JP4366566B2 - 制御定数調整装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや工作機械等の制御装置において、特に、その動作中に負荷のイナーシャに変動を生ずる場合、該イナーシャの同定およびそれに伴い必要となる制御系のゲインを調整する機能を有する制御定数調整装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モータの動作中に制御対象である負荷のイナーシャに変動を生ずる場合、そのイナーシャを同定する装置として、例えば、本出願人が特許文献１にて提案した制御定数調整装置がある。
【０００３】
この装置は、入力された速度指令と実際のモータ速度が一致するようにトルク指令を決定し、モータ速度を制御する速度制御部と、前記モータ速度にモデルの速度が一致するように速度制御部をシミュレートする推定部と、前記トルク指令を所定のハイパスフィルタに通した値の絶対値を所定の区間で時間積分した値と、推定部のモデルトルク指令を所定のハイパスフィルタに通した値の絶対値を同じ区間で時間積分した値との比からイナーシャを同定する同定部とを備え、速度制御部内のモータ速度と推定部内のモデルの速度がゼロでない値で一致する場合にのみ、同定部内でイナーシャを同定することを特徴とするものである。
【０００４】
この装置は、任意の速度指令に対してリアルタイムで同定ができるため、時々刻々に負荷のイナーシャが変化する場合でもその同定が可能である。
【０００５】
【特許文献１】
特許３１８５８５７号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の制御定数調整装置では、速度制御部が比例積分制御（以下、PI制御と呼ぶ）で構成されている場合、重力などの一定外乱は定常状態において速度制御部内の積分器で補償できるため、実際に駆動するために必要なトルクは速度偏差で代用でき問題はないが、速度制御部が積分比例（以下、IP制御と呼ぶ）制御で構成されている場合、外乱を補償するために必要なトルク成分と実際に駆動するために必要なトルク成分が分離できないため、このIP制御ではイナーシャの同定ができないという問題が生ずる。
【０００７】
また、上記の従来の制御定数調整装置では、モータ速度をモデル速度制御部の速度指令としているため、モデル速度制御系の遅れが生じ、モータ速度とモデルモータ速度が一致しにくいために同定するまでの時間がかかるという問題がある。さらに、メカ振動や摩擦などの負荷外乱がある場合、実際の速度制御部内の速度積分値には負荷外乱補償分が積算されるが、モデルにはこの負荷外乱補償分は反映されにくい。従来技術ではハイパスフィルタに通してトルク指令を積算するという処理をしているが、外乱の周波数によってはハイパスフィルタが有効に動かない場合があり、同定精度が悪化するという問題がある。
【０００８】
また、上記の従来の制御定数調整装置では、摩擦の項を考慮しておらず、摩擦が比較的大きい機械では同定精度が悪化するという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、速度制御がPI制御、IP制御いずれの場合であっても、イナーシャの同定を確実に行うことができ、２慣性系のような振動系においても、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる制御定数調整装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の制御定数調整装置は、
速度指令Ｖｒｅｆを出力する指令発生部と、
速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂが一致するように速度制御器で比例積分制御または積分比例制御演算してトルク指令Ｔｒｅｆを決定し、該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部と、
モータ速度Ｖｆｂを速度指令入力としてモデル速度Ｖｆｂ'がモータ速度Ｖｆｂに一致するように速度制御部をシミュレートするモデル速度制御器で比例積分制御または積分比例制御演算してモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を決定し、該モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'により前記モデル速度Ｖｆｂ'を制御する推定部と、
トルク指令Ｔｒｅｆと速度指令Ｖｒｅｆ、およびモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'と前記モデル速度Ｖｆｂ'を入力として、モータイナーシャと負荷イナーシャの合計イナーシャＪ（以下「モータイナーシャＪ」と呼ぶ）とモデルモータイナーシャＪ'のイナーシャ比Ｊ／Ｊ'を算出する同定部と、
イナーシャ比Ｊ／Ｊ'に基づいて速度制御部の制御ゲインの調整を行う調整部と、
を備え、
同定部はトルク指令Ｔｒｅｆを所定のローパスフィルタに通して得られた値を、トルク指令Ｔｒｅｆから減算した値ＦＴｒを算出し、かつモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'をローパスフィルタと同一特性のローパスフィルタに通して得られた値を、モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'から減算した値ＦＴｒ'を算出し、ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分した値｜ＳＦＴｒ｜と、ＦＴｒ'の絶対値｜ＦＴｒ'｜を同じ区間で時間積分した値｜ＳＦＴｒ'｜とから前記モータイナーシャＪの値を下式
Ｊ＝（｜ＳＦＴｒ｜／｜ＳＦＴｒ'｜）×Ｊ'
に基づいて同定する。
【００１１】
速度制御部のトルク指令Trefを所定のハイパスフィルタに通した値FTrの絶対値｜FTr｜を所定の区間［a、ｂ］で時間積分した値｜SFTr｜と、推定部のモデルトルク指令Tref’を所定のハイパスフィルタに通した値FTr’の絶対値｜FTr’｜を同じ区間で時間積分した値｜SFTr’｜との比から求めるイナーシャJの同定を、速度制御部内のモータ速度Vfbと推定部内のモデルの速度Vfb’とがゼロでない値で一致する場合のみ行うことにより、速度制御がPI制御またはIP制御いずれの場合であっても、イナーシャの同定を確実に行うことができ、しかも、２慣性系のような振動系においても、安定したチューニングを行うことができるばかりでなく、一定外乱の影響も受けない。
【００１２】
本発明の第２の制御定数調整装置は、
速度指令Ｖｒｅｆを出力する指令発生部と、
速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂを入力し、速度指令Ｖｒｅｆからモータ速度Ｖｆｂを減じて速度偏差Ｖｅを算出し、該速度偏差Ｖｅを積分時定数Ｔｉで積分して速度積分値を算出する積分項と、速度指令Ｖｒｅｆに所定の定数α（α≧０）を乗じた値からモータ速度Ｖｆｂを減じて速度比例値を算出する比例項とを加算して速度比例積分値を算出し、該速度比例積分値にモータイナーシャ値Ｊｍと負荷イナーシャ値ＪＬの合計値を推定したイナーシャ推定値Ｊを乗じてトルク指令Ｔｒｅｆを決定し、該トルク指令Ｔｒｅｆによりモータ速度を制御する速度制御部と、
モータ速度Ｖｆｂにモデル速度Ｖｆｂ'が一致するように速度制御部をシミュレートする推定部と、
速度比例積分値を推定部で同様に演算されているモデル速度比例積分値に加えて新たなモデル速度比例積分値とするフィードフォワード補償機能を備え、前記速度制御部のトルク指令Ｔｒｅｆを所定のハイパスフィルタに通した値ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分した値｜ＳＦＴｒ｜と、推定部のモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を所定のハイパスフィルタに通した値ＦＴｒ'の絶対値｜ＦＴｒ'｜を同じ区間で時間積分した値｜ＳＦＴｒ'｜との比から求めるイナーシャＪの同定を行う同定部と、
同定部で同定されたイナーシャ推定値Ｊと推定部のイナーシャＪ'の比Ｊ／Ｊ'に基づいて制御ゲインの調整を行う調整部と、
を有する。
【００１３】
速度制御部からフィードフォワード信号を推定部に加えることで、誤差を小さくでき、さらに収束時間も短縮できる。
【００１４】
推定部のモデル速度制御器内に、摩擦項としてモデル摩擦係数D’を追加し、摩擦同定部で同定された摩擦係数値をリアルタイムでモデル摩擦係数D’に反映するようにしてもよい。
【００１５】
摩擦同定部は、速度指令が入力されると（一定速時のトルク指令T（１）／そのときの速度V（１））で摩擦係数D（１）を同定し、直ちにモデル摩擦係数D’を更新し、次反転の速度指令が入力されると（T（１）―一定速時のトルク指令T（２））／（V（１）―そのときの速度V（２））で摩擦係数D（２）を同定し、D’を更新し、続けてさらに反転の速度指令が入力されると（T（１）―一定速時のトルク指令T（３））／（V（１）―そのときの速度V（３））で摩擦係数D（３）求め、次に反転の速度指令が入力されると（DP４＋DN４）／２（ただし、DP４＝（T（１）―T（３））／（V（１）―V（３））、DN ４＝（T（２）―一定速時のトルク指令T（４））／（V（２）―そのときの速度V（４））である。）で摩擦係数D（４）を求め、速度指令が入力される度にモデル摩擦係数D’を同定するようにしてもよい。
