JP5556136B2

JP5556136B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP5556136B2
Application number: JP2009262060A
Authority: JP
Inventors: 宏一田島; 貴之金子
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-11-17
Also published as: JP2011107961A

Description

この発明は、制御対象機械を目標位置へ移動させて停止させるための位置制御装置に関し、特に、位置センサを用いて位置補正動作を行う機能を有した位置制御装置に関する。

図８は、この種の制御対象機械の模式的概念構成図である。

この対象機械１０には、重量物１１と、アーム１２と、スライド移動部１３と、スライドレール部１４と、送りねじ１５と、カップリング１６と、モータ１７と、モータエンコーダ１８と、位置センサ１９と、位置制御装置２０，４０，７０，７５，８０，８５のうちの何れか１台とを備えている。このうち、重量物１１，アーム１２，スライド移動部１３，スライドレール部１４，送りねじ１５，カップリング１６は、制御対象機械として包括されるものである。

図８において、スライドレール部１４は、スライド移動部１３が図示の左右の移動方向のみ移動するように拘束する。さらに、スライドレール部１４とスライド移動部１３の接触部は低摩擦であり、スライド移動部１３がスライドレール部１４上を滑らかに移動できるようにされている。また、モータ１７の出力軸はカップリング１６を介して送りねじ１５と連結され、この送りねじ１５はスライド移動部１３に取り付けられた図示しないねじ部内に螺挿されている。

すなわち、前記何れかの位置制御装置からの位置指令値に従った位置決め制御により、モータ１７が送りねじ１５を回転駆動することにより、スライド移動部１３が図示の左右方向に移動する。

このような位置決め制御がなされるスライド移動部１３には、長尺のアーム１２が取り付けられており、このアーム１２の先端には重量物１１が取り付けられている。従って、スライド移動部１３の位置制御により、アーム１２の先端の重量物１１も位置決め制御されることとなる。

図９は、上述の図８の構成とは異なった制御対象機械の模式的概念構成図である。

この対象機械６０には、台車６１と、車輪６２と、レール６３と、カップリング６４と、モータ１７と、モータエンコーダ１８と、位置センサ１９と、位置制御装置２０，４０，７０，７５，８０，８５の何れか１台とを備えている。このうち、台車６１，車輪６２，レール６３，カップリング６４は制御対象機械として包括されるものであり、この制御対象機械は立体倉庫における部品の搬送装置などに供される。

図９において、台車６１は車輪６２を介してレール６３上を、図示の左右の移動方向に、滑らかに移動できるようにされている。また、モータ１７の出力軸はカップリング６４を介して車輪６２と連結されている。すなわち、前記何れかの位置制御装置からの位置制御動作に従って、モータ１７がカップリング６４を介して車輪６２を回転駆動することにより、台車６１が図示の左右方向に移動する。

上述の位置制御がなされる台車６１には、例えば、門形アーム（図示せず）が取り付けられており、この門形アームには重量物（図示せず）が載置されている。従って、台車６１の位置制御により、前記門形アームに支持された重量物も位置制御されることとなる。

図１０は、上述の対象機械１０または対象機械６０の位置決め制御を行う従来の位置制御装置２０の回路構成図である。

この位置制御装置２０には、位置指令ブロック２１と、位置調節器２２と、速度調節器２９と、トルク調節器３０と、位置補正手段３１とを備えている。

位置指令ブロック２１では対象機械１０のスライド移動部１３または対象機械６０の台車６１が目標位置に移動するためのパルス列形式の第１の速度指令値を出力し、このパルス列形式の第１の速度指令値ではパルス数が移動量を指令し、パルス周波数がその時々の移動速度（すなわち、単位時間当りの位置の移動量が速度に相当する指令値となる）を指令している。

減算器２３，積算器２４，減算器２５，調節器２６，加算器２７，フィードフォワード制御ブロック２８からなる位置調節器２２では、モータ１７の出力軸に取り付けられたモータエンコーダ１８からのパルス列の検出信号を指令される前記第１の速度指令値に一致させるために、減算器２３，積算器２４，調節器２６を用いた位置調節演算が行われ、その出力は第２の速度指令値として加算器２７を介して速度調節器２９に送られる。

