(57)【要約】【課題】  状態フィードバック制御に用いる推定誤差の少ない状態推定器を実現するために、新たに弾性体要素を考慮した外乱トルク推定器を備えた捩り振動系制御装置を提供する。【解決手段】  駆動軸に連結された駆動側慣性体１と、従動軸に連結された従動側慣性体２とを有し、前記駆動軸と前記従動軸が弾性体要素１ａで結合されている２慣性系の制御対象を有する捩り振動系制御装置において、外乱推定器５と、状態推定器７と、状態フィードバック制御器８、および外乱メモリ６とを含んでいる制御部Ｃを有し、前記駆動側慣性体１と前記従動側慣性体２にそれぞれ個別に角度検出器３、４を備えており、前記制御部Ｃが、前記角度検出器３、４の出力および外部からの目標状態値を入力とし、モータ操作量を出力とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸に連結された駆動側慣性体と、従動軸に連結された従動側慣性体とを有し、前記駆動軸と前記従動軸が弾性体要素で結合されている２慣性系の制御対象を有する捩り振動系制御装置において、外乱推定器と、状態推定器と、状態フィードバック制御器と、外乱メモリとを含んでいる制御部を有し、前記駆動側慣性体と前記従動側慣性体にそれぞれ個別に角度検出器を備えており、前記制御部が、前記角度検出器の出力および外部からの目標状態値を入力とし、モータ操作量を出力とすることを特徴とする捩り振動系制御装置。
【請求項２】
前記外乱推定器が、前記角度検出器の出力および前記モータ操作量を入力とし、外乱推定値を出力とすることを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【請求項３】
前記外乱メモリが、過去の前記外乱推定器の出力を記憶しておき、これを基に現在の外乱推定値を発生させることを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【請求項４】
前記状態推定器が、前記角度検出器の出力、前記モータ操作量および前記外乱推定値を入力とし、状態推定値を出力とすることを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【請求項５】
前記状態フィードバック制御器が、外部からの目標状態値および前記状態推定値を入力とし、前記モータ出力操作量を出力とすることを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【請求項６】
前記制御部が離散時間系で制御され、前記状態フィードバック制御器が前記制御部における演算遅れも状態の１つとしてフィードバックすることを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【請求項７】
前記制御部が制御できる上限の周波数は、制御対象が有する共振周波数より高いことを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【請求項８】
前記状態推定器が、カルマンフィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【請求項９】
前記状態フィードバック制御器が、最適レギュレータを有することを特徴とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オフィスオートメーション（ＯＡ）機器、ファクトリオートメーション（ＦＡ）機器等に使用される柔結合された機構のモータを制御する捩り振動系制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、柔結合された機構のモータを制御する捩り振動系制御装置は知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１では制御装置、および特許文献２では状態空間法によるねじり系制御装置が開示されている。
また、開発中の捩り振動系制御装置では、駆動側慣性体と従動側慣性体とが捩り軸で連結された制御対象である場合に、外乱が印加される従動側慣性体を高精度に位置制御する位置制御手段を設けるように試みているが、この技術では推定した外乱値をそのまま実時間で状態推定に用いている。
【特許文献１】特許第３２６６３９１号公報
【特許文献２】特許第３２４４１８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
モータ駆動系ではトルク伝達機構に弾性体要素が含まれていることが多く、モータ自身や従動側慣性体の慣性モーメントと関係して共振系を構成している。このとき、それほど回転精度が要求されないものではトルク伝達機構が剛結合と見なせるため、共振系による制御への影響は無視できる。
