JP2006340480A - モータの制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】特別な同定動作や同定信号を必要とせず、通常の動作の最中にパラメータ同定を誰でも直感的に実行することができるモータの制御装置を提供する。
【解決手段】モータ１３および機構部１２を駆動するモータ制御部１１を有する実機部１０と、モータ１３を模擬したモータモデル２３と、機構部１２を模擬した機構モデル部２２と、モータ制御部を模擬した制御モデル部２１とを有するシミュレーション部２０と、実機部１０とシミュレーション部２０の同一状態量の比較結果を作業者に提示する提示部と、作業者が機構モデル部のパラメータを変更するモデルパラメータ変更部とを備えた制御装置とする。
【選択図】図１
【解決手段】モータ１３および機構部１２を駆動するモータ制御部１１を有する実機部１０と、モータ１３を模擬したモータモデル２３と、機構部１２を模擬した機構モデル部２２と、モータ制御部を模擬した制御モデル部２１とを有するシミュレーション部２０と、実機部１０とシミュレーション部２０の同一状態量の比較結果を作業者に提示する提示部と、作業者が機構モデル部のパラメータを変更するモデルパラメータ変更部とを備えた制御装置とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、モータの制御装置に関し、更に詳しく言えば、特にモータを含む機構部のモデルパラメータを同定するモータの制御装置及び制御方法に関する。
モータの制御装置に適用されているモータの制御系のブロック線図を図８に示す。モータ制御系の特性が機構系とモータ含む全体の動作に直接影響するため、制御装置の制御パラメータの調整は極めて重要である。しかし、一般にモータのモデルパラメータである負荷イナーシャ（正確にはモータ回転子イナーシャに機械側負荷イナーシャを加えたもの）は未知であることが多いので、制御パラメータの自動調整を行うためには、負荷イナーシャの値を同定する必要がある。
従来例１としては、モータのモデルパラメータである負荷イナーシャを自動調整する装置として、制御対象、すなわちモータ及び機構部を所定のパターンで加減速する速度パターンを発生する速度指令信号発生部と、この速度指令信号発生部から発生された速度パターンに基づいて制御対象を加減速させて、制御対象の位置を制御する位置制御部及び制御対象の速度を制御する速度制御部と、制御対象の現在位置を観測するエンコーダよりなる観測装置とを備えたものがある。そして、速度指令信号発生部から発生された指令速度が予め設定した所定の速度となった時点の制御対象の指令位置と、観測装置が観測した現在位置との位置偏差に基づいて、制御対象の負荷イナーシャを同定している（特許文献１参照）。
従来例１としては、モータのモデルパラメータである負荷イナーシャを自動調整する装置として、制御対象、すなわちモータ及び機構部を所定のパターンで加減速する速度パターンを発生する速度指令信号発生部と、この速度指令信号発生部から発生された速度パターンに基づいて制御対象を加減速させて、制御対象の位置を制御する位置制御部及び制御対象の速度を制御する速度制御部と、制御対象の現在位置を観測するエンコーダよりなる観測装置とを備えたものがある。そして、速度指令信号発生部から発生された指令速度が予め設定した所定の速度となった時点の制御対象の指令位置と、観測装置が観測した現在位置との位置偏差に基づいて、制御対象の負荷イナーシャを同定している（特許文献１参照）。
また、従来例２としては、モータの回転速度を変えるパターン（ランプ状の速度指令を含む）を発生するテストパターン発生器と、速度制御演算器の積分器への出力を遮断するスイッチと、テストゲインへの切り替えが可能な速度ループゲイン乗算器と、ゲイン調整器を備えたものがある。この制御装置では、モータイナーシャのみの状態での定常速度偏差とモータに負荷イナーシャを付けた状態での定常速度偏差の比から負荷イナーシャを求める（特許文献２参照）。
また、従来例３としては、制御パラメータの調整や負荷イナーシャを同定する際に、サーボ系のシミュレーション部を用い、実際の電流検出値とシミュレーション部における電流検出値からそれぞれの電流面積を計算して比較することで、電動機・機械系モデルのイナーシャ仮定値の修正量を求めることでイナーシャを同定する方法がある（特許文献３参照）。
また、従来例３としては、制御パラメータの調整や負荷イナーシャを同定する際に、サーボ系のシミュレーション部を用い、実際の電流検出値とシミュレーション部における電流検出値からそれぞれの電流面積を計算して比較することで、電動機・機械系モデルのイナーシャ仮定値の修正量を求めることでイナーシャを同定する方法がある（特許文献３参照）。
ところが、前記従来例１では、負荷イナーシャを同定する際に、特別な同定動作を必要とし、通常の動作の最中にパラメータの同定や調整をすることができないという問題がある。これは、専用の動作指令で同定を行っても、実際の作業で使用する動作指令で動作させると発振などが発生する危険性がある。また、精度の面では、モータに重力や摩擦が働く場合、基準となる規範を持たず、位置偏差や速度検出値が影響を受けるため、負荷イナーシャを正確に同定することができないという問題がある。
