、前記駆動部の伝達関数をＧＭとし、前記ばね要素を含む伝達部の伝達関数をＧＤとしたときに、
Ａ＝１／ＧＭ（１−ＧＤ）
の関係を設定することにより、前記制御対象の現在位置Ｐと前記指令位置Ｘとの間の伝達関数を、前記ばね要素を含む伝達部の伝達関数ＧＤと無関係にする
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】
数値制御における位置決め装置として、例えば、自動穴あけ装置の穴あけ速度並びにヒット数を向上させるために、機械自体の移動速度の高速化を目指すことが考えられ、機械自体の速度を上げるには機械の構造を強化する必要がある。一方、機械の速度をそのままにして、位置決め時間を短縮するために、サーボの位置決め特性を改善することが検討されている。
【０００３】
図５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１１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５を経てボールネジ６に伝わり制御対象７を移動させる。
【０００４】
図６は図５に示すサーボ制御装置のサーボブロック図である。ここにおいて、駆動回路２からサーボモータ３の回転軸までを駆動部と呼び、駆動部の伝達関数１２をＧM（駆動部伝達関数）とする。モータ回転軸の回転を受ける変速装置５から制御対象７までを伝達部と呼び、伝達部の伝達関数１３をＧD（伝達部伝達関数）とする。
【０００５】
制御対象７をＸＹテーブルとし、伝達部の一部にボールネジを使用した時、ＸＹテーブルの質量が大きい時、また、ＸＹテーブルを高速で移動させようとしたとき、ボールネジがばね要素となり、このばね要素が制御対象の指令位置に対する応答特性を悪くする。
【０００６】
このばね要素を考慮して応答特性を改善する従来技術では、サーボ制御は難しく且つその回路が複雑になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
サーボ特性の改善を目指して、各種の補償手法が用いられているが、目標とするサーボ特性を得ることは困難であった。
【０００８】
本発明は、サーボの位置決め特性改善による機械位置決め時間の短縮並びに機械位置決め精度の向上を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
【００１０】
指令位置と制御対象の現在位置を出力する第１の位置検出装置のフィードバック位置との偏差量を駆動系に出力する位置決めのサーボ制御装置において、
前記駆動系は、サーボモータを用いた駆動装置を含む駆動部と、前記駆動装置と前記制御対象までのばね要素を含む伝達部と、から構成され、
前記駆動部に第２の位置検出装置を設け、
前記第１と前記第２の位置検出装置からのそれぞれのフィードバック位置の差分信号を求め、
前記差分信号を補償回路を通して前記偏差量にフィードバックし、前記偏差量と前記補償回路からの出力値との減算値を前記駆動部に出力し、
前記制御対象の現在位置と前記指令位置との間の伝達関数が、前記ばね要素を含む伝達部の伝達関数と無関係となるように、前記補償回路の伝達関数を設定する位置決めのサーボ制御装置。
【００１３】
指令位置Ｘと制御対象の現在位置Ｐを出力する第１の位置検出装置のフィードバック位置との偏差量を駆動系に出力する位置決めのサーボ制御装置において、
前記駆動系は、サーボモータを用いた駆動装置を含む駆動部と、前記駆動装置と前記制御対象までのばね要素を含む伝達部と、から構成され、
前記駆動部に第２の位置検出装置を設け、
前記第１と前記第２の位置検出装置からのそれぞれのフィードバック位置の差分信号を求め、
前記差分信号を補償回路を通して前記偏差量にフィードバックし、前記偏差量と前記補償回路からの出力値との減算値を前記駆動部に出力し、
前記補償回路の伝達関数をＡとし、前記駆動部の伝達関数をＧＭとし、前記ばね要素を含む伝達部の伝達関数をＧＤとしたときに、
Ａ＝１／ＧＭ（１−ＧＤ）
の関係を設定することにより、前記制御対象の現在位置Ｐと前記指令位置Ｘとの間の伝達関数を、前記ばね要素を含む伝達部の伝達関数ＧＤと無関係にする位置決めのサーボ制御装置。
【００１４】
【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５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いる。ボールネジ６のばね要素を補償する目的で、図１に示すようにモータ回転軸の回転位置を取込むエンコーダ４と差分回路９および補償回路１０を挿入することが、本発明の実施形態の特徴の一つである。
【００１５】
図２は図１のサーボブロック図である。図２に示されたサーボブロック図におけるサーボ特性を考察する。制御対象現在位置Ｐは位置指令をＸとすれば、
Ｐ＝（ＧMＧD／［１＋ＧM｛ＧD−Ａ（１−ＧD）｝］）・Ｘ   ……（１）
となる。ただし、Ａは補償回路１０の伝達関数とする。
【００１６】
ここで、
Ａ＝１／ＧM                                             ……（２）
とする。
【００１７】
（２）式を（１）式に代入すると
Ｐ＝（ＧMＧD／［１＋ＧM｛ＧD−（１／ＧM）・（１−ＧD）｝］）・Ｘ ……（３）
となる。
【００１８】
この（３）式を整理すると
Ｐ＝｛ＧM／（１＋ＧM）｝・Ｘ                             ……（４）
となり、図１のサーボ制御は、伝達関数ＧMを有する駆動部だけの性質で構成す
ることができる（伝達関数ＧDを有する伝達部は無視できる）。
