JP2007072943A - Position control device - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な代数計算でフィードフォワードゲインを決定することができる位置制御装置を提供する。
【解決手段】 位置偏差分に比例演算を施して速度指令を出力する位置制御手段21と、速度偏差分に比例、積分演算を施して出力する速度制御手段22を含み、トルク指令を生成して制御対象を駆動する速度フィードバック制御系22〜27と、速度フィードバック制御系の遅れを補償する速度指令補償分を出力して速度制御手段に加えるフィードフォワード制御手段30とを備えるとき、フィードフォワード制御手段は、位置指令を微分して出力する微分手段31と、微分手段の出力を入力して低域の成分のみを出力する低域フィルタ手段32と、速度フィードバック制御系の伝達関数の逆数を低域フィルタ手段の出力に乗算して出力するフィードフォワード補償手段33とを備える。
【選択図】 図4PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position control device capable of determining a feed forward gain by simple algebra calculation.
SOLUTION: A position control means 21 for performing a proportional operation on a position deviation and outputting a speed command, and a speed control means 22 for performing a proportional and integral operation on the speed deviation and outputting it, and generating a torque command When provided with speed feedback control systems 22 to 27 for driving the controlled object, and feedforward control means 30 for outputting a speed command compensation amount for compensating for a delay of the speed feedback control system and adding it to the speed control means, the feedforward control means The differential means 31 for differentiating and outputting the position command, the low-pass filter means 32 for inputting the output of the differential means and outputting only the low-frequency component, and the inverse of the transfer function of the speed feedback control system And feedforward compensation means 33 that multiplies the output of the filter means and outputs the result.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、フィードフォワード制御機能を備えた位置制御装置に関する。 The present invention relates to a position control device having a feedforward control function.
現在、NC工作機械やロボットなどには追従性能を向上させるために、フィードフォワード制御が導入されている。しかしながら、フィードフォワード補償器の設計には、経験に基づく高度な技術と多大な時間が必要とされるという問題があった。このような問題を解決するために、多くの方法が提案されている。その中で、本発明と関連が深いと思われる従来例を以下に列挙する。 Currently, feedforward control is introduced in NC machine tools and robots in order to improve the follow-up performance. However, the design of the feedforward compensator has a problem that advanced technology based on experience and a great deal of time are required. Many methods have been proposed to solve such problems. Among them, conventional examples that are considered to be closely related to the present invention are listed below.
<第1の従来例>
NC工作機械の形状創成を支配する、送り駆動系の制御系をチューニングするに当たり、フィードフォワードゲインは、速度ステップ入力に対する定常状態での追従誤差が0になるよう、追従誤差e(t)のラプラス変換E(s)から最終値定理を用いて求めることが示されている(例えば、下記の非特許文献1参照)。
<First Conventional Example>
When tuning the feed drive system control system that governs the shape creation of NC machine tools, the feedforward gain is the Laplace of the tracking error e (t) so that the tracking error in the steady state with respect to the speed step input is zero. It is shown that the final value theorem is obtained from the transformation E (s) (for example, see Non-Patent
<第2の従来例>
位置決め状態の最適調整を短時間で簡単に行うために、位置補償と速度補償の各フィードフォワード制御器がそれぞれ2つのフィードフォワードゲインによりフィードフォワード制御を行っているとき、それらのフィードフォワードゲインの値を調整ゲインを引数とする単調増加関数の値とすることにより、調整ゲインの調整のみで機械系の位置決め状態を最適にすることが示されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
<Second Conventional Example>
In order to perform the optimum adjustment of the positioning state in a short time, when each feedforward controller of position compensation and speed compensation is performing feedforward control with two feedforward gains, the value of these feedforward gains. It is shown that the positioning state of the mechanical system is optimized only by adjusting the adjustment gain by setting the value of the monotonically increasing function with the adjustment gain as an argument (see, for example,
<第3の従来例>
外乱応答を調整する場合でも要求された応答特性を容易に実現することができる位置決めサーボコンローラとして、フィードバック制御器にフィードフォワード制御器を加えて制御系を2自由度系とし、フィードバックゲインとフィードフォワードゲインとを、調整ゲインを引数とする単調増加関数とすることにより、調整ゲインの調整のみで要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化できることが示されている(例えば、下記の特許文献2参照)。
<Third conventional example>
As a positioning servo controller that can easily realize the required response characteristics even when adjusting the disturbance response, a feedforward controller is added to the feedback controller to make the control system a two-degree-of-freedom system, and the feedback gain and feed It has been shown that the gain adjustment for determining the response characteristic required only by adjusting the adjustment gain can be simplified by using the forward gain as a monotonically increasing function having the adjustment gain as an argument (for example, Patent Document 2).
<第4の従来例>
外乱に対する応答を最適に保ったまま、制御対象の微少なモデル誤差に対する調整を緻密に行い、また簡単な調整で、機械共振を励起せずに高速に整定する制御を実現する位置制御装置として、位置、速度、トルクの各フィードフォワード制御の入力にはモデル信号演算部において演算されたモデル位置、モデル速度、モデルトルクを使用し、モデル誤差が存在する場合、独立に調整が可能なフィードフォワードゲインを微調整することが示されている(例えば、下記の特許文献3参照)。
<Fourth Conventional Example>
As a position control device that realizes control that finely adjusts the minute model error of the controlled object while maintaining the response to disturbance optimally, and realizes control with high speed without exciting mechanical resonance by simple adjustment. The model position, model speed, and model torque calculated by the model signal calculation unit are used as input for position, speed, and torque feedforward control. If there is a model error, the feedforward gain can be adjusted independently. Is finely adjusted (see, for example, Patent Document 3 below).
