JP2007143224A - Vibration detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負荷の付いた電動機の振動を検出する振動検出装置に関する。 The present invention relates to a vibration detection device that detects vibration of an electric motor with a load.
図3は従来の振動検出装置である。
図3において、301は指令発生器、302は速度制御器、303は電流制御器、304はモータと機械負荷、305は検出器、306は信号処理器である。
図3において、
指令発生器301は掃引正弦波信号を出力する。
速度制御器302はトルク指令を出力する。
電流制御器303は前記掃引正弦波信号と前記トルク指令の加算値である電流指令と応答信号を入力しモータ電流を出力する。
モータと機械負荷304は前記モータ電流により駆動されその前記応答信号は検出器305が検出し出力する。
信号処理器306は前記掃引正弦波信号と前記応答信号を入力し前記応答信号が極大値をとる時間における前記掃引正弦波信号の周波数を共振周波数として算出し出力するものであった。(例えば、特許文献1参照)
FIG. 3 shows a conventional vibration detector.
In FIG. 3, 301 is a command generator, 302 is a speed controller, 303 is a current controller, 304 is a motor and a mechanical load, 305 is a detector, and 306 is a signal processor.
In FIG.
The command generator 301 outputs a swept sine wave signal.
The speed controller 302 outputs a torque command.
The current controller 303 inputs a current command and a response signal, which is an added value of the sweep sine wave signal and the torque command, and outputs a motor current.
The motor and mechanical load 304 are driven by the motor current, and the response signal is detected and output by the detector 305.
The signal processor 306 inputs the swept sine wave signal and the response signal, and calculates and outputs the frequency of the swept sine wave signal at a time when the response signal takes a maximum value as a resonance frequency. (For example, see Patent Document 1)
このように、従来の振動検出装置は、掃引正弦波信号をモータと機械負荷304に入力し、その応答信号の極大値の起こる前記掃引正弦波信号の周波数よりモータと機械負荷304の共振周波数を検出するのである。
従来の振動検出装置は、掃引正弦波信号をモータと機械負荷304に入力する構成となっていて、前記掃引正弦波信号の周波数がモータと機械負荷304の共振周波数に一致したときにモータと機械負荷304に機械的負担を与え騒音を発生する問題があった。また、モータと機械負荷304の可動範囲が限定されているとき、振動検出ができない問題があった。 The conventional vibration detection apparatus is configured to input a swept sine wave signal to the motor and the mechanical load 304, and when the frequency of the swept sine wave signal matches the resonance frequency of the motor and the mechanical load 304, There was a problem that a mechanical load was applied to the load 304 to generate noise. Further, there is a problem that vibration cannot be detected when the movable range of the motor and the mechanical load 304 is limited.
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、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけず静かに短時間で微小動作のみで負荷の付いた電動機の共振周波数と反共振周波数を検出することができる振動検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and the resonance frequency and anti-resonance frequency of a motor with a load are applied with a small amount of motion in a short time without placing a mechanical burden on the motor with a load. It is an object of the present invention to provide a vibration detection device that can detect a vibration.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項1に記載の発明は、位置指令を出力する位置指令発生器と、前記位置指令と位置を入力し速度指令を出力する位置制御器と、前記速度指令と速度を入力しトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令を入力し電動機電流により電動機を駆動するトルク制御器と、位置検出器が検出した前記電動機の前記位置を入力し前記速度を出力する微分器と、前記位置を入力し負荷の付いた前記電動機の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する振動検出器と、を備えた振動検出装置において、前記振動検出器は、前記位置を入力し位置振幅を算出し出力する位置振幅演算器と、前記位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を算出し出力する剛性演算器と、前記位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを算出し出力する負荷慣性モーメント演算器と、前記電動機負荷間剛性と前記負荷慣性モーメントを入力し前記振動検出値を算出し出力する共振反共振周波数演算器と、を有するものである。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a position command generator that outputs a position command, a position controller that inputs the position command and position and outputs a speed command, and inputs the speed command and speed and outputs a torque command. A speed controller that inputs the torque command and drives the motor with a motor current, a differentiator that inputs the position of the motor detected by a position detector and outputs the speed, and the position A vibration detector comprising: a vibration detector that calculates and outputs a vibration detection value that is