KR20190062096A - 상태 옵저버 병용형 풀 클로즈드 제어에 의한 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치 - Google Patents

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국립대학법인 나고야공업대학
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Abstract

본 발명의 위치결정 제어장치는, 실제로 검출되는 부하축 위치(θl)에 근거하여, 파동 기어 장치의 출력축인 부하축이 목표 위치(θ* l)에 위치 결정되도록 모터를 구동 제어하는 풀 클로즈드 제어계로서, 상태 옵저버를 병용한 상태 피드백 제어계를 구비하고 있다. 상태 옵저버는, 모터에 대한 제어 입력(iref)과, 부하축 위치(θl)에 근거하여, 모터축 위치, 모터 속도를 추정한다. 상태 피드백 제어계는, 부하축 위치(θl)와, 상태 옵저버에 의한 추정 모터축 위치, 추정 모터 속도를 이용하여, 제어 대상의 상태량을 피드백한다. 파동 기어 장치의 각도 전달 오차에 기인하는 공진 진동을 억제하여 정밀도가 높은 위치 결정이 가능해진다.

Description

상태 옵저버 병용형 풀 클로즈드 제어에 의한 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치
[0001] 본 발명은, 모터의 회전 출력을 파동 기어 장치에 의해 감속하여 부하축에 전달하는 구성을 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 부하축 정보만 이용한, 상태 옵저버(state observer) 병용형 풀 클로즈드(full closed) 제어에 의해, 파동 기어 장치의 각도 전달 오차에 기인한 공진 진동을 억제하여 부하축의 위치결정 제어를 적절히 수행하는 위치결정 제어장치에 관한 것이다.
[0002] 모터와, 감속 기구로서 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터가 알려져 있다. 이러한 구성의 액추에이터의 제어계에 있어서는, 모터축 정보만 이용하여, 파동 기어 장치의 감속 출력 회전을 부하 측에 전달하는 부하축의 위치 제어를 수행하는 세미 클로즈드(semi closed) 제어계가 적용되는 경우가 많다. 그러나, 세미 클로즈드 제어계는 파동 기어 장치에 내재(內在)하는 비선형(非線形) 요소에 의해 부하축에 진동이 발생하여, 위치결정 정밀도가 열화(劣化)된다는 문제가 있다. 이 때문에, 본 발명자들은, 각도 전달 오차에 대한 해석이나 모델화, 구축한 모델을 이용해 각도 전달 오차를 보상하는 방법을 제안한 바 있다(특허문헌 1~4).
[0003] 이에 대하여, 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터에 있어서, 모터축 및 부하축의 각각에 부착된 엔코더로부터의 정보를 이용하여 부하축 위치를 제어하는, 풀 클로즈드 제어계도 제안된 바 있다. 본 발명자들은, 이러한 제어장치에 있어서, 파동 기어 장치의 비선형 특성에 기인하는 부하축의 위치 제어 성능의 열화를 방지하기 위한 수법을 제안한 바 있다(특허문헌 5).
[0004] 일본 특허 공보 제5453606호 일본 특허 공보 제5574228호 일본 특허 공보 제5207071호 일본 특허 공보 제5839510호 일본 특허 공보 제5656193호
[0005] 부하축에 부착된 엔코더의 정보를 이용해 부하축의 위치 제어를 수행하는 풀 클로즈드 제어계를 적용할 경우에는, 제어 성능을 향상시킬 수 있지만, 모터축 엔코더에 추가하여, 부하축에 엔코더를 설치할 필요가 있어, 이에 따른 비용 상승이나 엔코더의 설치 장소의 확보 등의 과제도 많다. 그러나, 최종 제어량인 부하축의 한층 더 개선된 성능의 향상이나 엔코더의 저비용화와 같은 배경에 의해, 부하축 엔코더의 이용이 확대되어 갈 것으로 생각된다.
