JPH01303084A - デジタルサーボ制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はサーボモータの速度をデジタル処理にまり刷部
するデジタルサーボ制御方法に関する。

〈従来技術〉 誘導電動機や同期電動機等の交流モータの速度制御にお
いては、指令速度と実速度の偏差に応した電流指令（ト
ルク指令）を発生して実速度を指令速度に一致させろ。

第７図は従来の速度ループのブロック図であり、１は指
令速度Ｖ。、。と実速度ＶＦＲの差である速度偏差を演
算する演算器、２は演算器１の出力を積分する積分ゲイ
ンに１の積分器、３は比例ゲイン１（２が設定されてに
２・■Ｆ、を出力する比例器、４は積分器と比例器の出
力差を演算してトルクコマンドを発生する演算器、５は
トルク定数に、設定器、６は外乱）・ルクとトルク定数
設定器の出力を加算する演算器、７はモータてありＪ、
ばモータイナーシャてある。

この第７図の速度ループにおい゛て、外乱トルクによる
影響はモータの速度変動として現われる。

しかし、モータの速度変動は積分器に、／ｓ及び比例器
に２を通してトルクコマンドに反映されろため、速度ル
ープ全体としては速度変動を小さくする方向に作用する
。そして、このダ乱の抑圧度は速度ループのゲインが高
い程強くなるが、余り速度ループゲインを高めると系全
体が発振状態となるので限界がある。その為、外乱トル
クが大きい場合にはモータの速度変動を十分に押え込む
ことができない場合がある。

〈発明が解決しようとしている課題〉 以上のように、速度ループゲインには限界があるので、
外乱トルクが大きな場合には、モータの速度変動を十分
に抑圧できず、例えば工作機械の切削時、切削面にむら
が出るなどの不具合が発生する。

従って本発明の目的は外乱トルクが大きくてもモータの
速度変動を十分に抑圧できるサーボ制御方法を提供する
ことである。

く課題を解決するための手段〉 第１図は本発明にかかるデジタルサーボ制御の構成図で
ある。

１０速度ループ、コ５はトルクコマンド補正部、５０は
状態観測器（オブザーバ）、Ｘ２（１）は外乱トルク、
Ｘ、い）はモータ実速度、交、（＋）は推定された外乱
トルク、ｕ（１）は補正後のトルクコマンドである。

〈作用〉 モータ実速度と推定速度の偏差および外乱トルクと外乱
トルクの１Ｗ定値との偏差が共に零に収束するように外
モータ速度及び外乱トルクを推定ずろ状態観測器５０を
構成し、該状態観測器により推定した外乱）・ルク１２
（ｉ）により速度ループ１０内のトルクコマンドを補正
し、補正により選られたトルクコマンドｕ（＋）をサー
ボモータ］８に入力する。

〈実施例〉 本発明は、モータ実速度と推定速度の偏差及び外乱トル
クと外乱トルクの膀一定値との偏差が共に零に収束ずろ
ようにダモータ速度及び外乱トルクを推定ずろ状態観測
器を構成し、該状態観測器により推定したトルクにより
サーボモータへ与えろトルクコマンドを補正ずろ。従っ
て、初めに状態観測器の原理について説明ずろ。

状態フィードバックによる制御を行うためには、制御対
象の状態量かすべて各時刻において測定できる乙とが必
要である。しかし、一般の多変数システムでは変数の数
が多い場合に（ま状態量のすべてを直接測定できない場
合が多い。そのために、制御システム内の直接測定でき
る出力から状態量を推定しなければならない。この状態
推定の１つの方法として、制御系のモデルを構成してそ
の出力を比較して推定する方法があり、この推定する手
段が状態観測器（オブザーバ）と称されている。

さて、 ｎ次元線形システム ｘ−Ａｘ＋Ｂｕ、　　　ｘ（ｔ）−ｘ。　　（１）ｙ＝
Ｃｘ　　　　　’　　　　　　　（１１’を考える。尚
、乙のシステムてｕ（１）は制御入力（操作量）　、ｘ
　（ｔ）ｌよ状態、ｙ　（ｔ）は出力である。

