JP2016051289A - 制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
駆動部と、動力伝達部と、負荷部と、駆動側位置検出部と、負荷側位置検出部と、制御部とを備えており、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部は、前記負荷側位置情報と、前記駆動側位置情報とを用いて、前記駆動部への指令値を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力を制御する構成となっている
制御装置。
前記制御部は、非線形要素補償FF部を備えており、
前記非線形要素補償FF部は、前記動力伝達部における非線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている
項目1に記載の制御装置。
前記制御部は、駆動側位置FB部を備えており、
前記駆動側位置FB部は、前記駆動側位置情報を用いて、前記駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている
項目1又は2に記載の制御装置。
前記制御部は、動力FB部を備えており、
前記動力FB部は、前記駆動側位置情報を用いて推定した推定動力を用いて、前記動力伝達部における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている
項目1〜3のいずれか1項に記載の制御装置。
前記制御部は、駆動側位置FF部を備えており、
前記駆動側位置FF部は、前記駆動部に対する前記指令値に対して、実際の位置が位置指令値に一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている
項目1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。
前記駆動部は、回転型モータであり、
前記動力伝達部は、回転軸を用いて前記動力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記回転軸における軸トルクである
項目1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。
前記位置は、角度又は角速度である
項目1〜6のいずれか1項に記載の制御装置。
前記駆動部は、リニアモータであり、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷側に並進力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記動力伝達部で伝達される並進力である
項目1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。
駆動部と、動力伝達部と、負荷部と、駆動側位置検出部と、負荷側位置検出部と、制御部とを備えた制御装置を用いており、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部が、前記負荷側位置情報と、前記駆動側位置情報とを用いて、前記駆動部への指令値を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力を制御するステップを備える
制御方法。
項目9に記載のステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
図1を参照して、本発明の一実施形態に係る制御装置を説明する。この制御装置は、駆動部1と、動力伝達部2と、負荷部3と、駆動側位置検出部4と、負荷側位置検出部5と、制御部6とを備えている。
制御部6は、負荷側位置情報と、駆動側位置情報とを用いて、駆動部への指令値を算出することによって、動力伝達部で伝達される動力を制御する構成となっている。
以下、前記した実施形態の制御装置を具体化した実施例を説明する。以下の実施例の説明においては、前記した実施形態で用いた符号と基本的に共通する要素には、同じ符号を用いる。
まず、本実施例が適用されるプラントは、いわゆる2慣性系である。ここで、2慣性系の概念を、図2を参照しながら説明する。このプラントでは、駆動部1として回転型モータが用いられている。駆動部1は、剛性(回転軸の場合は軸ねじれ剛性)Kを有する動力伝達部2を介して負荷部3を回転駆動するようになっている。
軸トルク制御は、トルクセンサを用いる制御法(12)(13)と、トルクセンサを用いずに反力オブザーバを用いる制御法(14)(15)という2種類に大別できる。トルクセンサを用いる手法の場合、コストが高い、剛性の低下を招きプラント特性に影響を与えてしまう、センサの帯域が低い、センサノイズの影響を受ける等の問題点がある(16)。
近年様々な分野で最終位置決め精度への要求の向上から負荷側でのエンコーダの利用が広がっていることを踏まえ、本実施例の制御法は、負荷側エンコーダ(負荷側位置検出部)を利用した2慣性系における軸トルク制御法となっている。駆動側と負荷側双方の情報が得られることから、この制御法においては、動力伝達部2における回転軸の軸ねじれ角速度を制御することができ、精密に軸トルクを制御することができる。また、軸ねじれ角速度を制御することができるため、バックラッシ等の軸ねじれ部の非線形要素補償を陽に考慮したFF(フィードフォワード)の制御器設計が可能となっている。
まず、1つ目の駆動側角速度制御部(駆動側位置FB部及び駆動側位置FF部に対応)に関して述べる。本制御法は、軸ねじれ角速度を制御することにより、軸トルク制御をする。コロケート系である駆動側角速度を制御したうえで,負荷側角速度を組み合わせて,軸ねじれ角速度を制御する。駆動側角速度制御は,2自由度制御となっており,フィードフォワード制御とフィードバック制御をする。ここで、図4より、軸ねじれ角速度Δωは式(1)により与えられる。
次に、2つ目の軸トルクFF制御部(非線形要素補償FF部に相当)では、軸トルク指令値T* sを用いて、前記の式(2)で表わされる駆動側角速度指令値ω* Mを作る。図4に示されるΔωからTsへの逆モデルを考え、軸ねじれ剛性(線形要素)の逆数、非線形要素の逆関数、微分を用いてω* Mを生成する。微分は時定数τpの擬似微分により実現する。本実施例では、非線形要素としてバックラッシを想定し不感帯でモデリングするため、非線形要素補償として、不感帯の逆関数モデルを用いる。つまり、本例における非線形要素補償FF部61は、前記要素を用いてΔω*を生成し、これを用いて、動力伝達部2における非線形要素及び線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている。
