JPH08305443A

JPH08305443A - 機械系制御システム

Info

Publication number: JPH08305443A
Application number: JP7135759A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ito; 彰啓伊藤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JP3294056B2

Abstract

(57)【要約】【目的】構造が簡単で演算量も少なく、しかも回転む
らの影響を減じ、さらにミスマッチや外乱・ノイズにも
強い機械系制御システムを提供すること。【構成】機械系制御システム１は、負荷２を駆動する
モータ３と、モータ３の回転角度データｙを検出するエ
ンコーダ４と、操作指令ｖとエンコーダ４からの回転角
度データｙを基に制御量を決定する制御手段５と、制御
手段５からの制御量ｕを基にモータ３を駆動するドライ
ブ手段６とを備えている。また、制御手段５には処理手
段が設けられている。処理手段は、操作指令ｖ、回転角
度データｙ及び制御量ｕのそれぞれに所定の処理を施し
て制御量ｕを得る第１の演算手段から構成されている。
このような処理手段からの制御量ｕにより制御対象７を
制御すると、制御対象７に印加される外乱が除去される
ことになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばロボットやＮＣ
機械などの駆動系、回転系に適用できる機械系制御シス
テムに関し、さらに詳細には、制御対象が位置指令によ
って確実に制御され、かつ外乱の影響を補償できる機械
系制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ロボットやＮＣ機械等の分野で
は、これらを駆動するための機械系制御システムが適用
されている。この機械系制御システムは、負荷を駆動す
るモータと、前記モータの回転角度データを検出するセ
ンサーと、位置指令と前記センサーからの回転角度デー
タを基に制御量を決定する制御手段と、前記制御手段か
らの制御量を基に上記モータを駆動するドライブ手段と
を備えたものがよく知られている。

【０００３】このような機械系制御システムが適用され
ているロボットやＮＣ機械等の駆動系、回転系において
は回転むらが生じることがあり、これが原因となって機
械系の共振点に共振して振動が発生したり、回転数に誤
差が発生したりすることがあった。

【０００４】具体的に例を挙げて説明すると、ロボット
アームに使用される減速機ハーモニックドライブには、
周期的なトルクむらがみられることが知られている。ま
た、ＡＣモータ制御の場合は、ｕｖｗの三相の信号にオ
フセットが生じやすく、これによっても回転数に応じた
周期のトルクむらが生じることが知られている。

【０００５】ところで、関節型アームの場合、カーテシ
アン座標（直角座標）系で軌道生成する場合、関節角速
度は低速から高速までの広い範囲で変化する。これに伴
って上記トルクむらの周波数も変化する。このトルクむ
らの周波数が、ちょうどロボットアームの共振周波数付
近に達したときに、アームに異常振動が発生してしまう
という不都合があった。

【０００６】このようなアームの異常振動を除去する従
来装置として、例えば次に示すようなものが提案されて
いる。

【０００７】すなわち、この従来装置の一例としては、
トルク指令に対して測定データを基に作成した振動信号
を逆相にして印加することにより、制振をさせるように
したものである（“日本機械学会講演論文集、Ｎｏ．８
６０−１”、「６．ロボットの防制御に関する研究（ハ
ーモニックドライブのトルクムラに起因する共振振動に
ついて）」、古谷豊、他）。

【０００８】この従来装置の他の例としては、回転むら
の特性をバネ−マス系で表現したモデルに基づいた拡大
系に対してオブザーバと、モータ軸側情報及びその差分
（又は微分）を用いることにより、回転むらにかかわら
ず負荷側の回転角度と回転速度を推定し、この推定値を
算出した後、さらに所望の制御特性を得るためにこの値
を使用して制御をかけるようにしたものである（特開平
３ー２２６２８４号公報）。これら従来装置は、それぞ
れ異常振動を防止することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
従来装置によれば、いちいちデータを取らなければなら
ないという欠点があるほか、本質的にフィードバック制
御でないため、測定したデータと本来あるべき値とのミ
スマッチに弱く、また外乱にも弱いという欠点があっ
た。

【００１０】また、後者の従来装置によれば、オブザー
バと差分（微分）で動的なモデル出力を推定しており、
この重要な一つの情報を得ることを差分に頼っているこ
とから決定的にノイズに弱いという欠点があるほか、負
荷側の情報も推定しているため演算量も多く、かつ高い
計算精度が要求されるという欠点があった。

