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    公开号:WO1991013489A1
    申请号:PCT/JP1991/000145
    申请日:1991-02-06
    公开日:1991-09-05
    发明作者:Ryo Nihei；Tetsuaki Kato；Osamu Yoshida；Soichi Arita
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:G05B19-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 モータ制御でのフイ ー ドフォアー ドゲイ ンの学習方法 技 術 分 野
    [0002] 本発明はモータ制御のフイ ー ドフォア一 ドゲイ ンでの学習 方法に関し、 特にイナーシャ変動等が非常に大きい場合、 ま たはィナ一シャ値が未知の場合のフイ ー ドフ ォア一 ドゲイ ン を学習により最適値に決定するモータ制御でのフ イ ー ドフォ ァー ドゲイ ンの学習方法に関する。 背 景 技 術
    [0003] ロボッ トのようなアームの伸縮状態によって、 負荷イナ一 シャが大幅に変化し、 かつサーボモータと機構部の減速比が 大きい機械稼働部を有する系では通常のフィ一ドバック制御 のみでは応答が遅く、 実用に供しえない。
    [0004] このようなサ一ボ系において、 サーポ偏差量を減らす方法 と してフイ ー ドフ ォア一ド制御がある。 フィー ドフォア一 ド 制御ではフィ ー ドフ ォア一ドゲイ ンがフィ ー ドバッ ク系、 特 にィナーシャ等と整合していると偏差量を劇的に減らすこと ができる。
    [0005] しかし、 従来の方法では、 イナーシャ値が未知の場合には フィ ー ドフ ォア一ドゲイ ンを計算することができない。 また、 ィナ一シャ変動があった場合などは、 その平均的な値を計算 することが非常に困難であり、 例え行っても非常に手間の掛 かる作業になる。 発 明 の 開 示
    [0006] 本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 フィ ー ドフォアー ドゲイ ンを学習機能によって決定するモータ制 御のフィ ー ドフォアードゲイ ンの学習方法を提供することを 目的とする。
    [0007] 本発明では上記課題を解決するために、
    [0008] 負荷イナ一シャが大幅に変動する制御システムのモータ制 御でのフィ ー ドフォアー ドゲイ ンの学習方法において、 Kを フィー ドフォア一 ドゲイ ン、 tは時間、 VERは偏差量、 U を指令値とし、 第 1の式
    [0009] (d KZd t ) = [VER* (d U d t ) 〕 /
    [0010] C 1 - V E R * ( d U/ d t ) 〕
    [0011] を用い、 前記フィ ー ドフォアードゲイ ン Kを学習によって、 決定することを特徵とするモータ制御でのフイードフォア一 ドゲイ ンの学習方法が、 提供される。
    [0012] 後述するように、 上記の式によってフィードフォアードゲ ィ ンを決定することにより、 偏差量を極小値 0に収束するこ とができる。 従って、 学習により、 フィ ー ドフォア一ドゲイ ン値を決定することにより、 負荷ィナーシャが大幅に変動す る制御系にも適用できる。 図 面 の 簡 単 な 説 明 第 1図は本発明のモータ制御のフイードフォアー ドゲイ ン の学習方法の一実施例のフ ロ ーチャ ー ト、
    [0013] 第 2図はモータ制御における速度ループのブロ ッ ク図、 第 3図は速度指令を出力とする伝達関数のプロ ッ ク図、 第 4図は位置制御ループと速度制御ループにフ ィ ー ドフ ォ ァ一ド制御ループを有する制御系のプロ ック図、
    [0014] 第 5図は本発明の一実施例の口ボッ トのサーボ制御ループ のハ ードウユアの構成例を示す図である。 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。
    [0015] 第 5図は本発明の一実施例の口ボッ トのサーボ制御ループ のハ ー ドゥェァの構成例を示す図である。 ホス ト C P U 1 は ロボッ ト制御装置全体を制御するプロセッサであり、 システ 厶プログラム用の R O M、 ワーク R A M等は省略してある。 ホス ト C P U 1からは位置指令値が共有メモ リ 2 に書き込ま れる。 サ一ボ用ディ ジタルサ一ボ回路 3は D S P (ディ ジタ ル * シグナル · プロセッサ） を中心として構成されており、 制御プログラム用の R 〇M、 データ用の R A M等を有してい る。 ディ ジタルサーボ回路 3は共有メモリから一定時間ごと に位置指令値を読み出し、 さ らに帰還信号レジスタ 4からモ ータ情報を読みだし、 サ一ボ系の指令を計算し、 ロボッ ト 5 に内蔵された各軸のサーボモータの位置、 速度及び電流を制 御する。 