(57)【要約】【課題】  モータに動力伝達部を介して被駆動部を機械的に結合したものを制御対象とするような機械装置への適用に適し、機械装置における摩擦や装置の自重のような外乱が存在しても精度良く装置特性を同定して駆動制御を実行することのできる制御装置を提供する。【解決手段】  制御装置は、トルク指令値τＭを受けるモータ１０と被駆動部１１との間を動力伝達部１２で連結した慣性共振系を制御対象とし、該制御対象の状態量としてモータ軸角速度ωＭを計測する計測手段と、前記モータ、動力伝達部、被駆動部に起因する外乱トルクを推定する外乱オブザーバ１７と、推定された外乱トルクを前記トルク指令値から減算する減算部１８と、前記減算部の出力及び前記モータ軸角速度ωＭに基づいて前記制御対象のパラメータを同定する制御対象特性同定器１５を含み、同定されたパラメータに基づいて前記トルク指令値を調整する。【選択図】      図１
2011015550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械装置への入出力信号を用いて装置特性を同定する特性同定手法において、
機械装置からフィードバックされる信号と機械装置への制御入力信号から機械装置に起因する外乱成分を推定し、
推定した外乱成分を前記制御入力信号から差し引いた信号を用いて前記装置特性を同定することを特徴とする機械装置の特性同定方法。
【請求項２】
前記機械装置はモータの出力軸に動力伝達部を介して被駆動慣性体としての被駆動部を結合したものを制御対象とするものであり、
前記外乱成分の推定手段として、外乱オブザーバを用いる請求項１に記載の機械装置の特性同定方法。
【請求項３】
前記外乱オブザーバの設定パラメータのうち、カットオフ周波数を、前記モータの出力軸の位置や速度などの運動制御コントローラのサーボ帯域とする請求項２に記載の機械装置の特性同定方法。
【請求項４】
前記外乱オブザーバの設定パラメータのうち、被駆動慣性体イナーシャは前記装置特性の同定によって得られる値とする請求項２に記載の機械装置の特性同定方法。
【請求項５】
駆動指令信号を受けるモータと被駆動部との間を動力伝達部で連結した慣性共振系を制御対象とし、
該制御対象の状態量を計測する計測手段と、
前記モータ、動力伝達部、被駆動部に起因する外乱成分を推定する外乱推定手段と、
推定された外乱成分を前記駆動指令信号から減算する減算手段と、
前記減算手段の出力及び前記計測手段で計測された計測結果に基づいて前記制御対象のパラメータを同定する特性同定手段を含み、
同定されたパラメータに基づいて前記モータへの駆動指令信号を調整することを特徴とする制御装置。
【請求項６】
前記外乱推定手段として、前記駆動指令信号と前記計測手段で計測された計測結果を入力とする外乱オブザーバを備えることを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
前記計測手段として前記モータの軸角速度ωＭを計測する計測器を備えるほかに、目標速度と前記モータの軸角速度ωＭとの差分に基づいてモータのトルク指令値τＭを前記駆動指令信号として出力する制御演算器を備え、
前記外乱オブザーバは前記トルク指令値τＭと前記モータの軸角速度ωＭとを受けて外乱トルクを前記外乱成分として推定し、
前記特性同定手段は、前記トルク指令値から前記外乱トルクを減算した前記減算手段の出力と、前記モータの軸角速度ωＭとを受けて同定したパラメータを出力し、
更に、同定されたパラメータに基づいて前記制御演算器を制御する制御演算係数調整器を備えることにより前記制御演算器によって前記トルク指令値τＭが調整されることを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械装置、例えばモータの出力軸に減速装置等の動力伝達部を介して被駆動部を機械的に結合したものを制御対象とする機械装置の制御装置及び機械装置の特性同定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの出力軸に減速装置等の動力伝達部を介して被駆動部（負荷）を機械的に結合したものを制御対象とする機械装置において、高応答性あるいは高精度の運動制御を行うためには、機械装置の慣性や共振などの特性を把握し、把握した特性を考慮して制御系を調整することが必要である。
