JP2706743B2 - Control method of belt transmission mechanism - Google Patents
Control method of belt transmission mechanismInfo
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- JP2706743B2 JP2706743B2 JP2230834A JP23083490A JP2706743B2 JP 2706743 B2 JP2706743 B2 JP 2706743B2 JP 2230834 A JP2230834 A JP 2230834A JP 23083490 A JP23083490 A JP 23083490A JP 2706743 B2 JP2706743 B2 JP 2706743B2
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16H7/00—Gearings for conveying rotary motion by endless flexible members
- F16H7/08—Means for varying tension of belts, ropes, or chains
- F16H2007/0876—Control or adjustment of actuators
- F16H2007/0887—Control or adjustment of actuators the tension being a function of load
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、駆動源の動作をベルトを介して負荷に伝達
するベルト伝動機構の制御方法に関し、特に前記負荷側
に生じる振動を有効に抑制し得る制御方法に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a control method of a belt transmission mechanism for transmitting the operation of a drive source to a load via a belt, and particularly to effectively suppress vibration generated on the load side. Control method that can be performed.
モータ等の駆動源から適宜の負荷への伝動を、前者の
出力端と後者の入力端との間に巻装したベルトを介して
行うベルト伝動機構は、駆動源と負荷との相対的な位置
関係によって制限されることなく、簡略な構成にて伝動
をなし得ることから、種々の機械における伝動機構とし
て広く採用されている。A belt transmission mechanism that transmits power from a drive source such as a motor to an appropriate load via a belt wound between an output end of the former and an input end of the latter has a relative position between the drive source and the load. Since transmission can be performed with a simple configuration without being limited by the relationship, it is widely adopted as a transmission mechanism in various machines.
ところが、このようなベルト伝動機構において前記負
荷を所定の目標位置に到達せしめるべく駆動源を動作せ
しめるに際し、一般的に行われているように、前記駆動
源の現状の動作位置をフィードバック信号として利用
し、該駆動源へ動作指令を与える制御方法を採用した場
合、駆動源と負荷との間に介在する伝動ベルトの弾性挙
動により負荷に大きい振動が発生し、該負荷が前記目標
位置に達してこの位置に整定するまでの間に多大の時間
を要するという難点があった。なお負荷におけるこの振
動は、駆動源の動作位置をフィードバックする際のルー
プゲインを低くすることにより抑制可能であるが、この
場合、前記目標位置での停止精度が悪化し、負荷の正確
な位置決めが困難となる問題がある。However, in such a belt transmission mechanism, when a drive source is operated to reach the load at a predetermined target position, the current operation position of the drive source is used as a feedback signal, as is generally performed. However, when a control method of giving an operation command to the drive source is employed, a large vibration occurs in the load due to the elastic behavior of the transmission belt interposed between the drive source and the load, and the load reaches the target position. There was a drawback that it took a lot of time to settle to this position. Note that this vibration in the load can be suppressed by lowering the loop gain when feeding back the operating position of the drive source. However, in this case, the stopping accuracy at the target position deteriorates, and accurate positioning of the load becomes difficult. There is a difficult problem.
更に、駆動源側ではなく負荷側にて現状の動作位置を
検出し、この結果を駆動源の動作指令にフィードバック
する手法もあるが、対象となるベルト伝動機構、及びこ
れに前置又は後置されたねじ機構、歯車機構等の他の伝
動機構とにより負荷側が減速される場合、該負荷の動作
位置を検出する位置センサ及びこれの出力信号の処理系
に極めて高い分解能が要求され、システムコストの高騰
を招来する上、このようなセンサ及び処理系を用いたと
しても負荷の停止後にベルトの弾性復帰に伴う振動の発
生が避けられない難点があった。There is also a method of detecting the current operating position on the load side instead of the drive source side and feeding back the result to the drive source operation command.However, the target belt transmission mechanism and the front or rear When the load side is decelerated by another transmission mechanism such as a screw mechanism or a gear mechanism, a very high resolution is required for a position sensor for detecting an operation position of the load and a processing system for an output signal of the position sensor. In addition, the use of such a sensor and the processing system has the disadvantage that even after the use of such a sensor and the processing system, the occurrence of vibration due to the elastic return of the belt after the stop of the load is inevitable.
以上のことから従来においては、精密工作機械のテー
ブル移動、多関節ロボットの関節駆動等、高速動作と高
い位置決め精度とが要求される各種自動化機器へのベル
ト伝動機構の採用は困難であるとされており、ボールね
じ機構、歯車機構等の弾性の影響が少ない伝動機構が専
ら採用されている。また、この種のデジタルサーブ装置
は特開平２−89107号公報に、位置決め制御における機
械的振動の抑制方法は特開昭60−231205号公報に、柔軟
アームの制御装置は特開昭63−120312号公報に、移動体
の最適制御方法は特開昭61−173305号公報に、物体の位
置制御方式は特開昭63−46521号公報に示されている。From the above, it has been considered difficult to adopt a belt transmission mechanism in various types of automation equipment that require high-speed operation and high positioning accuracy, such as moving a table of a precision machine tool and driving a joint of an articulated robot. Therefore, transmission mechanisms such as a ball screw mechanism and a gear mechanism that are less affected by elasticity are exclusively used. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-89107 discloses a digital serve device of this type, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-231205 discloses a method for suppressing mechanical vibration in positioning control, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-120212 discloses a control device for a flexible arm. Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 63-465305 discloses an optimal control method of a moving object, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-46521 discloses an object position control method.