以下に述べるモータ制御のフイードフ ォ ア一 ドゲイ ンの学習方法の種々の計算もディ ジタルサーボ回路 3によつ て実行される。 次にフ ィ ー ドフ ォ アー ド · ゲイ ン Kを学習によつて決定す る問題を考える。 まず、 例としてモータ制御における速度ル —プを考える。 第 2図はモータ制御における速度ル一プのブ ロ ック図である。 速度指令値 Uとフ ィードフ ォ アードループ の伝達関数 1 1を通したものとが加算器 1 2で加算され、 出 力 Xとなる。 Kはフ ィ ー ドフ ォ アー ドゲイ ンである。 出力 X は加算器 1 3で速度フイー ドバック量 Yを引き、 伝達関数 1 4に送られる。 K 1は速度ループゲイ ンである。 ブロ ック 1 の出力は伝達関数 1 5に入力される。 K tはサーボモータ の ト ルク定数、 Jはサーボモータ軸からみた機械系のイナ一 シャであり、 ロボッ トの姿勢によって大幅に変動する。 Sは ラプラス漬算子である。
    [0016] U * ( 1 + K S ) = X
    [0017] ただし、 Uは速度指令、 Yは速度フ ィードバック量、 （U— Y) は速度偏差、 Sはラプラス演算子である。 この式を Uに ついて解く と、
    [0018] U= 1 X ( 1 +K S)
    [0019] 1 / ( 1 +K S) = 1— K S +K2 S 2 -K3 s 3
    [0020] に注目し、 入力 Uの周波数の小さい領域を考える。 現実には Uの周波数は小さいし、 また、 Uが高周波成分を含むときは、 ソ フ ト ウエアによるフィルタで高周波を力 ッ トするものとす o
    [0021] 1 / ( 1 +K S) ½ 1一 K Sとなり、
    [0022] U = ( 1 -K S) X ( l a) となる。
    [0023] 第 3図は速度指令を出力とする伝達関数のプロ ッ ク図であ る。 すなわち、 （ 1 a ) 式は Xを入力とし、 伝達関数 2 1、 2 2 と Xを直接加算器 2 3に入力したものと等価となる。
    [0024] し 、
    [0025] E = ( 1 / 2 ) ♦ * (U - Υ) 2
    [0026] = ( i κ ) * (速度偏差） 2
    [0027] を考えると、
    [0028] U = X 1 氺 Κ + Χ 2で、
    [0029] Ε = { / 2 ) * (X 1 * Κ + Χ 2 - Υ) 2
    [0030] となる。 ついで、
    [0031] ( d KZd t ) =- { d E/ d K) ( 1 )
    [0032] になるように、 （ d KZ d t ) を決定する。
    [0033] これは以下の理由による。 すなわち、
    [0034] ( d EZd t ) = ( d E d K) * ( d KZd t )
    [0035] = ( 9 E/ 0 K) * 〔一 ( 5 EX9 K) 〕
    [0036] =_ ( 9 E/ 9 K) 2 ≤ 0
    [0037] となり、 この結果、 Eは単調減少で、 極少値 0に収束し偏差 が 0 になり、 学習機能によってフィー ドフォアー ドゲイ ン K を決定できるからである。
    [0038] 今、 速度偏差を V E Rとすると、
    [0039] ( d E/ d K) = V E R * ( d V E RZ d K)
    [0040] = V E R * X 1
    [0041] この式に X l =— ( d XX d t ) を代入すると、
    [0042] ( d E/ d K) = 一 V E R * ( d XZ d t ) ( 2 ) 従って、 （ 1 ) （ 2 ) 式より、
    [0043] (d KZd t ) = V E R * (d XZd t ) ( 3 ) となる。
    [0044] で、
    [0045] U ( 1 + K * S ) =χを書き直し、
    [0046] U + K氺 ( d UX d t ) = X
    [0047] 上式の両辺を tで微分すると、
    [0048] (d U/d t ) + (d K/d t ) * (d UXd t ) +K* (d 2 UZd t 2 ) = (d X/d t ) (4)
    [0049] ここでは、 Uは低い周波数のみと仮定している為、
    [0050] ( d 2 U d t 2 ) ½ 0
    [0051] になり、
    [0052] (d U d t ) + (d KZd t ) * (dUZd t )
    [0053] = (d KZd t ) ( 5 )
    [0054] この式を （ 3 ) に代入すると、
    [0055] (d KZd t ) = VER* 〔d UZd t + (dKZd t )
