JP6502634B2 - Control device - Google Patents
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Description
本発明は、いわゆる2慣性系としてモデル化可能な制御対象を制御するための技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for controlling a control target that can be modeled as a so-called two-inertia system.
下記において、右肩の(n)は、明細書末尾の参考文献番号を示す。 In the following, (n) on the right shoulder indicates a reference number at the end of the specification.
近年、エンコーダの高分解能化、低コスト化が進んでおり、安価になった高分解能エンコーダが様々な産業分野で使われるようになってきた。従来、工作機械や産業用ロボット、福祉ロボット等の分野では、駆動側エンコーダを用いて駆動側情報をフィードバックするセミクローズド制御が一般に行なわれていた(1)(2)。しかしセミクローズド制御では、モータと負荷との間の軸ねじれにより、最終位置決めをする負荷側における位置決め精度が劣化してしまう。駆動側だけでなく負荷側にもエンコーダを用いてフィードバックするフルクローズド制御をすることで、最終位置決め精度を上げることができるため、工作機械等の分野では負荷側にもエンコーダを用いるようになってきている。産業用ロボットでは負荷側にエンコーダを付けることが困難とされてきたが、負荷側にエンコーダを備える産業用ロボットモジュールも近年提案されてきている。このように、今後最終位置決め精度の向上を狙い、負荷側にエンコーダを備える装置の利用は拡大していくと考えられる。 In recent years, high resolution and low cost encoders have been developed, and inexpensive high resolution encoders have come to be used in various industrial fields. Conventionally, in the field of machine tools, industrial robots, welfare robots, etc., semi-closed control is generally performed in which drive side information is fed back using a drive side encoder (1) (2) . However, in the semi-closed control, the axial torsion between the motor and the load degrades the positioning accuracy on the load side for final positioning. Since the final positioning accuracy can be improved by performing full-closed control by using an encoder for feedback not only on the drive side but also on the load side, encoders are also used on the load side in the field of machine tools etc. ing. In the industrial robot, it has been considered difficult to attach an encoder on the load side, but in recent years, industrial robot modules having an encoder on the load side have also been proposed. Thus, it is thought that the use of the apparatus provided with the encoder on the load side will be expanded from now on aiming at the improvement of the final positioning accuracy.
このような産業界の流れがあるにも関わらず、負荷側エンコーダを用いた研究が十分にされているとは言い難い。そこで本発明者らは、負荷側エンコーダを用いた制御法をこれまで提案してきた(3)〜(5)。今後エンコーダの低コスト化により、負荷側におけるエンコーダの利用はますます広がっていくと思われるため、駆動側と負荷側の双方のエンコーダ情報が得られる系における新たな制御法が求められている。 Despite the industrial flow like this, it is difficult to say that research using the load side encoder has been sufficiently performed. Therefore, the inventors have proposed a control method using a load side encoder (3) to (5) . In the future, the cost reduction of encoders is expected to further expand the use of encoders on the load side, and a new control method in a system that can obtain encoder information on both the drive side and the load side is required.
そこで、本発明者らは、負荷側エンコーダを用いた軸トルク制御法の研究を行っている。2慣性系における軸トルクを制御することによって、産業用ロボットにおいては組立作業などの高度な作業が可能となると考えられる。また、福祉用ロボットあるいはEV(Electric Vehicle)においては、利便性や安全性の向上を図ることができ、さらにはバックドライバビリティを実現できると考えられる(6)(7)。 Therefore, the present inventors are studying an axial torque control method using a load side encoder. By controlling the axial torque in the two-inertia system, it is considered that in the industrial robot, high-level operations such as assembly operations become possible. In addition, in the robot for welfare or EV (Electric Vehicle), it is possible to improve the convenience and the safety, and it is considered that the back drivability can be realized (6, 7) .
バックドライバビリティが求められるウェアラブルロボット等の分野においては、Serial Elastic Actuator (SEA)がよく用いられている(8)(9)。一般に制御対象が剛性の低い要素を持つ場合、制御性能は劣化するため、制御対象の剛性はできるだけ高くすることが望ましい(10)。SEAは、柔軟なばね要素を持つことで、制御性能を犠牲にしてバックドライバビリティを確保したアクチュエータと言える。 In the field of wearable robots and the like where back drivability is required, Serial Elastic Actuators (SEA) are often used (8) (9) . Generally, when the control target has an element with low rigidity, the control performance is degraded, so it is desirable to make the rigidity of the control target as high as possible (10) . The SEA can be said to be an actuator with back drivability secured at the expense of control performance by having a flexible spring element.
また従来の軸トルク制御法として,トルクセンサを用いて軸トルクを制御する方式がある。しかしながら、トルクセンサを用いると、センサ部分が変形するため、系全体の剛性を下げることになる。 Also, as a conventional shaft torque control method, there is a method of controlling shaft torque using a torque sensor. However, if a torque sensor is used, the rigidity of the entire system is reduced because the sensor portion is deformed.
したがって、剛性を下げる要因となるトルクセンサを用いず、またSEAのようにハードウェアを変更することなく軸トルクを制御する方法が望まれている。本発明により、減速機を有するサーボモータのバックドライバビリティを実現することも可能になると考えられる。 Therefore, there is a need for a method of controlling the axial torque without using a torque sensor that causes a reduction in rigidity and without changing the hardware as in the SEA. According to the present invention, it is considered possible to realize the back drivability of a servomotor having a reduction gear.
本発明は、前記の状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、負荷側の位置情報を用いて、動力伝達部で伝達される動力を制御する技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above situation. The main object of the present invention is to provide a technique for controlling the power transmitted by the power transmission unit using position information on the load side.
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。 The means for solving the above-mentioned problems can be described as the following items.
(項目1)
駆動部と、動力伝達部と、負荷部と、駆動側位置検出部と、負荷側位置検出部と、制御部とを備えており、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部は、前記負荷側位置情報と、前記駆動側位置情報とを用いて、前記駆動部への指令値を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力を制御する構成となっている
制御装置。
(Item 1)
A drive unit, a power transmission unit, a load unit, a drive-side position detection unit, a load-side position detection unit, and a control unit;
The power transmission unit is configured to transmit power from the drive unit to the load unit.
The drive side position detection unit is configured to obtain drive side position information in the drive unit,
The load-side position detection unit is configured to acquire load-side position information in the load unit,
The control unit is configured to control the power transmitted by the power transmission unit by calculating a command value to the drive unit using the load-side position information and the drive-side position information. Control unit.
(項目2)
前記制御部は、非線形要素補償FF部を備えており、
前記非線形要素補償FF部は、前記動力伝達部における非線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている
項目1に記載の制御装置。
(Item 2)
The control unit includes a non-linear element compensation FF unit,
The control device according to
(項目3)
前記制御部は、駆動側位置FB部を備えており、
前記駆動側位置FB部は、前記駆動側位置情報を用いて、前記駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている
項目1又は2に記載の制御装置。
(Item 3)
The control unit includes a drive side position FB unit,
The control device according to
(項目4)
前記制御部は、動力FB部を備えており、
前記動力FB部は、前記駆動側位置情報を用いて推定した推定動力を用いて、前記動力伝達部における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている
項目1〜3のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 4)
The control unit includes a power FB unit,
The power FB unit is configured to perform feedback control of an estimated value of power in the power transmission unit using the estimated power estimated using the drive-side position information. Control device as described.
