JP2002366203A - 外乱オブザーバプログラム、外乱オブザーバ方法および外乱オブブザーバ置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、外乱を推定して抑制する外乱オブ
ザーバプログラム、外乱オブザーバ方法および外乱オブ
ザーバ装置に関し、従来の時間微分などの演算処理を削
減し短い演算時間で外乱を推定し、補償、抑制して高性
能化を図ることを目的とする。 【解決手段】入力された目標値と推定値との差分を算出
する第１の演算手段と、第１の演算手段によって算出し
た差分値を制御対象に入力したことに対応して、制御対
象の内部で外乱Ｄが加わった状態の加速度を検出する手
段と、検出する手段によって検出された加速度から、第
１の演算手段によって算出した差分値を変換したトルク
単位の第２の信号を減算して外乱によるトルクを推定す
る第３の演算手段と、第３の演算手段によって推定した
推定トルクを目標値ｉの単位に逆変換して第１の演算手
段に推定値として入力して負帰還する手段として機能さ
せるための外乱オブザーバプログラム、外乱オブザーバ
方法および外乱オブザーバ装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外乱を推定して抑
制する外乱オブザーバプログラム、外乱オブザーバ方法
および外乱オブザーバ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、外乱オブザーバには、速度ベー
スの外乱オブザーバと、位置ベースの外乱オブザーバ
とが知られている。

【０００３】前者のの速度ベースの外乱オブザーバ
は、図７の（ａ）に示すように、速度（角速度ω）とモ
ータ入力電流値ｉから加速度外乱（力外乱）τを推定
し、補償することで外乱を抑制している。

【０００４】後者のの位置ベースの外乱オブザーバ
は、図７の（ｂ）に示すように、位置Ｙとモータ入力電
流値Ｕから加速度外乱（力外乱）Ｄ１，位置外乱Ｄ２を
推定し、補償することで外乱を抑制している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の速度
ベースの外乱オブザーバやの位置ベースの外乱オブザ
ーバの制御系では、推定する外乱（力外乱）と、推定に
用いる外乱（の速度やの位置）の次元が異なるた
め、推定に際して時間微分などの演算処理が必要とな
り、ソフトウェア上での計算時間が増大するという問題
点がある。また、ＨＤＤ（ハードディスク装置）の位置
決め制御系などの位置信号が離散的にしか得られない場
合には、高周波領域での特性が劣化するという問題もあ
った。

【０００６】本発明は、これらの問題を解決するため、
推定する外乱（力外乱）と、同次元の外乱を用いて推定
する外乱オブザーバを構成し、共振点の影響を無くすと
共に増幅特性を良好にし、従来の時間微分などの演算処
理を削減し短い演算時間で外乱を推定し、高性能化を図
ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図１を参照して課題を解
決するための手段を説明する。図１において、演算手段
１，２，３は、入力信号を加算したり、減算したりなど
の演算を行うものである。

【０００８】Ｋ、Ｋ’は、電流ｉをトルク（力）に変換
するものである。Ｄは、制御対象１１に加わる外乱
（力）である。１／Ｋは、トルクを電流ｉに逆変換する
ものである。

【０００９】第１の演算手段１、第３の演算手段３は、
入力された信号の差分を算出するものである。制御対象
１１は、トルク（加速度）を推定して制御する対象であ
る。

【００１０】次に、動作を説明する。第１の演算手段１
が入力された目標値と推定値との差分を算出し、制御対
象１１内で外乱Ｄが加わった状態の加速度を検出して出
力端に出力し、第３の演算手段３が出力端から取り出し
た加速度から、第１の演算手段によって算出した差分値
を変換したトルク単位の第２の信号を減算して外乱によ
るトルクを推定し、推定した推定トルクを目標値ｉの単
位に逆変換して第１の演算手段に推定値として入力して
負帰還するようにしている。

【００１１】この際、出力端と第３の演算手段との間
に、制御対象内で外乱の加わった後の共振特性と逆の共
振特性を挿入し、共振を抑制するようにしている。ま
た、出力端と第３の演算手段との間に増幅回路を挿入
し、フィードバックループ内の外乱信号を増幅するよう
にしている。

【００１２】また、第１の演算手段によって算出した差
分値あるいは差分値を変換したトルク単位の信号を増幅
する増幅回路を挿入し、増幅した後に変換したトルク単
位の信号あるいは増幅した信号を第２の信号とするよう
にしている。

