JP2004343925A - Load identifying device, load identifying method, and control system design assisting method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御系設計シミュレーション全般、複写機の感光体ドラム駆動部等の駆動系の負荷測定等に適用して好適な負荷同定装置、負荷同定方法及び制御系設計支援方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
駆動部を有する制御系の設計では、予め導き出しておいた負荷特性などのモデルを活用する場合がある。例えば、特開平8−220197号公報のモータ負荷特性同定装置では、モータ電流からモータトルクを検出し、モータトルクとモータ速度よりモータトルクからモータ速度までの伝達関数を同定し、2慣性系の各種パラメータを同定する装置と、その同定結果からモータ制御装置の制御パラメータを調整する装置についての技術が開示されている。また、特開平11−182638号公報の円筒回転体駆動系の伝達ベルト設計支援方法では、ベルトを介して円筒回転体を駆動させる機構の設計支援方法が開示され、ここでは、回転体の偏心量や慣性モーメントより外乱トルクや摩擦負荷を得ている。
【特許文献1】特開平8−220197号公報
【特許文献2】特開平11−182638号公報
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献1のモータ負荷特性同定装置では、機構系は2慣性系に限定し、2慣性系モデルの伝達関数と実機の応答との誤差が最小となる様に最小2乗法を用いて、伝達関数のパラメータを算出している。また、同定の対象となる機構系のパラメータは、同定する前では不明なものとして扱っている。この技術は2慣性の伝達関数で表現される機構系のパラメータを同定するものである。実施例には負荷トルクを時間関数としてモデル化するという負荷トルクに関する記載はあるが、負荷トルクの具体的なモデル化方法は記載されていない。したがって、この方法は、機構系のパラメータと負荷トルクを完全に分離できないため、機構系に偏心があった場合、負荷トルクの変動が伝達関数のパラメータとして同定されてしまう可能性があり、同定結果に誤差が含まれてしまう可能性がある。また、特許文献2の円筒回転体駆動系の伝達ベルト設計支援方法は機構設計データを基にした設計支援(シミュレーション解析)に用いる手法であり、実機の負荷特性を設計支援へ反映させるものではない。また、実機では数学モデル上で考慮された外乱トルクや摩擦負荷以外のモデル化が困難な負荷特性が存在する。シミュレーション解析を行なうためには、数学モデルを設計する必要がある。数学モデルは、機構モデル、制御系モデル、負荷特性モデルから構築されているものとすると、機構モデルおよび制御系モデルの設計は、比較的容易である。例えば機構モデルを設計する方法としては、特許文献2の円筒回転体駆動系の伝達ベルト設計支援方法のように機構設計データを基にする方法、もしくは、実機の周波数応答解析結果からモデル化する方法等がある。しかし、特許文献2の円筒回転体駆動系の伝達ベルト設計支援方法における方法で負荷特性をモデル化することは容易ではない。
【0004】
例えば回転体であれば、回転角度によって負荷特性が変化すると、それは位置決め時間のばらつきとなって現れる。このような位置決め時間のばらつきが問題となるような機構や応答の傾向をつかむ段階であって高精度な解析まで必要としないようなシミュレーション解析では、製作された実機の負荷特性モデルを容易に求め、解析へ反映したいという要求がある。一般的な位置決め装置等の機構系の負荷特性において、位置決め精度へ大きく影響する部分は低い周波数領域であるため、複雑な伝達特性を解析し、高い周波数領域までモデル化することは、上記要求に対してはオーバスペックであり、労力および演算負荷を増加させることになる。
そこで、本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で容易に負荷特性を同定しモデル化することができる負荷同定装置、負荷同定方法及び制御系設計支援方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解決するために、請求項1記載の発明では、モータと、前記モータによって駆動される機構部と、前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置を検出する位置検出手段のうちの少なくともいずれか一つと、速度信号を算出する速度演算手段と、前記速度信号を使用し前記モータもしくは前記機構部を所定の速度もしくは角速度で駆動させる制御部とを備えた駆動装置において、前記モータに加わる負荷モデルを同定する負荷同定装置であって、前記モータの電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部が検出した電流値とモータ定数からモータ負荷値を算出するモータ負荷演算部と、前記モータ負荷値に対して周波数解析を行う周波数解析部と、前記周波数解析部が解析した結果より周波数を抽出する周波数抽出部と、抽出した周波数ごとに時間関数に変換する時間関数変換部とを備え、算出された各時間関数の和を前記モータに加わる負荷として同定する負荷同定装置を最も主要な特徴とする。
請求項2記載の発明では、同定する負荷の帯域を制限するフィルタ演算部を備えた負荷同定装置を主要な特徴とする。
請求項3記載の発明では、同定された時間関数の負荷を位置と速度によって、位置関数の負荷とする位置関数変換部を備えた負荷同定装置を主要な特徴とする。
請求項4記載の発明では、取得データを記憶する所定時間の長さを、前記機構部の1回転以上もしくは、1走査以上の時間とするデータ記憶部を備えた負荷同定装置を主要な特徴とする。
請求項5記載の発明では、前記フィルタ演算部のカットオフ周波数を前記モータと前記機構部からなる伝達系の機械共振周波数以下とした負荷同定装置を主要な特徴とする。
【0006】
請求項6記載の発明では、モータと、前記モータによって駆動される機構部と、前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置を検出する位置検出手段のうちの少なくともいずれか一つと、速度信号を算出する速度演算手段と、前記速度信号を使用し前記モータもしくは前記機構部を所定の速度もしくは角速度で駆動させる制御部とを備えた駆動装置において、前記モータに加わる負荷モデルを同定する負荷同定方法であって、前記モータの電流を検出する電流検出部が検出した電流値とモータ定数からモータ負荷値を算出するモータ負荷演算工程と、前記モータ負荷値に対して周波数解析を行う周波数解析工程と、前記周波数解析部が解析した結果より周波数成分を抽出する周波数抽出工程と、抽出した周波数成分ごとに時間関数に変換する時間関数変換工程とによって、算出された各時間関数の和を前記モータに加わる負荷として同定する負荷同定方法を主要な特徴とする。
請求項7記載の発明では、同定する負荷の帯域を制限するフィルタ演算工程を備えた負荷同定方法を主要な特徴とする。
請求項8記載の発明では、同定された時間関数の負荷を位置と速度によって、位置関数の負荷とする位置関数変換工程を備えた負荷同定方法を主要な特徴とする。
請求項9記載の発明では、取得データを記憶する所定時間の長さを、前記機構部の1回転以上もしくは、1走査以上の時間とするデータ記憶工程を備えた負荷同定方法を主要な特徴とする。
請求項10記載の発明では、前記フィルタ演算工程でのカットオフ周波数を前記モータと前記機構部からなる伝達系の機械共振周波数以下とした負荷同定方法を主要な特徴とする。
【0007】
請求項11記載の発明では、モータと、前記モータによって駆動される機構部と、前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置を検出する位置検出手段のうちの少なくともいずれか一つと、速度信号を算出する速度演算手段と、前記速度信号を使用し前記モータもしくは前記機構部を所定の速度もしくは角速度で駆動させる制御部とを備えた駆動装置を数学モデルとし、数値演算によって前記駆動装置の応答解析を行う制御系設計支援方法において、請求項3記載の負荷同定装置もしくは請求項8記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの位置関数の負荷を前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つによって、外乱が変化するようにした制御系設計支援方法を主要な特徴とする。
請求項12記載の発明では、モータと、前記モータによって駆動される機構部と、前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置を検出する位置検出手段のうちの少なくともいずれか一つと、速度信号を算出する速度演算手段と、前記速度信号を使用し前記モータもしくは前記機構部を所定の速度もしくは角速度で駆動させる制御部とを備えた駆動装置を数学モデルとし、数値演算によって前記駆動装置の応答解析を行う制御系設計支援方法において、請求項3記載の負荷同定装置もしくは請求項8記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの位置関数の負荷を使用し、あらかじめ前記数学モデルの前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つに対応する負荷データテーブルを作成し、これを前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つによって前記負荷データテーブルの値を選択することによって外乱が変化するようにした制御系設計支援方法を主要な特徴とする。
【0008】
請求項13記載の発明では、モータと、前記モータによって駆動される機構部と、前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置を検出する位置検出手段のうちの少なくともいずれか一つと、速度信号を算出する速度演算手段と、前記速度信号を使用し前記モータもしくは前記機構部を所定の速度もしくは角速度で駆動させる制御部とを備えた駆動装置を数学モデルとし、数値演算によって前記駆動装置の応答解析を行う制御系設計支援方法において、請求項1記載の負荷同定装置もしくは請求項6記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの時間関数の負荷を前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの時間変化に応じて、外乱が変化するようにした制御系設計支援方法を主要な特徴とする。
