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    公开号:WO1990016020A1
    申请号:PCT/JP1990/000721
    申请日:1990-06-04
    公开日:1990-12-27
    发明作者:Nobutoshi Torii；Ryo Nihei；Tetsuaki Kato；Soichi Arita
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:G05B13-00
    专利说明:
    [0001] - -
    [0002] 明 細 書
    [0003] 外乱推定ォブザーバを用いたゼロ イ ング方法
    [0004] 技 術 分 野
    [0005] 本発明は、 外乱推定ォブザーバを用いたゼロイ ング方 法に関し、 特に、 オブザー バを設けるこ とによる制御系 の過渡特性の悪化を防止でき るゼロ ィ ン グ方法に関する。
    [0006] 背 景 技 術
    [0007] 制御系に加わる外乱の影響を除去するために、 ォブザ ーバ （状態観測器） によって求めた推定外乱に基づいて 出力零化制御 （ゼロ イ ン グ） を行う こ とが知られている。 このゼロ イ ング方法によれば、 時間経過に伴う作用方向 変化が少ない外乱 （低周波も し く は直流的な外乱） を極 めて正確に推定でき、 従って、 こ の種の外乱を的確に除 去でき る。 例えば、 ロボ ッ ト関節駆動用のサーボモータ を制御するための制御系にこのゼロ ィ ング方法を適用す る こ と によ り、 モータ起動時に関節の摺動面間などに作 用する静摩擦力に起因するモータ回転遅れ並びにこ のモ 一夕回転遅れに付随するモータ回転開始直後の急速なモ 一夕回転を防止でき、 従って、 モー タ回転を円滑にでき る。 しか しながら、 外乱推定オブザー バを設ける と、 制 御系の過渡特性が悪化する場合がある。 例えば、 モー夕 の加速運転時及び減速運転時に振動が発生する こ とがあ 0
    [0008] 発 明 の 開 示
    [0009] 本発明の目的は、 外乱推定オブザ -バによ る外乱除去 効果を享受しつつ、 オブザーバを設ける こ とに起因する 制御系の過渡特性の悪化を防止でき るゼロ ィ ング方法を 提供する こ とにある。
    [0010] 上述の目的を達成するため、 本発明のゼロ イ ング方法 は、 制御系の速度パラ メ ー タの値を検出し、 外乱推定ォ ブザーバの出力に応じて制御系を作動させ、 検出した速 度パラ メ 一夕値の増大につれてォブザーバ出力の制御上 の寄与分を小さ く する工程を備える。
    [0011] 上述のように、 本発明によれば、 外乱推定オブザーバ 出力に応じて制御系を作動させるので、 制御系に加わる 外乱を的確に推定してこれを除去できる。 しかも、 制御 系の速度パラ メ一夕の値の減少につれてオブザーバ出力 の制御上の寄与分を大き く したので、 低周波の外乱につ いて特に有用なォブザーバの外乱除去機能を充分に発揮 させる こ とができ る。 又、 速度パラ メ一タ値の増大につ れてオブザーバ出力の制御上の寄与分を小さ く したので、 オブザーバを設けるこ と に起因する過渡特性の悪化を防 止でき る。
    [0012] 図 面 の 簡 単 な 説 明
    [0013] 第 1 図は本発明の作動原理を示すサーボ系のブロ ッ ク 線図、 第 2図は本発明の一実施例によるゼロ イ ング方法 が適用されるロボッ トの要部を示す概略ブ σ ッ ク図、 第 3図は.外乱除去処理に用いるフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ンの設 定例を示す図、 及び、 第 4 図は第 2 図のサーボ回路のプ 口セ ッ サが実行する速度ループ処理を示すフ ローチ ヤ一 - - トであ る。
    [0014] 発明を実施するための最良の形態