【００１６】
正転・逆転の速度指令がさらに２回づつ以上、入力されてきた場合は、以降を移動平均でD’＝（D（x）＋D（x―１）＋D（x―２））／３のようにモデル摩擦係数D’を同定してもよい。
【００１７】
結果的に、安定性の向上、チューニング精度の向上を実現可能な制御定数調整装置が実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【００２０】
本実施形態の制御定数調整装置は指令発生部１１と速度制御部１２と推定部１３と同定部１４と調整部１５を含む。
【００２１】
指令発生部１１は、速度指令Vrefを速度制御部１２に出力する。
【００２２】
速度制御部１２は、入力された速度指令Verfにモータ速度Vfbが一致するように速度制御を行い、トルク指令Trefとモータ速度Vfbを同定部１４に出力するとともに、モータ速度Vfbを推定部１３に出力する。
【００２３】
推定部１３は、目標指令として入力されたモータ速度Vfbに、この推定部１３においてモータモデルを用いて推定されるモデル速度Vfb’が一致するように速度制御を行い、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。
【００２４】
同定部１４は速度制御部１２より入力されたトルク指令Trefとモータ速度Vfb、推定部１３より入力されたモデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を用い、モータとモータモデルのイナーシャ比J／J’を求め、そのイナーシャ比J／J’を調整部１５に出力する。
【００２５】
調整部１５は、このイナーシャ比J／J’を受け取り、所定のフィルタに通した値に基づいて、速度制御部１２内の比例ゲインKvおよび積分ゲインKiを決定するとともに、速度制御部１２内の積分器１２cの値を調節し、前述のイナーシャの変動に対応できるようにする。
【００２６】
図２は速度制御部１２、推定部１３、同定部１４、調整部１５の各部の構成をより詳細に示す図である。
【００２７】
速度制御部１２は、指令発生部１１より速度指令Vrefを入力すると、この速度指令Vrefに実際のモータ速度Vfbが一致するように図に示す速度制御器１２aおよび電流制御器１２bにより所定の速度制御を行う。なお、モータには負荷JLが取り付けられており、モータからは実際のモータ速度Vfbが検出され、出力されているとする。
【００２８】
ここで、本実施形態の速度制御器は、制御の形態はPI（比例積分）制御でも、前述のIP（積分比例）制御のいずれでもよく、速度制御器１２aは、トルク指令をモータ駆動する電流制御器１２bに出力する。
【００２９】
すなわち、速度制御部１２および推定部１３のさらに詳細を示す図３中、速度制御部１２のαは、α≧０なる所定の値とし、αを１に設定すればＰＩ制御となり、αを０に設定すればＩＰ制御となる。
【００３０】
そして、速度制御部１２は、図２に示すように、モータ速度Vfbを推定部１３に出力するとともに、トルク指令Trefおよびモータ速度Vfbを同定部１４に出力する。
【００３１】
推定部１３は、速度制御部１２内より入力したモータ速度Vfbを指令とし、図に示すモデル速度制御器１３aおよびモデル電流制御器１３bにより、モデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するような速度制御を行う。なお、このモデル速度制御器１３aの制御方法は、速度制御部１２内の速度制御器１２aと同じでもよいし、P（比例）制御でもよい。
【００３２】
モデル速度制御器１３aは、モデルトルク指令Tref’をモデル電流制御器１３bに出力し、このモデル電流制御器１３bによりモデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）が駆動される。なお、モータモデル１３cのイナーシャ値J’は既知の値であり、モータモデル１３cからはモデル速度Vfb’が出力されているとする。そして、推定部１３は、モデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。
【００３３】
同定部１４は、速度制御部１２から出力されるトルク指令Tref および速度Vfb、ならびに、推定部１３から出力されるモデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を入力し、トルク指令Trefとモデルトルク指令Tref’を時定数Tkのハイパスフィルタに通した値であるFTrとFTr’の絶対値をとる。
【００３４】
このハイパスフィルタは、図３に示すように、予め速度制御部１２において、トルク指令Trefから、トルク指令に時定数Tkのローパスフィルタを通した値に減じて実現すればよく、推定部１３においてモデルトルク指令を通すハイパスフィルタについても同様に実現すればよい。
【００３５】
次に、ハイパスフィルタからの各出力の絶対値｜FTr｜および｜FTr’｜をとり、それぞれの絶対値｜FTr｜または｜FTr’｜を用い、所定の区間［a、ｂ］で時間積分を行い、求められた時間積分値｜SFTr｜および｜SFTr’｜と既知の値である推定部１３のイナーシャJ’から、速度制御部１２のイナーシャJを下記の式（１）により演算することができる。
【００３６】
J＝（｜SFTr｜／｜SFTr’｜）×J’ （１）
ここで、イナーシャ同定原理について簡単に説明する。
【００３７】
トルク指令または電動機電流のそれぞれの時間積分からイナーシャを正確に求めるには、トルク指令または電動機電流から速度までの伝達関数がイナーシャのみで表され、かつ速度がゼロでない場合、トルク指令または電動機電流のそれぞれの時間積分値と速度の比から、簡単にイナーシャを求めることができる。
【００３８】
この関係を利用して、実際の速度制御部１２とそのモデルに同じ速度指令を入力し、モータ速度とモデル速度がゼロでない値で一致する状態で、その状態でのトルク指令または電動機電流の時間積分値と速度からイナーシャを求めることができる。
【００３９】
ただし、上記トルク指令または電動機電流には、指令応答成分の他に、機械部分での摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が含まれているため、これらの影響は速度制御器の積分器に蓄積されてしまう。
【００４０】
このため、蓄積されたこの補償成分を除去するため、トルク指令または電動機電流の信号をハイパスフィルタに通すようにしている。したがって、ハイパスフィルタの時定数は、速度制御部１２の積分時定数と同じ値とすることが望ましい。
【００４１】
以下、この点について述べると、例えば、一定外乱トルクFdがある場合、速度制御部１２がP制御であれば、その速度偏差E（∞）は、次式で与えられるように、最終値の定理により一定の速度偏差を生じる。
【００４２】
【数１】
【００４３】
一方、速度制御部１２がPI制御であれば、同様に速度偏差E（∞）は、次式で与えられるように、速度偏差を生じない。
【００４４】
【数２】
【００４５】
つまり、一定外乱Fdは、速度制御部１２の積分器により補償され、その補償量がトルク指令として速度制御部１２から出力される。
【００４６】
この補償分のトルクは、イナーシャのみを動作させるために必要なトルクではないので、イナーシャを同定する場合は除去する必要がある。したがって、この実施形態では、この積分器で補償された一定外乱トルクを除去するためにハイパスフィルタに通し、その時定数を積分時定数と同じとすることで積分器で過渡的に補償された外乱トルク（一定外乱以外の粘性摩擦など）もキャンセルできるようにしている。
【００４７】
また、モータ速度とモデル速度が、ゼロでない値で互いに一致する条件ができるだけ満たされるように、モータ速度を推定部１３の速度指令としている。
【００４８】
一方、調整部１５は、同定部１４内で求められたイナーシャの比J／J’を所定のフィルタに通した値に基づき、速度制御部１２内の比例ゲインKvおよび積分時定数Tiの更新を行うとともに、トルク指令が不連続にならないよう、速度制御部１２内の積分器１２cの値の調節を行う。
【００４９】
次に、上記実施形態を用いたシミュレーション結果を、図４および図５に示す。
【００５０】
図４は、速度制御部１２をPI制御で構成した場合であって、負荷イナーシャはモータイナーシャ（Jm＝０.００００１９kgm2）の１０倍、力学系を２慣性系でモデル化し、共振周波数を２７０Hz、反共振周波数を８０Hz、粘性摩擦定数を０.００００５Nms／radとし、一定外乱として０.００５Nmを設定したシミュレーション結果である。なお、モデルイナーシャJ’は、モータイナーシャJmと同じに設定しており、イナーシャ同定値は、調整部１６内で時定数５０msのローパスフィルタを通している。
【００５１】
