JP2869281B2 - Motor drive system controller - Google Patents
Motor drive system controllerInfo
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- JP2869281B2 JP2869281B2 JP5024166A JP2416693A JP2869281B2 JP 2869281 B2 JP2869281 B2 JP 2869281B2 JP 5024166 A JP5024166 A JP 5024166A JP 2416693 A JP2416693 A JP 2416693A JP 2869281 B2 JP2869281 B2 JP 2869281B2
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はモータ駆動系の制御装置
に係り，詳しくは，モータと，このモータにより駆動さ
れる機械部からなるモータ駆動系を制御対象とするモー
タ駆動系の制御装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control device for a motor drive system, and more particularly, to a control device for a motor drive system that controls a motor drive system including a motor and a mechanical unit driven by the motor. Things.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図４は従来のモータ駆動系の制御装置Ａ
01（Ａ02）の一例における概略構成を示すブロック図で
ある。図４に示す如く，従来のモータ駆動系の制御装置
Ａ01（Ａ02）は，モータ１とモータ１により歯車等のバ
ネ要素２を介して駆動される機械部３とからなるモータ
駆動系を制御対象４とし，モータ１の発生トルクあるい
はトルク指令値τと，制御対象４から出力されるモータ
１のモータ角度θM 及びモータ角速度θM ′とが入力さ
れ，モータ１の角度θM ，モータ角速度θM ′，及び機
械部３の関節角度θL ，関節角速度θL ′を状態変数と
し，モータ１の発生トルクあるいはトルク指令値τを入
力項とする状態方程式を用いて制御対象４をモデル化
し，機械部３の関節角度θL 及び関節角速度θL ′を推
定するオブザーバ５を備えている。また，上記モータ駆
動系の制御装置Ａ01（Ａ02）において，オブザーバ５に
より推定された機械部３の関節角度θL 及び関節角速度
θL ′はフィードバックされ制御対象４に入力される。
この装置Ａ01（Ａ02）の基本原理を以下概略説明する。
一般に，モータ駆動系の運動方程式は次式で表現でき
る。 ＪL θL ″＋ＢL （θL ′，θL ）θL ′＋ＫθL −ＫθM ＋Ｃ（θL ′，θL ）＋ｄ＝０ …（１ａ） ＪM θM ″＋ＢM θM ′＋ＫθM −ＫθL ＝τ …（１ｂ） ここに， θM ：モータ角度 ，θM ′：モータ角速度 θM ″：モータ角加速度 ，θL ：関節角度 θL ′：関節角速度 ，θL ″：関節角加速度 ＪM ：モータイナーシャ ，ＪL ：リンクイナーシャ ＢM ：モータの粘性係数 ，ＢL ：リンクの粘性係数など関節角速 度θL ′に起因する項 ，Ｋ：関節のバネ係数 τ：モータの発生トルクあるいはトルク指令値 ｄ：負荷変動などの負荷トルク ，Ｃ：各軸の干渉や重力等の非線形項 従来装置Ａ01では，このモータ駆動系において外乱要素
を全て無視しうるものとしていた（特告昭６３−１８３
９号等）。すなわち，上記（１ａ），（１ｂ）式中の非
線形項Ｃ及び負荷変動などの負荷トルクｄを省略した以
下の状態方程式（２ａ）又は（２ｂ）をベースとしてい
た。2. Description of the Related Art FIG. 4 shows a conventional motor drive system controller A.
It is a block diagram showing a schematic structure in an example of 01 (A 02 ). As shown in FIG. 4, a conventional motor drive system control device A 01 (A 02 ) includes a motor drive system including a motor 1 and a mechanical unit 3 driven by the motor 1 via a spring element 2 such as a gear. As the control target 4, the generated torque or torque command value τ of the motor 1 and the motor angle θ M and the motor angular velocity θ M ′ of the motor 1 output from the control target 4 are input, and the angle θ M of the motor 1 and the motor The control object 4 is modeled using a state equation in which the angular velocity θ M ′, the joint angle θ L of the mechanical unit 3, and the joint angular velocity θ L ′ are state variables, and the generated torque of the motor 1 or the torque command value τ is an input term. And an observer 5 for estimating the joint angle θ L and the joint angular velocity θ L ′ of the mechanical section 3. In the motor drive system controller A 01 (A 02 ), the joint angle θ L and the joint angular velocity θ L ′ of the mechanical section 3 estimated by the observer 5 are fed back and input to the control target 4.
The basic principle of the device A 01 (A 02 ) will be briefly described below.
Generally, the equation of motion of a motor drive system can be expressed by the following equation. J L θ L "+ B L (θ L ', θ L) θ L' + Kθ L -Kθ M + C (θ L ', θ L) + d = 0 ... (1a) J M θ M" + B M θ M' + Kθ to M -Kθ L = τ ... (1b ) here, θ M: motor angle, θ M ': motor angular velocity θ M ": motor angular acceleration, θ L: joint angle θ L': joint angular velocity, θ L": joint angular acceleration J M: motor inertia, J L: link inertia B M: viscosity coefficient of the motor, B L: term due to joint angle velocity theta L 'such as viscosity of the link, K: spring constant of the joint tau: motor the generated torque or torque command value d: load torque, such as load fluctuation, C: was assumed to be negligible any disturbance factor in non-linear terms in the conventional apparatus a 01, the motor drive system interference or gravity or the like of each axis ( Special Notice 63-183
No. 9). That is, it is based on the following state equation (2a) or (2b) in which the nonlinear term C and the load torque d such as load fluctuation in the above equations (1a) and (1b) are omitted.
【数３】 そして，この状態方程式（２ａ）又は（２ｂ）に対して
同一次元あるいは最小次元の状態推定オブザーバを適用
することによって，機械部３に加わる負荷トルクに応じ
た関節角度θL ，関節角速度θL ′を推定し，それらの
推定値θL1，θL1′を用いてフィードバック制御してい
た（従来装置Ａ01）。しかし，実際には機械部３に外乱
要素（Ｃ＋ｄ）が加わるため，機械部３の状態量の推定
精度を確保し難く，これに伴いフィードバックゲインを
上げることが困難であった。このため，外乱要素（ｃ＋
ｄ）を考慮する装置Ａ02が開発された（特開平１−２９
６３０１号等）。この場合には上記（１ａ），（１ｂ）
式中の外乱要素（ｃ＋ｄ）を外乱トルクＤとして状態方
程式を構成している。すなわち，外乱トルクＤをオフセ
ット外乱（Ｄ′≡０）と仮定した場合，上記（２ａ），
（２ｂ）式に対応する状態方程式は次式で表現できる。(Equation 3) Then, by applying a state estimation observer of the same dimension or the minimum dimension to the state equation (2a) or (2b), the joint angle θ L and the joint angular velocity θ L ′ corresponding to the load torque applied to the mechanical unit 3 are obtained. And feedback control is performed using the estimated values θ L1 and θ L1 ′ (conventional device A 01 ). However, since a disturbance element (C + d) is actually added to the mechanical unit 3, it is difficult to secure the estimation accuracy of the state quantity of the mechanical unit 3, and accordingly it is difficult to increase the feedback gain. Therefore, the disturbance element (c +
considered device A 02 to d) have been developed (JP-A-1-29
No. 6301). In this case, the above (1a), (1b)
A disturbance equation (c + d) in the equation is used as a disturbance torque D to form a state equation. That is, assuming that the disturbance torque D is an offset disturbance (D'≡0), the above (2a),
The state equation corresponding to the equation (2b) can be expressed by the following equation.
