(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械を駆動する電動機と、その機械の動作量を検出する検出手段と、制御指令を受けて前記電動機を駆動する制御器とからなる電動機制御系において、
掃引正弦波信号を発生して前記電動機制御系に入力する指令発生器と、
前記指令発生器が出力する前記掃引正弦波信号の周波数情報と前記検出手段の信号を入力し、前記検出手段の信号の絶対値が最大となる前記掃引正弦波信号の周波数を共振周波数として出力する信号処理器と
を備えたことを特徴とする電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【請求項２】
前記検出手段は前記電動機の位置または速度、あるいは前記機械の位置または速度を検出して前記動作量とすることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【請求項３】
前記電動機制御系がオープンループの場合は前記指令発生器の信号は前記制御器に入力されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【請求項４】
前記検出手段の信号を（−）端子に入力する減算器と、その減算器の信号を受けて働き前記制御器に制御指令を出力する閉ループ制御器を備えて前記電動機制御系が閉ループをなしている場合は、前記指令発生器の信号は前記減算器の（＋）端子に入力されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【請求項５】
前記検出手段の信号を（−）端子に入力する減算器と、その減算器の信号を受けて働き制御指令を出力する閉ループ制御器と、その制御指令を入力して所定の帯域の信号を低減したあと前記制御器に出力するフィルタ処理部と、を備えて前記電動機制御系が閉ループをなしている場合は、加算器が前記フィルタ処理部と前記制御器の間に設けられ、その一方の入力に前記指令発生器の信号が入力されており、前記指令発生器の信号と前記フィルタ処理部の信号の和が前記制御器に入力されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【請求項６】
前記掃引正弦波信号は、最小周波数Fminから最大周波数Fmaxまでの範囲に周波数が制限されており、
前記信号処理器は、前記検出手段の信号を所定の周波数範囲に制限して入力するとともに、前記最小周波数Fmin以上の周波数だけを検出する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【請求項７】
前記掃引正弦波信号は、最小周波数Fminから最大周波数Fmaxまでの範囲に周波数が制限されており、
前記信号処理器は、前記検出手段の信号を所定の周波数範囲に制限して入力するとともに、前記最小周波数Fminより大きい検出最小周波数Flim以上の周波数だけを検出する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【請求項８】
前記検出器と前記信号処理器の間にハイパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電動機制御装置の共振周波数検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機を用いた位置決め装置に関するものであり、特に、位置決め制御系を利用して機械の共振周波数を検出する電動機制御装置の共振周波数検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置や工作機械、産業用ロボット等では、電動機を用いて位置決め制御されることが多い。その位置決め精度には、機械の共振周波数が与える影響が大きいため、前もって正確な共振周波数をつかんでおくことが望ましく、同時に、制御系が組まれて稼動している状態で正確に測れることが望まれる。この必要性から、従来はＦＦＴを用いて周波数特性を解析し、共振周波数を割り出す、という方法が用いられている。この従来技術を図に基づいて説明する。
【０００３】
図１１は電動機制御系に組み込まれた従来の共振周波数検出装置の構成を示すブロック図である。図において、１は指令発生器であり、２は制御器、３は電動機、４は機械、５は検出器、１２はＦＦＴアナライザ、１３は出力装置であり、次のように動作する。
指令発生器１は掃引正弦波や白色雑音波、Ｍ系列波形、インパクト波等のいずれかの指令信号Ｃを生成し、制御器２に入力する。この指令に応じて制御器２が電動機３に電流を供給すると、電動機３が機械４を駆動する。このとき、検出器５は、電動機３の回転位置や回転速度等の電動機動作量ｍを検出して応答信号Ｓを出力する。ＦＦＴアナライザ１２は指令信号Ｃと応答信号Ｓを同時に入力するとＦＦＴ演算を実施し、周波数特性Ｆを算出する。出力装置１３は周波数特性Ｆを入力すると数値や、グラフ化して可視化したものを出力する。このようにして共振周波数が計測されると、安定化のために電動機制御系に反映される。
