JP2007122575A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常発生時に、多くの記憶領域を必要とせず、簡単な判断で異常原因が制御装置のどの部分にあるかを迅速、正確、安全に特定できるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】速度指令を入力して速度及び電流制御を模擬し、模擬駆動電流を出力する速度・電流制御模擬部１５と、駆動電流を入力してモータの動作を模擬し、模擬モータ位置を出力するモータ動作模擬部１６と、モータ位置を入力し、モータ位置が正常な状態か否かを判断するモータ位置診断部１７と、模擬モータ位置を入力し、模擬モータ位置が正常な状態か否かを判断する模擬モータ位置診断部１９と、モータ位置と模擬モータ位置を入力し、モータ位置と模擬モータ位置のいずれかを位置フィードバック信号として出力するフィードバック信号切り替え部１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にロボットや工作機械などを駆動するモータ制御装置に関し、特に、異常発生後に異常原因の診断を行うモータ制御装置に関する。

従来のモータ制御装置は、異常時の波形とシミュレーション波形が同一となるように探索を行い、データテーブルを利用して異常箇所の特定を行っている（例えば、特許文献１参照）。
図３は、従来技術を示すモータ制御装置のブロック図である。
図３において、３１はサーボアンプ、３２はロボット本体、３３はコントローラ、３４は異常診断部、３５は波形原因解析部である。サーボアンプ３１は、ロボット本体３２を駆動する位置指令、速度指令、位置フィードバック、電流値などを記憶する。コントローラ３３は、サーボアンプ３１に位置指令を送るとともに、サーボアンプ３１から診断に必要な情報を受け取る。
異常診断部３４が異常の発生を検出すると、波形原因解析部３５が異常時の波形とシミュレーション波形が同一となるようなシミュレーションパラメータを探索し、予め記憶されたシミュレーションパラメータと異常原因の関連データテーブルから異常原因を推定することで、異常原因の診断を行う。
このように、従来のモータ制御装置は、異常原因の診断時に異常時の波形とシミュレーション波形が同一となるように探索を行い、データテーブルを利用して異常原因を推定するのである。
特開平６−３４４２９３号公報（第２−３頁、第１図）

しかしながら、従来のモータ制御装置は、異常時の波形とシミュレーション波形が同一となるように探索を行う際、シミュレータが異常時の波形を再現できない場合は、制御装置のどの部分に異常があるかを特定できない。また、データテーブルに用いる多くの記憶領域が必要であるという問題があった。
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、異常発生時に多くの記憶領域を用いることなく、簡単な判断で異常原因が制御装置のどの部分にあるかを迅速、正確、安全に特定できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、モータの位置を検出してモータ位置を出力する検出器と、前記モータ位置に基づいて作成された位置フィードバック信号を入力し、位置指令に前記位置フィードバック信号が一致するように位置制御を行い、速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令を入力し、前記速度指令にモータ速度が一致するように駆動電流を前記モータへ出力する速度・電流制御部と、を備えたモータ制御装置において、前記速度指令を入力し、模擬駆動電流を計算して出力する速度・電流制御模擬部と、前記モータの回転子慣性モーメントまたは可動子質量と前記モータが駆動している負荷の慣性モーメントを前記モータの回転軸に換算した慣性モーメントまたはモータ１３が駆動している負荷の質量との和、前記モータのトルク定数、前記模擬駆動電流、に基づいて模擬モータ位置を計算するモータ動作模擬部と、前記モータ位置を入力し、前記モータ位置と予め設定した第１の評価関数とを比較することにより前記モータの動作が正常な状態か否かを判断してフィードバック切り替え信号を作成するモータ位置診断部と、前記模擬モータ位置を入力し、前記模擬モータ位置と予め設定した第２の評価関数とを比較することにより模擬したモータの動作が正常な状態か否かを判断する模擬モータ位置診断部と、前記モータ位置と前記模擬モータ位置を入力し、前記フィードバック切り替え信号の状態によって、前記モータ位置と前記模擬モータ位置のいずれかを前記位置フィードバック信号として出力するフィードバック信号切り替え部と、を備えることを特長とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記フィードバック信号切り替え部は、前記モータ位置診断部において前記モータ位置が正常と判定されたときは前記モータ位置を前記位置フィードバック信号として出力し、前記モータ位置が異常と判定されたときには、前記模擬モータ位置を前記位置フィードバック信号として出力することを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記モータ位置診断部において前記モータ位置が異常と判定された際、前記模擬モータ位置診断部は、前記模擬モータ位置を異常と判定した場合は前記位置制御部に異常原因があると判断し、前記模擬モータ位置を正常と判定した場合は前記位置制御部以外に異常原因があると判断することを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記速度・電流制御部は、前記モータ位置診断部において前記モータ位置が異常と判定された際、前記モータの運転を停止することを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記モータ位置診断部は、前記モータ位置を入力し、前記モータ位置を加工したデータと予め設定した第１の評価関数とを比較することにより前記モータの動作が正常な状態か否かを判断してフィードバック切り替え信号を作成するものであり、前記模擬モータ位置診断部は、前記模擬モータ位置を入力し、前記模擬モータ位置を加工したデータと予め設定した第２の評価関数とを比較することにより模擬したモータの動作が正常な状態か否かを判断するものであることを特徴とするものである。

