JP2013257857A - Controller of mechanical device, mechanical system, and method of controlling mechanical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、機械装置の制御装置、機械システム、及び機械装置の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a control device for a mechanical device, a mechanical system, and a control method for the mechanical device.
駆動軸と負荷軸とがギア等によって噛み合い、駆動軸が有する力を負荷軸へ伝達する多慣性軸捩れ系の機械装置は、図14に示されるように、駆動軸と負荷軸との間、すなわち駆動軸200と負荷軸202とに結合されている各ギア204,206間に、不感帯(機械ガタ、バックラッシュともいう。)が存在する場合がある。この不感帯は、駆動軸から負荷軸への力の伝達を不連続に変化させる。
このため、不感帯の存在により、制御される負荷が断続的に振動する自励振動が発生する場合がある。なお、自励振動は、図15に示されるように、負荷をゆっくり動作させている場合には発生し難く、速く動作させている場合に、発生し易い。
As shown in FIG. 14, the multi-inertia torsional mechanical device in which the drive shaft and the load shaft are engaged with each other by a gear or the like and the force of the drive shaft is transmitted to the load shaft. That is, there may be a dead zone (also referred to as mechanical backlash or backlash) between the
For this reason, the presence of a dead zone may cause self-excited vibration in which the controlled load vibrates intermittently. As shown in FIG. 15, the self-excited vibration hardly occurs when the load is operated slowly, and easily occurs when the load is operated quickly.
また、上記不感帯は、非線形要素である。例えば、特許文献1は、電動機慣性にバックラッシュ部慣性を加算した等価慣性を求め、トルク指令と等価慣性より推定速度を算出し、電動機速度と推定速度の偏差を積分して線形要素に与えるとともに、線形要素出力に等価ばね定数を乗算のうえバックラッシュ推定トルクを演算し、バックラッシュ推定トルクをトルク指令が得られる前段にフィードバック補償するバックラッシュ振動抑制方法が開示されている。特許文献1に記載のバックラッシュ振動抑制方法は、バックラッシュ(不感帯)の非線形要素を連続線形化して扱う方法である。
The dead zone is a non-linear element. For example,
ここで、非線形要素である不感帯をモデル化することは、アルゴリズムの複雑化を招く。また、非線形要素を制御に用いることは、制御のモデル化誤差に対する脆弱さを招く。
さらに、自励振動を積極的に抑制する制御ではないが、結果として自励振動を抑制しているに過ぎず、理論的には自励振動の抑制効果が補償されていない制御もある。
このように、簡易な設計、調整の簡便さ、及び高いロバスト性等を有しつつ、不感体が存在することに起因する自励振動を抑制できる制御は、確立されていない。
Here, modeling the dead zone, which is a non-linear element, causes complexity of the algorithm. In addition, the use of nonlinear elements for control leads to vulnerability to control modeling errors.
Furthermore, although it is not the control which suppresses self-excited vibration actively, there is also control which is suppressing only the self-excited vibration as a result, and the suppression effect of self-excited vibration is not compensated theoretically.
As described above, there is no established control that can suppress self-excited vibration caused by the presence of the dead body while having a simple design, simple adjustment, high robustness, and the like.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、駆動軸と負荷軸との間に不感帯が存在することに起因する機械装置の自励振動を、簡易な構成でより確実に抑制できる、機械装置の制御装置、機械システム、及び機械装置の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the self-excited vibration of the mechanical device due to the presence of a dead zone between the drive shaft and the load shaft can be more reliably detected with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a control device for a mechanical device, a mechanical system, and a control method for the mechanical device that can be suppressed.
上記課題を解決するために、本発明の機械装置の制御装置、機械システム、及び機械装置の制御方法は以下の手段を採用する。 In order to solve the above-mentioned problems, the control device, the mechanical system, and the control method of the mechanical device of the present invention employ the following means.
本発明の第一態様に係る機械装置の制御装置は、駆動軸と負荷軸とが噛み合い、前記駆動軸が有する力を前記負荷軸へ伝達する機械装置を制御対象とする制御装置であって、前記駆動軸の位置と前記負荷軸の位置との偏差を算出する位置偏差算出手段と、前記位置偏差算出手段によって算出された前記偏差を、比例要素及び微分要素の少なくとも一方を用いて補償する補償値を算出する補償手段と、前記駆動軸に対する制御値を、前記補償手段によって算出された前記補償値で減算する減算手段と、を備える。 The control device for a mechanical device according to the first aspect of the present invention is a control device that controls a mechanical device that engages a drive shaft and a load shaft and transmits the force of the drive shaft to the load shaft, Compensation for compensating for the deviation calculated by the position deviation calculating means using at least one of a proportional element and a differential element, and a position deviation calculating means for calculating a deviation between the position of the drive shaft and the position of the load shaft. Compensating means for calculating a value, and subtracting means for subtracting a control value for the drive shaft by the compensation value calculated by the compensating means.
