JP5129966B2 - XY axis motor control method and apparatus for XY automatic feed stitching machine - Google Patents
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Description
本発明は、XY方向自動送り縫いミシンのXY軸モータ制御方法及び装置に係り、特に、XY方向自動送り縫いミシンに用いられるXYモータ制御装置の振動抑制制御に関する。 The present invention relates to an XY-axis motor control method and apparatus for an XY-direction automatic feed stitching machine, and more particularly to vibration suppression control of an XY motor control device used for an XY-direction automatic feed stitching machine.
図1に例示するような、模様縫いミシンやパターン縫いミシン等のXY方向自動送り縫いミシンにおいては、主軸モータの回転駆動に伴い上下動する針棒Nと同期させて、被縫製物を保持する布保持体HをX方向及びY方向に移動することにより、縫製を行う。 In an XY-direction automatic feed sewing machine such as a pattern sewing machine or a pattern sewing machine as illustrated in FIG. 1, the sewing product is held in synchronization with a needle bar N that moves up and down as the spindle motor rotates. Sewing is performed by moving the cloth holder H in the X and Y directions.
XY位置決め装置の一例としては、図2に示す通り、Y方向への移動に左右一対の平行に配置されたY軸駆動部(以下YL軸、YR軸)を持ち、その上に設置されたX軸駆動部(X軸)でX方向への移動を行う構成をとる。 As an example of the XY positioning device, as shown in FIG. 2, it has a pair of left and right Y axis driving units (hereinafter referred to as YL axis and YR axis) for movement in the Y direction, and X installed on the X axis driving unit. The shaft drive unit (X axis) is configured to move in the X direction.
X軸、Y軸の駆動には、図に例示した回転型モータM+タイミングベルトBの他、ボールねじ、ピニオンギアやリニアモータ等が使用される。 For driving the X and Y axes, a ball screw, a pinion gear, a linear motor, and the like are used in addition to the rotary motor M + timing belt B illustrated in the figure.
一般的に、布保持体HやXY軸部X、YL、YR等のメカ機構部は、軽量化を図って、剛性が低く振動的になりがちである。 In general, mechanical mechanism parts such as the cloth holding body H and the XY shaft parts X, YL, and YR tend to be light in weight and low in vibration.
モータMと、制御対象である布保持体Hとは、タイミングベルトBを介して接続されるため、モータと負荷が低剛性の弾性体で結合されている共振系と見なすことができる。共振系では、軸ねじれ等が原因となる振動が発生し問題となることが多い。振動が発生する場合、制御ゲインを抑えざるを得ず、速度制御系の応答を向上させることが出来なくなり、縫いピッチのばらつきや駆動速度の低下などの悪影響が生じる。 Since the motor M and the cloth holder H to be controlled are connected via the timing belt B, it can be regarded as a resonance system in which the motor and the load are coupled by a low-rigid elastic body. In a resonance system, vibrations caused by shaft torsion or the like often occur and cause a problem. When vibration occurs, the control gain must be suppressed, and the response of the speed control system cannot be improved, and adverse effects such as variations in the sewing pitch and a decrease in driving speed occur.
実際の共振系は、多数の振動モードや固有周波数が存在するため、図3に例示する如く、多慣性共振系としてモデル化される。図3において、JmはモータMの慣性、Kf1、Kf2・・・は、ばね定数、Ja1、Ja2・・・Janは負荷Aの慣性である。 Since an actual resonance system has many vibration modes and natural frequencies, it is modeled as a multi-inertia resonance system as illustrated in FIG. 3, Jm is the inertia of the motor M, Kf1, Kf2,... Are spring constants, Ja1, Ja2,.
この多慣性共振系は、図4に示すようなブロック図で表わされる。図4において、θmはモータMの回転角度(モータ位置)、θaは負荷Aの回転角度(負荷位置)、Tはトルク、sはラプラス演算子、添字mはモータ、添字aは負荷、添字disは外乱、添字reacは軸ねじれ反力を表わす。 This multi-inertia resonance system is represented by a block diagram as shown in FIG. In FIG. 4, θm is the rotation angle (motor position) of the motor M, θa is the rotation angle (load position) of the load A, T is the torque, s is the Laplace operator, subscript m is the motor, subscript a is the load, subscript dis Is a disturbance, subscript reac is a torsional reaction force.
