JPH06284763A - サーボモータの速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 負荷イナーシャが変動しても一定の動特性を
達成するサーボモータの速度制御装置を得る。 【構成】 トルクオブザーバは、負荷イナーシャＪｎと
サーボモータ電流値とサーボモータ回転速度とから負荷
トルクτＬを推定する。この推定値に基づき、動特性が
一定に保たれた速度制御が行われる。実際の負荷のイナ
ーシャＪが変化したとき、負荷イナーシャ推定器３０が
その変化を検出し、前記トルクオブザーバ内に設定され
ている負荷イナーシャＪｎを所定量だけ増加もしくは減
少させて更新する。したがって、負荷のイナーシャＪが
変化しても、トルクオブザーバは、正確な負荷トルクの
推定が行える。この結果、負荷イナーシャＪが変化して
も動特性が一定に保たれた速度制御装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＮＣ加工機やロボット
等のアクチュエータとして用いられるサーボモータの速
度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＮＣ加工機やロボット等のアクチ
ュエータとして用いられるサーボモータは、通常その速
度を一定にするために速度制御が行われている。

【０００３】フィードバック制御を用いての速度制御に
おいて、負荷トルクの変動によらず所望の応答を得るた
め、速度制御系にトルクオブザーバを付加することが行
われれている。

【０００４】このトルクオブザーバとは、制御装置で計
算されたモータの出力トルクとセンサからの駆動対象の
加速度とを用いて負荷のトルクを推定する装置である。
このトルクオブザーバの出力を速度制御の出力に加える
ことで負荷トルクの影響を相殺し、速度制御の応答をあ
る範囲で一定に保つことが可能である。

【０００５】このようなトルクオブザーバを用いた速度
制御のブロック図が図４に示されている。図４に示され
ているように、速度指令値ωｍｒとサーボモータの実際
の速度ωｍとの偏差が、速度制御部５０に供給される。
速度制御部５０は、上述した速度制御と同様に、偏差に
基づいてＰＩ制御により電流指令ｉｃｒを出力する。こ
の電流指令ｉｃｒと、後述するトルクオブザーバ５８が
算出する負荷トルク値ｉｌｒとの和が求められ、サーボ
モータに供給される。サーボモータの電流の伝達関数は
伝達関数５２により表され、上記電流の和ｉｒ（＝ｉｃ
ｒ＋ｉｌｒ）はこの伝達関数５２によりサーボモータに
実際に流れる電流ｉに変換される。この電流ｉによって
実際のサーボモータに発生するトルクτｍは、電流ｉに
トルク定数５４を乗じた値である。このτｍから負荷ト
ルクτＬを減算した値が機械系に加えられることによ
り、サーボモータの実際の速度が決定される。すなわ
ち、有効トルクτｅに機械系の伝達関数５６を適用する
ことにより実際のサーボモータ速度ωｍが得られる。

【０００６】トルクオブザーバ５８は、サーボモータ電
流ｉと、サーボモータ速度ωｍとから負荷トルクを推定
する。まず、サーボモータ電流ｉにトルク定数設定値５
８ａを適用することによりサーボモータトルクτｍの推
定値τｍｐを算出する。一方、サーボモータ速度ωｍ
に、機械系の逆伝達関数５８ｂを適用することにより有
効トルクτｅの推定値であるτｅｐを算出する。この逆
伝達関数５８ｂは、機械系の伝達関数５６の逆伝達関数
である。このようにして求めたτｍｐからτｅｐを減算
することにより負荷トルクの推定値τＬｐを算出する。

【０００７】トルクオブザーバ５８は通常デジタルシグ
ナルプロセッサ等により構成されるため、サンプリング
周期分の遅れが生じる。図５においては、このサンプリ
ング周期の遅れが一次遅れ要素５８ｃにより表されてい
る。なお、図５に示されているように、このようにして
求めたτＬｐは、トルク定数の設定値の逆数６０により
対応する電流値に変換されている。つまり、負荷トルク
を電流に換算した負荷トルク分電流ｉｌｒが計算され、
上述したようにこの負荷トルク分電流ｉｌｒと上記電流
指令ｉｃｒとの和がサーボモータの伝達関数５２に供給
される。

【０００８】このようにして、負荷トルクτＬの影響を
排除することが可能である。したがって等化的には図５
に示されているような単純な速度制御ブロックと同一の
速度制御が行える。

