JPS62207187A - サ−ボモ−タの駆動方式 - Google Patents

サ−ボモ−タの駆動方式

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JPS62207187A
JPS62207187A JP61049425A JP4942586A JPS62207187A JP S62207187 A JPS62207187 A JP S62207187A JP 61049425 A JP61049425 A JP 61049425A JP 4942586 A JP4942586 A JP 4942586A JP S62207187 A JPS62207187 A JP S62207187A
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JP
Japan
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torque
elastic
motor
load
elastic displacement
Prior art date
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Pending
Application number
JP61049425A
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English (en)
Inventor
Shigeru Futami
茂 二見
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Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、サーボモータの駆動方式に関する。
〔従来の技術〕
サーボモータの駆動方式としては、モータの電流、速度
、モータ又は負荷の位置をフィードバンク量としたフィ
ードバック系として構成すること・が通常である。
第11図に示すブロック図は、従来のサーボモータの制
御系の一例である。
図において、1は位置ループ制御器で゛あり、位置指令
rと位置検出器6によって検出されたモータ5の位置x
との偏差に基づいて速度指令vrを出力する0次の速度
ループ制御器2では、この速度指令v、と速度検出器8
によって検出されたモータ5の速度Vとの偏差に基づい
て電流指令Jrを出力する。電流ループ制御器3では、
電流指令り、と電流検出器7によって検出されたモータ
5の電硫4との偏差に応じてモータ5のドライブ用パワ
ーアンプ4に電力供給指令を与えてモータ5を駆動する
そして、このサーボ系では、電流ループ制御器3により
J、=J、、となるように、速度ループ制御器2により
v=v、となるように、そして位置ループ制御器1によ
りx=rとなるようにそれぞれ制御動作が行われる。
この第1I図に示す従来のサーボ系の問題点は、モータ
5とこれに結合される負荷(図示せず)を実際に駆動し
ているトルクあるいは力の代わりに、モータ5に流れる
電流を検出してフィードバックループを構成していると
ころにある。そのため、いかに電流を完全に制御したと
しても、モータ5のトルクリップル、モータ5のコギン
グトルク、モータに作用する摩擦等が、負荷の駆動に対
して外乱として作用し、負荷の制御を精度よく行うこと
はできない。
ところで、負荷に作用するトルクあるいは力を検出する
検出器が、従来から使用されている。しかし、このよう
な検出器を用いるとモータと負荷との間の結合が弾性的
になり、機構的に低周波数の振動を発生することになる
。そのため、高応答性を要求されるサーボ系にはこのよ
うな検出器を用いることは不適当とされていた。
この問題を解決するものとして、浅田博士らにより、モ
ータと負荷との間の結合を低い弾性にしても機構的にも
高い応答周波数を持つシステムとするような設計条件が
示され、ダイレクトドライブロボットのトルク制御への
応用が提案されている。
例えば、rll、AsADA et、 at、: Jo
int TorqueMeasurea+ent of
 Direct−Drive Arm、 23rd C
onf。
Dicision Control、 pp1332〜
1337. Dec、(1984)J 。
rH,八5ADA  &  H,YAM^MOTO: 
 Torque     Feedback  Con
trol of MIT Direct  −Driv
e Robot; Proc、 of14th Int
ernational Symposium on I
ndustrialRobots、 p、663. (
1984) jあるいは「奥田宏央;ロボット用ダイレ
クト・ドライブアクチュエータ。
「システムと制御」νo1.29. Fk 8  pp
503〜512(1985) J等の文献において、前
記の提案がなされている。
この提案を簡単に紹介する。考察するシステムは第12
図に示すものである。ここで、Jl :モータイナーシ
ャ Jll:アームイナーシャ θ、:モータ回転角 θ、:アーム回転角 τ:駆動トルク に:バネ定数 である。この系の運動方程式は1 、+、j+k(θ、−θ、)−τ (11J、i + 
k (θ1−θ、)=Of21ここで、θ=01−θ1
とすると、+11式及び(2)式より、 J、    J、        J。
さらに、 とおけば、 11         kl となる。
pをパラメータとし、ω7をプロットしたのが第13図
である。この図から分かるように、p=。
あるいはpalではω、−GOOとなる。つまり、この
