JPH09319437A - 摩擦補償型制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御系の静止摩擦及びすべり摩擦の補償を行
なうと共に、同期制御時の軌跡を改善し、動き出すとき
に振動を小さくすることである。 【解決手段】 駆動源の駆動によって位置又は速度をフ
ィードバック制御する際、制御系の摩擦を考慮した補償
を行なう。摩擦は静止摩擦とすべり摩擦に分けて、補償
を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボ系の摩擦を
考慮して補償することにより、１軸での位置決め制御系
や速度制御系での低振動化を図り、２軸以上の駆動源で
同期制御を行なう場合の低振動化、軌跡を改良した摩擦
補償型制御方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４は一般的な位置制御系を示すブロ
ック線図であり、位置指令Ｐｉは位置制御器１０に入力
され、駆動源のモータ１を経て位置出力Ｐｏが得られる
ようになっており、位置制御器１０は位置比例器１１、
速度比例器１２、微分器１３及び積分器１４を具備して
いる。このような位置制御系では、サーボ系の摩擦特性
を考慮した特別な補償器を具備しておらず、摩擦などの
外力に対しては、位置出力Ｐｏと位置指令Ｐｉとの偏差
Ｄｅｐを０にする作用を有する積分器１４により補償し
ていた。図１６（Ａ）及び（Ｂ）に示すような速度に応
じて増加する粘性摩擦に対しては補償を行なうことがで
きるが、静止摩擦、固定的なすべり摩擦についての補償
は行なうことができない。尚、Ｊは負荷イナーシャであ
り、Ｄは粘性摩擦である。

【０００３】図１５は一般的な速度制御系を示すブロッ
ク線図であり、速度指令Ｓｉは速度制御器２０に入力さ
れ、駆動源のモータ２を経て速度出力Ｓｏが得られるよ
うになっており、速度制御器２０は速度比例器２１及び
積分器２２を具備している。かかる速度制御系において
も摩擦特性を考慮した補償器は具備されておらず、摩擦
などの外力に対しては、速度出力Ｓｏと速度指令Ｓｉと
の偏差Ｄｅｓを０にする作用を有する積分器２２によっ
て補償していた。かかる速度制御系は、図１６（Ａ）及
び（Ｂ）に示すような速度に応じて増加する粘性摩擦Ｄ
に対しては補償を行なうことができるが、静止摩擦、固
定的なすべり摩擦についての補償は行なうことができな
い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１４に示
す位置制御系では図１６（Ａ），（Ｂ）に示すような静
止摩擦が制御系に含まれると、モータ１を駆動するため
に静止摩擦に打勝つトルクが必要となる。このトルクは
積分器１４からトルク指令Ｔｉとして出力されるが、静
止摩擦と同等のトルクを出力するまでに時間がかかり、
同期制御を行なう場合には軌跡が悪くなったり、動き出
すときに振動的になってしまう問題があった。即ち、同
期制御では指令に対してモータは一定の偏差で追従する
か、偏差０で追従しなければ軌跡が悪くなり、静止摩
擦、すべり摩擦によりモータの回転が指令に対して遅れ
ると同期時の軌跡が悪くなる。又、摩擦のモデルは図１
６のように非線形な特性を持っており、摩擦の補償がな
いと、動き出すトルクを積分器が除々に大きくしてモー
タは回転するが、回転すると摩擦が変化することにより
振動的になる。又、図１５に示す速度制御系においても
静止摩擦が含まれる場合には、上述と同様の問題が生じ
ていた。

