WO1989002185A1 - Servo motor controller - Google Patents

Description

明 細 書

サ ー ボ モ ー タ 制御装置 技 術 分 野

本発明 は 、 周波数応答特性等の特性を 改善 し た サー ボ モ ー タ 制御装置 に 関す る 。

背 景 技 術

サ ー ボ モ ー タ の 速度制御 に お い て は 、 通常 は サ ー ボ モ ー タ か ら フ ィ ー ド ノ ッ ク さ れ る 速度信号 を速度指令 と 比較す る よ う に し て い る 。 第 4 図 は 、 と う し た従来の速 度制御系の一例 で あ つ て 、 外乱 を無視 し た場合の ブ 口 ッ ク 図を示 し て レヽ る 。 図 に お い て、 a は積分ゲ イ ン を 有す る 積分項、 b は比例ゲ イ ン K ₂ を有す る 比例項、 c は ト ル ク 定数 Κ _τ の電流増幅項、 d は モ ー タ の ロ ー タ イ ナ ー シ ャ J _M と 負荷 イ ナ一シ ャ を 示 す 定数- /3 と を 含 む モ ー タ 項で あ る 。 な お、 s は微分オ ペ レ ー タ' で あ る 。

こ の速度制御系で は、 速度指令 V ( s ) と モ ー タ 速度 W ( s ) と の偏差信号を積分項 a の K S に よ り 積分 し た結果 と 、 モ ー タ 速度 W ( s ) を比例項 b の比例ゲ イ ン K ₂ を 通 し て 帰還 し た 結果 と の 和 が 、 ト ル ク 指令 T ( s ) ( 電流指令 ） と し て モ ー タ d に 与 え ら れ て レヽ る 。 こ の よ う な速度制御系 は、 積分項 a の た め に ト ル ク 指 令 T ( s ) の応答 に 時間遅れが生 じ 、 ま た 系の ゲ イ ン を 大 き く す る と 制御系が発振す る な ど不安定状態 と な る 。 つ ま り 、 速度指令 V ( s ) の速い動 き に 迅速 に 追従で き ず 、 特 に モ ー タ 停止制御時 に は振動 が発生す る と い う 問 題があ つ た。

発 明 の 開 示

本発明は、 こ う し た問題点を解決すべ く な さ れた も の で、 周波数応答を高め、 外乱や負荷変動の影響を軽減 し て安定な速度制御がで き る サーボモータ制御装置を提供 す る こ と を 目 的 と してレヽ る。

本発明 に よ れば、 制御規範モデルを含む速度制御ルー ブを有 し、 サ一ポモータ に ついて モデル規範型の速度制 御を行な う サーボモータ 制御装置で あ つ て、 前記サーボ モータ か ら フ ィ ー ド バ ッ ク さ れる速度信号を微分 し て加 速度信号を形成す る手段 と 、 前記速度制御ループよ り 出 力 さ れる電流指令を用いてサーボモータ の加速度値を推 定する手段 と 、 前記加速度信号 と 推定さ れた加速度値 と の偏.差を求め る手段 と 、 該偏差信号に よ り 前記電流指令 を補正す る手段 と を有す る サ一ボモータ 制御装置が提供' で き る 。

従 っ て本発明のサ一ボモータ制御装置は、 演算さ れた 加速度 と 推定さ れた加速度 と を比較 し、 こ の比較結果に 応じ て電流指令を補正する こ と が で き 、 安定 し た速度制 御が可能 に な る 。

図面の箇单な説明

第 1 図は、 モ デル規範型の速度制御ループを有す る本 発明の一実施例を示すブ ロ ッ ク 図、 第 2 図は、 外乱の影 響を考慮 し た速度制御系の ブロ ッ ク 図、 第 3 図は、 並列 型の モデル規範制御を説明す る ブ ロ ッ ク 図、 第 4 図は、 従来の速度制御ルー プの一例を示す ブ ロ ッ ク 図で あ る 。 発明を実施す る た めの最良の形態

以下、 図面を用い て本発明の一実施例 に つい て詳細 に 説明す る 。

本発明 に おいて は、 モ デル規範型の適応制御を用い る の で、 最初 に こ の制御の原理 に つい て説明す る 。

第 3 図は並列形モ デル規範制御系の一例を示す ブ 口 V ク 図で あ る。 こ の図 に示す よ う に 、 制御対象 1 に対 し て 規範モ デ ル 2 を並列 に配置 し、 制御対象 1 の前段 に設け た 可調節 ゲ イ ン 3 を制御対象 1 の運転中 に 適応的 に 修 正 し 、 制御対象 1 の 出力 I 0 υ τ が規範 モ デ ル 2 の 出力 I O U T に追従す る よ う に 、 演算器 5 の出力 に応 じ て適応 制御器 4 に よ り ゲ イ ン 制御 を行 な う 。 I _{B E F} は指令信 号、 e は偏差信号で あ る 。 こ の よ う な モ デル規範適応制 御は、 応答が速 く 制御系 に対す る適応制御がで き る と い う 利点を有 し て レヽ る 。

