JP2007004287A - Position control method for belt-driven servo device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ベルト駆動サーボ装置の位置制御方法に関するもので、特に可動部を位置決めするベルト駆動サーボ装置の振動抑制制御方法に関する。 The present invention relates to a position control method for a belt drive servo device, and more particularly to a vibration suppression control method for a belt drive servo device that positions a movable part.
従来のベルト駆動サーボ装置は、外乱オブザーバにより外乱力を推定し、推定された外乱力をモータトルク指令に加算して振動を減衰させている(例えば、非特許文献1参照)。
また、従来のサーボ系の振動抑制制御では加速度を加速度センサで計測し、速度制御器に負帰還し、振動を減衰させている(例えば、非特許文献2参照)。
図7において、101は位置制御器、102はベルト駆動系の動特性、103は外乱力オブザーバ、104は外乱力、105は推定外乱力、106は減算器、107はモータトルクであり、外乱力を外乱力オブザーバで推定し、推定外乱力をモータトルクから減算することで、ベルト駆動サーボ装置の振動抑制制御を行っている。
このように、従来のベルト駆動サーボ装置では、外乱力オブザーバにより外乱力を推定しモータトルクから減算して振動抑制をするという手順がとられていた。
さらにベルト駆動ではない産業用ロボットの振動抑制制御としては、加速度を計測しモータ速度指令から減算することが行われていた.
Further, in conventional vibration suppression control of a servo system, acceleration is measured by an acceleration sensor, negatively fed back to a speed controller, and vibration is attenuated (for example, see Non-Patent Document 2).
In FIG. 7, 101 is a position controller, 102 is a dynamic characteristic of the belt drive system, 103 is a disturbance force observer, 104 is a disturbance force, 105 is an estimated disturbance force, 106 is a subtractor, 107 is a motor torque, Is controlled by a disturbance force observer, and the estimated disturbance force is subtracted from the motor torque to perform vibration suppression control of the belt drive servo device.
As described above, in the conventional belt drive servo apparatus, a procedure is adopted in which the disturbance force is estimated by the disturbance force observer and subtracted from the motor torque to suppress the vibration.
Furthermore, vibration suppression control for industrial robots that are not belt-driven involves measuring acceleration and subtracting it from the motor speed command.
特許文献1記載の発明は、ロボットのアームの振動の抑制を図り、かつアームの位置決めの高速化を図るために、アンプに与える指令トルクを算出する制御部が、第2アームを駆動するサーボモータと、サーボモータにトルクを発生させるアンプ部及びサーボモータの角度を検出する角度検出器を備えるロボットを制御対象として、指令トルクとサーボモータの角度とに基づいて、アームの角度及び角速度、サーボモータの角速度、外乱トルクを推定するねじれ角・外乱推定オブザーバと、サーボモータの目標角度に基づいて、サーボモータの目標角速度を算出するフィードフォワード部と、サーボモータの目標角度と角度と目標角速度、第2アーム3の推定角度と推定角速度、サーボモータの推定角速度及び推定外乱トルクに基づいて指令トルクを算出し、制御部が算出した指令トルクに基づいてロボットを制御するものである。
特許文献2記載の発明は、 測定された周波数特性から推定演算に必要な定数を簡便に求めるもので、そのために、第2アームを駆動するサーボモータ、サーボモータにトルクを発生させるアンプ部及びサーボモータの角度を検出する角度検出器を備えるロボットを制御対象とし、指令トルクとサーボモータの角度とに基づいて、少なくとも第2アームの角度若しくは角速度'を推定するねじれ角・外乱推定オブザーバと、ねじれ角・外乱推定オブザーバが推定した第2アームの推定角度若しくは推定角速度に基づいて、指令トルクを算出する制御部と、第2アーム3の角度若しくは角速度を推定するための各種定数をアンプ部に与える指令トルクから角度検出器により検出されるサーボモータの角度までの伝達関数から決定する推定定数決定部とを有し、制御部が算出した指令トルクに基づいてロボットを制御するものである。
The invention described in
The invention described in
従来のベルト駆動サーボ装置の振動抑制制御方法では、外乱力オブザーバにより外乱力を推定し、推定外乱力をモータトルクから減算するという手順をとっており、さらに外乱力リップルはモータ回転数に比例して変化するため振動周波数が大幅に変化するため、高速域での速い外乱力推定ができず、大きな振動抑制効果が得られないという問題があった。
また、産業用ロボットのような場合は、加速度を加速度センサで計測し、速度制御器に負帰還することが行われていたが、ベルト駆動サーボ装置においては、速度制御系に負帰還しても振動抑制効果がないという問題もあった。
そして、特許文献1および特許文献2記載の発明は、本発明と同じく共に外乱オブザーバを用いて振動抑制を計る点で共通しているが、加速度フィードバック制御を行なうための加速度センサがないため、高い周波数領域で加速度フィードバックをする場合に弱点があった。
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、外乱力オブザーバにより外乱力を推定し外乱力推定値をモータトルクから減ずるとともに、可動部の加速度を加速度センサにより計測し、比例加速度制御ループを構成することにより、ベルト駆動サーボ装置の振動抑制制御することができるようにすることを目的としている。
本発明によって設けた加速度フィードバック制御により、外乱オブザーバによる外乱力推定に与える影響として以下のように考えられる。
1.ベルト駆動系の振動周波数は一般に速度に比例するため、広い周波数帯域において振動抑制作用がある加速度フィードバックが必要となる。
2.外乱オブザーバは摩擦力などの比較的低周波数の動作補正に効果がある。
3.これらから、高い周波数領域で加速度フィードバックが有効であり、低い周波数領域で外乱オブザーバが有効である。
