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JP3506157B2 - Motor position control device - Google Patents

Motor position control device

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Publication number
JP3506157B2
JP3506157B2 JP05462395A JP5462395A JP3506157B2 JP 3506157 B2 JP3506157 B2 JP 3506157B2 JP 05462395 A JP05462395 A JP 05462395A JP 5462395 A JP5462395 A JP 5462395A JP 3506157 B2 JP3506157 B2 JP 3506157B2
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JP
Japan
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model
electric motor
controller
deviation
command
Prior art date
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JP05462395A
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正夫 尾島
龍一 小黒
信弘 梅田
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Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ロボット、NC等の駆
動用電動機の位置制御装置に関し、特に制御対象の条件
の変動に対して正確で安定した制御を行うための電動機
の位置制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a position control device for a driving electric motor such as a robot or NC, and more particularly to a position control device for an electric motor for performing accurate and stable control with respect to a change in conditions of a controlled object. .

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ロボット、NC等の電動機の位置
制御装置において、電動機による駆動系の制御性能の向
上を図るため、目標値追従性と外乱抑制特性をそれぞれ
独立に設計出来る、図5に示すような条件付きフィード
バック構造の2自由度制御系が提案されている(計測自
動制御学会、現代制御理論基礎講座中級テキスト 19
91年1月24,25日)。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a position control device for an electric motor such as a robot or NC, in order to improve the control performance of a drive system by the electric motor, the target value followability and the disturbance suppression characteristic can be designed independently. A two-degree-of-freedom control system with a conditional feedback structure as shown below has been proposed (Intermediate Textbook, Basic Lecture on Modern Control Theory, JSME 19
January 24, 25, 1991).

【0003】図中51は位置指令発生器、52は目標値
応答を決定するモデル制御器CF 、53はフィードバッ
ク制御器C2 、54はモデル制御器CF と制御対象Pの
逆伝達関数からなるフィードフォワード制御器(CF
P)、55はモデル制御器52の出力y0 から回転検出
器59の検出値yを減算する減算器、56はフィードバ
ック制御器53の出力UFBにフィードフォワード制御器
54の出力UFFを加算する加算器、57はトルク制御器
を含む制御対象Pである。
In the figure, 51 is a position command generator, 52 is a model controller C F for determining a target value response, 53 is a feedback controller C 2 , and 54 is a model controller C F and an inverse transfer function of the controlled object P. Feedforward controller ( CF /
P), 55 is a subtractor for subtracting the detection value y of the rotation detector 59 from the output y 0 of the model controller 52, and 56 is the output U FB of the feedback controller 53 and the output U FF of the feedforward controller 54. An adder 57 for controlling the control target P including a torque controller.

【0004】ここで、この制御系の動作について説明す
る。位置指令発生器51の指令rをモデル制御器52に
入力し、モデル出力y0 を出力する。このモデル出力y
0 と制御対象57の出力yとの偏差が減算器55によっ
て求められてフィードバック制御器53に入力される
と、フィードバック指令UFBが出力される。またモデル
制御器52と制御対象57の逆伝達関数からなるフィー
ドフォワード制御器54にも指令rが入力されてフィー
ドフォワード指令UFFが出力される。
The operation of this control system will be described below. The command r of the position command generator 51 is input to the model controller 52, and the model output y 0 is output. This model output y
When the deviation between 0 and the output y of the controlled object 57 is obtained by the subtractor 55 and input to the feedback controller 53, the feedback command U FB is output. Further, the command r is also input to the feedforward controller 54 including the inverse transfer function of the model controller 52 and the controlled object 57, and the feedforward command U FF is output.

【0005】そしてフィードバック指令UFBとフィード
フォワード指令UFFの加算値が加算器56で求められ加
速度指令がトルク制御器を含む制御対象57に入力され
る構成となっている。
The addition value of the feedback command U FB and the feedforward command U FF is obtained by the adder 56, and the acceleration command is input to the controlled object 57 including the torque controller.

【0006】この図において、r→yとr→y0 の伝達
関数GyrとGy0rを計算すると、
In this figure, when the transfer functions G yr and G y0r of r → y and r → y 0 are calculated,

【0007】[0007]

【数1】 のように表すことができる。[Equation 1] Can be expressed as

【0008】上式より、制御対象57がノミナル値でフ
ィードフォワード制御器54の制御対象モデルと一致し
ていれば、PPー1=1でフィードバック制御器53への
入力は0となり、フィードフォワード指令UFFにより制
御対象57は制御される。この時目標値応答である指令
rから出力yまでの伝達関数は、フィードバック制御器
53のC2 の選び方に関係なくフィードフォワード制御
器54のCF により決定される。
From the above equation, if the controlled object 57 is a nominal value and matches the controlled object model of the feedforward controller 54, the input to the feedback controller 53 becomes 0 at PP -1 = 1 and the feedforward command is given. The controlled object 57 is controlled by U FF . At this time, the transfer function from the command r to the output y, which is the target value response, is determined by the C F of the feedforward controller 54 regardless of how the feedback controller 53 selects C 2 .

【0009】一方制御対象57がノミナル値より変動し
たり外乱等によってy≠y0 となった場合に対しては、
フィードバック制御器53のC2 によりフィードバック
特性を設計できる。
On the other hand, when the controlled object 57 fluctuates from the nominal value or y ≠ y 0 due to disturbance or the like,
The feedback characteristic can be designed by C 2 of the feedback controller 53.

【0010】以上のようにこの制御系は、目標値応答特
性とフィードバック特性をそれぞれ独立に調整すること
が可能で、条件付きでフィードバック効果があることか
ら条件付きフィードバック構造の2自由度制御系となっ
ている。
As described above, this control system is capable of adjusting the target value response characteristic and the feedback characteristic independently of each other, and has a conditional feedback effect. Has become.

【0011】またこの従来例の応用形として図6に示す
構成のものもある。図6の符号の表示は図5に準ずる。
この構成の鎖線で囲まれた範囲を広義のモデル制御器と
する場合もある。
Further, as an applied form of this conventional example, there is a structure shown in FIG. The display of the symbols in FIG. 6 conforms to that in FIG.
The range surrounded by the chain line of this configuration may be a model controller in a broad sense.