a resonance frequency and an anti-resonance frequency of the electric motor that is input and has a load, wherein the vibration detector receives the position and inputs a position A position amplitude calculator that calculates and outputs the amplitude, a rigidity calculator that calculates and outputs the rigidity between the motor loads by inputting the position amplitude, and a load inertia that calculates and outputs the load inertia moment by inputting the position amplitude. A moment calculating unit, those having a resonance-antiresonance frequency calculator that said type motor load between rigidity the load inertia and outputs calculate the vibration detection value.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の振動検出装置において、前記位置振幅演算器はフーリエ変換により前記位置の基本周波数成分を算出しその振幅である前記位置振幅を算出するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the vibration detection device according to the first aspect, the position amplitude calculator calculates a fundamental frequency component of the position by Fourier transform and calculates the position amplitude which is the amplitude. Is.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の振動検出装置において、前記位置振幅演算器はバンドパスフィルタにより前記位置の基本周波数成分を算出しその振幅である前記位置振幅を算出するものである。 According to a third aspect of the present invention, in the vibration detection device according to the first aspect, the position amplitude calculator calculates a fundamental frequency component of the position by a band pass filter and calculates the position amplitude which is the amplitude. To do.
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の振動検出装置において、前記位置指令を基本周波数が負荷の付いた前記電動機の共振周波数および反共振周波数より十分に小さい周期的信号である第1位置指令と十分に大きい周期的信号である第2位置指令とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the vibration detection device according to the first aspect, the position command is a periodic signal whose fundamental frequency is sufficiently smaller than a resonance frequency and an anti-resonance frequency of the motor with a load. The first position command is a second position command that is a sufficiently large periodic signal.
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の振動検出装置において、前記位置制御器を比例制御とし前記速度制御器を比例制御とするものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the vibration detection device according to the first aspect, the position controller is proportionally controlled and the speed controller is proportionally controlled.
また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の振動検出装置において、前記位置制御器の比例制御ゲインを複数の異なるゲインとするものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the vibration detection device according to the fifth aspect, the proportional control gain of the position controller is set to a plurality of different gains.
また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の振動検出装置において、前記位置制御器の複数の比例制御ゲインを2つの異なるゲインである第1位置比例制御ゲインと第2位置比例制御ゲインとするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the vibration detection device according to the sixth aspect, the first position proportional control gain and the second position proportional which are two different gains for the plurality of proportional control gains of the position controller. Control gain.
また、請求項8に記載の発明は、前記位置制御器のゲインを2つの異なる第1位置比例制御ゲインKp1と第2位置比例制御ゲインKp2とし、前記速度制御器の速度比例制御ゲインをKvjとし、前記位置指令を基本周波数が負荷の付いた前記電動機の共振周波数および反共振周波数より十分に小さい周期的信号である振幅がu0で周波数がω1の第1位置指令と、十分に大きい周期的信号である振幅がu0で周波数がω2の第2位置指令とし、電動機単体の慣性モーメントである電動機慣性モーメントをJm、負荷慣性モーメントをJl、有効慣性モーメントをJe、電動機負荷間剛性をkとすると、前記振動検出器は、前記振動検出値である前記電動機の共振周波数ωrと反共振周波数ωaを式(1)および式(2)によりそれぞれ算出するものである。
請求項1、4、5、6、7、8に記載の発明によると、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけることなく静かに短時間に微小動作のみで共振周波数と反共振周波数を検出することができる。
また、請求項2、3に記載の発明によると、雑音や非線形摩擦などの影響を抑制し、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけることなく静かに短時間に微小動作のみで共振周波数と反共振周波数を検出することができる。
According to the first, fourth, fifth, sixth, seventh and eighth aspects of the invention, the resonance frequency and the anti-resonance frequency can be detected quietly in a short time without applying a mechanical load to the motor with load. can do.