【０００５】本発明は上述のような事情よりなされたも
のであり、本発明の目的は、静止摩擦及びすべり摩擦の
補償を行なうと共に、同期制御時の軌跡を改善し、動き
出すときに振動を小さくすることのできる摩擦補償型制
御方法及び装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は摩擦補償型制御
方法に関するもので、本発明の上記目的は、モータ等の
駆動源の駆動によって位置又は速度をフィードバック制
御する際、制御系の摩擦を考慮した補償を行なうことに
よって達成される。前記摩擦を静止摩擦とすべり摩擦に
分け、前記すべり摩擦の補償を、前記制御系の指令量の
正負に応じて前記すべり摩擦の大きさを前記駆動源の駆
動力指令（トルク指令、推力指令）に対して加減算する
ことによって実行し、前記静止摩擦の補償を、前記制御
系の指令入力のエッジ検出に基づいて積分器出力を変動
させ、前記駆動源の駆動力指令に対して加減算すること
によって実行すると、より効果的に達成される。又、本
発明の上記目的は、位置指令と位置出力の位置偏差を位
置比例器及び速度比例器を通して駆動力指令とし、前記
駆動力指令によって駆動源を駆動して前記位置出力を得
るようになっており、前記位置出力を微分して前記位置
比例器の出力にフィードバックし、前記速度比例器の出
力を積分器で積分して前記速度比例器の出力に加算して
前記駆動力指令とするようになっている位置制御系にお
いて、前記位置指令に応じて前記駆動力指令に加算する
量を制御するすべり摩擦補償器と、前記位置指令の指令
入力エッジを検出して前記積分器の出力を変動させる静
止摩擦補償器とを具備することによって達成される。更
に、本発明の上記目的は、速度指令と速度出力の速度偏
差を速度比例器を通して駆動力指令とし、前記駆動力指
令によって駆動源を駆動して前記速度出力を得るように
なっており、前記速度比例器の出力を積分器で積分して
前記速度比例器の出力に加算して前記駆動力指令とする
ようになっている速度制御系において、前記速度指令に
応じて前記駆動力指令に加算する量を制御するすべり摩
擦補償器と、前記速度指令の指令入力エッジを検出して
前記積分器の出力を変動させる静止摩擦補償器とを具備
することによって達成される。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例を、図１４
に対応させた位置制御系について示しており、摩擦補償
手段として静止摩擦補償器１００及びすべり摩擦補償器
２００が介挿されている。静止摩擦補償器１００は指令
入力エッジ検出器１０１及び積分器１０２を有し、指令
入力エッジ検出器１０１のフラグ出力で積分器１０２の
積分状態を変更するようになっている。

【０００８】指令入力エッジ検出器１０１の動作例は図
２のフローチャートに示すようになっており、先ずサン
プリング間の指令量Ｐ（ｋ）を下記数１に従って検出す
る（ステップＳ１）。

【数１】Ｐ（ｋ）＝ｒ（ｋ）−ｒ（ｋ−１） ｒ（ｋ）：現在の位置指令量 ｒ（ｋ−１）：１サンプリング前の位置指令量 そして、Ｐ（ｋ−１）＝０、つまり１サンプリング前に
位置指令量が“０”か否かを判断し（ステップＳ２）、
“０”の場合には現在の位置指令量Ｐ（ｋ）の正負又は
“０”を判断する（ステップＳ３）。現在の位置指令量
Ｐ（ｋ）が正の場合にはプラス指令フラグをセットして
Ｐ ＦＬＧ＝１とし（ステップＳ４）、現在の位置指令
量Ｐ（ｋ）が負の場合にはマイナス指令フラグをセット
してＭ ＦＬＧ＝１とし（ステップＳ５）、現在の位置
指令量Ｐ（ｋ）が“０”の場合には指令フラグをリセッ
トしてＰ ＦＬＧ＝Ｍ ＦＬＧ＝０とする（ステップＳ
６）。又、上記ステップＳ２において、１サンプリング
前に指令が“０”でないと判断された場合も指令フラグ
をリセットし（ステップＳ６）、上記各フラグのセット
／リセット後に、現在の指令量Ｐ（ｋ）を１サンプリン
グ前の指令量Ｐ（ｋ−１）（初期値は０）とする（ステ
ップＳ７）。

【０００９】上述のような指令入力エッジの検出に対し
て、静止摩擦補償の方法は図３のフローチャートに従っ
て実行される。即ち、先ず指令フラグのチェックを行な
い（ステップＳ１０）、指令フラグリセットの状態でＰ
ＦＬＧ＝Ｍ ＦＬＧ＝０の場合はそのまま終了とな
り、プラス指令フラグがセットされてＰ ＦＬＧ＝１の
場合は、積分器１０２の入出力データを下記数２に従っ
て変更する（ステップＳ１１）。

【数２】Ｕ（ｋ）＝Ｕ（ｋ−１）＝Ｂ Ｙ（ｋ）＝Ｙ（ｋ−１）＝Ｂ Ｕ（ｋ）：現在の積分器入力データ Ｕ（ｋ−１）：１サンプリング前の積分器入力データ Ｙ（ｋ）：現在の積分器入力データ Ｙ（ｋ−１）：１サンプリング前の積分器入力データ Ｂ：静止摩擦の大きさ 又、指令フラグのチェック（ステップＳ１０）において
マイナス指令フラグがセットされてＭ ＦＬＧ＝１の場
合は、積分器１０２の入出力データを下記数３に従って
変更する（ステップＳ１２）。

