CN114063662A - 基于动力学转矩补偿的控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于动力学转矩补偿的控制方法及控制装置，在进行负载侧干扰转矩的动力学转矩前馈补偿时，能够维持运算精度和位置控制性能。当基于从外部输入的指令控制电动机(53)时，将负载干扰转矩补偿值变换成用于抵消设备(50)中的负载侧干扰到负载侧速度的响应的前馈补偿值(例如速度指令补偿值)，并将前馈补偿值输入到相加点，该相加点在控制系统的从外部指令的输入位置到生成电动机(53)的电流指令值的区间内处于比控制偏差的积分补偿器(积分要素24及增益要素25)靠前段的位置。

Description

基于动力学转矩补偿的控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及在工业用机器人(以下，也称为“机器人”)等的动作控制等中使用的、基于动力学转矩补偿的控制方法及控制装置。

背景技术

通常，机器人具有多个轴，各轴的连杆串联连接构成机械手。在使机器人以高速移动的情况下，机械手的前端容易振动，由于轴间干涉力，机械手前端的轨迹产生误差。为了减少机械手前端的轨迹误差，需要使各轴对位置指令的响应性相同而不管彼此的动作如何。专利文献1公开了一种技术，通过动力学转矩前馈补偿，使各轴的驱动转矩接近本轴的额定转矩，并且对于所有轴使位置控制响应性相同。在专利文献1所记载的技术中，具备：负载状态量计算部，其基于从位置指令值到负载速度的传递函数，将位置指令值作为输入计算负载状态量(负载的位置、速度及加速度)；反动力学计算部，其将计算出的负载状态量作为输入计算负载侧的转矩补偿值；以及变换部，其将转矩补偿值变换成用于抵消从负载侧的干扰转矩到负载侧速度的响应的电流指令值补偿值，并且，将电流指令补偿值与机器人控制装置中的电流指令值相加。在此，转矩补偿值用来自其他轴的干涉力和伴随姿势变化的本轴的惯性力矩相对于额定转矩的变化量即转矩变动量之和来表示。非专利文献1对在专利文献1等中使用的动力学转矩前馈补偿进行了详细论述，并且公开了抑制轴扭转振动的方法。在专利文献2中，作为机器人中的动力学转矩前馈补偿的应用的一例，说明了一种在未预期的干扰力作用时机器人可以灵活地动作的控制。专利文献2还示出了在通常的电动机的位置、速度控制系统中设置有控制偏差的积分补偿器的情况。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4008207号公报

专利文献2：日本特开平10－180663号公报

非专利文献

非专利文献1：宫崎敏昌，大泷荣，Somsawas Tungpataratanawong，大石洁，“基于动力学转矩补偿和二自由度控制系统的工业用机器人的高速运动控制法”(日文：動力学トルク補償と2自由度制御系に基づく産業用ロボットの高速モーション制御法)，电气学会论文志D，2003年，第123卷，第5号，第525-532页

发明内容

发明所要解决的技术问题

在使用专利文献1等所示的动力学转矩前馈补偿来计算电流指令值补偿值并将计算出的电流指令值补偿值与电流指令值相加的机器人的控制中，在机器人重复定位时等，有可能由于运算精度降低而失去位置控制性能。

本发明的目的在于提供一种控制方法及控制装置，是在机器人的控制等中使用的控制方法及控制装置，在对负载侧干扰转矩进行动力学转矩前馈补偿时，能够维持运算精度和位置控制性能。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明提供一种控制方法，基于从外部输入的指令对电动机进行控制，其特征在于，将负载干扰转矩补偿值变换成用于抵消从设备上的负载侧干扰输入到负载侧速度的响应的前馈补偿值，将前馈补偿值输入到相加点，所述相加点在控制系统的从外部输入的指令的输入位置到生成电动机的电流指令值的区间内处于比控制偏差的积分补偿器靠前段的位置。

根据本发明的控制方法，通过将前馈补偿值输入到在控制系统中处于比控制偏差的积分补偿器靠前段的位置的相加点，防止前馈补偿值中含有误差、积分补偿器的积分值增大，在进行负载侧干扰转矩的补偿时能够维持运算精度和位置控制性能。

在本发明的控制方法中，理想的是，将负载干扰转矩补偿值变换成前馈补偿值时使用的传递函数是从负载侧干扰输入到输入控制系统内的前馈补偿值的相加点的传递函数，分母包括非零常数项。通过使用这样的传递函数，能够维持运算精度和位置控制性能，并且充分地进行负载干扰转矩的补偿。

在本发明中，从外部输入的指令一般是位置指令值，在这种情况下，根据位置指令值预测负载状态，基于预测出的负载状态，可以求取与本轴的惯性力矩相对于额定转矩的变化量之和，计算负载干扰转矩补偿值。通过使用这样的计算方法，可以高精度地求取负载干扰转矩补偿值。

