(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ等の駆動装置を用いた駆動機械の機械速度を入力し、低周波の加速度信号を出力する加速度信号生成部と、
トルク指令を入力し雑音除去等を行い、低周波の擬似トルク信号を出力する擬似トルク信号生成部と、
前記低周波の加速度信号と前回の機械定数推定値との積を演算する掛算回路と、
前記低周波の擬似トルク信号からこの掛算回路の演算した積を減算し、トルク誤差信号を出力するトルク誤差信号演算部と、
このトルク誤差信号を入力し、トルク誤差変化信号を出力するトルク誤差変化信号生成部と、
このトルク誤差変化信号を入力し機械定数を推定する機械定数推定ゲイン部と、
この機械定数推定ゲイン部から出力された誤差に前回の機械定数推定値を加算して機械定数推定値を出力する機械定数推定値演算部と、を備え、
前記トルク誤差信号演算部が演算した前記トルク誤差信号を外乱トルク推定値として出力するとともに、
前記機械定数推定ゲイン部は、前記外乱トルク推定値に基づき、機械定数推定演算の更新開始あるいは更新停止あるいは機械定数推定ゲインの変更を行うようにしたことを特徴とする機械定数推定装置。
【請求項２】
フィルタ特性を有し、前記トルク誤差信号演算部が演算した前記トルク誤差信号を入力し、外乱トルク成分の周波数成分を分解して抽出する少なくとも２個以上の外乱トルク抽出部を、備え、
前記機械定数推定ゲイン部は、この外乱トルク抽出部が出力する周波数成分を分解した外乱トルク成分に基づき、機械定数推定演算の更新開始あるいは更新停止あるいは機械定数推定ゲインの変更を行うようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の機械定数推定装置。
【請求項３】
前記機械定数推定ゲイン部は、前記駆動機械に外乱が作用してから定常状態に戻るまでの期間は、機械定数推定演算の更新停止あるいは機械定数推定ゲインの低減を行うようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２項に記載の機械定数推定装置。
【請求項４】
前記機械定数推定ゲイン部は、前記駆動機械の機械定数の推定演算において最小自乗法等の統計的処理手法を適用し、前記外乱トルク推定値に基づき、機械定数推定に用いるパラメータ演算の更新開始あるいは更新停止あるいは定数の変更を行うようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２項に記載の機械定数推定装置。
【請求項５】
モータ等の駆動装置を用いた駆動機械の機械速度を入力し、加速度変化信号を出力する加速度変化信号生成部と、
トルク指令を入力し雑音除去等を行い、トルク変化信号を出力するトルク変化信号生成部と、
前期加速度変化信号を入力し、加速度変化ベクトルを生成する加速度変化ベクトル生成部と、
機械定数推定値と外乱トルク成分の推定値とからなる前回のパラメータベクトル推定値と前記加速度変化ベクトルとの行列積を演算する掛算回路と、
前記トルク変化信号からこの掛算回路の演算した積を減算し、トルク誤差変化信号を出力する減算器と、
このトルク誤差変化信号を入力し、誤差ベクトルを推定する機械定数推定ゲイン部と、
この機械定数推定ゲイン部から出力された誤差ベクトルに前回のパラメータベクトル推定値を加算して機械定数推定値を出力する加算器と、を備え、
機械定数推定値と外乱トルク成分の推定値を一組にしてパラメータベクトル推定値として同時に推定することを特徴とする機械定数推定装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、モータ等の駆動装置を用いた工作機械やロボット等の駆動機械における慣性モーメント等の機械定数を推定する機械定数推定装置に関するものである。
背景技術
モータ等の駆動装置を用いた工作機械やロボット等の駆動機械の制御を高精度かつ安定に行うためには、駆動機械の慣性モーメント等の機械定数を正確に推定することが必要となる。
第６図は従来の機械定数推定装置を含む速度制御系のブロック図で、例えば特開平１１−３１３４９５号公報に制御ゲインの収束を設定しうるオートチューニング機能を持つ電動機サーボ系の制御装置として記載された構成と同様のものである。
図において、３０は速度指令（図示せず）に基づきトルク指令τｒを発生するトルク指令発生部、３１はトルク指令τｒに応じた駆動トルクτｍを発生するモータ等の駆動装置、３２は駆動装置３１によって駆動される駆動機械、３３は駆動機械３２の機械速度ｖｍを検出する速度検出器、３４は機械速度ｖｍとトルク指令τｒとを入力として慣性モーメント推定値Ｊｅを出力する機械定数推定装置、τｄは駆動機械３２に加わる外乱トルクである。
また、トルク指令発生部３０は、機械定数推定部３４の出力した慣性モーメント推定値Ｊｅに基づき、内部のゲイン等の定数を変更し（オートチューニング）、慣性モーメント推定値Ｊｅに応じたトルク指令τｒを発生する。
