KR102553575B1 - 진동 억제 장치, 진동 억제 방법 및 프로그램 - Google Patents

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Abstract

동작부와, 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 동작부 및 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 장치이며, 액추에이터부를 구동하는 구동 신호를 생성하는 생성 수단과, 기계 시스템에 관한 계측량을 추정하는 추정 수단과, 추정 수단에 의해 추정된 계측량에 기초하여, 생성 수단에 의해 생성된 구동 신호를 보정하는 보정 수단과, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서, 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록, 추정 수단에서 사용되는 게인을 변경하는 변경 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.

Description

진동 억제 장치, 진동 억제 방법 및 프로그램
본 발명은, 동작부와, 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 동작부 및 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의, 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 장치, 진동 억제 방법 및 프로그램에 관한 것이다.
탄성체를 포함하는 구동계에 있어서의 모터에 설치한 외란 옵저버로부터 얻어진 외란 토크에 대응하는 전류를 대역 통과 필터에 통과시켜, 탄성체에서 발생하는 진동 토크(전류값)를 얻고, 이 전류값(토크)을 게인 KC로 증폭하여, 모터의 전류 명령(토크 명령)으로부터 빼는 오픈 루프 진동 억제 방법은, 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 평7-337058호 공보
여기서, 외란 옵저버로부터 얻어진 외란 토크를 필터 처리하여 진동 토크를 취출하고, 오픈 루프 제어로 토크 명령을 보정하는 구성을 채용한 경우, 기계 시스템의 모델화 오차의 영향이 크면, 필터 처리에서 잘못된 진동 토크 성분이 취출되어, 잘못된 진동 억제가 행해질 가능성이 있다.
본 발명의 목적은, 기계 시스템의 모델화 오차에 의해 잘못된 진동 억제가 행해질 가능성을 저하시키는 것에 있다.
이러한 목적 하에서, 본 발명은, 동작부와, 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 동작부 및 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의, 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 장치이며, 액추에이터부를 구동하는 구동 신호를 생성하는 생성 수단과, 기계 시스템에 관한 계측량을 추정하는 추정 수단과, 추정 수단에 의해 추정된 계측량에 기초하여, 생성 수단에 의해 생성된 구동 신호를 보정하는 보정 수단과, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서, 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록, 추정 수단에서 사용되는 게인을 변경하는 변경 수단을 구비한 진동 억제 장치를 제공한다.
여기서, 모델화 오차가 증대되는 기간은, 액추에이터부의 각속도의 방향이 반전되는 전후의 기간이어도 된다.
또한, 추정 수단은, 기계 시스템의 상태 방정식에 있어서의 상태량의 미분값을 사용하여, 계측량을 추정하는 것이어도 된다.
또한, 보정 수단은, 구동 신호에 대하여 계측량에 기초하는 포지티브 피드백을 행함으로써, 구동 신호를 보정하는 것이어도 된다.
또한, 계측량은, 액추에이터부의 진동 토크의 추정값 또는 액추에이터부의 진동 토크의 미분값의 추정값이어도 된다. 그 경우, 추정 수단은, 추정된 외란에 대하여 필터 처리를 행함으로써, 외란으로부터 진동 토크의 추정값 또는 진동 토크의 미분값의 추정값을 산출하는 것이어도 된다. 그리고, 변경 수단은, 필터 처리에 있어서의 수렴 게인을 게인으로서 사용하는 것이어도 된다.
또한, 계측량은, 액추에이터부의 진동 토크의 추정값 또는 액추에이터부의 진동 토크의 추정값의 미분값이어도 된다. 그 경우, 추정 수단은, 추정된 외란에 대하여 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정을 행함으로써, 외란으로부터 진동 토크의 추정값을 산출하는 것이어도 된다. 그리고, 변경 수단은, 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정에 있어서의 가중치를 게인으로서 사용하는 것이어도 된다.
또한, 계측량은, 동작부의 각속도의 추정값이어도 된다. 그 경우, 변경 수단은, 각속도의 추정값을 산출할 때 사용되는 수렴 게인을 게인으로서 사용하는 것이어도 된다.
혹은, 계측량은, 탄성체의 탄성 변형 각속도의 추정값이어도 된다.
또한, 본 발명은 동작부와, 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 동작부 및 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의, 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 방법이며, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서, 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록 게인을 변경하고, 기간 이외에 있어서는 게인을 변경하지 않고, 기계 시스템에 관한 계측량을 추정하는 스텝과, 추정된 계측량에 기초하여, 액추에이터부를 구동하는 구동 신호를 보정하는 스텝을 포함하는 진동 억제 방법도 제공한다.
또한, 본 발명은, 동작부와, 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 동작부 및 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의, 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 장치로서, 컴퓨터를 기능시키는 프로그램이며, 컴퓨터를, 액추에이터부를 구동하는 구동 신호를 생성하는 생성 수단과, 기계 시스템에 관한 계측량을 추정하는 추정 수단과, 추정 수단에 의해 추정된 계측량에 기초하여, 생성 수단에 의해 생성된 구동 신호를 보정하는 보정 수단과, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서, 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록, 추정 수단에서 사용되는 게인을 변경하는 변경 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램도 제공한다.
본 발명에 따르면, 기계 시스템의 모델화 오차에 의해 잘못된 진동 억제가 행해질 가능성을 저하시킬 수 있다.
도 1은 본 실시 형태가 적용되는 기계 시스템(10)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 미소 운동 시의 진동 거동 중 진동 억제가 없는 경우의 진동 거동의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 미소 운동 시의 진동 거동 중 기존 기술에 의해 진동 억제를 행한 경우의 진동 거동의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 5의 (a)는 기존 기술의 주기 외란 옵저버에 있어서의 외란 추정 결과를 나타낸 그래프이고, (b)는 제1 실시 형태의 주기 외란 옵저버에 있어서의 외란 추정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 피드백 게인 Gd를 1로 하여 진동 토크 추정값 dω^를 포지티브 피드백한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 피드백 게인 Gd를 3으로 하여 진동 토크 추정값 dω^를 포지티브 피드백한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 피드백 게인 Gd를 10으로 하여 진동 토크 추정값 dω^를 포지티브 피드백한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 제1 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 수렴 게인 변경부, 주기 외란 옵저버 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도 10은 제2 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 11은 제2 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 가중치 변경부, 최소 제곱 추정부 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도 12는 제3 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템의 주기 외란 속도 옵저버를 구성한 경우의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 13은 제3 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 수렴 게인 변경부, 주기 외란 속도 옵저버 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도 14는 제4 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 15는 제4 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 가중치 변경부, 최소 제곱 추정부 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도 16은 제5 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 17은 모터 각속도와 토크로부터 암 각속도 추정값을 계산하기 위한 흐름을 나타낸 블록도이다.
