JPH0317703A - 速度依存型外乱推定オブザーバによるゼロイング方法 - 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、位置ループを有し、そのマイナー・ループと
して速度ループ．電流ループを有するサーボモー夕等の
モータ制御において、外乱オブザーバによって系に加わ
る外乱を推定し、外乱を除去する外乱推定オブザーバに
よるゼロイング方法に関する。

従来の技術 現在、現代制御理論の応用として行われているものの中
に、オブザーバの理論を応用し、外乱トルクを一回微分
したものを零と仮定し、それを状態変数としてオブザー
バに組み込み、外乱トルクを推定し、この推定値を指令
値にフィードバックをかけることにより外乱からみた特
性をよくする方法が行われている。

しかし、この外乱推定オブザーバによる外乱除去、いわ
ゆるゼロイング方法は外乱推定を飛躍的に向上させるも
のの、過渡応答を悪くさせるという欠点がある。そのた
め、従来、この過渡応答が悪くなるのを無視して使用す
るか、または、この過渡特性が悪く・なるのを嫌って外
乱推定オブザーバによるゼロイング方法を使用しなかっ
た。

発明が解決しようとする課題 外乱推定オブザーバによるゼロイングは低い周波数領域
で特によく作用し、外乱を除去することができる。即ち
、モータが動き始めるときの静摩擦等の影響（静摩擦外
乱）を除去できるという特徴を有している。例えばロボ
ット等において、重力軸等は動き始めに静摩擦の影響で
遅れが生じ、遅れて急激に移動するという現象が生じる
。この静摩擦の影響（静摩擦外乱）等を除去するために
外乱推定オブザーバによるゼロイング方法を採用してい
る。この外乱推定オブザーバによるゼロイングを用いる
ことにより、低速時の外乱特性がよくなり、静摩擦の直
流に近いような外乱は殆んど除去することができる。

しかし、過渡特性を悪くするという性質を有しており、
加速時または減速時の過渡時に゛振動を生じさせるとい
う欠点をも有している。

そこで、本発明の目的は、外乱推定オブザーバによるゼ
ロイングの外乱特性を飛躍的によくするという特性を活
かすと共に、短所の過渡特性を悪くするという欠点を除
去した外乱推定オブザーバによるゼロイング方法を提供
することにある。

課題が解決するための手段 本発明は、位置ループを有し、そのマイナー・ループと
して速度ループ，電流ループを有し、外乱推定オブザー
パにより外乱を推定し、該推定外乱のフィードバック値
を速度ループから出力された電流指令値から減じて外乱
を除去するようにしたモータの制御方法において、モー
タの速度，即ち、モータへの指令速度、若しくはモータ
の実速度、または位置ループが比例制御であれば、位置
偏差が指令速度に比例することから、位置偏差に応じて
外乱推定オブザーバのフィードバックゲインを変え、速
度が零に近く静摩擦の影響を受ける低速時にはゲインを
高くし、外乱推定オブザーバの作用が過渡応答に影響を
与えるような速度では上記フィードバックゲインを零に
することによって上記課題を解決した。

作用 モータが停止状態から動作状態に移る瞬間には、静摩擦
が外乱として大きく影響を及ぼす。このような七ータ始
動時には、モータ速度は零または零に近い値であり、こ
のときは外乱推定オブザーバのフィードバックゲインは
高くとられ、外乱推定オブザーバの作用を大きくして外
乱即ち静摩擦の影響を除去する。そして、外乱推定オブ
ザーバの作用が過渡応答に影響を与えるような速度以上
では上記フィードバックゲインを零にして外乱推定オブ
ザーバの作用を働かせないようにする。また、静摩擦の
影響を除去するためフィードバックゲインを高くした零
に近い低速時とフィードバックゲインを零にして過渡応
答への影響をなくす速度間はフィードバックゲインの急
激な変化を避けるため、速度の大きさに応じてフィード
バックゲインを小さくする。

