JPH04238508A - ディジタル・サーボ制御システム - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボットシステ
ムなどのサーボ制御システムに関するものであり、特に
、状態量を推定するオブザーバを用いるサーボ制御シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】サーボ制御は産業用ロボットシステム、
工作機械、プロッタ、自動組立装置など、制御対象（ア
クチュエータ）をサーボモータを用いて制御する種々の
制御システムに用いられている。一般に制御系（システ
ム）においては、「可制御性」の概念と「可観測性」の
概念が導入されている。サーボ制御を行うため、全ての
状態量をフィードバックすることにより「可制御」な制
御対象の極を任意に設定できる。一方、制御システムに
よっては全ての状態量を直接検出することができない場
合があり、かかる制御システムを構築する場合、「可観
測」である場合に限り「オブザーバ」を構成できるから
、検出できる信号からオブザーバによって検出できない
状態量を算出しこの算出状態量をフィードバックして制
御するシステムを構成する。

【０００３】特に、工作機械装置、産業用ロボットなど
の機械駆動を行う制御対象の運動に対してクーロン摩擦
、弾性力、粘性、負荷変動などによって発生する加速ト
ルクの変動、または外部からの予期できない外力などの
外乱は制御対象の動特性を悪化させるから、その補償が
必要とされている。そのような変動する外乱は直接測定
できないから、オブザーバを用いて外乱を推定して外乱
補償を行う制御システムが知られている。

【０００４】また、制御対象の運動速度を検出しフィー
ドバック制御を行うことより制御性を向上させることが
知られている。そこで、外乱トルクを制御対象モデルの
一部として扱い、アクチュエータの発生電流または発生
トルクと運動速度を用いて外乱トルクを推定し、速度制
御系に推定外乱トルクをフィードバックして制御を行う
制御システムが知られている。

【０００５】このような速度制御系を有するサーボ制御
システムにおいて、制御対象の運動速度を正確に検出す
ることが必要になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、工作機
械装置などの比較的小型の装置においては、位置検出手
段は設けられているものの、小型化、軽量化、低価格化
などの観点から速度検出手段、たとえば、タコジェネレ
ータなどが設けられていない場合が多い。また、速度検
出手段を設ける場合でも、精度の高い速度検出装置は高
価格になり設置が難しいという問題がある。

【０００７】したがって、そのような制御装置において
は位置検出手段からの位置データを微分して速度を算出
する方法をとることになる。ところが、アナログ回路で
位置信号を微分して速度を算出する場合、高周波ノイズ
を拾いやすく、精度的に実用的でない場合が多く上記制
御に使用できないという問題がある。

【０００８】一方、位置検出装置としてパルスエンコー
ダなどを用いている場合、通常、パルス周波数に比例す
る電圧を発生する速度検出装置が用いられるが、低速度
においてリップルを含み精度的に問題がある。かかるリ
ップルを改善するためには通常ローパスフィルタを挿入
する方法がとられるが、ローパスフィルタの挿入はフィ
ルタ信号が遅延するので制御性を悪化させる場合がある
。

【０００９】さらに、オブザーバは通常、マイクロコン
ピュータなどを用いてサンプリング周期ごとディジタル
演算処理して状態量を推定するように構成されるが、従
来のオブザーバはサンプリング周期と状態量算出タイミ
ングが適切でなく有効な演算が行われないという問題が
ある。したがって、本発明にかかるオブザーバを用いた
ディジタル・サーボ制御システムにおいて、制御対象の
運動速度を正確に推定してその推定速度を用いて速度制
御を行い、さらに、サンプリング方式のディジタル信号
処理に適した状態量算出を行うオブザーバを有するディ
ジタル・サーボ制御システムを構成することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
、本発明のオブザーバを有するディジタル・サーボ制御
システムにおいては、オブザーバを用いて外乱推定を行
い、外乱補償制御を行う他、オブザーバを用いて制御対
象の運動速度を正確に算出してその推定速度を用いて速
度制御をも行う。また、状態量としての推定外乱および
推定速度の演算、および、これらを算出するための推定
出力の演算をサンプリング周期と関連において効果的に
行う。