しかし、これらの方法又は装置は、ベルト駆動機構の
振動を極めて有効に抑制することが難しいという問題が
ある。However, these methods or apparatuses have a problem that it is difficult to effectively suppress the vibration of the belt driving mechanism.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、高
速動作下にて負荷側に発生する振動が有効に抑制され、
高い位置決め精度を実現でき、各種自動化機器へのベル
ト伝動機構の採用を可能とするベルト伝動機構の制御方
法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and vibration generated on the load side under high-speed operation is effectively suppressed,
An object of the present invention is to provide a control method of a belt transmission mechanism that can realize high positioning accuracy and that can employ the belt transmission mechanism in various kinds of automation equipment.
本発明に係るベルト伝動機構の制御方法は、駆動源と
の間に伝動ベルトを備えた負荷を所定の目標位置に到達
せしめるべく、前記駆動源に動作指令を与えるベルト伝
動機構の制御方法において、慣性モーメント及び粘性摩
擦夫々を共に有する駆動源及び負荷が所定のばね定数を
有する伝動ベルトにて連結されたものとしてベルト伝動
機構をモデル化し、前記動作指令に従っての動作中に前
記駆動源の動作位置を検出し、前記モデルに従って前記
検出した動作位置と前記動作指令とを入力とするオブザ
ーバにより前記負荷の動作位置及び動作速度、並びに前
記駆動源の動作速度を推定し、これらの推定結果と前記
検出した動作位置とにより前記負荷の躍動及び加速度を
算出し、これらの算出結果と前記負荷の動作速度の推定
結果とを前記動作指令に負帰還し、負荷側に適正なダン
ピングを付加することを特徴とする。A control method of a belt transmission mechanism according to the present invention is a control method of a belt transmission mechanism that gives an operation command to the drive source so that a load including a transmission belt between the drive source and a drive source reaches a predetermined target position. A belt transmission mechanism is modeled as a drive source and a load having both a moment of inertia and viscous friction connected by a transmission belt having a predetermined spring constant, and the operation position of the drive source during operation according to the operation command The operation position and the operation speed of the load, and the operation speed of the drive source are estimated by an observer that receives the detected operation position and the operation command according to the model, and the estimation result and the detection The dynamics and acceleration of the load are calculated based on the determined operation position, and the calculation results and the estimation result of the operation speed of the load are calculated based on the operation finger. And negative feedback, characterized by adding an appropriate damping to the load side.
本発明においては、駆動源の動作位置の検出結果と駆
動源への動作指令とからオブザーバにより負荷の動作位
置及び動作速度、並びに駆動源の動作速度を推定し、こ
の結果と駆動源の動作位置の検出結果とを用いて負荷の
躍動と加速度とを算出して、これら両者と負荷の動作速
度の推定結果とを駆動源への動作指令に負帰還すること
により、負荷側に適正量の電気的なダンピングが付加さ
れた状態を作り出し、該負荷に生じる振動を抑制する。
このとき前記負帰還におけるフィードバック定数は負荷
側各部の物性により一意に決定されるから、前記ダンピ
ング量の適正化は容易であり、前記振動の抑制は有効に
なされ、また以上の過程において検出が必要なものは駆
動源の動作位置のみであり、この検出用センサ及び該セ
ンサの出力処理系に高い分解能が要求されることもな
い。In the present invention, the operation position and the operation speed of the load and the operation speed of the drive source are estimated by the observer from the detection result of the operation position of the drive source and the operation command to the drive source. By calculating the jump and acceleration of the load using the detection result of the load, and by negatively feeding back both these and the estimation result of the operation speed of the load to the operation command to the drive source, an appropriate amount of electric power is supplied to the load side. A state in which a typical damping is added is created, and the vibration generated in the load is suppressed.
At this time, since the feedback constant in the negative feedback is uniquely determined by the physical properties of each part on the load side, it is easy to optimize the damping amount, the vibration is effectively suppressed, and the detection is necessary in the above process. What is important is only the operating position of the drive source, and high resolution is not required for the detection sensor and the output processing system of the sensor.
以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述す
る。第１図は、本発明に係るベルト伝動機構の制御方法
（以下本発明方法という）の実施状態の一例を示す模式
図である。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing the embodiments. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of a method of controlling a belt transmission mechanism according to the present invention (hereinafter, referred to as a method of the present invention).