又、上記システム（プロセス）と同一のシステムをモデ
ルとして構成し、同一の入力を加えるものとすると、該
モデルは以下 ’２　＝ＡＱ＋Ｂｕ、　　　汝（０）−〇　　　（２１
のように表わせる。乙のとき状態量からＸを推定できる
かどうかを考えてみる（第２図参照）。今、システムの
状態Ｘ（ｔ）とモデルの状態量（１）との差を Ｘ（ｔ）−９（ｔ）　−〇　（ｔ）　　　　　　　（３
１とおけば、ｆｌ）、　［２）式から ｅ　（ｔ）−妥（１）−要（１） −Ａ　（Ｘ（ｔ）−４（ｔ））　−Ａｅ（ｔ）　　（４
）となる。ただし、ｅ（０）−Ｘｏである。（４）式が
漸近安定ならば、すなわちＡの固有値の実部がずへて負
ならばｔ−無限大に対してｅ（ｔ）−０なろから９（ｔ
）は漸近的にＸ（１）に近ずく。さもなければ、９（ｔ
）はＸ（１）の情報を示さず、（２）式からは（］）式
で示すシステムの状態を推定できない。

そこで、必ず漸近的にｅ（ｔ）−＋Ｏとなるようにする
ために、フィードバックを利用することを考える。すな
わち、第３図に示すように元のシステムの出力と推定シ
ステムの出力の差をフィードバックして利用し、次のよ
うに構成する。

ｘ＝Ａｘ＋Ｂｕ＋Ｌ　（ｙ−Ｃ９）　、　　９．　（０
）＝Ｏ（５）（］）式から（５）式を差し引くと ｅ　（ｔ）′−Ａ、ｅ　（ｔ）−ＬＣｅ　（ｔ）＝　（
Ａ−ＬＣ）　ｅ　（ｔ）、　　　ｅ　（０）＝ｘ０（６
）故に、 ｅ　（ｔ）＝　（ｅｘｐ　（Ａ−ＬＣ）　ｔ４　ｅ　（
０）となる。乙のｅ（ｔ）ｌよχ（１）−交（１）であ
るから、この特性方程式の根を負にするＬが存在すれば
Ｌ→無限大で必ずｅ（１）→０とてき、（５）式のシス
テムで（１）式のシステムの状態観測器になり得る。尚
、上記におし）でＡ、、Ｂ、Ｃ，Ｌは所定の行列マトリ
クスである。

さて、本発明においては、外乱トルクを推定するために
速度ループに対して状態観測器を構成する。第４図はサ
ーボモータの速度制御においてトルクコマンドからモー
タまでの状況を表わしたものである。図中、ｕ（ｔ）は
トルクコマンド、Ｋ２（ｔ）（ま外乱トルク、Ｋ１（ｔ
）はモータ実速度であり、また１６はトルク定数設定部
、１７は演算部、１８はサーボモータであり、Ｊ□はモ
ークイナーンヤである。

状態変数ｘ、、ｘ２に対して が成立ずろ。乙の系を離散値系として扱いサンプリング
タイムをＴとすると（７）式は ｘ（ｉ→１）”４Ａ、ｘ　（ｉ）”−１−Ｂｄｕ　（ｉ
）　　　　（８）’とおきなおし、これに対して状態観
測器を以下の［９］　、　＋１０１式のように構成する
。

ｚ　（ｉ＋１）”＝Ａｄｘ　（ｉ）”＋Ｂｄｕ　（ｉ）
　　　　　　（９）受（ｉ）’ｚ（ｉＭ−Ｋ”（ｙ（ｉ
）　−Ｃｚ（ｉ）”）　　　（１０）交１．交、はχ１
．Ｘ２の推定値である。又、てあり、Ｃは出力ベクトル
でＦ　Ｉｔ　ｏ３である。

よって、 となり、（１０）式は λ（ｉ）”＝ｚ　（ｉ）”十Ｋ”Ｃ（ｘ、　（ｉ）　−
ｚ、　（ｉ））　　　　（］（１）’となる。ただし、
Ｋ１はゲインベクトルてそして、この時の誤差ベクトル ｅい）１−９０）”　−Ｘ（ｉ）”は（８］　’　、　
（９）　、　（１０１’式を用いて ｅ　（ｉ）Ｔ−（Ａｄ−Ｋ”ＣＡ、）　ｅ　（ｉ−１）
”　　　（ＩＩ］となるので、行列（Ａｄ−Ｋ”　ＣＡ
ｄ）の固有値が単位円内にあればｅ　（ｉ）”−＋　０
となり、推定値会（【）Ｔは実際の値Ｘ（ｉ）”に収束
してゆく。

