JPH09146643A - サーボモータの外乱負荷推定方法 - Google Patents
サーボモータの外乱負荷推定方法Info
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- JPH09146643A JPH09146643A JP7331213A JP33121395A JPH09146643A JP H09146643 A JPH09146643 A JP H09146643A JP 7331213 A JP7331213 A JP 7331213A JP 33121395 A JP33121395 A JP 33121395A JP H09146643 A JPH09146643 A JP H09146643A
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Abstract
わる外乱負荷を正確に推定することができるサーボモー
タの外乱負荷推定方法を提供する。 【解決手段】 サーボモータが外界から受ける外乱負荷
を推定する外乱負荷推定方法において、サーボモータに
実際に流れる実効電流を求め(DQ変換の項4)、この
実効電流に基づいてモータへの加速度成分を推定し(パ
ラメータαの項5)、求めた推定加速度と実際のモータ
加速度(微分項6)との加速度差を求め、この加速度差
から外乱負荷を推定する(パラメータ1/αの項7)。
Description
やロボットのアーム等の制御に使用されるサーボモータ
が外界から受ける力を外乱負荷として推定するサーボモ
ータの外乱負荷の推定方法に関する。
の制御に使用されるサーボモータの制御において、サー
ボモータが外界から受ける力をサーボ制御ソフトによっ
て推定し、この推定値を監視することによって機械系の
破損等を防止する方式が知られている。図5は従来のサ
ーボモータの外乱負荷推定の概略を説明するためのブロ
ック図である。図5(a)において、モータ10はサー
ボモータの制御系によって、位置に対する比例制御およ
び速度に対する比例,積分制御によって得られるトルク
指令(電流指令)Tcを受け、実トルクTを出力する。
工作機械の送り軸やロボットのアーム等において、サー
ボモータで駆動される被駆動体が他の物体に衝突した
り、工具をワークに抑えすぎる等の何らかの理由でよっ
て移動が阻害れる場合がある。このとき、モータ10か
ら見ると外部より外乱負荷トルクTdが加えられたよう
に見える。従来、トルク指令Tcから推定した加速度
と、モータ10に設けた速度検出器から求められる実加
速度とを項11において差を求め、さらにトルク換算の
項12において加速度の差からトルクに換算した値を推
定外乱負荷トルクTd*として求めている。
概略ブロック図である。なお、図6は、加速度の比較に
よって外乱負荷を推定する場合のブロック図を示してい
る。図6において、サーボモータの制御系を電流ループ
の項1とモータの伝達関数の項2,3により表し、推定
外乱負荷トルクTd*を求める項を項5,6,7によっ
て表している。ここで、項5は電流指令Irにパラメー
タα(モータのトルク定数KtをイナーシャJmで除し
た値)を乗ずる項であり、項6は実速度vを微分する微
分項であり、項7はパラメータ1/αを乗ずる項であ
る。
流ループ1によってトルク指令Tcを電流指令Irと
し、この電流指令Irをモータに供給して駆動を行う。
推定外乱負荷トルクTcを推定するオブサーバは、項5
で電流指令Irにパラメータαを乗じた値(Ir・α)
と、モータの実速度vを項6で微分した値dv/dtの
差を求め、この差{(Ir・α)−dv/dt}にパラ
メータ1/αを乗ずる。この値(Ir−dv/dt・J
m/Kt)は外乱負荷Tdの推定値Td*を電流値で表
したものとなる。
外乱負荷推定では、トルク指令と実際にモータが出力す
るトルクが等しい場合には正しい外乱負荷の値を推定で
きるが、電圧飽和等によってトルク指令通りのトルクが
出力されない場合には正しく外乱負荷を推定することが
できない。
態を説明する図である。なお、図7に示す電圧状態は直
流座標系で示しおり、X軸方向をq相電圧としY軸方向
