JP2007221937A

JP2007221937A - システム同定装置およびそのシステム同定方法

Info

Publication number: JP2007221937A
Application number: JP2006040913A
Authority: JP
Inventors: Gen Ando; 玄安藤; Yuji Nakamura; 裕司中村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】可動範囲が限定された負荷の付いた電動機のクーロン摩擦を同定することができるシステム同定装置およびそのシステム同定方法を提供する。
【解決手段】位置から積分区間を生成する積分区間演算器（１０１）と、速度を入力し速度絶対値を生成する絶対値演算器（１０２）と、前記速度絶対値と前記積分区間から速度絶対値積分値を生成する第１定積分器（１０３）と、前記速度とトルク指令からトルク指令速度乗算値を生成する乗算器（１０４）と、前記トルク指令速度乗算値と前記積分区間からトルク指令速度積分値を生成する第２定積分器（１０５）と、前記速度絶対値積分値と前記トルク指令速度積分値からクーロン摩擦同定値を生成する演算器（１０６）を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機のクーロン摩擦を同定するシステム同定装置およびそのシステム同定方法に関する。

従来技術のシステム同定装置およびそのシステム同定方法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速度指令を用いて電動機のクーロン摩擦を同定するものであった。（例えば、特許文献１参照）。

図６は従来技術を示すシステム同定装置の構成である。図６において、６０１は速度指令発生部、６０２は速度制御部、６０３はモデル速度制御部、６０４は同定部、６０５は調整部である。以下、図６を用いて従来技術のシステム同定装置の構成および動作を説明する。
速度指令発生部６０１は速度指令を生成する。速度制御部６０２は前記速度指令と速度制御変数からトルク指令を生成する。モデル速度制御部６０３は前記速度指令と調整信号からトルク指令推定値を生成する。同定部６０４は前記トルク指令と前記トルク指令推定値から前記トルク指令の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生成し、正負対象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トルク指令と第２トルク指令と前記一定トルク外乱を用いてクーロン摩擦を同定するものであった。
特開平１１−４６４８９号公報（第５頁、第１図）

しかしながら、従来技術のシステム同定装置およびそのシステム同定方法は、可動範囲の限定された負荷の付いた電動機のクーロン摩擦同定において同定精度が落ちる問題があった。
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、可動範囲が限定された負荷の付いた電動機のクーロン摩擦を同定することができるシステム同定装置およびそのシステム同定方法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したのである。
請求項１に記載の発明は、速度指令を生成する速度指令発生器と、前記速度指令と速度からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に応じた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位置から前記速度生成する微分器と、前記速度と前記位置と前記トルク指令から前記電動機のクーロン摩擦同定値を生成するクーロン摩擦同定器と、を有するシステム同定装置において、前記クーロン摩擦同定器は、前記位置から積分区間を生成する積分区間演算器と、前記速度からその入力信号絶対値である速度絶対値を生成する絶対値演算器と、前記速度絶対値と前記積分区間から前記積分区間における前記速度絶対値の定積分値である速度絶対値積分値を生成する第１定積分器と、前記速度と前記トルク指令から前記速度と前記トルク指令の乗算値であるトルク指令速度乗算値を生成する乗算器と、前記トルク指令速度乗算値と前記積分区間から前記積分区間における前記トルク指令速度乗算値の定積分値であるトルク指令速度積分値を生成する第２定積分器と、前記速度絶対値積分値と前記トルク指令速度積分値から前記クーロン摩擦同定値を生成する演算器とを備えることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項1に記載のシステム同定装置において、前記速度指令発生器に換えて、位置指令を生成する位置指令発生器と、前記位置指令と前記位置から速度指令を生成する位置制御器とを備えることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、速度指令を生成する速度指令発生器と、前記速度指令と速度からトルク指令を生成する速度制御器と、前記トルク指令に応じた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位置から前記速度を生成する微分器と、前記速度と前記位置と前記トルク指令から前記電動機のクーロン摩擦同定値を生成するクーロン摩擦同定器と、を有するシステム同定装置のシステム同定方法において、前記クーロン摩擦同定器は、前記位置から積分区間を生成する積分区間演算器と、前記速度からその入力信号絶対値である速度絶対値を生成する絶対値演算器と、前記速度絶対値と前記積分区間から前記積分区間における前記速度絶対値の定積分値である速度絶対値積分値を生成する第１定積分器と、前記速度と前記トルク指令から前記速度と前記トルク指令の乗算値であるトルク指令速度乗算値を生成する乗算器と、前記トルク指令速度乗算値と前記積分区間から前記積分区間における前記トルク指令速度乗算値の定積分値であるトルク指令速度積分値を生成する第２定積分器と、前記速度絶対値積分値と前記トルク指令速度積分値から前記クーロン摩擦同定値を生成する演算器とを備え、前記速度指令発生器は、前記速度指令が同じ値をとる２つの時間において、前記速度指令の１階時間積分値が同じ値をとるような前記速度指令を生成することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のシステム同定装置のシステム同定方法において、前記速度指令を正負対象な周期的三角信号とすることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のシステム同定装置のシステム同定方法において、前記速度指令発生器に換えて、位置指令を生成する位置指令発生器と、前記位置指令と前記位置から速度指令を出力生成する位置制御器とを備え、前記位置指令発生器は、前記位置指令が同じ値をとる２つの時間において、前記位置指令の１階時間微分値が同じ値をとるような前記位置指令を生成することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のシステム同定装置のシステム同定方法において、前記位置指令の１階時間微分値を正負対象な周期的三角信号とすることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、請求項３または５に記載のシステム同定装置のシステム同定方法において、前記積分区間演算器は前記速度指令の１階時間積分値が同じ値をとり、前記速度指令が同じ値をとる２つの時間または、前記位置指令が同じ値をとり、前記位置指令の１階時間微分値が同じ値をとる２つの時間を前記積分区間として生成することを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、請求項３または５に記載のシステム同定装置のシステム同定方法において、前記トルク指令をＴｒｅｆ、前記位置をθ、前記積分区間をｔ１≦ｔ≦ｔ２とする場合、前記演算器は前記クーロン摩擦同定値Ｔｃを式（１）により算出する
ことを特徴とするものである。

