JPH03107383A - 電動機のデイジタル式位置サーボ装置 - 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〕 本発明は電動機の制御装置に係り、特に摩擦トルクの影
響により起動時あるいは運動方向反転時に起こる応答遅
れを改善するに好適な電動機のディジタル式位置サーボ
装置に関する。

〔従来の技術〕

電動機の制御装置においては、駆動される機械可動部の
摩擦トルクの影響により、起動時あるいは回転方向反転
時において応答遅れを生ずる。つまり、起動あるいは回
転方向反転指令が出力されてから、電動機が機械可動部
の摩擦トルクを超えるトルクを出力した時点で、初めて
電動機が回転し始めるため、この間の時間が応答遅れと
なる。

特に、産業用ロボット、数値制御工作機などのように、
その先端の軌跡が問題となる対象においては、この応答
遅れが軌跡精度を悪化させる原因となる。この応答遅れ
は、アナログ制御方式ではその応答性の速さから比較的
大きな問題とはならないが、サンプリング制御を行うデ
ィジタル制御方式では大きな問題となる。このような問
題をディジタル制御で解決する方法としては、特開昭６
１−１５０６８９号に記載されているように、速度制御
回路がＰＩ（比例積分）制御方式あるいは、Ｉ−Ｐ（積
分−比例）制御方式などの場合において、方向反転信号
入力時における電流指令値を決定している値が、摩擦ト
ルクに相当した値であることとして、更に、この値が上
記ＰＩ制御方式あるいは、Ｉ−Ｐ制御方式のうちの積分
項の値であることを利用し、上記方向反転信号入力時に
上記積分項の値を、絶対値は等しく符号を反転するよう
にしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、回転方向反転信号入力時点における
電流指令値を決定している値が、電動機及び機械可動部
の摩擦トルクであることとして、その時点の電流指令値
を支配している積分項の符号を反転としていたが、例え
ば産業用ロボットのアームに加わる電力トルクのように
、停止時近傍においても外力が加わるような場合につい
て配慮されていなかった。つまり５重力トルクが摩擦ト
ルクより大きい時に、回転方向反転信号により積分項の
符号を反転させた場合、重力トルク分までも反転してし
まい産業用ロボットのアームが落下するという問題があ
った。

本発明の目的は、重力トルクのように定常的に外力を受
ける構造を持つ機械系の可動部に摩擦トルクを有する場
合においても、起動あるいは回転方向反転時の電動機の
応答遅れを補償して制御性能を高めることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、位置制御手段の出力である
速度指令値を入力とし電流指令値に至るフィードフォワ
ード補償を設け、このフィードフォワード補償量と速度
制御手段の出力量を加え合せた量を電流指令値としたも
のである。

更に、上記フィードフォワード補償を設けたことによる
速度制御系への悪影響を無くすためには、フィードフォ
ワード補償量に対してリミッタを設けるようにしたもの
である。

〔作用〕

速度制御系（速度偏差により補償演算する）が例えばＰ
Ｉ補償で構成された電動機制御系で機械系を駆動した場
合、特にサンプリング制御を行うディジタル方式では、
起動あるいは方向反転時に機械系の有する摩擦トルクよ
り大きな電流（トルク）指令を出力するまでに時間がか
かり応答遅れが著しくなる（アナログ方式では連応性が
良くディジタル方式はど問題は大きくない）。そこで、
速度指令値を入力とするフィードフォワード補償を設け
、その出力値を速度制御系の出力値と加算し電流指令値
とすることで、起動時あるいは方向反転時においても、
速度指令値が出力されることにより機械系の摩擦トルク
を補う操作量を、速度制御系とは別に出力できるため、
応答遅れを改善し制御性能を向上させることができる。

また、上記フィードフォワード補償に比例補償を用いた
場合には、速度指令値がある値（フィードフォワードゲ
インに依存する）以上になるとフィードフォワード補償
量が飽和を起こし、このような状況下では、駆動する機
械系に加わる負荷条件（例えば重力方向に高速移動する
）によっては、速度制御系自体も飽和することが起き、
電流指令値が一定値に固定されるため電動機を安定に制
御することができなくなる。そこで、フィードフォワー
ド補償量にリミッタを設けることにより（リミッタの値
は摩擦トルクを補償する程度で、速度制御系のリミット
値より小さい値）、速度制御系の飽和を防ぎ、通常運転
状態においても安定に制御することができる。

〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は直流電動機の位置サーボ装置にマイクロコンピュー
タを用いて本発明を適用した例である。マイコン１は、
位置制御系と速度制御系をソフトウェア的に構成してい
る。位置制御処理部２は、外部から与えられる位置指令
値θ、と、位置検出処理部１２により検出演算された位
置検出値θｄとを用いて、速度制御処理部４及びフィー
ドフォワード処理部３に対して速度指令値Ｎ、を演算す
る。通常この演算は下式で行われる。

