JP6123327B2 - Digital filter circuit - Google Patents
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Description
本発明は、位置信号に含まれるノイズを除去するデジタルフィルタ回路に関する。 The present invention relates to a digital filter circuit that removes noise contained in a position signal.
信号に含まれるノイズを除去したり、機械的な共振の影響を排除するため、ローパスフィルタやノッチフィルタをデジタル演算により実現するデジタルフィルタ回路が用いられる。例えば、生産機器の一種であるロボットについては、アームの関節を構成する回転軸の位置を検出するためにロータリエンコーダが使用される。しかし、ロータリエンコーダが出力する位置データにもノイズが含まれることがあるので、そのノイズをデジタルフィルタ回路により除去して制御回路に入力することがある。例えば、特許文献1には、その一例が開示されている(但し、エンコーダの2相信号に対してデジタルフィルタを作用させている)。
ここで、ロータリエンコーダは、回転範囲について機械的な制限がある前提で回転量を検出するものや、無限に回転する状態で速度制御に使用されるものがある。例えば多関節型ロボットの関節角度を検出する場合、水平4軸型の第4軸や、垂直6軸型の第6軸などの所謂フランジ軸については機械的な制限がなく無限回転が可能な構造となっている。
そして、軸の回転方向について正負の極性を設ける場合、ロータリエンコーダが出力する位置データには一般に2の補数表現を用いる。例えば8ビットデータであれば、正側の値域が1〜127,負側の値域が−1〜−128をとる。したがって、正側の回転位置が7FH(=127)より1ステップ増えると80H(=−128)に変化して、位置データが不連続になる。
Here, there are rotary encoders that detect the amount of rotation on the premise that there is a mechanical restriction on the rotation range, and those that are used for speed control in a state of infinite rotation. For example, when detecting the joint angle of an articulated robot, a so-called flange axis such as a horizontal 4-axis type fourth axis or a vertical 6-axis type sixth axis is capable of infinite rotation without mechanical limitations. It has become.
When positive and negative polarities are provided in the rotational direction of the shaft, 2's complement expression is generally used for the position data output from the rotary encoder. For example, in the case of 8-bit data, the positive value range is 1 to 127, and the negative value range is −1 to −128. Therefore, when the positive rotation position increases by one step from 7FH (= 127), it changes to 80H (= −128), and the position data becomes discontinuous.
すなわち、図6に示すように、回転軸;ロータリエンコーダが一方向に回転し続けると、データ値が正方向に増加して最大値127に達した後、−128に飛んでから正方向に増加する。この時、データ値が極性を跨いでから暫くの間は、デジタルフィルタの作用により、データ値が127から−128の間で変化する意味が無い位置データが出力されてしまう。すると、これらの意味が無い位置データにより位置制御が正常に行われなくなるという問題がある。 That is, as shown in FIG. 6, when the rotary shaft; rotary encoder continues to rotate in one direction, the data value increases in the positive direction and reaches the maximum value 127, then jumps to -128 and then increases in the positive direction. To do. At this time, for a while after the data value crosses the polarity, position data that does not make sense that the data value changes between 127 and -128 is output due to the action of the digital filter. Then, there is a problem that the position control cannot be normally performed due to these meaningless position data.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、位置データが不連続に変化した場合でも、位置制御に影響を及ぼさないようにフィルタリングできるデジタルフィルタ回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a digital filter circuit capable of filtering so as not to affect position control even when position data changes discontinuously.
本発明のデジタルフィルタ回路は、単位ステップ入力u(z)=z/(z−1)に対する応答が「1」に収束する特性を有することを前提とする。これは、フィルタ回路の出力値が、最終的に入力値と同じ値に収束することを意味する。そして、フィルタ回路の伝達関数をz変換したものをF(z)とすると、関数G(z)を{1−F(z)}とする。すなわち、入力値よりG(z)を減算した結果がF(z)と等価になる。 The digital filter circuit of the present invention is premised on that the response to the unit step input u (z) = z / (z−1) has a characteristic that converges to “1”. This means that the output value of the filter circuit finally converges to the same value as the input value. When the transfer function of the filter circuit is z-transformed and F (z), the function G (z) is {1-F (z)}. That is, the result of subtracting G (z) from the input value is equivalent to F (z).
