JP2663526B2

JP2663526B2 - アクチュエータの制御装置

Info

Publication number: JP2663526B2
Application number: JP16030988A
Authority: JP
Inventors: 公平大西; 晃望月
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1988-06-28
Publication date: 1997-10-15
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JPH0210411A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、種々のアクチュエータの力制御またはト
ルク制御をするアクチュエータの制御装置に関する。

［従来の技術］この種の制御装置としては、第11図に示すような制御
ブロックのサーボモータ用制御装置がよく知られてい
る。この制御装置は、通電流や過速度防止のために挿入
されているリミッタが動作しない線形範囲において成り
立っており、補償要素としては比例＋積分要素（PI制
御）が用いられている。図中θはサーボモータの回転
角、θ^refは回転角指令値、ωはサーボモータの角速
度、ω^refは角速度指令値、Ｊは回転軸回りの慣性モー
メント、T_extは負荷トルクであり、回転角θと角速度ω
を検出してフィードバックしている。このような制御系
の設計指針は、設定値に対する応答を最適なものとする
ことに力点がおかれている。このような事情は他のアク
チュエータについても同様である。

［発明が解決しようとする課題］ところで、現代制御理論の教えるところによると、シ
ステムの最適化を図るためには、その系の状態変数がす
べて分かっていることが必要である。

その点、前述した第11図の制御装置の場合は、位置と
測度についてはセンサを通じてその値を知ることができ
るものの、角速度と負荷トルクT_extについては分からぬ
まま制御している。もしも、これらの値が分かるならば
よりよい制御が可能となる。このことは他のアクチュエ
ータの制御にても同様であり、また回転運動、直線運動
の如何を問わず同じことがいえる。

この発明は、加速度レベルまでも考慮した新規な制御
装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明のアクチュエータの制御装置は、力定数またはトルク定数をKtとするアクチュエータ
と、そのアクチュエータにT_extの負荷力または負荷トル
クをかける負荷とを結合し、重心位置換算での慣性力または回転軸回り換算での慣
性モーメントがＪとなり、重心位置換算での粘性摩擦力
または回転軸回り換算での粘性摩擦トルクがＤωとな
り、重心位置換算でのクーロン摩擦力または回転軸回り
換算でのクーロン摩擦トルクがＦとなるときに、前記アクチュエータの制御量Iaに応じて前記アクチュ
エータの出力を制御するアクチュエータの制御装置にお
いて、前記アクチュエータの速度成分ωまたは加速度成分ω
ｓから、次式で与えられる外乱力または外乱トルクT_dis
を求め、これに相当する補償制御量を前記アクチュエー
タにフィードバックするフィードバック手段を備えたこ
とを特徴とするアクチュエータの制御装置。

T_dis＝（T_ext−T_extn）＋（Ｊ−J_n）ｓω ＋（Ｄ−D_n）ω＋（Ｆ−F_n）＋（Kt_n−Kt）Ia 但し、 T_extnは負荷力または負荷トルクの公称値、 J_nは重心位置換算での慣性力または回転軸回り換算で
の慣性モーメントの公称値、Ｄは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換算
での粘性係数、 D_nは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換算
での粘性係数の公称値、 F_nは重心位置換算でのクーロン摩擦力または回転軸回
り換算でのクーロン摩擦力の公称値、 Kt_nはアクチュエータの力定数またはトルク定数の公
称値、ｓはラプラス演算子である。

［作用］この発明のアクチュエータの制御装置は、アクチュエ
ータの制御系において抑圧すべき全ての外乱力または外
乱トルクを一括して計算してフィードバックすることに
より、アクチュエータのパラメータ値が変動してもノミ
ナルなトルク定数またはトルク定数と、ノミナルな慣性
モーメントを持つモデルに固定化して、制御性能の格段
の向上を図る。

［実施例］以下、この発明の実施例を第１図ないし第10図に基づ
いて説明する。

第１図ないし第７図は、この発明の第１実施例であ
る。

まず、外乱トルクについて説明する。

電動機（アクチュエータ）１に電力を供給する増幅器
は、FETや高速トランジスタと、PWM（パルス幅変調）技
術等によって制御電流源と考えることができ、電動機１
と、この電動機１によって駆動される工作機械やロボッ
トマニュピュレータ等の負荷２のモデルは、第２図に示
すように簡単化できる。ここで、Ia^refは制御電流指令
値、Iaは制御電流、Ktは電動機１のトルク定数、Ｊは回
転回りの慣性モーメント、Ｄは回転軸回りの機械系の粘
性係数、Ｆは回転軸回りのクーロン摩擦力、T_extは負荷
トルク、ｓはラプラス演算子、ωは角速度であり、電動
機１にかかる負荷２の全トルクは、 T_ext＋Ｆ＋（Js＋Ｄ）ω となる。