実施例 第１図は、本発明の外乱推定オブザーバによる位置ルー
プ内に速度ループ及び電流ループを有するサーボモータ
制御の要部ブロック線図である。

図中、■は従来と同様のサーボ制御系の速度ループから
サーボモータへ出力されるトルク指令としての電流指令
、１，２はサーボモータの′伝達関数の項であり、項１
のＫｔはトルク定数、項２のＪｍは該サーボモー夕で駆
動されるロボット等の負荷を含めた系の全イナーシャで
ある。また、ＴＬは外乱を意味し、■はサーボモータの
実速度を意味する。５は外乱推定オブザーバ、３は外乱
推定オブザーバで推定される推定外乱に対応する値に乗
じるパラメータの項であり、４はゲイン調整手段で、項
３から出力される推定外乱に対応する値ｙに対し、モー
タの速度に応じて変動するゲインを乗じた値ｙ′を出力
し、この値ｙ′を電流指令Ｉから減じて外乱ＴＬを除去
する構成となっており、いわゆるゼロイング（ＺＥＲＯ
　ＩＮＧ）処理を行うものである。

外乱トルクＴＬの微分値↑Ｌ，サーボモータの加速度９
としたとき、次の第（１），第（２）式を満足するもの
として、外乱推定オブザーバを構成すると、第１図に示
すブロック線図の外乱推定オブザーバが得られる。

↑Ｌ＝０　　　　　　・・・・・・（１）ｖ＝　　（１
　・Ｋｔ／Ｊｍ）＋　　（ＴＬ　／Ｊｍ）・・・・・・
（２） 外乱推定オブザーバ５の項５２，項５３のＫｌ，Ｋ２は
外乱推定オブザーバ５のパラメータで、項５１は電流指
令Ｉから推定外乱に対応する値ｙを減じた値、即ち、実
際にサーボモー夕へ出力される電流値に乗じるパラメー
タの項であり、５４は積分項である。

そして、この外乱推定オブザーバ５を構成することによ
って、外乱推定オブザーバ５の項５３の出力として、外
乱に対応する値ｘ＝ＴＬ’／Ｊｍ（ＴＬ’は推定外乱）
が得られる。

すなわち、第１図のブロック線図を解析すると、｛（ｖ
−ｙ′）一Ｋｔ＋ＴＬ｝●　（１／Ｊｍ−Ｓ）＝ｖ・・
・・・・（３） （　（｛　　Ｙ’）・　（Ｋｔ／Ｊｍ）＋　　（ｖ−ｖ
’）Ｋｌ＋　　（ｖ−ｖ’）　　（Ｋ２　／Ｓ）　｝　
　　（１／Ｓ）　　＝Ｖ・・・・・・（４） （なお、Ｖ′　は積分項５４の出力で推定速度）第（３
）式より （１−ｙ’）＝（ｖ−Ｊｍ−ｓ−ＴＬ）／Ｋｔ　　　＝
１５）第（５）式を第（４）式に代入し整理すると、｛
（ｖ−Ｊｍ●Ｓ−ＴＬ）／Ｋｔ｝●　（Ｋｔ／Ｊｍ）＋
　（ｖ−ｖ’）　・（Ｋｌ　＋　（Ｋ２　／Ｓ）　）　
＝Ｓ−ｖ・・・・・・（６） ｖ−Ｓ　−　　（ＴＬ　／Ｊｍ）　　＋　　（ｖ−ｖ’
）（Ｋｌ　＋　　（Ｋ２　／Ｓ）　｝　＝Ｓ　＠ｖ・・
・（７） （ｖ−ｖ’）（Ｓ＋Ｋｌ　＋　　（Ｋ２　／Ｓ）｝　＝
ＴＬ　／Ｊｍ・・・・・・（８） 故に、 ・・・・・・（９） その結果、項５３の出力Ｘは ｘ＝　　（ｖ−ｖ’）　・Ｋ２　／Ｓ 第（ＩＯ）式において、パラメータＫ２．ＫＩを極が安
定するようにう選択すると、 ｘ　＝ＴＬ　／　Ｊ　ｍ　　　　　　　　−”・（Ｉｆ
）項５３の出力Ｘは第（１１）式に示されるように、外
乱に比例した値ＴＬ’／Ｊｍとなる。