このとき、フィードフォワード制御ブロック２８では、位置指令ブロック２１からの前記第１の速度指令値の単位時間当りの位置の移動量に所定のフィードフォワードゲインを乗じた補正量を求め、この補正量と調節器２６からの速度指令値とを加算器２７により加算し、この加算値を新たな第２の速度指令値として速度調節器２９に送っている。

速度調節器２９では、モータエンコーダ１８からのパルス列の検出信号に基づくモータ１７の速度検出値が前記第２の速度指令値に一致するように速度調節演算が行われ、その出力がトルク指令値としてトルク調節器３０に送られる。

トルク調節器３０では、前記トルク指令値に従い、このトルク調節器３０に内蔵するインバータなどの半導体電力変換器を介してモータ１７を駆動し、対象機械１０のスライド移動部１３または対象機械６０の台車６１を所定位置に移動させて停止させるような位置決め制御が実行される。

このとき位置補正手段３１では、位置センサ１９で検出された対象機械１０のスライド移動部１３または位置センサ１９と反射板１９ａとで検出された対象機械６０の台車６１の位置信号を、微分器３２で微分演算することにより速度信号に変換し、この速度信号と速度演算器３３によるモータエンコーダ１８からのパルス列の検出信号に基づくモータ１７の速度演算値との差の積算値を減算器３４，積算器３５で求め、この積算値にフィルタ３６を介した値を位置補正量として出力している。

すなわち、位置調節器２２において、減算器２５では積算器２４から得られる位置偏差量から前記位置補正量を減じた値を求め、この値を新たな位置偏差量として調節器２６に与えることで、モータ１７と対象機械１０，６０との間のバックラッシ、スリップなどに起因した位置誤差を補正するようにしている。

図１１は、図１０に示した位置制御装置２０とは異なった従来の位置制御装置４０の回路構成図であり、この図において、図１０に示した位置制御装置２０と同一機能を有するものには同一符号を付している。

この位置制御装置４０には、位置指令ブロック４１と、位置調節器４２と、積算器４９と、位置補正手段５０と、速度調節器２９と、トルク調節器３０とを備えている。

位置指令ブロック４１では、対象機械１０のスライド移動部１３または対象機械６０の台車６１が目標位置に移動するためのデータ形式の位置指令値を出力し、このデータ形式の位置指令値ではデータの値が移動量を指令し、データの変化がその時々の移動速度を指令している。

加算器４３，減算器４４，調節器４５，加算器４６，微分器４７，フィードフォワード制御ブロック４８からなる位置調節器４２では、モータ１７に取り付けられたモータエンコーダ１８からのパルス列の検出信号の積算器４９による積算値である移動量検出値を位置指令ブロック４１から指令される前記位置指令値に一致させるために、減算器４４，調節器４５を用いた位置調節演算が行われ、その出力は第２の速度指令値として加算器４６を介して速度調節器２９に送られる。

このとき、微分器４７とフィードフォワード制御ブロック４８とにより、位置指令ブロック４１からの前記位置指令値の微分値に所定のフィードフォワードゲインを乗じた補正量を求め、この補正量と調節器４５からの速度指令値とを加算器４６により加算し、この加算値を新たな第２の速度指令値として速度調節器２９に送っている。

さらに位置補正手段５０では、位置センサ１９で検出された対象機械１０のスライド移動部１３または位置センサ１９と反射板１９ａとで検出された対象機械６０の台車６１の位置信号と、モータ１７に取り付けられたモータエンコーダ１８からのパルス列の検出信号の積算器４９による積算値である移動量検出値との差を減算器５１で求め、この減算値にフィルタ５２を介した値を位置補正量として出力している。

すなわち、位置調節器４２において、加算器４３では積算器４９から得られる移動量検出値に前記位置補正量を加算した値を求め、この加算した値と位置指令ブロック４１からの位置指令値との偏差を新たな位置偏差量として調節器４５に与えることで、モータ１７と対象機械１０，６０との間のバックラッシ、スリップなどに起因した位置誤差を補正するようにしている。

