(57)【要約】【課題】負荷の付いた電動機に機械的負担をかけず静かに短時間に微小動作のみで共振周波数と反共振周波数を検出できるようにする。【解決手段】位置を入力し位置振幅を出力する位置振幅演算器１０１と、位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を出力する剛性演算器１０２と、位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを出力する負荷慣性モーメント演算器１０３と、電動機負荷間剛性と負荷慣性モーメントを入力し負荷の付いた電動機の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する共振反共振周波数演算器１０４を備える。  【選択図】図１
2007143224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令を出力する位置指令発生器と、前記位置指令と位置を入力し速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令を入力し電動機電流により電動機を駆動するトルク制御器と、位置検出器が検出した前記電動機の前記位置を入力し前記速度を出力する微分器と、前記位置を入力し負荷の付いた前記電動機の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する振動検出器と、を備えた振動検出装置において、
前記振動検出器は、
前記位置を入力し位置振幅を算出し出力する位置振幅演算器と、
前記位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を算出し出力する剛性演算器と、
前記位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを算出し出力する負荷慣性モーメント演算器と、
前記電動機負荷間剛性と前記負荷慣性モーメントを入力し前記振動検出値を算出し出力する共振反共振周波数演算器と、
を有することを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
前記位置振幅演算器はフーリエ変換により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を特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記位置振幅演算器はバンドパスフィルタにより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を特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項４】
前記位置指令を基本周波数が負荷の付いた前記電動機の共振周波数および反共振周波数より十分に小さい周期的信号である第１位置指令と十分に大きい周期的信号である第２位置指令とすることを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項５】
前記位置制御器を比例制御とし前記速度制御器を比例制御とすることを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項６】
前記位置制御器の比例制御ゲインを複数の異なるゲインとすることを特徴とする請求項５記載の振動検出装置。
【請求項７】
前記位置制御器の複数の比例制御ゲインを２つの異なるゲインである第１位置比例制御ゲインと第２位置比例制御ゲインとすることを特徴とする請求項６記載の振動検出装置。
【請求項８】
前記位置制御器のゲインを２つの異なる第１位置比例制御ゲインＫｐ１と第２位置比例制御ゲインＫｐ２とし、
前記速度制御器の速度比例制御ゲインをＫｖｊとし、
前記位置指令を基本周波数が負荷の付いた前記電動機の共振周波数および反共振周波数より十分に小さい周期的信号である振幅がｕ０で周波数がω１の第１位置指令と、十分に大きい周期的信号である振幅がｕ０で周波数がω２の第２位置指令とし、
電動機単体の慣性モーメントである電動機慣性モーメントをＪｍ、負荷慣性モーメントをＪｌ、有効慣性モーメントをＪｅ、電動機負荷間剛性をｋとすると、
前記振動検出器は、前記振動検出値である前記電動機の共振周波数ωｒと反共振周波数ωａを式（１）および式（２）によりそれぞれ算出することを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【数１】
2007143224.tif 000029
【数２】
2007143224.tif 000030
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷の付いた電動機の振動を検出する振動検出装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
図３は従来の振動検出装置である。
図３において、３０１は指令発生器、３０２は速度制御器、３０３は電流制御器、３０４はモータと機械負荷、３０５は検出器、３０６は信号処理器である。
図３において、
指令発生器３０１は掃引正弦波信号を出力する。
速度制御器３０２はトルク指令を出力する。
電流制御器３０３は前記掃引正弦波信号と前記トルク指令の加算値である電流指令と応答信号を入力しモータ電流を出力する。
モータと機械負荷３０４は前記モータ電流により駆動されその前記応答信号は検出器３０５が検出し出力する。
信号処理器３０６は前記掃引正弦波信号と前記応答信号を入力し前記応答信号が極大値をとる時間における前記掃引正弦波信号の周波数を共振周波数として算出し出力するものであった。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