こうして、外乱推定オブザーバ５によって得られた外乱
ＴＬに比例した項ｘ＝ＴＬ’／Ｊｍに項３のパラメータ
Ｊｍ●Ａ／Ｋｔ（Ａは単位系を合せるためのフィードバ
ックゲインである）を乗じれば、 ｙ＝ｘ−Ｊｍ●Ａ／Ｋｔ＝ＴＬ′・Ａ／Ｋｔ・・・・・
・（ｌ２） この値Ｙ＝ＴＬ’●Ａ／Ｋｔを項４のゲイン調整手段４
によりモータ速度に応じて設定される係数Ｂを乗じて、
該値ｙ’　（＝Ｂ−ｙ）を電流指令値Ｉより減ずれば項
１の出力は、 Ｋ　ｔ　　（Ｉ−ｙ’）＝Ｋ　ｔ　　（Ｉ−ＴＬ’●Ａ
＠Ｂ／Ｋｔ）＝Ｋ　ｔ　−　Ｉ−ＴＬ’・Ａ−Ｂ　　　
・・・・・・（１３）上記第（１３）式で示される項１
の出力と外乱ＴＬが加算されると、ゲイン調整手段４の
係数Ｂが「１」とすれば、ＴＬ’・Ａ＝ＴＬであるから
、外乱ＴＬは除去されることとなる。

上記ゲイン調整手段４はモータの速度に応じて係数Ｂを
調整するもので、本実施例においては、位置ループを比
例制御とした場合において、モータの速度を位置偏差ε
Ｐによって検出するようにしている。位置ループの制御
が比例制御であれば、速度指令は位置偏差εＰに比例し
、モータは速度指令に追従して指令速度で回転すること
となるから、位置偏差εＰの値によってモータの実速度
または速度指令を検出することができる。

そして、本発明においては、第２図に示すように、位置
偏差εＰが小さく−εＰ１〜＋εＰＩの範囲内にあり、
静摩擦が大きい範囲のモータ速度■のときにはゲイン調
整手段４で設定する係数Ｂを「１」とし、外乱推定オブ
ザーバ５による補正を１００％作用させる。そして、モ
ータ速度■が加速または減速され、外乱推定オブザーバ
５の作用が過渡応答に影響を与える速度以上になると、
即ち、位置偏差εＰの絶対値が１εＰ２１以上になると
、ゲイン調整手段４で設定する係数Ｂを零にする。そし
て、係数Ｂを「１」から零に変える位置偏差一εＰ２と
ーεＰｌ，＋εＰＩと＋εＰ２間はゲインの急激な変化
を避けるため、位置偏差（速度）に応じて第２図に示す
ように一次関数的に変える。

第２図に示すように位置偏差一εＰ２とーεＰ１間にお
いては係数Ｂを次の第（１４）式、また、位置偏差＋ε
Ｐ１からεＰ２間においては次の第（ｌ５）式に示すよ
うに位置偏差εＰに応じて変える。

Ｂ＝ａ　ｅＰ　＋ｂ　　　　　　　　　・・・・・１１
４）Ｂ＝−ａ　ｅＰ　＋ｂ　　　　　　　　−（１５）
なお、ａｇｏ，ｂ＞０である。

そして、係数ＢをｒｌＪにする静摩擦の大きい位置偏差
範囲一εＰＩ〜εＰＩ　（速度範囲）及び過渡応答に影
響を与えるようになる位置偏差（速度）一εＰ２，　　
εＰ２は実験によって求め、この値εＰ１，εＰ２が求
められると、上記第（１４）式，第（１５）式のａ，ｂ
の値は決まる。即ち、位置偏差εＰが−εＰ１または＋
εＰＩのときＢ＝１、位置偏差εＰがーεＰ２または＋
εＰ２のときＢ＝０であることから、 となる。

以上のように、静摩擦の大きい範囲の位置偏差±εＰＩ
　（速度）及び過渡応答に影響を与えるようになる位置
偏差±εＰ２（速度）を実験により求め、第２図に示す
ように位置偏差（速度）に応じてゲイン調整手段４によ
って係数Ｂを調整し、外乱推定オブザーバによるフィー
ドバックゲインを調整すれば、静摩擦による外乱を除去
し、かつ、過渡応答に悪影響を与えない外乱推定オブザ
ーバによるゼロイングが実施できる。

