JPH01191908A - 位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、位置決め制御装置に係り、特にロボット等の
駆動部に適用して有効な位置決め制御装置に関するもの
である。

Ｂ９発明の概要 本発明は、位置指令信号を入力とし速度指令信号を出力
する位置制御部と、該速度指令信号を入力としモータに
制御信号を出力する速度制御部からなる位置決め制御装
置において、 前記位置指令信号を入力とし徐々に飽和するような特性
を持ったソフトリミッタによりフィード・フォワード出
力を制限することにより、モータの高速回転域でも滑ら
かな速度制御が可能な位置決め制御装置を得るものであ
る。

Ｃ０従来の技術 一般に、位置決め制御装置は第５図のような構成になっ
ている。すなわち、第５図において、ＩＯはディジタル
位置制御部で、位置指令信号Ｓｌを入力・とじアナログ
速度指令信号Ｓ２を出力する。

２０は速度制御部で、位置制御部１０からのアナログ速
度指令信号Ｓ２を入力とし速度制御信号Ｓ３として電流
信号を出力する。３０はサーボモータで、速度制御部２
０からの速度制御信号Ｓ３に基づいて回転動作する。４
０は速度検出器で、サーボモータ３０の回転速度を検出
する。５０は位置検出器で、サーボモータで３０の回転
位置を検出する。

第５図の位置決め制御装置によれば、速度制御部２０の
速度制御出力信号Ｓ３をもとに、電流フィードバック信
号Ｓ４が速度制御部２０にフィードバックされる。また
、速度検出器４０から速度検出信号Ｓ５が速度制御部２
０にフィードバックされる。さらに、位置検出器５０か
らは位置検出信号Ｓ６が位置制御部１０にフィードバッ
クされる。

すなわち、ディジタル位置制御部１０は、位置指令信号
ｓ１と位置フィードバック信号Ｓ６を入力とし、アナロ
グ速度指令信号Ｓ２を出力する。

速度制御部２０は、アナログ速度指令信号Ｓ２゜電流フ
ィードバック信号Ｓ４および速度フィードバック信号Ｓ
５を入力とし、速度制御信号Ｓ３を出力する。

第５図の位置決め制御装置において、速度制御部２０と
サーボモータ３０は、ＤＣサーボアンプとＤＣサーボモ
ータの組み合わせでもよく、ＡＣサーボアンプとＡＣサ
ーボモータとの組み合わせでもよい。さらに、速度検出
器４０は位置検出器５０により兼用してもよい。

位置決め制御には、現在位置から目標点へ移動し単に位
置決めを行うＦＴＰ動作と、 現在位置から目標点までの定められた径路に沿って移動
して位置決めを行うＣＰ動作とがある。

産業用ロボット等では、次の動作を行うとき使用される
。すなわち、 ＦＴＰ動作は、姿勢を大きく変える場合や、目標点まで
最短時間で高速動作する場合。

ＣＰ動作は、定められた径路（軌道）をトラッキングす
る場合である。

従来では、第５図の構成による位置決め制御装置は、単
純な位置のフィードバック制御のみを行う場合は、第６
図のブロック図となり、ＣＰ動作時のトラッキング精度
を向上させる場合は第７図のブロック図となる。

第６図において、ｔｔａは減算部、１２は位置制御伝達
関数であって、これらの比較部１１ａと位置制御伝達関
数１２は位置制御部１０に対応する。２１は速度制御系
伝達関数で速度制御部２０に対応する。４１は速度を位
置に変換する伝達関数で、速度検出器４０に対応する。

