JP3329163B2 - サーボモータの制御装置 - Google Patents

サーボモータの制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は,サーボモータの制
御装置に係り,詳しくは機械共振系負荷を持つサーボモ
ータの制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】減速器を含む機械負荷をサーボモータに
結合したとき,モータ・負荷間の剛性不足などの原因で
共振が発生し,制御不能となる場合がある。この場合,
制御ループのゲインを下げることにより,共振を防止す
ることができるが,応答が遅くなるなど制御特性が劣化
する。共振や反共振を防止するためには,負荷速度のフ
ィードバックが有効であることが知られている。図9に
PI補償器を用いた従来のサーボモータ制御装置の一例
を示す。負荷は2質点機械系を想定している。負荷トル
ク外乱TDに対する負荷速度ωLの伝達特性G(S)は
次式で表される。
【数1】
【0003】上記(1)式の伝達特性の分母の各係数の
うち,プラス演算子Sの1次の項の係数にフィードバッ
クゲインKFが存在する。このことはKFが制御応答特
性の中の減衰率に作用し,例えば,ステップ応答を考え
た場合,KFを大きくすると減衰率が大きくなり,オー
バシュート量が小さくなりオーバーダンピングな応答特
性になることを意味する。負荷速度フィードバックを持
たない速度サーボの場合,PI補償器の比例ゲインKP
と積分時定数TPとにより制御応答特性が操作される
が,機械共振系負荷をもつ場合,機械系の共振・反共振
の抑制と制御応答特性の維持とをKP,TPだけで両立
させることは難しい。一般的に,KPを下げ制御系を安
定化させて使用しているが,応答速度が低くなるため,
満足な制御特性が得られない。これに対し,前述の負荷
速度フィードバックゲインKFはKP,TPとは独立し
て減衰率に作用するため,KP,TP,KFの3つのパ
ラメータを操作することにより,共振・反共振の制御と
サーボの応答特性の維持との両立が可能である。
【0004】ところで,負荷速度フィードバック制御で
は,負荷速度を何等かの方法で検出することが必要であ
るが,一般に負荷速度を直接検出することは不可能な場
合が多く,また,たとえ検出できたとしても検出器が高
価なため,実用上使用できない場合が多い。そこで,モ
ータ速度ωMとモータ電流IA(又は電流指令IA*
とを用いて負荷速度を推定する方法が提案されており,
一般にオブザーバと呼ばれている。図10に2質点機械
系負荷の負荷速度を推定できる従来方式のオブザーバの
一例を示す。本従来方式のオブザーバは負荷トルク演算
部と負荷速度演算部とから構成される。負荷トルク演算
部はモータ速度ωMとモータ電流IAとから負荷トルク
TLXを推定している。負荷速度演算部はこの負荷トル
ク推定値TLXとモータ速度ωMとから負荷速度ωLX
を推定している。
【0005】以下,本従来方式のオブザーバの基本動作
について説明する。負荷トルク演算部において,モータ
電流IAとトルク定数設定値KT* とよりモータ出力ト
ルク推定値TAXを求める。補償器1の出力である第1
の負荷トルク推定値TLX1とTAXとを加算し,モー
タ駆動トルク推定値TMXを求める。TMXをモータイ
ナーシャの逆数の設定値KM* で積分することによりモ
ータ速度推定値ωMXを求める。モータ速度ωMとωM
Xとの差を求め,これを前記補償器1に入力することに
より,前記第1の負荷トルク推定値TLX1を操作し,
前記ωMとωMXとの差がゼロになるように前記補償器
1が制御する。この結果,前記第1の負荷トルク推定値
TLX1が負荷トルクと一致するようになる。
【0006】負荷速度演算部において,モータ速度ωM
と補償器2の出力である負荷速度推定値ωLXとよりモ
ータ・負荷速度差推定値ωεXを求める。ωεXをバネ
定数設定値Kε* で積分することにより第2の負荷速度
推定値TLX2を求める。TLX2と前記第1の負荷ト
ルク推定値TLX1との差を求め,これを前記補償器2
に入力することにより,上記第2の負荷トルク推定値T
LX2を操作し,前記TLX1とTLX2の差がゼロに
なるように前記補償器2が制御する。この結果,前記負
荷速度推定値ωLXが負荷速度と一致することにより,
負荷速度の推定が行われる。本従来方式のオブザーバは
負荷トルク外乱が無い内場合や既知の場合には負荷速度
ωLを正確に推定できるが,負荷トルク外乱が変動する
場合は原理的に推定誤差が発生する。尚,ここでは説明
を省略したが,制御工学テキスト等に示される同一次元
オブザーバや最小次元オブザーバなどを負荷速度推定に
適用した場合も負荷トルク外乱の変動に対し同様の推定
