JP2021002248A - Friction compensation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被駆動体の位置や姿勢等の制御量を目標値に追従させるサーボ制御システムにおいて、特に、被駆動体の速度（運転方向）反転時に発生する機械系摩擦による影響を抑制するための摩擦補償技術に関するものである。 The present invention is to suppress the influence of mechanical friction generated when the speed (driving direction) of the driven body is reversed in a servo control system that follows a controlled amount such as the position and orientation of the driven body to a target value. It is related to the friction compensation technology of.
サーボ制御システムにおいて、被駆動体の位置指令と位置検出値との誤差を補正するフィードバック制御系では、位置誤差を検出した後にその誤差に応じた駆動力が制御対象に与えられるため、被駆動体は位置誤差の発生時刻から遅れて応答することになる。また、サーボ制御システムの駆動系に内在している摩擦力は、特に被駆動体の速度（運転方向）反転時の特性が非線形となる。
これらの現象は、サーボ制御システムの運動制御精度を大きく低下させる原因となっている。
In the servo control system, in the feedback control system that corrects the error between the position command of the driven body and the position detection value, the driving force corresponding to the error is given to the controlled object after the position error is detected. Will respond later than the time when the position error occurs. Further, the frictional force inherent in the drive system of the servo control system has a non-linear characteristic especially when the speed (driving direction) of the driven body is reversed.
These phenomena are the cause of greatly reducing the motion control accuracy of the servo control system.
高精度な位置制御が要求される被駆動体については、速度反転時の摩擦による外乱が制御精度に与える影響を少なくすることが重要であり、この問題を解決する技術としては、従来から、フィードバック摩擦補償技術やモデルベースフィードフォワード摩擦補償技術が存在する。
例えば、外乱オブザーバを用いて摩擦を含む外乱を推定し、フィードバック制御により外乱抑圧補償を行って摩擦の影響を抑制することが可能であり、この種の外乱オブザーバによる非線形摩擦補償は速度反転時にも有効であることが知られている。
また、複数の状態量に対応する外乱モデルを用いて外乱推定値をそれぞれ演算し、これらの外乱推定値の和から外乱補正量を生成する技術も一般的に使用されている。
For a driven body that requires highly accurate position control, it is important to reduce the influence of friction caused by friction during speed reversal on control accuracy, and feedback has been conventionally used as a technology to solve this problem. There are friction compensation technologies and model-based feedforward friction compensation technologies.
For example, a disturbance observer can be used to estimate a disturbance including friction, and feedback control can be used to compensate for disturbance suppression to suppress the influence of friction. Non-linear friction compensation by this type of disturbance observer can be used even when speed is reversed. It is known to be effective.
In addition, a technique of calculating disturbance estimated values using disturbance models corresponding to a plurality of state quantities and generating a disturbance correction amount from the sum of these disturbance estimated values is also generally used.
近年、モデルベース開発はサーボ業界に拡がりを見せており、特にフィードフォワード摩擦補償技術が多く採用されている。
例えば、図１４は、速度のフィードバック制御系と位置のフィードフォワード補償器及び摩擦補償装置を備えたサーボ制御システムの機能ブロック図であり、特許文献１に開示されている。
同図において、２１０は位置制御器、２２０は電流指令ｉ＊を生成する速度制御器、２３０はフィードフォワード補償器、２４０は摩擦力（摩擦トルク）Ｆを推定する摩擦補償装置、２４１はクーロン摩擦力等の各種パラメータを同定するパラメータ同定部、２４２は各種パラメータに基づいて摩擦力Ｆを推定する摩擦推定部、２５０は摩擦力Ｆを電流補償指令ｉｄｉｓに換算する電流指令換算部、３００は電力変換器等からなるドライバ（駆動装置）、４００は電動機や被駆動体を含む制御対象としての工作機械を示す。
In recent years, model-based development has expanded to the servo industry, and feedforward friction compensation technology has been widely adopted.
