JPS63287377A

JPS63287377A - フィ−ドバック制御方法

Info

Publication number: JPS63287377A
Application number: JP62120237A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shiraishi; 白石　満
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-05-19
Filing date: 1987-05-19
Publication date: 1988-11-24

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】〔概要〕この発明は、弾性体を介して負荷が取り付けら−れた制
御対象を、モータに取りつけたエンコーダによって検出
された角度情仰に基づいてフィードバック制御するフィ
ードバンク制御方法をロボットに適用する場合において
、ロボットのアームの移動制御の帯域を固有振動数の近
傍まで高めるとアームが振動してしまう問題を解決する
ため、エンコーダを用いて検出したモータの角度と指令
値との差である偏差量、この偏差量を積分した積分値、
およびこの偏差量に基づいて推定したモータの角速度、
アームの角速度、アームの角度位置の各偏差量の推定値
に対し、所定の安定動作可能なフィードバックゲインを
夫々乗算し、これら乗算した値の総和に基づいて生成し
たフィードバンク電流をモータに供給することにより、
モータ側にのみエンコーダを取り付けてアームの振動を
小さくし、高速に移動制御するようにしている。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ロボ・ットのモータ側にのみエンコーダを取
りつけてアームの振動を小さく押さえて高速に移動制御
するように構成したフィードバンク制御方法に関するも
のである。

Ｃ従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕制御面
から見たとき、一般の機械系は、ばね・質■系で近似で
きる場合が多い。ばね・質量系の固有振動数ω。よりか
なり低い帯域で制御する場合は、ばねの剛性を無限大と
みなして質量のみを考處して制御系を構成しても十分良
好な特性が得られる。しかし、制御の帯域を固有振動数
ω。の近くまで上げると、ばねの影響が無視できなくな
るので、十分良好な制御特性を得るためには、制御対象
をばね・質量系とみなして制御系を構成する必要がでて
くる。この場合の制御対象を模式的に表すと、第４図（
イ）に示すようになる。節華のために回転系で考える。

回転系では、質量に対応する星として（ｎ性ＩＴ星ｊ、
ばねのｇ’ｌ性に対応する星としてねしりばねの剛性を
考える。第４図（イ）において、モータ２】とｆ′ｔＱ
２２との間にばね２３があるものとする。このとき、負
荷２２にエンコーダ２４を取り付け、エンコーダ２４に
よって検出された位置情報に基づいて、モータ２１に供
給する電流ｉをフィードバック制御すれば、ばねの振動
を小さく抑えて高速に負荷２２を移動させることができ
る。ところで、ロボットのアームのように、モータに高
出力が要求される場合、モータの出力は第４図（ロ）に
示すように減速機２５を介して取り出すことが多い。ま
た、アーム２６の制御帯域を上げるためには、エンコー
ダ２４−１の分解能を高くする必要がある。アーム２６
の位置分ｇ能を上げるためにも、エンコーダ２４−１の
分解能は高い必要がある。このような理由により、減速
機２５を用いた場合のアーム２６は図示のような構成が
一般に取られる。この構成を採用することにより、小型
のモータ２１−１と、エンコーダ２４−１とを用いてコ
ンパクトな構造とすることができる。

この第４図（ロ）に示すような構成を制御する従来の方
法は、ばねを無視し、モータ２１−１の回転位置をエン
コーダ２４−１を用いて検出しこれをフィードバンク制
御するものであり、ばねの振動は外乱とみなすものであ
った。このため、特にアーム２６を制御する帯域を上げ
、固有振動数ω。の近傍に近づくと振動が発生してしま
い、高速に制御し得ないという問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前記問題点を解決するため、エンコーダによ
って検出された角度と指令値との差である偏差量および
モータに供給するＴＬ流に基づいて、モータの角速度、
負荷の角速度、および負荷の角度位置の各偏差量の推定
値を夫々算出する状態観測器１と、上記偏差量を積分す
る積分器２とを設け、状態観測器１および積分器２によ
って求めた値に対して所定の安定動作可能なフィードバ
ックゲインを夫々乗算し、これら乗算した夫々の値の総
和に基づいて制御対象３をフィードバンク制御するよう
にしている。

第１図は本発明の原理構成図を示す。図中状態観測器１
は、図示外のエンコーダによって検出された角度θ８と
所定の定常値（指令値）θ１）との差である偏差量θ８
．およびモータに供給する偏差電流ｉ、に基づいて、推
定値であるモータの角速度の偏差量し１、アーム（負荷
）の角速度の偏差量θ、いおよびアームの角度位置の偏
差量θＡ、を夫々生成するものである。