[0006] 본 발명의 과제는, 모터축 정보를 이용하지 않고, 부하축 정보만 이용한 풀 클로즈드 제어계를 적용하여, 파동 기어 장치의 각도 전달 오차에 기인한 공진 진동을 억제해 양호한 정밀도로 부하축을 위치 결정할 수 있는, 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치를 제공하는 데에 있다.
[0007] 본 발명의 위치결정 제어장치는, 제어 대상인 액추에이터의 위치결정 제어를 수행하기 위한 풀 클로즈드 제어계로서, 부하축 정보만 이용한 상태 피드백 제어계를 구비하고 있다.
[0008] 제어 대상인 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터는, 모터 토크나 부하 토크가 가해졌을 때에, 모터·부하축 간의 비틀림 진동이 여기(勵起)되므로, 비틀림 특성을 고려한 2 관성 모델로서 일반적으로 취급된다. 부하축 정보만을 이용한 제어계를 설계할 경우, 2 관성 모델의 특성으로서 공진 주파수로부터 고주파수 영역에서의 위상 지연이 크고, 제어계가 불안정해지기 쉽다.
[0009] 따라서, 본 발명의 위치결정 제어장치에서는, 상태 피드백 제어계에, 상태 옵저버를 병용하고 있다. 제어 대상에 대한 제어 입력, 및, 실제로 검출되는 부하축 정보로부터, 모터축 정보(모터축 위치 및 모터 속도)를 추정하여, 제어계의 안정화를 도모함으로써, 양호한 정밀도로 부하축의 위치결정 제어를 수행하도록 하고 있다.
[0010] 즉, 본 발명은, 모터의 회전을 파동 기어 장치로 감속하여 부하축에 전달하는 구성을 구비한 액추에이터를 구동 제어하여 상기 부하축의 위치결정 제어를 수행하는 액추에이터의 위치결정 제어장치로서,
실제로 검출되는 부하축 위치에 근거하여, 상기 부하축이 목표 위치에 위치 결정되도록 상기 모터를 구동 제어하는 풀 클로즈드 제어계로서, 상태 옵저버를 병용한 상태 피드백 제어계를 구비하고 있고,
상기 상태 옵저버는, 상기 상태 피드백 제어계에 있어서의 제어 대상인 상기 액추에이터의 상기 모터에 대한 제어 입력, 및, 상기 부하축 위치에 근거하여, 상기 모터축 위치 및 모터 속도를 추정하며,
상기 상태 피드백 제어계는, 상기 부하축 위치와, 상기 상태 옵저버에 의한 추정 모터축 위치 및 추정 모터 속도를 이용하여, 상기 제어 대상의 상태량을 피드백하는 것을 특징으로 하고 있다.
[0011] 본 발명자들에 의한 실기(實機) 실험에 의해, 본 발명의 위치결정 제어장치에 의한 위치결정 제어의 유효성이 확인되었다. 또, 본 발명에 의하면, 풀 클로즈드 제어계를 채용하고 있으므로, 위치결정 제어의 정정(整定, settling)시의 정상 편차(steady-state deviation)나 불규칙(variation)을 압축할 수가 있다.
[0012] 나아가, 엔코더를 부하축에만 부착하면 되기 때문에, 종래의 세미 클로즈드 제어계에 대해서 센서 수를 증가시키는 일 없이 부하축의 제어 성능을 향상시킬 수가 있다. 또, 센서 수의 증가에 따른 비용 상승이나 엔코더의 설치 장소의 확보 등의 과제를 해결할 수가 있다.
[0013] 도 1a는 본 발명의 제어 대상인 액추에이터의 구성예를 나타낸 설명도이다.
도 1b는 세미 클로즈드 제어계를 나타내는 블록선도이다.
도 2는 부하축 1주분(one rotation)의 각도 전달 오차의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 모터축 3주기분의 각도 전달 오차의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 각도 전달 오차의 측정 결과의 스펙트럼 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 각도 전달 오차로부터 부하 위치까지의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 일정 가속도 실험의 응답 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 모터축 부하축 엔코더를 이용한 상태 피드백 제어계를 나타내는 블록선도이다.
