(57)【要約】【課題】負荷慣性モーメントと粘性摩擦係数を独立に同定し、同定誤差が少ない、また、ノイズによる同定精度の劣化を抑えた機械定数同定装置１８を備えたモータ制御装置を提供する。【解決手段】トルク指令１３を積分したトルク指令積分値とモータ速度７に基づいて、前記負荷慣性モーメント同定値と前記粘性摩擦係数同定値の演算処理をし、また、適応アルゴリズムに基づいて、前記演算処理をする同定演算器３０を有した前記機械定数同定装置１８を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに連結した負荷の機械定数を同定し、その同定した機械定数に基づいて前記モータを駆動するモータ制御装置において、
トルク指令を積分したトルク指令積分値とモータ速度に基づいて、負荷慣性モーメント同定値と粘性摩擦係数同定値の演算処理をする前記機械定数同定装置を備えることを特徴としたモータ制御装置。
【請求項２】
前記機械定数同定装置が、前記トルク指令積分値と前記モータ速度とモータ位置をそれぞれ個別にフィルタ処理し、
前記フィルタ処理は、ハイパスフィルタとローパスフィルタに通す処理であって、個々のハイパスフィルタ時定数は同値であり、また、個々のローパスフィルタ時定数は同値であることを特徴とした請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記機械定数同定装置が、適応アルゴリズムに基づいて、前記演算処理をする同定演算器を有することを特徴とした請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記同定演算器が、位置指令の差分値の絶対値あるいは、位置偏差の絶対値が予め設定された閾値以上の場合にのみ、前記演算処理をすることを特徴とした請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記同定演算器が、算出した前回の負荷慣性モーメント同定値と前記モータ速度の乗算結果と、算出した前回の粘性摩擦係数同定値と前記モータ位置の乗算結果を加算し、
その加算値から前記トルク指令積分値を減算し、その減算値が最小になるように前記演算処理をすることを特徴とした請求項３に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におけるモータ等の駆動装置を用いた駆動機械の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】
従来の駆動機械の機械定数同定装置は、モータ機械系の２慣性系パラメータであるモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントと軸ねじり剛性と粘性係数を同定することを特徴とするものや、負荷慣性モーメントを同定することを特徴とするものがある。
図８は、従来の第１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ブロック図であり、モータ機械系の２慣性系パラメータであるモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントと軸ねじり剛性と粘性係数を同定する機械定数同定装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図において、モータ２０１と負荷２０２および両者の連結軸２０３より構成され、連結軸の軸ねじれによりモータ２０１と負荷２０２とが振動する。負荷特性として同定する物理パラメータは、モータ２０１及び負荷２０２の各慣性モーメント、連結軸２０３の軸ねじれ剛性と粘性係数などである。パワー変換器２０４は、モータを駆動する電流を出力する。ここで、モータ２０１に与える電流ｉｔは電流検出器２０５により検出され、パワー変換器２０４内部の電流制御器にフィードバックされる。さらに、モータ２０１には速度検出器２０６が取り付けられており、モータ速度ωｍを出力する。指令発生器２０７は、モータ駆動系に対する速度指令ωｒを発生する。速度制御器２０８は、速度指令値ωｒおよびモータ速度ωｍ、電流ｉｔを用いて、モータ速度ωｍが指令値ωｒに一致するようにパワー変換器２０４に対する電流指令ｉｒを出力する。
【０００４】
このモータ駆動系に対して、モータ負荷特性の同定装置２０９を設ける。同定装置２０９は、電流ｉｔとモータ速度ωｍを用い、モータ駆動系の振動特性を２慣性系にモデル化したときのパラメータを同定する。同定装置２０９には、電流ｉｔに対する係数乗算器２１０と３つの積分器２１１、２１２、２１３、及びモータ速度ωｍに対する２つの積分器２１４、２１５と負荷２０２に作用する負荷トルクτｄがモータ速度に与える影響を模擬する負荷トルク模擬手段２１６と同定演算器２１７を備え、同定演算器２１７には各積分器の出力であるｘ１、ｘ２、ｘ３、ｙ１、ｙ２と負荷トルク模擬手段２１６からの出力であるδ（ｔ）を入力し、パラメータであるモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントと軸ねじり剛性と粘性係数を算出する。