【００１１】したがって、本発明によればサーボ制御シ
ステムは、制御対象の位置を検出する位置検出手段、前
記制御対象を駆動する手段、前記位置検出手段からの位
置および前記駆動手段に印加される駆動指令に基づいて
推定速度および推定外乱をディジタル演算により算出す
るオブザーバ、制御目標と前記制御対象の位置および前
記推定速度および推定外乱とに基づいて制御指令を算出
し前記駆動手段を介して前記制御対象を前記制御目標に
制御するサーボ制御手段から構成される。特に、前記オ
ブザーバはサンプリング周期に適したアルゴリズムかつ
１サンプリング前の表現のアルゴリズムの推定値算出部
と状態量算出部からなり、サンプリング周期ごとの演算
で状態量と推定値を算出するように構成される。

【００１２】

【作用】本発明のサーボ制御システムは速度制御ループ
を含み、その速度フィードバック信号にオブザーバで算
出したデータを用いる。オブザーバは、制御対象に与え
られる駆動トルクまたは駆動手段に印加する駆動電流と
制御対象の位置信号から速度を推定する。

【００１３】また、推定値と状態量とを演算するオブザ
ーバはサンプリング周期に同期して動作する形態に構成
し、状態量と推定値とをサンプリング周期を考慮して適
切に推定する。

【００１４】

【実施例】図１に本発明のディジタル・サーボ制御シス
テムの一実施例として産業用ロボットシステムを例示す
る。図１のディジタル・サーボ制御システムは、制御対
象１、例えば、ロボットアーム、この制御対象１の絶対
位置（角度）を検出する絶対位置検出器２、例えば、ア
ブソリュート形エンコーダ、制御対象１を駆動する駆動
手段３、例えば、サーボモータ、この駆動手段３を駆動
制御するための駆動回路４、およびディジタル・サーボ
制御装置５からなる。

【００１５】ディジタル・サーボ制御装置５は、位置制
御演算部５１、信号加算部５２、外乱負荷速度オブザー
バ５３、およびオブザーバ初期状態量算出部５４が図示
の如く構成されている。ディジタル・サーボ制御装置５
は本実施例では、マイクロコンピュータ（またはマイク
ロプロセッサ）で実現されている。アブソリュート形エ
ンコーダを用いた絶対位置検出器２はインクリメンタル
な位置、すなわち、位置変化のみ出力する形式ではなく
、制御対象１の現在の位置をそのまま出力する形式のも
のである。したがって、制御対象１が任意の位置で停止
している場合、制御対象１を原点位置に復帰させずに、
その時の位置検出器２の出力を読み取るとすれば制御対
象１の現在位置が判る。

【００１６】制御対象１と駆動手段３とは機械的に接続
されている。制御対象１の駆動軸には摩擦力、弾性又は
複数の駆動軸からなる制御対象１に生ずる軸間干渉トル
クなどからなる外乱負荷７が印加される。外乱負荷７は
制御対象１の運動特性の悪化をもたらすので本実施例に
おいてはその補償を行う。ただし、この外乱負荷７は変
動し、また直接検出できないので、外乱負荷速度オブザ
ーバ５３が位置検出器２からの絶対位置信号Ｓ２、信号
加算部５２からの駆動指令信号Ｓ５２を参照して推定外
乱負荷（信号Ｓ５３ａ）を算出し、信号加算部５２にフ
ィードバックして外乱負荷７の補償を行う。

【００１７】また制御対象１の位置および速度を制御す
る場合、速度フィードバックをかけることが制御特性を
向上させるのに有効であることが知られている。そのた
め図１のディジタル・サーボ制御システムにおいては、
外乱負荷速度オブザーバ５３が位置検出器２からの位置
信号（絶対位置信号Ｓ２）および駆動回路４および駆動
手段３に印加する駆動電流（駆動力信号Ｓ５２）から推
定速度（信号Ｓ５３ｂ）を算出して位置制御演算部５１
にフィードバックし、速度制御を行う。