(項目5)
前記制御部は、駆動側位置FF部を備えており、
前記駆動側位置FF部は、前記駆動部に対する前記指令値に対して、実際の位置が位置指令値に一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている
項目1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 5)
The control unit includes a drive side position FF unit,
The drive-side position FF unit raises the control band at the drive-side position by performing feed-forward compensation on the command value to the drive unit such that the actual position matches the position command value. The control device according to any one of
(項目6)
前記駆動部は、回転型モータであり、
前記動力伝達部は、回転軸を用いて前記動力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記回転軸における軸トルクである
項目1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 6)
The drive unit is a rotary motor,
The power transmission unit is configured to transmit the power using a rotary shaft,
The control device according to any one of
(項目7)
前記位置は、角度又は角速度である
項目1〜6のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 7)
The control device according to any one of
(項目8)
前記駆動部は、リニアモータであり、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷側に並進力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記動力伝達部で伝達される並進力である
項目1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 8)
The drive unit is a linear motor,
The power transmission unit is configured to transmit a translational force from the drive unit to the load side.
The control device according to any one of
(項目9)
駆動部と、動力伝達部と、負荷部と、駆動側位置検出部と、負荷側位置検出部と、制御部とを備えた制御装置を用いており、
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部が、前記負荷側位置情報と、前記駆動側位置情報とを用いて、前記駆動部への指令値を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力を制御するステップを備える
制御方法。
(Item 9)
A control device including a drive unit, a power transmission unit, a load unit, a drive-side position detection unit, a load-side position detection unit, and a control unit is used.
The power transmission unit is configured to transmit power from the drive unit to the load unit.
The drive side position detection unit is configured to obtain drive side position information in the drive unit,
The load-side position detection unit is configured to acquire load-side position information in the load unit,
The control unit controls the power transmitted by the power transmission unit by calculating a command value to the drive unit using the load-side position information and the drive-side position information. Control method.
(項目10)
項目9に記載のステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
(Item 10)
A computer program for causing a computer to execute the steps according to item 9.
このコンピュータプログラムは、適宜な記録媒体(例えばCD−ROMやDVDディスクのような光学的な記録媒体、ハードディスクやフレキシブルディスクのような磁気的記録媒体、あるいはMOディスクのような光磁気記録媒体)に格納することができる。このコンピュータプログラムは、インターネットなどの通信回線を介して伝送されることができる。コンピュータプログラムを用いて制御部の構成を実現することが可能である。 This computer program can be used as an appropriate recording medium (eg, an optical recording medium such as a CD-ROM or a DVD disk, a magnetic recording medium such as a hard disk or a flexible disk, or a magneto-optical recording medium such as an MO disk). It can be stored. This computer program can be transmitted via a communication line such as the Internet. It is possible to realize the configuration of the control unit using a computer program.
本発明によれば、負荷側の位置情報を用いて、動力伝達部で伝達される動力を制御する技術を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the technique which controls the motive power transmitted with a power transmission part using the positional information on the load side.
(実施形態)
図1を参照して、本発明の一実施形態に係る制御装置を説明する。この制御装置は、駆動部1と、動力伝達部2と、負荷部3と、駆動側位置検出部4と、負荷側位置検出部5と、制御部6とを備えている。
(Embodiment)
A control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The control device includes a
動力伝達部2は、駆動部1から負荷部3に動力を伝達する構成となっている。動力伝達部2としては、例えば、ギア、ベルト、ボールねじなど、各種の機構を用いることができる。また、本実施形態では、柔軟性を持つ動力伝達部2を想定するが、物理的に完全な剛体は想定しがたいので、現実的に存在するすべての動力伝達機構は柔軟性を持つということができる。
The
駆動側位置検出部4は、駆動部1における駆動側位置情報を取得する構成となっている。駆動側位置検出部4は、例えばエンコーダを用いて実現することができる。
The drive side
負荷側位置検出部5は、負荷部3における負荷側位置情報を取得する構成となっている。負荷側位置検出部5も、例えばエンコーダを用いて実現することができる。
The load-side
ここで、この実施形態において位置とは、並進方向における位置や速度に限らず、回転部材における角度又は角速度を含む意味で用いる。 Here, in this embodiment, the position is not limited to the position or velocity in the translational direction, but is used in the meaning including the angle or angular velocity of the rotating member.
駆動部1は、例えば回転型モータである。この場合、動力伝達部2は、回転軸を用いて動力を伝達する構成とすることができる。また、この場合、動力を、回転軸における軸トルクとして把握することができる。
The
駆動部1は、例えばリニアモータであってもよい。この場合、動力伝達部2は、駆動部1から負荷側に並進力を伝達する構成とすることができる。また、この場合、動力を、動力伝達部2で伝達される並進力として把握することができる。
The
また、駆動部1を回転型モータとする一方で、動力伝達部2を、回転軸を用いて並進力を発生させるボールねじ機構を用いて構成することができる。この場合、動力を、回転軸における軸トルク、あるいは、ボールねじ機構で発生する並進力として把握することができる。
Further, while the
(制御部)
制御部6は、負荷側位置情報と、駆動側位置情報とを用いて、駆動部への指令値を算出することによって、動力伝達部で伝達される動力を制御する構成となっている。
(Control unit)
The
制御部6は、非線形要素補償FF部61と、駆動側位置FB部62と、動力FB部63と、駆動側位置FF部64とを備えている。
The
非線形要素補償FF部61は、動力伝達部2における非線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている。また、本実施形態の非線形要素補償FF部61は、非線形要素だけでなく、線形要素についても陽にフィードフォワード補償を行うものとなっている。
The non-linear element
駆動側位置FB部62は、駆動側位置情報を用いて、駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている。
The drive side
動力FB部63は、駆動側位置情報を用いて推定した推定動力を用いて、動力伝達部における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている。
The
駆動側位置FF部64は、駆動部に対する指令値に対して、実際の位置が位置指令値に一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている。
The drive-side
制御部6の具体的な構成と動作については、後述の実施例においてより詳しく説明する。
The specific configuration and operation of the
(実施例1)
以下、前記した実施形態の制御装置を具体化した実施例を説明する。以下の実施例の説明においては、前記した実施形態で用いた符号と基本的に共通する要素には、同じ符号を用いる。
Example 1
Hereafter, the Example which actualized the control apparatus of above-mentioned embodiment is described. In the following description of the embodiment, the same reference numerals are used for elements that are basically in common with the reference numerals used in the above-described embodiment.