ここで、関数F(z)についての上記の特性は、最終値の定理を用いると、z→1の極限において関数F(z)の値が「1」になることに等しい。したがって、関数G(z)についてz→1の極限を求めれば「0」になる。つまり、G(1)=0であるから、因数定理により関数G(z)はz=1にゼロ点を持つことになり、下記のように因数分解することが可能である。
G(z)={(z−1)/z}・H(z) …(a)
右辺の第1項は、(1−z-1)であるから、入力を位置データuとすると、uに対して下記の形をとる関数yは、関数F(z)と等価になる。
y=u−u(1−z-1)・H(z) …(b)
(1−z-1)の項は、現在の入力値uと1つ(1サンプル)前の入力値u・z-1との差を出力するフィルタとなっている。したがって、そのフィルタ出力をvとすれば、出力vは速度になる。先に図6で位置データが不連続になる状態を示したが、位置データが不連続であっても、速度(単位時間当たりの位置変化量)は連続となる。例えば、位置データ7EH(126)から単位時間経過後に80H(−128)に変化しても、移動量は80H−7EH=2Hである。
すなわち、位置データが不連続に変化しても、速度の変化としては連続性がある。したがって、(b)式で実現されるデジタルフィルタ回路は、図6に示したような挙動をすることなく、位置制御に影響を与えないようにフィルタリングすることが可能となる。
Here, the above characteristic for the function F (z) is equivalent to the value of the function F (z) being “1” in the limit of z → 1 using the final value theorem. Therefore, if the limit of z → 1 is obtained for the function G (z), it becomes “0”. That is, since G (1) = 0, the function G (z) has a zero point at z = 1 by the factor theorem, and can be factorized as follows.
G (z) = {(z-1) / z} .H (z) (a)
Since the first term on the right side is (1-z −1 ), if the input is position data u, a function y having the following form with respect to u is equivalent to a function F (z).
y = u−u (1−z −1 ) · H (z) (b)
The term (1-z −1 ) is a filter that outputs the difference between the current input value u and the input value u · z −1 one (one sample) previous. Therefore, if the filter output is v, the output v is a speed. Although the position data is discontinuous in FIG. 6 earlier, the speed (position change amount per unit time) is continuous even if the position data is discontinuous. For example, even if the position data changes from 7EH (126) to 80H (-128) after elapse of unit time, the movement amount is 80H-7EH = 2H.
That is, even if the position data changes discontinuously, the speed change has continuity. Therefore, the digital filter circuit realized by the expression (b) can be filtered without affecting the position control without performing the behavior as shown in FIG.
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について図1から図3を参照して説明する。図3は、産業機器たるロボットを制御するコントローラであり、ロボットのアームを構成する関節を制御する機能部分を中心に示す機能ブロック図である。上記関節を成すモータ1の図示しないロータ部分には、ロータリエンコーダ2が配置されている。ロータリエンコーダ2は、上記ロータの回転に伴って生成される2相パルス信号のエッジ入力数をアップダウンカウンタによりカウントして、位置信号をデジタルデータとして出力する。そして、前記位置信号は、ロボットコントローラ3に入力される。
(First embodiment)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 3 is a functional block diagram illustrating a controller that controls a robot, which is an industrial device, with a focus on functional parts that control joints that constitute the arm of the robot. A
モータ1を含んで構成されるロボットアームは、例えば上述したような、水平4軸型の第4軸や、垂直6軸型の第6軸などであり、機械的な制限がなく無限回転が可能な構造である。そして、関節軸の回転方向について正負の極性が設けられており、ロータリエンコーダ2が出力する位置データには2の補数表現が用いられている。
The robot arm including the
ロボットコントローラ3に内蔵されるデジタルフィルタ4(デジタルフィルタ回路)は、ローパスフィルタとして構成され、ロータリエンコーダ2が出力する位置信号に含まれるノイズを除去して、減算器5及び差分器6に出力する。減算器5は、位置指令生成部7より入力される位置指令よりエンコーダ位置信号を減算した位置偏差を、位置制御部8に出力する。位置制御部8は、上記位置偏差に基づいて演算を行い、速度指令を生成出力する。
The digital filter 4 (digital filter circuit) built in the
位置制御部8の出力側には減算器9が配置されている。差分器6は、デジタルフィルタ4より出力される位置データの、今回の値と前回(1サンプル前)の値との差分をとって減算器9に出力する。減算器9は、速度指令より位置データの差分を減算した速度偏差を速度制御部10に出力する。速度制御部10は、上記速度偏差に基づいて演算を行い、電流指令を生成すると、次段の電流制御部11に出力する。電流制御部11は、インバータ回路等の駆動回路を含んでおり、電流指令に基づいたPWM信号を生成すると、PWM信号により駆動用電源をスイッチングして交流電流を生成し、モータ1の各相固定子巻線に出力する。
A
次に、本実施形態におけるデジタルフィルタ4の構成について図1及び図2を参照して説明する。デジタルフィルタ4の周波数特性をz変換により表現したものをF(z)とする。すなわち、図1(a)に示すように、
y=F(z)・u …(1)
となる。ここで、
G(z)=1−F(z) …(2)
で表されるフィルタG(z)を用いて図1(a)と同じフィルタを構成すると、図1(b)に示すようになる。
Next, the configuration of the
y = F (z) · u (1)
It becomes. here,
G (z) = 1-F (z) (2)
When the same filter as that shown in FIG. 1A is configured using the filter G (z) represented by the following formula, the result is as shown in FIG.