５Ｉは位置フィードバック伝達関数であって、位置検出
器５０に対応する。

また、第６図において、定数ならびに変数は次のように
定義する。

Ｓニラプラス演算因子。

Ｐｔ（Ｓ）：位置指令信号。

ｐ　、（ｓ　）　：位置出力。　　　゛Ｔｄｌ：無駄時
間要素の遅れ時間。

Ｔ６．：サーボアンプの応答時間。

Ｋ　ＦＦ　：フィード・フォワード定数。

ＫＬ：位置偏差制御ゲイン。

Ｋｖ：速度制御系の速度定数。

ＫＰ：速度を位置に変換する定数。

Ｋ　ＦＢ　：位置フィードバック定数。

第７図において、Ｉａは無駄時間要素伝達関数、１１ｂ
は比較器であって、これらの機能を位置制御部１０に追
加する。

第６図のブロック図に示す制御装置の応答特性をシュミ
レーションによって求めたのが第９図であり、第７図の
ブロック図で示す制御装置の応答特性を示したのが第１
０図である。なお、シュミレーションに於ける条件は、
モータ１回転あたりの位置検出器５０の分解能は４００
０パルスとし、速度制御部２０のサーボアンプへ３（ｖ
）の速度指令が入力された場合、１０１０００（ｒｐで
モータが回転するものとした。

Ｄ１発明が解決しようとする課題 第９図〜第１０図の応答特性から明らかなように、第６
図のように単純なフィードバック制御のみを行う装置と
第７図のようにフィード・フォワード制御するものとの
如くの長所と短所は次の如くである。

〔第６図の位置決め制御装置〕 （Ｉａ）長所：第９図に示すように加減速制御を行う場
合、モータの回転域での加減速度が滑らかであるため、
例えばロボット本体のアームが、メカのマスバネ系によ
る振動を起こしに（い。

（１ｂ）短所：第９図に示すように位置偏差パルスが大
きくなり、トラッキング精度が悪い。

〔第７図の位置決め制御装置〕 （２ａ）長所：第１０図に示すようにｃｐ動作時のトラ
ッキング精度は、大幅に改善される。フィード・フォワ
ードによる補償を９０％程度行うと、位置の偏ｌパルス
は約１／１０となる。

（２ｂ）短所：第１０図に示すようにモータの高速回転
域での加減速度が、急激に変化するため、例えばロボッ
ト本体のアームが、メカのマスバネ系により、振動を起
こし易い。

また、例えば産業用ロボット等においては、−殻内に、
ＦＴＰ動作とＣＰ動作におけるモータの回転数は、ＦＴ
Ｐ動作では数百（ｒｐｍ）以上、ｃｐ動作ではＯ（ｒｐ
ｍ）〜数百（ｒｐｍ）程度である。そこで、以上の点に
鑑み、ディジタル位置制御部１０に次のような特性を持
たせることにより、フィードバック制御及びフィード・
フォワード制御の欠点を改善した。

（ｉ）ＣＰ動作のように、モータの回転が比較的小さい
場合は、フィード・フォワード制御主体の動作を遂行さ
せる。

（ｉｉ）ＰＴＰ動作の様に、モータの回転数が大きい場
合は、フィード・バック制御主体の動作を遂行させる。

上記（ｉ）、（ｉｉ、）の動作を実現するために、第８
図（Ａ）に示すように位置制御部１０にハードリミッタ
１５を追加した構成とし、フィード−フォワードの出力
をハードリミッタ１５による飽和要素により制限し、モ
ータの回転数が大きい場合フィード・フォワードの効果
を低下させ、フィードバック制御自体の動作となるよう
にした。

ところが、この方式ではモータの加減速を行った場合、
その応答が第８図（Ｂ）に示す応答波形となり、フィー
ド・フォワードの出力がハード１ルミツタ１５により飽
和し始める時点で、第１１図に示すように速度指令が急
激に変化し乱れるため、実用的ではなかった。

本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みてなさ
れたもので、その目的とするところは、位置決め制御ル
ープにフィード・フォワードループを設け、このフィー
ド・フォワードループの出力を、徐々に飽和するような
ソフトリミッタにより滑らかな速度制御を可能とした高
精度の位置決め制御装置を提供することである。

