JP2019133537A - アクチュエータ制御装置及びアクチュエータ制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】アクチュエータの可動部の位置を検出する検出部の検出分解能が低い場合でも、アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させることができるようにする。【解決手段】検出された可動部の位置に誤差があるか否かの判定を行う判定部13と、可動部を動作させるための動作電流から可動部の位置を推定し、検出部3で検出された位置及び推定された位置を用いて、補正信号を出力する外乱オブザーバ部14と、その補正信号に基づいてアクチュエータ2を制御し、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させる制御部12と、を備え、外乱オブザーバ部14は、判定部13での判定結果に応じて、補正信号を生成するための外乱補正ゲインを変更する。【選択図】図1
Description
本発明は、アクチュエータ制御装置及びアクチュエータ制御方法に関する。
アクチュエータに接続される被駆動体を意図した力で動かすために、アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させるようアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置がある。アクチュエータがモータ等の回転体により動力を発生させる装置であれば、アクチュエータ制御装置は、アクチュエータの発生トルクを目標発生トルクに追従させるようアクチュエータを制御する。但し、トルクは力に比例するため、発生トルクを目標発生トルクに追従させることは、発生力を目標発生力に追従させることに相当する。これを実現するには、アクチュエータ制御装置は、発生力を検出するセンサーの情報を元に、アクチュエータをフィードバック制御する。しかし、発生力を検出するセンサーを取り付けることで装置コストがかかり、また、装置が大型化する。
そこで、アクチュエータの電流値を目標電流値に追従させるようアクチュエータをフィードバック制御することで、電流値に比例する発生力を目標発生力に追従させることができる。しかしながら、アクチュエータの経年劣化が発生すると、それが外乱となって両者の比例関係が崩れるため、発生力と目標発生力の間に誤差が生じる。
例えば、特許文献1では、アクチュエータに作用する外乱を補償する外乱オブザーバについての説明が行われている。アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させる場合に、外乱オブザーバを適用すると、アクチュエータ制御装置は、以下のような処理を行う。
まず、アクチュエータ制御装置は、アクチュエータの電流信号を用いてアクチュエータの位置を推定する。次に、アクチュエータ制御装置は、アクチュエータの可動部の位置を外部センサーにより検出し、検出された位置信号と推定された位置信号との差を元に外乱を推定する。最後に、アクチュエータ制御装置は、外乱推定信号をアクチュエータの電流制御用の制御フィルタ部へ入力する。これにより、アクチュエータの経年劣化が発生しても、アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させることができる。
まず、アクチュエータ制御装置は、アクチュエータの電流信号を用いてアクチュエータの位置を推定する。次に、アクチュエータ制御装置は、アクチュエータの可動部の位置を外部センサーにより検出し、検出された位置信号と推定された位置信号との差を元に外乱を推定する。最後に、アクチュエータ制御装置は、外乱推定信号をアクチュエータの電流制御用の制御フィルタ部へ入力する。これにより、アクチュエータの経年劣化が発生しても、アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させることができる。
しかしながら、従来の技術では、アクチュエータの可動部の位置検出センサーの検出分解能が低い場合、実際のアクチュエータの位置に対し量子化誤差が大きくなる。この量子化誤差が、外乱オブザーバにおける外乱の推定誤差につながり、制御が不安定となる。この結果、アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させることができなくなる。
そこで、本発明の一又は複数の態様は、アクチュエータの可動部の位置を検出する検出部の検出分解能が低い場合でも、アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させることができるようにすることを目的としている。
本発明の一態様に係るアクチュエータ制御装置は、可動部を備えるアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置であって、検出された前記可動部の位置に誤差があるか否かの判定を行う判定部と、前記可動部を動作させるための動作電流から前記可動部の位置を推定し、前記検出された前記可動部の位置及び前記可動部の推定された位置を用いて、補正信号を出力する外乱オブザーバ部と、前記補正信号に基づいて前記アクチュエータを制御し、前記アクチュエータの発生力を前記アクチュエータの目標発生力に追従させる制御部と、を備え、前記外乱オブザーバ部は、前記判定の結果に応じて、前記補正信号を生成するための外乱補正ゲインを変更することを特徴とする。
本発明の一態様に係るアクチュエータ制御方法は、可動部を備えるアクチュエータを制御するアクチュエータ制御方法であって、前記検出された前記可動部の位置に誤差があるか否かの判定を行い、前記可動部を動作させるための動作電流から前記可動部の位置を推定し、前記判定の結果に応じて外乱補正ゲインを変更した後に、前記検出された前記可動部の位置及び前記可動部の推定された位置を用いて補正信号を生成し、前記補正信号に基づいて前記アクチュエータを制御し、前記アクチュエータの発生力を前記アクチュエータの目標発生力に追従させることを特徴とする。
本発明の一又は複数の態様によれば、アクチュエータの可動部の位置を検出する検出部の検出分解能が低い場合でも、アクチュエータの発生力を目標発生力に追従させることができるようにすることを目的としている。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1の構成を概略的に示すブロック図である。
アクチュエータ制御装置1は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御方法を実施することができる装置であり、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させる装置である。以降、アクチュエータ2がDCモータ(Direct−Current Motor)の場合の動作を示す。この場合、アクチュエータ制御装置1は、発生トルクを目標発生トルクに追従させるよう、DCモータを制御する。なお、実施の形態1におけるアクチュエータ2の発生力は、発生トルクとし、目標発生力は、目標発生トルクとするが、実施の形態1は、このような例に限定されるものではない。
図1は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1の構成を概略的に示すブロック図である。
アクチュエータ制御装置1は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御方法を実施することができる装置であり、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させる装置である。以降、アクチュエータ2がDCモータ(Direct−Current Motor)の場合の動作を示す。この場合、アクチュエータ制御装置1は、発生トルクを目標発生トルクに追従させるよう、DCモータを制御する。なお、実施の形態1におけるアクチュエータ2の発生力は、発生トルクとし、目標発生力は、目標発生トルクとするが、実施の形態1は、このような例に限定されるものではない。
図1に示されるように、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1は、信号出力部11と、制御部12と、判定部13と、外乱オブザーバ部14とを備える。