誤差を生ずる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記したような従来方
式のオブザーバでは,負荷トルク外乱が加わったとき,
負荷速度が上手く推定できないという問題があった。こ
のため,従来方式のオブザーバを用いたサーボモータ制
御装置では精度の良い制御を行うことができないことが
ある。本発明は,このような従来の技術における課題を
解決するために,サーボモータの制御装置を改良し,常
に精度の良い制御を行うことのできるサーボモータの制
御装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は,サーボモータのモータ電流とモータ速度と
の各検出値に基づいて該サーボモータの負荷速度を推定
し,上記負荷速度の推定値を用いて上記サーボモータの
フィードバック制御を行うサーボモータの制御装置にお
いて,上記モータ電流とモータ速度との各検出値に基づ
いて上記サーボモータの負荷トルクを推定する負荷トル
クオブザーバと,上記モータ速度の検出値と上記負荷ト
ルクの推定値とに基づいて上記サーボモータに加わる負
荷外乱を推定する負荷外乱オブザーバと,上記モータ速
度の検出値と上記負荷外乱の推定値とに基づいて上記負
荷速度を推定する負荷速度オブザーバとを具備し,上記
負荷外乱オブザーバ及び前記負荷速度オブザーバのそれ
ぞれが,上記サーボモータへの負荷の伝達に係るバネ定
数のパラメータ及び負荷イナーシャのパラメータを有
てなることを特徴とするサーボモータの制御装置として
構成されている。さらには,上記モータ電流の検出値の
代りに,所定の電流指令値を用いるサーボモータの制御
装置である。
【0009】
【発明の実施の形態】及び
【実施例】以下添付図面を参照して,本発明の実施の形
態及び実施例につき説明し,本発明の理解に供する。
尚,以下の実施の形態及び実施例は,本発明を具体化し
た一例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格の
ものではない。ここに,図1は本発明の実施の形態及び
実施例に係るオブザーバの基本構成を示すブロック線
図,図2は上記オブザーバを用いたサーボモータ制御装
置の構成例を示すブロック線図,図3は数値積分回路例
を示すブロック線図,図4は数値微分回路例を示すブロ
ック線図,図5は数値近似微分回路例を示すブロック線
図,図6は負荷トルク演算部のブロック線図,図7は負
荷トルク外乱演算部のブロック線図,図8は負荷速度演
算部のブロック線図である。
【0010】図2に示すごとく,本発明に係るサーボモ
ータ制御装置は,所定の電流指令値IA* (又はサーボ
モータのモータ電流の検出値IA)とモータ速度との検
出値ωMとに基づいて,サーボモータの負荷速度を推定
し,この負荷速度の推定値ωLXを用いてサーボモータ
のフィードバック制御を行う点で従来例と同様である。
しかし,本装置では,図1に示すように,所定の電流
指令値IA* (又はモータ電流の検出値IA)と,モー
タ速度の検出値ωMとに基づいてサーボモータの負荷ト
ルクを推定する負荷トルク演算部1(負荷トルクオブザ
ーバに相当)と,モータ速度の検出値ωMと負荷トルク
の推定値TLXとに基づいてサーボモータに加わる負荷
トルク外乱(負荷外乱)を推定する負荷トルク外乱演算
部2(負荷外乱オブザーバに相当)と,モータ速度の検
出値ωMと負荷トルク外乱の推定値TDXとに基づいて
負荷速度ωLXを推定する負荷速度演算部3(負荷速度
オブザーバに相当)とからなるオブザーバを具備してい
る点で従来例と異なる。
【0011】以下,上記オブザーバの各演算部の演算内
容について説明する。尚,演算内容に含まれる各変数の
定義は次の通りである。
【表1】
【0012】先ず,演算に必要なモータ・負荷系の状態
方程式を示す。
【数2】 負荷トルク演算部1の場合,上記(11)式より下式を
求める。
【数3】
【0013】上記(11)式に基づいて,モータ速度推
定値ωMXを求め,この値がモータ速度ωMと一致する
ような負荷トルク推定値TLX1を求めればよい。具体
的には図10に示したような従来方式のオブザーバと同
様の負荷トルク演算部が一般的に使われる。或いは,上
記(11)式を変形して,
【数4】 として負荷トルク推定値TLXを求めてもよい。
【0014】次に,負荷トルク外乱演算部2の場合,上
記(12),(13)式より下式を求める。
【数5】 上記(17)式に基づいて負荷トルク外乱TDXを求め
る。最後に,負荷速度演算部3の場合,上記(12),
(13)式より下式を求める。
【数6】
【0015】以下,図1のオブザーバの各演算部の演算
例について説明するが,一般的にこれらの演算はマイク
ロコンピュータなどのデジタル演算素子を利用して数値
演算処理として行われることが多く,ここでは数値演算