【００１１】そこで、本発明の第１の目的は、上述した
欠点を解消し、構造が簡単で演算量も少ない機械系制御
システムを提供することにある。

【００１２】また、本発明の第２の目的は、第１の目的
に加えて、回転むらの影響を減じ、さらにミスマッチや
外乱・ノイズにも強い機械系制御システムを提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、負荷を駆動するモータ
と、前記モータの回転角度データを検出するセンサー
と、位置指令と前記センサーからの回転角度データを基
に制御量を決定する制御手段と、前記制御手段からの制
御量を基にモータを駆動するドライブ手段とを備えた機
械系制御システムにおいて、前記制御手段は、位置指令
と回転角度データとの関係を規定した２次の制御モデル
を有し、上記位置指令から前記センサーからの回転角度
データにいたる伝達関数が前記制御モデルのようになる
ための制御量を得る演算手段を備えている。

【００１４】また、請求項２記載の発明では、演算手段
は、位置指令をｖ（ｓ）、回転角度データをｙ（ｓ）と
し、かつラプラスの演算子をｓ、係数をｍ₀、ｍ₁、ｍ
₂とすると、ｙ（ｓ）＝｛ｍ₀／（ｓ²＋ｍ₁Ｓ＋
ｍ₀）｝からなる２次の制御モデルを備えたことを特徴
とするものである。

【００１５】請求項３記載の発明では、演算手段は、位
置指令、回転角度データ及び制御量のそれぞれに所定の
処理を施して得た値を基に制御量を得るように構成した
ことを特徴とするものである。

【００１６】請求項４記載の発明では、演算手段は、前
記位置指令に第１のパラメータによる掛け算を施す第１
の係数器と、前記回転角度データに第２のパラメータベ
クトルによるフィルタ処理を施す第２のフィルタと、前
記制御量に第３のパラメータベクトルによるフィルタ処
理を施す第３のフィルタと、前記係数器と各フィルタか
らの出力データを加算して制御量とする加算器とを備え
たことを特徴とするものである。

【００１７】請求項５記載の発明では、第１の係数器
は、ｍ₀／Ｋという第１のパラメータを有するものであ
ることを特徴とするものである。ここで、ｍ₀は前記制
御モデルの係数、Ｋは前記位置指令から前記回転角度デ
ータにいたる制御対象の伝達関数をＫ／Ｓ（Ｓ＋λ）と
したときの係数である。

【００１８】請求項６記載の発明では、第２のフィルタ
は、ラプラス演算子ｓに関する多項式をｈ（ｓ）、ｑ
（ｓ）とすると、それらの係数を第２のパラメータベク
トルとしてｈ（ｓ）／ｑ（ｓ）なる構成で有するもので
あることを特徴とする。

【００１９】請求項７記載の発明では、第３のフィルタ
は、ラプラス演算子ｓに関する多項式をｋ（ｓ）、ｑ
（ｓ）とすると、それらの係数を第３のパラメータベク
トルとしてｈ（ｓ）／ｑ（ｓ）なる構成で有するもので
あることを特徴とする。

【００２０】更に、請求項８記載の発明は、負荷を駆動
するモータと、前記モータの回転角度データを検出する
センサーと、位置指令と前記センサーからの回転角度デ
ータを基に制御量を決定する制御手段と、前記制御手段
からの制御量を基にモータを駆動するドライブ手段とを
備えた機械系制御システムにおいて、前記制御手段は、
位置指令、回転角度データ及び制御量のそれぞれに所定
の処理を施して制御量を得る第１の演算手段とからなる
処理手段を備えたことを特徴とするものである。

【００２１】

【作用】請求項１記載の発明では、位置指令と回転角度
データとの関係を規定した制御モデルを有し、上記位置
指令と前記センサーからの回転角度データとが前記制御
モデルの関係を満足するように制御量を得て、これをド
ライブ手段に与えてモータを駆動することにより、構造
が簡単で演算量も少なくない装置とすることができる。

【００２２】請求項２記載の発明では、演算手段は制御
モデルに従ってモータを駆動するようにしている。

【００２３】請求項３記載の発明では、制御手段は、位
置指令、回転角度データ及び制御量のそれぞれに所定の
処理を施して得た値を基に制御量を得る処理手段を備え
たことを特徴とするものである。