【0012】この基本的な制御装置に対し、例えば特開
平6−30578号公報で開示されたように位置制御の
追従性を改善したり、外乱や負荷装置の慣性モーメント
が運転中に変化した場合でも位置制御の応答周波数を一
定に保つために、機械系の模擬位置制御回路や模擬速度
制御回路を付加するなどの改善方法が行なわれている。
In contrast to this basic control device, for example, when the followability of position control is improved as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-30578, or when the disturbance or the moment of inertia of the load device changes during operation. However, in order to keep the response frequency of the position control constant, improvement methods such as adding a simulated position control circuit and a simulated speed control circuit for the mechanical system have been implemented.

【0013】また、スライディング制御による制御方式
として特開平3−118618号公報で開示された制御
方式がある。これは電動機と負荷の偏差であるねじれ角
およびねじれ角速度からなるスライディングモード切換
面を設定し、その状態量が0となるように電動機の制御
を行なうものである。
As a control method based on sliding control, there is a control method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-118618. This is to set a sliding mode switching surface composed of a twist angle and a twist angular velocity, which are deviations between the electric motor and the load, and control the electric motor so that the state quantity becomes zero.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】従来の2自由度制御系
は、目標値応答特性を向上させるため指令をモデル制御
器と制御対象の逆伝達関数よりなるフィードフォワード
制御器とに入力し、フィードフォワード指令を制御対象
に入力している。
A conventional two-degree-of-freedom control system inputs a command to a model controller and a feed-forward controller composed of an inverse transfer function of a controlled object in order to improve a target value response characteristic. A forward command is input to the control target.

【0015】ここで、制御対象が正確に同定されている
場合には出力yを目標とするモデル制御器の伝達関数の
特性の応答に追従させることができる。
Here, when the controlled object is correctly identified, the output y can be made to follow the response of the characteristic of the transfer function of the target model controller.

【0016】ところが、一般には制御対象を正確に同定
することは不可能で、また例えばロボットの様に姿勢の
変動によって負荷のイナーシャが変動する場合などは、
同定後に制御対象がノミナル値より変動するという問題
がある。このように従来の2自由度制御系では制御対象
の変動によって当初目標としていた応答に対して誤差が
発生するという問題があった。
However, in general, it is impossible to accurately identify the controlled object, and, for example, when the inertia of the load fluctuates due to a change in posture like a robot,
There is a problem that the controlled object fluctuates from the nominal value after the identification. As described above, the conventional two-degree-of-freedom control system has a problem that an error occurs with respect to the initially desired response due to the variation of the controlled object.

【0017】こうした問題点に対し上述した模擬位置や
模擬速度を制御する改善方法も提案されているが、追従
性は改善できるものの、トルク伝達機構の剛性が低い場
合には負荷側が振動的になるという問題があり、また制
御対象の変動により電動機の出力が機械系模擬回路の出
力からずれるという問題も残っている。
To solve these problems, an improvement method for controlling the above-mentioned simulated position and simulated speed has been proposed. However, although the followability can be improved, if the rigidity of the torque transmission mechanism is low, the load side becomes oscillating. There is also a problem that the output of the electric motor deviates from the output of the mechanical system simulation circuit due to the fluctuation of the controlled object.

【0018】また、上述したスライディングモード制御
による制御では、負荷側のダイナミックスが考慮されて
いないため、負荷の振動を完全に抑制することはできな
い。さらには電動機の位置決め時に、負荷側の重力外乱
等の影響でねじれ角が0になっていない場合には、スラ
イディングモード制御の切換えによるチャタリングが発
生するという問題がある。
Further, in the control by the sliding mode control described above, since the dynamics on the load side is not taken into consideration, the vibration of the load cannot be completely suppressed. Further, when the electric motor is positioned, if the twist angle is not zero due to the influence of gravity disturbance on the load side, there is a problem that chattering occurs due to switching of the sliding mode control.

【0019】本発明の目的は、制御対象が変動しても電
動機や負荷の状態量はモデル制御器の規範出力に追従
し、正確で安定した制御が可能な電動機の位置制御装置
を提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a position control device for an electric motor, in which the state quantities of the electric motor and the load follow the reference output of the model controller even if the controlled object fluctuates, and which enables accurate and stable control. It is in.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明の電動機の位置制御装置では、負荷を駆動する
電動機の目標位置指令を出力する位置指令発生器と、指
令を入力しモデルフィードフォワード指令信号および前
記電動機のモデル状態値指令信号とを出力するモデル制
御器と、電動機の回転位置情報を検出する回転検出器
と、電動機への加速度指令と回転検出器で検出された電
動機の回転位置情報とより電動機と負荷の状態量を推定
するオブザーバと、モデル制御器より出力されたモデル
状態量と、回転検出器の検出した回転位置情報およびオ
ブザーバにより推定された推定状態量との偏差を入力し
てフィードバック指令を出力するフィードバック制御器
と、モデル制御器より出力されたモデルフィードフォワ
ード指令と、フィードバック制御器より出力されたフィ
ードバック指令を加算して電動機への加速度指令として
トルク制御器に出力する調整器と、調整器の加速度指令
によって電動機に所用の条件の電力を供給するトルク制
御器とを備えた電動機の位置制御装置において、モデル
制御器は負荷のモデルの状態値の指令を出力し、オブザ
ーバは電動機と負荷の状態量の推定を行ない、スライデ
ィングモード制御の切換面として予め選定された複数の
状態値からなる基準状態値面を用いて該複数の状態値よ
り計算された値の正負によって計算されたスライディン
グモード補償量を求め、モデル制御器より出力されたモ
デル状態量と、回転検出器で検出された回転位置情報お
よびオブザーバにより推定された推定状態量との偏差が
0に収束するように、スライディングモード補償量をフ
ィードバック制御器に加算するスライディングモード制
御器を有する。
In order to solve the above problems, in a position control device for a motor of the present invention, a position command generator for outputting a target position command of a motor for driving a load and a model feed for inputting the command. A model controller that outputs a forward command signal and a model state value command signal of the electric motor, a rotation detector that detects rotational position information of the electric motor, an acceleration command to the electric motor, and rotation of the electric motor detected by the rotation detector. The deviation between the observer that estimates the state quantity of the motor and the load from the position information, the model state quantity output from the model controller, and the rotation position information detected by the rotation detector and the estimated state quantity estimated by the observer is calculated. A feedback controller that inputs and outputs a feedback command, a model feedforward command output from the model controller, and a feedback A regulator that adds the feedback command output from the buck controller and outputs it to the torque controller as an acceleration command to the electric motor, and a torque controller that supplies the electric power of the required condition to the electric motor by the acceleration command of the adjuster. In the equipped motor position control device, the model controller outputs the command of the state value of the model of the load, the observer estimates the state quantity of the motor and the load, and a plurality of preselected sliding surfaces for the sliding mode control are selected. The sliding mode compensation amount calculated by the positive / negative of the value calculated from the plurality of state values using the reference state value surface consisting of the state values of the model state amount output from the model controller and the rotation detector. Sliding so that the deviation between the rotational position information detected by and the estimated state quantity estimated by the observer converges to zero. Having a sliding mode controller for adding over de compensation amount in the feedback controller.

