(57)【要約】【課題】速度制御系が存在しない位置制御系でもイナーシャの同定が行え、精度の高いリアルタイムでのサーボ定数のチューニングを行う。【解決手段】指令発生部１１からの位置指令Ｐｒｅｆと実際のモ−タ位置Ｐｆｂが一致するように加速度指令Ａｒｅｆを決定し、これに推定されたイナーシャ値を乗じてトルク指令Ｔｒｅｆを決定しモ−タ位置を制御する位置制御部１２と、モ−タ位置Ｐｆｂにモデルモータ位置Ｐｆｂ’が一致するように決定されたモデル加速度指令に加速度指令Ａｒｅｆを加えた信号を新たにモデル加速度指令Ａｒｅｆ’とし、このモデル加速度指令Ａｒｅｆ’に予め設定されたモデルイナーシャ値を乗じてモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’を決定しモデルモ−タ位置を制御するモデル位置制御部１８とを備え、トルク指令Ｔｒｅｆおよびモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’の時間積分からイナ−シャＪＣを同定し、位置制御部１２におけるイナーシャ値として用いる。【選択図】　　　　　図２
2004110190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令Ｐｒｅｆを出力する指令発生部と、
前記位置指令Ｐｒｅｆと実際のモ−タ位置Ｐｆｂが一致するように加速度指令Ａｒｅｆを決定し、前記加速度指令Ａｒｅｆに推定されたイナーシャ値を乗じてトルク指令Ｔｒｅｆを決定しモ−タ位置を制御する位置制御部と、
前記モ−タ位置Ｐｆｂにモデルモータ位置Ｐｆｂ’が一致するように決定されたモデル加速度指令に、前記加速度指令Ａｒｅｆを加えた信号を新たにモデル加速度指令Ａｒｅｆ’とし、このモデル加速度指令Ａｒｅｆ’に予め設定されたモデルイナーシャ値を乗じてモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’を決定しモデルモ−タ位置を制御するモデル位置制御部と、
前記位置制御部のトルク指令Ｔｒｅｆに所定のハイパスフィルタを通した値ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分したトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ｜を求めるトルク指令積分部、
前記モデル位置制御部のモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’に所定のハイパスフィルタを通した値ＦＴｒ’の絶対値｜ＦＴｒ’｜を同じ区間［ａ、ｂ］で時間積分したモデルトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ’｜を求めるモデルトルク指令積分部、
前記トルク指令積分値｜ＳＦＴｒ｜と前記モデルトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ’｜との比からイナ−シャＪＣの同定を行う同定部、および、
前記同定部内で同定されたイナ−シャＪＣに所定のフィルタを通した値を前記位置制御部のイナーシャ値として出力するフィルタ部
を有するオートチューニング部と
を備えたことを特徴とするサーボ定数のオートチューニング装置。
【請求項２】
前記モデル位置制御部を、前記位置制御部と同じ制御構成としたことを特徴とする請求項１記載のサーボ定数のオートチューニング装置。
【請求項３】
前記トルク指令積分部およびモデルトルク指令積分部において、前記トルク指令及び前記モデルトルク指令の絶対値を時間積分する際、前記ハイパスフィルタを通った後のトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ｜及び前記ハイパスフィルタを通った後のモデルトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ’｜が予め設定された閾値α以下の場合は時間積分しない構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載のサーボ定数のオートチューニング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや工作機械等の制御装置、特に、動作中にイナ−シャ変動がある場合にイナ−シャの同定及びそれに伴うゲイン調整を行う機能を有するオートチューニング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モ−タ制御におけるオートチューニング装置として、例えば、本出願人が先に特許文献１にて提案した制御定数調整装置がある。この装置は、特許文献２、３の問題点である、入力された速度指令や速度偏差を時間積分する積分区間によっては、イナーシャを同定できないという問題点を解決しようとするもので、入力された速度指令と実際のモ−タ速度が一致するようにトルク指令を決定しモ−タ速度を制御する速度制御部と、前記モ−タ速度にモデルモータの速度が一致するように前記速度制御部をシミュレ−トするモデル位置制御部と、前記速度制御部の速度偏差に所定のフィルタを通した値の絶対値を所定の区間で時間積分した値と、前記モデル位置制御部の速度偏差の絶対値を同じ区間で時間積分した値との比からイナ−シャを同定する同定部とを備え、前記モデル位置制御部の速度偏差がゼロかつ、かつ、前記モデル位置制御部内の速度がゼロでない場合にのみ、前記同定部内で行うイナ−シャを同定する演算を行うことを特徴とするものである。
