JP6214948B2 - Friction compensation device, friction compensation method, and servo control device - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦補償装置及び摩擦補償方法並びにサーボ制御装置に関するものである。 The present invention relates to a friction compensation device, a friction compensation method, and a servo control device.
工作機械等の比較的高精度な制御精度が要求される製品では、機械系に内在する非線形摩擦の影響による制御精度の低下を補償する必要がある。
従来、非線形摩擦の補償方法として、摩擦モデルを用いたフィードバックまたはフィードフォワード補償が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
In products that require relatively high control accuracy, such as machine tools, it is necessary to compensate for a decrease in control accuracy due to the influence of nonlinear friction inherent in the mechanical system.
Conventionally, feedback or feed-forward compensation using a friction model is known as a nonlinear friction compensation method (see, for example, Patent Document 1).
摩擦特性は、経年変化及び個体差により特性にばらつきがあるため、製品出荷前に、補償用のモデル摩擦パラメータを調整するだけでは、所望の制御精度を維持できないおそれがある。
このような問題に対し、摩擦パラメータのオンライン同定法が検討されている。
従来の摩擦同定方法は、クーロン摩擦、静止摩擦、粘性摩擦からなる古典摩擦モデルを対象としているものがほとんどである(図13参照)。
Since the friction characteristics vary due to aging and individual differences, there is a possibility that the desired control accuracy cannot be maintained only by adjusting the compensation model friction parameters before product shipment.
To solve this problem, online identification methods for friction parameters are being studied.
Most conventional friction identification methods are intended for a classic friction model composed of Coulomb friction, static friction, and viscous friction (see FIG. 13).
しかしながら、例えば、工作機械テーブル面の正弦波駆動における速度反転時の摩擦挙動等は、古典摩擦モデルでは再現できない。例えば、図14に、古典摩擦モデルに基づく摩擦特性と、実際の摩擦特性とを比較して示す。図14において、横軸は位置、縦軸は摩擦力、破線で表された特性は、古典摩擦モデルに基づく摩擦特性、実線で表された特性は実際の摩擦特性である。図14から、実際の摩擦特性は、古典摩擦モデルに基づく摩擦特性と異なることは明らかである。これは、摩擦は、速度に依存するだけではなく、位置にも依存しているためである。 However, for example, the frictional behavior at the time of speed reversal in the sinusoidal drive of the machine tool table surface cannot be reproduced by the classic friction model. For example, FIG. 14 shows a comparison between a friction characteristic based on a classical friction model and an actual friction characteristic. In FIG. 14, the horizontal axis represents the position, the vertical axis represents the friction force, the characteristic represented by the broken line represents the friction characteristic based on the classical friction model, and the characteristic represented by the solid line represents the actual friction characteristic. From FIG. 14, it is clear that the actual friction characteristics are different from the friction characteristics based on the classical friction model. This is because friction is not only dependent on speed but also on position.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、実際の摩擦挙動に近い摩擦モデルを用いて摩擦力を推定することにより、摩擦の推定精度を向上させることのできる摩擦補償装置及び摩擦補償方法並びにサーボ制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a friction compensation device capable of improving the estimation accuracy of friction by estimating the friction force using a friction model close to actual friction behavior It is another object of the present invention to provide a friction compensation method and a servo control device.
本発明の第1態様は、制御対象の位置、姿勢等の制御量を目標値に追従させる制御を行うサーボ制御装置に適用される摩擦補償装置であって、摩擦モデルに含まれる所定のパラメータを同定するパラメータ同定手段と、前記パラメータ同定手段によって前記所定のパラメータが同定された前記摩擦モデルを用いて前記制御対象の摩擦力を推定する摩擦推定手段とを備え、前記所定のパラメータは、少なくともクーロン摩擦力及び最大静止摩擦力を含み、前記パラメータ同定手段は、前記制御対象の位置または速度と摩擦力との関係を示した実機摩擦特性を取得するデータ取得手段と、前記実機摩擦特性を用いて、前記所定のパラメータを同定する同定手段と、同定した前記所定のパラメータを用いた前記摩擦モデルに、位置または速度を入力することにより、位置または速度と摩擦力との関係を示す検証用摩擦特性を演算し、該検証用摩擦特性と前記実機摩擦特性との誤差が所定の許容範囲であるか否かを判定し、該誤差が許容範囲内でない場合に、該誤差が許容範囲内となるように、前記クーロン摩擦力及び前記最大静止摩擦力を調整するパラメータ調整手段とを備える摩擦補償装置である。 A first aspect of the present invention is a friction compensation device that is applied to a servo control device that performs control such that a control amount such as a position and orientation of a control target follows a target value, and a predetermined parameter included in a friction model is set. Parameter identifying means for identifying, and friction estimating means for estimating the frictional force of the control object using the friction model in which the predetermined parameter is identified by the parameter identifying means , wherein the predetermined parameter is at least coulomb A frictional force and a maximum static frictional force, wherein the parameter identification means uses data acquisition means for acquiring an actual machine friction characteristic indicating a relationship between the position or speed of the control target and the frictional force, and the actual machine friction characteristic. and identifying means for identifying the predetermined parameters, the friction model using the predetermined parameter identified, type the position or velocity By calculating a verification friction characteristic indicating the relationship between the position or speed and the friction force, it is determined whether or not an error between the verification friction characteristic and the actual machine friction characteristic is within a predetermined allowable range, And a parameter adjusting unit that adjusts the Coulomb friction force and the maximum static friction force so that the error is within the allowable range when the error is not within the allowable range.