<第5の従来例>
電動機制御装置を構成する各制御部で用いる制御器を、制御対象に応じて自動的に切り替え選択して設定することを可能にして、多種多様な制御対象を高性能に制御できる自由度の高い電動機制御装置として、加振信号をフィードバック制御器に入力して制御対象の周波数特性を同定し、同定されたモデルに基づいてフィードフォワード制御器及びフィードバック制御器を自動で選択することが示されている(例えば、下記の特許文献4参照)。
<Fifth conventional example>
It is possible to automatically select and set the controller used in each control unit constituting the motor control device according to the control target, so that a wide variety of control targets can be controlled with high performance. As an electric motor controller, it is shown that an excitation signal is input to a feedback controller to identify the frequency characteristics of a control target, and a feedforward controller and a feedback controller are automatically selected based on the identified model. (For example, see Patent Document 4 below).
<第6の従来例>
フィードフォワードゲインを速やかに自動調整することによって、位置偏差を著しく低減し得るサーボ制御装置として、指令値生成装置からの指令に従って制御系が動作し被制御機械を駆動する際に、フィードフォワードゲイン誤差推定部が作動し、各出力の指令値との偏差からゲイン誤差を推定してフィードフォワード制御部に出力すると、フィードフォワード制御部は推定されたゲイン誤差に基づき、制御系に対して位置誤差が0になるようにフィードフォワードゲインを調整することが示されている(例えば、下記の特許文献5参照)。
<Sixth Conventional Example>
As a servo control device that can significantly reduce the position deviation by quickly and automatically adjusting the feed forward gain, when the control system operates according to the command from the command value generator and drives the controlled machine, the feed forward gain error When the estimation unit operates and estimates the gain error from the deviation from the command value of each output and outputs it to the feedforward control unit, the feedforward control unit detects the position error relative to the control system based on the estimated gain error. It is shown that the feedforward gain is adjusted to be 0 (see, for example,
しかしながら、上述した第1及び第4の従来例においては、調整の手順は決められているけれども、実際には機械の剛性などの影響により、応答に振動や速度のオーバシュートなどが生じ、それらを防止するための調整が必要になるという問題があり、第2及び第3の従来例においては、経験的に1つのゲインを決定すればほかのゲインも決まるが、最初の1つのゲインの決定には専門知識が要求されるという問題があった。さらに、第1〜第4の各従来例に記載された方法を実施する場合、操作者によるゲインの調整が必要であり、最適な応答を得るには繰り返して調整を行わなければならないという問題があった。 However, in the first and fourth conventional examples described above, although the adjustment procedure is determined, in reality, vibrations, speed overshoots, etc. occur in the response due to the effects of machine rigidity, etc. In the second and third conventional examples, if one gain is determined empirically, other gains are determined, but the first one gain is determined. Had the problem of requiring specialized knowledge. Furthermore, when the methods described in the first to fourth conventional examples are implemented, it is necessary to adjust the gain by the operator, and there is a problem that the adjustment must be repeatedly performed to obtain an optimum response. there were.
また、上述した第1〜第4の従来例においては、フィードフォワードゲインが調整された値で固定されてしまうため、運動の状態が異なる位置指令には追従しきれずに誤差が生じる場合があり、第5及び第6の従来例においては、追従誤差が生じた場合にゲインを自動調整する演算装置が必要になるという問題があった。 Further, in the first to fourth conventional examples described above, the feedforward gain is fixed at the adjusted value. Therefore, an error may occur without being able to follow the position command with a different motion state. In the fifth and sixth conventional examples, there is a problem that an arithmetic device for automatically adjusting the gain is required when a tracking error occurs.
本発明は、上述した従来例の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、高度な専門知識を有していなくとも簡単な代数計算でフィードフォワードゲインを決定することができ、かつ、フィードフォワードゲインの決定後に応答を見ながらフィードフォワードゲインの調整をする必要のない位置制御装置を提供することにある。 The present invention was made in order to solve the above-described problems of the conventional example, and the purpose thereof is to determine the feedforward gain by simple algebra calculation without having a high level of expertise. Another object of the present invention is to provide a position control device that does not require adjustment of the feedforward gain while observing the response after the determination of the feedforward gain.
本発明の他の目的は、運動の状態を異にする位置指令にも追従させることが可能な位置制御装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a position control device capable of following a position command having a different motion state.
