(57)【要約】【課題】制御パラメータの調整が容易かつ正確に実施でき、モータ制御装置の応答を高速、高精度化し、振動を低く抑制することを可能とする。【解決手段】トルク指令Ｔｒｅｆおよびモータ速度Ｖｆｂに基づいて算出する制御定数同定部１８により、動作中にイナーシャが変動する場合や粘性摩擦が大きい場合でも正確にイナーシャおよび粘性摩擦係数が同定できる。また、その結果、制御パラメータの調整が容易かつ正確に行え、モータ制御装置の応答を高速、高精度化し、振動を低く抑制することができる。【選択図】    図１
2005086841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令Ｖｒｅｆを出力する速度指令発生部と、前記速度指令Ｖｒｅｆ及びモータ速度検出信号Ｖｆｂを入力し前記モータ速度検出信号Ｖｆｂが前記速度指令Ｖｒｅｆに一致するようにトルク指令Ｔｒｅｆを出力する速度制御部と、前記トルク指令Ｔｒｅｆを入力しトルク制御を行いモータにモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、前記モータの位置または速度を検出し前記モータ速度検出信号Ｖｆｂを出力する検出器とを備えたモータ制御装置において、
前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、少なくとも前記トルク指令Ｔｒｅｆおよび前記モータ速度検出信号Ｖｆｂに基づいて算出する制御定数同定部を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記制御定数同定部において、前記トルク指令Ｔｒｅｆを区間［ａ，ｂ］すなわち、時刻ａから時刻ｂまで積分した値をＳＴｒｅｆ、すなわち、
【数１】
2005086841.tif 000023
とすると、前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、
【数２】
2005086841.tif 000024
【数３】
2005086841.tif 000025
により算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊを算出するための区間［ａ，ｂ］を、時刻ａにおけるモータ位置Ｐｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ位置Ｐｆｂ（ｂ）とが一致するような区間とすることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記制御定数同定部において、前記粘性摩擦係数Ｄが既知である場合は前記イナーシャ合計値Ｊを、
【数４】
2005086841.tif 000026
により算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊが既知である場合は、Ｖｆｂ（ａ）を時刻ａにおけるモータ速度、またＶｆｂ（ｂ）を時刻ｂにおけるモータ速度とすると、前記粘性摩擦係数Ｄを、
【数５】
2005086841.tif 000027
により算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記制御定数同定部において、前記速度指令Ｖｒｅｆが０でなく、かつ一定でない場合にのみ、前記イナーシャ合計値Ｊを、前記式（２）
【数６】
2005086841.tif 000028
または前記式（４）
【数７】
2005086841.tif 000029
により算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項７】
同定された前記イナーシャ合計値Ｊと同定された前記粘性摩擦係数Ｄとを、制御パラメータの調整、フィードフォワード信号の作成、または振動抑制補償器の調整に利用することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットや工作機械等を駆動するモータ制御装置において、動作中にイナ−シャ変動がある場合のイナ−シャの同定及び粘性摩擦係数の同定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータ制御装置モ−タ制御における装置として、イナ−シャを同定する機能を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。
本出願人が提案したこの装置は、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−トする推定部と、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、前記推定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、前記推定部の速度偏差がゼロかつ、前記推定部内の速度がゼロでない場合にのみ、前記同定部内でイナ−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、時々刻々イナーシャが変化する場合でもイナ−シャの同定が可能である。
