JP2569152B2 - サーボ制御方法 - Google Patents

サーボ制御方法

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JP2569152B2 JP26114488A JP26114488A JP2569152B2 JP 2569152 B2 JP2569152 B2 JP 2569152B2 JP 26114488 A JP26114488 A JP 26114488A JP 26114488 A JP26114488 A JP 26114488A JP 2569152 B2 JP2569152 B2 JP 2569152B2
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation

Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明はサーボモータの速度を制御するサーボ制御方
法に関する。
<従来技術> 誘導電動機や同期電動機等の交流モータの速度制御に
おいては、指令速度と実速度の偏差に応じた電流指令
(トルク指令)を発生して実速度を指令速度に一致させ
る。第5図は従来の速度ループのブロック図であり、1
は指令速度VCMDと実速度VFBの差である速度偏差を演算
する演算器、2は演算器1の出力を積分する積分ゲイン
k1の積分器、3は比例ゲインk2が設定されてk2・VFB
出力する比例器、4は積分器と比例器の出力差を演算し
てトルクコマンドを発生する演算器、5はトルク定数Kt
設定器、6は外乱トルクとトルク定数設定器の出力を加
算する演算器、7はモータでありJmはモータイナーシャ
である。
この第5図の速度ループにおいて、外乱トルクによる
影響はモータの速度変動として現われる。しかし、モー
タの速度変動は積分器k1/s及び比例器k2を通じてトルク
コマンドに反映されるため、速度ループ全体としては速
度変動を小さくする方向に作用する。そして、この外乱
の抑圧度は速度ループのゲインが高い程強くなるが、余
り速度ループゲインを高めると系全体が発振状態となる
ので限界がある。
<発明が解決しようとしている課題> このため、外乱トルクが大きな場合には、モータの速
度変動を十分に抑圧できず、例えば工作機械の切削時、
切削面にむらが出るなどの不具合が発生する。
そこで、本願出願人は特願昭63−132143号(出願日:
昭和63.05.30,名称:デジタルサーボ制御方法)におい
て、外乱トルクによる速度変動を抑圧する方法を提案し
ている。
この提案されている方法は、実速度と推定速度の偏差
および外乱トルクと外乱トルクの推定値の偏差が零に収
束するような状態観測器を設け、該状態観測器により推
定した外乱トルクに補正係数Kmを掛け合わせて補正トル
クコマンドt2を発生し、速度ループが計算したトルクコ
マンドt1から該補正トルクコマンドt2を差し引いたもの
を真のトルクコマンドとして出力するものであり、外乱
に対する速度ループのロバスト性(実速度の変動が少な
いこと)を実現することができる。
しかし、かかる提案されている方法においては、実速
度が零のとき、速度ループの作るトルクコマンドt1と補
正トルクコマンドt2は同符号となり、t2/t1の大きさが
1より大きい時正帰還が掛かって系全体が発振してしま
う。そのため、補正係数Kmには限界があり、十分な補正
ができない場合が生じる。
以上から本発明の目的は、系が発振することがなく、
しかも十分なトルク補正が可能であり、従ってモータの
速度変動を十分に抑圧できるサーボ制御方法を提供する
ことである。
<課題を解決するための手段> 第1図は本発明にかかるサーボ制御系の構成図であ
る。
10速度ループ、15はトルクコマンド補正部、50は状態
観測器(オブザーバ)、70はハイパスフィルタ、x2は外
乱トルク、x1はモータ実速度、は推定された外乱ト
ルク、uは補正後のトルクコマンドである。
<作用> モータ実速度と推定速度の偏差および外乱トルクと外
乱トルクの推定値との偏差が共に零に収束するようにモ
ータ速度及び外乱トルクを推定する状態観測器50を構成
し、該状態観測器により推定した外乱トルクをハイ
パスフィルタ70に通して補正トルクコマンドt2を発生
