JP2005020794A - サーボ制御装置およびそのフィルタ定数自動設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サーボ制御装置において、モータと負荷との間で共振させなくても共振周波数を得ることができ、機械を損傷することなく短時間で自動的にフィルタ定数を設定できる装置および方法を提供する。
【解決手段】サーボ制御装置において、サーボ制御装置が駆動するモータ４のモータ回転子慣性モーメントの値とモータ回転軸のねじりばね定数とを格納するモータ機械定数格納手段７と、モータ４が駆動する機械の慣性モーメントの値を取得しモータ４のモータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値を取得する機械慣性モーメント取得手段８と、ねじり共振周波数を算出してねじり共振周波数に基づいたフィルタ定数をフィルタ手段に設定する共振周波数算出手段９とを備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にロボットや工作機械などを駆動するサーボ制御装置において、その制御装置のフィルタ定数を自動設定するサーボ制御装置およびそのフィルタ定数自動設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ制御装置においてモータとそのモータが駆動する機械との間で共振現象が発生することがある。その共振を抑制するためにその共振の周波数成分を除去または減衰させるノッチフィルタあるいは２次以上の高次フィルタが多く用いられている。これらのフィルタには除去または減衰させたい周波数を設定する必要があり、従来の技術としてはホワイトノイズとフーリエ変換を用いて周波数を決定している例がある。（特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２７８９９０号公報（第９頁、第１図）
【０００４】
図４において、機械３９を駆動するモータ３８を制御する速度制御手段３４は、速度指令３１とホワイトノイズ生成手段３２の出力とを切り替えて出力する速度指令切り替え手段３３の出力信号を指令とする。
速度指令切り替え手段３３を切り替えて前記ホワイトノイズ生成手段３２から出力されたホワイトノイズと、そのホワイトノイズを指令として速度制御手段３４により制御されるモータ３８に接続されたエンコーダ４０の信号を速度検出手段３５によって検出した速度データとをフーリエ変換手段３６においてフーリエ変換を行う。そのフーリエ変換の結果を用いて周波数特性演算手段３７により周波数特性を解析して共振周波数を求めその共振周波数を速度制御手段３４の内部にあるノッチフィルタに設定している。
以上の方法により、機械を振動させずに駆動することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例では、共振周波数を求める際、通常の指令とは異なるホワイトノイズを指令としてサーボ制御装置を動作させて周波数特性を測定しており、測定に長時間を要している。またホワイトノイズにより発生する振動によって機械を損傷してしまう可能性もある。
そこで本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、サーボ制御装置において、モータと負荷との間で共振させなくても共振周波数を得ることができ機械を加振する必要がなく、機械を損傷することなく短時間で自動的にフィルタ定数を設定できる装置および方法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、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、モータの位置または速度に基づいて作成されたフィードバック信号を入力し位置または速度指令に前記フィードバック信号が一致するように制御を行いトルク指令を出力する追従制御手段と、前記トルク指令を入力し設定された周波数の周波数成分を除去または減衰させた前記電流指令を出力するノッチフィルタまたは前記トルク指令を入力し前記設定された周波数以上の周波数成分を減衰させた前記電流指令を出力するローパスフィルタで構成されたフィルタ手段と、前記電流指令を入力して電流制御を行い駆動電流をモータへ出力する電流制御手段と、モータの位置または速度を検出しモータ位置または速度信号を出力する検出器とを備えたサーボ制御装置において、