【００１３】従って、推定する外乱（力外乱）と、同次
元の外乱を用いて推定する外乱オブザーバ１２を構成
し、共振点の影響を無くすと共に増幅特性を良好にする
ことにより、従来の時間微分などの演算処理を削減し短
い演算時間で外乱を推定し、高性能化を図ることが可能
となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、図１から図６を用いて本発
明の実施の形態および動作を順次詳細に説明する。

【００１５】図１は、本発明のシステム構成図を示す。
図１において、２重線で囲まれた部分は外乱オブザーバ
を適用する制御対象１１であり、点線で囲まれた部分は
外乱オブザーバ１２である。

【００１６】制御対象１１は、外乱によるトルクを推定
する対象（例えばハードディスク装置のアーム駆動用の
モータなど）であって、電流値を入力し、実位置および
加速度を出力（図示外の加速度センサにより出力）する
ものである。加速度センサは、加速度を電気的に検出し
て出力したり、機械的に検出して出力したりする。

【００１７】外乱オブザーバ１２は、電流値および加速
度を入力し、推定外乱値の電流変換値を出力とするもの
である。第１の演算手段１は、目標値ｉから推定トルク
に対応する値を減算して差分（誤差分）を算出してフィ
ードバックするものである。ここでは、入力された目標
値（電流値）ｉは、制御対象１１を駆動する例えばモー
タなどの電流の目標値（電流値）ｉである。

【００１８】Ｋ、Ｋ’は、電流トルク変換器であって、
第１の演算手段１によって算出された差分（電流）をト
ルクの値に変換するものである。ここで、Ｋは、実際に
電流トルク変換器があるわけでなく、制御対象１１内で
差分（電流）を入力としてトルクに変換する機構（例え
ばハードディスク装置のアームを駆動するモータ機構）
で電流をトルクに変換するものである（Ｋについては以
下の説明で同様）。

【００１９】制御対象１１内の第２の演算手段２は、Ｋ
によって変換された値（差分の値）と、外乱Ｄの値を加
算するものである。ただし、演算手段２は、システムに
外乱が受動的に加わることを表現しており、プログラム
や装置によって能動的に加算しているわけではない。こ
こでは、外乱Ｄはトルク単位の値であって、例えばモー
タの摩擦や負荷トルクの変動など制御対象１１に加わる
外乱である。この演算手段２によって加算されて出来た
総トルクは、系に共振点が無い場合、加速度センサ等の
出力と一致するため、加速度センサにより検出できる。
制御対象１１の出力は位置信号なので、便宜上２回積分
器（１／ｓ² ）を通して制御対象１１の出力（加速度
を２回積分した実位置を出力）とした。

【００２０】第３の演算手段３は、第２の演算手段２で
加えられた値（総トルク、加速度）から、Ｋ’で変換さ
れた差分のトルク単位の値を減算し、外乱による推定ト
ルクＤを算出するものである。

【００２１】１／Ｋは、第３の演算手段３によって算出
された推定トルクを、逆変換してここでは電流の値にす
るものである。次に、図１のからの順番に当該図１
の動作を詳細に説明する。

【００２２】図１において、は、第１の演算手段１
が、制御対象１１（例えばモータ）に対する、ここで
は、供給する目標値ｉ（目標電流値ｉ）から、推定トル
クに対応する値（電流値）を減算した値、初期状態では
０（ゼロ）であるので、目標値ｉを出力する。

【００２３】は、の第１の演算手段１によって算出
された値”ｉ”を示す。は、制御対象１１内のＫによ
って、の値ｉをトルク単位の値”Ｋｉ”に変換する。

【００２４】は、制御対象１１内の第２の演算手段２
がで変換された値”Ｋｉ”に対して、受動的に加わる
外乱の値”Ｄ”を加算して算出した値（加速度）”Ｋｉ
＋Ｄ”である。

【００２５】は、第３の演算手段３が”Ｋ’ｉ＋Ｄ”
から、値”Ｋ’ｉ”を減算し、推定トルクを算出する。
ここで、推定トルクは、（Ｋ−Ｋ’）ｉ＋Ｄであり、Ｋ
−Ｋ’がＤに比して小さいとすれば、Ｄと近似される。

【００２６】は、１／Ｋがの推定トルクを逆変換し
て電流の値である”Ｄ／Ｋ”に変換する。は、第１の
演算手段１が目標値ｉからで変換した推定トルクに対
応する値”Ｄ／Ｋ”を減算し、値”ｉ−Ｄ／Ｋ”を算出
する。

【００２７】は、制御対象１１内のＫがの値”ｉ−
Ｄ／Ｋ”に”Ｋ”を乗算し、”Ｋｉ−Ｄ”を生成する。
は、制御対象１１内の第２の演算手段２がの生成さ
れた”Ｋｉ−Ｄ”に，受動的に加わる”Ｄ”を加算し、
総トルク（加速度）”Ｋｉ”を生成する。以降同様に、
繰り返す。