【0021】スライディングモード制御の切換面を、モ
デル負荷位置と負荷位置との偏差、モデル負荷速度と負
荷速度との偏差、モデルねじれ角とねじれ角との偏差、
およびモデルねじれ角速度とねじれ角速度との偏差とし
てもよく、モデル電動機位置と電動機位置の偏差、モデ
ル電動機速度と電動機速度の偏差およびモデルねじれ角
とねじれ角の偏差としてもよい。
The sliding mode control switching surface is displayed on the basis of deviations between model load positions and load positions, deviations between model load speeds and load speeds, deviations between model torsion angles and torsion angles,
Alternatively, the deviation between the model torsion angular velocity and the torsion angular velocity may be used, the deviation between the model electric motor position and the electric motor position, the deviation between the model electric motor speed and the electric motor speed, and the deviation between the model torsion angle and the torsion angle may be used.

【0022】また、スライディングモード制御の切換面
を、モデル電動機位置と電動機位置の偏差、モデル電動
機速度と電動機速度の偏差、モデルねじれ角とねじれ角
の偏差およびモデルねじれ角速度とねじれ角速度の偏差
としてもよい。
The sliding mode control switching surface may also be used as a deviation between model electric motor positions and electric motor positions, a deviation between model electric motor speeds and electric motor speeds, a deviation between model torsion angles and torsion angles, and a deviation between model torsion angular velocities and torsion angular velocities. Good.

【0023】[0023]

【作用】モデル制御器は負荷のモデルの状態値の指令を
出力し、オブザーバは負荷の状態量の推定を行ない、ス
ライディングモード制御の切換面として予め選定された
複数の状態値からなる基準状態値面を用いて該複数の状
態値より計算された値の正負によって計算されたスライ
ディングモード補償量を求め、モデル制御器より出力さ
れたモデル状態量と、回転検出器で検出された回転位置
情報およびオブザーバにより推定された推定状態量との
偏差が0に収束するように、スライディングモード補償
量をフィードバック制御器に加算するスライディングモ
ード制御器を有する。
The model controller outputs a command for the state value of the load model, the observer estimates the state amount of the load, and a reference state value consisting of a plurality of state values selected in advance as a switching surface for sliding mode control. The sliding mode compensation amount calculated by the positive or negative of the value calculated from the plurality of state values using the surface is obtained, the model state amount output from the model controller, and the rotational position information detected by the rotation detector and It has a sliding mode controller that adds the sliding mode compensation amount to the feedback controller so that the deviation from the estimated state amount estimated by the observer converges to zero.

【0024】従って電動機と負荷間の伝達機構の剛性が
低い場合においても負荷の出力を目標とする応答に追従
させることができる。制御対象である負荷の状態値がノ
ミナル値より変動しても、状態値の偏差は予め設定した
目標値を含む基準状態値面に拘束され、基準面と交差す
る毎に偏差値が縮小する方向に係数が切換わり、制御対
象のパラメータの変動の影響を受けることなく時間の経
過にしたがって漸近安定的に偏差値0に収束し、制御対
象の状態量を目標としたモデルの状態量に追従させるこ
とが可能となる。
Therefore, even when the rigidity of the transmission mechanism between the electric motor and the load is low, the output of the load can be made to follow the target response. Even if the state value of the load to be controlled fluctuates from the nominal value, the deviation of the state value is constrained by the reference state value plane that contains the preset target value, and the deviation value decreases every time the reference plane is crossed. The coefficient is switched to, and the deviation value 0 converges to the deviation value 0 asymptotically and stably with the passage of time without being affected by the fluctuation of the parameter of the controlled object, and the state quantity of the controlled object follows the target state quantity of the model. It becomes possible.

【0025】[0025]

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.

【0026】図1は本発明のモデルを適用した2自由度
制御系の基本構成ブロック図である。
FIG. 1 is a basic configuration block diagram of a two-degree-of-freedom control system to which the model of the present invention is applied.

【0027】本発明の実施例の電動機の位置制御装置
は、位置指令発生器100、モデル制御器200、フィ
ードバック制御器300、オブザーバ400、スライデ
イングモード制御器500、調整器600、トルク制御
器700、回転検出器850から構成され、電動機80
0と減速器900を経由して負荷950を駆動制御す
る。トルク制御器700は図示の伝達関数を持ったトル
ク制御回路および電力変換器から構成される。
The position control device for an electric motor according to the embodiment of the present invention includes a position command generator 100, a model controller 200, a feedback controller 300, an observer 400, a sliding mode controller 500, a regulator 600 and a torque controller 700. , The rotation detector 850, and the electric motor 80
The load 950 is drive-controlled via 0 and the speed reducer 900. The torque controller 700 is composed of a torque control circuit having a transfer function shown and a power converter.

【0028】図中の伝達関数の、Ktはトルク定数、J
mはモータの慣性モーメント、JLは負荷の慣性モーメ
ント、Nは減速比、Kcは減速機バネ定数、状態値のθ
m はモータ位置、θL はアーム位置である。
In the transfer function in the figure, Kt is a torque constant, J
m is the moment of inertia of the motor, J L is the moment of inertia of the load, N is the reduction ratio, Kc is the reduction gear spring constant, and θ is the state value.
m is the motor position and θ L is the arm position.

