JP2733881B2 - Adaptive sliding mode control method based on PI control loop - Google Patents

Adaptive sliding mode control method based on PI control loop

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JP2733881B2
JP2733881B2 JP3266916A JP26691691A JP2733881B2 JP 2733881 B2 JP2733881 B2 JP 2733881B2 JP 3266916 A JP3266916 A JP 3266916A JP 26691691 A JP26691691 A JP 26691691A JP 2733881 B2 JP2733881 B2 JP 2733881B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットや工作機械等
のサーボモータで駆動される各種機械におけるサーボモ
ータ制御方式に関し、特に、スライディングモード制御
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a servo motor control system for various machines driven by a servo motor such as a robot and a machine tool, and more particularly to a sliding mode control.

【0002】[0002]

【従来の技術】外乱抑圧性を向上させ、指令に対する追
従性のよいサーボ系を得るため、従来、各種スライディ
ングモード制御がサーボモータで駆動される各種機械の
サーボモータ制御に使用されている(特開平2−297
611号公報,特願平1−253767号等参照)。し
かし、上述した従来のスライディングモード制御の場
合、サーボモータの制御として、従来から行われている
位置ループの制御にP制御(比例制御)、速度ループ制
御にPI制御(比例・積分制御)とは全く関連性のない
スライディングモード制御が適用されており、そのた
め、従来から養われていたP制御,PI制御の線形制御
の技術が全く生かすことができないという欠点があっ
た。そのため、スライディングモード制御導入及び各種
パラメータ値の選定等に非常に時間がかかり、効率的で
はなかった。
2. Description of the Related Art Conventionally, various sliding mode controls have been used for servomotor control of various machines driven by servomotors in order to improve disturbance rejection and obtain a servo system having good followability to commands. Kaihei 2-297
611, Japanese Patent Application No. 1-253767, etc.). However, in the case of the above-described conventional sliding mode control, P control (proportional control) is conventionally used for position loop control and PI control (proportional / integral control) is used for speed loop control. Sliding mode control, which has no relation at all, is applied, and therefore, there is a drawback that the technique of linear control of P control and PI control that has been conventionally trained cannot be used at all. Therefore, the introduction of the sliding mode control and the selection of various parameter values take a very long time, and are not efficient.

【0003】そこで、本願発明者は、長年実施されてき
た線形制御のPI制御にスライディングモード制御を適
用し、従来から培われてきたPI制御の技術,ノウハウ
を活かすと共に、外乱抑圧性の強い、PI制御とスライ
ディングモード制御を実施するサーボモータの制御方式
を提案した(特願平3−140656号参照)。
The inventor of the present invention has applied sliding mode control to linear control PI which has been practiced for many years, and has taken advantage of the technology and know-how of the PI control that has been cultivated up to now. A servo motor control method for performing PI control and sliding mode control has been proposed (see Japanese Patent Application No. 3-140656).

【0004】一方、スライディングモード制御と適応制
御を組み合わせると、非常にロバスト性が高く、利用価
値の高いものが得られることが知られている。すなわ
ち、外乱抑圧性が高く、パラメータを大きく変動させな
いことから、利用価値の高いものが得られることが知ら
れている。しかし、この場合も、従来のPI制御とは異
なり、サーボモータの制御に導入することが難しく、か
つ、パラメータ調整等が非常に難しいという問題があ
る。
[0004] On the other hand, it is known that a combination of sliding mode control and adaptive control can provide a device having extremely high robustness and high utility value. That is, it is known that since the disturbance rejection is high and the parameter is not largely changed, a device having a high use value can be obtained. However, also in this case, unlike the conventional PI control, there is a problem that it is difficult to introduce the control into the servomotor control, and it is very difficult to perform parameter adjustment and the like.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、PI制御をベースにし、スライディングモード制御
と適応制御を組み合わせ、従来から培われていたPI制
御の技術やノウハウを活かすようにすると共に、ロバス
ト性が高いサーボモータの制御方式を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to combine the sliding mode control and the adaptive control based on the PI control to utilize the PI control technology and know-how cultivated in the past. Another object of the present invention is to provide a servomotor control method having high robustness.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、位置ループ制
御を比例制御、速度ループを比例積分制御とし、該線形
制御により得られるトルク指令を速度ループの積分ゲイ
ンで除したものをスライディングモード制御の位相面と
し、リアプノフ関数を制御対象のイナーシャ、動摩擦係
数、重力項の推定値を考慮したものとして、該リアプノ
フ関数の微分値が常に負になるように、線形制御の各ゲ
インを設定し、かつ該線形制御からのトルク指令値に加
算してサーボモータへのトルク指令とする補助入力を決
めるようにする。
According to the present invention, a position loop control is a proportional control, a speed loop is a proportional integral control, and a torque command obtained by the linear control is divided by an integral gain of the speed loop. As the phase plane of the Lyapunov function, assuming that the inertia of the controlled object, the dynamic friction coefficient, and the estimated value of the gravitational term are taken into account, so that the differential value of the Lyapunov function is always negative, each gain of the linear control is set, In addition, an auxiliary input which is added to the torque command value from the linear control and serves as a torque command to the servomotor is determined.