【００２８】以上のように、入力された目標値ｉおよび
制御対象１１に対して受動的に加わる外乱Ｄをもとに外
乱オブザーバ１２で推定トルクを推定してフィードバッ
クし、出力（Ｋｉ総トルク（加速度））を（１／Ｓ²
（２回積分）を介して○10の実位置として出力すること
が可能となる。以下図１の基本的な構成のもとで、制御
対象１１の持つ各種特性に対応した外乱ブザーバ１２の
特性の改良について、図２から図６の実施例を用いて順
次詳細に説明する。

【００２９】図２は、本発明の説明図（その１）を示
す。これは、図１の構成中の制御対象１１内の第２の演
算手段２とフィードバックの出力端１３との間に、Ｒ
（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，共振特性）が存在する場合の実
施例である。

【００３０】図２の（ａ）は、制御対象１１の共振特性
を考慮した場合の制御対象１１と外乱オブザーバ１２を
示す。図２の（ｂ）は、図２の（ａ）の説明図を示す。
制御対象１１の共振点が例えば図示の１次共振周波数
（４．７ｋＨｚ）、２次共振周波数（６．３ｋＨｚ）と
すると、伝達関数は図示のようになり、下段に示すよう
な周波数（横軸）と利得（縦軸）となる。共振特性を図
２の（ａ）のＲに挿入する。これにより、共振特性の出
力である加速度値は、共振成分が含まれることとなる。

【００３１】図２の（ｃ）は、問題点を示す。図２の
（ａ）のＲのみを挿入すると、第３の演算手段３では、
図示の下記のように推定トルクが算出される。 推定トルク＝（Ｋｉ＋Ｄ）＊Ｒ−Ｋｉ ＝Ｋｉ（Ｒ−１）＋ＤＲ この算出された推定トルクは、実外乱トルクＤと一致し
なくなってしまい、不都合が生じる場合がある。そこ
で、次に説明する図３で１／Ｒを挿入して推定トルクと
実外乱トルクＤとを一致させる。

【００３２】図３は、本発明の説明図（その２）を示
す。これは、図２の構成中の出力端１３と第３の演算手
段との間に、１／Ｒ（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，共振特性）
を外乱オブザーバ１２内に挿入した実施例を示す。

【００３３】図３の（ａ）は、共振特性１／Ｒを入れた
場合の構成例を示す。図３の（ｂ）は、図３の（ａ）の
説明図を示す。図示の１／Ｒ（共振特性）は、図２の
（ｂ）の伝達関数の逆数）である。

【００３４】図３の（ｃ）は、効果を示す。図３の
（ｂ）の伝達関数を持つ１／Ｒを図３の（ａ）の外乱オ
ブザーバ１２内の図示の位置に挿入することにより、第
３の演算手段３では、図示の下記のように推定トルクが
算出される。

【００３５】 推定トルク＝（Ｋｉ＋Ｄ）＊Ｒ＊１／Ｒ−Ｋｉ ＝Ｄ この算出された推定トルクＤは、実外乱トルクＤと一致
する。

【００３６】以上のように、１／Ｒの共振特性を外乱オ
ブザーバ１２内に図示のように挿入することにより、制
御対象１１が持つ共振特性である例えば図２の（ｂ）の
１次共振点、２次共振点と一致させることで共振を防止
し、受動的に加わる小さな外乱Ｄを増幅するときに問題
となる共振を無くし、精度良好にフィードバック制御す
ることが可能となる。

【００３７】図４は、本発明の説明図（その３）を示
す。これは、図１の構成中の出力端１３と第３の演算手
段との間に、Ａ（Ｓｅｎｓｏｒ Ａｍｐ，増幅器）を制
御対象１１内に挿入した他の実施例を示す。

【００３８】図４の（ａ）は、加速度センサ増幅回路を
入れた場合の構成例を示す。図４の（ｂ）は、図４の
（ａ）の説明図を示す。図４の（ａ）のＡのＳｅｎｓｏ
ｒ Ａｍｐ（増幅回路）の特性例として、図示の５０Ｈ
ｚのＨＰＦ（ハイパスフィルタ）＋５ｋＨｚのＬＰＳ
（ローパスフィルタ）、伝達関数として図示の値を持た
せると、右側に記載した周波数（横軸）と利得（縦軸）
となり、当該増幅回路を図４の（ａ）のＡに挿入する。
これにより、加速度センサによって受動的に加わる外乱
Ｄの必要な帯域の周波数成分について必要な増幅を行う
ことが可能となる。