Ｅ０課題を解決、するための手段 上記目的を達成するなめに、本発明の位置決め制御装置
においては、位置指令信号を入力とする無駄時間要素伝
達関数、この無駄時間要素伝達関数の出力信号を一入力
とする減算部１位置制御伝達関数、速度指令信号を入力
とする速度・フィード・フォワード伝達関数、正弦波特
性の如き滑らかな飽和特性を有するソフトリミッタおよ
び加算部によって位置制御部１０を構成し、 速度制御系伝達関数によって速度制御部を構成し、速度
を位置に変換する伝達関数によって速度検出部を構成す
ると共に、位置フィードバック伝達関数によって位置検
出部を構成する。

Ｆ１作用 フィード・フォワードの出力は、徐々に飽和する様なソ
フトリミッタにより制限され、モータを停止している状
態から数千（ｒｐｍ）の高速回転まで加速したときにフ
ィード・フォワード主体の制御からフィードバック主体
の制御へ滑らかに切り換わり、高速回転域で、加減速度
も滑らかに変化する。

Ｇ、実施例 以下に、本発明の実施例について第１図〜第５図を参照
して説明する。

この実施例においては、第１図に示すように第５１￥１
に示す位置制御部１０内にさらにソフトリミツタ１６の
機能を持たせたものである。ソフトリミッタ１６は、フ
ィード・フォワードの出力を制限する飽和要素のソフト
リミッタであり、第２図（Ａ）に示す正弦波カーブ（ｓ
ｉｎカーブ）のものや、第２図（Ｂ）に示すように折れ
線やその他、徐々に飽和する様な入出力特性を持ったも
のであれば良い。

この実施例による位置決め制御装置においては、第１図
に示すように、位置指令信号ｐ　、（ｓ　）を入力とす
る無駄時間要素伝達関数１３．この無駄時間要素伝達関
数１３の出力信号ｐ’、（Ｓ）を−入力とする減算部１
１ａ、位置制御伝達関数１２．速度指令信号ｐ　、（ｓ
　）を入力とする速度・フィード・フォワード伝達関数
１４．ソフトリミッタ１６および加算部１１ｂによって
位置制御部１０が構成されている。

また、速度制御系伝達関数２１によって速度制御部２０
が構成され、速度を位置に変換する伝達関数４１によっ
て速度検出部４０が構成されると共に、位置フィードバ
ック伝達関数５１によって位置検出部５０が構成されて
いる。

第１図に示す位置決め制御装置によれば、入力された位
置指令信号Ｐ　ｔ（ｓ　）を無駄時間要素１３よって一
定時間遅らせた信号ｐ　’　、（ｓ　）を作り、Ｐｌ（
Ｓ）から位置フィードバック信号ｐ　ｒ（ｓ　）を減算
して位置偏差信号（偏差パルス）を求め、位置偏差信号
にゲイン定数ＫＬを乗じて位置制御信号Ｖ。

を求める。また、位置指令信号ｐ　、（ｓ　）を微分し
て、その値にフィード・フォワード定数ＫＦＦを乗じ、
フィード・フォワード信号ｖｔｒの値を、入力に応じて
出力が徐々に飽和する様な特性を持ったソフトリミッタ
１６によりＶｒｒ（Ｓ）の値を制限してＶ’ｒｒ（Ｓ）
を求め、先の■ｔ（Ｓ）とｖ’ｒｒ（ｓ）の値を加算し
て速度制御部２０への指令Ｖ　、（Ｓ　）を求め、これ
によりサーボモータ３０の回転数が小さい場合はフィー
ド・フォワードの効果を制限し、フィード・フォワード
制御（偏差制御）主体の動作に切り換える。

したがって、サーボモータ３０をＯ（ｒｐｍ）から２０
００　（ｒｐｍ）まで０．５秒で加減速を行ったときの
応答は第３図に示すようになり、第１０図に示す従来の
ものでフィード・フォワード制御をそのまま実施した場
合と比較して、モータの高速回転域で加減速度が滑らか
に変化した。

また、第４図に示すように、ＣＰ動作の如くモータの回
転数が比較的低い場合で、Ｏ（ｒｐｍ）から６６６（ｒ
ｐｍ）まで０．５（秒）で加減速を行った場合は、フィ
ード・フォワード制御が充分に効き、フィード・フォワ
ード制御を行わない場合に比べて、１／２０〜１／３０
の偏差パルスとなった。