また、本実施形態のフィルタF(z)の特性については、単位ステップ入力uをz変換で表現したものをu(z)とすると、
u(z)=z/(z−1) …(3)
u(z)に対する応答が「1」に収束する特性を有することを前提とする。これは、フィルタへの入力が一定値aであれば、フィルタの出力は時間の経過と共に値aに収束することを意味する。すなわち、ノイズを除去したり、機械的な共振の影響を除去する目的でフィルタを使用する場合、ノイズや振動がない状況下では、フィルタの出力値が入力値に一致することが必要だからである。
As for the characteristics of the filter F (z) of the present embodiment, if the unit step input u is expressed by z-transform, u (z)
u (z) = z / (z-1) (3)
It is assumed that the response to u (z) has a characteristic that converges to “1”. This means that if the input to the filter is a constant value a, the output of the filter will converge to the value a over time. In other words, when using a filter for the purpose of removing noise or removing the effects of mechanical resonance, the output value of the filter must match the input value in the absence of noise or vibration. .
(3)式について最終値の定理を用いると、以下のように表される。
また、図1(c)に示すフィルタは(7)式で表される。
y=u−u(1−z-1)・H(z) …(7)
したがって、図1(c)に示すフィルタは、図1(d)に示すように構成される。つまり、デジタルフィルタ4においては、入力信号uが減算器12及び13と遅延器14とに与えられ、減算器13は、入力信号uより1単位時間の遅延器14の出力を減算した値を出力する。その減算結果には、乗算器15において因数分解された項H(z)が係数として乗じられ、減算器12では、入力信号uより乗算器15の出力を減算した値を、出力信号yとして出力する。
Moreover, the filter shown in FIG.1 (c) is represented by (7) Formula.
y = u−u (1−z −1 ) · H (z) (7)
Therefore, the filter shown in FIG. 1C is configured as shown in FIG. That is, in the
ここで、デジタルフィルタ4において、(z−1)を演算要素とせず、
(z−1)/z=1−z-1
を演算要素としているのは、当該演算要素をプロパー化するためである。つまり、演算要素(z−1)の場合は、1単位時間先の入力値と現在の入力値との差を求めることになり、実質的に利用できない。そのため、全体を1単位時間だけ遅延させて(z−1)/zとすることで、現在の入力値と1単位時間前の入力との差を求める演算要素を構成している。
Here, in the
(Z-1) / z = 1-z < -1 >
Is used as a computing element. That is, in the case of the calculation element (z−1), the difference between the input value one unit time ahead and the current input value is obtained, and it cannot be practically used. For this reason, the whole is delayed by one unit time to be (z−1) / z, thereby constituting an arithmetic element for obtaining the difference between the current input value and the input one unit time before.
また、入力信号uは位置信号であるから、演算要素(z−1)/zを経た出力信号vは速度になる。そして、位置が不連続であっても速度は連続となる。例えば、前述の例において、位置データ7EH(126)から単位時間経過後に80H(−128)に変化しても、移動量は80H−7EH=2Hである。したがって、速度vが入力されるフィルタH(z)は、設計通りに機能する。 Further, since the input signal u is a position signal, the output signal v that has passed through the calculation element (z-1) / z has a speed. And even if the position is discontinuous, the speed is continuous. For example, in the above-described example, even if the position data 7EH (126) changes to 80H (−128) after the unit time has elapsed, the movement amount is 80H−7EH = 2H. Therefore, the filter H (z) to which the speed v is input functions as designed.
つまり、デジタルフィルタ4は、フィルタF(z)をG(z)に変換し、微分項(z−1)/zを因数分解した形式で構成することで、位置uに対して作用するフィルタを、計算誤差が発生した場合にその誤差が累積されてしまう積分項を用いることなく速度vに対して作用するフィルタH(z)に変換したものと言える。その結果、図2に示すように、デジタルフィルタ4の挙動は位置信号が不連続となった場合でも、その不連続に変化する間の値であり制御に使用できない過渡値を出力しない特性となる。
That is, the
<変換の具体例>
ここで一例として、次式で与えられる遮断周波数ωmの1次ローパスフィルタFLPF(s)について、上記の手法を適用した場合を説明する。
Here, as an example, a case where the above-described method is applied to a primary low-pass filter FLPF (s) having a cutoff frequency ωm given by the following equation will be described.
そして、デジタルフィルタFLPF(z)を変形したフィルタGLPF(z)については、以下のように微分項(z−1)/zを因数として分解できる。
次の式で与えられる遮断周波数ωnの1次ハイパスフィルタFHPF(s)について、上記の手法を適用してみる。
The above method is applied to a first-order high-pass filter F HPF (s) having a cutoff frequency ωn given by the following equation.
