モーションコントロール装置
【課題】 システムの固有振動角周波数をωｎとした場合、指令の払い出し時間がπ／ωｎ以下、且つ、振動を励起しない指令を容易に生成でき、更に、機械を高速に位置決めすることができる指令を生成するモーションコントロール装置を提供する。
【解決手段】 任意の第１の時間幅と正規化された振幅とを有する第１の基本波形ｐ１と、任意の第２の時間幅と正規化された振幅とを有する第２の基本波形ｐ２と、を発生する波形発生器１，２と、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインＡ１を乗じて出力し、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインＡ２を乗じて出力する振幅調整器３，４と、前記第２の所定ゲインを乗じた信号に所定遅延時間を加えて出力する遅延器６と、前記第１の所定ゲインを乗じた信号から前記遅延器の出力信号を減算する減算器５と、を備える。
【解決手段】 任意の第１の時間幅と正規化された振幅とを有する第１の基本波形ｐ１と、任意の第２の時間幅と正規化された振幅とを有する第２の基本波形ｐ２と、を発生する波形発生器１，２と、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインＡ１を乗じて出力し、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインＡ２を乗じて出力する振幅調整器３，４と、前記第２の所定ゲインを乗じた信号に所定遅延時間を加えて出力する遅延器６と、前記第１の所定ゲインを乗じた信号から前記遅延器の出力信号を減算する減算器５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械振動を励起しない指令を生成して出力するモーションコントロール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや工作機などの産業機械では、制御対象である機械をより高速に位置決めしたいといった要望があった。しかしながら、一般的に機械を高速に動作させる場合、機械の剛性が低い場合に、加減速時に残留振動が発生し、位置決め時間が遅くなるという問題があった。この一般的な技術課題を解決するために、従来技術では、複雑な制御演算や制御対象モデルを有さずに動作指令の形状を工夫している。
【０００３】
従来技術は、「ロボットのように低剛性負荷をもつ位置決めサーボ系において、特に高速位置決めおよび制振を実現できる制御方式に関する」ものであって、請求項２に記載の「１軸または複数軸を有し、各軸が低剛性負荷をもち、かつ位置フィードバックおよび速度フィードバックループによって制御されるアクチュエータにより駆動されるロボットマニピュレータの位置決め制御方式において、上位からもらった目標位置指令と基本パターン保存部に保存された全動作量が１に規格化された形とを使って、前記目標位置指令の１／２の動作量に対する基本速度指令パターンを作成する基本パターン作成部をもち、前記基本パターン作成部で作成された基本速度指令パターンは、指令遅延部と指令パターン合成部に払い出され、前記指令遅延部では、基本速度指令パターンを低剛性負荷の固有振動周期の１／２の奇数倍だけずらしたパターンを作成し、指令パターン合成部に払い出され、前記指令パターン合成部では、基本パターン作成部と指令遅延部から出てきた指令を加算することにより、速度指令として、基本速度指令パターンと低剛性負荷の固有振動周期の１／２の奇数倍だけずらしたパターンとを合成した波形の信号を出力することを特徴とする制振位置決め制御方式」によれば、「低剛性負荷をもつサーボ系において、位置決め時間を遅くすることなく、負荷の振動を抑えることができる」ことが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３２８００４９号公報（第２−５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術では、位置指令が与えられると、パターン作成器によって１／２・Ｔ・ｍ（ｍ＝１，３，５・・・）ずらしたパターン２つを合成したパターンが速度指令として作成される（段落００１５参照）ため、指令の払い出し時間が最小でもＴ／２（＝π／ωｎ）以上かかってしまい、それよりも短い時間で動作させることができないという問題があった（Ｔは負荷の固有振動周期、ωｎは固有振動角周波数）。また、指令の払い出し時間が遅れることにより、機械を高速に位置決めすることができないという問題もあった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算して速度指令を生成することにより、システムの固有振動角周波数をωｎとした場合、指令の払い出し時間がＴ／２（＝π／ωｎ）よりも早く指令を払い出すことができ、且つ、振動を励起しない指令を生成することができ、更に、機械を高速に位置決めすることができる指令を生成するモーションコントロール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、任意の第１の時間幅と正規化された振幅とを有する第１の基本波形と、任意の第２の時間幅と正規化された振幅とを有する第２の基本波形と、を発生する波形発生器と、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じて出力し、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じて出力する振幅調整器と、前記第２の所定ゲインを乗じた信号に所定遅延時間を加えて出力する遅延器と、前記第１の所定ゲインを乗じた信号から前記遅延器の出力信号を減算する減算器と、を備え、前記減算器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えるものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載における前記モーションコントローラが、更に、前記減算器の出力信号を積分する積分器を備え、前記積分器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えるものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載における前記モーションコントロール装置が、更に、前記減算器の出力信号もしくは前記積分器の出力信号をフィルタ処理するフィルタ演算器を備えるものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載における前記波形発生器が、前記第１の基本波形および第２の基本波を矩形波として出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない前記指令を生成するものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載における前記波形発生器が、更に、前記指令に基づいて前記第１の基本波形および第２の基本波を出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない新たな指令を生成するものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１記載における前記モーションコントロール装置が、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じた信号を、固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第１の正弦波と、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じた信号を、前記固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第２の正弦波と、を算出し、前記第１の正弦波と前記第２の正弦波との振幅および位相が一致するように、前記所定遅延時間および前記第１の所定ゲイン並びに前記第２の所定ゲインを算出するものである。
