(57)【要約】【課題】機械特性を測定して制御器の安定度を把握し、機械特性に合わせて制御器を最適に調整可能な電動機制御装置および機械特性測定方法、制御器調整方法を提供する。【解決手段】  電動機１または機械５の動作量を検出する検出手段２と、指令信号を発生する指令器４と、指令信号を受けて電動機１を駆動するための制御器３と、電流制御部６と、を備えた電動機制御装置において、外乱入力する指令を生成する外乱信号発生部７と、制御器３が出力する駆動力を検出する駆動力検出手段８と、閉ループ外乱周波数応答特性を算出する閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０と、該外乱信号発生部７の出力と駆動力検出手段８の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出する閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１と、該閉ループ駆動力周波数応答特性と該閉ループ外乱周波数応答特性から、機械特性を算出する機械特性算出手段１３と、を備えている。【選択図】    図１
2006221404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械に取り付けられた電動機と、
前記電動機または前記機械からなる被検出体の動作量を検出する検出手段と、
指令信号を発生する指令器と、
指令信号を受けて前記電動機を駆動するための駆動力を発生する制御器と、
前記駆動力を入力し、該駆動力を電流指令に変換し、電動機に供給する電流が変換した該電流指令と一致するような電流制御を行うことにより前記電動機を駆動するための電流制御部と、を備え、
前記指令信号と前記動作量が一致するように前記制御器を介して制御するためのフィードバックループを構成した電動機制御装置において、
前記電動機の動作に応じて生じる機械の特性を含めた応答を把握するために外乱入力する指令を生成する外乱信号発生部と、
前記電動機を駆動する前記制御器から出力された駆動力を検出する駆動力検出手段と、
前記制御器からの出力に対して前記外乱信号発生部により生成された外乱を加算し、得られた信号を新たな駆動力として出力する加算器と、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出する閉ループ外乱周波数応答特性算出手段と、
前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出する閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段と、
前記閉ループ駆動力周波数応答特性と前記閉ループ外乱周波数応答特性から、機械特性を算出する機械特性算出手段と、
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記閉ループ駆動力周波数応答特性から前記制御器と前記機械と前記フィードバックループの特性を含む一巡開ループ周波数応答特性を算出する一巡開ループ周波数応答特性算出手段とを有することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記機械特性算出手段は、前記閉ループ駆動力周波数応答特性と前記一巡開ループ周波数応答特性から機械特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
前記検出手段は、前記電動機の位置または速度または加速度、あるいは前記機械の位置または速度または加速度を検出して前記動作量とすることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記外乱信号発生部の出力は、掃引正弦波であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記外乱信号発生部の出力は、Ｍ系列信号であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項７】
前記外乱信号発生部の出力は、ランダム波であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項８】
前記電動機は、回転型モータであって、前記駆動力はトルクであることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項９】
前記電動機は、並進型モータであって、前記駆動力は推力であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項１０】
前記閉ループ外乱周波数応答特性算出手段は、前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力を平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルから最小二乗法により前記閉ループ外乱周波数応答特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項１１】
前記閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段は、前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力を平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルから最小二乗法により前記閉ループ駆動力周波数応答特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項１２】
前記機械特性は周波数応答特性であって、周波数応答特性の低周波数領域から、負荷慣性モーメント値を推定する負荷慣性モーメント推定装置を備えることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項１３】
前記負荷慣性モーメント推定装置は、前記周波数応答特性の低周波数領域の少なくとも２点を指定して負荷慣性モーメント値を推定することを特徴とする請求項１２記載の電動機制御装置。
【請求項１４】
前記負荷慣性モーメント推定装置は、予め電動機特性を有し、周波数応答特性の低周波数領域から、負荷慣性モーメント値を推定することを特徴とする請求項１２記載の電動機制御装置。
【請求項１５】
前記電動機特性は、前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値を有し、前記負荷慣性モーメント推定装置は、負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率を算出することを特徴とする請求項１４記載の電動機制御装置。
【請求項１６】
前記制御器は、位置指令を入力し、該位置指令と前記電動機位置が一致するような速度指令を生成することにより位置制御を行う位置制御部と、
前記速度指令と前記電動機速度が一致するような駆動力指令を生成することにより速度制御を行う速度制御部と、
前記検出手段の出力を、単位系に合わせて前記位置制御部と前記速度制御部にフィードバックする単位換算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項１７】
前記制御器は、前記駆動力指令にフィルタ処理を施す駆動力フィルタ手段を備えたことを特徴とする請求項１もしくは請求項１６に記載の電動機制御装置。
【請求項１８】
前記制御器は、負荷慣性モーメント値による影響を補正する負荷慣性モーメント補正手段を備えたことを特徴とする請求項１もしくは請求項１６に記載の電動機制御装置。
【請求項１９】
前記機械特性から共振周波数を推定する共振周波数推定手段をさらに備えたことを特徴とする特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項２０】
前記機械特性もしくは、前記閉ループ駆動力周波数応答特性もしくは、前記閉ループ外乱周波数応答特性あるいは前記一巡開ループ周波数応答特性から、前記制御器の制御器特性を算出する制御器特性算出手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、１６に記載の電動機制御装置。
【請求項２１】
前記検出手段を複数有し、前記閉ループ外乱周波数応答特性算出手段は前記外乱信号発生部の出力と複数の前記検出手段の出力から複数の閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段は、前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記機械特性算出手段は、前記閉ループ駆動力周波数応答特性もしくは前記一巡開ループ周波数応答特性算出手段により前記閉ループ駆動力周波数応答特性から算出した一巡開ループ周波数応答特性と、複数の前記閉ループ外乱周波数応答特性から複数の機械特性を算出することを特徴とする請求項１、２、３のいずれかに記載の電動機制御装置。
【請求項２２】
複数の機械特性から振動モードを推定する振動モード推定装置を備えることを特徴とする請求項２１に記載の電動機制御装置。
【請求項２３】
前記機械特性や前記一巡開ループ周波数応答特性などの各種周波数応答特性、もしくは前記検出手段の出力、もしくは前記駆動力検出手段の出力、もしくは負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率、もしくは共振周波数もしくは振動モードを観察する出力手段をさらに有することを特徴とする請求項１、２、３、１２、１３、１４、１５、１９、２２に記載の電動機制御装置。
【請求項２４】
入力装置あるいは記憶装置を備えたことを特徴とする請求項１、２、１２、１３、１４、１５、２２のいずれかに記載の電動機制御装置。
【請求項２５】
機械に取り付けられた電動機と、
前記電動機または前記機械からなる被検出体の動作量を検出する検出手段と、
指令信号を発生する指令器と、
指令信号を受けて前記電動機を駆動するための駆動力を発生する制御器と、
前記駆動力を入力し、該駆動力を電流指令に変換し、電動機に供給する電流が変換した該電流指令と一致するような電流制御を行うことにより前記電動機を駆動するための電流制御部と、を備え、
前記指令信号と前記動作量が一致するように前記制御器を介して制御するためのフィードバックループを構成した電動機制御装置の機械特性測定方法において、
特性を把握するために、前記制御器の出力である駆動力指令に、外乱信号発生部が生成する外乱信号を加えた信号を新たな駆動力指令して電動機を駆動し、前記駆動力指令と前記検出手段の出力と前記駆動力検出手段の出力を計測するステップと、
前記外乱が加えられた駆動力指令と、前記検出手段の出力と、前記駆動力検出手段の出力から機械特性を算出するステップと
を有することを特徴とする機械特性測定方法。
【請求項２６】
前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値と前記機械特性から負荷慣性モーメント値を算出するステップをさらに有することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法。
【請求項２７】
前記機械特性から共振周波数を推定するステップをさらに有することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法。
【請求項２８】
前記機械特性を算出するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記閉ループ駆動力周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法。
【請求項２９】
前記機械特性を算出するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ駆動力周波数応答特性から一巡開ループ周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記一巡開ループ周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法。
【請求項３０】
機械に取り付けられた電動機と、
前記電動機または前記機械からなる被検出体の動作量を検出する検出手段と、
指令信号を発生する指令器と、
指令信号を受けて前記電動機を駆動するための駆動力を発生する制御器と、
前記駆動力を入力し、該駆動力を電流指令に変換し、電動機に供給する電流が変換した該電流指令と一致するような電流制御を行うことにより前記電動機を駆動するための電流制御部と、を備え、
前記指令信号と前記動作量が一致するように前記制御器を介して制御するためのフィードバックループを構成した電動機制御装置の制御器調整方法において、
特性を把握するために、前記制御器の出力である駆動力指令に、外乱信号発生部が生成する外乱信号を加えた信号を新たな駆動力指令して電動機を駆動し、前記駆動力指令と前記検出手段の出力と前記駆動力検出手段の出力を計測するステップと、
