(57)【要約】【課題】  モータ位置によって重力の影響が異なる負荷を取り付けた場合でもモータに取り付けられた負荷の慣性モーメントを精度よく推定できるようにする。【解決手段】  複数回の情報取得動作の間に、それらの情報取得の際のモータ位置が同一になるように情報取得位置同一化動作を行い、その結果得た複数個の情報から慣性モーメントを推定するという手順で処理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷を取り付けたモータに所定の情報取得動作を複数回実行させてその間の前記モータの情報を取得し、前記情報を用いて前記負荷の慣性モーメントを推定するモータの負荷慣性モーメント推定方法において、
自然数ｋ回目の前記情報取得動作と（ｋ＋１）回目の前記情報取得動作との間に、ｋ回目と（ｋ＋１）回目とで前記情報を取得する際の前記モータの位置が同一となるような動作を実行することを特徴とするモータの負荷慣性モーメント推定方法。
【請求項２】
前記モータおよび前記モータの特性を数式によって表したモータモデルに前記情報取得動作を複数回実行させてその間の前記モータおよび前記モータモデルの情報を取得し、前記情報を用いて前記負荷の慣性モーメントを推定するモータの負荷慣性モーメント推定方法において、
自然数ｋ回目の前記情報取得動作と（ｋ＋１）回目の前記情報取得動作との間に、ｋ回目と（ｋ＋１）回目とで前記情報を取得する際の前記モータの位置が同一となるような動作を実行することを特徴とするモータの負荷慣性モーメント推定方法。
【請求項３】
前記情報取得動作は、前記モータの往復動作と、その動作速度の正負を反転させた逆順往復動作であることを特徴とした請求項１または２記載のモータの負荷慣性モーメント推定方法。
【請求項４】
前記情報は、前記モータおよび前記モータモデルへのトルク指令の積分値、
または前記モータおよび前記モータモデルへの電流指令の積分値、
または前記モータおよび前記モータモデルへの加速度指令の積分値であることを特徴とする請求項２または３記載のモータの負荷慣性モーメント推定方法。
【請求項５】
前記情報は、前記モータおよび前記モータモデルのトルクの積分値、
または前記モータおよび前記モータモデルの電流の積分値であることを特徴とする請求項２または３記載のモータの負荷慣性モーメント推定方法。
【請求項６】
前記情報は、前記モータの速度測定値および前記モータへのトルク指令の積分値、
または前記モータの速度測定値および前記モータへの電流指令の積分値、
または前記モータの速度測定値および前記モータへの加速度指令の積分値、
または前記モータの速度測定値および前記モータのトルク測定値の積分値、
または前記モータの速度測定値および前記モータの電流測定値の積分値であることを特徴とする請求項１または３記載のモータの負荷慣性モーメント推定方法。
【請求項７】
前記情報は、前記モータへのトルク指令値および前記モータの加速度測定値、
または前記モータのトルク測定値および前記モータの加速度測定値であることを特徴とする請求項１または３記載のモータの負荷慣性ーメント推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの回転軸に取り付けられた負荷の慣性モーメント推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ制御装置に対する従来の負荷慣性モーメント推定方法では、速度や動作方向に依存した摩擦成分や一定外乱成分の影響を除去するために、回転方向の正負を反転させた２回の情報取得動作を行い、慣性モーメントを推定する計算に必要な情報を１回目の動作時と２回目の反転動作時とで同様に取得していた（例えば、非特許文献１参照）。この際、重力を一定外乱としてその影響はモータ位置に関わらず一定と見なし、この２回の情報取得動作を行うことにより除去していた。
【０００３】
図４は、従来のモータの負荷慣性モーメント推定方法を実施するモータ駆動システムの構成を示す図である。図において４１は減速機、４２はモータ、４３はモータ制御装置、４４は負荷慣性モーメント推定部、４５は負荷である。モータ４２はモータ制御装置４３から与えられた速度指令によって動作する。負荷慣性モーメント推定部４４はモータ制御装置４３の機能の一つとして実装され、モータ制御装置４３を介して負荷慣性モーメント推定に必要な動作をモータ４２に実行させ、動作中に得た情報よりモータ４２に取り付けられた負荷４５の慣性モーメントを推定する。
【０００４】
図５は非特許文献１の推定処理を示すブロック図である。図において、５２はモータであり、５１は速度制御器であり、与えられた速度指令Vrefと検出した速度Vfbとの誤差情報を基にモータ５２へのトルク指令を生成する。５３は、モータ５２のトルク指令と回転速度の関係を数式で表したモータモデルで、剛体モデルや２慣性モデルがよく用いられる。５４はモータモデル５３に対して実際のモータ５２と同様の制御を行った場合のモータ制御モデルである。