この装置では、任意の速度指令に対してリアルタイムで同定ができるため、時々刻々負荷イナ−シャが変化する場合でもオートチューニングが可能である。
また、制御ゲインをオートチューニングする装置としては、例えば特許文献４に開示された装置の問題点を解消し、複数個ある制御パラメータを１つのパラメータで自動的にチューニングするモータ制御装置が、特許文献５に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１８５８５７号明細書（第３−４頁、図２）
【特許文献２】
特開平１０−７５５９１号公報
【特許文献３】
特開平４−３２５８８６号公報
【特許文献４】
特開平１０−７６４４４号公報
【特許文献５】
特開２００２−２７７８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特許文献１において開示された従来技術では、速度指令とモータ速度を入力し速度指令にモータ速度が一致するようにトルク指令を決定する速度制御部が構成されている場合はイナーシャ同定できるが、位置指令とモータ位置から直接トルク指令を決定する制御構成では、速度制御部がないためにリアルタイムでイナーシャ同定ができず、オートチューニングできないという問題がある。また、特許文献５において開示されたチューニング方法は、速度制御系が存在しない位置制御系において複数個ある制御パラメータを１つのパラメータで自動的にチューニングすることは開示しているものの、リアルタイムでイナーシャの同定を行うことについてはその手法を開示していない。
そこで本発明は、速度制御系が存在しない位置制御系でもイナーシャの同定が行え、精度の高いリアルタイムでのサーボ定数のチューニングが可能なオートチューニング装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の構成に係るサーボ定数のオートチューニング装置は、位置指令Ｐｒｅｆを出力する指令発生部と、前記位置指令Ｐｒｅｆと実際のモ−タ位置Ｐｆｂが一致するように加速度指令Ａｒｅｆを決定し、前記加速度指令Ａｒｅｆに推定されたイナーシャ値を乗じてトルク指令Ｔｒｅｆを決定しモ−タ位置を制御する位置制御部と、前記モ−タ位置Ｐｆｂにモデルモータ位置Ｐｆｂ’が一致するように決定されたモデル加速度指令に、前記加速度指令Ａｒｅｆを加えた信号を新たにモデル加速度指令Ａｒｅｆ’とし、このモデル加速度指令Ａｒｅｆ’に予め設定されたモデルイナーシャ値を乗じてモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’を決定しモデルモ−タ位置を制御するモデル位置制御部と、前記位置制御部のトルク指令Ｔｒｅｆに所定のハイパスフィルタを通した値ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分したトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ｜を求めるトルク指令積分部、前記モデル位置制御部のモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’に所定のハイパスフィルタを通した値ＦＴｒ’の絶対値｜ＦＴｒ’｜を同じ区間［ａ、ｂ］で時間積分したモデルトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ’｜を求めるモデルトルク指令積分部、前記トルク指令積分値｜ＳＦＴｒ｜と前記モデルトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ’｜との比からイナ−シャＪＣの同定を行う同定部、および、前記同定部内で同定されたイナ−シャＪＣに所定のフィルタを通した値を前記位置制御部のイナーシャ値として出力するフィルタ部を有するオートチューニング部とを備えたことを特徴とする。
この第１の構成においては、位置制御部とモデル位置制御部に、同じ実際のモータ位置Ｐｆｂを入力し、トルク指令およびモデルトルク指令の時間積分からイナ−シャを同定する。この同定されたイナーシャを位置制御部におけるイナーシャ値として用いることにより、精度の高いリアルタイムでのサーボ定数のチューニングが行われる。
【０００６】
また、本発明の第２の構成は、前記第１の構成のモデル位置制御部を、前記位置制御部と同じ制御構成としたものである。同じ制御構成とすることで、同一の構成の回路を位置制御部とモデル位置制御部に用いることができ、構成が簡素化される。
【０００７】