また同様に、前記従来例２では、特定の同定動作に加えて、積分制御を行っていないので、クーロン摩擦、一定外力などの影響が速度偏差に現れるため、イナーシャ同定値のバラツキや誤差が大きいという問題がある。
更に、モータを含む機構部を設置後は、機構部の周りに複数の周辺機器がある場合があり、負荷イナーシャ同定のための特別な動作のための可動範囲が大きく取れないという問題がある。また、モータ稼動中に機構部の負荷イナーシャが変化する場合には、負荷イナーシャの代表値を用いるか、複数回の同定作業を実行する手間が必要であった。そのため、実際の作業に使用する動作命令を使用して、自動的に同定動作を実施できることが望ましい。また、実際の作業の動作命令を用いる場合、複数のリンクを持つロボットでは作業中の姿勢変化により負荷イナーシャが実時間に変化するため、一定速度の定常偏差では同定できないという問題もある。
また、従来例３では、実機とシミュレーション部の電流波形の面積のみの単純な比較であるため、実機を正確にモデル化したシミュレーションでないと完全に同じ波形にならないという問題があった。例えば、実機側が２慣性系で、シミュレーション側が剛体モデルである場合でも、イナーシャ仮定値の値によっては、電流波形の面積が同じになり、誤ったイナーシャ同定を行う可能性がある。
そこで本発明は、特別な同定動作を必要とせず、重力や動摩擦等の影響も受けずに、通常の動作の最中に、作業中の姿勢変化にも対応して、電動機・機械系モデルが明確になっていない場合でも簡単な波形比較で、パラメータを同定することを目的とする。
また同様に、前記従来例２では、特定の同定動作に加えて、積分制御を行っていないので、クーロン摩擦、一定外力などの影響が速度偏差に現れるため、イナーシャ同定値のバラツキや誤差が大きいという問題がある。
更に、モータを含む機構部を設置後は、機構部の周りに複数の周辺機器がある場合があり、負荷イナーシャ同定のための特別な動作のための可動範囲が大きく取れないという問題がある。また、モータ稼動中に機構部の負荷イナーシャが変化する場合には、負荷イナーシャの代表値を用いるか、複数回の同定作業を実行する手間が必要であった。そのため、実際の作業に使用する動作命令を使用して、自動的に同定動作を実施できることが望ましい。また、実際の作業の動作命令を用いる場合、複数のリンクを持つロボットでは作業中の姿勢変化により負荷イナーシャが実時間に変化するため、一定速度の定常偏差では同定できないという問題もある。
また、従来例３では、実機とシミュレーション部の電流波形の面積のみの単純な比較であるため、実機を正確にモデル化したシミュレーションでないと完全に同じ波形にならないという問題があった。例えば、実機側が２慣性系で、シミュレーション側が剛体モデルである場合でも、イナーシャ仮定値の値によっては、電流波形の面積が同じになり、誤ったイナーシャ同定を行う可能性がある。
そこで本発明は、特別な同定動作を必要とせず、重力や動摩擦等の影響も受けずに、通常の動作の最中に、作業中の姿勢変化にも対応して、電動機・機械系モデルが明確になっていない場合でも簡単な波形比較で、パラメータを同定することを目的とする。
本発明では、上記問題点を解決するため、請求項１記載のモータの制御装置は、モータと、前記モータに接続される機構部と、前記モータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、を有する実機部と、前記モータを模擬したモータモデルと、前記機構部を模擬した機構モデル部と、前記モータ制御部を模擬した制御モデル部と、を有するシミュレーション部と、 前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を作業者に提示する提示部と、作業者が前記機構モデル部のパラメータを変更するモデルパラメータ変更部と、を備えるモータの制御装置とするものである。
請求項２記載のモータの制御装置は、前記シュミレーション部の前記機構モデル部は、バネ定数、慣性、クーロン摩擦及び粘性摩擦係数のうち、１つ以上のモデルパラメータを含んだ多慣性モデルである請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項３記載のモータの制御装置は、前記同一状態量比較は、前記実機部と前記シミュレーション部の、モータへのトルク指令の状態、又は速度応答の状態、又は位置応答の状態で比較する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項４記載のモータの制御装置は、前記機構部と前記機構モデル部とが減速機と負荷からなるとき、前記同一状態量比較は、前記実機部と前記シミュレーション部の、前記減速機より前記負荷側のトルク応答の状態、又は速度応答の状態、又は位置応答の状態で比較する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項５記載のモータの制御装置は、前記提示部は、前記制御装置に設けられた請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項６記載のモータの制御装置は、前記提示部は、前記制御装置にケーブルまたは無線通信を介して接続される操作ペンダントに設けられた請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項７記載のモータの制御装置は、前記モデルパラメータ変更部は、前記提示部の近傍に設けられた回転式調整つまみを回転させることでパラメータを変更できる請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項８記載のモータの制御装置は、前記制御装置または前記操作ペンダントに設けられた前記提示部は、ＧＵＩで構成される請求項５または６記載のモータの制御装置とするものである。