【００３９】図４の（ｃ）は、問題点を示す。図４の
（ａ）のＡのみを挿入すると、第３の演算手段３では、
図示の下記のように推定トルクが算出される。 推定トルク＝（Ｋｉ＋Ｄ）＊Ａ−Ｋｉ ＝Ｋｉ（Ａ−１）＋ＤＡ この算出された推定トルクは、実外乱トルクＤと一致し
なくなってしまい、不都合が生じる場合がある。そこ
で、次に説明する図５でＡ’と１／Ａを挿入して推定ト
ルクと実外乱トルクを一致させる。

【００４０】図５は、本発明の説明図（その４）を示
す。これは、外乱オブザーバ１２内に、図４の構成中の
演算手段１とＲ’の間にＡ’（増幅器、Ａと等しい）
を、また、図４の構成中の１／Ｋと第１の演算手段１の
間に１／Ａ（増幅器）を、挿入して実施例を示す。

【００４１】図５の（ａ）は、増幅回路Ａ’と１／Ａを
入れた場合の構成を示す。図５の（ｂ）は、効果を示
す。図４の（ｂ）の伝達関数を持つＡ’を図５の（ａ）
の外乱オブザーバ１２内の図示の位置に挿入することに
より、第３の演算手段３では、下記のように推定トルク
が算出される。

【００４２】推定トルク＝（Ｋｉ＋Ｄ）＊Ａ−ＫｉＡ ＝ＤＡ この算出された推定トルクＤＡは、実外乱トルクをＡ倍
したものと一致する。また、図４の（ｂ）の伝達関数の
逆数１／Ａを図５の（ａ）の外乱オブザーバ１２内の図
示の位置に挿入することにより、第３の演算手段３で得
られた推定トルクＤＡをＤに変換する。これにより、変
換された推定トルクＤは実外乱トルクと一致する。

【００４３】以上のように、Ａ’と１／Ａの増幅回路を
図示のように外乱オブザーバ１２内に挿入することによ
り、制御対象１１内の加速度センサで検出されて受動的
に加わる外乱Ｄを所定の帯域幅で所定の利得で増幅して
精度良好にフィードバック制御することが可能となる。

【００４４】図６は、本発明の説明図（その５）を示
す。これは、既述した図１の回路に、図２から図４の１
／Ｒ，１／Ａを組合わせて外乱オブザーバ１２内に挿入
した構成であって、受動的に加わる外乱Ｄの特性（共振
特性、周波数特性）に対応した推定トルクを良好に推定
し、当該推定した推定トルクをもとに安定かつ高精度の
フィードバック制御を実現するようにしたものである。

【００４５】（付記１）外乱を推定して抑制する外乱オ
ブザーバプログラムにおいて、入力された目標値と推定
値との差分を算出する第１の演算手段と、上記第１の演
算手段によって算出した差分値を制御対象に入力したこ
とに対応して、当該制御対象の内部で外乱Ｄが加わった
状態の加速度を検出して出力端に出力する手段と、上記
出力端から取り出した加速度から、上記第１の演算手段
によって算出した差分値を変換したトルク単位の第２の
信号を減算して外乱によるトルクを推定する第３の演算
手段と、上記第３の演算手段によって推定した推定トル
クを上記目標値ｉの単位に逆変換して上記第１の演算手
段に上記推定値として入力して負帰還する手段として機
能させるための外乱オブザーバプログラム。

【００４６】（付記２）上記出力端と上記第３の演算手
段との間に、制御対象内で外乱の加わった後の共振特性
と逆の共振特性を挿入し、共振を抑制したことを特徴と
する付記１記載の外乱オブザーバプログラム。

【００４７】（付記３）上記出力端と第３の演算手段と
の間に増幅手段を挿入し、フィードバックループ内の外
乱信号を増幅したことを特徴とする付記１あるいは付記
２記載の外乱オブザーバプログラム。

【００４８】（付記４）上記第１の演算手段によって算
出した差分値あるいは当該差分値を変換したトルク単位
の信号を増幅する増幅手段を挿入し、増幅した後に変換
したトルク単位の信号あるいは増幅した信号を上記第２
の信号としたことを特徴とする付記１から付記３のいず
れかに記載の外乱オブザーバプログラム。