前記外乱が加えられた駆動力指令と、前記検出手段の出力と、前記駆動力検出手段の出力を入力して機械特性を算出するステップと、前記制御器によって負荷慣性モーメント値による影響を補正するステップと、動作性能・応答性に関わる前記制御器の設定値を変更するステップと、
前記一巡開ループ周波数応答特性を求めて前記制御器の設定値を確認するステップを有することを特徴とする電動機制御装置の制御器調整方法。
【請求項３１】
前記制御器によって慣性モーメント値による影響を補正するステップは、
前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値と前記機械特性から負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率を算出することを特徴とする請求項３０に記載の電動機制御装置の制御器調整方法。
【請求項３２】
前記機械特性から共振周波数を推定するステップをさらに有することを特徴とする請求項３０に記載の電動機制御装置の制御器調整方法。
【請求項３３】
前記機械特性から推定した共振周波数の影響を抑制するフィルタを設定するステップをさらに有することを特徴とする請求項３０、３２に記載の電動機制御装置の制御器調整方法。
【請求項３４】
前記機械特性測定を推定するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記閉ループ駆動力周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項３０に記載の電動機制御装置の制御器調整方法。
【請求項３５】
前記制御器の設定値を確認するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ駆動力周波数応答特性から一巡開ループ周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記一巡開ループ周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項３０に記載の電動機制御装置の制御器調整方法。
【請求項３６】
前記一巡開ループ周波数応答特性を求めて前記制御器の設定値を確認するステップは、
前記機械特性もしくは、前記閉ループ駆動力周波数応答特性もしくは、前記閉ループ外乱周波数応答特性あるいは前記一巡開ループ周波数応答特性から、前記制御器の制御器特性を算出することを特徴とする請求項３０に記載の電動機制御装置の制御器調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置や工作機械などの位置決め装置あるいは産業用ロボットに用いられる電動機制御装置に関するもので、特に電動機に接続される機械部を含めた負荷慣性モーメントや機械共振といった機械特性を測定するための機械特性測定方法、および負荷慣性モーメントや機械共振といった機械特性を把握して、電動機制御装置の最適な動作を行うために制御器を機械特性に合わせて調整し、調整結果を確認する制御器調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータ制御装置およびメカ特性測定方法は、位置ずれやトルク飽和を発生させずにメカの周波数応答を測定し、また、周波数特性の測定とイナーシャの同定を同時に行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１１は第１従来技術におけるメカ特性測定方法を行うためのモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図１１において、１１１は指令発生部、１１２は位置制御部、１１３は速度制御部、１１４はトルクフィルタ部、１１５は外乱信号発生部、１１６は加算器、１１７は電流制御部、１１８はモータ、１１９はメカ部、１２０は検出器、１２１は周波数応答測定部、１２６は差分器、１２７は周波数応答測定部である。
検出器１２０はモータ１１８の位置を検出し、差分器１２６はこのモータ位置からモータ速度を算出する。指令発生部１１１は位置指令を現在位置に固定する。位置制御部１１２はこの位置指令とモータ位置が一致するような速度指令を生成する。速度制御部１１３は、速度指令とモータ速度が一致するようなトルク指令を生成する。加算器１１６はトルクフィルタ部１１４からのトルク指令に外乱信号発生部１１５からの高速掃引波をトルク外乱として加算し新たなトルク指令とする。電流制御部１１７はこのトルク指令を電流指令に変換してモータ１１８を駆動する。周波数応答測定部１２１は、加算器１１６のトルク指令と、差分器１２６により算出されたモータ速度を入力し周波数応答の測定を行う。
このように、従来のモータ制御装置およびメカ特性測定方法は、周波数応答の測定を行うのである。
【０００４】
また、図１２は第２従来技術におけるメカ特性測定方法を行うためのモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図１２において、１５１はモデル位置制御部であり、１５２はモデル速度制御部であり、１５３はモデルトルクフィルタ部であり、１５４は外乱信号発生部であり、１５５は加算器であり、１５６はモデル電流制御部であり、１５７はモータモデルであり、１５８は差分器であり、１５９はモデル周波数応答測定部である。
従来のメカ特性測定方法では、先ず、制御装置モデルを用いてモータ単体での周波数特性を予め求めておく。そして、モータ単体での周波数特性と、実際のモータ制御装置により測定した周波数特性との比較を行うことによりイナーシャの同定を行う。
モデル位置制御部１５１は、モータモデル１５７の出力位置をゼロ位置に戻すような速度指令を生成して出力することにより位置制御を行っている。モデル速度制御部１５２は、モデル位置制御部１５１により出力された速度指令と差分器１５８の出力である速度信号が一致するようなトルク指令を生成して出力することにより速度制御を行っている。モデルトルクフィルタ部１５３は、モデル速度制御部１５２からのトルク指令を入力し、フィルタ処理を行っている。外乱信号発生部１５４は、高速掃引波を生成して出力する。
加算器１５５は、モデルトルクフィルタ部１５３からのトルク指令に対して外乱信号発生部１５４からの高速掃引波を加算して新たなトルク指令として出力している。モデル電流制御部１５６は、加算器１５５の出力であるトルク指令を電流指令に変換し、検出されたモータ電流が電流指令に一致するような電流制御を行うことによりモータモデル１５７の駆動を行っている。モデル周波数応答測定部１５９は、加算器１５５の出力であるトルク指令とモータ速度を入力して周波数応答を計測する。
そして、この制御装置モデルを用いて、モータ単体での周波数特性、モータモデル１５７のイナーシャがモータ単体のイナーシャの２倍、４倍、８倍とした場合の周波数特性をシミュレーションにより求める。
このように、従来のモータ制御装置およびメカ特性測定方法は、モータ単体での周波数特性と、モータにメカ部が接続された状態での周波数特性を比較することによりモータ＋メカ部のイナーシャ合計値を同定するのである。
【特許文献１】特開２００２−３０４２１９号公報（図１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のモータ制御装置およびメカ特性測定方法は、閉ループ化したモータ制御装置に外乱を加え、外乱と制御器が補償するトルクの和と応答から機械特性を把握するようになっている。また機械特性から慣性モーメント（イナーシャ）を把握するのみで、制御器の安定性を評価する一巡開ループ周波数応答特性を把握することができず、制御器の調整結果を確認できないという問題があった。
【０００６】
また、機械特性を求める際には、制御器が補償するトルクを含み、ノイズ成分まで含んだ波形を使用する。主成分分析のような演算方法を用いない場合は、求めた機械特性の精度が低下するので、機械に合わせた制御器の設定・調整ができないという問題もあった。さらに、演算方法が複雑な主成分分析のような演算方法を用いても、桁落ちなどの演算上の誤差が生じる問題もあった。
【０００７】
トルクフィルタ部１１４からのトルク指令は、検出器１２０が検出した応答に基づいた位置制御部１１５、速度制御部１１３の出力であるため、検出誤差を有する可能性がある。
従来手法は、トルクフィルタ部１１４からのトルク指令に外乱信号発生部１１５の外乱信号を加えた新たなを参照基準として、検出器１２０が検出した応答との周波数応答を算出するので、式（１０１）のように、主成分分析法を実施するためにスペクトル・マトリックスの固有値解析のような演算方法が必要となり、複雑なアルゴリズムを適用する必要がある。
【０００８】
【数１】
2006221404.tif 000003
【０００９】
ここで、Ｇ’ｉｉは平均化したオートパワースペクトル、Ｇ’ｉｊは平均化したクロススペクトル、λは固有値、ｕは固有ベクトル、ｈは随伴行列を示す。随伴行列とは複素共役である転置行列である。
【００１０】
図４で補足すると、主成分分析は、各データの横軸・縦軸の双方に誤差を含む場合に、直線と各データの距離の差ｅの２乗の総和が最小になるように近似するものである。
前記式（１０１）はこの主成分分析法を外乱信号から応答までの周波数応答の演算に適用したものである。
しかしながら、演算が複雑な分、桁落ちなどの演算上の誤差が生じる問題もある。
【００１１】
図１３は従来のメカ特性測定方法のための入力と応答に誤差を含む周波数応答関数算出方法の入出力モデル概念図である。
図１３のように入力と応答の双方にノイズが混入する実態に対して、入力へのノイズ混入を無視して、応答のみノイズ混入を考慮した演算方法を用いると、式（１０２）となる。
平均化した入力のオートスペクトルで、平均化した応答と入力のクロススペクトルを割る演算を行う。
【００１２】
【数２】
2006221404.tif 000004
【００１３】
ここで、Ｚ（ω）は真値、Ｚｐ（ω）はＺ（ω）の推定値、Ｇ’Ｑｆ（ω）は応答ｒに入力側のノイズＭが加わった応答Ｑと観測したノイズを含まない入力ｆとの平均化したクロススペクトル、Ｇ’ｆｆ（ω）は観測したノイズを含まない入力ｆの平均化したオートパワースペクトル、Ｇ’ＦＦ（ω）は観測した入力ｆに入力側のノイズＭを加わった総入力Ｆの平均化したオートパワースペクトル、Ｇ’ＭＦ（ω）は入力側のノイズＭと観測した入力ｆに入力側のノイズＭを加わった総入力Ｆとの平均化したオートパワースペクトル、Ｇ’ＮＦ（ω）は応答側のノイズＮと観測した入力ｆに入力側のノイズＭを加わった総入力Ｆとの平均化したオートパワースペクトル、Ｇ’ＮＭ（ω）は応答側のノイズＮと入力側のノイズＭとの平均化したオートパワースペクトル、Ｇ’ＭＭ（ω）は入力側のノイズＭの平均化したオートパワースペクトルである。
【００１４】
【数３】
2006221404.tif 000005
【００１５】
お互いに相関が無いものは、十分平均化すれば０になるが、Ｇ’ＭＭ（ω）は０にならない。
つまり、前記式（１０２）（１０３）の場合は、平均回数を増やしても、真の周波数特性Ｚに近づくことができない。よって、前記式（１０１）の方法にて誤差を抑制した演算が必要となる。但し、演算が複雑な分、桁落ちなどの演算上の誤差が生じる問題もある。
【００１６】
さらに、イナーシャ（慣性モーメント）を求める際に、図１２のように、シミュレーションにて、先ず制御装置モデルを用いてモータ単体での周波数特性を予め求め、モータ単体での周波数特性と、実際のモータ制御装置により測定した周波数特性との比較を行うことによりイナーシャの同定を行っており、従来の方法では、直接イナーシャ（慣性モーメント）を把握できず、効率が悪いという問題もあった。
【００１７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機械特性を測定しながら制御器の安定度を把握し、機械特性に合わせて制御器を最適に調整できると共に、複雑な演算方法を用いることなく、しかも演算誤差を生じない電動機制御装置および機械特性測定方法、制御器調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
【００１９】
請求項１に記載の発明は、機械に取り付けられた電動機と、前記電動機または前記機械からなる被検出体の動作量を検出する検出手段と、指令信号を発生する指令器と、指令信号を受けて前記電動機を駆動するための駆動力を発生する制御器と、前記駆動力を入力し、該駆動力を電流指令に変換し、電動機に供給する電流が変換した該電流指令と一致するような電流制御を行うことにより前記電動機を駆動するための電流制御部と、を備え、前記指令信号と前記動作量が一致するように前記制御器を介して制御するためのフィードバックループを構成した電動機制御装置において、前記電動機の動作に応じて生じる機械の特性を含めた応答を把握するために外乱入力する指令を生成する外乱信号発生部と、前記電動機を駆動する前記制御器から出力された駆動力を検出する駆動力検出手段と、前記制御器からの出力に対して前記外乱信号発生部により生成された外乱を加算し、得られた信号を新たな駆動力として出力する加算器と、前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出する閉ループ外乱周波数応答特性算出手段と、前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出する閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段と、前記閉ループ駆動力周波数応答特性と前記閉ループ外乱周波数応答特性から、機械特性を算出する機械特性算出手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、前記閉ループ駆動力周波数応答特性から前記制御器と前記機械と前記フィードバックループの特性を含む一巡開ループ周波数応答特性を算出する一巡開ループ周波数応答特性算出手段とを有することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明は、前記機械特性算出手段は、前記閉ループ駆動力周波数応答特性と前記一巡開ループ周波数応答特性から機械特性を算出することを特徴とする請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載の電動機制御装置とするものである。