請求項７に記載の発明は、制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない略凹状の前記指令を出力し、前記指令を速度指令もしくは前記指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力するものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７記載における前記モーションコントロール装置が、前記指令である速度指令に基づいて前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない略凹状の新たな指令を出力し、前記新たな指令を速度指令もしくは前記新たな指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力するものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算して速度指令を生成することにより、システムの固有振動角周波数をωｎとした場合、指令の払い出し時間がＴ／２（＝π／ωｎ）よりも早く指令を払い出すことができ、且つ、振動を励起しない指令を生成することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算して速度指令を生成し、更に速度指令の積分により位置指令を生成することにより、システムの固有振動角周波数をωｎとした場合、指令の払い出し時間がＴ／２（＝π／ωｎ）よりも早く指令を払い出すことができ、且つ、振動を励起しない指令を生成することができ、更に、機械を高速に位置決めすることができる指令を生成することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、フィルタ処理を施すことでより滑らかで、且つ微分可能な指令を生成することができ、制御演算器で指令を微分してフィードフォワードなどが実現でき、また、振動を励起したくない周波数以外の高い周波数の機械共振なども励起しにくくできる。
また、請求項４に記載の発明によると、単純な矩形波を使用することで、容易に単数の周波数で振動しない指令を生成することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、一旦生成した特定の周波数で振動しない指令に基づいて、更に新たな指令を生成することができるため、容易に複数の周波数で振動しない指令を生成することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、簡単な演算により所定遅延時間および第１の所定ゲイン並びに第２の所定ゲインを算出することができ、図示しないモーションコントロール装置内の演算器の負荷を軽減することができる。
請求項７に記載の発明は、指令の払い出し時間を短くすることができ、且つ、容易に単数の周波数の振動を励起しない指令を生成することができる。
また、請求項８に記載の発明によると、一旦生成した特定の周波数で振動しない指令に基づいて、更に新たな指令を生成することができるため、容易に複数の周波数で振動しない指令を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例におけるモーションコントローラの概略構成図である。
【図２】（ａ）本発明の第１実施例における信号ｐ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第１実施例における信号ｐ２を説明する図である。
【図３】（ａ）本発明の第１実施例における信号ｖ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第１実施例における信号ｖ２を説明する図である。
【図４】本発明の第1実施例における信号ｖｒを説明する図である。
【図５】（ａ）本発明の第２実施例の信号ｐ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第２実施例の信号ｐ２を説明する図である。
【図６】（ａ）本発明の第２実施例の信号ｖ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第２実施例の信号ｖ２を説明する図である。
【図７】本発明の第２実施例の信号ｖｒを説明する図である。
【図８】本発明の第１実施例において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の第１実施例におけるモーションコントローラの概略構成図である。図において、モーションコントローラ１０は、時間幅Ｔ１の基本波形１である信号ｐ１を発生する波形１発生器１、時間幅Ｔ２の基本波形２である信号ｐ２を発生する波形２発生器２、信号ｐ１にゲインＡ１を乗じて信号ｖ１を出力する振幅調整器３、信号ｐ２にゲインＡ２を乗じる振幅調整器４、信号ｐ２にゲインＡ２を乗じた信号を時間Ｔｄだけ遅らせた信号ｖ２を出力する遅延器６、信号ｖ１から信号ｖ２を減算し信号ｖｒを出力する減算器５、７は信号ｖｒを積分し信号ｘｒを出力する積分器７、で構成される。なお、Ｔ１、Ｔ２、Ｔｄ、Ａ１、Ａ２の値は、後述する方法で機械等の振動を励起しないように決定する。
【００１２】
また、モーションコントローラ１０の出力である信号ｘｒは、例えばサーボドライバ等の制御演算器８に入力され、更に、例えばサーボモータに連結された機械等の制御対象９を信号ｘｒに応じて駆動する。
ここで、位置制御を行なうシステム構成の場合、ｘｒは位置指令、ｘは検出位置、ｖｒは速度指令を表し、制御演算器８では位置比例制御、速度比例積分制御、フィードフォワード制御等の制御演算を行い、トルク指令あるいは電流指令を算出する。
なお、ｘを検出速度、ｘｒを速度指令とした速度制御を行なうシステム構成であってもよい。
【００１３】
図において、波形１発生器１が時間幅Ｔ１の矩形波である信号ｐ１を出力し、波形２発生器２が時間幅Ｔ２の矩形波である信号ｐ２を出力する。なお、信号ｐ１および信号ｐ２の振幅は正規化されたもの（振幅１）とする。
振幅調整器３が信号ｐ１を入力してゲインＡ１を乗じて信号ｖ１を出力し、振幅調整器４が信号ｐ２を入力してゲインＡ２を乗じて信号を出力する。遅延器６が、振幅調整器４の出力信号を時間Ｔｄだけ遅らせて信号ｖ２を出力する。減算器５が、信号ｖ１から信号ｖ２を減算して信号ｖｒを出力する。積分器７が、信号ｖｒを積分して信号ｘｒを出力する。
【００１４】
図２（ａ）は本発明の第１実施例における信号ｐ１、図２（ｂ）は本発明の第１実施例における信号ｐ２を説明する図である。また、図３（ａ）は本発明の第１実施例における信号ｖ１、図３（ｂ）は本発明の第１実施例における信号ｖ２を説明する図である。更に、図４は、本発明の第１実施例における信号ｖｒを説明する図である。
【００１５】
次に、機械等の振動が励起されないように、時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２を決定する仕組みを説明する。