このような共振系の振動抑制と外乱抑圧制御に対して、状態フィードバック制御やH∞制御、遅い外乱オブザーバ制御、共振比制御(非特許文献1参照)等の手法が提案されている。 For such resonance suppression and disturbance suppression control, methods such as state feedback control, H∞ control, slow disturbance observer control, resonance ratio control (see Non-Patent Document 1) have been proposed.
しかしながら、状態フィードバック制御やH∞制御は、制御対象の厳密なモデル化が必要、制御系が複雑、計算量が膨大であることなどから、高速、高性能のCPUが必要となり、コストアップにつながるため、ミシンへの適用には問題がある。 However, state feedback control and H∞ control require strict modeling of the control target, complicated control system, and enormous amount of calculation, which requires a high-speed, high-performance CPU, leading to an increase in cost. Therefore, there is a problem in application to a sewing machine.
これに対して、遅い外乱オブザーバ制御と共振比制御は、比較的簡単な制御系から構成される為安価な実現が可能であり、調整もゲインの調整のみで済むなど現場での対応も容易であり、ミシン製品などへの適用について非常に実用性が高い。 On the other hand, slow disturbance observer control and resonance ratio control can be realized at low cost because it consists of a relatively simple control system, and it is easy to respond on-site, such as adjustment and only gain adjustment. Yes, it is very practical for application to sewing machine products.
しかしながら、非特許文献1に記載された非共振制御では、システムを2慣性共振系としてモデル化しているため、1次の共振に対しては抜群の効果があるものの、現実の多慣性系では高次の共振を招いてしまうことがある等、高次の振動に対しての効果は低いという問題点を有していた。
However, in the non-resonant control described in
一方、特許文献1には、サーボ系に別体の位相進みフィルタを設けることが記載されているが、構成が複雑であり、細かい計算が必要で計算時間が長くなり、安価な制御装置で実現できなくなる。設計も複雑で、応答が安定なパラメータをみつけにくいという問題点を有していた。
On the other hand,
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、簡単な構成で、1次の共振モードだけでなく、それより高次の振動モードも含む、全ての共振極の安定化を図ることを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and with a simple configuration, stabilizes all resonance poles including not only the primary resonance mode but also higher-order vibration modes. The task is to plan.
本発明は、XY方向自動送り縫いミシンのXY軸モータ制御に際して、1次の共振モードに対しては共振比制御を適用し、それより高次の振動モードに対しては位相進み補償を適用するに際して、前記位相進み補償を、共振比制御内の外乱オブザーバで用いるモータ慣性のノミナル値と実際のモータ慣性の値の比率を変化させることで行なって、全ての共振極の安定化を図るようにして、前記課題を解決したものである。 The present invention applies the resonance ratio control to the primary resonance mode and the phase lead compensation to the higher order vibration mode when controlling the XY-axis motor of the XY-direction automatic feed stitching machine. At this time, the phase lead compensation is performed by changing the ratio of the nominal value of the motor inertia used by the disturbance observer in the resonance ratio control and the actual value of the motor inertia so as to stabilize all the resonance poles. Thus, the above-mentioned problems have been solved.
即ち、XY位置決め装置のモータ駆動系においては、モータと負荷を低剛性の弾性軸で結合した2慣性共振系と見なすことができる為、共振比制御を用いて2慣性共振負荷の振動抑制と外乱抑圧制御を行う。更に、それより高次の振動極に対しては位相進み補償を用いて安定化を図ることにより、すべての共振極の安定化を図る。 That is, the motor drive system of the XY positioning device can be regarded as a two-inertia resonance system in which the motor and the load are coupled by a low-rigid elastic shaft. Therefore, the vibration control and disturbance of the two-inertia resonance load are performed using the resonance ratio control. Perform suppression control. Further, the higher-order vibration poles are stabilized by using phase advance compensation to stabilize all the resonance poles.
又、前記位相進み補償を、共振比制御内の外乱オブザーバで用いるモータ慣性のノミナル値と実際のモータ慣性の値の比率を変化させることで行なうようにして、別体の位相進み補償手段を不要としたものである。 Further, the phase lead compensation is performed by changing the ratio of the nominal value of the motor inertia used by the disturbance observer in the resonance ratio control and the actual motor inertia value, so that separate phase lead compensation means is unnecessary. It is what.
又、前記位相進み補償の極と零点を、共振比制御の極よりも内側に配置するようにして、位相進み補償と共振比制御を両立させるようにしたものである。 Further, the phase lead compensation pole and the zero point are arranged inside the resonance ratio control pole so that both the phase lead compensation and the resonance ratio control are compatible.
