JPH02123984A - サーボ制御における状態観測方法 - 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〉 本発明はサーボ制御における状態［測方法に係わり、特
に状態観測器により推定した外乱トルクに基づいてサー
ボモータへ与えるトルクを補正するサーボ制御における
状態１１測方法に関する。

〈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じた電流指令（ト
ルクコマンド）を発生して実速度を指令速度に一致させ
る。かかる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ｋｌ／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。

このなめ、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、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
り速度ループが計算したトルクコマンドを補正する方法
が提案されている。

そして、この提案されている状態１ｅ！測器においては
、モータのイナーシャを推定し、この推定イナーシャを
負荷（摩擦、重力等の影響）の大きさに関係なく一定値
に固定して外乱トルクや実速度を推定している。

しかし、イナーシャは負荷（ワークの大小等による負荷
イナーシャの変化）の大きさに応じて変化するものであ
るため、推定イナーシャと実イナーシャとの間に誤差が
存在し、この誤差（とより正確に外乱トルクを推定でき
ないという間膣があった。

そして、速度信号のパルス（モータ速度検出用のエンコ
ーダから発生するパルス）が低速になる程、分解能が劣
化するため増々イナーシャの推定値が狂うという問題が
ある。

以上から本発明の目的は、モータイナーシャを正確に推
定でき従って外乱トルクを正確に推定して速度変動を除
去できる状態観測方法を提供することである。

又、本発明の別の目的は低速時にもモータイナーシャを
正確に推定できる状態Ｉ！測方法を提供することである
。

＜！Ｉ！！！題を解決するための手段〉第１図は本発明
にかかるサーボ制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
状態観測方法（オブザーバ）　　６０はイナーシャ補正
部、８０は帯域制御部である。

く作用〉 状態観測器５０において、モータイナーシャＪの推定値
Ｊ　　を用いて実速度Ｘ、及び外乱トルクｘ２を推定し
、トルクコマンド補正部１５において該推定外乱トルク
量。に基づいてトルクコマンドを補正してモータに入力
する。これと並行して、イナーシャ補正部６０で実速度
と推定速度の偏差Δｘ、と、トルクコマンドＵと、推定
外乱トルク量。

とから推定イナーシャＪ＝Ｊの補正値ΔＪを演算し、該
補正値ΔＪに基づいて状態観測器５ｏにおいて使用する
推定イナーシャ値Ｊ、　を補正する。又、帯域制御部８
０において、モータ速度が低速（こなるにつれ状態観測
器ＳＯの帯域を下げる。

〈実施例〉 本発明は、モータ夾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の
状態観測方法であり、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ＩＯ卸を行うためには、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
出方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）＝ｘ０（１）ｙ＝ｃｘ　
　　　　　　　　　　（１）’を考える。尚、このシス
テムでｕ　（ｔ）は制御入力（操作量）　　Ｘ（ｔ）は
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 交＝Ａｘ＋Ｂｕ、　　ｘ（０）＝Ｏ（２１のように表わ
せる。このとき状態量から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、　（１
）とモデルの状￥Ｉｘ（ｔ）との差を ｘ　（ｔ）−史（ｔ）　＝　ｅ　（ｔ）　　　　　　　
　　（３］とおけば、（１１，（２１式から ｅ　（ｔ）　＝　ｘ　（ｔ）−交（１）＝Ａ　（ｘ（ｔ
）−ｘ（ｔ））　＝Ａｅ（ｔ）　　［４）となる。ただ
し、ｅ（０）＝ｘ０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）−〇なるから交（１）は漸近的にｘ
　（ｔ）に近ずく。さもなければ、交（１）はｘ　（ｌ
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
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。

交＝Ａ交＋１３ｕ＋Ｌ（ｙ　Ｃ交）、　　ｘ（０）＝０
　　　（５）（１１式から（５）式を差し引くと ｅ　（ｔ）＝Ａｅ　（ｔ）−ＬＣｅ　（ｔ）＝　（Ａ−
ＬＣ）　ｅ　（ｔ）、　　　ｅ　（０）−ｘｏ（６）故
に、 ｅ（ｔ）＝　（ｅｘｐ　（Ａ−ＬＣ）　ｔ）　・ｅ（０
）となる。このｅ　（ｔｌはＸ（ｔｌ　−ｘ　（ｔ）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ｊ−＋無限大で必ずｅ　（ｔ）−〇とでき、（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は推定され
たモータイナーシャＪ　　を泪いて実速度及び外乱トル
クを推定する状態ｍ測蕗であり、速度ループ１０と同様
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。

６０は状態観測器で用いられる推定イナーシャＪ、／の
補正値ΔＪを演算するイナーシャ補正部、７０は補正値
ΔＪにフィルタ処理を施し、補正値を指数関数的に変化
させて、それ迄のイナーシャＪ＝／に加算するフィルタ
部、８０は帯域制御部でモータ速度が低速になった時に
状態観測器の帯域を下げる。

