(57)【要約】【課題】非線形摩擦や雑音などの影響を抑制し、微小動作のみで負荷の連結したモータ１０５の粘性摩擦を同定するとともに、粘性摩擦同定値を用いて高精度な制御をすることができる機械定数同定装置を備えたモータ制御装置を提供する。【解決手段】粘性摩擦同定器１０８として、位置を入力し位置振幅を出力する振幅演算器１０９と、前記位置振幅を入力し粘性摩擦同定値を算出し出力する粘性摩擦演算器１１０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令に基づいて速度指令を算出する位置制御器と、前記速度指令に基づいてトルク指令を算出する速度制御器と、負荷の連結したモータの機械定数を同定し前記機械定数に基づいて前記モータを駆動する機械定数同定装置を備えたモータ制御装置において、
前記モータの位置に基づいて前記モータの粘性摩擦を同定する粘性摩擦同定器を備えることを特徴とする機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項２】
前記粘性摩擦同定器が、前記位置に基づいて位置振幅を算出する振幅演算器と、
前記位置振幅に基づいて粘性摩擦同定値を算出する粘性摩擦演算器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項３】
前記振幅演算器が、フーリエ変換を用いて位置基本周波数成分を算出し、その振幅である前記位置振幅を算出することを特徴とする請求項２に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項４】
前記振幅演算器が、バンドパスフィルタを用いて位置基本周波数成分を算出し、その振幅である前記位置振幅を算出することを特徴とする請求項２に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項５】
前記位置制御器が比例制御し、前記速度制御器が比例制御し、粘性摩擦同定値を算出することを特徴とする請求項１に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項６】
前記位置制御器の比例制御ゲインを複数の比例制御ゲインとし、前記速度制御器の比例制御ゲインを複数の比例制御ゲインとすることを特徴とする請求項５に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項７】
前記位置制御器の比例制御ゲインを第１位置比例制御ゲインと第２位置比例制御ゲインとし、前記速度制御器の比例制御ゲインを第１速度比例制御ゲインと第２速度比例制御ゲインとした場合、
前記第１位置比例制御ゲインと前記第１速度比例制御ゲインの乗算値と、前記第２位置比例制御ゲインと前記第２速度比例制御ゲインの乗算値と、が等しくなるようにそれぞれの比例制御ゲインを設定し、前記粘性摩擦同定値を算出することを特徴とする請求項５に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項８】
前記速度制御器の比例制御ゲインである速度比例制御ゲインを、モータに粘性摩擦が無い場合の理想的な速度比例制御ゲインから前記粘性摩擦同定値を減算した値に設定し、前記モータを制御することを特徴とする請求項５に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【請求項９】
前記位置制御器の比例制御ゲインを第１位置比例制御ゲインと第２位置比例制御ゲインとし、前記速度制御器の比例制御ゲインを第１速度比例制御ゲインと第２速度比例制御ゲインとした場合、
前記第１位置比例制御ゲインと前記第１速度比例制御ゲインを用いた場合の前記位置振幅と、前記第２位置比例制御ゲインと前記第２速度比例制御ゲインを用いた場合の前記位置振幅とに基づいて、前記粘性摩擦同定値を算出することを特徴とする請求項５に記載の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの粘性摩擦を同定し、粘性摩擦同定値を用いてモータを制御する機械定数同定装置を備えたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置は、神経回路モデルによる逆ダイナミクスモデルとマニピュレータの運動方程式から、粘性摩擦およびクーロン摩擦の項を省略した運動方程式により算出される逆ダイナミクスモデルの差により粘性摩擦およびクーロン摩擦によるトルク差を算出し、そのトルク差を速度に対してプロットしたグラフの傾きから粘性摩擦を同定し、その粘性摩擦同定値を用いてマニピュレータの制御パラメータを調整している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、従来の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置の構成を示す概略ブロック図である。