第 1 図 は 、 本発明 の一実施例 を示す プ ロ ツ ク 図 で あ る 。 図 に おい て、 第 3 図、 第 4 図 と 同一部分 に は同一符 号を付け て、 そ れ ら に つ い て の説明 は省略す る 。 こ の モ デル規範型の速度制御ループを有す る本発明の一実施例 で は、 速度制御某'の規範モ デル 2 の係数 α が、 速度制御 ルー プの カ ツ ト オ フ周波数お よ びダ ン ピ ン グ係数を、 補 正ゲ イ ン係数 Κ _Α = 0 の と き と 等 し く す る値 に設定さ れ て レ、 る こ と 、 お よ び可調節ゲ イ ン 3 と し て 補正ゲ イ ン K Α を設け た点 に特徴があ る 。 即 ち 、 速度 フ ィ ー ド バ V

δ ク 系 と と も に、 微分オペ レータ s を有す る演算項 6 を設 け る こ と に よ り モー タ 速度 W ( s ) を微分 し て加速度 フ ィ ー ド ノ ッ ク 系を形成し、 電流指令 T ( s ) に も と づ き規範モ デル 2 で加速度を推定し、 フ ィ ー ド ノ ッ ク さ れ た加速度信号 と 演算器 5 で比較 し て電流指令 T ( s ) の 補正を行な う も の で あ る。

次 に 、 第 1 図 の 制御系 で の 伝達関数 H ( s ) = W ( s ) / V ( s ) に ついて説明す る 。

図 に ぉ レヽ て 、 速度指令 V cmd ( = V (s ) ) 、 ト ル ク 指令 T (s)、 補正 ト ル ク信号 A (s)、 モータ速度 W (s)の関係は、 T (s) = ( i/S) V (s) - { (K i/S) + ₂} W (s)

A (s) = K_A { ( a K T/ J M) T (S) -SW (S) }

W (s) = [ _T/ {SJ_M (1+ iS ) } ] {T (s) +A (s) }

と な っ て、 伝達関数 H ( s ) ほ

H (s) =ΚτΚ _χ {1+ a K_A T/J M) } / [ {J M (1+ β ) + K_T K _A } S ₂ + K _T K ₂

{l+ ( KA K T/JM) } S + xK i {1+ ( a K_AK_T/ J _M) } ]

♦♦♦ (1) と示さ れる 。

( A ) 補正ゲイ ン K _A = 0 の場合の伝達関数 H o ( s ) 0 に つ レヽ て

こ れ ほ 、 第 4 図 に 示 す従来例の 系、 つ ま り 加速度 フ ィ ー ド バ ッ ク 系の な い も の に相当す る。 伝達関数 H ₀ ( s ) = W ( s ) Z V ( s ) と す る と 、

Ho (s) = ( τΚ！) / {J_M (1+ 3 ) S ² + K _T K ₂ S + K T I } … （ 2 ) こ こ で 、 負荷の イ ナー シ ャ 比に応 じて積分項 a と 比例 項 t) を調整 し て 、

Κ ι = (1+ β ο) Κ ι ο 、 K₂ = (1+ ^ o) K₂ o

β o :負荷の ィ ナ ー シ ャ 比 に 対応す る 定数 と す る 。 ま た 、 負荷イ ナ 一 シ ャ を示す定数 を、

β = β 0 - と す る 場合 に （ 2 ) 式 は、

Ho (s) =Κ_τΚ ι ο (1+ i8 o) / {J M (1+ i3 o) S ²

+ K_T (1+ /3 o) ₂ o S + ΚτΚ ! o (1+ β o) } = ω n²/ (S² + 2 δ ω nS + ω n²)

… (3) と 表わ す こ と が で き る 。

但 し 、 （K _T K _{1 0}) /J_M- ω η²、 (K T / J M ) Κ ₂ ο ' 2 ζ ω n と す る 。

( B ) 補正ゲ イ ン K A 0 、 係数 ex = 0 の場合の伝達関 数 H ( s ) に つ い て - こ こ で は、 第 1 図 に示す加速度 フ ィ ー ド バ ッ ク 機能の み を従来の速度 フ ィ 一 ド ノ ッ ク 系 に 付カロ し た と き の、 系 の動作 を説明 す る 。 伝達関数を H ( s ) = W ( s ) / V ( s ) と す る と 、