For example, FIG. 14 is a functional block diagram of a servo control system including a speed feedback control system, a position feedforward compensator, and a friction compensator, and is disclosed in
In the figure, 210 is a position controller, 220 is a speed controller that generates a current command i * , 230 is a feed forward compensator, 240 is a friction compensator that estimates friction force (friction torque) F, and 241 is a Coulomb friction. The parameter identification unit that identifies various parameters such as force, 242 is the friction estimation unit that estimates the friction force F based on various parameters, 250 is the current command conversion unit that converts the friction force F into the current compensation command idis , and 300 is the current command conversion unit. A driver (driving device) including a power converter and the like, 400 indicates a machine tool as a control target including an electric motor and a driven body.
図１４におけるパラメータ同定部２４１では、電流指令ｉｃ ＊と、工作機械４００の被駆動体の位置とに基づいて実機摩擦特性を生成し、この実機摩擦特性から、クーロン摩擦力Ｆｃ、最大静止摩擦力Ｆｓ、各要素の最大摩擦力の比率αｉ、ばね定数ｋｉをパラメータとして同定する。そして、同定したパラメータを摩擦モデルに採用し、この摩擦モデルと被駆動体の速度とを用いて被駆動体の位置と摩擦力との関係を示す検証用摩擦特性を演算する。
そして、検証用摩擦特性と実機摩擦特性との誤差が許容範囲になるまでクーロン摩擦力Ｆｃ、最大静止摩擦力Ｆｓ等のパラメータを調整し、上記誤差が許容範囲内になった時の全ての同定パラメータｋｉ，αｉ，Ｆｃ，Ｆｓを摩擦推定部２４２に出力する。
The parameter identification unit 241 in FIG. 14 generates the actual machine friction characteristic based on the current command i c * and the position of the driven body of the
Then, adjust the parameters such as the Coulomb friction force F c and the maximum static friction force F s until the error between the verification friction characteristic and the actual machine friction characteristic is within the allowable range, and all when the above error is within the allowable range. The identification parameters k i , α i , F c , and F s of are output to the
摩擦推定部２４２では、入力された最新の同定パラメータを用いて摩擦力Ｆを推定し、電流指令換算部２５０は摩擦力Ｆを電流補償指令ｉｄｉｓに換算して出力する。
この電流補償指令ｉｄｉｓとフィードフォワード補償器２３０の出力とを用いて速度制御器２２０の出力ｉ＊を補正することにより、摩擦補償された電流指令ｉｃ ＊がドライバ３００に与えられることとなる。
The
By correcting the output i * of the
前述した特許文献１に係る先行技術には、以下のような問題がある。
まず、位置や速度の動的な特性を考慮すると、特許文献１に数式（１）〜（４）として記載された摩擦モデルは構造が複雑であるため、高精度のモデル化及びパラメータ同定が困難になる恐れがある。
一方、一定条件のもとで同定したパラメータに基づいて計算した検証用摩擦特性と実機摩擦特性との間には、システムの同定方法、位置・速度検出器の精度、更にはノイズ等の影響によって必ず誤差が存在する。特許文献１には、上記の誤差が許容範囲内になるように各パラメータを調整する旨、記載されているが、その具体的な手順は何ら開示されていない。
The prior art according to
First, considering the dynamic characteristics of position and velocity, the friction model described as mathematical formulas (1) to (4) in
On the other hand, between the verification friction characteristics calculated based on the parameters identified under certain conditions and the actual friction characteristics, the system identification method, the accuracy of the position / speed detector, and the influence of noise, etc. There is always an error.
また、特許文献１では、速度や加速度に対するクーロン摩擦力の依存特性を表現できないため、運転状態の変化に伴って制御性能の再現性等のロバスト性を保証できない場合がある。しかも、速度が反転して被駆動体が反対方向に運動するような特殊条件のもとでは、クーロン摩擦力や最大静止摩擦力を調整しても、検証用摩擦特性と実機摩擦特性との誤差が許容範囲内にならない恐れがある。
更に、工作機械の駆動系等に応答遅れがあることを考え併せると、パラメータを調整して上記の誤差が許容範囲内になったとしても、摩擦の影響による制御精度の低下を常に解決できるとは限らない。
Further, in
Furthermore, considering that there is a response delay in the drive system of the machine tool, even if the above error is within the allowable range by adjusting the parameters, the decrease in control accuracy due to the influence of friction can always be solved. Is not always.