請求項14記載の発明では、モータと、前記モータによって駆動される機構部と、前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置を検出する位置検出手段のうちの少なくともいずれか一つと、速度信号を算出する速度演算手段と、前記速度信号を使用し前記モータもしくは前記機構部を所定の速度もしくは角速度で駆動させる制御部とを備えた駆動装置を数学モデルとし、数値演算によって前記駆動装置の応答解析を行う制御系設計支援方法において、請求項3記載の負荷同定装置もしくは請求項8記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの時間関数の負荷を使用し、あらかじめ時間に対応する負荷データテーブルを作成し、これを前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの時間変化によって前記負荷データテーブルの値を選択することによって外乱が変化するようにした制御系設計支援方法を主要な特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態である負荷同定装置、負荷同定方法及び制御系設計支援方法について詳細に説明する。図1に実施の形態としての負荷同定装置の構成を示す。負荷同定装置は大きく分けて2つの部分から成っている。一方は測定対象の機構を含む駆動装置であり、もう一方は測定系である。駆動装置としては、機構部5がベルト6を介してモータ4によって駆動される2慣性系を対象とし、負荷トルクを測定する例を説明するが、このような機構構成はインクジェットプリンタの副走査や複写機の感光体ドラムの駆動系等、多くの機器、装置に用いられているものである。また、上述のような機構を、速度制御する場合、モータもしくは機構部の回転角度をエンコーダによって検出し、その値から速度を算出し、フィードバック制御を行なうことは一般的である。
この駆動装置では、機構部5の回転軸の同軸上に回転角度を検出する位置検出手段としてエンコーダ7が取付けられ、エンコーダ7の出力を速度演算手段としての速度演算部8へ入力し速度信号を得る。ここでは、回転系であるため速度信号は角速度信号となる。速度演算部8では、エンコーダパルス間隔を基準クロックでカウントしたり、基準演算周期の間に入ってくるパルス数をカウントし1サンプリング前のパルス数との差分を計算したりすることによって、速度信号を演算する。演算された角速度信号と目標角速度1は比較され速度偏差が算出される。速度偏差は、制御部(速度制御コントローラ)である補償器2に入力される。補償器2では、速度偏差に位相補償等を行ない操作量である電流指令値を出力する。出力された電流指令値はモータドライバ3へ入力される。モータドライバ3は、電流指令値に応じてモータへ電流を流す。このような速度フィードバック系によって機構部は、等速制御される。なお、モータドライバ3が電圧駆動型アンプでも構築可能であるが、ここでは、制御系の性能向上と簡単化のために、モータドライバ3に電流制御型アンプを使用することを前提とする。
【0010】
次に、測定系の構成を説明する。電流検出部9はホール素子等を使用し被接触である電流センサや電流プローブ、回路中に入れた電流検出抵抗等によって構築される。この例では、検出した電流を記憶するデータ記憶部としての電流値記憶部10を備えており、電流値記憶部10はデータレコーダやディジタルストレージオシロスコープ等の所定サンプリング周波数で所定時間のデータを取得できる計測器、もしくは、A/D変換器が取付けられ所定サンプリング周波数で所定時間のデータを取得し、記憶できるPC(パーソナルコンピュータ)やDSPボードやCPUボード等の演算装置によって構築される。現在、演算処理系は一般的にデジタル処理されるため、図中のモータ負荷演算部としてのモータ負荷トルク演算部11、フィルタ演算部12、フーリエ解析部13、周波数抽出部14、時間関数変換部15は、周波数解析部を含むPCやDSPボードCPUボード等の演算装置によって構築される。
続いて、測定系の動作説明をする。等速制御されるときのモータ電流は電流検出部9で検出され、所定サンプリング周波数で所定時間分のデータとして、電流値記憶部10に記憶される。所定サンプリング周波数と所定時間は、解析したい周波数帯域や分解能によって変化する。少なくとも解析したい周波数帯域の2倍以上にサンプリング周波数を設定する必要がある。電流値記憶部10に蓄えられたデータは、モータ負荷トルク演算部11へ送られ(1)式の演算によってモータ負荷トルクに変換される。モータトルクは電流値に比例することより(1)式は成立する。
【数1】
(1)式においてKT:モータのトルク定数、I(t):モータ電流、dT(t):モータ負荷トルク、(t)は時間関数であることを示す。
このときモータ負荷トルクは図8のように検出される。本発明では等速制御を行なっているため、負荷トルクに変動がない場合は、モータ電流は一定となるはずであるが、実際には周波数成分を持っているため図8のようにトルク変動が検出できる。次に、モータ負荷トルクはフィルタ演算部12において所定のフィルタ処理が行なわれる。
【0011】
フィルタ演算処理の一例として離散系のIIRフィルタを説明する。サンプリング時間tsで離散化すなわちデータ取得された場合、状態空間方程式(2)と、出力方程式(3)の演算を行うことによって実現できる。
【数2】
【数3】
(2)式及び(3)式においてad、bd、cd、ddはtsで離散化後のフィルタ定数を表し、x(n)はnサンプリング時の状態変数、u(n)はnサンプリング時の入力、y(n)はnサンプリング時の出力である。
次に、フィルタ処理後のモータ負荷トルク値は、フーリエ解析部13へ送られ、フーリエ変換が行なわれる。フーリエ変換による解は複素数であるため、各周波数におけるゲインと位相情報は(4)式、(5)式として取得される。
【数4】
【数5】
ここで、Reは解析結果の実数部、Imは解析結果の虚数部である。
このときの解析結果は、図9となる。図9の上図がゲイン、下図が位相である。次に、解析結果は周波数抽出部14に送られ、ゲインが所定値以上となる周波数成分が抽出される。抽出結果は、図10である。抽出された周波数成分は時間関数変換部15において、抽出された周波数ごとのゲイン、位相より、余弦関数の形で時間関数に変換される。この抽出された全周波数の余弦関数の和が同定された負荷トルクモデル(数6)となる。同定された負荷トルクモデル(数7)は(6)式として表現される。
【数6】
【数7】
抽出されたn+1個の周波数ω(rad/s)と、そのときの位相φ(rad)、各周波数におけるトルクの片振幅r(Nm)、時間t(sec)より(6)式は表されている。なお、添え字iはi番目の抽出周波数であることを意味する。また、抽出された周波数にはDC成分すなわちω=0(rad/s)の値も含まれる。このように構成された負荷同定装置では、簡単な構成で容易にモータ負荷モデルを同定することができる。
【0012】
次に、上述した負荷同定装置とは一部異なる構成を採用した場合の負荷同定装置について図2を用いて説明する。なお、測定対象の機構を含む駆動装置とフーリエ解析部13以降の測定系の構成は上述の負荷同定装置と同一であるため、異なる部分のみ説明する。電流検出部9はホール素子等を使用し被接触である電流センサや電流プローブ、回路中に入れた電流検出抵抗等によって構成される。フィルタ演算部16とモータ負荷トルク演算部17はオペアンプ等のアナログ回路で構築される。データ記憶部としての負荷トルク記憶部18は、データレコーダやディジタルストレージオシロスコープ等の所定サンプリング周波数で所定時間のデータを取得できる計測器、もしくは、A/D変換器が取付けられ所定サンプリング周波数で所定時間のデータを取得し、記憶できるPC(パーソナルコンピュータ)やDSPボードやCPUボード等の演算装置によって構築される。
フーリエ解析部13、周波数抽出部14、時間関数変換部15は、PCやDSPボードCPUボード等の演算装置によって構築される。また、フィルタ演算部16から時間関数変換部15の間の構成をA/D変換器が取付けられ所定サンプリング周波数で所定時間のデータを取得し、記憶できるPC(パーソナルコンピュータ)やDSPボードやCPUボード等の演算装置によって構築し、電流検出部9以外の計測系をディジタル化することも可能である。
動作を説明すると、電流検出部によって検出された電流値は、フィルタ演算部16で所定のフィルタ処理を施し、モータ負荷トルク演算部17において(1)式の演算を行ない、電流値をモータ負荷トルクに変換する。モータ負荷トルクは、所定のサンプリング周波数で所定時間分のデータとして、負荷トルク記憶部18に記憶される。以降、前記装置構成と同様な動作により負荷トルクモデル(数6)は同定される。このように構成された負荷同定装置では、簡単な構成で容易にモータ負荷モデルを同定することができる。
【0013】
ここで、フィルタ演算部12,16について説明する。フィルタ演算部12,16ではドライバのスイッチングノイズ、モータのブラシノイズ、回路のノイズ等の負荷同定には不要な高域のノイズカットのため、もしくは同定される負荷の帯域を制限するためにローパスフィルタとして設定される。動作は、上述の(2)、(3)式の演算を行うことによって行われる。ローパスフィルタによって帯域を制限することによって、サンプリング周波数で取得したデータ数を間引くことも可能であり、データの容量を減少させることも可能となる。また、図2の構成である場合、フィルタ演算部16をアナログ回路で構築することも可能であるため、デジタル演算の負荷を低減することが可能である。このようにフィルタ演算部12,16を備えることで、ノイズや不必要な帯域のデータを除去することができる。
【0014】
次に、時間関数変換部15で得た時間関数の負荷モデルを位置関数に変換するように構成した場合の負荷同定装置について図3を用いて説明する。なお、図3においてフーリエ解析部13より前の構成は図1もしくは図2と同様なため、図示は省略する。図3に示すように、時間関数変換部15で同定された時間関数の負荷トルクモデル(数6)は、位置関数変換部19において位置と速度を用いた位置関数
【数8】
に変換される。ここでは、検出角度、目標角速度を機構の位置x、速度vに変換し、等速であると限定するとt=x/vなので、(6)式は(7)式として変換される。
【数9】
(7)式において(x)は位置関数であることを示す。
また、位置関数変換部19は上述の時間関数変換部15と同様に、PC(パーソナルコンピュータ)やDSPボードやCPUボード等の演算装置によって構築される。変換された結果を図11に示す。この図ではモデル化前の時間関数の負荷トルクdT(t)を位置関数dT(x)に変換したものもあわせて示してある。このように構成された負荷同定装置では、同定した負荷モデルを制御系設計の支援手段などへ展開しやすい形式に変換することができる。
【0015】
