JP2851448B2 - サーボ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は機械系の慣性モーメント
が変化しても慣性モーメント同定機能により常に最適な
制御系を維持できるサーボ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のサーボ制御装置は、機械系の慣性
モーメントを一定と仮定し、チューニングしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のように機械
系の慣性モーメントを一定と仮定した場合、慣性負荷が
取替えられた時には、再び現場調整しなければならず、
多くの時間と労力を要するという問題があった。

【０００４】本発明は上記従来の欠点に鑑みてなされた
もので、機械系の慣性負荷が取替えられても、その慣性
モーメントを同定し、その値に最適なフィードフォワー
ド制御とフィードバック制御及び外乱補償を自動的に行
ない得るサーボ制御装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、速度信号の目
標値（ωr ）及び実測値（ω）を入力しフィードバック
信号（ＵFB）をサーボ装置へ出力するフィードバック制
御部と、加速度信号の目標値（ωr ′）を入力し、フィ
ードフォワード信号（τr ）をサーボ装置へ出力するフ
ィードフォワード制御部と、サーボ装置の入力値（ｕ）
及び速度信号に実測値（ω）を入力して外乱補償信号
（ｄa ）をサーボ装置へ出力する外乱補償部とを有する
サーボ制御装置において、外乱補償信号（ｄa ）及び近
似加速度（φ1 ′：ωの微分値）に基づいてサーボ装置
の慣性モーメント（Ｊ）を同定する慣性モーメント同定
部を設け、この慣性モーメント同定部の出力を、上記フ
ィードバック制御部、フィードフォワード制御部、外乱
補償部へパラメータとして出力するように構成したこと
を特徴とするものである。

【０００６】

【作用】上記の構成とすることにより、機械の慣性変動
が起きても、慣性モーメント同定部から出力される慣性
モーメントの同定値をもとに、フィードフォワード制御
部、フィードバック制御部、外乱補償部で新しい制御パ
ラメータのセットが行なわれ、常に負荷に最適な制御系
が維持される。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
具体的に説明する。

【０００８】本発明に係るサーボ制御装置は、図１に示
すように速度信号の目標値１（ωr）及び実測値１２
（ω）を入力し、フィードバック信号１１（ＵFB）を機
械負荷（サーボ装置）１５へ出力するフィードバック制
御部８、加速度信号の目標値２（ωr ′）を入力し、フ
ィードフォワード信号（トルク指令）１０（τr ）を機
械負荷１５へ出力するフィードフォワード制御部７、機
械負荷１５の入力値１４（ｕ）及び速度信号の実測値
（角速度）１２（ω）を入力して外乱補償信号４（ｄa
）を機械負荷１５へ出力する外乱補償部９とを設ける
と共に、外乱補償信号４（ｄa ）及び近似加速度５（φ
1 ′：ωの微分値）を入力し、機械負荷１５の慣性モー
メント（Ｊ）を同定してフィードバック制御部８、フィ
ードフォワード制御部７、外乱補償部９へパラメータと
して出力する慣性モーメント同定部３を設けている。な
お、フィードフォワード制御部７から出力されるフィー
ドフォワード信号１０（τr ）、フィードバック制御部
８から出力されるフィードバック信号１１（ＵFB）及び
外乱補償部９から出力される外乱補償信号４（ｄa ）は
加減算器１３に入力し、フィードフォワード信号１０
（τr ）とフィードバック信号１１（ＵFB）とを加算す
ると共に外乱補償信号４（ｄa ）を減算し、その演算結
果を発生トルク１４（ｕ）として機械負荷１５及び外乱
補償部９に入力する。次に上記実施例の動作を説明す
る。外乱補償部９、慣性モーメント同定部３、フィード
フォワード制御部７、フィードバック制御部８の順に説
明する。 〈外乱補償部９〉