請求項９記載のモータの制御装置は、前記モデルパラメータ変更部は、前記ＧＵＩ画面からパラメータを変更できる請求項８記載のモータの制御装置とするものである。
請求項１０記載のモータの制御装置は、前記提示部は、同一状態量比較の結果の一致度を周波数変換した音声で聴覚提示する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項１１記載のモータの制御装置は、前記提示部は、同一状態量比較の結果の一致度を周波数変換した振動で触覚提示する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項１２記載のモータの制御方法は、モータと、前記モータに接続される機構部と、前記モータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、を有する実機部と、前記モータを模擬したモータモデルと、前記機構部を模擬した機構モデル部と、前記モータ制御部を模擬した制御モデル部と、を有するシミュレーション部と、前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を作業者に提示する提示部と、作業者が前記機構モデル部のパラメータを変更するモデルパラメータ変更部と、を備えるモータ制御装置の制御方法であって、前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を前記提示部で作業者に提示し、作業者が前記モデルパラメータ変更部を操作し、前記結果に基づいて、機構モデル部のパラメータを変更し、前記提示部の結果提示と、前記作業者によるパラメータ変更とを繰り返すことによって、前記機構モデル部のパラメータを同定していくモータ制御装置の制御方法とするものである。
請求項２記載のモータの制御装置は、前記シュミレーション部の前記機構モデル部は、バネ定数、慣性、クーロン摩擦及び粘性摩擦係数のうち、１つ以上のモデルパラメータを含んだ多慣性モデルである請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項３記載のモータの制御装置は、前記同一状態量比較は、前記実機部と前記シミュレーション部の、モータへのトルク指令の状態、又は速度応答の状態、又は位置応答の状態で比較する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項４記載のモータの制御装置は、前記機構部と前記機構モデル部とが減速機と負荷からなるとき、前記同一状態量比較は、前記実機部と前記シミュレーション部の、前記減速機より前記負荷側のトルク応答の状態、又は速度応答の状態、又は位置応答の状態で比較する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項５記載のモータの制御装置は、前記提示部は、前記制御装置に設けられた請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項６記載のモータの制御装置は、前記提示部は、前記制御装置にケーブルまたは無線通信を介して接続される操作ペンダントに設けられた請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項７記載のモータの制御装置は、前記モデルパラメータ変更部は、前記提示部の近傍に設けられた回転式調整つまみを回転させることでパラメータを変更できる請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項８記載のモータの制御装置は、前記制御装置または前記操作ペンダントに設けられた前記提示部は、ＧＵＩで構成される請求項５または６記載のモータの制御装置とするものである。
請求項９記載のモータの制御装置は、前記モデルパラメータ変更部は、前記ＧＵＩ画面からパラメータを変更できる請求項８記載のモータの制御装置とするものである。
請求項１０記載のモータの制御装置は、前記提示部は、同一状態量比較の結果の一致度を周波数変換した音声で聴覚提示する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項１１記載のモータの制御装置は、前記提示部は、同一状態量比較の結果の一致度を周波数変換した振動で触覚提示する請求項１記載のモータの制御装置とするものである。