【００２４】請求項４記載の発明では、処理手段は、前
記位置指令に第１の係数による掛け算処理を施す第１の
係数器と、前記回転角度データに第２のパラメータベク
トルによるフィルタ処理を施す第２のフィルタと、前記
制御量に第３のパラメータベクトルによるフィルタ処理
を施す第３のフィルタと、前記係数器と各フィルタから
の出力データを加算して制御量とする加算器とを備えた
ことを特徴とするものである。

【００２５】請求項５記載の発明では、第１の係数器
は、係数をｍ₀、位置指令から回転角度データにいたる
制御対象の伝達関数をＫ／Ｓ（Ｓ＋λ）としたときの係
数をＫとすると、ｍ₀／Ｋという第１のパラメータを有
するものであることを特徴とするものである。

【００２６】請求項６記載の発明では、第２のフィルタ
は、ラプラス演算子ｓに関する多項式をｈ（ｓ）、ｑ
（ｓ）とすると、それらの係数を第２のパラメータベク
トルとしてｈ（ｓ）／ｑ（ｓ）なる構成で有するもので
あることを特徴とする。

【００２７】請求項７記載の発明では、第３のフィルタ
は、ラプラス演算子ｓに関する多項式をｋ（ｓ）、ｑ
（ｓ）とすると、それらの係数を第３のパラメータベク
トルとしてｈ（ｓ）／ｑ（ｓ）なる構成であることを特
徴とする。

【００２８】請求項８記載の発明では、回転むら特性を
バネーマス系で表現した拡大系のモデルに対してオブザ
ーバを構成するのではなく、伝達関数がＫ／Ｓ（Ｓ＋
λ）であらわされる簡単なモータ・負荷系のみのモデル
に基づいて、回転速度を推定する制御手段（オブザー
バ）そのものの中に回転むらに起因する振動とステップ
の外乱モデルを組み込み、さらに極配置のためのフィー
ドバックゲイン情報も同時に組み込んだことにより、回
転むらの影響を減じ、さらにミスマッチや外乱・ノイズ
にも強いまま、構造が簡単で演算量も少なく全体の制御
特性を２次の制御モデルに一致させるようにしたもので
ある。

【００２９】

【実施例】以下、本発明について図示の実施例を参照し
て説明する。

【００３０】図１に、本発明に係る機械系制御システム
を示す。同図において、機械系制御システム１は、負荷
２を駆動するモータ３と、前記モータ３の回転角度デー
タｙを検出するセンサー（エンコーダ）４と、位置指令
ｖと回転角度データｙとの関係を規定した制御モデルを
有し、位置指令ｖと前記エンコーダ４からの回転角度デ
ータｙとが前記制御モデルの関係を満足するような制御
量ｕを決定する演算手段を内蔵する制御手段５と、前記
制御手段５からの制御量ｕを基に前記モータ３を駆動す
るドライブ手段６とを備えたものである。

【００３１】図２に、上記制御手段の構成例を示す。同
図において、前記制御手段５に内蔵される演算手段５０
は、位置指令ｖ、回転角度データｙ及び制御量ｕのそれ
ぞれに所定の処理を施して得た値を基に制御量ｕを得る
ように構成されたものである。具体的には、演算手段５
０は、前記操作指令ｖに第１のパラメータによる掛け算
処理を施す第１の係数器５１と、前記回転角度データｙ
に第２のパラメータによるフィルタ処理を施す第２のフ
ィルタ５２と、前記制御量ｕに第３のパラメータによる
フィルタ処理を施す第３のフィルタ５３と、前記係数器
５１と各フィルタ５２，５３からの出力データを加算し
て制御量ｕとする加算器５４とを備えて構成されてい
る。

【００３２】このように構成したことにより、モータ３
を所望の状態に制御できることを以下に説明する。

【００３３】この機械系制御システムでは、図１に示す
ようなモータ３・負荷２等を含む制御対象７の伝達関数
が数式１のように表現されるものとする。

【数１】この制御対象に対し、位置指令ｖに対する位置制御系の
伝達関数が次の数式２のような希望モデルになるように
制御するものである。尚、ｓはラプラス演算子である。

