JP2010182084A - Parameter estimation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界に置かれたコイルに電流を供給することによって直進方向または回転方向に変位するアクチュエータの制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定装置に関する。 The present invention relates to a parameter estimation device that estimates an amount of change with respect to a specified value of a control parameter of an actuator that moves in a straight direction or a rotational direction by supplying a current to a coil placed in a magnetic field.
半導体部品やMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術によって製造される精密部品を組み立てる作業時には、部品に合わせて精密な位置決めが必要であると共に、部品の接触を正確に検知して、接触力が過大にならないように位置決めを制御することが必要である。 When assembling semiconductor parts and precision parts manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, precise positioning is required according to the parts, and contact between parts is detected accurately, resulting in excessive contact force. It is necessary to control the positioning so that it does not become.
このような高精度の制御を行う装置の一例として、半導体素子を基板に実装するときに加圧するアームを、平行板ばねで構成した弾性案内に取り付け、ボイスコイルモータで加圧力を与えるように構成し、ボイスコイルモータのコイルに供給する電流を電流調節器で調節することによって加圧力を制御するようにしたものが知られている(特許文献1)。 As an example of a device that performs such high-precision control, an arm that pressurizes a semiconductor element when mounted on a substrate is attached to an elastic guide constituted by a parallel leaf spring, and a pressure is applied by a voice coil motor. In addition, there is known one in which the pressure applied is controlled by adjusting the current supplied to the coil of the voice coil motor with a current regulator (Patent Document 1).
また、ロボットの手首に取り付けた力センサからの信号をサーボ制御系にフィードバックするものが知られている(特許文献2)。これは、ロボットの作業中、力をモニタリングすることによって部品位置の認識と作業の成否確認を行う一方、力情報を制御系にフィードバックすることによって力制御を実現し、作業の信頼性を向上させるようにしたものである。 Further, there is known one that feeds back a signal from a force sensor attached to a wrist of a robot to a servo control system (Patent Document 2). This is to recognize the part position by monitoring the force during the robot's work and confirm the success or failure of the work, while realizing the force control by feeding back the force information to the control system and improving the work reliability. It is what I did.
さらに、接触センサを用いずに、位置センサとアクチュエータ駆動電流とから、外乱オブザーバを用いて力制御を実行する方法も知られている(特許文献3) Furthermore, a method is also known in which force control is executed using a disturbance observer from a position sensor and an actuator drive current without using a contact sensor (Patent Document 3).
しかしながら、従来の位置決め制御の技術には、次のような問題点があった。 However, the conventional positioning control technique has the following problems.
上記特許文献1の技術では、静止時には精密な加圧力を加えることができるが、部品搬送時の振動を抑えることや押し付けながら移動する作業で接触力を精密に制御することは難しい。また、接触を検知するためには、別に接触センサを付加する必要がある。
With the technique of the above-mentioned
特許文献2の技術では、アームの質量や減速器の摩擦力の影響により、微小な接触力を維持しながら作業を行うことは難しい。
In the technique of
特許文献3の技術では、外乱オブザーバで接触力を検出するためには、アクチュエータの制御パラメータと外乱オブザーバの制御パラメータとが一致していることが前提となるが、作業内容等によりアクチュエータの可動部に取り付けるワークが異なり質量が変化すると、制御パラメータが規定値から変化して力の検出精度が低下してしまう。 In the technique of Patent Document 3, in order to detect the contact force with the disturbance observer, it is assumed that the control parameter of the actuator and the control parameter of the disturbance observer coincide with each other. If the workpiece to be attached is different and the mass changes, the control parameter changes from the specified value and the force detection accuracy decreases.
本発明は、上記の問題点を解決するものとして、作業状況の変化によって生じるアクチュエータの制御パラメータの変化量を高精度で推定することができるパラメータ推定装置を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a parameter estimation device capable of estimating a change amount of an actuator control parameter caused by a change in a work situation with high accuracy.