H (s) = (Κτ χ ) / [ {J_M (1+ β ) + τ _Α} S ² + Κ _τ Κ ₂ S + Κ _τ Κ χ ]

… （4) と な る 。 上 記 第 （ 2 ) 式 と の 比 較 に ぉ レ、 て 、 力 Π 速 度 フ ィ 一 ド ノ ッ ク の み を付加す る こ と は、 モ ー タ の ロ ー タ イ ナ一シ ャ が擬似的 に 増大 し た こ と に 相当 す る こ と が示 さ れ る 。 ( C ) 補正ゲ イ ン K _A ≠ 0 , 係数 α ≠ 0 の場合の伝達関 数 Η ( s ) に つ い て

こ れは、 第 1 図に示すモ デ ル規範制御 に加速度フ ィ ー ド ノ ッ ク を付加 し た場合に相当す る 。 こ こ で は、 規範モ デルの係数 α を x =l/ (l_{+ i}3 ) と する こ と で、 速度指令に 対 し て は従来の速度制御系 と 同様の挙動 を示 し 、 か つ モ ー タ の ロ ータ イ ナーシ ャ が見掛け上大き く な り 、 系の 安定性が向上 し てい る こ と が示さ れる 。 す なわ ち伝達関 数 H ( s ) は、 上記 （ 1 ) 式で （ α K_T/J_M) = α ' と おい て、

H (s) =Κ_τ ι (1+ α ' K_A) / [ {J "い β ) + τΚ_Α} S ²

+ { τΚ₂ ο (1+ i3 ο) (ltK_A ' ) S} . + { τ ι ο (1+ β ο) (い α ^r Κ_Α) } ] と な る 。

次に 、 Κ _Α を K_TK_A/J_M (1+ 3 ) = P と な る よ う に定め た と き 、 即ち 、 見か け上の ロータ イ ナ一シ ャ が （ 1 + P ) 倍 と な っ た と き に 、 Κ _Α α ' = Ρ よ り α ほ、

α = 1/ (い j3 )

と な る 。 従っ て、 伝達関数 H (s) は

H (s) = τΚ _{1 0} (1+ /3 ο) (い P) / [J_M (1+ ^ ) (1 + P) S ²

+ τΚ_{2 0} (1+ β ο) (1 + Ρ) S + Κτ ! ο (1+ β ο) (1 + Ρ) ] = { τΚ ! ο (1+ β ο) } / [J M (1+ β ) S ²

+ Κ_ΤΚ_{2 0} (1+ β ο) S + ΚτΚ ! ο (い β ο) ]

… （5) と な る 。 即 ち 、 （ 5 ) 式 は 、 cx - 1/ (い； 3 ) が設定 さ れ る こ と で 、 速度ルー プが速度指令 V (s) に 対 し て K A = 0 ( 従来 例 ） の と き と 同 じ挙動を示 し 、 同時 に モ ー タ ロ ー タ の ィ ナ ー シ ャ が見掛 け上大 き く な り 、 速度制御系の安定性が 増大 し て い る こ と を示 し て レ、 る 。

第 2 図 は 、 外乱の影響を考慮 し た速度制御系の ブ ロ ッ ク 図で あ る 。 外乱の影響 に つ い て検討す る 前 に 、 イ ナ一 シ ャ の変化 に よ る 伝達関数への影響 を考察す る 。

( a ) 負荷イ ナ一シ ャ の変動の影響 に つ い て

ま ず、 モ ー タ イ ナ ー シ の係数 を /3 ( s ) と し た と き の伝達関数 H ( s ) に 対す る イ ナ一シ ャ の変動の影響 に つ い て説明す る 。 前記 （ 1 ) 式か ら 伝達関数 H ( s ) . ほ 、

H (s)

= Κ_ΤΚ _{1 0} (1+ α ' Κ_Α) (1+ β ο ) / [ { J M (1+ ^ (s) ) + τΚ_Α} S ²

+ Κ_ΤΚ₂。 （1+ β ο) (1 + _Α α ' ) S + Κ_ΤΚ 1 ο (1 + β ο) (1 + ' Κ_Α) ] と な り 、 伝達関数 Η ( s ) に 対す る イ ナ一シ ャ の変動の 影響 は 、 つ ぎ の式 に よ り 評価 さ れ る 。

