JPH04218719A - State observation method - Google Patents

State observation method

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JPH04218719A
JPH04218719A JP3089155A JP8915591A JPH04218719A JP H04218719 A JPH04218719 A JP H04218719A JP 3089155 A JP3089155 A JP 3089155A JP 8915591 A JP8915591 A JP 8915591A JP H04218719 A JPH04218719 A JP H04218719A
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solid friction
state observation
estimation
observation method
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一郎 山田
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Abstract

PURPOSE:To provide a state observation method with a less estimation error by compensating for influence which a solid friction gives to estimation of a state when performing estimation of the state of a machine mechanism which the solid friction operates. CONSTITUTION:After positive, negative, and zero code information of a speed of a machine mechanism is detected, an influence which a solid friction gives to a state estimation value is compensated for by changing values of a matrix of a state observing equipment and that of a gain according to a code information of the detected speed.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、サ−ボモ−タ等によっ
て運動制御される機械機構の状態観測方法に関するもの
で、さらに詳しくいえば、固体摩擦が状態推定値に及ぼ
す影響を除去するようにした状態観測方法に関するもの
である。
[Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for observing the state of a mechanical mechanism whose motion is controlled by a servo motor or the like. This relates to a state observation method.

【0002】0002

【従来の技術】サ−ボモ−タによって機構の高速かつ精
密な運動制御を実現するためには、サ−ボモ−タを含め
た機構系の変位,速度,電流等の状態変数のフィ−ドバ
ックが必要であるが、必要な状態変数のすべてを検出す
ることは実際には不可能であるので、状態観測器による
状態推定が行われる。
[Prior Art] In order to achieve high-speed and precise motion control of a mechanism using a servo motor, feedback of state variables such as displacement, speed, and current of the mechanism system including the servo motor is required. However, since it is actually impossible to detect all the necessary state variables, state estimation is performed using a state observer.

【0003】ここで、実際の多くの機械機構には固体摩
擦が作用するので、固体摩擦を考慮した状態観測器が必
要である。しかしながら、固体摩擦は速度の符号(正,
負,零)などによって値の異なる非線形特性を有し、こ
のために取り扱いが困難であるので、従来の状態観測器
では固体摩擦は無視されるか、あるいは定常外乱として
考慮されるのがせいぜいであった。固体摩擦を定常外乱
と見なすことは、機械機構の運動が一方向の場合には妥
当であるが、運動方向が反転するような高速な位置決め
制御など一般の運動制御には適用できない。
[0003] Since solid friction acts on many actual mechanical mechanisms, a state observation device that takes solid friction into consideration is required. However, solid friction has the sign of velocity (positive,
Solid friction has nonlinear characteristics with different values depending on (negative, zero), etc., and is difficult to handle. Therefore, in conventional state observation instruments, solid friction is ignored or, at best, considered as a steady disturbance. there were. Although it is appropriate to regard solid friction as a steady disturbance when the motion of a mechanical mechanism is unidirectional, it cannot be applied to general motion control such as high-speed positioning control where the direction of motion is reversed.

【0004】0004

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の状
態観測方法には固体摩擦の非線形特性を十分に考慮した
ものがないので、固体摩擦が作用する機械機構の状態推
定を行うと固体摩擦の影響によって推定誤差が生じ、満
足な状態推定値を得ることができなかった。
[Problems to be Solved by the Invention] As described above, there are no conventional state observation methods that fully take into account the nonlinear characteristics of solid friction. An estimation error occurred due to the influence of , and it was not possible to obtain a satisfactory state estimate.

【0005】本発明は、上記の問題を解決するため、状
態観測器のパラメ−タを速度の符号情報(正,負,零)
に応じて変更するようにしたものであり、その目的は固
体摩擦が状態推定におよぼす影響を補償するにある。
[0005] In order to solve the above problem, the present invention uses speed sign information (positive, negative, zero) as the parameter of the state observation device.
The purpose is to compensate for the influence of solid friction on state estimation.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明にかかる状態観測
方法は、固体摩擦が作用するサ−ボモ−タを駆動源とす
る機械機構の高速位置決め制御を状態観測器を用いて行
うための状態観測方法において、機械機構の速度の正,
負,零の符号情報を検出した後、この検出された速度の
符号情報に応じて状態観測器の系行列,ゲイン行列の値
を変更することにより固体摩擦が状態推定値におよぼす
影響を補償するようにしたものである。
[Means for Solving the Problems] A state observation method according to the present invention is a state observation method for performing high-speed positioning control of a mechanical mechanism using a servo motor as a drive source on which solid friction acts, using a state observation device. In the observation method, the positive velocity of the mechanical mechanism,
After detecting negative and zero sign information, the influence of solid friction on the state estimate is compensated by changing the values of the system matrix and gain matrix of the state observer according to the detected speed sign information. This is how it was done.