次に、取得データを記憶する所定時間の長さを、機構部の1回転以上としたときの負荷同定装置について説明する。図1もしくは図2記載の測定対象の機構を含む駆動装置の場合、電流値記憶部10(図1)、もしくは負荷トルク記憶部18(図2)においてデータを記憶する時間tlengthを、目標角速度をωref(rad/s)とすると、(8)式で求まる機構部の1回転に要する時間よりも長くする。これによって、機構部が持つ低周波の負荷成分まで抽出可能となる。
【数10】
このように構成された負荷同定装置では、機構部が持つ低周波の負荷成分まで抽出することができる。
次に、フィルタ演算部12,16のカットオフ周波数をモータ4と機構部5からなる伝達系の機械共振周波数以下としたときの負荷同定装置について説明する。図1のフィルタ演算部12もしくは図2のフィルタ演算部16におけるローパスフィルタのカットオフ周波数を、モータ4とベルト6と機構部5からなる伝達系の機械共振周波数よりも低い周波数に設定する。この実施の形態では、機械共振の影響が負荷トルクモデルに現れないようにするため、機械共振周波数ωmとすると、カットオフ周波数ωLPFを(9)式のように1/5〜1/10倍とする。
【数11】
ωLPF = (0.25〜0.1)×ωm (9)
このように構成された負荷同定装置では、カットオフ周波数をモータおよび機構系からなる伝達系の機械共振周波数よりも低い周波数に限定するフィルタ演算部を備えることによって、同定した負荷モデルが機械共振周波数以下となるため、同定モデルをモータ軸換算した形で入力可能となり、制御系設計支援上の機構系数学モデルが簡単化できる。
【0016】
次に、実施の形態としての負荷同定方法について説明する。駆動装置は図1、図2のものと同等である。そして、図1の負荷同定装置と同様に、A/D変換器を備えたPC(パーソナルコンピュータ)やDSPボードやCPUボード等の演算装置によって所定サンプリング周波数でデータを取得し、負荷トルクモデル(数6)の同定を行う。図1の装置構成と図4のフローチャートで動作を説明すると、等速制御されるときのモータ電流は電流検出部9で検出され、所定サンプリング周波数で所定時間分のデータとして、A/D変換器より演算装置に取込まれ、電流値記憶工程S1でRAMやHDD等に記憶される。電流値記憶工程S1で蓄えられたデータは、モータ負荷トルク演算工程S2へ送られ(1)式の演算によってモータ負荷トルクに変換される。
次に、モータ負荷トルクはフィルタ演算工程S3において所定のフィルタ処理が行なわれる。高域のノイズカットと測定帯域の制限を目的とするローパスフィルタ処理である。フィルタ演算処理がIIRフィルタである場合、状態空間方程式(2)式と、出力方程式(3)式の演算を行うことによって実現できる。次に、フィルタ処理後のモータ負荷トルク値は、フーリエ解析工程S4へ送られ、フーリエ変換が行なわれる。次に、解析結果は周波数抽出工程S5に送られ、ゲインが所定値以上となる周波数成分が抽出される。抽出された周波数成分は時間関数変換工程S6において、抽出された周波数ごとのゲイン、位相より、余弦関数の形で時間関数に変換される。この抽出された全周波数の余弦関数の和が同定された負荷トルクモデルとなる。同定された負荷トルクモデル(数6)は(6)式として表現される。このように構成された負荷同定方法では、簡単な手法で容易にモータ負荷トルクモデルを同定することができる。
【0017】
次に、負荷同定装置を図2の構成とした場合の負荷同定方法について説明する。駆動装置は図1、図2のものと同等である。そして、図2の負荷同定装置と同様に、検出された電流値からモータ負荷トルクに換算するアナログ演算部を備え、A/D変換器を備えたPC(パーソナルコンピュータ)やDSPボードやCPUボード等の演算装置によって所定サンプリング周波数でデータを取得し、負荷トルクモデルの同定を行う。図2の装置構成と図5のフローチャートで動作を説明すると、等速制御されるときのモータ電流は電流検出部9で検出される。検出された電流値は、アナログ演算部のフィルタ演算工程S7で所定のフィルタ処理が行なわれる。高域のノイズカットと測定帯域の制限を目的とするローパスフィルタ処理である。
次に、モータ負荷トルク演算工程S8へ送られ(1)式の演算によってモータ負荷トルクに変換される。モータ負荷トルクは電圧信号であるため所定サンプリング周波数でA/D変換器より演算装置に取込まれ、負荷トルク記憶工程S9でRAMやHDD等に記憶される。S10においてデータが所定時間分取得されたか判断する。データ取得が完了していない場合は、負荷トルク記憶工程S9へ戻りA/D変換器よりデータを取得し記憶する。S10においてデータ取得が完了したと判断した場合、フーリエ解析S4へ進む、以下の動作は図4のS4以下の動作と同一である。このように構成された負荷同定方法では、簡単な手法で容易にモータ負荷トルクモデルを同定することができる。
ところで、図4のフィルタ演算工程S3もしくは図5のフィルタ演算工程S7ではドライバのスイッチングノイズ、モータのブラシノイズ、回路のノイズ等の負荷同定には不要な高域のノイズカットのため、もしくは同定される負荷の帯域を制限するためにローパスフィルタとしての設定が施されている。動作は、図4のフィルタ演算工程S3もしくは図5のフィルタ演算工程S7において、上述の(2)式、(3)式の演算を行うことによって行われる。ローパスフィルタによって帯域を制限することによって、サンプリング周波数で取得したデータ数を間引くことも可能であり、データの容量を減少させることも可能となる。このようにフィルタ演算工程S3、S7を備えることで、ノイズや不必要な帯域のデータを除去することができる。
【0018】
次に、同定された時間関数の負荷を位置と速度によって、位置関数の負荷とする位置関数変換工程を備えた場合の負荷同定方法について図6のフローチャートを用いて説明する。なお、図6の時間関数変換工程S6以前の工程は図4もしくは図5の時間関数変換工程S6以前の工程と同様なため、その説明は省略する。図4もしくは図5の負荷同定方法で同定された時間関数の負荷トルクモデル(数6)は、位置関数変換工程S11において位置と速度を用いた位置関数(数8)に変換される。位置関数変換工程S11では(6)式を(7)式へ変換する処理が行われる。このように構成された負荷同定方法では、同定した負荷トルクモデルを制御系設計の支援手段などへ展開しやすい形式に変換することができる。
次に、取得データを記憶する所定時間の長さを、機構部の1回転以上としたときの負荷同定方法について説明する。図1もしくは図2の駆動装置の場合、図4の負荷同定方法における電流値記憶工程S1、もしくは図5の負荷同定方法における負荷トルク記憶工程S9においてデータを記憶する時間tlengthを、目標角速度をωref(rad/s)とすると、(8)式で求まる機構部の1回転に要する時間よりも長くする。このように構成された負荷同定方法では、機構部が持つ低周波の負荷成分まで抽出することができる。
【0019】
次に、図4のフィルタ演算工程S3もしくは図5のフィルタ演算工程S7におけるカットオフ周波数をモータ4とベルト6と機構部5からなる伝達系の機械共振周波数よりも低い周波数に設定した場合の負荷同定方法について説明する。こここでは、機械共振の影響が負荷トルクモデルに現れないようにするため、機械共振周波数ωmとすると、カットオフ周波数ωLPFを1/5〜1/10倍とする。(9)式のフィルタ演算を図4のフィルタ演算工程S3、もしくは図5のフィルタ演算工程S7で行う。このように構成された負荷同定方法では、カットオフ周波数をモータおよび機構系からなる伝達系の機械共振周波数よりも低い周波数に限定するフィルタ演算工程とすることによって、同定した負荷モデルが機械共振周波数以下となるため、同定モデルをモータ軸換算した形で入力可能となり、制御系設計支援上の機構系数学モデルが簡単化できる。
なお、上述した負荷同定装置及び負荷同定方法では、負荷同定装置および負荷同定方法単体に限定して構成・動作を説明しているが、これら負荷同定装置及び負荷同定方法を実際の装置、例えば、ステージ制御装置、ロボット、複写機、プリンタの駆動機構等に組み込み、起動直後などの所定のタイミングで負荷同定を行い、同定された負荷が設計時に想定されている負荷よりも大きい場合は、装置異常とする装置異常判別や、同定された負荷による制御パラメータ変更手段に使用することが可能である。
【0020】
次に、実施の形態としての制御系設計支援方法について説明する。この制御系設計支援方法は数学モデルにおけるモータの回転角度もしくは位置、機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つによって、外乱が変化するようにした場合である。図1もしくは図2で説明した測定対象の機構を含む駆動装置は図7に示されるような制御系設計支援方法の速度制御系数学モデルとして演算装置上で構築される。モータと機構部からなる数学モデル23は電流値が入力され機構部の回転角度を出力する。出力された回転角度は、速度演算部モデル24へ入力され角速度信号が出力される。角速度信号は、目標角速度モデル20と比較され速度偏差が算出される。この速度偏差は、速度制御コントローラモデルである補償器モデル21に入力される。
補償器モデル21では、速度偏差に位相補償等を行ない操作量である電流指令値を出力する。出力された電流指令値はモータドライバモデル22へ入力される。モータドライバモデル22は、前記電流指令値に応じてモータと機構部からなる数学モデル23へ電流を流す。このような速度制御系数学モデルを使用し、速度制御の応答シミュレーションを行う。この速度制御系数学モデルに、上述の負荷同定装置および負荷同定方法で同定され、(7)式で表される位置関数の負荷トルクモデル(数6)を反映する。位置関数の負荷トルクモデル(数6)25へ機構部の位置が入力される。ここでは、機構部の出力は回転角度であるが、(7)式に合わせて位置へ変換して入力される。位置関数の負荷トルクモデル(数6)25は位置に応じた負荷トルクを出力する。出力された負荷トルクを電流変換部26で負荷トルク相当の電流値Id(x)に変換し、電流値の形で比較器27により速度制御系数学モデルに印加する。
電流変換部26では(10)式によって変換を行なう。
【数12】
ここでは、簡単化のためモータと機構部を一体のモデルとして考え、負荷トルクを負荷トルク相当の電流値に変換して印加したが、モータと機構部が分割されたモデルである場合、モータ出力トルクへ負荷トルクを印加するモデルとしても良い。このように構成された制御系設計支援方法では、比較的低い領域の負荷特性抽出に注力し同定した負荷モデルをモータへ加わる負荷外乱とし、数学モデルの位置情報によって負荷を変動させることができる。
【0021】
