WO1988005977A1 - Dispositif de commande de vitesse - Google Patents

Description

明 細 書

速度制御装置

技 術 分 野

术発明 は 、 状態観測器 に よ り ロ ボ ッ ト の ア ー ム 等の負 荷先端速度を制御す る 速度制御装置 に 関す る 。

背 景 技 術

サー ボ モ ー タ は、 工作機械 な ど で は種 々 の機械負荷を 駆動す る 制御系 に 用い ら れ て い る 。 ロ ボ ッ 卜 ア ーム 等の 低剛性負荷を駆動す る サ一 ボモ ー タ の場合 は、 位置の制 御の み で な く 、 速度 に つ い て も 制御 さ れ る 必要が あ る 。 第 2 図 は、 低剛性の機械負荷を有す る サー ボ釗御茶の 一例 を示す ブ 口 ク 線図で あ る 。 こ こ に 示す よ う に 、 サ 一ボ コ ン 卜 ロ ー ラ a は サ ー ボ モ ー タ b と 機械負荷 c と の 間がパ ネ 係数 （ K ) d に よ り 結合 さ れ た も の と し て制御 系が構成 さ れ る 。

図 に お い て 、 K t は ト ル ク 定数、 J m は 口 一 タ イ ナ ー シ 、 K は ノ ネ 係数、 J _L は負荷 イ ナ一シ 、 1 Z s は 積分項を示 し て レ、 る 。 こ の よ う な サー ボ モ ー タ わ に よ り 低剛性の機械負荷 c を駆動す る 場合、 制御茶 に 対 し て与 え ら れ た電流指令 u ( k ) は、 ト ル ク 定数 K t に よ り ト ル ク 指令 に 変換 さ れ、 実際の ト ル ク 値 と の偏差信号がサ ー ボ モ ー タ b に 指令 さ れ る 。 こ の偏差信号 は ロ ー タ イ ナ ー シ ャ J m の項 で加速度指令 に 変換 さ れ、 積分項を一回 通 し て モー タ 速度指令信号 V と な り 、 サー ボ モ ー タ b を 駆動制御 し 、 間接的 に 機械負荷 c を 制御 す る こ と に な る 。

こ の と き 、 モータ 速度指令信号 V は積分項を通 し て位 置指令信号 0 と な り 、 機械負荷 c 側 に お け る 速度 V と 位置 e _L と を そ れ ぞれ決定 し て い る 。 サ一 ボモー タ b の 出力軸 に は、 口 一タ リ エ ン コ ーダ e な どが接続 さ れ、 サ ー ポモ ー タ b か ら 機械負荷 c への指令位置が指令信号 y と し て検出 さ れ る 。

と こ ろ で、 ァ ク チ ユ エータ と し て実際の制御系を構成 す る サーボ モータ b や機械負荷 c の運動状態ほ、 そ のす ベ て の変数を オ ン ラ イ ン で測定 し て サ一ボ コ ン 卜 ロー ラ a に フ ィ ー ド ノ ッ ク す る こ と はで き な レヽ。 そ こ で上記口 ー タ リ エ ン コ ーダ _e な どか ら の利用可能 な デー タ のみ に 基づい て、 釗御系の状態を規定す る う え で必要な制御対 象 に つ い て の状態データ を推定 し な く て は な ら ない。 そ こ で、 モー タ 速度指令信号 V と 機械負荷先端での実際の 速度 と を検出 し、 指令信号 V と の偏差 に 応 じ て速度 制御を行な う こ と が必要 と な る 。 一般 に機械負荷 c の速 度 V _L を検出す る セ ン サ は コ ス ト が高 く 、 ま た ロ ボ ッ ト の各軸如 に は取付が困難で あ る 等の理由 に よ り 、 第 2 図 に 示すサーボ制御系 に お い て は、 オ ブザーバ （ 状態観測 器） に よ り 速度を推定 し て速度制御を行な っ て い る 。

状態変数を直接 に 測定 し え ない場合 に 、 才 ブザーバ に よ り 制御入力 と 測定出力 と か ら 状態変数を再現す る こ と に な る が、 上記サ一ボ制御系で は 、 サ 一 ボ モータ b お よ び機械負荷 c の先端位置 に 基づ く 速度の推定値を演算 し て 、 マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ に よ り 離散値制御 が行 な わ れ る 。 こ の演算で使用 さ れ る モ ータ の位置 と 速度の推定値 Θ . V 、 お よ び 負 荷 の 位 置 と 速度 の 推 定 値 . V _L は 、 そ れぞ れ次の計算式が基礎 と な る 。