In the conventional vibration suppression control method of the belt drive servo system, the disturbance force is estimated by a disturbance force observer, and the estimated disturbance force is subtracted from the motor torque. Furthermore, the disturbance force ripple is proportional to the motor speed. Since the vibration frequency changes greatly, there is a problem in that it is impossible to estimate the disturbance force quickly in the high speed range and a large vibration suppression effect cannot be obtained.
In the case of an industrial robot, the acceleration is measured by an acceleration sensor and negatively fed back to the speed controller. However, in the belt drive servo device, even if negative feedback is made to the speed control system. There was also a problem that there was no vibration suppression effect.
The inventions described in
The present invention has been made in view of such problems. The disturbance force is estimated by a disturbance force observer and the estimated disturbance force value is subtracted from the motor torque, and the acceleration of the movable part is measured by an acceleration sensor. An object of the present invention is to make it possible to perform vibration suppression control of the belt drive servo device by configuring a control loop.
The influence of the acceleration feedback control provided by the present invention on the estimation of the disturbance force by the disturbance observer is considered as follows.
1. Since the vibration frequency of the belt drive system is generally proportional to the speed, acceleration feedback having a vibration suppressing action in a wide frequency band is required.
2. The disturbance observer is effective for correcting a relatively low frequency operation such as friction force.
3. From these, acceleration feedback is effective in a high frequency region, and a disturbance observer is effective in a low frequency region.
上記問題を解決するため、請求項1記載の発明は、ベルト駆動サーボ装置の位置制御方法に係り、モータと、該モータを制御するモータ制御器と、前記モータのシャフトに結合されたプーリと、該プーリによって駆動されるベルトと、該ベルトに結合された可動部と、該可動部に設けられた加速度センサとを備えたベルト駆動サーボ装置の位置制御方法において、前記モータの速度から外乱推定オブザーバにより外乱力を推定し、推定した外乱力推定値をモータトルク指令に減算して外乱力を補正すると同時に、前記加速度センサで前記可動部の加速度を計測し、フィルタを通して比例加速度制御ループを構成することにより、前記プーリと前記ベルトとの噛合いの変動に起因して前記モータの回転数に比例する駆動力リップルにより発生する前記可動部の振動を減衰させる振動抑制制御方法を採用したことを特徴としている。
請求項2記載の発明は、請求項1記載のベルト駆動サーボ装置の位置制御方法において、比例積分速度制御器からの出力を比例加速度制御器に入れて該比例加速度制御器からモータトルク指令を得るベルト駆動サーボ装置の位置制御方法において、前記加速度センサからの加速度信号をバンドパスフィルタに通して前記比例積分速度制御器からの出力に負帰還することを特徴としている。
請求項3記載の発明は、請求項1記載のベルト駆動サーボ装置の位置制御方法において、比例積分速度制御器からの出力を比例加速度制御器に入れて該比例加速度制御器からモータトルク指令を得るベルト駆動サーボ装置の位置制御方法において、前記加速度センサからの加速度信号をバンドパスフィルタおよび積分器に通して前記比例積分速度制御器からの出力に負帰還することを特徴としている。
請求項4記載の発明は、ベルト駆動サーボ装置の位置制御装置に係り、モータと、該モータを制御するモータ制御器と、前記モータのシャフトに結合されたプーリと、該プーリによって駆動されるベルトと、該ベルトに結合された可動部と、該可動部に設けられた加速度センサとを備えたベルト駆動サーボ装置の位置制御装置において、前記モータの速度から外乱力を推定し、推定した外乱力推定値をモータトルク指令に減算して補正する外乱推定オブザーバと、前記加速度センサで計測した前記可動部の加速度を扱う比例加速度制御ループ内に挿入されたフィルタと、を備えたことを特徴としている。
In order to solve the above problem, an invention according to
According to a second aspect of the present invention, in the position control method for the belt drive servo apparatus according to the first aspect, an output from the proportional integral speed controller is input to the proportional acceleration controller to obtain a motor torque command from the proportional acceleration controller. In the position control method of the belt drive servo device, the acceleration signal from the acceleration sensor is passed through a band-pass filter and negatively fed back to the output from the proportional integral speed controller.