【特許文献１】特許第３１８５８５７号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら前記従来技術では、粘性摩擦が大きい場合はその影響でイナーシャ同定値が大きめに算出されることがある。そのため、その同定されたイナーシャ値を用いて制御パラメータを調整すると振動的になることがあるという問題がある。そこで本発明は、粘性摩擦が大きい場合でもイナーシャ同定誤差を小さくするようにし、粘性摩擦係数をも同定することにより、制御パラメータの調整が容易かつ正確に実施でき、モータ制御装置の応答を高速、高精度化し、振動を低く抑制することを可能とするモータ制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、速度指令Ｖｒｅｆを出力する速度指令発生部と、前記速度指令Ｖｒｅｆ及びモータ速度検出信号Ｖｆｂを入力し前記モータ速度検出信号Ｖｆｂが前記速度指令Ｖｒｅｆに一致するようにトルク指令Ｔｒｅｆを出力する速度制御部と、前記トルク指令Ｔｒｅｆを入力しトルク制御を行いモータにモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、前記モータの位置または速度を検出し前記モータ速度検出信号Ｖｆｂを出力する検出器とを備えたモータ制御装置において、
前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、少なくとも前記トルク指令Ｔｒｅｆおよび前記モータ速度検出信号Ｖｆｂに基づいて算出する制御定数同定部を備えることを特徴とするものである。
【０００５】
また、請求項２に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記トルク指令Ｔｒｅｆを区間［ａ，ｂ］すなわち、時刻ａから時刻ｂまで積分した値をＳＴｒｅｆ、すなわち、
【数８】
2005086841.tif 000003
とすると、前記モータの回転子イナーシャの値及び前記モータにより駆動される負荷機械のイナーシャの値を前記モータの回転軸に換算した値を合計したイナーシャ合計値Ｊと、粘性摩擦係数Ｄとを、
【数９】
2005086841.tif 000004
【数１０】
2005086841.tif 000005
により算出することを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項３に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊを算出するための区間［ａ，ｂ］を、時刻ａにおけるモータ位置Ｐｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ位置Ｐｆｂ（ｂ）とが一致するような区間とすることを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項４に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記粘性摩擦係数Ｄが既知である場合は前記イナーシャ合計値Ｊを、
【数１１】
2005086841.tif 000006
により算出することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項５に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記イナーシャ合計値Ｊが既知である場合は、Ｖｆｂ（ａ）を時刻ａにおけるモータ速度、またＶｆｂ（ｂ）を時刻ｂにおけるモータ速度とすると、前記粘性摩擦係数Ｄを、
【数１２】
2005086841.tif 000007
により算出することを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項６に記載の発明は、前記制御定数同定部において、前記速度指令Ｖｒｅｆが０でなく、かつ一定でない場合にのみ、前記イナーシャ合計値Ｊを、前記式（２）
【数１３】
2005086841.tif 000008
または前記式（４）
【数１４】
2005086841.tif 000009
により算出することを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項７に記載の発明は、同定された前記イナーシャ合計値Ｊと同定された前記粘性摩擦係数Ｄとを、制御パラメータの調整、フィードフォワード信号の作成、または振動抑制補償器の調整に利用することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、動作中にイナーシャが変動する場合や粘性摩擦が大きい場合でも正確にイナーシャ同定ができるとともに、粘性摩擦係数も同定できる。また、請求項７によれば制御パラメータの調整を容易かつ正確に実施でき、モータ制御装置の応答を高速、高精度化し、振動を低く抑制することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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】
【００１３】
実際のモータ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