【0007】[0007]

【作用】角速度の符号(正,負,零)に応じてパラメ−
タの値、すなわち系行列A(x2 ),ゲイン行列K(
x2 )を変更する状態観測器を用いることで、固体摩
擦トルクの影響を補償した状態推定が実現される。
[Function] Parameters change depending on the sign (positive, negative, zero) of the angular velocity.
, the system matrix A(x2), the gain matrix K(
By using a state observer that changes x2), state estimation that compensates for the influence of solid friction torque is realized.

【0008】[0008]

【実施例】まず、原理を説明し、その後に実施例を示す
[Examples] First, the principle will be explained, and then examples will be shown.

【0009】固体摩擦トルクTf が作用するサ−ボモ
−タ系は代表的に図2のブロック図で表される。図2に
おいて、J,KT ,R,L,Cはそれぞれサ−ボモ−
タの慣性モ−メント,トルク定数,誘起電圧定数,巻線
抵抗,巻線インダクタンス,粘性減衰係数であり、θ,
ω,i,eはそれぞれサ−ボモ−タの角変位,角速度,
電流,入力電圧であり、sはラプラス演算子である。図
2の系を運動方程式で表わせば、
A servo motor system on which solid friction torque Tf acts is typically represented by the block diagram of FIG. In Fig. 2, J, KT, R, L, and C are respectively servo motors.
moment of inertia, torque constant, induced voltage constant, winding resistance, winding inductance, and viscous damping coefficient, and θ,
ω, i, and e are the angular displacement, angular velocity, and servo motor, respectively.
They are current and input voltage, and s is a Laplace operator. If we express the system in Figure 2 using an equation of motion, we get

【0010】0010

【数1】 となる。また、固体摩擦トルクTf の非線形特性は動
摩擦トルクTf0を用いて図3で近似でき、
[Equation 1] In addition, the nonlinear characteristics of the solid friction torque Tf can be approximated in Fig. 3 using the dynamic friction torque Tf0,

【0011
0011
]

【数2】 と表わすことができる。ここで、角速度ωの関数f(ω
),g(ω)を、
It can be expressed as [Equation 2]. Here, the function f(ω
), g(ω),

【0012】0012

【数3】 と定義して導入し、第 (2)式の固体摩擦トルクの非
線形特性を簡単化すると、第(1) 式の運動方程式は
[Equation 3] and simplifying the nonlinear characteristics of the solid friction torque in Equation (2), the equation of motion in Equation (1) becomes

【0013】[0013]

【数4】 となる。第(3),(4) 式における固体摩擦トルク
の取り扱いは、ω=0かつ|KT i|>Tf0のごく
一部の領域を除けば第(1),(2) 式と同一であり
、状態観測器を構成するためのサ−ボモ−タ系の基本式
として妥当と考えられる。
[Equation 4] The treatment of solid friction torque in equations (3) and (4) is the same as in equations (1) and (2) except for a small area where ω = 0 and |KT i | > Tf0, This is considered to be appropriate as a basic formula for a servo motor system for constructing a state observation device.

【0014】次に、サ−ボモ−タ系の状態変数を角変位
θ,角速度ω,電流iと動摩擦トルクTf0に選び、基
準角変位θ0 ,基準時間Tを用いて無次元化を行うと
次の状態方程式が得られる。
Next, when the state variables of the servo motor system are selected as angular displacement θ, angular velocity ω, current i, and dynamic friction torque Tf0, and dimensionless conversion is performed using the reference angular displacement θ0 and reference time T, the following is obtained. The equation of state for is obtained.

【0015】[0015]

【数5】 ここで、[Math 5] here,

【0016】[0016]

【数6】 である。[Math 6] It is.

【0017】一般に、サ−ボモ−タ系の状態観察器を構
成するために、角変位x1 〔θ〕の検出が必要である
ことは推定理論より明らかである。そこで、固体摩擦の
影響を補償する状態観測器として、ここでは角変位x1
 〔θ〕を検出し、他の状態変数、すなわち角速度x2
 〔ω〕,電流u〔i〕,動摩擦トルクγ〔Tf0〕を
推定する状態観測器を一例として以下に示す。ただし、
固体摩擦トルクの非線形特性を補償するために角速度x
2 の符号情報(正,負,例)は検出できるとする。
In general, it is clear from estimation theory that it is necessary to detect the angular displacement x1 [θ] in order to construct a servo motor system state observation device. Therefore, here we use the angular displacement x1 as a state observation device to compensate for the effect of solid friction.
[θ] and other state variables, i.e. angular velocity x2
An example of a state observation device for estimating [ω], current u[i], and dynamic friction torque γ[Tf0] is shown below. however,
Angular velocity x to compensate for the nonlinear characteristics of solid friction torque
It is assumed that the sign information (positive, negative, example) of 2 can be detected.