【０００５】
ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｙ１、ｙ２と負荷トルク模擬手段２１６からの出力であるδ（ｔ）とモータ速度ｙ（ｔ）を用いた関係式は式（１）であり、
【０００６】
【数１】
2007060767.tif 000003
【０００７】
式（１）のｅ（ｔ）は同定に伴う誤差を表し、これが最小になるよう各係数（ｑ１、ｑ２、ｐ０、ｐ１、ｐ２）を求める。
【０００８】
【数２】
2007060767.tif 000004
【０００９】
式（２）のωｎはモータと負荷との２慣性系の共振周波数を表し、ωｚはモータと負荷との２慣性系の反共振周波数を表し、ζｎは共振周波数でのダンピングファクタを表しており、ζｚは反共振周波数でのダンピングファクタを表している。
ｑ１、ｑ２、ｐ０、ｐ１、ｐ２が得られると式（２），（３）から、モータ慣性モーメント（Ｊ１）、負荷慣性モーメント（Ｊ２）と軸ねじり剛性（Ｋｓ）と粘性係数（Ｃｓ）が得られるとしている。
【００１０】
図９は、従来の第２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ブロック図であり、負荷慣性モーメントを同定することを特徴とする同定手段が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
図において、負荷慣性モーメント同定手段の全体構成図を表しており、トルク指令τ＊とモータ速度ωを入力として、負荷慣性モーメントを算出するものである。まず、現在のモータ速度を遅延回路３０１に入力する。遅延回路３０１の出力とモータ速度ωとを減算器３０２に入力し、加速度Δωを出力する。この加速度Δωと補正前負荷慣性モーメントを加速トルク推定器３０３に入力し、推定加速トルクτｈａを出力する。さらに、この推定加速トルクとトルク指令を負荷トルク推定器３０９に入力し、推定負荷トルクτｈＬを出力する。推定負荷トルクとトルク指令を減算器３０８に入力し、加速トルク指令τaを出力する。この加速トルク指令と推定加速トルクを減算器３０４に入力し、減算器３０４の出力を同定誤差補正器３０５に入力し、補正負荷慣性モーメントを出力する。この補正負荷慣性モーメントと補正前負荷慣性モーメントを加算器３０６に入力し、負荷慣性モーメント
【００１１】
【数３】
2007060767.tif 000005
【００１２】
を出力する。補正前負荷慣性モーメントは、負荷慣性モーメント同定値を遅延回路３０７に通過させた後の値を表す。図９は、式（４）を実現したものであるとしている。
【００１３】
【数４】
2007060767.tif 000006
【００１４】
ここで、Δω（ｎ）＝ω（ｎ）−ω（ｎ−１）は速度変化率、Ｔｓはサンプリング時間、γは同定ゲインである。
【特許文献１】特開平８−２２０１９７号公報（第３−６頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−２４２９０４号公報（第４−７頁、図１，３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来の第１の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置は、例えば式（２）のｐ２から得られたモータ慣性モーメントＪ１の同定誤差が大きい場合、Ｊ１を使って式（２），（３）より得られる負荷慣性モーメントＪ２と軸ねじり剛性Ｋｓと粘性係数Ｃｓの同定誤差も大きくなるという問題があった。
また、従来の第２の機械定数同定装置を備えたモータ制御装置は、負荷慣性モーメントを同定するために加速度を用いており、加速度は通常、モータエンコーダから出力されるモータ位置の２階微分から算出される。この２階微分により発生するノイズのために、同定精度が劣化する問題があった。
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、負荷慣性モーメントと粘性摩擦係数を独立に同定し、同定に利用する微分計算が必要な信号はモータ速度とすることにより、同定誤差が少ない、また、ノイズによる同定精度の劣化を抑えた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】
【００１６】
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。
