JP2006146572A - Servo control apparatus and method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To more accurately determine a frictional force that varies with time and temperature, thus making it possible to keep the control performance of position control or flexible control high at all times without depending on time and temperature variations. <P>SOLUTION: A servo control apparatus includes a simulation position controller 15 and a simulation speed controller 16, both of which have the same configurations as actual control; a mechanical model computing part 18 for simulating a control target; a comparison part 19 for comparing the actual control with simulations; a friction model creating part 20 for creating a friction model based on the output of the comparison part 19; and a compensating part 21 for compensating a friction compensation value based on the output of the friction model creating part 20. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ロボットなどの機械装置を制御するサーボ制御装置に関する。   The present invention relates to a servo control device that controls a mechanical device such as a robot.

従来のサーボ制御装置は、高速高精度な位置制御や柔軟制御を行う場合、サーボ遅れやオーバーシュートによる位置決め精度や軌跡精度の悪化、力制御をする場合の柔軟性の低下を改善するためにその原因の一つである摩擦力を考慮して補償を行っている。例えば、ロボットにおいて柔軟制御に関しては、柔軟性を上げるために、柔軟制御移行時に一定の摩擦力を補償している(特許文献1参照)。図17において、101は位置指令作成部であり、位置指令を出力する。102は位置制御器、103は速度制御器、105はアンプ、106はモータ、107は回転検出器、108は負荷機械であり、前記102〜103にて、前記位置指令作成部101から位置指令を入力して前記アンプ105にトルク指令を出力して、前記モータ106および前記負荷機械108を駆動する。また、前記回転検出器107によりフィードバック制御を行う。このような構成において、位置制御から柔軟制御に移行する場合、前記速度制御器103の積分器にたまっている積分値をメモリ104に保存しておき、重力の影響がない場合を仮定するとこの値を柔軟制御時の摩擦補償値としてトルク指令に補償している。同時に前記速度制御器103の積分器は切るようにする。このように柔軟制御移行時に一定の摩擦力を補償するようにしている。   Conventional servo control devices are designed to improve the positioning accuracy and trajectory accuracy due to servo delay and overshoot when performing high-speed and high-accuracy position control and flexible control. Compensation is performed in consideration of the frictional force that is one of the causes. For example, with respect to flexible control in a robot, in order to increase flexibility, a constant friction force is compensated at the time of transition to flexible control (see Patent Document 1). In FIG. 17, reference numeral 101 denotes a position command generation unit that outputs a position command. 102 is a position controller, 103 is a speed controller, 105 is an amplifier, 106 is a motor, 107 is a rotation detector, and 108 is a load machine. In 102 to 103, a position command is issued from the position command creating unit 101. The torque is input and output to the amplifier 105 to drive the motor 106 and the load machine 108. Further, feedback control is performed by the rotation detector 107. In such a configuration, when shifting from position control to flexible control, the integrated value accumulated in the integrator of the speed controller 103 is stored in the memory 104, and this value is assumed assuming that there is no influence of gravity. Is compensated for in the torque command as a friction compensation value during flexible control. At the same time, the integrator of the speed controller 103 is turned off. Thus, a constant frictional force is compensated at the time of transition to flexible control.

また、オーバーシュートが生じない位置制御を行うために、制御対象のモデルを含んだフィードフォワードを行う2自由度制御において、制御対象に出力されるトルク指令からクーロン摩擦力を推定し補償している(特許文献2参照)。図18において、201は指令発生回路であり、位置指令を出力する。202は第1の位置制御回路、203は第1の速度制御回路、204はモータの模擬回路であり、前記202〜204により前記指令発生回路201からの位置指令を入力とし、前記第1の速度制御回路203からのトルク指令、モータの模擬回路204からの模擬位置応答および模擬速度応答を出力とするフィードフォワードの演算を行い、フィードバックの部分にフィードフォワード指令を与える。207は第2の位置制御回路、208は第2の速度制御回路、209はトルク制御回路、210はモータ、211は回転検出器、212は負荷機械であり、前記202〜204からのフィードフォワード指令を入力し、前記モータ210および前記負荷機械212を駆動する。また、前記回転検出器211によりフィードバック制御を行う。このような2自由度制御の構成において、摩擦モデル回路205、摩擦修正回路206を用いて摩擦力を補償している。摩擦修正回路206では、前記トルク制御回路209に入力されるトルク指令から次式のようにクーロン摩擦Tfを抽出している。   In addition, in order to perform position control that does not cause overshoot, in the two-degree-of-freedom control that performs feedforward including the model to be controlled, the Coulomb friction force is estimated and compensated from the torque command output to the control target. (See Patent Document 2). In FIG. 18, reference numeral 201 denotes a command generation circuit that outputs a position command. Reference numeral 202 denotes a first position control circuit, 203 denotes a first speed control circuit, 204 denotes a motor simulation circuit, and the position command from the command generation circuit 201 is input by the 202 to 204, and the first speed is controlled. A feedforward calculation is performed with the torque command from the control circuit 203 and the simulated position response and simulated speed response from the motor simulation circuit 204 as outputs, and a feedforward command is given to the feedback portion. 207 is a second position control circuit, 208 is a second speed control circuit, 209 is a torque control circuit, 210 is a motor, 211 is a rotation detector, 212 is a load machine, and feedforward commands from the above 202 to 204 And the motor 210 and the load machine 212 are driven. Further, feedback control is performed by the rotation detector 211. In such a two-degree-of-freedom control configuration, the friction force is compensated using the friction model circuit 205 and the friction correction circuit 206. The friction correction circuit 206 extracts the Coulomb friction Tf from the torque command input to the torque control circuit 209 as shown in the following equation.

Tf=((T2+T3)/2)-T1 ・・・(1)
ただし、T1は始動直前のトルク指令、T2は加速直後のトルク指令、T3は停止直前のトルク指令である。
また、同時に前記第2の速度制御回路208内の積分器をリセットするリセット値も求めている。摩擦モデル回路205は、前記摩擦修正回路206からの出力をリミット値とし、前記回転検出器211からの速度入力により補償トルクを出力する。補償トルクが出力されるときは、前記摩擦修正回路206からの積分リセット値により前記第2の速度制御回路208内の積分器をリセットする。このように前記第2の速度制御回路208内の積分器にたまっていたクーロン摩擦分の摩擦力を抽出し補償しようというものである。
Tf = ((T2 + T3) / 2) -T1 (1)
However, T1 is a torque command immediately before starting, T2 is a torque command immediately after acceleration, and T3 is a torque command immediately before stopping.
At the same time, a reset value for resetting the integrator in the second speed control circuit 208 is also obtained. The friction model circuit 205 uses the output from the friction correction circuit 206 as a limit value, and outputs a compensation torque in response to a speed input from the rotation detector 211. When the compensation torque is output, the integrator in the second speed control circuit 208 is reset by the integral reset value from the friction correction circuit 206. In this way, the frictional force corresponding to the Coulomb friction accumulated in the integrator in the second speed control circuit 208 is extracted and compensated.

また、オブザーバ制御を行う手段において、あらかじめ求められた摩擦係数を元に摩擦力を生成し補償しているものもある(特許文献3参照)。   In addition, there is a means for performing observer control that generates and compensates for a frictional force based on a friction coefficient obtained in advance (see Patent Document 3).

このように、従来のサーボ制御装置は、位置制御や柔軟制御を行う場合、積分器にたまっていた摩擦力を抽出したり、あらかじめ求められた係数を元に摩擦力を求めて摩擦補償するのである。
特開平9−76184号公報(第2−3頁、図1) 特開平8−331881号公報(第6−10頁、図1〜図12) 特開2002−178281号公報(第4−5頁、図3)
As described above, the conventional servo control device, when performing position control or flexible control, extracts the frictional force accumulated in the integrator, or obtains the frictional force based on the coefficient obtained in advance and compensates the friction. is there.
JP-A-9-76184 (page 2-3, FIG. 1) JP-A-8-331881 (page 6-10, FIGS. 1 to 12) JP 2002-178281 A (page 4-5, FIG. 3)

特許文献1は、柔軟制御移行時に一定の摩擦力を補償するようになっていて、制御対象に減速機が含まれる場合、減速機内に偏り溜まっているグリースが均一になじんで温度が上昇することにより、粘性摩擦(粘性摩擦係数)が時間や温度とともに変化するため、トルク指令が摩擦に見合った分出力されないので、柔軟性が十分に発揮できないという問題があった。
また、特許文献2のような場合は、クーロン摩擦に関しては時間とともに変化するような場合でも補償するようになっているが、時間変化が大きい粘性摩擦に関しては、補償を行っていないので、同様に時間や温度ともに変化する摩擦力が正確に求められていないという問題があった。
また、特許文献3の場合は、あらかじめ求められた摩擦係数を元に摩擦力を生成し補償しており、摩擦係数の時間的変化や温度的変化を考慮していない。また時間変化や温度変化に対し動的に摩擦係数を切り替えることができないという問題があった。
Patent Document 1 is designed to compensate for a certain frictional force at the time of transition to flexible control, and when the control target includes a speed reducer, the grease accumulated unevenly in the speed reducer is evenly adapted and the temperature rises. As a result, the viscous friction (viscosity coefficient of friction) changes with time and temperature, and the torque command is not output in proportion to the friction, so that there is a problem that the flexibility cannot be sufficiently exhibited.
Further, in the case of Patent Document 2, even when Coulomb friction changes with time, compensation is made for viscous friction with a large time change. There was a problem that the frictional force changing with time and temperature was not accurately determined.
In the case of Patent Document 3, a frictional force is generated and compensated based on a friction coefficient obtained in advance, and a temporal change and a temperature change of the friction coefficient are not taken into consideration. In addition, there is a problem that the friction coefficient cannot be switched dynamically with respect to time change and temperature change.