    [0015] 第 1 図を参照する と、 本発明が適用されるサーボ制御 系において、 サ― ボ回路 （図示略） からの電流指令 （ ト ルク指令） I から後述のゲイ ン調整済みの推定外乱 y ' を減じる こ と によ って実際電流指令 I 一 y， が求められ る。 こ の実際電流指令 I 一 y， は、 サーボモータ （図示 略） に関連する伝達要素 1， 2 を介して実際モータ速度 V に変換される。 記号 K t， T Lはサ— ボモ — 夕 の ト ル ク定数及び外乱 ト ルク を夫々表し、 J mはサーボモータ で駆動される負荷例えば口 ボ ッ ト を含む系の全ィ ナ— シ ャ を示す。 制御系の外乱推定オブザ -バ 5 は、 伝達関数 が夫々 K t Z J m, K l， Κ 2及び 1ノ S である伝達要 素 5 1〜 5 4 を含むと共に、 第 （ 1 ) 式及び第 （ 2 ) 式 が成立する ロボ ッ ト運転条件に適合するよ う に構成され ている。
    [0016] d T L/ d t = 0 · · · ( 1 ) ύ v / ύ t = ( I - K t // J m ) + ( T L// J m)
    [0017] • · · ( 2 ) オブザーバ 5 において、 実際電流指令 I 一 y ' を入力 する伝達要素 5 1 からの出力と、 伝達要素 5 2 の出力と、 伝達要素 5 3 の出力 X とを加算した ものが、 伝達要素 5 4 に印.加される。 そ して、 実際モ― タ速度 V から伝達要 素 5 4 の出力 （推定モー タ速度） V ' を減じたものが伝 達要素 5 2, 5 3 の各々 に印加される。 更に、 伝達要素 3 において、 伝達要素 5 3 の出力 x に値 J m · A/K t を乗じて推定外乱 yを求めている。 次いで、 ゲイ ン調整 手段 4 において、 モータ速度に応じて最小値 「 0 」 から 最大値 「 1 」 の間で可変設定される フ ィ — ドバッ ク ゲイ ンを推定外乱 y に乗じてゲイ ン調整済みの推定外乱 y， を得ている。 図中、 Aは、 単位系を整合させるための変 換定数を表す。
    [0018] 第 1 図から明らかなよう に、 実際モータ速度 V及び推 定モータ速度 V ' は第 （ 3 ) 式及び第 （ 4 ) 式によ り夫 々表される。
    [0019] V = { ( I - y ' ) - K t + T L} -
    [0020] ( 1 / J m · S ) * · · ( 3 ) v ' = { ( I - y ' ) - ( K t / J m)
    [0021] + ( v — v， ） · K 1 + ( ν - ν ' ) · ( K 2 / S ) } - ( 1 / S ) · · · ( 4 ) 第 （ 3 ) 式及び第 （ 4 ) 式から第 （ 5 ) 式を得る。
    [0022] T L 1
    [0023] V — V =
    [0024] m S + K 1 + ( K 2 / S )
    [0025] - - - ( 5 ) 従って、 伝達要素 5 3 の出力 X は第 （ 6 ) 式で表され る,
    [0026] X = ( ν - ν ' ) - ( K 2 / S )
    [0027] T L Κ 2
    [0028] J m S 2 + K l - S + K 2
    [0029] • · · ( 6 ) こ こで、 極が安定するよ う に伝達関数パラ メ ータ K 1， K 2の値を選択する と、 第 （ 7 ) 式に示すよ う に、 伝達 一 一 要素 5 3 の出力 （ゲイ ン調整前の推定外乱） X は外乱 ト ルク T Lに比例する値を と る。
    [0030] X ^ T L/ J m = T L' / J m · · · ( 7 ) この場合、 伝達要素 3 の出力 （推定外乱） y および伝 達要素 1 の出力 K t ' ( I - y ' ) は第 （ 8 〉 式及び第 ( 9 ) 式で夫々表される。
    [0031] y = x - J m - A/K t = T L' · A / K t
    [0032] • · · ( 8 )