【００２２】
また、請求項４に記載の発明は、前記検出手段は、前記電動機の位置または速度または加速度、あるいは前記機械の位置または速度または加速度を検出して前記動作量とすることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００２３】
また、請求項５に記載の発明は、前記外乱信号発生部の出力は、掃引正弦波であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００２４】
また、請求項６に記載の発明は、前記外乱信号発生部の出力は、Ｍ系列信号であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００２５】
また、請求項７に記載の発明は、前記外乱信号発生部の出力は、ランダム波であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００２６】
また、請求項８に記載の発明は、前記電動機は、回転型モータであって、前記駆動力はトルクであることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００２７】
また、請求項９に記載の発明は、前記電動機は、並進型モータであって、前記駆動力は推力であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００２８】
また、請求項１０に記載の発明は、前記閉ループ外乱周波数応答特性算出手段は、前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力を平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルから最小二乗法により前記閉ループ外乱周波数応答特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置とするものである。
【００２９】
また、請求項１１に記載の発明は、前記閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段は、前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力を平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルから最小二乗法により前記閉ループ駆動力周波数応答特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置とするものである。
【００３０】
また、請求項１２に記載の発明は、前記機械特性は周波数応答特性であって、周波数応答特性の低周波数領域から、負荷慣性モーメント値を推定する負荷慣性モーメント推定装置を備えることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００３１】
また、請求項１３に記載の発明は、前記負荷慣性モーメント推定装置は、前記周波数応答特性の低周波数領域の少なくとも２点を指定して負荷慣性モーメント値を推定することを特徴とする請求項１２記載の電動機制御装置とするものである。
【００３２】
また、請求項１４に記載の発明は、前記負荷慣性モーメント推定装置は、予め電動機特性を有し、周波数応答特性の低周波数領域から、負荷慣性モーメント値を推定することを特徴とする請求項１２記載の電動機制御装置とするものである。
【００３３】
また、請求項１５に記載の発明は、前前記電動機特性は、前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値を有し、前記負荷慣性モーメント推定装置は、負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率を算出することを特徴とする請求項１４記載の電動機制御装置とするものである。
【００３４】
また、請求項１６に記載の発明は、前記制御器は、位置指令を入力し、該位置指令と前記電動機位置が一致するような速度指令を生成することにより位置制御を行う位置制御部と、
前記速度指令と前記電動機速度が一致するような駆動力指令を生成することにより速度制御を行う速度制御部と、
前記検出手段の出力を、単位系に合わせて前記位置制御部と前記速度制御部にフィードバックする単位換算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置とするものである。
【００３５】
また、請求項１７に記載の発明は、前記制御器は、前記駆動力指令にフィルタ処理を施す駆動力フィルタ手段を備えたことを特徴とする請求項１もしくは請求項１６に記載の電動機制御装置とするものである。
【００３６】
また、請求項１８に記載の発明は、前記制御器は、負荷慣性モーメント値による影響を補正する負荷慣性モーメント補正手段を備えたことを特徴とする請求項１もしくは請求項１６に記載の電動機制御装置とするものである。
【００３７】
また、請求項１９に記載の発明は、前記機械特性から共振周波数を推定する共振周波数推定手段をさらに備えたことを特徴とする特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置とするものである。
【００３８】
また、請求項２０に記載の発明は、前記機械特性もしくは、前記閉ループ駆動力周波数応答特性もしくは、前記閉ループ外乱周波数応答特性あるいは前記一巡開ループ周波数応答特性から、前記制御器の制御器特性を算出する制御器特性算出手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、１６に記載の電動機制御装置とするものである。
【００３９】
また、請求項２１に記載の発明は、前記検出手段を複数有し、前記閉ループ外乱周波数応答特性算出手段は前記外乱信号発生部の出力と複数の前記検出手段の出力から複数の閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段は、前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記機械特性算出手段は、前記閉ループ駆動力周波数応答特性もしくは前記一巡開ループ周波数応答特性算出手段により前記閉ループ駆動力周波数応答特性から算出した一巡開ループ周波数応答特性と、複数の前記閉ループ外乱周波数応答特性から複数の機械特性を算出することを特徴とする請求項１、２、３のいずれかに記載の電動機制御装置とするものである。
【００４０】
また、請求項２２に記載の発明は、複数の機械特性から振動モードを推定する振動モード推定装置を備えることを特徴とする請求項２１に記載の電動機制御装置とするものである。
【００４１】
また、請求項２３に記載の発明は、前記機械特性や前記一巡開ループ周波数応答特性などの各種周波数応答特性、もしくは前記検出手段の出力、もしくは前記駆動力検出手段の出力、もしくは負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率、もしくは共振周波数もしくは振動モードを観察する出力手段をさらに有することを特徴とする請求項１、２、３、１２、１３、１４、１５、１９、２０、２１、２２に記載の電動機制御装置とするものである。
【００４２】
また、請求項２４に記載の発明は、入力装置あるいは記憶装置を備えたことを特徴とする請求項１、２、１２、１３、１４、１５、２０、２１、２２、２３のいずれかに記載の電動機制御装置とするものである。
【００４３】
また、請求項２５に記載の発明は、機械に取り付けられた電動機と、前記電動機または前記機械からなる被検出体の動作量を検出する検出手段と、指令信号を発生する指令器と、指令信号を受けて前記電動機を駆動するための駆動力を発生する制御器と、前記駆動力を入力し、該駆動力を電流指令に変換し、電動機に供給する電流が変換した該電流指令と一致するような電流制御を行うことにより前記電動機を駆動するための電流制御部と、を備え、前記指令信号と前記動作量が一致するように前記制御器を介して制御するためのフィードバックループを構成した電動機制御装置の機械特性測定方法において、
前記電動機の動作に応じて生じる機械の特性を含めた応答を把握するために、前記制御器の出力である駆動力指令に、外乱信号発生部が生成する外乱信号を加えた信号を新たな駆動力指令して電動機を駆動し、前記駆動力指令と前記検出手段の出力と前記駆動力検出手段の出力を計測するステップと、
前記外乱が加えられた駆動力指令と、前記検出手段の出力と、前記駆動力検出手段の出力から機械特性を算出するステップと
を有することを特徴とする機械特性測定方法とするものである。
【００４４】
また、請求項２６に記載の発明は、前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値と前記機械特性から負荷慣性モーメント値を算出するステップをさらに有することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法とするものである。
【００４５】
また、請求項２７に記載の発明は、前記機械特性から共振周波数を推定するステップをさらに有することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法とするものである。
【００４６】
また、請求項２８に記載の発明は、前記機械特性を算出するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記閉ループ駆動力周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法とするものである。
【００４７】
また、請求項２９に記載の発明は、前記機械特性を算出するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、前記閉ループ駆動力周波数応答特性から一巡開ループ周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記一巡開ループ周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項２５に記載の機械特性測定方法とするものである。
【００４８】
また、請求項３０に記載の発明は、機械に取り付けられた電動機と、前記電動機または前記機械からなる被検出体の動作量を検出する検出手段と、指令信号を発生する指令器と、指令信号を受けて前記電動機を駆動するための駆動力を発生する制御器と、前記駆動力を入力し、該駆動力を電流指令に変換し、電動機に供給する電流が変換した該電流指令と一致するような電流制御を行うことにより前記電動機を駆動するための電流制御部と、を備え、前記指令信号と前記動作量が一致するように前記制御器を介して制御するためのフィードバックループを構成した電動機制御装置の制御器調整方法において、
前記電動機の動作に応じて生じる機械の特性を含めた応答を把握するために、前記制御器の出力である駆動力指令に、外乱信号発生部が生成する外乱信号を加えた信号を新たな駆動力指令して電動機を駆動し、前記駆動力指令と前記検出手段の出力と前記駆動力検出手段の出力を計測するステップと、
前記外乱が加えられた駆動力指令と、前記検出手段の出力と、前記駆動力検出手段の出力を入力して機械特性を算出するステップと、前記制御器によって負荷慣性モーメント値による影響を補正するステップと、動作性能・応答性に関わる前記制御器の設定値を変更するステップと、
前記一巡開ループ周波数応答特性を求めて前記制御器の設定値を確認するステップを有することを特徴とする制御器調整方法とするものである。
【００４９】
また、請求項３１に記載の発明は、前記制御器によって慣性モーメント値による影響を補正するステップは、
前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値と前記機械特性から負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率を算出することを特徴とする請求項３０に記載の制御器調整方法とするものである。
【００５０】