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、シミュレーションを用いることによりに時間や温度ともに変化する摩擦力をより正確に求め、時間や温度の変化に依存することなく時間変化や温度変化に対し動的に摩擦係数を切り替え、常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することができるサーボ制御装置および方法を提供することを目的とする。
また、摩擦モデルを生成せずに簡単な構成で時間変化に対応した摩擦補償を行うことができ、常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することを目的とする。
さらに接触作業や衝突によって未知の外力を受けたときにも摩擦力をより正確に求め補償することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and by using a simulation, the frictional force that changes with time and temperature can be obtained more accurately, and the time change and without depending on the change of time and temperature. It is an object of the present invention to provide a servo control device and method that can dynamically switch the friction coefficient in response to a temperature change and always maintain high control performance of position control and flexible control.
It is another object of the present invention to perform friction compensation corresponding to a time change with a simple configuration without generating a friction model, and always maintain high control performance of position control and flexible control.
Furthermore, the object is to more accurately determine and compensate for the frictional force even when an unknown external force is applied due to contact work or collision.

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。   In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.

請求項1に記載の発明は、位置制御器と、速度制御器とを備え、モータを含む制御対象を制御するサーボ制御装置において、
前記位置制御器と同一構成でありかつ同一指令を入力するシミュレーション位置制御器と、
前記速度制御器と同一構成であるシミュレーション速度制御器と、
前記制御対象を模擬し、前記シミュレーション位置制御器および前記シミュレーション速度制御器にフィードバックを行うメカモデル演算部と、
前記速度制御器の出力と前記シミュレーション速度制御器の出力を比較する比較部と、
前記比較部の出力から摩擦モデルを生成する摩擦モデル生成部と、
前記摩擦モデル生成部の出力に基づいた補償を行う補償部と、
を備えたことを特徴とするものである。
The invention according to claim 1 is a servo control device that includes a position controller and a speed controller, and controls a control object including a motor.
A simulation position controller having the same configuration as the position controller and inputting the same command;
A simulation speed controller having the same configuration as the speed controller;
A mechanical model calculation unit that simulates the control object and feeds back to the simulation position controller and the simulation speed controller;
A comparator for comparing the output of the speed controller and the output of the simulation speed controller;
A friction model generation unit that generates a friction model from the output of the comparison unit;
A compensation unit for performing compensation based on the output of the friction model generation unit;
It is characterized by comprising.

また、請求項2に記載の発明は、前記比較部は、前記速度制御器の出力と前記シミュレーション速度制御器の出力から摩擦力推定誤差を求め、前記摩擦力推定誤差があらかじめ決められた値より大きくなったときに摩擦モデルを更新するように判定することを特徴とするものである。   According to a second aspect of the present invention, the comparison unit obtains a friction force estimation error from the output of the speed controller and the output of the simulation speed controller, and the friction force estimation error is determined based on a predetermined value. It is characterized by determining to update the friction model when it becomes larger.

また、請求項3に記載の発明は、前記摩擦モデル生成部は、一定時間毎に複数速度での定速動作を行ったときの速度と前記比較部の定速時出力の平均値とから一定時刻毎の摩擦モデル定数を求めて記憶し、前記補償部は、記憶された前記摩擦モデル定数を補間することにより、動作時刻毎の摩擦モデル定数を求めて摩擦補償を行うことを特徴とするものである。   According to a third aspect of the present invention, the friction model generation unit is constant from a speed when a constant speed operation is performed at a plurality of speeds at regular time intervals and an average value of the constant speed output of the comparison unit. A friction model constant for each time is obtained and stored, and the compensation unit interpolates the stored friction model constant to obtain a friction model constant for each operation time and perform friction compensation. It is.

また、請求項4に記載の発明は、前記摩擦モデル生成部は、制御対象に設けられた温度センサの情報を用いて温度毎の摩擦モデル定数を求めて記憶し、前記補償部は、記憶された前記摩擦モデル定数を温度に対して補間することにより、前記温度センサで検出された温度における摩擦モデル定数を求めて摩擦補償を行うことを特徴とするものである。   According to a fourth aspect of the present invention, the friction model generation unit obtains and stores a friction model constant for each temperature using information from a temperature sensor provided in a control target, and the compensation unit stores the friction model constant. Further, by interpolating the friction model constant with respect to temperature, the friction model constant at the temperature detected by the temperature sensor is obtained to perform friction compensation.

また、請求項5に記載の発明は、位置制御器と、速度制御器とを備え、モータを含む制御対象を制御するサーボ制御装置において、
前記位置制御器と同一構成でありかつ同一指令を入力するシミュレーション位置制御器と、
前記速度制御器と同一構成であるシミュレーション速度制御器と、
前記制御対象を模擬し、前記シミュレーション位置制御器および前記シミュレーション速度制御器にフィードバックを行うメカモデル演算部と、
前記速度制御器の出力と前記シミュレーション速度制御器の出力を比較する比較部と、
前記比較部の出力を前記速度制御器の出力から差し引いて分離する摩擦分離部と、
前記比較部の出力を補償する補償部と、
を備えたことを特徴とするものである。
The invention according to claim 5 is a servo control device that includes a position controller and a speed controller, and controls a control object including a motor.
A simulation position controller having the same configuration as the position controller and inputting the same command;
A simulation speed controller having the same configuration as the speed controller;
A mechanical model calculation unit that simulates the control object and feeds back to the simulation position controller and the simulation speed controller;
A comparator for comparing the output of the speed controller and the output of the simulation speed controller;
A friction separating unit that subtracts and separates the output of the comparison unit from the output of the speed controller;
A compensation unit for compensating the output of the comparison unit;
It is characterized by comprising.

