JP2007189856A - 慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小動作のみで可動範囲の限定された負荷を低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメントを同定することができる慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置を提供する。
【解決手段】トルク指令を入力しトルク指令フーリエ係数を出力するトルク指令フーリエ変換器１０８と、モータ位置を入力しモータ位置振幅を出力するモータ位置振幅演算器１０９と、トルク指令フーリエ係数とモータ位置振幅を入力し慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント演算器１１０と、を有する慣性モーメント同定器１０７を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷の連結したモータの慣性モーメントを同定する慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置に関する。

従来技術のモータ制御装置は正負対称な速度指令、正負対称な台形波である第１速度指令と前記第１速度指令の振幅のみ増幅した第２速度指令を用いてモータの慣性モーメントを同定するものであった（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来技術を示すモータ制御装置の構成図である。図において、４０１は速度指令発生部、４０２は速度制御部、４０３はモデル速度制御部、４０４は同定部、４０５は調整部である。
以下、図４を用いて従来技術のモータ制御装置の構成および動作を説明する。
速度指令発生部４０１は速度指令を出力する。速度制御部４０２は、前記速度指令と速度制御変数を入力し、トルク指令を出力する。モデル速度制御部４０３は、前記速度指令と調整信号を入力し、トルク指令推定値を出力する。同定部４０４は、前記トルク指令と前記トルク指令推定値を入力し、前記トルク指令の１階時間積分値と前記トルク指令推定値の１階時間積分値の比により、イナーシャを同定し、出力し、正負対称な前記速度指令に対する正転時と逆転時における前記トルク指令の差より一定トルク外乱を算出し、正負対称な台形波である第１速度指令と前記第１速度指令の振幅のみを増幅した速度指令である第２速度指令のそれぞれに対するトルク指令である第１トルク指令、第２トルク指令、前記一定トルク外乱を用いてクーロン摩擦を算出し、前記第１トルク指令、前記第２トルク指令、前記第１速度指令、前記第２速度指令を用いて粘性摩擦を算出する。調整部４０５は、前記イナーシャを入力し、前記速度制御変数と前記調整信号を出力するものであった。
特開平１１−４６４８９号公報（第５頁、第１図）

しかしながら、従来技術のモータ制御装置は、可動範囲の限定された負荷の付いたモータの慣性モーメント同定において同定精度が落ちる問題があり、またモータと負荷の連結部の剛性が低い場合に同定精度が落ちる問題もあった。

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、可動範囲が限定された負荷が低剛性に連結したモータの慣性モーメント同定することができる慣性モーメント同定器を備えた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記載の発明は、指令発生器からの指令に基づいてモータを駆動して、トルク指令とモータ位置を入力し負荷の連結した前記モータの負荷慣性モーメントである慣性モーメント同定値を算出し出力する慣性モーメント同定器を備える慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置において、前記慣性モーメント同定器は、前記トルク指令を入力しフーリエ変換によりその入力信号のフーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を算出し出力するトルク指令フーリエ変換器と、前記モータ位置を入力しその入力信号振幅であるモータ位置振幅を算出し出力するモータ位置振幅演算器と、前記トルク指令フーリエ係数と前記モータ位置振幅を入力し前記慣性モーメント同定値を算出し出力する慣性モーメント演算器と、を備えるものである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１における前記トルク指令フーリエ変換器は、前記トルク指令の１次フーリエ係数を前記トルク指令フーリエ係数として出力するものである。
また、請求項３記載の発明は、請求項１における前記モータ位置振幅演算器は、フーリエ変換あるいはバンドパスフィルタにより、前記指令の基本周波数における前記モータ位置の周波数成分であるモータ位置基本周波数成分を算出し、その振幅を前記モータ位置振幅として算出し出力するものである。
また、請求項４記載の発明は、請求項１における前記指令を周期的信号とするものである。
また、請求項５記載の発明は、請求項４における前記周期的信号を正弦波信号とするものである。
また、請求項６記載の発明は、請求項１における前記指令の周波数を複数の周波数とするものである。
また、請求項７記載の発明は、請求項６における前記複数の周波数のうち、２つの周波数の一方を負荷の連結した前記モータの反共振周波数付近に設定し、他方を前記反共振周波数より十分に高い値に設定するものである。
また、請求項８記載の発明は、請求項１におけるモータ位置振幅演算器は、前記モータ位置振幅が負荷の連結した前記モータの可動範囲よりも十分に小さく、かつ前記位置検出器の分解能に対して十分に大きくなるように、前記指令の振幅を設定するものである。
また、請求項９記載の発明は、請求項１において、２つの異なる周波数を持つ前記指令を第１指令と第２指令とし、前記第１指令に対する前記モータ位置振幅を第１モータ位置振幅、前記第２指令に対する前記モータ位置振幅を第２モータ位置振幅、前記第１指令に対する前記トルク指令フーリエ係数を第１トルク指令フーリエ係数、前記第２指令に対する前記トルク指令フーリエ係数を第２トルク指令フーリエ係数とし、前記慣性モーメント演算器は、前記第１モータ位置振幅と前記第２モータ位置振幅と前記第１トルク指令フーリエ係数と前記第２トルク指令フーリエ係数とモータ慣性モーメントに基づいて、負荷慣性モーメントである前記慣性モーメント同定値を算出するものである。