第７図は従来の機械定数推定装置の構成を示す図で、電気学会論文誌Ｖｏｌ．１１４−Ｄ，Ｎｏ．４、ｐ．４２４〜ｐ．４３１に記載の逐次型最小自乗法を用いた慣性モーメント推定演算式に基づいた機械定数推定装置の構成と同様のものである。
図において、４１は機械速度ｖｍを入力し、信号処理を行って加速度変化信号ｄａを生成する加速度変化信号生成部、４２はトルク指令τｒを入力し、信号処理を行ってトルク変化信号ｄτを生成するトルク変化信号生成部、４３は加速度変化信号ｄａと慣性モーメント推定値ホールド部４７にホールドされている前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との積を演算する掛算回路、４４は掛算回路４３で演算した加速度変化信号ｄａと前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との積をトルク変化信号ｄτから減算する演算部、４５はトルク変化信号ｄτから加速度変化信号ｄａと前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との積を減算した信号を入力し、前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との誤差を出力する推定ゲイン部である。また、４６は推定ゲイン部４５から出力された誤差に前回の慣性モーメント推定値、Ｊｅ〈ｋ−１〉を加算して慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ〉を出力する演算部、４７は慣性モーメント推定値Ｊｅをホールドする慣性モーメント推定値ホールド部である。
次に、従来の機械定数推定装置の動作について、第６図および第７図により説明する。ここで、駆動装置３１で実際に発生する駆動トルクτｍがトルク指令τｒに一致しているものとする。
速度検出器３３で検出された駆動機械３２の機械速度をｖｍとすると、駆動機械３２の機械加速度ａｍは下記の式（１）で表される。
0003861810.tif 000002
上式において、ｓはラプラス演算子である。
また、駆動機械３２に加わる外乱トルクをτｄ、駆動機械３２の慣性モーメント（真値）をＪとすると、トルク指令τｒは下記の式（２）で表される。
0003861810.tif 000003
説明の簡単のため、トルク指令τｒを連続時間系として表記し、トルク変化信号生成部４２は、入力した現時点のトルク指令τｒと前回時点のトルク指令τｒとの差分を求め、この差分を微分としてトルク変化信号ｄτを生成するものとすると、トルク変化信号ｄτは下記の式（３）で表される。
0003861810.tif 000004
また、速度検出器を用いて検出された機械速度ｖｍには、一般に高周波数のノイズ成分が含まれているので、純粋な微分を用いるとノイズ成分を大きくしてしまい、機械定数の推定誤差の原因となる。そのために、加速度変化信号生成部４１では、入力された機械速度ｖｍに対して、純粋微分の代わりにローパスフィルタ特性を付加した疑似微分演算により、加速度変化信号ｄａを求める。ローパスフィルタ特性をＦ（ｓ）とすると、疑似加速度信号ａｆは下記の式（４）、式（５）で表され、加速度変化信号ｄａは下記の式（６）により演算される。
0003861810.tif 000005
0003861810.tif 000006
ここで、式（２）、式（３）、式（５）、式（６）をまとめ、さらにローパスフィルタ特性Ｆ（ｓ）を理想的なフィルタとして無視すると、トルク変化信号ｄτは下記の式（７）で表すことができる。
0003861810.tif 000007
式（７）において、外乱トルクτｄがない定常状態では右辺第１項は０となるので、慣性モーメントＪは下記の式（８）で表すことができ、駆動機械３２の慣性モーメントＪをトルク変化信号ｄτと加速度変化信号ｄａとの比として推定できる。
0003861810.tif 000008
第７図に示した機械定数推定装置は、推定精度の向上を図るために、式（８）の使用において逐次最小自乗法を適用したものである。
ｋ時点における慣性モーメント推定値をＪｅ〈ｋ〉、前回時点（〈ｋ−１〉時点）の慣性モーメント推定値をＪｅ〈ｋ−１〉として、逐次最小自乗法に基づいた慣性モーメントの推定演算式を、式（９）〜（１１）に示す。
0003861810.tif 000009
上式において、λは忘却係数と呼ばれる定数で、駆動機械の慣性モーメントの変化に対応するために１より少し小さい値に選ばれる。また、Ｐ〈ｋ〉は、機械定数推定演算内部に持つ一種の推定ゲインパラメータであり、加速度変化信号ｄａの大きさに応じて変化しながら更新される。
推定ゲイン部４５における推定ゲインＧ〈ｋ〉は、推定ゲインパラメータＰ〈ｋ〉の演算式（１０）を含んだ式（１１）で表される。