そこで、本発明の解決課題は、極力簡易な摩擦モデルを用いて摩擦静特性及び動特性の両者を同時に考慮し、被駆動体の速度（運動方向）が反転する場合でも摩擦力を高精度に推定して適切な摩擦補償を実現可能とした摩擦補償装置を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to consider both the static friction characteristic and the dynamic characteristic at the same time by using a friction model as simple as possible, and to make the friction force highly accurate even when the speed (movement direction) of the driven body is reversed. It is an object of the present invention to provide a friction compensation device capable of estimating and realizing appropriate friction compensation.
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、被駆動体の位置や姿勢の制御量を目標値に追従させるサーボ制御システムにおいて前記被駆動体に作用する摩擦力を補償するための摩擦補償装置であって、
前記被駆動体の速度と、この速度に対する摩擦力の立ち上がり係数と、クーロン摩擦力と、粘性摩擦係数と、を含む摩擦モデルを用いて、速度フィードバック制御系の出力に加算する摩擦力を摩擦補償量として推定する摩擦補償量推定手段を備え、
前記摩擦補償量推定手段は、
前記サーボ制御システムの入出力情報と前記摩擦モデルとを用いて、前記立ち上がり係数、前記クーロン摩擦力及び前記粘性摩擦係数を前記摩擦モデルのパラメータとして同定し、同定したパラメータを初期値として異なる加速度条件のもとで前記パラメータを更新して出力するモデルパラメータ演算部と、
前記モデルパラメータ演算部から出力された前記パラメータを用いて前記摩擦補償量を初期化し、前記被駆動体の速度反転時近傍における前記制御量の誤差が最小となるように、前記クーロン摩擦力を更新すると共に、複数の速度テスト信号にそれぞれ対応する複数の加速度と前記立ち上がり係数との関係を取得し、この関係と前記被駆動体の速度及び加速度と前記クーロン摩擦力とに基づいて前記摩擦補償量を推定するモデルベース摩擦補償部と、
を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problem, the invention according to
Using a friction model that includes the speed of the driven body, the rising coefficient of the frictional force with respect to this speed, the Coulomb frictional force, and the viscous friction coefficient, the frictional force added to the output of the speed feedback control system is compensated for friction. Equipped with a friction compensation amount estimation means to estimate as a quantity,
The friction compensation amount estimation means is
Using the input / output information of the servo control system and the friction model, the rising coefficient, the Coulomb friction force, and the viscous friction coefficient are identified as parameters of the friction model, and different acceleration conditions are set with the identified parameters as initial values. The model parameter calculation unit that updates and outputs the above parameters under
The friction compensation amount is initialized using the parameter output from the model parameter calculation unit, and the Coulomb friction force is updated so that the error of the control amount in the vicinity of the speed reversal of the driven body is minimized. At the same time, the relationship between the plurality of accelerations corresponding to the plurality of speed test signals and the rising coefficient is acquired, and the friction compensation amount is based on this relationship, the speed and acceleration of the driven body, and the Coulomb friction force. Model-based friction compensation unit that estimates
It is characterized by being equipped with.
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した摩擦補償装置において、前記モデルパラメータ演算部は、前記被駆動体の速度または加速度と摩擦力との関係を示す実機摩擦特性に基づいて前記摩擦モデルのパラメータを同定することを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the friction compensating device according to
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した摩擦補償装置において、前記摩擦モデルが、前記被駆動体の速度が正から負、または、負から正に変化する不連続性を連続関数により近似したモデルであることを特徴とする。 According to the third aspect of the present invention, in the friction compensating device according to the first or second aspect, the friction model continuously discontinuities in which the speed of the driven body changes from positive to negative or negative to positive. It is characterized by being a model approximated by a function.