前記サーボ制御装置が駆動する前記モータのモータ回転子慣性モーメントの値とモータ回転軸のねじりばね定数とを格納するモータ機械定数格納手段と、前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値を取得し前記モータのモータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値または前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値をモータ回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値と前記モータ回転子慣性モーメントの値との合成値を取得して前記モータ回転子慣性モーメントの値を差し引いて得た前記モータ回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値を出力する機械慣性モーメント取得手段と、前記モータ回転子慣性モーメントの値と前記モータ回転軸のねじりばね定数と前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値をモータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値とに基づいてねじり共振周波数を算出して前記ねじり共振周波数に基づいたフィルタ定数を前記フィルタ手段に設定する共振周波数算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、前記モータ機械定数格納手段に格納されている前記モータのモータ回転子慣性モーメントの値と前記モータ回転軸のねじりばね定数とを読み出してモータ機械定数として送出するモータ機械定数送出手段と、そのモータ機械定数を受信して前記共振周波数算出手段に出力するモータ機械定数受信手段とを備え、前記モータ機械定数格納手段と前記モータ機械定数送出手段とは前記検出器に備えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、モータの位置または速度に基づいて作成されたフィードバック信号を入力し位置または速度指令に前記フィードバック信号が一致するように制御を行いトルク指令を出力する追従制御手段と、前記トルク指令を入力し設定された周波数の周波数成分を除去または減衰させた前記電流指令を前記電流制御手段に出力するノッチフィルタまたは前記トルク指令を入力し前記設定された周波数以上の周波数成分を減衰させた前記電流指令を出力するローパスフィルタで構成されたフィルタ手段と、前記電流指令を入力して電流制御を行い駆動電流をモータへ出力する電流制御手段と、モータの位置または速度を検出しモータ位置または速度信号を出力する検出器とを備えたサーボ制御装置のフィルタ定数を自動設定する方法であって、
モータ回転子慣性モーメントの値とモータの回転軸ねじりばね定数とを事前にモータ機械定数格納手段に格納するステップと、前記モータ回転子慣性モーメントの値と前記モータの回転軸ねじりばね定数とを読み出すステップと、前記モータが駆動する機械の慣性モーメントをモータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値を取得するステップと、前記モータ回転子慣性モーメントの値と前記モータ回転軸ねじりばね定数と前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値をモータ回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値とに基づいてねじり共振周波数を算出するステップと、前記ねじり共振周波数に基づいたフィルタ定数をフィルタ手段に設定するステップとを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、前記共振周波数算出手段は、前記モータのモータ回転子慣性モーメントをＪＭ、前記モータが駆動する前記機械慣性モーメントの値を前記モータの回転軸に換算した機械慣性モーメントの値をＪＬ、前記モータ回転軸のねじりばね定数をＫとしたとき、前記ねじり共振周波数ωを、
ω＝（Ｋ（１／（ＪＭ）＋１／（ＪＬ）））^１／２
で計算することを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明を適用する第１の実施例を説明するサーボ制御装置のブロック線図である。
図１において、１は追従制御手段、２はフィルタ手段、３は電流制御手段、４はモータ、５は検出器、６は機械、７はモータ機械定数格納手段、８は機械慣性モーメント取得手段、９は共振周波数算出手段、１０はフィードバック信号作成手段である。以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
【００１１】
追従制御手段１は指令とフィードバック信号とを入力してフィルタ手段２へトルク指令を出力する。フィルタ手段２は前記トルク指令を入力して電流制御手段３へ電流指令を出力する。電流制御手段３は前記電流指令を入力しモータ４へ駆動電流を出力する。モータ４は前記駆動電流によりトルクを発生し機械６を駆動する。また、モータ４には検出器５が取り付けられており、検出器５はフィードバック信号作成手段１０へモータ位置または速度信号を出力する。フィードバック信号作成手段１０は前記モータ位置または速度信号を入力し追従制御手段１へ前記フィードバック信号を出力する。