第３図は本発明をロボット制御に適用したー実施例の制
御系のブロック図である。第３図中、１０は、ロボット
１５の各軸への移動指令を分配する数値制御装置等のホ
ストコンピュータ（以下、ホストＣＰＵという）、１２
はホストＣＰＵＩＯから書き込まれた各軸の移動指令を
デジタルサーボ回路１３のプロセッサへ受け渡す共有メ
モリである。また、１３はデジタルシグナルプロセッサ
等で構成されるデジタルサーボ回路であり、ロボット１
５の各軸のサーボモー夕の位置，速度，電流のフィード
バック制御を行うもので、本発明の外乱推定オブザーバ
処理をも行うものである。１４はロボット１５における
各サーボモータの駆動電流のフィードバック値，速度フ
ィードバック値，位置フィードバック値が書き込まれる
帰還信号レジスタである。

第４図（ａ），　（ｂ）は、本実施例において上記デジ
タルサーボ回路のプロセッサが実行する速度ループ処理
フローチャートであり、該プロセッサは所定周期毎、第
４図（ａ），　（ｂ）の処理を実行する。

デジタルサーボ回路１３のプロセッサは速度ループ処理
に入ると、まず、共有メモリ１２から。

ホストＣＰＵＩＯによって書き込まれた位置指令Ｐを読
み取ると共に、帰還信号レジスタ１４から位置フィード
バック値Ｐｆを読み取る（ステップＳｌ）。そして、位
置指令値Ｐから位置フィードバック値Ｐｆを減じて位置
偏差εＰを求める（ステップＳ２）。なお、位置偏差ε
Ｐは位置ループ処理で求めているので、このとき求めた
値を記憶しておいてもよい。次に、帰還信号レジスタ１
４から速度フィードバック値■を読み（ステップＳ３）
、デジタルサーボ回路１３のメモリ内に設けた電流指令
値Ｉ′　を記憶するレジスタＲ（１’）の値と、速度フ
ィードバック値Ｖによって第１図の外乱推定オブザーバ
５の処理を行うと共に、項３のパラメータ処理を行って
推定外乱に対応する値ｙを求める（ステップＳ４）。次
に、位置ループから出力される速度指令に基き、通常の
速度ループ処理（ＰＩ制御またはＩＰ制御処理）を行い
、電流指令Ｉを求める（ステップＳ５）。

そして、ステップＳ２で求めた位置偏差εＰの絶対値１
εＰ　１が、実験で求め設定されている静摩擦が大きい
範囲の位置偏差値εＰ１より小さいか否か判断し（ステ
ップＳ６）、小さければ、ゲイン調整手段４の係数値と
してＢ＝１とする（ステップＳ９）。また、設定値εＰ
Ｉより大きければ、次に。値求められた位置偏差の絶対
値１εＰ　１が、設定されている過渡応答に影響を与え
る位置偏差εＰ２より小さいか否か判断し（ステップ８
７）、小さければ、即ち、εＰ１〈１εＰＩ＜εＰ２の
ときは検出位置偏差値εＰが正であれば（ステップＳ８
）、第（１５）式の計算を行って係数Ｂの値を求め（ス
テップＳｉｔ）、負であれば第（１４）式の計算を行っ
て係数Ｂの値を求める（ステップＳ１０）。

なお、ステップＳ７で１εＰｉ＜εＰ２と判断されたと
き、位置偏差εＰの絶対値によってＢ＝ａ・１εＰｌ＋
ｂの計算を行って係数を求めてもよい。

こうして、ゲイン調整手段４としての処理を実行し、係
数Ｂが第２図に示すような位置偏差εＰと係数Ｂの関係
になるように設定し、次に、この係数ＢにステップＳ４
で求めた推定外乱に対応する値ｙを乗じて、ゲイン調整
された推定外乱に対応する値ｙ′　求め（ステップＳ１
３）、ステップＳ５で求められた通常の速度ループ処理
によって求められた電流指令値Ｉから上記推定外乱に対
応する値ｙ′を減じて補正された電流指令値Ｉ′を求め
（ステップＳ１４）、この電流指令値■′をレジスタＲ
（＋’）に格納し、かつ、この電流指令値Ｉ′を電流ル
ープに引き渡し（ス．テップＳ１５，Ｓ１６）、速度ル
ープ処理を終了する。