도 18은 수렴 게인을 목표 각속도에 따라서 변경하지 않은 경우의 암 각속도의 실값과 암 각속도 추정값의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 19는 수렴 게인을 목표 각속도에 따라서 변경하지 않은 경우의 암 각속도 추정값을 사용하여 피드백을 행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20은 수렴 게인을 목표 각속도에 따라서 변경한 경우의 암 각속도의 실값과 암 각속도 추정값의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 21은 수렴 게인을 목표 각속도에 따라서 변경한 경우의 암 각속도 추정값을 사용하여 피드백을 행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 22는 제5 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 수렴 게인 변경부, 암 각속도 추정 옵저버 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
[본 실시 형태의 배경]
도 1은 본 실시 형태가 적용되는 기계 시스템(10)의 구성을 도시한 도면이다. 도시한 바와 같이, 기계 시스템(10)은, 암(1)과 모터(2)가 감속기 등의 탄성체(3)로 결합됨으로써 구성된, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템이다. 또한, 암(1)의 회전각을 θA라 하고, 모터(2)의 회전각을 θM이라 하고, 모터(2)에 대한 명령 토크를 τ라 한다. 모터(2)로부터는 회전각 θM이 복귀된다. 여기서, 암(1)은 동작부의 일례이며, 모터(2)는 액추에이터부의 일례이고, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ는 액추에이터부를 구동하는 구동 신호의 일례이다. 또한, 이하에서는, 명령 토크 τ 및 회전각 θM을 액추에이터 정보라 칭하기로 한다. 이때, 이 기계 시스템(1)의 운동 방정식은 다음 식으로 주어진다.
Figure 112021036537911-pct00001
이 식에 있어서, 암(1)의 고유 진동수는 √(K/JA)가 된다. 또한, JA는 암(1)의 관성(이하, 「암 관성」이라 함), JM은 모터(2)의 관성(이하, 「모터 관성」이라 함), K는 탄성체(3)의 강성, fA는 암(1)의 마찰력(이하, 「암 마찰력」이라 함), fM은 모터(2)의 마찰력(이하, 「모터 마찰력」이라 함), f는 암(1)에 작용하는 가진력, ε은 탄성 변형(=θA-θM)이다. 또한, 명세서의 수식 및 도면에 있어서, 문자의 바로 위에 첨부한 「·」은 시간의 일계 미분을 나타내고, 문자의 바로 위에 첨부한 「··」은 시간의 이계 미분을 나타낸다. 한편, 명세서의 텍스트에 있어서는, 시간의 일계 미분을 「d/dt」로 나타내고, 시간의 이계 미분을 「d2/dt2」으로 나타내는 것으로 한다.
여기서, 기존 기술로서, 외란 옵저버를 구성하고, 그 출력을 필터 처리하여 진동 토크 성분을 취출하고, 오픈 루프 제어로 구동 신호를 보정하는 것이 생각된다.
잘 제어된 로봇 등에서는, 일반적으로 구동 신호에 있어서의 진동 토크 성분은 미소하여, 모델화 오차의 영향을 받기 쉽다. 특히, 로봇 등이 미소 동작을 하고 있는 경우, 마찰력의 영향이 지배적으로 되어, 트랜지션 동작 시에는 마찰력이 격변한다. 그때, 발생하는 모델화 오차가 격증되고, 포함되는 주파수 성분도 고주파 성분을 다기(多岐)로 포함하고 있다.
이와 같은 상황에서 기존 기술을 적용하면, 외란 옵저버의 출력은, 트랜지션 시의 마찰력에 의한 모델화 오차의 영향을 크게 받아, 필터 처리하여 진동 토크 성분을 취출하려고 해도, 잘못된 성분이 취출되게 된다. 특히 위상이 90° 이상 어긋나 버리면, 진동 억제 효과는 없어지고, 오히려 진동을 가진해 버릴 가능성이 있다. 상기 모델화 오차의 영향으로, 기존 기술에서 추정된 진동 토크 성분에 대해서도, 참값에 대하여 90° 이상의 위상 어긋남이 발생하여, 오히려 가진해 버리는 결과가 된다. 즉, 트랜지션 시에는, 진동 토크 성분보다도 모델화 오차 성분이 매우 큰 상황이 되어, 기존 기술에서는 잘못된 추정 결과에 기초하여 제어해 버리게 된다.
도 2 및 도 3은 미소 운동 시의 진동 거동의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 이 중, 도 2는 진동 억제가 없는 경우의 진동 거동을 나타내고 있고, 도 3은 기존 기술에 의해 진동 억제를 행한 경우의 진동 거동을 나타내고 있다. 이들 도면으로부터, 기존 기술에 의해 진동이 전혀 억제되어 있지 않음을 알 수 있다.
또한, 도 3은 가진력 f가 작용하지 않는 경우의 시뮬레이션 결과이지만, 가진력 f가 작용한 경우, 모델화 오차의 영향으로 위상이 어긋나 버려, 기존 기술에서는 오히려 진동을 용장하게 해 버릴 가능성이 있다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 모델화 오차(특히 고주파 성분을 포함함)가 큰 개소에 있어서, 추정부의 게인을 작게 함으로써, 모델화 오차의 영향을 작게 한다. 구체적으로는, 마찰력의 모델화 오차의 변화가 심한, 모터 각속도의 방향이 반전되는 전후의 기간에 있어서, 옵저버의 수렴 게인을 작게 하거나, 또는 최소 제곱 추정에 있어서의 가중치를 작게 하여, 모델화 오차의 영향을 작게 한다.
[제1 실시 형태]
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템(100)의 구성예를 도시한 블록도이다. 도시한 바와 같이, 이 기계 제어 시스템(100)은, 기계 시스템(10)과, 기계 시스템(10)을 제어하는 컨트롤러(20)를 포함한다. 컨트롤러(20)에서는, 예를 들어 CPU(도시하지 않음)가 ROM 등의 기억 수단(도시하지 않음)으로부터 프로그램을 읽어들여 실행함으로써, 각 기능을 실현한다. 본 실시 형태에서는, 진동 억제 장치의 일례로서, 컨트롤러(20)를 마련하고 있다.
먼저, 기계 시스템(10)의 기능 구성에 대하여 설명한다.
도시한 바와 같이, 기계 시스템(10)은, 연산기(11 내지 15)를 포함한다.
연산기(11)는, 가진력 f로부터, 연산기(12)에 의해 출력된 암 마찰력 fA(dθA/dt)를 감산하고, 연산기(15)에 의해 출력된 Kε을 감산한 결과를 취득한다. 그리고, 이것을 암 관성 JA로 제산한 결과를 적분함으로써 암 각속도 dθA/dt를 연산하고, 이 연산된 암 각속도 dθA/dt를 출력한다.
연산기(12)는, 연산기(11)에 의해 출력된 암 각속도 dθA/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 기초하여 암 마찰력 fA(dθA/dt)를 연산하고, 이 연산된 암 마찰력 fA(dθA/dt)를 출력한다.