도 8은 폐(閉)루프계의 극(極) 배치를 나타내는 그래프이다.
도 9는 상태 옵저버를 나타내는 블록선도이다.
도 10은 폐루프계 극과 옵저버 극을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 의한 부하축 엔코더의 정보만 이용한 상태 피드백 제어계를 나타낸 블록도이다.
도 12는 각 제어계의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 저가속도 실험의 실기 응답 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 고가속도 실험의 실기 응답 결과를 나타내는 그래프이다.
[0014] 이하에, 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치에 대해 설명한다.
[0015] [위치결정 시스템의 전체 구성]
도 1a는, 본 발명의 제어 대상인, 파동 기어 장치를 감속기로서 포함하는 액추에이터를 구비한 위치결정 시스템의 구성예를 나타낸 설명도이다. 위치결정 시스템(1)은, 액추에이터(2), 및, 그 위치결정 제어장치(3)를 구비하고 있다. 액추에이터(2)는, 모터(4)와, 모터(4)의 출력 회전을 감속하는 파동 기어 장치(5)와, 파동 기어 장치(5)로부터 출력되는 감속 회전에 의해 회전하는 부하축(6)을 구비하고 있다.
[0016] 파동 기어 장치(5)는, 모터축(8)에 고정한 파동 발생기(5a)와, 부하축(6)에 고정한 가요성 외기어(flexible externally toothed gear; 5b)와, 액추에이터 하우징(2a) 측에 고정한 강성 내기어(rigid internally toothed gear; 5c)를 구비하고 있다. 액추에이터(2)에 의해, 부하축(6)에 부착된 부하 장치(7)가 회전 구동된다. 부하축(6)에는 부하축 위치 검출용의 부하축 엔코더(10)가 부착되어 있다.
[0017] 위치결정 제어장치(3)는, 부하축 엔코더(10)에 의해 검출되는 부하축 위치에만 근거하여, 모터(4)의 구동을 제어하며, 부하축(6)(따라서 부하 장치(7))의 위치결정을 수행하는 풀 클로즈드 제어계를 구비하고 있다. 풀 클로즈드 제어계는, 상태 옵저버를 병용한 상태 피드백 제어계이다.
[0018] 또한, 도 1a에 있어서는, 후술하는 실증(實證) 실험에 있어서 이용한 모터축 엔코더(9a) 및, 그 신호 라인(9b)을 이미지 라인으로 나타내고 있다.
[0019] [파동 기어 장치의 각도 전달 오차]
도 1b는, 위치결정 시스템(1)의 제어 대상인 액추에이터를 2 관성계 모델로 간주한 경우에 있어서의 세미 클로즈드 제어계를 나타내는 블록선도이다. 제어 대상은, 일반적으로, 파동 기어 장치의 입력 측의 모터축을 포함하는 모터 측 관성계와, 파동 기어 장치의 출력 측의 부하축을 포함하는 부하 측 관성계로 이루어지는 2 관성계 모델로서 취급된다. 도면 중의 기호는 다음과 같으며, C(s)는 모터축 위치와 속도를 피드백하는 P-PI 보상기를 나타내고, 상술한 각도 전달 오차는, 도면에서는, 모터축 위치(θm)와 부하축 위치(θl) 사이의 비틀림 위치에 입력되는 위치 외란(外亂)(θsync)으로 되어 있다.
[0020] Jm：모터축 관성 모멘트
Dm：모터축 점성 마찰 계수
Jl：부하축 관성 모멘트
Dl：부하축 점성 마찰 계수
Dg：감속기의 점성 마찰 계수
N：감속비
Kt：모터 토크 정수
Kg：스프링 특성
θm：모터축 위치
ωm：모터 속도
θl：부하축 위치
ωl：부하 속도
θsync：각도 전달 오차
iref：모터 토크 전류 지령치
θ* m：위치 지령 입력
[0021] 여기서, 일반적으로, 파동 기어 장치의 각도 전달 오차(θTE)는, 모터축 위치를 θm, 부하축 위치를 θl, 감속비를 N으로 하면, 모터축 위치(θm)로부터 계산되는 이론적 부하축 위치(θm/N)와, 실제의 부하축 각도(θl) 간의 차이며, 다음의 식 1로 정의된다.
(식 1)
Figure pct00001