また、請求項6に記載の発明は、前記制御対象に加わる未知の外力を推定する未知外力推定部を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項7に記載の発明は、摩擦モデルの定数部分にデフォルトの値を設定しデフォルトの摩擦モデルが生成できるようにした後、サーボ電源をオンにするステップ1と、
あらかじめ決められた時間間隔により一定時間が経過したかを判定して、摩擦モデル更新を判定する時刻を計測し、一定時間が経過していなければ摩擦モデルを更新せずに摩擦補償するステップ2と、
現在記憶している摩擦モデルに基づき、比較部により速度制御器のトルク指令Trefとシミュレーション速度制御器のトルク指令Tsimとの差分を演算しトルク指令差分値ΔTを求め、前記トルク指令差分値ΔTおよびモータ速度vの時系列データを記憶するステップ3と、
前記トルク指令差分値ΔTとあらかじめ決められた所定値ΔTmaxとを比較し、|ΔT|<ΔTmaxのとき摩擦モデルを更新せずに摩擦補償し、|ΔT|>ΔTmaxのとき摩擦モデルを更新と判定するステップ4と、
摩擦モデルを更新する際、前記トルク指令差分値ΔTを摩擦モデルによる摩擦力f’に加算して摩擦力fをf=f’+ΔTとし、前記摩擦力fおよびその時のモータ速度vを記憶するステップ5と、
前記摩擦力fおよび前記モータ速度vに基づいて直線近似することにより摩擦モデル式を求めるステップ6と、
前記摩擦モデル式からモータ速度vに対応する摩擦力fをf=cv+f0として求め、求められた摩擦力fを補償値として補償するステップ7と、
サーボ電源がオフでない場合は、前記ステップ2へ戻り、上記を繰り返し、サーボ電源がオフの場合は終了するステップ8とからなるものである。
また、請求項8に記載の発明は、繰り返し動作によるなじみ運転を行うステップ1と、
あらかじめ決められた時間間隔により一定時間が経過したかを判定して、摩擦モデルを生成する時刻を計測し、一定時間が経過していなければ(ステップ1)に戻り、なじみ運転を行うステップ2と、
摩擦補償をオフとして所定の定速動作を行い、比較部19からの定速時の出力ΔTi(i=1,2,…,n)からモータ速度vにおける定速時出力平均値Tmean(v)をTmean(v)=(ΔT1+ΔT2+…+ΔTn)/nとして求めるステップ3と、
前記モータ速度vおよび前記定速時出力平均値Tmean(v)に基づいて、摩擦モデルを直線近似により求めるステップ4と、
前記摩擦モデルを記憶し、粘性摩擦係数cおよびクーロン摩擦力f0が時刻ti(i=1,2,…) における関数c(ti),f0(ti)としてデータベースへ記憶するステップ5と、
摩擦モデルの定数c(ti),f0(ti)が所定の一定値に収束したときに摩擦モデルが収束したと判定し、一方摩擦モデルの定数が所定の一定値に収束しなければステップ1に戻るステップ6と、
摩擦モデル式からモータ速度vに対応する摩擦力fを求め、求められた摩擦力fを補償して実動作するステップ7とからなるサーボ制御方法。
また、請求項9に記載の発明は、前記ステップ7において、摩擦モデル式を、動作時刻t’に応じて記憶されたデータを基に次式で求めるものである。
f=c(t’)v+f0(t’) ・・・(8)
c(t’)= {(c(ti+1)-c(ti))/(ti+1-ti)}(t’-ti)+c(ti)
(ti≦t’<ti+1),c(t’)=c(te) (te≦t’) ・・・(9)
f0(t’)= {(f0(ti+1)-f0(ti))/(ti+1-ti)}(t’-ti)+f0(ti)
(ti≦t’<ti+1),f0(t’)=f0(te) (te≦t’) ・・・(10)
ただしi=1,2,3,…であり、teは摩擦モデルが収束した時の時刻
また、請求項10に記載の発明は、前記ステップ7において、摩擦モデル式を、時刻の代わりに温度tpi (i=1,2,…)に応じて記憶されたデータを基に次式で求めるもである。
f=c(tp’)v+f0(tp’)
c(tp’)= {(c(tpi+1)-c(tpi))/(tpi+1-tpi)}(tp’-tpi)+c(tpi)
(tpi≦tp’<tpi+1),c(tp’)=c(tpe) (tpe≦tp’)
f0(tp’)= {(f0(tpi+1)-f0(tpi))/(tpi+1-tpi)}(tp’-tpi)+f0(tpi)
(tpi≦tp’<tpi+1),f0(tp’)=f0(tpe) (tpe≦tp’)
ただしi=1,2,3,…であり、tpeは摩擦モデルが収束した時の温度
The invention described in claim 6 is characterized in that an unknown external force estimation unit for estimating an unknown external force applied to the control target is provided.
According to the seventh aspect of the present invention, after setting a default value in the constant portion of the friction model so that the default friction model can be generated, the step 1 of turning on the servo power supply;
Step 2 for determining whether a predetermined time has passed at a predetermined time interval, measuring a time for determining friction model update, and compensating for friction without updating the friction model if the predetermined time has not passed ,
Based on the currently stored friction model, the comparison unit calculates the difference between the torque command Tref of the speed controller and the torque command Tsim of the simulation speed controller to obtain a torque command difference value ΔT, and the torque command difference value ΔT and Step 3 for storing time series data of motor speed v;
The torque command difference value ΔT is compared with a predetermined value ΔTmax determined in advance. When | ΔT | <ΔTmax, the friction model is updated without updating, and when | ΔT |> ΔTmax, the friction model is determined to be updated. Step 4 to
When updating the friction model, the torque command difference value ΔT is added to the friction force f ′ by the friction model to set the friction force f to f = f ′ + ΔT, and the friction force f and the motor speed v at that time are stored. Step 5 and
Obtaining a friction model equation by linear approximation based on the friction force f and the motor speed v;
Step 7 for obtaining the frictional force f corresponding to the motor speed v from the friction model equation as f = cv + f0 and compensating the obtained frictional force f as a compensation value;
If the servo power is not off, the process returns to step 2 and the above is repeated, and if the servo power is off, the process ends.
Further, the invention according to claim 8 is a step 1 of performing a familiar operation by repeated operation,
It is determined whether a predetermined time has passed at a predetermined time interval, the time for generating the friction model is measured, and if the predetermined time has not passed, the process returns to (Step 1) and the familiar operation is performed. ,
A predetermined constant speed operation is performed with the friction compensation off, and the constant speed output average value Tmean (v at the motor speed v from the constant speed output ΔT i (i = 1, 2,..., N) from the comparison unit 19. ) As Tmean (v) = (ΔT 1 + ΔT 2 +... + ΔT n ) / n;
Obtaining a friction model by linear approximation based on the motor speed v and the constant speed output average value Tmean (v);
Storing the friction model, and storing the viscous friction coefficient c and the Coulomb friction force f0 in the database as functions c (t i ), f0 (t i ) at time t i (i = 1, 2,...); ,
It is determined that the friction model has converged when the friction model constants c (t i ) and f0 (t i ) have converged to a predetermined constant value. Step 6 returning to 1;
A servo control method comprising a step 7 in which a friction force f corresponding to a motor speed v is obtained from a friction model equation, and the actual operation is performed by compensating the obtained friction force f.
According to a ninth aspect of the present invention, in the step 7, the friction model formula is obtained by the following formula based on the data stored in accordance with the operation time t '.
f = c (t ') v + f0 (t') (8)
c (t ') = ((c (t i + 1 ) -c (t i )) / (t i + 1 -t i )} (t'-t i ) + c (t i )
(t i ≦ t ′ <t i + 1 ), c (t ′) = c (t e ) (t e ≦ t ′) (9)
f0 (t ') = {(f0 (t i + 1 ) -f0 (t i )) / (t i + 1 -t i )} (t'-t i ) + f0 (t i )
(t i ≦ t ′ <t i + 1 ), f0 (t ′) = f0 (t e ) (t e ≦ t ′) (10)
However, i = 1, 2, 3,..., And t e is the time when the friction model converges. Further, in the invention according to claim 10, in the step 7, the friction model equation is expressed as temperature instead of time. Based on the data stored according to tp i (i = 1, 2,...), the following equation is used.
f = c (tp ') v + f0 (tp')
c (tp ') = ((c (tp i + 1 ) -c (tp i )) / (tp i + 1 -tp i )} (tp'-tp i ) + c (tp i )
(tp i ≤tp '<tp i + 1 ), c (tp') = c (tp e ) (tp e ≤tp ')
f0 (tp ') = ((f0 (tp i + 1 ) -f0 (tp i )) / (tp i + 1 -tp i )} (tp'-tp i ) + f0 (tp i )
(tp i ≤tp '<tp i + 1 ), f0 (tp') = f0 (tp e ) (tp e ≤tp ')
However i = 1,2,3, is a ..., tp e is the temperature at which the friction model has converged

請求項1から2に記載の発明によると、シミュレーションを用い、実制御と比較することにより、摩擦モデル修正の必要性の判断および摩擦モデル修正を行うので、時間ともに変化する摩擦力に対して最適な補償を実現することができ、時間の変化に依存することなく常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することができる。
請求項3に記載の発明によると、事前の特定動作にて摩擦モデルを生成することにより、時間変化に応じたより精度の高い摩擦補償を実行することができる。
また、請求項4に記載の発明によると、温度センサを用いることにより温度とともに変化する摩擦力を求めて補償するので、温度の変化に依存することなく常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することができる。
また、請求項5に記載の発明によると、摩擦モデルを生成せずに簡単な構成で時間変化に対応した摩擦補償を行うことができ、常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することができる。
また、請求項6に記載の発明によると、接触作業や衝突によって未知の外力を受けたときにも摩擦力をより正確に求め補償することができる。
また、請求項7から9に記載の発明によると、時間ともに変化する摩擦力に対して最適な補償を実現することができ、時間の変化に依存することなく常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することができる。
また、請求項10に記載の発明によると、温度センサを用いることにより温度とともに変化する摩擦力を求めて補償するので、温度の変化に依存することなく常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することができる。
According to the first and second aspects of the present invention, the necessity of the friction model correction and the friction model correction are performed by using a simulation and comparing with the actual control, so that the frictional force changing with time is optimal. Compensation can be realized, and the control performance of the position control and the flexible control can always be kept high without depending on the change of time.
According to the third aspect of the present invention, by generating the friction model by the specific operation in advance, it is possible to execute the more accurate friction compensation according to the time change.
Further, according to the invention described in claim 4, since the frictional force changing with temperature is obtained and compensated by using the temperature sensor, the control performance of the position control and the flexible control is always improved without depending on the temperature change. Can be maintained.
Further, according to the invention described in claim 5, it is possible to perform friction compensation corresponding to a time change with a simple configuration without generating a friction model, and always maintain high control performance of position control and flexible control. Can do.
According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to more accurately determine and compensate for the frictional force even when an unknown external force is applied due to contact work or collision.
Further, according to the invention described in claims 7 to 9, it is possible to realize the optimum compensation for the frictional force changing with time, and the control performance of the position control and the flexible control always without depending on the change of time. Can be kept high.
According to the invention described in claim 10, since the frictional force changing with temperature is obtained and compensated by using the temperature sensor, the control performance of the position control and the flexible control is always improved without depending on the temperature change. Can be maintained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明のサーボ制御装置の実施例1の構成図である。図2、図3は本発明が適用される対象の例を示している。図2はXYテーブル、図3は産業用ロボットに適用した場合の例を示す。例えば図2,図3のような制御対象の場合、これらの演算は、XYテーブルではモジュール型のサーボアンプであるX軸アンプ302、Y軸アンプ303の部分で実行される。産業用ロボットの場合はサーボモータの制御系は一般的に多軸のアンプで実行されるため、下記の演算は図のロボット用多軸アンプ404の部分で実行される。   FIG. 1 is a configuration diagram of a servo control apparatus according to a first embodiment of the present invention. 2 and 3 show examples of objects to which the present invention is applied. FIG. 2 shows an example of an XY table, and FIG. 3 shows an example of application to an industrial robot. For example, in the case of a control target as shown in FIGS. 2 and 3, these calculations are executed by the X-axis amplifier 302 and the Y-axis amplifier 303 which are module type servo amplifiers in the XY table. In the case of an industrial robot, the servo motor control system is generally executed by a multi-axis amplifier, so the following calculation is executed by the robot multi-axis amplifier 404 shown in the figure.