請求項１、４、５、６、７記載の発明によると、微小動作のみで可動範囲の限定された負荷を低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメントを同定することができる。
また、請求項２、３、９記載の発明によると、一定トルク外乱、雑音、クーロン摩擦などの非線形ダイナミクスの影響を抑制し、短時間に微小動作のみで可動範囲の限定された負荷を低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメントを同定することができる。
また、請求項８記載の発明によると、モータ位置を低分解能の位置検出器により検出する場合にも、一定トルク外乱、雑音、クーロン摩擦などの非線形ダイナミクスの影響を抑制し、短時間に微小動作のみで可動範囲の限定された負荷を低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメントを高精度に同定することができる。

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、本発明の第１実施例を示す速度制御に基づいたモータ制御装置の構成図である。図において、１０１は速度指令発生器、１０２は速度制御器、１０３はトルク制御器、１０４はモータ、１０５は位置検出器、１０６は微分器、１０７は慣性モーメント同定器、１０８はトルク指令フーリエ変換器、１０９はモータ位置振幅演算器、１１０は慣性モーメント演算器である。
速度指令発生器１０１は速度指令を出力する。速度制御器１０２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１０３は前記トルク指令を入力しモータ駆動信号を出力する。モータ１０４は前記モータ駆動信号により駆動されその位置であるモータ位置は位置検出器１０５が検出し出力する。微分器１０６は前記モータ位置を入力し前記速度を出力する。慣性モーメント同定器１０７は前記トルク指令と前記モータ位置を入力し負荷が連結したモータ１０４の負荷慣性モーメントである慣性モーメント同定値を算出し出力する。慣性モーメント同定器１０７内部において、トルク指令フーリエ変換器１０８は前記トルク指令を入力しその入力信号のフーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を出力する。モータ位置振幅演算器１０９は前記モータ位置を入力しその入力信号振幅であるモータ位置振幅を出力する。慣性モーメント演算器１１０は前記トルク指令フーリエ係数と前記モータ位置振幅を入力し前記慣性モーメント同定値を算出し出力する。

本発明が特許文献１と異なる部分は、トルク指令フーリエ係数とモータ位置振幅に基づいて、慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント演算器を備えた部分である。

以下、慣性モーメント演算器１１０が慣性モーメント同定値を算出する仕組みの詳細について説明する。
モータ１０４にバネ要素を介して負荷を連結した場合を考え、Ｊｍをモータ慣性モーメント、Ｊｌを負荷慣性モーメント、Ｄをモータ粘性摩擦、ｃｌを負荷粘性摩擦、ｃをモータ負荷間粘性摩擦、ｋを剛性、θｍをモータ位置、θｌを負荷位置、Ｔｒｅｆをトルク指令、ｗを一定トルク外乱とすると、図１のトルク制御器１０３、モータ１０４、位置検出器１０５を含む系の運動方程式は式（１）、式（２）で表される。

式（１）よりトルク指令Ｔｒｅｆは式（３）と書き直すことができる。

以下、慣性モーメント同定値の算出において、トルク指令フーリエ変換器１０８が算出したトルク指令Ｔｒｅｆの１次フーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を用いるので、トルク指令Ｔｒｅｆ，モータ位置θｍ、負荷位置θｌの基本周波数成分のみを考える。速度指令をその周波数ω１が負荷の固有周波数に一致するような正弦波信号とすると、モータ位置θｍ、負荷位置θｌは式（４）、式（５）で表される。

但し、Ａｍ１はモータ位置振幅、Ａｌ１は負荷位置振幅であり、前記速度指令の周波数が負荷の固有周波数と一致するとき、負荷位置θｌの位相はモータ位置θｍの位相よりπ/２[ｒａｄ]遅れることを用いた。式（４）、式（５）を式（３）に代入すると、式（６）が求められる。

