JPH07175527A - モータの制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最適な速度フィードフォワード係数を自動的
に求め設定する。 【構成】 当該サンプリング周期の１周期前と２周期前
のトルク指令ＴCMD の変化量ｕを求める（Ｓ１）。該変
化量ｕ、１周期前と２周期前のモータ速度ｙ(i-1) ，ｙ
(i-2) 及び、前周期において求めたトルク定数とイナー
シャの推定比率１／β(i-1) よりモータの推定速度ｙ´
を求める（Ｓ２）。速度ループ処理を行いトルク指令Ｔ
CMD(i)を求めモータに出力する（Ｓ４）。モータの実速
度と推定速度の差の推定速度誤差ｅ(i) を求める（Ｓ
５）。そして、次の式によって当該周期における推定比
率１／β(i) を求める。この推定比率１／β(i) が収束
したときの値の逆数βを速度フィードフォワード制御に
おける位置指令の２階微分値に乗じてフィードフォワー
ド量を求める係数とする。 １／β(i) ＝１／β(i-1) ＋ｂ・ｕ・ｅ(i) ／（１＋ｂ
ｕ² ）なお、ｂは収束の速さをきめるパラメータ値であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の送り軸やロ
ボットのアームを駆動するサーボモータの制御方式に関
し、特に、該サーボモータのフィードフォワード制御に
関する。

【０００２】

【従来の技術】サーボモータを用いて工作機械の送り軸
やロボットのアームなどを制御するとき、位置偏差量を
低減させるためにフィードフォワード制御が行われる。
特に、工作機械で高速切削を行う場合、サーボ系の追従
遅れによる形状誤差が生じる。そのため、この形状誤差
を少くす手段として、位置のフィードフォワード制御が
ある（例えば特開平３−１５９１１号公報参照）。

【０００３】図１は従来から行われている位置制御ルー
プに対し、フィードフォワード制御を用いたときのブロ
ック線図であり、速度制御ループの伝達関数を「１」と
している。図１において、符号１は位置制御ループにお
けるボジションゲインＫｐの項、２は位置のフィードフ
ォワードの項でαは位置のフィードフォワード係数であ
る。３は速度を位置に変換する伝達関数の項である。な
おｓはラプラス演算子を表している。位置指令ｒから、
実際のモータ位置ｐを減じて得られる位置偏差にボジシ
ョンゲインＫp を乗じて得られるた値に、位置指令ｒを
微分した値に位置のフィードフォワード係数αを乗じた
値を加算し、この加算した値でモータを駆動し実際のモ
ータ位置ｐを得る。位置指令ｒから実際の位置ｐまでの
伝達関数は、図１より、次の１式となる。

【０００４】 ｐ＝（αｓ＋Ｋp ）ｒ／（ｓ＋Ｋp ） …（１） 上記１式において、α＝１とすれば、ｐ＝ｒとなり理論
的には、遅れはなく、位置偏差量は「０」となる。

【０００５】しかし、実際には速度ループの応答に限界
があり、遅れが生じるため、加減速時には位置フィード
フォワード制御では十分機能しない。そこで、速度ルー
プの安定性を保ちつつ応答性能を上げるために、位置指
令の２階微分値に比例する値をトルクコマンドに加える
速度フィードフォワード制御が適用される（例えば特開
平３−１５９１１号公報参照）。この位置、速度の各ル
ープにフィードフォワード制御を適用した場合のブロッ
ク線図は図２のように表される。図２において、符号１
は位置ループのボジショゲインＫp の項、符号４は速度
ループにおける積分器の項でＫ1 は積分定数、符号５は
速度ループにおける比例項でＫ2 は比例定数、符号６は
サーボモータ及び該サーボモータで駆動される機械可動
部の伝達関数の項で、Ｋt はモータのトルク定数、Ｊは
モータと機械可動部のイナーシャである。符号７は速度
を位置に変換する項、符号８，９は位置のフィードフォ
ワード制御の項で位置指令ｒを微分した値に位置のフィ
ードフォワード係数αを乗じて位置のフィードォワード
量を求めるものである。また符号１０，１１は速度フィ
ードフォワード制御の項で、項９の出力を微分し位置指
令ｒの２階微分を行ない、この値に速度フィードフォワ
ード係数βを乗じて速度フィードフォワード量を求める
ものである。

