JPH0374188A - 外乱トルク補償装置 - 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］ 本発明は外乱トルク補償装置、特に外乱トルクオブザー
バを用いた外乱トルク補償装置の改良に関する。

［従来の技術］ 近年、極めて高精度の加工あるいは測定等のため各種工
作機械、Ｘ−Ｙテーブル、測定器等には可動部を正確に
移動制御する駆動装置が強く要望されている。このよう
な駆動装置としては、従来モータ等の駆動部より、ボー
ルネジ等の駆動力伝達部を介して該駆動力伝達部に接続
された可動部（例えばテーブル、測定用プローブ等）を
所定の移動制御しているものが多い。

この場合、可動部を所定位置に位置決めするために、可
動部の位置を検出し、その位置信号を駆動部にフィード
バックして可動部の位置を制御するのが一般的である。

第３図にはこのような一般的な駆動装置の概略図が示さ
れている。尚、同図に示す駆動装置は、本来二軸系、三
輪系において論ずべきものであるが、説明の便宜上−軸
系を示している。

同図において、駆動装置１０は可動部１２、駆動部１４
、駆動力伝達部１６より構成される。

前記可動部１２は例えばＸ−Ｙテーブルより戊る。

また、駆動部１４はモータ１８と、これを駆動させるモ
ータドライバ２０により構成される。

さらに、駆動力伝達部１６は、モータ１８の回転軸にベ
アリング２２ａ、２２ｂを介して接続されたボールネジ
２４より成る。そして、ボールネジ２４にはその回転に
より相対位置を変更するテーブル等の可動部１２が螺合
されている。ところで、前述したような駆動装置におい
ては、第４図に示すような物理系が得られる。

即ち、モータ１８に電機子電流ｉが供給されると、該モ
ータ１８のトルク定数に、に応じてモータトルクＴｍが
得られる。一方、可動部１２および駆動力伝達部１６に
は慣性モーメントＪが存在し、ロータの回転角速度ωは
次式により表されることとなる。

ω＝（Ｋ、／Ｊｓ）　　・ｉ　　　　　　・・・（１）
尚、上記式（１）においてＳは微分演算子である。

ところが、このようなモータの物理系に対して外乱トル
クＴＬが印加される。また、トルク定数計　１％慣慣性
モーメントム変動し、このままでは正確且つ安定したモ
ータの回転角速度ωを得ることはできない。

そこで、これら外乱トルクＴＬの印加、トルク定数計　
、、慣性モーメントＪの変動の影響を除去するため、第
５図に示すような外乱トルクオブザーバによるフィード
フォワード補償方式が考えられている。

即ち、電機子電流ｉを検出し、該電機子電流ｉに対しト
ルク定数のノミナル値Ｋ　Ｉ　Ｒを掛ける。

一方、ロータの回転角速度ωを検出し、該角速度ωにＪ
、ｓ　（Ｊ、は慣性モーメントのノミナル値）を掛ける
。

そして、電機子電流より得られるノミナルトルクレベル
と、回転角速度より得られるノミナルトルクレベルを比
較し、その差値を外乱トルク推定値ＴＬ’　とするので
ある。

ここで、外乱トルク推定値Ｔ　Ｌ’は次式により表され
ることとなる。

ＴＬ’　＝　Ｊ　ａｓ　”　（ｉＪ　　Ｋｔａ　’　Ｉ
　　　　”・（２）従って、トルク定数計　ｌ”　Ｋ　
ｌ　ａ　＋慣性モーメントＪ＝Ｊ、であるならば、次式
のように外乱トルク推定値ＴＬ′＝ＴＬとなる。

ＴＬ′＝Ｊｌｌｓ・ω−Ｋｌｌｌ−１ ＝Ｊ、ｓ・ω−Ｔ　＠　＝　Ｔ　Ｌ　　　　・・・（３
）そして、この外乱トルク推定値ＴＬ’に１／に、ｎを
掛けることで外乱トルクに相当する電流値ｉｔＬを得、
該換算電流ＩＴＬを電流目標値ｉｏより引くのである。

この時、ロータの回転角速度ωは次式により表される。

従って、以上のような外乱トルクオブザーバによるフィ
ードフォワード補償系が理想状態で得られるならば、外
乱トルク等の影響を受けないモータ出力を得ることが可
能となるわけである。

ところが、実際の外乱トルクオブザーバの実現形態では
、第６図に示すようにフィルタを加える必要がある。

即ち、回転角速度ωを検出した後、それをトルクレベル
に変換するため微分演算子Ｓで加速度を求めている。

ところが、微分処理は通常ノイズが多いためフィルタを
用いなければならない。

従って、前記第６図においてτ・Ｓが付加され、微分処
理は全体として次式により行なわれることとなる。

ｌ＋τ　Ｓ 尚、τはフィルタの時定数である。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、前記第６図に示した実現形態では、電機子電
流ｉおよび回転角速度ωはそれぞれ次式により表される
。

