JP3294056B2

JP3294056B2 - 機械系制御システム

Info

Publication number: JP3294056B2
Application number: JP13575995A
Authority: JP
Inventors: 彰啓伊藤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 2002-06-17
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JPH08305443A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばロボットやＮＣ
機械などの駆動系、回転系に適用できる機械系制御シス
テムに関し、さらに詳細には、制御対象が位置指令によ
って確実に制御され、かつ外乱の影響を補償できる機械
系制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ロボットやＮＣ機械等の分野で
は、これらを駆動するための機械系制御システムが適用
されている。この機械系制御システムは、負荷を駆動す
るモータと、前記モータの回転角度データを検出するセ
ンサーと、位置指令と前記センサーからの回転角度デー
タを基に制御量を決定する制御手段と、前記制御手段か
らの制御量を基に上記モータを駆動するドライブ手段と
を備えたものがよく知られている。

【０００３】このような機械系制御システムが適用され
ているロボットやＮＣ機械等の駆動系、回転系において
は回転むらが生じることがあり、これが原因となって機
械系の共振点に共振して振動が発生したり、回転数に誤
差が発生したりすることがあった。

【０００４】具体的に例を挙げて説明すると、ロボット
アームに使用される減速機ハーモニックドライブには、
周期的なトルクむらがみられることが知られている。ま
た、ＡＣモータ制御の場合は、ｕｖｗの三相の信号にオ
フセットが生じやすく、これによっても回転数に応じた
周期のトルクむらが生じることが知られている。

【０００５】ところで、関節型アームの場合、カーテシ
アン座標（直角座標）系で軌道生成する場合、関節角速
度は低速から高速までの広い範囲で変化する。これに伴
って上記トルクむらの周波数も変化する。このトルクむ
らの周波数が、ちょうどロボットアームの共振周波数付
近に達したときに、アームに異常振動が発生してしまう
という不都合があった。

【０００６】このようなアームの異常振動を除去する従
来装置として、例えば次に示すようなものが提案されて
いる。

【０００７】すなわち、この従来装置の一例としては、
トルク指令に対して測定データを基に作成した振動信号
を逆相にして印加することにより、制振をさせるように
したものである（“日本機械学会講演論文集、Ｎｏ．８
６０−１”、「６．ロボットの防制御に関する研究（ハ
ーモニックドライブのトルクムラに起因する共振振動に
ついて）」、古谷豊、他）。

【０００８】この従来装置の他の例としては、回転むら
の特性をバネ−マス系で表現したモデルに基づいた拡大
系に対してオブザーバと、モータ軸側情報及びその差分
（又は微分）を用いることにより、回転むらにかかわら
ず負荷側の回転角度と回転速度を推定し、この推定値を
算出した後、さらに所望の制御特性を得るためにこの値
を使用して制御をかけるようにしたものである（特開平
３ー２２６２８４号公報）。これら従来装置は、それぞ
れ異常振動を防止することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
従来装置によれば、いちいちデータを取らなければなら
ないという欠点があるほか、本質的にフィードバック制
御でないため、測定したデータと本来あるべき値とのミ
スマッチに弱く、また外乱にも弱いという欠点があっ
た。

【００１０】また、後者の従来装置によれば、オブザー
バと差分（微分）で動的なモデル出力を推定しており、
この重要な一つの情報を得ることを差分に頼っているこ
とから決定的にノイズに弱いという欠点があるほか、負
荷側の情報も推定しているため演算量も多く、かつ高い
計算精度が要求されるという欠点があった。

【００１１】そこで、本発明の第１の目的は、上述した
欠点を解消し、構造が簡単で演算量も少ない機械系制御
システムを提供することにある。

【００１２】また、本発明の第２の目的は、第１の目的
に加えて、回転むらの影響を減じ、さらにミスマッチや
外乱・ノイズにも強い機械系制御システムを提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、負荷を駆動するモータ
と、モータの回転角度データを検出するセンサーと、位
置指令とセンサーからの回転角度データを基に演算手段
により制御量を決定する制御手段と、制御手段からの制
御量を基にモータを駆動するドライブ手段とを備えた機
械系制御システムにおいて、演算手段は、位置指令と回
転角度データとの関係を規定した