【0007】位置ループのポジションゲインをKp、速
度ループの積分ゲインをK1、比例ゲインをK2、位置
偏差をε、速度偏差をεの上にドットを付したものとし
て表し、制御対象のイナーシャをJその推定値をJhat
、動摩擦係数をAその推定値をAhat 、重力項をGr
その推定値をGrhat、適応速度を決める調整パラメータ
の値をα,β,γとして表し、、スライディングモード
の位相面Sufを数式9とし、リアプノフ関数を数式10
として該リアプノフ関数の微分値が常に負になるよう
に、上記ポジションゲインKp、速度ループの積分ゲイ
ンK1、比例ゲインK2を決め、かつ、位置・速度ルー
プ制御によるトルク指令値に加算してサーボモータへの
トルク指令とする補助入力を決めて制御するようにした
ので、従来の位置・速度ループ制御をベースしてスライ
ディングモード制御と適応制御を組み合わせてサーボモ
ータを制御できる。
The position gain of the position loop is represented by Kp, the integral gain of the velocity loop is represented by K1, the proportional gain is represented by K2, the position deviation is represented by ε, and the velocity deviation is represented by dots on ε. Jhat
, The coefficient of kinetic friction is A, the estimated value is Ahat, and the gravitational term is Gr.
The estimated value is represented by Grhat, the values of the adjustment parameters for determining the adaptive speed are represented by α, β, γ, the phase plane Suf of the sliding mode is represented by Expression 9, and the Lyapunov function is represented by Expression 10
The position gain Kp, the integral gain K1 of the speed loop, and the proportional gain K2 are determined so that the differential value of the Lyapunov function is always negative. Since the control is performed by determining the auxiliary input as the torque command to the servo motor, the servo motor can be controlled by combining the sliding mode control and the adaptive control based on the conventional position / speed loop control.

【0008】[0008]

【数9】 (Equation 9)

【0009】[0009]

【数10】 特に、ポジションゲインKp、積分ゲインK1、比例ゲ
インK2と制御対象の最大イナーシャJmax との関係が
次の数式11が成立するように設定し、
(Equation 10) In particular, the relationship between the position gain Kp, the integral gain K1, the proportional gain K2, and the maximum inertia Jmax of the controlled object is set such that the following equation 11 is satisfied:

【0010】[0010]

【数11】 また、移動指令θrの加速度をθrの上に2つのドット
を付して表し、サーボモータからの速度フィードバック
値をθの上にドットを付して表し、切り換え入力をτ1
とし、サーボモータへの入力τを数式12とする。
[Equation 11] Also, the acceleration of the movement command θr is represented by adding two dots on θr, the speed feedback value from the servo motor is represented by adding dots on θ, and the switching input is represented by τ1.
And the input τ to the servo motor is represented by Expression 12.

【0011】[0011]

【数12】 また、適応速度を決める調整パラメータの値をα,β,
γとして、イナーシャの推定値Jhat を数式13、動摩
擦係数の推定値Ahat 数式14、重力項の推定値をGrh
atを数式15のように変化させると共に、
(Equation 12) The values of the adjustment parameters that determine the adaptation speed are α, β,
As γ, the estimated value of the inertia Jhat is expressed by Equation 13, the estimated value of the dynamic friction coefficient Ahat is expressed by Equation 14, and the estimated value of the gravity term is Grh.
while changing at as in Equation 15,

【0012】[0012]

【数13】 (Equation 13)

【0013】[0013]

【数14】 [Equation 14]

【0014】[0014]

【数15】 上記位相面Sufの値が「0」以上の場合には、切り換え
入力をτ1を予想最大外乱トルクとし、負の場合には、
予想最小外乱トルクとすることによってサーボモータを
制御するPI制御ループをベースにしたスライディング
モード制御と適応制御の組み合わせでサーボモータを制
御するようにした。
(Equation 15) When the value of the phase plane Suf is equal to or greater than “0”, the switching input is set to τ1 as the expected maximum disturbance torque.
The servomotor is controlled by a combination of sliding mode control and adaptive control based on a PI control loop that controls the servomotor by setting the expected minimum disturbance torque.

【0015】[0015]

【作用】線形制御により得られるトルク指令を速度ルー
プの積分ゲインで除したものをスライディングモード制
御の位相面とし、リアプノフ関数を制御対象のイナーシ
ャ、動摩擦係数、重力項の推定値を考慮したものとして
いるので、従来から実施されていた線形制御の技術やノ
ウハウはそのまま適用でき、しかも、スライディングモ
ード制御の位相面は線形制御によって得られるトルク指
令に比例したものとなるから、導入がしやすく、かつ、
リアプノフ関数として制御対象のイナーシャ、動摩擦係
数、重力項の推定値を考慮したものとし、該各推定値を
徐々に変化させて補助入力を決めるようにしている。そ
のため、サーボモータへ指令されるトルク指令が極端に
変化することがないので、最適な制御を実施することが
できる。
[Action] The phase command of the sliding mode control is obtained by dividing the torque command obtained by the linear control by the integral gain of the speed loop, and the Lyapunov function is obtained by considering the inertia, the dynamic friction coefficient, and the estimated value of the gravitational term of the controlled object. Therefore, the technology and know-how of the linear control that has been conventionally implemented can be applied as it is, and the phase surface of the sliding mode control is proportional to the torque command obtained by the linear control. ,
The Lyapunov function takes into account the inertia, dynamic friction coefficient, and estimated value of the gravitational term of the controlled object, and the estimated values are gradually changed to determine the auxiliary input. Therefore, the torque command issued to the servomotor does not extremely change, so that optimal control can be performed.

【0016】[0016]

【実施例】位相面(切換え面)Sufを次の数式16と
する。
EXAMPLE A phase plane (switching plane) Suf is represented by the following equation (16).