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した摩擦補償装置において、前記摩擦モデルのパラメータとして、前記被駆動体の加速度と前記立ち上がり係数との関係におけるヒステリシス幅を含むことを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、運転状況に応じて摩擦補償量を動的に決定し、モデルベースフィードフォワード摩擦補償を行うことにより、速度反転時の摩擦の影響による制御誤差を低減させて適切な摩擦補償を実現することができる。 According to the present invention, the friction compensation amount is dynamically determined according to the operating conditions, and the model-based feedforward friction compensation is performed to reduce the control error due to the influence of friction at the time of speed reversal and to perform appropriate friction compensation. Can be realized.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、本発明の技術的範囲は以下に説明する実施形態によって何ら限定されるものではない。
まず、図１は、この実施形態の摩擦補償装置を含むサーボ制御システムの一構成例を示す機能ブロック図であり、例えば、被駆動体を有する工作機械及びその駆動装置を含む制御対象３０（伝達関数Ｇとする）に電流指令等を与えて被駆動体の位置を制御するシステムを想定している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The technical scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
First, FIG. 1 is a functional block diagram showing a configuration example of a servo control system including the friction compensation device of this embodiment, and is, for example, a controlled object 30 (transmission) including a machine tool having a driven body and a driving device thereof. We envision a system that controls the position of the driven body by giving a current command or the like to the function G).
図１において、上位の制御装置から送られた位置指令と制御対象３０の位置出力との偏差が減算手段８１により演算され、位置フィードバック制御器５０は上記偏差をゼロにするように動作して速度指令を出力する。制御対象３０の位置出力は微分手段９１（ｓはラプラス演算子）により微分されて速度検出値に変換され、減算手段８２は速度指令と速度検出値との偏差を演算すると共に、速度フィードバック制御器２０は上記偏差をゼロにするように動作して電流指令（またはトルク指令）を出力する。
In FIG. 1, the deviation between the position command sent from the upper control device and the position output of the
また、前記位置指令は、フィードフォワード補償用の逆システム５０（制御対象３０の伝達関数Ｇに対して、Ｇ−１とする）に入力され、その出力が加算手段８３により速度フィードバック制御器４０の出力に加算される。
加算手段８３の出力は、加算手段８４、減算手段８５、加算手段８６を経て制御対象３０に与えられる。なお、加算手段８４では、後述するモデルベース摩擦補償部７０の出力が加算手段８３の出力に加算され、減算手段８５では、加算手段８４の出力から外乱オブザーバ４０による推定外乱が減算されると共に、加算手段８６では減算手段８５の出力と外乱信号ｄとが加算される。
Further, the position command is input to the
The output of the adding means 83 is given to the
更に、前記位置指令は微分手段９３及び二階微分手段９２に入力されて速度指令及び加速度指令が演算され、これらが摩擦に起因する制御誤差を補償するためのモデルベース摩擦補償部７０の摩擦モデルに入力される。また、二階微分手段９２の出力である加速度指令はモデルパラメータ演算部６０に入力され、この演算部６０により同定された摩擦モデルのパラメータがモデルベース摩擦補償部７０に入力されている。モデルベース摩擦補償部７０では、同定されたパラメータと速度指令及び加速度指令に基づいて補償するべき摩擦力（摩擦補償量）を演算し、前記加算手段８４に出力する。
ここで、モデルパラメータ演算部６０及びモデルベース摩擦補償部７０は、特許請求の範囲における摩擦補償量推定手段を構成している。
Further, the position command is input to the differential means 93 and the second-order differential means 92, and the speed command and the acceleration command are calculated, and these are used as a friction model of the model-based
Here, the model
モデルパラメータ演算部６０は、例えば、以下の数式１に示すような簡易な摩擦モデルを用いて複数のパラメータを同定し、モデルベース摩擦補償部７０はこれらのパラメータに基づいて摩擦力Ｔｆを推定する。
［数式１］
Ｔｆ＝Ｅｒｆ（αω）Ｔｃｆ＋Ｄω
ここで、Ｅｒｆは誤差関数、αは摩擦力の立ち上がりの傾きを表す立ち上がり係数、ωは被駆動体の速度、Ｔｃｆはクーロン摩擦力、Ｄは粘性摩擦係数である。
The model
[Formula 1]
T f = Erf (αω) T cf + Dω
Here, Erf is an error function, α is a rise coefficient representing the slope of the rise of the frictional force, ω is the velocity of the driven body, Tcf is the Coulomb friction force, and D is the viscous friction coefficient.
