(57)【要約】【課題】  非剛性パラメータが分からない場合にも、微小動作のみで負荷が低剛性に連結したモータの剛性を高精度に同定することができる剛性同定装置およびそれを備えたモータ制御装置を提供する。【解決手段】  剛性同定器１０７が、トルク指令とモータ位置との乗算値である位置トルク指令乗算値を算出する位置トルク指令乗算器１０８と、モータ位置の振幅であるモータ位置振幅を算出する位置振幅演算器１０９と、前記位置トルク指令乗算値と前記モータ位置振幅に基づいて剛性同定値を算出して出力する剛性演算器１１０と、を備える。【選択図】図１
2008059426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令あるいは速度指令に基づいてモータを駆動し、かつ、トルク指令とモータ位置に基づいて負荷が連結した前記モータである制御対象の剛性同定値を算出して出力する剛性同定器を備えた剛性同定装置において、
前記位置指令あるいは前記速度指令を周期的信号として前記モータを駆動し、
前記負荷の位置振幅を前記モータ位置の振幅より小さくするようにしたことを特徴とする剛性同定装置。
【請求項２】
前記剛性同定器が、前記トルク指令と前記モータ位置との乗算値である位置トルク指令乗算値を算出する位置トルク指令乗算器と、
前記モータ位置の振幅であるモータ位置振幅を算出する位置振幅演算器と、
前記位置トルク指令乗算値と前記モータ位置振幅に基づいて、前記剛性同定値を算出して出力する剛性演算器と、を備えることを特徴とする請求項１記載の剛性同定装置。
【請求項３】
前記周期的信号が、特定の周波数および振幅をもつ正弦波信号であることを特徴とする請求項１記載の剛性同定装置。
【請求項４】
前記位置指令あるいは前記速度指令の振幅は、前記モータ位置の振幅が前記負荷の可動範囲より小さくなるものであることを特徴とする請求項１記載の剛性同定装置。
【請求項５】
前記剛性演算器が、前記トルク指令の基本周波数成分と前記モータ位置の基本周波数成分との乗算値の１周期間平均値に基づいて、前記剛性同定値を算出することを特徴とする請求項１記載の剛性同定装置。
【請求項６】
前記モータへの給電を制御するモータ制御装置であって、請求項１乃至５記載の剛性同定装置を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷が低剛性に連結したモータの剛性を同定する剛性同定装置およびそれを備えたモータ制御装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
従来の剛性同定装置は、ハンマによりロボットに同定用入力信号を入力し、その加速度を周波数解析した結果と既知の非剛性パラメータを用いてロボットの剛性を同定している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、従来の剛性同定装置である。図において、４０１はハンマ、４０２はロボット、４０３はセンサ、４０４は周波数解析部、４０５はメモリ、４０６は同定部である。ハンマ４０１によりロボット４０２に同定用入力信号を入力する。ロボット４０２の加速度をセンサ４０３が検出し出力する。周波数解析部４０４は前記加速度を入力し解析結果を出力する。メモリ４０５は慣性モーメントや粘性摩擦など既知の非剛性パラメータを出力する。同定部４０６は前記解析結果と前記非剛性パラメータを入力し、ロボット４０２の減速機の剛性である剛性パラメータを算出し出力する。
【０００４】
このように、従来の剛性同定装置は、ハンマによりロボットに同定用入力信号を入力し、その加速度を周波数解析した結果と既知の非剛性パラメータを用いてロボットの剛性を同定するのである。
【特許文献１】特開平０９−１２３０７７号公報（第５−７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の剛性同定装置は、同定用入力信号を入力したときの周波数解析結果と既知の非剛性パラメータを用いて剛性同定する構成となっていて、別途用意された既知である、ロボットの各リンクの慣性モーメントおよび粘性摩擦などの非剛性パラメータが正確に分かっていないと、剛性同定が正確に実施できない問題があった。また、ロボットに大きな動作をさせずにその剛性を同定したい場合に、小さな動作のみでは剛性を同定できない問題もあった。
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、非剛性パラメータが分からない場合にも、微小動作のみで負荷が低剛性に連結したモータの剛性を高精度に同定することができる剛性同定装置およびそれを備えたモータ制御装置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】
【０００６】
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。
【０００７】