    [0033] Κい ( I - y ' ) = K t - ( I - T L' · A · B / K t)
    [0034] = K t - I - T L' · Α · Β
    [0035] • · · ( 9 ) こ こで、 記号 B はゲイ ン調整手段 4 において可変設定 される フ ィ ー ドバッ クゲイ ンを表す。
    [0036] 結局、 推定外乱 yの制御上の寄与分を表すフ ィ - ドバ ッ ク ゲイ ン Bを最大値 「 1 」 に設定 したと き、 伝達要素 1 の出力 K t · ( I - y ' ) と外乱 ト ルク T Lとの和は 値 K t · I に近い値をと る。 即ち、 外乱が除去される。 又、 フ ィ ー ドバッ ク ゲイ ン Bは、 モータ速度の増大につ れて最大値 「 1 」 から最小値 「 0 」 に低減され、 これに よ り、 外乱推定オブザ-バ 5 の作動に伴う制御系の過渡 特性悪化が回避される。
    [0037] 以下、 第 2図を参照して、 本発明の一実施例によるゼ 口 イ ング方法を実施するためのロ ボ ッ ト を説明する。
    [0038] ロボ ッ ト は、 ロ ボッ ト機構部 1 5 と、 該機構部の各軸 サーボモータ （図示略） を駆動制御するための数値制御 装置とを備えている。 ロボ ッ ト機構部 1 5 は、 各軸サ— ボモー タ の回転位置， 回転速度， 駆動電流を検出するた めの各種セ ンサ （いずれも図示略） を有している。 そ し て、 数値制御装置は、 ロボ ッ ト各軸についての移動指令 を発生するためのホス ト コ ン ビユ ー 夕 1 0 と、 デジタ ル シグナルプロセ ッ サを含むデジタ ルサーボ回路 1 3 と、 両要素 1 0， 1 3 間に介在し両者からアク セ ス可能な共 有メ モ リ 1 2 とを備えている。 詳し く は、 サーボ回路 1 3 は、 位置， 速度及び電流ループ処理を実行自在にされ ている。 即ち、 サ―ボ回路 1 3 は、 共有メ モ リ 1 2 を介 してホ ス ト コ ン ピュータ 1 0 から供給された移動指令と 位置セ ンサからの位置フ ィ 一 ドバッ ク信号と に基づいて 位置偏差を求め、 位置偏差に対応する指令速度と速度セ ンサからの速度フ ィ ー ドパッ ク信号との偏差 （速度偏差） を求め、 更に、 速度偏差に対応する電流指令 （ ト ルク指 令） I を求めるよ うになつている。 又、 サーボ回路 1 3 は、 第 1 図の外乱推定オブザー バ 5， 伝達要素 3及びゲ ィ ン調整手段 4 の機能を達成するための処理を実行可能 にされている。 そ して、 数値制御装置は、 各サーポモー タ に関連する各種セ ンサか らの位置， 速度及び電流フ ィ ー ドバッ ク信号を記億するための帰還信号レ ジスタ （そ の一つを符号 1 4 で示す） を更に有している。
    [0039] ロボ.ッ トの実際運転に先立って、 オ ペ レー タ は、 フ ィ - ドバッ ク ゲイ ン Bの決定に用いるデータを、 好ま し く は実験的に決定する。 本実施例では、 フ ィ ー ドバッ クゲ 一
    [0040] ィ ン Bの値を位置偏差量に応じて第 3 図に示すよ う に決 定すべく、 オペ レータ は、 大きい静摩擦力が生じるモー 夕速度領域を表す第 1 の位置偏差量 ε P 1 ( > 0 ) と、 過渡特性が悪化するモー タ速度領域を表す第 2 の位置偏 差量 s p 2 ( > 0 ) とを夫々決定する。 例えば、 モータ を正転方向に起動後、 静摩擦力の低下を表す現象例えば モータ回転が急上昇し始めるモー タ速度に達したと きの 位置偏差量を値 ε p i と して決定する。 又、 フ ィ ー ドバ ッ クゲイ ン Bを値 「 1 」 に設定させた状態でオブザーバ 出力 （推定外乱 y ' ) によ り電流指令 I を補正しつつ数 値制御装置の制御下でモー タを加速運転した場合に、 制 御系の過渡特性の低下を表す現象例えば振動が発生し始 めるモー タ速度に達したと きの位置偏差量を値 s p 2 と して決定する。