【数４】 そして，この状態方程式（３ａ）又は（３ｂ）式に対し
て同一次元あるいは最小次元の状態推定オブザーバを適
用することによって，機械部３に加わる負荷トルクに応
じた関節角度θL ，関節角速度θL ′および外乱トルク
Ｄを推定し，それらの推定値θL1，θL1′，Ｄ1 を用い
てフィードバック制御していた（従来装置Ａ02）。尚，
上記各式中のパラメータτは入力量Ｘに，パラメータθ
M ，θM′は出力量Ｙに，パラメータθL1（又は
ε1 ），θL1′はフィードバック量Ｚにそれぞれ対応す
るものである。このように, 従来装置Ａ02では外乱要素
（ｃ＋ｄ）を考慮することによって，機械部３の状態量
の推定精度（フィードバック量Ｚの推定精度）を高める
と共に，フィードバックゲインを上げて一定の制御性能
を確保していた。(Equation 4) Then, by applying a state estimation observer of the same dimension or the minimum dimension to the state equation (3a) or (3b), the joint angle θ L and the joint angular velocity θ L corresponding to the load torque applied to the mechanical unit 3 are obtained. And the disturbance torque D, and feedback control is performed using the estimated values θ L1 , θ L1 ′, and D 1 (conventional device A 02 ). still,
In the above equations, the parameter τ is the input amount X, the parameter θ
M and θ M ′ correspond to the output amount Y, and the parameters θ L1 (or ε 1 ) and θ L1 ′ correspond to the feedback amount Z, respectively. As described above, in the conventional apparatus A02 , by taking into account the disturbance element (c + d), the estimation accuracy of the state quantity of the mechanical unit 3 (estimation accuracy of the feedback amount Z) is increased, and the feedback gain is increased to maintain a constant control performance. Was secured.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記従来のモータ駆動
系の制御装置Ａ02では，外乱要素（ｃ＋ｄ）をオブザー
バ５で推定することによって一定の制御性能を確保する
ことができたものの，制御対象４の非線形性やロボッ
ト，ＮＣ等で問題となる各軸の干渉等の既知情報をも未
知の外乱要素と一緒に推定し，この推定値をフィードバ
ック制御に用いていいる。従って，上記既知の情報を有
効利用することによって，フィードバック量の推定精度
を更に向上させる余地があった。本発明は，このような
従来の技術における課題を解決するために，モータ駆動
系の制御装置を改良し，フィードバック量の推定精度を
向上させてより正確な制御を行い得るモータ駆動系の制
御装置を提供することを目的とするものである。In the conventional motor drive system control device A02 described above, although a certain control performance can be secured by estimating the disturbance element (c + d) by the observer 5, the control object is controlled. Known information such as the non-linearity and interference of each axis, which is a problem in robots and NCs, is also estimated together with unknown disturbance elements, and this estimated value is used for feedback control. Therefore, there is room for further improving the estimation accuracy of the feedback amount by effectively utilizing the known information. SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the problems in the prior art, the present invention improves a motor drive system control device and improves the accuracy of estimating a feedback amount to perform more accurate control. The purpose is to provide.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，請求項１に係る発明は，モータと，該モータにより
駆動される機械部とからなり，該モータと該機械部とが
バネ要素を介して結合されており，上記モータの発生ト
ルクあるいは指令トルクと，上記機械部の負荷トルクの
非線形項とが入力され，上記モータのモータ角度及びモ
ータ角速度が出力されるモータ駆動系を制御対象とし，
上記制御対象に入力される上記モータの発生トルクある
いは指令トルクと，上記制御対象から出力される上記モ
ータのモータ角度及びモータ角速度と，上記機械部の負
荷トルクの非線形項の公称値とが入力され，上記モータ
のモータ角度，モータ角速度，上記機械部の関節角度，
関節角速度，及び未知の外乱トルクを状態変数とし，上
記モータの発生トルクあるいは指令トルクと，上記機械
部の負荷トルクの非線形項の公称値とを入力項とする状
態方程式を用いて上記制御対象をモデル化し，上記機械
部の関節角度，関節角速度，及び未知の外乱トルクを推
定する推定手段を備え，上記機械部には，該機械部と上
記モータとの変位によって発生する該バネ要素のバネ力
と非線形項とが少なくとも作用し，該モータには，該バ
ネ力の反力と，該モータ自身が発生する駆動力とが少な
くとも作用し，該機械部に作用する力と該機械部の慣性
力との釣り合い関係と，該モータに作用する力と該モー
タの慣性力との釣り合い関係とから制御モデルを与える
とともに，該制御モデルにおいて，該非線形項の公称値
を該機械部に作用する入力とするとともに上記機械部に
上記バネ力と上記非線形項とともに外乱力が作用するも
のとして，該駆動力を該モータに作用する入力としてそ
れぞれ扱い，該制御モデルに基づいて上記推定手段は構
成され，上記推定手段により推定された上記機械部の関
節角度，関節角速度，及び未知の外乱トルクをフィード
バックして上記制御対象に入力してなることを特徴とす
るモータ駆動系の制御装置として構成されている。ま
た，請求項２に係る発明は，モータと，該モータにより
駆動される機械部とからなり，該モータと該機械部とが
弾性体を介して結合されており，上記モータの発生トル
クあるいは指令トルクτと，上記機械部の負荷トルクの
非線形項Ｃとが入力され，上記モータのモータ角度θ M
及びモータ角速度θ M ′が出力されるモータ駆動系を制
御対象とし，上記制御対象に入力される上記モータの発
生トルクあるいは指令トルクτと，上記制御対象から出
力される上記モータのモータ角度θ M 及びモータ角速度
θ M ′と，上記機械部の負荷トルクの非線形項の公称値
Ｃ′とが入力され，上記モータのモータ角度θ M ，モー
タ角速度θ M ′，上記機械部の関節角度θ L ，関節角速
度θ L ′，及び上記非線形項のモデル化誤差Ｃ−Ｃ′と
負荷変動による負荷トルクｄとを含む未知の外乱トルク
Ｄを状態変数とし，上記モータの発生トルクあるいは指
令トルクτと，上記機械部の負荷トルクの非線形項の公
称値Ｃ′とを入力項とする，式（６ａ）又は式（６ｂ）
で表される状態方程式を用いて上記制御対象をモデル化
し，上記機械部の関節角度，関節角速度，及び未知の外
乱トルクを推定する推定手段を備え，上記推定手段によ
り推定された上記機械部の関節角度，関節角速度，及び
未知の外乱トルクをフィードバックして上記制御対象に
入力してなることを特徴とするモータ駆動系の制御装
置。 Means for Solving the Problems To achieve the above object, the invention according to claim 1 comprises a motor and a mechanical unit driven by the motor , wherein the motor and the mechanical unit are connected to each other.
A motor drive system, which is coupled via a spring element and receives the generated torque or command torque of the motor and the non-linear term of the load torque of the mechanical unit, and outputs the motor angle and motor angular velocity of the motor. To be controlled,
The generated torque or command torque of the motor input to the controlled object, the motor angle and motor angular velocity of the motor output from the controlled object, and the nominal value of the nonlinear term of the load torque of the mechanical unit are input. , Motor angle of the motor, motor angular velocity, joint angle of the mechanical part,
Using the joint angular velocity and the unknown disturbance torque as state variables, the control target is determined using a state equation in which the generated torque or command torque of the motor and the nominal value of the nonlinear term of the load torque of the mechanical section are input terms. Estimating means for modeling and estimating joint angles, joint angular velocities, and unknown disturbance torques of the mechanical unit are provided.
Spring force of the spring element generated by displacement with the motor
And at least the nonlinear term act on the motor,
And the driving force generated by the motor itself is small.
The force acting on the mechanical part and the inertia of the mechanical part
And the force acting on the motor and the motor.
The control model from the inertia force
And the nominal value of the nonlinear term in the control model
Is used as an input acting on the mechanical part, and
A disturbance force acts together with the spring force and the nonlinear term.
As such, the driving force is used as an input acting on the motor.
The estimating means is configured based on the control model.
And a feedback device configured to feed back the joint angle, the joint angular velocity, and the unknown disturbance torque of the mechanical unit estimated by the estimating means to the controlled object. Have been. Ma
The invention according to claim 2 is characterized in that the motor and the motor
The motor and the mechanical part are driven.
The torque generated by the above motor is
Or the command torque τ, and the load torque
The nonlinear term C is input, and the motor angle θ M
And the motor drive system that outputs the motor angular velocity θ M ′
The motor to be controlled
The raw torque or command torque τ and the
Motor angle θ M and motor angular velocity of the above motor
θ M ′ and the nominal value of the nonlinear term of the load torque of the mechanical part
C 'and is inputted, the motor angle theta M, Mo of the motor
Angle velocity θ M ′, joint angle θ L of the above mechanical part , joint angular velocity
Degree θ L ′, and the modeling error C−C ′ of the nonlinear term
Unknown disturbance torque including load torque d due to load fluctuation
D is the state variable, and the torque generated by the motor or the finger
Command torque τ and the non-linear term of
Expression (6a) or Expression (6b) using the nominal value C ′ as an input term
The above controlled object is modeled using the state equation expressed by
And the joint angles, joint angular velocities, and unknown
Estimating means for estimating the disturbance torque is provided.
The joint angle, joint angular velocity, and
Feedback unknown disturbance torque to the above control target
Control device for a motor drive system characterized by inputting
Place.
【数５】 但し， Ｊ M ：モータイナーシャ ，Ｊ L ：リンクイナーシャ Ｂ M ：モータの粘性係数 ，Ｂ L ：リンクの粘性係数など関節角速 度θ L ′に起因する項 ，Ｋ：関節のバネ係数 ε：歪み量（＝θ L −θ M ） また，請求項３に係る発明は，上記請求項１又は２に記
載のモータ駆動系の制御装置において， 上記制御対象
が，複数のモータと，各モータによりそれぞれバネ要素
を介して駆動される複数の機械部とからなり，上記推定
手段が，上記制御対象にそれぞれ入力される各モータの
発生トルクあるいは指令トルクと，上記制御対象からそ
れぞれ出力される各モータのモータ角度及びモータ角速
度と，各機械部の負荷トルクの非線形項の公称値とがそ
れぞれ入力され，各モータのモータ角度，モータ角速
度，各機械部の関節角度，関節角速度，及び上記未知の
外乱トルクを状態変数とし，各モータの発生トルクある
いは指令トルクと，各機械部の負荷トルクの非線形項の
公称値とを入力項とする上記状態方程式を用いて上記制
御対象をモデル化し，各機械部の関節角度，関節角速
度，及び上記未知の外乱トルクを推定してなることを特
徴とするモータ駆動系の制御装置である。また，請求項
４に係る発明は，モータと，非線形特性を有するバネ要
素を介して該モータにより駆動される機械部とからな
り，上記モータの発生トルクあるいは指令トルクが入力
され，上記モータのモータ角度及びモータ角速度が出力
されるモータ駆動系を制御対象とし，上記制御対象に入
力される上記モータの発生トルクあるいは指令トルク
と，上記制御対象から出力される上記モータのモータ角
度及びモータ角速度とが入力され，上記モータのモータ
角度，モータ角速度，及び上記機械部の関節角度，関節
角速度を状態変数に含み，上記モータの発生トルクある
いは指令トルクを入力項に含む状態方程式を用いると共
に，上記状態方程式に含まれるバネ定数を上記モータの
モータ角度及び機械部の関節角度に基づく歪み量の非線
形関数として表して上記制御対象をモデル化し，上記機
械部の関節角度，関節角速度を推定する推定手段を備
え，上記機械部には，該機械部と上記モータとの変位に
よって発生する該バネ要素のバネ力と非線形項とが少な
くとも作用し，該モータには，該バネ力の反力と，該モ
ータ自身が発生する駆動力とが少なくとも作用し，該機
械部に作用する力と該機械部の慣性力との釣り合い関係
と，該モータに作用する力と該モータの慣性力との釣り
合い関係とから制御モデルを与えるとともに，該制御モ
デルにおいて，上記機械部に上記バネ力と上記非線形項
とともに外乱力が作用するものとして，該駆動力を該モ
ータに作用する入力としてそれぞれ扱い，該制御モデル
に基づいて上記推定手段は構成され，上記推定手段によ
り推定された上記機械部の関節角度，関節角速度をフィ
ードバックして上記制御対象に入力してなることを特徴
とするモータ駆動系の制御装置として構成されている。
また，請求項５に係る発明は，モータと，非線形特性を
有するバネ要素Ｋを介して該モータにより駆動される機
械部とからなり，上記モータの発生トルクあるいは指令
トルクτが入力され，上記モータのモータ角度θ M 及び
モータ角速度θ M ′が出力されるモータ駆動系を制御対
象とし，上記制御対象に入力される上記モータの発生ト
ルクあるいは指令トルクτと，上記制御対象から出力さ
れる上記モータのモータ角度θ M 及びモータ角速度
θ M ′とが入力され，上記モータのモータ角度θ M ，モ
ータ角速度θ M ′，及び上記機械部の関節角度θ L ，関
節角速度θ L ′を状態変数に含み，上記モータの発生ト
ルクあるいは指令トルクτを入力項に含む，式（６ａ）
又は（６ｂ）で表される状態方程式を用いると共に，上
記状態方程式に含まれるバネ定数Ｋを上記モータのモー
タ角度θ M 及び機械部の 関節角度θ L に基づく歪み量ε
の非線形関数として表して上記制御対象をモデル化し，
上記機械部の関節角度θ L ，関節角速度θ L ′を推定す
る推定手段を備え，上記推定手段により推定された上記
機械部の関節角度，関節角速度をフィードバックして上
記制御対象に入力してなることを特徴とするモータ駆動
系の制御装置として構成されている。 (Equation 5) However, J M: motor inertia, J L: Link Inertia B M: viscosity coefficient of the motor, B L: Links term due to the viscosity coefficient joint angle velocity theta L like ', K: spring constant of the joint epsilon: Distortion The quantity (= θ L −θ M ) The invention according to claim 3 is described in claim 1 or 2 above.