本発明は、又、軸ねじれ反力が無視できる剛性の高い負荷に対して、外乱オブザーバのみを用いて位相進み補償を行うに際して、前記位相進み補償を、前記外乱オブザーバで用いるモータ慣性のノミナル値と実際のモータ慣性の値の比率を変化させることで行なって、全ての共振極の安定化を図るようにしたものである。 The present invention also nominal relative high rigidity torsional reaction force is negligible load line Unisaishite the phase lead compensation using only the disturbance observer, the phase lead compensation, the motor inertia to be used by the disturbance observer what Do line by varying the ratio of the value of the actual motor inertia value is obtained by the so stabilized all resonant pole.
本発明は、又、1次の共振モードに対して適用される共振比制御手段と、2次以上の高次の振動モードに対して適用される位相進み補償手段と、を備え、前記共振比制御手段が、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとから構成されることを特徴とするXY方向自動送り縫いミシンのXY軸モータ制御装置を提供するものである。 The present invention also comprises a resonance ratio control means applied to the primary resonance mode, a phase lead compensation means applied to the secondary or higher order vibration mode, and the resonance ratio The present invention provides an XY-axis motor control device for an XY-direction automatic feed stitching machine characterized in that the control means comprises a disturbance observer and an axial torsional reaction force estimation observer .
本発明においては、共振比制御に加えて、位相進み補償を行なうので、1次の共振モードに対しては2慣性共振系の振動抑制に有効な共振比制御を適用し、それより高次の振動モードに対しては位相進み補償を用いて共振極の安定化を図ることにより、全ての共振極の安定化を図ることができる。 In the present invention, in addition to the resonance ratio control, phase lead compensation is performed. Therefore, for the primary resonance mode, the resonance ratio control effective for suppressing vibration of the two-inertia resonance system is applied, and higher order is applied. For the vibration mode, all the resonance poles can be stabilized by stabilizing the resonance poles using phase advance compensation.
即ち、布をX−Yで移動させるミシンでは、通常は布のバタツキを押える為に、縫う部分だけ削除した、樹脂製や金属製の布押え型を使用している。この押えは、できるだけ針落ち点に近い布部分を押えることで、安定した縫いが可能となるが、従来は縫製物による針落ち点のズレを考慮し型を作成していた。従って、本発明により、X−Yの動作が、縫製物や縫い速度の変化にも安定した状態であれば、針落ち点の際を押えることが可能とな
り、より安定した縫いが可能となる。
That is, in the sewing machine that moves the cloth by XY, a resin or metal cloth presser type in which only a sewing portion is deleted is used in order to press the cloth flutter. This presser foot can hold the cloth part as close to the needle drop point as possible, so that stable sewing can be performed. Therefore, according to the present invention, if the XY operation is stable against changes in the sewing product and the sewing speed, the needle drop point can be pressed, and more stable sewing is possible.
ここで、位相進み補償制御は、例えば共振比制御内の外乱オブザーバで用いるモータ慣性のノミナル値Jmnを、実際のモータ慣性の値Jmより大(Jmn>Jm)に設定することで、別体の位相進み補償手段を付加することなく、位相進み補償制御を実現することができる。 Here, in the phase lead compensation control, for example, the nominal value Jmn of the motor inertia used in the disturbance observer in the resonance ratio control is set to be larger than the actual motor inertia value Jm (Jmn> Jm). Phase lead compensation control can be realized without adding phase lead compensation means.
又、外乱オブザーバに基づいた制御とした場合には、振動抑制効果を持ちながらロバスト性の確保も可能となる。即ち、摩擦、外乱等に対する影響を抑えた制御が可能となり、主軸とXY軸の同期性、左右軸の同期性も向上する為、縫いの品質の向上を図ることができる。 In addition, when the control is based on a disturbance observer, it is possible to ensure robustness while having a vibration suppressing effect. That is, it is possible to perform control while suppressing the influence on friction, disturbance, and the like, and the synchronism between the main shaft and the XY axis and the synchronism between the left and right axes are improved, so that the quality of sewing can be improved.
更に、状態フィードバック制御やH∞制御に比べて制御系が簡単で、演算量も少ないため、高価なCPU等を使用する必要がない。又、設計や調整も容易である。 Furthermore, since the control system is simple and the amount of calculation is small compared to state feedback control and H∞ control, it is not necessary to use an expensive CPU or the like. Design and adjustment are also easy.