【０００３】
この為、ハンマリング等の加振試験を行ったり、駆動部であるモータのトルクと速度からモータに結合されている装置部の特性を算出することで、機械装置の特性を計測したりする。
【０００４】
ここで、多くの機械装置の駆動部にはガイド部や動力伝達部における摩擦が存在し、また、垂直方向に駆動する装置の場合には装置の自重などが駆動源としてのモータに影響する。つまり、駆動部における摩擦や装置の自重などは、上記のような機械装置の特性の計測や同定に際し、慣性や共振などの特性の計測・同定精度を悪化させる要因となる。
【０００５】
これは、装置の駆動に寄与するトルクは、モータで発生するトルクのすべてではなく、発生トルクから摩擦や装置の自重などの外乱成分を差し引いたトルクが主となる為である。
【０００６】
この様な問題に対して、特許文献１では、摩擦自体の特性を計測・同定し、運動制御補償に用いている。そして、慣性特性の計測・同定にはモータへのトルク指令値を用いている。しかしながら、モータへのトルク指令値は、実際に装置に作用しない摩擦成分までも含んでいる。このため、慣性特性の計測・同定精度が悪化し、結果として制御系の調整が困難になることが予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３６６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、例えばモータに動力伝達部を介して被駆動部を機械的に結合したものを制御対象とするような機械装置への適用に適し、摩擦や装置の自重のような外乱が存在しても精度良く装置特性を同定して駆動制御を実行することのできる制御装置を提供しようとするものである。
【０００９】
本発明はまた、上記の制御装置に適した機械装置の特性同定方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、機械装置への入出力信号を用いて装置特性を同定する特性同定手法において、機械装置からフィードバックされる信号と機械装置への制御入力信号から機械装置に起因する外乱成分を推定し、推定した外乱成分を前記制御入力信号から差し引いた信号を用いて前記装置特性を同定することを特徴とする機械装置の特性同定方法が提供される。
【００１１】
なお、前記機械装置はモータの出力軸に動力伝達部を介して被駆動慣性体としての被駆動部を結合したものを制御対象とするものであり、前記外乱成分の推定手段として、外乱オブザーバを用いることが望ましい。
【００１２】
また、前記外乱オブザーバの設定パラメータのうち、カットオフ周波数を、前記モータの出力軸の位置や速度などの運動制御コントローラのサーボ帯域とすることができ、あるいは前記外乱オブザーバの設定パラメータのうち、被駆動慣性体イナーシャは前記装置特性の同定によって得られる値とすることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様によれば、駆動指令信号を受けるモータと被駆動部との間を動力伝達部で連結した慣性共振系を制御対象とし、該制御対象の状態量を計測する計測手段と、前記モータ、動力伝達部、被駆動部に起因する外乱成分を推定する外乱推定手段と、推定された外乱成分を前記駆動指令信号から減算する減算手段と、前記減算手段の出力及び前記計測手段で計測された計測結果に基づいて前記制御対象のパラメータを同定する特性同定手段を含み、同定されたパラメータに基づいて前記モータへの駆動指令信号を調整することを特徴とする制御装置が提供される。
【００１４】
前記外乱推定手段としては、前記駆動指令信号と前記計測手段で計測された計測結果を入力とする外乱オブザーバを備えることが望ましい。
【００１５】