アクチュエータ制御装置1は、アクチュエータ2を制御し、検出部3でアクチュエータ2の可動部の位置を検出する。例えば、アクチュエータがDCモータの場合、可動部は、回転子である。
アクチュエータ制御装置1は、アクチュエータ2を制御し、検出部3でアクチュエータ2の可動部の位置を検出する。例えば、アクチュエータがDCモータの場合、可動部は、回転子である。
アクチュエータ2は、磁気部21、機構部22及び後述の変換部23を備える。また、検出部3は、アクチュエータ2の外部センサーとして、アクチュエータ2の可動部の位置を検出する。
信号出力部11は、電流信号S1を制御部12に与える。電流信号S1は、目標電流信号である。目標電流信号は、図示しない上位制御部から与えられる目標発生力信号である目標発生トルク信号S0に対し、変換係数を乗算して得られる。目標発生トルク信号S0は、アクチュエータ2で発生される力であるトルクを追従させる目標となるトルクを示すトルク信号である。この変換係数は、力信号としてのトルク信号を電流信号に変換する係数である。信号出力部11は、目標発生トルク信号S0を演算して得られる目標電流信号である電流信号S1を制御部12に与える。目標電流信号は、アクチュエータ2が目標発生力としての目標発生トルクで動作する時に発生する電流値を示す電流信号を想定している。
制御部12は、信号出力部11からの電流信号S1と、外乱オブザーバ部14からの電流信号S2と、アクチュエータ2の磁気部21からの電流信号S3を受け取る。制御部12は、これらの信号に基づいて、アクチュエータ2を駆動するための駆動電圧を示す電圧信号S4をアクチュエータ2に与える。具体的には、制御部12は、信号出力部11からの電流信号S1で示される電流値を、外乱オブザーバ部14からの電流信号S2で示される補正値により補正することで、アクチュエータ2への外乱を補償する。そして、制御部12は、補正された値に、アクチュエータ2の磁気部21からの電流信号S3が追従するように、アクチュエータ2を制御する。上述のように、信号出力部11からの電流信号S1で示される電流値は、目標発生力に相当する。また、電流信号S1から電流信号S2を減算することは、アクチュエータ2への外乱を補償するように、発生力を補正することを示す。
アクチュエータ2の磁気部21は、電圧信号S4に基づいて、機構部22を駆動する。
検出部3は、アクチュエータ2の機構部22において、可動部の位置を検出する。検出部3は、検出した位置を示す位置信号S5を、判定部13及び外乱オブザーバ部14に与える。
検出部3は、アクチュエータ2の機構部22において、可動部の位置を検出する。検出部3は、検出した位置を示す位置信号S5を、判定部13及び外乱オブザーバ部14に与える。
判定部13は、検出部3からの位置信号S5を受け取る。判定部13は、この位置信号S5に基づいて、検出部3で検出される位置に誤差があるか否かを判定する。例えば、判定部13は、検出部3からの位置信号S5で示される位置が更新されたか否かを確認する。判定部13は、その位置が更新された場合には、検出部3で検出される位置に誤差がないと判定し、その位置が更新されていない場合には、検出部3で検出される位置に誤差があると判定する。判定部13は、その判定結果を示す判定信号S6を外乱オブザーバ部14に与える。判定信号S6は、「1」と「0」の二通りの値を取る。判定部13での判定結果がYESの場合、判定信号S6は「1」を示し、判定結果がNOの場合、判定信号S6は「0」を示す。判定部13の動作は、後に図5を用いて説明する。
外乱オブザーバ部14は、アクチュエータ2の磁気部21からの電流信号S3と、検出部3からの位置信号S5と、判定部13からの判定信号S6とを受け取る。外乱オブザーバ部14は、これらの信号に基づいて、アクチュエータ2への外乱を補償するための補正値を示す電流信号S2を制御部12に与える。例えば、外乱オブザーバ部14は、電流信号S3で示される動作電流の電流値により、アクチュエータ2の可動部の位置を推定する。そして、外乱オブザーバ部14は、検出部3で検出された位置と推定された位置とを用いて、補正信号を出力する。具体的には、外乱オブザーバ部14は、検出部3で検出された位置と推定された位置との差分を、誤差信号とする。外乱オブザーバ部14は、誤差信号に外乱補正ゲインを乗算した乗算値を積分して、その積分された値を電流信号に変換することで、補正信号に相当する電流信号S2を生成する。なお、外乱オブザーバ部14は、判定部13での判定結果に応じて、外乱補正ゲインを変更する。補正信号は、アクチュエータ2の発生力を補正するための信号であり、外乱オブザーバ部14により推定された外乱を補償するために用いられる電流信号である。補正信号は、検出部3で検出された可動部の位置及び外乱オブザーバ部14で推定された位置を用いて算出される。外乱オブザーバ部14は、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させるために、補正信号に相当する電流信号S2を出力する。外乱オブザーバ部14の動作は、後に図3及び図4を用いて説明する。
制御部12は、目標電流信号である電流信号S1と、推定された外乱を補償するための電流信号S2と、アクチュエータ2の動作電流に相当する電流値を示す電流信号S3とを用いて、アクチュエータ2を制御する。
図2は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1における制御部12の構成を概略的に示すブロック図である。
図2に示されるように、制御部12は、演算部121と、制御フィルタ部122とを備える。
図2に示されるように、制御部12は、演算部121と、制御フィルタ部122とを備える。
演算部121は、信号出力部11からの電流信号S1と、外乱オブザーバ部14からの電流信号S2と、アクチュエータ2の磁気部21からの電流信号S3とを受け取る。演算部121は、(S1−S2−S3)を算出し、この算出結果である電流信号S9を制御フィルタ部122に与える。
制御フィルタ部122は、演算部121からの電流信号S9を受け取る。制御フィルタ部122は、この電流信号S9に基づく電圧信号S4をアクチュエータ2の磁気部21に与える。ここでは、制御フィルタ部122は、電流信号S9で示される差分に比例した比例制御を行うことで、アクチュエータ2の動作電流値を、目標値に近づける制御を行う。例えば、制御フィルタ部122は、PID(Proportional Integral Derivative)制御フィルタを備えることができる。制御フィルタ部122は、このPID制御フィルタによって電圧信号S4を生成してもよい。
図3は、実施の形態1のアクチュエータ2の構成を概略的に示すブロック図である。
図3に示されるように、アクチュエータ2は、磁気部21と、機構部22と、変換部23とを備える。
磁気部21は、減算部211及び変換部212を備える。
機構部22は、変換部221、減算部222、変換部223、変換部224及び変換部224を備える。なお、図3では、機構部22において、アクチュエータ2の可動部は図示されていない。
図3に示されるように、アクチュエータ2は、磁気部21と、機構部22と、変換部23とを備える。
磁気部21は、減算部211及び変換部212を備える。
機構部22は、変換部221、減算部222、変換部223、変換部224及び変換部224を備える。なお、図3では、機構部22において、アクチュエータ2の可動部は図示されていない。
減算部211は、制御フィルタ部122からの電圧信号S4と、変換部23からの電圧信号S7とを受け取る。減算部211は、(S4−S7)を算出し、この算出結果である電圧信号S14を変換部212に与える。
変換部212は、減算部211からの電圧信号S14を受け取る。変換部212は、この電圧信号S14に基づく電流信号S3を機構部22の変換部221に与える。変換部212の伝達関数は、コイル抵抗RとコイルインダクタンスLとを用いて表すと、1/(Ls+R)である。なお、sはラプラス変数であり、以降も同様とする。
変換部212は、減算部211からの電圧信号S14を受け取る。変換部212は、この電圧信号S14に基づく電流信号S3を機構部22の変換部221に与える。変換部212の伝達関数は、コイル抵抗RとコイルインダクタンスLとを用いて表すと、1/(Ls+R)である。なお、sはラプラス変数であり、以降も同様とする。
変換部221は、変換部212からの電流信号S3を受け取る。変換部221は、この電流信号S3に基づくトルク信号S15を減算部222に与える。変換部221の伝達関数は、電流信号をトルク信号に変換する変換係数Ktである。