연산기(13)는, 컨트롤러(20)에 의해 출력된 명령 토크 τ로부터, 연산기(14)에 의해 출력된 모터 마찰력 fM(dθM/dt)를 감산하고, 연산기(15)에 의해 출력된 Kε을 가산한 결과를 취득한다. 그리고, 이것을 모터 관성 JM으로 제산한 결과를 적분함으로써 모터 각속도 dθM/dt를 연산하고, 이 연산된 모터 각속도 dθM/dt를 출력한다.
연산기(14)는, 연산기(13)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 기초하여 모터 마찰력 fM(dθM/dt)를 연산하고, 이 연산된 모터 마찰력 fM(dθM/dt)를 출력한다.
연산기(15)는, 연산기(11)에 의해 출력된 암 각속도 dθA/dt로부터 연산기(13)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 감산함으로써 얻어진 탄성 변형 속도 dε/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 강성 K를 승산한 결과를 적분함으로써 Kε을 연산하고, 이 연산된 Kε을 출력한다.
다음에, 컨트롤러(20)의 기능 구성에 대하여 설명한다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)는, PID 제어부(21)와, 관성 보상부(22)와, 마찰 보상부(23)를 포함한다.
PID 제어부(21)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 모터(2)가 목표로 하는 각속도(이하, 「목표 각속도」라 함) dθD/dt로부터, 기계 시스템(10)으로부터 피드백된 모터 각속도 dθM/dt를 감산한 결과를 취득한다. 그리고, 이것에 대해 PID 제어를 행함으로써, 피드백 토크를 출력한다.
관성 보상부(22)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 목표 각속도 dθD/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 암 관성 모델 및 모터 관성 모델을 적용하여 관성 보상 「(JA^+JM^)d2θD/dt2」을 연산함으로써, 관성 모델에 기초하는 피드 포워드 토크를 출력한다.
마찰 보상부(23)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 목표 각속도 dθD/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 암 마찰 모델 및 모터 마찰 모델을 적용하여 마찰 보상 「fA^(dθD/dt)+fM^(dθD/dt)」를 연산함으로써, 마찰 모델에 기초하는 피드 포워드 토크를 출력한다.
또한, 명세서의 수식 및 도면에 있어서는, 해트 기호를 문자의 바로 위에 첨부하지만, 명세서의 텍스트에 있어서는, 해트 기호를 문자의 뒤에 첨부하는 것으로 한다. 본 실시 형태에서는, 구동 신호를 생성하는 생성 수단의 일례로서, PID 제어부(21), 관성 보상부(22), 마찰 보상부(23)를 마련하고 있다.
또한, 컨트롤러(20)는, 진동 토크 추정부(30)를 포함한다. 진동 토크 추정부(30)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득하고, 탄성체(3)에서 발생하여 모터(2)에 작용하는 진동 토크의 추정값인 진동 토크 추정값 dω^를 출력한다. 구체적으로는, 진동 토크 추정부(30)는, 연산부(31)와, 주기 외란 옵저버(32)를 포함한다.
연산부(31)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 암 관성 JA와 모터 관성 JM의 합을 승산한 결과를 미분함으로써, 관성력을 출력한다.
주기 외란 옵저버(32)는, 연산부(31)에 의해 출력된 관성력과 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 토크의 합으로부터, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ를 감산함으로써 얻어진 외란 토크 d를 취득한다. 그리고, 외란 토크 d에 대하여 다음 식으로 표시되는 고유 진동 주파수 ω의 진동 성분만을 취출하는 필터 처리를 행함으로써 진동 토크 추정값 dω^를 연산하고, 이 연산된 진동 토크 추정값 dω^를 출력한다.
Figure 112021036537911-pct00002
본 실시 형태에서는, 기계 시스템에 관한 계측량의 일례로서, 진동 토크 추정값 dω^를 사용하고 있고, 계측량을 추정하는 추정 수단의 일례로서, 진동 토크 추정부(30)를 마련하고 있다.
또한, 컨트롤러(20)는, 연산부(33)를 포함한다. 연산부(33)는, 진동 토크 추정부(30)에 의해 출력된 진동 토크 추정값 dω^를 취득한다. 그리고, 이것에 피드백 게인 Gd를 승산함으로써 진동 억제 토크를 연산하고, 이 연산된 진동 억제 토크를 출력한다.
이에 의해, PID 제어부(21)에 의해 출력된 피드백 토크에는, 관성 보상부(22)에 의해 출력된 관성 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과에, 연산부(33)에 의해 출력된 진동 억제 토크가 가산된다. 그 의미에서, 연산부(33)는, 계측량에 기초하여 구동 신호를 보정하는 보정 수단의 일례이다. 그리고, 그 결과에, 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과가, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ가 된다.
그런데, 제1 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, 이들 구성에 더하여, 수렴 게인 변경부(34)를 포함한다. 수렴 게인 변경부(34)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 목표 각속도 dθD/dt에 따라서, 주기 외란 옵저버(32)에서 사용되는 필터의 수렴 게인에 상당하는 ζ를 수정함으로써, 고주파 성분을 포함한 모델화 오차가 증대되는 트랜지션 시의 영향을 받지 않도록 한다. 구체적으로는, 목표 각속도 dθD/dt가 작을 때 수렴 게인 ζ를 작게 하면 된다. 이하에서는, 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 0.01rad/s 이하로 된 경우에 수렴 게인 ζ를 0으로 하여, 모델화 오차의 영향을 배제하고 있다. 본 실시 형태에서는, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간의 일례로서, 목표 각속도 dθD/dt가 작아졌을 때를 사용하고 있고, 추정 수단에서 사용되는 게인의 일례로서, 수렴 게인 ζ를 사용하고 있고, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록 게인을 변경하는 변경 수단의 일례로서, 수렴 게인 변경부(34)를 마련하고 있다.
도 5의 (a)는 기존 기술의 주기 외란 옵저버(32)에 있어서의 외란 추정 결과를 나타낸 그래프이며, 도 5의 (b)는 제1 실시 형태의 주기 외란 옵저버(32)에 있어서의 외란 추정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5의 (a), (b)로부터, 기존 기술에서는, 모델화 오차의 영향으로, 가진력을 전혀 추정할 수 없었던 것에 반해, 제1 실시 형태에서는, 가진력을 정확하게 추정하고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 6은 피드백 게인 Gd를 1로 하여 진동 토크 추정값 dω^를 포지티브 피드백하고, 외란에 이기지 못하도록 공진비 제어를 행한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6으로부터, 도 2에 도시한 진동 억제가 없는 경우에 비해, 진동이 1/2로 억제되어 있음을 알 수 있다.
또한, 도 7 및 도 8은, 피드백 게인을 크게 하여 진동 토크 추정값 dω^를 포지티브 피드백하고, 공진비 제어를 행한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7로부터, 피드백 게인 Gd를 3으로 한 경우, 진동이 약 1/4로 저감되어 있음을 알 수 있고, 도 8로부터, 피드백 게인 Gd를 10으로 한 경우, 진동이 약 1/11로 저감되어 있음을 알 수 있다.
