JPH04302309A - サーボ制御装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は機械系の慣性モーメント
が変化しても慣性モーメント同定機能により常に最適な
制御系を維持できるサーボ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のサーボ制御装置は、機械系の慣性
モーメントを一定と仮定し、チューニングしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のように機械
系の慣性モーメントを一定と仮定した場合、慣性負荷が
取替えられた時には、再び現場調整しなければならず、
多くの時間と労力を要するという問題があった。

【０００４】本発明は上記従来の欠点に鑑みてなされた
もので、機械系の慣性負荷が取替えられても、その慣性
モーメントを同定し、その値に最適なフィードフォワー
ド制御とフィードバック制御及び外乱補償を自動的に行
ない得るサーボ制御装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、速度信号の目
標値（ωｒ　）及び実測値（ω）を入力しフィードバッ
ク信号（ＵＦＢ）をサーボ装置へ出力するフィードバッ
ク制御部と、加速度信号の目標値（ωｒ　′）を入力し
、フィードフォワード信号（τｒ　）をサーボ装置へ出
力するフィードフォワード制御部と、サーボ装置の入力
値（ｕ）及び速度信号に実測値（ω）を入力して外乱補
償信号（ｄａ　）をサーボ装置へ出力する外乱補償部と
を有するサーボ制御装置において、外乱補償信号（ｄａ
　）及び近似加速度（φ１　′：ωの微分値）に基づい
てサーボ装置の慣性モーメント（Ｊ）を同定する慣性モ
ーメント同定部を設け、この慣性モーメント同定部の出
力を、上記フィードバック制御部、フィードフォワード
制御部、外乱補償部へパラメータとして出力するように
構成したことを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】上記の構成とすることにより、機械の慣性変動
が起きても、慣性モーメント同定部から出力される慣性
モーメントの同定値をもとに、フィードフォワード制御
部、フィードバック制御部、外乱補償部で新しい制御パ
ラメータのセットが行なわれ、常に負荷に最適な制御系
が維持される。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
具体的に説明する。

【０００８】本発明に係るサーボ制御装置は、図１に示
すように速度信号の目標値１（ωｒ）及び実測値１２（
ω）を入力し、フィードバック信号１１（ＵＦＢ）を機
械負荷（サーボ装置）１５へ出力するフィードバック制
御部８、加速度信号の目標値２（ωｒ　′）を入力し、
フィードフォワード信号（トルク指令）１０（τｒ　）
を機械負荷１５へ出力するフィードフォワード制御部７
、機械負荷１５の入力値１４（ｕ）及び速度信号の実測
値（角速度）１２（ω）を入力して外乱補償信号４（ｄ
ａ　）を機械負荷１５へ出力する外乱補償部９とを設け
ると共に、外乱補償信号４（ｄａ　）及び近似加速度５
（φ１　′：ωの微分値）を入力し、機械負荷１５の慣
性モーメント（Ｊ）を同定してフィードバック制御部８
、フィードフォワード制御部７、外乱補償部９へパラメ
ータとして出力する慣性モーメント同定部３を設けてい
る。なお、フィードフォワード制御部７から出力される
フィードフォワード信号１０（τｒ　）、フィードバッ
ク制御部８から出力されるフィードバック信号１１（Ｕ
ＦＢ）及び外乱補償部９から出力される外乱補償信号４
（ｄａ　）は加減算器１３に入力し、フィードフォワー
ド信号１０（τｒ　）とフィードバック信号１１（ＵＦ
Ｂ）とを加算すると共に外乱補償信号４（ｄａ　）を減
算し、その演算結果を発生トルク１４（ｕ）として機械
負荷１５及び外乱補償部９に入力する。次に上記実施例
の動作を説明する。外乱補償部９、慣性モーメント同定
部３、フィードフォワード制御部７、フィードバック制
御部８の順に説明する。 〈外乱補償部９〉