(2慣性系について)
まず、本実施例が適用されるプラントは、いわゆる2慣性系である。ここで、2慣性系の概念を、図2を参照しながら説明する。このプラントでは、駆動部1として回転型モータが用いられている。駆動部1は、剛性(回転軸の場合は軸ねじれ剛性)Kを有する動力伝達部2を介して負荷部3を回転駆動するようになっている。
(About 2 inertia system)
First, a plant to which the present embodiment is applied is a so-called two-inertia system. Here, the concept of the two-inertia system will be described with reference to FIG. In this plant, a rotary motor is used as the
図2のプラントをモデリングして得たブロック線図を図3に示す。この図3では、駆動モータ(駆動部)の慣性モーメント、粘性摩擦係数、入力トルクをJM,DM,TMとし、負荷側(負荷部)の慣性モーメント、粘性摩擦係数、外乱をJL,DL,dL、回転軸の軸ねじれ剛性をK、動力伝達部2での減速比をRとした。また、軸トルクはTs、駆動側角度はθM、駆動側角速度はωM、負荷側角度はθL、負荷側角速度はωL、軸ねじれ角度はΔθである。
A block diagram obtained by modeling the plant of FIG. 2 is shown in FIG. In FIG. 3, the inertia moment, viscous friction coefficient, and input torque of the drive motor (drive unit) are J M , D M , and T M, and the inertia moment, viscous friction coefficient, disturbance of the load side (load portion) is J L , D L , d L , the axial torsional rigidity of the rotary shaft is K, and the reduction gear ratio of the
プラントは各種非線形要素を含む(11)。図3においては、プラントの動力伝達部2に含まれる非線形要素の内の1つであるバックラッシを不感帯(Dead zone)としてモデリングし表現している。
The plant contains various non-linear elements (11) . In FIG. 3, the backlash which is one of the non-linear elements included in the
なお、図3のプラントがとりうるパラメータ値の一例を下記表1に示す。 In addition, an example of the parameter value which the plant of FIG. 3 can take is shown in the following Table 1.
(軸トルク制御の先行研究)
軸トルク制御は、トルクセンサを用いる制御法(12)(13)と、トルクセンサを用いずに反力オブザーバを用いる制御法(14)(15)という2種類に大別できる。トルクセンサを用いる手法の場合、コストが高い、剛性の低下を招きプラント特性に影響を与えてしまう、センサの帯域が低い、センサノイズの影響を受ける等の問題点がある(16)。
(Preliminary research on shaft torque control)
The axial torque control can be roughly classified into two types, control methods (12) and (13) using a torque sensor, and control methods (14) and (15) using a reaction force observer without using a torque sensor. In the case of a method using a torque sensor, there are problems such as high cost, a decrease in rigidity, and an influence on plant characteristics, a low sensor bandwidth, and an influence of sensor noise (16) .
一方、反力オブザーバを用いる場合、機構の剛性を低下させる等のトルクセンサのようなデメリットを回避できる。 On the other hand, in the case of using a reaction force observer, it is possible to avoid the demerit like a torque sensor such as lowering the rigidity of the mechanism.
しかし、摩擦やモデル化誤差が含まれた力が推定されてしまうため、これらの成分を上手く取り除いて軸トルクを推定することが重要であり、多くの研究が行なわれている(17)。本実施例は、駆動側エンコーダ(駆動側位置検出部)で検出された駆動側位置情報を用いた反力オブザーバ(制御部の一例)により軸トルクを推定する。さらに本実施例では、負荷側エンコーダ情報(負荷側位置情報)を組み合わせることにより、より精密な軸トルク制御を可能にしようとするものである。 However, since forces including friction and modeling errors are estimated, it is important to estimate the axial torque by removing these components well, and many studies have been conducted (17) . In this embodiment, the axial torque is estimated by a reaction force observer (an example of a control unit) using the drive side position information detected by the drive side encoder (drive side position detection unit). Furthermore, in the present embodiment, by combining the load side encoder information (load side position information), more accurate shaft torque control is made possible.
(本実施例での制御法)
近年様々な分野で最終位置決め精度への要求の向上から負荷側でのエンコーダの利用が広がっていることを踏まえ、本実施例の制御法は、負荷側エンコーダ(負荷側位置検出部)を利用した2慣性系における軸トルク制御法となっている。駆動側と負荷側双方の情報が得られることから、この制御法においては、動力伝達部2における回転軸の軸ねじれ角速度を制御することができ、精密に軸トルクを制御することができる。また、軸ねじれ角速度を制御することができるため、バックラッシ等の軸ねじれ部の非線形要素補償を陽に考慮したFF(フィードフォワード)の制御器設計が可能となっている。
(Control method in this embodiment)
The control method of the present embodiment uses the load side encoder (load side position detection unit) in view of the widespread use of encoders on the load side in recent years as demand for final positioning accuracy increases in various fields. It is the axial torque control method in 2 inertia system. Since information on both the drive side and the load side can be obtained, in this control method, it is possible to control the axial twist angular velocity of the rotating shaft in the
本制御法で用いる制御部6を含むブロック線図を図4に示す。なお、この図において、CPは駆動側角速度のP制御器、CPIは軸トルクFB(フィードバック)制御のPI制御器、QFFは角速度制御のインナーループにおけるFF制御を実現するための1次のローパスフィルタ、Tsハットは外乱オブザーバで推定した軸トルク、Qは外乱オブザーバのローパスフィルタ、τpは擬似微分の時定数を示す。また、添え字のnはノミナル値、*は制御部への指令値を示す。図4のブロック線図の一部には、図3に示すプラント(制御対象)と実質的に等価なブロック線図が含まれている。
A block diagram including the
図4に示す制御系は、大きく3つの部分に分けて考えることができる。1つ目は、軸ねじれ角速度を制御するための駆動側角速度制御部、2つ目は軸トルク指令値から軸ねじれ角速度指令値を生成する軸トルクFF制御部、3つ目は駆動側反力オブザーバで推定した軸トルクのFB制御部である。 The control system shown in FIG. 4 can be roughly divided into three parts. The first is a drive-side angular velocity control unit for controlling the axial twist angular velocity, the second is an axial torque FF control unit that generates an axial twist angular velocity command value from the axial torque command value, and the third is a drive-side reaction force It is an FB control unit of the shaft torque estimated by the observer.
(駆動側角速度制御)
まず、1つ目の駆動側角速度制御部(駆動側位置FB部及び駆動側位置FF部に対応)に関して述べる。本制御法は、軸ねじれ角速度を制御することにより、軸トルク制御をする。コロケート系である駆動側角速度を制御したうえで,負荷側角速度を組み合わせて,軸ねじれ角速度を制御する。駆動側角速度制御は,2自由度制御となっており,フィードフォワード制御とフィードバック制御をする。ここで、図4より、軸ねじれ角速度Δωは式(1)により与えられる。
(Drive-side angular velocity control)
First, the first drive-side angular velocity control unit (corresponding to the drive-side position FB and the drive-side position FF) will be described. This control method performs axial torque control by controlling axial torsional angular velocity. After controlling the drive-side angular velocity, which is a co-located system, the axial twist angular velocity is controlled by combining the load-side angular velocity. The drive-side angular velocity control has two degrees of freedom control, and performs feedforward control and feedback control. Here, from FIG. 4, the axial twist angular velocity Δω is given by equation (1).