【0018】固体摩擦トルクTf が作用する第 (5
)式のサ−ボモ−タ系に対して角速度x2 の符号に応
じてパラメ−タの値が変化できる次の第 (7)式の状
態観測器を考える。
The solid friction torque Tf acts on the (5th
) Consider a state observation device expressed by the following equation (7) in which the value of the parameter can be changed depending on the sign of the angular velocity x2 for the servo motor system expressed by the equation (7).

【0019】[0019]

【数7】 推定誤差ε(τ)を[Math 7] Estimation error ε(τ)

【0020】[0020]

【数8】 と定義すると、第(5),(7) 式より誤差方程式は
[Equation 8] Then, from equations (5) and (7), the error equation becomes

【0021】[0021]

【数9】[Math. 9]

【0022】[0022]

【数10】 である。したがって、状態観測器のゲイン行列K(x2
)=〔k1 (x2 )  k2 (x2 )  k3
 (x2 )  k4 (x2 )〕′がx2 の符号
に応じて、
[Formula 10]. Therefore, the state observer gain matrix K(x2
)=[k1 (x2) k2 (x2) k3
(x2 ) k4 (x2 )]′ depends on the sign of x2,

【0023】[0023]

【数11】 度x2 =0のときは第(10)式の特性方程式が零根
をもつので、動摩擦トルクγの推定は停止するが、この
場合でも他の状態変数である角速度x2 ,電流uの推
定は可能である。
[Equation 11] When degree x2 = 0, the characteristic equation (10) has a zero root, so the estimation of dynamic friction torque γ stops, but even in this case, the other state variables angular velocity x2 and current u It is possible to estimate

【0024】以上によって、角速度の符号(正,負,例
)に応じてパラメ−タの値、すなわち、系行列A(x2
 ),ゲイン行列K(x2)がそれぞれ第(6),(1
1)式のように変化する状態観測器を用いれば、固体摩
擦トルクの影響を補償した状態推定が実現できることが
理論的に示された。
As described above, the value of the parameter, that is, the system matrix A(x2
), the gain matrix K(x2) is the (6)th and (1st
It has been theoretically shown that state estimation that compensates for the influence of solid friction torque can be realized by using a state observer that changes as shown in equation 1).

【0025】図1は本発明の一実施例の機能を示すブロ
ック図である。Iは被測定物側、IIはこの発明による
状態観測器側を示している。角ブロック並びに符号は上
述した各式に対応している。∧のついた各推定値は外部
に取り出されて位置決めに使用されるが、その系統は省
略してある。
FIG. 1 is a block diagram showing the functions of one embodiment of the present invention. I indicates the side of the object to be measured, and II indicates the state observation device side according to the present invention. The corner blocks and codes correspond to the above-mentioned formulas. Each estimated value marked with ∧ is taken out and used for positioning, but its system is omitted.

【0026】この実施例は第(11)式に示されるよう
に、k4を適当に設定することで、自動的に推定誤差が
補償される。
In this embodiment, as shown in equation (11), the estimation error is automatically compensated by appropriately setting k4.

【0027】次に、本発明による状態観測器の作用効果
を示す。固体摩擦トルクが作用しているサ−ボモ−タ系
に図4に示す位置決め動作をさせたとき、固体摩擦トル
クを考慮せずに設計された状態観測器を用いると、図5
の■,■に示すような角速度の推定誤差Δω,電流の推
定誤差Δiが生じ、満足な推定値が得られない。これに
対し、この発明による状態観測方法を用いて状態推定を
行うと、図5の■′,■′に示すように角速度の推定誤
差Δω,電流の推定誤差Δiはかなり小さくなる。また
、図6の■はこの発明の状態観測方法による動摩擦トル
クの推定値Tf0を示したものであるが、同図の■に示
した動摩擦トルクの実測値Tf0とよく一致している。
Next, the effects of the state observation device according to the present invention will be described. When a servo motor system on which solid friction torque is applied performs the positioning operation shown in Fig. 4, if a state observation device designed without considering solid friction torque is used, Fig. 5 is obtained.
An estimation error Δω of the angular velocity and an estimation error Δi of the current as shown in (■) and (■) occur, and a satisfactory estimated value cannot be obtained. On the other hand, when the state is estimated using the state observation method according to the present invention, the angular velocity estimation error Δω and the current estimation error Δi become considerably small, as shown by ■' and ■' in FIG. 6 indicates the estimated value Tf0 of the dynamic friction torque obtained by the state observation method of the present invention, which agrees well with the measured value Tf0 of the dynamic friction torque shown in the figure ■.