減算部222は、変換部221からのトルク信号S15と、変換部224からのトルク信号S16を受け取る。減算部222は、(S15−S16)を算出し、この算出結果であるトルク信号S17を変換部223に与える。トルク信号S17は、アクチュエータ2であるDCモータの発生トルクに相当する。
変換部223は、減算部222からのトルク信号S17を受け取る。変換部223は、このトルク信号S17に基づく速度信号S18を変換部224に与える。変換部223の伝達関数は、イナーシャJと粘性係数Dとを用いて表すと、1/(Js+D)である。
変換部224は、変換部223からの速度信号S18を受け取る。変換部224は、この速度信号S18に基づくトルク信号S16を出力する。変換部224の伝達関数は、摩擦係数τcである。トルク信号S16は、アクチュエータ2の経年劣化により発生する。これが外乱としてアクチュエータ2に作用する。
変換部225は、変換部223からの速度信号S18を受け取る。変換部225は、この速度信号S18に基づく位置信号S8を検出部3に与える。変換部225の伝達関数は、1/sである。
変換部23は、変換部223から速度信号S18を受け取る。変換部23は、この速度信号S18に基づく電圧信号S7を減算部211に与える。変換部23の伝達関数は、逆起電力係数Keである。
変換部225は、変換部223からの速度信号S18を受け取る。変換部225は、この速度信号S18に基づく位置信号S8を検出部3に与える。変換部225の伝達関数は、1/sである。
変換部23は、変換部223から速度信号S18を受け取る。変換部23は、この速度信号S18に基づく電圧信号S7を減算部211に与える。変換部23の伝達関数は、逆起電力係数Keである。
図1に戻り、検出部3は、機構部22からの位置信号S8を受け取る。検出部3は、位置信号S8に基づいて、機構部22において、アクチュエータ2の可動部の位置を検出して、検出された位置を示す位置信号S5を外乱オブザーバ部14及び判定部13に与える。
図4は、実施の形態1において、機構部22で生成される位置信号S8と、検出部3で検出される位置に相当する位置信号S5の一例を示す図である。言い換えると、図4は、実際のアクチュエータ2の位置を示す位置信号S8と、検出部3の検出分解能の制約で量子化誤差が発生した位置を示す位置信号S5とを示す図である。
図4において、点線は、位置信号S8で示される位置の推移である。実線は、位置信号S5で示される位置の推移である。
図4に示されるように、位置信号S5で示される位置は、アクチュエータ2の位置を検出するタイミング、言い換えると、アクチュエータ2の位置情報を更新するタイミング以外のタイミングでは、位置信号S8で示される位置との誤差が発生する。位置信号S5は、外乱オブザーバ部14で使用され、この誤差が外乱オブザーバ部14の動作に悪影響を及ぼす。
図4に示されるように、位置信号S5で示される位置は、アクチュエータ2の位置を検出するタイミング、言い換えると、アクチュエータ2の位置情報を更新するタイミング以外のタイミングでは、位置信号S8で示される位置との誤差が発生する。位置信号S5は、外乱オブザーバ部14で使用され、この誤差が外乱オブザーバ部14の動作に悪影響を及ぼす。
そこで、図1に示されている判定部13は、検出部3からの位置信号S5が更新されたか否かを確認する。例えば、判定部13は、検出部3が位置を検出する周期よりも短い周期で、検出部3により検出された位置が更新されているか否かを確認する。
具体的には、判定部13は、アクチュエータ2を制御する最小のサンプリング周期毎に位置信号S5の値を取得し、現サンプリングにおける位置信号S5の値と1つ前のサンプリングにおける位置信号S5の値とが異なるかどうかを確認する。判定部13は、これらの2つの値が異なる場合は、更新されたとみなし、同じ場合は、更新されていないとみなす。更新された場合、判定部13は、判定結果をYESとし、判定信号S6を「1」を示すようにする。更新されていない場合、判定部13は、判定結果をNOとし、判定信号S6を「0」を示すようにする。判定結果と判定信号S6とを設定するタイミングは、現サンプリングにおける位置信号S5の値と、1つ前のサンプリングにおける位置信号S5の値とが異なるかどうかを判定した直後とする。
具体的には、判定部13は、アクチュエータ2を制御する最小のサンプリング周期毎に位置信号S5の値を取得し、現サンプリングにおける位置信号S5の値と1つ前のサンプリングにおける位置信号S5の値とが異なるかどうかを確認する。判定部13は、これらの2つの値が異なる場合は、更新されたとみなし、同じ場合は、更新されていないとみなす。更新された場合、判定部13は、判定結果をYESとし、判定信号S6を「1」を示すようにする。更新されていない場合、判定部13は、判定結果をNOとし、判定信号S6を「0」を示すようにする。判定結果と判定信号S6とを設定するタイミングは、現サンプリングにおける位置信号S5の値と、1つ前のサンプリングにおける位置信号S5の値とが異なるかどうかを判定した直後とする。
図5は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1における外乱オブザーバ部14の構成を概略的に示すブロック図である。具体的には、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させるための補正信号を生成する外乱オブザーバ部14のブロック図である。
なお、外乱オブザーバ部14は、アクチュエータ2の特性を模擬するモデル機構を用いることで、アクチュエータ2の可動部の位置を推定する。
図5に示されるように、外乱オブザーバ部14は、モデル機構部141と、減算部142と、ゲイン変更部143と、積分器144と、モデル変換部145とを備える。
なお、外乱オブザーバ部14は、アクチュエータ2の特性を模擬するモデル機構を用いることで、アクチュエータ2の可動部の位置を推定する。
図5に示されるように、外乱オブザーバ部14は、モデル機構部141と、減算部142と、ゲイン変更部143と、積分器144と、モデル変換部145とを備える。
モデル機構部141は、アクチュエータ2の磁気部21から電流信号S3と、ゲイン変更部143から補正誤差信号S11_1、S11_2、・・・、S11_m(但し、m=n−1、nは、2以上の自然数)と、積分器144からの力信号としてのトルク信号S12とを受け取る。ここで、モデル機構部141は、これらの信号に基づいて推定位置信号S10を出力する。
モデル機構部141は、アクチュエータ2の機構部22の理想的な伝達特性を模擬したモデル伝達特性を持ち、電流信号S3から発生力を推定し、推定位置信号S10を減算部142に与える。言い換えると、モデル機構部141は、アクチュエータ2の特定を模擬するモデル機構として機能する。また、nの値は、モデル機構部141の構成によって変わる。推定位置信号S10は、機構部22における駆動する部分の理想的な推定位置を示す信号である。
モデル機構部141は、アクチュエータ2の機構部22の理想的な伝達特性を模擬したモデル伝達特性を持ち、電流信号S3から発生力を推定し、推定位置信号S10を減算部142に与える。言い換えると、モデル機構部141は、アクチュエータ2の特定を模擬するモデル機構として機能する。また、nの値は、モデル機構部141の構成によって変わる。推定位置信号S10は、機構部22における駆動する部分の理想的な推定位置を示す信号である。
減算部142は、検出部3からの位置信号S5と、モデル機構部141からの推定位置信号S10とを受け取る。減算部142は、(S5−S10)を算出し、この算出結果である誤差信号S11をゲイン変更部143に与える。言い換えると、減算部142は、モデル機構部141で推定された推定位置と、検出部3で検出された位置との差分を示す誤差信号S11をゲイン変更部143に与える。
ゲイン変更部143は、減算部142からの誤差信号S11と、判定部13からの判定信号S6とを受け取る。ゲイン変更部143は、これらの信号に基づく補正誤差信号S11_1、S11_2、・・・、S11_nをモデル機構部141及び積分器144に与える。
ゲイン変更部143は、判定部13からの判定信号S6に基づいて、電流信号S2を生成する際の補正係数、すなわち外乱オブザーバ部14の外乱補正ゲインK1、K2、・・・、Knを変更する。外乱補正ゲインK1、K2、・・・、Knは、全て0以上の正の値である。具体的には、ゲイン変更部143は、判定信号S6が「1」を示す場合には、ゲインを正の値に設定し、判定信号S6が「0」の場合は、判定信号S6が「1」の場合よりもゲインを小さくする。例えば、ゲイン変更部143は、判定信号S6が「0」の場合は、ゲインを「0」にする。
