JP2006121806A - モータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】機械の振動などにより検出された速度が振動した場合にも調整が容易な、モータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供する。
【解決手段】摩擦を有する機構部を駆動するモータと、位置指令１に基づいてモータに対するトルク指令４３を生成する位置制御部４１、速度制御部４２とを備え、モータの位置信号を速度制御部４２にフィードバックするフィードバック制御部４を有するモータ制御装置において、位置制御部４１および速度制御部を模擬したモデル位置制御部２１およびモデル速度制御部２２と、モータおよび機構部を模擬したメカモデル２３とを有するモデル演算部２を備え、モデル演算部２で、位置指令１に基づいてモデルモータ速度２５とモデル負荷速度２６を演算し、摩擦補償部３で、モデル演算部２の状態量に基づいて、摩擦補償トルクを算出し、その出力をモータ制御部のトルク指令に加算して摩擦補償をする。
【選択図】 図１
【解決手段】摩擦を有する機構部を駆動するモータと、位置指令１に基づいてモータに対するトルク指令４３を生成する位置制御部４１、速度制御部４２とを備え、モータの位置信号を速度制御部４２にフィードバックするフィードバック制御部４を有するモータ制御装置において、位置制御部４１および速度制御部を模擬したモデル位置制御部２１およびモデル速度制御部２２と、モータおよび機構部を模擬したメカモデル２３とを有するモデル演算部２を備え、モデル演算部２で、位置指令１に基づいてモデルモータ速度２５とモデル負荷速度２６を演算し、摩擦補償部３で、モデル演算部２の状態量に基づいて、摩擦補償トルクを算出し、その出力をモータ制御部のトルク指令に加算して摩擦補償をする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、摩擦を有する産業用ロボットや工作機等の機械を駆動するモータの制御装置に関する。
摩擦の大きな制御対象の場合、通常、フィードバック制御に積分器を挿入することで定常偏差を抑制し、応答を改善する手法がとられる。しかしながら、積分器を用いた場合、積分応答の遅れにより、停止時にオーバシュートが生じたり、速度が反転する部分で軌跡精度が劣化するなどの問題がある。
この問題を改善する手法として、エンコーダ等の検出器により検出された速度に応じて、トルク指令に摩擦力を補償するトルクを付加する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この問題を改善する手法として、エンコーダ等の検出器により検出された速度に応じて、トルク指令に摩擦力を補償するトルクを付加する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図３は、従来の摩擦補償方法を用いた制御装置の構成の一例を示すブロック図である。図３において、１は上位指令器より入力される位置指令である。４は位置指令１に基づき制御対象４４のフィードバック制御を行うフィードバック制御部である。このフィードバック制御部４は、位置制御部４１、速度制御部４２、微分手段２４より構成され、速度制御部４２の出力であるトルク指令４３により、制御対象４４を駆動するものであり、制御対象４４の出力であるモータ位置４５を位置制御部４１や微分手段２４を介して速度制御部４２にフィードバックすることにより位置決め制御を可能としている。５は、モータ速度４６に基づき摩擦トルクを計算し、フィードバック制御部４へ補償する摩擦補償部であり、速度が零となる付近の応答を改善する目的で挿入された不感帯３２、粘性摩擦を補償する粘性摩擦補償部３３、クーロン摩擦分を補償するクーロン摩擦補償部３４より構成され、摩擦補償トルク５１を出力し、トルク指令４３を補償する。
これにより、停止時のオーバシュート抑制や速度が反転する時の軌跡精度向上に効果をあげている。
これにより、停止時のオーバシュート抑制や速度が反転する時の軌跡精度向上に効果をあげている。