なお、この種の位置制御装置としては、下記特許文献１に記載されている構成のものが知られている。

特開２００３−７６４２６号公報

図１０または図１１に示した従来の位置制御装置では、対象機械１０のスライド移動部１３または対象機械６０の台車６１の位置を位置センサ１９で検出して位置制御の補正を行っているため、モータ１７と対象機械１０，６０との間のバックラッシ、スリップなどに起因した位置誤差を補正しつつ位置制御を行うことが可能であるが、反面、位置センサ１９に不具合が発生した場合、あるいは、光学式の位置センサ１９での光線が何らかの要因で遮られて前記位置を正しく検出できなくなったときには、適切な位置制御が行えなくなるという問題点があった。

この発明の目的は、上記問題点を解消した位置制御装置を提供することにある。

この第１の発明は、制御対象機械を目標位置に移動させて停止させるために指令される第１の速度指令値または位置指令値に基づいて位置決め制御を行う位置制御装置において、
前記制御対象機械の移動する部分の位置を検出する位置センサと、この位置センサの検出値を微分演算して求めた速度信号から、前記制御対象機械を駆動するモータに結合されたモータエンコーダからのパルス列検出信号から速度演算器で求めた制御対象機械の速度検出信号を減算して求めた信号を積分して位置補正量を導出する位置補正手段と、この位置補正手段の出力値を監視する比較器とを備えたことを特徴とする。

第２発明は前記第１の発明の位置制御装置において、
前記比較器は、前記位置補正量が予め定めた範囲内であるか否かを監視し、この範囲を超えたときにはアラーム信号を出力するようにしたことを特徴とする。

この発明によれば、前記制御対象機械の移動する部分の位置を検出する位置センサの動作状態を監視する、または前記位置センサを実際に利用する期間を限定することにより、位置誤差を補正しつつ適切な位置制御が行える位置制御装置を提供することができる。

この発明の第１の実施例を示す位置制御装置の回路構成図この発明の第２の実施例を示す位置制御装置の回路構成図この発明の第３の実施例を示す位置制御装置の回路構成図この発明の第４の実施例を示す位置制御装置の回路構成図図３，４に示した位置制御装置の動作を説明する波形図図３，４に示した位置制御装置の動作を説明する波形図図３，４に示した位置制御装置の動作を説明する波形図対象機械の模式的概念構成図対象機械の模式的概念構成図従来例を示す位置制御装置の回路構成図従来例を示す位置制御装置の回路構成図

図１は、この発明の第１の実施例を示す位置制御装置の回路構成図であり、この図において、図１０に示した従来の位置制御装置２０と同一機能を有するものには同一符号を付している。

この位置制御装置７０には、従来の位置制御装置２０と同じ構成要素である位置指令ブロック２１，位置調節器２２，速度調節器２９，トルク調節器３０，位置補正手段３１の他に、位置補正手段３１の出力である位置補正量が予め定めた範囲内であるか否かを監視し、この範囲を超えたときにはアラーム信号を出力する比較器７１を備えている。

すなわち、この比較器７１により、対象機械１０または対象機械６０の移動する部分の位置を検出する位置センサ１９の検出値が何らかの要因で過大、若しくは過小になったとき、または、光学式の位置センサ１９での光線が何らかの要因で遮られたときには、前記位置補正量の絶対値が過大になることから、このときにはアラーム信号を外部に出力することにより、この位置制御装置７０の動作信頼性を改善している。

図２は、この発明の第２の実施例を示す位置制御装置の回路構成図であり、この図において、図１１に示した従来の位置制御装置４０と同一機能を有するものには同一符号を付している。

この位置制御装置７５には、従来の位置制御装置４０と同じ構成要素である位置指令ブロック４１，位置調節器４２，積算器４９，速度調節器２９，トルク調節器３０，位置補正手段５０の他に、位置補正手段５０の出力である位置補正量が予め定めた範囲内であるか否かを監視し、この範囲を超えたときにはアラーム信号を出力する比較器７６を備えている。

すなわち、この比較器７６により、対象機械１０または対象機械６０の移動する部分の位置を検出する位置センサ１９の検出値が何らかの要因で過大、若しくは過小になったとき、または、光学式の位置センサ１９での光線が何らかの要因で遮られたときには、前記位置補正量の絶対値が過大になることから、このときにはアラーム信号を外部に出力することにより、この位置制御装置７５の動作信頼性を改善している。

なお、図１，図２の回路構成図に基づいたこの発明の動作説明において、フィルタ３６またはフィルタ５２の周波数特性値，比較器７１または比較器７６の動作値は、前記制御対象機械に対して、予め試運転などを行って決定した値を使用するものとする。