【数３】Ｕ（ｋ）＝Ｕ（ｋ−１）＝−Ｂ Ｙ（ｋ）＝Ｙ（ｋ−１）＝−Ｂ このように指令入力エッジ検出器１０１ではサンプリン
グ間の位置指令量をＰ（ｋ）とし、１サンプリング前の
データをＰ（ｋ−１）とすると、Ｐ（ｋ−１）＝０でか
つＰ（ｋ）にデータが入力されると指令入力のエッジと
判断してフラグをセットする。このようにしてフラグが
セットされると、指令入力エッジ検出器１０１の出力に
基づいて積分器１０２の入出力データを静止摩擦の大き
さに合せる。即ち、図４（Ａ）に示すようにサンプリン
グ間の位置指令Ｐ（ｋ）が入力されると、時点ｔ１及び
ｔ２に積分器１０２は同図（Ｂ）に示すように、その出
力を静止摩擦Ｂと一致させ幅内に収めるように補償し、
これにより滑らかな駆動ができる。

【００１０】一方、すべり摩擦補償器２００は、サンプ
リング間の位置指令量Ｐ（ｋ）の方向ｓｉｇｎ（Ｐｉ）
と、予め求めていたすべり摩擦の大きさＡとを乗算した
値をトルク指令に加算することによってすべり摩擦の補
償を行なう。図５はすべり摩擦の補償方法の一例に示し
ており、先ずサンプリング間の指令量Ｐ（ｋ）を下記数
４に従って検出する（ステップＳ２０）。

【数４】Ｐ（ｋ）＝ｒ（ｋ）−ｒ（ｋ−１） ｒ（ｋ）：現在の位置指令量 ｒ（ｋ−１）：１サンプリング前の位置指令量 その後に指令量Ｐ（ｋ）の正負又は“０”を判定し（ス
テップＳ２１）、“０”の場合はそのまま終了となる。
そして、指令量Ｐ（ｋ）が正の場合には、トルク指令に
データ“Ａ”を加算し（ステップＳ２２）、指令量Ｐ
（ｋ）が負の場合には、トルク指令にデータ“−Ａ”を
加算、つまりデータ“Ａ”を減算する（ステップＳ２
３）。図６はすべり摩擦の補償の様子を示しており、同
図（Ａ）の位置指令量Ｐ（ｋ）に対して、すべり摩擦補
償器２００は同図（Ｂ）のように正の位置指令量Ｐ
（ｋ）の間は＋Ａを出力し、負の位置指令量Ｐ（ｋ）の
間は−Ａを出力する。これにより、モータが動作中のす
べり摩擦に対して補償を行ない、モータが円滑に回転す
る。ここでは回転モータについて説明しているが、リニ
アモータについても同様に適用できる。リニアモータの
場合には、上記トルク指令は推力指令となる。

【００１１】図７は摩擦補償をしない場合の従来例を示
しており、同図（Ａ）のサンプリング間の指令量に対し
てトルク指令Ｔｉは同図（Ｂ）のように振動する。これ
に対して図８は本発明によるすべり摩擦補償をした例を
示しており、同図（Ａ）のサンプリング間の指令量
（正）に対してすべり摩擦の大きさＡを加えてトルク指
令Ｔｉとしているので、モータ１へのトルク指令Ｔｉは
同図（Ｂ）のようになる。すべり摩擦補償を行なうとト
ルク指令の立ち上りが速くなり、トルク指令の脈動も小
さくなる。

【００１２】静止摩擦補償とすべり摩擦補償を合せて使
用する場合、静止摩擦補償の前記数２及び数３は、それ
ぞれ次の数５及び数６のようにする。

【数５】Ｕ（ｋ）＝Ｕ（ｋ−１）＝Ｂ−Ａ Ｙ（ｋ）＝Ｙ（ｋ−１）＝Ｂ−Ａ Ａ：すべり摩擦の大きさ

【数６】Ｕ（ｋ）＝Ｕ（ｋ−１）＝−（Ｂ−Ａ） Ｙ（ｋ）＝Ｙ（ｋ−１）＝−（Ｂ−Ａ）

【００１３】図９は本発明による速度制御系を図１５に
対応させて示しており、図１の位置制御系の場合と同様
な静止摩擦補償器１１０及びすべり摩擦補償器２１０を
具備している。静止摩擦の補償に対しては、位置制御の
場合に説明した指令入力エッジを位置指令から速度指令
に変更することで可能となり、すべり摩擦の補償に対し
ては、位置制御時の正負判定ｓｉｇｎ（Ｐｉ）をｓｉｇ
ｎ（Ｓｉ）に変更することで可能となる。