以上の状態観測器を改めて書き直すと ｚ　、（ｉ＋１）　＝ｘ　、（ｉ）＋　（Ｔ、／　Ｊ　
、）　・ｘ、（ｉ）＋　（Ｋ、Ｔ／　Ｊ　ｍ）ｕ　（ｉ
）ｚ　２（ｉ＋］）　＝　　　　　　　　交、（］）ｘ
、（ｉ）−ｚ、（ｉ）＋に、　（ｘ、（ｉ）　　ｚ、（
ｉ））礼（ｉ）−：、（ｉ）＋に、、　（ｘ、（ｉ）　
−ｚ、（ｉ））　　　　　　　・・・４１２］となり、
これをブロック図を用いて示すと状態観測器は第５図の
ようになる。尚、第５図においてＺ″１て示すブ四ツク
５１〜５２は１サンプリング時間遅延部、５３〜５６は
それぞれゲインに、、、に、、、　ＫｔＴ／Ｊ、、、　
Ｔ／Ｊ□を設定するゲイン設定部、５７〜６１は演算部
である。又、ｘ、　（ｉ）はモーター８＝ 実速度、交、い）は推定された外乱トルク、ｕ（１）は
トルクコマンドである。

第１図は以上の状態観測器５０を組み込んだデジタル速
度制御系のブロック図である。

１０は速度ループであり、］点鎖線で囲んだ部分（アン
プ、モータ、電流ループ）を除き全てソフトウェアによ
るデジタル演算処理により構成される。５０は第５図に
示した状態観測器であり同様にソフ）・ウェアによるデ
ジタル演算処理により構成される。７０１ま状態観測器
５０により推定された外乱トルク交、（１）が入力され
るゲイン設定部であり、推定された外乱トルクをに０倍
して速度ループ］０のトルクコマンド補正部に入力する
。

速度ループ］０において、］１は指令速度■。。０とモ
ータ速度ｘ、（ｔ）の差である速度偏差を演算する演算
器、１２は演算器１１の出力を積分する積分ゲインに１
Ｖの積分器であり、ゲイン設定部１２ａと加算部コ２ｂ
と１サンプリング時間遅延部１２ｃで構成されている。

」３はに、、Ｖ−ｘ、　（ｉ）を出力する比例器、１４
は積分器と比例器の出力差を演算してトルクコマンド（
速度ループが計算したトルクコマンド）を発生する演算
器、１５は演算器１４から出力されたトルクコマンドを
状態観測器５０て推定した外乱トルクＫｌｉ・交、（＋
）により補正して補正トルクコマンドｕＩ）を出力する
トルクコマンド補正部（演算器）てある。又、１６はト
ルク定数Ｋ、設定器、１７は外乱トルクＸ２（１）の加
入部、１８はモータでありＪ、はモータイナーシャであ
る。尚、トルク定数設定器１６、外乱トルク加入部］７
、モータ１８（よハードウェア部分である。

状態観測器５０は、モータ実速度と推定速度の偏差が零
に収束するように外乱トルクを推定し、推定した外乱ト
ルク臭、ｌ）を比例器７０を介して速度ループ１０内の
トルクコマンド補正部１５に入力し、トルクコマンド補
正部１５は外乱による速度変動が抑圧されろようにトル
クコマンドを補正し、該補正されたトルクコマンドｕ（
１）によりモータに入力する。

第６図は本発明の状態観測器を用いた場合と用いない場
合におけるｘ　、　／　ｘ　２’、すなわち（モータ実
速度）／（外乱トルク）の周波数特性であり、この周波
数特性かられかるように本発明によれば従来方式に比へ
低周波数域（〜１５Ｈｚ）において外乱によってモータ
が振らねにくトなっている（ロバスト性が向上している
）。

〈発明の効果〉 以上本発明によれば、実速度と推定速度の偏差が零に収
束するように外乱トルクを推定する状態観測器を設け、
該状態観測器により推定したトルクによりサーボモータ
へ与えるトルクコマンドを補正するように構成したから
、外乱トルクが大きくてもモータの速度変動を十分に抑
圧でき、特に低周波数域におけるロバスト性を向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるデジタルサーボ制卸の構成図、 第２図及び第３図は状態観７Ｎ器の原理説明図、第４図
は速度ループにおけるトルクコマンドからモータまでの
状況を示す図、 第５図は本発明にかがる外乱推定用の状態観測器のブロ
ック図、 第６図は（モータ実速度）／（外乱トルク）の周波数特
性図、 第７図は従来の速度ループを示すブロック図である。 １０・・速度ループ、 １５・・トルクコマンド補正部、 ５０・・状態観測器（オブザーバ）、 ｘ２（ｉ）・・外乱トルク、ｘ、　（ｉ）・・モータ実
速度、９（＋）　　推定された外乱トルク、 ｕ（１）補正後のトルクコマンド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 サーボモータの速度をデジタル処理により制御するデジ
   タルサーボ制御方法において、 実速度と推定速度の偏差および外乱トルクと外乱トルク
   の推定値の偏差が零に収束するような状態観測器を設け
   、該状態観測器により推定した外乱トルクによりサーボ
   モータへ与えるトルクコマンドを補正することを特徴と
   するデジタルサーボ制御方法。