モータ機械定数格納手段７は共振周波数算出手段９へモータ回転子慣性モーメントの値とモータ回転軸のねじりばね定数とを出力する。また機械慣性モーメント取得手段８へ前記モータ回転子慣性モーメントの値を出力することもある。機械慣性モーメント取得手段８は共振周波数算出手段９へ機械慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した慣性モーメントの値を出力する。また機械慣性モーメント取得手段８は前記モータ回転子慣性モーメントの値を入力することもある。共振周波数算出手段９は前記モータ回転子慣性モーメントの値とモータ回転軸のねじりばね定数と前記機械慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した慣性モーメントの値とを入力しフィルタ手段２のフィルタ定数を設定する。
【００１２】
追従制御手段１は制御演算を行い、前記指令と前記フィードバック信号とが一致するように位置または速度制御をする。前記フィードバック信号は検出器５によって検出されたモータ位置または速度に基づいてフィードバック信号作成手段１０により作成される。フィルタ手段２は設定された周波数の周波数成分を除去または減衰させるノッチフィルタまたは設定された周波数以上の周波数成分を減衰させるローパスフィルタで構成されており、共振周波数算出手段９により設定された前記フィルタ定数に基づいて前記トルク指令から制御の障害となる周波数成分を除去し、前記電流指令を作成する。電流制御手段３は電力変換機能を有し、前記電流指令に基づいてモータ４を駆動する駆動電流を制御する。
【００１３】
モータ機械定数格納手段７はモータ４のモータ回転子慣性モーメントの値とモータ４の回転軸のねじりばね定数とを格納していて共振周波数算出手段９の要求に応じて共振周波数算出手段９へ出力する。一般的なサーボ制御装置には、簡易な操作パネルの機能を備えたオペレータと呼ばれるものが装備されていたり、装着が可能になっていたりする。モータが決定したら、そのモータの設計値または実測値からモータ回転子慣性モーメントの値とモータ回転軸のねじりばね定数とを求め、このオペレータを使ってモータ機械定数格納手段７に格納する。機械慣性モーメント取得手段８はモータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値を取得しモータ４の回転軸に換算した機械慣性モーメントの値またはモータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値とモータ４の前記モータ回転子慣性モーメントの値との合成値を取得してモータ４の前記モータ回転子慣性モーメントの値を差し引いて求めたモータ４の回転軸に換算した機械慣性モーメントの値を共振周波数算出手段９の要求に応じて共振周波数算出手段９へ出力する。また、モータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値とモータ４の前記モータ回転子慣性モーメントの値との合成値を取得した場合には、その合成値からモータ４の前記モータ回転子慣性モーメントの値を差し引く演算を共振周波数算出手段９に委ねてもよい。前記機械６の慣性モーメントの値またはモータの回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値を取得する方法としては、機械慣性モーメント取得手段８内にモータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した機械慣性モーメントの値を記憶しておくエリアを設け、前記オペレータを使用して事前に書き込んでおいて必要に応じて読み出す方法がある。また、モータ電流とモータ位置情報から同定する方法もある。前記機械慣性モーメントを求める方法は従来から数多く紹介されている。例えば、特許第３１８５８５７号公報がある。
【００１４】
共振周波数算出手段９はモータ機械定数格納手段７からモータ４のモータ回転子慣性モーメントの値とモータ４の回転軸のねじりばね定数とを読み出し、機械慣性モーメント取得手段８からモータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した機械慣性モーメントの値を取得して共振周波数を算出する。また、共振周波数算出手段９はその算出した共振周波数に基づいた前記フィルタ定数をフィルタ手段２へ設定する。前記共振周波数は以下の式で算出する。
ねじり共振周波数ωは、モータ４の回転子慣性モーメントをＪＭ、モータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した機械慣性モーメントの値をＪＬ、モータ４のモータ回転軸のねじりばね定数をＫとすると、
ω＝（Ｋ（１／（ＪＭ）＋１／（ＪＬ）））^１／２ ・・・（１）
となる。
【００１５】
図２は本発明を適用する第２の実施例を説明するサーボ制御装置のブロック線図である。