Ｈ１発明の効果 本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下のような効果を奏する。

（ｉ）ＣＰ動作の様に、モータの回転数が、比較的小さ
い範囲は、フィード・フォワードが充分に作用する為、
極めて、偏差パルスが小さくなり、トラッキング精度が
、大幅に改善される。

（ｉｉ）ＦＴＰ動作の様に、モータの回転数が、比較的
大きい場合は、フィード・フォワード主体の動作から、
フィードバック主体の動作へ徐々に切り換わるため、モ
ータの高速回転域での加減速度の変化がなめらかになり
、被駆動体が、振動しにくくなる。

（ｉｉｉ　）フィード・フォワードの出力を制限するソ
フトリミッタは、徐々に、飽和する特性をもったものな
らば何でもよく、折れ線近似による関数でもよく、計算
も簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る位置決め制御装置の伝達
関数ブロック図、第２図（Ａ）および第２図（Ｂ）はそ
れぞれ第１図のブロック図で用いるソフトリミッタの特
性図、第３図〜第４図は第１図の伝達関数ブロック図に
よる動作特性図、第５図は位置決め制御装置のブロック
図、第６図〜第８図は、それぞれ、従来の位置決め制御
装置の伝達関数ブロック図、第９図は第６図の装置によ
る動作特性図、第１０図は第７図の装置による動作特性
図、第１１図は第８図の装置による動作特性図である。 ｌＯ・・・位置制御部、２０・・・速度制御部、３０・
・・サーボモータ、４０・・・速度検出部、５０・・・
位置検出部、ｌｌａ・・・減算部、ｔｔｂ・・・加算部
、１２・・・ゲイン定数伝達関数、１３・・・無駄時間
要素伝達関数、１４・・・フィード・フォワード定数伝
達関数、１６・・・ソフトリミッタ、２１・・・速度制
御系伝達関数、４１・・・速度位置変換伝達関数、５１
・・・位置フィードバンク伝達関数。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）位置指令信号とモータの位置を検出する位置検出
   部からの位置フィードバック信号を入力とし速度指令信
   号を出力する位置制御部と、この位置制御部の速度指令
   信号と前記モータの速度を検出する速度検出部からの速
   度フィードバック信号を入力とし前記モータに制御信号
   を出力する速度制御部からなる位置決め制御装置におい
   て、位置指令信号（Ｐ＿ｉ）を無駄時間要素によって一
   定時間遅らせた信号（Ｐ´＿ｉ）を作り、該信号（Ｐ´
   ＿ｉ）から位置フィードバック信号（Ｐ＿ｆ）を減算し
   て位置偏差信号を求め、位置偏差信号にゲイン定数（Ｋ
   ＿Ｌ）を乗じて位置制御信号（Ｖ＿ε）を求める手段と
   、 位置指令信号（Ｐ＿ｉ）を微分してその値にフィード・
   フォワード定数（Ｋ＿Ｆ＿Ｆ）を乗じてフィード・フォ
   ワード信号（Ｖ＿ｆ＿ｆ）を得、そのフィード・フォワ
   ード信号（Ｖ＿ｆ＿ｆ）の値を、入力に応じて出力が徐
   々に飽和する特性を有するソフトリミッタにより制限し
   て信号（Ｖ´ｆ＿ｆ）を求める手段と、前記位置制御信
   号（Ｖ＿ε）の値とフィード・フォワード信号（Ｖ＿ｆ
   ＿ｆ）の値を加算して前記速度制御部への指令（Ｖ＿ｉ
   ）を求め、前記モータの回転数が小さいときはフィード
   ・フォワードを効かせて位置の偏差を小さくし、モータ
   の回転数が大きいときはフィード・フォワードの効果を
   制限してフィードバック制御主体の動作に切り換える手
   段とによって前記位置制御部を構成したことを特徴とす
   る位置決め制御装置。