ゲイン変更部143は、判定部13からの判定信号S6に基づいて、電流信号S2を生成する際の補正係数、すなわち外乱オブザーバ部14の外乱補正ゲインK1、K2、・・・、Knを変更する。外乱補正ゲインK1、K2、・・・、Knは、全て0以上の正の値である。具体的には、ゲイン変更部143は、判定信号S6が「1」を示す場合には、ゲインを正の値に設定し、判定信号S6が「0」の場合は、判定信号S6が「1」の場合よりもゲインを小さくする。例えば、ゲイン変更部143は、判定信号S6が「0」の場合は、ゲインを「0」にする。
また、ゲインK1、K2、・・・、Knを変更するタイミングは、判定部13が判定結果と判定信号S6を設定した直後とする。または、判定部13が判定してから、ゲイン変更部143がゲインK1、K2、・・・、Knを変更するまでの時間をNサンプリングに相当する時間としてもよい。但し、Nは、L_min/tsより小さい任意の整数値である。ここで、L_minは、アクチュエータ2の制御開始から終了までのうち、位置信号S5が更新されてから次に更新されるまでの時間Lの最小値であり、tsは、サンプリング周期である。
時間Lが小さいほど、位置信号S8と位置信号S5との誤差は小さくなる。この場合、位置信号S5の更新タイミングから遅れてゲインK1、K2、・・・、Knを変更しても、誤差が小さいため、外乱オブザーバ部14の動作への悪影響を小さくできる。なお、時間Lの最小値L_minは、判定部13により予め取得される。具体的には、判定部13は、サンプリング毎に時間Lを取得し、最小値をL_minに設定する。
時間Lが小さいほど、位置信号S8と位置信号S5との誤差は小さくなる。この場合、位置信号S5の更新タイミングから遅れてゲインK1、K2、・・・、Knを変更しても、誤差が小さいため、外乱オブザーバ部14の動作への悪影響を小さくできる。なお、時間Lの最小値L_minは、判定部13により予め取得される。具体的には、判定部13は、サンプリング毎に時間Lを取得し、最小値をL_minに設定する。
積分器144は、ゲイン変更部143からの補正誤差信号S11_nを受け取る。積分器144は、この補正誤差信号S11_nに基づくトルク信号S12をモデル変換部145及びモデル機構部141に与える。積分器144の伝達関数は、1/sである。
モデル変換部145は、積分器144からトルク信号S12を受け取る。モデル変換部145は、このトルク信号S12に基づく電流信号S2を出力する。モデル変換部145の伝達関数は、電流信号をトルク信号に変換する変換係数Ktの推定値Ktmを用いて表すと、1/Ktmである。
以上のように、外乱オブザーバ部14は、位置信号S5と推定位置信号S10との差である誤差信号S11をゲインK1、K2、・・・、Knで乗じて、その乗算値に相当する補正誤差信号S11_1、S11_2、・・・、S11_nの内、補正誤差信号S11_1、S11_2、・・・、S11_mをモデル機構部141に与え、補正誤差信号S11_nを積分器144に与える。モデル変換部145を通るトルク信号S12は、電流信号S2に変換されて制御部12に与えられる。これにより、アクチュエータ2に作用する外乱が補償され、発生トルクを目標発生トルクに追従させることができる。
図6は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1におけるモデル機構部141の構成を概略的に示すブロック図である。
図6に示されるように、モデル機構部141は、モデル変換部1411と、モデル演算部1412と、モデル変換部1413と、モデル加算部1414と、モデル変換部1415と、モデル変換部1416と、モデル加算部1417と、モデル変換部1418とを備える。
図6に示されるように、モデル機構部141は、モデル変換部1411と、モデル演算部1412と、モデル変換部1413と、モデル加算部1414と、モデル変換部1415と、モデル変換部1416と、モデル加算部1417と、モデル変換部1418とを備える。
モデル変換部1411は、アクチュエータ2の磁気部21からの電流信号S3を受け取る。モデル変換部1411は、この電流信号S3に基づく推定トルク信号S19をモデル演算部1412に与える。モデル変換部1411の伝達関数は、電流信号をトルク信号に変換する変換係数Ktの推定値Ktmである。
モデル演算部1412は、モデル変換部1411からの推定トルク信号S19と、モデル変換部1416からの推定トルク信号S20と、積分器144からのトルク信号S12とを受け取る。モデル演算部1412は、(S19−S20+S12)を算出し、この算出結果である推定トルク信号S21をモデル変換部1413に与える。
モデル変換部1413は、モデル演算部1412からの推定トルク信号S21を受け取る。モデル変換部1413は、この推定トルク信号S21に基づく推定加速度信号S22をモデル加算部1414に与える。モデル変換部1413の伝達関数は、推定イナーシャJmを用いて表すと、1/Jmである。推定イナーシャJmは、イナーシャJの推定値であり、ここでは、両者は一致すると仮定する。
モデル加算部1414は、モデル変換部1413からの推定加速度信号S22と、ゲイン変更部143からの補正誤差信号S11_2を受け取る。モデル加算部1414は、(S22+S11_2)を算出し、この算出結果である推定加速度信号S23をモデル変換部1415に与える。
モデル変換部1415は、モデル加算部1414からの推定加速度信号S23を受け取る。モデル変換部1415は、この推定加速度信号S23に基づく推定速度信号S24をモデル変換部1416及びモデル加算部1417に与える。モデル変換部1415の伝達関数は、1/sである。
モデル変換部1416は、モデル変換部1415からの推定速度信号S24を受け取る。モデル変換部1416は、この推定速度信号S24に基づく推定トルク信号S20をモデル演算部1412に与える。モデル変換部1416の伝達関数は、推定粘性係数Dmである。推定粘性係数Dmは、粘性係数Dの推定値であり、ここでは、両者は一致すると仮定する。
モデル加算部1417は、モデル変換部1415からの推定速度信号S24と、ゲイン変更部143からの補正誤差信号S11_1を受け取る。モデル加算部1417は、(S24+S11_1)を算出し、この算出結果である推定速度信号S25をモデル変換部1418に与える。
モデル変換部1418は、モデル加算部1417からの推定速度信号S25を受け取る。モデル変換部1418は、この推定速度信号S25に基づく推定位置信号S10を減算部142に与える。モデル変換部1418の伝達関数は、1/sである。
図6に示されているモデル機構部141では、電流信号S2を生成する際の補正係数に相当するゲインは、3つのゲインK1、K2及びK3であり、ゲイン変更部143では、誤差信号S11をゲインK1、K2及びK3で乗じ、それぞれ補正誤差信号S11_1、S11_2及びS11_3を生成する。このうち、補正誤差信号S11_1及びS11_2は、そのままモデル機構部141に与えられ、補正誤差信号S11_3は、積分器144に与えられる。積分器144から出力されるトルク信号S12は、モデル機構部141及びモデル変換部145に入力される。
以上に記載された信号出力部11、制御部12、外乱オブザーバ部14及び判定部13の一部又は全部は、例えば、図7(a)に示されているように、メモリ30と、メモリ30に格納されているプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ31とにより構成することができる。このようなプログラムは、ネットワークを通じて提供されてもよく、また、記録媒体に記録されて提供されてもよい。即ち、このようなプログラムは、例えば、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。
また、信号出力部11、制御部12、外乱オブザーバ部14及び判定部13の一部又は全部は、例えば、図7(b)に示されているように、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuits)又はFPGA(Field Programmable Gate Array)等の処理回路32で構成することもできる。