しかしながら、従来の手法では、機械の振動などにより検出された速度が振動した場合、摩擦補償トルクが振動し、調整が容易でないという問題があった。
図４は、従来の摩擦補償方法を用いた場合の摩擦補償トルクの推移を表している。図３に示すように、従来の摩擦補償方法を用いた制御装置では、モータに設置された検出器により検出されたモータ位置４５により算出されたモータ速度４６に応じて、摩擦補償部５により、それぞれ求められた粘性摩擦補償、クーロン摩擦補償分のトルクを合成した摩擦補償トルク５１をフィードバック制御部４のトルク指令４３に加算し補償するため、図４に示すように、制御対象の振動などにより、モータ速度６が振動した場合、摩擦補償トルク７も振動的なものとなる。特に、モータの位置を検出するエンコーダ等の検出器の分解能が粗く、摩擦補償部５に入力されるモータ速度４６の量子化誤差が大きい場合など、摩擦補償部５の出力が実際のモータの挙動と一致しない場合があり、かえって振動を誘発し、応答を劣化させる原因となる。このような場合、不感帯３２の設定により回避できる場合もあるが、指令の変化により、振動の振幅が変化すると、不感帯３２の領域を越える可能性がある。
図４は、従来の摩擦補償方法を用いた場合の摩擦補償トルクの推移を表している。図３に示すように、従来の摩擦補償方法を用いた制御装置では、モータに設置された検出器により検出されたモータ位置４５により算出されたモータ速度４６に応じて、摩擦補償部５により、それぞれ求められた粘性摩擦補償、クーロン摩擦補償分のトルクを合成した摩擦補償トルク５１をフィードバック制御部４のトルク指令４３に加算し補償するため、図４に示すように、制御対象の振動などにより、モータ速度６が振動した場合、摩擦補償トルク７も振動的なものとなる。特に、モータの位置を検出するエンコーダ等の検出器の分解能が粗く、摩擦補償部５に入力されるモータ速度４６の量子化誤差が大きい場合など、摩擦補償部５の出力が実際のモータの挙動と一致しない場合があり、かえって振動を誘発し、応答を劣化させる原因となる。このような場合、不感帯３２の設定により回避できる場合もあるが、指令の変化により、振動の振幅が変化すると、不感帯３２の領域を越える可能性がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機械の振動などにより検出された速度が振動した場合にも容易に調整ができ、また、モータの位置を検出するエンコーダ等の検出器の分解能が粗く、量子化誤差が大きい場合にも適用することができるモータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、複数の機械要素で摩擦が発生した場合にも個別の応答にあわせ摩擦補償トルクを算出することができるモータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、速度反転時の挙動がモデル化できない場合にも、不感帯領域で摩擦補償トルクの出力を制限することができ、応答を劣化させずに、摩擦補償の効果を得ることができるモータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、モデルが一致しない場合もフィードバック制御部への補償値の変化を平滑化することができ、調整感度を大きくとることができるモータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、複数の機械要素で摩擦が発生した場合にも個別の応答にあわせ摩擦補償トルクを算出することができるモータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、速度反転時の挙動がモデル化できない場合にも、不感帯領域で摩擦補償トルクの出力を制限することができ、応答を劣化させずに、摩擦補償の効果を得ることができるモータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、モデルが一致しない場合もフィードバック制御部への補償値の変化を平滑化することができ、調整感度を大きくとることができるモータ制御装置における摩擦補償方法およびモータ制御装