本発明は、上記の目的を達成するために、トルク駆動される制御対象の位置指令と実位置の検出信号との偏差分に比例ゲインを乗算して前記制御対象の速度指令として出力する位置制御手段と、前記速度指令と前記制御対象の実速度の検出信号との偏差分に比例ゲインを乗算した値と積分演算を実行した値との和を出力する速度制御手段を含み、前記速度制御手段の出力に基づいて前記制御対象のトルク指令を生成し、前記トルク指令に従って前記制御対象をトルク駆動する速度フィードバック制御系と、前記位置指令を入力し前記速度フィードバック制御系の遅れを補償する速度指令補償分を出力して前記位置制御手段から出力される前記速度指令の補償分として前記速度制御手段に加えるフィードフォワード制御手段とを備えた位置制御装置において、
前記フィードフォワード制御手段は、
前記位置指令を微分して出力する微分手段と、
前記速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ一致するカットオフ周波数を有し、前記微分手段の出力を入力して低域成分のみを出力する低域フィルタ手段と、
前記速度フィードバック制御系の2次遅れ系とみなしたときの前記速度フィードバック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとし、前記低域フィルタ手段の出力に前記フィードフォワードゲインを乗算して出力するフィードフォワード補償手段とを、
備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention multiplies the deviation between the position command of the torque-controlled object to be controlled and the actual position detection signal by a proportional gain and outputs it as the speed instruction of the object to be controlled. And a speed control means for outputting a sum of a value obtained by multiplying a deviation between the speed command and the actual speed detection signal to be controlled by a proportional gain and a value obtained by performing an integral operation, and the speed control means A speed feedback control system that generates a torque command for the control object based on the output of the control signal, and torque drives the control object in accordance with the torque command; Position control comprising: a feedforward control means for outputting a compensation amount and adding to the speed control means as a compensation amount for the speed command outputted from the position control means In the location,
The feedforward control means includes
Differentiating means for differentiating and outputting the position command;
Low-pass filter means having a cut-off frequency substantially coinciding with the cut-off frequency of the speed feedback control system, inputting the output of the differentiating means and outputting only a low-frequency component;
A feedforward gain obtained by multiplying the output of the low-pass filter means by the feedforward gain, using the reciprocal of the transfer function of the speed feedback control system when regarded as a second-order lag system of the speed feedback control system as a feedforward gain. Forward compensation means,
It is characterized by having prepared.
本発明は、速度フィードバック制御系の2次遅れ系とみなしたときの速度フィードバック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとしているため、高度な専門知識を有していなくとも簡単な代数計算でフィードフォワードゲインを決定することができ、かつ、フィードフォワードゲインの決定後に応答を見ながらフィードフォワードゲインの調整をする必要のない位置制御装置が提供される。 In the present invention, since the reciprocal of the transfer function of the speed feedback control system when regarded as a second-order lag system of the speed feedback control system is used as a feedforward gain, simple algebra calculation can be performed even without a high level of expertise. Provided is a position control device that can determine a feedforward gain and does not need to adjust the feedforward gain while looking at the response after the determination of the feedforward gain.
また、本発明は、フィードフォワード制御手段が、位置指令を微分して出力する微分手段と、速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ一致するカットオフ周波数を有し、微分手段の出力の低域成分のみを出力する低域フィルタ手段と、速度フィードバック制御系の2次遅れ系とみなして速度フィードバック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとするフィードフォワード補償手段とで構成されていることから、フィードフォワード制御手段の分子の次数と分母の次数とが同じになるため、運動の状態を異にする位置指令にも追従させることが可能な位置制御装置が提供される。 Further, according to the present invention, the feedforward control means has a differentiating means for differentiating and outputting the position command, and a cut-off frequency that substantially coincides with the cut-off frequency of the speed feedback control system. Since it is composed of a low-pass filter means that outputs only the component, and a feedforward compensation means that regards the reciprocal of the transfer function of the speed feedback control system as a feedforward gain that is regarded as a second-order lag system of the speed feedback control system. Since the order of the numerator and the order of the denominator of the feedforward control means are the same, a position control device capable of following a position command having a different motion state is provided.
以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明を適用する制御対象としての送り駆動機構10の概略構成を示す斜視図である。図1において、平面形状が長方形をなす基板11の表面の両側部には、リニアボールベアリング用のガイドレール12、12が互いに平行に装着され、長手方向の一端部にはモータ固定台13が装着されている。モータ固定台13の外側端面にサーボモータ14が装着され、このサーボモータ14の出力軸が、ガイドレール12、12の中間部に突出している。サーボモータ14の出力軸の延長上には、一対の軸支持台15、15が離隔して装着されている。これらの軸支持台15、15にはナット17と係合するボールねじ16の端部が、それぞれラジアル軸受19を介して、支承されている。また、ガイドレール12、12の長手方向の一部に重なるように作業テーブル18が搭載されている。この作業テーブル18の図面に示す裏側の両側部にはリニアボールベアリングが装着され、さらに、中央部にはナット17が装着されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a
図1に示した送り駆動機構10は、サーボモータ14の回転をボールねじ16及びナット17によって作業テーブル18の直進運動に変換するもので、一般的なNC工作機械のサーボ系の一部として使用されている。このようなサーボ系においては、送り駆動機構10の固有振動数がサーボ系の固有振動数と比較して十分に大きいため、図2に示すような力学モデルで表現することができ、さらに、この力学モデルは下記の(1)式に示す運動方程式で表現することができる。
The
ここで、θはサーボモータの回転角度[rad]、xtはテーブルの変位(以下、実位置の検出信号としても用いる)[m]、lはボールねじのリード[m]、Tmはサーボモータのトルク[Nm]、cはモータ軸換算での粘性摩擦係数(以下粘性係数と略記する)[Nm/(rad/s)]、fはモータ軸換算での摩擦トルク[Nm]である。また、Jはモータ軸換算での送り駆動機構の総慣性モーメント[kgm2]であり、サーボモータ及びボールねじの慣性モーメントJb[kgm2]とテーブル及びボールねじの質量Mt[kg]から下記の(2)式により計算される。 Where θ is the rotation angle [rad] of the servo motor, x t is the displacement of the table (hereinafter also used as a detection signal for the actual position) [m], l is the lead of the ball screw [m], and T m is the servo. Motor torque [Nm], c is a viscous friction coefficient (hereinafter abbreviated as viscosity coefficient) [Nm / (rad / s)] in terms of motor shaft, and f is a friction torque [Nm] in terms of motor shaft. J is the total moment of inertia [kgm 2 ] of the feed drive mechanism in terms of the motor shaft. From the moment of inertia J b [kgm 2 ] of the servo motor and ball screw and the mass M t [kg] of the table and ball screw It is calculated by the following equation (2).