図8(a)〜(d)は、比較例におけるアクチュエータ2のパルス応答を示す図である。図8(a)〜(d)は、実施の形態1におけるアクチュエータ制御装置1において、判定部13を設けずに、外乱オブザーバ部14が、ゲインとして正の値を使用し、ゲインの変更を行わない場合を示している。
図8(a)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えたときの目標発生トルク信号S0の変化が示されている。縦軸は、目標発生トルク信号S0(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図8(b)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時のトルク信号S17のパルス応答が示されている。縦軸は、トルク信号S17(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図8(c)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の電流信号S3のパルス応答が示されている。縦軸は、電流信号S3(A)であり、横軸は時間(sec)である。
図8(d)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の誤差信号S11のパルス応答が示されている。縦軸は、誤差信号S11(rad)であり、横軸は時間(sec)である。
図8(b)に示されるように、トルク信号S17は、1秒経過後に発振し、目標発生トルク信号S0に追従できていない。また、図8(c)及び(d)に示されるように、電流信号S3も発振し、誤差信号S11は大きくなる。
図9(a)〜(d)は、実施の形態1におけるアクチュエータ2の第1のパルス応答を示す図である。図9(a)〜(d)は、位置信号S5が更新された場合はゲインK1、K2及びK3を正の値に設定し、位置信号S5が更新されていない場合はゲインK1、K2及びK3を全て0としたときのパルス応答を示す。
図9(a)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の目標発生トルク信号S0の変化が示されている。縦軸は、目標発生トルク信号S0(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図9(b)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時のトルク信号S17のパルス応答が示されている。縦軸は、トルク信号S17(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図9(c)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の電流信号S3のパルス応答が示されている。縦軸は、電流信号S3(A)であり、横軸は時間(sec)である。
図9(d)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の誤差信号S11のパルス応答が示されている。縦軸は、誤差信号S11(rad)であり、横軸は時間(sec)である。
図9(b)〜(d)に示されるように、誤差信号S11が大きくなった場合でも、電流信号S3は発振せず、トルク信号S17は目標発生トルク信号S0に追従できている。
なお、ゲインK1、K2及びK3の値が大きい場合、位置信号S5が更新されていない場合にゲインK1、K2及びK3を変更しても、トルク信号S17を目標発生トルク信号S0に追従させることができない場合がある。この対策として、判定部13は、電流信号S3が予め定められた値以内かどうかを更に判定する。これは、図8(c)に示されるように、トルク信号S17が目標発生トルク信号S0に追従できずに発振する場合、電流信号S3も発振するためである。上記判定により、発振する前に外乱オブザーバ部14の動作を弱く、例えば、外乱オブザーバ部14の動作を無効にして、発振するのを防止することができる。そこで、判定部13では、位置信号S5が更新されたかどうかを判定し、かつ電流信号S3が予め定められた値以内かどうかを判定する。この場合、判定部13に入力される信号は、検出部3からの位置信号S5と、磁気部21からの電流信号S3である。判定部13では、この2つの判定結果が共にYESの場合はゲインK1、K2及びK3を正の値に設定し、2つの判定結果のうち少なくとも1つがNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3を2つの判定結果が共にYESの場合よりも小さくする。
図10(a)〜(d)は、実施の形態1におけるアクチュエータ2の第2のパルス応答を示す図である。図10(a)〜(d)は、位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、かつ、電流信号S3が予め定められた値以内かどうかが判定され、この2つの判定結果が共にYESの場合に、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、2つの判定結果のうち少なくとも1つがNOの場合に、ゲインK1、K2及びK3が全て0とされたときのパルス応答を示す。
図10(a)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の目標発生トルク信号S0の変化が示されている。縦軸は、目標発生トルク信号S0(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図10(b)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時のトルク信号S17のパルス応答が示されている。縦軸は、トルク信号S17(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図10(c)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の電流信号S3のパルス応答が示されている。縦軸は、電流信号S3(A)であり、横軸は時間(sec)である。
図10(d)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の誤差信号S11のパルス応答が示されている。縦軸は、誤差信号S11(rad)であり、横軸は時間(sec)である。
図10(b)〜(d)に示されるように、誤差信号S11が大きくなった場合でも、電流信号S3は発振せず、トルク信号S17は目標発生トルク信号S0に追従できている。
なお、判定部13は、電流信号S3が予め定められた値以内かどうかを判定する代わりに、誤差信号S11が予め定められた値以内かどうかを判定してもよい。これは、図8(d)に示されるように、トルク信号S17が目標発生トルク信号S0に追従できずに発振する場合、誤差信号S11が大きくなるためである。上記判定により、誤差信号S11が大きくなる前に外乱オブザーバ部14の動作を弱く、例えば、無効にして、発振するのを防止することができる。そこで、判定部13は、位置信号S5が更新されたかどうかを判定し、かつ誤差信号S11が予め定められた値以内かどうかを判定する。この場合、判定部13に入力される信号は、検出部3からの位置信号S5と、減算部142からの誤差信号S11である。判定部13では、この2つの判定結果が共にYESの場合はゲインK1、K2及びK3を正の値に設定し、2つの判定結果のうち少なくとも1つがNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3を2つの判定結果が共にYESの場合よりも小さくする。
図11(a)〜(d)は、実施の形態1におけるアクチュエータ2の第3のパルス応答を示す図である。図11(a)〜(d)は、位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、かつ、誤差信号S11が予め定められた値以内かどうかが判定され、この2つの判定結果が共にYESの場合に、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、2つの判定結果のうち少なくとも1つがNOの場合に、ゲインK1、K2及びK3が全て0とされたときのパルス応答を示す。