上記のようなモジュール型や多軸機構のサーボアンプの内、一つの軸に着目して説明する。図1において、11は位置制御器であり、位置指令と制御対象の位置応答を入力し、速度指令を出力する。図4に位置制御器11の構成例を示す。図中のKpは位置ループゲインである。12は速度制御器であり、前記位置制御器11から出力された速度指令と制御対象の位置応答を入力とし、トルク指令を出力する。図5に速度制御器12の構成例を示す。図中のKvは速度ループゲイン、Tは積分時定数、Jmはモータの慣性モーメントであり、s、1/sはそれぞれ、ラプラス変換における微分、積分を表す。14は制御対象であり、モータおよびモータに結合した負荷機械などから構成され、前記速度制御器12から出力されるトルク指令に従って駆動される。   Description will be made by paying attention to one axis among the servo amplifiers of the module type and the multi-axis mechanism as described above. In FIG. 1, 11 is a position controller, which inputs a position command and a position response of a controlled object, and outputs a speed command. FIG. 4 shows a configuration example of the position controller 11. Kp in the figure is a position loop gain. A speed controller 12 receives the speed command output from the position controller 11 and the position response of the control target, and outputs a torque command. FIG. 5 shows a configuration example of the speed controller 12. In the figure, Kv is a speed loop gain, T is an integration time constant, Jm is a moment of inertia of the motor, and s and 1 / s represent differentiation and integration in Laplace transform, respectively. Reference numeral 14 denotes a control object, which includes a motor and a load machine coupled to the motor, and is driven according to a torque command output from the speed controller 12.

そして本発明で特徴となるのは、15〜22を備えたことであり、以下に説明する。15はシミュレーション位置制御器であり、前記位置制御器11と同一構成であり、同一指令を入力する。16はシミュレーション速度制御器であり、前記速度制御器12と同一構成でありトルク指令を出力する。18はメカモデル演算部であり、前記制御対象14を模擬し、前記シミュレーション速度制御器16からのトルク指令入力により前記シミュレーション位置制御器15および前記シミュレーション速度制御器16にフィードバックを行う。図6には、前記メカモデル演算部18において、前記制御対象14を2慣性系で近似した例を示している。ここで、Jmはモータの慣性モーメント、Nは減速比、Kcは減速器のバネ定数、Jlは負荷側の慣性モーメントであり、1/sはラプラス変換における積分を表す。前記メカモデル演算部18は制御対象の機構を2慣性系機構としてモデル化したものであるが、さらに重力などがかかる場合は、重力の部分もモデル化を行い、摩擦力以外はモデル化を行うようにする。   The present invention is characterized by having 15 to 22, which will be described below. A simulation position controller 15 has the same configuration as the position controller 11 and inputs the same command. A simulation speed controller 16 has the same configuration as the speed controller 12 and outputs a torque command. Reference numeral 18 denotes a mechanical model calculation unit which simulates the control object 14 and feeds back to the simulation position controller 15 and the simulation speed controller 16 in response to a torque command input from the simulation speed controller 16. FIG. 6 shows an example in which the control object 14 is approximated by a two-inertia system in the mechanical model calculation unit 18. Here, Jm is the inertia moment of the motor, N is the reduction ratio, Kc is the spring constant of the decelerator, Jl is the inertia moment on the load side, and 1 / s represents the integral in the Laplace transform. The mechanical model calculation unit 18 models the mechanism to be controlled as a two-inertia mechanism, but when gravity is applied, the gravity part is also modeled, except for the frictional force. To.

このように前記シミュレーション位置制御器15、前記シミュレーション速度制御器16、前記メカモデル演算部18を構成することでシミュレーションが実行でき、理想的な状態量が求められる。また、シミュレーションは、前記位置制御器11、前記速度制御器12の実制御の処理と並列に行われ、その結果実制御での状態量と理想的な状態量の比較が可能になる。19は比較部であり、前記速度制御器12のトルク指令と前記シミュレーション速度制御器16のトルク指令の差分演算を行うことにより、実制御とシミュレーションの指令トルクの差を検出する。20は摩擦モデル生成部であり、前記比較部19の出力とモータ速度とから両者の関係を求めて摩擦モデルを生成する。21は補償部であり、前記摩擦モデル生成部20で生成された摩擦モデルに基づきモータ速度に応じた摩擦補償値を求め、前記摩擦補償値を前記速度制御器12の出力に加算し摩擦力を補償する。そして、摩擦力が補償されたトルク指令を出力し、トルク制御回路(図示しない)を通して前記制御対象14を制御する。   Thus, the simulation can be executed by configuring the simulation position controller 15, the simulation speed controller 16, and the mechanical model calculation unit 18, and an ideal state quantity is obtained. The simulation is performed in parallel with the actual control processing of the position controller 11 and the speed controller 12, and as a result, the state quantity in the actual control and the ideal state quantity can be compared. Reference numeral 19 denotes a comparison unit, which detects a difference between actual control and simulation command torque by calculating a difference between the torque command of the speed controller 12 and the torque command of the simulation speed controller 16. A friction model generation unit 20 generates a friction model by obtaining the relationship between the output of the comparison unit 19 and the motor speed. A compensation unit 21 obtains a friction compensation value corresponding to the motor speed based on the friction model generated by the friction model generation unit 20, and adds the friction compensation value to the output of the speed controller 12 to obtain a friction force. To compensate. Then, a torque command in which the frictional force is compensated is output, and the control object 14 is controlled through a torque control circuit (not shown).

次に、本発明を実施する手順を図7のフローチャートに従って説明する。
サーボ電源をオンする。このとき、摩擦モデルの定数部分には、すでにデフォルトの値が設定してあり、デフォルトの摩擦モデルが生成できるようになっている。(ステップ1)
あらかじめ決められた時間間隔により一定時間が経過したかを判定して、摩擦モデル更新を判定する時刻を計測する。一定時間が経過していなければ摩擦モデルを更新せずに摩擦補償を行う。(ステップ2)
現在記憶している摩擦モデルに基づき、摩擦補償を行った場合における位置制御器11、速度制御器12の実制御の処理とシミュレーション位置制御器15、シミュレーション速度制御器16、メカモデル演算部18のシミュレーションによる比較を行う。すなわち、比較部19にて、前記速度制御器12のトルク指令Trefと前記シミュレーション速度制御器16のトルク指令Tsimの差分演算を次式のように行い、トルク指令差分値ΔTを出力する。このとき、前記トルク指令差分値ΔTおよびモータ速度vの時系列データを記憶しておく。
ΔT=Tref-Tsim ・・・(2)
Next, the procedure for carrying out the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.
Turn on the servo power. At this time, a default value is already set in the constant part of the friction model, and a default friction model can be generated. (Step 1)
It is determined whether a predetermined time has passed at a predetermined time interval, and the time for determining the friction model update is measured. If the fixed time has not passed, friction compensation is performed without updating the friction model. (Step 2)
Based on the currently stored friction model, actual control processing of the position controller 11 and speed controller 12 and simulation of the simulation position controller 15, simulation speed controller 16, and mechanical model computing unit 18 when friction compensation is performed. Compare by. That is, the comparison unit 19 calculates the difference between the torque command Tref of the speed controller 12 and the torque command Tsim of the simulation speed controller 16 as follows, and outputs a torque command difference value ΔT. At this time, time series data of the torque command difference value ΔT and the motor speed v is stored.
ΔT = Tref-Tsim (2)