次に、あらかじめ数学モデルのモータの回転角度もしくは位置、機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つに対応する負荷データテーブルを作成し、これを数学モデルのモータに加わる外乱モデルとし、数学モデルのモータの回転角度もしくは位置、機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つによって負荷データテーブルの値を選択することによって外乱が変化するようにした場合の制御系設計支援方法について説明する。この制御系設計支援方法では、同定された(7)式の負荷トルクモデル(数6)をあらかじめ計算し、位置データと負荷トルクデータを対応させた負荷トルクデータテーブルとして用意する。その負荷トルクデータテーブルを請求項11の負荷トルクモデル(数6)25として使用し、入力される位置に応じた負荷トルクを出力する。このように構成された制御系設計支援方法では、負荷モデルをデータテーブル化しているので、負荷トルクモデル(数6)25における(7)式の演算が不要となるためシミュレーションの演算負荷を低減することができる。
【0022】
次に、図1、図2の負荷同定装置もしくは図4、図5の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの時間関数の負荷を数学モデルのモータに加わる外乱モデルとし、数学モデルの時間変化に応じて、外乱が変化するようにした場合の制御系設計支援方法について図12を用いて説明する。図1もしくは図2で説明した測定対象の機構を含む駆動装置は図12に示されるような制御系設計支援方法の速度制御系数学モデルとして演算装置上で構築される。モータと機構部からなる数学モデル23は電流値が入力され機構部の回転角度を出力する。出力された回転角度は、速度演算部モデル24へ入力され角速度信号が出力される。角速度信号は、目標角速度モデル20と比較され速度偏差が算出される。速度偏差は、速度制御コントローラモデルである補償器モデル21に入力される。
補償器モデル21では、速度偏差に位相補償等を行ない操作量である電流指令値を出力する。出力された電流指令値はモータドライバモデル22へ入力される。モータドライバモデル22は、電流指令値に応じてモータと機構部からなる数学モデル23へ電流を流す。このような速度制御系数学モデルを使用し、速度制御の応答シミュレーションを行なう。この速度制御系数学モデルに、上述の負荷同定装置および負荷同定方法で同定され、(6)式で表される時間関数の負荷トルクモデル(数6)を反映する。時間関数の負荷トルクモデル(数6)29へシミュレーションの時間28が入力される。時間関数の負荷トルクモデル(数6)29はシミュレーション時間に応じた負荷トルクを出力する。出力された負荷トルクを電流変換部26で負荷トルク相当の電流値Id(x)に変換し、電流値の形で比較器27により前記速度制御系数学モデルに印加する。電流変換部26では前記(10)式によって変換を行なう。
このように構成された制御系設計支援方法では、比較的低い領域の負荷特性抽出に注力し同定した負荷モデルをモータへ加わる負荷外乱とし、数学モデルの時間情報によって負荷を変動させることができる。なお、ここでは、簡単化のためモータと機構部を一体のモデルとして考え、負荷トルクを負荷トルク相当の電流値に変換して印加したが、モータと機構部が分割されたモデルである場合、モータ出力トルクへ負荷トルクを印加するモデルとしても良い。
【0023】
次に、図3の負荷同定装置もしくは図8の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの時間関数の負荷を使用し、あらかじめ時間に対応する負荷データテーブルを作成し、これを数学モデルのモータに加わる外乱モデルとし、数学モデルの時間変化によって負荷データテーブルの値を選択することによって外乱が変化するようにした場合の制御系設計支援方法について説明する。この制御系設計支援方法では、同定された(6)式の負荷トルクモデル(数6)をあらかじめ計算し、時間データと負荷トルクデータを対応させた負荷トルクデータテーブルとして用意する。その負荷トルクデータテーブルを図12の負荷トルクモデル(数6)29として使用し、入力されるシミュレーション時間28に応じた負荷トルクを出力する。このように構成された制御系設計支援方法では、負荷モデルをデータテーブル化したので、負荷トルクモデル(数6)29における(6)式の演算が不要となるためシミュレーションの演算負荷を低減することができる。
なお、ここで示した実施の形態としての負荷同定装置、負荷同定方法、制御系設計支援方法では、回転モータを使用した駆動装置に基づいて説明したが、モータをリニアモータとした場合は、モータ軸に加わる負荷トルクではなくリニアモータの可動子に加わる負荷力とし、回転角度・角回転数を位置・速度として対応させることによって適用できる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1によれば、モータ負荷値に対して周波数解析を行う周波数解析部と、周波数解析部が解析した結果より周波数を抽出する周波数抽出部と、抽出した周波数ごとに時間関数に変換する時間関数変換部とを備え、算出された各時間関数の和をモータに加わる負荷として同定するようにしたので、機構の構成に関係無く、簡単な構成で容易にモータ負荷モデルを同定できる負荷同定装置を提供することができる。
請求項2によれば、同定する負荷の帯域を制限するフィルタ演算部を備えているので、ノイズや不必要な帯域のデータを除去可能な負荷同定装置を提供することができる。
請求項3によれば、同定された時間関数の負荷を位置と速度によって、位置関数の負荷とする位置関数変換部を備えているので、同定した負荷モデルを制御系設計の支援手段などへ展開しやすい形式に変換できる負荷同定装置を提供することができる。
請求項4によれば、データ記憶部において取得データを記憶する所定時間の長さを、機構部の1回転以上もしくは、1走査以上の時間とするようにしたので、機構部が持つ低周波の負荷成分まで抽出可能な負荷同定装置を提供することができる。
請求項5によれば、カットオフ周波数をモータおよび機構系からなる伝達系の機械共振周波数よりも低い周波数に限定するフィルタ演算部を備えることによって、同定した負荷モデルが前記機械共振周波数以下となるため、同定モデルをモータ軸換算した形で入力可能となり、制御系設計支援上の機構系数学モデルが簡単化できる負荷同定装置を提供することができる。
請求項6によれば、モータ負荷値に対して周波数解析を行う周波数解析工程と、周波数解析部が解析した結果より周波数を抽出する周波数抽出工程と、抽出した周波数ごとに時間関数に変換する時間関数変換工程とを備え、算出された各時間関数の和をモータに加わる負荷として同定するようにしたので、機構の構成に関係無く、簡単な手法で容易にモータ負荷トルクモデル(数6)を同定することができる負荷同定方法を提供することができる。
【0025】
請求項7によれば、同定する負荷の帯域を制限するフィルタ演算工程を備えているので、ノイズや不必要な帯域のデータを除去可能な負荷同定方法を提供することができる。
請求項8によれば、同定された時間関数の負荷を位置と速度によって、位置関数の負荷とする位置関数変換工程を備えているので、同定した負荷モデルを制御系設計の支援手段などへ展開しやすい形式に変換できる負荷同定方法を提供することができる。
請求項9によれば、データ記憶工程において取得データを記憶する所定時間の長さを、機構部の1回転以上もしくは、1走査以上の時間とするようにしたので、機構部が持つ低周波の負荷成分まで抽出可能な負荷同定装置を提供することができる。
請求項10によれば、カットオフ周波数をモータおよび機構系からなる伝達系の機械共振周波数よりも低い周波数に限定するフィルタ演算工程とすることによって、同定した負荷モデルが前記機械共振周波数以下となるため、同定モデルをモータ軸換算した形で入力可能となり、制御系設計支援上の機構系数学モデルが簡単化できる負荷同定方法を提供することができる。
請求項11によれば、比較的低い領域の負荷特性抽出に注力し同定した負荷モデルをモータへ加わる負荷外乱とし、数学モデルの位置情報によって負荷を変動させることが可能な設計支援方法を提供することができる。
請求項12によれば、負荷モデルをデータテーブル化し、機構部の回転角度もしくは位置によってデータテーブルの値を選択することによって演算負荷を低減可能な設計支援方法を提供することができる。
請求項13によれば、比較的低い領域の負荷特性抽出に注力し同定した負荷モデルをモータへ加わる負荷外乱とし、数学モデルの時間情報によって負荷を変動させることが可能な設計支援方法を提供することができる。
請求項14によれば、時間関数の負荷を使用し、負荷モデルをデータテーブル化することによって演算負荷を低減可能な設計支援方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】負荷同定装置の構成を示す図である。
【図2】図1の負荷同定装置とは一部異なる構成を採用した場合の負荷同定装置を示す図である。
【図3】時間関数の負荷モデルを位置関数に変換するように構成した場合の負荷同定装置を示す図である。
【図4】負荷同定方法(図1の負荷同定装置を用いて説明した場合)を示す図である。
【図5】負荷同定方法(図2の負荷同定装置を用いて説明した場合)を示す図である。
【図6】位置関数変換工程を備えた場合の負荷同定方法を説明する図である。
【図7】数学モデルにおけるモータの回転角度もしくは位置、機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つによって、外乱が変化するようにした場合の制御系設計支援方法を説明する図である。
【図8】検出されたモータ負荷トルクを示す図である。
【図9】解析結果を示す図である。
【図10】抽出結果を示す図である。
【図11】変換結果を示す図である。
【図12】周波数成分ごとの時間関数の負荷を数学モデルのモータに加わる外乱モデルとし、数学モデルの時間変化に応じて、外乱が変化するようにした場合の制御系設計支援方法を説明する図である。
【符号の説明】
1 目標角速度、2 補償器、3 モータドライバ、4 モータ、5 機構部、6 ベルト、7 エンコーダ、8 速度演算部、9 電流検出部、10 電流値記憶部、11,17 モータ負荷トルク演算部、12,16 フィルタ演算部、13 フーリエ解析部、14 周波数抽出部、15 時間関数変換部、18 負荷トルク記憶部、19 位置関数変換部、20 目標角速度モデル、21 補償器モデル、22 モータドライバモデル、23 数学モデル、24 速度演算部モデル、25 負荷トルクモデル、26 電流変換部、27 比較器、28 時間、29 負荷トルクモデル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a load identification device, a load identification method, and a control system design support method suitable for application to general control system design simulation, load measurement of a drive system such as a photosensitive drum drive unit of a copying machine, and the like.