図11(a)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の目標発生トルク信号S0の変化が示されている。縦軸は、目標発生トルク信号S0(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図11(b)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時のトルク信号S17のパルス応答が示されている。縦軸は、トルク信号S17(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図11(c)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の電流信号S3のパルス応答が示されている。縦軸は、電流信号S3(A)であり、横軸は時間(sec)である。
図11(d)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の誤差信号S11のパルス応答が示されている。縦軸は、誤差信号S11(rad)であり、横軸は時間(sec)である。
図11(b)〜(d)に示されるように、誤差信号S11が大きくなった場合でも、電流信号S3は発振せず、トルク信号S17は目標発生トルク信号S0に追従できている。
なお、判定部13では、位置信号S5が更新されたかどうかを判定し、かつ電流信号S3が予め定められた値以内かどうかを判定し、かつ誤差信号S11が予め定められた値以内かどうかを判定してもよい。この場合、判定部13に入力される信号は、検出部3からの位置信号S5と、磁気部21からの電流信号S3と、減算部142からの誤差信号S11である。判定部13では、この3つの判定結果が共にYESの場合はゲインK1、K2及びK3を正の値に設定し、3つの判定結果のうち少なくとも1つがNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3を3つの判定結果が共にYESの場合よりも小さくする。
図12(a)〜(d)は、実施の形態1におけるアクチュエータ2の第4のパルス応答を示す図である。図12(a)〜(d)は、位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、電流信号S3が予め定められた値以内かどうかが判定され、かつ、誤差信号S11が予め定められた値以内かどうかが判定され、この3つの判定結果が共にYESの場合に、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、3つの判定結果のうち少なくとも1つがNOの場合に、ゲインK1、K2及びK3が全て0とされたときのパルス応答を示す。
図12(a)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の目標発生トルク信号S0の変化が示されている。縦軸は、目標発生トルク信号S0(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図12(b)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時のトルク信号S17のパルス応答が示されている。縦軸は、トルク信号S17(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図12(c)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の電流信号S3のパルス応答が示されている。縦軸は、電流信号S3(A)であり、横軸は時間(sec)である。
図12(d)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の誤差信号S11のパルス応答が示されている。縦軸は、誤差信号S11(rad)であり、横軸は時間(sec)である。
図12(b)〜(d)に示されるように、誤差信号S11が大きくなった場合でも、電流信号S3は発振せず、トルク信号S17は目標発生トルク信号S0に追従できている。
図8(c)及び(d)に示されるように、1秒経過後の電流信号S3と誤差信号S11は大きくなる。このため、電流信号S3が予め定められた値以内かどうか、又は、誤差信号S11が予め定められた値以内かどうかを判定条件に含めた場合、1秒経過後は常に判定部13の判定結果がNOとなることがあり、ゲインK1、K2及びK3は0にされる。しかし、この場合でも積分器144の出力信号であるトルク信号S12は、ゲインK1、K2及びK3が0となる前の値が保持される。電流信号S2はトルク信号S12に比例するため、制御部12へは常に一定の電流信号S2が入力されることとなる。図8(b)に示されるように、1秒経過時のトルク信号S17の値は、目標発生トルク信号S0の値と同じ2×10−4(Nm)のため、1秒経過後でもトルク信号S17の値を2×10−4(Nm)に維持することができる。
特に、電流信号S3が予め定められた値を超えた場合は、アクチュエータ制御装置1を緊急停止させるのが一般的だが、実施の形態1では、電流信号S3が予め定められた値を超えた場合に、ゲインK1、K2及びK3が小さくされるため、それを緊急停止させる必要がなく、トルク信号S17を目標発生トルク信号S0に追従させることができる。
なお、図6〜図12は、アクチュエータ2がDCモータで、DCモータの発生トルクを目標発生トルクに追従させる場合の図であるが、アクチュエータ2がDCモータ以外であっても、実施の形態1を適用することができる。また、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させる場合でも、実施の形態1を適用することができる。
以上に説明したように、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1及びアクチュエータ位置制御方法によれば、判定部13の判定結果がYESの場合は外乱オブザーバ部14の外乱補正ゲインを正の値に設定し、NOの場合は判定結果がYESの場合よりもゲインを小さくすることで、アクチュエータ2の位置検出センサーの精度が低い場合でも、発振することなくアクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させることができる。また、判定結果がNOの場合が継続しても、積分器134により、外乱補正ゲインが0となる前の信号が制御部12に入力され続けるので、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させることができる。
これまで述べたアクチュエータ制御装置1では、アクチュエータ2がDCモータの場合で、機構部22のパラメータと、モデル機構部136の推定パラメータとが一致すると仮定した。ここで、機構部22のパラメータは、例えば、電流信号をトルク信号に変換する変換係数Kt、イナーシャJ及び粘性係数Dである。モデル機構部136の推定パラメータは、電流信号をトルク信号に変換する変換係数の推定値Ktm、イナーシャの推定値Jm及び推定粘性係数の推定値Dmである。すなわち、Kt=Ktm、J=Jm及びD=Dmと仮定した。実際には、アクチュエータ2に接続される被駆動体の負荷イナーシャを考慮すると、イナーシャの推定値JmをイナーシャJと一致させるのは困難である。そこで、以降は機構部22のパラメータとモデル機構部141の推定パラメータとが一致しない場合、具体的にはイナーシャJとイナーシャの推定値Jmとが一致しない場合のアクチュエータ制御方法について説明する。
図13は、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1の変形例であるモデル機構部141#の構成を概略的に示すブロック図である。
図13に示されるように、モデル機構部141は、モデル変換部1411、モデル演算部1412、モデル変換部1413#、モデル加算部1414、モデル変換部1415、モデル変換部1416、モデル加算部1417及びモデル変換部1418を備える。
図13に示されるモデル変換部1411、モデル演算部1412、モデル加算部1414、モデル変換部1415、モデル変換部1416、モデル加算部1417及びモデル変換部1418は、ぞれぞれ図6に示されているモデル変換部1411、モデル演算部1412、モデル加算部1414、モデル変換部1415、モデル変換部1416、モデル加算部1417及びモデル変換部1418と同じ構成のため、説明を省略する。