【０００５】
図２に非特許文献１の情報取得動作を示す。１回目の動作では往復動作を行い、２回目の動作では１回目の動作速度の正負を反転させた逆順往復動作を行う。図２に示した２つの積分区間において、図５に示したモータ５２とモータモデル５３とに与えるトルク指令をそれぞれ積分器５５と５６により積算する。得られた２つの積算値∫(Tref)dtおよび∫(T'ref)dtより
【０００６】
J＝(∫(Tref)dt／∫(T'ref)dt) *J' …  （１）
【０００７】
として慣性モーメント推定値を求める。ただし、Ｊは慣性モーメント推定値、J'はモータモデル５３に用いた仮の慣性モーメント、∫(Tref)dtはモータ５２へのトルク指令積算値、∫(T'ref)dtはモータモデル５３へのトルク指令積算値を表す。２つの慣性モーメント推定値の平均値を最終的な推定値とする。
【０００８】
このように、従来の慣性モーメント推定方法では、２回の情報取得の際の重力の影響をモータ位置に関わらず一定と見なしており、回転方向の正負を反転させた２回の情報取得動作を行い、推定に必要な情報を１回目の動作時と２回目の反転動作時とで同様に取得することにより、重力の影響を除去するとしていた。
【０００９】
【非特許文献１】鶴田和寛、二見茂、中村裕司、村上輝夫「粘性摩擦、クーロン摩擦および一定外乱トルクの影響を除去したイナーシャ同定方式」精密工学会誌、Ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．１０、２０００年、ｐ１５６４−１５６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来のモータの負荷慣性モーメント推定方法では、複数回の情報取得動作の間でモータ位置が異なるので、例えばモータに偏心のある負荷を取り付け、回転軸の向きが鉛直方向でない状態で動作させた場合のように、モータ位置によって重力の影響が異なる場合には精度のよい慣性モーメント推定ができないという問題があった。
【００１１】
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、モータ位置によって重力などの影響が異なる場合でも負荷の慣性モーメントを精度よく推定できる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】
【００１２】
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、負荷を取り付けたモータに所定の情報取得動作を複数回実行させてその間の前記モータの情報を取得し、前記情報を用いて前記負荷の慣性モーメントを推定するモータの負荷慣性モーメント推定方法において、自然数ｋ回目の前記情報取得動作と（ｋ＋１）回目の前記情報取得動作との間に、ｋ回目と（ｋ＋１）回目とで前記情報を取得する際の前記モータの位置が同一となるような動作を実行するという手順をとったのである。
また、請求項２に記載の発明は、前記モータおよび前記モータの特性を数式によって表したモータモデルに前記情報取得動作を複数回実行させてその間の前記モータおよび前記モータモデルの情報を取得し、前記情報を用いて前記負荷の慣性モーメントを推定するモータの負荷慣性モーメント推定方法において、自然数ｋ回目の前記情報取得動作と（ｋ＋１）回目の前記情報取得動作との間に、ｋ回目と（ｋ＋１）回目とで前記情報を取得する際の前記モータの位置が同一となるような動作を実行するという手順をとったのである。
また、請求項３に記載の発明は、前記情報取得動作は、前記モータ回転子の往復動作と、その動作速度の正負を反転させた逆順往復動作であるとしたのである。
また、請求項４に記載の発明は、前記情報は、前記モータおよび前記モータモデルへのトルク指令の積分値、または前記モータおよび前記モータモデルへの電流指令の積分値、または前記モータおよび前記モータモデルへの加速度指令の積分値であるとしたのである。
また、請求項５に記載の発明は、前記情報は、前記モータおよび前記モータモデルのトルクの積分値、または前記モータおよび前記モータモデルの電流の積分値であるとしたのである。
また、請求項６に記載の発明は、前記情報は、前記モータの速度測定値および前記モータへのトルク指令の積分値、または前記モータの速度測定値および前記モータへの電流指令の積分値、または前記モータの速度測定値および前記モータへの加速度指令の積分値、または前記モータの速度測定値および前記モータのトルク測定値の積分値、または前記モータの速度測定値および前記モータの電流測定値の積分値であるとしたのである。