本図は、基台１上において案内レール1aに沿って摺動
する負荷２を駆動源たるモータ３の回転により動作せし
める場合の実施例を示しており、これは、例えば精密工
作機械におけるテーブル移動の用途等に採用される。図
示の如く、基台１の側面には負荷２の移動方向に沿って
ボールねじ軸４が架設してあり、このボールねじ軸４に
は、負荷２に突設されたボールナット2aが螺合せしめて
ある。一方、ボールねじ軸４の基端部にはベルト車4a
が、また前記モータ３の出力軸にはベルト車3aが夫々嵌
着されており、両ベルト車3a,4a間には伝動ベルト５が
巻装してある。以上の構成によりモータ３が発生する駆
動力は、ベルト車3a,4a及び伝動ベルト５からなるベル
ト伝動機構を介してボールねじ軸４に伝達され、これに
よりボールねじ軸４が軸心回りに回動し、この回動力が
ボールねじ軸４及びこれに螺合するボールナット2aから
なるボールねじ機構の動作により負荷２の摺動方向の力
に変換され、負荷２はこの力の作用により基台１上を案
内レール1aに沿って摺動することになる。FIG. 1 shows an embodiment in which a load 2 sliding along a guide rail 1a on a base 1 is operated by rotation of a motor 3 serving as a driving source. It is used for applications. As shown in the figure, a ball screw shaft 4 is provided on the side surface of the base 1 along the moving direction of the load 2, and a ball nut 2a protruding from the load 2 is screwed onto the ball screw shaft 4. It is closed. On the other hand, the base end of the ball screw shaft 4 has a belt wheel 4a.
However, a belt wheel 3a is fitted on the output shaft of the motor 3, and a transmission belt 5 is wound between the belt wheels 3a and 4a. With the above configuration, the driving force generated by the motor 3 is transmitted to the ball screw shaft 4 via a belt transmission mechanism including the belt wheels 3a, 4a and the transmission belt 5, whereby the ball screw shaft 4 rotates around the axis. The rotating power is converted into a force in the sliding direction of the load 2 by the operation of the ball screw mechanism including the ball screw shaft 4 and the ball nut 2a screwed to the shaft. 1 will slide along the guide rail 1a.
即ち第１図に示す伝動系は、駆動源であるモータ３
と、前記ボールねじ機構を含む負荷２との間に、ベルト
車3a,4a及び伝動ベルト５からなるベルト伝動機構を備
えてなる。モータ３は、負荷２を所定の目標位置に到達
せしめるべく制御部６からの動作指令Ａに従って駆動さ
れるようになしてあり、該制御部６には、モータ３の回
転軸に装着され、例えばロータリエンコーダを用いてな
る回転角度検出器７から、該モータ３の現状の回転角度
θｍ、即ち駆動源の現状の動作位置を示す信号が与えら
れている。That is, the transmission system shown in FIG.
And a load 2 including the ball screw mechanism, a belt transmission mechanism including belt wheels 3a, 4a and a transmission belt 5 is provided. The motor 3 is driven in accordance with an operation command A from the control unit 6 so that the load 2 reaches a predetermined target position. The control unit 6 is mounted on a rotating shaft of the motor 3 and, for example, From the rotation angle detector 7 using a rotary encoder, a signal indicating the current rotation angle θ m of the motor 3, that is, the current operation position of the drive source is provided.
本発明方法に従って動作する制御部６は、外部から与
えられる目標値Ｕと前記回転角度θｍの検出値とを用
い、両者間の偏差を解消すべくモータ３に動作指令Ａを
発すると共に、該モータ３の角速度ｍ、並びに該モー
タ３にて駆動される負荷２の動作位置Xa及び動作速度
ａを推定し、更にこれらの推定結果と前記θｍとを用い
て負荷２の加速度ａ及び躍動（加速度の時間微分値） を算出して、これらの算出結果及び負荷２の動作速度
ａの推定結果を前記動作指令Ａに負帰還することによ
り、モータ３にて駆動される負荷２に電気的な適正量の
ダンピングを付加せしめ、該負荷２の振動を抑制しつつ
モータ３を駆動する動作をなす。Control unit 6 which operates according to the method of the present invention, using a detection value of the target value U and the rotation angle theta m given from the outside, with issues an operation command A to the motor 3 so as to eliminate the deviation between them, the The angular velocity m of the motor 3 and the operating position Xa and operating speed of the load 2 driven by the motor 3
estimating the a, further acceleration a and dynamic loads 2 by using the said theta m with these estimation results (time differential value of the acceleration) Is calculated, and these calculation results and the operation speed of the load 2 are calculated.