前回時点（〈ｋ−１〉時点）の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉が真値であると、式（９）の右辺第二項は零となるので、慣性モーメント推定値Ｊｅは更新されない。
しかし、前回時点（〈ｋ−１〉時点）の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉が真値と異なる場合には、推定誤差に応じてトルク変化の誤差項（ｄτ〈ｋ〉−ｄａ〈ｋ〉・Ｊｅ〈ｋ−１〉）が発生するので、式（９）に示すように前回時点の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉に、トルク変化の誤差項に推定ゲインＧ〈ｋ〉を掛けた値を加えた値を、ｋ時点における慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ〉とする。
上述は外乱が存在しない（外乱トルクτｄ＝０）場合の例について説明したが、定常状態においてインパクト的な外乱が加わった瞬間について考える。
定常状態においてモータの回転を妨げる方向にインパクト的な外乱が加わった時に発生するトルク変化をｄτ’、加速度変化をｄａ’として、式（９）
0003861810.tif 000010
に用いると、下記の式（１２）となる。
0003861810.tif 000011
モータの回転を妨げる方向にインパクト外乱が加わった時、モータは一瞬減速させられるため、ｄａ’＜０の大きな加速度変化を発生させる。一方、τｄ＞０なる外乱トルクが加わった瞬間に、外乱トルク変化ｓ・τｄ＞０が発生し、そのトルク分を補うために、ｄτ’＞０なる大きなトルク変化分が発生する。
式（１２）において、トルク変化の誤差項（ｄτ’〈ｋ〉−ｄａ’〈ｋ〉・Ｊｅ〈ｋ−１〉）は、ｄτ’＞０かつｄａ’＜０であることから急激に増加し、またｄａ’＜０であることから、右辺第二項は急激に減少するので、慣性モーメント推定値を大幅に小さな値に誤推定してしまうことになる。
慣性モーメント推定値Ｊｅは、第６図に示すように、トルク指令発生部３０における制御ゲインのオートチューニングに利用されているため、慣性モーメントを誤推定してしまうと、その結果が制御系のゲインに反映され、所望の動作を行うためのトルク指令を発生することが不可能になるので、制御性能の悪化や駆動機械の発振などの不安定現象に結びつくことがある。
第８図は従来の機械定数推定装置における外乱トルクと慣性モーメント推定値との関係を示す図で、（ａ）は駆動機械に与えられた外乱トルクと時間との特性を示す図、（ｂ）は慣性モーメントと時間との特性を示す図である。図（ａ）において、τｄは外乱トルク、また図（ｂ）において、実線は慣性モーメントの真値、破線は慣性モーメント推定値である。
従来の機械定数推定装置においては、外乱トルクが加わる以前は、慣性モーメント推定値はほぼ真値を推定しているが、外乱トルクが加わると同時に、慣性モーメント推定値が急減し、慣性モーメント真値に対する誤差が増加している。また、推定値の急減後、もとの慣性モーメント推定値まで回復するまでにも時間がかかっている。
機械定数推定を従来の切削機械やロボットなどの負荷が変動する用途のみでなく、搬送装置において被搬送物を停止したい位置で設備に故意にぶつけて停止させる当て止めなどの用途においても利用したいという要求が生じてきたが、従来の機械定数推定装置では、上述のように、大きなインパクト外乱が駆動機械に与えられた場合には、慣性モーメント推定を正しく動作させることが困難であるため利用することができないという問題点があった。
上述は、第６図に示す一般的なオートチューニング構成における現象であるが、機械定数推定装置として第７図に示すような逐次最小自乗法などの再帰的な演算方式を用いた場合において特に顕著となる。
逐次最小自乗法による機械定数推定演算では忘却係数λを１より十分小さな値に選び、慣性モーメント推定の応答を下げれば、慣性モーメントの誤推定を防ぐことは可能であるが、忘却係数を小さくすると、推定ゲインが小さくなり、推定装置の入力に対する推定感度が鈍るため、インパクト外乱のような急激な変化に対して応答しにくくなり、また慣性モーメントの推定値が真値と異なっている場合の応答についても同様に遅くなってしまい慣性モーメント推定の性能を劣化させるという問題点があった。
第９図は、従来の外乱オブザーバ、機械定数推定装置を含む速度制御系のブロック図である。図において、３１〜３３、τｒ、τｄ、ｖｍ、τｒは、第６図と同様であり、その説明を省略する。また、３５はトルク指令発生部、３６は駆動機械３２の機械速度ｖｍとインパクト外乱による外乱トルク成分を含まないトルク指令τｒ’とを入力して、慣性モーメント推定値Ｊｅを出力する機械定数推定装置、３７は外乱除去する外乱オブザーバである。