도 9는 제1 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 수렴 게인 변경부(34), 주기 외란 옵저버(32), 연산부(33) 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)에서는, 수렴 게인 변경부(34)가, 컨트롤러(20)에 지시된 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이, 역치(예를 들어, 0.01rad/s) 이하인지 여부를 판정한다(스텝 101). 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 역치 이하라고 판정되면, 수렴 게인 변경부(34)는, 주기 외란 옵저버(32)에 있어서의 수렴 게인 ζ를 변경한다(스텝 102).
다음에, 주기 외란 옵저버(32)가 외란 토크 d에 대하여 고유 진동 주파수 ω의 진동 성분만을 취출하는 필터 처리를 행함으로써, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다(스텝 103). 즉, 스텝 102에서 수렴 게인 ζ가 변경되었으면, 변경된 수렴 게인 ζ를 사용하여, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다. 한편, 수렴 게인 ζ가 변경되지 않았으면, 기정값의 수렴 게인 ζ를 사용하여, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다.
다음에, 연산부(33)가, 스텝 103에서 산출된 진동 토크 추정값 dω^에 기초하여, 진동 억제 토크를 산출한다(스텝 104).
이에 의해, 컨트롤러(20)는, 스텝 104에서 산출된 진동 억제 토크에 기초하여 보정된 명령 토크 τ를 모터(2)로 출력한다(스텝 105).
[제2 실시 형태]
제1 실시 형태에서는, 진동 토크 추정값 dω^의 추정에 주기 외란 옵저버(32)를 사용하였지만, 제2 실시 형태에서는, 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정을 행하는 추정부(이하, 「최소 제곱 추정부」라 함)를 사용하여 마찬가지의 결과를 얻는다.
도 10은 제2 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템(200)의 구성예를 도시한 블록도이다. 도시한 바와 같이, 이 기계 제어 시스템(200)은, 기계 시스템(10)과, 기계 시스템(10)을 제어하는 컨트롤러(20)를 포함한다. 컨트롤러(20)에서는, 예를 들어 CPU(도시하지 않음)가 ROM 등의 기억 수단(도시하지 않음)으로부터 프로그램을 읽어들여 실행함으로써, 각 기능을 실현한다. 본 실시 형태에서는, 진동 억제 장치의 일례로서, 컨트롤러(20)를 마련하고 있다.
기계 시스템(10)의 기능 구성에 대해서는, 제1 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
다음에, 컨트롤러(20)의 기능 구성에 대하여 설명한다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)는, PID 제어부(21)와, 관성 보상부(22)와, 마찰 보상부(23)를 포함한다. 이들 구성에 대해서도, 제1 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 진동 토크 추정부(40)를 포함한다. 진동 토크 추정부(40)는, 제1 실시 형태에 있어서의 진동 토크 추정부(30)와 마찬가지로, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득하고, 탄성체(3)에서 발생하여 모터(2)에 작용하는 진동 토크의 추정값인 진동 토크 추정값 dω^를 출력한다. 구체적으로는, 진동 토크 추정부(40)는, 연산부(41)와, 최소 제곱 추정부(42)를 포함한다.
연산부(41)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 암 관성 JA와 모터 관성 JM의 합을 승산한 결과를 미분함으로써, 관성력을 출력한다.
최소 제곱 추정부(42)는, 연산부(41)에 의해 출력된 관성력과 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 토크의 합으로부터, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ를 감산함으로써 얻어진 외란 토크 d를 취득한다. 그리고, 외란 토크 d에 대하여 다음 식으로 표시되는 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정을 행함으로써 진동 토크 추정값 dω^를 연산하고, 이 연산된 진동 토크 추정값 dω^를 출력한다.
Figure 112021036537911-pct00003
여기서, g(t)는 시각 t에서의 가중치이며, ρ는 망각 계수이고, d(t)는 시각 t에서의 미처리 외란값이다.
본 실시 형태에서는, 기계 시스템에 관한 계측량의 일례로서, 진동 토크 추정값 dω^를 사용하고 있고, 계측량을 추정하는 추정 수단의 일례로서, 진동 토크 추정부(40)를 마련하고 있다.
또한, 컨트롤러(20)는, 연산부(43)를 포함한다. 연산부(43)는, 진동 토크 추정부(40)에 의해 출력된 진동 토크 추정값 dω^를 취득한다. 그리고, 이것에 피드백 게인 Gd를 승산함으로써 진동 억제 토크를 연산하고, 이 연산된 진동 억제 토크를 출력한다.
이에 의해, PID 제어부(21)에 의해 출력된 피드백 토크에는, 관성 보상부(22)에 의해 출력된 관성 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과에, 연산부(43)에 의해 출력된 진동 억제 토크가 가산된다. 그 의미에서, 연산부(43)는, 계측량에 기초하여 구동 신호를 보정하는 보정 수단의 일례이다. 그리고, 그 결과에, 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과가, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ가 된다.
그런데, 제2 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, 이들 구성에 더하여, 가중치 변경부(44)를 포함한다. 가중치 변경부(44)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 목표 각속도 dθD/dt에 따라서, 최소 제곱 추정부(42)에서 사용되는 식의 가중치 g(t)를 변경함으로써, 제1 실시 형태와 마찬가지의 결과를 얻는다. 구체적으로는, 목표 각속도 dθD/dt가 작을 때 가중치 g(t)를 작게 하면 된다. 제2 실시 형태에서도 도 5 내지 도 8과 마찬가지의 그래프가 얻어지지만, 이들 그래프에서는, 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 0.01rad/s 이하로 된 경우에 가중치 g(t)를 0으로 하여, 모델화 오차의 영향을 배제하고 있다. 본 실시 형태에서는, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간의 일례로서, 목표 각속도 dθD/dt가 작아졌을 때를 사용하고 있고, 추정 수단에서 사용되는 게인의 일례로서, 가중치 g(t)를 사용하고 있으며, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록 게인을 변경하는 변경 수단의 일례로서, 가중치 변경부(44)를 마련하고 있다.
도 11은 제2 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 가중치 변경부(44), 최소 제곱 추정부(42), 연산부(43) 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)에서는, 가중치 변경부(44)가, 컨트롤러(20)에 지시된 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이, 역치(예를 들어, 0.01rad/s) 이하인지 여부를 판정한다(스텝 201). 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 역치 이하라고 판정되면, 가중치 변경부(44)는, 최소 제곱 추정부(42)에 있어서의 가중치 g(t)를 변경한다(스텝 202).
다음에, 최소 제곱 추정부(42)가, 외란 토크 d에 대하여 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정을 행함으로써, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다(스텝 203). 즉, 스텝 202에서 가중치 g(t)가 변경되었으면, 변경된 가중치 g(t)를 사용하여, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다. 한편, 가중치 g(t)가 변경되지 않았으면, 기정값의 가중치 g(t)를 사용하여, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다.
다음에, 연산부(43)가, 스텝 203에서 산출된 진동 토크 추정값 dω^에 기초하여, 진동 억제 토크를 산출한다(스텝 204).