本態様によれば、位置又は速度と摩擦力とを関連付けた実機摩擦特性を取得し、この実機摩擦特性から摩擦モデルのパラメータを同定するので、古典摩擦モデルよりも詳細な、かつ、動的な摩擦モデルを構築することができる。これにより、経年劣化による制御対象の特性変化や周囲環境などに応じて、摩擦モデルを動的に適応させることが可能となり、摩擦の影響による精度低下を抑制することができる。 According to this aspect, since the actual machine friction characteristic in which the position or velocity and the friction force are associated is acquired, and the parameter of the friction model is identified from the actual machine friction characteristic, more detailed and dynamic than the classic friction model is obtained. A friction model can be constructed. As a result, the friction model can be dynamically adapted in accordance with a change in the characteristics of the control target due to deterioration over time, the surrounding environment, and the like, and a reduction in accuracy due to the influence of friction can be suppressed.
上記摩擦補償装置において、前記実機摩擦特性は、ヒステリシスループとして表され、前記パラメータ調整手段は、前記同定手段によって同定されたクーロン摩擦力を前記検証用摩擦特性と前記実機摩擦特性のヒステリシスの振幅比で除算することにより、クーロン摩擦力を調整することとしてもよい。 In the above friction compensator, the actual machine friction characteristic is represented as a hysteresis loop, and the parameter adjusting means uses the Coulomb friction force identified by the identification means as the amplitude ratio of the hysteresis between the verification friction characteristic and the actual machine friction characteristic. The coulomb friction force may be adjusted by dividing by.
これにより、検証用摩擦特性を実機摩擦特性に効率的に近づけることが可能となる。 As a result, the verification friction characteristic can be efficiently brought close to the actual machine friction characteristic.
上記摩擦補償装置において、前記データ取得手段は、前記制御対象の逆モデルに位置または速度を入力することにより、外乱成分を含むトルクを算出する第1トルク演算手段と、操作量−トルク換算モデルを用いて、操作量からトルクを算出する第2トルク演算手段と、前記第1トルク演算手段によって算出されたトルクから前記第2トルク演算手段によって算出されたトルクを差し引くことにより、摩擦力を演算する摩擦力演算手段とを具備することとしてもよい。 In the friction compensation apparatus, the data acquisition unit includes a first torque calculation unit that calculates a torque including a disturbance component by inputting a position or speed to the inverse model of the control target, and an operation amount-torque conversion model. And calculating a frictional force by subtracting the torque calculated by the second torque calculating means from the second torque calculating means for calculating the torque from the operation amount and the torque calculated by the first torque calculating means. It is good also as providing a frictional force calculating means.
このような構成を備えることにより、制御対象の運転中、停止中を問わず、所望のタイミングで実機摩擦特性を得ることができる。これにより、制御対象の運転中、停止中を問わず、摩擦モデルのパラメータの同定を行うことが可能となる。 By providing such a configuration, the actual machine friction characteristics can be obtained at a desired timing regardless of whether the controlled object is operating or stopped. As a result, it is possible to identify the parameters of the friction model regardless of whether the control target is operating or stopped.
上記摩擦補償装置において、前記同定手段は、前記実機摩擦特性の速度反転時における摩擦力からクーロン摩擦力を同定する第1摩擦力同定手段と、前記第1摩擦力同定手段によって同定されたクーロン摩擦力から最大静止摩擦力を同定する第2摩擦力同定手段と、ヒステリシスループとして表された前記実機摩擦特性におけるヒステリシスの立ち上がり特性を直線近似し、該直線近似されたヒステリシス特性から、前記所定のパラメータのうち、前記クーロン摩擦力及び前記最大静止摩擦力以外のパラメータを同定する要素同定手段とを具備することとしてもよい。 In the above friction compensator, the identification unit includes a first frictional force identification unit that identifies a Coulomb frictional force from a frictional force at the time of speed reversal of the actual machine friction characteristic, and a Coulomb friction identified by the first frictional force identification unit. A second frictional force identifying means for identifying the maximum static frictional force from the force; and a rising characteristic of hysteresis in the actual machine frictional characteristic expressed as a hysteresis loop is linearly approximated, and the predetermined parameter is determined from the linearly approximated hysteresis characteristic Among these, an element identifying means for identifying a parameter other than the Coulomb friction force and the maximum static friction force may be provided.
本発明の第2態様は、上記の摩擦補償装置を備えるサーボ制御装置である。 A second aspect of the present invention is a servo control device including the above friction compensation device.
