JPH10275003A - ２慣性共振系を制御する方法及びその装置 - Google Patents
２慣性共振系を制御する方法及びその装置Info
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- JPH10275003A JPH10275003A JP10078095A JP7809598A JPH10275003A JP H10275003 A JPH10275003 A JP H10275003A JP 10078095 A JP10078095 A JP 10078095A JP 7809598 A JP7809598 A JP 7809598A JP H10275003 A JPH10275003 A JP H10275003A
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- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D19/00—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase
- G05D19/02—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase characterised by the use of electric means
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 駆動手段及び負荷が柔軟性と強性を有する軸
に連結された２慣性共振系での振動を抑制する。 【解決手段】 駆動手段のトルクと位置をそれぞれ検出
して負荷側の速度及び外乱トルクを推定し、該推定され
た負荷側の速度と外乱トルクにより負荷の加速度を推定
し、且つ負荷の基準速度と推定された負荷側の速度との
差を用いてＰＩ制御して２慣性共振系を振動なしに安定
に制御する。
に連結された２慣性共振系での振動を抑制する。 【解決手段】 駆動手段のトルクと位置をそれぞれ検出
して負荷側の速度及び外乱トルクを推定し、該推定され
た負荷側の速度と外乱トルクにより負荷の加速度を推定
し、且つ負荷の基準速度と推定された負荷側の速度との
差を用いてＰＩ制御して２慣性共振系を振動なしに安定
に制御する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２慣性共振系を制
御する方法及びその装置に係るもので、特に状態観測器
を用いて２慣性共振系の振動を抑制する方法及びその装
置に関する。
御する方法及びその装置に係るもので、特に状態観測器
を用いて２慣性共振系の振動を抑制する方法及びその装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２に示したように、二つの慣性モーメ
ント、即ちモータと負荷が柔軟性（spring）と強性を有
する軸に連結された２慣性共振系はロボットの柔軟関
節、フレキシブルアーム、及び宇宙構造物などで第１近
似モデルとして相当に重要である。この図において、θ
はモータ軸の位置、ωはモータ軸の速度、θLは負荷の
位置、ωLは負荷の速度、そしてＴeはモータのトルクを
示している。
ント、即ちモータと負荷が柔軟性（spring）と強性を有
する軸に連結された２慣性共振系はロボットの柔軟関
節、フレキシブルアーム、及び宇宙構造物などで第１近
似モデルとして相当に重要である。この図において、θ
はモータ軸の位置、ωはモータ軸の速度、θLは負荷の
位置、ωLは負荷の速度、そしてＴeはモータのトルクを
示している。
【０００３】前記２慣性共振系の動的モデルは図３に示
したようである。ここで、モータの位置と実際負荷の位
置との差により発生されるねじりトルク（Torsional To
rque：ＴT）がモータ側に負荷トルクとして作用し、モ
ータの電気的な発生トルク（ｕ）とねじりトルク
（ＴT）との差がモータの実際回転速度（ω）を決定す
る。又、前記ねじりトルク（ＴT）は負荷側に負荷トル
クとして作用するため、ねじりトルク（ＴT）が外部か
ら印加する外乱トルク（ＴL）に加算されて実際負荷速
度（ωL）が決定される。
したようである。ここで、モータの位置と実際負荷の位
置との差により発生されるねじりトルク（Torsional To
rque：ＴT）がモータ側に負荷トルクとして作用し、モ
ータの電気的な発生トルク（ｕ）とねじりトルク
（ＴT）との差がモータの実際回転速度（ω）を決定す
る。又、前記ねじりトルク（ＴT）は負荷側に負荷トル
クとして作用するため、ねじりトルク（ＴT）が外部か
ら印加する外乱トルク（ＴL）に加算されて実際負荷速