図13に示されるように、モデル機構部141は、モデル変換部1411、モデル演算部1412、モデル変換部1413#、モデル加算部1414、モデル変換部1415、モデル変換部1416、モデル加算部1417及びモデル変換部1418を備える。
図13に示されるモデル変換部1411、モデル演算部1412、モデル加算部1414、モデル変換部1415、モデル変換部1416、モデル加算部1417及びモデル変換部1418は、ぞれぞれ図6に示されているモデル変換部1411、モデル演算部1412、モデル加算部1414、モデル変換部1415、モデル変換部1416、モデル加算部1417及びモデル変換部1418と同じ構成のため、説明を省略する。
モデル変換部1413#は、モデル演算部1412からのトルク信号S21と、アクチュエータ2の磁気部21からの電流信号S3を受け取る。モデル変換部1413#は、これらの信号に基づく推定加速度信号S22をモデル加算部1414に与える。モデル変換部1413#の伝達関数は、イナーシャの推定値Jmを用いて表すと、1/Jmである。
モデル変換部1413#は、電流信号S3を元にイナーシャの推定値Jmを再設定する。モデル変換部1413#の動作は、後に図15を用いて説明する。
モデル変換部1413#は、電流信号S3を元にイナーシャの推定値Jmを再設定する。モデル変換部1413#の動作は、後に図15を用いて説明する。
図14(a)〜(c)は、実施の形態1において、イナーシャJとイナーシャの推定値Jmとが異なる場合のアクチュエータ2のパルス応答を示す図である。具体的には、図14(a)〜(c)は、J/Jm=1.2の場合のパルス応答を示す。
図14(a)〜(c)は、判定部13で位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、判定結果がYESの場合は、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、判定結果がNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3が全て0にされたときの図である。
図14(a)〜(c)は、判定部13で位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、判定結果がYESの場合は、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、判定結果がNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3が全て0にされたときの図である。
図14(a)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えたときの目標発生トルク信号S0の変化が示されている。縦軸は、目標発生トルク信号S0(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図14(b)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えたときのトルク信号S17のパルス応答が示されている。縦軸は、トルク信号S17(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図14(c)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えたときの電流信号S3のパルス応答が示されている。縦軸は、電流信号S3(A)であり、横軸は時間(sec)である。
図14(b)に示されるように、イナーシャJとイナーシャの推定値Jmとが異なる場合、トルク信号S17と目標発生トルク信号S0との間に誤差が生じる。これは、J=Jmの場合に比べ、外乱オブザーバ部14から出力される電流信号S2の絶対値が大きくなるからである。この電流信号S2は制御部12に入力されるため、トルク信号S17に誤差が生じる。目標発生トルク信号S0の変化量をS0_e、トルク信号S17の変化量をS17_eとし、トルク信号S17と目標発生トルク信号S0との間の誤差をdif_τとすると、dif_τ=S17_e−S0_eである。図14の場合、S17_e=2.386×10−4(Nm)、S0_e=2×10−4(Nm)、dif_τ=0.386×10−4(Nm)である。
一方、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の電流信号S3と、目標発生トルク信号S0を6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変えた時の電流信号S3との差をS3_eとする。言い換えると、S3_eは、目標発生トルク信号S0がS0_eの時の電流信号S3の値と、目標発生トルク信号S0が0の時の電流信号S3の値との差である。但し、図14(c)に示されるように、目標発生トルク信号S0が0の時の電流信号S3は、1秒経過までの値ではなく、6秒経過後から11秒経過までの値であることに注意する。1秒経過まではアクチュエータは静止した状態であり、外乱である摩擦トルクは静止摩擦トルクである。実際には、図3におけるアクチュエータ2の変換部224は、動摩擦トルクを模擬したブロックである。そこで、アクチュエータが動作する1秒経過後での電流信号S3を採用する。
トルク信号S17と目標発生トルク信号S0との間に誤差が生じるのと同じ理由で、S3_eも理想値との誤差が生じる。ここで理想値とは、機構部22のイナーシャJとモデル機構部141のイナーシャの推定値Jmとが同じ場合のS3_eを指す。同時に、理想値を目標発生トルク信号S0の変化量S0_eと、電流信号をトルク信号に変換する変換係数の推定値Ktmとを用いて表すと、S0_e/Ktmとなる。S3_eと理想値との誤差をdif_iとする。図14の場合、S3_e=0.3043(A)である。また、Ktm=7.844×10−4(Nm/A)と設定しているので、理想値は0.255(A)である。よって、dif_i=0.0493(A)である。
図15(a)及び(b)は、実施の形態1において、イナーシャJとイナーシャの推定値Jmとの比に対する、誤差dif_τと誤差dif_iとを示す図である。
図15(a)及び(b)は、判定部13で位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、判定結果がYESの場合は、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、判定結果がNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3が全て0とされたときの図である。
図15(a)及び(b)は、判定部13で位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、判定結果がYESの場合は、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、判定結果がNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3が全て0とされたときの図である。
図15(a)には、イナーシャJとイナーシャの推定値Jmとの比を変えた時の誤差dif_τの変化が示されている。縦軸は、誤差dif_τ(Nm)であり、横軸はJ/Jm−1である。
図15(b)には、イナーシャJとイナーシャの推定値Jmとの比を変えた時の誤差dif_iの変化が示されている。縦軸は、誤差dif_i(A)であり、横軸はJ/Jm−1である。
図15(a)及び(b)に示されるように、誤差dif_τ及び誤差dif_iは、J/Jm−1に比例し、かつ(0,0)を交点に持つ。このことから、誤差dif_iが0となるようイナーシャの推定値Jmを再設定することで、トルク信号S17を目標発生トルク信号S0に追従させることができる。
図16(a)〜(c)は、実施の形態1において、イナーシャの推定値Jmを再設定した場合のアクチュエータ2のパルス応答を示す図である。
図16(a)〜(c)は、判定部13で位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、判定結果がYESの場合は、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、判定結果がNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3が全て0とされたときのパルス応答を示す。