また、図8(a)に指令Trefとトルク指令Tsimのグラフ、図8(b)にトルク指令差分値ΔTのグラフを示す。前記トルク指令差分値ΔT、すなわち、摩擦力推定誤差が所定の値より大きい場合は摩擦力が変化して摩擦モデルとずれが生じていることを表す。(ステップ3)
摩擦力の変化による摩擦モデルとのずれを検出して摩擦モデルの更新を行うかの判定を行う。すなわち、図8(b)のように前記トルク指令差分値ΔTがあらかじめ決められた値ΔTmaxより大きいかを比較する。数式上では、前記トルク指令差分値ΔTの符号も考慮して次式のように判定する。
|ΔT|>ΔTmax ・・・(3)
(3)式を満たさなければ摩擦モデルを更新せずに摩擦補償を行う。(ステップ4)
摩擦モデルの更新を行う必要がある場合は、摩擦力とモータ速度の関係求め、摩擦モデル式を更新する必要がある。そのために、(ステップ3)で求められた前記トルク指令差分値ΔTを摩擦モデルによる摩擦力f’に加算して摩擦力fを次式のように求め直す。
f=f’+ΔT ・・・(4)
そして前記摩擦力fおよびその時のモータ速度vを記憶しておく。(ステップ5)
摩擦モデル生成部20にて、前記摩擦力fおよび前記モータ速度vとから摩擦モデル式を求める。図9は摩擦モデル式を求める時の速度と摩擦力の関係を表したグラフを示しており、(ステップ5)で求められた前記摩擦力fおよび前記モータ速度vをプロットし、最小2乗法等を用いて直線近似することにより摩擦モデル式が求められる。すなわち、現時点での粘性摩擦係数cおよびクーロン摩擦力f0が求められる。(ステップ6)
補償部21にて、摩擦モデル生成部20で生成され更新された摩擦モデル式からモータ速度vに対応する摩擦力fを次式のように求め、求められた摩擦力fを補償値として補償する。(ステップ7)
f=cv+f0 ・・・(5)
サーボ電源がオフでない場合は、(ステップ2)に戻り、上記を繰り返す。サーボ電源がオフの場合は終了する。(ステップ8)
上記の例では、一定時間毎にΔTを求めて、摩擦力推定誤差を監視するようにしているが、常に摩擦力推定誤差を監視し、前記摩擦力推定誤差が所定の値を超えたら摩擦モデルの更新を行うようにしてもよい。
FIG. 8A shows a graph of the command Tref and the torque command Tsim, and FIG. 8B shows a graph of the torque command difference value ΔT. When the torque command difference value ΔT, that is, the frictional force estimation error is larger than a predetermined value, it indicates that the frictional force has changed and a deviation from the friction model has occurred. (Step 3)
It is determined whether to update the friction model by detecting a deviation from the friction model due to a change in the friction force. That is, as shown in FIG. 8B, it is compared whether the torque command difference value ΔT is larger than a predetermined value ΔTmax. In the mathematical expression, the determination is made by the following expression in consideration of the sign of the torque command difference value ΔT.
| ΔT |> ΔTmax (3)
If equation (3) is not satisfied, friction compensation is performed without updating the friction model. (Step 4)
When it is necessary to update the friction model, it is necessary to obtain the relationship between the friction force and the motor speed and update the friction model formula. For that purpose, the torque command difference value ΔT obtained in (Step 3) is added to the frictional force f ′ by the friction model, and the frictional force f is obtained again by the following equation.
f = f '+ ΔT (4)
The frictional force f and the motor speed v at that time are stored. (Step 5)
The friction model generation unit 20 obtains a friction model formula from the friction force f and the motor speed v. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the speed and the friction force when obtaining the friction model equation. The friction force f and the motor speed v obtained in (Step 5) are plotted, and the least square method or the like is plotted. A friction model equation is obtained by linear approximation using. That is, the present viscous friction coefficient c and Coulomb friction force f0 are obtained. (Step 6)
The compensation unit 21 obtains the friction force f corresponding to the motor speed v from the friction model equation generated and updated by the friction model generation unit 20 as follows, and compensates the obtained friction force f as a compensation value. . (Step 7)
f = cv + f0 (5)
If the servo power is not off, return to (Step 2) and repeat the above. If the servo power is off, finish. (Step 8)
In the above example, ΔT is obtained every certain time and the frictional force estimation error is monitored. However, the frictional force estimation error is always monitored, and when the frictional force estimation error exceeds a predetermined value, the friction model is monitored. May be updated.

このようにして、一定時間毎に摩擦力の変化を監視し、摩擦モデルを更新することで時間変化に応じた摩擦補償を行うことができ、常に制御性能を高く維持することができる。   In this way, it is possible to monitor the change in the friction force at regular intervals and update the friction model to perform the friction compensation according to the change in time, so that the control performance can always be kept high.

図10は、本発明のサーボ制御装置の実施例2の構成図であり、実施例1にトルクリミッタ13、モデルトルクリミッタ17、未知外力推定部22を加えたものである。トルク指令に制限を加えたり、接触や衝突により未知の外力を受けるような柔軟制御時に特に有効である。
前記トルクリミッタ13は、前記速度制御器12の出力であるトルク指令を所定の値で制限する。前記モデルトルクリミッタ17は、前記トルクリミッタと同一構成であり前記シミュレーション速度制御器16からのトルク指令を所定の値で制限する。前記未知外力推定部22は、補償部21から出力されるトルク指令と前記制御対象14の位置応答とから前記制御対象14に加わる未知の外力を推定する。図11に前記未知外力推定部22の構成例を示す。図中のJmはモータの慣性モーメントであり、sはラプラス変換における微分を表す。不感帯は、未知の外力と摩擦力の変化分を分離するためのものであり、入力の絶対値がある設定値以上になったら、入力値を未知の外力として出力するようにする。
推定された未知の外力を前記メカモデル演算部18に入力することにより、接触作業や障害物に衝突した場合等、未知の外力を受けたときにもシミュレーションに反映し、摩擦力を除いたシミュレーションを正確に行えるようにする。そして、実施例1同様に実制御と比較し摩擦力を求めて補償するようにする。
FIG. 10 is a block diagram of the servo control apparatus according to the second embodiment of the present invention. The torque limiter 13, the model torque limiter 17, and the unknown external force estimating unit 22 are added to the first embodiment. This is particularly effective during flexible control where a torque command is restricted or an unknown external force is applied by contact or collision.
The torque limiter 13 limits the torque command, which is the output of the speed controller 12, with a predetermined value. The model torque limiter 17 has the same configuration as the torque limiter, and limits the torque command from the simulation speed controller 16 by a predetermined value. The unknown external force estimation unit 22 estimates an unknown external force applied to the control target 14 from the torque command output from the compensation unit 21 and the position response of the control target 14. FIG. 11 shows a configuration example of the unknown external force estimation unit 22. In the figure, Jm is the moment of inertia of the motor, and s represents the differential in Laplace transform. The dead zone is for separating the unknown external force and the change in the frictional force. When the absolute value of the input exceeds a certain set value, the input value is output as an unknown external force.
By inputting the estimated unknown external force to the mechanical model calculation unit 18, when an unknown external force is received, such as when it collides with a contact operation or an obstacle, the simulation is reflected, and the simulation excluding the friction force is performed. Make it accurate. Then, as in the first embodiment, the frictional force is obtained and compensated in comparison with the actual control.

このようにして、接触作業や衝突によって未知の外力を受けたときにも摩擦力を除いたシミュレーションを正確に行えるので、摩擦力をより正確に求め補償することができる。   In this way, even when an unknown external force is received due to a contact operation or a collision, the simulation excluding the frictional force can be performed accurately, so that the frictional force can be determined and compensated more accurately.

実施例3の構成は実施例1と同様であるので説明を省略する。   Since the configuration of the third embodiment is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

実施例3では、より精度の高い摩擦モデルを生成するため、実施例1のようにオンライン的に摩擦モデルを生成するのではなく、事前の特定動作により摩擦モデルをオフライン的に生成する。その実施手順を図12のフローチャートに従って説明する。
特定の繰り返し動作によるなじみ運転を行う。(ステップ1)
あらかじめ決められた時間間隔により一定時間が経過したかを判定して、摩擦モデルを生成する時刻を計測する。一定時間が経過していなければ(ステップ1)に戻り、なじみ運転を行う。(ステップ2)
あらかじめ決められた数パターンでの速度による定速動作を行い、実制御とシミュレーションによる比較を行う。このとき摩擦補償は切っておく。そして、比較部19からの定速時の出力ΔTi(i=1,2,…,n)からモータ速度vにおける定速時出力平均値Tmean(v)を次式のように求める。(ステップ3)
Tmean(v)=(ΔT1+ΔT2+…+ΔTn)/n ・・・(6)
モータ速度vおよび定速時出力平均値Tmean(v)からその時刻おける摩擦モデルを実施例1の同様に直線近似により求める。(ステップ4)
(ステップ4)で求められた摩擦モデルを記憶する。すなわち、(5)式における粘性摩擦係数cおよびクーロン摩擦力f0が時刻ti(i=1,2,…) における関数c(ti),f0(ti)としてデータベースに記憶される。(ステップ5)
摩擦モデルの定数c(ti),f0(ti)が一定値に収束したかを次式のように判定して、摩擦モデルが収束したか判定する。
|c(ti)-c(ti-1)|<ecかつ|f0(ti)-f0(ti-1)|<ef0 ・・・(7)
ただしi=2,3,…であり、ec 、ef0はあらかじめ決められた収束判定値である。収束していなければ(ステップ1)に戻る。(ステップ6)
補償部21にて、摩擦モデル生成部20で生成された摩擦モデル式から実施例1同様にモータ速度vに対応する摩擦力fを求め、求められた摩擦力fを補償して動作を行う。このとき摩擦モデル式は、動作時刻t’に応じて記憶されたデータを元に次式のように変更していく。
f=c(t’)v+f0(t’) ・・・(8)
c(t’)= {(c(ti+1)-c(ti))/(ti+1-ti)}(t’-ti)+c(ti)
(ti≦t’<ti+1),c(t’)=c(te) (te≦t’) ・・・(9)
f0(t’)= {(f0(ti+1)-f0(ti))/(ti+1-ti)}(t’-ti)+f0(ti)
(ti≦t’<ti+1),f0(t’)=f0(te) (te≦t’) ・・・(10)
ただしi=1,2,3,…であり、teは摩擦モデルが収束した時の時刻である。(ステップ7)
In the third embodiment, in order to generate a more accurate friction model, the friction model is generated off-line by a specific operation in advance, instead of generating the friction model online as in the first embodiment. The implementation procedure will be described with reference to the flowchart of FIG.
Familiar operation is performed by a specific repetitive action. (Step 1)
It is determined whether a predetermined time has passed at a predetermined time interval, and the time for generating the friction model is measured. If the predetermined time has not elapsed, the process returns to (Step 1) and the familiar operation is performed. (Step 2)
A constant speed operation is performed at a predetermined number of patterns, and a comparison is made between actual control and simulation. At this time, friction compensation is turned off. Then, the constant speed output average value Tmean (v) at the motor speed v is obtained from the output ΔT i (i = 1, 2,..., N) at the constant speed from the comparison unit 19 as follows. (Step 3)
Tmean (v) = (ΔT 1 + ΔT 2 + ... + ΔT n ) / n (6)
A friction model at that time is determined from the motor speed v and the constant speed output average value Tmean (v) by linear approximation as in the first embodiment. (Step 4)
The friction model obtained in (Step 4) is stored. That is, the viscous friction coefficient c and the Coulomb friction force f0 in the equation (5) are stored in the database as functions c (t i ), f0 (t i ) at time t i (i = 1, 2,...). (Step 5)
Whether the friction model constants c (t i ) and f 0 (t i ) have converged to a constant value is determined as follows, and it is determined whether the friction model has converged.
| c (t i ) -c (t i-1 ) | <e c and | f0 (t i ) -f0 (t i-1 ) | <e f0 (7)
However, i = 2, 3,..., And e c and e f0 are predetermined convergence determination values. If not converged, return to (Step 1). (Step 6)
The compensation unit 21 obtains the friction force f corresponding to the motor speed v from the friction model equation generated by the friction model generation unit 20 as in the first embodiment, and performs the operation by compensating the obtained friction force f. At this time, the friction model formula is changed to the following formula based on the data stored according to the operation time t ′.
f = c (t ') v + f0 (t') (8)
c (t ') = ((c (t i + 1 ) -c (t i )) / (t i + 1 -t i )} (t'-t i ) + c (t i )
(t i ≦ t ′ <t i + 1 ), c (t ′) = c (t e ) (t e ≦ t ′) (9)
f0 (t ') = {(f0 (t i + 1 ) -f0 (t i )) / (t i + 1 -t i )} (t'-t i ) + f0 (t i )
(t i ≦ t ′ <t i + 1 ), f0 (t ′) = f0 (t e ) (t e ≦ t ′) (10)
However, i = 1, 2, 3,..., And t e is the time when the friction model converges. (Step 7)