{ d H (s) / a β (s) }

= {- _ΤΚ ! o (1+ ' K_A) J_M S ² (1 + ^ o) } /

[ { J M (1+ β (s) ) + K _T K _A } S ²

+K_{T 2 0} (1 + β o) (1 +K_A a ' ) S

+ K_TK !。 （1+ 。） （1+ a ' K_A) ] ²

… ( 6 ) こ こ で、 K _A = 0 と すれば、 （ 2 ) 式よ り 、

{ d Ho (s) / δ β (s) }-

= -K_TK₁₀ (1+ 。） J_MS²/ {J_M (1+ β (s) ) S²

+ Κ_ΤΚ₂ ο (1+ β ο) S + ΚτΚ ι ο (1÷ iS οΥ} ²

- ( 7 ) 次に、 上記 （ 6 ) , ( 7 ) 式よ り 、

Gi (s) = { 5 H (s) / 5 β (s) }/ { d Ho (s) / a β (s) }

… (8) を求め る 。

先に述べた様に、 規範モ デルの係数 α を α =1/ (い J と すれば、 K_A = P (1+ β ι ) x (JM/ T) で あ る か ら 、

= P (1+ i3 i) (JM/KT) ( _T/JM) {1/ (1* β i ) } = P

と なる。 そ こ で、 i8 (s ) は i3 付近で変動 し てい る が、 その変動幅を無視 して、 1+ 3 (s) = 1+ β ！ と すれば、 G I (s)

= {JM (1+ β i ) S² + K_{T 2} o (1+ β o) S +Κτ _χ o (1+ β o) } ² X (い P) I (l + P) ² {J_M (1+ β i) s²

+ _TK ₂ o (1+ β o) S + KTK I o (1+ ^ o) } ² =1/ (l + P) - (9) と な る 。 こ の （ 9 ) 式は、 補正ゲイ ン K _A を、 モ ー タ の ロータ イ ナ一シ ャ が （ 1 + P ) 倍に な る よ う に定め、 a を、 速度制御系の カ ッ ト オ フ周波数お よ びダン ピ ン グ係 数が K _A = 0 の場合 と 等 し く な る よ う に定め る と き に、 負荷イ ナ 一 シ ャ の変化が速度ルー プ伝達関数の変化 に 与 え る 影響を 1 （ 1 + P ) 倍 に 低減で き る こ と を示 し て い る 。

( b ) 外乱の影響 に つ い て

次 に 、 第 2 図 に お い て ト ル ク 外乱 T _D ( s ) を考慮 し た 場合の伝達関数を基 に 、 ト ル ク 変動が出力速度 に 及ぼす 影響を考察す る 。

い ま 、 ト ル ク 指令 T (s) = (K i/S) V (s) - { (K ! /S) + K₂} W (s)、 補正 ト ル ク 信号 A (s) = K _A { ( a T/ J M) T (S ) - S W ( S) } 、 モ ー タ 速度 W (s) = [1/ {S J_M (い β ) } ] [Ί_Ώ (s) + _Τ {Τ (s) ₊Α (s) } ] と す る と 、 モ ー タ 速度 W (s) に つ い て次式が成立す る 。

.W (s) = [1/ {SJ_M (1+ 3 ) } ]

[ T_D (S) +K _t [T (s) +K _A { ( a K T/ J M) T (S ) -SW (s) } ] ]

… (10) , こ れ よ り （ 1 0 ) 式 を モ ー タ 速度 W (s) に つ レヽ て 解 く と 、

(s) = [ _{Τ 1 0} (1+ β ο) (1 + Α a ' ) V (s) + S T _D ( S ) ]

I C ( J M (い β ) + _Α Κ τ} S ²

+ Κ_τΚ_{2 0} (ΐ+ )8 O) (1 + K A a ' ) S

+ K T K I O (1+ ^ O) (1⁺ K _A a ' ) ] - (11) と な る 。 こ こ か ら ト ル ク 外乱 T _D ( s ) の変化 に よ り モ ー タ 速度 W ( s ) が ど の よ う に変化す る か を検討す る と 、

{ a w (s) / a T_D ( S ) } .