In the control device of the motor drive system described above, the control target is a plurality of motors and a spring element by each motor.
And a plurality of mechanical units driven through the control unit. The estimating unit calculates the generated torque or command torque of each motor input to the control target and the motor angle of each motor output from the control target. and a motor angular velocity, and the nominal value of the nonlinear term of the load torque of each machine section are respectively inputted, the motor angle of each motor, the motor angular velocity, joint angle of each machine section, joint angular velocity, and states the unknown disturbance torque The controlled object is modeled by using the above-mentioned equation of state, in which the input torque and the generated torque or command torque of each motor and the nominal value of the non-linear term of the load torque of each machine are used as variables. a joint angular velocity, and the controller of the motor drive system characterized by comprising estimating the unknown disturbance torque. Claims
According to a fourth aspect of the present invention, a motor and a mechanical unit driven by the motor via a spring element having a non-linear characteristic are input with a generated torque or a command torque of the motor, and a motor angle and a motor angular velocity of the motor are input. The motor drive system that outputs the control target is a control target, and the generated torque or command torque of the motor input to the control target and the motor angle and motor angular velocity of the motor output from the control target are input. The state angle includes the motor angle of the motor, the motor angular velocity, the joint angle and the joint angular velocity of the mechanical part in the state variables , and uses the state equation including the generated torque or the command torque of the motor in the input term and the spring included in the state equation. The constant is expressed as a nonlinear function of the amount of distortion based on the motor angle of the motor and the joint angle of the mechanical part. Modeling the controlled object, the joint angle of the machine unit, comprising estimation means for estimating joint angular velocity, the said machine unit, the displacement between the machine part and the motor
Therefore, the generated spring force of the spring element and the nonlinear term are small.
At the same time as the reaction force of the spring force and the motor.
At least the driving force generated by the motor itself acts.
Balance between the force acting on the mechanical part and the inertial force of the mechanical part
Between the force acting on the motor and the inertia force of the motor
The control model is given from the relationship and the control model.
Dell states that the mechanical part has the spring force and the nonlinear term
The driving force is applied to the motor
Control model
Said estimating means is configured based on the joint angle of the machine part that is estimated by the estimating means, as a control device for by feeding back the joint angular velocity motor drive system characterized by comprising input to the controlled object It is configured.
Further, the invention according to claim 5 provides a motor and a non-linear characteristic.
Driven by the motor via a spring element K having
And the torque generated by the motor or the command
The torque τ is input, and the motor angle θ M and
Control the motor drive system that outputs the motor angular velocity θ M ′
Of the motor, which is input to the object to be controlled,
Torque or command torque τ and the output
Motor angle θ M and motor angular velocity
theta M 'and is inputted, the motor angle of the motor theta M, Mo
Over motor angular velocity theta M ', and the joint angle theta L of the machine part, Seki
The nodal angular velocity θ L ′ is included in the state variable, and the motor
Equation (6a) including the torque or command torque τ in the input term
Or using the equation of state expressed by (6b)
The spring constant K included in the equation of state is
Strain ε based on the angle θ M and the joint angle θ L of the mechanical part
The above controlled object is modeled as a nonlinear function of
Estimate the joint angle θ L and joint angular velocity θ L ′ of the above mechanical part
Estimating means, and the estimating means
Feedback on the joint angle and joint angular velocity of the mechanical part
Motor drive characterized by being input to the controlled object
It is configured as a system control device.
【数６】 但し， Ｊ M ：モータイナーシャ ，Ｊ L ：リンクイナーシャ Ｂ M ：モータの粘性係数 ，Ｂ L ：リンクの粘性係数など関節角速 度θ L ′に起因する項 ，Ｋ：関節のバネ係数 ｄ：負荷変動などの負荷トルク ，Ｃ：各軸の干渉や重力等の非線形項 Ｃ′：上記非線形項の公称値 ，Ｄ：未知の外乱トルク ε：歪み量（＝θ L −θ M ） また，請求項６に係る発明は，上記請求項１〜５のいず
れか１項に記載のモータ駆動系の制御装置において， 上
記モータの電流ループの動特性を上記推定手段による上
記フィードバック量の推定に用いてなることを特徴とす
るモータ駆動系の制御装置である。 (Equation 6) However, J M: motor inertia, J L: Link Inertia B M: viscosity coefficient of the motor, B L: term due to the viscosity coefficient joint angle velocity theta L like 'link, K: spring constant of the joints d: load load torque such variation, C: nonlinear term C interference or gravity or the like of each axis': nominal value of the nonlinear terms, D: unknown disturbance torque epsilon: strain amount (= θ L -θ M) also claim The invention according to claim 6 relates to any one of claims 1 to 5 described above.
2. The control device for a motor drive system according to claim 1, wherein a dynamic characteristic of a current loop of the motor is used for estimating the feedback amount by the estimating means. .
【０００５】[0005]
【作用】本発明によれば，モータと，該モータにより駆
動される機械部とからなり，該モータと該機械部とがバ
ネ要素を介して結合されており，上記モータの発生トル
クあるいは指令トルクと，上記機械部の負荷トルクの非
線形項とが入力され，上記モータのモータ角度及びモー
タ角速度が出力されるモータ駆動系が制御対象とされ
る。そして，モータのモータ角度，モータ角速度，上記
機械部の関節角度，関節角速度，及び未知の外乱トルク
を状態変数とし，上記モータの発生トルクあるいは指令
トルクと，上記機械部の負荷トルクの非線形項の公称値
とを入力項とする，例えば上記（６ａ）又は（６ｂ）式
のような状態方程式を用いて上記制御対象がモデル化さ
れ，推定手段により上記機械部の関節角度，関節角速
度，及び未知の外乱トルクが推定される。このため，従
来，外乱要素として推定手段により推定していた制御対
象の非線形性やロボット，ＮＣ等で問題となる各軸の干
渉等の既知情報を有効利用することにより，上記推定手
段による状態変数の推定精度を向上させることができ
る。この推定精度の向上に伴い，モータ駆動系の状態フ
ィードバックゲインを上げることができ，より正確にモ
ータ駆動系を制御することができる。しかも，この制御
対象の機械部には，負荷トルクの非線形項以外に，例え
ばモデル化誤差や負荷変動等による未知の外乱トルクが
加わるが，この未知の外乱トルクは，上記機械部の関節
角度，関節角速度と共に，推定手段により推定される。
従って，モデル化誤差や負荷変動による未知の外乱トル
クと一緒に推定されることがなくなるため，その分だけ
上記状態変数の推定精度を向上させることができる。更
に，上記制御対象が，複数のモータと，各モータにより
それぞれバネ要素を介して駆動される複数の機械部とか
らなり，上記推定手段が，上記制御対象にそれぞれ入力
される各モータの発生トルクあるいは指令トルクと，上
記制御対象からそれぞれ出力される各モータのモータ角
度及びモータ角速度と，各機械部の負荷トルクの非線形
項の公称値とがそれぞれ入力され，各モータのモータ角
度，モータ角速度，各機械部の関節角度，関節角速度，
及び未知の外乱トルクを状態変数とし，各モータの発生
トルクあるいは指令トルクと，各機械部の負荷トルクの
非線形項の公称値とを入力項とする上記状態方程式を用
いて上記制御対象がモデル化され，各機械部の関節角
度，関節角速度，及び未知の外乱トルクがそれぞれ推定
される。このように，モータ駆動系の例えばロボット，
ＮＣ等の各軸毎に推定手段を適用するのではなく，全軸
を１つのシステムとして扱い，全軸に対して１つの推定
手段でカバーすることによって，他の軸の機械共振によ
る振動も含めて推定できる。従って，複数のモータと複
数の被駆動部とからなるモータ駆動系についても推定精
度の向上を図ることができる。更に，モータと，非線形
特性を有するバネ要素を介して該モータにより駆動され
る機械部とからなり，上記モータの発生トルクあるいは
指令トルクが入力され，上記モータのモータ角度及びモ
ータ角速度が出力されるモータ駆動系を制御対象とし，
上記制御対象に入力される上記モータの発生トルクある
いは指令トルクと，上記制御対象から出力される上記モ
ータのモータ角度及びモータ角速度とが入力され，上記
モータのモータ角度，モータ角速度，及び上記機械部の
関節角度，関節角速度を状態変数に含み，上記モータの
発生トルクあるいは指令トルクを入力項を含む例えば式
（６ａ）又は（６ｂ）のような状態方程式を用いると共
に，上記状態方程式に含まれるバネ定数を上記モータの
モータ角度及び機械部の関節角度に基づく歪み量の非線
形関数として表して上記制御対象がモデル化され，推定
手段により推定された上記機械部の関節角度，関節角速
度がフィードバックされ上記制御対象に入力される。こ
のように，上記状態方程式に含まれるバネ定数を上記モ
ータのモータ角度及び機械部の関節角度に基づく歪み量
の非線形関数として表して上記制御対象がモデル化され
ることによって，バネ要素のヒステリシス，バックラッ
シュ，不感帯等の非線形特性を具体的に推定手段に取り
込むことが可能となり，上記フィードバック量の推定精
度を向上させることができる。更に，上記モータの電流
ループの動特性が上記推定手段による上記機械部の関節
角度，関節角速度の推定に用いられる。このように，モ
ータの電流ループの動特性を推定手段に取り込むことに
よっても，上記推定手段による上記機械部の関節角度，
関節角速度等の状態変数の推定精度を向上させることが
できる。According to the present invention, a motor and a mechanical unit driven by the motor are provided.