本構成によれば、制御装置は、駆動軸と負荷軸とが噛み合い、駆動軸が有する力を負荷軸へ伝達する機械装置を制御対象とする。駆動軸と負荷軸とが噛み合うとは、例えば駆動軸と負荷軸に各々ギアが設けられ、このギア同士が合わさって力が伝達されることである。なお、駆動軸を駆動させる駆動手段は、例えばモータである。 According to this configuration, the control device targets a mechanical device that engages the drive shaft and the load shaft and transmits the force of the drive shaft to the load shaft. The engagement of the drive shaft and the load shaft means that gears are provided on the drive shaft and the load shaft, for example, and the gears are combined to transmit force. The driving means for driving the driving shaft is, for example, a motor.
このような機械装置では、駆動軸と負荷軸とが噛み合わない不感帯が存在し、不感帯の影響により自励振動が生じることとなる。不感帯の要素は非線形成分であるため、不感帯の要素を正確にモデル化することは難しい。 In such a mechanical device, there is a dead zone where the drive shaft and the load shaft do not mesh with each other, and self-excited vibration occurs due to the influence of the dead zone. Since the dead zone element is a nonlinear component, it is difficult to accurately model the dead zone element.
本構成は、位置偏差算出手段によって、駆動軸の位置と負荷軸の位置との偏差が算出される。なお、回転している駆動軸及び負荷軸において、偏差は位相差となる。 In this configuration, the deviation between the position of the drive shaft and the position of the load shaft is calculated by the position deviation calculation means. Note that the deviation is a phase difference between the rotating drive shaft and the load shaft.
そして、補償手段によって、位置偏差算出手段で算出された偏差を、比例要素及び微分要素の少なくとも一方を用いて補償する補償値が算出され、減算手段によって、駆動軸に対する制御値が補償値で減算される。補償手段における比例要素は仮想的なばね要素であり、微分要素は仮想的なダンパ要素である。ばね要素及びダンパ要素共に、振動を抑制させる働きが有る。
このため、補償手段によって算出される補償値は、駆動軸側から見て等価的に捩り剛性を増加させる作用を有し、自励振動を抑制させることとなる。
Then, a compensation value for compensating for the deviation calculated by the position deviation calculating means using at least one of the proportional element and the differential element is calculated by the compensating means, and the control value for the drive shaft is subtracted by the compensation value by the subtracting means. Is done. The proportional element in the compensation means is a virtual spring element, and the differential element is a virtual damper element. Both the spring element and the damper element have a function of suppressing vibration.
For this reason, the compensation value calculated by the compensation means has the effect of equivalently increasing the torsional rigidity when viewed from the drive shaft side, and suppresses self-excited vibration.
従って、本構成は、非線形成分である不感帯の要素をモデル化することなく、駆動軸と負荷軸との間に不感帯が存在することに起因する機械装置の自励振動を、簡易な構成でより確実に抑制できることができる。 Therefore, this configuration can reduce the self-excited vibration of the mechanical device due to the presence of the dead zone between the drive shaft and the load shaft without modeling the dead zone element, which is a non-linear component, with a simple configuration. It can be reliably suppressed.
上記第一態様では、前記制御値が、前記駆動軸に対するトルク指令値であることが好ましい。 In the first aspect, it is preferable that the control value is a torque command value for the drive shaft.
本構成によれば、駆動軸に対するトルク指令値が、補償値でフィードバックされるので、簡易な構成で自励振動を抑制できる。 According to this configuration, since the torque command value for the drive shaft is fed back as a compensation value, self-excited vibration can be suppressed with a simple configuration.
上記第一態様では、前記制御値が、前記駆動軸に対する速度指令値であり、前記位置偏差算出手段によって算出された前記偏差を微分して、前記補償手段へ出力する微分手段を備えることが好ましい。 In the first aspect, it is preferable that the control value is a speed command value for the drive shaft, and includes a differentiation unit that differentiates the deviation calculated by the position deviation calculation unit and outputs the differentiated value to the compensation unit. .
本構成によれば、駆動軸に対する速度指令値が、補償値でフィードバックされるので、簡易な構成で自励振動を抑制できる。 According to this configuration, since the speed command value for the drive shaft is fed back as a compensation value, self-excited vibration can be suppressed with a simple configuration.
上記第一態様では、前記比例要素の値が、前記機械装置のばね剛性の値と同等となるように予め設定されていることが好ましい。 In the first aspect, it is preferable that the value of the proportional element is set in advance so as to be equal to the value of the spring stiffness of the mechanical device.
本構成によれば、仮想的なバネによる力が、駆動軸が受ける軸ねじりトルクの反力にスムーズに繋がり、自励振動をより抑制できる。 According to this configuration, the force of the virtual spring is smoothly connected to the reaction force of the shaft torsion torque received by the drive shaft, and self-excited vibration can be further suppressed.
上記第一態様では、前記微分要素の値が、前記機械装置における振動の減衰率よりも大きな減衰率となるように予め設定されていることが好ましい。 In the first aspect, it is preferable that the value of the differential element is set in advance so as to be a damping rate larger than a damping rate of vibration in the mechanical device.