図から明らかなように、チューニングを開始してから３５０ms後、イナーシャ同定値Jが、モデルイナーシャJ’の１１.０倍に同定されており、この同定値を元に速度制御部１２内のKv、Ti、積分器の値を修正した結果、速度指令に対し非常に滑らかで安定した応答が実現できていることがわかる。
【００５２】
また、図５は、速度制御器１２をIP制御で構成した場合であって、他の条件は図４のPI制御の場合と同じである。図から明らかなように、IP制御で構成した場合であっても、PI制御で構成した場合と同様、精度よくチューニングを行えることがわかる。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【００５４】
本実施形態の制御定数調整装置は、図１に示した第１の実施の形態の制御定数調整装置とは速度制御部１２’、推定部１３’の処理が一部異なるだけであり、その他は第１の実施形態の制御定数調整装置と同じである。
【００５５】
速度制御部１２’は、入力された速度指令Vrefにモータ速度Vfbが一致するように速度制御を行い、トルク指令Trefおよびモータ速度Vfbを同定部１４に出力するとともに、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを推定部１３’に出力する。
【００５６】
推定部１３’は、モータ速度Vfbおよびフィードフォワード信号FFaを入力し、目標指令として入力されたモータ速度Vfbに、この推定部１３’においてモータモデルを用いて推定されるモデル速度Vfb’が一致するように速度制御を行い、モデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。
【００５７】
図７は速度制御部１２'、推定部１３'、同定部１４、調整部１５の各部の構成をより詳細に示す図である。
【００５８】
速度制御部１２’は、指令発生部１１より速度指令Vrefを入力すると、この速度指令Vrefに実際のモータ速度Vfbが一致するように、図に示す速度制御器１２aおよび電流制御器１２bにより、所定の速度制御を行う。なお、モータには負荷JLが取り付けられており、モータからは実際のモータ速度Vfbが検出され、出力されているとする。
【００５９】
ここで、本実施形態の速度制御部１２'による制御方法では、制御の形態はＰＩ（比例積分）制御でも、前述のＩＰ（積分比例）制御のいずれでもよく、速度制御器１２ａは、トルク指令をモータ駆動する電流制御器１２ｂに出力する。
【００６０】
すなわち、図８に速度制御部１２’および推定部１３’のさらに詳細を示すが、図中、速度制御部１２’および推定部１３’のαを１に設定すればIP制御となり、αを０に設定すればIP制御となる。
【００６１】
そして、速度制御部１２'は、図７に示すように、モータ速度Ｖｆｂおよびフィードフォワード信号ＦＦａを推定部１３'に出力するとともに、トルク指令Ｔｒｅｆおよびモータ速度Ｖｆｂを同定部１４に出力する。
【００６２】
推定部１３’は、速度制御部１２’内よりモータ速度Vfbおよびフィードフォワード信号FFaを入力し、モータ速度Vfbを指令とし、図に示すモデル速度制御器１３aおよび電流制御器１３bにより、モデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するような速度制御を行う。
【００６３】
モデル速度制御器１３aは、モデルトルク指令Tref’をモデル電流制御器１３bに出力し、このモデル電流制御器１３bによりモデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）が駆動される。ここで、モータモデル１３cのイナーシャ値J’は既知の値であり、モータモデル１３cからはモデル速度Vfb’が出力されているとする。そして、推定部１３’は、モデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。なお、モデル速度制御器１３a内の比例ゲインKv’および積分時定数Ti’は速度制御器１２内の比例ゲインKvおよび積分時定数Tiと同じ値が望ましい。
【００６４】
同定部１４は、速度制御部１２’から出力されるトルク指令Trefおよび速度Vfb、ならびに推定部１３’から出力されるモデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を入力し、トルク指令Trefとモデルトルク指令Tref’に時定数Tkのハイパスフィルタを通した値であるFTrとFTr’の絶対値をとる。
【００６５】
このハイパスフィルタは、図８に示すように、予め速度制御部１２’において、トルク指令Trefから、トルク指令に時定数Tkのローパスフィルタを通した値を減じて実現すればよく、推定部１３’においてもモデルトルク指令に通すハイパスフィルタについても同様に実現すればよい。
【００６６】
次に、ハイパスフィルタからの各出力の絶対値｜FTr｜および｜FTr’｜をとり、それぞれの絶対値｜FTr｜または｜FTr’｜を用い、所定の区間［a、b］で時間積分を行い、求められた時間積分値｜SFTr｜および｜SFTr’|と、既知の値である推定部１３’のイナーシャJ’から、速度制御部１２’のイナーシャJを演算することができる。
【００６７】
本実施形態では速度制御部１２’内の速度比例積分項をフィードフォワード信号として推定部１３’に入力することにより、ハイパスフィルタで除去できなかった外乱成分の影響を抑えることができるとともに、モータ速度とモデル速度がフィードフォワード信号を入力することで従来技術よりも一致しやすくなるようにしている。
【００６８】
次に、本実施形態を用いたシミュレーション結果を図９および図１０に示す。
【００６９】
図９は、本発明を適用した場合であって、負荷イナーシャはモータイナーシャ（Jm＝０.００００１９kgm2）の１０倍、力学系を２慣性系でモデル化し、共振周波数を２７０Hz、反共振周波数を８０Hz、粘性摩擦定数を０.００００５Nms／radとし、一定外乱として０.００５Nmを設定したシミュレーション結果である。ここで、モデルイナーシャJ’はモータイナーシャJmと同じに設定し、閾値βはゼロとしている。また、イナーシャ同定値は、調整部１５内で時定数１００msのローパスフィルタを通している。なお、閾値はサーボロック時に高周波の細かい振動を除去したい場合に設定すればよい。
【００７０】
図から明らかなように、イナーシャ同定値Ｊが、同定開始後５０ｍｓ以内でモデルイナーシャＪ'の１１．０倍に同定されており、この同定値を元に速度制御部１２'内のＫｖ、Ｔｉ、積分器１２ｃの値を修正した結果、速度指令に対し非常に滑らかで安定した応答が実現できていることがわかる。
【００７１】
一方、図１０は、従来技術を適用した場合であって、他の条件は図９の場合と同じである。図から明らかなように、本方法の特徴であるフィードフォワード信号を入力しない場合は、同定値の真値になるまでの時間が長く、１.５秒後においても同定誤差を生じていることがわかる。
【００７２】
図１１は、本発明の第３の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。本実施形態の制御定数調整装置は、図１に示した第１の実施の形態の制御定数調整装置、および図６に示した第２の実施の形態の制御定数調整装置とは推定部１３および推定部１３’と処理が一部異なり、摩擦同定部１６をさらに備えるだけであり、その他は第１の実施形態および第２の実施形態の制御定数調整装置と基本的に同じである。第１の実施の形態と第２の実施の形態とは、信号FFaが構造上異なるだけであり、本実施形態は第１の実施形態でも第２の実施形態でも実施可能である。よって、ここでは第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明することとする。
【００７３】
本実施形態の制御定数調整装置は指令発生部１１と速度制御部１２と推定部１３と同定部１４と調整部１５と摩擦同定部１６を含む。速度制御部１２は、入力された速度指令Vrefにモータ速度Vfbが一致するように速度制御を行い、トルク指令Trefおよびモータ速度Vfbを同定部１４に出力するとともに、一定速度時のモータ速度とそのときのトルク指令を摩擦同定部１６に出力する。摩擦同定部１６は速度制御部１２からのモータ速度とトルク指令から摩擦係数を算出し、算出した摩擦係数を推定部１３に出力する。
【００７４】
図１２は推定部１３の詳細なブロック図である。推定部１３内のモデル速度制御器１３aは、モデルトルク指令Tref’をモデル電流制御器１３bに出力し、このモデル電流制御器１３bによりモデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）とモデル摩擦係数１３dが駆動される。なお、モータモデル１３cのイナーシャ値J’は既知の値であり、モータモデル１３cからはモデル速度Vfb’が出力されているとする。モデル摩擦係数１３dはモデル速度Vfb’と乗算され、モデル電流制御器１３bに出力されたモデルトルク指令Tref’から乗算された値を減算する。減算されたモデルトルク指令Tref’によって、また、モデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）とモデル摩擦係数１３dが駆動される。そして、推定部１３は、モデル摩擦係数１３dとモデル速度Vfb’の乗算された値を減ずる前のモデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。モデル摩擦係数１３dは摩擦同定部１６によって随時更新されている。