被駆動体の速度ゼロを境として、クーロン摩擦力は正から負、または負から正に不連続に変化するのに対して、数式１のように誤差関数Ｅｒｆを用いて摩擦力Ｔｆを近似することにより、図２の速度−摩擦力特性に示すように、速度がゼロに近付くにつれて所定の傾きにより滑らかに変化する静的摩擦特性を得ることができる。
なお、モデルパラメータ演算部６０の機能については、図５と共に後述する。
The Coulomb frictional force changes discontinuously from positive to negative or negative to positive with the velocity of the driven body being zero, whereas the frictional force T f is approximated using the error function Erf as in
The function of the model
図１のモデルベース摩擦補償部７０は、図３の機能ブロック図に示すように、モデルベース摩擦補償量計算部７１、位相調整部７２、ゲイン調整及び出力制限部７３、及び出力フィルタ７４を備えている。
As shown in the functional block diagram of FIG. 3, the model-based
モデルベース摩擦補償量計算部７１は、モデルパラメータ演算部６０により同定された摩擦モデルのパラメータと速度情報（速度指令及び加速度指令）とに基づいて、補償するべき摩擦力を計算する。
位相調整部７２は、例えば、図２の速度−摩擦力特性を図４のごとく所定のヒステリシスを有する特性に調整する。すなわち、速度が負から正に反転する際、及び、正から負に反転する際に、摩擦力がクーロン摩擦力Ｔｃｆに等しくなるように摩擦力の位相を調整し、速度−摩擦力特性を所定の傾きで平滑化する。これにより、サーボ制御システムの応答性を高めて実機の摩擦力のヒステリシス特性を補償すると共に、速度反転前後における摩擦補償量を安定化することができる。なお、ヒステリシス幅は、位相調整部７２が摩擦力の位相を調整することで任意に設定可能であり、このヒステリシス幅を摩擦モデルのパラメータに含めても良い。
勿論、上記に代えて、ヒステリシス特性補償及び位相補償を考慮した摩擦モデリングを行っても良い。
The model-based friction compensation
The
Of course, instead of the above, friction modeling may be performed in consideration of hysteresis characteristic compensation and phase compensation.
図３に戻って、位相調整部７２に後続するゲイン調整及び出力制限部７３は、補償するべき摩擦力の数値的な安定性を保つと共に過剰補償を防止するためのものである。具体的には、モデルパラメータ演算部６０により同定した各パラメータを前述した数式１の摩擦モデルに代入することにより計算した摩擦力の初期値の複数倍、例えば３倍程度の大きさに変換する。
ゲイン調整及び出力制限部７３に後続する出力フィルタ７４は、例えばローパスフィルタ特性を有し、この出力フィルタ７４を通して得られた摩擦補償量が前記加算手段８４に入力され、速度フィードバック制御器２０の出力（詳しくは加算手段８３の出力）に加算されてその結果が前記加算手段８５に入力される。
Returning to FIG. 3, the gain adjusting and
The
次に、モデルパラメータ演算部６０の機能について、図５を参照しつつ説明する。
モデルパラメータ演算部６０では、図５に示すように、数式１の摩擦モデルと事前に取得したサーボ制御システムの入出力情報とを用いて、システム同定により摩擦モデルの各種パラメータを同定する（ステップＳ１）。具体的には、例えば、被駆動体の速度または加速度と摩擦力との関係を示す実機摩擦特性に基づいて各種パラメータを同定する。これらの同定したパラメータを初期値として、異なる加速度条件を与えてチューニングにより動的なパラメータを演算する（同Ｓ２）。次いで、加速度とパラメータとの関係を記録しておき（同Ｓ３）、実際の運転時の加速度情報を上述の記録済みの関係と照合して動的にパラメータを更新し（同Ｓ４）、更新されたパラメータをモデルベース摩擦補償部７０に出力する。
Next, the function of the model
As shown in FIG. 5, the model
ここで、数式１は、速度に対する摩擦力の静特性のみを考慮した摩擦モデルを対象としている。例えば、図４のように速度−摩擦力特性を調整したとしても、摩擦補償量の立ち上がり係数は一定値であり、実際の運転時において図６のように加速度が種々変化する場合には、速度反転時近傍の微小速度領域における摩擦力を正確に再現することができない。
このため、本実施形態では、速度反転時近傍の微小速度領域における摩擦力の動的な挙動を反映させるように、上述したモデルパラメータ演算部６０のチューニングによって動的にパラメータを取得することとした。
Here,
Therefore, in the present embodiment, the parameters are dynamically acquired by tuning the model
このモデルパラメータ演算部６０によるチューニング動作について、図７，図８を参照しつつ更に説明する。
例えば、図７に示す台形状の速度テスト信号を用い（±ωｒは最大速度、Ｔは加速時間）、サーボ制御システムの運転可能な速度範囲（図７における−ωｒ〜＋ωｒの範囲）にわたって、加速度が異なる第一速度テスト信号及び第二速度テスト信号を事前に定義しておく。
The tuning operation by the model
For example, using the trapezoidal speed test signal shown in FIG. 7 (± ω r is the maximum speed, T is the acceleration time), the operable speed range of the servo control system (range of −ω r to + ω r in FIG. 7). The first velocity test signal and the second velocity test signal having different accelerations are defined in advance.