し、該補正トルクコマンドt2により速度ループ10内のト
ルクコマンドt1を補正し、補正により得られたトルクコ
マンドuをサーボモータ18に入力する。
<実施例> 本発明は、モータ実速度と推定速度の偏差及び外乱ト
ルクと外乱トルクの推定値との偏差が共に零に収束する
ようにモータ速度及び外乱トルクを推定する状態観測器
を構成し、該状態観測器により推定したトルクによりサ
ーボモータへ与えるトルクコマンドを補正する。従っ
て、初めに状態観測器の原理について説明する。
状態フィードバックによる制御を行うためには、制御
対象の状態量がすべて各時刻において測定できることが
必要である。しかし、一般の多変数システムでは変数の
数が多過ぎると状態量のすべてを直接測定できないこと
が多い。そのために、制御システム内の直接測定できる
出力から状態量を推定しなければならない。この状態推
定の1つの方法として、制御系のモデルを構成してその
出力を比較して推定する方法があり、この推定する手段
が状態観測器(オブザーバ)と称されている。さて、 n次元線形システム =Ax+Bu, x(t)=x0 (1) y=Cx (1)′ を考える。尚、このシステムでu(t)は制御入力(操
作量)、x(t)は状態、y(t)は出力である。
又、上記システム(プロセス)と同一のシステムをモ
デルとして構成し、同一の入力を加えるものとすると、
該モデルは以下 のように表わせる。このとき状態からxを推定できる
かどうかを考えてみる(第2図参照)。今、システムの
状態x(t)とモデルの状態(t)との差を x(t)−(t)=e(t) (3) とおけば、(1),(2)式から となる。ただし、e(0)=x0である。(4)式が漸近
安定ならば、すなわちAの固有値の実部がすべて負なら
ばt→無限大に対してe(t)→0なるから(t)は
漸近的にx(t)に近ずく。さもなければ、(t)は
x(t)の情報を示さず、(2)式からは(1)式で示
すシステムの状態を推定できない。
そこで、必ず漸近的にe(t)→0となるようにする
ために、フィードバックを利用することを考える。すな
わち、第3図に示すように元のシステムの出力と推定シ
ステムの出力の差をフィードバックして利用し、次のよ
うに構成する。
(1)式から(5)式を差し引くと (t)=Ae(t)−LCe(t) =(A−LC)e(t), e(0)=x0(6) 故に、 e(t)={exp(A−LC)t}・e(0) となる。このe(t)はx(t)−(t)であるか
ら、この特性方程式の根を負にするLが存在すればt→
無限大で必ずe(t)→0とでき、(5)式のシステム
で(1)式のシステムの状態観測器になり得る。尚、上
記においてA,B,C,Lは所定の行列マトリクスである。
第1図は状態観測器を組み込んだ速度制御系のブロッ
ク図である。
10は速度ループであり、1点鎖線で囲んだ部分(アン
プ、モータ、電流ループ)を除き全てソフトウエアによ
るデジタル演算処理により構成される。50は状態観測器
であり同様にソフトウエアによるデジタル演算処理によ
り構成される。70は状態観測器50により推定された外乱
トルクが入力される補正トルクコマンドt2を発生す
るハイパスフィルタである。
速度ループ10において、11は指令速度VCMDとモータ速
度x1の差である速度偏差を演算する演算器、12は演算器
11の出力を積分する積分ゲインK1の積分器(K1/s)、13
はK2・x1を出力する比例器、14は積分器と比例器の出力
差を演算してトルクコマンド(速度ループが計算したト
ルクコマンド)t1を発生する演算器、15は演算器14から
出力されたトルクコマンドをハイパスフィルタ70の出力
である補正トルクコマンドt2で補正して真のトルクコマ
ンドuを出力するトルクコマンド補正部(演算器)であ
る。又、16はトルク定数Kt設定器、17は外乱トルクx2
加入部、18はモータでありJmはモータイナーシャであ
る。
外乱トルクを推定する状態観測器50において、Jmはモ
ータイナーシャ、Ktはトルク定数、K10,K20は状態観測
器の特性を決定するゲインベクトル、x1はモータ実速
度、は推定された外乱トルク、uはトルクコマンド
であり、モータ実速度x1と推定速度の偏差及び外乱