【００７５】
次に、モデル摩擦係数１３dの同定方法について図１３を用いて説明する。ここで、D（x)はある区間で求めた摩擦係数、F（x）はある区間内でのトルク指令値、W（x）はある区間内での速度指令値である。
【００７６】
区間B〜区間Eが摩擦係数を求める区間である。まず、区間Bで摩擦係数D（１）を次式で求め、直ちに摩擦係数D’を更新する。
【００７７】
D（１）＝F１／W１
次に、区間Cで摩擦係数D（２）を次式で求め、
D（２）＝（F１―F２）／（W１―W２）
区間Dで摩擦係数D（３）を次式で求め、
D（３）＝（F１―F３）／（W１―W３）
区間Eで摩擦係数D（４）を次式で求める。
【００７８】
D（４）＝（DP４＋DN４）／２
ただし、DP４＝（Ｆ１―F３）／（W１―W３）、 DN４＝（Ｆ２―F４）／W２―W４）である。
【００７９】
速度指令がさらに続けて入力される場合は、以降、次式のように移動平均で摩擦係数Dを同定していく。
【００８０】
D＝（D(x)＋D（x―１）＋D(x―２)）／３
以上のように正転・逆転（または逆転・正転）と速度指令が入力される度に摩擦係数Dを同定し、同定後は摩擦モデルD’を更新する。更新すると速度制御部１２をシミュレートする推定部１３のモデルトルクに直ちに反映される。
【００８１】
次に、本実施形態を用いたシミュレーション結果を、図１４および図１５に示す。
【００８２】
図１４は、本発明を適用した場合であって、負荷イナーシャはモータイナーシャ（Jm＝０.０００１２７kgm2）の５倍、力学系は剛体系でモデル化し、粘性摩擦定数を０.０１Nms／radとし、一定外乱として０.００１Nmを設定したシミュレーション結果である。ここで、モデルイナーシャJ’はモータイナーシャJmと同じに設定し、閾値βはゼロとしている。また、イナーシャ同定値は、調整部１５内で時定数１０msのローパスフィルタを通している。なお、閾値はサーボロック時に高周波の細かい振動を除去したい場合に設定すればよい。
【００８３】
図から明らかなように、イナーシャ同定値Jが、同定開始後４秒以内でモデルイナーシャJ’の５.０倍に同定されており、この同定値を元に速度制御部１２内のKv、Ti、積分器１２cの値を修正した結果、速度指令に対し非常に滑らかで安定した応答が実現できていることがわかる。また、摩擦係数も同定できている。
【００８４】
一方、図１５は、従来技術を適用した場合であっても、他の条件は図１３の場合と同じである。図から明らかなように、本方法の特徴であるモデル摩擦係数を設定しない場合は、同定値にオフセットが生じていることがわかる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下記のような効果がある。
【００８６】
速度制御がPI制御またはIP制御いずれの場合であっても、イナーシャの同定を確実に行うことができ、しかも、２慣性系のような振動系においても、安定したチューニングを行うことができるばかりでなく、一定外乱の影響も受けないため、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる。
【００８７】
また、フィードフォワード信号を入力することにより実速度とモデル速度が一致しやすくなるばかりでなく、負荷外乱がある場合もその影響を考慮することができるため、同定誤差が小さく、かつ、真値に収束する時間が短いために、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる。
【００８８】
さらに、摩擦係数を考慮したモデルにし、摩擦係数の同定を行うと摩擦が大きい機械の場合もその影響を考慮することができるため、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【図２】図１中の速度制御部、推定部、同定部、および調整部の詳細を示すブロック図である。
【図３】図１中の速度制御部および推定部のより詳細を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態をＰＩ制御で実現したシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態をＩＰ制御で実現したシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【図７】図６中の速度制御部、推定部、同定部および調整部の詳細を示すブロック図である。
【図８】速度制御部および推定部のより詳細を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態をＰＩ制御で実現したシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】従来技術を適用した場合のミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【図１２】図１１中の速度制御部、推定部、同定部および調整部の詳細を示すブロック図である。
【図１３】摩擦係数を同定するための方法の説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態で摩擦係数大の場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】従来技術で摩擦係数大の場合のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１１ 指令発生部
１２、１２' 速度制御部
１２ａ 速度制御器
１２ｂ 電流制御器
１２ｃ 積分器
１３、１３' 推定部
１３ａ モデル速度制御器
１３ｂ モデル電流制御器
１３ｃ モータモデル
１３ｄ モデル摩擦係数
１４ 同定部
１５ 調整部
１６ 摩擦同定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや工作機械等の制御装置において、特に、その動作中に負荷のイナーシャに変動を生ずる場合、該イナーシャの同定およびそれに伴い必要となる制御系のゲインを調整する機能を有する制御定数調整装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モータの動作中に制御対象である負荷のイナーシャに変動を生ずる場合、そのイナーシャを同定する装置として、例えば、本出願人が特許文献１にて提案した制御定数調整装置がある。
【０００３】
この装置は、入力された速度指令と実際のモータ速度が一致するようにトルク指令を決定し、モータ速度を制御する速度制御部と、前記モータ速度にモデルの速度が一致するように速度制御部をシミュレートする推定部と、前記トルク指令を所定のハイパスフィルタに通した値の絶対値を所定の区間で時間積分した値と、推定部のモデルトルク指令を所定のハイパスフィルタに通した値の絶対値を同じ区間で時間積分した値との比からイナーシャを同定する同定部とを備え、速度制御部内のモータ速度と推定部内のモデルの速度がゼロでない値で一致する場合にのみ、同定部内でイナーシャを同定することを特徴とするものである。
【０００４】
この装置は、任意の速度指令に対してリアルタイムで同定ができるため、時々刻々に負荷のイナーシャが変化する場合でもその同定が可能である。
【０００５】
【特許文献１】
特許３１８５８５７号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の制御定数調整装置では、速度制御部が比例積分制御（以下、PI制御と呼ぶ）で構成されている場合、重力などの一定外乱は定常状態において速度制御部内の積分器で補償できるため、実際に駆動するために必要なトルクは速度偏差で代用でき問題はないが、速度制御部が積分比例（以下、IP制御と呼ぶ）制御で構成されている場合、外乱を補償するために必要なトルク成分と実際に駆動するために必要なトルク成分が分離できないため、このIP制御ではイナーシャの同定ができないという問題が生ずる。
【０００７】
また、上記の従来の制御定数調整装置では、モータ速度をモデル速度制御部の速度指令としているため、モデル速度制御系の遅れが生じ、モータ速度とモデルモータ速度が一致しにくいために同定するまでの時間がかかるという問題がある。さらに、メカ振動や摩擦などの負荷外乱がある場合、実際の速度制御部内の速度積分値には負荷外乱補償分が積算されるが、モデルにはこの負荷外乱補償分は反映されにくい。従来技術ではハイパスフィルタに通してトルク指令を積算するという処理をしているが、外乱の周波数によってはハイパスフィルタが有効に動かない場合があり、同定精度が悪化するという問題がある。
【０００８】
また、上記の従来の制御定数調整装置では、摩擦の項を考慮しておらず、摩擦が比較的大きい機械では同定精度が悪化するという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、速度制御がPI制御、IP制御いずれの場合であっても、イナーシャの同定を確実に行うことができ、２慣性系のような振動系においても、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる制御定数調整装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の制御定数調整装置は、