【０００６】位置指令ｒから実際の位置ｐを減じて位置
偏差を求め、この位置偏差にポジションゲインＫp を乗
じて速度指令を求める。さらに位置指令ｒを微分た値に
位置のフィードフォワード係数αを乗じて求めた位置の
フィードフォワード量を先に求めた速度指令に加算し速
度ループへの速度指令とする。この速度指令から実際の
速度を減じて速度偏差を求め、該速度偏差を積分し（積
分器４）、積分値に積分ゲインＫ1 を乗じた値と、速度
偏差に比例定数Ｋ2 を乗じた値を加算し速度ループ処理
におけるトルク指令を求める。さらに、項９の出力を微
分することにより求められる位置指令ｒを２階微分した
値に速度フィードフォワード係数βを乗じた速度フィー
ドフォワード量を上記速度ループ処理で求めたトルク指
令に加算し、モータへのトルク指令Ｔcmd としてサーボ
モータを駆動することになる。

【０００７】図２における位置指令ｒから実際の位置ｐ
への伝達関数（ｐ／ｒ）を求めると次の２式となる。 （ｐ／ｒ）＝ ［｛（α＋（Ｋp ／ｓ))((Ｋ1 ／ｓ）＋Ｋ2)＋βｓ｝（Ｋt ／Ｊ・ｓ）］ ／［１＋（１＋（Ｋp ／ｓ））（（Ｋ1 ／ｓ）＋Ｋ2 ）（Ｋt ／Ｊ・ｓ）］ …（２） 上記２式において、α＝１、β＝Ｊ／ｋt であるとき、
伝達関数が１となりｐ＝ｒとなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】位置、速度フィードフ
ォワード制御を行なうことによって速度ループの応答性
を改善し、位置のフィードフォワードを十分に機能させ
ることができるが、このフィードフォワード制御が効果
的に機能するには、上述したように速度フィードフォワ
ード係数βがβ＝Ｊ／ｋt 、即ち、該係数βが（モータ
と機械可動部のイナーシャ／モータのトルク定数）にな
るように設定されねばならない。しかし、この値は機械
毎に異なるから、適正値を設定することが難しいという
問題があった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、最適な速度フィ
ードフォワード係数を自動的に求め設定するモータの制
御方式を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、位置指令の微
分値に比例する量を位置のフィードフォワード量とした
位置のフィードフォワード制御を行なうと共に、位置指
令の２階微分値に係数を乗じた値を速度フィードフォワ
ード制御量として、速度のフィードフォワード制御を行
なう制御系において、当該サンプリング周期の１周期前
と２周期前のトルク指令の変化量と、１周期前と２周期
前のモータの実速度、及び１周期前に求めたモータのト
ルク定数とイナーシャの推定比率よりモータの推定速度
を求め、次に、モータの実速度と上記推定速度との差の
推定速度誤差を求め、推定比率の変化量が、上記トルク
指令の変化量が小さいときには小さく、トルク指令の変
化量が所定値になるまでは該トルク指令の変化量に略比
例した値とし、上記所定値以上になると飽和させて一定
値となるように上記推定速度誤差に基づいて上記推定比
率を順次求め更新し、その収束値を求める。そして、収
束した推定比率の逆数に基づいて速度フィードフォワー
ド制御の上記係数を決めモータを制御する。

【００１１】上記トルク指令の変化量をｕ、上記推定速
度誤差をｅ、前周期の推定比率を１／β（ｉ−１）、設
定パラメータ値をｂとすると、当該周期におけるトルク
定数とイナーシャの推定比率１／β（ｉ）を次の式によ
って求め更新し、収束したときの該推定比率の逆数β
（ｉ）を速度フィードフォワード制御の上記係数とす
る。

【００１２】１／β（ｉ）＝１／β（ｉ−１）＋ｂ・ｕ
・ｅ／（１＋ｂｕ² ）

【００１３】

【作用】モータのトルク定数とイナーシャの比率を推定
し、その逆数を速度フィードフォワードの係数とするこ
とによって、位置指令から実際の位置までの伝達関数を
概略「１」とすることができ、遅れのない制御系を得る
ことができる。

【００１４】

【実施例】図３はモータにおけるトルク指令ＴCMD から
モータの出力である速度ｙまでのブロック線図である。
モータにトルク指令ＴCMD が入力されると、該トルク指
令ＴCMD にモータのトルク定数Ｋt が乗じられた値と、
外乱トルクＴd を加算した値を積分し、その積分値をイ
ナーシャＪで除した値がモータの速度ｙとなる。そこ
で、所定サンプリング周期Ｔs 毎のｉ周期におけるトル
ク指令をＴCMD(i)、モータの実速度をｙ（ｉ）、外乱ト
ルクをＴｄ（ｉ）とし、サンプリング周期Ｔs間に外乱
トルクＴｄ及びトルク指令ＴCMD は変化がないとする
と、モータの速度ｙ（ｉ）は次の３式で表すことができ
る。