度（ωL）が決定される。
【０００４】このような２慣性系はモータと実際の負荷
が柔軟性と強性を有する軸に連結されるに従い急激な加
速及び減速をする場合、モータの位置及び速度と、実際
負荷の位置及び速度が相互異なるようになる。それで、
通常の方法によりモータの駆動速度を制御すると、シス
テムの安定性が低下し、振動が発生する。
が柔軟性と強性を有する軸に連結されるに従い急激な加
速及び減速をする場合、モータの位置及び速度と、実際
負荷の位置及び速度が相互異なるようになる。それで、
通常の方法によりモータの駆動速度を制御すると、シス
テムの安定性が低下し、振動が発生する。
【０００５】図４は、ＰＩ（Proportional Integral）
制御器を使用した従来２慣性共振系の制御システムを示
した図である。ここで、符号２０は前記図３においてモ
デリングされた２慣性共振系で、符号１０はＰＩ制御器
である。前記ＰＩ制御器１０に帰還される速度は制御対
象の実際負荷側の速度（ωL）でなく、センサにより検
出されたモータ側の速度（ω）である場合が大部分であ
る。
制御器を使用した従来２慣性共振系の制御システムを示
した図である。ここで、符号２０は前記図３においてモ
デリングされた２慣性共振系で、符号１０はＰＩ制御器
である。前記ＰＩ制御器１０に帰還される速度は制御対
象の実際負荷側の速度（ωL）でなく、センサにより検
出されたモータ側の速度（ω）である場合が大部分であ
る。
【０００６】即ち、従来ＰＩ制御器１０は、モータ側に
付着されたセンサにより検出されたモータの速度（ω）
が帰還されて負荷側の基準速度（ω*）との誤差が演算
され、該演算された誤差はＰＩ制御器１０を通過して誤
差に比例する成分ＫPと誤差の積分に比例する成分ＫIと
の和が演算される。該演算されたＰＩ制御器１０の出力
はモータが発生するトルク命令として入力される。
付着されたセンサにより検出されたモータの速度（ω）
が帰還されて負荷側の基準速度（ω*）との誤差が演算
され、該演算された誤差はＰＩ制御器１０を通過して誤
差に比例する成分ＫPと誤差の積分に比例する成分ＫIと
の和が演算される。該演算されたＰＩ制御器１０の出力
はモータが発生するトルク命令として入力される。
【０００７】前記モータがトルク命令に該当するトルク
（ｕ）を発生すると、負荷側の実際速度（ωL）とモー
タの速度（ω）が図３に示した２慣性共振系のダイナミ
ックスにより決定され、再びモータの速度（ω）はセン
サにより検出されて負荷側の基準速度（ω*）との誤差
演算のため帰還される。
（ｕ）を発生すると、負荷側の実際速度（ωL）とモー
タの速度（ω）が図３に示した２慣性共振系のダイナミ
ックスにより決定され、再びモータの速度（ω）はセン
サにより検出されて負荷側の基準速度（ω*）との誤差
演算のため帰還される。
【０００８】このような従来の制御方式においてＰＩ制
御器１０に帰還される速度が制御対象の実際負荷側の速
度でなく、駆動部のモータ側に付着されたセンサにより
検出されたモータの速度である。
御器１０に帰還される速度が制御対象の実際負荷側の速
度でなく、駆動部のモータ側に付着されたセンサにより
検出されたモータの速度である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従って、モータと実際
負荷が柔軟性と強性を有する軸に連結されるに従い急激
な加速及び減速をする場合、モータの位置及び速度と、
実際負荷の位置及び速度との差が発生し、該発生された
差によりねじりトルクがモータに負荷トルクとして作用
して振動が発生することにより、システムが不安定にな
るという問題点があった。
負荷が柔軟性と強性を有する軸に連結されるに従い急激
な加速及び減速をする場合、モータの位置及び速度と、
実際負荷の位置及び速度との差が発生し、該発生された
差によりねじりトルクがモータに負荷トルクとして作用
して振動が発生することにより、システムが不安定にな
るという問題点があった。
【００１０】本発明の目的は、上述のようにＰＩ制御器
のみを用いた２慣性共振系の制御に際して、振動発生に
よりシステム性能が低下される問題点を解決するため、
状態観測器を通じて負荷側速度及び外乱トルクを推定
し、該推定された負荷側情報により振動発生を抑制させ
得る２慣性共振系の振動抑制方法及びその装置を提供し
ようとするものである。
のみを用いた２慣性共振系の制御に際して、振動発生に
よりシステム性能が低下される問題点を解決するため、
状態観測器を通じて負荷側速度及び外乱トルクを推定
し、該推定された負荷側情報により振動発生を抑制させ
得る２慣性共振系の振動抑制方法及びその装置を提供し
ようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため本発明は、駆動手段のトルクと位置をそれぞれ検
出して負荷側の速度及び外乱トルクを推定し、該推定さ
れた負荷側の速度と外乱トルクにより負荷の加速度を推
定し、且つ負荷の基準速度と推定された負荷側の速度と
の差を用いてＰＩ制御して２慣性共振系を振動なしに安
定に制御するものであって、その振動制御方法は、駆動
手段の電気的な発生トルク及び位置をそれぞれ検出して
負荷側の速度及び外乱トルクを推定する推定段階と、前
記負荷側の速度及び外乱トルク推定段階で推定された負
荷側速度及び外乱トルク情報により負荷の加速度を推定
し該推定された駆動手段の速度と負荷基準速度との差を
用いてＰＩ制御するＰＩ制御段階と、前記負荷の加速度
推定及びＰＩ制御段階で推定された負荷加速度とＰＩ制
御された負荷基準速度との差を用いて前記駆動手段を制
御する制御段階と、からなり、振動抑制装置は、駆動手
段及び負荷が柔軟性と強性を有する軸に連結された２慣
性共振系と、前記駆動手段のトルクと駆動手段の位置を
検出して負荷側の速度及び外乱トルクを推定する状態観
測器と、該状態観測器を通じて推定された負荷側の速度
と外乱トルクにより負荷の加速度を推定する負荷加速度
推定器と、負荷基準速度と推定された負荷側の速度との
差をＰＩ制御するＰＩ制御器と、を具備することを特徴
とする。
るため本発明は、駆動手段のトルクと位置をそれぞれ検
出して負荷側の速度及び外乱トルクを推定し、該推定さ
れた負荷側の速度と外乱トルクにより負荷の加速度を推
定し、且つ負荷の基準速度と推定された負荷側の速度と
の差を用いてＰＩ制御して２慣性共振系を振動なしに安
定に制御するものであって、その振動制御方法は、駆動
手段の電気的な発生トルク及び位置をそれぞれ検出して
負荷側の速度及び外乱トルクを推定する推定段階と、前
記負荷側の速度及び外乱トルク推定段階で推定された負
荷側速度及び外乱トルク情報により負荷の加速度を推定
し該推定された駆動手段の速度と負荷基準速度との差を
用いてＰＩ制御するＰＩ制御段階と、前記負荷の加速度
推定及びＰＩ制御段階で推定された負荷加速度とＰＩ制
御された負荷基準速度との差を用いて前記駆動手段を制
御する制御段階と、からなり、振動抑制装置は、駆動手
段及び負荷が柔軟性と強性を有する軸に連結された２慣
性共振系と、前記駆動手段のトルクと駆動手段の位置を
検出して負荷側の速度及び外乱トルクを推定する状態観
測器と、該状態観測器を通じて推定された負荷側の速度
と外乱トルクにより負荷の加速度を推定する負荷加速度
推定器と、負荷基準速度と推定された負荷側の速度との
差をＰＩ制御するＰＩ制御器と、を具備することを特徴
とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は、本発明に係る振動抑制装置が具備された
２慣性共振系の動的モデルを示した図である。ここで、
符号１１０は二つの慣性モーメントが柔軟性と強性を有
する軸に連結された２慣性共振系、符号１２０はモータ
のトルク（ｕ）と位置を検出して負荷側の速度（ωL）
及び外乱トルク（ＴL）を推定する状態観測器、符号１
３０は前記状態観測器１２０を通じて推定された外乱ト
ルクと推定されたねじりトルクにより負荷の加速度を推
定する負荷加速度推定器、符号１４０は負荷の基準速度
（ω*）と負荷の推定された速度（ωL）との差によりＰ
Ｉ制御するＰＩ制御器をそれぞれ示す。
する。図１は、本発明に係る振動抑制装置が具備された
２慣性共振系の動的モデルを示した図である。ここで、
符号１１０は二つの慣性モーメントが柔軟性と強性を有
する軸に連結された２慣性共振系、符号１２０はモータ
のトルク（ｕ）と位置を検出して負荷側の速度（ωL）
及び外乱トルク（ＴL）を推定する状態観測器、符号１
３０は前記状態観測器１２０を通じて推定された外乱ト
ルクと推定されたねじりトルクにより負荷の加速度を推
定する負荷加速度推定器、符号１４０は負荷の基準速度
（ω*）と負荷の推定された速度（ωL）との差によりＰ
Ｉ制御するＰＩ制御器をそれぞれ示す。
【００１３】このような発明は２慣性共振系１１０の外
乱トルク（ＴL）が時間に対し一定で、負荷速度
（ωL）、外乱トルク（ＴL）、モータ速度（ω）、及び
ねじりトルク（ＴT）を状態変数に取り、モータの発生
トルク（Ｔe）を入力とし、モータ速度（ω）を検出の
可能な出力として仮定すると、２慣性共振系は数１のよ
うな状態方程式に示すことができる。
乱トルク（ＴL）が時間に対し一定で、負荷速度
（ωL）、外乱トルク（ＴL）、モータ速度（ω）、及び
ねじりトルク（ＴT）を状態変数に取り、モータの発生
