(57)【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同定方法において、前記速度制御系の中に遅れ要素を備え、遅れ時間ＴDを一定として比例ゲインＫｖを変えて前記速度制御系が安定かどうかを調べ、モータに負荷を付けたときの前記速度制御系の発振限界ゲインＫｖMとモータ単体での前記速度制御系の発振限界ゲインＫｖM0との比ＲKMを計算して記憶し、前記遅れ時間ＴDを大きくした時の発振限界ゲイン比と前記発振限界ゲイン比ＲKMとの差ｅRKがある値より小さくなるまで前記比ＲKMの計算を行い、この計算が終了した時の発振限界ゲイン比ＲKMに前記モータのイナーシャをかけた値を前記モータと負荷を加えた総イナーシャとすることを特徴とするイナーシャ同定方法。
【請求項２】
速度制御系におけるイナーシャ同定装置において、前記速度制御系中に存在する遅れ要素の遅れ時間ＴDを一定にし比例ゲインＫｖを変えて前記速度制御系が安定かどうかを調べる手段と、モータに負荷を付けたときの前記速度制御系の発振限界ゲインＫｖMとモータ単体での前記速度制御系の発振限界ゲインＫｖM0の比ＲKMを記憶する手段と、
前記遅れ時間ＴDを大きくした時の発振限界ゲイン比と前記発振限界ゲイン比ＲKMとの差ｅRKがある値より小さくなるまで前記比ＲKMの計算を行う手段と、
計算が終了した時の発振限界ゲイン比ＲKMに前記モータのイナーシャをかけた値を前記モータと負荷を加えた総イナーシャとする手段と
を備えたことを特徴とするイナーシャ同定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボモータに接続される慣性系負荷のイナーシャを同定するイナーシャ同定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボモータの制御の分野では、モータおよびモータに接続される負荷のイナーシャを知っておくことは、制御パラメータの調整において重要なことである。一般的に、モータのイナーシャは予め分かるが、負荷のイナーシャを構造から計算することは困難である。そのため負荷イナーシャを測定する機能を制御装置に組み込むことが要求される。従来は、所定のパターンで制御対象を移動させ、位置や速度の制御量および指令信号から直接イナーシャを計算するという方法をとっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の負荷イナーシャの同定方法では、同定精度を向上するためには、制御対象の速度に大きな変化量が必要であった。その結果、負荷が広い範囲を移動することが必要となり、可動範囲が狭い負荷には適用できなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明は速度制御系におけるイナーシャ同定方法において、前記速度制御系の中に遅れ要素を備え、遅れ時間ＴDを一定として比例ゲインＫｖを変えて前記速度制御系が安定かどうかを調べ、モータに負荷を付けたときの前記速度制御系の発振限界ゲインＫｖMとモータ単体での前記速度制御系の発振限界ゲインＫｖM0との比ＲKMを計算して記憶し、前記遅れ時間ＴDを大きくした時の発振限界ゲイン比と前記発振限界ゲイン比ＲKMとの差ｅRKがある値より小さくなるまで前記比ＲKMの計算を行い、この計算が終了した時の発振限界ゲイン比ＲKMに前記モータのイナーシャをかけた値を前記モータと負荷を加えた総イナーシャとすることを特徴とする。
まず図１、２によって本発明の原理を説明する。
図１において、Ｖrは速度指令、Ｖは制御対象４の実速度、１は速度ゲインＫｖ、２は遅れ要素、３はトルクフィルタである。制御対象４のイナーシャをJとする。制御対象４が二慣性共振系である場合、反共振周波数をｆaとし、制御対象が多慣性共振系である場合、最小の反共振周波数をｆaとし、制御対象が剛体である場合ｆa＝＋∞とする。遅れ時間ＴDを十分大きくすれば（ＴD ≫０．２５／ｆa）、閉ループ系の位相交差周波数（ｆΦ≒０．２５／ＴD）がｆaより遙かに小さい。そこで、制御対象４（P(s)）が多慣性共振系であっても剛体とほとんど同じ周波数特性を持つ、すなわち制御対象４（P(s)）は1/(Js)とほとんど同じ位相とゲインとみなせる。モータ単体であっても、負荷がついていても、同じ遅れ時間ＴD であれば、発振限界でのループゲインは同一であるため、負荷がついている場合の比例ゲインをＫｖMとし、モータ単体の場合の比例ゲインをＫｖM0とし、モータのイナーシャをＪｍとすると、ＫｖM0／Ｊｍ＝ＫｖM／Jが成り立つ。Ｊｍは既知であり、あらかじめ図１の方法で遅れ時間ＴD としてモータ単体での比例ゲインＫｖM0をとっておく。負荷を取り付けた状態での比例ゲインＫｖMがわかったら、（１）式で全体のイナーシャを計算できる。
J = Ｊｍ・ＫｖM ／ＫｖM0                （１）
