JPH02111278A - 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制御するサーボ制御方法
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割部にお
いては、指令速度と実速度の偏差に応じた電流指令（ト
ルク指令）を発生して実速度を指令速度に一致させる。

第６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。Ｍ。と実速度■Ｆ８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は比例ゲインに２が設定されてに２
・ｖＦ、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は外乱トルクとトルク定数設定
器の出力を加算する演算器、７はモータでありＪｌｌｌ
はモータイナーシャである。

この第１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ｋ　Ｌ　／　Ｓ及び
比例器に２を通じてトルクコマンドに反映されるため、
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、この外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。

〈発明が解決しようとしている課題〉 このため、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。

そこで、本願出願人は特願昭６３−１３２１４３号（出
願日：昭和６３．０５．３０．名称：デジタルサーボ制
御方法）において、外乱トルクによる速度変動を抑圧す
る方法を提案している。

この提案されている方法は、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ａ＠Ｓを設け、該状態観測器により推定
した外乱トルクに補正係数に７を掛は合わせて補正トル
クコマンドｔ２を発生し、速度ループが計算したトルク
コマンド１．から該補正トルクコマンドｔ２を差し引い
たものを真のトルクコマンドとして出力するものであり
、外乱に対する速度ループのロバスト性（＊速度の変動
が少ないこと）を実現することができる。

しかし、かかる提案されている方法においては、実速度
が零のとき、速度ループの作るトルクコマンド１．と補
正トルクコマンドｔ２は同符号となり、ｔ／１１の大き
さが１より大きい時正帰還が掛かって系全体が発振して
しまう。そのため、補正係数に１には限界があり、十分
な補正ができない場合が生じる。

思上から本発明の目的は、系が発振することがなく、シ
かも十分なトルク補正が可能であり、従ってモータの速
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。

〈課題を解決するための手段〉 第１図は本発明にかかるサーボ１ｌｉＩ御系の構成図で
ある。

１０速度ループ、１５はトルクコマンド補正部、５０は
状態ｉ測器（オブザーバ）　７０はハイパスフィルタ、
ｘ２は外乱トルク、Ｘ工はモータ実速度、交２は推定さ
れた外乱トルク、Ｕは補正後のトルクコマンドである。

く作用〉 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
トルクの推定値との偏差が共に零に収束するようにモー
タ速度及び外乱トルクを推定する状態観測器５０を構成
し、該状態観測器により推定した外乱トルクλ２をハイ
パスフィルタ７ｏに通して補正トルクコマンドｔ２を発
生し、該補正トルクコマンドｔ２により速度ループ１０
内のトルクコマンドｔ１を補正し、補正により得られた
トルクコマンドＵをサーボモータ１８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
クと外乱トルクの推定値との偏差が共に零に収束するよ
うにモータ速度及び外乱トルクを推定する状態観測器を
構成し、該状態観測器により推定したトルクによりサー
ボモータへ与えるトルクコマンドを補正する。従って、
初めに状態観測器の原理について説明する。

状態フィードバックによる制細を行うためには、制御対
象の状態量がすべて各時刻において測定できることが必
要である。しかし、一般の多変数システムでは変数の数
が多過ぎると状態量のすべてを直接測定できないことが
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［温式（オブザーバ）と称されている。

さて、 ｎ次元線形システム Ｍ＝Ａｘ＋Ｂｕ、　　　ｘ（ｔ）＝ｘ０　　　［１）ｙ
＝ｃｘ　　　　　　　　　　　（１］’を考えろ。尚、
このシステムでｕ（ｔ）は制御久方（操作量）　、ｘ　
（ｔ）は状態、ｙ　（ｔ）は出力である。

又、上記システム（プ四セス）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 交＝ＡＸ−÷Ｂ　ｕ　、　　　ｘ　（０）　＝　Ｏｉ２
）のように表わせる。このとき状態量がら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ｎｘ（ｔ）との差Ｘ　（
ｔ）　−）Ｃ（ｔ）　＝　ｅ　（ｔ）　　　　　　　　
（３１とおけば、ｆｉｌ、　（２１式から み（ｔ）　＝　Ｘ　（ｔ）−交（１） ＝Ａ（ｘ（ｔ）−交（ｔ））　＝Ａ　ｅ　（ｔ）　　（
４１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の固有値の実部がすべて
負ならばｔ−無限大に対してｅ（ｔ）−”Ｏなるから交
（１）は漸近的にｘ　（ｔ）に近ずく。さもなければ、
交（１）はｘ　（ｔ）の情報を示さず、（２）式からは
（１）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）→０となるようにする
なめに、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。

品−Ａ　Ｒ＋Ｂ　ｕ　＋　Ｌ　（ｙ　−Ｃ交）、　　交
（０）＝Ｏ（５１（１）式から（５）式を差し引くと ｅ　（ｔ）＝Ａｅ　（ｔ）−ＬＣｅ　（ｔ）＝（Ａ　Ｌ
Ｃ）　ｅ　（ｔ）、ｅ　（０）　＝ｘｏ　　　（６１故
に、 ｅ　（ｔ）＝　（ｅｘｐ　（Ａ−ＬＣ）　ｔ）　・ｅ　
（０）となる。乙のｅ　（ｔ）はｘ　（ｔ）−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ｔ→無限大で必ずｅ　（ｔ）→０とでき、（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、上記においてＡ、Ｂ、Ｃ，Ｌは所定の行列マト
リクスである。