また、請求項３２に記載の発明は、前記機械特性から共振周波数を推定するステップをさらに有することを特徴とする請求項３０に記載の制御器調整方法とするものである。
【００５１】
また、請求項３３に記載の発明は、前記機械特性から推定した共振周波数の影響を抑制するフィルタを設定するステップをさらに有することを特徴とする請求項３０、３２に記載の制御器調整方法とするものである。
【００５２】
また、請求項３４に記載の発明は、前記機械特性測定を推定するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記閉ループ駆動力周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項３０に記載の制御器調整方法とするものである。
【００５３】
また、請求項３５に記載の発明は、前記制御器の設定値を確認するステップは、
前記外乱信号発生部の出力と前記検出手段の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出し、
前記外乱信号発生部の出力と前記駆動力検出手段の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ駆動力周波数応答特性から一巡開ループ周波数応答特性を算出し、
前記閉ループ外乱周波数応答特性と前記一巡開ループ周波数応答特性から、機械特性を算出することを特徴とする請求項３０に記載の制御器調整方法とするものである。
【００５４】
また、請求項３６に記載の発明は、前記一巡開ループ周波数応答特性を求めて前記制御器の設定値を確認するステップは、
前記機械特性もしくは、前記閉ループ駆動力周波数応答特性もしくは、前記閉ループ外乱周波数応答特性あるいは前記一巡開ループ周波数応答特性から、前記制御器の制御器特性を算出することを特徴とする請求項３０に記載の制御器調整方法とするものである。
【発明の効果】
【００５５】
請求項１に記載の発明によると、フィードバックループを構成している電動機制御装置に外乱を与えれば、指令０を与えて状態を管理しながら、外乱と、前記制御器から出力された駆動力と、前記検出手段の出力から、閉ループ駆動力周波数応答特性と閉ループ外乱周波数応答特性を、複雑な演算方法を使わずに算出することができ、閉ループ駆動力周波数応答特性と閉ループ外乱周波数応答特性から、機械特性を算出することができる。
【００５６】
また、請求項２に記載の発明によると、機械特性と共に、閉ループ駆動力周波数応答特性から制御系の安定性を判定できる一巡開ループ周波数応答特性を算出することができ、それぞれを利用できる。
【００５７】
また、請求項３に記載の発明によると、制御系の安定性を判定できる一巡開ループ周波数応答特性と閉ループ外乱周波数応答特性から機械特性を算出することができ、それぞれを利用できる。
【００５８】
また、請求項４に記載の発明によると、前記検出手段では、前記電動機の位置または速度または加速度、あるいは前記機械の位置または速度または加速度を検出することができるので、検出手段の種類や位置を様々に選択できる。
【００５９】
また、請求項５に記載の発明によると、前記外乱信号発生部で作成する信号に掃引正弦波を選択できるので、各種状況に応じた外乱信号を利用できる。
【００６０】
また、請求項６に記載の発明によると、前記外乱信号発生部で作成する信号にＭ系列信号を選択できるので、各種状況に応じた外乱信号を利用できる。
【００６１】
また、請求項７に記載の発明によると、前記外乱信号発生部で作成する信号にランダム波を選択できるので、各種状況に応じた外乱信号を利用できる。
【００６２】
また、請求項８に記載の発明によると、前記電動機に回転型モータを利用することができる。
【００６３】
また、請求項９に記載の発明によると、前記電動機に並進型モータを利用することができる。
【００６４】
また、請求項１０に記載の発明によると、一般的な演算方法である最小二乗法を利用して、平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルから閉ループ外乱周波数応答特性を算出することができる。
【００６５】
また、請求項１１に記載の発明によると、一般的な演算方法である最小二乗法を利用して、平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルから閉ループ駆動力周波数応答特性算出することができる。
【００６６】
また、請求項１２に記載の発明によると、計測した機械特性から電動機に関わる負荷慣性モーメント値を推定でき、機械の主要な特性を数値化できる。
【００６７】
また、請求項１３に記載の発明によると、任意の２点を指定して、計測した機械特性から電動機に関わる負荷慣性モーメント値を推定でき、機械の主要な特性を数値化できる。
【００６８】
また、請求項１４に記載の発明によると、機械特性から電動機に関わる負荷慣性モーメント値を推定値と予め有している電動機特性を利用して、計測した機械特性を校正して、機械の主要な特性を物理的な単位で数値化できる。
【００６９】
また、請求項１５に記載の発明によると、電動機単体の回転子の慣性モーメント値を有しているので、電動機に関わる負荷慣性モーメント値の比率を算出することができ、負荷と電動機単体の相対的な大きさを認識することができる。
【００７０】
また、請求項１６に記載の発明によると、位置を管理する位置制御することができ、同時に速度制御することができ、電流制御することができるので、位置ズレを生じることなく、機械特性を求めることができる。
【００７１】
また、請求項１７に記載の発明によると、駆動力にフィルタ処理を施すことができ、駆動力の任意の成分を取り除いて安定的に電動機を制御することができる。
【００７２】
また、請求項１８に記載の発明によると、電動機単体に対する電動機制御装置全体の負荷の大きさを補正することができ、負荷の大きさの影響を意識せずに制御器を調整することができる。
【００７３】
また、請求項１９に記載の発明によると、共振周波数を推定することができるので、機械の主要な特性を数値化できる。
【００７４】
また、請求項２０に記載の発明によると、制御器の制御器特性を算出することができ、制御器特性を把握しながら制御器を調整することができる。
【００７５】
また、請求項２１に記載の発明によると、複数の機械特性を算出することができるので、詳細な機械特性を把握できる。
【００７６】
また、請求項２２に記載の発明によると、振動モードにより、機械の主要な特性を数値化したうえで、より詳しく把握することができる。
【００７７】
また、請求項２３に記載の発明によると、各種結果を明確に観察することができる。
【００７８】
また、請求項２４に記載の発明によると、入力装置によって各種条件や設定などを操作することができ、さらに、記憶装置によって各種条件や設定などを記憶することができ、日時や場所を変えて作業することができる。
【００７９】
また、請求項２５に記載の発明によると、電動機を駆動し、前記検出手段の出力と前記駆動力検出手段の出力を計測することができ、機械特性を算出することができ、電動機の制御に必要な制御対象の情報を得ることができる。
【００８０】
また、請求項２６に記載の発明によると、負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率を算出し、機械の主要な特性を数値化できる。
【００８１】
また、請求項２７に記載の発明によると、前記機械特性から共振周波数を推定することができ、機械の主要な特性を数値化できる。
【００８２】
また、請求項２８に記載の発明によると、前記機械特性測定を算出する際、複雑な演算方法を使わずに閉ループ外乱周波数応答特性や閉ループ駆動力周波数応答特性を算出することができ、さらに機械特性を算出することができる。
【００８３】
また、請求項２９に記載の発明によると、前記機械特性測定を算出する際、前記閉ループ駆動力周波数応答特性から制御系の安定性を判定できる一巡開ループ周波数応答特性を算出することができ、さらに機械特性を算出することができる。
【００８４】
また、請求項３０に記載の発明によると、制御対象である機械の特性を把握した上で、機械の特性を数値化し、負荷慣性モーメント値による影響を補正し、動作性能・応答性に関わる制御器の設定値を変更し、制御器の設定値を確認し、機械の特性に合わせた制御器の調整ができる。
【００８５】
また、請求項３１に記載の発明によると、前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値と前記機械特性から負荷慣性モーメント値と前記電動機単体の回転子の慣性モーメント値の比率を算出することができ、負荷と電動機単体の相対的な大きさを認識することができる。
【００８６】
また、請求項３２に記載の発明によると、前記機械特性から共振周波数を推定することができ、機械の主要な特性を数値化できる。
【００８７】
また、請求項３３に記載の発明によると、前記機械特性から推定した共振周波数の影響を抑制することができる。
【００８８】
また、請求項３４に記載の発明によると、閉ループ外乱周波数応答特性を算出することができ、機械特性を算出することができる。
【００８９】
また、請求項３５に記載の発明によると、複雑な演算方法を使わずに閉ループ外乱周波数応答特性や閉ループ外乱周波数応答特性や制御系の安定性を判定でき一巡開ループ周波数応答特性を算出し、同時に機械特性を算出することができる。
【００９０】
また、請求項３６に記載の発明によると、制御器の制御器特性を算出することができ、制御器特性を把握しながら制御器を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９１】
以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００９２】
図１は本発明の第１実施例を示す電動機制御装置の全体構成図である。
図において、１は電動機、２は検出手段、３は制御器、４は指令器、５は機械、６は電流制御部、７は外乱信号発生部、８は駆動力検出手段、９は加算器、１０は閉ループ外乱周波数応答特性算出手段、１１は閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段、１２は一巡開ループ周波数応答特性算出手段、１３は機械特性算出手段、１４は負荷慣性モーメント推定装置、１５は電動機特性、１６は電動機単体の可動子の慣性モーメント値、１７は単位換算手段、１８は共振周波数推定手段、１９は制御器特性算出手段、２０は出力手段、２１は入力装置、２２は記憶装置である。なお、電動機１は並進型のリニアモータを用いた例を示している。
【００９３】
また、図２は第１実施例における電動機制御装置の動作に関連する部分を模式的に表した図である。図２の符号が図１と同じものについては同一の構成要素を示している。なお、制御器３は制御特性Ｇと単位換算手段１７の単位換算特性を含めたフィードバック特性ｂを包含すると共に、機械特性Ｈには、電動機１と機械５を包含して記載している。
ここでは、第１実施例の具体的な説明に入る前に、動作説明に必要な閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃ、一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏ、機械特性Ｈの概念並びに関係について説明する。
【００９４】
図２において、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲは、理論上式（１）で定義される。指令器４の出力を０として、外乱信号発生部７が出力した指令信号Ｄと、検出手段２が出力した応答信号ｒを観察して得られる閉ループ状態の外乱から応答までの特性である。
【００９５】
【数４】
2006221404.tif 000006
【００９６】
また、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃは、同じく図２に示すように、理論上式（２）で定義されると共に、外乱信号発生部７が出力した指令信号Ｄと、指令器４の出力を０として動作量０指令を維持するように制御器３が出力した補償量である駆動力τを観察して得られる。閉ループ状態の外力から一巡補償駆動力までの特性である。
【００９７】
【数５】
2006221404.tif 000007
【００９８】
さらに、一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏは、同じく図２に示すように、理論上式（３）で定義されると共に、制御器３の特性Ｇと機械特性Ｈとフィードバック特性ｂを開ループ状態で直結した場合の特性である。
Ｚｏ＝ｂ・Ｇ・Ｈ                                        式（３）
閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃと一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏは、図２のようなブロック図では、理論上式（４）式（５）の関係があり、一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏは閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃから求められる。