本発明の第3態様は、制御対象の位置、姿勢等の制御量を目標値に追従させる制御を行うサーボ制御装置に適用される摩擦補償方法であって、摩擦モデルに含まれる所定のパラメータを同定するパラメータ同定過程と、前記パラメータ同定過程によって前記所定のパラメータが同定された前記摩擦モデルを用いて前記制御対象の摩擦力を推定する摩擦推定過程とを有し、前記所定のパラメータは、少なくともクーロン摩擦力及び最大静止摩擦力を含み、前記パラメータ同定過程は、前記制御対象の位置または速度と摩擦力との関係を示した実機摩擦特性を取得するデータ取得過程と、前記実機摩擦特性を用いて、前記所定のパラメータを同定する同定過程と、同定した前記所定のパラメータを用いた前記摩擦モデルに、位置または速度を入力することにより、位置または速度と摩擦力との関係を示す検証用摩擦特性を演算し、該検証用摩擦特性と前記実機摩擦特性との誤差が所定の許容範囲であるか否かを判定し、該誤差が許容範囲内でない場合に、該誤差が許容範囲内となるように、前記クーロン摩擦力及び前記最大静止摩擦力を調整するパラメータ調整過程とを有する摩擦補償方法である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a friction compensation method applied to a servo control device that performs control for causing a control amount such as a position and orientation of a control target to follow a target value, and a predetermined parameter included in the friction model is set. A parameter identification process for identifying, and a friction estimation process for estimating a frictional force of the control target using the friction model in which the predetermined parameter is identified by the parameter identification process , wherein the predetermined parameter is at least Including the Coulomb friction force and the maximum static friction force, the parameter identification process uses the data acquisition process for acquiring the actual machine friction characteristic indicating the relationship between the position or speed of the control object and the friction force, and the actual machine friction characteristic. Te, the identification process for identifying the predetermined parameters, the friction model using the predetermined parameter identified, type the position or velocity By calculating a verification friction characteristic indicating the relationship between the position or speed and the friction force, it is determined whether or not an error between the verification friction characteristic and the actual machine friction characteristic is within a predetermined allowable range, And a parameter adjustment process for adjusting the Coulomb friction force and the maximum static friction force so that the error is within the allowable range when the error is not within the allowable range.
本発明によれば、摩擦の推定精度を向上させることができ、これにより、摩擦の影響による制御誤差を低減させることができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of friction, thereby reducing the control error due to the influence of friction.
以下に、金型等を加工する工作機械のサーボ制御装置に、本発明の摩擦補償装置及び摩擦補償方法を適用した場合の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment in which a friction compensation device and a friction compensation method of the present invention are applied to a servo control device of a machine tool for machining a mold or the like will be described with reference to the drawings.
例えば、工作機械では、軌道追従制御が要求されることが多く、また、単軸だけでなく、xyz等の複数の軸を同時に制御することも少なくない。一般的に、工作機械の駆動系には、ボールねじやリニアガイドの駆動系が採用される。これら駆動系等に内在する非線形摩擦特性により、加工軌跡が劣化することがある。 For example, in a machine tool, trajectory tracking control is often required, and not only a single axis but also a plurality of axes such as xyz are often controlled simultaneously. Generally, a drive system of a ball screw or a linear guide is adopted as a drive system of a machine tool. The machining trajectory may be deteriorated due to the nonlinear frictional characteristics inherent in these drive systems and the like.
例えば、2つの軸を、一方の軸を正弦波、他方の軸を余弦波で動作させると円弧を描くことができ、この円弧を描く制御は、工作機械の制御性を検証する上でよく用いられる。この加工では、図12に示すように、摩擦の影響を受け、一方の軸運動の速度が反転する速度反転時(象限切り換え)において、加工軌跡(図中の実線)が目標軌跡(図中の破線)からずれる象限突起が発生する。これは、速度反転時に、速度が微小、0、微小(符号反転)と変化することで、摩擦の挙動が非線形な領域を遷移しているためである。 For example, if two axes are operated with a sine wave on one axis and a cosine wave on the other axis, an arc can be drawn, and this arc drawing control is often used to verify the controllability of machine tools. It is done. In this machining, as shown in FIG. 12, at the time of speed reversal (quadrant switching) where the speed of one of the axial motions is reversed due to the influence of friction, the machining trajectory (solid line in the figure) becomes the target trajectory (in the figure). Quadrant protrusions that deviate from the broken line are generated. This is because at the time of speed reversal, the speed changes from minute to zero, minute (sign inversion), and the frictional behavior changes in a non-linear region.
金型加工等においては、曲面加工も多いため、軸運動の速度反転が頻繁に発生する。速度反転時に象限突起が発生すると、加工面に筋目が残るため、金型の精度が劣化してしまうおそれがある。また、非線形摩擦の挙動は、温度や湿度、加工物の重量等によっても変動する。
本実施形態に係る摩擦補償装置及び方法は、例えば、上記の如き、工作機械における摩擦による制御誤差を低減するために、工作機械のサーボ制御装置内に組み込まれるものである。
In mold processing and the like, since there are many curved surface processing, the speed reversal of the axial motion frequently occurs. If quadrant protrusions are generated at the time of speed reversal, streaks remain on the processed surface, which may degrade the accuracy of the mold. Further, the behavior of nonlinear friction varies depending on temperature, humidity, the weight of the workpiece, and the like.
