JPH0217513A - 位置決め制御方式 - 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、モータ等の電気機械系において、慣性モーメ
ント等のパラメータの変動に対してロバスト性（堅牢性
）を持たせた位置決め制御方式に関する。

〔従来の技術〕

サーボモータに対して、通常、最も一般的に用いられる
比例制御系を第８図に示す。同図にふいて、χは位置指
令、Ｋ、は位置ループゲイン、ｋ、は速度ループゲイン
、Ｋ　Ｔ　（Ｓ）はモータの伝達関数、１／（Ｊｓ＋ｄ
）はモデルの慣性モーメン）Ｊ及び摩擦ｄを有する機械
系の伝達関数である。

前記のモータの伝達関数Ｋ　Ｔ（Ｓ）は、むだ時間を含
まないときと含むときを想定すると、Ｋ　ｒ　（ｓ）　
−Ｋ　　　　　又は ｌ十τＳ で表される。ここに、Ｋ丁　はモータのトルク定数、τ
は電流ループの時定数、Ｌはむだ時間を示す。

この場合、摩擦ｄ＝０とすると、位置決め制御系の伝達
関数は（１）のようになる。

・　・　・　・　・　・　・（１） ただし、β＝に、・４τに？Ｒ／Ｊ、。

α＝に、−１６τ ａ＝に丁、、／ｋＴ ｂ　＝Ｊ、／Ｊ ｋｉｎ　：モデルのトルク定数設定値 Ｊ０：モデルの慣性モーメント設定値 （１）式において、３次以上の項を無視し、ａ＝α＝β
＝１とすると、減衰定数ζ１　は次式で求めることがで
きる。

ζ１　＝５　　　　　　・・・・・・・（２）（２）式
より、慣性モーメン）ＪがＪ＞Ｊ、、すなわちｂ＜１と
なるとζ１　〈１となり、位置決め系はオーバーシュー
トを発生する。

電流ループがむだ時間を持つ場合、第８図の制御系では
速度ループの伝達関数の特性方程式がむだ時間りを含む
ことになるため、さらに応答性が悪化する。

このような比例制御系で制御されるサーボモータを、産
業用ロボットや工作機械の駆動装置として用いた場合、
負荷や作業状況が変化すると位置決め系にオーパージニ
ートが発生したり応答性が悪化し、高精度、高速応答の
制御を行うことができなくなる。

このような問題に対して、大君らは「外乱抑圧形線形適
応制御を用いたＤＣサーボモータのロバスト制御」と題
する論文（電学論　Ｄ、１０ｇ第１号　昭６３．３９頁
〜）　において、次のような提案を行っている。

すなわち、本論文では、ＤＣサーボモータを多関節ロボ
ットの各関節駆動に適用した場合に、ロボットアームの
姿勢変化に伴う慣性モーメントの変動のほかに、重力、
摩擦力、コリオリカ、遠心力等のトルク外乱のために、
サーボ系が所望の出力応答を得られなくなることが多い
ことを指摘している。そこで、重力、慣性力、負荷トル
ク等を含めた全トルク外乱を外乱観測器により瞬時に推
定し、その推定した直よりトルク外乱を消すための電圧
指令を与えるフィードフォワードループを構成しようと
するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この提案では、速度ループを実際の速度ω、
を使用して構成しているため、通常、電流ループの遅れ
、むだ時間などで制限されるフィードバックゲインを上
限値で設定した場合、低感度補償器のゲインβをほとん
どとることができなくなる。そのため、パラメータの変
動に対して、位置決め時にオーバーシュートが発生する
可能性がある。

そこで本発明は、オーバーシュートやむだ時間に対する
問題を改善することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明は、速度ループを有す
る位置決め制御系において、制御対象への入力指令を、
制御対象がむだ時間を含むと想定したときの該制御対象
を伝達関数で表した第１モデル系と、前記制御対象がむ
だ時間を含まないと想定したときの該制御対象を伝達関
数で表した第２モデル系にそれぞれ入力し、前記第１モ
デル系の出力である第１推定速度と実速度との差を制御
対象への入力指令へ負帰還させるとともに、前記第２モ
デル系の出力である第２推定速度を速度ループゲインの
直前に負帰還させることを特徴とする。

前記第１モデル系、前記第２モデル系とも、定数と１次
遅れ要素からなる伝達関数で表すことができる。

あるいは、前記第１モデル系を定数と２次遅れ要素及び
むだ時間要素からなる伝達関数、前記第２モデル系を定
数と１次遅れ要素からなる伝達関数で表すことができる
。

〔作用〕

本発明では、第１図に示すように、制御対象がむだ時間
を含むと想定したときの制御対象を伝達関数で表した第
１モデル系と、制御対象がむだ時間を含まないと想定し
たときの制御対象を伝達関数で表した第２モデル系とを
設けている。そして、第１モデル系の出力である第１の
推定速度Ｆを実速度Ｖと比較し、その偏差をゲインに２
　で制御対象の入力に正帰還し、また第２モデル系の出
力である第２の推定速度Ｆ′　を速度指令に負帰還して
いる。

このように、パラメータの変動に対してはゲインに２　
で制御対象とモデルの誤差をフィードバックすることに
よって改善しており、むだ時間要素に対しては速度とし
てむだ時間要素を含まないモデルの出力をフィードバッ
クすることからその影響をなくしている。モデルがミス
マツチした場合でも、ゲインに２のフィードバックルー
プによって定常偏差を発生することはない。モデルが一
致した場合は明らかに速度ループの伝達関数の特性方程
式にむだ時間を含むことはなくなる。

