(57)【要約】【課題】トルク指令にノイズがある場合でもイナーシャ同定精度を損なうことなくイナーシャ比だけでなく、粘性摩擦も同定する。【解決手段】速度制御系におけるイナーシャ比を同定するモータ制御装置において、モータの速度指令とモータの速度を入力し、モータモデル速度を出力するモータモデルを備え、モータモデルは、モータの速度とモータモデル速度の誤差速度を零とするように制御し、モータ速度指令を第一のローパスフィルタに通し、誤差速度と乗算し積算した結果θ1を誤差速度が零になった時にイナーシャ比αを算出演算手段と、モータの速度を第二のローパスフィルタに通し、誤差速度と乗算し積算した結果θ2を誤差速度が零になった時に粘性摩擦係数Ｄを算出する手段とからなるものである。  【選択図】    図１
2005229749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度制御系におけるイナーシャ比を同定するモータ制御装置において、
前記モータの速度指令と前記モータの速度を入力し、モータモデル速度を出力するモータモデルを備え、
前記モータモデルは、前記モータの速度と前記モータモデル速度の誤差速度を零とするように制御し、
前記モータ速度指令を第一のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ1を誤差速度が零になった時に演算式（１）に代入し、
【数１】
2005229749.tif 000017
イナーシャ比αを算出する手段を備え、
前記モータの速度を第二のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ2を誤差速度が零になった時に演算式（２）に代入し、
【数２】
2005229749.tif 000018
Ｋｖ：速度ゲイン、λ：ローパスフィルタ角周波数
粘性摩擦係数Ｄを算出する手段とを備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記モータ速度指令を前記第一のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ1と前記モータ速度をローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ2の後に指令周期よりも長い時定数を持つ第二のローパスフィルタを備えた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】
速度制御系におけるイナーシャ比を同定するモータ制御装置の制御方法において、
前記モータの速度指令と前記モータの速度を入力し、モータモデル速度を出力するモータモデルを備え、
前記モータモデルは、前記モータの速度と前記モータモデル速度の誤差速度を零とするように制御するステップと、
前記モータ速度指令を第一のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ1を誤差速度が零になった時に演算式（１）に代入し、イナーシャ比αを算出するステップと、
【数３】
2005229749.tif 000019
前記モータの速度を第二のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ2を誤差速度が零になった時に演算式（２）に代入し、
【数４】
2005229749.tif 000020
Ｋｖ：速度ゲイン、λ：ローパスフィルタ角周波数
粘性摩擦係数Ｄを算出するステプとを備えたことを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータのイナーシャ比及び粘性摩擦係数を同定するモータ制御装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のイナーシャ同定装置は、速度指令発生部と、速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂによりトルク指令を決定する速度制御部と、モデルにより速度制御部をシミュレートするモデル速度制御部と、速度制御部のトルク指令Ｔｒｅｆ及びモデル速度制御部のトルク指令Ｔｒｅｆ’をそれぞれ所定の区間［a,b］で時間積分した値ＳＴｒｅｆ、ＳＴｒｅｆとの比によりイナーシャＪを同定していた。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
特許文献１の具体的な実施例は、図４を使って説明する。図４において、上段に大きなブロック１１１で示すのは速度制御部で、下段の大きなブロック１１２はモデル速度制御部であり、１１３はイナーシャＪ同定部、１１４は速度ループゲインＫｖの調整部である。速度制御部１１１では比例積分制御（ＰＩ制御）を組んで、制御対象はイナーシャＪのみとし、同様にモデル制御部１１２でもＰＩ制御を組み、制御対象はイナーシャＪ’のみとする。図４においては、速度制御部Ｖｆｂとモデル速度制御部１１２の速度Ｖｆｂ’が一致し、速度ＶｆｂとＶｆｂ’がいずれも零でない場合という条件の下に、速度制御部１１１のトルク指令積分値ＳＴｒｅｆとイナーシャＪ、及びモデル速度制御部１１２のトルク指令積分値ＳＴｒｅｆ’とイナーシャＪ’には式（３）の関係が成り立つ。
従って同定部１１３ではイナーシャＪを式（４）から求めることができるというものである。
【０００４】
【数１】
2005229749.tif 000003
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１６９５８１号公報  ４頁の図１参照