請求項１２記載のモータの制御方法は、モータと、前記モータに接続される機構部と、前記モータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、を有する実機部と、前記モータを模擬したモータモデルと、前記機構部を模擬した機構モデル部と、前記モータ制御部を模擬した制御モデル部と、を有するシミュレーション部と、前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を作業者に提示する提示部と、作業者が前記機構モデル部のパラメータを変更するモデルパラメータ変更部と、を備えるモータ制御装置の制御方法であって、前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を前記提示部で作業者に提示し、作業者が前記モデルパラメータ変更部を操作し、前記結果に基づいて、機構モデル部のパラメータを変更し、前記提示部の結果提示と、前記作業者によるパラメータ変更とを繰り返すことによって、前記機構モデル部のパラメータを同定していくモータ制御装置の制御方法とするものである。
以上述べたように、本発明によれば、モータと機構部とモータ制御部を模擬したシミュレーション部を実機処理と並列に実行し、実機とシミュレーション部の同一状態量の比較結果を作業者に提示することで、作業者が機構モデルのパラメータを変更することができるので、状態量の一致度合いを簡単に判断できるという効果がある。
また、機構モデル部は多慣性モデルとし、バネ定数、慣性、クーロン摩擦及び粘性摩擦係数をパラメータとしてそれぞれ分離して個々に同定することで、実機の機構が複雑な場合でも作業者の判断を用いて簡単にモデル化でき、モデルに合った振動抑制などの制御アルゴリズムを適用できるという効果がある。
また、実機とシミュレーション部の同一状態量の比較結果は、実機部とシミュレーション部のモータのトルク指令、又は速度応答、又は位置応答とすることで、特に実機側の状態量を加工することなく状態量の比較を行うことができるので、制御装置のＣＰＵ能力に負荷がかからないという効果がある。
また、実機とシミュレーション部の同一状態量の比較結果は、実機部とシミュレーション部の減速機から負荷側のトルク応答、又は速度応答、又は位置応答とすることで、実機の減速機の影響を受けない状態量で比較できるので、より精度の高い同定を行うことができるという効果がある。
また、提示部が制御装置または操作ペンダントに設けられているので、設計に応じて操作性の良いほうの提示部の位置を選択できる。
また、パラメータ変更は、提示部の近傍に設けられた回転式調整つまみによって調整できるので、操作者が容易にパラメータを変更できる。
また、提示部がＧＵＩで構成されているので、実機とシミュレーション部の同一状態量の比較結果を作業者に視覚的に提示でき、また、作業者は状態量の一致度合いを簡単に判断できる。
またモデルパラメータ変更部は、ＧＵＩ画面からパラメータを変更できるので、作業者は現場で作業内容の変更に応じて特別な測定器等を用いずにパラメータの同定を行うことができるという効果がある。
また、比較結果を音声により聴覚提示できるので、作業者が他の作業に視線を向けている場合でも調整作業が行えるという効果がある。
また、比較結果を振動などにより触覚提示できるので、現場の騒音が大きく、作業者が音声を聞き取りにくい場合でも調整作業が行えるという効果がある。
また、機構モデル部は多慣性モデルとし、バネ定数、慣性、クーロン摩擦及び粘性摩擦係数をパラメータとしてそれぞれ分離して個々に同定することで、実機の機構が複雑な場合でも作業者の判断を用いて簡単にモデル化でき、モデルに合った振動抑制などの制御アルゴリズムを適用できるという効果がある。
また、実機とシミュレーション部の同一状態量の比較結果は、実機部とシミュレーション部のモータのトルク指令、又は速度応答、又は位置応答とすることで、特に実機側の状態量を加工することなく状態量の比較を行うことができるので、制御装置のＣＰＵ能力に負荷がかからないという効果がある。
また、実機とシミュレーション部の同一状態量の比較結果は、実機部とシミュレーション部の減速機から負荷側のトルク応答、又は速度応答、又は位置応答とすることで、実機の減速機の影響を受けない状態量で比較できるので、より精度の高い同定を行うことができるという効果がある。
また、提示部が制御装置または操作ペンダントに設けられているので、設計に応じて操作性の良いほうの提示部の位置を選択できる。
また、パラメータ変更は、提示部の近傍に設けられた回転式調整つまみによって調整できるので、操作者が容易にパラメータを変更できる。
また、提示部がＧＵＩで構成されているので、実機とシミュレーション部の同一状態量の比較結果を作業者に視覚的に提示でき、また、作業者は状態量の一致度合いを簡単に判断できる。
またモデルパラメータ変更部は、ＧＵＩ画面からパラメータを変更できるので、作業者は現場で作業内容の変更に応じて特別な測定器等を用いずにパラメータの同定を行うことができるという効果がある。
また、比較結果を音声により聴覚提示できるので、作業者が他の作業に視線を向けている場合でも調整作業が行えるという効果がある。
また、比較結果を振動などにより触覚提示できるので、現場の騒音が大きく、作業者が音声を聞き取りにくい場合でも調整作業が行えるという効果がある。