In addition, according to the inventions of the second and third aspects, the influence of noise and nonlinear friction is suppressed, and the resonance frequency and the resonance frequency can be set in only a short time in a short time without imposing a mechanical burden on the loaded motor. An anti-resonance frequency can be detected.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図2は、本発明の第1実施例を示す振動検出装置である。
図2において、201は位置指令発生器、202は位置制御器、203は速度制御器、204はトルク制御器、205は電動機、206は位置検出器、207は微分器、208は振動検出器である。
図2において、位置指令発生器201は位置指令を出力する。
位置制御器202は前記位置指令と位置を入力し速度指令を出力する。
速度制御器203は前記速度指令と速度を入力しトルク指令を出力する。
トルク制御器204は前記トルク指令を入力し電動機電流を出力する。
電動機205は前記電動機電流により駆動されその前記位置は位置検出器206が検出し出力する。
微分器207は前記位置を入力し前記速度を出力する。
振動検出器208は前記位置を入力し負荷の付いた電動機205の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する。
FIG. 2 shows a vibration detecting apparatus according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 2, 201 is a position command generator, 202 is a position controller, 203 is a speed controller, 204 is a torque controller, 205 is an electric motor, 206 is a position detector, 207 is a differentiator, and 208 is a vibration detector. is there.
In FIG. 2, a position command generator 201 outputs a position command.
The position controller 202 inputs the position command and the position and outputs a speed command.
The speed controller 203 inputs the speed command and the speed and outputs a torque command.
The torque controller 204 inputs the torque command and outputs a motor current.
The motor 205 is driven by the motor current, and the position is detected and output by the position detector 206.
The differentiator 207 inputs the position and outputs the speed.
The vibration detector 208 inputs the position, calculates and outputs a vibration detection value that is a resonance frequency and an anti-resonance frequency of the motor 205 with a load.
図1は、本発明の第1実施例を示す振動検出器である。
図1において、101は位置振幅演算器、102は剛性演算器、103は負荷慣性モーメント演算器、104は共振反共振周波数演算器である。
図1において、位置振幅演算器101は位置を入力しフーリエ変換またはバンドパスフィルタを用いて前記位置の基本周波数成分を算出しその振幅を位置振幅として算出し出力する。
剛性演算器102は前記位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を算出し出力する。
負荷慣性モーメント演算器103は前記位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを算出し出力する。
共振反共振周波数演算器104は前記電動機負荷間剛性と前記負荷慣性モーメントを入力し負荷の付いた電動機205の共振周波数と反共振周波数である振動検出値を算出し出力する。
FIG. 1 is a vibration detector showing a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 101 is a position amplitude calculator, 102 is a stiffness calculator, 103 is a load inertia moment calculator, and 104 is a resonance anti-resonance frequency calculator.
In FIG. 1, a position amplitude calculator 101 receives a position, calculates a fundamental frequency component of the position using a Fourier transform or a band pass filter, and calculates and outputs the amplitude as a position amplitude.
The stiffness calculator 102 inputs the position amplitude, calculates the motor load stiffness, and outputs it.
A load inertia moment calculator 103 receives the position amplitude, calculates and outputs a load inertia moment.
The resonance anti-resonance frequency calculator 104 inputs the rigidity between the motor loads and the load inertia moment, and calculates and outputs a vibration detection value that is a resonance frequency and an anti-resonance frequency of the motor 205 with a load.
本発明が従来技術と異なる部分は、振動検出器208が、位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を出力する剛性演算器102と、位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを出力する負荷慣性モーメント演算器103と、電動機負荷間剛性と負荷慣性モーメントを入力し振動検出値を算出する共振反共振周波数演算器104と、を備えた部分である。 The difference between the present invention and the prior art is that the vibration detector 208 receives a position amplitude and outputs a rigidity between motor loads, and a load inertia moment calculator that inputs a position amplitude and outputs a load inertia moment. 103 and a resonance anti-resonance frequency calculator 104 that inputs a rigidity between the motor loads and a load inertia moment and calculates a vibration detection value.