【０００９】外乱補償部９の役割は、サーボ系に働く未
知のトルク外乱を推定し、これをフィードバックしてト
ルク外乱をキャンセルするものである。このためには外
乱オブザーバが利用できる。外乱オブザーバは以下の手
順で求められる。サーボ系の運動方程式を（１）式（回
転系の場合）に示す。 　　　　Ｊω′＝ｕ＋ｄ−Ｄω　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
…（１）但し、Ｊ：慣性モーメント、ω：角速度、Ｄ：
粘性抵抗、ｕ：発生トルク、　　　　ｄ：外乱トルクま
た、直線系では（２）式になる。 　　　　ＭＶ′＝Ｆ＋Ｒ−ＤＶ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
…（２）但し、Ｍ：質量、Ｖ：速度、Ｆ：発生力、Ｒ：
外乱力回転系、直線系のどちらも同じ形の式になってお
り、以後の説明はすべてどちらを採用しても成立するた
め、回転系を例にとって説明する。外乱ｄのみを推定す
るオブザーバは推定に要する時定数をＴｏ　とすると、
以下のラプラス変換式で表わされる。 　　　　ｄａ　（ｓ）＝（Ｊａ　ｓ＋Ｄａ　）ω（ｓ）
／（Ｔｏ　ｓ＋１）　　　　　　　　　　　　　　　　
−ｕ（ｓ）／（Ｔｏ　ｓ＋１）　　　　　　　　　　　
　　　　　　　…（３）但し、ｄａ　：外乱推定値、 Ｊａ　：オブザーバモデルの慣性モーメント値Ｄａ　：
オブザーバモデルの粘性抵抗値

【００１０】ここで正確
に外乱を求めるためには「Ｊ＝Ｊａ　」でなければなら
ない。外乱補償部９は、図２に示すように構成されてお
り、角速度１２（ω）と発生トルク１４（ｕ）から外乱
補償信号（推定外乱）４（ｄａ　）及び近似加速度信号
５（φ１′）を出力する機能を有する。 〈慣性モーメント同定部３〉外乱には一定の負荷が加わ
るものやクーロン摩擦のように速度の向きに応じて力の
方向が変わるものがある。外乱ｄは（４）式のようにな
る。 　　　　ｄ＝−Ｄω−ｄｃ　−Ｔｃ　ｓｉｇｎ（ω）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（
４）但し、ｄｃ　：定常外乱、Ｔｃ　：クーロン摩擦の
大きさこのときの制御対象（機械負荷１５）の構成図を
図３に示す。また、オブザーバモデルと実際の慣性モー
メントとの誤差をδＪとして 　　　　δＪ＝Ｊ−Ｊａ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（５）と定義する。このとき、誤差δＪによ
る影響も外乱とみなすと制御対象の構成図は図４のよう
に表わされ、等価外乱として（６）式が成立する。 　　　　ｄ＝−ｄｃ　−Ｔｃ　ｓｉｇｎ（ω）−Ｄω−
δＪω′　　　　　　　　　　　　　　…（６）外乱推
定値は、（６）式に対して１次遅れで出力されるため 　　　　ｄａ　＝（−ｄｃ　Ｔｃ　ｓｉｇｎ（ω）−Ｄ
ω−δＪω′）／（Ｔｏ　ｓ＋１）　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　…（７）となる。（７）式より、外乱推定値に慣性モ
ーメントの誤差δＪが含まれることがわかる。これを利
用して誤差δＪを求めることができれば Ｊａ　←Ｊａ　＋δＪ とすることでオブザーバモデルの慣性モーメントは同定
できたことになる。以下、誤差δＪの求め方を示す。新
たな信号としてφ１　（ｔ）、φ２　（ｔ）を定義する
。

【００１１】

【数１】 上記（８）式、（９）式より（７）式は　　　　ｄａ　
＝−Ｄφ１　（ｔ）−δＪφ１　′（ｔ）−φ２　（ｔ
）　　　　　　　　　　＋ｄａｏ　ｅｘｐ（−ｔ／ｔｏ
　）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　…（１０）但し、ｄａｏ：外乱推定初期値 ある時間区間［ｔ１　、ｔ２　］で（１０）の両辺にφ
１　′をかけて積分すると