【０００９】図５は古典的なＰＩ制御による速度制御の
ブロック図である。図５に示されているように、上位コ
ントラーラからの速度指令値ωｍｒとモータの実際の速
度ωｍとの偏差が速度制御部７０に入力される。速度制
御部７０は、この偏差に基づきＰＩ制御により電流指令
ｉｃｒを出力する。この電流指令ｉｃｒはサーボモータ
の伝達関数７２によりサーボモータの実際の電流ｉに変
換される。この電流ｉによって、実際のサーボモータに
発生するトルクは、電流ｉにトルク定数７４を乗じた値
である。負荷の機械系にこの実際のトルクが加えられる
ことにより実際の速度が得られる。すなわち、実際のト
ルクは機械系の伝達関数７６によって実際の速度ωｍに
変換される。この速度ωｍは、速度センサによって検出
され、前述した速度指令値ωｍｒとの偏差を算出するの
に用いられる。

【００１０】図５から理解されるように、この場合の被
制御対象の応答特性は、速度制御ゲインＫ、負荷のイナ
ーシャの設定値Ｊｎによって一意に定まる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のサーボモータの
制御装置は以上のように構成されており、負荷トルクの
影響を排除することができた。しかしながら、実際に
は、負荷のイナーシャが大きく変動することがある。例
えば、ＮＣ加工機はさまざまなイナーシャを有する加工
対象物を加工しなければならないし、ロボットの扱う組
み立て対象物のイナーシャもさまざまである。このよう
に、上記トルクオブザーバ内の負荷イナーシャの設定値
Ｊｎに対し、実際の負荷イナーシャＪが変動する場合、
動特性に大きな変化が表れる。この様子が、図６に示さ
れている。図６は、伝達関数の極の変化を表すグラフで
あり、その横軸は実軸であり縦軸は虚軸である。図６に
示されているように、実際の負荷イナーシャＪが、設定
値Ｊｎに比べておよそ５倍以上になると動特性が大きく
変化してしまう。

【００１２】したがって、従来は負荷イナーシャの変動
によって、その動特性が大きく変動してしまうという問
題があった。

【００１３】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、負荷イナーシャが変動して
も一定の動特性を達成するサーボモータの制御装置を得
ることである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、サーボモータに印加される電流と、サーボ
モータの回転速度と、及びあらかじめ設定されている負
荷イナーシャの値とから、前記サーボモータに接続して
いる制御対象の負荷トルクを推定するトルクオブザーバ
を利用して前記サーボモータの速度制御を行うサーボモ
ータの制御装置において、前記トルクオブザーバの出力
する負荷トルクを監視し、前記サーボモータの回転速度
が一定である場合の負荷トルク値である定常負荷トルク
と、前記サーボモータの回転速度が変化している場合の
負荷トルク値である加速負荷トルクと、の前記２つの負
荷トルク値の差から実際の負荷イナーシャの値が、現在
前記トルクオブザーバに設定されている負荷イナーシャ
の値より大きいか否かを判断する負荷イナーシャ推定手
段、を備え、前記トルクオブザーバは、前記負荷イナー
シャ推定手段によって実際の負荷イナーシャの値が現在
設定されている負荷イナーシャの値より大きいと判断さ
れたならば、現在設定されている負荷イナーシャの値を
所定の値だけ増加させ、実際の負荷イナーシャの値が現
在設定されている負荷イナーシャの値より小さいと判断
されたならば、現在設定されている負荷イナーシャの値
を所定の値だけ減少させることにより、現在設定されて
いる負荷イナーシャの値を更新することを特徴とするサ
ーボモータの速度制御装置である。

【００１５】

【作用】本発明による負荷イナーシャ推定手段は、定常
負荷トルクと、加速負荷トルクとの差を算出し、その差
から実際の負荷イナーシャの値と、現在トルクオブザー
バに設定されている負荷イナーシャの値とを比較し、ど
ちらが大きいかを判断する。そして、実際の負荷イナー
シャのほうが大きければ、設定されている負荷イナーシ
ャの値を所定の量だけ増加させ、そうでなければ減少さ
せる。この処理を繰り返すことによりトルクオブザーバ
に設定されている負荷イナーシャは実際の負荷イナーシ
ャと等しくなる。