本制御装置においては、前記計測手段として前記モータの軸角速度ωＭを計測する計測器を備えるほかに、目標速度と前記モータの軸角速度ωＭとの差分に基づいてモータのトルク指令値τＭを前記駆動指令信号として出力する制御演算器を備えることが望ましい。この場合、前記外乱オブザーバは前記トルク指令値τＭと前記モータの軸角速度ωＭとを受けて外乱トルクを前記外乱成分として推定する。前記特性同定手段は、前記トルク指令値から前記外乱トルクを減算した前記減算手段の出力と、前記モータの軸角速度ωＭとを受けて同定したパラメータを出力する。更に、同定されたパラメータに基づいて前記制御演算器を制御する制御演算係数調整器を備えることにより、前記制御演算器によって前記トルク指令値τＭが調整される制御装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、モータに動力伝達部を介して被駆動部を機械的に結合したものを制御対象とするような機械装置への適用に適し、摩擦や装置の自重のような外乱が存在しても精度良く装置特性を同定して駆動制御を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による制御装置の実施形態及び制御対象の例を示したブロック図である。
【図２】図１の変形例を示したブロック図である。
【図３】本発明が適用される機械装置の一例を説明するための図である。
【図４】本発明者により提案されている、制御装置及び制御対象を示したブロック図である。
【図５】図１に示された外乱オブザーバについて説明するためのモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について説明する前に、本発明の適用が考えられる、一般的な機械装置について説明する。機械装置は多数の部材で構成されており、厳密には多慣性共振系を構成している。しかし、機械装置の動作において問題となる振動成分は、多くの場合、一次共振モードである。よって、多慣性共振系の一次共振モデルとして、２慣性共振モデルを考えるものとすると、２慣性共振モデルは図３に示すような物理系として示すことができる。
【００１９】
図３において、本モデルでは、モータの出力軸と慣性負荷（被駆動部）とがギヤによる減速機構（動力伝達部）で機械的に結合されている。また、図３において、ＪＭはモータイナーシャ（慣性）、ωＭはモータ軸角速度、ＲＧはギヤの減速比、ＫＧはギヤの伝達剛性、ＪＬは負荷イナーシャ、ωＬは負荷速度をそれぞれ表している。そして、モータ側摩擦抵抗としてＣＭを、負荷側摩擦抵抗としてＣＬをそれぞれ想定している。このような物理系で示される多くのモータ駆動系では、モータ軸（モータ出力軸）において計測されるエンコーダ計測値をフィードバックしてモータ駆動制御が行われる。この場合のコントローラは、２慣性共振系を考慮して設計し、その共振特性を抑制した駆動制御を行う。
【００２０】
図４は、図３に示されたモータ、動力伝達部、被駆動部を含む制御対象を、２慣性共振モデルとして制御するための制御装置のブロック構成を示す。本制御装置は、本発明者によって提案されたものであり、制御対象の特性同定器を用いた自動制御系として機能する。
【００２１】
図４において、前述したように、制御対象はモータ１０と被駆動部（慣性負荷）１１との間を減速機構等の動力伝達部１２で連結してなる。
【００２２】
本制御装置は、目標角速度ωＲを受ける減算部１３と、これに接続されてトルク指令値τＭを制御対象に出力する制御演算器１４と、モータ軸角速度ωＭとトルク指令値τＭを入力として同定を行い、同定パラメータθを出力する制御対象特性同定器１５’と、同定パラメータθに基づいて制御演算器１４を制御するための制御演算係数の調整を行なう制御演算係数調整器１６を含む。
【００２３】
モータ１０の速度（軸角速度）ωＭがエンコーダ等の計測手段により測定され、フィードバックされる。フィードバックされたモータ軸角速度ωＭと、指令値として入力される目標角速度ωＲとの差が減算部１３で演算され制御演算器１４に送られる。制御演算器１４はモータトルクτＭをトルク指令値として制御対象に出力すると共に、制御対象特性同定器１５’にも出力する。制御対象特性同定器１５’にはまた計測されたモータ軸角速度ωＭも入力され、ここで同定されたパラメータθが制御演算係数調整器１６に送られる。制御演算係数調整器１６は、同定されたパラメータθに基づいて制御演算器１４を制御する。
【００２４】
なお、この制御装置は、速度制御系であるが、目標角速度ωＲに代えて目標位置を入力し、モータ軸角速度ωＭに代えて位置を測定することにより位置制御系として構成しても良い。
【００２５】