図3は本発明に係る位置制御装置の一実施の形態の構成を示すブロック線図である。この実施の形態は上述した送り駆動機構10を制御対象とし、この制御対象に制御系を付加してサーボ系を構成したもので、このサーボ系は速度フィードバック制御系をマイナーループとして含む位置フィードバック制御系になっている。図3中、位置制御手段21は作業テーブル18に対する位置指令rから実位置の検出信号xtを減算し、その差分に比例ゲインKppを乗算して速度指令として出力するもので、その出力端には速度制御手段22が接続されている。速度制御手段22は位置制御手段21から出力される速度指令と、詳細を後述するフィードフォワード制御手段30から出力される速度指令補償分とを加算し、その和からボールねじ16の回転速度の検出信号を減算し、得られた値に比例ゲインKvpを乗算した値と、積分ゲインKviで積分した値とを加算してトルク指令として出力するもので、その出力端にはトルク指令を所定の電気信号、例えば電圧信号に変換する変換器ゲインDAを乗算する変換器ゲイン乗算手段23が接続されている。この変換器ゲイン乗算手段23には、さらに、トルク指令と図示を省略したトルク制御増幅器の出力との関係を調整するトルク指令調整ゲインTrgを乗算して出力する調整ゲイン乗算手段24が接続されている。この調整ゲイン乗算手段24の出力端には、トルク指令フィルタ時定数Tf[s]を有するトルク指令フィルタ手段25と、トルク制御遅れの時定数T[s]を有するトルク制御遅延手段26とが順次に接続され、このトルク制御遅延手段26から出力されるトルク指令が図示を省略したトルク制御装置に加えられる。トルク制御装置は、これに加えられるトルク指令と外部から設定されるモータ軸換算での摩擦トルクf[Nm]とを加算し、その和に従ってサーボモータ14の出力トルクを制御する。ここで、サーボモータ14を含む送り駆動機構は慣性モーメント要素27と、積分要素28と、運動変換要素29とで表されている。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the position control device according to the present invention. In this embodiment, the above-described
上記の各構成要素のうち、速度制御手段22、変換器ゲイン乗算手段23、調整ゲイン乗算手段24、トルク指令フィルタ手段25、トルク制御遅延手段26及び慣性モーメント要素27によって速度フィードバック制御系が構成され、この速度フィードバック制御系と、位置制御手段21と、積分要素28及び運動変換要素29とで位置フィードバック制御系が構成されている。
Among the above components, the
また、位置制御手段21と並列にして、位置指令rをフィードフォワードゲインKff(s)で微分して速度指令補償分として出力するフィードフォワード制御手段30を備えている。このフィードフォワード制御手段30は図4のブロック図で示すように、位置指令rを微分して出力する微分手段31と、速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ一致するカットオフ周波数を有し、微分手段31の出力を入力して低域成分のみを出力する低域フィルタ手段32と、速度フィードバック制御系の2次遅れ系とみなしたときの速度フィードバック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとし、低域フィルタ手段32の出力にフィードフォワードゲインKff(s)を乗算して出力するフィードフォワード補償手段33とで構成されている。
Further, in parallel with the position control means 21, a feedforward control means 30 for differentiating the position command r with a feedforward gain Kff (s) and outputting it as a speed command compensation is provided. As shown in the block diagram of FIG. 4, the feedforward control means 30 has a differentiating
上記のように構成されたサーボ系の全体的な動作については、当業者であれば容易に理解できるので、それらの説明を省略するが、速度及び位置のフィードバック制御を行ったとしても、サーボ遅れによる追従誤差が生じることが問題になっている。本実施の形態はこの追従誤差の抑制を目的として図4に示すフィードフォワード制御手段30を設けたもので、以下にその詳細な構成及び設計手順について説明する。 The overall operation of the servo system configured as described above can be easily understood by those skilled in the art, and will not be described. However, even if speed and position feedback control is performed, the servo delay It is a problem that a tracking error due to. The present embodiment is provided with the feedforward control means 30 shown in FIG. 4 for the purpose of suppressing this tracking error, and the detailed configuration and design procedure will be described below.