しかしながら回転精度が厳しくなると、その仕様を満足させるために高利得制御が必要となり、制御しなければならない上限周波数が高くなる。このような系ではもはや剛結合で扱うことは困難である。
図５は制御対象となる柔結合された２慣性系の物理モデルを示す概略図である。図中の各記号は以下のような意味を示している。
・ＪＭ：駆動側慣性モーメント
・ＤＭ：駆動側粘性抵抗
・ＪＬ：従動側慣性モーメント
・ＤＬ：従動側粘性抵抗
・ＫＣ：捩り軸バネ定数
・ＤＣ：捩り軸粘性抵抗
・τＭ：駆動軸トルク（操作量）
・ωＭ：駆動軸角速度
・θＭ：駆動軸角度（観測出力）
・τＬ：従動軸トルク（外乱）
・ωＬ：従動軸角速度
・θＬ：従動軸角度（観測出力）
なお、このときの共振周波数ω０は以下の式で示すことができる。
ω０＝
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このような系を古典的な制御手法（ＰＩＤや位相補償等）で制御しようとすると、制御対象の出力１変数のみで制御を行なうため、制御対象の共振周波数において位相遅れの増大が問題となり、これを超えて制御することは困難である。
【０００４】
一方、状態フィードバック制御による方法では、制御対象の内部状態全てを扱うため、制御対象が線形システムとみなせる範疇では、状態フィードバック制御することにより、共振周波数を超えて制御することが可能となる。
状態フィードバック制御を実現するためには全ての状態変数を知っておく必要があるが、実際の制御対象では状態観測できるものは限られることが多く、このままでは状態フィードバック制御することができない。
そこで状態フィードバック制御を実現するために、制御対象の内部状態を推定する状態推定器を用意する。このとき状態推定器の入力として、操作量τＭと観測出力θＭ、θＬのほかに外乱トルクτＬが必要であるが、一般には外乱トルクの計測は困難である。
そのことから、簡単のために外乱トルクτＬをゼロ、または一定値に設定するが、いずれも実際に発生する外乱トルクτＬとの差異により状態推定器の出力に大きな誤差を生じるため、系を不安定化させる恐れがある。
図６は一般的に弾性体要素の捩れを無視し剛体として扱う構成を示す概略図である。また、このような外乱推定器としては、図６に示すように、一般的に弾性体要素の捩れを無視し剛体として扱うものが知られている。
しかしながら、ここで取り上げたような制御対象の場合、弾性体と剛体の違いから推定した外乱トルクτＬ（推定値）に差異が生じ、上述と同様に系を不安定化させる恐れがある。
そこで本発明の目的は、このような観点に鑑みて、状態フィードバック制御に用いる推定誤差の少ない状態推定器を実現するために、新たに弾性体要素を考慮した外乱トルク推定器を備えた捩り振動系制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、駆動軸に連結された駆動側慣性体と、従動軸に連結された従動側慣性体とを有し、前記駆動軸と前記従動軸が弾性体要素で結合されている２慣性系の制御対象を有する捩り振動系制御装置において、外乱推定器と、状態推定器と、状態フィードバック制御器、および外乱メモリとを含んでいる制御部を有し、前記駆動側慣性体と前記従動側慣性体にそれぞれ個別に角度検出器を備えており、前記制御部が、前記角度検出器の出力、および外部からの目標状態値を入力とし、モータ操作量を出力とする捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記外乱推定器が、前記角度検出器の出力および前記モータ操作量を入力とし、外乱推定値を出力とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記外乱メモリが、過去の前記外乱推定器の出力を記憶しておき、これを基に現在の外乱推定値を発生させる請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記状態推定器が、前記角度検出器の出力、前記モータ操作量および前記外乱推定値を入力とし、状態推定値を出力とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記状態フィードバック制御器が、外部からの目標状態値および前記状態推定値を入力とし、前記モータ出力操作量を出力とする請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記制御部が離散時間系で制御され、前記状態フィードバック制御器が前記制御部における演算遅れも状態の１つとしてフィードバックする請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記制御