By negatively feeding back the estimated result of a to the operation command A, the load 2 driven by the motor 3 caused to adding damping electrical proper amount, driving the motor 3 while suppressing the vibration of the load 2 Make an action that
第２図は、第１図に示す伝動系のモデル図、第３図は
同じくブロック線図であり、図中10は、モータ３及びベ
ルト車3aを含むモータ部を、また20は、ベルト車4a、ボ
ールねじ軸４及び負荷２等を含む負荷部を、更に30は、
ベルト車3a,4a及び伝動ベルト５からなるベルト伝動機
構を夫々示している。2 is a model diagram of the transmission system shown in FIG. 1, FIG. 3 is a block diagram of the transmission system, and 10 is a motor unit including a motor 3 and a belt wheel 3a, and 20 is a belt wheel. 4a, a load portion including a ball screw shaft 4 and a load 2, etc.
1 shows a belt transmission mechanism including belt wheels 3a and 4a and a transmission belt 5.
第１図の伝動系は、第２図に示す如く、慣性モーメン
トJm及び粘性摩擦Dmを有するモータ部10と、慣性モーメ
ントJa及び粘性摩擦Daを有する負荷部20とが、Ｋなるば
ね定数を有する伝動ベルト５にて連結されたモデルとし
て表される。制御部６からモータ３に与えられる駆動指
令Ａは力の次元を有しており、モータ３は、これの内部
の摩擦抵抗力と負荷部20からの反力とに抗して動作指令
Ａに従う駆動力を発生すべく駆動され、該動作指令Ａか
ら前記摩擦抵抗及び前記反力を減じてなる駆動トルクを
発生し、この駆動トルクは、第３図に示す伝動系全体の
ブロック線図に示すようにベルト車3aを含むモータ３の
イナーシャJmの逆数をゲインとして有する乗算器11を経
てモータ部10の角加速度ｍに具現化され、更に２つの
積分要素12,13を経て角速度ｍ、回転角度θｍに順次
具現化されて、ベルト伝動機構30に出力される。なおこ
のとき、積分要素12,13間に現出する角速度ｍは、前
記粘性摩擦Dmをゲインとする乗算器14を経てモータ３の
摩擦抵抗力に具現化され、モータ部10の入力端に負帰還
される。また積分要素13の後に現出するモータ３の回転
角度θｍは、前記回転角度検出器７により検出されて制
御部６に与えられる。In the transmission system of FIG. 1, as shown in FIG. 2, a motor unit 10 having a moment of inertia J m and viscous friction D m and a load unit 20 having a moment of inertia J a and viscous friction Da are K. It is represented as a model connected by a transmission belt 5 having a spring constant. The drive command A given from the control unit 6 to the motor 3 has a force dimension, and the motor 3 follows the operation command A against the internal frictional resistance force and the reaction force from the load unit 20. It is driven to generate a driving force, and generates a driving torque obtained by subtracting the frictional resistance and the reaction force from the operation command A. This driving torque is shown in a block diagram of the entire transmission system shown in FIG. As described above, is embodied in the angular acceleration m of the motor unit 10 through the multiplier 11 having the reciprocal of the inertia J m of the motor 3 including the belt wheel 3a as a gain, and further through the two integration elements 12 and 13, the angular velocity m 2 , The angle θ m is embodied sequentially and output to the belt transmission mechanism 30. At this time, the angular velocity m appearing between the integration elements 12 and 13 is embodied in the frictional resistance of the motor 3 via the multiplier 14 having the gain of the viscous friction Dm, and is negatively applied to the input end of the motor unit 10. Will be returned. The rotation angle theta m of the motor 3 which emerges after the integral element 13 is provided to the controller 6 the detected by the rotation angle detector 7.
ベルト伝動機構30は、これの減速比1/Nをゲインとし
て有する乗算器31及び伝動ベルト５のばね定数Ｋをゲイ
ンとして有する乗算器32を備えてなり、モータ部10から
の出力Ｂは、乗算器31を経て負荷部20の出力と同次元に
変換され、この結果と、負荷２の実際の動作位置Xaとの
偏差が弾性体である伝動ベルト５に作用し、該伝動ベル
ト５のばね定数Ｋをゲインとして有する前記乗算器32を
経て力の次元に変換され、この力が負荷部20に出力され
る。なお実際には、負荷２の摺動は第１図に示す如く、
ボールねじ軸４とボールナット2aとを備えベルト伝動機
構30に後置されたボールねじ機構の動作を経て生じるか
ら、前記乗算器31のゲインである減速比1/N中には、前
記ボールねじ機構における減速比もまた含まれる。なお
ベルト伝動機構30の出力Ｃは、前記減速比1/Nをゲイン
として有する乗算器33を経て、負荷部20からの反力とし
てモータ部10の入力端に負帰還され、前述の如く、モー
タ３内部の摩擦抵抗力と共に前記動作指令Ａから減じら
れる。The belt transmission mechanism 30 includes a multiplier 31 having the reduction ratio 1 / N as a gain and a multiplier 32 having the spring constant K of the transmission belt 5 as a gain. The output B from the motor unit 10 is multiplied by through the vessel 31 is converted to an output of the same dimensions of the load unit 20, the result, deviation of the actual operating position X a load 2 is applied to the transmission belt 5 which is an elastic member, the spring of said transmission kinematic belt 5 The force is converted into a force dimension via the multiplier 32 having a constant K as a gain, and the force is output to the load unit 20. Actually, the load 2 slides as shown in FIG.