【００９９】
【数６】
2006221404.tif 000008
【０１００】
次に、本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、機械５に取り付けられた電動機１と、電動機１または機械５からなる被検出体の動作量を検出する検出手段２と、指令信号を発生する指令器４と、指令信号を受けて電動機１を駆動するための駆動力を発生する制御器３と、駆動力を入力し、該駆動力を電流指令に変換し、電動機１に供給する電流が変換した該電流指令と一致するような電流制御を行うことにより電動機１を駆動するための電流制御部６と、を備え、該指令信号と該動作量が一致するように制御器３を介して制御するためのフィードバックループを構成した電動機制御装置において、電動機１の動作に応じて生じる機械などの特性を含めた応答を把握するために外乱入力する指令を生成する外乱信号発生部７と、該電動機１を駆動する制御器３から出力された駆動力を検出する駆動力検出手段８と、制御器３からの出力に対して外乱信号発生部７により生成された外乱を加算し、得られた信号を新たな駆動力として出力する加算器９と、外乱信号発生部７の出力と検出手段２の出力から閉ループ外乱周波数応答特性を算出する閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０と、該外乱信号発生部７の出力と駆動力検出手段８の出力から閉ループ駆動力周波数応答特性を算出する閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１と、該閉ループ駆動力周波数応答特性と該閉ループ外乱周波数応答特性から、機械特性を算出する機械特性算出手段１３とを備えたものとなっている。
【０１０１】
次に、電動機制御装置の各種特性の測定について説明する。
図１において、電動機１の動作に応じて生じる機械５などの応答特性の測定を行う場合に、指令器４は動作量として０を制御器３に指令する。検出手段２が検出した動作量は、単位換算手段１７を通して制御器３にフィードバックされ、制御器３は、動作量を０にするように制御している。
【０１０２】
外乱信号発生部７により生成された高速掃引波を、加算器９を介して外乱として加算し、得られた信号を新たな駆動力の指令として出力して電流制御部６電流指令に変換し、検出されたモータ電流がこの電流指令に一致するように電流制御を行い電動機１に電流を供給し、電動機１を動作させる。
【０１０３】
電動機１の動作によって生じる機械５の特性を含む応答を、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄに同期して、検出手段２と駆動力検出手段８にて検出し、外乱信号発生部７高速掃引波Ｄと検出手段２により検出した応答ｒを閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０に送り、高速掃引波Ｄと駆動力検出手段８により検出した駆動力τを閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１に送る。
【０１０４】
閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０は、図２のブロック図では理論的に前記式（１）のようになる閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲを算出する。
外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、検出手段２により検出した応答ｒの時系列データを同期して取得し、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）等により周波数分析を行いスペクトルＳＤ（ω）、Ｓｒ（ω）を得る。外乱信号発生部７により生成された高速掃引波ＤのスペクトルＳＤ（ω）と、検出手段２により検出した応答ｒのスペクトルＳｒ（ω）から式（６）式（７）のようにオートパワースペクトルＧＤＤ（ω）とクロススペクトルＧｒＤ（ω）を得る。
【０１０５】
ＧＤＤ（ω）＝ＳＤ（ω）・ＳＤ＊（ω）                           式（６）
ＧｒＤ（ω）＝Ｓｒ（ω）・ＳＤ＊（ω）                           式（７）
ここで、Ｓ＊はＳの複素共役を示す。
【０１０６】
電動機１の動作と、高速掃引波Ｄと応答ｒの取得と、周波数分析、オートパワースペクトルＧＤＤ（ω）とクロススペクトルＧτＤ（ω）の演算を、複数回実施して、式（８）式（９）のように最終的に平均化したオートパワースペクトルＧ’ＤＤ（ω）とクロススペクトルＧ’ＤＤ（ω）を得る。
【０１０７】
【数７】
2006221404.tif 000009
【０１０８】
ここで、ｎは平均回数である。
【０１０９】
閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０は、平均化したオートパワースペクトルＧ’ＤＤ（ω）とクロススペクトルＧ’ＤＤ（ω）を用いて、式（１０）のように、閉ループ外乱周波数応答特性算出手段ＺＲ（ω）を算出する。
【０１１０】
【数８】
2006221404.tif 000010
【０１１１】
なお、外乱信号発生部７は高速掃引波を生成するとしたが、Ｍ系列信号やランダム波を生成しても良い。
また、単位換算手段１７を備えているので、単位を合わせて制御器３にフィードバックできれば、検出手段２は位置または速度または加速度を検出してよい。
【０１１２】
さらに、本例では平均化したオートパワースペクトルＧ’ＤＤ（ω）とクロススペクトルＧ’ＤＤ（ω）を、電動機１の動作を複数回実施したが、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、検出手段２により検出した応答ｒの時系列データを長時間計測し、複数に分割し、それぞれを処理して、平均化したートパワースペクトルとクロススペクトルを得ても良い。
【０１１３】
閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１は、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、駆動力検出手段８により検出した駆動力τから、閉ループ駆動力周波数応答特性を算出する。閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃが求まれば、前記式（４）のように一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏが求まり、前記式（３）のように電動機１と機械５と制御器３を含めた特性において、制御系の安定度を評価・判断できるようになる。
【０１１４】
また、閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１は、図２のブロック図では理論的に前記式（２）のようになる閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃを算出する。
閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０と同様の処理を行う。外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、駆動力検出手段８により検出した駆動力τの時系列データを同期して取得し、ＦＦＴ等により周波数分析を行いスペクトルＳＤ（ω）、Ｓτ（ω）を得る。外乱信号発生部７により生成された高速掃引波ＤのスペクトルＳＤ（ω）と、駆動力検出手段８により検出した駆動力τのスペクトルＳτ（ω）から式（１１）式（１２）のようにオートパワースペクトルＧＤＤ（ω）とクロススペクトルＧτＤ（ω）を得る。
ＧＤＤ（ω）＝ＳＤ（ω）・ＳＤ＊（ω）                       式（１１）
ＧτＤ（ω）＝Ｓτ（ω）・ＳＤ＊（ω）                       式（１２）
【０１１５】
電動機１の動作と、高速掃引波Ｄと応答ｒの取得と、周波数分析、オートパワースペクトルＧＤＤ（ω）とクロススペクトルＧτＤ（ω）の演算を、複数回実施して、式（１３）式（１４）のように最終的に平均化したオートパワースペクトルＧ’ＤＤ（ω）とクロススペクトルＧ’τＤ（ω）を得る。
【０１１６】
【数９】
2006221404.tif 000011
【０１１７】
閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１は、平均化したオートパワースペクトルＧ’ＤＤ（ω）と平均化したクロススペクトルＧ’τＤ（ω）を用いて、式（１５）のように、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃ（ω）を算出する。
【０１１８】
【数１０】
2006221404.tif 000012
【０１１９】
なお、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃの算出には、周波数分析や、オートパワースペクトルとクロススペクトルの演算や、平均化など、共通部分が多いので、取り扱うデータを区別すれば、閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０と閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１の演算機能を共有しても良い。
また、前記式（８）（９）（１３）（１４）における平均化のためのｎによる除算は、オートパワースペクトルとクロススペクトルが前記式（１０）式（１５）のように分母、分子に現れるため、演算上省略しても良い。
【０１２０】
さらに、本例では平均化したオートパワースペクトルＧ’ＤＤ（ω）とクロススペクトルＧ’τＤ（ω）を、電動機１の動作を複数回実施したが、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、駆動力検出手段８により検出した駆動力τの時系列データを長時間計測し、複数に分割し、それぞれを処理して、平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルを得ても良い。
さらに、高速掃引波Ｄを低速掃引波Ｄとして、低速掃引波Ｄと、駆動力検出手段８により検出した駆動力τの時系列データを長時間計測し、複数に分割し、それぞれを処理して、平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルを得ても良い。
【０１２１】
また、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃの算出に、平均化したオートパワースペクトルとクロススペクトルを用いる理由を図３、図４を用いて補足説明する。
図３は本発明の第１実施例を示す応答に誤差を含む周波数応答関数算出方法の入出力モデル概念図である。図４は本発明の第１実施例を示す周波数応答関数算出の概念図である。ここで、周波数応答関数とは閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃである。
【０１２２】
閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃの算出は、図３の入出力モデル概念図で説明することができる。
つまり、検出手段２により検出した応答ｒや駆動力検出手段８により検出した駆動力τには、検出誤差成分が含まれている可能性がある。
【０１２３】
図２に示したように、指令を０とし、閉ループ状態で外乱Ｄを与え、応答ｒの動作量が指令０に一致するように制御器が機能した場合のデータを取得する。
外乱信号発生部７の出力Ｄは、外乱信号発生部が作成したそのままを、閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０、閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１にて処理するため、ノイズ成分が混入することが無い。
一方、検出手段２は、電動機１がついた機械５のテーブルの動作量を検出するため、検出手段２に関わるノイズ成分が応答ｒに混入する恐れがある。さらに応答ｒをフィードバックして制御器３が出力する補償駆動力τにもノイズが混入する恐れがある。
前記式（１０）式（１５）による閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、閉ループ駆動力周波数応答Ｚｃの算出は、入力を外乱信号発生部７の出力Ｄとし、出力を検出手段２の出力である応答ｒもしくは駆動力検出手段８の出力である補償駆動力τを用いているので、図３のノイズ成分が無い入力ｆと、ノイズ成分Ｎが出力ｑに含まれる入出力モデルからＺの特性を得る方法と同じである。
【０１２４】
出力ｑにノイズＮが含まれる場合は、式（１６）の状態となる。なお、周波数データを処理するため各要素をｆ（ω）、Ｚ（ω）、ｒ（ω）、Ｎ（ω）、Ｒ（ω）と記す。