3つ目の軸トルクFB制御部(動力FB部)では、駆動側反力オブザーバで推定した軸トルクTsハットをFBし、PI制御により、Ts=(k/s)Δωに対して極配置をする。PI制御をすることで、定常偏差なく指令値に追従させることができる。駆動側反力オブザーバのローパスフィルタQの遅れを考慮し、軸トルク指令値T*sにもQを入れる。つまり、本例の動力FB部6は、駆動側位置情報ωMを用いて推定した推定動力Tsハットを用いて、動力伝達部2における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている。
前記で提案した制御系の有効性をシミュレーションによって検証をした。シミュレーションに使ったモデルは、図3に示す2慣性系モデルであり、パラメータは前記した表1の値を用いる。また簡単のため、特に明記の無い場合にはシミュレーションには非線形要素及び非線形補償要素は含まれていない。
まず、駆動側角速度についてのP制御器は、帯域が180Hzとなるように設計をした。外乱オブザーバのカットオフ周波数は30Hzとした。外乱オブザーバにより軸トルクの反力の影響は非干渉化されていると考え、FF制御器のモデルとして(JMns+DMn)を用い、実現のために1次のカットオフ周波数1kHzのローパスフィルタを用いる。
軸トルクについてのPI制御器は、Ts=(k/s)Δωに対して極配置を行い、30Hzに重根極配置を行った。擬似微分のカットオフ周波数は1kHz、駆動側反力オブザーバのカットオフ周波数は30Hzとしている。トルクセンサを使うことを想定していないので、フィードバックされる軸トルク及び実験で検出できる軸トルクは駆動側反力オブザーバで推定した軸トルクとなるため、推定した軸トルクの特性をみる。なお、オブザーバやFF制御におけるモデル化誤差は与えていない。
以下、実験例を示す。実験例における制御器のパラメータは、シミュレーションと同じである。この実験例では、制御器を、Tustin変換により5kHzで離散化することで実装した。また、角速度は、各エンコーダより得られる角度情報についての5kHz後進差分に、1kHzの1次のローパスフィルタを適用することにより得た。さらに、軸トルクは、カットオフ周波数30Hzの駆動側反力オブザーバで推定した。
本実施例では、負荷側にエンコーダを用いることが近年増えてきている現状を考慮し、負荷側エンコーダを用いた軸トルク制御法を提案した。2慣性系における軸トルクを制御し、負荷へ伝わるトルクを制御することでロボットや工作機械においてより高度な作業が可能になる。そして提案法の制御器を設計し、シミュレーション及び実験にて制御性能を評価し、またバックドライバビリティが実現できることを示した。
次に、前記した実施例1を変形した例を実施例2として図14に示す。なお、実施例1と同様又は実質的に等価な部分については、詳しい説明を省略する。また、実施例1と実施例2とでは、プラントのブロック線図の表記(積分器の位置等)が若干異なるが、理論的には等価である。それぞれの制御法において見やすいように適宜修正して記載している。
次に、前記した実施例1を変形した別の例を実施例3として図15に示す。図15においても、プラントは実施例1と等価である。
(1) J. Hu and F. Hu: "Analysis and Design to the Asymptotic Behavior of the Semi/Full/Dual-closed Loop Feedback Position Control System", Proc. of the SICE Annual Conference 2012, pp. 1096-1101, (2012).
(2) F. Sakai, M. Hikizu, Y. Kamiya and H. Seki: "Precision Positioning Which Contains Flexible Mechanical System: Fusion of Semi-closed and Full-closed Loop Control", J. JSPE, vol. 66, no. 9, (2000) (in Japanese).
(3) M. Aoki, H. Fujimoto, Y. Hori and T. Takahashi: "Robust Resonance Suppression Control based on Self Resonance Cancellation Control and Self Resonance Cancellation Disturbance Observer for Application to Humanoid Robot", IEEJ Trans. on Industry Applications, vol. 134, no. 4, pp. 376-383, (2014).
(4) K. Sakata, H. Asaumi, K. Hirachi, K. Saiki and H. Fujimoto: "Frequency Separation Self Resonance Cancellation for Vibration Suppression Control of a Large-Scale Stage Using Multiple Position Sensors", Proc. of the 39th Annual Conference of IEEE Ind. Electron Society (IECON-2013)pp. 6478-6483, (2013).
(5) S. Yamada, H. Fujimoto and Y. Hori: "Vibration Suppression Control of Two-Inertia System using Load-Side State Variables with High-Resolution Encoder", Proc. of IEE of Japan Technical Meeting Record, IIC- 14-140, MEC-14-128, pp. 107-112, (2014).
(6) B. Na, J. Bae and K. Kong: "Back-drivability recovery of a full lower extremity assistive robot", Proc. of the 12th International Conference of IEEE on Control, Automation and Systems (ICCAS), pp. 1030- 1034, (2012).