【0017】[0017]

【数16】 数式16において、εは位置偏差、また、位置偏差εの
上に1ドットを付したものは位置偏差の微分を意味す
る。なお、以下文字の上に1ドットを付したものは、微
分を、2ドットを付したものは2回微分を表す。また、
KpはP制御による位置ループのポジションゲイン、K
1,K2それぞれはPI制御による速度ループの積分ゲ
イン,比例ゲインである。
(Equation 16) In Equation 16, ε denotes a position deviation, and the one with one dot added to the position deviation ε denotes the differentiation of the position deviation. In the following, letters with one dot on the character indicate differentiation, and letters with two dots on the character indicate twice differentiation. Also,
Kp is the position gain of the position loop by P control, K
1 and K2 are an integral gain and a proportional gain of the speed loop by the PI control.

【0018】制御対象を次の数式17で表されるものと
する。
It is assumed that the control target is expressed by the following equation (17).

【0019】[0019]

【数17】 なお、数式17でθはモータ位置のフィードバック量で
あり、Jはイナーシャ、Aは動摩擦係数、Grは重力の
項、Disは外乱トルクである。また、移動指令をθr
とすると、移動指令θr,位置のフィードバック量θ,
位置偏差εの関係は次の数式18のようになる。
[Equation 17] In Expression 17, θ is the feedback amount of the motor position, J is the inertia, A is the dynamic friction coefficient, Gr is the term of gravity, and Dis is the disturbance torque. In addition, the movement command is θr
Then, the movement command θr, the position feedback amount θ,
The relationship of the position deviation ε is as in the following Expression 18.

【0020】[0020]

【数18】 そこで、サーボモータへの入力τを次の数式19で示す
ものとする。
(Equation 18) Therefore, the input τ to the servomotor is represented by the following equation (19).

【0021】[0021]

【数19】 上記数式19において、Jhat はイナーシャの推定値、
Ahat は動摩擦係数の推定値、Grhatは重力項の推定
値、τ1は切り換え入力である。また、数式19の右辺
第1式と第2式は、位置ループ制御をP制御、速度ルー
プ制御をPI制御したときのトルク指令値τ0(数式2
0参照)を示しており、残りの部分を補助入力τaとす
ればよいことを意味している。すなわち、補助入力τa
を次の数式21とすれば、上記数式19は次の数式22
となる。
[Equation 19] In Equation 19 above, Jhat is the estimated value of inertia,
Ahat is the estimated value of the dynamic friction coefficient, Grhat is the estimated value of the gravitational term, and τ1 is the switching input. Further, the first and second expressions on the right side of Expression 19 represent the torque command value τ0 (Equation 2) when the position loop control is P-controlled and the speed loop control is PI-controlled.
0), which means that the remaining portion may be used as the auxiliary input τa. That is, the auxiliary input τa
Is the following equation 21, the above equation 19 is obtained by the following equation 22
Becomes

【0022】[0022]

【数20】 (Equation 20)

【0023】[0023]

【数21】 (Equation 21)

【0024】[0024]

【数22】 そこで、数式22で示されるサーボモータへの入力τを
求めるブロック線図を書くと図1のようになる。図1か
ら明らかのように、このサーボモータへの入力τは位置
ループをP制御、速度ループをPI制御した従来から行
われている線形制御の出力τ0(トルク指令)に補助入
力τaを加算したものであ、スライディングモード制御
と適用制御の組み合わせの導入を容易にしたものとな
る。
(Equation 22) Therefore, if a block diagram for obtaining the input τ to the servomotor shown in Expression 22 is drawn, it becomes as shown in FIG. As is apparent from FIG. 1, the input τ to the servomotor is obtained by adding the auxiliary input τa to the output τ0 (torque command) of the conventional linear control in which the position loop is P-controlled and the speed loop is PI-controlled. This facilitates introduction of a combination of the sliding mode control and the application control.

【0025】次にリアプノフ関数として、次の数式23
を考える。
Next, as a Lyapunov function, the following equation (23)
think of.

【0026】[0026]

【数23】 なお数式23において、α,β,γは適応速度を決める
正の調整パラメータである。またJbar はイナーシャの
推定誤差、Abar は動摩擦係数の推定誤差、Grbarは重
力項の推定誤差であり、次の数式24の関係にある。
(Equation 23) In Equation 23, α, β, and γ are positive adjustment parameters that determine the adaptive speed. Jbar is the estimation error of the inertia, Abar is the estimation error of the dynamic friction coefficient, and Grbar is the estimation error of the gravitational term.

【0027】[0027]

【数24】 上記リアプノフ関数の微分値を常に負にするような入力
をサーボモータに入力すれば、上記リアプノフ関数Vは
常に正で、微分が負であることから、単調減少であるた
め、リアプノフ関数V及び位相面Sufは最小値「0」
に収束する。これにより、応答性はイナーシャや外乱に
左右されることなく、Suf=0に収束し固定して動く
ことになる。
(Equation 24) If an input that always makes the differential value of the Lyapunov function negative is input to the servomotor, the Lyapunov function V is always positive, and the differential is negative. The surface Suf has the minimum value “0”
Converges to As a result, the responsiveness converges to Suf = 0 and moves fixedly without being affected by inertia or disturbance.

【0028】数式23の両辺を微分して整理すると次の
数式25となる。
The following expression 25 is obtained by differentiating and organizing both sides of the expression 23.

【0029】[0029]

【数25】 数式16の両辺を微分し整理すると次の数式26とな
る。
(Equation 25) Equation 26 is obtained by differentiating and rearranging both sides of Equation 16.