The friction compensation device and method according to the present embodiment are incorporated in a servo control device of a machine tool in order to reduce a control error due to friction in the machine tool as described above, for example.
図1は、上述した工作機械のサーボ制御装置の一構成例を示した図である。図1に示すように、サーボ制御装置は、例えば、位置のフィードバック系11、速度のフィードバック系12、及びフィードフォワード補償器13を備える制御系であり、更に、摩擦の影響による制御誤差を補償するための摩擦補償装置20を主な構成として有している。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the above-described servo control device for a machine tool. As shown in FIG. 1, the servo control device is a control system including, for example, a
摩擦補償装置20は、摩擦モデルを用いて、制御対象である工作機械100に内在する摩擦力を推定する摩擦推定部21、及び摩擦推定部21で用いられる摩擦モデルに含まれる所定のパラメータを同定するパラメータ同定部22を備えている。
The
摩擦推定部21は、例えば、以下の(1)式から(4)式に示される摩擦モデルを用いて、摩擦力Fを推定する。
The
上記(1)式から(4)式において、Fは摩擦力、Fiは各要素の摩擦力、vは速度、g(v)はストライベック曲線、σは潤滑油の粘性係数、Nは要素の数、kiは各要素のばね定数、αiは各要素の最大摩擦力の比率、Fcはクーロン摩擦力、Fsは最大静止摩擦力、Cはストライベック効果、vsはストライベック速度である。 In the above equations (1) to (4), F is the friction force, Fi is the friction force of each element, v is the speed, g (v) is the Stribeck curve, σ is the viscosity coefficient of the lubricating oil, and N is the element Number, ki is the spring constant of each element, αi is the ratio of the maximum frictional force of each element, Fc is the Coulomb frictional force, Fs is the maximum static frictional force, C is the Stribeck effect, and vs is the Stribeck speed.
上記(1)式から(4)式に含まれる各種パラメータのうち、各要素のばね定数ki、各要素の最大摩擦力の比率αi、クーロン摩擦力Fc、及び最大静止摩擦力Fsが、パラメータ同定部22により同定される。
パラメータ同定部22は、図2に示すように、データ取得部31、同定部32、及びパラメータ調整部33を主な構成として備えている。
Of the various parameters included in the above equations (1) to (4), the spring constant ki of each element, the ratio αi of the maximum frictional force of each element, the Coulomb frictional force Fc, and the maximum static frictional force Fs are parameter identifications. Identified by
As shown in FIG. 2, the
データ取得部31は、工作機械の位置又は速度と摩擦力との関係を示した実機摩擦特性を取得する。本実施形態では、工作機械の位置と摩擦力との関係を示した実機摩擦特性を得るものとして説明するが、位置に代えて速度を採用してもよい。
図3に、データ取得部31の一構成例を示す。データ取得部31は、図3に示すように、制御対象(工作機械100)の逆モデル51に位置を入力することにより、外乱成分を含むトルクを算出する第1トルク演算部41と、操作量(例えば、電流指令)−トルク換算モデル61を用いて、操作量からトルクを算出する第2トルク演算部42と、第1トルク演算部41によって算出されたトルクから第2トルク演算部42によって算出されたトルクを差し引くことにより、摩擦力を演算する摩擦力演算部43とを主な構成として備えている。
The
FIG. 3 shows a configuration example of the
ここで、第1トルク演算部41において用いられる制御対象の逆モデル51は、微分要素を含むことから、逆モデル51から出力されたトルクは、プロパー化を行うためのフィルタ52を経由して摩擦力演算部43に出力される。また、第1トルク演算部41から出力されるトルクと整合性を保つため、第2トルク演算部42においても、操作量−トルク換算モデル61から出力されたトルクは、プロパー化のためのフィルタ62を通じて摩擦力演算部43に出力される。プロパー化のためのフィルタ52、62は、いずれもローパスフィルタ特性を有するものである。
Here, since the
図4に、データ取得部31によって得られる実機摩擦特性の一例を示す。図4において、横軸は位置[mm]、縦軸は摩擦力[Nm]を示している。また、例えば、摩擦力に相当するパラメータとして電流指令[%]を用いることとしてもよい。図4に示されるように、実機摩擦特性は、一般的にヒステリシスループとして表される。
FIG. 4 shows an example of actual machine friction characteristics obtained by the
同定部32は、データ取得部31によって得られた実機摩擦特性を用いて、上述の各要素のばね定数ki、各要素の最大摩擦力の比率αi、クーロン摩擦力Fc、及び最大静止摩擦力Fsを同定する。
The
具体的には、同定部32は、図5に示すように、第1摩擦同定部71と、第2摩擦同定部72と、要素同定部73とを備える。
第1摩擦同定部71は、ヒステリシスループとして表された実機摩擦特性の速度反転時における摩擦力からクーロン摩擦力を同定する。図6に示すように、速度反転時は、ヒステリシスループとして表された実機摩擦特性における左下点P1及び右上点P2に相当する。第1摩擦同定部71は、この左下点P1の摩擦力FP1と右上点P2の摩擦力FP2の平均値(=(FP2−FP1)/2)をクーロン摩擦力Fcとして特定する。
第2摩擦同定部72は、クーロン摩擦力Fcに、事前に設定されている1以上の係数を乗じることにより、最大静止摩擦力Fsを算出する。
Specifically, as shown in FIG. 5, the
The first
The second