本発明によると、可動範囲が限定された負荷の付いた電動機のクーロン摩擦を同定することができるシステム同定装置およびそのシステム同定方法を提供できる。

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２は、本発明の第１実施例を示す本発明を適用するシステム同定装置のブロック図である。図２において、２０１は速度指令発生器、２０２は速度制御器、２０３はトルク制御器、２０４は電動機、２０５は位置検出器、２０６は微分器、２０７はクーロン摩擦同定器である。以下、図２を用いて第１実施例を示す本発明を適用するシステム同定装置の構成を説明する。
速度指令発生器２０１は速度指令を生成する。速度制御器２０２は前記速度指令と速度からトルク指令を生成する。トルク制御器２０３は前記トルク指令から電動機電流を生成する。電動機２０４は前記電動機電流により駆動されその位置は位置検出器２０５が検出し生成する。微分器２０６は前記位置から前記速度を生成する。クーロン摩擦同定器２０７は前記位置と前記速度と前記トルク指令から電動機２０４のクーロン摩擦同定値を生成する。

図１は本発明の第１実施例を示すクーロン摩擦同定器の詳細ブロック図である。図１において、１０１は積分区間演算器、１０２は絶対値演算器、１０３は第１定積分器、１０４は乗算器、１０５は第２定積分器、１０６は演算器である。以下、図１を用いて第１実施例を示すクーロン摩擦同定器の詳細構成を説明する。
積分区間演算器１０１は位置から積分区間を生成する。絶対値演算器１０２は速度からその入力信号絶対値である速度絶対値を生成する。第１定積分器１０３は前記速度絶対値と前記積分区間から前記積分区間における前記速度絶対値の定積分値である速度絶対値積分値を生成する。乗算器１０４は前記速度とトルク指令から前記速度と前記トルク指令の乗算値であるトルク指令速度乗算値を生成する。
第２定積分器１０５は前記トルク指令速度乗算値と前記積分区間から前記積分区間における前記トルク指令速度乗算値の定積分値であるトルク指令速度積分値を生成する。演算器１０６は前記速度絶対値積分値と前記トルク指令速度積分値から前記トルク指令速度積分値と前記速度絶対値積分値の比より電動機２０４のクーロン摩擦同定値を算出し生成する。

以下、本発明の動作および原理について図１、２を用いて説明する。図２において、トルク制御器２０３、電動機２０４、位置検出器２０５を含む開ループ系の運動方程式は式（２）で表される。

ただし、Ｊは電動機２０４の慣性モーメント、Ｄは粘性摩擦、Ｔｃはクーロン摩擦、Ｔｒｅｆはトルク指令、ｗは一定トルク外乱、θは位置である。式（２）の両辺を速度で乗算すると式（３）を得る。

積分時間ｔ１≦ｔ≦ｔ２において式（３）の１階時間積分値を計算すると式（４）を得る。

以下、積分区間演算器１０１による前記積分区間の検出および演算器１０６による前記クーロン摩擦同定値の算出について説明する。
図３は本発明の第１実施例を示す積分区間の説明図である。速度指令発生器２０１が図３（ｂ）に示すような正負対象な周期的三角信号である速度指令を生成するものとし、電動機２０４の速度が前記速度指令に追従している場合、電動機２０４の位置は図３（ａ）に示すような波形となる。図３に示すように、前記速度が同じ値ｖ０であり、前記位置が同じ値θ０であるような２つの時間ｔ１、ｔ２を前記積分区間として積分区間演算器１０１が算出するものとすると、式（４）において、慣性モーメントＪの項、一定トルク外乱ｗの項はそれぞれ零となり、また前記速度を十分に小さく設定すると式（４）において粘性摩擦Ｄの項がクーロン摩擦Ｔｃの項に比べて十分に小さくなるため無視でき、式（５）が求められる。