【００１６】

【実施例】まず負荷イナーシャの推定を行う原理につい
て説明する。従来の制御装置の構成ブロック図である図
４に示されているように、負荷トルクτＬは、次式で表
される。 τＬ＝Ｋｔｉ−Ｊｓωｍ−Ｄωｍ ・・・（１） ここで、Ｄは速度に比例する抵抗分であり、一般には粘
性抵抗がこれにあたる。また、図４に示されているトル
クオブザーバ５８はいわゆるＧｏｐｉｎａｔｈ手法を用
いた最小次元オブザーバであり、図４に示されているよ
うに、その推定される負荷トルクτＬｐは、次式で表さ
れる。 τＬｐ＝（１／（１＋ｓＴ））（Ｋｔｎｉ−Ｊｎｓωｍ−Ｄｎωｍ） ・・・（２） ここで、Ｋｔｎはトルクオブザーバ内のトルク定数の設
定値であり、Ｄｎは、トルクオブザーバ内の粘性抵抗の
設定値である。また、Ｔは上述したように、オブザーバ
の遅れ時間を表す。具体的には、トルクオブザーバのデ
ータのサンプリング周期を表す。

【００１７】トルク定数は、制御途中で変化しないと見
なせるので、Ｋｔ＝Ｋｔｎとする。また、粘性抵抗も変
化しないと見なせ、Ｄ＝Ｄｎとする。上記（１）（２）
式から次式が得られる。 τＬｐ＝（１／（１＋ｓＴ））（τＬ＋（Ｊ−Ｊｎ）ｓωｍ） ・・・（３） この（３）は、実際のトルクτＬと、推定値であるτＬ
ｐとの関係を表したものである。この（３）式から理解
されるように、イナーシャの設定値Ｊｎと、実際のイナ
ーシャの値Ｊとの間に０でない誤差ｄＪ（＝Ｊ−Ｊｎ）
があるとすると、ｄωｍ／ｄｔ≠０の場合に、その誤差
ｄＪに比例したトルクが推定値に加算されてトルクオブ
ザーバから出力されることになる。

【００１８】定常運転時の推定値をτＬｐａｖｅとす
る。また、速度の変化時にトルクオブザーバから出力さ
れる推定値τＬｐのτＬｐａｖｅからの偏差が最大とな
る推定値をτＬｐｍａｘとする。すると、それらの間の
偏差（τＬｐｍａｘ−τＬｐａｖｅ）の符号によって、
イナーシャの設定値と、実際の値との大小関係が認識さ
れる。

【００１９】例えば、ｄτＬｐ＞０の場合には、Ｊ＞Ｊ
ｎと判断し、現在の設定値Ｊｎを増加させてやり、ｄτ
Ｌｐ＜０の場合には、Ｊ＜Ｊｎと判断し、現在の設定値
Ｊｎを減少させる。このような操作をｄτＬｐ≠０であ
るあいだ、繰り返すことにより、Ｊ＝Ｊｎと設定するこ
とが可能である。

【００２０】以下、この発明の好適な一実施例を図に基
づいて説明する。

【００２１】図１は本実施例のサーボモータ制御装置を
表す構成ブロック図である。図１に示されているよう
に、本実施例において特徴的なことは、新たにイナーシ
ャ推定器３０が設けられていることであり、その他の構
成は図４に示された従来の速度制御装置と同一である。
すなわち、速度指令値ωｍｒと実際の速度ωｍとの偏差
が速度制御部１０に供給され、速度制御部１０は、電流
指令を出力する。この電流指令と、負荷トルク値との和
が伝達関数１２によって、サーボモータに発生する実際
の電流に変換される。この電流にトルク定数１４を乗ず
ることによりサーボモータに発生するトルクが得られ
る。そして、発生するトルクから負荷トルクτＬを減算
したトルクが機械系に印加され、その結果（機械系の伝
達関数１６により）、サーボモータの実際の速度ωｍが
決定される。

【００２２】トルクオブザーバは、トルク定数設定値１
８、機械系の逆伝達関数２０及び一次遅れ要素２２とか
ら構成され、それぞれの動作は従来の速度制御装置と同
一である。

【００２３】本実施例において特徴的な構成であるイナ
ーシャ推定器３０は、イナーシャ推定開始終了信号発生
器３０ａと、負荷トルク推定値特徴検出手段３０ｂとイ
ナーシャ設定値変更手段３０ｃとから構成される。イナ
ーシャ推定開始終了信号発生器３０ａは、速度指令値ω
ｍｒを監視しており、速度指令値ωｍｒの変化（例えば
１０００ｒｐｍから２０００ｒｐｍ）によってイナーシ
ャの推定の開始信号を発生する。負荷トルク推定値特徴
検出手段３０ｂは、トルクオブザーバにより推定された
負荷トルクτＬｐの変化を監視しており、その最大偏差
の符号（正か負か）を出力する検出手段である。イナー
シャ設定値変更手段３０は、この符号によって、機械系
の逆伝達関数２０内のイナーシャ設定値を変更する。