したがって、駆動側角速度の指令値は軸ねじれ角速度指令値と負荷側角速度を用いて式(2)のように生成できる。 Therefore, the command value of the drive side angular velocity can be generated as shown in equation (2) using the axial twist angular velocity command value and the load side angular velocity.
駆動側角速度は、逆モデルとして(JMns+DMn)を用いた外乱オブザーバを用いることと、Cpを用いたP制御をすることとにより制御される(駆動側位置FB部)。つまり、本例の駆動側位置FB部62は、駆動側位置情報ωMを用いて、駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている。また、駆動側角速度制御は2自由度制御になっており、制御帯域の向上を図っている。インナーループの帯域の向上により、アウターループである軸トルク制御(後述)の応答性の向上が期待できる。インナーループにおける角速度制御のFF制御(駆動側位置FF部)は、(JMns+DMn)にプロパーにするための1次のローパスフィルタQFFを用いて実現される。つまり、本例の駆動側位置FF部64は、駆動部1に対する指令値に対して、駆動部1の実際の位置(例えば実際の駆動側角速度又は角度)が位置指令値ω* Mに一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている。
The driving side angular velocity is controlled by using a disturbance observer using (J Mn s + D Mn ) as an inverse model and performing P control using Cp (driving side position FB unit). That is, the driving-side
(軸トルクFF制御)
次に、2つ目の軸トルクFF制御部(非線形要素補償FF部に相当)では、軸トルク指令値T* sを用いて、前記の式(2)で表わされる駆動側角速度指令値ω* Mを作る。図4に示されるΔωからTsへの逆モデルを考え、軸ねじれ剛性(線形要素)の逆数、非線形要素の逆関数、微分を用いてω* Mを生成する。微分は時定数τpの擬似微分により実現する。本実施例では、非線形要素としてバックラッシを想定し不感帯でモデリングするため、非線形要素補償として、不感帯の逆関数モデルを用いる。つまり、本例における非線形要素補償FF部61は、前記要素を用いてΔω*を生成し、これを用いて、動力伝達部2における非線形要素及び線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている。
(Axle torque FF control)
Next, in the second axial torque FF control unit (corresponding to the non-linear element compensation FF unit), using the axial torque command value T * s , the drive-side angular velocity command value ω * represented by the above equation (2) Make M Considering the inverse model from Δω to Ts shown in FIG. 4, ω * M is generated using the inverse of axial torsional stiffness (linear element), the inverse function of nonlinear element, and differentiation. Differentiation is realized by pseudo-differentiation of time constant τp. In this embodiment, since backlash is assumed as a non-linear element and modeling is performed with a dead zone, an inverse function model of the dead zone is used as non-linear element compensation. That is, the non-linear element
(軸トルクFB制御)
3つ目の軸トルクFB制御部(動力FB部)では、駆動側反力オブザーバで推定した軸トルクTsハットをFBし、PI制御により、Ts=(k/s)Δωに対して極配置をする。PI制御をすることで、定常偏差なく指令値に追従させることができる。駆動側反力オブザーバのローパスフィルタQの遅れを考慮し、軸トルク指令値T*sにもQを入れる。つまり、本例の動力FB部63は、駆動側位置情報ωMを用いて推定した推定動力Tsハットを用いて、動力伝達部2における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている。
(Axis torque FB control)
In the third shaft torque FB control unit (power FB unit), the shaft torque Ts hat estimated by the drive side reaction force observer is fed back, and the pole arrangement is performed for Ts = (k / s) Δω by PI control. Do. By performing PI control, it is possible to follow the command value without steady-state deviation. Considering the delay of the low-pass filter Q of the drive side reaction force observer, Q is also added to the axial torque command value T * s. That is, the
以上の構成を備えることにより、本例の制御部6は、全体として、負荷側位置情報ωLと、駆動側位置情報ωMとを用いて、駆動部1への入力値TM(つまり制御部からプラントへの指令値)を算出することによって、動力伝達部2で伝達される動力Ts(軸トルク)を制御する構成となっている。
By providing the above configuration, the
(シミュレーション)
前記で提案した制御系の有効性をシミュレーションによって検証をした。シミュレーションに使ったモデルは、図3に示す2慣性系モデルであり、パラメータは前記した表1の値を用いる。また簡単のため、特に明記の無い場合にはシミュレーションには非線形要素及び非線形補償要素は含まれていない。
(simulation)
The effectiveness of the control system proposed above was verified by simulation. The model used for the simulation is a two-inertia system model shown in FIG. 3, and the parameters use the values of Table 1 described above. Also for the sake of simplicity, non-linear elements and non-linear compensation elements are not included in the simulation unless otherwise specified.
(1)駆動側角速度制御器の設計
まず、駆動側角速度についてのP制御器は、帯域が180Hzとなるように設計をした。外乱オブザーバのカットオフ周波数は30Hzとした。外乱オブザーバにより軸トルクの反力の影響は非干渉化されていると考え、FF制御器のモデルとして(JMns+DMn)を用い、実現のために1次のカットオフ周波数1kHzのローパスフィルタを用いる。
(1) Design of Drive-side Angular Velocity Controller First, the P controller for the drive-side angular velocity was designed to have a band of 180 Hz. The cutoff frequency of the disturbance observer is 30 Hz. It is considered that the influence of the reaction force of the shaft torque is not interfered by the disturbance observer, and (J Mn s + D Mn ) is used as a model of the FF controller to realize a low pass of 1 kHz cutoff frequency for realization Use a filter.
(2)軸トルク制御器の設計と応答
軸トルクについてのPI制御器は、Ts=(k/s)Δωに対して極配置を行い、30Hzに重根極配置を行った。擬似微分のカットオフ周波数は1kHz、駆動側反力オブザーバのカットオフ周波数は30Hzとしている。トルクセンサを使うことを想定していないので、フィードバックされる軸トルク及び実験で検出できる軸トルクは駆動側反力オブザーバで推定した軸トルクとなるため、推定した軸トルクの特性をみる。なお、オブザーバやFF制御におけるモデル化誤差は与えていない。
(2) Design and Response of Shaft Torque Controller The PI controller for shaft torque performs pole arrangement with respect to Ts = (k / s) Δω, and performs multiple root arrangement at 30 Hz. The cutoff frequency of the pseudo differential is 1 kHz, and the cutoff frequency of the driving reaction force observer is 30 Hz. Since it is not assumed that a torque sensor is used, the shaft torque to be fed back and the shaft torque which can be detected by the experiment become the shaft torque estimated by the drive side reaction force observer, so the characteristics of the estimated shaft torque are examined. Note that no modeling error is given in the observer or FF control.
このとき、軸トルクの目標値応答の周波数特性は図5のようになった。実線が角速度のFF制御ありの場合で、一点鎖線が角速度のFF制御なしの場合である。インナーループにFF制御を入れることで、アウターループである軸トルクの目標値応答の帯域が20Hzから27Hzに向上している。 At this time, the frequency characteristic of the target value response of the shaft torque is as shown in FIG. The solid line indicates the case where FF control of angular velocity is performed, and the dashed-dotted line indicates the case where FF control of angular velocity is not performed. By putting the FF control in the inner loop, the band of the target value response of the shaft torque which is the outer loop is improved from 20 Hz to 27 Hz.