Ｎ、（＋）＝Ｋｐ（ｏｒ（１）−〇、（、））−・・（
１）但し、Ｋ、は定数 ｉは位置制御のサンプリング時点 フィードフォワード処理部３は、速度指令値Ｎ、のみを
用いてフィードフォワード電流値１ｉｔを演算する。ま
た、速度制御処理部４は、速度指令値Ｎ、と、速度検出
処理部１１により検出演算された速度検出値Ｎａとを用
いて速度補償演算を行い、電流指令値Ｉａｓを算出する
。この電流指令値ＩａＳとフィードフォワード電流値Ｉ
ｉｌを加算器５により加えた値工、を電流制御回路６へ
の電流指令値として出力する。電流制御回路６はパワー
変換器を含み、電動機８に流れる電流を電流検出器７に
より検出し、電流指令値工、と等しい電流が電動機８に
流れるように制御することで、外部から与えられる位置
指令値θ、に従って電動機８を制御する。また、位置検
出処理部１２と速度検出処理部１１は、電動機８と機械
的に直結されたディジタル式検出器であるインクリメン
タルエンコーダ９の出力パルスを、アップダウンカウン
タ１０により計数した値により１位置検出値Ｏｒと速度
検出器Ｎ、を求める。

第２図に、第１図中のフィードフォワード処理部３と速
度制御処理部４の詳細を示す。本実施例では、フィード
フォワード処理部３には、Ｐ−Ｄ（比例−微分）補償、
速度制御処理はＰ−Ｉ（比例−積分）補償とし、各々の
サンプリング時点において下式の演算を行う。

フィードフォワード補償演算は、 但し、Ｋ　ＦＤ　、　Ｋ　ＦＰは定数 ｉは位置制御のサンプリング時点を示す。

また、速度制御演算は、 ・・・（３） 但し、Ｋｓｐ、　Ｋｓ＋は定数 ｊは速度制御のサンプリング時点を示す。

マイクロコンピュータ１が処理するフィードフォワード
演算は、まず、遅延演算子３１から得られる前サンプリ
ング時点の速度指令値Ｎｒ（１−１）から、加算器３２
により１サンプリング間の速度指令値Ｎ、の変化量ＤＮ
（＋）を算出し、微分ゲイン３３と乗算することで、フ
ィードフォワード微分項Ｉｚａ（＋）を算出する。また
、フィードフォワード比例項Ｉｚｐ（＋）は、速度指令
値Ｎ、と比例ゲイン３４の乗算結果を、リミッタ３５に
より処理した値とする。これら、微分項１１ｄ（＋）と
比例項Ｉ、ｐ（＋）を加算器３６により加えた値を、フ
ィードフォワード補償量１１□１（１）とする。次に、
速度制御処理４では、加算器４１により速度指令値Ｎ　
ｒ　（＋　）と速度検出値Ｎｄ（Ｊ）との差である速度
偏差εＮ（Ｊ）を求める。この速度偏差ｔＮ（＋）と比
例ゲイン４２の乗算結果を比例項ｌ５Ｐ（Ｊ）とし、ま
た、積分項■５ｉ（Ｊ）は速度偏差εＮ（Ｊ）、と積分
ゲイン４３の乗算結果と、遅延演算子４４より得られる
前サンプリング時点での積分項の値を加算器４５で加算
することにより得る。これら、比例項ｌ５ＰＩ）と積合
項ｌ５１（Ｊ）を加算器４６により加えた値を、速度制
御演算ａｓ（Ｊ）とする。

