JP2003134868A - 電動機制御装置の共振周波数検出装置 - Google Patents

電動機制御装置の共振周波数検出装置

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JP2003134868A JP2002111581A JP2002111581A JP2003134868A JP 2003134868 A JP2003134868 A JP 2003134868A JP 2002111581 A JP2002111581 A JP 2002111581A JP 2002111581 A JP2002111581 A JP 2002111581A JP 2003134868 A JP2003134868 A JP 2003134868A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】機械を駆動する電動機３と、その機械３の
動作量を検出する検出手段５と、制御指令を受けて電動
機３を駆動する制御器２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電動機制御系に入力する
指令発生器１と、指令発生器１が出力する掃引正弦波信
号の周波数情報と検出手段５の信号を入力し、検出手段
５の信号の絶対値が最大となる掃引正弦波信号の周波数
を共振周波数として出力する。

Description

【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F
min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Fm in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Fm in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１
０、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Ｆli
m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
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H550 AA18 BB05 DD01 EE05 GG01 JJ26 LL01 LL35 LL47 LL53

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
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