JP5220475B2 - Servo adjustment method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、工作機械などのサーボ機構の安定性を高めるために行うサーボ調整方法および装置に係り、特に、伝達関数が条件によって変動しても、一度の調整でサーボ機構の安定性を確保できるようにしたサーボ調整方法および装置に関する。 The present invention relates to a servo adjustment method and apparatus for improving the stability of a servo mechanism such as a machine tool. In particular, even if the transfer function varies depending on conditions, the stability of the servo mechanism can be ensured by a single adjustment. The present invention relates to a servo adjustment method and apparatus.
工作機械のNC制御システムでは、サーボ機構の安定性が加工精度に直結するため、工作機械を最初に設置したとき、あるいは保守管理の一環として適宜行われるサーボ調整が極めて重要となる。 In machine tool NC control systems, the servo mechanism stability is directly linked to the machining accuracy, so servo adjustment that is appropriately performed when the machine tool is first installed or as part of maintenance management is extremely important.
このサーボ調整は、サーボ機構の特性を決めるパラメータを、工作機械に合わせて調整していく作業である。パラメータの多くは、サーボ機構に用いられるサーボアンプ自体の性能や、工作機械の構造などの物理的条件によって決まってしまうのが基本である。しかし、パラメータの中にあって、ゲインについては、その工作機械の制御系に適した調整が不可欠である。このゲインは、指令に対する追従性(応答性)に対応するパラメータであり、ゲインの値が高い方が追従性が良くなるため好ましい。しかし、ゲインを上げすぎると、発振等の現象が発生し、不安定となる問題がある。 This servo adjustment is an operation of adjusting parameters that determine the characteristics of the servo mechanism according to the machine tool. Many of the parameters are basically determined by physical conditions such as the performance of the servo amplifier itself used in the servo mechanism and the structure of the machine tool. However, in the parameters, it is essential to adjust the gain suitable for the control system of the machine tool. This gain is a parameter corresponding to followability (responsiveness) to a command, and a higher gain value is preferable because followability is improved. However, if the gain is increased too much, there is a problem that phenomena such as oscillation occur and become unstable.
そこで、ゲインを最適化するために、従来から種々のサーボ調整方法が提案されており、例えば、特許文献1、特許文献2に開示されているサーボ調整方法を先行技術として挙げることができる。
従来、サーボ調整は、ある条件で測定した伝達関数を現すゲイン、位相の周波数特性を求め、そのゲイン、位相を調整することで調整を行っていた。しかし、伝達関数は、工作機械における様々な物理的条件によって変化する可能性がある。この場合の物理的条件は、いろいろな要素、条件が複雑に絡み合っており、それらのうち一つでも変わると、伝達関数は変化する可能性がある。 Conventionally, servo adjustment has been performed by obtaining frequency characteristics of a gain and a phase representing a transfer function measured under a certain condition, and adjusting the gain and phase. However, the transfer function can change due to various physical conditions in the machine tool. The physical conditions in this case are intricately intertwined with various elements and conditions, and if any one of them changes, the transfer function may change.
そこで、機械の物理的条件が変わった場合の伝達関数の変化について、図6に例を挙げながら説明する。 Therefore, the change of the transfer function when the physical condition of the machine changes will be described with reference to FIG.
この図6は、ある工作機械において、いくつかある制御軸のうち、テーブルを送るX軸の伝達関数を測定した例を示す。この測定は、テーブルの位置をそれぞれ異なる3箇所に置いて、それぞれの位置での伝達関数の測定結果(図6(a)はゲイン、図6(b)は位相)がボード線図で示されている。 FIG. 6 shows an example in which the transfer function of the X axis that sends the table among several control axes is measured in a certain machine tool. In this measurement, the table position is set at three different positions, and the measurement results of the transfer function at each position (FIG. 6 (a) is the gain and FIG. 6 (b) is the phase) are shown in the Bode diagram. ing.
この図6からはっきりとわかることは、測定したときのテーブルの位置が少しでも異なってくると、伝達関数の特性は変化するということである。このことは、逆にいえば、測定された伝達関数は、あくまで特定の条件の下に機械をおいたときの特性を示すにすぎないということを意味している。したがって、測定した伝達関数を用いてゲインや位相を調整した場合、その機械の条件が測定したときと同じであれば良好な調整となるが、機械を実際に動かすと、サーボ調整を行ったにもかかわらず、発振してしまうことがある。 It can be clearly seen from FIG. 6 that the characteristics of the transfer function change if the position of the table when measured changes slightly. In other words, this means that the measured transfer function only shows the characteristics when the machine is placed under a specific condition. Therefore, when the gain or phase is adjusted using the measured transfer function, it is a good adjustment if the machine conditions are the same as when measured, but when the machine is actually moved, the servo adjustment is performed. However, it may oscillate.