固有振動角周波数ωｎである２次遅れ系の伝達特性を有するシステムＧ（ｓ）は、式（１）で表すことができる。また、振幅調整器３が出力する信号ｖ１（時間幅Ｔ１の矩形波である信号ｐ１にゲインＡ１を乗じた信号）のラプラス変換Ｖ１は、式（２）で表すことができる。ここで、システムＧ（ｓ）に信号Ｖ１を入力した時の応答ｈ１（ｔ）を、式（１）（２）に基づいて逆ラプラス変換で求めると、式（３）で表すことができる。
なお、システムＧ（ｓ）は、固有振動角周波数ωｎで振動しない指令を作成するための仮定のシステムであり、どのような積分器７、制御演算器８、制御対象９に対しても適用できるように仮定したものである。
【００１６】
【数１】
【００１７】
同様に、遅延器６が出力する信号ｖ２（時間幅Ｔ２の矩形波である信号ｐ２にゲインＡ２を乗じて、時間Ｔｄだけ遅らせた信号）のラプラス変換Ｖ２は、式（４）で表すことができる。ここで、システムＧ（ｓ）に信号Ｖ２を入力した時の応答ｈ２（ｔ）を、式（１）（４）に基づいて逆ラプラス変換で求めると、式（５）で表すことができる。
【００１８】
【数２】
【００１９】
ここで、応答ｈ１（ｔ）と応答ｈ２（ｔ）が完全に一致するように、振幅と位相を合わせると、以下の関係式（８）、式（１１）を導出することができる。
なお、応答ｈ１（ｔ）と応答ｈ２（ｔ）が完全に一致するような信号ｖ１（ｔ）と信号ｖ２（ｔ）が作成できれば、これらの減算（ｖ１（ｔ）―ｖ２（ｔ））で求めた信号ｖｒ（ｔ）は、固有振動角周波数ωｎで最も振動するシステムＧ（ｓ）に信号ｖ１（ｔ）と信号ｖ２（ｔ）を入力したときに発生する振動が完全に打ち消しあうことになり、信号ｖｒ（ｔ）を固有振動角周波数ωｎで最も振動するシステムＧ（ｓ）に入力しても全く振動しないことになる、言い換えると、信号ｖｒ（ｔ）が固有振動角周波数ωｎの振動を励起しない信号とすることができる。
【００２０】
式（３）におけるｈ１（ｔ）の位相は式（６）、式（５）におけるｈ２（ｔ）の位相は式（７）であり、式（６）＝式（７）から式（８）が導出される。
また、式（３）におけるｈ１（ｔ）の振幅は式（９）、式（５）におけるｈ２（ｔ）の振幅は式（１０）であり、式（９）＝式（１０）から式（１１）が導出される。
【００２１】
【数３】
【００２２】
ここで、式（１１）におけるsinの代わりにcosを用いて、式（１２）としてもよい。
【００２３】
【数４】
【００２４】
また、本実施例において、位置制御を行なうシステム構成への適用を考えた場合、移動距離をＤとすれば、信号ｖ１から信号ｖ２を減じた信号ｖｒ（速度指令）の積分値が移動距離Ｄ（位置指令と等価）になる必要があるため、式（１３）を満たす必要がある。更に、本実施例では信号ｐ１および信号ｐ２を大きさ１の矩形波としているため、式（１３）におけるｐ１（ｔ）とｐ２（ｔ）は定数１となるため式（１４）となり、式（１５）のような簡単な式で時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、ゲインＡ１、ゲインＡ２を演算できる。
【００２５】
【数５】
【００２６】
一連の時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２の決定方法は次の通りである。
先ず、波形１発生器１が出力する矩形波信号ｐ１の時間幅Ｔ１として指令払い出し時間（区間）を設定する。
ここで、指令払い出し時間は、例えば高速位置決めの場合、できるだけ短い時間に設定するのが一般的である。また、機械の許容速度や許容トルク、許容加速度、指令払い出しのサンプリング時間、他の装置との干渉等により設定に制約を受けることもあるため、この場合これらの制約事項を考慮して設定する。
波形２発生器２が出力する矩形波信号ｐ２の時間幅Ｔ２の決め方は、時間幅Ｔ１より小さければ任意に決定してよく、例えば、時間幅Ｔ１の整数分の１などとすればよい。もしくは、時間幅Ｔ２の値によって最終的な波形ｖｒが決まるため、波形ｖｒを観測しながらこの時間幅Ｔ２を（遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２を算出しながら）調整しても良い。
次に、設定および決定した時間幅Ｔ１およびＴ２を用いて式（８）から遅延時間Ｔｄを算出する。
最後に、式（１１）あるいは式（１２）と、式（１３）あるいは式（１５）の２式から、未知変数がゲインＡ１とゲインＡ２である連立方程式を解いてゲインＡ１とゲインＡ２を決定する。
【００２７】
このように、固有振動角周波数ωｎの２次遅れ系の伝達特性を有するシステムＧ（ｓ）に基本信号ｐ１にゲインＡ１を乗じた信号ｖ１を入力したときに発生する正弦波ｈ１（ｔ）と、システムＧ（ｓ）に基本信号ｐ２にゲインＡ２を乗じ時間Ｔｄだけ遅らせた信号ｖ２を入力したときに発生する正弦波ｈ２（ｔ）が一致するように、時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２を設定することで、信号ｖ１から信号ｖ２を減じることにより求めた速度指令ｖｒをシステムＧ（ｓ）に入力しても、固有振動角周波数ωｎの振動が全く発生しないことになる。
結果的に、速度指令ｖｒは固有振動角周波数ωｎの振動を励起しない指令になるのである。そして、ｖｒを積分した位置指令ｘｒも、固有振動角周波数ωｎの振動を励起しない指令となるのである。
【００２８】
また、作成した信号ｖｒや信号ｘｒにフィルタ処理を施した場合も、固有振動角周波数ωｎの振動を励起しないという特徴は維持されるため、指令の波形を滑らかに、制御対象の動作を滑らかにしたい場合は、ローパスフィルタや、移動平均などのフィルタ処理を施しても全く問題ない。
【００２９】
図８は、本発明の実施例１において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。図において、上段は生成した位置指令ｘｒ、中段は制御対象の位置ｘ応答、下段は速度指令ｖｒのパワースペクトラムである。
ここで、シミュレーションの条件は、制御対象９と制御演算器８とを合わせたシステム全体の振動根が１０Ｈｚにある場合であって、また理解を容易にするために、移動距離Ｄは１とした。
なお、各パラメータ（時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２）の値は、上述の通りの式（８）、式（１１）もしくは式（１２）、式（１３）もしくは式（１５）を用いて、一連の決定方法で決定した。
波形１発生器１が出力する矩形波信号ｐ１の時間幅Ｔ１を０．０４ｓ、波形２発生器２が出力する矩形波信号ｐ２の時間幅Ｔ２を時間幅Ｔ１の１／４の０．０１ｓに設定し、式（８）を用いて遅延時間Ｔｄ＝０．０２ｓを算出し、式（１１）もしくは式（１２）、式（１３）もしくは式（１５）を用いて、ゲインＡ１＝８８４．７３３１、ゲインＡ２＝９０４．９８２２を算出した。
【００３０】
パワースペクトラムから、本発明における実施例１で生成した指令ｖｒには１０Ｈｚの成分が含まれなく、指令ｖｒがシステムＧ（ｓ）の固有振動角周波数ωｎである１０Ｈｚの振動を励起しないものであることが分かる。
【００３１】
また、従来技術において、指令払い出しの限界はＴ／２＝π／ωｎ＝０．０５ｓであり、これ以上短くはできないことに対し、本発明における実施例１では、上段の生成した位置指令ｘｒを見れば、０ｓから０．０４ｓまでで１０Ｈｚの振動を励起しない指令を払い出すことができていることが分かる。
更に、中段の制御対象の位置ｘ応答を見れば、少なくとも０．０５ｓ以内に位置決め（移動距離０から１に至る時間）が完了しており、高速位置決めもできていることは明らかである。
【００３２】
このように、実施例１におけるモーションコントローラは、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけ遅らせて減算することにより、従来技術におけるπ／ωｎよりも早く指令を払い出し、且つ、振動を励起しない指令を生成することができ、更に機械を高速に位置決めすることができる。