図１は、本発明をモータに剛体負荷をつけた駆動装置に適用した場合のブロック図である。図１において、１１は位置制御部、１２は速度制御部、１３はトルク制御部、１４はモータ、１５は検出器、１６は差分器、１７は剛体負荷、１８は制御定数同定部である。
位置制御部１１は位置指令Prefとモータ１４の位置信号Pfbとを入力し、速度指令Vrefを速度制御部１２へ出力する。速度制御部１２は前記速度指令Vrefとモータの速度信号Vfbとを入力し、トルク指令Trefをトルク制御部１３および制御定数同定部１８へ出力する。トルク制御部１３は前記トルク指令Trefを入力し、モータ駆動電流Ｉｍをモータ１４へ出力する。モータ１４は前記モータ駆動電流Ｉｍによって駆動され、トルクを発生する。そのトルクで剛体負荷１７を駆動する。また、モータ１４には検出器１５が装着されており、前記位置信号Pfbを位置制御部１１および差分器１６へ出力する。差分器１６は前記位置信号Pfbを入力し、前記速度信号Vfbを速度制御部１２および制御定数同定部１８へ出力する。制御定数同定部１８は前記速度信号Vfbと前記トルク指令Trefとを入力する。
位置制御部１１は前記位置信号Pfbが前記位置指令Prefに一致するように位置制御演算を行う。速度制御部１２は前記速度信号Vfbが前記速度指令Vrefに一致するように速度制御演算を行う。トルク制御部１３はモータ１４の発生するトルクが前記トルク指令Trefに一致するようにトルク制御演算を行う。検出器１５はモータ１４の位置を検出する。差分器１６は前記位置信号Pfbの一定時間毎の差分をとって、前記速度信号Vfbを求める。制御定数同定部１８は前記速度信号Vfbと前記トルク指令Trefとからモータ１４の回転子イナーシャとモータ１４に取り付けられた剛体負荷１７のイナーシャとの合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄを計算する。
【００１４】
なお、本説明では速度制御部の出力を回転型モータを想定してトルク指令としたが、リニアモータの場合は速度制御部の出力を推力指令として同様な構成で実現すればよい。従って、本発明を用いれば、簡単な数式演算により、イナーシャ合計値と粘性摩擦係数をリアルタイムで同定することができる。
【００１５】
本発明の特徴は、トルク指令Ｔｒｅｆおよびモータ速度検出信号Ｖｆｂに基づいて、イナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄとを算出する制御定数同定部１８を備えていることである。
以下、具体的な算出方法について説明する。
制御対象がイナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄで表されるとした場合、トルク指令Ｔｒｅｆとモータ速度Ｖｆｂの関係は、式（６）で表される。
【００１６】
【数１５】
2005086841.tif 000010
【００１７】
ただし、Ｖｆｂ′はＶｆｂの時間微分値である。
式（６）の両辺を区間[a,b]で時間積分すると、式（７）が得られる。さらに、式（１）とおき、両辺に速度Ｖｆｂを乗じると、式（８）となる。
【００１８】
【数１６】
2005086841.tif 000011
【００１９】
【数１７】
2005086841.tif 000012
【００２０】
【数１８】
2005086841.tif 000013
【００２１】
さらに、式（８）を区間[a,b]で時間積分すると、式（９）となる。ここで、式（９）の右辺第2項は、式（１０）となるため、式（９）および式（１０）から、式（４）が得られる。
【００２２】
【数１９】
2005086841.tif 000014
【００２３】
【数２０】
2005086841.tif 000015
【００２４】
【数２１】
2005086841.tif 000016
【００２５】
式（４）の右辺第2項の分母は必ず正であるため、分母は時間とともに増加する。従って、区間[a,b]を大きく取れば、式（４）から、式（２）が得られる。
【００２６】
【数２２】
2005086841.tif 000017
【００２７】
さらに、式（４）において、時刻ａにおけるモータ位置Ｐｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ位置Ｐｆｂ（ｂ）が一致するような区間[a,b]とすれば、右辺第2項の分子がゼロとなるため、上記式（２）が区間[a,b]を大きく取らなくても成立する。
【００２８】
次に、粘性摩擦係数Ｄの算出方法について説明する。イナーシャの算出方法と同様に、式（６）の関係を利用し、両辺に速度Ｖｆｂを乗じると、式（１１）が得られ、式（１１）の両辺を区間[a,b]で積分すると、式（１２）となる。ここで、式（１２）の右辺第1項は、式（１３）であるため、式（１２）および式（１３）より、式（５）が得られる。
【００２９】
【数２３】
2005086841.tif 000018
【００３０】
【数２４】
2005086841.tif 000019
【００３１】
【数２５】
2005086841.tif 000020
【００３２】
【数２６】
2005086841.tif 000021