速度指令Ｖｒｅｆを出力する指令発生部と、
速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂが一致するように速度制御器で比例積分制御または積分比例制御演算してトルク指令Ｔｒｅｆを決定し、該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部と、
モータ速度Ｖｆｂを速度指令入力としてモデル速度Ｖｆｂ'がモータ速度Ｖｆｂに一致するように速度制御部をシミュレートするモデル速度制御器で比例積分制御または積分比例制御演算してモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を決定し、該モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'により前記モデル速度Ｖｆｂ'を制御する推定部と、
トルク指令Ｔｒｅｆと速度指令Ｖｒｅｆ、およびモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'と前記モデル速度Ｖｆｂ'を入力として、モータイナーシャと負荷イナーシャの合計イナーシャＪ（以下「モータイナーシャＪ」と呼ぶ）とモデルモータイナーシャＪ'のイナーシャ比Ｊ／Ｊ'を算出する同定部と、
イナーシャ比Ｊ／Ｊ'に基づいて速度制御部の制御ゲインの調整を行う調整部と、
を備え、
同定部はトルク指令Ｔｒｅｆを所定のローパスフィルタに通して得られた値を、トルク指令Ｔｒｅｆから減算した値ＦＴｒを算出し、かつモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'をローパスフィルタと同一特性のローパスフィルタに通して得られた値を、モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'から減算した値ＦＴｒ'を算出し、ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分した値｜ＳＦＴｒ｜と、ＦＴｒ'の絶対値｜ＦＴｒ'｜を同じ区間で時間積分した値｜ＳＦＴｒ'｜とから前記モータイナーシャＪの値を下式
Ｊ＝（｜ＳＦＴｒ｜／｜ＳＦＴｒ'｜）×Ｊ'
に基づいて同定する。
【００１１】
速度制御部のトルク指令Trefを所定のハイパスフィルタに通した値FTrの絶対値｜FTr｜を所定の区間［a、ｂ］で時間積分した値｜SFTr｜と、推定部のモデルトルク指令Tref’を所定のハイパスフィルタに通した値FTr’の絶対値｜FTr’｜を同じ区間で時間積分した値｜SFTr’｜との比から求めるイナーシャJの同定を、速度制御部内のモータ速度Vfbと推定部内のモデルの速度Vfb’とがゼロでない値で一致する場合のみ行うことにより、速度制御がPI制御またはIP制御いずれの場合であっても、イナーシャの同定を確実に行うことができ、しかも、２慣性系のような振動系においても、安定したチューニングを行うことができるばかりでなく、一定外乱の影響も受けない。
【００１２】
本発明の第２の制御定数調整装置は、
速度指令Ｖｒｅｆを出力する指令発生部と、
速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂを入力し、速度指令Ｖｒｅｆからモータ速度Ｖｆｂを減じて速度偏差Ｖｅを算出し、該速度偏差Ｖｅを積分時定数Ｔｉで積分して速度積分値を算出する積分項と、速度指令Ｖｒｅｆに所定の定数α（α≧０）を乗じた値からモータ速度Ｖｆｂを減じて速度比例値を算出する比例項とを加算して速度比例積分値を算出し、該速度比例積分値にモータイナーシャ値Ｊｍと負荷イナーシャ値ＪＬの合計値を推定したイナーシャ推定値Ｊを乗じてトルク指令Ｔｒｅｆを決定し、該トルク指令Ｔｒｅｆによりモータ速度を制御する速度制御部と、
モータ速度Ｖｆｂにモデル速度Ｖｆｂ'が一致するように速度制御部をシミュレートする推定部と、
速度比例積分値を推定部で同様に演算されているモデル速度比例積分値に加えて新たなモデル速度比例積分値とするフィードフォワード補償機能を備え、前記速度制御部のトルク指令Ｔｒｅｆを所定のハイパスフィルタに通した値ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分した値｜ＳＦＴｒ｜と、推定部のモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を所定のハイパスフィルタに通した値ＦＴｒ'の絶対値｜ＦＴｒ'｜を同じ区間で時間積分した値｜ＳＦＴｒ'｜との比から求めるイナーシャＪの同定を行う同定部と、
同定部で同定されたイナーシャ推定値Ｊと推定部のイナーシャＪ'の比Ｊ／Ｊ'に基づいて制御ゲインの調整を行う調整部と、
を有する。
【００１３】
速度制御部からフィードフォワード信号を推定部に加えることで、誤差を小さくでき、さらに収束時間も短縮できる。
【００１４】
推定部のモデル速度制御器内に、摩擦項としてモデル摩擦係数D’を追加し、摩擦同定部で同定された摩擦係数値をリアルタイムでモデル摩擦係数D’に反映するようにしてもよい。
【００１５】
摩擦同定部は、速度指令が入力されると（一定速時のトルク指令T（１）／そのときの速度V（１））で摩擦係数D（１）を同定し、直ちにモデル摩擦係数D’を更新し、次反転の速度指令が入力されると（T（１）―一定速時のトルク指令T（２））／（V（１）―そのときの速度V（２））で摩擦係数D（２）を同定し、D’を更新し、続けてさらに反転の速度指令が入力されると（T（１）―一定速時のトルク指令T（３））／（V（１）―そのときの速度V（３））で摩擦係数D（３）求め、次に反転の速度指令が入力されると（DP４＋DN４）／２（ただし、DP４＝（T（１）―T（３））／（V（１）―V（３））、DN ４＝（T（２）―一定速時のトルク指令T（４））／（V（２）―そのときの速度V（４））である。）で摩擦係数D（４）を求め、速度指令が入力される度にモデル摩擦係数D’を同定するようにしてもよい。
【００１６】
正転・逆転の速度指令がさらに２回づつ以上、入力されてきた場合は、以降を移動平均でD’＝（D（x）＋D（x―１）＋D（x―２））／３のようにモデル摩擦係数D’を同定してもよい。
【００１７】
結果的に、安定性の向上、チューニング精度の向上を実現可能な制御定数調整装置が実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【００２０】
本実施形態の制御定数調整装置は指令発生部１１と速度制御部１２と推定部１３と同定部１４と調整部１５を含む。
【００２１】
指令発生部１１は、速度指令Vrefを速度制御部１２に出力する。
【００２２】
速度制御部１２は、入力された速度指令Verfにモータ速度Vfbが一致するように速度制御を行い、トルク指令Trefとモータ速度Vfbを同定部１４に出力するとともに、モータ速度Vfbを推定部１３に出力する。
【００２３】
推定部１３は、目標指令として入力されたモータ速度Vfbに、この推定部１３においてモータモデルを用いて推定されるモデル速度Vfb’が一致するように速度制御を行い、モデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。
【００２４】
同定部１４は速度制御部１２より入力されたトルク指令Trefとモータ速度Vfb、推定部１３より入力されたモデルトルク指令Tref’とモデル速度Vfb’を用い、モータとモータモデルのイナーシャ比J／J’を求め、そのイナーシャ比J／J’を調整部１５に出力する。
【００２５】
調整部１５は、このイナーシャ比J／J’を受け取り、所定のフィルタに通した値に基づいて、速度制御部１２内の比例ゲインKvおよび積分ゲインKiを決定するとともに、速度制御部１２内の積分器１２cの値を調節し、前述のイナーシャの変動に対応できるようにする。
【００２６】
図２は速度制御部１２、推定部１３、同定部１４、調整部１５の各部の構成をより詳細に示す図である。
【００２７】
速度制御部１２は、指令発生部１１より速度指令Vrefを入力すると、この速度指令Vrefに実際のモータ速度Vfbが一致するように図に示す速度制御器１２aおよび電流制御器１２bにより所定の速度制御を行う。なお、モータには負荷JLが取り付けられており、モータからは実際のモータ速度Vfbが検出され、出力されているとする。
【００２８】
ここで、本実施形態の速度制御器は、制御の形態はPI（比例積分）制御でも、前述のIP（積分比例）制御のいずれでもよく、速度制御器１２aは、トルク指令をモータ駆動する電流制御器１２bに出力する。
【００２９】
すなわち、速度制御部１２および推定部１３のさらに詳細を示す図３中、速度制御部１２のαは、α≧０なる所定の値とし、αを１に設定すればＰＩ制御となり、αを０に設定すればＩＰ制御となる。
【００３０】
そして、速度制御部１２は、図２に示すように、モータ速度Vfbを推定部１３に出力するとともに、トルク指令Trefおよびモータ速度Vfbを同定部１４に出力する。