パラメータの変動に対するロバスト性に関しては、第１
図の伝達関数の３次以上の高次項を無視して説明する。

位置χの近似式は、次式で表される。

・　・　・　・　・　・　・（３） ただし、に２　＝Ｊ？　Ｊｎ／ｋｔｎである。

（３）式より、減衰定数ζ２は、次式で表される。

（４）式より、本発明はに２を大きくとれば、イナーシ
ャの変動に対してロバスト性が強いことが分かる。この
ことは、次式 ％式％（５） よりも明らかである。

〔実施例〕

本発明をサーボモータ位置決め系に適用した場合のシミ
コレ−ジョン結果を第２図より、比例制御と比較して示
している。

ここでは、τ＝１，６Ｘ１０−’（ｓ）、Ｌ＝５０００
としている。

変化させたパラメータはイナーシャＪであり、Ｊ　＝　
Ｊｎ、及びＪ＝２Ｊ、、の場合についてシミｎレーショ
ンを行った。

パラメータの変動については、慣性モーメントが変動し
たという仮定である。

第２図〜第７図の（ａ）は従来の比例制御の単位ステッ
プ応答を、ら）は本発明による制御の単位ステップ応答
をそれぞれ表している。

第２図はＪ＝Ｊ、の場合の位置決め応答、第３図はＪ＝
２Ｊ、の場合の位置決め応答を表している。慣性モーメ
ン）ＪがＪｌの場合には比例制御も本発明による制御も
同等の応答を示しているが、Ｊ＝２Ｊ、になると、比例
制御の場合には第３図（ａ）に示すようにオーバーシュ
ートが発生し、整定時間も長くなっていることが分かる
。これに対し、本発明の場合には、第３図ら）に示すよ
うにＪ＝Ｊ。

の場合と同様な応答を維持することができる。

第４図はＪ＝Ｊ、の場合の単位ステップ入力に対する速
度応答、第５図はＪ＝２Ｊ、の場合の同じく速度応答を
表している。慣性モーメントＪがＪ７の場合には比例制
御も本発明による制御も同等の応答を示しているが、Ｊ
＝２Ｊ、、になると、比例制御の場合には第５図（ａ）
に示すようにオーパージニートが発生し、整定時間も長
くなっていることが分かる。これに対し、本発明の場合
には、１５図υに示すようにＪ＝Ｊ、の場合と同様な応
答を維持することができる。

第６図はＪ＝Ｊ、の場合の単位ステップ入力に対するト
ルク応答、第７図はＪ＝２Ｊ、の場合の同じくトルク応
答を表している。慣性モーメントＪがＪ、の場合には比
例制御も本発明による制御も同様に一度のアンダーシュ
ートを経て整定しているが、Ｊ＝２Ｊ、になると、比例
制御の場合には第７図（ａ）に示すようにアンダーシュ
ートの次にオーバーシュートが発生し、整定時間も長く
なっている。これに対し、本発明の場合には、第７図（
ｂ）に示すようにＪ＝Ｊ、、の場合と同様にオーバーシ
ュートは発生していない。

以上のように、本発明では、第２図〜第７図のシミュレ
ーション結果に見られるように、Ｊ＝２ｊ、となった場
合にもオーバーシュートは発生せず、慣性モーメントの
変動に対してロバスト性が比例制御より強く、しかも、
速度応答、電流指令（トルク応答）が非線形に切り替わ
ることはない。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明は、速度ループを有する
位置決め制御系において、制御対象への入力指令を第１
モデル系と、第２モデル系にも入力し、第１モデル系の
出力である第１推定速度と実速度との差を制御対象への
入力指令へ負帰還させるとともに、第２モデル系の出力
である第２推定速度を速度ループゲインの直前に負帰還
させている。これにより、慣性モーメント等のパラメー
タの変動に対して、速度応答、電流応答ともに変動前の
比例制御と大差はなく、従来のような電流指令の不連続
な切り替えが不要である。

したがって、本発明によれば、産業用ロボットや工作機
械等、パラメータの変動が生じ易い機器の駆動用サーボ
モータに適用するとき、応答性、制御性を一定に維持す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御系を示すブロック図、第２図
〜第７図は比例制御と本発明による制御をシミニレ−ジ
ョンによって比較した特性図、第８図は通常用いられる
比例制御による位置決め制御系のブロック図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、速度ループを有する位置決め制御系において、制御
   対象への入力指令を、制御対象がむだ時間を含むと想定
   したときの該制御対象を伝達関数で表した第１モデル系
   と、前記制御対象がむだ時間を含まないと想定したとき
   の該制御対象を伝達関数で表した第２モデル系にそれぞ
   れ入力し、前記第１モデル系の出力である第１推定速度
   と実速度との差を制御対象への入力指令へ負帰還させる
   とともに、前記第２モデル系の出力である第２推定速度
   を速度ループゲインの直前に負帰還させることを特徴と
   する位置決め制御方式。 ２、前記第１モデル系、前記第２モデル系とも、定数と
   １次遅れ要素からなる伝達関数で表したことを特徴とす
   る請求項１記載の位置決め制御方式。 ３、前記第１モデル系は定数と２次遅れ要素及びむだ時
   間要素からなる伝達関数、前記第２モデル系は定数と１
   次遅れ要素からなる伝達関数で表したことを特徴とする
   請求項１記載の位置決め制御方式。