【００２４】以下、フローチャートを用いて本実施例の
詳細な動作を説明する。図２に本実施例の動作を表す第
一フローチャートが示されている。

【００２５】図２においては、まずトルクオブザーバが
定常時に出力する負荷トルク推定値τＬｐの平均値を算
出する。そのため、ステップＳ２−１においては、平均
をとる回数を計数するループ変数Ｎを「０」に初期化す
る。

【００２６】ステップＳ２−２においては、Ｎが奇数か
偶数かが判断され、偶数であればステップＳ２−３に、
奇数であればステップＳ２−４にそれぞれ移行する。

【００２７】ステップＳ２−３においては、サーボモー
タのコギング周期の角度φｃの偶数倍の位置でトルクオ
ブザーバ出力を検出するために、サーボモータの回転位
置が所定の位置になるのを待つ。一方、ステップＳ２−
４においては、コギング周期の角度φｃの奇数倍の位置
でオブザーバ出力を検出するために、サーボモータの回
転位置が所定の位置になるのを待つ。このように奇数位
置と偶数位置とのそれぞれの位置でトルクを求めたの
は、ＡＣサーボモータにおけるコギングノイズを排除す
るためである。

【００２８】ステップＳ２−５においては、速度指令が
変化されて、ステップＳ２−６においては、トルクオブ
ザーバの出力が記憶される。この記憶は、負荷トルク推
定値特徴検出器３０ｂにおいて行われる。

【００２９】ステップＳ２−７においては、速度指令が
元に戻される。

【００３０】ステップＳ２−８においては、ループ変数
Ｎが、Ｎ0 であるか否かが検査される。Ｎ0 であるなら
ば、定常運転時の平均値が求めるのに十分なデータが揃
ったと見なし、ステップＳ２−１０に移行し、さもなく
ば、ステップＳ２−９に移行する。

【００３１】ステップＳ２−９においては、Ｎがインク
リメントされ、ステップＳ２−２に移行し、上述した処
理が繰り返される。

【００３２】ステップＳ２−１０においては、以上のよ
うにして求められたデータを基にしてその平均値が算出
される。これによって、トルクオブザーバが、定常運転
時に出力する負荷トルクτＬｐの平均値が求められる。
この平均値をτＬｐａｖｅと呼ぶ。

【００３３】次に、速度指令値ωｍｒが変化したことを
イナーシャ推定開始終了信号発生器３０ａが検出する
と、負荷トルク推定値特徴検出手段３０ｂはトルクオブ
ザーバが出力する負荷トルクの推定値τＬｐをサンプリ
ングし、記憶する。そして、図３のステップＳ３−１に
おいて一定の個数のサンプリング値が得られたならば、
その中で定常値からの偏差の最も大きな値を求める。こ
れをτＬｐｍａｘと呼ぶ。

【００３４】次に、ステップＳ３−３において、この最
大値τＬｐｍａｘと、上記定常値τＬｐａｖｅとの偏差
を計算する。すなわち、ｄτＬｐ＝τＬｐｍａｘ−τＬ
ｐａｖｅを計算する。

【００３５】本実施例においては、このように定常値か
らの偏差の最も大きい値と、定常値との偏差が求められ
ている。これは、なるべく大きな偏差を求め、誤差を小
さくするためである。通常、機械系の制御装置において
は、ＡＣサーボモータのコギングノイズをはじめ非線形
な粘性等、雑音が大きいためなるべく測定値の絶対値の
大きな測定値を用いる必要がある。

【００３６】ステップＳ３−４において、ｄτＬｐが
「０」であるか否かが検査される。その結果、ｄτＬｐ
＝０であれば、ステップＳ３−５に移行し、トルクオブ
ザーバ内のイナーシャの設定値の変更は行われない。一
方、ｄτＬｐ≠０であれば、ステップＳ３−６に移行
し、ｄτＬｐが正であるか負であるかが検査される。ス
テップＳ３−６にて、ｄτＬｐが正であると判断された
ならばステップＳ３−７に移行し、ｄτＬｐが負である
と判断されたならばステップＳ３−８に移行する。ステ
ップＳ３−７においては、トルクオブザーバ内のイナー
シャの設定値Ｊｎが所定のステップ量だけ減少される。

