JP2552552B2

JP2552552B2 - 外乱トルク補償装置

Info

Publication number: JP2552552B2
Application number: JP1208676A
Authority: JP
Inventors: 隆水谷
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1989-08-12
Filing date: 1989-08-12
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPH0374188A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は外乱トルク補償装置、特に外乱トルクオブザ
ーバを用いた外乱トルク補償装置の改良に関する。

［従来の技術］近年、極めて高精度の加工あるいは測定等のため各種
工作機械、Ｘ−Ｙテーブル、測定器等には可動部を正確
に移動制御する駆動装置が強く要望されている。このよ
うな駆動装置としては、従来モータ等の駆動部より、ボ
ールネジ等の駆動力伝達部を介して該駆動力伝達部に接
続された可動部（例えばテーブル、測定用プローブ等）
を所定の移動制御しているものが多い。

この場合、可動部を所定位置に位置決めするために、
可動部の位置を検出し、その位置信号を駆動部にフィー
ドバックして可動部の位置を制御するのが一般的であ
る。

第３図にはこのような一般的な駆動装置の概略図が示
されている。尚、同図に示す駆動装置は、本来二軸系、
三軸系において論ずべきものであるが、説明の便宜上一
軸系を示している。

同図において、駆動装置10は可動部12、駆動部14、駆
動力伝達部16より構成される。

前記可動部12は例えばＸ−Ｙテーブルより成る。

また、駆動部14はモータ18と、これを駆動させるモー
タドライブ20により構成される。

さらに、駆動力伝達部16は、モータ18の回転軸にベア
リング22a,22bを介して接続されたボールネジ24より成
る。そして、ボールネジ24にはその回転により相対位置
を変更するテーブル等の可動部12が螺合されている。と
ころで、前述したような駆動装置においては、第４図に
示すような物理系が得られる。

即ち、モータ18に電機子電流ｉが供給されると、該モ
ータ18のトルク定数K_tに応じてモータトルクT_mが得られ
る。一方、可動部12および駆動力伝達部16には慣性モー
メントＪが存在し、ロータの回転角速度ωは次式により
表されることとなる。

ω＝（K_t/Js）・ｉ …（１）尚、上記式（１）においてｓは微分演算子である。

ところが、このようなモータの物理系に対して外乱ト
ルクT_Lが印加される。また、トルク定数K_t、慣性モーメ
ントＪも変動し、このままでは正確且つ安定したモータ
の回転角速度ωを得ることはできない。

そこで、これら外乱トルクT_Lの印加、トルク定数K_t、
慣性モーメントＪの変動の影響を除去するため、第５図
に示すような外乱トルクオブザーバによるフィードフォ
ワード補償方式が考えられている。

即ち、電機子電流ｉを検出し、該電機子電流ｉに対し
トルク定数のノミナル値K_tnを掛ける。

一方、ロータの回転角速度ωを検出し、該角速度ωに
J_nS（J_nは慣性モーメントのノミナル値）を掛ける。

そして、電機子電流より得られるノミナルトルクレベ
ルと、回転角速度より得られるノミナルトルクレベルを
比較し、その差値を外乱トルク推定値T_L′とするのであ
る。

ここで、外乱トルク推定値T_L′は次式により表される
こととなる。

T_L′＝J_nS・ω−K_tn・ｉ …（２）従って、トルク定数K_t＝K_tn,慣性モーメントＪ＝J_nで
あるならば、次式のように外乱トルク推定値T_L′＝T_Lと
なる。

T_L′＝J_nS・ω−K_tn・ｉ＝J_nS.ω−T_m＝T_L …（３）そして、この外乱トルク推定値T_L′に1/K_tnを掛ける
ことで外乱トルクに相当する電流値i_TLを得、該換算電
流I_TLを電流目標値ｉ^＊より引くのである。

この時、ロータの回転角速度ωは次式により表され
る。

従って、以上のような外乱トルクオブザーバによるフ
ィードフォワード補償系が理想状態で得られるならば、
外乱トルク等の影響を受けないモータ出力を得ることが
可能となるわけである。