    [0041] 次に、 オペレー タ は、 数値制御装置の手動データ入力 装置 （図示略） を操作して、 第 （ 1 0 ) 式で表されるフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ン算出式を数値制御装置に入力する。
    [0042] ε ρ | ≤ ε 1 のと き）
    [0043] ε ρ 2 < ε ρ <— ε ρ 1 のと き） b
    [0044] ρ 1 < ε ρ く ε ρ 2 の と き） ε ρ | ≥ ε ρ 2 のと き）
    [0045] • • • ( 1 0 ) ε ρ 2
    [0046] で、 a = b =
    [0047] ε p 2 — ε p ε p 2 — ε p 手動データ入力に応じて、 数値制御装置のホ ス ト コ ン ピュ ー タ 1 0 は共有メ モ リ 1 2 に第 （ 1 0 ) 式を格納す る o
    [0048] ロ ボ ッ ト の実際運転中、 サー ボ回路 1 3 の プロ セ ッ サ は、 位置ループ処理とそのマイ ナ— ループと しての速度 及び電流ル—プ処理とをこ の順序で順次実行する と共に こ の一連の処理を周期的に実行する。 又、 本実施例では、 位置ループ処理で比例制御を行う と共に速度ループ処理 で比例積分制御も し く は積分比例制御を行う。
    [0049] 第 4 図に示すよ う に、 各々の速度ループ処理周期にお いて、 プ ロ セ ッ サ は、 ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 1 0 によ り共 有メ モ リ 1 2 に書込まれた位置指令値 Pをメ モ リ 1 2 か ら読取る と共に、 帰還信号レ ジス タ 1 4から実際モータ 位置を表す位置フ ィ ー ドバ ッ ク値 P ί を読取り （ス テ ツ プ S 1 ) 、 値 Ρから値 P f を減じて位置偏差 ε ρを求め る （ス テ ッ プ S 2 ) 。 次いで、 帰還信号レ ジ ス タ 1 4か ら実際モータ速度を表す速度フ ィ — ドバッ ク値 Vを読出 す （ス テ ッ プ S 3 ) 。 そ して、 第 1 図の外乱推定ォブザ ーパ 5 と して機能するプロ セ ッサは、 前回処理周期での ス テ ッ プ 1 5 (後述） で算出しサ― ボ回路 1 3 に内蔵の レ ジス タ R ( 1 ， ) に格納 した補正後の電流指令値 I， をこ の レ ジ ス タ か ら読出し、 こ の電流指令値 I ' と速度 フ ィ一 ドバ ッ ク値 V とに基づいて第 1 図のオブザーバ出 力 X に対応する値を算出する。 次いで、 第 1 図の伝達要 素 3 と して機能するプロセ ッサは、 オブザー バ出力値 X にパラ メ 一夕 J m · A / K t を乗じて推定外乱 yを算出 する （ス テ ッ プ S 4 ) 。 更に、 速度ル―プ処理の直前の 位置ルー プ処理において求めた速度指令に基づいて通常 の速度ループ処理を実行し、 電流指令 I を得る （ステ ツ プ S 5 ) 。
    [0050] 次に、 プロセ ッ サは、 ス テ ッ プ S 2 で求めた位置偏差 の絶対値 I s p I が第 1 の位置偏差量 s p 1 に等しいか これよ り も小さいか否かを判別する （ステ ツ プ S 6 ) 。 絶対値 I ε p I が値 ε 1 に等しいか又はこれよ り も小 さければ、 算出式 Β = 1 に従ってフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ン Β の値を 「 1 」 に決定する （ス テ ッ プ S 9 ) 。 一方、 ス テ ツ ブ S 6 で位置偏差の絶対値 I ε ρ I が値 s ρ 1 よ り も大きい と判別する と、 プロセ ッ サは、 絶対値 I ε ρ I が第 2 の位置偏差量 ε ρ 2 より も小さいか否かを判別し (ステ ッ プ S 7 ) 、 判別結果が肯定であれば位置偏差 s ρが正であるか否かを更に判別する （ステ ッ プ S 8 ) 。 