【0029】図2はモデル制御器200の詳細な構成を
示すブロック図である。図においてモデル制御器200
は、位置制御器モデル201、速度制御器モデル20
2、フィードフォワード指令発生器203、トルク制御
器モデル204、電動機モデル205、減速機モデル2
06、負荷モデル207、ゲイン208、209、微分
器210、減算器211、加減算器212、213およ
び加算器214とから構成され、位置指令発生器100
と接続する入力端子221、フィードバック制御器30
0と接続する出力端子223、224、225、226
および調整器600と接続する出力端子222を有す
る。
FIG. 2 is a block diagram showing the detailed structure of the model controller 200. In the figure, the model controller 200
Are the position controller model 201 and the speed controller model 20.
2, feedforward command generator 203, torque controller model 204, electric motor model 205, speed reducer model 2
06, load model 207, gains 208, 209, differentiator 210, subtractor 211, adder / subtractors 212, 213 and adder 214, and position command generator 100
Input terminal 221 connected to the feedback controller 30
Output terminals 223, 224, 225, 226 connected to 0
And an output terminal 222 connected to the regulator 600.

【0030】図3はスライディングモード制御器500
の詳細な構成を示すブロック図である。図においてスラ
イディングモード制御器500は、スライディングモー
ド制御Sの正負判定機構501、Tcomp1〜6のゲイン
切換機構502および微分器503とから構成され、モ
デル制御器200と接続する入力端子521、522、
523、524、オブザーバ400と接続する入力端子
525、526、回転検出器850と接続する入力端子
527、フィードバック制御器300と接続する出力端
子528を有する。
FIG. 3 shows a sliding mode controller 500.
3 is a block diagram showing a detailed configuration of FIG. In the figure, a sliding mode controller 500 includes a positive / negative determination mechanism 501 for sliding mode control S, a gain switching mechanism 502 for Tcomp1 to 6 and a differentiator 503, and input terminals 521 and 522 connected to the model controller 200.
523 and 524, input terminals 525 and 526 connected to the observer 400, an input terminal 527 connected to the rotation detector 850, and an output terminal 528 connected to the feedback controller 300.

【0031】図4はフィードバック制御器300の詳細
な構成を示すブロック図である。図においてフィードバ
ック制御器300は、位置制御器301、速度制御器3
02、微分器303、ゲイン304、305、減算器3
11、314、315、加減算器312および加算器3
13、316、317とから構成され、モデル制御器2
00と接続する入力端子321、322、323、32
5、オブザーバ400と接続する入力端子324、32
6、スライディングモード制御器500と接続する入力
端子327、回転検出器850と接続する入力端子32
8および調整器600と接続する出力端子329を有す
る。
FIG. 4 is a block diagram showing a detailed structure of the feedback controller 300. In the figure, a feedback controller 300 includes a position controller 301 and a speed controller 3
02, differentiator 303, gains 304 and 305, subtractor 3
11, 314, 315, adder / subtractor 312 and adder 3
13, 316, 317, and the model controller 2
Input terminals 321, 322, 323, 32 connected to 00
5, input terminals 324, 32 connected to the observer 400
6, input terminal 327 connected to sliding mode controller 500, input terminal 32 connected to rotation detector 850
8 and the output terminal 329 connected to the regulator 600.

【0032】オブザーバ400は調整器600の指令と
回転検出器850の情報を入力し、負荷950の状態や
電動機800と負荷950とのねじれ角およびねじれ角
速度を推定してフィードバック制御器300およびスラ
イディングモード制御器500に推定値を出力する。
調整器600は、フィードバック制御器からの指令とモ
デル制御器からのフィードフォワード指令を加算して加
速度指令としてオブザーバ400とトルク制御器700
に出力し、トルク制御器700は調整器からの加速度指
令に基づき加速に必要な電力を電動機800に供給し、
電動機800は減速機900を経由して負荷950を駆
動する。
The observer 400 inputs the command of the regulator 600 and the information of the rotation detector 850, estimates the state of the load 950, the twist angle and the twist angular velocity between the electric motor 800 and the load 950, and determines the feedback controller 300 and the sliding mode. The estimated value is output to the controller 500.
The adjuster 600 adds the command from the feedback controller and the feedforward command from the model controller to obtain an acceleration command as an observer 400 and a torque controller 700.
The torque controller 700 supplies the electric power necessary for acceleration to the electric motor 800 based on the acceleration command from the regulator,
The electric motor 800 drives the load 950 via the speed reducer 900.

【0033】電動機800には電動機軸の回転角度を計
測する回転検出器850が接続され、検出された回転位
置情報がフィードバック制御器300およびオブザーバ
400に出力される。
A rotation detector 850 for measuring the rotation angle of the motor shaft is connected to the electric motor 800, and the detected rotational position information is output to the feedback controller 300 and the observer 400.

【0034】図2中の位置制御器モデル201、速度制
御器モデル202、フィードフォワード指令発生器20
3、トルク制御器モデル204、電動機モデル205、
減速機モデル206、負荷モデル207は制御系と制御
対象(ここではロボットのダイナミクス)の疑似モデル
である。このモデル制御器201の端子221に位置指
令Xref が位置指令発生器100から入力され、ロボッ
トのダイナミクスを考慮したフィードフォワード指令U
FFが計算され端子222から調整器600に出力されて
電動機の加速度項へフィードフォワード補償を行う。ま
たモデル制御器200より、規範となるモデル電動機位
置θMm、モデル電動機速度
The position controller model 201, the speed controller model 202, and the feedforward command generator 20 shown in FIG.
3, torque controller model 204, electric motor model 205,
The speed reducer model 206 and the load model 207 are pseudo models of the control system and the controlled object (here, the robot dynamics). The position command Xref is input from the position command generator 100 to the terminal 221 of the model controller 201, and the feedforward command U in consideration of the robot dynamics.
FF is calculated and output from the terminal 222 to the regulator 600 to perform feedforward compensation on the acceleration term of the electric motor. Further, from the model controller 200, the reference model motor position θ Mm , model motor speed

【0035】[0035]

【外1】 、モデルねじれ角θMS、モデルねじれ角速度[Outer 1] , Model twist angle θ MS , model twist angular velocity

【0036】[0036]

【外2】 が計算されて端子223〜226からフィードバック制
御器300に出力される。(以下モデル制御器の出力で
ある各要素には単語の前に’モデル’Mを付けて表
す)。このとき、目標値応答特性は、モデル制御器20
0のパラメータにより決定される。
[Outside 2] Is calculated and output from the terminals 223 to 226 to the feedback controller 300. (Hereinafter, each element which is the output of the model controller is represented by adding a'model 'M in front of the word). At this time, the target value response characteristic is determined by the model controller 20.
It is determined by the parameter of 0.