前記速度指令の周波数がω＝ω１である場合のトルク指令Ｔｒｅｆの１次フーリエ近似は式（７）と表される。

但し、ａ１１、ｂ１１はトルク指令フーリエ係数である。
次に、前記速度指令をその周波数ω２が負荷の固有周波数より十分に大きい正弦波とすると（ω２＞ω１）、モータ位置θｍ、負荷位置θｌは式（８）、式（９）で表される。

但し、Ａｍ２はモータ位置振幅、Ａｌ２は負荷位置振幅であり、前記速度指令の周波数が負荷の固有周波数より十分に大きいとき、負荷位置θｌの位相はモータ位置θｍの位相よりπ[ｒａｄ]遅れることを用いた。式（８）、式（９）を式（３）に代入すると、式（１０）を得る。

前記速度指令の周波数がω２である場合のトルク指令Ｔｒｅｆの１次フーリエ近似は式（１１）で表される。

式（６）、式（７）、式（１０）、式（１１）の余弦項、正弦項の係数比較により式（１２）から式（１５）を得る。

但し、式（１４）、式（１５）において、前記速度指令の周波数が負荷の固有周波数よりも十分に大きい場合、負荷位置振幅Ａｌ２はモータ位置振幅Ａｍ２に対して十分に小さく無視できることを用いた。式（１４）を剛性ｋについて解くと、式（１６）を得る。

また、式（１５）は式（１７）と書き換えられる。

式（１３）より前記速度指令の周波数ω１が負荷の固有周波数に一致する場合、負荷位置振幅Ａｌ１は式（１８）と表される。

式（１８）を式（１２）に代入すると、式（１９）を得る。

式（１９）を式（１７）を用いてモータ負荷間粘性摩擦ｃについて解くと、式（２０）を得る。

式（２０）を式（１７）に代入してモータ粘性摩擦Ｄは、式（２１）と表される。

式（１）、式（２）よりトルク指令Ｔｒｅｆは負荷慣性モーメントＪｌと負荷粘性摩擦ｃｌを用いて式（２２）と表すことができる。

式（４）、式（５）を式（２２）に代入すると、式（２３）を得る。

式（７）を式（２３）に代入し、余弦項と正弦項の係数比較により式（２４）、式（２５）が得られる。

式（２４）を負荷粘性摩擦ｃｌについて解くと、式（２６）を得る。

式（２５）を負荷慣性モーメントＪｌについて解くと、式（２７）を得る。

慣性モーメント演算器１１０は、式（２７）を用いて負荷慣性モーメントＪｌである前記慣性モーメント同定値を算出する。式（２７）は一定トルク外乱ｗによらないので、一定トルク外乱ｗは前記慣性モーメント同定値に影響しない。

また、式（２７）は、トルク指令フーリエ係数を用いるので一定トルク外乱、雑音、クーロン摩擦などの非線形ダイナミクスは前記慣性モーメント同定値に影響せず、定常状態を待つことなく短時間に慣性モーメント同定を実施できる。

また、モータ位置振幅演算器１０９は、フーリエ変換を用いて前記速度指令の周波数における前記モータ位置基本周波数成分を算出し、その振幅を前記モータ位置振幅として出力することもできる。

また、モータ位置振幅演算器１０９は、バンドパスフィルタを用いて前記速度指令の周波数における前記モータ位置基本周波数成分を算出し、その振幅を前記モータ位置振幅として出力することもできる。

また、速度指令発生器１０１は、前記モータ位置振幅が位置検出器１０５の分解能に対して十分大きく、負荷の連結したモータ１０４の可動範囲より十分小さくなるように、前記速度指令の振幅を設定することで、位置検出器１０５の分解能が低く、モータ１０４の可動範囲が限定される場合にも前記慣性モーメント同定値を算出することができる。