本構成によれば、振動の抑制効果がより大きくなり、自励振動をより抑制できる。 According to this configuration, the vibration suppressing effect is further increased, and the self-excited vibration can be further suppressed.
上記第一態様では、前記駆動軸の状態量に基づいて前記負荷軸の位置を推定する推定手段を備え、前記位置偏差算出手段が、前記駆動軸の位置と前記推定手段によって推定された前記負荷軸の位置との偏差を算出する。 In the first aspect, the vehicle includes an estimation unit that estimates a position of the load shaft based on a state quantity of the drive shaft, and the position deviation calculation unit is configured to estimate the position of the drive shaft and the load estimated by the estimation unit. Calculate the deviation from the axis position.
本構成によれば、推定手段によって、駆動軸の状態量に基づいて負荷軸の位置が推定される。駆動軸の状態量とは、駆動軸の速度、駆動軸の位置、又は駆動軸を駆動させるためのトルク指令値である。そして、位置偏差算出手段によって、駆動軸の位置と推定された負荷軸の位置との偏差が算出される。このように、本構成は、負荷軸の位置の検出が困難な装置構成であっても、負荷軸の位置を推定することによって、上記偏差を算出できる。 According to this configuration, the position of the load shaft is estimated by the estimation unit based on the state quantity of the drive shaft. The state quantity of the drive shaft is the speed of the drive shaft, the position of the drive shaft, or a torque command value for driving the drive shaft. Then, the deviation between the position of the drive shaft and the estimated position of the load shaft is calculated by the position deviation calculating means. As described above, this configuration can calculate the deviation by estimating the position of the load shaft even in a device configuration in which it is difficult to detect the position of the load shaft.
従って、本構成は、負荷軸の状態量の検出ができない装置構成であっても、非線形成分である不感帯の要素をモデル化することなく、駆動軸と負荷軸との間に不感帯が存在することに起因する機械装置の自励振動を、簡易な構成でより確実に抑制できることができる。 Therefore, this configuration has a dead zone between the drive shaft and the load shaft without modeling the dead zone element that is a non-linear component, even if the device configuration cannot detect the state quantity of the load shaft. The self-excited vibration of the mechanical device resulting from the above can be more reliably suppressed with a simple configuration.
本発明の第二態様に係る機械システムは、駆動軸と負荷軸とが噛み合い、前記駆動軸が有する力を前記負荷軸へ伝達する機械装置と、前記機械装置を制御対象とする上記記載の制御装置と、を備える。 The mechanical system according to the second aspect of the present invention includes a mechanical device that engages a drive shaft and a load shaft, and transmits the force of the drive shaft to the load shaft, and the control described above that controls the mechanical device. An apparatus.
本発明の第三態様に係る機械装置の制御方法は、駆動軸と負荷軸とが噛み合い、前記駆動軸が有する力を前記負荷軸へ伝達する機械装置を制御対象とする制御方法であって、前記駆動軸の位置と前記負荷軸の位置との偏差を算出する第1工程と、算出した前記偏差を、比例要素及び微分要素の少なくとも一方を用いて補償する補償値を算出する第2工程と、前記駆動軸に対する制御値を、算出した前記補償値で減算する第3工程と、を含む。 A control method for a mechanical device according to a third aspect of the present invention is a control method for controlling a mechanical device that engages a drive shaft and a load shaft and transmits the force of the drive shaft to the load shaft. A first step of calculating a deviation between the position of the drive shaft and the position of the load shaft; a second step of calculating a compensation value for compensating the calculated deviation using at least one of a proportional element and a differential element; And a third step of subtracting the control value for the drive shaft by the calculated compensation value.
本発明によれば、駆動軸と負荷軸との間に不感帯が存在することに起因する機械装置の自励振動を、簡易な構成でより確実に抑制できる、という優れた効果を有する。 According to the present invention, there is an excellent effect that the self-excited vibration of the mechanical device caused by the dead zone existing between the drive shaft and the load shaft can be more reliably suppressed with a simple configuration.
以下に、本発明に係る機械装置の制御装置、機械システム、及び機械装置の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a control device, a mechanical system, and a control method for a mechanical device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態について説明する。
[First Embodiment]
The first embodiment of the present invention will be described below.