図1に示す送り駆動機構10を制御対象として図3に示すようにサーボ系を構築した場合、速度フィードバック制御系の伝達関数をGv(s)とおくと、位置指令rからテーブル変位xtまでの閉ループの伝達関数は下記の(3)式のように表される。
When the servo system is constructed as shown in FIG. 3 with the
このサーボ系においてテーブル変位xtを位置指令rに誤差が無いように追従させるためには、位置指令rからテーブル変位xtまでの伝達関数のゲインが1になるようにすればよい。そこで、(3)式の左辺を1としてフィードフォワードゲインKff(s)について解くと、下記の(4)式が得られる。 In this servo system in order to follow the table displacement x t so that the error is not in the position command r, the gain of the transfer function from the position command r to table displacement x t may be such that the 1. Therefore, when the feed-forward gain K ff (s) is solved with the left side of the equation (3) as 1, the following equation (4) is obtained.
(4)式から、フィードフォワードゲインKff(s)は速度フィードバック制御系の伝達関数Gv(s)の逆数と、ボールねじ16のリードlとから求められる。しかし、フィードフォワードゲインKff(s)の決定には速度フィードバック制御系の遅れを考える必要がある。そこで、本実施の形態では速度フィードバック制御系の2次遅れ系として考え、フィードフォワード制御手段30が下記の(5)式を満たすようにする。
From equation (4), the feedforward gain K ff (s) is obtained from the reciprocal of the transfer function G v (s) of the speed feedback control system and the lead l of the
ここで、カットオフ周波数ωnは速度フィードバック制御系のループゲインとして、速度フィードバック制御系の比例ゲインKvp、変換器ゲインDA、トルク指令調整ゲインTrg及び送り駆動機構10の総慣性モーメントJを用いて下記の(6)式のように求めることができる。
Here, the cut-off frequency ω n is the loop gain of the speed feedback control system, which is the proportional gain K vp of the speed feedback control system, the converter gain DA, the torque command adjustment gain T rg, and the total moment of inertia J of the
なお、(5)式のようにフィードフォワード制御手段30を設計した場合、分子の次数が分母の次数よりも大きくなっているため、カットオフ周波数が速度フィードバック制御系のカットオフ周波数ωnにほぼ等しい低域フィルタを導入して分母の次数を高める必要がある。 When the feedforward control means 30 is designed as shown in the equation (5), since the order of the numerator is larger than the order of the denominator, the cutoff frequency is almost equal to the cutoff frequency ω n of the speed feedback control system. It is necessary to introduce an equal low-pass filter to increase the denominator order.
そこで、フィードフォワード制御手段30を、図4に示すように、微分手段31、低域フィルタ手段32及びフィードフォワード補償手段33によって構成し、これによって、まず、微分手段31により入力である位置指令値rを微分して速度指令値とし、低域フィルタ手段32を通過した後に、(5)式に示した伝達関数Kff(s)を持つフィードフォワード補償手段33によって速度指令補償分として出力する。 Therefore, as shown in FIG. 4, the feedforward control means 30 is constituted by the differentiation means 31, the low-pass filter means 32 and the feedforward compensation means 33, and thereby, first, the position command value input by the differentiation means 31. r is differentiated to obtain a speed command value, and after passing through the low-pass filter means 32, the speed command compensation is output by the feedforward compensation means 33 having the transfer function K ff (s) shown in the equation (5).
図5はフィードフォワード制御手段30の設計手順の一例を示したフローチャートである。ここで、最初のステップS101で送り駆動機構10の総慣性モーメントJを計算し、ステップS102にてフィルタ時定数Tf、信号変換器ゲインDA及びトルク指令調整ゲインTrgを調べる。ステップS103で、(6)式に従って速度フィードバック制御系のカットオフ周波数ωnを計算する。続いて、ステップS104で送り駆動機構10のボールねじ16のリードlを調べる。ステップS105では(5)式の伝達関数を持つフィードフォワード補償要素を構築する。最後のステップS106では、図4に示すように、カットオフ周波数がωnとなる3次の低域フィルタを構築する。
FIG. 5 is a flowchart showing an example of the design procedure of the feedforward control means 30. Here, in step S101, the total moment of inertia J of the
図6はフィードフォワード制御手段30の機能をパーソナルコンピュータに持たせた場合の処理手順の一例を示したフローチャートである。この場合、ステップS201で位置指令rを時間微分し、ステップS202では時間微分値に対してローパスフィルタ処理を実行する。次に、ステップS203でローパスフィルタ処理された値にフィードフォワードゲインKff(s)を乗算して速度指令補償分を求め、続いて、ステップS204にて速度指令補償分を速度指令に加算する。 FIG. 6 is a flowchart showing an example of a processing procedure when the function of the feedforward control means 30 is given to a personal computer. In this case, the position command r is time-differentiated in step S201, and low-pass filter processing is executed on the time differential value in step S202. Next, the value subjected to the low-pass filter processing in step S203 is multiplied by the feedforward gain K ff (s) to obtain the speed command compensation, and then in step S204, the speed command compensation is added to the speed command.
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高度な専門知識を有していなくとも簡単な代数計算でフィードフォワードゲインを決定することができ、かつ、フィードフォワードゲインの決定後に応答を見ながら調整する必要のない位置制御装置が提供される。 As is clear from the above description, according to the present invention, the feedforward gain can be determined by simple algebra calculation without having a high level of expertise, and a response is obtained after the determination of the feedforward gain. A position control device is provided that does not require adjustment while looking.