要素同定部73は、実機摩擦特性のヒステリシスの立ち上がり特性を直線近似し、近似直線から各要素のばね定数ki及び各要素の最大摩擦力の比率αiを算出する。具体的には、図7に示すように、クーロン摩擦力−Fcと+Fcとの間を予め設定されている所定の分割数N(例えば、初期値N=5)で等分する。次に、各区間(要素)において、ヒステリシス特性を直線近似することにより、各区間における傾きKi(i=1〜N)を算出する。ここで、各区間におけるヒステリシスから直接的な直線近似が困難な場合には、まず直線近似するヒステリシスを切り出してから、その切り出し部分を、位置を変数とする多項式(例えば、4次多項式)に近似し、更に、この近似式を1次式に近似することとしてもよい。
次に、同じ傾きを持つ区間を1つの区間に統合する。例えば、図7において、第1区間の傾きK1と、第2区間の傾きK2とが同一であった場合には、第1区間と第2区間とを統合する。このように、区間の統合を行うことにより、区間数を削減でき、後の演算処理を簡素化することができる。
The
Next, the sections having the same slope are integrated into one section. For example, in FIG. 7, when the slope K1 of the first section and the slope K2 of the second section are the same, the first section and the second section are integrated. In this way, by integrating the sections, the number of sections can be reduced, and the subsequent arithmetic processing can be simplified.
このような区間統合が行われた後のヒステリシス特性を図8に示す。図8に示すように、第1区間と第2区間とが統合されることにより、分割数N=4に変更され、それぞれの区間における傾きK1〜K4が算出される。
続いて、各区間(要素)における最大摩擦力の比率αi(i=1〜N,αi<1)を算出する。ここで、αiは、最大摩擦力の比率なので、αi(i=1〜N)の和が1となるように、αi(i=1〜N)を設定する。本実施形態では、以下のように、設定される。
α1=0.4
α2=α3=α4=0.2
FIG. 8 shows the hysteresis characteristic after such section integration is performed. As shown in FIG. 8, by integrating the first section and the second section, the number of divisions is changed to N = 4, and the slopes K1 to K4 in each section are calculated.
Subsequently, the maximum frictional force ratio αi (i = 1 to N, αi <1) in each section (element) is calculated. Here, since αi is the ratio of the maximum frictional force, αi (i = 1 to N) is set so that the sum of αi (i = 1 to N) is 1. In the present embodiment, it is set as follows.
α1 = 0.4
α2 = α3 = α4 = 0.2
次に、各区間における線形直線近似の傾きKi(i=1〜N)及び各区間における最大摩擦力の比率αi(i=1〜N)を用いて、各区間におけるばね定数kiを算出する。ばね定数kiは、以下の(7)式、(8)式で与えられる。 Next, the spring constant ki in each section is calculated using the slope Ki (i = 1 to N) of the linear linear approximation in each section and the maximum frictional force ratio αi (i = 1 to N) in each section. The spring constant ki is given by the following equations (7) and (8).
すなわち、本実施形態におけるばね定数k1〜k4は、以下の通りとなる。
k4=K4
k3=K3−k4
k2=K2−(k3+k4)
k1=K1−(k2+k3+k4)
That is, the spring constants k1 to k4 in the present embodiment are as follows.
k4 = K4
k3 = K3-k4
k2 = K2- (k3 + k4)
k1 = K1- (k2 + k3 + k4)
ここで、図9に、ばね定数kiの概念について示す。図9では、説明の便宜上、各区間における最大摩擦力αiの値がそれぞれ異なるものとして示している。
図9に示すように、位置xが0<x≦x1の範囲では、第1区間から第4区間におけるばね定数k1〜k4の成分の重ね合わせにより傾きK1が生成されていると考え、位置xがx1<x≦x2の範囲では、第2区間から第4区間におけるばね定数k2〜k4の成分の重ね合わせにより傾きK2が生成されている、x2<x≦x3の範囲では、第3区間から第4区間におけるばね定数k3〜k4の成分の重ね合わせにより傾きK3が生成されていると考え、x3<x≦x4の範囲では、第4区間におけるばね定数k4の成分のみにより傾きK4が生成されていると考える。
Here, FIG. 9 shows the concept of the spring constant ki. In FIG. 9, for convenience of explanation, the value of the maximum frictional force αi in each section is shown as being different.
As shown in FIG. 9, the range position x is 0 <x ≦ x 1, consider the inclination K1 is generated from the first section by superposition of the components of the spring constant k1~k4 in the fourth section, the position When x is in the range of x 1 <x ≦ x 2 , the slope K2 is generated by superimposing the components of the spring constants k2 to k4 in the second interval to the fourth interval. In the range of x 2 <x ≦ x 3 , considered inclination K3 is generated from the third section by superposition of the components of the spring constant k3~k4 in the fourth period, the range of x 3 <x ≦ x 4, components of the spring constant k4 in the fourth section It is assumed that the slope K4 is generated only by the above.