【００１５】 ｙ(i) ＝ｙ(i-1) ＋（Ｔs ／Ｊ）・｛Ｋt ・ＴCMD(i-1)＋Ｔd(i-1)｝ …（３） また、１つ前のサンプリング周期においては次の４式が成り立つ ｙ(i-1) ＝ｙ(i-2) ＋（Ｔs ／Ｊ）・｛Ｋｔ・ＴCMD(i-2)＋Ｔd(i-2)｝ …（４） ３式から４式を引くと、 ｙ(i) −ｙ(i-1) ＝ｙ(i-1) −ｙ(i-2) ＋（Ｔs ／Ｊ）・［Ｋt ｛ＴCMD(i-1) −ＴCMD(i-2)} ＋Ｔd(i-1)−Ｔd(i-2)］ …（５） また、外乱トルクに変化がないとして、Ｔd(i-1)＝Ｔd
(i-2)とすると、上記５式より、次の６式が成り立つ。 ｙ(i) ＝２・ｙ(i-1) −ｙ(i-2) ＋（Ｔs ・Ｋt ／Ｊ）・ｕ…（６） ただし、ｕ＝ＴCMD(i-1)−ＴCMD(i-2) である。そこで
（Ｔs ・Ｋt ／Ｊ）＝１／β(i-1) とおき、上記６式を
次の７式のように書換える。

【００１６】 ｙ´(i) ＝２・ｙ(i-1) −ｙ(i-2) ＋ｕ／β(i-1) …（７） 上記７式において１／β(i-1) ＝（Ｔs ・Ｋt ／Ｊ）は
（トルク定数／イナーシャ）の比率を表しており、ｙ´
(i) は、上記１／β(i-1) を用いて推定されたモータの
推定速度を意味する。

【００１７】サンプリング周期ｉにおけるモータの実速
度ｙ（ｉ）と推定速度ｙ´(i) との差である推定誤差ｅ
（ｉ）＝ｙ（ｉ）−ｙ´(i) を用いてサンプリング周期
ｉにおける（トルク定数／イナーシャ）の比率１／β
(i) ＝（Ｔs ・Ｋt ／Ｊ）を推定する。この場合、トル
ク指令ＴCMD の変化ｕ（＝ＴCMD(i)−ＴCMD(i-1)）が小
さいときは、上記（トルク定数／イナーシャ）の比率
［１／β(i) ］の変化をほとんど「０」に近い小さな値
とし、トルク指令ＴCMD の変化ｕが大きくなるにつれて
推定比率の変化も大きくなるようにし、かつトルク指令
ＴCMD の変化ｕがある設定値以上の大きさになると推定
比率の変化も飽和させるようなアルゴリズムで比率［１
／β(i) ］を推定する。本実施例では、次の８式によっ
て推定する。

【００１８】 １／β(i) ＝１／β(i-1) ＋［ｂ・ｕ・ｅ(i) ／（１＋ｂｕ² ）］ …（８） 上記８式においてｂは収束の速度を決めるパラメータで
ある。上記８式の処理を各サンプリング周期毎に実施す
れば、上記推定比率［１／β(i) ］は収束し一定な値と
なる。こうして求められる比率［１／β(i) ］から、速
度のフィードフォワード係数β（＝イナーシャ／トルク
定数＝Ｊ／・Ｋt ）を求め、求められた速度フィードフ
ォワード係数βによって速度フィードフォワード制御を
行なうようにする。

【００１９】図４は本発明を適用する一実施例の工作機
械を駆動するサーボモータの駆動制御系のブロック図で
ある。２０は工作機械を制御する制御装置としてのコン
ピュタ内蔵の数値制御装置（ＣＮＣ）、２１は上記ＣＮ
Ｃ２０とディジタルサーボ回路２２のプロセッサ間の情
報の伝達を仲介する共有メモリで、ＣＮＣ２０が書き込
んだ位置指令等の各種データをディジタルサーボ回路２
２のプロセッサに受け渡し、ディジタルサーボ回路２２
のプロセッサが書き込んだアラーム情報や各種情報をＣ
ＮＣ２０に引き渡す機能を行うものである。