積分器２は、図示外のエンコーダによって検出された角
度θ８と所定の定常値θイ。との差である偏差量θ□を
積分するものである。

制御対象３は、電流ｉなどに基づいて制御する対象例え
ば第４図に示すような構成を持つ対象である。

ＣＰＵ４は、各種定常値（指令値）１０、θイ。

などを算出するものである。

〔作用〕

次に動作を説明する。

第１図において、ロボットのアームを所定の経路に従っ
て動かす場合、図示外のエンコーダによって検出される
モータの現在の角度θ工と、ＣＰＵ４によって算出され
たモータの定常値（指令値）θ、。との偏差量θ。、お
よびモータに供給する電流に基づいて状態観測器１は、
推定値であるモータの角速度の偏差量θ８いアームの角
速度の偏差量θ、いアームの角度位置の偏差量θ１．を
夫々生成する。また、積分器２では、積分値ｆθ、。ｄ
ｔを生成する。これら生成した各便に対して安定動作可
能なフィードバックゲインｆｌないしｒ、を図示のよう
に夫々乗算し、これらの総和ｉ、を求める。この求めた
総和ｉ、とＣＰＵ４によって算出されたモータ駆動電流
の定常値ｉ、との差ｉを制御対象３を構成するモータに
電流ｉとして供給してフィードバック制御する。

以上のように、ＣＰＵ４が算出したモータの定常値θ９
゜と現在のモータの角度θ工との偏差量θ、いおよびこ
の偏差量θ□に基づいて推定したモータの角速度の偏差
量θ９いアームの角速度の偏差量θＡ、、アームの角度
位置の偏差量〇、いおよび積分Ｗｆθ□ｄｉに対して所
定のゲインを夫々乗算して総和ｉ、を算出し、この算出
した総和ｉ。

とモータの定常値１゜との差ｉからなる電流ｉをモータ
に供給してアームをフィードバック制御することにより
、モータ側のみの角度を検出してアーム側の振動を抑圧
して高速に移動制御することが可能となる。

〔実施例〕

次に、第２図および第３図を用いて本発明の１実施例の
構成および動作を順次詳細に説明する。

第２図は制御対象３のブロック図を示す、これは、第４
図（ロ）力学モデルを下式（１）、（２）を用いて表し
、更にこの式（１）、（２）を模式的に示したものであ
る０本発明は、エンコーダによって検出されたモータの
角度θ、とモータに流す電流ｉとに基づいて、モータの
角度θ、と指令値（定常値）θ、。との偏差量θ工いモ
ータの角速度の偏差量θ８いアームの角速度の偏差量θ
、いアームの角度位置の偏差量θ、。の４つの状態量を
求める。更に、上記偏差量θ７．を積分した値ｆ’ｍ＊
ｄｔを求める。そして、これら求めた・５つの値に夫々
第１図図示ゲインを乗算して総和を算出した値ｉ、を求
め、これに基づいてモータにフィードバック制御するよ
うにしている。以下順次説明する。

ＪＭθ、十Ｋ（θ、−θ、）ｘ　ｋＴ　ｉ・・・（１）
ＪＡθ、十Ｋ（θ、−〇〇）＝０・・・・・（２）ここ
で、θ工はエンコーダによって検出したモータの角度位
置、θ１はアームの角度位置、Ｊ。

はモータの慣性’ｊｆｌ、ＪＡはアームの慣性’ｉｌ、
Ｋはねじり剛性、ｋｌはモータのトルク定数、ｉはモー
タに流す電流を表す、この式（１）、（２）および第２
図ブロック図から判明するように、モータの角度θ、お
よびアームの角度θ、は、モータに流す電流ｉによって
一意に定まる。この−意に定まるｉ、θ８、θ、を定常
値と呼び、以下ｊ６、θェ。、θ、。と表すことにする
。

実際の系では、これらｉ、θイ、θ、は、定常値ｉ・、
θイいθ、。から夫々ずれるので、この偏差量を下式に
示すようにｉｏ、θ、いθ＾、と表す。

１．１）１．−ｉ・・・・・・・・・・・・・（３）θ
阿、＝θ属・−ａｎ　　・・＋＋・＋・＋＋＋・・（４
）θ１．＝０６゜−θ１　・・・・・・・・・・・・（
５）これら式（３）ないしく５）を式（１）、（２）に
代入すると、基準値を求める式（６）、（７）と、偏差
量を求める式（８）、（９）とが得られる。