【００１８】推定外乱負荷信号Ｓ５３ａおよび推定速度
信号Ｓ５３ｂの算出アルゴリズムについては後述する。 位置制御演算部５１はこの実施例においては、通常のＰ
ＩＤ制御演算を行うように構成されており、位置指令（
制御目標）ＲＥＦから絶対位置信号Ｓ２を減じて速度指
令を算出し、さらに推定速度信号Ｓ５３１ｂを加算して
駆動力指令信号Ｓ５１を算出する。この駆動力指令信号
Ｓ５１は信号加算部５２において外乱負荷速度オブザー
バ５３からの推定外乱負荷信号Ｓ５３ａが加算されて駆
動回路４に対する駆動力信号Ｓ５２が算出される。駆動
回路４は駆動力信号Ｓ５２に応答した駆動信号で駆動手
段３を駆動させ、最終的に制御対象１を駆動する。

【００１９】オブザーバ初期状態量算出部５４はサーボ
制御システムの起動時に動作して、絶対位置信号Ｓ２に
基づいて外乱負荷速度オブザーバ５３において算出され
る状態量、すなわち、推定外乱負荷信号Ｓ５３ａおよび
推定速度信号Ｓ５３ｂの初期値を算出する。したがって
、制御対象１が任意の位置に停止している場合において
も、オブザーバ初期状態量算出部５４が制御対象１の停
止位置におけるオブザーバで算出する状態量の初期値を
算出して外乱負荷速度オブザーバ５３に印加し、外乱負
荷速度オブザーバ５３はその初期値を用いてそれ以降の
状態量の算出を行う。

【００２０】以下、外乱負荷速度オブザーバ５３および
オブザーバ初期値算出部５４の処理内容について詳述す
る。ここでは、上述したように制御対象１の入力にあた
る駆動トルクと制御対象１の出力にあたる位置信号を外
乱負荷速度オブザーバ５３の入力として、制御対象１に
印加される外乱トルクと制御対象１の運動速度を推定す
る場合について述べる。

【００２１】制御対象１への駆動トルクＴｍは第１式で
表される。

【００２２】

【数１】

【００２３】ただし、Ｊは制御対象１の慣性モーメント
、

【００２４】

【外１】

【００２５】は制御対象１の回転角度位置、　　本実施
例では位置信号Ｓ２の読み、ＴＬ　は制御対象１に印加
される外乱トルク、本実施例では外乱負荷７の値を示す
。ここで、状態ベクトルｘ＝（ｘ１，ｘ２，ｘ３　）、
入力ｕ、出力ｙを

【００２６】

【数２】

【００２７】とおくと次の状態方程式が得られる。

【００２８】

【数３】

【００２９】ただし、Ａは係数ベクトル、Ｂは入力ベク
トル、Ｃは出力ベクトルを示す。係数ベクトルＡ、入力
ベクトルＢ、出力ベクトルＣを下記データに設定すると
次式が得られる。

【００３０】

【数４】

【００３１】上述したようにディジタル・サーボ制御装
置５はマイクロコンピュータで実現されており、上記状
態方程式をサンプリング周期ごとにディジタル演算する
ため、サンプリング方式に則したディジタル演算処理の
アルゴリズムに変換する。このため、第７式〜第９式に
示す差分方程式を用いる。その結果を以下に示す。