【非特許文献１】「鈴木  隆」著、「アダプティブコントロール」、第１版、日本、コロナ社、２００１年８月１０日発行、９５から１２２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のイナーシャ同定装置では、トルク指令の時間積分値を用いており、トルクに入るノイズが積分される為、イナーシャ同定精度が落ちることがある。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、トルク指令にノイズがある場合でもイナーシャ同定精度を損なうことなくイナーシャ比だけでなく、粘性摩擦も同定するモータ制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。これにより高速位置決めをするような用途で積極的に粘性摩擦係数の補償をすることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、速度制御系におけるイナーシャ比を同定するモータ制御装置において、前記モータの速度指令と前記モータの速度を入力し、モータモデル速度を出力するモータモデルを備え、前記モータモデルは、前記モータの速度と前記モータモデル速度の誤差速度を零とするように制御し、前記モータ速度指令を第一のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ1を誤差速度が零になった時に演算式（１）に代入し、
【０００８】
【数２】
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【０００９】
イナーシャ比αを算出する手段を備え、前記モータの速度を第二のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ2を誤差速度が零になった時に演算式（２）に代入し、
【００１０】
【数３】
2005229749.tif 000005
【００１１】
Ｋｖ：速度ゲイン、λ：ローパスフィルタ角周波数
粘性摩擦係数Ｄを算出する手段とを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の前記モータモータ速度指令と誤差速度を乗算し積算した結果θ1と前記モータの速度と誤差速度を乗算し積算した結果θ2の後に指令周期よりも長い時定数を持つローパスフィルタを追加することを特徴としている。従来は粘性摩擦を外乱と見なして制御定数の同定をしていたが粘性摩擦をモデルの一部として同定することにより、同定誤差の少ない制御定数の同定が可能になる。
また、請求項３に記載の発明は、速度制御系におけるイナーシャ比を同定するモータ制御装置の制御方法において、前記モータの速度指令と前記モータの速度を入力し、モータモデル速度を出力するモータモデルを備え、前記モータモデルは、前記モータの速度と前記モータモデル速度の誤差速度を零とするように制御するステップと、前記モータ速度指令を第一のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ1を誤差速度が零になった時に演算式（１）に代入し、イナーシャ比αを算出するステップと、
【００１２】
【数４】
2005229749.tif 000006
【００１３】
前記モータの速度を第二のローパスフィルタに通し、前記誤差速度と乗算し積算した結果θ2を誤差速度が零になった時に演算式（２）に代入し、
【００１４】
【数５】
2005229749.tif 000007
【００１５】
Ｋｖ：速度ゲイン、λ：ローパスフィルタ角周波数
粘性摩擦係数Ｄを算出するステプとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、ノイズがある場合でもイナーシャ比が同定でき、更に粘性摩擦の同定もできる為、高速位置決めをするような用途で積極的に粘性摩擦係数の補償をするような制御に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の説明は図１を使って説明する。
【実施例】
【００１８】
図１の０はモータ速度制御系であり、１は速度指令であり、２は実制御対象であるモータ制御系の速度ｆｂ（フィードバック）信号である。３は速度ゲインであり、４はモータ＋負荷のモデルを表す伝達関数ブロックであり、５はモータが駆動される時の粘性摩擦係数である。本発明の同定装置は２４であり、速度指令１を８のローパスフィルタ２に通し、通過した信号は２５のモデル速度信号と２の速度ｆｂ信号の差である６の誤差信号と９の乗算器で乗算する。乗算結果を１４の積分制御器に入力し、積分器の出力に２１のローパスフィルタ４を通した結果は、θ1となる。θ1は、２２の演算器１（式（１））を適用した結果、１６のイナーシャ比同定値となる。１４の積分器の出力とローパスフィルタ２を通し、１７の速度ゲインで乗算した結果を１２の乗算器で乗算した結果が１９の信号Ｂとなる。また速度ｆｂ信号２を７のローパスフィルタ１に通し、誤差信号６と乗算器１０で乗算した結果を１３の積分制御器に入力し、積分器の出力に２０のローパスフィルタ３を通した結果が、θ2となる。θ2は、２３の演算器２（式（２））を適用して１３の粘性摩擦係数の同定値となる。１３の積分器の出力とローパスフィルタ１を通過し、速度ゲインを乗算した結果を１１の乗算器で乗算した結果が１８の信号Ａとなる。信号Ａと信号Ｂを加算した結果が２５のモデル速度信号となる。
速度Ｐ制御で、モータ＋負荷の剛体及び粘性摩擦係数を含む制御対象は、１次の伝達関数として表されたとすると速度ループ伝達関数は、（５）式となる。
【００１９】
【数６】
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【００２０】
Ｋｖは速度ゲイン、Ｊｍはモータイナーシャ、Ｊｌは負荷イナーシャ、Ｄは粘性摩擦係数である。更に（５）式は、速度ｆｂ（y(t)）と速度指令（u(t)）を使って（６）式に変形すると、
【００２１】
【数７】
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【００２２】
となる。本装置では適応制御を用いてイナーシャ比αと粘性摩擦係数Ｄを同定する。
適応制御では、１次の伝達関数の場合、（７）式に対する同定モデルを使うことが知られている。参考資料としては、「アダプティブコントロール」（コロナ社）：鈴木隆著がある。この適応制御での基本式を使って、制御対象のモデルを表すと、
【００２３】
【数８】