【0030】[0030]

【数26】 数式18を数式17に代入し整理すると次の数式27と
なる。
(Equation 26) The following Expression 27 is obtained by substituting Expression 18 into Expression 17 and rearranging it.

【0031】[0031]

【数27】 数式27を数式26に代入すると次の数式28となる。[Equation 27] Substituting Equation 27 into Equation 26 gives Equation 28 below.

【0032】[0032]

【数28】 数式28を数式25に代入し整理すると次の数式29と
なる。
[Equation 28] The following Expression 29 is obtained by substituting Expression 28 into Expression 25 and rearranging it.

【0033】[0033]

【数29】 また、数式16より、(Equation 29) Also, from Equation 16,

【0034】[0034]

【数30】 数式30を数式29に代入し整理すると次の数式31と
なる。
[Equation 30] When Equation 30 is substituted into Equation 29 and rearranged, the following Equation 31 is obtained.

【0035】[0035]

【数31】 数式31に数式19を代入し整理すると次の数式32と
なる。
(Equation 31) The following Expression 32 is obtained by substituting Expression 19 into Expression 31 and rearranging it.

【0036】[0036]

【数32】 さらに、数式32に数式24を代入し整理すると数式3
3となる。
(Equation 32) Further, when Equation 24 is substituted into Equation 32 and rearranged, Equation 3 is obtained.
It becomes 3.

【0037】[0037]

【数33】 その結果、リアプノフ関数の微分が常に負になるには、
上記数式33が常に負にするようにすればよく、そのた
めに、上記数式33を常に負にするように切り換え入力
τ1及び、推定値Jhat ,Ahat ,Grhatを変化させれ
ばよい。まず数式33の右辺第1式を負にするには、 Kp<(K2/J)−(K1/K2) が成立すればよく、そのためには、 Kp<(K2/Jmax )−(K1/K2) となるように、ポジションゲインKp、積分ゲインK
1、比例ゲインK2を選択設定すればよい。なお、Jma
x は制御対象の予想される最大イナーシャである。
[Equation 33] As a result, if the derivative of the Lyapunov function is always negative,
What is necessary is just to make the above equation 33 always negative, and for that purpose, the switching input τ1 and the estimated values Jhat, Ahat and Grhat may be changed so that the above equation 33 is always negative. First, in order to make the first expression on the right side of Expression 33 negative, Kp <(K2 / J)-(K1 / K2) only needs to be satisfied. For that purpose, Kp <(K2 / Jmax)-(K1 / K2) ), The position gain Kp and the integral gain K
1. The proportional gain K2 may be selected and set. Note that Jma
x is the expected maximum inertia of the controlled object.

【0038】次に、上記数式33の右辺第2式は「0」
にする。そうすると、次の数式34が成り立つ。
Next, the second expression on the right side of Expression 33 is "0".
To Then, the following Expression 34 is established.

【0039】[0039]

【数34】 Jbar =J−Jhat であり、イナーシャJの変化が非常
小さくその微分値が「0」とみなせるとすると、次の数
式35が成立し、上記数式34は次の数式36として表
される。
(Equation 34) Assuming that Jbar = J-Jhat and the change of the inertia J is very small and its differential value can be regarded as "0", the following equation 35 is established, and the above equation 34 is expressed as the following equation 36.

【0040】[0040]

【数35】 (Equation 35)

【0041】[0041]

【数36】 同様に、数式33の右辺第3式,第4式についても
「0」とし、かつ、動摩擦係数A,重力項Grの変化が
非常に小さく、各微分値を「0」とみなせば、次の数式
37,数式38が成立する。
[Equation 36] Similarly, the third and fourth expressions on the right-hand side of Expression 33 are also set to “0”, and the changes in the dynamic friction coefficient A and the gravitational term Gr are very small. Equations 37 and 38 hold.

【0042】[0042]

【数37】 (37)

【0043】[0043]

【数38】 上記数式36,37,38で示されるように、調整パラ
メータα,β,γは各推定値の変化速度を決めるものと
なり、適応速度を決めるものとなることが分かる。ま
た、数式33の右辺第5式において、常に負にするに
は、 Suf・(Dis−τ1)<0 より、Suf≧0のときには、Dis−τ1<0とすれば
よく、そのためには、τ1=Dismax とすればよい。な
お、Dismax は外乱トルクの最大値である。
(38) As shown by the above Expressions 36, 37, and 38, it can be seen that the adjustment parameters α, β, and γ determine the changing speed of each estimated value and determine the adaptive speed. In the fifth expression on the right side of Expression 33, in order to always make the value negative, Suf · (Dis−τ1) <0, and when Suf ≧ 0, Dis−τ1 <0 should be satisfied. = Dismax. Note that Dismax is the maximum value of the disturbance torque.

【0044】Suf<0のときには、Dis−τ1>0と
すればよく、τ1=Dismin とすればよい。なお、Dis
minは外乱トルクの最小値である。
When Suf <0, Dis-τ1> 0 may be satisfied, and τ1 = Dismin may be satisfied. In addition, Dis
min is the minimum value of the disturbance torque.