According to a third aspect of the present invention, in the position control method for the belt drive servo apparatus according to the first aspect, an output from the proportional integral speed controller is input to the proportional acceleration controller to obtain a motor torque command from the proportional acceleration controller. In the position control method of the belt drive servo device, the acceleration signal from the acceleration sensor is negatively fed back to the output from the proportional integral speed controller through a band pass filter and an integrator.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a position control device for a belt drive servo device, a motor, a motor controller for controlling the motor, a pulley coupled to a shaft of the motor, and a belt driven by the pulley. And a movable part coupled to the belt, and an acceleration sensor provided in the movable part, wherein the disturbance force is estimated by estimating the disturbance force from the speed of the motor. A disturbance estimation observer that subtracts and corrects an estimated value from a motor torque command, and a filter that is inserted in a proportional acceleration control loop that handles acceleration of the movable part measured by the acceleration sensor. .
請求項1および4記載の発明によると、比例加速度制御ループを構成することで周波数が速度に比例する振動を広い範囲で抑制することができ、その残りの低周波数の振動をオブザーバで補正することができる。
また、請求項2記載の発明によると、抑制する振動周波数領域を限定し、高次の振動モードで発振することを防止することができる。
また、請求項3記載の発明によると、請求項1記載の効果に加えて、速度フィードバックが有効となる構造のサーボ系に適用することが可能となる。
According to the first and fourth aspects of the invention, by configuring the proportional acceleration control loop, vibrations whose frequency is proportional to the speed can be suppressed in a wide range, and the remaining low-frequency vibrations are corrected by the observer. Can do.
Further, according to the second aspect of the present invention, it is possible to limit the vibration frequency region to be suppressed and prevent oscillation in a higher-order vibration mode.
Further, according to the invention described in
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図1は本発明の方法を実施するベルト駆動サーボ装置の全体システムを示す概略図である。図において、Mはサーボモータ、Rはサーボモータを制御するモータ制御器、Cはカップリング、P1、P1はプーリ、Bはベルト、Tはテーブルで形成された可動部、Aは可動部に設けられた加速度センサである。図から判るように、サーボモータMにカップリングCを介してベルトBと噛合うプーリP1が結合されている。可動部(テーブル)TはベルトBに結合され、サーボモータMの正転・反転に応じて可動部Tは左・右に動く。可動部Tの動きは加速度センサAが検出する。
Hereinafter, specific examples of the method of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing an entire system of a belt drive servo apparatus for carrying out the method of the present invention. In the figure, M is a servo motor, R is a motor controller for controlling the servo motor, C is a coupling, P1 and P1 are pulleys, B is a belt, T is a movable part formed of a table, and A is provided in the movable part. Acceleration sensor. As can be seen from the figure, a pulley P1 meshing with the belt B is coupled to the servo motor M via a coupling C. The movable portion (table) T is coupled to the belt B, and the movable portion T moves to the left and right according to the forward / reverse rotation of the servo motor M. The acceleration sensor A detects the movement of the movable part T.