上式中の定数と係数は、それぞれ時間依存性を持つ。
慣性モーメントＪの変動は、工作機械やロボットマニュ
ピュレータ等において大きな問題となり、また摩擦力Ｆ
も温度、速度、力などに依存して大幅に変化して問題と
なる。

そこで、角加速度ωｓと角速度ωを測定し、第３図に
表すようなオブザーバ（フィードバック手段）３を用い
て外乱トルクT_disを求める。図中における下添字ｎは公
称値（ノミナル値）を意味し、Kt_nは電動機１のトルク
定数の公称値、T_extnは負荷トルクの公称値、F_nは回転
軸回りのクーロン摩擦力の公称値、D_nは回転軸回りの機
械系の粘性係数の公称値である。結果として、外乱トル
クT_disは下式（１）によって求まる。

T_dis＝（T_ext−T_extn）＋（Ｊ−J_n）ｓω ＋（Ｄ−D_n）ω＋（Ｆ−F_n）＋（Kt_n−Kt）Ia^ref ……（１）上式において、右辺第１項は負荷トルクの変動項、第
２項は慣性モーメントの変動によって発生する慣性力、
第３項および第４項は粘性力とクーロン力によって変動
する摩擦トルク項、第５項はトルク定数の変動によるト
ルクリプル項（例えば、磁束の空間高周波に起因するト
ルクリプル）をそれぞれ表している。したがって、この
ような式を用いることにより、電動機１の制御系によっ
て抑圧すべき全ての外乱トルクを一括して計算すること
ができ、しかもそれぞれの項の値が時間の関数であって
も全く影響を受けない。

そして、上式によって求めた外乱トルクT_disを第１図
に表すようにフィードバックする。そのフィードバック
は、第４図および第５図のように等価変換できる。これ
らのブロック線図は、電動機１のパラメータの変動に関
係なく、ノミナルなトルク定数Kt_nと、ノミナルな慣性
モーメントJ_nと、ノミナルな粘性係数D_nを持つモデルに
固定化されて、制御剛性（スチフネス）が理論上、任意
に決定できることを意味する。換言すると、電動機１と
それに結合された負荷２が負荷変化、慣性変化、摩擦変
化、およびトルクリプル変動のない系として見えること
になる。

第６図および第７図は、この発明の制御装置を用いた
トルク制御の実験例を説明するための図である。

この実験装置は、マニュピュレータ（負荷）２にトル
ク指令T_cmdを与えて、力センサ４による反作用力T_react
の検出信号をフィルタリングしてフィードバックすると
共に、マニュピュレータ２の角速度ωを前述したオブザ
ーバ３に与えて、外乱トルクT_disをフィードバックする
ようになっている。したがって、内側ループにオブザー
バ３を用い、外側ループに力センサ４を用いることにな
る。第７図（ａ）はオバザーバ３を用いなかった場合の
実験結果であり、同図（ｂ）はオブザーバ３を用いた場
合の実験結果である。これらの実験結果から明らかなよ
うに、単純な力センサ４のみのフィードバックでは正確
な力が対象に印加されない。しかし、オブザーバ３を用
いた場合には指令通りの力が印加された。

第８図ないし第10図は、この発明の第２実施例を説明
するための図である。

本実施例の場合は、角速度計10を用いて角速度ωを検
出し、その検出信号をオブザーバ11（フィードバック手
段）に与えている。オブザーバ11は、１個の積分器12の
みを含む簡単な構造となっていて、機械系の粘性力のノ
ミナル値D_nを“0"とし、トルク定数K_tと慣性モーメント
Ｊのノミナル値Kt_n,J_nのみを考慮した構成となってい
る。また、ω_０はオブザーバ11の遮断周波数を意味す
る。その他の構成は前述した第１実施例と同様である。
結果として、外乱トルクT_disは下式（２）によって求ま
る。