The motor drive system, which receives the generated torque or command torque of the motor and the non-linear term of the load torque of the mechanical part, and outputs the motor angle and motor angular velocity of the motor, Controlled. Then, using the motor angle of the motor, the motor angular velocity, the joint angle of the mechanical part, the joint angular velocity, and the unknown disturbance torque as state variables, the generated torque or command torque of the motor and the nonlinear term of the load torque of the mechanical part are obtained. Using the nominal value as an input term , for example, the above equation (6a) or (6b)
The control object is modeled using a state equation as described above, and the joint angle, joint angular velocity, and unknown disturbance torque of the mechanical unit are estimated by the estimating means. Therefore, by effectively utilizing known information such as the nonlinearity of the control target and the interference of each axis, which is a problem in robots, NCs, and the like, which has been conventionally estimated by the estimation means as a disturbance element, the state variable by the estimation means is effectively used. Can be improved. With the improvement of the estimation accuracy, the state feedback gain of the motor drive system can be increased, and the motor drive system can be controlled more accurately. Moreover, in addition to the non-linear term of the load torque, unknown disturbance torque due to, for example, a modeling error or a load fluctuation is added to the mechanical part to be controlled. It is estimated by the estimation means together with the joint angular velocity.
Therefore, it is not estimated together with the unknown disturbance torque due to the modeling error or the load fluctuation.
The estimation accuracy of the state variables can be improved. Further, the controlled object includes a plurality of motors and a plurality of mechanical parts driven by the respective motors via respective spring elements, and the estimating means determines the generated torque of each motor input to the controlled object. Alternatively, the command torque, the motor angle and motor angular velocity of each motor output from the control object, and the nominal value of the non-linear term of the load torque of each mechanical unit are input, respectively, and the motor angle, motor angular velocity, The joint angle, joint angular velocity,
The controlled object is modeled using the above- mentioned state equation in which the input torque and the generated torque or command torque of each motor and the nominal value of the nonlinear term of the load torque of each mechanical section are input variables. Then, the joint angle, the joint angular velocity, and the unknown disturbance torque of each mechanical part are estimated. Thus, for example, the robot of the motor drive system,
Instead of applying the estimating means to each axis such as NC, all axes are treated as one system and all axes are covered by one estimating means, so that vibrations caused by mechanical resonance of other axes are included. Can be estimated. Therefore, the estimation accuracy can be improved for a motor drive system including a plurality of motors and a plurality of driven parts. Further, the motor includes a motor and a mechanical unit driven by the motor via a spring element having a non-linear characteristic. The generated torque or command torque of the motor is input, and the motor angle and motor angular velocity of the motor are output. The motor drive system is the control target,
The generated torque or command torque of the motor input to the controlled object and the motor angle and motor angular speed of the motor output from the controlled object are input, and the motor angle, motor angular speed, and the mechanical unit of the motor are input. joint angle, joint angular velocity comprises the state variables, including for example, the formula input section for generating a torque or the command torque of the motor of
A state equation such as (6a) or (6b) is used, and a spring constant included in the state equation is expressed as a non-linear function of a distortion amount based on a motor angle of the motor and a joint angle of a mechanical unit. The joint angles and joint angular velocities of the mechanical part, which are modeled and estimated by the estimating means, are fed back and input to the control object. As described above, the control object is modeled by expressing the spring constant included in the state equation as a non-linear function of the amount of distortion based on the motor angle of the motor and the joint angle of the mechanical unit, and thereby the hysteresis of the spring element, Non-linear characteristics such as backlash and dead zone can be specifically taken into the estimating means, and the accuracy of estimating the feedback amount can be improved. Further, the dynamic characteristics of the current loop of the motor are used for estimating the joint angle and the joint angular velocity of the mechanical part by the estimating means. In this way, by incorporating the dynamic characteristics of the current loop of the motor into the estimating means, the joint angle of the mechanical part,
It is possible to improve the estimation accuracy of a state variable such as a joint angular velocity.
【０００６】[0006]
【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚以下
の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明
の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここに，
図１は本発明の一実施例に係るモータ駆動系の制御装置
Ａ２及び参考例であるモータ駆動系の制御装置Ａ１の概
略構成を示すブロック図，図２は本発明の他の実施例に
係るモータ駆動系の制御装置Ａ１′( Ａ２′）の概略構
成を示すブロック図，図３はバネ要素の非線形特性を示
すグラフ（ａ），（ｂ）である。尚，前記図４に示した
従来のモータ駆動系の制御装置Ａ01( Ａ02）の一例にお
ける概略構成を示すブロック図と共通する要素には共通
の符号を使用する。図１に示す如く，参考例として説明
するモータ駆動系の制御装置Ａ１と，本発明の一実施例
に係るモータ駆動系の制御装置Ａ２は，モータ１と，モ
ータ１により歯車等のバネ要素２を介して駆動される機
械部３とからなるモータ駆動系を制御対象４とし，モー
タ１の発生トルクあるいはトルク指令値τと，制御対象
４から出力されるモータ１のモータ角度θM 及びモータ
角速度θM ′とが入力され，モータ１の角度θM ，モー
タ角速度θM ′，及び機械部３の関節角度θL ，関節角
速度θL ′を状態変数とし，モータ１の発生トルクある
いはトルク指令値τを入力項とする状態方程式を用いて
制御対象４をモデル化し，機械部３の関節角度θL 及び
関節角速度θL ′を推定するオブザーバ５（推定手段に
相当）を備えている点で従来例と同様である。しかし，
本実施例では制御対象４に加わる非線形項の公称値Ｃ′
を図示しない計算機により算出し，これが入力項に含ま
れた上記状態方程式により制御対象４がモデル化され，
オブザーバ５により状態変数が推定される点で従来例と
異なる。以下，本実施例では主として従来例と異なる部
分について説明し，従来例と同様の部分は既述の通りで
あるのでその詳細説明は省略する。まず，参考例及び本
実施例に係る装置Ａ１，Ａ２の基本原理について説明す
る。参考例に係る装置Ａ１では，前述の運動方程式
（１）で表されるシステムにおいて，機械部３の非線形
性や干渉などの負荷トルクをより正確に推定するため
に，負荷トルクの非線形項の公称値Ｃ′とモータ１の発
生トルク（あるいはモータへの指令トルク）τとを入力
するシステムを対象とし，状態推定オブザーバを適用す
る。このシステムの状態方程式は，従来例で示した状態
方程式（２ａ），（２ｂ）と対応させれば，以下の如く
記述できる。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention. The following embodiments are examples embodying the present invention, and do not limit the technical scope of the present invention. here,
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a motor drive system controller A2 according to one embodiment of the present invention and a motor drive system controller A1 as a reference example. FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a motor drive system controller A1 '(A2'), and FIGS. 3A and 3B are graphs (a) and (b) showing nonlinear characteristics of a spring element. Elements common to those in the block diagram showing the schematic configuration of an example of the conventional motor drive system control device A 01 (A 02 ) shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 1, a motor drive system controller A1 described as a reference example and a motor drive system controller A2 according to one embodiment of the present invention include a motor 1 and a spring element 2 such as a gear by the motor 1. A motor drive system composed of a mechanical unit 3 driven through the motor 4 is set as a control target 4, and the generated torque or torque command value τ of the motor 1, the motor angle θ M and the motor angular velocity of the motor 1 output from the control target 4 θ M ′ is input, and the angle θ M of the motor 1, the motor angular velocity θ M ′, and the joint angle θ L and the joint angular velocity θ L ′ of the mechanical unit 3 are set as state variables, and the generated torque or torque command value of the motor 1 is used. Conventionally, an observer 5 (corresponding to an estimating means) for modeling the controlled object 4 using a state equation having τ as an input term and estimating the joint angle θ L and the joint angular velocity θ L ′ of the mechanical section 3 is provided. Same as the example. However,
In this embodiment, the nominal value C ′ of the nonlinear term applied to the control target 4
Is calculated by a computer (not shown), and the control object 4 is modeled by the above-mentioned equation of state included in the input term.
It differs from the conventional example in that the state variables are estimated by the observer 5. In the following, in this embodiment, parts different from the conventional example will be mainly described. First, the basic principle of the devices A1 and A2 according to the reference example and the present embodiment will be described. In the device A1 according to the reference example, in the system represented by the above-described equation of motion (1), in order to more accurately estimate the load torque such as the nonlinearity and interference of the mechanical unit 3, the nominal value of the nonlinear term of the load torque is used. A state estimation observer is applied to a system that inputs a value C ′ and a generated torque (or a command torque to the motor) τ of the motor 1. The state equation of this system can be described as follows by making it correspond to the state equations (2a) and (2b) shown in the conventional example.