図2は、本発明の実施例1に係る方法を実施するベルト駆動サーボ装置の構成を示すブロック図である。図において1は位置の比例制御器、2は速度の比例積分制御器、3は減算器、4は加速度の比例制御器、5は減算器、6はモータ、61はエンコーダ、7はエンコーダ61の検出したモータ速度からモータ位置への物理的な積分器、8はベルト駆動機構、9は外乱力オブザーバ、10は加速度センサ、11はフィルタとなっている。そして、比例制御器1〜減算器5、積分器7、外乱力オブザーバ9、フィルタ11は図1のモータ制御器R内に収納される構成としている。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a belt drive servo apparatus that performs the method according to the first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a proportional controller for position, 2 is a proportional integral controller for velocity, 3 is a subtractor, 4 is a proportional controller for acceleration, 5 is a subtractor, 6 is a motor, 61 is an encoder, 7 is an encoder 61 A physical integrator from the detected motor speed to the motor position, 8 is a belt drive mechanism, 9 is a disturbance force observer, 10 is an acceleration sensor, and 11 is a filter. The
図3は、外乱力オブザーバ9の構成を示している。図において、破線から上の部分が制御対象のブロック線図で、下が外乱力オブザーバである。
ここに、
FIG. 3 shows the configuration of the
here,
図4は外乱力オブザーバおよび加速度制御を行ったときのサーボモータの回転速度の時間応答であり、図5は外乱力オブザーバおよび加速度制御が無い場合のサーボモータの回転速度の時間応答である。
両図において、縦軸は角速度(rad/s)、横軸は時間(s)である。
図5では外乱力オブザーバおよび加速度制御が無いので、サーボモータの回転速度の時間応答は、図のように、約55ヘルツの顕著な振動が発生している。この振動数は、サーボモータ回転速度とプーリの歯数とを乗じた値と等しく、プーリとベルトとの噛合いの変動で発生する振動である。
これに対して、図4では本発明に係る外乱力オブザーバおよび加速度制御を行っているので、可動部の速度は回転速度プーリの等価半径を乗じたものとなり、図のように、この応答には図5で示される振動が抑制されているのが判る。
FIG. 4 shows the time response of the rotation speed of the servo motor when the disturbance force observer and acceleration control are performed, and FIG. 5 shows the time response of the rotation speed of the servo motor without the disturbance force observer and acceleration control.
In both figures, the vertical axis represents angular velocity (rad / s), and the horizontal axis represents time (s).
In FIG. 5, since there is no disturbance force observer and acceleration control, the time response of the rotation speed of the servo motor generates a remarkable vibration of about 55 Hz as shown in the figure. This frequency is equal to a value obtained by multiplying the rotation speed of the servo motor and the number of teeth of the pulley, and is a vibration generated by a change in meshing between the pulley and the belt.
In contrast, since the disturbance force observer and acceleration control according to the present invention are performed in FIG. 4, the speed of the movable part is multiplied by the equivalent radius of the rotational speed pulley. It can be seen that the vibration shown in FIG. 5 is suppressed.
以上のように、本発明によれば、外乱力オブザーバにより外乱力を推定し外乱力推定値をモータトルクから減ずるとともに、可動部の加速度を加速度センサにより計測し、比例加速度制御ループを構成するので、周波数が速度に比例する振動を比例加速度制御ループにより広い範囲で抑制することができ、その残りの低周波数の振動をオブザーバで補正することができるため、ベルト駆動サーボ装置の振動を広い範囲で抑制制御することができるようになる。 As described above, according to the present invention, the disturbance force is estimated by the disturbance force observer, the estimated disturbance force value is subtracted from the motor torque, and the acceleration of the movable part is measured by the acceleration sensor, thereby forming a proportional acceleration control loop. The vibration whose frequency is proportional to the speed can be suppressed in a wide range by the proportional acceleration control loop, and the remaining low-frequency vibration can be corrected by the observer. It becomes possible to perform suppression control.
図6は、本発明の実施例2に係る方法を実施するベルト駆動サーボ装置の構成を示すブロック図である。図における符号で図2と同じものは、同じ機能を有する同一機器なので、重複説明は省略する。
実施例2のベルト駆動サーボ装置が、図2のそれと異なるのは、フィルタ11と減算器3との間に積分器12を挿入して、加速度情報を速度情報に変換している点である。積分器12も同じくモータ制御器R(図1)の中に収納されている。
これにより、比例積分速度制御器2からの出力を比例加速度制御器4に入れる際に、加速度センサ10からの加速度信号をバンドパスフィルタ11および積分器12に通して加速度ではなく速度として比例積分速度制御器2からの出力に負帰還するようになるので、加速度ではなく速度フィードバックが有効となる構造のサーボ系に適用することが可能となる。
実施例2によっても、同じく外乱力オブザーバにより外乱力を推定し外乱力推定値をモータトルクから減ずるとともに、可動部の加速度を加速度センサにより計測し、比例加速度制御ループを構成するので、周波数が速度に比例する振動を比例加速度制御ループにより広い範囲で抑制することができ、その残りの低周波数の振動をオブザーバで補正することができるため、ベルト駆動サーボ装置の振動を広い範囲で抑制制御することができるようになる。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a belt drive servo apparatus that performs the method according to the second embodiment of the present invention. The reference numerals in the figure that are the same as those in FIG.