[0002]
[Prior art]
In designing a control system having a drive unit, a model of a load characteristic or the like derived in advance may be used. For example, in a motor load characteristic identification device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-220197, a motor torque is detected from a motor current, a transfer function from the motor torque to the motor speed is identified from the motor torque and the motor speed, and various types of two inertia systems are identified. Techniques for a device for identifying a parameter and a device for adjusting a control parameter of a motor control device based on the identification result are disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-182638 discloses a design support method for a mechanism for driving a cylindrical rotating body via a belt in a transmission belt design supporting method for a cylindrical rotating body drive system. The disturbance torque and friction load are obtained from the torque and the moment of inertia.
[Patent Document 1] JP-A-8-220197
[Patent Document 2] JP-A-11-182638
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the motor load characteristic identification device of
[0004]
For example, in the case of a rotating body, if the load characteristics change according to the rotation angle, it appears as a variation in the positioning time. In a simulation analysis in which such a variation in positioning time is a problem and a tendency of response that is a problem, and a high-precision analysis is not required, a load characteristic model of the manufactured actual machine can be easily obtained. , There is a demand that it be reflected in the analysis. In the load characteristics of a mechanical system such as a general positioning device, the part that greatly affects the positioning accuracy is in the low frequency range.Therefore, it is necessary to analyze the complex transfer characteristics and model up to the high frequency range. On the other hand, it is over-specification, which increases labor and calculation load.
Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and a load identification device, a load identification method, and a control system design support method capable of easily identifying and modeling load characteristics with a simple configuration. The purpose is to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, in the invention according to
The invention according to claim 2 is characterized mainly by a load identification device including a filter operation unit for limiting a band of a load to be identified.
The invention according to
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a load identification device including a data storage unit having a data storage unit for setting a length of a predetermined time for storing acquired data to be one rotation or more of the mechanism unit or one scan or more. I do.
The invention according to claim 5 is characterized mainly by a load identification device in which a cutoff frequency of the filter operation unit is set to be equal to or lower than a mechanical resonance frequency of a transmission system including the motor and the mechanical unit.
[0006]
In the invention according to claim 6, at least one of a motor, a mechanism driven by the motor, and a rotation angle or position of the motor, or a position detection unit that detects a rotation angle or position of the mechanism is provided. And a speed calculating means for calculating a speed signal, and a control unit for driving the motor or the mechanical unit at a predetermined speed or an angular speed using the speed signal, wherein a load model applied to the motor is A load identification method for identifying, comprising: a motor load calculation step of calculating a motor load value from a current value and a motor constant detected by a current detection unit that detects a current of the motor; and performing a frequency analysis on the motor load value. Performing a frequency analysis step, extracting a frequency component from a result analyzed by the frequency analysis unit, and By the time function conversion step of converting the time function every, load identification method of identifying a sum of the time function calculated as a load applied to the motor and main features.
The invention according to
The invention according to
According to a ninth aspect of the present invention, a load identification method includes a data storage step of setting the length of a predetermined time for storing acquired data to be one or more rotations of the mechanism unit or one or more scans. I do.