【０００４】
安定化した制御系について図１２を用いて説明する。図において、２〜５は図１１と同じ制御器、電動機、機械、検出器であり、７は閉ループ制御器、８はフィルタ処理部である。フィルタ処理部８はこの制御系の共振周波数を抑えるために設けられたものであり、その周波数設定は、計測した共振周波数に対応するフィルタ部入力値Ｂを手動で入力して行われる。こうして設定されると、この制御系に所望の動作をさせるべく、所望の動作指令Ｍを与えて電動機３によって機械４を駆動させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術によると、共振周波数を計測するためにＦＦＴを使って多量のデータを用いた演算を必要としており、電動機制御に通常は使われないＦＦＴアナライザを別途準備するか、ＦＦＴ演算を実施できて多量の演算処理が可能な高価な演算装置を必要とするため、演算時間が長くなり、コストが嵩み、さらに使い勝手がよくないという問題があった。
そこで、本発明は、簡単な演算で共振周波数を高速に計測でき、安価な演算装置で共振周波数が検出できる電動機制御装置の共振周波数検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の共振周波数検出装置は、機械を駆動する電動機と、その機械の動作量を検出する検出手段と、制御指令を受けて前記電動機を駆動する制御器とからなる電動機制御系において、掃引正弦波信号を発生して前記電動機制御系に入力する指令発生器と、前記指令発生器が出力する前記掃引正弦波信号の周波数情報と前記検出手段の信号を入力し、前記検出手段の信号の絶対値が最大となる前記掃引正弦波信号の周波数を共振周波数として出力する信号処理器とを備えたことを特徴とするものである。
請求項２、３に記載の本発明は、前記検出手段は前記電動機の位置または速度、あるいは前記機械の位置または速度を検出して前記動作量とすることを特徴とし、前記電動機制御系がオープンループの場合は前記指令発生器の信号は前記制御器に入力されていることを特徴としている。
請求項４に記載の本発明は、前記検出手段の信号を（−）端子に入力する減算器と、その減算器の信号を受けて働き前記制御器に制御指令を出力する閉ループ制御器を備えて前記電動機制御系が閉ループをなしている場合は、前記指令発生器の信号は前記減算器の（＋）端子に入力されていることを特徴としている。
請求項５に記載の本発明は、前記検出手段の信号を（−）端子に入力する減算器と、その減算器の信号を受けて働き制御指令を出力する閉ループ制御器と、その制御指令を入力して所定の帯域の信号を低減したあと前記制御器に出力するフィルタ処理部と、を備えて前記電動機制御系が閉ループをなしている場合は、加算器が前記フィルタ処理部と前記制御器の間に設けられ、その一方の入力に前記指令発生器の信号が入力されており、前記指令発生器の信号と前記フィルタ処理部の信号の和が前記制御器に入力されていることを特徴としている。
請求項６に記載の本発明は、前記掃引正弦波信号は、最小周波数Fminから最大周波数Fmaxまでの範囲に周波数が制限されており、前記信号処理器は、前記検出手段の信号を所定の周波数範囲に制限して入力するとともに、前記最小周波数Fmin以上の周波数だけを検出することを特徴としている。
請求項７に記載の本発明は、前記掃引正弦波信号は、最小周波数Fminから最大周波数Fmaxまでの範囲に周波数が制限されており、前記信号処理器は、前記検出手段の信号を所定の周波数範囲に制限して入力するとともに、前記最小周波数Fminより大きい検出最小周波数Flim以上の周波数だけを検出する
ことを特徴としている。
請求項８に記載の本発明は、前記検出器と前記信号処理器の間にハイパスフィルタが設けられていることを特徴としている。
以上のようになっているので、簡単な演算で共振周波数を高速に計測でき、安価な演算装置で共振周波数が検出できるのである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の共振周波数検出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、２は制御器、３は電動機、４は機械、５は検出器、６は信号処理器である。指令発生器１は最小周波数Fminから最大周波数Fmaxまで周波数が変化する掃引正弦波指令を指令信号Ｃとして出力し、同時に、時々刻々と変化する指令信号Ｃの周波数の情報Ａも出力する。制御器２は、指令発生器１から受けた指令信号Ｃに従って電動機３を駆動し、連結された機械４が動作する。電動機３に連結された検出器５の出力は図８のように電動機動作量ｍを検出し、これを応答信号Ｓとして信号処理器６に送る。この図では電動機３と機械４が連結されているため、電動機動作量ｍを検出すれば、機械４の共振特性を検出できる。この応答信号Ｓは機械４が周波数に依存して少しの外力でも大きな反応を示す共振特性を持つため、共振周波数では振幅が最大となる。