【００３２】まず、サンプリング方式に則した表現はｋ
サンプリング番号、ｋ＝０，１，２・・・とした場合、
状態方程式は下記式に変換できる。

【００３３】

【数５】

【００３４】ただし、Ｔはサンプリング周期、ｔはサン
プリング時間ｔ＝ｋＴ以上から、サンプリング周期ごと
にディジタル演算を行う状態方程式は次式で表される。 ┌ｘ１（ｋ＋１）┐　　┌１　　Ｔ　　−Ｔ２／２Ｊ┐
┌ｘ１（ｋ）┐　　┌　Ｔ２／２Ｊ┐│ｘ２（ｋ＋１）
│＝│０　　１　　−Ｔ／Ｊ　　││ｘ２（ｋ）│＋│
　Ｔ／Ｊ　　│ｕ（ｋ）　・・・（１０）└ｘ３（ｋ＋
１）┘　　└０　　０　　　１　　　　┘└ｘ３（ｋ）
┘　　└　　０　　　┘　　ｙ（ｋ）　＝［１　　０　
　０］┌ｘ１（ｋ）┐　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│ｘ２
（ｋ）│　　・・・　　（１１）　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　└ｘ３（ｋ）┘　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　第１０式及び第１１式に対して「ゴ
ビナスの設計法（たとえば、美土、他「基礎ディジタル
制御」、コロナ社、第７９頁、参照）」を適用して最小
限オブザーバを作成すると、下記第１２式〜第１５式が
得られる。 ┌ｚ１（ｋ＋１）┐　　┌ａ１１ａ１２┐┌ｚ１（ｋ）
┐　　┌ｂ１１ｂ１２┐┌ｙ（ｋ）　┐│　　　　　　
　　│＝│　　　　　　　　││　　　　　　│＋│　
　　　　　　　││　　　　　　│・・（１２）└ｚ２
（ｋ＋１）┘　　└ａ２１ａ２２┘└ｚ２（ｋ）┘　　
└ｂ２１ｂ２２┘└ｕ（ｋ）　┘　　　　　　　　　　
　　ここで各係数は以下に示される。

【００３５】 　　　　　　ａ１１＝１−Ｌ１　Ｔ 　　　　　　ａ１２＝−Ｔ／Ｊ＋Ｌ１　Ｔ２　／２Ｊ　
　　　　　ａ２１＝−Ｌ２　Ｔ 　　　　　　ａ２２＝−Ｌ２　Ｔ２　／２Ｊ　　　　　
　ｂ１１＝−Ｌ１２Ｔ−Ｌ２　Ｔ／Ｊ＋Ｌ１　Ｌ２　Ｔ
２　／２　　　　　　・・・　　（１３）　　　　　　
ｂ１２＝Ｔ／Ｊ−Ｌ１　Ｔ２　／２Ｊ　　　　　　ｂ２
１＝Ｌ２２Ｔ２　／２Ｊ−Ｌ１　Ｌ２　Ｔ　　　　　　
ｂ２２＝−Ｌ２　Ｔ２　／２Ｊ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　また下記式が得られる。

【００３６】

【数６】

【００３７】 　　Ｌ１　＝（−α−β−αβ＋３）／２Ｔ　　Ｌ２　
＝（−α−β＋αβ＋１）／（−Ｔ２　／Ｊ）・・・（
１５）ただし、α，βはオブザーバの極を示す。上記式
をより簡略化する。第１２式を１サンプル前の表現にし
ても一般性を失わないから、第１２式の表現の１サンプ
ル前の第１６式を使用する。 ┌ｚ１（ｋ）┐┌ａ１１ａ１２┐┌ｚ１（ｋ−１）┐　
　┌ｂ１１ｂ１２┐┌ｙ（ｋ−１）　┐│　　　　　　
││　　　　　　　　││　　　　　　　　│＋│　　
　　　　　　││　　　　　　　　│・・（１６）└ｚ
２（ｋ）┘└ａ２１ａ２２┘└ｚ２（ｋ−１）┘　　└
ｂ２１ｂ２２┘└ｕ（ｋ−１）　┘すなわち、外乱負荷
速度オブザーバ５３は第１６式のアルゴリズムを遂行す
る。

【００３８】第１６式において、ｋの初期値は１であり
、以後、サンプリング周期ごとにｋ＝２，３，・・と更
新されていく。外乱負荷速度オブザーバ５３は前回のサ
ンプリング周期で求めたｚ１（ｋ−１）、ｚ２（ｋ−１
）、ｙ（ｋ−１）　、ｕ（ｋ−１）　を用いて今回のサ
ンプリング周期の状態量ｚ１（ｋ）、ｚ２（ｋ）を求め
る。本実施例では、状態量ｚ１（ｋ）、ｚ２（ｋ）がそ
れぞれ推定外乱負荷信号Ｓ５３ａおよび推定速度信号Ｓ
５３ｂに対応している。