式（５）を前記クーロン摩擦Ｔｃについて解くと式（６）が得られる。

演算器１０６は式（６）を用いて前記クーロン摩擦同定値を算出することができる。式（６）は前記一定トルク外乱ｗを含まないので式（６）によるクーロン摩擦同定は前記一定トルク外乱の影響を受けない。

また、速度制御器２０２をＰ制御、ＰＩ制御、Ｉ−Ｐ制御、ＰＩＤ制御とした場合でも、演算器１０６は式（６）を用いて前記クーロン摩擦同定値を算出することができる。

図４は、本発明の第２実施例を示す本発明を適用するシステム同定装置のブロック図である。図４において、２０２は速度制御器、２０３はトルク制御器、２０４は電動機、２０５は位置検出器、２０６は微分器、２０７はクーロン摩擦同定器、４０１は位置指令発生器、４０２は位置制御器である。以下、図４を用いて第２実施例を示す本発明を適用するシステム同定装置の構成を説明する。
位置指令発生器４０１は位置指令を発生する。位置制御器４０２は前記位置指令と位置から速度指令を生成する。速度制御器２０２は前記速度指令と速度からトルク指令を生成する。トルク制御器２０３は前記トルク指令から電動機電流生成する。電動機２０４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２０５が検出し生成する。微分器２０６は前記位置から前記速度を生成する。クーロン摩擦同定器２０７は前記位置と前記速度と前記トルク指令から電動機２０４のクーロン摩擦同定値を生成する。クーロン摩擦同定器２０７の詳細構成およびその動作は実施例１と同じであるのでここでは省略する。

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を式（７）に示す。

ただし、Ｔｃ＊は電動機２０４のクーロン摩擦真値、Ｔｒａｔはトルク制御器２０３の定格トルク、Ｔは制御周期であり、位置制御器４０２をゲインがＫｐであるＰ制御とし、速度制御器２０２を比例制御ゲインがＫｖｊ＝Ｋｖ＊Ｊで積分時間がＴｉであるＩ−Ｐ制御とする。

図５は本発明の第２実施例を示すシミュレーションに用いた位置指令の説明図である。位置指令発生器４０１は図５（ｂ）に示すような正負対象な周期的三角信号を１階時間積分した図５（ａ）に示す位置指令を生成する。式（６）を用いて算出したクーロン摩擦同定値はＴｃ＝０．００９８Ｎ・ｍとなり、クーロン摩擦真値Ｔｃ＊を用いてクーロン摩擦同定誤差ｅは式（８）のように求められた。

本シミュレーションにおいて、電動機２０４の位置振幅は１回転以下であり、可動範囲の限定された電動機のクーロン摩擦同定ができることが示された。

また、位置制御器４０２と速度制御器２０２をＰ制御、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御とした場合でも演算器１０６は式（６）を用いて前記クーロン摩擦同定値を算出することができる。

このように、本発明のシステム同定装置およびそのシステム同定方法は、トルク指令速度積分値と速度絶対値積分値の比によりクーロン摩擦同定値を算出するので、一定トルク外乱の影響を抑制し、可動範囲の限定された電動機のクーロン摩擦同定を実施できる。

本発明のシステム同定装置は、トルク指令速度積分値と速度絶対値積分値の比よりクーロン摩擦同定値を算出する演算器を有することによって、一定トルク外乱の影響を抑制し可動範囲の限定された電動機のクーロン摩擦を同定することができるので、一般産業用機械などのクーロン摩擦同定に広く適用が可能である。

本発明の第１実施例を示すクーロン摩擦同定器の詳細ブロック図本発明の第１実施例を示す本発明を適用するシステム同定装置のブロック図本発明の第１実施例を示す積分区間の説明図本発明の第２実施例を示す本発明を適用するシステム同定装置のブロック図本発明の第２実施例を示すシミュレーションに用いた位置指令の説明図従来技術を示すシステム同定装置の構成

符号の説明

１０１積分区間演算器
１０２絶対値演算器
１０３第１定積分器
１０４乗算器
１０５第２定積分器
１０６演算器
２０１速度指令発生器
２０２速度制御器
２０３トルク制御器
２０４電動機
２０５位置検出器
２０６微分器
２０７クーロン摩擦同定器
４０１位置指令発生器
４０２位置制御器
６０１速度指令発生部
６０２速度制御部
６０３モデル速度制御部
６０４同定部
６０５調整部