(7) P. Weiss, P. Zenker and E. Maehle: "Feed-forward Friction and Inertia Compensation for Improving Back-drivability of Motors", Proc. of the 12th International Conference of IEEE on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV-2012), pp. 288-293, (2013).
(8) N. Paine, S. Oh and L. Sentis: "Design and Control Considerations for High-Performance Series Elastic Actuator", IEEE Trans. on Mechatronics, vol. 19, no. 3, (2014).
(9) K. Kong, J. Bae and M. Tomizuka: "A Compact Rotary Series Elastic Actator for Human Assistive Systems", IEEE Trans. on Mechatronics, vol. 17, no. 2, (2012).
(10) Y. Kuroki, Y. Kosaka, T. Takahashi, E. Niwa, H. Kaminaga and Y. Nakamura: "Cr-N Alloy Thin-film Based Torque Sensors and Joint Torque Servo Systems for Compliant Robot Control", IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2013), pp. 4954-4959, (2013).
(11) M. Iwasaki, M. Kainuma, M. Yamamoto and Y. Okitsu: "Compensation by Exact Linearization Method for Nonlinear Components in Positioning Device with Harmonic Drive Gearings", Journal of JSPE, vol. 78, no. 7, pp. 624-630, (2012).
(12) T. Kawakami, K. Ayusawa, H. Kaminaga and Y. Nakamura: "High-Fidelity Joint Drive System by Torque Feedback Control Using High Precision Linear Encoder", IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2010), pp. 3904-3909, (2010).
(13) T. Kawakami, K. Ayusawa, H. Kaminaga, C. Ott and Y. Nakamura: "Development of Joint Driving Mechanism with Rigid Torque Sensor and its Torque Control Systems", Proc. of the JSME Conference on Robotics and Mechatronics, no. 08-4, pp. 1-4, 2008, (in Japanese).
(14) S. Oh and Y. Hori: "Experimental Study on Impedance and Impact Force Control by Position Feedback Control", Proc. of IEE of Japan Technical Meeting Record, IIC-09-117, pp. 31-36, (2009), (in Japanese).
(15) N. Shibata, T. Yoshioka, K. Ohishi and T. Miyazaki: "High Reliable Force Sensorless Contact Detection of Contact Motion", Proc. of IEE of Japan Technical Meeting Record, IIC-12-151, pp. 107-112, (2012), (in Japanese).
(16) S. Katsura, Y. Matsumoto and K. Ohnishi: "Modeling of Force Sensing and Validation of Disturbance Observer for Force Control", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 54, no. 1, (2007).
(17) C. Mitsantisuk, M. Nandapaya, K. Ohishi and S. Katsura: "Design for Sensorless Force Control of Flexible Robot by Using Resonance Ration Control Based on Coefficient Diagram Method", Automatika, vol. 54, no. 1, pp. 62-73, (2013).
2 動力伝達部
3 負荷部
4 駆動側位置検出部
5 負荷側位置検出部
6 制御部
61 非線形要素補償FF部
62 駆動側位置FB部
63 動力FB部
64 駆動側位置FF部
Claims (10)
- 駆動部と、動力伝達部と、負荷部と、駆動側位置検出部と、負荷側位置検出部と、制御部とを備えており、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部は、前記負荷側位置情報と、前記駆動側位置情報とを用いて、前記駆動部への指令値を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力を制御する構成となっている
制御装置。 - 前記制御部は、非線形要素補償FF部を備えており、
前記非線形要素補償FF部は、前記動力伝達部における非線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている
請求項1に記載の制御装置。 - 前記制御部は、駆動側位置FB部を備えており、
前記駆動側位置FB部は、前記駆動側位置情報を用いて、前記駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている
請求項1又は2に記載の制御装置。 - 前記制御部は、動力FB部を備えており、
前記動力FB部は、前記駆動側位置情報を用いて推定した推定動力を用いて、前記動力伝達部における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている
請求項1〜3のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記制御部は、駆動側位置FF部を備えており、
前記駆動側位置FF部は、前記駆動部に対する前記指令値に対して、実際の位置が位置指令値に一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている
請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記駆動部は、回転型モータであり、
前記動力伝達部は、回転軸を用いて前記動力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記回転軸における軸トルクである
請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記位置は、角度又は角速度である
請求項1〜6のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記駆動部は、リニアモータであり、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷側に並進力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記動力伝達部で伝達される並進力である
請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。 - 駆動部と、動力伝達部と、負荷部と、駆動側位置検出部と、負荷側位置検出部と、制御部とを備えた制御装置を用いており、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部が、前記負荷側位置情報と、前記駆動側位置情報とを用いて、前記駆動部への指令値を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力を制御するステップを備える
制御方法。 - 請求項9に記載のステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
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