【００３９】もし、制御対象１が原点に位置している場
合、初期値はｋ＝１である起動時には、ｙ（ｋ−１）＝
ｙ（０）＝θ（０） となる。通常、初期状態においては制御対象１は無励磁
状態なので、 ｕ（ｋ−１）＝ｕ（０）＝０ とおける。同様に、初期状態量は、 ｚ１　（ｋ−１）＝ｚ１　（０）＝０ ｚ２　（ｋ−１）＝ｚ２　（０）＝０ とおける。

【００４０】一方、制御対象１が原点から離れた位置に
ある時、第１６式から状態量は下記の値になる。 ｚ１　（ｋ）＝ｚ１　（１） ｚ２　（ｋ）＝ｚ２　（１） ここで、起動時の状態量ｚ１　（０）＝０、ｚ２　（０
）＝０と１サンプリング周期後の状態量ｚ１　（１）、
ｚ２　（１）がそれぞれ大きく離れている場合、外乱負
荷速度オブザーバ５３は初期状態の状態量との差を０に
戻す収束特性を固有の特性として持っているから、サン
プリング周期ごとに推定を繰り返して外乱負荷速度オブ
ザーバ５３の極の大きさに則した時間（速度）で収束す
るが、大きな誤差を有したまま制御対象１が駆動される
と、制御対象１に過大な入力が印加され、制御対象１の
暴走、振動などの原因となる。

【００４１】オブザーバ初期値算出部５４は起動時にお
ける制御対象１の現在停止位置（原点も含む）に応じた
第１４式の推定状態量ｘ１　（１）およびｘ２　（１）
を算出して、制御対象１がいかなる位置に停止している
場合であっても上記誤差をなくすようにする。以下、オ
ブザーバ初期値算出部５４の処理内容について述べる。

【００４２】位置検出器２で検出した初期状態における
絶対位置（位置信号Ｓ２の値）をθ （０）＝０とすると、 ｙ（ｋ−１）＝ｙ（０）＝θ（０） である。サーボ制御装置５は初期起動段階においては制
御対象１を励磁していないから、１サンプリング周期後
の出力は次の式で近似できる。

【００４３】ｙ（ｋ）＝ｙ（１）＝θ（０）第１４式か
ら第１の推定値

【００４４】

【数７】

【００４５】本実施例では位置の推定値

【００４６】

【数８】

【００４７】が得られる。この時の第１及び第２の推定
値

【００４８】

【数９】

【００４９】本実施例ではそれぞれ推定速度（信号Ｓ５
３ｂ）および推定外乱トルク（信号Ｓ５３ａ）を第１７
式に示すように設定して第１４式に導入する。

【００５０】

【数１０】

【００５１】その結果、次の第１８式が得られる。 ｚ１　（ｋ）＝−Ｌ１　ｙ（０） ｚ２　（ｋ）＝−Ｌ２　ｙ（０）　　・・・　　（１８
）この第１８式から外乱負荷速度オブザーバ５３の状態
量ｚ１　（ｋ）＝ｚ１　（１） ｚ２　（ｋ）＝ｚ２　（１） を求めることができる。第１６式に初期サンプリング周
期の時のｋ＝１を代入すると、第１９式が得られる。 ┌ｚ１（１）┐　　┌ａ１１ａ１２┐┌ｚ１（０）┐　
　┌ｂ１１ｂ１２┐┌ｙ（０）　┐│　　　　　　│＝
│　　　　　　　　││　　　　　　│＋│　　　　　
　　　││　　　　　　│・・・（１９）└ｚ２（１）
┘　　└ａ２１ａ２２┘└ｚ２（０）┘　　└ｂ２１ｂ
２２┘└ｕ（０）　┘　　　　　　　　　　　　　　つ
いで、入力の初期値を 　　ｕ（０）＝０　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　・・・（２０）と定義して、第１３式から が得られ、これらから外乱負荷速度オブザーバ５３の初
期状態量を表す第２２式が得られる。 ┌ｚ１（０）┐　　┌ａ１１ａ１２┐−１┌−Ｌ１　−
ｂ１１┐│　　　　　　│＝│　　　　　　　　│　　
│　　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　　　
　　　　　・・・（２２）└ｚ２（０）┘　　└ａ２１
ａ２２┘　　└−Ｌ２　−ｂ２１┘　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　オブザー
バ初期状態量算出部５４は起動時に上記初期値を算出し
て外乱負荷速度オブザーバ５３に与える。外乱負荷速度
オブザーバ５３は上記初期値を用いて状態量を算出する
。