図1は、本第1実施形態に係る機械システム10の概略構成図である。
機械システム10は、機械装置12及び機械装置12を制御対象とする制御装置14を備える。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
The
機械装置12は、駆動軸20と負荷軸22とが噛み合い、駆動軸20が有する力を負荷軸22へ伝達する。駆動軸20と負荷軸22とが噛み合うとは、図1に示されるように駆動軸20と負荷軸22に各々ギア24,26が設けられ、このギア24,26同士が合わさって力が伝達されることである。駆動軸20は、一例としてモータ28の回転軸(所謂、モータ軸)とされ、負荷軸22は負荷30の回転軸とされる。このように、機械装置12は、駆動軸20を有するモータ28と負荷軸22を有する負荷30との2慣性系である。
In the
制御装置14は、位置制御器32及び速度制御器34を備え、負荷軸22の位置とモータ28(駆動軸20)の速度の制御を行うフルクローズド制御系である。
The
位置制御器32は、負荷軸22の位置(本第1実施形態では角度であり、以下「負荷角度θL」という。)を示す負荷角度指令値θL *と負荷角度θLの検出値との偏差(以下、「負荷角度偏差」という。)δθLに基づいて、駆動軸20の速度(本第1実施形態では角速度)を示すモータ速度指令値ωM *を算出する。なお、負荷角度偏差δθLは、減算器36によって算出される。また、位置制御器32は、一例として負荷角度偏差δθLを用いた比例制御によってモータ速度指令値ωM *を算出する。
The
速度制御器34は、位置制御器32よって算出されたモータ速度指令値ωM *と駆動軸20(モータ28)の角速度であるモータ速度ωMの検出値との偏差(以下、「モータ速度偏差」という。)δωMに基づいて、駆動軸20のトルクを示すトルク指令値τM *を算出する。なお、モータ速度偏差δωMは、減算器38によって算出される。また、速度制御器34は、一例としてモータ速度偏差δωMを用いた比例積分制御によってトルク指令値τM *を算出する。
The
モータ28は、速度制御器34によって算出されたトルク指令値τM *に基づいて、駆動軸20を駆動させる。
The
なお、制御装置14は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、制御装置14の各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。
The
ここで、駆動軸20と負荷軸22との間には、駆動軸20と負荷軸22とに結合されている各ギア24,26間の不感帯(機械ガタ、バックラッシュともいう。)が存在する。この不感帯は、駆動軸から負荷軸への力の伝達を不連続に変化させる。
Here, between the
図2は、不感帯の存在による自励振動における負荷角度指令値θL *、負荷角度θL、及び駆動軸20(モータ28)の回転角度であるモータ角度θMの時間変化の例を示すグラフである。なお、図2は、シミュレーションの結果である。
図2に示されるように従来の制御では、負荷角度指令値θL *が一定であっても不感帯の影響によって、負荷角度θL及びモータ角度θMは、自励振動する。
FIG. 2 is a graph showing an example of a time change of the load angle command value θ L * , the load angle θ L , and the motor angle θ M that is the rotation angle of the drive shaft 20 (motor 28) in self-excited vibration due to the presence of the dead zone. It is. FIG. 2 shows the result of simulation.
As shown in FIG. 2, in the conventional control, even if the load angle command value θ L * is constant, the load angle θ L and the motor angle θ M vibrate due to the influence of the dead zone.
図3は、本第1実施形態に係る機械システム10の構成を示す機能ブロック図である。図3において、機械装置12は、伝達関数の要素毎にモデル化して表わされている。
FIG. 3 is a functional block diagram showing the configuration of the
駆動軸20(モータ28)は、モータイナーシャ要素40、積分要素42、及びモータ粘性抵抗要素44が作用してモータ速度ωMで回転する。そして、モータ速度ωMが積分(積分要素46)されて、モータ角度θMが得られる。また、モータ角度θMが微分(微分要素60)されて、モータ速度ωMの検出値が得られる。
Drive shaft 20 (motor 28), the
駆動軸20から出力される力は、不感帯Nx(不感帯要素48)及び捩り剛性KR(捩り剛性要素50)の影響を受けて、負荷軸22へ伝達される。
The force output from the
負荷軸22は、負荷イナーシャ要素52、積分要素54、及び負荷粘性抵抗要素56が作用して負荷角速度ωLで回転する。そして、負荷角速度ωLが積分(積分要素58)されて、駆動軸20の角度である負荷角度θLが得られる。
The
ここで、不感帯要素48は、不感体の幅を正確に把握できないため正確なモデル化が難しい。なお、不感帯要素48は、非線形成分である。
Here, the
そこで、本第1実施形態に係る制御装置14は、位相差算出器62、補償器64、及び補償値減算器66を備える。
Therefore, the
位相差算出器62は、駆動軸20の位置と負荷軸22の位置との偏差を算出する。なお、回転している駆動軸20及び負荷軸22において、偏差はモータ角度θMと負荷角度θLとの位相差δθMLとなる。機械装置12に不感帯が存在しない場合、位相差δθMLが生じないので、位相差δθMLは、不感帯の影響を表わしていることとなる。
The
補償器64は、位相差算出器62によって算出された位相差δθMLを、比例要素及び微分要素を用いて補償する補償値Xを算出する。
The
補償値減算器66は、モータ28に対する制御値を、補償器64によって算出された補償値Xで減算する。
The
なお、本第1実施形態に係るモータ28に対する制御値は、速度制御器34から出力されるトルク指令値τM *であり、モータ28には補償値減算器66によって補償値Xで減算されたトルク指令値τM *が入力される。すなわち、トルク指令値τM *が、補償値Xでフィードバックされる。
The control value for the
本第1実施形態に係る補償器64における、比例要素は仮想的なばね要素であり、微分要素は仮想的なダンパ要素である。ばね要素及びダンパ要素共に、振動を抑制させる働きが有る。
In the
本第1実施形態に係る補償器64は、下記(1)式に表わされるように仮想ばね係数KCを有する比例項、及び仮想ダンパ係数TCを有する微分項の和によって補償係数CMLを算出する。また、下記(1)式においてsはラプラス演算子である。
CML(s)=KC×(1+TC×s) ・・・(1)
The
C ML (s) = K C × (1 + T C × s) ··· (1)
そして、位相差δθMLに補償係数CMLを乗算することによって補償値Xを算出する。 Then, the compensation value X is calculated by multiplying the phase difference δθ ML by the compensation coefficient C ML .