【実施例２】
【００３３】
図５（ａ）は本発明の第２実施例の信号ｐ１、図５（ｂ）は本発明の第２実施例の信号ｐ２を説明する図である。また、図６（ａ）は本発明の第２実施例の信号ｖ１、図６（ｂ）は本発明の第２実施例の信号ｖ２を説明する図である。更に、図７は、本発明の第２実施例の信号ｖｒを説明する図である。
本実施例２では、複数のある周波数の振動（例えば、２つの周波数ωｎとω１、または３つの周波数ωｎとω１とω２）を励起しない指令を生成する場合を説明する。
２つの周波数ωｎとω１を励起しない指令を生成する場合、先ず実施例１の要領で固有振動角周波数ωｎを励起しない指令を生成し（図４）、次に波形１発生器１および波形２発生器が、図４の指令信号を用いて図５（ａ）（ｂ）のように、周波数ω１を励起しない指令を生成するための信号ｐ１および信号ｐ２を出力する。時間幅Ｔ１およびT2の設定方法は、実施例と同様である。したがって、最終的な信号ｖｒが２つの周波数ωｎとω１を励起しない指令に相当する。
同様に、３つの周波数ωｎとω１とω２を励起しない指令を生成する場合、上記の場合に引き続いて、波形１発生器１および波形２発生器が、図７の指令信号を用いて、周波数ω２を励起しない指令を生成するための信号ｐ１および信号ｐ２を出力する。時間幅Ｔ１およびＴ２の設定方法は、実施例と同様である。したがって、最終的な信号ｖｒが３つの周波数ωｎとω１とω２を励起しない指令に相当する。
なお、波形１発生器１および波形２発生器が信号ｐ１および信号ｐ２を出力した以降の指令の生成方法および各パラメータ（時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２）の決定方法は、実施例１と同様であるため説明を省略する。
【００３４】
図９は、本発明の実施例２において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。図において、上段は生成した位置指令ｘｒ、中段は制御対象の位置ｘ応答、下段は速度指令ｖｒのパワースペクトラムである。
ここで、シミュレーションの条件は、制御対象９と制御演算器８を合わせたシステム全体の振動根が１６Ｈｚにある場合、且つ、制御対象９が１０Ｈｚで振動する台の上に設置されている場合であって、１０Ｈｚおよび１６Ｈｚの振動も励起したくないとする。また理解を容易にするために、移動距離Ｄは１とした。
【００３５】
パワースペクトラムから、本発明における実施例２で生成した指令ｖｒには１０Ｈｚよび１６Ｈｚの振動成分が両方含まれなく、指令ｘｒが１６Ｈｚだけでなく１０Ｈｚの振動も励起しないものであることが分かる。
また、この場合、指令の払い出しおよび位置決めは、０．１ｓ以内に完了していることが分かる。
【００３６】
このように、実施例２におけるモーションコントローラは、基本波形ｐ１およびｐ２として、図５の（ａ）および（ｂ）に示すような、特定の振動を励起しない波形を用いて、新たに他の任意の周波数の振動も励起しないように指令を生成することで、複数の振動を励起しない指令を生成できる。
また、システムに複数の振動モードがある場合にも、どの振動も励起せずに制御対象を動作させることが可能な指令を生成することができる。更に、複数の振動の周波数を近い値にすることで、その周波数近傍の周波数を一様に励起しない指令となるので、振動の周波数が若干変化するような制御対象に対して、周波数が変わった場合も振動が発生しにくいロバストな指令を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算することでπ／ωｎよりも早く指令を払い出し、且つ、振動を励起しない指令を生成することができるので、機械を駆動する電動機の位置決め以外にも、化学プラントや電子回路など振動が問題となる全ての制御対象を制御する装置への目標信号の生成という用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 波形１発生器
２ 波形２発生器
３ 振幅調整器１
４ 振幅調整器２
５ 減算器
６ 遅延器
７ 積分器
８ 制御演算器
９ 制御対象
１０ モーションコントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械振動を励起しない指令を生成して出力するモーションコントロール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや工作機などの産業機械では、制御対象である機械をより高速に位置決めしたいといった要望があった。しかしながら、一般的に機械を高速に動作させる場合、機械の剛性が低い場合に、加減速時に残留振動が発生し、位置決め時間が遅くなるという問題があった。この一般的な技術課題を解決するために、従来技術では、複雑な制御演算や制御対象モデルを有さずに動作指令の形状を工夫している。
【０００３】
従来技術は、「ロボットのように低剛性負荷をもつ位置決めサーボ系において、特に高速位置決めおよび制振を実現できる制御方式に関する」ものであって、請求項２に記載の「１軸または複数軸を有し、各軸が低剛性負荷をもち、かつ位置フィードバックおよび速度フィードバックループによって制御されるアクチュエータにより駆動されるロボットマニピュレータの位置決め制御方式において、上位からもらった目標位置指令と基本パターン保存部に保存された全動作量が１に規格化された形とを使って、前記目標位置指令の１／２の動作量に対する基本速度指令パターンを作成する基本パターン作成部をもち、前記基本パターン作成部で作成された基本速度指令パターンは、指令遅延部と指令パターン合成部に払い出され、前記指令遅延部では、基本速度指令パターンを低剛性負荷の固有振動周期の１／２の奇数倍だけずらしたパターンを作成し、指令パターン合成部に払い出され、前記指令パターン合成部では、基本パターン作成部と指令遅延部から出てきた指令を加算することにより、速度指令として、基本速度指令パターンと低剛性負荷の固有振動周期の１／２の奇数倍だけずらしたパターンとを合成した波形の信号を出力することを特徴とする制振位置決め制御方式」によれば、「低剛性負荷をもつサーボ系において、位置決め時間を遅くすることなく、負荷の振動を抑えることができる」ことが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３２８００４９号公報（第２−５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術では、位置指令が与えられると、パターン作成器によって１／２・Ｔ・ｍ（ｍ＝１，３，５・・・）ずらしたパターン２つを合成したパターンが速度指令として作成される（段落００１５参照）ため、指令の払い出し時間が最小でもＴ／２（＝π／ωｎ）以上かかってしまい、それよりも短い時間で動作させることができないという問題があった（Ｔは負荷の固有振動周期、ωｎは固有振動角周波数）。