【００２０】２２はディジタルシグナルプロセッサ等で
構成されるディジタルサーボ回路で、プロセッサ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ等で構成されている。このディジタルサーボ
回路２２は工作機械の各軸のサーボモータの制御を行う
もので、位置ループ制御を比例（Ｐ）制御、速度ループ
制御を比例積分（ＰＩ）制御で行ない、かつ上述したよ
うに位置、速度のフィードフォワード制御、さらには速
度フィードフォワード係数βを求める処理をも行ない、
サーボモータ制御処理を行うものである。２３はトラン
ジスタインバータ等で構成されるサーボアンプで、２４
はサーボモータである。また、２５はサーボモータ２４
の位置，速度を検出する位置・速度検出器で、位置，速
度はディジタルサーボ回路２２にフィードバックされて
いる。なお、サーボアンプ２３，サーボモータ２４は１
軸のみを図示している。上記図４に示すサーボモータの
制御系は、従来のディジタルサーボ回路を使用するＣＮ
Ｃ制御工作機械や、ロボットの制御例として公知なもの
であり、詳細な説明は省略する。

【００２１】図５は、本実施例において、上記デジタル
サーボ回路２２のプロセッサが実行する本発明の速度フ
ィードフォワード係数βを求める処理に関するフローチ
ャートであり、該プロセッサは所定周期毎（通常の速度
ルーブ処理周期毎）図５に示す処理を実行する。速度フ
ィードフォワード係数算出処理指令をＣＮＣ２０に入力
すると、ＣＮＣ２０は速度フィードフォワード係数算出
処理指令をディジタルサーボ回路２２に共有メモリ２１
を介して出力すると共に、速度フィードフォワード係数
βを求めるための任意の移動指令からなるプログラムを
実行し、共有メモリ２１を介してディジタルサーボ回路
２２のプロセッサに分配周期毎に移動指令を出力する。
ディジタルサーボ回路２２のプロセッサは速度フィード
フォワード係数算出処理指令を受信し、移動指令を受け
ると、従来と同様に位置ループ処理を実行し、速度指令
を求める。そして、図５の処理を実行する。まず、レジ
スタに記憶する当該処理周期ｉより１周期前に求められ
たトルク指令ＴCMD(i-1)から２周期前のトルク指令ＴCM
D(i-2)を減じてトルク指令ＴCMD の変化値ｕを求める
（ステップＳ１）。

【００２２】次に、レジスタに記憶する１周期前に検出
したサーボモータの実速度ｙ(i-1)を２倍した値から２
周期前に検出した実速度ｙ(i-2) を減じた値に、さら
に、レジスタに記憶する前周期において求めた推定比率
１／β(i-1) に上記ステップＳ１で求めたトルク指令の
変化値ｕを乗じた値を加算して速度推定値ｙ´(i) を求
める。すなわち、上記７式の演算を行うことによって速
度推定値ｙ´(i) を求める（ステップＳ２）。そして、
位置ループ処理によって求められた速度指令と、位置・
速度検出器２５で検出されたサーボモータ２４の実速度
ｙ(i) を取り込み、この速度指令と実速度ｙ(i) に基づ
いて従来と同様の速度ループ処理（ＰＩ制御等）を実行
しトルク指令ＴCMD(i)を求め、該トルク指令ＴCMD(i)を
電流ループに引き渡し、サーボモータを駆動制御する。
（ステップＳ３，Ｓ４）。次に、ステップＳ３で取り込
んだサーボモータの実速度ｙ(i) からステップＳ２で求
めた速度推定値ｙ´(i)を減じて推定速度誤差ｅ(i) を
算出し（ステップＳ５）、この推定速度誤差ｅ(i) とレ
ジスタに記憶する前周期で求められた推定比率１／β(i
-1) 及びステップＳ１で求めたトルク指令ＴCMD の変化
値ｕより上記８式の演算を行って推定比率１／β(i) を
求め（ステップＳ６）、該推定比率の逆数β(i) を速度
フィードフォワード係数として記憶するレジスタに格納
する（ステップＳ７）。

【００２３】以下上記ステップＳ１〜ステップＳ７の処
理を繰り返し実行すると、上記推定比率の逆数β(i) の
値は収束し安定する。この収束値を速度フィードフォワ
ード係数βとして使用する。