図４において、４０１はサーボ制御部、４０２はマニピュレータ、４０３は短期メモリ、４０４は誤差推定部、４０５は調整行列更新部、４０６は長期メモリ、４０７は摩擦パラメータ調整部である。
サーボ制御部４０１は、目標軌道と摩擦パラメータ調整量を入力しトルクを出力し、マニピュレータ４０２は、前記トルクを入力し関節角を出力する。また、短期メモリ４０３は、前記トルクと前記関節角を入力し関節角実測値を出力し、誤差推定部４０４は、前記関節角実測値を入力し誤差関数を出力する。また、調整行列更新部４０５は、前記誤差関数と前記摩擦パラメータ調整量を入力し更新信号を出力し、長期メモリ４０６は、前記更新信号を入力し調整行列を出力する。
【０００４】
また、摩擦パラメータ調整部４０７は、前記誤差関数と前記調整行列を入力し、神経回路モデルによる逆ダイナミクスモデルとマニピュレータの運動方程式から、粘性摩擦およびクーロン摩擦の項を省略した運動方程式により算出される逆ダイナミクスモデルの差により粘性摩擦およびクーロン摩擦によるトルク差を算出し、そのトルク差を速度に対してプロットしたグラフの傾きから前記粘性摩擦を同定し、前記摩擦パラメータ調整量を出力する。ここで、摩擦パラメータ調整部４０７は、機械定数同定装置に相当する。
【０００５】
このように、従来の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置は、神経回路モデルによる逆ダイナミクスモデルとマニピュレータの運動方程式から、粘性摩擦およびクーロン摩擦の項を省略した運動方程式により算出される逆ダイナミクスモデルの差により粘性摩擦およびクーロン摩擦によるトルク差を算出し、そのトルク差を速度に対してプロットしたグラフの傾きから粘性摩擦を同定するのである。
【特許文献１】特開平１０−２４９７６３号公報（第１２頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置は、トルク差を速度に対してプロットしたグラフの傾きから粘性摩擦を同定する構成となっているため、微小動作のみでは粘性摩擦同定をすることができないという問題があった。また、可動範囲の限定された負荷の連結したモータの粘性摩擦同定ができず、可動範囲の限定された負荷の連結したモータの高精度制御が実施できないという問題もあった。
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、非線形摩擦や雑音などの影響を抑制し、微小動作のみで負荷の連結したモータの粘性摩擦を同定するとともに、粘性摩擦同定値を用いて高精度な制御をすることができる機械定数同定装置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】
【０００７】
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。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、位置指令に基づいて速度指令を算出する位置制御器と、前記速度指令に基づいてトルク指令を算出する速度制御器と、負荷の連結したモータの機械定数を同定し前記機械定数に基づいて前記モータを駆動する機械定数同定装置を備えたモータ制御装置において、前記モータの位置に基づいて前記モータの粘性摩擦を同定する粘性摩擦同定器を備えるものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明における前記粘性摩擦同定器が、前記位置に基づいて位置振幅を算出する振幅演算器と、前記位置振幅に基づいて粘性摩擦同定値を算出する粘性摩擦演算器と、を備えるものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明における前記振幅演算器が、フーリエ変換を用いて位置基本周波数成分を算出し、その振幅である前記位置振幅