【0037】一方、図4のフィードバック制御系におい
て、Kpは位置ゲイン、Kvは速度ゲイン、K1はねじ
り角フィードバックゲイン、K2はねじれ角速度フィー
ドバックゲインである。
On the other hand, in the feedback control system of FIG. 4, Kp is a position gain, Kv is a velocity gain, K1 is a torsion angle feedback gain, and K2 is a torsion angular velocity feedback gain.

【0038】モデル制御器200の出力であるモデル電
動機位置θMmと電動機位置θm との偏差に位置ゲインk
pを乗算し速度指令とし、この速度指令にモデル電動機
速度
The position gain k is calculated based on the deviation between the model motor position θ Mm and the motor position θ m , which is the output of the model controller 200.
Multiply p to make a speed command, and add this model to the model motor speed.

【0039】[0039]

【外3】 と電動機速度[Outside 3] And motor speed

【0040】[0040]

【外4】 との偏差を加算した値に速度ゲインkvを乗算し加速度
指令とする。この加速度指令に、モデルねじれ角θMS
オブザーバ400により推定されたねじれ角
[Outside 4] The value obtained by adding the deviation between and is multiplied by the velocity gain kv to obtain an acceleration command. This acceleration command includes the model twist angle θ MS and the twist angle estimated by the observer 400.

【0041】[0041]

【外5】 との偏差にフィードバックゲインK1を乗算した値と、
モデルねじれ角速度
[Outside 5] The value obtained by multiplying the deviation between and by the feedback gain K1,
Model twist angular velocity

【0042】[0042]

【外6】 とオブザーバ400により推定されたねじれ角速度[Outside 6] And angular velocity estimated by observer 400

【0043】[0043]

【外7】 との偏差にフィードバックゲインK2を乗算した値が加
算され、さらにスライディングモード制御器500から
出力された補償値Tcompが加算され、端子329から調
整器600に出力される。
[Outside 7] The value obtained by multiplying the deviation between and by the feedback gain K2 is added, and the compensation value Tcomp output from the sliding mode controller 500 is added and output from the terminal 329 to the adjuster 600.

【0044】調整器600ではフィードバック制御器3
00から出力された加速度指令に、モデル制御器200
からのフィードフォワード指令UFFが加算され最終的な
電動機加速度指令Uref として、トルク制御器700の
トルク制御回路に出力される。
In the regulator 600, the feedback controller 3
00 to the acceleration command output from the model controller 200
Is added to the feedforward command U FF to output the final motor acceleration command Uref to the torque control circuit of the torque controller 700.

【0045】この時モデル制御器200において、制御
対象であるロボットダイナミクスのモデル化誤差がな
く、また外乱がなければこの制御系はフィードフォワー
ド指令UFFのみにより制御され、目標値応答はモデル制
御器のパラメータにより決定されたモデルの状態量に一
致する。しかし、パラメータ誤差や外乱がある場合には
制御対象の状態量はモデル制御器の状態量に対し追従誤
差を生ずることとなる。一方外乱に対する応答性はモデ
ル制御器200と制御対象との状態量の偏差に乗算する
フィードバック制御器のゲインにより決定することがで
きる。このようにこの制御系は目標値応答特性と外乱抑
制特性をそれぞれ独立に設計できる2自由度の制御系と
なっている。
At this time, in the model controller 200, if there is no modeling error of the robot dynamics to be controlled and there is no disturbance, this control system is controlled only by the feedforward command U FF , and the target value response is the model controller. It corresponds to the state quantity of the model determined by the parameter of. However, if there is a parameter error or disturbance, the state quantity of the controlled object causes a tracking error with respect to the state quantity of the model controller. On the other hand, the response to the disturbance can be determined by the gain of the feedback controller that multiplies the deviation of the state quantity between the model controller 200 and the controlled object. As described above, this control system is a two-degree-of-freedom control system in which the target value response characteristic and the disturbance suppression characteristic can be independently designed.

【0046】ところがロボットの制御において、その姿
勢により負荷の慣性モーメントJLや減速機バネ定数K
cが変動するため、上記の2自由度の制御系のみでは実
機の状態量は目標としたモデルの状態量とずれるという
問題があるので、これに対応するため以下のようなスラ
イディングモード制御を行うスライディングモード制御
器500が設けられている。
However, in the control of the robot, the moment of inertia J L of the load and the spring constant K of the speed reducer depend on the posture of the robot.
Since c fluctuates, there is a problem that the state quantity of the actual machine deviates from the state quantity of the target model only with the control system with the above two degrees of freedom. To cope with this, the following sliding mode control is performed. A sliding mode controller 500 is provided.

【0047】スライディングモード制御の理論面につい
ては、例えば使える非線形制御の理論3、スライディン
グモード制御(橋本秀紀著、システム制御情報学会、1
993年37巻6号)等で公知である。
Regarding the theoretical aspect of sliding mode control, for example, the theory of nonlinear control that can be used 3, sliding mode control (Hidemoto Hidenori, JSCE, 1
It is publicly known, for example, Vol.

