JP5329203B2 - 位置決め制御装置の振動抑制制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め制御装置の振動抑制制御装置に係り、特に、フレキシブルマニピュレータやＸＹロボット等に用いられる、モータ制御装置の振動抑制制御に関する。

一般に、フレキシブルマニピュレータや、ボールねじやタイミングベルト等を用いたＸＹロボット等のモータ駆動系においては、図１に例示する如く、モータＭと負荷Ａが、剛性よりも軽量化を優先して低剛性の弾性軸（図ではプーリＰ間に掛け渡されたベルトＢ）で結合されていると共振系となり、軸ねじれ振動等が発生し問題となることがある。

実際の共振系は、多数の振動モードや固有周波数が存在するため、図２に例示する如く、多慣性共振系としてモデル化される。図２において、ＪｍはモータＭの慣性、Ｋｆ１、Ｋｆ２・・・は、ばね定数、Ｊａ１、Ｊａ２・・・Ｊａｎは負荷Ａの慣性である。

この多慣性共振系は、図３に示すようなブロック図で表わされる。図３において、θｍはモータＭの回転角度（モータ位置）、θａは負荷Ａの回転角度（負荷位置）、Ｔはトルク、ｓはラプラス演算子、添字ｍはモータ、添字ａは負荷、添字disは外乱、添字reacは軸ねじれ反力を表わす。

このような共振系の振動抑制と外乱抑圧制御に対して、状態フィードバック制御やＨ∞制御、遅い外乱オブザーバ制御、共振比制御（非特許文献１参照）等の手法が提案されている。

しかしながら、状態フィードバック制御やＨ∞制御は、制御系が複雑であったり、計算量が膨大であることなどから、高速、高機能のＣＰＵが必要であり、又、現場での調整が困難である等の理由により、実機への適用には問題がある。これに対して、遅い外乱オブザーバ制御と共振比制御は、比較的簡単な制御系から構成され、実用性が高い。

しかしながら、非特許文献１に記載された共振比制御では、システムを、モータとアームが柔軟な駆動軸により結合された２慣性共振系としてモデル化しているため、１次の共振に対しては抜群の効果があるものの、現実の多慣性系では高次の共振を招いてしまうことがある等、高次の振動に対しての効果は低いという問題点を有していた。

一方、特許文献１には、サーボ系に別体の位相進みフィルタを設けることが記載されているが、構成が複雑であり、細かい計算が必要で計算時間が長くなり、安価な制御装置で実現できなくなる。設計も複雑で、応答が安定なパラメータをみつけにくいという問題点を有していた。

このような問題点を解決するべく、出願人は特許文献２で、図４に一般的な構成を示すような、外乱オブザーバ１０を用いた加速度制御系を提案している。図において、Ｃは軸受部である。

図４ではタイミングベルトＢを用いた位置決め制御系を取り上げているが、ボールねじやリニアモータの場合についても制御系自体の構成は同様である。

外乱オブザーバ１０のブロック線図を図５に示す。この外乱オブザーバ１０は、入力される外乱に対して高域通過フィルタの特性で働くため、図６に示す如く、外乱オブザーバゲインＧdisよりも低い周波数の外乱を抑圧することができる。外乱オブザーバゲインＧdisの値は、位置決め制御装置の挙動を見ながら設定されるが、制御対象の剛性等の影響により外乱オブザーバゲインＧdisを上げられる周波数には限界がある。

特許第３３８１８８０号公報 特開２００７−０４３８８４号公報 結城他「共振比制御による２慣性共振系の振動抑制制御」電学論Ｄ、１１３巻（平成５年）１０号、１１６２頁−１１６９頁

しかしながら、実際の位置決め動作においては、振動中に外乱オブザーバゲインＧdisよりも高い周波数成分も含まれるため、外乱オブザーバを用いても外乱の影響をすべて抑圧することはできない。従って、制御系は外乱オブザーバゲインＧdis以上の周波数の外乱の影響を受けてしまうという問題点が残っていた。

なお、外乱オブザーバと低域通過フィルタを併用することも考えられるが、通常は、図７に示す如く、低域通過フィルタ１２がメインの制御ループ中に挿入されるため、後出図１１に例示する如く、フィルタの位相遅れの影響により発振や特性の劣化が生じる恐れがあった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、フィルタの位相遅れの影響を受けることなく振動の抑制を可能とすることを課題とする。

本発明は、外乱オブザーバを用いた加速度制御系を含む位置決め制御装置の振動抑制制御装置において、位置指令の部分に低域通過フィルタを挿入し、位置決め制御装置を対象に設定した外乱オブザーバゲイン値Ｇdisの周波数を、前記位置指令の部分の低域通過フィルタのカットオフ周波数とすることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記位置指令の部分に加えて、速度フィードフォワード指令の部分にも低域通過フィルタを挿入し、該速度フィードフォワード指令の部分の低域通過フィルタのカットオフ周波数を、前記位置決め制御装置を対象に設定した外乱オブザーバゲイン値Ｇdisの周波数と同じにすることができる。

本発明によれば、外乱オブザーバを用いた制御を行なう際に、外乱オブザーバでは除去されない高周波成分が位置指令から取り除かれるので、外乱オブザーバと合わせて、理想的な外乱抑圧を行なうことが可能となる。