在本发明的控制方法中，可以计算位置指令值和电动机的位置之差即位置偏差，并计算基于位置偏差的速度指令值和电动机的速度之差即速度偏差，至少使用速度偏差生成电流指令值，在这种情况下，可以将对速度指令值进行补偿的速度指令补偿值设为前馈补偿值。通过使用速度指令补偿值作为前馈补偿值，与求取与位置指令值对应的前馈补偿值的情况相比，可以减少计算使用的传递函数的阶数，所以能够减轻运算负载。

速度指令补偿值向相加点的输入可以通过在速度指令值上加上速度指令补偿值的加法、在速度偏差上加上速度指令补偿值的加法及从电动机的速度减去速度指令补偿值的减法中的任意一个来进行。这样，通过对控制系统输入速度指令补偿值，可以使速度指令补偿值的输入的处理变得容易。

在本发明的控制方法中，可以计算位置指令值和电动机的位置之差即位置偏差，至少使用位置偏差生成电流指令值，在这种情况下，可以将对位置指令值进行补偿的位置指令补偿值设为前馈补偿值。通过使用位置指令补偿值作为前馈补偿值，即使在很难通过速度指令值进行补偿的控制系统中，也能够进行针对负载干扰转矩的动力学转矩前馈补偿。

位置指令补偿值向相加点的输入可以通过在位置指令值上加上位置指令补偿值的加法、在位置偏差上加上位置指令补偿值的加法、在将位置偏差乘以比例增益所得的值上加上位置指令补偿值的加法以及从电动机的位置减去位置指令补偿值的减法中的任意一个来进行。这样，通过对控制系统输入位置指令补偿值，能够使位置指令补偿值的输入的处理变得容易。

本发明提供一种控制装置，基于从外部输入的指令生成电流指令值，控制设备中包括的电动机，其特征在于，具有：积分补偿器，所述积分补偿器进行对控制偏差的积分动作；以及指令变换单元，所述指令变换单元将负载干扰转矩补偿值变换成用于抵消从设备上的负载侧干扰输入到负载侧速度的响应的前馈补偿值，在控制装置中，前馈补偿值被输入到相加点，所述相加点在从控制装置的输入到生成电流指令值的区间内处于比积分补偿器靠前段的位置。

根据本发明的控制装置，通过将前馈补偿值输入到在控制装置中处于比控制偏差的积分补偿器靠前段的位置的相加点，防止前馈补偿值中含有误差、积分补偿器的积分值增大，在进行负载侧干扰转矩的补偿时，能够维持运算精度和位置控制性能。

在本发明的控制装置中，理想的是，在指令变换单元中将负载干扰转矩补偿值变换成前馈补偿值时使用的传递函数是从负载侧干扰输入到在控制装置中输入前馈补偿值的相加点的传递函数，分母包括非零常数项。通过使用这样的传递函数，能够维持运算精度和位置控制性能，并且充分地进行负载干扰转矩的补偿。

在本发明的控制装置中，从外部输入的指令一般是位置指令值，在这种情况下，可以设置：负载状态计算部，其根据位置指令值预测负载状态；以及反动力学计算部，其基于预测出的负载状态，求取来自其他轴的干涉力和本轴的惯性力矩相对于额定转矩的变化量之和，计算负载干扰转矩补偿值。通过设置负载状态计算部和反动力学计算部，能够精确地求取负载干扰转矩补偿值。

在本发明的控制装置中，可以构成为设置：位置控制器，其计算位置指令值和电动机的位置之差即位置偏差；以及速度控制器，其计算基于位置控制器的输出的速度指令值和电动机的速度之差即速度偏差，且至少使用速度偏差生成电流指令值，将对速度指令值进行补偿的速度指令补偿值作为前馈补偿值，使速度指令补偿值输入到在速度控制器中处于积分补偿器的前段的相加点。根据该结构，与求取与位置指令值对应的前馈补偿值的情况相比，可以减少计算使用的传递函数的阶数，因此能够减轻运算负载。

在将前馈补偿值作为速度指令补偿值的情况下，控制装置可以设为具备在速度指令值上加上速度指令补偿值的加法要素、在速度偏差上加上速度指令补偿值的加法要素以及从电动机的速度减去速度指令补偿值的减法要素中的任意一个。根据这样的结构，通过添加加法要素或减法要素，可以简单地输入速度指令补偿值。

在本发明的控制装置中设置位置控制器和速度控制器的情况下，速度控制器也可以具备输入位置控制器的输出生成速度指令值的前置补偿器。通过设置前置补偿器将速度控制系统设为二自由度控制系统，使各轴的速度响应一致，例如能够改善机器人的轨道跟踪特性。