【0048】スライディングモードの切換面を、モデル
制御器の出力であるモデル負荷位置θMLと負荷位置θL
との偏差と、モデル負荷速度
The sliding mode switching surface is connected to the model load position θ ML and the load position θ L which are the outputs of the model controller.
Deviation from and model load speed

【0049】[0049]

【外8】 と負荷速度[Outside 8] And load speed

【0050】[0050]

【外9】 との偏差と、モデルねじれ角θMSとねじれ角θS との偏
差と、モデルねじれ角速度
[Outside 9] And the deviation between the model twist angle θ MS and the twist angle θ S , and the model twist angular velocity

【0051】[0051]

【外10】 とねじれ角速度[Outside 10] And twist angular velocity

【0052】[0052]

【外11】 との偏差で定義する。 上記の定義によってスライディ
ングモード位相面は、次式で表される。
[Outside 11] It is defined by the deviation from. According to the above definition, the sliding mode phase plane is expressed by the following equation.

【0053】[0053]

【数2】 C、Dは正の定数である。[Equation 2] C and D are positive constants.

【0054】この(1)式の位相面とすることにより、
負荷の位置、速度、ねじれ角、ねじれ角速度はモデルの
出力に追従するので、制御対象の変動に対しても正確で
安定的な制御が可能となる。なお、負荷の位置θL 、負
荷の速度
By using the phase surface of the equation (1),
Since the load position, speed, twist angle, and twist angular velocity follow the output of the model, accurate and stable control can be performed even with changes in the controlled object. Note that the load position θ L and the load speed

【0055】[0055]

【外12】 、ねじれ角θS 、ねじれ角速度[Outside 12] , Twist angle θ S , twist angular velocity

【0056】[0056]

【外13】 はオブザーバ400による推定値を用いて求めるものと
する(不図示)。
[Outside 13] Is calculated using the estimated value by the observer 400 (not shown).

【0057】ところで、減速機や負荷側に外乱が加わら
ないとすれば、ねじれ角θS と電動機位置θm、負荷位
置θL 、減速比Nとには次の関係がある。
If no disturbance is applied to the speed reducer or the load side, the twist angle θ S , the motor position θ m, the load position θ L , and the reduction ratio N have the following relationships.

【0058】[0058]

【数3】 ここで、図3に示すようにオブザーバにより推定した状
態量を、ねじれ角、ねじれ角速度とすれば、(2)式と
その微分値より(1)式は以下のように変形できる。
[Equation 3] Assuming that the state quantity estimated by the observer as shown in FIG. 3 is the twist angle and the twist angular velocity, the equation (1) can be transformed as follows from the equation (2) and its differential value.

【0059】[0059]

【数4】 (3)式において切換面Sはモデル電動機位置θMmと電
動機位置θm との偏差、モデル電動機速度
[Equation 4] In equation (3), the switching surface S is the deviation between the model motor position θ Mm and the motor position θ m , the model motor speed.

【0060】[0060]

【外14】 と電動機速度[Outside 14] And motor speed

【0061】[0061]

【外15】 との偏差およびモデルねじれ角θMSとねじれ角θS の偏
差で定義されるので、以下は第3の請求項に基づく位相
面について説明する。
[Outside 15] And the model twist angle θ MS and the twist angle θ S , the following describes the phase surface according to the third claim.

【0062】スライディングモードの存在条件は、上述
の文献にも明らかなごとく、
The existence condition of the sliding mode is, as is clear from the above-mentioned literature,

【0063】[0063]

【数5】 となり、大域的なスライディングモードの存在条件は、[Equation 5] Therefore, the condition for the existence of the global sliding mode is

【0064】[0064]

【数6】 となる。(3)式を微分すると、[Equation 6] Becomes Differentiating equation (3),

【0065】[0065]

【数7】 また(3)式より、[Equation 7] From equation (3),

【0066】[0066]

【数8】 図1より、[Equation 8] From Figure 1,

【0067】[0067]

【数9】 となる。図1より軸ねじれトルクが電動機側へ作用する
ため電動機への加速度指令Uref は、
[Equation 9] Becomes As shown in FIG. 1, since the shaft torsion torque acts on the electric motor side, the acceleration command Uref to the electric motor is

【0068】[0068]

【数10】 ただし、UFFはフィードフォワード指令、Tcompはスラ
イディングモード制御入力(補償量) となるので、(6)式は(7)、(8)、(9)式より
以下のように表すことができる。
[Equation 10] However, since U FF is the feedforward command and Tcomp is the sliding mode control input (compensation amount), equation (6) can be expressed as follows from equations (7), (8), and (9).

【0069】[0069]

【数11】 よって、[Equation 11] Therefore,

【0070】[0070]

【外16】 は次式のようになる。[Outside 16] Is as follows.

【0071】[0071]

【数12】 ここで、通常C<kvと設計するため、(11)式第1
項は常に負となる。故に(5)式が成立するためには、
[Equation 12] Here, in order to normally design C <kv, the first equation (11)
The term is always negative. Therefore, in order for equation (5) to hold,

【0072】[0072]

【数13】 となればよいので、Sの正負により(12)式が成立す
るようにスライディングモード入力Tcompを切換える。
[Equation 13] Therefore, the sliding mode input Tcomp is switched so that the expression (12) is satisfied depending on whether S is positive or negative.

【0073】まず、S<0の場合、 (θMm−θm )について (θMm−θm )>0の時 −C2+kv(C−kp) > Tcomp1 (θMm−θm )≦0の時 −C2+kv(C−kp) < Tcomp1 (θMS−θS )について (θMS−θS )>0の時 N(D-C)(kv-C)-k1 > Tcomp2 (θMS−θS )≦0の時 N(D-C)(kv-C)-k1 < Tcomp2[0073] First, <For 0, (θ Mmm) for (θ Mm -θ m)> S 0 when -C 2 + kv (C-kp )> Tcomp1 (θ Mm -θ m) ≦ 0 When −C 2 + kv (C−kp) <Tcomp1 (θ MS −θ S ) (θ MS −θ S )> 0 N (DC) (kv-C) -k1> Tcomp2 (θ MS −θ S ) ≤ 0 N (DC) (kv-C) -k1 <Tcomp2

【0074】[0074]

【数14】 [Equation 14]

【0075】[0075]

【数15】 FFについて UFF>0の時 −1 > Tcomp5 UFF≦0の時 −1 < Tcomp5 θS について[Equation 15] For U FF for -1 <Tcomp5 θ S when -1> Tcomp5 U FF ≦ 0 when U FF> 0

【0076】[0076]

【数16】 従って〜に示した条件を満足すればスライディング
モード制御が成立する。
[Equation 16] Therefore, the sliding mode control is established if the conditions (1) to (4) are satisfied.