図３は、この発明の第３の実施例を示す位置制御装置の回路構成図であり、この図において、図１０に示した従来の位置制御装置２０と同一機能を有するものには同一符号を付している。

この位置制御装置８０には、従来の位置制御装置２０と同じ構成要素である位置調節器２２，速度調節器２９，トルク調節器３０の他に、従来の位置指令ブロック２１の機能に前記第１の速度指令値の状態を出力する機能が付加された位置指令ブロック２１ａと、従来の位置補正手段３１の機能を動作させるか否かを外部からの指令に基づき制御できる機能が付加された位置補正手段３１ａと、位置指令ブロック２１ａが出力する第１の速度指令値の状態、すなわちパルス列形式の第１の速度指令値のパルス数に基づく移動量に基づいて、位置補正手段３１ａを動作させるか否かを指令する補正動作指令器８１〜８３のうちの何れかを備えている。

図４は、この発明の第４の実施例を示す位置制御装置の回路構成図であり、この図において、図１１に示した従来の位置制御装置４０と同一機能を有するものには同一符号を付している。

この位置制御装置８５には、従来の位置制御装置４０と同じ構成要素である位置調節器４２，速度調節器２９，トルク調節器３０の他に、従来の位置指令ブロック４１の機能に前記位置指令値の状態を出力する機能が付加された位置指令ブロック４１ａと、従来の位置補正手段５０の機能を動作させるか否かを外部からの指令に基づき制御できる機能が付加された位置補正手段５０ａと、位置指令ブロック４１ａが出力する位置指令値の状態、すなわちデータ形式の位置指令値のデータの値に基づく移動量に基づいて、位置補正手段５０ａを動作させるか否かを指令する補正動作指令器８６〜８８のうちの何れかを備えている。

図５は、図３に示した位置制御装置８０における補正動作指令器８１を備えた構成、または図４に示した位置制御装置８５における補正動作指令器８６を備えた構成の動作を説明する波形図である。

すなわち、図５に示すように、位置決め開始前の制御対象機械が停止している状態（時刻Ｔ₀以前）では、補正動作指令器８１または補正動作指令器８６の信号に基づいて位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させる。そして、位置指令ブロック２１ａから第１の速度指令値または位置指令ブロック４１ａから位置指令値が新たに発せられた時刻Ｔ₀に位置決め制御動作を開始すると、補正動作指令器８１または補正動作指令器８６がこれを検知して、この時刻Ｔ₀より前は、その動作を停止中の位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａに対して、動作の開始を指令する。その後、時刻Ｔ₁に前記第１の速度指令値または位置指令値が終了すると、補正動作指令器８１または補正動作指令器８６がこれを検知して、位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させるようにしている。このように、位置決め開始前や位置決め完了後の制御対象機械が停止しているとき等の位置検出値による位置制御を必要としない期間では、位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させることにより、上記期間に光学式の位置センサ１９での光学系が遮られたときの位置補正量の急変に伴う悪影響を受けないようにする。

その結果、この位置制御装置８０または位置制御装置８５では、位置センサ１９を利用する期間を限定することとなり、モータ１７と対象機械１０，６０との間のバックラッシ、スリップなどに起因した位置誤差を補正しつつ、適切な位置制御が行うことができる。

図６は、図３に示した位置制御装置８０における補正動作指令器８２を備えた構成、または図４に示した位置制御装置８５における補正動作指令器８７を備えた構成の動作を説明する波形図である。

すなわち、図６に示すように、位置決め開始前の制御対象機械が停止している状態（時刻Ｔ₀以前）では、補正動作指令器８２または補正動作指令器８７の信号に基づいて位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させる。そして、位置指令ブロック２１ａから第１の速度指令値または位置指令ブロック４１ａから位置指令値が新たに発せられた時刻Ｔ₀に位置決め制御動作を開始するが、この時点では補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させている。その後、前記位置指令値が予め設定された切替設定値に達した時刻Ｔ₁に、補正動作指令器８２または補正動作指令器８７がこれを検知して、この時刻Ｔ₁より前はその動作を停止中の位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａに対して、動作の開始を指令する。その後、時刻Ｔ₂に前記第１の速度指令値または位置指令値が終了すると、補正動作指令器８２または補正動作指令器８７がこれを検知して、位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させるようにしている。このように、位置決め開始前や位置決め完了後の制御対象機械が停止しているときや、位置決め動作の開始直後から位置指令値が予め設定された切替設定値に達するまで等のように、位置検出値による位置制御を必要としない期間では、位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させることにより、上記期間に光学式の位置センサ１９での光学系が遮られたときの位置補正量の急変に伴う悪影響を受けないようにする。