【０００９】外乱補償部９の役割は、サーボ系に働く未
知のトルク外乱を推定し、これをフィードバックしてト
ルク外乱をキャンセルするものである。このためには外
乱オブザーバが利用できる。外乱オブザーバは以下の手
順で求められる。サーボ系の運動方程式を（１）式（回
転系の場合）に示す。 Ｊω′＝ｕ＋ｄ−Ｄω …（１） 但し、Ｊ：慣性モーメント、ω：角速度、Ｄ：粘性抵
抗、 ｕ：発生トルク、 ｄ：外乱トルク また、直線系では（２）式になる。 ＭＶ′＝Ｆ＋Ｒ−ＤＶ …（２） 但し、Ｍ：質量、Ｖ：速度、Ｆ：発生力、Ｒ：外乱力 回転系、直線系のどちらも同じ形の式になっており、以
後の説明はすべてどちらを採用しても成立するため、回
転系を例にとって説明する。外乱ｄのみを推定するオブ
ザーバは推定に要する時定数をｔo とすると、以下のラ
プラス変換式で表わされる。 ｄa （ｓ）＝（Ｊa ｓ＋Ｄa ）ω（ｓ）／（ｔo ｓ＋１） −ｕ（ｓ）／（ｔo ｓ＋１） …（３） 但し、ｄa ：外乱推定値、 Ｊa ：オブザーバモデルの慣性モーメント値 Ｄa ：オブザーバモデルの粘性抵抗値

【００１０】ここで正確に外乱を求めるためには「Ｊ＝
Ｊa 」でなければならない。外乱補償部９は、図２に示
すように構成されており、角速度１２（ω）と発生トル
ク１４（ｕ）から外乱補償信号（推定外乱）４（ｄa ）
及び近似加速度信号５（φ1′）を出力する機能を有す
る。但し、図２ではＤa ＝０としている。 〈慣性モーメント同定部３〉 外乱には一定の負荷が加わるものやクーロン摩擦のよう
に速度の向きに応じて力の方向が変わるものがある。外
乱ｄは（４）式のようになる。 ｄ＝−Ｄω−ｄc −Ｔc sign（ω） …（４） 但し、ｄc ：定常外乱、Ｔc ：クーロン摩擦の大きさ このときの制御対象（機械負荷１５）の構成図を図３に
示す。また、オブザーバモデルと実際の慣性モーメント
との誤差をδＪとして δＪ＝Ｊ−Ｊa …（５） と定義する。このとき、誤差δＪによる影響も外乱とみ
なすと制御対象の構成図は図４のように表わされ、等価
外乱として（６）式が成立する。 ｄ＝−ｄc −Ｔc sign（ω）−Ｄω−δＪω′ …（６） 外乱推定値は、（６）式に対して１次遅れで出力される
ため ｄa ＝（−ｄc −Ｔc sign（ω）−Ｄω−δＪω′）／（ｔo ｓ＋１） …（７） となる。（７）式より、外乱推定値に慣性モーメントの
誤差δＪが含まれることがわかる。これを利用して誤差
δＪを求めることができれば Ｊa ←Ｊa ＋δＪ とすることでオブザーバモデルの慣性モーメントは同定
できたことになる。以下、誤差δＪの求め方を示す。新
たな信号としてφ1 （ｔ）、φ2 （ｔ）を定義する。

【００１１】

【数１】 上記（８）式、（９）式より（７）式は ｄa ＝−Ｄφ1 （ｔ）−δＪφ1 ′（ｔ）−φ2 （ｔ） ＋ｄao exp（−ｔ／ｔo ） …（１０） 但し、ｄao：外乱推定初期値 ある時間区間［ｔ1 、ｔ2 ］で（１０）の両辺にφ1 ′
をかけて積分すると

【００１２】

【数２】 ここで目標値が周期関数で常に正、または常に負である
とすると、応答φ1 も結果的に同一符号で周期関数とな
る。このとき φ1 ＞０ または φ1 ＜０ …（１２） φ1 （ｔ＋ｎＴ）＝φ1 （ｔ＋（ｎ＋１）Ｔ） …（１３） 但し、（ｎ＝０，１，２，…） が成り立つ。このときｔ1 ＝ｔ＋ｎＴ、ｔ2 ＝ｔ＋（ｎ
＋１）Ｔとすると