をd相電圧とし、また、円はサーボアンプのDCリンク
電圧を示している。サーボアンプは、入力される電流指
令Irに対して駆動電流Iをモータに供給して駆動を行
う。サーボアンプが供給できる電圧はDCリンク電圧に
限られ、DCリンク電圧を越える電圧をモータに供給す
ることはできない。一般に、モータの回転に伴い逆起電
圧が生じ、モータの端子電圧はこの逆起電圧と電流指令
Irに応じたモータ加速に要する電圧の和となる。この
逆起電圧はモータが高速回転となると大きくなり、逆起
電圧と電流指令Irによる電圧との和がDCリンク電圧
を越える場合がある。このような場合には、モータを駆
動するための駆動電流Iは、電流指令Irに対応した電
圧を満たすことができなくなり、モータは(Ir−I)
の電流に対応するトルクが不足することになり、トルク
指令通りのトルクが出力されないことになる。
法によって外乱負荷を推定すると、推定した外乱負荷の
値中には、本来推定すべき外乱負荷と、トルク指令と実
トルクとのトルク差の分とが含まれ、外乱負荷の推定が
不正確となる。図5(b)は、従来のサーボモータの外
乱負荷推定により、電流飽和等により生じるトルク差を
誤差として推定する状態を示している。図5(b)にお
いて、トルク指令Tcから推定した加速度と、モータ1
0に設けた速度検出器から求められる実加速度とを項1
1において差を求め、さらにトルク換算の項12におい
て加速度の差からトルクに換算した値を推定外乱負荷ト
ルクTd*として求めると、求めた推定自負トルクTd
*中には、本来推定すべき外乱負荷トルクTdに加えて
電圧飽和等により生じるトルク指令Tcと実トルクTと
の差(Tc−T)が含まれている。このトルク差(Tc
−T)は、推定外乱負荷における誤差分となる。
解決して、電圧が飽和した場合にも外界からモータに加
わる外乱負荷を正確に推定することができるサーボモー
タの外乱負荷推定方法を提供することを目的とする。
該位置ループのマイナーループとして速度ループを有す
るサーボ制御系において、速度ループに対して外乱オブ
ザーバを構成し、該外乱推定オブザーバによりサーボモ
ータの外乱負荷を推定する外乱負荷推定方法において、
サーボモータに実際に流れる実効電流を外乱推定オブザ
ーバへ入力することによって、前記目的を達成する。
法において、外乱推定オブザーバは、サーボモータに実
際に流れる実効電流に基づいてモータへの加速度成分を
推定し、推定加速度と実際のモータ加速度との加速度差
を求め、この加速度差から外乱負荷を推定することも、
また、サーボモータに実際に流れる実効電流に基づいて
モータへの速度成分を推定し、該推定速度と実際のモー
タ速度との速度差を求め、該速度差から外乱負荷を推定
することもできる。
流は、モータの3相交流の実電流をDQ変換して得られ
る直流電流により求めることができる。DQ変換は、3
相電流を直交するd相およびq相の2相の直流座標系に
変換するものである。DQ変換を用いたサーボモータの
2相制御では、2相の直流座標系と回転体の軸とを合わ
せることによって有効電流の制御を1相の直流電流のみ
により行うことができ、該電流はモータに流れる実電流
となる。そこで、本発明では、このDQ変換により求め
られる実電流によって、モータに指令される加速度ある
いは速度を推定し、この推定値と実際のモータの加速度
あるいは速度との差を求め、電圧飽和による誤差分を除
去した外乱負荷を推定する。
ータを駆動する加速度をサーボモータに実際に流れる実
効電流に基づいて求める。したがって、高速回転等によ
る電圧飽和によってモータに供給される電流指令が減少
し、トルク指令との間に差が生じた場合であっても、実
効電流を用いることによって実際にモータに流れる電流
を基にした加速度あるいは速度の推定を行うことができ
る。この推定加速度あるいは速度と実際のモータ加速度
あるいは速度との差の中には電圧飽和による誤差分は含
まれない。これによって、外界からモータに加わる外乱
負荷を正確に推定することができる。
参照しながら詳細に説明する。はじめに、外乱負荷を推
定するオブザーバにおいて、加速度の比較によって外乱