This occurs through the operation of a ball screw mechanism that is provided after the belt transmission mechanism 30 with the ball screw shaft 4 and the ball nut 2a, so that during the reduction ratio 1 / N, which is the gain of the multiplier 31, the ball screw The reduction ratio in the mechanism is also included. The output C of the belt transmission mechanism 30 is negatively fed back to the input end of the motor section 10 as a reaction force from the load section 20 through a multiplier 33 having the speed reduction ratio 1 / N as a gain. 3 together with the internal frictional resistance.
負荷部20においては、負荷２の動作に伴って生じる摩
擦抵抗力と外部Ｔとを、ベルト伝動機構30からの入力Ｃ
から減じた力が負荷２の摺動力となる。この摺動力は、
負荷２のイナーシャJaの逆数をゲインとする乗算器21を
経て負荷２の加速度ａに具現化され、次いで積分要素
22を経て負荷２の動作速度ａに具現化され、更に、積
分要素23を経て負荷２の動作位置Xaが得られる。なおこ
の動作位置Xaは、ベルト伝動機構30の入力端に負帰還さ
れ、前述の如く伝動ベルト５の弾性変形に供される。ま
た積分要素22,23間に現出する動作速度ａは、負荷部2
0における粘性摩擦Daをゲインとして有する乗算器24を
経て摩擦抵抗力に具現化され、負荷部20の入力端に負帰
還され、前述の如く、前記外乱Ｔと共に負荷部20への入
力Ｃから減じられる。In the load unit 20, the frictional resistance generated along with the operation of the load 2 and the external T are input to the input C from the belt transmission mechanism 30.
Is the sliding force of the load 2. This sliding force is
It is embodied in the acceleration a of the load 2 through a multiplier 21 having a gain equal to the reciprocal of the inertia J a of the load 2,
22 is embodied in the operating speed a of the load 2 via further operating position X a load 2 is obtained through the integral element 23. Note This operation position X a is negatively fed back to the input end of the belt transmission mechanism 30 is subjected to elastic deformation of the transmission belt 5 as described above. The operating speed a appearing between the integration elements 22 and 23 is
The viscous friction D a at 0 embodied in drag force through the multiplier 24 with a gain, is negatively fed back to the input end of the load section 20, as described above, the input C to the load unit 20 with the disturbance T Is reduced.
さて制御部６は、まず、外乱にて設定された目標値Ｕ
と回転角度検出器７によるモータ３の回転角度θｍの検
出値との偏差を求めて乗算器60に与え、所定の位置ゲイ
ンKpを乗じ、次いで乗算器60の出力とモータ３の角速度
ｍとの偏差を求めて乗算器61に与え、所定の速度ゲイ
ンKv及びトルク定数Ktを乗じることにより、前記目標値
Ｕとの間に生じている偏差の解消に必要な基本動作指令
を得る一方、負荷２の振動抑制のための補正値Ｄを、補
正値演算部62において前記目標値Ｕと回転角度θｍの検
出値とに基づいて算出しており、モータ部10への動作指
令Ａは、前記補正値Ｄを前記基本動作指令に負帰還せし
めることにより得られている。The control unit 6 firstly sets the target value U set by the disturbance.
A rotation angle detector 7 according to a deviation between the detected value of the rotation angle theta m of the motor 3 provided to the multiplier 60, multiplied by a predetermined position gain K p, then the angular velocity of the output and the motor 3 of the multiplier 60
and a deviation of m given to the multiplier 61, by multiplying a predetermined velocity gain K v and the torque constant K t, the basic operation command required to have solved the deviation occurs between the target value U obtain one, a correction value D for loading the second vibration suppression, is calculated on the basis of the detected value of the rotation angle theta m and the target value U in the correction value calculation unit 62, the operation command to the motor unit 10 A is obtained by negatively feeding the correction value D back to the basic operation command.
本発明方法は、振動抑制のための前記補正値Ｄの算出
手順に特徴を有しており、次にこの手順につき説明す
る。The method of the present invention is characterized by a procedure for calculating the correction value D for suppressing vibration, and this procedure will be described next.
第２図に示す如く負荷部20は、弾性を有するベルト伝
動機構30を介して駆動部10に連結されたばね振動系であ
り、該負荷部20の出力である負荷２の動作位置Xaは次式
により与えられる。The load unit 20 as shown in FIG. 2, a spring vibration system that is connected to the drive unit 10 via a belt transmission mechanism 30 having a resilient, operating position X a load 2, which is the output of the load 20 following Given by the equation.
