JPH0248710A - ソフトウェアサーボにおける静摩擦補償方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、ソフトウェアサーボ（デジタルサーボ）によ
ってサーボモータを制御する制御方法に関するもので、
特に、ロボット等の静摩擦の大きい制御対象を制御する
とき、低速時の動作特性を改善することに関するもので
ある。

従来の技術 第２図は、サーボモータを速度制御する速度制御ループ
のブロック線図であり、２０は積分項で、その伝達関数
Ｋ　　／Ｓのに１は積分ゲインである。

また、２１は比例項で、Ｋ２は比例ゲインである。

また、２２はサーボモータのモデルで、その伝達関数の
Ｋｔはトルク定数、Ｊはイナーシャ、Ａは粘性摩擦環を
意味する。この速度制御ループにおいては、速度指令値
Ｕからサーボモータの実速度ｙを引き、速度偏差ｅｖを
求め、この速度偏差ｅＶを積分項２０で積分した値と、
比例項２１で比例増幅した値を加算し、トルク指令値（
サーボモータへの電流指令値）ＴｑＣを求め、このトル
ク指令ＩＩＴＱＣによってサーボモータを駆動し、速度
制御を行うようになっている。

この制御方法では、サーボモータで駆動される制御対象
の摩擦の影響は積分項２０によって補償されている。即
ち、制御対象の摩擦の影響によって制御対象の動きには
遅れを生じるか、積分項による積分値が大きくなり、こ
れによりトルク指令値ＴＱＣを大きくして、上記遅れを
補償し、最終的には摩擦による定常偏差をなくす方法が
とられている。

発明が解決しようとする課題 上述した従来の制御方法では、積分項によって摩擦によ
る定常偏差をなくすことができても、遅れにより所望す
る動作が得られない。特に、ロボットのような摩擦の比
較的大きい制御対象に対しては、静摩擦が大きく、低速
時には、積分項２０に速度偏差がたまり大きなトルク指
令値を得るまでには時間を要し、その結果、所望の動作
が得られないという問題点があり、ロボット軌跡が教示
した軌跡から大きくずれるという欠点がある。

しかも、摩擦力は、制御対象が低速で駆動されていると
きと、高速で駆動されているときでは、その大きさが異
なり非線形であるため制御が難しいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、制御対象の摩擦による動作の
遅れを補償し、所望する動作が得られるソフトウェアサ
ーボにおける静摩擦補償方法を提供することにある。

課題を解決するための手段 速度指令値とサーボモータの実速度との差である速度偏
差よりトルク指令値を求めるソフトウェアサーボにおけ
る速度制御ループにおいて、本発明は、速度指令値に比
例し出力する比例項と速度指令値を微分して出力する微
分項を設け、上記比例項及び微分項の出力を上記トルク
指令値に加算するフィードフォアード制御を行い、上記
微分項の微分ゲインはサーボモータのイナーシャをトル
ク定数で除した値に略等しくし、上記比例項の比例ゲイ
ンを低速時には大きく、高速時にはゼロまたは小さな値
にすることによって上記課題を解決した。

作　　用 第１図は、本発明の作用、原理を説明する本発明の速度
制御ループのブロック線図であり、速度偏差ｅｖを積分
する積分項２０．比例項２１及びモータモデル２２は第
２図に示す従来の速度制御ループと同一であり、同一符
号を付している。

本発明は、従来のこのような速度制御ループにおいて、
フィードフォアード項として、比例項２３、微分項２４
を付加し、速度指令値Ｕに比例した値及び微分した値を
トルク指令値に加算し、フィードフオアード制御された
トルク指令値ＴＱＣを得るものである。なお、Ｋ３は比
例ゲイン。

Ｋ４は微分ゲインである。該本発明の速度制御ループの
伝達関数ｙ／ｕを求めると、次の第（１）式％式％ 上記第（１）式において、Ｋ４・Ｋｔ＝Ｊ。

Ｋ３・Ｋｔ−Ａとすると、即ち、サーボモータのトルク
定数Ｋｔにフィードフォアード項の微分ゲインに４を乗
じた値がイナーシャＪの値と略等しくなるようにしく即
ち、この微分項２４によってイナーシャＪを補償する）
、トルク定数Ｋｔにフィードフォアード項の比例ゲイン
に３を乗じた値が粘性摩擦環Ａの値に略等しくなるよう
にすると（即ち、この比例項２３によって粘性摩擦環Ａ
を補償する）、上記伝達関数Ｖ／Ｕは「１」に近付き、
遅れ量が減ることを意味する。