【数３】（ｖ(ｓ)は位置指令、ｙ(ｓ)は回転角度データ、ｓはラ
プラスの演算子、ｍ₀，ｍ₁は係数）からなる２次制御
モデルと、ｍ₀／Ｋ（Ｋは位置指令から回転角度データ
にいたる制御対象の伝達関数をＫ／ｓ（ｓ＋λ）とした
ときの当該係数）という第１のパラメータにより位置指
令に掛け算処理を施す第１の係数器と、ｈ(ｓ)／ｑ(ｓ)
（ｈ(ｓ)、ｑ(ｓ)はそれぞれｓの多項式）という構成で
これら多項式の係数を第２のパラメータベクトルとして
回転角度データにフィルタ処理を施す第２のフィルタ
と、ｋ(ｓ)／ｑ(ｓ)（ｋ(ｓ)はｓの多項式）という構成
でこれら多項式の係数を第３のパラメータベクトルとし
て回転角度データにフィルタ処理を施す第３のフィルタ
と、第１の係数器、第２のフィルタ及び第３のフィルタ
からの出力データを加算して制御量とする加算器とを備
えており、制御入力ｕを表す式を

【数４】とし、これら式の各々の係数を、数式ｓ（ｓ＋λ）ｋ(ｓ) ＋Ｋｈ(ｓ) ＝ｑ(ｓ)（（λ−ｍ₁）ｓ−ｍ₀）に基づき係数比較により求めて位置指令と回転角度デー
タとが２次制御モデルの関係を満足するような制御量を
得ることを特徴としている。

【００１４】

【作用】本発明では、位置指令と回転角度データとの関
係を規定した制御モデルを有し、上記位置指令と前記セ
ンサーからの回転角度データとが前記制御モデルの関係
を満足するように制御量を得て、これをドライブ手段に
与えてモータを駆動することにより、構造が簡単で演算
量も少ない装置とすることができる。また、本発明で
は、回転むら特性をバネ−マス系で表現した拡大系のモ
デルに対してオブザーバを構成するのではなく、伝達関
数がＫ／ｓ（ｓ＋λ）であらわされる簡単なモータ・負
荷系のみのモデルに基づいて、回転速度を推定する制御
手段（オブザーバ）そのものの中に回転むらに起因する
振動とステップの外乱モデルを組み込み、さらに極配置
のためのフィードバックゲイン情報も同時に組み込んだ
ことにより、回転むらの影響を減じ、さらにミスマッチ
や外乱・ノイズにも強いまま、構造が簡単で演算量も少
なく全体の制御特性を２次の制御モデルに一致させる。
なお、ｍ₀は制御モデルの係数、Ｋは位置指令から回転
角度データにいたる制御対象の伝達関数をＫ／ｓ（ｓ＋
λ）としたときの係数である。

【００１５】

【実施例】以下、本発明について図示の実施例を参照し
て説明する。

【００１６】図１に、本発明に係る機械系制御システム
を示す。同図において、機械系制御システム１は、負荷
２を駆動するモータ３と、前記モータ３の回転角度デー
タｙを検出するセンサー（エンコーダ）４と、位置指令
ｖと回転角度データｙとの関係を規定した制御モデルを
有し、位置指令ｖと前記エンコーダ４からの回転角度デ
ータｙとが前記制御モデルの関係を満足するような制御
量ｕを決定する演算手段を内蔵する制御手段５と、前記
制御手段５からの制御量ｕを基に前記モータ３を駆動す
るドライブ手段６とを備えたものである。

【００１７】図２に、上記制御手段の構成例を示す。同
図において、前記制御手段５に内蔵される演算手段５０
は、位置指令ｖ、回転角度データｙ及び制御量ｕのそれ
ぞれに所定の処理を施して得た値を基に制御量ｕを得る
ように構成されたものである。具体的には、演算手段５
０は、前記操作指令ｖに第１のパラメータによる掛け算
処理を施す第１の係数器５１と、前記回転角度データｙ
に第２のパラメータによるフィルタ処理を施す第２のフ
ィルタ５２と、前記制御量ｕに第３のパラメータによる
フィルタ処理を施す第３のフィルタ５３と、前記係数器
５１と各フィルタ５２，５３からの出力データを加算し
て制御量ｕとする加算器５４とを備えて構成されてい
る。