【０００８】
信号処理器６は掃引正弦波指令の周波数情報Ａと応答信号Ｓを受け取り、最小周波数Fminを過ぎた検出最小下限周波数Flim  から共振周波数の検出のための演算を行なう。検出最小下限周波数Flim以上で、図８のように、応答信号Ｓの絶対値が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果ｆを出力する。
図９は掃引正弦波の周波数と時間の関係を示すグラフである。ｔ0からｔe間の時間中、最小周波数Fminから検出最小下限周波数Flimを経て、最大周波数Fmaxまで周波数が変化する掃引正弦波指令を指令信号Ｃとなる。信号処理器６は検出最小下限周波数Flimより高い周波数となる時間tsからte間において、共振周波数の検出を実施する。
なお、第１の実施例では、検出器５が電動機動作量ｍを検出したが、機械４の機械動作量ｘを検出しても良い。また、掃引正弦波の周波数と時間の関係は、直線に限られることは無く、任意の曲線であっても構わない。
また、検出最小下限周波数Flimを最小周波数Fminと同様に取り扱っても構わない。
【０００９】
図２は第２実施例の構成を示すブロック図であり、検出器５が機械４の機械動作量ｘを検出するように配置した点が図１と異なっている。信号処理器６は掃引正弦波指令の周波数情報Ａと応答信号Ｓを受け取り、応答信号Ｓの絶対値が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果ｆを出力する。
【００１０】
図３は第３実施例の構成を示すブロック図であり、電動機制御系が閉ループをなしている場合のブロック図である。この例では、検出器５は電動機３の電動機動作量ｍを検出するように設けられており、また、制御器２の前段に閉ループ制御器７が設けられ、その前段に減算器が設けられている。そして減算器の（＋）端子に印加される指令と検出器５の信号が比較され、その差を受けた閉ループ制御器７が、その差を小さくするよう働いて制御器２に指令を出力する。この閉ループ制御系に指令発生器１と信号処理器６が追加され、指令発生器１の指令信号Ｃが減算器の（＋）端子に印加される。信号処理器６は、指令発生器１が出力する掃引正弦波指令の周波数情報Ａと検出器５が出力する応答信号Ｓを受け取り、応答信号Ｓの絶対値が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果ｆを出力する。
【００１１】
図４は第４実施例の構成を示すブロック図であり、図３において指令発生器１が出力する指令信号Ｃを減算器の（＋）端子に印加していたものを、制御器２と閉ループ制御器７の間に設けた加算器の一方の入力端子に変えたものである。このような構成としても、図３の場合と同様に、応答信号Ｓの絶対値が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果ｆを出力する。なお、図３、図４では検出器５を電動機３に連結して電動機動作量ｍを検出しているが、検出器５を機械４に連結して機械動作量ｘを直接検出してもよい。
【００１２】
図５は第５実施例の構成を示すブロック図である。この図は、図４の閉ループ制御器７の後段にフィルタ処理部８を追加挿入して設けた構成になっており、フィルタ処理部８は外部から指令を与えてフィルタ特性を変えることができるようになっている。第４実施例と同様にして信号処理器６が共振周波数を検出し、その共振周波数検出結果ｆをフィルタ処理部８に入力すると、その入力に応じてフィルタ処理部８が設定され、共振周波数の帯域の特性を抑えるフィルタとすることができる。共振周波数が検出できれば、共振周波数検出結果ｆをもとにフィルタ処理部８の設定値を自動的に決定できる。
なお、この実施例では指令信号Ｃをフィルタ処理部８と制御器２の間に設けた加算器の一方の入力としたが、閉ループ制御器７の前段に設けた減算器の（＋）端子に入力しても良い。
【００１３】
図６は第６実施例の構成を示すブロック図であり、図５の閉ループ制御器７と、その前段の減算器付近の構成を変えた構成になっている。閉ループ制御器７Ｂは、減算器と位置制御器９、減算器、速度制御器１０、速度演算器１１から構成されている。この図で位置制御器９の前段にある減算器の（＋）端子には、大きさが０の動作指令Ｍを与えており、これによって位置ずれしないで共振周波数の検出が行なわれる。閉ループ制御器７Ｂでは、電動機動作量ｍを検出して得られた応答信号が、減算器を経由して位置制御器９に入力され、同時に、速度演算器１１を経由して速度制御器１０に入力される。そして速度制御器１０は位置制御器９の出力と一致するように制御し、位置制御器９は電動機動作量ｍの位置が動作指令Ｍの０位置と一致するように制御する。共振周波数は図１〜図５と同様にして求められる。なお、図５の場合と同様、検出器を機械４に連結して機械動作量を直接検出してもよく、電動機３や機械４の位置ずれが問題でなければ、動作指令信号Ｍの代わりに指令信号Ｃを入力して共振周波数を検出してもよい。また、以上の実施例では、共振周波数を検出する目的に応じて、例えば、フィルタ処理部８に複数のフィルタを設定する際に、フィルタ間の干渉を避けるためフィルタ設定周波数が限定されている場合には、周波数範囲を制限して周波数を検出してもよく、任意に設定した周波数Ｆlim以上Ｆmax以下の絶対値の最大値を検出して共振周波数としてもよい。