請求項１記載の発明は、位置指令あるいは速度指令に基づいてモータを駆動し、かつ、トルク指令とモータ位置に基づいて負荷が連結した前記モータである制御対象の剛性同定値を算出して出力する剛性同定器を備えた剛性同定装置において、前記位置指令あるいは前記速度指令を、周期的信号として前記モータを駆動し、前記負荷の位置振幅を、前記モータ位置の振幅より小さくするようにしたものである。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載における前記剛性同定器が、前記トルク指令と前記モータ位置との乗算値である位置トルク指令乗算値を算出する位置トルク指令乗算器と、前記モータ位置の振幅であるモータ位置振幅を算出する位置振幅演算器と、前記位置トルク指令乗算値と前記モータ位置振幅に基づいて、前記剛性同定値を算出して出力する剛性演算器と、を備えるものである。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載における前記周期的信号が、特定の周波数および振幅をもつ正弦波信号であるものである。
【００１０】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載における前記位置指令あるいは前記速度指令の振幅は、前記モータ位置の振幅が前記負荷の可動範囲より小さくなるものである。
【００１１】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載における前記剛性演算器が、前記トルク指令の基本周波数成分と前記モータ位置の基本周波数成分との乗算値の１周期間平均値に基づいて、前記剛性同定値を算出するものである。
【００１２】
また、請求項６記載の発明は、前記モータへの給電を制御するモータ制御装置であって、請求項１乃至５記載の剛性同定装置を備えるものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１乃至４記載の発明によると、非剛性パラメータが分からない場合にも、負荷が低剛性に連結したモータの剛性を微小動作のみで、一定トルク外乱、ノイズ、非線形ダイナミクス、過渡応答などの影響をほとんど受けることなく、高精度に短時間に同定することができる。また、任意の周期的指令を用いて、負荷が低剛性に連結したモータの剛性を微小動作のみで、一定トルク外乱、ノイズ、非線形ダイナミクス、過渡応答などの影響をほとんど受けることなく、高精度に短時間に同定することができる。
【００１４】
また、請求項５記載の発明によると、非剛性パラメータが分からない場合にも、任意の周期的指令を用いて、負荷が低剛性に連結したモータの剛性を微小動作のみで、一定トルク外乱、ノイズ、非線形ダイナミクス、過渡応答などの影響をほとんど受けることなく、高精度に短時間に同定することができる。
【００１５】
また、請求項６記載の発明によると、非剛性パラメータが分からない場合にも、任意の周期的指令を用いて、負荷が低剛性に連結したモータの剛性を微小動作のみで、一定トルク外乱、ノイズ、非線形ダイナミクス、過渡応答などの影響をほとんど受けることなく、高精度に短時間に同定することができる剛性同定装置を備えるため、その剛性同定値に基づいて高精度で応答性の高い、モータ制御をすることができる。また、制御ゲイン調整等にかかる時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の第１実施例を示す速度制御に基づいた剛性同定装置である。図において、１０１は速度指令発生器、１０２は速度制御器、１０３はトルク制御器、１０４は制御対象、１０５は位置検出器、１０６は微分器、１０７は剛性同定器、１０８は位置トルク指令乗算器、１０９は位置振幅演算器、１１０は剛性演算器である。
【００１８】
速度指令発生器１０１は、速度指令を出力する。速度制御器１０２は、前記速度指令とモータ速度を入力しトルク指令を出力する。トルク制御器１０３は、前記トルク指令を入力しモータ駆動信号を出力する。制御対象１０４は、前記モータ駆動信号により駆動され、モータ位置は、位置検出器１０５が検出し出力する。微分器１０６は、前記モータ位置を入力し前記モータ速度を出力する。
【００１９】
剛性同定器１０７は、前記トルク指令と前記モータ位置を入力し剛性同定値を算出し出力する。剛性同定器１０７において、位置トルク指令乗算器１０８は、前記トルク指令と前記モータ位置を入力し、その乗算値である位置トルク指令乗算値を出力する。位置振幅演算器１０９は、前記モータ位置を入力し、その振幅であるモータ位置振幅を出力する。剛性演算器１１０は、前記位置トルク指令乗算値と前記モータ位置振幅を入力し、制御対象１０４の剛性である前記剛性同定値を算出し出力する。
本発明が従来技術と異なる部分は、位置トルク指令乗算器１０８と位置振幅演算器１０９と剛性演算器１１０とを有する、剛性同定器１０７を備えた部分であり、センサや別途用意された既知である非剛性パラメータを用いずに、微小動作のみで負荷が低剛性に連結したモータの剛性を高精度に同定するものである。