[0022] 파동 기어 장치에서는, 기어의 가공 오차나 구성부품의 조립 부착 오차에 기인하여, 구성부품의 상대 회전에 동기하여 각도 전달 오차가 생긴다. 각도 전달 오차의 측정은 다음과 같이 수행할 수 있다. 즉, 미소(微小) 이송 각도의 위치결정을, 기어의 맞물림이 일순(一巡)하는 부하축의 1주분만큼 실시하고, 위치결정 종료시에 있어서의 각도 전달 오차를 위치결정시마다 측정한다.
[0023] 도 2는 부하축 1주분의 각도 전달 오차 측정 결과를 나타내는 그래프이고, 도 3은 모터축 3주기분의 측정 결과를 나타내는 그래프이며, 도 4는 측정 결과의 스펙트럼 해석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4의 횡축은 모터 회전으로 규격화되어 있다. 도 2, 도 3으로부터, 주기적인 성분을 확인할 수 있다. 도 4로부터, 각도 전달 오차는 특히 모터 회전 주기의 2배의 주파수 성분이 주성분임을 확인할 수 있다.
[0024] [각도 전달 오차에 기인한 진동의 해석]
각도 전달 오차의 주파수와 기구 공진 주파수가 일치하면, 가감속(加減速)의 도중에 공진 진동을 여기하여, 기구 진동이나 소음을 발생시키는 것이 알려져 있다.
[0025] 도 5는, 각도 전달 오차(θsync)로부터 부하축 위치(θl)까지의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다. 도 5로부터, 전달 특성(Gl)은, 100[㎐] 부근에 공진 특성을 가지고 있고, 각도 전달 오차(θsync)에 100[㎐]의 성분이 입력되었을 때에, 부하축 위치에 진동이 여기됨을 알 수 있다.
[0026] 도 6은, 각도 전달 오차(θsync)에 기인한 진동 현상을 해석하기 위해, 일정 가속도 실험을 실시한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6의 (a)에 부하 속도 응답을, 도 6의 (b)에 부하 위치 진동 성분을 각각 나타낸다. 도 6으로부터, 특히 부하 속도가 60[rpm] 부근에서 진동적인 응답(vibrational response)으로 되어 있다. 일정 가속도 실험에 있어서, 각도 전달 오차의 주파수가 100[㎐]가 될 때의 모터 속도는 3000[rpm]이며, 파동 기어 장치의 감속비(N)는 50이므로, 부하 속도는 60[rpm]이 된다. 따라서, 본 진동 현상은, 각도 전달 오차에 기인한 것임을 알 수 있다.
[0027] [제어계의 설계]
(상태 피드백 제어계의 설계)
앞서 기술한 바와 같이, 각도 전달 오차에 기인한 공진 진동에 의해 제어 성능이 크게 열화되기 때문에, 위치결정 제어장치(3, 도 1 참조)에서는, 상태 피드백 제어에 의한 보상 수법을 채용하고 있다.
[0028] 도 7은, 모터축과 부하축의 쌍방에 엔코더를 배치하고, 이들에 의해 검출되는 모터축 위치 및 부하축 위치의 쌍방을 이용한 상태 피드백 제어계를 나타내는 블록선도이다. 본 도면에 있어서, F는 상태 피드백 게인을 나타내고, Cp는 위치 비례 보상기를 나타내며, Cv는 속도 비례 적분 보상기를 나타낸다. 이러한 구성의 상태 피드백 제어계에 대해서, 종래의 P-PI 제어계를 포함한 폐루프계에 대한 극 배치를 전제로 하여, 상태 피드백 제어계의 설계를 실시한다. 구체적으로는,
(1) P-PI 보상기 게인(위치 비례 게인, 속도 비례 게인, 속도 적분 게인)을 결정하여, F=0일 때의 폐루프계 극 배치를 확인한다.
(2) 상기 (1)에서 확인한 폐루프계의 극 중에서 실축(實軸) 상에 없는 진동 극의 감쇠만을 변경하기 위해, 진동 극이 실축 상의 극과 수직으로 나란하도록, 상태 피드백 게인(F)을 도출한다.
[0029] 이러한 설계 순서에서는, P-PI 보상기의 게인을 결정하면, 진동 극이 적당한 감쇠가 되는 상태 피드백 게인(F)을 일의(一意)적으로 도출할 수 있어, 간편한 설계가 가능하다.
[0030] 여기서, 상태 피드백 제어계의 설계에 이용하는, 제어 대상의 상태 방정식은 다음의 식 2~8로 나타내어진다.