在本发明的控制装置中，可以构成为设置位置速度控制器，所述位置速度控制器计算位置指令值和电动机的位置之差即位置偏差，且至少使用位置偏差生成电流指令值，将对位置指令值进行补偿的位置指令补偿值作为前馈补偿值，使位置指令补偿值输入到在位置速度控制器中处于积分补偿器的前段的相加点。通过这样构成，即使在速度指令值难以补偿的情况下，也能够进行针对负载干扰转矩的动力学转矩前馈补偿。

在将前馈补偿值设为位置指令补偿值的情况下，控制装置可以设为具备在位置指令值上加上位置指令补偿值的加法要素、在位置偏差上加上位置指令补偿值的加法要素以及从电动机的位置减去位置指令补偿值的减法要素中的任意一个。根据这样的结构，通过添加加法要素或减法要素，可以简单地输入速度指令补偿值。

在本发明的控制装置中，可以构成为设置：位置控制器，其将对位置指令值进行补偿的位置指令补偿值作为前馈补偿值，计算位置指令值和电动机的位置之差即位置偏差；速度控制器，其计算基于位置控制器的输出的速度指令值和电动机的速度之差即速度偏差，至少使用速度偏差生成电流指令值；以及加法要素，其将位置指令补偿值与位置控制器的输出相加，以将加法要素的输出输入到速度控制器。根据该结构，可以从位置控制器的输出对后段的相加点输入位置指令补偿值。

发明效果

这样，根据本发明，提供一种控制方法及控制装置，在进行负载侧干扰转矩的动力学转矩前馈补偿时，能够维持运算精度和位置控制性能。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的控制装置的框线图。

图2是表示通过动力学转矩前馈补偿生成电流指令补偿值的现有控制装置的框线图。

图3是表示第一实施方式的控制装置的变形例的框线图。

图4是表示第一实施方式的控制装置的另一变形例的框线图。

图5是表示第一实施方式的控制装置的又一变形例的框线图。

图6是表示本发明的第二实施方式的控制装置的框线图。

图7是表示第二实施方式的控制装置的变形例的框线图。

图8是表示第二实施方式的控制装置的另一变形例的框线图。

图9是表示第二实施方式的控制装置的又一变形例的框线图。

附图标记说明

10…位置控制器；15…位置速度控制器；20…速度控制器；21…前置补偿器；27…状态观测器；28…滤波器；40…动力学转矩补偿值计算部；41…负载状态计算部；42…反动力学计算部；43…速度指令变换部；44…位置指令变换部；49…电流指令变换部；50…设备；53…电动机；58…负载。

具体实施方式

接着，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1是通过框线图表示本发明的第一实施方式的控制装置的图，表示控制装置的机器人的各轴的结构。该控制装置在机器人的每个轴上构成有由电动机53及负载(连杆或臂)59构成的设备50，是用于基于输入的位置指令值控制设备50的位置的装置，大致具备：位置控制器10，其输入位置指令值并输出基于位置偏差的指令；速度控制器20，其根据基于位置偏差的指令求取速度指令，计算速度偏差，输出电流指令值；以及动力学转矩补偿值计算部40，其进行动力学转矩前馈补偿，计算前馈补偿值。

首先，对作为控制装置的控制对象的设备50进行说明。图示的设备50表示为由电动机53和负载58构成的二惯性共振系统。在电动机53和负载58之间设置有减速比为Rg的减速器，减速器的弹簧常数为Ks。图中Jm和Dm分别是电动机53的惯性力矩及粘性摩擦阻力，JL和DL分别是负载58的惯性力矩及粘性摩擦阻力。对负载58，还施加负载侧干扰转矩。负载侧干扰转矩包括：来自其他轴的干涉；伴随姿势变化的本轴的惯性力矩相对于额定转矩的变化所造成的影响。参照图1所示的框线图进行说明，电流指令值通过转矩常数Kt的增益要素51变换成转矩，转矩通过减法要素52减少来自与减速器对应的减速要素62的输出并将其施加到电动机53。图中，电动机53的输出是电动机速度，其通过经由积分要素54变换为电动机位置。电动机53的输出经由与减速器对应的减速要素55、减法要素56、积分要素60、与弹簧常数Ks对应的增益要素61，通过加法要素57加上负载侧干扰转矩，施加于负载58。作为负载58的输出的负载速度通过经由积分要素59而变为负载侧位置。增益要素61的输出被输入到减法要素62。减法要素56从减速要素55的输出减去负载速度。

接着，对本实施方式的控制装置的详细情况进行说明。在位置控制器10中输入位置指令值并且反馈电动机位置。位置控制器10具备：从位置指令值减去电动机位置来计算位置偏差的减法要素11；以及将减法要素11输出的位置偏差乘以比例增益Kpp，作为基于位置偏差的指令的增益要素12。