Ｊ、θ、。十Ｋ（θ８゜−〇、。）”’ｋｔｔｏ　　・
・（６）Ｊ、　θ、。十Ｋ（θ、。−θ１）＝０・・・
・・（７）ＪＮ　θ□十Ｋ　（θ８．−θＡ、）＝ｋＴ
　　ｌａ　　・・（８）Ｊ＾　θａａ＋Ｋ　（θ１．−
〇□）＝０・・・・・（９）アームを移動させる場合、
経路に従いθ。。（ｔ）が与えられ、このθ８゜（１）
を実現するために必要なモータに流す電流ｉ０　　（ｔ
）は、式（６）、（７）を解くことによって求められる
。

従って、制御系に要求される制御機能は、８つ。

（ｔ）　、１ｏ（ｔ）が与えられたときに、θ、いθ□
などが零になるように偏差電流ｉ、を求める。そして、
第１図に示したように、この偏差Ｔｉ流１゜と定常値１
゜との差ｉをモータにフィードバックするように供給し
て駆動すればよい。

第３図は本発明の１実施例構成図を示す。第３図におい
て、点線で囲んだ状態観測器の部分は、式（８）および
式（９）をモデル化したものであって、制御対象から得
られるモータの角度偏差θＮｉ１　（式（４）、式（６
）、式（７）によって求める）と、図示モデルから得ら
れる角度偏差の推定値θＨ！’　との差に対して、ゲイ
ンｇ、ないしε、を乗算してモデル（状態観測器１）の
安定化を図っている。また、図示モデルでは、θ□にｒ
４を乗算した量をフィードバンク量の１部として用いて
いるが、θ□の代わり０Ｍ。゛を用いてもよい。この第
３図に示すモデルの特徴は、エンコーダによって検出さ
れたモータの角度θイを用いて、モデルによって生成さ
れるこの角度θ。よりも位相の進んだ信号の推定値（モ
ータの角速度の偏差量θ□）と、位相の遅れた信号の推
定値（アームの角度位置の偏差量θ、いアームの角速度
の偏差量へ〇）とを夫々求め、これらに安定動作可能な
フィードバックゲインｆ６、ｆ２、およびｆ３を夫々乗
算し、更に、図示のように偏差量〇□および積分値ｆθ
□ｄｔにフィードバックゲインｆ、、ｆ、を乗算し、こ
れら乗算した値の総和に基づいてフィードバック制御す
るようにしたものである。尚、フィードバックゲインｆ
、はモータの位置の定常偏差を零にするために阿１加し
たものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、エンコーダを用
いて検出したモータの角度の偏差量、この偏差量を積分
した積分値、およびこの偏差量に基づいて推定したモー
タの角速度、アームの角速度、アームの角度位置の各偏
差量の推定値に対し、所定の安定動作可能なフィードバ
ックゲインを夫々乗算し、これら乗算した値の総和に基
づいて生成したフィードバック電流をモータに供給する
構成を採用しているため、モータ側にのみエンコーダを
取りつけてアームの振動を小さく押さえてアームを高速
に移動制御することができる。また、センサ数が１個で
あるので、簡単な構成かつ安価である。更に、従来のロ
ボットの機構部に手を加えることなく、制御系を本発明
に代えることによって、アーム移動時に生じる振動を抑
制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は制御対象のブロ
ック図、第３図は本発明の１実施例構成図、第４図は従
来方法の説明図を示す。図中、１は状態観測器、２は積分器、３は制御対象、４
はｃｐｕを表す。

Claims

【特許請求の範囲】弾性体を介して負荷が取り付けられた制御対象を、モー
タに取りつけたエンコーダによって検出された角度情報
に基づいてフィードバック制御するフィードバック制御
方法において、エンコーダによって検出された角度と指令値との差であ
る偏差量およびモータに供給する偏差電流に基づいて、
モータの角速度、負荷の角速度、および負荷の角度位置
の各偏差量の推定値を夫々算出する状態観測器（１）と
、上記偏差量を積分する積分器（２）とを備え、状態観測
器（１）および積分器（２）によって求めた値に対して
所定の安定動作可能なフィードバックゲインを夫々乗算
し、これら乗算した夫々の値の総和に基づいて制御対象
（３）をフィードバック制御するように構成したことを
特徴とするフィードバック制御方法。