    [0056] * (d U/d t )
    [0057] となり、
    [0058] (d KZd t ) = C V E R * (d UZd t ) 〕 /
    [0059] [ 1 - V E R * ( d U d t ) 〕
    [0060] ( 6 ) となる。
    [0061] またこれは （ 3 ) 式の （ d KZ d t ) を、
    [0062] ( d K/ d t ) = " 氺 VER* ( d XX d t )
    [0063] ( 6 a) と置く ことにより （ > 0であれば理由は成り立つ、 こ こで " > 0、 "は 0に近ぃ） 、 （ 5 ) 式は （d UZd t ) = (d XZd t )
    [0064] となる。 これを （ 6 ) 式に代入すると、
    [0065] ( d XX d t ) = α * V E R * (d U / d t )
    [0066] ( " > 0、 "は 0に近い） （ 7 )
    [0067] となる。 すなわち、 （ 7 ) 式が成立するようにフ ィ ー ドフ ォ ァ一 ドゲイ ンを学習によって決定すれば、 偏差量の少ないフ イ ー ドフ ォ ア一ド制御が可能になる。
    [0068] 上記の説明では、 速度制御ループで説明したが、 すなわち、 上記の Kをフ ィ ー ドフ ォ アー ドゲイ ン、 VERを偏差量とす れば他の制御ループ、 すなわち位置制御ループにもそのまま 適用できる。 勿論、 位置制御ループでは指令は位置指令、 フ イ ー ドフ ォ ア一 ドゲイ ンは位置ループのフ ィ ー ドフ ォ ア一 ド ゲイ ン、 偏差量は位置偏差量となる。
    [0069] 第 4図は位置制御ループと速度制御ループにフイー ドフ ォ ァー ド制御ループを有するモータ制御系のプロ ック図である。 位置指令 U pは加算器 3 1に入力され、 位置フィ一ドバック F pとの差をとり、 位置偏差量 E R pが得ら る。 位置偏差 量 E R pは伝達関数 3 3で位置制御ループゲイ ン K pを乗じ、 加算器 3 4に入力される。 一方、 位置指令 U pはフ ィ ー ドフ オ ア一ドル一プを構成する伝達関数 3 2で微分され （L * S を乗じ） 加算器 3 4に入力される。 こ こで、 Lは位置制御ル ープのフィ ー ドフォ了ー ドゲイ ンであり、 Sはラプラス演算 子てある。 加算器 3 4の出力は速度指令 U Vとなる。 速度指令 U Vは 加算器 3 6 に入力され、 速度フイードバック F Vとの差をと り、 速度偏差量 E R Vが伝達関数 3 7に送られる。 ここで、 伝達関数 3 7は速度制御ループゲイ ン K 1を有し、 速度偏差 量 E R Vに K 1を乗じて加算器 3 8に入力される。 一方、 速 度指令 U Vは速度制御ループのフイードフォア一ドループを 構成する伝達関数 3 5で微分され （M * Sを乗じ） 加算器 3 8に入力される。 ここで、 Mは速度制御ループでのフィー ド フォアードゲイ ン、 Sはラプラス演算子である。
    [0070] 加算器 3 8の出力は伝達関数 3 9に入力される。 伝達関数 3 9 はサーボモータを含む機械系で、 K t はサーボモータの トルク定数、 Jはサーボモータ軸からみた機械系のイナーシ ャである。 伝達関数 3 9の出力は機械系の速度となる。 さら に伝達関数 3 9の出力を積分する伝達関数 4 0の出力が機械 系の位置となる。
    [0071] 第 1図は本発明のモータ制御のフイードフォアードゲイ ン の学習方法の一実施例のフローチャー トである。 このフロー チャー トは第 4図に示す制御系のフイードフォア一ドゲイ ン を決定するためのものである。 図において、 S Pに続く数値 はステップ番号を示す。
    [0072] なお、 制御系すなわちロボッ トを一定のアプリケーショ ン の動作、 例えばユーザで使用されるパレタィ ジング等のプロ グラムを実行させながら行う。
    [0073] 〔 S P 1〕 位置制御ループのフイー ドフォア一 ドゲイ ン Lを 0又は 1 に固定する。 〔 S P 2〕 速度制御ループのフ ィ ー ドフ ォ ア一 ドゲイ ン Mを 0から順次変化させる。 勿論、 このときの基になる式は （ 7 ) 式であり、
    [0074] ( d / d t ) = α * E R v * ( d U v / d t )
    [0075] ( or > 0、 は 0 に近い）
    [0076] により Mを収束させる。
    [0077] 〔 S P 3〕 Mは収束したか判別し、 収束していれば S P 4に 進み、 収束していなければ S P 2に戻り、 Mを学習させる。
    [0078] 〔 S P 4〕 位置制御ループのフ ィ ー ドフ ォ ア一 ドゲイ ン Lを 変化させて、 学習させる。 勿論、 このときの基になる式は
    [0079] ( 7 ) 式であり、