T_dis＝｛T_ext＋（Ｊ−J_n）ｓω＋Ｄω ＋Ｆ＋（Kt_n−Kt）Ia^ref｝｛ω₀/（ω_０＋ｓ）｝ ……（２）上式の右辺の前側中括弧内において、第１項は負荷ト
ルク、第２項は慣性モーメントの変動により発生する慣
性力、第３項と第４項は粘性力とクーロン力による摩擦
トルク項、第５項はトルク定数の変動によるトルクリプ
ル項（例えば、磁束の空間高周波に起因するトリクリプ
ル）をそれぞれ表している。

結局、フィードバックする外乱トルク_disは、下式
（３）によって表される。

dis＝（Ktn/Kt）｛ω₀/（ω_０＋ｓ）｝Tdis ……（３）上式（３）から明らかなように、外乱トルクを時定数
1/ω_０だけ遅れて推定していることになる。ここでは、
角加速度が直接表れてはいない。しかし、第８図の構成
のオブザーバ11を第９図のように書き直すことができる
ことから、陰関数として角加速度を求めていることにな
る。また、第８図は第10図のようにも等価交換できる。
同図において、外乱が系に与える伝達特性はＧ（ｓ）と
なる。すなわち、ほぼオブザーバの遮断周波数ω_０以下
における外乱を抑圧することになる。この遮断周波数ω
_０は、通常のブラシレス速度発電機を速度センサとして
用いる場合は、500〜5000（rad/sec）程度となり、その
以下の外乱成分を抑圧することになる。

なお、この発明の制御装置は、何等、電動機１用の制
御装置としてのみに特定されず、種々のアクチュエータ
の制御装置として広範囲に適用することができる。例え
ば、油圧アクチュエータの場合には、前述した電流Iaを
油圧バルブの操作量として、それに比例する油圧アクチ
ュエータのトルク定数をKtとすればよい。

［効果］以上説明したように、この発明のアクチュエータの制
御装置は、アクチュエータの制御系において抑圧すべき
全ての外乱トルクを一括して計算してフィードバックす
る構成であるから、アクチュエータのパラメータ値が変
動してもノミナルなトルク定数とノミナル慣性モーメン
トを持つモデルに固定化して、格段の制御性能の向上を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図はこの発明の第１実施例を説明する
ための図であって、第１図は制御系全体のブロック線
図、第２図は電動機によって駆動される変換器をモデル
化したブロック線図、第３図はオブザーバのブロック線
図、第４図および第５図は第１図のブロック線図を等価
変換した図、第６図は実験装置の構造図、第７図（ａ）
は第６図の実験装置によるオブザーバなしの場合の実験
結果の説明図、同図（ｂ）は第６図の実験装置によるオ
ブザーバありの場合の実験結果の説明図である。第８図ないし第10図はこの発明の第２実施例を説明する
ための図であって、第８図は制御系全体のブロック線
図、第９図および第10図は第８図のブロック線図を等価
変換した図である。第11図は、従来におけるサーボモータ用制御装置のブロ
ック線図である。１……電動機、２……負荷、３……オブザーバ（フィードバック手段）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】力定数またはトルク定数をKtとするアクチ
ュエータと、そのアクチュエータにT_extの負荷力または
負荷トルクをかける負荷とを結合し、重心位置換算での慣性力または回転軸回り換算での慣性
モーメントがＪとなり、重心位置換算での粘性摩擦力ま
たは回転軸回り換算での粘性摩擦トルクがＤωとなり、
重心位置換算でのクーロン摩擦力または回転軸回り換算
でのクーロン摩擦トルクがＦとなるときに、前記アクチュエータの制御量Iaに応じて前記アクチュエ
ータの出力を制御するアクチュエータの制御装置におい
て、前記アクチュエータの速度成分ωまたは加速度成分ωｓ
から、次式で与えられる外乱力または外乱トルクT_disを
求め、これに相当する補償制御量を前記アクチュエータ
にフィードバックするフィードバック手段を備えたこと
を特徴とするアクチュエータの制御装置。 T_dis＝（T_ext−T_extn）＋（Ｊ−J_n）ｓω ＋（Ｄ−D_n）ω＋（Ｆ−F_n）＋（Kt_n−Kt）Ia 但し、 T_extnは負荷力または負荷トルクの公称値、 J_nは重心位置換算での慣性力または回転軸回り換算での
慣性モーメントの公称値、Ｄは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換算で
の粘性係数、 D_nは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換算で
の粘性係数の公称値、 F_nは重心位置換算でのクーロン摩擦力または回転軸回り
換算でのクーロン摩擦力の公称値、 Kt_nはアクチュエータの力定数またはトルク定数の公称
値、ｓはラプラス演算子である。