【0028】以上、角速度x2の符号情報を用いて固体
摩擦の影響を補償する状態観測器の構成とその有効性を
角変位x1のみが検出できる場合の状態観測方法を例に
とって示したが、本発明による状態観測方法が角変位x
1 に加えて角速度x2 あるいは電流uが検出できる
場合の状態観測器を含むことは明らかである。また、上
記の状態観測器の構成は、連続時間系として与えられて
いるが、離散時間系へも容易に拡張できることはいうま
でもない。
The configuration and effectiveness of the state observation device that compensates for the effects of solid friction using the sign information of the angular velocity x2 have been described above, taking as an example the state observation method when only the angular displacement x1 can be detected. The state observation method according to the invention is based on the angular displacement
It is clear that a state observation device is included when the angular velocity x2 or the current u can be detected in addition to 1. Further, although the configuration of the state observation device described above is given as a continuous time system, it goes without saying that it can be easily extended to a discrete time system.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によ状態観
測方法は、機械機構の正,負,零の符号情報を検出した
後、この検出された速度の符号情報に応じて系行列,ゲ
イン行列を修正して前記状態観測器のパラメ−タを変更
することにより、固体摩擦が状態推定値におよぼす影響
を補償するようにしたので、速度の符号に応じてパラメ
−タが変更され、固体摩擦の非線形特性を補償している
ので、固体摩擦が作用する多くの機械機構の高速な運動
制御を行う際の状態推定に用いることができる利点を有
する。
As explained above, the state observation method according to the present invention detects the sign information of positive, negative, and zero of the mechanical mechanism, and then detects the system matrix according to the detected speed sign information. By modifying the gain matrix and changing the parameters of the state observer, the influence of solid friction on the state estimate is compensated for, so the parameters are changed according to the sign of the velocity. Since it compensates for the nonlinear characteristics of solid friction, it has the advantage that it can be used for state estimation when performing high-speed motion control of many mechanical mechanisms where solid friction acts.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の一実施例の機能を示すブロック図であ
る。
FIG. 1 is a block diagram showing the functions of an embodiment of the present invention.

【図2】サ−ボモ−タ系の代表的なブロック図である。FIG. 2 is a typical block diagram of a servo motor system.

【図3】固体摩擦トルクの被線形特性を表わす図である
FIG. 3 is a diagram showing linear characteristics of solid friction torque.

【図4】固体摩擦が作用するサ−ボモ−タ系の位置決め
動作の一例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of positioning operation of a servo motor system in which solid friction acts.

【図5】本発明による作用効果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the effects of the present invention.

【図6】同じく動摩擦トルクの推定値と実測値の比較図
である。
FIG. 6 is a comparison diagram of an estimated value and an actual value of dynamic friction torque.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

I    被測定物側 II  状態観測器側 ■    角速度の推定誤差および電流の推定誤差を示
す曲線 ■    角速度の推定誤差および電流の推定誤差を示
す曲線 ■    本発明による動摩擦トルクの推定値■   
 実測値
I Measured object side II Condition observation device side ■ Curve showing estimation error of angular velocity and estimation error of current ■ Curve showing estimation error of angular velocity and estimation error of current ■ Estimated value of dynamic friction torque according to the present invention ■
Actual value

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】固体摩擦が作用するサ−ボモ−タを駆動源
とする機械機構の高速位置決め制御を状態観測器を用い
て行うための状態観測方法において、前記機械機構の速
度の正,負,零の符号情報を検出した後、この検出され
た速度の符号情報に応じて前記状態観測器の系行列,ゲ
イン行列の値を変更することにより固体摩擦が状態推定
値におよぼす影響を補償することを特徴とする状態観測
方法。
1. A state observation method for performing high-speed positioning control of a mechanical mechanism using a servo motor as a drive source on which solid friction acts, using a state observation device, wherein the positive and negative speeds of the mechanical mechanism are , After detecting the sign information of zero, the influence of solid friction on the estimated state value is compensated for by changing the values of the system matrix and gain matrix of the state observer according to the detected sign information of the speed. A state observation method characterized by:
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