また、図6は、軸トルクのステップ応答を表しており、角速度FF制御無しとした状態での、軸トルクFF制御が有る場合と無い場合の比較が示されている。0.050sの時に8.0Nmのステップ指令にカットオフ周波数30Hzの1次のローパスフィルタを通した指令値を入力し、その後、0.15sに負荷側の外乱dLとして-10Nmのステップ外乱を入力している。点線がローパスフィルタを通したステップ指令値、実線が軸トルクFF制御を入れた場合、一点鎖線が軸トルクFF制御を入れない場合を示している。FF制御を入れることで、応答の立ち上がりが早くなっていることが分かる。軸トルクのFF制御無しの場合は、指令値に到達するのは早いが若干振動的な応答になっている。外乱応答に関しては、軸トルクFF制御の有無で差は出ない。 Further, FIG. 6 shows a step response of the axial torque, and shows a comparison between the case where axial torque FF control is present and the case where axial torque FF control is not present in a state where angular velocity FF control is not present. At 0.050 s, input a command value passed through a 1st order low-pass filter with a cutoff frequency of 30 Hz to a step command of 8.0 Nm, and then enter -10 Nm of step disturbance as the load side disturbance d L at 0.15 s There is. When a dotted line indicates a step command value through a low pass filter, and a solid line indicates axial torque FF control, a dashed dotted line indicates a case where axial torque FF control is not input. It can be seen that the start of the response is quickened by inserting the FF control. When there is no FF control of the shaft torque, the command value is reached quickly but with a somewhat oscillatory response. The disturbance response does not differ depending on the presence or absence of the shaft torque FF control.
次に、図7は、軸トルクのステップ応答を表しており、軸トルクFF制御有りとした状態での、角速度FF制御の有り無しでの比較が示されている。点線がローパスフィルタを通したステップ指令値、実線が角速度FF制御を入れた場合、一点鎖線が角速度FF制御を入れない場合をそれぞれ示す。FF制御を入れることでオーバーシュート気味になっているものの、速応性及び負荷側外乱抑圧特性が向上している。 Next, FIG. 7 shows a step response of the shaft torque, and shows a comparison with and without the angular velocity FF control in a state where the shaft torque FF control is present. When a dotted line indicates a step command value through a low pass filter, and a solid line indicates angular velocity FF control, a dashed-dotted line indicates a case where angular velocity FF control is not inserted. Although FF is overshot by the FF control, quick response and load side disturbance suppression characteristics are improved.
また、図8は軸トルクのステップ応答を示しており、実線がFF制御の部分で非線形要素を補償した場合、一点鎖線が非線形要素を補償しなかった場合である。本シミュレーションでは、非線形要素は不感帯としてモデリングし、不感帯の幅は想定した非線形要素であるハーモニックギヤのカタログ値の最大バックラッシ幅(5.3e-5rad)を用いた。初期位置はバックラッシの中央である。非線形要素をFF補償することによって、応答の振動を抑えられ制御性能を改善できることが分かる。 Further, FIG. 8 shows the step response of the axial torque, and in the case where the solid line compensates for the non-linear element in the part of the FF control, the dashed-dotted line does not compensate for the non-linear element. In this simulation, the non-linear element is modeled as a dead zone, and the width of the dead zone is the assumed non-linear element, the maximum backlash width (5.3e −5 rad) of the catalog value of the harmonic gear. The initial position is at the center of the backlash. It can be seen that, by FF compensating the non-linear element, the oscillation of the response can be suppressed and the control performance can be improved.
また、速度反転時の検討のため、図9に正弦波応答を示す。指令値は、振幅1Nmでかつ角周波数50rad/sとした。点線が正弦波指令値、実線が非線形要素補償を入れた場合、一点鎖線が非線形要素補償を入れない場合をそれぞれ示す。非線形要素補償を入れない場合において、初めの応答のみ振幅が小さくなっているのは、初めの応答は初期位置がバックラッシの中央に位置し、非線形部の影響が速度反転時の半分になっているからである。非線形要素補償をすることにより、制御性能が向上していることがわかる。 In addition, a sine wave response is shown in FIG. 9 for examination at the time of speed reversal. The command value has an amplitude of 1 Nm and an angular frequency of 50 rad / s. When the dotted line indicates the sine wave command value and the solid line indicates the non-linear element compensation, the dashed-dotted line indicates the case where the non-linear element compensation is not inserted. In the case where the non-linear element compensation is not included, the amplitude of the initial response is reduced only because the initial position is located at the center of the backlash and the influence of the non-linear portion is half of the speed reversal It is from. It can be seen that the control performance is improved by performing the non-linear element compensation.
なお、今回のシミュレーションでは、非線形要素補償のモデルはプラントに含まれる非線形要素の完全な逆モデルであったが、実際にはプラントの非線形要素を正確にモデリングするのは困難である。したがって、提案法の制御性能の向上のためには、非線形要素をよく再現し、逆関数を持つようなモデリングが重要である。 In this simulation, the non-linear component compensation model is a perfect inverse model of non-linear components included in the plant, but it is actually difficult to accurately model the non-linear components of the plant. Therefore, in order to improve the control performance of the proposed method, modeling that reproduces non-linear elements well and has an inverse function is important.
最後に、バックドライバビリティの実現に関するシミュレーションを図10(a),10(b)に示す。T*sを0Nmにした状態で、負荷側外乱dLとして0.050sのときに-10Nmのステップ外乱を入力する。実線が本例の制御の場合、一点鎖線が何も制御をしない場合である。本例の制御では約0.050sで軸トルクを0Nmにすることができる。また、図10(b)より、何も制御しない場合と比べて、同じ負荷側外乱に対して、負荷側角度の移動量が大きいことから、駆動側の摩擦の影響を受けないバックドライバビリティの実現ができていると考えられる。 Finally, simulations relating to realization of back drivability are shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). With T * s set to 0 Nm, a step disturbance of -10 Nm is input when the load side disturbance d L is 0.050 s. In the case where the solid line is the control of this example, the dashed-dotted line is the case where nothing is controlled. In the control of this embodiment, the shaft torque can be reduced to 0 Nm in about 0.050 s. Further, as shown in FIG. 10 (b), since the amount of movement of the load side angle is larger with respect to the same load side disturbance as compared with the case where nothing is controlled, the back drivability is not affected by the friction on the drive side. It is thought that it has been realized.
(実験例)
以下、実験例を示す。実験例における制御器のパラメータは、シミュレーションと同じである。この実験例では、制御器を、Tustin変換により5kHzで離散化することで実装した。また、角速度は、各エンコーダより得られる角度情報についての5kHz後進差分に、1kHzの1次のローパスフィルタを適用することにより得た。さらに、軸トルクは、カットオフ周波数30Hzの駆動側反力オブザーバで推定した。
(Experimental example)
An experimental example is shown below. The parameters of the controller in the experimental example are the same as in the simulation. In this experimental example, the controller is implemented by discretizing at 5 kHz by Tustin conversion. The angular velocity was obtained by applying a 1 kHz first-order low-pass filter to the 5 kHz backward difference of the angle information obtained from each encoder. Furthermore, the axial torque was estimated by a drive side reaction force observer with a cutoff frequency of 30 Hz.