【００５２】次に外乱負荷速度オブザーバ５３における
上述した状態量のディジタル演算処理について述べる。 第１６式はサンプリング時間ｔ＝ｋＴにおける状態量ｚ
１　及びｚ２　と、ディジタル化された制御量を示す第
１０式、第１１式の入出力の積和演算で処理され、サン
プリング周期Ｔごとに反復される。推定値を示す第１４
式も同様に求められる。

【００５３】次に上記処理タイミングについて述べる。 まず、上記式の算出過程に沿って、第１４式を演算し、
その後第１６式を演算しようとすると、第１４式のサン
プリング周期ｋにおける状態量ｚ１（ｋ）、ｚ２（ｋ）
を用いて推定値

【００５４】

【数１１】

【００５５】を求めた後、第１６式の前回のサンプリン
グ周期における状態量ｚ１（ｋ−１）、ｚ２（ｋ−１）
、出力ｙ（ｋ−１）　および入力ｕ（ｋ−１）　を用い
て上記サンプリング周期ｋにおける状態量ｚ１（ｋ）、
ｚ２（ｋ）を求めることになり、論理的に矛盾する。し
たがって、上記アルゴリズム算出手順に沿った演算は実
現できない。そこで、第１６式の演算を行い、次のサン
プリング周期において第１４式の演算を行う必要がある
。このためには、外乱負荷速度オブザーバ５３を、まず
第１６式の演算を行い次のサンプリング周期の状態量ｚ
１（ｋ）、ｚ２（ｋ）を算出し、次のサンプリング周期
における算出されたそれら状態量を用いて第１４式の推
定値

【００５６】

【数１２】

【００５７】を算出するように構成する。すなわち、外
乱負荷速度オブザーバ５３は第１６式の状態量算出部と
第１４式の推定値算出部に分離され、これらは異なるサ
ンプリング周期で動作する。図２に上記演算タイミング
図を示す。また、図３に上記制御アルゴリズムを遂行す
る図１のディジタル・サーボ制御装置５の処理フローチ
ャートを示す。

【００５８】ステップ０１ ディジタル・サーボ制御装置５を構成するマイクロコン
ピュータが起動されたとき、または、サーボ制御システ
ムが起動されたとき、まずオブザーバ初期状態量算出部
５４が起動され、上述したアルゴリズムにしたがって制
御対象１の現在の停止位置における外乱負荷速度オブザ
ーバ５３の初期状態量を算出する。この初期状態量はサ
ーボ制御装置５内のメモリ（図示せず）に記憶される。

【００５９】以下、サンプリング周期ごと下記ステップ
０２〜０９の処理動作が繰り返される。 ステップ０２ サーボ制御装置５は位置指令ＲＥＦを入力する。この位
置指令ＲＥＦはサーボ制御装置５を構成するマイクロコ
ンピュータに記憶された位置指令発生プログラムによっ
て制御対象１の制御内容に応じて所定のアルゴリズムに
したがって発生される。

【００６０】ステップ０３ サンプリング時間に到達したか否かを判別し、所定のサ
ンプリング時間に到達していない場合は待機する。所定
のサンプリング時間に到達した場合、以下の制御処理を
行う。このサンプリング周期管理によりサーボ制御装置
５は予め定められた一定のサンプリング周期に基づいて
、以下に述べるサンプリング方式のサンプリング制御を
行う。