【００３１】
推定部１３は、速度制御部１２内より入力したモータ速度Vfbを指令とし、図に示すモデル速度制御器１３aおよびモデル電流制御器１３bにより、モデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するような速度制御を行う。なお、このモデル速度制御器１３aの制御方法は、速度制御部１２内の速度制御器１２aと同じでもよいし、P（比例）制御でもよい。
【００３２】
モデル速度制御器１３aは、モデルトルク指令Tref’をモデル電流制御器１３bに出力し、このモデル電流制御器１３bによりモデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）が駆動される。なお、モータモデル１３cのイナーシャ値J’は既知の値であり、モータモデル１３cからはモデル速度Vfb’が出力されているとする。そして、推定部１３は、モデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。
【００３３】
同定部１４は、速度制御部１２から出力されるトルク指令Tref および速度Vfb、ならびに、推定部１３から出力されるモデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を入力し、トルク指令Trefとモデルトルク指令Tref’を時定数Tkのハイパスフィルタに通した値であるFTrとFTr’の絶対値をとる。
【００３４】
このハイパスフィルタは、図３に示すように、予め速度制御部１２において、トルク指令Trefから、トルク指令に時定数Tkのローパスフィルタを通した値に減じて実現すればよく、推定部１３においてモデルトルク指令を通すハイパスフィルタについても同様に実現すればよい。
【００３５】
次に、ハイパスフィルタからの各出力の絶対値｜FTr｜および｜FTr’｜をとり、それぞれの絶対値｜FTr｜または｜FTr’｜を用い、所定の区間［a、ｂ］で時間積分を行い、求められた時間積分値｜SFTr｜および｜SFTr’｜と既知の値である推定部１３のイナーシャJ’から、速度制御部１２のイナーシャJを下記の式（１）により演算することができる。
【００３６】
J＝（｜SFTr｜／｜SFTr’｜）×J’ （１）
ここで、イナーシャ同定原理について簡単に説明する。
【００３７】
トルク指令または電動機電流のそれぞれの時間積分からイナーシャを正確に求めるには、トルク指令または電動機電流から速度までの伝達関数がイナーシャのみで表され、かつ速度がゼロでない場合、トルク指令または電動機電流のそれぞれの時間積分値と速度の比から、簡単にイナーシャを求めることができる。
【００３８】
この関係を利用して、実際の速度制御部１２とそのモデルに同じ速度指令を入力し、モータ速度とモデル速度がゼロでない値で一致する状態で、その状態でのトルク指令または電動機電流の時間積分値と速度からイナーシャを求めることができる。
【００３９】
ただし、上記トルク指令または電動機電流には、指令応答成分の他に、機械部分での摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が含まれているため、これらの影響は速度制御器の積分器に蓄積されてしまう。
【００４０】
このため、蓄積されたこの補償成分を除去するため、トルク指令または電動機電流の信号をハイパスフィルタに通すようにしている。したがって、ハイパスフィルタの時定数は、速度制御部１２の積分時定数と同じ値とすることが望ましい。
【００４１】
以下、この点について述べると、例えば、一定外乱トルクFdがある場合、速度制御部１２がP制御であれば、その速度偏差E（∞）は、次式で与えられるように、最終値の定理により一定の速度偏差を生じる。
【００４２】
【数１】
一方、速度制御部１２がPI制御であれば、同様に速度偏差E（∞）は、次式で与えられるように、速度偏差を生じない。
【００４４】
【数２】
つまり、一定外乱Fdは、速度制御部１２の積分器により補償され、その補償量がトルク指令として速度制御部１２から出力される。
【００４６】
この補償分のトルクは、イナーシャのみを動作させるために必要なトルクではないので、イナーシャを同定する場合は除去する必要がある。したがって、この実施形態では、この積分器で補償された一定外乱トルクを除去するためにハイパスフィルタに通し、その時定数を積分時定数と同じとすることで積分器で過渡的に補償された外乱トルク（一定外乱以外の粘性摩擦など）もキャンセルできるようにしている。
【００４７】
また、モータ速度とモデル速度が、ゼロでない値で互いに一致する条件ができるだけ満たされるように、モータ速度を推定部１３の速度指令としている。
【００４８】
一方、調整部１５は、同定部１４内で求められたイナーシャの比J／J’を所定のフィルタに通した値に基づき、速度制御部１２内の比例ゲインKvおよび積分時定数Tiの更新を行うとともに、トルク指令が不連続にならないよう、速度制御部１２内の積分器１２cの値の調節を行う。
【００４９】
次に、上記実施形態を用いたシミュレーション結果を、図４および図５に示す。
【００５０】
図４は、速度制御部１２をPI制御で構成した場合であって、負荷イナーシャはモータイナーシャ（Jm＝０.００００１９kgm2）の１０倍、力学系を２慣性系でモデル化し、共振周波数を２７０Hz、反共振周波数を８０Hz、粘性摩擦定数を０.００００５Nms／radとし、一定外乱として０.００５Nmを設定したシミュレーション結果である。なお、モデルイナーシャJ’は、モータイナーシャJmと同じに設定しており、イナーシャ同定値は、調整部１６内で時定数５０msのローパスフィルタを通している。
【００５１】
図から明らかなように、チューニングを開始してから３５０ms後、イナーシャ同定値Jが、モデルイナーシャJ’の１１.０倍に同定されており、この同定値を元に速度制御部１２内のKv、Ti、積分器の値を修正した結果、速度指令に対し非常に滑らかで安定した応答が実現できていることがわかる。
【００５２】
また、図５は、速度制御器１２をIP制御で構成した場合であって、他の条件は図４のPI制御の場合と同じである。図から明らかなように、IP制御で構成した場合であっても、PI制御で構成した場合と同様、精度よくチューニングを行えることがわかる。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【００５４】
本実施形態の制御定数調整装置は、図１に示した第１の実施の形態の制御定数調整装置とは速度制御部１２’、推定部１３’の処理が一部異なるだけであり、その他は第１の実施形態の制御定数調整装置と同じである。
【００５５】
速度制御部１２’は、入力された速度指令Vrefにモータ速度Vfbが一致するように速度制御を行い、トルク指令Trefおよびモータ速度Vfbを同定部１４に出力するとともに、モータ速度Vfbとフィードフォワード信号FFaを推定部１３’に出力する。
【００５６】
推定部１３’は、モータ速度Vfbおよびフィードフォワード信号FFaを入力し、目標指令として入力されたモータ速度Vfbに、この推定部１３’においてモータモデルを用いて推定されるモデル速度Vfb’が一致するように速度制御を行い、モデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。
【００５７】
図７は速度制御部１２'、推定部１３'、同定部１４、調整部１５の各部の構成をより詳細に示す図である。
【００５８】
速度制御部１２’は、指令発生部１１より速度指令Vrefを入力すると、この速度指令Vrefに実際のモータ速度Vfbが一致するように、図に示す速度制御器１２aおよび電流制御器１２bにより、所定の速度制御を行う。なお、モータには負荷JLが取り付けられており、モータからは実際のモータ速度Vfbが検出され、出力されているとする。
【００５９】
ここで、本実施形態の速度制御部１２'による制御方法では、制御の形態はＰＩ（比例積分）制御でも、前述のＩＰ（積分比例）制御のいずれでもよく、速度制御器１２ａは、トルク指令をモータ駆動する電流制御器１２ｂに出力する。
【００６０】
すなわち、図８に速度制御部１２’および推定部１３’のさらに詳細を示すが、図中、速度制御部１２’および推定部１３’のαを１に設定すればIP制御となり、αを０に設定すればIP制御となる。
【００６１】
そして、速度制御部１２'は、図７に示すように、モータ速度Ｖｆｂおよびフィードフォワード信号ＦＦａを推定部１３'に出力するとともに、トルク指令Ｔｒｅｆおよびモータ速度Ｖｆｂを同定部１４に出力する。
【００６２】
推定部１３’は、速度制御部１２’内よりモータ速度Vfbおよびフィードフォワード信号FFaを入力し、モータ速度Vfbを指令とし、図に示すモデル速度制御器１３aおよび電流制御器１３bにより、モデル速度Vfb’がモータ速度Vfbに一致するような速度制御を行う。
【００６３】