在速度控制器20中输入电动机速度并且从位置控制器10输入基于位置偏差的指令，从动力学转矩补偿值计算部40输入速度指令补偿值。将在后文中对动力学转矩补偿值计算部40和速度指令补偿值进行叙述。速度控制器20具备：输入基于位置偏差的指令并输出速度指令的前置补偿器21；将来自前置补偿器21的速度指令和速度指令补偿值相加的加法要素31；从加法要素31的输出减去电动机速度并输出速度偏差的减法要素22；将速度增益Kv与速度偏差相乘的增益要素23；输入速度偏差的积分要素24；将积分要素24的输出乘以积分增益Ki的增益要素25；以及将增益要素23的输出和增益要素25的输出相加的加法要素26。加法要素31是用于输入速度指令补偿值的相加点。此外，速度控制器20具备：输入电动机速度的状态观测器27；设置于状态观测器27的输出上的滤波器28；以及从加法要素26的输出减去滤波器28的输出作为电流指令值的减法要素29。设置有增益要素23、25和积分要素24，汇集了这些要素的传递函数表示为(Kvs+Ki)/s，因此，速度控制器20进行PI(比例积分)控制。积分要素24和增益要素25构成对作为控制偏差的速度偏差的积分补偿器。另外，速度控制器20也进行基于状态观测器27的状态反馈的控制，减法要素29从PI控制的控制量减去状态反馈的值作为电流指令值。从一般的控制理论可知，如果没有积分补偿，则干扰会使电动机位置无法与位置指令值一致，所以作为PI控制需要在从位置偏差的计算到电流指令值的输出的区间内设置积分要素24或积分补偿器。

前置补偿器21例如是具有双二次方程(FF(s))的特性的补偿器，如非专利文献1所记载，是为了将PI控制系统和状态反馈控制系统组合构成阻尼控制系统而设置的，通过采用二自由度控制系统的构造使各轴的速度响应一致，改善机器人的轨道跟踪特性。也可以不必设置前置补偿器21，根据设备50的结构等，也可以是双二次方程以外的特性的补偿器。在不设置前置补偿器21的情况下，只要将基于来自位置控制器10的位置偏差的指令作为速度指令来处理即可。

接着，对动力学转矩补偿值计算部40进行说明。动力学转矩补偿值计算部40具备：输入位置指令值并计算负载状态的预测值的负载状态计算部41；从负载状态预测值生成负载干扰转矩补偿值的反动力学计算部42；以及将负载干扰转矩补偿值变换成速度指令补偿值的速度指令变换部43。速度指令补偿值是用于抵消从设备50上的负载侧干扰转矩的输入到负载侧速度的响应的前馈补偿值之一。在机器人中，在各轴的位置闭环中进行动力学补偿，作为完全抵消来自其他轴的干涉的部件，负载状态计算部41将位置指令值作为输入，根据从位置指令值到负载速度的系统的传递函数Wr(s)，计算负载58的状态、即负载的位置、速度及加速度。反动力学计算部42实际上是进行用于动力学转矩前馈补偿的计算的部分，计算来自其他轴的干涉力和伴随姿势变化的本轴的惯性力矩相对于额定转矩的变化量即转矩变动量，计算负载干扰转矩补偿值作为来自其他轴的干涉力和转矩变动量之和。关于在反动力学计算部42进行的运算，例如在专利文献1、非专利文献1中有记载。

反动力学计算部42输出的负载干扰转矩补偿值是与施加到设备50的负载侧干扰转矩对应的补偿值。于是，在本实施方式中，速度指令变换部43基于从负载侧干扰转矩的输入到速度指令的传递函数Vtm(s)，将负载干扰转矩补偿值变换成应该加到速度指令值的速度指令补偿值，以便抵消负载侧干扰转矩引起的负载侧速度的变化量。根据本实施方式的控制装置，抵消负载侧干扰转矩引起的负载侧速度的变化量的速度指令补偿值与速度指令相加，基于状态反馈和补偿的速度指令生成电流指令值，驱动电动机53而使负载58移动，所以减少了负载侧干扰转矩的影响，例如可以减少机械手的前端的轨迹误差。在该第一实施方式中，通过动力学转矩前馈补偿生成速度指令补偿值，所以将第一实施方式中的干扰转矩的补偿方式称为速度指令补偿方式。

在第一实施方式的控制装置中，当机器人重复定位时等，可以防止计算精度降低或者位置控制性能丧失。下面，对在本实施方式的控制装置中防止计算精度的降低、位置控制性能丧失的情况进行说明。在图1所示的控制装置中，将负载干扰转矩补偿值变换成速度指令补偿值时速度指令变换部43使用的、负载侧干扰转矩的输入和速度指令的输入之间的传递函数Vtm(s)由下述公式(1)确定。在公式(1)中，av0～av5、bv0～bv3是由设备50等确定的参数。在此为bv0≠0。