請求項１または５に記載の発明によると、メカ部や速度・電流制御部を部分的にモデル化したシミュレータのシミュレーション結果を診断することができ、特別な装置や大きな記憶領域を用いることなく、安全に異常診断を行うことができる。

また、請求項２に記載の発明によると、異常発生時に、速やかにモータ動作部を模擬したシミュレーションによる診断を実行することができ、特別な装置や大きな記憶領域を用いることなく、より迅速かつ正確な異常診断を行うことができる。

また、請求項３に記載の発明によると、異常発生の原因が前記位置制御部にあるか否かを判断することができ、特別な装置や大きな記憶領域を用いることなく異常発生箇所の迅速な特定を行うことができる。

また、請求項４に記載の発明によると、異常状態においてモータを停止させるため、安全な状態で異常診断を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例を示すモータ制御装置のブロック図である。図１において、１１は位置制御部、１２は速度・電流制御部、１３はモータ、１４は検出器、１５は速度・電流制御模擬部、１６はモータ動作模擬部、１７はモータ位置診断部、１８はフィードバック信号切り替え部、１９は模擬モータ位置診断部である。また、Ｐｆｂは位置フィードバック信号、Ｐｆｂｒはモータ位置、Ｐｆｂｍは模擬モータ位置、Ｖｒｅｆ
は速度指令、ｉｑは駆動電流、ｉｑｍは模擬駆動電流、ＳｗＰｆｂはフィードバック切り替え信号である。
本発明の特徴とする点は以下のとおりである。
すなわち、本発明のモータ制御装置は、速度指令Ｖｒｅｆを入力して速度及び電流制御を模擬し、模擬駆動電流ｉｑｍを出力する速度・電流制御模擬部１５と、模擬駆動電流ｉｑｍを入力してモータ１３の動作を模擬し、模擬モータ位置Ｐｆｂｍを出力するモータ動作模擬部１６と、モータ位置Ｐｆｂｒを入力し、モータ位置Ｐｆｂｒが正常な状態か否かを判断するモータ位置診断部１７と、模擬モータ位置Ｐｆｂｍを入力し、模擬モータ位置Ｐｆｂｍが正常な状態か否かを判断する模擬モータ位置診断部１９と、モータ位置Ｐｆｂｒと模擬モータ位置Ｐｆｂｍを入力し、モータ位置Ｐｆｂｒと模擬モータ位置Ｐｆｂｍのいずれかを位置フィードバック信号Ｐｆｂとして出力するフィードバック信号切り替え部１８と、を備えるようにしている点である。