【００１２】

【数２】 ここで目標値が周期関数であるから結果的にφ１　は周
期関数となる。また、正転時か逆転時かによってφ１　
は正または負のどちらかになる。このとき 　　　　φ１　＞０　　または　　φ１　＜０　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　…（１２）　　　　φ１　（ｔ＋ｎＴ）＝φ１　（ｔ
＋（ｎ＋１）Ｔ）　　　　　　　　　　　　　　…（１
３）但し、（ｎ＝０，１，２，…） が成り立つ。このときｔ１　＝ｔ＋ｎＴ、ｔ２　＝ｔ＋
（ｎ＋１）Ｔとすると

【００１３】

【数３】 また　　（１２）式により 　　　　φ２　＝−ｄｃ　−Ｔｃ　：φ１　＞０　　　
　φ２　＝　　ｄｃ　＋Ｔｃ　：φ１　＜０　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（
１６）となる。よって、

【００１４】

【数４】 このようにφ１　（ｔ）が（１２）式、（１３）式を満
たすときは（１５）式、（１７）式の区間直交性を利用
して誤差δＪが求められる。また、（１１）式、（１５
）式、（１７）式より

【００１５】

【数５】 上式よりｔ→∞でｅｘｐ　（−ｔ／ｔｏ　）→０より、
実用的にｔ》Ｔｏ　では

【００１６】

【数６】 となる。そして、「Ｊａ　←Ｊａ　＋δＪ」として同定
が完了する。上記慣性モーメント同定部３の構成を図５
に示す。 〈フィードフォワード制御部７〉

【００１７】フィードフォワード制御部７は、図６に示
すように構成されており、加速度信号の目標値２（ωｒ
　′）及び慣性モーメント同定部３からの慣性モーメン
ト同定値６（Ｊａ　）により、（２０）式に示すフィー
ドフォワード信号（トルク指令）１０（τｒ　）を出力
する。 　　　　τｒ　＝Ｊａ　ωｒ　′　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　…（２０）これにより、慣性モーメント同定
値が常にセットされ、フィードフォワード量が最適に調
整される。 〈フィードバック制御部８〉フィードバック制御部８に
おけるフィードバックゲインは、慣性モーメント同定値
６（Ｊａ　）に基づいて計算される。制御系の目標特性
を速度制御系で考え、 　　　　Ｇ（ｓ）＝ωｃ　／（ｓ＋ωｃ　）　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（
２１）とする。ここでωｃ　は制御帯域を表わす。制御
帯域ωｃ　を慣性変動に係なく一定に保つために速度制
御ゲインＫｖ　を慣性モーメント同定値６（Ｊａ　）に
基づいて変更する。制御系の特性は、フィードバック制
御部８が図７のように構成されているとき（これはフィ
ードバックのみ従来方式）、 　　　　Ｇ（ｓ）＝（Ｋｖ　／Ｊ）／（ｓ＋Ｋｖ　／Ｊ
）　　　　　　　　　　　　　　　　…（２２）より 　　　　Ｋｖ　＝Ｊａ　ωｃ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　…（２３）として計算される。これにより
常に特性は一定となる。 この他に、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御にすることも可能であ
り、上記は一例を示したものである。

【００１８】更に、本発明の具体的な動作について説明
する。ここでは、例として速度制御系を取り上げる。位
置制御系は更にもう１つ外側に位置制御系を付加すれば
よく、この速度制御系は何れにしても必要となる。図１
において、速度信号の目標値１（ωｒ　）及び加速度信
号の目標値２（ωｒ　′）が与えられると、外乱補償部
９から図５に詳細を示す慣性モーメント同定部３に外乱
補償信号４（ｄａ　）及び近似加速度５（φ１　′）が
入力される。

【００１９】慣性モーメント同定部３では、まず、外乱
補償信号４（ｄａ　）と近似加速度５（φ１　′）が乗
算されてその値が積分されてＷａ　になる。また、近似
加速度５（φ１　′）は、２乗された後、その値が積分
されてＷｂ　になる。

【００２０】誤差δＪは、Ｗａ　／Ｗｂ　で求められ、
「Ｊａ　←Ｊａ　＋δＪ」によりＪａ　が更新され、慣
性モーメント同定値６（Ｊａ　）として出力される。こ
の慣性モーメント同定値６（Ｊａ　）は、フィードフォ
ワード制御部７、フィードバック制御部８、外乱補償部
９に入力される。