モデル速度制御器１３aは、モデルトルク指令Tref’をモデル電流制御器１３bに出力し、このモデル電流制御器１３bによりモデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）が駆動される。ここで、モータモデル１３cのイナーシャ値J’は既知の値であり、モータモデル１３cからはモデル速度Vfb’が出力されているとする。そして、推定部１３’は、モデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。なお、モデル速度制御器１３a内の比例ゲインKv’および積分時定数Ti’は速度制御器１２内の比例ゲインKvおよび積分時定数Tiと同じ値が望ましい。
【００６４】
同定部１４は、速度制御部１２’から出力されるトルク指令Trefおよび速度Vfb、ならびに推定部１３’から出力されるモデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を入力し、トルク指令Trefとモデルトルク指令Tref’に時定数Tkのハイパスフィルタを通した値であるFTrとFTr’の絶対値をとる。
【００６５】
このハイパスフィルタは、図８に示すように、予め速度制御部１２’において、トルク指令Trefから、トルク指令に時定数Tkのローパスフィルタを通した値を減じて実現すればよく、推定部１３’においてもモデルトルク指令に通すハイパスフィルタについても同様に実現すればよい。
【００６６】
次に、ハイパスフィルタからの各出力の絶対値｜FTr｜および｜FTr’｜をとり、それぞれの絶対値｜FTr｜または｜FTr’｜を用い、所定の区間［a、b］で時間積分を行い、求められた時間積分値｜SFTr｜および｜SFTr’|と、既知の値である推定部１３’のイナーシャJ’から、速度制御部１２’のイナーシャJを演算することができる。
【００６７】
本実施形態では速度制御部１２’内の速度比例積分項をフィードフォワード信号として推定部１３’に入力することにより、ハイパスフィルタで除去できなかった外乱成分の影響を抑えることができるとともに、モータ速度とモデル速度がフィードフォワード信号を入力することで従来技術よりも一致しやすくなるようにしている。
【００６８】
次に、本実施形態を用いたシミュレーション結果を図９および図１０に示す。
【００６９】
図９は、本発明を適用した場合であって、負荷イナーシャはモータイナーシャ（Jm＝０.００００１９kgm2）の１０倍、力学系を２慣性系でモデル化し、共振周波数を２７０Hz、反共振周波数を８０Hz、粘性摩擦定数を０.００００５Nms／radとし、一定外乱として０.００５Nmを設定したシミュレーション結果である。ここで、モデルイナーシャJ’はモータイナーシャJmと同じに設定し、閾値βはゼロとしている。また、イナーシャ同定値は、調整部１５内で時定数１００msのローパスフィルタを通している。なお、閾値はサーボロック時に高周波の細かい振動を除去したい場合に設定すればよい。
【００７０】
図から明らかなように、イナーシャ同定値Ｊが、同定開始後５０ｍｓ以内でモデルイナーシャＪ'の１１．０倍に同定されており、この同定値を元に速度制御部１２'内のＫｖ、Ｔｉ、積分器１２ｃの値を修正した結果、速度指令に対し非常に滑らかで安定した応答が実現できていることがわかる。
【００７１】
一方、図１０は、従来技術を適用した場合であって、他の条件は図９の場合と同じである。図から明らかなように、本方法の特徴であるフィードフォワード信号を入力しない場合は、同定値の真値になるまでの時間が長く、１.５秒後においても同定誤差を生じていることがわかる。
【００７２】
図１１は、本発明の第３の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。本実施形態の制御定数調整装置は、図１に示した第１の実施の形態の制御定数調整装置、および図６に示した第２の実施の形態の制御定数調整装置とは推定部１３および推定部１３’と処理が一部異なり、摩擦同定部１６をさらに備えるだけであり、その他は第１の実施形態および第２の実施形態の制御定数調整装置と基本的に同じである。第１の実施の形態と第２の実施の形態とは、信号FFaが構造上異なるだけであり、本実施形態は第１の実施形態でも第２の実施形態でも実施可能である。よって、ここでは第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明することとする。
【００７３】
本実施形態の制御定数調整装置は指令発生部１１と速度制御部１２と推定部１３と同定部１４と調整部１５と摩擦同定部１６を含む。速度制御部１２は、入力された速度指令Vrefにモータ速度Vfbが一致するように速度制御を行い、トルク指令Trefおよびモータ速度Vfbを同定部１４に出力するとともに、一定速度時のモータ速度とそのときのトルク指令を摩擦同定部１６に出力する。摩擦同定部１６は速度制御部１２からのモータ速度とトルク指令から摩擦係数を算出し、算出した摩擦係数を推定部１３に出力する。
【００７４】
図１２は推定部１３の詳細なブロック図である。推定部１３内のモデル速度制御器１３aは、モデルトルク指令Tref’をモデル電流制御器１３bに出力し、このモデル電流制御器１３bによりモデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）とモデル摩擦係数１３dが駆動される。なお、モータモデル１３cのイナーシャ値J’は既知の値であり、モータモデル１３cからはモデル速度Vfb’が出力されているとする。モデル摩擦係数１３dはモデル速度Vfb’と乗算され、モデル電流制御器１３bに出力されたモデルトルク指令Tref’から乗算された値を減算する。減算されたモデルトルク指令Tref’によって、また、モデル化されたモータモデル１３c（１／J’s）とモデル摩擦係数１３dが駆動される。そして、推定部１３は、モデル摩擦係数１３dとモデル速度Vfb’の乗算された値を減ずる前のモデルトルク指令Tref’およびモデル速度Vfb’を同定部１４に出力する。モデル摩擦係数１３dは摩擦同定部１６によって随時更新されている。
【００７５】
次に、モデル摩擦係数１３dの同定方法について図１３を用いて説明する。ここで、D（x)はある区間で求めた摩擦係数、F（x）はある区間内でのトルク指令値、W（x）はある区間内での速度指令値である。
【００７６】
区間B〜区間Eが摩擦係数を求める区間である。まず、区間Bで摩擦係数D（１）を次式で求め、直ちに摩擦係数D’を更新する。
【００７７】
D（１）＝F１／W１
次に、区間Cで摩擦係数D（２）を次式で求め、
D（２）＝（F１―F２）／（W１―W２）
区間Dで摩擦係数D（３）を次式で求め、
D（３）＝（F１―F３）／（W１―W３）
区間Eで摩擦係数D（４）を次式で求める。
【００７８】
D（４）＝（DP４＋DN４）／２
ただし、DP４＝（Ｆ１―F３）／（W１―W３）、 DN４＝（Ｆ２―F４）／W２―W４）である。
【００７９】
速度指令がさらに続けて入力される場合は、以降、次式のように移動平均で摩擦係数Dを同定していく。
【００８０】
D＝（D(x)＋D（x―１）＋D(x―２)）／３
以上のように正転・逆転（または逆転・正転）と速度指令が入力される度に摩擦係数Dを同定し、同定後は摩擦モデルD’を更新する。更新すると速度制御部１２をシミュレートする推定部１３のモデルトルクに直ちに反映される。
【００８１】
次に、本実施形態を用いたシミュレーション結果を、図１４および図１５に示す。
【００８２】
図１４は、本発明を適用した場合であって、負荷イナーシャはモータイナーシャ（Jm＝０.０００１２７kgm2）の５倍、力学系は剛体系でモデル化し、粘性摩擦定数を０.０１Nms／radとし、一定外乱として０.００１Nmを設定したシミュレーション結果である。ここで、モデルイナーシャJ’はモータイナーシャJmと同じに設定し、閾値βはゼロとしている。また、イナーシャ同定値は、調整部１５内で時定数１０msのローパスフィルタを通している。なお、閾値はサーボロック時に高周波の細かい振動を除去したい場合に設定すればよい。
【００８３】
図から明らかなように、イナーシャ同定値Jが、同定開始後４秒以内でモデルイナーシャJ’の５.０倍に同定されており、この同定値を元に速度制御部１２内のKv、Ti、積分器１２cの値を修正した結果、速度指令に対し非常に滑らかで安定した応答が実現できていることがわかる。また、摩擦係数も同定できている。
【００８４】
一方、図１５は、従来技術を適用した場合であっても、他の条件は図１３の場合と同じである。図から明らかなように、本方法の特徴であるモデル摩擦係数を設定しない場合は、同定値にオフセットが生じていることがわかる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下記のような効果がある。
【００８６】
速度制御がPI制御またはIP制御いずれの場合であっても、イナーシャの同定を確実に行うことができ、しかも、２慣性系のような振動系においても、安定したチューニングを行うことができるばかりでなく、一定外乱の影響も受けないため、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる。
【００８７】
また、フィードフォワード信号を入力することにより実速度とモデル速度が一致しやすくなるばかりでなく、負荷外乱がある場合もその影響を考慮することができるため、同定誤差が小さく、かつ、真値に収束する時間が短いために、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる。