を算出するものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明における前記振幅演算器が、バンドパスフィルタを用いて位置基本周波数成分を算出し、その振幅である前記位置振幅を算出するものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明における前記位置制御器が比例制御し、前記速度制御器が比例制御し、粘性摩擦同定値を算出するものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明における前記位置制御器の比例制御ゲインを複数の比例制御ゲインとし、前記速度制御器の比例制御ゲインを複数の比例制御ゲインとするものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発明における前記位置制御器の比例制御ゲインを第１位置比例制御ゲインと第２位置比例制御ゲインとし、前記速度制御器の比例制御ゲインを第１速度比例制御ゲインと第２速度比例制御ゲインとした場合、前記第１位置比例制御ゲインと前記第１速度比例制御ゲインの乗算値と、前記第２位置比例制御ゲインと前記第２速度比例制御ゲインの乗算値と、が等しくなるようにそれぞれの比例制御ゲインを設定し、前記粘性摩擦同定値を算出するものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の発明における前記速度制御器の比例制御ゲインである速度比例制御ゲインを、モータに粘性摩擦が無い場合の理想的な速度比例制御ゲインから前記粘性摩擦同定値を減算した値に設定し、前記モータを制御するものである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項５に記載の発明における前記位置制御器の比例制御ゲインを第１位置比例制御ゲインと第２位置比例制御ゲインとし、前記速度制御器の比例制御ゲインを第１速度比例制御ゲインと第２速度比例制御ゲインとした場合、前記第１位置比例制御ゲインと前記第１速度比例制御ゲインを用いた場合の前記位置振幅と、前記第２位置比例制御ゲインと前記第２速度比例制御ゲインを用いた場合の前記位置振幅とに基づいて、前記粘性摩擦同定値を算出するものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載または請求項２に記載の発明によると、微小動作のみで負荷の連結したモータの粘性摩擦を同定することができ、その粘性摩擦同定値を用いた高精度の制御をすることができる。
また、請求項３に記載または請求項４に記載の発明によると、非線形摩擦、雑音、一定トルク外乱などの影響を抑制し、短時間に微小動作のみで負荷の連結したモータの粘性摩擦を同定することができ、その粘性摩擦同定値を用いた高精度の制御をすることができる。また、外部影響に依らず同定誤差バラツキが少ない同定をすることができ、信頼性の向上を図ることができ、安定したモータ制御をすることができる。
また、請求項５乃至９に記載の発明によると、一定トルク外乱の影響を抑制し、短時間に微小動作のみで負荷の連結したモータの粘性摩擦を同定することができ、その粘性摩擦同定値を用いた高精度の制御をすることができる。また、制御ゲインを容易に設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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】
【００１１】
図１は、本発明の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置の構成を示す概略ブロック図である。図１において、１０１は位置指令発生器、１０２は位置制御器、１０３は速度制御器、１０４はトルク制御器、１０５はモータ、１０６は位置検出器、１０７は微分器、１０８は粘性摩擦同定器、１０９は振幅演算器、１１０は粘性摩擦演算器である。
【００１２】
位置指令発生器１０１は位置指令を出力し、位置制御器１０２は前記位置指令と位置を入力し速度指令を出力する。また、速度制御器１０３は、前記速度指令と速度を入力しトルク指令を出力し、トルク制御器１０４は、前記トルク指令を入力しモータ駆動信号を出力する。また、モータ１０５は前記モータ駆動信号により駆動され、その前記位置は位置検出器１０６が検出し出力する。また、微分器１０７は、前記位置を入力し前記速度を出力し、粘性摩擦同定器１０８は、前記位置を入力しモータ１０５の粘性摩擦である粘性摩擦同定値を算出し出力する。