【００２１】フィードフォワード制御部７は、図６に内
部演算を示すが、加速度信号の目標値２（ωｒ　′）を
入力し、慣性モーメント同定部３からの慣性モーメント
同定値６（Ｊａ　）を乗じてその出力をフィードフォワ
ード信号１０（τｒ　）として出力する。

【００２２】フィードバック制御部８では、図７に示す
ような内部演算が行なわれる。速度信号の目標値１（ω
ｒ　）と実測値（角速度）１２（ω）が入力され、偏差
が「ωｒ　−ω」により計算される。この偏差は補償器
Ｇｃ　（ｓ）に入力されて制御量がフィードバック信号
１１（ＵＦＢ）として出力される。ここでＧｃ　（ｓ）
内のパラメータは、慣性モーメント同定値６（Ｊａ　）
の大きさに応じて決められる。これらは設計者が任意に
機械の特性や制御仕様によって決定する。一例として速
度制御ゲインＫｖ　のみを変化させるとき、上記（２３
）式で演算される。外乱補償部９は、図２に示すように
、慣性モーメント同定値６（Ｊａ　）が利用される。

【００２３】そして、加減算器１３において、フィード
フォワード信号１０（τｒ　）とフィードバック信号１
１（ＵＦＢ）が加算され、更に外乱補償信号４（ｄａ　
）が演算されて発生トルク１４（ｕ）として出力される
。機械負荷１５は図３で表わされ、実測値（角速度）１
２（ω）が出力される。このように機械負荷が変化して
も、慣性モーメント同定部３により、その慣性モーメン
トが計算されて慣性モーメント同定値６（Ｊａ　）とし
て出力され、それを基にしてフィードフォワード制御部
７、フィードバック制御部８、外乱補償部９が調整され
るため、常に最適な制御系を維持できる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、機
械の慣性変動が起きても、慣性モーメント同定部により
、その変動分を計算して慣性モーメントの値を同定し、
また、その値に対応してフィードフォワード制御部、フ
ィードバック制御部、外乱補償部の制御パラメータを更
新して慣性モーメントの大きさに最適に調整するように
したので、機械の慣性変動を生じた場合でも常に最適な
制御系を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るサーボ制御装置の構成
図。

【図２】図１に於ける外乱補償部の構成図。

【図３】図１に於ける機械負荷の構成図。

【図４】図１に於ける等価外乱の構成図。

【図５】図１に於ける慣性モーメント同定部の構成図。

【図６】図１に於けるフィードフォワード制御部の構成
図。

【図７】図１に於けるフィードバック制御部の構成図。

【図８】従来の速度サーボ制御装置を示す構成図。

【符号の説明】

１（ωｒ　）…速度信号の目標値、２（ωｒ　′）…加
速度信号の目標値、３…慣性モーメント同定部、４（ｄ
ａ　）…外乱補償信号、５（φ１′）…近似加速度、６
（Ｊａ　）…慣性モーメント同定値、７…フィードフォ
ワード制御部、８…フィードバック制御部、９…外乱補
償部、１０（τｒ）…フィードフォワード信号、１１（
ＵＦＢ）…フィードバック信号、１２（ω）…実測値（
角速度）、１３…加減算器、１４（ｕ）…発生トルク、
１５…機械負荷。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　速度信号の目標値（ωｒ　）及び実測
   値（ω）を入力しフィードバック信号（ＵＦＢ）をサー
   ボ装置へ出力するフィードバック制御部と、加速度信号
   の目標値（ωｒ　′）を入力し、フィードフォワード信
   号（τｒ　）をサーボ装置へ出力するフィードフォワー
   ド制御部と、サーボ装置の入力値（ｕ）及び速度信号の
   実測値（ω）を入力して外乱補償信号（ｄａ　）をサー
   ボ装置へ出力する外乱補償部とを有するサーボ制御装置
   において、外乱補償信号（ｄａ　）及び近似加速度（φ
   １　′：ωの微分値）を入力し、サーボ装置の慣性モー
   メント（Ｊ）を同定してフィードバック制御部、フィー
   ドフォワード制御部、外乱補償部へパラメータとして出
   力する慣性モーメント同定部を備えたことを特徴とする
   サーボ制御装置。