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図２は本発明の制御装置を用いた具体的実施例を表すシステム構成図である。図２において、41はロボット、42はロボットのツール、43は本発明の制御装置、44は操作者がロボット41の操作を行うための操作ペンダントである。また、45は操作ペンダントのＧＵＩ画面、46は調整ボリュームを示している。本制御装置は、図２のように、一般的に複数のモータによって駆動されるロボットなどに使用されるが、ここでは、説明の簡略化のため、本制御装置で駆動するモータは１個とし、前記モータに接続される機構部は減速機を介した単純な円筒形状の負荷とする。
図１は、本発明の制御装置の具体的実施例を表す第１のブロック図である。図１において、実機部10は、機構部12と、機構部12に接続された前記モータ13と、前記モータ13を制御するモータ制御部11で構成されている。シミュレーション部20は、前記モータ13を模擬したモータモデル23と、前記機構部12を模擬した機構モデル部22と、前記モータ制御部11を模擬した制御モデル部21で構成されている。
制御装置43におけるモータを制御する装置内で、前記実機部10及び前記シミュレーション部20は並列に配置されており、それぞれ上位コントローラから同一の指令を入力とする。モータ制御部11及び制御モデル部21では、入力された指令に応じて機構部12及び機構モデル部22を制御するためのトルク指令を、それぞれモータ13及びモータモデル23に出力する。ここで、上位コントローラから入力される同一の指令は、実際の作業で使用する動作指令であり、予め記憶されたパターンを再生して用いても良いし、ＣＡＤデータなどから自動的に作成する方法でも良い。予め記憶されたパターンを使用すると、パターン作成時点で周辺機器との干渉を回避してあるため、同定動作中に周辺機器との衝突がない。
図１は、本発明の制御装置の具体的実施例を表す第１のブロック図である。図１において、実機部10は、機構部12と、機構部12に接続された前記モータ13と、前記モータ13を制御するモータ制御部11で構成されている。シミュレーション部20は、前記モータ13を模擬したモータモデル23と、前記機構部12を模擬した機構モデル部22と、前記モータ制御部11を模擬した制御モデル部21で構成されている。
制御装置43におけるモータを制御する装置内で、前記実機部10及び前記シミュレーション部20は並列に配置されており、それぞれ上位コントローラから同一の指令を入力とする。モータ制御部11及び制御モデル部21では、入力された指令に応じて機構部12及び機構モデル部22を制御するためのトルク指令を、それぞれモータ13及びモータモデル23に出力する。ここで、上位コントローラから入力される同一の指令は、実際の作業で使用する動作指令であり、予め記憶されたパターンを再生して用いても良いし、ＣＡＤデータなどから自動的に作成する方法でも良い。予め記憶されたパターンを使用すると、パターン作成時点で周辺機器との干渉を回避してあるため、同定動作中に周辺機器との衝突がない。
視覚提示部31では、実機部10とシミュレーション部20におけるモータ制御部11と制御モデル部21の同一状態量（例えば、位置偏差や速度フィードバックなど）を、または、機構部12と前記機構モデル部22の同一状態量（例えば、位置フィードバックなど）を比較して、状態量比較値を作成する。ここで、状態量比較値は、状態量の連続的なデータであり、制御装置43に接続された操作ペンダント44のＧＵＩ画面45上に時系列データとして表示される。作業者32はＧＵＩ画面45上の状態量比較値の時系列データを見て、実機とシミュレーションの状態量が一致しているかを判断する。その後、必要に応じて前記操作ペンダント44に配置された調整ボリューム46を廻す事でシミュレーション部20の現在選択されているモデルのパラメータ値を調整する。
パラメータ値の調整手順としては、モータが1個で機構部が２慣性モデルである場合では、モータのモータロータのイナーシャＪｍは既知として、機構部のイナーシャＪＬと減速機のバネ定数Ｋを同定する。同定手順としては、機構モデル部を低次数のモデルから高次数のモデルへ変更することで同定を行う。例えば、始めに機構部のイナーシャＪＬとモータロータのイナーシャＪｍを併せて、低次数のモデルとして剛体モデルＪ＝ＪＬ＋Ｊｍを求めることで、機構部のイナーシャＪＬを同定する。次に、機構部のイナーシャＪＬとモータロータイナーシャＪｍを分離して２慣性の高次数のモデルとして、減速機のバネ定数Ｋを求める。また、同定精度の要求が高い場合には、実機部とシミュレーション部で差異を無くすため、重力や摩擦の補償を行う。以下では、粘性摩擦を同定する過程を説明する。
ここで、前記ＧＵＩ画面45は前記操作ペンダント上ではなく、制御装置43に直接接続されていても良く、また制御装置43とネットワークを介して遠隔に接続されていても良い。
また、調整ボリューム46は物理的に回転できるものではなく、現在からの大小の状態を入力できる入力装置であれば良く、他に例えばスライダや大小ボタンであっても良い。
また、波形の一致度を数値で前記ＧＵＩ画面46上に表示して、作業者が判断する際の情報としても良い。
また、モータが複数接続されるロボット等の機械装置の場合には、前記状態量比較値を直交座標値に変換した値も選択しても良い。
ここで、前記ＧＵＩ画面45は前記操作ペンダント上ではなく、制御装置43に直接接続されていても良く、また制御装置43とネットワークを介して遠隔に接続されていても良い。