このようにして、事前の特定動作にて摩擦モデルを生成することにより、時間変化に応じたより精度の高い摩擦補償を実行することができ、常に制御性能を高く維持することができる。   In this way, by generating a friction model by a specific operation in advance, it is possible to execute more accurate friction compensation according to a change in time, and it is possible to always maintain high control performance.

図13は、本発明のサーボ制御装置の実施例4の構成図である。実施例3と異なるのは、制御対象14に温度センサ23が付いていることであり、前記温度センサ23の温度情報により摩擦モデルを決定する点である。実施例3の時刻の代わりに、温度tpi (i=1,2,…)による摩擦モデル式の定数c(tpi),f0(tpi) (i=1,2,…)を求め記憶しておく。ただし、温度tpi,c(tpi),f0(tpi)は温度tpiの低い順に記憶する。実施例3同様にモータ速度vに対応する摩擦力fを求め、求められた摩擦力fを補償して動作を行う。このとき摩擦モデル式は、前記温度センサ23の温度tp’に応じて記憶されたデータを元に次式のように変更していく。
f=c(tp’)v+f0(tp’) ・・・(11)
c(tp’)= {(c(tpi+1)-c(tpi))/(tpi+1-tpi)}(tp’-tpi)+c(tpi)
(tpi≦tp’<tpi+1),c(tp’)=c(tpe) (tpe≦tp’) ・・・(12)
f0(tp’)= {(f0(tpi+1)-f0(tpi))/(tpi+1-tpi)}(tp’-tpi)+f0(tpi)
(tpi≦tp’<tpi+1),f0(tp’)=f0(tpe) (tpe≦tp’) ・・・(13)
ただしi=1,2,3,…であり、tpeは摩擦モデルが収束した時の温度である。
FIG. 13 is a configuration diagram of Embodiment 4 of the servo control device of the present invention. The difference from the third embodiment is that a temperature sensor 23 is attached to the controlled object 14, and the friction model is determined based on the temperature information of the temperature sensor 23. Instead of the time in the third embodiment, the constants c (tp i ), f0 (tp i ) (i = 1, 2,...) Of the friction model equation based on the temperature tp i (i = 1, 2,...) Are obtained and stored. Keep it. However, the temperatures tp i , c (tp i ), and f0 (tp i ) are stored in ascending order of the temperature tp i . Similarly to the third embodiment, the frictional force f corresponding to the motor speed v is obtained, and the operation is performed by compensating the obtained frictional force f. At this time, the friction model equation is changed as the following equation based on the data stored in accordance with the temperature tp ′ of the temperature sensor 23.
f = c (tp ') v + f0 (tp') (11)
c (tp ') = ((c (tp i + 1 ) -c (tp i )) / (tp i + 1 -tp i )} (tp'-tp i ) + c (tp i )
(tp i ≤tp '<tp i + 1 ), c (tp') = c (tp e ) (tp e ≤tp ') (12)
f0 (tp ') = ((f0 (tp i + 1 ) -f0 (tp i )) / (tp i + 1 -tp i )} (tp'-tp i ) + f0 (tp i )
(tp i ≤tp '<tp i + 1 ), f0 (tp') = f0 (tp e ) (tp e ≤tp ') (13)
However i = 1,2,3, is ..., is tp e is the temperature at which the friction model has converged.

このようにして、温度とともに変化する摩擦力を生成することにより、温度変化に応じた摩擦補償を行うことができ、温度の変化に依存することなく常に位置制御や柔軟制御の制御性能を高く維持することができる。   In this way, by generating a frictional force that changes with temperature, friction compensation can be performed according to the temperature change, and the control performance of the position control and flexible control is always kept high regardless of the temperature change. can do.

図14は、本発明のサーボ制御装置の実施例5の構成図である。実施例1と異なるのは、摩擦モデル生成部20がなく、補償部21の前段に摩擦分離部24を備えていることであり、速度制御器12の出力であるトルク指令から比較部19の出力を差し引いて摩擦力を分離し、補償部21にて摩擦分離部24の出力に前記比較部19の出力を加算して摩擦力を補償する点である。すなわち、前記比較部19の出力を摩擦力としてトルク指令から摩擦力を分離して位置指令に追従するための加速分のトルク指令を求め、加速分のトルク指令に摩擦力を補償することにより、摩擦モデルを生成することなく常に摩擦力を補償するということである。これは次に述べるように加速分のトルク指令にのみ、トルクリミッタを使用するような場合に有効である。   FIG. 14 is a configuration diagram of Embodiment 5 of the servo control apparatus of the present invention. The difference from the first embodiment is that the friction model generation unit 20 is not provided, and the friction separation unit 24 is provided in the preceding stage of the compensation unit 21, and the output of the comparison unit 19 is output from the torque command that is the output of the speed controller 12. The frictional force is separated by subtracting, and the compensation unit 21 adds the output of the comparison unit 19 to the output of the frictional separation unit 24 to compensate the frictional force. That is, by obtaining the torque command for acceleration for separating the friction force from the torque command using the output of the comparison unit 19 as a friction force and following the position command, and compensating the friction force in the torque command for acceleration, This means that the friction force is always compensated without generating a friction model. This is effective when the torque limiter is used only for the torque command for acceleration as described below.

実施例2同様、図15に示すようにトルクリミッタ13、モデルトルクリミッタ17、未知外力推定部22を加えることができる。実施例5では、トルクリミッタが入ったこの構成の方が一般的である。特に柔軟制御の場合は、前記トルクリミッタ13のトルク制限値が小さいため、トルク指令を加速分と摩擦分に分離して加速分のみにトルク制限をかけることは有効となる。これを図16のグラフを用いて説明する。図16は図15の構成の時のトルク波形を示す。前記比較部19で図16(a)に示す前記速度制御器12の出力であるトルク指令Trefと前記シミュレーション速度制御器16の出力であるトルク指令Tsimとから図16(b)に示すトルク指令差分値ΔTが求められる。前記トルク指令差分値ΔTが摩擦力に相当するので、前記摩擦分離部24にて前記トルク指令Trefと前記トルク指令差分値ΔTの差を取ることにより図16(c)に示すような加速分を抽出したトルク指令を求めることができる。これにトルクリミッタをかけ、前記トルク指令差分値ΔTを加算することにより図16(d)のように摩擦補償されたトルク指令を生成できる。柔軟制御のようなトルク制限が小さい場合でも、トルク指令を加速分と摩擦分に分離し、加速分にトルク制限をかけてから摩擦分を補償することにより所望のトルク指令を出力することができる。   As in the second embodiment, a torque limiter 13, a model torque limiter 17, and an unknown external force estimation unit 22 can be added as shown in FIG. In the fifth embodiment, this configuration including a torque limiter is more general. Particularly in the case of flexible control, since the torque limit value of the torque limiter 13 is small, it is effective to limit the torque only to the acceleration component by separating the torque command into the acceleration component and the friction component. This will be described with reference to the graph of FIG. FIG. 16 shows a torque waveform in the configuration of FIG. The torque command difference shown in FIG. 16B from the torque command Tref which is the output of the speed controller 12 shown in FIG. 16A and the torque command Tsim which is the output of the simulation speed controller 16 shown in FIG. A value ΔT is determined. Since the torque command difference value ΔT corresponds to a frictional force, the friction separation unit 24 takes the difference between the torque command Tref and the torque command difference value ΔT to obtain an acceleration amount as shown in FIG. The extracted torque command can be obtained. By applying a torque limiter to this and adding the torque command difference value ΔT, a friction-compensated torque command can be generated as shown in FIG. Even when the torque limit such as the flexible control is small, the torque command is separated into the acceleration component and the friction component, and the desired torque command can be output by compensating the friction component after applying the torque limitation to the acceleration component. .