そして、まず、同定したパラメータを用いて数式１の推定摩擦力Ｔｆを初期化する（図８のステップＳ１１）。初期化が完了したら、第一速度テスト信号によりサーボ制御システムを駆動する（同Ｓ１２）。次に、摩擦モデルのパラメータのうちクーロン摩擦力Ｔｃｆの設定値を調整しながら（同Ｓ１３）、速度反転時近傍における制御量の誤差（例えば、被駆動体の位置目標値と位置検出値との誤差）が最小になるまで上記設定値の調整を繰り返し（同Ｓ１４）、制御量の誤差が最小になったら（同Ｓ１４Ｙｅｓ）、その時の設定値によりクーロン摩擦力を更新する（同Ｓ１５）。
次に、摩擦補償量の立ち上がり係数αを調整する（同Ｓ１６）。そして、速度反転時近傍における制御量の誤差が最小になるまで立ち上がり係数αの調整を繰り返し（同Ｓ１７）、制御量の誤差が最小になったら（同Ｓ１７Ｙｅｓ）、その時の立ち上がり係数αを第一係数α１として保存する（同Ｓ１８）。
Then, first, the estimated frictional force T f of
Next, the rising coefficient α of the friction compensation amount is adjusted (S16). Then, the adjustment of the rising coefficient α is repeated until the error of the controlled variable near the time of speed reversal is minimized (S17), and when the error of the controlled variable is minimized (S17Yes), the rising coefficient α at that time is set first. It is stored as a coefficient α 1 (S18).
続いて、第二速度テスト信号によりサーボ制御システムを駆動して立ち上がり係数αを調整し（同Ｓ１９，Ｓ２０）、速度反転時近傍における制御量の誤差が最小になるまで立ち上がり係数αの調整を繰り返し（同Ｓ２１）、制御量の誤差が最小になったら（同Ｓ２１Ｙｅｓ）、その時の立ち上がり係数αを第二係数α２として保存する（同Ｓ２２）。
以上の処理によって保存した第一係数α１及び第二係数α２と立ち上がり係数の上下限値とを用いて、図９に示す如く、一次線形近似関数により、加速度ａと立ち上がり係数αとの関係を求める（同Ｓ２３）。
Subsequently, the servo control system is driven by the second speed test signal to adjust the rise coefficient α (S19, S20), and the rise coefficient α is repeatedly adjusted until the error in the control amount near the time of speed reversal is minimized. When the error in the control amount is minimized (S21 Yes), the rising coefficient α at that time is stored as the second coefficient α 2 (S22).
Using the first coefficient α 1 and the second coefficient α 2 saved by the above processing and the upper and lower limit values of the rising coefficient, the relationship between the acceleration a and the rising coefficient α is performed by a linear linear approximation function as shown in FIG. (S23).