【００１３】

【数３】 また、（１２）式により φ2 ＝ｄc ＋Ｔc ：φ1 ＞０のとき φ2 ＝ｄc −Ｔc ：φ1 ＜０のとき …（１６） となる。よって、

【００１４】

【数４】 このようにφ1 （ｔ）が（１２）式、（１３）式を満た
すときは（１５）式、（１７）式の区間直交性を利用し
て誤差δＪが求められる。また、（１１）式、（１５）
式、（１７）式より

【００１５】

【数５】 上式よりｔ→∞でexp （−ｔ／ｔo ）→０より、実用的
にｔ》ｔo では

【００１６】

【数６】 となる。そして、「Ｊa ←Ｊa ＋δＪ」として同定が完
了する。上記慣性モーメント同定部３の構成を図５に示
す。 〈フィードフォワード制御部７〉

【００１７】フィードフォワード制御部７は、図６に示
すように構成されており、加速度信号の目標値２（ωr
′）及び慣性モーメント同定部３からの慣性モーメン
ト同定値６（Ｊa ）により、（２０）式に示すフィード
フォワード信号（トルク指令）１０（τr ）を出力す
る。 τr ＝Ｊa ωr ′ …（２０） これにより、慣性モーメント同定値が常にセットされ、
フィードフォワード量が最適に調整される。 〈フィードバック制御部８〉 フィードバック制御部８におけるフィードバックゲイン
は、慣性モーメント同定値６（Ｊa ）に基づいて計算さ
れる。制御系の目標特性を速度制御系で考え、 Ｇ（ｓ）＝ωc ／（ｓ＋ωc ） …（２１） とする。ここでωc は制御帯域を表わす。制御帯域ωc
を慣性変動に係なく一定に保つために速度制御ゲインＫ
v を慣性モーメント同定値６（Ｊa ）に基づいて変更す
る。制御系の特性は、フィードバック制御部８が図８の
ように構成されているとき（これはフィードバックのみ
従来方式）、 Ｇ（ｓ）＝（Ｋv ／Ｊ）／（ｓ＋Ｋv ／Ｊ） …（２２） より Ｋv ＝Ｊa ωc …（２３） として計算される。これにより常に特性は一定となる。
この他に、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御にすることも可能であ
り、上記は一例を示したものである。

【００１８】更に、本発明の具体的な動作について説明
する。ここでは、例として速度制御系を取り上げる。位
置制御系は更にもう１つ外側に位置制御系を付加すれば
よく、この速度制御系は何れにしても必要となる。図１
において、速度信号の目標値１（ωr ）及び加速度信号
の目標値２（ωr ′）が与えられると、外乱補償部９か
ら図５に詳細を示す慣性モーメント同定部３に外乱補償
信号４（ｄa ）及び近似加速度５（φ1 ′）が入力され
る。

【００１９】慣性モーメント同定部３では、まず、外乱
補償信号４（ｄa ）と近似加速度５（φ1 ′）が乗算さ
れてその値が積分されてＷa になる。また、近似加速度
５（φ1 ′）は、２乗された後、その値が積分されてＷ
b になる。

【００２０】誤差δＪは、−Ｗa ／Ｗb で求められ、
「Ｊa ←Ｊa ＋δＪ」によりＪa が更新され、慣性モー
メント同定値６（Ｊa ）として出力される。この慣性モ
ーメント同定値６（Ｊa ）は、フィードフォワード制御
部７、フィードバック制御部８、外乱補償部９に入力さ
れる。

【００２１】フィードフォワード制御部７は、図６に内
部演算を示すが、加速度信号の目標値２（ωr ′）を入
力し、慣性モーメント同定部３からの慣性モーメント同
定値６（Ｊa ）を乗じてその出力をフィードフォワード
信号１０（τr ）として出力する。