図２において、１１はモータ機械定数送出手段、１２はモータ機械定数受信手段である。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、モータ機械定数格納手段７およびモータ機械定数送出手段１１を検出器５に備え、モータ機械定数受信手段１２との間で通信をすることである。
モータ機械定数送出手段１１はモータ機械定数格納手段７から前記モータ４のモータ回転子慣性モーメントの値とモータ４のモータ回転軸のねじりばね定数とを読み出してモータ機械定数としてモータ機械定数受信手段１２へ送出する。モータ機械定数受信手段１２はそのモータ機械定数を受信し共振周波数算出手段９の要求に応じて共振周波数算出手段９へ出力する。また、前記モータ回転子慣性モーメントの値を機械慣性モーメント取得手段８へ出力することもある。他の動作は、第１の実施例と同じであるので説明は省略する。
また、モータ機械定数送出手段１１にパラレル／シリアル変換の機能を、モータ機械定数受信手段１２にシリアル／パラレル変換の機能を備えて前記モータ機械定数をシリアル信号としてもよい。
【００１６】
図３は、本発明を適用する第３の実施例を説明するサーボ制御装置のフィルタ定数を自動設定する方法を説明するフローチャートである。
図３において、ステップ２０ではモータ４のモータ回転子慣性モーメントの値とモータ４の回転軸のねじりばね定数とをモータ機械定数格納手段７に格納し、ステップ２１ではそのモータ４のモータ回転子慣性モーメントの値とモータ４の回転軸のねじりばね定数とを読み出す。
ステップ２２ではモータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値を取得しモータ４の回転軸に換算した機械慣性モーメントの値またはモータ４が駆動する機械６の慣性モーメントの値をモータ４の回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値とモータ４のモータ回転子慣性モーメントの値との合成値を取得してモータ４の前記モータ回転子慣性モーメントの値を差し引いて求めたモータ４の回転軸に換算した機械慣性モーメントの値を取得する。この機械慣性モーメントの値は、第１の実施例と同じ方法で取得することができる。
ステップ２３ではねじり共振周波数を既述の（１）の式により算出する。
ステップ２４では前記ねじり共振周波数に基づいて得られた前記フィルタ定数をフィルタ手段２へ設定する。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、サーボ制御装置内に予め格納されているモータ固有のモータ回転子慣性モーメントの値およびモータの回転軸ねじりばね定数と、取得された負荷慣性モーメントとからモータと負荷との共振周波数を計算してフィルタ定数を決定するので、モータと負荷との間で共振させなくても共振周波数を得ることができ機械を加振する必要がない。そのため、機械を損傷することがない。また、試行錯誤する必要もないため、フィルタ定数を設定する処理時間を大幅に短縮できるという効果がある。
また、請求項２に記載の発明によれば、モータ固有のモータ回転子慣性モーメントの値およびモータの回転軸ねじりばね定数はモータ機械定数としてモータに組みつけられた検出器内に格納されており、機械を駆動する能力に対応してモータを変更する際においてもモータと同時に変更されるので、モータ固有のモータ機械定数の管理が容易になり間違いもなくなるという効果がある。
更に、モータ機械定数送出手段とモータ機械定数受信手段と間をシリアル信号で通信する場合は、モータ機械定数送出手段とモータ機械定数受信手段と間の通信線の本数が大幅に削減されるので断線などの事故も減少し、信頼性も向上し保守性も向上するという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を説明するブロック線図
【図２】本発明の第２の実施例を説明するブロック線図
【図３】本発明の第３の実施例を説明するフローチャート
【図４】従来の技術を説明するブロック線図
【符号の説明】
１ 追従制御手段
２ フィルタ手段
３ 電流制御手段
４ モータ
５ 検出器
６ 機械
７ モータ機械定数格納手段
８ 機械慣性モーメント取得手段
９ 共振周波数算出手段
１０ フィードバック信号作成手段
１１ モータ機械定数送出手段
１２ モータ機械定数受信手段
２０ モータ機械定数を格納するステップ
２１ モータ機械定数を読み出すステップ
２２ 機械慣性モーメントを取得するステップ
２３ 共振周波数を算出するステップ
２４ フィルタ定数を設定するステップ
３１ 速度指令
３２ ホワイトノイズ生成手段
３３ 速度指令切り替え手段
３４ 速度制御手段
３５ 速度検出手段
３６ フーリエ変換手段
３７ 周波数特性演算手段
３８ モータ
３９ 機械
４０ ロータリエンコーダ

Claims (4)