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、複数の条件のもとで測定した伝達関数をすべて利用してサーボ調整を行うことができ、機械の条件が変動しても、フィードバック制御系の安定を確保することができるようにしたサーボ調整方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art and to perform servo adjustment using all transfer functions measured under a plurality of conditions, and the machine conditions fluctuate. It is another object of the present invention to provide a servo adjustment method capable of ensuring the stability of the feedback control system.
また、本発明の他の目的は、条件が変動しても、フィードバック制御系の安定を確保できるようにサーボ調整を自動で行うことを可能にするサーボ調整装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a servo adjustment device that can automatically perform servo adjustment so that the stability of the feedback control system can be ensured even if conditions change.
前記の目的を達成するために、本発明は、移動体の位置、速度を制御するフィードバック制御系を備えた工作機械のサーボ機構においてゲインの調整を行うためのサーボ調整方法であって、前記移動体の位置を変えた複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する工程と、前記移動体の各位置における周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求める工程と、前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を求める工程と、前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う工程と、からなることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a servo adjustment method for performing gain adjustment in a servo mechanism of a machine tool provided with a feedback control system for controlling the position and speed of a moving body, wherein the movement Under a plurality of different conditions in which the position of the body is changed, the step of measuring the frequency characteristics of the gain and phase representing the frequency transfer function of the feedback control system and the measurement result of the frequency characteristics at each position of the moving body Based on a maximum gain value and a minimum phase value at each frequency, a maximum gain curve from the maximum gain value at each frequency, and a minimum phase curve from the minimum phase value. And a step of adjusting the gain with reference to the maximum gain curve and the minimum gain curve of the phase.
また、本発明は、移動体の位置、速度を制御するフィードバック制御系を備えた工作機械のサーボ機構においてゲインの調整を行うためのサーボ調整装置であって、前記移動体の位置を変えた複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する測定手段と、前記移動体の各位置における周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求め、前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を演算処理する抱絡線処理手段と、前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う調整手段と、を具備したことを特徴とするものである。 Further, the present invention is a servo adjustment device for adjusting gain in a servo mechanism of a machine tool provided with a feedback control system for controlling the position and speed of a moving body , wherein a plurality of the positions of the moving body are changed. Under the different conditions, the measurement means for measuring the frequency characteristics of the gain and phase representing the frequency transfer function of the feedback control system, and the measurement results of the frequency characteristics at each position of the moving body, Entanglement processing that calculates the maximum gain value and the minimum phase value, and calculates the maximum gain curve from the maximum gain value and the minimum phase value from the minimum phase value at each frequency. Means and adjusting means for adjusting the gain with reference to the maximum tangent line of gain and the minimum tangent line of phase.
本発明によれば、複数の条件のもとで測定した伝達関数をすべて利用してサーボ調整を行うことができるので、機械の条件が変動しても、フィードバック制御系の安定を確保することができる。 According to the present invention, servo adjustment can be performed using all transfer functions measured under a plurality of conditions, so that the stability of the feedback control system can be ensured even if the machine conditions fluctuate. it can.
以下、本発明によるサーボ調整方法および装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるサーボ調整方法が適用される工作機械のテーブル送り装置を示す。
Hereinafter, an embodiment of a servo adjustment method and apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a table feed device of a machine tool to which a servo adjustment method according to an embodiment of the present invention is applied.
この図1において、参照番号10は、テーブルを示す。このテーブル10は、ベッド11の上を移動し、その制御軸がX軸である。テーブル10の底面には、ボールナット12が固定されている。このボールナット12は、サーボモータ13によって駆動されるボールねじ14に螺合している。
In FIG. 1,
参照番号15は、サーボアンプである。このサーボアンプ15は、NC装置16から位置指令等を受ける。サーボモータ13の位置情報は、エンコーダ17によって検出されて、サーボアンプ15にフィードバックされる。
次に、図2は、図1に示したテーブル10の移動を制御するサーボアンプ15におけるフィードバック制御系を示すブロック図である。
図2に示すように、エンコーダ17によって検出された位置情報をフィードバックとする制御ループのうち、内側には位置情報を微分したものを速度フィードバックとする速度制御ループが構成される。また、速度制御ループの外側にはエンコーダによって検出された位置情報を位置フィードバックとする位置制御ループが構成されている。電流センサ21は、モータ電流を検出してフィードバックし、電流制御ループが構成されている。
Next, FIG. 2 is a block diagram showing a feedback control system in the
As shown in FIG. 2, among the control loops that use the position information detected by the
ゲインには、制御要素ごとに、電流フィードバックに基づく電流ループゲインと、速度フィードバックに基づく速度ループゲインおよび位置フィードバックに基づく位置ループゲインがある。 The gain includes, for each control element, a current loop gain based on current feedback, a speed loop gain based on velocity feedback, and a position loop gain based on position feedback.