【００２２】フィードバック制御部８では、図７に示す
ような内部演算が行なわれる。速度信号の目標値１（ω
r ）と実測値（角速度）１２（ω）が入力され、偏差が
「ωr −ω」により計算される。この偏差は補償器Ｇc
（ｓ）に入力されて制御量がフィードバック信号１１
（ＵFB）として出力される。ここでＧc （ｓ）内のパラ
メータは、慣性モーメント同定値６（Ｊa ）の大きさに
応じて決められる。これらは設計者が任意に機械の特性
や制御仕様によって決定する。一例として速度制御ゲイ
ンＫv のみを変化させるとき、上記（２３）式で演算さ
れる。外乱補償部９は、図２に示すように、慣性モーメ
ント同定値６（Ｊa ）が利用される。

【００２３】そして、加減算器１３において、フィード
フォワード信号１０（τr ）とフィードバック信号１１
（ＵFB）が加算され、更に外乱補償信号４（ｄa ）が演
算されて発生トルク１４（ｕ）として出力される。機械
負荷１５は図３で表わされ、実測値（角速度）１２
（ω）が出力される。このように機械負荷が変化して
も、慣性モーメント同定部３により、その慣性モーメン
トが計算されて慣性モーメント同定値６（Ｊa ）として
出力され、それを基にしてフィードフォワード制御部
７、フィードバック制御部８、外乱補償部９が調整され
るため、常に最適な制御系を維持できる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、機
械の慣性変動が起きても、慣性モーメント同定部によ
り、その変動分を計算して慣性モーメントの値を同定
し、また、その値に対応してフィードフォワード制御
部、フィードバック制御部、外乱補償部の制御パラメー
タを更新して慣性モーメントの大きさに最適に調整する
ようにしたので、機械の慣性変動を生じた場合でも常に
最適な制御系を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るサーボ制御装置の構成
図。

【図２】図１に於ける外乱補償部の構成図。

【図３】図１に於ける機械負荷の構成図。

【図４】図１に於ける等価外乱の構成図。

【図５】図１に於ける慣性モーメント同定部の構成図。

【図６】図１に於けるフィードフォワード制御部の構成
図。

【図７】図１に於けるフィードバック制御部の構成図。

【図８】従来の速度サーボ制御装置を示す構成図。

【符号の説明】

１（ωr ）…速度信号の目標値、２（ωr ′）…加速度
信号の目標値、３…慣性モーメント同定部、４（ｄa ）
…外乱補償信号、５（φ1′）…近似加速度、６（Ｊa
）…慣性モーメント同定値、７…フィードフォワード
制御部、８…フィードバック制御部、９…外乱補償部、
１０（τr）…フィードフォワード信号、１１（ＵFB）
…フィードバック信号、１２（ω）…実測値（角速
度）、１３…加減算器、１４（ｕ）…発生トルク、１５
…機械負荷。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−25505（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−77210（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−228285（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−141708（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−219482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−151725（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05D 3/00 - 3/12 306 G05B 11/32 G05B 13/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 速度信号の目標値（ωr ）及び実測値
   （ω）を入力しフィードバック信号（ＵFB）をサーボ装
   置へ出力するフィードバック制御部と、加速度信号の目
   標値（ωr ′）を入力し、フィードフォワード信号（τ
   r ）をサーボ装置へ出力するフィードフォワード制御部
   と、サーボ装置の入力値（ｕ）及び速度信号の実測値
   （ω）を入力して外乱補償信号（ｄa ）をサーボ装置へ
   出力する外乱補償部とを有するサーボ制御装置におい
   て、外乱補償信号（ｄa ）及び近似加速度（φ1 ′：ω
   の微分値）を入力し、サーボ装置の慣性モーメント
   （Ｊ）を同定してフィードバック制御部、フィードフォ
   ワード制御部、外乱補償部へパラメータとして出力する
   慣性モーメント同定部を備えたことを特徴とするサーボ
   制御装置。