ところが、実際の外乱トルクオブザーバの実現形態で
は、第６図に示すようにフィルタを加える必要がある。

即ち、回転角速度ωを検出した後、それをトルクレベ
ルに変換するため微分演算子ｓで加速度を求めている。

ところが、微分処理は通常ノイズが多いためフィルタ
を用いなければならない。

従って、前記第６図においてτ・ｓが付加され、微分
処理は全体として次式により行なわれることとなる。

尚、τはフィルタの時定数である。

［発明が解決しようとする課題］ところで、前記第６図に示した実現形態では、電機子
電流ｉおよび回転角速度ωはそれぞれ次式により表され
る。

このため、τ・ｓの微分項の影響で、電流目標値ｉ^＊
にステップ状の命令が加えられた時には実電流としてイ
ンパルス状の電流を必要とすることとなる。

これは、物理的には、瞬時に無限大の電流を流すこと
を意味し、電流供給系に極めて大きな負荷を加えてしま
う。

本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は電流供給系に過大な負荷をかけず、しか
も外乱トルクや駆動部の特性変動の影響を受けない外乱
トルク補償装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］前記目的を達成するために、本発明にかかる外乱トル
ク補償装置は、電流検出部と、ノミナルトルク演算部
と、速度検出部と、加速度演算部と、ノイズ除去フィル
タと、外乱トルク演算部と、外乱トルク／電流変換部
と、インパルス電流回避フィルタと、を含み、駆動電流
供給系と加え合せ点の間に、インパルス電流回避フィル
タを挿入し、且つ、加速度演算部と外乱トルク演算部の
間に、ノイズ除去フィルタを挿入する。

そして、前記電流検出部は、駆動部への供給電流を検
出する。

ノミナルトルク演算部は、前記電流検出部の検出電流
値よりノミナルトルクを演算する。

速度検出部は、駆動機構の駆動速度を検出する。

加速度演算部は、前記駆動機構の駆動速度を微分し、
ノミナル加速度を演算する。

ノイズ除去フィルタは、加速度演算部の微分出力のノ
イズ除去を行なう。

外乱トルク演算部は、前記ノイズ除去フィルタを介し
たノミナル加速度と、前記ノミナルトルクの差値より外
乱トルクを演算する。

外乱トルク／電流変換部は、前記外乱トルク量を電流
値に変換する。

インパルス電流回避フィルタは、前記駆動電流供給系
に設けられ、前記ノイズ除去フィルタと略同一の時定数
を有する。

［作用］本発明にかかる外乱トルク補償装置は、前述した手段
を有するので、速度検出部で検出された駆動速度は加速
度演算部で微分される。この際、微分処理に基づくノイ
ズが発生するが、そのノイズはノイズ除去フィルタで除
去される。

一方、駆動電流供給系にはインパルス回避フィルタが
設けられているおり、該フィルタはノイズ除去フィルタ
と略同一の時定数を有するので、実電流に微分項が存在
しなくなり、電流目標値にステップ状の命令が加えられ
た時にもインパルス状の電流が必要とされない。

このため、本発明にかかる外乱トルク補償装置によれ
ば、外乱トルクの影響を的確に補償しつつ、駆動電流供
給系に大きな負担をかけることがなくなる。

［実施例］以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明す
る。

第１図には本発明にかかる外乱トルク補償装置の概略
構成を示すブロック線図が示されており、前記第３図と
対応する部分には符号100を加えて説明を省略する。

同図に示す駆動装置は、駆動部を構成するDCモータ11
8の駆動力をボールネジ等を介して伝達する駆動力伝達
部116と、該駆動力伝達部116より駆動力を伝達され所定
の運動を行なう可動部112と、を含む。

そして、DCモータ118は、位置制御部130より加え合せ
点132、速度補償器134、加え合わせ点136、電流補償器1
38を介して駆動を制御される。

また、位置制御部130はカウンタ130a、位置制御器130
bおよびD/A変換器130cを備える。

一方、ドライバ140の出力端には電流検出部142を備
え、加え合せ点136に負の信号を加え電流フィードバッ
クを行なっている。

また、DCモータ118の回転はタコメータ144を介して加
え合わせ点132に負の信号を供給し、速度フィードバッ
クを行なっている。

さらに、DCモータ118の駆動に基づく可動部112の位置
信号はスケール146により検出され、スケール信号とし
て位置制御部130のカウンタ130aに位置フィードバック
を行なう。

この位置制御部130ではマイクロコンピュータ等を用
いてソフト的に位置制御処理を行ない、加え合わせ点13
2、速度補償器134、加え合わせ点136、電流補償器138お
よびドライバ140でハード的に速度制御、電流制御を行
ない、これらソフト的処理およびハード的処理により駆
動制御を行なう。

このようなサーボ系を簡単に説明すると、先ず位置制
御部130で可動部112の所望の運動を設定し、その設定量
に応じてドライバ140によりDCモータ118を駆動させる。
DCモータ118が所定の電流によって駆動しているか否か
を電流検出部142により検出すると共に、その検出量を
加え合せ点136に負の信号としてフィードバックし、電
流補償器138によりDCモータ118に所望の電流を供給すべ
く補償している。

また、DCモータ118の回転はタコメータ144により検出
すると共に、その検出量は加え合わせ点132に負の信号
としてフィードバックされ、速度補償器134によりDCモ
ータ118が所定速度で回転すべく補償している。

さらに、可動部112の位置はスケール146により検出
し、スケール信号として位置制御部130のカウンタ130a
にフィードバックされ位置制御器130bにより駆動量を補
整し、D/A変換器130cを介して可動部112の位置制御を行
なっている。