上記のような２慣性共振系の応答特性を伝達関数で表すと、以下の数１となる。
【００２６】
【数１】
2011015550.tif 000003
【００２７】
上記数１において、反共振周波数ωａ、反共振粘性係数ζａ、共振周波数ωｎ、共振粘性係数ζｎをそれぞれ、以下の式｛４つの式をまとめて数２と呼ぶ｝で表す。
【００２８】
【数２】
2011015550.tif 000004
【００２９】
パルス伝達関数の遅れ演算子をｑとすると、応答特性ωＭ／τＭをラプラス領域で表した数１は、サンプリング時間をＴＭとした双一次変換によるｓ→ｑ変換である。以下の数３を用いると、離散化したωＭ（ｋ）／τＭ（ｋ）を規定する以下の数４で表される。
【００３０】
【数３】
2011015550.tif 000005
【００３１】
【数４】
2011015550.tif 000006
【００３２】
閉ループにおける適応同定を行うために、以下の数５に示す安定多項式Ｆ（ｑ）を導入する。
【００３３】
【数５】
2011015550.tif 000007
【００３４】
数４を変形し、数５によるＦ（ｑ）を導入して以下の数６を得る。
【００３５】
【数６】
2011015550.tif 000008
【００３６】
ここで、以下の式｛６つの式をまとめて数７と呼ぶ｝を仮定し、数６をωＭ（ｋ）について規定する式に変形すると、下記の数８のように表される。
【００３７】
【数７】
2011015550.tif 000009
【００３８】
【数８】
2011015550.tif 000010
【００３９】
ここで、θ２Ｔ、ξ２、αはそれぞれ以下の式｛３つの式をまとめて数９と呼ぶ｝で表される。つまり、ωＭ（ｋ）を規定した数８から、共振周波数ωｎ、反共振周波数ωａから成りθ２を表す第１の式と、モータイナーシャＪＭ、共振周波数ωｎ、反共振周波数ωａ、共振粘性係数ζｎ、反共振粘性係数ζａのいずれも含まないξ２を表す第２の式と、共振粘性係数ζｎ、反共振粘性係数ζａを含みαを表す第３の式とから成る数９を導出する。
【００４０】
【数９】
2011015550.tif 000011
【００４１】
すなわち、反共振周波数ωａの自乗及び共振周波数ωｎの自乗（共振周波数相当係数ωｄ）の２つのパラメータを同定する。
【００４２】
上記の制御装置では、フィードバックされたモータ軸角速度ωＭをそのまま用いてパラメータの同定を行い、同定されたパラメータに基づいて制御演算器１４の制御演算係数を自動調整している。しかし、背景技術において述べたように、モータ１０について言えばモータ軸角速度ωＭは図３で説明したモータの摩擦抵抗に起因する外乱成分を含んでいるので、モータ軸角速度ωＭをそのまま用いた場合、外乱成分によって適切なパラメータ同定を行なえない場合がある。これを改善するために、制御対象特性同定器１５’において制御対象の摩擦を考慮しようとすると、同定のための演算に時間がかかる。
【００４３】
なお、外乱の要因としては、モータ１０について言えばモータのシール摩擦、ベアリング摩擦、トルクリップル等の要素が考えられ、動力伝達部１２について言えば減速機構の場合にはギヤやボールネジの摩擦や伝達誤差等の要素が考えられる。また、被駆動部１１について言えばガイド部の摩擦等の要素が考えられる。摩擦以外の要素としては、垂直駆動の場合の装置の自重、ロボットに組み込む場合の遠心力等がある。
【００４４】
以上のような知見に基づき、本発明は、制御対象の特性同定に際し制御対象の外乱成分を推定し、推定した外乱成分を考慮して特性同定を行なうことにより、制御対象の駆動制御に際して外乱成分の影響を受けないようにしたものである。
【００４５】
具体的には、本発明では、慣性特性などの装置特性、つまり制御対象の特性の同定演算に用いる信号のうち、特に制御対象特性同定器への入力信号として、モータへのトルク指令値τＭをそのまま用いるのではなく、トルク指令値τＭから、推定した外乱トルク成分τｄを差し引いた信号を用いるようにしている。
【００４６】
なお、外乱トルク成分τｄは様々な方法で計測・同定する方法があるが、実施例としては、いわゆる外乱オブザーバと呼ばれる推定手法を用いる。
【００４７】