このようにして、各区間(要素)のばね定数ki、各区間(要素)の最大摩擦力の比率αi、クーロン摩擦力Fc、及び最大静止摩擦力Fsが同定されることとなる。 In this way, the spring constant ki of each section (element), the maximum frictional force ratio αi of each section (element), the Coulomb friction force Fc, and the maximum static friction force Fs are identified.
パラメータ調整部33は、同定部32によって同定されたクーロン摩擦力Fc、最大静止摩擦力Fs、各要素のばね定数ki、各区間(要素)の最大摩擦力の比率αiを、(1)式から(4)式で与えられる摩擦モデルに採用し、この摩擦モデルに速度を入力することにより、位置(速度の積分値)と摩擦力の関係を示す検証用摩擦特性を演算する。続いて、検証用摩擦特性と、実機摩擦特性との誤差を算出し、この誤差が許容範囲内である場合には、同定部32によって同定された上記の各種パラメータを摩擦推定部21に出力する。具体的には、パラメータ調整部33は、各位置における検証用摩擦特性の摩擦力と実機摩擦特性の摩擦力との比率を算出し、この比率の平均値が許容範囲内(例えば、1.05以下)であれば、許容範囲内であると判定する。
The
これに対し、誤差が許容範囲内でなかった場合には、同定部32によって同定されたクーロン摩擦力Fcを補正するとともに、補正後のクーロン摩擦力Fcに基づいて最大静止摩擦力Fsを補正し、補正後のクーロン摩擦力Fc及び最大静止摩擦力Fsを摩擦モデルに用いることにより、検証用摩擦特性を再度演算し、この検証用摩擦特性と実機摩擦特性とを再度比較する(図10参照)。そして、この誤差が許容範囲内となるまで、上述のクーロン摩擦力Fcの値を繰り返し調整する。このように、パラメータの調整は、クーロン摩擦力Fc及び最大静止摩擦力Fsのみとし、各要素のばね定数ki及び各要素の最大摩擦力の比率αiについては、同定部32によって同定された値を採用するので、パラメータ調整を効率的に行うことが可能となる。
On the other hand, when the error is not within the allowable range, the Coulomb friction force Fc identified by the
次に、上述した摩擦補償装置20を備えるサーボ制御装置における作動について図1を参照して説明する。
例えば、通常制御時においては、制御対象の位置及び速度が検出され、検出された位置信号と速度信号の情報とが位置・速度フィードバック系11、12にフィードバックされ、更にフィードフォワード補償器13を用いることにより、実位置を位置指令に追従させるための電流指令i*が生成される。
なお、上記のように、実速度を検出せずに、検出した位置信号を微分(近似微分)することにより、速度信号を演算により求め、この速度信号を制御に用いることとしてもよい。
Next, the operation of the servo control device including the above-described
For example, during normal control, the position and speed of the object to be controlled are detected, and the detected position signal and speed signal information are fed back to the position /
Note that, as described above, the speed signal may be obtained by calculation by differentiating (approximate differentiation) the detected position signal without detecting the actual speed, and this speed signal may be used for control.
速度信号は、摩擦補償装置20に入力され、この速度信号が摩擦推定部21の摩擦モデルに入力されることにより、摩擦力Fが推定される。推定した摩擦力Fは、電流指令換算部14において電流指令に換算され、電流補償指令idisとして出力される。この電流補償指令idisが、位置・速度フィードバック系によって生成された電流指令値i*から差し引かれることにより、電流指令i*が補正され、補正後の電流指令iC *が、ドライバ類90に入力される。ドライバ類90が電流指令iC *に応じて制御されることにより、工作機械100の位置・速度制御が行われ、目標軌跡に沿った工作機械100による加工が可能となる。
The speed signal is input to the
このような通常制御が行われているとき、或いは、工作機械100の運転停止時において、パラメータ同定の指示が入力されると、パラメータ同定部22によるパラメータ同定が行われる。パラメータ同定のタイミングは、工作機械100の毎回の起動時に行うこととしてもよいし、数週間単位、数か月単位など所定の時間間隔で行うこととしてもよい。また、作業員がパラメータ同定を指示するボタンなどの入力装置を操作したときに行われることとしてもよいし、工作機械の運転中に逐次行われることとしてもよい。このように、パラメータ同定のタイミングについては、特に限定されない。
When such normal control is performed or when a parameter identification instruction is input when the operation of the
パラメータ同定の際には、工作機械100の位置信号及び速度信号及び電流指令iC *がパラメータ同定部22に入力される。パラメータ同定部22のデータ取得部31(図2参照)は、これらの情報から実機摩擦特性を取得し、実機摩擦特性を同定部32に出力する(図11のステップSA1)。同定部32は、実機摩擦特性からクーロン摩擦力Fc、最大静止摩擦力Fsを特定し(図11のステップSA2)、更に、ヒステリシスループの直線近似により、各要素の最大摩擦力の比率αi及び各要素のばね定数kiを決定し(図11のステップSA3、SA4)、これらの同定パラメータをパラメータ調整部33に出力する。
At the time of parameter identification, the position signal, speed signal, and current command i C * of the
パラメータ調整部33は、同定部32からの同定パラメータを摩擦モデルに採用し、この摩擦モデルに実機に対応する速度を入力することにより、位置と摩擦力の関係を示す検証用摩擦特性を演算する(図11のステップSA5)。続いて、検証用摩擦特性と、実機摩擦特性との誤差を算出し、この誤差が許容範囲内となるまで(図11のステップSA6)、クーロン摩擦力Fc及び最大静止摩擦力Fsを調整し(図11のステップSA7)、誤差が許容範囲内となったときの同定パラメータを摩擦推定部21に出力する。
これにより、摩擦推定部21においては、最新の同定パラメータを用いた摩擦力の推定が行われることとなる。
The
As a result, the