又、軸ねじれ反力が無視できる剛性の高い負荷に対しては、外乱オブザーバのみを用いて位相進み補償を行うことができる。 Further, for a highly rigid load in which the axial torsional reaction force can be ignored, phase lead compensation can be performed using only a disturbance observer.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の第1実施形態に係る制御装置の全体のブロック図を図5に示す。図では、1軸分のみを示しているが、全軸について共通である。又、負荷を2慣性共振系として示しているが、多慣性共振系の場合も同様である。 FIG. 5 shows an overall block diagram of the control device according to the first embodiment of the present invention. Although only one axis is shown in the figure, it is common to all axes. Although the load is shown as a two-inertia resonance system, the same applies to a multi-inertia resonance system.
本制御装置では、図6に示すような外乱オブザーバ10と、図8に示すような軸ねじれ反力推定オブザーバ20を用いて共振比制御を行ない、多慣性共振系の振動抑制制御を行なう。
In this control apparatus, resonance ratio control is performed using the
モータ側に外乱オブザーバ10を適用することにより、モータに作用する各種外乱の影響を相殺、除去することができ、図7に示すロバストな加速度制御系を構築することができる。ロバスト性を確保することで、摩擦、外乱等に対する影響を抑えた制御が可能となり、YL軸とYR軸の同期性の向上も図ることができる。
By applying the
モータに作用する外乱トルクTdismは次式のように表わすことができる。 The disturbance torque Tdism acting on the motor can be expressed as follows.
Tdism=(Jm−Jmn)(d2θm/dt2)+(Ktn−Kt)Iaref
+Tfric+Dm(dθm/dt)+Treac …(1)
Tdism = (Jm−Jmn) (d 2 θm / dt 2 ) + (Ktn−Kt) Ia ref
+ Tfric + Dm (dθm / dt) + Treac (1)
ここで、Iarefは電流参照値を表わし、式の右辺の第1項は慣性変動トルク、第2項はトルクリップル、第3項はクーロン摩擦トルク、第4項は粘性摩擦トルク、第5項は軸ねじれ反力を表わす。 Here, Ia ref represents the current reference value, the first term on the right side of the equation is the inertia variation torque, the second term is the torque ripple, the third term is the Coulomb friction torque, the fourth term is the viscous friction torque, and the fifth term. Represents the axial torsional reaction force.
負荷に作用する外乱トルクTdisaは、軸ねじれ反力Treacに含まれることによりモータへ作用する。電流参照値Iarefとモータ速度が検出可能であるとき、(1)式で定義される外乱トルクTdismは、図6に示される外乱オブザーバ10により、1次のローパスフィルタを通して、次式のように推定される。図6において、Icmpは外乱トルクを補償してロバスト性を確保するための補償電流である。
The disturbance torque Tdisa acting on the load acts on the motor by being included in the shaft torsional reaction force Treac. When the current reference value Ia ref and the motor speed can be detected, the disturbance torque Tdism defined by the equation (1) is passed through the first-order low-pass filter by the
この推定外乱トルクTdism*をフィードバックすることにより、外乱に対してロバストな制御系を構築することが可能となる。 By feeding back the estimated disturbance torque Tdism * , it is possible to construct a control system that is robust against the disturbance.
この外乱オブザーバ10に基づくロバスト制御系は、図7に示すような加速度制御系となる。外乱オブザーバゲインGdisを大きく設定することにより外乱トルクTdismの影響が除去されることが分かる。これにより、モータは軸ねじれ反力Treacを除去し、負荷側の影響を受けないロバストな制御系となる。
The robust control system based on the
外乱オブザーバ10をモータ側に適用することにより、唯一の負荷側の情報である軸ねじれ反力Treacを相殺、除去してしまうため、負荷側の振動を誘発することとなる。
By applying the
そこで、外乱オブザーバ10とほぼ同構造を持つ軸ねじれ反力推定オブザーバ20を用いて軸ねじれ反力Treacの推定を行なう。
Therefore, the axial torsional reaction force Treac is estimated using the axial torsional reaction
(1)式の外乱トルクTdisにおいて、モータ慣性のノミナル値Jmnを、加速度試験により同定した値とすることで、モータ慣性の変動トルクの影響を除去することが可能である。又、クーロン摩擦トルクTfric、粘性摩擦トルクDm(d2θm/dt2)を等速度試験により同定し、差し引くことにより、軸ねじれ反力Treacは、次式のように推定される。 In the disturbance torque Tdis of the equation (1), the influence of the motor inertia fluctuation torque can be eliminated by setting the nominal value Jmn of the motor inertia to the value identified by the acceleration test. Further, by identifying and subtracting the Coulomb friction torque Tfric and the viscous friction torque Dm (d 2 θm / dt 2 ) by a constant velocity test, the shaft torsional reaction force Treac is estimated as follows.