図５（ａ）は、剛体（ねじれのない、又は多慣性でないモデル）＋外乱モデルである。このモデルを用いた場合、モータトルク外乱を状態量に拡張する剛体状態オブザーバを、以下の、状態方程式を示す数１０、拡張状態方程式（可観測）を示す数１１、拡張状態方程式に対するオブザーバ（同一次元オブザーバ）を示す数１２のように構築することができ、制御入力ｕ及びモータ軸角速度ωＭから外乱トルクを推定することができる。
【００４８】
【数１０】
2011015550.tif 000012
【００４９】
【数１１】
2011015550.tif 000013
【００５０】
【数１２】
2011015550.tif 000014
【００５１】
上記数１０〜数１２において、ｗはモータトルク外乱、Ｊは可動部イナーシャ、Ｃは減衰性を示す。また、＾付きは推定値であることを示す。モータ軸角速度ωＭは既知であるので、最小次元オブザーバにすると、一般的な外乱オブザーバと等価になる。
【００５２】
一方、図５（ｂ）は、２慣性（共振）モデルである。このモデルを用いた場合、モータトルク外乱を状態量に拡張する２慣性系状態オブザーバを、以下の、状態方程式を示す数１３、拡張状態方程式（可観測）を示す数１４、拡張状態方程式に対するオブザーバ（同一次元オブザーバ）を示す数１５のように構築することができ、制御入力ｕ及びモータ軸角速度ωＭから外乱トルクを推定することができる。但しこの場合、駆動系反力と外乱とを別々に求めることができる（つまり、負荷速度ωＬと、モータ軸角速度ωＭとの引き算から求めることができ「ねじれ速度ωｔ」、そして「ねじれ角度θｔ」のそれぞれにモデル特性に応じた係数をかけて足し合わせたものが、駆動系反力（反力トルク）である）。すなわち、同定情報における制御入力ｕには、摩擦等の外乱を含まない、モータトルクと駆動系反力との和を使いたいわけであるが、２慣性系状態オブザーバを用いると、駆動系反力を、摩擦等の外乱と混ざった状態で扱わずに済み、より正確な外乱を推定することができる。
【００５３】
【数１３】
2011015550.tif 000015
【００５４】
【数１４】
2011015550.tif 000016
【００５５】
【数１５】
2011015550.tif 000017
【００５６】
上記のモデルを用いた制御装置の構成は図１のようになり、図１における外乱オブザーバ１７が、上述した（剛体＋外乱モデル）又は（共振系状態＋外乱オブザーバ）となってどちらも利用することができ、（共振系状態＋外乱オブザーバ）の場合は制御入力ｕ（モータトルクτＭ）とモータ軸角速度ωＭを入力すると、負荷速度ωＬ、ねじれ角度θｔ、モータトルク外乱ｗの推定値（数１５において推定値を示す記号＾の付いたもの）が得られる。
【００５７】
上記のような外乱オブザーバで設定するパラメータは推定する周波数帯域と被駆動慣性体のイナーシャの２つがある。このうち、推定する周波数帯域（カットオフ周波数）は、位置や速度等の運動制御コントローラのサーボ特性帯域とし、被駆動慣性体イナーシャは装置特性の同定によって得られる値とする。
【００５８】
図１を参照して、本発明による制御装置の実施形態について説明する。この実施形態は、図４で説明した制御装置に、上述した外乱オブザーバを用いて外乱トルク成分を推定する機能を付加した制御装置である。
【００５９】
図１において、図４に示した構成要素と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。
【００６０】
本制御装置は、目標角速度ωＲを受ける減算部１３と、これに接続されてトルク指令値τＭを制御対象に出力する制御演算器１４と、モータ軸角速度ωＭとトルク指令値τＭを入力して外乱トルクτｄを推定する外乱オブザーバ１７と、推定した外乱トルクτｄをトルク指令値τＭから減算して制御対象特性同定器１５に入力する減算部１８、減算部１８の減算結果とモータ軸角速度ωＭとを受けて制御対象のパラメータ同定を行い、同定パラメータθを出力する制御対象特性同定器（特性同定手段）１５と、同定パラメータθに基づいて制御演算器１４を制御するための制御演算係数の調整を行なう制御演算係数調整器１６を含む。なお、同定パラメータθは外乱オブザーバ１７にも与えられる。
【００６１】