【００６１】ステップ０４ サーボ制御装置５内のディジタル入力装置（図示せず）
は位置信号、好適には絶対位置信号（絶対位置信号Ｓ２
）としてアブソリュート形エンコーダである位置検出器
２から制御対象１の位置、この例示においては制御対象
１の回転角度を入力してメモリに記憶する。メモリに記
憶された絶対位置信号Ｓ２は外乱負荷速度オブザーバ５
３および位置制御演算部５１で使用する。

【００６２】ステップ０５ 外乱負荷速度オブザーバ５３の第１６式の状態量算出部
が第１６式に基づいて今回のサンプリング周期の状態量
ｚ１（ｋ−１）、ｚ２（ｋ−１）、出力ｙ（ｋ−１）　
および入力ｕ（ｋ−１）　を用いて次回のサンプリング
周期ｋに用いる状態量ｚ１（ｋ）、ｚ２（ｋ）を算出す
る。

【００６３】ステップ０６ 外乱負荷速度オブザーバ５３の第１４式の推定値算出部
が、上記第１６式の状態量算出部が算出しメモリに記憶
してある前回のサンプリング周期の状態量ｚ１（ｋ−１
）、ｚ２（ｋ−１）、出力ｙ（ｋ）　を用いて、第１４
式に従って今回のサンプリング周期の推定値

【００６４】

【数１３】

【００６５】を算出する。なお、起動直後の第１回目の
サンプリング周期においては、外乱負荷速度オブザーバ
５３はオブザーバ初期状態量算出部５４で算出した初期
値を用いて推定外乱負荷信号Ｓ５３ａおよび推定速度信
号Ｓ５３ｂを算出する。２回目以降のサンプリング周期
においては、外乱負荷速度オブザーバ５３は、第１４式
と第１６式を順次適用して推定外乱負荷信号Ｓ５３ａお
よび推定速度信号Ｓ５３ｂを算出する。

【００６６】ステップ０７，０８ 位置制御演算部５１は絶対位置信号Ｓ２、外乱負荷速度
オブザーバ５３からの推定速度信号Ｓ５３１ｂに基づい
て駆動力指令信号Ｓ５１を算出する。このとき、位置制
御演算部５１の状態量は今回のサンプリング周期の状態
量を用いる。信号加算回路５２は駆動力指令信号Ｓ５１
と外乱負荷速度オブザーバ５３からの推定外乱負荷信号
Ｓ５３ａを加算して駆動力信号Ｓ５２を算出する。

【００６７】これによりサーボモータ駆動回路４に駆動
力信号Ｓ５２が印加されサーボモータである駆動手段３
が駆動、すなわち、回転させられ、制御対象１である産
業用ロボットシステムのロボットアームなどを駆動させ
る。 ステップ０９ 外乱負荷速度オブザーバ５３において、次のサンプリン
グ周期における第１４式および第１６式を演算するため
サンプリング周期の番号ｋが更新される。

【００６８】以上述べたように、オブザーバ初期値算出
部５４が任意の位置に停止している制御対象１の停止位
置で規定されるオブザーバ状態量算出のための初期値を
算出するので、外乱負荷速度オブザーバ５３は制御対象
１が任意の位置に停止している場合であっても、常に制
御対象１の円滑かつ安全な制御を遂行させる初期状態量
の算出が可能となる。その結果として、制御対象１は任
意の停止位置から円滑に制御され、振動、衝撃などが発
生しない。なお、オブザーバ初期状態量算出部５４は起
動直後に上述した処理を行うだけであるから、周期的な
制御動作処理（ステップ０２〜０９）の時間的負担を増
大させない。

【００６９】また速度制御系を有しており、外乱負荷速
度オブザーバ５３による正確な推定速度を用いて速度制
御されるので制御性が向上する。さらに、外乱負荷速度
オブザーバ５３はサンプリング方式に適した処理を行う
ように構成されており、効率よく処理を行うことができ
る。図２及び図３を参照して述べた実施例は第１４式に
基づいて演算する部分と第１６式に基づいて演算する部
分が分断されている。この処理分断は必ずしも好ましく
ない。そこで、より好適な方法を以下に述べる。