この式中の減衰項に着目すると、負荷２の振動を抑制
するためには、負荷部20におけるイナーシャJaの低減又
は粘性摩擦Daの増大が有効であることがわかる。ところ
が前者、即ちイナーシャJaの低減を実施する場合、減衰
項が発散項となり不安定な動作を招来する虞があり、振
動抑制と共に安定した動作をなさしめるためには、後
者、即ち粘性摩擦Daを増大せしめるのが望ましい。本発
明方法は、負荷部20の機械的な粘性摩擦Daに電気的なダ
ンピングDxを付加せしめ、振動抑制のために最適な粘性
摩擦（Da＋Dx）を得ようとするものである。但しこのと
き、前記（１）式のDaを（Da＋Dx）にて置き換えた結果
から明らかな如く、次式が満たされない場合、応答の悪
化を招来する。 Focusing on the damping term in the equation, in order to suppress the vibration of the load 2, it can be seen that the increase in the reduction or viscous friction D a of inertia J a in the load section 20 is valid. However the former, that is, carrying out the reduction of inertia J a, there is a possibility that the damping term to lead to unstable operation becomes divergent section in order to make made stable operation with vibration suppression, the latter, i.e. viscous friction D It is desirable to increase a . The present invention is made to additional electrical damping D x to the mechanical viscous friction D a of the load 20, it is intended to obtain an optimal viscous friction (D a + D x) for vibration suppression . However this time, the equation (1) As is clear from the results obtained by replacing the D a at (D a + D x), if the following equation is not satisfied, to lead to deterioration of the response.
4KJa＞（Da＋Dx）２ …（２） この式は、付加し得るダンピングDxの上限を与えるも
のであり、一方、振動の抑制のためには可及的に大なる
ダンピングDxの付加が切望されることから、最適なダン
ピングDxは、次式により一意に決定される。4KJ a > (D a + D x ) 2 (2) This equation gives the upper limit of the damping D x that can be added, while the damping D x becomes as large as possible for suppressing vibration. from being coveted, optimal damping D x additions are uniquely determined by the following equation.
即ち、（３）式にて決定されるダンピングDxを負荷部
20に付加せしめた場合、応答性の悪化及び不安定な動作
を招来することなく、負荷２の動作中の振動を有効に抑
制できる。本発明方法は、このようなダンピングDxの付
加を、モータ部10への動作指令の補正により以下に示す
如く実行する。 That is, the damping D x determined by the equation (3) is
When added to 20, vibration during operation of the load 2 can be effectively suppressed without causing deterioration of responsiveness and unstable operation. The present invention, the addition of such damping D x, run as shown below by correcting the operation command to the motor unit 10.
第３図に示す系全体から前記補正値演算部62を除いた
部分の伝達関数は、制御部６へ与えられる目標値Ｕを入
力とし、負荷２の動作位置Xaを出力として次式にて表さ
れる。The transfer function of the portion excluding the correction value calculating unit 62 from the entire system shown in FIG. 3 inputs the target value U supplied to the control unit 6, by the following equation operation position X a load 2 as an output expressed.
但しこの式中のV,Pは、夫々次式にて表される定数で
ある。 However, V and P in this equation are constants represented by the following equations, respectively.
Ｖ＝Dm＋KvKt …（５） 前述したダンピングDxを負荷部20に付加することは、
前記（４）式中のDaを（Da＋Dx）にて置き換えることに
相当する。この置き換えの結果からDxを含む項をまとめ
て抜き出すことにより（７）式が得られ、この（７）式
にて与えられる補正値Ｄをトルク源たるモータ部10への
動作指令に負帰還せしめた場合、前記ダンピングDxの付
加が実現される。V = D m + K v K t (5) Adding the aforementioned damping D x to the load unit 20
Corresponds to replacing the D a in the equation (4) by (D a + D x). (7) is obtained by extracting collectively term including D x from the result of this replacement, the negative feedback correction value D given by equation (7) to an operation command to the torque source serving motor unit 10 If allowed, the addition of the damping D x is achieved.
この式中、N,K及びJm、並びにＶに含まれるDmの各値
はいずれも、負荷２、モータ３及びベルト伝動機構30各
部の物性を表す定数であり、また、Ｖ又はＰに含まれる
Kv,Kt及びKpは適宜に設定される定数であって、更に付
加すべきダンピングDxは、前述の如く一意に決定される
から、（７）式による補正値Ｄの算出のためには、負荷
２の動作速度ａ、加速度ａ及び躍動 が得られればよい。これらの内、動作速度ａは、オブ
ザーバの設計により、回転角度検出器７にて検出される
モータ３の回転角度θｍの情報と前記目標値Ｕとに基づ
いて、負荷２の動作位置Xa及びモータ３の角速度ｍと
共に推定でき、また加速度ａ及び躍動 は、このように推定された各値を用い、次式により夫々
算出される。 In this equation, N, K and J m , and each value of D m included in V are constants representing the physical properties of the load 2, the motor 3, and each part of the belt transmission mechanism 30, and V or P included
K v , K t and K p are constants appropriately set, and the damping D x to be added is uniquely determined as described above. Includes the operating speed a 1 of the load 2, the acceleration a, and the Should be obtained. Of these, the operating speed a is the design of the observer, based on the information of the rotation angle theta m of the motor 3 detected by the rotation angle detector 7 and said target value U, the operating position of the load 2 X a And the angular velocity m of the motor 3, and the acceleration a Are calculated by the following equations using the respective values thus estimated.