公式1

在公式(1)中应注意的点是在分母中存在非零常数项bv0。其结果是，在s→0的极限中，传递函数Vtm(s)不发散。即，传递函数Vtm(s)的稳态增益是有界的。此外，速度指令变换部43使用的传递函数Vtm(s)根据设备50的结构、前置补偿器21的结构不一定必须是公式(1)所示的方式，分母、分子的s的阶数有时与公式(1)所示的阶数不同。但是，在从补偿值输入到负载侧速度的反馈控制系统中，只要用于PI控制的积分要素24包含于从补偿侧输入到负载侧速度的前向要素中，用于计算在比积分要素24靠位置指令值的输入侧被加到速度指令值的速度指令补偿值的传递函数Vtm(s)的分母的常数项即为积分补偿器的增益的常数倍，为非零。

图2表示专利文献1或非专利文献1中记载的通过动力学转矩前馈补偿生成电流指令补偿值的控制装置的结构。作为该控制装置的控制对象的设备50与图1所示的设备50相同。图2所示的控制装置由于是在图1所示的控制装置中代替速度指令补偿值产生电流指令补偿值，所以在动力学转矩补偿值计算部40中代替速度指令变换部43设置电流指令变换部49，代替在速度指令值上加上速度指令补偿值的加法要素31设置加法要素39，在这一点上，与图1所示的控制装置不同。加法要素39设置于速度控制器20和设备50之间，对速度控制器20输出的电流指令值加上电流指令补偿值。电流指令变换部49基于从负载侧干扰转矩的输入到电流指令值的输入的传递函数Tm(s)，将负载干扰转矩补偿值变换成应该加到电流指令值的电流指令补偿值，以便抵消负载侧干扰转矩。这时，传递函数Tm(s)由下述公式(2)确定。在公式(2)中，at0～av5、bt1～bt3是由设备50等确定的参数。

公式2

比较公式(1)和公式(2)，在公式(1)中表示传递函数Vtm(s)的公式的分母中存在非零常数项bs0，与此相反，在公式(2)中表示传递函数Tm(s)的公式的分母中不存在非零常数项。传递函数Tm(s)发散，在s→0的极限中未收敛。即，传递函数Tm(s)的稳态增益无界。传递函数Tm(s)的稳态增益无界是因为：在从补偿值输入到负载侧速度的反馈控制系统中，由于积分补偿器(积分要素24和增益要素25)从负载侧速度到补偿值输入的加法点包含于反馈要素中，因此积分补偿器的增益的常数倍无法表现为分母的常数项。在如图2所示的控制装置中，传递函数的稳态增益无界，在机器人重复定位时等成为计算精度降低或者丧失位置控制性能的原因。

如果稳态增益无界，则机器人每次重复定位动作时，电流指令变换部49内的状态变量(积分值)都增大。机器人停止并且未在沿绕机器人的关节的方向上施加重力时，干扰转矩应为0，因此，来自电流指令变换部49的电流指令补偿值也应该变成0。在此，在因稳态增益无界而导致电流指令补偿值不为0的情况下，该电流指令补偿值对位置控制系统来说是干扰。为了抑制该干扰，在速度控制器20中，控制偏差的积分补偿器(积分要素24和增益要素25)的积分值增大。电流指令变换部49内部的状态变量的值、速度控制器20的积分补偿器的积分值在实现控制装置的软件上使用有限的位数保持。因此，当状态变量的值、积分值增大时，引起计算精度的降低、控制信号的饱和、溢出等，最终成为不能发挥位置控制性能的状态。

对此，在图1所示的本实施方式的控制装置中，速度指令补偿值的生成使用的传递函数Vtm(s)包括设置于速度控制器20内的积分补偿器的贡献，具有有界的稳态增益。因此，与如图2所示的控制装置不同，机器人停止时的干扰转矩补偿值为0，速度指令补偿值也为0，速度指令变换部43内的状态变量(积分值)不增大。另外，也防止了速度控制器20内的积分补偿器的积分值增大。其结果是，在本实施方式的控制装置中，即使在重复机器人的定位动作的情况下，也不会引起计算精度的降低、控制信号的饱和、溢出等，能够维持位置控制性能。

在速度指令补偿方式即第一实施方式的控制装置中，不限于图1所示的结构。图3表示第一实施方式的控制装置的变形例的主要部分。图3所示的装置基本与图1所示的装置一样，但是用于求取速度偏差的减法要素22和用于加上速度指令补偿值的加法要素31的配置顺序与图1所示的顺序相反。当然，即使调换加法要素31和减法要素22的配置顺序，作为传递函数也是等价的，根据图4所示的控制装置，可以获得与图1所示的控制装置相同的效果。