【0045】以上のことより、リアプノフ関数の微分が
常に負になるように、補助入力τaを決めるには、数式
21において不明な推定値Jhat ,Ahat ,Grhatは上
記数式36,37,38を積分して求めればよく、ま
た、位相面Sufの値は数式16及び数式20で示され
るように線形制御の出力(位置ループをP制御、速度ル
ープをPI制御)τ0を比例ゲインK2で除して求める
ことができる。また、切り換え入力τ1は位相面Suf
の符号によって外乱トルクの最大値Dismax か最小値D
ismin に切換えるようにすればよい。
From the above, in order to determine the auxiliary input τa so that the derivative of the Lyapunov function is always negative, the unknown estimated values Jhat, Ahat, and Grhat in Equation (21) are obtained by integrating Equations (36), (37), and (38). The value of the phase surface Suf can be obtained by dividing the output of the linear control (P control of the position loop and PI control of the speed loop) τ0 by the proportional gain K2 as shown in Expressions 16 and 20. You can ask. The switching input τ1 is the phase plane Suf
The maximum value Dismax or the minimum value D of the disturbance torque depends on the sign of
Switch to ismin.

【0046】図2は本発明の一実施例を実施する機械の
サーボモータ制御の要部ブロック図で、図中、20は機
械を制御する数値制御装置等の上位CPU、21は該上
位CPU20から出力されるサーボモータへの各種指令
等を受信し、デジタルサーボ回路22のプロセッサに受
け渡すための共有メモリ、22はデジタルサーボ回路で
あり、プロセッサ,ROM,RAM等で構成され、プロ
セッサによってサーボモータ24の位置,速度,電流制
御の処理を行うものである。23はトランジスタインバ
ータ等で構成されるサーボアンプ、24はサーボモー
タ、25はサーボモータ24の回転位置及び速度を検出
しデジタルサーボ回路22にフィードバックする位置・
速度検出器である。
FIG. 2 is a block diagram of a main part of a servo motor control of a machine which implements an embodiment of the present invention. In the drawing, reference numeral 20 denotes a higher-level CPU such as a numerical control device for controlling the machine; A shared memory for receiving various commands to the servo motor and outputting it to the processor of the digital servo circuit 22. A digital servo circuit 22 includes a processor, a ROM, a RAM, and the like. 24, processing of position, speed and current control. 23 is a servo amplifier composed of a transistor inverter or the like, 24 is a servomotor, 25 is a position for detecting the rotational position and speed of the servomotor 24 and feeding it back to the digital servo circuit 22.
It is a speed detector.

【0047】上記構成はロボットや工作機械等のサーボ
モータの制御における公知のデジタルサーボ回路の構成
と同一である。
The above configuration is the same as the configuration of a known digital servo circuit in controlling a servomotor of a robot, a machine tool, or the like.

【0048】図3〜図4は、本実施例のデジタルサーボ
回路22のプロセッサが実施するフィードフォワード処
理,位置ループ処理,速度ループ処理及びスライディン
グモード処理+適応制御処理のフローチャートであり、
上記プロセッサは所定周期(位置・速度ループ処理周
期)T毎この図3〜図4で示す処理を実行する。
FIGS. 3 and 4 are flow charts of feedforward processing, position loop processing, speed loop processing, sliding mode processing and adaptive control processing performed by the processor of the digital servo circuit 22 of this embodiment.
The processor executes the processing shown in FIGS. 3 and 4 every predetermined period (position / speed loop processing period) T.

【0049】まず、共有メモリ21を介して上位CPU
20から送られてきた移動指令より位置・速度ループ毎
の移動指令θrを求め、かつ位置・速度検出器25から
出力された位置、速度のフィードバック値を読み取る
(ステップS1)。そして、移動指令θrから位置フィ
ードバック値θを減じた値を、位置偏差εを記憶するレ
ジスタR(ε)に入力し、当該周期における位置偏差ε
を求める(ステップS2)。
First, the upper CPU through the shared memory 21
A movement command θr for each position / speed loop is obtained from the movement command sent from the controller 20 and the position / speed feedback values output from the position / speed detector 25 are read (step S1). Then, a value obtained by subtracting the position feedback value θ from the movement command θr is input to a register R (ε) that stores the position deviation ε, and the position deviation ε in the cycle is input.
Is obtained (step S2).

【0050】次に、移動指令θrから前周期の移動指令
を記憶するレジスタR(θr)の値を減じて、フィード
フォワード量(移動指令θrの速度)を求める(図1に
おける移動指令の微分)(ステップS3)。次に、求め
られたフィードフォワード量から前周期のフィードフォ
ワード量を記憶するレジスタの値を減じて移動指令の加
速度を求める(ステップS4)。そして、次の周期で利
用するために移動指令を記憶するレジスタ、フィードフ
ォワード量を記憶するレジスタにそれぞれステップS1
及びステップS3で求めた移動指令、フィードフォワー
ド量を記憶する(ステップS5)。
Next, the value of the register R (θr) for storing the previous cycle of the movement command is subtracted from the movement command θr to obtain the feedforward amount (the speed of the movement command θr) (differentiation of the movement command in FIG. 1). (Step S3). Next, the acceleration of the movement command is obtained by subtracting the value of the register storing the feedforward amount of the previous cycle from the obtained feedforward amount (step S4). Steps S1 and S2 are respectively stored in a register for storing a movement command and a register for storing a feedforward amount for use in the next cycle.
Then, the movement command and the feedforward amount obtained in step S3 are stored (step S5).