トルクx2と外乱トルクの推定値との偏差が共に零に
収束するように構成されている。
ハイパスフィルタ70は伝達関数Km・s/(s+a)を有
し、状態観測器50により推定された外乱トルクの低
周波成分を減衰し、高周波成分のみをKm倍して補正トル
クコマンドt2として速度ループ10のトルクコマンド補正
部15に入力する。ハイパスフィルタ70の帯域は定数aに
依存し周波数特性は第4図のF1(点線)に示すようにな
る。尚、状態観測器50の周波数特性はF2(1点鎖線)と
なり、従って系全体の特性はF3(実線)となる。
このように推定された外乱トルクの低周波成分を
減衰あるいはカットする理由は、 (i)トルクコマンドt1と補正トルクコマンドt2の比t2
/t1の大きさが1より大きくなって、発振現象をおこす
のは外乱トルクx2に含まれる低周波数成分である、 (ii)外乱トルクx2に含まれる周波数成分が速度ループ
の帯域周波数に比べて十分に低い場合には、速度ループ
自体の作用により外乱の影響を小さくできることによ
る。
次に、第1図の全体的動作を説明する。
状態観測器50は、モータ実速度と推定速度の偏差が零
に収束するように外乱トルクを推定し、推定した外乱ト
ルク(t)をハイパスフィルタ70に入力する。
ハイパスフィルタ70は推定外乱トルク(t)に含
まれる低周波成分を減衰し、所定周波数以上の成分のみ
Km倍して補正トルクコマンドt2として出力する。
トルク補正部15は速度指令に基づいて計算されたトル
クコマンドt1から補正トルクコマンドt2を差し引いた値
を真のトルクコマンドu(t)として出力し、モータを
駆動する。
以後最新のトルクコマンドu及び実速度x1が状態観測
器50に入力され、前記動作が繰り返され速度変動が抑圧
される。
以上のように、本発明によれば推定された外乱トルク
から低周波成分を除去したから系全体の発振を防止
することができる。尚、外乱トルクの低周波成分を除去
しても該低周波成分による速度変動は速度ループ自体が
抑圧することができ、問題はない。
また本発明によれば、速度ループでは抑圧できない外
乱中の高周波成分による速度変動を状態観測器により推
定した外乱トルクを用いて十分に抑圧することができ
る。
<発明の効果> 以上本発明によれば、実速度と推定速度の偏差および
外乱トルクと外乱トルクの推定値の偏差が零に収束する
ような状態観測器を設け、該状態観測器により推定した
外乱トルクに対してハイパスフィルタ処理を施し、ハイ
パス処理結果に基づいてサーボモータへ与えるトルクコ
マンドを補正するように構成したから、外乱トルクに含
まれる低周波成分に起因して系が発振することはなくな
った。
又、本発明によれば外乱の高周波成分に対して補正係
数を大きくでき十分なトルク補正が可能で、モータの速
度変動を十分に抑圧できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかるサーボ制御系の構成図、 第2図及び第3図は状態観測器の原理説明図、 第4図は状態観測器及びハイパスフィルタの周波数帯域
説明図、 第5図は従来の速度ループを示すブロック図である。 10……速度ループ、 15……トルクコマンド補正部、 50……状態観測器(オブザーバ)、 70……ハイパスフィルタ、 x2……外乱トルク、x1……モータ実速度、 ……推定された外乱トルク、 u……補正後のトルクコマンド

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】サーボモータの速度を制御するサーボ制御
    方法において、 実速度と推定速度の偏差および外乱トルクと外乱トルク
    の推定値の偏差が零に収束するような状態観測器を設
    け、 該状態観測器により推定した外乱トルクに対してハイパ
    スフィルタ処理を施し、 ハイパス処理結果に基づいてよりサーボモータへ与える
    トルクコマンドを補正することを特徴とするサーボ制御
    方法。
JP26114488A 1988-10-17 1988-10-17 サーボ制御方法 Expired - Lifetime JP2569152B2 (ja)

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