이에 의해, 컨트롤러(20)는, 스텝 204에서 산출된 진동 억제 토크에 기초하여 보정된 명령 토크 τ를 모터(2)로 출력한다(스텝 205).
[제3 실시 형태]
제1 및 제2 실시 형태에서는, 추정된 진동 토크에 이기지 못하도록 제어하는 공진비 제어로 진동을 억제하였지만, 제3 실시 형태에서는, 진동 토크의 미분값을 네거티브 피드백하여 마찬가지의 진동 억제 효과를 얻는다. 이 경우, 주기 외란 옵저버의 출력인 진동 토크 추정값을 미분하여 피드백해도 되고, 진동 토크의 미분값의 추정값(이하, 「진동 토크 미분값 추정값」이라 함)을 출력하는 주기 외란 속도 옵저버를 구성하여, 진동 토크 미분값 추정값을 피드백해도 된다.
도 12는 제3 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템(300)의 주기 외란 속도 옵저버를 구성한 경우의 구성예를 도시한 블록도이다. 도시한 바와 같이, 이 기계 제어 시스템(300)은, 기계 시스템(10)과, 기계 시스템(10)을 제어하는 컨트롤러(20)를 포함한다. 컨트롤러(20)에서는, 예를 들어 CPU(도시하지 않음)가 ROM 등의 기억 수단(도시하지 않음)으로부터 프로그램을 읽어들여 실행함으로써, 각 기능을 실현한다. 본 실시 형태에서는, 진동 억제 장치의 일례로서, 컨트롤러(20)를 마련하고 있다.
기계 시스템(10)의 기능 구성에 대해서는, 제1 및 제2 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
다음에, 컨트롤러(20)의 기능 구성에 대하여 설명한다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)는, PID 제어부(21)와, 관성 보상부(22)와, 마찰 보상부(23)를 포함한다. 이들 구성에 대해서도, 제1 및 제2 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 진동 토크 미분값 추정부(50)를 포함한다. 진동 토크 미분값 추정부(50)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득하고, 탄성체(3)에서 발생하여 모터(2)에 작용하는 진동 토크의 미분값의 추정값인 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 출력한다. 구체적으로는, 진동 토크 미분값 추정부(50)는, 연산부(51)와, 주기 외란 속도 옵저버(52)를 포함한다.
연산부(41)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 암 관성 JA와 모터 관성 JM의 합을 승산한 결과를 미분함으로써, 관성력을 출력한다.
주기 외란 속도 옵저버(52)는, 연산부(51)에 의해 출력된 관성력과 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 토크의 합으로부터, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ를 감산함으로써 얻어진 외란 토크 d를 취득한다. 그리고, 외란 토크 d에 대하여 다음 식으로 표시되는 고유 진동 주파수 ω의 진동 속도 성분을 취출하는 필터 처리를 행함으로써 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 연산하고, 이 연산된 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 출력한다.
Figure 112021036537911-pct00004
본 실시 형태에서는, 기계 시스템에 관한 계측량의 일례로서, 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 사용하고 있고, 계측량을 추정하는 추정 수단의 일례로서, 진동 토크 미분값 추정부(50)를 마련하고 있다.
또한, 컨트롤러(20)는, 연산부(53)를 포함한다. 연산부(53)는, 진동 토크 미분값 추정부(50)에 의해 출력된 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 취득한다. 그리고, 이것에 피드백 게인 Gdv를 승산함으로써 진동 억제 토크를 연산하고, 이 연산된 진동 억제 토크를 출력한다.
이에 의해, PID 제어부(21)에 의해 출력된 피드백 토크에는, 관성 보상부(22)에 의해 출력된 관성 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과로부터, 연산부(53)에 의해 출력된 진동 억제 토크가 감산된다. 그 의미에서, 연산부(53)는, 계측량에 기초하여 구동 신호를 보정하는 보정 수단의 일례이다. 그리고, 그 결과에, 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과가, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ가 된다.
그런데, 제3 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, 이들 구성에 더하여, 수렴 게인 변경부(54)를 포함한다. 수렴 게인 변경부(54)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 목표 각속도 dθD/dt에 따라서, 주기 외란 속도 옵저버(52)에서 사용되는 필터의 수렴 게인에 상당하는 ζ를 수정함으로써, 고주파 성분을 포함한 모델화 오차가 증대되는 트랜지션 시의 영향을 받지 않도록 한다. 구체적으로는, 목표 각속도 dθD/dt가 작을 때 수렴 게인 ζ를 작게 하면 된다. 제3 실시 형태에서도 도 6 내지 도 8과 마찬가지의 그래프가 얻어지지만, 이들 그래프에서는, 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 0.01rad/s 이하로 된 경우에 수렴 게인 ζ를 0으로 하여, 모델화 오차의 영향을 배제하고 있다. 본 실시 형태에서는, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간의 일례로서, 목표 각속도 dθD/dt가 작아졌을 때를 사용하고 있고, 추정 수단에서 사용되는 게인의 일례로서, 수렴 게인 ζ를 사용하고 있으며, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록 게인을 변경하는 변경 수단의 일례로서, 수렴 게인 변경부(54)를 마련하고 있다.
도 13은 제3 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 수렴 게인 변경부(54), 주기 외란 속도 옵저버(52), 연산부(53) 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)에서는, 수렴 게인 변경부(54)가, 컨트롤러(20)에 지시된 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이, 역치(예를 들어, 0.01rad/s) 이하인지 여부를 판정한다(스텝 301). 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 역치 이하라고 판정되면, 수렴 게인 변경부(54)는, 주기 외란 속도 옵저버(52)에 있어서의 수렴 게인 ζ를 변경한다(스텝 302).
다음에, 주기 외란 속도 옵저버(52)가, 외란 토크 d에 대하여 고유 진동 주파수 ω의 진동 속도 성분만을 취출하는 필터 처리를 행함으로써, 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 산출한다(스텝 303). 즉, 스텝 302에서 수렴 게인 ζ가 변경되었으면, 변경된 수렴 게인 ζ를 사용하여, 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 산출한다. 한편, 수렴 게인 ζ가 변경되지 않았으면, 기정값의 수렴 게인 ζ를 사용하여, 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^를 산출한다.
다음에, 연산부(53)가, 스텝 303에서 산출된 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^에 기초하여, 진동 억제 토크를 산출한다(스텝 304).
이에 의해, 컨트롤러(20)는, 스텝 304에서 산출된 진동 억제 토크에 기초하여 보정된 명령 토크 τ를 모터(2)로 출력한다(스텝 305).
[제4 실시 형태]
제4 실시 형태는, 제2 실시 형태와 같이 최소 제곱 추정을 사용한 경우에, 진동 토크 추정값의 미분값(이하, 「진동 토크 추정값 미분값」이라 함)을 네거티브 피드백하여 마찬가지의 진동 억제 효과를 얻는 것이다.