The main feature of the invention according to
[0007]
According to the eleventh aspect, at least one of a motor, a mechanism driven by the motor, and a rotation angle or position of the motor, or a position detection unit configured to detect a rotation angle or position of the mechanism may be used. A drive device comprising a speed calculation means for calculating a speed signal, and a control unit for driving the motor or the mechanism at a predetermined speed or angular speed using the speed signal as a mathematical model, In a control system design support method for analyzing a response of a drive device, a load of a position function for each frequency component obtained by the load identification device according to
According to the twelfth aspect of the present invention, at least one of a motor, a mechanism driven by the motor, and a rotation angle or position of the motor, or a position detection unit configured to detect a rotation angle or position of the mechanism may be used. A drive device comprising a speed calculation means for calculating a speed signal, and a control unit for driving the motor or the mechanism at a predetermined speed or angular speed using the speed signal as a mathematical model, In a control system design support method for analyzing the response of a driving device, the load of a position function for each frequency component obtained by the load identification device according to
[0008]
According to a thirteenth aspect of the present invention, at least one of a motor, a mechanism driven by the motor, and a rotation angle or position of the motor, or position detection means for detecting a rotation angle or position of the mechanism is provided. A drive device comprising a speed calculation means for calculating a speed signal, and a control unit for driving the motor or the mechanism at a predetermined speed or angular speed using the speed signal as a mathematical model, In a control system design support method for analyzing a response of a driving device, a load of a time function for each frequency component obtained by the load identification device according to
In the invention according to
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a load identification device, a load identification method, and a control system design support method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a load identification device as an embodiment. The load identification device is roughly divided into two parts. One is a drive device including a mechanism to be measured, and the other is a measurement system. As the driving device, an example will be described in which a mechanical unit 5 is a two-inertia system driven by a
In this driving device, an
[0010]
Next, the configuration of the measurement system will be described. The current detection unit 9 is constructed by using a Hall element or the like and a current sensor or a current probe to be contacted, a current detection resistor inserted in a circuit, or the like. In this example, a current
Next, the operation of the measurement system will be described. The motor current at the time of constant speed control is detected by the current detection unit 9 and stored in the current
(Equation 1)
In equation (1), KT: motor torque constant, I (t): motor current, dT (t): motor load torque, and (t) indicate a time function.
At this time, the motor load torque is detected as shown in FIG. In the present invention, since the constant speed control is performed, the motor current should be constant when the load torque does not fluctuate. However, since the motor current actually has a frequency component, the torque fluctuates as shown in FIG. Can be detected. Next, a predetermined filter process is performed on the motor load torque in the
[0011]
A discrete IIR filter will be described as an example of the filter operation processing. When the data is discretized at the sampling time ts, that is, data is acquired, it can be realized by calculating the state space equation (2) and the output equation (3).
(Equation 2)
[Equation 3]
In equations (2) and (3), ad, bd, cd, and dd represent filter constants after discretization with ts, x (n) is a state variable at the time of n sampling, and u (n) is a state variable at the time of n sampling. The input, y (n), is the output at the time of n sampling.
Next, the motor load torque value after the filter processing is sent to the
(Equation 4)
(Equation 5)
Here, Re is the real part of the analysis result, and Im is the imaginary part of the analysis result.
The analysis result at this time is shown in FIG. The upper diagram in FIG. 9 shows the gain, and the lower diagram shows the phase. Next, the analysis result is sent to the
(Equation 6)
(Equation 7)
Expression (6) is expressed by the extracted n + 1 frequencies ω (rad / s), the phase φ (rad) at that time, the one-sided amplitude r (Nm) of the torque at each frequency, and the time t (sec). I have. Note that the subscript i means the i-th extracted frequency. Further, the extracted frequency includes a DC component, that is, a value of ω = 0 (rad / s). The load identification device configured as described above can easily identify a motor load model with a simple configuration.
[0012]
Next, a description will be given of a load identification device employing a configuration partially different from the above-described load identification device with reference to FIG. Note that the configuration of the drive system including the mechanism to be measured and the measurement system after the
The
In operation, the current value detected by the current detection unit is subjected to a predetermined filtering process in a
[0013]
Here, the
[0014]
Next, a load identification device configured to convert the load model of the time function obtained by the time
(Equation 8)
Is converted to Here, the detected angle and the target angular velocity are converted into the position x and the velocity v of the mechanism, and if it is limited to a constant velocity, since t = x / v, the equation (6) is converted into the equation (7).
(Equation 9)
In equation (7), (x) indicates a position function.
Further, the position function conversion unit 19 is constructed by an arithmetic device such as a PC (personal computer), a DSP board, or a CPU board, like the time
[0015]
Next, a description will be given of the load identification device when the length of the predetermined time for storing the acquired data is one rotation or more of the mechanical unit. In the case of the drive device including the mechanism to be measured shown in FIG. 1 or FIG. 2, the time length for storing data in the current value storage unit 10 (FIG. 1) or the load torque storage unit 18 (FIG. 2) is set as the target angular velocity. If ωref (rad / s) is set, the time is longer than the time required for one rotation of the mechanism unit obtained by the expression (8). This makes it possible to extract even the low-frequency load components of the mechanism.
(Equation 10)
With the load identification device configured as described above, it is possible to extract even the low-frequency load components of the mechanism unit.
Next, a description will be given of a load identification device when the cutoff frequency of the
(Equation 11)
ω LPF = (0.25-0.1) x ω m (9)
The load identification device configured as described above includes a filter operation unit that limits the cutoff frequency to a frequency lower than the mechanical resonance frequency of the transmission system including the motor and the mechanical system. As described below, the identification model can be input in a form converted into the motor axis, so that the mathematical mathematical model for the control system design support can be simplified.
[0016]
Next, a load identification method as an embodiment will be described. The driving device is the same as that in FIGS. As in the case of the load identification device of FIG. 1, data is acquired at a predetermined sampling frequency by a PC (personal computer) equipped with an A / D converter or an arithmetic device such as a DSP board or a CPU board. 6) is identified. The operation will be described with reference to the device configuration of FIG. 1 and the flowchart of FIG. 4. The motor current when the constant speed control is performed is detected by the current detection unit 9 and is converted into data for a predetermined time at a predetermined sampling frequency by an A / D converter. The current value is taken into the arithmetic unit, and stored in the RAM, HDD, or the like in the current value storage step S1. The data stored in the current value storage step S1 is sent to a motor load torque calculation step S2, where it is converted into a motor load torque by the calculation of equation (1).
Next, a predetermined filter process is performed on the motor load torque in a filter calculation step S3. This is low-pass filter processing for the purpose of cutting high-frequency noise and limiting the measurement band. When the filter calculation process is an IIR filter, it can be realized by calculating the state space equation (2) and the output equation (3). Next, the motor load torque value after the filter processing is sent to a Fourier analysis step S4, where a Fourier transform is performed. Next, the analysis result is sent to a frequency extraction step S5, and a frequency component having a gain equal to or more than a predetermined value is extracted. In the time function conversion step S6, the extracted frequency component is converted into a time function in the form of a cosine function from the gain and phase for each extracted frequency. The sum of the extracted cosine functions of all the frequencies is the identified load torque model. The identified load torque model (Equation 6) is expressed as Expression (6). In the load identification method configured as described above, the motor load torque model can be easily identified by a simple method.
[0017]
Next, a load identification method when the load identification device has the configuration shown in FIG. 2 will be described. The driving device is the same as that in FIGS. A PC (personal computer), an A / D converter, a DSP board, a CPU board, etc., having an analog operation unit for converting a detected current value into a motor load torque, similarly to the load identification device of FIG. The data is acquired at a predetermined sampling frequency by the arithmetic unit (1), and the load torque model is identified. The operation will be described with reference to the apparatus configuration of FIG. 2 and the flowchart of FIG. 5. The motor current when the constant speed control is performed is detected by the current detection unit 9. A predetermined filter process is performed on the detected current value in a filter operation step S7 of the analog operation unit. This is low-pass filter processing for the purpose of cutting high-frequency noise and limiting the measurement band.
Next, it is sent to a motor load torque calculation step S8 and is converted into a motor load torque by the calculation of the equation (1). Since the motor load torque is a voltage signal, it is taken into the arithmetic unit from the A / D converter at a predetermined sampling frequency, and stored in the RAM, HDD, or the like in the load torque storage step S9. In S10, it is determined whether data has been acquired for a predetermined time. If the data acquisition is not completed, the process returns to the load torque storage step S9 to acquire and store data from the A / D converter. If it is determined in S10 that the data acquisition has been completed, the process proceeds to Fourier analysis S4. The following operations are the same as those in S4 and subsequent steps in FIG. In the load identification method configured as described above, the motor load torque model can be easily identified by a simple method.
By the way, in the filter operation step S3 of FIG. 4 or the filter operation step S7 of FIG. 5, identification is performed for high-frequency noise cut unnecessary for load identification such as driver switching noise, motor brush noise, and circuit noise. A low-pass filter is set in order to limit the load band. The operation is performed by performing the above-described equations (2) and (3) in the filter operation step S3 of FIG. 4 or the filter operation step S7 of FIG. By limiting the band by the low-pass filter, the number of data acquired at the sampling frequency can be reduced, and the data capacity can be reduced. By providing the filter operation steps S3 and S7 in this manner, noise and unnecessary band data can be removed.