【0051】次に、ステップS2で求めた位置偏差εに
ポジションゲインKpを乗じた値にフィードフォワード
量を加算すると共に、ステップS1で読み取った速度の
フィードバック値を減じた値Vrを求め(ステップS
6)、この値VrをアキュムレータIに加算し積分値を
求める(図1の速度ループ処理における積分処理)(ス
テップS7)。さらに、このアキュムレータIの値に積
分ゲインK1を乗じた値と上記値Vrに比例ゲインK2
を乗じた値を加算して線形制御(従来のフィードフォワ
ードを伴なった位置ループP制御,速度ループPI制御
処理)によるトルク指令τ0を求める(ステップS
8)。
Next, the feedforward amount is added to the value obtained by multiplying the position deviation ε obtained in step S2 by the position gain Kp, and the value Vr obtained by subtracting the speed feedback value read in step S1 is obtained (step S2).
6) Then, the value Vr is added to the accumulator I to obtain an integral value (integration processing in the speed loop processing of FIG. 1) (step S7). Further, the value obtained by multiplying the value of the accumulator I by the integral gain K1 and the value Vr are proportional to the proportional gain K2.
Are added to obtain a torque command τ0 by linear control (conventional position loop P control with feed forward, speed loop PI control processing) (step S).
8).

【0052】なお、ポジションゲインKp,積分ゲイン
K1,比例ゲインK2は前述したように、Kp<(K2
/Jmax )−(K1/K2)の関係が成立するように、
あらかじめパラメータで設定されており、また、前述し
た調整パラメータα,β,γ及び想定される外乱トルク
の最大値Dismax ,最小値Dismin もパラメータにより
設定され、ディジタルサーボ回路のメモリ内に記憶され
ているものとする。
As described above, the position gain Kp, the integral gain K1, and the proportional gain K2 are Kp <(K2
/ Jmax)-(K1 / K2) so that
The adjustment parameters α, β, γ and the assumed maximum value Dismax and minimum value Dismin of the disturbance torque are also set in advance by parameters, and are stored in the memory of the digital servo circuit. Shall be.

【0053】次に、ステップS8で求められた線形制御
のトルク指令地τ0を速度ループ制御における比例ゲイ
ンK2で除して位相面Sufの値を求める(ステップS
9)。次に、ステップS4で求めた移動指令θrの2回
微分の値、ステップS2で求めた位置偏差εの値、ステ
ップS7で求めたアキュムレータIの値、及びポジショ
ンゲインKp,積分ゲインK1,比例ゲインK2の値よ
り次の数式39の演算を行ってQの値を求める(ステッ
プS10)。なおこのQの値はイナーシャの推定値Jha
t 等を求めるために予め準備するためのものである。
Next, the value of the phase surface Suf is obtained by dividing the torque command value τ0 of the linear control obtained in step S8 by the proportional gain K2 in the speed loop control (step S8).
9). Next, the value of the second derivative of the movement command θr obtained in step S4, the value of the position deviation ε obtained in step S2, the value of the accumulator I obtained in step S7, the position gain Kp, the integral gain K1, and the proportional gain The value of Q is obtained by performing the following equation 39 from the value of K2 (step S10). The value of Q is the estimated value of inertia Jha
It is for preparing in advance to obtain t and the like.

【0054】[0054]

【数39】 次に、イナーシャの推定値Jhat を記憶するレジスタR
(Jhat )にステップS9で求めた位相面Sufの値を
パラメータαで除した値にステップS10で求めたQの
値を乗じ、さらにこの位置・速度ループ処理の周期Tを
乗じた値を加算して該レジスタR(Jhat)に記憶する
(ステップS11)。すなわたこのステップS11の処
理が数式36を積分してイナーシャの推定値Jhat を求
める処理である。なお、レジスタR(Jhat )及び後述
するレジスタR(Ahat),R(Grhat)は初期設定で
「0」に設定されている。そして、このレジスタR(J
hat )の値Jhat にステップS10で求めたQの値を乗
じてレジスタR1に格納する(ステップS12)。その
結果、該レジスタR1には数式21で示す補助入力τa
の数式21の右辺第1式の値が記憶されることになる。
[Equation 39] Next, a register R for storing the estimated inertia value Jhat
(Jhat) is multiplied by a value obtained by dividing the value of the phase surface Suf obtained in step S9 by the parameter α, by the value of Q obtained in step S10, and further added by a value obtained by multiplying the value by the period T of the position / velocity loop processing. Stored in the register R (Jhat) (step S11). That is, the process of step S11 is a process of integrating the mathematical expression 36 to obtain the estimated inertia value Jhat. The register R (Jhat) and registers R (Ahat) and R (Grhat), which will be described later, are set to "0" by default. Then, this register R (J
hat) is multiplied by the value of Q obtained in step S10 and stored in the register R1 (step S12). As a result, the auxiliary input τa shown in Expression 21 is stored in the register R1.
The value of the first expression on the right side of Expression 21 is stored.