このうち、サーボ調整により調整するゲインは、速度ループゲインである。位置ループゲインは、速度ループゲインを決めてから、これを元に設定される。電流ループゲインには、一定値が使われ、調整は行われない。 Among these, the gain adjusted by servo adjustment is a speed loop gain. The position loop gain is set based on the velocity loop gain after it is determined. A constant value is used for the current loop gain, and no adjustment is made.
本実施形態では、速度ループゲイン(以下、単にゲインという)を調整するため、ゲインと位相のデータを測定する装置として、NC装置16の備える伝達関数測定部18を利用する。測定したゲインと位相のデータはNC装置16の演算装置19で後述する抱絡線処理を行う。そして、ゲインの最大抱絡線と、位相の最小抱絡線を求め、これに基づいてゲインを調整することになる。なお、図2において、参照番号20は、周波数伝達関数のボード線図を表示する表示装置である。
In the present embodiment, in order to adjust the speed loop gain (hereinafter simply referred to as gain), the transfer
次に、本実施形態によるX軸についてのサーボ調整方法の具体的な内容について、順を追って説明する。
図3は、サーボ調整の工程の流れ図である。
まず、複数の異なる条件の下で、それぞれ速度制御ループでの周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する工程について説明する。
Next, the specific contents of the servo adjustment method for the X axis according to the present embodiment will be described step by step.
FIG. 3 is a flowchart of the servo adjustment process.
First, the process of measuring the frequency characteristics of the gain and phase representing the frequency transfer function in the speed control loop under a plurality of different conditions will be described.
ここでは、テーブル10の位置を変え、それそれの位置にテーブル10が位置する条件(1〜n)の下で、周波数伝達関数を測定する。図2において、伝達関数測定部18によって、速度制御ループの速度指令にランダムノイズを加えながら、速度誤差とフィードバックされる速度を測定する。そして、測定した速度誤差と速度フィードバックをFFT変換演算すると、ゲインの比と位相の差が伝達関数となる。得られる伝達関数は、例えば、表1に示すような、周波数、ゲイン、位相の組の集合となる。
次に、各条件の周波数伝達関数の測定結果を処理して、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを演算装置19で求める。ゲインの最大値については、例えば、各条件1〜nで測定した最小周波数2.0Hzのときのゲインの値の中から最大値を求め、次に、周波数4.0Hzのときのゲインの値の中から最大値を求める、というように、順次、最大周波数までそれぞれの周波数でのゲインの最大値を各条件1〜nの測定データの中から拾い上げる。
Next, the measurement result of the frequency transfer function under each condition is processed, and the maximum value of the gain and the minimum value of the phase at each frequency are obtained by the
同様にして、位相の最小値については、最小周波数2.0Hzからはじめて、各条件1〜nの測定データの中から位相の最小値を求め、順次、最大周波数までそれぞれの周波数での位相の最小値を各条件1〜nの測定データの中から求める。 Similarly, for the minimum value of the phase, starting from the minimum frequency of 2.0 Hz, the minimum value of the phase is obtained from the measurement data of each condition 1 to n, and the minimum of the phase at each frequency is sequentially obtained up to the maximum frequency. The value is obtained from the measurement data of each condition 1 to n.
こうして求めたゲイン各周波数におけるゲインの最大値のデータ群を抱絡線処理することで、ゲインの最大抱絡線を求めることができる。また、位相の最小値のデータ群を抱絡線処理することで、位相の最小抱絡線を求めることができる。 The maximum gain curve can be obtained by performing the curve processing on the data group of the maximum gain value at each gain frequency thus obtained. Further, the minimum phase envelope can be obtained by performing the envelope processing on the data group having the minimum phase value.
ここで、図4(a)に、3つの測定条件でのゲインの測定結果と、最大抱絡線の具体例を示し、図4(b)に、位相の測定結果と、最小抱絡線の具体例を示す。図5(a)に、フィルタ調整をしたゲインの最大抱絡線を示し、図5(b)にフィルタ調整をした位相の最小抱絡線を示す。
実際のサーボ調整は、図5(a)に示すようなゲインの最大抱絡線、図5(b)に示すような位相の最小抱絡線を基準にして行うことになる。
Here, FIG. 4 (a) shows gain measurement results under three measurement conditions and a specific example of the maximum envelope, and FIG. 4 (b) shows the phase measurement results and the minimum envelope. A specific example is shown. FIG. 5A shows the maximum gain curve after the filter adjustment, and FIG. 5B shows the minimum gain curve after the filter adjustment.
The actual servo adjustment is performed with reference to the maximum gain curve as shown in FIG. 5A and the minimum phase curve as shown in FIG.