Ｒ（ω）＝Ｚ（ω）・ｆ（ω）＋Ｎ（ω）                         式（１６）
Ｚ（ω）の特性を得るため、その推定値をＺｐ（ω）として、Ｚ（ω）とＺｐ（ω）の誤差を最小にする。
図４によって補足すると、最小二乗法による直線近似と同じである。図４では、入力側の横軸は真値とし、出力側の縦軸のデータ値と近似する直線との誤差εを、最小となるようにする。データは複数あり、その差は正負あるので、式（１７）のように誤差εの二乗値の総和Ｅを最小にする。
【０１２５】
【数１１】
2006221404.tif 000013
【０１２６】
図４の複数のデータは、周波数応答関数を算出するためにオートパワースペクトルとクロススペクトルの平均化のために複数のデータを取得していたことに対応し、図４の近似した直線は、その傾きが算出した結果であり、周波数応答関数の各周波数の値に対応する。
【０１２７】
図３で観測できるのは入力ｆと出力Ｑであり、推定値Ｚｐ（ω）に入力ｆ（ω）を掛けた結果と出力Ｑ（ω）の差が誤差である。
前記式（１７）を周波数応答関数の算出にあてはめると、式（１８）となる。
【０１２８】
【数１２】
2006221404.tif 000014
【０１２９】
ここで、ｎは平均化回数である。
【０１３０】
誤差Ｅを最小にするためには、式（１９）のようにＺｐ＊（ω）により微分して０と置く。
【０１３１】
【数１３】
2006221404.tif 000015
【０１３２】
前記式（１９）から、周波数応答Ｚ（ω）の推定値Ｚｐ（ω）が式（２０）にて求められる。
【０１３３】
【数１４】
2006221404.tif 000016
【０１３４】
前記式（２０）の分母は、入力のオートパワースペクトルの平均値、分子は、応答と入力のクロススペクトルの平均値に対応している。
したがって、周波数応答Ｚ（ω）の推定値Ｚｐ（ω）は式（２１）となる。
【０１３５】
【数１５】
2006221404.tif 000017
【０１３６】
前記式（１６）をクロススペクトルに適用すると、式（２２）となり、右辺の第２項はノイズと入力のクロススペクトルとなる。
【０１３７】
【数１６】
2006221404.tif 000018
【０１３８】
ノイズと入力のクロススペクトルは、本来無相関であるべきため、十分に平均化すれば、０となる。
【０１３９】
以上のようにして、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、駆動力検出手段８により検出した駆動力τと、検出手段２により検出した応答ｒから、最小二乗法を用いてノイズ成分を抑制した閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣを算出するのである。
【０１４０】
閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃを算出した後は、機械特性Ｈを求める。機械特性Ｈは電動機１および機械５の特性であり、制御対象の特性なので、機械系の共振等が把握でき、制御対象に合わせた制御方法を選択することができるようになる。
【０１４１】
機械特性算出手段１３は、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣを用いて、機械特性Ｈを算出する。
閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと機械特性Ｈには、前記式（１）と式（２）のような関係があるため、前記式（３）の一巡開ループ周波数応答特性ＺＯを使って式（２３）のように機械特性Ｈを算出できる。
Ｈ＝−ＺＲ・（１＋ｂ・Ｇ・Ｈ）＝−ＺＲ・（１＋Ｚｏ）        式（２３）
また、前記式（５）のように、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣと一巡開ループ周波数応答特性ＺＯの関係があるので、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯから、理論上前記式（３）の特性となる閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣを算出できる。
【０１４２】
よって、機械特性算出手段１３は、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣから式（２４）のように機械特性Ｈを算出しても良い。
【０１４３】
【数１７】
2006221404.tif 000019
【０１４４】
また、機械特性算出手段１３が、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣを用いて、機械特性Ｈを算出した場合でも、後述する制御器３の調整のため、一巡開ループ周波数応答特性算出手段１２は、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣから一巡開ループ周波数応答特性ＺＯを算出し、記憶装置２２に記憶させても良い。
機械特性Ｈを算出する手順を入力装置２１にて指定しても良い。
【０１４５】
なお、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃ、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、機械特性Ｈを把握できたので、制御器特性算出手段１９は、制御器特性ｂＧを、前記式（３）を用いて、式（２５）のように一巡開ループ周波数応答特性ＺＯと機械特性Ｈから求めても良い。
制御器特性ｂＧは制御系のみの特性なので、制御器３の設定値を変えた場合を比較することができる。
【０１４６】
【数１８】
2006221404.tif 000020
【０１４７】
ここで、制御器特性ｂＧは、制御器特性Ｇ、単位換算特性を含めたフィードバック系特性ｂを合わせた特性である。
【０１４８】
また、制御器特性算出手段１９は、前記式（４）の関係があるので、制御器特性算出手段１９は、制御器特性ｂＧを、式（２６）のように、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃと機械特性Ｈから求めても良い。
【０１４９】
【数１９】
2006221404.tif 000021
【０１５０】
さらに、制御器特性算出手段１９は、前記式（１）の関係があるので、制御器特性算出手段１９は、制御器特性ｂＧを、式（２７）のように、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと機械特性Ｈから求めても良い。
【０１５１】
【数２０】
2006221404.tif 000022
【０１５２】
出力手段２０は、これまでの閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、機械特性Ｈ、制御器特性ｂＧなど様々な結果を出力しても良い。
同様に、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、機械特性Ｈ、制御器特性ｂＧや制御器３の設定値など様々な結果を記憶装置２２に記憶させても良い。
【０１５３】
以上のようにして、機械特性Ｈが算出できれば、負荷慣性モーメント推定装置１４や、共振周波数推定手段１８により、慣性モーメントや共振などの機械特性の数値が判る。
【０１５４】
図５は、本発明の第１実施例を示す負荷慣性モーメントの算出方法および機械特性を示す図である。
負荷慣性モーメント推定装置１４は、機械特性Ｈから負荷慣性モーメントを算出する。
機械特性Ｈは、図５に示すように周波数領域のデータになっており、出力手段２０にグラフを横軸Ｌｏｇ周波数で出力すれば図のようになる。機械特性Ｈのゲインの低周波数領域の左上から右下にほぼ直線で表される部分の傾きから負荷慣性モーメントを算出できる。
最小二乗法により直線近似すれば、負荷慣性モーメント推定装置１４は負荷慣性モーメントを算出できる。
負荷慣性モーメントＪのとき、駆動力から速度応答の剛体系の機械特性Ｈは式（２８）となる。共振が存在する場合にも低周波数領域の特性は変わらない。
【０１５５】
【数２１】
2006221404.tif 000023
【０１５６】
ここで、ｓはラプラス演算子である。
【０１５７】
そこで、負荷慣性モーメント推定装置１４は、以下のような手順で負荷慣性モーメントを算出することもできる。
出力手段２０に出力した機械特性Ｈのグラフの低周波数領域の直線部分の任意の２点を、入力装置２１から指定して、図中の直線の式を求め、負荷慣性モーメント推定装置１４が負荷慣性モーメントを算出しても良い。
【０１５８】
なお、求めた機械特性Ｈの単位系が異なり校正が必要ならば、負荷慣性モーメント推定装置１４が有する電動機特性１５を用いて機械特性Ｈを校正してよい。
【０１５９】
また、負荷慣性モーメント推定装置１４は、算出した負荷慣性モーメントのうち電動機１に付加された部分を、予め準備している電動機単体の回転子の慣性モーメント値１６に対する比率として算出してもよい。
【０１６０】
図５のような機械特性Ｈのグラフの山は、共振である。共振周波数推定手段１８は、機械特性Ｈのゲインの凹凸から山のピークを検索することで、共振周波数を検出できる。
【０１６１】
機械特性Ｈから負荷慣性モーメントや共振周波数を把握できれば、制御器３の設定値に機械特性を反映できる。
図６は本発明の第１実施例を示す制御器の内部ブロック図であり、図１および図２の制御器３の中身を詳しく示している。Ｇは制御特性であり、２６は負荷慣性モーメント補正手段、２５は駆動力フィルタ手段である。負荷慣性モーメント補正手段２６の特性はｇ、駆動力フィルタ手段２５の特性はｆで示している。
【０１６２】
負荷慣性モーメント補正手段２６へは、前記負荷慣性モーメント推定装置１４が所有する電動機単体の回転子の慣性モーメント値１６に対する、電動機１に付いた負荷慣性モーメントの電動機１単体に対する比率によって設定してもよい。
【０１６３】
なお、電動機制御装置が電動機に応じた単位で駆動されていれば、前記負荷慣性モーメント推定装置１４は、電動機特性１５に基づき、算出した負荷慣性モーメントを物理的な単位に変換しても良い。負荷慣性モーメント補正手段２６は、物理単位量で得た負荷慣性モーメントを電動機に応じた単位に換算して設定しても良い。
【０１６４】
駆動力フィルタ手段２５は、機械特性Ｈの共振周波数をノッチフィルタとして設定してよい。また、ノッチフィルタを複数設定しても良い。あるいは、ローパスフィルタを設定しても良い。
【０１６５】
このように制御器３に機械特性Ｈを反映できたので、電動機制御装置は指令器４からの指令に対して適切な応答となるよう、制御器３の他の設定値を変えることができる。
制御器３の設定値を変え、応答性が変わったら、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧが変化する。
前記の操作を再度行えば、負荷慣性モーメント補正手段２６や駆動力フィルタ手段２５を含む制御器３の設定値が変化した後の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧを再度算出できる。
【０１６６】
記憶装置２２に記憶させていた制御器３の設定値が変化する前の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧを出力手段２０に呼び出し、制御器３の設定値を変えた後の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧと相対比較して良い。
また、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯは、ゲイン余裕・位相余裕を観察できるので、制御器３の設定値の安定性を評価することができる。
【０１６７】
出力手段２０には、以上の手順の各段階の結果を出力して内容を確認できる。
また、入力装置２１によって各段階の操作ができる。
【０１６８】
本発明の第１実施例は上記の構成にしたので、機械特性Ｈを把握して、機械特性Ｈを補償する制御器３の設定ができ、制御器３の設定値を変更して、最適な動作を行う電動機制御装置を提供することができる。また、最適な動作を行う制御器３の設定値を閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣ、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、あるいは制御器特性ｂＧによって観察することができる。それから、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯからはゲイン余裕・位相余裕を観察して安定性を評価することができる。
【実施例２】
【０１６９】
図７は本発明の第２実施例を示す電動機制御装置の全体構成図である。なお、第２実施例の構成要素が第１実施例と同じものについては同一符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、第２実施例が第１実施例と異なるのは、機構系のうち、電動機１が回転型モータの例を示すと共に、電動機１がボールねじを介してテーブル（機械５）を並進運動させるようになっている点である。また、制御系については、回転型モータの動作量を検出する検出手段２ａと、テーブルの動作量を検出する検出手段２ｂを有したフルクローズド構成になっている。これに応じて、１６は電動機単体の回転子の慣性モーメント値を示すものとなっている。さらに、第２実施例の制御器の構成が第１実施例のものと異なる点については以下に述べる。