ここで、低域通過フィルタは位置指令の部分に挿入しており、メインの制御ループ中には含まれていない為、フィルタの位相遅れ等の問題が制御に悪影響を与えるおそれがない。

又、外乱オブザーバに基づいた制御法であるため、振動抑制効果を持ちながらロバスト性の確保も達成できる。

又、状態フィードバック制御やＨ∞制御に比べて制御系が簡単で、演算量も少ないため、高価なＣＰＵ等を使用する必要がない。更に、設計や調整が容易である。

特に、位置決め制御装置を対象に設定した外乱オブザーバゲイン値Ｇdisのカットオフ周波数の低域通過フィルタを位置指令の部分に挿入することで、位置指令中からＧdis以上の周波数が取り除かれるため、位置決め制御装置の挙動内にＧdis以上の周波数成分が含まれなくなり、理想的な外乱抑圧を行なうことが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態の全体のブロック図を図８、ブロック線図を図９に示す。

図４と比べて異なるところとして、位置指令の部分に低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１２を挿入する。この時のＬＰＦ１２のカットオフ周波数は、位置決め制御装置を対象に設定した外乱オブザーバゲイン値Ｇdisとする。

このように、外乱オブザーバゲイン値Ｇdisのカットオフ周波数のＬＰＦ１２を位置指令の部分に挿入することで、位置指令中からＧdis以上の周波数が取り除かれるため、位置決め制御装置の挙動内にＧdis以上の周波数成分を含まなくなり、理想的な外乱抑圧と振動抑制を行なうことが可能となる。

外乱オブザーバゲイン値Ｇdisのカットオフ周波数のＬＰＦ１２を位置指令の部分に挿入した場合としない場合との効果の違いについて、シミュレーションの結果で比較する。

シミュレーションのパラメータは表１のとおりである。

図１０は、カットオフ周波数ＧdisのＬＰＦを挿入しない場合、図１１は、図７のように、ＬＰＦ１２をメインの制御ループ中に挿入した場合、図１２には、本発明により位置指令の部分にＬＰＦ１２を挿入した場合の位置ステップ応答である。

図１０〜図１２を比較して見ると、図１０では位置決め時に振動が発生し、図１１では発振が生じているが、図１２ではカットオフ周波数ＧdisのＬＰＦ１２を位置指令の部分に挿入することによって、フィルタの位相遅れの影響を受けることなく、位置決め時の振動が小さく抑制されているのが分かる。

上記のように、外乱オブザーバゲイン値Ｇdisのカットオフ周波数のＬＰＦ１２を位置指令の部分に挿入することで、位置指令中からＧdis以上の周波数が取り除かれるため、位置決め制御装置の挙動内にＧdis以上の周波数成分を含まなくなり、外乱を理想的に抑圧することができ、ロバストな加速度制御系を構築することが可能となる。

なお、速度フィードフォワードを用いる場合には、図１３に示す第２実施形態のように、速度フィードフォワード指令に対してＬＰＦ１４を挿入する。そして、このＬＰＦ１４のカットオフ周波数を、ＬＰＦ１２と同じくＧdisの値とする。

このように、外乱オブザーバゲイン値Ｇdisのカットオフ周波数のＬＰＦ１４を速度フィードフォワード指令の部分に挿入することで、速度フィードフォワード指令中からＧdis以上の周波数が取り除かれるため、位置決め制御装置の挙動内にＧdis以上の周波数成分を含まなくなり、理想的な外乱抑圧と振動抑制を行なうことが可能となる。

又、ＬＰＦ１２、１４のカットオフ周波数は、図１４に示す第３実施形態のように、外乱オブザーバゲインの調整値Ｇdisを自動で設定することも可能である。本実施形態では、位置指令部と速度フィードフォワード部ともにＬＰＦを挿入している場合についてであるが、位置指令部にのみＬＰＦを挿入する場合にも適用が可能である。

又、前記制御装置のブロック図では、速度演算部にＰ制御を用いているが、ＰＩ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御を用いても良い。

更に、外乱オブザーバを使用するにおいて、図１５に示す第４実施形態のように、外乱オブザーバ１０に発明者らが既に特許文献２にて提案した、モータ慣性のノミナル値を実際のモータの慣性値よりも大きく設定して位相進み補償を行なう手法を併用しても良い。これにより、高次の極の安定化を図ることが可能となる。

本発明の適用対象の一例を示す構成図 同じくモデル図 同じくブロック図 外乱オブザーバを用いた従来の制御系のブロック図 外乱オブザーバのブロック図 外乱に対する外乱オブザーバの周波数特性を示す図 外乱オブザーバと低域通過フィルタを併用した比較例の制御系のブロック図 本発明に係る第１実施形態のブロック図 同じくブロック線図 図４の従来例のステップ応答を示す図 図７の比較例のステップ応答を示す図 本発明の第１実施形態のステップ応答を示す図 本発明の第２実施形態で速度フィードフォワードを用いる場合のブロック図 本発明の第３実施形態で外乱オブザーバゲインをカットオフ周波数に自動設定する場合のブロック図 本発明の第４実施形態で外乱オブザーバを用いた位相進み補償を示すブロック図

符号の説明

Ｍ…モータ
Ａ…負荷
１０…外乱オブザーバ
１２、１４…低域通過フィルタ（ＬＰＦ）

Claims (2)

1. 外乱オブザーバを用いた加速度制御系を含む位置決め制御装置の振動抑制制御装置において、
   位置指令の部分に低域通過フィルタを挿入し、位置決め制御装置を対象に設定した外乱オブザーバゲイン値Ｇdisの周波数を、前記位置指令の部分の低域通過フィルタのカットオフ周波数とすることを特徴とする位置決め制御装置の振動抑制制御装置。
2. 前記位置指令の部分に加えて、速度フィードフォワード指令の部分にも低域通過フィルタを挿入し、該速度フィードフォワード指令の部分の低域通過フィルタのカットオフ周波数を、前記位置決め制御装置を対象に設定した外乱オブザーバゲイン値Ｇdisの周波数と同じにすることを特徴とする、請求項１に記載の位置決め制御装置の振動抑制制御装置。

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