なお、上記の実施の形態では、制御対象がボールねじによる送り駆動機構である場合について説明したが、本発明はこれに適用を限定されるものではなく、電動機の位置制御にも適用することができる。この場合には図3中の運動変換要素29を除去し、積分要素28の出力θを位置検出信号として位置制御手段21にフィードバックするようにすればよい。
また、上記の実施の形態では変換器ゲイン乗算手段23によってトルク指令を電圧信号に変換したが、電圧信号に限らず電流信号であっても周波数信号であってもよく、要はトルク制御に都合のよい信号であればよい。
さらにまた、上記の実施の形態では、変換器ゲイン乗算手段23と調整ゲイン乗算手段24とを備えていたが、信号変換器ゲインDA及びトルク指令調整ゲインTrgをまとめて単一のゲイン乗算手段としてもよい。
In the above-described embodiment, the case where the control target is a feed drive mechanism using a ball screw has been described. However, the present invention is not limited to this and may be applied to position control of an electric motor. it can. In this case, the
In the above embodiment, the torque command is converted into the voltage signal by the converter gain multiplication means 23. However, the torque command is not limited to the voltage signal, and may be a current signal or a frequency signal. As long as the signal is good.
Furthermore, in the above embodiment, the converter
次に、上述した位置制御装置をXY駆動機構に適用してそのランプ応答と円弧補間運動の誤差を調べた実験例を第1実施例とし、5軸制御マシニングセンタに適用して翼形状加工を行った実験例を第2実施例として以下に説明する。
<第1実施例>
図7は上述した位置制御装置を適用したXY駆動機構40の概略構成を示す斜視図であり、XYテーブル41をX方向及びY方向に駆動するサーボモータが、それぞれX軸サーボ増幅器42及びY軸サーボ増幅器43を介して、パーソナルコンピュータ(以下、PCと略記する)50に接続されている。また、XYテーブル41のX方向の位置及びY方向の位置を検出するために2台のリニアエンコーダ44が設けられている。PC50はDSP(Digital signal Processor)機能を有し、図3に示した位置制御手段21、速度制御手段22、変換器ゲイン乗算手段23、調整ゲイン乗算手段24及びフィードフォワード制御手段30の各機能を持たせている。X軸サーボ増幅器42及びY軸サーボ増幅器43にはそれぞれ図3に示した調整ゲイン乗算手段24、トルク指令フィルタ手段25、トルク制御遅延手段26の各機能と、図3では省略されているトルク制御増幅器の機能を持たせている。
Next, an experimental example in which the above-described position control device is applied to an XY drive mechanism and the error of its ramp response and circular interpolation motion is examined is taken as a first embodiment, and applied to a 5-axis control machining center to perform blade shape processing. An experimental example will be described below as a second embodiment.
<First embodiment>
FIG. 7 is a perspective view showing a schematic configuration of the
ここで、比例ゲインKpp、速度比例ゲインKvp、速度積分ゲインKviの調整法はこれまでに数多く提案されているが、第1実施例では部分的モデルマッチング法(北森俊行:制御対象の部分的知識に基づく制御系の設計法、計測自動制御学会論文集、第15巻、第4号、(1979)、pp549〜555)を用いる具体的な設計法(井出裕、佐藤隆太、堤正臣:部分的モデルマッチング法による送り駆動系の制御系設計法、2005年度精密工学会春期大会学術講演会講演論文集、(2005)、pp1133〜1134)によって上記各サーボゲインを調整した。使用したサーボゲインを下記の表1に示す。また、フィードフォワード制御手段30のフィルタには低域フィルタの一種である3次のバッターワース(Butterworth)フィルタを使用し、そのカットオフ周波数は速度フィードバック制御系のカットオフ周波数ωnとほぼ同じに設定した。 Here, many adjustment methods for the proportional gain K pp , the velocity proportional gain K vp , and the speed integral gain K vi have been proposed so far. In the first embodiment, the partial model matching method (Toshiyuki Kitamori: Design method of control system based on partial knowledge, Proceedings of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 15, No. 4, (1979), pp 549-555) (Yoshi Ide, Ryuta Sato, Masaomi Tsutsumi) The above servo gains were adjusted according to the control system design method of the feed drive system by the partial model matching method, the 2005 Annual Meeting of the Precision Engineering Society Spring Conference, (2005), pp 1133 to 1134). The servo gain used is shown in Table 1 below. Further, a third-order Butterworth filter, which is a kind of low-pass filter, is used as the filter of the feedforward control means 30, and its cutoff frequency is substantially the same as the cutoff frequency ω n of the speed feedback control system. Set.
以上のようにサーボゲインを調整するとともに、バッターワースフィルタのカットオフ周波数を設定してランプ応答を調べると図8中に波線で示した特性が得られた。比較のためにフィードフォワード制御を行わない場合のランプ応答を調べると図8中に太い実線で示した特性が得られた。これら2つの特性を比較すると、フィードフォワード制御を行わない場合、細い実線で示した指令との間に定常偏差が生じているが、本発明のフィードフォワード制御を導入すると、応答はやや振動的ではあるが指令に追従していることが分かる。 When the servo gain was adjusted as described above and the lamp response was examined by setting the cut-off frequency of the Batterworth filter, the characteristics indicated by the wavy line in FIG. 8 were obtained. For comparison, when the lamp response when the feedforward control was not performed was examined, the characteristic indicated by the thick solid line in FIG. 8 was obtained. Comparing these two characteristics, when feedforward control is not performed, there is a steady deviation from the command indicated by a thin solid line, but when the feedforward control of the present invention is introduced, the response is somewhat oscillatory. It can be seen that the command is being followed.