本発明は、磁界に置かれたコイルに電流を供給することによって直進方向または回転方向に変位するアクチュエータの制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定装置であって、前記アクチュエータの変位を計測する変位センサと、前記変位センサで計測された変位と前記アクチュエータの目標位置との偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差算出手段により算出された偏差に基づいて前記コイルへ供給される電流をフィードバック制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、フィードバックループのゲインを測定するゲイン測定手段と、該ゲイン測定手段により測定されたゲインが一定となるように該ゲインの調整値を決定するゲイン調整手段と、該ゲイン調整手段により決定されたゲインの調整値から前記変化量を推定するパラメータ推定手段とを有することを特徴とする。 The present invention relates to a parameter estimation device that estimates a change amount of a control parameter of an actuator that is displaced in a straight traveling direction or a rotational direction by supplying a current to a coil placed in a magnetic field. A displacement sensor to be measured; deviation calculating means for calculating a deviation between the displacement measured by the displacement sensor and a target position of the actuator; and a current supplied to the coil based on the deviation calculated by the deviation calculating means A controller for feedback control of the gain, a gain measuring means for measuring the gain of the feedback loop, and a gain adjustment for determining an adjustment value of the gain so that the gain measured by the gain measuring means becomes constant Means and a gain adjustment value determined by the gain adjustment means And having a parameter estimation means for estimating a serial variation.
本発明のパラメータ推定装置によれば、作業状況により、アクチュエータの制御パラメータが変化すると、これに伴ってフィードバックループ(一巡伝達関数)のゲインが変化する。そのため、かかるゲインを一定に保つためのゲイン調整値から、制御パラメータの規定値に対する変化量を推定することができる。これにより、作業状況の変化によって生じるアクチュエータの制御パラメータの変化量を高精度で推定することができる。 According to the parameter estimation apparatus of the present invention, when the control parameter of the actuator changes depending on the work situation, the gain of the feedback loop (one-round transfer function) changes accordingly. Therefore, it is possible to estimate the amount of change with respect to the specified value of the control parameter from the gain adjustment value for keeping the gain constant. Thereby, the change amount of the control parameter of the actuator caused by the change of the work situation can be estimated with high accuracy.
本発明において、前記制御パラメータは、前記アクチュエータの可動部質量であることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the control parameter is a mass of a movable part of the actuator.
かかる態様によれば、作業状況により、アクチュエータに取り付け治具の交換等で可動部の質量が変化した場合にも、これに対応した制御パラメータを高精度で推定することができる。 According to this aspect, even when the mass of the movable part changes due to the work situation due to replacement of the attachment jig to the actuator, the control parameter corresponding to this can be estimated with high accuracy.
また、本発明において、前記コイルへの供給電流から算出される前記アクチュエータの駆動力と、前記変位センサで検出された変位から算出した加速度と、前記パラメータ推定手段により推定された可動部質量の変化量とに基づいて、該アクチュエータに作用する外力を推定する外力推定手段を備えることが好ましい。 In the present invention, the actuator driving force calculated from the current supplied to the coil, the acceleration calculated from the displacement detected by the displacement sensor, and the change in the movable part mass estimated by the parameter estimation means It is preferable to provide an external force estimating means for estimating an external force acting on the actuator based on the amount.
かかる態様によれば、外力は、アクチュエータの駆動力と、可動部の質量に加速度を乗算した値との差により算出されるところ、可動部の質量が変化した場合にも、これを高精度で推定した値を用いることができ、ひいてはアクチュエータに作用する外力を高精度で推定することができる。 According to this aspect, the external force is calculated by the difference between the driving force of the actuator and the value obtained by multiplying the mass of the movable part by the acceleration. Even when the mass of the movable part changes, this can be calculated with high accuracy. The estimated value can be used, and the external force acting on the actuator can be estimated with high accuracy.
図1は、本発明の一実施形態として、ロボット1のアーム2とハンド3の間に取り付けられたアクチュエータとしてのボイスコイルモータ5のほか、コントローラ6(図3参照)を備えて構成される。
As an embodiment of the present invention, FIG. 1 includes a controller 6 (see FIG. 3) in addition to a
図2に示すように、ボイスコイルモータ5は、上面が開口した円筒形の筐体11と、この筐体11の内側面に円環溝状のヨーク12の側壁と共に固定された磁石13と、この磁石13に対向するように配置されたボビン14に巻かれたコイル15と、ヨーク12の内側に配置される底面が開口した円筒形の架台16と、ボビン14と共に架台16の上下端を筐体11内に支持する複数の円弧状フラットスプリングからなる弾性案内部材17と、架台16の内部で筐体11の底面上に設置された変位センサ18とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
変位センサ18は、近接センサ、ひずみゲージ、リニアエンコーダ等が用いられる。
As the
上記構成のボイスコイルモータ5によれば、磁石13による磁界に置かれたコイル15に電流を供給することにより、コイル15と共に架台16が上下方向に駆動される。この上下動による変位(位置の変化)は、変位センサ18によって計測される。
According to the
図3に示すように、コントローラ6は、変位センサ18によって計測された変位とボイスコイルモータ5の目標位置との偏差を算出する比較器21と、比較器21により算出された偏差を入力とするフィードバックループの特性を安定化させる位相補償器22と、ループゲイン測定手段23、ゲイン交点制御手段24および可変ゲイン調整器25からなるループゲイン制御手段26と、入力電圧に比例した電流を発生する定電流ドライバ27とを備える。なお、ループゲイン測定手段23が、本発明のゲイン測定手段に相当し、ゲイン交点制御手段24が、本発明のゲイン調整手段に相当する。
As shown in FIG. 3, the controller 6 receives as input a
また、コントローラ6には、可変ゲイン調整器25の調整値から、ボイスコイルモータ5の制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定28と、パラメータ推定28の推定値と位置センサ18によって計測された変位とから外力を推定する外力推定手段29とを備える。
Further, the controller 6 uses the adjustment value of the variable gain adjuster 25 to estimate the amount of change with respect to the specified value of the control parameter of the
次に、図4を参照して、ループゲイン調整手段26の各構成要素および機能について説明する。 Next, each component and function of the loop gain adjusting means 26 will be described with reference to FIG.