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明の第１の構成は、摩擦を有する機構部を駆動するモータと、位置指令に基づいて前記モータに対するトルク指令を生成するモータ制御部とを備え、前記モータの位置信号を前記モータ制御部にフィードバックするフィードバック制御部を有するモータ制御装置における摩擦補償方法であって、前記モータ制御部を模擬したモデル制御部と、前記モータおよび機構部を模擬したメカモデルとを含むモデル演算部により、前記フィードバック制御部へ入力される位置指令と同じ位置指令に基づいてモデルモータ速度とモデル負荷速度を演算し、前記モデル演算部の状態量に基づいて、摩擦補償部により摩擦補償トルクを算出し、前記摩擦補償部の出力を前記モータ制御部のトルク指令に加算して摩擦補償をすることを特徴とする。
本発明の第２の構成は、前記摩擦補償部において、モデルモータ速度またはモデル負荷速度のいずれか、あるいはその双方の速度に応じて摩擦補償トルクを算出することを特徴とする。
本発明の第３の構成は、前記摩擦補償部において、不感帯速度領域を設定し、前記不感帯速度領域内では、摩擦補償トルクを出力しないことを特徴とする。
本発明の第４の構成は、前記摩擦補償部において、摩擦補償トルクを平滑化するフィルタを挿入することを特徴とする。
本発明の第２の構成は、前記摩擦補償部において、モデルモータ速度またはモデル負荷速度のいずれか、あるいはその双方の速度に応じて摩擦補償トルクを算出することを特徴とする。
本発明の第３の構成は、前記摩擦補償部において、不感帯速度領域を設定し、前記不感帯速度領域内では、摩擦補償トルクを出力しないことを特徴とする。
本発明の第４の構成は、前記摩擦補償部において、摩擦補償トルクを平滑化するフィルタを挿入することを特徴とする。
本発明の第５の構成は、摩擦を有する機構部を駆動するモータと、位置指令に基づいて前記モータに対するトルク指令を生成するモータ制御部とを備え、前記モータの位置信号を前記モータ制御部にフィードバックするフィードバック制御部を有するモータ制御装置において、前記モータ制御部を模擬したモデル制御部と、前記モータおよび機構部を模擬したメカモデルとを含み、前記フィードバック制御部の応答を模擬するモデル演算部であって、前記フィードバック制御部へ入力される位置指令と同じ位置指令に基づいてモデルモータ速度とモデル負荷速度を演算するモデル演算部と、前記モデル演算部の状態量に基づいて、摩擦補償トルクを算出し、その出力を前記モータ制御部のトルク指令に加算して摩擦補償をする摩擦補償部とを備えたことを特徴とする。
本発明の第６の構成は、前記摩擦補償部は、モデルモータ速度またはモデル負荷速度のいずれか、あるいはその双方の速度に応じて摩擦補償トルクを算出することを特徴とする。
本発明の第７の構成は、前記摩擦補償部において不感帯速度領域を設定し、前記不感帯速度領域内では、摩擦補償トルクを出力しない機能を備えたことを特徴とする。
本発明の第８の構成は、前記摩擦補償部は、摩擦補償トルクを平滑化するフィルタを有することを特徴とする。
本発明の第６の構成は、前記摩擦補償部は、モデルモータ速度またはモデル負荷速度のいずれか、あるいはその双方の速度に応じて摩擦補償トルクを算出することを特徴とする。
本発明の第７の構成は、前記摩擦補償部において不感帯速度領域を設定し、前記不感帯速度領域内では、摩擦補償トルクを出力しない機能を備えたことを特徴とする。
本発明の第８の構成は、前記摩擦補償部は、摩擦補償トルクを平滑化するフィルタを有することを特徴とする。
本発明の第１および第５の構成によると、モデル制御部およびメカモデルを有するモデル演算部の状態量に基づいて、摩擦補償トルクを算出する摩擦補償部の出力をモータ制御部の出力に加算することにより、安定に設計されたモデルの応答速度に基づき、安定した摩擦補償トルクを算出することができ、機械の振動などにより検出された速度が振動した場合にも容易に調整ができる。また、モータの位置を検出するエンコーダ等の検出器の分解能が粗く、量子化誤差が大きい場合にも適用することができる。
本発明の第２および第６の構成によると、複数の機械要素で摩擦が発生した場合にも個別の応答にあわせ摩擦補償トルクを算出することができる。