また、指令の払い出し時間が遅れることにより、機械を高速に位置決めすることができないという問題もあった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算して速度指令を生成することにより、システムの固有振動角周波数をωｎとした場合、指令の払い出し時間がＴ／２（＝π／ωｎ）よりも早く指令を払い出すことができ、且つ、振動を励起しない指令を生成することができ、更に、機械を高速に位置決めすることができる指令を生成するモーションコントロール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、任意の第１の時間幅と正規化された振幅とを有する第１の基本波形と、任意の第２の時間幅と正規化された振幅とを有する第２の基本波形と、を発生する波形発生器と、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じて出力し、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じて出力する振幅調整器と、前記第２の所定ゲインを乗じた信号に所定遅延時間を加えて出力する遅延器と、前記第１の所定ゲインを乗じた信号から前記遅延器の出力信号を減算する減算器と、を備え、前記減算器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えるものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載における前記モーションコントローラが、更に、前記減算器の出力信号を積分する積分器を備え、前記積分器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えるものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載における前記モーションコントロール装置が、更に、前記減算器の出力信号もしくは前記積分器の出力信号をフィルタ処理するフィルタ演算器を備えるものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載における前記波形発生器が、前記第１の基本波形および第２の基本波を矩形波として出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない前記指令を生成するものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載における前記波形発生器が、更に、前記指令に基づいて前記第１の基本波形および第２の基本波を出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない新たな指令を生成するものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１記載における前記モーションコントロール装置が、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じた信号を、固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第１の正弦波と、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じた信号を、前記固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第２の正弦波と、を算出し、前記第１の正弦波と前記第２の正弦波との振幅および位相が一致するように、前記所定遅延時間および前記第１の所定ゲイン並びに前記第２の所定ゲインを算出するものである。
請求項７に記載の発明は、制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない略凹状の前記指令を出力し、前記指令を速度指令もしくは前記指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力するものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７記載における前記モーションコントロール装置が、前記指令である速度指令に基づいて前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない略凹状の新たな指令を出力し、前記新たな指令を速度指令もしくは前記新たな指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力するものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算して速度指令を生成することにより、システムの固有振動角周波数をωｎとした場合、指令の払い出し時間がＴ／２（＝π／ωｎ）よりも早く指令を払い出すことができ、且つ、振動を励起しない指令を生成することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算して速度指令を生成し、更に速度指令の積分により位置指令を生成することにより、システムの固有振動角周波数をωｎとした場合、指令の払い出し時間がＴ／２（＝π／ωｎ）よりも早く指令を払い出すことができ、且つ、振動を励起しない指令を生成することができ、更に、機械を高速に位置決めすることができる指令を生成することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、フィルタ処理を施すことでより滑らかで、且つ微分可能な指令を生成することができ、制御演算器で指令を微分してフィードフォワードなどが実現でき、また、振動を励起したくない周波数以外の高い周波数の機械共振なども励起しにくくできる。
また、請求項４に記載の発明によると、単純な矩形波を使用することで、容易に単数の周波数で振動しない指令を生成することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、一旦生成した特定の周波数で振動しない指令に基づいて、更に新たな指令を生成することができるため、容易に複数の周波数で振動しない指令を生成することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、簡単な演算により所定遅延時間および第１の所定ゲイン並びに第２の所定ゲインを算出することができ、図示しないモーションコントロール装置内の演算器の負荷を軽減することができる。
請求項７に記載の発明は、指令の払い出し時間を短くすることができ、且つ、容易に単数の周波数の振動を励起しない指令を生成することができる。
また、請求項８に記載の発明によると、一旦生成した特定の周波数で振動しない指令に基づいて、更に新たな指令を生成することができるため、容易に複数の周波数で振動しない指令を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例におけるモーションコントローラの概略構成図である。
【図２】（ａ）本発明の第１実施例における信号ｐ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第１実施例における信号ｐ２を説明する図である。
【図３】（ａ）本発明の第１実施例における信号ｖ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第１実施例における信号ｖ２を説明する図である。
【図４】本発明の第1実施例における信号ｖｒを説明する図である。
【図５】（ａ）本発明の第２実施例の信号ｐ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第２実施例の信号ｐ２を説明する図である。
【図６】（ａ）本発明の第２実施例の信号ｖ１を説明する図である。（ｂ）本発明の第２実施例の信号ｖ２を説明する図である。
【図７】本発明の第２実施例の信号ｖｒを説明する図である。
【図８】本発明の第１実施例において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の第１実施例におけるモーションコントローラの概略構成図である。図において、モーションコントローラ１０は、時間幅Ｔ１の基本波形１である信号ｐ１を発生する波形１発生器１、時間幅Ｔ２の基本波形２である信号ｐ２を発生する波形２発生器２、信号ｐ１にゲインＡ１を乗じて信号ｖ１を出力する振幅調整器３、信号ｐ２にゲインＡ２を乗じる振幅調整器４、信号ｐ２にゲインＡ２を乗じた信号を時間Ｔｄだけ遅らせた信号ｖ２を出力する遅延器６、信号ｖ１から信号ｖ２を減算し信号ｖｒを出力する減算器５、７は信号ｖｒを積分し信号ｘｒを出力する積分器７、で構成される。なお、Ｔ１、Ｔ２、Ｔｄ、Ａ１、Ａ２の値は、後述する方法で機械等の振動を励起しないように決定する。