以上、説明してきたように、本実施形態に係る摩擦補償装置20及び摩擦補償方法並びにサーボ制御装置によれば、位置又は速度と摩擦力とを関連付けたヒステリシスループで表される実機摩擦特性を取得し、この実機摩擦特性から摩擦モデルのパラメータを同定するので、古典摩擦モデルよりも詳細な、かつ、動的な摩擦モデルを構築することができる。これにより、経年劣化による制御対象の特性変化や周囲環境などに応じて、摩擦モデルを動的に適応させることができ、摩擦の影響による制御精度の低下を抑制することができる。
As described above, according to the
なお、本発明の摩擦補償装置20が適用されるサーボ制御装置の構成については、図1の構成に限られず、位置、姿勢制御が行われる制御対象のサーボ制御装置に対して、広く適用することが可能である。
また、本実施形態では、工作機械100を制御対象としたが、制御対象はこれに限られず、ロケットなどの飛昇体、船舶や水中航走体、射出成型機、油圧バルブ、半導体製造装置など、その位置、姿勢(例えば、ピッチ角、ロール角、ヨー角)などが目標値に追従するように制御される機械であればよい。
たとえば、飛昇体では、燃料を噴射する飛翔ノズルにおける摩擦力が問題となる。例えば、ノズルは、モータの回転駆動力を、ボールねじ等を介して直動系に変換し、直動アクチュエータを用いて角度制御される。このため、駆動系に非線形摩擦を有することとなる。このような摩擦による制御誤差を低減する目的で、本発明の摩擦補償装置が採用される。
The configuration of the servo control device to which the
Further, in the present embodiment, the
For example, in the flying body, the frictional force in the flying nozzle that injects fuel becomes a problem. For example, the nozzle converts the rotational driving force of the motor into a linear motion system via a ball screw or the like, and is angle-controlled using a linear motion actuator. For this reason, the drive system has nonlinear friction. In order to reduce such a control error due to friction, the friction compensation device of the present invention is employed.
20 摩擦補償装置
21 摩擦推定部
22 パラメータ同定部
31 データ取得部
32 同定部
33 パラメータ調整部
41 第1トルク演算部
42 第2トルク演算部
43 摩擦力演算部
51 制御対象の逆モデル
52、62 フィルタ
61 操作量−トルク換算モデル
71 第1摩擦同定部
72 第2摩擦同定部
73 要素同定部
100 工作機械
20
Claims (6)
摩擦モデルに含まれる所定のパラメータを同定するパラメータ同定手段と、
前記パラメータ同定手段によって前記所定のパラメータが同定された前記摩擦モデルを用いて前記制御対象の摩擦力を推定する摩擦推定手段と
を備え、
前記所定のパラメータは、少なくともクーロン摩擦力及び最大静止摩擦力を含み、
前記パラメータ同定手段は、
前記制御対象の位置または速度と摩擦力との関係を示した実機摩擦特性を取得するデータ取得手段と、
前記実機摩擦特性を用いて、前記所定のパラメータを同定する同定手段と、
同定した前記所定のパラメータを用いた前記摩擦モデルに、位置または速度を入力することにより、位置または速度と摩擦力との関係を示す検証用摩擦特性を演算し、該検証用摩擦特性と前記実機摩擦特性との誤差が所定の許容範囲であるか否かを判定し、該誤差が許容範囲内でない場合に、該誤差が許容範囲内となるように、前記クーロン摩擦力及び前記最大静止摩擦力を調整するパラメータ調整手段とを備える摩擦補償装置。 A friction compensation device that is applied to a servo control device that performs control to cause a control amount such as a position and orientation of a control target to follow a target value,
Parameter identifying means for identifying a predetermined parameter included in the friction model ;
Friction estimation means for estimating the friction force of the control object using the friction model in which the predetermined parameter is identified by the parameter identification means ,
The predetermined parameters include at least a Coulomb friction force and a maximum static friction force,
The parameter identification means includes
Data acquisition means for acquiring actual machine friction characteristics indicating the relationship between the position or speed of the control object and the friction force;
And identification means for using the actual friction characteristics to identify the predetermined parameter,
By inputting a position or speed into the friction model using the identified predetermined parameter, a verification friction characteristic indicating a relationship between the position or speed and the friction force is calculated, and the verification friction characteristic and the actual machine are calculated. It is determined whether or not the error from the friction characteristic is within a predetermined allowable range. When the error is not within the allowable range, the Coulomb friction force and the maximum static friction force are set so that the error is within the allowable range. And a parameter adjusting means for adjusting the friction compensation device.
