WO1992004668A1 - System for controlling servomotor - Google Patents

Description

明 細 書 サ一ボモータの制御方式

技 術 分 野

本発明は工作機械の送り軸やロボッ トアーム等を制御する サーボモータの制御方式に関し、 特に制御系に対する外乱 ト ルクをソフ ト的に抑圧するようにしたサ一ボモータの制御方 式に関する。 背 景 技 術

産業用ロボッ トゃ工作機械では、 送り軸やロボッ トアーム 等の機械系に加わる外乱 トルクの影響によってサーボ機構に 指令された速度や位置に誤差が生じる。 したがって機械系の 駆動源となるサ一ボモータを制御するときには、 外乱トルク の影響を除去するために、 機械系入力に対する外乱ト ルクを 推定してサーボモータへの トルク指令を補正する必要がある 第 4図は、 従来の速度制御系の一例を示すプロ ッ ク線図で ある。 伝達要素 1 は積分ゲイ ン k 1 と比例ゲイ ン k 2を含む P I制御回路を示し、 伝達要素 2は トルク定数 k tを含むト ルク指令の増幅回路を示している。

サーボモータ 3は、 その実速度 V mがフィー ドバッ ク ル一 プ 4によって速度指令 V c と比較され、 その差信号により制 御されるが、 一般にこのような差信号に基づく上記 トルク指 令には外乱トルク T aが加わる。 そこで、 この外乱トルク T aの大きさに応じて ト ルク指令を補正する必要から、 実速度 信号から微分要素 5 により実加速度 aを、 伝達要素 2の入力 側のトルク指令信号によりサーボモータ 3の推定加速度 a n をそれぞれ演算し、 この外乱ト ルク T aの大きさを推定し、 制御誤差を補正するためのマイナループを構成している。

すなわちサーボモータ 3の推定加速度を演算する演算器 6 は、 推定トルク定数 k t nを推定モータイナーシャ J m nで 除した比例定数 （ k t n Z J m n ) を有し、 伝達要素 Ί はそ の逆数の比例定数 （ J m n Z k t n ) を有している。 そして 伝達要素 7では信号 aと a nとの偏差△ aに対して潢算を施 して外乱ト ルクの推定値を決定し、 その推定された外乱に対 応する正規化された補正値を出力している。 伝達要素 8は 0 〜 1 の間で任意に設定可能な補正係数《を含む補正回路であ o

上記構成のサ一ボモータの制御方式によれば、 サ一ボモー タ 3と結合される機械系に一定の剛性があれば、 外乱トルク の影響をある程度まで除去することが可能である。

しかし、 従来のサーボモータの制御方式では、 サーボモー タ 3 と機械系とがリ ジッ ドに結合されていない場合に、 モー タ速度と機械系の速度との偏差に応じて外乱トルク値が変動 するため、 モータ加速度に外乱トルクが直接には反映されな い。 そのため、 特に機械系の共振周波数の半分を越す大きさ の外乱に対しては、 有効に制御誤差を補正することが出来な くなるという問題がある。 発 明 の 開 示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 機械 系の剛性が低いサーボ系に対する外乱の影響を有効に除去で きるサーボモータの制御方式を提供することを目的とする。 本発明では上記課題を解決するために、

剛性の低い機械系を駆動するサーボモータを制御対象とし, この機械系にかかる外乱 トルクの推定値によつてサ一ボモー タの トルク指令値に対する制御誤差を補正するようにしたサ ーボモータの制御方式において、 前記機械系の実速度から機 械系の実加速度を演算する潢算手段と、 前記サーボモータの トルク指令を、 この トルク指令に基づく前記機械系の推定加 速度に変換する信号変換手段と、 前記演算手段および前記信 号変換手段の出力の偏差を演算して前記機械系にかかる外乱 トルクを推定する推定手段とを有することを特徴とするサー ボモータの制御方式が提供される。

本発明のサーボモータの制御方式では、 剛性の低い機械系 をサ一ボモータにより速度制御或いは位置制御する時に、 サ ーボモータへの電流指令と機械系の実加速度に基づいて外乱 トルクの推定値を求めて制御誤差を補正することによって、 ばね定数やダンパ定数により非線型に変化する外乱の トルク 指令に対する影響を抑制している。 図 面 の 簡 単 な 説 明

第 1図は本発明の一実施例方式を示す制御系のプロ ッ ク線 図、 第 2図はサ一ボモータ負荷系の一例を示す図、

第 3図は外乱トルクに対する位置の制御誤差を示す図、 第 4図は、 従来の速度制御系の一例を示すブロ ッ ク線図で め 6 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第 1図は、 本発明のサーボモータの制御方式を示すブロ ッ ク線図であり、 第 2図には制御対象であるサーボモータとそ の出力軸に接続された負荷系との結合部分をなすばね系のモ デルを示している。

第 2図において、 2、 3はそれぞれ第 4図の伝達要素 2お よびサ一ボモータ 3に対応しており、 ここで外乱トルク T b とは、 機械側 Aの加算器 1 0への入力として想定される、 た とえば切削負荷などである。 機械側 Aとモータ側 Bは、 モ一 タシャ フ トに接続される変速手段などによってばね結合され ており、 その結果、 加算器 1 1からモータ速度 V mと機械速 度 V Lとの偏差がばね定数 K mとダンパ定数 C mを含むねじ れ要素 1 2において増幅され、 この伝達要素 1 2の出力が、 それぞれ機械側 Aとモータ側 Bへの外乱として与えられる。 従って、 負荷トルク J Lを含む機械系の伝達要素 1 3には 切削負荷などの外乱 T b ¾外に摩擦やトルク リ ップルなどの モータ側 Bからの外乱が加算器 1 0への +入力と して、 また モータ側 Bの加算器 1 4には一入力として供給されることに なる。 第 1図に示すものは、 このような剛性の低い機械系を駆動 するサ一ボモータ 3を制御対象とするサ一ボモータの制御方 式の一例である。 サーボモータ 3の速度指令 V cに対する補 償回路である伝達要素 1 , 2およびフ ィ 一 ドバッ ク ル一プ 4 は、 第 4図の 1， 2および 4 とそれぞれ対応している。 こ こ では更に速度制御系の外側に、 図には示していない位置ルー プを設けて、 いわゆるクローズド · ループ方式により位置精 度を高めることが可能である。