実験による軸トルクの目標値応答の周波数特性は図11のようになった。角速度FF制御なしの場合であるため、シミュレーションでは図5の一点鎖線に対応する。図11に示されるように、帯域は18Hzとなった。 The frequency characteristic of the target value response of the axial torque by the experiment is as shown in FIG. Since this is the case without the angular velocity FF control, the simulation corresponds to the dashed dotted line in FIG. As shown in FIG. 11, the band was 18 Hz.
本制御法の軸トルクステップ応答の実験結果を図12及び図13に示す。図12では、点線がステップ指令を示し、実線が軸トルクFF制御ありの場合、一点鎖線が軸トルクFF制御なしの場合を比較して示している。これは、シミュレーションでは図6に対応する。図12より、軸トルクFF制御ありの場合の方が、シミュレーションと同様に応答の立ち上がりが良くなっていることが分かる。 The experimental results of the axial torque step response of this control method are shown in FIG. 12 and FIG. In FIG. 12, the dotted line indicates the step command, and the solid line indicates the comparison with the case where axial torque FF control is not performed and the alternate long and short dashed line indicates the case where axial torque FF control is not performed. This corresponds to FIG. 6 in the simulation. From FIG. 12, it can be seen that the response rise is better in the case of the axial torque FF control, as in the simulation.
図13では、点線がステップ指令を示し、実線が角速度FF制御ありの場合、一点鎖線が角速度FF制御なしの場合の比較を示す。これは、シミュレーションでは図7に対応する。実験では、軸トルクの応答性の改善があまり見られなかったが、モデル化誤差やセンサノイズ等が理由として考えられる。また、角速度FF制御を入れた場合には、推定軸トルクに、より多くのノイズが乗ってしまっている。これは、インナーループにおいてFF制御を追加することで、モデル化誤差やセンサノイズに起因する軸トルク推定値のノイズの影響が大きくなってしまっているためと考えられる。 In FIG. 13, the dotted line indicates the step command, and the solid line indicates the comparison in the case where the angular velocity FF control is performed, and the dashed-dotted line indicates the case in which the angular velocity FF control is not performed. This corresponds to FIG. 7 in the simulation. In the experiment, although the improvement of the response of the shaft torque was not seen so much, it can be considered as a modeling error or sensor noise. When angular velocity FF control is applied, more noise is added to the estimated shaft torque. This is considered to be because the addition of the FF control in the inner loop increases the influence of the noise of the axial torque estimated value caused by the modeling error and the sensor noise.
(本実施例の利点)
本実施例では、負荷側にエンコーダを用いることが近年増えてきている現状を考慮し、負荷側エンコーダを用いた軸トルク制御法を提案した。2慣性系における軸トルクを制御し、負荷へ伝わるトルクを制御することでロボットや工作機械においてより高度な作業が可能になる。そして提案法の制御器を設計し、シミュレーション及び実験にて制御性能を評価し、またバックドライバビリティが実現できることを示した。
(Advantages of this embodiment)
In the present embodiment, in consideration of the current situation where the use of an encoder on the load side has been increasing in recent years, an axial torque control method using a load-side encoder has been proposed. By controlling the axial torque in the two-inertia system and controlling the torque transmitted to the load, more sophisticated work is possible in a robot or a machine tool. And the controller of the proposed method was designed, the control performance was evaluated by simulation and experiment, and it was shown that the back drivability can be realized.
本実施例は、非線形要素補償としてバックラッシの逆モデルを用いるという単純なものであったが、駆動側と負荷側双方のエンコーダにより得られる初期位置を考慮した非線形要素補償も可能であると考えられる。また、本実施例では、軸トルク制御の指令値としてステップ指令や0を与えたが、インピーダンス制御や衝突検知等という、より高度な制御も考えられる(14)〜(16)。本実施例では、提案制御法をロボットへ適用したが、2慣性系にモデリングできる工作機械等の他分野への応用も可能である。 Although this embodiment is a simple one using the inverse model of backlash as nonlinear element compensation, it is considered that nonlinear element compensation considering the initial position obtained by both the drive side and load side encoders is also possible. . Further, in the present embodiment, the step command or 0 is given as the command value of the shaft torque control, but more sophisticated control such as impedance control or collision detection can be considered (14) to (16) . Although the proposed control method is applied to a robot in this embodiment, application to other fields such as a machine tool capable of modeling in a two-inertia system is also possible.
(実施例2)
次に、前記した実施例1を変形した例を実施例2として図14に示す。なお、実施例1と同様又は実質的に等価な部分については、詳しい説明を省略する。また、実施例1と実施例2とでは、プラントのブロック線図の表記(積分器の位置等)が若干異なるが、理論的には等価である。それぞれの制御法において見やすいように適宜修正して記載している。
(Example 2)
Next, an example in which the above-described first embodiment is modified is shown as a second embodiment in FIG. Detailed descriptions of parts similar to or substantially equivalent to those of the first embodiment will be omitted. In addition, although the notation (the position of the integrator, etc.) of the block diagram of the plant is slightly different in the first embodiment and the second embodiment, they are theoretically equivalent. In each control method, it is corrected suitably and written in order to be easy to read.
実施例2では、インナーループを角度制御としている。この場合には、インナーループが角速度制御の場合と異なり、軸ねじれ角速度ではなく軸ねじれ角度を制御する。そのため、FF制御の部分に擬似微分が不要である。また、Ts =(k/s)Δωに代えて、Ts =kΔθに対して極配置をすることとしたので、I制御を用いている。しかし、インナーループを角速度制御とした実施例1と比べて、インナーループの帯域を高くできないことが実施例2の欠点である。駆動側角度制御は、PD制御である。また、実施例2のインナーループにおけるFFは、実施例1のような駆動側角速度ではなく、駆動側角度制御のFF制御になっている。 In the second embodiment, the inner loop is used for angle control. In this case, unlike the case of angular velocity control, the inner loop controls not the axial twist angular velocity but the axial twist angle. Therefore, no pseudo differentiation is required in the FF control part. Also, in place of Ts = (k / s) Δω, it is assumed that pole arrangement is performed for Ts = kΔθ, so I control is used. However, it is a drawback of the second embodiment that the band of the inner loop can not be increased as compared with the first embodiment in which the inner loop is subjected to angular velocity control. The drive side angle control is PD control. The FF in the inner loop of the second embodiment is not the drive-side angular velocity as in the first embodiment, but the FF control of the drive-side angle control.