次に、図１０は、図１のモデルベース摩擦補償部７０によって摩擦補償量を推定する動作を示すフローチャートである。
まず、運転中のサーボ制御システムの現時点における速度や加速度等の運転情報を取得し（ステップＳ３１）、これらの運転情報を用いて摩擦モデルの各パラメータを更新すると共に（同Ｓ３２）、これらのパラメータに基づき数式１により摩擦補償量を計算して出力する（同Ｓ３３，Ｓ３４）。
具体的には、図８の処理により求めた第一係数α１及び第二係数α２と立ち上がり係数αの上下限値とから、図９に示すような加速度ａ（言い換えれば速度ω）と立ち上がり係数αとの関係が求められ、また、図８のステップＳ１５によりクーロン摩擦力が求められているので、これらのパラメータを前述の数式１に代入して摩擦力（摩擦補償量）Ｔｆを求めることができる。
ここで、サーボ制御システムの経年的な特性変化や周囲の環境変化等がある場合には、前述したモデルパラメータ演算部６０のチューニング動作による動的なパラメータの演算（図５のステップＳ２）を再度実施すれば対応可能である。
Next, FIG. 10 is a flowchart showing an operation of estimating the friction compensation amount by the model-based
First, the operation information such as the current speed and acceleration of the servo control system during operation is acquired (step S31), and each parameter of the friction model is updated using these operation information (S32), and these parameters are used. The friction compensation amount is calculated and output by
Specifically, from the first coefficient α 1 and the second coefficient α 2 obtained by the process of FIG. 8 and the upper and lower limit values of the rise coefficient α, the acceleration a (in other words, the velocity ω) and the rise as shown in FIG. 9 and the rise. Since the relationship with the coefficient α is obtained and the Coulomb friction force is obtained in step S15 of FIG. 8, these parameters are substituted into the
Here, if there is a change in the characteristics of the servo control system over time or a change in the surrounding environment, the dynamic parameter calculation (step S2 in FIG. 5) by the tuning operation of the model
なお、図１１は、実機を対象とした、速度反転時近傍における加速度に応じた摩擦力の測定結果を示す図である。図１１によれば、加速度が小さいほど、速度反転時近傍における摩擦力の変動が大きくなっていることがわかる。
これに対し、図１２は、本発明の実施形態を適用した場合の、速度反転時近傍における加速度に応じた摩擦力（摩擦補償量）の推定結果を示す図である。本発明の実施形態では、図９に示した加速度ａと立ち上がり係数αとの関係を用いて数式１により推定摩擦力Ｔｆを求め、この推定摩擦力Ｔｆにより摩擦補償を行うため、加速度の大きさに限らず滑らかに変化する摩擦補償量を動的に求めることができ、摩擦の影響による制御誤差を低減することができる。
Note that FIG. 11 is a diagram showing the measurement results of the frictional force according to the acceleration in the vicinity at the time of speed reversal for the actual machine. According to FIG. 11, it can be seen that the smaller the acceleration, the larger the fluctuation of the frictional force in the vicinity at the time of speed reversal.
On the other hand, FIG. 12 is a diagram showing the estimation result of the frictional force (friction compensation amount) according to the acceleration in the vicinity at the time of speed reversal when the embodiment of the present invention is applied. In the embodiment of the present invention, the estimated frictional force T f is obtained by the
更に、図１３は、本発明の実施による摩擦補償有りの場合、及び、摩擦補償無しの場合の、速度追従性のシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施形態によって摩擦補償を行った場合には、速度反転時の前後において摩擦の影響を受けずに速度が連続的に変化しているのに対し、摩擦補償を行わない場合には、摩擦によって速度変化を妨げられる期間が生じていることがわかる。
Further, FIG. 13 is a diagram showing a simulation result of speed followability with and without friction compensation according to the implementation of the present invention.
When friction compensation is performed according to the embodiment of the present invention, the speed changes continuously without being affected by friction before and after speed reversal, whereas when friction compensation is not performed, the speed changes continuously. It can be seen that there is a period during which the speed change is hindered by friction.
以上説明したように、本実施形態によれば、摩擦の静特性及び動特性を考慮したうえで、異なる加速度に対して摩擦補償量を高精度に推定することができ、再現性の高い位置制御や速度制御を行うことができる。 As described above, according to the present embodiment, the friction compensation amount can be estimated with high accuracy for different accelerations in consideration of the static characteristics and the dynamic characteristics of the friction, and the position control with high reproducibility can be performed. And speed control can be performed.