実際の調整は、次のようにして演算装置19によって自動的に行われる。
図5において、ゲインの最大抱絡線が0(dB)を横切るときの周波数の値が、速度ループゲインのゲイン交差周波数ωc(Hz)である。この周波数ωcのときの位相の最小抱絡線と位相−180(°)との間が位相余裕ψ(°)である。また、位相抱絡線が−180(°)から+180(°)に反転する周波数のときのゲインの最大抱絡線と0dBとの間がゲイン余裕(dB)である。図5の例では、ゲイン余裕が10dB以上あり、安定な調整結果といえる。
Actual adjustment is automatically performed by the
In FIG. 5, the value of the frequency when the maximum gain curve crosses 0 (dB) is the gain crossover frequency ωc (Hz) of the speed loop gain. The phase margin ψ (°) is between the minimum phase envelope at the frequency ωc and the phase −180 (°). Also, the gain margin (dB) is between the maximum gain curve and 0 dB when the phase envelope is at a frequency that is inverted from −180 (°) to +180 (°). In the example of FIG. 5, the gain margin is 10 dB or more, which can be said to be a stable adjustment result.
もし、ゲイン余裕があらかじめ定めている安定限界の範囲外であれば、速度ループゲインの変更を行う。例えば、パラメータとして設定される単位量(ステップーの幅)毎に速度ループゲインを増大、減少させる。その上で、再度、ゲイン、位相を各条件1〜nで測定し、上述した工程を繰り返して、ゲインの最大抱絡線と、位相の最小抱絡線を求める。その結果、ゲイン余裕が安定限界の範囲にあれば、速度ループゲインの調整は終了となる。 If the gain margin is outside the predetermined stability limit range, the speed loop gain is changed. For example, the speed loop gain is increased or decreased for each unit amount (step width) set as a parameter. Then, the gain and phase are measured again under the conditions 1 to n, and the above-described steps are repeated to obtain the maximum gain curve and the minimum phase curve. As a result, when the gain margin is within the range of the stability limit, the adjustment of the speed loop gain is completed.
このようにして、条件が変動しても、それぞれの各条件(1〜n)で測定した伝達関数を利用することになるので、一回の調整によりすべての条件で安定性が確保できることになる。 In this way, even if the conditions fluctuate, the transfer function measured under each condition (1 to n) is used, so that stability can be ensured under all conditions by a single adjustment. .
10 テーブル
11 ベッド
12 ボールナット
13 サーボモータ
14 ボールねじ
15 サーボアンプ
16 NC装置
17 エンコーダ
18 伝達関数測定部
19 演算装置
20 表示装置
21 電流センサ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記移動体の位置を変えた複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する工程と、
前記移動体の各位置における周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求める工程と、
前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を求める工程と、
前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う工程と、
からなることを特徴とするサーボ調整方法。 A servo adjustment method for adjusting gain in a servo mechanism of a machine tool having a feedback control system for controlling the position and speed of a moving body,
Measuring a frequency characteristic of a gain and a phase each representing a frequency transfer function of the feedback control system under a plurality of different conditions in which the position of the moving body is changed ;
A step of obtaining a maximum value of gain and a minimum value of phase at each frequency based on a measurement result of frequency characteristics at each position of the moving body ;
Obtaining a maximum gain curve from the maximum gain value at each frequency and a minimum phase curve from the minimum phase value;
Adjusting the gain on the basis of the maximum envelope of the gain and the minimum envelope of the phase; and
A servo adjustment method comprising:
前記移動体の位置を変えた複数の異なる条件の下で、それぞれ前記フィードバック制御系の周波数伝達関数を表すゲイン、位相の周波数特性を測定する測定手段と、
前記移動体の各位置における周波数特性の測定結果に基づいて、各周波数におけるゲインの最大値と、位相の最小値とを求め、前記各周波数におけるゲインの最大値からゲインの最大抱絡線と、位相の最小値から位相の最小抱絡線を演算処理する抱絡線処理手段と、
前記ゲインの最大抱絡線、位相の最小抱絡線を基準にして、ゲインの調整を行う調整手段と、
を具備したことを特徴とするサーボ調整装置。 A servo adjustment device for adjusting gain in a servo mechanism of a machine tool having a feedback control system for controlling the position and speed of a moving body,
Measuring means for measuring frequency characteristics of gain and phase representing frequency transfer functions of the feedback control system under a plurality of different conditions in which the position of the moving body is changed ,
Based on the measurement result of the frequency characteristic at each position of the mobile body, the maximum value of the gain at each frequency and the minimum value of the phase are obtained, and the maximum gain curve from the maximum value of the gain at each frequency, A tangential line processing means for calculating a minimum tangent line of the phase from the minimum value of the phase;
Adjusting means for adjusting the gain with reference to the maximum envelope of the gain and the minimum envelope of the phase;
A servo adjustment device comprising:
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