第９図は、大きなインパクト外乱が駆動機械に与えられた場合に、慣性モーメント推定を正しく動作させることが困難であるという従来の機械定数推定装置の問題点を解決するようにしたもので、インパクト外乱の影響を受けずに機械定数推定を行うために、外乱オブザーバにより外乱を除去したトルク指令τｒ’を機械定数推定装置に入力するようにしたものである。
機械定数推定装置３６に入力されるトルク指令として、インパクト外乱による外乱トルク成分を含まないトルク指令τｒ’を使用することにより、インパクト外乱の影響を受けずに機械定数推定を行うことが可能であると考えられるが、機械定数推定装置による制御系ゲインのオートチューニングと外乱オブザーバによる外乱除去とが干渉し、動作が不安定になる恐れがあるため実用的でなく、また制御系が複雑となるため、収束特性の把握は困難であるという問題点があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、大きなインパクト外乱が駆動機械に与えられた場合においても、慣性モーメント推定を正しく動作させることができる機械定数推定装置を得ることを目的とする。
発明の開示
モータ等の駆動装置を用いた駆動機械の機械速度を入力し、低周波の加速度信号を出力する加速度信号生成部と、トルク指令を入力し雑音除去等を行い、低周波の擬似トルク信号を出力する擬似トルク信号生成部と、前記加速度信号と前回の機械定数推定値との積を演算する掛算回路と、前記低周波の擬似トルク信号からこの掛算回路の演算した積を減算し、トルク誤差信号を出力するトルク誤差信号演算部と、このトルク誤差信号を入力し、トルク誤差変化信号を出力するトルク誤差変化信号生成部と、このトルク誤差変化信号を入力し機械定数を推定する機械定数推定ゲイン部と、この機械定数推定ゲイン部から出力された誤差に前回の機械定数推定値を加算して機械定数推定値を出力する機械定数推定値演算部と、を備え、
前記トルク誤差信号演算部が演算した前記トルク誤差信号を外乱トルク推定値として出力するとともに、
前記機械定数推定ゲイン部は、前記外乱トルク推定値に基づき、機械定数推定演算の更新開始あるいは更新停止あるいは機械定数推定ゲインの変更を行うようにしたので、
駆動機械の機械定数と駆動機械に作用する外乱要素を同時に推定することができ、外乱要素による機械定数の誤推定を防止するとともに機械定数変動による外乱要素の誤推定を防止することができる。
また、フィルタ特性を有し、前記トルク誤差信号演算部が演算した前記トルク誤差信号を入力し、外乱要素の周波数成分を分解して抽出する少なくとも２個以上の外乱トルク抽出部を、備え、
前記機械定数推定ゲイン部は、前記外乱トルク抽出部が出力する周波数成分を分解した外乱トルク成分に基づき、機械定数推定演算の更新開始あるいは更新停止あるいは機械定数推定ゲインの変更を行うようにしたので、
機械または用途に特有の周波数成分の外乱要素を抽出でき、外乱要素による機械定数の誤推定を防止するとともに機械定数変動による外乱要素の誤推定を防止することができる。
さらに、前記機械定数推定ゲイン部は、前記駆動機械に外乱が作用してから定常状態に戻るまでの期間は、機械定数推定演算の更新停止あるいは機械定数推定ゲインの低減を行うようにしたので、
外乱要素による機械定数の誤推定の防止を容易に実現できるとともに機械定数変動による外乱要素の誤推定の防止を容易に実現できる。
さらにまた、前記機械定数推定ゲイン部は、前記駆動機械の機械定数の推定演算において最小自乗法等の統計的処理手法を適用し、前記外乱トルク推定値に基づき、機械定数推定に用いるパラメータ演算の更新開始あるいは更新停止あるいは定数の変更を行うようにしたので、
高応答を維持しながら、外乱要素による機械定数の誤推定の防止を容易に実現できるとともに機械定数変動による外乱要素の誤推定の防止を容易に実現できる。
また、モータ等の駆動装置を用いた駆動機械の機械速度を入力し、加速度変化信号を出力する加速度変化信号生成部と、
トルク指令を入力し雑音除去等を行い、トルク変化信号を出力するトルク変化信号生成部と、
前期加速度変化信号を入力し、加速度変化ベクトルを生成する加速度変化ベクトル生成部と、
機械定数推定値と外乱トルク成分の推定値とからなる前回のパラメータベクトル推定値と前記加速度変化ベクトルとの行列積を演算する掛算回路と、
前記トルク変化信号からこの掛算回路の演算した積を減算し、トルク誤差変化信号を出力する減算器と、
このトルク誤差変化信号を入力し、誤差ベクトルを推定する機械定数推定ゲイン部と、
この機械定数推定ゲイン部から出力された誤差ベクトルに前回のパラメータベクトル推定値を加算して機械定数推定値を出力する加算器と、を備え、機械定数推定値と外乱トルク成分の推定値を一組にしてパラメータベクトル推定値として同時に推定するようにしたので、