【００１８】このように構成したことにより、モータ３
を所望の状態に制御できることを以下に説明する。

【００１９】この機械系制御システムでは、図１に示す
ようなモータ３・負荷２等を含む制御対象７の伝達関数
が数式５のように表現されるものとする。

【数５】この制御対象に対し、位置指令ｖに対する位置制御系の
伝達関数が次の数式６のような希望モデルになるように
制御するものである。尚、ｓはラプラス演算子である。

【数６】

【００２０】このように制御するために、制御手段５で
は、操作指令ｖ、回転角度データｙ及び制御量ｕを用い
て数式７を用いて演算をすることにより制御量ｕを得て
いる。すなわち、制御手段５において、ｍ₀／Ｋという
第１のパラメータを持つ第１の係数器５１により操作指
令ｖは掛け算処理される。また、ｈ(s) ／ｑ(s) という
第２のパラメータベクトルを持つ第２のフィルタ５２に
より回転角度データｙはフィルタ処理をされる。さら
に、ｋ(s) ／ｑ(s) という第３のパラメータベクトルを
持つ第３のフィルタ５３により制御量ｕはフィルタ処理
をされる。前述のように処理された値は、加算器５４に
加算される。これらは、数式７に示すことができる。

【数７】ここで、ｑ(s) は、次の数式８のような、４次の任意の
安定多項式でオブザーバの状態フィルタの特性多項式と
なる。

【数８】

【００２１】また、ｋ(s) 、ｈ(s) については、次の数
式１１を満足する、数式９及び数式１０のように表され
る多項式であって、その各々の係数は、数式１１に基づ
いて係数比較により求めることができる。

【数９】

【数１０】

【数１１】なお、数式９におけるωは、回転むらによる共振角周波
数をω〔ｒａｄ／ｓ〕と仮定したときの値である。

【００２２】以上のようにして形成した制御量ｕを制御
対象７に入力すると、数式７より数式１２が得られ、数
式１１より数式１３が得られることになる。

【数１２】

【数１３】

【００２３】さらに、数式１２と数式１３とから数式１
４が得られ、数式１４より数式１５となる。この数式１
５を見ると、結局これは数式６に等しくなっていること
が分かる。

【数１４】

【数１５】

【００２４】この実施例は、上述したように制御量ｕを
形成し、その制御量ｕを制御対象７に与えることによ
り、制御対象７は数式６のように結果として制御される
ことになるので、制御対象７を所望の状態に制御するこ
とができることになる。

【００２５】次いでこの同じ制御装置が回転むら外乱の
影響もおさえることを以下に示す。

【００２６】まず、ｖ＝０としたときの外乱τからｙに
いたる特性を解析する。回転むら外乱に相当する等価外
乱はＡsin （ωｔ＋ａ）のようにモデル化される。ｖ＝
０のときには、数式７のｖ(s) の項がゼロとなるから、
これを変形すると数式１６が得られる。

【数１６】

【００２７】次に制御対象への入力が制御入力ｕ（ｓ）
の他に回転むら等に相当する等価外乱τ（ｓ）も印加さ
れることになるので、このことを数式１６を用いて表す
と、数式１７を得ることができる。

【数１７】この数式１７のｕ(s) の項に数式１６を代入すると、数
式１８を得ることができる。

【数１８】この数式１８を加工して数式１３を代入すると、外乱特
性が数式１９のように得られる。

【数１９】ここで、ｑ(s) −ｋ(s) は数式２０のように表すことが
できる。

【数２０】したがって、この数式２０を数式１９に代入すると、数
式２１が得られる。

【数２１】ここで、外乱τは、ステップ状外乱と、Ａsin （ωｔ＋
ａ）で表せる回転むらとから構成されているので、この
外乱τのラプラス変換は、数式２２のような形になる。