【００２０】
以下、剛性同定器１０７が、剛性同定値を算出する仕組みを説明する。
【００２１】
制御対象１０４は、負荷が低剛性にモータに連結したものとし、モータ慣性モーメントをＪｍ、負荷慣性モーメントをＪｌ、モータ粘性摩擦をＤ、負荷粘性摩擦をｃｌ、前記モータと前記負荷との間の剛性であるモータ負荷間剛性をｋ、前記モータと前記負荷との間の粘性摩擦であるモータ負荷間粘性摩擦をｃ、トルク指令をＴｒｅｆ、モータ位置をθｍ、負荷位置をθｌ、一定トルク外乱をｗとすると、トルク制御器１０３、制御対象１０４、位置検出器１０５を含む開ループ系の運動方程式は式（１）、式（２）と表される。
【００２２】
【数１】
2008059426.tif 000003
【数２】
2008059426.tif 000004
【００２３】
以下の（８）式までの同定式導出において、前記速度指令は速度指令周波数ωの周期的な信号である正弦波とし、モータ位置θｍ、負荷位置θｌ、トルク指令Ｔｒｅｆは、その周波数成分のうち周波数ωにおけるものである基本周波数成分のみを考える。前記速度指令周波数を前記開ループ系の固有周波数より十分に大きくなるように設定した場合、θｌ＜＜θｍの関係が成り立ち、式（１）は式（３）と近似できる。
【００２４】
【数３】
2008059426.tif 000005
【００２５】
定常状態において前記モータ位置は式（４）と表される。
【００２６】
【数４】
2008059426.tif 000006
【００２７】
ただし、Ａはモータ位置振幅、ωは速度指令周波数である。式（４）を式（３）に代入するとトルク指令Ｔｒｅｆは式（５）で表される。
【００２８】
【数５】
2008059426.tif 000007
【００２９】
モータ位置θｍとトルク指令Ｔｒｅｆの乗算値である位置トルク指令乗算値は式（４）、式（５）より式（６）と求められる。
【００３０】
【数６】
2008059426.tif 000008
【００３１】
式（６）の１周期間平均値は、式（６）における定数項となり、式（７）で表される。ここで１周期間平均値とは、１周期間の時間平均値である。
【００３２】
【数７】
2008059426.tif 000009
【００３３】
ただし、バーは１周期間平均値を示す。式（７）を書き換えると式（８）を得る。
【００３４】
【数８】
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【００３５】
剛性演算器１１０は、式（８）により前記剛性同定値を算出する。式（８）は負荷慣性モーメントＪｌを含まないので、負荷慣性モーメントＪｌがわからなくても前記剛性同定値を算出できる。また、式（８）はトルク指令Ｔｒｅｆとモータ位置θｍを用いるので、任意の線形制御を用いた場合に適用できる。例えば、速度制御器１０２をＰ、ＰＩ、Ｉ−Ｐ、ＰＩＤ制御としても良い。
【００３６】
また、トルク指令Ｔｒｅｆおよびモータ位置θｍの基本周波数成分を用いるので、速度指令周波数以外の周波数成分を持つ外乱とノイズおよび重力などによる一定トルク外乱の影響を抑制し、定常状態を待つことなく短時間に剛性同定値を算出することができる。
【実施例２】
【００３７】
図２は、本発明の第２実施例を示す位置制御に基づいた剛性同定装置である。図において、１０２は速度制御器、１０３はトルク制御器、１０４は制御対象、１０５は位置検出器、１０６は微分器、１０７は剛性同定器、１０８は位置トルク指令乗算器、１０９は位置振幅演算器、１１０は剛性演算器、２０１は位置指令発生器、２０２は位置制御器である。
【００３８】
位置指令発生器２０１は、位置指令を出力する。位置制御器２０２は、前記位置指令とモータ位置を入力し速度指令を出力する。速度制御器１０２は、前記速度指令とモータ速度を入力しトルク指令を出力する。トルク制御器１０３は、前記トルク指令を入力しモータ駆動信号を出力する。制御対象１０４は、前記モータ駆動信号により駆動され前記モータ位置は位置検出器１０５が検出し出力する。微分器１０６は、前記モータ位置を入力し前記モータ速度を出力する。剛性同定器１０７は、前記トルク指令と前記モータ位置を入力し剛性同定値を算出し出力する。
【００３９】
なお、第１実施例と第２実施例とでは、速度制御に基づくものであるか位置制御に基づくものであるかの部分で異なり、それぞれ用いる剛性同定器１０７の構成は同じであるので、ここではその詳細な説明を省略する。また、各指令発生器から出力される指令が、速度指令であるか位置指令であるかの部分で異なるが、剛性同定器１０７はトルク指令とモータ位置に基づいて剛性同定値を算出する点で同じであるため、前述した（８）式までの同定式の導出は同じであり、第１実施例と第２実施例とに適用できる。
【００４０】
以下、本実施例のシミュレーション結果を示す。
【００４１】
本シミュレーションに用いた数値は次の通りである。