本例の駆動側位置FB部62は、駆動側位置情報θMを用いて、駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている。
Drive-side
また、本例の駆動側位置FF部64は、駆動部1に対する指令値に対して、駆動部1の実際の位置(例えば実際の駆動側角速度又は角度)が位置指令値θ* Mに一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている。
Further, in the drive-side
また、本例における非線形要素補償FF部61は、Δθ*を生成し、これを用いて、動力伝達部2における非線形要素及び線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている。
Further, the non-linear element
さらに、本例の動力FB部6は、駆動側位置情報θMを用いて推定した推定動力Tsハットを用いて、動力伝達部2における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている。
Furthermore, the
さらに、本例の制御部6は、全体として、負荷側位置情報θLと、駆動側位置情報θMとを用いて、駆動部1への入力値TM(つまり制御部からプラントへの指令値)を算出することによって、動力伝達部2で伝達される動力Ts(軸トルク)を制御する構成となっている。
Furthermore, the
(実施例3)
次に、前記した実施例1を変形した別の例を実施例3として図15に示す。図15においても、プラントは実施例1と等価である。
(Example 3)
Next, another example in which the above-described first embodiment is modified is shown as a third embodiment in FIG. Also in FIG. 15, the plant is equivalent to the first embodiment.
実施例3では、軸トルクFF制御をΔθに対して行うことで、実施例1の欠点であった軸トルクFF制御部の擬似微分が不要になる。また、インナーループを角速度制御とすることで、実施例2のように角度制御とした場合に比べ、帯域を高くすることができると考えられる。 In the third embodiment, by performing the axial torque FF control with respect to Δθ, the pseudo differentiation of the axial torque FF control unit, which is the defect of the first embodiment, becomes unnecessary. In addition, it is considered that by making the inner loop angular velocity control, the band can be made higher than in the case where angle control is performed as in the second embodiment.
これは、駆動側角速度制御のインナーループに、駆動側角度制御及び軸トルク制御という2つのアウターループを並列に組むことで可能になっている。しかし、実施例3では、軸トルクFB制御と駆動側角度制御のFBとが干渉する可能性があるので、これを避けるような設計が望ましい。 This is made possible by assembling in parallel two outer loops of drive side angle control and shaft torque control in an inner loop of drive side angular velocity control. However, in the third embodiment, since there is a possibility that the axial torque FB control and the drive-side angular control FB interfere with each other, a design that avoids this is desirable.
実施例3での駆動側角度制御はP制御である。 The drive-side angle control in the third embodiment is P control.
本例の駆動側位置FB部62は、駆動側位置情報θMを用いて、駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている。
Drive-side
また、本例の駆動側位置FF部64は、駆動部1に対する指令値に対して、駆動部1の実際の位置(例えば実際の駆動側角速度又は角度)が位置指令値ω* Mに一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている。
Further, in the drive-side
また、本例における非線形要素補償FF部61は、Δθ*を生成し、これを用いて、動力伝達部2における非線形要素及び線形要素を陽にフィードフォワード補償する構成となっている。
Further, the non-linear element
さらに、本例の動力FB部63は、駆動側位置情報ωMを用いて推定した推定動力Tsハットを用いて、動力伝達部2における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている。
Furthermore, the
さらに、本例の制御部6は、全体として、負荷側位置情報θLと、駆動側位置情報θMとを用いて、駆動部1への入力値TM(つまり制御部からプラントへの指令値)を算出することによって、動力伝達部2で伝達される動力Ts(軸トルク)を制御する構成となっている。
Furthermore, the
実施例2及び3における前記以外の構成及び動作は実施例1と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。 The other configurations and operations in the second and third embodiments are the same as in the first embodiment, and thus the detailed description will be omitted.
実施例1,2,3の比較を、図16に示す。分類としては、軸ねじれ角度を制御するのか、軸ねじれ角速度を制御するのかで分類できる。さらに、インナーループの制御を駆動側角度制御にするのか駆動側角度制御にするのかでも分類できる。 A comparison of Examples 1, 2 and 3 is shown in FIG. Classification can be made as to whether the axis twist angle is controlled or the axis twist angular velocity is controlled. Furthermore, the control of the inner loop can be classified into drive angle control or drive angle control.
なお、本発明の内容は、前記各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。 The contents of the present invention are not limited to the above embodiments. The present invention can add various changes to a specific configuration within the scope described in the claims.
(本明細書中で引用した参照文献一覧)
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(4) K. Sakata, H. Asaumi, K. Hirachi, K. Saiki and H. Fujimoto: "Frequency Separation Self Resonance Cancellation for Vibration Suppression Control of a Large-Scale Stage Using Multiple Position Sensors", Proc. Annual Conference of IEEE Ind. Electron Society (IECON-2013) pp. 6478-6483, (2013).
(5) S. Yamada, H. Fujimoto and Y. Hori: "Vibration Suppression Control of Two-Inertia System Using Load-Side State Variables with High-Resolution Encoder", Proc. Of IEE of Japan Technical Meeting Record, IIC- 14 -140, MEC-14-128, pp. 107-112, (2014).
(6) B. Na, J. Bae and K. Kong: "Back-drivability recovery of a full lower extremity assistive robot", Proc. Of the 12th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), pp. 1030-1034, (2012).
(7) P. Weiss, P. Zenker and E. Maehle: "Feed-forward Friction and Inertia Compensation for Improving Back-drivability of Motors", Proc. Of the 12th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision ICARCV-2012), pp. 288-293, (2013).
(8) N. Paine, S. Oh and L. Sentis: "Design and Control Considerations for High-Performance Series Elastic Actuators", IEEE Trans. On Mechatronics, vol. 19, no. 3, (2014).
(9) K. Kong, J. Bae and M. Tomizuka: "A Compact Rotary Series Elastic Act for Human Assistive Systems", IEEE Trans. Mechatronics, vol. 17, no. 2, (2012).
(10) Y. Kuroki, Y. Kosaka, T. Takahashi, E. Niwa, H. Kaminaga and Y. Nakamura: "Cr-N Alloy Thin Film Based Torque Sensors and Joint Torque Servo Systems for Compliant Robot Control", IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2013), pp. 4954-4959, (2013).
(11) M. Iwasaki, M. Kainuma, M. Yamamoto and Y. Okitsu: "Compensation by Exact Linearization Method for Nonlinear Components in Positioning Device with Harmonic Drive Gearings", Journal of JSPE, vol. 78, no. 7, pp. 624-630, (2012).
(12) T. Kawakami, K. Ayusawa, H. Kaminaga and Y. Nakamura: "High-Fidelity Joint Drive System by Torque Feedback Control Using High Precision Linear Encoder", IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2010), pp. 3904-3909, (2010).
(13) T. Kawakami, K. Ayusawa, H. Kaminaga, C. Ott and Y. Nakamura: "Development of Joint Driving Mechanism with Rigid Torque Sensor and its Torque Control Systems", Proc. , no. 08-4, pp. 1-4, 2008, (in Japanese).
(14) S. Oh and Y. Hori: "Experimental Study on Impedance and Impact Force Control by Position Feedback Control", Proc. Of IEE of Japan Technical Meeting Record, IIC-09-117, pp. 31-36, (2009) ), (in Japanese).
(15) N. Shibata, T. Yoshioka, K. Ohishi and T. Miyazaki: "High Reliable Force Sensorless Contact Detection of Contact Motion", Proc. Of IEE of Japan Technical Meeting Record, IIC-12-151, pp. 107 -112, (2012), (in Japanese).