また、調整ボリューム46は物理的に回転できるものではなく、現在からの大小の状態を入力できる入力装置であれば良く、他に例えばスライダや大小ボタンであっても良い。
また、波形の一致度を数値で前記ＧＵＩ画面46上に表示して、作業者が判断する際の情報としても良い。
また、モータが複数接続されるロボット等の機械装置の場合には、前記状態量比較値を直交座標値に変換した値も選択しても良い。
次に図３、図４及び図５を用いて、各処理の作業フローを説明する。
先ず、作業者は制御装置43により実機のモータ13を動作させる（Ｓ１）。その際に実機の各部分の状態量（例えば、図４(b)に示す実機部の速度応答と図４(c)に示す実機部のトルク指令など）を視覚提示部31内にある図示しない状態量記憶部311に記憶する（Ｓ２）。ここでは、図４(a)に示す位置指令を入力することで、図４(c)に示す実機部のトルク指令を記憶するものとする。
次に、図４(a)に示す実機を動作させたものと同一の指令をシミュレーション部20に入力することで、各部分の状態量（例えば、図４(b)に示すシミュレーション部の速度応答と図４(c)に示すシミュレーション部のトルク指令など）を視覚提示部31内にある状態量記憶部311に記憶する（Ｓ３）。ここでは、図４(c)に示すシミュレーション部のトルク指令を記憶するものとする。
次に、視覚提示部31内で、前記状態量記憶部311に記憶された実機とシミュレーションのトルク指令の比較値を作成する（Ｓ４）。ここでの比較値とは、図４(c)に示すようにトルク指令の時系列データを指令の同一開始時間に合わせて並べたものである。
先ず、作業者は制御装置43により実機のモータ13を動作させる（Ｓ１）。その際に実機の各部分の状態量（例えば、図４(b)に示す実機部の速度応答と図４(c)に示す実機部のトルク指令など）を視覚提示部31内にある図示しない状態量記憶部311に記憶する（Ｓ２）。ここでは、図４(a)に示す位置指令を入力することで、図４(c)に示す実機部のトルク指令を記憶するものとする。
次に、図４(a)に示す実機を動作させたものと同一の指令をシミュレーション部20に入力することで、各部分の状態量（例えば、図４(b)に示すシミュレーション部の速度応答と図４(c)に示すシミュレーション部のトルク指令など）を視覚提示部31内にある状態量記憶部311に記憶する（Ｓ３）。ここでは、図４(c)に示すシミュレーション部のトルク指令を記憶するものとする。
次に、視覚提示部31内で、前記状態量記憶部311に記憶された実機とシミュレーションのトルク指令の比較値を作成する（Ｓ４）。ここでの比較値とは、図４(c)に示すようにトルク指令の時系列データを指令の同一開始時間に合わせて並べたものである。
次に、図５に示すように、前記トルク指令の比較値を操作ペンダント44のＧＵＩ画面45上に提示する（Ｓ５）。作業者は、ＧＵＩ画面45上に提示されたトルク指令の時系列データを比較することで、シミュレーション部の機構モデル部22が実機と同じであるかを判断する（Ｓ６）。波形が一致している場合には、同定作業は終了する。波形が一致していない場合には、機構モデル部22のパラメータを同定する。
同定するパラメータとしては、機構モデル部22が多慣性モデルであるため、その慣性間のバネ定数や、慣性や、減速機などに作用するクーロン摩擦及び粘性摩擦係数などである。これらの項目はＧＵＩ画面45に表示され、作業者はＧＵＩ画面45から１つのパラメータを選択する。例えば、ここでの同定パラメータを、粘性摩擦係数とする。作業者は操作ペンダント44に配置された調整ボリューム46を回転させることで、粘性摩擦係数を連続的に変化させる。この変化に応じて再度、Ｓ３からＳ５までが実行され、ＧＵＩ画面45上のトルク指令の比較値が更新される。このとき、同定するためのパラメータを１つ絞ることで、作業者がパラメータ変化による波形変化の傾向を掴み易くなる。
同定するパラメータとしては、機構モデル部22が多慣性モデルであるため、その慣性間のバネ定数や、慣性や、減速機などに作用するクーロン摩擦及び粘性摩擦係数などである。これらの項目はＧＵＩ画面45に表示され、作業者はＧＵＩ画面45から１つのパラメータを選択する。例えば、ここでの同定パラメータを、粘性摩擦係数とする。作業者は操作ペンダント44に配置された調整ボリューム46を回転させることで、粘性摩擦係数を連続的に変化させる。この変化に応じて再度、Ｓ３からＳ５までが実行され、ＧＵＩ画面45上のトルク指令の比較値が更新される。このとき、同定するためのパラメータを１つ絞ることで、作業者がパラメータ変化による波形変化の傾向を掴み易くなる。
ここでは、図６(a)に示すように、調整ボリューム46を粘性摩擦係数が大きくなる方向に回転させることで、シミュレーション部のトルク指令は矢印の方向に大きくなり、実機部のトルク指令と大きさとしては一致するようになる。
しかし、図６(a)のように等速動作時の振動周期は一致していない。そのため、次に作業者はパラメータ同定にバネ定数を選択し、粘性摩擦係数と同様に、調整ボリューム46を回転させることで、バネ定数を連続的に変化させて、作業者が波形の一致度を判断しながら、バネ定数の同定作業を進める。その結果、図６(b)に示すように、実機とシミュレーションのトルク指令の波形は完全に一致する。