【数７】 ここに， θM ：モータ角度 ，θM ′：モータ角速度 θM ″：モータ角加速度 ，θL ：関節角度 θL ′：関節角速度 ，θL ″：関節角加速度 ＪM ：モータイナーシャ ，ＪL ：リンクイナーシャ ＢM ：モータの粘性係数 ，ＢL ：リンクの粘性係数など関節角速 度θL ′に起因する項 ，Ｋ：関節のバネ係数 τ：モータの発生トルクあるいはトルク指令値 Ｃ′：各軸の干渉や重力等の非線形項の公称値(Equation 7) Here, θ M : motor angle, θ M ′: motor angular velocity θ M ″: motor angular acceleration, θ L : joint angle θ L ′: joint angular velocity, θ L ″: joint angular acceleration J M : motor inertia, J L : Link inertia B M : Viscosity coefficient of motor, B L : Term caused by joint angular velocity θ L ′ such as viscosity coefficient of link, K: Spring coefficient of joint τ: Motor generated torque or torque command value C ′: Nominal value of nonlinear term such as interference of each axis and gravity
【０００７】この状態方程式（４ａ）又は（４ｂ）に対
して同一次元あるいは最小次元などの次元を落とした状
態推定オブザーバを適用する。同一次元オブザーバの構
成は状態方程式から一意に決定されるため，ここでは最
小次元オブザーバの一例を以下に示す。 θL1＝∫｛Ωe （θM −θL1）−θL1′−Ωe Ｋ-1τ｝ｄｔ ＋Ωe Ｋ-1ＪM θM ′＋Ωe Ｋ-1ＢM θM …（５ａ−１） θL1′＝∫｛ΩU （θM −θL1）−ＪL -1ＢL θL1′＋（ＪL -1−ΩU Ｋ-1） τ−ＪL -1Ｃ′｝ｄｔ ＋（ΩU Ｋ-1ＪM −ＪL -1ＪM ）θM ′＋（ΩU Ｋ-1ＢM −ＪL -1ＢM ）θM …（５ａ−２） あるいは， ε1 ＝∫｛−Ωe ε1 −θL1′−Ωe Ｋ-1τ｝ｄｔ ＋Ωe Ｋ-1ＪM θM ′＋（Ωe Ｋ-1ＢM −１）θM …（５ｂ−１） θL1′＝∫｛−ΩU ε1 −ＪL -1ＢL θL1′＋（ＪL -1−ΩU Ｋ-1）τ−ＪL -1 Ｃ′｝ｄｔ ＋（ΩU Ｋ-1ＪM −ＪL -1ＪM ）θM ′＋（ΩU Ｋ-1ＢM −ＪL -1ＢM ） θM …（５ｂ−２） ここに， θL1：関節角度の推定値， θL1′：関節角速度の推定値， ε1 ：歪量の推定値， Ωe ，ΩU ：収束ゲイン（手入力による初期設定又は可変値） 尚，上記各式中のパラメータτは入力量Ｘに，パラメー
タθM ，θM ′は出力量Ｙに，パラメータθL1（又はε
1 ），θL1′はフィードバック量Ｚにそれぞれ対応する
ものである。このように，装置Ａ１では，従来外乱要素
としてオブザーバ５により推定していた制御対象４の非
線形性やロボット，ＮＣ等で問題となる各軸の干渉等の
既知情報である非線形項の公称値Ｃ′を入力項とする状
態方程式により制御対象４をモデル化して，オブザーバ
５により状態変数を推定するため，フィードバックされ
る状態変数の推定精度を向上させることができる。この
推定精度の向上に伴い，モータ駆動系の状態フィードバ
ックゲインを上げることができ，より正確にモータ駆動
系を制御することができる。A state estimation observer with a reduced dimension such as the same dimension or the minimum dimension is applied to the state equation (4a) or (4b). Since the configuration of the same-dimensional observer is uniquely determined from the state equation, an example of the minimum-dimensional observer is shown below. θ L1 = ΔΩ e (θ M −θ L1 ) −θ L1 ′ −Ω e K −1 τ｝ dt + Ω e K −1 J M θ M ′ + Ω e K −1 B M θ M … (5a− 1) θ L1 ′ = ∫ ｛Ω U (θ M −θ L1 ) −J L −1 B L θ L1 ′ + (J L −1 −Ω U K −1 ) τ−J L −1 C ′｝ dt + (Ω U K -1 J M -J L -1 J M) θ M '+ (Ω U K -1 B M -J L -1 B M) θ M ... (5a-2) or, epsilon 1 = ∫ ｛−Ω e ε 1 −θ L1 ′ −Ω e K −1 τ｝ dt + Ω e K −1 J M θ M ′ + (Ω e K -1 B M -1) θ M (5b-1) θ L1 ′ = ∫ ｛−Ω U ε 1 −J L −1 B L θ L1 ′ + (J L −1 −Ω U K −1 ) τ−J L −1 C ′｝ dt + (Ω U K − to 1 J M -J L -1 J M ) θ M '+ (Ω U K -1 B M -J L -1 B M) θ M ... (5b-2) where, theta L1: estimate joint angles , θ L1 ': estimated value of the joint angular velocity, epsilon 1: estimate of the distortion amount, Ω e, Ω U: convergence gain (manual input Initialization or variable value) Note According, the parameter τ in the above formulas the input quantity X, the parameter θ M, θ M 'is the output quantity Y, parameter theta L1 (or ε
1 ) and θ L1 ′ correspond to the feedback amount Z, respectively. As described above, in the device A1, the nominal value C of the nonlinear term which is known information such as the nonlinearity of the control target 4 and the interference of each axis which is a problem in the robot, the NC, and the like, which is conventionally estimated by the observer 5 as the disturbance element. Since the controlled object 4 is modeled by a state equation having 'as an input term and the state variables are estimated by the observer 5, the estimation accuracy of the state variables to be fed back can be improved. With the improvement of the estimation accuracy, the state feedback gain of the motor drive system can be increased, and the motor drive system can be controlled more accurately.
【０００８】しかも，本実施例に係る装置Ａ２では，上
記非線形項の公称値Ｃ′以外の外乱トルク（未知の外乱
トルクに相当）を状態変数に含んだ状態方程式により制
御対象４がモデル化されて，オブザーバ５により状態変
数が推定される。即ち，未知の外乱を考慮し，Ｃ−Ｃ′
＋ｄ（Ｃのモデル化誤差や負荷変動による負荷トルク
ｄ）を外乱トルクＤとして状態方程式が構成される。そ
して，Ｄをオフセット外乱（Ｄ′≡０）と仮定した場
合，前述の（３ａ），（３ｂ）式に対応する方程式は次
のように記述できる。Further, in the apparatus A2 according to the present embodiment, the controlled object 4 is modeled by a state equation including a disturbance torque (corresponding to an unknown disturbance torque) other than the nominal value C 'of the nonlinear term in a state variable. Thus, the state variables are estimated by the observer 5. That is, considering the unknown disturbance, C-C '
+ D (load torque d due to a modeling error of C or load fluctuation) is used as a disturbance torque D to form a state equation. Then, assuming that D is an offset disturbance (D '） 0), equations corresponding to the above equations (3a) and (3b) can be described as follows.
【数８】 この状態方程式（６ａ）又は（６ｂ）に対して外乱を考
慮した同一次元あるいは最小次元などの次元を落とした
状態推定オブザーバを適用する。同一次元オブザーバの
構成は状態方程式から一意に決定されるため，ここでは
最小次元オブザーバの一例を以下に示す。 θL1＝∫｛Ωe （θM −θL1）−θL1′−Ωe Ｋ-1τ｝ｄｔ ＋Ωe Ｋ-1ＪM θM ′＋Ωe Ｋ-1ＢM θM …（７ａ−１） θL1′＝∫｛ΩU （θM −θL1）−ＪL -1ＢL θL1′＋（ＪL -1−ΩU Ｋ-1） τ−ＪL -1（Ｃ′＋ｄ1 ｝ｄｔ ＋（ΩU Ｋ-1ＪM −ＪL -1ＪM ）θM ′＋（ΩU Ｋ-1ＢM −ＪL -1ＢM ）θM …（７ａ−２） ｄ1 ＝ωd ｛∫（τ−ＢL θL1′−Ｃ′−ｄ1 ）ｄｔ−ＪL θL1′−ＪM θM ′−ＢM θM ｝ …（７ａ−３） あるいは， ε1 ＝∫｛−Ωe ε1 −θL1′−Ωe Ｋ-1τ｝ｄｔ ＋Ωe Ｋ-1ＪM θM ′＋（Ωe Ｋ-1ＢM −１）θM …（７ｂ−１） θL1′＝∫｛−ΩU ε1 −ＪL -1ＢL θL1′＋（ＪL -1−ΩU Ｋ-1）τ−ＪL -1 （Ｃ′＋ｄ1 ）｝ｄｔ ＋（ΩU Ｋ-1ＪM −ＪL -1ＪM ）θM ′＋（ΩU Ｋ-1ＢM −ＪL -1ＢM ）θM …（７ｂ−２） ｄ1 ＝ωd ｛∫（τ−ＢL θL1′−Ｃ′−ｄ1 ）ｄｔ−ＪL θL1′−ＪM θM ′ −ＢM θM ｝ …（７ｂ−３） ここに，ｄ1 は外乱トルクｄの推定値であり，これもフ
ィードバック量Ｚに含まれる。このように，装置Ａ２で
は，非線形項の公称値以外の外乱トルクをオブザーバ５
により推定することにより，その推定精度をより向上さ
せることができる。(Equation 8) For this state equation (6a) or (6b), a state estimation observer with reduced dimensions such as the same dimension or the minimum dimension in consideration of disturbance is applied. Since the configuration of the same-dimensional observer is uniquely determined from the state equation, an example of the minimum-dimensional observer is shown below. θ L1 = ΔΩ e (θ M −θ L1 ) −θ L1 ′ −Ω e K −1 τ｝ dt + Ω e K −1 J M θ M ′ + Ω e K −1 B M θ M … (7a− 1) θ L1 ′ = ∫ ｛Ω U (θ M −θ L1 ) −J L −1 B L θ L1 ′ + (J L −1 −Ω U K −1 ) τ−J L −1 (C ′ + d) 1} dt + (Ω U K -1 J M -J L -1 J M) θ M '+ (Ω U K -1 B M -J L -1 B M) θ M ... (7a-2) d 1 = Ω d ｛∫ (τ−B L θ L1 ′ −C′−d 1 ) dt−J L θ L1 ′ −J M θ M ′ −B M θ M … (7a-3) or ε 1 = ∫ ｛−Ω e ε 1 −θ L1 ′ −Ω e K −1 τ｝ dt + Ω e K −1 J M θ M ′ + (Ω e K −1 B M −1) θ M (7b-1) θ L1 ′ = ∫ ｛−Ω U ε 1 −J L −1 B L θ L1 ′ + (J L −1 −Ω U K −1 ) τ−J L −1 (C ′ + d 1 )｝ dt + ( Ω U K -1 J M -J L -1 J M) θ M '+ (Ω U K -1 B M -J L -1 B M) θ M ... (7b-2 ) D 1 = ω d ｛∫ (τ−B L θ L1 ′ −C′−d 1 ) dt−J L θ L1 ′ −J M θ M ′ −B M θ M … (7b-3) , d 1 is the estimated value of the disturbance torque d, which is also included in the feedback amount Z. Thus, the device A2, observer disturbance torque other than the nominal value of the nonlinear term 5
By performing the estimation, the estimation accuracy can be further improved.