图4表示第一实施方式的控制装置的另一变形例的主要部分。在图4所示的控制装置中，对输入到求取速度偏差的减法要素22之前的电动机速度进行基于速度指令补偿值的补偿。由于在速度偏差的计算中电动机速度从速度指令减去，所以设置从电动机速度减去速度指令补偿值的减法要素33，代替电动机速度将减法要素33的输出加到减法要素22。减法要素33也包含于用于输入速度指令补偿值的相加点。该结构作为传递函数与图1所示的结构等效，具有与图1所示的控制装置相同的效果。

图5表示第一实施方式的控制装置的又一变形例的主要部分。该控制装置从图3所示的控制装置除去前置补偿器21，基于从位置控制器10的增益要素12输出的位置偏差的指令作为速度指令，直接供给到求取速度偏差的减法要素22。在图5所示的控制装置中，也可以使求取速度偏差的减法要素22和加上速度指令补偿值的加法要素31的配置顺序如图1所示颠倒。即使在不具备前置补偿器21的情况下，通过利用速度指令补偿方式的动力学转矩前馈补偿，也可以实现本发明的效果。在图5所示的控制装置中，速度指令变换部43中使用的传递函数Vtm(s)是从负载侧干扰转矩的输入到减法要素22的输入的传递函数，如下述公式(3)所示。与公式(1)相比，不设置双二次前置补偿器21的影响显现，分母和分子都是阶数各降低2。此处，也为bv0≠0。

公式3

接着，对本发明的第二实施方式的控制装置进行说明。上述的第一实施方式的控制装置作为速度指令补偿方式利用动力学转矩前馈补偿生成速度指令补偿值，进行对速度指令值、速度偏差的补偿。但是，本发明不限于此，作为位置指令补偿方式利用动力学转矩前馈补偿生成位置指令补偿值、并进行基于该值的补偿也包含于本发明。与速度指令补偿值一样，位置指令补偿值也包含于前馈补偿值的范畴。下面，作为第二实施方式的控制装置，对位置指令补偿方式的控制装置进行说明。

图6表示本发明的第二实施方式的控制装置。在该控制装置中，在第一实施方式的控制装置中代替设置位置控制器10和速度控制器20，设置有基于位置偏差和状态反馈生成电流指令值的位置速度控制器15。位置速度控制器15具备：从位置指令值减去电动机位置求取且输出位置偏差的减法要素11；输入位置偏差的积分要素24；将积分要素24的输出乘以积分增益Ki的增益要素25；输入电动机速度的状态观测器27；设置于状态观测器27的输出的滤波器28；以及从增益要素25的输出减去滤波器28的输出设为电流指令值的减法要素29。在动力学转矩补偿值计算部40中，代替第一实施方式中的速度指令变换部43设置有位置指令变换部44。位置指令变换部44基于负载侧干扰转矩的输入和位置指令的输入之间的传递函数Ptm(s)，将负载干扰转矩补偿值变换成应该加到位置指令值以便抵消负载侧干扰转矩的位置指令补偿值。在位置速度控制器15的输入侧，设置有对从外部给予的位置指令值加上位置指令补偿值的加法要素32，在加法要素32中加上位置指令补偿值后的位置指令值被赋予位置速度控制器15内的减法要素11。加法要素32是用于输入位置指令补偿值的相加点。

在图6所示的控制装置中，也是抵消负载侧干扰转矩的位置指令补偿值加到位置指令，基于状态反馈和补偿的位置指令生成电流指令值驱动电动机53而使负载58移动，所以负载侧干扰转矩的影响降低，例如可以降低机械手的前端的轨迹误差。位置指令变换部44使用的传递函数Ptm(s)由下述公式(4)确定。在公式(4)中，ap0～ap7、bp0～bv5是由设备50等确定的参数。在此，bp0≠0。

公式4

在公式(4)中，也是在分母中存在非零常数项bp0，在设为s→0的极限中传递函数Ptm(s)不发散。在本实施方式的控制装置中，传递函数Ptm(s)中，积分补偿器的增益的常数倍作为分母的常数项显示，具有有界的稳态增益。因此，与如图2所示的控制装置不同，机器人停止时的位置指令补偿值为0，可以防止位置指令变换部44内的状态变量(积分值)增大。另外，也能够防止位置速度控制器15内的积分补偿器的积分值增大。其结果是，在本实施方式的控制装置中，即使在重复机器人的定位动作的情况下，也不会引起计算精度的降低、控制信号的饱和、溢出等，能够维持位置控制性能。

在位置指令补偿方式即第二实施方式的控制装置中，不限于图6所示的结构。图7表示第二实施方式的控制装置的变形例的主要部分。图7所示的装置基本与图6所示的装置一样，但是用于求取位置偏差的减法要素11和用于加上位置指令补偿值的加法要素32的配置顺序与图7所示的顺序相反，加法要素32设在位置速度控制器15内。当然，即使调换加法要素32和减法要素11的配置顺序，作为传递函数也是等效的，根据图7所示的控制装置，可以获得与图6所示的控制装置相同的效果。