１０：位置フィードバック制御器
２０：速度フィードバック制御器
３０：制御対象
４０：外乱オブザーバ
５０：逆システム
６０：モデルパラメータ演算部
７０：モデルベース摩擦補償部
８１，８２，８５：減算手段
８３，８４，８６：加算手段
９１，９３：微分手段
９２：二階微分手段
10: Position feedback controller 20: Velocity feedback controller 30: Control target 40: Disturbance observer 50: Reverse system 60: Model parameter calculation unit 70: Model-based
Claims (4)
前記被駆動体の速度と、この速度に対する摩擦力の立ち上がり係数と、クーロン摩擦力と、粘性摩擦係数と、を含む摩擦モデルを用いて、速度フィードバック制御系の出力に加算する摩擦力を摩擦補償量として推定する摩擦補償量推定手段を備え、
前記摩擦補償量推定手段は、
前記サーボ制御システムの入出力情報と前記摩擦モデルとを用いて、前記立ち上がり係数、前記クーロン摩擦力及び前記粘性摩擦係数を前記摩擦モデルのパラメータとして同定し、同定したパラメータを初期値として異なる加速度条件のもとで前記パラメータを更新して出力するモデルパラメータ演算部と、
前記モデルパラメータ演算部から出力された前記パラメータを用いて前記摩擦補償量を初期化し、前記被駆動体の速度反転時近傍における前記制御量の誤差が最小となるように、前記クーロン摩擦力を更新すると共に、複数の速度テスト信号にそれぞれ対応する複数の加速度と前記立ち上がり係数との関係を取得し、この関係と前記被駆動体の速度及び加速度と前記クーロン摩擦力とに基づいて前記摩擦補償量を推定するモデルベース摩擦補償部と、
を備えたことを特徴とする摩擦補償装置。 It is a friction compensating device for compensating the frictional force acting on the driven body in a servo control system that makes the controlled amount of the position and posture of the driven body follow a target value.
Using a friction model that includes the speed of the driven body, the rising coefficient of the frictional force with respect to this speed, the Coulomb frictional force, and the viscous friction coefficient, the frictional force added to the output of the speed feedback control system is compensated for friction. Equipped with a friction compensation amount estimation means to estimate as a quantity,
The friction compensation amount estimation means is
Using the input / output information of the servo control system and the friction model, the rising coefficient, the Coulomb friction force, and the viscous friction coefficient are identified as parameters of the friction model, and different acceleration conditions are set with the identified parameters as initial values. The model parameter calculation unit that updates and outputs the above parameters under
The friction compensation amount is initialized using the parameter output from the model parameter calculation unit, and the Coulomb friction force is updated so that the error of the control amount in the vicinity of the speed reversal of the driven body is minimized. At the same time, the relationship between the plurality of accelerations corresponding to the plurality of speed test signals and the rising coefficient is acquired, and the friction compensation amount is based on this relationship, the speed and acceleration of the driven body, and the Coulomb friction force. Model-based friction compensation unit that estimates
A friction compensation device characterized by being equipped with.
前記モデルパラメータ演算部は、前記被駆動体の速度または加速度と摩擦力との関係を示す実機摩擦特性に基づいて前記摩擦モデルのパラメータを同定することを特徴とする摩擦補償装置。 In the friction compensation device according to claim 1,
The model parameter calculation unit is a friction compensating device for identifying parameters of the friction model based on actual machine friction characteristics showing the relationship between the speed or acceleration of the driven body and frictional force.
前記摩擦モデルが、前記被駆動体の速度が正から負、または、負から正に変化する不連続性を連続関数により近似したモデルであることを特徴とする摩擦補償装置。 In the friction compensator according to claim 1 or 2.
A friction compensation device, wherein the friction model is a model in which the discontinuity in which the velocity of the driven body changes from positive to negative or negative to positive is approximated by a continuous function.
前記摩擦モデルのパラメータとして、前記被駆動体の加速度と前記立ち上がり係数との関係におけるヒステリシス幅を含むことを特徴とする摩擦補償装置。 In the friction compensator according to any one of claims 1 to 3,
A friction compensation device including, as a parameter of the friction model, a hysteresis width in the relationship between the acceleration of the driven body and the rise coefficient.
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