【０００９】引き続いて，他の実施例に係るモータ駆動
系の制御装置Ａ１′（Ａ２′）について図２を参照して
略述する。図２に示す如く，装置Ａ１′（Ａ２′）は，
複数のモータ１と，複数のモータ１によりバネ要素２を
介して駆動される複数の機械部３とからなるモータ駆動
系を制御対象４とする。そして，オブザーバ５が，制御
対象４にそれぞれ入力される各モータ１の発生トルクあ
るいは指令トルクτと，制御対象４からそれぞれ出力さ
れる各モータ１のモータ角度θM 及びモータ角速度
θM ′と，各機械部３の負荷トルクの非線形項の公称値
Ｃ′とがそれぞれ入力され，各モータ１のモータ角度θ
M ，モータ角速度θM ′，各機械部３の関節角度θL ，
関節角速度θL ′，及び未知の外乱トルクを状態変数と
し，各モータ１の発生トルクあるいは指令トルクτと，
各機械部３の負荷トルクの非線形項の公称値Ｃ′とを入
力項とする状態方程式を用いて制御対象４がモデル化さ
れ，各機械部３の関節角度θL ，関節角速度θL ′，及
び未知の外乱トルクが推定されるように構成されてい
る。この場合は，上記（１）〜（７ｂ−３）式において
一次元の変数として扱っていた各パラメータθM ，
θL ，ＪM ，ＪL ，ＢM ，ＢL ，Ｋ，τ，ｄ，Ｃ，など
を θM ：モータ角度を示すベクトル，θL ：関節角度ベクトル ＪM ：モータの慣性行列 ，ＪL ：リンク部の慣性行列 ＢM ：モータの粘性係数行列 ，ＢL ：リンク粘性等の関節角速度ベクトル θL ′に起因する係数行列 ，Ｋ: 関節のバネ係数行列 τ：トルクベクトル ，ｄ：負荷変数などの負荷トルクベクトル Ｃ：各軸の干渉や重力等の非線形項を示すベクトル なるベクトルや行列式にそれぞれ置き換えることによっ
て得られる多入力多出力系の状態推定オブザーバを用い
るが，基本的には装置Ａ１′は前記装置Ａ１に，装置Ａ
２′は前記装置Ａ２にそれぞれ対応した構成となってい
る。このように，装置Ａ１′（Ａ２′）では，モータ駆
動系の例えばロボット，ＮＣ等の各軸毎にオブザーバを
適用するのではなく，全軸を１つのシステムとして扱
い，全軸に対して１つのオブザーバ５でカバーすること
によって，他の軸の機械共振による振動も含めて推定で
きる。従って，複数のモータ１と複数の機械部３とから
なるモータ駆動系についても推定精度の向上を図ること
ができる。更に，バネ要素の非線形特性をオブザーバ５
に取り込む場合について説明する。通常歯車等のバネ要
素はヒステリシス，バックラッシュ，不感帯等の非線形
特性を有し，この非線形特性がフィードバック量の推定
精度に影響を及ぼす場合がある。この場合は，上記
（１）〜（７ｂ−３）式中のバネ係数（又はバネ係数行
列）Ｋを，モータ１と機械部３の角度θM ，θL あるい
は歪量ε（＝θL −θM ）の関数Ｋ（θL ，θM ）やＫ
（ε）などで表し，バネ要素２のヒステリシスやバック
ラッシュや不感帯などの非線形特性を記述した状態推定
オブザーバを用いる。バネ要素２の非線形特性を記述し
た関数の一例としては，図３（ａ），（ｂ）に示す様な
ものが考えられる。Next, a control device A1 '(A2') for a motor drive system according to another embodiment will be briefly described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the device A1 '(A2')
A motor drive system including a plurality of motors 1 and a plurality of mechanical units 3 driven by the plurality of motors 1 via spring elements 2 is set as a control target 4. Then, the observer 5 outputs the generated torque or command torque τ of each motor 1 input to the control target 4, the motor angle θ M and the motor angular velocity θ M ′ of each motor 1 output from the control target 4, respectively, The nominal value C ′ of the nonlinear term of the load torque of each mechanical unit 3 is input, and the motor angle θ of each motor 1 is
M , motor angular velocity θ M ′, joint angle θ L of each mechanical section 3,
Using the joint angular velocity θ L ′ and the unknown disturbance torque as state variables, the generated torque of each motor 1 or the command torque τ,
The controlled object 4 is modeled using a state equation using the nominal value C 'of the nonlinear term of the load torque of each mechanical unit 3 as an input term, and the joint angle θ L , joint angular velocity θ L ', And an unknown disturbance torque are estimated. In this case, the parameters θ M , which were treated as one-dimensional variables in the above equations (1) to (7b-3),
θ L , J M , J L , B M , B L , K, τ, d, C, etc. θ M : vector indicating motor angle, θ L : joint angle vector J M : inertia matrix of motor, J L : Link matrix inertia matrix B M : Motor viscosity coefficient matrix, B L : Coefficient matrix caused by joint angular velocity vector θ L ′ such as link viscosity, K : Joint spring coefficient matrix τ: Torque vector, d: Load variable Load torque vector C: vector indicating nonlinear terms such as interference of each axis and gravity, etc. A state estimation observer of a multi-input multi-output system obtained by substituting into a vector and a determinant is used. A1 'is connected to the device A1
2 'has a configuration corresponding to the device A2. As described above, in the device A1 '(A2'), instead of applying an observer to each axis of a motor drive system, for example, a robot or NC, all the axes are treated as one system, and one axis is used for all the axes. Covering with one observer 5 enables estimation including vibration due to mechanical resonance of other axes. Therefore, the estimation accuracy can be improved for a motor drive system including a plurality of motors 1 and a plurality of mechanical units 3. Furthermore, the non-linear characteristic of the spring element is
The following describes a case where the data is taken into the device. A spring element such as a normal gear has nonlinear characteristics such as hysteresis, backlash, and dead zone, and this nonlinear characteristic may affect the estimation accuracy of the feedback amount. In this case, the spring coefficient (or spring coefficient matrix) K in the above equations (1) to (7b-3) is determined by the angle θ M , θ L or the amount of strain ε (= θ L − θ M ) or K (θ L , θ M ) or K
(Ε) or the like, and a state estimation observer describing non-linear characteristics such as hysteresis, backlash and dead zone of the spring element 2 is used. As an example of the function describing the non-linear characteristic of the spring element 2, the one shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) can be considered.
【００１０】このように，バネ要素２の非線形特性をオ
ブザーバ５に取り込むことによって状態変数の推定精度
を向上させることができる。更に，モータ１の電流ルー
プの動特性をオブザーバ５に取り込む場合について説明
する。電流ループの動特性を正確に記述するためには，
ＡＣモータなどでは各相を静止座標系のｄ−ｑ軸に座標
変換した後に動特性を記述すればよいが，ここでは簡単
化のため電流ループの動特性を一次遅れ系あるいは二次
遅れ系で記述する。一次遅れ系での記述例を以下に示
す。 τ＝１／（１＋ＴIS）×τREF …（８） ここで，τはモータ１の発生トルクを表し，τREF はト
ルク指令値，ＴI は電流ループの時定数である。この
（８）式を前述の運動方程式（１）に加え，状態方程式
（６ａ）式と対応する状態方程式を導けば，以下の通り
となる。As described above, by incorporating the non-linear characteristics of the spring element 2 into the observer 5, the estimation accuracy of the state variable can be improved. Further, a case where the dynamic characteristic of the current loop of the motor 1 is taken into the observer 5 will be described. To accurately describe the dynamic characteristics of the current loop,
In the case of an AC motor or the like, the dynamic characteristics may be described after each phase is coordinate-transformed to the dq axes of the stationary coordinate system. However, for simplicity, the dynamic characteristics of the current loop are described by a first-order or second-order lag system. Describe. A description example in the first-order lag system is shown below. τ = 1 / (1 + T IS ) × τ REF (8) Here, τ represents a generated torque of the motor 1, τ REF is a torque command value, and T I is a time constant of a current loop. This equation (8) is added to the above-mentioned equation of motion (1), and the state equation (6a) and the corresponding state equation are derived as follows.
【数９】 この状態方程式（９ａ）に対して同一次元あるいは最小
次元などの次元を落とした状態推定オブザーバを用い
る。このように，モータ１の電流ループの動特性をオブ
ザーバ５に取り込むことによってもフィードバック量Ｚ
の推定精度を向上させることができる（特に電流ループ
の動特性が遅いシステムではこの効果が顕著なものとな
る）。以上のように，本実施例によればいずれも状態変
数の推定精度を向上させて，より正確な制御を行い得る
モータ駆動系の制御装置を得ることができる。尚，上記
実施例装置Ａ１（Ａ２）では，同一次元あるいは最小次
元のオブザーバについて説明したが，実使用に際しては
更に高次元のものを用いても何ら支障はない。尚，上記
実施例装置Ａ１′（Ａ２′）では，複数のモータ１と複
数の機械部３とをバネ要素を介して１対１で連結したモ
ータ駆動系を例示したが，実使用に際しては単数のモー
タに複数の機械部を連結したモータ駆動系や複数のモー
タに単数の機械部を連結したモータ駆動系についても同
様の装置を得ることができる。尚，上記実施例装置Ａ１
（Ａ２），Ａ１′（Ａ２′）では，既知の外乱要素とし
て計算機により算出した非線形項の公称値Ｃ′を用いた
が，実使用に際しては公称値の代りに時々刻々変化する
非線形項そのものを検出してこれを直接オブザーバ５に
入力することも考えられる。(Equation 9) For this state equation (9a), a state estimation observer in which dimensions such as the same dimension or the minimum dimension are reduced is used. As described above, the feedback amount Z can also be obtained by incorporating the dynamic characteristics of the current loop of the motor 1 into the observer 5.
Can be improved (especially in a system having a slow dynamic characteristic of the current loop). As described above, according to this embodiment, it is possible to obtain a motor drive system control device that can improve the estimation accuracy of state variables and perform more accurate control. In the apparatus A1 (A2) described above, the observer having the same dimension or the smallest dimension has been described. However, in actual use, a higher-dimensional observer does not cause any problem. In the apparatus A1 '(A2') described above, a motor drive system in which a plurality of motors 1 and a plurality of mechanical parts 3 are connected one to one via a spring element is exemplified. A similar device can be obtained for a motor drive system in which a plurality of mechanical parts are connected to a motor or a motor drive system in which a single mechanical part is connected to a plurality of motors. Note that the above-described embodiment apparatus A1
In (A2) and A1 '(A2'), the nominal value C 'of the nonlinear term calculated by the computer is used as the known disturbance element. However, in actual use, the nonlinear term itself that changes every moment instead of the nominal value is used. It is also conceivable to detect and directly input this to the observer 5.