したがって、デジタルフィルタFHPF(z)を変形したフィルタGHPF(z)については、以下に示すように、微分項(z−1)/zを因数として分解できない。
以上のように本実施形態によれば、ロボットアームの回転軸の位置制御に使用するため、ロータリエンコーダ2が出力する位置データをフィルタリングするもので、単位ステップ入力u(z)=z/(z−1)に対する応答が「1」に収束する特性を有するデジタルフィルタ4について、伝達関数をz変換したものをF(z)とすると、
G(z)=1−F(z)で表した関数を、G(z)={(z−1)/z}・H(z)
に因数分解した形式で表し、入力uに対する出力yを(7)式で示される演算形式で構成した。これにより、位置データuが不連続に変化しても、速度vの変化は連続性があることから、(7)式で実現されるデジタルフィルタ4は、図6に示したような挙動をすることなく、位置制御に影響を与えないようにフィルタリングすることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the position data output from the
A function represented by G (z) = 1−F (z) is expressed as G (z) = {(z−1) / z} · H (z).
Is expressed in a factorized form, and the output y with respect to the input u is configured in an operation form represented by equation (7). As a result, even if the position data u changes discontinuously, the change in the speed v is continuous, so the
(第2実施形態)
図4は第2実施形態を示す図3相当図であり、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図4に示すロボットコントローラ21では、位置指令生成部7と減算器5との間に、デジタルフィルタ22(デジタルフィルタ回路)を挿入した構成である。デジタルフィルタ22は、ノッチフィルタとしての特性を有する伝達関数を、デジタルフィルタ4と同様に、微分項(z−1)/zを因数として分解した演算形式で構成したものである。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 3 showing the second embodiment. The same parts as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and different parts will be described. In the
例えば、ロボットアームのエンドエフェクタの振動を抑えたいという場合に、位置指令生成部7の出力側にノッチフィルタを配置することで、動作帯域よりも低い振動周波数を除去し、共振を防止する手法がとられる。したがって、以上のように構成される第2実施形態によれば、機械的な共振を防止する目的で、位置指令生成部7の出力側に配置されるデジタルフィルタ22についても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
For example, when it is desired to suppress the vibration of the end effector of the robot arm, there is a method of preventing resonance by removing a vibration frequency lower than the operation band by arranging a notch filter on the output side of the position command generation unit 7. Be taken. Therefore, according to the second embodiment configured as described above, the
(第3実施形態)
図5は第3実施形態を示す図3相当図であり、第2実施形態と異なる部分のみ説明する。図5に示すロボットコントローラ31では、第2実施形態のコントローラ21より、ロータリエンコーダ2の出力側に配置されていたデジタルフィルタ4を除去したものである。すなわち、第2実施形態で説明したように、位置指令生成部7の出力側にデジタルフィルタ22を配置して機械的な共振を防止することのみを目的とする場合は、第3実施形態の構成を採用すれば良い。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 3 showing the third embodiment, and only different portions from the second embodiment will be described. In the
本発明は、上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ロボットコントローラに限ることなく、その他工作機械等の産業機器について位置制御を行う場合に使用されるデジタルフィルタ回路であれば適用が可能である。
The present invention is not limited to the embodiments described above or shown in the drawings, and the following modifications or expansions are possible.
The present invention is not limited to a robot controller, and can be applied to any digital filter circuit that is used when position control is performed for other industrial equipment such as machine tools.
2はロータリエンコーダ、3はロボットコントローラ、4はデジタルフィルタ(デジタルフィルタ回路)、21はロボットコントローラ、22はデジタルフィルタ(デジタルフィルタ回路)、31はロボットコントローラを示す。 2 is a rotary encoder, 3 is a robot controller, 4 is a digital filter (digital filter circuit), 21 is a robot controller, 22 is a digital filter (digital filter circuit), and 31 is a robot controller.
Claims (1)
前記フィルタ回路の伝達関数をz変換したものをF(z)とすると、
G(z)=1−F(z)で表した関数を、
G(z)={(z−1)/z}・H(z)
に因数分解した形式で表し、入力uに対する出力yが、
y=u−u(1−z-1)・H(z)
となる演算形式で構成したことを特徴とするデジタルフィルタ回路。 This is a digital filter circuit that filters position data for use in position control of production equipment and has a characteristic that a response to a unit step input u (z) = z / (z−1) converges to “1”. And
If the transfer function of the filter circuit is z-transformed and F (z),
A function represented by G (z) = 1−F (z)
G (z) = {(z-1) / z} .H (z)
Is expressed in a factorized form, and the output y for the input u is
y = u−u (1−z −1 ) · H (z)
A digital filter circuit characterized in that it is configured in an arithmetic form.
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