【００１４】モータの位置制御方式は上述以外にも種々
あるが、本発明の摩擦補償は有効である。上述以外の制
御としてＰＩＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御等がある。図１０は
ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）制御系における摩擦補償の
例を示しており、図１１はＩ−ＰＤ（比例＋積分＋微
分）制御系における摩擦補償の例を示している。

【００１５】

【発明の効果】本発明による摩擦補償を行なうことによ
り、図１２に示すように速度出力では立上り時の脈動が
なくなり円滑に動き出す。又、位置偏差出力では図１３
に示すように位置指令と相似な出力波形（三角指令）と
なり、同期制御時の軌跡が良くなった。更に、トルク指
令に関しては図８で示したように、静止摩擦補償により
トルク指令が入力されたときにトルク立上りが速く、そ
の後のトルク指令も動作時のすべり摩擦を補償したため
に円滑となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す位置制御系のブロック
線図である。

【図２】本発明に用いる指令入力エッジ検出器の動作例
を示すフローチャートである。

【図３】本発明による静止摩擦の補償方法の一例を示す
フローチャートである。

【図４】本発明による静止摩擦補償の動作を説明するた
めの図である。

【図５】本発明によるすべり摩擦の補償方法の一例を示
すフローチャートである。

【図６】本発明によるすべり摩擦補償の動作を説明する
ための図である。

【図７】摩擦補償なしの場合の指令量とトルク指令との
関係を示す図である。

【図８】本発明によるすべり摩擦をした場合の指令量と
トルク指令との関係を示す図である。

【図９】本発明の第２実施例を示す速度制御系のブロッ
ク線図である。

【図１０】本発明の第３実施例を示すＰＩＤ制御系のブ
ロック線図である。

【図１１】本発明の第４実施例を示すＩＰＤ制御系のブ
ロック線図である。

【図１２】本発明の効果を示す図である。

【図１３】本発明の効果を示す図である。

【図１４】一般的な位置制御系を示すブロック線図であ
る。

【図１５】一般的な速度制御系を示すブロック線図であ
る。

【図１６】速度と摩擦の関係を示す図である。

【符号の説明】

１，２ モータ １０ 位置制御器 ２０ 速度制御器 １００ 静止摩擦補償器 ２００ すべり摩擦補償器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動源の駆動によって位置又は速度をフ
   ィードバック制御する際、制御系の摩擦を考慮した補償
   を行なうことを特徴とする摩擦補償型制御方法。
2. 【請求項２】 前記摩擦を静止摩擦及びすべり摩擦に分
   け、それぞれについて補償を行なう請求項１に記載の摩
   擦補償型制御方法。
3. 【請求項３】 前記すべり摩擦の補償を、前記制御系の
   指令量の正負に応じて前記静止摩擦の大きさを前記駆動
   源の駆動力指令に対して加減算することによって実行す
   る請求項２に記載の摩擦補償型制御方法。
4. 【請求項４】 前記静止摩擦の補償を、前記制御系の指
   令入力のエッジ検出に基づいて積分器出力を変動させ、
   前記駆動源の駆動力指令に対して加減算することによっ
   て実行する請求項２に記載の摩擦補償型制御方法。
5. 【請求項５】 位置指令と位置出力の位置偏差を位置比
   例器及び速度比例器を通して駆動力指令とし、前記駆動
   力指令によって駆動源を駆動して前記位置出力を得るよ
   うになっており、前記位置出力を微分して前記位置比例
   器の出力にフィードバックし、前記速度比例器の出力を
   積分器で積分して前記速度比例器の出力に加算して前記
   駆動力指令とするようになっている位置制御系におい
   て、前記位置指令に応じて前記駆動力指令に加算する量
   を制御するすべり摩擦補償器と、前記位置指令の指令入
   力エッジを検出して前記積分器の出力を変動させる静止
   摩擦補償器とを具備したことを特徴とする摩擦補償型制
   御装置。
6. 【請求項６】 速度指令と速度出力の速度偏差を速度比
   例器を通して駆動力指令とし、前記駆動力指令によって
   駆動源を駆動して前記速度出力を得るようになってお
   り、前記速度比例器の出力を積分器で積分して前記速度
   比例器の出力に加算して前記駆動力指令とするようにな
   っている速度制御系において、前記速度指令に応じて前
   記駆動力指令に加算する量を制御するすべり摩擦補償器
   と、前記速度指令の指令入力エッジを検出して前記積分
   器の出力を変動させる静止摩擦補償器とを具備したこと
   を特徴とする摩擦補償型制御装置。