JPH0210411A - アクチュエータの制御装置 - 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］ この発明は、種々のアクチュエータの力制御またはトル
ク制御をするアクチュエータの制御装置に関する。

［従来の技術］ この種の制御装置としては、第１１図に示すような制御
ブロックのサーボモータ用制御装置がよく知られている
。この制御装置は、過電流や過速度防止のために挿入さ
れているリミッタが動作しない線形範囲において成り立
っており、補償要素としては比例十積分要素（ＰＩ制御
）が用いられている。図中θはサーボモータの回転角、
θ″″は回転角指令値、ωはサーボモータの角速度、ω
ｒ＠Ｔは角速度指令値、Ｊは回転軸回りの慣性モーメン
ト、Ｔ　ｅｘｔは負荷トルクであり、回転角θと角速度
ωを検出してフィードバックしている。このような制御
系の設計指針は、設定値に対する応答を最適なものとす
ることに力点がおかれている。

このような事情は他のアクチュエータについても同様で
ある。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、現代制御理論の教えるところによると、シス
テムの最適化を図るためには、その系の状態変数がすべ
て分かっていることが必要である。

その点、前述した第１１図の制御装置の場合は、位置と
速度についてはセンサを通じてその値を知ることができ
るものの、角加速度と負荷トルク１゛６、については分
からぬまま制御をしている。もしも、これらの値が分か
るならばよりよい制御が可能となる。このことは他のア
クチュエータの制御にても同様であり、また回転運動、
直線運動の如何を問わず同じことがいえる。

この発明は、加速度レベルまでも考慮した新規な制御装
置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明のアクチュエータの制御装置は、力定数または
トルク定数をＫｔとするアクチュエータと、そのアクチ
ュエータにＴ　ｅｘｔの負荷力または負荷トルクをかけ
る負荷とを結合し、重心位置換算での慣性力または回転
軸回り換算での慣性モーメントがＪとなり、重心位置換
算での粘性摩擦力または回転軸回り換算での粘性摩擦ト
ルクがＤωとなり、重心位置換算でのクーロン摩擦力ま
たは回転軸回り換算でのクーロン摩擦トルクがＦとなる
ときに、 首記アクヂュエータの制御ｆｌｌａに応じて萌記アクヂ
ュエータの出力を制御するアクチュエータの制御装置に
おいて、 前記アクチュエータの速度成分ωまたは加速度成分ωｓ
から、次式で与えられる外乱力または外乱トルクｌ１１
４゜を求め、これに相当する補償制御（Ｕを前記アクチ
ュエータにフィードバックするフィードバック手段を備
えたことを特徴とするアクチュエータの制御装置。

Ｔｄ、、１−（Ｔｅｘｔ　　Ｔｅｘｔｎ）　＋　（Ｊ　
　Ｊ　ｎ）　Ｓ　（ｃ）＋（Ｄ−Ｄｎ）ω＋（Ｐ−Ｆｎ
） ＋　（Ｋ　し　。−Ｋｔ）Ｉａ 但し、 Ｔｅｘｔ。は負荷力または負荷トルクの公称値１、■ｏ
は重心位置換算での慣性力または回転軸回り換算での慣
性モーメントの公称値、 Ｄは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換算で
の粘性係数、 Ｄｎは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換算
での粘性係数の公称値、 Ｆｏは重心位置換算でのクーロン摩擦力または回転軸回
り換算でのクーロン摩擦力の公称値、Ｋｔｎはアクチュ
エータの力定数またはトルク定数の公称値、 Ｓはラプラス演算子である。

「作用」 この発明のアクチュエータの制御装置は、アクチュエー
タの制御系において抑圧ずべき全ての外乱力または外乱
トルクを一括して計算してフィードバックすることによ
り、アクチュエータのパラメータ値が変動してしノミナ
ルなトルク定数またはトルク定数と、ノミナルな慣性モ
ーメントを持つモデルに固定化して、制御性能の格段の
向上を図る。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を第１図ないし第１Ｏ図に基づ
いて説明する。

第１図ないし第７図は、この発明の第１実施例である。

まず、外乱トルクについて説明する。

電動機（アクチュエータ）１に電力を供給する増幅器は
、ＦＥＴや高速トランジスタと、ＰＷＭ（パルス幅変調
）技術等によって制御電流源と考えることかでき、電動
機ｌと、この電動機１によって駆動される工作機械やロ
ボットマニュピユレータ等の負荷２のモデルは、第２図
に示すように簡単化できる。ここで、１　ａｒｏｔは制
御電流指令値、Ｉａは制御電流、Ｋｔは電動機１のトル
ク定数、Ｊは回転軸回りの慣性モーメント、Ｄは回転軸
回りの機械系の粘性係数、Ｆは回転軸回りのクーロン摩
擦力、Ｔ　ｅｘｔは負荷トルク、Ｓはラプラス演算子、
ωは角速度であり、電動機ｌにかかる負荷２の全トルク
は、 Ｔｅｘｔ十Ｆ＋　（ＪＳ　＋Ｄ）ω となる。