第１図は状態観測器を組み込んだ速度制御系のブロック
図である。

１０は速度ループであり、１点鎖線で囲んｔ！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は状態観
測器であり同様に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。７０は状態観測ｇｓｏにより推定さ
れた外乱トルク９２が入力される補正トルクコマンドｔ
２を発生するハイパスフィルタである。

速度ループ１０において、１１は指令速度■。ＭＯとモ
ータ速度Ｘ、の差である速度偏差を演算する演算器、１
２は演算器１１の出力を積分する積分ゲインに、の積分
器（Ｋ、／ｓ）、１３はに２・ｘ、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）ｔ、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
マンドをハイ、パスフィルタ７０の出力である補正トル
クコマンドｔ２で補正して真のトルクコマンドＵを出力
するトルクコマンド補正部（演算器）である。又、１６
はトルク定数に、設定器、１７は外乱トルクｘ２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
。

外乱トルクを推定する状態観測器５０において、ＪＭは
モータイナーシャ、Ｋ、はトルク定数、Ｋ、。。

Ｋ２゜は状態ｉ側型の特性を決定するゲインベクトル、
ｘ、はモータ実速度、交２は推定された外乱トルク、Ｕ
はトルクコマンドであり、モータ実速度Ｘ、と推定速度
量１の偏差及び外乱トルクＸ２と外乱トルクの推定位置
、との偏差が共に零に収束するように構成されている。

ハイパスフィルタ７０は伝達関数　Ｋ、・ｓ／（ｓ＋ａ
）を有し、状態観測Ｎ５０により推定された外乱トルク
量。の低周波成分を減衰し、高周波成分のみをに７倍し
て補正トルクコマンドｔ２として速度ループ１０のトル
クコマンド補正部１５に入力する。

ハイパスフィルタ７ｏの帯域は定数ａに依存し周波数特
性は第４図のＦｌ（点線）に示すようになる。尚、状態
ａｍ藷５０の周波数特性はＦ２（１点鎖Ｓ）となり、従
って系全体の特性はＦ３（実線）となる。

このように推定された外乱トルク量、の低周波成分を減
衰あるいはカットする理由は、 （ｉｌ　トルクコマンドｔ、と補正トルクコマンドｔ２
の比１２／１．の大きさが１より大きくなって、発振現
象をおこすのは外乱トルクｘ２に含まれろ低周波数成分
である、 （１１）外乱トルクｘ２に含まれる周波数成分が速度ル
ープの帯域周波数に比べて十分に低い場合には、速度ル
ープ自体の作用により外乱の影響を小さくできろことに
よる。

次に、第１図の全体的動作を説明する。

状態１に！側型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
乱トルク交、（ｔ）をハイパスフィルタ７０に入力する
。

ハイパスフィルタ７０は推定外乱トルクｘ、（ｔ）に含
まれる低周波成分をｗｔ衰し、所定周波数理上の成分の
みに６倍して補正トルクコマンドｔ２として出力する。

トルク補正部１５；ま速度指令に基づいて計算されたト
ルクコマンドｔ、から補正トルクコマンドｔ２を差し引
いた値を真のトルクコマンドｕ（１）として出力し、モ
ータを駆動する。

以後最新のトルクコマンドＵ及び実速度ｘ１が状態観？
！￥！ｌ器５０に入力され、前記動作が練り返され速度
変動が抑圧される。

以上のように、本発明によれば推定された外乱トルク史
、から低周波成分を除去したから系全体の発振を防止す
ることができる。尚、外乱トルクの低周波成分を除去し
ても該低周波成分による速度変動は速度ループ自体で抑
圧することができ、問題はない。

また本発明によれば、速度ループでは抑圧できない外乱
中の高周波成分による速度変動を状態観測器により推定
した外乱トルクを用いて十分に抑圧することができる。

〈発明の効果〉 ふ土木発明によれば、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
乱トルクに対してハイパスフィルタ処理を施し、ハイパ
ス処理結果に基づいて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、外乱トルクに含ま
れる低周波成分に起因して系が発振することばなくなっ
た。

又、本発明によれば外乱の高周波成分に対して補正係数
を大きくでき十分なトルク補正が可能で、モータの速度
変動を十分に抑圧できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるサーボ制御系の構成図、第２図
及び第３図は状態観測器の原理説明図、第４図は状態観
測器及びハイパスフィルタの周波数帯域説明図、 第５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） ７０・・ハイパスフィルタ、 Ｘ２・・外乱トルク、ｘｌ・・モータ実速度、髪、・・
推定された外乱トルク、 Ｕ・・補正後のトルクコマンド 特徴出願人　　　　　　　　ファナック株式会社代理人
　　　　　　　　　　弁理士　　齋藤千幹第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 サーボモータの速度を制御する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対してハイパ
   スフィルタ処理を施し、 ハイパス処理結果に基づいて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サーボ制御
   方法。