【００１２】
また、モーションコントローラ１０の出力である信号ｘｒは、例えばサーボドライバ等の制御演算器８に入力され、更に、例えばサーボモータに連結された機械等の制御対象９を信号ｘｒに応じて駆動する。
ここで、位置制御を行なうシステム構成の場合、ｘｒは位置指令、ｘは検出位置、ｖｒは速度指令を表し、制御演算器８では位置比例制御、速度比例積分制御、フィードフォワード制御等の制御演算を行い、トルク指令あるいは電流指令を算出する。
なお、ｘを検出速度、ｘｒを速度指令とした速度制御を行なうシステム構成であってもよい。
【００１３】
図において、波形１発生器１が時間幅Ｔ１の矩形波である信号ｐ１を出力し、波形２発生器２が時間幅Ｔ２の矩形波である信号ｐ２を出力する。なお、信号ｐ１および信号ｐ２の振幅は正規化されたもの（振幅１）とする。
振幅調整器３が信号ｐ１を入力してゲインＡ１を乗じて信号ｖ１を出力し、振幅調整器４が信号ｐ２を入力してゲインＡ２を乗じて信号を出力する。遅延器６が、振幅調整器４の出力信号を時間Ｔｄだけ遅らせて信号ｖ２を出力する。減算器５が、信号ｖ１から信号ｖ２を減算して信号ｖｒを出力する。積分器７が、信号ｖｒを積分して信号ｘｒを出力する。
【００１４】
図２（ａ）は本発明の第１実施例における信号ｐ１、図２（ｂ）は本発明の第１実施例における信号ｐ２を説明する図である。また、図３（ａ）は本発明の第１実施例における信号ｖ１、図３（ｂ）は本発明の第１実施例における信号ｖ２を説明する図である。更に、図４は、本発明の第１実施例における信号ｖｒを説明する図である。
【００１５】
次に、機械等の振動が励起されないように、時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２を決定する仕組みを説明する。
固有振動角周波数ωｎである２次遅れ系の伝達特性を有するシステムＧ（ｓ）は、式（１）で表すことができる。また、振幅調整器３が出力する信号ｖ１（時間幅Ｔ１の矩形波である信号ｐ１にゲインＡ１を乗じた信号）のラプラス変換Ｖ１は、式（２）で表すことができる。ここで、システムＧ（ｓ）に信号Ｖ１を入力した時の応答ｈ１（ｔ）を、式（１）（２）に基づいて逆ラプラス変換で求めると、式（３）で表すことができる。
なお、システムＧ（ｓ）は、固有振動角周波数ωｎで振動しない指令を作成するための仮定のシステムであり、どのような積分器７、制御演算器８、制御対象９に対しても適用できるように仮定したものである。
【００１６】
【数１】
【００１７】
同様に、遅延器６が出力する信号ｖ２（時間幅Ｔ２の矩形波である信号ｐ２にゲインＡ２を乗じて、時間Ｔｄだけ遅らせた信号）のラプラス変換Ｖ２は、式（４）で表すことができる。ここで、システムＧ（ｓ）に信号Ｖ２を入力した時の応答ｈ２（ｔ）を、式（１）（４）に基づいて逆ラプラス変換で求めると、式（５）で表すことができる。
【００１８】
【数２】
【００１９】
ここで、応答ｈ１（ｔ）と応答ｈ２（ｔ）が完全に一致するように、振幅と位相を合わせると、以下の関係式（８）、式（１１）を導出することができる。
なお、応答ｈ１（ｔ）と応答ｈ２（ｔ）が完全に一致するような信号ｖ１（ｔ）と信号ｖ２（ｔ）が作成できれば、これらの減算（ｖ１（ｔ）―ｖ２（ｔ））で求めた信号ｖｒ（ｔ）は、固有振動角周波数ωｎで最も振動するシステムＧ（ｓ）に信号ｖ１（ｔ）と信号ｖ２（ｔ）を入力したときに発生する振動が完全に打ち消しあうことになり、信号ｖｒ（ｔ）を固有振動角周波数ωｎで最も振動するシステムＧ（ｓ）に入力しても全く振動しないことになる、言い換えると、信号ｖｒ（ｔ）が固有振動角周波数ωｎの振動を励起しない信号とすることができる。
【００２０】
式（３）におけるｈ１（ｔ）の位相は式（６）、式（５）におけるｈ２（ｔ）の位相は式（７）であり、式（６）＝式（７）から式（８）が導出される。
また、式（３）におけるｈ１（ｔ）の振幅は式（９）、式（５）におけるｈ２（ｔ）の振幅は式（１０）であり、式（９）＝式（１０）から式（１１）が導出される。
【００２１】
【数３】
【００２２】
ここで、式（１１）におけるsinの代わりにcosを用いて、式（１２）としてもよい。
【００２３】
【数４】
【００２４】
また、本実施例において、位置制御を行なうシステム構成への適用を考えた場合、移動距離をＤとすれば、信号ｖ１から信号ｖ２を減じた信号ｖｒ（速度指令）の積分値が移動距離Ｄ（位置指令と等価）になる必要があるため、式（１３）を満たす必要がある。更に、本実施例では信号ｐ１および信号ｐ２を大きさ１の矩形波としているため、式（１３）におけるｐ１（ｔ）とｐ２（ｔ）は定数１となるため式（１４）となり、式（１５）のような簡単な式で時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、ゲインＡ１、ゲインＡ２を演算できる。
【００２５】
【数５】
【００２６】
一連の時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２の決定方法は次の通りである。
先ず、波形１発生器１が出力する矩形波信号ｐ１の時間幅Ｔ１として指令払い出し時間（区間）を設定する。
ここで、指令払い出し時間は、例えば高速位置決めの場合、できるだけ短い時間に設定するのが一般的である。また、機械の許容速度や許容トルク、許容加速度、指令払い出しのサンプリング時間、他の装置との干渉等により設定に制約を受けることもあるため、この場合これらの制約事項を考慮して設定する。
波形２発生器２が出力する矩形波信号ｐ２の時間幅Ｔ２の決め方は、時間幅Ｔ１より小さければ任意に決定してよく、例えば、時間幅Ｔ１の整数分の１などとすればよい。もしくは、時間幅Ｔ２の値によって最終的な波形ｖｒが決まるため、波形ｖｒを観測しながらこの時間幅Ｔ２を（遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２を算出しながら）調整しても良い。
次に、設定および決定した時間幅Ｔ１およびＴ２を用いて式（８）から遅延時間Ｔｄを算出する。
最後に、式（１１）あるいは式（１２）と、式（１３）あるいは式（１５）の２式から、未知変数がゲインＡ１とゲインＡ２である連立方程式を解いてゲインＡ１とゲインＡ２を決定する。
【００２７】
このように、固有振動角周波数ωｎの２次遅れ系の伝達特性を有するシステムＧ（ｓ）に基本信号ｐ１にゲインＡ１を乗じた信号ｖ１を入力したときに発生する正弦波ｈ１（ｔ）と、システムＧ（ｓ）に基本信号ｐ２にゲインＡ２を乗じ時間Ｔｄだけ遅らせた信号ｖ２を入力したときに発生する正弦波ｈ２（ｔ）が一致するように、時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２を設定することで、信号ｖ１から信号ｖ２を減じることにより求めた速度指令ｖｒをシステムＧ（ｓ）に入力しても、固有振動角周波数ωｎの振動が全く発生しないことになる。
結果的に、速度指令ｖｒは固有振動角周波数ωｎの振動を励起しない指令になるのである。そして、ｖｒを積分した位置指令ｘｒも、固有振動角周波数ωｎの振動を励起しない指令となるのである。
【００２８】
また、作成した信号ｖｒや信号ｘｒにフィルタ処理を施した場合も、固有振動角周波数ωｎの振動を励起しないという特徴は維持されるため、指令の波形を滑らかに、制御対象の動作を滑らかにしたい場合は、ローパスフィルタや、移動平均などのフィルタ処理を施しても全く問題ない。