し (に)

十 十ん, ナ /ク … （ 1 )

0 -

- k2Pi2 〔Κ (Φ - ナゆ kj/Pi4 ) VL Ck)十 H hf？ 0<)

( 2 )

十ゅ34- 1 VL Cf)十 - k)

十 ノ … （ 3 )

VL (十 /ク-

r)(A k) ャ バ k+l) … （ ⁴ ) 但 し 、 K 丄 〜 Κ 4 は オ ブザーバの ゲ イ ン で あ る 。

離散値系の状態マ ト リ ッ ク ス ( k ) に つ い て の差分 方程式 （ （ 7 ) 式 ） は、 次の よ う に表わ さ れ る 。

牛 2 ΦζΖ, Φ , Φ^.

CD =

3†, Cf>32, Φ 34·

( 5 )

≠4ΐ. Φ2, Φ43,†44

X (k十 ί) / )十厂リ ク ··* ( 7 ) % = le k , VCf ) , 9L C VL K) ] … （ 8 ) と こ ろ が こ の よ う な第 2 図 に示すサ一ボ制御系のォ ブ ザ一パで は、 モータ の位置、 速度、 お よび機械負荷先端 の位置、 速度の推定値を求め る ため に、 （ 1 ( 4 ) 式に示す よ う に多数回の乗算処理が必要であ る。 つ ま り マ イ ク ロ プロ セ ッ サ に お ける係数行列の演算に長時間を 要 し、 口 ボ ッ 卜 ア ーム の先端速度を釗度良く 制御ができ ない と い う 問題があ っ た。

発 明 の 開 示

本発明は、 こ う し た問題点を解決すべ く な さ れた もの で、 ォ ブザーバの構成を改良 して、 モータ速度お よび機 械負荷先端の速度推定値を簡単に演算でき る速度制御装 置を提供す る こ と を 目 的 と し てレヽる 。

本発明 に よ れば、 検出 された位置信号か ら電動機の速 度を推定 し、 こ の電動機に よ り 移動制御さ れる機械負荷 の移動速度を制御す る速度制御装置に お い て、 前記機械 負荷を駆動する サーボモータ と 、 こ のサーボモータ を機 械負荷の先端位置に応 じて離散値制御す る サーボコ ン ト ロ ー ラ と 、 前記サーボモータ 回転量の一定周期毎の差分 値に よ り サーボモータ 回転速度と 機械負荷先端の速度と の偏差 と し て推定値を演算す る オ ブザー バ と を具備 し て な る こ と を特徴 と す る 速度制御装置が提供で き る 。

従 っ て本発明の速度制御装置 は、 サー ボ モ ー タ に よ り ロ ボ ツ 卜 ア ー ム 等の低剛性負荷を駆動釗御す る サー ボ茶 に 対 し て 、 サーボ モ ー タ の軸 に 取付 け た ロ ー タ リ ェ ン コ ー ダか ら の パ ル ス数の一定周期毎の差分値を、 検出 ノ ィ ズ を含ん だ モ ー タ の回転速度 と み な し 、 モー タ お よ び機 械負荷先端の速度推定の演算が短時間で行 な わ れ、 正確 な速度制御が実現 で き る 。

図面の簡単 な説明

第 1 図 は 、 本発明の サー ボ制御系の一例 を示す を説明 す る ブ ロ ッ ク 線図、 第 2 図 は 、 従来の サー ボ制御系の一 例 を示す プ ロ 、ソ ク 線図で あ る 。 '

発明を実施す る た め の最良の形態

以下、 図面を 用 い て本発明の一実施例 に つ い て詳細 に 説明す る 。

第 1 図 は 、 本発明の オ ブザーバの制御対象 と な る モ デ ル を簡略化 さ れ た サ一 ボ制御茶 に よ り 再構成 し た ブ ロ ッ ク 線図 で あ る 。 こ の簡略化 さ れ た モ デ ル は、 第 2 図の機 械負荷先端の速度 V _L と サー ボ モ ー タ の速度 V と の偏差 を実際の サー ボ制御系か ら 得 る こ と に よ り 状態変数を 1 つ減少 さ せ た点 に 特徴が あ る 。 す な わ ち 、 サー ボ モ ー タ b の 軸 に 取 付 け た ロ ー タ リ エ ン コ ー ダ e の 検 出 値 y ( k ) か ら 、 サ ン プ リ ン グ周期 T と す る と き 、