このように、補償器64は、入力が位相差δθMLであり、出力する補償値Xはトルクに相当するため、入出力関係が駆動軸20及び負荷軸22の2慣性間における捩り剛性KRと同等である。このため、補償器64によって算出される補償値は、駆動軸20側から見て等価的に捩り剛性を増加させる作用を有し、自励振動を抑制させることとなる。
Thus, the
図4は、補償器64の作用を示す模式図であり、補償器64は、図4に示されるように駆動軸20のギア24の回転方向とは逆側である不感帯に仮想的にばねとダンパとが設けられることに相当する。
これにより、駆動軸20のギア24の歯が、回転方向とは逆側の不感帯に位置し、不感帯において負荷軸22のギア26の歯と接触することが抑制され、不感帯が存在することに起因する機械装置12の自励振動が、簡易な構成でより確実に抑制される。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the operation of the
As a result, the teeth of the
上述のように、補償器64は、駆動軸20と負荷軸22との2慣性間のダイナミクスを鑑みて設けられたものである。ここで、機械的に2慣性間に捩りばねを設けて不感帯要素を除いた従来既知のバックラッシュレスギアを用いた機械システムと、本第1実施形態に係る機械システム10とを比較して説明する。
As described above, the
図5は、バックラッシュレスギア70の構成図の一例である。
図5に示されるようにバックラッシュレスギア70は、駆動軸20に設けられたギア72と負荷軸22に設けられたギア74とが捩りばね76を介して結合されており、駆動軸20のギア72をねじってから負荷軸22のギア74と噛み合わせる。これにより、捩りばね76の復元力によってギア72の歯をギア74の一方向に安定的に押し付け、不感帯が生じないようにされる。
FIG. 5 is an example of a configuration diagram of the
As shown in FIG. 5, the
図6は、バックラッシュレスギア70を用いた機械システム80の機械装置82及び制御装置84の構成を示す機能ブロック図である。なお、図6における図3と同一の構成部分については図3と同一の符号を付して、その説明を省略する。
機械システム80は、バックラッシュレスギア70を用いているため、上述のように不感帯要素48が存在しない。その代わりに、バックラッシュレスギア要素86が存在する。そして、図6の二重線で示される力の流れによって示されるように、バックラッシュレスギア70は、駆動側と負荷側両方にトルク(作用及び反作用)を与えることとなる。
FIG. 6 is a functional block diagram showing the configuration of the
Since the
一方、本第1実施形態に係る機械システム10は、図3を用いて説明したようにトルク指令値τM *を補償値Xで減算するので、駆動側にのみ補償によるトルクが与えられる。
On the other hand, since the
図7は、縦軸をトルク、横軸を捩れ角(入力角と出力角との差)として、バックラッシュレスギア70を用いた機械装置82の剛性を示す図である。
図7に示されるように、実線で示される駆動軸20や負荷軸22の剛性(軸剛性)に比べて、捩りばね76の剛性(捩りばね剛性)が弱い。
FIG. 7 is a diagram showing the rigidity of the
As shown in FIG. 7, the rigidity (torsion spring rigidity) of the
一方、図8は、本第1実施形態に係る機械装置12の剛性を示す図である。
図8の一点鎖線は、補償器64が作用しない場合の剛性を示している。捩れ角が不感体内の場合は力の伝達が発生しないため結果的に、軸剛性が不連続となっている。
On the other hand, FIG. 8 is a diagram showing the rigidity of the
A one-dot chain line in FIG. 8 indicates rigidity when the
一方、図8の実線は、補償器64によって理想的な補償がなされた場合の剛性を示しており、仮想的なバネ要素による力が、駆動軸20が受ける軸ねじりトルクの反力にスムーズに繋がり、機械装置12の剛性に変化が生じない。
このような理想的な補償を行うために、仮想ばね係数KCの値は、機械装置12の捩り剛性KR(ばね剛性)の値と同等となるように予め設定される。
On the other hand, the solid line in FIG. 8 shows the rigidity when ideal compensation is performed by the
In order to perform such ideal compensation, the value of the virtual spring coefficient K C is set in advance so as to be equal to the value of the torsional rigidity K R (spring rigidity) of the
また、仮想ダンパ係数TCの値は、機械装置12における振動の減衰率よりも大きな減衰率となるように予め設定されることが好ましい。例えば、減衰率が0.1以上となるように設定される。これにより、振動の抑制効果がより大きくなり、自励振動をより抑制が可能となる。
The value of the virtual damper coefficient T C is preferably than the damping rate of vibration in
図9は、本第1実施形態に係る負荷角度指令値θL *、負荷角度θL、及びモータ角度θMの時間変化の例を示すグラフである。なお、図9は、一例として、仮想ばね係数KCの値を機械装置12の捩り剛性KR(ばね剛性)の値と同等とし、仮想ダンパ係数TCの値を0(零)とした場合のシミュレーションの結果である。
図9に示されるように、本第1実施形態に係る制御では、負荷角度指令値θL *と負荷角度θLは略同等となり、負荷角度θLと共にモータ角度θMは、自励振動を生じなくなる。
FIG. 9 is a graph showing an example of a time change of the load angle command value θ L * , the load angle θ L , and the motor angle θ M according to the first embodiment. Incidentally, FIG. 9, as an example, the value equivalent to the torsional stiffness K R machinery 12 values of the virtual spring coefficient K C (spring stiffness), when the value of the virtual damper coefficient T C 0 (zero) It is the result of simulation.