= S/ [ { J M (1+ ) + K A _T } S ²

+ K _T K ₂ o (1 + /3 o) (1 + K A a ' ) S + Κ_τΚ_α o (1+ β ο) (1 + Κ_Α α ' ) ] - (12) と な る 。 こ こ で 、 Κ _Α = 0 の と き の モ ー タ 速度を W ( s ) と す る と 、

Wo (s)

= { τ χο (1+ iS o) V (s) +ST_D (s) }

/ {JM (1+ β ) S ² + K_TK₂"l+ /3 o) S + K_{T 1 0} (1+ ^ o) }

··· (13) と な る の で、

{ 3 W。 （s) / 3 T_D (S ) }

=T_D (S) / {J_M (1+ J3 ) S² + K_TK_{2 0} (1+ iS o) S + K_T i o ( 1 + i8 。） }

··♦ (1 ) よ っ て、 （12)、 14)式か ら 、

= {a w (s) / a T_D (s) }/{ w₀ (s) / a T_d (S) }

= {J_M (1+ β ) S² + K_TK₂"1+ o) S + Κτ ιο (1+ /3 o) }

+K_TK₂₀ (1+ β o) (1+K_A a ^J ) S

+ K_TK i o (1+ β o) (1 + _A a ' )〗… （15) と な る。

し た が つ て規範モ デルの係数 α を α = 1 / ( 1 + /8 ) と し、 Κ_Α=Ρ (1÷ β ) (JM/K_t) と す る と 、

= {JM (1+ β ) S ² + K_{T 2 0} (1+ β o) S + K_TK _{1 0} (1+ β ₀) }

/ (1 + P) {JM (1+ β ) S ² + K_TK ₂。（l+ S + KTK ^ (い /3 o) } =1/ (1 + P) … （16) と な る 。 こ の （ 1 6 ) 式 は、 補正ゲ イ ン K _A を 、 モ ー タ の ロ ー タ イ ナ ー シ ャ が （ 1 + P ) 倍 に な る よ う に 定め 、 α を速度制御系の カ ツ 卜 オ フ周波数お よ びダ ン ビ ン グ係数 が K A = 0 の埸、合 と 等 し く な る よ う に定め た と き 、 外乱 ト ル ク 変動が モ ー タ 速度 W ( s ) に 与 え る 影響が 1 ( 1 + P ) に 低減 さ れ る こ と を示 し て レヽ る 。

以上、 本発明の一実施例を説明 し たが、 本発明 は こ れ に 限定さ れ る も の で な く 、 本発明の要旨の範囲内で種々 の変形が可能で あ っ て、 こ れ ら を本発明の範囲か ら排除 す る も の で はない。

産業上の利用可能性

本発明のサーボモータ 制御装置は、 サーボモ ー タ の速 度制御系 に 、 モータ 速度を微分 し て加速度信号を形成,す る ルー プを設け る と 共に 、 電流指令を用い て モ デル規範 と し て の加速度を特定 し、 こ の推定値 と 加速度信号 と 比 較 し 、 電流指令 を補正 し て い る の で 、 周波数応答 を 高 め、 外乱や負荷変動の影響を軽減で き 安定な制御を行な う こ と が で き る 。

Claims

請 求 の 範 囲

( 1 ) 制御規範モ デルを含む速度制御ループを有 し、 サーボモータ に つ い て モデル規範型の速度制御を行な う サーポ 'モータ制御装置ほ、 次を含む ： . 前記サーボモータ か ら フ ィ 一 ド バ ッ ク さ れる速度信号 を微分 し て加速度信号を形成す る手段 ；

前記速度制御 'ループよ り 出力さ れる電流指令を用いて サーボモー タ の加速度値を推定す る手段 ； 前記加速度信号 と推定さ れた加速度値 と の偏差を求め る手段 ；

該偏差信号に よ り 前記電流指令を補正す る手段。

( 2 ) 前記加速度信号 と推定さ れた加速度値 と の偏差 に対 し て補正ゲイ ン を設け、 負荷イ ナ一シ ャ の変動 に応 じ て補正ゲイ ン係数 K _A を設定す る こ と に よ り 偏差信号 を得る よ う に し た こ と を特徴 と す る請求の範囲第 （ 1 ) 項記載のサーボモータ 制.御装置。

( 3 ) 前記サ ー ボ モ ー タ の加速度値を推定す る 手段 は、 制御規範モデルが α ( Κ τ / J Μ )

( た だ し、 Κ _τ は ト ルク定数、 J _M は モー タ ロ ータ イ ナ ー シ ャ ）

で あ っ て 、 その係数 α が、 速度制御ルー プ の カ ツ ト オ フ 周波数お よ びダ ン ビ ン グ係数 を 、 前記補正ゲ イ ン 係数 Κ _Α = 0 の と き と 等 し く す る 値 に 設定さ れて い る こ と を 特徴 と す る 請求の範囲第 （ 2 ) 項記載のサ一ボモータ 制 御装置。