【００１１】[0011]
【発明の効果】本発明は上記したように構成されている
ため，従来外乱要素として推定手段により推定していた
制御対象の非線形性やロボット，ＮＣ等で問題となる各
軸の干渉等の負荷トルクの非線形項の公称値を有効利用
することにより，上記フィードバック量の推定精度を向
上させることができる。この推定精度の向上に伴い，モ
ータ駆動系の状態フィードバックゲインを上げることが
でき，より正確にモータ駆動系を制御することができ
る。更に，上記非線形項の公称値以外の外乱トルクを上
記推定手段により推定することにより，その推定精度を
より向上させることができる。また，複数のモータと複
数の被駆動部とからなるモータ駆動系の，例えばロボッ
ト，ＮＣ等の各軸毎に推定手段を適用するのではなく，
全軸を１つのシステムとして扱い，全軸に対して１つの
推定手段でカバーすることによって，他の軸の機械共振
による振動も外乱として推定できる。従って，複数のモ
ータと複数の被駆動部とからなるモータ駆動系について
も推定精度の向上を図ることができる。更に，バネ要素
のヒステリシス，バックラッシュ，不感帯等の非線形特
性を推定手段によるフィードバック量の推定に用いるこ
とによって，上記フィードバック量の推定精度を向上さ
せることができる。更にモータの電流ループの動特性を
推定手段によるフィードバック量の推定に用いることに
よっても，上記フィードバック量の推定精度を向上させ
ることができる。その結果，フィードバック量の推定精
度を向上させて，より正確な制御を行い得るモータ駆動
系の制御装置を得ることができる。Since the present invention is configured as described above, the load such as the non-linearity of the controlled object and the interference of each axis which is a problem in the robot, NC, etc., which has been conventionally estimated by the estimation means as a disturbance element. By effectively utilizing the nominal value of the non-linear term of the torque, the estimation accuracy of the feedback amount can be improved. With the improvement of the estimation accuracy, the state feedback gain of the motor drive system can be increased, and the motor drive system can be controlled more accurately. Further, the estimation accuracy can be further improved by estimating the disturbance torque other than the nominal value of the non-linear term by the estimating means. Also, instead of applying estimating means to each axis of a motor drive system including a plurality of motors and a plurality of driven parts, for example, a robot, NC, etc.,
By treating all axes as one system and covering all axes with one estimation means, vibration due to mechanical resonance of other axes can be estimated as disturbance. Therefore, the estimation accuracy can be improved for a motor drive system including a plurality of motors and a plurality of driven parts. Further, by using the non-linear characteristics of the spring element such as hysteresis, backlash and dead zone for estimating the amount of feedback by the estimating means, the accuracy of estimating the amount of feedback can be improved. Further, by using the dynamic characteristic of the current loop of the motor for estimating the feedback amount by the estimating means, it is possible to improve the estimation accuracy of the feedback amount. As a result, it is possible to improve the accuracy of estimating the feedback amount and obtain a motor drive system control device that can perform more accurate control.
【図１】 本発明の一実施例及び参考例に係るモータ駆
動系の制御装置Ａ２（Ａ１）の概略構成を示すブロック
図。FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a motor drive system control device A2 (A1) according to one embodiment and a reference example of the present invention.
【図２】 本発明の他の実施例に係るモータ駆動系の制
御装置Ａ１′( Ａ２′）の概略構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a motor drive system control device A1 ′ (A2 ′) according to another embodiment of the present invention.
【図３】 バネ要素の非線形特性を示すグラフ（ａ），
（ｂ）。FIG. 3 is a graph (a) showing non-linear characteristics of a spring element,
(B).
【図４】 従来のモータ駆動系の制御装置Ａ01( Ａ02）
の一例における概略構成を示すブロック図。FIG. 4 shows a conventional motor drive system controller A 01 (A 02 ).
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration in one example.
Ａ１，Ａ２，Ａ１′，Ａ２′…モータ駆動系の制御装置 １…モータ ２…バネ要素 ３…機械部 ４…制御対象 ５…オブザーバ（推定手段に相当） Ｃ′…非線形項の公称値 A1, A2, A1 ', A2': Control device of motor drive system 1: Motor 2: Spring element 3: Machine part 4: Control target 5: Observer (corresponding to estimation means) C ': Nominal value of nonlinear term
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今泉 吉規 愛知県豊橋市三弥町字中原１−２ 株式 会社神戸製鋼所 豊橋ＦＡ・ロボットセ ンター内 (72)発明者 中上 敬之 愛知県豊橋市三弥町字中原１−２ 株式 会社神戸製鋼所 豊橋ＦＡ・ロボットセ ンター内 (56)参考文献 特開 平１−296301（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−281381（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02P 5/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yoshinori Imaizumi 1-2 Nakahara, Miya-machi, Toyohashi-shi, Aichi Kobe Steel, Ltd. Toyohashi FA / Robot Center (72) Inventor Takayuki Nakagami Mitsaya, Toyohashi-shi, Aichi Town character Nakahara 1-2 Kobe Steel, Ltd. Toyohashi FA / Robot Center (56) References JP-A-1-296301 (JP, A) JP-A-4-281381 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 6 , DB name) H02P 5/00
Claims (6)
械部とからなり，該モータと該機械部とがバネ要素を介
して結合されており，上記モータの発生トルクあるいは
指令トルクと，上記機械部の負荷トルクの非線形項とが
入力され，上記モータのモータ角度及びモータ角速度が
出力されるモータ駆動系を制御対象とし， 上記制御対象に入力される上記モータの発生トルクある
いは指令トルクと，上記制御対象から出力される上記モ
ータのモータ角度及びモータ角速度と，上記機械部の負
荷トルクの非線形項の公称値とが入力され，上記モータ
のモータ角度，モータ角速度，上記機械部の関節角度，
関節角速度，及び未知の外乱トルクを状態変数とし，上
記モータの発生トルクあるいは指令トルクと，上記機械
部の負荷トルクの非線形項の公称値とを入力項とする状
態方程式を用いて上記制御対象をモデル化し，上記機械
部の関節角度，関節角速度，及び未知の外乱トルクを推
定する推定手段を備え，上記機械部には，該機械部と上記モータとの変位によっ
て発生する該バネ要素のバネ力と非線形項とが少なくと
も作用し，該モータには，該バネ力の反力と，該モータ
自身が発生する駆動力とが少なくとも作用し，該機械部
に作用する力と該機械部の慣性力との釣り合い関係と，
該モータに作用する力と該モータの慣性力との釣り合い
関係とから制御モデルを与えるとともに，該制御モデル
において，該非線形項の公称値を該機械部に作用する入
力とするとともに上記機械部に上記バネ力と上記非線形
項とともに外乱力が作用するものとして，該駆動力を該
モータに作用する入力としてそれぞれ扱い，該制御モデ
ルに基づいて上記推定手段は構成され， 上記推定手段により推定された上記機械部の関節角度，
関節角速度，及び未知の外乱トルクをフィードバックし
て上記制御対象に入力してなることを特徴とするモータ
駆動系の制御装置。1. A motor comprising: a motor; and a mechanical unit driven by the motor , wherein the motor and the mechanical unit are connected via a spring element.
The motor drive system to which the generated torque or command torque of the motor and the non-linear term of the load torque of the mechanical section are input and the motor angle and the motor angular velocity of the motor are output is controlled. The generated torque or command torque of the motor input to the controlled object, the motor angle and motor angular velocity of the motor output from the controlled object, and the nominal value of the nonlinear term of the load torque of the mechanical unit are input. The motor angle, motor angular velocity, joint angle of the mechanical part,
Using the joint angular velocity and the unknown disturbance torque as state variables, the control target is determined using a state equation in which the generated torque or command torque of the motor and the nominal value of the nonlinear term of the load torque of the mechanical section are input terms. Estimation means for modeling and estimating joint angles, joint angular velocities, and unknown disturbance torques of the mechanical unit are provided. The mechanical unit is provided with a displacement between the mechanical unit and the motor.
The spring force of the spring element and the nonlinear term
Also acts on the motor, the reaction force of the spring force and the motor
At least the driving force generated by itself acts on the mechanical part.
The balance between the force acting on the machine and the inertial force of the mechanical part,
Balance between the force acting on the motor and the inertia force of the motor
A control model from the relationship and the control model
The nominal value of the nonlinear term
The spring force and the nonlinearity
Assuming that a disturbance force acts together with the term
Treated as inputs acting on the motor,
The estimating means is configured on the basis of the joint angle of the mechanical part estimated by the estimating means,
A control device for a motor drive system, wherein a joint angular velocity and an unknown disturbance torque are fed back and input to the control target.
械部とからなり，該モータと該機械部とが弾性体を介し
て結合されており，上記モータの発生トルクあるいは指
令トルクτと，上記機械部の負荷トルクの非線形項Ｃと
が入力され，上 記モータのモータ角度θ M 及びモータ角
速度θ M ′が出力されるモータ駆動系を制御対象とし， 上記制御対象に入力される上記モータの発生トルクある
いは指令トルクτと，上記制御対象から出力される上記
モータのモータ角度θ M 及びモータ角速度θ M ′と，上
記機械部の負荷トルクの非線形項の公称値Ｃ′とが入力
され，上記モータのモータ角度θ M ，モータ角速度
θ M ′，上記機械部の関節角度θ L ，関節角速度
θ L ′，及び上記非線形項のモデル化誤差Ｃ−Ｃ′と負
荷変動による負荷トルクｄとを含む未知の外乱トルクＤ
を状態変数とし，上記モータの発生トルクあるいは指令
トルクτと，上記機械部の負荷トルクの非線形項の公称
値Ｃ′とを入力項とする，式（６ａ）又は式（６ｂ）で
表される状態方程式を用いて上記制御対象をモデル化
し，上記機械部の関節角度，関節角速度，及び未知の外
乱トルクを推定する推定手段を備え， 上記推定手段により推定された上記機械部の関節角度，
関節角速度，及び未知の外乱トルクをフィードバックし
て上記制御対象に入力してなることを特徴とするモータ
駆動系の制御装置。 【数１】 但し， Ｊ M ：モータイナーシャ ，Ｊ L ：リンクイナーシャ Ｂ M ：モータの粘性係数 ，Ｂ L ：リンクの粘性係数など関節角速 度θ L ′に起因する項 ，Ｋ：関節のバネ係数 ε：歪み量（＝θ L −θ M ） 2. A motor and a machine driven by the motor.