本発明の第３および第７の構成によると、速度反転時の挙動がモデル化できない場合にも、不感帯領域で摩擦補償トルクの出力を制限することができ、応答を劣化させずに、摩擦補償の効果を得ることができる。
本発明の第４および第８の構成によると、モデルが一致しない場合もフィードバック制御部への補償値の変化を平滑化することができ、調整感度を大きくとることができる。
本発明の第２および第６の構成によると、複数の機械要素で摩擦が発生した場合にも個別の応答にあわせ摩擦補償トルクを算出することができる。
本発明の第３および第７の構成によると、速度反転時の挙動がモデル化できない場合にも、不感帯領域で摩擦補償トルクの出力を制限することができ、応答を劣化させずに、摩擦補償の効果を得ることができる。
本発明の第４および第８の構成によると、モデルが一致しない場合もフィードバック制御部への補償値の変化を平滑化することができ、調整感度を大きくとることができる。
以下、本発明の実施の形態を、図１および図２に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、本実施の形態のモータ制御装置は、モデル演算部２と、摩擦補償部３と、フィードバック制御部４とを備えている。
モデル演算部２は、上位指令器（図示せず）より入力される位置指令１に基づき、フィードバック制御部４の応答を模擬するものであり、位置制御部４１の応答を模擬するモデル位置制御部２１と、速度制御部４２の応答を模擬するモデル速度制御部２２と、制御対象４４であるモータおよび負荷端の特性を模擬するメカモデル２３と、微分手段２４より構成され、モデルモータ速度２５およびモデル負荷速度２６を模擬する。
モデル演算部２は、上位指令器（図示せず）より入力される位置指令１に基づき、フィードバック制御部４の応答を模擬するものであり、位置制御部４１の応答を模擬するモデル位置制御部２１と、速度制御部４２の応答を模擬するモデル速度制御部２２と、制御対象４４であるモータおよび負荷端の特性を模擬するメカモデル２３と、微分手段２４より構成され、モデルモータ速度２５およびモデル負荷速度２６を模擬する。
摩擦補償部３は、モデル演算部２から出力されるモデルモータ速度２５およびモデル負荷速度２６に基づいて摩擦補償トルク３６を計算し、フィードバック制御部４へ出力する。この摩擦補償部３は、現象に応じてモデルモータ速度２５またはモデル負荷速度２６を選択する切り替え手段３１と、速度が零となる付近の応答を改善する目的で挿入された不感帯３２と、粘性摩擦を補償する粘性摩擦補償部３３と、クーロン摩擦分を補償するクーロン摩擦補償部３４と、合成された摩擦補償トルクを平滑化する１次遅れフィルタ３５により構成され、摩擦補償トルク３６を出力し、トルク指令４３を補償する。
フィードバック制御部４は、モデル演算部２に入力される位置指令と同じ位置指令１に基づき、制御対象４４のフィードバック制御を行うものであり、位置制御部４１と、速度制御部４２と、微分手段２４より構成され、速度制御部４２の出力であるトルク指令４３により、制御対象４４を駆動し、制御対象４４の出力であるモータ位置４５を位置制御部４１や微分手段２４を介して速度制御部４２にフィードバックすることにより位置決め制御を可能としている。
フィードバック制御部４は、モデル演算部２に入力される位置指令と同じ位置指令１に基づき、制御対象４４のフィードバック制御を行うものであり、位置制御部４１と、速度制御部４２と、微分手段２４より構成され、速度制御部４２の出力であるトルク指令４３により、制御対象４４を駆動し、制御対象４４の出力であるモータ位置４５を位置制御部４１や微分手段２４を介して速度制御部４２にフィードバックすることにより位置決め制御を可能としている。
以下、図を用いて本発明に係る摩擦補償方法を、順を追って説明する。
図１に示す実施の形態のモータ制御装置では、上位指令器より入力される位置指令１に基づき、フィードバック制御部４の位置制御部４１の応答を模擬するモデル位置制御部２１によって位置制御信号を演算し、フィードバック制御部４の速度制御部４２の応答を模擬するモデル速度制御部２２によって、速度制御信号を演算することにより、制御対象４４を模して構成されたモータおよび負荷端の特性を模擬するメカモデル２３を駆動する。これにより、制御対象４４のモータ速度や負荷速度を模擬することができる。また、モデル演算部２においては、メカモデル２３の特性は既知であるので、十分安定にフィードバック制御部４をシミュレーションすることができる。