[0031] (식 2)
Figure pct00002
(식 3)
Figure pct00003
(식 4)
Figure pct00004
(식 5)
Figure pct00005
(식 6)
Figure pct00006
(식 7)
Figure pct00007
(식 8)
Figure pct00008
[0032] (폐루프계에 대한 극 배치 설계)
폐루프계의 극 배치와, 상태 피드백 제어계의 확대계 플랜트의 극 배치의 관계성을 명확하게 한다. 도 7에 있어서의 지령으로부터 부하축까지의 폐루프계의 전달 함수를 Gr →load, 확대계 플랜트의 입력으로부터 모터축까지의 전달 함수를 Gv →motor, 확대계 플랜트의 입력으로부터 부하축까지의 전달 함수를 Gv →load로 하면, Gr →load는, Gv→motor 및 Gv→load를 이용하여, 식 9로 나타내어진다.
(식 9)
Figure pct00009
[0033] 여기서, Gr →load, Gv →motor, Gv →load를 분자와 분모의 다항식으로 나누어, 이하와 같이 각각 나타낸다.
(식 10)
Figure pct00010
(식 11)
Figure pct00011
(식 12)
Figure pct00012
[0034] 식 10, 식 11, 식 12를 식 9에 대입하면,
(식 13)
Figure pct00013
으로 나타낼 수 있다. 또, 식 13의 좌변 및 우변에 있어서의 분모 다항식은,
(식 14)
Figure pct00014
가 된다. 따라서, 확대계 플랜트의 분모 다항식은,
(식 15)
Figure pct00015
가 된다. 식 15로부터, 진동 극의 감쇠를 변경한 폐루프계에서의 극 배치로부터, 확대계 플랜트의 극 배치 및 상태 피드백 게인(F)을 도출할 수가 있다.
[0035] 도 8은, 이상의 순서에 의해 설계한 폐루프계의 극 배치도이다. 풀 클로즈드 제어계에서의 진동 극의 감쇠를 변경하여, 진동 극이 실축 상의 극과 수직으로 나란하도록 설계되어 있음을 확인할 수 있다.
[0036] (상태 옵저버의 설계)
본 발명에서는, 부하축 정보만 이용한 풀 클로즈드 제어계를 실현하기 위하여, 상태 옵저버에 의해 모터축 위치 및 속도를 추정하며, 모터축 정보를 필요로 하지 않는 상태 옵저버 병용형 풀 클로즈드 제어계를 구비하고 있다.
[0037] 상태 옵저버의 설계에 이용하는 상태량 및 제어 대상의 상태 방정식을, 식 16~식 19에 나타낸다. 이하의 식에 있어서, dm는 모터 외란이다.
[0038] (식 16)
Figure pct00016
(식 17)
Figure pct00017
(식 18)
Figure pct00018
(식 19)
Figure pct00019
[0039] 도 9는, 상태 옵저버의 블록선도이다. 도면 속의 부호는 다음과 같다.
Figure pct00020
[0040] 일반적으로, 상태 옵저버의 극은 폐루프계의 극에 대해서 고역(高域) 측에 배치하면 되지만, 너무 고역 측에 극을 배치하면 외란이나 노이즈의 영향을 받기 쉬워진다. 따라서, 여기에서는, 도 10에 있어서 ×표로 나타내는 폐루프계의 극에 대해서, 상태 옵저버의 극을 동그라미로 둘러싼 ×표로 나타내는 위치에 배치하도록 결정하였다.
[0041] (상태 옵저버 병용형 상태 피드백 제어계)
도 11은, 위에서 설명한 바와 같이 설계한 상태 옵저버를 도입한 상태 옵저버 병용형 상태 피드백 제어계를 나타내는 블록선도이다. 도 12는, 설계한 제어계의 각종 주파수 응답을 나타내는 그래프로서, 도 12의 (a)는 개(開)루프 전달 특성을 나타내고, 도 12의 (b)는 나이퀴스트 선도(Nyquist diagram)이며, 도 12의 (c)는 폐루프 전달 특성(지령으로부터 부하축까지)을 나타내고, 도 12의 (d)는 각도 전달 오차로부터 부하축까지의 각도 전달 오차 특성을 나타낸다.
[0042] 도 12에 있어서의 각 선은 다음의 제어계를 의미하고 있다. 또한, 후술하는 도 13, 14에 있어서도 마찬가지이다.
Semi-Closed：세미 클로즈드 제어계