【数２】

【００３４】このように制御するために、制御手段５で
は、操作指令ｖ、回転角度データｙ及び制御量ｕを用い
て数式３を用いて演算をすることにより制御量ｕを得て
いる。すなわち、制御手段５において、ｍ₀／Ｋという
パラメータを持つ第１の係数器５１により操作指令ｖは
掛け算処理される。また、ｈ(s) ／ｑ(s) という第２の
フィルタ５２により回転角度データｙはフィルタ処理を
される。さらに、ｋ(s) ／ｑ(s) という第３のフィルタ
５３により制御量ｕはフィルタ処理をされる。前述のよ
うに処理された値は、加算器５４に加算される。これら
は、数式３に示すことができる。

【数３】ここで、ｑ(s) は、次の数式４のような、４次の任意の
安定多項式でオブザーバの状態フィルタの特性多項式と
なる。

【数４】

【００３５】また、ｋ(s) 、ｈ(s) については、次の数
式７を満足する、数式５及び数式６のように表される多
項式であって、その各々の係数は、数式７に基づいて係
数比較により求めることができる。

【数５】

【数６】

【数７】なお、数式５におけるωは、回転むらによる共振角周波
数をω〔ｒａｄ／ｓ〕と仮定したときの値である。

【００３６】以上のようにして形成した制御量ｕを制御
対象７に入力すると、数式３より数式８が得られ、数式
７より数式９が得られることになる。

【数８】

【数９】

【００３７】さらに、数式８と数式９とから数式１０が
得られ、数式１０より数式１１となる。この数式１１を
見ると、これは結局これは数式２に等しくなっているこ
とが分かる。

【数１０】

【数１１】

【００３８】この実施例は、上述したように制御量ｕを
形成し、その制御量ｕを制御対象７に与えることによ
り、制御対象７は数式２のように結果として制御される
ことになるので、制御対象７を所望の状態に制御するこ
とができることになる。

【００３９】次いでこの同じ制御装置が回転むら外乱の
影響もおさえることを以下に示す。

【００４０】まず、ｖ＝０としたときの外乱τからｙに
いたる特性を解析する。回転むら外乱に相当する等価外
乱はＡsin （ωｔ＋ａ）のようにモデル化される。ｖ＝
０のときには、数式３のｖ(s) の項がゼロとなるから、
これを変形すると数式１２が得られる。

【数１２】

【００４１】次に制御対象への入力が制御入力ｕ（ｓ）
の他に回転むら等に相当する等価外乱τ（ｓ）も印加さ
れることになるので、このことを数式１２を用いて表す
と、数式１３を得ることができる。

【数１３】この数式１３のｕ(s) の項に数式１２を代入すると、数
式１４を得ることができる。

【数１４】この数式１４を加工して数式９を代入すると、外乱特性
が数式１５のように得られる。

【数１５】ここで、ｑ(s) −ｋ(s) は数式１６のように表すことが
できる。

【数１６】したがって、この数式１６を数式１５に代入すると、数
式１７が得られる。

【数１７】ここで、外乱τは、ステップ状外乱と、Ａsin （ωｔ＋
ａ）で表せる回転むらとから構成されているので、この
外乱τのラプラス変換は、数式１８のような形になる。

【数１８】このτ(s) を数式１７に代入して最終値の定理を使うと
数式１９を得ることができる。

【数１９】この数式１９を見ると、外乱成分は一切消去されてお
り、分母には安定多項式のみが残るため、外乱の影響は
ゼロに収束させることができる。

【００４２】したがって、上述したように構成された制
御量ｕを制御対象７に供給することにより、制御対象７
の出力からは外乱τの影響がなくなった状態に制御する
ことができる。

【００４３】このように構成された実施例によれば、制
御対象７を外乱の影響なく制御することができる。

【００４４】また、この実施例によれば、（ａ）あらか
じめ共振周波数に設定して制御ゲインをきめるが、多少
の変動や誤差があっても効果が上がり、（ｂ）従来装置
に比べ構成が簡単でコストメリットも上がり、かつ微分
を使用していないのでノイズにも強く、しかも（ｃ）通
常の外乱推定器による補償よりも効果が高く、積分型の
外乱補償機能も備わっている装置とすることができる。
また、速度に応じて変化する回転むらをゲインスケジュ
ーリング法によってゲインを変化させることもできる。