次に、X軸とY軸とを同時に駆動して半径25mm、送り速度3000mm/minの円弧補間運動を行った場合の軌跡誤差を調べると図9に示す結果が得られた。図9の軌跡は半径方向の誤差を約1000倍に拡大したもので、(a)は比較のためにフィードフォワード制御を行わない場合を示し、(b)は比較のために汎用の制御系を用いた従来のフィードフォワード制御器による場合を示し、(c)は本発明のフィードフォワード制御を導入した場合を示している。これら3つの特性を比較すると、(a)に示したフィードフォワード制御を行わない場合には、サーボ遅れにより目標とする半径よりも小さくなる半径減少という現象が生じており、(b)に示した従来のフィードフォワード制御器による制御では目標とする半径よりも大部分がその外側にはみ出しており、(c)に示した本発明のフィードフォワード制御を導入した制御は、XY軸の円弧運動が指令に正しく追従していることが分かる。 Next, when the X-axis and Y-axis were driven simultaneously to perform a circular interpolation motion with a radius of 25 mm and a feed rate of 3000 mm / min, the results shown in FIG. 9 were obtained. The locus in FIG. 9 is obtained by enlarging the radial error by about 1000 times. (A) shows a case where feedforward control is not performed for comparison, and (b) shows a general-purpose control system for comparison. The case of the conventional feedforward controller used is shown, and (c) shows the case where the feedforward control of the present invention is introduced. When these three characteristics are compared, when the feedforward control shown in (a) is not performed, a phenomenon that the radius decreases smaller than the target radius occurs due to the servo delay, as shown in (b). In the control by the conventional feedforward controller, most of the target radius protrudes outside the target radius, and the control using the feedforward control of the present invention shown in FIG. It can be seen that it is following correctly.
<第2実施例>
図10は本発明を適用して翼形状加工を行う5軸制御マシニングセンタ60の概略構成を示す斜視図である。剛性のある堅固なベッド61はこれと一体化された門型の取付台62を正面奥部に備えており、この取付台62の上端部にはX軸駆動機構63が取り付けられ、その可動部にZ軸駆動機構64が装着されている。Z軸駆動機構64は鉛直方向に支承された回転軸を有し、その下端部に工具としてエンドミル(図示せず)を装着して切削加工することが可能になっている。また、ベッド61の左右方向の中央部には前後方向、すなわち、Y方向に往復駆動されるY軸駆動機構65を備えている。このY軸駆動機構65は加工物を装着して、それをX軸方向を軸芯としてA矢印方向に旋回させるA軸運動と、Z軸方向を軸芯としてC矢印方向に旋回させるC軸運動とを同時に行わせるAC軸駆動機構66を備えている。
<Second embodiment>
FIG. 10 is a perspective view showing a schematic configuration of a 5-axis
図11は5軸制御マシニングセンタ60を用いて、エンドミルを翼表面に垂直に当てて翼形加工する場合を想定してシミュレーション(横堀祐也、佐藤隆太、堤正臣:5軸制御マシニングセンタにおける旋回軸を含む送り駆動系の挙動解析、日本機械学会第5回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集、(2004)pp153〜154)した翼端部の形状と回転軸の軸速度との関係を示した説明図である。図11において、エンドミル71を加工物72の表面に垂直に当て、送り方向73に沿って翼形加工するには、A軸を90度傾けた状態で、加工物72に対するAC軸駆動機構66によるC軸運動と、エンドミル71に対するX軸運動及びY軸運動とを同時に行う同時3軸運動が必要になる。このような加工の場合、翼端部であるA部分及びB部分での各軸の速度は大きく変動する。
FIG. 11 shows a simulation assuming that an airfoil is machined using a 5-axis
このシミュレーションでは、本発明に係るフィードフォワード制御をX軸及びY軸の各駆動制御系に導入した場合と、X軸及びY軸で円弧補間運動を行ったときに半径の減少量が0になるように調整した従来のフィードフォワード制御による場合との比較を行った。なお、サーボゲインの調整には、図7に示したXY駆動機構40の場合と同様に、部分的モデルマッチング法によるものを用いた。
In this simulation, when the feedforward control according to the present invention is introduced into each drive control system of the X axis and the Y axis, and when the circular interpolation motion is performed on the X axis and the Y axis, the radius reduction amount becomes zero. Comparison was made with the conventional feedforward control adjusted as described above. The servo gain was adjusted by a partial model matching method as in the case of the
図12はシミュレーションによる翼形状加工結果の翼端部の形状を示した図である。この図12から明らかなように、半径減少量が0になるように調整した従来のフィードフォワード制御では、各軸の速度変化が大きい翼端部において目標値よりも深く切削したことによる窪みが生じており、実際の加工においても加工精度を大幅に悪化させることが予想される。これに対して、本発明のフィードフォワード制御を導入した場合には、目標値と工具先端の軌跡とが一致している。このことは、従来のフィードフォワード制御では1つの運動に対して最適に調整しても他の運動では追従できずに誤差が生じることがあるのに対して、本発明のフィードフォワード制御ではどんな運動に対しても位置指令に追従させることができることを示している。 FIG. 12 is a view showing the shape of the blade tip as a result of blade shape processing by simulation. As is apparent from FIG. 12, in the conventional feedforward control adjusted so that the radius reduction amount becomes zero, a dent caused by cutting deeper than the target value occurs at the blade tip where the speed change of each axis is large. Therefore, it is expected that the processing accuracy will be greatly deteriorated even in actual processing. On the other hand, when the feedforward control of the present invention is introduced, the target value and the locus of the tool tip coincide with each other. This is because, in the conventional feedforward control, even if it is optimally adjusted for one motion, another motion cannot follow and an error may occur. This also shows that the position command can be followed.