図16(a)〜(c)は、判定部13で位置信号S5が更新されたかどうかが判定され、判定結果がYESの場合は、ゲインK1、K2及びK3が正の値に設定され、判定結果がNOの場合は、ゲインK1、K2及びK3が全て0とされたときのパルス応答を示す。
図16(a)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の目標発生トルク信号S0の変化が示されている。縦軸は、目標発生トルク信号S0(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図16(b)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時のトルク信号S17のパルス応答が示されている。縦軸は、トルク信号S17(Nm)であり、横軸は時間(sec)である。
図16(c)には、目標発生トルク信号S0を1秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変え、6秒経過後に2×10−4(Nm)から0(Nm)に変え、11秒経過後に0(Nm)から2×10−4(Nm)に変えた時の電流信号S3のパルス応答が示されている。縦軸は、電流信号S3(A)であり、横軸は時間(sec)である。
図16(b)に示されるように、イナーシャの推定値Jmを再設定した場合、トルク信号S17は、目標発生トルク信号S0との誤差がなく、目標発生トルク信号S0に追従できている。また、判定部13で、電流信号S3が予め定められた値以内かどうかを更に判定した場合、又は、誤差信号S11が予め定められた値以内かどうかを更に判定した場合についても、同様の効果が期待される。
なお、アクチュエータ2がDCモータで、DCモータのイナーシャの推定値Jmを再設定した場合について説明したが、実施の形態1は、DCモータ以外にも適用できる。また、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させる場合にも適用できる。この場合、再設定する推定パラメータはアクチュエータ2の質量の推定値である。また、誤差dif_iは、S3_eと理想値との誤差である。この場合、理想値は、アクチュエータ2の質量とその推定値が同じ場合のS3_eを指す。同時に、理想値を目標発生力信号の変化量S0_e#と、電流信号を力信号に変換する変換係数Kfの推定値Kfmとを用いて表すと、S0_e#/Kfmとなる。
以上に説明したように、実施の形態1に係るアクチュエータ制御装置1及びアクチュエータ制御方法によれば、アクチュエータ2の質量とその推定値との間に誤差が生じた場合、誤差dif_iが0になるよう質量の推定値を再設定することで、アクチュエータ2の発生力を目標発生力に追従させることができる。
1 アクチュエータ制御装置、 11 信号出力部、 12 制御部、 121 演算部、 122 制御フィルタ部、 13 判定部、 14 外乱オブザーバ部、 141 モデル機構部、 142 減算部、 143 ゲイン変更部、 144 積分器、 145 モデル変換部、 2 アクチュエータ、 21 磁気部、 211 減算部、 212 変換部、 22 機構部、 221 変換部、 222 減算部、 223〜225 変換部、 23 変換部。
Claims (8)
- 可動部を備えるアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置であって、
検出された前記可動部の位置に誤差があるか否かの判定を行う判定部と、
前記可動部を動作させるための動作電流から前記可動部の位置を推定し、前記検出された前記可動部の位置及び前記可動部の推定された位置を用いて、補正信号を出力する外乱オブザーバ部と、
前記補正信号に基づいて前記アクチュエータを制御し、前記アクチュエータの発生力を前記アクチュエータの目標発生力に追従させる制御部と、を備え、
前記外乱オブザーバ部は、前記判定の結果に応じて、前記補正信号を生成するための外乱補正ゲインを変更すること
を特徴とするアクチュエータ制御装置。 - 前記判定部は、前記検出される位置が更新されているか否かを確認し、前記検出される位置が更新されていない場合に、前記誤差があると判定し、前記検出される位置が更新された場合に、前記誤差がないと判定すること
を特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 - 前記外乱オブザーバ部は、前記誤差がないと判定された場合に、前記外乱補正ゲインを正の値である設定値に設定し、前記誤差があると判定された場合に、前記外乱補正ゲインを前記設定値よりも小さい正の値または0に設定すること
を特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータ制御装置。 - 前記外乱オブザーバ部は、前記検出される位置と、前記推定される位置との差分を用いて前記補正信号を生成すること
を特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載のアクチュエータ制御装置。 - 前記外乱オブザーバ部は、前記アクチュエータの特性を模擬するモデル機構を用いることで、前記動作電流から前記可動部の位置を推定し、
前記動作電流に相当する電流信号を前記発生力に相当する力信号に変換する変換係数の推定値をKfmとし、前記目標発生力の値をSにした場合の前記動作電流の電流値と前記目標発生力の値を0にした場合の前記動作電流の電流値との差をdとすると、
(1)式を満たしていない場合に、前記モデル機構における前記可動部の質量の推定値を修正すること
d=S/Kfm (1)
を特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載のアクチュエータ制御装置。 - 前記判定部は、前記可動部の位置が検出される周期よりも短い周期で、前記検出された前記可動部の位置が更新されているか否かを確認すること
を特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載のアクチュエータ制御装置。 - 前記判定部は、前記アクチュエータを制御する最小のサンプリング周期で、前記検出された前記可動部の位置が更新されているか否かを確認すること
を特徴とする請求項6に記載のアクチュエータ制御装置。 - 可動部を備えるアクチュエータを制御するアクチュエータ制御方法であって、
前記検出された前記可動部の位置に誤差があるか否かの判定を行い、
前記可動部を動作させるための動作電流から前記可動部の位置を推定し、
前記判定の結果に応じて外乱補正ゲインを変更した後に、前記検出された前記可動部の位置及び前記可動部の推定された位置を用いて補正信号を生成し、
前記補正信号に基づいて前記アクチュエータを制御し、前記アクチュエータの発生力を前記アクチュエータの目標発生力に追従させること
を特徴とするアクチュエータ制御方法。
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JP2018016908A JP2019133537A (ja) | 2018-02-02 | 2018-02-02 | アクチュエータ制御装置及びアクチュエータ制御方法 |
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KR20210058643A (ko) * | 2019-11-14 | 2021-05-24 | 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 | 플랜트 제어 장치 및 플랜트 제어 방법 |
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2018
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KR102367345B1 (ko) * | 2019-11-14 | 2022-02-25 | 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 | 플랜트 제어 장치 및 플랜트 제어 방법 |
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