外乱トルクによる慣性モーメント推定の誤動作を防ぎ、高精度な推定結果を得ることができる。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１図はこの発明の実施の形態１に係る機械定数推定装置を含む速度制御系のブロック図である。図において、３１，３２、３３、τｒ、τｄ、ｖｍは、従来例である第６図と同様であり、その説明を省略する。また、１はトルク指令τｒを発生するトルク指令発生部、２は機械速度ｖｍとトルク信号τｒを入力として慣性モーメント推定値と外乱推定値とを出力する機械定数推定装置である。トルク指令発生部１は、機械定数推定装置２の出力した慣性モーメント推定値に応じてゲイン等の調整を行う。
従来例である第６図、第７図および第９図に示した機械定数推定装置は、慣性モーメント推定値を出力するものであったが、実施の形態１における機械定数推定装置は慣性モーメント推定値と外乱推定値とを出力するようにしたものである。
第２図はこの発明の実施の形態１に係る機械定数推定装置２の構成を示す図である。図において、１１は機械速度ｖｍを入力し、低周波の加速度信号ａｆを出力する加速度信号生成部、１２はトルク指令τｒを入力し、雑音除去等を行い低周波の擬似トルク信号τｆを出力する擬似トルク信号生成部である。また、１３は低周波の加速度信号ａｆと慣性モーメント推定値ホールド部１８にホールドされている前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との積を演算する掛算回路、１４は掛算回路１３で演算した低周波の加速度信号ａｆと前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との積を低周波の擬似トルク信号τｆから減算し、トルク誤差信号τｅｒｒを演算するトルク誤差信号演算部である。また、１５はトルク誤差信号τｅｒｒを入力し、トルク誤差変化信号ｄτｅｒｒを出力するトルク誤差変化信号生成部、１６はトルク誤差変化信号ｄτｅｒｒを入力し機械定数を推定する機械定数推定ゲイン部である。また、１７は機械定数推定ゲイン部１６から出力された機械定数推定値に前回の機械定数推定値としての慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉を加算して機械定数推定値としての慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ〉を出力する慣性モーメント推定値演算部、１８は慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ〉をホールドする慣性モーメント推定値ホールド部である。
次に実施の形態１における機械定数推定装置の動作を第１図および第２図により説明する。
ここで、駆動装置３１により実際に発生する駆動トルクτｍはトルク指令τｒに一致するものとする。駆動機械３２に加わる外乱トルクをτｄ、駆動機械３２の機械速度をｖｍ、駆動機械３２の慣性モーメント（真値）をＪとすると、駆動機械３２の機械加速度ａｍ、トルク指令τｒは下記の式（１３）および式（１４）で表される。
0003861810.tif 000012
ただし、ｓはラプラス演算子を表す。
加速度信号生成部１１は、機械速度ｖｍを入力し、下記の式（１５）で表す演算を行い、高周波数成分を除去した加速度信号ａｆを出力する。
0003861810.tif 000013
ここで、Ｆ（ｓ）は、機械速度ｖｍに含まれる高周波成分を除去するためのローパスフィルタ特性である。
擬似トルク信号生成部１２は、トルク指令τｒを入力し、加速度信号生成部１１と同一のローパスフィルタ特性を付加して、下式（１６）で表す演算を行い、高周波数成分を除去した擬似トルク信号τｆを出力する。
0003861810.tif 000014
加速度信号ａｆと前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との積と、擬似トルク信号τｆとの差をトルク誤差信号τｅｒｒとすると、トルク誤差信号τｅｒｒは式（１７）のように表される。
0003861810.tif 000015
ここで、前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１）が真値を示していると仮定し、またローパスフィルタ特性が理想的なものであるとして無視すると、式（１５）および式（１６）を用いて、トルク誤差信号は、式（１８）のように表される。
0003861810.tif 000016
式（１８）を式（１４）と比較すれば、トルク誤差信号τｅｒｒが外乱トルクτｄに他ならないことがわかる。つまり、上記の構成により外乱トルクτｄ０を推定できる。
第７図に示した従来の機械定数推定装置においては、慣性モーメントＪを推定するために必要な加速度変化信号ｄａ、トルク変化信号ｄτを、加速度変化信号生成部４１およびトルク変化信号生成部４２で直接生成していたので、外乱推定値を求めることができなかった。