また、速度制御器１０２をＰ、ＰＩ、Ｉ−Ｐ、ＰＩＤ制御とする場合にも前記慣性モーメント同定値を算出することができる。

また、前記速度指令を任意の周期的信号としても前記慣性モーメント同定値を算出することができる。

図２は、本発明の第２実施例を示す位置制御に基づいたモータ制御装置の構成図である。図において、１０２は速度制御器、１０３はトルク制御器、１０４はモータ、１０５は位置検出器、１０６は微分器、１０７は慣性モーメント同定器、１０８はトルク指令フーリエ変換器、１０９はモータ位置振幅演算器、１１０は慣性モーメント演算器、２０１は位置指令発生器、２０２は位置制御器である。
位置指令発生器２０１は位置指令を出力する。位置制御器２０２は前記位置指令とモータ位置を入力し速度指令を出力する。速度制御器１０２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１０３は前記トルク指令を入力しモータ駆動信号を出力する。モータ１０４は前記モータ駆動信号により駆動されその位置である前記モータ位置は位置検出器１０５が検出し出力する。微分器１０６は前記モータ位置を入力し前記速度を出力する。慣性モーメント同定器１０７は前記トルク指令と前記モータ位置を入力し負荷の連結したモータ１０４の負荷慣性モーメントである慣性モーメント同定値を算出し出力する。慣性モーメント同定器１０７内部において、トルク指令フーリエ変換器１０８は前記トルク指令を入力しその入力信号のフーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を出力する。モータ位置振幅演算器１０９は前記モータ位置を入力しその入力信号振幅であるモータ位置振幅を出力する。慣性モーメント演算器１１０は前記トルク指令フーリエ係数と前記モータ位置振幅を入力し前記慣性モーメント同定値を算出し出力する。

本発明が特許文献１と異なる部分は、トルク指令フーリエ係数とモータ位置振幅に基づいて、慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント演算器を備えた部分である。

慣性モーメント同定器１０７が、前記慣性モーメント同定値を算出する仕組みは第１実施例と同じであるのでここではその説明を省略する。
以下、本実施例のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションに用いた数値は次の通りである。
Ｊｍ＝２．０９×１０＾−４[ｋｇ・ｍ＾２]、Ｊｌ＝１．９０×１０＾−４[ｋｇ・ｍ＾２]、ｋ＊＝３．０[Ｎ・ｍ]、Ｄ＊＝０．０４[Ｎ・ｍ・ｓ/ｒａｄ]、ｃｌ＊＝０．０４[Ｎ・ｍ・ｓ/ｒａｄ]、ｃ＊＝０．００００１[Ｎ・ｍ・ｓ/ｒａｄ]、Ｔｒａｔ＝１．２７[Ｎ・ｍ]、Ｋｐ＝４０[ｓ＾−１]、Ｋｖ＝４０（２π）[ｓ＾−１]、Ｋｖｊ＝Ｋｖ・Ｊｍ、Ｔｉ＝０．０２０[ｓ]、Ｔ＝１２５×１０＾−６[ｓ]、ｕ０＝０．１[ｒａｄ]、ω１＝２０（２π）[ｒａｄ/ｓ]、ω２＝１１０（２π）[ｒａｄ/ｓ]、ｗ＝０[Ｎ・ｍ]
但し、負荷の連結したモータを位置Ｐ速度ＰＩ制御する場合を仮定し、Ｊｌ＊は負荷慣性モーメント真値、ｋ＊は剛性真値、Ｄ＊はモータ粘性摩擦真値、ｃｌ＊は負荷粘性摩擦真値、ｃ＊はモータ負荷間粘性摩擦真値、Ｔｒａｔは定格トルク、Ｋｐは位置比例制御ゲイン、Ｋｖは正規化速度比例制御ゲイン、Ｋｖｊは速度比例制御ゲイン、Ｔｉは速度制御積分時間、Ｔは制御周期とし、前記位置指令を振幅がｕ０であり周波数がω１とω２である正弦波とする。また、負荷の固有周波数は√（ｋ＊/Ｊｌ＊）＝２０（２π）[ｒａｄ/ｓ]である。

図３は、本発明の第２実施例を示すシミュレーション結果である。図において、負荷慣性モーメント同定誤差ｅＪｌ（％）は慣性モーメント同定値Ｊｌと負荷慣性モーメント真値Ｊｌ＊を用いて式（２８）により算出した。

一定トルク外乱定格トルク比ｗ/Ｔｒａｔを０％から５０％まで変化させた場合、式（２８）により算出した負荷慣性モーメント同定誤差は３％程度であり、本発明のモータ制御装置によると一定トルク外乱の影響を受けず負荷が低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメント同定を高精度に実施できる。

また、本シミュレーションにおいて、前記モータ位置振幅は０．０１７[ｒａｄ]（分解能が１７[ｂｉｔ]の位置検出器１０５で３５０[ｐｕｌｓｅ]相当）以下であり、負荷位置振幅は０．０１０[ｒａｄ]（分解能が１７[ｂｉｔ]の位置検出器１０５で２１０[ｐｕｌｓｅ]相当）以下であったので、可動範囲の限定された負荷が低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメントを同定できる。

また、トルク指令Ｔｒｅｆの振幅は定格トルクＴｒａｔの１８％程度であったので、負荷慣性モーメントが本シミュレーションよりも大きなメカに対しても負荷慣性モーメント同定が実施できる。