本発明の第３の構成は、前記第１または第２の構成のトルク指令積分部およびモデルトルク指令積分部において、前記トルク指令及び前記モデルトルク指令の絶対値を時間積分する際、前記ハイパスフィルタを通った後のトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ｜及び前記ハイパスフィルタを通った後のモデルトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ’｜が予め設定された閾値α以下の場合は時間積分しない構成としたものである。
この第３の構成においては、閾値α以下の場合のトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ｜及びモデルトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ’｜に含まれる摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が積分により蓄積されないようにする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は本発明を適用するモ−タ制御システムのブロック図である。本実施の形態においては、モータ制御システムは、位置指令Ｐｒｅｆを出力する指令発生部１１と、位置指令Ｐｒｅｆと検出器１６により検出されたモータ１５の位置信号Ｐｆｂとを入力して加速度指令Ａｒｅｆを決定し、加速度指令Ａｒｅｆに推定されたイナーシャ値を乗じてトルク指令Ｔｒｅｆを出力し、前記２つの入力信号が一致するようにモータ１５の位置制御をする位置制御部１２と、トルク指令Ｔｒｅｆを受けてフィルタをかけるトルクフィルタ部１３と、トルクフィルタ部１３の出力であるトルク指令Ｔｒｅｆを受けて電流制御を行いモータ１５に電流を供給する電流制御部１４と、モータ１５の回転軸に接続するなどして回転軸の回転位置を検出する検出器１６と、モ−タ１５により駆動される負荷１７を有している。
【０００９】
さらに、このモータ制御部は、モデル位置制御部１８と、モデルトルクフィルタ部１９と、モデル電流制御部１ａと、モータモデル部１ｂと、オートチューニング部１ｃを備えている。
モデル位置制御部１８は、目標指令として入力されたモータ位置Ｐｆｂにモデルモータ位置Ｐｆｂ’が一致するように決定されたモデル加速度指令に、加速度指令Ａｒｅｆを加えた信号を新たにモデル加速度指令Ａｒｅｆ’とし、このモデル加速度指令Ａｒｅｆ’に予め設定されたモデルイナーシャ値Ｊ’を乗じてモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’を決定して位置制御を行い、モデルトルク指令Ｔｒｅｆ’及びモデルモータ位置Ｐｆｂ’をオートチューニング部１ｃに出力する。
オートチューニング部１ｃは入力されたトルク指令Ｔｒｅｆ、モータ位置Ｐｆｂ、モデルトルク指令Ｔｒｅｆ’及びモデルモータ位置Ｐｆｂ’を用いてイナ−シャＪＣを求め、イナーシャ同定値ＪＣを位置制御部１２に出力する。
【００１０】
オートチューニング部１ｃの詳細を図２を用いて説明する。オートチューニング部１ｃは、トルク指令積分部２１と、モデルトルク指令積分部２２と、同定部２３と、フィルタ部２４より構成される。
トルク指令積分部２１では、位置制御部１２のトルク指令Ｔｒｅｆに所定のハイパスフィルタを通した値ＦＴｒの絶対値｜ＦＴｒ｜を所定の区間［ａ、ｂ］で時間積分したトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ｜を求める。このとき、摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が積分により蓄積されないようにするために、｜ＦＴｒ｜が、ある閾値α以上である場合に積分を行うようにする。
【００１１】
モデルトルク指令積分部２２では、モデル位置制御部１８のモデルトルク指令Ｔｒｅｆ’に所定のハイパスフィルタを通した値ＦＴｒ’の絶対値｜ＦＴｒ’｜を同じ区間［ａ、ｂ］で時間積分したモデルトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ’｜を求める。このときも同様に、｜ＦＴｒ’｜が、トルク指令積分部２１で用いたのと同じ閾値α以上である場合に積分を行うようにする。
同定部２３では、トルク指令積分値｜ＳＦＴｒ｜と前記モデルトルク指令積分値｜ＳＦＴｒ’｜との比から
ＪＣ＝（｜ＳＦＴｒ｜／｜ＳＦＴｒ’｜）＊Ｊ’　…（１）
によりイナ−シャＪＣの同定を行う。
フィルタ部２４は、同定部２３内で同定されたイナ−シャＪＣの値を滑らかにするもので、その出力は、位置制御部１２のイナーシャ値として用いられる。
【００１２】
前述のように、トルク指令やモデルトルク指令には、指令応答成分の他に摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が含まれ、これらの影響は位置制御器の積分器に蓄積されてしまうため、蓄積された補償成分を除去するためにトルク指令およびモデルトルク指令にハイパスフィルタを通した。従って、ハイパスフィルタの時定数は、位置制御部とモデル位置制御部の積分時定数は同じ値が望ましい。