Claims

速度指令を生成する速度指令発生器（２０１）と、前記速度指令と速度からトルク指令を生成する速度制御器（２０２）と、前記トルク指令に応じた電動機電流により電動機（２０４）を駆動するトルク制御器（２０３）と、位置検出器（２０５）が検出した前記電動機（２０４）の位置から前記速度を生成する微分器（２０６）と、前記速度と前記位置と前記トルク指令から前記電動機（２０４）のクーロン摩擦同定値を生成するクーロン摩擦同定器（２０７）と、を有するシステム同定装置において、
前記クーロン摩擦同定器（２０７）は、前記位置から積分区間を生成する積分区間演算器（１０１）と、前記速度から速度絶対値を生成する絶対値演算器（１０２）と、前記速度絶対値と前記積分区間から前記積分区間における前記速度絶対値の定積分値である速度絶対値積分値を生成する第１定積分器（１０３）と、前記速度と前記トルク指令から前記速度と前記トルク指令の乗算値であるトルク指令速度乗算値を生成する乗算器（１０４）と、前記トルク指令速度乗算値と前記積分区間から前記積分区間における前記トルク指令速度乗算値の定積分値であるトルク指令速度積分値を生成する第２定積分器（１０５）と、前記速度絶対値積分値と前記トルク指令速度積分値から前記クーロン摩擦同定値を生成する演算器（１０６）と、
を備えることを特徴とするシステム同定装置。
前記システム同定装置において、前記速度指令発生器（２０１）に換えて、位置指令を生成する位置指令発生器（４０１）と、前記位置指令と前記位置から速度指令を生成する位置制御器（４０２）とを備えることを特徴とする請求項1に記載のシステム同定装置。
速度指令を生成する速度指令発生器（２０１）と、前記速度指令と速度からトルク指令を生成する速度制御器（２０２）と、前記トルク指令に応じた電動機電流により電動機（２０４）を駆動するトルク制御器（２０３）と、位置検出器（２０５）が検出した前記電動機（２０４）の位置から前記速度を生成する微分器（２０６）と、前記速度と前記位置と前記トルク指令から前記電動機（２０４）のクーロン摩擦同定値を生成するクーロン摩擦同定器（２０７）と、を有するシステム同定装置のシステム同定方法において、
前記クーロン摩擦同定器（２０７）は、前記位置から積分区間を生成する積分区間演算器（１０１）と、前記速度からその入力信号絶対値である速度絶対値を生成する絶対値演算器（１０２）と、前記速度絶対値と前記積分区間から前記積分区間における前記速度絶対値の定積分値である速度絶対値積分値を生成する第１定積分器（１０３）と、前記速度と前記トルク指令から前記速度と前記トルク指令の乗算値であるトルク指令速度乗算値を生成する乗算器（１０４）と、前記トルク指令速度乗算値と前記積分区間から前記積分区間における前記トルク指令速度乗算値の定積分値であるトルク指令速度積分値を生成する第２定積分器（１０５）と、前記速度絶対値積分値と前記トルク指令速度積分値から前記クーロン摩擦同定値を生成する演算器（１０６）と、
を備え、
前記速度指令発生器（２０１）は、前記速度指令が同じ値をとる２つの時間において、前記速度指令の１階時間積分値が同じ値をとるような前記速度指令を生成することを特徴とするシステム同定装置のシステム同定方法。
前記速度指令を正負対象な周期的三角信号とすることを特徴とする請求項３に記載のシステム同定装置のシステム同定方法。
前記システム同定装置のシステム同定方法において、前記速度指令発生器（２０１）に換えて、位置指令を生成する位置指令発生器（４０１）と、前記位置指令と前記位置から速度指令を生成する位置制御器（４０２）とを備え、前記位置指令発生器（４０１）は、前記位置指令が同じ値をとる２つの時間において、前記位置指令の１階時間微分値が同じ値をとるような前記位置指令を生成することを特徴とする請求項３に記載のシステム同定装置のシステム同定方法。
前記位置指令の１階時間微分値を正負対象な周期的三角信号とすることを特徴とする請求項５に記載のシステム同定装置のシステム同定方法。
前記積分区間演算器（１０１）は前記速度指令の１階時間積分値が同じ値をとり、前記速度指令が同じ値をとる２つの時間または、前記位置指令が同じ値をとり、前記位置指令の１階時間微分値が同じ値をとる２つの時間を前記積分区間として生成することを特徴とする請求項３または５に記載のシステム同定装置のシステム同定方法。
前記トルク指令をＴｒｅｆ、前記位置をθ、前記積分区間をｔ１≦ｔ≦ｔ２とする場合、前記演算器（１０６）は前記クーロン摩擦同定値Ｔｃを式（１）により算出することを特徴とする請求項３または５に記載のシステム同定装置のシステム同定方法。