【００３３】
式（５）の右辺第2項の分母は必ず正であるため、分母は時間とともに増加する。従って、区間[a,b]を大きく取れば、式（５）から、式（３）が得られる。
【００３４】
【数２７】
2005086841.tif 000022
【００３５】
さらに、式（５）において、時刻ａにおけるモータ速度Ｖｆｂ（ａ）と時刻ｂにおけるモータ速度Ｖｆｂ（ｂ）が一致するような区間[a,b]とすれば、式（５）の右辺第2項の分子がゼロとなるため、上記式（３）が区間[a,b]を大きく取らなくても成立する。
以上、イナーシャＪと粘性摩擦係数Ｄの算出方法について説明した。
【００３６】
次にモータにモータ回転子イナーシャの2倍の剛体負荷をつけた場合の検証実験結果を図を用いて説明する。
図２乃至図５はモータ１４にモータイナーシャJmの２倍のイナーシャを持つ剛体負荷１７を付けた場合の検証実験結果である。
図２は速度指令Vref(rad/s)および速度信号Vfb(rad/s)を表したものであり、図３はトルク指令Tref(Nm)を表したものである。
また、図４は同定された粘性摩擦係数D(×１０e−３Nms/rad)を表したものであり、破線で示した線は粘性摩擦係数の真値（計算値=０．０４×１０ｅ−３Nms/rad）である。
また、図５は同定されたイナーシャ合計値J(×１０ｅ−３kgm２)を表したものであり、一点鎖線で示した線はイナーシャ合計値の真値（計算値=０．０２５×１０ｅ−３kgm２）である。
図４および図５から明らかなように、本方法で同定された粘性摩擦係数と真値はほぼ一致しており、また、同定されたイナーシャ合計値と真値もほぼ一致している。以上の結果から、本発明が有効であることがわかる。
【実施例２】
【００３７】
図６は、本発明で同定されたイナーシャ合計値および粘性摩擦係数をフィードフォワード信号の作成に利用した例を説明するモータ制御装置のブロック図である。
図６において、６１はフィードフォワード信号作成器である。フィードフォワード信号作成器６１は位置制御部１１の位置指令Pref入力を同時に入力してフィードフォワード信号ｆｆを作成して出力する。速度制御部１２の出力信号とこのフィードフォワード信号ｆｆとの和がトルク指令Trefになる。
フィードフォワード信号作成器６１において、ｓはラプラス演算子であり、ＦＦａおよびＦＦｂはフィードフォワードゲインである。ＪｉおよびＤｉは本発明の制御定数同定部１８で同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄである。
例えば、フィードフォワード信号ｆｆは、位置指令Prefを２階微分したものとフィードフォワードゲインＦＦａを乗じ、さらに同定されたイナーシャ合計値Ｊｉを乗じて得られたものと、位置指令Prefを１階微分したものとフィードフォワードゲインＦＦｂを乗じ、さらに同定された粘性摩擦係数Ｄｉを乗じて得られたものとを加算したものとすることができる。
このように、本発明はフィードフォワード信号の作成に利用できる。
【００３８】
また、本発明により同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄは正確であるので、これらに基づいて、位置ループゲインや速度ループゲインなどの制御パラメータの調整を行うことができることは自明である。
また、本発明により同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄを外乱オブザーバなどの振動抑制補償器の調整に利用できる例として、例えば、本出願人特許の特許第３３６０９３５号公報がある。
本特許において、本発明により同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび粘性摩擦係数Ｄを利用することで、推定外乱信号が正確に演算され、振動抑制がより容易に実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、工作機械や産業用ロボットを駆動するモータ制御装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明を適用する第1の実施例を説明するモータ制御装置のブロック図
【図２】実施例１の検証実験結果（速度指令Vrefおよび速度信号Vfb）
【図３】実施例１の検証実験結果（トルク指令Tref）
【図４】実施例１の検証実験結果（同定された粘性摩擦係数および真値）
【図５】実施例１の検証実験結果（同定されたイナーシャ合計値Ｊおよび真値）
【図６】本発明を適用する第２の実施例を説明するモータ制御装置のブロック図
【符号の説明】
【００４１】
１１  位置制御部
１２  速度制御部
１３  トルク制御部
１４  モータ
１５  検出器
１６  差分器
１７  剛体負荷
１８  制御定数同定器
６１  フィードフォワード作成器
【図１】
2005086841.tif 000030
【図２】
2005086841.tif 000031
【図３】
2005086841.tif 000032
【図４】
2005086841.tif 000033
【図５】
2005086841.tif 000034
【図６】
2005086841.tif 000035