【００１４】
図７は図５、６で検出した共振周波数に基づいてフィルタ処理部を設定し、その後、設定したフィルタ処理部を生かして通常の運転をしているときの構成を示すブロック図である。この制御系で動作指令Ｍを入力すると、閉ループ制御器７は、電動機動作量ｍと動作指令Ｍが一致するように制御し、共振を抑えるフィルタ処理部がうまく機能して電動機動作量ｍと動作指令Ｍがより一致しやすくなっている。
なお、図７の構成と図５の構成は、スイッチを設けて切り替えられるようにしても良い。また、図３、図４、図５、図７では閉ループ制御器７を１つの制御器として示したが、図６のように位置制御器９、速度演算器１１、速度制御器１０を含む構成としてもよい。また、機械の動作量が指令信号と一致するように電動機３の動作を検出器５が検出した応答信号Ｓに基づき制御するのであれば、内部構成を変更した閉ループ制御器７でもよい。フィルタ処理部８や制御器２を含めて順番や構成を変更してもよい。
【００１５】
図１０は第７実施例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、２は制御器、３は電動機、４は機械、５は検出器、６は信号処理器、１４はハイパスフィルタ手段である。
検出器５が電動機動作量ｍを検出し、これを応答信号Ｓとして、ハイパスフィルタ手段１４を経由して信号処理器６に送る点が図１と異なっている。信号処理器６は掃引正弦波指令の周波数情報Ａと応答信号Ｓを受け取り、ハイパスフィルタ手段１４にて信号のオフセットや低周波数成分を応答信号Sから取り除き、応答信号Ｓの絶対値が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果ｆを出力する。
なお、この実施例では、信号処理器６は検出最小下限周波数Flim以上という条件を付けなかったが、第１の実施例と同様に、検出最小下限周波数Flim以上で、応答信号Ｓの絶対値が最大となるときの掃引正弦波の周波数を共振周波数と判断して共振周波数検出結果ｆを出力しても良い。
また、検出器５は電動機動作量ｍを検出したが、機械４の機械動作量ｘを検出しても良い。
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば請求項に記載された構成の共振周波数検出装置としたので、簡単な演算で共振周波数を高速に算出でき、安価な演算装置を用いて、共振周波数を検出するという効果がある。また、共振周波数を検出すると共に、フィルタ処理部に共振周波数を抑えるフィルタ処理入力値を自動入力し設定し、自動的に電動機制御装置の性能を向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電動機制御系の構成を示すブロック図
【図２】第２実施例の構成を示すブロック図
【図３】第３実施例の構成を示すブロック図
【図４】第４実施例の構成を示すブロック図
【図５】第５実施例の構成を示すブロック図
【図６】第６実施例の構成を示すブロック図
【図７】フィルタ設定後の構成を示すブロック図
【図８】指令発生器が生成する指令信号の時間波形
【図９】本発明を適用した掃引正弦波の周波数と時間の関係
【図１０】第７実施例の構成を示すブロック図
【図１１】従来技術を適用した電動機制御系の構成を示すブロック図
【図１２】従来のフィルタ設定後の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１：指令発生器
２：制御器
３：電動機
４：機械
５：検出器
６：信号処理器
７、７Ｂ：閉ループ制御器
８：フィルタ処理部
９：速度制御器
１０：位置制御器
１１：速度演算器
１２：ＦＦＴアナライザ
１３：出力装置
１４：ハイパスフィルタ
【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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【図１０】
0003975812.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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