図１に示す実施の形態のモータ制御装置では、上位指令器より入力される位置指令１に基づき、フィードバック制御部４の位置制御部４１の応答を模擬するモデル位置制御部２１によって位置制御信号を演算し、フィードバック制御部４の速度制御部４２の応答を模擬するモデル速度制御部２２によって、速度制御信号を演算することにより、制御対象４４を模して構成されたモータおよび負荷端の特性を模擬するメカモデル２３を駆動する。これにより、制御対象４４のモータ速度や負荷速度を模擬することができる。また、モデル演算部２においては、メカモデル２３の特性は既知であるので、十分安定にフィードバック制御部４をシミュレーションすることができる。
本実施の形態では、この模擬されたモータ速度２５や負荷速度２６を、摩擦が生じている部位がモータ側か負荷側か、現象に応じて切り替え手段３１により選択し、粘性摩擦を補償する粘性摩擦補償部３３とクーロン摩擦分を補償するクーロン摩擦補償部３４の出力を合成し、摩擦補償トルク３６を算出する。
各摩擦補償部３３，３４の入力前には不感帯３２を設けることが望ましいが、速度が零となる付近の演算精度によるバタツキを防止するものであり、演算分解能に応じて設定すればよい。
また、一般的なクーロン摩擦モデルは、速度が零となる付近で摩擦トルクが反転するが、モデルが一致しない場合、フィードバック制御部４へのステップ外乱となり、望ましくないため、１次遅れフィルタ３５のような平滑化フィルタを挿入しておくことで調整感度を大きくとることができる。
各摩擦補償部３３，３４の入力前には不感帯３２を設けることが望ましいが、速度が零となる付近の演算精度によるバタツキを防止するものであり、演算分解能に応じて設定すればよい。
また、一般的なクーロン摩擦モデルは、速度が零となる付近で摩擦トルクが反転するが、モデルが一致しない場合、フィードバック制御部４へのステップ外乱となり、望ましくないため、１次遅れフィルタ３５のような平滑化フィルタを挿入しておくことで調整感度を大きくとることができる。
図２は、本発明の摩擦補償方法を用いた場合の摩擦補償トルクの推移を表す。図中、６はモータ速度、７は摩擦補償トルクの波形である。
図２に示すように、本発明の摩擦補償方法を用いれば、制御対象に振動が発生し、フィードバックされるモータ位置や速度が振動する場合にも、滑らかな摩擦補償トルクをフィードバック制御部４にフィードバックしてトルク補償することができ、補償によりかえって応答が劣化するということがない。
以上のように、本発明によれば、安定に設計されたモデルの速度に基づき、安定した摩擦補償トルクを算出することができ、機械の振動などにより検出された速度が振動した場合にも容易に調整ができる。また、モータの位置を検出するエンコーダ等の検出器の分解能が粗く、量子化誤差が大きい場合にも適用できる。
図２に示すように、本発明の摩擦補償方法を用いれば、制御対象に振動が発生し、フィードバックされるモータ位置や速度が振動する場合にも、滑らかな摩擦補償トルクをフィードバック制御部４にフィードバックしてトルク補償することができ、補償によりかえって応答が劣化するということがない。
以上のように、本発明によれば、安定に設計されたモデルの速度に基づき、安定した摩擦補償トルクを算出することができ、機械の振動などにより検出された速度が振動した場合にも容易に調整ができる。また、モータの位置を検出するエンコーダ等の検出器の分解能が粗く、量子化誤差が大きい場合にも適用できる。
本発明は、機械の振動などにより検出された速度が振動した場合にも調整が容易であるので、摩擦を有する産業用ロボットや工作機等の機械を駆動するモータの制御装置に好適に利用することができる。
１ 位置指令
２ モデル演算部
３ 摩擦補償部
４ フィードバック制御部
５ 摩擦補償部
６ モータ速度
７ 摩擦補償トルク
２１ モデル位置制御部