【００１９】
また、（４）式は図３に示す構成におけるサーボ制御と等価となる。従って、サーボ特性としてエンコーダフィードバックと同等のサーボ性能でリニアスケールと同等の位置精度を出せる。
【００２０】
また、ボールネジの特性が解明できて、サーボ特性を改善したいとき、
Ａ＝１／ＧM（１−ＧD）                                    ……（５）
とおき、（５）式を（１）式に代入する。
【００２１】
0003802686.tif 000002
（６）式を整理すると
Ｐ＝Ｘ                                                ……（７）
となり、制御対象現在位置を指令位置に一致させることが出来る。
【００２２】
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。
【００２３】
図７に示すような、サンプリング時間をＴとし、関数値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、
関数値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。
【００２４】
具体的に云えば、図７を参照して、
ｔ＜０  の時  Ａ＝０
３Ｔ＜ｔ＜４Ｔ  の時  Ａ＝ａ3
であれば、関数値Ａは次のように表される。
【００２５】
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。
【００２６】
次に、図６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４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。
【００２７】
ここで図６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６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。
【００２８】
図３のＧMの特性の調べるため、フィードバックを切り離し、図４の状態で指令位置を入力し、現在位置を得るとする。この場合の図４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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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ｄ1、ｄ1、ｅ1、を求めることができる。
【００３２】
したがって、（１５）式におけるＧMを決めることができ、（２）式における伝達関数Ａを決定することができる。即ち、図１に示した補償回路１０の伝達関数Ａを決定することができる。最終的に、（４）式に示すサーボ特性を得ることができるのである。
【００３３】
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、
0003802686.tif 000003
制御対象が3次遅れ系のときは、
0003802686.tif 000004
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。
【００３４】
このようにして求められたＧMを（２）式に代入して演算することにより、（４）式に示す所望のサーボ特性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。
【００３５】
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、最終的な補償回路の伝達関数Ａも自動的に設定できるものである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、サーボ特性の改善を目的として、機械位置決め時間の短縮と機械位置決め精度の向上を目標とするサーボ特性を得ることを可能とした。
【００３７】
本発明は、制御対象の応答特性を悪くしているばね要素によるサーボ特性を改善し、且つ所望のサーボ特性を得るための補償回路の伝達関数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サーボ制御の構成例を示す図である。
【図２】図１に示す構成例のサーボブロックを示す図である。
【図３】本実施形態と対比させるサーボブロックを示す図である。
【図４】サーボ制御における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５】従来技術におけるサーボ制御の構成例を示す図である。
【図６】図５に示す構成例のサーボブロックを示す図である。
【図７】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  エンコーダ
５  変速装置
６  ボールネジ
７  制御対象
８  リニアスケール
９  差分回路
１０  補償回路
１１  制御対象現在位置
１２  駆動部伝達関数
１３  伝達部伝達関数
【図１】
0003802686.tif 000005
【図２】
0003802686.tif 000006
【図３】
0003802686.tif 000007
【図４】
0003802686.tif 000008
【図５】
0003802686.tif 000009
【図６】
0003802686.tif 000010
【図７】
0003802686.tif 000011