【００２９】
図８は、本発明の実施例１において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。図において、上段は生成した位置指令ｘｒ、中段は制御対象の位置ｘ応答、下段は速度指令ｖｒのパワースペクトラムである。
ここで、シミュレーションの条件は、制御対象９と制御演算器８とを合わせたシステム全体の振動根が１０Ｈｚにある場合であって、また理解を容易にするために、移動距離Ｄは１とした。
なお、各パラメータ（時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２）の値は、上述の通りの式（８）、式（１１）もしくは式（１２）、式（１３）もしくは式（１５）を用いて、一連の決定方法で決定した。
波形１発生器１が出力する矩形波信号ｐ１の時間幅Ｔ１を０．０４ｓ、波形２発生器２が出力する矩形波信号ｐ２の時間幅Ｔ２を時間幅Ｔ１の１／４の０．０１ｓに設定し、式（８）を用いて遅延時間Ｔｄ＝０．０２ｓを算出し、式（１１）もしくは式（１２）、式（１３）もしくは式（１５）を用いて、ゲインＡ１＝８８４．７３３１、ゲインＡ２＝９０４．９８２２を算出した。
【００３０】
パワースペクトラムから、本発明における実施例１で生成した指令ｖｒには１０Ｈｚの成分が含まれなく、指令ｖｒがシステムＧ（ｓ）の固有振動角周波数ωｎである１０Ｈｚの振動を励起しないものであることが分かる。
【００３１】
また、従来技術において、指令払い出しの限界はＴ／２＝π／ωｎ＝０．０５ｓであり、これ以上短くはできないことに対し、本発明における実施例１では、上段の生成した位置指令ｘｒを見れば、０ｓから０．０４ｓまでで１０Ｈｚの振動を励起しない指令を払い出すことができていることが分かる。
更に、中段の制御対象の位置ｘ応答を見れば、少なくとも０．０５ｓ以内に位置決め（移動距離０から１に至る時間）が完了しており、高速位置決めもできていることは明らかである。
【００３２】
このように、実施例１におけるモーションコントローラは、時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけ遅らせて減算することにより、従来技術におけるπ／ωｎよりも早く指令を払い出し、且つ、振動を励起しない指令を生成することができ、更に機械を高速に位置決めすることができる。
【実施例２】
【００３３】
図５（ａ）は本発明の第２実施例の信号ｐ１、図５（ｂ）は本発明の第２実施例の信号ｐ２を説明する図である。また、図６（ａ）は本発明の第２実施例の信号ｖ１、図６（ｂ）は本発明の第２実施例の信号ｖ２を説明する図である。更に、図７は、本発明の第２実施例の信号ｖｒを説明する図である。
本実施例２では、複数のある周波数の振動（例えば、２つの周波数ωｎとω１、または３つの周波数ωｎとω１とω２）を励起しない指令を生成する場合を説明する。
２つの周波数ωｎとω１を励起しない指令を生成する場合、先ず実施例１の要領で固有振動角周波数ωｎを励起しない指令を生成し（図４）、次に波形１発生器１および波形２発生器が、図４の指令信号を用いて図５（ａ）（ｂ）のように、周波数ω１を励起しない指令を生成するための信号ｐ１および信号ｐ２を出力する。時間幅Ｔ１およびT2の設定方法は、実施例と同様である。したがって、最終的な信号ｖｒが２つの周波数ωｎとω１を励起しない指令に相当する。
同様に、３つの周波数ωｎとω１とω２を励起しない指令を生成する場合、上記の場合に引き続いて、波形１発生器１および波形２発生器が、図７の指令信号を用いて、周波数ω２を励起しない指令を生成するための信号ｐ１および信号ｐ２を出力する。時間幅Ｔ１およびＴ２の設定方法は、実施例と同様である。したがって、最終的な信号ｖｒが３つの周波数ωｎとω１とω２を励起しない指令に相当する。
なお、波形１発生器１および波形２発生器が信号ｐ１および信号ｐ２を出力した以降の指令の生成方法および各パラメータ（時間幅Ｔ１、時間幅Ｔ２、遅延時間Ｔｄ、ゲインＡ１、ゲインＡ２）の決定方法は、実施例１と同様であるため説明を省略する。
【００３４】
図９は、本発明の実施例２において生成した信号ｘｒ（位置指令）を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。図において、上段は生成した位置指令ｘｒ、中段は制御対象の位置ｘ応答、下段は速度指令ｖｒのパワースペクトラムである。
ここで、シミュレーションの条件は、制御対象９と制御演算器８を合わせたシステム全体の振動根が１６Ｈｚにある場合、且つ、制御対象９が１０Ｈｚで振動する台の上に設置されている場合であって、１０Ｈｚおよび１６Ｈｚの振動も励起したくないとする。また理解を容易にするために、移動距離Ｄは１とした。
【００３５】
パワースペクトラムから、本発明における実施例２で生成した指令ｖｒには１０Ｈｚよび１６Ｈｚの振動成分が両方含まれなく、指令ｘｒが１６Ｈｚだけでなく１０Ｈｚの振動も励起しないものであることが分かる。
また、この場合、指令の払い出しおよび位置決めは、０．１ｓ以内に完了していることが分かる。
【００３６】
このように、実施例２におけるモーションコントローラは、基本波形ｐ１およびｐ２として、図５の（ａ）および（ｂ）に示すような、特定の振動を励起しない波形を用いて、新たに他の任意の周波数の振動も励起しないように指令を生成することで、複数の振動を励起しない指令を生成できる。
また、システムに複数の振動モードがある場合にも、どの振動も励起せずに制御対象を動作させることが可能な指令を生成することができる。更に、複数の振動の周波数を近い値にすることで、その周波数近傍の周波数を一様に励起しない指令となるので、振動の周波数が若干変化するような制御対象に対して、周波数が変わった場合も振動が発生しにくいロバストな指令を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
時間幅と振幅とが異なる２つの信号を時間Ｔｄだけずらして減算することでπ／ωｎよりも早く指令を払い出し、且つ、振動を励起しない指令を生成することができるので、機械を駆動する電動機の位置決め以外にも、化学プラントや電子回路など振動が問題となる全ての制御対象を制御する装置への目標信号の生成という用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 波形１発生器
２ 波形２発生器
３ 振幅調整器１
４ 振幅調整器２
５ 減算器
６ 遅延器
７ 積分器
８ 制御演算器
９ 制御対象
１０ モーションコントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、
任意の第１の時間幅と正規化された振幅とを有する第１の基本波形と、任意の第２の時間幅と正規化された振幅とを有する第２の基本波形と、を発生する波形発生器と、
前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じて出力し、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じて出力する振幅調整器と、
前記第２の所定ゲインを乗じた信号に所定遅延時間を加えて出力する遅延器と、
前記第１の所定ゲインを乗じた信号から前記遅延器の出力信号を減算する減算器と、を備え、
前記減算器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えることを特徴とするモーションコントロール装置。
【請求項２】
前記モーションコントローラが、更に、前記減算器の出力信号を積分する積分器を備え、