このように、従来の振動検出装置は、掃引正弦波信号をモータと機械負荷３０４に入力し、その応答信号の極大値の起こる前記掃引正弦波信号の周波数よりモータと機械負荷３０４の共振周波数を検出するのである。
【特許文献１】特開２００３−３４８８７１号公報（第３頁、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の振動検出装置は、掃引正弦波信号をモータと機械負荷３０４に入力する構成となっていて、前記掃引正弦波信号の周波数がモータと機械負荷３０４の共振周波数に一致したときにモータと機械負荷３０４に機械的負担を与え騒音を発生する問題があった。また、モータと機械負荷３０４の可動範囲が限定されているとき、振動検出ができない問題があった。
【０００５】
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、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけず静かに短時間で微小動作のみで負荷の付いた電動機の共振周波数と反共振周波数を検出することができる振動検出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】
【０００６】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、位置指令を出力する位置指令発生器と、前記位置指令と位置を入力し速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令を入力し電動機電流により電動機を駆動するトルク制御器と、位置検出器が検出した前記電動機の前記位置を入力し前記速度を出力する微分器と、前記位置を入力し負荷の付いた前記電動機の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する振動検出器と、を備えた振動検出装置において、前記振動検出器は、前記位置を入力し位置振幅を算出し出力する位置振幅演算器と、前記位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を算出し出力する剛性演算器と、前記位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを算出し出力する負荷慣性モーメント演算器と、前記電動機負荷間剛性と前記負荷慣性モーメントを入力し前記振動検出値を算出し出力する共振反共振周波数演算器と、を有するものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動検出装置において、前記位置振幅演算器はフーリエ変換により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ものである。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の振動検出装置において、前記位置振幅演算器はバンドパスフィルタにより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ものである。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の振動検出装置において、前記位置指令を基本周波数が負荷の付いた前記電動機の共振周波数および反共振周波数より十分に小さい周期的信号である第１位置指令と十分に大きい周期的信号である第２位置指令とするものである。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の振動検出装置において、前記位置制御器を比例制御とし前記速度制御器を比例制御とするものである。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の振動検出装置において、前記位置制御器の比例制御ゲインを複数の異なるゲインとするものである。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の振動検出装置において、前記位置制御器の複数の比例制御ゲインを２つの異なるゲインである第１位置比例制御ゲインと第２位置比例制御ゲインとするものである。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、前記位置制御器のゲインを２つの異なる第１位置比例制御ゲインＫｐ１と第２位置比例制御ゲインＫｐ２とし、前記速度制御器の速度比例制御ゲインをＫｖｊとし、前記位置指令を基本周波数が負荷の付いた前記電動機の共振周波数および反共振周波数より十分に小さい周期的信号である振幅がｕ０で周波数がω１の第１位置指令と、十分に大きい周期的信号である振幅がｕ０で周波数がω２の第２位置指令とし、電動機単体の慣性モーメントである電動機慣性モーメントをＪｍ、負荷慣性モーメントをＪｌ、有効慣性モーメントをＪｅ、電動機負荷間剛性をｋとすると、前記振動検出器は、前記振動検出値である前記電動機の共振周波数ωｒと反共振周波数ωａを式（１）および式（２）によりそれぞれ算出するものである。
【数１】
2007143224.tif 000003
【数２】
2007143224.tif 000004
【発明の効果】
【００１４】
請求項１、４、５、６、７、８に記載の発明によると、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけることなく静かに短時間に微小動作のみで共振周波数と反共振周波数を検出することができる。