【0077】なおS>0の時は、上記各変数の正負を入
れ換えた値とする。スライディングモード制御入力Tco
mpを、
When S> 0, the positive and negative values of the above variables are exchanged. Sliding mode control input Tco
mp,

【0078】[0078]

【数17】 として、電動機への加速度指令に加算して出力すればよ
い。
[Equation 17] As a result, the acceleration command to the electric motor may be added and output.

【0079】このように、本発明では電動機、負荷およ
び相互の関係の状態量がスライディングモード切換面に
拘束されるので制御対象のパラメータが変動しても電動
機位置や負荷位置はモデル制御器の規範出力に追従し、
正確で安定した制御が可能となる。
As described above, according to the present invention, the state quantities of the motor, the load and the mutual relations are restricted by the sliding mode switching surface. Therefore, even if the parameter to be controlled fluctuates, the motor position and the load position are the norms of the model controller. Follow the output,
Accurate and stable control is possible.

【0080】請求項4の切換面とした場合にも上述した
スライディングモード存在条件を満足するように切換ゲ
インを設定すれば、電動機位置や負荷位置はモデル制御
器の規範出力に追従させることは可能となる。
Even when the switching surface of claim 4 is used, if the switching gain is set so as to satisfy the sliding mode existence condition, the motor position and the load position can follow the reference output of the model controller. Becomes

【0081】本実施例ではスライディングモードの切換
面に用いた状態量には推定値を用いたが検出器を用いて
実測した値を用いても構わない。
In this embodiment, an estimated value is used as the state quantity used for the sliding mode switching surface, but a value actually measured using a detector may be used.

【0082】また電動機の速度制御は比例制御として説
明したが、比例、積分制御の場合においてもスライディ
ングモード制御を行なうことは可能である。
Although the speed control of the electric motor has been described as the proportional control, the sliding mode control can be performed even in the case of the proportional and integral control.

【0083】電動機は直流電動機を用いた場合を説明し
たが、誘導電動機や同期電動機を用いても、公知のベク
トル制御を用いることによってスライディングモード制
御を行ない、高速応答性をもって制御可能である。
Although the DC motor is used as the electric motor, the induction mode or the synchronous motor can be used for the sliding mode control by using the well-known vector control and can be controlled with high speed response.

【0084】[0084]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
動機の位置制御装置にスライディングモード制御器を有
し、モデル制御器より出力されたモデル状態量と、検出
された状態量あるいはオブザーバにより推定された状態
量との偏差を切換面としたスライディングモード制御を
行っているので、電動機と負荷間の伝達機構の剛性が低
い場合においても、負荷の出力を目標とする応答に追従
させることができる。さらに制御対象のパラメータがノ
ミナル値より変動しても電動機や負荷の状態量はモデル
制御器の規範出力に追従し、正確で安定した制御が可能
となる。
As described above, according to the present invention, the position controller for the electric motor has the sliding mode controller, and the model state quantity output from the model controller and the detected state quantity or observer are used. Since sliding mode control is performed with the deviation from the estimated state quantity as the switching surface, even if the rigidity of the transmission mechanism between the motor and the load is low, the output of the load can follow the target response. it can. Furthermore, even if the parameter to be controlled fluctuates from the nominal value, the state quantities of the electric motor and load follow the reference output of the model controller, and accurate and stable control is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のモデルを適用した2自由度制御系の基
本構成ブロック図である。
FIG. 1 is a basic configuration block diagram of a two-degree-of-freedom control system to which a model of the present invention is applied.

【図2】モデル制御器の詳細な構成を示すブロック図で
ある。
FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of a model controller.

【図3】スライディングモード制御器の詳細な構成を示
すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of a sliding mode controller.

【図4】フィードバック制御器の詳細な構成を示すブロ
ック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of a feedback controller.

【図5】従来例における2自由度制御系の基本構成ブロ
ック図である。
FIG. 5 is a basic configuration block diagram of a two-degree-of-freedom control system in a conventional example.

【図6】第2の従来例における2自由度制御系の基本構
成ブロック図である。
FIG. 6 is a basic configuration block diagram of a two-degree-of-freedom control system in a second conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

51、61 位置指令発生器 52、62 モデル制御器 53、63 フィードバック制御器 54、64 フィードフォワード制御器 55、65 減算器 56、66 加算器 57、67 制御対象 100 位置指令発生器 200 モデル制御器 201 位置制御器モデル 202 速度制御器モデル 203 フィードフォワード指令発生器 204 トルク制御器モデル 205 電動機モデル 206 減速機モデル 207 負荷モデル 208、209 ゲイン 210 微分器 211 減算器 212、213 加減算器 214 加算器 221 入力端子 222、223、224、225、226 出力端子 300 フィードバック制御器 301 位置制御器 302 速度制御器 303 微分器 304、305 ゲイン 311、314、315 減算器 312 加減算器 313、316、317 加算器 321、322、323、325、326、327、3
28 入力端子 329 出力端子 400 オブザーバ 500 スライデイングモード制御器 501 スライディングモード制御器Sの正負判定機
構 502 Tcomp1〜6のゲイン切換機構 503 微分器 521、522、523、524、525、526、5
27 入力端子 528 出力端子 600 調整器 700 トルク制御器 800 電動機 850 回転検出器 900 減速器 950 負荷
51, 61 Position command generator 52, 62 Model controller 53, 63 Feedback controller 54, 64 Feed forward controller 55, 65 Subtractor 56, 66 Adder 57, 67 Control object 100 Position command generator 200 Model controller 201 position controller model 202 speed controller model 203 feedforward command generator 204 torque controller model 205 electric motor model 206 reducer model 207 load model 208, 209 gain 210 differentiator 211 subtractor 212, 213 adder / subtractor 214 adder 221 Input terminal 222, 223, 224, 225, 226 Output terminal 300 Feedback controller 301 Position controller 302 Speed controller 303 Differentiator 304, 305 Gain 311, 314, 315 Subtractor 312 Adder Subtractor 313, 316, 317 Adder Calculator 321,322,323,325,326,327,3
28 Input terminal 329 Output terminal 400 Observer 500 Sliding mode controller 501 Positive / negative determination mechanism 502 of sliding mode controller S Gain switching mechanism 503 of Tcomp1 to 6 Differentiators 521, 522, 523, 524, 525, 526, 5
27 Input Terminal 528 Output Terminal 600 Regulator 700 Torque Controller 800 Electric Motor 850 Rotation Detector 900 Reducer 950 Load