The motor and the mechanical part are connected via an elastic body.
The torque generated by the motor or the finger
And the nonlinear term C of the load torque of the mechanical part
There is inputted, the motor angle of the upper SL motor theta M and the motor angular
The motor drive system that outputs the speed θ M ′ is the control target, and the generated torque of the motor input to the control target is
Or the command torque τ and the above
Motor angle θ M and motor angular velocity θ M ′
Input the nominal value C 'of the nonlinear term of the load torque of the mechanical part
Motor angle θ M , motor angular velocity
θ M ′, joint angle θ L of the above mechanical part , joint angular velocity
θ L ′, and the modeling error C−C ′ of the nonlinear term and the negative
Unknown disturbance torque D including load torque d due to load fluctuation
Is the state variable, the torque generated by the motor or the command
Nominal value of torque τ and nonlinear term of load torque of above mechanical part
Equation (6a) or (6b) using the value C ′ as an input term
Model the above controlled object using the expressed state equation
And the joint angles, joint angular velocities, and unknown
Estimating means for estimating turbulent torque, the joint angle of the mechanical part estimated by the estimating means,
Feedback on joint angular velocity and unknown disturbance torque
A motor input to the control object by using
Drive system controller. (Equation 1) However, J M: motor inertia, J L: Link Inertia B M: viscosity coefficient of the motor, B L: Links term due to the viscosity coefficient joint angle velocity theta L like ', K: spring constant of the joint epsilon: Distortion Amount (= θ L −θ M )
ータによりそれぞれバネ要素を介して駆動される複数の
機械部とからなり， 上記推定手段が，上記制御対象にそれぞれ入力される各
モータの発生トルクあるいは指令トルクと，上記制御対
象からそれぞれ出力される各モータのモータ角度及びモ
ータ角速度と，各機械部の負荷トルクの非線形項の公称
値とがそれぞれ入力され，各モータのモータ角度，モー
タ角速度，各機械部の関節角度，関節角速度，及び上記
未知の外乱トルクを状態変数とし，各モータの発生トル
クあるいは指令トルクと，各機械部の負荷トルクの非線
形項の公称値とを入力項とする上記状態方程式を用いて
上記制御対象をモデル化し，各機械部の関節角度，関節
角速度，及び上記未知の外乱トルクを推定してなる請求
項１又は２に記載のモータ駆動系の制御装置。3. The control object comprises: a plurality of motors; and a plurality of mechanical units driven by the respective motors via respective spring elements. , The motor angle and motor angular velocity of each motor output from the control object, and the nominal value of the non-linear term of the load torque of each mechanical part, respectively. motor angular velocity, joint angle of each machine section, joint angular velocity, and the <br/> the unknown disturbance torque state variables, and the generated torque or the command torque of the motors, the nominal value of the nonlinear term of the load torque of each machine section modeling the controlled object using the above equation of state and input term bets, joint angle, joint angular velocity of each machine section, and an estimate of the unknown disturbance torque The control device for a motor drive system according to claim 1.
を介して該モータにより駆動される機械部とからなり，
上記モータの発生トルクあるいは指令トルクが入力さ
れ，上記モータのモータ角度及びモータ角速度が出力さ
れるモータ駆動系を制御対象とし， 上記制御対象に入力される上記モータの発生トルクある
いは指令トルクと，上記制御対象から出力される上記モ
ータのモータ角度及びモータ角速度とが入力され，上記
モータのモータ角度，モータ角速度，及び上記機械部の
関節角度，関節角速度を状態変数に含み，上記モータの
発生トルクあるいは指令トルクを入力項に含む状態方程
式を用いると共に，上記状態方程式に含まれるバネ定数
を上記モータのモータ角度及び機械部の関節角度に基づ
く歪み量の非線形関数として表して上記制御対象をモデ
ル化し，上記機械部の関節角度，関節角速度を推定する
推定手段を備え，上記機械部には，該機械部と上記モータとの変位によっ
て発生する該バネ要素のバネ力と非線形項とが少なくと
も作用し，該モータには，該バネ力の反力と，該モータ
自身が発生する駆動力とが少なくとも作用し，該機械部
に作用する力と該機械部の慣性力との釣り合い関係と，
該モータに作用する力と該モータの慣性力との釣り合い
関係とから制御モデルを与えるとともに，該制御モデル
において ，上記機械部に上記バネ力と上記非線形項とと
もに外乱力が作用するものとして，該駆動力を該モータ
に作用する入力としてそれぞれ扱い，該制御モデルに基
づいて上記推定手段は構成され， 上記推定手段により推定された上記機械部の関節角度，
関節角速度をフィードバックして上記制御対象に入力し
てなることを特徴とするモータ駆動系の制御装置。4. A motor comprising: a motor; and a mechanical unit driven by the motor via a spring element having nonlinear characteristics.
A motor drive system to which a generated torque or a command torque of the motor is input and a motor angle and a motor angular velocity of the motor are output is to be controlled, and the generated torque or the command torque of the motor input to the control target is The motor angle and the motor angular velocity of the motor output from the control object are input, and the motor angle, the motor angular velocity of the motor, the joint angle and the joint angular velocity of the mechanical unit are included in state variables , and the torque generated by the motor or Modeling the controlled object by using a state equation including the command torque in the input term and expressing the spring constant included in the state equation as a nonlinear function of the amount of distortion based on the motor angle of the motor and the joint angle of the mechanical unit, Estimating means for estimating a joint angle and a joint angular velocity of the mechanical unit are provided. Due to the displacement between the mechanical part and the motor
The spring force of the spring element and the nonlinear term
Also acts on the motor, the reaction force of the spring force and the motor
At least the driving force generated by itself acts on the mechanical part.
The balance between the force acting on the machine and the inertial force of the mechanical part,
Balance between the force acting on the motor and the inertia force of the motor
A control model from the relationship and the control model
In the above , the above-mentioned spring force and the above-mentioned nonlinear term
The driving force is applied to the motor
Are treated as inputs acting on the control model.
The estimating means is configured to calculate the joint angle of the mechanical part estimated by the estimating means,
A motor drive system control device characterized in that the joint angular velocity is fed back and input to the control object.
Ｋを介して該モータにより駆動される機械部とからな
り，上記モータの発生トルクあるいは指令トルクτが入
力され，上記モータのモータ角度θ M 及びモータ角速度
θ M ′が出力されるモータ駆動系を制御対象とし， 上記制御対象に入力される上記モータの発生トルクある
いは指令トルクτと，上記制御対象から出力される上記
モータのモータ角度θ M 及びモータ角速度θ M ′とが入
力され，上記モータのモータ角度θ M ，モータ角速度θ
M ′，及び上記機械部の関節角度θ L ，関節角速度
θ L ′を状態変数に含み，上記モータの発生トルクある
いは指令トルクτを入力項に含む，式（６ａ）又は（６
ｂ）で表される状態方程式を用いると共に，上記状態方
程式に含まれるバネ定数Ｋを上記モータのモータ角度θ
M 及び機械部の関節角度θ L に基づく歪み量εの非線形
関数として表して上記制御対象をモデル化し，上記機械
部の関節角度，関節角速度を推定する推定手段を備え， 上記推定手段により推定された上記機械部の関節角度，
関節角速度をフィードバックして上記制御対象に入力し
てなることを特徴とするモータ駆動系の制御装置。 【数２】 但し， Ｊ M ：モータイナーシャ ，Ｊ L ：リンクイナーシャ Ｂ M ：モータの粘性係数 ，Ｂ L ：リンクの粘性係数など関節角速 度θ L ′に起因する項 ，Ｋ：関節のバネ係数 ｄ：負荷変動などの負荷トルク ，Ｃ：各軸の干渉や重力等の非線形項 Ｃ′：上記非線形項の公称値 ，Ｄ：未知の外乱トルク ε：歪み量（＝θ L −θ M ） 5. A motor and a spring element having a non-linear characteristic
And a mechanical unit driven by the motor through the K.
The torque generated by the motor or the command torque τ
The motor angle θ M and motor angular velocity of the above motor
The motor drive system that outputs θ M ′ is the control target, and the generated torque of the motor input to the control target is
Or the command torque τ and the above
The motor angle θ M and the motor angular velocity θ M ′ are entered.
The motor angle θ M , motor angular velocity θ
M ′, joint angle θ L of the above mechanical part , joint angular velocity
θ L ′ is included in the state variables, and the generated torque of the motor
Equation (6a) or (6)
b) using the state equation
The spring constant K included in the equation is calculated as the motor angle θ of the above motor.
Nonlinearity of strain amount ε based on M and joint angle θ L of mechanical part
Model the above controlled object by expressing it as a function,
Estimating means for estimating joint angles and joint angular velocities of the mechanical parts, the joint angles of the mechanical parts estimated by the estimating means,
Feedback the joint angular velocity and input it to the above control object.
A control device for a motor drive system, comprising: (Equation 2) However, J M: motor inertia, J L: Link Inertia B M: viscosity coefficient of the motor, B L: term due to the viscosity coefficient joint angle velocity theta L like 'link, K: spring constant of the joints d: load Load torque such as fluctuation , C: Non-linear term such as interference of each axis or gravity, C ': Nominal value of the above-mentioned non-linear term , D: Unknown disturbance torque ε: Distortion amount (= θ L −θ M )
推定手段による上記状態変数の推定に用いてなることを
特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のモータ
駆動系の制御装置。6. The control of the motor drive system according to any one of claims 1-5, characterized in that the dynamic characteristics of the current loop of the motor formed by using the estimation of the state variables by the estimating means apparatus.
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| JP5024166A JP2869281B2 (en) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | Motor drive system controller |
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| JP5024166A JP2869281B2 (en) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | Motor drive system controller |
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|---|---|---|---|---|
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