【００７０】図４は図２に対応する演算タイミング図を
示す。図示明らかなように前回のサンプリング周期Ｋ−
１の入力ｕ（ｋ−１）　と出力ｙ（ｋ−１）　と状態量
ｚ１（ｋ−１）、ｚ２（ｋ−１）からそのサンプリング
周期ｋＴにおける状態量ｚ１（ｋ）　、ｚ２（ｋ）を算
出し、またそのサンプリング周期において、出力Ｙ（ｋ
）　と入力ｕ（ｋ）　、上記算出した状態量ｚ１（ｋ）
　、ｚ２（ｋ）　から推定値

【００７１】

【数１４】

【００７２】を求める。このようにすれば、同じサンプ
リング周期内で状態量と推定値が求められるから、演算
処理の分断は発生せず、より好適になる。そのため図３
を参照して述べた演算処理を、例えばステップ０５にお
いて第１６式の演算とステップ０６の第１４式の演算処
理を同じステップ、例えば、ステップ０５で同時に行う
ようにする。

【００７３】上述した実施例は産業用ロボットシステム
のロボットアーム駆動に関連づけた角度制御について例
示したが、本発明の実施に際しては上述したものの他、
種々の変形形態をとることができる。例えば、位置制御
演算部５１はＰＩＤ制御に限定されず、ＩＰＤ制御を行
うように構成されていてもよい。

【００７４】また、位置検出器２はアブソリュート形エ
ンコーダに限らず、インクリメンタル形エンコーダにカ
ウンタ回路を組合わせた構成でもよい。さらに、制御対
象１は角度制御に限定されず、リニアな位置制御につい
ても適用できる。さらに本発明は上述した産業用ロボッ
トシステムばかりでなく、他の種々のサーボ制御システ
ム、例えば、工作機械などに適用できることはいうまで
もない。

【００７５】本発明は第１４式及び第１６式に例示した
ような２種の式（アルゴリズム）で表現される演算を行
うオブザーバを用いる種々のディジタル・サーボ制御シ
ステムに広く適用できる。

【００７６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、本発
明はサンプリング方式に適した演算を行うように構成さ
れており、効率のよいディジタル処理を行うオブザーバ
が提供できる。また、本発明によれば、制御対象が任意
の位置（角度を含む）に停止している状態におけるオブ
ザーバ状態量算出のための初期値を提供するオブザーバ
初期状態量算出手段を設けることにより、制御対象が任
意の位置にあっても円滑にその停止位置から目標制御位
置に制御することができる。

【００７７】さらに本発明によれば、速度を推定しその
推定速度を速度制御に用いることにより、制御性を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のサーボ制御システムのブロ
ック図である。

【図２】本発明の実施例の外乱負荷速度オブザーバの処
理タイミングを示す図である。

【図３】図１のサーボ制御装置の処理フローチャートで
ある。

【図４】本発明の実施例の外乱負荷速度オブザーバの処
理タイミングを示す図である。

【符号の説明】

１　　・・・　　制御対象 ２　　・・・　　絶対位置検出器 ３　　・・・　　駆動手段 ４　　・・・　　駆動回路 ５　　・・・　　サーボ制御装置 ７　　・・・　　外乱負荷 ５１　　・・・　　位置制御演算部 ５２　　・・・　　信号加算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　制御対象の位置を検出する位置検出手
   段、前記制御対象を駆動する手段、前記位置検出手段か
   らの位置及び前記駆動手段に印加される駆動指令に基づ
   いて推定速度および推定外乱をディジタル演算により算
   出するオブザーバ、制御目標、前記制御対象の位置、前
   記推定速度及び推定外乱とに基づいて制御指令を算出し
   前記駆動手段を介して前記制御対象を前記制御目標に制
   御するサーボ制御手段を具備し、前記オブザーバはサン
   プリング周期に応じかつ１サンプリング前のアルゴリズ
   ムに基づいた推定値算出部と状態量算出部を有し、サン
   プリング周期ごと状態量と推定値を算出するように構成
   したディジタル・サーボ制御システム。