このようにして、摩擦モデルを生成せずに簡単な構成で時間変化に対応した摩擦補償を行うことができ、常に制御性能を高く維持することができる。   In this way, friction compensation corresponding to time changes can be performed with a simple configuration without generating a friction model, and control performance can always be maintained high.

本発明は、シミュレーションを用いて時間や温度ともに変化する摩擦力をより正確に求め補償するため、機構部分に摩擦要素を持った産業用ロボットや民生用ロボットなどの位置制御、柔軟制御を行う装置に関して広く適用できる。   The present invention is an apparatus for performing position control and flexible control of industrial robots and consumer robots having a friction element in a mechanical part in order to more accurately determine and compensate for friction force that changes with time and temperature using simulation. Widely applicable with respect to.

本発明の実施例1を示すサーボ制御装置の構成図1 is a configuration diagram of a servo control device showing Embodiment 1 of the present invention. 本発明の第1の適用例を表すイメージ図(XYステージ)The image figure (XY stage) showing the 1st application example of this invention 本発明の第2の適用例を表すイメージ図(ロボット)Image diagram showing a second application example of the present invention (robot) 本発明の位置制御器のブロック図Block diagram of the position controller of the present invention 本発明の速度制御器のブロック図Block diagram of the speed controller of the present invention 本発明のメカモデル演算部のブロック図Block diagram of mechanical model calculation unit of the present invention 本発明の実施例1の実施手順を示すフローチャートThe flowchart which shows the implementation procedure of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1でのトルク指令比較方法を示す説明図Explanatory drawing which shows the torque command comparison method in Example 1 of this invention. 本発明の摩擦モデル生成を示す説明図Explanatory drawing which shows the friction model production | generation of this invention 本発明の実施例2を示すサーボ制御装置の構成図Configuration diagram of servo control apparatus showing Embodiment 2 of the present invention 本発明の未知外力推定部のブロック図Block diagram of unknown external force estimation unit of the present invention 本発明の実施例3の実施手順を示すフローチャートThe flowchart which shows the implementation procedure of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4を示すサーボ制御装置の構成図Configuration diagram of servo control apparatus showing Embodiment 4 of the present invention 本発明の実施例5を示すサーボ制御装置の基本構成図Basic configuration diagram of servo control apparatus showing Embodiment 5 of the present invention 本発明の実施例5を示すサーボ制御装置の応用構成図Application configuration diagram of servo control apparatus showing Embodiment 5 of the present invention 本発明の実施例5でのトルク指令生成方法を示す説明図Explanatory drawing which shows the torque command production | generation method in Example 5 of this invention. 従来(特許文献1)のサーボ制御装置の構成図Configuration diagram of a conventional servo control device (Patent Document 1) 従来(特許文献2)のサーボ制御装置の構成図Configuration diagram of conventional servo control device (Patent Document 2)

符号の説明Explanation of symbols

10 サーボ制御装置
11、102 位置制御器
12、103 速度制御器
13 トルクリミッタ
14 制御対象
15 シミュレーション位置制御器
16 シミュレーション速度制御器
17 モデルトルクリミッタ
18 メカモデル演算部
19 比較部
20 摩擦モデル生成部
21 補償部
22 未知外力推定部
23 温度センサ
24 摩擦分離部
101 位置指令生成部
104 メモリ
105 アンプ
106、210 モータ
107、211 回転検出器
108、212 負荷機械
201 位置発生回路
202 第1の位置制御回路
203 第1の速度制御回路
204 モータの模擬回路
205 摩擦モデル回路
206 摩擦修正回路
207 第2の位置制御回路
208 第2の速度制御回路
209 トルク制御回路
301 制御演算装置
302 X軸アンプ
303 Y軸アンプ
304 XYテーブル装置
305 X軸モータ
306 Y軸モータ
307 テーブル
401 多関節ロボット
402 ロボット制御盤
403 ロボット用多軸制御演算装置
404 ロボット用多軸アンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Servo control apparatus 11, 102 Position controller 12, 103 Speed controller 13 Torque limiter 14 Control object 15 Simulation position controller 16 Simulation speed controller 17 Model torque limiter 18 Mechanical model calculating part 19 Comparison part 20 Friction model production | generation part 21 Compensation Unit 22 unknown external force estimation unit 23 temperature sensor 24 friction separation unit 101 position command generation unit 104 memory 105 amplifier 106, 210 motor 107, 211 rotation detector 108, 212 load machine 201 position generation circuit 202 first position control circuit 203 first 1 speed control circuit 204 motor simulation circuit 205 friction model circuit 206 friction correction circuit 207 second position control circuit 208 second speed control circuit 209 torque control circuit 301 control arithmetic unit 302 X-axis amplifier 303 Y-axis amplifier 304 X Y-table device 305 X-axis motor 306 Y-axis motor 307 Table 401 Articulated robot 402 Robot control panel 403 Robot multi-axis control arithmetic unit 404 Robot multi-axis amplifier

Claims (10)