実施の形態１では、加速度信号生成部１１で、高周波数成分を除去した加速度信号ａｆを出力し、擬似トルク信号生成部１２で、高周波数成分を除去した擬似トルク信号τｆを出力し、トルク誤差信号演算部１４でトルク誤差信号τｅｒｒを演算した後、トルク誤差変化信号生成部１５でトルク誤差変化信号ｄτｅｒｒを生成するようにしたので、一連の処理において、外乱トルク推定値と慣性モーメント推定値とを演算することができる。
また、上式（１７）の演算において、前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉が真値からずれている場合であっても、インパルス外乱などの外乱トルク成分は、慣性モーメントのずれにより生じるトルク誤差成分と周波数成分が異なる場合が多いので、外乱トルク成分を取り出すことが可能である。
トルク誤差変化信号生成部１５は、トルク誤差信号τｅｒｒを入力とし、これに微分演算を行ってトルク誤差変化信号を生成する。トルク誤差変化信号をｄτｅｒｒとすると、トルク誤差変化信号生成部１５の演算は式（１７）を用いて式（１９）のように表すことができる。
0003861810.tif 000017
上式（１９）に、式（１５）および式（１６）を代入し、さらに式（３）および式（６）を利用して変形すると、ローパスフィルタ特性Ｆ（ｓ）が理想的であるとして無視した場合、式（１９）は式（２０）のように置き換えられる。
0003861810.tif 000018
仮に、機械定数推定ゲイン部１６が、従来の機械定数推定装置のものと同様であると仮定するならば、上式（２０）に基づいて、慣性モーメント推定演算式は、式（２１）と表すことができる。
0003861810.tif 000019
上式（２１）は、従来の機械定数推定装置における慣性モーメントの推定演算式（９）と同様のものであり、従来の機械定数推定装置と同等の機械定数推定演算を行うことも可能である。
機械定数推定ゲイン部１６は、推定ゲインＧ〈ｋ〉、推定ゲインパラメータＰ〈ｋ〉を下式（２２）および下式（２３）式に基づいて演算し、トルク誤差変化信号ｄτｅｒｒに推定ゲインを乗算する。
0003861810.tif 000020
ここで、ｎｆ〈ｋ〉は外乱トルク推定値τｄ０に基づくフラグである。フラグｎｆ〈ｋ〉は、外乱トルクの加わる前の定常状態ではｎｆ〈ｋ〉＝１とし、外乱トルクが或るしきい値以上の大きさになった瞬間から定常状態に戻るまでの期間はｎｆ〈ｋ〉＝０にする。従って、ｎｆ〈ｋ〉＝０の期間は推定ゲインＧ〈ｋ〉＝０になるので、式（２１）に基づく慣性モーメント推定値の更新は行われない。つまり、機械定数推定ゲイン部１６の出力は、外乱トルク成分を含まない慣性モーメント成分が得られることになる。
第３図はこの発明の実施の形態１に係る外乱トルクと慣性モーメント推定値との関係を示す図で、（ａ）は駆動機械に与えられた外乱トルクと時間との特性を示す図、（ｂ）は慣性モーメントと時間との特性を示す図である。図（ａ）において、τｄは外乱トルク、また図（ｂ）において、実線は慣性モーメントの真値、破線は実施の形態１における慣性モーメント推定値である。
実施の形態１による機械定数推定装置においては、慣性モーメントの変化とそれ以外の外乱トルクを精度良く分離できるようにしたので、点線に示すように外乱トルクが引加されても慣性モーメント推定値はほとんど影響を受けず真値に対してほぼ一致しており、機械定数の誤推定が防止されている。
実施の形態１における機械定数推定装置では、外乱トルクを検出し、外乱トルクが加わるまでの定常状態では従来通りの機械定数推定を行い、外乱トルクによる悪影響の生じうる期間は慣性モーメント推定値の更新を停止するようにしたので、インパクト外乱の影響を受けない高精度な機械定数推定値を得ることができる。また、従来使用できなかった当て止めなどの用途にも利用することができる。
また、実施の形態１における機械定数推定装置では、慣性モーメントが変化するような場合でもその時々の慣性モーメント推定値に基づいて外乱トルクτｄ０の演算がなされるため、高精度な外乱推定値を得ることができる。
実施の形態２．
第４図はこの発明の実施の形態２に係る機械定数推定装置の構成を示す図である。図において、１１〜１５、１７、１８は、第２図と同様であり、その説明を省略する。また、２１はローパスフィルタ特性を有し、トルク誤差信号τｅｒｒを入力し、低周波の外乱トルク成分τｄ１を出力する低周波外乱トルク抽出部、２２はハイパスフィルタ特性を有し、トルク誤差信号τｅｒｒを入力し、高周波の外乱トルク成分τｄ２を出力する高周波外乱トルク抽出部、２３は低周波トルク成分τｄ１と高周波トルク成分τｄ２を反映させて慣性モーメント推定演算する機械定数推定ゲイン部である。
なお、低周波外乱トルク抽出部２１におけるローパスフィルタの特性は、加速度信号生成部１１、擬似トルク信号生成部１２で利用しているローパスフィルタの特性とは異なるものであり、加速度信号生成部１１、擬似トルク信号生成部１２においてローパスフィルタで高調波ノイズ成分を除去した信号の中から、さらに低周波側の成分だけを抽出するものである。また、高周波外乱トルク抽出部２２におけるハイパスフィルタは、加速度信号生成部１１、擬似トルク信号生成部１２においてローパスフィルタで高調波ノイズ成分を除去した信号の中から、高周波側の成分だけを抽出するものである。