また、請求項７に記載の発明は、前記情報は、前記モータへのトルク指令および前記モータの加速度測定値、または前記モータのトルク測定値および前記モータの加速度測定値であるとしたのである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１および２に記載の発明によると、慣性モーメント推定に必要な情報を取得する際のモータ位置を同一にすることができ、モータ位置によって重力などの影響が異なる場合でも負荷慣性モーメントを精度よく推定することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、従来技術と同様に速度や動作方向に依存した摩擦成分や一定外乱成分を除去できることに加え、モータ位置によって重力などの影響が異なる場合でも負荷慣性モーメントを精度よく推定することができる。
また、請求項４乃至７に記載の発明によると、容易に取得可能な情報を用いて、モータ位置によって重力などの影響が異なる場合でも負荷慣性モーメントを推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例では図４に示した構成にて、モータ４２を速度指令により動作させ、モータ回転軸に取り付けられた負荷の慣性モーメントの推定計算を行う。図１は負荷慣性モーメント推定部４４において負荷慣性モーメントを推定する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方法を順を追って説明する。
【００１６】
まずstep11で複数回の情報取得動作の間でモータ位置を同一にするための移動距離θIを算出する。本実施例では駆動軸への指令は速度指令であるため、例えば１回目の積分区間の終了から２回目の積分区間の開始までの速度指令積分値（図２にて斜線で示した部分）を−∫(Vref)dtとすると、∫(Vref)dtの移動動作（図３にて斜線で示した部分）を行えば１回目と２回目で情報を取得する情報取得動作でのモータ位置が同じになる。ただし、本実施例の場合、１回目の情報取得動作と２回目の情報取得動作の回転方向が逆であるため、「情報取得位置が同じ」とは、１回目積分終了位置と２回目積分開始位置が等しく、１回目の積分開始位置と２回目の積分終了位置が等しい、すなわち１回目積分区間と２回目積分区間が一致していることを意味する。次にstep12でその移動動作を含めた図３のような動作指令を生成し、step13で動作を開始する。情報取得動作実行中の積分区間では図５のブロック図で示す積分処理を行う。step14で１回目の積分開始位置に到達するまで待ち、到達したらstep15でモータ５２へのトルク指令Trefとモータモデル５３へのトルク指令T'refを積算する。１回目の積分終了位置に到達したらstep16でそのときの∫(Tref)dtおよび∫(T'ref)dtより
【００１７】
J1＝(∫(Tref)dt /∫(T'ref)dt )*J'  …  （２）
【００１８】
として慣性モーメントの仮計算を行う。次にstep18で情報取得動作の際のモータ位置を同一にするためにθIだけ移動動作（情報取得位置同一化動作）を行い、２回目の積分開始位置に到達したら１回目と同様にstep15でTrefとT'refを積算する。２回目の積分終了位置に到達したらstep16でその時点の∫(Tref)dt および' ∫(T'ref)dtより
【００１９】
J2＝(∫(Tref)dt /∫(T'ref)dt )*J'  …  （３）
【００２０】
として慣性モーメントの仮計算を行う。これを繰り返し、トルク積分値をＮ回（Ｎ：自然数）取得し最後にstep19で
【００２１】
J=(J1+J2+…+JN)/N  …  （４）
【００２２】
として平均値を求め、最終的な慣性モーメント推定値とする。
【００２３】
推定された値はモータ軸換算の負荷慣性モーメント推定値であり、減速機４１を介した後の駆動軸換算の負荷慣性モーメントが必要な場合は、減速機４１による減速比を考慮して負荷慣性モーメントを算出する。また、推定された値にはカップリング部品や減速機４１などモータ回転軸の負荷となっている部品の慣性モーメントも含まれているため、あらかじめその慣性モーメントを負荷慣性モーメント推定部４４またはモータ制御部４３のメモリ中に保存しておき、負荷のみの慣性モーメントが必要な場合は推定された慣性モーメントから保存された値を差し引いて求める。
【００２４】
図３に示した本発明での情報取得動作について説明する。図３ではＮ＝２の場合の情報取得動作を示している。図２に示した従来の動作と異なり、１回目の正転、逆転動作と、それを正逆反転させた２回目の動作との間に、情報取得動作の際のモータ位置が同一となるように角度θIだけ移動を行う。そして２つの積分区間で、図５のモータ５２とモータモデル５３に与えるトルク指令をそれぞれ積分器５５、５６により積算する。そして前述のように得られた２つの積算値∫(Tref)dtおよび∫(T'ref)dtより