Treac*=Tdism*−Tfric−Dm(dθm/dt) …(3) Treac * = Tdism * −Tfric−Dm (dθm / dt) (3)
軸ねじれ反力推定オブザーバ20のブロック線図を図8に示す。Greacは、軸ねじれ反力推定オブザーバ20に含まれる1次のローパスフィルタのカットオフ周波数である。
A block diagram of the axial torsional reaction
モータ側に外乱オブザーバ10を適用することにより加速度制御系を構成した制御対象に、軸ねじれ反力Treacをフィードバックした系を図9に示す。Krは軸ねじれ反力Treacのフィードバックゲインであり、任意に設定することができる。
FIG. 9 shows a system in which the axial torsional reaction force Treac is fed back to the controlled object that constitutes the acceleration control system by applying the
この系における加速度参照値(d2θm/dt2)refからモータ位置θmまでの伝達関
数とモータ位置θmから負荷位置θaまでの伝達関数はそれぞれ以下のようになる。
Acceleration reference value (d 2 θm / dt 2 ) in this system The transfer function from ref to motor position θm and the transfer function from motor position θm to load position θa are as follows.
又、モータ共振周波数ωm、及び、負荷共振周波数ωaを、以下のように定義する。 Further, the motor resonance frequency ωm and the load resonance frequency ωa are defined as follows.
ここで、共振比Kを、次式に定義する。 Here, the resonance ratio K is defined by the following equation.
負荷共振周波数ωaは、モータ側には零点として作用する逆共振周波数となる。ωaは、任意パラメータを含まず制御対象により決定される。又、モータ側の状態フィードバックに対して不可制御である。 The load resonance frequency ωa is an inverse resonance frequency that acts as a zero point on the motor side. ωa does not include an arbitrary parameter and is determined by the controlled object. In addition, it is impossible to control the state feedback on the motor side.
一方、ωmはモータ側の共振周波数であり、軸ねじれ反力フィードバックゲインKrにより任意に設定できる。 On the other hand, ωm is a resonance frequency on the motor side and can be arbitrarily set by the shaft torsional reaction force feedback gain Kr.
(6)、(7)式を用いることによって、図9は図10のブロック線図へ等価変換される。同図より、モータ側フィードフォワードによる零点操作がなく、モータ側で極零相殺がない限り、負荷側共振極ωaはモータ側逆共振零点と相殺するのが分かる。 By using the equations (6) and (7), FIG. 9 is equivalently converted to the block diagram of FIG. From the figure, it can be seen that the load-side resonance pole ωa cancels out with the motor-side reverse resonance zero point unless there is no zero-point operation due to motor-side feedforward and there is no pole-zero cancellation on the motor side.
共振比制御は軸ねじれ反力Treacをフィードバックするものであり、軸ねじれ反力フィードバックゲインKrにより共振比Kを任意に設定することができる。 The resonance ratio control feeds back the shaft torsion reaction force Treac, and the resonance ratio K can be arbitrarily set by the shaft torsion reaction force feedback gain Kr.
共振比Kを制御することは、仮想的モータ慣性を制御することに相当し、共振比Kが大きいとき、即ちフィードバックゲインKrが大きい場合には、負荷慣性に対しモータ慣性
が小さくなり、負荷側の影響を受け易くなる。又、逆も同様である。
Controlling the resonance ratio K is equivalent to controlling the virtual motor inertia. When the resonance ratio K is large, that is, when the feedback gain Kr is large, the motor inertia becomes smaller than the load inertia, and the load side It becomes easy to be affected. The reverse is also true.
共振比Kを
K=√5 …(10)
に設定することにより、如何なる2慣性共振系に対しても、振動抑制、即応性とも優れるゲイン設定が可能となる。
Resonance ratio K is K = √5 (10)
By setting to, it is possible to set a gain excellent in vibration suppression and quick response to any two-inertia resonance system.
各ゲインは以下のとおりである。 Each gain is as follows.
Kr=4/Ja …(11)
Kp=ωa2 …(12)
Kv=4ωa …(13)
Kr = 4 / Ja (11)
Kp = ωa 2 (12)
Kv = 4ωa (13)
ここで、モータMに印加される外乱が、パラメータ変動による外乱トルクTdismのみで構成されていたとすると、次式のように表わされる。 Here, if the disturbance applied to the motor M is composed only of the disturbance torque Tdism due to parameter variation, it is expressed as the following equation.