【００２４】なお、上記実施例では、速度フィードフォ
ワード係数βを求めるプログラムを行ない、このプログ
ラムの処理により収束した値β(i) を速度フィードフォ
ワード係数βとして求めるようにしたが、特別なプログ
ラムを使用することなく、通常の処理において、速度ル
ープ処理周期毎における上記速度フィードフォワード係
数βを求める処理を常に実行してもよい。

【００２５】図６、図７は、本願発明の効果を見るため
に設定速度まで加速、及び減速したときの実験結果を示
す図で横軸は時間（１分割１００ms）、縦軸は、速度指
令のの値であ、位置のフィードフォワード係数αを０．
９８として実験したものである。図６は速度フィードフ
ォワード制御を行なわない場合（β＝０）であり、図７
は本発明を適用し、速度のフィードフォワード係数を上
述した方法で推定し得られた係数βを用いて速度フィー
ドフォワード制御を行なったときの図である。図６と図
７を比較して分かるように、速度のフィードフォワード
制御を行なわないときには、加減速時にオーバシュー
ト、アンダーシュートが生じ速度が安定していない。こ
のことは位置偏差を招き、形状誤差発生の原因となる。
しかし、本発明を適用し、推定した速度のフィードフォ
ワード係数βを用いて速度のフィードフォワード制御を
行なうと、図７に示すように、加減速時においてもオー
バシャート、アンダーシュートは生ぜず、安定した速度
が得られ、その結果、形状誤差発生を防止できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、使用する機械やロボットに対
して、速度フィードフォワード制御を行なうときの速度
フィードフォワード係数を各機械、ロボット毎に推定
し、適正値を求め、この求めた適正値の速度フィードフ
ォワード係数により、速度フィードフォワード制御を行
なうようにしたので、位置指令から実際の位置までの伝
達関数が概略「１」とすることができ、遅れのない制御
系を得ることができる。特に、加減速時においても、制
御偏差の変動が少なく、工作機械等においては、加工の
形状誤差を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】位置のフィードフォワード制御のブロック図で
ある。

【図２】位置及び速度のフィードフォワード制御を行な
うときブロック図である。

【図３】モータへのトルク指令から実際の位置までのブ
ロック図である。

【図４】本発明を実施する一実施例における工作機械等
のサーボモータ制御系のブロック図である。

【図５】同実施例における速度フィードフォワード係数
を求める処理のフローチャートである。

【図６】速度フィードフォワード制御を行なわずにモー
タを加減速したときの実験結果を示す図である。

【図７】本発明の方式により速度フィードフォワード係
数を求め該係数によって、速度フィードフォワード制御
を行ないモータを加減速したときの実験結果を示す図で
ある。

【符号の説明】

２０ 制御装置 ２１ 共有メモリ ２２ ディジタルサーボ回路 ２３ サーボアンプ ２４ サーボモータ ２５ 位置、速度検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置制御ループ、速度制御ループを有
   し、位置指令の微分値に比例する量を位置のフィードフ
   ォワード量とした位置のフィードフォワード制御を行な
   うと共に、位置指令の２階微分値に係数を乗じた値を速
   度フィードフォワード制御量として、速度のフィードフ
   ォワード制御を行なう制御系において、当該サンプリン
   グ周期の１周期前と２周期前のトルク指令の変化量と、
   １周期前と２周期前のモータの実速度、及び１周期前に
   求めたモータのトルク定数とイナーシャの推定比率より
   モータの推定速度を求め、次に、モータの実速度と上記
   推定速度との差の推定速度誤差を求め、推定比率の変化
   量が、上記トルク指令の変化量が小さいときには小さ
   く、トルク指令の変化量が所定値になるまでは該トルク
   指令の変化量に略比例した値とし、上記所定値以上にな
   ると飽和させて一定値となるように、上記推定速度誤差
   に基づいて上記推定比率を求め順次更新し、その収束値
   の逆数に基づいて上記速度フィードフォワード制御の係
   数を決めるモータの制御方式。
2. 【請求項２】 上記トルク指令の変化量をｕ、上記推定
   速度誤差をｅ、前周期の推定比率を１／β（ｉ−１）、
   設定パラメータ値をｂとすると、当該周期におけるトル
   ク定数とイナーシャの推定比率１／β（ｉ）を次の式に
   よって求め、上記速度フィードフォワード制御の係数を
   推定比率の逆数β（ｉ）とする請求項１記載のモータの
   制御方式。 １／β（ｉ）＝１／β（ｉ−１）＋ｂ・ｕ・ｅ／（１＋
   ｂｕ² ）