位置制御器と、速度制御器とを備え、モータを含む制御対象を制御するサーボ制御装置において、
前記位置制御器と同一構成でありかつ同一指令を入力するシミュレーション位置制御器と、
前記速度制御器と同一構成であるシミュレーション速度制御器と、
前記制御対象を模擬し、前記シミュレーション位置制御器および前記シミュレーション速度制御器にフィードバックを行うメカモデル演算部と、
前記速度制御器の出力と前記シミュレーション速度制御器の出力を比較する比較部と、
前記比較部の出力から摩擦モデルを生成する摩擦モデル生成部と、
前記摩擦モデル生成部の出力に基づいた補償を行う補償部と、
を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
In a servo control device that includes a position controller and a speed controller and controls a control target including a motor,
A simulation position controller having the same configuration as the position controller and inputting the same command;
A simulation speed controller having the same configuration as the speed controller;
A mechanical model calculation unit that simulates the control object and feeds back to the simulation position controller and the simulation speed controller;
A comparator for comparing the output of the speed controller and the output of the simulation speed controller;
A friction model generation unit that generates a friction model from the output of the comparison unit;
A compensation unit for performing compensation based on the output of the friction model generation unit;
A servo control device comprising:
前記比較部は、前記速度制御器の出力と前記シミュレーション速度制御器の出力から摩擦力推定誤差を求め、前記摩擦力推定誤差があらかじめ決められた値より大きくなったときに摩擦モデルを更新するように判定することを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装置。   The comparison unit obtains a friction force estimation error from the output of the speed controller and the output of the simulation speed controller, and updates the friction model when the friction force estimation error becomes larger than a predetermined value. 2. The servo control device according to claim 1, wherein the servo control device is determined as follows. 前記摩擦モデル生成部は、一定時間毎に複数速度での定速動作を行ったときの速度と前記比較部の定速時出力の平均値とから一定時刻毎の摩擦モデル定数を求めて記憶し、前記補償部は、記憶された前記摩擦モデル定数を補間することにより、動作時刻毎の摩擦モデル定数を求めて摩擦補償を行うことを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装置。   The friction model generation unit obtains and stores a friction model constant at a fixed time from a speed when a constant speed operation is performed at a plurality of speeds at a fixed time and an average value of the constant speed output of the comparison unit. 2. The servo control apparatus according to claim 1, wherein the compensation unit interpolates the stored friction model constant to obtain a friction model constant for each operation time and perform friction compensation. 前記摩擦モデル生成部は、制御対象に設けられた温度センサの情報を用いて温度毎の摩擦モデル定数を求めて記憶し、前記補償部は、記憶された前記摩擦モデル定数を温度に対して補間することにより、前記温度センサで検出された温度における摩擦モデル定数を求めて摩擦補償を行うことを特徴とする請求項3記載のサーボ制御装置。   The friction model generation unit obtains and stores a friction model constant for each temperature using information of a temperature sensor provided in a control target, and the compensation unit interpolates the stored friction model constant with respect to temperature. 4. The servo control device according to claim 3, wherein friction compensation is performed by obtaining a friction model constant at the temperature detected by the temperature sensor. 位置制御器と、速度制御器とを備え、モータを含む制御対象を制御するサーボ制御装置において、
前記位置制御器と同一構成でありかつ同一指令を入力するシミュレーション位置制御器と、
前記速度制御器と同一構成であるシミュレーション速度制御器と、
前記制御対象を模擬し、前記シミュレーション位置制御器および前記シミュレーション速度制御器にフィードバックを行うメカモデル演算部と、
前記速度制御器の出力と前記シミュレーション速度制御器の出力を比較する比較部と、
前記比較部の出力を前記速度制御器の出力から差し引いて分離する摩擦分離部と、
前記比較部の出力を補償する補償部と、
を備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
In a servo control device that includes a position controller and a speed controller and controls a control target including a motor,
A simulation position controller having the same configuration as the position controller and inputting the same command;
A simulation speed controller having the same configuration as the speed controller;
A mechanical model calculation unit that simulates the control object and feeds back to the simulation position controller and the simulation speed controller;
A comparator for comparing the output of the speed controller and the output of the simulation speed controller;
A friction separating unit that subtracts and separates the output of the comparison unit from the output of the speed controller;
A compensation unit for compensating the output of the comparison unit;
A servo control device comprising:
前記制御対象に加わる未知の外力を推定する未知外力推定部を備えたことを特徴とする請求項1から5記載のサーボ制御装置。   6. The servo control apparatus according to claim 1, further comprising an unknown external force estimation unit that estimates an unknown external force applied to the control target. 摩擦モデルの定数部分にデフォルトの値を設定しデフォルトの摩擦モデルが生成できるようにした後、サーボ電源をオンにするステップ1と、
あらかじめ決められた時間間隔により一定時間が経過したかを判定して、摩擦モデル更新を判定する時刻を計測し、一定時間が経過していなければ摩擦モデルを更新せずに摩擦補償するステップ2と、
現在記憶している摩擦モデルに基づき、比較部により速度制御器のトルク指令Trefとシミュレーション速度制御器のトルク指令Tsimとの差分を演算しトルク指令差分値ΔTを求め、前記トルク指令差分値ΔTおよびモータ速度vの時系列データを記憶するステップ3と、
前記トルク指令差分値ΔTとあらかじめ決められた所定値ΔTmaxとを比較し、|ΔT|<ΔTmaxのとき摩擦モデルを更新せずに摩擦補償し、|ΔT|>ΔTmaxのとき摩擦モデルを更新と判定するステップ4と、
摩擦モデルを更新する際、前記トルク指令差分値ΔTを摩擦モデルによる摩擦力f’に加算して摩擦力fをf=f’+ΔTとし、前記摩擦力fおよびその時のモータ速度vを記憶するステップ5と、
前記摩擦力fおよび前記モータ速度vに基づいて直線近似することにより摩擦モデル式を求めるステップ6と、
前記摩擦モデル式からモータ速度vに対応する摩擦力fをf=cv+f0として求め、求められた摩擦力fを補償値として補償するステップ7と、
サーボ電源がオフでない場合は、前記ステップ2へ戻り、上記を繰り返し、サーボ電源がオフの場合は終了するステップ8とからなるサーボ制御方法。
After setting a default value in the constant part of the friction model so that a default friction model can be generated, step 1 of turning on the servo power supply,
Step 2 for determining whether a predetermined time has passed at a predetermined time interval, measuring a time for determining friction model update, and compensating for friction without updating the friction model if the predetermined time has not passed ,
Based on the currently stored friction model, the comparison unit calculates the difference between the torque command Tref of the speed controller and the torque command Tsim of the simulation speed controller to obtain a torque command difference value ΔT, and the torque command difference value ΔT and Step 3 for storing time series data of motor speed v;
The torque command difference value ΔT is compared with a predetermined value ΔTmax determined in advance. When | ΔT | <ΔTmax, the friction model is updated without updating, and when | ΔT |> ΔTmax, the friction model is determined to be updated. Step 4 to
When updating the friction model, the torque command difference value ΔT is added to the friction force f ′ by the friction model to set the friction force f to f = f ′ + ΔT, and the friction force f and the motor speed v at that time are stored. Step 5 and
Obtaining a friction model equation by linear approximation based on the friction force f and the motor speed v;
Step 7 for obtaining the frictional force f corresponding to the motor speed v from the friction model equation as f = cv + f0 and compensating the obtained frictional force f as a compensation value;
When the servo power is not off, the servo control method includes step 8 which returns to step 2 and repeats the above, and ends when the servo power is off.
繰り返し動作によるなじみ運転を行うステップ1と、
あらかじめ決められた時間間隔により一定時間が経過したかを判定して、摩擦モデルを生成する時刻を計測し、一定時間が経過していなければステップ1に戻り、なじみ運転を行うステップ2と、
摩擦補償をオフとして所定の定速動作を行い、比較部19からの定速時の出力ΔTi(i=1,2,…,n)からモータ速度vにおける定速時出力平均値Tmean(v)をTmean(v)=(ΔT1+ΔT2+…+ΔTn)/nとして求めるステップ3と、
前記モータ速度vおよび前記定速時出力平均値Tmean(v)に基づいて、摩擦モデルを直線近似により求めるステップ4と、
前記摩擦モデルを記憶し、粘性摩擦係数cおよびクーロン摩擦力f0が時刻ti(i=1,2,…) における関数c(ti),f0(ti)としてデータベースへ記憶するステップ5と、
摩擦モデルの定数c(ti),f0(ti)が所定の一定値に収束したときに摩擦モデルが収束したと判定し、一方摩擦モデルの定数が所定の一定値に収束しなければステップ1に戻るステップ6と、
摩擦モデル式からモータ速度vに対応する摩擦力fを求め、求められた摩擦力fを補償して実動作するステップ7とからなるサーボ制御方法。
Step 1 for running-in by repeated operation,
It is determined whether a predetermined time has elapsed at a predetermined time interval, the time for generating the friction model is measured, and if the predetermined time has not elapsed, the process returns to step 1 to perform the familiar operation;
A predetermined constant speed operation is performed with the friction compensation off, and the constant speed output average value Tmean (v at the motor speed v from the constant speed output ΔT i (i = 1, 2,..., N) from the comparison unit 19. ) As Tmean (v) = (ΔT 1 + ΔT 2 +... + ΔT n ) / n;
Obtaining a friction model by linear approximation based on the motor speed v and the constant speed output average value Tmean (v);
Storing the friction model, and storing the viscous friction coefficient c and the Coulomb friction force f0 in the database as functions c (t i ), f0 (t i ) at time t i (i = 1, 2,...); ,
It is determined that the friction model has converged when the friction model constants c (t i ) and f0 (t i ) have converged to a predetermined constant value. Step 6 returning to 1;
A servo control method comprising a step 7 in which a friction force f corresponding to a motor speed v is obtained from a friction model equation, and the actual operation is performed by compensating the obtained friction force f.
前記ステップ7において、摩擦モデル式を、動作時刻t’に応じて記憶されたデータを基に次式で求めるものである請求項8記載のサーボ制御方法。
f=c(t’)v+f0(t’)
c(t’)= {(c(ti+1)-c(ti))/(ti+1-ti)}(t’-ti)+c(ti)
(ti≦t’<ti+1),c(t’)=c(te) (te≦t’)
f0(t’)= {(f0(ti+1)-f0(ti))/(ti+1-ti)}(t’-ti)+f0(ti)
(ti≦t’<ti+1),f0(t’)=f0(te) (te≦t’)
ただしi=1,2,3,…であり、teは摩擦モデルが収束した時の時刻
9. The servo control method according to claim 8, wherein in step 7, the friction model formula is obtained by the following formula based on data stored in accordance with the operation time t '.
f = c (t ') v + f0 (t')
c (t ') = ((c (t i + 1 ) -c (t i )) / (t i + 1 -t i )} (t'-t i ) + c (t i )
(t i ≤t '<t i + 1 ), c (t') = c (t e ) (t e ≤t ')
f0 (t ') = {(f0 (t i + 1 ) -f0 (t i )) / (t i + 1 -t i )} (t'-t i ) + f0 (t i )
(t i ≤t '<t i + 1 ), f0 (t') = f0 (t e ) (t e ≤t ')
Where i = 1,2,3, ... and t e is the time when the friction model converges
前記ステップ7において、摩擦モデル式を、時刻の代わりに温度tpi (i=1,2,…)に応じて記憶されたデータを基に次式で求めるものである請求項8記載のサーボ制御方法。
f=c(tp’)v+f0(tp’)
c(tp’)= {(c(tpi+1)-c(tpi))/(tpi+1-tpi)}(tp’-tpi)+c(tpi)
(tpi≦tp’<tpi+1),c(tp’)=c(tpe) (tpe≦tp’)
f0(tp’)= {(f0(tpi+1)-f0(tpi))/(tpi+1-tpi)}(tp’-tpi)+f0(tpi)
(tpi≦tp’<tpi+1),f0(tp’)=f0(tpe) (tpe≦tp’)
ただしi=1,2,3,…であり、tpeは摩擦モデルが収束した時の温度
9. The servo control according to claim 8, wherein in step 7, the friction model equation is obtained by the following equation based on data stored in accordance with the temperature tp i (i = 1, 2,...) Instead of time. Method.
f = c (tp ') v + f0 (tp')
c (tp ') = ((c (tp i + 1 ) -c (tp i )) / (tp i + 1 -tp i )} (tp'-tp i ) + c (tp i )
(tp i ≤tp '<tp i + 1 ), c (tp') = c (tp e ) (tp e ≤tp ')
f0 (tp ') = ((f0 (tp i + 1 ) -f0 (tp i )) / (tp i + 1 -tp i )} (tp'-tp i ) + f0 (tp i )
(tp i ≤tp '<tp i + 1 ), f0 (tp') = f0 (tp e ) (tp e ≤tp ')
However i = 1,2,3, is a ..., tp e is the temperature at which the friction model has converged
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