モータの加速度参照値(d2θm/dt2)refから加速度応答値d2θm/dt2までの
伝達関数を、パラメータ変動を考慮に入れて求めると、次式のようになる。
When the transfer function from the motor acceleration reference value (d 2 θm / dt 2 ) ref to the acceleration response value d 2 θm / dt 2 is determined in consideration of parameter variations, the following equation is obtained.
ここで、トルク定数の変動は十分小さいとして、外乱オブザーバ10で用いるノミナル値Jmn、Ktnを、以下のように設定する。
Here, assuming that the fluctuation of the torque constant is sufficiently small, the nominal values Jmn and Ktn used in the
Jmn=αJm …(16)
Ktn=Kt …(17)
Jmn = αJm (16)
Ktn = Kt (17)
従来は、Jm=Jmn、即ち、α=1となるように制御されている。 Conventionally, control is performed so that Jm = Jmn, that is, α = 1.
(16)、(17)式を(15)式に代入すると、以下の式が得られる。 Substituting equations (16) and (17) into equation (15) yields the following equation.
この(18)式をブロック線図で表わすと図11のようになる。 When this equation (18) is represented by a block diagram, it is as shown in FIG.
図11より、加速度参照値(d2θm/dt2)refに対しては、(s+Gdis)/{(1/α)s+Gdis}の位相補償30を加え、外乱Tdismに対しては、ハイパスフィルタのカットオフ周波数をα倍することと等価であると言える。
From FIG. 11, a
ここで、
α<1の場合 位相遅れ補償、外乱オブザーバゲイン低下
α>1の場合 位相進み補償、外乱オブザーバゲイン増加
here,
When α <1 Phase lag compensation, disturbance observer gain reduction When α> 1, Phase lead compensation, disturbance observer gain increase
即ち、外乱オブザーバ10で用いるモータ慣性のノミナル値Jmnと実際のモータ慣性の値Jmの比αを変えることにより、加速度参照値の位相補償と外乱オブザーバのカットオフ周波数を変化させる効果がある。
That is, by changing the ratio α between the nominal value Jmn of the motor inertia used in the
続いて、多慣性共振系において、外乱オブザーバ10で用いるモータ慣性のノミナル値Jmnを変化させた場合の振動抑制効果を根軌跡を用いて示す。
Subsequently, the vibration suppression effect when the nominal value Jmn of the motor inertia used in the
図12に、多慣性共振系の極(×印)と零点(○印)を複素平面上に図示する。Reは実軸、Imは虚軸である。多慣性共振系の極と零点は虚軸Im上に交互に並ぶことが分かる。 FIG. 12 shows the poles (x marks) and zeros (◯ marks) of the multi-inertia resonance system on the complex plane. Re is a real axis and Im is an imaginary axis. It can be seen that the poles and zeros of the multi-inertia resonance system are alternately arranged on the imaginary axis Im.
以下の説明では、簡単のため2慣性共振系を負荷として位相補償を行なった場合について、解析を行なう。2慣性共振系に位相補償を行なった際のブロック線図を図13に示す。ここで、θcmdは位置指令値(任意に設定できる)、Cpは比例制御のゲインである。 In the following description, for the sake of simplicity, an analysis is performed for the case where phase compensation is performed using a two-inertia resonance system as a load. FIG. 13 shows a block diagram when phase compensation is performed for the two-inertia resonance system. Here, θcmd is a position command value (can be arbitrarily set), and Cp is a proportional control gain.
図13の伝達関数は以下のようになる。 The transfer function of FIG. 13 is as follows.
位相補償器30の値により、特性が変わる。即ち、位相補償器30は、0<α<1の場合、位相遅れ補償となる。このときの極と零点をPlag、Zlagとすると、以下のように表わされる。
The characteristic changes depending on the value of the
Plag=[0,0,jωm,−jωm,−αGdis] …(23)
Zlag=[jωa,−jωa,Gdis] …(24)
Plag = [0, 0, jωm, −jωm, −αGdis] (23)
Zlag = [jωa, −jωa, Gdis] (24)
これを図示すると図14のようになる。×が極、○が零点である。 This is illustrated in FIG. X is a pole and ○ is a zero point.