このような制御装置はハードウェアで構成することができるが、例えば、演算機能を持つＣＰＵやコンピュータで実現することもできる。つまり、ＣＰＵやコンピュータは、指令値、センサからの検出値、あらかじめ用意されている値を用い、記憶装置に格納されている制御プログラムに基づいて以降で説明する制御動作を実行する。
【００６２】
本制御装置においても、モータ１０の速度（軸角速度）ωＭがエンコーダ等の計測手段により測定され、フィードバックされる。フィードバックされたモータ軸角速度ωＭと、指令値として入力される目標角速度ωＲとの差が減算部１３で演算され制御演算器１４に送られる。制御演算器１４はモータトルクτＭをトルク指令値として制御対象に出力すると共に、外乱オブザーバ１７及び減算部１８にも出力する。外乱オブザーバ１７はモータ軸角速度ωＭとトルク指令値τＭから外乱トルクτｄを推定する。制御対象特性同定器１５は、推定した外乱トルク成分がトルク指令値τＭから差し引かれた信号を用いて同定パラメータθの同定を行う。同定されたパラメータθは制御演算係数調整器１６に送られ、制御演算係数調整器１６は、同定されたパラメータθに基づいて制御演算器１４を制御する。
【００６３】
上記のようにして装置特性の同定方法を構成すると、以下のような効果が得られる。
【００６４】
制御対象特性同定器に与えられる入力信号から、機械装置における摩擦や装置自重などに起因する外乱成分が除去されることで、良好な入力信号を入手することが可能となり、結果として外乱が存在する環境においても慣性特性や共振特性などの装置特性を精度良く同定することが可能となる。特に、外乱トルク成分を推定する手段として、外乱オブザーバを用いることにより、摩擦や装置自重等の様な、特性の異なる外乱成分も同一の構成で扱うことが可能である。また、場所などによって変化する外乱成分でも扱うことが可能である。
【００６５】
更に、特性同定器における演算は簡便である。
【００６６】
外乱オブザーバのパラメータのうち、周波数帯域（カットオフ周波数）を、位置や速度等の運動制御コントローラのサーボ特性帯域とすることで、設定が簡便となる効果が得られる。この外乱オブザーバの帯域は、低過ぎると十分な応答で外乱成分を推定できなくなり、装置特性の同定精度が悪化する。一方、帯域が高過ぎると、装置に共振特性が存在する場合には、共振による振動成分を摩擦等と同一の外乱成分として検出する為、装置特性の同定精度が悪化する。これに対してサーボ特性帯域は、装置に求められる制御特性と外乱成分の強さを反映する値であり、外乱成分の検出に適した帯域に設定される場合が多く、この設定値を流用することで同定演算固有の設定値を持つ必要が無くなる。
【００６７】
外乱オブザーバのパラメータのうち、被駆動慣性体イナーシャは装置特性の同定によって得られる値とすることで、慣性特性の同定値と、外乱推定値の両者が真値に漸近していき、慣性特性や共振特性などの装置特性を精度良く同定することが可能となる。
【００６８】
図２は、図１に示した制御装置の変形例を示す。この変形例では、図１に示された外乱オブザーバ１７に代えて外乱推定器１９を用いて外乱トルクτｄを推定する。これは、前述したように、外乱の要因として、モータ１０について言えばモータのシール摩擦、ベアリング摩擦、トルクリップル等のモータ外乱要素をあらかじめ想定することができ、動力伝達部１２について言えば減速機構の場合にはギヤやボールネジの摩擦や伝達誤差等の伝達部外乱要素をあらかじめ想定することができるからである。また、被駆動部１１について言えばガイド部の摩擦等の被駆動部外乱要素をあらかじめ推定することができるからである。摩擦以外の要素としては、垂直駆動の場合の装置の自重、ロボットに組み込む場合の遠心力等がある。いずれにしても、外乱推定器１９は、想定される外乱要素をあらかじめ保持し、必要に応じて減算部１８に外乱トルクτｄを出力する。外乱推定器１９以外の制御動作は、図１の実施形態と実質的に同じであるので、説明は省略する。
【符号の説明】
【００６９】
１３、１８    減算部
【図１】
2011015550.tif 000018
【図２】
2011015550.tif 000019
【図３】
2011015550.tif 000020
【図４】
2011015550.tif 000021
【図５】
2011015550.tif 000022