ような条件下では機構的な固有振動数を高くしたまま、
軟らかいバネ系を用いてトルク検出を行うことができる
ことになる。
以上述べた原理をリニアモータ系に適用したときのモデ
ルを第14図に示す。
M、 ←−→ Jr、Mt  ←−→ JIl 、x、
  ←−→ θ1゜Xノ ←→θ1.「←→τ、に←→
に なる置き換えをすれば、リニアモータ系と回転系とは全
く同様な関係となる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上記の提案においては、上記原理をダイ
レクトドライブロボットのトルク制御に用いる例のみが
提示されており、サーボ系全体の構成をどのようにする
かは明確にされていない。
さらに、トルクあるいは力検出の固有振動数は高くなる
ように設計できるが、−mにこの系のダンピングは悪い
。したがって、このままの検出量を用いて高ゲインのサ
ーボ系を構成しようとすると、固有振動数f1(=ω1
/2π)のところで発振をしてしまう系となり、現実の
使用には耐えない。
本発明は、上記の提案に示されているトルク検出法ある
いは第14図に示す力検出法を用いたサー・ボ系の構成
を明らかにし、さらに、トルクあるいは力検出の固有振
動モードに対して適切な減衰を与える制御法を提案する
ことにより、従来より高応答、高精度のサーボ系を実現
することを目的とする。
c問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本発明は、トルク発生部又は
力発生部と駆動負荷とを弾性系により結合し、この弾性
系の弾性変位量に基づいて前記駆動負荷の駆動トルク又
は力を検出するサーボ系において、 前記弾性変位量を駆動トルク又は力制御ループのネガテ
ィブフィードバック量とするとともに、駆動負荷の位置
及び速度をそれぞれ位置制御ループ及び速度制御ループ
のネガティブフィードバンク量とし、 さらに、中心周波数f、lのバンドパスフィルタ及び折
点周波数がr+、rz (ft<fn <fz)なる位
相進み回路に前記弾性変位量を通して位相補償し、この
信号をトルク又は力の指令値に加算することにより弾性
変位の共振モードに対して安定化を図ることを特徴とす
る。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
第1図は本発明のサーボ系のブロック線図を示すもので
ある。これは、第12図に示した回転系に適用したもの
である。符号の1〜5は第11図の要素と同じであり、
説明を省略する。第1図において9はモータ5と負荷l
Oとを結合する弾性体である。負荷10の回転速度及び
回転角度は、それぞれ回転速度検出器11及び回転角検
出器12によって検出される。
第11図の従来のサーボ系の構成と異なる点は、第1に
負荷10の回転角をフィードバックしていること、第2
に負荷10の回転速度をフィードバックしていること、
第3に弾性変位量検出器13及び増幅器14により、負
荷10を駆動するトルクを直接的に計測しトルク制御に
フィードバックしていること、そして第4に弾性変位量
(oc)ルク)をバンドパスフィルタ15と位相進み回
路16に通し、トルク指令値に加算して弾性変位の共振
モードに対して安定化を図っていることである。ただし
、バンドパスフィルタ15の中心周波数f7は弾性変位
の固有振動数に等しく、位相進み回路16の折点周波数
f、、f、はf、<f、 〈ftとする。
以下、第1図の構成により、従来のものに対して高応答
、高精度のサーボ系が実現されることを説明する。
本発明では、弾性変位量検出器13によって弾性変位量
(θ1−θ、、)を直接計測する。(2)式で表される
ように、この弾性変位量は、負荷10を駆動するトルク
に比例する。そこで、第1図に示すように電流ループ制
御器3.パワーアンプ4.モータ5、弾性変位量検出器
13及び増幅器14により、トルクのフィードバックル
ープを構成する。このループの応答速度は速度ループや
位置ループよりも十分に速くすることができ、τ、=τ
と考えてもよい。このとき、第1図に示す系は第2図の
ようになる。この系は負荷の位置を制御するための理想
的な系である。つまり、第11図に示したような従来の
サーボ系では、駆動トルクの代わりに計測し易いモータ
電流により制御ループを組んでいる。
そのために、モータの特性変動、トルクリップル。
コギングトルク、モータ系の摩擦等の外乱要因が存在し
た。この点、第2図の系によるとき、駆動トルクそのも
ので制御が行われるため、このような外乱要因を排除す
ることができる。したがって、従来より高応答かつ高精
度のサーボ系を構成することができる。
トルクループの応答性を劣化させる要因として、モータ
の電気的時定数と弾性変位の検出の動特性とがある。電
気的時定数による遅れの改善には、第11図の従来のサ
ーボ系でも用いていた電流フィードバックをトルクルー
プの内側に設けることがを効である。このときのブロッ
ク線図を第3図に示す。
弾性変位の動特性についてまず第一に大切なことは、(
5)式で表される弾性変位の機構の応答周波数r、、=
ω7/2πを大きな値に設定することである。
この条件は(4)式中のpをpsQあるいはp′qlに
設定することである。これは、モータイナーシャと負荷
イナーシャの比を大きな値に設定することであり、この
条件は機構設計上で配慮されることである。さらに(3
)式を書き直すと、j十ωlθ=−τ/ J 、   
    +61となる。この系は本質的には減衰のない
系である。
実際には弾性変位に対応した摩擦エネルギーの消費があ
るので、減衰は少しは存在するが、その場合にも非常に