以下、振動検出器208の働きについて説明する。ただし、共振反共振周波数演算器104はフーリエ変換またはバンドパスフィルタを用いて算出した前記位置の基本周波数成分振幅である前記位置振幅を用いて前記振動検出値を算出するので、以下に述べる共振反共振周波数の式の導出には各信号の基本周波数成分のみを考慮する。 Hereinafter, the operation of the vibration detector 208 will be described. However, since the resonance anti-resonance frequency calculator 104 calculates the vibration detection value using the position amplitude which is the fundamental frequency component amplitude of the position calculated using a Fourier transform or a band pass filter, the resonance anti-resonance frequency calculator 104 described below. Only the fundamental frequency component of each signal is considered in the derivation of the resonant frequency equation.
図2において、電動機205は負荷を電動機に付属したものとし、電動機慣性モーメントをJm、負荷慣性モーメントをJl、電動機粘性摩擦をD、負荷粘性摩擦をcl、電動機205の位置をθm、負荷位置をθl、電動機負荷間剛性をk、電動機負荷間粘性摩擦をc、トルク指令をTref、一定トルク外乱をwとすると、トルク制御器204、電動機205、位置検出器206を含む開ループ系の運動方程式は式(3)、式(4)で表される。
次に、前記位置指令の周波数である位置指令周波数を負荷の付いた電動機205の共振周波数より十分に高い値である第2位置指令周波数ω=ω2とすると、θl=0が成り立ち式(3)は式(12)と書き換えられる。
前記開ループ系の有効慣性モーメントJeは電動機慣性モーメントJmと負荷慣性モーメントJlを用いて式(16)で表される。
位置振幅演算器101はフーリエ変換またはバンドパスフィルタを用いて前記位置の基本周波数成分を算出しその振幅を前記位置振幅として算出するので、非線形摩擦や雑音などによる影響を抑制し、前記位置の定常状態を待つことなく短時間に振動検出ができる。また、前記位置指令を任意の周期的信号としても振動検出ができる。 Since the position amplitude calculator 101 calculates the fundamental frequency component of the position using a Fourier transform or a bandpass filter and calculates the amplitude as the position amplitude, the influence of nonlinear friction, noise, etc. is suppressed, and the steady state of the position is calculated. Vibration can be detected in a short time without waiting for the state. Further, vibration can be detected even if the position command is an arbitrary periodic signal.
以下、本実施例のシミュレーションを示す。
本シミュレーションに用いた数値を式(19)に示す。
Numerical values used in this simulation are shown in Equation (19).
有効慣性モーメント真値Je*、電動機負荷間剛性真値k*、反共振周波数真値ωa*は式(19)の数値を用いて式(20)、式(21)、式(22)と求められる。
式(11)により算出した負荷慣性モーメント同定値はJl=0.11583×10^−3kg*m^2となり負荷慣性モーメント同定誤差eJlは式(23)と求められた。
このように、位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を出力する剛性演算器102と、位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを出力する負荷慣性モーメント演算器103と、電動機負荷間剛性と負荷慣性モーメントを入力し振動検出値を算出し出力する共振反共振周波数演算器104を有する構成をしているので、負荷の付いた電動機に機械的負担をかけることなく静かに短時間に微小動作のみで共振周波数と反共振周波数を検出することができる。 As described above, the rigidity calculator 102 that inputs the position amplitude and outputs the rigidity between the motor loads, the load inertia moment calculator 103 that inputs the position amplitude and outputs the load inertia moment, and the rigidity between the motor loads and the load inertia moment. Since it is configured to have a resonance anti-resonance frequency calculator 104 that inputs, calculates and outputs a vibration detection value, the resonance frequency can be quietly operated in a short period of time without imposing a mechanical burden on the motor with load. And anti-resonance frequency can be detected.
周波数の異なる周期的位置指令と複数の位置制御ゲインを用いることによって負荷の付いた電動機の共振周波数と反共振周波数を検出することができるので、半導体製造装置などの一般産業機械の逆伝達関数補償器の自動調整という用途にも適用できる。 By using periodic position commands with different frequencies and multiple position control gains, the resonance frequency and anti-resonance frequency of a motor with a load can be detected, so that the inverse transfer function compensation of general industrial machines such as semiconductor manufacturing equipment It can also be used for the purpose of automatic instrument adjustment.