前記積分器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えることを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項３】
前記モーションコントロール装置が、更に、前記減算器の出力信号もしくは前記積分器の出力信号をフィルタ処理するフィルタ演算器を備えることを特徴とする請求項１または２記載のモーションコントロール装置。
【請求項４】
前記波形発生器が、前記第１の基本波形および第２の基本波を矩形波として出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、
前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない前記指令を生成することを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項５】
前記波形発生器が、更に、前記指令に基づいて前記第１の基本波形および第２の基本波を出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、
前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない新たな指令を生成することを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項６】
前記モーションコントロール装置が、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じた信号を、固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第１の正弦波と、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じた信号を、前記固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第２の正弦波と、を算出し、
前記第１の正弦波と前記第２の正弦波との振幅および位相が一致するように、前記所定遅延時間および前記第１の所定ゲイン並びに前記第２の所定ゲインを算出することを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項７】
制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、
前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない略凹状の前記指令を出力し、前記指令を速度指令もしくは前記指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力することを特徴とするモーションコントロール装置。
【請求項８】
前記モーションコントロール装置が、前記指令である速度指令に基づいて前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない略凹状の新たな指令を出力し、前記新たな指令を速度指令もしくは前記新たな指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力することを特徴とする請求項７記載のモーションコントロール装置。
【請求項１】
制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、
任意の第１の時間幅と正規化された振幅とを有する第１の基本波形と、任意の第２の時間幅と正規化された振幅とを有する第２の基本波形と、を発生する波形発生器と、
前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じて出力し、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じて出力する振幅調整器と、
前記第２の所定ゲインを乗じた信号に所定遅延時間を加えて出力する遅延器と、
前記第１の所定ゲインを乗じた信号から前記遅延器の出力信号を減算する減算器と、を備え、
前記減算器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えることを特徴とするモーションコントロール装置。
【請求項２】
前記モーションコントローラが、更に、前記減算器の出力信号を積分する積分器を備え、
前記積分器の出力信号を、前記制御対象が振動しない前記指令として前記制御演算器に与えることを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項３】
前記モーションコントロール装置が、更に、前記減算器の出力信号もしくは前記積分器の出力信号をフィルタ処理するフィルタ演算器を備えることを特徴とする請求項１または２記載のモーションコントロール装置。
【請求項４】
前記波形発生器が、前記第１の基本波形および第２の基本波を矩形波として出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、
前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない前記指令を生成することを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項５】
前記波形発生器が、更に、前記指令に基づいて前記第１の基本波形および第２の基本波を出力し、かつ、前記矩形波の前記第２の時間幅が前記第１の時間幅より小さくなるように出力し、
前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない新たな指令を生成することを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項６】
前記モーションコントロール装置が、前記第１の基本波形の振幅に第１の所定ゲインを乗じた信号を、固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第１の正弦波と、前記第２の基本波形の振幅に第２の所定ゲインを乗じた信号を、前記固有振動角周波数の２次遅れ系の伝達特性を有するシステムに入力した際に発生する第２の正弦波と、を算出し、
前記第１の正弦波と前記第２の正弦波との振幅および位相が一致するように、前記所定遅延時間および前記第１の所定ゲイン並びに前記第２の所定ゲインを算出することを特徴とする請求項１記載のモーションコントロール装置。
【請求項７】
制御対象を制御する制御演算器に与える指令を生成して出力するモーションコントローラであって、
前記制御対象が任意の単数の周波数で振動しない略凹状の前記指令を出力し、前記指令を速度指令もしくは前記指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力することを特徴とするモーションコントロール装置。
【請求項８】
前記モーションコントロール装置が、前記指令である速度指令に基づいて前記制御対象が任意の複数の周波数で振動しない略凹状の新たな指令を出力し、前記新たな指令を速度指令もしくは前記新たな指令を更に積分した位置指令として前記制御演算器に出力することを特徴とする請求項７記載のモーションコントロール装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−６００４４（Ｐ２０１１−６００４４Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０９７４６（Ｐ２００９−２０９７４６）
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]