補正値演算部62は、前記目標値Ｕとモータ３の回転角
度θｍとから、負荷２の動作位置Xa及び動作速度ａ、
並びにモータ３の角速度ｍを推定するオブザーバを内
蔵し、これらの推定値を用い（８）式及び（９）式によ
り負荷２の加速度ａ及び躍動 を演算する演算器63を備えると共に、該演算器63から出
力されるａ、ａ及び の夫々に、（７）式における各別の係数Ｐ、Ｖ及びJmを
乗算する各別の乗算器64,65,66、並びにこれらからの出
力の和にN/KDxを乗算する乗算器67を備え、全体として
前記（７）式の演算が行われる構成となっている。そし
てこの演算により補正値演算部62から出力される補正値
Ｄは、前述の如く、乗算器61から出力される基本動作指
令に負帰還され、この結果として制御部６が発する動作
指令Ａに応じたモータ３の駆動により、負荷２の振動は
有効に抑制される。 Correction value calculation unit 62, and a rotation angle theta m of the target value U and the motor 3, the operating position of the load 2 X a and operating speed a,
And a built-in observer for estimating the angular velocity m of the motor 3. Using these estimated values, the acceleration a of the load 2 and the jerk are calculated by the equations (8) and (9). And a , a, and a output from the arithmetic unit 63. Respectively, and (7) individually multiplier for multiplying each separate factor P, and V and J m in equations 64, 65 and 66, and a multiplier for multiplying the N / KD x the sum of the outputs from these 67, so that the calculation of the above equation (7) is performed as a whole. The correction value D output from the correction value calculation unit 62 by this calculation is negatively fed back to the basic operation command output from the multiplier 61 as described above, and as a result, in accordance with the operation command A issued by the control unit 6. By driving the motor 3, the vibration of the load 2 is effectively suppressed.
第４図及び第５図は、所定の動作パターンに従う動作
中に負荷２に生じる加速度ａを実測した結果を示す図
である。第４図は本発明方法による場合を、また第５図
は従来法による場合、即ち振動抑制のための補正項Ｄの
負帰還を行わない場合を夫々示しており、両図の比較に
より本発明方法においては、ベルト伝動機構により駆動
力を伝達する際に発生する振動を極めて有効に抑制し得
ることが明らかであり、所定の目標位置への位置決めに
要する時間の大幅な短縮化を図れることがわかる。なお
第４図に示す結果は、負荷部20本来の粘性摩擦Daの４倍
のダンピングDxを付加し、従来法における場合の５倍の
ダンピング量を与えた場合の結果であり、前記（３）式
によりダンピングDxの最適化を図った場合、第３図に示
すよりも更に優れた振動抑制効果が得られることは勿論
である。FIG. 4 and FIG. 5 are diagrams showing the results of actually measuring the acceleration a generated in the load 2 during the operation according to the predetermined operation pattern. FIG. 4 shows the case according to the method of the present invention, and FIG. 5 shows the case according to the conventional method, that is, the case where the negative feedback of the correction term D for suppressing vibration is not performed. In the method, it is clear that the vibration generated when the driving force is transmitted by the belt transmission mechanism can be extremely effectively suppressed, and the time required for positioning to the predetermined target position can be significantly reduced. Recognize. Note the results shown in Figure 4 is the result when the load section 20 by adding 4 times the damping D x of the original viscous friction D a, it gave 5 times the amount of damping in the case of the conventional method, the ( 3) If with optimized damping D x by equation further excellent vibration suppressing effect than shown in Figure 3 is obtained as a matter of course.
なお本実施例においては、駆動源たるモータ３の回転
により負荷２を摺動させる場合について説明したが、本
発明方法の適用範囲はこれに限るものではなく、駆動源
と負荷との間にベルト伝動機構を有するあらゆる伝動系
において適用可能であることは言うまでもない。In this embodiment, the case where the load 2 is slid by the rotation of the motor 3 as the driving source has been described. However, the application range of the method of the present invention is not limited to this, and the belt is disposed between the driving source and the load. It goes without saying that the present invention can be applied to any transmission system having a transmission mechanism.