As shown in FIG. 9, in the control according to the first embodiment, the load angle command value θ L * and the load angle θ L are substantially equal, and the motor angle θ M together with the load angle θ L exhibits self-excited vibration. No longer occurs.
図10は、本第1実施形態に係る仮想ばね係数KCを変化させた場合の自励振動の状態を示すグラフである。なお、図10に示されるシミュレーションでは、仮想ダンパ係数TCの値は変化させていない。
図10に示されるように、仮想ばね係数KCの値によっては、自励振動が抑制できない場合や応答の立ち上がりにおいて波形が崩れる場合がある。このため、仮想ばね係数KC及び仮想ダンパ係数TCの値は、自励振動の抑制と共に応答立ち上がりの波形が崩れないように値を適切に設定する必要がある。値の設定方法としては、前記の通り、仮想ばね係数KCの値を機械装置12の捩り剛性KR(ばね剛性)と合わせ、仮想ダンパ係数TCの値を機械装置12の減衰率よりも大きな値(減衰率0.1程度)とすることが好ましい。
Figure 10 is a graph showing the state of the self-excited vibration of the case of changing the virtual spring coefficient K C according to the first embodiment. In the simulation shown in FIG. 10, not the value of the virtual damper coefficient T C is varied.
As shown in FIG. 10, depending on the value of the virtual spring coefficient K C, there is a case where the waveform collapses at the rising or if the response self-excited vibration can not be suppressed. For this reason, the values of the virtual spring coefficient K C and the virtual damper coefficient T C need to be set appropriately so that the self-excited vibration is suppressed and the waveform of the response rise is not collapsed. The method of setting the value, as described above, the value of the virtual spring coefficient K C combined with torsional rigidity K R of the
以上説明したように、本第1実施形態に係る制御装置14は、駆動軸20と負荷軸22とが噛み合い、駆動軸20が有する力を負荷軸22へ伝達する機械装置12を制御対象とする。そして、制御装置14は、駆動軸20と負荷軸22の位相差を算出し、補償器64によって、算出した位相差を比例要素及び微分要素を用いて補償する補償値を算出し、補償値でモータ28に対するトルク指令値τM *を減算する。
As described above, the
従って、本第1実施形態に係る制御装置14は、非線形成分である不感帯要素48をモデル化することなく、不感帯が存在することに起因する機械装置12の自励振動を、簡易な構成でより確実に抑制できることができる。また、本第1実施形態に係る制御装置14は、非線形成分である不感帯要素48をモデル化していないので、不感帯要素の見積誤差(モデル化誤差)に対するロバスト性が高い。
Therefore, the
また、補償器64は、モータに対する指令値を算出する位置制御器32及び速度制御器34に対して独立しているため、設計が簡易である。
Further, the
さらに、補償値Xを算出するために調整するパラメータが、仮想ばね係数KC及び仮想ダンパ係数TCであるため、適正な補償値Xを得るための微調整が簡易である。 Further, parameters to be adjusted in order to calculate a compensation value X, for a virtual spring coefficient K C, and a virtual damper coefficient T C, the fine adjustment for obtaining a proper compensation value X is simple.