上式中の定数と係数は、それぞれ時間依存性を持つ。慣
性モーメントＪの変動は、工作機械やロボットマニュピ
ユレータ等において大きな問題となり、また摩擦力Ｆも
温度、速度、力などに依存して大幅に変化して問題とな
る。

そこで、角加速度ωｓと角速度ωを測定し、第３図に表
すようなオブザーバ（フィードバック手段）３を用いて
外乱トルクＴ　ｄｒ　ａを求める。図中における下添字
ｎは公称値（ノミナル値）を意味し、Ｋｔ、、は電動機
Ｉのトルク定数の公称値、Ｔ。

、。は負荷トルクの公称値、Ｆｎは回転軸回りのクーロ
ン摩擦力の公称値、Ｄｎは回転軸回りの機械系の粘性係
数の公称値である。結果として、外乱トルクＴ　ｄｉｇ
は下式（１）によって求まる。

Ｔ　、、、、＝　（Ｔｅｘｔ　　Ｔｅｘｔｎ）　＋（Ｊ
　　Ｊ　ｎ）　Ｓω＋（Ｉ）−Ｄｏ）ω＋（Ｆ’　−１
？’　ｎ）＋　（Ｋ　ｔｎ　　Ｋ　ｔ　）　Ｉ　ａ”’
・・・・・（１）上式において、右辺第１項は負荷トル
クの変動項、第２項は慣性モーメントの変動によって発
生する慣性力、第３項および第４項は粘性力とクーロン
力によって変動する摩擦トルク項、第５項はトルク定数
の変動によるトルクリプル類（例えば、磁束の空間高調
波に起因するトルクリプル）をそれぞれ表している。し
たかって、このような式を用いろことにより、電動機！
の制御系によって抑圧ずべき全ての外乱トルクを一括し
て計算することができ、しかしそれぞれの項の値が時間
の関数であっても全く影響を受けない。

そして、」二式によって求めた外乱トルク’Ｉ　ｄｉｓ
を第１図に表すようにフィードバックする。そのフィー
ドバックは、第４図および第５図のように等価変換でき
る。これらのブロック線図は、電動機ｌのパラメータの
変動に関係なく、ノミナルなトルク定数Ｋｔ、と、ノミ
ナルな慣性モーメントＪｎと、ノミナルな粘性係数Ｄｎ
を持つモデルに固定化されて、制御剛性（スヂフネス）
が理論上、任意に決定できることを意味する。換言する
と、電動機ｌとそれに結合された負荷２が負荷変化、慣
性変化、摩擦変化、およびトルクリプル変動のない系と
して見えることになる。

第６図および第７図は、この発明の制御装置を用いたト
ルク制御の実験例を説明するための図である。

この実験装置は、マニュピユレータ（負荷）２にトルク
指令Ｔ　ｃｍｄを与えて、力センサ４による反作用力’
ｉ’ｒｓａｃ＋の検出信号をフィルタリングしてフィー
ドバックすると共に、マニュピユレータ２の角速度ωを
前述したオブザーバ３に与えて、外乱トルクＴ　ａｌｍ
をフィードバックするようになっている。したがって、
内側ループにオブザーバ３を用い、外側ループに力セン
サ４を用いることになる。第７図（ａ）はオブザーバ３
を用いなかった場合の実験結果であり、同図（ｂ）はオ
ブザーバ３を用いた場合の実験結果である。これらの実
験結果から明らかなように、単純な力センサ４のみのフ
ィードバックでは正確な力が対象に印加されない。しか
し、オブザーバ３を用いた場合には指令通りの力が印加
された。

第８図ないし第１０図は、この発明の第２実施例を説明
するための図である。

本実施例の場合は、角速度計１０を用いて角速度ωを検
出し、その検出信号をオブザーバ１１（フィードバック
手段）に与えている。オブザーバ１１は、１個の積分器
１２のみを含む簡単な構造となっていて、機械系の粘性
力のノミナル値Ｄｎを“０”とし、トルク定数Ｋｔと慣
性モーメントＪのノミナル値Ｋｔｎ、Ｊｎのみを考慮し
た構成となっている。また、ω。はオブザーバ１１の遮
断周波数を意味する。その他の構成は前述した第１実施
例と同様である。結果として、外乱トルクＴ、　ｉ目８
は下式（２）によって求まる。

Ｔ、＋＋８−’：　（’Ｉ’ｅｘｔ　＋　（，１−Ｊ　
ｎ）　ｓω＋Ｄω十　Ｆ　→−（Ｋ　　ｔ、、−Ｋ　　
ｔ　　）　　　Ｉ　　ａ”Ｊ（ω、／　（ω。＋ｓ））
　　　　・・・・・・（２）上式の右辺の前側中括弧内
において、第１項は負荷トルク、第２項は慣性モーメン
トの変動により発生ずる慣性力、第３項と第４項は粘性
力とクーロン力による摩擦トルク項、第５項はトルク定
数の変動によるトルクリプル項（例えば、磁束の空間高
調波に起因４゛ろトルクリプル）をそれぞれ表している
。