Full-Closed：풀 클로즈드 제어계
State-Feedback：모터축 부하축 엔코더를 이용한 상태 피드백 제어계
State-Feedback with Observer：상태 옵저버 병용형 상태 피드백 제어계(제안 제어계)
[0043] 도 12의 (a), (b)로부터, 상태 피드백 제어계, 본 발명의 제안 제어계는, 종래의 세미 클로즈드 제어계/풀 클로즈드 제어계와 동등한 안정 여유를 가지고 있음을 알 수 있다. 도 12의 (d)로부터, 상태 피드백 제어계가, 각도 전달 오차의 진동이 현저해지는 100㎐에서의 게인이 가장 저감되어 있다. 본 발명의 제안 제어계에서는, 상태 피드백 제어계에 비해 각도 전달 오차의 영향을 받기 쉽기는 하지만, 종래의 세미 클로즈드 제어계/풀 클로즈드 제어계에 비해 게인이 저감되어 있음을 확인할 수 있다.
[0044] [실기(實機) 검증]
제안 제어계의 유효성을, 도 1에 나타내는 위치결정 시스템을 이용한 구동 실험에 의해 검증하였다. 이를 위해, 상술한 P-PI 세미 클로즈드 제어계, P-PI 풀 클로즈드 제어계, 모터축 부하축 엔코더를 이용한 상태 피드백 제어계와의 응답 비교를 실시하였다. 실기 실험으로서, 제진성(制振性)을 평가하기 위하여, 각도 전달 오차에 기인한 진동의 영향이 현저해지는 저가속도 실험을 실시하고, 추종성 평가로서의 고속·고정밀도 위치결정을 평가하기 위하여, 고가속도 실험을 실시하였다.
[0045] (저가속도 실험에 의한 특성 해석)
저가속도 실험시의 제안 제어계의 특성을, 실기 실험에 의해 검증하였다. 도 13은, 저가속도 실험시의 실기 응답을 나타내며, 정량적인 평가로서 표 1에 제어 성능 평가를 나타낸다. 도 13에 있어서, (a)는 부하 속도를 나타내고, (b)는 부하 위치 진동 성분을 나타낸다.
[0046] (표 1)
Figure pct00021
[0047] 도 13으로부터, 제안 제어계의 경우에는, 상태 피드백 제어계, 세미 클로즈드 제어계 및 풀 클로즈드 제어계의 경우에 비해, 16s~18s의 사이에서 공진 진동이 억제되어 있다. 한편으로, 제안 제어계에서는, 도 12의 (d)의 주파수 특성에서 보여진 바와 같이, 40~80㎐ 부근의 게인이 다른 제어계에 비해 커져 있어, 11s~15s의 사이에서 진동이 커져 있다.
[0048] 나아가, 표 1로부터, 세미 클로즈드 제어계에 비해, 제안 제어계에서는, 부하 위치 진동 성분의 최대 진폭을 43.6%로, 진동 면적을 88.6%로 각각 억제하고 있어, 모터축 엔코더를 이용하지 않고 상태 피드백 제어계의 경우와 동일한 정도의 진동 억제가 실현되어 있다.
[0049] (고가속도 실험에 의한 특성 해석)
고가속도 실험시의 제안 제어계의 특성을, 실기 실험에 의해 검증하였다. 도 14는, 고가속도 실험시의 실기 응답을 나타내며, (a)는 모터 위치 정정(整定) 부근을 나타내고, (b)는 부하 위치 정정(整定) 부근을 나타낸다.
[0050] 도 14로부터, 제안 제어계는, 정상 편차나 불규칙이 압축되어 있고, 또, 종래의 세미 클로즈드 제어계 및 풀 클로즈드 제어계보다, 부하 위치의 정정(整定)까지가 빠르며, 종래의 상태 피드백 제어계에 비해 동일한 정도(精度)에 의한 위치 결정 제어가 가능하다. 이것은, P-PI 제어계 게인을 높게 설정하는 것이 가능해졌기 때문이다.
[0051] 이상 설명한 바와 같이, 파동 기어 장치가 감속기로서 내재(內在)하는 액추에이터를 대상으로 하며, 각도 전달 오차에 기인한 공진 진동을 억제하는 것을 목적으로 하여, 상태 옵저버 병용형 풀 클로즈드 상태 피드백 제어계를 설계하고, 실기 검증에 의해, 그 유효성을 검증하였다.
[0052] 제안 제어계에서는, 종래의 세미 클로즈드 제어계에 대하여 센서 수를 증가시키는 일 없이, 부하 위치에 편차가 나타나지 않고 목표 위치로 정정(整定)하는 것과 같은 위치 결정 제어가 가능해졌으며, 공진 주파수인 100㎐ 부근의 진동을, 모터축 부하축 엔코더를 이용한 상태 피드백 제어계와 동일한 정도로 억제할 수 있었다.