請求項１に記載の発明は、モータに連結した負荷の機械定数を同定し、その同定した機械定数に基づいて前記モータを駆動するモータ制御装置において、トルク指令を積分したトルク指令積分値とモータ速度に基づいて、負荷慣性モーメント同定値と粘性摩擦係数同定値の演算処理をする前記機械定数同定装置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記載の発明における前記機械定数同定装置が、前記トルク指令積分値と前記モータ速度とモータ位置をそれぞれ個別にフィルタ処理し、前記フィルタ処理は、ハイパスフィルタとローパスフィルタに通す処理であって、個々のハイパスフィルタ時定数は同値であり、また、個々のローパスフィルタ時定数は同値であるものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記機械定数同定装置が、適応アルゴリズムに基づいて、前記演算処理をする同定演算器を有するものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３記載の発明における前記同定演算器が、位置指令の差分値の絶対値あるいは位置偏差の絶対値が予め設定された閾値以上の場合にのみ、前記演算処理をするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項３記載の発明における前記同定演算器が、算出した前回の負荷慣性モーメント同定値と前記モータ速度の乗算結果と、算出した前回の粘性摩擦係数同定値と前記モータ位置の乗算結果を加算し、その加算値から前記トルク指令積分値を減算し、その減算値が最小になるように前記演算処理をするものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によると、負荷慣性モーメントと粘性摩擦係数を独立に同定でき、同定誤差が少ない、また、ノイズによる同定精度の劣化を抑えた同定ができる。また、負荷慣性モーメント同定値を用いて、速度ループゲインを修正することにより速度制御性能を向上させることができる。また、負荷慣性モーメント同定値を用いて、外乱オブザーバの負荷慣性モーメントに対応するパラメータを修正することによりオブザーバの精度を向上させることができる。また、粘性摩擦係数同定値を用いて、速度指令との乗算値をトルクフィードフォワードすることにより位置決め時間を短縮することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、各信号に含まれるノイズ成分の除去と、指定の周波数帯域の各信号を抽出し同定精度を高めることができる。また、同定演算に必要とするトルク指令Trefの積分値とモータ位置とモータ速度に通すフィルタは、同じ時定数を持つハイパスフィルタと同じ時定数を持つローパスフィルタとするため、調整の手間を省くことができる。また、時定数を個別に設定し同定精度を追求することもできる。
また、請求項３または５に記載の発明によると、同定計算で得られた負荷慣性モーメントと粘性摩擦と現時点でのモータ位置とモータ速度から得られる推定トルク指令積分値と実トルク指令積分値の偏差が小さくなるように同定計算をするため、偏差が減少すれば同定真値に近くなっていることを確認でき、適応アルゴリズムを用いることで負荷慣性モーメントが変動してもオンラインで同定できる。また、信頼性の高い同定結果を得ることができる。
また、請求項４に記載の発明によると、位置指令の差分値の絶対値あるいは位置偏差の絶対値を閾値としているため、モータが駆動している時のトルク指令とモータ位置が十分に値を持っている時に同定計算するため、同定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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】
【００１９】
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ブロック図である。図において、１は指令発生器、４，８は減算器、５は位置ループゲイン、６は差分演算器、９は速度制御器、１０は積分制御器、１１は加算器、１２は速度ループゲイン、１４は電流制御器、１５はモータ、１６は負荷、１７は検出器、１８は機械定数同定装置である。
また、図２は、機械定数同定装置１８の構成を示すブロック図である。図において、２１は積分器、２２，２４，２６はハイパスフィルタ、２３，２５，２７はローパスフィルタ、２８は差分演算器、２９は絶対値演算器、３０は同定演算器である。
本発明が特許文献１，２と異なる部分は、積分器２１、ハイパスフィルタ２２，２４，２６、ローパスフィルタ２３，２５，２７、差分演算器２８、絶対値演算器２９、同定演算器３０とを有した機械定数同定装置１８を備えた部分である。
【００２０】
図１において、指令発生器１の出力である位置指令２とモータ位置３を減算器４に入力し、位置偏差を出力する。位置偏差を位置ループゲイン５に乗算し、乗算結果である速度指令とモータ速度７を減算器８に入力する。減算器８の出力である速度偏差を速度制御器９に入力し、トルク指令１３を出力する。速度偏差を速度制御器９内部の積分制御器１０に入力し、積分制御器１０の出力と速度偏差を加算器１１に入力する。加算器１１の出力を速度ループゲイン１２と乗算し、乗算結果はトルク指令１３となる。トルク指令１３を電流制御器１４に入力し、電流制御器１４はモータ１５を駆動する電流を出力する。モータ１５と連結させた負荷１６を駆動し、モータ１５が回転すると検出器１７では、モータ位置３を出力する。さらに、モータ位置３を差分演算器６に入力して、モータ速度７を出力する。機械定数同定装置１８には、トルク指令１３とモータ速度７とモータ位置３と位置指令２を入力し、負荷慣性モーメント同定値１９と粘性摩擦係数同定値２０を出力する。