【００４９】（付記５）外乱を推定して抑制する外乱オ
ブザーバ方法において、入力された目標値と推定値との
差分を算出する第１の演算ステップと、上記第１の演算
手段によって算出した差分値を制御対象に入力したこと
に対応して、当該制御対象の内部で外乱Ｄが加わった状
態の加速度を検出して出力端に出力するステップと、上
記出力端から取り出した加速度から、上記第１の演算手
段によって算出した差分値を変換したトルク単位の第２
の信号を減算して外乱によるトルクを推定する第３の演
算ステップと、上記第３の演算手段によって推定した推
定トルクを上記目標値ｉの単位に逆変換して上記第１の
演算手段に上記推定値として入力して負帰還するステッ
プとを有する外乱オブザーバ方法。

【００５０】（付記６）外乱を推定して抑制する外乱オ
ブザーバ装置において、入力された目標値と推定値との
差分を算出する第１の演算手段と、上記第１の演算手段
によって算出した差分値を制御対象に入力したことに対
応して、当該制御対象の内部で外乱Ｄが加わった状態の
加速度を検出して出力端に出力する手段と、上記出力端
から取り出した加速度から、上記第１の演算手段によっ
て算出した差分値を変換したトルク単位の第２の信号を
減算して外乱によるトルクを推定する第３の演算手段
と、上記第３の演算手段によって推定した推定トルクを
上記目標値ｉの単位に逆変換して上記第１の演算手段に
上記推定値として入力して負帰還する手段とを備えた外
乱オブザーバ装置。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
推定する外乱（力外乱）と、同次元の外乱を用いて推定
する外乱オブザーバを構成し、共振点の影響を無くすと
共に増幅特性を良好にする構成を採用しているため、従
来の時間微分などの演算処理を削減し短い演算時間で外
乱を推定し、高性能化を図った外乱オブザーバを実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステム構成図である。

【図２】本発明の説明図（その１）である。

【図３】本発明の説明図（その２）である。

【図４】本発明の説明図（その３）である。

【図５】本発明の説明図（その４）である。

【図６】本発明の説明図（その５）である。

【図７】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１、２、３：演算手段 Ｋ，Ｋ’：電流トルク変換器 １／Ｋ：トルク電流変換器 Ｄ：外乱 Ｒ、１／Ｒ：共振特性 Ａ，１／Ａ：増幅回路

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H004 GA07 HA07 HA09 HB07 HB09 JB22 KB04 MA41

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外乱を推定して抑制する外乱オブザーバプ
   ログラムにおいて、 入力された目標値と推定値との差分を算出する第１の演
   算手段と、 上記第１の演算手段によって算出した差分値を制御対象
   に入力したことに対応して、当該制御対象の内部で外乱
   Ｄが加わった状態の加速度を検出する手段と、 上記検出する手段によって検出された加速度から、上記
   第１の演算手段によって算出した差分値を変換したトル
   ク単位の第２の信号を減算して外乱によるトルクを推定
   する第３の演算手段と、 上記第３の演算手段によって推定した推定トルクを上記
   目標値ｉの単位に逆変換して上記第１の演算手段に上記
   推定値として入力して負帰還する手段として機能させる
   ための外乱オブザーバプログラム。
2. 【請求項２】外乱を推定して抑制する外乱オブザーバ方
   法において、 入力された目標値と推定値との差分を算出する第１の演
   算ステップと、 上記第１の演算手段によって算出した差分値を制御対象
   に入力したことに対応して、当該制御対象の内部で外乱
   Ｄが加わった状態の加速度を検出して出力端に出力する
   ステップと、 上記出力端から取り出した加速度から、上記第１の演算
   手段によって算出した差分値を変換したトルク単位の第
   ２の信号を減算して外乱によるトルクを推定する第３の
   演算ステップと、 上記第３の演算手段によって推定した推定トルクを上記
   目標値ｉの単位に逆変換して上記第１の演算手段に上記
   推定値として入力して負帰還するステップとを有する外
   乱オブザーバ方法。
3. 【請求項３】外乱を推定して抑制する外乱オブザーバ装
   置において、 入力された目標値と推定値との差分を算出する第１の演
   算手段と、 上記第１の演算手段によって算出した差分値を制御対象
   に入力したことに対応して、当該制御対象の内部で外乱
   Ｄが加わった状態の加速度を検出して出力端に出力する
   手段と、 上記出力端から取り出した加速度から、上記第１の演算
   手段によって算出した差分値を変換したトルク単位の第
   ２の信号を減算して外乱によるトルクを推定する第３の
   演算手段と、 上記第３の演算手段によって推定した推定トルクを上記
   目標値ｉの単位に逆変換して上記第１の演算手段に上記
   推定値として入力して負帰還する手段とを備えた外乱オ
   ブザーバ装置。