２２ モデル速度制御部
２３ メカモデル
２４ 微分手段
２５ モデルモータ速度
２６ モデル負荷速度
３１ 切り替え手段
３２ 不感帯
３３ 粘性摩擦補償部
３４ クーロン摩擦補償部
３５ １次遅れフィルタ
３６ 摩擦補償トルク
４１ 位置制御部
４２ 速度制御部
４３ トルク指令
４４ 制御対象
４５ モータ位置
４６ モータ速度
２ モデル演算部
３ 摩擦補償部
４ フィードバック制御部
５ 摩擦補償部
６ モータ速度
７ 摩擦補償トルク
２１ モデル位置制御部
２２ モデル速度制御部
２３ メカモデル
２４ 微分手段
２５ モデルモータ速度
２６ モデル負荷速度
３１ 切り替え手段
３２ 不感帯
３３ 粘性摩擦補償部
３４ クーロン摩擦補償部
３５ １次遅れフィルタ
３６ 摩擦補償トルク
４１ 位置制御部
４２ 速度制御部
４３ トルク指令
４４ 制御対象
４５ モータ位置
４６ モータ速度
Claims (8)
- 摩擦を有する機構部を駆動するモータと、位置指令に基づいて前記モータに対するトルク指令を生成するモータ制御部とを備え、前記モータの位置信号を前記モータ制御部にフィードバックするフィードバック制御部を有するモータ制御装置における摩擦補償方法であって、
前記モータ制御部を模擬したモデル制御部と、前記モータおよび機構部を模擬したメカモデルとを含むモデル演算部により、前記フィードバック制御部へ入力される位置指令と同じ位置指令に基づいてモデルモータ速度とモデル負荷速度を演算し、
前記モデル演算部の状態量に基づいて、摩擦補償部により摩擦補償トルクを算出し、
前記摩擦補償部の出力を前記モータ制御部のトルク指令に加算して摩擦補償をすることを特徴とするモータ制御装置における摩擦補償方法。 - 前記摩擦補償部において、モデルモータ速度またはモデル負荷速度のいずれか、あるいはその双方の速度に応じて摩擦補償トルクを算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置における摩擦補償方法。
- 前記摩擦補償部において、不感帯速度領域を設定し、前記不感帯速度領域内では、摩擦補償トルクを出力しないことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置における摩擦補償方法。
- 前記摩擦補償部において、摩擦補償トルクを平滑化するフィルタを挿入することを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載のモータ制御装置における摩擦補償方法。
- 摩擦を有する機構部を駆動するモータと、位置指令に基づいて前記モータに対するトルク指令を生成するモータ制御部とを備え、前記モータの位置信号を前記モータ制御部にフィードバックするフィードバック制御部を有するモータ制御装置において、
前記モータ制御部を模擬したモデル制御部と、前記モータおよび機構部を模擬したメカモデルとを含み、前記フィードバック制御部の応答を模擬するモデル演算部であって、前記フィードバック制御部へ入力される位置指令と同じ位置指令に基づいてモデルモータ速度とモデル負荷速度を演算するモデル演算部と、
前記モデル演算部の状態量に基づいて、摩擦補償トルクを算出し、その出力を前記モータ制御部のトルク指令に加算して摩擦補償をする摩擦補償部と
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。 - 前記摩擦補償部は、モデルモータ速度またはモデル負荷速度のいずれか、あるいはその双方の速度に応じて摩擦補償トルクを算出することを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
- 前記摩擦補償部において不感帯速度領域を設定し、前記不感帯速度領域内では、摩擦補償トルクを出力しない機能を備えたことを特徴とする請求項５または６に記載のモータ制御装置。
- 前記摩擦補償部は、摩擦補償トルクを平滑化するフィルタを有することを特徴とする請求項５から７のいずれかの項に記載のモータ制御装置。
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