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【００２４】
θ=(θ1,θ2),ζ=(ζ1,ζ2)、Ｔは、転置
となる。ここでθは、同定値の中間結果であり、これは、図１の粘性摩擦係数の同定値１５とイナーシャ比の同定値１６に対応する。ζは、（９）式の様にローパスフィルタと速度指令（u(t)）もしくは制御対象の速度ｆｂ信号（y(t)）を乗じた信号である。このローパスフィルタは、図１の７及び８である。したがって、求めたい同定値a,bは中間変数θを使って表すと、
【００２５】
【数９】
2005229749.tif 000011
【００２６】
θ1=b,θ2=λ-a
と表現される。
ここで、ζ1(t)=u(t),ζ2(t)=y(t)とすれば、ζ1(t)は制御対象の入力、ζ2(t)は出力信号となる。
同定する値はaとbであり、これらを同定する為に、速度ｆｂ信号Ｙとモデル速度信号ｙ（ｔ）との誤差ε（ｔ）を使う。誤差信号εと(９)式の信号ζを用いたパラメータ適応則は（１０）式となる。（１０）式の右辺のドット記号は時間ｔの一回微分、ハット記号は同定値であることを表わす。
【００２７】
【数１０】
2005229749.tif 000012
【００２８】
γは、予め設定されたゲインであり、誤差信号εと信号ζを用いて、
【００２９】
【数１１】
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【００３０】
が真値θに収束するように働く。以上で述べた（９）、（１０）式により、αとＤの適応同定が可能であるが、このままでは、収束するまでにかなりの時間がかかる。通常は、固定ゲインγを上げるのがよく考えられる方法であるが、γをどれほど上げれば良いかの指針がない。そこで、(６)式は入出力伝達関数にＫｖが含まれることから、(１１)式のように変形する。
【００３１】
本方式を使ったシミュレーションを図２で表し、適応同定でＫｖを使わなかった場合（図３）のシミュレーションと比較した。γの値はＫｖを使った場合に比べて大きな値にしなければならない。また、Ｋｖを使わない場合には、同定の精度が劣化するという問題があった。そこで本方式では以下のように、(１１)式を導出した。
【００３２】
【数１２】
2005229749.tif 000014
【００３３】
この場合、同定パラメータは（１）、（２）式で与えられる。ここでは、（１）、（２）式をまとめて（１２）式と記述する。
【００３４】
【数１３】
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【００３５】
Ｄは粘性摩擦係数、αはイナーシャ比である。
適応同定にＫｖを入れない場合の同定パラメータは次の式で与えられる。
【００３６】
【数１４】
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【００３７】
本発明をシミュレーションした結果を示す。モータと負荷のイナーシャ比は、２倍とし、粘性摩擦係数を０．１とし、モータトルクに白色ノイズを入力した結果を図２に示す。
図２の左上は、図１の誤差信号６の結果であり、時間と共に０に収束している事がわかる。図２の右上は、θ2を表しており、−０．３２９となった。この値を（１２）式に代入すると０．０６となった。このθ2は、請求項２に示したローパスフィルタを通過した後の収束値であり、ローパスフィルタを入れなければ、指令の周期に同期して粘性摩擦係数の同定値は変動し、一定値に収束しないことがわかった。出力結果にローパスフィルタを追加するというのも本発明の特徴である。図２の左下は、θ1を表しており、（１２）式に代入すると２となる。また、図２の右下は、この時用いた入力信号であり、±１０パルスで周期が０．１ｓの信号とした。この指令（周期０．１ｓ）に対しては、フィルタ時定数を０．２ｓとした。以上の結果から白色ノイズの影響を受けることなく、イナーシャ比と粘性摩擦係数の同定ができる。
【００３８】
比較のため、(８)式を使った同定結果を図３に示す。図２と同様に、図３の左上は、誤差信号であり、時間と共に0に収束している事がわかる。図３の右上図は、θ2の結果を表しており、−８２．７という値に収束した。さらに(１３)式より、粘性摩擦係数は０となった。また図３の左下はθ1を表しており、８３．７という値に収束し、（１３）式に代入すると２となり、イナーシャ比に一致したが、粘性摩擦係数結果において誤差が発生している事がわかる。また、モータの速度指令とモータの速度にゲイン（Ｋｖ）を乗算しているので、モータ速度指令とモータ速度が小さくても、イナーシャ比と粘性摩擦係数の同定精度に影響しないという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、ロボットや工作機械等のサーボ制御装置に適用すればイナーシャ等の制御装置を精度よく同定でき、高精度の位置決め制御、速度制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係る制御定数同定装置
【図２】本発明のシミュレーション結果
【図３】（８）式を用いた時のシミュレーション結果
【図４】従来のイナーシャ同定装置を説明する構成図
【符号の説明】
【００４１】
１  速度指令
２  速度ｆｂ信号
３  速度ゲイン
４  モータ＋負荷
５  粘性摩擦係数
６  誤差信号
７  ローパスフィルタ１
８  ローパスフィルタ２
９、１０、１１、１２  乗算器
１３、１４  積分制御器
１５  粘性摩擦係数の同定値
１６  イナーシャ比の同定値
１７  速度ゲイン
１８  信号Ａ
１９  信号Ｂ
２０  ローパスフィルタ３
２１  ローパスフィルタ４
２２  演算器１
２３  演算器２
２４  制御定数同定装置
２５  モデル速度信号
１１１  速度制御部
１１２  モデル速度制御部
１１３  同定部
１１４  調整部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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