以下、本発明における各構成要素の動作について図１を用いて説明する。
位置制御部１１は、位置フィードバック信号Ｐｆｂを入力し、予め定められた、または時々刻々変化する位置指令と位置フィードバック信号Ｐｆｂが一致するよう位置制御を行い速度指令Ｖｒｅｆを出力する。速度・電流制御部１２は、速度指令Ｖｒｅｆを入力してこれに応じた駆動電流ｉｑを出力してモータ１３を駆動する。検出器１４は、モータ位置Ｐｆｂｒを検出して出力する。速度・電流制御模擬部１５は、モータ１３の電気特性に合わせて模擬した数式または等価回路またはブロック図などを、速度・電流制御部１２と同等の処理を行い模擬駆動電流ｉｑｍを計算して出力する。モータ動作模擬部１６は、模擬駆動電流ｉｑｍを入力し、モータ動作を模擬する数式または等価回路またはブロック図などにより、模擬モータ位置Ｐｆｂｍを計算して出力する。
モータ動作を模擬する数式の最も簡単な例として、以下に示す式（１）がある。
いま、モータ１３の回転子慣性モーメントまたは可動子質量とモータ１３が駆動している負荷の慣性モーメントをモータ１３の回転軸に換算した慣性モーメントまたはモータ１３が駆動している負荷の質量との和をJ、モータ１３のトルク定数をΦとするとき、
Ｐｆｂｍ＝∫（Φ・ｉｑ／J） 式（１）
とする。式（１）において∫は時間積分を表す。
また、もっと高い精度のモータ動作の模擬が要求される場合は、モータの種類やモータの駆動する負荷などの条件を加味して数式または等価回路またはブロック図などを改良してもよい。
モータ位置診断部１７は、モータ位置Ｐｆｂｒを入力し、そのモータ位置が通常の動作の範囲内か否かを、常時またはサンプリングして監視し、モータ１３の動作が正常か否かを判定してフィードバック切り替え信号ＳｗＰｆｂを出力する。
最も簡略化した判定方法として、モータ位置Ｐｆｂｒの絶対値と通常の動作では到達しないと考えられる高い値に予め設定した閾値Ｐｆｂｍａｘと比較する方法がある。
いま、動作説明の都合上、｜Ｐｆｂｒ｜≧Ｐｆｂｍａｘとなる場合は異常状態と判断してフィードバック信号切り替え信号ＳｗＰｆｂをＬｏとし、それ以外の場合は正常と判断してフィードバック信号切り替え信号ＳｗＰｆｂをＨｉとすると定義する。
また、別の判定方法として、モータ位置Ｐｆｂｒが異常か否かの判断を、例えば位置指令値の±２０％以内とするなど、位置指令の関数を閾値に設定する方法や、モータ位置Ｐｆｂｒに対して高速フーリエ変換を行って特定周波数におけるパワースペクトルに閾値を設けるなどの方法もある。
フィードバック信号切り替え部１８は、フィードバック信号切り替え信号ＳｗＰｆｂに基づいて位置フィードバック信号Ｐｆｂを出力する。すなわち、フィードバック信号切り替え部１８は、フィードバック信号切り替え信号ＳｗＰｆｂがＨｉであればモータ位置Ｐｆｂｒを出力し、フィードバック信号切り替え信号ＳｗＰｆｂがＬｏであれば模擬モータ位置Ｐｆｂｍを出力する。
模擬モータ位置診断部１９は、模擬モータ位置Ｐｆｂｍを入力し、その模擬モータ位置が通常の動作の範囲内か否かを、常時またはサンプリングして監視し、模擬したモータの動作が正常か否かを判定する。判定方法は、モータ位置診断部１７と同様の方法がある。
模擬モータ位置診断部１９は、自身の判断に基づいて何らかの方法で警報を出す。
また、速度・電流制御部１２は、フィードバック信号切り替え信号ＳｗＰｆｂがＬｏであれば駆動電流ｉｑを常時ゼロにしてモータを非常停止する。なお、駆動電流ｉｑをゼロにする代わりに速度指令Ｖｒｅｆをゼロにしてもよい。その際、異常原因を見つけるため、位置制御部１１および速度・電流制御部１２は動作を継続する。

次に、模擬モータ位置診断部１９において異常を診断する一つの例について、図を用いてその手順を説明する。
図２は、本発明のモータ制御装置における模擬モータ位置診断部１９の内部の処理を示すフローチャートである。図２において、Ｓに続く数値はステップ番号を示す。ステップＳ１９１では模擬モータ位置Ｐｆｂｍを入力する。ステップＳ１９２ではＰｆｂｍの絶対値と閾値Ｐｆｂｍａｘと比較し、|Ｐｆｂｍ|≧Ｐｆｂｍａｘとなる場合はステップＳ１９３へ進み、それ以外はステップＳ１９４へ進む。ステップＳ１９３では位置制御部１１に異常原因がある旨の警報を発し、ステップＳ１９４では位置制御部１１以外に異常原因がある旨の警報を発する。なお、モータ位置診断部１７と模擬モータ位置診断部１９内の異常診断に用いる閾値は互いに違ってもよい。また、モータ位置診断部１７同様、模擬モータ位置Ｐｆｂｍが異常か否かの判断を、例えば位置指令値の±２０％以内とするなど、位置指令の関数を閾値に設定する方法や、模擬モータ位置Ｐｆｂｍに対して高速フーリエ変換を行って特定周波数におけるパワースペクトルに閾値を設けるなどの方法を使ってもよい。

以上述べたように、本発明は、メカ部や速度・電流制御部１２を部分的にモデル化したシミュレータのシミュレーション結果を診断する構成をしているので、異常発生時に、簡単な判断で異常原因が制御装置のどの部分にあるかを特定でき、かつ多くの記憶領域を必要としないモータ制御装置を提供することができる。