第３図に、マイクロコンピュータ１がソフトウェアで処
理する内容のフローチャートを示す。第３図では、速度
制御のサンプリング周期を決める１つの割込み処理にお
いて、サンプリング周期の異なる位置制御処理（ｉで示
す）と、速度制御処理（ｊで示す）を含んでいる。まず
、割込み処理の最初のステップ２００において、位置制
御周期を決めるカウンタｎを、位置制御周期と速度制御
周期の差Ｎｐ（Ｎｐは整数）と比較し、ｎ≠Ｎ、の時は
位置制御周期ではないため、ステップ２０１によりカウ
ンタｎをインクリメン１へして、ステップ２１１からの
速度制御処理に移る。もし、ステツブ２００でｎ　”　
Ｎ　ｐの時は位置制御周期をあられすため、ステップ２
０２からの位置制御処理を行う。まずステップ２０２で
は、次の位置制御周期を決めるためカウンタｎを１にセ
ットする。ステップ２０３では、位置偏差εＯを算出し
、ステップ２０４で位置制御ゲインＫｐ　との演算によ
り速度指令値Ｎｒを出力し、ステップ２０５からのフィ
ードフォワード演算に移る。ステップ２０５では、微分
補償のための１サンプリング間における速度指令値Ｎ、
の変化量を求め、ステップ２０６で微分ゲインＫＦＤと
の乗算により、フィードフォワード微分項Ｉｚａを算出
する。フィードフォワード比例項Ｉｚｐは、ステップ２
０７で比例ゲインＫＦＰと速度指令値Ｎ、により求め、
ステップ２０８でリミット値と比較し、もし、リミッタ
範囲内ならステップ２１０に移り、逆に、リミッタ範囲
外であれば、ステップ２０９でフィードフォワード比例
項Ｉ□Ｐをリミット値に設定し、ステップ２１０で比例
項Ｉ（Ｆと微分項Ｉｚｉを加えた値をフィードフォワー
ド補償量Ｉｚｎとする。ステップ２１１からは割込み周
期毎に実行する速度制御演算処理である。まず、速度偏
差εＮをステップ２１１で求め、この速度偏差εＮから
ステップ２１２で比例ゲインＫｓｐとの演算により比例
項１ｓｐを、次に、ステップ２１３で積分ゲインＫＳＩ
との演算により積分項Ｉｓ＋を得る。これらの比例項Ｉ
ｓｐと積分項Ｉｓ＋をステップ２１４で加えることによ
り速度側御量Ｉａｓを得て、ステップ２１５でブイ−１
−フォワード補償量Ｉｔｓとの加算値を電流指令値■、
とし、ステップ２１６で電流制御回路６に出力すること
で、本発明の内容が実現できる。

本実施例によれば、フィードフォワード補償項にリミッ
タを設けることにより、フィードフォワードゲインを高
くとることができるという効果がある。また、位置及び
速度制御系がソフトウェアで構成されているディジタル
式電動機制御系では、摩擦トルクを補償するフィードフ
ォワード補償を追加することは、ソフトウェアの変更だ
けで簡単に達成できること、また、位置制御と速度制御
の各々のサンプリング周期は、１つの割込み処理内で、
ソフトウェア的に決めであるためソフトウェア構成が簡
単であるとともに、サンプリング周期の比を決めるＮｐ
の値により簡単に位置制御と速度制御のサンプリング周
期比を変更できるという効果がある。

なお、本実施例ではディジタル制御方式について述べで
あるが、アナログ制御方式において本発明のフィードフ
ォワード補償を設けることで同様の効果を得ることは明
らかである。また、速度制御系がＰＩ補償の場合につい
て述べたが、速度制御系がＩ−Ｐ補償あるいは他の補償
要素についても同じである。更に、フィードフォワード
補償においても、Ｐ補償のみといった他の補償要素を用
いることも可能であり、また、本実施例ではＰ補償の出
力についてのみリミッタを設けであるが、フィードフォ
ワード補償の全体の出力に対してリミッタを設けること
もできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、速度制御系のみの時に生ずる機械可動
部の摩擦ｌ・ルクによる応答遅れを、速度指令値から電
流指令値を生成するフィードフォワード補償を設けるこ
とにより補償し、特に起動時および回転方向反転時にお
ける応答遅れを改善でき、制御性能を向上できる効果が
ある。

また、フィードフォワード補償内にリミッタを設けるこ
とで、制御系の飽和による不安定現象を避けることがで
き、高速運転時においても安定に制御できる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した一実施例の電動機制御装置の
全体構成図、第２図は第１図のフィードフォワード補償
と速度制御補償の詳細ブロック図、第３図は制御処理の
フローチャートである。 １・・・マイクロコンピュータ、２・・・位置制御処理
部、３・・・フィードフォワード処理部、４・・・速度
制御処第 １ 図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、位置指令値と位置検出値から位置補償演算を行い速
   度指令値を生成する位置制御手段と、前記速度指令値と
   速度検出値から速度補償演算を行い駆動系への操作量で
   ある電流指令値を生成する速度制御手段と、前記電流指
   令値に見合つた電流を出力し電動機を駆動する電流制御
   手段を備えた電動機のディジタル式位置サーボ装置にお
   いて前記速度指令値を入力として前記電流制御手段に対
   して操作量を与えるフイードフオワード補償手段を設け
   、前記速度制御手段の出力操作量と、前記フイードフオ
   ワード補償手段の出力操作量の加算値を、前記電流制御
   手段への電流指令値としたことを特徴とする電動機のデ
   ィジタル式位置サーボ装置。 ２、前記フイードフオワード補償手段の出力に、前記速
   度制御手段のリミット値よりも小さい値のリミッタを設
   けたことを特徴とする特許請求範囲第１項記載の電動機
   のディジタル式位置サーボ装置。