減衰性の悪い系となる。このため、ω7を大きな値に設
定しても、トルクフィードバックループがflの共振モ
ードで発振することが予想される。この発振を防止する
には、(6)式の系の減衰を高めることが有効である。
これは(6)式の共振周波数の近傍のみで行えばよい。
このような機能を実現したのが第1図のバンドパスフィ
ルタ15及び位相進み回路16で表されるループである
バンドパスフィルタ15の特性を第4図に示す。その中
心周波数はf7て、ピークゲインはG、である0位相進
み回路16の特性を第5図に示す。切点周波数はfl、
rzで、r+ くfn <ft なるta定をする。バ
ンドパスフィルタ15により、rnの近傍の周波数成分
のみの弾性変位量の信号が得られる。位相進み回路16
のfnの近傍の周波数での特性は第5図より分かるよう
に、微分特性である。
したがって、第1図のフィードバック量Wはf7の近傍
のみで有効となる信号で、その特性は、W !g + 
11)           (71となる。第1図に
おけるWの加算により、Wに比例したトルクが発生され
るので、(6)式は、σ+gzO+ωJθ= O[81 となる。Wの加算による効果は第2項目の減衰項であり
、(8)式は減衰のある二次振動系となる。この減衰作
用により、共振周波数「。での発振が抑制される。
Wの加算点は、第6図に示すように、電流ループ制御器
3とパワーアンプ4の中間点でもよい。
弾性変位の計測は、第7図に示すように負荷に直結した
位置検出器PG2の出力θ1とモータに直結した位置検
出器PCIの出力θ1との差を直・接計測するようにし
てもよい。
第4図及び第5図に示す特性を有する回路の例を第8図
及び第9図に示す。第8図の回路構成による伝達関数は
、次のようになる。
V+/V!−(Hω6s/Q)/(s”+ωos/Q+
a+o”)Rx  C+   Rz     Rgまた
、第9図の回路の伝達関数は、 V +/ V z = <1ts(LCss + 1)
/114(RsC*s + 1) 1となる。
なお、第1図の速度検出器11の代わりに、位置の信号
を時間微分することによって速度を検出してもよい。
第14図に示したりニアモータ系に対して適用した本発
明のブロック図を第10図に示す。図において5゛は界
磁、5”は力発生部、17.18はリニアスケールであ
る。また19は速度検出回路である。その動作について
は回転系と同様であるので説明を省略する。
〔発明の効果〕
以上に述べたように、本発明においては、駆動トルク発
生部又は力発生部と駆動負荷とを弾性系により結合し、
この弾性系の弾性変位量により駆動トルク又は力を検出
し、この検出値に位相補償をしてトルク又は力制御ルー
プにネガティブフィードバックするようにしたことによ
り、高い応答周波数を有するトルク制御を行うことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の構成を示すブロック図、第2図は第1
図の基本的ブロック図、第3図はフィードバック個所の
他の例を示すブロック図、第4図はバンドパスフィルタ
の周波数特性図、第5図は位相進み回路の周波数特性図
、第6図及び第7図はそれぞれフィードバック個所の他
の例を示すブロック図、第8図及び第9図はそれぞれバ
ンドパスフィルタ及び位相進み回路の構成例を示す回路
図、第10図はりニアモータ系に本発明を適用した例を
示すブロック図、第11図は従来のサーボ系のブロック
図、第12図はストレインゲージを用いた関節トルクセ
ンサの例を示す説明図、第13図は慣性分割比と固を振
動数の関係を表すグラフ、第14図はりニアモータ系の
概略構成のブロック図である。 l:位置ループ制御器 2:速度ループ制御器3:電流
ループ制御器 4:パワーアンプ5:モータ 9:弾性体      10:負荷 11:回転速度検出器  12:回転角検出器13:弾
性変位量検出器 14:増幅器15;バンドパスフィル
タ 16:位相進み回路

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、トルク発生部又は力発生部と駆動負荷とを弾性系に
    より結合し、この弾性系の弾性変位量に基づいて前記駆
    動負荷の駆動トルク又は力を検出するサーボ系において
    、 前記弾性変位量を駆動トルク又は力制御ループのネガテ
    ィブフィードバック量とするとともに、駆動負荷の位置
    及び速度をそれぞれ位置制御ループ及び速度制御ループ
    のネガティブフィードバック量とし、 さらに、中心周波数f_nのバンドパスフィルタ及び折
    点周波数がf_1、f_2(f_1<f_n<f_2)
    なる位相進み回路に前記弾性変位量を通して位相補償し
    、この信号をトルク又は力の指令値に加算することによ
    り弾性変位の共振モードに対して安定化を図ることを特
    徴とするサーボモータの駆動方式。
JP61049425A 1986-03-05 1986-03-05 サ−ボモ−タの駆動方式 Pending JPS62207187A (ja)

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Cited By (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05100709A (ja) * 1991-10-08 1993-04-23 Toyo Electric Mfg Co Ltd 制御装置
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