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態について説明する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
本第2実施形態に係る機械システム10の概略構成は、図1に示す第1実施形態に係る機械システム10の概略構成と同様であるので説明を省略する。
The schematic configuration of the
図11は、本第2実施形態に係る機械システム10の構成を示す機能ブロック図である。なお、図11における図3と同一の構成部分については図3と同一の符号を付して、その説明を省略する。
FIG. 11 is a functional block diagram showing the configuration of the
本第2実施形態に係る制御装置14は、補償値Xでフィードバックされるモータ28に対する制御値を、位置制御器32から出力される速度指令値ωM *とする。
このため、制御装置14は、微分器90によって、位相差算出器62で算出された位相差δθMLを微分して、補償器92へ出力する。すなわち、微分器90によって駆動軸20と負荷軸22との速度差δωMLが算出されることとなる。
The
For this reason, the
補償器92は、微分器90で算出された速度差δωMLを、比例要素及び微分要素を用いて補償する補償値Xを算出する。
The
補償値減算器94は、速度指令値ωM *を、補償器92によって算出された補償値Xで減算する。
そして、補償値Xで減算された速度指令値ωM *は、減算器38へ入力される。減算器38は、補償値Xで減算された速度指令値ωM *とモータ速度ωMとの偏差であるモータ速度偏差δωMを算出し、速度制御器34へ出力する。
The
Then, the speed command value ω M * subtracted by the compensation value X is input to the
従って、本第2実施形態に係る制御装置14は、トルク指令値τM *に補償値Xをフィードバックできない場合であっても、速度指令値ωM *に補償値Xをフィードバックするので、簡易な構成で自励振動を抑制できる。
Therefore, since the
〔第3実施形態〕
以下、本発明の第3実施形態について説明する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described.
本第3実施形態に係る機械システム10の概略構成は、図1に示す第1実施形態に係る機械システム10の概略構成と同様であるので説明を省略する。
The schematic configuration of the
図12は、本第3実施形態に係る機械システム10の構成を示す機能ブロック図である。なお、図12における図3と同一の構成部分については図3と同一の符号を付して、その説明を省略する。
FIG. 12 is a functional block diagram showing the configuration of the
本第3実施形態に係る機械システム10は、セミクローズド制御系の構成とされる。すなわち、本第3実施形態に係る機械システム10は、負荷軸22の状態量である負荷角度θLや負荷角速度ωLの検出が行われない。
The
そこで、本第3実施形態に係る機械システム10は、駆動軸20の状態量である速度に基づいて負荷軸22の位置を推定する負荷位置推定部100を備える。
なお、本第3実施形態に係る機械システム10は、負荷位置推定部100に入力する駆動軸20の速度としてモータ速度ωMの検出値を用いる。しかし、これに限らず、負荷位置推定部100に駆動軸20のトルクを示すトルク指令値τM *が入力され、トルク指令値τM *に基づいて算出されたモータ速度が用いられてもよい。
また、以下の説明において、負荷位置推定部100によって推定される負荷軸22の位置を推定負荷角度θL’という。
Therefore, the
Incidentally, the
In the following description, the position of the
図13は、負荷位置推定部100の構成を示す機能ブロック図である。
負荷位置推定部100は、モータ速度ωMが負荷角度θLに至る過程を模擬している。
具体的には、負荷位置推定部100は、入力されたモータ速度ωMを積分要素110で積分して駆動軸20の位置を示すモータ角度を算出し、推定負荷角度θL’で減算した後、不感帯Nx(不感帯要素112)及び捩り剛性KR(捩り剛性要素114)を乗算する。
FIG. 13 is a functional block diagram illustrating a configuration of the load
Load
Specifically, the load
さらに、負荷位置推定部100は、負荷軸22を模擬した負荷イナーシャ要素116、積分要素118、及び負荷粘性抵抗要素120を、乗算値に作用させて負荷角速度ωLを算出する。そして、負荷角速度ωLが積分(積分要素122)されて、推定負荷角度θL’が算出される。
なお、図13に示される負荷位置推定部100の構成は一例であり、他の構成とされてもよい。
Furthermore, the load
Note that the configuration of the load
本第3実施形態に係る位相差算出器62は、駆動軸20の位置と負荷位置推定部100によって推定された推定負荷角度θL’との偏差である位相差δθMLを算出する。
The
そして、補償器64は、位相差算出器62によって算出された位相差δθMLを、比例要素及び微分要素を用いて補償する補償値Xを算出する。
Then, the
また、負荷位置推定部100によって推定された推定負荷角度θL’は、減算器36に出力される。これにより、負荷角度指令値θL *と推定負荷角度θL’との偏差が、減算器36によって負荷角度偏差δθLとして算出される。
Further, the estimated load angle θ L ′ estimated by the load
このように、本第3実施形態に係る機械システム10は、負荷軸22の状態量の検出ができない装置構成であっても、負荷軸22の位置を推定することによって、位相差δθMLを算出できる。
As described above, the
なお、本第3実施形態に係る機械システム10では、フルクローズド制御系に適用してもよい。例えば、フルクローズド制御系であっても負荷軸22の状態量(例えばモータ速度ωM)の検出値にノイズが多く重畳しているような場合に、負荷位置推定部100によって推定負荷角度θL’が推定され、位相差δθMLが算出される。
The
また、本第3実施形態に係る機械システム10では、負荷軸22の状態量としてモータ速度ωMが負荷位置推定部100へ入力される形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、負荷軸22の状態量として負荷軸22の位置を示すモータ角度θMの検出値が負荷位置推定部100へ直接入力される形態としてもよい。なお、この形態の場合、負荷位置推定部100は積分要素110を不要とする。
Furthermore, the
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using said each embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiments without departing from the gist of the invention, and embodiments to which the changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.