ところで、以上のような三重のフィードバックループ
のみでは、外乱トルクの発生あるいは可動部112の負荷
の変動には対応できない。

そこで、本実施例においては電流検出部142に加えノ
ミナルトルク演算部148と、加速度演算部としての微分
器150と、ノイズ除去フィルタ152と、外乱トルク演算部
154と、外乱トルク／電流変換部156と、を備える。

そして、前記ノミナルトルク演算部148は、電流検出
部142よりDCモータ118への供給電流の検出結果を入力す
る。そして、該検出電流値よりノミナルトルク値を演算
する。

一方、微分器150は、タコメータ144よりモータ118の
回転角速度ωを入力し、その速度値を微分して加速度値
を演算する。

ノイズ除去フィルタ152は微分器150の出力端に接続さ
れ、該微分器150の微分作用により生ずるノイズを除去
する。

また、外乱トルク演算部154は加え合わせ点よりな
り、前記フィルタ152からの出力を＋入力し、ノミナル
トルク演算部148の出力を−入力する。

その加え合わせ結果は、電流変換部156に入力され、
外乱トルク／電流変換されて前記加え合わせ点136に−
入力される。

本発明において特徴的なことは、インパルス電流を回
避するためインパルス電流回避フィルタを設けたことで
あり、このために本実施例においては速度補償器134と
加え合わせ点136の間に、ノイズ除去フィルタ152と同じ
時定数τのフィルタ158を挿入している。

次に、第２図を参照しつつ本発明の作用について説明
する。

第２図には、第１図に示したブロック線図の物理系が
示されている。

同図より明らかなように、基本的な構成は前記第６図
と同様である。

しかしながら、前記第１図からも明らかなようにイン
パルス電流除去フィルタ158を挿入しているため、第２
図において目標電流値ｉ^＊は、1/（１＋τｓ）のフィル
タにかかる。

このため、前記式（６），（７）は次式のように変換
される。

以上のように、実電流ｉは微分項τｓの影響を受け
ず、目標電流値ｉ^＊にステップ状の命令が加えられた時
にも実電流ｉとしてインパルス状の電流を必要としな
い。

しかも、ω−ｉ^＊の関係も前記第５図に示した理想状
態となり、極めて優れた負荷無反応性を担持している。

［発明の効果］以上説明したように、本発明にかかる外乱トルク補償
装置によれば、駆動電流供給系にノイズ除去フィルタと
略同一のインパルス電流回避フィルタを入れたので、実
電流としてインパルス状の電流が必要なくなり、駆動速
度と目標電流値との関係も理想的な状態となる。

そして、駆動電流供給系と加え合せ点の間に、インパ
ルス電流回避フィルタを挿入し、且つ、加速度演算部と
外乱トルク演算部の間に、ノイズ除去フィルタを挿入し
ていることにより、従来の外乱トルク補償装置に比べ
て、駆動電流、即ち、外乱トルク変動の影響を除去する
トルクを早く発生できるので、変動抑制効果の向上を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる外乱トルク補償装置
の構成を示すブロック線図、第２図は第１図に示した外乱トルク補償装置の物理系の
説明図、第３図は一般的な駆動装置の説明図、第４図は第３図に示した駆動装置の物理系の説明図、第５図は理想的な外乱トルク補償系の説明図、第６図は第５図に示した外乱トルク補償系の加速度演算
部にフィルタを付加した物理系の説明図である。 142……電流検出部 144……タコメータ（速度検出部） 148……ノミナルトルク演算部 150……微分器（加速度演算部） 152……ノイズ除去フィルタ 154……外乱トルク演算部 156……外乱トルク／電流変換部 158……インパルス電流回避フィルタ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動電流供給系より所定の駆動電流を入力
して駆動する駆動装置の外乱トルク補償装置において、駆動部への供給電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の検出電流値よりノミナルトルクを演算
するノミナルトルク演算部と、駆動機構の駆動速度を検出する速度検出部と、前記駆動機構の駆動速度を微分し、ノミナル加速度を演
算する加速度演算部と、加速度演算部の微分出力のノイズ除去を行なうノイズ除
去フィルタと、前記ノイズ除去フィルタを介したノミナル加速度と、前
記ノミナルトルクの差値より外乱トルクを演算する外乱
トルク演算部と、前記外乱トルク量を電流値に変換する外乱トルク／電流
変換部と、前記駆動電流供給系と前記電流検出部の間に設けられ、
前記外乱トルク／電流変換部にて出力される外乱トルク
量に対応する電流値をマイナス入力する加え合せ点と、前記ノイズ除去フィルタと略同一の時定数を有するイン
パルス電流回避フィルタと、を含み、前記駆動電流供給系と前記加え合せ点の間に、
前記インパルス電流回避フィルタを挿入し、且つ、前記
加速度演算分部と前記外乱トルク演算部の間に、前記ノ
イズ除去フィルタを挿入していることを特徴とする外乱
トルク補償装置。