【0055】次に、動摩擦係数の推定値Ahat を記憶す
るレジスタR(Ahat)に、ステップS9で求めた位相面
Sufの値を調整パラメータの値βで除して、速度フィ
ードバックの値を乗じ、さらにこの位置・速度ループ処
理の周期Tを乗じた値を加算して動摩擦係数の推定値A
hat を求める(ステップS13)。このステップS13
の処理が数式37を積分して動摩擦係数の推定値Ahat
を求める処理である。そして、この動摩擦係数の推定値
Ahat に速度フィードバック量を乗じた値をレジスタR
2に格納する(ステップS14)。その結果レジスタR
2には数式21右辺第2式の値が記憶されることにな
る。さらに、重力項の推定値Grhatを記憶するレジスタ
R(Grhat)にステップS9で求めた位相面Sufの値
を調整パラメータの値γで除した値にこの処理の周期T
を乗じた値を加算し記憶させる(ステップS15)。こ
のステップS15の処理が数式38を積分して重力項の
推定値Grhatを求める処理であり、このレジスタR(G
rhat)には、数式21の右辺第3式の値が記憶されるこ
とになる。
Next, the value of the phase surface Suf obtained in step S9 is divided by the value β of the adjustment parameter into the register R (Ahat) storing the estimated value Ahat of the dynamic friction coefficient, and the result is multiplied by the value of the speed feedback. Further, a value multiplied by the cycle T of the position / velocity loop processing is added to obtain an estimated value A of the dynamic friction coefficient.
hat is obtained (step S13). This step S13
Processing integrates Equation 37 to estimate the dynamic friction coefficient Ahat
Is a process for obtaining The value obtained by multiplying the estimated value Ahat of the dynamic friction coefficient by the speed feedback amount is stored in the register R.
2 (step S14). As a result, the register R
2 stores the value of the second expression on the right side of Expression 21. Further, the value obtained by dividing the value of the phase surface Suf obtained in step S9 by the value γ of the adjustment parameter is stored in a register R (Grhat) storing the estimated value Grhat of the gravity term.
Are added and stored (step S15). The process of step S15 is a process of obtaining the estimated value Grhat of the gravitational term by integrating the equation (38).
rhat) stores the value of the third expression on the right side of Expression 21.

【0056】次に、ステップS9で求めた位相面Suf
の値が「0」以上か否か判断し、負であれば、切り換え
入力τ1を予想される最小外乱トルクDismin に設定
し、「0」若しくは正であれば、切り換え入力τ1を予
想される最大外乱トルクDismxx に設定する(ステップ
S16〜S18)。
Next, the phase plane Suf obtained in step S9
Is determined to be greater than or equal to “0”, and if negative, the switching input τ1 is set to the expected minimum disturbance torque Dismin; if “0” or positive, the switching input τ1 is set to the expected maximum. The disturbance torque Dismxx is set (steps S16 to S18).

【0057】そして、レジスタR1,R2,R(Grha
t)の値、及びステップS17若しくはS18で求めた
切り換え入力τ1を加算して補助入力τaを求め(ステ
ップS19)、求められた補助入力τaをステップS8
で求めた線形制御におけるトルク指令値τ0に加算して
サーボモータへのトルク指令τとして電流ループに出力
する(ステップS20)。
Then, the registers R1, R2, R (Grha
The auxiliary input τa is determined by adding the value of t) and the switching input τ1 determined in step S17 or S18 (step S19), and the determined auxiliary input τa is determined in step S8.
Is added to the torque command value τ0 in the linear control obtained in step (1), and is output to the current loop as a torque command τ to the servo motor (step S20).

【0058】以下、以上の処理を位置・速度ループ処理
周期毎繰り返し実施する。
Hereinafter, the above processing is repeatedly performed for each position / speed loop processing cycle.

【0059】また、上記実施例では線形制御にフィード
フォワード制御を用いた例を説明したが、フィードフォ
ワード制御を用いない通常の位置制御のP制御、速度制
御にPI制御を用いたものにも本発明は適用できること
はもちろんである。
In the above-described embodiment, an example in which feedforward control is used for linear control has been described. However, the present invention can be applied to P control for normal position control without feedforward control and PI control for speed control. The invention is of course applicable.

【0060】[0060]

【発明の効果】本発明は、従来の線形制御をほとんど変
更することなく、スライディングモード制御及び適応制
御を簡単に適用することができ、かつ、イナーシャや動
摩擦係数等の推定値を用いて適応制御をも実施するの
で、補助入力の値が急激に変動することがなく、サーボ
モータへのトルク指令が急激に変動し振動が生じるよう
なことはない。そのため、外乱抑圧性に強く、パラメー
タ変動(イナーシャや動摩擦,重力項等の変動)に強い
サーボモータの制御が得られる。しかも、従来の線形制
御を使用するから、従来から線形制御で養われた技術を
そのまま生かすことができる。
According to the present invention, the sliding mode control and the adaptive control can be easily applied without changing the conventional linear control, and the adaptive control is performed by using the estimated values such as the inertia and the dynamic friction coefficient. Therefore, the value of the auxiliary input does not fluctuate sharply, and the torque command to the servomotor does not fluctuate rapidly and vibration does not occur. Therefore, it is possible to obtain servomotor control that is strong in disturbance suppression and strong in parameter fluctuations (fluctuations in inertia, dynamic friction, gravity terms, etc.). In addition, since the conventional linear control is used, the technology that has been conventionally trained in the linear control can be used as it is.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例のブロック線図である。FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of the present invention.

【図2】同実施例を実施するサーボモータ制御の要部ブ
ロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of a main part of servo motor control for implementing the embodiment.

【図3】同実施例におけるデジタルサーボ回路のプロセ
ッサが実施する線形制御,スライディングモード制御及
び適応制御処理のフローチャートの一部である。
FIG. 3 is a part of a flowchart of a linear control, a sliding mode control, and an adaptive control process performed by a processor of the digital servo circuit in the embodiment.