しかし、図６(a)のように等速動作時の振動周期は一致していない。そのため、次に作業者はパラメータ同定にバネ定数を選択し、粘性摩擦係数と同様に、調整ボリューム46を回転させることで、バネ定数を連続的に変化させて、作業者が波形の一致度を判断しながら、バネ定数の同定作業を進める。その結果、図６(b)に示すように、実機とシミュレーションのトルク指令の波形は完全に一致する。
以上により、実機とシミュレーションの比較結果を作業者に視覚提示することで、作業者の直感的な判断を利用して、パラメータ同定を行うことができる。
また、後述するようにシミュレーション部20は演算量が少ないため、調整ボリューム46の回転によるパラメータの変化に合わせて、リアルタイムにＧＵＩ画面４５上での波形比較の更新が可能である。そのため、著しく大きな値や小さな値に飛んで設定したりすることは作業者の判断により回避できるため、無駄な時間を費やすこともない。
また、視覚提示以外にも、図示しないが、波形の比較結果の一致度を数値化し、周波数などに変換することで音声として聴覚提示する方法や、振動などに変換して触覚提示する方法も可能である。
また、後述するようにシミュレーション部20は演算量が少ないため、調整ボリューム46の回転によるパラメータの変化に合わせて、リアルタイムにＧＵＩ画面４５上での波形比較の更新が可能である。そのため、著しく大きな値や小さな値に飛んで設定したりすることは作業者の判断により回避できるため、無駄な時間を費やすこともない。
また、視覚提示以外にも、図示しないが、波形の比較結果の一致度を数値化し、周波数などに変換することで音声として聴覚提示する方法や、振動などに変換して触覚提示する方法も可能である。
次に、具体的なシミュレーション部20の構成を説明する。機構モデル22を図７に示す２慣性系とすると、シミュレーション部の演算は、以下の（式１）〜（式５）で演算できる。（式１）は、実機のモータ制御部11で演算するソフトウェアと同じ演算で良く、制御パラメータも同じで良いため、複雑な解析アルゴリズムが不要である。
Trefm= J×Kv×( Kp×(θref − θfbm ) − θ'fbm)・・・（式１）
ここで、各記号は以下のとおりである。
Trefm：モデルトルク指令
Ｊ：モータのロータイナーシャ＋機構部のイナーシャ（減速機を含む）
Kv：速度ループゲイン
Kp：位置ループゲイン
θref：指令生成部11から位置指令（実機入力データ）
θfbm：モデル位置応答（モデル出力データ）
θ'fbm：モデル速度応答
ここで、各記号は以下のとおりである。
Trefm：モデルトルク指令
Ｊ：モータのロータイナーシャ＋機構部のイナーシャ（減速機を含む）
Kv：速度ループゲイン
Kp：位置ループゲイン
θref：指令生成部11から位置指令（実機入力データ）
θfbm：モデル位置応答（モデル出力データ）
θ'fbm：モデル速度応答
θ'fbm -= Σ｛ dt ×（Trefm−Ｋ×（θfbm−Ｘfbm）） ／ Jm ｝・・・（式２）
ここで、各記号は以下のとおりである。
Σ：積分
dt：演算周期時間
Ｋ：減速器バネ定数
Ｘfbm：モデルメカ位置応答
Jm：モータのロータイナーシャ
ここで、各記号は以下のとおりである。
Σ：積分
dt：演算周期時間
Ｋ：減速器バネ定数
Ｘfbm：モデルメカ位置応答
Jm：モータのロータイナーシャ
θfbm = Σ( dt ×θ'fbm )・・・（式３）
Ｘ’fbm -= Σ｛ dt × Ｋ×（θfbm−Ｘfbm） ／ JL ｝・・・（式４）
ここで、各記号は以下のとおりである。
Ｘ’fbm：モデルメカ速度応答
JL：機構部のイナーシャ（減速機を含む）
ここで、各記号は以下のとおりである。
Ｘ’fbm：モデルメカ速度応答
JL：機構部のイナーシャ（減速機を含む）
Ｘfbm = Σ( dt ×Ｘ’fbm )・・・（式５）
以上の式を解くことで、実機部10と同一の状態量をシミュレーション部20でも得ることができる。また、図示しないが、実機部の減速機から負荷側にトルクセンサや加速度センサを配置することで、実機の負荷側の状態量（負荷側トルク指令や負荷側速度応答や負荷側位置応答など）も得ることができ、これらの状態量でパラメータ同定を行うことで、より同定精度を上げることができる。
本発明は、実機を模擬したシミュレーションを用い、同一指令を入力して内部状態量を作業者に視覚提示して一致度を判断させることで、簡単にシミュレーションモデルのパラメータ同定を行えるので、シミュレーション部の理想応答に実機部の実機応答を合わせるように
実機側のパラメータを調整する実機パラメータ調整という用途にも適用できる。
実機側のパラメータを調整する実機パラメータ調整という用途にも適用できる。
１０：実機部
１１：モータ制御部
１２：機構部
１３：モータ
２０：シミュレーション部
２１：制御モデル部
２２：機構モデル部
２３：モータモデル
３１：視覚提示部
３２：作業者
３３：モデルパラメータ調整部
４１：ロボット
４２：ツール
４３：制御装置
４４：操作ペンダント
４５：ＧＵＩ画面
４６：調整ボリューム
１１：モータ制御部
１２：機構部
１３：モータ
２０：シミュレーション部
２１：制御モデル部
２２：機構モデル部
２３：モータモデル
３１：視覚提示部
３２：作業者
３３：モデルパラメータ調整部
４１：ロボット
４２：ツール
４３：制御装置
４４：操作ペンダント
４５：ＧＵＩ画面
４６：調整ボリューム
Claims (12)