    [0080] ( d LZ d t ) = j9 * E RP * ( d U X d t )
    [0081] ( 〉 0、 は 0 に近い）
    [0082] により、 Lを収束させる。
    [0083] 〔 S P 5〕 フ ィー ドフ ォ ア一 ドゲイ ン Lが収束したか判別し、 収束していなければ S P 4に戻り学習を続行する。
    [0084] このように、 イナーシャ値が判らなくても最適なフィ ー ド フ ォ ア一 ドゲイ ンが設定でき指令に対する追従性が非常に高 く なる。
    [0085] これらの学習はユーザのァプリケーショ ンプログラム毎に 行えば、 実際のロボッ 卜の動作を実際の使用現場で最適のも のとすることができる。 すなわち、 実際の使用現場でのロボ ッ トの姿勢による機械系のィナ一シャに最適なフ ィ ー ドフ ォ ァ一 ドゲイ ンが決定できる。 勿論、 これらの学習は口ボッ ト のティーチ ングが終了時に行い、 フ ィー ドフ ォ ア一 ドゲイ ン を決定し、 ロボッ トの動作プログラムを実行することとなる。 上記の説明では、 位置制御ループと速度制御ループにフ ィ ー ドフ ォ ア一ド制御ループを有する例で説明したが、 いずれ か一方の制御ループにフ ィ ー ドフ ォ ア一ド制御ループを有す る場合も同様にフィードフォアー ドゲイ ンを学習させること ができる。
    [0086] 以上説明したように本発明では、 フ ィードフ ォ アードゲイ ンを学習によって求めるようにしたので、 制御系のィナーシ ャが分からない場合でも、 最適なフ イ ー ドフ ォ アー ドゲイ ン が設定でき、 指令に対する追従性を高くすることができる。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1. 負荷イナ一シャが大幅に変動する制御システムのモー タ制御でのフィ ー ドフォアー ドゲイ ンの学習方法において、
    Kをフィ ー ドフォア一 ドゲイ ン、 tは時間、 VERは偏差 量、 Uを指令値とし、 第 1の式
    (d KZd t ) = C V E R * (d UZd t ) 〕 /
    〔 1一 VER * (d U/d t ) ]
    を用い、 前記フイードフォアー ドゲイ ン Kを学習によつて、 決定することを特徴とするモータ制御でのフイー ドフォア一 ドゲイ ンの学習方法。
    2. 前記第 1の式に変えて、 "は 0に近い正の定数とし、 第 2の式
    ( d K d t ) = or * V E R * ( d U/ d t )
    によつて、 前記フイー ドフォアー ドゲイ ン Kを学習によつて、 決定することを特徴とする請求項 1記載のモータ制御でのフ イ ー ドフォアー ドゲイ ンの学習方法。
    3. 前記フイ ー ドフォアー ドゲイ ンは位置制御ループに設 けたことを特徵とする請求項 1記載のモータ制御でのフィ一 ドフォア一ドゲイ ンの学習方法。
    4. 前記フイ ー ドフォアー ドゲイ ンは速度制御ループに設 けたことを特徵とする請求項 1記載のモータ制御でのフィ一 ドフォアー ドゲイ ンの学習方法。
    5. 前記フィー ドフォ ア一 ドゲイ ンは位置制御ループと速 度制御ループに設けたことを特徴とする請求項 1記載のモー タ制御でのフイ ー ドフ ォア一ドゲイ ンの学習方法。
    6 . 前記位置制御ループの第 1のフ ィ ー ドフ ォアー ドゲイ ンを固定し、 前記速度制御ループの第 2のフ ィードフ ォ ア一 ドゲイ ンを学習によって決定し、 ついで前記第 1のフ ィ ー ド フ ォ アードゲイ ンを学習により決定することを特徴とする請 求項 5記載のモータ制御でのフイードフ ォアードゲイ ンの学 習方法。
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1991-09-05| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): CA US |
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    1991-09-30| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1991903607 Country of ref document: EP |
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    1992-12-21| NENP| Non-entry into the national phase in:|Ref country code: CA |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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