そ して、 ス テ ッ プ S 8 で位置偏差 e p が負 （— s p 2 < ε ρ < - ε p 1 ) である と判別する と、 プロ セ ッ サは、 算出式 B = a · £ p + b に従ってフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ン B の値を決定する （ステ ッ プ S 1 0 ) 。 又、 ス テ ッ プ S 8で位置偏差 ε ρ が正 （ e 1 < ε ρ < ε ρ 2 ) である と判別する と、 算出式 Β = - a · ε p + b に従ってフ ィ — ドバッ ク ゲイ ン B の値を決定する （ステ ッ プ S 1 1 ) 。 そ して、 位置偏差の絶対値 I e p I が第 2 の位置偏差量 ε ρ 2 に等しいか又はこれよ り も大きいと判別する と、 算出式 B = 0 に従ってフ ィ 一 ドバッ クゲイ ン Bの値を 「 0 」 に決定する （ステ ッ プ S 1 2 ) 。
    [0051] ステ ツ プ S 9 〜 S 1 1 のいずれか対応する一つにおけ るフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ン B の算出後、 第 1 図のゲイ ン調 整手段.4 と して機能する プロセ ッ サ は、 ス テ ッ プ S 4 で 求めた推定外乱 y にフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ン B の値を乗じ てゲイ ン調整済みの推定外乱 y， を算出する （ S 1 3 ) 。 更に、 プロセ ッサは、 ステ ッ プ S 5 で求めた電流指令 I から推定外乱 y ' を減じて補正後の電流指令 I ' を求め (ス テ ッ プ S 1 4 ) 、 こ の値 I ' を次回処理周期での推 定外乱算出のためにレジス タ R ( 1 ， ） に格納し （ス テ ッ プ S 1 5 ) 、 速度ループ処理を終了する。 次いで、 プ 口セ ッ サは、 補正後の電流指令 I ， に基づいて実行され る電流ループ処理に入る。
    [0052] 上述のよう に、 位置偏差の絶対値 1 ε p 1 が第 1 の位 置偏差量 ε 1 に等しいかこれよ り も小さいと きは、 フ ィ 一 ドノ ッ クゲイ ン Βの値が 「 1 」 に設定されてォブザ ーバ 5 の外乱除去作用が 1 0 0 %発揮される。 結果と し て、 モー タ速度が零のモー タ起動時及びモータ速度が非 常に小さいモータ起動直後に作用する大きい静摩擦外乱 が好適に除去される。 一方、 位置偏差の絶対値 I ε ρ I が第 2 の位置偏差量 ε ρ 2 に等しいかこれよ り も大きい と きには、 フ ィ — ドバッ ク ゲイ ン Β の値が 「 0」 に設定 され、 オ ブザー バ 5 が実質的に非作動化される。 この結 果、 高モータ速度領域においてオブザーバ 5 を作動させ - - た場合に発生し得る制御系の過渡特性の悪化が回避され、 振動発生等の不具合が防止される。 更に、 低速領域の上 限回転数と高速領域の下限回転数との間の回転数領域で は、 フ ィ ー ドバッ ク ゲイ ン Bの値が 「 1 」 か ら 「 0 」 に 又は 「 0 」 から 「 1 」 に直線的に円滑に変化する。 結果 と して、 制御安定性が損なわれる こ とがない。
    [0053] 本発明は上記実施例に限定されず、 種々 の変形が可能 例えば、 位置ル -プ処理において比例制御を行う上記 実施例では位置偏差 £ ρ に応じてオブザー バ出力のフ ィ
    [0054] — ドバッ ク ゲイ ン Βを可変設定したが、 実際モータ速度 (速度フ ィ 一 ドバッ ク値） 又は位置ループ処理において 算出した速度指令に応じてフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ンを設定 可能である。 また、 上記実施例では速度ルー プ処理にお いて位置指令と位置フ ィ ー ドバッ ク値とに基づいて位置 偏差を算出したが、 位置ループ処理において算出した位 置偏差を用いても良い。