以上詳述した如く本発明方法においては、慣性モーメ
ント及び粘性摩擦夫々を共に有する駆動源及び負荷が所
定のばね定数を有する伝動ベルトにて連結されたものと
してベルト伝動機構をモデル化し、前記駆動源の動作位
置を検出し、前記モデルに従って前記検出した駆動源の
動作位置と該駆動源への動作指令とを入力とするオブザ
ーバにより、負荷の動作位置及び動作速度と駆動源の動
作速度とを推定し、これらの推定結果と駆動源の動作位
置の検出結果とを用いて算出される負荷の躍動及び加速
度、並びに前記推定結果として得られる負荷の速度を前
記動作指令に負帰還し、ベルト伝動機構にて駆動源に連
結された負荷にダンピングを付加した状態を作り出すか
ら、この負帰還に際してのフィードバック定数の最適化
が容易に行え、ベルト伝動機構における振動の発生を特
殊なセンサを要することなく極めて有効に抑制でき、所
定の目標位置への位置決め時間を大幅に短縮できる。従
って本発明方法の採用により、精密工作機械のテーブル
移動、多関節ロボットの関節駆動等、高速動作と高い位
置決め精度とが要求される各種自動化機器へのベルト伝
動機構の採用が可能となる等、本発明は優れた効果を奏
する。As described in detail above, in the method of the present invention, a belt transmission mechanism is modeled assuming that a drive source and a load having both a moment of inertia and viscous friction are connected by a transmission belt having a predetermined spring constant. The operating position of the load is detected, and the operating position and operating speed of the load and the operating speed of the driving source are estimated by an observer that receives the detected operating position of the driving source and an operation command to the driving source according to the model. The load jump and acceleration calculated using the estimation result and the detection result of the operating position of the drive source, and the speed of the load obtained as the estimation result are negatively fed back to the operation command, and a belt transmission mechanism is provided. Creates a state in which damping is added to the load connected to the drive source, so that the feedback constant for this negative feedback can be easily optimized and the bell Generation of vibration in the transmission mechanism can very effectively suppressed without the need for special sensors, can significantly reduce the positioning time to a predetermined target position. Therefore, by adopting the method of the present invention, it becomes possible to adopt a belt transmission mechanism to various kinds of automation equipment requiring high-speed operation and high positioning accuracy, such as table movement of a precision machine tool, joint drive of an articulated robot, and the like. The present invention has excellent effects.
第１図は本発明方法の実施態様の一例を示す模式図、第
２図は第１図に示す伝動系全体のモデル図、第３図は同
じく伝動系全体のブロック線図、第４図は本発明方法に
より制御された負荷に生じる加速度の実測結果を示すグ
ラフ、第５図は従来法により制御された負荷に生じる加
速度の実測結果を示すグラフである。 １……基台、２……負荷節、３……モータ ４……ボールねじ軸、５……伝動ベルト、６……制御部 ７……回転角度検出器、10……モータ部、20……負荷
部、30……ベルト伝動機構 62……補正値演算部FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of the method of the present invention, FIG. 2 is a model diagram of the entire transmission system shown in FIG. 1, FIG. 3 is a block diagram of the entire transmission system, and FIG. FIG. 5 is a graph showing an actual measurement result of an acceleration generated in a load controlled by the method of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing an actual measurement result of an acceleration generated in a load controlled by a conventional method. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base, 2 ... Load section, 3 ... Motor 4 ... Ball screw shaft, 5 ... Transmission belt, 6 ... Control unit 7 ... Rotation angle detector, 10 ... Motor unit, 20 ... ... Load section, 30 ... Belt transmission mechanism 62 ... Correction value calculation section
Claims (1)
所定の目標位置に到達せしめるべく、前記駆動源に動作
指令を与えるベルト伝動機構の制御方法において、慣性
モーメント及び粘性摩擦夫々を共に有する駆動源及び負
荷が所定のばね定数を有する伝動ベルトにて連結された
ものとしてベルト伝動機構をモデル化し、前記動作指令
に従っての動作中に前記駆動源の動作位置を検出し、前
記モデルに従って前記検出した動作位置と前記動作指令
とを入力とするオブザーバにより前記負荷の動作位置及
び動作速度、並びに前記駆動源の動作速度を推定し、こ
れらの推定結果と前記検出した動作位置とにより前記負
荷の躍動及び加速度を算出し、これらの算出結果と前記
負荷の動作速度の推定結果とを前記動作指令に負帰還
し、負荷側に適正なダンピングを付加することを特徴と
するベルト伝動機構の制御方法。A method of controlling a belt transmission mechanism for giving an operation command to a drive source so that a load provided with a transmission belt between the drive source and a drive source reaches a predetermined target position. Model the belt transmission mechanism as a drive source and load having both are connected by a transmission belt having a predetermined spring constant, detect the operating position of the drive source during operation according to the operation command, and according to the model The operating position and operating speed of the load, and the operating speed of the drive source are estimated by an observer that receives the detected operating position and the operation command as inputs, and the load is estimated based on these estimation results and the detected operating position. Of the load and the estimated result of the operation speed of the load are negatively fed back to the operation command, and an appropriate Control method for a belt transmission mechanism, characterized in that the addition of Npingu.
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