負荷の可動範囲が狭くても同定できるため速度指令信号Ｖｒは図２の三角形部分の面積Ｓｒがなるべく小さくなるように、例えば、負荷の可動範囲の二分の一以下になるように設定すればよい。図２において、ｔは時間、ｔｄは指令時間、ｔｅは制御終了時間である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づいて本発明の実施例を説明する。図３は本発明を慣性共振系に適用した場合のブロック図である。
図３において、１１は速度指令信号発生部、１２はゲイン調節部、１３は遅れ要素生成部、１４は同定/復帰切替部、１５は制御対象、１６は観測装置、１７は微分部、１８は制御状況判定部、１９は同定部、２０は原点位置復帰制御部である。同定部１９において、速度指令信号発生部１１に指令方式を、ゲイン調節部１２にゲインＫｖの値を、遅れ要素生成部１３に遅れ時間ＴDの値を、同定/復帰切替部１４に同定信号を、制御状況判定部１８に制御状況判定方式をそれぞれ与えるための初期値が設定される。
速度指令信号発生部１１は、前述のように、図２の速度指令Ｖｒを送出する。ついで、ゲイン調節部１２は、速度指令と微分部１７の出力である制御対象速度との差を、同定部１９が与えたゲインＫｖを掛け、遅れ要素生成部１３に送出する。遅れ要素生成部１３は同定部１９が与えた遅れ時間ＴDでその信号を遅らせ、トルク指令とする。同定/復帰切替部１４は同定部１９が与えた同定の指令通りのトルクを制御対象１５に出力させる。たとえばエンコーダ等の観測装置１６は制御対象１５の位置を観測し、位置情報を微分器１７、制御状況判定部１８、原点位置復帰制御部２０に出力する。微分器１７は位置のデータを微分し、速度フィードバック信号とする。同定部１９は、上記の速度フィードバック制御を行わせながら、制御状況判定部１８に、観測装置１６のデータに基づき、速度フィードバック制御系の状態を監視させる。速度フィードバック制御系が発振し始めたら（例えば、負荷が原点位置から１．５Ｓｒの距離を動いたら）、もしくは決まった時間内での制御が安定に終ったら、同定部１９は、原点位置復帰制御部２０に働かせ、同時に同定/復帰切替部１４に切替指令を出し、負荷を原点位置に戻す。このようにＫｖを変えながら、発振限界ゲインＫｖMを探索する。
同定部１９は、負荷を取り付ける前に既に同じ方法でモータ単体での制御系の発振限界ゲインＫｖM0を探索し、メモリしておいてあり、ＫｖMを求めた後、負荷を付けた制御系の発振限界ゲインＫｖMとモータ単体での制御系の発振限界ゲインＫｖM0との発振限界ゲイン比ＲKMを計算する。
同定部１９は、発振限界ゲイン比ＲKMがほぼ一定になるまで、一定のパターンで遅れ時間ＴDを大きく再設定をし（例えば、倍にし）、発振限界ゲインＫｖMを探索し、発振限界ゲイン比ＲKMの計算を行う。
最後に求めたＲKMに既知のモータのイナーシャをかけ、得られた値を全体のイナーシャとし、同定の処理を終了する。
図４は図３の動作を具体的に説明するフローチャートであり、図５は図４のステップ２００において発振限界ゲインＫｖMを探索する処理を説明したフローチャートである。
図４において、ステップ１００にて、指令方式を速度指令信号発生部１１、ゲインＫｖの値をゲイン調節部１２、遅れ時間ＴDの値を遅れ要素生成部１３、同定信号を同定/復帰切替部１４、制御状況判定方式を制御状況判定部１８のそれぞれに与える初期値を同定部１９に設定する。ついで、ステップ２００にて、一定の遅れ時間ＴDで後述する発振限界ゲインＫｖMの探索を行う。同定部１９は、負荷を取り付ける前に既に同じ方法でモータ単体での制御系の発振限界ゲインＫｖM0を探索し、記憶してあり、ＫｖMを求めた後、ステップ３００にて負荷を付けた制御系の発振限界ゲインＫｖMとモータ単体での制御系の発振限界ゲインＫｖM0との発振限界ゲイン比ＲKMを計算する。
ついで、ステップ４００にて該演算が一回目であるかどうかの判定を行う。該演算が一回目であれば、同定部１９はステップ４００にて「ＹＥＳ」と判定して、ステップ６００に進む。
ステップ４００にて条件を満たさないなら「ＮＯ」となり、ステップ５００に進み、今回の発振限界ゲイン比と前回の発振限界ゲイン比ＲKMとの差ｅRKが精度を保証するため設定したしきい値ＥRKより小さいかどうかの判定を同定部１９で行う。ステップ５００にて条件を満たせば「ＹＥＳ」となり、ステップ８００に進み、イナーシャを計算する。
発振限界ゲイン比の差ｅRKが大きければ、同定部１９はステップ５００にて「ＮＯ」と判定して、ステップ７００に進み、発振限界ゲイン比ＲKMを計算する回数が最大設定回数Ｎmaxを超えたのかどうかの判定を行う。回数がまだ少ないならば、同定部１９はステップ７００にて「ＮＯ」と判定して、ステップ６００に進む。
同定部１９はステップ６００にて一定のパターンで遅れ時間ＴDを大きく再設定を行う（例えば、倍にする）。遅れ時間ＴDの再設定を行った後、ステップ２００に戻ってもう一回発振限界ゲインを探索し、発振限界ゲイン比ＲKMの計算を行う。