トルク（Ｔe）を入力とし、モータ速度（ω）を検出の
可能な出力として仮定すると、２慣性共振系は数１のよ
うな状態方程式に示すことができる。
【００１４】
【数１】
【００１５】前記数１の常数及び変数は数２のようであ
る。
る。
【００１６】
【数２】 前記数２でＪはモータ慣性モーメントを示し、ＪLは負
荷慣性モーメントを示し、Ｋは強性（stiffness）係数
を示す。
荷慣性モーメントを示し、Ｋは強性（stiffness）係数
を示す。
【００１７】上述の２慣性共振系１１０の状態方程式で
本発明に従う全次元観測器（Full order observer）を
包含した状態方程式は次の数３のようである。
本発明に従う全次元観測器（Full order observer）を
包含した状態方程式は次の数３のようである。
【００１８】
【数３】
【００１９】数３でｘ＾・（”ｘ”の上に”＾”を、さ
らにその上に”・”をつけた記号を表すものとする）は
推定状態で、Ｌは観測者利得行列であって、ｘ＾・及び
Ｌは数４のように定義することができる。
らにその上に”・”をつけた記号を表すものとする）は
推定状態で、Ｌは観測者利得行列であって、ｘ＾・及び
Ｌは数４のように定義することができる。
【００２０】
【数４】
【００２１】前記数４の定義下で数２及び数３を用いて
数４を数５のように示すことができる（ここで、ＢLは
非常に小さい値であるから無視する。）
数４を数５のように示すことができる（ここで、ＢLは
非常に小さい値であるから無視する。）
【００２２】
【数５】
【００２３】前記数４において観測者利得行列Ｌの設定
方法を説明する。まず、行列Ａ−ＬＣTの特性多項式△
（ｓ）は数６のように求めることができる。
方法を説明する。まず、行列Ａ−ＬＣTの特性多項式△
（ｓ）は数６のように求めることができる。
【００２４】
【数６】
【００２５】ここで、特性多項式△（ｓ）が４重根ｓ＝
−λ及びλ＞０を有するように観測者利得を設定する。
すると、次の数７の関係が満足されるべきである。
−λ及びλ＞０を有するように観測者利得を設定する。
すると、次の数７の関係が満足されるべきである。
【００２６】
【数７】
【００２７】
【数８】
【００２８】前記数５で演算されたねじりトルク推定値
ＴT＾（”ＴT”の上に”＾”をつけた記号を表すものと
する）及び外乱トルク推定値ＴL＾（”ＴL”の上に”
＾”をつけた記号を表すものとする）と前記数１を用い
て負荷加速度推定値ωL＾・・（”ω”の上に”＾”を、
さらにその上に”・・”をつけた記号を表すものとする）
を求めると、数９のようである。
ＴT＾（”ＴT”の上に”＾”をつけた記号を表すものと
する）及び外乱トルク推定値ＴL＾（”ＴL”の上に”
＾”をつけた記号を表すものとする）と前記数１を用い
て負荷加速度推定値ωL＾・・（”ω”の上に”＾”を、
さらにその上に”・・”をつけた記号を表すものとする）
を求めると、数９のようである。
【００２９】
【数９】
【００３０】前記数５及び数９から演算された負荷速度
推定値ωL＾（”ωL”の上に”＾”をつけた記号を表す
ものとする）と負荷加速度推定値ωL＾・・（”ω”の上
に”＾”を、さらにその上に”・・”をつけた記号を表す
ものとする）を用いて２慣性共振系の振動を減らす本発
明の制御器は既存のＰＩ制御器と、負荷加速度微分値帰
還分と、観測速度の帰還分とが結合された形態として次
の数１０に与えられる。
推定値ωL＾（”ωL”の上に”＾”をつけた記号を表す
ものとする）と負荷加速度推定値ωL＾・・（”ω”の上
に”＾”を、さらにその上に”・・”をつけた記号を表す
ものとする）を用いて２慣性共振系の振動を減らす本発
明の制御器は既存のＰＩ制御器と、負荷加速度微分値帰
還分と、観測速度の帰還分とが結合された形態として次
の数１０に与えられる。
【００３１】
【数１０】 ここで、ＫP、ＫI、ＫLはそれぞれ速度比例利得、積分
利得、及び負荷加速度微分値帰還利得を示す。
利得、及び負荷加速度微分値帰還利得を示す。
【００３２】前記数１０で実際計算速度帰還分に比べ観
測速度帰還分は速度計算上の誤差による高周波振動を減
衰させる役割をし、−ＫLωL＾・・（”ω”の上に”＾”
を、さらにその上に”・・”をつけた記号を表すものとす
る）は外乱トルクに起因する振動現象、及びモータ位置
と負荷位置間の差によりモータに印加されるねじりトル
クに起因する振動現象を減らす役割をする。
測速度帰還分は速度計算上の誤差による高周波振動を減
衰させる役割をし、−ＫLωL＾・・（”ω”の上に”＾”
を、さらにその上に”・・”をつけた記号を表すものとす
る）は外乱トルクに起因する振動現象、及びモータ位置
と負荷位置間の差によりモータに印加されるねじりトル