1. モータの位置または速度に基づいて作成されたフィードバック信号を入力し位置または速度指令に前記フィードバック信号が一致するように制御を行いトルク指令を出力する追従制御手段と、前記トルク指令を入力し設定された周波数の周波数成分を除去または減衰させた電流指令を出力するノッチフィルタまたは前記トルク指令を入力し前記設定された周波数以上の周波数成分を減衰させた前記電流指令を出力するローパスフィルタで構成されたフィルタ手段と、前記電流指令を入力して電流制御を行い駆動電流をモータへ出力する電流制御手段と、モータの位置または速度を検出しモータ位置または速度信号を出力する検出器とを備えたサーボ制御装置において、
   前記サーボ制御装置が駆動する前記モータのモータ回転子慣性モーメントの値とモータ回転軸のねじりばね定数とを格納するモータ機械定数格納手段と、前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値を取得し前記モータのモータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値または前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値をモータ回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値と前記モータ回転子慣性モーメントの値との合成値を取得して前記モータ回転子慣性モーメントの値を差し引いて得た前記モータ回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値を出力する機械慣性モーメント取得手段と、前記モータ回転子慣性モーメントの値と前記モータ回転軸のねじりばね定数と前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値をモータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値とに基づいてねじり共振周波数を算出して前記ねじり共振周波数に基づいたフィルタ定数を前記フィルタ手段に設定する共振周波数算出手段とを備えることを特徴とするサーボ制御装置。
2. 前記モータ機械定数格納手段に格納されている前記モータのモータ回転子慣性モーメントの値と前記モータ回転軸のねじりばね定数とを読み出してモータ機械定数として送出するモータ機械定数送出手段と、そのモータ機械定数を受信して前記共振周波数算出手段に出力するモータ機械定数受信手段とを備え、前記モータ機械定数格納手段と前記モータ機械定数送出手段とは前記検出器に備えることを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
3. モータの位置または速度に基づいて作成されたフィードバック信号を入力し位置または速度指令に前記フィードバック信号が一致するように制御を行いトルク指令を出力する追従制御手段と、前記トルク指令を入力し設定された周波数の周波数成分を除去または減衰させた前記電流指令を前記電流制御手段に出力するノッチフィルタまたは前記トルク指令を入力し前記設定された周波数以上の周波数成分を減衰させた前記電流指令を出力するローパスフィルタで構成されたフィルタ手段と、前記電流指令を入力して電流制御を行い駆動電流をモータへ出力する電流制御手段と、モータの位置または速度を検出しモータ位置または速度信号を出力する検出器とを備えたサーボ制御装置のフィルタ定数を自動設定する方法であって、
   モータ回転子慣性モーメントの値とモータの回転軸ねじりばね定数とを事前にモータ機械定数格納手段に格納するステップと、前記モータ回転子慣性モーメントの値と前記モータの回転軸ねじりばね定数とを読み出すステップと、前記モータが駆動する機械の慣性モーメントをモータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値を取得するステップと、前記モータ回転子慣性モーメントの値と前記モータ回転軸ねじりばね定数と前記モータが駆動する機械の慣性モーメントの値をモータ回転軸に換算した前記機械慣性モーメントの値とに基づいてねじり共振周波数を算出するステップと、前記ねじり共振周波数に基づいたフィルタ定数をフィルタ手段に設定するステップとを備えることを特徴とするサーボ制御装置のフィルタ定数自動設定方法。
4. 前記共振周波数算出手段は、前記モータのモータ回転子慣性モーメントをＪＭ、前記モータが駆動する前記機械の慣性モーメントの値を前記モータ回転軸に換算した機械慣性モーメントの値をＪＬ、前記モータ回転軸のねじりばね定数をＫとしたとき、前記ねじり共振周波数ωを、
   ω＝（Ｋ（１／（ＪＭ）＋１／（ＪＬ）））^１／２
   で計算することを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。

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