【００４５】以上の説明では、各部の構成を連続系でお
こなうものとして説明してきたが、制御手段５をディジ
タル系で構成する場合も同様に構成することができる。
したがって、図１〜図２に示すような制御手段５を実現
する装置は、アナログ回路であってもよいし、ディジタ
ル回路やマイクロプロセッサ等を用いてソフトウェアの
アルゴリズムとして実現してもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように第１の発明によれ
ば、（ａ）あらかじめ共振周波数に設定して制御ゲイン
をきめるが、多少の変動や誤差があっても効果が上が
り、（ｂ）かつ構成が簡単でコストメリットも上がり、
しかも微分を使用していないのでノイズにも強い、
（ｃ）トルクむら補償と同時に積分型の外乱補償機能も
備わり、制御系の入出力特性を所望のモデルに一致され
る制御構造も含んでいる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の機械系制御システムの第１の実施例を
示すブロック図である。

【図２】同第１の実施例の制御手段の詳細構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１機械系制御システム２負荷３モータ４エンコーダ（回転角度センサー）５、５ａ制御手段７制御対象５０第１の演算手段５１第１の係数器５２第２のフィルタ５３第３のフィルタ５４加算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負荷を駆動するモータと、前記モータの
回転角度データを検出するセンサーと、位置指令と前記
センサーからの回転角度データを基に制御量を決定する
制御手段と、前記制御手段からの制御量を基にモータを
駆動するドライブ手段とを備えた機械系制御システムに
おいて、前記制御手段は、位置指令と回転角度データと
の関係を規定した制御モデルを有し、上記位置指令と前
記センサーからの回転角度データとが前記制御モデルの
関係を満足するような制御量を得る演算手段を備えたこ
とを特徴とする機械系制御システム。
【請求項２】前記演算手段は、位置指令をｖ（ｓ）、
回転角度データをｙ（ｓ）とし、かつラプラスの演算子
をｓ、係数をｍ₀、ｍ₁、ｍ₂とすると、ｙ（ｓ）＝
｛ｍ₀／（ｓ²＋ｍ₁Ｓ＋ｍ₀）｝×ｖ（ｓ）からなる
２次の制御モデルを備えたことを特徴とする請求項１記
載の機械系制御システム。
【請求項３】前記演算手段は、位置指令、回転角度デ
ータ及び制御量のそれぞれに所定の処理を施して得た値
を基に制御量を得るように構成したことを特徴とする請
求項１記載の機械系制御システム。
【請求項４】前記演算手段は、前記位置指令に第１の
パラメータによる掛け算処理を施す第１の係数器と、前
記回転角度データに第２のパラメータベクトルによるフ
ィルタ処理を施す第２のフィルタと、前記制御量に第３
のパラメータベクトルによるフィルタ処理を施す第３の
フィルタと、前記係数器と各フィルタからの出力データ
を加算して制御量とする加算器とを備えたことを特徴と
する請求項３記載の機械系制御システム。
【請求項５】前記第１の係数器は、請求項２の制御モ
デルの係数をｍ₀、位置指令から回転角度データにいた
る制御対象の伝達関数をＫ／Ｓ（Ｓ＋λ）としたときの
係数をＫとすると、ｍ₀／Ｋという第１のパラメータを
有するものであることを特徴とする請求項４記載の機械
系制御システム。
【請求項６】前記第２のフィルタは、ラプラス演算子
ｓに関する多項式をｈ（ｓ）、ｑ（ｓ）とすると、それ
らの係数を第２のパラメータベクトルとしてｈ（ｓ）／
ｑ（ｓ）なる構成で有するものであることを特徴とする
請求項４記載の機械系制御システム。
【請求項７】前記第３のフィルタは、ラプラス演算子
ｓに関する多項式をｋ（ｓ）、ｑ（ｓ）とすると、それ
らの係数を第３のパラメータベクトルとしてｈ（ｓ）／
ｑ（ｓ）なる構成で有するものであることを特徴とする
請求項４記載の機械系制御システム。
【請求項８】負荷を駆動するモータと、前記モータの
回転角度データを検出するセンサーと、位置指令と前記
センサーからの回転角度データを基に制御量を決定する
制御手段と、前記制御手段からの制御量を基にモータを
駆動するドライブ手段とを備えた機械系制御システムに
おいて、前記制御手段は、位置指令、回転角度データ及
び制御量のそれぞれに所定の処理を施して制御量を得る
第１の演算手段を備えたことを特徴とする機械系制御シ
ステム。