ループゲイン測定手段23は、フィードバックループのループゲインを測定するための手段であって、具体的には、発信器31によりループゲインが1となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された周波数の正弦波を、加算器32を介してフィードバックループに加算する。
The loop gain measuring means 23 is a means for measuring the loop gain of the feedback loop. Specifically, the loop gain measuring means 23 is a sine wave having a frequency at which the loop gain becomes 1 by the
ゲイン交点制御手段24は、加算器32の前後の信号の振幅比を比較する比較器であって、ここでは、フィードバックループに加算された正弦波信号と該ループを一巡して戻ってきた信号aとの加算値bの振幅と、該ループを一巡して戻ってきた信号aの振幅の比を比較器33により比較する。
The gain intersection control means 24 is a comparator that compares the amplitude ratios of the signals before and after the
可変ゲイン調整器25は、ゲイン交点制御手段42によって比較された振幅比の倍率が1となるように、ループゲインの調整が可能な調整器であって、具体的には、可変ゲインアンプにより構成される。
The
次に、かかるループゲイン調整手段26によるフィードバックループのループゲインの調整方法について説明する。 Next, a method for adjusting the loop gain of the feedback loop by the loop gain adjusting means 26 will be described.
まず、発信器31によりループゲインが1となる周波数を、加算器32を介してフィードバックループに加算する。
First, the frequency at which the loop gain is 1 is added to the feedback loop via the
そして、ゲイン交点制御手段24は、フィードバックループを一巡して戻ってきた信号の振幅比の倍率が1となるように、加算器32の前後の信号の振幅比の倍率の逆数を、可変ゲイン調整器25の調整値とする。
Then, the gain intersection control means 24 adjusts the gain of the amplitude ratio of the signals before and after the
すなわち、ゲイン交点制御手段24は、加算器32の前の点aにおける振幅レベルEaと、後の点bにおける振幅レベルEbとが、Ea<Ebの場合には、可変ゲイン調整器25のゲインを上げ、Ea>Ebの場合には、可変ゲイン調整器25の下げることにより、フィードバックループのループゲインが1となるように調整する。そして、ループゲインが1となった時点における可変ゲイン調整器25のゲイン調整値を保持する。
That is, when the amplitude level Ea at the point a before the
ここで、発信器31によりループゲインが1となる周波数をフィードバックループに加算するのは、ループゲインが1となる周波数(ゲインが0dBを横切る周波数、ゲイン交点周波数ともいう)において、Ea/Eb=1となるため、Ea/Eb=1となるようにループゲインを調整することで、ゲイン交点を常に1に維持できるためである。そして、ゲイン交点を常に1に維持するための可変ゲイン調整器25の調整値から、パラメータ推定手段28がフィードバックループの伝達特性の変化を推定する。
Here, the frequency at which the loop gain is 1 is added to the feedback loop by the
次に、パラメータ推定手段28による、ボイスコイルモータ5の制御パラメータの規定値に対する変化量を推定する方法について説明する。
Next, a method for estimating the amount of change with respect to the specified value of the control parameter of the
パラメータ推定手段28は、ボイスコイルモータ5の制御パラメータである(A)ボイスコイルモータ5の電圧/電流変換係数、(B)トルク定数、(C)可動部質量(架台16の質量およびこれに取り付けられた治具等の質量を合算した質量)などのうちから、ボイスコイルモータ5が使用される状況に応じて、固定パラメータと1つの変動パラメータを設定する。
The parameter estimation means 28 is a control parameter of the voice coil motor 5 (A) a voltage / current conversion coefficient of the
なお、かかる固定パラメータと変動パラメータとの設定は、ボイスコイルモータ5の使用状況から予め定められた選択パターンに従って1つの変動パラメータが選択されてもよく、ユーザにより1つの変動パラメータが任意に設定されるように構成してもよい。