图8表示第二实施方式的控制装置的另一变形例的主要部分。在图8所示的控制装置中，在位置速度控制器15中，对输入到求取位置偏差的减法要素11之前的电动机位置进行基于位置指令补偿值的补偿。在位置偏差的计算中电动机位置从位置指令减去，所以设置从电动机位置减去位置指令补偿值的减法要素34，代替电动机位置将减法要素34的输出加到减法要素11。减法要素34也包含于用于输入位置指令补偿值的相加点。该结构作为传递函数与图6所示的结构等效，具有与图6所示的控制装置相同的效果。

图9表示第二实施方式的控制装置的又一变形例的主要部分。图9所示的控制装置如第一实施方式所述设置有位置控制器10和速度控制器20，在速度控制器20设置有前置补偿器21的情况下，表示如何进行基于位置指令补偿值的补偿。在位置控制器10的输出和速度控制器20的输入之间，设置有加法要素32以便对位置控制器10的输出(即，位置偏差乘以比例增益Kpp而得到的指令)加上位置指令补偿值。在这种情况下，位置指令变换部44使用的传递函数Ptm(s)是从负载侧干扰转矩的输入到旋转控制器20的输入的传递函数，由于在传递函数的路径内包括前置补偿器21，所以传递函数的阶数与图6所示的控制装置中的传递函数的阶数不同。在图9所示的控制装置中，也可以将用于加上位置指令补偿值的加法要素32的位置设为位置控制器10的输入侧而非输出侧，在这种情况下，位置指令变换部44使用的传递函数Ptm(s)只是是否包含比例增益Kpp的区别。在图9所示的控制装置中，由于进行基于由动力学转矩前馈补偿生成的位置指令补偿值的补偿，所以也可以获得与图6所示的控制装置同样的效果。

如上所述，本发明的各实施方式的控制装置基于位置指令值控制设备50，通过动力学转矩前馈补偿计算负载干扰转矩补偿值，将负载干扰转矩补偿值变换成用于在控制系统内的比用于进行PI控制的控制偏差的积分补偿器靠位置指令值的输入侧的相加点(加法要素31、32及减法要素33、34中的任意一个)进行补偿的前馈补偿值(速度指令补偿值或位置指令补偿值)。在负载干扰转矩补偿值到前馈补偿值的变换中，使用从负载侧干扰转矩的输入到进行基于前馈补偿值的补偿的相加点的传递函数。由于该传递函数在其分母中包含非零常数项，所以例如在以降低机器人的机械手前端的轨迹误差为目的通过动力学转矩前馈补偿进行负载侧干扰转矩的补偿时，可以防止控制偏差的积分补偿器中的积分值增大，另外，在机器人停止动作时前馈补偿值变成0。其结果是，根据各实施方式所示的控制装置，可以维持计算精度和位置控制性能。

将基于本发明的控制装置例如应用于搬运用的多关节机器人的情况下，当搬运物的重量改变时，反动力学计算部42可以切换机器人手指的惯性力矩计算转矩变动值。由此，与切换位置控制系统的惯性力矩额定值相比，能够容易且稳定地控制多关节机器人。

作为基于本发明的控制装置的对象的机器人不限于两轴以上的机器人，也可以是一轴的机器人。从一轴并且赋予位置指令值的观点来看，例如单轴的传送带也包含于一轴的机器人的范畴，可以将传送带的带上的搬运物的速度作为机械手的前端的速度处理。即，本发明也可以用于单轴的伺服放大器中的干扰转矩的补偿。如果对单轴的传送带应用基于本发明的控制方法，在由于搬运物的装卸而导致负载惯性变动的情况下，将用于加速控制上的惯性力矩的惯性力和用于加速实际的惯性力矩的推力的变动量设为负载侧力补偿值，将负载侧力补偿值变换成用于抵消从负载侧外力到负载侧速度的响应的速度指令补偿值，加到速度指令值。由此，与切换位置控制系统的惯性力矩额定值相比，能够容易并且稳定地控制单轴的传送带。

Claims (16)

1.一种控制方法，基于从外部输入的指令对电动机进行控制，其特征在于，

将负载干扰转矩补偿值变换成用于抵消从设备上的负载侧干扰输入到负载侧速度的响应的前馈补偿值，

将所述前馈补偿值输入到相加点，所述相加点在控制系统的从所述外部输入的指令的输入位置到生成所述电动机的电流指令值的区间内处于比控制偏差的积分补偿器靠前段的位置。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，

将所述负载干扰转矩补偿值变换成所述前馈补偿值时使用的传递函数是从所述负载侧干扰输入到所述控制系统内的被输入所述前馈补偿值的所述相加点的传递函数，且分母包括非零常数项。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其中，

从所述外部输入的指令是位置指令值，

根据所述位置指令值预测负载状态，基于预测出的所述负载状态，求取来自其他轴的干涉力和本轴的惯性力矩相对于额定转矩的变化量之和，计算所述负载干扰转矩补偿值。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其中，