ここで、位相遅れ補償器30の極−αGdisと振動極s=jωmのなす角をθp、反共振の零点s=jωaのなす角をΦpとする。又、位相遅れ補償器30の零点−Gdisと振動極s=iωmのなす角をθz、反共振の零点s=jωaのなす角をΦzとする。
Here, the angle formed by the pole -αGdis of the
このとき、それぞれの極の出発角θid(i=1〜5)と零点の到着角θia(i=1〜3)は、以下のように計算される。 At this time, the starting angle θi d (i = 1 to 5) of each pole and the arrival angle θi a (i = 1 to 3) of the zero point are calculated as follows.
θ1d=−π
θ2d=−π
θ3d=θz−θp+(π/2)
θ4d=−{θz−θp+(π/2)}
θ1a=−Φz+Φp−(π/2)
θ2a=−{−Φz+Φp−(π/2)}
θ1 d = −π
θ2 d = −π
θ3 d = θz−θp + (π / 2)
θ4 d = − {θz−θp + (π / 2)}
θ1 a = −Φz + Φp− (π / 2)
θ2 a = − {− Φz + Φp− (π / 2)}
図15に、3慣性共振系に位相遅れ補償を行なった際の根軌跡を示す。比例制御ゲインCpを変化させると、系が必ず不安定の方向に動くことが確認できる。 FIG. 15 shows a root locus when phase lag compensation is performed on a three-inertia resonance system. When the proportional control gain Cp is changed, it can be confirmed that the system always moves in an unstable direction.
一方、位相補償器30は、α>1の場合、位相進み補償となる。このときの極と零点をPlead、Zleadとすると、以下のように表わされる。
On the other hand, the
Plead=[0,0,jωm,−jωm,−Gdis] …(25)
Zlead=[jωa,−jωa,Gdis] …(26)
Plead = [0, 0, jωm, −jωm, −Gdis] (25)
Zlead = [jωa, −jωa, Gdis] (26)
これを図示すると図16のようになる。 This is illustrated in FIG.
ここで、位相進み補償器30の極−αGdisと振動極s=jωmのなす角をθp、反共振の零点s=iωaのなす角をΦpとする。又、位相進み補償器30の零点−Gdisと共振極s=iωmのなす角をθz、反共振の零点s=iωaのなす角をΦzとする。
Here, the angle formed by the pole -αGdis of the
このとき、それぞれの極の出発角θid(i=1〜5)と零点の到着角θia(i=1〜3)は、以下のように計算される。 At this time, the starting angle θi d (i = 1 to 5) of each pole and the arrival angle θi a (i = 1 to 3) of the zero point are calculated as follows.
θ1d=−π
θ2d=−π
θ3d=θz−θp+(π/2)
θ4d=−{θz−θp+(π/2)}
θ1a=−Φz+Φp−(π/2)
θ2a=−{−Φz+Φp−(π/2)}
θ1 d = −π
θ2 d = −π
θ3 d = θz−θp + (π / 2)
θ4 d = − {θz−θp + (π / 2)}
θ1 a = −Φz + Φp− (π / 2)
θ2 a = − {− Φz + Φp− (π / 2)}
図17に、3慣性共振系に、本発明による位相進み補償を行なった際の根軌跡を示す。比例制御ゲインCpを変化させると、系が必ず安定の方向に動くことが確認できる。 FIG. 17 shows a root locus when phase lead compensation according to the present invention is performed on a three-inertia resonance system. When the proportional control gain Cp is changed, it can be confirmed that the system always moves in a stable direction.
これらは、高次の共振系についても、同様の結果が得られる。即ち、位相進み補償を行なうことで、多慣性共振系の振動抑制制御が可能となることが分かる。 Similar results can be obtained with respect to higher-order resonance systems. That is, it can be seen that the vibration suppression control of the multi-inertia resonance system can be performed by performing the phase lead compensation.
本実施形態では、これらの位相進み補償を、共振比制御内の外乱オブザーバ10で用いるモータ慣性のノミナル値Jmnと実際のモータ慣性の値Jmの比率αを変化させることで、特に新たに位相進み補償器30を追加することなく実現している。
In the present embodiment, the phase lead compensation is performed by changing the ratio α between the motor inertia nominal value Jmn and the actual motor inertia value Jm used in the
この位相進み補償と共振比制御を両立させるために、位相進み補償の極と零点を、共振比制御の極よりも内側に配置する必要がある。即ち、制御系全体の極配置を図18のように設定することで、1次の振動モードについては、共振比制御により積極的に抑制を行ない、それより高次の振動モードについては、元々の影響が小さいために、位相進み補償により安定性を確保することが可能となる。 In order to achieve both the phase lead compensation and the resonance ratio control, it is necessary to arrange the phase lead compensation pole and the zero point inside the resonance ratio control pole. That is, by setting the pole arrangement of the entire control system as shown in FIG. 18, the primary vibration mode is positively suppressed by the resonance ratio control, and the higher vibration modes are the original ones. Since the influence is small, stability can be ensured by phase advance compensation.