結局、フィードバックする外乱トルクＴｌｄｉｓは、下
式（３）によって表される。

’ｉ’　１１１−”　（Ｋ　ｔ　ｏ／　Ｋ　ｔ　）　　
（ω０／ωｏ＋　ｓ　）　Ｔ　ｄｉｓ・・・・・（３） 上式（３）から明らかなように、外乱トルクを時定数１
／ω。たけ遅れて推定していることになる。ここでは、
角加速度が直接表れてはいない。

しかし、第８図の構成のオブザーバＩＩを第９図のよう
に書き直すことができることから、陰間数として角加速
度を求めていることになる。また、第８図は第１Ｏ図の
ようにも等価変換できる。同図において、外乱が系に与
える伝達特性はＧ　（ｓ）となる。すなわち、はぼオブ
ザーバの遮断周波数ω。以下における外乱を抑圧するこ
とになる。この遮断周波数ω。は、通常のブラシレス速
度発電機を速度センサとして用いる場合は、５００〜５
０００（ｒａｄ／５ｅｃ）程度となり、その以下の外乱
成分を抑圧することになる。

なお、この発明の制御装置は、何等、電動機ｌ用の制御
装置としてのみに特定されず、種々のアクチュエータの
制御装置として広範囲に適用することができる。例えば
、油圧アクチュエータの場合には、前述した電流Ｉａを
油圧バルブの操作量として、それに比例する油圧アクチ
ュエータのトルク定数をＫしとすればよい。

［効果］ 以−に説明したように、この発明のアクチュエータの制
御装置は、アクチュエータの制御系において抑圧ずへき
全ての外乱トルクを一括して計算してフィードバックず
ろ構成であるから、アクチュエータのパラメータ値が変
動してらノミナルなトルク定数とノミナル慣性モーメン
トを持つモデルに固定化して、格段の制御性能の向上を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図はこの発明の第１実施例を説明する
ための図であって、第１図は制御系全体のブロック線図
、第２図は電動機によって駆動される変換器をモデル化
したブロック線図、第３図はオブザーバのブロック線図
、第４図および第５図は第１図のブロック線図を等価変
換した図、第６図は実験装置の構造図、第７図（ａ）は
第６図の実験装置によるオブザーバなしの場合の実験結
果の説明図、同図（ｂ）は第６図の実験装置によるオブ
ザーバありの場合の実験結果の説明図である。 第８図ないし第１０図はこの発明の第２実施例を説明す
るための図であって、第８図は制御系・σ体のブロック
線図、第９図および第１Ｏ図は第８図のブロック線図を
等価変換した図である。 第１Ｉ図は、従来におけるサーボモータ用制御装置ｕの
ブロック線図である。 １・・・・・・電動機、　２・・・・・・負荷、３・・
・・・・オブザーバ（フィードバック手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 力定数またはトルク定数をＫｔとするアクチュエータと
   、そのアクチュエータにＴ＿ｅ＿ｘ＿ｔの負荷力または
   負荷トルクをかける負荷とを結合し、重心位置換算での
   慣性力または回転軸回り換算での慣性モーメントがＪと
   なり、重心位置換算での粘性摩擦力または回転軸回り換
   算での粘性摩擦トルクがＤωとなり、重心位置換算での
   クーロン摩擦力または回転軸回り換算でのクーロン摩擦
   トルクがＦとなるときに、 前記アクチュエータの制御量Ｉａに応じて前記アクチュ
   エータの出力を制御するアクチュエータの制御装置にお
   いて、 前記アクチュエータの速度成分ωまたは加速度成分ωｓ
   から、次式で与えられる外乱力または外乱トルクＴ＿ｄ
   ＿ｉ＿ａを求め、これに相当する補償制御量を前記アク
   チュエータにフィードバックするフィードバック手段を
   備えたことを特徴とするアクチュエータの制御装置。 Ｔ＿ｄ＿ｉ＿ａ＝（Ｔ＿ｅ＿ｘ＿ｔ−Ｔ＿ｅ＿ｘ＿ｔ＿
   ｎ）＋（Ｊ−Ｊ＿ｎ）ｓω＋（Ｄ−Ｄ＿ｎ）ω＋（Ｆ−
   Ｆ＿ｎ）＋（Ｋｔ＿ｎ−Ｋｔ）Ｉａ 但し、 Ｔ＿ｅ＿ｘ＿ｔ＿ｎは負荷力または負荷トルクの公称値
   、Ｊ＿ｎは重心位置換算での慣性力または回転軸回り換
   算での慣性モーメントの公称値、 Ｄは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換算で
   の粘性係数、 Ｄ＿ｎは重心位置換算での粘性係数または回転軸回り換
   算での粘性係数の公称値、 Ｆ＿ｎは重心位置換算でのクーロン摩擦力または回転軸
   回り換算でのクーロン摩擦力の公称値、Ｋｔ＿ｎはアク
   チュエータの力定数またはトルク定数の公称値、 ｓはラプラス演算子である。