その結果、この位置制御装置８０または位置制御装置８５では、位置センサ１９を利用する期間を限定することにより、モータ１７と対象機械１０，６０との間のバックラッシ、スリップなどに起因した位置誤差を補正しつつ適切な位置制御が行うことができる。

図７は、図３に示した位置制御装置８０における補正動作指令器８３を備えた構成、または図４に示した位置制御装置８５における補正動作指令器８８を備えた構成の動作を説明する波形図である。

すなわち、図７に示すように、位置決め開始前の制御対象機械が停止している状態（時刻Ｔ₀以前）では、補正動作指令器８３または補正動作指令器８８の信号に基づいて位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させる。そして、位置指令ブロック２１ａから第１の速度指令値または位置指令ブロック４１ａから位置指令値が新たに発せられた時刻Ｔ₀に位置決め制御動作を開始するが、この時点では補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させている。その後、概略の位置決めが完了して前記第１の速度指令値または位置指令値が終了直前に達した時刻Ｔ₁に、補正動作指令器８３または補正動作指令器８８がこれを検知して、この時刻Ｔ₁以前はその動作を停止中の位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａに対して、動作の開始を指令する。その後、前記位置指令値に基づく位置決めの微調整を行い精密な位置決めが完了して位置決め完了信号が出力される時刻Ｔ₂に、補正動作指令器８３または補正動作指令器８８がこれを検知して、位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させるようにしている。このように、位置決め開始前や位置決め完了信号が出力された後の制御対象機械が停止しているときや、位置決め完了直前の精密な位置決め動作を行う前の概略の位置決めを行っているとき等のように、位置検出値による位置制御を必要としない期間では、位置補正手段３１ａまたは位置補正手段５０ａの動作を停止させることにより、上記期間に光学式の位置センサ１９での光学系が遮られたときの位置補正量の急変に伴う悪影響を受けないようにする。

なお、図５〜図７の波形図に基づいたこの発明の動作説明において、フィルタ３６またはフィルタ５２の周波数特性値，補正動作指令器８１〜８３，８６〜８８におけるそれぞれの動作値は、前記制御対象機械に対して、予め試運転などを行って決定した値を使用するものとする。

１０…対象機械、１１…重量物、１２…アーム、１３…スライド移動部、１４…スライドレール部、１５…送りねじ、１６…カップリング、１７…モータ、１８…モータエンコーダ、１９…位置センサ、２０…位置制御装置、２１，２１ａ…位置指令ブロック、２２…位置調節器、２９…速度調節器、３０…トルク調節器、３１，３１ａ…位置補正手段、４０…位置制御装置、４１，４１ａ…位置指令ブロック、４２…位置調節器、４９…積算器、５０，５０ａ…位置補正手段、６０…対象機械、６１…台車、６２…車輪、６３…レール、６４…カップリング、７０…位置制御装置、７１…比較器、７５…位置制御装置、７６…比較器、８０…位置制御装置、８１〜８３…補正動作指令器、８５…位置制御装置、８６〜８８…補正動作指令器。

Claims

制御対象機械を目標位置に移動させて停止させるために指令される第１の速度指令値または位置指令値に基づいて位置決め制御を行う位置制御装置において、
前記制御対象機械の移動する部分の位置を検出する位置センサと、この位置センサの検出値を微分演算して求めた速度信号から、前記制御対象機械を駆動するモータに結合されたモータエンコーダからのパルス列検出信号から速度演算器で求めた制御対象機械の速度検出信号を減算して求めた信号を積分して位置補正量を導出する位置補正手段と、この位置補正手段の出力値を監視する比較器とを備えたことを特徴とする位置制御装置。
請求項１に記載の位置制御装置において、
前記比較器は、前記位置補正量が予め定めた範囲内であるか否かを監視し、この範囲を超えたときにはアラーム信号を出力するようにしたことを特徴とする位置制御装置。