本発明では、 上記伝達要素 1 3の出力、 すなわち機械速度 V Lを制御系にフィー ドバックすることによって、 制御誤差 を補正するためのマイナループを構成し、 機械系にかかる外 乱トルク T bの推定値によつてサ一ボモータの トルク指令値 T c に対する制御誤差を補正するようにしている。

第 1図の実施例では、 微分要素 1 5にモータ速度 V mでは なく機械速度 V Lを入力し、 実加速度 a と して機械速度 V L を微分した値を使用している。 この実加速度 aは、 伝達要素 2の入力側のトルク指令信号を変換して得られる機械系の推 定加速度 a nと比較され、 機械系にかかる外乱ト ルク T bの 大きさを推定している。

すなわち、 機械系の推定加速度 a nを演算する伝達要素 1 6 は、 推定トルク定数 k t nを推定モータイナ一シャ J m n と推定負荷ト ルク J L nとの和で除した比例定数

k t n Z ( J m n + J L n ) により構成されている。 更に演算器 1 7 によって、 実加速度 a と推定加速度 a n との偏差△ aを演算して、 伝達要素 1 8 ではこの偏差△ aに対して演算を施して外乱トルクの推定値 を決定し、 さらに伝達要素 1 9からその推定された外乱トル クの大きさに対応する正規化された補正値を出力している。 この場合に、 トルク定数 k tやモータイナ一シャ J m及び負 荷トルク J Lは、 いずれも制御系や機械系に固有な値であつ て、 しかも所定の周波数特性を持っため、 ここでは第 4図の 従来方式のものと同様にそれらの推定値 k t n， J m n , J L nが使用されている。

伝達要素 1 9は、 上記したように推定された外乱トルク値 を補正する補正回路であって、 0〜 1の間で任意に設定可能 な補正係数 を含むものである。 この係数值《:は機械側とモ 一夕側との結合定数を決定する上記ねじれ要素 1 2に応じて 設定されるが、 一般に 0 . 8程度が選択される。

第 3図は、 第 1図の速度制御系を用いて位置ループを組ん だ時の外乱トルクに対する位置の制御誤差を示す図である。 ここで従来例として示す曲線は、 第 4図の制御系をシミ ュ レ 一ト した場合の制御特性であって、 横軸は外乱トルクの周波 数を対数表示によって示す対数軸、 縦軸は機械位置の制御誤 差を示す対数軸である。 従来例も本発明もその力 ッ トオフ周 波数が 3 0 Η ζ、 ダンピング係数が 0 . 1 となるように伝達 要素 1 2の係数値 K m、 C mを設定して、 伝達要素 2 0から 帰還される補正出力が 1 0 0 %となるように、 計数値《を 1 と してソフ ト ウヱァプログラムによってシ ミ ユ レ一 ト された ものである。

従来例の曲線は、 サーボ系の位置誤差が最大 1 0 - ⁵の才ー ダであることを示している。 これに対して本発明の速度制御 系における制御特性は、 トルク指令値 T cに対する制御誤差 を機械系の実加速度に基づいて補正することにより、 位置誤 差の最大値が 1 0— ⁶以下の大きさまで抑制されていることを 示している。

ここに示されるように、 本発明方式では機械系の剛性が低 い場合に、 機械系にかかる外乱の影響を低減でき、 指令され た制御量に正確に追従するサ一ボ系を構成できる。

以上説明したように本発明によれば、 サ一ボモータへの電 流指令と機械系の実加速度に基づいて外乱 トルクの推定値を 求めて制御誤差を補正することによって、 ばね定数やダンパ 定数により非線形に変化する外乱のトルク指令に対する影響 を抑制しているので、 指令された制御量に正確に追従させる ことができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 剛性の低い機械系を駆動するサーボモータを制御対象 とし、 この機械系にかかる外乱トルクの推定値によってサ一 ボモータのトルク指令値に対する制御誤差を補正するように したサ一ボモータの制御方式において、

前記機械系の実速度から機械系の実加速度を演算する演算 手段と、

前記サーボモータのトルク指令を、 このトルク指令に基づ く前記機械系の推定加速度に変換する信号変換手段と、 前記演算手段および前記信号変換手段の出力の偏差を演算 して前記機械系にかかる外乱トルクを推定する推定手段と、 を有することを特徴とするサーボモータの制御方式。

2 . 前記推定手段で推定された外乱トルク値を補正する補 正手段をさらに有し、 この補正出力を前記サーボモータのト ルク指令値に加えることによつて制御誤差を補正するように したことを特徴とする請求項 1記載のサーボモータの制御方

3 . 前記補正手段は、 0乃至 1の範囲で可変設定される補 正係数を含み、 前記機械系のダンビング係数に応じて補正出 力を決定して制御誤差を補正するようにしたことを特徴とす る請求項 2記載のサーボモータの制御方式。