计算所述位置指令值和所述电动机的位置之差即位置偏差，并计算基于所述位置偏差的速度指令值和所述电动机的速度之差即速度偏差，至少使用所述速度偏差生成所述电流指令值，

所述前馈补偿值是对所述速度指令值进行补偿的速度指令补偿值。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中，

所述速度指令补偿值向所述相加点的输入通过在所述速度指令值上加上所述速度指令补偿值的加法、在所述速度偏差上加上所述速度指令补偿值的加法以及从所述电动机的速度减去所述速度指令补偿值的减法中的任意一个来进行。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其中，

计算所述位置指令值和所述电动机的位置之差即位置偏差，至少使用所述位置偏差生成所述电流指令值，

所述前馈补偿值是对所述位置指令值进行补偿的位置指令补偿值。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其中，

所述位置指令补偿值向所述相加点的输入通过在所述位置指令值上加上所述位置指令补偿值的加法、在所述位置偏差上加上所述位置指令补偿值的加法、在将所述位置偏差乘以比例增益所得的值上加上所述位置指令补偿值的加法以及从所述电动机的位置减去所述位置指令补偿值的减法中的任意一个来进行。

8.一种控制装置，基于从外部输入的指令生成电流指令值，控制设备中包括的电动机，其特征在于，具有：

积分补偿器，所述积分补偿器进行对控制偏差的积分动作；以及

指令变换单元，所述指令变换单元将负载干扰转矩补偿值变换成用于抵消从所述设备上的负载侧干扰输入到负载侧速度的响应的前馈补偿值，

在所述控制装置中，所述前馈补偿值被输入到相加点，所述相加点在从所述控制装置的输入到生成所述电流指令值的区间内处于比所述积分补偿器靠前段的位置。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，

在所述指令变换单元中将所述负载干扰转矩补偿值变换成所述前馈补偿值时使用的传递函数是从所述负载侧干扰输入到在所述控制装置中被输入所述前馈补偿值的所述相加点的传递函数，且分母包括非零常数项。

10.根据权利要求8或9所述的控制装置，其中，

从所述外部输入的指令是位置指令值，

所述控制装置还具备：

负载状态计算部，所述负载状态计算部根据所述位置指令值预测负载状态；以及

反动力学计算部，所述反动力学计算部基于预测出的所述负载状态，求取来自其他轴的干涉力和本轴的惯性力矩相对于额定转矩的变化量之和，计算所述负载干扰转矩补偿值。

11.根据权利要求10所述的控制装置，其中，具有：

位置控制器，所述位置控制器计算所述位置指令值和所述电动机的位置之差即位置偏差；以及

速度控制器，所述速度控制器计算基于所述位置控制器的输出的速度指令值和所述电动机的速度之差即速度偏差，至少使用所述速度偏差生成所述电流指令值，

所述前馈补偿值是对所述速度指令值进行补偿的速度指令补偿值，且输入到在所述速度控制器中处于所述积分补偿器的前段的所述相加点。

12.根据权利要求11所述的控制装置，其中，

具备将所述速度指令补偿值与所述速度指令值相加的加法要素、将所述速度指令补偿值与所述速度偏差相加的加法要素以及从所述电动机的速度减去所述速度指令补偿值的减法要素中的任意一个。

13.根据权利要求11或12所述的控制装置，其中，

所述速度控制器具备输入所述位置控制器的输出值并生成所述速度指令值的前置补偿器。

14.根据权利要求10所述的控制装置，其中，

具备位置速度控制器，所述位置速度控制器计算所述位置指令值和所述电动机的位置之差即位置偏差，至少使用所述位置偏差生成所述电流指令值，

所述前馈补偿值是对所述位置指令值进行补偿的位置指令补偿值，且被输入到相加点，所述相加点在所述位置速度控制器中处于所述积分补偿器的前段。

15.根据权利要求14所述的控制装置，其中，

具备在所述位置指令值上加上所述位置指令补偿值的加法要素、在所述位置偏差上加上所述位置指令补偿值的加法要素以及从所述电动机的位置减去所述位置指令补偿值的减法要素中的任意一个。

16.根据权利要求10所述的控制装置，其中，

所述前馈补偿值是对所述位置指令值进行补偿的位置指令补偿值，

所述控制装置具有：

位置控制器，所述位置控制器计算所述位置指令值和所述电动机的位置之差即位置偏差；

速度控制器，所述速度控制器计算基于所述位置控制器的输出的速度指令值和所述电动机的速度之差即速度偏差，至少使用所述速度偏差生成所述电流指令值；以及

加法要素，所述加法要素将所述位置指令补偿值与所述位置控制器的输出相加，

所述加法要素的输出输入到所述速度控制器。

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