実施の形態２における機械定数推定装置の動作を説明する。
駆動機械に作用する外乱τｄは、インパクト外乱の場合には外乱トルクの高周波成分が多くなり、摩擦等の場合には低周波成分の外乱が多く含まれるといったように、外乱トルクの種類によって必ずしも特徴が一定でない。このため、実施の形態２では、低周波外乱トルク抽出部２１および高周波外乱トルク抽出部２２の２つのフィルタ要素を用いて外乱成分を周波数分割して抽出するようにしたものである。
高周波の外乱に対しては、実施の形態１と同様に、外乱トルクが或るしきい値以上の大きさになった瞬間から定常状態に戻るまでの一定期間、推定ゲインを０にし慣性モーメント推定値の更新は行わないこととし、一方、定常的に機械定数推定に作用する低周波の外乱は、低周波の外乱推定値の大きさに応じて、機械定数推定ゲインを小さくする、または機械定数推定ゲイン部２３への入力から低周波の外乱推定値を除去する等により低周波の外乱要素による機械定数推定の誤動作を防止する。
実施の形態１では、トルク変化をインパクト外乱として一括して扱っているので、例えば摩擦の大きな駆動機械などの用途においては、低周波の外乱成分により機械定数推定値に誤差を生じさせるが、
実施の形態２では、低周波の外乱成分を分離して抽出するため、低周波の外乱成分による誤差を抑えることが可能となるため、低周波成分の外乱が多く含まれる摩擦の非常に大きな駆動機械などの用途にも使用できる。
上述では、２つのフィルタ要素を用いて外乱成分を周波数分割して抽出する例を示したが、フィルタ要素を追加することにより、さらに細かく外乱の周波数成分を分けて抽出することができ、より高精度に外乱要素の影響を考慮することができる。
実施の形態３．
第５図はこの発明の実施の形態３に係る機械定数推定装置の構成を示す図である。図において、４１、４２、ｖｍ、τｒ、ｄａ、ｄτは、従来例である第７図と同様であり、その説明を省略する。２４は加速度変化信号ｄａを入力し加速度変化ベクトルφを出力する加速度変化ベクトル生成部、２５は加速度変化ベクトルφとパラメータベクトル推定値ホールド部２９にホールドされている前回のパラメータベクトル推定値θｅ〈ｋ−１〉との積を演算する掛算回路、２６は掛算回路２５で演算した加速度変化ベクトルφと前回の慣性モーメント推定値Ｊｅ〈ｋ−１〉との積をトルク変化信号ｄτから減算する演算部、２７は減算器２６から出力されたトルク誤差変化信号を入力しパラメータ誤差ベクトル推定値を出力する機械定数推定ゲイン部、２８は機械定数推定ゲイン部２７から出力された誤差に前回のパラメータベクトル推定値θｅ〈ｋ−１〉を加算してパラメータベクトル推定値θｅ〈ｋ〉を出力する演算部、２９はパラメータベクトル推定値θｅをホールドするパラメータベクトル推定値ホールド部である。また、θｅは慣性モーメント推定値と外乱トルク変化推定値とを一組としたパラメータベクトル推定値である。
また、図において太線で示した加速度変化ベクトル生成部２４の出力、機械定数推定ゲイン部２７の出力、演算部２８の出力、パラメータベクトル推定値ホールド部２９の出力はベクトルを表している。
次に、実施の形態３における機械定数推定装置の動作を説明する。
トルク変化信号ｄτに関する式（７）において、外乱トルクの微分であるｓ・τｄを、改めて外乱トルク変化ｄτｄとおくと、式（７）は式（２４）に置き換えられる。
0003861810.tif 000021
実施の形態１および実施の形態２においては、慣性モーメントに対して最小自乗自乗法を利用して推定を行った例を示したが、実施の形態３では慣性モーメントＪと外乱トルク変化ｄτｄの両方に対して同時に最小自乗法を利用して、パラメータベクトル推定値θｅとして推定するようにしたものである。
まず式（２５）〜式（２７）に示すような、定数ｙとベクトルφ、ベクトルθを導入する。
0003861810.tif 000022
ここで、式（２７）の［］Ｔはベクトルの転置を表す。上式を用いて式（２４）を書き換えると、式（２８）が得られる。
0003861810.tif 000023
式（２８）は、トルク変化信号ｄτと加速度変化信号ｄａより得られるｙ、φを用いてパラメータベクトルθを推定できることを示している。
第５図に示した機械定数推定装置は、式（２８）に対して逐次最小自乗法を適用したものである。
ｋ時点における慣性モーメント推定値をＪｅ〈ｋ〉、外乱トルク変化の推定値をｄτｄｅ〈ｋ〉とすると、パラメータベクトル推定値θｅを式（２９）に定義できる。
0003861810.tif 000024
逐次最小自乗法に基づいた推定パラメータベクトルθｅの推定演算式は、式（３０）〜（３２）で表すことができる。
0003861810.tif 000025