The belt drive servo apparatus according to the second embodiment is different from that shown in FIG. 2 in that an
As a result, when the output from the proportional
Also according to the second embodiment, the disturbance force is similarly estimated by the disturbance force observer and the estimated disturbance force value is subtracted from the motor torque, and the acceleration of the movable part is measured by the acceleration sensor to constitute a proportional acceleration control loop. Since the proportional acceleration control loop can suppress the vibration proportional to the vibration in a wide range and the remaining low-frequency vibration can be corrected by the observer, the vibration of the belt drive servo device can be controlled in a wide range. Will be able to.
1 比例位置制御器
2 比例積分速度制御器
3 減算器
4 比例加速度制御器
5 加算器
6 モータ
61 エンコーダ
7 積分器
8 ベルト駆動機構
9 外乱力オブザーバ
10 加速度センサ
101 制御器
102 ベルト駆動系の動特性
103 外乱力オブザーバ
104 外乱力
105 推定外乱力
106 減算器
107 モータトルク
M サーボモータ
R モータ制御器
C カップリング
P1、P1 プーリ
B ベルト
T テーブル(可動部)
A 加速度センサ
DESCRIPTION OF
A Accelerometer
Claims (4)
前記モータの速度から外乱推定オブザーバにより外乱力を推定し、推定した外乱力推定値をモータトルク指令に減算して外乱力を補正すると同時に、
前記加速度センサで前記可動部の加速度を計測し、フィルタを通して比例加速度制御ループを構成することにより、前記プーリと前記ベルトとの噛合いの変動に起因して前記モータの回転数に比例する駆動力リップルにより発生する前記可動部の振動を減衰させる振動抑制制御方法を採用したことを特徴とするベルト駆動サーボ装置の位置制御方法。 A motor, a motor controller for controlling the motor, a pulley coupled to the shaft of the motor, a belt driven by the pulley, a movable part coupled to the belt, and a movable part provided in the movable part In a position control method of a belt drive servo device including an acceleration sensor,
At the same time as estimating the disturbance force by the disturbance estimation observer from the speed of the motor, subtracting the estimated disturbance force estimated value to the motor torque command,
A driving force proportional to the rotational speed of the motor due to the change in meshing between the pulley and the belt by measuring the acceleration of the movable part with the acceleration sensor and forming a proportional acceleration control loop through a filter. A position control method for a belt drive servo device, wherein a vibration suppression control method for attenuating vibration of the movable part generated by a ripple is adopted.
前記加速度センサからの加速度信号をバンドパスフィルタに通して前記比例積分速度制御器からの出力に負帰還することを特徴とする請求項1記載のベルト駆動サーボ装置の位置制御方法。 In the position control method of the belt drive servo device that inputs the output from the proportional integral speed controller to the proportional acceleration controller and obtains the motor torque command from the proportional acceleration controller,
2. The position control method for a belt drive servo apparatus according to claim 1, wherein an acceleration signal from the acceleration sensor is negatively fed back to an output from the proportional integral speed controller through a band pass filter.
前記加速度センサからの加速度信号をバンドパスフィルタおよび積分器に通して前記比例積分速度制御器からの出力に負帰還することを特徴とする請求項1記載のベルト駆動サーボ装置の位置制御方法。 In the position control method of the belt drive servo device that inputs the output from the proportional integral speed controller to the proportional acceleration controller and obtains the motor torque command from the proportional acceleration controller,
2. The position control method for a belt drive servo apparatus according to claim 1, wherein an acceleration signal from the acceleration sensor is negatively fed back to an output from the proportional integral speed controller through a band pass filter and an integrator.
前記モータの速度から外乱力を推定し、推定した外乱力推定値をモータトルク指令に減算して補正する外乱推定オブザーバと、
前記加速度センサで計測した前記可動部の加速度を扱う比例加速度制御ループ内に挿入されたフィルタと、を備えたことを特徴とするベルト駆動サーボ装置の位置制御装置。 A motor, a motor controller for controlling the motor, a pulley coupled to the shaft of the motor, a belt driven by the pulley, a movable part coupled to the belt, and a movable part provided in the movable part In a position control device of a belt drive servo device provided with an acceleration sensor,
A disturbance estimation observer that estimates disturbance force from the speed of the motor and corrects the estimated disturbance force estimated value by subtracting it from the motor torque command;
And a filter inserted in a proportional acceleration control loop for handling the acceleration of the movable part measured by the acceleration sensor.
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