【００３７】ステップＳ３−８においては、トルクオブ
ザーバ内のイナーシャの設定値Ｊｎが所定のステップ量
だけ増加される。

【００３８】以上のような処理をすることによってトル
クオブザーバ内のイナーシャの設定値が更新される。本
実施例においては、ｄτＬｐの正負によって、所定のス
テップ分だけイナーシャの設定値を更新したので、上記
の処理を何回か繰り返すことによりいずれｄτＬｐ＝０
とすることが可能である。なお、本実施例におけるサー
ボモータの速度制御装置は、デジタルシグナルプロセッ
サ及びそのプログラムにより構成されている。すなわ
ち、トルクオブザーバや、イナーシャ推定器はそれぞれ
対応するプログラムのルーチンによって実現されてい
る。

【００３９】以上述べたように、本実施例によれば、ト
ルクオブザーバから出力される負荷トルクの推定値τＬ
ｐの定常値からの変化を検出することにより、負荷イナ
ーシャの推定を行うことが可能である。したがって、負
荷が変化したそれに基づき、トルクオブザーバ内に設定
されている負荷イナーシャの設定値が更新される。した
がって、サーボモータが駆動する負荷のイナーシャが変
化した場合でも、制御系の動特性を一定に保つことが可
能である。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、実
際の負荷イナーシャの値を推定し、トルクオブザーバに
現在設定されている値との比較を行い、その比較結果に
基づいて、負荷イナーシャの設定値を所定の値だけ増加
もしくは減少させたので、実際の負荷イナーシャの値に
基づき負荷トルクの推定を行うのでより正確に動特性を
一定のものとできるサーボモータの制御装置が得られる
という効果を有する。また、本発明によれば、負荷イナ
ーシャの更新は常に所定の値だけ行われるので、外部か
らの雑音に強いという効果を有する。更に、更新の演算
が容易であるため、デジタルシグナルプロセッサやマイ
クロプロセッサ等によるインプリメントが容易であると
いう効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例であるサーボモータの
制御装置の構成ブロック図である。

【図２】図１に示されているサーボモータの制御装置の
動作を表す第一のフローチャートである。

【図３】図１に示されているサーボモータの制御装置の
動作を表す第二のフローチャートである。

【図４】従来のサーボモータの制御装置の構成ブロック
図である。

【図５】図４に示されているサーボモータの制御装置に
おいて、負荷トルクが一定の場合のの等化的な構成ブロ
ック図である。

【図６】図４に示されているサーボモータの制御装置に
おいて、負荷イナーシャの変化に対する伝達関数の極の
変化を表すグラフである。

【符号の説明】

１０ 速度制御部 １２ 伝達関数 １４ トルク定数 １６ 機械系の伝達関数 １８ トルク定数設定値 ２０ 機械系の逆伝達関数 ２２ 一次遅れ要素 ３０ イナーシャ推定器 ３０ａ イナーシャ推定開始終了信号発生器 ３０ｂ 負荷トルク推定値特徴検出手段 ３０ｃ イナーシャ設定値変更手段

フロントページの続き (72)発明者 松井 信行 愛知県名古屋市昭和区御器所町（番地な し） 名古屋工業大学内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サーボモータに印加される電流と、サー
   ボモータの回転速度と、及びあらかじめ設定されている
   負荷イナーシャの値とから、前記サーボモータに接続し
   ている制御対象の負荷トルクを推定するトルクオブザー
   バを利用して前記サーボモータの速度制御を行うサーボ
   モータの制御装置において、 前記トルクオブザーバの出力する負荷トルクを監視し、
   前記サーボモータの回転速度が一定である場合の負荷ト
   ルク値である定常負荷トルクと、前記サーボモータの回
   転速度が変化している場合の負荷トルク値である加速負
   荷トルクと、の前記２つの負荷トルク値の差から実際の
   負荷イナーシャの値が、現在前記トルクオブザーバに設
   定されている負荷イナーシャの値より大きいか否かを判
   断する負荷イナーシャ推定手段、 を備え、前記トルクオブザーバは、前記負荷イナーシャ
   推定手段によって実際の負荷イナーシャの値が現在設定
   されている負荷イナーシャの値より大きいと判断された
   ならば、現在設定されている負荷イナーシャの値を所定
   の値だけ増加させ、実際の負荷イナーシャの値が現在設
   定されている負荷イナーシャの値より小さいと判断され
   たならば、現在設定されている負荷イナーシャの値を所
   定の値だけ減少させることにより、現在設定されている
   負荷イナーシャの値を更新することを特徴とするサーボ
   モータの速度制御装置。