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、運動の状態を異にする位置指令にも追従させることが可能な位置制御装置が提供される。 As is apparent from the above description, according to the present invention, a position control device capable of following a position command having a different motion state is provided.
なお、上記の各実施例では、図3に示す位置制御手段21、速度制御手段22、変換器ゲイン乗算手段23、調整ゲイン乗算手段24及びフィードフォワード制御手段30の各機能を持たせたが、それらの一部又は全部をそれぞれ独立の演算器として構成することもできる。
また、上記の各実施例ではフィードフォワード制御手段30のフィルタとしてバッターワースフィルタを使用したが、これ以外の低域フィルタを用いても上述したと同様な効果が得られる。
In each of the above embodiments, the functions of the position control means 21, the speed control means 22, the converter gain multiplication means 23, the adjustment gain multiplication means 24, and the feedforward control means 30 shown in FIG. Some or all of them can be configured as independent computing units.
In each of the above embodiments, the batterworth filter is used as the filter of the feedforward control means 30, but the same effect as described above can be obtained even if a low-pass filter other than this is used.
10 送り駆動機構
14 サーボモータ
16 ボールねじ
17 ナット
18 作業テーブル
21 位置制御手段
22 速度制御手段
30 フィードフォワード制御手段
31 微分手段
32 低域フィルタ手段
33 フィードフォワード補償手段
40 XY駆動機構
41 XYテーブル
42 X軸サーボ増幅器
43 Y軸サーボ増幅器
44 リニアエンコーダ
50 パーソナルコンピュータ(PC)
60 5軸制御マシニングセンタ
63 X軸駆動機構
64 Z軸駆動機構
65 Y軸駆動機構
66 AC軸駆動機構
DESCRIPTION OF
60 5-axis
Claims (3)
前記フィードフォワード制御手段は、
前記位置指令を微分して出力する微分手段と、
前記速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ一致するカットオフ周波数を有し、前記微分手段の出力を入力して低域成分のみを出力する低域フィルタ手段と、
前記速度フィードバック制御系の2次遅れ系とみなしたときの前記速度フィードバック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとし、前記低域フィルタ手段の出力に前記フィードフォワードゲインを乗算して出力するフィードフォワード補償手段とを、
備えたことを特徴とする位置制御装置。 Position control means for multiplying the deviation between the position command of the control target to be torque driven and the detection signal of the actual position by a proportional gain and outputting it as the speed command of the control target; the speed command and the actual speed of the control target A speed control unit that outputs a sum of a value obtained by multiplying the deviation from the detection signal by a proportional gain and a value obtained by performing an integral operation, and generates a torque command for the control target based on the output of the speed control unit And output a speed feedback control system for torque driving the controlled object in accordance with the torque command, and a speed command compensation amount for inputting the position command and compensating for a delay of the speed feedback control system. In a position control device comprising feedforward control means for adding to the speed control means as a compensation for the speed command,
The feedforward control means includes
Differentiating means for differentiating and outputting the position command;
Low-pass filter means having a cut-off frequency substantially coinciding with the cut-off frequency of the speed feedback control system, inputting the output of the differentiating means and outputting only a low-frequency component;
A feedforward gain obtained by multiplying the output of the low-pass filter means by the feedforward gain, using the reciprocal of the transfer function of the speed feedback control system when regarded as a second-order lag system of the speed feedback control system as a feedforward gain. Forward compensation means,
A position control device comprising the position control device.
の関係を満たすとき、前記制御対象の運動変換に関係する係数をM、ラプラス演算子をs、前記フィードフォワードゲインをKff(s)として、前記フィードフォワード補償手段は次式
の関係を満たしていることを特徴とする請求項1に記載の位置制御装置。 The cutoff frequency of the speed feedback control system is ω n , the proportional gain of the speed control means is K vp , the converter gain for converting the signal output from the speed control means to a predetermined electrical signal is DA, and the predetermined The speed feedback control system is expressed by the following equation, where T rg is a torque command adjustment gain that converts the electrical signal of the motor into a torque command, and J is the total moment of inertia of the controlled object to be torque driven.
Where the coefficient related to the motion conversion of the controlled object is M, the Laplace operator is s, and the feedforward gain is K ff (s), the feedforward compensation means
The position control device according to claim 1, wherein the relationship is satisfied.
The feedforward control means is characterized in that a third-order lowpass filter having a cutoff frequency ω n is constituted by the differentiating means, the lowpass filter means, and the feedforward compensation means. The position control device according to claim 1 or 2.
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