도 14는 제4 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템(400)의 구성예를 도시한 블록도이다. 도시한 바와 같이, 이 기계 제어 시스템(400)은, 기계 시스템(10)과, 기계 시스템(10)을 제어하는 컨트롤러(20)를 포함한다. 컨트롤러(20)에서는, 예를 들어 CPU(도시하지 않음)가 ROM 등의 기억 수단(도시하지 않음)으로부터 프로그램을 읽어들여 실행함으로써, 각 기능을 실현한다. 본 실시 형태에서는, 진동 억제 장치의 일례로서, 컨트롤러(20)를 마련하고 있다.
기계 시스템(10)의 기능 구성에 대해서는, 제1 내지 제3 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
다음에, 컨트롤러(20)의 기능 구성에 대하여 설명한다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)는, PID 제어부(21)와, 관성 보상부(22)와, 마찰 보상부(23)를 포함한다. 이들 구성에 대해서도, 제1 내지 제3 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 진동 토크 추정부(60)를 포함한다. 진동 토크 추정부(60)는, 제2 실시 형태에 있어서의 진동 토크 추정부(40)와 마찬가지로, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득하고, 탄성체(3)에서 발생하여 모터(2)에 작용하는 진동 토크의 추정값인 진동 토크 추정값 dω^를 출력한다. 구체적으로는, 진동 토크 추정부(60)는, 연산부(61)와, 최소 제곱 추정부(62)를 포함한다.
연산부(61)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 암 관성 JA와 모터 관성 JM의 합을 승산한 결과를 미분함으로써, 관성력을 출력한다.
최소 제곱 추정부(62)는, 연산부(61)에 의해 출력된 관성력과 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 토크의 합으로부터, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ를 감산함으로써 얻어진 외란 토크 d를 취득한다. 그리고, 외란 토크 d에 대하여 다음 식으로 표시되는 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정을 행함으로써 진동 토크 추정값 dω^를 연산하고, 이 연산된 진동 토크 추정값 dω^를 출력한다.
Figure 112021036537911-pct00005
여기서, g(t)는 시각 t에서의 가중치이며, ρ는 망각 계수이고, d(t)는 시각 t에서의 미처리 외란값이다.
또한, 컨트롤러(20)는, 연산부(63)와, 연산부(64)를 포함한다.
연산부(63)는, 진동 토크 추정부(60)에 의해 출력된 진동 토크 추정값 dω^를 취득한다. 그리고, 이것을 미분함으로써 진동 토크 추정값 미분값 d(dω^)/dt를 연산하고, 이 연산된 진동 토크 추정값 미분값 d(dω^)/dt를 출력한다.
본 실시 형태에서는, 기계 시스템에 관한 계측량의 일례로서, 진동 토크 추정값 미분값 d(dω^)/dt를 사용하고 있고, 계측량을 추정하는 추정 수단의 일례로서, 진동 토크 추정부(30) 및 연산부(63)를 마련하고 있다.
연산부(64)는, 연산부(63)에 의해 출력된 진동 토크 추정값 미분값 d(dω^)/dt를 취득한다. 그리고, 이것에 피드백 게인 Gdv를 승산함으로써 진동 억제 토크를 연산하고, 이 연산된 진동 억제 토크를 출력한다.
이에 의해, PID 제어부(21)에 의해 출력된 피드백 토크에는, 관성 보상부(22)에 의해 출력된 관성 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과로부터, 연산부(64)에 의해 출력된 진동 억제 토크가 감산된다. 그 의미에서, 연산부(64)는, 계측량에 기초하여 구동 신호를 보정하는 보정 수단의 일례이다. 그리고, 그 결과에, 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과가, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ가 된다.
그런데, 제4 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, 이들 구성에 더하여, 가중치 변경부(65)를 포함한다. 가중치 변경부(65)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 목표 각속도 dθD/dt에 따라서, 최소 제곱 추정부(62)에서 사용되는 식의 가중치 g(t)를 변경함으로써, 제3 실시 형태와 마찬가지의 결과를 얻는다. 구체적으로는, 목표 각속도 dθD/dt가 작을 때 가중치 g(t)를 작게 하면 된다. 제4 실시 형태에서도 도 6 내지 도 8과 마찬가지의 그래프가 얻어지지만, 이들 그래프에서는, 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 0.01rad/s 이하로 된 경우에 가중치 g(t)를 0으로 하여, 모델화 오차의 영향을 배제하고 있다. 본 실시 형태에서는, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간의 일례로서, 목표 각속도 dθD/dt가 작아졌을 때를 사용하고 있고, 추정 수단에서 사용되는 게인의 일례로서, 가중치 g(t)를 사용하고 있으며, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록 게인을 변경하는 변경 수단의 일례로서, 가중치 변경부(65)를 마련하고 있다.
도 15는 제4 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 가중치 변경부(65), 최소 제곱 추정부(62), 연산부(63), 연산부(64) 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)에서는, 가중치 변경부(65)가, 컨트롤러(20)에 지시된 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이, 역치(예를 들어, 0.01rad/s) 이하인지 여부를 판정한다(스텝 401). 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 역치 이하라고 판정되면, 가중치 변경부(65)는, 최소 제곱 추정부(62)에 있어서의 가중치 g(t)를 변경한다(스텝 402).
다음에, 최소 제곱 추정부(62)가, 외란 토크 d에 대하여 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정을 행함으로써, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다(스텝 403). 즉, 스텝 402에서 가중치 g(t)가 변경되었으면, 변경된 가중치 g(t)를 사용하여, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다. 한편, 가중치 g(t)가 변경되지 않았으면, 기정값의 가중치 g(t)를 사용하여, 진동 토크 추정값 dω^를 산출한다.
그리고, 연산부(63)가, 스텝 403에서 산출된 진동 토크 추정값 dω^를 미분함으로써, 진동 토크 추정값 미분값 d(dω^)/dt를 산출한다(스텝 404).
다음에, 연산부(64)가, 스텝 404에서 산출된 진동 토크 추정값 미분값 d(dω^)/dt에 기초하여, 진동 억제 토크를 산출한다(스텝 405).
이에 의해, 컨트롤러(20)는, 스텝 405에서 산출된 진동 억제 토크에 기초하여 보정된 명령 토크 τ를 모터(2)로 출력한다(스텝 406).
[제5 실시 형태]
제1 내지 제4 실시 형태에서는, 외란을 추정하는 옵저버를 구성하였지만, 제5 실시 형태에서는, 암 각속도 dθA/dt를 추정하는 옵저버를 구성한다.
도 16은 제5 실시 형태에 있어서의 기계 제어 시스템(500)의 구성예를 도시한 블록도이다. 도시한 바와 같이, 이 기계 제어 시스템(500)은, 기계 시스템(10)과, 기계 시스템(10)을 제어하는 컨트롤러(20)를 포함한다. 컨트롤러(20)에서는, 예를 들어 CPU(도시하지 않음)가 ROM 등의 기억 수단(도시하지 않음)으로부터 프로그램을 읽어들여 실행함으로써, 각 기능을 실현한다. 본 실시 형태에서는, 진동 억제 장치의 일례로서, 컨트롤러(20)를 마련하고 있다.