    权利要求:
    Claims

    請 求 の 範 囲
    制御系の速度パラ メ ー タ の値を検出し、 外乱推定ォ ブザーバの出力に応じて前記制御系を作動させ、 前記 検出した速度パ ラ メ ータ値の増大につれて前記ォブザ ーバ出力の制御上の寄与分を小さ くする工程を備える 外乱推定ォブザーバを用いたゼロ ィ ン グ方法。
    位置， 速度及び電流ループ処理を実行する制御系に 適用され、 前記速度ル-プ処理で生成した電流指令を 前記ォブザ-バ出力で捕正する請求の範囲第 1 項記載 の外乱推定オブザー バを用いたゼロイ ン グ方法
    . 第 1 の速度パ ラ メ ー タ領域と速度パラ メ ー タ の絶対 値が第 1 の速度パラ メ一タ領域でのそれよ り も大きい 値をと る第 2 の速度パラ メ ータ領域とを予め夫々設定 し、 検出した速度パラ メ ー タ値が第 1 の速度パラ メ一 夕領域内に入る と きはオブザー バ出力の制御上の寄与 分を定めるフ ィ 一 ドバッ クゲイ ンを第 1 の所定値に決 定し、 第 2 の速度パラ メ ータ領域内に入る と きにはフ ィ ー ドバッ ク ゲイ ンを第 1 の所定値より も小さい第 2 の所定値に決定する請求の範囲第 1項記載の外乱推定 オブザーバを用いたゼロ イ ング方法。
    . 速度パラ メ ー タ の絶対値が第 1 の速度パ ラ メ ー タ領 域でのそれよ り も大き く かつ第 2 の速度パラ メ ータ領 域で.のそれよ り も小さい値をとる第 3 の速度パラ メ一 夕領域を予め設定し、 検出した速度パラ メ ー タ値が第 3 の速度パラ メ ータ領域内に入る ときは速度パラ メ 一 夕 の絶対値の増大に伴って前記フ ィ一 ドバッ ク ゲイ ン を第 1 の所定値から第 2 の所定値に直線的に減少させ る請求の範囲第 3項記載の外乱推定オブザー バを用い たゼロ イ ング方法。
    5 . 前記第 1 の速度パラ メ —夕領域及び前記フ ィ ー ドバ ッ ク ゲイ ンの第 1 の所定値を、 特定の外乱を除去する に適したものに夫々 に定める請求の範囲第 3項記載の 外乱推定オブザーバを用いたゼロ イ ング方法。
    6 . 前記第 2 の速度パラ メ ータ領域及び前記フ ィ ー ドバ ッ ク ゲイ ンの第 2 の所定値を、 前記制御系の過渡特性 に低下を来すおそれがある と きに前記外乱推定ォブザ ーバが実質的に非作動化されるよ う に夫々定める請求 の範囲第 5項記載の外乱推定オブザーバを用いたゼロ ィ ング方法。
    7 . 前記特定の外乱は静摩擦外乱である請求の範囲第 5 項記載の外乱推定オブザ -バを用いたゼロ イ ング方法。 8 . 前記フ ィ ー ドバッ ク ゲイ ンの第 2 の所定値を零に決 定する請求の範囲第 6項記載の外乱推定オ ブザ-バを 用いたゼロイ ング方法。
    9 . 前記速度パラ メ ータ は位置偏差である請求の範囲第
    1項記載の外乱推定オブザーバを用いたゼロイ ング方
    1 0 . .前記速度パラ メ -夕 は実際モー夕速度である請求 の範囲第 1 項記載の外乱推定オブザ-バを用いたゼロ イ ング方法。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    引用文献:
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP15048289A|JPH0317703A|1989-06-15|1989-06-15|Zeroing method using speed-dependent disturbance estimating observer|
    JP1/150482||1989-06-15||KR90702654A| KR970003827B1|1989-06-15|1990-06-04|외란추정 업저어버를 사용한 제로잉 방법|
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