ここで、粘性摩擦同定器１０８内の振幅演算器１０９は、前記位置を入力しその入力信号振幅である位置振幅を算出し出力し、粘性摩擦同定器１０８内の粘性摩擦演算器１１０は、前記位置振幅を入力し前記粘性摩擦同定値を算出し出力する。
【００１３】
本発明が特許文献１と異なる部分は、粘性摩擦同定器として、位置を入力し位置振幅を出力する振幅演算器と、前記位置振幅を入力し粘性摩擦同定値を算出し出力する粘性摩擦演算器とを備えた部分である。
【００１４】
以下、粘性摩擦演算器１１０が粘性摩擦同定値を算出する仕組みを説明する。
【００１５】
図１において、位置制御器１０２をゲインがＫｐである比例制御とし、速度制御器１０３をゲインがＫｖｊである比例制御とし、モータ１０５の慣性モーメントをＪ、粘性摩擦をＤ、位置指令をｕ、一定トルク外乱をｗ、位置をθとすると、トルク制御器１０４、モータ１０５、位置検出器１０６を含む開ループ系の運動方程式は、式（１）と表される。
【００１６】
【数１】
2007087272.tif 000003
また、位置指令ｕを振幅がｕ０、周波数がωである正弦波とすると、ｕ＝ｕ０ｅｊωｔと表すことができ、定常状態における位置θの振幅である位置振幅Ａは式（２）と表される。
【００１７】
【数２】
2007087272.tif 000004
【００１８】
また、位置制御器１０２の比例制御ゲインを第１位置比例制御ゲインＫｐ１、速度制御器１０３の比例制御ゲインを第１速度比例制御ゲインＫｖｊ１とした場合、前記位置振幅である第１位置振幅Ａ１の関係式は、式（２）を用いて式（３）と求められる。
【００１９】
【数３】
2007087272.tif 000005
【００２０】
同様に、位置制御器１０２の比例制御ゲインを第２位置比例制御ゲインＫｐ２、速度制御器１０３の比例制御ゲインを第２速度比例制御ゲインＫｖｊ２とした場合、前記位置振幅である第２位置振幅Ａ２の関係式は、式（２）を用いて式（４）と求められる。
【００２１】
【数４】
2007087272.tif 000006
【００２２】
ここで、前記第１位置比例制御ゲイン、前記第２位置比例制御ゲイン、前記第１速度比例制御ゲイン、前記第２速度比例制御ゲインをＫｐ１×Ｋｖｊ１＝Ｋｐ２×Ｋｖｊ２が成り立つように設定し、式（３）と式（４）を粘性摩擦Ｄについて解くと式（５）を得る。
【００２３】
【数５】
2007087272.tif 000007
【００２４】
よって、粘性摩擦演算器１１０は、式（５）を用いて前記粘性摩擦同定値を算出する。また、式（５）は一定トルク外乱ｗを含まないので、一定トルク外乱ｗは前記粘性摩擦同定値に影響せず、一定トルク外乱ｗがある場合においても前記粘性摩擦同定値を正確に算出することができる。
【００２５】
なお、振幅演算器１０９は、フーリエ変換またはバンドパスフィルタを用いて、前記位置の基本周波数成分を算出し、その振幅である前記位置振幅を算出することにより、前記位置に含まれる基本周波数成分以外の周波数成分を取り除くことができ、非線形摩擦や雑音が前記粘性摩擦同定値に与える影響を抑制することができる。また、前記位置指令をその基本周波数がωでその基本周波数成分振幅がｕ０である正弦波以外の任意の周期的信号としても、式（５）を用いて前記粘性摩擦同定値を算出することができる。
【００２６】
また、速度制御器１０３の比例制御ゲインである速度比例制御ゲインＫｖｊをモータ１０５に粘性摩擦が無い場合の理想的な速度比例制御ゲインＫｖｊである理想速度比例制御ゲインＫｖｊ＊と粘性摩擦同定値Ｄを用いて、Ｋｖｊ＝Ｋｖｊ＊−Ｄと設定することにより、前記粘性摩擦がモータ１０５の制御に与える影響を抑制し、前記位置の前記位置指令に対する高い追従性と高い位置決め精度を実現できる。
【００２７】
なお、実施例１において位置検出器１０６を備えた場合のモータ制御装置について説明したが、位置検出器１０６の替わりにモータ内部電流等のモータの内部信号を用いて位置を推定し、その推定した位置に基づいて粘性摩擦同定値を算出することもできる。
【００２８】
以下、本実施例のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションに用いた数値は、次の通りである。
Ｊｍ＝０．１１６×１０−４［ｋｇ／ｍ２］、Ｊｌ＝０．８１６４×１０−４［ｋｇ／ｍ２］、