負荷推定を行う場合について説明する。
る概略ブロック線図である。図1のブロック線図は、位
置に対して比例制御を行い、速度に対して比例,積分制
御を行うサーボモータの制御系に、外乱負荷トルクを推
定する推定オブザーバを適用したものである。図中にお
いて、サーボモータの制御系は電流ループの項1とモー
タの伝達関数の項2,3により表し、推定外乱負荷トル
クTd*を求める項を項4,5,6,7によって表して
いる。ここで、項2のKtはモータのトルク定数、項3
中のJmはモータのイナーシャであり、sはラプラス演
算子である。また、項4は3相交流電流を2相直流電流
に変換するDQ変換の項を表し、変換行列は以下の行列
式Cによって表される。なお、式中のθeはモータの電
気角を表している。
数KtをイナーシャJmで除した値)を乗ずる項であ
り、項6は実速度vを微分する微分項であり、項7はパ
ラメータ1/αを乗ずる項である。なお、図1中の一点
鎖線は外乱推定オブザーバを示している。
り、電流指令Icを形成する。本発明の推定方法では、
この電流指令Icを構成する3相の電流指令Ir,I
s,Itを、DQ変換の項5によって2相の直流電流I
q(Id),に変換する。なお、3相の電流指令Ir,
Is,Itの間には、Ir+Is+It=0の関係があ
るため、3相の電流指令の内いずれか2相を用いて他の
1相を求めることができる。図1では、電流指令Ir,
Isを電流ループ1から求め、残る電流指令Itを演算
によって求める場合を示しているが、その他の電流の組
み合わせとすることもできる。
行列式Cによって求めた2相の直流電流Iq,Idの内
でq相電流を用いて加速度を推定する。この加速度の推
定は、q相電流Iqにパラメータαを乗ずることによっ
て行うことができる。パラメータαは、モータのトルク
定数KtをイナーシャJmで除した値とすることができ
る。
ない)から求めたモータ速度vを用いて、モータの実加
速度を求める。このモータの実加速度は、モータ速度v
を微分したdv/dtによって求めることができる。
qと実加速度dv/dtとの差を求める。この加速度の
差は、 α・Iq−dv/dt=(Kt/Jm)・Iq−dv/dt …(2) となり、この差にパラメータαの逆数1/α=Jm/K
tを乗ずると、外乱負荷Tdを電流の単位で推定した推
定外乱負荷Td*が得られる。
い式であるため、電圧飽和による影響を除去することが
できる。
図2を用いて説明する。第2の実施の形態は、外乱負荷
を推定するオブザーバにおいて、速度の比較によって外
乱負荷推定を行う場合である。
乱負荷トルクを求める概略ブロック線図である。図2の
ブロック線図は、図1と同様に、位置に対して比例制御
を行い、速度に対して比例,積分制御を行うサーボモー
タの制御系に、外乱負荷トルクを推定する推定オブザー
バを適用したものであり、図中において、サーボモータ
の制御系は電流ループの項1とモータの伝達関数の項
2,3により表し、推定外乱負荷トルクTd*を求める
項を項4,5,6,7によって表している。ここで、項
2のKtはモータのトルク定数、項3中のJmはモータ
のイナーシャであり、sはラプラス演算子である。ま
た、項4は3相交流電流を2相直流電流に変換するDQ
変換の項を表し、変換行列は前記式(1)で示される行
列式Cによって表される。
タのトルク定数KtをイナーシャJmで除した値)を乗
ずる項であり、項21,22のK3,K4は外乱推定オ
ブザーバのパラメータであり、項23は積分項であり、
項7はパラメータ1/αを乗ずる項である。なお、図中
の一点鎖線は外乱推定オブザーバを示している。
り、電流指令Icを形成する。本発明の推定方法では、
この電流指令Icを構成する3相の電流指令Ir,I
s,Itを、DQ変換の項5によって2相の直流電流I
q(Id),に変換する。図2では、電流指令Ir,I
sを電流ループ1から求め、残る電流指令Itを演算に
よって求める場合を示しているが、その他の2つの電流
の組み合わせから求めることもできる。
行列式Cによって求めた2相の直流電流Iq,Idの内
でq相電流を用いて速度vaを推定する。この速度va