以上の処理を速度ループ処理周期毎に行う。その結果、
モータ始動時の位置偏差εＰが小さく、速度が零または
非常に低速で静摩擦が大きい領域においては係数Ｂが「
１」にセットされるので（ステップＳ６．Ｓ９）、外乱
推定オブザーバが１００％作用し、静摩擦による外乱を
除去し位置偏差を小さくする。そして、モータ速度（位
置偏差εＰ）が外乱推定オブザーバによって過渡応答に
悪影響を及ぼす速度まで達すると、上記係数Ｂを「０」
にして外乱推定オブザーバの作用を「０」にしてしまう
ので、過渡応答に振動を発生させるようなことはなく、
外乱推定オブザーバによるゼロイングの短所としての過
渡応答特性をも改善している。

なお、外乱推定オブザーバを１００％作用させる速度（
位置偏差）領域から「０」にする領域間はゲインＢの急
激な変化をさけるため、速度（位置偏差）の値に応じて
変えるようにしている。

なお、上記実施例では位置偏差εＰによって外乱推定オ
ブザーバのフィードバックゲインを変えるようにしたが
、位置偏差εＰの代りにモータの実速度である速度フィ
ードバック値または位置ループから出力される速度指令
値を用いてもよい。

発明の効果 本発明は外乱推定オブザーバによるゼロイング方法にお
いて、該外乱推定オブザーバのゼロイングの外乱特性を
飛躍的によくするという長所を活かすと共に、短所であ
る過渡特性を悪くするという点を改善した。その結果、
停止から動作に移行する際の静摩擦（外乱）による悪影
響を大きく取り除き、その際の位置の偏差量を小さくし
た。また、外乱推定オブザーバの作用が過渡応答に影響
を与える速度に達すると、外乱推定オブザーバのフィー
ドバックゲインを「０」にして作用させないので、過渡
応答時に振動が生じることなく、応答性がよくなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の外乱推定オブザーバによるサーボモー
タ制御系の要部ブロック線図、第２図は本実施例におい
て、外乱推定オブザーバの７ィードパックゲインを調整
するゲイン調整手段による位置偏差に対し設定する係数
との関係を示した図、第３図はロボット制御に適用した
位置実施例の制御系のブロック図、第４図（ａ），　（
ｂ）は同実施例におけるデジタルサーボ回路のプロセッ
サが行う速度ループ処理のフローチャートである。 ■・・・電流指令（トルク指令）、１．２・・・サーボ
モー夕の伝達関数の項、３・・・パラメータの項、４・
・・ゲイン調整手段、５・・・外乱推定オブザーバ、■
・・・実速度。 第 図 第 ４ 呪（α）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）位置ループを有し、そのマイナー・ループとして
   速度ループ、電流ループを有し、外乱推定オブザーバに
   より外乱を推定し、該推定外乱のフィードバック値を速
   度ループから出力された電流指令値から減じて外乱を除
   去するようにしたモータの制御方法において、推定外乱
   のフィードバックゲインを指令速度若しくはモータの実
   速度に応じて変えることにより低速時の過渡特性を良く
   したことを特徴とする速度依存型外乱推定オブザーバに
   よるゼロイング方法。
2. （２）指令速度若しくはモータの実速度が第１の設定速
   度以下のときには上記推定外乱のフィードバックゲイン
   を所定値にし、指令速度若しくはモータの実速度が上記
   第１の設定速度を超えると速度に応じて上記フィードバ
   ックゲインを低下させ、第２の設定速度以上ではフィー
   ドバックゲインを零にする請求項１記載の速度依存型外
   乱推定オブザーバによるゼロイング方法。
3. （３）位置ループが比例制御の場合には、速度の代りに
   位置偏差に応じて上記フィードバックゲインを変化させ
   る請求項１または２記載の速度依存型外乱推定オブザー
   バによるゼロイング方法。