前記パラメータ調整手段は、前記同定手段によって同定されたクーロン摩擦力を前記検証用摩擦特性と前記実機摩擦特性のヒステリシスの振幅比で除算することにより、クーロン摩擦力を調整する請求項1に記載の摩擦補償装置。 The actual machine friction characteristic is expressed as a hysteresis loop,
The said parameter adjustment means adjusts a Coulomb friction force by dividing the Coulomb friction force identified by the said identification means by the amplitude ratio of the hysteresis of the said friction characteristic for verification and the said actual machine friction characteristic. Friction compensator.
前記制御対象の逆モデルに位置または速度を入力することにより、外乱成分を含むトルクを算出する第1トルク演算手段と、
操作量−トルク換算モデルを用いて、操作量からトルクを算出する第2トルク演算手段と、
前記第1トルク演算手段によって算出されたトルクから前記第2トルク演算手段によって算出されたトルクを差し引くことにより、摩擦力を演算する摩擦力演算手段と
を具備する請求項1または請求項2に記載の摩擦補償装置。 The data acquisition means includes
First torque calculation means for calculating a torque including a disturbance component by inputting a position or speed to the inverse model of the control object;
Second torque calculation means for calculating torque from the operation amount using an operation amount-torque conversion model;
The frictional force calculating means for calculating a frictional force by subtracting the torque calculated by the second torque calculating means from the torque calculated by the first torque calculating means. Friction compensation device.
前記実機摩擦特性の速度反転時における摩擦力からクーロン摩擦力を同定する第1摩擦力同定手段と、
前記第1摩擦力同定手段によって同定されたクーロン摩擦力から最大静止摩擦力を同定する第2摩擦力同定手段と、
ヒステリシスループとして表された前記実機摩擦特性におけるヒステリシスの立ち上がり特性を直線近似し、該直線近似されたヒステリシス特性から、前記所定のパラメータのうち、前記クーロン摩擦力及び前記最大静止摩擦力以外のパラメータを同定する要素同定手段と
を具備する請求項1から請求項3のいずれかに記載の摩擦補償装置。 The identification means includes
First friction force identification means for identifying the Coulomb friction force from the friction force at the time of speed reversal of the actual machine friction characteristics;
Second friction force identification means for identifying a maximum static friction force from the Coulomb friction force identified by the first friction force identification means;
The rise characteristic of hysteresis in the actual machine friction characteristic expressed as a hysteresis loop is linearly approximated, and parameters other than the Coulomb friction force and the maximum static friction force among the predetermined parameters are calculated from the linearly approximated hysteresis characteristic. The friction compensation apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising element identification means for identifying.
摩擦モデルに含まれる所定のパラメータを同定するパラメータ同定過程と、
前記パラメータ同定過程によって前記所定のパラメータが同定された前記摩擦モデルを用いて前記制御対象の摩擦力を推定する摩擦推定過程と
を有し、
前記所定のパラメータは、少なくともクーロン摩擦力及び最大静止摩擦力を含み、
前記パラメータ同定過程は、
前記制御対象の位置または速度と摩擦力との関係を示した実機摩擦特性を取得するデータ取得過程と、
前記実機摩擦特性を用いて、前記所定のパラメータを同定する同定過程と、
同定した前記所定のパラメータを用いた前記摩擦モデルに、位置または速度を入力することにより、位置または速度と摩擦力との関係を示す検証用摩擦特性を演算し、該検証用摩擦特性と前記実機摩擦特性との誤差が所定の許容範囲であるか否かを判定し、該誤差が許容範囲内でない場合に、該誤差が許容範囲内となるように、前記クーロン摩擦力及び前記最大静止摩擦力を調整するパラメータ調整過程とを有する摩擦補償方法。 A friction compensation method applied to a servo control device that performs control to cause a control amount such as a position and orientation of a control target to follow a target value,
A parameter identification process for identifying predetermined parameters included in the friction model ;
A friction estimation step of estimating the frictional force of the control object using the friction model in which the predetermined parameter is identified by the parameter identification step ,
The predetermined parameters include at least a Coulomb friction force and a maximum static friction force,
The parameter identification process includes:
A data acquisition process for acquiring actual machine friction characteristics indicating the relationship between the position or speed of the control object and the friction force;
Using the actual friction characteristics, and identifying step of identifying said predetermined parameters,
By inputting a position or speed into the friction model using the identified predetermined parameter, a verification friction characteristic indicating a relationship between the position or speed and the friction force is calculated, and the verification friction characteristic and the actual machine are calculated. It is determined whether or not the error from the friction characteristic is within a predetermined allowable range. When the error is not within the allowable range, the Coulomb friction force and the maximum static friction force are set so that the error is within the allowable range. And a parameter adjustment process for adjusting the friction compensation method.
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