(16) S. Katsura, Y. Matsumoto and K. Ohnishi: "Modeling of Force Sensing and Validation of Disturbance Observer for Force Control", IEEE Trans. On Industrial Electronics, vol. 54, no. 1, (2007).
(17) C. Mitsantisuk, M. Nandapaya, K. Ohishi and S. Katsura: "Design for Sensorless Force Control of Flexible Robot by Using Resonance Ration Control Based on Coefficient Diagram Method", Automatika, vol. 54, no. pp. 62-73, (2013).
1 駆動部
2 動力伝達部
3 負荷部
4 駆動側位置検出部
5 負荷側位置検出部
6 制御部
61 非線形要素補償FF部
62 駆動側位置FB部
63 動力FB部
64 駆動側位置FF部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部は、前記負荷側位置情報(ω L 又はθ L )と、前記駆動側位置情報(ω M 又はθ M )とを用いて、前記駆動部への指令値(ω * M 又はθ * M )を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力(Ts)を制御する構成となっており、
前記制御部は、非線形要素補償FF部を備えており、
前記非線形要素補償FF部は、前記動力伝達部における非線形要素をフィードフォワード補償するための、位置についての出力値(Δω * 又はΔθ * )を、前記非線形要素の逆関数を用いて生成する構成となっており、
さらに、前記非線形補償FF部への入力値は、前記動力伝達部における動力の指令値(T * s)となっており、
前記制御部は、前記非線形補償FF部からの、位置についての出力値(Δω * 又はΔθ * )と、前記負荷側位置情報(ω L 又はθ L )との加算の結果を用いて、前記駆動部への指令値(ω * M 又はθ * M )を生成する構成となっている
制御装置。 A drive unit, a power transmission unit, a load unit, a drive-side position detection unit, a load-side position detection unit, and a control unit;
The power transmission unit is configured to transmit power from the drive unit to the load unit.
The drive side position detection unit is configured to obtain drive side position information in the drive unit,
The load-side position detection unit is configured to acquire load-side position information in the load unit,
The control unit uses the load-side position information (ω L or θ L ) and the drive-side position information (ω M or θ M ) to generate a command value (ω * M or θ * ) to the drive unit . By calculating M 2 ) , the power (Ts) transmitted by the power transmission unit is controlled ,
The control unit includes a non-linear element compensation FF unit,
The non-linear element compensation FF unit generates a position output value (Δω * or Δθ * ) for feed-forward compensating a non-linear element in the power transmission unit using an inverse function of the non-linear element Has become
Furthermore, the input value to the non-linear compensation FF unit is the command value (T * s) of the power in the power transmission unit ,
The control unit uses the result of the addition of the output value (Δω * or Δθ * ) for the position from the non-linear compensation FF unit and the load-side position information (ω L or θ L ) to perform the driving. A control device configured to generate a command value (ω * M or θ * M ) to a unit.
請求項1に記載の制御装置。 The control device according to claim 1 , wherein an inverse function model of a dead zone in the power transmission unit is used as the inverse function of the non-linear element .
前記駆動側位置FB部は、前記駆動側位置情報を用いて、前記駆動側位置をフィードバック制御する構成となっている
請求項1又は2に記載の制御装置。 The control unit includes a drive side position FB unit,
The control device according to claim 1, wherein the drive-side position FB unit performs feedback control of the drive-side position using the drive-side position information.
前記動力FB部は、前記駆動側位置情報を用いて推定した推定動力を用いて、前記動力伝達部における動力の推定値をフィードバック制御する構成となっている
請求項1〜3のいずれか1項に記載の制御装置。 The control unit includes a power FB unit,
The power FB unit is configured to perform feedback control of an estimated value of the power in the power transmission unit using the estimated power estimated using the drive-side position information. Control device described in.
前記駆動側位置FF部は、前記駆動部に対する前記指令値に対して、実際の位置が位置指令値に一致するようにフィードフォワード補償を行うことによって、駆動側位置における制御帯域を上昇させる構成となっている
請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。 The control unit includes a drive side position FF unit,
The drive-side position FF unit raises the control band at the drive-side position by performing feed-forward compensation on the command value to the drive unit such that the actual position matches the position command value. The control device according to any one of claims 1 to 4.
前記動力伝達部は、回転軸を用いて前記動力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記回転軸における軸トルクである
請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。 The drive unit is a rotary motor,
The power transmission unit is configured to transmit the power using a rotary shaft,
The control device according to any one of claims 1 to 5, wherein the power is an axial torque at the rotating shaft.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の制御装置。 The control device according to any one of claims 1 to 6, wherein the position is an angle or an angular velocity.
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷側に並進力を伝達する構成となっており、
前記動力は、前記動力伝達部で伝達される並進力である
請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御装置。 The drive unit is a linear motor,
The power transmission unit is configured to transmit a translational force from the drive unit to the load side.
The control device according to any one of claims 1 to 5, wherein the power is a translational force transmitted by the power transmission unit.
前記動力伝達部は、前記駆動部から前記負荷部に動力を伝達する構成となっており、
前記駆動側位置検出部は、前記駆動部における駆動側位置情報を取得する構成となっており、
前記負荷側位置検出部は、前記負荷部における負荷側位置情報を取得する構成となっており、
前記制御部が、前記負荷側位置情報と、前記駆動側位置情報とを用いて、前記駆動部への指令値を算出することによって、前記動力伝達部で伝達される動力を制御するステップを備えており、
ここで、前記制御部は、非線形要素補償FF部を備えており、
前記制御部による前記ステップは、
前記非線形要素補償FF部が、前記動力伝達部における非線形要素をフィードフォワード補償するための、位置についての出力値(Δω * 又はΔθ * )を、前記非線形要素の逆関数を用いて生成するステップと、
前記制御部が、前記非線形補償FF部からの、位置についての出力値(Δω * 又はΔθ * )と、前記負荷側位置情報(ω L 又はθ L )との加算の結果を用いて、前記駆動部への指令値(ω * M 又はθ * M )を生成するステップとを備えており、
ここで、前記非線形補償FF部への入力値は、前記動力伝達部における動力の指令値(T * s)となっている
制御方法。 A control device including a drive unit, a power transmission unit, a load unit, a drive-side position detection unit, a load-side position detection unit, and a control unit is used.
The power transmission unit is configured to transmit power from the drive unit to the load unit.
The drive side position detection unit is configured to obtain drive side position information in the drive unit,
The load-side position detection unit is configured to acquire load-side position information in the load unit,
The control unit controls the power transmitted by the power transmission unit by calculating a command value to the drive unit using the load-side position information and the drive-side position information. Yes,
Here, the control unit includes a non-linear element compensation FF unit,
The step by the control unit is:
The non-linear element compensation FF unit generating an output value (Δω * or Δθ * ) for position using feedforward compensation of the non-linear element in the power transmission unit , using an inverse function of the non-linear element; ,
The control unit uses the result of the addition of the output value (Δω * or Δθ * ) for the position from the non-linear compensation FF unit and the load-side position information (ω L or θ L ) to perform the driving. Generating a command value (ω * M or θ * M ) to the unit;
Here, a control method in which an input value to the non-linear compensation FF unit is a command value (T * s) of power in the power transmission unit .
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