기계 시스템(10)의 기능 구성에 대해서는, 제1 내지 제4 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
다음에, 컨트롤러(20)의 기능 구성에 대하여 설명한다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)는, PID 제어부(21)와, 관성 보상부(22)와, 마찰 보상부(23)를 포함한다. 이들 구성에 대해서도, 제1 내지 제4 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 암 각속도 추정부(70)를 포함한다. 암 각속도 추정부(70)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt를 취득하고, 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 출력한다. 구체적으로는, 암 각속도 추정부(70)는, 암 각속도 추정 옵저버(71)를 포함한다.
암 각속도 추정 옵저버(71)는, 기계 시스템(10)에 의해 출력된 모터 각속도 dθM/dt와, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ로부터 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 토크를 감산함으로써 얻어진 토크 τM을 취득한다. 그리고, 이 모터 각속도 dθM/dt와 토크 τM에 대하여 다음에 나타내는 처리를 행함으로써 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 연산하고, 이 연산된 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 출력한다.
도 17은 모터 각속도 dθM/dt와 토크 τM으로부터 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 계산하기 위한 흐름을 나타낸 블록도이다.
도시한 바와 같이, 암 각속도 추정 옵저버(71)에서는, 연산부(711)가, 모터 각속도 dθM/dt를 미분함으로써 모터 각가속도 d2θM/dt2을 연산한다. 또한, 연산부(712)가, 토크 τM에 1/JM을 승산함으로써 τM/JM을 연산한다. 또한, 연산부(713)가, 후술하는 바와 같이 연산되는 ε^에 K/JM을 승산함으로써 Kε^/JM을 연산한다. 그렇게 하면, 연산부(714)가, 모터 각가속도 d2θM/dt2으로부터 τM/JM을 감산하고, 그 결과에 Kε^/JM을 가산한 결과에, 수렴 게인 L1을 승산함으로써, L1×(d2θM/dt2-τM/JM+Kε^/JM)을 연산한다.
한편, 연산부(715)가, 모터 각가속도 d2θM/dt2으로부터 τM/JM을 감산하고, 그 결과에 Kε^/JM을 가산한 결과에, 수렴 게인 L2를 승산함으로써, L2×(d2θM/dt2-τM/JM+Kε^/JM)을 연산한다. 또한, 연산부(716)가, 모터 각속도 dθM/dt에 L2×(d2θM/dt2-τM/JM+Kε^/JM)을 가산하고, 그 결과로부터 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 감산한 결과를 적분함으로써, ε^를 연산한다. 또한, 연산부(717)가, ε^에 K/JA를 승산함으로써, Kε^/JA를 연산한다.
이에 의해, 연산부(718)가, L1×(d2θM/dt2-τM/JM+Kε^/JM)에 Kε^/JA를 가산한 결과를 적분함으로써, 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 연산한다.
이와 같이, 암 각속도 추정 옵저버(71)는, 최소 차원 옵저버의 형식으로 실현하고 있다. 또한, 통상, 상태량 dθM/dt의 미분값 d2θM/dt2을 사용하지 않고, 출력값 τM, f로 치환하지만, 이 실시 형태에서는, 출력값 τM, f로 치환하지 않고 상태량 dθM/dt의 미분값 d2θM/dt2을 남긴 형식으로 실현하고 있다. 또한, 이것은, 기계 시스템의 상태 방정식에 있어서의 상태량의 미분값을 사용하여, 계측량을 추정하는 것의 일례이다. 또한, 이와 같은 방법은, 제5 실시 형태뿐만 아니라, 제1 내지 제4 실시 형태에 있어서도 적용 가능하다.
본 실시 형태에서는, 기계 시스템에 관한 계측량의 일례로서, 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 사용하고 있고, 계측량을 추정하는 추정 수단의 일례로서, 암 각속도 추정부(70)를 마련하고 있다.
다시 도 16을 참조하면, 컨트롤러(20)는, 연산부(72)를 포함한다. 연산부(72)는, 암 각속도 추정부(70)에 의해 출력된 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 취득한다. 그리고, 이것에 피드백 게인 Gv를 승산함으로써 진동 억제 토크를 연산하고, 이 연산된 진동 억제 토크를 출력한다.
이에 의해, PID 제어부(21)에 의해 출력된 피드백 토크에는, 관성 보상부(22)에 의해 출력된 관성 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과로부터, 연산부(72)에 의해 출력된 진동 억제 토크가 감산된다. 그 의미에서, 연산부(72)는, 계측량에 기초하여 구동 신호를 보정하는 보정 수단의 일례이다. 그리고, 그 결과에, 마찰 보상부(23)에 의해 출력된 마찰 모델에 기초하는 피드 포워드 토크가 가산되고, 그 결과가, 모터(2)에 대한 명령 토크 τ가 된다.
그런데, 제5 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, 이들 구성에 더하여, 수렴 게인 변경부(73)를 포함한다. 수렴 게인 변경부(73)는, 컨트롤러(20)에 대하여 지시된 목표 각속도 dθD/dt에 따라서, 암 각속도 추정 옵저버(71)에서 사용되는 수렴 게인 L1, L2를 변경한다. 구체적으로는, 목표 각속도 dθD/dt가 작을 때 수렴 게인 L1, L2를 작게 하면 된다. 이하에서는, 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 0.01rad/s 이하로 된 경우에 수렴 게인 L1, L2를 0으로 하여, 모델화 오차의 영향을 배제하고 있다. 본 실시 형태에서는, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간의 일례로서, 목표 각속도 dθD/dt가 작아졌을 때를 사용하고 있고, 추정 수단에서 사용되는 게인의 일례로서, 수렴 게인 L1, L2를 사용하고 있으며, 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록 게인을 변경하는 변경 수단의 일례로서, 수렴 게인 변경부(73)를 마련하고 있다.
도 18 및 도 19는, 수렴 게인 L1, L2를 목표 각속도 dθD/dt에 따라서 변경하지 않은 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 이 중, 도 18은 암 각속도의 실값과 암 각속도 추정값의 차이를 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 암 각속도 추정값이 모델화 오차의 영향으로 암 각속도의 실값으로부터 괴리되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 19는 도 18의 암 각속도 추정값을 사용하여 피드백을 행한 결과를 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 암 각속도의 실값으로부터 괴리된 암 각속도 추정값을 피드백함으로써, 모터 각속도가 목표 각속도로부터 크게 괴리되어 있음을 알 수 있다. 또한, 이에 의해, 암 각속도도 암(1)의 목표로 하는 각속도로부터 크게 괴리되어 있음이 추측된다.
한편, 도 20 및 도 21은, 수렴 게인 L1, L2를 목표 각속도 dθD/dt에 따라서 변경한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 이 중, 도 20은 암 각속도의 실값과 암 각속도 추정값의 차이를 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 암 각속도의 실값과 거의 일치하는 암 각속도 추정값이 얻어짐을 알 수 있다. 또한, 도 21은 도 20의 암 각속도 추정값을 사용하여 피드백을 행한 결과를 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 암 각속도의 실값과 거의 일치하는 암 각속도 추정값을 피드백함으로써, 양호한 진동 억제 효과가 얻어짐을 알 수 있다.