処理を前提に説明する。この場合,積分や微分などを含
む演算式は差分形式がとられる。例えば積分は図3に示
すような数値積分回路が一般的に用いられ,微分は図4
に示すような前回の値との差分を計算する回路か,ある
いは図5に示すような積算回路をフィードバックに持つ
ことにより近似的に微分演算を行う回路が一般的に用い
られる。数値積分法や数値微分法については数値演算工
学テキストなどに種々の方法が提案されており,これら
を応用すれば簡単に実現できる。
【0016】先ず,負荷トルク演算部1について説明す
る。演算手法としては上記図10に示したような負荷ト
ルク演算部が最も一般的な方法であるが,また,上記
(14),(16)式に従って演算する方法も考えられ
る。後者の場合,一例として差分形式で表すと次式とな
る。
【数7】 図6に本演算ブロック線図形式にした場合の構成例を示
す。
【0017】次に,負荷トルク外乱演算部2について説
明する。この場合は上記(17)式に従って数値演算す
ればよいが,一例として差分形式で表すと次式となる。
【数8】 図7に本演算をブロック線図形式にした場合の構成例を
示す。
【0018】最後に,負荷速度演算部3について説明す
る。この場合は,上記(18)式に従って演算すればよ
いが,一例として差分形式で表すと次式となる。
【数9】 図8に本演算をブロック線図形式にした例を示す。以上
のようにして求められた負荷速度推定値ωLXでは,負
荷トルク外乱を考慮しているため,負荷トルク外乱の混
入によるオブザーバの推定精度の低下のおそれがない。
従って,本装置では,常に精度のよい制御を行うことが
できる。また図2において,負荷速度フィードバックゲ
インKF=0のとき,一般的なPI補償器を用いた速度
制御系となるが,本発明のオブザーバを用い,KFを介
してフィードバックをかけた場合,機械系共振や反共振
を防止し,且つ,制御応答の低下を起こすこともなくな
る。
【0019】
【発明の効果】本発明に係るサーボモータの制御装置
は,上記したように構成されているため,負荷外乱の有
無に拘らず機械系の共振・反共振を発生させず良好な制
御応答特性を常に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態及び実施例に係るオブザ
ーバの基本構成を示すブロック線図。
【図2】 上記オブザーバを用いたサーボモータ制御装
置の構成例を示すブロック線図。
【図3】 数値積分回路例を示すブロック線図。
【図4】 数値微分回路例を示すブロック線図。
【図5】 数値近似微分回路例を示すブロック線図。
【図6】 負荷トルク演算部のブロック線図。
【図7】 負荷トルク外乱演算部のブロック線図。
【図8】 負荷速度演算部のブロック線図。
【図9】 従来のサーボモータ制御装置の構成例を示す
ブロック線図。
【図10】 従来方式のオブザーバの構成例を示すブロ
ック線図。
【符号の説明】
1…負荷トルク演算部(負荷トルクオブザーバに相当) 2…負荷トルク外乱演算部(負荷外乱オブザーバに相
当) 3…負荷速度演算部(負荷速度オブザーバに相当) IA…モータ電流 ωM…モータ速度 TLX…負荷トルク推定値 TDX…負荷トルク外乱推定値 ωLX…負荷速度推定値
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 5/00 G05B 13/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サーボモータのモータ電流とモータ速度
    との各検出値に基づいて該サーボモータの負荷速度を推
    定し,上記負荷速度の推定値を用いて上記サーボモータ
    のフィードバック制御を行うサーボモータの制御装置に
    おいて, 上記モータ電流とモータ速度との各検出値に基づいて上
    記サーボモータの負荷トルクを推定する負荷トルクオブ
    ザーバと, 上記モータ速度の検出値と上記負荷トルクの推定値とに
    基づいて上記サーボモータに加わる負荷外乱を推定する
    負荷外乱オブザーバと, 上記モータ速度の検出値と上記負荷外乱の推定値とに基
    づいて上記負荷速度を推定する負荷速度オブザーバとを
    具備し, 上記負荷外乱オブザーバ及び前記負荷速度オブザーバの
    それぞれが,上記サーボモータへの負荷の伝達に係るバ
    ネ定数のパラメータ及び負荷イナーシャのパラメータを
    有して なることを特徴とするサーボモータの制御装置。
  2. 【請求項2】 上記モータ電流の検出値の代りに,所定
    の電流指令値を用いる請求項1記載のサーボモータの制
    御装置。
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