クに起因する振動現象を減らす役割をする。
【００３３】結局、２慣性共振系の振動を減らすための
制御器は数５、数８、数９、及び数１０に与えられる。
制御器は数５、数８、数９、及び数１０に与えられる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、観測者理
論を用いて負荷側の速度及び外乱トルクを推定し、該推
定された負荷側の情報を用いて２慣性共振系を振動なし
に安定に制御できるから、各種産業用電気機器に適用す
るとき最も安定な性能を有することができるという効果
がある。
論を用いて負荷側の速度及び外乱トルクを推定し、該推
定された負荷側の情報を用いて２慣性共振系を振動なし
に安定に制御できるから、各種産業用電気機器に適用す
るとき最も安定な性能を有することができるという効果
がある。
【図１】 本発明によるＰＩ制御器を用いた２慣性共振
系の動的モデルを示した図である。
系の動的モデルを示した図である。
【図２】 一般の２慣性共振系を示した図である。
【図３】 図２に示した２慣性共振系の動的モデルを示
した図である。
した図である。
【図４】 従来ＰＩ制御器を用いた２慣性共振系の動的
モデルを示した図である。
モデルを示した図である。
１１０ ２慣性共振系 １２０ 状態観測器 １３０ 負荷加速度推定器 １４０ ＰＩ制御器 整理番号 Ｆ０４９９６Ａ１
Claims (2)
- 【請求項１】 駆動手段の電気的な発生トルク及び位置
をそれぞれ検出して負荷側の速度及び外乱トルクを推定
する推定段階と、 前記推定段階で推定された負荷側速度及び外乱トルク情
報により負荷の加速度を推定し該推定された負荷側の速
度と負荷基準速度との差を用いてＰＩ制御するＰＩ制御
段階と、 前記推定段階及びＰＩ制御段階で推定された負荷加速度
とＰＩ制御された負荷基準速度との差を用いて前記駆動
手段を制御する制御段階と、からなることを特徴とする
２慣性共振系の振動抑制方法。 - 【請求項２】 駆動手段及び負荷が柔軟性と強性（stif
fness）を有する軸に連結された２慣性共振系と、 前記駆動手段のトルクと駆動手段の位置を検出して負荷
側の速度及び外乱トルクを推定する状態観測器と、 該状態観測器を通じて推定された負荷側の速度と外乱ト
ルクにより負荷の加速度を推定する負荷加速度推定器
と、 負荷基準速度と推定された負荷側の速度との差をＰＩ制
御するＰＩ制御器と、を具備することを特徴とする２慣
性共振系の振動抑制装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019970010313A KR100237306B1 (ko) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 2관성 공진계의 진동 억제방법 및 장치 |
| KR199710313 | 1997-03-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10275003A true JPH10275003A (ja) | 1998-10-13 |
Family
ID=19500693
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10078095A Pending JPH10275003A (ja) | 1997-03-25 | 1998-03-25 | ２慣性共振系を制御する方法及びその装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5959422A (ja) |
| JP (1) | JPH10275003A (ja) |
| KR (1) | KR100237306B1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6876168B1 (en) * | 1999-05-20 | 2005-04-05 | National University Of Singapore | Disturbance attenuation in a precision servomechanism by a frequency-separated acceleration soft sensor |
| CN112405554A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-02-26 | 上海傅利叶智能科技有限公司 | 用于机器人低刚度运动控制的方法、装置和康复机器人 |
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