【数２２】このτ(s) を数式２１に代入して最終値の定理を使うと
数式２３を得ることができる。

【数２３】この数式２３を見ると、外乱成分は一切消去されてお
り、分母には安定多項式のみが残るため、外乱の影響は
ゼロに収束させることができる。

【００２８】したがって、上述したように構成された制
御量ｕを制御対象７に供給することにより、制御対象７
の出力からは外乱τの影響がなくなった状態に制御する
ことができる。

【００２９】このように構成された実施例によれば、制
御対象７を外乱の影響なく制御することができる。

【００３０】また、この実施例によれば、（ａ）あらか
じめ共振周波数に設定して制御ゲインをきめるが、多少
の変動や誤差があっても効果が上がり、（ｂ）従来装置
に比べ構成が簡単でコストメリットも上がり、かつ微分
を使用していないのでノイズにも強く、しかも（ｃ）通
常の外乱推定器による補償よりも効果が高く、積分型の
外乱補償機能も備わっている装置とすることができる。
また、速度に応じて変化する回転むらをゲインスケジュ
ーリング法によってゲインを変化させることもできる。

【００３１】以上の説明では、各部の構成を連続系でお
こなうものとして説明してきたが、制御手段５をディジ
タル系で構成する場合も同様に構成することができる。
したがって、図１〜図２に示すような制御手段５を実現
する装置は、アナログ回路であってもよいし、ディジタ
ル回路やマイクロプロセッサ等を用いてソフトウェアの
アルゴリズムとして実現してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、
（ａ）あらかじめ共振周波数に設定して制御ゲインをき
めるが、多少の変動や誤差があっても効果が上がり、
（ｂ）かつ構成が簡単でコストメリットも上がり、しか
も微分を使用していないのでノイズにも強い、（ｃ）ト
ルクむら補償と同時に積分型の外乱補償機能も備わり、
制御系の入出力特性を所望のモデルに一致される制御構
造も含んでいる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の機械系制御システムの第１の実施例を
示すブロック図である。

【図２】同第１の実施例の制御手段の詳細構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１機械系制御システム２負荷３モータ４エンコーダ（回転角度センサー）５、５ａ制御手段７制御対象５０第１の演算手段５１第１の係数器５２第２のフィルタ５３第３のフィルタ５４加算器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】負荷を駆動するモータと、前記モータの
回転角度データを検出するセンサーと、位置指令と前記
センサーからの回転角度データを基に演算手段により制
御量を決定する制御手段と、前記制御手段からの制御量
を基にモータを駆動するドライブ手段とを備えた機械系
制御システムにおいて、前記演算手段は、位置指令と回
転角度データとの関係を規定した【数１】（ｖ(ｓ)は位置指令、ｙ(ｓ)は回転角度データ、ｓはラ
プラスの演算子、ｍ₀，ｍ₁は係数）からなる２次制御
モデルと、ｍ₀／Ｋ（Ｋは位置指令から回転角度データ
にいたる制御対象の伝達関数をＫ／ｓ（ｓ＋λ）とした
ときの当該係数）という第１のパラメータにより前記位
置指令に掛け算処理を施す第１の係数器と、ｈ(ｓ)／ｑ
(ｓ)（ｈ(ｓ)、ｑ(ｓ)はそれぞれｓの多項式）という構
成でこれら多項式の係数を第２のパラメータベクトルと
して前記回転角度データにフィルタ処理を施す第２のフ
ィルタと、ｋ(ｓ)／ｑ(ｓ)（ｋ(ｓ)はｓの多項式）とい
う構成でこれら多項式の係数を第３のパラメータベクト
ルとして前記回転角度データにフィルタ処理を施す第３
のフィルタと、前記第１の係数器、第２のフィルタ及び
第３のフィルタからの出力データを加算して制御量とす
る加算器とを備えており、制御入力ｕを表す式を【数２】とし、これら式の各々の係数を、数式ｓ（ｓ＋λ）ｋ(ｓ) ＋Ｋｈ(ｓ) ＝ｑ(ｓ)（（λ−ｍ₁）ｓ−ｍ₀）に基づき係数比較により求めて前記位置指令と回転角度
データとが前記２次制御モデルの関係を満足するような
制御量を得ることを特徴とする機械系制御システム。