【００８８】
さらに、摩擦係数を考慮したモデルにし、摩擦係数の同定を行うと摩擦が大きい機械の場合もその影響を考慮することができるため、リアルタイムで同定精度のよいチューニングを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【図２】図１中の速度制御部、推定部、同定部、および調整部の詳細を示すブロック図である。
【図３】図１中の速度制御部および推定部のより詳細を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態をＰＩ制御で実現したシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態をＩＰ制御で実現したシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【図７】図６中の速度制御部、推定部、同定部および調整部の詳細を示すブロック図である。
【図８】速度制御部および推定部のより詳細を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態をＰＩ制御で実現したシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】従来技術を適用した場合のミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の制御定数調整装置のブロック図である。
【図１２】図１１中の速度制御部、推定部、同定部および調整部の詳細を示すブロック図である。
【図１３】摩擦係数を同定するための方法の説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態で摩擦係数大の場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】従来技術で摩擦係数大の場合のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１１ 指令発生部
１２、１２' 速度制御部
１２ａ 速度制御器
１２ｂ 電流制御器
１２ｃ 積分器
１３、１３' 推定部
１３ａ モデル速度制御器
１３ｂ モデル電流制御器
１３ｃ モータモデル
１３ｄ モデル摩擦係数
１４ 同定部
１５ 調整部
１６ 摩擦同定部
Claims (9)
- 速度指令Ｖｒｅｆを出力する指令発生部と、
前記速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂが一致するように速度制御器で比例積分制御または積分比例制御演算してトルク指令Ｔｒｅｆを決定し、該トルク指令によりモータ速度を制御する速度制御部と、
前記モータ速度Ｖｆｂを速度指令入力としてモデル速度Ｖｆｂ'が前記モータ速度Ｖｆｂに一致するように前記速度制御部をシミュレートするモデル速度制御器で比例積分制御または積分比例制御演算してモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を決定し、該モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'により前記モデル速度Ｖｆｂ'を制御する推定部と、
前記トルク指令Ｔｒｅｆと前記速度指令Ｖｒｅｆ、および前記モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'と前記モデル速度Ｖｆｂ'を入力として、モータイナーシャと負荷イナーシャの合計イナーシャＪ（以下「モータイナーシャＪ」と呼ぶ）とモデルモータイナーシャＪ'のイナーシャ比Ｊ／Ｊ'を算出する同定部と、
前記イナーシャ比Ｊ／Ｊ'に基づいて前記速度制御部の制御ゲインの調整を行う調整部と、
を備え、
前記同定部は前記トルク指令Ｔｒｅｆを所定のローパスフィルタに通して得られた値を、前記トルク指令Ｔｒｅｆから減算した値ＦＴｒを算出し、かつ前記モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を前記ローパスフィルタと同一特性のローパスフィルタに通して得られた値を、前記モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'から減算した値ＦＴｒ'を算出し、前記ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分した値｜ＳＦＴｒ｜と、前記ＦＴｒ'の絶対値｜ＦＴｒ'｜を同じ区間で時間積分した値｜ＳＦＴｒ'｜とから前記モータイナーシャＪの値を下式
Ｊ＝（｜ＳＦＴｒ｜／｜ＳＦＴｒ'｜）×Ｊ'
に基づいて同定する
制御定数調整装置。 - 前記モデル速度制御器の制御演算を比例制御とする、請求項１に記載の制御定数調整装置。
- 前記トルク指令Ｔｒｅｆおよび前記モデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を通す前記ローパスフィルタの時定数が、前記速度制御部の積分時定数と同一の値である、請求項１に記載の制御定数調整装置。
- 速度指令Ｖｒｅｆを出力する指令発生部と、
前記速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂを入力し、前記速度指令Ｖｒｅｆから前記モータ速度Ｖｆｂを減じて速度偏差Ｖｅを算出し、該速度偏差Ｖｅを積分時定数Ｔｉで積分して速度積分値を算出する積分項と、前記速度指令Ｖｒｅｆに所定の定数α（α≧０）を乗じた値から前記モータ速度Ｖｆｂを減じて速度比例値を算出する比例項とを加算して速度比例積分値を算出し、該速度比例積分値にモータイナーシャ値Ｊｍと負荷イナーシャ値ＪＬの合計値を推定したイナーシャ推定値Ｊを乗じてトルク指令Ｔｒｅｆを決定し、該トルク指令Ｔｒｅｆによりモータ速度を制御する速度制御部と、
前記モータ速度Ｖｆｂにモデル速度Ｖｆｂ'が一致するように前記速度制御部をシミュレートする推定部と、
前記速度比例積分値を前記推定部で同様に演算されているモデル速度比例積分値に加えて新たなモデル速度比例積分値とするフィードフォワード補償機能を備え、前記速度制御部の前記トルク指令Ｔｒｅｆを所定のハイパスフィルタに通した値ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分した値｜ＳＦＴｒ｜と、前記推定部のモデルトルク指令Ｔｒｅｆ'を所定のハイパスフィルタに通した値ＦＴｒ'の絶対値｜ＦＴｒ'｜を同じ区間で時間積分した値｜ＳＦＴｒ'｜との比から求めるイナーシャＪの同定を行う同定部と、
前記同定部で同定された前記イナーシャ推定値Ｊと前記推定部のイナーシャＪ'の比Ｊ／Ｊ'に基づいて制御ゲインの調整を行う調整部と、
を有する制御定数調整装置。 - 前記推定部のモデル速度制御器が前記速度制御部の速度制御器と同じ制御構成であり、前記モデル速度制御器の速度ループゲインと積分時定数が前記速度制御部の速度ループゲインと積分時定数と同じである、請求項４に記載の制御定数調整装置。
- 前記トルク指令および前記モデルトルク指令の絶対値を積算する際、前記ハイパスフィルタを通った後のトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ｜および前記ハイパスフィルタを通った後のモデルトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ'｜が予め設定された閾値βを越える場合は積算する、請求項４に記載の制御定数調整装置。
- 前記推定部のモデル速度制御器に、摩擦項としてモデル摩擦係数Ｄ'が追加され、摩擦同定部で同定された摩擦係数をリアルタイムでモデル摩擦係数Ｄ'に反映する、請求項１または請求項４に記載の制御定数調整装置。
- 前記摩擦同定部は、前記速度指令Ｖｒｅｆが入力されると、
１．（一定速度時のトルク指令Ｔ（１）／そのときのモータ速度Ｖ（１）で摩擦係数Ｄ（１）を同定し、直ちにモデル摩擦係数Ｄ'を更新し、
２．次反転の速度指令が入力されると（Ｔ（１）―一定速度時のトルク指令Ｔ（２））／（Ｖ（１）―そのときのモータ速度Ｖ（２））で摩擦係数Ｄ（２）を同定し、Ｄ'を更新し、
３．続けてさらに反転の速度指令が入力されると（Ｔ（１）―一定速度時のトルク指令Ｔ（３））／（Ｖ（１）―そのときのモータ速度Ｖ（３））で摩擦係数Ｄ（３）求め、
４．次の反転の速度指令が入力されると（ＤＰ４＋ＤＮ４）／２
ただし、ＤＰ４＝（Ｔ（１）―Ｔ（３））／（Ｖ（１）―Ｖ（３））、ＤＮ４＝（
Ｔ（２）―一定速度時のトルク指令Ｔ（４））／（Ｖ（２）―そのときの
速度Ｖ（４））
で摩擦係数Ｄ（４）を求め、
前記速度指令Ｖｒｅｆが入力される度にモデル摩擦係数Ｄ'を同定する、請求項７に記載の制御定数調整装置。 - 正転・逆転の速度指令がさらに続けて入力される場合は、次式
Ｄ'＝（Ｄ（ｘ）＋Ｄ（ｘ―１）＋Ｄ（ｘ―２））／３
で示す移動平均値でモデル摩擦係数Ｄ'を同定する、請求項８に記載の制御定数調整装置。
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