本発明は、フィードバック切り替え信号を手動で切り替え可能とすることで、任意の時間に異常診断することができるので、定期点検などの用途にも適用できる。
また、位置指令診断部を外部に設けることによって遠隔地からでも異常診断することができるので、リモートメンテナンスなどの用途にも適用できる。

本発明の実施例を示すモータ制御装置のブロック図 本発明のモータ制御装置における模擬モータ位置診断部１９の内部の処理を示すフローチャート 従来技術を示すモータ制御装置のブロック図

符号の説明

１１ 位置制御部
１２ 速度・電流制御部
１３ モータ
１４ 検出器
１５ 速度・電流制御模擬部
１６ モータ動作模擬部
１７ モータ位置診断部
１８ フィードバック信号切り替え部
１９ 模擬モータ位置診断部
３１ サーボアンプ
３２ ロボット本体
３３ コントローラ
３４ 故障診断部
３５ 波形原因解析部
Ｐｆｂ 位置フィードバック信号
Ｐｆｂｒ モータ位置
Ｐｆｂｍ 模擬モータ位置
Ｖｒｅｆ 速度指令
ｉｑ 駆動電流
ｉｑｍ 模擬駆動電流
ＳｗＰｆｂ フィードバック切り替え信号

Claims (5)

1. モータ（１３）の位置を検出してモータ位置（Ｐｆｂｒ）を出力する検出器（１４）と、
   前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）に基づいて作成された位置フィードバック信号（Ｐｆｂ）を入力し、位置指令に前記位置フィードバック信号（Ｐｆｂ）が一致するよう位置制御を行い、速度指令（Ｖｒｅｆ）を出力する位置制御部（１１）と、
   前記速度指令（Ｖｒｅｆ）を入力し、前記速度指令（Ｖｒｅｆ）にモータ速度が一致するように駆動電流（ｉｑ）を前記モータ（１３）へ出力する速度・電流制御部（１２）と、
   を備えたモータ制御装置において、
   前記速度指令（Ｖｒｅｆ）を入力し、模擬駆動電流（ｉｑｍ）を計算して出力する速度・電流制御模擬部（１５）と、
   前記モータ（１３）の回転子慣性モーメントまたは可動子質量と前記モータ（１３）が駆動している負荷の慣性モーメントを前記モータ（１３）の回転軸に換算した慣性モーメントまたはモータ１３が駆動している負荷の質量との和（Ｊ）、前記モータ（１３）のトルク定数（Φ）、前記模擬駆動電流（ｉｑｍ）、に基づいて模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を計算するモータ動作模擬部（１６）と、
   前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）を入力し、前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）と予め設定した第１の評価関数とを比較することにより前記モータ（１３）の動作が正常な状態か否かを判断してフィードバック切り替え信号（ＳｗＰｆｂ）を作成するモータ位置診断部（１７）と、
   前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を入力し、前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）と予め設定した第２の評価関数とを比較することにより模擬したモータの動作が正常な状態か否かを判断する模擬モータ位置診断部（１９）と、
   前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）と前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を入力し、前記フィードバック切り替え信号（ＳｗＰｆｂ）の状態によって、前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）と前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）のいずれかを前記位置フィードバック信号（Ｐｆｂ）として出力するフィードバック信号切り替え部（１８）と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記フィードバック信号切り替え部（１８）は、前記モータ位置診断部（１７）において前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）が正常と判定されたときは前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）を前記位置フィードバック信号（Ｐｆｂ）として出力し、前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）が異常と判定されたときには、前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を前記位置フィードバック信号（Ｐｆｂ）として出力することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記モータ位置診断部（１７）において前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）が異常と判定された際、前記模擬モータ位置診断部（１９）は、前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を異常と判定した場合は前記位置制御部（１１）に異常原因があると判断し、前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を正常と判定した場合は前記位置制御部（１１）以外に異常原因があると判断することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記速度・電流制御部（１２）は、前記モータ位置診断部（１７）において前記モータ位置が異常と判定された際、前記モータ（１３）の運転を停止することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
5. 前記モータ位置診断部（１７）は、前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）を入力し、前記モータ位置（Ｐｆｂｒ）を加工したデータと予め設定した第１の評価関数とを比較することにより前記モータ（１３）の動作が正常な状態か否かを判断してフィードバック切り替え信号（ＳｗＰｆｂ）を作成するものであり、
   前記模擬モータ位置診断部（１９）は、前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を入力し、前記模擬モータ位置（Ｐｆｂｍ）を加工したデータと予め設定した第２の評価関数とを比較することにより模擬したモータの動作が正常な状態か否かを判断するものであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。

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