また、請求項２、３に記載の発明によると、雑音や非線形摩擦などの影響を抑制し、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけることなく静かに短時間に微小動作のみで共振周波数と反共振周波数を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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】
【００１６】
図２は、本発明の第１実施例を示す振動検出装置である。
図２において、２０１は位置指令発生器、２０２は位置制御器、２０３は速度制御器、２０４はトルク制御器、２０５は電動機、２０６は位置検出器、２０７は微分器、２０８は振動検出器である。
図２において、位置指令発生器２０１は位置指令を出力する。
位置制御器２０２は前記位置指令と位置を入力し速度指令を出力する。
速度制御器２０３は前記速度指令と速度を入力しトルク指令を出力する。
トルク制御器２０４は前記トルク指令を入力し電動機電流を出力する。
電動機２０５は前記電動機電流により駆動されその前記位置は位置検出器２０６が検出し出力する。
微分器２０７は前記位置を入力し前記速度を出力する。
振動検出器２０８は前記位置を入力し負荷の付いた電動機２０５の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する。
【００１７】
図１は、本発明の第１実施例を示す振動検出器である。
図１において、１０１は位置振幅演算器、１０２は剛性演算器、１０３は負荷慣性モーメント演算器、１０４は共振反共振周波数演算器である。
図１において、位置振幅演算器１０１は位置を入力し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を位置振幅として算出し出力する。
剛性演算器１０２は前記位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を算出し出力する。
負荷慣性モーメント演算器１０３は前記位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを算出し出力する。
共振反共振周波数演算器１０４は前記電動機負荷間剛性と前記負荷慣性モーメントを入力し負荷の付いた電動機２０５の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する。
【００１８】
本発明が従来技術と異なる部分は、振動検出器２０８が、位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を出力する剛性演算器１０２と、位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを出力する負荷慣性モーメント演算器１０３と、電動機負荷間剛性と負荷慣性モーメントを入力し振動検出値を算出する共振反共振周波数演算器１０４と、を備えた部分である。
【００１９】
以下、振動検出器２０８の働きについて説明する。ただし、共振反共振周波数演算器１０４はフーリエ変換またはバンドパスフィルタを用いて算出した前記位置の基本周波数成分振幅である前記位置振幅を用いて前記振動検出値を算出するので、以下に述べる共振反共振周波数の式の導出には各信号の基本周波数成分のみを考慮する。
【００２０】
図２において、電動機２０５は負荷を電動機に付属したものとし、電動機慣性モーメントをＪｍ、負荷慣性モーメントをＪｌ、電動機粘性摩擦をＤ、負荷粘性摩擦をｃｌ、電動機２０５の位置をθｍ、負荷位置をθｌ、電動機負荷間剛性をｋ、電動機負荷間粘性摩擦をｃ、トルク指令をＴｒｅｆ、一定トルク外乱をｗとすると、トルク制御器２０４、電動機２０５、位置検出器２０６を含む開ループ系の運動方程式は式（３）、式（４）で表される。
【数３】
2007143224.tif 000005
【数４】
2007143224.tif 000006
位置指令ｕを振幅ｕ０、周波数ωの正弦波とすると、式（５）となる。
【数５】
2007143224.tif 000007
前記位置指令の周波数である位置指令周波数を負荷の付いた電動機２０５の共振周波数より十分に低い値である第１位置指令周波数ω＝ω１とすると、θｍ≒θｌが近似的に成り立ち式（３）と式（４）は式（６）と書き換えられる。
【数６】
2007143224.tif 000008
位置制御器２０２をゲインがＫｐである比例制御とし、速度制御器２０３をゲインがＫｖｊである比例制御とすると、トルク指令は式（７）となる。
【数７】
2007143224.tif 000009
式（７）を式（６）に代入すると式（８）を得る。
【数８】
2007143224.tif 000010
位置制御器２０２のゲインを第１位置比例制御ゲインＫｐ＝Ｋｐ１としたとき、本振動検出装置に第１位置指令周波数ω＝ω１の微小位置指令を与えたときに検出される定常状態における位置振幅は式（９）で表される。
【数９】
2007143224.tif 000011
同様に、位置制御器２０２のゲインを第２位置比例制御ゲインＫｐ＝Ｋｐ２としたとき、定常状態における前記位置振幅は式（１０）で表される。
【数１０】
2007143224.tif 000012
式（９）、式（１０）を負荷慣性モーメントＪｌについて解くと、式（１１）を得る。
【数１１】
2007143224.tif 000013
図１において、負荷慣性モーメント演算器１０３は式（１１）を用いて、負荷慣性モーメントを算出する。
【００２１】
次に、前記位置指令の周波数である位置指令周波数を負荷の付いた電動機２０５の共振周波数より十分に高い値である第２位置指令周波数ω＝ω２とすると、θｌ＝０が成り立ち式（３）は式（１２）と書き換えられる。
【数１２】
2007143224.tif 000014
位置制御器２０２のゲインを第１位置比例制御ゲインＫｐ＝Ｋｐ１としたとき、本振動検出装置に第２位置指令周波数ω＝ω２の微小位置指令を与えたときに検出される定常状態における位置振幅は式（１３）で表される。