また、位置制御器２０２および速度制御器１０２をＰ、ＰＩ、Ｉ−Ｐ、ＰＩＤ制御とする場合にも前記慣性モーメント同定値を算出することができる。

また、前記位置指令を任意の周期的信号としても前記慣性モーメント同定値を算出することができる。

このように、トルク指令を入力しトルク指令フーリエ係数を出力するトルク指令フーリエ変換器と、モータ位置を入力しモータ位置振幅を出力するモータ位置振幅演算器と、前記トルク指令フーリエ係数と前記モータ位置振幅を入力し慣性モーメント同定値を算出する慣性モーメント演算器を有する構成をしているので、
微小動作のみで可動範囲の限定された負荷を低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメントを同定することができる。

トルク指令フーリエ係数とモータ位置振幅を用いることによって微小動作のみで負荷が低剛性に連結したモータの負荷慣性モーメントを同定することができるので、半導体製造装置など可動範囲の限定された一般産業用装置の負荷慣性モーメント同定という用途にも適用できる。
また、実施例において、モータ制御装置に慣性モーメント同定器を適用した例を記述したが、計測機器等の用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す速度制御に基づいたモータ制御装置の構成図 本発明の第２実施例を示す位置制御に基づいたモータ制御装置の構成図 本発明の第２実施例を示すシミュレーション結果 従来技術を示すモータ制御装置の構成図

符号の説明

１０１ 速度指令発生器
１０２ 速度制御器
１０３ トルク制御器
１０４ モータ
１０５ 位置検出器
１０６ 微分器
１０７ 慣性モーメント同定器
１０８ トルク指令フーリエ変換器
１０９ モータ位置振幅演算器
１１０ 慣性モーメント演算器
２０１ 位置指令発生器
２０２ 位置制御器
４０１ 速度指令発生部
４０２ 速度制御部
４０３ モデル速度制御部
４０４ 同定部
４０５ 調整部

Claims (9)

1. 指令発生器からの指令に基づいてモータを駆動して、トルク指令とモータ位置を入力し、負荷の連結した前記モータの負荷慣性モーメントである慣性モーメント同定値を算出し出力する慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置において、
   前記慣性モーメント同定器は、
   前記トルク指令を入力し、フーリエ変換によりその入力信号のフーリエ係数であるトルク指令フーリエ係数を算出し出力するトルク指令フーリエ変換器と、
   前記モータ位置を入力し、その入力信号振幅であるモータ位置振幅を算出し出力するモータ位置振幅演算器と、
   前記トルク指令フーリエ係数と前記モータ位置振幅を入力し、前記慣性モーメント同定値を算出し出力する慣性モーメント演算器と、
   を備えることを特徴とする慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
2. 前記トルク指令フーリエ変換器は、前記トルク指令の１次フーリエ係数を前記トルク指令フーリエ係数として出力することを特徴とする請求項１記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
3. 前記モータ位置振幅演算器は、フーリエ変換あるいはバンドパスフィルタにより、前記指令の基本周波数における前記モータ位置の周波数成分であるモータ位置基本周波数成分を算出し、その振幅を前記モータ位置振幅として算出し出力することを特徴とする請求項１記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
4. 前記指令を周期的信号とすることを特徴とする請求項１記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
5. 前記周期的信号が正弦波信号であることを特徴とする請求項４記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
6. 前記指令の周波数を複数の周波数とすることを特徴とする請求項１記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
7. 前記複数の周波数のうち、２つの周波数の一方を負荷の連結した前記モータの反共振周波数付近に設定し、
   他方を前記反共振周波数より十分に高い値に設定することを特徴とする請求項６記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
8. モータ位置振幅演算器は、前記モータ位置振幅が負荷の連結した前記モータの可動範囲よりも十分に小さく、かつ位置検出器の分解能に対して十分に大きくなるように、前記指令の振幅を設定することを特徴とする請求項１記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。
9. ２つの異なる周波数を持つ前記指令を第１指令と第２指令とし、
   前記第１指令に対する前記モータ位置振幅を第１モータ位置振幅、前記第２指令に対する前記モータ位置振幅を第２モータ位置振幅、前記第１指令に対する前記トルク指令フーリエ係数を第１トルク指令フーリエ係数、前記第２指令に対する前記トルク指令フーリエ係数を第２トルク指令フーリエ係数とし、
   前記慣性モーメント演算器は、前記第１モータ位置振幅と前記第２モータ位置振幅と前記第１トルク指令フーリエ係数と前記第２トルク指令フーリエ係数とモータ慣性モーメントに基づいて、負荷慣性モーメントである前記慣性モーメント同定値を算出することを特徴とする請求項１記載の慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置。