【００２１】
次に、機械定数同定装置１８を説明する。図２において、トルク指令１３を積分器２１に入力し、トルク指令積分値を出力し、トルク指令積分値をハイパスフィルタ２２とローパスフィルタ２３に通過させたフィルタ後トルク指令積算値と、モータ速度７をハイパスフィルタ２４とローパスフィルタ２５に通過させたフィルタ後モータ速度と、モータ位置３をハイパスフィルタ２６とローパスフィルタ２７に通過させたフィルタ後モータ位置と位置指令２を差分演算器２８に入力し、差分演算器２８の出力を絶対値演算器２９に入力し、絶対値演算器２９の出力である差分位置指令の絶対値を同定演算器３０に入力する。
ここで、各信号のハイパスフィルタ２２，２４，２６とローパスフィルタ２３，２５、２７とでのフィルタ処理の目的は、各信号に含まれるノイズ成分の除去と、指定の周波数帯域の各信号を抽出し同定精度を高めることにある。
また、各ハイパスフィルタ２２，２４，２６のフィルタ時定数が同値、または、各ローパスフィルタ２３，２５、２７のフィルタ時定数が同値である目的は、調整の手間を省くことにあるが、個別に時定数を設定し同定精度を追求することもできる。
【００２２】
同定演算器では、フィルタ後トルク指令積分値とフィルタ後モータ速度とフィルタ後モータ位置を用いて、差分位置指令の絶対値が１パルス以上である時のみ慣性モーメント同定値と粘性摩擦同定値を算出する。算出には適応アルゴリズム式（５）〜（８）を用い、これは固定トレース法と呼ばれている。システム同定などで同定精度を上げるには、ＰＥ性条件を満たしていることが必要である。ＰＥ性条件とは、持続的な励振信号がシステムに入力されていることであり、停止状態では同定精度が悪化してしまうため、位置指令の差分値の絶対値あるいは位置偏差の絶対値の閾値を設定した。
適応アルゴリズムは微小な変化に対しても同定できるが、誤った同定値に収束することがある。これは前述のＰＥ性条件を満足していない場合である。例えば、停止中に一定外乱が変化するような場合でモータ位置が±１パルス程度で停止時振動すると、十分な持続的な励振信号が入力されず、誤った同定結果となる。
対策として、位置指令の差分値の絶対値をトリガとして同定計算を行う。すなわち、位置指令の差分値の絶対値がある閾値以上になれば、モータが駆動され、位置振幅、トルク振幅が大きくなっていると判断され、正しい同定計算が実行されることになる。また、絶対値の閾値を使うことで正転反転の動作を区別することなく処理できる。
【００２３】
【数５】
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【００２４】
式（５）〜（８）中の変数は、sumT ’ref：トルク積算値フィルタ後信号、v ’fb：フィルタ後速度フィードバック、p ‘fb：フィルタ後位置フィードバック、
【００２５】
【数６】
2007060767.tif 000008
【００２６】
γ1、γ2、γ3、γ4：適応ゲイン、γ1(0)、γ2(0)、γ3(0)、γ4(0)：適応ゲイン初期値、λ(k)：重み係数を表す。
【００２７】
次に、本発明における機械同定装置をモデル化したモータ制御装置でのシミュレーションについて説明する。
図３は、シミュレーションに用いる速度台形指令波形である。図において、シミュレーションでの前提条件を説明する。縦軸は速度台形指令振幅、横軸は時間軸を表す。指令発生器１では、速度台形指令を積分して位置指令として、減算器３に入力する。時間軸１．１ｓから１．２ｓまで正方向に加速し、１．２ｓで速度１０００［１／ｍｉｎ］に到達する。時間軸１．２ｓから１．５ｓは速度１０００［１／ｍｉｎ］を維持し、時間軸１．５ｓから１．６ｓまでは速度０［１／ｍｉｎ］へ減速し、時間軸１．６ｓから１．７ｓまでは速度０［１／ｍｉｎ］とし、時間軸１．７ｓから１．８ｓまでは負方向に加速し、時間軸１．８ｓで速度−１０００［１／ｍｉｎ］に到達する。時間軸１．８ｓから２．１ｓは速度−１０００［１／ｍｉｎ］を維持し、時間軸２．１ｓから２．２ｓまでは速度０［１／ｍｉｎ］へ減速し、時間軸２．２ｓから２．５ｓまでを速度０［１／ｍｉｎ］とした。この指令で時間軸０ｓから１．１ｓは速度０［１／ｍｉｎ］としているが、これは制御系が安定するまで同定を実行しないようにするためである。
また、このシミュレーションに用いた機械定数は、実験装置（ボールネジ１軸スライダー装置）の値を使用し、負荷慣性モーメントは、モータ慣性モーメントの７倍、粘性摩擦係数は０．９８７ｅ−３［Ｎｍｓ／ｒａｄ］とした。また、一定外乱は、実験装置を垂直に設定したときの重力外乱の値として、モータ定格トルクの１０％とした。
【００２８】