【０１７０】
図８は本発明の第２実施例を示す電動機制御装置のブロック図であり、図は電動機制御装置の動作に関連する部分を、制御器３を中心にして詳述したものである。なお、図８の符号が図７と同じ符号については同一の構成要素を示している。
図において、２３は位置制御部、２４は速度制御部、２５は駆動力フィルタ手段、２６は負荷慣性モーメント補正手段である。機械特性Ｈには、電動機１と機械５を包含して記載している。
【０１７１】
すなわち、第２実施例の制御器３は、位置制御部２３、速度制御部２４、負荷慣性モーメント補正手段２６、駆動力フィルタ手段２５、電流制御部６を備え、単位換算手段１７の単位換算特性を含めたフィードバック特性ｂ１、ｂ２を持ち、機械特性Ｈｖの応答ｒが速度制御部２４に、機械特性ＨＤの応答Ｒが位置制御部２３にフィードバックされている点で、第１実施例の制御器と異なっている。
【０１７２】
また、本実施例が特許文献１と異なる点は、閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０、閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１、一巡開ループ周波数応答特性算出手段１２、機械特性算出手段１３と、負荷慣性モーメント推定装置１４、共振周波数推定手段１８、制御器特性算出手段２０を備え、負荷慣性モーメント推定装置１４には電動機特性１５と電動機単体の回転子の慣性モーメント値１６を備えた点である。さらに、検出手段２ａ、２ｂを２つ有したフルクローズド構成になっている点である。
【０１７３】
以下では、制御器３の構成とフルクローズド構成による特徴を中心に説明する。
第２実施例は、第１実施例と同様に、機械特性の測定を行う場合には、指令器４は位置の動作量０を制御器３に指令し、検出手段２ａが検出した動作量Ｒは、単位換算手段１７のｂ１を介して位置情報としてフィードバックされ、制御器３の位置制御部２３で位置の動作量０を保つように制御される。検出手段２ｂが検出した動作量ｒは、単位換算手段１７のｂ２を介して速度情報としてフィードバックされ、制御器３の速度制御部２４で速度の制御を行う。駆動力フィルタ手段２５と負荷慣性モーメント補正手段２６は当初、設定されておらず、その特性ｇ、ｆは作用しない。外乱信号発生部７により生成された高速掃引波を、加算器９を介して外乱として加算し、得られた信号を新たな駆動力の指令として出力して電流制御部６電流指令に変換し、検出されたモータ電流がこの電流指令に一致するように電流制御を行い電動機１に電流を供給し、電動機１を動作させる。
【０１７４】
電動機１の動作によって機械５の特性を含む応答を、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄに同期して、検出手段２ａと検出手段２ｂと駆動力検出手段８にて検出し、外乱信号発生部７高速掃引波Ｄと検出手段２ａと検出手段２ｂにより検出した２種類の応答Ｒとｒを閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０に送り、高速掃引波Ｄと駆動力検出手段８により検出した駆動力τを閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１に送る。
【０１７５】
閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０は、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、検出手段２ａと検出手段２ｂにより検出した２種類の応答Ｒとｒから、２種類の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲＤ、ＺＲＤを算出する。
【０１７６】
閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲＤ、ＺＲＤは図８のブロック図では理論的に式（２９）（３０）のようになる。
【０１７７】
【数２２】
2006221404.tif 000024
【０１７８】
実際には、第１実施例と同様に、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、検出手段２ａと検出手段２ｂにより検出した２種類の応答Ｒとｒからから式（３１）（３２）のように閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲＤを求める。
【０１７９】
【数２３】
2006221404.tif 000025
【０１８０】
閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１は、第１実施例と同様に、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、駆動力検出手段８により検出した駆動力τから、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃを算出する。閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃはフルクローズド構成の場合も第１実施例と同様であるが、図８のブロック図では理論的には式（３３）のような特性である。
【０１８１】
【数２４】
2006221404.tif 000026
【０１８２】
実際には、第１実施例と同様に、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄと、駆動力検出手段８により検出した駆動力τから式（３４）のように閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃを求める。
【０１８３】
【数２５】
2006221404.tif 000027
【０１８４】
閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃと一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏは前記式（４）の関係があるので、図８のブロック図では理論的には式（３５）のような特性となる。
Ｚｏ＝（ｂ１・Ｇ１・ＨＤ＋ｂ２・Ｈｖ）・Ｇ２・ｇ・ｆ                  式（３５）
よって、一巡開ループ周波数応答特性算出手段１２は、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃから一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏを算出できる。
【０１８５】
機械特性算出手段１３は、第１実施例と同様の方法を適用すれば、２種類の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲＤ、ＺＲＤと閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣまたは一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏを用いて、２種類の機械特性ＨＤ、Ｈｒを算出できる。
つまり、第１実施例の前記式（２３）（２４）と同様に、式（３６）（３７）のように演算すれば、２種類の機械特性ＨＤ、Ｈｒを算出できることが判る。
【０１８６】
【数２６】
2006221404.tif 000028
【０１８７】
閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃ、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、２種類の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲＤ、ＺＲＤ、２種類の機械特性ＨＤ、Ｈｒを把握できたので、第１実施例のように、制御器特性算出手段１９は、式（３８）式（３９）のように２種類の制御器特性［ｂ・Ｇ］Ｄ、［ｂ・Ｇ］Ｖを求めてもよい。
【０１８８】
【数２７】
2006221404.tif 000029
【０１８９】
但し、２種類の制御器特性には、機械特性ＨＤ、Ｈｒの特性が含まれる。
【０１９０】
負荷慣性モーメント推定装置１４は、機械特性ＨＤ、Ｈｒに含まれる負荷慣性モーメント成分を第１実施例と同様に、求めることができる。
また、共振周波数推定手段１８は、機械特性ＨＤ、Ｈｒに含まれる共振を検出し、共振周波数を第１実施例と同様に、求めることができる。
【０１９１】
第１実施例と同様に、機械特性ＨＤ、Ｈｒから数値化した負荷慣性モーメントや共振周波数を制御器３の設定値として、負荷慣性モーメント補正手段２６や駆動力フィルタ手段２５に機械特性を反映できる。
【０１９２】
第１実施例と同様に、電動機制御装置は指令器４からの指令に対して適切な応答となるよう、制御器３の他の設定値を変えることができる。
【０１９３】
第１実施例と同様に、前記の操作を再度行えば、負荷慣性モーメント補正手段２６や駆動力フィルタ手段２５を含む制御器３の設定値が変化した後の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧを再度算出でき、制御器３の設定値の安定性を評価することができる。
【０１９４】
第１実施例と同様に、出力手段２０には、以上の手順の各段階の結果を出力して内容を確認できる。
また、入力装置２１によって各段階の操作ができる。
【０１９５】
なお、第２実施例では、制御機３の中身を位置制御部２３と速度制御部２４としたが、フィードフォワード部を設け、何らかの機能を付加しても良いし、フィードバックに何らかの機能を付加しても良い。
【０１９６】
本発明の第２実施例は上記の構成にしたので、フルクローズド構成の場合も、第１実施例と同様に、機械特性Ｈを把握して、機械特性Ｈを補償する制御器３の設定ができ、制御器３の設定値を変更して、最適な動作を行う電動機制御装置を提供することができる。また、最適な動作を行う制御器３の設定値を閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣ、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、あるいは制御器特性ｂＧによって観察することができる。それから、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯからはゲイン余裕・位相余裕を観察して安定性を評価することができる。
【実施例３】
【０１９７】
図９は本発明の第３実施例を示す電動機制御装置の全体構成図である。なお、第３実施例の構成要素が第２実施例と同じものについては同一符号を付して説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、２７は振動モード推定装置であり、２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・２ｎは検出手段である。機械特性は、電動機１と機械５を含めて記載しており、検出手段２と同数のＨ１、Ｈ２、Ｈ３、・・・Ｈｎを有する。
制御器３は、制御特性Ｇと単位換算手段１７を含めたフィードバック特性ｂのみを示し、簡易的に示している。また、検出手段２ａのみからフィードバック特性ｂを介して閉ループ化されている。
【０１９８】
第３実施例が特許文献１と異なる点は、閉ループ外乱周波数応答特性算出手段１０、閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段１１、一巡開ループ周波数応答特性算出手段１２、機械特性算出手段１３、振動モード推定装置２７と、複数の検出手段２と複数の機械特性を備えた点である。
【０１９９】
また、第３実施例が第１実施例と異なる点は、振動モード推定装置２７と、複数の検出手段２と複数の機械特性を備えた点である。
第３実施例が第２実施例と異なる点は、同様に、振動モード推定装置２７と、複数の検出手段２と複数の機械特性を備えた点である。また、複数の検出手段２を有してはいるが、フィードバックは１つの検出手段２から行う構成にしていて、第２実施例のようなフルクローズド構成ではない。なお、制御器３は第２実施例とは異なり簡略化して示している。
【０２００】
第３実施例は、第１実施例の前記式（１）と同様に、外乱信号発生部７が出力した指令信号Ｄと、制御器３にフィードバックする検出手段２ａ応答信号ｒを観察して得られる閉ループ状態の外乱から応答までの閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、ｒ１は図９のブロック図では理論上、式（４０）のようになる。
【０２０１】
【数２８】
2006221404.tif 000030
【０２０２】