このため、τ・Ｓの微分項の影響で、電流目標値１９に
ステップ状の命令が加えられた時には実電流としてイン
パルス状の電流を必要とすることとなる。

これは、物理的には、瞬時に無限大の電流を流すことを
意味し、電流供給系に極めて大きな負荷を加えてしまう
。

本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり
、その目的は電流供給系に過大な負荷をかけず、しかも
外乱トルクや駆動部の特性変動の影響を受けない外乱ト
ルク補償装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明にがかる外乱トルク
補償装置は、電流検出部と、ノミナルトルク演算部と、
速度検出部と、加速度演算部と、ノイズ除去フィルタと
、外乱トルク演算部と、外乱トルク／電流変換部と、イ
ンパルス電流回避フィルタと、を含む。

そして、前記電流検出部は、駆動部への供給電流を検出
する。

ノミナルトルク演算部は、前記電流検出部の検出電流値
よりノミナルトルクを演算する。

速度検出部は、駆動機構の駆動速度を検出する。

加速度演算部は、前記駆動機構の駆動速度を微分し、ノ
ミナル加速度を演算する。

ノイズ除去フィルタは、加速度演算部の微分出力のノイ
ズ除去を行なう。

外乱トルク演算部は、前記ノイズ除去フィルタを介した
ノミナル加速度と、前記ノミナルトルクの差値より外乱
トルクを演算する。

外乱トルク／電流変換部は、前記外乱トルク量を電流値
に変換する。

インパルス電流回避フィルタは、前記駆動電流供給系に
設けられ、前記ノイズ除去フィルタと略同一の時定数を
有する。

［作用］ 本発明にかかる外乱トルク補償装置は、前述した手段を
有するので、速度検出部で検出された駆動速度は加速度
演算部で微分される。この際、微分処理に基づくノイズ
が発生するが、そのノイズはノイズ除去フィルタで除去
される。

一方、駆動電流供給系にはインパルス回避フィルタが設
けられているおり、該フィルタはノイズ除去フィルタと
略同一の時定数を有するので、実電流に微分項が存在し
なくなり、電流目標値にステップ状の命令が加えられた
時にもインパルス状の電流が必要とされない。

このため、本発明にかかる外乱トルク補償装置によれば
、外乱トルクの影響を的確に補償しつつ、駆動電流供給
系に大きな負担をかけることがなくなる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には本発明にかかる外乱トルク補償装置の概略構
成を示すブロック線図が示されており、前記第３図と対
応する部分には符号１００を加えて説明を省略する。

同図に示す駆動装置は、駆動部を構成するＤＣモータ１
１８の駆動力をボールネジ等を介して伝達する駆動力伝
達部１１６と、該駆動力伝達部１１６より駆動力を伝達
され所定の運動を行なう可動部１１２と、を含む。

そして、ＤＣモータ１１８は、位置制御部１３０より加
え合せ点１３２、速度補償器１３４、加え合わせ点１３
６、電流補償器１３８を介して駆動を制御される。

また、位置制御部１３０はカウンタ１３０ａ。

位置制御器１３０ｂおよびＤ／Ａ変換器１３０ｃを備え
る。

一方、ドライバ１４０の出力端には電流検出部１４２を
備え、加え合せ点１３６に負の信号を加え電流フィード
バックを行なっている。

また、ＤＣモータ１１８の回転はタコメータ１４４を介
して加え合わせ点１３２に負の信号を供給し、速度フィ
ードバックを行なっている。

さらに、ＤＣモータ１１８の駆動に基づく可動部１１２
の位置信号はスケール１４６により検出され、スケール
信号として位置制御部１３０のカウンタ１３０ａに位置
フィードバックを行なう。

この位置制御部１３０ではマイクロコンピュータ等を用
いてソフト的に位置制御処理を行ない、加え合わせ点１
３２、速度補償器１３４、加え合わせ点１３６、電流補
償器１３８およびドライバ１４０でハード的に速度制御
、電流制御を行ない、これらソフト的処理およびハード
的処理により駆動制御を行なう。

このようなサーボ系を簡単に説明すると、先ず位置制御
部１３０で可動部１１２の所望の運動を設定し、その設
定量に応じてドライバ１４０によりＤＣモータ１１８を
駆動させる。ＤＣモータ１１８が所定の電流によって駆
動しているか否かを電流検出部１４２により検出すると
共に、その検出量を加え合せ点１３６に負の信号として
フィードバックし、電流補償器１３８によりＤＣモータ
１１８に所望の電流を供給すべく補償している。

また、ＤＣモータ１１８の回転はタコメータ１４４によ
り検出すると共に、その検出量は加え合わせ点１３２に
負の信号としてフィードバックされ、速度補償器１３４
によりＤＣモータ１１８が所定速度で回転すべく補償し
ている。