図４は、本発明装置を用いた時の慣性モーメントと粘性摩擦係数の同定結果を示すシミュレーション結果である。図において、縦軸は真値（１００％）と負荷慣性モーメント同定値［％］と粘性摩擦係数同定値［％］を、横軸は時間軸を表す。ここで、時間軸は、図３の速度台形指令の時間軸に対応している。負荷慣性モーメント同定値と粘性摩擦係数同定値は、それぞれ前述の機械定数で割って１００を掛けたパーセント表示である。モデル化した機械同定装置での負荷慣性モーメント同定値は、真値に対して＋１．５％の誤差となり、粘性摩擦係数同定値は真値に対して１０％の誤差となった。
【００２９】
図６は、負荷慣性モーメントをモータ慣性モーメントの７倍、１５倍、５０倍、８０倍にした時の同定結果である。この時、粘性摩擦係数は０．９８７ｅ―３［Ｎｍｓ／ｒａｄ］とし、重力外乱もモータ定格トルクの１０％とした。この結果、慣性モーメント同定値が真値に対しての誤差±１０％以内に入っていることが確認できる。ただし、負荷慣性モーメントが大きくなると粘性摩擦同定精度が悪化した為、本発明では、モータ慣性モーメントの７０倍程度が限界であることがわかった。これは負荷慣性モーメントが大きくなると加速トルクと粘性摩擦トルクの区別ができなくなった事が原因と考えられる。さらに同定精度を向上させるには、図１のトルク指令１３に外部からテスト信号として、複数の正弦波信号を入力すれば良い。
【００３０】
図７は、粘性摩擦係数を０．９８７ｅ―３［Ｎｍｓ／ｒａｄ］の１倍、２倍、５倍、１０倍とした時の同定結果である。この時、負荷慣性モーメントをモータ慣性モーメントの７倍とし、重力外乱もモータ定格トルクの１０％とした。この結果、粘性摩擦係数同定値は２倍時に真値に対して誤差±２５％になる以外、誤差１０％以内に入っていることが確認できる。粘性摩擦トルクは一定速度時に最大となり、慣性モーメントと加速度から得られる加速トルクは一定速度時に最小になる。粘性摩擦係数が大きくなると加速トルクと粘性摩擦トルクの区別ができるため、粘性摩擦が大きいほうが同定精度は向上すると考えられる。
【００３１】
また、適応アルゴリズムに基づく同定は、同定結果の信頼性チェック機能を備えている。すなわち、式（７）の適応ゲインが１よりも小さく、その値が変動しなければ正しいことを表す。図５は、本発明装置を用いた時の適応ゲイン修正過程を示す。図において、１．８ｓ以降、適応ゲインの変動が収まっていることが確認できる。これは同定計算が収束していることを表しており、図４の同定値の推移と同期していることが確認できる。これは、固定トレース法の特徴であり、その他の適応ゲインが固定値となるものでは、適応ゲインの変動を確認できない。さらに、この適応ゲインの変化量が小さくなったことを条件として、制御パラメータを更新するオートチューニングに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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ブロック図
【図２】機械定数同定装置の構成を示すブロック図
【図３】シミュレーションに用いる速度台形指令波形
【図４】本発明装置を用いた時の慣性モーメントと粘性摩擦係数の同定結果
【図５】本発明装置を用いた時の適応ゲイン修正過程
【図６】負荷慣性モーメント同定限界を表すシミュレーション結果
【図７】粘性摩擦同定限界を表すシミュレーション結果
【図８】従来の第１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ブロック図
【図９】従来の第２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ブロック図
【符号の説明】
【００３３】
１、２０７    指令発生器
２  位置指令
３  モータ位置
４、８、３０２、３０４、３０８  減算器
５  位置ループゲイン
６、２８  差分演算器
７  モータ速度
９、２０８  速度制御器
１０  積分制御器
１１、３０６  加算器
１２  速度ループゲイン
１３  トルク指令
１４  電流制御器
１５、２０１  モータ
１６、２０２  負荷
１７  検出器
１８  機械定数同定装置
１９  負荷慣性モーメント同定値
２０  粘性摩擦係数同定値
２１、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５  積分器
２２、２４、２６  ハイパスフィルタ
２３、２５、２７  ローパスフィルタ
２９  絶対値演算器
３０、２１７  同定演算器
２０３  連結軸
２０４  パワー変換器
２０５  電流検出器
２０６  速度検出器
２０９  同定装置
２１０  係数乗算器
２１６  負荷トルク模擬手段
３０１、３０７  遅延回路
３０３  加速トルク推定器
３０５  同定誤差補正器
３０９  負荷トルク推定器
【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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