- モータと、前記モータに接続される機構部と、前記モータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、を有する実機部と、
前記モータを模擬したモータモデルと、前記機構部を模擬した機構モデル部と、前記モータ制御部を模擬した制御モデル部と、を有するシミュレーション部と、
前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を作業者に提示する提示部と、
作業者が前記機構モデル部のパラメータを変更するモデルパラメータ変更部と、を備えることを特徴とするモータの制御装置。 - 前記シミュレーション部の前記機構モデル部は、バネ定数、慣性、クーロン摩擦及び粘性摩擦係数のうち、１つ以上のモデルパラメータを含んだ多慣性モデルであることを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- 前記同一状態量比較は、前記実機部と前記シミュレーション部の、モータへのトルク指令の状態、又は速度応答の状態、又は位置応答の状態で比較することを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- 前記機構部と前記機構モデル部とが減速機と負荷からなるとき、前記同一状態量比較は、前記実機部と前記シミュレーション部の、前記減速機より前記負荷側のトルク応答の状態、又は速度応答の状態、又は位置応答の状態で比較することを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- 前記提示部は、前記制御装置に設けられたことを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- 前記提示部は、前記制御装置にケーブルまたは無線通信を介して接続される操作ペンダントに設けられたことを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- 前記モデルパラメータ変更部は、前記提示部の近傍に設けられた回転式調整つまみを回転させることでパラメータを変更できることを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- 前記制御装置または前記操作ペンダントに設けられた前記提示部は、ＧＵＩで構成されることを特徴とする請求項５または６記載のモータの制御装置。
- 前記モデルパラメータ変更部は、前記ＧＵＩ画面からパラメータを変更できることを特徴とする請求項８記載のモータの制御装置。
- 前記提示部は、同一状態量比較の結果の一致度を周波数変換した音声で聴覚提示することを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- 前記提示部は、同一状態量比較の結果の一致度を周波数変換した振動で触覚提示することを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
- モータと、前記モータに接続される機構部と、前記モータを指令に基づいて駆動するモータ制御部と、を有する実機部と、
前記モータを模擬したモータモデルと、前記機構部を模擬した機構モデル部と、前記モータ制御部を模擬した制御モデル部と、を有するシミュレーション部と、
前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を作業者に提示する提示部と、
作業者が前記機構モデル部のパラメータを変更するモデルパラメータ変更部と、を備えるモータ制御装置の制御方法であって、
前記実機部と前記シミュレーション部の同一状態量比較の結果を前記提示部で作業者に提示し、
作業者が前記モデルパラメータ変更部を操作し、前記結果に基づいて、機構モデル部のパラメータを変更し、
前記提示部の結果提示と、前記作業者によるパラメータ変更とを繰り返すことによって、
前記機構モデル部のパラメータを同定していくことを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
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|---|---|---|---|
| JP2005161296A JP2006340480A (ja) | 2005-06-01 | 2005-06-01 | モータの制御装置及び制御方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101141670B1 (ko) | 2010-12-21 | 2012-05-04 | 자동차부품연구원 | Ｍｃｕ 실시간 고장진단 처리시스템 및 그 방법 |
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-
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- 2005-06-01 JP JP2005161296A patent/JP2006340480A/ja not_active Abandoned
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