As for the setting of the fixed parameter and the fluctuation parameter, one fluctuation parameter may be selected in accordance with a selection pattern determined in advance from the usage state of the
次いで、パラメータ推定手段28は、可変ゲイン調整器25の調整値から設定した1つの変動パラメータの規定値に対する変化量を推定する。
Next, the parameter estimation means 28 estimates the amount of change with respect to the specified value of one variation parameter set from the adjustment value of the
例えば、可動部質量が変動パラメータに設定されている場合に、架台16に取り付けた治具を交換して、可動部質量が規定値の2倍になったとすると、フィードバックループのループゲインは、その逆数倍の1/2となっており、Ea/Eb=1/2となる。これに対して、ループゲインを一定とするために、可変ゲイン調整器25の倍率を2倍とする調整を行う。パラメータ推定手段28は、かかる可変ゲイン調整器25の調整値から逆算して、可動部質量が規定値の2倍に変化したと推定する。
For example, when the movable part mass is set as a fluctuation parameter, if the jig attached to the
このように、フィードバックループのループゲインを一定に保つための、可変ゲイン調整器25の調整値から、制御パラメータの規定値に対する変化量を推定することができ、作業状況の変化によってボイスコイルモータ5に生じる制御パラメータの変化量を高精度で推定することができる。
In this way, the amount of change with respect to the specified value of the control parameter can be estimated from the adjustment value of the
次に、図5を参照して、外力推定手段29によるボイスコイルモータ5に作用する外力の推定方法について説明する。
Next, a method for estimating the external force acting on the
外力推定手段29は、ボイスコイルモータ5の制御モデル(図5上側)に対応した等価モデル(図5下側)により、外力の推定を行う。
The external force estimating means 29 estimates the external force using an equivalent model (lower side in FIG. 5) corresponding to the control model (upper side in FIG. 5) of the
すなわち、ボイスコイルモータ5の制御モデルの制御ブロックは、定電流ドライバ27の電圧/電流変換係数Ki(41)と、架台16を動作させるためのトルク定数Kt(42)と、可動部質量Mの逆数(43)と、2つの積分器(44,45)により構成される。このとき、入力信号であるトルク指令Rtに対して、電圧/電流変換係数Ki(41)およびトルク定数Kt(42)を制御パラメータとして、架台16に駆動力が生じる。同時に、架台16に外力Fが作用したとすると、これらの合力に対して、可動部質量M(43)を制御パラメータとして架台16が変位する(43〜45)。
That is, the control block of the control model of the
一方、外力推定手段29の等価モデルは、定電流ドライバ27の推定電圧/電流変換係数Ki´(46)と、架台16を動作させるための推定トルク定数Kt´(47)と、2つの微分器(48,49)により構成される。なお、2つの微分器の一方には、推定可動部質量M´が乗算されている(49)。このとき、実際の架台16の変位がセンサ18により測定され、その変位から推定可動部質量M´(49)を制御パラメータとして、架台16の外力Fと駆動力の推定合力が算出される(48,49)。一方、入力信号であるトルク指令Rtに対して、推定電圧/電流変換係数Ki´(46)および推定トルク定数Kt´(47)を制御パラメータとして、架台16に生じる推定駆動力が算出される。そして、推定合力から推定駆動力を減算することにより、推定外力F´が算出される。
On the other hand, the equivalent model of the external force estimating means 29 includes an estimated voltage / current conversion coefficient Ki ′ (46) of the constant
ここで、推定電圧/電流変換係数Ki´(46)と、推定トルク定数Kt´(47)と、推定可動部質量M´(49)のいずれかにパラメータ推定手段28により推定された値が適応される。 Here, the value estimated by the parameter estimation means 28 is applied to any one of the estimated voltage / current conversion coefficient Ki ′ (46), the estimated torque constant Kt ′ (47), and the estimated movable part mass M ′ (49). Is done.