101 位置振幅演算器
102 剛性演算器
103 負荷慣性モーメント演算器
104 共振反共振周波数演算器
201 位置指令発生器
202 位置制御器
203 速度制御器
204 トルク制御器
205 電動機
206 位置検出器
207 微分器
208 振動検出器
301 指令発生器
302 速度制御器
303 電流制御器
304 モータと機械負荷
305 検出器
306 信号処理器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Position amplitude calculator 102 Stiffness calculator 103 Load inertia moment calculator 104 Resonance anti-resonance frequency calculator 201 Position command generator 202 Position controller 203 Speed controller 204 Torque controller 205 Electric motor 206 Position detector 207 Differentiator 208 Vibration Detector 301 Command generator 302 Speed controller 303 Current controller 304 Motor and mechanical load 305 Detector 306 Signal processor
Claims (8)
前記振動検出器は、
前記位置を入力し位置振幅を算出し出力する位置振幅演算器と、
前記位置振幅を入力し電動機負荷間剛性を算出し出力する剛性演算器と、
前記位置振幅を入力し負荷慣性モーメントを算出し出力する負荷慣性モーメント演算器と、
前記電動機負荷間剛性と前記負荷慣性モーメントを入力し前記振動検出値を算出し出力する共振反共振周波数演算器と、
を有することを特徴とする振動検出装置。 A position command generator that outputs a position command; a position controller that inputs the position command and position and outputs a speed command; a speed controller that inputs the speed command and speed and outputs a torque command; and the torque command A torque controller that drives the motor by a motor current, a differentiator that inputs the position of the motor detected by a position detector and outputs the speed, and a motor that inputs the position and has a load. In a vibration detector comprising a vibration detector that calculates and outputs a vibration detection value that is a resonance frequency and an anti-resonance frequency,
The vibration detector is
A position amplitude calculator that inputs the position, calculates and outputs a position amplitude; and
A rigidity calculator that inputs the position amplitude and calculates and outputs the rigidity between the motor loads;
A load inertia moment calculator that inputs the position amplitude and calculates and outputs a load inertia moment;
Resonance anti-resonance frequency calculator that inputs the motor load rigidity and the load moment of inertia and calculates and outputs the vibration detection value;
A vibration detection apparatus comprising:
前記速度制御器の速度比例制御ゲインをKvjとし、
前記位置指令を基本周波数が負荷の付いた前記電動機の共振周波数および反共振周波数より十分に小さい周期的信号である振幅がu0で周波数がω1の第1位置指令と、十分に大きい周期的信号である振幅がu0で周波数がω2の第2位置指令とし、
電動機単体の慣性モーメントである電動機慣性モーメントをJm、負荷慣性モーメントをJl、有効慣性モーメントをJe、電動機負荷間剛性をkとすると、
前記振動検出器は、前記振動検出値である前記電動機の共振周波数ωrと反共振周波数ωaを式(1)および式(2)によりそれぞれ算出することを特徴とする請求項1記載の振動検出装置。
The speed proportional control gain of the speed controller is Kvj,
The position command is a periodic signal that is sufficiently smaller than the resonance frequency and anti-resonance frequency of the motor with a fundamental frequency loaded, and is a first position command having an amplitude u0 and a frequency ω1, and a sufficiently large periodic signal. As a second position command with a certain amplitude u0 and frequency ω2,
Assuming that the motor moment of inertia is Jm, the load moment of inertia is Jl, the effective moment of inertia is Je, and the motor load rigidity is k,
The vibration detector according to claim 1, wherein the vibration detector calculates the resonance frequency ωr and the anti-resonance frequency ωa of the electric motor, which are the vibration detection values, by the equations (1) and (2), respectively. .
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20081010 |
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A762 | Written abandonment of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762 Effective date: 20091016 |