Δ y (K) = {y (K) -y (K-l) } /T … （9) に よ り 、 サー ボモー タ b の回転量の一定周期每の差分値 を算出 し 、 そ れを検出 ノ イ ズを含ん だモ ータ の回転速度 の推定値 V と み な し、 上記オ ブザーバ に よ り ノ イ ズを除 去 し た モ ー タ の 速度 V と 機械負荷の 速度 V _L を推定 し て、 マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ に よ る 離散値制御を行な っ てい る 。

八 へ

こ の と き の モー タ 速度、 位置の推定値 V Θ 機械 八

負荷先端の速度推定値 V し は、 次の よ う に表わ さ れ、 機 械先端の位置 s _L を推定す る 必要が な い。

\ /( τϋ- = (/一 O p! j ノ十^ σ ί )ャ Φί Q^) 十 fti (k) ャ Δγα 十 ί) ( 10)

十 oh^-k ( (hi -^に，） （x)

( 11)

十^³^ Xどナ n ( 12) 但 し 、 K 1 〜 K ₅ はオ ブザーバの ゲイ ン 、 離散値系の 状態マ 卜 リ ッ ク ス等は、 （ 1 3 ) 〜 （ 1 6 ) 式 に よ り 表 わ さ れる

(Ki-V= 十 Γΐλ(Ι ( 15 )

ΧθΟ - iVCK) > &。 (^ク , ム ク〕 ( 16 ) こ の よ う に 本来 で あ れ ば 4 列 4 行の行列式 を計算 し て 速度制御が行 な わ れ る と こ ろ 、 こ こ で は 3 列 3 行の行列 式 に よ り 演算す る こ と で制御が可能 と な り 、 こ れ に よ り マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ の演算時間 を短縮 し て 、 ノ ィ ズ を除 去 し た モ ー タ お よ び機械負荷先端の回転速度 を 求 め て、 所定の速度制御 を行 な う こ と が で き る 。

以上、 本発明の一実施例 を説明 し た が、 太発明 は こ れ に 限定 さ れ る も の で な く 、 本発明の要旨 の範囲内で種 々 の変形が可能で あ っ て 、 こ れ ら を本発明の範囲か ら 排除 す る も の で ほ な い。

産業上の利用可能性

本発明の速度制御装置 は 、 サ ー ボ モ ー タ 等 に よ り 低剛 性 の機械負荷を駆動す る 際 に 、 検出不能の物理量 を推定 し て 最適制御を行 な う こ と が で き る 。

Claims

請 求 の 範 國

( 1 ) 検出 さ れ た 位置信号か ら'電動機の速度を推定 し、 こ の電動機に よ り 移動制御さ れる機械負荷の移動速 度を制御する速度制御装置ほ、 次を含む ：

前記機械負荷を駆動する サーボモータ ；

こ のサーボモータ を機械負荷の先端位置に応じて離散 値制御する サーボコ ン ト ロー ラ ；

前記サーボモータ 回転量の一定周期毎の差分値に よ り サーボモ ー タ 回転速度 と 機械負荷先端の速度 と の偏差 と し て推定値を演算す る オ ブザー バ。

( 2 ) 前記オブザーバは、 前記サーボモータ 回転量の 一定周期毎の差分値を、 検出ノ イ ズを含むサーボモータ の回転速度 と みな し、 サーボモータ の指令速度及び機械 負荷の先端速度を推定する こ と を特徴 と す る請求の範囲 第 （ 1 ) 項記載の速度制御装置。

( 3 ) 前記機械負荷は、 複数のサーボモ ー タ に よ り 駆 動制御さ れる ロ ボ ッ ト ア ー ム であ る こ と を特徴 と す る請 求の範囲第 （ 2 ) 項記載の速度制御装置。

( 4 ) 前記サーボモータ は、 その主軸の回転数を検出 す る パ ル ス エ ン コ ーダを有 し、 こ の パ ル ス エ ン コ ーダの パ ルスを所定の周期で帰還し て離散値制御さ れる こ と を 特徴 と す る す る請求の範囲第 （ 2 ) 項記載の速度制御装 S I

0 I

S ΐ

0 I

一 6

LZ.6S0/88 O

Z8000/88df/lDd