なお、ハイパスフィルタは、トルク指令Ｔｒｅｆから、トルク指令に時定数Ｔｋのローパスフィルタを通した値を減じて実現すれば良く、モデルトルク指令に通すハイパスフィルタも同様に実現すれば良い。
【００１３】
ここで、一般的なイナ−シャ同定原理について簡単に説明する。トルク指令または電動機電流の時間積分からイナ−シャを正確に求めるには、トルク指令または電動機電流から速度までの伝達関数がイナ−シャのみで表され、速度がゼロでない場合、トルク指令または電動機電流の時間積分値と速度の比から簡単にイナ−シャを求めることができる。この関係を利用して、実際の速度制御器とそのモデルモータに同じ速度指令を入力し、モータ速度とモデルモータ速度がゼロでない値で一致する場合に、それぞれのトルク指令または電動機電流の時間積分値の比からイナ−シャを求めることができる。
この同定原理を本発明に適用する際、本発明では速度信号が存在しないが、位置制御で積分動作をしているため、モータ位置とモデルモータ位置が一致する場合はそれぞれの速度もほぼ一致していることになる。さらに本発明では、モータ位置とモデルモータ位置が一致するようにモータ位置をモデル位置制御部の位置指令とし、また、位置制御部内の加速度指令Ａｒｅｆをモデル位置制御部にフィードフォワード信号として入力するという工夫をしている。
【００１４】
次に、位置制御部１２とモデル位置制御部１８の詳細を、本発明者が先に特許文献５において開示した技術を例にあげて、図３を用いて説明する。
図３において、位置制御部１２は、位置指令Ｐｒｅｆからモ−タ位置Ｐｆｂを減じて位置偏差を出力する減算器３１、前記位置偏差にメインパラメータｋｇの２乗をかける乗算器３２、乗算器３２の出力に補助ゲインｋｐをかける乗算器３３、前記位置偏差を積分する積分器３４、積分器３４の出力にメインパラメータｋｇの３乗をかける乗算器３５、乗算器３５の出力に補助ゲインｋｉをかける乗算器３６、前記位置偏差に時定数ｔｖのフィルタをかける速度フィルタ３７、速度フィルタ３７の出力を微分する微分器３８、微分器３８の出力にメインパラメータｋｇをかける乗算器３９、乗算器３９の出力に補助ゲインｋｄをかける乗算器３ａ、乗算器３３，３５，３ａの出力を加える加算器３ｂ、および、加算器３ｂの出力である加速度指令にイナーシャ同定値を乗じてトルク指令を作成する乗算器３ｃを有している。
【００１５】
加算器３ｃの出力であるトルク指令は、トルクフィルタ３ｄにより時定数ｔｆのフィルタをかけられ、電流変換定数３ｅにより電流指令に変換される。３ｆはモータを示すものであるが、ここでは説明を簡単にするため１／Ｊｓ２と表し、モータからは直接モータ位置Ｐｆｂが出力されるとしている。
同様に、モデル位置制御部１８は、位置指令Ｐｒｅｆからモ−タ位置Ｐｆｂを減じて位置偏差を出力する減算器４１、前記位置偏差にメインパラメータｋｇの２乗をかける乗算器４２、乗算器４２の出力に補助ゲインｋｐをかける乗算器４３、前記位置偏差を積分する積分器４４、積分器４４の出力にメインパラメータｋｇの３乗をかける乗算器４５、乗算器４５の出力に補助ゲインｋｉをかける乗算器４６、前記位置偏差に時定数ｔｖのフィルタをかける速度フィルタ４７、速度フィルタ４７の出力を微分する微分器４８、微分器４８の出力にメインパラメータｋｇをかける乗算器４９、乗算器４９の出力に補助ゲインｋｄをかける乗算器４ａ、前記乗算器４３と４５と４ａの出力を加える加算器４ｂ、および、加算器４ｂの出力である加速度指令にモデルイナーシャ値を乗じてトルク指令を作成する乗算器４ｃを有している。
【００１６】
乗算器４ｃの出力であるトルク指令は、トルクフィルタ４ｄにより時定数ｔｆのフィルタをかけられ、電流変換定数４ｅにより電流指令に変換される。４ｆはモデルモータ部であるが、ここでは説明を簡単にするため１／Ｊ’ｓ２と表し、モデルモータ部４ｆからは直接モデルモータ位置Ｐｆｂ’が出力されるとしている。
このような構成とすることで、モータ位置Ｐｆｂとモデルモータ位置Ｐｆｂ’が一致しやすくなるばかりでなく、モデル位置制御部１８に入力する加速度指令にはメカ振動や摩擦などの負荷外乱を補償する成分が含まれるため、モデル位置制御部１８もこれら負荷外乱の影響を考慮できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、下記の効果を奏する。
（１）本発明の第１の構成によれば、位置制御部とモデル位置制御部に、同じ実際のモータ位置Ｐｆｂを入力し、トルク指令およびモデルトルク指令の時間積分からイナ−シャを同定し、この同定されたイナーシャを位置制御部におけるイナーシャ値として用いることにより、精度の高いリアルタイムでのサーボ定数のチューニングを行うことができる。したがって、速度制御系が存在しない位置制御系でもイナーシャの同定が行え、さらに、メカ振動や摩擦などの負荷外乱がある場合でも、同定精度の良いリアルタイムでのチュ−ニングが実現可能なオートチューニング装置が提供できる。