さらに、可動部１１２の位置はスケール１４６により検
出し、スケール信号として位置制御部１３０のカウンタ
１３０ａにフィードバックされ位置制御器１３．Ｏｂに
より駆動量を補整し、Ｄ／Ａ変換器１３０ｃを介して可
動部１１２の位置制御を行なっている。

ところで、以上のような三重のフィードバックループの
みでは、外乱トルクの発生あるいは可動部１１２の負荷
の変動には対応できない。

そこで、本実施例においては電流検出部１４２に加えノ
ミナルトルク演算部１４８と、加速度演算部としての微
分器１５０と、ノイズ除去フィルタ１５２と、外乱トル
ク演算部１５４と、外乱トルク／電流変換部１５６と、
を備える。

そして、前記ノミナルトルク演算部１４８は、電流検出
部１４２よりＤＣモータ１１８への供給電流の検出結果
を入力する。そして、該検出電流値よりノミナルトルク
値を演算する。

一方、微分器１５０は、タコメータ１４４よりモータ１
１８の回転角速度ωを入力し、その速度値を微分して加
速度値を演算する。

ノイズ除去フィルタ１５２は微分器１５０の出力端に接
続され、該微分器１５０の微分作用により生ずるノイズ
を除去する。

また、外乱トルク演算部１５４は加え合わせ点よりなり
、前記フィルタ１５２からの出力を十人力し、ノミナル
トルク演算部１４８の出力を一人力する。

その加え合わせ結果は、電流変換部１５６に人力され、
外乱トルク／電流変換されて前記加え合わせ点１３６に
一人力される。

本発明において特徴的なことは、インパルス電流を回避
するためインパルス電流回避フィルタを設けたことであ
り、このために本実施例においては速度補償器１３４と
加え合わせ点１３６の間に、ノイズ除去フィルタ１５２
と同じ時定数τのフィルタ１５８を挿入している。

次に、第２図を参照しつつ本発明の作用について説明す
る。

第２図には、第１図に示したブロック線図の物理系が示
されている。

同図より明らかなように、基本的な構成は前記第６図と
同様である。

しかしながら、前記第１図からも明らかなようにインパ
ルス電流除去フィルタ１５８を挿入しているため、第２
図において目標電流値ｉ″は、１／（１＋τＳ）のフィ
ルタにかかる。

このため、前記式（６）、　　（７）は次式のように変
換される。

しかも、ω−１９の関係も前記第５図に示した理想状態
となり、極めて優れた負荷無反応性を担持している。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明にかかる外乱トルク補償装
置によれば、駆動電流供給系にノイズ除去フィルタと略
同一のインパルス電流回避フィルタを入れたので、実電
流としてインパルス状の電流が必要なくなり、駆動速度
と目標電流値との関係も理想的な状態となる。

以上のように、実電流ｉは微分項τＳの影響を受けず、
目標電流値ｉ６にステップ状の命令が加えられた時にも
実電流ｉとしてインパルス状の電流を必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる外乱トルク補償装置
の構成を示すブロック線図、 第２図は第１図に示した外乱トルク補償装置の物理系の
説明図、 第３図は一般的な駆動装置の説明図、 第４図は第３図に示した駆動装置の物理系の説明図、 第５図は理想的な外乱トルク補償系の説明図、第６図は
第５図に示した外乱トルク補償系の加速度演算部にフィ
ルタを付加した物理系の説明図である。 　４ 工　４ ４ ５ ５ ５ ５ ５ ２・・・電流検出部 ４・・・タコメータ（速度検出部） ８・・・ノミナルトルク演算部 Ｏ・・・微分器（加速度演算部） ２・・・ノイズ除去フィルタ ４・・・外乱トルク演算部 ６・・・外乱トルク／電流変換部 ８・・・インパルス電流回避フィルタ 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動電流供給系より所定の駆動電流を入力して駆
   動する駆動装置の外乱トルク補償装置において、 駆動部への供給電流を検出する電流検出部と、前記電流
   検出部の検出電流値よりノミナルトルクを演算するノミ
   ナルトルク演算部と、 駆動機構の駆動速度を検出する速度検出部と、前記駆動
   機構の駆動速度を微分し、ノミナル加速度を演算する加
   速度演算部と、 加速度演算部の微分出力のノイズ除去を行なうノイズ除
   去フィルタと、 前記ノイズ除去フィルタを介したノミナル加速度と、前
   記ノミナルトルクの差値より外乱トルクを演算する外乱
   トルク演算部と、 前記外乱トルク量を電流値に変換する外乱トルク／電流
   変換部と、 前記駆動電流供給系に設けられ、前記ノイズ除去フィル
   タと略同一の時定数を有するインパルス電流回避フィル
   タと、 を含むことを特徴とする外乱トルク補償装置。