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G05B 13/04 G05B 13/04 (56)参考文献 特開 平5−216504(JP,A) 特開 平3−110606(JP,A) 特開 平6−95708(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 3/00 - 3/20 G05B 11/00 - 13/04 Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI G05B 13/04 G05B 13/04 (56) References JP-A-5-216504 (JP, A) JP-A-3-110606 (JP, A) JP-A-6-95708 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G05D 3/00-3/20 G05B 11/00-13/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 負荷を駆動する電動機の目標位置指令を
出力する位置指令発生器と、 前記指令を入力しモデルフィードフォワード指令信号お
よび前記電動機のモデル状態値指令信号とを出力するモ
デル制御器と、 前記電動機の回転位置情報を検出する回転検出器と、 前記電動機への加速度指令と前記回転検出器で検出され
た前記電動機の回転位置情報とより、前記電動機と前記
負荷の状態量を推定するオブザーバと、 前記モデル制御器より出力されたモデル状態量と、前記
回転検出器の検出した回転位置情報および前記オブザー
バにより推定された推定状態量との偏差を入力してフィ
ードバック指令を出力するフィードバック制御器と、 前記モデル制御器より出力されたモデルフィードフォワ
ード指令と、前記フィードバック制御器より出力された
フィードバック指令を加算して電動機への加速度指令と
してトルク制御器に出力する調整器と、 前記調整器の加速度指令によって前記電動機に所用の条
件の電力を供給するトルク制御器とを備えた電動機の位
置制御装置において、 前記モデル制御器は前記負荷のモデルの状態値の指令を
出力し、 前記オブザーバは前記電動機と前記負荷の状態量の推定
を行ない、 スライディングモード制御の切換面として予め選定され
た複数の状態値からなる基準状態値面を用いて該複数の
状態値より計算された値の正負によって計算されたスラ
イディングモード補償量を求め、前記モデル制御器より
出力されたモデル状態量と、前記回転検出器で検出され
た回転位置情報および前記オブザーバにより推定された
推定状態量との偏差が0に収束するように、前記スライ
ディングモード補償量を前記フィードバック制御器に加
算するスライディングモード制御器を有することを特徴
とする電動機の位置制御装置。
1. A position command generator that outputs a target position command of a motor that drives a load, and a model controller that inputs the command and outputs a model feedforward command signal and a model state value command signal of the motor. A rotation detector that detects rotation position information of the electric motor; and an acceleration command to the electric motor and rotation position information of the electric motor detected by the rotation detector to estimate state quantities of the electric motor and the load. Feedback control for outputting a feedback command by inputting a deviation between an observer, a model state quantity output from the model controller, rotational position information detected by the rotation detector, and an estimated state quantity estimated by the observer Controller, model feedforward command output from the model controller, and output from the feedback controller. A motor having a regulator that adds the generated feedback command and outputs it to the torque controller as an acceleration command to the motor; In the position control device, the model controller outputs a command of the state value of the load model, the observer estimates the state quantities of the electric motor and the load, and is preselected as a switching surface for sliding mode control. A sliding mode compensation amount calculated by the positive and negative of the value calculated from the plurality of state values using a reference state value surface consisting of a plurality of state values, the model state amount output from the model controller, The deviation between the rotational position information detected by the rotation detector and the estimated state quantity estimated by the observer converges to zero. Sea urchin, the position control unit for an electric motor, characterized in that it comprises a sliding mode controller for adding the sliding mode compensation amount to the feedback controller.
【請求項2】請求項1記載の電動機の位置制御装置にお
いて、 前記スライディングモード制御の切換面を、モデル負荷
位置と負荷位置との偏差、モデル負荷速度と負荷速度と
の偏差、モデルねじれ角とねじれ角との偏差、およびモ
デルねじれ角速度とねじれ角速度との偏差としたことを
特徴とする請求項1記載の電動機の位置制御装置。
2. The position control device for an electric motor according to claim 1, wherein the sliding mode control switching surface includes a deviation between a model load position and a load position, a deviation between a model load speed and a load speed, and a model torsion angle. The position control device for an electric motor according to claim 1, wherein the deviation from the twist angle and the deviation between the model twist angular velocity and the twist angular velocity are used.
【請求項3】請求項1記載の電動機の位置制御装置にお
いて、 前記スライディングモード制御の切換面を、モデル電動
機位置と電動機位置の偏差、モデル電動機速度と電動機
速度の偏差およびモデルねじれ角とねじれ角の偏差とし
たことを特徴とする請求項1記載の電動機の位置制御装
置。
3. The position control device for an electric motor according to claim 1, wherein a switching surface of the sliding mode control includes a deviation between a model electric motor position and an electric motor position, a deviation between a model electric motor speed and an electric motor speed, and a model torsion angle and a torsion angle. 2. The position control device for an electric motor according to claim 1, wherein
【請求項4】請求項1記載の電動機の位置制御装置にお
いて、 前記スライディングモード制御の切換面を、モデル電動
機位置と電動機位置の偏差、モデル電動機速度と電動機
速度の偏差、モデルねじれ角とねじれ角の偏差およびモ
デルねじれ角速度とねじれ角速度の偏差としたことを特
徴とする請求項1記載の電動機の位置制御装置。
4. The position control device for an electric motor according to claim 1, wherein the sliding mode control switching surface is provided with a deviation between a model electric motor position and an electric motor position, a deviation between a model electric motor speed and an electric motor speed, a model torsion angle and a torsion angle. And the model torsional angular velocity and the deviation between the torsional angular velocity and the deviation between the model torsional angular velocity and the model torsional angular velocity.
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