【００２５】
J＝(∫(Tref)dt／∫(T'ref)dt)*J'  …  （５）
【００２６】
として慣性モーメント推定値を求める。
以上のように、複数回の情報取得動作の間に情報取得動作の際のモータの回転子の位置が同一になるように移動を行うので、重力などの影響のためモータ位置によって外乱が異なる場合にも負荷の慣性モーメントを推定することができる。
【００２７】
本実施例では、トルク指令をもとに慣性モーメントを推定したが、これに限らず、モータ５２へのトルク指令Trefおよびモータモデル５３へのトルク指令T'refの代わりに、モータ５２への電流指令Irefおよびモータモデル５３への電流指令I'refを用いて
【００２８】
J=(∫(Iref)dt／∫(I'ref)dt)*J'  …    （６）
【００２９】
として推定してもよい。または、モータ５２への加速度指令Arefおよびモータモデル５３への加速度指令A'refを用いて
【００３０】
J=(∫(Aref)dt／∫(A'ref)dt)*J'  …    （７）
【００３１】
としてもよい。
【００３２】
また、指令ではなくモータやモータ制御装置に取り付けた図示しない各種センサによる測定値を用いることもできる。トルクセンサにより測定したモータ５２のトルク測定値Tfbおよびモータモデル５３のトルク値T'fb、シャント抵抗や電流センサなどにより測定したモータ５２の電流測定値Ifbおよびモータモデル５３の電流値I'fbを用いることもできる。トルク測定値、電流測定値を用いた場合の慣性モーメント推定値はそれぞれ式（８）、式（９）のようになる。
【００３３】
J=(∫(Tfb)dt／∫(T'fb)dt )*J'  …    （８）
J=(∫(Ifb)dt／∫(I'fb)dt )*J'  …    （９）
【００３４】
さらに、式（５）〜（９）は分子としてモータ５２へのトルク指令の積分値、電流指令の積分値、加速度指令の積分値、トルク測定値の積分値、電流測定値の積分値のいずれか、分母としてモータモデル５３へのトルク指令の積分値、電流指令の積分値、加速度指令の積分値、モータモデル５３のトルクの積分値、電流の積分値のいずれかという組み合わせとして、その分数にそれぞれの場合の適切な比例係数およびJ'を乗じた式としてもよい。
【００３５】
また、タコジェネレータやジャイロセンサによる測定やエンコーダの読み取り値の差分として得た積分開始位置でのモータ５２の速度Va、積分終了位置でのモータ５２の速度Vbを用いて
【００３６】
J=(∫(Tref)dt) ／(Vb-Va)  …    （１０）
【００３７】
として慣性モーメント推定値を求めてもよい。この場合の処理手順は図６に示すフローチャートのようになる。
また、式（１０）のTrefの代わりに、モータ５２への電流指令Iref、加速度指令Arefやモータ５２のトルク測定値Tfb、電流測定値Ifbを用いて、それぞれの場合の適切な比例係数を乗じた式としてもよい。
【実施例２】
【００３８】
本実施例では、図４に示した構成にて、モータ４２を速度指令により動作させ、モータ４２の回転軸に取り付けられた負荷４５の慣性モーメント推定計算を行う。図７に本実施例の推定動作を示す。図に示したように複数個の加速中の情報取得位置でトルク指令Trefと加速度Afbの瞬時値を取得する。モータ軸の回転動作をボールねじなどにより直動方向動作に変換している場合には、直動部分に加速度センサを取り付け、その出力値を加速度の測定値Afbとして用いてもよい。それぞれのTrefとAfbより、
【００３９】
J＝Tref/Afb  …  （１１）
【００４０】
として慣性モーメントを算出する。k回目と（ｋ＋１）回目の情報取得位置でモータ位置が同一になるよう、情報取得動作の間に情報取得位置同一化動作を行う。本実施例では１回の情報取得動作で移動する距離ｄだけ逆に移動すればよい。
また、式（１１）のTrefの代わりにトルクセンサにより測定したモータ５２のトルク測定値Tfbを用いてもよい。なお、ｋは自然数で、ｋ＋１≦Ｎ  とする。
【実施例３】
【００４１】
本実施例では、本発明の負荷慣性モーメント推定方法を行う推定部を備えたモータ制御装置を用いたロボット駆動システムで、アーム先端に取り付けられたツールなどの負荷の慣性モーメント推定計算を行う。
図８は、本発明のモータ負荷慣性モーメント推定方法を実施するロボット制御装置の構成を示す構成図である。図において８１はロボット、８２はロボット制御装置、８３はロボットの関節に用いられているモータの制御装置、８４は負荷慣性モーメント推定部、８５は減速機、８６はモータ、８７は負荷である。ロボット８１はロボット制御装置８２から与えられた速度指令によって動作する。負荷慣性モーメント推定部８４はロボット制御装置８２またはモータ制御装置８３の機能の一つとして実装され、モータ制御装置８３を介して慣性モーメント推定に必要な動作をロボット８１に複数回実行させ、動作中に得た情報よりロボット８１の先端に取り付けられた負荷８７の慣性モーメントを推定することができる。