Ｊｍ＝２．０９×１０＾−４［ｋｇ・ｍ＾２］、Ｊｌ＝１．９０×１０＾−４［ｋｇ・ｍ＾２］、Ｄ＝０．０１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］、ｃｌ＝０．０１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］、ｃ＝０．００１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］、ωｎ＝２０（２π）[ｒａｄ／ｓ]、Ｋｐ＝４０  [ｓ＾−１]、Ｋｖ＝４０（２π）  [ｓ＾−１]、Ｋｖｊ＝Ｋｖ・Ｊｍ、Ｔｉ＝０．０２０  [ｓ]、  ｒ０＝０．１  [ｒａｄ]、ω＝８０（２π）[ｒａｄ／ｓ]、Ｔｒａｔ＝１．２７  [Ｎ・ｍ]
ただし、位置制御器２０２をＰ制御、速度制御器１０２をＰＩ制御とし、ωｎは負荷の固有周波数、Ｋｐは位置比例制御ゲイン、Ｋｖは正規化速度比例制御ゲイン、Ｋｖｊは速度比例制御ゲイン、Ｔｉは速度制御積分時間、ｒ０は位置指令振幅、Ｔｒａｔは定格トルクとする。また、剛性真値ｋ＊は、負荷の固有周波数ωｎを用いてｋ＊＝ωｎ＾２＊Ｊｌと表される。
なお、シミュレーションに用いたこれら数値は、実機への適用に即したものであり、本発明を実機へ適用した場合においても、このシミュレーション結果に相当する効果を奏するものである。
【００４２】
図３は、本発明の第２実施例を示す一定トルク外乱を変化させた場合の剛性同定結果である。図において、剛性同定誤差ｅｋ（％）は、剛性同定値ｋと剛性真値ｋ＊を用いて式（９）により算出した。
【００４３】
【数９】
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（９）
【００４４】
一定トルク外乱定格トルク比ｗ／Ｔｒａｔを０％から５０％まで変化させた場合、式（９）により算出した剛性同定誤差は５％以下であり、本発明によると一定トルク外乱の影響を受けず、高精度の剛性同定が実施できることがわかる。
【００４５】
また、この場合、モータ位置振幅Ａは、常に０．００４ｒａｄ程度（１７ｂｉｔ位置検出器で８０ｐｕｌｓｅ程度）であり、トルク指令振幅は、定格トルクＴｒａｔの２０％程度であった。（図示しない）従って、可動範囲の限定された負荷の連結したモータの剛性同定にも応用でき、また負荷慣性モーメントがより大きな場合にも応用できることがわかる。
【００４６】
また、この場合、負荷位置振幅のモータ位置振幅に対する比は、１０％以下であった（図示しない）ので、式（３）の導出に用いた仮定θｌ＜＜θｍが成り立っていることが分かる。
【００４７】
また、式（８）は、トルク指令Ｔｒｅｆとモータ位置θｍを用いるので、任意の線形制御を用いた場合に適用できる。例えば、位置制御器２０２および速度制御器１０２をＰ、ＰＩ、Ｉ−Ｐ、ＰＩＤ制御としても良い。
【００４８】
このように、トルク指令とモータ位置を入力し位置トルク指令乗算値を出力する位置トルク指令乗算器と、前記モータ位置を入力しモータ位置振幅を出力する位置振幅演算器と、前記位置トルク指令乗算値と前記モータ位置振幅を入力し剛性同定値を算出し出力する剛性演算器を備える構成をしているので、位置指令と異なる周波数成分を持つ外乱、ノイズおよび重力などによる一定トルク外乱の影響を抑制し、負荷慣性モーメントがわからない場合にも、負荷の連結したモータの剛性を高精度に同定することができ、前記剛性同定値を用いて高精度の制御を実施できる。
なお、速度指令発生器１０１あるいは位置指令発生器２０１から発生する、速度指令あるいは位置指令の周波数および振幅は、負荷位置振幅がモータ位置振幅より十分に小さくなるように、たとえば、負荷位置振幅がモータ位置振幅の１０％となるように設定すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
負荷が低剛性に連結したモータの剛性を微小動作のみで同定することができるので、半導体製造装置、産業用ロボットなどの一般産業用機械の制御ゲイン自動調整に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施例を示す速度制御に基づいた剛性同定装置
【図２】本発明の第２実施例を示す位置制御に基づいた剛性同定装置
【図３】本発明の第２実施例を示す一定トルク外乱を変化させた場合の剛性同定結果
【図４】従来の剛性同定装置
【符号の説明】
【００５１】
１０１  速度指令発生器
１０２  速度制御器
１０３  トルク制御器
１０４  制御対象
１０５  位置検出器
１０６  微分器
１０７  剛性同定器
１０８  位置トルク指令乗算器
１０９  位置振幅演算器
１１０  剛性演算器
２０１  位置指令発生器
２０２  位置制御器
４０１  ハンマ
４０２  ロボット
４０３  センサ
４０４  周波数解析部
４０５  メモリ
４０６  同定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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