Ｊ＝Ｊｍ＋Ｊｌ、Ｄ＊＝０．００１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］、Ｔｒａｔ＝０．６３７［Ｎ・ｍ］、
ｗ＝０［Ｎ・ｍ］、Ｋｐ１＝１０［ｒａｄ／ｓ］、Ｋｐ２＝１５［ｒａｄ／ｓ］、
Ｔ＝１２５×１０−６［ｓ］、ｕ０＝０．５［ｒａｄ］、ω＝５［（２π）ｒａｄ／ｓ］
ただし、モータ１０５はモータに剛体負荷を連結したものとし、Ｊｍはモータ慣性モーメント、Ｊｌは負荷慣性モーメント、Ｄ＊は粘性摩擦真値、Ｔｒａｔは定格トルク、ｗは一定トルク外乱、Ｋｐ１は第１位置比例制御ゲイン、Ｋｐ２は第２位置比例制御ゲイン、Ｔは制御周期とし、前記位置指令を振幅ｕ０、周波数ωである正弦波とした。また、第１速度比例制御ゲインＫｖｊ１と第２速度比例制御ゲインＫｖｊ２は、Ｋｐ１×Ｋｖｊ１＝Ｋｐ２×Ｋｖｊ２＝１０００［（２π）ｒａｄ２／ｓ２］の関係が成り立つように設定した。
【００２９】
図２は、本発明の第１実施例を示す粘性摩擦を変化させた場合のシミュレーション結果である。図２において、粘性摩擦同定誤差ｅＤは、粘性摩擦同定値Ｄと粘性摩擦真値Ｄ＊を用いて式（６）により算出した。
【００３０】
【数６】
2007087272.tif 000008
【００３１】
ここで、粘性摩擦真値Ｄ＊を０．００１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］から０．０１［Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ］まで変化させた場合、粘性摩擦同定誤差ｅＤは１．２％以下であった。また、本シミュレーションにおいて前記位置振幅は０．２５［ｒａｄ］以下であり、粘性摩擦同定値を微小振幅において少ない誤差で同定できていることを示している。なお、粘性摩擦真値Ｄ＊が零に近づくにつれ粘性摩擦同定誤差ｅＤが増大しているのは、式（６）の分母が零に近づくからである。
【００３２】
図３は、本発明の第１実施例を示す一定トルク外乱を変化させた場合のシミュレーション結果である。図３において、粘性摩擦同定誤差ｅＤは式（６）により算出した。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、粘性摩擦同定誤差ｅＤは２％以下であった。また、本シミュレーションにおいて前記位置振幅は０．２［ｒａｄ］以下であり、粘性摩擦同定値を微小振幅において少ない誤差で同定できていることを示している。また、粘性摩擦同定値が一定トルク外乱に依らないことも示している。
【００３３】
このように、位置を入力し位置振幅を出力する振幅演算器と、前記位置振幅を入力し粘性摩擦同定値を算出する粘性摩擦演算器を備える構成をしているので、非線形摩擦や雑音などの影響を抑制し、微小動作のみで負荷の連結したモータの粘性摩擦を同定し、その同定値を用いて高精度の制御をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
モータの位置振幅を用いることによって微小動作のみで負荷の付いたモータの粘性摩擦を同定することができるので、半導体製造装置などの一般産業用装置の制御パラメータ調整という用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置の構成を示す概略ブロック図
【図２】本発明の第１実施例を示す粘性摩擦を変化させた場合のシミュレーション結果
【図３】本発明の第１実施例を示す一定トルク外乱を変化させた場合のシミュレーション結果
【図４】従来の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置の構成を示す概略ブロック図
【符号の説明】
【００３６】
１０１  位置指令発生器
１０２  位置制御器
１０３  速度制御器
１０４  トルク制御器
１０５  モータ
１０６  位置検出器
１０７  微分器
１０８  粘性摩擦同定器
１０９  振幅演算器
１１０  粘性摩擦演算器
４０１  サーボ制御部
４０２  マニピュレータ
４０３  短期メモリ
４０４  誤差推定部
４０５  調整行列更新部
４０６  長期メモリ
４０７  摩擦パラメータ調整部
【図１】
2007087272.tif 000009
【図２】
2007087272.tif 000010
【図３】
2007087272.tif 000011
【図４】
2007087272.tif 000012