速度ループ１０において、１１は指令速度ｖｃゎ。

とモータ速度ｘ、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Ｕ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から出力される
推定外乱トルク交。で補正するトルクコマンド補正部で
ある。又、１６はモータであり、１６ａは外乱トルクＸ
２の加入部、Ｊ７はモータイナーシャである。

状態観測器５０において、Ｊｌ、、′は推定されたモー
タイナーシャ、Ｋ工。、に２ｏは状態ＩＩ！測器の帯域
を決定するフィルタ係数、Ｘ、はモータ実速度、交□は
推定速度、又□は推定外乱トルク、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、の偏差ΔＸ１
及び外乱トルクＸ２と外乱トルクの推定値交２との偏差
が共に零に収束するように構成されている。尚、５０ａ
は速度偏差Δｘ、にフィルタ処理を施して推定外乱トル
クλ２を発生するフィルタブロックで伝達関数 Ｇ　（ｓ）　＝に２７ｓ＋に、。

を有している。５０ｂはトルクコマンドＵに推定イナー
シャＪｍ　　を作用させるブロック、５０Ｃは加算ブロ
ック、５０ｄは積分ブロックである。

イナーシャ補正部６０は次式 ％式％（１］ によりモータイナーシャＪ、、、′を演算し、これと前
回比の（前サンプリング時刻における）推定イナーシャ
Ｊ　　との差分ΔＪ（＝Ｊ　　　−Ｊ’）を求め、ΔＪ
を補正値として出力する。

フィルタ部７０はΔＪにフィルタ処理を施して指数関数
的に変化させて前回比のイナーシャＪ０に加算しく最終
的にＪ８′になる）、これにより推定イナーシャ値を補
正する。

帯域制御部８０は実速度、換言すれば図示しない速度測
定手段であるエンコーダから発生するパルス周波数に応
じて、状￥！Ａ観測器５０のフィルタ部５０ａにおける
フィルタ係数に１゜、に２゜を変化させ、低速時の帯域
を下げる。尚、係数値は所定周波数以上で一定に固定す
る。

次に、第１図の全体的動作を説明する。

状態ａ測温５０は所定サンプリング時間毎にトルクコマ
ンドＵと推定外乱トルク交、とモータイナーシャの推定
値Ｊ６　　を用いて実速度ｘ、を推定し、実速度と推定
速度量、の差分である速度偏差ΔＸ。

にフィルタ処理を施して外乱トルク交、を推定してトル
クコマンド補正部１５に入力する。

トルクコマンド補正部１５は該推定外乱トルク交　に基
づいてトルクコマンドＵを補正する。

又、以上と並行してイナーシャ補正部６０は実速度と推
定速度の偏差ΔＸ１と、トルクコマンドＵと、推定外乱
トルク交。とから（１）式よりイナーシャＪｍＩＩを求
めると共に、これ迄のイナーシャＪ７との差分であるイ
ナーシャ補正値ΔＪを演算してフィルタ７０に入力する
。

フィルタ部７０はΔＪにフィルタ処理を施してΔＪを指
数関数的に変化させて前回比のイナーシャコイ′に加算
し、これにより推定イナーシャ値を補正する。

この結果、サンプリング時間毎に上記の処理を繰り返す
と、推定イナーシャは順次実負荷に応じたモータイナー
シャＪ、、ｌに近ずいてゆき、推定イナーシャＪ　　と
実イナーシャＪＩＮとの差による速度変動がなくなる。

又、帯域制御部８０は速度測定手段（図示せず）から発
生するパルス周波数を監視し、その周波数に応じてフィ
ルタブロック５０ａにおける係数に、。、に２゜を変化
させ、低速回転時における状態観測器の帯域を下げる。

これにより、低速時に速度検出用パルスの間隔が長くな
ることによる速度検出分解能の劣化を押さえることがで
き、低速時におけるイナーシャ推定値の誤差を減少させ
ることができろ。

〈発明の効果〉 思上本発明によれば、実速度と推定速度の差である速度
偏差と、トルクコマンドと、推定外乱トルクとから推定
イナーシャを補正するように構成したから、モータイナ
ーシャを正確に推定でき従って外乱トルクを正確に推定
して速度変動を除去することができる。

又、本発明によれば実速度が低速になるにつれ状態観測
器の帯域を下げるように構成したから、低速時にもモー
タイナーシャを正確に推定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の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、６０・・イナーシャ補正部、８０
・・帯域制御ＩＩＪ部 特許出願人　　　　　　　　ファナック株式会社代理人
　　　　　　　　　　弁理士　　齋藤千幹第２図 第う図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）モータのイナーシャを推定し、該推定イナーシャ
   を用いて速度と外乱トルクを推定し、推定した外乱トル
   クに基づいてサーボモータへ与えるトルクを補正するサ
   ーボ制御における状態観測方法において、 実速度と推定速度の差である速度偏差と、トルクコマン
   ドと、推定外乱トルクとから推定イナーシャの補正値を
   求め、該補正値に基づいて推定イナーシャを補正するこ
   とを特徴とするサーボ制御における状態観測方法。
2. （２）実速度が低速になるにつれ状態観測器の帯域を下
   げることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の状態
   観測方法。