フィードフォアード項の微分ゲインに４はに４−Ｊ／Ｋ
ｔであり、機械が決まればイナーシャＪ。

トルク定数Ｋｔが決まり、−律に決まる。一方、フィー
ドフォアード項の比例ゲインＫ　はに３＝Ａ／に、であ
り、粘性摩擦環Ａの値によって変動することとなる。そ
して、この粘性摩擦環Ａの値は、静摩擦を考慮すると、
サーボモータが低速で駆動されるときは大きく、高速で
は小さい非線形項である。そのため、フィードフォアー
ド項の微分ゲインに４はイナーシャＪとトルク定数Ｋｔ
によって求め、フィードフォアード項の比例ゲインに３
は低速時には大きな値とし、高速時には「０」または小
さな値に切換えることによって速度制御ループの伝達関
数ｙ／ｕを略「１」になるように制御し、これにより、
遅れを補償し、所望の動作特性を得る。

実施例 本発明の方法の一実施例として、産業用ロボットに適用
した例を説明する。第３図は、ロボットの制御装置のブ
ロックであり、１はメインＣＰＵで、マイクロプロセッ
サと該マイクロプロセッサが実行する制御プログラムを
格納したＲＯＭ及びデータの一時記憶等に利用されるＲ
ＡＭ等によって構成されている。２は軸制御器で、ロボ
ツｈ機構部１３の各軸を駆動する各サーボモータのサー
ボ系の位置制御部、速度制御部、サーボアンプ対する電
圧制御部を有する各軸周のデジタル（ソフトウェア）サ
ーボ系を構成している。そして、該軸制御器には各軸の
サーボモータのサーボアンプ１２（図には１つのみ示し
ている）が接続され、各軸のサーボモータを駆動制御す
るようになっている。また、各サーボモータに取付けら
れた速度検出器からの速度フィードバック信号が入力さ
れている。３はＩ１０ユニットでロボットの作業対象１
４及びロボットに設けられたセンサ、アクチュエータ等
に接続されている。４はシリアルボートでロボットに動
作を教示するための教示操作盤７及びパネル９が接続さ
れている。５はデータメモリ用のＲＡＭで、バッテリー
８によってバックアップされている。そして、これらメ
インＣＰＵ１、軸制御器２．Ｉ１０ユニット３．シリア
ルポート４．データメモリ用ＲＡＭ５はバックパネル１
６を介してバス結合されており、さらに、入カドランス
１１．入カニニット１０を介して電源回路６に電力が供
給され、電源回路６からバックパネル１６を介して上記
各要素に電力が供給されるようになっている。また、ロ
ボットには入カニニット１０を介して電力が供給される
ようになっている。なお、１５はサーボトランスでサー
ボアンプ用メイン電源を供給するものである。

メインｃｐｕｉは教示操作盤７等から教示され、データ
メモリ用ＲＡＭ５に格納されてる教示データに従ってロ
ボットの各軸に対し移動指令を出力し、軸制御器２内の
デジタルシグナルプロセッサは、この移動指令位置デー
タを受けて位置、速度。

電流制御を行い、各軸のサーボアンプ１２にトルク指令
を出力し、サーボモータを駆動し、ロボットの各軸を教
示データどおりに駆動する。

上記制御装置の構成、動作は、従来のソフトウェアサー
ボを使用した制御装置と何ら変わるところはなく、本発
明は、このような制御装置によって、ロボットの動作に
おいてずれが少ない動作軌跡が得られるようにロボット
を制御することにある。

再生運転時には、メインＣＰＵ１は、データメモリ用Ｒ
ＡＭ５に格納された教示データに従ってロボットの各軸
に対し移動指令を出力し、軸制御内のデジタルシグナル
プロセッサはこの移動指令を受けて基本周期毎に位置、
速度、トルク制御を行い、各軸のサーアンブ１２にトル
ク指令を出力し、各軸のサーボモータを駆動することと
なるが、位置制御に関しては従来と同様の処理が行われ
る。即ち、メインＣＰＵ１から指令された当該軸の指令
位置と当該軸のサーボモータに取付けられた速度検出器
からの該サーボモータの実速度ｙを積分して得られる現
在位置との差である位置偏差値から位置制御処理を行い
、速度指令値Ｕを得る。こうして得られた速度指令値Ｕ
に対し、軸制御器２内のデジタルシグナルプロセッサは
第４図のフローチャートで示す処理を行う。