도 22는 제5 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 수렴 게인 변경부(73), 암 각속도 추정 옵저버(71), 연산부(72) 등의 동작예를 나타낸 흐름도이다.
도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)에서는, 수렴 게인 변경부(73)가, 컨트롤러(20)에 지시된 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이, 역치(예를 들어, 0.01rad/s) 이하인지 여부를 판정한다(스텝 501). 목표 각속도 dθD/dt의 절댓값이 역치 이하라고 판정되면, 수렴 게인 변경부(73)는, 암 각속도 추정 옵저버(71)에 있어서의 수렴 게인 L1, L2를 변경한다(스텝 502).
다음에, 암 각속도 추정 옵저버(71)가, 도 17에 도시한 처리를 행함으로써, 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 산출한다(스텝 503). 즉, 스텝 502에서 수렴 게인 L1, L2가 변경되었으면, 변경된 수렴 게인 L1, L2를 사용하여, 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 산출한다. 한편, 수렴 게인 L1, L2가 변경되지 않았으면, 기정값의 수렴 게인 L1, L2를 사용하여, 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^를 산출한다.
다음에, 연산부(72)가, 스텝 503에서 산출된 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^에 기초하여, 진동 억제 토크를 산출한다(스텝 504).
이에 의해, 컨트롤러(20)는, 스텝 504에서 산출된 진동 억제 토크에 기초하여 보정된 명령 토크 τ를 모터(2)로 출력한다(스텝 505).
[변형예]
제1 내지 제5 실시 형태에서는, 진동 토크 추정값 dω^, 진동 토크 미분값 추정값 (ddω/dt)^, 진동 토크 추정값 미분값 d(dω^)/dt, 암 각속도 추정값 (dθA/dt)^에 기초하여, 진동 억제 토크를 산출하였지만, 이것에 한하지는 않는다. 예를 들어, 탄성체(3)의 탄성 변형 속도의 추정값 (dε/dt)^에 기초하여, 진동 억제 토크를 산출해도 된다.
10: 기계 시스템
11, 12, 13, 14, 15: 연산기
20: 컨트롤러
21: PID 제어부
22: 관성 보상부
23: 마찰 보상부
30, 40, 60: 진동 토크 추정부
31, 33, 41, 43, 51, 53, 61, 63, 64, 72: 연산부
32: 주기 외란 옵저버
34, 54, 73: 수렴 게인 변경부
42, 62: 최소 제곱 추정부
44, 65: 가중치 변경부
50: 진동 토크 미분값 추정부
52: 주기 외란 속도 옵저버
70: 암 각속도 추정부
71: 암 각속도 추정 옵저버
100, 200, 300: 기계 제어 시스템

Claims (15)

  1. 동작부와, 당해 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 당해 동작부 및 당해 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의, 당해 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 장치이며,
    상기 액추에이터부를 구동하는 구동 신호를 생성하는 생성 수단과,
    상기 기계 시스템에 관한 계측량을 추정하는 추정 수단과,
    상기 추정 수단에 의해 추정된 상기 계측량에 기초하여, 상기 생성 수단에 의해 생성된 상기 구동 신호를 보정하는 보정 수단과,
    상기 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서, 당해 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록, 상기 추정 수단에서 사용되는 게인을 다른 기간보다 작게 하는 변경 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모델화 오차가 증대되는 기간은, 상기 액추에이터부의 각속도의 방향이 반전되는 전후의 기간인 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추정 수단은, 상기 기계 시스템의 상태 방정식에 있어서의 상태량의 미분값을 사용하여, 상기 계측량을 추정하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보정 수단은, 상기 구동 신호에 대하여 상기 계측량에 기초하는 포지티브 피드백을 행함으로써, 당해 구동 신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 계측량은, 상기 액추에이터부의 진동 토크의 추정값 또는 상기 액추에이터부의 진동 토크의 미분값의 추정값인 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추정 수단은, 추정된 외란에 대하여 필터 처리를 행함으로써, 당해 외란으로부터 상기 진동 토크의 추정값 또는 상기 진동 토크의 미분값의 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변경 수단은, 상기 필터 처리에 있어서의 수렴 게인을 상기 게인으로서 사용하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 계측량은, 상기 액추에이터부의 진동 토크의 추정값 또는 상기 액추에이터부의 진동 토크의 추정값의 미분값인 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추정 수단은, 추정된 외란에 대하여 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정을 행함으로써, 당해 외란으로부터 상기 진동 토크의 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변경 수단은, 상기 망각 인자 및 가중치 부여의 최소 제곱 추정에 있어서의 가중치를 상기 게인으로서 사용하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 계측량은, 상기 동작부의 각속도의 추정값인 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 변경 수단은, 상기 각속도의 추정값을 산출할 때 사용되는 수렴 게인을 상기 게인으로서 사용하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 계측량은, 상기 탄성체의 탄성 변형 각속도의 추정값인 것을 특징으로 하는 진동 억제 장치.
  14. 동작부와, 당해 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 당해 동작부 및 당해 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의, 당해 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 방법이며,
    변경수단은, 상기 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서, 당해 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록 추정 수단에서 사용되는 게인을 다른 기간보다 작게 하고, 당해 기간 이외에 있어서는 당해 게인을 변경하지 않고, 상기 추정 수단은 당해 기계 시스템에 관한 계측량을 추정하는 스텝과,
    추정된 상기 계측량에 기초하여, 보정 수단은 상기 액추에이터부를 구동하는 구동 신호를 보정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 억제 방법.
  15. 동작부와, 당해 동작부를 작동시키는 액추에이터부와, 당해 동작부 및 당해 액추에이터부를 연결하는 탄성체를 포함하는, 고유 진동 모드를 갖는 기계 시스템에 있어서의, 당해 동작부의 진동을 억제하는 진동 억제 장치로서, 컴퓨터를 기능시키는 프로그램이 저장된 기록 매체이며,
    상기 컴퓨터를,
    상기 액추에이터부를 구동하는 구동 신호를 생성하는 생성 수단과,
    상기 기계 시스템에 관한 계측량을 추정하는 추정 수단과,
    상기 추정 수단에 의해 추정된 상기 계측량에 기초하여, 상기 생성 수단에 의해 생성된 상기 구동 신호를 보정하는 보정 수단과,
    상기 기계 시스템의 모델화 오차가 증대되는 기간에 있어서, 당해 모델화 오차의 증대의 영향이 작아지도록, 상기 추정 수단에서 사용되는 게인을 다른 기간보다 작게 하는 변경 수단으로서 기능시키기 위한 프로그램이 저장된 기록 매체.
KR1020217009265A 2018-10-04 2019-08-19 진동 억제 장치, 진동 억제 방법 및 프로그램 KR102553575B1 (ko)

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