【図4】図3の続きである。FIG. 4 is a continuation of FIG. 3;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

Kp ポジションゲイン K1 積分ゲイン K2 比例ゲイン θr 移動指令 τa 補助入力 τ0 線形制御によるトルク指令 τ サーボモータへのトルク指令 Kp Position gain K1 Integral gain K2 Proportional gain θr Movement command τa Auxiliary input τ0 Torque command by linear control τ Torque command to servo motor

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 サーボモータの制御方式において、位置
ループ制御を比例制御、速度ループを比例積分制御と
し、該線形制御により得られるトルク指令を速度ループ
の積分ゲインで除したものをスライディングモード制御
の位相面とし、リアプノフ関数を制御対象のイナーシ
ャ、動摩擦係数、重力項の推定値を考慮したものとし
て、該リアプノフ関数の微分値が常に負になるように、
線形制御の各ゲインを設定し、かつ該線形制御からのト
ルク指令値に加算してサーボモータへのトルク指令とす
る補助入力を決めることを特徴とするPI制御ループを
ベースにした適応スライディングモード制御方式。
In a servo motor control method, a position loop control is a proportional control, a speed loop is a proportional integral control, and a torque command obtained by the linear control divided by an integral gain of the speed loop is used for a sliding mode control. As a phase surface, assuming that the Lyapunov function considers the inertia of the controlled object, the dynamic friction coefficient, and the estimated value of the gravitational term, so that the differential value of the Lyapunov function is always negative,
Adaptive sliding mode control based on a PI control loop, wherein each gain of the linear control is set, and an auxiliary input to be added to a torque command value from the linear control to be a torque command to a servomotor is determined. method.
【請求項2】 サーボモータの制御方式において、位置
ループ制御を比例制御、速度ループを比例積分制御と
し、位置ループのポジションゲインをKp、速度ループ
の積分ゲインをK1、比例ゲインをK2、位置偏差を
ε、速度偏差を 【外1】 、制御対象のイナーシャをJその推定値をJhat 、動摩
擦係数をAその推定値をAhat 、重力項をGr その推定
値をGrhat、適応速度を決める調整パラメータの値を
α,β,γ、切り換え入力をτ1とし、スライディング
モードの位相面Sufを数式1とし、リアプノフ関数を数
式2として該リアプノフ関数の微分値が常に負になるよ
うに、上記ポジションゲインKp、速度ループの積分ゲ
インK1、比例ゲインK2を決め、かつ、位置・速度ル
ープ制御によるトルク指令値に加算してサーボモータへ
のトルク指令とする補助入力を決めることを特徴とする
PI制御ループをベースにした適応スライディングモー
ド制御方式。 【数1】 【数2】
2. In a servo motor control method, position loop control is proportional control, speed loop is proportional integral control, the position loop position gain is Kp, the speed loop integral gain is K1, the proportional gain is K2, and the position deviation is K2. Is ε and the speed deviation is The inertia of the controlled object is J, its estimated value is Jhat, the dynamic friction coefficient is A, its estimated value is Ahat, the gravity term is Gr, its estimated value is Grhat, the adjustment parameter values for determining the adaptive speed are α, β, and γ. Is set to τ1, the phase plane Suf of the sliding mode is set to Expression 1, the Lyapunov function is set to Expression 2, and the position gain Kp, the integral gain K1 of the speed loop, and the proportional gain K2 are set so that the differential value of the Lyapunov function is always negative. An adaptive sliding mode control method based on a PI control loop, characterized in that an auxiliary input for determining a torque command to the servomotor by adding the torque command value to the torque command value by the position / speed loop control is determined. (Equation 1) (Equation 2)
【請求項3】 サーボモータの制御方式において、位置
ループ制御を比例制御、速度ループを比例積分制御と
し、位置ループのポジションゲインをKp、速度ループ
の積分ゲインをK1、比例ゲインをK2としたとき、こ
れらのゲインの値を数式3が成立するように設定し、 【数3】 移動指令の加速度を 【外2】 、サーボモータからの速度フィードバック値を 【外3】 、制御対象のイナーシャの推定値をJhat 、動摩擦係数
の推定値をAhat 、重力項の推定値をGrhat、切り換え
入力をτ1とし、スライディングモードの位相面Sufを
数式4とし、サーボモータへの入力τを数式5として、 【数4】 【数5】 適応速度を決める調整パラメータの値をα,β,γとし
て、イナーシャの推定値Jhat を数式6、動摩擦係数の
推定値Ahat 数式7、重力項の推定値をGrhatを数式8
のように変化させると共に、 【数6】 【数7】 【数8】 上記位相面Sufの値が「0」以上の場合には、切り換え
入力をτ1を予想最大外乱トルクとし、負の場合には、
予想最小外乱トルクとすることによってサーボモータを
制御するPI制御ループをベースにした適応スライディ
ングモード制御方式。
3. In a servo motor control method, when the position loop control is proportional control, the speed loop is proportional integral control, the position loop position gain is Kp, the speed loop integral gain is K1, and the proportional gain is K2. , These gain values are set so that equation 3 holds, and The acceleration of the movement command And the speed feedback value from the servo motor , The estimated value of the inertia of the controlled object is Jhat, the estimated value of the dynamic friction coefficient is Ahat, the estimated value of the gravitational term is Grhat, the switching input is τ1, the phase plane Suf of the sliding mode is expressed by Equation 4, and the input τ to the servomotor is As Equation 5: (Equation 5) Let α, β, and γ be the adjustment parameters that determine the adaptive speed, Equation 6 represents the inertia estimated value Jhat, Equation 7 represents the dynamic friction coefficient estimated value Ahat, and Equation 8 represents the estimated value of the gravity term as Grhat.
And the following equation: (Equation 7) (Equation 8) When the value of the phase plane Suf is equal to or greater than “0”, the switching input is set to τ1 as the expected maximum disturbance torque.
An adaptive sliding mode control method based on a PI control loop that controls a servomotor by setting an expected minimum disturbance torque.
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