発振限界ゲイン比ＲKMを計算する回数がＮmaxを超えたら、同定部１９はステップ７００にて「ＹＥＳ」と判定して、ステップ８００に進み、そこで、最後に求めたＲKMに既知のモータのイナーシャをかけ、得られた値を全体のイナーシャとし、同定の処理を終了する。
図５は、図４のステップ２００の発振限界ゲインＫｖM を探索するサブルーチンを示すフローチャートである。図５のフローチャートにおいて、同定部１９は、ステップ２００aにて、発振限界ゲインＫｖM を探索するサブルーチンの動作を開始する。
すると、速度指令信号発生部１１はステップ２０１にて、図２にて三角形部分の面積Ｓｒがなるべく小さくなるように（例えば、負荷の可動範囲の二分の一以下）速度指令を生成する。ついで、ステップ２０２において、ゲイン調節部１２は、速度指令と微分部１７の出力である制御対象速度との差を、同定部１９が与えた初期ゲインＫｖを掛け、遅れ要素生成部１３に送出する。遅れ要素生成部１３は同定部１９が与えた遅れ時間ＴD（サンプル数）でその信号を遅らせ、トルク指令とする。同定/復帰切替部１４は同定部１９が与えた同定の指令通りのトルクを制御対象１５に出力させる。観測装置（エンコーダ）１６は制御対象１５の位置を観測し、位置情報を微分器１７に出力する。微分器１７は位置のデータを微分し、速度フィードバック信号とする。
同定部１９は、上記の速度フィードバック制御を行わせながら、制御状況判定部１８にステップ２０３にて、観測装置のデータに基づき、速度フィードバック制御系の状態を監視させる。速度フィードバック制御系が発振し始めたら（例えば、負荷が原点位置から１．５Ｓｒの距離を動いたら）、もしくは決まった時間内での制御が安定に終わったら、同定部１９はステップ２０４にて、原点位置復帰制御部２０を働かせ、同時に同定/復帰切替部１４に切替指令を送出し、負荷を原点位置に戻す。
ついで、同定部１９はステップ２０５にて該探索が一回目であるかどうかの判定を行う。該探索が一回目であれば、同定部１９は「ＹＥＳ」と判定して、ステップ２０８に進み、該探索が一回目でなければ、「ＮＯ」と判定して、ステップ２０６に進む。
同定部１９はステップ２０６にて該フィードバック制御の安定状況が前回のと違うかどうかの判定を行う。同じであれば、同定部１９は「ＮＯ」と判定して、ステップ２０８に進み、違うならば「ＹＥＳ」と判定して、ステップ２０７に進む。
同定部１９はステップ２０７にて、該フィードバック制御を行うため使ったゲインＫｖの値と前回のゲインとの差の絶対値が精度を保証するため設定したしきい値Ｅｋより小さいかどうかの判定を行う。小さければ同定部１９は「ＹＥＳ」と判定して、ステップ２１１にて設定された最後の二つのゲインＫｖの小さい方を発振限界ゲインＫｖM と決定し、この発振限界ゲインＫｖM の探索を終了する。なお、前記差の絶対値が精度を保証するため設定したしきい値Ｅｋより大きければ同定部１９は「ＮＯ」と判定して、ステップ２０８に進む。
同定部１９はステップ２０８にて、制御状況判定部１８がステップ２０３にて判定した制御系の安定状況の結果を用いて、ゲインＫｖの再設定方式を決める。制御系が安定であれば、「ＹＥＳ」と判定して、ステップ２０９に進み、ゲイン調節部１２は一定のパターン（例えば、二分法）でゲインＫｖを大きく再設定する。制御系が不安定であれば、「ＮＯ」と判定して、ステップ２１０に進み、ゲイン調節部１２は一定のパターン（例えば、二分法）でゲインＫｖを小さく再設定する。その後、ゲインＫｖの再設定を行った後、ステップ２０１に戻ってもう一回発振限界ゲインＫｖM の探索を行う。
【０００６】
【発明の効果】
以上のように本発明は、電流指令から実際のトルクまでのゲインが全く分からなくても同定でき、また剛体系はもちろん、共振周波数に関わらず慣性系に対して、遅れ時間ＴDを十分に大きくすれば、狭い可動範囲内で精度よく同定が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理を示す図
【図２】  速度指令の一パターンを示す図
【図３】  本発明の同定制御装置を慣性系に適用した場合の概略図
【図４】  図３の動作を具体的に説明するフローチャート
【図５】  図４の発振限界ゲインＫｖM探索のサブルーチンを示すフローチャート
【符号の説明】
１  ゲイン
２  遅れ要素
３  トルクフィルタ
４  制御対象
１１  速度指令信号発生部
１２  ゲイン調節部
１３  遅れ要素生成部
１４  同定/復帰切替部
１５  制御対象
１６  エンコーダ（観測装置）
１７  微分要素
１８  制御状況判定部
１９  同定部
２０  原点位置復帰制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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