【００４２】
負荷慣性モーメント推定部８４は図１のフローチャートに示した処理手順でモータ８６にかかる負荷慣性モーメントを推定する。
推定された値はモータ軸換算の負荷慣性モーメント推定値であり、減速機８５を介した後の駆動軸換算の負荷慣性モーメントが必要な場合は、減速機８５による減速比を考慮して負荷慣性モーメントを算出する。
また、推定された値にはカップリング部品や減速機などモータ回転軸の負荷となっている部品の慣性モーメントも含まれているため、あらかじめその慣性モーメントを負荷慣性モーメント推定部８４またはロボット制御装置８２またはモータ制御装置８３のメモリ中に保存しておき、負荷のみの慣性モーメントが必要な場合は推定された慣性モーメントから保存された値を差し引いて求める。
【実施例４】
【００４３】
本実施例では、図４に示した構成にて、モータ４２を速度指令により動作させ、モータ４２の回転軸に取り付けられた負荷４５の慣性モーメント推定計算を行う。図９に本実施例の推定動作を示す。
図９において、Vdは台形波速度指令の最高速度である。Vcは情報取得位置Ａおよび情報取得位置Ｂにおけるモータ４２の速度で、例えば本実施例ではVc＝Vd/2とする。taは台形波速度指令の加減速時間を表す。
図に示したように移動距離ｄの情報取得動作を２回行い、１回目動作時の加速中の情報取得位置Ａおよび２回目動作時の減速中の情報取得位置Ｂでモータのトルクと加速度の瞬時値を取得する。ただし、情報取得位置Ａと情報取得位置Ｂとでのモータの速度は同じ（図９のVc）になるようにする。
情報取得位置Ａでのトルク測定値をTa、加速度測定値をAaとし、情報取得位置Ｂでのトルク測定値をTb、加速度測定値をAbとする。
得られたTa、Aa、Tb、Abより、
【００４４】
J=(Ta-Tb)/(Aa-Ab)  …  （１２）
【００４５】
として慣性モーメントを算出する。
Ta、Tbにはモータのトルク測定値に加え、モータへのトルク指令値を用いてもよい。
情報取得位置Ａと情報取得位置Ｂとでモータ位置が同一になるよう、情報取得動作の間に情報取得位置同一化動作を行う。本実施例では情報取得動作と逆方向に
2ｄ−(ta*Vc2)/Vｄだけ移動すればよい。
本実施例では、モータの回転速度が同一の点で情報を取得してトルクの差と加速度の差を用いて慣性モーメントを推定するため、モータの回転速度に比例する粘性摩擦とクーロン摩擦を除去できる。さらに、モータ位置が同一であるため、重力など位置によって異なる外乱も除去できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
複数回の情報取得動作の合間にモータの回転子位置が同一になるように移動を行ってから情報を取得するため，重力などの影響のため回転子位置によって外乱が異なる場合にも負荷の慣性モーメントを推定することができ、偏心のある負荷をモータに取り付けた場合の負荷慣性モーメント推定という用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の方法の処理手順を示すフローチャート
【図２】従来の方法の負荷慣性モーメント推定の複数の情報取得動作の速度指令波形を示すグラフ
【図３】本発明の負荷慣性モーメント推定の複数の情報取得動作の速度指令波形を示すグラフ
【図４】従来の方法および本発明の方法を適用するモータ駆動システムの構成を示す概略図
【図５】従来の方法を適用するモータ制御装置の負荷推定処理を示すブロック図
【図６】本発明の方法の変形処理手順を示すフローチャート
【図７】本発明の負荷慣性モーメント推定の情報取得動作（第２実施例）の速度指令波形を示すグラフ
【図８】本発明の方法を適用するロボット駆動システムの構成を示す概略図
【図９】本発明の負荷慣性モーメント推定の情報取得動作（第４実施例）の速度指令波形を示すグラフ
【符号の説明】
【００４８】
４１  減速機
４２  モータ
４３  モータ制御装置
４４  負荷慣性モーメント推定部
４５  負荷
５１  速度制御器
５２  モータ
５３  モータモデル
５４  モータ制御モデル
５５  モータトルク指令積分器
５６  モータモデルトルク指令積分器
８１  ロボット
８２  ロボット制御装置
８３  モータ制御装置
８４  負荷慣性モーメント推定部
８５  減速機
８６  モータ
８７  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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