【数１３】
2007143224.tif 000015
同様に、位置制御器２０２のゲインを第２位置比例制御ゲインＫｐ＝Ｋｐ２としたとき、定常状態における前記位置振幅は式（１４）で表される。
【数１４】
2007143224.tif 000016
式（１３）、式（１４）を用いて電動機負荷間剛性ｋは式（１５）で求められる。
【数１５】
2007143224.tif 000017
図１において、剛性演算器１０２は式（１５）を用いて電動機負荷間剛性を算出する。
【００２２】
前記開ループ系の有効慣性モーメントＪｅは電動機慣性モーメントＪｍと負荷慣性モーメントＪｌを用いて式（１６）で表される。
【数１６】
2007143224.tif 000018
式（１１）、式（１５）、式（１６）を用いて、前記開ループ系の共振周波数ωｒと反共振周波数ωａである振動検出値は式（１７）、式（１８）で表される。
【数１７】
2007143224.tif 000019
【数１８】
2007143224.tif 000020
共振反共振周波数演算器１０４は式（１１）、式（１５）、式（１６）、式（１７）、式（１８）を用いて前記振動検出値を算出する。前記位置振幅を用いるので一定トルク外乱と雑音の影響を抑制することができる。
【００２３】
位置振幅演算器１０１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を前記位置振幅として算出するので、非線形摩擦や雑音などによる影響を抑制し、前記位置の定常状態を待つことなく短時間に振動検出ができる。また、前記位置指令を任意の周期的信号としても振動検出ができる。
【００２４】
以下、本実施例のシミュレーションを示す。
本シミュレーションに用いた数値を式（１９）に示す。
【数１９】
2007143224.tif 000021
ただし、電動機２０５は電動機に負荷を付けたものとし、Ｊｍは電動機慣性モーメント、Ｊｌ＊は負荷慣性モーメント真値、ωｒ＊は共振周波数真値、Ｄは電動機粘性摩擦、ｃｌは負荷粘性摩擦、ｃは電動機負荷間粘性摩擦、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、Ｋｖは正規化速度比例制御ゲイン、Ｋｖｊは速度比例制御ゲイン、Ｔは制御周期、Ｔｒａｔは定格トルク、ｕ０は位置指令振幅、ω１は第１位置指令周波数、ω２は第２位置指令周波数、ｗは一定トルク外乱である。
【００２５】
有効慣性モーメント真値Ｊｅ＊、電動機負荷間剛性真値ｋ＊、反共振周波数真値ωａ＊は式（１９）の数値を用いて式（２０）、式（２１）、式（２２）と求められる。
【数２０】
2007143224.tif 000022
【数２１】
2007143224.tif 000023
【数２２】
2007143224.tif 000024
【００２６】
式（１１）により算出した負荷慣性モーメント同定値はＪｌ＝０．１１５８３×１０＾−３ｋｇ＊ｍ＾２となり負荷慣性モーメント同定誤差ｅＪｌは式（２３）と求められた。
【数２３】
2007143224.tif 000025
式（１５）により算出した電動機負荷間剛性同定値はｋ＝４．４５６０Ｎ＊ｍ／ｒａｄとなり電動機負荷間剛性同定誤差ｅｋは式（２４）と求められた。
【数２４】
2007143224.tif 000026
式（１７）により算出した共振周波数同定値はωｒ＝１０３．４６（２π）ｒａｄ／ｓとなり共振周波数同定誤差は式（２５）と求められた。
【数２５】
2007143224.tif 000027
式（１８）により算出した反共振周波数同定値はωａ＝３１．２２（２π）ｒａｄ／ｓとなり反共振周波数同定誤差は式（２６）と求められた。
【数２６】
2007143224.tif 000028
本シミュレーションにおいて、前記位置振幅は常に０．１５ｒａｄ以下であり、前記トルク指令の振動部振幅は常に前記定格トルクの３％以下であった。
【００２７】
このように、位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を出力する剛性演算器１０２と、位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを出力する負荷慣性モーメント演算器１０３と、電動機負荷間剛性と負荷慣性モーメントを入力し振動検出値を算出し出力する共振反共振周波数演算器１０４を有する構成をしているので、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけることなく静かに短時間に微小動作のみで共振周波数と反共振周波数を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
周波数の異なる周期的位置指令と複数の位置制御ゲインを用いることによって負荷の付いた電動機の共振周波数と反共振周波数を検出することができるので、半導体製造装置などの一般産業機械の逆伝達関数補償器の自動調整という用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例を示す振動検出器
【図２】本発明の第１実施例を示す振動検出装置
【図３】従来の振動検出装置
【符号の説明】
【００３０】
１０１  位置振幅演算器
１０２  剛性演算器
１０３  負荷慣性モーメント演算器
１０４  共振反共振周波数演算器
２０１  位置指令発生器
２０２  位置制御器
２０３  速度制御器
２０４  トルク制御器
２０５  電動機
２０６  位置検出器
２０７  微分器
２０８  振動検出器
３０１  指令発生器
３０２  速度制御器
３０３  電流制御器
３０４  モータと機械負荷
３０５  検出器
３０６  信号処理器
【図１】
2007143224.tif 000031
【図２】
2007143224.tif 000032
【図３】
2007143224.tif 000033