Claims (3)

  1. 모터의 회전을 파동 기어 장치로 감속하여 부하축에 전달하는 구성을 구비한 액추에이터를 구동 제어하여 상기 부하축의 위치 결정 제어를 수행하는 액추에이터의 위치결정 제어장치로서,
    실제로 검출되는 부하축 위치에 근거하여, 상기 부하축이 목표 위치에 위치 결정되도록 상기 모터를 구동 제어하는 풀 클로즈드(full closed) 제어계로서, 상태 옵저버(state observer)를 병용한 상태 피드백 제어계를 구비하고 있고,
    상기 상태 옵저버는, 상기 상태 피드백 제어계에 있어서의 제어 대상인 상기 액추에이터의 상기 모터에 대한 제어 입력, 및, 상기 부하축 위치에 근거하여, 모터축 위치 및 모터 속도를 추정하며,
    상기 상태 피드백 제어계는, 상기 부하축 위치와, 상기 상태 옵저버에 의한 추정 모터축 위치 및 추정 모터 속도를 이용하여,
    상기 제어 대상의 상태량을 피드백하는
    파동 기어 장치를 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상태 피드백 제어계의 설계에 있어서는,
    상기 모터축 위치 및 상기 부하축 위치의 쌍방을 피드백하여 상기 부하축의 위치 결정 제어를 수행하는 P-PI 제어계를 포함한 폐루프계에 있어서의 P-PI 보상기 게인을 결정하고, 상기 상태 피드백 제어계의 상태 피드백 게인이 0(제로)일 때의 상기 폐루프계의 극(極) 배치를 확인하며,
    확인한 상기 폐루프계의 극 중에서, 실축(實軸) 상에 없는 진동 극의 감쇠만을 변경하기 위해, 해당 진동 극이 실축 상의 극과 수직으로 나란하도록, 상기 상태 피드백 게인을 도출하는
    파동 기어 장치를 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상태 피드백 제어계의 설계에 이용하는 상기 제어 대상인 상기 액추에이터는, 모터, 스프링, 부하로 이루어지는 2 관성계 모델인 것으로 간주되며, 그 상태 방정식이 다음의 식으로 나타내어지고,
    Figure pct00022

    Figure pct00023

    Figure pct00024

    Figure pct00025

    Figure pct00026

    Figure pct00027

    Figure pct00028

    상기 상태 옵저버의 설계에 이용하는 상기 상태량 및 상태 방정식은 다음의 식으로 나타내어지며,
    Figure pct00029

    Figure pct00030

    Figure pct00031

    Figure pct00032

    여기서,
    Jm：모터축 관성 모멘트
    Dm：모터축 점성 마찰 계수
    Jl：부하축 관성 모멘트
    Dl：부하축 점성 마찰 계수
    Dg：감속기의 점성 마찰 계수
    N：파동 기어 장치의 감속비
    Kt：모터 토크 정수
    Kg：스프링 특성
    θm：모터축 위치
    ωm：모터 속도
    θl：부하축 위치
    ωl：부하 속도
    dm：모터 외란
    iref：모터 토크 전류 지령치
    θ* m：위치 지령 입력
    인 파동 기어 장치를 구비한 액추에이터의 위치결정 제어장치.
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