上式において、Ｐ、φ、θｅがベクトル量であることを除いては、式内部の演算は従来例における演算と同一である。
従来例における機械定数推定装置おいては、慣性モーメントのみしか推定しないため、外乱トルクが混入した場合、その成分は慣性モーメント誤差成分として発生することになる。
一方、実施の形態３においては、予め慣性モーメントと外乱トルクとの関係式を与え、各々が別々に存在するものとして推定を行う。例えば、インパクト外乱成分が入力信号に含まれた場合、その成分は主に外乱トルク変化成分として推定出力されるため、慣性モーメント推定値にはその成分がほとんど出現してこない。結果として外乱トルクによる慣性モーメント推定の誤動作を防ぎ、高精度な推定結果を得ることができる。
従って実施の形態３の機械定数推定装置においては、外乱トルクの大きさにより慣性モーメント推定動作の停止等を行うという方法を用いなくても、実施の形態１の機械定数推定装置と同じ効果を得ることが可能である。
ところで、上述の実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３では、機械定数として慣性モーメントを推定する例を説明したが、その他の機械定数として、弾性係数や粘性定数等の定数をも推定するようにしてもよい。
また、上述では、外乱トルクが或るしきい値以上の大きさになった場合に、機械定数推定の演算を停止する例を説明したが、例えば外乱トルクの大きさに応じて、機械定数推定ゲインを小さくするというようにゲイン変更を行っても良い。
また、上述では、外乱トルクが或るしきい値以上の大きさになった場合に、機械定数推定の演算を停止する例を説明したが、推定ゲインパラメータＰ〈ｋ〉の演算についても、停止もしくはゲイン変更などを行っても良い。
また、上述では、外乱トルクが或るしきい値以上の大きさになった瞬間から定常状態に戻るまでの一定期間、フラグｎｆ〈ｋ〉＝０にする例を説明したが、この定常状態に戻る時点の検出は、機械速度ｖｍやトルク指令τｒ等の制御応答波形を観察し、定常状態に戻る時点を実際に検出しても良いし、外乱トルクが或るしきい値以下に戻ってから一定の遅延時間を持たせることによって得ても良い。
また、上述では、速度検出器３３を用いて機械速度ｖｍを検出する例を説明したが、位置検出器を用いて機械位置を検出し、機械位置を差分あるいは微分した信号を機械速度ｖｍとするような、等価な構成にしても良い。
また、上述では、逐次最小自乗法により駆動機械の慣性モーメント推定値Ｊｅを計算した例を説明したが、電気学会論文誌Ｖｏｌ．１１４−Ｄ、Ｎｏ．４、Ｐ．４２４−ｐ．４３１に記載の固定トレース法や、「ＭＡＴＬＡＢによる制御のためのシステム同定」（東京電気大学出版局）、ｐ．６、に記載のように非正規化勾配法など他の統計処理手法を用いても良い。
また、上述では、トルク誤差変化信号生成部１５は、加速度信号ａｆと前回の慣性モーメント推定値との積信号と擬似トルク信号τｆとの差信号τｅｒｒを入力とし、これに微分演算を行ってトルク誤差変化信号ｄτｅｒｒを生成した例を説明したが、二次のローパスフィルタ特性等を付加することにより高周波成分を除去するようにしてもよい。
また、上述では、機械定数と外乱を同一のアルゴリズムにおいて推定する例を説明したが、外乱オブザーバを別に用意してその結果を機械定数推定ゲインに反映させる形でも、同一の効果が得られる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明に係る機械定数推定装置は、大きなインパクト外乱が駆動機械に与えられた場合でも、慣性モーメント推定を正しく動作させることができるので、搬送装置において被搬送物を停止したい位置で設備に故意にぶつけて停止させる当て止めなどの用途において用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の実施の形態１に係る機械定数推定装置を含む速度制御系のブロック図である。
第２図はこの発明の実施の形態１に係る機械定数推定装置２の構成を示す図である。
第３図はこの発明の実施の形態１に係る外乱トルクと慣性モーメント推定値との関係を示す図である。
第４図はこの発明の実施の形態２に係る機械定数推定装置の構成を示す図である。
第５図はこの発明の実施の形態３に係る機械定数推定装置の構成を示す図である。
第６図は従来の機械定数推定装置を含む速度制御系のブロック図である。
第７図は従来の機械定数推定装置３４の構成を示す図である。
第８図は従来の機械定数推定装置における外乱トルクと慣性モーメント推定値との関係を示す図である。
第９図は従来の外乱オブザーバ、機械定数推定装置を含む速度制御系のブロック図である。
【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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