（２）本発明の第２の構成によれば、モデル位置制御部を、位置制御部と同じ制御構成とすることで、同一の構成の回路を位置制御部とモデル位置制御部に用いることができ、構成を簡素化することができる。
（３）本発明の第３の構成によれば、トルク指令及びモデルトルク指令の絶対値を時間積分する際、ハイパスフィルタを通った後のトルク指令の絶対値およびモデルトルク指令の絶対値が予め設定された閾値α以下の場合は時間積分しない構成としたことにより、それらに含まれる摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が積分により蓄積されないようにして、精度の良いイナーシャの同定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するモ−タ制御システムのブロック図である。
【図２】位置制御部とモデル位置制御部とオートチューニング部を示す図である。
【図３】位置制御部とモデル位置制御部の詳細を説明する図である。
【符号の説明】
１ａ　モデル電流制御部
１ｂ　モータモデル部
１ｃ　オートチューニング部
１１　指令発生部
１２　位置制御部
１３　モデル位置制御部
１４　電流制御部
１５　モータ
１６　検出器
１７　負荷
１８　モデル位置制御部
１９　モデルトルクフィルタ部
２１　トルク指令積分部
２２　モデルトルク指令積分部
２３　同定部
２４　フィルタ部
【図１】
2004110190.tif 000003
【図２】
2004110190.tif 000004
【図３】
2004110190.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成14年9月17日(2002.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
前記トルク指令積分部およびモデルトルク指令積分部において、前記トルク指令及び前記モデルトルク指令の絶対値を時間積分する際、前記ハイパスフィルタを通った後のトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ｜及び前記ハイパスフィルタを通った後のモデルトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ’｜が予め設定された閾値αより大きい場合は時間積分する構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載のサーボ定数のオートチューニング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の第３の構成は、前記第１または第２の構成のトルク指令積分部およびモデルトルク指令積分部において、前記トルク指令及び前記モデルトルク指令の絶対値を時間積分する際、前記ハイパスフィルタを通った後のトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ｜及び前記ハイパスフィルタを通った後のモデルトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ’｜が予め設定された閾値αより大きい場合は時間積分する構成としたものである。
この第３の構成においては、閾値α以下の場合のトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ｜及びモデルトルク指令の絶対値｜ＦＴｒ’｜に含まれる摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が積分により蓄積されないようにする。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、下記の効果を奏する。
（１）本発明の第１の構成によれば、位置制御部とモデル位置制御部に、同じ実際のモータ位置Ｐｆｂを入力し、トルク指令およびモデルトルク指令の時間積分からイナ−シャを同定し、この同定されたイナーシャを位置制御部におけるイナーシャ値として用いることにより、精度の高いリアルタイムでのサーボ定数のチューニングを行うことができる。したがって、速度制御系が存在しない位置制御系でもイナーシャの同定が行え、さらに、メカ振動や摩擦などの負荷外乱がある場合でも、同定精度の良いリアルタイムでのチュ−ニングが実現可能なオートチューニング装置が提供できる。
（２）本発明の第２の構成によれば、モデル位置制御部を、位置制御部と同じ制御構成とすることで、同一の構成の回路を位置制御部とモデル位置制御部に用いることができ、構成を簡素化することができる。
（３）本発明の第３の構成によれば、トルク指令及びモデルトルク指令の絶対値を時間積分する際、ハイパスフィルタを通った後のトルク指令の絶対値およびモデルトルク指令の絶対値が予め設定された閾値αより大きい場合は時間積分する構成としたことにより、摩擦やトルクリップル等の外乱補償成分が積分により蓄積されないようにして、精度の良いイナーシャの同定ができる。