例えば、上記各実施形態では、補償値Xが、比例要素(仮想的なバネ要素)及び微分要素(仮想的なダンパ要素)を用いて算出される形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、補償値Xが、比例要素(仮想的なバネ要素)及び微分要素(仮想的なダンパ要素)の何れか一方のみを用いて算出される形態としてもよい。 For example, in each of the above-described embodiments, the compensation value X has been described as being calculated using a proportional element (virtual spring element) and a differential element (virtual damper element). It is not limited, and the compensation value X may be calculated using only one of the proportional element (virtual spring element) and the differential element (virtual damper element).
また、上記各実施形態では、駆動軸20が有する力を負荷軸22へ伝達するためにギアを用いる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、駆動軸20と負荷軸22とが噛み合い、駆動軸20が有する力を負荷軸22へ伝達できれば、例えばボールねじを用いる等、他の形態としてもよい。
In each of the above-described embodiments, the gear is used to transmit the force of the
また、上記各実施形態では、駆動軸20をモータ28によって駆動させる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、駆動軸20を駆動させることができれば、モータ28以外の他の駆動手段を用いる形態としてもよい。
In each of the above embodiments, the
10 機械システム
12 機械装置
14 制御装置
20 駆動軸
22 負荷軸
62 位相差算出器(位置偏差算出手段)
64 補償器(補償手段)
66 補償値減算器(減算手段)
90 微分器(微分手段)
92 補償器(補償手段)
94 補償値減算器(減算手段)
100 負荷位置推定部(推定手段)
DESCRIPTION OF
64 Compensator (compensation means)
66 Compensation value subtracter (subtraction means)
90 Differentiator (differentiating means)
92 Compensator (compensation means)
94 Compensation value subtractor (subtraction means)
100 Load position estimating unit (estimating means)
Claims (8)
前記駆動軸の位置と前記負荷軸の位置との偏差を算出する位置偏差算出手段と、
前記位置偏差算出手段によって算出された前記偏差を、比例要素及び微分要素の少なくとも一方を用いて補償する補償値を算出する補償手段と、
前記駆動軸に対する制御値を、前記補償手段によって算出された前記補償値で減算する減算手段と、
を備える機械装置の制御装置。 A control device that controls a mechanical device that engages a drive shaft and a load shaft and transmits the force of the drive shaft to the load shaft,
Position deviation calculating means for calculating a deviation between the position of the drive shaft and the position of the load shaft;
Compensation means for calculating a compensation value for compensating the deviation calculated by the position deviation calculation means using at least one of a proportional element and a differential element;
Subtracting means for subtracting the control value for the drive shaft by the compensation value calculated by the compensating means;
A control device for a mechanical device.
前記位置偏差算出手段によって算出された前記偏差を微分して、前記補償手段へ出力する微分手段を備える請求項1記載の機械装置の制御装置。 The control value is a speed command value for the drive shaft,
The control device for a mechanical device according to claim 1, further comprising a differentiating unit that differentiates the deviation calculated by the position deviation calculating unit and outputs the differentiated value to the compensating unit.
前記位置偏差算出手段は、前記駆動軸の位置と前記推定手段によって推定された前記負荷軸の位置との偏差を算出する請求項1から請求項5の何れか1項記載の機械装置の制御装置。 An estimation means for estimating a position of the load shaft based on a state quantity of the drive shaft;
The control device for a mechanical device according to any one of claims 1 to 5, wherein the position deviation calculation means calculates a deviation between the position of the drive shaft and the position of the load shaft estimated by the estimation means. .
前記機械装置を制御対象とする請求項1から請求項6の何れか1項記載の制御装置と、
を備える機械システム。 A mechanical device that engages a drive shaft and a load shaft and transmits the force of the drive shaft to the load shaft;
The control device according to any one of claims 1 to 6, wherein the mechanical device is a control target;
A mechanical system comprising:
前記駆動軸の位置と前記負荷軸の位置との偏差を算出する第1工程と、
算出した前記偏差を、比例要素及び微分要素の少なくとも一方を用いて補償する補償値を算出する第2工程と、
前記駆動軸に対する制御値を、算出した前記補償値で減算する第3工程と、
を含む機械装置の制御方法。
A control method for controlling a mechanical device that meshes with a drive shaft and a load shaft and transmits the force of the drive shaft to the load shaft,
A first step of calculating a deviation between the position of the drive shaft and the position of the load shaft;
A second step of calculating a compensation value for compensating the calculated deviation using at least one of a proportional element and a differential element;
A third step of subtracting the control value for the drive shaft by the calculated compensation value;
A control method for a mechanical device.
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