なお、第1実施形態では、モータと負荷とが柔軟な駆動軸により結合され、軸ねじれが問題となるような剛性の低い制御系を対象としていたが、負荷と軸の剛性が高く軸ねじれ補償が必要ないような場合には、図19に示す第2実施形態のように、軸ねじれ反力推定オブザーバを省略して、外乱オブザーバ10のみで位相進み補償制御を構成することが可能である。
In the first embodiment, the control system has a low rigidity in which the motor and the load are coupled by the flexible drive shaft and the shaft torsion becomes a problem. However, the load and the shaft have a high rigidity and the shaft torsion compensation. 19 is not necessary, the phase torsion compensation control can be configured only by the
この第2実施形態においても、位相進み補償の効果により、第1実施形態と同様に全ての共振極に対して安定化を図ることができる。 Also in the second embodiment, due to the effect of phase lead compensation, it is possible to stabilize all the resonance poles as in the first embodiment.
なお、前記実施形態においては、速度演算部にP(比例)制御を用いているが、速度演算の制御の種類はこれに限定されず、PI(比例積分)制御、PD(比例微分)制御、PID(比例積分微分)制御等を用いてもよい。また、軸ねじれ反力推定オブザーバを用いる代わりに、リニアエンコーダ等を使用して、負荷側の位置を測定する方法でも可能である。 In the above-described embodiment, P (proportional) control is used for the speed calculation unit. However, the type of speed calculation control is not limited to this, and PI (proportional integral) control, PD (proportional derivative) control, PID (proportional integral derivative) control or the like may be used. Further, instead of using the torsional reaction force estimation observer, a method of measuring the load side position using a linear encoder or the like is also possible.
又、前記説明は、回転型モータ+タイミングベルトを例として行ったが、ボールねじ、ピニオンギアやリニアモータ等についても適用が可能である。 In the above description, the rotary motor + timing belt is taken as an example, but the present invention can also be applied to a ball screw, a pinion gear, a linear motor, and the like.
又、前記説明は、Y方向への移動に、YL軸とYR軸の左右一対のY軸駆動部を例として行ったが、片軸のみの駆動でも適用可能である。 In the above description, the pair of left and right Y-axis drive units of the YL axis and the YR axis is taken as an example for the movement in the Y direction, but the present invention can also be applied to driving with only one axis.
M…モータ
A…負荷
10…外乱オブザーバ
20…軸ねじれ反力フィードバック
30…位相補償器
M ... Motor A ...
Claims (4)
前記位相進み補償を、共振比制御内の外乱オブザーバで用いるモータ慣性のノミナル値と実際のモータ慣性の値の比率を変化させることで行なうことを特徴とするXY方向自動送り縫いミシンのXY軸モータ制御方法。 When applying the resonance ratio control to the primary resonance mode and applying the phase lead compensation to the higher order vibration mode ,
An XY-axis motor for an XY-direction automatic feed stitching machine characterized in that the phase advance compensation is performed by changing a ratio of a nominal value of motor inertia used in a disturbance observer in resonance ratio control to an actual motor inertia value. Control method.
前記位相進み補償を、前記外乱オブザーバで用いるモータ慣性のノミナル値と実際のモータ慣性の値の比率を変化させることで行なうことを特徴とするXY方向自動送り縫いミシンのXY軸モータ制御方法。 When performing phase advance compensation using only a disturbance observer for a rigid load with negligible axial torsional reaction force ,
An XY-axis motor control method for an XY-direction automatic feed stitching machine, wherein the phase advance compensation is performed by changing a ratio of a nominal value of motor inertia used in the disturbance observer to an actual value of motor inertia .
2次以上の高次の振動モードに対して適用される位相進み補償手段と、を備え、
前記共振比制御手段が、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとから構成されることを特徴とするXY方向自動送り縫いミシンのXY軸モータ制御装置。 Resonance ratio control means applied to the primary resonance mode;
Phase lead compensation means applied to higher order vibration modes of the second order or higher ,
An XY-axis motor control device for an XY-direction automatic feed stitching machine, wherein the resonance ratio control means comprises a disturbance observer and an axial torsional reaction force estimation observer .
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