[0018]
Next, a load identification method in the case of including a position function conversion step in which the load of the identified time function is set as the load of the position function based on the position and speed will be described with reference to the flowchart of FIG. The steps before the time function conversion step S6 in FIG. 6 are the same as the steps before the time function conversion step S6 in FIG. 4 or FIG. The load torque model (Equation 6) of the time function identified by the load identification method of FIG. 4 or 5 is converted into a position function (Equation 8) using position and velocity in a position function conversion step S11. In the position function conversion step S11, a process of converting Expression (6) into Expression (7) is performed. According to the load identification method configured as described above, the identified load torque model can be converted into a format that can be easily developed into control system design support means or the like.
Next, a description will be given of a load identification method when the length of the predetermined time for storing the acquired data is one rotation or more of the mechanical unit. In the case of the driving device shown in FIG. 1 or FIG. 2, the time tlength for storing data in the current value storage step S1 in the load identification method in FIG. 4 or the load torque storage step S9 in the load identification method in FIG. When (rad / s) is set, the time required for one rotation of the mechanism unit obtained by the equation (8) is set longer. With the load identification method configured as described above, it is possible to extract even low-frequency load components of the mechanism unit.
[0019]
Next, the load when the cut-off frequency in the filter calculation step S3 of FIG. 4 or the filter calculation step S7 of FIG. 5 is set to a frequency lower than the mechanical resonance frequency of the transmission system including the
In the load identification device and the load identification method described above, the configuration and operation are described as being limited to the load identification device and the load identification method alone. However, these load identification device and the load identification method are actual devices, for example, It is incorporated in the drive mechanism of the stage control device, robot, copier, printer, etc., and performs load identification at a predetermined timing, such as immediately after startup, and if the identified load is larger than the load assumed at the time of design, the device is abnormal. It can be used for the device abnormality determination and the control parameter changing means based on the identified load.
[0020]
Next, a control system design support method as an embodiment will be described. This control system design support method is for a case in which the disturbance changes according to any one of the rotation angle or position of the motor and the rotation angle or position of the mechanism in the mathematical model. The driving device including the mechanism to be measured described with reference to FIG. 1 or FIG. 2 is constructed on an arithmetic device as a speed control system mathematical model of a control system design support method as shown in FIG. The
The
The
(Equation 12)
Here, for simplicity, the motor and the mechanism are considered as an integrated model, and the load torque is converted and applied to a current value equivalent to the load torque. However, if the motor and the mechanism are divided, the motor output A model that applies load torque to torque may be used. In the control system design support method configured as described above, the load model identified by focusing on load characteristic extraction in a relatively low region can be used as a load disturbance applied to the motor, and the load can be varied based on the position information of the mathematical model.
[0021]
Next, a load data table corresponding to any one of the rotation angle or position of the motor of the mathematical model and the rotation angle or position of the mechanism is created in advance, and this is used as a disturbance model applied to the motor of the mathematical model, and the mathematical model The control system design support method in the case where the disturbance is changed by selecting the value of the load data table according to any one of the rotation angle or position of the motor and the rotation angle or position of the mechanism unit will be described. In this control system design support method, the identified load torque model (Equation 6) of the equation (7) is calculated in advance, and is prepared as a load torque data table in which the position data and the load torque data are associated. The load torque data table is used as the load torque model (Equation 6) 25 of
[0022]
Next, the load of the time function for each frequency component obtained by the load identification device of FIGS. 1 and 2 or the load identification method of FIGS. 4 and 5 is used as a disturbance model applied to the motor of the mathematical model. A control system design support method in the case where the disturbance changes accordingly will be described with reference to FIG. The drive device including the mechanism to be measured described with reference to FIG. 1 or FIG. 2 is constructed on an arithmetic device as a speed control system mathematical model of a control system design support method as shown in FIG. The
The
With the control system design support method configured as described above, the load model identified by focusing on load characteristic extraction in a relatively low region can be used as a load disturbance applied to the motor, and the load can be varied based on the time information of the mathematical model. Here, for simplicity, the motor and the mechanism are considered as an integrated model, the load torque is converted into a current value equivalent to the load torque and applied, but in the case of a model in which the motor and the mechanism are divided, A model that applies a load torque to the motor output torque may be used.
[0023]
Next, a load data table corresponding to time is created in advance using the load of the time function for each frequency component obtained by the load identification device of FIG. 3 or the load identification method of FIG. A description will be given of a control system design support method in a case where a disturbance is added and a disturbance is changed by selecting a value of a load data table according to a time change of a mathematical model. In this control system design support method, the identified load torque model (Equation 6) of Expression (6) is calculated in advance, and a time torque data and a load torque data table corresponding to the load torque data are prepared. The load torque data table is used as the load torque model (Equation 6) 29 in FIG. 12 and a load torque corresponding to the
In the load identification device, the load identification method, and the control system design support method according to the embodiment described above, the description has been given based on a driving device using a rotary motor. The present invention can be applied by assuming that the load torque is not the load torque applied to the shaft but the load force applied to the mover of the linear motor, and the rotation angle and the number of rotations correspond to the position and speed.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect, a frequency analysis unit that performs frequency analysis on a motor load value, a frequency extraction unit that extracts a frequency from a result analyzed by the frequency analysis unit, A time function conversion unit for converting to a time function is provided, and the sum of the calculated time functions is identified as a load applied to the motor, so that the motor load model can be easily configured with a simple configuration regardless of the configuration of the mechanism. Can be provided.
According to the second aspect of the present invention, since the filter operation unit for limiting the band of the load to be identified is provided, it is possible to provide a load identification device capable of removing noise and data of an unnecessary band.
According to the third aspect of the present invention, since the position function conversion unit is provided which uses the identified load of the time function as the load of the position function according to the position and speed, the identified load model is expanded to control system design support means and the like. It is possible to provide a load identification device that can be converted into a format that can be easily performed.
According to the fourth aspect, the length of the predetermined time for storing the acquired data in the data storage unit is set to one or more rotations or one or more scans of the mechanism unit. A load identification device capable of extracting even load components can be provided.
According to the fifth aspect, by providing the filter operation unit that limits the cutoff frequency to a frequency lower than the mechanical resonance frequency of the transmission system including the motor and the mechanical system, the identified load model becomes equal to or lower than the mechanical resonance frequency. Therefore, it is possible to input the identification model in a form converted into the motor axis, and it is possible to provide a load identification device capable of simplifying the mathematical model of the mechanical system for supporting the control system design.
According to claim 6, a frequency analysis step of performing a frequency analysis on a motor load value, a frequency extraction step of extracting a frequency from a result analyzed by the frequency analysis unit, and a time of converting the extracted frequency into a time function A function conversion step is provided, and the sum of the calculated time functions is identified as a load applied to the motor. Therefore, regardless of the structure of the mechanism, the motor load torque model (Equation 6) can be easily obtained by a simple method. A load identification method that can be identified can be provided.
[0025]
According to the seventh aspect, since a filter operation step for limiting the band of the load to be identified is provided, it is possible to provide a load identification method capable of removing noise and data of an unnecessary band.
According to the eighth aspect, since there is provided a position function converting step in which the load of the identified time function is set as the load of the position function by the position and the speed, the identified load model is expanded to control system design support means and the like. It is possible to provide a load identification method that can be converted into a format that can be easily performed.
According to the ninth aspect, the length of the predetermined time for storing the acquired data in the data storing step is set to a time of one rotation or more of the mechanism unit or one scan or more. A load identification device capable of extracting even load components can be provided.
According to the tenth aspect, the identified load model becomes equal to or lower than the mechanical resonance frequency by performing the filter operation step of limiting the cutoff frequency to a frequency lower than the mechanical resonance frequency of the transmission system including the motor and the mechanical system. Therefore, it is possible to input the identification model in a form converted into the motor axis, and it is possible to provide a load identification method capable of simplifying a mechanical model mathematical model for control system design support.
According to the eleventh aspect, there is provided a design support method capable of changing a load based on position information of a mathematical model by using a load model identified by focusing on load characteristic extraction in a relatively low region as a load disturbance applied to a motor. be able to.
According to the twelfth aspect, it is possible to provide a design support method capable of reducing a calculation load by converting a load model into a data table and selecting a value in the data table according to a rotation angle or a position of the mechanism unit.
According to the thirteenth aspect, there is provided a design support method capable of changing a load according to time information of a mathematical model by using a load model identified by focusing on load characteristic extraction in a relatively low region as a load disturbance applied to a motor. be able to.