部が制御できる上限の周波数は、制御対象が有する共振周波数より高い請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、前記状態推定器が、カルマンフィルタを有する請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記状態フィードバック制御器が、最適レギュレータを有する請求項１に記載の捩り振動系制御装置を特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、柔結合された２慣性系において、外乱推定器によって従動軸側に印加される外乱トルクが推定できるため、状態推定器の推定精度が向上し、丈夫で安定なフィードバック制御が可能となる。
また、外乱トルク検出器や、観測出力以外の各状態検出器が不要となるため、制御系の構成が簡単になりコストが低減でき、さらに、外乱メモリを兼ね備えることにより、過去に推定した外乱状況を記憶しておくことができる。
そのため、周期性外乱においては、フィードバックループによる外乱メモリが無い場合よりも高い周波数帯まで外乱を除去することができ、また、状態フィードバック制御器により、捩れを有する制御対象においても、高利得制御によって高精度な回転制御が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明による捩り振動系制御装置の状態フィードバック制御系の全体構成図を示すブロック図である。
図１において制御対象は駆動軸（図示せず）に連結されたモータ１（＝駆動側慣性体）に捩り軸（弾性体要素）１ａによって柔結合されたかつ従動軸（図示せず）に連結された慣性体２（＝従動側慣性体）であり、モータ１と慣性体２各々に角度検出器３、４が接続され、慣性体２には外乱トルクτＬが印加される構成となっている。
制御部Ｃは外乱推定器５、外乱メモリ６、状態推定器７、それに状態フィードバック制御器８とから構成され、制御部Ｃへの入力としては上記２つの角度検出器３、４によって得られる回転角θＭ、θＬと、設計者が希望する目標状態値ＸＲとが入力される。
また、制御部Ｃの出力τＭ（＝操作量）にはモータ駆動用ＰＷＭアンプ９が接続されており、このモータ駆動用ＰＷＭアンプ９の出力はモータ１に接続されている。
図２は図１の外乱推定器５を示す詳細図である。柔結合された２慣性系を制御対象としていることから、この外乱推定器５では柔結合部分にあたる弾性体要素を考慮して外乱トルクτＬ（このτＬは推定値である、以下推定値を図面の記号に合わせて（〜）と表示する）を推定する構成となっている。なお、Ｔはローパスフィルタの時定数である。
図３は図１の状態推定器７を示す詳細図である。操作量と観測出力、それに推定した外乱トルクを入力して、制御対象の内部状態全てを推定する。状態推定器７内部のフィードバック利得Ｅはカルマンフィルタの設計法によって決定されることができる。
しかし、適切なノイズ共分散データを与えることにより、リカッティ（Ｒｉｃｃａｔｉ）方程式を解くことで求まる。設計法として、状態推定器が、カルマンフィルタを有することにより、設計者が極配置等を考慮せずに容易に設計を行なうことができる。
図４は図１の状態フィードバック制御器を示す詳細図である。推定した内部状態Ｘ（〜）（ωＭ（〜）、ωＬ（〜）、θＭ（〜）、θＬ（〜））と目標状態ＸＲとの偏差から操作量τＭを算出する。
状態フィードバック利得Ｆは最適レギュレータ設計法によって決定されるが、制御仕様を満たすように適切に評価関数を与え、リカッティ（Ｒｉｃｃａｔｉ）方程式を解くことにより求まる。
このとき、制御対象の共振を抑制するようにするためには、（制御しようとする上限周波数）＞（制御対象の共振周波数）となるように評価関数を与える必要がある。設計法として、この最適レギュレータを用いることにより、設計者が極配置等を考慮せずに容易に設計を行なうことができる。
【０００８】
つぎに図１の動作について説明する。モータ１の軸に取り付けられた角度検出器３および慣性体２に取り付けられた角度検出器４から得られる各々の回転角情報は、外乱推定器５と状態推定器７に入力される。
また、状態フィードバック制御器８から出力される操作量τＭは、モータ駆動用ＰＷＭアンプ９に入力されると共に、外乱推定器５と状態推定器７にも入力される。
外乱推定器５では、操作量τＭと２つの回転角θＭ、θＬから制御対象のモデルを使用して、従動側慣性体２に印加される外乱トルクτＬ（〜）を推定する。このとき、制御対象内部の柔結合された軸の弾性ＫＣや粘性ＤＣを考慮した形で推定を行う。
そして外乱推定器５から出力される推定値は実時間では使用せずに一時的に外乱メモリ６に記憶される。記録に当たっては、本実施形態の場合、従動側慣性体２は回転体であるため印加される外乱トルクに周期性があるものと見なすことができる。