の推定は、q相電流Iqにパラメータαを乗じ、乗じた
値を積分することによって行うことができる。なお、パ
ラメータαは、モータのトルク定数KtをイナーシャJ
mで除した値とすることができる。
ない)からモータ速度vが求められる。
推定オブザーバを解析すると以下のようになる。
る。
が安定するよう選択し、項7で(1/α)を乗ずること
によって、推定外乱負荷トルクTd*を求めることがで
きる。
法と従来の推定方法との比較を実験結果を用いて説明す
る。
よる推定結果を示し、図4は本発明の外乱負荷トルクの
推定方法による推定結果を示している。なお、図3およ
び図4の外乱負荷トルクの推定はモータ単体を加速し、
モータには外乱負荷が加わっていない場合の結果例であ
り、モータの実速度vと推定外乱負荷トルクTd*とト
ルク指令Tcの時間変化を示している。したがって、外
乱負荷トルクの推定が正しく行われている場合には、推
定外乱負荷トルクTd*の変化はないことになる。
00rpmとした場合である。この場合には回転速度が
充分低速であるため電圧飽和は生じず、推定外乱負荷ト
ルクTd*の変化は認められず、モータに加わる外乱お
よび電圧飽和による誤差分は認められない。
標を2000rpmとした場合である。この場合には回
転速度が高速であるため電圧飽和は生じる。そのため、
図中の矢印Aにおいて推定外乱負荷トルクTd*の変化
が認められ、この変化分は推定外乱負荷トルクTd*の
誤差分となる。
実施の形態を適用した外乱負荷トルクの推定方法で、モ
ータの回転速度の目標を2000rpmとした場合の推
定結果である。この場合の推定外乱負荷トルクTd*に
変動はほぼ認められず、モータに加わる外乱および電圧
飽和による誤差分は認められない。したがって、本発明
の外乱負荷トルクの推定方法によれば、電圧飽和による
推定誤差を除去することができる。
電圧が飽和した場合にも外界からモータに加わる外乱負
荷を正確に推定することができるサーボモータの外乱負
荷推定方法を提供することができる。
トルクを求める概略ブロック図である。
トルクを求める概略ブロック図である。
果図である。
トルクの推定方法による推定結果図である。
明するためのブロック図である。
ク図である。
る図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 位置ループと該位置ループのマイナール
ープとして速度ループを有するサーボ制御系において、
速度ループに対して外乱オブザーバを構成し、該外乱推
定オブザーバによりサーボモータの外乱負荷を推定する
外乱負荷推定方法において、 サーボモータに実際に流れる実効電流を外乱推定オブザ
ーバへ入力することを特徴とするサーボモータの外乱負
荷推定方法。 - 【請求項2】 位置ループと該位置ループのマイナール
ープとして速度ループを有するサーボ制御系において、
速度ループに対して外乱オブザーバを構成し、該外乱推
定オブザーバによりサーボモータの外乱負荷を推定する
外乱負荷推定方法において、 前記外乱推定オブザーバは、サーボモータに実際に流れ
る実効電流に基づいてモータへの加速度成分を推定し、
該推定加速度と実際のモータ加速度との加速度差を求
め、該加速度差から外乱負荷を推定することを特徴とす
るサーボモータの外乱負荷推定方法。 - 【請求項3】 位置ループと該位置ループのマイナール
ープとして速度ループを有するサーボ制御系において、
速度ループに対して外乱オブザーバを構成し、該外乱推
定オブザーバによりサーボモータの外乱負荷を推定する
外乱負荷推定方法において、 前記外乱推定オブザーバは、サーボモータに実際に流れ
る実効電流に基づいてモータへの速度成分を推定し、該
推定速度と実際のモータ速度との速度差を求め、該速度
差から外乱負荷を推定することを特徴とするサーボモー
タの外乱負荷推定方法。 - 【請求項4】 前記実効電流は、モータの3相交流の実
電流をDQ変換して得られる直流電流とすることを特徴
とする請求項1,2,又は3記載のサーボモータの外乱
負荷推定方法。
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