すなわち、これらの制御パラメータのうち、固定パラメータに設定されているものは、制御モデルのパラメータ規定値がそのまま推定値として用いられ、変動パラメータに設定された制御パラメータのみ、パラメータ推定手段28により推定された値が用いられる。 That is, among these control parameters, those that are set as fixed parameters use the parameter specified values of the control model as estimated values as they are, and only the control parameters set as the fluctuation parameters are estimated by the parameter estimation means 28. Values are used.
例えば、可動部質量のみが変動パラメータに設定されている場合には、等価モデルにおいて、Ki´=Ki、Kt´=Ktであり、パラメータ推定手段により推定された可動部質量M´により推定外力F´が算出される。 For example, when only the movable part mass is set as the variable parameter, Ki ′ = Ki and Kt ′ = Kt in the equivalent model, and the estimated external force F is estimated by the movable part mass M ′ estimated by the parameter estimation unit. 'Is calculated.
これにより、作業状況に応じて、架台16に多様な治具が取り付けられて、可動部質量が変化する場合にも、外乱オブザーバとしての等価モデルの推定質量M´を新たに設定し直す必要がなく、パラメータ推定手段28の推定値を用いて、実際に架台16に作用する外力Fを高精度に推定することができる。
As a result, even when various jigs are attached to the
なお、本実施形態では、ボイスコイルモータ5をアクチュエータの例として説明したが、本発明が適用される対象としては、これに限定されるものではなく、コイルに電流を供給することによって直進方向または回転方向に変位するアクチュエータであれば、各種リニアアクチュータに適用することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、直進方向に変位するアクチュエータを例として説明したが、これに限定されるものではなく、トルクに応じて架台が回転変位するアクチュエータに適用してもよい。 In this embodiment, the actuator that moves in the straight direction has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to an actuator in which the gantry rotates and changes according to torque.
1…ロボット、2…アーム、3…ハンド、5…ボイスコイルモータ(アクチュエータ)、6…コントローラ、11…筐体、12…ヨーク、13…磁石、14…ボビン、15…コイル、16…架台、17…弾性案内部材、18…変位センサ、21…比較器(偏差算出手段)、22…位相補償器、23…ループゲイン測定手段(ゲイン測定手段)、24…ゲイン交点制御手段(ゲイン調整手段)、25…可変ゲイン調整器、26…ループゲイン調整手段、27…定電流ドライバ、28…パラメータ推定手段、29…外力推定手段、31…発信器。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記アクチュエータの変位を計測する変位センサと、
前記変位センサで計測された変位と前記アクチュエータの目標位置との偏差を算出する偏差算出手段と、
前記偏差算出手段により算出された偏差に基づいて前記コイルへ供給される電流をフィードバック制御するコントローラと
を備え、
前記コントローラは、フィードバックループのゲインを測定するゲイン測定手段と、該ゲイン測定手段により測定されたゲインが一定となるように該ゲインの調整値を決定するゲイン調整手段と、該ゲイン調整手段により決定されたゲインの調整値から前記変化量を推定するパラメータ推定手段とを有することを特徴とするパラメータ推定装置。 A parameter estimation device that estimates a change amount with respect to a specified value of a control parameter of an actuator that is displaced in a straight direction or a rotation direction by supplying a current to a coil placed in a magnetic field,
A displacement sensor for measuring the displacement of the actuator;
Deviation calculating means for calculating a deviation between the displacement measured by the displacement sensor and the target position of the actuator;
A controller that feedback-controls the current supplied to the coil based on the deviation calculated by the deviation calculating means;
The controller includes a gain measuring unit that measures the gain of the feedback loop, a gain adjusting unit that determines an adjustment value of the gain so that the gain measured by the gain measuring unit is constant, and the gain adjusting unit And a parameter estimation means for estimating the amount of change from the adjusted gain value.
前記制御パラメータは、前記アクチュエータの可動部質量であることを特徴とするパラメータ推定装置。 The parameter estimation device according to claim 1,
The parameter estimation apparatus, wherein the control parameter is a mass of a movable part of the actuator.
前記コイルへの供給電流から算出される前記アクチュエータの駆動力と、前記変位センサで検出された変位から算出した加速度と、前記パラメータ推定手段により推定された可動部質量の変化量に基づいて、該アクチュエータに作用する外力を推定する外力推定手段を備えることを特徴とするパラメータ推定装置。 The parameter estimation device according to claim 2, wherein
Based on the driving force of the actuator calculated from the current supplied to the coil, the acceleration calculated from the displacement detected by the displacement sensor, and the amount of change in the movable part mass estimated by the parameter estimation means, A parameter estimation device comprising external force estimation means for estimating an external force acting on an actuator.
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