そして、従動側慣性体２が１回転した後、すなわち同一の回転角に至ったときに、記憶しておいた外乱推定値を状態推定器７で用いることでフィードフォワード制御を行う。これにより周期性をもつ外乱については、バンディング帯域である高い周波数帯（約２０〜２００Ｈｚ程度）にまで外乱抑圧効果を高めることができる。
状態推定器７は、予め推定しておいた外乱トルクτＬ（〜）、操作量τＭそれに２つの回転角θＭ、θＬから制御対象のモデルを使って、制御対象の内部状態Ｘ（〜）（ωＭ（〜）、ωＬ（〜）、θＭ（〜）、θＬ（〜））を推定する。
このとき、常に推定状態θＭ（〜）、θＬ（〜）と回転角θＭ、θＬとを比較し、誤差を生じたときにはフィードバック利得Ｅの効果によって回転角θＭ、θＬに合わせて推定状態θＭ（〜）、θＬ（〜）を修正する動作を行う。
状態フィードバック制御器８では、制御対象の内部状態Ｘ（〜）と、設計者が希望する目標状態ＸＲとの偏差に対し、状態フィードバックを行うことによって操作量τＭを算出する。
【０００９】
以上のような制御装置を実際に構成する場合、デジタルシステムの利点を得るためにデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて実現するのが一般的であるが、この場合には本願の図に示すような連続時間系を離散時間系に置き換える必要がある。
この離散化に伴い、制御処理による演算遅れ（＝１サンプリング周期遅れ）によって、制御系が不安定化する問題が生じる。そこで、操作量の演算遅れ分を１状態と考え、これを状態フィードバックに追加することにより、この演算遅れを補償し、制御系の安定性を保持することができる。
柔結合された２慣性系において、外乱推定器５によって従動軸側に印加される外乱トルクが推定できるため、状態推定器７の推定精度が向上し、丈夫で安定なフィードバック制御が可能となる。
また、外乱トルク検出器や、観測出力以外の各状態検出器が不要となるため、制御系の構成が簡単になりコストが低減できる。そしてまた、外乱メモリを兼ね備えることにより、過去に推定した外乱状況を記憶しておくことができる。
そのため、周期性外乱においては、フィードバックループによる外乱メモリ６が無い場合よりも高い周波数帯まで外乱を除去することができる。さらには、状態フィードバック制御器８により、捩れを有する制御対象においても、高利得制御によって高精度な回転制御が実現できる。
外乱推定値５を得ることで、精度良く制御対象の各内部状態を推定することができる。また、過去に推定した外乱状況を記憶しておき、記憶されている内容から現在の外乱推定値を得ることによって、周期性外乱への即応性を高めることができる。
捩り振動系制御に必要な制御対象の内部状態全てが揃い、状態フィードバック制御が可能となる。また、捩り振動系制御のための状態フィードバック制御が実現され、モデルに対しての最適制御が可能になる。
制御処理装置の演算遅れ（＝１サンプリング周期遅れ）による制御系の不安定化を無くすことができる。また、捩れを有する制御対象でも共振周波数を超えて制御可能となるため、高利得制御が実現され、高精度な回転制御が可能となる。
設計手法が統一化されるため、制御設計が容易となる。カルマンフィルタは極配置法と比較して、設計者が極零点等を考慮する必要が無くなり、ノイズ共分散データを与えるのみであるため設計が容易である。
最適レギュレータでは極配置法と比較して、設計者が極零点等を考慮する必要が無くなり、重み係数の設定のみであるため設計が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による捩り振動系制御装置の状態フィードバック制御系の全体構成図を示すブロック図である。
【図２】図１の外乱推定器を示す詳細図である。
【図３】図１の状態推定器を示す詳細図である。
【図４】図１の状態フィードバック制御器を示す詳細図である。
【図５】制御対象となる柔結合された２慣性系の物理モデルを示す概略図である。
【図６】一般的に弾性体要素の捩れを無視し剛体として扱う構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００１１】
Ｃ  制御部
１    モータ１（駆動側慣性体）
１ａ  捩り軸（弾性体要素）
２    慣性体（従動側慣性体）
３    角度検出器
４    角度検出器
５    外乱推定器
６    外乱メモリ
７    状態推定器
８    状態フィードバック制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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