According to the fourteenth aspect, it is possible to provide a design support method capable of reducing a calculation load by using a load of a time function and converting a load model into a data table.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a load identification device.
FIG. 2 is a diagram illustrating a load identification device when a configuration that is partially different from the load identification device of FIG. 1 is employed;
FIG. 3 is a diagram showing a load identification device when configured to convert a load model of a time function into a position function.
FIG. 4 is a diagram showing a load identification method (the case described using the load identification device of FIG. 1).
FIG. 5 is a diagram showing a load identification method (the case described using the load identification device of FIG. 2).
FIG. 6 is a diagram illustrating a load identification method when a position function conversion step is provided.
FIG. 7 is a diagram illustrating a control system design support method in a case where disturbance is changed according to any one of a rotation angle or a position of a motor and a rotation angle or a position of a mechanism in a mathematical model.
FIG. 8 is a diagram showing a detected motor load torque.
FIG. 9 is a diagram showing an analysis result.
FIG. 10 is a diagram showing an extraction result.
FIG. 11 is a diagram showing a conversion result.
FIG. 12 is a diagram for explaining a control system design support method in a case where a load of a time function for each frequency component is used as a disturbance model applied to a motor of a mathematical model, and the disturbance changes according to a time change of the mathematical model. It is.
[Explanation of symbols]
1 target angular velocity, 2 compensator, 3 motor driver, 4 motor, 5 mechanism section, 6 belt, 7 encoder, 8 speed calculation section, 9 current detection section, 10 current value storage section, 11, 17 motor load torque calculation section, 12, 16 filter operation unit, 13 Fourier analysis unit, 14 frequency extraction unit, 15 time function conversion unit, 18 load torque storage unit, 19 position function conversion unit, 20 target angular velocity model, 21 compensator model, 22 motor driver model, 23 Mathematical model, 24 Speed calculation unit model, 25 Load torque model, 26 Current conversion unit, 27 Comparator, 28 hours, 29 Load torque model
Claims (14)
前記モータの電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部が検出した電流値とモータ定数からモータ負荷値を算出するモータ負荷演算部と、
前記モータ負荷値に対して周波数解析を行う周波数解析部と、
前記周波数解析部が解析した結果より周波数を抽出する周波数抽出部と、
抽出した周波数ごとに時間関数に変換する時間関数変換部とを備え、
算出された各時間関数の和を前記モータに加わる負荷として同定することを特徴とする負荷同定装置。A motor, a mechanism driven by the motor, at least one of a rotation angle or position of the motor, position detection means for detecting a rotation angle or position of the mechanism, and a speed for calculating a speed signal A load identification device that identifies a load model applied to the motor in a drive device including a calculation unit and a control unit that drives the motor or the mechanism unit at a predetermined speed or an angular speed using the speed signal. ,
A current detection unit that detects a current of the motor;
A motor load calculator that calculates a motor load value from the current value and the motor constant detected by the current detector;
A frequency analysis unit that performs frequency analysis on the motor load value,
A frequency extraction unit that extracts a frequency from the result of the analysis by the frequency analysis unit,
A time function conversion unit that converts the frequency into a time function for each extracted frequency,
A load identification device for identifying a sum of the calculated time functions as a load applied to the motor.
前記モータの電流を検出する電流検出部が検出した電流値とモータ定数からモータ負荷値を算出するモータ負荷演算工程と、
前記モータ負荷値に対して周波数解析を行う周波数解析工程と、
前記周波数解析部が解析した結果より周波数成分を抽出する周波数抽出工程と、
抽出した周波数成分ごとに時間関数に変換する時間関数変換工程とによって、
算出された各時間関数の和を前記モータに加わる負荷として同定することを特徴とする負荷同定方法。A motor, a mechanism driven by the motor, at least one of a rotation angle or position of the motor, position detection means for detecting a rotation angle or position of the mechanism, and a speed for calculating a speed signal A load identification method for identifying a load model applied to the motor in a drive device including a calculation unit and a control unit that drives the motor or the mechanism unit at a predetermined speed or an angular speed using the speed signal. ,
A motor load calculation step of calculating a motor load value from a current value and a motor constant detected by a current detection unit that detects the current of the motor,
A frequency analysis step of performing a frequency analysis on the motor load value,
A frequency extraction step of extracting a frequency component from the result analyzed by the frequency analysis unit,
By a time function conversion step of converting each extracted frequency component into a time function,
A load identification method comprising: identifying a sum of the calculated time functions as a load applied to the motor.
請求項3記載の負荷同定装置もしくは請求項8記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの位置関数の負荷を前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つによって、外乱が変化するようにしたことを特徴とする制御系設計支援方法。A motor, a mechanism driven by the motor, at least one of a rotation angle or position of the motor, position detection means for detecting a rotation angle or position of the mechanism, and a speed for calculating a speed signal A control device that has a calculation device and a control unit that drives the motor or the mechanism unit at a predetermined speed or an angular speed using the speed signal as a mathematical model, and performs a response analysis of the drive device by numerical calculation. In the system design support method,
The load of the position function for each frequency component obtained by the load identification device according to claim 3 or the load identification method according to claim 8 is a disturbance model applied to the motor of the mathematical model, and the rotation angle of the motor of the mathematical model Alternatively, a disturbance is changed according to any one of a position, a rotation angle and a position of the mechanism, and a control system design support method.
請求項3記載の負荷同定装置もしくは請求項8記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの位置関数の負荷を使用し、あらかじめ前記数学モデルの前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つに対応する負荷データテーブルを作成し、これを前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの前記モータの回転角度もしくは位置、前記機構部の回転角度もしくは位置のいずれか一つによって前記負荷データテーブルの値を選択することによって外乱が変化するようにしたことを特徴とする制御系設計支援方法。A motor, a mechanism driven by the motor, at least one of a rotation angle or position of the motor, position detection means for detecting a rotation angle or position of the mechanism, and a speed for calculating a speed signal A control device that has a calculation device and a control unit that drives the motor or the mechanism unit at a predetermined speed or an angular speed using the speed signal as a mathematical model, and performs a response analysis of the drive device by numerical calculation. In the system design support method,
Using the load of the position function for each frequency component obtained by the load identification device according to claim 3 or the load identification method according to claim 8, the rotation angle or the position of the motor of the mathematical model, and the rotation of the mechanism unit in advance. Create a load data table corresponding to any one of the angle or the position, as a disturbance model applied to the motor of the mathematical model, the rotation angle or position of the motor of the mathematical model, the rotation angle of the mechanism unit Alternatively, a disturbance is changed by selecting a value of the load data table according to any one of the positions.
請求項1記載の負荷同定装置もしくは請求項6記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの時間関数の負荷を前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの時間変化に応じて、外乱が変化するようにしたことを特徴とする制御系設計支援方法。A motor, a mechanism driven by the motor, at least one of a rotation angle or position of the motor, position detection means for detecting a rotation angle or position of the mechanism, and a speed for calculating a speed signal A control device that has a calculation device and a control unit that drives the motor or the mechanism unit at a predetermined speed or an angular speed using the speed signal as a mathematical model, and performs a response analysis of the drive device by numerical calculation. In the system design support method,
The load of the time function for each frequency component obtained by the load identification device according to claim 1 or the load identification method according to claim 6 is set as a disturbance model applied to the motor of the mathematical model, and the load is determined according to a time change of the mathematical model. A control system design support method, wherein the disturbance is changed.
請求項3記載の負荷同定装置もしくは請求項8記載の負荷同定方法で求めた周波数成分ごとの時間関数の負荷を使用し、あらかじめ時間に対応する負荷データテーブルを作成し、これを前記数学モデルの前記モータに加わる外乱モデルとし、前記数学モデルの時間変化によって前記負荷データテーブルの値を選択することによって外乱が変化するようにしたことを特徴とする制御系設計支援方法。A motor, a mechanism driven by the motor, at least one of a rotation angle or position of the motor, position detection means for detecting a rotation angle or position of the mechanism, and a speed for calculating a speed signal A control device that has a calculation device and a control unit that drives the motor or the mechanism unit at a predetermined speed or an angular speed using the speed signal as a mathematical model, and performs a response analysis of the drive device by numerical calculation. In the system design support method,
Using the load of the time function for each frequency component obtained by the load identification device according to claim 3 or the load identification method according to claim 8, a load data table corresponding to time is created in advance, and the load data table is defined by the mathematical model. A control system design supporting method, wherein a disturbance model applied to the motor is used, and the disturbance changes by selecting a value of the load data table according to a time change of the mathematical model.
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