まず、速度指令値Ｕが予め設定されているフィードフオ
アード項の比例ゲインに３を切換えるための基準値ＵＳ
より大きいか否か判断し、大きければ、該比例ゲインに
３を予め設定されたαの値に切換え、小さければβの値
に切換える（ステップ３２．８３）。即ち、速度指令値
Ｕが基準値ＵＳより大きく、サーボモータの速度が早い
場合には、前述したように粘性摩擦項Ａの値が小さいの
で、比例ゲインに３の値を「０」または小さな値α（Ｋ
３−α＝Ａ／Ｋｔ）にする。また、速度指令値Ｕが・基
準値ＵＳより小さく低速であるときは、粘性摩擦環Ａが
大きいから比例ゲインに３の値を大きな値βに切換える
。なお、α、βの値は、高速時、低速時の粘性摩擦環Ａ
の値とトルク定数Ｋｔより求め、プログラム化または軸
制御器２内のメモリに設定しておく。

次に、プロセッサは速度指令値Ｕからサーボモータの実
速度ｙを減じた値に積分ゲインに１を乗じた値をアキュ
ムレータＢに加算する（ステップ８４）。即ち、第１図
における積分値２０の処理を行い、次に、速度指令値Ｕ
から実速度ｙを減じた値に比例ゲインに２を乗じた値Ｃ
を求め（ステップ５５）（第１図における比例項２１の
処理）、速度指令値Ｕにαまたβに設定されたフィード
フォアードの比例項２３のゲインに３を乗じた１ｉＩＤ
を求め（ステップ５６）（第１図におけるフィードフォ
アードの比例項２３の処理）、速度指令値Ｕから前周期
の速度指令値Ｕ′を減じた値にフィードフォアードの微
分項２４のゲインに４　（このゲインに４＝Ｊ／Ｋｔも
予め求められ、プログラム化またはメモリに記憶してお
く）を乗じた値Ｅを求め（ステップ５７）（第１図にお
けるフィードフォアードの微分項２４の処理）、アキュ
ムレータＢの値とステップ８５〜Ｓ７で求められた各位
Ｃ，Ｄ、Ｅを加算してトルク指令値ＴｑＣを求め、該ト
ルク指令値ＴＱＣを出力し、サーボモータを駆動する（
ステップ８８）。次に、当該周期の速度指令値Ｕをレジ
スタに格納し、次周期におけるステップＳ７で使用する
前周期の速度指令値Ｕ′として記憶する（ステップ８９
）。

以上の処理をデジタルシグナルプロセッサは基本周期毎
行いサーボモータを駆動する。

その結果、低速時においては、フィードフォアードの比
例項２３の比例ゲインに３が大きな値βに設定され、静
１１１１１による大きな値になる粘性摩擦環Ａの影響が
補償され、また、フィードフォアードの微分項２４によ
ってイナーシャＪが補償されて、速度指令値Ｕから実速
度ｙへの伝達関数ｙ／ｕは前述のように略「１」となり
動作の遅れは改善される。

また、高速時においては、粘性摩擦環Ａの値は低下する
が、比例ゲインに３がｒＯＪまたは小さな値αに設定さ
れるから、伝達関数Ｖ／ｕは同様に略「１」となり、動
作のオーバーシュートを防止し、最適な動作制御を行う
ことができる。

本発明においては、以上のような速度制御を行うため、
速度指令値Ｕから実速度ｙへの伝達関数は略「１」に近
似され遅れが減る結果、特に低速時において生じた遅れ
を補償し、教示した軌跡からのロボット軌跡のずれは小
さ（なる。

発明の効果 本発明は、ソフトウェアサーボにおける速度制御におい
てフィードフォアード制御を行い、速度指令が出力され
た瞬間からトルクを出力して速度制御ループ内の積分項
による遅れを補償し、特に、静摩擦による低速時の動作
遅れをなくし所望する動作が得られる。その結果、ロボ
ットの制御においては低速時でも遅れが少ないので、軌
跡の教示軌跡からのずれが少なく、正確なロボット動作
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の作用、原理を説明する本発明の速度制
御ループのブロック線図、第２図は従来の速度制御ルー
プのブロック線図、第３図は本発明を実施するロボット
制御装置の要部ブロック図、第４図は本発明の一実施例
における速度制御処理のフローチャートである。 ２０・・・積分項、２１・・・比例項、２２・・・サー
ボモータのモデル、２３・・・フィードフォアード制御
の比例項、２４・・・フィードフオアード制園の微分項
。 第 図 第

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　速度指令値とサーボモータの実速度との差である速度
   偏差よりトルク指令値を求めるソフトウェアサーボにお
   ける速度制御ループにおいて、速度指令値に比例し出力
   する比例項と速度指令値を微分して出力する微分項を設
   け、上記比例項及び微分項の出力を上記トルク指令値に
   加算するフィードフォアード制御を行い、上記微分項の
   微分ゲインはサーボモータのイナーシャをトルク定数で
   除した値に略等しくし、上記比例項の比例ゲインを低速
   時には大きく、高速時にはゼロまたは小さな値にして摩
   擦による遅れを補償したソフトウェアサーボにおける静
   摩擦補償方法。