なお、閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃは第１実施例の前記式（２）と同様、一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏは第１実施例の前記式（３）、および機械特性Ｈ１は第１実施例の前記式（２３）もしくは（２４）、制御器特性ｂＧは前記式（２５）（２６）もしくは（２７）と特性は同じとなる。添字の表現が異なる場合があるが、ここでは明記しない。
【０２０３】
外乱信号発生部７が出力した指令信号Ｄと、検出手段２ｂ、２ｃ、・・・２ｎの応答ｒ２、ｒ３、・・・、ｒｎから得る閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、ｉは、図９のブロック図では理論上、式（４１）となる。
【０２０４】
【数２９】
2006221404.tif 000031
【０２０５】
ここでｉ≠１、ｉ＝２、３、・・・ｎ
【０２０６】
前記式（４１）の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、ｒ１や一巡開ループ周波数応答特性
Ｚｏ、一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏを考慮すると、機械特性、Ｈ２、Ｈ４、・・・、Ｈｎは式（４２）である。
【０２０７】
【数３０】
2006221404.tif 000032
【０２０８】
ここでｉ≠１、ｉ＝２、３、・・・ｎ
【０２０９】
つまり、第１実施例や第２実施例と同様に、駆動力周波数応答特性Ｚｃもしくは一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏから機械特性Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、・・・Ｈｎが算出できる。
【０２１０】
共振周波数推定手段１８は、第１実施例と同様に、複数の機械特性Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、・・・Ｈｎから共振周波数を検出してよい。
【０２１１】
さらに機械特性Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、・・・、Ｈｎから振動モード推定装置２７により各共振周波数における振動モードを算出し、出力手段２０により振動モードを観察し、より詳細な機械特性を把握できる。
【０２１２】
制御器３の設定の確認などは、第１実施例、第２実施例と同様に実施できる。
図９には省略し詳述していないが、こうした機械特性に合わせて、制御器３の中身を設定して、適切な制御器３の設定ができるようになる。
【０２１３】
第１実施例と同様に、電動機制御装置は指令器４からの指令に対して適切な応答となるよう、制御器３の他の設定値を変えることができる。
【０２１４】
第１実施例や第２実施例と同様に、前記の操作を再度行えば、負荷慣性モーメント補正手段２６や駆動力フィルタ手段２５を含む制御器３の設定値が変化した後の閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧを再度算出でき、制御器３の設定値の安定性を評価することができる。
【０２１５】
第１実施例や第２実施例と同様に、出力手段２０には、以上の手順の各段階の結果を出力して内容を確認できる。
また、入力装置２１によって各段階の操作ができる。
【０２１６】
本発明の第３実施例は上記の構成にしたので、第１実施例や第２実施例と同様に、機械特性Ｈを把握して、機械特性Ｈを補償する制御器３の設定ができ、制御器３の設定値を変更して、最適な動作を行う電動機制御装置を提供することができる。また、最適な動作を行う制御器３の設定値を閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲ、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣ、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、あるいは制御器特性ｂＧによって観察することができる。それから、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯからはゲイン余裕・位相余裕を観察して安定性を評価することができる。
【実施例４】
【０２１７】
図１０は本発明の第４実施例を示す機械特性測定方法および制御器調整方法の処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて本発明の第４実施例を、順を追って説明する。
図のフローチャートは、その目的によって大きく２つに分けられる。
ＳＴＰ１、ＳＴＰ２は、機械特性測定方法、ＳＴＰ３、ＳＴＰ４は制御器調整方法の処理手順である。
ＳＴＰ１で電動機を駆動し、応答を計測する。ＳＴＰ２で機械特性を算出する。機械特性を把握できれば、ＳＴＰ２ａで負荷慣性モーメントを求め、ＳＴＰ２ｂで機械特性から共振周波数を推定する。
ＳＴＰ２ａの結果を使って、ＳＴＰ３ａで制御器の負荷慣性モーメントの影響を補正する。また、ＳＴＰ２ｂの結果を使って、ＳＴＰ３ｂで、共振周波数の影響を抑制するフィルタを設定する。
ＳＴＰ３では、制御器の設定を変更して、電動機制御装置の応答性など性能を調整する。
最後に、ＳＴＰ４では、安定性などを含めて制御器の設定値を確認する。ＳＴＰ４の結果が良ければ、制御器の調整までが完了する。ＳＴＰ４の結果が不良であれば、ＳＴＰ３に戻り、制御器を再調整する。
このように、機械特性の把握をしてから制御器を調整するので、機械特性に合致した制御器の性能を発揮できるようになる。
【０２１８】
ＳＴＰ１の電動機を駆動し、応答を計測するステップでは、第１実施例や第２実施例もしくは第３実施例と同様に、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波を、加算器９を介して外乱として加算して電動機１を動作させ、外乱信号発生部７により生成された高速掃引波Ｄに同期して、検出手段２と駆動力検出手段８にて応答と駆動力を検出し、計測する。
【０２１９】
ＳＴＰ２の機械特性を算出するステップでは、第１実施例や第２実施例もしくは第３実施例と同様に、ＳＴＰ１で計測したデータを用いて、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃを算出し、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃもしくは、閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲと閉ループ駆動力周波数応答特性Ｚｃから求めた一巡開ループ周波数応答特性Ｚｏから機械特性Ｈを算出する。
【０２２０】
ＳＴＰ２ａの負荷慣性モーメントを求めるステップでは、第１実施例や第２実施例と同様に、ＳＴＰ３で算出した機械特性Ｈの低周波数領域から負荷慣性モーメントを求める。
第１実施例のように予め準備された電動機単体の慣性モーメントに対する負荷分の比率にて表してもよい。
【０２２１】
ＳＴＰ２ｂの機械特性から共振周波数を推定するステップでは、第１実施例や第２実施例もしくは第３実施例と同様に、ＳＴＰ３で算出した機械特性Ｈのゲインの凹凸から共振周波数を推定する。
【０２２２】
ＳＴＰ３ａの制御器の負荷慣性モーメントの影響を補正するステップでは、第１実施例や第２実施例と同様に、ＳＴＰ２ａで求めた負荷慣性モーメントを用いて、制御器に負荷慣性モーメントの影響を補正するように設定する。
【０２２３】
ＳＴＰ３ｂの共振周波数の影響を抑制するフィルタを設定するステップでは、第１実施例や第２実施例もしくは第３実施例と同様に、ＳＴＰ２ｂで求めた共振周波数を用いて、制御器に共振周波数の影響を抑制するフィルタを設定する。
【０２２４】
ＳＴＰ３の制御器の設定を変更するステップでは、第１実施例や第２実施例もしくは第３実施例と同様に、電動機制御装置が指令器からの指令に対して適切な応答となるよう、制御器の設定値を変える。
【０２２５】
ＳＴＰ４の制御器の設定値を確認するステップでは、ＳＴＰ１とＳＴＰ２の手順を再び行うことで、新たな一巡開ループ周波数応答特性ＺＯを得て、ゲイン余裕・位相余裕を観察して制御器の設定値の安定性を判断し、最初のＳＴＰ２で得た閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧと、新たな結果を比較して制御器の設定値を確認できる。
【０２２６】
電動機制御装置の性能が十分であれば、制御器の設定が完了するが、不十分であれば、ＳＴＰ３に戻り、再度制御器の設定を行う。
【０２２７】
本発明の第４実施例に関わる機械特性測定方法および制御器調整方法は上記手段を用いたので、機械特性Ｈを把握して、機械特性Ｈを補償する制御器３の設定を行うことができ、制御器３の設定値を変更して、最適な動作を行う電動機制御装置を提供することができる。また、最適な動作を行う制御器３の設定値を閉ループ外乱周波数応答特性ＺＲや、閉ループ駆動力周波数応答特性ＺＣや、一巡開ループ周波数応答特性ＺＯ、制御器特性ｂＧによって観察することができる。一巡開ループ周波数応答特性ＺＯからはゲイン余裕・位相余裕を観察して安定性を評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２８】
本発明は、制御系の調整前に制御対象の機械特性と共に、制御系の安定度を示す一巡開ループ周波数応答特性を計測することができるので、制御系調整前の制御系の安定度が判り、制御系の調整可能なパラメータの数値範囲が事前に判るので、効率的に制御系を調整するという用途にも適用できる。
また、最終的にゲイン余裕・位相余裕を観察して安定性を評価できる一巡開ループ周波数応答特性や機械特性を記録でき、量産された個々の電動機制御装置における制御系の調整結果を定量的に示すことができるので、品質管理記録として利用できるという用途にも適用できる。
さらに、制御器を閉ループ化するので、位置制御部を用いて位置管理しながら本発明の動作をすることができるので、垂直方向の位置を保つように構成された電動機を用いた機械特性の把握や制御器の調整という用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２２９】
【図１】本発明の第１実施例を示す電動機制御装置の全体構成図
【図２】本発明の第１実施例を示す電動機制御装置のブロック図
【図３】本発明の第１実施例を示す応答に誤差を含む周波数応答関数算出方法の入出力モデル概念図
【図４】本発明の第１実施例を示す最小二乗法の概念図
【図５】本発明の第１実施例を示す負荷慣性モーメントの算出方法および機械特性を示す図
【図６】本発明の第１実施例を示す制御器の内部ブロック図
【図７】本発明の第２実施例を示す電動機制御装置の全体構成図
【図８】本発明の第２実施例を示す電動機制御装置の制御ブロック図
【図９】本発明の第３実施例を示す電動機制御装置の全体構成図
【図１０】本発明の第４実施例を示す機械特性測定方法および制御器調整方法の処理手順を示すフローチャート
【図１１】第１従来技術におけるメカ特性測定方法を行うためのモータ制御装置の構成を示すブロック図
【図１２】第２従来技術におけるメカ特性測定方法を行うためのモータ制御装置の構成を示すブロック図
【図１３】従来のメカ特性測定方法のための入力と応答に誤差を含む周波数応答関数算出方法の入出力モデル概念図
【符号の説明】
【０２３０】
１  電動機
２  ２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・・２ｎ  検出手段
３  制御器
４  指令器
５  機械
６  電流制御部
７  外乱信号発生部
８  駆動力検出手段
９  加算器
１０  閉ループ外乱周波数応答特性算出手段
１１  閉ループ駆動力周波数応答特性算出手段
１２  一巡開ループ周波数応答特性算出手段
１３  機械特性算出手段
１４  負荷慣性モーメント推定装置
１５  電動機特性
１６  電動機単体の可動子（回転子）の慣性モーメント値
１７  単位換算手段
１８  共振周波数推定手段
１９  制御器特性算出手段
２０  出力手段
２１  入力装置
２２  記憶装置
２３  位置制御部
２４  速度制御部
２５  駆動力フィルタ手段
２６  負荷慣性モーメント補正手段
２７  振動モード推定装置
【図１】
2006221404.tif 000033
【図２】
2006221404.tif 000034
【図３】
2006221404.tif 000035
【図４】
2006221404.tif 000036
【図５】
2006221404.tif 000037
【図６】
2006221404.tif 000038
【図７】
2006221404.tif 000039
【図８】
2006221404.tif 000040
【図９】
2006221404.tif 000041
【図１０】
2006221404.tif 000042
【図１１】
2006221404.tif 000043
【図１２】
2006221404.tif 000044
【図１３】
2006221404.tif 000045